KR102409922B1 - 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부 되던 센서의 구성을 없애고, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량만큼 토출되도록 펌프를 자동 제어함으로써 전력을 크게 절감할 수 있도록 한 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터에 관한 것이다.
본 발명은 기준전류를 제1LPF를 통해 입력받는 제1PID제어부; 상기 제1PID제어부의 출력을 설정된 값으로 펄스폭 변조하여 출력하는 PWM제어부; 상기 PWM제어부의 출력을 입력받아 순환펌프를 구동하고, 출력전류를 제2LPF를 통해 상기 제1PID제어부로 피드백하여주는 구동부; 상기 순환펌프로 입력되는 구동 값을 통해 순환펌프의 RPM을 판단하는 RPM판단부; 상기 구동부의 출력신호와 상기 PRM판단부의 입력신호를 통해 현재 압력을 판단하고 예측 알고리즘에 의해 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량이 토출되도록 기준압력을 재설정하여 주는 압력판단제어부; 및 상기 압력판단제어부에 의해 조정된 압력신호를 상기 제1PID제어부로 제공하여 상기 순환펌프가 설정된 유량으로 토출되도록 하는 제2PID제어부를 포함하여 구성된다.

Description

센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터{Inverter for pumps applying sensorless algorithm}

본 발명은 펌프 구동용 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부 되던 센서의 구성을 없애고, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량만큼 토출되도록 펌프를 자동 제어함으로써 전력을 크게 절감할 수 있도록 한 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터에 관한 것이다.

일반적으로 펌프는 구동원동기로부터 기계적 에너지를 받고 이 에너지를 취급 액체에 전달하여 이 액체를 저압부에서 고압부로 토출하는 기계이다.

액체에 에너지를 전달하는 방법에는 동력학적인 방법이 있다. 동력학적으로 전달하는 펌프에는 터보형 펌프가 있고, 이것은 광범위한 유량과 압력에서 사용될 수 있다.

정력학적으로 에너지를 전달하는 것으로는 용적형 펌프가 있으며, 이것은 특히 고압 소유량용으로 적합하다. 이 밖에의 원리에 의한 것은 특수형 펌프라고 한다.

근래 공장 자동화가 진전됨에 따라 과거 일정한 속도로 운전해오던 펌프를 가변속하는 사례가 증가하고 있다.

최근에는 빌딩들이 인텔리전트화 되어 모든 건물의 방범, 방재에서부터 공조에 이르기까지 자동화되고 있는데, 이중 공조분야에서는 보다 쾌적한 사무 또는 주거환경을 만들기 위해 정밀한 온도 및 습도 제어가 요구되어 에어컨, 냉동기 등에도 인버터를 적용한 가변속 펌프의 응용이 증가되고 있다.

종래의 인버터를 이용한 펌프구동 시스템을 도 1을 참조하여 살펴본다.

먼저, 기준전류가 제1LPF(Low Pass Filter:저역통과필터)(10)를 통해 제1PID(Proportional Integral Derivative)제어부(20)에 입력되고, 상기 제1PID제어부(20)의 제어 출력이 PWM제어부(30) 및 구동부(40)를 통해 순환펌프(50)로 인가되어 순환펌프(50)는 구동되고, 상기 구동부(40)의 출력전류는 제2LPF(60)를 통해 상기 제1PID제어부(20)로 피드백되어 상기 순환펌프(50)를 안정적으로 동작시켜 준다.

또한 순환펌프(50)와 연결되는 배관에 설치된 압력센서(70)로부터 유량의 압력을 검출하고, 이 압력신호를 제3LPF(80)를 통해 기준압력으로 피드백하여 주고, 상기 조정된 기준 압력은 제2PID제어부(90)를 통해 상기 제1PID제어부(10)로 제공된다.

따라서 상기 제1PID제어부(10)는 상기 제2PID제어부(90)로부터 입력된 압력값을 변수로 하여 순환펌프(50)를 유효적절하게 구동하게 된다.

이와 같은 압력센서가 있는 인버터방식의 순환펌프 구동의 일례를 알아본다.

종래, 빌딩 공조기의 열교환기 코일에는 냉온수를 공급하는 냉온수 순환펌프가 설치된다.

이는 도 2에서와 같이 공조기의 온도 조절에 의하여 코일에 공급되는 냉수 또는 온수량은 각 코일의 전단에 설치된 밸브에 의하여 유량이 조절된다.

이와 같은 냉온수 순환펌프의 특성 곡선을 도 3을 통해 살펴보면, 하루시간 중 외부 기온의 변화량에 따라 공조기로부터 공급되는 온도가 변하고 그에 따라 냉온수량이 가감되는 특성을 보인다.

즉 펌프의 정격 용량에서의 축동력(펌프가 요구하는 전동기출력)은 P1, 유량이 줄어들면서 펌프의 양정(토출압력)은 서서히 증가하는 특성을 보인다.

이때에 과대한 압력증가를 억제하기 위해서는 펌프의 용량을 증가시켜야 하는데 이것을 이용한 것이 바이패스(By-pass) 밸브를 설치한 운전방식이다.

펌프의 사용유량이 낮아지면 의도적으로 사용유량을 증가시켜 펌프의 토출 압을 일정한 수준이하로 유지시킴으로서 설비를 보호한다.

이때 축동력은 P2로 실제 공조기의 공급 유량과 비교하여 적은 유량에서는 많은 전력을 소비하게 되는 문제점이 있었다.

등록특허공보 10-1341476(2013.12.09 등록) - 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치 공개특허공보 10-2014-0090848(2014.07.18 공개) - 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부 되던 센서의 구성을 없애고, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량만큼 토출되도록 펌프를 자동 제어함으로써 전력을 크게 절감할 수 있도록 한 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터를 제공하는 것에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기준전류를 제1LPF를 통해 입력받는 제1PID제어부; 상기 제1PID제어부의 출력을 설정된 값으로 펄스폭 변조하여 출력하는 PWM제어부; 상기 PWM제어부의 출력을 입력받아 순환펌프를 구동하고, 출력전류를 제2LPF를 통해 상기 제1PID제어부로 피드백하여주는 구동부; 상기 순환펌프로 입력되는 구동 값을 통해 순환펌프의 RPM을 판단하는 RPM판단부; 상기 구동부의 출력신호와 상기 PRM판단부의 입력신호를 통해 현재 압력을 판단하고 예측 알고리즘에 의해 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량이 토출되도록 기준압력을 재설정하여 주는 압력판단제어부; 및 상기 압력판단제어부에 의해 조정된 압력신호를 상기 제1PID제어부로 제공하여 상기 순환펌프가 설정된 유량으로 토출되도록 하는 제2PID제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르자면 상기 압력판단제어부의 압력 예측 알고리즘은 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하고, 이에 대응되도록 필요한 유량을 설정하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부 되던 센서의 구성을 없애고, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량만큼 토출되도록 펌프를 자동 제어함으로써 전력을 크게 절감할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 종래 센서가 있는 펌프 구동용 인버터의 블록도,
도 2는 종래 바이패스 밸브 운전방식의 개념도,
도 3은 종래 바이패스 밸브 운전시 축동력 특성곡선,
도 4는 본 발명에 따른 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터의 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 센서가 없는 펌프 운전방식의 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 센서가 없는 펌프의 축동력 특성곡선이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터의 블록도로서, 이들 도시된 바와 같이 본 발명 센서가 없는 인버터를 이용한 펌프 구동시스템은, 기준전류를 제1LPF(Low Pass Filter:저역통과필터)(110)를 통해 입력받는 제1PID(Proportional Integral Derivative)제어부(120)와, 상기 제1PID제어부(120)의 출력을 설정된 값으로 펄스폭 변조하여 출력하는 PWM제어부(130) 및 이 PWM제어부(130)의 출력을 입력받아 순환펌프(150)를 구동하고 출력전류를 제2LPF(160)를 통해 상기 제1PID제어부(120)로 피드백하여 주는 구동부(140)와, 상기 순환펌프(150)로 입력되는 구동 값을 통해 순환펌프(150)의 RPM을 판단하는 RPM판단부(170)와, 상기 구동부(140)의 출력신호와 상기 PRM판단부(170)의 입력신호를 통해 현재 압력을 판단하고 예측 알고리즘에 의해 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량이 토출되도록 기준압력을 재설정하여 주는 압력판단제어부(180)와, 상기 압력판단제어부(180)에 의해 조정된 압력신호를 상기 제1PID제어부(120)로 제공하여 상기 순환펌프(150)가 설정된 유량으로 토출되도록 하는 제2PID제어부(190)를 포함한다.

상기 제1PID제어부(120)는 전원공급장치를 통해 제공되는 기준 전류(Reference current)를 제1LPF(110)를 통해 입력받아 상기 순환펌프(150)를 중앙 제어한다.

상기 PWM제어부(130)는 상기 제1PID제어부(120)의 출력제어에 의하여 상기 순환펌프(모터)(150)로 제공되는 구동 펄스신호의 펄스폭을 조절하여 출력한다.

상기 구동부(140)는 상기 PWM제어부(130)로부터 출력되는 펄스폭 조절된 펄스신호를 이용하여 인버터 구동되어 상기 순환펌프(150)로 구동 전원을 공급한다.

이와 동시에 상기 구동부(140)는 인버터 구동의 안정성을 위해 출력신호를 제2LPF(160)를 통해 상기 제1PID제어부(120)로 피드백하여 준다.

상기 순환펌프(150)는 여기에서는 빌딩의 각층에 설치되는 공조기의 열교환기 코일에 사용되는 냉온수 순환펌프가 바람직하다.

상기 RPM판단부(170)는 상기 순환펌프(150)로 입력되는 구동 값을 통해 순환펌프(150)의 RPM을 판단하여 유량을 예측한다.

상기 압력판단제어부(180)는 상기 구동부(140)의 출력신호와 상기 PRM판단부(170)의 입력신호를 통해 현재 공조기의 열교환기 코일 내부의 압력을 판단한다.

그리고 이미 설정된 예측 알고리즘에 의해 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량만큼 토출되도록 기준압력을 재설정하여 준다.

상기 제2PID제어부(190)는 상기 압력판단제어부(180)에 의해 조정된 압력신호를 상기 제1PID제어부(120)로 제공하여 상기 순환펌프(150)가 설정된 유량으로 토출되도록 하여 준다.

이와 같이 구성되는 본 발명 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터는, 도 5에서와 같이 종래의 바이패스 밸브 운전방식을 우선 인버터 방식으로 개선한 것으로, 냉온수 순환펌프의 토출구 측에 압력센서를 설치하고 펌프의 토출압력을 검출하는 방식이 아닌 압력센서를 제거하고 제어부를 통해 압력 예측 알고리즘을 적용하여 냉온수 순환펌프를 구동하는 것이다.

이와 같은 본 발명 냉온수 순환펌프의 특성 곡선을 도 6을 통해 살펴보면, 정격은 같은 상태에서 기존의 바이패스 운전시 냉온수 순환펌프의 토출압력은 H2로 정격의 H1을 그대로 유지한다.

이때 소비되는 전력은 P2로써 종래의 바이패스 운전시보다 더 많은 전력 절감을 수행하게 되는 것이다.

110: 제1LPF 120: 제1PID제어부
130: PWM제어부 140: 구동부
150: 순환펌프 160: 제2LPF
170: PWM판단부 180: 압력판단제어부
190: 제2PID제어부

Claims (2)

1. 기준전류를 제1LPF(110)를 통해 입력받는 제1PID제어부(120);
   상기 제1PID제어부(120)의 출력을 설정된 값으로 펄스폭 변조하여 출력하는 PWM제어부(130);
   상기 PWM제어부(130)의 출력을 입력받아 순환펌프(150)를 구동하고 출력전류를 제2LPF(160)를 통해 상기 제1PID제어부(120)로 피드백하여주는 구동부(140);
   상기 순환펌프(150)로 입력되는 구동 값을 통해 순환펌프(150)의 RPM을 판단하는 RPM판단부(170);
   상기 구동부(140)의 출력신호와 상기 RRM판단부(170)의 입력신호를 통해 현재 압력을 판단하고 예측 알고리즘에 의해 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하여 필요한 유량이 토출되도록 기준압력을 재설정하여 주는 압력판단제어부(180); 및
   상기 압력판단제어부(180)에 의해 조정된 압력신호를 상기 제1PID제어부(120)로 제공하여 상기 순환펌프(150)가 설정된 유량으로 토출되도록 하는 제2PID제어부(190)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압력판단제어부(180)의 압력 예측 알고리즘은 외부기온의 변화에 따라 냉온수량이 가변되는 특성을 예측하고, 이에 대응되도록 필요한 유량을 설정하는 것을 특징으로 하는 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터.

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