KR102428848B1

KR102428848B1 - 인버터 펌프

Info

Publication number: KR102428848B1
Application number: KR1020200103257A
Authority: KR
Inventors: 박정수; 박상현; 전재홍
Original assignee: 윌로펌프 주식회사
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2022-08-03
Also published as: KR20220022281A

Abstract

본 발명은 모터, 모터에 인가되는 전원의 전압 및 주파수 중 적어도 하나를 조절하여, 모터의 회전 속도를 제어하는 인버터, 및 모터가 고착되어 모터의 회전이 제한되는 구속상태 시, 모터에 소정의 출력 전압을 인가하는 토크 보상부를 포함하여, 인버터의 파손 없이 모터의 구속상태를 해제할 수 있다.

Description

인버터 펌프{THE INVERTER PUMP}

본 발명은 인버터 펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터의 구속상태를 안정적으로 해제할 수 있는 인버터 펌프에 관한 것이다.

펌프란 모터 또는 엔진 출력등의 기계적 운동을 유압 또는 수압으로 바꾸는 기계적 장치이다. 모터를 포함하는 유체펌프는 모터에 의한 임펠러의 회전으로 유체가 유입구로 흡입되어 토출구로 배출된다. 이에 의해, 수조 등에 위치하는 유체를 수조 외부로 이송할 수 있다.

대부분의 펌프에는 인버터가 적용된다. 인버터는 하드웨어, 소프트웨어가 간단하며 값싸고 신뢰성이 높으며 매우 에너지 효율적이고 교류전동기의 제어성을 크게 향상시켜 주기 때문이다.

그러나, 인버터 펌프의 경우 저 주파수 대역에서의 출력 전압이 낮아 전류가 아주 낮게 흘러 충분한 토크를 내지 못한다. 또한, 고 주파수 대역에서 출력 전압은 높으나 로터가 구속되어 있는 상태에서 출력 전류가 매우 크게 흘러 인버터의 손상을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시 예는, 인버터의 손상을 방지하고, 구속된 모터를 회전시킬 수 있는 충분한 토크 확보가 가능한 인버터 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 펌프는 모터에 인가되는 전원의 전압 및 주파수 모두를 중 적어도 하나를 조절하여, 모터의 회전 속도를 제어하는 인버터, 및 모터가 고착되어 모터의 회전이 제한되는 구속상태 시, 모터에 소정의 출력 전압을 인가하는 토크 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 인버터는 과전류 방지부를 포함하며, 토크 보상부는 과전류 방지부의 동작에 따라 구속상태를 판단하는 구속상태 판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 출력 전압의 주파수는 4Hz 내지 6Hz 인 것을 특징으로 한다.

또한, 출력 전압은 인버터의 최대 출력 전압의 25% 내지 37% 인 것을 특징으로 한다.

또한, 모터가 단상 1마력 수중모터인 경우, 출력 전압은 60Vrms 내지 65Vrms 인 것을 특징으로 한다.

또한, 모터가 단상 2마력 수중모터인 경우, 출력 전압은 74Vrms 내지 80Vrms 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 인버터의 손상을 방지하면서 모터의 구속상태를 해제할 수 있는 충분한 토크를 확보할 수 있다.

또한, 인버터 회로에 연계되는 간단한 구조로 모터의 구속상태를 감지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 펌프의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모터의 등가 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 인버터 펌프의 다른 실시 예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.

"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

"위에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우 뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다.

"연결"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성에 직접 연결되는 경우 뿐만아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 방식으로 연결된 경우까지 포함하는 것을 의미한다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 인버터 펌프(10)를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 펌프(10)의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 펌프(10)는 모터를 구동하는 구동회로의 파손 없이 모터의 구속상태를 안정적으로 회피할 수 있도록 모터(100), 인버터(200) 및 토크 보상부(300)를 포함한다.

모터(100)는 미도시된 임펠러를 회전시켜, 유체를 이송시킬 수 있다. 인버터(200)는 모터(100)에 인가되는 전원의 전압 및 주파수 중 적어도 하나를 제어하여, 모터(100)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 토크 보상부(300)는 모터(100)의 회전이 제한되는 구속상태 시, 모터(100)에 소정의 출력 전압을 인가하여 모터(100)를 구속상태로부터 회피시킬 수 있다.

유체를 이송하는 펌프의 경우, 유체를 이송하지 않고 있을 시 펌프 내부에 유체로 가득차 있게 된다. 유체가 물일 경우, 펌프 내부의 물에 의해서 펌프의 여러 부품들이 고착될 수 있다. 또한, 유체에 존재하는 이물질(모래 또는 흙 덩어리 등)에 의해서 임펠러(미도시)가 구속될 수 있다. 모터(100)의 구속상태란 펌프의 여러 부품들 또는 임펠러가 고착되어 회전되지 않는 상태를 말한다. 구속상태의 모터(100)를 회전시키기 위해서는 소정의 토크가 요구된다.

인버터(200)는 전원(20)에서 모터(100)에 인가되는 출력 전압 및 주파수를 제어한다. 인버터(200)는 하드웨어 및 소프트웨어가 간단하고 저렴하며, 신뢰성이 높아 교류전동기의 제어성을 크게 향상시켜 주기 때문에 가변속 교류 전동기로 많이 적용된다. 이러한 인버터(200)는 IGBT 스위칭 소자를 포함한다. IGBT 스위칭 소자는 정격 전류를 초과하는 전류가 짧은 시간 동안 흐르더라도 파괴되는 현상이 발생한다. 이를 방지하기 위해, 인버터(200)는 과전류 방지부(210)를 포함하며, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

토크 보상부(300)는 모터(100)가 고착되어 회전이 제한된 구속상태 발생 시, 모터(100)에 소정의 출력 전압을 인가한다. 이에 의해, 모터(100)에는 소정 토크가 발생되어 모터(100)가 구속상태에서 벗어나 회전할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 인버터 펌프(10)의 다른 실시 예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1 및 3을 참조하면, 토크 보상부(300)는 구속상태 판단부(310)를 포함할 수 있다. 구속상태 판단부(310)는 인버터(200)의 과전류 방지부(210)의 동작에 따라 모터(100)의 구속상태를 판단할 수 있다. 예컨대, 모터(100)가 구속상태인 경우, 인버터(200)는 모터(100)를 구동하기 위해 출력 전압을 증가시키게 된다. 출력 전압의 증가로 인버터(200)의 내부에 큰 전류가 흐를 수 있다. 과전류 방지부(210)는 인버터(200)에 흐르는 전류가 기 설정된 전류값(범위)에 도달한 경우, 신호를 발생시킬 수 있다.

구속상태 판단부(310)는 과전류 방지부(210)에서 신호 발생 시 모터(100)의 구속상태로 판단할 수 있다. 구속상태 판단부(310)에서 모터(100)의 구속상태로 판단된 경우, 토크 보상부(300)는 모터(100)에 소정의 출력 전압을 인가하여 구속상태를 벗어날 수 있는 토크를 모터(100)에 발생시킨다. 즉, 토크 보상부(300)는 인버터(200)의 동작과 별개로 모터(100)에 소정의 출력 전압을 인가할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 모터(100)의 등가 회로도이다.

도 2는 유도 전동기의 근사 등가 회로이다. 모터(100)는 유도 전동기일 수 있다. 즉, 모터(100)는 스테이터(1차측)와 로터(2차측)를 포함한다. 인버터(200)에서 인가되는 출력 전압은 스테이터(1차측, V1)에 인가된다. 이에 의해, 로터(2차측, E1)에 기전력이 발생되어 로터가 회전될 수 있다. 여기서, 로터의 토크(T)는 하기 산출식에 의해 계산될 수 있다.

[산출식]

여기서, ω_S는 동기속도이며, S는 슬립이고, I₂는 로터에 유도되는 2차 전류이며, r₂는 로터(2차측)의 등가저항이다.

위 산출식을 참조하면, 토크(T)는 2차 전류(I₂), 슬립(S) 및 동기속도(ω_S)를 조절하여 증가시킬 수 있다. 여기서, 슬립(S)은 구속상태에서 1이다. 동기속도(ω_S)는 주파수에 비례한다. 또한, 2차 전류(I₂)는 인버터(200)의 IGBT 스위칭 소자의 파손을 방지하기 위해 제한이 따른다. 따라서, 소정의 2차 전류(I₂)의 크기를 유지하면서 주파수를 낮게하여 토크(T)를 향상시킬 수 있다. 즉, 인버터(200)를 보호하면서 최대 토크(T)를 발생시킬 수 있는 출력 전압을 모터(100)에 인가하는 것이 중요하다. 또한, 저주파수에서는 모터(100)의 스테이터 전류의 파형이 왜곡되어 맥동 토크가 증가한다. 맥동 토크는 모터(100)의 토크(T) 및 내구성을 오히려 저하시킨다. 따라서, 최적 주파수를 가지는 출력 전압을 모터(100)에 인가하는 것이 중요하다.

일 실시 예로, 모터(100)에 인가되는 출력 전압의 주파수가 4Hz 내지 6Hz일 때(바람직하게는 5Hz임), 모터(100)의 토크(T)는 최대임을 확인하였다. 4Hz 미만에서는 모터(100)의 스테이터 전류의 파형이 많이 왜곡되어 맥동토크가 심하게 발생되었다. 이는 모터(100)의 토크(T)를 오히려 감소시켰다. 출력 전압의 주파수가 6Hz 를 초과할수록 2차 전류(I₂)의 파형이 정현파에 가까워져 회전이 부드러우나 토크는 점점 감소함을 확인하였다.

한편, 모터(100)의 토크(T)는 모터의 스테이터에 흐르는 전류에 비례한다. 따라서, 큰 전류를 스테이터에 인가하여 큰 토크(T)를 발생시킬 수 있으나, 인버터(200)의 IGBT 스위칭 소자는 정격 전류를 초과한 과전류가 수초만 흐르더라도 파손된다. 따라서, 인버터(200)의 파손을 방지하는 범위에서 최대 모터(100)의 토크(T)를 발생시키는 출력 전압을 찾는 것이 중요하다.

모터(100)에 인가되는 출력 전압은 인버터(200)의 최대 출력 전압의 25% 내지 37% 일 수 있다. 이 경우, 인버터(200)의 파손을 방지할 수 있는 정격 전류의 90%에 해당하는 전류가 인버터(200)에 흐른다. 즉, 정격 전류 대비 10%의 안정성을 확보하면서 모터(100)가 구속상태에서 해제될 수 있는 충분한 토크(T)를 확보하였다.

일 실시 예로, 단상 1마력 수중 펌프(모터)의 경우 모터(100)에 인가되는 출력 전압은 인버터(200) 최대 출력 전압의 29% 에 해당하는 60 Vrms 내지 65 Vrms(바람직하게 63.8 Vrms) 를 가질 수 있다. 이때, 인버터(200)의 정격 전류 23Apeak(최대 전류치) 대비 10% 여유를 가지는 20,2 Apeak의 전류가 인버터(200)에 흐르며, 구속상태를 해제할 수 있는 모터(100)의 토크(T)를 확보할 수 있다.

또한, 단상 2마력 수중 펌프(모터)의 경우 모터(100)에 인가되는 출력 전압은 인버터(200) 최대 출력 전압의 35%에 해당하는 74 Vrms 내지 80 Vrms(바람직하게 77 Vrms)를 가질 수 있다. 이때, 인버터(200)의 정격 전류 28Apeak 대비 10% 여유를 가지는 22.8 Apeak의 전류가 인버터(200)에 흐르며, 구속상태를 해제할 수 있는 모터(100)의 토크(T)를 확보할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 인버터 펌프
20 : 전원
100 : 모터
200 : 인버터
210 : 과전류 방지부
300 : 토크 보상부
310 : 구속상태 판단부

Claims

모터;
모터에 인가되는 전원의 전압 및 주파수 중 적어도 하나를 조절하여, 모터의 회전 속도를 제어하는 인버터; 및
모터가 고착되어 모터의 회전이 제한되는 구속상태 시, 모터에 소정의 출력 전압을 인가하는 토크 보상부를 포함하며,
인버터는 과전류 방지부를 포함하며,
토크 보상부는 과전류 방지부의 동작에 따라 구속상태를 판단하는 구속상태 판단부를 포함하며,
구속상태 판단부에서 모터의 구속상태로 판단된 경우, 토크 보상부는 인버터의 동작과 별개로 모터에 출력 전압을 인가하며,
출력 전압은 4Hz 내지 6Hz의 주파수를 가지는 인버터 펌프.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
출력 전압은 인버터의 최대 출력 전압의 25% 내지 37% 인 인버터 펌프.
제 1 항에 있어서,
모터가 단상 1마력 수중모터인 경우,
출력 전압은 60Vrms 내지 65Vrms 인 인버터 펌프.
제 1 항에 있어서,
모터가 단상 2마력 수중모터인 경우,
출력 전압은 74Vrms 내지 80Vrms 인 인버터 펌프.