KR20120106447A

KR20120106447A - 펌프 시스템 및 그 운전 방법

Info

Publication number: KR20120106447A
Application number: KR1020110024558A
Authority: KR
Inventors: 윤홍민
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-26
Also published as: KR101238946B1; CN102678504B; US20120235619A1; JP2012197788A; US9007006B2; CN102678504A

Abstract

본 발명은 펌프 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 본 발명의 펌프 시스템의 운전 방법은, 펌프 시스템의 교류 전동기의 운전 시 메인 컨트롤러에 의해 부하량 검출 센서로부터의 검출 신호를 입력받아, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별하는 단계; 상기 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적다고 판단되는 경우, 미리 설정된 소정 시간 동안 시간의 경과를 누적하는 단계; 누적된 시간 동안 펌프 시스템이 안정하게 되면, 메인 컨트롤러에 의해 이를 현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단하는 단계; 메인 컨트롤러 의해 전동기의 운전 주파수를 임의의 값으로 가변하고, 부하 궤환값의 변화를 검출하는 단계; 및 운전 주파수의 가변시 부하 궤환값에 변화가 없으면, 메인 컨트롤러에 의해 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전으로 판단하고, 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 펌프가 무유량 상태에서 무부하로 운전하고 있을 때, 펌프의 전동기의 동작 모드를 자동으로 슬립(sleep) 모드로 전환해 줌으로써 무부하 운전으로 인해 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있다.

Description

펌프 시스템 및 그 운전 방법{Pump system and operation method thereof}

본 발명은 펌프 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것으로서, 특히 펌프가 무유량 상태에서 무부하로 운전하고 있을 때, 펌프의 전동기의 동작 모드를 자동으로 슬립(sleep) 모드로 전환해 줌으로써 무부하 운전으로 인해 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 펌프 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.

팬(fan)이나 펌프(pump)와 같은 유량과 유압을 주로 제어하는 응용분야에서는 여러 대의 전동기가 유량이나 유압, 풍량이나 풍압을 제어하게 된다. 일반적으로, 온열(heating), 통풍(ventilating), 냉방(air conditioning)(이하, HVAC) 시장에서 사용되는 전동기들은 사용되는 주위 여건에 대해 특별히 요구되는 몇 가지 사항들이 있다. 건물 빌딩용으로 사용되는 통신 프로토콜들이 그 하나의 예시이며, 전동기가 처하게 되는 습한 상황에 대한 대처방안 기술이 제어기인 인버터에 내장되기도 한다. 이는 최종 소비자 입장에서 하나의 제어기가 모든 상황에 대하여 자기 조절을 단독으로 담당함으로써 사용되는 에너지를 최소화하고 전체 시스템의 소유 총비용(TCO: total cost of ownership)을 절감하여 설비 코스트 다운(cost down)의 효과를 동시에 얻을 수 있다.

도 1은 종래 교류 전동기의 구동 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 교류 전동기의 구동 시스템은 외부의 교류 전원(101)으로부터 교류 전압을 입력받아 직류 전압으로 변환하는 컨버터(102)와, 컨버터(102)에 의해 변환된 직류 전압을 평활화하는 필터 커패시터(103)와, 필터 커패시터(103)를 거친 직류를 교류로 변환하는 것으로, 가변 전압, 가변 주파수에 따라 교류 펄스의 폭을 변조하여 출력하는 PWM(pulse width modulation) 인버터(104)와, 인버터(104)에 유입되는 직류 전압 및 인버터(104)로부터 출력되는 3상 전압에 따른 상전류 등의 각종 정보를 수집하고 각종 운전을 지령하는 메인 컨트롤러(105)와, 메인 컨트롤러(105)로부터 출력된 전압 지령치(V^*)와 주파수 지령치(f^*)를 가지고 PWM 파형을 만들어 PWM 인버터(104)의 각 상의 스위칭 소자에 스위칭 전압을 인가하는 V/f PWM 컨트롤러(106)를 포함한다. 도 1에서 참조번호 110은 PWM 인버터(104)에 의해 운전되는 교류 전동기, 112는 교류 전동기가 실제로 운전시키는 부하를 나타낸다. 또한, 상기 PWM 인버터(104)는 일반 트랜지스터, MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), GTO(gate turn-off thyristor) 등과 같은 반도체 소자로 구성될 수 있다.

이상과 같은 구성의 종래 교류 전동기의 구동 시스템은 상용 전원의 전압을 입력받아 전압 변환을 통하여 출력 전압과 주파수를 변환시켜 교류 전동기(110)에 공급함으로써 전동기의 속도 및 토크를 고효율로 쉽게 제어하는 가변속 전동기 구동장치이다. 이와 같은 교류 전동기의 구동 시스템은 인버터의 제어기 1대를 이용하여 여러 대의 전동기를 제어할 수 있으며, 주로 팬이나 펌프의 유량 및 유압을 제어하는 곳에 두루 사용된다.

인버터와 같은 제어기는 보통의 경우 Built-in PID 제어기를 이용하여 공정의 제어량을 피드백(feedback) 받아 주 전동기 1대를 PID 제어하고, 필요에 따라 보조 전동기를 선택하여 상용으로 운전하도록 외부 신호를 제어하여 피드백되는 제어량을 일정하게 유지시킬 수 있다. 복수 전동기 제어(multi motor control:MMC) 에 따른 운전 제어 중 설정된 유량 또는 유압이 부족하거나 과도하여 주 전동기만으로는 제어를 할 수 없을 경우에, 자동적으로 보조 전동기를 온/오프(On/Off) 한다. 이 기술의 가장 큰 장점은 제어기를 이용해서 사용자가 에너지를 절약하게 되며 이 절약 운전은 부하량이 적을 경우 슬립/웨이크(sleep/wake) 모드를 이용하여 구성할 수 있다.

종래의 펌프 시스템에 적용된 슬립 모드의 경우 제어기에서 판단되는 기준은 다음과 같다.

1) 운전 주파수가 슬립조건을 만족시키는 슬립 주파수 이하일 것.

2) 다수 제어되는 인버터의 모든 보조 전동기가 정지되어 있을 것.

3) 메인 피드백 레벨이 설정된 레벨보다 낮을 것(즉, 부하량이 적을 것).

4) 사용자가 설정한 안정된 시스템의 딜레이(delay) 타임 이상이 경과 할 것(부하량 변화에 대한 밴드가 존재함).

종래의 방식의 경우 위의 모든 조건이 만족하는 시스템에서는 정상적으로 슬립과 웨이크업 동작으로 에너지 절약을 이룰 수 있다. 만약, 제어기가 부하에서 요구되는 제어량이 충분하다고 판단하면 제어기는 출력을 정지하고 인버터는 시스템을 정지시킬 수 있다. 이때 부하량을 검출하는 센서를 주기적으로 체크하면 향후 다시 부하량이 증가될 경우, 제어기는 인버터를 기동하여 부하에 적합한 운전을 시작할 수 있다.

도 2는 위에서 설명된 슬립 모드의 동작 부분과 웨이크 동작에 대한 시퀀스를 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 현재 적용된 대부분의 부하에서는 위의 동작으로 슬립과 웨이크업 동작을 원활하게 수행한다. 하지만 만약에 펌프의 특성에 의해서 부하량은 적으나 실제 주파수가 슬립 주파수에 도달하지 못하면, 부하량이 매우 작은 경우에도 슬립 모드로 동작하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 펌프의 운전에 있어서, 펌프가 무유량 상태에서 무부하로 운전하고 있을 때, 펌프의 전동기의 동작 모드를 자동으로 슬립(sleep) 모드로 전환해 줌으로써 무부하 운전으로 인해 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 펌프 시스템 및 그 운전 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 펌프 시스템은,

부하로서의 펌프와;

상기 펌프의 구동을 위한 교류 전동기와;

상기 교류 전동기의 구동을 위해 외부로부터 교류 전원을 입력받아 직류 전압으로 변환하는 컨버터와;

상기 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 평활화하는 평활부와;

상기 평활부를 거친 직류를 교류로 변환하는 인버터와;

상기 인버터의 반도체 스위칭 소자에 스위칭 전압을 인가하는 V/f PWM 컨트롤러; 및

상기 인버터에 유입되는 직류 전압 및 인버터로부터 출력되는 3상 전압에 따른 상전류와 같은 정보를 수집하여 상기 V/f PWM 컨트롤러로 다양한 운전을 위한 전압 지령(V^*)과 주파수 지령(f^*)을 출력하는 메인 컨트롤러를 포함하며,

상기 메인 컨트롤러는 상기 교류 전동기의 운전 시 부하량 검출 센서로부터의 검출 신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별하고,현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단되는 경우 운전 주파수를 가변하여, 부하 궤환값에 변화가 없으면 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전 상태로 판단하고, 상기 교류 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환하는 기능을 수행하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 부하량 검출 센서로는 유량 센서나 압력 센서가 사용될 수 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 펌프 시스템의 운전 방법은,

펌프와, 펌프의 구동을 위한 교류 전동기와, 교류 전동기의 구동 및 제어를 위한 컨버터, PWM 컨트롤러, 메인 컨트롤러를 포함하는 펌프 시스템의 운전 방법으로서,

a) 상기 펌프 시스템의 교류 전동기의 운전 시 상기 메인 컨트롤러에 의해 부하량 검출 센서로부터의 검출 신호를 입력받아, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별하는 단계;

b) 상기 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적다고 판단되는 경우, 미리 설정된 소정 시간 동안 시간의 경과를 누적하는 단계;

c) 상기 누적된 시간 동안 펌프 시스템이 안정하게 되면, 상기 메인 컨트롤러에 의해 이를 현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단하는 단계;

d) 상기 메인 컨트롤러 의해 전동기의 운전 주파수를 임의의 값으로 가변하고, 부하 궤환값의 변화를 검출하는 단계;

e) 상기 운전 주파수의 가변시 부하 궤환값에 변화가 없으면, 상기 메인 컨트롤러에 의해 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전으로 판단하고, 상기 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 단계 a)의 판별에서, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적지 않은 것으로 판단되는 경우 전동기의 운전 모드를 정상 운전 모드로 유지한다.

또한, 상기 단계 d)에서 운전 주파수를 가속 또는 감속하여 부하 궤환값의 변화를 검출한 결과, 부하 궤환값이 감소되거나 증가하면 이를 정상 상태로 판단하고 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드로 유지한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 펌프의 운전에 있어서 펌프가 무유량 상태에서 무부하로 운전하고 있을 때, 펌프의 전동기의 동작 모드를 자동으로 슬립(sleep) 모드로 전환해 줌으로써 무부하 운전으로 인해 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 교류 전동기의 제어 시스템을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 종래의 펌프 시스템에 적용된 슬립 모드의 동작부분과 웨이크 동작에 대한 시퀀스를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 펌프 시스템의 운전 방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 펌프 시스템은 상기 도 1의 교류 전동기의 제어 시스템과 하드웨어적으로는 기본적으로 차이가 없다. 다만, 메인 컨트롤러의 기능에 있어서, 차이가 있을 뿐이다. 따라서, 상기 도 1을 그대로 참조하여 본 발명에 따른 펌프 시스템에 대하여 설명해 보기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 펌프 시스템은, 부하(112)로서의 펌프와,펌프의 구동을 위한 교류 전동기(110)와, 교류 전동기(110)의 구동을 위해 외부로부터 교류 전원을 입력받아 직류 전압으로 변환하는 컨버터(102)와, 컨버터(102)에 의해 변환된 직류 전압을 평활화하는 평활부(103)와, 그 평활부(103)를 거친 직류를 교류로 변환하는 인버터(104)와, 그 인버터(104)의 반도체 스위칭 소자(일반 바이폴라 트랜지스터 또는 MOSFET 등)에 스위칭 전압을 인가하는 V/f PWM 컨트롤러(106) 및 상기 인버터(104)에 유입되는 직류 전압 및 인버터(104)로부터 출력되는 3상 전압에 따른 상전류와 같은 정보를 수집하여 상기 V/f PWM 컨트롤러(106)로 다양한 운전을 위한 전압 지령(V^*)과 주파수 지령(f^*)을 출력하는 메인 컨트롤러(105)를 포함한다.

여기서, 상기 메인 컨트롤러(105)는 상기 교류 전동기(110)의 운전 시 부하량 검출 센서(미도시)로부터의 검출 신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별하고, 현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단되는 경우 운전 주파수를 가변하여, 부하 궤환값에 변화가 없으면 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전 상태로 판단하고, 상기 교류 전동기(110)의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환하는 기능을 수행한다. 이와 같은 기능의 수행을 위해 상기 메인 컨트롤러(105)의 메모리(미도시)에는 후술되는 본 발명의 펌프 시스템의 운전 방법(도 3 참조)이 소프트웨어 프로그램으로 작성되어 미리 저장된다.

여기서, 또한 상기 부하량 검출 센서로는 유량 센서나 압력 센서가 사용될 수 있다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 펌프 시스템의 운전 방법에 대하여 설명해 보기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 펌프 시스템의 운전 방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 펌프 시스템의 운전 방법에 따라, 먼저 상기 펌프 시스템의 교류 전동기(110)의 운전 시 상기 메인 컨트롤러(105)에 의해 부하량 검출 센서로부터의 검출 신호를 입력받아, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별한다(단계 S301).

상기 판별에서, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적지 않은 것으로 판단되는 경우 전동기의 운전 모드를 정상 운전 모드로 유지한다(단계 S306).

그리고, 상기 단계 S301의 판별에서, 상기 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적다고 판단되는 경우, 미리 설정된 소정 시간 동안 시간의 경과를 누적한다(단계 S302). 여기서, 이와 같이 일정 시간 동안 시간의 경과를 누적하는 것은, 즉 일정 시간 동안 상황을 지켜보는 것은 어떤 원인에 의해 순간적으로 부하량의 감소 현상이 발생했다가도 원래의 정상 상태로 회복되는 경우가 있기 때문에 이러한 상황을 고려한 것이다.

한편, 상기 누적된 시간 동안 펌프 시스템이 안정하게 되면, 상기 메인 컨트롤러(105)에 의해 이를 현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단하여(단계 S303),전동기의 운전 주파수를 임의의 값으로 가변하고, 부하 궤환값의 변화를 검출한다( 단계 S304). 그리고, 부하 궤환값에 변화가 있는지를 판별한다(단계 S305).

상기 단계 S305의 판별에서 부하 궤환값에 변화가 있으면, 즉 운전 주파수를 가속 또는 감속하여 부하 궤환값의 변화를 검출한 결과, 부하 궤환값이 감소되거나 증가하면, 이를 정상 상태로 판단하고 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드로 유지한다(단계 S306).

그리고, 상기 단계 S305의 판별에서 상기 운전 주파수의 가변시(즉, 감속 또는 가속 시) 부하 궤환값에 변화가 없으면, 상기 메인 컨트롤러(105)에 의해 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전으로 판단하고, 상기 전동기(110)의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환한다(단계 S307).

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 펌프 시스템 및 그 운전 방법은 펌프의 운전에 있어서 펌프가 무유량 상태에서 무부하로 운전하고 있을 때, 펌프의 전동기의 동작 모드를 자동으로 슬립(sleep) 모드로 전환해 줌으로써 무부하 운전으로 인해 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 장점이 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

101...교류 전원 102...컨버터
103...평활부(필터 커패시터) 104...인버터
105...메인 컨트롤러 106...V/f PWM 컨트롤러
110...교류 전동기 112...부하

Claims

부하로서의 펌프와;
상기 펌프의 구동을 위한 교류 전동기와;
상기 교류 전동기의 구동을 위해 외부로부터 교류 전원을 입력받아 직류 전압으로 변환하는 컨버터와;
상기 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 평활화하는 평활부와;
상기 평활부를 거친 직류를 교류로 변환하는 인버터와;
상기 인버터의 반도체 스위칭 소자에 스위칭 전압을 인가하는 V/f PWM 컨트롤러; 및
상기 인버터에 유입되는 직류 전압 및 인버터로부터 출력되는 3상 전압에 따른 상전류와 같은 정보를 수집하여 상기 V/f PWM 컨트롤러로 다양한 운전을 위한 전압 지령(V^*)과 주파수 지령(f^*)을 출력하는 메인 컨트롤러를 포함하며,
상기 메인 컨트롤러는 상기 교류 전동기의 운전 시 부하량 검출 센서로부터의 검출 신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별하고,현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단되는 경우 운전 주파수를 가변하여, 부하 궤환값에 변화가 없으면 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전 상태로 판단하고, 상기 교류 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환하는 기능을 수행하는 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 부하량 검출 센서는 유량 센서 또는 압력 센서인 펌프 시스템.
펌프와, 펌프의 구동을 위한 교류 전동기와, 교류 전동기의 구동 및 제어를 위한 컨버터, PWM 컨트롤러, 메인 컨트롤러를 포함하는 펌프 시스템의 운전 방법으로서,
a) 상기 펌프 시스템의 교류 전동기의 운전 시 상기 메인 컨트롤러에 의해 부하량 검출 센서로부터의 검출 신호를 입력받아, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적은지를 판별하는 단계;
b) 상기 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적다고 판단되는 경우, 미리 설정된 소정 시간 동안 시간의 경과를 누적하는 단계;
c) 상기 누적된 시간 동안 펌프 시스템이 안정하게 되면, 상기 메인 컨트롤러에 의해 이를 현재의 부하량이 실제로 적은 것으로 판단하는 단계;
d) 상기 메인 컨트롤러 의해 전동기의 운전 주파수를 임의의 값으로 가변하고, 부하 궤환값의 변화를 검출하는 단계; 및
e) 상기 운전 주파수의 가변시 부하 궤환값에 변화가 없으면, 상기 메인 컨트롤러에 의해 이를 펌프의 무유량에 따른 무부하 운전으로 판단하고, 상기 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드에서 슬립 모드로 전환하는 단계를 포함하는 펌프 시스템의 운전 방법.
제3항에 있어서,
상기 단계 a)의 판별에서, 검출신호에 따른 현재의 부하량이 설정된 기준 부하량보다 적지 않은 것으로 판단되는 경우 전동기의 운전 모드를 정상 운전 모드로 유지하는, 펌프 시스템의 운전 방법.
제3항에 있어서,
상기 단계 d)에서 운전 주파수를 가속 또는 감속하여 부하 궤환값의 변화를 검출한 결과, 부하 궤환값이 감소되거나 증가하면 이를 정상 상태로 판단하고 전동기의 운전 모드를 정상 운전모드로 유지하는, 펌프 시스템의 운전 방법.