KR20160076845A - 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치 - Google Patents

위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치 Download PDF

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KR20160076845A
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김지훈
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김지훈
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Abstract

본 발명은 상용 교류전원의 제로크로스지점을 기준으로 위상을 변조하여 모터 펌프의 구동을 제어하는 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치가 개시된다.
본 발명은 소정의 기능버튼과 숫자 버튼 및 디스플레이를 포함하며, 펌프의 다양한 운전모드 중 특정 모드의 선택신호를 출력하는 조작패널; 상용 교류전원의 극성이 변경되는 제로크로스지점을 검출하여 위상제어부에 제공하는 제로크로스감지부; 제로크로스감지부에서 제공되는 상용 교류전원의 제로크로스지점을 기준으로 조작패널로 선택된 특정 모드에 해당하는 수압을 제공하기 위해 모터 펌프에 공급되는 상용 교류전원의 위상을 결정하는 위상제어부; 위상제어부의 제어신호에 따라 상용 교류전원의 위상을 변조시키기 위해 스위치부를 동작시는 구동부; 구동부의 신호에 따라 스위칭되어 상용 교류전원의 위상을 변조시켜 위상이 변조된 상용 교류전원을 모터 펌프에 공급하는 스위치부를 포함한다.

Description

위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치{Apparatus for controlling mortor pump using phase control}
본 발명은 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제로크로스감지부가 상용 교류전원의 제로크로스(zero cross) 지점을 검출하여 위상제어부에 제공하고, 위상제어부는 제로크로스 지점을 기준으로 선택된 운전모드에 대응하여 상용 교류전원의 위상을 결정하는 제어신호를 구동부로 송신하며, 구동부는 제어신호에 따라 스위치를 동작시킴으로써, 제로크로스 지점을 기준으로 위상이 변조된 상용 교류전원을 모터 펌프에 공급하여 모터 펌프의 구동을 제어할 수 있도록 하는 모터 펌프 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 펌프(pump)는 압력작용을 이용하여 관을 통하여 유체를 수송하는 기계를 말하는 것으로, 압력작용에 의하여 액체나 기체의 유체를 관을 통해서 수송하거나, 저압의 용기 속에 있는 유체를 관을 통하여 고압의 용기 속으로 압송하는 기계이다.
상기와 같은 펌프는 광산에서의 농업용수의 관개, 지하수의 배수, 산업현장의 배수 등의 용도로 쓰이며, 오늘날 농촌, 광산, 토목공사장, 공장, 가정에 이르기까지 유체의 이동이 필요한 곳에서는 펌프가 사용되고 있다. 또한, 펌프는 물뿐만 아니라 석유나 각종 약품 또는 펄프, 비스코스, 슬러지 등 특수한 유체의 수송에도 광범하게 사용되고 있다.
이와 같이, 유체를 송출하는 펌프 중에 모터를 이용한 모터 펌프는 전원이 인가된 전자석의 기전력에 의해 내부의 회전자를 회전시켜 외부로부터 유입된 유체를 가압하여 토출하게 되며, 수송되는 유체의 양과 압력을 조절하기 위하여 모터를 제어하는 것이 필수적이다. 이를 위해, 종래에는 인버터 방식 단상 모터 펌프를 통해 유체량과 유압을 조절하였다.
도 1을 통해, 종래의 모터 펌프 제어장치의 문제점에 대해 살펴보도록 한다.
도 1은 종래의 모터 펌프 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이 다양한 펌프들의 동작을 제어하기 위해서는 인버터 방식이 사용되고 있다.
인버터 방식은 상용 교류전원을 컨버터(11)를 통해 직류전원으로 변환시키고, 컨버터(11)로 변환된 직류전원을 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 FET(Field Effect Transistor) 등의 전력 반도체 소자로 구성되는 인버터(12)로 교류전원으로 변환시켜 펌프에 동작 전원으로 공급하고 있다.
그러나, 인버터 방식의 제어장치는 컨버터(11), 인버터(12) 및 IGBT 와 같은 복잡한 회로 구성과 더불어 많은 제작 비용이 요구되므로, 가격 경쟁력을 악화시키는 단점이 발생될 수 있다.
또한, 인버터 소자는 스위칭의 동작에서 고조파로 인해 발열이 증가되어 소자의 내구 수명을 단축시키는 문제점을 발생시킬 수 있다.
이에, 본 발명자는, 제로크로스감지부가 상용 교류전원의 제로크로스 지점을 검출하여 위상제어부에 제공하고, 위상제어부는 제로크로스 지점을 기준으로 선택된 운전모드에 대응하여 상용 교류전원의 위상을 결정하는 제어신호를 구동부로 송신하며, 구동부는 제어신호에 따라 스위치를 동작시켜 제로크로스 지점을 기준으로 위상이 변조된 상용 교류전원을 모터 펌프에 공급하여 모터 펌프의 구동을 제어함으로써, IGBT 및 Heat sink등의 방열 구조가 생략되어 원가가 절감되고, 상용 교류전원을 사용하여 고조파에 의한 발열이 발생되지 않아 소자들의 안정화 및 신뢰성 향상된 농촌, 광산, 토목공사장, 공장, 가정 등에서 사용되는 모터 펌프 제어장치를 발명하기에 이르렀다.
공개특허공보 제10-2014-0047800호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 상용 교류전원에 대하여 직류 및 교류의 변환 과정을 거치지 않고, 상용 교류전원의 제로크로스 지점을 기준으로 위상을 변조하여 모터 펌프의 구동을 제어하는 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치는, 상용 교류전원의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 검출하여 위상제어부에 제공하는 제로크로스감지부; 상기 제로크로스감지부에서 제공되는 상용 교류전원의 제로크로스 지점을 기준으로 특정 모드에 해당하는 수압을 제공하기 위해 모터 펌프에 공급되는 상용 교류전원의 위상을 결정하는 위상제어부;를 포함하여 구성되고, 상기 위상제어부는 상기 특정 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 위상을 가변 변조시킬 수 있다.
상기 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치는 소정의 기능 버튼과 숫자 버튼 및 디스플레이를 포함하며, 모터 펌프의 다양한 운전모드 중 상기 특정 모드의 선택신호를 출력하는 조작패널; 상기 위상제어부의 제어신호에 따라 상용 교류전원의 위상을 변조시키기 위해 스위치부를 동작시는 구동부; 및 상기 구동부의 신호에 따라 스위칭되어 상용 교류전원의 위상을 변조시켜 위상이 변조된 상용 교류전원을 모터 펌프에 공급하는 스위치부;를 더 포함할 수 있다.
상기 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치는 상용 교류전원에 유입되는 서지를 차단시켜 내부소자를 보호하고, 상용 교류전원의 극성을 음극에서 양극으로 제어하는 입력단회로와; 상용 교류전원을 정류 및 강하시켜 모터 펌프 제어장치의 각 부하요소에 동작 전원을 공급하는 전원부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제로크로스감지부는, 상용 교류전원의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 영전압의 위치로 감지하여 상기 위상제어부에 제공할 수 있다.
상기 위상제어부는, 특정 모드로 선택된 수압을 제공하기 위해 모터 펌프를 구동시키는 상용 교류전원의 위상을 변조시킬 수 있다.
상기 위상제어부는, 상기 조작패널로 선택되는 특정 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 공급 시작시점을 가변시켜 위상변조를 제공할 수 있다.
상기 위상제어부는, 상기 조작패널로 선택되는 특정 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 공급 종료시점을 가변시켜 위상변조를 제공할 수 있다.
상기 위상제어부는, 상용 교류전원(AC_IN)을 제로크로스 지점(ZC)보다 일정값만큼 위상 지연(△T)된 제로크로스 지점을 기준으로 모터 펌프를 동작시켜 특정 모드로 선택된 수압을 토출시킬 수 있다.
상기 스위치부는, 트라이악으로 구성될 수 있다.
상기 스위치부는, 상기 제로크로스 지점을 기준으로 동작을 하지 않고 있다가 상기 구동부로부터 제어신호가 인가되는 경우 스위칭 동작되어 변조된 위상을 갖는 상용 교류전원을 출력하여 모터 펌프를 동작시킬 수 있다.
상기 조작패널에 구성된 디스플레이는 모터 펌프의 동작 상태와 펌프 운용 상태를 표시할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 펌프 제어장치는 IGBT 및 Heat sink 등의 방열 구조를 생략하여 설계함으로써, 장치 구성 및 제어 구성을 단순화하며 제작 비용을 절감하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 제어부의 부피를 줄여 농촌, 광산, 토목공사장, 공장, 가정에서 사용하기 용이한 공간 활용성을 제공하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 상용 교류전원을 일정하게 사용하기 때문에 기존의 인버터방식을 사용할 때 발생하는 고조파에 의한 발열이 발생되지 않음으로써, 소자들의 안정화를 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 모터 펌프 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치에서 교류 전원의 위상 변조 절차를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 알실시 예에 따른 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치의 구성은 입력단회로(101), 스위치부(102), 제로크로스감지부(103), 조작패널(104), 위상제어부(105), 구동부(106) 및 전원부(107)를 포함한다.
상기 입력단회로(101)는 낙뢰 등을 포함하는 다양한 외부환경의 영향으로 상용 교류전원(AC1)에 포함되어 인가되는 서지 등의 외란을 차단시켜 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치를 구성하는 내부소자를 보호한다.
또한, 상기 입력단회로(101)는 입력된 상용 교류전원의 극성을 음극에서 양극으로 또는 양극에서 음극으로 제어한다.
스위치부(102)는 구동부(106)에서 인가되는 신호에 따라 스위칭되어 입력단 보호회로(101)를 통해 인가되는 상용 교류전원(AC1)의 위상을 변조시켜 모터 펌프의 구동 전원(AC_OUT)으로 출력한다.
상기 스위치부(102)는 트라이악(Triac)으로 구성될 수 있다.
제로크로스감지부(103)는 입력되는 상용 교류전원(AC1)의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 검출하고, 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 영전압의 위치로 위상제어부(105)에 제공한다.
조작패널(104)는 소정의 기능버튼과 숫자 버튼 및 디스플레이로 구성되며, 사용자가 선택되는 운전모드 중 특정 모드를 위상제어부(105)에 제공한다.
상기 조작패널(104)은 위상제어부(105)에 의한 펌프의 동작 상태와 펌프 운용에 따른 전반적인 동작상태를 디스플레이를 통해 설정된 소정의 방식으로 표시하여 준다.
위상제어부(105)는 상기 제로크로스감지부(103)로부터 상용 교류전원(AC1)의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 기준으로 상기 조작패널(104)로 선택된 모드에 해당하는 수압을 제공하기 위한 위상을 결정하여 제어신호를 출력한다.
즉, 상기 위상제어부(105)는 특정 모드로 선택된 수압을 제공하기 위해 상용 교류전원(AC1)의 위상을 변환시켜 모터 펌프의 구동을 제어한다.
상기 위상제어부(105)는 조작패널로 선택되는 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 시작지점 혹은 종료지점을 가변시켜 위상 변조를 제공한다.
구동부(106)는 상기 위상제어부(106)에서 인가되는 제어신호에 따라 스위치부(102)의 스위칭을 동작시켜 입력단회로(101)를 통해 인가되는 상용 교류전원(AC1)의 위상을 변환시켜 모터 펌프를 구동시켜 특정 모드로 선택된 수압을 제공한다.
전원부(107)는 트랜스로 구성될 수 있으며, 상용 교류전원을 정류 및 강하시켜 본 발명에 따른 모터 펌프 제어장치를 구성하는 각각의 부하요소에 필요한 동작 전원을 공급한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같이 실행된다.
먼저, 사용자가 조작패널(104)에 구성되는 소정의 기능버튼과 숫자 버튼 등을 이용하여 시스템 전원 온과 원하는 모드를 선택하면 위상제어부(105)는 설정된 프로그램에 따라 모터 펌프 제어를 위한 모드와 수압을 결정한다.
이후, 조작패널(104)에 구성된 기능 버튼을 이용하여 운전을 시작하면 입력단회로(101)를 통해 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 싸인파(Sin)인 상용 교류전원(AC_IN)이 스위치부(102)에 공급된다.
이때, 제로크로스감지부(103)는 입력되는 상용 교류전원(AC_IN)의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 검출하고, 극성이 변경되는 제로크로스 지점인 영전압(ZC) 위치를 위상제어부(105)에 제공한다.
위상제어부(105)는 상기 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 기준으로 조작패널(104)로 선택된 모드에 따라 해당 수압을 제공할 수 있는 펌프 모터의 동작을 결정하고, 그에 따른 상용 교류전원의 위상을 결정한다.
그리고, 위상제어부(105)는 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 원하는 수압을 출력시키기 위해 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 위상 변조된 제어신호(ZCD)를 구동부(106)에 출력한다.
구동부(106)는 상기 위상제어부(105)에서 인가되는 위상 변조된 제어신호(DZC)에 따라 트라이악으로 구성되는 스위치부(102)를 동작시킨다.
따라서, 트라이악으로 구성되는 스위치부(102)는 제로크로스 지점을 기준으로 동작을 하지 않고 있다가 상기 구동부(106)로부터 제어신호가 인가되는 경우 스위칭 동작되어 변조된 위상을 갖는 상용 교류전원(AC_OUT)을 출력하여 모터 펌프를 동작시키게 된다.
예를 들어 위상제어부(105)는 정상적인 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점(ZC)을 기준으로 일정값 만큼 위상이 지연(△T)된 시점을 상용 교류전원의 공급 시작시점으로 결정하여 모터 펌프를 동작시켜 모터 펌프의 동작은 특정 모드로 선택된 수압을 토출시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 위상제어부(105)는 정상적인 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점(ZC)을 기준으로 일정값 만큼 위상이 선행된 시점을 상용 교류전원의 공급 종료시점으로 결정하여 모터 펌프의 동작이 종료될 수 있도록 한다
이로 인해 상용 교류전원을 제어 할 수 있게 되고 별도의 인버터를 사용하지 않고도 모터 펌프를 제어하여 펌프의 수압을 조절 할 수 있게 된다.
상기한 절차는 조작패널(104)을 통한 모드의 변경에 따라 위상 변조가 실행되므로, 원하는 수압의 출력을 제공할 수 있다.
상기한 모든 절차는 조작패널(104)에 구비되는 디스플레이를 통해 설정된 소정의 방식으로 표시된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
101 : 입력단회로
102 : 스위치부
103 : 제로크로감지부
104 : 조작패널
105 : 위상제어부
106 : 구동부

Claims (11)

  1. 상용 교류전원의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 검출하여 위상제어부에 제공하는 제로크로스감지부;
    상기 제로크로스감지부에서 제공되는 상용 교류전원의 제로크로스 지점을 기준으로 특정 모드에 해당하는 수압을 제공하기 위해 모터 펌프에 공급되는 상용 교류전원의 위상을 결정하는 위상제어부;를 포함하되,
    상기 위상제어부는 상기 특정 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 위상을 가변 변조시키는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    소정의 기능 버튼과 숫자 버튼 및 디스플레이를 포함하며, 모터 펌프의 다양한 운전모드 중 상기 특정 모드의 선택신호를 출력하는 조작패널;
    상기 위상제어부의 제어신호에 따라 상용 교류전원의 위상을 변조시키기 위해 스위치부를 동작시는 구동부; 및
    상기 구동부의 신호에 따라 스위칭되어 상용 교류전원의 위상을 변조시켜 위상이 변조된 상용 교류전원을 모터 펌프에 공급하는 스위치부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상용 교류전원에 유입되는 서지를 차단시켜 내부소자를 보호하고, 상용 교류전원의 극성을 음극에서 양극으로 제어하는 입력단회로와;
    상용 교류전원을 정류 및 강하시켜 모터 펌프 제어장치의 각 부하요소에 동작 전원을 공급하는 전원부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제로크로스감지부는,
    상용 교류전원의 극성이 변경되는 제로크로스 지점을 영전압의 위치로 감지하여 상기 위상제어부에 제공하는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 위상제어부는,
    특정 모드로 선택된 수압을 제공하기 위해 모터 펌프를 구동시키는 상용 교류전원의 위상을 변조시키는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 위상제어부는,
    상기 조작패널로 선택되는 특정 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 공급 시작시점을 가변시켜 위상변조를 제공하는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 위상제어부는,
    상기 조작패널로 선택되는 특정 모드에 따라 상용 교류전원(AC_IN)의 제로크로스 지점을 기준으로 상용 교류전원의 공급 종료시점을 가변시켜 위상변조를 제공하는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 위상제어부는,
    상용 교류전원(AC_IN)을 제로크로스 지점(ZC)보다 일정값만큼 위상 지연(△T)된 제로크로스 지점을 기준으로 모터 펌프를 동작시켜 특정 모드로 선택된 수압을 토출시키는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    트라이악으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 제로크로스 지점을 기준으로 동작을 하지 않고 있다가 상기 구동부로부터 제어신호가 인가되는 경우 스위칭 동작되어 변조된 위상을 갖는 상용 교류전원을 출력하여 모터 펌프를 동작시키는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 조작패널에 구성된 디스플레이는 모터 펌프의 동작 상태와 펌프 운용 상태를 표시하는 것을 특징으로 하는,
    위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치.
KR1020140187405A 2014-12-23 2014-12-23 위상 제어를 이용한 모터 펌프 제어 장치 KR20160076845A (ko)

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