KR101100546B1 - 원심분리기 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속으로 운전 중 정전이 되었을 경우와 관성이 큰 부하가 정지할 때 인버터의 속도탐색 기능을 개선하여 원심분리기의 구동을 원활하게 하는 원심분리기 구동 장치에 관한 것으로, 원심분리부재를 회전시키는 모터와, 외부 제어신호에 따라 상기 모터의 회전속도를 제어하는 인버터, 및 상기 인버터를 설정된 주파수로 운전 중 전원이 일시적으로 오프/온될 때, 속도탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF)를 계산한 후 계산된 델타주파수를 기준주파수에서 감산하여 주파수를 감소시키고, 모터의 정격전류 기준 범위 내에서 출력전압을 상승시켜 전원이 오프되기 이전의 속도로 탐색 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함한다.

Description

원심분리기 구동 장치{Driving Device of Centrifugal Separator}

본 발명은 원심분리기 구동 장치에 관한 것으로, 특히 인버터의 속도 탐색 기능을 개선하여 원심 분리기의 구동을 원활하게 한 원심분리기 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원심분리기(centrifugal separator)는 원심력을 이용하여 시험액을 여러 부분으로 나눌 목적으로 이용하는 기계로, 시험액을 시험관에 넣고 고속으로 회전시키면 입자의 크기와 밀도에 따라 물질을 분리하는 장치이다.

예컨대, 분리 대상이 혈액일 경우 원심분리기에 시험액(혈액)을 장착한 후 시험액을 인버터로 고속 운전하여 회전시킨다. 여기서, 인버터는 RS-485의 통신방식을 통해 마이크로 컨트롤러로부터 운전/정지 지령과 운전 주파수에 대한 데이터를 제공받는다.

도 1에서와 같이 인버터는 초기에는 설정된 목표 주파수로 정상 가속한다.

최고 속도에 도달한 후 정전(停電) 등의 상황으로 인해 전원이 오프(power off)되면, 인버터에 의해 구동되는 모터는 관성에 의해 감속하게 된다. 그 상태에서 정전이 복구되면 인버터에 다시 전원이 공급(power on)되고, 속도탐색 기능으로 정전 전의 주파수를 찾아 트립(trip)없이 운전하게 된다.

하지만, 종래의 인버터는 도 1에서 보듯이 전원이 오프된 후 전원이 다시 온되어 이전 속도를 찾아갈 때, 즉 모터 속도와 인버터 속도의 슬립차(slip error)가 있을 때 과전류 트립이나 인버터 과부하 기능이 동작하여 원심분리기가 연속적으로 운전하지 못하고 정지하는 문제가 있다.

또한, 정상 감속시 원심분리기의 관성이 너무 크기 때문에 30rpm에서 인버터는 정지했으나 모터 즉, 원심분리기는 계속 운전하는 현상이 있었다.

따라서, 고속으로 운전 중 정전이 되었을 경우와 관성이 큰 부하가 정지할 때 원하는 시간에 원심분리기가 정지할 수 있도록 인버터의 성능을 개선할 필요가 있다.

본 발명은 고속으로 운전 중 정전이 되었을 경우와 관성이 큰 부하가 정지할 때 인버터의 속도탐색 기능을 개선하여 원심분리기의 구동을 원활하게 함과 아울러 감속 중 직류(DC) 제동 기능을 이용하여 인버터와 원심분리기의 정지 주파수를 일치시킨 원심분리기 구동 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 일실시예인 원심분리기 구동 장치는 원심분리부재를 회전시키는 모터, 외부 제어신호에 따라 상기 모터의 회전속도를 제어하는 인버터 및 상기 인버터를 설정된 주파수로 운전 중 전원이 일시적으로 오프/온될 때, 속도탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF)를 계산한 후 계산된 델타주파수를 외부로부터 입력된 목표 주파수인 기준주파수에서 감산하여 주파수를 감소시키고, 모터의 정격전류 기준 범위 내에서 출력전압을 상승시켜 전원이 오프되기 이전의 속도로 탐색 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 마이크로컨트롤러는 속도탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF)를 계산하는 dF 계산부, 미리 설정된 시간마다 피드백되는 가산기의 출력 주파수에 상기 dF 계산부로부터 입력된 델타주파수를 가산하여 출력하는 가산기, 상기 기준주파수에 상기 가산기로부터 입력된 주파수를 감산하여 주파수를 감소시키는 감산기 및 속도탐색 주파수와 상기 기준주파수를 상호 비교하여 상기 감산기로부터 입력된 주파수 또는 상기 속도탐색 주파수를 최종 주파수로 출력하는 출력선택부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 출력선택부는 속도탐색 주파수가 기준주파수보다 클 경우에는 속도탐색 주파수를 최종 주파수로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 델타주파수(dF)는 전원 오프시 속도와 전원 온시의 속도차인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 마이크로컨트롤러는 정격전류 기준 신호에서 인버터 출력전류 검출신호를 감산하는 감산기, 상기 감산기로부터 입력된 신호에 소정의 비례계수(k)를 곱셈하여 델타주파수(dF)를 출력하는 비례연산기, 상기 비례연산기로부터 입력된 델타주파수와 속도탐색 주파수를 피드백받아 가산하여 업데이트된 속도탐색 주파수를 출력하는 가산기 및 미리 설정된 정격전압에 기본 주파수를 나눈 값에 상기 가산기로부터 입력된 속도탐색 주파수를 곱셈하여 인버터 제어를 위한 최종 전압을 출력하는 전압출력부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 고속으로 운전 중 정전이 되었을 경우와 관성이 큰 부하가 정지할 때 인버터의 속도탐색 기능을 개선함과 아울러 감속 중 직류 제동 기능을 이용하여 인버터와 원심분리기의 정지 주파수를 일치시킴에 따라 원심분리기의 구동을 원활히 할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 일부 도면에서 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
도 1은 일반적인 원심분리기의 전원 온/오프시 인버터 구동 신호를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용된 원심분리기의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 출력 주파수 생성을 위한 마이크로 컨트롤러의 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 출력 전압 생성을 위한 마이크로 컨트롤러의 기능 블록도이다.
도 5는 본 발명에 의한 원심분리기의 전원 온/오프시 인버터 구동 신호를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면은 실시예를 도시한 것에 불과하며, 본 발명의 원리와 개념을 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.

도 2는 본 발명에 적용된 원심분리기의 세부 구성을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이 원심분리기(100)는 원심분리부재(110)와 모터(120), 인버터(130), 마이크로컨트롤러(140), 조작부(160) 및 DC 컨버터(170) 등을 포함한다.

상기 원심분리부재(110)는 회전에 의해 시험관에 들어있는 시험액을 원심 분리하고, 모터(120)는 공급된 전원에 따라 회전되어 상기 원심분리부재(110)를 회전시키게 되며, 상기 인버터(130)는 외부 제어신호에 따라 상기 모터(120)의 회전속도를 제어하게 된다.

상기 마이크로컨트롤러(140)는 외부로부터 입력된 명령과 인버터(130)의 출력단을 통해 피드백된 전류 및 주파수에 따라 인버터(130)로 운전과 정지 명령 및 설정된 시간동안 설정된 운전 주파수를 출력하여 모터(120)의 회전속도를 제어하게 된다.

또한, 마이크로컨트롤러(140)는 상기 인버터(130)를 설정된 주파수로 운전 중 전원이 정전(停電) 등으로 인해 일시적으로 오프(off)/온(on)될 때, 속도 탐색 발생 전, 즉 전원이 오프(off)되기 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF : delta frequency)를 계산한 후 계산된 델타주파수를 외부로부터 입력된 목표 주파수인 기준주파수(RefFreq)에서 감산하여 주파수를 감소시키고, 모터(120)의 정격전류 기준 범위 내에서 출력전압을 상승시켜 전원이 오프되기 이전의 속도로 탐색 제어하게 된다.

또한, 조작부(160)는 사용자로부터 원심분리기(100)의 운전과 정지 및 회전 속도를 입력받고, DC 컨버터(170)는 외부로부터 공급된 상용 교류전원(예를 들어 AC 220V)을 소정의 DC 전압으로 변환하고 변환된 DC 전압을 원심분리기의 제반 회로부로 공급한다.

상기에서 원심분리기(100)의 모터(120)가 인버터(130)의 제어에 따라 최고 속도에 도달한 후 정전 등의 상황으로 인해 전원이 오프(power off)되면, 인버터(130)에 의해 구동되는 모터(120)는 관성에 의해 감속하게 된다.

그 상태에서 정전이 복구(power on)되면 인버터(130)에 다시 전원이 공급되고, 마이크로컨트롤러(140)는 속도탐색 기능으로 정전 전의 주파수를 찾아 트립없이 인버터(130)를 제어하게 된다.

여기서, 마이크로컨트롤러(140)는 인버터(130)의 속도탐색 기능을 개선하여 원심분리기(100)의 구동을 원활히 하기 위하여, 모터(120)의 감속 중 인버터(130)의 정지 주파수와 원심분리부재(110)의 정지 주파수를 일치시킬 필요가 있다. 또한 마이크로컨트롤러(140)는 제어의 단순화와 이득 튜닝을 용이하게 하기 위해 P제어만 수행한다.

도 3은 본 발명에 의한 출력 주파수 생성을 위한 마이크로 컨트롤러의 기능 블록도로서, dF 계산부(141)와 가산기(143), 감산기(145) 및 출력선택부(147)를 포함하여 이루어져 있다.

dF 계산부(141)는 속도 탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF)를 계산하여 출력한다. 상기 델타주파수(dF)는 전원 오프시 속도와 전원 온시의 속도차이다.

가산기(143)는 dF 계산부(141)로부터 입력된 델타주파수와 설정된 시간(예를 들어, 1ms 인터럽트)마다 상기 가산기(143)에서 출력된 주파수를 피드백 받아 가산하여 업데이트된 주파수를 출력하고, 감산기(145)는 외부로부터 입력된 목표 주파수인 기준주파수에 상기 가산기(143)로부터 입력된 주파수를 감산하여 주파수를 감소시키게 된다.

출력선택부(147)는 속도탐색 주파수와 기준주파수를 상호 비교하여 감산기(145)로부터 입력된 주파수 또는 속도탐색 주파수를 최종 주파수(Fout)로 출력한다. 즉, 출력선택부(147)는 속도탐색 주파수가 기준주파수보다 클 경우에는 속도탐색 주파수를 최종 주파수로 출력하고, 속도탐색 주파수가 기준주파수보다 작을 경우에는 감산기에 의해 출력된 주파수를 최종 주파수로 출력하게 된다. 이때, 상기 속도탐색 주파수는 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)와 인버터 출력전류 검출신호(CurrMag)의 차이를 비례 제어하여 산출되는 주파수로서, 도 4에서 자세히 설명하도록 한다.

즉, 도 3은 전원 오프시의 속도와 전원 온시의 속도차, 즉 델타주파수(dF; delta frequency)를 누적 증가시키면서 실제 출력주파수를 생성한다.

전원 오프시는 모터(120)의 속도가 높은 상태이며, 전원이 오프되면 주파수가 서서히 감소한다. 그러다가 다시 전원이 온되면 주파수는 오프시보다 낮은 주파수이므로 그 차를 계속 더해서 전원 오프시의 주파수를 찾아간다. 따라서, 속도 탐색이라고 한다.

상기 델타주파수의 경우 감속시간과 관성비에 따라 변동되는데, 감속시간과 관성비가 크면 델타주파수가 작아지고, 감속시간과 관성비가 작으면 델타주파수가 커진다.

여기서, 회생모드가 아닌 경우, 즉 속도탐색 주파수가 기준주파수보다 작을 경우에는 가산기(143)는 상기 dF 계산부(141)로부터 입력된 델타주파수와 가산기(143)에서 출력된 주파수를 피드백 받아 가산한 후 업데이트된 주파수를 감산기(145)로 출력하고, 감산기(145)는 목표 주파수인 기준주파수에서 상기 가산기(143)로부터 입력되는 주파수를 감산하여 출력선택부(147)를 통해 최종 주파수(Fout)로 출력한다.

한편, 회생모드일 경우, 즉 속도탐색 주파수가 기준주파수보다 클 경우에는 속도탐색 주파수를 출력선택부(147)를 통해 최종 주파수(Fout)로 출력한다.

출력 주파수는 속도 탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하관성비로 델타주파수를 구하고 1ms 인터럽트마다 주파수를 더한 다음, 기준주파수에서 빼면서 주파수를 감속시킨다.

본 발명은 정전 전 속도를 빠른시간에 찾을 수 있도록 감속시간과 관성비를 조정 파라미터로 설정하여 델타주파수를 구하는 데, 감속시간이나 관성비가 크면 델타주파수가 작아지고 속도 탐색량도 감소하여 속도 탐색 시간이 길어진다.

특히 고속(예를 들어, 8000rpm)에서 속도 탐색을 하기 위해서는 속도 탐색의 빠른 추정이 필요하며, 만약 추정시간이 길어지면 그 시간 동안 모터(120)에 높은 전류가 인가되어 모터(120)의 소손이나 과전류 고장이 발생한다.

도 4는 본 발명에 의한 출력 전압 생성을 위한 마이크로 컨트롤러의 기능 블록도로서, 감산기(151)와 비례연산기(153), 가산기(155) 및 전압출력부(157)를 포함하여 이루어져 있다.

감산기(151)는 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)에 인버터 출력전류 검출신호(CurrMag)를 감산하여 출력한다. 상기 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)는 상기 모터(120)의 정격전류에 대한 비율로서, 속도 탐색시의 최대 전류 레벨을 나타내는 것으로, 예를 들면 상기 모터(120)의 정격전류의 180%에 해당하는 전류 레벨을 나타낼 수 있다. 상기 인버터 출력전류 검출신호(CurrMag)는 인버터(130)의 출력단에 설치된 변류기(Current Transformer)로부터 검출한 신호로서 변류기에서 3상 전류를 읽어 DQ변환한 전류의 크기를 나타내는 것이다.

비례연산기(153)는 상기 감산기(151)로부터 입력된 신호에 소정의 비례계수(k)를 곱셈하여 델타주파수(dF)를 출력하고, 가산기(155)는 비례연산기(153)로부터 입력된 델타주파수(dF)와 속도탐색 주파수를 피드백받아 가산하여 업데이트된 속도탐색 주파수를 출력한다.

전압출력부(157)는 상기 가산기(155)로부터 입력된 속도탐색 주파수에 비례하는 최종 전압(Vout)을 출력한다.

한편, 상기 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)가 인버터 출력전류 검출신호(CurrMag)보다 작을 경우에는 전압출력부(157)는 설정된 정격전압(V)에 기본 주파수를 나눈 값에 상기 가산기(155)로부터 출력되는 속도탐색 주파수를 곱셈하여 인버터 제어를 위한 최종 전압(Vout)을 출력한다.

즉, 도 3에서는 인버터 제어를 위한 주파수를 구했으므로 도 4에서는 주파수에 비례하는 전압을 구하여 출력한다.

출력 전압은 '0'부터 속도탐색 발생 전의 전압까지 상승하는데, 현재 흐르는 전류가 설정된 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)의 전류 레벨 이내가 되면서 최단시간에 도달할 수 있도록 상승시킨다.

도 3 및 도 4를 참조하여 마이크로컨트롤러(140)의 제반 동작을 살펴보면 아래와 같다.

전원 오프시 속도와 전원 온시 속도차, 즉 델타주파수(dF; delta frequency)를 누적 증가시키면서 실제 출력주파수를 생성한다. 여기서, 전원 오프시는 모터(120)의 속도는 높은 상태이며, 전원이 오프되면 주파수가 서서히 감소한다.

전원이 다시 온되면 주파수가 오프시보다 낮은 주파수이므로 그 차를 가지고 계속 더해서 전원 오프시의 주파수를 찾아간다. 그리고, 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)와 인버터 출력전류 검출신호(CurrMag)의 차를 비례 제어하여, 도 3에서 구한 출력 주파수에 비례하는 출력 전압을 구하여 출력한다.

상기 출력 전압은 0부터 속도 탐색 발생 전의 전압까지 상승하는데 현재 흐르는 전류가 설정된 정격전류 기준 신호(FlyingStartPerc)의 전류 레벨 이내가 되면서 최단시간에 도달할 수 있도록 상승시킨다.

일반적으로 모터마다 정격전압(V)과 기본 주파수(Fbase)가 다르기 때문에 그에 따라 실제 출력전압의 제어가 어려워 모터에 과전류가 흘러 가속을 못하는 문제가 발생하므로, 본 발명에서는 정격전압과 기본 주파수의 비를 설정하여 출력전압을 만들 때 반영한다.

도 5도에서도 보듯이, 속도탐색 중 출력전류가 과다하게 증가하면 출력전압을 '0'으로 하여 전압상승을 억제하는 동시에 출력전류도 억제한다.

일반적으로, 속도탐색은 속도탐색 종료시점이 목표 주파수까지 도달 후 종료하게 되는 데, 이러할 경우 PI제어로 높은 주파수까지 도달한 후 일반가속으로 제어모드가 절체시 과전류 트립이나 과전압 트립 등 연속운전이 불가하였다.

그러나, 본 발명에서는 현재속도를 추정하면, 즉 낮은 주파수에서 속도탐색를 즉시 종료하고, 일반 가속 기울기로 목표 주파수까지 증가하여 고장없이 운전하며, 속도탐색을 찾는 시간도 빨라진다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 원심분리기 110: 원심분리부재
120: 모터 130: 인버터
140: 마이크로컨트롤러 141: dF 계산부
143: 가산기 145: 감산기
147: 출력선택부 151: 감산기
153: 비례연산기 155: 가산기
157: 전압출력부 160: 조작부
170: DC 컨버터

Claims (5)

1. 원심분리부재를 회전시키는 모터;
   외부 제어신호에 따라 상기 모터의 회전속도를 제어하는 인버터; 및
   상기 인버터를 설정된 주파수로 운전 중 전원이 일시적으로 오프/온될 때, 속도탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF)를 계산한 후 계산된 델타주파수를 외부로부터 입력된 목표 주파수인 기준주파수에서 감산하여 주파수를 감소시키고, 모터의 정격전류 기준 범위 내에서 출력전압을 상승시켜 전원이 오프되기 이전의 속도로 탐색 제어하는 마이크로컨트롤러;를 포함하는 원심분리기 구동 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로컨트롤러는,
   속도탐색 발생 전의 주파수를 시작으로 감속시간과 부하 관성비로 델타주파수(dF)를 계산하는 dF 계산부;
   미리 설정된 시간마다 피드백되는 가산기의 출력 주파수에 상기 dF 계산부로부터 입력된 델타주파수를 가산하여 출력하는 가산기;
   상기 기준주파수에 상기 가산기로부터 입력된 주파수를 감산하여 주파수를 감소시키는 감산기; 및
   속도탐색 주파수와 상기 기준주파수를 상호 비교하여 상기 감산기로부터 입력된 주파수 또는 상기 속도탐색 주파수를 최종 주파수로 출력하는 출력선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심분리기 구동 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 출력선택부는 속도탐색 주파수가 기준주파수보다 클 경우에는 속도탐색 주파수를 최종 주파수로 출력하는 것을 특징으로 하는 원심분리기 구동 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 델타주파수(dF)는 전원 오프시 속도와 전원 온시의 속도차인 것을 특징으로 하는 원심분리기 구동 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로컨트롤러는,
   정격전류 기준 신호에 인버터 출력전류 검출신호를 감산하는 감산기;
   상기 감산기로부터 입력된 신호에 소정의 비례계수(k)를 곱셈하여 델타주파수(dF)를 출력하는 비례연산기;
   상기 비례연산기로부터 입력된 델타주파수와 속도탐색 주파수를 피드백받아 가산하여 업데이트된 속도탐색 주파수를 출력하는 가산기; 및
   미리 설정된 정격전압에 기본 주파수를 나눈 값에 상기 가산기로부터 입력된 속도탐색 주파수를 곱셈하여 인버터 제어를 위한 최종 전압을 출력하는 전압출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심분리기 구동 장치.
   
   
   

Images