KR101703973B1 - 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 관한 것으로서, 2승 저감 부하를 구동하는 모터; 상기 모터의 속도와 전압을 제어하는 인버터; 상기 모터의 자속 유지분 전류와 토크분 전류를 측정하는 센서부; 및, 상기 인버터의 속도를 결정하고, 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때에 총 전류가 증가하지 않는 범위 내에서 측정된 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하거나 역율이 최대가 되는 지점에 상기 인버터의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 모터 인버터의 제어 시스템에 의하여, 모터의 속도와 전압을 모두 제어함으로써, 주파수를 허용범위 내에서 가장 낮게 선택하는 동시에 수두에 맞는 전압으로 제어하여, 전력을 최대로 저감할 수 있고, 이를 통해, 전력 사용량을 최소화하여 에너지를 최대로 절감할 수 있다.

Description

2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템 { A system using the best efficiency point for squared torque load }
본 발명은 팬, 펌프, 블로워 등 2승 저감 토크 특성의 부하를 구동하는 모터를 제어하되, 모터의 속도 및, 전압을 동시에 제어하여, 최대 운전효율점을 적용하는, 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 공조용 팬이나 물을 순환시키는 펌프를 구동하기 위해서는, 구동모터의 토크가 속도의 2승에 비례하여 증가시켜야 하는 특성을 가진다. 이와 같이 2승 저감 형태의 부하를 구동하는 모터에 전원 전압을 직입(直入)하여 사용하면, 에너지 낭비가 많아진다. 즉, 전원 주파수인 60Hz가 회전속도의 기준이 되어 4극인 유도전동기를 예를 든다면, 기준속도가 1800 rpm이 되며, 이 속도는 부하 조건과 관계없이 운전된다. 따라서 경부하 조건에서는 불필요한 에너지를 많이 소모하는 원인이 되어왔다. 이런 문제점은 부하에 맞추어 속도를 제어해주는 인버터를 적용함으로써 소모전력을 줄일 수 있다.
2승 저감 부하와 에너지 절감 원리에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 2승 저감 부하는 원심펌프와 원심팬 등의 부하로서, 마찰과 관성에 의해서 속도의 3승에 비례하여 전력이 소모되는 특징을 갖는다. 따라서 모터의 속도를 줄이면 전력 소모는 그 이상으로 저감되어, 에너지를 상당하게 줄일 수 있다.
부연설명을 더해보면, 펌프를 1800rpm의 속도로 한시간으로 운전하는 경우를 가정해본다. 이때 소모되는 전력 또는 전력요금을 100%라고 가정한다. 그리고 펌프를 900rpm의 속도로 50%를 줄이고, 대신 운전시간을 2시간으로 2배 늘린다. 그러면, 실제 펌프에 의해 퍼올리는 유량은 동일하지만, 그 전력 사용량 또는 전력요금은 100% 대신 14% 만 부담하게 된다. 즉, 속도를 50% 감소시킴에 따라, 소비 전력량을 무려 86%를 절감할 수 있다.
만약에 이 펌프가 37kw인데 이 37kw를 하루에 한시간씩 1년 내내 가동한다고 했을 때 그 전력요금은 135만원 정도가 부과된다. 그런데 매일 한시간 가동하는 것을 속도를 바꾸어서 4시간동안 가동하고 대신 그만큼 속도를 줄이면, 그 전력요금은 약 2만원 정도가 부과된다. 또한, 펌프를 더 천천히 6시간 동안 밤새 운전시키면, 전력요금이 6천원만 부과되나, 앞서 135만원 전력사용과 같은 량의 유량을 공급할 수 있다.
상기와 같이, 2승저감 부하는 속도의 3승에 비례하여 전력이 소비되기 때문에, 속도를 줄이면 획기적으로 전력요금을 저감할 수 있다. 2승 저감은 속도 3승에 비례하는 전력소비를 상사의 법칙 #3(또는 affinity Low #3)이라 한다.
따라서 인버터를 이용하여 모터를 제어함으로써 에너지를 절약할 수 있다. 이하에서 종래기술에 따른 2승 저감 부하에 대한 인버터 제어에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 모터, 즉, 유도 전동기의 특성에 대하여 설명한다.
유도전동기의 속도 N(r/min)은 다음 수학식으로 표시된다.
[수학식 1]
Figure 112016064718298-pat00001
여기서, N은 유도전동기(또는 모터)의 속도이고, f는 주파수이고, P는 모터 극수이고, S는 슬립이다.
상사의 법칙 #1에 의하면, 유량(Q)은 회전수(또는 유도전동기의 속도)(N) 변화에 비례한다. 따라서 유도전동기의 속도가 빠를수록, 모터에 의해 공급되는 유량은 비례하여 많아진다.
또한, 유도전동기의 전압 V와 주파수 f와 자속(토크) 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
[수학식 2]
Figure 112016064718298-pat00002
여기서, Φ는 자속이고, V는 전압이고, f는 주파수이다.
이때, 유도전동기의 자속(Φ) 또는 토크(τ)는 부하의 크기, 즉, 수두(H)의 크기(또는 높이)에 의해 제어되어야 한다. 즉, 모터의 자속 또는 토크가 부하의 크기를 구동할 수 있을 만큼 최소한의 크기로 제어되어야 한다.
인버터는 주파수 f와 전압 V를 임의로 제어할 수 있기 때문에, 유도전동기를 임의의 속도로 가변 운전할 수 있다.
펌프 등 2승 저감 부하를 대상으로 할 때, 펌프 쪽에서의 유랑과 수두는 인버터 입장에서 각각 주파수 f와 전압 V에 해당된다. 즉 인버터에 의하여, 얼마만큼 빨리, 얼마만큼 큰 힘으로 물을 퍼올릴것이냐를 제어하는 것이다. 즉, 펌프가 물을 퍼올릴 때 얼마만큼 빨리 퍼올릴것이냐를 결정하는 변수가 주파수 f이고, 얼마만큼 높이 퍼올릴것이냐를 결정하는 수두가 인버터 입장에서의 전압 V를 결정한다. 구체적으로, 물을 퍼 올릴 때, 물을 "얼마만큼 많은 유량으로, 즉 빨리 퍼 올릴 것인가"의 요소와 물을 얼마만큼 "높이 퍼 올릴 것인가, 고수조가 얼마만큼 높이 있는가 <5층에 있는가 10층에 있느냐 60층에 있느냐"의 요소를 결정해야 한다. 펌프의 제어 요소는 “얼마만큼 빨리“와 “얼마만큼 높이“ 퍼 올릴 것이냐이고, 전자가 유랑에 해당하고, 후자가 수두에 해당된다. 수두가 높으면 수압이 높아지니까 그 수압을 감당하기 위해, 펌프에서 큰 토크가 요구되기 때문에, 「수두/압력/토크」는 같은 의미이다.
따라서 전력을 최대로 저감하기 위해서는 수두에 맞는 전압이 제어되어야 하고, 주파수는 가장 낮게 선택해야 만이 전력을 최대로 저감할 수 있다. 또 역으로 전력을 최대로 저감한다는 것은 결국 효율이 가장 높게 나온다는 것이다.
그러나 종래기술에 따르면, 2승 저감 부하에 대한 모터를 인버터로 제어할 때, 주로 모터의 속도를 중심으로 제어한다[특허문헌 1,2]. 즉, 종래기술의 인버터는 모터가 얼마만큼 빨리 돌 것이냐 하는 회전수를 정해주기 위해 이용되어, 모터의 회전수를 결정하는 것이 인버터이다. 그리고 모터 메이커는 해당되는 모터의 수두와 유량 커브를 제공한다. 이 수두와 유랑커브, 즉, H-Q 커브(수두-유량 커브)는 상사의 제1 법칙과 제2 법칙을 사용해서 인버터 제어에 필요로 하는 커브로 만들어지고, 이로부터 H-N 커브(수두-속도 커브)로 만들어서 인버터를 제어하게 되어 있다.
즉, 도 2에서 보는 바와 같이, 유량 Q는 다음 수학식 3 및 4의 상사의 법칙 #1, #2를 적용한 후에, 전달 함수를 통해 H-N 커브를 구하고, H-N 커브를 이용하여 모터(또는 인버터)를 제어한다.
[수학식 3]
Figure 112016064718298-pat00003
[수학식 4]
Figure 112016064718298-pat00004
여기서, Q는 유량(또는 풍량)이고, N은 속도이고, T는 토크이고, H는 수두(또는 압력, 양정, 정압)를 나타낸다.
궁극적으로 종래기술에 의하면, H-N커브를 가지고 인버터를 제어한다. 따라서 수두(H)가 높으면, 그만큼 속도(N)도 높게 제어해야 한다. 예를 들어, 인버터 없이는 1800rpm으로 동작해야 하는 상황을 가정한다. 이때, 필요로 하는 수두(H)가 120이다. 또한, 상사의 법칙(affinity Low)에 의한 전력저감을 위해, 현재 계통에서 필요로 하는 유량이 1200rpm 이면 된다고 가정한다. 즉, 모터의 속도를 1800rpm에서 1200rpm으로 감축할 수 있는 상황이다. 그러나 모터의 속도를 1200rpm으로 돌리려고 했을 때, 그때 1200rpm을 바라보면 수두(H)가 50밖에 되지 않는다. 따라서 필요로 하는 수두가 120이므로, 1200rpm으로 운전했을 때 물을 퍼 올릴 수가 없다. 그런데 H-N 커브에 의하면, 수두가 120인 경우, 모터의 속도는 1600rpm으로 동작해야하는 상황이다.
따라서 전력 저감을 위해 모터의 속도를 1800rpm에서 1200rpm 까지 감소시킬 수 있으나, H-N 커브의 제약에 의하여 1600rpm 까지만 줄일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상사의 법칙(affinity Low)에 의해서 전력소모는 속도의 3승에 비례한다. 종래기술에 의하면, 1800rpm에서 1600rpm으로 200rpm의 3승분만큼만 전력을 절약할 수 있다. 그러나 최대 1200rpm까지 모터 속도를 줄일 수 있으므로, 1600과 1200의 차이인 400rpm의 3승분에 해당되는 전력을 허비하게 된다.
또한, 모터의 성능규격은 정격운전에서의 효율이다, 따라서 모터는 EMF 식인 V=4.44fnφ(V : 전압, n = 턴수, φ = 자속)에서 정격 주파수 대비 전압을 높이면 포화상태가 되어 권선코일의 손상을 유발하게 된다. 따라서 인버터의 주파수 제어는 정격전압/정격주파수의 비가 일정하게 제어한다.
앞서 언급했듯이, 물을 퍼올리기 위해서는 유량과 수두 두 개를 제어해야 하는데, 유랑만으로 제어를 하다보니까 결국 수두가 맞지 않는다. 그래서 종래기술에 의하면, 두가지 제어 요소, 즉 유량과 수두 둘 다 만족을 해야 하기 때문에, 물을 빨리 퍼올리고 수두에 맞도록 유량을 크게 퍼올리는 것이다. 이에 따라, 400rpm이 더 소모되어서 400rpm에 3승에 분에 해당하는 전력이 낭비된다. 이를 계산해보면, 44%의 전력을 낭비한 것으로 산출된다. 따라서 기존의 인버터가 전압을 제어할 수 없기 때문에 2승저감 부하에서는 전력을 크게 낭비하고 있다는 것을 알 수 있다. 기존의 인버터가 전압을 제어할 수 없기 때문에, 1200 rpm의 속도로 물을 퍼올리면 되는데 결국은 1600의 속도로 물을 퍼올려서 상사의 법칙(affinity Low)에 의해 많은 양의 전력 낭비를 하고 있다.
또한, 토크를 제어하는 인버터를 사용하는 기술들이 제시되고 있고[특허문헌 3,4], 토크 제어를 위한 벡터 제어 인버터가 상용화되고 있다. 따라서 전압 대신 토크를 제어하는 인버터를 사용하여, 2승 저감 부하에 적용할 수 있을 것이다. 그러나 토크를 사용하는 인버터 즉 벡터제어 인버터인 경우에 속도만 제어하는 인버터의 비해서 2.5배 정도의 고가로 판매되고 있다. 또한, 토크를 제어할 수 있는 벡터형 인버터라 할지라도 2승 저감 부하에서의 최대 효율 제어를 달성할 수 있도록 설계되어 있지 않고 있다. 설사 최대 효율 제어로 설계되었더라도 부하에서 필요한 모든 조건은 인버터가 알 수 없기 때문에, 현실적으로 최대 효율로 제어한다는 것은 불가능하다.
즉, 벡터 제어(Vector control, Field oriented control) 방식은 토크 및 자속을 분리하여 제어하여, 제어 성능이 뛰어나고, 고성능 가변속 제어에 널리 이용되고 있다. 그러나 제어기의 수가 많고 복잡하고 검출해야 할 정보량이 많기 때문에, 제작 시 비용 소모가 크고 경제성 면에서 불리하다.
요약하면, 종래기술은, 전력의 효율을 위해, 필요 전압을 제어하는 동시에 모터의 최소 속도로 줄일 수 없기 때문에, 그만큼의 소모 전력을 절감시킬 수 없고, 최대 효율을 가질 수 없는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0137072호(2010.12.30. 공개) 대한민국 공개특허공보 제2006-0119487호(2006.11.24. 공개) 대한민국 등록특허공보 제0371371호(2003.02.06. 공고) 대한민국 등록특허공보 제0442494호(2004.07.21. 공고)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 팬, 펌프, 블로워 등 2승 저감 토크 특성의 부하를 구동하는 모터를 제어하되, 모터의 속도 및, 전압을 동시에 제어하는, 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 관한 것으로서, 2승 저감 부하를 구동하는 모터; 상기 모터의 속도와 전압을 제어하는 인버터; 상기 모터의 자속 유지분 전류와 토크분 전류를 측정하는 센서부; 및, 상기 인버터의 속도를 결정하고, 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때에 측정된 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하여 상기 인버터의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서, 상기 제어부는 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때, 상기 모터의 자속 유지분 전류를 꼭 유지되어야 할 최소 자속 유지분만을 공급하도록, 상기 모터의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서, 상기 제어부는 사전에 설정되는 초기 전압으로부터 점차 전압을 강하하면서, 상기 결정된 속도와 강하된 전압으로 모터를 구동하고, 구동시 상기 센서부로부터 측정된 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량이 사전에 설정된 임계값 이하가 되면, 그때 강하되어 설정된 전압을 최적 전압으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서, 상기 제어부는 초기 전압을 상기 결정된 속도에 해당하는 정격 대비 전압 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서, 상기 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량(ROC)는 다음 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
Figure 112016064718298-pat00005
단, Id(t), Iq(t)는 각각 t 시점(t 회차)에서 측정된 자속 유지분 전류 및, 토크분 전류임.
또한, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 관한 것으로서, 2승 저감 부하를 구동하는 모터; 상기 모터의 속도와 전압을 제어하는 인버터; 상기 모터의 입력 전류와 토크분 전류를 측정하는 센서부; 및, 상기 인버터의 속도를 결정하고, 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때에 측정된 입력 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하여 상기 인버터의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서, 상기 입력 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량(△pF)는 다음 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
[수식 2]
Figure 112016064718298-pat00006
단, I(t), Iq(t)는 각각 t 시점(t 회차)에서 측정된 입력 전류 및, 토크분 전류임.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 의하면, 모터의 속도와 전압을 모두 제어함으로써, 주파수를 허용범위 내에서 가장 낮게 선택하는 동시에 수두에 맞는 전압으로 제어하여, 전력을 최대로 저감할 수 있고, 이를 통해, 전력 사용량을 최소화하여 에너지를 최대로 절감할 수 있는 효과가 얻어진다. 즉, 본 발명은 2승 저감 부하의 최대 운전효율점을 적용시킬 수 있다.
도 1은 2승 저감 부하 및 모터 장치들을 예시한 표.
도 2는 종래기술에 따라 토크 부하를 산출하기 위한 과정을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 제어 방법을 설명하는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 ROC(Rate of Change)를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 인버터 제어 방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 인버터 제어 방법을 설명하는 흐름도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 2승 저감 부하를 위한 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템의 구성을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템은 2승 저감 부하를 구동하는 모터(10), 모터(10)의 속도와 전압을 제어하는 인버터(20), AC 상용전원을 입력받아 인버터(20)로 전원을 공급하는 전원부(30), 모터(10)의 토크분 전류와 유지분 전류를 측정하는 센서부(40), 및, 공급할 유량과 최대 공급시간을 고려하여 최대 효율을 가지도록 인버터(20)의 전압과 주파수(또는 속도)를 제어하는 제어부(50)로 구성된다.
모터(10)는 2승 저감 부하를 구동하는 유도전동기이다. 2승 저감 부하는 공조용 팬이나 물을 순환시키는 펌 등의 부하를 말한다. 앞서 배경기술에 설명한 바와 같이, 2승 저감 부하는 마찰과 관성에 의해서 속도의 3승에 비례하여 전력이 소모되는 특징을 갖는다. 또한, 2승 저감 부하 및, 이를 구동하는 모터의 예들은 앞서 도 1과 같다. 즉, 본 발명이 적용되는 모터는 도 1과 같은 모터들이나, 부하들을 구동하기 위한 모터들을 모두 포함한다.
다음으로, 인버터(20)는 모터 또는 유도전동기의 속도(또는 주파수)와 전압을 모두 제어할 수 있는 통상의 인버터를 말한다. 예를 들어, 인버터(20)는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 방식과 PWM(Pulse Wide Modulation) 방식 등으로 모터의 주파수와 전압을 모두 제어할 수 있다.
PAM 제어 방식에 의하면, 인버터(20)는 입력전원의 교류를 직류로 변환하는 컨버터 회로와, 변환된 직류를 스위칭 회로에 의해 교류로 변환하는 인버터 회로로 구성된다. 이때, 컨버터 회로에서, 교류를 직류로 변환할 때 다이오드 대신 SCR 또는 GTO 소자를 사용하여 전압의 크기를 제어한다. 그리고 인버터 회로에서 교류를 발생시킬 때 주파수를 변화시킴으로써 모터의 속도를 제어한다.
또한, PWM 제어 방식에 의하면, 인버터(20)는 인버터 회로에서 발생되는 교류전압의 펄스(pulse) 폭을 변화시킴으로써 전압을 제어한다. 즉, 컨버터 회로에서는 일정한 전압을 출력시키고, 인버터 회로에서 컨버터 회로로부터 받은 직류 전원을 교류 전원으로 변환할 때, 교류 전압의 펄스폭을 조정함으로써 전압을 제어한다.
다음으로, 전원부(30)는 AC 상용전원을 입력받아 인버터(20)로 전원을 공급한다. 전원부(30)는 안정을 위한 회로 등을 구비한다.
다음으로, 센서부(40)는 모터(10) 내의 자속 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)를 측정하는 전류 센서들로 구성된다.
펌프 등 2승 저감 부하를 구동하는 모터(10)에서 소모되는 전류는 모터 내의 자속을 유지하는 성분과, 회전하는 토크 성분으로 구분된다. 전자를 유지분 전류(Id)라 하고, 후자를 토크분 전류(Iq)로 부르기로 한다. 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)의 벡터 합이 실제로 모터에서 소모되는 전류이다.
모터(10)는 유도전동기의 특성 상, 공급되는 전력(전력 에너지)은 필요한 곳으로 흐르게 된다. 즉, 모터(10)에 부하가 없거나 낮으면, 공급되는 전력은 상당 부분 유지분 성분으로 공급되어, 유지분 전류(Id)가 높아진다. 그리고 모터(10)에 부하가 많아지면, 유지 성분의 전력이 토크 성분으로 흘러 전환된다. 따라서 모터(10)에 부하가 높아지면 토크분 전류(Iq)의 크기가 높아진다. 즉, 2승 저감 부하의 크기가 커지면, 즉, 수두나 압력이 커져 부하 측의 토크를 크게 하면, 자속 유지분의 전력(Id)이 토크 성분(Iq)으로 흐르게 된다.
다음으로, 제어부(50)는 인버터(20)의 주파수(또는 속도)와 전압을 제어한다. 특히, 제어부(50)는 속도(N)를 먼저 설정하고, 센서부(40)에서 측정한 자속 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)를 이용하여 전압을 설정한다.
제어부(50)는 사용자 또는 관리자 등에 의하여 모터의 속도(N)을 입력받거나, 공급할 유량과 최대 공급시간을 고려하여 최대 효율을 가지도록 속도(N)를 결정한다. 즉, 이와 같이 제어하여, 최대 운전효율점(best efficiency point)이 적용된다.
그리고 제어부(50)는 속도(N)에 대응되는 초기 전압(V0)을 설정한다. 이때, 초기 전압은 모터의 속도에 해당되는 정격 대비 전압으로 사전에 설정하여 저장해둔다. 그리고 제어부(50)는 초기 전압에서 전압을 점점 강하하면서, 자속 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)을 측정하여 그 비례값을 구한다. 구한 비례값의 변화량(또는 기울기)(ROC)이 0(제로)에 수렴하면, 이때 제어된 전압을 최종 전압(V)으로 설정한다.
이때, 모터의 동손이 유지되고 철손이 최소화되는 상태이다. 특히, 구동시 총 전류가 증가하지 않는 범위에서 제어된다. 즉, 본 발명은 전압만을 따로 제어를 못하는 인버터에 대해서 전압, 속도를 둘다 감소시키면서 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값의 ROC가 총 전류가 증가하지 않는 범위 내에서 최소가 되는 점을 찾아 제어한다.
그리고 제어부(50)는 설정된 속도(N)와 최종 전압(V)으로 인버터(20)를 제어한다.
즉, 제어부(50)는 먼저 에너지 효율을 최대화할 수 있는 속도(N)을 먼저 설정하고, 해당 속도(N)에 맞는 최적 전압(V)을 찾아 설정한다. 최적 전압은 꼭 유지되어야 할 자속 유지분(Id)만 제외하고 나머지 전류는 모두 토크분 전류(Iq)로 흐르도록 하는 전압이다.
또한, 초기로 설정되는 전압(초기 전압)은 정격 대비로 설정된 것이기 때문에, 자속 유지분(Id)이 토크분 전류(Iq) 보다 크다. 즉, 정격 대비 전압(초기 전압)에 의한 자속 유지분(Id)은 꼭 필요로 하는 유지분 보다 크다. 따라서 초기 전압에서 점차적으로 전압을 강하하여, 최적의 전압을 찾아간다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어부(50)에 의해 인버터를 제어하는 방법을 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 제어 방법은 (a) 인버터의 속도를 설정하는 단계(S10), (b) 초기 전압을 설정하는 단계(S20), (c) 자속 유지분과 토크분 전류를 측정하는 단계(S30), (d) 측정된 전류의 변화율을 산출하는 단계(S40), (e) 산출된 변화율을 임계값과 대비하는 단계(S50), (f) 임계값 보다 크면, 전압을 강화하여 다시 앞서 단계를 반복하는 단계(S60), (g) 임계값 이내이면, 해당 전압을 최종 전압을 설정하는 단계(S70), 및, (h) 설정된 값으로 인버터를 구동하는 단계(S80)로 구성된다.
먼저, 인버터(20)의 속도(N)를 결정한다(S10).
제어부(50)는 공급할 유량과 최대 공급시간을 고려하여 최대 효율을 가지도록 속도(N)를 결정한다. 즉, 공급할 전체 유량(QT)이고, 이를 제한된 시간(T) 내에 공급해야 한다고 가정한다. 이 경우, 전체 유량(QT)을 제한된 시간(T)로 나누어, 단위 시간당 유량을 산출한다. 그리고 산출한 단위 시간당 유량을 공급할 수 있는 모터의 속도(N)를 구하면, 구한 모터 속도가 인버터의 속도로 설정된다.
또는, 인버터(20)의 속도(N)를 사용자 또는 관리자 등에 의하여 입력받거나, 사전에 설정될 수 있다.
다음으로, 설정된 속도에 대응되는 초기 전압을 설정한다(S20).
제어부(50)는 모터의 속도(N)에 해당되는 정격 대비 전압(V) 값을 사전에 저장한다. 이들 값들을 설정한 데이터를 속도-전압 초기 데이터(또는 테이블)이라 부르기라 한다.
모터의 속도(N)가 결정되면, 속도(N)에 해당되는 정격 대비 전압(V)을 속도-전압 초기 데이터를 참조하여, 해당되는 전압을 초기 전압(V0)으로 설정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 초기 전압은 정격 대비 전압으로 설정되었기 때문에, 초기의 자속 유지분 전류는 토크분 전류 보다 크게 나온다. 즉, 초기 전압에 의해 모터에 공급되는 전력은 자속을 유지하는데 많이 사용되고, 토크에 덜 사용하게 된다. 이하에서, 자속 유지분과 토크분 전류를 측정하여 최적의 전압인지를 판별하는 과정을 수행한다.
다음으로, 모터(10)의 자속 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)를 측정한다(S30). 앞서 설정된 속도(N)와 전압(V)에 따라 인버터(20)를 제어하고, 제어된 인버터(20)에 의해 모터(10)를 구동한다. 그리고 구동되는 모터(10) 내의 전류 성분을 측정한다.
즉, 모터(10) 내의 자속 유지분 전류와 토크분 전류를 측정하는 전류 센서들을 설치하고, 해당 전류 센서가 각 전류값을 측정한다. 그리고 제어부(50)는 센서부(40)에서 측정된 전류값들을 수신한다.
다음으로, 측정된 자속 유지분 전류(Id) 대비 토크분 전류(Iq)의 비례량의 변화량(ROC)을 구한다(S40). 변화량(ROC)는 비례량의 기울기로서, 바람직하게는, 현재 회차에서 측정한 비례값(Iq/Id)과 이전 회차에서 측정한 비례값(Iq/Id)의 차이로 구한다.
즉, 유지분 대비 토크분의 전류 변화량(ROC, Rate of Change)은 다음 수학식에 의해 구한다.
[수학식 5]
Figure 112016064718298-pat00007
여기서, Id(t), Iq(t)는 각각 t 시점(t 회차)에서 측정된 자속 유지분 전류 및, 토크분 전류를 나타낸다.
다음으로, 변화량(ROC)를 사전에 정해진 임계값과 대비한다(S50). 임계값은 사전에 설정된 값으로서, 0에 가까운 값이다. 즉, 변화량이 0으로 수렴하는가를 검증하기 위한 값이다.
다음으로, 임계값 보다 작지 않으면, 전압을 강하하여 앞서 단계(S30 내지 S50)를 반복하여 수행한다(S60).
바람직하게는, 전압은 현재 전압에서 일정한 전압 크기를 감소시켜, 다음에 사용할 전압을 산출한다. 그리고 새로 산출된 전압으로 인버터(20)를 다시 제어한다. 새로 강압된 전압에 의해 모터를 구동하고, 구동되는 모터(10)에서 자속 유지분 및 토크분 전류를 측정하여 임계값과 대비하는 앞서 단계들을 반복한다.
즉, 제어부(50)는 초기 전압을 순차적으로 감소하면서, 이때의 자속 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)의 비율이 0 또는 임계값으로 수렴할 때까지 반복한다.
다음으로, 임계값 보다 작으면, 현재 전압을 최종 전압으로 설정한다(S70)
즉, 유지분 대비 토크분의 전류 비례값의 기울기(또는 변화량)이 0(zero)에 수렴하면, 그때의 전압을 최종 전압(또는 최적 전압)을 설정한다.
그리고 인버터의 최적의 속도와 전압이 모두 설정되었으므로, 설정된 최적의 속도와 전압으로 인버터를 제어하여 모터(10)를 구동한다.
다음으로, 본 발명의 인버터 제어 방법의 원리에 대하여 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
앞서의 과정과 같이, 본 발명의 인버터 제어 방법은 1 단계에서 속도를 제어하고, 2 단계에서 별도로 전압을 제어한다. 이때, 전압을 점점 감소했을 때 자속 유지분(id)와 토크분(iq) 값의 나눈 값이 변하게 되는 기울기가 0(Zero)에 수렴할 때 전압을 조정하면 최적제어가 되는 것이다. 자속 유지분과 토크분의 비례값이 0으로 수렴되는 것이 도 5에 나타나고 있다.
이때 주파수와 전류는 고정되어 있으며 조건은 모터 토크가 부하토크보다 약간 큰 조건의 동기화가 이루어진다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 2승 저감 부하를 위한 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템의 구성 및 제어 방법을 도 6을 참조하여 설명한다.
본 발명의 제2 실시예는 인버터를 제어하기 위하여 수학식 5의 ROC를 사용하는 대신, 입력전류와 토크분 전류의 비례인 역률로 제어한다. 이하에서, 제1 실시예와 다른 부분만 설명한다. 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 제1 실시예의 설명을 참조한다.
먼저, 본 발명의 제2 실시예에서, 센서부(40)는 모터(10) 내의 입력 전류(I)와 토크분 전류(Iq)를 측정하는 전류 센서들로 구성된다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 모터 인버터의 제어 방법을 설명한다.
먼저, 인버터(20)의 속도(N)를 결정하고(S110), 설정된 속도에 대응되는 초기 전압을 설정한다(S120).
다음으로, 모터(10)의 입력전류(I)와 토크분 전류(Iq)를 측정하고(S130), 측정된 입력전류(I) 대비 토크분 전류(Iq)의 비례량의 변화량(△pF)을 구한다(S140). 변화량(△pF)은 비례량 또는 역률의 기울기로서, 바람직하게는, 현재 회차에서 측정한 역률 또는 비례값(Iq/I)과 이전 회차에서 측정한 역률 또는 비례값(Iq/I)의 차이로 구한다.
즉, 입력전류 대비 토크분의 전류 변화량(△pF)은 다음 수학식에 의해 구한다.
[수학식 6]
Figure 112016064718298-pat00008
여기서, I(t), Iq(t)는 각각 t 시점(t 회차)에서 측정된 입력 전류 및, 토크분 전류를 나타낸다.
다음으로, 역률 변화량(△pF)를 사전에 정해진 임계값과 대비한다(S150). 임계값은 사전에 설정된 값으로서, 0에 가까운 값이다. 즉, 변화량이 0으로 수렴하는가를 검증하기 위한 값이다. 앞서 제1 실시예의 임계값과 다르게 설정할 수 있다.
다음으로, 임계값 보다 작지 않으면, 전압을 강하하여 앞서 단계(S130 내지 S150)를 반복하여 수행하고(S160), 임계값 보다 작으면, 현재 전압을 최종 전압으로 설정한다(S170). 즉, 임계값 보다 작은 경우, 역률이 최대가 되는 순간을 말한다. 즉, 역률이 최대일 때, 그때의 현재 전압을 최종 전압으로 설정한다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 2승 저감 부하를 위한 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템의 구성 및 제어 방법을 도 7을 참조하여 설명한다.
본 발명의 제3 실시예는 제1 실시예에서, 전압 강하 후 총 전류의 변화량을 추가적으로 검사하여, 총 전류가 증가하면, 그 때의 전압을 최종 전압으로 설정한다. 이하에서, 제1 실시예와 다른 부분만 설명한다. 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 제1 실시예의 설명을 참조한다.
도 7에서 보는 바와 같이, 먼저, 인버터(20)의 속도(N)를 결정하고(S210), 설정된 속도에 대응되는 초기 전압을 설정한다(S220). 다음으로, 모터(10)의 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)를 측정하고(S230), 측정된 자속 유지분 전류(Id) 대비 토크분 전류(Iq)의 비례량의 변화량(ROC)을 구한다(S240). 변화량(ROC)를 사전에 정해진 임계값과 대비한다(S250).
다음으로, 임계값 보다 작지 않으면, 전압을 강하한다(S260). 그리고 총 전류의 변화량(△I) 또는 증가량을 검출하여, 총 전류의 증가량 또는 변화량이 사전에 정해진 최소 증가량 이상인지를 판단한다(S261). 이때, 총 전류는 유지분 전류(Id)와 토크분 전류(Iq)를 측정하여, 그 벡터합으로 연산하여 산출한다. 또는 별도의 전류 센서를 구비하여 총 전류를 측정할 수도 있다. 총 전류의 증가량은 강압 이전의 총 전류에서 강압 후의 총 전류의 차이로 산출한다.
만약 총 전류의 증가량(△I)이 최소 증가량 보다 작으면, 앞서 단계(S230 내지 S250)를 반복하여 수행한다. 그리고 총 전류의 증가량(△I)이 최소 증가량이 크면, 전압을 승압하고(S262), 승압된 현재 전압을 최종 전압으로 설정한다(S270). 그리고 인버터의 최적의 속도와 전압이 모두 설정되었으므로, 설정된 최적의 속도와 전압으로 인버터를 제어하여 모터(10)를 구동한다(S280).
다음으로, 실험을 통한 본 발명의 효과를 설명한다.
인버터로 펌프 등 모터(10)를 구동하는 실험을 수행하였다. 즉, 인버터로 속도를 제어하고, 해당 속도에서 전압을 측정하였다. 그 결과, 모터의 속도를 60Hz로 제어하고, 전압을 380V로 인버터에서 유도전동기 쪽으로 제어하였다. 이때, 자속 유지분 전류(Id)는 1.63A이고, 토크분 전류(Iq)는 1.09A로 측정되었다.
또한, 전압(V)를 순차적으로 강하하되, 똑같은 부하를 운전할 수 있는 상태를 유지하면서 강하하였다. 최종적으로, 전압이 190V까지 내릴 수 있었다. 이때, 자속 유지분 전류(Id)과 토크분 전류(Iq)는 그 크기가 뒤집어졌다. 즉, 자속 유지분 전류(Id)는 1.63A에서 0.48A로 강하되었고, 토크분 전류(Iq)는 1.09A에서 1.54A로 증가하였다. 이것은 수두가 똑같은 조건에서 실험한 결과이다.
이때 역률을 산출해보면, 전압제어를 하기 전에 56% 이고 전압제어(최대효율제어)를 한 경우에는 93%가 되었다. 즉, 역률이 40% 증가된 결과이다. 여기서 자속 유지분 전류(Id)가 줄었기 때문에 철손이 감소하여, 결국은 전류성분이 18% 감소한 것이다. 즉 전체적으로 1.97A에서 1.6A 정도로 감소하였다. 여기서 입력된 전력을 계산하면 전압제어를 하기 전에는 575W 이고, 전압제어를 한 경우에는 454W가 소모되었다.
결국은 20%정도 감소되었다. 이 실험 결과로는 37kW 하루 10시간 모터를 최대효율제어로 구동했을 때 전력요금이 얼마만큼 절감되는지에 대해서 살펴본다.
앞에서 설명한 1200rpm과 338V로 운전했을 때 다시 최대효율제어를 하게 되면 20.3%가 줄어들게 되어있습니다. 그래서 이 20.3%를 다시 요금에 반영시켜보면 350만원에서 20% 적용하면 280만원이 된다. 그래서 궁극적으로 55%를 절감하는 효과를 가져올 수 있다.
이 55%라는 것은 기존 펌프 즉 인버터 없이 60Hz에 380V 그대로를 가지고 운전했을 때의 전력요금차이가 아니라 기존에 있는 속도제어가 가능한 인버터를 사용했을 때 대비해서 55%가 더 절감된다는 것을 의미한다. 즉, 앞서 배경기술에서 설명한 속도 제어에 의한 에너지 절감 방법에 비하여 더 절감된다는 의미이다.
요약해보면 기존에 속도제어만으로 인버터제어를 했을 때는 1200rpm으로 제어할수 없어서 1600rpm으로 제어를 한다. 그럴 때 전력요금이 630만원이 나온다. 그런데 전압제어를 할 수 있는 인버터를 활용하면 1200rpm에 338V를 제어할 수 있어서 350만원의 전력요금이 나온다. 이때 44%의 이득이 있고, 여기서 최대효율제어를 함으로써 20.3%의 전력을 더 절감할 수 있어서 총 55%의 절감을 할 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 : 모터 20 : 인버터
30 : 전원부 40 : 센서부
50 : 제어부

Claims (8)

  1. 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서,
    2승 저감 부하를 구동하는 모터;
    상기 모터의 속도와 전압을 제어하는 인버터;
    상기 모터의 자속 유지분 전류와 토크분 전류를 측정하는 센서부; 및,
    상기 인버터의 속도를 결정하고, 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때에 측정된 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하여 상기 인버터의 전력 소비효율에 있어서의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 사전에 설정되는 초기 전압으로부터 점차 전압을 강하하면서, 상기 결정된 속도와 강하된 전압으로 모터를 구동하고, 구동시 상기 센서부로부터 측정된 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하여 최적 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때, 상기 모터의 자속 유지분 전류를 꼭 유지되어야 할 최소 자속 유지분만을 공급하도록, 상기 모터의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 결정된 속도와 강하된 전압으로 모터를 구동하고, 구동시 상기 센서부로부터 측정된 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량이 사전에 설정된 임계값 이하가 되면, 그때 강하되어 설정된 전압을 최적 전압으로 설정하는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 전압을 강하하고 전압 강하 후의 총 전류 변화량을 산출하여, 총 전류 변화량이 사전에 정해진 최소 변화량 보다 큰 경우에는, 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량이 사전에 설정된 임계값 이상 이더라도, 전압 강하 이전의 전압을 최적 전압으로 설정하는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 초기 전압을 상기 결정된 속도에 해당하는 정격 대비 전압 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 자속 유지분 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량(ROC)는 다음 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
    [수식 1]
    Figure 112016064718298-pat00009

    단, Id(t), Iq(t)는 각각 t 시점(t 회차)에서 측정된 자속 유지분 전류 및, 토크분 전류임.
  7. 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템에 있어서,
    2승 저감 부하를 구동하는 모터;
    상기 모터의 속도와 전압을 제어하는 인버터;
    상기 모터의 입력 전류와 토크분 전류를 측정하는 센서부; 및,
    상기 인버터의 속도를 결정하고, 결정된 속도로 상기 모터를 구동할 때에 측정된 입력 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하여 상기 인버터의 전력 소비효율에 있어서의 최적 전압을 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 사전에 설정되는 초기 전압으로부터 점차 전압을 강하하면서, 상기 결정된 속도와 강하된 전압으로 모터를 구동하고, 구동시 상기 센서부로부터 측정된 입력 전류와 토크분 전류의 비례값을 이용하여 최적 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입력 전류와 토크분 전류의 비례값의 변화량(△pF)는 다음 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템.
    [수식 2]
    Figure 112016064718298-pat00010

    단, I(t), Iq(t)는 각각 t 시점(t 회차)에서 측정된 입력 전류 및, 토크분 전류임.
KR1020160084401A 2016-07-04 2016-07-04 2승 저감 부하의 최대 운전효율점 적용 시스템 KR101703973B1 (ko)

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