KR102475393B1 - 이동형 공기 오염 감시기의 고효율 전력 변환 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 이동형 공기 오염 감시기는 내부로 공기를 흡입시키고, 흡입된 공기를 일정한 라인에 따라 외부로 배출시키도록 구동하는 펌프, 흡입되는 공기의 유량을 측정하는 유량계, 공기 중에서 방사능 또는 방사선을 검출하는 검출 모듈, 검출된 방사능 또는 방사선 데이터와 측정된 유량을 수집하고, 수집한 데이터들을 전달하는 신호처리 모듈, 그리고 장착된 저압 배터리에 기초하여 신호처리 모듈에 직류 전원을 제공하고, 펌프에 교류 전원을 제공하는 전력 모듈을 포함한다.
Description
이동형 공기 오염 감시기의 고효율 전력 변환 장치에 관한 것이다.
공기오염감시기는 특정 지역의 공기 시료를 획득하여 연속적으로 공기 중 방사선/방사능 물질을 감시하는 용도로 사용된다.
일반적으로 공기오염감시기는 고정된 위치에서 설치되어 실시간으로 해당 영역에서의 공기오염도를 모니터링 하지만, 최근에는 공기오염감시기의 활용도를 높이기 위해 이동형 공기오염감시기가 개발되었다,
이동형 공기오염감시기는 원자력시설 및 방사선이용시설 등에서 고정형 감시기가 설치되지 않은 공간에 투입되어 방사선/ 방사능 물질을 감시한다.
이때, 사고 발생시 이동형 공기오염감시기가 투입되는 경우, 방사선으로부터 작업자의 안전을 확보하면서 현장에서의 오염도를 파악할 수 있어 중요한 역할을 수행한다.
도 1은 기존의 이동형 공기 오염 감시기의 전력 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이동형 공기오염감시기는 이동이 용이하기 위해 이동 수단 위에 공기오염감시기를 구현하며, 상용 교류 계통(Electrical utility)으로부터 유선으로 교류 전력을 공급받는다.
다만, 이동형 공기오염감시기의 전자 모듈에서는 저압 직류 전원이 요구되고 펌프에서는 교류 전원이 요구되기 때문에, 같이 교류 계통으로부터 직접 전력을 공급받아 운영되는 이동형 공기오염감시기는 직류 전력을 요구하는 전자계를 위해 별도의 AC-DC 컨버터 (예: SMPS, Switching mode power supply)가 필요하다.
이러한 경우, 항시 정격 전력을 소모하기에 에너지 변환 효율이 낮기 때문에 부하의 에너지 소모량에 따른 운영 가능시간이 감소되며, 유량 조절 밸브를 이용해 수동으로 유량 제어를 수행하여야 하기에 운영 편의성이 낮다.
이처럼 기존의 전력 공급 방식은 이동형 공기오염감시기의 기동성에 한계로 인해 활용도가 낮아지므로 이동형 공기오염감시기에 적합한 고효율 전력 변환 기술이 요구된다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 439,414호는 "절연형 디씨/디씨 전력변환기 및 이를 이용한 무정전전원공급 장치"을 개시한다.
본 발명의 한 실시예는 저압 배터리를 차용하여 절연형 DC-DC 컨버터와 풀브릿지 인버터로 구성된 이단 DC-AC 컨버터를 통해 고전력 변환 효율을 갖는 전력 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예는 이동형 공기오염감시기의 펌프와 연결된 단상 인버터의 주파수를 조절하여 펌프의 속도에 따른 자동으로 유량을 조절하는 전력 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 공기 오염 감시기는 내부로 공기를 흡입시키고, 흡입된 공기를 일정한 라인에 따라 외부로 배출시키도록 구동하는 펌프, 흡입되는 공기의 유량을 측정하는 유량계, 공기 중에서 방사능 또는 방사선을 검출하는 검출 모듈, 검출된 방사능 또는 방사선 데이터와 측정된 유량을 수집하고, 수집한 데이터들을 전달하는 신호처리 모듈, 그리고 장착된 저압 배터리에 기초하여 신호처리 모듈에 직류 전원을 제공하고, 펌프에 교류 전원을 제공하는 전력 모듈을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환 장치는 저압 배터리, 저압 배터리의 일단에 연결되는 스위칭 소자, 저압 배터리의 타단과 연결된 다이오드, 스위칭 소자와 다이오드가 연결된 지점에서 연결되는 필터를 포함하는 제1 전력 변환 모듈, 저압 배터리의 일단과 변압기 1차측에 직렬로 연결되는 인덕터, 인덕터의 일단과 저압 배터리의 타단에 연결되는 스위치부, 그리고 변압기 2차측에 연결되는 dc-link 부를 포함하는 제2 전력 변환 모듈, 그리고 저압 배터리의 전압에 기초하여 제1 전력 변환 모듈과 제2 전력 변환 모듈의 전압에 대한 피드백 제어를 수행하는 전력제어 모듈을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전력 모듈의 소형화와 경량화를 통해 이동형 공기오염감시기의 기동성을 향상시키며, 전력 변환 효율에 의해 운영 가능 시간을 최대한으로 확보할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 저압 배터리를 차용하여 DC-DC 컨버터를 통해 신호처리 모듈에 전력을 제공함에 따라 저주파수 맥동 선분이 배제되어 커패시터의 크기를 줄일 수 있고 출력 전압 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 유량 조절 밸브가 별도로 구비되지 않더라도 인버터를 통해 펌프의 회전 수를 제어함으로써, 펌프의 회전 수와 비례하는 유량을 자동으로 제어할 수 있다.
도 1은 기존의 이동형 공기 오염 감시기의 전력 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 공기 오염 감시기를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 dc-dc 컨버터의 등가회로를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 dc-dc 컨버터의 작동에 기초한 파형을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 알고리즘을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 소프트 스위칭 기법에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 부하 조건에 따른 dc-dc 컨버터의 효율성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 공기 오염 감시기를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 dc-dc 컨버터의 등가회로를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 dc-dc 컨버터의 작동에 기초한 파형을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 알고리즘을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 소프트 스위칭 기법에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 부하 조건에 따른 dc-dc 컨버터의 효율성을 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서 설명하는 장치들은 적어도 하나의 프로세서, 메모리 장치, 통신 장치 등을 포함하는 하드웨어로 구성되고, 지정된 장소에 하드웨어와 결합되어 실행되는 프로그램이 저장된다. 하드웨어는 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 구성과 성능을 가진다. 프로그램은 도면들을 참고로 설명한 본 발명의 동작 방법을 구현한 명령어(instructions)를 포함하고, 프로세서와 메모리 장치 등의 하드웨어와 결합하여 본 발명을 실행한다.
본 명세서에서 "전송 또는 제공"은 직접적인 전송 또는 제공하는 것뿐만 아니라 다른 장치를 통해 또는 우회 경로를 이용하여 간접적으로 전송 또는 제공도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 공기 오염 감시기를 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이동형 공기 오염 감시기(100)는 흡입되는 시료(공기)에 대해 방사능 또는 방사선을 감지하는 검출 모듈(110), 흡입되는 시료의 유량을 측정하는 유량계(120), 시료를 획득하기 위한 단상 유도 전동기 기반의 펌프(130), 검출 모듈(110) 또는 유량계(120)에서 생성한 신호를 처리하며, 처리된 신호를 데이터 통신을 수행하거나 연동되는 디스플레이 기기에 제공하는 신호처리 모듈(140), 그리고 전력 모듈(150)을 포함한다.
검출 모듈(110)은 펌프(130)의 구동에 의해 흡입된 공기에 대해 방사능 또는 방사선을 감지하며, 감지된 양을 측정하여 신호처리 모듈(140)로 전달한다.
유량계(120)는 검출 모듈(110)에서 획득한 공기의 유량을 측정하여 신호처리 모듈(140)에 전달하며, 기존의 장치와는 달리 별도의 유량 조절용 밸브를 포함하지 않는다.
펌프(130)는 검출 모듈(110)에 공기의 흐름을 제어하기 위해 검출 모듈(110)로 공기가 흡입되도록 구동하며, 흡입된 공기가 유량계(120)를 거쳐 외부로 배출되도록 구동한다.
여기서 펌프(130)는 전력 모듈(150)의 제2 전력 변환 모듈(153)을 통해 교류 전원을 공급받으며, 펌프의 회전 속도가 제2 전력 변환 모듈(153)에 의해 제어된다.
신호처리 모듈(140)은 검출 모듈(110)과 유량계(120)에서 감지되는 각각의 방사능/방사선량, 그리고 흡입된 시료의 유량에 대해 수집하고, 이를 신호 처리하여 유의미한 신호만을 검출한다.
그리고 신호처리 모듈(140)은 데이터 통신을 통해 외부 사용자 단말 또는 연동되는 디스플레이 기기에 전송한다. 여기서, 디스플레이 기기는 이동형 공기 오염 감시기(100)에 장착되어 신호처리 모듈(140)에서의 신호를 표시할 수 있다.
신호처리 모듈(140)은 제1 전력 변환 모듈(152)을 통해 저압 직류 전원을 공급받는다.
전력 모듈(150)은 저압 배터리(Low voltage Battery, 151)를 차용하여 신호처리 모듈(140)과 펌프(130)에 각각 전원을 공급한다. 이때, 저압 배터리(151)를 차용함에 따라 사고로 인해 일부 전력 라인이 소실되는 상황에서도 독립적으로 이동형 공기 오염 감시기를 운영할 수 있다.
전력 모듈(150)은 신호처리 모듈(140) 및 펌프(130)로의 전력 공급을 위해 제1 전력 변환 모듈(DC-DC Converter, 152)과 제2 전력 변환 모듈(Two=stage DC-AC Converter, 153) 그리고 전력제어 모듈(Power Converter Controller, 154)을 포함한다.
제1 전력 변환 모듈(152)은 강압 컨버터(step-down converter)로 구성되어 신호처리 모듈(140)과 연결되며, 제2 전력 변환 모듈은 절연형 DC-DC 컨버터와 풀브릿지 인버터로 구성된 이단 DC-AC 컨버터로 펌프(130)와 연결된다.
그리고 전력제어 모듈(154)은 배터리 전압(Vbat), DC-link 전압(Vdc), 펌프의 출력 전압(vo), 그리고 신호처리 모듈의 출력 전압(VE)에 대한 아날로그신호를 전력회로에서 센싱한다.
전력제어 모듈(154)은 배터리 전압(Vbat)이 임계치 이하로 감소하기 전까지 DC-link 전압(Vdc)전압에 대한 피드백 제어를 수행한다.
상세하게는 전력제어 모듈(154)은 미리 설정된 유량 기준치를 추종하여 펌프(130)와 연결된 단상 인버터를 제어하며, 신호처리 모듈(140)의 출력 전압에 기초하여 직류 전력을 공급하는 강압 컨버터를 제어한다.
이때, 전력제어 모듈(154)은 인가되는 주파수를 조정하여 펌프의 속도를 제어할 수 있다. 이때, 전력제어 모듈(154)은 가변전압가변 주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어를 수행할 수 있으며, 유량 기준치는 추후에 관리자에 의해 용이하게 변경 및 설정 가능하다.
이처럼 전력제어 모듈(154)이 펌프의 속도를 제어함에 따라 펌프의 회전 속도에 비례하는 유량을 조절할 수 있다.
이하에서는 도 3을 이용하여 전력 변환 모듈들의 구성에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 저압 배터리(151)에 연결된 제1 전력 변환 모듈(152)과 제2 전력 변환 모듈(153)은 각각 신호처리 모듈(140)과 펌프(130)로 연결된다.
제1 전력 변환 모듈(152)은 신호처리 모듈(140)에 전력을 공급하기 위해서 강압 컨버터를 적용하였고, 강압 컨버터는 벅 컨버터(Buck converter)를 의미하지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
여기서, 벅 컨버터는 제어 입력 (듀티 비)대 출력 전압이 선형관계이기에 제어 성능이 높고 출력 측에 필터 Lb가 존재하여 고품질의 직류 전력을 신호처리 모듈(140)에 제공할 수 있다.
제1 전력 변환 모듈(152)은 저압 배터리(151)의 일단에 연결되는 스위칭 소자(Sb)와 저압 배터리(151)의 타단과 연결된 다이오드(Db)가 서로 연결되고, 스위칭 소자(Sb)와 다이오드(Db)가 연결된 지점에서 필터(Lb)와 연결된다.
그리고 제1 전력 변환 모듈(152)은 직류 전원인 배터리에서 전력 변환을 수행하기 때문에 교류 계통 주파수의 두 배에 해당하는 맥동 성분이 배제되어 커패시터 Cb의 크기를 줄일 수 있고, 출력 전압 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 제2 전력 변환 모듈(152)은 절연형 DC-DC 컨버터와 풀브릿지 인버터로 구성된다.
상세하게는 절연형 DC-DC 컨버터는 주 스위치(S1) 그리고 능동 클램프 스위치(S1a)a, 변압기 T, 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2), 그리고 커패시터 (Cr1, Cr2)로 구성된다.
절연형 DC-DC 컨버터는 변압기, 변압기의 1차측에 직렬로 연결되며, 저압 배터리(151)의 일단에 연결되는 인덕터(Lm), 인덕터(Lm)의 일단과 저압 배터리(151)의 타단에 연결되는 스위치부, 그리고 변압기 2차측에 연결된 DC -link부를 포함한다.
스위치부는 주 스위치(S1) 그리고 능동 클램프 스위치(S1a)를 포함하며, DC-link부는 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)를 포함하고 dc-dc 변압기와 연결된다.
여기서, 주 스위치(S1)와 능동 클램프 스위치(S1a)는 상보적으로 동작하며, 능동 상태로 변환할 때, 제로 전압 스위칭(Zero voltage switching) 동작을 수행하여 스위칭 손실을 제거한다.
또한, 제1다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)는 누설 인덕턴스(Llk)와 커패시터(Cr1) 및 (Cr2)로 구성된 공진 회로를 통해 제로 전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 턴 오프를 달성한다.
이를 통해 다이오드 D1과 D2의 역회복 시간 문제에 대한 손실을 완화한다.
이러한 구성의 절연형 DC-DC 컨버터는 변압기에 연결되는 풀브릿지 인버터의 입력 전압 레벨만큼 저압 배터리(151)의 낮은 전압을 높이는 역할을 한다.
그리고 풀브릿지 인버터는 고압의 Vdc로 펌프가 구동할 수 있도록 교류 전원으로 변환한다.
그리고 펌프(130)와 직접 연결된 풀브릿지 인버터의 경우, 스위치 4개 (S2, S3, S4, S5)로 구성되며 바이폴라 스위칭 동작을 수행한다.
여기서, 바이폴라 스위칭 동작은 유니폴라 스위칭 방식과 달리 공통모드 잡음이 없어 시스템의 안정성 및 신뢰도를 향상시킨다.
이때, 전력제어 모듈(154)에 의해 풀브릿지 인버터에 인가되는 주파수에 따라 펌프의 회전수가 제어될 수 있다.
유량의 계측값이 펌프의 회전 속도와 비례하기 때문에, 펌프의 회전 수를 제어함으로써, 유량을 조절할 수 있다. 다시 말해, 유량 조절 밸브가 별도로 구비되지 않더라도 인버터에 의한 펌프의 회전 수를 제어함으로써 유량 조절을 수행할 수 있다.
이는 펌프의 회전 속도와 유량의 계측 값은 비례하기 때문에, 펌프의 회전 수를 제어함으로써, 유량의 조절 밸브 역할을 자동으로 수행할 수 있다.
이와 같이, 저압 배터리(151)와 병렬로 연결된 제1 전력 변환 모듈(152)과 제2 전력 변환 모듈(153)은 각각의 신호처리 모듈(140)과 펌프(130)로 전력을 공급한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 dc-dc 컨버터의 등가회로를 나타낸 예시도이고 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 dc-dc 컨버터의 작동에 기초한 파형을 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 절연형 dc-dc 컨버터의 주 스위치(S1) 그리고 능동 클램프 스위치(S1a)는 상보적으로 동작하며 한 스위칭 주기 동안 4개의 세부 동작 모드가 존재한다.
여기서, 세부 동작 모드는 mode1, mode2, mode3, mode4와 같으며, mode1 전에 전류 is는 0이고, 변압기 T의 2차측에서는 전류가 흐르지 않는다.
Mode 1은 t0에서 주 스위치(S1)가 턴 온하며 시작되며, 주 스위치(S1)의 턴 온 시, 전류는 스위치 S1의 역방향 다이오드를 통해 흐르기 때문에 주 스위치(S1)의 양단에 인가되는 전압은 0으로서 영 전압(Zero voltage) 상태에서 턴 온 된다.
영 전압 상태에서 턴 온이 되기 때문에 스위칭 손실을 감소시킨다.
그리고 Mode 1에서는 변압기(T)를 통해 배터리로부터 DC-link 측으로 전력이 전달되면, 변압기(T)의 2차측에서 전류 is가 다이오드(D1)를 통해 흐르게 되고, 누설 인덕턴스(Llk)와 공진 커패시터(Cr1, Cr2)에 의한 공진이 발생한다.
Mode 2는 t1에서 2차측 전류(is)가 0이 되고 공진이 종료됨에 따라 시작된다. 다이오드(D1)가 도통된 상태에서 전류(is)가 0이 되기 때문에 Mode 2에서 다이오드(D1)는 영 전류 (Zero current) 상태에서 턴 오프 된다. 그러므로 다이오드 역 회복 시간 문제에 의한 손실을 감소시킨다.
Mode 3에서는 주 스위치(S1)가 턴 오프 되고 능동 클램프 스위치(S1a)가 턴 온 되면 시작되고, 능동 클램프 스위치(S1a)가 턴 온되는 시점 (t2)에 스위치를 통해 흐르는 전류가 능동 클램프 스위치(S1a)의 역 방향 다이오드를 통해 흐르기 때문에 능동 클램프 스위치(S1a) 역시 영 전압 상태에서 턴 온 된다.
Mode 3에서는 Mode 1에서와 같이 공진이 발생하고 능동 클램프 커패시터에 저장된 에너지가 변압기(T), 다이오드(D2)를 통해 DC-link 측으로 전달되며, 누설 인덕턴스(Llk)와 공진 커패시터(Cr1, Cr2)에 의한 두 번째 공진이 발생한다.
Mode 4는 2차측 전류(is)가 0이 되면서 시작되며, Mode 2에서와 같이 다이오드(D2)는 영 전류 상태에서 턴 오프 된다. 따라서 다이오드 (D2) 역시 다이오드의 역 회복 시간 문제에 의한 손실을 경감시킨다.
그리고 도 5는 도 4의 4가지의 모드에 대한 파형을 나타낸 것으로, t0에서t1은 Mode 1, t1에서 t2는 Mode 2, t2에서 t3은 Mode 3, 그리고 t3에서 t4는 Mode 4를 나타낸다.
이하에서는 도 6을 이용하여 유량 조절 밸브 없이도 전력 모듈(150)의 제어에 따라 유량이 조절되는 구성에 대해서 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 알고리즘을 나타낸 예시도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 전력 모듈(150)은 배터리 전압(Vbat), DC-link 전압(Vdc), 펌프(130)의 출력 전압(vo)그리고 신호처리 모듈(140)의 출력 전압(VE)에 대한 아날로그신호를 전력회로에서 센싱한다.
참고로, 도 6에서 Vdc *는 DC-link 전압의 기준치, f0 *는 출력 전압(vo)의 기준 주파수, VE *는 신호처리 모듈(140)의출력 전압의 기준치, vo *는 펌프(130)의 출력 전압의 기준치, f*는 기준 유량을 나타낸다.
여기서, 유량 f는 유량계(120) 또는 신호처리 모듈(140)로부터 시리얼 통신 또는 이더넷 통신과 같은 디지털 통신방식으로 획득할 수 있다.
일반적으로 공기오염 감시기에서 실시간 방사능 계측값과 유량을 측정하기 때문에 각 구성 요소들간의 연결에 따라 유량(f)값이 공유될 수 있다.
전력 모듈(150)은 저압 배터리(151)의 전압이 임계치 이하로 감소하기 전까지 펌프(130)에 전력을 공급하는 DC-link 전압에 대한 피드백 (feedback) 제어를 수행한다.
또한, 전력 모듈(150)은 신호처리 모듈(140)에 직렬 전류를 공급하는 강압 컨버터의 출력 전압에 피드백(feedback) 제어를 수행한다
이때, 제어를 수행하는 전력제어 모듈(154)은 예를 들어 비례-적분 제어기(proportional-integral controller, PI controller)가 사용될 수 있다.
그리고 전력 모듈(150)은 펌프와 연결된 단상 인버터에 대해 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 알고리즘 기반의 제어를 수행한다.
다시 말해, 전력 모듈(150)은 인버터에 인가되는 주파수를 조정하여 펌프(130)의 속도를 제어함으로써, 유량을 조절할 수 있다.
상세하게는 전력 모듈(150)은 가변전압가변주파수 알고리즘에 기초하여 미리 설정된 유량 기준치를 추종함으로써 펌프의 회전 속도를 조절한다.
예를 들어 인버터 방식을 활용할 경우, 펌프의 소비 전력은 펌프 회전속도의 3승에 비례하기에 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
[수학식 1]
P1: P2 = N1 3: N2 3
여기서, P1은 정격 소비 전력, P2는 인버터 적용 시 소비 전력, N1은 정격 회전수, N2는 인버터 제어에 따른 펌프 회전 수를 나타낸다.
기존의 교류 계통으로부터 직접 전력을 받게 되면, 항상 P1에 해당하는 정격 전력을 소비하는 반면에, 본원 발명과 같이 인버터 방식을 활용할 경우 출력 전압의 주파수를 조절할 수 있기 때문에, 펌프(130)의 회전 수를 제어할 수 있다. 이에 따라 정격 주파수가 60Hz인 펌프(130)의 경우, 주파수를 55Hz에서 운전 시 평균 20%, 40Hz에서 운전 시 평균 70% 에너지 절감이 가능하다.
이처럼, 본원 발명에서 제안하는 전력 변환 모듈에 따라 배터리와 같은 한정된 에너지원에 대해 높은 전력 효율을 갖게 된다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 이용하여 전력 효율에 대해서 확인한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 소프트 스위칭 기법에 따른 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 부하 조건에 따른 dc-dc 단계의 효율성을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 주 스위치(S1)에서 턴 온 된 상태에 대한v, i 값을 나타내고, (b)는 다이오드(D1)의 턴 오프된 상태에 대한 v, i 값을 나타낸다.
도 7의 (a)를 보면 제로 전압 스위칭(Zero voltage switching) 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있으며, (b)를 보면 다이오드(D1)가 전류가 0 인 상태에서 턴 오프되는 것으로 제로 전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 턴 오프를 달성한 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 도 8에서 보면, 부하 조건에 따른 DC-DC 컨버터의 최대 효율이 98.1 %인 것을 확인할 수 있다.
또한, 표 1은 VVVF 알고리즘을 사용하는 인버터의 출력 전력 및 유량을 나타낸다.
이처럼, dc-dc 단계의 소프트 스위칭 기술과 인버터 단계의 VVVF 수행은 고효율 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
| Output voltage/frequency | Output power, P0 | Flow rate, f |
| 120V/27.5Hz | 94.5W | 26.5L/min |
| 150V/37.2Hz | 119W | 36L/min |
| 180V/47Hz | 154W | 43L/min |
| 200V/53Hz | 190W | 47.4L/min |
| 220V/60Hz | 240W | 52L/min |
이와 같이, 본 발명에 따르면, 저압 배터리를 차용하여 DC-DC 컨버터를 통해 신호처리 모듈에 전력을 제공함에 따라 저주파수 맥동 선분이 배제되어 커패시터의 크기를 줄일 수 있고 출력 전압 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 유량 조절 밸브가 별도로 구비되지 않더라도 인버터를 통해 펌프의 회전 수를 제어함으로써, 펌프의 회전 수와 비례하는 유량을 자동으로 제어할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 여기서 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드가 포함된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (11)
- 내부로 공기를 흡입시키고, 흡입된 공기를 일정한 라인에 따라 외부로 배출시키도록 구동하는 펌프,
흡입되는 상기 공기의 유량을 측정하는 유량계,
상기 공기 중에서 방사능 또는 방사선을 검출하는 검출 모듈,
검출된 상기 방사능 또는 방사선 데이터와 측정된 상기 유량을 수집하고, 수집한 데이터들을 전달하는 신호처리 모듈, 그리고
장착된 저압 배터리에 기초하여 상기 신호처리 모듈에 직류 전원을 제공하고, 상기 펌프에 교류 전원을 제공하는 전력 모듈
을 포함하고,
상기 전력 모듈은 상기 저압 배터리의 전압을 승압하고, 승압된 전압을 교류 전원으로 변환하여 상기 펌프에 제공하는 이단 dc-ac 컨버터를 포함하고,
상기 이단 DC-AC 컨버터는 절연형 DC-DC 컨버터와 풀브릿지 인버터를 포함하고,
상기 절연형 DC-DC 컨버터는, 상기 저압 배터리의 일단에 연결되는 인덕터, 상기 인덕터의 일단과 상기 저압 배터리의 타단에 연결되는 주 스위치와 능동 클램프 스위치, 그리고 변압기 2차측에 연결된 제1 다이오드와 제2 다이오드로 구성된 DC -link부를 포함하고,
상기 절연형 DC-DC 컨버터는, 상기 주 스위치와 상기 능동 클램프 스위치가 서로 상보적으로 동작하여 턴 온시, 제로 전압 스위칭 동작을 수행하고, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드의 턴 오프시, 제로 전류 스위칭 동작을 수행하면서 상기 풀브릿지 인버터의 가동 전압으로 상기 저압 배터리의 전압을 승압시키는 이동형 공기 오염 감시기.
- 제1항에서,
상기 전력 모듈은,
상기 저압 배터리의 전압을 강압하여 상기 신호처리 모듈에 직류 전원을 제공하는 강압 컨버터, 그리고
상기 저압 배터리의 전압을 센싱하여 센싱된 값이 임계치 이하로 감소하기 전까지 DC-DC 컨버터 또는 강압 컨버터의 전압에 대한 피드백 제어를 수행하는 제어 모듈을 포함하는 이동형 공기 오염 감시기.
- 제2항에서,
상기 제어 모듈은,
측정된 상기 유량에 기초하여 미리 설정된 유량 기준치를 추종하는 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어를 통해 풀브릿지 인버터에 인가되는 주파수를 제어하는 이동형 공기 오염 감시기.
- 제2항에서,
상기 강압 컨버터는,
상기 저압 배터리의 일단에 연결되는 스위칭 소자와 상기 저압 배터리의 타단에 연결되는 다이오드가 서로 연결되고, 상기 스위칭 소자와 다이오드가 연결되는 지점에서 필터를 포함하고,
상기 필터를 통해 직류 전력을 상기 신호처리 모듈에 제공하는 이동형 공기 오염 감시기.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 풀브릿지 인버터는,
구성된 4개의 스위치가 바이폴라 스위칭 동작을 수행하는 이동형 공기 오염 감시기.
- 저압 배터리,
상기 저압 배터리의 일단에 연결되는 스위칭 소자, 상기 저압 배터리의 타단과 연결된 다이오드, 상기 스위칭 소자와 상기 다이오드가 연결된 지점에서 연결되는 필터를 포함하는 제1 전력 변환 모듈,
상기 저압 배터리의 일단과 변압기 1차측에 직렬로 연결되는 인덕터, 상기 인덕터의 일단과 저압 배터리의 타단에 연결되는 스위치부, 그리고 상기 변압기 2차측에 연결되는 dc-link 부를 포함하는 제2 전력 변환 모듈, 그리고
상기 저압 배터리의 전압에 기초하여 상기 제1 전력 변환 모듈과 제2 전력 변환 모듈의 전압에 대한 피드백 제어를 수행하는 전력제어 모듈
을 포함하고,
상기 스위치부는 주 스위치와 능동 클램프 스위치를 포함하고,
상기 dc-link 부는 제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함하고,
상기 주 스위치와 상기 능동 클램프 스위치가 서로 상보적으로 동작하여 턴 온시, 제로 전압 스위칭 동작을 수행하고, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드의 턴 오프시, 제로 전류 스위칭 동작을 수행하면서 풀브릿지 인버터의 가동 전압으로 상기 저압 배터리의 전압을 승압시키는 전력 변환 장치.
- 제8항에서,
상기 제1 전력 변환 모듈은, 상기 저압 배터리의 전압을 강압하여 직류 전원을 신호처리 기기에 전달하고,
상기 제2 전력 변환 모듈은, 상기 저압 배터리의 전압을 승압하고, 승압된 전압을 교류 전원으로 변환하여 펌프에 전달하는 전력 변환 장치.
- 제9항에서,
상기 전력제어 모듈은,
상기 펌프에 의한 유량을 수집하고,
수집된 상기 유량에 기초하여 미리 설정된 유량 기준치를 추종하는 가변전압가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 제어를 통해 상기 펌프에 인가되는 주파수를 조정하도록 상기 제2 전력 변환 모듈을 제어하는 전력 변환 장치.
- 제10항에서,
상기 전력제어 모듈은,
상기 유량 기준치를 추종하기 위한 상기 펌프의 회전 속도에 따른 소비 전력을 산출하고 산출된 소비 전력만큼의 주파수를 인가하도록 상기 제2 전력 변환 모듈을 제어하는 전력 변환 장치.
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Patent Citations (2)
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