KR100908385B1

KR100908385B1 - 인버터 부스터 펌프 시스템 및 이를 이용한 캐비테이션 검출 방법

Info

Publication number: KR100908385B1
Application number: KR1020090004325A
Authority: KR
Inventors: 장덕진
Original assignee: 주식회사 두크
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2009-07-20

Abstract

본 발명은 캐비테이션 검출이 가능한 개별 인버터 부스터 펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 인버터를 포함하는 부스터 펌프 시스템에 있어서, 상기 인버터는 입력전원에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부와 상기 정류부에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터와 PWM 발생부에서 신호를 받아 상기 평활용 커패시터에서 평활된 직류 전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부와 상기 인버터부의 출력전원을 검출하는 전류센서와 PID 제어기와 상기 PID 제어기에서 출력된 펌프 지령 회전수에 따라 인버터의 출력전압을 결정하는 V/f 제어기와, 상기 인버터부에 연결된 상기 전류센서에서 검출한 3상 전류를 2상 전류로 변환시키는 3상/2상 변환기와, 연산부 및 캐비테이션 검출부를 포함하여 캐비테이션 상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 인버터를 포함하는 부스터 펌프 시스템에 관한 것이다.

상술한 본 발명 펌프를 보호하기 위한 방법으로써 펌프 임펠러 침식으로 인한 파괴 및 양정 저하 등이 발생되는 캐비테이션 현상을 펌프의 운전 회전수와 인버터의 출력 전력을 이용하여 펌프의 캐비테이션 상태를 검출하여 인버터를 효과적으로 정지시켜 부스터 펌프의 파손을 방지할 수 있다.

부스터 펌프, 동파 방지, 인버터, PID 제어

Description

인버터 부스터 펌프 시스템 및 이를 이용한 캐비테이션 검출 방법{Inverter booster pump and Cavitation detection method of inverter booster pump system }

본 발명은 인버터를 포함하는 부스터 펌프 시스템에서, 펌프 시스템과 펌프를 보호하기 위한 방법으로써 펌프 시스템의 펌프 임펠러 침식으로 인한 파괴 및 양정 저하 등이 발생되는 캐비테이션을 펌프의 회전수와 인버터의 출력 전력을 이용하여 펌프의 캐비테이션 상태를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

부스터 펌프 시스템의 일정압력 제어방법은 펌프 대수제어 방식과 인버터를 이용한 펌프 회전수 제어방식이 있으며, 펌프 대수제어 방식은 토출부에 압력센서나 압력스위치를 설치하여 토출부의 압력에 따라 펌프의 운전 대수를 제어하여 토출부 압력을 일정하도록 제어하는 방식으로서, 이 방식은 펌프를 제어할 때 전원전압을 직입 연결하므로 기동전류가 크고 토출 압력의 편차가 크고, 또한 펌프의 기동시 높은 압력이 배관에 가해지므로 이를 완충하기 위해 토출부에 용량이 큰 완충용 압력탱크를 설치하여야 함으로써 이로 인해 압력탱크의 수명에 따라 유지보수가 필요하며 일반적인 회전수 제어방식에 비해 펌프의 기계적 수명이 짧아지는 단점이 있으며, 펌프 회전수 제어방식은 토출부에 압력센서를 설치하고 유량 변화에 따라 토출 압력을 일정하게 제어하기 위해 펌프의 회전속도를 제어하는 방식으로서, 펌프 회전수 제어방식은 펌프 회전수를 제어하는 인버터의 수에 따라 단독 인버터 제어방식과 개별 인버터 제어방식이 있다.

단독 인버터 제어방식은 토출부의 유량에 따라 하나의 펌프만 인버터로 제어하고 나머지 펌프는 직입 운전을 하는 방식으로서, 단독 인버터 제어방식은 유량에 따라 펌프의 회전수를 제어하므로 대수제어에 비해 정확하게 토출압력을 제어할 수 있다.

그러나 인버터로 제어되는 펌프를 제외한 펌프는 기동시 직입 운전을 하기 때문에 기동전류가 클 뿐만 아니라 높은 압력이 배관에 가해지므로 완충용 압력탱크가 반드시 필요하며, 개별 인버터 제어방식은 각각의 펌프에 인버터를 설치하여 소프트 기동이 가능하여 입력 전원의 순간적인 과전류를 방지 할 뿐만 아니라 토출 유량 변화에 따라 압력을 세밀하게 제어할 수 있는 제어방식이고, 또한 이 제어방식은 각각의 펌프의 회전속도를 독립적으로 제어할 수 있으며 부스터 펌프 시스템의 운전 상태 또는 부하량이나 각 펌프의 상태 정보를 정확하게 얻을 수 있으며, 이러한 상태 정보를 이용하여 펌프 시스템이나 펌프를 보호할 수 있어 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

종래의 펌프 시스템에는 펌프의 다양한 보호기능이 존재하나 캐비테이션 현상을 검출하지 못하였고, 펌프 시스템에서 캐비테이션 현상은 흡입 유량이 토출 유량보다 적거나 흡입의 압력이 낮은 상태에서 펌프내의 유체가 고속으로 움직이면 순간 압력이 저하하며, 이때 압력이 포화기증기압보다 낮아지면 유체내에 포함되어 있던 기체와 유체 자체의 기화에 의해 기포가 발생하는 현상이다.

이러한 기포가 다시 압력이 높은 부분에 이르면 급격히 부서지며 유체내로 빠르게 포화하게 되며, 이때 기체가 소멸된 부분에 급격하게 유체가 채워지게 된다.

이에 따른 문제점으로는 기포에 의한 임펠러 점침식, 펌프내의 순간적 압력변화에 의한 임펠러 하우징 손상, 지속적인 기포 발생으로 인한 펌프내 공기 유입에 의한 펌프 과열 및 양정 저하 등이 발생하며, 몇몇 시스템에서는 최종적으로 양정저하 현상이 발생하므로 저압 경보에 포함하여 검출 하는 경우도 있으나 캐비테이션 현상이 지속적으로 발생하여 임펠러의 점침식이나 공기유입이 일정시간이상 지속적으로 발생한 후에 검출되므로 저압 경보로는 펌프를 보호 할 수가 없다.

본 발명은 개별 인버터 제어방식의 부스터 펌프 시스템에 있어서, 펌프 시스템과 펌프를 보호하기 위한 방법으로써 각각의 펌프내의 캐비테이션 발생을 토출압력과 인버터의 출력전력을 이용하여 펌프의 캐비테이션을 검출하는 방법을 제안하는 데 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 펌프 시스템의 펌프 임펠러 침식으로 인한 파괴 및 양정 저하 등이 발생되는 캐비테이션을 펌프 운전 회전수와 인버터의 출력 전력을 이용하여 펌프의 캐비테이션 상태를 검출하여, 인버터 부스터 펌프 시스템에서 펌프 시스템과 펌프를 보호하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 상기 문제 해결을 위해 인버터 부스터 펌프 시스템에 있어서, 상기 인버터는 입력전원에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부와 상기 정류부에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터와 PWM 발생부에서 신호를 받아 상기 평활용 커패시터에서 평활된 직류 전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부와 상기 인버터부의 출력전원을 검출하는 전류센서와 PID 제어기와 상기 PID 제어기에서 출력된 펌프 지령 회전수에 따라 인버터의 출력전압을 결정하는 V/f 제어기와, 상기 인버터부에 연결된 상기 전류센서에서 검출한 3상 전류를 2상 전류로 변환시키는 3상/2상 변환기와, 연산부 및 캐비테이션 검출부를 포함하여 캐비테이션 상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 인버터 부스터 펌프 시스템 및 이를 이용한 캐비테이션 검출방법에 관한 것이다.

본 발명 인버터 부스터 펌프 시스템에서, 캐비테이션을 검출하여 임펠러 점 침식 방지로 펌프 수명 연장, 공기 유입에 의한 펌프 과열로 인한 고장 예방, 캐비테이션 발생시 펌프의 회전수 조정으로 양정을 유지 할 수가 있다.

본 발명의 구성을 이하, 첨부 도면과 관련하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 캐비테이션 검출방법이 적용된 인버터 제어 블록도이다. 인버터(2)는 하드웨어적으로 입력전원(1)에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부(2-1)과 정류부(2-1)에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터(2-2)와 PWM발생부(2-8)에서 신호를 받아 평활용 커패시터(2-2)에서 평활된 직류전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부(2-3)와 인버터부(2-3)의 출력전류를 검출하는 전류센서(2-4)이 구성되어 있다. 본 발명의 캐비테이션 검출방법이 적용된 인버터의 제어부는 부스터 펌프(4)의 토출부에 설치된 압력센서(3)에서 검출된 현재 토출압력(P_real )을 입력받아 설정압력(P_ref )에 대해서 펌프 지령 회전수(ω_e)이 출력되는 PID 제어기(2-5)와 PID 제어기(2-5)에서 출력된 펌프 지령 회전수(ω _e )와 캐비테이션 검출부(2-6)의 출력인 TCV신호(Trip of Cavitation)를 입력받아 인버터의 출력전압(V_ds ^s* , V_qs ^s* )를 결정하는 V/f 제어기(2-7)과 인버터의 출력전압(V_ds ^s* , V_qs ^s* )을 입력받아 인버터부(2-3)를 제어하는 신호를 발생시키는 PWM 발생부(2-8)이 있으며 인버터부(2-3)에 출력에 연결된 전류센서(2-4)에서 검출한 3상 전류(i_as , i_bs , i_cs )를 2상 전류(i_ds , i_qs )로 변환 시키는 3상/2상 변환기(2-7)과 2상 전류(i_ds , i_qs )와 인버터의 출력전압(V_ds ^s* , V_qs ^s* )을 입력 받아 출력전력(P_out)을 연산하는 출력전력 연산부(2-9) 로 이루어져 있다.

도 2는 본발명에서의 출력전력 연산부 블록도로서, 인버터의 출력전력(

)는 다음 식에 의해 연산된다.

(1)

도 3은 본 발명의 캐비테이션 검출방법의 순서도로서, 여기에서 본 발명의 캐비테이션 검출방법을 상세히 기술하면 다음과 같다.

인버터의 제어 주기(K-th Sampling)에서

S1 단계 : 펌프가 TCV의 설정 운전 회전수(ω_{e_TCV_set}) 이상으로 운전하고 있는지를 판단한다.(ω_e≥ω_{e_TCV_set}) 펌프가 설정 운전 회전수(ω_{e_TCV_set})이상으로 운전하고 있으면 S2 단계로 넘어가고 그 이하에서 운전하면 S8단계를 수행한다.

S2 단계 : 인버터의 출력전력(P_out)를 식(1)를 이용하여 구한다.

S8 단계 : 이 단계는 펌프가 설정 운전 회전수(ω_{e_TCV_set}) 이상으로 운전하지 않으므로 TCV 유지시간 (T_TCV)은 0으로 리셋하고 다음 제어주기로 이동한다.

S3 단계 : S2에서 연산한 인버터의 출력전력(P_out)이 TCV의 설정 전력(P_{TCV_set})보다 작은 지를 판단하며, 펌프에서 캐비테이션이 발생하면 양정과 유량이 감소하여 펌프의 소비전력이 감소한다. 즉 설정 운전 회전수(ω_{e_TCV_set}) 이상으로 운전할 때 펌프의 정격 부하까지 증가하지 않으며, 설정 전력(P_{TCV_set})을 펌프의 손실과 전동기의 손실의 합으로 설정하면 펌프의 캐비테이션을 검출하여 펌프의 파손을 방지할 수 있으며, 인버터의 출력전력(P_out)이 TCV의 설정 전력(P_{TCV_set})보다 작으면 S4단계로 이동하고, 만일 크다면 다음 제어주기로 넘어간다.

S4 단계 : 펌프의 TCV 유지시간 (T_TCV)를 증가 시킨다.

S5 단계 : 펌프의 TCV 유지시간 (T_TCV)이 설정시간(T_set)에 도달했는지를 판단하여, 설정시간(T_set)에 도달하면 S6단계로 이동하고 도달하지 못하면 다음 제어주기로 넘어간다.

S6 단계 : 펌프 시스템의 TCV 유지시간 (T_TCV)이 설정된 시간(T_set)에 도달했으므로 캐비테이션 상태가 발생했다고 판단하고 S7 단계로 이동하며, 이때 TCV 유지시간 (T_TCV)은 0으로 리셋한다.

S7 단계 : 펌프의 캐비테이션 상태(TCV)가 발생했으므로 펌프의 운전을 정지시키고 경보를 알린다. (ω_e = 0 )

그리고, S7 단계가 끝나면 다음 제어 주기로 진행되게 된다.

상기한 캐비테이션 검출방법에 의하여, 캐비테이션 상태의 발생 유무를 정확하게 검출하여, 펌프를 보호하고 전체 시스템을 안전하게 운영할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 캐비테이션 검출방법이 적용된 인버터 제어 블럭도

도 2는 본 발명의 출력전력 연산부 블럭도

도 3은 본 발명의 캐비테이션 검출방법의 순서도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 3상 입력 전원 2 : 인버터

2-1 : 정류부 2-2 : 평활용 커패시터

2-3 : 인버터부 2-4 : 전류센서

2-5 : PID 제어기

2-6 : 본 발명의 캐비테이션 검출부

2-7 : V/f 제어기 2-8 : PWM 발생부

2-9 : 출력전력 연산부 2-10 : 3상/2상 변환기

3 : 압력센서 4 : 부스터 펌프

Claims

인버터를 포함하는 부스터 펌프 시스템에 있어서,

상기 인버터는

입력전원에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부와;

상기 정류부에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터와;

PWM 발생부에서 신호를 받아 상기 평활용 커패시터에서 평활된 직류 전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부와;

상기 인버터부의 출력전원을 검출하는 전류센서와;

PID 제어기와;

상기 PID 제어기에서 출력된 펌프 지령 회전수에 따라 인버터의 출력전압을 결정하는 V/f 제어기와;,

상기 인버터부에 연결된 상기 전류센서에서 검출한 3상 전류를 2상 전류로 변환시키는 3상/2상 변환기와;,

연산부 및 캐비테이션 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 부스터 펌프 시스템
제1항에 있어서,

상기 출력전력은 하기의 식에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 인버터를 포함하는 부스터 펌프 시스템
펌프가 TCV의 설정 운전 회전수(ω_{e_TCV_set}) 이상으로 운전하고 있는지를 판단하여( ω_e≥ω_{e_TCV_set}), 펌프가 설정 운전 회전수(ω_{e_TCV_set})이상으로 운전하고 있으면 S2 단계로 진행시키고, 펌프가 설정 운전 회전수 이하로 운전하면 S8단계를 수행시키도록 하는 S1 단계;

인버터의 출력전력(P_out)를 식
을 이용하여 구하는 S2 단계;

S2 단계에서 연산한 인버터의 출력전력(P_out)이 TCV의 설정 전력(P_{TCV_set})보다 작은 지를 판단하는 S3 단계;

펌프의 TCV 유지시간 (T_TCV)를 증가 시키는 S4 단계;

펌프의 TCV 유지시간 (T_TCV)이 설정시간(T_set)에 도달했는지를 판단하는 S5 단계;

펌프 시스템의 TCV 유지시간 (T_TCV)이 설정된 시간(T_set)에 도달했으므로 캐비테이션 상태가 발생했다고 판단하고, 이때 TCV 유지시간 (T_TCV)은 0으로 리셋하는 S6 단계; 및

펌프의 캐비테이션 상태(TCV)가 발생했으므로 펌프의 운전을 정지시키고 경보를 알리는 S7 단계(ω_e = 0 )를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 부스터 펌프 시스템의 캐비테이션 검출 방법