황계호
(Gye-Ho Hwang)
1iD
이봉섭
(Bong-Seob Lee)
†iD
-
(Assistant Professor, Dept. of Electrical and Energy Systems, Gwangmyeong Convergence
Technology Education Center, Korea Polytechnics College, Gwangmyeong, Korea )
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Air blower, BLDC modelling, BLDC motor, Boiler system, Brushless Direct Current, Controller modeling, Inverter modeling
1. 서 론
최근 주변국의 고도 산업 성장과 인구 증가에 따른 에너지 소비가 급증하고 이로 인해 배출되는 이산화탄소 등 온실가스의 증가는 인류의 미래를 위협하는
존재가 되어 가고 있다. 이에 산업적으로는 화력 발전을 통한 전기 생산 감축과 우리 주변에서 많이 사용되는 제품으로는 가전제품 및 난방 제품을 통한
완전 연소를 통해 이산화탄소 저감에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다(1-3). 과거에는 가정에서 일반적으로 가스나 기름 등을 이용한 보일러 시스템을 주된 난방 수단으로 사용하고 있지만, 현재는 항상 언제, 어디서나 난방은
물론 온수도 사용할 수 있도록 하는 사용자 편의성에 중점을 두고 있다. 이에 보일러 시스템은 일반적으로 가스를 연소하여 온수를 얻어 이를 사용자가
난방, 온수에 사용하는 제품으로 가스의 완전 연소에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다(3,4).
그림 1은 난방 및 온수를 위한 보일러 시스템의 주요 블록도를 보여 주고 있다. 보일러 시스템은 가스를 원료로 하여 연소시켜 열에너지를 발생하여 물을 데워
난방 및 온수를 사용하는 장비이다. 보일러 시스템은 크게 일반형 보일러와 콘덴싱 보일러로 구분되며, 콘덴싱 보일러는 일반보일러 대비 16% 이상 에너지
절감이 되며, 콘덴싱 효과로 응축수를 통해 간접적으로
Fig. 1. The block diagram of general boiler and condensing boiler
확인 가능함으로써 응축수가 많을수록 절감되는 비용도 커진다. 콘덴싱 보일러의 주요 블록은 급탕 열교환기, 삼방밸브, 순환펌프, 팽창탱크 또는 물탱크,
점화를 위해 송풍기, 가스 밸브, 점화 트랜스, 이를 이용해서 열을 발생시키는 버너, 화염 감지기, 현열 열교환기, 잠열 열교환기로 구성된다(5). 일반적으로 가스보일러 및 가스 온수기, 기름보일러 등은 가스와 기름 등을 원료로 하여 열을 발생하여 물을 데워 온수를 이용하여 사용자가 난방하거나
온수를 사용한다. 그런데 가스보일러와 온수기 등은 기름, 가스 등과 공기(산소)를 이용하여 연소하게 되며 이때 불완전 연소를 하게 되면 우리 생활에
미세먼지, 일산화탄소 등을 생성하여 환경적으로 악영향을 발생하게 된다. 이에 본 논문에서는 가스보일러 및 가스 온수기에서 가스량에 대해 공기(산소)량을
조절, 제어할 수 있게 송풍기 구조에 대해 분석하였고, 또한, 송풍기 내의 BLDC 모터에 대해 산소량을 제어하기 위한 모터 모델링, 모터에 대해
전류 및 속도 제어를 위한 제어기 모델링, 모터 구동을 위한 인버터 모델링을 포함하여 제안한 송풍기에 적용하였고, 제안한 시제품을 제작하여 실제 보일러
시스템에 적용하여 보일러 시스템 제어기에서 제안한 송풍기가 선형적으로 제어할 수 있도록 개발하였다.
2. 본 론
2.1 제안한 송풍기
그림 2는 그림 1의 콘덴싱 보일러의 주요 블록도를 바탕으로 하여, 보일러 시스템과 온수기 시스템 중 콘덴싱 보일러의 시스템 주요 구성도를 보여 주고 있다.
Fig. 2. The main configuration diagram of condensing boiler
Fig. 3. The block diagram of boiler(a)general blower application (b)proposed blower application
앞서 설명 했듯이, 콘덴싱 보일러는 일반 보일러 시스템에 잠열 열교환기를 포함하는 구조로 되어 있으며, 송풍기는 버너에 산소량(공기량)을 가스 밸브는
버너에 가스량을 제어하여 연소에 중요한 역할을 한다(5). 따라서 본 논문은 보일러 시스템에 맞게 송풍기를 전기적, 기구적으로 적합하도록 제안하고 보일러 시스템에 제어적으로 적용할 수 있도록 연구를 진행하였다.
그림 3은 제안한 송풍기의 주요 블록도를 보여 주고 있다. 그림 3에서 보듯이 일반적인 보일러 시스템에서는 일반 송풍기를 적용하여 공기량을 제어하는 구조로 되어 있으며, 이는 일반적으로 AC 모터를 사용하여 ON/OFF
제어만 단순 적용되어 상세 제어가 불가능하게 되고, 적절한 산소량 조절이 불가능하게 되어 불완전 연소의 원인에 의한 환경 문제가 발생하게 된다. 이를
보완하기 위해 본 논문에서는 BLDC 모터를 적용한 제안 송풍기를 적용하고 이에 맞는 제어를 구현하여 실제 보일러 시스템에 적용하여 제어할 수 있도록
하였다.
그림 4는 제안한 송풍기를 적용한 보일러 시스템의
Fig. 4. Proposal blower application development process
개발 프로세스를 보여 주고 있다. 일반적인 보일러 시스템 개발 프로세스 중에 주요 부품 중의 하나인 제안한 송풍기 개발 프로세스를 확립하여 전체 보일러
시스템에 적용할 수 있도록 하는 부품 개발 프로세서도 본 논문에서 확립하였다. 그림 4에서 보듯이 보일러 시스템의 제어기에서는 단순한 목표값을 보내면 이에 제안 송풍기 내의 목표값에 상응한 산소량이 제어될 수 있게 독립적으로 제안 송풍기
내에서만 제어할 수 있도록 하였다. 이를 통해 보일러 시스템의 제어기를 단순화하여 제어기가 다른 가스 안전 법규에 더욱 활용될 수 있게 하였다.
2.2 제어 모델링 및 시뮬레이션
그림 5, 그림 6은 제안한 송풍기 내의 BLDC 모터를 적용한 구동 회로 및 주요 부분의 모델링을 보여 주고 있다(6-8). 그림 5, 6에서 보듯이 크게 모델링은 BLDC 전동기 모델링과 제어기 모델링, 인버터 모델링으로 구성하였고, 세부적으로 BLDC 전동기 모델링은 인가전압을 통하여
전류를 계산하는 전기적 모델링과 전류를 이용하여 회전력 및 회전각을 계산하는 기계적 모델링, 속도, 위치에 따른 역기전력 계산을 위한 역기전력 모델링으로
구성하였고, 인버터 모델링은 스위칭 신호를 이용한 인가전압을 결정하기 위한 삼각
Fig. 5. The main block diagram of control modeling
Fig. 6. The main part modeling(controller, inverter, BLDC motor)
파 PWM 방식으로 모델링을 진행하였다. 제어기 모델링은 전류 제어기와 속도 제어기로 구성하였으며, 전류 제어기를 포함하여 속도 제어 시뮬레이션을
진행하였다.
그림 7은 각 모델에 대한 주요 부분 모델링에 대해 부하를 고정으로 하여 전류 제어기를 이용한 속도 제어 시뮬레이션을 진행한 파형을 보여 주고 있다. 그림 7에서 보듯이 제안한 송풍기의 속도(RPM)를 초기 0에서 2,000으로, 2,000에서 1,000으로 변경하는 시뮬레이션 결과를 보면, RPM 변동에
따라 최적으로 빠른 응답으로 목표치에 추종하는 것을 알 수 있었다.
Fig. 7. The simulation waveforms
2.3 제안한 송풍기 시제품 및 시험
그림 8은 시뮬레이션을 바탕으로 한 BLDC 모터를 구동하기 위한 실제 구동 드라이브 회로도를 보여 주고 있으며, 그림 8에서 보듯이 입력은 4개 단자로 구성하여 입력 전압(Vcc)과 Gnd, PWM, 송풍기 동작 여부 확인 단자로 구성, 출력은 U, V, W 3상 단자로
구성하여 제작하였다(9). 그림 9는 제안한 BLDC 모터를 적용한 송풍기의 구조를 보여 주고 있다(9). 크게 임펠러를 포함한 송풍기 케이스와 그림 8인 구동 드라이브 회로를 포함한 BLDC 모터로 구성하였고, 모터는 일반적으로 BLDC 모터를 사용하고 모터 내에 구동을 위한 드라이버 회로를 내장하는
구조로 되어 있어, 이 제안한 송풍기는 버너에 공기량을 조절하기 위한 제어가 필수적이다. 그림 10은 제안한 송풍기 시제품과 보일러 시스템 내의 제어기를 보여 주고 있다. 그림 10에서 보듯이 보일러 시스템 내 제어기의 기본 동작은 지령 전압을 0∼수V 가변을 통한 속도(RPM)를 조정하여 원하는 공기량을 조정하도록 제어를 실제
사용할 수 있도록 구현하였다.
그림 9와 그림 10은 BLDC 모터의 모델링과 제어 시뮬레이션을 바탕으로 보일러 제품에 적합한 BLDC 모터를 적용한 송풍기의 기구적인 구조를 제안하여 실제 제안한
송풍기 시제품을 제작하여 실제 보일러 제품의 구동에 적합한 구조인 것을 알 수 있었다.
Fig. 8. The BLDC motor circuit(in the proposed blower)
Fig. 9. The proposed blower structure diagram
Fig. 10. The Prototype and controller of the proposed blower(in the boiler)
그림 11은 제안한 송풍기를 보일러 시스템 내의 제어기를 통해 목표 지령 전압을 가변하여 제어할 수 있도록 하는 회로도 및 시뮬레이션 특성(10)을 보여 주고 있다. 그림 11에서 보듯이 포토커플러를 통해 보일러 시스템 내의 제어기와 제안한 송풍기와 절연을 통한 안전성을 확보하였으며, 목표 지령 전압을 만들기 위한 PWM
파형을 선형적인 지령 전압으로 생성할 수 있도록 회로를 구현하였다. 그림 12는 보일러 시스템 내의 제어기의 PWM의 듀티 변화에 대해 목표 지령 전압을 생성하는 실제 시험 파형을 보여 주고 있다.
Fig. 11. The Control circuit and simulation characteristic of the proposed blower(in the boiler)
Fig. 12. The experimental waveforms(by duty) (2V/div, 5us/div : Vin, Vout)
그림 12에서 알 수 있듯이 듀티비가 20%인 경우, 목표 지령 전압은 6.26V이며, 40%인 경우, 5.42V, 60%인 경우, 4.28V, 90%인 경우,
1.63V으로 측정되었다.
그림 12의 실험 파형 분석을 통한 그림 13은 듀티비에 따른 제어 전압 특성 곡선을 보여 주고 있다. 그림 13에서 보듯이 듀티비 0%에서 100%인 경우, 목표 지령 전압인 제어 전압이 점점 작아지는 특성을 보여 주고
Fig. 13. Control voltage characteristics according to duty ratio
Fig. 14. The Boiler system using the proposed blower
있으며 또한, 선형적인 특성 곡선으로 분포됨을 알 수 있다. 그림 14는 실제 제안한 송풍기를 개발하여 적용한 보일러 시스템을 보여 주고 있으며, 듀티비에 대한 제어 전압 특성이 잘 적용될 수 있게 기구적으로 배치되도록
개발하였다.
3. 결 론
본 논문에서는 사용자의 편의성 및 친환경적인 요구에 맞게 보일러 시스템에 연소를 최적화하기 위한, 가스량에 대해 공기량을 선형적으로 제어하기 위한
BLDC 모터를 적용한 송풍기를 개발하여 보일러 시스템에 적용하였으며, 이를 통해 제안한 송풍기 구조 분석, 송풍기 내 공기량 제어를 위한 제어기
모델링, 인버터 모델링, BLDC 모델링을 제시하고, 송풍기 시제품을 실제 제작하여 보일러 시스템의 선형적으로 제어할 수 있게 적용하였다. 향후,
보일러 시스템의 선형 제어가 폭넓고 보다 선형적으로 제어가 될 수 있게 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.
Acknowledgements
이 논문은 한국조명·전기설비학회 2021년도 춘계학술대회에서 발표하고 우수추천논문으로 선정된 논문임.
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Biography
He received M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Yeungnam University,
Gyeongsan, South Korea, in 1999 and 2007 Respectively.
From 2003 to 2012, he had been with the team of system power development, Institute
of Technology, R&D Center, Shinsung solar Energy Co, Ltd, as a principal research
engineer.
From 2012 to 2020, he has been with system control & electric machine team, Renewable
energy system Institute, R&D Center, KyungDong navien Co. Ltd., as a principal research
engineer(project leader and team leader).
Since 2020, he has been Assistant Professor with the Dept. of Electrical and Energy
Systems, gwangmyeong convergence technology education center, Korea polytechnics,
Gwangmyeong, South Korea.
he is currently a general member and board member of KIIEE.
His research interests include the areas of AC-DC, DC-DC, and DC-AC power conversion
system(topology), power topology of Inverter and Converter, CPS(Contactless Power
system) and wireless power transfer.
He received B.S, M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Yeungnam University,
Gyeongsan, Korea in 1991, 1993 and 1996.
he is currently a general member and board member of KIIEE. Since 1996, he has been
professor with the Dept. of control & instrumentation engineering, kangwon national
university, samcheck, Korea.
His research interests include the areas of AC-DC, DC-DC and DC-AC power conversion
topology, power conversion of Photovoltaic, CPS, wireless power transfer and New &
Renewable Energy.
he is currently President of KIIEE in 2022~2023.