KR100314017B1 - 선형압축기의 불안정감지장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형압축기의 불안정 감지장치 및 방법에 관한 것으로, 종래 기술은 선형압축기의 제어부가 센서리스 스트로크추정기와 실제 스트로크 정보 사이의 오차와 흡입,토출압력에 의한 피스톤의 중심점 이동의 오차 등으로 발생하는 스트로크의 불안정상태를 감지하지 못함으로써, 압축기의 성능저하는 물론 소음을 발생시키는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 트라이액의 게이트 신호와 압축기에 인가되는 전류를 이용하여 스트로크가 불안정상태에 있는 지를 감지하고 이를 피해 운전하도록 스트로크 지령치를 가감해서 변화시킴으로써, 선형압축기의 불안정현상으로 생기는 성능저하와 소음을 막아 선형압축기를 채용한 냉장고 및 에어컨의 고효율 및 저소음, 저소비전력을 실현시키는 효과가 있다.

Description

선형압축기의 불안정감지장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING INSTABILITY IN THE PHASE-CONTROLLED LINEAR COMPRESSOR}

본 발명은 트라이액(Triac)으로 선형압축기(Linear Compressor)에 있어서 발생하는 불안정구간을 자동으로 감지하기 위한 선형압축기의 불안정감지장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 트라이액의 게이트 신호와 선형압축기에 흐르는 전류를 이용하여 스트로크의 불안정 여부를 감지하고 이를 피해 운전함으로써 선형압축기의 성능과 소음을 개선시키기 위한 선형압축기의 불안정감지장치 및 방법에 관한 것이다.

도1은 종래 선형압축기의 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이, 제어신호에 의해 교류전원을 공급하는 전기회로부(10)와; 상기 전기회로부(10)에서 공급하는 제어전원에 의해 압축을 수행하는 선형압축기(30)와; 스트로크 지령치에 따른 스트로크로 동작하도록 상기 전기회로부(10)의 전류를 위상제어하는 제어부(20)로 구성된다.

상기 전기회로부(10)는 60헤르쯔의 전원에 공진하기 위한 콘덴서(C)와; 전류를 감지하기 위한 저항(R)과; 상기 선형압축기(30)로 인가되는 교류전원을 상기 제어부(20)의 출력에 의해 인가 또는 차단하는 트라이액(T)으로 구성된다.

상기 선형압축기(30)는 상기 콘덴서(C)와 60헤르쯔에서 전기적 공진하여 자계를 형성하는 권선(31)과; 상기 권선(31)에서 발생한 자계에 대해 척력을 일으켜 전달하는 영구자석(33)과; 상기 권선(31)과 영구자석(33)에서 발생한 자계를 선형압축기(30) 내부에 가둬 큰 척력이 발생하도록 하는 적층된 철심(36)과; 상기 영구자석(33)에서 생긴 척력으로 상하운동을 하는 피스톤(32)과; 상기 피스톤(32)이 하향으로 척력을받을 때 압축되었다가 상향으로 척력을 받을때 상기 피스톤(32)을 밀어내는 스프링(35)과; 압축기(30)를 통해 가스의 흡입과 토출이 이루어지도록 하는 밸브(34)로 구성된다.

상기 제어부(20)는 상기 저항(R)의 양단전압(V0,V1)과 상기 전기회로부(10)의 출력전압(V2,V3)을 입력으로 스트로크를 추정하는 센서리스(Sensorless) 스트로크추정기(21)와; 상기 센서리스 스트로크추정기(21)의 스트로크 정보와 입력 스트로크 값인 스트로크 지령치가 일치하도록 스트로크를 위상제어하여 생성되는 신호를 상기 트라이액(T)의 게이트로 보내는 스트로크제어기(22)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

센서리스 스트로크추정기(21)는 역기전력을 포함한 선형모터를 모형화 함으로써 구할 수 있고, 상기 선형모터는 도2에 도시한 바와 같이, 저항(R)과 인덕턴스(L)와 피스톤의 속도에 비례하는 역기전압 성분으로 모형화 할 수 있다.

이를 방정식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 x는 스트로크, L은 모터의 인덕턴스, R은 모터의 권선저항, α는 역기전력상수, i는 모터에 흐르는 전류, V는 모터양단전압이다.

상기 식을 스트로크에 대해 정리하면,

가 되고, 상기 식을 회로나 알고리듬으로 구현하여 스트로크를 추정하는데, 이를 센서리스 스트로크추정기라고 한다.

상기 센서리스 스트로크추정기(21)는 전류감지용 저항(R)의 양단 전압값(V0, V1)과 압축기(30)로 인가되는 양단 전압값(V2,V3)을 통해 스트로크 값을 추정하여 전달한다.

그러면, 스트로크 제어기(22)는 스트로크 지령치와 상기 센서리스 스트로크추정기(21)의 스트로크 정보를 받아, 상기 스트로크 정보가 스트로크 지령치와 같아지도록 위상제어를 행한다.

이후에 상기 스트로크 제어기(22)는 두 스트로크가 같아지도록 위상제어하여 얻어진 제어신호를 전기회로부(10)의 트라이액(T)으로 제공한다.

이때, 상기 스트로크제어기(22)에서 제어신호를 입력받은 트라이액(T)의 온오프 동작에 의해 상기 선형압축기(30)로 인가되는 전원이 제어된다.

그리고, 이 제어전원에 의해, 도3과 도4에 도시한 바와 같이, 상기 선형압축기(30)의 효율이 가장 좋은 운전점인 탑클리어런스가 영이 되는 지점으로 스트로크가 조정된다.

상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서, 압축기의 제어부가 센서리스 스트로크추정기와 실제 스트로크 사이의 오차와 흡입,토출압력에 의한 피스톤의 중심점 이동의 오차 등으로 발생하는 스트로크의 불안정상태를 감지하지 못한 채 동작을 수행함으로써, 압축기의 성능저하는 물론 소음을 발생시키는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로,트라이액의 게이트 신호와 압축기에 인가되는 전류를 이용하여 스트로크가 불안정상태에 있는 지를 감지하고, 이를 피해 운전하는 선형압축기의 불안정감지장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 선형압축기의 구성을 보인 회로도.

도2는 선형 모터의 등가회로도.

도3은 간략화된 선형압축기의 구조도.

도4는 피스톤의 힘-변위 관계도.

도5는 본 발명 선형압축기의 불안정감지장치의 구성을 보인 회로도.

도6은 도5에서, 불안정유무 판정기의 구성도.

도7은 종래 선형압축기의 전류파형도.

도8은 도6에서, 불안정 영역을 판별하기 위한 방법을 보여주는 설명도

도9는 본 발명 선형압축기의 불안정감지방법의 동작흐름도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

10 : 전기회로부 20 : 불안정감지 제어부

21 : 센서리스 스트로크추정기 22 : 스트로크제어기

23 : 불안정유무 판정기 24 : 스트로크 지령치변환기

30 : 선형압축기 31 : 권선

32 : 피스톤 33 : 영구자석

34 : 밸브 35 : 스프링

36 : 적층된 철심 R : 전류감지용 저항

T : 트라이액 C : 콘덴서

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 트라이액의 게이트에 인가되는 신호와 상기 선형압축기에 인가되는 전류를 이용하여 스트로크의 불안정유무를 판정하는 불안정유무 판정기와; 정상동작시에는 스트로크 지령치를 전달하다가 상기 불안정유무 판정기에서 불안정판정이 나면, 불안정을 피하기 위해 스트로크지령치를 일정량 가감해서 보정된 스트로크 지령치를 출력하는 스트로크 지령치변환기와; 전류감지용 저항의 양단전압과 선형압축기에 인가되는 전압을 입력받아 실제스트로크 값을 추정하는 센서리스 스트로크추정기와; 상기 스트로크 지령치변환기의 보정된 스트로크 지령치에 맞춰 상기 센서리스 스트로크추정기에서 추정한 실제스트로크가 동작하도록 트라이액의 게이트에 인가되는 신호를 제어하는 스트로크제어기로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 불안정판정시간을 일정시간으로 설정하고 이 일정시간이 경과하면 불안정판정시간과 불안정지수를 리셋하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 불안정판정시간이 일정시간을 경과하지 않았으면 트라이액의 게이트의 토글시간 또는 선형압축기에 인가되는 전류의 도통시간을 측정하고, 이를 저장하여 이전값과 비교해서 극대값과 극소값을 결정하는 제 2단계와; 상기 제 2단계의 결과를 이용해 극대값과 극소값의 차를 구하여 차가 일정크기보다 큰지를 판단하고, 일정크기보다 크면 불안정지수로 인식하여 불안정지수를 카운트하는 제 3단계와; 상기 제 3단계에서 불안정지수가 일정회수이상 발생하면 불안정으로 판정하고, 일정회수이상 발생하지 않으면 상기 제 1단계로 궤환하는 제 4단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예에 대한 동작과 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도5는 본 발명 선형압축기의 불안정감지장치의 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이, 제어신호에 따라 교류전원을 인가 또는 차단하는 전기회로부(10)와; 상기 전기회로부(10)에서 공급하는 제어전원에 의해 스트로크가 조정되어 안정영역에서 압축을 수행하는 선형압축기(30)와; 상기 전기회로부(10)의 트라이액(T)의 도통시간을 이용해서 스트로크의 불안정여부를 감지하고, 불안정상태에 있으면 안정영역에 도달하도록 제어신호를 출력하는 불안정감지 제어부(20)로 구성한다.

상기 전기회로부(10)와 상기 선형압축기(30)의 구성은 종래의 기술과 동일하다.

다만, 불안정감지 제어부(20)의 구성에 있어서 트라이액(T)의 게이트에 인가되는 신호와 선형압축기(30)에 인가되는 전류를 이용하여 스트로크의 불안정유무를 판정하는 불안정유무 판정기(23)와; 평상시에는 스트로크 지령치를 전달하다가 상기 불안정유무 판정기(23)에서 불안정판정이 나면, 불안정을 피하기 위해 스트로크지령치를 일정량 가감시켜 보정된 스트로크 지령치를 출력하는 스트로크 지령치변환기(24)와; 전류감지용 저항(R)의 양단전압(V0,V1)과 선형압축기(30)에 인가되는 전압(V2,V3)을 입력받아 실제스트로크 값을 추정하는 센서리스 스트로크추정기(21)와;상기 스트로크 지령치변환기(24)의 출력에 맞춰 센서리스 스트로크추정기(21)에서 추정한 실제스트로크가 동작하도록 트라이액(T)의 게이트에 인가되는 신호를 통해 선형압축기(30)의 위상을 제어하는 스트로크제어기(22)로 구성한다.

그리고, 상기 불안정유무 판정기(23)는, 도6에 도시한 바와 같이, 트라이액(T)에 인가되는 게이트신호와 상기 선형압축기(30)에 인가되는 전류를 이용해 트라이액(T)의 온시간을 측정하는 트라이액 온시간계산기(231)와; 상기 트라이액 온시간계산기(231)에서 측정한 시간의 극대값과 극소값의 차를 이용해 스트로크의 불안정여부를 판정하는 불안정판정기(232)로 구성한다.

도9는 본 발명 선형압축기의 불안정감지방법에 대한 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이, 불안정판정시간을 일정시간(Δt)으로 설정하고 이 일정시간(Δt)이 경과하면 불안정판정시간과 불안정지수를 리셋하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 불안정판정시간이 일정시간(Δt)을 경과하지 않았으면 트라이액(T)의 게이트의 토글시간 또는 선형압축기(30)에 인가되는 전류의 도통시간을 측정하고, 이를 저장하여 이전값과 비교해서 극대값과 극소값을 결정하는 제 2단계와; 상기 제 2단계의 결과를 이용해 극대값과 극소값의 차를 구하여 차가 일정크기(Δx) 이상인지를 판단하고, 일정크기(Δx) 이상이면 불안정지수로 인식하여 불안정지수를 카운트하는 제 3단계와; 상기 제 3단계에서 불안정지수가 일정회수(n)이상 발생하면 불안정으로 판정하고, 일정회수(n)이상 발생하지 않으면 상기 제 1단계로 궤환하는 제 4단계로 이루어진다.

이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 과정 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

도7에 도시한 바와 같이, 선형압축기(30)를 트라이액(T)으로 위상제어하기 때문에 트라이액(T)이 온상태이면 전류가 영이 아닌 값으로 규칙적으로 나타난다. 그런데, 선형압축기(30)의 운전중에 불안정에 빠지면 이 값이 불규칙하게 나타난다.

따라서, 본 발명은 불안정판정을 위해 일정시간(이하 '불안정판정시간'이라 함)을 정하고, 이 불안정판정시간 동안 발생하는 트라이액(T)의 도통시간의 불규칙성을 이용해 불안정여부를 판정하려고 한다.

즉, 트라이액(T)의 게이트의 토글(toggle)시간과 선형압축기(30)로 인가되는 전류의 도통시간을 측정하여 일정시간(Δt)동안 발생하는 도통시간의 극대값과 극소값을 결정한다.

여기서 측정한 극대값과 극소값을 이용해 두 값의 차를 구한 다음, 이 차가 일정크기(Δx)보다 클 경우를 불안정유무 판정을 위한 지수(이하 '불안정지수'라 함)로 인식한다.

그리고, 불안정판정시간 동안 불안정지수가 일정회수(n) 이상 발생할 경우 불안정 판정을 한다.

전기회로부(10)와 선형압축기(30)의 동작은 종래의 기술과 동일하다.

다만, 본 발명 불안정감지 제어부(20)의 동작에 있어서, 불안정유무 판정기(23)는 트라이액(T)의 게이트에 인가되는 신호와 선형압축기(30)로 인가되는 교류전류의 값을 이용하여 불안정유무를 판정한다.

그리고, 스트로크 지령치변환기(24)는 평상시에는 스트로크 지령치에 따라 스트로크 값을 전달하다가, 상기 불안정유무 판정기(23)에서 불안정 판정이 나면 불안정현상을 피할 수 있도록 스트로크 지령치를 일정크기(Δs)만큼 가감하여 보정된 스트로크 지령치를 스트로크제어기(22)로 출력한다.

한편, 센서리스 스트로크추정기(21)는 전기회로부(10)의 전류감지용 저항(R)의 양단 전압값(V0, V1)과 선형압축기(30)로 인가되는 양단 전압값(V2,V3)을 이용해 실제스트로크 값을 추정하여 스트로크제어기(22)로 출력한다.

이에 상기 스트로크제어기(22)에서는 상기 스크로크 지령치변환기(24)의 보정된 스트로크 지령치와 상기 센서리스 스트로크추정기(21)의 실제스트로크를 비교하여, 실제 스트로크가 보정된 스트로크 지령치에 맞춰 동작하도록 제어신호를 전기회로부(10)의 트라이액(T)의 게이트로 보내게 된다.

상기 불안정감지 제어부(20)의 동작과정을 첨부한 도 9의 동작흐름도를 참조하여 상세히 설명한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 트라이액 온시간계산기(231)에서는 트라이액(T)의 게이트 신호와 선형압축기(30)에 인가되는 전류신호를 입력으로 받는다.

이때, 트라이액(T)의 게이트 신호가 로(low)에서 하이(high)로 토글되거나 전류가 도통되었을 때 트라이액 온시간계산기(231) 내부에서 타이머가 구동된다.

그후, 트라이액(T)의 게이트 신호가 다시 하이(high)에서 로(low)로 되거나 전류가 영이 되면 타이머가 정지하고, 상기 동작에 의해 측정된 트라이액(T)의 온시간을 불안정판단기(232)로 전달한다.

이때, 상기 불안정판단기(232)에서는 상기 트라이액 온시간계산기(231)에서 측정한 트라이액(T)의 온시간을 저장해 둔 후, 이전의 두 값과 비교해서 트라이액(T) 도통시간의 극대값과 극소값을 결정한다.

도8에 도시한 바와 같이, 상기 불안정판단기(232)에서는 트라이액(T) 온시간의 극대값에서 극소값을 뺀 값이 일정크기(Δx)보다 큰지를 비교하고, 일정크기(Δx)보다 클 경우 불안정지수로 인식하게 된다.

이때, 불안정지수가 일정시간(Δt)이내에 일정회수(n)이상 나타나면 불안정으로 판정하게 된다.

하지만, 불안정지수가 일정회수(n)이상 나타나지 않으면 처음의 과정으로 돌아가서, 상기 전과정을 반복한다.

불안정유무 판정기(23)에서 불안정 판정이 나기 전까지의 전과정은 불안정판정시간이 일정시간(Δt)이 되기 전에 반복적으로 행해지고, 일정시간(Δt)이 경과하면 불안정지수와 불안정판정시간을 리셋(reset)해서 새로운 불안정판단을 위한 준비를 한다.

이상에서 불안정판단이 결정되면, 스트로크 지령치변환기(24)에서는 스트로크를 일정크기(Δs)만큼 가감해서 보정된 스트로크 지령치를 스트로크제어기(22)로 출력한다.

스트로크제어기(22)에서는 상기 스트로크 지령치변환기(24)의 명령에 따라 보정된 스트로크 지령치와 상기 센서리스 스트로크추정기(21)의 실제 스트로크 값이 일치하도록 위상제어하게 된다.

한편, 상기에서의 일정시간(Δt), 일정크기(Δx,Δs), 일정회수(n)는 선형압축기(30)의 특성에 따라 달라질 수 있고, 실험적으로 결정한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 피스톤의 떨림현상으로 나타나는 스트로크의 불안정현상을 자동으로 감지하여 이를 피해 스트로크 지령치를 가감해서 변화시킴으로써, 선형압축기의 불안정현상으로 생기는 성능저하와 소음을 막아 선형압축기를 채용한 냉장고 및 에어컨의 고효율 및 저소음, 저소비전력을 실현시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 제어신호에 따라 트라이액을 통해 교류전원을 인가 또는 차단하는 전기회로부와; 상기 전기회로부에서 공급하는 제어전원에 의해 구동되어 압축을 수행하는 선형압축기와; 상기 전기회로부의 트라이액의 게이트에 인가되는 신호와 상기 선형압축기에 인가되는 전류를 이용하여 스트로크의 불안정유무를 판정하는 불안정유무 판정기와; 평상시에는 스트로크지령치를 입력받다가 상기 불안정유무 판정기에서 불안정판정이 나면, 불안정을 피하기 위해 스트로크지령치를 일정크기만큼 가감시켜 보정된 스트로크 지령치를 출력하는 스트로크 지령치변환기와; 상기 스트로크 지령치변환기에서 출력된 보정된 스트로크 지령치와 센서리스 스트로크추정기에서 추정한 실제스트로크를 위상제어를 통해 일치하도록 상기 트라이액을 제어하는 스트로크제어기를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 선형압축기의 불안정 감지장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 불안정유무 판정기는 트라이액에 인가되는 게이트신호와 상기 선형압축기에 인가되는 전류를 이용해 트라이액의 온시간을 측정하는 트라이액 온시간계산기와; 상기 트라이액 온시간계산기에서 측정한 시간의 극대값과 극소값의 차를 이용해 스트로크의 불안정여부를 판정하는 불안정판정기를 구비한 것을 특징으로 하는 선형압축기의 불안정 감지장치.
4. 불안정판정시간을 일정시간(Δt)으로 설정하고 이 일정시간(Δt)이 경과하면 불안정판정시간과 불안정지수를 리셋하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 불안정판정시간이 일정시간(Δt)을 경과하지 않았으면 트라이액의 게이트의 토글시간 또는 선형압축기에 인가되는 전류의 도통시간을 측정하고, 이를 저장하여 이전값과 비교해서 극대값과 극소값을 결정하는 제 2단계와; 상기 제 2단계의 결과를 이용해 극대값과 극소값의 차를 구하여 차가 일정크기(Δx) 보다 큰지를 판단하고, 일정크기(Δx)보다 크면 불안정지수로 인식하여 불안정지수를 카운트하는 제 3단계와; 상기 제 3단계에서 불안정지수가 일정회수(n)이상 발생하면 불안정으로 판정하고, 일정회수(n)이상 발생하지 않으면 상기 제 1단계로 궤환하는 제 4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 선형압축기의 불안정 감지방법.
5. 제4항에 있어서, 선형압축기의 불안정여부를 감지하는 데 트라이액의 온시간을 이용하고, 이를 측정하기 위해 트라이액에 인가되는 신호의 토글과 선형압축기에 인가되는 전류의 도통여부를 이용하는 것을 특징으로 하는 선형압축기의 불안정 감지방법.