KR101179896B1 - 압축기 구동장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기 구동장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 본 발명은 모터를 구비한 압축기의 구동장치에 있어서, 상기 모터의 운전 듀티비에 따라 복수의 캐리어 주파수 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020080004194
압축기, 구동장치, 주파수

Description

압축기 구동장치 및 그 제어 방법{Driving Apparature of Compressor and the Control Method Thereof}
본 발명은 압축기 구동장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터를 사용하는 압축기 구동장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
냉장고나 에어콘 등의 냉동시스템은, 지구 환경의 보호 차원에서 에너지 절약이 매우 중요하다. 이와 같은 추세에 힘입어 냉동시스템에는 고효율의 브러시리스 모터를 채용한 압축기가 사용된다. 그리고, 이 압축기를 구동하기 위하여 인버터를 이용한 압축기 구동장치가 사용되어, 상황에 따라 냉동능력을 제어함으로써 효율적인 에너지 절약을 실현하고 있다.
이러한 압축기 구동장치는 온도가 안정화되었을 때는 냉동능력을 떨어뜨리는 모터의 저속운전을 수행하고, 실내 또는 고내 온도가 높아지는 고부하시에는 고내 또는 실내 온도를 빠르게 냉각시키는 모터의 고속운전을 수행한다.
이와 같이 압축기 구동장치는 넓은 운전범위를 수행하기 위하여 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulution, 이하 'PWM'이라 칭함) 제어를 하는 인버터를 채용하고 있다. 이러한 PWM제어는 어떤 일정한 주파수(이하'캐리어 주파수'라 칭함) 의 온 구간과 오프 구간을 만들어 전압을 제어하는 방식으로, 캐리어 주파수 하나의 주기에서 온 구간의 비율을 듀티비라고 부른다.
그러나, 이러한 압축기 구동장치의 인버터는 일정한 캐리어 주파수를 사용하여 모터의 구동용 고전압(약 300V)을 고속으로 온/오프 함으로써 큰 전자계 노이즈를 발생시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 종래 일본공개특허공보 특개2003-143753호에서는 압축기 구동장치에 복수개의 전자계 노이즈 필터를 장착하여 인버터에서 발생하는 전자계 노이즈 성분을 감소시켰다.
그러나, 이러한 종래 압축기 구동장치에서는 전자계 노이즈를 감소시키기 위하여 복수의 노이즈 필터를 장착함으로써 압축기 구동장치가 대형화되고, 복수의 노이즈 필터 장착에 따른 비용증대의 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 압축기 구동에 따라 발생하는 전자계 노이즈를 감쇄시키기 위한 압축기 구동장치 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모터를 구비한 압축기의 구동장치에 있어서, 상기 모터의 운전 듀티비에 따라 복수의 캐리어 주파수 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 캐리어 주파수는 제 1 캐리어 주파수와 상기 제 1 캐리어 주파수보다 낮은 제 2 캐리어 주파수로 구성되며, 상기 압축기 구동장치는 상기 듀티비가 기 설정된 기준값 이하이면 상기 제 1 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축기 구동장치는 상기 듀티비가 상기 기준값 보다 크면 상기 제 2 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 모터를 구비한 압축기 구동장치의 제어 방법에 있어서, 상 기 모터의 회전수를 검출하는 단계, 상기 검출된 모터의 회전수가 목표 회전수가 되도록 상기 모터의 운전 듀티비를 산출하는 단계, 상기 산출된 모터의 운전 듀티비에 따라 캐리어 주파수를 선택하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 캐리어 주파수는 제 1 캐리어 주파수와 상기 제 1 캐리어 주파수보다 낮은 제 2 캐리어주파수로 구성되며, 상기 산출된 모터의 운전 듀티비가 기 설정된 기준값 이하이면, 상기 제 1 캐리어 주파수를 선택한다.
또한, 상기 산출된 모터의 운전 듀티비가 기 설정된 기준값 보다 크면, 상기 제 2 캐리어 주파수를 선택한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 PWM 신호의 듀티비에 따라 캐리어 주파수를 변경시켜 압축기 구동시 발생하는 전자계 노이즈를 감소시킨 효과가 있다.
또한, 캐리어 주파수의 변경으로 압축기 구동시 발생하는 전자계 노이즈를 감소시킴에 따라 전자계 노이즈를 감소시키는 부품을 감소시켜 장치의 소형화 및 비용감소의 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 압축기 구동장치를 도시한 회로도이고, 도 2 은 동일 듀티비를 가지는 서로 다른 캐리어 주파수에서 발생하는 노이즈 레벨 특성을 나타낸 그래프이며, 도 3 은 캐리어 주파수 및 듀티비에 따른 전류의 파형을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 압축기 구동장치는 220V/60Hz 등의 교류로 공급되는 상용전원(100)의 교류 전압을 전파정류하여 직류로 평활화하는 정류 평활부(120), 정류평활부(120)에서 출력되는 직류전압을 3상의 교류전압으로 변환하는 인버터(150), 인버터(150)로부터 3상의 교류전압을 공급받아 구동되는 압축기(140), 압축기 구동장치의 전자회로 또는 압축기(140)에서 발생하는 전자계 노이즈가 유출되는 것을 방지하기 위하여 상용전원(100)입구측에 마련된 노이즈필터(110)를 포함한다.
정류평활부(120)는 4개의 다이오드로 구성되어 입력받은 교류전압을 전파정류하는 브릿지 다이오드(123), 브릿지다이오드(123)에서 전파정류된 전압을 평활화하여 직류전압으로 만드는 평활콘덴서(126)으로 구성된다.
인버터(130)는 6개의 스위칭 소자(IGBT)와 다이오드(FRD)를 3상 풀 브릿지(Full Bridge)로 결선하여 직류 모선 전압을 3상 교류로 변환하고 이 3상 교류를 압축기(140)로 공급하는 통상의 스위칭회로이다.
압축기(140)는 인버터(130)로부터 3상의 교류전압을 입력받아 회전동력을 발생시키는 모터(143)와, 모터(143)의 회전동력을 압축동력으로 변환하는 압축기구(146)를 포함한다. 압축기(140)는 압축기구(146)에 따라 분류되며, 냉장고에서는 주로 왕복식압축기, 에어컨에서는 로터리식 압축기가 사용된다. 모터(143)로는 비엘디씨(BLDC: Brushless Direct Current)모터가 사용되며, 이로 인하여 입력받은 전압과 부하토크에 따라 회전수가 변화한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 압축기 구동장치는 전술한 압축기(140)를 구성하는 모터(143)의 회전자 위치를 검출하는 위치검출부(150), 위치검출부(150)에서 출력된 정보를 이용하여 최적의 구동파형을 발생시켜 인버터(130)를 구동하는 제어부(160)를 더 포함한다.
압축기(140)의 모터(143)는 고온의 냉매 및 윤활유가 사용되는 환경조건에 있기 때문에 위치센서를 사용하여 모터(143)의 회전자 위치를 검출하는 것은 불가능하다. 이에, 위치검출부(150)에서는 센서리스 방식으로 압축기(140) 내부 모터(143)의 회전자 위치를 검출하기 위하여, 모터(143)의 단자전압이나 모터전류, 인버터(130)의 직류전류 등을 이용하여 모터(143)의 회전자 위치를 검출하여 제어부(160)로 전송한다.
제어부(160)는 압축기 구동장치가 장착된 시스템으로부터 목표 회전수를 입력받는다. 그리고, 제어부(160)는 위치 검출부(150)로부터 입력받은 회전자 위치를 이용하여 모터(143)의 실제 회전수를 검출하며, 이 실제 회전수가 전술한 목표 회전수가 되도록 모터(143)에 공급되는 전압을 조절하기 위하여 PWM신호의 듀티비를 조절하여 인버터(130)를 구동한다. 듀티비가 높은 PWM신호로 인버터(130)가 구동되면 모터(143)로 공급되는 전압 또한 높아져 모터(143)가 고속회전하게 된다. 반면 듀티비가 낮은 PWM신호로 인버터(130)가 구동되면 모터(143)로 공급되는 전압 또한 낮아져 모터(143)가 저속회전하게 된다.
한편, 인버터(130)를 구동하는 PWM 신호의 듀티비가 높으면 , 모터(143)로 출력되는 전압 또한 높아짐에 따라 전자계 노이즈가 증가하게 된다.
이러한 전자계 노이즈는 도 2 에 도시한 바와 같이 동일한 듀티비를 가지지만 서로 다른 캐리어 주파수마다 다른 노이즈 레벨이 발생함을 볼 수 있다. 도 2A와 도 2B는 동일한 듀티비를 가지고, 서로 다른 캐리어 주파수가 공급될때 발생하는 노이즈 레벨을 보여주며, 도 2A에 비하여 도 2B에서(즉, 낮은 캐리어주파수의 공급시) 노이즈 레벨이 감소함을 확인할 수 있다.
이에 제어부(160)에는 인버터(130)에서 발생하는 전자계 노이즈를 감소시키기 위하여 4KHz의 제 1 캐리어 주파수 및 2KHz의 제 2 캐리어 주파수가 설정된다. 제어부(160)는 산출된 PWM 신호의 듀티비에 따라 제 1 및 제 2의 캐리어 주파수 중 인버터(130)에서 발생하는 전자계 노이즈를 감소시키는 최적의 캐리어 주파수를 선택하고, 선택된 최적의 캐리어 주파수로 인버터(130)를 구동한다. 즉, 제어부(160)는 산출된 듀티비가 높을 때는 전자계 노이즈가 증가하므로 낮은 캐리어 주파수인 제 2 캐리어 주파수로 인버터(130)를 구동하고, 산출된 듀티비가 낮을 때는 전자계 노이즈가 증가하지 않으므로 제 2 캐리어 주파수보다 높은 제 1 캐리어 주파수로 인버터(130)를 구동하도록 설정된다.
한편, 인버터(130)구동시 발생하는 전자계 노이즈를 감소시키기 위하여 복수의 캐리어 주파수를 사용하는 이유는 캐리어 주파수가 압축기에서 발생하는 소음에 관여하기 때문이다. 더욱 상세히 설명하면, 듀티비가 낮은 상태에서 낮은 캐리어 주파수가 사용되면 압축기에서 소음이 증가하기 때문이며, 이는 도 3을 참조하여 더 자세히 설명한다. 도 3A에서, 캐리어 주파수는 4KHz 이므로, tc1은 250us이다. 또한 듀티비가 50%이므로 ton1은 125us가 된다. PWM 제어가 온인 경우, 전류는 증가하고 오프일 경우 전류가 감소함을 반복하며, 이 동작에 의해 진폭이 △I1인 4KHz의 전류가 흐른다. 이러한 전류는 압축기로부터 발생하는 소음의 원인이 되며, 이 전류의 진폭 △I1이 커지면 압축기의 진동을 증가시키는 가진력 또한 커져, 소음을 발생시킨다. 이러한 전류의 진폭은 캐리어 주파수가 일정한 경우, 듀티비가 큰쪽이 작아지게 되며, 듀티비가 일정한 경우는 캐리어 주파수가 큰 쪽이 작아지게 된다. 도 3B를 살펴보면, 캐리어 주파수의 감소로 전류의 진폭(△I2)이 증가하여야 하지만, 듀티비의 증가로 인하여 △I2가 △I1에 비하여 감소함을 확인할 수 있다. 이러한 전류의 진폭이 △I1보다 낮아짐에 따라 압축기로부터 발생하는 소음이 억제된다.
이처럼, 제어부(160)는 산출된 듀티비에 따라 소음 및 전자계 노이즈를 최소로 하는 캐리어 주파수를 선택하고, 이 선택된 캐리어 주파수 인버터(130)를 구동하도록 설정된다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 압축기 구동장치의 제어방법을 설명하도록 한다.
압축기가 구동되면, 제어부(150)는 압축기 구동장치가 장착된 시스템으로부터 모터(143)의 목표 회전수를 입력받는다(400).
400단계에서 모터(143)의 목표회전수가 입력되면, 제어부(150)는 위치검출부(150)로부터 입력받은 모터(143) 회전자의 회전위치를 이용하여 모터(143)의 실제 회전수를 검출한다(410).
제어부(160)는 410 단계에서 검출된 모터(143)의 회전수가 400 단계에서 입력받은 목표 회전수가 되도록 모터의 운전 PWM 신호의 듀티비를 산출한다. 즉, 모터(143)의 검출 회전수가 목표 회전수보다 낮으면 모터(143)로 공급되는 전압이 더 필요한 것으로 판단하여 PWM 신호의 듀티비를 높이고, 모터(143)의 검출 회전수가 목표 회전수보다 높으면 모터(143)의 회전수를 감소시켜야 하므로 모터(143)로 공급되는 전압을 감소시키기 위하여 PWM 신호의 듀티비를 낮추는 제어를 한다(420).
420 단계에서 PWM 신호의 듀티비가 산출되면, 제어부(160)는 산출된 PWM 신호의 듀티비가 모터(143)의 구동시 전자계 노이즈를 발생시키는 듀티비인지 확인하기 위하여 산출된 듀티비가 기 설정된 기준값 이하인지 비교한다(430).
430 단계의 비교결과 산출된 듀티비가 기 설정된 기준값 이하라면, 제어부(160)는 4Khz인 제 1 캐리어 주파수의 PWM 신호로 인버터(130)를 구동하고, 인버터(130)의 구동에 따라 모터(143)에 전압이 공급되도록 하여 압축기(140)를 구동시킨다(440).
한편, 430 단계의 비교결과 산출된 듀티비가 기 설정된 기준값 보다 높다면, 제어부(160)는 산출된 PWM신호의 듀티비에 따라 모터(143)에 입력되는 전압이 높아 전자계 노이즈를 발생시킬 가능성이 있으므로, 제어부(160)는 제 1 캐리어 주파수보다 낮은 제 2 캐리어 주파수의 PWM 신호로 인버터(130)를 구동하고, 인버터(130)의 구동에 따라 모터(143)에 전압이 공급되도록 하여 압축기(140)를 구동시킨다(450).
제어부(160)는 440 단계 또는 450 단계에서 압축기(140)를 구동하다가, 일정 시간이 지나면 400 단계로 회귀하여 압축기 구동장치의 제어를 다시 수행하거나, 압축기 구동 종료 신호(예를 들어, 목표 회전수가 0이거나 전원이 차단되는 경우)를 입력받아 작업을 종료한다(460).
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 압축기 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 2 은 동일한 듀티비를 가지는 서로 다른 캐리어 주파수에서 발생하는 노이즈 레벨 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3 은 캐리어 주파수 및 듀티비에 따른 전류의 파형을 도시한 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 압축기 구동장치의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100: 상용전원 110: 노이즈필터
120: 정류평활부 130: 인버터
140: 압축기 143: 모터
150: 위치검출부 160: 제어부

Claims (6)

  1. 모터를 구비한 압축기의 구동장치에 있어서,
    상기 모터의 운전 듀티비에 따라 복수의 캐리어 주파수 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 압축기 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 캐리어 주파수는 제 1 캐리어 주파수와 상기 제 1 캐리어 주파수보다 낮은 제 2 캐리어 주파수로 구성되며,
    상기 압축기 구동장치는 상기 듀티비가 기 설정된 기준값 이하이면 상기 제 1 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 압축기 구동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기 구동장치는 상기 듀티비가 상기 기준값 보다 크면 상기 제 2 캐리어 주파수를 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 압축기 구동장치.
  4. 모터를 구비한 압축기 구동장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 모터의 회전수를 검출하는 단계,
    상기 검출된 모터의 회전수가 목표 회전수가 되도록 상기 모터의 운전 듀티비를 산출하는 단계,
    상기 산출된 모터의 운전 듀티비에 따라 캐리어 주파수를 선택하는 단계를 포함하는 압축기 구동장치의 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐리어 주파수는 제 1 캐리어 주파수와 상기 제 1 캐리어 주파수보다 낮은 제 2 캐리어주파수로 구성되며,
    상기 산출된 모터의 운전 듀티비가 기 설정된 기준값 이하이면, 상기 제 1 캐리어 주파수를 선택하는 압축기 구동장치의 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산출된 모터의 운전 듀티비가 기 설정된 기준값 보다 크면, 상기 제 2 캐리어 주파수를 선택하는 압축기 구동장치의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006291956A (ja) 2005-04-08 2006-10-26 Lg Electronics Inc 往復動式圧縮機の運転制御装置及びその方法

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