KR101687549B1 - 공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법 - Google Patents

공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동방법은, 일정 속도 지령에 따라 전동기를 구동하는 단계와, 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하는 단계와, 제1 및 제2 기계각 중 제1 기계각이 더 큰 지 여부를 판단하는 단계와, 제1 기계각이 더 큰 경우, 제1 및 제2 기계각 중 적어도 하나를 보상하고 보상된 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 전동기의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각을 산출하는 단계를 포함한다. 이에 의하여, 일정 속도 운전시의 최대 속도 기계각을 산출을 정확히 산출할 수 있게 된다.
Figure R1020090072864
전동기, 구동 장치, 기계각

Description

공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법{Apparatus for dirving motor of air conditioner and method for driving the same}
본 발명은 공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 속도 운전시의 최대 속도 기계각을 산출을 정확히 산출할 수 있는 공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
공기조화기는 방, 거실, 사무실 또는 영업 점포 등의 공간에 배치되어 공기의 온도, 습도, 청정도 및 기류를 조절하여 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있도록 하는 장치이다.
공기조화기는 일반적으로 일체형과 분리형으로 나뉜다. 일체형과 분리형은 기능적으로는 같지만, 일체형은 냉각과 방열의 기능을 일체화하여 가옥의 벽에 구멍을 뚫거나 창에 장치를 걸어서 설치한 것이고, 분리형은 실내측에는 냉/난방을 수행하는 실내기를 설치하고 실외측에는 방열과 압축 기능을 수행하는 실외기를 설치한 후 서로 분리된 두 기기를 냉매 배관으로 연결시킨 것이다.
한편, 공기조화기에는 압축기, 팬 등에 전동기가 사용되며, 이를 구동하기 위한 전동기 구동장치가 사용되고 있다. 전동기 구동장치는 상용 교류 전원을 입력 받아 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 소정 주파수의 상용 교류 전원으로 변환하여 전동기에 공급함으로써, 압축기, 팬 등의 전동기를 구동하도록 제어한다.
본 발명의 목적은, 일정 속도 운전시의 최대 속도 기계각을 산출을 정확히 산출할 수 있는 공기조화기의 전동기 구동장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동방법은, 일정 속도 지령에 따라 전동기를 구동하는 단계와, 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하는 단계와, 제1 및 제2 기계각 중 제1 기계각이 더 큰 지 여부를 판단하는 단계와, 제1 기계각이 더 큰 경우, 제1 및 제2 기계각 중 적어도 하나를 보상하고 보상된 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 전동기의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각을 산출하는 단계를 포함한다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치는, 전동기와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 소정 주파수 및 소정 크기의 교류 전원을 출력하여 전동기를 구동하는 인버터와, 일정 속도 지령에 따라 전동기를 구동하도록 제어하며, 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하며, 검출된 제1 및 제2 기계각 중 제1 기계각이 더 큰 경우, 제1 및 제2 기계각 중 적어도 하나를 보상하며, 보상된 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 전동기의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각을 산출하는 제어부를 포함한 다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치 및 그 구동방법은, 일정 속도 운전시 순차적으로 산출되는 복수의 기계각의 이상 유무를 판단하고 이를 보정함으로써, 일정 속도 운전시의 최대 속도 기계각을 산출을 정확히 산출할 수 있게 된다.
이에 따라, 부하 토크 보상시 기 설정된 패턴의 적용을 정확히 할 수 있게 된다. 결국, 일정 속도 운전시 부하 토크로 인한 속도 리플을 간단하게 그리고 현저히 줄일 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(I)와 실외기(O)로 구분된다.
실외기(O)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(2)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(2b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(4)와, 실외 열교환기(4)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(5a)과 실외팬(5a)을 회전시키는 전동기(5b)로 이루어진 실외 송풍기(5)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(6)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(10)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력 의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(3) 등을 포함한다.
실내기(I)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(8)와, 실내측 열교환기(8)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(9a)과 실내팬(9a)을 회전시키는 전동기(9b)로 이루어진 실내 송풍기(9) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(8)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(2)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치에서의 전동기는 도면에서 도시한, 공기 조화기의 압축기(2)를 동작시키기 각 전동기(2b)일 수 있다.
한편, 도 1에서는 실내기(I)와 실외기(O)를 각각 1개씩 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치는 이에 한정되지 않으며, 복수개의 실내기와 실외기를 구비하는 멀티형 공기조화기, 한 개의 실내기와 복수개의 실외기를 구비하는 공기조화기 등에도 적용이 가능함은 물론이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 도시한 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치는, 상술한 바와 같이 압축기를 동작시키위한 전동기일 수 있다. 특히, 부하에 따라 그 변동이 큰 압 축기, 예를 들어, 싱글 로타리(single rotary) 방식의 압축기 등일 수 있다. 다양한 압축기가 가능하지만, 이하에서는 싱글 로타리 방식의 압축기를 예로하여, 이 압축기를 구동하기 위한 전동기 구동장치를 설명한다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 전동기 구동장치(200)는, 컨버터(210), 인버터(220), 제어부(230), 입력전류 검출부(A), 및 출력전류 검출부(E)를 포함한다. 또한, 도 2의 전동기 구동장치(200)는 리액터(L), 평활 커패시터(C), dc 단 전압 검출부(B) 등을 더 포함할 수도 있다.
리액터(L)는, 상용 교류 전원(205)과 컨버터(210) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압동작을 수행한다. 또한, 리액터(L)는 컨버터(210)의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
입력전류 검출부(A)는 상용 교류 전원(205)으로부터 입력되는 입력전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 입력전압(vs)의 추정 및 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)의 생성을 위해, 제어부(230)에 입력될 수 있다.
컨버터(210)는 리액터(L)를 거친 상용 교류 전원(205)을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 도면에서는 상용 교류 전원(205)을 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 삼상 교류 전원일 수도 있다. 상용 교류 전원(205)의 종류에 따라 컨버터(210)의 내부 구조도 달라진다. 예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 2개의 스위 칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
컨버터(210)는 스위칭 소자를 구비하여, 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행한다. 한편, 컨버터(210)는 다이오드 등으로 이루어져 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
평활 커패시터(C)는 컨버터(210)의 출력단에 접속된다. 컨버터(210)로부터 출력되는 변환된 직류 전원을 평활하게 된다. 이하에서는 컨버터(210)의 출력단을 dc 단 또는 dc 링크단이라고 한다. dc 단에서 평활된 직류 전압은 인버터(220)에 인가된다.
dc 단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 입력전압(vs)의 추정 및 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)의 생성을 위해, 제어부(230)에 입력될 수 있다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 전동기(250)에 출력한다.
인버터(220)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(220) 내의 스위칭 소자들은 제어부(230)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 전동기(250)에 출력되게 된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(220)와 삼상 전동기(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 전동기(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력전류를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 한 상 또는 두 상의 출력전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(220)와 전동기(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 션트 저항은 인버터(220)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(230)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여, 입력전류를 추정하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 검출된 출력전류(io)는, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 생성에 사용될 수도 있다.
제어부(230)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 출력전류(io)에 기초하여 전동기(250)의 위치, 즉 전동기(250)의 회전자의 위치를 추정할 수 있으며, 또한, 전동기(250)의 회전 속도를 산출할 수 있다. 또한, 이와 같이 추정된 위치 및 회전 속도를 기반으로 하여, 속도 지령에 따라 전동기(250)가 구동되도록 여러 제어 동작을 수행하여, 펄스폭이 가변되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
이와 같이, 별도의 전동기 위치 검출 소자 등을 사용하지 않고, 출력 전류를 검출하고, 출력 전류에 따라 전동기(250)의 위치 및 속도를 추정하고, 추정된 속도가 속도 지령에 추종하도록 피드백 제어를 하는 것을 센서리스 알고리즘(sensor algorithm)에 의한 제어라 한다. 이러한 센서리스 알고리즘에 의한 제어 동작은, 전동기(250)의 초기 기동시에는 수행되지 않다가, 전동기(250)의 회전 속도가 소정치 이상되는 경우부터 수행되는 것이 가능하다.
한편, 제어부(230)는, 본 발명의 실시예와 관련하여, 일정 속도 지령에 따라 전동기를 구동하도록 제어하며, 이러한 일정 속도 지령에 따라 전동기(250)를 구동하도록 제어하고, 센서리리 알고리즘에 의해, 즉 전동기(250)의 출력 전류(io)에 의해, 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하며, 검출된 제1 및 제2 기계각이 정상 범위인 지 판단한다. 정상 범위가 아닌 것으로 판단되는 경우, 제1 및 제2 기계각 중 적어도 하나를 보정하고, 이러한 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 일정 속도 하에서의 최대 속도 기계각을 산출한다.
또한, 제어부(230)는, 부하에 따라 그 변동이 큰 압축기를 구동하는 전동기(250)의 부하 토크 성분을 제거하기 위해, 상술한 바와 같이 산출된 산출된 최대 속도 기계각을 기초로 기 설정된 부하 토크 패턴을 적용하여 전동기(250)의 부하 토크를 보상할 수 있다.
예를 들어, 제어부(230)는, 전동기(250)의 출력 전류(io)에 기초하여, 회전자의 위치를 추정하며, 이에 따라 전동기(250)의 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출한다. 그리고, 순차 검출되는 제1 및 제2 기계각을 이용하여, 전동기(250)의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각을 산출한다. 이때, 최대 속도 기계각은, 검출되는 제1 및 제2 기계각의 평균을 이용하여 산출할 수 있다. 한편, 이러한 순차 검출되는 제1 및 제2 기계각의 크기가 순차적이지 않는 경우, 죽, 제1 기계각의 크기가 제2 기계각의 크기보다 더 큰 경우, 이를 보상하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 3 이하를 참조하여 후술한다.
한편, 제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어한다. 이를 위해, 제어부(230)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받아, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 생성하여 이를 인버터(220)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 PWM(pulse width modulation)용 스위칭 제어신호일 수 있다. 제어부(230) 내의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 출력에 대한 상세 동작은 도 3을 참조하여 후술한다.
한편, 제어부(230)는, 컨버터(210)의 스위칭 동작도 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(230)는, dc 단 전압 검출부(B)에서 검출되는 dc 단 전압(Vdc)을 입력받아, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)를 생성하여 이를 컨버터(210)에 출력할 수 있 다. 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)는 PWM용 스위칭 제어신호일 수 있다.
삼상 전동기(250)는 고정자와 회전자를 구비하며, 각상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 전동기(250)의 종류로는 BLDC(blushless DC) 전동기, synRM(Synchronous Reluctance Motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
삼상 전동기(250)는, 공기조화기의 압축기용 전동기일 수 있다. 특히, 부하 변동이 심한 싱글 로타리(single rotary)식 압축기일 수 있다.
한편, 제어부(230)는 실외기 제어부로서, 실내기에 별도로 배치될 수 있는 실내기 제어부와의 통신을 더 수행하는 것도 가능하다. 실외기 제어부는, 실내기 제어부와의 통신에 의해 운전 지령을 수신하며, 수신된 운전 지령에 기초하여 후술하는 속도 지령치를 결정할 수 있게 된다.
또한, 상술한 공기조화기의 전동기 구동장치(200)의 제어부(230)는, 실외기에 사용되는 팬용 전동기 및 압축기용 전동기(250)를 동시에 제어하는 것도 가능하다.
도 3은 도 2의 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 제어부(230)는, 추정부(305), 전류 지령 생성부(310), 전압 지령 생성부(320), 토크 보상부(325), 및 스위칭 제어신호 출력부(330)를 더 포함한다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 삼상의 출력전류(io)를 d축, q축 전류로 변환하거나 d축, q축 전류를 삼상의 전류로 변환하는 축 변환부를 더 포함할 수 도 있다.
추정부(305)는, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 전동기의 속도(v)를 추정한다. 예를 들어, 전동기(250)의 기계 방정식 및 전기 방정식을 서로 비교하여, 그에 따라 전동기의 속도(v)를 추정할 수 있다.
또한, 추정부(305)는, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 회전자의 위치를 추정할 수도 있다. 이러한 회저자의 위치는 전동기(250)의 전기각, 또는 기계각을 추정할 수 있다. 통상 기계각과 전기각의 관계는, 기계각의 주기가 전기각에 비해 전동기(250)의 극수/2 배의 관계를 가진다.
Figure 112009048402236-pat00001
여기서, θMe는 기계각을 나타내며, θe는 전기각을 나타낸다. 예를 들어, 전동기(250)의 극수가 6극인 경우, θMe = 3θe 의 관계를 가지며, 전동기(250)의 극수가 4극인 경우, θMe = 2θe 의 관계를 가진다.
즉, 전동기(250)의 극수가 6극인 경우, 기계각(θMe) 360˚ 내에서, 120˚ 주기의 전기각(θe)이 3개가 대응되게 되며, 전동기(250)의 극수가 4극인 경우, 기계각(θMe) 360˚ 내에서, 180˚ 주기의 전기각(θe)이 2개가 대응되게 된다.
전류 지령 생성부(310)는 추정 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(310)는, 추정 속도(v)와 속도 지령치(v*)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전류 지령 생성부(310)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전류 지령치(i* d,i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령 생성부(320)는 검출된 출력전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(320)는, 검출된 출력전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전압 지령 생성부(320)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
토크 보상부(325)는, 추정부(250)에서 추정되는 기계각(θM) 중 일정 속도 지령(v*)에 또는 속도 지령(v*)과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각(θMe1,θMe2)을 순차적으로 검출하고, 제1 및 제2 기계각(θMe1,θMe2)의 크기를 비교하여, 제1 기계각(θMe1)이 더 큰 경우, 제1 및 제2 기계각(θMe1,θMe2) 중 적어도 하나를 보상하여, 보상된 기계각을 기초로 하여, 전동기(250)의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각(θM)을 산출한다. 이와 같이, 일정 속도 운전시 순차적으로 산출되는 복수의 기계각의 이상 유무를 판단하고 이를 보정함으로써, 일정 속도 운전시의 최대 속도 기계각(θM)을 산출을 정확히 산출할 수 있게 된다.
한편, 토크 보상부(325)는, 부하 토크로 인한 일정 속도 운전시의 속도 리플을 보상하도록, 산출된 최대 속도 기계각(θM)에 따라 보상 전류 지령치(i* c)를 생성하여 출력한다. 일예로, 산출된 최대 속도 기계각(θM)에서의 보상 전류 지령치(i* c)는 최소값에 대응할 수 있다.
이에 따라 전류 지령 생성부(310)는, 생성되어 출력되는 전류 지령치(i* d,i* q)와 상술의 보상 전류 지령치(i* c)를 합산하여 최종 전류 지령치를 생성하여 출력할 수 있다. 이에 의해, 부하 토크 보상을 위한 전류 지령이 변경되게 되며, 따라서, 전압 지령(v* d,v* q) 및 스위칭 제어 신호 출력부의 출력(Sic)이 변경되게 된다. 결국, 부하 토크 보상시 기 설정된 패턴의 적용을 정확히 할 수 있게 되 며, 일정 속도 운전시 부하 토크로 인한 속도 리플을 간단하게 그리고 현저히 줄일 수 있게 된다.
스위칭 제어신호 출력부(330)는 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 PWM신호인 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 인버터(220)로 출력한다. 이에 따라 인버터(220) 내의 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)는 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 된다.
도 4는 전동기의 속도 따른 부하 토크를 도시한 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 4(a)는 전동기(250)의 회전 속도를 도시한 도면이다. 초기 기동시 전동기(250)는, 서서히 그 회전 속도가 증가하다가, 머무름 주파수에서 일정한 속도를 유지하며, 그 이후 다시 그 회전 속도가 증가하는 것이 가능하다. 이때, 머무름 주파수는 예를 들어, 대략 35Hz일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 머무름 주파수에서 일정 속도 지령에 따라, 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하고, 상술한 바와 같이 제1 및 제2 기계각을 정확히 검출하도록 한다.
도 4(b)는 일정 속도 지령에 따라 전동기(250)을 구동하는 경우의, 속도 리플을 보여준다. 예를 들어, 일정 속도 지령을 v1이라 하는 경우, 속도 리플 곡선은, 상술한 추정부(305)에서 추정된 속도 추정치(v* 1)로서, 360˚를 주기로 하는 기계 각(θMe)에 대응하여 사인 함수의 형태 등 주기적인 곡선의 형태로 나타날 수 있다.
이때, 전동기(250)의 부하가, 예를 들어 싱글 로타리(single rotary) 방식의 압축기인 경우, 흡입과 토출의 한 주기에 의해, 도면과 같은 부하 토크(TL)로 표현될 수 있다.
한편, 도 4(b)에서, 최대 속도 기계각(θM)은 속도 추정치(v* 1)가 최대가 되는 지점(v1p)에 대응하는 기계각이 된다. 이러한 최대 속도 기계각(θM)을 연산하는 방법으로 다양한 방법이 시도될 수 있다. 예를 들어, 속도 지령(v1)과 소정 범위 내의 2개의 기준 속도를 이용하여, 그 비례관계를 이용하여 산출할 수 있으며, 또는 속도 지령(v1) 또는 속도 지령(v1)과 소정 범위 내의 1개의 기준 속도를 이용하여, 그 비례관계, 즉 평균을 이용하여 산출하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예에서는, 이 중에서 평균을 이용하여 최대 속도 기계각(θM)을 산출하는 것으로 기술하나, 이에 한정되지는 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 5(a)는 도 4(b)의 기계각에 따른 속도 곡선을 구체적으로 도시한 것이다. 즉, 속도 지령(v1)과 소정 범위 내의 1개의 기준 속도(vr1)를 이용하여, 최대 속도 기계각(θM)을 산출하는 것을 도시한다. P1, P2는 추정 속도(v1) 곡선에서 기준 속도(vr1)에 매칭되는 위치를 나타낸다. 한편, Pa, Pb 는 추정 속도(v1) 곡선에서 제1 기준 속도(vr1), 및 제2 기준 속도(vr2)에 매칭되는 위치를 각각 나타낸다.
도 5(b)는, 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 매칭되는 위치인 P1, P2 에서의 제1 및 제2 기계각(θa1,θa2)를 보여준다. 이때의 순차적으로 검출되는 제1 및 제2 기계각(θa1,θa2)은 그 크기를 볼때 순차적으로 검출되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 최대 속도 기계각(θM)은, 이하의 수학식 2와 같이, 제1 및 제2 기계각(θa1,θa2)의 평균에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112009048402236-pat00002
다음, 도 5(c)는, 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 매칭되는 위치인 P1, P2 에서의 제1 및 제2 기계각(θb1,θb2)를 보여준다. 이때의 순차적으로 검출되는 제1 및 제2 기계각(θb1,θb2)의 크기는, 도 5(b)와 달리, 제1 기계각(θb1)의 크기가 제2 기계각(θb2)의 크기 보다 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 기계각의 위치가 360˚ 만큼 계속 반복되는 상황에서, 해당 기준 속도(vr1)와의 점점 사이에서 그 주기가 반복됨으로 인해 발생하는 경우이다. 이런 경우, 상술한 바에 따라, 단순히 제1 및 제2 기계각(θb1,θb2)의 평균으로 최대 속도 기계각(θM)을 산출하게 되면, 전혀 다른 값을 산출하게 된다.
본 발명의 실시예에서는, 이를 정정하기 위해, 제1 기계각(θb1)이 제2 기계각(θb2) 보다 크며, 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 제2 기계각 보다 작은 경우(|θb1 - 360˚|<θb2), 제1 기계각(θb1)을 보상한다.
즉, 최대 속도 기계각(θM)은, 이하의 수학식 3과 같이, 제1 기계각과 360˚와의 차이값(θb1 - 360˚) 및 제2 기계각(θb2)의 평균에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112009048402236-pat00003
다음, 도 5(d)는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 매칭되는 위치인 P1, P2 에서의 제1 및 제2 기계각(θc1,θc2)를 보여준다. 이때의 순차적으로 검출되는 제1 및 제2 기계각(θc1,θc2)의 크기는, 도 5(b)와 달리, 제1 기계각(θc1)의 크기가 제2 기계각(θc2)의 크기 보다 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 기계각의 위치가 360˚ 만큼 계속 반복되는 상황에서, 해당 기준 속도(vr1)와의 점점 사이에서 그 주기가 반복됨으로 인해 발생하는 경우이다. 이런 경우, 상술한 바에 따라, 단순히 제1 및 제2 기계각(θc1,θc2)의 평균으로 최대 속도 기계각(θM)을 산출하게 되면, 전혀 다른 값을 산출하게 된다.
본 발명의 실시예에서는, 이를 정정하기 위해, 제1 기계각(θc1)이 제2 기계각(θc2) 보다 크며, 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 제2 기계각 보다 큰 경우(|θc1 - 360˚|>θc2), 제2 기계각(θc2)을 보상한다.
즉, 최대 속도 기계각(θM)은, 이하의 수학식 4와 같이, 제1 기계각(θc1) 및 제2 기계각과 360˚와의 가산값(θc2 + 360˚)의 평균에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112009048402236-pat00004
이와 같이, 검출되는 제1 및 제2 기계각 중 적어도 어느 하나를 보상함으로써, 일정 속도 운전시의 최대 속도 기계각을 산출을 정확히 산출할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동방법을 도시한 순서도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 제어부(230)는, 속도 지령(v*)에 따라 전동기(250)를 구동하도록 제어한다(S610). 예를 들어, 도 4에서 상술한 바와 같이, 머무름 주파수(대략 35Hz)에 해당하는 일정 속도 지령으로 전동기(250)를 구동하도록 제어한다. 이에 따라, 제어부(250)는 해당하는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 인버터(220)로 출력한다.
다음, 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제 1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출한다(S720). 제어부(230)는, 도 5에서 도시된 바와 같이, 속도 지령(v* 1)의 소정 범위 이내인 기준 속도(vr1)를 이용하여, 기준 속도(vr1)에 대응하는 P1,P2 지점에서의 제1 및 제2 기계각을 검출한다. 이러한 제1 및 제2 기계각을 검출은, 상술한 추정부(305) 및 토크 보상부(325)에서 수행될 수 있다.
다음, 제어부(230)는, 제1 기계각이 제2 기계각 보다 더 큰 지 여부를 판단한다(S630). 순차 검출되는 제1 및 제2 기계각 중 제2 기계각이 더 큰 경우, 이는 정상인 것으로 판단하여, 본래의 최대 속도 기계각 산출 방식대로, 제1 및 제2 기계각의 평균을 이용하여 산출한다.
다음, 제1 기계각 및 제2 기계각 중 제1 기계각이 더 큰 경우, 이는 비정상인 것으로 판단하여, 제어부(230)는, 제1 및 제2 기계각 중 어느 하나를 보상한다(S640).
그리고, 제어부(230)는, 보상된 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 최대 속도 기계각(θM)을 산출한다.
산출된 최대 속도 기계각(θM)에 따라, 제어부(230), 특히 토크 보상부(325)에서, 해당하는 부하 토크 보상이 수행되도록 한다. 예를 들어, 산출된 최대 속도 기계각(θM)을 기 설정된 부하 토크 패턴 중 최저값에 매칭시키고, 해당하는 부하 토크 패턴에 따라 보상 전류 지령치(i* c)를 출력하는 것이 가능하다. 이에 의해, 특 정 부하로 인한 속도 리플을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 전동기가 안정적으로 구동하는 지 여부를 판단하는 속도 안정 판단 단계를 더 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 5(a)와 같이, 제1 및 제2 기계각 산출 전에, 서로 다른 기준 속도(vr1,vr2)에 해당하는 지점인 Pa,Pb에서의 기계각을 판단하고 그 기계각의 범위가 허용 범위 이내인 경우, 속도 안정으로 판단할 수 있다. 또는, 제1 및 제2 기계각 산출 전에, 속도 리플을 추정하고, 해당 속도 리플의 성분을 분석하여 그 허용범위를 초과하는 경우, 속도 불안정으로 판단하는 것도 가능하다.
도 7은 도 6의 최대 속도 기계각 산출을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 6의 제630 단계(S630)에서, 제1 기계각 및 제2 기계각 중 제1 기계각이 더 큰 경우는 도 7과 같이 최대 속도 기계각을 산출할 수 있다.
먼저, 제어부(230)는, 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 제2 기계각 보다 작은 지 여부를 판단한다. 만족하는 경우(|θ1 - 360˚|<θ2), 제1 기계각(θ1)을 보상한다(S720). 즉, 제1 기계각(θ1)에서 360˚를 차감한다.
이에 따라, 상술한 수학식 3과 같이, 보상된 제1 및 제2 기계각의 평균을 최대 속도 기계각으로 산출한다(S730).
다음, 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 제2 기계각 보다 큰 경우(|θ1 - 360˚|>θ2), 제2 기계각(θ2)을 보상한다(S725). 즉, 제2 기계각(θ2)에서 360˚를 가산한다.
이에 따라, 상술한 수학식 4와 같이, 보상된 제1 및 제2 기계각의 평균을 최대 속도 기계각으로 산출한다(S730).
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 도 2의 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도 4는 전동기의 속도 따른 부하 토크를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 구동방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 도 6의 최대 속도 기계각 산출을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210:컨버터 220:인버터
230:제어부 305:추정부
310:전류지령 생성부 320:전압지령생성부
325:토크 보상부 330:스위칭 제어신호 출력부

Claims (12)

  1. 실외기와 실내기를 포함하는 공기조화기의 전동기 구동방법에 있어서,
    상기 실내기로부터의 운전 지령을 수신하고, 상기 수신된 운전 지령에 기초하여 속도 지령을 결정하는 단계;
    일정 속도 지령에 따라 전동기를 구동하는 단계;
    상기 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하는 단계;
    상기 제1 및 제2 기계각 중 상기 제1 기계각이 더 큰 지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제1 기계각이 더 큰 경우, 상기 제1 및 제2 기계각 중 적어도 하나를 보상하고 상기 보상된 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 전동기의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각을 산출하는 단계;
    상기 산출된 최대 속도 기계각을 기 설정된 부하 토크 패턴 중 최저값에 매칭시키고, 상기 매칭된 부하 토크 패턴에 따라 보상 전류 지령치를 출력하는 단계; 및
    전류 지령치와, 상기 보상 전류 지령치를 합산하여, 최종 전류 지령치를 생성하는 단계;
    상기 생성된 최종 전류 지령치에 기초하여, 상기 전동기를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최대 속도 기계각 산출 단계는,
    상기 검출된 제1 기계각이 더 큰 경우, 상기 보상된 제1 및 제2 기계각의 평균에 의해 산출하며,
    상기 검출된 제2 기계각이 더 큰 경우, 상기 검출된 제1 및 제2 기계각의 평균에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최대 속도 기계각 산출 단계는,
    상기 검출된 제1 기계각이 더 크며, 상기 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 상기 제2 기계각 보다 작은 경우, 상기 제1 기계각을 보상하며,
    상기 검출된 제1 기계각이 더 크며, 상기 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 상기 제2 기계각 보다 큰 경우, 상기 제2 기계각을 보상하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전동기가 안정적으로 구동하는 지 여부를 판단하는 속도 안정 판단 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동방법.
  6. 실외기와 실내기를 포함하는 공기조화기의 전동기 구동장치로서,
    상기 실외기의 압축기를 구동하는 전동기;
    복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 소정 주파수 및 소정 크기의 교류 전원을 출력하여 상기 전동기를 구동하는 인버터; 및
    상기 실내기로부터의 운전 지령을 수신하고, 상기 수신된 운전 지령에 기초하여 속도 지령을 결정하며, 일정 속도 지령에 따라 상기 전동기를 구동하도록 제어하며, 상기 속도 지령 또는 속도 지령과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각을 순차적으로 검출하며, 상기 검출된 제1 및 제2 기계각 중 상기 제1 기계각이 더 큰 경우, 상기 제1 및 제2 기계각 중 적어도 하나를 보상하며, 상기 보상된 제1 및 제2 기계각에 기초하여, 상기 전동기의 최대 속도 리플에 해당하는 최대 속도 기계각을 산출하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 최대 속도 기계각을 기 설정된 부하 토크 패턴 중 최저값에 매칭시키고, 상기 매칭된 부하 토크 패턴에 따라 보상 전류 지령치를 출력하고,
    전류 지령치와, 상기 보상 전류 지령치를 합산하여, 최종 전류 지령치를 생성하고, 상기 생성된 최종 전류 지령치에 기초하여, 상기 전동기를 구동하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 제1 기계각이 더 큰 경우, 상기 보상된 제1 및 제2 기계각의 평균에 의해 상기 최대 속도 기계각 산출을 산출하며,
    상기 제2 기계각이 더 큰 경우, 상기 검출된 제1 및 제2 기계각의 평균에 의해 상기 최대 속도 기계각 산출하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 기계각이 더 크며, 상기 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 상기 제2 기계각 보다 작은 경우, 상기 제1 기계각을 보상하며,
    상기 제1 기계각이 더 크며, 상기 제1 기계각과 360˚와의 차이값이 상기 제2 기계각 보다 큰 경우, 상기 제2 기계각을 보상하는 것을 특징으로 하는 공기조화 기의 전동기 구동장치.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전동기가 안정적으로 구동하는 지 여부를 판단하는 속도 안정 판단을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전동기에 흐르는 출력전류에 기초하여 상기 전동기의 속도를 추정하는 추정부;
    상기 추정속도 및 상기 속도 지령치에 기초하여 상기 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치 및 상기 검출된 출력전류에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추정부에서 추정되는 상기 전동기의 기계각에 기초하여, 최대 속도 기계각을 산출하고, 상기 최대 속도 기계각에 따라 부하 토크 패턴을 보상하여, 상기 보상 전류 지령치를 생성하는 토크 보상부;를 더 포함하고,
    상기 전류 지령 생성부는, 상기 전류 지령치 및 상기 보상 전류 지령치를 이용하여 최종 전류 지령치를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
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