KR101748662B1 - 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법이 개시된다. 본 발명은, 압축기 모터에 인가되는 전류를 이용하여 압축기 자체에 의해 발생하는 부하 전압을 연산하고, 이를 고려한 전압 목표값을 발생함으로써 원하는 입력 전압이 압축기에 인가되도록 한다. 또한, 본 발명은, 운전 주파수와 전기적인 LC공진 주파수가 일치하지 아니한 경우에도 압축기 입력 전압의 크기와 압축기 스트로크의 관계를 선형으로 유지한다.

Description

리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING LINEAR COMPRESSOR AND METHOD OF THE SAME}

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 운전 주파수와 LC 공진 주파수가 일치하지 않는 경우에도, 운전 주파수에 관계없이 안정적으로 리니어 압축기를 제어할 수 있는 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동 시스템, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등,의 일부분으로 사용된다.

상기 압축기는 크게, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다.

상기 왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.

상기 레시프로 방식은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 상기 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다. 반면, 상기 리니어 방식은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

이러한 왕복동식 압축기는 구동력을 발생하는 전동 유닛과, 전동 유닛으로부터 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축 유닛으로 구성된다. 상기 전동 유닛으로는 일반적으로 모터를 많이 사용하며, 상기 리니어 방식의 경우에는 리니어 모터를 이용한다.

상기 리니어 모터는 모터 자체가 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계적인 변환 장치가 필요하지 않고, 구조가 복잡하지 않다. 또한, 상기 리니어 모터는 에너지 변환으로 인한 손실을 줄일 수 있고, 마찰 및 마모가 발생하는 연결 부위가 없어서 소음을 크게 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 상기 리니어 방식의 왕복동식 압축기, 이하 리니어 압축기(Linear Compressor)라 한다,를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압을 변경하여 줌에 따라 압축 비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 왕복동식 압축기, 특히 리니어 압축기,는 피스톤이 실린더 안에서 기구적으로 구속되어 있지 않은 상태에서 왕복 운동을 하게 되기 때문에 갑자기 전압이 과도하게 걸리는 경우에 피스톤이 실린더 벽에 부딪히거나, 부하가 커서 피스톤이 전진하지 못하여 압축이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 부하의 변동이나 전압의 변동에 대하여 피스톤의 운동을 제어하기 위한 제어 장치가 필수적이다.

일반적으로 리니어 압축기는 부하에 의한 흡입, 토출 압력차와 스트로크의 크기에 따라 기구적 공진 주파수(Mechanical Resonance Frequency)가 변화하며 이에 따라 모터 코일에 걸리는 전압과 흐르는 전류의 위상차가 달라진다. 또한, 리니어 압축기의 모터 코일 인덕턴스가 상대적으로 크기 때문에 제어 응답성이 느린 점을 개선하기 위해서 압축기 코일과 직렬로 AC 커패시터를 연결하여 전기적인 공진이 이루어지도록 한다. 이때, 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 냉력 증감 등 압축기 운전 주파수의 변동이 요구되는 경우, 운전 주파수와 전기적인 LC공진 주파수를 일치시킬 수 없게 되어, 상기 리니어 압축기는, 인버터 등으로부터 공급되는 압축기 입력 전압의 크기와 압축기 스트로크의 관계가 최대 스트로크(Full stroke)를 기준으로 비선형 특성을 나타낸다. 특히, 리니어 압축기의 동적 특성상 최대 스트로크 전후로 부하 변동이 심하여 전압의 크기 변동에 대해 스트로크의 크기가 거의 변하지 않거나 점프하듯 급격하게 변하는 경우가 발생하므로, 냉력의 과부족이나 심한 경우 피스톤 충돌 등 제어신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 압축기 자체에 의해 발생하는 부하 전압을 고려하여 전압 목표값을 발생함으로써 원하는 입력 전압이 압축기에 인가되도록 하는 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 일 목적이 있다.

본 발명은, 운전 주파수와 전기적인 LC공진 주파수가 일치하지 아니한 경우에도 압축기 입력 전압의 크기와 압축기 스트로크의 관계를 선형으로 유지하여 스트로크 제어 신뢰성을 향상시키는 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터에 인가되는 입력 전류와 입력 전압을 근거로 스트로크 추정값을 연산하는 단계와, 스트로크 목표값과 상기 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 생성하는 단계와, 상기 압축기 모터에 따른 자체부하전압을 근거로 상기 전압 목표값을 수정하는 단계와, 상기 수정된 전압 목표값을 근거로 상기 압축기 모터를 구동하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 수정된 전압 목표값은, 상기 전압 목표값과, 상기 자체부하전압의 합인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 압축기 모터에 따른 상기 자체부하전압을 연산하는 단계를 더 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 자체부하전압은, 상기 압축기 모터의 코일, 상기 코일과 공진 회로를 형성하는 커패시터, 및 상기 압축기 모터에 의한 저항에 의해 발생하는 전압이다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 근거로 상기 압축기 모터에 따른 자체부하전압을 연산하는 자체부하전압 연산 유닛과, 스트로크 목표값과, 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 생성하고, 상기 자체부하전압을 근거로 상기 전압 목표값을 수정하는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 검출하는 전류 검출 유닛과, 상기 압축기 모터에 인가되는 입력 전압을 검출하는 전압 검출 유닛과, 상기 입력 전류와 상기 입력 전압을 이용하여 스트로크 추정값을 연산하는 스트로크 연산 유닛과, 제어 신호를 근거로 상기 압축기 모터를 구동하는 구동 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 수정된 전압 목표값을 근거로 상기 제어 신호를 발생한다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치에 있어서, 상기 수정된 전압 목표값은, 상기 전압 목표값과, 상기 자체부하전압의 합인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치에 있어서, 상기 자체부하전압은, 상기 압축기 모터의 코일, 상기 코일과 공진 회로를 형성하는 커패시터, 및 상기 압축기 모터에 의한 저항에 의해 발생하는 전압이다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법은, 압축기 모터에 인가되는 전류를 이용하여 압축기 자체에 의해 발생하는 부하 전압을 연산하고, 이를 고려하여 전압 목표값을 발생함으로써 원하는 입력 전압이 압축기에 인가되도록 한다.

본 발명은, 운전 주파수와 전기적인 LC공진 주파수가 일치하지 아니한 경우에도 압축기 입력 전압의 크기와 압축기 스트로크의 관계를 선형으로 유지함으로써 압축기의 스트로크 제어의 신뢰성을 향상시키고, 시스템의 안정성을 제고한다.

본 발명은, 리니어 압축기의 동적 특성상 최대 스트로크 전후로 부하 변동이 심하여 전압의 크기 변동에 대해 스트로크의 크기가 거의 변하지 않거나 점프하듯 급격하게 변하는 문제점을 해결하고, 냉력의 과부족이나 심한 경우 피스톤 충돌 등 제어신뢰성을 저하하는 문제점을 해결한다.

도 1은 리니어 압축기의 제어에 있어서, 입력 전압의 크기와 스트로크의 변화를 도시한 그래프;
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도;
도 3은 본 발명에 따라 보상 전압을 적용하여 전압 목표값을 발생하는 동작을 설명하기 위한 도;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법을 적용한 전후의 스트로크 변화를 설명하기 위한 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법을 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 근거로 상기 압축기 모터에 따른 자체부하전압을 연산하는 자체부하전압 연산 유닛(300)과, 스트로크 목표값과, 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 생성하고, 상기 자체부하전압을 근거로 상기 전압 목표값을 수정하는 제어 유닛(400)을 포함하여 구성된다.

도 1은, 상기 압축기 모터에 인가되는 입력 전압과 스트로크와의 관계를 보인 그래프이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 운전 주파수(fex)가 공진 주파수(fLC)보다 큰 경우에는 TDC 근처에서 입력 전압의 크기가 작게 변해도 스트로크의 크기가 크게 변화하고, TDC 근처에서 점프 현상이 일어난다. 또한, 운전 주파수(fex)가 공진 주파수(fLC)보다 작은 경우에도, TDC 근처에서 입력 전압의 크기와 스트로크의 크기 변화가 비선형성의 관계에 있다. 도 1과 같은 경우에, 입력 전압과 스트로크의 크기는 하기 수학식 1과 같은 관계가 있다.

여기서, Vin은 압축기 모터에 인가되는 입력 전압, i는 압축기 모터에 인가되는 입력 전류, R은 압축기 내부 저항, L은 모터 코일의 인덕턴스, C는 L과 공진회로를 형성하는 커패시턴스, α는 모터 상수, x는 스트로크이다.

이때, 입력 전압과 스트로크의 선형성은 LC 공진 주파수에서만 성립되고, 운전 주파수 선정에 따라 제어 안정성이 제한된다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(110)과, 상기 압축기 모터에 인가되는 입력 전압을 검출하는 전압 검출 유닛(120)과, 상기 입력 전류와 상기 입력 전압을 이용하여 스트로크 추정값을 연산하는 스트로크 연산 유닛(200)을 더 포함하여 구성된다. 물론, 상기 제어 장치는, 상기 스트로크 연산 유닛(200) 대신 센서를 이용하여 스트로크를 검출하는 스트로크 검출 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 제어 신호를 근거로 상기 압축기 모터를 구동하는 구동 유닛(미도시)을 더 포함하고, 상기 제어 유닛(400)은, 상기 수정된 전압 목표값을 근거로 상기 제어 신호를 발생한다. 상기 구동 유닛은, 상기 제어 신호에 따라 평활 커패시터로부터 출력된 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 출력하는 전력 소자로서, 트라이악(Triac)이나, 인버터(Inverter)이다.

상기 자체부하전압 연산 유닛(300)은, 입력 전류를 이용하여 상기 압축기 모터의 코일(L), 상기 코일과 공진 회로를 형성하는 커패시터(C), 및 상기 압축기 모터에 의한 저항(R)에 의해 발생하는 전압을 연산한다.

도 3을 참조하면, 원하는 입력 전압(Vin)이 압축기에 인가되도록 하기 위해 상기 전압 목표값(Vref)을 설정하는데, 상기 전압 목표값은 상기 자체부하전압(Va)을 고려하여 설정된다. 즉, 상기 전압 목표값과 상기 자체부하전압을 근거로 수정된 전압 목표값이 입력 전압이 되어 압축기에 인가된다. 여기서, 상기 자체부하전압(Va)는 수학식 2와 같다.

여기서, γ는 제어 변수이다.

상기 제어 유닛(400)은, 스트로크 목표값과 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 발생한다. 또한, 상기 제어 유닛(400)은 상기 전압 목표값을 근거로 제어 신호를 상기 구동 유닛에 출력하는데, 이때, 상기 전압 목표값은 상기 자체부하전압(Va)을 고려하여 수정된다. 즉, 전압 목표값(Vref)은 수학식 3과 같다.

이때, 상기 자체부하전압(Va)은, 수학식 4와 같다.

즉, 실제로 압축기에 인가될 입력 전압은, 전압 목표값(Vref)에 상기 자체부하전압(Va)의 합이 된다.

도 4는 압축기에서의 자체부하전압(Va)을 고려하지 아니하고, 전압 목표값(Vref)을 그대로 압축기에 인가한 경우이고, 도 5는 본 발명에 따라 자체부하전압(Va)를 고려하여 수정된 전압 목표값(Vref)을 압축기에 인가한 경우이다. 즉, 실제로 압축기에 입력되는 입력 전압(Vin)이 전압 목표값(Vref)과 자체부하전압(Va)의 합이 되고, 이렇게 함으로써 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 입력 전압(Vin)이 스트로크와 선형성의 관계를 가지게 된다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터에 인가되는 입력 전류와 입력 전압을 근거로 스트로크 추정값을 연산하는 단계(S200)와, 스트로크 목표값과 상기 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 생성하는 단계(S300)와, 상기 압축기 모터에 따른 자체부하전압을 근거로 상기 전압 목표값을 수정하는 단계(S500)와, 상기 수정된 전압 목표값을 근거로 상기 압축기 모터를 구동하는 단계(S600)를 포함하여 구성된다.

상기 제어 방법은, 상기 압축기 모터에 따른 상기 자체부하전압을 연산하는 단계(S400)를 더 포함하여 구성된다. 또한, 상기 제어 방법은, 압축기에 인가되는 입력 전류 및 입력 전압을 검출하는 단계(S100)를 더 포함한다. 이하, 장치의 구성은 도 2를 참조한다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 검출하고(S100), 상기 입력 전류를 이용하여 상기 압축기 모터의 코일(L), 상기 코일과 공진 회로를 형성하는 커패시터(C), 및 상기 압축기 모터에 의한 저항(R)에 의해 발생하는 전압을 연산한다(S400).

도 3을 참조하면, 상기 제어 장치는, 원하는 입력 전압(Vin)이 압축기에 인가되도록 하기 위해 상기 전압 목표값(Vref)을 설정하는데(S300), 상기 전압 목표값(Vref)는 스트로크 목표값과, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류를 근거로 연산된 스트로크 추정값을 근거로 결정된다. 또한, 본 발명에 따라 상기 전압 목표값은 상기 자체부하전압(Va)을 고려하여 수정된다(S500). 즉, 상기 전압 목표값과 상기 자체부하전압을 근거로 수정된 전압 목표값이 입력 전압이 되어 압축기에 인가된다(S600). 여기서, 상기 자체부하전압(Va)는 수학식 5와 같다.

여기서, γ는 제어 변수이다.

압축기 모터의 등가 회로로부터 상기 자체부하전압(Va)은, 수학식 6과 같이 변형될 수 있다.

상기 제어 장치는, 상기 전압 목표값을 근거로 제어 신호를 생성하는데, 상기 전압 목표값은 상기 자체부하전압(Va)을 고려하여 수정되고, 상기 수정된 전압 목표값을 근거로 제어 신호를 생성한다. 여기서, 전압 목표값(Vref)은 수학식 7과 같다.

즉, 실제로 압축기에 인가될 입력 전압은, 전압 목표값(Vref)에 상기 자체부하전압(Va)의 합이 된다.

도 4는 압축기에서의 자체부하전압(Va)을 고려하지 아니하고, 전압 목표값(Vref)을 그대로 압축기에 인가한 경우이고, 도 5는 본 발명에 따라 자체부하전압(Va)를 고려하여 수정된 전압 목표값(Vref)을 압축기에 인가한 경우이다. 즉, 실제로 압축기에 입력되는 입력 전압(Vin)이 전압 목표값(Vref)과 자체부하전압(Va)의 합이 되고, 이렇게 함으로써 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 입력 전압(Vin)이 스트로크와 선형성의 관계를 가지게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법은, 리니어 압축기의 운전 주파수와 전기적인 LC공진 주파수가 일치하지 않는 경우에도 압축기 모터 코일에 흐르는 전류를 측정하여 서로 반대 위상인 교류 커패시터에 걸리는 전압과 모터 코일의 인덕턴스에 의해 발생하는 전압의 차이와 권선 저항에 의해 소비되는 전압 등을 연산하고, 이를 PWM 제어를 위한 전압 목표값에 보상하여 주면 스트로크 속도에 비례하는 역기전력 성분에 대해서만 입력 전압이 대응하게 되어 입력 전압의 크기와 스트로크의 크기가 운전 주파수에 관계없이 선형 관계를 유지할 수 있다. 이에 따라 리니어 압축기의 스트로크 크기를 정밀 제어하는 것이 가능하고 제어 신뢰성이 향상된다.

110 : 전류 검출 유닛 120 : 전압 검출 유닛
200 : 스트로크 연산 유닛 300 : 자체부하전압 연산 유닛
400 : 제어 유닛 310, 410 : 가산기
500 : 리니어 압축기

Claims (8)

1. 압축기 모터에 인가되는 입력 전류와 입력 전압을 근거로 스트로크 추정값을 연산하는 단계;
   스트로크 목표값과 상기 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 생성하는 단계;
   상기 압축기 모터에 따른 자체부하전압을 근거로 상기 전압 목표값을 수정하는 단계; 및
   상기 수정된 전압 목표값을 근거로 상기 압축기 모터를 구동하는 단계;를 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 수정된 전압 목표값은, 상기 전압 목표값과, 상기 자체부하전압의 합인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 압축기 모터에 따른 상기 자체부하전압을 연산하는 단계;를 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자체부하전압은, 상기 압축기 모터의 코일, 상기 코일과 공진 회로를 형성하는 커패시터, 및 상기 압축기 모터에 의한 저항에 의해 발생하는 전압인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
5. 압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 근거로 상기 압축기 모터에 따른 자체부하전압을 연산하는 자체부하전압 연산 유닛; 및
   스트로크 목표값과, 스트로크 추정값을 근거로 전압 목표값을 생성하고, 상기 자체부하전압을 근거로 상기 전압 목표값을 수정하는 제어 유닛;을 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   압축기 모터에 인가되는 입력 전류를 검출하는 전류 검출 유닛;
   상기 압축기 모터에 인가되는 입력 전압을 검출하는 전압 검출 유닛;
   상기 입력 전류와 상기 입력 전압을 이용하여 스트로크 추정값을 연산하는 스트로크 연산 유닛; 및
   제어 신호를 근거로 상기 압축기 모터를 구동하는 구동 유닛;을 더 포함하고,
   상기 제어 유닛은, 상기 수정된 전압 목표값을 근거로 상기 제어 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 장치.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 수정된 전압 목표값은, 상기 전압 목표값과, 상기 자체부하전압의 합인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 장치.
8. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자체부하전압은, 상기 압축기 모터의 코일, 상기 코일과 공진 회로를 형성하는 커패시터, 및 상기 압축기 모터에 의한 저항에 의해 발생하는 전압인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 장치.

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