KR20070095518A - 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는, 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 TDC 및 BDC 검출부와; 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 제어부로 이루어진다.
그리고 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법은, 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 단계와; 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 단계로 이루어진다.

Description

왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING OF RECIPROCATING COMPRESSOR OPERATION AND METHOD THEREOF}
도 1은 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 대한 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)는 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복운동을 시키면서 냉매가스를 흡입 및 압축하고, 그 압축된 냉매가스를 토출한다. 또한 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 레시프로 방식(Recipro method) 압축기와 리니어 방식(Linear method) 압축기로 분류된다.
상기 레시프로 방식(Recipro method)이 적용된 압축기는 회전 모터(rotary motor)에 크랭크 샤프트(Crankshaft)가 결합되고, 그 크랭크 샤프트에 피스톤이 결합됨으로써, 상기 회전 모터(rotary motor)의 회전력을 왕복 운동으로 전환하는 데 반하여, 리니어 방식(Linear method)이 적용된 압축기는 직선 모터(linear motor)의 가동자에 연결된 피스톤을 직선 운동 시킨다.
상기 리니어 방식(Linear method)의 왕복동식 압축기는 회전 운동을 직선 운동으로 변환 시키는 크랭크 샤프트(Crankshaft)가 없어, 상기 크랭크 샤프트(Crankshaft)에 의한 마찰 손실이 없으므로 압축 효율면에서 일반 압축기보다 압축 효율이 높다.
상기 왕복동식 압축기가 냉장고나 에어컨에 사용될 때, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압(Voltage)이 가변 됨으로써, 상기 왕복동식 압축기의 압축 비(compression ratio)가 가변 될 수 있기 때문에 상기 냉장고나 에어컨의 냉력(Cooling Capacity)이 제어될 수 있다.
이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법을 도 1 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 대한 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부(4)와 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출부(3)와 상기 검출 된 전류의 값과 전압의 값 및 상기 모터에 대한 파라미터들(예를 들면, 모터의 리액턴스, 모터의 인덕턴스, 모터 상수)을 근거로 상기 압축기의 스트로크를 연산하는 스트로크 추정기(5)와 상기 연산된 스트로크 추정치와 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 출력하는 비교기(1)와 상기 출력된 차이 신호를 근거로, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 압축기의 스트로크를 제어하는 제어기(2)로 구성된다.
이하에서는, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 동작을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법은, 상기 압축기 내의 모터에 인가되는 전압과 전류를 검출하는 단계(S20); 상기 검출된 전압의 값과, 전류의 값 및 상기 모터에 대한 파라미터들을 근거로 상기 압축기의 스트로크 추정치를 연산하는 단계(S21)와 상기 연산된 스트로크 추정치와 상기 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하는 단계(S22)와 상기 연산된 스트로크 추정치가 상기 미리 결정된 스트로크 지령치보다 클 때, 상기 모터에 인가되는 전압을 감소시키는 단계(S23)와 상기 연산된 스트로크 추정치가 상기 스트로크 지령치보다 작을 때, 상기 모터에 인가되는 전압을 증가시키는 단계(S24)로 이루어진다.
상기 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 전압 검출부(3)는 상기 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 검출하고, 상기 검출된 전압의 값을 상기 스트로크 추정기(5)에 출력하고, 상기 전류 검출부 (4)는 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전류의 값을 상기 스트로크 추정기(5)에 출력한다(S20).
상기 스트로크 추정기(5)는, 상기 검출된 전류의 값과 전압의 값 및 모터 파라미터들을 하기의 [식 1]에 적용하여 상기 압축기의 스트로크 추정치를 연산한 후, 상기 연산된 스트로크 추정치를 비교기(1)에 출력한다(S21).
Figure 112005062077988-PAT00001
--------------------------------[식 1]
여기서, 상기 R은 상기 모터의 레지스턴스이고, 상기 L은 상기 모터의 인덕턴스이고, 상기 ??는 모터 상수(Motor Constant)이고, 상기
Figure 112005062077988-PAT00002
은 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압의 값이고, 상기
Figure 112005062077988-PAT00003
는 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류의 값이다.
이후, 상기 비교기(1)는 상기 연산된 스토로크 추정치와 상기 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 발생하고, 상기 발생된 차이 신호를 제어기(2)에 출력한다(S22).
상기 제어기(2)는 상기 차이 신호를 근거로 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 압축기의 스트로크를 제어한다. 즉, 상기 제어기(2)는, 상기 연산된 스트로크 추정치가 미리 결정된 스트로크 지령치보다 클 때, 상기 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 감소시키고(S23), 상기 연산된 스트로크 추정치가 상기 미리 결정된 스트로크 지령치보다 작을 때, 상기 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 증가시킨다(S24).
따라서, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법은, 상기 압축기 내의 모터에 인가되는 전압과 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압과 전류를 근거로 센서리스 방식(sensorless method)으로 상기 압축기의 스트로크 추정치를 연산함으로써, 상기 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 제어한다.
그러나, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법은, 상기 왕복동식 압축기에 인가되는 부하의 크기가 증가함에 따라 상기 왕복동식 압축기 내의 모터의 피스톤이 원하는 위치에 정지하지 않고 일정량 뒤로 즉, BDC (Bottom Dead Center) 방향으로 밀리는 현상이 발생하고, 상기 왕복동식 압축기에 인가되는 부하의 크기가 감소함에 따라 상기 왕복동식 압축기 내의 모터의 피스톤이 원하는 위치에 정지하지 않고 일정량 앞으로 즉, TDC (Top Dead Center) 방향으로 밀리는 현상이 발생함에 따라, 상기 피스톤이 주변 기구(예를 들어, 리니어 압축기의 경우, 토출 및 흡입 밸브)와 충돌을 일으킬 수 있는 문제점이 있었다. 왜냐하면, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법은, 상긱 왕복동식 압축기에 인가되는 부하의 변동에 따라 상기 피스톤이 밀리는 현상을 고려하지 않고 왕복동식 압축기내의 모터의 스트로크의 크기만을 검출해서 왕복동식 압축기의 운전을 제어했기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은, 왕복동식 압축기에 인가되는 부하의 변동에 관계없이 실시간으로 상기 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤이 밀리는 정도(이하, '밀림량')를 계산하고, 상기 계산된 밀림량을 상기 왕복동식 압축기의 운전 제어에 반영함으 로써 , 왕복동식 압축기를 정밀하고, 신뢰성 있게 제어할 수 있는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는, 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 TDC 및 BDC 검출부와; 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 제어부로 이루어진다.
그리고 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법은, 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 단계와; 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 단계로 이루어진다.
이하에서는, 왕복동식 압축기에 인가되는 부하의 변동에 관계없이 실시간으로 상기 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤이 밀리는 정도(이하, '밀림량')를 계산하고, 상기 계산된 밀림량을 상기 왕복동식 압축기의 운전 제어에 반영함으로써 , 왕복동식 압축기를 정밀하고, 신뢰성 있게 제어할 수 있는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법의 바람직한 실시 예를 도 3 - 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
이하에서 설명되는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법은, 본 발명을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외의 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의해야 한다.
도 4는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치를 나타낸 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는, 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 TDC 및 BDC 검출부 (31)와; 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 제어부(32)로 이루어진다.
여기서, 상기 제어부(32)는, 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부(33)와; 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출부(34)와; 상기 검출된 전류의 값과 전압을 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크 추정치를 연산하는 스트로크 추정기(35)와; 상기 연산된 스트로크 추정치와 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 출력하는 비교기(36)와; 상기 출력된 차이 신호와 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 압축기의 스트로크를 제어하는 제어기(37)로 이루어진다.
이하에서는, 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 동작을 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법은, 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 단계(S41)와; 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 단계(S42)로 이루어진다.
여기서, 상기 제어하는 단계(S42)는, 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류를 검출하는 단계(S43)와; 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 검출하는 단계(S44)와; 상기 검출된 전류의 값과 전압의 값을 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크 추정치를 연산하는 단계(S45)와; 상기 연산된 스트로크 추정치와 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 출력하는 단계(S46)와; 상기 출력된 차이 신호와 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 단계(S47)로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 TDC 및 BDC 검출부 (31)는 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출한다.
상기 TDC 및 BDC를 검출하는 방법은 여러 가지가 있겠으나, 여기서는 리니어 모터의 경우, 기계 공학식 (mechanical equation)을 이용하여 TDC 및 BDC를 검출한다.
먼저, 리니어 모터의 경우, 기계 공학 방정식에서 [수학식 1]과 [수학식 2]가 구해진다.
[수학식 1]
Figure 112005062077988-PAT00004
[수학식 2]
Figure 112005062077988-PAT00005
여기서,
Figure 112005062077988-PAT00006
는 리니어 압축기에서 피스톤을 포함한 운동하는 부분(이하, '가동자'라고 함)의 질량이고,
Figure 112005062077988-PAT00007
는 마찰 계수이고,
Figure 112005062077988-PAT00008
은 스프링 상수이고,
Figure 112005062077988-PAT00009
는 모터 상수이고,
Figure 112005062077988-PAT00010
는 피스톤이 받는 압력이고,
Figure 112005062077988-PAT00011
는 피스톤의 스트로크이다.
이때, 리니어 모터의 흡입 밸브가 열릴 때, 실린더 안의 압력과 상기 흡입 밸브로 흡입되는 압력이 같으므로,
Figure 112005062077988-PAT00012
이다.
따라서, [수학식 1]과 [수학식 2]를 통해서 [수학식 3]이 구해진다.
[수학식 3]
Figure 112005062077988-PAT00013
따라서, 위 [수학식 3]으로부터 피스톤의 밀림량
Figure 112005062077988-PAT00014
를 구하면 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112005062077988-PAT00015
여기서, 마찰 계수
Figure 112005062077988-PAT00016
는 '0'이고, 전기 방정식으로부터 스트로크의 교류 성분
Figure 112005062077988-PAT00017
는 [수학식 5]와 같고, 따라서
Figure 112005062077988-PAT00018
는 [수학식 6]과 같다.
[수학식 5]
Figure 112005062077988-PAT00019
[수학식 6]
Figure 112005062077988-PAT00020
따라서, TDC와 BDC는 [수학식 7]과 [수학식 8]과 같다.
[수학식 7]
Figure 112005062077988-PAT00021
[수학식 8]
Figure 112005062077988-PAT00022
상기 제어부(32)는 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어한다.
상기 제어부(32)의 동작을 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기 스트로크 추정기(35)는 상기 검출된 전류의 값, 전압의 값 그리고 모터의 파라미터를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크 추정치를 연산하고, 상기 연산된 스트로크 추정치를 상기 비교기(36)에 출력한다.
상기 비교기(36)는 상기 연산된 스트로크 추정치와 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 상기 제어기(37)에 출력한다.
그리고 상기 TDC 및 BDC 검출부 (31)는 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하고, 상기 검출된 값을 상기 제어기(47)에 출력한다.
상기 제어기(47)는 상기 출력된 차이 신호와 상기 출력된 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 근거로, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어한다.
즉, 상기 제어기(47)는 상기 출력된 TDC가 미리 설정된 일정한 값보다 클 때, 상기 피스톤의 상부면이 주변 기구(예를 들어, 리니어 압축기의 경우, 토출 및 흡입 밸브)와 충돌하지 않도록, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 감소시켜서 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 감소시킨다.
그리고, 상기 제어기(47)는 상기 출력된 BDC가 미리 설정된 일정한 값보다 클 때, 상기 피스톤의 하부면 주변 기구(예를 들어, 리니어 압축기의 경우, 고정자 등)와 충돌하지 않도록, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 감소시켜서 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 감소시킨다.
본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시 예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시 예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위 내에서 여러 가지 변경 실시가 가능한 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법은, 왕복동식 압축기에 인가되는 부하의 변동에 관계없이 실시간으로 상기 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤이 밀리는 정도(이하, '밀림량')를 계산하고, 상기 계산된 밀림량을 상기 왕복동식 압축기의 운전 제어에 반영함으로써 , 왕복동식 압축기를 정밀하고, 신뢰성 있게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 TDC 및 BDC 검출부와;
    상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부와;
    상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출부와;
    상기 검출된 전류의 값과 전압을 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크 추정치를 연산하는 스트로크 추정기와;
    상기 연산된 스트로크 추정치와 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 출력하는 비교기와;
    상기 출력된 차이 신호와 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 압축기의 스트로크를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
  3. 제1 항과 제2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 TDC가 미리 설정된 일정한 값보다 클 때, 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 감소시키는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
  4. 제1 항과 제2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 BDC가 미리 설정된 일정한 값보다 클 때, 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 감소시키는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
  5. 왕복동식 압축기내의 모터의 피스톤의 TDC (Top Dead Center)와 BDC (Bottom Dead Center)를 검출하는 단계와;
    상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전류를 검출하는 단계와;
    상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 검출하는 단계와;
    상기 검출된 전류의 값과 전압의 값을 근거로 상기 왕복동식 압축기의 스트로크 추정치를 연산하는 단계와;
    상기 연산된 스트로크 추정치와 미리 결정된 스트로크 지령치를 비교하고, 상기 비교된 결과 값에 따른 차이 신호를 출력하는 단계와;
    상기 출력된 차이 신호와 상기 검출된 TDC와 BDC를 근거로, 상기 왕복동식 압축기 내의 모터에 인가되는 전압을 가변 시켜서 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법.
  7. 제5 항과 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 검출된 TDC가 미리 설정된 일정한 값보다 클 때, 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 감소시키는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법.
  8. 제5 항과 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 검출된 BDC가 미리 설정된 일정한 값보다 클 때, 상기 왕복동식 압축기의 스트로크를 감소시키는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전 제어 방법.
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