KR20140145231A - 냉장고 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

압축기 모터를 포함하여 냉매를 압축하는 압축기, 상기 냉매를 응축하는 응축기, 상기 냉매를 감압시키는 팽창밸브, 상기 냉매를 증발시키는 증발기, 상기 압축기를 구동하는 구동부를 포함하되, 상기 압축기가 고속 운전하면 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 교류 구동 전류를 공급하고, 상기 압축기가 저속 운전하면 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 직류 구동 전류를 공급하는 냉장고는 구형파 또는 정현파 구동 방식을 모두 이용하되 구동 방식의 전환 시에 압축기 모터를 정지시키지 않을 수 있다.

Description

냉장고 및 그 제어방법{COOLING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
개시된 발명은 냉장고 및 그 제어방법에 관한 발명으로써, 더욱 상세하게는 복수의 전류 제어 방식으로 압축기를 구동하는 냉장고 및 그 제어방법에 관한 발명이다.
압축기 구동을 위해 사용되는 BLDC(Brushless DC) 모터의 구동 방식에는 구형파 구동 방식과 정현파 구동 방식이 있다.
구형파 구동 방식은 구현 방식이 단순하고 인버터에서의 스위칭 손실이 적게 발생하는 장점이 있으나, BLDC 모터의 3상 권선에 전류가 불연속적으로 공급되기 때문에 토크 맥동이 상대적으로 크게 발생하고, 고속 운전 영역이 제한되어 고속에서 압축기 구동이 어려운 단점을 갖고 있다.
정현파 구동 방식은 BLDC 모터의 3상 권선에 120도 위상 차를 갖는 연속적인 정현파 전류를 공급하는 방식으로 토크 맥동이 적게 발생하고, 약자속 운전에 의해 고속 운전 영역을 확장할 수 있으며, 전류 제어를 포함하고 있어 압축기의 기동 성능이 구형파 구동 방식에 비해 우수한 장점을 갖고 있다. 이러한 정현파 구동 방식의 장점들로 인하여 최근에는 압축기 구동용 BLDC 모터의 구동 방식으로 정현파 구동 방식이 선호되고 있다.
정현파 구동 방식에서는 BLDC 모터의 3상 권선에 전류를 공급하는 기능을 수행하는 인버터의 스위칭 소자들이 모두 스위칭 동작을 수행하므로 스위칭으로 인한 인버터에서의 손실이 상대적으로 크게 발생하는 단점이 있다. 정현파 구동 방식에서 스위칭 손실을 저감하기 위한 목적으로 2상 변조 방식이 사용되기도 하는 데, 이때 인버터에서의 스위칭 손실 저감 효과는 구형파 구동 방식에 비하면 상대적으로 적다.
압축기가 적용되는 냉동 사이클에서 에너지 효율을 극대화하기 위해서는 압축기를 가능한 저속 영역에서 지속적으로 운전하도록 사이클 제어를 구성하는 것이 바람직하다. 이때 인버터의 소비 전력은 정격 소비 전력에 비해 50% 미만이 되고, BLDC 압축기의 전체 손실에서 인버터의 스위칭 손실이 차지하는 상대적인 비율이 커지게 된다. 따라서, BLDC 압축기의 저속 운전 조건에서 정현파 구동 방식을 사용하는 것보다 구형파 구동 방식을 사용하는 것이 인버터에서의 스위칭 손실 저감으로 인한 BLDC 압축기의 에너지 효율 개선에 유리하다.
종래의 기술에서는 BLDC 압축기의 구동 방식으로 구형파 또는 정현파 구동 방식 중 하나를 선택하여 사용하고 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 최근에는 정현파 구동 방식이 선호되고 있다. 그러나, 정현파 구동 방식에서는 인버터에서 스위칭 손실이 상대적으로 크게 발생하여 저속 운전 영역에서 BLDC 압축기의 운전 효율이 구형파 구동 방식에 비해 저하되는 단점을 가지고 있다.
상술한 문제를 해결하기 위하여 개시된 발명의 일 측면은 구형파 또는 정현파 구동 방식을 모두 이용하되 구동 방식의 전환 시에 압축기 모터를 정지시키지 않는 압축기 구동장치 및 이를 이용한 냉장고를 제공하고자 한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 냉장고는 압축기 모터를 포함하여 냉매를 압축하는 압축기, 상기 냉매를 응축하는 응축기, 상기 냉매를 감압시키는 팽창밸브, 상기 냉매를 증발시키는 증발기, 상기 압축기를 구동하는 구동부를 포함하되, 상기 압축기가 고속 운전하면 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 교류 구동 전류를 공급하고, 상기 압축기가 저속 운전하면 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 직류 구동 전류를 공급할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 구동 전류를 공급하는 구동 회로, 상기 구동 전류를 검출하는 전류 검출 회로, 상기 구동 회로의 출력 전압을 검출하는 전압 검출 회로, 상기 전류 검출 회로와 상기 전압 검출 회로의 검출 결과를 기초로 상기 구동 회로를 제어하는 제어 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 제어 회로의 제어 신호에 따라 상기 구동 회로를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 출력하는 펄스 폭 변조 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기가 고속 운전하면 상기 구동부는 120ㅀ 통전 방식에 의한 교류 전류 제어 방식으로 상기 압축기 모터를 구동할 수 있다.
또한, 상기 압축기가 저속 운전하면 상기 구동부는 90ㅀ 통전 방식에 의한 직류 전류 제어 방식으로 상기 압축기 모터를 구동할 수 있다.
또한, 상기 압축기의 가동이 개시되면 상기 구동부는 120ㅀ 통전 방식에 의한 교류 전류 제어 방식으로 상기 압축기 모터를 구동할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 구동 회로가 출력하는 구동 전류가 영이 되면 상기 압축기 모터의 전류 제어 방식을 변경할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 압축기 모터의 전류 제어 방식을 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 전환하는 경우, 교류 전류 제어 방식의 전압 지령을 기초로 펄스 폭 변조 시비율을 판단할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 압축기 모터의 전류 제어 방식을 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하는 경우, 직류 전류 제어 방식의 펄스 폭 변조 시비율을 기초로 전압 지령을 생성할 수 있다.
다른 일 측면에 따른 압축기 구동장치는 압축기 모터를 포함하는 압축기를 구동하는 압축기 구동장치에 있어서, 상기 압축기가 고속 운전하면 상기 압축기 모터에 교류 구동 전류를 공급하고, 상기 압축기가 저속 운전하면 상기 압축기 모터에 직류 구동 전류를 공급하되, 상기 교류 구동 전류는 120ㅀ 통전 방식에 의한 교류 전류 제어 방식으로 생성하고, 상기 직류 구동 전류는 90ㅀ 통전 방식에 의한 직류 전류 제어 방식으로 생성할 수 있다.
또한, 상기 압축기 구동장치는 상기 압축기 모터에 구동 전류를 공급하는 구동 회로, 상기 구동 전류를 검출하는 전류 검출 회로, 상기 구동 회로의 출력 전압을 검출하는 전압 검출 회로, 상기 전류 검출 회로와 상기 전압 검출 회로의 검출 결과를 기초로 상기 구동 회로를 제어하는 제어 회로를 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따르면, 구형파 또는 정현파 구동 방식을 모두 이용하되 구동 방식의 전환 시에 압축기 모터를 정지시키지 않는 압축기 구동장치 및 이를 이용한 냉장고를 제공할 수 있다.
도 1은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 외관을 도시하는 도면이다.
도 2는 개시된 발명의 일 실시에에 의한 냉장고에 포함된 냉각장치를 도시한 도면이다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 신호의 흐름을 도시한 블럭도이다.
도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 구동부를 도시한 도면이다.
도 5는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 구동 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 압축기가 고속 운전하는 경우의 펄스 폭 변조 회로의 출력을 도시한 도면이다.
도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 압축기가 저속 운전하는 경우의 펄스 폭 변조 회로의 출력을 도시한 도면이다.
도 8은 개시된 발명의 일 실시에에 의한 냉장고가 압축기 모터의 제어방식을 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 전환하는 것을 도시한 도면이다.
도 9은 개시된 발명의 일 실시에에 의한 냉장고가 압축기 모터의 제어방식을 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하는 것을 도시한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 외관을 도시하는 도면이고, 도 2는 개시된 발명의 일 실시에에 의한 냉장고에 포함된 냉각장치를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 냉장고(100)는 외관을 형성하는 본체(110), 식품을 저장하는 저장실(121, 122), 저장실(120)을 냉각시키는 냉각 장치(200)를 포함한다.
저장실(121, 122)은 본체(110)의 내측에 마련되며, 중간 격벽을 사이에 두고 식품을 냉장 저장하는 냉장실(121)과 식품을 냉동 저장하는 냉동실(122)로 구획된다. 또한, 냉장실(121)과 냉동실(122)은 사용자가 식품을 인출입할 수 있도록 전면이 개구되어 있다.
저장실(121, 122)의 후방에는 저장실(121, 122)을 냉각시키기 위한 냉각장치(200)가 마련되는 한 쌍의 덕트(141, 142)가 마련된다. 구체적으로, 냉장실(121)의 후방에는 제1 덕트(141)가 마련되고, 냉동실(122)의 후방에는 제2 덕트가 마련된다.
저장실(121, 122)의 후면에는 덕트(141, 142)에서 냉각장치(200)에 의하여 냉각된 공기를 저장실(121, 122)로 송풍시키는 한 쌍의 송풍팬(151, 152)이 마련된다. 구체적으로 냉장실(121)의 후면에는 제1 덕트(141)의 공기를 냉장실(121)로 송풍시키는 제1 송풍팬(151)이 마련되고, 냉동실(122)의 후면에는 제2 덕트(142)의 공기를 냉동실(122)로 송풍시키는 제2 송풍팬(152)이 마련된다.
또한, 저장실(121, 122)에는 저장실(121, 122)의 온도를 감지하는 온도 센서(161, 162)가 마련된다. 구체적으로, 냉장실(121)에는 냉장실(121)의 온도를 감지하는 냉장 온도 센서(161)가 마련되고, 냉동실(122)에는 냉동실(122)의 온도를 감지하는 냉동 온도 센서(162)가 마련된다. 이와 같은 온도 센서(161, 162)는 온도의 변화에 따라 전기적 저항값이 변화하는 써미스터(thermistor)를 채용할 수 있다.
냉장실(121)과 냉동실(122)의 전면에는 한 쌍의 도어(131, 132)가 마련되어, 냉장실(121)과 냉동실(122)을 외부와 차폐한다.
냉각 장치(200)는 냉매를 압축하는 압축기(210), 냉매를 응축하는 응축기(220), 냉매의 흐름을 전환하는 방향전환밸브(225), 냉매를 감압하는 팽창밸브(231, 232), 냉매를 증발시키는 증발기(241, 242)를 포함한다.
압축기(210)는 본체(110)의 후방 하부에 마련된 기계실(111)에 위치하며, 외부 전원으로부터 전기 에너지를 공급받아 회전하는 압축기 모터(미도시)의 회전력을 이용하여 냉매를 고압으로 압축하고, 고압의 냉매를 후술할 응축기(220)로 압송한다. 이와 같은 압축기(210)의 압축력에 의하여 냉매는 냉각 장치(200)를 순환하면서 저장실(121, 122)을 냉각시킬 수 있다.
이와 같은 압축기 모터(미도시)는 압축기(210)에 고정된 원통형의 고정자(미도시), 고정자(미도시)의 내측에 마련되어 회전축을 중심으로 회전하는 회전자(미도시)를 포함한다. 고정자(미도시)는 통상 회전하는 자기장을 생성하는 코일을 포함하는 것이 일반적이고, 회전자(미도시)는 자기장을 생성하기 위한 코일 또는 영구 자석을 포함하며, 고정자(미도시)가 생성한 회전하는 자기장과 회전자(미도시)가 생성하는 자기장 사이의 상호 작용을 통하여 회전자(미도시)는 회전할 수 있다.
응축기(220)는 압축기(210)가 마련된 기계실(111)에 마련될 수 있으며, 냉매를 응축한다. 이와 같은 응축기(122)는 냉매가 통과하는 응축기 냉매관(미도시)과 응축기 열교환 효율을 향상시키기 위하여 냉매관(미도시)과 공기와 접촉하는 표면적을 넓게 하는 응축기 냉각핀(미도시), 응축기(220)를 냉각시키기 위한 냉각팬(220a)을 포함할 수 있다.
방향전환밸브(225)는 저장실(121, 122)의 온도에 따라 냉매의 방향을 전환한다. 구체적으로 냉장실(121) 및 냉동실(122)의 온도에 따라 냉매가 제1 증발기(241) 또는 제2 증발기(242)에 제공되도록 한다.
팽창밸브(231, 232)는 후술할 제1 증발기(241)에 제공되는 냉매를 감압하는 제1 팽창밸브(231), 제2 증발기(242)에 제공되는 냉매를 감압하는 제2 팽창밸브(232)를 포함한다.
증발기(241, 242)는 저장실(121, 122) 후방에 마련된 덕트(141, 142)에 위치하며, 냉매를 증발시킨다. 또한 증발기(241, 242)는 냉장실(121) 후방에 마련된 제1 덕트(141)에 위치하는 제1 증발기(241)와 냉동실(122) 후방에 마련된 제2 덕트(141)에 위치하는 제2 증발기(242)를 포함하며, 각각의 증발기(241, 242)는 냉매가 통과하는 증발기 냉매관(미도시)과 증발기 냉매관(미도시)과 공기와 접촉하는 표면적을 넓게 하는 증발기 냉각핀(미도시)을 포함한다.
냉장고의 냉매의 순환에 대하여 설명하면, 우선 냉매는 압축기(210)에서 압축된다. 냉매가 압축되는 동안 냉매의 압력과 온도가 높아진다.
압축된 냉매는 응축기(220)에서 응축되며, 냉매가 응축되는 동안 냉매와 저장실(121, 122) 외부 공기 사이의 열교환이 발생한다. 구체적으로, 냉매가 기체 상태에서 액체 상태로 상태 변환되는 동안 냉매는 기체 상태의 내부 에너지와 액체 상태의 내부 에너지 사이의 차이 만큼의 에너지(잠열)를 실내로 방출한다.
응축된 냉매는 팽창밸브(231, 232)에서 감압되며, 냉매가 감압되는 동안 냉매의 압력과 온도 모두 낮아진다.
감압된 냉매는 증발기(241, 242)에서 증발되며, 냉매가 증발되는 동안 냉매와 덕트(141, 142) 내부 공기 사이의 열교환이 발생한다. 구체적으로, 냉매가 액체 상태에서 기체 상태로 상태 변화되는 동안 냉매는 기체 상태의 냉매의 내부 에너지와 액체 상태의 냉매의 내부 에너지 차이 만큼의 에너지(잠열)를 실내 공기로부터 흡수한다. 이와 같이 냉장고(100)는 증발기(241, 242)에서 발생하는 냉매와 덕트(141, 142) 내부 공기 사이의 열교환 즉, 냉매가 덕트(141, 142) 내부 공기로부터 잠열을 흡수하는 것을 이용하여 덕트(141, 142)와 저장실(121, 122) 내부의 공기를 냉각시킬 수 있다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 신호의 흐름을 도시한 블럭도이다.
도 3을 참고하면, 냉장고(100)는 사용자부루터 동작 명령을 입력받는 조작부(320), 냉장고(100)의 동작 정보를 표시하는 표시부(330), 저장실(121, 122, 도 1 참조)의 온도를 감지하는 온도감지부(340), 압축기(210)를 구동하는 구동부(400), 냉장고(100)의 동작과 관련된 프로그램 및 데이터를 저장하는 저장부(370), 냉장고(100)에 포함된 각 구성의 동작을 제어하는 제어부(310)를 포함한다.
조작부(320)는 상술한 도어(131, 132)의 일측에 마련되어 냉장고(100)에 대한 동작 명령을 입력받기 위한 버튼형 스위치, 멤브레인(membrane) 스위치 또는 터치 패널(touch panel) 등을 포함할 수 있으며, 표시부(330)는 냉장고(100)의 동작 정보를 표시하기 위한 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD) 패널 또는 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 패널 등을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 조작부(320)와 표시부(330)가 일체화된 터치 스크린 패널(Touch Screen Panel: TSP)이 마련될 수 있다.
온도검출부(340)는 상술한 냉장 온도 센서(161, 도 1 참조)와 냉동 온도 센서(162, 도 1 참조)를 포함하며, 냉장실(121, 도 1참조) 및 냉동실(122, 도 1 참조)의 온도를 감지하고, 감지된 온도에 대응하는 신호를 출력한다.
구동부(400)는 압축기(210, 도 2 참조)에 포함된 압축기 모터(미도시)를 구동하기 위한 구동 전류를 생성하는 인버터(invertor)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구동부(400)에 대해서는 아래에서 자세하게 설명한다.
저장부(370)는 냉장고(100)의 동작과 관련된 프로그램 및 데이터를 영구적으로 저장하기 위한 자기 디스크(magnetic disc), 반도체 디스크(solid state disk) 등의 비휘발성 메모리(미도시) 뿐만 아니라 냉장고(100)가 동작하는 과정에서 생성될 수 있는 임시 데이터를 임시적으로 저장하는 D-램(D-RAM), S-램(S-RAM) 등의 휘발성 메모리(미도시)를 포함할 수 있다.
제어부(310)는 조작부(320) 및 온도감지부(340)의 출력에 따라 표시부(330) 및 구동부(400)를 제어한다. 제어부(310)는 냉장고(100)의 동작과 관련된 프로그램에 따라 연산을 수행하는 프로세서(processor) 등의 연산장치(미도시)를 포함할 수 있다.
이하에서는 냉장고의 압축기를 구동하는 구동부에 대하여 설명한다.
도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 구동부를 도시한 도면이고, 도 5는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 구동회로를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 구동부(400)는 외부 전원(1)으로부터 공급되는 교류 전압과 교류 전류를 정류하는 정류 회로(410), 정류된 전압의 리플을 제거하고 직류 전류를 공급하는 전하 저장 회로(420), 전하 저장 회로(420)로부터 직류 전류를 공급받아 압축기 모터(211)를 구동하기 위한 구동 전류를 출력하는 구동 회로(430), 구동 전류값을 검출하는 전류 검출 회로(441), 구동 회로(430)의 출력 전압을 검출하는 전압 검출 회로(443), 구동 회로(430)의 동작을 제어하는 구동 제어 신호를 생성하는 제어 회로(440), 제어 회로(440)의 구동 제어 신호에 따라 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 회로(445)를 포함한다.
정류 회로(410)는 외부 전원(1)으로부터 공급되는 교류 전압 및 교류 전류를 정류하는 다이오드 브리지(미도시)를 포함하며, 정류된 전압과 전류를 전하 저장 회로(420)에 제공한다.
전하 저장 회로(420)는 정류 회로(410)에 의하여 정류된 전압의 리플을 제거하고 정류된 전류를 통하여 공급되는 전하를 저장하는 링크 콘덴서(미도시)를 포함하며, 직류 전압과 직류 전류를 구동 회로(430)에 제공한다.
구동 회로(430)는 전하 저장 회로(420)로부터 직류 전압 및 직류 전류를 공급받아 압축기 모터(211)를 구동하기 위한 구동 전류를 생성한다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이 구동 회로(430)의 양의 입력 단자(in430a)에는 3개의 상단 스위치(Q11, Q21, Q31)가 병렬 연결되며, 음의 입력단자(in430b)에는 3개의 하단 스위치(Q12, Q22, Q32)가 병렬 연결된다. 또한, 3개의 상단 스위치(Q11, Q21, Q31) 각각은 3개의 하단 스위치(Q21, Q22, Q32)와 직렬 연결되며, 3개의 상단 스위치(Q11, Q21, Q31)과 3개의 하단 스위치(Q21, Q22, Q32)가 연결되는 3개의 노드는 구동 회로(430)의 3개의 출력단자(out430a, out430b, out430c)와 연결된다.
이와 같은 구동 회로(430)는 펄스 폭 변조 회로(445)가 생성한 펄스 폭 변조 신호에 따라 3개의 상단 스위치(Q11, Q21, Q31) 가운데 어느 하나와 3개의 하단 스위치(Q12, Q22, Q32) 가운데 어느 하나를 턴온시켜 압축기 모터(211)에 구동 전류를 공급한다.
전류 검출 회로(441)는 구동 회로(430)의 음의 입력단자(in430b)에 흐르는 전류의 크기를 검출하기 위한 셔트 저항(Rs)과 음의 입력단자(in430b)의 전위를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(441a)를 포함하여 구동 회로(430)에 흐르는 전류에 대응하는 신호를 출력한다.
전압 검출 회로(443)는 구동 회로(430)의 출력단자(out430a, out430b, out430c)의 전위를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(443a)를 포함하여 구동 회로(430)가 출력하는 전압에 대응하는 신호를 출력한다.
제어 회로(440)는 압축기(210)의 운전 속도에 따라 구동 회로(430)를 제어하는 구동 제어 신호를 생성한다. 구체적으로, 냉장고(100)에 큰 부하가 발생하여 압축기(210)가 고속으로 운전하는 경우 또는 압축기(210)가 가동을 개시하는 경우에는 제어 회로(440)는 구동 회로(430)가 압축기 모터(211)에 교류 전류를 공급하도록 구동 제어 신호를 생성한다.(이하에서는 "교류 전류 제어 방식"라 한다.) 또한, 냉장고(100)가 절전 운전 중인 경우 등 압축기(210)가 저속으로 운전하는 경우에는 제어 회로(440)는 구동 회로(430)가 압축기 모터(211)에 직류 전류를 공급하도록 구동 제어 신호를 생성한다.(이하에서는 "직류 전류 제어 방식"라 한다.)
뿐만 아니라, 압축기(210)의 운전 속도가 고속 운전 영역에서 저속 운전 영역으로 전이하여 제어 회로(440)가 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 제어 방식을 전환할 때 압축기 모터(211)의 회전을 정지시키지 않고 제어 방식을 전환한다. 또한, 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 제어 방식을 전환할 때 역시 제어 회로(440)는 압축기 모터(211)의 회전을 정지시키지 않는다.
펄스 폭 변조 회로(445)는 제어 회로(440)가 출력하는 구동 제어 신호에 따라 구동 회로(430)에 포함된 6개의 스위치(Q11, Q12, Q21, Q22, Q31, Q23)를 제어하기 위한 6개의 펄스 폭 변조 신호를 생성한다.
이하에서는 압축기의 운전 속도에 따른 펄스 폭 변조 회로의 출력에 대하여 설명한다.
도 6은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 압축기가 고속 운전하는 경우의 펄스 폭 변조 회로의 출력을 도시한 도면이고, 도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에 포함된 압축기가 저속 운전하는 경우의 펄스 폭 변조 회로의 출력을 도시한 도면이다.
압축기(210, 도 2 참조)가 고속 운전하는 경우, 구동 회로(430)가 압축기 모터(211)에 교류 구동 전류를 공급하도록 펄스 폭 변조 회로(445)는 도 6에 도시된 바와 같이 압축기 모터(211)의 회전자(미도시) 위치에 따라 폭이 주기적으로 변화하는 펄스 폭 변조 신호를 생성한다.
예를 들어, 제1 상단 스위치(Q11)를 개폐하는 신호를 살펴보면, 회전자(미도시)의 위차가 90ㅀ에 위치할 때까지 펄스 폭 변조 회로(445)는 제1 상단 스위치(Q11)를 통하여 압축기 모터(211)에 공급되는 구동 전류가 점점 증가하도록 제1 상단 스위치(Q11)에 폭이 점점 증가하는 펄스를 공급함으로써 하고, 회전자(미도시)의 위치가 90ㅀ를 지나면 회전자의 위치가 180ㅀ에 위치할 때까지 펄스 폭 변조 회로(445)는 제1 상단 스위치(Q11)를 통하여 압축기 모터(211)에 공급되는 구동 전류가 점점 감소하도록 제1 상단 스위치(Q11)에 폭의 점점 감소하는 펄스를 공급한다.
이와 같은 교류 전류 제어 방식의 결과, 고속 회전 시에 압축기 모터(211)는 토크의 맥동없이 회전할 수 있다.
압축기(210, 도 2 참조)가 저속 운전하는 경우, 구동 회록(430)가 압축기 모터(211)에 직류 구동 전류를 공급하도록 펄스 폭 변조 회로(445)는 도 7에 도시된 바와 같은 압축기 모터(211)의 회전자(미도시) 위치에 따라 특정 스위치가 턴온되도록 펄스 폭 변조 신호를 생성한다.
예를 들어, 회전자(미도시)의 위치가 60ㅀ 미만이면 제3 하단 스위치(Q32)를 턴온시키고, 회전자(미도시)의 위치가 60ㅀ 내지 120ㅀ이면 제2 상단 스위치(Q21)를 턴온시키고, 회전자(미도시)의 위치가 120ㅀ 내지 180ㅀ이면 제1 하단 스위치(Q12)를 턴온시킴으로써 압축기 모터(211)에 직류 전류를 공급한다.
또한, 회전자(미도시)의 위치가 60ㅀ 미만인 경우 즉 제3 하단 스위치(Q32)를 턴온시키는 경우에는 회전자(미도시)의 위치가 30ㅀ 미만인 경우에는 제1 상단 스위치(Q11)에 펄스 폭 변조 신호를 제공하여 구동 전류의 크기를 제어하고, 회전자(미도시)의 위치가 30ㅀ 내지 60ㅀ인 경우에는 제1 상단 스위치(Q11)를 턴오프하여 압축기 모터(211)가 환류에 의하여 구동되도록 한다. 즉, 직류 전류 제어 방식에서 구동 회로(430)는 90ㅀ 통전 방식으로 압축기 모터(211)를 구동한다.
이와 같은 직류 전류 제어 방식의 결과, 저속 회전 시에 압축기 모터(211)에서는 작은 스위칭 손실이 발생한다.
이하에서는 냉장고가 압축기 모터의 제어방식을 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 전환하는 것에 대하여 설명한다.
도 8은 개시된 발명의 일 실시에에 의한 냉장고가 압축기 모터의 제어 방식을 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 전환하는 것을 도시한 도면이다. 구체적으로 도 8의 (a)는 압축기 모터의 제어 방식을 전환할 때 압축기 모터(211)의 각 코일에 흐르는 전류를 도시한 도면이고, 도 8의 (b)는 토크의 변화를 도시한 도면이고, 도 8의 (c)는 회전자의 위치를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 냉장고(100)의 구동부(400)에 포함된 제어 회로(440)는 구동 회로(430)에서 출력되는 구동 전류(상전류) 가운데 어느 하나가 "0"이 될 때, 즉 회전자의 위치가 "0"이 될 때 압축기 모터(211)의 제어 방식을 전환한다. 예를 들어 구동 회로(430)의 제1 출력단자(out430a)에서 출력되는 구동 전류가 "0"이 될 때 압축기 모터(211)의 제어 방식을 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 전환할 수 있다. 이와 같이 구동 전류와 회전자의 위치가 "0" 될 때 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하면, 구동 전압의 오버슈트(overshoot) 또는 언더슈트(undershoot)를 방지하기 용이하다.
이와 같이 압축기 모터(211)의 제어 방식을 전환할 때 구동 전류(상전류)의 오버슈트(overshoot) 또는 언더슈트(undershoot)를 방지하기 위하여 구동 전압(상전압)의 변동이 발생하지 않도록 전류 제어 방식 전환 직후 직류 전류 제어 방식의 펄스 폭 변조의 시비율(duty ratio)를 결정하여야 한다.
제1 출력 단자(out430a)가 출력하는 구동 전류가 "0"일 때 압축기 모터(211)의 제어 방식을 전환하면 제어 방식 전환 전의 교류 전류 제어 방식의 시비율은 구동 전류를 출력하고 있는 전하 저장 회로(420)가 출력하는 직류 전압(Vdc)에 대한 제2 출력 단자(out430b)와 제3 출력 단자(out430c) 사이의 전압(Vbc)와 같다. 즉, 직류 전류 제어 방식 방식으로 압축기 모터(211)의 제어 방식이 전환된 이후에는 펄스 폭 변조 회로(445)는 수학식 1과 같은 시비율로 펄스 폭 변조 신호를 생성하여야 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(단 D는 구동 회로의 제1 출력 단자가 출력하는 구동 전류가 "0"일 때 펄스 폭 변조의 시비율, Vdc는 전하 저장 회로가 출력하는 직류 전압, Vbc는 제2 출력 단자와 제3 출력 단자 사이의 전압이다.)
구동 회로(430)의 출력 파워를 이용하여 전류 제어 방식 전환 전 교류 전류 제어 방식의 시비율을 산출할 수도 있다.
교류 전류 제어 방식에서의 구동 회로(430)의 출력 파워는 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00002
(단, Pout은 구동 회로의 출력 파워, vd 및 vq는 교류 전류 제어 방식에서의 d축 및 q축 전압, id 및 iq는 교류 전류 제어 방식에서의 d축 및 q축 전류이다.)
또한, 회전자의 위치가 "0"이므로, 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 d축 전류(id) 및 q축(iq) 전류는 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00003
(단, id 및 iq는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 d축 및 q축 전류이고, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
수학식 3을 수학식 2에 대입하면 전류 제어 방식 전환 시점에서의 구동 회로(430)의 출력 파워는 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure pat00004
(단, Pout은 구동 회로의 출력 파워, vq는 교류 전류 제어 방식에서의 q축 전압, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
직류 전류 제어 방식에서의 구동 회로(430)의 출력 파워는 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure pat00005
(단, Pout은 구동 회로의 출력 파워, D는 시비율, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
전류 제어 방식의 전환 전과 후에서의 구동 회로(430)의 출력 파워는 동일하야 하므로 수학식 4와 수학식 5는 동일하여야 하며, 이를 이용하면 직류 전류 제어 방식의 시비율(D)은 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure pat00006
(단, D는 전류 제어 방식 전환 직후의 시비율, vq는 교류 전류 제어 방식에서의 q축 전압, vdc는 전하 저장 회로가 공급하는 직류 전압이다.)
이하에서는 냉장고가 압축기 모터의 제어방식을 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하는 것에 대하여 설명한다.
도 9는 개시된 발명의 일 실시에에 의한 냉장고가 압축기 모터의 제어 방식을 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하는 것을 도시한 도면이다. 구체적으로 도 9의 (a)는 압축기 모터의 제어 방식을 전환할 때 압축기 모터(211)의 각 코일에 흐르는 전류를 도시한 도면이고, 도 9의 (b)는 토크의 변화를 도시한 도면이고, 도 9의 (c)는 회전자의 위치를 도시한 도면이다.
도 9을 참조하면, 냉장고(100)의 구동부(400)에 포함된 제어 회로(440)는 구동 회로(430)에서 출력되는 구동 전류(상전류) 가운데 어느 하나가 "0"이 되고 회전자의 위치가 "0"이 될 때, 압축기 모터(211)의 제어 방식을 전환한다. 예를 들어 구동 회로(430)의 제1 출력단자(out430a)에서 출력되는 구동 전류가 "0"이 된 이후 회전자의 위치가 "0"이 되면 압축기 모터(211)의 제어 방식을 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환할 수 있다.
이와 같이 구동 전류와 회전자의 위치가 "0" 될 때 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하면, 구동 전압의 오버슈트(overshoot) 또는 언더슈트(undershoot)를 방지하기 용이하다.
이와 같이 압축기 모터(211)의 제어 방식을 전환할 때 구동 전류(상전류)의 오버슈트(overshoot) 또는 언더슈트(undershoot)를 방지하기 위하여 구동 전압(상전압)의 변동이 발생하지 않도록 전류 제어 방식 전환 직후 교류 전류 제어 방식의 q축 및 d축 전압 지령을 결정하여야 한다.
회전자의 위치가 "0"이므로, 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 d축 전류(id) 및 q축(iq) 전류는 수학식 7과 같다.
[수학식 7]
Figure pat00007
(단, id 및 iq는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 d축 및 q축 전류이고, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
수학식 7을 동기 좌표계 전압 방정식에 대입하면 d축 전압 지령(vd)는 수학식 8과 같다.
[수학식 8]
Figure pat00008
(단, vd는 d축 전압 지령, Rs는 압축기 모터 코일의 저항, p는 미분 연산자, iq는 q축 전류, Ld 및 Lq는 압축기 모터 코일의 d축 및 q축 인덕턴스, ωr는 전기각 속도, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
또한, q축 전압 지령(vq) 역시 d축 전압 지령과 같은 방식으로 구하면, 수학식 9와 같다.
[수학식 9]
Figure pat00009
(단, vq는 q축 전압 지령, Rs는 압축기 모터 코일의 저항, p는 미분 연산자, λPM은 역기전력 상수, Ld 및 Lq는 압축기 모터 코일의 d축 및 q축 인덕턴스, ωr는 전기각 속도, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
수학식 9에 의하면 미분 연산자(p)를 무시함으로써 오차가 발생할 수 있다.
이와 같은 오차없이 q축 전압 지령을 산출하기 위해서 구동 회로(430)의 출력 파워를 이용할 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00010
(단, Pout은 구동 회로의 출력 파워, vd 및 vq는 d축 및 q축 전압, id 및 iq는 d축 및 q축 전류, vdc는 전하 저장 회로가 공급하는 직류 전압, D는 시비율, I는 전류 제어 방식의 전환 시점에서의 제2 또는 제3 출력 단자의 구동 전류이다.)
수학식 10에 수학식 7을 대입하고, 정리하면 vq는 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure pat00011
(단, vq는 q축 전압 지령, vdc는 전하 저장 회로가 공급하는 직류 전압, D는 시비율이다.)
이와 같이 구동 회로(430)가 출력하는 구동 전류 가운데 어느 하나가 "0"이고, 회전자의 위치가 "0"일 때, 압축기 모터(211)의 전류 제어 방식 전환하면 구동 전압의 오버슈트 또는 언더슈트 없이 부드럽게 전류 제어 방식의 전환이 가능하다.
이상에서는 개시된 발명의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 개시된 발명의 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명의 기술적 사상으로부터 개별적으로 이해되어져서는 아니될 것이다.
100: 냉장고 110: 본체
200: 냉각장치 210: 압축기
211: 압축기 모터 220: 응축기
225: 방향 전환 밸브 231: 제1 팽창 밸브
232: 제2 팽창 밸브 241: 제1 증발기
242: 제2 증발기 400: 구동부
430: 구동 회로 440: 제어 회로
441: 전류 검출 회로 443: 전압 검출 회로
445: 펄스 폭 변조 회로

Claims (11)

  1. 압축기 모터를 포함하여 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 냉매를 응축하는 응축기;
    상기 냉매를 감압시키는 팽창밸브;
    상기 냉매를 증발시키는 증발기;
    상기 압축기를 구동하는 구동부를 포함하되,
    상기 압축기가 고속 운전하면 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 교류 구동 전류를 공급하고,
    상기 압축기가 저속 운전하면 상기 구동부는 상기 압축기 모터에 직류 구동 전류를 공급하는 것인 냉장고.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 압축기 모터에 구동 전류를 공급하는 구동 회로;
    상기 구동 전류를 검출하는 전류 검출 회로;
    상기 구동 회로의 출력 전압을 검출하는 전압 검출 회로;
    상기 전류 검출 회로와 상기 전압 검출 회로의 검출 결과를 기초로 상기 구동 회로를 제어하는 제어 회로를 포함하는 것인 냉장고.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제어 회로의 제어 신호에 따라 상기 구동 회로를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 출력하는 펄스 폭 변조 회로를 더 포함하는 것인 냉장고.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압축기가 고속 운전하면 상기 구동부는 120ㅀ 통전 방식에 의한 교류 전류 제어 방식으로 상기 압축기 모터를 구동하는 것인 냉장고.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 압축기가 저속 운전하면 상기 구동부는 90ㅀ 통전 방식에 의한 직류 전류 제어 방식으로 상기 압축기 모터를 구동하는 것인 냉장고.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 압축기의 가동이 개시되면 상기 구동부는 120ㅀ 통전 방식에 의한 교류 전류 제어 방식으로 상기 압축기 모터를 구동하는 것인 냉장고.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 구동 회로가 출력하는 구동 전류가 영이 되면 상기 압축기 모터의 전류 제어 방식을 변경하는 것인 냉장고.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 압축기 모터의 전류 제어 방식을 교류 전류 제어 방식에서 직류 전류 제어 방식으로 전환하는 경우, 교류 전류 제어 방식의 전압 지령을 기초로 펄스 폭 변조 시비율을 판단하는 것인 냉장고.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 압축기 모터의 전류 제어 방식을 직류 전류 제어 방식에서 교류 전류 제어 방식으로 전환하는 경우, 직류 전류 제어 방식의 펄스 폭 변조 시비율을 기초로 전압 지령을 생성하는 것인 냉장고.
  10. 압축기 모터를 포함하는 압축기를 구동하는 압축기 구동장치에 있어서,
    상기 압축기가 고속 운전하면 상기 압축기 모터에 교류 구동 전류를 공급하고, 상기 압축기가 저속 운전하면 상기 압축기 모터에 직류 구동 전류를 공급하되,
    상기 교류 구동 전류는 120ㅀ 통전 방식에 의한 교류 전류 제어 방식으로 생성하고, 상기 직류 구동 전류는 90ㅀ 통전 방식에 의한 직류 전류 제어 방식으로 생성하는 것인 압축기 구동장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압축기 구동장치는,
    상기 압축기 모터에 구동 전류를 공급하는 구동 회로;
    상기 구동 전류를 검출하는 전류 검출 회로;
    상기 구동 회로의 출력 전압을 검출하는 전압 검출 회로;
    상기 전류 검출 회로와 상기 전압 검출 회로의 검출 결과를 기초로 상기 구동 회로를 제어하는 제어 회로를 포함하는 것인 구동장치.
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