KR100202600B1 - 냉장고의 압축기 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 냉장고의 압축기 구동장치는, 상용의 전원을 인가하여 정류하기 위한 정류부와; 상기 정류부의 전압을 평활하기 위한 평활콘덴서와; 상기 평활콘덴서의 전압을 입력으로 하여 무정류자 전동기에 전기적으로 회전하는 전류를 인가하기 위한 인버터와; 상기 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어장치와; 상기 인버터를 통해 입력되는 전류의 흐름이 단방향으로 흐르도록 하는 권선을 포함하며 공간적으로 회전하는 회전자계를 발생하는 고정자와, 한쌍의 자석을 포함하며 상기 고정자에 대해 상대적으로 회전하는 회전자를 구비하는 단상 무정류자 전동기;를 포함하여 구성되며, 상기 단상 무정류자 전동기와, 이를 구동하기 위해 하나의 전력소자와 프리 휠링 다이오드로 구성된 하나의 인버터를 사용함으로써 회로를 간단하게 구성하여 재료비와 소비전력을 감소시킬 수 있으며, 전동기 토크와 부하 토크간의 차이를 최소화하여 압축기의 진동 및 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

냉장고의 압축기 구동장치

본 발명은 냉장고에 관한 것으로, 특히 냉장고의 부하 조건에 적합하며 가격이 저렴하고 소비전력을 감소시킬 수 있는 냉장고의 압축기 구동장치에 관한 것이다.

제1도는 냉장고 구동시 사용되는 냉장고용 압축기를 도시한 것으로, 하부에 압축기 구동용 전동기축에 연결된되며, 회전운동을 직선운동으로 변환하기 위해 압축기 내부의 선형운동을 행하는 피스톤(4)과 연결되는 크랭크(crank)(5)로 구성된 회전축이 있고, 실린더(1) 내부에는 상기한 피스톤(4)이 직선운동을 하면서 토출밸브(2)와 흡입밸브(3)를 통해 냉매를 압축, 배출되도록 하거나 유입되도록 한다.

상기 냉장고용 압축기의 운동방법을 살펴보면, 상기 회전축이 피스톤의 하사점에 해당하는 위치에 있을 때 회전축이 회전하면서 피스톤을 상승시키며, 이때 냉매가 압축되어 냉매의 압력에 의해 부하의 토크가 제2도에 도시한 바와 같이 증가하며, 이에따라 상사점에 피스톤이 도달하기 전 토출밸브가 실린더 내압에 의해 열리게 되며, 이때 부하 토크는 최대로 유지된다.

그리고 상기 상사점에 도달된 피스톤이 하강하면, 상기 토출밸브는 압력차에 의해 닫히게 되고, 실린더 내압이 흡입압보다 작아질때까지 상기 피스톤이 유입된 냉매의 압력에 의해 팽창되며, 이 팽창력은 전동기에 힘을 인가함으로써 전동기가 오히려 힘을 받아 회전하게 되며, 상기 흡입압보다 작게되면 상기 흡입밸브가 압력차에 의해 열리게 되며, 실린더 내압은 흡입압 상태에서 유지되게 된다.

제3도는 일반적인 냉장고용 무정류자 전동기 제어장치의 구성을 도시한 것으로, 상용 교류(AC)전원(10)과, 상기 교류전원(10)을 정류하기 위한 정류부를 구성하는 브리지 다이오드(bridge diode)(11)와, 상기 브리지 다이오드(11)에 의해 정류된 전압을 평활하기 위한 평활 콘덴서(12)와, 다수의 전력소자로 구성되어 상기 평활콘덴서(12)에 의해 평활된 전압을 무정류자 전동기(14)에 원하는 전압과 주파수의 교류로 인가하는 인버터(13)와, 상기 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어장치(15) 및 인버터 제어장치에 전원을 공급하기 위한 인버터 제어장치용 전원부(12)를 포함하고 있다.

상기 인버터 제어장치(15)는, 상세하게는 위치센서(도시하지는 않음) 정보를 처리하여 속도를 감지하고 미리 프로그램된 속도지령과 비교하여 전동기의 속도를 제어하기 위한 속도 제어부(20)와, 회전자 위치 판단부(17)의 판단결과와 방향지령에 의해 인버터(13)의 각 전력소자를 선택적으로 온, 오프(on, off)할 수 있도록 기준 신호를 발생하는 전환(commutation)신호 생성부(18)와, 상기 속도제어부(20)에서 출력된 전압지령신호와 상기 전환신호 생성부(18)의 전환신호를 입력으로 하여 펄스폭 변조신호를 발생하기 위한 펄스폭 변조(PWM) 처리부(19)와, 상기 펄스폭 변조 신호에 따라 상기 인버터를 구성하는 각 전력 소자의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동부(16)로 구성되어 있다.

그리고 상기 무정류자 전동기는 종래의 경우 3상 무정류자 전동기를 사용하며, 그 구조 및 구동을 위한 인버터는 제4도를 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 인버터(13)는, 6개의 전력 소자(Q₁~Q₆)와, 상기 전력소자와 역병렬로 연결된 프리 휠링 다이오드(free wheeling diode)(D₁~D₆)로 구성되어 있고, 상기 각 전력소자 중 3개는 상기한 평활콘덴서의 고전압 부분에, 나머지 3개는 평활콘덴서의 저전압측에 연결되며, 각상은 고전압 부분에 연결된 전력소자와 저전압측에 연결된 전력소자로 구성되며, 두 소자의 중간전위점이 전동기의 연결점이다.

그리고 상기 3상 무정류자 전동기는, 각 상이 인던턴스(L)와, 저항(R)과, 전압원(V)과 모델링되며, 상기한 저항은 고정자 권선의 저항을 나타내며, 인덕턴스는 고정자 권선이 고정자 슬롯과 이루어지는 자기회로에 의한 것이며, 전압원은 무정류자 모타의 회전자에 취부된 영구자석에 의해 회전자가 회전하면서 상기 고정자 권선에 유지되는 전압인 역기전력을 모델링한 것이다.

상기 3상 무정류자 전동기는, 전기적으로 1회전시 가질 수 있는 고정자의 스위칭 상태가 8가지인데 0,0,0 또는 1,1,1은 전압이 전동기에 인가되지 않은 구간이므로, 실제는 6가지의 스위칭 상태가 존재하며, 이러한 스위칭 상태의 천이에 의해 제5도에 도시한 바와 같이 1회전당 6번의 토크 리플(torque ripple)이 발생된다.

상기 전동기의 토크 리플을 무시하는 경우, 부하조건에 관계없이 거의 일정한 조건으로 토크가 발생되므로 전동기의 토크가 필요없이 발생할 수도 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 3상 무정류자 전동기는, 인버터용 전력소자가 6개 필요하므로 그에 따른 게이트 구동부와 제어부의 구성이 복잡하여 재료비가 상승함으로써 가격 경쟁력이 저하되고, 또한 전동기 토크와 부하 토크간에 차이가 있으므로 그 차이만큼의 가속과 감속이 수행되어 압축기가 진동하고, 소음이 발생하게 되는 등 많은 문제점들이 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 3상 무정류자 전동기 대신 단상 무정류자 전동기를 사용하여 재료비 및 전력사용량을 감소시키며, 전동기 토크와 부하 토크간의 차이를 최소화하여 압축기의 진동 및 소음을 줄일 수 있는 냉장고의 압축기 구동장치를 제공하는 것이다.

제1도는 일반적인 냉장고용 압축기의 구성도.

제2도는 제1도의 냉장고용 압축기의 부하 그래프.

제3도는 일반적인 냉장고용 무정류자 전동기 제어장치의 구성도.

제4도는 종래의 기술에 의한 3상 무정류자 전동기 및 그의 구성회로도.

제5도는 제4도의 3상 무정류자 전동기의 토크 그래프.

제6도는 본 발명에 의한 냉장고용 단상 무정류자 전동기 및 그의 구동회로도.

제7도는 제6도의 냉장고용 단상 무정류자 전동기의 구조도.

제8도는 본 발명에 의한 전동기 토크 그래프.

제9도는 본 발명에 의한 전동기 토크 및 부하토크 관계도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 단상 무정류자 전동기 110 : 인버터

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명의 냉장고의 압축기 구동장치는, 제6도에 도시한 바와 같이 단상 무정류자 전동기(100)와 이를 구동시키기 위한 인버터(110)로서, 하나의 전력소자(Q₁₁)와, 상기 전력소자와 역병렬로 연결된 프리 휠링 다이오드(D₁₁)를 사용한다.

상기 단상 무정류자 전동기(100)와 인버터(110)는, 제3도의 평활콘덴서의 고전압측이나 저전압측에 연결되며, 반대측은 제7도의 권선(101a)와 연결된다.

상기 단상 무정류자 전동기는, 제7도에 도시한 바와 같이 권선(101a,101b)을 포함하는 회전자계를 발생하기 위한 고정자(101)와, 자석(103a,103b)을 가지며 상기 고정자(101)에 대하여 상대적으로 회전하는 회전자(102)로 구성된다.

이때 상기 고정자(101)의 권선은(101a)은, 전동기의 토크를 발생시키는데 필요한 전류를 흘려주며 상기한 바와 같이 일측이 단상 무정류자 전동기(100) 및 인버터와 연결되고, 타측은 평활콘덴서의 또다른 전압측에 연결되며, 권선(101b)는 상기 회전자의 고정자에 대한 상적인 위치를 감지하는 위한 것으로 제3도의 인버터 제어장치의 회전자 위치 판단부로 연결되어 회전자의 위치를 감지한다.

동작방법을 살펴보면, 상기 권선(101a)에 흐를 수 있는 전류의 방향은 기존 3상 무정류자 전동기가 양방향인데 비해 단방향으로써, 전동기의 토크는 자석의 특정극(N극;103b 또는 S극;103a)에서만 토크를 발생하도록 전류를 유입하여 준다.

즉, 상기 권선(101a)은 한방향으로만 토크가 발생하게 하므로, 제8도와 같은 전동기의 토크를 얻을 수 있으며, 물론 상기 회전자의 구조 및 구동전류에 따라 토크의 형상이 다소간 달라질수는 있으나 전동기의 발생토크는 전기적으로 180도 내외의 구간만 토크를 발생하고 나머지 구간에서는 발생시키지 않는다.

그리고 이러한 토크의 발생구간은, 제9도에 도시한 바와 같이 냉장고에서 사용되는 압축기의 실린더 내부의 냉매를 압축 및 토출하는 구간과 일치하며, 이 구간을 제외한 나머지 구간은 전동기가 토크를 발생하지 않고 단지 압축기 내의 압축된 냉매가 팽창하는 힘으로 상기 전동기의 회전자가 회전하게 된다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 압축기를 구동하기 위해 단상 무정류자 전동기를 사용하며, 또한 상기 단상 무정류자 전동기를 구동하기 위해 하나의 전력소자와 프리 휠링 다이오드로 구성된 하나의 인버터를 사용함으로써 회로를 간단하게 구성하여 재료비와 소비전력을 감소시킬 수 있으며, 전동기 토크와 부하 토크간의 차이를 최소화하여 압축기의 진동 및 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 상용의 전원을 인가하여 정류하기 위한 정류부와; 상기 정류부의 전압을 평활하기 위한 평활콘덴서와; 상기 평활콘덴서의 전압을 입력으로 하여 무정류자 전동기에 전기적으로 회전하는 전류를 인가하기 위한 인버터와; 상기 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어장치와; 상기 인버터를 통해 입력되는 전류의 흐름이 단방향으로 흐르도록 하는 권선을 포함하며 공간적으로 회전하는 회전자계를 발생하는 고정자와, 한쌍의 자석을 포함하며 상기 고정자에 대해 상대적으로 회전하는 회전자를 구비하는 무정류자 전동기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉장고의 압축기 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 인버터는, 한단은 상기 평활콘덴서의 일측에 연결되고, 다른 한단은 상기 무정류자 전동기에 연결된 하나의 전력소자 및 상기 전력소자와 역병렬로 연결된 하나의 다이오드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉장고의 압축기 구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 무정류자 전동기는, 상기 인버터와 연결된 권선와, 상기 평활콘덴서의 타측과 연결된 권선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉장고의 압축기 구동장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 무정류자 전동기는, 상기 고정자에 대한 회전자의 상대적인 위치를 감지하기 위한 별도의 권선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉장고의 압축기 구동장치.