KR100314043B1 - 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법 - Google Patents

선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법에 관한 것으로, 종래 기술에 있어서 모터의 동작 중 모터에 온도 변화가 발생할 경우 역기전력 상수도 변하게 되어 피스톤의 행정거리의 추정시 온도 변화만큼의 오차가 발생하게 되는데, 이의 보상을 위해 모터의 온도 변화를 측정하는 센서를 압축기 내부에 장착할 경우, 압축기 내부의 고온, 고압의 조건 때문에 센서의 성능이 저하됨은 물론, 센싱한 값이 부정확하여 보상의 효과가 저하되는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 압축기의 외기온도 및 표면온도를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 결정된 모터온도 및 기 설정한 모터의 상온온도와 이때의 상온역기전력 상수를 이용하여 역기전력 상수를 결정하는 제 3단계로 이루어진 방법을 제공하여, 온도센서를 이용하여 압축기 외형의 표면온도와 압축기가 설치된 장소의 외기온도를 측정한 다음, 이를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하고, 그 결정된 모터온도에 따라 역기전력 상수를 보상함으로써, 정확한 피스톤의 행정거리 추정이 가능하여 압축기의 효율 및 성능을 향상할 수 있는 효과가 있다.

Description

선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법{METHOD FOR COMPENSATING REVERSE-ELECTROMOTIVE FORCE CONSTANT OF MOTOR IN LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 선형압축기(Linear Compressor)의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 온도센서를 이용하여 압축기 외형의 표면온도와 압축기가 설치된 장소의 외기온도를 측정한 다음, 이를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하고, 그 결정된 모터온도에 따라 역기전력 상수를 보상하는 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선형압축기(Linear Compressor)는 기존의 가역 압축기(Recipro Compre ssor)와는 달리 회전 운동을 직선 운동으로 변환할 때 손실이 없어 기존의 가역 압축기보다는 고효율을 갖는다.
하지만, 선형압축기는 피스톤이 고정되어 있지 않아 운행 중에 피스톤 머리가 충돌할 가능성이 있고, 용량을 가변해야 하므로 피스톤 위치 제어가 필요하다.
이 피스톤 위치 제어를 위해 위치 센서를 부착하는 방법 혹은 센서 없이 압축기 모터의 전압과 전류를 이용하여 위치를 감지하는 방법 등이 사용되고 있는데, 위치 센서를 부착할 경우 압축기가 고온, 고압의 상태가 되면 취부가 어려워 사용이 용이하지 않아 압축기 모터의 전압과 전류를 이용하여 위치를 알아내는 방법이 주로 사용된다.
도1은 종래 선형압축기의 부분절개도로서, 이에 도시된 바와 같이 입력전원에 대해 전기적 공진하여 자계를 형성하는 권선(1)과; 상기 권선(1)에서 발생한 자계와 반응하여 척력을 전달하는 영구자석(2)과; 상기 권선(1)과 영구자석(2)에서 발생한 자계를 압축기 내부에 가둬 큰 척력이 발생하도록 하는 적층된 철심(3)과; 상기 영구자석(2)에서 발생한 척력으로 상하운동을 하는 피스톤(4)과; 상기 피스톤(4)이 하향으로 척력을 받을 때 압축되었다가 상향으로 척력을 받을 때 상기 피스톤(4)을 밀어내는 스프링(5)과; 가스의 흡입 및 토출이 이루어지는 밸브(6)로 구성되며, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명한다.
전원이 인가되면 권선(1)은 전기적으로 공진하여 자계를 형성하고, 이 자계에 대해 영구자석(2)이 반응하여 척력을 일으키고, 이에 의해 피스톤(4)이 상하운동을 한다.
이때, 적층된 철심(3)은 상기 권선(1)과 영구자석(2)에서 발생한 자계를 압축기 내부에 가둬 큰 척력이 발생하도록 하는 역할을 하고, 스프링(5)은 상기 피스톤(4)이 하향으로 척력을 받을 때 압축되었다가 상향으로 척력을 받을 때 상기 피스톤(4)이 더 큰 힘으로 상하 운동을 하도록 상기 피스톤(4)을 밀어내는 역할을 한다.
그리고, 밸브(6)를 통해 압축기의 동작 중에 가스가 흡입 및 토출된다.
한편, 선형압축기는 피스톤(4)이 고정되어 있지 않아 운행 중에 피스톤(4) 머리가 충돌할 가능성이 있고, 용량을 가변해야 하므로 피스톤(4) 위치 제어가 필요하다.
여기서, 압축기 모터의 전압과 전류를 이용하여 피스톤(4)의 위치를 알아내는 방법을 살펴보면, 역기전력을 포함한 선형모터를 저항(R)과 인덕턴스(L)와 피스톤(4)의 속도에 비례하는 역기전압 성분으로 모형화하여 구현할 수 있으므로, 이를 방정식으로 표현하면 다음의 수학식1과 같다.
여기서, x는 피스톤(4)의 행정거리인 스트로크, L은 모터의 인덕턴스, R은 모터의 권선저항, α는 역기전력상수, i는 모터에 흐르는 전류, V는 모터양단전압이고, 스트로크는 피스톤(4)의 왕복 운동의 행정길이를 나타낸다.
그리고, 상기 수학식1을 스트로크에 대해 정리하면 다음의 수학식2와 같다.
여기서, 상기 수학식2를 회로나 알고리즘으로 구현하여 스트로크를 추정하는데, 이 경우 오프셋(offset)에 의한 적분 오차가 존재하므로, 적분과 동시에 DC 성분은 제거하는 방법으로 스트로크를 추정한다.
한편, 상기 수학식2를 이용하여 모터의 전압과 전류를 측정하여 스트로크를 측정하는 방법에서 역기전력 상수(α)는 모터의 동작 중에 모터의 온도와 연동하여 변하게 된다.
상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서 모터의 동작 중 모터에 온도 변화가 발생할 경우 역기전력 상수도 변하게 되어 피스톤의 행정거리의 추정시 온도 변화만큼의 오차가 발생하게 되는데, 이의 보상을 위해 모터의 온도 변화를 측정하는 센서를 압축기 내부에 장착할 경우, 압축기 내부의 고온,고압의 조건 때문에 센서의 성능이 저하됨은 물론, 센싱한 값이 부정확하여 보상의 효과가 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 온도센서를 이용하여 압축기 외형의 표면온도와 압축기가 설치된 장소의 외기온도를 측정한 다음, 이를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하고, 그 결정된 모터온도에 따라 역기전력 상수를 보상하도록 하는 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도1은 종래 선형압축기의 부분절개도.
도2는 본 발명 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법의 동작과정을 보인 동작흐름도.
도3은 도2에서, 각 부의 온도를 측정하는 위치를 개략적으로 보인 개략도.
도4는 압축기 내부의 모터에서 압축기의 외기까지 열이 전도되는 과정과 이의 측정 원리를 보인 개략도.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 압축기의 외기온도 및 표면온도를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 결정된 모터온도 및 기 설정한 모터의 상온온도와 이때의 상온역기전력 상수를 이용하여 역기전력 상수를 결정하는 제 3단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도2는 본 발명 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법의 동작과정을 보인 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 온도센서(미도시)를 통해 압축기의 외기온도(TO) 및 표면온도(TM)를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도(TO,TM)를 열저항으로 모형화하여 모터온도(TH)를 결정하는 제 2단계와; 상기 제2단계에서 결정된 모터온도(TH) 및 기 설정한 모터의 상온온도(Ti)와 이때의 상온역기전력 상수(αi)를 이용하여 역기전력 상수(α)를 결정하는 제 3단계로 이루어지며, 이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 각 단계를 수행하기 위한 압축기의 구조 및 동작은 종래와 동일하다.
압축기 내외부의 온도를 측정하기 위해 도3에 개략적인 온도 측정 위치를 보였는데, 압축기 모터(20)는 동작 중에 모터온도(TH)를 발생하고, 압축기의 외형의 온도를 측정하여 압축기 표면온도(TM)로 하고 압축기가 설치된 장소의 온도를 측정하여 외기온도(TO)로 한다.
그리고, 이와 같이 발생된 열이 압축기 내부의 모터(20)에서 압축기의 외기까지 전도되는 과정과 이의 측정 원리를 도4와 같이 열저항으로 모형화시킬 수 있는데, 상기 압축기 모터(20)는 모터온도(TH)의 열을 방열하는 열원(30)으로 나타내었고, 이 열원(30)에서 방열된 열은 압축기가 설치된 외부까지 전도되어 외기온도(TO)로 측정되는 부분을 열싱크(sink)(50)로 하였다.
그리고, 열전도 경로 상에 발생하는 소정의 열손실을 열저항(R1,R2)으로 나타내었으며, 온도센서(미도시)를 이용하여 압축기 표면온도(TM)와 외기온도(TO)를 측정하는 지점을 온도측정점(40)으로 나타냈다.
여기서, 열이 전도되는 경로상의 열저항(R1,R2)을 알고 있다면 모터온도(TH)를 예측할 수 있게 되므로, 상기 모터온도(TH)는 다음의 수학식3과 같이 근사화시킬 수 있다.
여기서, 열저항(R1,R2)은 이론적인 계산 혹은 실험을 통하여 결정한다.
그리고, 상기 수학식3에 의해 결정된 모터온도(TH)에 대해, 역기전력 상수(α)는 모터온도(TH)가 100℃ 증가할 경우 n％ 감소한다고 하면, 상기 수학식3을 모터의 상온온도(Ti)에서의 상온역기전력 상수(αi)에 대해 정리할 수 있다.
여기서, 온도의 단위는 ℃이다.
즉, 운행 중인 모터의 모터온도(TH)를 결정한 다음, 이를 기 설정한 모터의 상온온도(Ti)와 이때의 상온역기전력 상수(αi)를 이용하면 상기 수학식4에 따라 보상된 역기전력 상수(α)를 결정할 수 있다.
그리고, 상기 수학식4에 의해 결정된 역기전력 상수(α)를 상기 수학식2에 적용하면, 모터의 전압 및 전류를 측정하여 센서없이 피스톤의 행정거리를 결정할 수 있다.
여기서, 상기 수학식4를 이용하여 역기전력 상수(α)를 결정하는 방법을 도2를 참조하여 설명하면, 먼저 온도센서(미도시)를 통해 압축기의 외기온도(TO) 및 압축기 표면온도(TM)를 측정한다.
그리고, 모터온도 예측기(미도시)에서 상기 온도센서(미도시)를 통해 측정한 온도(TO,TM)를 이용하여 상기 수학식3을 만족하는 모터온도(TH)를 결정한다.
여기서, 열저항(R1,R2)은 이론적인 계산 혹은 실험을 통하여 결정한다.
그 다음, 모터역기전력상수 예측기(미도시)는 역기전력 상수(α)는 모터온도(TH)가 100℃ 증가할 경우 n％ 감소한다는 가정 하에, 기 설정한 모터의 상온온도(Ti)와 이때의 상온역기전력 상수(αi)를 이용하여 상기 수학식4를 만족하는 역기전력 상수(α)를 결정한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 온도센서를 이용하여 압축기 외형의 표면온도와 압축기가 설치된 장소의 외기온도를 측정한 다음, 이를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하고, 그 결정된 모터온도에 따라 역기전력 상수를 보상함으로써, 정확한 피스톤의 행정거리 추정이 가능하여 압축기의 효율 및 성능을 향상할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 압축기의 외기온도 및 표면온도를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도를 열저항으로 모형화하여 모터온도를 결정하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 결정된 모터온도 및 기 설정한 모터의 상온온도와 이때의 상온역기전력 상수를 이용하여 역기전력 상수를 결정하는 제 3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모터온도는 다음의 수학식1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법.
    (수학식 1)
    여기서, TM은 압축기의 표면온도, R1 및 R2는 열저항, TO는 압축기의 외기온도, TH는 모터온도이다.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 역기전력 상수는 모터온도가 100℃ 증가할 경우 n％ 감소한다고 가정할 경우, 다음의 수학식2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 선형압축기의 모터 역기전력 상수 보상 방법.
    (수학식 2)
    여기서, α는 역기전력 상수, TH는 모터온도, Ti는 모터의 상온온도, αi는 상온역기전력 상수, 그리고 온도의 단위는 ℃이다.
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