KR100337765B1 - 냉장고 - Google Patents

Abstract

냉장고 등에서 인버터 제어를 행하면, 압축기용 전동기의 회전수는, 설정된 최소 회전수로 운전되는 경우가 많다. 이 때, 직류 전압을 승압하면, 파워 소자의 스위칭 손실에 의해, 회로의 효율이 저하한다고 하는 문제를 갖고 있었다.

또한, 최소 회전수일지라도 직류 전압을 승압하면, 직류 전압의 최저 전압은, 전압 변동을 포함하면 163V 이상으로 제어하지 않으면 안된다. 이 때문에, 압축기용 전동기의 효율도 저하한다고 하는 문제를 갖고 있다.

냉장고의 냉동실이 더욱 냉각되어 설정 온도에 가까워지면, 압축기용 전동기 통류율(通流率)이 설정치 이하, 또는 압축기용 전동기의 회전수 지령이 설정된 회전수로 되어, 실제 회전도 설정된 회전수가 된 경우에 컨버터 제어 회로의 제어를 오프시킨다.

Description

냉장고{REFRIGERATOR}

본 발명은, 교류를 정류하여 원하는 직류 전압을 출력하는 전원 회로와, 전동기를 구동하는 전동기 구동 회로로 구성되는 인버터 냉장고에 관한 것이다.

종래, 교류 전원을 정류하여 직류로 변환하는 정류 회로로서, 전원 전류의 고조파 억제나, 직류 전압의 제어를 행하는 전원 회로와 압축기용 전동기의 구동 회로를 조합시켜, 압축기용 전동기의 속도 제어를 행하는 제어 장치로서 PCT JP97/13318호 공보(문헌1)에 기재된 것이 있다.

이 문헌 1에는, 교류 전원을 직류로 변환하는 정류 회로 및 평활 회로와, 스위칭 동작과 리액터(인덕턴스)에 의한 에너지 축적 효과를 이용하여 직류 전압의 제어를 행하는 쵸퍼 회로를 구비하는 컨버터 회로와, 컨버터 회로의 직류측에 접속된 인버터 회로 및 전동기를 구비한 전동기 구동 장치와, 상기 쵸퍼 회로의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터 제어 회로와, 인버터 회로의 스위칭 동작을 제어함으로써, 전동기의 회전수 제어를 행하는 인버터 제어 회로와, 전동기의 로우터 위치를 검출하여 속도를 연산하는 속도 검출 회로와, 연산 속도 값과 속도 지령치를 입력하여 인버터 제어 회로를 통해 전동기의 속도 제어를 행하는 속도 제어 회로와, 속도 제어 회로의 출력 신호를 입력하고, 이 출력 신호에 따라서 컨버터 제어 회로를 통해 직류 전압을 제어하는 직류 전압 제어 회로를 구비한 전동기 제어 회로가 기재되어 있다.

인버터 제어 회로는, 속도 검출 회로로부터의 위치 신호 및 속도 제어 회로로부터의 통류율(conduction ratio) 신호에 기초하여, 인버터 회로의 스위칭 소자를 구동하여 전동기에 회전 자계를 인가함으로써 구동된다. 이 속도 검출 회로는, 전동기의 유기 전압을 검출하여 유기 전압에 의해 로우터의 위치를 산출하고, 펄스형의 위치 검출 신호를 출력함과 동시에 산출한 위치 신호로부터 속도를 연산하여 속도 제어 회로에 속도 검출치로서 출력한다. 그리고, 상기 속도 제어 회로는 외부로부터의 속도 지령과 속도 검출치로부터 속도 편차가 0이 되도록 인버터의 PWM 펄스의 통류율 신호를 산출한다. 상기 인버터 회로, 전동기, 속도 검출 회로, 인버터 제어 회로 및 속도 제어 회로에 의해 전동기의 속도 제어가 행해진다.

컨버터 제어 회로는, 직류 전압 제어 회로로부터의 신호에 따라서 쵸퍼 회로의 스위칭 소자를 구동한다. 직류 전압 제어 회로는, 직류 전압과 속도 제어 회로의 출력 신호, 예를 들면 통류율 신호를 검출하여, 통류율 신호가 소정치, 예를 들면 어떤 통류율 범위의 상한에 도달하면 직류 전압을 소정의 폭만큼 상승시키고, 통류율 신호가 하한치에 도달하면 직류 전압을 소정의 폭만큼 강하시키도록 직류 전압을 제어한다. 상기 컨버터 회로, 컨버터 제어 회로 및, 직류 전압 제어 회로에 의해 컨버터의 직류 전압 제어 회로가 구성되어 직류 전압을 제어한다.

상기 문헌 1에 기재된 전동기 제어 장치는, 냉장고용에 관해 기재되어 있지 않지만 냉장고용 압축기를 구동하는 전동기 제어 장치로서 직류 전압을 제어하는 소위 PAM 제어 수단을 이용한 것이 특개평 7-260309호 공보(문헌 2) 및 특개평 7-218097호 공보(문헌3)에 기재되어 있다.

상기 문헌 2 및 3에는, 냉장고용 압축기 구동용 전동기의 제어장치로서 PAM 인버터를 이용함으로써 에너지 절약화하는 것은 기재되어 있지만, 냉장고로서 요구되는 기능을 갖음과 동시에 에너지 절약이 되는 구체적 구성에 대해 전혀 기재되어 있지 않다. 또한, 문헌1과 같은 구성에서는 냉장고용으로서 음미되어 있지 않기 때문에, 에너지 절약에 대해 전혀 개시가 되어 있지 않다.

또한, 전동기를 구동하기 위한 전원 전압(가정용 콘센트에 공급되는 교류 전압)은 전기 사업법에 의해 정해진 허용 변동량 및 가정 내에서의 전압 강하분을 고려하면, 기준치의 ±7.5%가 된다. 종래와 같은 배전압 회로를 이용한 전동기의 제어 장치에서는, 직류 스테이지의 전압이 260V∼303V와 최대치와 최소치와의 차가43V나 되어, 직류 스테이지의 전압이 낮은 경우 전동기가 기동하지 않는 경우가 있다.

본 발명의 목적은, 냉장고로서 요구되는 기능을 갖음과 동시에 에너지 절약을 달성할 수 있는 냉장고를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 에너지 절약화를 달성함과 동시에 고조파의 저감을 도모한 냉장고를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은 전원 전압이 변동하더라도, 압축기의 기동을 행할 수 있는 냉장고를 제공하는 것이다.

상기 목적은 압축기를 구동하는 전동기와, 이 전동기를 회전 제어하는 인버터와, 교류를 입력하여 이 인버터에 가변 전압의 직류를 공급하는 컨버터를 구비한 냉장고에 있어서, 상기 전동기의 회전수를 제1 회전 속도 이하의 속도 영역에서 운전시키는 제1 운전 모드와, 상기 전동기의 회전수를 상기 제1 회전 속도보다 큰 제2 속도로 운전시키는 제2 운전 모드를 구비하는 것에 의해 달성된다.

상기 제2 목적은 교류를 직류로 변환하는 정류 회로와, 이 직류를 승압하는 승압 쵸퍼와, 상기 정류 회로와 이 승압 쵸퍼의 사이에 설치된 리액터와, 이 승압 쵸퍼의 후단에 설치되고 직류를 전동기를 회전시키기 위한 교류로 변환하는 인버터와, 이 인버터에 의해 회전 제어되고 압축기를 구동하는 전동기와, 상기 인버터에 입력되는 직류가 복수 종류의 직류가 되도록 상기 승압 쵸퍼를 제어하는 승압 쵸퍼제어 수단과, 이 복수 종류 각각의 직류 전압으로 상기 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 인버터 제어 수단을 구비한 냉장고에 있어서, 상기 리액터를 소전류 영역에서는 큰 인덕턴스를, 대전류 영역에서는 작은 인덕턴스를 나타내는 리액터로 함으로써 달성된다.

상기 제3 목적은 압축기를 구동하는 전동기와, 이 전동기를 회전 제어하는 인버터와, 교류를 입력하여 이 인버터에 가변 전압의 직류를 공급하는 컨버터를 구비한 냉장고에 있어서, 상기 전동기를 기동할 때, 상기 인버터에 공급하는 직류 전압을, 상기 교류를 직류로 변환한 값보다도 높게 하는 수단을 구비함으로써 달성된다.

도 1은 본 실시예에 따른 냉장고의 제어 블럭도.

도 2는 컨버터 PAM 전압 지령 발생기의 내부 구성을 나타낸 도면.

도 3은 전동기 인가 전압 및 통류율을 나타낸 도면.

도 4는 컨버터 PAM 전압 지령 발생기의 시정수 변화 특성을 나타낸 도면.

도 5는 컨버터 회로의 리액터의 특성을 나타낸 도면.

도 6은 직류 전압 변환이나 컨버터 제어를 오프시킨 경우의 전동기 효율을 나타낸 도면.

도 7은 펄스폭 변조 시의 펄스폭을 바꿀 때의 전류를 나타낸 도면.

도 8은 컨버터 제어를 오프시킨 경우와 온시킨 경우의 제어 회로의 효율을 나타낸 도면.

도 9는 전동기 기동 시 직류 전압의 추이를 나타낸 도면.

도 10은 본 실시예에 따른 냉동 냉장고의 개략적인 구조를 설명하는 종단면도.

도 11은 본 실시예에 따른 냉동 냉장고의 급속 제빙 제어를 설명하는 플로우 차트.

도 12은 전파 정류와 배전압 정류 변환 회로 구성을 나타낸 도면.

도 13은 전파 정류로부터 배전압 정류로 변환할 때의 직류 전압 특성을 나타낸 도면

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 상용 전원

2 : 컨버터

3 : 인버터

4 : 전동기

131 : 절전 회로

133 : 급냉 회로

106 : 컨버터 PAM 전압 지령 발생기

107 : 컨버터 동작 판정기

냉장고에 대한 요구로서, 조리한 식품을 냉동 저장하는 경우에 급속히 냉동시키는 등 급속 냉동, 단시간에 얼음을 만드는 급속 제빙, 또한 냉장고는 일반 가정에 있어서 항상 전원 플러그를 넣어 사용하므로 년간 전기료가 저렴한(년간 소비 전력이 적다), 즉 에너지 소비가 적은 것이 요구된다. 급속 냉동 및 급속 제빙에 대해서는, 압축기의 회전수를 상승시켜 냉동 사이클의 냉매 순환량을 증가시킴으로써 달성되지만, 에너지를 절약하기 위해서는, 압축기를 저속 회전으로 운전할 필요가 있다. 압축기를 고속 회전으로 운전하는 것과 압축기를 저속 회전으로 운전하는 것을 양립시키고자 하면 다음과 같은 문제가 있다.

현재 냉장고용 압축기(주로 왕복 타입)를 동작시키는 전동기는, 회전자에는 영구 자석이 매립되고, 고정자에는 인버터에 의해 회전 자계를 발생시켜 회전자를 회전시키는 무브러시 전동기가 많이 사용되고 있다. 이 무브러시 전동기의 회전수는 다음 수학식 N= (V-IR) /kΦ으로 나타낸다. 여기서, N은 전동기의 회전수, V는 전동기 인가 전압, I는 전동기 전류, R은 전동기의 내부 저항, k는 계수, Φ는 자속 밀도이다.

이 수학식으로부터도 이해되듯이, 전동기 인가 전압 V가 클수록, 또는 전동기 내부 저항 R이 작을수록 고속 회전이 얻어진다. 인버터에 입력되는 직류 전압은 배전압 회로를 이용하면 144V의 2배인 288V(부하를 접속하면 약 250V)가 얻어지지만, 전동기의 내부 저항 R은 전동기를 고속 회전 사양으로 할지 저속 회전 사양으로 할지에 따라 다르고, 예를 들면 고속 회전 사양으로 하면, 전동기의 고정자의 권선수인 턴수를 120턴(하나의 예)으로 함으로써 내부 저항 R의 값을 작게 하고 있다. 그런데, 이와 같이 전동기의 사양을 고속측으로 설정하면, 저속 영역에 있어서 전동기의 효율이 현저히 저하한다고 하는 문제가 있다.

한편, 전동기의 사양을 저속 영역으로 맞추기 (저속 영역의 효율을 높게 하기) 위해, 고정자 권선의 권선수를 140턴(하나의 예)으로 하면, 전동기 인가 전압 V는 일정하고, 전동기 내부 저항 R이 커지기 때문에 급속 냉동이나 급속 제빙에 필요한 회전수를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.

그래서, 본 실시예에서는, 전동기의 사양을 저속 영역에 맞추고 인버터 입력 전압을 고속 영역에서 높게 하도록 함으로써 전동기의 고속 회전을 실현하도록 하였다. 인버터 입력 전압, 즉 직류 스테이지 전압을 높게 하기 위해서는, 교류를 직류로 변환하는 컨버터의 후단에 승압 쵸퍼(혹은 PWM 제어 가능한 컨버터)를 설치하여 이 승압 쵸퍼를 쵸핑 제어하는(PAM 제어하는)것에 의해 달성되지만, 문헌 1에기재되어 있는 바와 같이 전동기의 전 동작 영역에서 승압 쵸퍼를 동작시키면, 전동기에 인가되는 전압이 낮은 부분(저속 영역)에서 전동기 효율이 나쁘게 된다고 하는 문제가 있었다. 즉, 냉장고에서 인버터 제어를 행하면, 압축기용 전동기의 회전수는, 설정되는 최소 회전수로 운전되는 경우가 많다. 이 때, 컨버터 회로 내의 승압 쵸퍼 회로에서, 파워 소자의 스위칭 동작 및 리액터의 에너지 축적 효과에 의해, 입력 전류를 강제적으로 흘려 전압을 승압하면, 파워 소자의 스위칭 손실에 의해 회로의 효율이 저하한다고 하는 문제를 갖고 있었다.

또한, 최소 회전수에서도 컨버터 회로 내의 승압 쵸퍼 회로에서, 파워 소자의 스위칭 동작을 행하여 직류 전압을 승압하면, 직류 전압의 최저 전압은 전압 변동을 포함시키면 163V 이상으로 제어해야만 한다. 이 때문에, 압축기용 전동기의 설계는 직류 전압이 높은 점에서 설계하기 때문에 최적 설계로 이루어지지 않아 효율이 저하한다고 하는 문제를 갖고 있었다.

이것은, 배전압 회로를 이용하지 않은 전파 정류의 경우, 직류 전압의 크기는 약 144V이지만, 이것을 최저의 통류율로 승압시켜 얻을 수 있는 최저 직류 전압은 약 163V이기 때문에, 회전수를 저하시키고자 하면, PWM 파형 펄스폭이 좁아지고, 인버터의 온 기간에 흐르는 전류의 크기가 커지고(어떤 상의 스위칭 소자가 온하고 있는 기간에 흐르는 전류의 최대치), 환류 모드(그 상의 환류 다이오드에 전류가 흐르고 있는 기간)에서의 최저 전류와의 차가 커지게 되는 것에 의한다. 이러한 차 전류는, 맥동 자속 밀도와 비례 관계에 있고, 이것이 클수록 철손(鐵損)이 커지게 된다.

이 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서는, 저속 영역에서 승압 쵸퍼를 오프함으로써 직류 전압을 더욱 낮게 하였다. 직류 스테이지의 전압을 낮게 한 만큼 인버터의 PWM 펄스폭을 넓게 할 수 있다. 이와 같이 펄스폭을 넓게 함으로써, 인버터 스위칭 소자의 1주기에서의 최대 전류치와 최소 전류치와의 차를 작게 할 수 있으므로, 맥동 자속 밀도를 작게 할 수 있어, 그 결과, 전동기의 철손을 감소시킬 수 있다.

그런데, 상기한 바와 같이 전동기의 철손을 적게 하기 위해 전동기의 저속 회전 영역에서 승압 쵸퍼를 오프하여 더 낮은 전압을 실현하지만, 승압 쵸퍼를 오프함으로써 입력 전류에 포함되는 고차의 고조파가 증대한다고 하는 문제가 발생하였다. 승압 쵸퍼가 동작하고 있는 영역에서는, 전류 지령이 입력 교류 전압에 기초하여 작성되어 있기 때문에 역률이 거의 1로 제어됨으로써, 전류 파형은 정현파형이 되어 고조파 성분이 저감되지만, 승압 쵸퍼가 동작하지 않은 영역에서는, 전류 파형은 컨버터와 인버터 사이의 직류 스테이지에 설치된 LC 필터의 리액터의 인덕턴스 L의 크기에 따라 결정되고, L의 값이 작을수록 파고치가 크고 폭이 작은 첨두(尖頭) 전류가 흐르며, L의 값이 클수록 전류치가 정현파형으로 된다. 그래서, 리액터의 인덕턴스를 크게 하면 고조파의 문제가 해결되지만, 이 고조파를 저감할 수 있는 리액터는 형상이 커져, 예를 들면 냉장고 배면판과 냉장고 내판 사이에 설치되는 전기 상자에 수납할 수 없다고 하는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서는, 저전류 영역에서 인덕턴스가 커지는 인덕턴스 가변형의 리액터를 이용하였다. 이 리액터의 형상은, 철이나 비정질 재료에 코일이 권선되고, 일주 자기 회로가 형성되도록 구성하며, 이 자기 회로의 일부에 에어 갭을 설치한 것이다. 단순히 인버터의 직류측의 리액터를 철심이 들어 있는 것으로 한 특공소 64-2029호 공보에 기재되어 있고, 고조파 저감이라는 효과를 달성하지만, 단순히 철심이 들어 있는 리액터에서는, 리액터를 흐르는 전류가 증대하면 할수록 작아지게 된다. 이것에서는, 승압 쵸퍼를 오프하고 있는 상태의 전 영역에 있어서 필요한 인덕턴스치를 얻을 수 없어 그 영역 중 저속측에서 고조파가 증대한다고 하는 문제가 있다.

본 실시예에서는, 철심(鐵心) 등을 환형(環狀)으로 하여 일부에 공극을 갖게 한 리액터로 하고 있으므로, 기동으로부터 전류치가 상승하더라도 대략 일정한 인덕턴스치 L이 유지되므로, 전동기의 작동 영역 전 영역에서 고조파에 의한 영향을 최소로 할 수 있다. 또한, 이하에 설명하는 바와 같이, 본 실시예에서는 승압 쵸퍼를 오프한 경우 1개의 속도(최저 속도)로 운전하도록 하고 있지만, 냉장고의 기종에 따라 이 최저 속도가 다른 경우에도, 본 리액터의 인덕턴스치에 대략 일정 부분이 존재하고 있기 때문에, 그 범위 내라면 기종마다 리액터를 바꾸지 않아 설계의 자유도가 넓어진다.

이하, 상기한 본 발명의 일 실시예를 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 냉장고의 제어 장치를 설명하는 것으로, 정류 회로 및 승압 쵸퍼 회로를 이용한 컨버터 회로와, 인버터 회로 및 압축기용 전동기로 이루어지는 전동기 구동 회로를 구비한 전동기 제어 장치의 전체 구성도이다.

교류 전원(1)은 일반적으로는 콘센트이고, 냉장고측의 삽입 플러그를 삽입함으로써 냉장고에 전기공급된다. 전기공급된 교류는 컨버터 회로(2)에 접속되어 직류로 변환된다. 컨버터 회로(2)에는, 정류 회로를 구성하는 다이오드(21, 22, 23, 24), 리액터(25), 다이오드(26) 및 트랜지스터 등의 파워 디바이스인 스위칭 소자(27)로 구성되는 승압 쵸퍼 회로를 통해 직류 전압으로서 출력된다. 컨버터 회로(2) 내의 승압 쵸퍼 회로는 컨버터 회로(2) 내의 정류 회로의 출력측에 접속되고, 상술한 파워 소자의 스위칭 동작 및 리액터(25)의 에너지 축적 효과에 의해, 입력 전류를 강제적으로 흘려 전압을 승압한다. 승압된 직류 전압은 평활용 콘덴서에 공급되어 안정된 직류 전압을 출력한다. 승압의 구조는 공지의 사실이지만, 간단하게 설명한다. 다이오드(21) 측이 플러스로서, 스위칭 소자(27)가 온하고 있을 때, 전류가, 교류 전원(1), 다이오드(21), 리액터(25), 스위칭 소자(27), 다이오드(24), 교류 전원(1)의 순으로 흘러 리액터(25)에 전자 에너지가 축적된다. 이 때, 스위칭 소자(27)를 오프하면, 리액터(25)로부터 역류 방지용의 다이오드(26)를 통해 평활용의 콘덴서(5)에 전류가 흘러, 전자 에너지가 콘덴서(5)로 옮겨져서 콘덴서(5)의 전압이 상승한다. 이것에 의해 직류 스테이지 전압을 상승시키는 것이다. 또, 컨버터(2) 내의 저항(28)은 전류 검출용의 저항이다.

이 콘덴서(5)에는, 직류를 전동기를 회전시키기 위한 회전 자계를 발생시키는 교류로 변환하는 인버터(3)가 접속되어 있다. 인버터(3)에는 압축기 구동용 전동기(4)가 접속되어 있다. 이 전동기(4)가 구동하는 압축기(7)를 상세하게 도시하지 않지만, 전동기(4)와 함께 밀폐 용기 내에 수납되고, 주로 왕복 타입의 압축기이다. 그 밖에, 로타리 타입의 압축기라도 상관 없다.

인버터(3)는, 3상 인버터이고 스위칭 소자로서 본 실시 형태에서는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor: 31a 내지 32c)가 이용되어 있다. 이들 스위칭 소자에는 각각 병렬로 환류 다이오드(33a 내지 34c)가 접속되어 있다. 그리고, 콘덴서(5)로부터 공급되는 직류를 설정된 회전수가 되도록 전동기(4)의 회전위치 검출의 출력에 기초하여 120°통류를 행하고, 각 상의 통류 기간에서의 통류율의 제어(펄스폭 제어)를 행하여 전동기(4)의 회전수를 제어한다.

또, 저항(6)은 전류 검출용 저항이고 이 전류 검출치가 과전류 보호 장치(111)로 송출되고, 이 전류 검출치가 임계 레벨을 넘을 때 인버터(3)를 구성하는 스위칭 소자를 전부 오프하는 신호를 드라이버(110)로 출력하고, 드라이버(110)는 스위칭 소자를 오프한다. 이것은 인버터 제어에 있어서 전류 마이너 루프를 지니고 있지 않기 때문에 설치하는 것이다.

온도 설정기(130)로부터의 신호인 냉동실 설정 온도와 냉동실 온도 검출기(138)로부터의 실제 냉동실 온도가 비교기(100)에 의해 비교되어 온도 편차가 속도 지령 연산기(101)로 출력된다. 최고 속도 지령까지는 온도 편차에 비례한 속도 지령이 출력되지만, 그 이상의 편차에서는 속도 지령은 일정하게 된다. 한편, 전동기(4)의 유기 전압을 위치 검출기(102)에 입력하고, 이 유기 전압으로부터 자석 위치를 연산하여, 이 위치 신호에 기초하여 속도 연산기(103)에 의해 전동기의 회전수(속도)가 출력된다. 이 검출된 속도는, 상술한 속도 지령(속도 지령 리미터 (136) 및 선택 회로 (137)은 후술한다)과 비교기(104)에서 비교되어 속도 편차가 인버터 PWM 듀티 지령기(105)에 입력되고, 이 속도 편차에 기초하여 비례 적분 연산되어 속도 편차가 0이 되도록 펄스폭이 결정된 펄스열이 출력된다. 또한, 위치 검출기(102)의 출력 신호는, 전류 출력기(108)에도 입력되고, 각 상의 스위칭 소자의 120°통류의 전류 타이밍(상마다 120°시프트된 펄스열)인 펄스열이 각 스위칭 소자마다에 출력된다(도면은 1스위칭 소자분). 각상의 하측 암을 구성하는 스위칭 소자(32a, 32b, 32c)는 이 전류 타이밍의 기간 중 온으로 되고, 상부 암을 구성하는 스위칭 소자(31a, 31b, 31c)에는 전류 타이밍을 나타내는 펄스열과 앞의 PWM 신호를 나타내는 펄스열과의 논리곱이 AND 회로(109)에 의해 취해져 드라이버(110)를 통해 온오프 제어된다.

다음에 컨버터(2)의 직류 스테이지 전압의 제어에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서의 직류 스테이지의 전압은, 고전압(280V), 중전압(170V), 저전압(120V)의 3단계로 제어되고, 고전압 및 중전압에서는 승압 쵸퍼(27)를 온오프 제어함으로써 그 전압을 실현하고 있다. 저전압에서는 승압 쵸퍼(27)를 오프하여 인버터(3)의 출력 펄스폭을 넓게 함으로써 에너지 절약에 기여하고 있다.

속도 연산기(103)에서 연산된 전동기(4)의 실제 회전 속도 및 속도 지령 발생기(101)에서 연산된 속도 지령은, 컨버터 PAM 전압 지령 발생기(106) 및 컨버터 동작 판정기(107)에 입력된다. 컨버터 PAM 전압 지령 발생기(106)에서는, 입력된 실제 속도 및 속도 지령에 기초하여 고전압 혹은 중전압의 지령이 발생한다. 이 전압 지령치와, 직류 전압 검출 회로(50)에 의해 검출된 콘덴서(5)의 양단 전압인 직류 전압을 비교하고, 비례 적분 회로를 통해, 콘덴서(5)의 양단 전압이 선택된 고전압 또는 중전압이 되도록 전류 파고치의 지령이 출력된다. 컨버터 동작 판정기(107)에서는, 입력된 실제 속도 및 속도 지령에 기초하여 직류 스테이지 전압을 저전압으로 하지 않으면 안된다고 판정한 경우, 승압 쵸퍼(이후, 스위칭 소자(27)을 승압 쵸퍼(27)이라는 경우도 있다)를 오프하는 신호인 쵸퍼 오프 신호(PAM 오프 신호)를 출력한다.

컨버터 PAM 전압 지령기(106)로부터의 직류 파고치 지령은, 전압 검출기(29)에서 검출된 다이오드(21, 22, 23, 24)에 의해 전파 정류된 전압(맥류)과 승산기(201)에 의해 승산되어 순간 전류 지령이 된다. 이 순간 전류 지령과 전류 검출 저항(28)에 의해 검출된 순간 전류가 비교기(202)에서 비교되고 그 편차가 비교기(204)에 입력되고, 발신기(203)에서 생성된 톱니형파(삼각파)와 비교되어 펄스폭 변조 신호를 얻는다. 이 신호가 드라이브 회로(205)에 입력되고 증폭되어, 승압 쵸퍼(27)의 게이트 신호가 된다. 이와 같이 순간 전류 지령과 순간 전류를 비교하여 편차가 없어지는 방향으로 제어함으로써, 입력 전압과 전류의 위상이 거의 같게 되어 역률이 1에 가깝게 된다. 이와 같이 전류를 정현파형으로 함으로써, 고조파를 억제할 수 있다. 또, 저전압이 요구되고 있는 경우, 상술한 컨버터 동작 판정기(107)의 출력인 쵸퍼 오프 신호는 드라이브 회로(205)에 입력되어, 게이트 신호를 블러킹하여 승압 쵸퍼(27)의 스위칭 동작을 정지시킨다.

점선 A로 둘러싼 각 요소는, 하나의 집적 회로에 패키지되어 있다. 또, 쵸퍼 오프 신호가 출력되고 있는 동안, 컨버터 PAM 전압 지령기(106)의 출력은 중전압 지령이 출력되고, 순간 전류 편차에 기초하는 쵸핑 신호가 드라이브 회로로 출력된다. 이 때, 쵸퍼 오프 신호가 해제되더라도 직류 스테이지 전압이 서서히 상승하도록 집적 회로 중에 구성되어 있다(도시되어 있지 않음).

상기 컨버터 제어 회로는, 최근 컨트롤 IC화되어 있고, 아날로그 전압을 제어함으로써 직류 전압을 제어하는 방식의 것이 다수 제품화되어 있다.

또, 상기 설명한 실시예에 있어서는, 직류 스테이지 전압 지령을 속도 지령치와 실제의 속도 값에 의해 판정하고 있지만, 인버터의 펄스폭 변조 신호의 통류율에 따라서 판정해도 좋다.

다음에, 컨버터 PAM 전압 지령기(106)를 도 2에 기초하여 상세하게 설명한다. 속도 지령치와 실제의 속도치에 기초하여 고전압 혹은 중전압이 프로그램 처리에 따라 선택되고, 이 선택된 전압이 컨버터 제어 회로측에서 발생할 수 있는 아날로그 전압에 의한 지령을 출력하는 것이다. 즉, 저항 R2와 R3의 분압치로 정해지는 전압을 출력하거나, R3과 R4를 병렬 접속시켜 R3 및 R4의 병렬 저항치와 R2와의 분압치로 결정되는 전압을 출력할 지에 따라 직류 스테이지 전압을 변경하는 지령을 변경한다.

그러나, 변환점에서 직류 전압의 큰 변화가 생기고, 이 스텝형 전압의 변화는 인버터의 PWM 듀티에 악영향을 미치므로, 본 실시 형태에서는 상기 프로그램 처리에 따른 전압 지령이 변화하더라도, 아날로그 회로에 의해 변화가 서서히 진행하도록 하였다. 이하, 설명한다.

프로그램 처리에 따라 출력된 직류 전압의 지령은 스텝형으로 변화한다. 이 스텝형으로 변화하는 신호를 저항 R1과 캐패시터 C로 시정수를 갖게 하고, 서서히 전압을 상승시킨다. 이 전압과 발진 회로에서 형성된 삼각파를 비교기에서 비교한다. 이 발신 회로의 출력 파형의 파고치는 직류 전압의 지령치의 전압 이하로 설정해 둔다. 비교기의 출력은, 시정수 회로의 출력이 클 때 출력되므로, 시정수 회로의 출력 전압이 서서히 커짐과 동시에 서서히 폭이 넓어지는 펄스열이 출력된다. 그리고, 콘덴서 C로의 충전이 완료되면 비교기는 온을 출력한다. 비교기의 출력이 온일 때 트랜지스터 T는 온하므로, 이 때 컨버터 제어 회로측에는, 저항 R3과 R4와의 병렬 저항치와 R2의 분압에 의한 전압(분압 1이라 함)이 출력된다(트랜지스터 T가 오프일 때에는 저항 R2와 R3과의 분압(분압 2라 함). 분압 1과 분압 2의 전압이 교대로 출력되고, 시정수 회로의 전압이 상승함에 따라 분압 1의 전압 기간이 서서히 길어져서, 최종적으로 분압 1만의 전압이 출력된다. 이와 같이 컨버터 제어 회로측에는 시정수에 따라 듀티폭이 다른 구형파가 출력된다. 도시하지 않지만, 컨버터 제어 회로측에는 적분 회로가 내장되고, 이 구형파를 아날로그 전압으로 변환한다. 이 출력이 직류 전압 지령이 되고, 이 값과 실제 직류 전압이 비교되어 전류의 파고치 지령이 된다. 이들 제어에 의해, 직류 전압을 변환한 경우의 전압 변화를 억제하기 때문에, 전동기(7)의 회전수 맥동을 억제할 수 있다. 도 4에 저항 R1과 캐패시터 C의 시정수를 변화시킨 경우의 회전수 맥동을 나타낸다. 시정수가 큰 쪽이 회전수의 맥동이 작은 것을 알 수 있다.

또, 본 실시예에서는, 삼각파를 형성하여 저항 R1과 캐패시터 C로 시정수 회로를 형성하고 있지만, 프로그램(소프트웨어적)으로 직류 전압 지령을 시정수에 따라 듀티폭이 다른 구형파를 출력하더라도 좋다.

그런데, 직류 스테이지의 전압이 변화하면, 예를 들면 중전압에서 고전압으로 변화하면, 인버터(3)가 출력하는 펄스열의 파고치가 높게 되어, 결과적으로 전동기(7)의 단자 전압이 높게 되어 회전수가 급증하게 된다.

이 현상을 억제하기 위해, 상기한 바와 같이, 컨버터 PAM 전압 지령 발생기(6)내에서 속도 지령치와 실제 속도로부터 직류 스테이지 전압을 소프트웨어적으로 정하지만, 이 직류 스테이지의 지령은 스텝형으로 변화하므로, 이 변화를 완만하게 하기 위해 아날로그 회로를 설치하고 있다.

스텝형으로 변화하는 경우, 전동기 제어측의 속도 피드백 회로는, 증속한 속도를 지령 속도로 낮추기 위해, 펄스를 세분하여 대응한다. 그러나, 이것에서는 전동기의 급격한 증속에 속도 피드백 회로가 즉시 응답할 수 없으므로 전동기의 증속은 불가피하다. 그래서, 스텝형 변화를 완만하게 하여 속도 피드백 회로가 응답하도록 되어 있지만, 실제 회전수가 지령치보다 높게 되어 버린다고 하는 것은 부정할 수 없다. 이것에서도 큰 문제는 없지만 회전수의 변화에 따라 이음이 발생한다고 하는 문제가 있다.

그래서, 본 실시예에서는, 직류 스테이지의 전압 지령을 컨버터 PAM 전압 지령 발생기(106)로부터 인버터 PWM 듀티 지령 발생기(105)로 송출하고, 이 지령의 변화를 수신하여 직류 스테이지의 전압이 높게 되는 방향이라면 PWM 듀티를 0%로 되지 않는 범위로 작게하고, 낮게 되는 방향이라면 100%가 되지 않는 범위로 크게 한다.

그 후, 천천히 변환하는 직류 스테이지 전압이라도 속도 지령에 추종하도록 속도가 제어된다. 즉, 직류 스테이지 전압의 전압 방향에 대해 속도 피드백 회로가 행해야 하는 듀티의 증감을 직류 전압 지령의 증감에 기초하여 미리 행하게 되므로, 속도 피드백 회로의 부담이 경감된다고 하는 효과가 있다.

다음에 압축기(전동기) 기동 시의 제어에 대해 설명한다. 보통 가정 등에 송전되어 오는 전기의 전압은, 전기 사업법에 기초하는 변동 범위가 허용되고, 또한 옥내 배선에 의한 전압 강하를 고려하면, 배전압 표시로 281±7.5%(260V∼ 303V)의 변동폭이 된다. 이 때문에, 전압이 낮은 경우, 압축기의 기동 토크가 큰 것도 있고, 전동기의 회전 토크가 부족하여 기동이 곤란해지는 경우도 있다. 본 실시예에서는, 압축기가 정지 중일 때, 기동 지령이 나왔을 때, 최초에 직류 전압 지령을 고전압 혹은 중전압으로 제어하여, 변동이 적은 직류 전압을 얻은 후, 전동기의 기동을 개시하도록 한 것이다. 이와 같이 함으로써, 281±3%가 되므로 안정된 직류 전압이 공급되어, 기동이 확실하게 된다.

즉, 컨버터 PAM 전압 지령 발생기(106)에서는, 속도 연산기(106)의 출력인 실제 속도와, 선택 회로(137)의 출력인 속도 지령을 입력하여 실제 속도가 0으로서 속도 지령이 있는 경우, 압축기가 기동한다고 판단하여 직류 전압 지령을 고전압 지령으로 한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 이 전압 하에서 인버터가 스위칭 동작하여 전동기를 기동한다. 그 후, 냉동실 온도가 온도 설정치에 근접해 오면 중전압을 거쳐 저전압을 지령하고, 저전압 하에서 전동기가 구동된다. 이 때, 승압 쵸퍼는 스위칭을 정지하고 있으므로, 직류 전압은 앞에서 설명한 바와 같이 전원 전압의 변동에 의해 변동한다. 그러나, 전원 전압 변동이 있더라도, 전동기의 유기 전압이 상승하고 있기 때문에, 속도 피드백 제어가 확립되어 있으므로, 그 속도를유지하기 위한 PWM의 펄스폭이 되므로, 전동기는 속도 지령에 추종하도록 제어된다. 또, PAM을 오프하여 저전압으로 한 경우, 상기한 바와 같이, 인버터는 그 펄스폭을 넓게 하여 속도 지령이 되도록 전동기를 제어하지만, 교류 전원 전압의 변동폭 중 최저 전압일 때 통류율이 100%가 되는 최저 속도가 선택된다.

여기서, 급냉동 운전, 급제빙 운전 및 절전 운전에 대해 설명한다. 가정용 냉장고에서의 가정 냉동(home freezing) 성능은, 식품 중의 수분의 대부분이 어는 최대 얼음 결정 생성대(-1℃∼-5℃)의 통과 시간을 아주 짧게 함으로써, 동결시 세포 조직 내의 얼음 결정의 성장을 억제하고, 세포의 파괴에 의한 해동(복원) 시의 드립(맛이나 영양분을 포함한 액즙)의 유출을 억제할 수 있어 고품질의 동결이 가능하다. 이것을 실현하기 위해, 냉장고의 도어에 급속 냉동 버튼(급속 제빙 버튼: 134)을 설치하고, 이 급속 냉동 버튼(134)이 눌러짐에 따라 급속 냉동(제빙)이 개시되도록 하였다. 이 급속 냉동 버튼(134)은, 냉장고에 설치되어 있는 것외에 리모콘에 의해 개시되도록 릴레이 접점 전자 스위치라도 좋다.

급속 냉동 버튼(134)이 눌러지면 급냉 회로(133) 내의 타이머가 기동하여, 급속 냉동 버튼(134)이 수동으로 해제되거나 또는 타이머가 오프할 때까지 최장 2시간 급속 냉동 운전이 행해진다. 급냉 회로(133)에서는, 선택 회로(137)에 대해 전동기 회전 속도를 4200회전/분(고정)으로 하는 속도 지령을 송출하고, 선택 회로(137)에서는 급냉 회로(133)로부터의 속도 지령을 선택하여 비교기(104)로 출력한다. 또한, 전동기 속도 지령을 고정한 경우, 복귀한 때의 온도 편차가 커져 불안정하게 되는 경우도 있기 때문에, 온도 지령을 통상보다도 -7℃ 낮은 값으로한다. 이를 위해, 가산기(135)에서 온도 설정기(130)로부터의 출력에 -7℃ 가산하여 온도 지령으로 한다. 이 온도와 실제 온도와의 편차가 비교기(100)로부터 출력된다. 급냉 회로(133)는 이 온도 편차를 입력하여, 급속 냉동 운전 중에 냉동실 온도가 냉동실 내 온도 설정(통상 -18℃)보다 7℃ 낮은 온도를 하회할 때, 속도 지령을 고정치의 4200회전/분으로부터 0회전/분으로 하여, 냉동실 이외의 냉장실이나 야채실 등이 지나치게 냉하게 되는 것을 방지한다. 냉동실 온도가 상승하여 7℃ 낮은 설정 온도를 상회할 때(히스테리시스를 가지고 있다), 다시 전동기 속도 지령을 반복하여 운전을 재개한다. 이 동작이, 타이머가 오프될 때까지 계속된다.

이상의 급속 냉동(제빙) 운전 기능에 의해, 최대 얼음 결정 생성대 통과 시간을 30분 이내로 할 수 있어 고품질의 냉동이 가능해졌다.

또한, 최근, 지구 온난화 방지책으로서의 사회적 요청에 의해 냉장고의 에너지 절약화가 주장되고 있다. 이 요청에 답하기 위해, 본 실시 형태에 따른 냉장고에서는, 그 도어에 에너지 절약 모드를 실현하는 절전 버튼(132)을 설치하였다.

절전 버튼(132)이 눌러지면, 절전 회로(131)가 기동한다. 절전 회로(131)는 온도 설정(온도 지령)을 1℃ 높이기 위해서, 온도 설정기(130)의 출력에, 1℃ 가산하는 신호를 출력하여 가산기(135)에서 가산하고, 가산기(135)의 출력을 절전 운전 시의 온도 지령으로 한다. 또한, 절전 회로(131)는 속도 지령 리미터(136)에 신호를 출력하고, 속도 지령 발생기(101)의 출력인 속도 지령이 3000회전/분을 상회하더라도 3000회전/분 이상의 속도 지령을 후단에 출력하지 않도록 하였다. 이와 같이, 설정 온도를 상승시킴으로써 온도 편차가 작아지기 때문에, 주회로의 직류 스테이지 전압이 저전위를 선택하는 비율이 높게되어, 인버터 PWM 파형의 펄스폭이 넓어지므로, 상술한 바와 같이, 전동기의 철손이 감소하여 소비 전력을 적게 할 수 있다. 또한, 직류 스테이지 전압이 제어 가능해졌기 때문에, 운전 가능한 최소 회전수를 1600회전/분으로부터 2000회전/분의 사이로 할 수 있으므로, 온도 편차가 작은데도 불구하고 전동기 회전 속도가 필요 이상으로 커지는 일이 없으므로, 전력 소비량을 저감할 수 있다. 또한, 온도 편차가 매우 큰 경우에서도, 최고 속도가 3000회전/분으로 억제되므로, 이 절전 버튼(132)이 눌러져 있는 동안에는, 함부로 고속 회전이 되지 않으므로 역시 전력 소비량을 저감할 수 있다.

그런데, 절전 회로(131)는 냉동실 온도 검출기(138)의 출력을 입력하여, 냉동실의 온도가 -10℃ 이상으로 된 것을 검지하여 절전 제어를 해제한다. 이것은, 전동기 회전 속도 3000회전/분으로 운전을 계속하더라도 냉동실 내 온도가 상승되는 만큼 부하가 큰 것을 의미하고 있기 때문에, 이 때에는, 냉동실 내에 수납된 식품의 온도를 적정 온도로 유지하기 위해, 절전 운전을 해제하여 통상 운전으로 복귀하여 냉동실 내를 냉각하기 때문이다.

또, 급속 냉동 운전과 절전 운전은 양립할 수 없으므로, 한쪽이 작동하고 있을 때에는 다른쪽의 버튼이 눌러지더라도 무효가 되도록 구성되어 있다.

다음에 직류 전압 변환과 컨버터 온, 오프의 동작을 도 3의 제어 동작 설명도를 이용하여 설명한다. 도 3은 횡축에 압축기용 전동기의 회전수, 종축에 전동기 인가 전압과 통류율을 취한 그래프이고, 부하가 일정한 경우이다.

압축기는 동작하고 있지만 냉장고의 냉동실 내부가 냉각되어지지 않는 상태에서는, 온도 편차가 크기 때문에, 속도 지령이 크고 실제 속도도 크다. 양자에 기초하여 직류 전압을 고전압으로 한다고 하는 지령이 출력되지만, 이 신호는 0V이고, 이것이 시정수 회로로 출력된다. 컨버터 제어 회로측에는, 저항의 R2와 R3의 분압된 전압이 공급되고, 직류 전압은 예를 들면 280V의 고전압에 설정된다. 이 직류 전압이 280V 시에서는 전동기(4)의 회전수는 고속 회전으로 제어된다. 회전수의 가변 폭은 예를 들면 2700회전으로부터 4200회전의 범위에서 제어되지만, 인버터 제어 회로측에 있어서, 상술한 바와 같이 속도 편차에 의한 통류율 신호를 바탕으로 드라이브 신호를 작성하고, 인버터 회로(3)의 스위칭 소자(예를 들면 트랜지스터)를 구동하며, 전동기(4)의 속도 제어를 행하고 있다. 이 회전수 가변폭에 대응하는 통류율은, 예를 들면 45%로부터 95%의 범위에서 제어된다.

냉장고의 냉동실 내부가 냉각되어 설정 온도에 근접해 오면, 압축기용 전동기(4)의 회전수를 저하시키지만, 전동기(4)의 회전수 지령이 예를 들면 2700회전을 하회하여, 실제 회전도 2700회전을 하회한 경우(인버터 회로(3)의 스위칭 소자에의 통류율에 의해 지령치를 결정하는 경우, 통류율이 예를 들면 45% 이하)에, 시정수 회로에의 출력을 HIGH로 하여, R3과 R4를 병렬 접속시켜 분압치를 변경하고, 직류 전압을 예를 들면 170V의 중전압으로 설정한다(B 점). 이 때, 통류율은 예를 들면 95%로 된다.

여기서, 직류 전압과 통류율과의 곱이 변환 전후에 일치해야만 하기 때문에, 직류 전압을 내릴 때 통류율이 100%를 넘지 않은 값으로 설정할 필요가 있다. 회전수의 가변 폭은 예를 들면 1600 회전으로부터 2700 회전의 범위에서 제어되고,통류율은 1600회전의 경우에 예를 들면 55%로 된다.

냉장고의 냉동실 내부가 더 냉각되어 설정 온도에 근접하면, 전동기(4)의 회전수는 최저 회전수, 예를 들면 1600회전으로 되지만, 인버터(3)의 스위칭 소자로의 통류율이 예를 들면 55% 이하, 또는 전동기(4)의 회전수 지령이 예를 들면 최저 회전수의 1600회전이 되고, 실제 회전도 1600회전이 된 경우에, 컨버터 제어 회로측의 제어를 오프시켜 저전압으로 한다(A 점). 이 제어는, 상술한 컨버터 동작 판정기(107)에 의해 행해진다. 여기서 직류 전압을 내릴 때 통류율이 100%를 넘지 않은 값으로 설정할 필요가 있다. 또한, 컨버터 제어 회로측의 제어를 오프시키는 것은 압축기용 전동기(4)의 회전수가 최소치가 아니더라도 좋다.

이들 통류율이나 회전수의 값은 설명을 위한 편의상의 값이다. 이상과 같은 동작을 반복함으로써 압축기용 전동기(4)의 회전수 감속에 따라 직류 전압을 저하시키고, 모터의 속도 제어가 가능하다.

다음에 상기와는 반대로 압축기용 전동기(4)가 증속하는 경우에 대해 설명한다. 전동기(4)가 최저 회전수로 냉장고 도어의 개폐나 따뜻한 식품이 냉동실 내부에 들어가 냉동실 내부 온도가 상승하면 방금 전과는 반대로, 전동기(4)의 회전수 지령이 예를 들면 최저 회전수 이상이 되고, 실제 회전도 최저 회전수 이상으로 된 경우(인버터(3)의 스위칭 소자로의 통류율을 보아 직류 전압 지령을 변환하는 경우, 통류율은 예를 들면 55% 이상)에, 컨버터 제어 회로측의 제어를 온시키고(A 점) 직류 전압을 예를 들면 170V의 중전압 정도로 설정한다.

또한, 전동기(4)의 회전수를 증가시키기 위해서는, 시정수 회로에 제공하는 직류 전압 지령을 0V로 하여, R2와 R3의 분압치로 변경하고, 직류 전압을 예를 들면 280V의 고전압으로 설정한다.

또, 직류 전압을 변환할 때에는, 전동기(4)의 증속과 감속 시에 회전수에 히스테리시스를 설치하고, 변환 시의 회전수의 헌팅을 억제하는 것이 필요하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 직류 전압의 변환을 컨버터의 제어 온, 오프를 포함시켜, 3단 변환으로 하고 있지만, 이것은, 직류 전압 변환 회로(9)에서 설정 전압을 복수 설치함으로써 변환 횟수를 더욱 늘리는 것이 가능하다.

도 5는 컨버터 회로(2)의 리액터 특성을 나타낸다. 냉동실의 내부가 냉각되어 설정 온도에 근접하면, 전동기(4)의 회전수를 최저 회전수로 하고, 컨버터 제어 회로측(승압 쵸퍼 27)의 제어를 오프시키지만, 이 때, 고조파 규제치를 만족할 수 없게 되는 문제가 있다. 냉장고에 있어서는 고조파 규제의 가이드 라인이 클래스 D이다. 전동기(4)의 회전수 제어 범위의 전 영역에 걸쳐, 승압 쵸퍼(27)를 통해서 직류 전압을 제어하여 역률 개선을 행한다고 한다면, 리액터(25)의 값은 1mH 정도로 끝난다.

그러나, 승압 쵸퍼(27)를 오프하고, 고조파 가이드 라인을 만족시키기 위해서는, 리액터(25)의 값은 10mH 이상이 필요하다. 이 때문에, 상술한 바와 같이, 리액터(25)는 승압 쵸퍼(27)를 오프하는 저입력(저전류) 시에는 10mH 이상의 특성을 갖고, 승압 쵸퍼(27)를 온하는 고입력(고전류) 시에는 1mH 정도의 특성을 갖는 리액터(25)로 한다. 이에 따라 승압 쵸퍼(25)를 오프하여도, 고조파 가이드 라인을 만족시킬 수 있다.

도 6은, 직류 전압 변환이나 최저 회전수에서의 승압 쵸퍼(25)를 오프시킨 경우의 전동기 효율을 나타낸다. 전동기(4)의 회전수를 2700회전으로 변환하였을 때, 직류 전압은 280V로부터 170V로 저하하기 때문에, 전동기 효율은 1.2% 정도 향상한다. 이것은, 직류 전압이 저하하기 때문에, 인버터(3)의 통류율이 증가하고, 전동기에서 손실되는 쵸퍼에 의한 철손이 저하하기 때문이다. 또한, 컨버터 제어를 오프시킨 경우에는, 직류 전압이 170V로부터 120V로 저하하기 때문에, 전동기 효율은 2% 정도 향상한다. 이 이유를 도 7에 기초하여 설명한다. 도 7의 (a)는 직류 스테이지 전압이 높은 상태에서의 인버터(3)의 스위칭 소자의 PWM 파형이다. 스위칭 소자가 온하고 있는 경우에는 콘덴서(5)로부터 전동기 전류가 흐르고, 오프하면, 환류 다이오드를 통해 전동기 전류는 환류하여 감쇠한다. 이 피크 투 피크를 ΔIM으로 한다. 마찬가지로 도 7의 (b)는, 직류 스테이지 전압을 감소시키고, (a)와 동일한 전압이 전동기(4)에 인가되는 통류율로 한 경우이다. 이 때 직류 스테이지 전압이 낮으므로, 스위칭 소자를 온하더라도 전류의 상승율이 작기 때문에, (a)와 비교하여 ΔIM은 작다. 이 ΔIM은 전동기의 맥동 자속 밀도를 나타내는 값이고, 이것이 작은 쪽이 전동기의 철손이 작은 것을 의미하고 있다. 따라서, 통류율이 클수록 전동기 효율이 좋아진다.

도 8은 컨버터 제어를 오프시킨 경우와 온시킨 경우의 제어 회로의 효율을 나타낸다. 입력(전류)이 저하하면 컨버터 제어를 오프한 쪽이 승압 쵸퍼를 구성하는 스위칭 소자의 스위칭 손실이 없어져서, 제어 회로의 효율이 향상한다. 따라서, 압축기용 전동기(4)와 마찬가지로, 최저 회전수에서의 입력이 작을 때에는, 컨버터 제어를 오프시킨 쪽이 시스템 효율이 향상한다.

이상 설명한 실시예에 있어서, 여러가지의 수치를 도시하여 설명하였지만 이들 수치는 일례이고 제어 사상에 합치한다면 다른 수치라도 지장은 없다.

또한, 본 실시예를 이해하기 쉽게 하기 위해서 제어 블럭도로 설명하였지만, 비교기(100), 속도 지령 발생기(101), 위치 검출기(102), 속도 연산기(103), 비교기(104), 인버터 PWM 듀티 지령 발생기(105), 컨버터 PAM 전압 지령 발생기(106)의 전압 지령을 연산하는 회로, 컨버터 동작 판정기(107), 전류 출력기(108), AND 회로(109), 드라이버, 과전류 보호 회로(111), 절전 회로(131), 급냉 회로(133), 가산기(135), 속도 지령 리미터(136), 선택 회로(137)는 소프트웨어로 실현할 수 있다. 또한 이것에 인버터를 더하여 LSI화하는 것도 가능하다.

이상 본 실시예에 의해 다음의 효과가 있다. 압축기용 전동기의 설계는, 가장 이용율이 높은 점에서 설계함으로써(예를 들면 최저 회전수 시간), 전동기의 고효율화를 얻을 수 있으므로, 시스템의 에너지를 절약할 수 있다. 냉장고의 부하가 높을 때에는, 상술한 바와 같이 직류 전압 제어 회로에 의해, 직류 전압을 증가시키기 때문에, 압축기용 전동기는 고속으로 운전할 수 있다. 또한, 압축기용 전동기(4)의 회전수를 2700회전으로 변환하였을 때, 직류 전압은 280V로부터 170V로 저하하기 때문에, 전동기 효율은 1.2% 정도 향상한다. 또한, 컨버터 제어를 오프시킨 경우에는, 직류 전압이 170V에서 120V로 저하하기 때문에, 전동기 효율은 2% 정도 향상하므로, 에너지 절약화를 한층 더 얻을 수 있다. 또한, 컨버터 제어를 오프함으로써 파워 소자의 스위칭 손실이 없어져서, 제어 회로의 효율도 향상한다.

다음으로, 도 10을 이용하여 냉동 냉장고를 개략적으로 설명한다. 도면에 있어서, 참조 번호(301)는 자동 제빙 장치를, 참조 번호(302)는 제빙 접시를, 참조 번호(303)는 제빙 접시 온도 검출 센서를, 참조 번호(304)는 급수 장치를, 참조 번호(305)는 급수 탱크를, 참조 번호(306)는 얼음 저장통을, 참조 번호(307)는 얼음 저장통(306)의 얼음의 양을 검출하는 얼음 검출 레바를 나타내고 있다. 또한, 도면 중의 참조 번호(308)는 증발기이고, 참조 번호(309)는 증발기에 부착한 서리를 제거하기 위해 증발기 근변에 설치된 제상 히터, 참조 번호(310)는 냉장고 내부에 냉기를 순환시키기 위한 냉장고 내부 냉기 순환용 팬, 참조 번호(311)는 냉장고 내부 냉기 순환용 팬을 구동시키기 위한 냉장고 내부 냉기 순환용 팬 모터, 참조 번호(312)는 도 1에 도시한 제어 장치, 참조 번호(134)는 제빙 시간을 통상 운전 시간보다도 빨리하기 위한 급속 제빙 기능(제어 장치(312)에 갖게 하는 기능)을 개시·지시하기 위한 수단으로서의 급속 제빙(급속 냉동) 스위치이고, 그리고, 참조 번호(4)는 회전 구동 장치인 전동 모터를 내장한 전동 압축기이다. 또한, 참조 번호(315)는 냉장실을, 참조 번호(316)는 독립 제빙실 혹은 제빙 코너를, 그리고 참조 번호(317)는 냉동실을 나타내고 있다.

또, 상기한 급속 제빙 스위치(134)는, 도 10에 있어서는 설명을 위해 냉장실(315) 내에 설치되어 있지만, 그러나, 본 발명에서는 이것에 한정하지 않고, 예를 들면, 냉장고의 도어나 본체의 외표면에 부착하는 것도 가능하다. 또한, 절전 스위치(132)는 도시하지 않는다.

상기에 설명한 구조의 냉장고에 있어서, 급속 제빙 기능은, 전동 압축기(4)나 냉장고 내부 냉기 순환용 팬 모터(311)의 운전 회전수를 가변한다. 그리고, 일시적으로 냉동 사이클의 냉동 능력이나 자동 제빙 장치(301)에 공급하는 풍량을 증가시키고, 이에 따라, 냉동실(317) 내에서의 제빙 시간을 빠르게 하도록 한 것이다.

또, 본 실시예에 따르면, 전동 압축기(4)의 운전 회전수를 가변 제어하는 수단의 예로서는, 인버터 회로에서의 PWM 제어(펄스폭 변조 제어)와 컨버터 회로의 PAM 제어(펄스 진폭 변조 제어)를 조합시켜 제어를 행하는 것이다. 그 구체적인 방법으로서는, 상술한 바와 같이 압축기의 회전수를, 특히, 냉동 냉장고에서 통상 사용되는 저속 영역에서는, PAM 제어에 의해 직류 전압을 낮은 전압(예를 들면 140V)으로 설정하고, 지정된 압축기 회전수는 인버터 회로의 PWM 제어(펄스폭 변조 제어)에 의해 안정시킨다.

그리고, 급속 제빙 운전 시에는 펄스 전압 진폭 제어에 의해 높은 전압(예를 들면 280V)으로 설정하고, 지정된 압축기 회전수는 인버터 회로의 PWM 제어(펄스폭 변조 제어)에 의해 안정시킨다.

또한, 그 밖의 방법으로서는, 문헌 1의 PWM, PAM 제어에 의한 전동기 제어와 같이, 통상 사용되는 압축기 회전수의 저속 영역에서는, 상술한 PWM 제어를 행하고, 한편, 급속 제빙 운전 시에는 지정된 압축기의 회전수가 되는 직류 전압(예를 들면 250V)에 펄스 전압 진폭 제어로 직류 전압을 승압시키는 것만으로도 좋다. 이 경우에, 펄스 전압 진폭 제어에 의해, 지정된 압축기의 회전수로 안정되기 때문에, 인버터 회로의 PWM 제어는 행하지 않는다(인버터를 120°통류율의 1펄스를 출력).

다음에, 도 11은, 급속 제빙 운전 제어를 플로우차트로 나타낸 것이다. 도면에 있어서, 우선, 스텝 S1에서, 통상 제빙 운전의 처리를 행한다. 그 후, 스텝 S2에서는, 급속 제빙 스위치(상기 도 3의 참조 번호 (134))가 온으로 되었는지를 판단한다. 여기서, 급속 제빙 스위치(134)가 온으로 되어 있다(Y)고 판단된 경우, 스텝 S3으로 이행하고, 상기 설명한 바와 같이, 전동 압축기(4)에 인가되는 직류 전압의 고저에 의해 압축기의 운전 회전수를 제어하는 기능(즉, 상기 펄스 전압 진폭 제어(PAM 제어))에 의해, 압축기 회전수를 통상 운전보다도 고속으로 회전시킴으로써, 급속 제빙 운전을 개시한다. 또, 상기한 스텝 S2에 있어서, 급속 제빙 스위치는 온으로 되어 있지 않다(N)고 판단된 경우에는, 처리는 다시 상기 스텝 S1로 되돌아간다.

계속해서, 스텝 S4에 있어서는, 제빙 접시 온도 검출 센서(303)의 검출 온도가 소정의 온도(제빙 접시(302)에 급수된 물이 전부 결빙이 끝날 때까지의 온도에 설정) 이하에 도달했는지 여부의 감시를 행한다. 그리고, 이 센서에 의해 검출된 온도가 상기 소정의 온도 이하가 되었다(Y)고 판단된 경우에는, 스텝 S5로 이행하고, 지동 제빙 장치(301)가 이빙(離氷) 동작을 행하고, 그 후, 급수 동작을 행한다. 다음에, 스텝 S6에 있어서는, 급속 제빙 운전 모드가 해제되었는지 여부의 판단을 행하고, 급속 제빙 운전 모드가 해제되어 있다(Y)고 판단하면, 다시, 상기 스텝 S1로 되돌아가게 되어 있다. 또, 상기 스텝 S6에 있어서, 급속 제빙 운전 모드가 해제되어 있지 않다 (N)고 판단된 경우에는, 플로우는, 상기 스텝 S4로 되돌아가고, 이 스텝 S4는 제빙 접시 온도 검출 센서(303)의 검출 온도가 소정의 온도 이하로 되어 있다고 판단될 때까지, 그 판정 동작을 반복한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 상기 제어 장치(312)는 급속 제빙 스위치(134)를 온함으로써, 냉장고의 전동 압축기(4)의 운전 회전수를 통상 운전보다도 빨리하도록, 압축기에 인가되는 직류 전압을 단계적으로 변환함으로써, 전동 압축기(4)의 운전 회전수를 제어하는 기능(펄스 전압 진폭 제어)을 구비한 것이다.

이것에 의해, 얼음을 필요로 한 때에 얼음 저장통(306)에 얼음이 없는 경우, 또는, 어느 정도 다량의 얼음이 필요한 경우 등, 전동 압축기(4)의 회전수 증가에 의해 냉각 능력이 향상하고(급속 제빙 운전), 1회의 제빙 시간이 종래의 약 반시간(약 0.5∼1시간)으로 끝난다. 또한, 급속 제빙 스위치(134)가 온하고 있는 경우에는, 전동 압축기(4)는 소정의 고속 회전으로 운전을 행하기 때문에, 1회의 제빙 시간은 통상은 냉장고에 가해지고 있는 부하(외기 온도, 도어 개폐 빈도, 냉장고 내 부하량)에 의한 변동을 받지 않는다. 그러므로, 복수회의 제빙 운전에 있어서도, 제빙 능력이 저하하여 방대한 시간을 필요로 하지 않는 것 외에, 1회마다의 제빙 시간의 불균일(고르지 못함)도 작게 하는 것이 가능하다. 그 외의, 급속 제빙 스위치(134)의 형태는 도 1을 이용하여 설명한 것과 동일하다.

또한, 전동 압축기(4)로의 직류 전압을 단계적으로 변환하는, 즉, 펄스 전압 진폭(PAM) 제어에 의해 그 운전 회전수를 제어하도록 함으로써, 상기 PWM 제어의 경우에 비교하더라도, 고속으로 회전시키는 압축기를 회전 구동하는 전동 모터를 고속 영역에 맞추어 설계할 필요는 없고, 저속 영역에서의 효율을 높게 유지할 수있어, 에너지 절약을 도모하는 것이 가능하다.

직류 전압을 변환하는 별도의 방법으로서 도 12의 전파 정류와 배전압 정류 변환 회로 구성을 나타낸다. 인버터 회로(3)의 전원 회로는 정류 다이오드 D1, D2, D3, D4와 평활 캐패시터 C1, C2와 스위치 SW1로 구성되어 있다. 스위치 SW1은 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 제어 회로(11)에 의해 제어되고, 이 스위치 SW1이 오프일 때에는, 전파 정류 회로가 형성되고, 스위치 SW1이 온일 때에는, 배전압 정류 회로가 형성된다. 상용 전원이 전파 정류 회로 혹은 배전압 정류 회로에서 정류, 평활되어 얻어지는 직류 전압은, 인버터 회로3의 스위칭 소자에 인가되어, 전동기(4)가 구동된다.

도 13은 전파 정류로부터 배전압 정류로 변환할 때의 직류 전압 특성을 나타낸다. 여기에서 나타낸 직류 전압 특성은 스위치 SW1을 릴레이로 한 경우이다. 이 때문에, 전파 정류 회로에서 배전압 정류 회로가 될 때의 직류 전압이 상승하는 시간은 50ms 정도이다. 이 50ms의 사이에, 제어 회로(11)는 압축기용 전동기(4)에 인가하는 전압을 통류율을 제어하여, 설정된 회전수가 되도록 제어한다. 스위치 SW1을 반도체 소자로 한 경우에는, 전파 정류 회로에서 배전압 정류 회로로의 변환을 위한 스위치의 온, 오프 타이밍을 제어 회로(11)에 의해 제어함으로써, 직류 전압의 상승 속도를 임의로 가변할 수 있다.

또, 도 13에 도시한 직류 전압의 리플은 평활용 캐패시터 C1, C2의 용량에 의해 결정된다. 이 때문에, 리플 전압을 적게 하기 위해서는, 평활용 캐패시터 C1, C2의 용량을 크게 하면 좋다.

이상 본 발명에 의해, 냉동, 제빙 시간을 대폭 단축할 수 있고, 더구나 에너지 절약 모드에 의해 전동기 효율이 상승하기 때문에 전력 소비량을 저감시키는 냉장고를 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (21)

1. 압축기를 구동하는 전동기, 상기 전동기에 회전 자계를 인가하는 인버터, 및 교류를 입력하여 상기 인버터에 가변 전압의 직류를 공급하는 컨버터를 구비한 냉장고에 있어서,

   설정 온도와 냉장고 냉동실 온도와의 편차에 기초하여 상기 인버터 혹은 상기 컨버터를 구성하는 스위칭 소자의 쵸핑 동작을 제어함으로써 상기 전동기의 회전수를 조정하는 수단; 및

   상기 설정 온도를 상승시켜 상기 전동기의 회전수를 동작 영역중의 소정의 값 이하로 하는 운전 모드

   를 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
2. 제1항에 있어서,

   상기 운전 모드를 동작시키는 스위치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉동실 온도가 상기 설정 온도보다도 높은 소정의 값이 되었을 때 상기 운전 모드를 종료하는 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
4. 인버터가 출력하는 전력에 의해 회전수가 제어되고, 압축기를 구동하는 전동기를 구비하며, 설정 온도와 냉장고 냉동실 온도와의 편차에 기초하여 상기 전동기의 회전수를 변화시키는 냉장고에 있어서,

   상기 설정 온도를 상승시켜 상기 전동기의 회전수를 동작 영역 중의 소정의 값 이하로 하는 운전 모드를 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
5. 제4항에 있어서,

   상기 운전 모드를 동작시키는 스위치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
6. 제4항에 있어서,

   상기 냉동실 온도가 상기 설정 온도보다도 높은 소정의 값이 되었을 때 상기 운전 모드를 종료하는 수단

   을 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 압축기를 구동하는 전동기, 상기 전동기에 회전 자계를 인가하는 인버터, 및 교류를 입력하여 상기 인버터에 가변 전압의 직류를 공급하는 컨버터를 구비한 냉장고에 있어서,

    설정 온도와 냉장고 냉동실 온도와의 편차에 기초하여 상기 인버터 혹은 컨버터를 구성하는 스위칭 소자의 쵸핑 동작을 제어함으로써 상기 전동기의 회전수를 조정하는 수단;

    상기 설정 온도를 상승시켜 상기 전동기의 회전수를 동작 영역 중의 소정의 값 이하로 하는 제1 운전 모드;

    상기 설정 온도를 저하시켜 상기 전동기의 회전수를 동작 영역 중의 소정의 값으로 하는 제2 운전 모드

    를 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
12. 제11항에 있어서,

    상기 제1 운전 모드를 동작시키는 스위치와, 상기 제2 운전 모드를 동작시키는 스위치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
13. 제11항에 있어서,

    상기 냉동실 온도가 상기 설정 온도보다도 높은 소정의 값이 되었을 때 상기 제1 운전 모드를 종료하는 수단; 및

    상기 제2 운전 모드 기간 중에 있어서, 상기 냉동실 온도가 상기 저하시킨 설정 온도가 되었을 때 상기 전동기의 회전을 정지시키는 수단

    을 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.
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