KR100451233B1 - 왕복동식 압축기의 운전제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 관한 것으로, 과부하시, 모터를 구동하기 위한 구동주파수를 정격 운전주파수 보다 소정 레벨 만큼 높여 전류와 마그네트에 의해 발생하는 자속을 상쇄시킴으로써, 과부하시의 구동이 가능하도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은, 인버터에 의해 구동되는 왕복동식 압축기에 있어서, 정격 부하에 따른 운전주파수로 부하 운전하는 제1 과정과; 현재 부하와 기준부하를 비교하여 과부하를 판단하는 제2 과정과; 상기 제2 과정의 판단결과, 과부하이면, 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 운전하는 제3 과정으로 이루어진다.

Description

왕복동식 압축기의 운전제어방법{DRIVING CONTROL METHOD FOR RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 모터의 과부하시 안정적으로 모터를 구동할 수 있도록 한 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 왕복동식 압축기는, 모터에 인가되는 전압을 가변시켜줌에 따라 압축비를 가변할 수 있음으로 인하여, 가변 냉력제어에 사용할 수 있는 장점이 있는 것으로, 이와같은 왕복동식 압축기를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 일반적인 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 스트로크 지령치에 따른 스트로크 전압에 의해, 피스톤이 상하운동으로 스트로크를 가변시켜 냉력을 조절하는 왕복동식 압축기(L.COMP)와; 스트로크 전압에 의해 스트로크를 증가시킴에 따라, 상기 왕복동식 압축기 (L.COMP)에 발생하는 전압을 검출하는 전압검출부(30)와; 스트로크전압에 의해 스트로크를 증가시킴에 따라, 왕복동식 압축기(L.COMP)에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부(20)와; 상기 전압검출부(30) 및 전류 검출부(20)로부터 검출된 전압과 전류로 스트로크를 계산하고, 그 스트로크를 스트로크지령치와 비교하여 그에 따른 스위칭제어신호를 출력하는 마이크로컴퓨터(40)와; 상기 마이크로컴퓨터 (40)의 스위칭제어신호에 따라, 교류전원을 트라이악(Tr1)으로 단속시켜 상기 왕복동식 압축기(L.COMP)에 스트로크전압을 인가하는 전기회로부(10)로 구성되고, 이와같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명한다.

먼저, 왕복동식 압축기(L.COMP)는 사용자에 의해 설정된 스트로크 지령치에 따른 스트로크전압에 의해, 피스톤이 직선 운동되고, 이로 인해 스트로크가 가변되어 냉력을 조절한다.

한편, 전기회로부(10)의 트라이악(Tr1)은 마이크로컴퓨터(40)의 스위칭제어신호에 의해 턴온 주기가 길어짐에 의해 스트로크가 증가되는데, 이때 왕복동식 압축기(L.COMP)에 발생하는 전압과 전류를 각기 전압검출부(30)와 전류검출부(20)에서 검출하여 이를 마이크로컴퓨터(40)에 인가한다.

그러면, 상기 마이크로컴퓨터(40)는 상기 전압검출부(30)와 전류검출부(20)로부터 검출된 전압과 전류를 이용하여 스트로크를 계산한후, 이 스트로크를 스트로크지령치와 비교하여 그에 따라 스위칭제어신호를 출력한다.

즉, 상기 마이크로컴퓨터(40)는 계산된 스트로크가 스트로크 지령치 보다 작으면, 트라이악(Tr1)의 온주기를 길게 하는 스위칭제어신호를 출력하여 왕복동식 압축기(L.COMP)에 인가되는 스트로크전압을 증가시킨다.

여기서, 상기 왕복동식 압축기(L.COMP)에 구비되는 모터는 코일이 소정 권선비로 균일하게 감겨져서, 상기 스트로크전압에 의해 구동전압이 발생되어 구동된다.

상술한 바와 달리, 상기 마이크로컴퓨터(40)는 계산된 스트로크가 스트로크 지령치 보다 크면, 트라이악(Tr1)의 온주기를 짧게 하는 스위칭제어신호를 출력하여 왕복동식 압축기(L.COMP)에 인가되는 스트로크전압을 감소시킨다.

여기서, 상기 왕복동식 압축기는 공진점(동작주파수)에서 작동되도록 정격구동 주파수로 공진이 설계된다.

예를 들어, 왕복동식 압축기가 60Hz의 공진주파수를 갖도록 설계되면, 정격의 구동주파수는 60Hz가 된다.

이때, 상술한 왕복동식 압축기는, 정격부하시, 공진주파수(정격 구동주파수)를 아래의 수학식으로 산출한다.

[수학식]

,

여기서, M:Moving Mass,

K:스프링상수(기계적 스프링상수 +가스 스프링상수)

C:Damping(부하)

이때, 힘과 변위의 관계는, 하기의 수학식으로 표현된다.

[수학식]

여기서, X(jw):변위

F(jw):모터에 의한 힘

상기 모터에 의한 힘[F(jw)]을 정의하면,하기의 수학식으로 표현된다.

여기서, α:모터상수, i(t): 전류

따라서, 마그네트에 의한 자속(변위)과 입력전류는, 도2와 같이, 90도의 위상차를 가지고 나타난다.

한편, 과부하시(정격전류보다 1.3배이상 커지는 경우), 예를 들어, 구동주파수가 60Hz라면 고유진동수는 62Hz가 되는데, 이는 가스 스프링의 강성이 더 커지기 때문에 발생한다.

이때, 힘과 변위의 관계는, 하기의 수학식으로 표현된다.

[수학식]

이를 라플라스 변환을 취하면,

여기서, 공진주파수와 구동주파수가 일차하면, 하기의 수학식으로 힘과 변위의 관계가 표시된다.

[수학식]

여기서, 과부하인 경우,이고, Damping이 k에 비해 작다고 가정하면, 근사적으로 아래의 수학식으로 표현된다.

[수학식]

따라서, 입력전류(힘)와 변위의 위상이 근사적으로 같게 되는데, 즉 도3과같이 마그네트에 의한 자속(변위)과 입력전류는 근사적으로 동위상을 가지게 된다.

상술한 바와같이, 과부하시 입력전류와 변위의 위상차가 '0'도 이므로 전류에 의한 자속과 마그네트에 의한 자속이 합쳐져서 코어의 포화현상이 더욱 심해지게 되고, 이는 모터 고장의 원인이 된다.

즉, 과부하가 되면, 가스에 의한 강성이 커지게 되어 공진점이 높아지게 되고, 이때에는 입력전류가 커짐과 동시에 전류에 의한 자속과 마그네트에 의한 자속이 같은 위상으로 작동되어 자기 포화가 더욱 심해진다.

따라서, 상기 자기 포화에 의해, 전류가 지나치게 상승하여 모터의 파손을 야기하는 문제점이 있다.

이를 방지하기 위하여, 운동부의 무게를 크게 하여 과부하시, 마그네트와 전류에 의한 자속의 위상을 같지 않게 설계하지만, 이로인해 정격에서 공진이 맞지 않게 되어 정격에서 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 과부하시, 모터를 구동하기 위한 구동주파수를 정격 운전주파수 보다 소정 레벨 만큼 높여 전류와 마그네트에 의해 발생하는 자속을 상쇄시킴으로써, 과부하시의 구동이 가능하도록 한 왕복동식 압축기의 운전제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 회로도.

도2는 정격 부하시의 입력전류와 변위의 파형을 보인도.

도3은 과부하시의 입력전류의 변위의 파형을 보인도.

도4는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 동작흐름도.

도5는 도4에 있어서, 과부하시의 입력전류와 변위의 파형을 보인도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인버터에 의해 구동되는 왕복동식 압축기에 있어서, 정격 부하에 따른 운전주파수로 부하 운전하는 제1 과정과; 현재 부하와 기준부하를 비교하여 과부하를 판단하는 제2 과정과; 상기 제2 과정의 판단결과, 과부하이면, 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 운전하는 제3 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 실시예의 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법이 적용되는 장치는, 종래 도1과 동일하다.

도4는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와같이, 기준부하를 설정하는 제1 과정(ST1)과; 정격 부하에 따른 운전주파수로 부하 운전하는 제2 과정(ST2)과; 현재 부하와 기준부하를 비교하여 과부하를 판단하는 제3 과정(ST3)과; 상기 제3 과정의 판단결과, 과부하이면, 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 운전하는 제4 과정(ST4,ST5)과; 운전주파수를 상승시킴에 따른 스트로크 감소를 보상하기 위하여, 모터전압을 소정레벨 상승시키는 제5 과정(ST6)으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 정격 부하에 따른 운전주파수로 부하 운전하면서(ST2), 현재 부하와 기준 부하를 비교하여 과부하를 판단한다(ST3).

여기서, 상기 기준부하는, 정격 부하시의 전류값 보다 소정 레벨 이상 높은 전류값에서의 부하로 기설정 되는데(ST1), 실험에 의해, 정격 부하시의 전류값 보다 1.3배 이상 되는 전류값에서의 부하로 설정된다.

상기 판단결과, 현재 부하가 기준부하보다 크면 과부하로 판단하여, 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 운전한다(ST4,ST5).

예를 들어, 운전주파수가 과부하로 인해, 60Hz에서 62Hz가 되면, 운전주파수를 67Hz로 상승시켜 모터를 운전시키는데, 이때, 가진힘에 대하여 변위는 180도 위상차를 가지게 되고, 이를 수학식으로 표현하면 아래와 같다.

[수학식]

여기서, 운전주파수가 공진주파수 보다 5Hz정도 상승되면, Undersprung이 되어이고, 만약 Damping(c)이에 비해 작다고 가정하면, 가진힘과 변위는 아래의 수학식으로 표현된다.

[수학식]

따라서, 입력전류와 변위의 위상이 근사적으로 180도 위상차가 발생하게 되는데, 도 5와 같이 상기 입력전류에 의한 자속과 마그네트에 의한 자속의 위상차가 180도가 되어, 자속이 서로 상쇄된다.

이로 인해, 모터의 포화자속을 막게되어 안정적인 운전이 가능하게 된다.

이때, 상기 과부하시, 운전주파수의 상승값은, 실험에 의해, 전류와 마그네트 자속의 위상차가 '180'도가 되도록 하는 최적의 값으로 기설정된다.

그 다음, 상기 과부하 운전시, 운전주파수를 상승시켜 모터를 구동시킬 때발생하는 스트로크 감소를 보상하기 위하여, 모터전압을 소정레벨 상승시킨다 (ST6).

다시 말해서, 본 발명은, 인버터에 의해 구동되는 왕복동식 압축기에 있어서, 모터의 과부하가 검출되면, 입력전류와 마그네트에 의한 자속이 서로 상쇄되도록 현재 운전주파수를 기설정된 값 만큼 상승시켜 과부하 운전시킨다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 왕복동식 압축기의 과부하 운전여부를 판단하여, 과부하 운전시, 운전주파수를 상승시켜, 마그네트와 입력전류의 자속을 서로 상쇄시킴으로써, 과부하시의 모터의 자속포화를 억제시켜 모터 손상을 방지하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 인버터에 의해 구동되는 왕복동식 압축기에 있어서,

   정격 부하에 따른 운전주파수로 부하 운전하는 제1 과정과;

   현재 부하와 기준부하를 비교하여 과부하를 판단하는 제2 과정과;

   상기 제2 과정의 판단결과, 과부하이면, 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 운전하는 제3 과정으로 수행함을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
2. 제1 항에 있어서, 기준부하는,

   정격 부하시의 전류값 보다 소정 레벨 이상 높은 전류값에서의 부하로 설정되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
3. 제2 항에 있어서, 기준부하는

   정격 부하시의 전류값 보다 1.3배 이상 되는 전류값에서의 부하로 기설정되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
4. 제1 항에 있어서, 제2 과정은,

   현재 부하가 기준부하보다 크면 과부하로 판단하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
5. 제1 항에 있어서, 제3 과정은,

   운전주파수를 공진주파수보다 소정값 만큼 상승시켜, 입력전류와 마그네트 자속에 의한 변위의 위상차가 '180'도가 되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
6. 삭제
7. 제1 항에 있어서, 과부하 운전시, 운전주파수를 상승시킴에 따른 스트로크 감소를 보상하기 위하여, 모터 전압을 소정레벨 상승시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.