KR100533041B1 - 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법에 관한 것으로, 부하 가변시마다 운전주파수를 기계적 공진주파수에 일치시키기 위하여, 스트로크와 전류로 가스 스프링 상수를 연산한후, 그 가스 스프링 상수를 이용하여 기계적인 공진주파수를 직접 연산하고, 그 기계적인 공진주파수와 운전주파수를 일치시키도록 주파수 가변제어를 실행함으로써, 압축기의 운전효율을 향상시키도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 왕복동식 압축기에 있어서, 압축기에 인가되는 전류를 검출하는 전류검출부와; 압축기의 스트로크를 검출하는 스트로크 검출부와; 상기 전류검출부에서 출력되는 전류와 상기 스트로크검출부에서 출력되는 스트로크를 입력받아 소정 연산하여 기계적 공진주파수를 연산하는 공진주파수 연산부와; 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 운전주파수 지령치를 발생하는 운전주파수 지령치 발생부와; 상기 운전주파수 지령치와 현재 운전주파수를 비교하여 그에 따라 왕복동식 압축기의 운전주파수를 가변제어하는 제어기를 포함하여 구성한다.

Description

왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법{DRIVING CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 부하 가변시마다 운전주파수를 기계적 공진주파수에 일치시키기 위하여, 스트로크와 전류로 가스 스프링 상수를 연산한후, 그 가스 스프링 상수를 이용하여 기계적인 공진주파수를 직접 연산하고, 그 기계적인 공진주파수와 운전주파수를 일치시키도록 주파수 가변제어를 실행하도록 한 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)는 피스톤이 실린더의 내부에서 선형으로 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입 압축하여 토출하는 것으로, 보다 구체적으로는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분할 수 있다.

레시프로(Recipro) 방식은 회전모터에 크랭크 샤프트를 결합하고 이 크랭크 샤프트에 피스톤을 결합하여 회전모터의 회전력을 직선 왕복운동으로 전환하는 방식인데 반하여, 리니어(Linear) 방식은 직선모터의 가동자에 피스톤을 직접 연결하여 모터의 직선운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

본 발명은 리니어(Linear) 방식을 적용한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

이러한 리니어(Linear) 방식의 왕복동식 압축기는 전술한 바와 같이 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트(Crankshaft)가 없어 마찰 손실이 적으므로, 압축 효율면에서 일반 압축기 보다 압축 효율이 높다.

상기 왕복동식 압축기가 냉장고나 에어컨에 사용될 경우에, 상기 왕복동식 압축기에 입력되는 전압(Voltage)을 가변 시킴에 따라 상기 왕복동식 압축기의 압축 비(compression ratio)를 가변 할 수 있어 냉력(Freezing Capacity)을 제어할 수 있다.

도1은 종래 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출부(4)와; 모터에 인가되는 모터 전압을 검출하는 전압검출부(3)와; 상기 검출된 모터 전류와 모터 전압 및 모터 파라미터에 의해, 스트로크를 추정하는 스트로크 추정기(5)와; 상기 스트로크 추정치와 스트로크 지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 출력하는 비교기(1)와; 상기 차이신호에 따라, 모터에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어하는 제어기(2)로 구성되며, 이와같은 종래 장치의 동작을 설명한다.

먼저, 전류검출부(4)는 모터에 인가되는 모터전류를 검출하고, 전압검출부 (3)는 모터에 인가되는 모터전압을 검출한다.

이때, 스트로크 추정기(5)는, 상기 모터전류와 모터전압 및 모터 파라미터를 하기의 수학식에 적용하여 스트로크추정치를 연산한후, 그 스트로크 추정치를 비교기(1)에 인가한다.

[수학식]

여기서, R:레지스턴스

L:인덕턴스

α:역기전력

이에 따라, 상기 비교기(1)는 상기 스토로크 추정치와 상기 스트로크 지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 제어기(2)에 인가하고, 이에 의해 상기 제어기(2)는 모터에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어한다.

즉, 상기 제어기(2)는, 도2에서 보는 바와같이, 스트로크 추정치가 스트로크 지령치보다 크면 모터 인가전압을 감소시키고, 스트로크 추정치가 스트로크 지령치보다 작으면 모터 인가전압을 증가시킨다.

이때, 상술한 왕복동식 압축기는, 도3에 도시된 바와같이, 기계적 공진주파수로 운전하는 경우에 압축기의 운전효율이 가장 좋은데, 종래 왕복동식 압축기의 운전제어방법은, 부하의 가변에 따라 기계적 공진주파수가 가변되어도, 운전주파수의 가변없이 항상 일정한 주파수로 스트로크를 제어하므로, 압축기의 운전효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 부하 가변시마다 운전주파수를 기계적 공진주파수에 일치시키기 위하여, 스트로크와 전류로 가스 스프링 상수를 연산한후, 그 가스 스프링 상수를 이용하여 기계적인 공진주파수를 직접 연산하고, 그 기계적인 공진주파수와 운전주파수를 일치시키도록 주파수 가변제어를 실행함으로써, 압축기의 운전효율을 향상시키도록 한 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 왕복동식 압축기에 있어서, 압축기에 인가되는 전류를 검출하는 전류검출부와; 압축기의 스트로크를 검출하는 스트로크 검출부와; 상기 전류검출부에서 출력되는 전류와 상기 스트로크검출부에서 출력되는 스트로크를 입력받아 소정 연산하여 기계적 공진주파수를 연산하는 공진주파수 연산부와; 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 운전주파수 지령치를 발생하는 운전주파수 지령치 발생부와; 상기 운전주파수 지령치와 현재 운전주파수를 비교하여 그에 따라 왕복동식 압축기의 운전주파수를 가변제어하는 제어기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일정 주기 간격으로, 압축기에 인가되는 전류와 스트로크를 검출하는 과정과; 상기에서 검출되는 전류와 스트로크를 소정 연산처리하여 가스 스프링 상수를 연산하는 과정과; 상기 가스스프링 상수를 이용하여, 기계적 공진 주파수를 연산하는 과정과; 현재 운전주파수와 상기 기계적 공진주파수의 오차를, '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후, 그 운전주파수 지령치로 압축기를 구동하는 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법에 대한 작용과 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명은, 가스 스프링 상수를 알면, 기계적 공진주파수를 수학적으로 계산할 수 있다는 점에 착안하였음을 밝혀두는 바이다.

도4는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 실시예의 구성을 보인 블록도이다.

도4에 도시한 바와같이, 본 발명은 압축기(L.comp)에 인가되는 전류를 검출하는 전류검출부(40)와; 압축기(L.comp)의 스트로크를 검출하는 스트로크 검출부 (30)와; 상기 전류검출부(40)에서 출력되는 전류와 상기 스트로크 검출부(30)에서 출력되는 스트로크를 입력받아, 소정 연산하여 기계적 공진주파수를 연산하는 공진주파수 연산부(50)와; 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 운전주파수 지령치를 발생하는 운전주파수 지령치 발생부(60)와; 상기 운전주파수 지령치와 현재 운전주파수를 비교하여 그에 따른 차이값을 출력하는 제1 비교기(10)와; 상기 스트로크 검출부(30)에서 출력되는 스트로크와 스트로크 지령치를 비교하여 그에 따른 차이값을 출력하는 제2 비교기(70)와; 상기 제1 비교기(10)에서 출력되는 차이값에 따라 압축기(L.comp)의 운전주파수를 가변하고, 또한 상기 제2 비교기(70)에서 출력되는 차이값에 따라 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어하는 제어기(20)로 구성한다.

도5는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 실시예의 동작흐름도이다.

도5에 도시한 바와같이, 본 발명은 일정 주기 간격으로, 압축기(L.comp)에 인가되는 전류와 스트로크를 검출하는 과정(SP1,SP2)과; 상기에서 검출되는 전류와 스트로크를 소정 연산처리하여 가스 스프링 상수를 연산하는 과정(SP3)과; 상기 가스스프링 상수를 이용하여, 기계적 공진 주파수를 연산하는 과정(SP4)과; 현재 운전주파수와 상기 기계적 공진주파수의 오차를, '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후, 그 운전주파수 지령치로 압축기를 구동하는 과 정 (SP5 ~SP8)으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 전류검출부(40)는 압축기(L.comp)에 인가되는 전류를 검출하고, 스트로크 검출부(30)는 압축기(L.comp)의 스트로크를 검출한다.

이때, 제2 비교기(70)는 스트로크 지령치와 상기 스트로크 검출부(30)에서 출력되는 스트로크를 비교하여 그에 따른 차이값을 제어기(20)에 인가하고, 이에 따라 상기 제어기(20)는 차이값에 따라 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어한다.

또한, 상기 제어기(20)는 현재 TDC와 TDC지령치를 비교하여 그에 따라 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 가변하여 TDC를 제어한다.

한편, 공진 주파수 연산부(50)는 상기 전류검출부(40)에서 출력되는 전류와 상기 스트로크검출부(30)에서 출력되는 스트로크를 입력받아 소정 연산하여 기계적 공진주파수를 연산한다.

즉 상기 공진 주파수 연산부(50)는 스트로크와 전류를 소정 연산처리하여 가스 스프링상수를 연산한 다음, 그 가스 스프링상수를 소정 연산처리하여 공진주파수를 연산하는데, 상기 가스 스프링 상수는, 하기의 수학식에 의해 연산한다.

[수학식]

여기서, I(jw)는 전류의 크기, X(jw)는 스트로크 크기, θ는 전류와 스트로크의 위상차, α는 모터상수, k는 스프링상수

그리고, 상기 기계적 공진주파수는 하기의 수학식에 의해 연산한다.

[수학식]

여기서,

이후, 운전주파수 지령치 발생부(60)는 현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 운전주파수 지령치를 발생한다.

즉, 도6과 같이, 현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0±δ이내의 값이면, 주파수 가변없이 현재 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하고, 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0+δ'보다 크면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 감소시켜 그 감소된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하며, 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0-δ'보다 작으면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 그 증가된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생한다.

여기서, 상기 δ는 실험에 의해, 허용 가능한 주파수 오차 한계값으로 결정한다.

이후, 제1 비교기(10)는, 상기 운전 주파수 지령치와 현재 운전주파수를 비교하여 그에 따른 차이값을 제어기(20)에 인가하고, 이에 의해 상기 제어기(20)는 상기 제1 비교기(10)에서 출력되는 차이값에 따라 압축기(L.comp)의 운전주파수를 가변한다.

보다 상세하게, 도5를 참조하여 본 발명을 설명하면, 우선 일정 주기 간격으로, 압축기(L.comp)에 인가되는 전류와 스트로크를 검출한다(SP1,SP2).

그 다음, 상기에서 검출되는 전류와 스트로크를 소정 연산처리하여 가스 스프링 상수를 연산한다(SP3).

그 다음, 상기 가스스프링 상수를 이용하여, 기계적 공진 주파수를 연산한다(SP4).

그 다음, 현재 운전주파수와 상기 기계적 공진주파수의 오차를, '0±δ'와 비교하고(SP5,SP7), 그 비교결과에 근거하여 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후(SP6,SP8), 그 운전주파수 지령치로 압축기(L.comp)를 구동한다.

이때, 현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0±δ이내의 값이면, 주파수 가변없이 현재 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하고, 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0+δ'보다 크면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 감소시켜 그 감소된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하며, 상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0-δ'보다 작으면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 그 증가된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생한다.

즉, 본 발명은 부하 가변시마다 운전주파수를 기계적 공진주파수에 일치시키기 위하여, 스트로크와 전류로 가스 스프링 상수를 연산한후, 그 가스 스프링 상수를 이용하여 기계적인 공진주파수를 직접 연산하고, 그 기계적인 공진주파수와 운전주파수를 일치시키도록 주파수 가변제어를 실행하는 것이다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 부하 가변시마다 운전주파수를 기계적 공진주파수에 일치시키기 위하여, 스트로크와 전류로 가스 스프링 상수를 연산한후, 그 가스 스프링 상수를 이용하여 기계적인 공진주파수를 직접 연산하고, 그 기계적인 공진주파수와 운전주파수를 일치시키도록 주파수 가변제어를 실행함으로써, 압축기의 운전효율을 향상시키는 효과가 있다.

도1은 종래 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도2는 종래 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 동작 흐름도.

도3은 도1에 있어서,기계적 공진주파수와 압축기 효율과의 관계를 보인도.

도4는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도5는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 동작흐름도.

도6은 도4에 있어서, 현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차와 압축기 효율과의 관계를 보인도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

10,70:비교기 20:제어기

30:스트로크 검출부 40:전류검출부

50:공진 주파수 연산부 60:운전주파수 지령치 발생부

Claims (16)

1. 왕복동식 압축기에 있어서,

   압축기에 인가되는 전류를 검출하는 전류검출부와;

   압축기의 스트로크를 검출하는 스트로크 검출부와;

   상기 전류검출부에서 출력되는 전류와 상기 스트로크검출부에서 출력되는 스트로크를 입력받아 소정 연산하여 기계적 공진주파수를 연산하는 공진주파수 연산부와;

   상기 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 운전주파수 지령치를 발생하는 운전주파수 지령치 발생부와;

   상기 운전주파수 지령치와 현재 운전주파수를 비교하여 그에 따라 왕복동식 압축기의 운전주파수를 가변제어하는 제어기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
2. 제1 항에 있어서, 제어기는

   상기 스트로크검출부에서 출력되는 스트로크와 스트로크 지령치를 비교하여 그에 따라 압축기에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
3. 제1 항에 있어서, 제어기는,

   현재 TDC와 TDC지령치를 비교하여 그에 따라 압축기에 인가되는 전압을 가변하여 TDC를 제어하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
4. 제1 항에 있어서, 공진주파수 연산부는, 스트로크와 전류를 소정 연산처리하여 가스 스프링상수를 연산한 다음, 그 가스 스프링상수를 소정 연산처리하여 공진주파수를 연산하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
5. 제4 항에 있어서, 가스스프링 상수는, 하기의 수학식에 의해 연산하는 것으 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.

   [수학식]

   여기서, I(jw)는 전류의 크기, X(jw)는 스트로크 크기, θ는 전류와 스트로크의 위상차, α는 모터상수, k는 스프링상수
6. 제4 항에 있어서, 기계적 공진주파수는, 하기의 수학식에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.

   [수학식]

   여기서,
7. 제1 항에 있어서, 운전주파수 지령치 발생부는,

   운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0±δ이내의 값이면, 주파수 가변없이 현재 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
8. 제1 항에 있어서, 운전주파수 지령치 발생부는,

   운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0+δ'보다 크면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 감소시켜 그 감소된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
9. 제1 항에 있어서, 운전주파수 지령치발생부는,

   운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가 , '0-δ'보다 작으면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 그 증가된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
10. 제7 항내지 제9 항중 어느 한항에 있어서, δ는 실험에 의해, 허용 가능한 주파수 오차 한계값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
11. 일정 주기 간격으로, 압축기에 인가되는 전류와 스트로크를 검출하는 과정과;

    상기에서 검출되는 전류와 스트로크를 소정 연산처리하여 가스 스프링 상수를 연산하는 과정과;

    상기 가스스프링 상수를 이용하여, 기계적 공진 주파수를 연산하는 과정과;

    현재 운전주파수와 상기 기계적 공진주파수의 오차를, '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후, 그 운전주파수 지령치로 압축기를 구동하는 과정으로 수행함을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
12. 제11 항에 있어서, 가스스프링 상수는, 하기의 수학식에 의해 연산하는 것으 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.

    [수학식]

    여기서, I(jw)는 전류의 크기, X(jw)는 스트로크 크기, θ는 전류와 스트로크의 위상차, α는 모터상수, k는 스프링상수
13. 제 11항에 있어서, 기계적 공진주파수는, 하기의 수학식에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법..

    [수학식]

    여기서,
14. 제 11항에 있어서, 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후, 그 운전주파수 지령치로 압축기를 구동하는 과정은,

    현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0±δ"이내의 값이면, 주파수 가변없이 현재 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
15. 제 11항에 있어서, 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후, 그 운전주파수 지령치로 압축기를 구동하는 과정은,

    현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0+δ'보다 크면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 감소시켜 그 감소된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
16. 제 11항에 있어서, 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생한후, 그 운전주파수 지령치로 압축기를 구동하는 과정은,

    현재 운전주파수와 기계적 공진주파수의 오차가, '0-δ'보다 작으면 현재 운전주파수를 소정 레벨 만큼 증가시켜 그 증가된 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.