KR100556763B1 - 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법에 관한 것으로, 역기전력으로 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치 검출센서를 이용하여 TDC를 추정함으로써, 모터 파라미터의 편차 및 비선형성으로 인한 스트로크 추정 편차를 제거하여, 압축기의 운전효율을 향상시키도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 TDC지령치가 기설정된 왕복동식 압축기에 있어서, 압축기의 부하를 검출하는 부하검출부와; 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치검출센서와; 상기 피스톤의 위치 검출센서에 의해, 피스톤이 특정 구간을 통과하는 시간을 검출하는 특정구간 통과시간 검출부와; 상기 특정구간 통과시간 검출부에서 출력되는 시간과 상기 부하검출부에서 출력되는 부하에 따라 TDC를 추정하는 TDC추정부와; 상기 TDC추정부에서 출력되는 TD추정치C와 TDC지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 출력하는 비교기와; 상기 비교기에서 출력되는 차이신호에 따라, 압축기에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어하는 제어기를 포함하여 구성한다.

Description

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

도1은 종래 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도2는 종래 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 동작 흐름도.

도3은 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도4는 도3에 있어서, 피스톤 위치 검출센서의 구성을 보인 개략도.

도5는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법에대한 동작흐름도.

도6은,도3에 있어서, 피스톤이 특정 구간을 통과하는 시간을 검출하는 모습을 보인도.

도7은 도3에 있어서, 특정구간 통과시간과 TDC와의 관계를 보인도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

100:부하검출부 200:피스톤 위치 검출센서

300:특정구간 통과시간 검출부교기 400:TDC추정부

500:비교기 600:제어기

본 발명은 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 역기전력으로 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치 검출센서를 이용하여 TDC를 추정함으로써, 모터 파라미터의 편차 및 비선형성으로 인한 스트로크 추정 편차를 제거하여, 압축기의 운전효율을 향상시키도록 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 지령치 를 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.

상술한 왕복동식 압축기는, 모터 파라미터(α),저항(R),리액턴스(L)을 이용하여 스트로크를 추정하고, 그 스트로크 추정치를 이용하여 스트로크 제어를 수행한다.

이때, 상기 모터 파라미터(α)의 편차 및 비선형성으로 인하여 추정된 스트로크에 오차가 발생하게 되고, 이로 인해 압축기의 운전효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 역기전력으로 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치 검출센서를 이용하여 TDC를 추정함으로써, 모터 파라미터의 편차 및 비선형성으로 인한 스트로크 추정 편차를 제거하여, 압축기의 운전효율을 향상시키도록 한 왕복동식 압축기의 운전제어장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, TDC지령치가 기설정된 왕복동식 압축기에 있어서, 압축기의 부하를 검출하는 부하검출부와; 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치검출센서와; 상기 피스톤의 위치 검출센서에 의해, 피스톤이 특정 구간을 통과하는 시간을 검출하는 특정구간 통과시간 검출부와; 상기 특정구간 통과시간 검출부에서 출력되는 시간과 상기 부하검출부에서 출력되는 부하에 따라 TDC를 추정하는 TDC추정부와; 상기 TDC추정부에서 출력되는 TD추정치C와 TDC지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 출력하는 비교기와; 상기 비교기에서 출력되는 차이신호에 따라, 압축기에 인가되는 전압을 가변하여 TDC를 제어하는 제어기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,TDC지령치가 기설정된 왕복동식 압축기에 있어서, 역기전력을 검출하여 피스톤의 위치를 검출하는 과정과; 상기 피스톤이 특정구간을 통과하는 시간을 검출하는 과정과; 압축기의 부하를 검출하고, 그 부하에 따른 가중치를 실험에 의해 계산하여 TDC를 추정하는 과정과; 상기 TDC추정치를 TDC지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 압축기에 인가되는 전압을 증감하는 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

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

도3은 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어장치에 대한 실시예의 구성을 보인 블록도이다.

도3에 도시한 바와같이, 본 발명은 압축기(L.comp)의 부하를 검출하는 부하검출부(100)와; 역기전력에 의해 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치검출센서 (200)와; 상기 피스톤의 위치 검출센서(200)에 의해, 피스톤이 특정 구간을 통과하는 시간(Δt)을 검출하는 특정구간 통과시간 검출부(300)와; 상기 특정구간 통과시 간 검출부(300)에서 출력되는 시간(Δt)과 상기 부하검출부(100)에서 출력되는 부하에 따라 TDC를 추정하는 TDC추정부(400)와; 상기 TDC추정부(400)에서 출력되는 TD추정치와 TDC지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 출력하는 비교기(500)와; 상기 비교기(500)에서 출력되는 차이신호에 따라, 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 가변하여 TDC를 제어하는 제어기(600)로 구성한다.

상기 피스톤 위치 검출센서(200)는, 도4에 도시한 바와같이, 상/하 운동되는 피스톤에 연결되도록 동일방향으로 배치되는 자석을 일정간격을 두고 설치하고, 그 자석의 둘레에 코일권선용관을 설치하며, 그 코일권선용관의 외주면에 자석의 움직임에 따른 역기전력을 검출하기 위하여, 상단코일과 그 상단코일과 역방향으로 권취된 하단코일로 이루어진 역기전력코일을 설치하여 구성한다.

도5는 본 발명 왕복동식 압축기의 운전제어방법에 대한 동작흐름도이다.

도5에 도시한 바와같이, 본 발명은 역기전력을 검출하여 피스톤의 위치를 검출하는 과정(SP1)과; 상기 피스톤이 특정구간을 통과하는 시간(Δt)을 검출하는 과정 (SP2)과; 압축기(L.comp)의 부하를 검출하고, 그 부하에 따른 가중치를 실험에 의해 계산하여 TDC를 추정하는 과정(SP3,SP4)과; 상기 TDC추정치를 TDC지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 증감하는 과정(SP5~SP7)으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

본 발명에서 TDC는 피스톤이 토출밸브측 상사점에 위치하는 지점을 기준으로 피스톤이 하사점에 위치하는 지점까지의 거리로 정의한다.

먼저, 부하검출부(100)는, 압축기(L.comp)의 부하를 검출하는데, 스트로크와 전류의 위상차의 절대치를 이용하여 부하를 검출하거나, 흡입구 및 토출구의 온도를 이용하여 부하를 검출하거나, 또는 외기온도를 이용하여 부하를 검출한다.

한편, 피스톤 위치 검출센서(200)는, 역기전력으로 피스톤의 위치를 검출하는데, 자석이 상단코일 쪽에 위치하면 '+'전압 또는 '-'전압이 유기되고, 자석이 하단코일쪽에 위치하면 코일양단에 '-'전압 또는 '+'전압이 유기된다.

이때, 특정구간 통과시간 검출부(300)는, 상기 피스톤의 위치 검출센서(200)에 의해, 피스톤이 특정 구간을 통과하는 시간(Δt)을 검출하여 TDC추정부(400)에 인가한다.

예를 들어, 도6과 같이, 기준이 되는 TDC 위치에서 하사점까지의 거리를 피스톤이 통과하는 시간을 특정 구간 통과시간(Δt)으로 검출한다.

이때, 실험을 통하여 부하에 따라, 특정 구간 통과시간(Δt)에 대한 TDC값을 검출할 수 있는데, 즉 부하가 일정하게 되면 특정 구간 통과시간(Δt)과 TDC값이 일대일 대응이 되지만, 부하가 변하게 되면 동일한 특정 구간 통과시간(Δt)을 가지더라도 TDC값은 달라진다.

이에 따라, TDC추정부(400)는 상기 특정구간 통과시간 검출부(300)에서 출력되는 시간(Δt)과 상기 부하검출부(100)에서 출력되는 부하에 따라 TDC를 추정하는데, 하기의 수학식에 의해 TDC를 추정한다.

[수학식]

TDC추정치=(Δt-x)×가중치+y

여기서,Δt는 현재 피스톤의 특정구간 통과시간, x는 기준이 되는 피스톤의 특정구간 통과시간, y는 기준이 되는 피스톤의 TDC 위치

이때, 상기 수학식의 가중치는 부하에 따라 가변되는데, 도7과 같이 부하가 작을수록 증가하고, 부하가 클수록 감소한다.

이후, 비교기(500)는, 상기 TDC추정부(400)에서 출력되는 TD추정치와 TDC지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 제어기(600)에 인가하고, 이에 의해 상기 제어기(600)는 상기 비교기(500)에서 출력되는 차이신호에 따라, 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어한다.

즉, 상기 제어기(600)는 상기 TDC추정치가 TDC지령치 보다 크면 압축기 (L.comp)에 인가되는 전압을 증가시키고, 상기 TDC추정치가 TDC지령치 보다 작으면 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 감소시킨다.

보다 상세하게, 도5를 참조하여 설명하면, 우선 역기전력을 검출하여 피스톤의 위치를 검출하고(SP1), 상기 피스톤이 특정구간을 통과하는 시간(Δt)을 검출한다(SP2).

그 다음, 압축기(L.comp)의 부하를 검출하는데(SP3), 스트로크와 전류의 위상차의 절대치를 이용하여 부하를 검출하거나, 흡입구 및 토출구의 온도를 이용하여 부하를 검출하거나, 외기온도를 이용하여 부하를 검출한다.
이때, 상기 전류와 스트로크의 위상차에 대한 절대치를 이용하여 부하를 검출하는 근거를 살펴보면, 우선, 왕복동식 압축기의 기계방정식은 하기 수학식1과 같다.
[수학식1]

상기 수학식1을 라플라스 트랜스폼(Laplace Transform)을 취하면 하기의 수학식2와 같다.
[수학식2]

상기 수학식2에 S=jw를 대입하면, 하기의 수학식3과 같다.
[수학식3]

상기 수학식3에 'tanθ'를 취하면 하기의 수학식4와 같다.
[수학식4]

상기 수학식4를 위상차에 대하여 다시 정리하면 하기의 수학식5와 같다.
[수학식5]

여기서,

상기 수학식5에서 변수는 c,kg뿐이며 부하에 따라 변화하게 되는데, 이때 'c' 보다는 'kg'의 변화가 크므로, 상기 c의 변화를 무시하고 kg(가스 스프링상수)의 함수로 보면 된다.
이때, kg(가스 스프링상수)가 증가하면 부하가 증가하는데, 즉 왕복동식 압축기의 토출압과 흡입압의 차이가 상기 kg와 비례하고, 부하가 증가하면 흡입압이 일정한 상태에서 토출압이 증가하므로, kg(가스 스프링상수)가 증가하면 부하가 증가하게 된다.
이에 따라, 스트로크와 전류의 위상차의 절대치를 이용하여 부하의 크기를 검출할 수 있게 된다.

그 다음, 상기 부하에 따른 가중치를 실험에 의해 계산하여 TDC를 추정한다 (SP4).

그 다음, 상기 TDC추정치를 TDC지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 증감하는데, 즉 상기 TDC추정치가 TDC지령치 보 다 크면 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 증가시키고, 상기 TDC추정치가 TDC지령치 보다 작으면 압축기(L.comp)에 인가되는 전압을 감소시킨다.

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, 역기전력으로 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치 검출센서를 이용하여 TDC를 추정함으로써, 모터 파라미터의 편차 및 비선형성으로 인한 스트로크 추정 편차를 제거하여, 압축기의 운전효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (15)

1. TDC지령치가 기설정된 왕복동식 압축기에 있어서,

   압축기의 부하를 검출하는 부하검출부와;

   피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치검출센서와;

   상기 피스톤의 위치 검출센서에 의해, 피스톤이 특정 구간을 통과하는 시간을 검출하는 특정구간 통과시간 검출부와;

   상기 특정구간 통과시간 검출부에서 검출된 시간과 상기 부하검출부에서 검출된 부하에 따라 TDC를 추정하는 TDC추정부와;

   상기 TDC추정부에서 출력되는 TDC추정치와 TDC지령치를 비교하여 그에 따른 차이신호를 출력하는 비교기와;

   상기 비교기에서 출력되는 차이신호에 따라, 압축기에 인가되는 전압을 가변하여 TDC를 제어하는 제어기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
2. 제1 항에 있어서, 부하검출부는,

   스트로크와 전류의 위상차의 절대치를 이용하여 부하를 검출하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
3. 제1 항에 있어서, 부하검출부는,

   흡입구 및 토출구의 온도를 이용하여 부하를 검출하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
4. 제1 항에 있어서, 부하검출부는,

   외기온도를 이용하여 부하를 검출하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
5. 제1 항에 있어서, 피스톤 위치 검출센서는,

   상/하 운동되는 피스톤에 연결되도록 동일방향으로 배치되는 자석을 일정간격을 두고 설치하고,

   그 자석의 둘레에 코일권선용관을 설치하며, 그 코일권선용관의 외주면에 자석의 움직임에 따른 역기전력을 검출하기 위하여, 상단코일과 그 상단코일과 역방향으로 권취된 하단코일로 이루어진 역기전력코일을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
6. 제 5항에 있어서, 역기전력코일은,

   자석이 상단코일 쪽에 위치하면 '+'전압 또는 '-'전압이 유기되고, 자석이 하단코일쪽에 위치하면 코일양단에 '-'전압 또는 '+'전압이 유기되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
7. 제 5항에 있어서, 피스톤 위치 검출센서는,

   피스톤의 하단부와 자석의 하단부는 연결부재로 연결되어, 동일방향으로 운동하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
8. 제 5항에 있어서, 상단코일은,

   자석이 상단코일과 하단코일 사이의 정중앙에 위치하면 역기전력이 '0'이 되도록 하단코일과 대칭되게 설계되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
9. 제1 항에 있어서,특정구간 통과시간 검출부는,

   피스톤이 특정위치(TDC)에서 하사점까지의 통과시간을 검출하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
10. 제1 항에 있어서, TDC추정부는, 하기의 수학식에 의해 TDC를 추정하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.

    [수학식]

    TDC추정치=(Δt-x)×가중치+y

    여기서,Δt는 현재 피스톤의 특정구간 통과시간, x는 기준이 되는 피스톤의 특정구간 통과시간, y는 기준이 되는 피스톤의 TDC 위치,
11. 제 10항에 있어서, 가중치는,

    부하에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
12. 제 10항에 있어서, 가중치는,

    부하가 작을수록 증가하고, 부하가 클수록 감소하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어장치.
13. TDC지령치가 기설정된 왕복동식 압축기에 있어서,

    역기전력을 검출하여 피스톤의 위치를 검출하는 과정과;

    상기 피스톤이 특정구간을 통과하는 시간을 검출하는 과정과;

    압축기의 부하를 검출하고, 그 부하에 따른 가중치를 실험에 의해 계산하여 TDC를 추정하는 과정과;

    상기 TDC추정치를 TDC지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 압축기에 인가되는 전압을 증감하는 과정으로 수행함을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 TDC추정치를 TDC지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 압축기에 인가되는 전압을 증감하는 과정은,

    상기 TDC추정치가 TDC지령치 보다 크면 압축기에 인가되는 전압을 증가시키는 단계와;

    상기 TDC추정치가 TDC지령치 보다 작으면 압축기에 인가되는 전압을 감소시 키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.
15. 제 13항에 있어서, 압축기의 부하를 검출하고, 그 부하에 따른 가중치를 실험에 의해 계산하여 TDC를 추정하는 과정은,

    하기의 수학식에 의해, TDC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 운전제어방법.

    [수학식]

    TDC추정치=(Δt-x)×가중치+y

    여기서,Δt는 현재 피스톤의 특정구간 통과시간, x는 기준이 되는 피스톤의 특정구간 통과시간, y는 기준이 되는 피스톤의 TDC 위치,

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