KR100620050B1 - 왕복동식 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 왕복동식 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 스위치 소자를 2개만 사용하여 작은 부하의 제어에 적합한 왕복동식 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기의 제어 장치를 제공하는 데 있다.
있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 직류 전원을 공급하는 전원 유닛과, 상기 전원 유닛과는 병렬로 연결되고 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛과, 상기 전원 유닛 및 스위치 유닛과는 병렬로 연결되며 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서와, 상기 각 스위치 유닛 및 각 콘덴서의 중간에 연결된 왕복동식 모터와, 상기 각 스위치 유닛을 번갈아 점멸(漸滅, ON/OFF)시키는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.
왕복동식 모터, 제어 장치, 인버터, 왕복동식 압축기

Description

왕복동식 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기의 제어 장치 {CONTROL APPARATUS FOR RECIPROCATING MOTOR AND COMPRESSOR HAVING THE SAME}
도 1은 종래의 인버터의 구조를 도시한 회로도,
도 2a, 2b, 2c는 종래의 인버터에 의한 부하에 걸리는 전압을 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 왕복동식 모터의 제어 장치를 도시한 블록도,
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 모터에 걸리는 전압을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 왕복동식 압축기에 사용되어 변화하는 전원의 종류를 도시한 블록도이다.
*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****
100: 전원 유닛 200: 제 1스위치 유닛
300: 제 2스위치 유닛 400: 제 1콘덴서
500: 제 2콘덴서 600: 왕복동식 모터
700: 제어 유닛
일반적으로 모터는 압축기, 세탁기, 선풍기와 같은 대부분의 전기전자제품에 핵심 구동원으로 사용되고 있으며 산업 일반에서 널리 이용되고 있다. 모터는 전기 에너지를 공급받아 운동 에너지로 변환시키는 역할을 한다. 이와 같은 모터는 그 종류가 다양하나, 크게 전기에너지가 회전 운동력으로 변환되는 회전 모터와, 전기에너지가 직선 운동력으로 변환되는 왕복동식 모터 등으로 분류할 수 있다.
일반적으로 직선 운동이 요구되는 상황에서는 별도의 장치가 필요없이 직선 운동을 구현할 수 있는 왕복동식 모터가 더 적합하다고 할 수 있다.
직선 운동이 필요한 경우로써 왕복동식 압축기를 예로 들 수 있다. 압축기 중 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)는 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다.
상기 왕복동식 압축기는 구동력을 발생하는 전동 유니트와, 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축 유니트로 구성되는데, 상기 전동 유니트는 전술한 대로 왕복동식 모터를 많이 사용한다.
물론 회전 모터에 크랭크 샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 상기 크랭크 샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전력을 직선 왕복운동으로 전환하는 방식을 사용할 수도 있으나, 직선 운동하는 직접 왕복동식 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복 운동시키는 방식이 더 효율적이라고 할 수 있다. 즉, 직선 운동이 필요할 경우에는 왕복동식 모터는 별도의 기계적인 변환 장치가 필요치 않고, 구조가 복잡하지 않으며, 에너지 변환으로 인한 손실을 줄일 수 있고 마찰 및 마모가 발생하는 연결 부위가 없어서 소음을 크게 줄일 수 있는 특징 을 가지고 있다.
하지만 왕복동식 압축기의 경우에는 피스톤이 실린더 안에서 기구적으로 구속되어 있지 않은 상태에서 왕복 운동을 하게 되기 때문에 갑자기 전압이 과도하게 결려서 피스톤이 실린더 벽에 부딪치거나, 부하가 커서 피스톤이 전진하지 못하여 압축이 제대로 이루어 지지 않는 경우 등이 생긴다. 따라서, 부하의 변동이나 전압 변동에 대해서 피스톤의 거동을 제어하기 위해서는 피스톤의 제어가 필수적이라고 할 수 있다. 피스톤의 거동 제어를 위해 사용되는 것으로 모터의 위치 제어를 위해서 인버터(invertor)를 사용할 수 있다.
인버터는 일반적으로 상용 전원(교류 50Hz 또는 60Hz)을 이용하여 모터를 가변속하기 위해 임의 주파수의 교류 전원을 만들기 위해서 사용된다. 인버터를 사용하는 장점은 여러가지가 있지만, 그 중 상용 전원을 이용하여 모터의 가변속이 용이하고 에너지가 절약된다는 장점이 있다.
이와 같은 종래의 인버터의 구조를 도 1 및 2a, 2b, 2c를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 인버터의 구조를 도시한 회로도이다.
이에 도시된 바와 같이 제 1 트랜지스터(Tr1)와 제 2 트랜지스터(Tr2)가 직렬로, 제 3 트랜지스터(Tr3)와 제 4 트랜지스터(Tr4)가 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 부하가 존재하게 된다. 그리고 전류용(轉流用) 트랜지스터(C), 제 1 및 2 트랜지스터(Tr1, Tr2), 제 3 및 4 트랜지스터(Tr3, Tr4)는 각각 병렬로 연결되어 있다.
종래의 인버터의 동작을 도 2a, 2b, 2c를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2a, 2b, 2c는 종래의 인버터에 의한 부하에 걸리는 전압을 도시한 그래프이다. 본 그래프의 x축은 각속도(w)와 시간(t)의 곱이며, y축은 부하에 걸리는 전압(v)이다.
각각의 트랜지스터는 스위치 역할을 하며, 이 스위치들의 조합에 의해서 DC입력을 AC출력으로 만들게 된다. 전원에서 계속 전류를 흘리기 위해서는 두 스위치는 항상 도통(導通)되어야 한다. 즉 먼저 처음 반주기(60Hz의 경우 8.6ms)동안 제 1트랜지스터(Tr1)와 제 4트랜지스터(Tr4)가 켜지고(ON), 제 2트랜지스터(Tr2)와 제 3트랜지스터(Tr3)가 꺼지면(OFF) 도2a와 같은 출력 파형이 나온다. 다음 반주기 동안에는 제 2트랜지스터(Tr2)와 제 3트랜지스터(Tr3)가 켜지고(ON), 제 1트랜지스터(Tr1)와 제 4트랜지스터(Tr4)는 꺼지면(OFF) 도2b와 같은 출력 파형이 나온다. 이 출력 파형을 합치면 최종 출력 파형이 나오는데, 이를 도2c에 도시하였다. 이 파형이 AC 정현 파형과 비슷하여 AC전압의 효과를 가지게 되는 것이다.
그러나, 이와 같은 종래의 인버터는 스위치 소자로서 트랜지스터를 4개나 사용하기 때문에 저가형 모델에는 적합하지가 않은 문제점이 있다. 즉 종래의 인버터는 큰 부하가 있는 경우에는 적합하지만, 작은 부하가 존재하는 경우나 비용 절감을 위해 스위치 소자의 개수를 줄일 필요가 있을 경우에 부적합한 문제점이 있다. 특히, 왕복동식 모터나 이를 구비한 왕복동식 압축기에 있어서 작은 부하가 존재할 경우에 적용하기 부적합한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스위치 소자를 2개만 사용하여 작은 부하의 제어에 적합한 왕복동식 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기의 제어 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 왕복동식 모터의 제어 장치는 직류 전원을 공급하는 전원 유닛과, 상기 전원 유닛과는 병렬로 연결되고 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛과, 상기 전원 유닛 및 스위치 유닛과는 병렬로 연결되며 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서와, 상기 각 스위치 유닛 및 각 콘덴서의 중간에 연결된 왕복동식 모터와, 상기 각 스위치 유닛을 번갈아 점멸(漸滅, ON/OFF)시키는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 왕복동식 압축기의 제어 장치는 상용 교류 전원을 공급하는 전원 유닛과, 상기 전원 유닛에 연결되어 교류를 직류로 전환하는 정류(rectifier) 장치와, 상기 정류 장치와는 병렬로 연결되고 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛과, 상기 전원 유닛 및 스위치 유닛과는 병렬로 연결되며 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서와, 상기 각 스위치 유닛 및 각 콘덴서의 중간에 연결된 왕복동식 모터와, 상기 각 스위치 유닛을 번갈아 점멸시키는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 운전 제어 장치 및 방법의 실시 예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예들에 대하여 설명한다.
도 3는 본 발명의 왕복동식 모터의 제어 장치를 도시한 블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 왕복동식 모터의 제어 장치는 직류 전원 을 공급하는 전원 유닛(100)과, 상기 전원 유닛(100)과는 병렬로 연결되고 각각은 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛(200, 300)과, 상기 전원 유닛(100) 및 스위치 유닛(200, 300)과는 병렬로 연결되며 각각은 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서(400, 500)와, 상기 각 스위치 유닛(200, 300) 및 각 콘덴서(400, 500)의 중간에 연결된 왕복동식 모터(600)와, 상기 각 스위치 유닛(200, 300)을 번갈아 점멸(漸滅, ON/OFF)시키는 제어 유닛(700)을 포함하여 구성된다.
상기 전원 유닛(100)은 상용 전원에 연결되어 사용할 수 있다. 즉, 가정이나 공장에서 일반적으로 사용하는 220V 교류 전원을 직류로 정류하여 이용할 수 있다. 따라서, 상기 전원 유닛(100)에서 출력되는 전원은 시간에 따라 일정하다.
상기 각 스위치 유닛(200, 300)은 기계적 스위치일 수 있다. 또는 릴레이를 사용하는 것도 가능하다.
상기 각 스위치 유닛(200, 300)은 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 콘덴서(400, 500)는 전류용(轉流用)으로 이용된다. 상기 제 1,2 콘덴서(400, 500)의 각 전기 용량은 동일한 것이 바람직하다.
상기 왕복동식 모터(600)는 전기에너지를 직선 운동력으로 변환시키며 그 용도는 종래의 기술에서 전술한 대로 다양하다.
상기 제어 유닛(700)은 처음 반주기(60Hz의 경우 8.6ms)동안 제 1스위치 유닛(200)을 켜고(ON) 제 2스위치 유닛(300)은 끄며(OFF), 다음 반주기동안 제 2스위치 유닛(300)을 켜고(0N) 제 1스위치 유닛(200)을 끄는(0FF) 것이 바람직하다.
상기 제어 유닛(700)은 마이크로 컴퓨터를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 작용을 도 4a, 4b, 4c를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 모터에 걸리는 전압을 도시한 그래프이다. 본 그래프의 x축은 각속도(w)와 시간(t)의 곱이며, y축은 부하에 걸리는 전압(v)이다.
각각의 스위치 유닛(200, 300)은 스위치 역할을 하며, 이 스위치들의 점멸에 의해서 DC입력을 AC출력으로 만들게 된다. 먼저 처음 반주기(60Hz의 경우 8.6ms)동안 제 1스위치 유닛(100)을 켜고(ON) 제 2스위치 유닛(200)은 꺼서(OFF) 제 2콘덴서(500)쪽으로 전류가 흐르게 한다. 그러면 도 4a와 같은 출력 파형이 나온다. 이 때, 인가 전압의 1/2인 전압만이 걸리게 된다. 다음 반주기 동안 제 2스위치 유닛을 켜고(ON) 제 1스위치 유닛(100)은 꺼서(OFF) 제 1콘덴서(400)쪽으로 전류가 흐르게 한다. 그러면 도4b와 같은 출력 파형이 나온다.이 때도 인가 전압의 1/2만큼의 전압만이 걸리게 된다. 이들 출력 파형을 합치면 최종 출력 파형이 나오는데, 이를 도4c에 도시하였다. 이 파형이 AC 정현 파형과 비슷하여 AC전압의 효과를 가지게 되는 것이다.
이것은 인가 전압의 1/2만 쓰기 때문에 소형 부하에 적용하는 것이 효과적이며 스위치 유닛이 2개로만 이루어지므로 저가형 모델에 적합한 시스템이다.
본 왕복동식 모터의 제어 장치는 왕복동식 압축기에 적용될 수 있는바, 이하 본 발명의 왕복동식 압축기의 제어 장치를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 왕복동식 압축기의 제어 장치는 상용 교류 전원을 공급하는 전원 유닛과, 상기 전원 유닛에 연결되어 교류를 직류로 전환하는 정류(rectifier) 장치와, 상기 정류 장치와는 병렬로 연결되고 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛과, 상기 전원 유닛 및 스위치 유닛과는 병렬로 연결되며 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서와, 상기 각 스위치 유닛 및 각 콘덴서의 중간에 연결된 왕복동식 모터와, 상기 각 스위치 유닛을 번갈아 점멸시키는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.
상기 전원 유닛은 가정이나 공장에서 일반적으로 사용하는 220V 교류전원일 수 있다. 따라서, 전압은 시간에 따라 계속해서 변동하게 된다.
상기 정류 장치는 한쪽 방향으로만 전류를 흘리는 정류기를 사용해서 구성한 정류 회로(rectifier circuit)로 구성하는 것이 바람직하다. 단상반파(單相半波) 정류회로나 일반적으로 단상브리지회로, 3상브리지회로가 사용될 수 있다.
상기 스위치 유닛, 콘덴서 및 제어 유닛은 전술하였으므로 생략한다.
이하, 본 왕복동식 압축기의 제어 장치의 작동을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 왕복동식 압축기에 사용되어 변화하는 전원의 종류를 도시한 블록도이다. 우선 가정이나 공장에서 일반적으로 사용하는 상용 전원이 공급된다. 상기 상용 전원은 교류 전원이며, 교류 전원은 정류 장치에 의해 직류 전원으로 변환된다. 이는 왕복동식 모터의 제어 장치에 의해 다시 교류 전원으로 변환되면서 모터의 위치 제어를 수행하게 된다. 즉, 상기 왕복동식 모터에 연결된 피스톤의 거동을 제어하기 위해 사용되는 것이다.
전술한대로, 인가 전압의 1/2만 쓰기 때문에 소형 부하가 작용하는 왕복동식 압축기에 적용하는데 있어서 효과적이며 스위치 유닛이 2개로만 이루어지므로 저가형 모델에 적합한 시스템이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 스위치 유닛을 2개만 사용하여 작은 부하의 제어에 적합한 제어 장치를 제공하는 효과가 있다. 즉, 작은 부하가 존재하는 경우나 비용 절감을 위해 스위치 유닛의 개수를 줄이면서도 제어 성능이 떨어지지 않는 효과가 있다.
특히, 왕복동식 모터나 이를 구비한 왕복동식 압축기에 있어서, 인가 전압의 1/2만 쓰기 때문에 소형 부하가 작용하는 왕복동식 압축기에 적용하는데 있어서 효과적이며 스위치 유닛이 2개로만 이루어지므로 저가형 모델에 보다 적합한 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 직류 전원을 공급하는 전원 유닛과,
    상기 전원 유닛과는 병렬로 연결되고, 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛과,
    상기 전원 유닛 및 스위치 유닛과는 병렬로 연결되고, 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서와,
    상기 각 스위치 유닛 및 각 콘덴서의 중간에 연결된 왕복동식 모터와,
    상기 각 스위치 유닛을 번갈아 점멸(漸滅, ON/OFF)시키는 제어 유닛을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 왕복동식 모터의 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어 유닛은 처음 반주기 동안 제 1스위치 유닛을 켜고(ON) 제 2스위치 유닛은 끄며(OFF), 다음 반주기 동안 제 2스위치 유닛을 켜고(0N) 제 1스위치 유닛을 끄는(0FF) 것을 특징으로 하는 왕복동식 모터의 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 2 스위치 유닛은 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 왕복동식 모터의 제어 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 2 콘덴서는 각 전기 용량이 동일한 것을 특 징으로 하는 왕복동식 모터의 제어 장치.
  5. 상용 교류 전원을 공급하는 전원 유닛과,
    상기 전원 유닛에 연결되어 교류를 직류로 전환하는 정류(rectifier) 장치와,
    상기 정류 장치와는 병렬로 연결되고, 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 스위치 유닛과,
    상기 전원 유닛 및 스위치 유닛과는 병렬로 연결되고, 각각은 서로 직렬로 연결된 제 1 및 2 콘덴서와,
    상기 각 스위치 유닛 및 각 콘덴서의 중간에 연결된 왕복동식 모터와,
    상기 각 스위치 유닛을 번갈아 점멸시키는 제어 유닛을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 제어 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어 유닛은 처음 반주기 동안 제 1스위치 유닛을 켜고(ON) 제 2스위치 유닛은 끄며(OFF), 다음 반주기 동안 제 2스위치 유닛을 켜고(0N) 제 1스위치 유닛을 끄는(0FF) 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 제어 장치.
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JPH10243677A (ja) 1997-02-25 1998-09-11 Matsushita Electric Works Ltd リニアモータの制御駆動回路
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