KR101162954B1

KR101162954B1 - 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101162954B1
Application number: KR1020100136898A
Authority: KR
Inventors: 유세현; 정인성; 최준혁; 구본관; 김진홍
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-06

Abstract

본 발명은 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법 및 장치에 관한 것으로, 진동의 주요 주파수의 대역 패턴을 속도 리플의 절대양에 따라서 실시간으로 조정하여 저속 압축기 제어 시 발생하는 진동분을 운전영역, 환경조건에 상관없이 저감하고, 그에 따른 압축기의 전체 효율을 개선하기 위한 것이다. 이러한 본 발명은 압축기의 속도 리플을 수집하는 단계, 상기 속도 리플을 차수별로 주파수 분석하고 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우 해당 속도 리플을 감소시키도록 토크를 조정하는 단계, 상기 조정된 토크에 따른 토크 명령을 생성하는 단계, 상기 압축기의 속도 제어를 위한 지령치에 상기 토크 명령을 더하여 상기 압축기의 모터 구동을 위한 인버터를 제어하는 단계를 포함하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법의 구성을 개시한다.

Description

속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법 및 장치{Oscillation Reductive Method of Compressor based on a Frequency analysis with Speed Ripple And Apparatus thereof}

본 발명은 압축기에 관한 것으로, 특히 압축기의 속도 리플을 주파수 분석한 후, 분석된 데이터들을 기반으로 특정 차수들의 속도 리플을 최소화하는 토크 명령을 생성함으로써 싱글 로터리 압축기의 압축과 토출에 의한 진동을 최소화할 수 있도록 지원하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법 및 장치에 관한 것이다.

가정용 인버터 에어컨에 사용되는 싱글 로터리 방식의 압축기는 가격은 저렴한 장점이 있지만, 한 회전 당 냉매를 1회 압축 및 토출하므로 이에 따른 부하변동이 커 진동이 심하다는 단점이 있다. 이러한 싱글 로터 방식 압축기는 고속운전 시에는 관성에 의해 진동이 작지만, 에어컨의 효율을 높이기 위해 압축기를 저속으로 운전할 경우 진동이 심해, 소음 증대와 배관 소손의 문제점이 발생 한다.

도 1은 일반적인 싱글 로터리 방식 및 트윈 로터리 방식의 압축기 한 회전 시 각 방식에 대한 기구부의 토크 패턴을 나타낸 것이다. 도면에서 좌측 그래프에 나타낸 싱글 로터리 방식 압축기는 냉매를 압축하는 기구부가 한쪽에만 구성 되어있기 때문에 냉매가 압축되어 토출되기 전까지는 기구부의 부하 토크가 크게 발생하며 토출되고 난 뒤에는 부하 토크가 급격하게 줄어든다. 이러한 부하 변동이 기계각 360도(압축기 1회전당)를 기준으로 주기적으로 반복되어 나타나며, 압축기의 진동, 소음의 근원이 된다. 한편 도면에서 우측 그래프에 나타낸 트윈 로터리 방식 압축기는 피스톤이 180도씩 대칭으로 구성되어 있으므로 싱글 로터리 방식 압축기에 비해 부하 변동폭이 작다. 그러나 이러한 트윈 로터리 방식 압축기라 하더라도 고속 회전 시에는 관성 때문에 진동 문제가 없지만 저속 영역으로 갈수록 기구부의 구조와 부하 토크 때문에 생긴 편심 운동이 심해져 심한 진동으로 나타나며 이 진동으로 인하여 소음이 심해지고 압축기와 연결 된 배관이 파손되는 현상이 발생 한다.

한편 종래 싱글 로터리 방식의 압축기는 발생하는 진동을 줄이기 위해서 관성에 의해서 진동이 적은 고속 운전이나, 저속 운전이 필요한 경우 압축기 별 부하 패턴을 미리 만들어 전향 제어 방식으로 모터의 토크를 조정하여 진동을 저감하는 방법을 이용하고 있다. 고온 고압의 압축기 특성상 내부에 위치를 검지할 있는 센서 삽입이 어렵고, 결과적으로 모터 속도를 정확히 알 수 없는 상태이기 때문에 보통 센서리스 제어방식을 사용한다. 그러나 종래 센서가 있는 방식에서는 속도를 미분하여 얻는 부하 토크 관측기(Load torque observer)를 사용하여 왔는데, 센서리스제어에서는 제어기와 부하 토크 관측기 사이에 간섭이 발생하는 문제점이 있어서 센서리스 제어를 방해하는 문제가 있다. 결과적으로 종래 센서가 있는 제어 방식에서 부하 토크 관측기를 센서리스제어가 있는 곳에 적용하는데 문제가 있게 되면서, 기존의 알고리즘을 통해서는 실시간(On-line)으로 진동을 줄일 수 있는 방법은 없고, 미리 얻어진 데이터를 중심으로 한 전향 보상기 만을 이용하여 진동을 저감하는 제어를 구현하고 있다.

그러나 압축기 별 부하 패턴을 미리 검출하는 방법은 많은 시험을 통하여 선정하여야 하는 불편함이 존재하며, 특정 부하 패턴을 압축기에 적용한다 하더라도, 압축기별 냉매의 양, 주위온도, 동작 주파수 등에 따라서 그 부하 토크의 패턴이 달라지기 때문에 적절한 부하 패턴을 적용하여 실제 제품에 상용화 하는 것은 상당한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 진동의 주요 주파수의 대역 패턴을 속도 리플의 절대양에 따라서 실시간으로 조정하여 저속 압축기 제어 시 발생하는 진동분을 운전영역, 환경조건에 상관없이 저감하고, 그에 따른 압축기의 전체 효율을 개선시킬 수 있는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 압축부를 구동하는 모터, 상기 모터에 전원을 공급하는 인버터, 압축기의 속도 리플 센싱을 위한 전류 센서부, 상기 센싱 결과를 기반으로 압축기의 속도 리플을 연산하는 센서리스 속도 연산부, 상기 속도 리플을 차수별로 주파수 분석하고 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우 해당 속도 리플을 감소시키도록 토크를 조정하는 진동 저감 연산부, 상기 토크 조정값에 따른 토크 명령을 생성하는 진동 대응 토크 명령 생성기, 상기 압축기의 운전을 위한 지령치를 생성하는 속도 제어기, 상기 지령치에 상기 토크 명령을 더한 값으로 상기 인버터 제어를 수행하는 토크 제어기를 포함하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 장치의 구성을 개시한다.

여기서 상기 진동 저감 연산부는 상기 압축기의 진동을 차수별로 분리하여 전향 제어 방식으로 보상하는 구성이며, 이러한 진동 저감 연산부는 상기 속도 리플을 차수별로 주파수 분석하는 FFT 장치, 상기 차수별 속도 리플에 따른 토크를 조정하는 차수별 속도 리플 조정부, 상기 조정된 차수별 토크를 합산하는 합산부를 포함할 수 있다.

특히 상기 차수별 속도 리플 조정부는 상기 FFT 장치를 운용하여 저주파수 영역대의 차수별 속도 리플 증가에 따른 토크를 조정할 수 있으며, 또한 상기 토크의 크기와 위상 중 적어도 하나를 조정하여 상기 속도 리플을 최소화하도록 특정 차수의 토크 조정을 수행한다.

또한 본 발명은 압축기의 속도 리플을 수집하는 단계, 상기 속도 리플을 차수별로 주파수 분석하고 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우 해당 속도 리플을 감소시키도록 토크를 조정하는 단계, 상기 조정된 토크에 따른 토크 명령을 생성하는 단계, 상기 압축기의 속도 제어를 위한 지령치에 상기 토크 명령을 더하여 상기 압축기의 모터 구동을 위한 인버터를 제어하는 단계를 포함하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법의 구성을 개시한다.

여기서 상기 토크를 조정하는 단계는 상기 압축기의 진동을 차수별로 분리하여 전향 제어 방식으로 보상하는 단계이며, 상기 토크의 크기와 위상 중 적어도 하나를 조정하는 단계가 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법 및 장치에 따르면, 본 발명은 미리 시험으로 구한 부하 패턴을 적용하지도 않고도 압축기의 진동 저감을 간편하게 구현할 수 있고, 저속 영역에서 압축기 운전을 가능하게 하여 고속운전과 운전정지를 오가는 기존 운전 방법보다 일정한 온도 제어가 가능하도록 지원한다.

도 1은 종래 싱글 로터리 압축기 및 트윈 로터리 압축기의 토크 패턴을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 진동 저감 연산부가 적용되는 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 3은 도 2의 진동 저감 연산부의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면.
도 4는 싱글 로터리 압축기에서의 모터 토크와 부하 토크 관계를 나타낸 도면.
도 5 및 도 6은 종래 압축기와 본 발명의 압축기의 진동 발생을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저감 방법을 설명하기 위한 순서도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 압축기(100)는 압축부에 동력을 전달하는 모터(110), 상기 모터(110)에 전원을 공급하는 인버터(120), 전류 센서부(130), 센서리스 속도 연산부(140), 진동 저감 연산부(150), 진동 대응 토크 명령 생성기(160), 속도 제어기(170), 덧셈부(180) 및 토크 제어기(190)를 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 압축기(100)는 압축기의 속도 즉 모터(110)의 속도를 피드백 받아서 모터(110)에서 발생하는 속도 리플을 최소화할 수 있는 진동 대응 토크 명령을 산출한다. 입력 신호로는 압축기 속도만을 받으면 되고, 압축기 속도로부터 싱글 로터리의 부하 패턴을 검출하여 토크 제어기(190) 명령에 속도 제어기(170) 명령과 합쳐져서 인가한다. 진동 대응 토크 명령은 주기의 합이 0이므로, 속도 제어기(170)에서 전체 속도를 관장하게 되고 진동 저감 연산부(150)에서는 실시간 진동 대응만 수행할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 압축기(100)는 간단한 구조로 실시간 진동 저감을 달성할 수 있다. 이하 상기 압축기(100)의 진동 저감과 관련된 각 구성들에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 모터(110)는 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 고정자와, 고정자와의 상호 유도 작용에 의해 회전하는 회전자로 구성된다. 추가로 상기 압축기(100)는 도시하지 않았으나 압축부 및 상기 압축부와 모터(110)를 연결하는 크랭크축을 더 포함한다. 상기 크랭크축은 그 상단부가 모터(110)의 회전자에 압입되어 회전자의 회전에 따라 회전하게 된다. 상기한 모터(110) 및 압축부는 소정 용적의 밀폐용기 내에 형성되며, 밀폐용기의 상부 소정부위에는 압축 냉매를 압축기 시스템의 다른 구성으로 토출시키기 위한 구성이 구비될 수 있다. 특히 본 발명의 모터(110)는 인버터(120)에서 제공하는 일정 크기의 전류 또는 전압에 따라 모터 동작을 수행하게 되는데, 전달되는 전류 또는 전압은 모터(110)의 속도 리플이 최소화되도록 설정된 값이 될 수 있다.

상기 인버터(120)는 토크 제어기(190)가 전달하는 전류 지령치에 따라 일정한 전류를 생성하여 모터(110)에 전달하는 구성이다. 이때 상기 모터(110)가 BLDC 3상 모터인 경우 상기 인버터(120)는 3상 전류를 생성하여 순차적으로 상기 모터(110)에 전송할 수 있다. 특히 상기 인버터(120)는 상기 토크 제어기(190)가 전달하는 신호에 따라 전류의 크기를 조절함으로써, 상기 모터(110) 동작에 따라 발생하는 진동의 속도 리플이 최소가 되도록 지원하게 된다.

상기 전류 센서부(130)는 상기 인버터(120)에서 상기 모터(110)에 전달되는 전류를 센싱하는 구성이다. 이러한 전류 센서부(130)는 상기 모터(110)를 구동하는 전류를 센싱하여 해당 정보를 센서리스 속도 연산부(140)에 전송할 수 있다. 상기 전류 센서부(130)가 전달한 정보는 모터(110)의 속도를 추정하는데 이용될 수 있다.

상기 센서리스 속도 연산부(140)는 상기 전류 센서부(130)가 전달하는 전류 정보를 기반으로 상기 압축기의 속도를 검지하는 구성이다. 이러한 센서리스 속도 연산부(140)는 모터(110)가 구동하는 전류 흐름을 통하여 해당 모터(110)에 의하여 동작하는 압축기의 속도를 감지할 수 있다. 압축기(100)의 속도 감지가 이루어지면 상기 센서리스 속도 연산부(140)는 해당 압축기(100)의 속도 값 특히 진동을 포함하는 속도 리플 값을 진동 저감 연산부(150)에 전달할 수 있다.

상기 진동 저감 연산부(150)는 상기 센서리스 속도 연산부(140)가 전달한 압축기 속도 리플 값을 특정 차수 또는 전체 차수에 대한 주파수 변환을 수행하고, 각 주파수 값들을 기반으로 특정 차수들 또는 전체 차수에 대한 속도 리플을 최소화하는 보정을 수행하도록 지원하여 전향 제어 방식으로 토크 보정을 수행하도록 지원할 수 있다. 특히 상기 진동 저감 연산부(150)는 상기 주파수 값들 중 상기 압축기(100)의 진동에 주요 영향을 주는 저주파수 영역 예를 들면, 1차수 또는 2차수 등의 주파수 값들에 대한 속도 리플 증가를 최소화하도록 제어할 수 있다. 상기 진동 저감 연산부(150)의 세부 구성에 대해서 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 진동 대응 토크 명령 생성기(160)는 상기 진동 저감 연산부(150)의 결과에 대응하는 토크 명령을 생성하는 구성이다. 상기 진동 저감 연산부(150)는 압축기 속도 리플 값을 주파수 변환한 후 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우 해당 차수의 토크 증가 방향을 조정한 후 전체 차수들의 값을 합산하여 결과를 생성한다. 이에 따라 상기 진동 대응 토크 명령 생성기(160)는 상기 진동 저감 연산부(150)가 전달한 토크 값들에 대응하는 전류 보정치를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 전류 보정치는 덧셈부(180)에 전달된다.

상기 속도 제어기(170)는 상기 압축기(100)의 구동에 필요한 인버터(120)의 기본 전류 지령치를 생성하는 구성이다. 이러한 속도 제어기(170)는 상위 시스템으로부터 전달된 신호에 대응하여 인버터(120) 구동 전류 지령치를 생성하고, 생성된 전류 지령치를 덧셈부(180)에 전달할 수 있다. 예를 들어 속도 제어기(170)는 모터(110) 동작을 증가시키기 위한 상위 지령을 전달받으면 모터(110)의 속도를 증가시키기 위한 전류 지령치를 생성하고 이를 덧셈부(180)를 거쳐 인버터(120)에 전달할 수 있다. 반대의 경우 상기 속도 제어기(170)는 모터(110) 동작을 감소시키기 위한 상위 지령을 전달 받으면 모터(110)의 속도를 감소시키기 위한 전류 지령치를 생성하고 이를 덧셈부(180)에 전달할 수 있다.

상기 덧셈부(180)는 상기 속도 제어기(170)가 전달한 기본 전류 지령치와 상기 진동 대응 토크 명령 생성기(160)가 실시간으로 또는 일정 주기에 따라 전달하는 전류 보정치를 합산하고, 합산된 값을 토크 제어기(190)에 전달하는 구성이다.

상기 토크 제어기(190)는 상기 덧셈부(180)가 전달한 기본 전류 지령치 및 전류 보정치를 기반으로 인버터(120)를 동작시키기 위한 명령을 생성한다. 그리고 상기 토크 제어기(190)는 해당 명령을 인버터(120)에 전달함으로써 모터(110) 구동 속도 및 구동 토크를 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 압축기(100)는 모터(110)에 의해 동작하는 압축기의 속도 리플을 검출하고, 검출된 속도 리플의 주파수 성분을 분석하여 특정 차수의 속도 리플이 증가된 경우, 해당 차수의 속도 리플을 최소화하는 방향으로 전류 보정을 수행함으로써 실시간으로 압축기(100)의 토크 제어를 수행할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 진동 저감 연산부는 압축기(100)의 진동을 보다 효율적으로 저감할 수 있으며 그에 따라 보다 낮은 압축기 저속 운용을 지원할 수 있다.

도 3은 도 2의 진동 저감 연산부(150)의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 진동 저감 연산부(150)는 FFT(151), 차수별 속도 리플 조정부(153), 합산부(155)를 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 진동 저감 연산부(150)는 압축기의 속도로부터 필요한 차수별 속도 리플을 FFT(151)를 사용하여 검출한다. 그리고 상기 진동 저감 연산부(150)는 각 차수별 속도 리플 예를 들어 n차수 속도 리플을 이전 회의 n차수 속도 리플과 비교하여 해당 속도 리플을 저감할 수 있는 n차 토크 명령을 생성하여 출력된다. 그리고 발명의 진동 저감 연산부(150)는 현재 회수의 n차수 속도 리플과 다음 회의 n차수 속도 리플의 차를 비교하여 속도 리플을 감소시킬 수 있는 토크 값을 다시 결정하게 된다. 이와 같이 본 발명의 진동 저감 연산부(150)는 반복적인 차수별 속도 리플 비교를 통하여 속도 리플이 최소화하는 방향으로 계속해서 특정 토크 값을 검색하여 찾아나가는 방식으로 구동된다.

상기 진동 저감 연산부(150)의 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 상기 FFT(고속 퓨리에 변환 장치)(151)는 상기 센서리스 속도 연산부(140)가 전달하는 압축기의 속도 리플들에 대한 주파수 성분을 분석하는 구성이다. 이를 보다 상세히 설명하면, 모터(110) 동작은 압축기에 저장된 냉매의 저장량이나, 압축기의 크기 및 운용 방식 등에 따라 회전 속도가 상이할 수 있으며, 특히 압축부의 흡입, 압축 및 토출 과정에 의하여 상기 압축기(100) 속도의 부하 토크가 일정하지 않고 불규칙하게 변동되는 현상을 보이게 된다. 예를 들어 싱글 로터리 방식의 압축기(100)는 도 4에 도시된 바와 같은 모터 발생 토크(Motor Torque)와 부하 토크(Load Torque) 그래프를 나타내며 동작하게 된다. 도 4를 참조하면, 싱글 로터리 압축기에서 모터의 발생 토크(Motor Torque)가 부하 토크(Load Torque)를 추종하지 못하여 그 차이에 의해 속도가 흔들리는 것을 확인할 수 있다. 즉 부하 토크와 모터 토크가 일치하지 않으면, 진동이 커진다. 이는 곧 속도 리플이 증가하는 것과 동일하다는 사실이며, 이를 이용하여 속도 리플이 최소화 되는 방향으로 토크 값을 조정하게 되면 진동, 즉 속도 리플이 최소화 되는 지점에서 압축기(100)를 운전시킬 수 있다. 이를 위하여 본 발명은 압축기(100)의 속도 리플이 최소화 되는 방향으로 토크 보상을 실시간으로 수행하여 모터 토크가 부하 토크를 적절하게 추종할 수 있도록 지원하여 진동저감 효과를 대폭 개선하고 부하가 급격하게 변하는 상황에서도 적절한 진동 저감효과를 획득할 수 있도록 지원한다. 특히 앞서 언급한 바와 같이 진동은 특정 차수 예를 들면 저주파수 대역의 진동에 의한 적용치가 크기 때문에 본 발명은 FFT(151)를 이용하여 압축기(100)의 속도 리플에 대하여 차수별 속도 리플 조정을 수행하도록 지원한다. 따라서 본 발명의 FFT(151)는 압축기 속도 값으로부터 원하는 차수의 또는 해당 속도 값에 포함된 대부분 차수의 속도 리플을 검출하고, 검출된 차수별 속도 리플 값들을 차수별 속도 리플 조정부(153)에 전달하도록 지원하는 구성이다. 여기서 원하는 차수의 선택은 본 발명의 진동 저감 연산부(150)의 설계자의 의도에 따라 결정될 수 있다. 특히 상기 차수의 선택은 앞서 언급한 바와 같이 압축기(100)의 저속 운행 과정에서 주요 요인이 되는 저주파수 대역으로서 예를 들면 차수가 1이나 2가 되는 차수가 될 수 있다. 또는 필요나 설계자의 의도에 따라 압축기(100)의 속도 값에 포함된 모든 차수별 속도 리플을 검출하고, 각 차수별 속도 리플의 주파수 분석 값을 차수별 속도 리플 조정부(153)에 전달할 수 있다.

상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 전달된 차수별 속도 리플 값들이 해당 차수의 이전 속도 리플의 값보다 증가하였는지를 검사한다. 그리고 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 별도의 속도 리플 증가가 없는 경우, 신호 출력을 수행하지 않거나, 변화 없음에 대응하는 신호를 출력하도록 제어할 수 있다. 즉 속도 리플 증가가 없는 경우 현재 차수들의 속도 리플 조정 값이 모터 토크와 부하 토크가 가장 유사하게 조정된 값으로 추정할 수 있을 것이다. 한편 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 특정 차수의 속도 리플 증가가 발생하는 경우, 즉 현재 특정 차수의 속도 리플이 이전 검사 시점보다 증가한 경우, 해당 차수의 속도 리플을 감소시키기 위한 토크의 크기 값을 기 설정된 일정 크기만큼 증가시키거나 또는 감소키도록 제어할 수 있다. 이후 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 동일 차수 즉 속도 리플 조정을 위한 토크의 크기 값을 일정 크기만큼 조정시킨 차수에 대하여 다음 회에 다시 검출하여 이전 회의 속도 리플과 비교할 수 있다. 이 과정에서 속도 리플이 감소하면 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 속도 리플 조정을 위한 토크의 크기 값을 현재 크기로 유지하도록 제어하거나, 또는 다시 일정 크기만큼 속도 리플 조정을 위한 토크의 크기 값을 증가 또는 감소시킨 후 다음 회의 속도 리플과 비교하여 속도 리플이 증가하는지 또는 감소하는지에 따라 속도 리플에 대한 토크 값을 반복적으로 재조정하도록 제어할 수 있다.

한편 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 속도 리플 조정을 위한 토크 크기 값을 일정 크기만큼 증가 시키거나 또는 감소 시킨 이후 다음 회에서 검출한 해당 차수의 속도 리플이 증가한 경우, 속도 리플의 토크 크기 값을 조정하지 않고, 해당 차수의 속도 리플 조정을 위한 토크의 위상을 변경하도록 제어할 수 도 있다. 즉 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 이전 특정 차수의 속도 리플 조정을 위한 토크의 위상 값이 양(+)의 위상을 가지는 경우 음(-)의 위상으로 변경하도록 제어하며, 음(-)의 위상을 가지는 경우 양(+)의 위상으로 변경하도록 제어할 수 있다.

그리고 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 변경된 위상의 속도 리플 조정을 위한 토크 값을 기반으로 이전 회의 특정 차수 속도 리플과 현재 특정 차수 속도 리플과의 증감을 확인하고, 현재 특정 차수 속도 리플이 증가한 경우 일정 크기만큼 해당 차수의 속도 리플 조정을 위한 토크 값을 증가 또는 감소되도록 추가 조정하도록 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이 본 발명의 차수별 속도 리플 조정부(153)는 특정 차수의 속도 리플을 실시간으로 검사하고, 특정 시점의 속도 리플과 이전에 검사한 속도 리플과의 증감 관계에 따라 특정 차수의 속도 리플 조정을 위한 토크의 크기를 변화시키거나 위상을 변경하여 속도 리플이 저감되는 방향으로 지속적으로 동작하도록 지원할 수 있다. 상기 차수별 속도 리플 조정부(153)는 상술한 특정 차수의 속도 리플 보정 즉 토크 보정을 기 설정된 일정 차수들에 대해서 적용하거나 전체 차수들에 모두 적용한 뒤 해당 조정된 값들을 합산부(155)에 전달할 수 있다.

상기 합산부(155)는 각 차수별로 조정된 토크 값들을 모두 합산한다. 그리고 상기 합산부(155)는 합산된 토크 값을 진동 대응 토크 명령 생성기(160)에 전달할 수 있다.

도 5 본 발명의 진동 저감 적용이 수행되지 않은 종래 싱글 로터리 압축기의 진동 측정 결과를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 진동 저감 적용이 수행된 싱글 로터리 압축기의 진동 측정 결과를 나타낸 도면이다.

특히 상기 도 5는 전시 부하 추종형 토크 제어가 없는 상태에서 압축기를 25Hz로 구동한 결과를 측정한 진동그래프이다. 상기 시험 결과에서 회전수의 기본파 성분인 25Hz에서 진동 측정양이 10m/s^2가 넘어가고, 2차에서 약3m/s^2 가까이 발생하는 것으로 나타났다. 상기 두 가지 성분은 다른 모든 성분에 비하여 주된 진동 요인으로 해석될 수 있을 것이다. 즉 전시 부하 추종형 토크 제어가 없는 경우 압축기 구동 시 저주파수 영역대의 진동이 다른 주파수 영역대에 비하여 진동에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.

한편 도 6을 참조하면, 본 발명의 전시 부하 추종형 토크 제어를 수행한 압축기를 25Hz의 속도로 구동한 결과, 1차 및 2차의 진동 측정양이 현저히 감소한 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따라 구동하는 압축기는 저주파수 영역대의 진동을 현저하게 감소할 수 있도록 동작함으로써, 진동 억제에 따른 소음 제거, 구조물들의 내구성 증대 등을 달성할 수 있다. 또한 본 발명의 압축기는 진동 억제를 통하여 보다 느린 속도의 운전을 가능하도록 함으로써, 압축기 효율을 개선시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기의 구조 및 각 구성들의 역할에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 압축기 진동 저감 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 압축기의 진동 저감 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 진동 저감 방법은 먼저 S101 단계에서 압축기(100)의 속도 리플을 센싱한다. 이를 위하여 상기 압축기(100)의 센서리스 속도 연산부(140)는 전류 센서부(130)로부터 인버터(120)에서 모터(110)로 전달되는 전류 또는 전압을 전달받고, 이를 기반으로 압축기(100)의 속도 추정치 또는 속도 리플을 연산할 수 있다. 상기 센서리스 속도 연산부(140)는 연산된 압축기(100)의 속도 리플을 진동 저감 연산부(150)에 전달할 수 있다.

그러면 상기 진동 저감 연산부(150)는 S103 단계에서 상기 압축기(100)의 속도 값에 대하여 일정 차수별 속도 리플에 대한 주파수 성분을 분석한다. 이때 상기 진동 저감 연산부(150)는 상기 속도 리플의 주파수 성분 분석을 위하여 FFT(151) 장치를 운용할 수 있다. 그리고 본 발명의 진동 저감 방법은 설계자의 의도에 따라 속도 리플 중 특정 차수 예를 들면 1차수 또는 2차수 등의 저주파 영역대의 속도 리플에 대한 주파수 성분 분석만을 수행할 수 있으며, 또한 속도 리플의 전체 차수에 대한 주파수 성분 분석을 수행할 수 있다.

상술한 주파수 성분 분석에 따라 각 차수별 또는 특정 차수별 속도 리플이 검출되면, 상기 진동 저감 연산부(150)는 S105 단계에서 각 차수별 또는 특정 차수의 속도 리플이 이전 회의 해당 차수 속도 리플과 비교하여 속도 리플이 증가하였는지를 확인할 수 있다. 이 단계에서 별도의 속도 리플 증가가 없는 경우 상기 압축기(100)는 S101 단계로 분기하여 실시간으로 또는 일정 주기에 따라 이하 과정을 반복적으로 수행하도록 제어할 수 있다.

한편 S105 단계에서 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우, 상기 진동 저감 연산부(150)는 S107 단계로 분기하여 해당 차수의 속도 리플 감소를 위하여 토크의 크기를 조정하거나, 위상을 조정할 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 상기 진동 저감 연산부(150)는 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우, 해당 차수의 토크 크기를 증가시키거나 또는 감소시키도록 제어할 수 있다. 그리고 상기 진동 저감 연산부(150)는 다음 회에 해당 차수의 속도 리플이 이전 회의 속도 리플에 비하여 증가하였는지 확인한다. 그리고 상기 진동 저감 연산부(150)는 여전히 속도 리플이 증가한 경우 토크의 방향 즉 위상을 반전시켜 다음 회에 해당 차수의 속도 리플이 감소하는지를 확인할 수 있다. 상기 진동 저감 연산부(150)는 상술한 과정을 반복적으로 수행함으로써 차수별 속도 리플을 최소화하는 방향으로 압축기(100) 제어를 수행할 수 있다.

한편 상기 진동 저감 연산부(150)가 상술한 바와 같이 토크의 크기 조정 또는 위상 조정을 수행하면, 진동 대응 토크 명령 생성기(160)는 S109 단계에서 진동 저감 연산부(150)가 조정한 토크에 대응하는 토크 명령 예를 들면 전류 보정치를 생성할 수 있다. 그리고 상기 진동 대응 토크 명령 생성기(160)는 상기 생성된 토크 명령을 덧셈부(180)에 전달함으로써 S111 단계에서와 같이 속도 제어기에서 출력되는 지령치에 상기 토크 명령을 적용하여 인버터(120)에 제공하도록 지원할 수 있다.

한편 상기 인버터(120)는 상기 속도 제어기(170)의 지령치와 추가된 토크 명령에 따른 전류 제어 또는 전압 제어를 수행하여 S113 단계에서와 같이 그에 따른 모터(110) 동작을 제어함으로써 압축기의 부하 토크를 모터 토크가 적절하게 추종할 수 있도록 조절할 수 있다.

이후 상기 압축기(100)는 모터(110) 동작을 중지시키는 별도의 동작 발생이 없는 경우 S101 단계 이전으로 리턴하여 이하 과정을 반복적으로 수행하도록 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 압축기의 진동 저감 방법은 특히 저속으로 운전하는 압축기의 진동을 집중적으로 저감할 수 있도록 지원할 수 있으며, 또한 설계자의 의도에 따라 다양한 속도에 따른 압축기의 진동 저감을 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 압축기의 진동 저감 방법은 압축기의 공조효율을 개선할 수 있다. 특히 본 발명은 기존 제어방식으로는 운전이 불가능한 20Hz, 15Hz 운전이 가능하도록 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 저속 운전에서도 속도 리플이 고속에서와 마찬가지로 안정적으로 제어가 가능하도록 하여 속도 제한 없이 압축기를 운전 시킬 수 있고 저속 운전을 실현함으로써 압축기를 정지 시키는 구간이 없고 에너지 소비가 가장 적은 저속으로 연속 운전이 가능하기 때문에 에너지 소비도 감소시킬 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

100 : 압축기 110 : 모터
120 : 인버터 130 : 전류 센서부
140 : 센서리스 속도 연산부 150 : 진동 저감 연산부
151 : FFT 153 : 차수별 속도 리플 조정부
155 : 합산부
160 : 진동 대응 토크 명령 생성기 170 : 속도 제어기
180 : 덧셈부 190 : 토크 제어기

Claims

압축기의 속도 값을 차수별로 주파수 분석하고 특정 차수의 속도 리플이 증가한 경우 해당 속도 리플을 감소시키도록 토크를 조정하는 진동 저감 연산부;
상기 토크 조정값에 따른 토크 명령을 생성하는 진동 대응 토크 명령 생성기;
상기 압축기의 운전을 위한 지령치를 생성하는 속도 제어기;
상기 지령치에 상기 토크 명령을 더한 값으로 모터 구동을 위한 인버터 제어를 수행하는 토크 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 저감 연산부는
상기 압축기의 속도 리플을 차수별로 분리하여 전향 제어 방식으로 보상하는 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 저감 연산부는
상기 속도 값을 차수별로 주파수 분석하는 FFT 장치;
상기 차수별 속도 리플에 따른 토크를 조정하는 차수별 속도 리플 조정부;
상기 조정된 차수별 토크를 합산하는 합산부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 장치.
제3항에 있어서,
상기 차수별 속도 리플 조정부는
상기 FFT 장치를 운용하여 저주파수 영역대의 차수별 속도 리플 증가에 따른 토크를 조정하는 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 장치.
제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차수별 속도 리플 조정부는
상기 토크의 크기와 위상 중 적어도 하나를 조정하여 상기 속도 리플을 최소화하도록 특정 차수의 토크 조정을 수행하는 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 장치.
압축기의 속도 값을 수집하는 단계;
상기 압축기의 속도 값을 차수별로 주파수 분석하고 특정 차수의 속도 리플이 이전 검사 시점에 비하여 증가한 경우 해당 속도 리플을 감소시키도록 토크를 조정하는 단계;
상기 조정된 토크에 따른 토크 명령을 생성하는 단계;
상기 압축기의 속도 제어를 위한 지령치에 상기 토크 명령을 더하여 상기 압축기의 모터 구동을 위한 인버터를 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법.
제6항에 있어서,
상기 토크를 조정하는 단계는
상기 압축기의 속도 리플을 차수별로 분리하여 전향 제어 방식으로 보상하는 단계인 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법.
제6항에 있어서,
상기 토크를 조정하는 단계는
상기 토크의 크기와 위상 중 적어도 하나를 조정하는 단계인 것을 특징으로 하는 속도에 대한 주파수 분석 기반의 압축기 진동 저감 방법.