KR101386475B1 - 압축기의 운전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부의 부하에 따라 압축기를 파워 모드/절약 모드로 운전함에 있어서, 각 운전 모드에서 압축기 효율을 높이기 위한 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 압축기의 운전 부하에 따라 상기 압축기의 운전 모드를 선택하기 위한 제어 신호를 발생하는 제어기와, 메인 권선 및 서브 권선으로 구성되고, 상기 제어기의 제어에 따라 복수의 운전 모드로 구동되는 압축기 모터와, 상기 제어기의 제어에 따라 상기 압축기 모터의 서브 권선에 각기 다른 용량의 커패시터를 통해서 전원을 인가하는 전원부를 포함하여 구성한다.
압축기, 절약 모드, 커패시터

Description

압축기의 운전 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING OF COMPRESSOR}
본 발명은 용량 가변 압축기에 관한 것으로, 특히 외부의 부하에 따라 압축기를 파워 모드/절약 모드로 운전함에 있어서, 각 운전 모드에서 압축기 효율을 높이기 위한 압축기의 운전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 에어컨, 냉장고, 쇼 케이스 등은 냉동 사이클 시스템을 구비하고 있다. 이와 같은 냉동 사이클 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축되면서 외부에 열을 방출시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 저하시키는 팽창 밸브와, 상기 팽창 밸브를 거친 냉매가 증발되면서 외부의 열을 흡수시키는 증발기를 포함하여 구성된다.
상기 압축기, 응축기, 팽찰 밸브 그리고 증발기는 연결관에 의해 연결되어 하나의 사이클을 형성하게 된다.
상기 냉동 사이클 시스템은 전원이 인가되어 압축기가 동작함에 따라 그 압축기에서 토출된 고온 고압의 냉매가 응축기, 팽창 밸브, 증발기를 순차적으로 거친 후 압축기로 흡입되며, 이와 같은 과정이 반복된다. 상기 과정에서 응축기에서 열을 발생시키고 증발기에서 외부의 열을 흡수하여 냉기를 형성하게 된다.
냉장고와 쇼 케이스는 그 냉동 사이클 시스템의 증발기에서 발생되는 냉기를 이용하여 식품을 신선하게 저장하게 된다. 그리고, 에어컨은 냉동 사이클 시스템의 응축기에서 발생되는 열과 증발기에서 형성되는 냉기를 선택적으로 실내에 순환 유동시켜 실내를 쾌적한 상태로 유지시키게 된다.
상기 냉장고와 쇼 케이스의 경우 계절의 변화없이 꾸준하게 사용하게 되지만, 에어컨의 경우 계절에 따라 사용 정도가 다르게 된다.
에어컨의 경우 여름철에는 사용 정도가 크지만, 봄과 가을철의 경우 사용 정도가 약하게 된다. 이와 같이, 여름철과 봄 또는 가을철에 따라 에어컨의 사용 정도가 크게 다르게 되므로, 이에 대한 적절한 운전 모드의 전환은 에어컨 소모 전력을 크게 줄일 수 있게 된다.
특히, 최근 전세계적인 오일 사용량의 증가로 인하여 오일의 가격이 증가함에 따라 소모 전력을 최소화할 수 있는 에어컨의 연구 개발이 매우 중요한 과제로 부가되고 있다. 그리고 공기 조화기의 소모 전력을 최소화하게 되면 환경 문제를 유발시키는 것을 최소화하게 된다.
상기 냉동 사이클 시스템의 냉동 능력은 상기 압축기에서 냉매를 압축시키는 압축 용량에 따라 결정되며, 상기 압축기의 압축 용량이 클수록 그 냉동 사이클의 시스템의 증발기에서 형성되는 냉기의 양이 많아지게 되고 그 압축기의 압축 용량이 작을수록 그 증발기에서 형성되는 냉기의 양이 적어지게 된다.
따라서, 상기 냉동 사이클 시스템을 효율적으로 운전시키기 위하여 상황에 따라 냉기가 많이 필요한 경우 압축기에서 압축시키는 압축 용량을 크게 하고 냉기가 적게 필요한 경우 압축기에서 압축시키는 압축 용량을 적게 하여야 한다.
일반적으로 압축기는 보통 전기 에너지를 운동에너지로 변환시키는 전동 기구부(모터)와 그 전동 기구부의 회전력을 전달받아 냉매를 압축시키는 압축 기구부로 구성된다.
상기와 같은 압축기에서 압축 용량을 가변시키기 위한 방법 중의 하나로 상기 전동 기구부(모터)의 회전수를 가변시킬 수 있다. 그러나, 상기 전동 기구부의 회전수를 가변시킬 경우, 그 전동 기구부의 단가가 고가가 되어 압축기의 단가가 비싸게 되므로 제품의 경쟁력이 떨어지게 된다.
따라서, 상기 냉매를 압축시키는 구동력을 발생시키는 전동 기구부(모터)의 회전수를 일정하게 하고, 대신 상기 압축 기구부에서 냉매의 압축 용량을 가변시킬 수 있도록 연구 개발이 진행되고 있다.
그런데, 종래의 용량 가변 구조를 갖는 압축기는 파워 모드(power mode)/절약 모드(save mode)로 운전함에 있어서, 1개의 커패시터를 사용하여 파워 모드와 절약 모드를 운전하기 때문에, 도1A 내지 도1B에 도시된 바와 같이 파워 모드에서 압축기의 효율이 절약 모드에 비해서 좋다.
이는 정속 모터의 경우 파워 모드 시의 출력 점에서의 효율이 절약 모드시의 출력 점보다 좋기 때문이다. 즉, 정속 모터의 경우 인버터 모터가 아니기 때문에 여러 출력 점에서 효율을 동등하게 낼 수가 없기 때문이다.
도1A는 종래 압축기를 파워 모드에서 운전할 경우 기자력과 위상각의 관계를 보인 그래프이고, 도1B는 종래 압축기를 절약 모드에서 운전할 경우 기자력과 위상각의 관계를 보인 그래프이다.
다시 말해, 모터의 효율은 다음 수학식 1과 도1A 내지 도1B에 도시된 바와 같이, 모터의 메인(Main) 권선과 서브(Sub) 권선의 기자력(MMF : Magneto Motive Force)이 같고(MMF ratio = 1), 메인 권선과 서브 권선의 위상각(phase)이 직각(90도)일 때, 최고의 효율을 얻을 수 있다.
MMF = N * I
여기서, N은 권선수, I는 권선에 흐르는 전류
여기서, 기자력은 자기 회로에서 자속을 발생시키는 원동력이 되는 힘으로서, 전기 회로의 기전력에 해당한다. 크기는 자기 회로에 따라서 단위 정자극(正磁極)을 한 바퀴 돌도록 했을 때의 힘으로 표시된다.
그러나, 종래에는 압축기를 제어할 때 1개의 커패시터로 파워 모드와 절약 모드를 운전하기 때문에, 절약 모드에서 모터의 메인 권선과 서브 권선의 기자력이 달라지고, 또한 메인 권선과 서브 권선의 위상각이 직각이 되지 않아 모터의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 절약 모드에서 모터의 효율을 증가시키기 위한 것으로, 파워 모드와 절약 모드에서의 커패시터를 이원화하여 사용하는 압축기의 운전 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 두 개의 커패시터를 병렬 연결하여, 절약 모드에서는 적은 용량의 커패시터를 사용하고, 파워 모드에서는 큰 용량의 커패시터를 사용하도록 스위칭 제어하는 압축기의 운전 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 커패시터를 이원화하여 파워 모드와 절약 모드에서 적절한 커패시터를 사용하도록 스위칭하여 상기 각 모드에서 모터 효율을 향상시키기 위한 압축기의 운전 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 압축기의 운전 부하에 따라 상기 압축기의 운전 모드를 선택하기 위한 제어 신호를 발생하는 제어기와, 메인 권선 및 서브 권선으로 구성되고, 상기 제어기의 제어에 따라 복수의 운전 모드로 구동되는 압축기 모터와, 상기 제어기의 제어에 따라 상기 압축기 모터의 서브 권선에 각기 다른 용량의 커패시터를 통해서 전원을 인가하는 전원부를 포함하여 구성한다.
또한, 본 발명은 압축기를 파워 모드로 운전할 경우, 압축기의 모터의 메인 권선에 전원을 인가하는 동시에 상기 모터의 서브 권선에 병렬 연결된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 통해 전원을 인가하는 단계와, 상기 압축기를 절약 모드로 운전할 경우, 압축기의 모터의 메인 권선에 전원을 인가하는 동시에 상기 모터의 서브 권선에 제1 커패시터 또는 제2 커패시터 중 하나를 통해 전원을 인가하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 용량 가변 압축기의 운전 시 운전 모드에 따라 용량이 다른 커패시터를 사용할 수 있도록 스위칭함으로써, 절약 모드에서 모터의 효율을 증가시키는 효과가 있다.
본 발명은 용량 가변 압축기의 운전 시 운전 모드에 따라 절약 모드에서는 적은 용량의 커패시터를 사용하고, 파워 모드에서는 큰 용량의 커패시터를 사용하도록 스위칭함으로써, 절약 모드에서 모터의 효율을 증가시키는 효과가 있다.
이하, 발명에 따른 다양한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지기술 및 그 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도면을 참조하여 본 발명을 설명함에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하여 설명하기로 한다.
도2는 본 발명에 관련된 압축기 운전 제어 장치의 간략한 구성을 보인 회로도이다.
도2를 참조하면, 본 발명은 압축기의 운전 부하에 따라 상기 압축기의 운전 모드를 선택하기 위한 제어 신호를 발생하는 제어기(도시하지 않음)와; 메인 코 일(Main coil) 및 서브 코일(Sub coil)로 구성되고, 상기 제어기의 제어에 따라 복수의 운전 모드로 구동되는 압축기 모터(110)와; 상기 제어기의 제어에 따라 상기 압축기 모터(110)의 서브 권선에 전원을 인가하는 전원부(120)를 포함하여 구성된다.
상기 전원부(120)는 상기 압축기의 운전 모드에 따라, 상기 제어기에서 출력하는 제어 신호에 의해 스위칭 되는 릴레이(121)와; 상기 릴레이(121)와 직렬 연결되어 서브 권선의 전원 인가 단자(S)에 접속되는 제1 커패시터(122)와; 상기 릴레이(121) 및 제1 커패시터(122)에 병렬로 연결되는 제2 커패시터(123)로 구성된다. 여기서, 상기 본 발명은 릴레이 대신에 다양한 스위칭 소자를 사용할 수도 있다.
상기 릴레이(121)는 절약 모드(Save mode) 시, 상기 제어기에서 출력하는 제어 신호에 의해 상기 제1 커패시터(122)에 인가되는 전원을 차단함으로써, 제2 커패시터(123)를 통해서만 서브 권선에 전원을 인가한다. 또한, 상기 릴레이(121)는 파워 모드(Power mode) 시, 상기 제어기에서 출력하는 제어 신호에 의해 상기 제1 커패시터(122)에 전원을 인가함으로써, 제1 커패시터(122)와 제2 커패시터(123)를 통해 서브 권선에 전원을 인가한다.
상기 제어기는 압축기에 입력되는 전압이 변동하거나, 또는 압축기의 운전 부하가 변동함에 따라, 압축기의 운전 모드를 파워 모드 또는 안전 모드로 변경한다. 즉, 상기 제어기는 압축기의 운전 부하가 미리 설정된 기준 부하보다 클 때, 압축기의 운전 모드를 파워 모드로 변경하고, 압축기의 운전 부하가 미리 설정된 기준 부하보다 작을 때, 압축기의 운전 모드를 절약 모드로 변경한다.
그런데, 이미 상술한 바와 같이 상기 파워 모드에서는 모터의 효율이 최대가 되지만, 절약 모드에서는 모터의 효율이 감소되기 때문에, 본 발명에서는 서브 권선에 전원을 인가할 때 통과하는 커패시터를 이원화하여, 파워 모드에서는 용량이 큰 커패시터를 통해 전원이 인가되게 하고, 절약 모드에서는 용량이 작은 커패시터를 통해 전원이 인가되도록 한다.
그러나, 커패시터는 적은 용량의 커패시터를 두 개 사용하는 것보다 하나의 큰 용량의 커패시터의 단가가 더 높기 때문에, 단순히 큰 용량의 커패시터와 작은 용량의 커패시터를 구비하여 스위칭하는 것은 가격 상승 요인이 된다.
따라서, 본 발명에서는 적은 용량의 제1, 제2 커패시터를 병렬 연결하여, 파워 모드에서는 제1, 제2 커패시터의 용량을 합해 큰 용량의 커패시터 역할을 수행하게 하고, 절약 모드에서는 용량이 작은 제2 커패시터에 의해서만 전원이 인가되게 함으로써 가격 상승 요인이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.
여기서, 상기 메인 코일의 권선 수와 서브 코일의 권선 수는 서로 다르게 구성되거나 동일하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 커패시터(122) 및 제2 커패시터(123)의 용량(capacitance)은 상기 모터 코일의 인던턱스 값을 근거로 결정하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 방법을 도3을 참조하여 상세히 설명한다.
도3은 본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 제어기는 압축기의 운전 부하에 따라 압축기를 운전한다(S101).
즉, 상기 압축기의 운전 부하가 미리 설정된 기준 부하보다 클 때, 압축기의 운전 모드를 파워 모드로 변경한다.
상기 압축기의 운전 모드를 파워 모드로 변경함에 따라(S102), 제어 신호를 출력하여 상기 릴레이(121)를 턴온 시킨다. 상기 릴레이를 턴온 시킴에 따라, 제1 커패시터(122)와 제2 커패시터(123)가 합성된 용량의 커패시터를 통해 서브 권선에 전원이 인가된다(S103).
한편, 상기 압축기의 운전 부하가 미리 설정된 기준 부하보다 작을 때, 압축기의 운전 모드를 절약 모드로 변경한다.
상기 압축기의 운전 모드를 절약 모드로 변경함에 따라(S102), 제어 신호를 출력하여 상기 릴레이(121)를 턴오프 시킨다. 상기 릴레이를 턴오프 시킴에 따라, 제1 커패시터(122)에 인가되는 전원이 차단되고, 용량이 작은 제2 커패시터(123)를 통해서만 서브 권선에 전원이 인가된다(S104).
상기와 같이 본 발명에서 운전 모드에 따라 용량이 다른 커패시터를 통해 서브 권선에 전원이 인가되도록 하는 이유는, 절약 모드에서 모터의 메인(Main) 권선과 서브(Sub) 권선의 기자력이 같고(MMF ratio = 1), 메인 권선과 서브 권선의 위상각(phase)이 직각(90도)이 되게 함으로써 효율을 최고로 만들기 위한 것이다. 상기와 같은 효과가 발생하는 원리는 모터의 권선에 의한 인덕턴스(L)과 커패시터의 커패시턴스(C)에 의한 공진 운전을 수행하기 때문이다.
도4는 본 발명을 적용하여 압축기를 절약 모드에서 운전할 경우 기자력과 위상각의 관계를 보인 그래프로서, 도1B에 도시된 종래의 절약 운전 모드에서의 그래 프과 비교할 때, 기자력 비(MMF ratio)가 0.8에서 1로 변경되고, 위상각도 80도에서 90로 변경되었음을 알 수 있다.
상기와 같이 기자력 비가 1이되고, 위상각이 90도일 경우 모터의 효율이 최대가 되므로, 본 발명을 적용하여 압축기를 운전할 경우 파워 모드는 물론, 절약 모드에서도 최대의 효율로 압축기를 운전할 수 있음을 알 수 있다.
도5는 본 발명에 관련된 압축기의 운전 제어 시 사용된 커패시터의 용량에 따른 효율을 보인 그래프로서, 파워 모드에서 커패시터의 용량이 60㎌ 일 때 최대의 효율이 발생하고, 절약 모드에서는 커패시터의 용량이 35㎌으로 작을 때 최대의 효율이 발생한다.
다시 말해, 종래와 같이 파워 모드에서 최대 효율을 발생할 수 있는 60㎌ 커패시터 하나만을 사용하였을 경우, 절약 모드에서는 최대 85%의 효율이 발생하지만, 커패시터를 이원화하여 절약 모드에서 35㎌의 커패시터를 사용하였을 경우 89%의 효율이 발생함으로써 대략 3.7% 정도 효율이 상승하게 된다.
물론, 상기 제1 커패시터 및 제2 커패시터의 용량(capacitance)은 상술한 값으로 한정하는 것은 아니며, 상기 모터 권선의 인던턱스 값을 근거로 결정하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1a는 종래 압축기를 파워 모드에서 운전할 경우 기자력과 위상각의 관계를 보인 그래프.
도 1b는 종래 압축기를 절약 모드에서 운전할 경우 기자력과 위상각의 관계를 보인 그래프.
도 2는 본 발명에 관련된 압축기 운전 제어 장치의 간략한 구성을 보인 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 방법을 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명을 적용하여 압축기를 절약 모드에서 운전할 경우 기자력과 위상각의 관계를 보인 그래프.
도 5는 본 발명에 관련된 압축기의 운전 제어 시 사용된 커패시터의 용량에 따른 효율을 보인 그래프.

Claims (6)

  1. 압축기의 운전 부하에 따라 상기 압축기의 운전 모드를 선택하기 위한 제어 신호를 발생하는 제어기와;
    메인 권선 및 서브 권선으로 구성되고, 상기 제어기의 제어에 따라 복수의 운전 모드로 구동되는 압축기 모터와;
    상기 제어기의 제어에 따라 상기 압축기 모터의 서브 권선에 각기 다른 용량의 커패시터를 통해서 전원을 인가하는 전원부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전원부는,
    상기 압축기의 운전 모드에 따라, 상기 제어기에서 출력하는 제어 신호에 의해 스위칭 되는 릴레이와;
    상기 릴레이와 직렬 연결되어 서브 권선의 전원 인가 단자에 접속되는 제1 커패시터와;
    상기 릴레이 및 제1 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 커패시터;로 구성되는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 압축기의 운전 부하가 기준 부하보다 작으면 상기 압축기를 절약 모드로 운전하고, 상기 압축기의 운전 부하가 상기 기준 부하보다 크면 상기 압축기를 파워 모드로 운전하는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    절약 모드(Save mode) 시, 릴레이를 제어하여 상기 제1 커패시터에 인가되는 전원을 차단함으로써, 제2 커패시터를 통해서만 서브 권선에 전원을 인가하고,
    파워 모드(Power mode) 시, 릴레이를 제어하여 상기 제1 커패시터에 전원을 인가함으로써, 제1 커패시터와 제2 커패시터를 통해 서브 권선에 전원을 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 커패시터는,
    파워 모드에서 큰 용량의 커패시터를 통해 전원이 인가되고,
    절약 모드에서 작은 용량의 커패시터를 통해 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.
  6. 압축기를 파워 모드로 운전할 경우, 압축기의 모터의 메인 권선에 전원을 인가하는 동시에 상기 모터의 서브 권선에 병렬 연결된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 통해 전원을 인가하는 단계와;
    상기 압축기를 절약 모드로 운전할 경우, 압축기의 모터의 메인 권선에 전원을 인가하는 동시에 상기 모터의 서브 권선에 제1 커패시터 또는 제2 커패시터 중 하나를 통해 전원을 인가하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 방법.
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