KR102309413B1 - 모터의 고속 결선 모드 절환을 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

모터의 고속 결선 모드 절환을 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 결선 모드로 운용될 수 있는 모터의 결선 모드 절환을 제어하는 장치 및 방법에 대한 것으로, PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 따른 모터 토크에 따라 회전하는 회전자를 포함하는 모터와, 상기 모터에 구비되며, 상기 모터 내부의 결선 방식을 절환하여 상기 모터가 다른 결선 모드에 따라 구동되도록 하는 절환부 및, 상기 회전자의 회전 속도를 제어하는 속도 지령 주파수를 생성하며, 상기 속도 지령 주파수와 상기 모터의 결선 모드에 따른 절환 경계 주파수를 비교한 결과에 따라 상기 모터의 결선 모드가 절환되도록 상기 절환부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 결선 모드의 절환에 따라 상기 PWM 제어가 정지되면, 관성 회전하는 회전자의 회전 상태를 추정하며, 상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터의 고속 결선 모드 절환을 제어하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING SWITCHING OF HIGH SPEED WIRING MODE OF A MOTOR}
본 발명은 복수의 결선 모드로 운용될 수 있는 모터에 대한 것으로, 상기 모터의 결선 모드의 절환을 제어하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
통상적으로 에어콘의 압축기 등에는 구동을 위한 모터가 사용된다. 이러한 에어컨 압축기 등에 사용되는 모터는, 일반적인 Y(Wye) 결선 방식으로 운용되거나, △(Delta) 결선 방식으로 운용이 가능하도록 설계될 수 있다. 이 경우 △ 결선 방식은 인버터의 출력 전압을 보다 높일 수 있으므로, Y 결선 방식으로 운용될 때에 비하여 보다 효율적으로 고속의 운용이 가능하다는 장점이 있다. 이에 에어컨 압축기 등에 사용되는 모터는 Y 결선 방식 및 △ 결선 방식으로 모두 사용이 가능하도록 설계될 수 있다.
한편 선행기술 일본 특허등록공보 JP4619826b2에 따르면 압축기 모터의 결선 방식 절환은, 릴레이 스위치를 이용하여 모터의 토크(torque)를 위한 전류 입력 및 인버터의 출력을 차단(PWM(Pulse Width Modulation) 제어 정지)하고, 토크의 입력 전류 및 인버터 출력의 차단으로 인해 모터가 정지되면, 릴레이 절환을 통해 결선의 절환을 수행하고, 정지된 모터를 절환된 결선 방식에 따라 제어함으로써, 모터의 결선 절환이 이루어지도록 한다.
그런데 통상적으로 토크의 입력 전류 및 인버터의 출력이 차단된다고 할지라도, 모터의 회전자는 관성 모멘트가 부하 토크보다 작아질 때까지 회전하게 된다. 이에 모터가 정지할 때까지는 상기 모터가 관성에 의해 회전하는 소정의 시간이 소요된다는 문제점이 있으며, 이에 따라 모터의 결선 절환에 소요되는 시간이 길어진다는 문제가 있다.
한편 상술한 바와 같이 압축기 모터는 에어컨의 압축기를 구동하기 위한 것으로, 압축기 모터 토크가 줄어드는 경우 압축기에 인가되는 압력이 소실될 수 있다. 한편 모터의 구동이 정지 후 결선의 절환이 이루어지면, 절환된 결선 모드에 따라 다시 모터가 구동되고, 압축기에 지정된 압력이 인가될 때까지 모터가 구동되므로, 상기 소실되는 압력이 많으면 많을 수록 에어컨 압축기에서 소모되는 전력량이 많아지고 이에 따라 에어컨의 효율이 낮아지게 된다.
따라서 선행기술 JP4619826b2에 개시된 방식으로 모터의 결선이 절환되는 경우, 모터의 구동이 정지될 때까지 소요되는 시간이 길어짐에 따라 압축기에 인가되는 압력이 보다 긴 시간 동안 소실될 수 있다. 이 경우 모터의 결선 절환이 완료되면 소실된 압력만큼 모터가 더 구동되어야 하므로 에어컨의 효율이 낮아진다는 문제가 있다.
본 발명은 모터의 결선 모드를 보다 고속으로 절환할 수 있는 모터 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 모터의 결선 모드 절환 중에 소실되는 압축기의 압력을 최소화함으로써, 상기 모터의 결선 모드 절환에 따른 에어컨 압축기의 효율 저하를 방지할 수 있도록 하는 모터 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은, 모터의 속도 지령 주파수에 따라 모터의 결선 모드를 제1 모드에서 제2 모드로 절환 시, 인버터의 출력이 정지되면 관성에 따라 회전하는 모터 회전자의 위치 및 속도를 산출하고, 산출된 회전자의 위치 및 회전 속도에 근거하여 제2 모드에 따른 모터 제어를 위한 초기값으로 설정할 수 있다. 이에 본 발명은 모터의 회전이 정지되기 전에 제2 모드에 따라 모터의 회전이 제어될 수 있도록 함으로써, 모터의 결선 절환에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으며, 상기 모터의 결선 절환 시에 소실되는 압축기 압력을 감축할 수 있다. 이에 에어컨의 효율을 보다 높일 수 있다.
이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어 장치는, PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 따른 모터 토크에 따라 회전하는 회전자를 포함하는 모터와, 상기 모터에 구비되며, 상기 모터 내부의 결선 방식을 절환하여 상기 모터가 다른 결선 모드에 따라 구동되도록 하는 절환부 및, 상기 회전자의 회전 속도를 제어하는 속도 지령 주파수를 생성하며, 상기 속도 지령 주파수와 상기 모터의 결선 모드에 따른 절환 경계 주파수를 비교한 결과에 따라 상기 모터의 결선 모드가 절환되도록 상기 절환부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 결선 모드의 절환에 따라 상기 PWM 제어가 정지되면, 관성 회전하는 회전자의 회전 상태를 추정하며, 상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 PMW 제어가 재개되면, 상기 다른 결선 모드에 따른 위상차를 반영하여 상기 회전자의 위치를 보상하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 보상되는 회전자의 위치는, +30도 또는 -30도 임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 회전자의 초기값이 설정되면, 소정의 시간동안 상기 설정된 회전자의 초기값에 따라 회전자의 회전 상태를 유지한 이후에, 상기 속도 지령 주파수에 따라 결선 모드가 절환된 모터의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 결선 모드의 절환에 따라 상기 PWM 제어가 정지되면, 상기 회전자의 관성 회전 모델을 생성하고, 상기 관성 회전 모델에 근거하여 산출되는 각속도와 상기 PWM 제어가 정지된 이후 경과된 시간에 근거하여 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 인버터에 영(zero)전압 벡터를 인가하고, 상기 회전자에 유기되는 전류의 차이에 근거하여 관성 회전 중인 상기 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 PWM 제어 정지에 따라 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 속도 및, 상기 회전자 특정 극의 위치 중 적어도 하나를, 상기 회전자의 회전 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 모터가 회전 자계와 회전자의 회전이 동기되는 동기식 모터인 경우, 상기 추정된 회전자 특정 극의 위치에 근거하여 회전 자계와 회전자의 회전을 동기시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 모터는, 결선 방식에 따라 Y 결선 모드 또는 △ 결선 모드로 구동하며, 상기 제어부는, 현재 모터의 결선 모드가 Y 결선 모드 인 경우, 상기 속도 지령 주파수가 제1 절환 경계 주파수보다 더 높을 때에 △ 결선 모드로 절환을 수행하고, 현재 모터의 결선 모드가 △ 결선 모드 인 경우, 상기 속도 지령 주파수가 제2 절환 경계 주파수보다 더 낮을 때에 Y 결선 모드로 절환을 수행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 절환 경계 주파수와 상기 제2 절환 경계 주파수는 서로 동일한 속도 지령 주파수임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 △ 결선 모드로 절환이 수행되면, 상기 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도와 상기 초기값에 따른 상기 회전자의 회전 속도의 차이만큼 상기 회전자가 가속하도록 상기 모터를 제어하고, 상기 Y 결선 모드로 절환이 수행되면, 상기 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도와 상기 초기값에 따른 상기 회전자의 회전 속도의 차이만큼 상기 회전자가 감속하도록 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절환 경계 주파수는, 제1 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제1 종합 효율과 제2 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제2 종합 효율이, 서로 동일한 때의 회전자 회전 속도에 대응하는 속도 지령 주파수임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 절환 경계 주파수를 중심으로 히스테리시스(hysteresis) 밴드폭을 생성하며, 변경된 속도 지령 주파수가 상기 히스테리시스 밴드폭을 벗어나는 경우에 상기 모터의 결선 모드를 절환하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 변경된 속도 지령이 상기 절환 경계 주파수의 110%를 초과하는 경우 상기 모터의 결선 모드를 제1 결선 모드에서 제2 결선 모드로 절환하고, 상기 변경된 속도 지령이 상기 절환 경계 주파수의 90% 미만인 경우 상기 모터의 결선 모드를 제2 결선 모드에서 제1 결선 모드로 절환하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 하기 수학식 3에 따라 모델링된 관성 회전 상태에 근거하여, 상기 관성 회전하는 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure 112019063466166-pat00001
여기서, Te는 일렉트릭(electric) 토크로서 회전자에 유기되는 토크의 크기, TL은 부하토크의 크기, TD는 일렉트릭 토크와 부하토크의 차이, Jm은 회전자의 관성, S는 라플라스 상수, Bm은 마찰 계수를 의미하며,
Figure 112019063466166-pat00002
은 회전자 각속도를 의미함.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 방법은, 모터 회전자의 회전 속도를 제어하는 속도 지령 주파수가 변경되면 상기 모터의 결선 방시에 따른 결선 모드를 검출하는 제1 단계와, 상기 결선 모드에 따른 기 설정된 절환 경계 주파수와, 상기 변경된 속도 지령 주파수를 비교하는 제2 단계와, 상기 비교 결과에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지하고 상기 모터의 결선 모드를 절환하는 제3 단계와, 상기 PWM 제어가 정지되는 동안 상기 회전자의 회전속도를 추정하는 제4 단계와, 상기 PWM 제어가 재개되면, 상기 추정된 회전 속도에 근거하여 상기 회전자의 초기값을 설정하는 제5 단계 및, 상기 설정된 초기값과, 상기 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도 차이에 따라 상기 결선 모드가 절환된 모터의 회전을 제어하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제5 단계는, 상기 PMW 제어가 재개되면, 절환된 모터의 결선 모드에 따른 위상차를 반영하여 상기 회전자의 위치를 보상하는 제5-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 보상되는 회전자의 위치는, +30도 또는 -30도 임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제4 단계는, 상기 회전자의 특정 극의 위치를 추정하는 제4-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절환 경계 주파수는, 제1 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제1 종합 효율과 제2 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제2 종합 효율이, 서로 동일한 때의 회전자 회전 속도에 대응하는 속도 지령 주파수임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 압축기 모터 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 압축기 모터의 구동 시에 모터의 결선 모드가 절환되면, 모터의 회전자가 관성 모멘트에 의해 회전하는 중에 상기 회전자의 회전 상태에 따라 절환될 결선 모드에 따른 회전자의 초기값을 설정하고, 설정된 초기값에 따라 회전자의 회전을 제어함으로써, 보다 고속으로 상기 모터의 결선 모드를 절환시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 모터의 회전자가 관성 회전 중에, 모터의 결선 모드를 절환하여 PWM 제어가 정지되는 시간을 단축함으로써, 모터 결선 절환 시에 소실되는 압축기의 압력을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2b는 Y 결선 모드 모터의 종합 효율과 △ 결선 모드 모터의 종합 효율에 따라 결정되는 절환 경계 주파수의 예를 도시한 예시도이다.　
도 2c는 도 2b에서 설명한 각 단계들을 시간에 따른 스텝들로 구분하여 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치의 동작 과정 중, 모터 회전자의 관성 회전 상태를 추정하는 과정의 예를 도시한 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터의 결선 모드들의 예를 도시한 예시도이다.
도 4b와 도 4c는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터의 절환부 스위칭 동작에 따라 모터의 권선들이 서로 다르게 연결되는 회로 구성의 예들을 도시한 예시도들이다.
도 5는 통상적인 경우의 결선 모드 절환 시의 절환 시간과 본 발명의 실시 예에 따른 결선 모드 절환 시의 절환 시간 차이를 도시한 예시도이다.　
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 결선 모드 절환 시 모터의 회전 속도를 시간의 흐름에 따라 도시한 예를 도시한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이하에서 설명되는 각각의 실시 예들 뿐만 아니라, 실시 예들의 조합은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물 내지 대체물로서, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 해당될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)는, 제어부(100)와 상기 제어부(100)에 연결되며, 제어부(100)에 의해 제어되는 모터(130) 및 메모리를 포함한다.
먼저 모터(130)는 회전자와 고정자로 구비되어, 인버터(구비되지 않음)를 통해 인가되는 교류 전류에 따른 모터 토크(torque)에 따라 상기 회전자가 회전함으로써 구동될 수 있다. 모터(130)는 사인파(sign wave) 형태를 가지는 교류 전류에 위상과 동기화되어 동작하는 동기 모터와, 위상과 동기화되지 않은 상태로 동작하는 비동기 모터가 있을 수 있다. 여기서 동기 모터의 경우, 회전 자계의 회전과 모터(130)의 회전자가 동기를 맞추어 회전하는 모터를 의미하며, 비동기 모터는 회전 자계의 회전과 모터(130) 회전자의 동기가 일치하지 않는 모터를 의미할 수 있다.
또한 상기 모터(130)는 내부의 결선 방식을 다르게 함으로써 Y(Wye) 결선 방식과 △(Delta) 결선 방식을 모두 사용할 수 있도록 형성될 수 있다. 또한 상기 모터(130)는 운전 중 결선 모드의 절환이 가능하도록 형성된 모터일 수 있으며, 이를 위해 모터(130)의 결선 모드를 절환하는 절환부(132)를 포함할 수 있다.
절환부(132)는 서로 다른 결선 모드에 따른 권선들을 선택적으로 연결되도록 하는 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있으며, 상기 제어부(100)의 제어에 따라 특정 결선 모드에 따른 권선들이 서로 연결되도록 함으로써 상기 모터(130)가 Y(Wye) 결선 방식에 따른 동작 모드(이하 Y 결선 모드) 또는 △(Delta) 결선 방식에 따른 동작 모드(이하 △ 결선 모드) 중 어느 하나의 동작 모드로 구동될 수 있도록 한다. 한편 상기 결선 모드의 절환이 이루어질 때, 상기 적어도 하나의 스위치는 절환 전 결선 모드에 따른 권선에서 절환 후 결선 모드에 따른 권선으로 스위칭되므로, 상기 스위칭에 따라 인버터의 출력 및 모터 토크(torque)가 차단될 수 있다. 이하 상기 절환 전 결선 모드를 ‘제1 결선 모드’로, 절환 후 결선 모드를 ‘제2 결선 모드’로 칭하기로 한다.
한편 제어부(100)는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 구동 모터(130)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 제어부(100)는, 예를 들어 에어컨의 기능 또는 설정된 목표 온도에 따라 압축기 구동 모터(130)를 제어하기 위한 속도 제어 신호를 생성할 수 있다. 이 경우 제어부(100)는 상기 모터(130)를 펄스폭 변조 제어(PWM : Pulse Width Modulation) 방식으로 제어할 수 있다. 이를 위해 제어부(100)는 PWM 제어부(120)를 포함할 수 있다.
PWM 제어부(120)는 인버터(Inverter : 도시되지 않음)에 구비된 스위치들을 제어하여, 상기 인버터를 통해 직류 전류가 교류 전류로 변환될 수 있도록 한다. PWM 제어부(120)는 상기 속도 제어 신호에 따라 상기 인버터의 스위치들을 제어하여, 상기 모터(130)에 인가될 교류 전류가 생성되도록 함으로써 상기 모터(130)의 회전 속도를 제어할 수 있다.　
한편 상기 모터의 속도 제어 신호는, 속도 지령 주파수의 형태로 생성될 수 있다. 따라서 에어컨의 설정된 기능 또는 설정된 목표 온도 등에 따라, 제어부(100)가 모터(130)의 회전 속도를 제어하기 위한 속도 지령 주파수를 속도 제어 신호로서 생성하면, PWM 제어부(120)는 상기 속도 지령 주파수에 따른 교류 전류가 생성되도록 상기 인버터를 제어할 수 있다. 그러면 인버터에 의해 상기 속도 지령 주파수에 따른 교류 전류가 모터(130)에 인가됨으로써, 상기 모터(130)의 회전자 회전 속도가 상기 속도 지령 주파수에 따라 변경될 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)의 제어부(100)는 상기 속도 지령 주파수에 근거하여 모터(130)의 결선 모드를 자동 절환할 수 있다. 이를 위해 제어부(100)는 속도 지령 주파수가 변경되는 경우 현재 모터(130)의 결선 모드를 검출하고, 검출된 결선 모드에 따른 절환 경계 주파수와 상기 변경된 속도 지령 주파수를 비교할 수 있다. 그리고 비교 결과에 따라 상기 모터(130)의 결선 모드가 절환되도록 상기 절환부(132)를 제어할 수 있다.
한편 모터(130)의 결선 모드가 절환됨에 따라 인버터의 출력 및 모터 토크가 차단되면, 상기 모터(130)의 회전자는 관성 모멘트가 부하 토크 보다 작아질 때까지의 소정 시간동안 관성 회전될 수 있다. 이처럼 모터(130) 회전자가 관성 회전하는 경우, 제어부(100)는 관성 회전하는 회전자의 상태를 검출할 수 있다. 여기서 상기 모터(130)의 회전 상태는 상기 관성 회전하는 회전자로부터 검출되는 서로 다른 값들을 포함할 수 있다. 일 예로 상기 회전자의 회전 상태는 관성 회전 중인 회전자의 회전 속도를 포함할 수 있으며, 또는 상기 관성 회전 중인 회전자의 특정 극(예를 들어 N극)의 위치를 포함할 수 있다.
한편 관성 회전하는 회전자의 상태가 검출되면, 제어부(100)는 검출된 회전자의 상태에 따라 회전자의 초기값을 설정할 수 있다. 일 예로 상기 모터(130)가 비동기 모터인 경우라면, 제어부(100)는 상기 검출된 회전자의 회전 속도를 상기 초기값으로 설정할 수 있다. 반면 상기 모터(130)가 동기 모터인 경우라면, 제어부(100)는 상기 회전자의 회전 속도 뿐만 아니라 상기 회전자 특정 극의 위치를 초기값으로 설정할 수 있다.
그리고 제어부(100)는 검출된 초기값에 근거하여, 제2 결선 모드에 따라 모터(130)의 속도를 제어할 수 있다. 예를 들어 제어부(100)는 제어부(100)는 검출된 회전자의 초기값에 포함된 특정 극의 위치에 근거하여 회전 자계의 회전과 상기 회전자의 회전이 동기화되도록 상기 모터(130)를 제어할 수 있다. 그리고 제어부(100)는 검출된 회전자의 초기값에 포함된 회전 속도에 근거하여, 속도 지령 주파수에 따른 속도에 도달하도록 모터(130)의 회전 속도, 즉 회전자의 회전 속도를 제어할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)는, 모터(130)의 결선 모드가 절환될 때, 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 초기값으로 제2 결선 모드에 따른 모터 제어가 수행됨으로써, 보다 고속으로 결선 모드 절환이 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 절환으로 인해 소실되는 압축기의 압력을 최소화할 수 있다.
한편 메모리(140)는 상기 제어부(100)의 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(140)는 현재 모터(130)의 결선 모드에 따른 정보 및, 현재 결선 모드에 따라 제어부(100)에서 모터(130)를 제어하기 위한 데이터 및 명령어들을 저장할 수 있다. 또한 메모리(140)는 상기 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 검출하기 위한 데이터들 또는 명령어들을 저장할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2a를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)의 제어부(100)는 에어컨의 구동 시에, 압축기 구동 모터(130)를 제어하기 위한 속도 제어 신호, 즉 속도 지령 주파수를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 속도 지령 주파수에 따른 교류 전류가 압축기 구동 모터(130)에 인가되도록 함으로써 상기 압축기 구동 모터(130)를 제어할 수 있다.
이러한 상태에서, 제어부(100)는 속도 지령 주파수의 변경이 발생하였는지 여부를 감지할 수 있다. 일 예로 제어부(100)는 에어컨에 설정된 기능의 변경 또는 설정된 목표 온도의 변경 등에 의해 압축기 구동 모터(130)를 다르게 제어하기 위한 속도 지령 주파수를 생성할 수 있다. 이 경우 생성되는 속도 지령 주파수는 달라질 수 있으며, 제어부(100)는 속도 지령 주파수가 변경된 것으로 판단할 수 있다.
이처럼 현재 다른 속도 지령 주파수가 생성되는 경우, 즉 속도 지령 주파수가 변경되는 경우, 제어부(100)는 현재 모터(130)의 결선 모드를 검출할 수 있다(S200). 그리고 검출된 결선 모드에 따른 절환 경계 주파수와 현재 인가된 속도 지령 주파수, 즉 변경된 속도 지령 주파수를 서로 비교할 수 있다(S202).
여기서 상기 절환 경계 주파수는 모터(130)의 결선 모드를 절환하기 위한 경계 주파수를 의미할 수 있다. 절환 경계 주파수는, 통상적으로 저속 운전에 적합한 Y 결선 모드에서 모터의 회전 속도가 더 빨라지는 경우 △ 결선 모드로 운용되는 것보다 효율이 저하(예 : 더 많은 전류가 소모)되는 주파수를 의미할 수 있다. 또는 통상적으로 고속 운전에 적합한 △ 결선 모드에서 모터의 회전 속도가 더 느려지는 경우 Y 결선 모드로 운용되는 것보다 효율이 저하(예 : 더 많은 전류가 소모)되는 주파수를 의미할 수 있다.
즉, 절환 경계 주파수는, 현재 설정된 결선 모드에 따라 모터(130)가 구동될 때 다른 결선 모드에 따라 모터(130)가 구동될 때에 비하여 최소한의 효율이 유지될 수 있는 모터(130)의 회전 속도 한계를 의미할 수 있다. 이러한 절환 경계 주파수는 Y 결선 모드와 △ 결선 모드에 대해 각각 설정될 수 있다. 이 경우 각 결선 모드에 대해 설정된 절환 경계 주파수는 서로 같을 수도 있음은 물론이다.
한편 상기 절환 경계 주파수는 전력 변환 장치 효율, 즉 인버터(PWM 제어부(120))의 효율과 각 모터의 결선 모드의 효율에 따라 결정될 수 있다. 도 2b는 이러한 Y 결선 모드 모터의 종합 효율과 △ 결선 모드 모터의 종합 효율에 따라 결정되는 절환 경계 주파수의 예를 도시한 것이다.
도 2b를 참조하여 살펴보면 먼저 Y 결선 모드 모터의 종합 효율(252)와 △ 결선 모드 모터의 종합 효율(combined efficiency)(254)의 예를 보이고 있다. 여기서 종합 효율(combined efficiency)은 인버터의 효율과 각 결선 모드의 모터 효율을 포함하는 효율로서, 하기 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021088487912-pat00019
한편 도 2b에서 보이고 있는 바와 같이, Y 결선 모드 모터의 종합 효율(252)와 △ 결선 모드 모터의 종합 효율(254)이 중첩되는 지점(250)에 대응하는 지점의 속도에 대응하는 속도 지령 주파수가, 절환 경계 주파수(260)로 설정될 수 있다.
한편 모터(130)의 회전 속도가 상기 절환 경계 주파수(260)보다 높은 경우 제어부(100)는 모터(130)의 결선 모드를 △결선 모드로 절환할 수 있다. 반대로 모터(130)의 회전 속도가 상기 절환 경계 주파수(260)보다 낮은 경우 제어부(100)는 모터(130)의 결선 모드를 Y 결선 모드로 절환할 수 있다.
한편, 도 2b에서 보이고 있는 바와 같이 절환 경계 주파수가 특정 주파수로 설정되는 경우, 속도 지령의 변화에 따라 모터(130)의 결선 모드 절환이 과도하게 발생될 수 있다. 이에 본 발명은 상기 절환 경계 주파수를 중심으로 히스테리시스(hysteresis) 밴드폭을 가질 수 있으며, 절환 경계 주파수를 벗어나도, 상기 히스테리시스 밴드폭을 벗어나지 않는 이상 현재 결선 모드가 유지되도록 할 수 있다.
한편 상기 히스테리시스 밴드폭은, 절환 경계 주파수에 근거하여 결정될 수 있다. 일 예로 상기 히스테리시스 밴드폭은 상기 절환 경계 주파수를 중심으로 10% 내외로 결정될 수 있다. 이 경우, 제어부(100)는 속도 지령이 상기 절환 경계 주파수(260)의 110%(261)를 초과하는 경우에 모터(130)의 결선 모드를 Y결선 모드에서 △결선 모드로 절환할 수 있다. 반면 속도 지령이 상기 절환 경계 주파수(260)의 90% 미만(262)인 경우에 모터(130)의 결선 모드를 △결선 모드에서 Y결선 모드로 절환할 수 있다. 이러한 경우 각 결선 모드의 절환 경계 주파수는 서로 달라질 수 있다. 하기의 설명에서는 각 결선 모드에 대해 서로 다른 절환 경계 주파수가 설정된 것을 가정하여 설명하기로 한다.
상기 S202 단계에서, 제어부(100)는 현재의 결선 모드가 Y 결선 모드인 경우, 현재 변경된 속도 지령 주파수가 Y 결선 모드에 대응하는 제1 절환 경계 주파수(261)보다 큰지 여부를 판단할 수 있다. 그리고 변경된 속도 지령 주파수가 상기 제1 절환 경계 주파수(261)보다 큰 경우라면, 제어부(100)는 결선 모드의 절환이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 그리고 상기 S202 단계의 판단 결과에 따라 제어부(100)는 절환부(132)를 제어하여 결선 모드를 절환할 수 있다. 이 경우 상기 절환부(132) 내부의 스위치 개방으로 인해 모터(130)로 인가되는 인버터의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단될 수 있다(S204).
한편 상기 S202 단계에서, 현재의 결선 모드가 Y 결선 모드가 아닌 △ 결선 모드라면, 상기 S202 단계는 현재 변경된 속도 지령 주파수가 △ 결선 모드에 대응하는 제2 절환 경계 주파수(262)보다 작은지 여부를 판단하는 과정이 될 수 있다. 그리고 변경된 속도 지령 주파수가 상기 제2 절환 경계 주파수(262)보다 작은 경우라면, 제어부(100)는 결선 모드의 절환이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 그리고 상기 S202 단계의 판단 결과에 따라 제어부(100)는 절환부(132)를 제어하여 결선 모드를 절환할 수 있다. 이 경우 상기 S204 단계에서는 상기 절환부(132) 내부의 스위치 개방으로 인해 모터(130)로 인가되는 인버터의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단될 수 있다. 그리고 소정 시간이 지난 후에 절환된 결선 모드에 따른 인버터의 출력이 모터(130)로 인가되어 모터 토크가 발생될 수 있다.
한편, 상기 S204 단계에서 결선 모드의 절환이 수행됨에 따라 모터(130)로 인가되는 인버터의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단되면, 모터(130)의 회전자는 관성 회전 상태에 있을 수 있다. 그러면 제어부(100)는 상기 절환부(132) 스위치의 하드웨어적 특성에 따른 절환 시간 동안 상기 관성 회전하는 모터(130) 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다(S206).
상기 S206 단계에서 회전자의 관성 회전 상태를 추정하기 위해 제어부(100)는 다양한 방법을 이용할 수 있다. 일 예로, 제어부(100)는 인버터에 출력 전압을 0(zero)으로 만드는 영전압 벡터가 인가되는 경우 회전자의 위치에 따라 회전자에 유기되는 전류가 달라지는 특징을 이용하여 상기 관성 회전 중인 회전자의 속도 및 상기 특정 극의 위치를 추정하는 방식을 이용할 수 있다. 또는 제어부(100)는 회전자의 관성 회전 모델을 생성하고 생성된 관성 회전 모델에 근거하여 회전자의 회전 속도 및 회전자 특정 극의 위치를 추정하는 방식을 이용할 수도 있다. 이하 이처럼 관성 회전 모델을 이용하는 방식에 근거하여 회전자의 회전 상태를 추정하는 방식을 하기 도 3을 참조하여 보다 자세하게 살펴보기로 한다.
한편 상기 S206 단계에서 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태가 추정되면, 제어부(100)는 추정된 상태에 근거하여 회전자의 초기값을 설정할 수 있다(S208). 일 예로 상기 추정된 회전자의 상태는 회전자의 회전 속도 및 특정 극(예를 들어 N극)의 위치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서 제어부(100)는 S208 단계에서 상기 회전자의 회전 속도 및 N극의 위치 중 적어도 하나를 초기값으로 설정할 수 있다.
이 경우 만약 상기 모터(130)가, 회전 자계와 회전자의 동기가 필요하지 않은 비동기 모터인 경우라면, 제어부(100)는 회전자의 회전 속도 만을 상기 회전자의 초기값으로 설정할 수 있다. 반면 상기 모터(130)가 동기 모터인 경우라면 제어부(100)는 상기 회전 속도와 상기 검출된 N극의 위치를 회전자의 초기값으로 설정할 수 있다. 이는 동기 모터의 경우 회전 자계와 회전자의 동기가 필요하며, 이를 위해 회전자의 N극의 위치에 따라 회전 자계를 동기화시킬 수 있기 때문이다.
상기 S208 단계에서 회전자의 초기값이 설정되면, 제어부(100)는 설정된 초기값과 변경된 속도 지령 주파수에 근거하여 결선 모드가 제2 결선 모드로 절환된 모터를 제어할 수 있다(S210). 이에 따라 절환된 결선 모드에 따른 인버터의 출력이 모터(130)에 인가되어 다시 모터 토크가 발생될 수 있다. 즉 본 발명은 회전자가 관성 회전 중인 상태에서, 상기 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태에 따라 인버터의 출력(절환된 결선 모드에 따른 출력)이 모터(130)에 인가될 수 있다.
상기 S210 단계에서 제어부(100)는 현재 회전자의 회전 속도와 속도 지령 주파수에 따른 모터(130)의 회전 속도에 근거하여 상기 회전자가 더 가속(Y 결선 모드에서 △ 결선 모드로 절환 시)되도록 하거나 또는 더 감속(△ 결선 모드에서 Y 결선 모드로 절환 시)되도록 할 수 있다.
즉, 변경된 속도 지령 주파수가 제1 절환 경계 주파수(261)에 대응하는 속도를 초과하는 속도에 대응하는 경우라면, 현재 회전자의 회전 속도가 상기 변경된 속도 지령 주파수에 대응하는 속도에 이르도록, △ 결선 모드로 절환된 모터(130)의 회전 속도를 더 가속할 수 있다.
반면 변경된 속도 지령 주파수가 제2 절환 경계 주파수(262)에 대응하는 속도 미만의 속도에 대응하는 경우라면, 현재 회전자의 회전 속도가 상기 변경된 속도 지령 주파수에 대응하는 속도에 이르도록, Y 결선 모드로 절환된 모터(130)의 회전 속도를 더 감속할 수 있다.
이 경우 제어부(100)는 상기 속도 지령 주파수에 따른 모터(130)의 회전 속도와 초기값으로 설정된 회전자의 회전 속도의 차이만큼 상기 회전자가 더 가속되거나 또는 더 감속되도록 상기 모터(130)를 제어할 수 있다.
그리고 제어부(100)는 회전자의 회전 속도가, 변경된 속도 지령 주파수에 대응하는 속도에 도달하였는지 여부를 검출할 수 있다. 그리고 회전자의 회전 속도가, 변경된 속도 지령 주파수에 대응하는 속도에 도달하는 경우, 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전자의 결선 모드 절환 과정을 종료할 수 있다(S212).
한편 상기 S208 단계의 회전자 초기값 설정 과정은 현재 검출된 회전자의 회전 상태를 소정 시간 동안 유지하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이는 소정 기간동안 상기 회전자의 검출된 초기값에 따른 회전 속도를 유지하여 과도 응답출력의 발생을 제한하고 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 상태를 인버터의 출력 및 모터 토크에 따른 회전으로 안정화시키기 위함이다.
한편 도 2c의 (a) 및 (b)는 도 2b에서 설명한 단계들을 각 스텝별로 도시한 흐름도이다.
먼저 제1 스텝의 경우, 제어부(100)는 릴레이 회로의 파손을 위해 PWM 제어를 정지할 수 있다. 그리고 제2 스텝에서 Y 결선의 마그네틱 릴레이를 오프(low)하여 모터(130)의 중성점을 제거할 수 있다. 그리고 제3 스텝에서 △결선의 마그네틱 릴레이를 온(high) 하여 모터(130)의 결선을 변환할 수 있다.
한편 제1 스텝 이후 PWM 제어가 정지된 상태이기에, 전류 지령은 0으로 감소할 수 있다. 그리고 제1 스텝 이후 모터(130)의 회전자는 관성에 따라 회전되는 상태일 수 있다. 이 경우 부하 토크에 의해 회전자의 회전 속도는 점차 감소될 수 있다.
한편 모터(130)의 결선이 절환되면, 제어부(100)는 관성 회전 중인 회전자의 위치 및 속도를 추종할 수 있다(제 4스텝). 그리고 과응답을 방지하기 위해, 회전자가 현재 추정된 속도를 유지하도록 속도 지령을 인가할 수 있다. 이에 전류 지령이 인가될 수 있다(제5스텝). 그리고 제 5 스텝 이후 회전자의 속도가 안정화되면, 목표 지령에 대응하는 속도까지 회전자의 회전 속도가 가속되도록 제어 지령을 높일 수 있다(제6 스텝).한편 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)의 동작 과정 중, 관성 회전 모델에 근거하여 모터 회전자의 관성 회전 상태를 추정하는 과정의 예를 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하여 살펴보면, 제어부(100)는 도 2의 S204 단계에서 결선 모드의 절환이 수행됨에 따라 모터(130)로 인가되는 인버터의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단되면, 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 상태를 추정하기 위해 회전자의 관성 회전 상태를 모델링 할 수 있다(S300). 예를 들어 상기 회전자의 관성 회전 상태는 하기 수학식 2 및 수학식 3에서 보이고 있는 바와 같이 모델링될 수 있다.
Figure 112019063466166-pat00004
Figure 112019063466166-pat00005
여기서, Te는 일렉트릭(electric) 토크로서 회전자에 유기되는 토크의 크기, TL은 부하토크의 크기, TD는 일렉트릭 토크와 부하토크의 차이, Jm은 회전자의 관성, S는 라플라스 상수, Bm은 마찰 계수를 의미하며,
Figure 112019063466166-pat00006
은 회전자 각속도를 의미함.
여기서 Te는 상술한 바와 같이, 인버터의 출력이 차단되어 회전자가 관성 회전하는 상태이므로 0이 될 수 있다. 또한 마찰 계수(Bm)는 부하토크(TL)로 간주하여 0으로 가정할 수 있다. 한편 상기 모터는 압축기 구동 모터이므로 부하토크(TL)는 압축기의 압축 부하일 수 있다.
한편 제어부(100)는 상기 수학식 2 및 수학식 3에서 보이고 있는 관성 회전 모델에 따라 모터 토크가 차단된 시점, 즉 인버터의 출력이 차단된 시점부터 경과된 시간에 따른 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다(S302).
일 예로 제어부(100)는 상기 관성 회전 모델에 따라 회전자의 각속도를 산출할 수 있으며, 산출된 각속도를 회전자의 관성 회전에 따른 회전 속도로 추정할 수 있다. 그리고 상기 모터(130)가 동기 모터인 경우 산출된 각속도에 근거하여 회전자의 N극의 위치를 더 추정할 수 있다. 그러면 제어부(100)는 다시 도 2의 S208 단계로 진행하여, 상기 추정된 회전자의 회전 속도를 회전자의 초기 속도로 설정할 수 있다. 그리고 상기 모터(130)가 동기 모터인 경우, 상기 추정된 회전자의 N극의 위치를 회전자의 초기 위치로 설정하는 과정을 더 수행할 수 있다.　
한편 상기 도 3에서 도시한 방식은 본 발명에서 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 추정하는 방식의 일 예를 설명한 것이다. 즉 상기 도 3에서 도시된 방식에 따라 본 발명에서 관성 회전 중인 회전자의 회전 속도 및 특정 극의 위치 중 적어도 하나를 추정하는 방법이 한정되는 것이 아님은 물론이며, 얼마든지 상기 도 3에서 도시된 방법 이외에도 다양한 방법을 통해 관성 회전 중인 회전자의 회전 속도 및 특정 극의 위치 중 적어도 하나가 추정될 수 있다.
한편 상기 S210 단계에서 결선 모드가 절환된 모터를 제어하는 과정은 결선 모드의 특성에 따른 위상차를 반영하는 과정을 더 포함할 수 있다.
도 4a는 이러한 위상차를 설명하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터의 결선 모드들의 예를 도시한 예시도이다.
도 4a를 참조하여 살펴보면, 도 4a의 (a)는 △ 결선 모드에서 권선들이 연결된 상태의 예를, 도 4a의 (b)는 Y 결선 모드에서 권선들이 연결된 상태의 예를 도시한 것이다.
먼저 도 4a의 (a)를 참조하여 살펴보면, Y 결선 모드로 권선들(A2-a2, B2-b2, C2-c2)이 연결된 경우 Y 결선 구조를 이루는 권선들(A2-a2, B2-b2, C2-c2)로 전류가 인가되므로 인버터의 출력 전류(I3) 그대로의 전류(I3)가 유입될 수 있다. 이 경우의 쇄교 자속, 인덕턴스, 권선 저항은, 각각 . Ld,q, RS 가 될 수 있다.
반면 도 4a의 (b)를 참조하여 살펴보면, △ 결선 모드로 권선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1)이 연결되는 경우 △ 결선 구조를 이루는 권선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1)로 전류가 유입되므로, Y 결선 구조로 권선이 연결되는 방향과 30도의 위상 차를 가지게 된다. 그리고 이러한 인버터의 출력 전류(I3)에 대해 1/로 감소된 전류(I3)가 위상차에 따라 권선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1)로 유입될 수 있다. 그리고 쇄교 자속은 1/로 감소할 수 있으며, 인덕턴스와 권선저항은 각각 1/3으로 감소될 수 있다. 이와 같은 결선 모드의 구조적 차이에 따른 쇄교 자속과 인덕턴스, 그리고 권선저항의 차이는 하기 표 1과 같다.
Figure 112019063466166-pat00007
한편 이와 같이, △ 결선 모드의 경우 권선들이 연결된 구조적 특징에 따라 30도의 위상차가 발생하므로, 제어부(100)는 Y 결선 모드에서 △ 결선 모드로 전환되는 경우 제어부(100)는 회전자의 위치를 +30도 변경하여야 △ 결선 모드에 따른 정확한 모터 제어를 수행할 수 있다. 반면 △ 결선 모드에서 Y 결선 모드로 전환되는 경우 회전자의 위치를 -30도 변경하여야 Y 결선 모드에 따른 정확한 모터 제어를 수행할 수 있다. 따라서 상기 S210 단계는 결선 모드 절환에 따른 위상차를 반영하여 회전자의 위치를 보정하는 과정을 더 포함할 수 있다.
한편 도 4b와 도 4c는 절환부(132)의 스위칭 동작에 따라 모터(130)의 권선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1, A2-a2, B2-b2, C2-c2)이 서로 다르게 연결되는 회로 구성을 도시한 도면들이다.
먼저 모터(130)의 권선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1, A2-a2, B2-b2, C2-c2) 중 일부의 권선들(Y 모드 결선들 : A2-a2, B2-b2, C2-c2)은 절환부(132)의 제1 스위치들(451, 452, 453)에 연결될 수 있다. 그리고 다른 일부의 권선들(△ 모드 결선들 : A1-a1, B1-b1, C1-c1)은 절환부(132)의 제2 스위치들(454, 455, 456)에 연결될 수 있다. 한편 상기 제1 스위치들과 제2 스위치들은 상보적으로 동작할 수 있다. 즉, 제1 스위치들(451, 452, 453)이 온 되는 경우 제2 스위치들(454, 455, 456)은 오프 되고, 제1 스위치들(451, 452, 453)이 오프되는 경우 제2 스위치들(454, 455, 456)이 온 될 수 있다.
먼저 제1 스위치들(451, 452, 453)이 온 되는 도 4b를 참조하여 살펴보면, 제1 스위치들(451, 452, 453)이 온 되는 경우 Y 모드 결선들(A2-a2, B2-b2, C2-c2)은 서로 연결될 수 있다. 이에 도 4a의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이, 중성점을 중심으로 Y 모드 결선들(A2-a2, B2-b2, C2-c2)이 연결될 수 있다. 이 경우 제2 스위치들(454, 455, 456)은 오프될 수 있으며, 이에 △ 모드 결선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1)은 연결되지 않아 회로가 형성되지 않을 수 있다.
반면 제2 스위치들(454, 455, 456)이 온 되는 도 4c를 참조하여 살펴보면, 제2 스위치들(454, 455, 456)이 온 되는 경우 △ 모드 결선들(A1-a1, B1-b1, C1-c1)은 서로 연결될 수 있다. 이에 도 4a의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, △ 모드 결선들(A2-a2, B2-b2, C2-c2)이 연결될 수 있다. 이 경우 제1 스위치들(451, 452, 453)은 오프될 수 있으며, 이에 Y 모드 결선들(A2-a2, B2-b2, C2-c2)은 연결되지 않아 회로가 형성되지 않을 수 있다.
한편 이상의 설명에서는 모터(130)의 결선 모드 절환에 따라 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 상태를 추정하고, 추정된 회전 상태에 따라 회전자의 초기값을 설정 및, 설정된 회전자의 초기값을 설정함으로써, 회전자의 회전이 정지되기 전에 상기 절환된 결선 모드에 따른 모터 제어가 수행될 수 있도록 하는 동작 과정을 흐름도들을 참조하여 자세히 살펴보았다.
이하의 설명에서는 예시도들을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)와 통상적인 모터 제어 장치(1)의 결선 모드 절환 시간을 비교 및, 상기 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 방식에 따라 소모되는 압축기의 압력을 살펴보기로 한다.
도 5는 통상적인 경우의 결선 모드 절환 시의 절환 시간과 본 발명의 실시 예에 따른 결선 모드 절환 시의 절환 시간의 예를 도시한 예시도들이다. 한편 하기의 설명에서는 절환이 수행되기 전의 결선 모드를 제1 결선 모드, 절환이 수행된 이후의 결선 모드를 제2 결선 모드라고 칭하기로 한다.
먼저 도 5의 (a)를 참조하여 살펴보면, 도 5의 (a)는 통상적인 압축기 모터 제어 장치에서 결선 모드 절환이 수행되는 예를 도시한 것이다. 통상적인 압축기 모터 제어 장치의 경우, 결선 모드 절환 시에 인버터의 출력 및 모터 토크의 출력이 차단되면, 도 5의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이 제1 결선 모드에 따른 회전자의 회전이 완전히 정지된 이후에 제2 결선 모드에 따른 제어가 수행되는 것을 알 수 있다.
이에 따라 도 5의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이, 절환이 수행된 시점의 모터(회전자) 회전 속도(K)(550)에 다다르기 위해서는, 상당한 시간이 필요함을 알 수 있다. 즉, 상기 절환이 수행된 시점에서의 회전 속도(K)(550)에 다다르는 경우에 절환이 완료된 것으로 판단하는 경우, 통상적인 압축기 모터 제어 장치는 절환에 소요되는 시간, 즉 절환 시간(500)이 길다는 문제가 있다.
반면 도 5의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)에서 결선 모드 절환이 수행되는 예를 도시한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)의 경우, 결선 모드 절환 시에 인버터의 출력 및 모터 토크의 출력이 차단되면, 도 5의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 회전자가 관성 회전을 하고 있는 상태에서 제2 결선 모드에 따른 제어가 수행되는 것을 알 수 있다.
이에 따라 도 5의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, 절환이 수행된 시점의 모터(회전자) 회전 속도(K)(550)에 다다르기 위해서 소요되는 시간이 통상적인 모터 제어 장치에 비하여 짧음을 알 수 있다. 즉, 상기 절환이 수행된 시점에서의 회전 속도(K)(550)에 다다르는 경우에 절환이 완료된 것으로 판단하는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 압축기 모터 제어 장치(1)는 절환에 소요되는 시간, 즉 절환 시간(510)을 크게 줄일 수 있으므로, 고속 결선모드 절환이 가능하다는 효과가 있다.
한편, 도 5의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이 통상적인 압축기 모터 제어 방식은, 회전자의 회전이 완전히 정지된 이후에 다시 지정된 속도로 회전되도록 회전자의 회전이 제어된다. 따라서 회전자의 정지에 따른 압축기 압력의 손실이 발생하며, 회전자가 정지된 상태에서 다시 일정 속도에 이르기까지의 전력이 낭비된다는 문제가 있다.　　
반면 본 발명은 도 5의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 회전자가 관성 회전을 하고 있는 상태에서 제2 결선 모드에 따른 제어가 수행될 수 있다. 따라서 손실되는 압력 역시 크게 줄일 수 있으며, 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 속도를 초기값으로 설정하고 목표 회전 속도와 초기값의 차이에 따라 모터의 구동을 제어함으로써 소모되는 전력 역시 줄일 수 있다는 효과가 있다. 도 6은 이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 결선 모드 절환 시 모터의 회전 속도를 시간의 흐름에 따라 도시한 예를 도시한 개념도이다.
도 6을 참조하여 살펴보면, Y 결선 모드로 모터가 구동되는 경우에, a 시점에서 변경된 속도 지령 주파수가 절환 경계 주파수보다 큰 경우, 제어부(100)는 결선 모드의 절환을 수행할 수 있다. 이에 따라 a 시점에서는 인버터의 출력 및 모터 토크가 차단될 수 있다. 따라서 a 시점에서 모터(130)의 회전자는 관성 회전 상태에 있을 수 있으며, 점점 감소하는 관성 모멘트에 의하여 회전자의 회전 속도가 감소하는 것을 알 수 있다.
한편 상기 절환에 의해 인버터의 출력 및 모터 토크가 차단된 시간, 즉 PWM 제어가 정지된 시간(610) 동안 제어부(100)는 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다. 일 예로 추정되는 회전 상태는 회전자의 회전 속도 및 회전자의 위치(N극의 위치)를 포함할 수 있다.
그리고 모터(130)의 결선 모드 절환이 완료되면, 제어부(100)는 관성 회전 중인 회전자가 정지되기 전에 절환된 결선 모드에 따라 회전자의 회전을 제어할 수 있다. 즉, 예를 들어 Y 결선 모드에서 △ 결선 모드로 절환된 경우라면 제어부(100)는 회전자의 회전 속도를 목표 지령에 따른 회전 속도까지 가속시킬 수 있다. 반면 △ 결선 모드에서 Y 결선 모드로 절환된 경우라면 회전자의 회전 속도를 목표 지령에 따른 회전 속도까지 감속시킬 수 있다.
이 경우 제어부(100)는 추정된 회전자의 속도 및 위치를 근거로 회전자의 초기값을 설정하고 설정된 초기값에 근거하여 회전자를 가속 또는 감속시킬 수 있다. 이 경우 회전자의 초기값은 현재 절환 완료된 결선 모드에 따라 회전자를 제어하기 위한 초기값일 수 있다.
즉 제어부(100)는 관성 회전하고 있는 회전자의 추정된 위치 및 속도에 근거하여, 상기 회전자의 회전을 제어하기 위한 속도 지령을 생성할 수 있다. 이 경우 제어부(100)는 현재 회전자의 위치(N극)에 근거하여 회전자의 회전을 제어할 수 있으며, 초기값에 대응하는 회전자의 회전 속도로부터 목표 지령에 대응하는 회전 속도에 이르기까지 회전자의 회전 속도를 가속 시키거나 감속시킬 수 있다. 일 예로 제어부(100)는 목표 지령에 대응하는 회전 속도와 초기값으로 설정된 회전자의 회전 속도, 즉 현재 추정된 관성 회전 상태의 회전자 회전 속도의 차이를 산출하고, 산출된 속도 차이에 따라 회전자의 회전 속도를 감속 또는 가속시킬 수 있다.
이 경우 제어부(100)는 상기 결선 모드의 절환에 따른 위상차(30도)에 따라 상기 회전자의 위치를 보정할 수 있다.
한편 b 시점에서 상기 절환된 결선 모드에 따른 구동이 시작되면, 제어부(100)는 소정의 시간동안 재기동의 안전화를 위한 모터 제어(612)를 수행할 수 있다. 상기 재기?? 안정화 제어 기간(612) 동안은 현재 설정된 모터(130)의 초기값에 따른 회전 속도를 유지하는 기간일 수 있다. 그리고 상기 재기동 안정화 제어 기간이 완료되면 회전자의 속도가 변경된 속도 지령 주파수의 속도에 따른 속도에 이를 때(640)까지, 회전자의 초기 속도에 근거하여 회전자를 가속(Y 결선 모드에서 △ 결선 모드로 절환된 경우)하거나 감속(△ 결선 모드에서 Y 결선 모드로 절환된 경우)시킬 수 있다. 그리고 회전자의 회전 속도가 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도, 즉 목표 회전 속도(650)에 도달하면, 현재의 모터 제어 상태를 유지할 수 있다.
한편 본 발명의 경우 도 6에서 보이고 있는 바와 같이, 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태에 근거하여 회전자의 초기 속도(630)를 설정함으로써, 설정된 초기 속도로부터 목표 지령에 대응하는 회전 속도에 이르기까지 회전자의 회전 속도가 가속되거나 감속될 수 있다. 따라서 본 발명은 PWM 제어가 정지된 이후, 관성 회전을 하는 동안에만 압축기의 압력이 소실될 수 있다. 즉 절환 전 회전 속도(620)로부터 회전자의 초기 속도(630)로 회전자의 회전 속도가 감소하는 시간 동안에만 압축기의 압력이 소실된다. 이는 관성 회전 중인 회전자로부터 초기 속도 및 초기 위치가 추정되면, 추정된 초기 속도 및 초기 위치에 근거하여 절환된 결선 모드에 따른 회전자의 회전 속도 제어가 이루어지기 때문이다. 따라서 모터 결선 모드 절환에 따른 압축기 압력의 손실을 최소화 할 수 있다.
또한 회전자의 초기 속도(630)로부터 목표 회전 속도(650)에 이르기까지만 회전자가 가속 또는 감속될 수 있다. 따라서 목표 회전 속도(650)까지 모터(회전자)의 회전 속도가 도달하는 시간이 단축될 수 있으며, 그에 따른 전력의 낭비를 방지할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 모터 제어 장치의 제어부(100)를 포함할 수 있다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

  1. PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 따른 모터 토크에 따라 회전하는 회전자를 포함하는 모터;
    상기 모터에 구비되며, 상기 모터 내부의 결선 방식을 제1 결선 모드에서 제2 결선 모드로 절환하여 상기 모터가 상기 제2 결선 모드에 따라 구동되도록 하는 절환부; 및,
    목표 지령에 따라 상기 회전자의 회전 속도를 제어하는 속도 지령 주파수를 변경하며, 상기 변경된 속도 지령 주파수와 상기 제1 결선 모드에 따른 절환 경계 주파수를 비교한 결과에 따라 상기 모터의 결선 모드가 절환되도록 상기 절환부를 제어 및,
    상기 결선 모드의 절환에 따라 상기 PWM 제어가 정지되면, 관성 회전하는 회전자의 회전 상태를 추정하며, 상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 따른 회전자 회전 속도와 상기 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전자의 회전 속도 차이를 산출하고 산출된 회전 속도 차이에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 가속하거나 감속하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 회전자의 초기값이 설정되면, 소정 시간 동안 상기 추정된 회전자의 회전 속도에 대응하는 속도 지령을 인가하여 상기 회전자가 상기 소정 시간 동안 상기 추정된 회전 상태를 유지하도록 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 PMW 제어가 재개되면, 상기 제2 결선 모드에 따른 위상차를 반영하여 상기 회전자의 위치를 보상하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보상되는 회전자의 위치는,
    +30도 또는 -30도 임을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 소정의 시간동안 상기 설정된 회전자의 초기값에 따라 회전자의 회전 상태가 유지된 이후에, 상기 속도 지령 주파수에 따라 결선 모드가 절환된 모터의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 결선 모드의 절환에 따라 상기 PWM 제어가 정지되면, 상기 회전자의 관성 회전 모델을 생성하고, 상기 관성 회전 모델에 근거하여 산출되는 각속도와 상기 PWM 제어가 정지된 이후 경과된 시간에 근거하여 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    인버터에 영(zero)전압 벡터를 인가하고, 상기 회전자에 유기되는 전류의 차이에 근거하여 관성 회전 중인 상기 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 PWM 제어 정지에 따라 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 속도 및, 상기 회전자 특정 극의 위치 중 적어도 하나를, 상기 회전자의 회전 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 모터가 회전 자계와 회전자의 회전이 동기되는 동기식 모터인 경우, 상기 추정된 회전자 특정 극의 위치에 근거하여 회전 자계와 회전자의 회전을 동기시키는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 모터는,
    결선 방식에 따라 Y(Wye) 결선 모드 또는 △(Delta) 결선 모드로 구동하며,
    상기 제어부는,
    현재 모터의 결선 모드가 Y 결선 모드 인 경우, 상기 속도 지령 주파수가 제1 절환 경계 주파수보다 더 높을 때에 △ 결선 모드로 절환을 수행하고,
    현재 모터의 결선 모드가 △ 결선 모드 인 경우, 상기 속도 지령 주파수가 제2 절환 경계 주파수보다 더 낮을 때에 Y 결선 모드로 절환을 수행하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 절환 경계 주파수와 상기 제2 절환 경계 주파수는 서로 동일한 속도 지령 주파수임을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 △ 결선 모드로 절환이 수행되면, 상기 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도와 상기 초기값에 따른 상기 회전자의 회전 속도의 차이만큼 상기 회전자가 가속하도록 상기 모터를 제어하고,
    상기 Y 결선 모드로 절환이 수행되면, 상기 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도와 상기 초기값에 따른 상기 회전자의 회전 속도의 차이만큼 상기 회전자가 감속하도록 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 절환 경계 주파수는,
    제1 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제1 종합 효율과 제2 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제2 종합 효율이, 서로 동일한 때의 회전자 회전 속도에 대응하는 속도 지령 주파수임을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 절환 경계 주파수를 중심으로 히스테리시스(hysteresis) 밴드폭을 생성하며, 변경된 속도 지령 주파수가 상기 히스테리시스 밴드폭을 벗어나는 경우에 상기 모터의 결선 모드를 절환하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 변경된 속도 지령이 상기 절환 경계 주파수의 110%를 초과하는 경우 상기 모터의 결선 모드를 제1 결선 모드에서 제2 결선 모드로 절환하고,
    상기 변경된 속도 지령이 상기 절환 경계 주파수의 90% 미만인 경우 상기 모터의 결선 모드를 제2 결선 모드에서 제1 결선 모드로 절환하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    하기 수학식 3에 따라 모델링된 관성 회전 상태에 근거하여, 상기 관성 회전하는 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 장치.
    [수학식 3]
    Figure 112019063466166-pat00008

    여기서, Te는 일렉트릭(electric) 토크로서 회전자에 유기되는 토크의 크기, TL은 부하토크의 크기, TD는 일렉트릭 토크와 부하토크의 차이, Jm은 회전자의 관성, S는 라플라스 상수, Bm은 마찰 계수를 의미하며,
    Figure 112019063466166-pat00009
    은 회전자 각속도를 의미함.
  16. 목표 지령에 따라 모터 회전자의 회전 속도를 제어하는 속도 지령 주파수가 변경되면 상기 모터의 결선 방식에 따른 결선 모드를 검출하는 제1 단계;
    상기 검출된 제1 결선 모드에 따른 기 설정된 절환 경계 주파수와, 상기 변경된 속도 지령 주파수를 비교하는 제2 단계;
    상기 비교 결과에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지하고 상기 모터의 결선 모드를 제1 결선 모드에서 제2 결선 모드로 절환하는 제3 단계;
    상기 PWM 제어가 정지되는 동안 관성회전하는 상기 회전자의 회전속도를 추정하는 제4 단계;
    상기 PWM 제어가 재개되면, 상기 추정된 회전 속도에 근거하여 상기 회전자의 초기값을 설정하는 제5 단계; 및,
    상기 설정된 초기값과, 상기 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전 속도 차이에 따라 상기 결선 모드가 절환된 모터의 회전을 제어하는 제6 단계를 포함하며,
    상기 제6 단계는,
    상기 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전자의 회전 속도와, 추정된 상기 관성회전 상태의 회전자 회전 속도의 차이를 산출하는 제6-1 단계; 및,
    상기 제6-1 단계에서 산출된 회전 속도의 차이에 따라 상기 회전자의 회전 속도를 가속하거나 감속하는 제6-2 단계를 더 포함하고,
    상기 제5 단계는,
    상기 회전자의 초기값이 설정되면, 소정 시간 동안 상기 추정된 회전자의 회전 속도에 대응하는 속도 지령을 인가하여 상기 회전자가 상기 소정 시간 동안 상기 추정된 회전 상태를 유지하도록 상기 모터를 제어하는 제5-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제5 단계는,
    상기 PMW 제어가 재개되면, 절환된 모터의 결선 모드에 따른 위상차를 반영하여 상기 회전자의 위치를 보상하는 제5-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 보상되는 회전자의 위치는,
    +30도 또는 -30도 임을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제4 단계는,
    상기 회전자의 특정 극의 위치를 추정하는 제4-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 절환 경계 주파수는,
    제1 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제1 종합 효율과 제2 결선 모드에 따른 모터의 효율에 따라 결정되는 제2 종합 효율이, 서로 동일한 때의 회전자 회전 속도에 대응하는 속도 지령 주파수임을 특징으로 하는 압축기 모터 제어 방법.
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