KR20060053131A - 냉장고 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 레시프로 압축기에 의한 진동ㆍ소음의 억제와, 에너지 절약화를 도모한 냉장고를 제공하는 것이다.

벡터 제어 방식에 있어서 축 오차로부터 토크 맥동 성분을 추출하고, 추출한 토크 맥동 성분을 부정하는 토크 전류 성분을 흐르게 하는 토크 제어에 있어서, 상기 맥동 성분을 부정하는 토크 전류 성분을 제한하는 리미터를 형성한다.

Description

냉장고{REFRIGERATOR}

본 발명은 압축기의 모터 제어 장치를 구비한 냉장고에 관한 것이다.

도9는, 레시프로 압축기의 일반적인 구성을 도시한 종단면도이다. 밀폐 용기(26) 내에 고정자(27a)와 회전자(27b)로 이루어지는 전동기(27)가 구비되어 있고, 이 회전자(27b)에 감합되어 회전 운동을 행하는 회전축(28)과, 이 회전축(28)의 회전 운동을 왕복 운동으로 변환하기 위한 편심부(28b)를 구비하고, 베어링체(29) 상에 배치된 실린더(30) 내에 공급된 냉매를 피스톤(31)의 왕복 운동에 의해 압축하는 압축 기구부를 갖고 구성되어 있다.

이러한 레시프로 압축기에 있어서는, 일반적으로 내부 방진 구조가 이용되고 있다. 즉, 전동기(27) 및 상기 압축 기구부로 구성되는 구조체를 지지하는 지지 스프링(32)이나, 압축 기구부로부터 토출되는 가스를 유도하기 위한 루프 파이프(33) 등으로, 부하에 따라서 발생하는 토크 변동에 의한 구조체의 진동을 감쇠시켜 진동 혹은 소음을 컨트롤하는 방법이 취해지고 있다.

이러한 압축기의 진동을 억제하는 방법으로서는, 특허 문헌 1에 기재된 것이 있다. 이 예는 레시프로 압축기에 있어서 냉장고의 부하와 압축기의 회전수에 따라서 발생하는 부하 토크에 대략 일치한 토크를 모터에 부여하는 토크 제어를 이용한 것이다. 또한, 특허 문헌 2에는 전동기에 흐르는 전류를 검출하고, 여자 전류 성분(d축 전류)과 토크 전류 성분(q축 전류)을 구하여 토크 제어를 행하는 토크 제어 장치가 개시되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2003-4352호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2003-339197호 공보

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2003-4352호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2003-339197호 공보

상술한 바와 같이, 압축기 내부 구조체의 진동은 지지 스프링(32) 혹은 루프 파이프(33) 등으로 감쇠시키는 방법을 취하고 있지만, 이들은 부하 변동이나 회전수 변화에 상관없이 일정한 감쇠 특성밖에 갖지 않기 때문에, 부하 변동이 어느 정도 커지면 진동 감쇠 특성이 부족하고, 이상한 진동 혹은 소음이 발생할 가능성이 높아진다. 그 결과, 제품의 부가 기능의 다양화 혹은 사용 환경의 변화에 따라서 변동하는 부하에 충분히 추종할 수 있는 광범위한 회전수 가변 제어의 방해하는 원인이 될 수 있다.

예를 들어, 냉장고 주위의 환경 온도, 식품 저장량, 그 밖의 부가 기능 등으로 고내의 부하 온도가 변화하면, 인버터 제어에 의해 압축기의 회전수를 변화시키는 것으로 되지만, 도10에 도시한 바와 같이 통상은 부하가 높은 영역에서는 고속 운전이 되고, 부하가 낮은 영역에서는 저속 운전이 된다. 이때, 도11에 도시한 바와 같이 부하에 따라서 압축기에 관한 압력이 변화함으로써, 가스 압축 하중에 기인하는 압축 부하는 고속으로 운전되는 조건으로 높아지는 케이스가 많다. 또, 도11에 있어서 회전각 0°라 함은, 피스톤이 실린더의 가장 안쪽부에 도달하는 상사점을 나타내고 있고, 180°는 하사점을 나타내는 것이다. 이하, 본 명세서에 있어서 마찬가지다.

또한, 레시프로 압축기인 경우, 회전축(28)의 편심부(28b)에 피스톤(31)이 설치되어 있는 구조로 되어 있기 때문에, 이들이 회전 중심(28a)의 주위에서 관성력을 발생한다. 이 관성력은 도12에 도시한 바와 같이 회전수에 따라서 변화한다. 도13에 도시한 바와 같이, 가스 압축 하중 및 관성력에 기인하는 토크의 합계가 압축기의 부하 토크가 되고, 이 부하 토크와 모터의 출력 토크의 차분을 회전축(28)의 1 회전당의 토크 변동이라고 하면, 이 토크 변동이 압축기의 진동원 혹은 소음원으로 되어 있다. 또한 이 중에서, 가스 압축 토크의 피크 부근에서는 관성 토크가 역방향으로 작용하고, 피크 부하를 경감시키는 역할을 하고 있다. 이로 인해, 저속에 있어서는 관성 토크의 크기가 작아지기 때문에, 압력 부하가 일정한 경우 고속보다도 부하 토크와 모터 출력 토크의 차가 커져, 역시 진동이 커지는 것이 예측된다.

한편, 냉장고의 냉동 사이클에 봉입되는 냉매는, 최근 프론계의 냉매로부터 탄화수소계의 냉매로 절환되어 오고 있다. 냉매로서 이소부탄과 같은 가연성 냉매를 이용한 경우, 프론 냉매와 동등한 냉각 능력으로 하기 위해서는 레시프로 압축기의 압제량을 크게 할 필요가 있다. 그로 인해, 피스톤 직경 자체도 커져 버린다. 이 압제량을 70 ％ 정도 크게 하여 종래의 프론 냉매와 동등한 냉각 능력을 확보하면, 피스톤 직경이 30 ％ 정도 커지고, 그에 따라 피스톤 중량도 커져 버린다. 이로 인해 가스 압축 토크가 증대를 초래하는 동시에, 압축기 자체의 진동도 커진다. 이 진동은 특히 저속 운전시에 커져 압축기의 안정적인 운전의 저해 요인이 될 뿐만 아니라, 소음의 원인으로도 되어 버린다.

이러한 상황에 있어서, 압축기의 진동 억제 수단으로서는 모터 토크를 부하 토크에 추종시켜 속도 변동을 방지하는 토크 제어가 제안되어 있다. 특허 문헌 1에 기재와 같이 냉장고의 부하와 압축기의 회전수에 따라서 발생하는 부하 토크에 대략 일치한 토크를 모터에 공급함으로써, 도14와 같이 토크 변동을 대폭 저감할 수 있다. 그러나, 냉장고에 조립된 레시프로 압축기에 있어서 종래의 토크 맥동 억제 제어에서는 모터에 흐르는 전류를 조정하고, 모터 토크를 조정하기 위해 모터의 회전 방향에 나타나는 진동 중 피스톤 이동 방향의 진동은 대폭 억제할 수 있지만, 피스톤 이동 방향 이외의 진동에 대해서는 고려된 것이 아니었다. 따라서, 피스톤 이동 방향 이외의 진동에 대해서는 억제할 수 없고, 그것뿐만 아니라 피스톤 방향의 진동을 줄이기 위해 늘린 모터 전류에 의해, 피스톤 이동 방향 이외의 진동은 커져 버려 압축기 전체 영역 및 냉장고 전체 영역의 진동 저감 효과는 얻어지지 않는다.

덧붙여, 모터 토크를 부하 토크에 추종시키기 위해 모터 전류의 실효치는 증가하고, 압축기 단일 부재 입력 전력은 전체 영역에서 증가한다. 이 입력 전력 증가는 회전수가 낮을수록 현저해지고, 저 회전수화에 의한 전력 절약화의 방해가 되어 있었다. 또는, 압축기 운전의 최저 회전수를 낮게 하는 것은 전력 절약화를 위해서는 매우 유효하지만, 상술한 바와 같이 저속 운전시에 진동이 커져 버린다는 상황에 있어서는, 진동에 의한 전력의 손실도 증대하고, 반대로 전력 절약화를 방해하는 원인이 되는 경우도 있었다.

본 발명은 상기 과제에 비추어 이루어진 것으로, 진동 소음을 저감하고, 또한 전력 절약화를 실현하는 압축기의 모터 제어 장치를 구비한 냉장고를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 냉장고는 1 회전 중의 부하에 변동이 있는 압축기를 구동하는 전동기와, 이 전동기를 구동하기 위한 펄스 열을 출력하는 인버터와, 이 인버터에 입력되는 직류 전압을 생성하는 직류 생성 회로와, 상기 전동기의 회전자 1 회전 중의 토크 변동 성분과 상기 전동기의 회전수 지령을 기초로 하여 상기 인버터의 출력을 제어하는 토크 제어를 행하고, 상기 토크 변동 성분을 기초로 하여 산출되는 변동 토크 억제 지령치에 제한을 거는 리미터 기능을 갖는다. 이와 같이 리미터 기능을 가짐으로써, 압축기의 진동 억제 효과가 있어 냉장고 전체로서도 소음 억제나 전력 절약화를 도모할 수 있다.

또한, 상기 전동기의 회전자의 1 회전 중의 축 오차로부터 상기 전동기의 토크 변동을 산출하여 출력하는 토크 변동 출력부를 구비하는 것으로 하고, 상기 토크 변동 성분을 출력하는 것으로 하고 있다.

또한, 토크 변동 성분치에 상당하는 변동 토크 억제 지령치로 한 경우를 100 ％로 하고, 변동 토크 억제 지령치를 제로로 한 경우를 0 ％로 하였던, 상기 리미터부에 의해 제한되는 리미터치는 상기 전동기의 회전수 지령에 의해 다른 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 토크 변동 출력부는 상기 압축기 회전자의 실제 위치와, 마이크로 컴퓨터에 의해 추정되는 구동 위치와의 차로부터 토크 변동 성분을 산출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 토크 변동 성분을 부정하는 토크 전류 성분을 산출하여 전류 지령치를 구하고, 이 전류 지령치가 상기 리미터부에 의해 제한되어 변동 토크 억제 전류 지령치를 얻는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전동기의 회전수 지령의 회전수가 높은 경우에는, 회전수가 낮은 경우보다도 작은 값에 상기 리미터치가 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리미터치는 모터 전류 또는 인버터 전류의 파고치를 최소가 되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압축기는 레시프로식의 압축기이며, 상기 리미터치는 상기 압축기의 회전수가 1O00 내지 1500 회전으로 20 내지 30 ％로 설정되는 것을 특징으로 하고, 또한 상기 압축기는 레시프로식의 압축기이며, 상기 압축기의 소정 회전수 이상으로 리미터치를 제로로 한 것을 특징으로 하는 것이다. 이와 같이 구성함으로써, 저속으로부터 고속으로 도달하는 넓은 회전 영역에 있어서도 압축기 및 냉장고의 진동 소음 억제와 전력 절약화를 도모할 수 있다.

또한, 압축기를 구동하는 전동기와, 이 전동기를 회전수 제어하는 인버터와, 전류를 입력하여 이 인버터에 직류 전압을 공급하는 컨버터를 구비한 냉장고에 있어서, 본 발명은 고내 온도와 설정 온도를 기초로 하여 발생되는 속도 지령에 근접하도록, 상기 전동기의 회전수를 상기 인버터의 펄스 폭 변조 기능에 의해 제어를 행하는 제1 제어 모드와, 상기 압축기 전동기의 토크 맥동 검출 수단에 의해 검출한 맥동 성분을 억제하는 제어를 행하는 제2 제어 모드에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 압축기는 논프론 냉매를 사용한 냉동 사이클을 구성하고 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 토크 변동 성분을 부정하는 억제 지령치를 공급하는 토크 제어를 행하는 경우에 있어서, 이 변동 성분을 부정하는 값에 대해 제한을 거는 리미터를 형성함으로써, 진동의 저감을 도모하고 전력 절약화에 기여하는 것이 되고, 상기의 본 발명의 목적을 달성하는 것이다.

도1은, 본 실시예의 냉장고의 제어 형태를 도시하는 도면이다. 본 실시예의 냉장고(100)는 냉장 온도대의 저장실인 냉장실(110)과 냉동 온도대의 저장실인 냉동실을 구비하고 있다. 또한, 이러한 각 실을 원하는 온도로 하기 위해 냉동 사이클을 구비하고 있고, 이 냉동 사이클을 구성하는 압축기(6)는 제어 장치(200)에 의해 그 운전이 제어된다. 이 제어 장치(200)는 주로 2 종류의 입력 신호를 수신하여 압축기(6)의 운전을 제어하고 있다. 입력 신호의 종류로서는, 우선 첫째로 각 실내의 온도를 소정의 온도로 유지하기 위한 것이 있고, 둘째로는 이용자가 요구하는 온도를 실현하기 위해 외부 입력 장치에 의해 입력되는 것이 있다.

제1 입력 신호의 예로서는, 온도 센서(210)로부터의 입력 신호가 있다. 예를 들어, 압축기(6)가 운전하고 있지 않은 상황, 혹은 저 회전으로 운전하고 있는 상황에 있어서, 냉장실(110) 내의 온도가 상승하여 소정의 높은 온도가 되었을 때에, 제어 장치(200)가 온도 센서(210)로부터의 신호를 기초로 하여 압축기(6)를 운전하거나 보다 높은 회전수로 운전하도록 제어한다. 또한, 압축기(6)가 운전 중에 냉장실(110) 내의 온도가 내려가고, 소정의 낮은 온도가 되었을 때에 온도 센서(210)로부터의 신호를 기초로 하여 압축기(6)의 운전을 정지시키거나 낮은 회전수로 운전하도록 제어한다.

또, 본 실시예에서는 냉장실(110)의 온도에 대해 설명하고 있지만, 냉동실 내를 소정의 온도로 유지하는 경우에 있어서도, 마찬가지의 제어가 가능하다. 제2 입력 신호의 예에서는 이용자가 급냉동 스위치(120)를 온으로 한 경우의 입력 신호가 있다. 급냉동 스위치(120)가 온이 되면, 제어 장치(200)는 급냉동 지령 신호를 수신하고, 그 신호를 기초로 하여 압축기(6)의 운전을 제어한다.

모든 입력 신호인 경우라도, 제어 장치(200)는 신호를 수신하여 압축기(6)의 회전수, 운전의 온/오프를 제어하는 것에 대해서는 마찬가지다.

제어 장치(200)는, 도면에 도시한 바와 같이 냉장고(100)의 전체의 운전을 제어하는 주제어 장치와 압축기(6)의 운전을 제어하는 압축기 제어 장치로 크게 구별된다. 이와 같이, 주제어 마이크로 컴퓨터와, 부제어로서 압축기의 인버터 제어를 행하는 압축기 제어 마이크로 컴퓨터의 2개의 마이크로 컴퓨터를 이용하는 구성함으로써, 각각의 마이크로 컴퓨터 ROM 용량을 저감시키는 동시에, 냉장고 제어 프로그램과 효율화가 요구되는 압축기의 인버터 제어 프로그램의 개발을 병렬로 행하여 개발 효율을 올려 개발 기간의 단축 및 비용 삭감을 도모하고 있다.

또한, 압축기 정지 중은 압축기 제어 마이크로 컴퓨터를 소비 전력량이 낮은 스탠바이 모드에 천이시킬 수 있기 때문에, 제어 장치 전체로서의 전력 절약화를 도모할 수 있다. 또, 이들은 동일한 기판 상에 배치해도 지장이 없다. 주제어 장치는 주제어 마이크로 컴퓨터를 구비하고 있고, 상술의 입력 신호를 수신하여 압축기 제어 장치로 운전 지령을 송신한다. 압축기 제어 장치는 압축기 제어 마이크로 컴퓨터를 구비하고 있고, 주제어 장치로부터의 운전 지령을 기초로 하여 인버터 회로 구동용 드라이버로 드라이브 신호를 송신하고, 압축기(6)의 운전을 제어하고 있다.

또한, 압축기 제어 장치는 압축기의 온/오프, 회전수 등의 운전 상황을 주제어 장치로 송신한다. 이와 같이 주제어 회로는 압축기의 현재의 운전 상태와, 상술의 입력 신호를 기초로 하여 운전 지령을 송신하고 있다.

이하, 이 제어 장치(200)의 상세에 대해 도면을 이용하여 설명한다.

도2는, 본 발명에 따른 교류 전동기 제어 장치의 실시 형태의 계통 구성을 도시하는 도면이다. 모터의 운전 제어는 모터 전류 센서리스ㆍ위치 센서리스 180도 통전 벡터 제어 방식으로 하고, 벡터 제어 방식의 제어부에 토크 제어부(11)를 구비하였다.

본 실시 형태의 제어 장치는 전동기에 대한 회전수 지령을 부여하는 제어부(2)를 구비하고 있다. 이 제어부(2)는 전동기의 교류 인가 전압을 연산하고, 펄스 폭 변조파 신호(PWM 신호)로 변환하여 출력하는 제어기에 의해 구성된다. 이 제어부(2)로부터 출력되는 PWM 신호를 받아 PM 모터(5)를 구동하기 위한 펄스 열을 출력하는 인버터(3)와, 인버터(3)에 전력을 공급하는 직류 전원(4)과, 제어 대상인 PM 모터(5)와, PM 모터(5)의 부하가 되는 압축기(6)와, 직류 전원이 인버터로 공급하는 전류 IO를 검출하는 전류 검출기(7)를 갖고, 이러한 구성을 구비하여 압축기(6)의 회전수의 제어를 행하고 있다.

제어부(2)는 전류 I0를 검출하여 PM 모터(5)에 흐르는 삼상교류 전류(Iu, Iv, Iw)를 제어기 내부에서 연산에 의해 재현하는 전류 재현기(8)를 구비하고 있다. 또, PM 모터(5)에 흐르는 삼상교류 전류를 직접 검출하는 것도 가능하다. 즉, 후술하는 dq 좌표 변환기(9)에 대해, PM 모터에 흐르는 전류를 출력하는 구성을 구비하고 있으면 좋고, 예를 들어 PM 모터(5)에 흐르는 삼상교류 전류를 직접 검출하는 경우에는, 각 상에 대해 검출기를 배치하여 이들을 검출하면 좋다. 단, 본 실시예와 같이 인버터(3)로 공급되는 전류를 전류 검출기(7)로 검출하는 구성으로고 하면, 전류 재현기(8)로서 회로의 보호 저항을 이용할 수 있고, 또 각 상 모두에 검출기를 별도 배치하는 경우와 비교하여 회로 구성을 단순화할 수 있다.

전류 재현기(8)에 의해 재현된 전류는 dq 좌표 변환기(9)로 이송된다. 이 좌표 변환기(9)는 재현된 삼상교류 전류를, 위상각 θdc(제어기 내부에서 가정하고 있는 PM 모터의 자석 자속의 위치)에 의해, d축, q축 상의 성분 Idc, Iqc로 좌표 변환을 행한다. 또, d축, q축이라 함은, 자속이 쉽게 통하는 방향을 d축, d축에 대해 전기적으로 90°[전기각] 위상이 진행된 q축으로 한 회전 좌표계를 나타내고 있다.

또한, 필터(10)를 구비하고, 이러한 q축 상의 전류 성분 및 d축 상의 전류 성분에 대해 지령(Iq* 및 Id*)을 부여하고, 전압 지령 연산기(12)는 이러한 Id*, Iq* 및 전기각 주파수 지령(ω1*)을 기초로 하여, 전압 지령(Vdc*, Vqc*)을 연산한다 . dq 역 변환기(13)는 전압 지령(Vdc*, Vqc*)을 삼상교류 전압 지령(vu*, vv*, vw*)으로 변환하고, PWM 펄스 발생기(14)는 이 삼상교류 전압 지령을 기초로 하여, 인버터(3)를 스위치 동작하기 위한 펄스 폭 변조 신호(PWM 신호)를 발생시킨다.

또한, PM 모터(5)의 자석 자속 위치(θd)와, 제어기(2) 내부에서 가정하고 있는 위치(θdc)와의 오차에 상당하는 각도[축 오차(Δθdc)]를 추정 연산하는 축 오차 추정기(15)를 갖고, 이 축 오차(Δθdc)를 후술하는 토크 제어부(11)로 출력한다. 또한, 가산 및 감산을 행하는 가감산기(16)와, 영 발생기(17)와, Δθdc를 영으로 제어하기 위해, 전기각 주파수 지령(ω1*)에 보상을 가하는 비례 보상기(18)와, PM 모터의 극수(P)를 이용하여 회전수 지령(ωr*)을 전동기의 전기각 주파수 지령(ω1*)으로 변환하는 변환 게인(19)과, 전기각 주파수를 적분하여 자석 자속 위치(θdc)를 연산하는 적분기(20)와, 축 오차 추정치(Δθdc)를 기초로 하여, 주기 외란 토크 성분인 ΔTm을 추정 연산하는 ΔTm 추정기(21)와, ΔTm의 추정치를 기초로 하여 q축 전류 지령(Iq*)에 보정을 가하는 주기 토크 외란 보상기 ATR(22)를 구비하여 구성되어 이루어진다.

직류 전원(4)은 교류를 직류로 변환하는 컨버터 회로를 구비하여 구성되어 있고, 교류 전원(23), 다이오드 브릿지(24) 및 평활 컨덴서(25)를 갖고 있다.

토크 제어부(11)는 토크 변동 출력부를 구비하여 구성된다. 즉, 축 오차 연산기(15)로부터 출력된 축 오차(Δθdc)로부터 토크 변동 성분(ΔTm)을 추정하는 ΔTm 추정기(21)를 구비하고 있고, 후술하는 바와 같이 축 오차(Δθdc)로부터 토크 변동 성분을 산출하고, 이 추정된 토크 변동 성분(ΔTm)을 출력한다. 출력된 토크 변동 성분(ΔTm)을 제로로 하기 위한 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSIN)은 주기 토크 외란 보상기 ATR(22)로부터 출력된다. 즉, 본 실시예의 토크 제어부(11)는 ΔTm 추정기(21)와 주기 토크 외란 보상기 ATR(22)로 구성되어 있다.

ΔTm 추정기(21)는 축 오차(Δθdc)로부터 토크 변동 성분(ΔTm)을 추정하고 있다. 벡터 제어에서는 마이크로 컴퓨터에 의해 전동기의 회전자 위치 추정이 연속적으로 행해지고 있다. 축 오차(Δθdc)라 함은 회전자가「실제로 고정자를 통과하는 위치(실제 위치)」와「마이크로 컴퓨터에 의한 추정 위치」라는 차이다. 벡터 제어에서는 이 축 오차가 제로가 되도록 운전 제어를 행하고 있다. 일정속 회전시에는 회전자에 관한 부하가 안정적이고 실제 위치와 추정 위치는 일치한다. 이때 축 오차의 값은 제로를 취한다.

가속시에는 관성력에 의해 회전자의 회전이 늦기 때문에, 추정 위치는 진행한 형태가 된다. 이 때 축 오차는 플러스의 값을 취한다. 이에 대해 감속시에는 반대로 회전자가 진행되기 때문에 추정 위치가 늦어 축 오차는 마이너스의 값을 취한다.

토크 제어에서는 이 축 오차(Δθdc)를 이용하여 토크 변동 성분(ΔTm)을 추정하고 있다. 회전자 1 회전 중의 축 오차(Δθdc)가 제로일 때에는 토크 변동 성분(ΔTm)은 제로가 된다. 이는 벡터 제어가 축 오차(Δθdc)를 제로가 되도록 운전 제어를 행하고 있기 때문이며, 부하 토크(TL)와 모터 출력 토크(Tm)가 동일한 경우에는 회전자 1 회전 중의 축 오차(Δθdc)는 제로가 된다.

부하가 무거울 때[부하 토크(TL)가 모터 출력 토크(Tm)를 상회할 때]는 회전자의 회전이 늦기 때문에, 추정 위치는 진행된 형태가 된다. 이때 축 오차(Δθdc)는 플러스의 값을 취한다. 이에 대해 부하가 가벼울 때[부하 토크(TL)가 모터 출력 토크(Tm)를 하회하였을 때]는 반대로 회전자가 진행되기 때문에 추정 위치가 늦어 축 오차(Δθdc)는 마이너스의 값을 취한다.

즉, 회전자 1 회전 중의 축 오차(Δθdc)를 관찰함으로써 토크 변동 성분(ΔTm)을 추정하는 것이 가능해진다. 이 회전자 1 회전 중의 축 오차(Δθdc)의 변화에 회전자의 회전 속도나 관성을 가미함으로써 토크 변동 성분(ΔTm)이 산출된다.

주기 토크 외란 보상기 ATR(22)는 토크 변동 출력부인 ΔTm 추정기(21)로부터 출력된 ΔTm을 받아 기계각 1차 주파수로 푸리에 전개함으로써, 회전자 회전에 동기한 맥동 토크를 추출하고, 적분 제어를 이용하여 맥동 토크를 제로로 하도록 토크 전류 지령치를 산출하는 구성이다. 주기 토크 외란 보상기 ATR(22)의 구성을 도3에 도시한다.

푸리에 변환부(33)로서는α-dq 좌표 변환기(33a)에 의해 좌표 변환 연산을 행함으로써 푸리에 급수 전개를 모의하고 있고, 토크 맥동 성분(ΔTm)을 기계각 1차 주파수 sin 성분, cos 성분으로 분해하여 기본파 성분의 크기를 구하고 있다. 여기서 α 좌표라 함은, 3상의 U상을 기준으로 α축을 정의하고, 전기적으로 90°[전기각] 위상이 진행된 축을 β축이라 정의한 2축의 고정 좌표계이다. 필터(33b)에서는 비주기적인 토크 변동 성분을 제거하고 있다.

적분 제어부(34)에서는 푸리에 변환부(33)로 구한 ΔTm의 기본파 성분의 크기를 제로로 하도록 적분 제어를 행하고, 맥동 토크를 제로에 억제하는 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSINd*, IqSINq*)을 산출하고 있다. 리미터부(35)에서는 적분 제어부(34)에서 산출된 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSINd*, IqSIN*)에 대해, 제한을 거는 리미터(35a)를 형성하고 있다. 리미터치는 회전수에 의해 가변 가능하고, 이에 의해 토크 변동 성분(ΔTm)의 억제량을 조절한다.

리미터치라 함은, 토크 변동 성분(ΔTm)을 제로로 하는 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSIN)을 100 ％로 한 경우의 값으로 한다. 푸리에 역 변환부(36)에서는 dq-α 좌표 변환기(36a)를 이용하여 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSIN)을 산출하고 있다. 또, 이 맥동 토크 전류 지령(IqSIN)은 토크 제어부(11)에서 그 때마다 계산하여 출력도 좋지만, 냉장고와 같이 주위의 환경 온도에 어느 정도 링크하여 가스 압축의 압력 조건이 결정되는 경우에서는 출력 패턴을 미리 설정해 두고, 조건의 변화에 따라서 최적 패턴을 선정해도 좋다. 또, 1 회전마다의 부하 토크의 변동 패턴이 크게 변화하지 않는 경우에는 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSIN)을 주기마다 출력해도 좋다.

다음에 토크 제어의 리미터치에 의한 압축기 챔버의 진동과 압축기 단일 부재 입력 전력에 대해 설명한다. 리미터치라 함은, 상술한 바와 같이 토크 변동 성분(ΔTm)의 값에 상당하는 맥동 토크 억제 전류 지령치로 한 경우를 100 ％로 하고, 리미터치 50 ％라 함은 토크 맥동 성분이 ΔTm인 경우에 ΔTm/2를 전류 지령치로서 부여하는 것이다. 위에서 서술한 바와 같이, 토크 제어를 행하는 경우에 있어서는 저속 회전시(본 실시예인 경우, 특히 1500 회전 이하)에 진동 억제 효과가 작아지고, 오히려 반대로 진동이 커져 버린다는 과제를 발견하고, 이 과제를 해결하는 것으로서 리미터치를 회전수에 의해 변화시키는 방법을 제안하는 것이다.

리미터치와 레시프로 압축기 진동치의 관계를 도4에 리미터치와 모터 입력 전력의 관계를 도5에 나타낸다. 또 진동치는 피스톤 이동 방향을 X축, 회전자축 방향을 y축, xy 평면의 수직 방향을 z축으로 한 경우의, x축, z축 방향의 가속도를 제곱 평균한 것이다.

도4에 나타낸 바와 같이 진동치는 리미터치에 의해 변화한다. 리미터치 100 ％일 때, 즉 토크 맥동 성분(ΔTm)에 대해 억제량에 제한을 걸지 않는 통상의 토크 제어의 진동치와 비교하여, 제한을 걸었던 쪽이 진동치가 작아지는 경향을 볼 수 있다. 한편, 리미터치를 제로로서 토크 제어를 행하지 않는 경우와 비교하여, 억제된 토크 제어를 한 경우 쪽이 진동치가 작아지는 경향이 있고, 1500 회전 이하인 경우에 있어서는 리미터치 20 내지 30 ％ 정도로 극소치를 볼 수 있는 것을 알았다.

또한, 도5에 도시한 바와 같이 모터 입력 전력도 리미터치에 의해 변화하고, 모터 입력 전력도 리미터치가 20 내지 30 ％의 부위에서 극소치를 나타내고, 리미터치가 40 ％ 이상으로 하면 모터 입력 전력은 증가하는 경향에 있는 것을 알았다.

또한, 상기 도면으로부터 진동치, 모터 입력 전력이 최소가 되는 가장 적절한 리미터치는 20 내지 30 ％ 사이에서 회전수에 의해 변동하는 것을 알고, 따라서 리미터치는 회전수에 의해 가변시키는 것이 보다 효과적이다. 그래서, 회전수에 의해 가장 적절한 리미터치를 설정하고, 리미터치의 가변 제어를 행하는 것이다. 즉, 리미터부(35)에서 가장 적절한 리미터치를 이용하여 맥동 토크 억제 전류 지령(IqSIN)을 출력함으로써, 압축기의 회전수에 의한 리미터치의 가변 제어를 행하는 것이다.

도6은, 상기의 사정을 감안하고, 회전수에 대해 가장 적절한 리미터치를 설정한 것이다. 1000 회전시 리미터치는 30 ％, 1500 회전시 리미터치는 20 ％, 1700 회전시 리미터치는 0 ％로 설정하고, 설정점 사이는 선형으로 가변시킨다. 리미터부는 이 설정치에 근거하여 리미터치를 가변시킨다. 이 설정에서는 1700 회전 이하의 저속 영역만으로 토크 제어가 작동하게 된다.

상기 토크 변동 성분(ΔTm)의 억제량에 제한을 걸지 않는 통상의 토크 제어와, 본 발명인 회전수에 의해 가장 적절한 리미터치에 가변하여 맥동 토크 억제 전류 지령을 제한하는 토크 제어의 진동치 및 모터 입력 전력의 비교도를 도7 및 도8에 나타낸다. 이들은 모두 도6에 나타낸 예로 비교한 것이다. 이러한 도면에 나타낸 바와 같이, 모터 입력 전력 및 진동치는 통상 토크 제어인 경우와 비교하여 저감되어 있고, 전력 절약화 및 소음의 저감 중 어디에도 효과가 있다. 특히 진동치는 회전하지만 작은 경우에 그 저감 효과가 증대하고, 압축기의 저속화에 크게 기여할 수 있다.

본 발명을 이용하면, 저속 영역에 있어서도 진동 및 소음이 낮고, 인버터 제어의 레시프로 압축기 및 그것을 이용한 냉장고 등의 제품의 제공이 가능해지고, 또한 가연성 냉매를 이용하는 제품의 진동에 의한 배관의 피로 열화를 경감할 수 있어 높은 안전성을 확보할 수 있다.

또한, 가연성 냉매를 사용하여 압축 기구부의 중량이 커진 경우라도, 압축기의 저 회전화를 도모할 수 있는 것이 되어 저속으로부터 고속까지의 넓은 회전 영역에 있어서 전력 절약화에 기여하는 것으로 할 수 있다.

이상 설명한 실시 형태에 있어서, 여러 가지의 수치를 나타내어 설명하였지만, 이들 수치는 일예이며 제어 사상에 합치하는 한 다른 수치라도 지장이 없다.

본 발명에 따르면, 진동 소음을 저감하고, 또한 전력 절약화를 실현하는 압축기의 모터 제어 장치를 구비한 냉장고를 제공할 수 있다.

도1은 냉장고의 제어 형태를 도시하는 도면.

도2는 교류 전동기 제어 장치의 계통 구성을 도시하는 도면.

도3은 주기 토크 외란 보상기 ATR의 계통 구성을 도시하는 블록도.

도4는 리미터치와 레시프로 압축기의 진동치의 관계를 나타내는 도면.

도5는 리미터치와 모터 입력 전력의 관계를 나타내는 도면.

도6은 리미터치와 압축기 회전수의 관계의 일예를 나타내는 도면.

도7은 모터 입력 전력 특성을 나타내는 도면.

도8은 압축기 진동치를 나타내는 도면.

도9는 레시프로 압축기의 종단면도의 일예를 도시하는 도면.

도10은 인버터 제어 냉장고의 고내 부하 온도와 압축기 회전수의 관계의 일예를 나타내는 도면.

도11은 고내 부하와 가스 압축 하중의 관계를 나타내는 도면.

도12는 압축기 회전수와 피스톤 관성력의 관계를 나타내는 도면.

도13은 종래 기술에 있어서의 압축기 부하 토크와 모터 토크의 관계의 일예를 나타내는 도면.

도14는 압축기 부하 토크와 모터 토크의 관계의 일예를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 제어부

3 : 인버터

4 : 직류 전원

5 : PM 모터

6 : 압축기

7 : 전류 검출기

8 : 전류 재현기

9 : dq 좌표 변환기

10 : 필터

11 : 토크 제어부

12 : 전압 지령 연산기

13 : dq 역 변환기

14 : PWM 펄스 발생기

15 : 축 오차 추정기

16 : 가감산기

17 : 영 발생기

18 : 비교 보상기

19 : 변환 게인

20 : 적분기

21 : ΔTm 추정기

22 : 주기 토크 외란 보상기 ATR

33 : 푸리에 변환부

33a : α-dq 좌표 변환기

33b : 필터

34 : 적분 제어부

34a : I 제어

35 : 리미터부

35a : 리미터

36 : 푸리에 역 변환부

36a : dq-α 좌표 변환기

Claims (10)

1 회전 중의 부하에 변동이 있는 압축기를 구동하는 전동기와, 이 전동기를 구동하기 위한 펄스 열을 출력하는 인버터와, 이 인버터에 입력되는 직류 전압을 생성하는 직류 생성 회로와, 상기 전동기의 회전자 1 회전 중의 토크 변동 성분과 상기 전동기의 회전수 지령을 기초로 하여 상기 인버터의 출력을 제어하는 토크 제어를 행하고, 상기 토크 변동 성분을 기초로 하여 산출되는 변동 토크 억제 지령치에 제한을 건 리미터 기능을 갖는 냉장고.

제1항에 있어서, 상기 전동기의 회전자의 1 회전 중 축 오차로부터 상기 전동기의 토크 변동을 산출하여 출력하는 토크 변동 출력부를 구비하고, 상기 토크 변동 성분이 출력되는 냉장고.

제1항에 있어서, 토크 변동 성분치에 상당하는 변동 토크 억제 지령치로 한 경우를 100 ％로 하고, 변동 토크 억제 지령치를 제로로 한 경우를 0 ％로 한 상기 리미터부에 의해 제한되는 리미터치는, 상기 전동기의 회전수 지령에 의해 다른 것을 특징으로 하는 냉장고.

제3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 토크 변동 성분을 부정하는 토크 전류 성분을 산출하여 전류 지령치를 구하고, 이 전류 지령치가 상기 리미터부에 의해 제한되어 변동 토크 억제 전류 지령치를 얻는 것을 특징으로 하는 냉장고.

제3항에 있어서, 상기 전동기의 회전수 지령의 회전수가 높은 경우에는, 회전수가 낮은 경우보다도 작은 값에 상기 리미터치가 설정되는 것을 특징으로 하는 냉장고.

제3항에 있어서, 상기 리미터치는 모터 전류 또는 인버터 전류의 파고치를 최소가 되도록 설정되는 냉장고.

제3항에 있어서, 상기 압축기는 레시프로식의 압축기이며, 상기 리미터치는 상기 압축기의 회전수가 1000 내지 1500 회전으로 20 내지 30 ％로 설정되는 냉장고.

제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기는 레시프로식의 압축기이며, 상기 압축기의 소정 회전수 이상으로 리미터치를 제로로 한 것을 특징으로 하는 냉장고.

압축기를 구동하는 전동기와, 이 전동기를 회전수 제어하는 인버터와, 전류를 입력하고 이 인버터에 직류 전압을 공급하는 컨버터를 구비한 냉장고에 있어서, 고내 온도와 설정 온도를 기의 펄스 폭 변조 기능에 의해 제어를 행하는 제1 제어 모드와, 상기 압축기 전동기의 토크 맥동 검출 수단에 의해 검출한 맥동 성분을 억제하는 제어를 행하는 제2 제어 모드에 의해 제어되는 냉장고.

제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기는 논프론 냉매를 사용한 냉동 사이클을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 냉장고.