KR20070065440A - Ｖｓｄ 제어 - Google Patents

Abstract

압축기는 가변 속도 드라이브(VSD)에 의해 전력을 받는 모터에 의해 전력을 받는다. VSD의 전압/주파수 관계는 효율을 최대화하거나 VSD 및 모터의 측면에서 다르게는 불가능한 압축기 성능 한계 내에서의 성능을 허용하도록 동적으로 조절된다.

압축기, 성능 한계, 모터, 가변 속도 드라이브, 주파수, 전류 인출

Description

ＶＳＤ 제어 {VSD CONTROL}

본 발명은 모터 제어에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압축기 모터용 가변 속도 드라이브의 제어에 관한 것이다.

냉장 용도에서, 압축기는 작동 유체(냉매)를 초기(흡입) 상태로부터 압축(배출) 상태로 압축하는데 사용된다. 초기 상태는 포화 흡입 온도(SST)에 의해 특징이 결정되고 배출 상태는 포화 배출 온도(SDT)에 의해 특성이 결정된다. 소정의 냉매에 대해, 압축기(압축기에 전력을 제공하는 모터 제외)는 효율과 수명을 포함한 다양한 고려에 의해 지시된 성능 엔벨로프(envelope)를 가질 것이다. 이러한 엔벨로프는 차원이 SST, SDT 및 상기 두 차원의 관점에서 볼 때 출력을 나타내는 제3 차원(예컨대, 압축기 속도 또는 파워 파라미터)인 3개의 차원 공간에 의해 근사될 수 있다. 모터와 다른 구성 요소들을 포함하는 고려가 압축기 작동 엔벨로프 내에서의 시스템 작동 엔벨로프를 더욱 제한할 것이다.

예시적 압축기는 가변 속도 드라이브(VSD)에 의해 전력이 공급되는 기밀 모터(hermetic motor)에 의해 전력이 공급된다. VSD는 출력 주파수에서 교류 출력 전압을 공급한다. VSD는 전원(예컨대, 460VAC, 60Hz)으로부터 전력을 수용한다. 기본적인 VSD에서, 출력 전압 및 출력 주파수 사이의 관계는 대체로 고정적이며 대 략적으로 선형이다. 이러한 기본적인 VSD와 기밀 모터에서, 모터 속도는 대체로 고정적이며 드라이브 주파수의 대략적인 선형 함수이다. 가변 비율 전달이 없으면, 압축기 속도에 대한 모터 속도의 비는 고정될 것이며 간단하게 1:1 비율이 될 수도 있다.

압축기에 의해 요구되는(그리고, 그로 인해 모터에 의해 공급되는) 토크는 본질적으로 SDT 및 SST의 함수일 것이며, 제3 압축기 성능 엔벨로프 파라미터와 본질적으로 독립적일 것이다. 기본적인 작동시, 소정의 SST 및 SDT에서의 모터 및 압축기의 속도는 부하(예컨대, 공조 부하)에 의해 결정될 것이다. 소정의 모터 속도는 드라이브의 고정된 전압/주파수 곡선(라인) 상의 비례 주파수 위치와 연관된다. 하지만, 전압/주파수 곡선상의 소정 지점에서, 드라이브의 전류 인출(current draw)은 SST 및 SDT 값에 의해 결정될 것이다. 예컨대, 소정의 전압 및 주파수에서 SDT가 갑자기 증가하였다면, 토크가 소정의 속도에서 증가하여, VSD로부터 전력의 증가와 그로 인한 전류의 증가를 필연적으로 동반한다.

소정의 VSD는 전압/주파수 관계의 선택을 가능하게 한다. 드라이브가 소정의 용도로 모터와 결합될 때, 통상의 사전 설정이 존재한다.

본 발명의 일 태양은 압축기/모터/VSD 시스템이 SST/SDT/속도 작동 스펙트럼의 더 넓은 부분에 걸쳐 작동할 수 있게 할 의도로 전압/주파수 특성 곡선(라인)을 동적으로 변화하는 것이다.

따라서, 본 발명은 압축기를 구동하도록 모터에 전력을 공급하는 VSD를 제어하는 방법으로 실행될 수 있다. 압축기 성능 엔벨로프의 일부 내에서, VSD는 주파수에 대한 전압의 동적 변화 관계를 갖도록 작동된다. 이러한 부분에서의 상기 관계는 드라이브의 최대 전류에 의해 본질적으로 전류-제한될(current-limited) 수 있다. 이러한 작동은 제1 토크와 제1 값의 주파수에 대한 전압의 비율 가지며, 최대 목표 전류 인출인 제1 전류 인출을 갖는 제1 상태에서 작동하는 단계를 포함할 수 있다. 작동은 제1 상태로부터, 제1 토크보다 큰 제2 토크를 가지며 상기 제1 값보다 큰 제2 값을 갖는 주파수에 대한 전압의 비율을 갖는 제2 상태로 전이한다. 제2 상태에서, 제2 전류 인출은 본질적으로 제1 전류 인출 이하일 수 있다. 제2 전압이 제1 전압보다 크고 제2 주파수가 제1 주파수보다 작을 수 있거나, 제2 전압이 제1 전압보다 크거나, 또는 제2 주파수가 제1 주파수보다 작을 수 있다.

본 발명은 압축기, 압축기를 구동하기 위해 압축기에 결합된 모터 및 모터에 전력을 공급하도록 모터에 결합된 VSD를 갖는 압축기 시스템으로 다양하게 실행될 수 있다. 제어 시스템은 상기 VSD에 결합되고 전력을 공급하여 VSD를 작동하도록 프로그래밍된다.

본 발명의 하나 이상의 상세가 첨부된 도면과 후속하는 상세한 설명에 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 상세한 설명 및 도면과 청구항으로부터 명확해질 것이다.

도1은 압축기 작동 파라미터들의 그래프이다.

다양한 도면에서 유사한 도면 번호와 명칭은 유사한 요소를 지시한다.

냉장 시스템에서, 압축기 물리 및 작동 파라미터가 주어지면, 모터 및 VSD 작동 파라미터의 제어가 작동의 확장의 엔벨로프를 제공하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 압축기 물리 파라미터는 압축기의 구성 및 크기와 작동 유체의 특성을 포함할 수 있다. 상기 작동 파라미터는 목표 또는 다른 작동 환경에 대한 포화 흡입 온도(SST) 및 포화 배출 온도(SDT)를 포함할 수 있다. 이 값들은 흡입 및 배출 압력의 대용으로 사용될 수 있다.

소정의 압축기에 대해, 요구되는 모터 토크는 SST 및 SDT의 함수일 수 있다. 이 값들이 고정되면, 토크는 본질적으로 고정될 것이다. 모터 토크가 고정되면, 모터 파워 출력은 모터(회전) 속도에 비례한다. 통상의 시스템에서는, 고정된 선형의 정상(normal) 또는 내정(default) 전압/주파수 곡선[축 속도와 주파수가 일정 인자(constant factor)에 의해 본질적으로 연관됨]이 존재한다.

상이한 토크들이 고려되는 가능성들이 발생한다. 도1은 압축되는 냉매의 포화 배출 온도(60)와 포화 흡입 온도(62)에 의해 특징이 결정되는 예시적 압축기 작동 상태를 도시한다. 폐쇄 곡선(70)은 소정의 압축기/유체에 대해 실제적인 작동 지점들을 포함한다. 상이한 드라이브와 모터 조합이 이러한 엔벨로프의 약간 또는 전부에서 작동을 허용하도록 선택될 수 있다. 이러한 조합은 상기 엔벨로프의 중첩 부분을 만족하는 곳에서 상이한 효율, 비용 또는 다른 특성을 가질 수 있다. 예로서, 도1은 가장 높은 토크 요구 조건에 상응하는 최대 지점(72)을 도시한다. 지점(74)은 소정의 정상 작동 상태를 나타낸다. 예컨대, 건물 공조 시스템에서 정 상 상태는 각각이 개별의 SST 및 SDT와 연관된 내부 및 외부 온도와 연관될 수 있다. 작동 엔벨로프는 추가적인 차원으로 압축기 속도 범위를 포함할 수도 있다.

모터에 대한 파워 입력은 다음 식에 의해 구해진다.

이때, V는 전압, I는 전류, PF는 파워 인자이다. 파워 인자가 일정하면, 고정 파워에서 전압 및 전류의 소산은 일정하다.

파워 출력은

이때

_m은 모터 효율이다.

이들의 조합을 산출하면,

모터가 고정 저항(R)을 갖는 것으로 이상화되면, 전류(I)는 간단하게 V/R이어서,

이때, T는 모터 토크이고

는 축 속도이다.

R의 해를 구하면,

근사로서, R은 작동 상태(특히 모터 권치의 온도)를 기초로 아주 약간 변하 는 경우에도 상수로 취급된다. 따라서, 제1 및 제2 작동 상태에서;

파워 인자와 효율도 상수(작은 변화에 대한 유효 근사일 수 있음)로 취급되면,

사용된 근사에 따르면, 고정된 모터 속도에서 요구 토크의 작은 변화가 존재한다.

고정된 입력 파워에서, 모터에 의한 토크 출력은 모터 속도의 역수로 변할 것이다. 따라서, 제1 및 제2 작동 상태는

통상적으로, 소정의 공급 전압(예컨대, 230-3-60 또는 460-3-60 VAC)에 대해 VSD는 최대 전류 출력에 의해 등급이 결정되고 그에 따라 가격이 결정된다. 최대 출력 전압은 공급 전압에 의해 제한될 것이다. VSD는 압축기의 최고 토크 및 파워, 또는 상기 곡선(70)의 SDT 제한부(75) 또는 상기 곡선(70)의 SST 제한부(76)를 따르는 다른 극한 상태에서 작동할 수 있는 용량을 갖도록 선택될 수 있다. 예컨대, 이러한 최대 설계 지점이 지점(72)이라면, VSD는 이러한 지점에서 소정의 파워를 제공하도록 선택될 수 있다. 드라이브의 전압/주파수 비율이 고정되면, 드라이 브는 동일하거나 또는 더 낮은 속도로 작동 엔벨로프 내의 임의의 다른 지점에서 모터를 작동하기에 충분한 파워를 제공할 것이다.

하지만, 대안으로서 더 작은 VSD가 선택될 수도 있다. 이러한 상황에서, VSD는 최대 전류 상태가 감지될 때까지[예컨대, 원점(origin)에 더 근접한 지점(78)으로부터 정상 지점(74, normal point) 또는 정상 지점(74)을 약간 넘어서지만 곡선(70)까지는 아닌 지점까지] 정상적으로 작동될 수 있다. 예컨대, 도5는 상술한 정상 지점(74)과 증가된 SDT 지점(78)을 각각 통과하는 일정한 토크 곡선(80, 82)을 도시한다. 정상 V/f 곡선을 따라 이동하여 지점(78)을 넘어[예컨대, 지점(72)을 향해] 역할을 하려는 시도는 전류 과부하를 초래할 수 있다. 하지만, 증가된 토크는 전압을 증가시키고 드라이브 주파수를 감소시켜 얻어질 수 있다. 요구된 토크가 1.5의 인자만큼 증가하면, 전압은 상기 인자의 제곱근만큼 증가해야 하며 속도는 상기 인자의 역수만큼 변화(감소)될 것이다. 드라이브 및/또는 모터 효율은 감소될 수 있으며, 이는 과부하 상태 이하로 전류를 유지하기 위해 추가의 감속을 요구할 수 있다. 따라서, 라인(82) 상의 엔벨로프 부분에서 감소된 파워 출력으로 작동이 이루어질 것이다. V/f 곡선은 드라이브 또는 모터를 과부하 시키지 않고 최대 파워를 제공하도록 엔벨로프의 상기 부분에서 동적으로 제어될 수 있다. 이러한 곡선 아래에서, 작동은 정상 V/f 곡선 또는 또 다른 V/f 곡선을 따라 이루어질 수 있다.

예

특정 작업 용도에서, 가변 속도 칠러(chiller)가 42/100 [SST=5.5℃(42℉) 또는 36348.7㎏/㎡(51.7psia) 흡입 압력 및 SDT=37.38℃(100℉) 또는 98429.7㎏/㎡(140psia) 배출 압력]에서 시간의 90%를 작동하지만, 약간의 시간 동안은 42/122[SDT=50℃(122℉) 또는 134286.3㎏/㎡(191psia)배출 압력]에서 작동할 것을 요구한다. 이러한 부분 시간 상태는 감소된 용량에서 달성될 수 있다. 이러한 작동 상태에 대해, 통상의 압축기 성능 값들은 42/100에서 W₁=61㎾ 및 I₁=93A이며 ω₁(전체 용량시 속도)에서 T₁=1.017kWs(112ft-lbf)이다. 42/122에서는 W₂=80㎾ 및 I₂=122A이며 ω₂(전체 용량시 속도)에서 T₂=1.333kWs(146.9ft-lbf)이다. 상기 칠러가 ω₁에서 42/122로 작동할 것이 실제로는 요구되지 않기 때문에, 더 큰 122-암페어 전류 상태를 기초로 VSD(가변 속도 드라이브)를 선택하기보다는 93-암페어 전류 상태를 기초로 VSD를 선택할 수도 있다. 이를 실행함에 있어서, VSD 비용은 드라이브의 전류 출력에 비례하기 때문에 비용이 절감된다. 예컨대, 드라이브의 공칭 고정 전압/주파수 비율이 460V/60Hz이면, 이러한 비율은 감소된 속도에서 더 높은 토크 요구 상태를 만족하도록 동적으로 변화될 수 있다. 표1은 이러한 점이 어떻게 달성되는지를 도시한다.

제1 열은 초기 저 토크 42/100 상태를 나타내며, 1.017kWs(112ftㆍlbf)는 모터가 460/60의 전압/주파수 비율에서 전달할 수 있는 최대 토크이다. 제2 열은 42/122 고 토크 상태를 나타내며, 모터는 1.333kWs(146.9ftㆍlbf)를 전달할 필요가 있다. 하지만, 전류 요구 조건은 경제적으로 선택된 드라이브의 요구 조건을 초과할 수도 있다. 제3 열 상태는 요구된 1.333kWs(146.9ftㆍlbf)를 전달하기 위해 요구되는 새로운 V/ω 비율(460/52.39와 동일한 526.8/60)을 결정하도록 상수 ω에서 증가된 전압의 결과를 도시한다. 따라서, 전류는 106.5V까지 감소된다. 제4 열 상태는 460/52.39 비율로 460V로 설정된 VSD 전압을 도시한다. 제5 열은 460V/52.39Hz 비율[45.75Hz 주파수를 얻기 위해 토크의 비율에 60을 승산(즉, 60*112/146.9)]에서 저 토크 파워 레벨(61kW)의 유지를 도시한다. 하지만, 93-암페어 전류를 유지하기 위해, 그리고 소정 속도에서 전압이 전류에 반비례한다는 것으로부터, 새로운 전압은 401.7(460*93/106.5)이다. 모터가 전달할 수 있는 최대 토크는 실제로 1.749kWs(192.6ftㆍlbf)[{(60/45.75)*460/460}2*112]이다. 제6 열은 다르게는 모터가 122-암페어 전류에서 실제로 전달할 수 있는 최대 토크를 도시 한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예가 개시되었다. 그럼에도, 다양한 변형이 본 발명의 기술 사상 및 범주 내에서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 드라이브/모터 제어는 상술된 것들 외에 추가된 인자로 고려될 수 있어, 얻어진 결과의 균형을 맞출 수 있다. 따라서, 다른 실시예들이 후속하는 청구항의 범주 내에 있다.

Claims (8)

1. 압축기 성능 엔벨로프 내에서 작동하는 압축기를 구동하기 위해 전압 및 주파수의 전력을 모터에 공급하는 가변 속도 드라이브의 제어 방법이며,

   주파수에 대한 고정된 내정 전압의 관계에서는 허용되지 않는 상대적 흡입 및 배출 상태의 범위에 걸쳐 압축기를 작동하기 위해, 상기 주파수에 대한 상기 전압의 동적 변화 관계를 갖도록 상기 엔벨로프의 일부 내에서 상기 드라이브를 작동시키는 단계를 포함하는 가변 속도 드라이브의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 부분 내의 상기 관계는 본질적으로는 상기 드라이브의 최대 전류에 의해 제한되는 전류인 가변 속도 드라이브의 제어 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 작동 단계는,

   제1 토크와, 제1 값을 갖는 상기 주파수에 대한 상기 전압의 비율을 가지며, 최대 목표 전류 인출인 제1 전류 인출을 갖는 제1 상태에서 작동시키는 단계와,

   제1 토크보다 큰 제2 토크를 가지며, 상기 제1 값보다 큰 제2 값을 갖는 상기 주파수에 대한 상기 전압의 비율을 갖는 제2 상태로 상기 제1 상태로부터 전이하는 단계를 포함하는 가변 속도 드라이브의 제어 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 상태에서, 제2 전류 인출은 본질적으로 제1 전류 인출 이하인 가변 속도 드라이브의 제어 방법.
5. 제3항에 있어서, 제2 전압이 제1 전압보다 큰 것과, 제2 주파수가 제1 주파수보다 작은 것 중 적어도 하나를 만족하는 가변 속도 드라이브의 제어 방법.
6. 성능 엔벨로프 내에서 부하를 구동하도록 모터에 전력을 공급하는 가변 속도 드라이브(VSD)를 제어하기 위한 시스템이며,

   상기 엔벨로프의 제1 부분에서 상기 드라이브의 전류 인출 상의 한계 아래로 VSD를 작동시키는 전력을 공급하고,

   상기 엔벨로프의 제2 부분에서 본질적으로 전류 인출 상의 한계에서 주파수에 대한 가변 전압 비율을 가지고 상기 VSD를 작동시키는 전력을 공급할 수 있게 VSD를 작동시키도록 프로그래밍된 전기 제어기를 포함하는 가변 속도 드라이브의 제어 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 부분에서는, 본질적으로 고정된 제1 값의 주파수에 대한 전압의 비율로 작동하며,

   상기 제2 부분에서는, 드라이브가 제1 비율 값에서 모터를 구동하기에 효율적이지 않은 모터 토크 조건에서 적어도 부분적으로 작동하는 가변 속도 드라이브의 제어 시스템.
8. 제6항에 있어서, 상기 제1 부분에서는, 본질적으로 고정된 제1 값의 주파수에 대한 전압의 비율로 작동하며,

   상기 제2 부분에서는, 상기 제1 값보다 큰 주파수에 대한 전압의 비율로 작동하는 가변 속도 드라이브의 제어 시스템.

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