KR20130080281A - 3상 모터의 구동 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

3상 모터의 구동 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기가 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 개선된 인버터 토폴로지를 통해 왕복동식 압축기의 운전 효율을 증대하고 과전류 발생을 저감한다. 본 발명의 실시 예들은 단상-3상 풀 브리지 인버터 대신 단상-3상 하프 브리지 인버터를 통해 3상 모터를 구동함으로써 상대적으로 적은 수의 스위칭 소자를 사용할 수 있고, 비용을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들은 단상-3상 하프 브리지 인버터를 사용함으로써 스위칭 소자의 사용에 따라 전도 손실, 스위칭 손실 등의 발생을 방지할 수 있고, 3상 모터를 구비한 압축기의 운전 효율을 증대한다. 본 발명의 실시 예들은 전원 라인, 특히 교류를 직류로 정류하는 컨버터와 평활화하는 커패시터의 사이에 개폐 유닛을 구비함으로써 과전류의 발생을 억제하고, 시스템의 안정성을 제고한다.

Description

3상 모터의 구동 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기{APPARATUS FOR DRIVING THREE-PHASE MOTOR AND RECIPROCATING COMPRESSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 운전 효율의 증대와 과전류 발생의 방지를 위해 개선된 인버터 토폴로지를 구비한 왕복동식 압축기와 압축기 내에 구비된 3상 모터를 구동하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동 시스템, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등,의 일부분으로 사용된다.

상기 압축기는 크게, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다.

상기 왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.

상기 레시프로 방식은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 상기 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다. 반면, 상기 리니어 방식은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다. 일반적으로 압축기 내에 구비된 3상 모터를 구동하는 경우에, 단상-3상 풀 브리지 인버터(Full Bridge Inverter)를 통해 모터를 구동한다. 이러한 풀 브리지 인버터의 경우에, 스위칭 소자의 수가 많게되어 비용이 상승하고, 전도 손실이나 스위칭 손실 등의 문제로 인해 압축기의 운전 효율이 저하될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 개선된 인버터 토폴로지(inverter topology)를 통해 왕복동식 압축기의 운전 효율을 증대하고 과전류 발생을 저감하는 데에 일 목적이 있다.

본 발명의 실시 예들은 단상-3상 하프 브리지 인버터를 이용하여 3상 모터를 구동하고 전원 라인에 개폐 유닛을 추가하여 3상 모터를 구비한 압축기의 운전 효율을 증대하고 과전류 발생을 저감하는 3상 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 왕복동식 압축기를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

일 실시 예에 따른 3상 모터의 구동 장치는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 컨버터와, 3상 모터의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 모터 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터에 인가하는 인버터와, 상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 각각은 직렬로 연결되는 한 쌍의 직류 링크 커패시터와, 상기 컨버터의 중심점과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되고, 개폐 신호에 따라 개폐되는 개폐 유닛과, 상기 3상 모터의 부하에 따라 상기 개폐 신호를 생성하여 상기 개폐 유닛에 출력하는 제어 유닛을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 인버터는, 병렬 연결되는 두 쌍의 스위칭 소자들을 포함하는 단상-3상 인버터이다.

상기 3상 모터의 구동 장치에 있어서, 상기 컨버터는, 두 쌍의 다이오드들로 구성된 풀 브리지 컨버터이다. 여기서, 상기 개폐 유닛은, 상기 컨버터의 한 쌍의 다이오드들의 직렬 연결점과, 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비된다.

일 실시 예에 따른 왕복동식 압축기는, 밀폐용기의 내부에 구비되고, 모터 구동 전원을 입력받아 회전하는 3상 모터와, 상기 3상 모터의 상측에 설치되고, 상기 3상 모터의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부와, 입력 교류 전원을 상기 모터 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터를 구동하는 모터 구동 장치를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 모터 구동 장치는, 상기 입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 컨버터와, 상기 3상 모터의 전단에 구비되고, 병렬 연결되는 두 쌍의 스위칭 소자들을 포함하며, 상기 직류 전원을 상기 모터 구동 전원으로 변환하는 인버터와, 상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 각각은 직렬로 연결되는 한 쌍의 직류 링크 커패시터와, 상기 컨버터의 중심점과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되고, 개폐 신호에 따라 개폐되는 개폐 유닛을 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시 예들은 개선된 인버터 토폴로지를 통해 왕복동식 압축기의 운전 효율을 증대하고 과전류 발생을 저감한다.

본 발명의 실시 예들은 단상-3상 풀 브리지 인버터 대신 단상-3상 하프 브리지 인버터를 통해 3상 모터를 구동함으로써 상대적으로 적은 수의 스위칭 소자를 사용할 수 있고, 비용을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들은 단상-3상 하프 브리지 인버터를 사용함으로써 스위칭 소자의 사용에 따라 전도 손실, 스위칭 손실 등의 발생을 방지할 수 있고, 3상 모터를 구비한 압축기의 운전 효율을 증대한다.

본 발명의 실시 예들은 전원 라인, 특히 교류를 직류로 정류하는 컨버터와 평활화하는 커패시터의 사이에 개폐 유닛을 구비함으로써 과전류의 발생을 억제하고, 시스템의 안정성을 제고한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 3상 모터의 구동 장치를 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 도 1의 3상 모터의 구동 장치를 개략적으로 보인 회로도;
도 3a 내지 도 6b는 개폐 유닛의 개폐에 따라 3상 모터를 구동하는 동작을 설명하기 위한 도;
도 7a 내지 도 7c는 센서리스 제어를 통해 3상 모터를 구동하는 동작을 설명하기 위한 도;
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 3상 모터를 구비한 왕복동식 압축기를 보인 단면도; 및
도 9는 도 8의 왕복동식 압축기를 적용한 냉장고를 보인 사시도이다.

도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 왕복동식 압축기는, 밀폐용기의 내부에 구비되고, 모터 구동 전원을 입력받아 회전하는 3상 모터(100)와, 상기 3상 모터(100)의 상측에 설치되고, 상기 3상 모터의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부(200)와, 입력 교류 전원을 상기 모터 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터를 구동하는 모터 구동 장치를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 모터 구동 장치(1)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 입력 교류 전원(70)을 직류 전원으로 정류하는 컨버터(10)와, 상기 3상 모터(100)의 전단에 구비되고, 병렬 연결되는 두 쌍의 스위칭 소자들을 포함하며, 상기 직류 전원을 상기 모터 구동 전원으로 변환하는 인버터(30)와, 상기 컨버터(10)와 상기 인버터(30)의 사이에 구비되고, 각각은 직렬로 연결되는 한 쌍의 직류 링크 커패시터(20)와, 상기 컨버터의 중심점과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되고, 개폐 신호에 따라 개폐되는 개폐 유닛(40)을 포함하여 구성된다.

도 8은 일 실시 예에 따른 왕복동식 압축기를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 왕복동식 압축기는 밀폐용기(0)의 내부에 설치되어 정,역회전을 하는 3상 모터(100)와, 상기 3상 모터(100)의 상측에 설치되어 그 3상 모터(100)의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부(200)로 구성된다.

3상 모터(100)는 정회전과 역회전이 가능한 정속 모터이나 인버터 모터가 적용될 수도 있다. 예를 들어, 3상 모터(100)로는 브러시리스 직류 모터(Blushless DC motor; BLDC motor)인 것이 좋다. 그리고 상기 3상 모터(100)는 상기 밀폐용기(0)의 내부에 실린더블록으로 지지되어 탄력 설치되는 고정자(110)와, 상기 고정자(110)의 안쪽에 회전 가능하게 설치되는 회전자(120)로 이루어진다.

상기 압축부(200)는 압축공간을 이루도록 실린더(211)가 구비되어 상기 밀폐용기(0)에 탄력 지지되는 실린더블록과, 상기 실린더블록에 삽입되어 저널방향과 스러스트방향으로 지지되고 상기 3상 모터(100)의 회전자(120)에 결합되어 회전력을 전달하는 크랭크축(220)과, 상기 크랭크축(220)에 회전 가능하게 결합되어 회전운동을 직선운동으로 전환하는 커넥팅로드(230)와, 상기 커넥팅로드(230)에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(211)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤(240)과, 상기 실린더블록의 선단에 결합되어 흡입밸브와 토출밸브가 구비되는 밸브조립체(250)와, 상기 밸브조립체(250)의 흡입측에 결합되는 흡입머플러(260)와, 상기 밸브조립체(250)의 토출측을 수용하도록 결합되는 토출커버(270)와, 상기 토출커버(270)에 연통되어 토출되는 냉매의 토출소음을 감쇄시키는 토출머플러(280)로 이루어진다. 도면 중 미설명 부호인 2는 오일피더이다.

3상 모터(100)의 고정자(110)에 전원이 인가되면, 그 고정자(110)와 회전자(120)의 상호작용력에 의해 상기 회전자(120)가 크랭크축(220)과 함께 회전을 하고, 상기 크랭크축(220)의 캠부(223)에 결합된 상기 커넥팅로드(230)가 선회운동을 한다. 상기 커넥팅로드(230)에 결합된 상기 피스톤(240)이 실린더(211)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하여 상기 토출커버(270)로 토출하고, 이 토출커버(270)로 토출되는 냉매는 토출머플러(280)를 거쳐 냉동사이클로 배출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이와 동시에, 상기 크랭크축(220)이 회전을 하면서 그 크랭크축(220)의 하단에 설치된 오일피더(2)가 상기 밀폐용기(0)의 저유부에 저장된 오일을 펌핑하고, 이 오일의 일부는 상기 크랭크축(220)의 오일유로를 통해 흡상되어 각 베어링면에 공급되는 한편 일부는 상기 크랭크축(220)의 상단에서 비산되어 3상 모터(100)를 냉각하게 된다.

상기 크랭크축(220)은 상기 회전자(120)에 결합되고 상기 실린더블록의 축수구멍(212)에 삽입되어 상기 실린더블록에 저널방향으로 지지되는 축부(221)와, 상기 축부(221)의 상단에 부채꼴 또는 편심진 원형 플랜지형상으로 편심지게 형성되어 상기 실린더블록의 스러스트베어링면에 얹혀질 볼베어링(300)에 의해 스러스트방향으로 지지되는 편심질량부(222)와, 상기 편심질량부(222)의 상면에서 상기 축부(221)에 대해 편심지게 형성되고 상기 커넥팅로드(230)가 회전 가능하게 삽입되는 캠부(223)로 이루어진다. 도면 중 미설명 부호인 225는 오일유로이다.

도 9를 참조하면, 냉장고(700)는 그 내부에 냉장고의 운전 전반을 제어하는 메인기판(710)에 구비되고, 왕복동식 압축기(C)가 연결된다. 상기 압축기 제어 장치 및 3상 모터의 구동 장치는 메인기판(710)에 구비될 수 있다. 냉장고(700)는 왕복동식 압축기의 구동에 의해 동작한다. 냉장고의 내부에 공급되는 냉기는 냉매의 열교환 작용에 의해서 생성되고, 압축-응축-팽창-증발의 사이클(Cycle)을 반복적으로 수행하면서 지속적으로 냉장고의 내부로 공급된다. 공급된 냉매는 대류에 의해서 냉장고 내부에 고르게 전달되어 냉장고 내부의 음식물을 원하는 온도로 저장할 수 있게 된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 3상 모터의 구동 장치는, 입력 교류 전원(70)을 직류 전원으로 정류하는 컨버터(10)와, 3상 모터의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 모터 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터에 인가하는 인버터(30)와, 상기 컨버터(10)와 상기 인버터(30)의 사이에 구비되고, 각각은 직렬로 연결되는 한 쌍의 직류 링크 커패시터(20)와, 상기 컨버터의 중심점과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되고, 개폐 신호에 따라 개폐되는 개폐 유닛(40)과, 상기 3상 모터의 부하에 따라 상기 개폐 신호를 생성하여 상기 개폐 유닛에 출력하는 제어 유닛(50)을 포함하여 구성된다.

도 2를 참조하면, 인버터(30)는 병렬 연결되는 두 쌍의 스위칭 소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 포함하는 단상-3상 인버터이다. 인버터(30)는 스위칭 소자들(Q1 내지 Q4)에 병렬 접속되는 프리휠링 다이오드들(Freewheeling Diode)(D5, D6, D7, D8)을 더 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 컨버터(10)는, 두 쌍의 다이오드들(D1, D2, D3, D4)로 구성된 풀 브리지 컨버터일 수 있다. 여기서, 상기 개폐 유닛(40)은, 상기 컨버터(10)의 한 쌍의 다이오드들(D3, D4)의 직렬 연결점과, 상기 두 개의 커패시터(C1, C2)의 직렬 연결점의 사이에 구비된다.

3상 모터의 구동 장치는, 3상 모터의 부하를 검출하는 부하 검출 유닛(60)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제어 유닛(50)은, 상기 부하에 따라 상기 개폐 신호 및 인버터 제어 신호를 생성한다. 여기서, 모터 부하는 모터 전류, 모터 전압, 스트로크, 이들의 위상차, 주파수 등이다. 또, 도 9에 도시한 바와 같이 냉동기기에 압축기가 구비된 경우에는, 냉동기기의 부하를 이용하여 압축기 및 이에 구비된 3상 모터의 부하를 검출할 수 있다.

상기 제어 유닛(50)은, 모터 부하에 따라 일반 운전 또는 과부하 운전을 수행한다. 상기 제어 유닛(50)은, 상기 과부하 운전 시, 상기 개폐 유닛(40)을 턴-온하여 상기 입력 교류 전원(70)을 상기 두 개의 커패시터(C1, C2)의 직렬 연결점을 통해 상기 3상 모터에 연결한다.

도 3a 내지 도 4b는 개폐 유닛(40)이 턴-온된 후에 구동 장치가 3상 모터를 구동하는 동작을 설명하기 위한 도들이다.

도 3a 및 도 3b는 과부하 운전 시, 예를 들어 냉 기동시에 직류 링크 커패시터인 두 개의 커패시터(C1, C2)를 충전하는 동작을 보인다. 도 3a를 참조하면, (+) 반주기 동안, 입력 교류 전원(70)으로부터 출력된 전원이 컨버터(10)의 다이오드(D1)을 거쳐 커패시터(C1)에 Vdc로 충전된다. 개폐 유닛(40)을 통해 전류 패스가 입력 교류 전원(70)으로 연결된다. 한편, 도 3b를 참조하면, (-) 반주기 동안, 입력 교류 전원(70)으로부터 출력된 전원이 개폐 유닛(40)을 통해 커패시터(C2)에 Vdc로 충전된다. 커패시터(C2)를 거친 전류 패스는 컨버터(10)의 다이오드(D2)를 거쳐 다시 입력 교류 전원(70)으로 연결된다.

도 4a 및 도 4b는 과부하 운전 시, 예를 들어 냉 기동시에 3상 모터를 구동하는 동작을 보인다. 도 4a를 참조하면, 커패시터(C1)에 저장된 직류 링크 전압 Vdc는 (+) 반주기 동안 인버터(30)의 스위칭 소자(Q1)를 통해 3상 모터에 전달된다. 한편, 도 4b를 참조하면, 커패시터(C2)에 저장된 직류 링크 전압 Vdc는 (-) 반주기 동안 인버터(30)의 스위칭 소자(Q2)를 통해 3상 모터에 전달된다.

즉, 상기 제어 유닛(50)은, 과부하 발생 시에 개폐 유닛(40)이 턴-온하게 되면 각각의 커패시터(C1, C2)에 전원 전압을 100% 충전할 수 있게 되어 3상 모터에 전압을 100% 인가할 수 있게 되며, 과전류의 발생 문제를 해결한다.

한편, 상기 제어 유닛(50)은, 상기 일반 운전 시, 상기 개폐 유닛(40)을 턴-오프하여 상기 입력 교류 전원(70)과 상기 두 개의 커패시터(C1, C2)의 직렬 연결점과의 직접 연결을 차단한다. 이때, 제어 유닛(50)은 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터(30) 내의 스위칭 소자(Q1, Q2)를 구동하여 3상 모터를 구동한다.

도 5a 내지 도 6b는 개폐 유닛(40)이 턴-오프된 후에 구동 장치가 3상 모터를 구동하는 동작을 설명하기 위한 도들이다.

도 5a 및 도 5b는 일반 운전 시에 직류 링크 커패시터인 두 개의 커패시터(C1, C2)를 충전하는 동작을 보인다. 도 5a를 참조하면, (+) 반주기 동안, 개폐 유닛(40)이 턴-오프되어 입력 교류 전원(70), 컨버터(10)의 다이오드(D1), 커패시터(C1, C2), 다이오드(D4)로 전류 패스가 형성된다. (+) 반주기 동안, 입력 교류 전원(70)으로부터 출력된 전원은 다이오드(D1)을 거쳐 커패시터(C1, C2)에 각각 1/2 Vdc만큼 충전된다. 도 5b를 참조하면, (-) 반주기 동안, 역시 개폐 유닛(40)이 턴-오프되어 입력 교류 전원(70), 컨버터(10)의 다이오드(D3), 커패시터(C1, C2), 다이오드(D2)로 전류 패스가 형성된다. (-) 반주기 동안, 입력 교류 전원(70)으로부터 출력된 전원은 다이오드(D3)를 거쳐 커패시터(C1, C2)에 각각 1/2 Vdc만큼 충전된다.

도 6a 및 도 6b는 일반 운전 시에 3상 모터를 구동하는 동작을 보인다. 도 6a를 참조하면, 커패시터(C1)에 저장된 직류 링크 전압 1/2 Vdc는 (+) 반주기 동안 인버터(30)의 스위칭 소자(Q1)를 통해 3상 모터에 전달된다. 한편, 도 6b를 참조하면, 커패시터(C2)에 저장된 직류 링크 전압 1/2 Vdc는 (-) 반주기 동안 인버터(30)의 스위칭 소자(Q2)를 통해 3상 모터에 전달된다.

이렇게 함으로써, 풀 브리지가 아닌 하프 브리지로 구성된 인버터(30)는 비용이 절감되고, 전도 손실 및 스위칭 손실이 상대적으로 줄어든다.

제어 유닛(50)은, 속도 지령(ω_m ^*)과 회전자 속도(ω_m 또는

)를 입력받아 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부(51)와, 전류 지령과 모터 구동 전류 및 자속각을 입력받아 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부(53)와, 전압 지령을 근거로 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부(55)를 포함하여 구성된다.

도 7a 내지 도 7c를 참조하여 3상 모터를 구동하는 동작을 간단히 설명한다. 모터 구동 장치는, 수학적 모델링을 이용하여 모터를 구동하는데, 주로 (d, q) 좌표계를 사용하고, d축을 자속축으로 하여 제어한다. 이때, 구동 장치는, 자속각(θ_e)으로 d-q축을 회전하면서 모터를 제어하게 된다.

속도 제어부(51)는, 사용자가 원하는 속도 지령(ω^*)과, 회전자 속도를 비교하는 비교기와, 속도 비례 적분 제어기(Proportional Integral Controller; PI)를 구비한다. 속도 제어부(51)는, 속도 지령과 회전자 속도를 입력받아 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령(i^* _q)을 생성하고, 이를 전류 제어부(53)에 출력한다.

모터 구동 장치는, 상기 속도 지령을 입력받는 것이 아니라 토크 지령과 자속 지령에 따른 전류 지령을 직접 입력받아 모터를 제어할 수 있다.

전류 제어부(53)는, 속도 제어부(51)에서 생성된 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(i^* _d)을 입력받아 전압 지령을 생성하여 출력한다. 전류 제어부(53)는 q축 전류 지령을 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V^* _q)을 펄스 폭 변조 제어부(55)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(53)는 q축 전류 지령과 전류 검출 유닛을 통해 검출된 모터 구동 전류를 축 변환부(57)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(i_q)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V^* _q)을 펄스 폭 변조 제어부(55)에 출력한다. 한편, 전류 제어부(53)는 d축 전류 지령을 다른 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V^* _d)을 펄스 폭 변조 제어부(55)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(53)는 d축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환한 d축 검출 전류(i_d)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V^* _d)을 펄스 폭 변조 제어부(55)에 출력한다. 여기서, 상기 전압과 전류들은 동기 좌표계 상에서의 값들이다.

펄스 폭 변조 제어부(55)는, 먼저 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계(α,β)의 전압 지령으로 축 변환한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(55)는 (V^* _d, V^* _q)를 (V^* _α, V^* _β)로 변환한다. 또한, 펄스 폭 변조 제어부(55)는 정지 좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(55)는 정지 좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령 (V^* _a, V^* _b, V^* _c)으로 변환하여 인버터(30)에 출력한다.

상기 3상 모터의 구동 장치는 상기 3상 모터 내에 구비된 회전자의 회전자 속도(ω_m)를 검출하는 속도 검출 유닛(미도시)을 더 포함하여 구성된다. 속도 제어부(51)는, 도 7a에 도시한 바와 같이, 속도 지령(ω_m ^*)과 회전자 속도(ω_m)를 이용하여 전류 지령을 산출한다.

상기 3상 모터의 구동 장치는 상기 3상 모터 내에 구비된 회전자의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출 유닛(미도시)을 더 포함하여 구성된다. 여기서, 제어 유닛(50)은, 도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 회전자 위치로부터 회전자 속도(

)를 연산하는 속도 연산부(59)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 속도 제어부(51)는 속도 지령(ω_m ^*)과 회전자 속도(

)을 이용하여 전류 지령을 산출한다.

부하 검출 유닛(60)은, 상기 3상 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(61)일 수 있다. 여기서, 상기 제어 유닛(50)은, 도 7c에 도시한 바와 같이, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 3상 모터 내에 구비된 회전자의 회전자 위치를 추정하고, 상기 추정된 회전자 위치로부터 회전자 속도를 연산하는 속도 연산부(59)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에도, 속도 제어부(51)는 속도 지령(ω_m ^*)과 속도 연산부(59) 연산한 회전자 속도(

)을 이용하여 전류 지령을 산출한다.

전류 검출 유닛(61)은, 인버터(30)와 3상 모터의 사이에 연결되어 연속적으로 모터 구동 전류를 검출하는 전류 트랜스듀서(Current Transducer)이다. 전류 트랜스듀서는 모터 구동 전류를 검출하여 이를 전압 신호로 변환하여 제어 유닛(50)에 출력한다. 제어 유닛(50)은 인터럽트 신호를 발생하여 모터 구동 전류에 따른 전압 신호를 샘플링한다. 물론 상기 전류 검출 유닛으로 인버터 내의 스위칭 소자에 직렬 연결된 션트 저항을 사용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 3상 모터의 구동 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기는, 개선된 인버터 토폴로지를 통해 왕복동식 압축기의 운전 효율을 증대하고 과전류 발생을 저감한다. 본 발명의 실시 예들은 단상-3상 풀 브리지 인버터 대신 단상-3상 하프 브리지 인버터를 통해 3상 모터를 구동함으로써 상대적으로 적은 수의 스위칭 소자를 사용할 수 있고, 비용을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들은 단상-3상 하프 브리지 인버터를 사용함으로써 스위칭 소자의 사용에 따라 전도 손실, 스위칭 손실 등의 발생을 방지할 수 있고, 3상 모터를 구비한 압축기의 운전 효율을 증대한다. 본 발명의 실시 예들은 전원 라인, 특히 교류를 직류로 정류하는 컨버터와 평활화하는 커패시터의 사이에 개폐 유닛을 구비함으로써 과전류의 발생을 억제하고, 시스템의 안정성을 제고한다.

10: 컨버터 20: 직류 링크 커패시터
30: 인버터 40: 개폐 유닛
50: 제어 유닛 60: 부하 검출 유닛
70: 입력 교류 전원 100: 3상 모터

Claims (11)

1. 입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 컨버터;
   3상 모터의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 모터 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터에 인가하는 인버터;
   상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 각각은 직렬로 연결되는 한 쌍의 직류 링크 커패시터;
   상기 컨버터의 중심점과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되고, 개폐 신호에 따라 개폐되는 개폐 유닛; 및
   상기 3상 모터의 부하에 따라 상기 개폐 신호를 생성하여 상기 개폐 유닛에 출력하는 제어 유닛;을 포함하는 3상 모터의 구동 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 인버터는,
   병렬 연결되는 두 쌍의 스위칭 소자들을 포함하는 단상-3상 인버터;인 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 컨버터는,
   두 쌍의 다이오드들로 구성된 풀 브리지 컨버터;인 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
4. 제3 항에 있어서, 상기 개폐 유닛은,
   상기 컨버터의 한 쌍의 다이오드들의 직렬 연결점과, 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 3상 모터의 부하를 검출하는 부하 검출 유닛;을 더 포함하고,
   상기 제어 유닛은, 상기 부하에 따라 일반 운전 또는 과부하 운전을 수행하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
6. 제5 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
   상기 일반 운전 시, 상기 개폐 유닛을 턴-오프하여 상기 입력 교류 전원과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점과의 직접 연결을 차단하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
7. 제5 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
   상기 과부하 운전 시, 상기 개폐 유닛을 턴-온하여 상기 입력 교류 전원을 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점을 통해 상기 3상 모터에 연결하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
8. 제5 항에 있어서,
   상기 3상 모터 내에 구비된 회전자의 회전자 속도를 검출하는 속도 검출 유닛;을 더 포함하는 3상 모터의 구동 장치.
9. 제5 항에 있어서,
   상기 3상 모터 내에 구비된 회전자의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출 유닛;을 더 포함하고,
   상기 제어 유닛은, 상기 회전자 위치로부터 회전자 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
10. 제5 항에 있어서, 상기 부하 검출 유닛은,
    상기 3상 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛;이고,
    상기 제어 유닛은, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 3상 모터 내에 구비된 회전자의 회전자 위치를 추정하고, 상기 추정된 회전자 위치로부터 회전자 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 구동 장치.
11. 밀폐용기의 내부에 구비되고, 모터 구동 전원을 입력받아 회전하는 3상 모터;
    상기 3상 모터의 상측에 설치되고, 상기 3상 모터의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부; 및
    입력 교류 전원을 상기 모터 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터를 구동하는 모터 구동 장치;를 포함하고,
    상기 모터 구동 장치는,
    상기 입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 컨버터;
    상기 3상 모터의 전단에 구비되고, 병렬 연결되는 두 쌍의 스위칭 소자들을 포함하며, 상기 직류 전원을 상기 모터 구동 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 각각은 직렬로 연결되는 한 쌍의 직류 링크 커패시터; 및
    상기 컨버터의 중심점과 상기 한 쌍의 직류 링크 커패시터의 직렬 연결점의 사이에 구비되고, 개폐 신호에 따라 개폐되는 개폐 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.

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