KR20140021174A - 압축기 및 압축기 제어 방법 - Google Patents

압축기 및 압축기 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오일 포밍을 감소시킬 수 있으며, 압축기 가열이 완료될 때가지의 대기 시간을 줄일 수 있는 압축기 및 압축기 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 제어 방법은 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부, 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 센서부를 포함하는 압축기의 제어 방법에 있어서, 운전 명령이 입력되면 상기 오일의 온도를 감지하는 단계; 상기 오일의 온도가 기준 온도 미만이면 상기 모터부를 저속 운전하면서 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하는 단계; 및 상기 오일의 온도가 상기 기준 온도 이상으로 상승하면 상기 모터부의 운전을 정상 운전으로 전환하여 효율 운전을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

압축기 및 압축기 제어 방법{Compressor and control method for the compressor}
본 발명은 압축기 및 압축기 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기를 제어할 때, 오일 포밍(oil foaming)을 감소시킬 수 있으며, 압축기 가열이 완료될 때까지의 대기 시간을 줄일 수 있는 압축기 및 압축기 제어 방법에 관한 것이다.
압축기는 기체인 냉매를 압축시켜 압력을 높이는 기계적 장치를 말한다. 이러한 압축기는 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 밀폐시키는 케이싱과, 케이싱의 내부에 구비되어 냉매를 압축하는 압축부 및 케이싱의 내부에 구비되어 압축부에 구동력을 제공하는 모터부를 포함한다.
압축기를 전원이 오프된 상태로 온도가 낮은 환경에 장시간 방치하면 케이싱의 내부에 저장되어 있는 오일의 온도도 낮아지게 된다. 오일의 온도가 낮아지면, 냉매는 오일에 용해된다. 오일에 냉매가 용해되어 있는 상태에서 압축기를 고속으로 가동하게 되면, 케이싱 내부의 압력 및 온도가 급격하게 변한다. 그 결과, 오일에 용해되어 있던 냉매가 급격하게 분리되면서 오일 포밍(oil foaming) 현상이 발생하고, 거품 상태의 오일이 압축기의 토출구를 통해 한꺼번에 토출된다. 이처럼 거품 상태의 오일이 압축기의 토출구를 통해 한꺼번에 토출되면, 냉동사이클을 거쳐 회수될 때까지 압축기의 케이싱 내에는 오일이 부족하게 된다. 이러한 오일 부족은 압축기의 베어링부를 마모시키는 원인이 된다.
따라서 오일 포밍 현상을 방지하기 위해서는 압축기의 케이싱을 가열하여 오일의 온도를 일정 수준으로 상승시킴으로써, 오일과 냉매를 분리시킬 필요가 있다. 압축기의 케이싱을 가열하기 위한 방법으로는 다음의 두 가지를 예로 들 수 있다. 하나는 압축기의 외부에 히터를 장착하고, 압축기가 정지된 상태에서 이 히터를 이용하여 압축기의 케이싱을 가열하는 방식이다(Crank Case Heater: CCH 방식). 다른 하나는 압축기가 정지된 상태에서 모터부의 권선에 일정 크기의 전류를 흘리고, 전류의 흐름으로 인해 권선에서 발생하는 열을 이용하여 압축기의 케이싱을 가열하는 방식이다(권선 가열 방식).
그런데 CCH 방식 및 권선 가열 방식은 가열이 완료될 때까지 대기 시간이 길어진다는 문제가 있다. 또한 압축부가 상부에 위치한 스크롤 압축기에서 권선 가열 방식을 사용하는 경우, 압축부의 오일이 하부로 흘러내려, 고정 스크롤과 선회 스크롤이 맞닿는 랩 부분에서 마모가 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 오일 포밍을 감소시킬 수 있으며, 압축기 가열이 완료될 때까지의 대기 시간을 줄일 수 있는 압축기 및 압축기 제어 방법을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 제어 방법은 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부, 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 센서부를 포함하는 압축기의 제어 방법에 있어서, 운전 명령이 입력되면 상기 오일의 온도를 감지하는 단계; 상기 오일의 온도가 기준 온도 미만이면 상기 모터부를 저속 운전하면서 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하는 단계; 및 상기 오일의 온도가 상기 기준 온도 이상으로 상승하면 상기 모터부의 운전을 정상 운전으로 전환하여 효율 운전을 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 적어도 하나의 온도 센서는 상기 오일과 접촉하도록 상기 케이싱의 외측에서 내측으로 관통하여 설치되어 상기 오일의 온도를 감지하는 제1 온도 센서, 및 상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함한다.
또한, 상기 적어도 하나의 온도 센서는 상기 케이싱의 외측에 설치되어 상기 케이싱의 온도를 감지하는 제1 온도 센서, 및 상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함한다.
또한, 상기 오일의 온도를 감지하는 단계는 상기 제1 온도 센서에서 상기 케이싱의 온도를 감지하는 단계; 및 상기 감지된 케이싱의 온도를 상기 오일의 실제 온도에 근사한 값으로 보상하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 손실 운전을 수행하는 단계는 현재의 전류 지령이 상기 모터부에 주어진 최대 고정자 전류로 제어 가능한 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령의 범위를 나타내는 전류제한원의 내부에 있는 값인 경우, 상기 현재의 전류 지령보다 큰 값을 갖는 새로운 전류 지령을 상기 모터부로 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 새로운 전류 지령은 상기 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 포함한다.
또한, 상기 기준 온도는 제1 기준 온도 및 제2 기준 온도를 포함하며, 상기 손실 운전은 상기 오일의 온도가 상기 제1 기준 온도 미만인 경우에 수행되고, 상기 효율 운전은 상기 오일의 온도가 상기 제2 기준 온도 이상이고, 토출 과열도가 제3 기준 온도 이상인 경우에 수행된다.
또한, 상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 동일한 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기는 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부; 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부; 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 센서부; 및 운전 명령이 입력되면 상기 오일의 온도를 감지하고, 상기 오일의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 상기 모터부를 저속 운전하면서 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하고, 상기 오일의 온도가 상기 기준 온도 이상으로 상승하면 상기 모터부의 운전을 정상 운전으로 전환하여 효율 운전을 수행하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 적어도 하나의 온도 센서는 상기 오일과 접촉하도록 상기 케이싱의 외측에서 내측으로 관통하여 설치되어 상기 오일의 온도를 감지하는 제1 온도 센서, 및 상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함한다.
또한, 상기 적어도 하나의 온도 센서는 상기 케이싱의 외측에 설치되어 상기 케이싱의 온도를 감지하는 제1 온도 센서, 및 상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함한다.
또한, 상기 제1 온도 센서에 의해 감지된 케이싱의 온도를 상기 오일의 실제 온도에 근사한 값으로 보상하는 보상부를 더 포함한다.
또한, 상기 제어부는 현재의 전류 지령이 상기 모터부에 주어진 최대 고정자 전류로 제어 가능한 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령의 범위를 나타내는 전류제한원의 내부에 있는 값인 경우, 상기 현재의 전류 지령보다 큰 값을 갖는 새로운 전류 지령을 상기 모터부로 제공한다.
또한, 상기 새로운 전류 지령은 상기 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 포함한다.
또한, 상기 기준 온도는 제1 기준 온도 및 제2 기준 온도를 포함하며, 상기 제어부는 상기 오일의 온도가 상기 제1 기준 온도 미만인 경우에 상기 손실 운전을 수행하고, 상기 오일의 온도가 상기 제2 기준 온도 이상이고, 토출 과열도가 제3 기준 온도 이상인 경우, 상기 효율 운전을 수행한다.
또한, 상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 동일한 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기의 제어 방법은, 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부, 오일의 온도를 감지하는 센서부를 포함하는 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 오일의 온도를 기초로 상기 모터부의 저속 운전이 필요한지를 판단하는 단계; 및 상기 모터부의 저속 운전이 필요하면 상기 모터부의 저속 운전을 수행하다가 고속 운전을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 저속 운전시 상기 모터부로 공급되는 전류를 증가시켜 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하고, 상기 고속 운전시 상기 모터부의 효율이 증가하는 효율 운전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 케이싱의 외측에 설치된 상기 센서부가 상기 케이싱의 온도를 감지하는 단계; 및 상기 감지된 케이싱의 온도를 상기 오일의 실제 온도에 가깝게 보상하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 오일과 접촉하도록 상기 케이싱의 외측에서 내측으로 관통하여 설치된 상기 센서부가 상기 오일의 온도를 감지하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 모터부가 정지되어 있던 시간 및 주변 온도 중 적어도 하나에 근거하여, 상기 오일의 온도를 예측하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 모터부의 저속 운전이 필요한지를 판단하는 단계는 상기 오일의 온도가 제1 기준 온도 미만인 경우, 상기 모터부의 저속 운전이 필요하다고 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 손실 운전은 상기 모터부에 대한 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 상기 모터부로 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기는 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부; 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부; 상기 오일의 온도를 감지하는 센서부; 및 상기 오일의 온도를 기초로 상기 모터부의 저속 운전이 필요한지를 판단하고, 상기 모터부의 저속 운전이 필요하면 상기 모터부의 저속 운전을 수행하다가 고속 운전을 수행하는 제어부를 포함하되, 상기 저속 운전시 상기 모터부로 공급되는 전류를 증가시켜 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하고, 상기 고속 운전시 상기 모터부의 효율이 증가하는 효율 운전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 센서부에서 감지된 상기 오일의 온도가 제1 기준 온도 미만인 경우, 상기 모터부의 저속 운전이 필요하다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 모터부에 대한 전류제한원, 일정 토크 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 부하 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 상기 모터부로 공급하여 상기 손실 운전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 압축기 및 압축기 제어 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
압축기의 운전이 요구되는 경우, 저속 운전을 수행하므로, 고속 운전을 수행하는 경우에 비하여 오일 포밍을 감소시킬 수 있으며, 거품 상태의 오일이 한꺼번에 토출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 저속 운전 중에 가열 운전을 수행하여, 압축기 내의 오일에 용해되어 있던 냉매를 증발시킴으로써, 압축기를 정지시킨 상태에서 권설 가열을 하는 경우에 비하여, 보다 빠른 시간 안에 압축기를 정상 운전시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기가 포함된 에어컨의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 내부 구성을 도시한 도면으로, 센서부의 위치에 대한 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 제어 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 수행되는 운전 방법을 설명하기 위한 도면으로, 전류제한원, 부하 곡선 및 MTPA 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 도 5의 S530 단계를 보다 상세히 도시한 흐름도이다.
도 7a 종래의 압축기 제어 방법에서 압축기의 운전 속도 변화를 도시한 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 제어 방법에서 압축기의 운전 속도 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 운전 중 가열 운전에 따른 전류 변화를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기의 제어 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 압축기 및 압축기 제어 방법에 대해 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기가 포함된 에어컨의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 에어컨은 실외기(100) 및 실내기(200)를 포함할 수 있다.
실외기(100)는 압축기(110), 사방밸브(130), 실외열교환기(140), 실외팬(150), 전자팽창밸브(160)(Electronic Expansion Valve: EEV), 및 어큐뮬레이터(120)를 포함한다. 그리고 실내기(200)는 실내열교환기(240), 실내팬(250), 및 실내온도센서(230)를 포함한다.
압축기(110)는 흡입되는 저온저압의 기체 상태의 냉매(冷媒)를 압축하여 고온고압의 기체상태로 토출해 내는 인버터형 압축기(110)이다. 압축기(110)에 대한 보다 상세한 설명은 도 2a 내지 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
사방밸브(130)는 사용자가 선택한 운전 모드가 냉방 운전 모드인지 난방 운전 모드인지에 따라 냉매의 흐름을 바꾸도록 온/오프 절환 조작된다. 구체적으로, 사방밸브(130)는 두 개의 독립된 통로를 가지는데, 이들 통로들은 난방 운전 시에는 압축기(110)에서 토출되는 고온고압의 기체 냉매가 실내열교환기(240)로 이송되도록 하고, 냉방 운전 시에는 실외열교환기(140)로 이송되도록 한다.
실외열교환기(140)는 냉매의 엔탈피(enthalpy) 변화에 대응하여 주변 공기와 열교환을 한다. 구체적으로, 실외열교환기(140)는 냉방 운전 모드에서는 고온고압 기체 상태의 냉매를 상온고압(常溫高壓)의 액체 상태로 응축시키는 응축기(condenser) 역할을 한다. 반대로, 실외열교환기(140)는 난방 운전 모드에서는 저온저압의 액체 상태의 냉매를 기체 상태로 증발시키는 증발기(evaporator) 역할을 한다.
실외팬(150)은 실외열교환기(140)에 흐르는 냉매와 공기 사이의 열교환 작용을 촉진시키는 촉매 역할을 하여 실외기(100)의 열교환 능력을 높인다.
전자팽창밸브(160)는 실외열교환기(140)와 실내열교환기(240) 사이에 설치되어 어느 한쪽에서 응축되어 오는 상온고압의 액체 상태의 냉매를 액체성분과 기체성분이 혼합된 저온저압의 2상 냉매로 팽창시켜 감압한다.
어큐뮬레이터(120)는 압축기(110)의 흡입구측에 설치되어 압축기(110)로 흡입되는 냉매를 완전히 기체 상태의 가스로 변환시킨다.
실내열교환기(240)는 냉매의 엔탈피 변화에 대응하여 주변 공기와 열교환을 한다. 이 때, 실내열교환기(240)는 실외열교환기(140)와는 반대로 열교환을 한다. 구체적으로, 실내열교환기(240)는 냉방 운전 모드에서는 증발기 역할을 하며, 난방 운전 모드에서는 응축기 역할을 한다.
실내팬(250)은 실내열교환기(240)에 흐르는 냉매와 공기 사이의 열교환을 촉진시킨다. 이와 동시에 실내팬(250)은 실내에 필요한 냉풍 또는 온풍을 발생시킨다.
실내온도센서(230)는 실내기(200)가 설치된 실내의 공기 온도를 감지한다.
상술한 바와 같은 에어컨은 사용자가 선택한 운전 모드가 냉방 운전 모드인지 난방 운전 모드인지에 따라 사방밸브(130)가 절환되어 냉매의 흐름이 바뀐다.
예를 들어, 난방 운전 시에는 사방밸브(130)가 온(on) 되어 냉매는 도 1의 실선 화살표 방향으로 냉동사이클을 형성한다. 즉, 압축기(110)→사방밸브(130)→실내열교환기(240)→전자팽창밸브(160)→실외열교환기(140)→사방밸브(130)→어큐뮬레이터(120)→압축기(110)의 순서로 순환되는 냉동사이클을 형성한다.
반면, 냉방 운전 시에는 사방밸브(130)가 오프(off)되어 냉매는 도 1의 점선 화살표 방향으로 냉동사이클을 형성한다. 즉, 압축기(110)→사방밸브(130)→실외열교환기(140)→전자팽창밸브(160)→실내열교환기(240)→사방밸브(130)→어큐뮬레이터(120)→압축기(110)의 순서로 순환되는 냉동사이클을 형성한다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나 실외기(100) 및 실내기(200) 중 적어도 하나는 사용자의 명령을 입력받는 입력부, 및 사용자가 선택한 운전 모드에 따라 에어컨 내의 각 구성요소들을 제어하는 제어부, 및 모바일 장치 또는 서버 등의 외부 장치와 데이터를 송수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 에어컨은 하나의 실외기(100) 및 하나의 실내기(200)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 실외기(100) 및 실내기(200)는 하나 이상 구비될 수도 있음은 물론이다.
다음으로 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(110)의 내부 구성에 대해서 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 압축기(110)는 케이싱(10), 센서부(도 3의 도면부호 17 참조), 압축부(11) 및 모터부(12)를 포함한다.
케이싱(10)은 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일(13)을 수용한다. 케이싱(10)의 외면에는 흡입구(10a)와 토출구(10b)가 형성되는데, 흡입구(10a) 측에는 기체 상태의 냉매를 흡입할 수 있도록 어큐뮬레이터(120)가 연결되며, 토출구(10b) 측에는 냉매의 흐름을 바꿀 수 있도록 사방밸브(130)가 설치된다. 케이싱(10)의 외부에는 케이싱(10)을 가열하기 위한 히터(미도시)가 마련될 수 있다. 예를 들면, 히터는 케이싱(10)의 하부에 마련될 수 있다. 히터는 에어컨의 전원이 온(on)되어 있는 상태에서 압축기(110)의 운전이 정지되어 있는 동안 케이싱(10)을 가열하는 역할을 한다.
압축부(11)는 케이싱(10)의 내부에 설치되어 냉매를 압축한다.
모터부(12)는 케이싱(10)의 내부에 설치되어 압축부(11)에 구동력을 제공한다. 모터부(12)에 대한 보다 상세한 설명은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
센서부(17)는 케이싱(10)의 내부에 저장되어 있는 오일(13)의 온도를 감지하는 제1 온도 센서(17a) 및 토출구(10b)를 통해 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서(17b)를 포함할 수 있다.
제1 온도 센서(17a)는 케이싱(10)의 외부에 설치되어 오일(13)의 온도를 간접적으로 감지하거나, 케이싱(10)의 하부에 케이싱(10)을 관통하도록 설치되어 오일(13)의 온도를 직접적으로 감지할 수 있다.
일 예로, 제1 온도 센서(17a)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 외측 상부에 설치될 수 있다. 이 경우, 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도는 오일(13)의 온도가 아닌 케이싱(10)의 온도이다. 따라서 압축기(110)에는 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도를 오일(13)의 실제 온도와 가까운 값으로 보상하기 위한 보상부(도 3의 도면부호 29 참조)가 포함될 수 있다.
다른 예로, 제1 온도 센서(17a)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 외측 하부에 설치될 수 있다. 이처럼 제1 온도 센서(17a)를 케이싱(10)의 외측 하부에 설치하면, 제1 온도 센서(17a)와 오일(13) 간의 거리가 가깝기 때문에 오일(13)의 온도 변화를 빠르게 감지할 수 있다. 이 경우에도, 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도는 오일(13)의 온도가 아닌, 케이싱(10)의 온도이다. 따라서 압축기(110)에는 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도를 오일(13)의 실제 온도와 가까운 값으로 보상하기 위한 보상부(도 3의 도면부호 29 참조)가 포함될 수 있다.
또 다른 예로, 제1 온도 센서(17a)는 도 2c에 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 외측 하부에서 내측 하부로 관통하여 설치될 수도 있다. 이 경우, 제1 온도 센서(17a)는 오일(13)과 접촉하기 때문에 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도는 오일(13)의 실제 온도이다. 따라서 보상부는 생략될 수 있다.
이하의 설명에서는 설명의 편의를 위하여 제1 온도 센서(17a)가 도 2a에 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 외측 상부에 설치되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(110)의 제어 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(110)는 모터부(12), 상용전원(14), 정류부(15), 인버터부(16), 센서부(17) 및 제어부(2)를 포함할 수 있다.
모터부(12)는 고정자(미도시)와 회전자(미도시)로 이루어진다. 고정자는 U, V, W 세 개의 권선(12a, 12b, 12c)을 구비하며, 각 권선(12a, 12b, 12c)은 예를 들어, 구리 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 회전자는 영구자석으로 이루어지며, 고정자에 대하여 회전 가능하도록 배치된다. 고정자의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 전압이 인가되면, 각 권선(12a, 12b, 12c)은 자기장을 발생시키는데, 이 자기장에 의해 회전자가 회전하게 된다.
한편, 고정자의 각 권선(12a, 12b, 12c)에서는 자기장 외에도 열이 발생한다. 이 때, 각 권선(12a, 12b, 12c)에서 발생되는 열의 크기는 다음의 식 1과 같다.
[식 1]
Ploss = i2R
식 1에서 i는 고정자의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 흐르는 전류를 의미하며, R은 각 권선(12a, 12b, 12c)이 가지고 있는 저항을 의미한다.
식 1에서도 알 수 있듯이, 고정자의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 전류를 공급하면, 전류의 제곱에 해당하는 만큼의 열(Ploss)이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 고정자의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 공급되는 전류를 증가시키면, 각 권선에서 발생하는 열도 증가하므로, 이 열을 이용하여 압축기(110)를 가열할 수 있다.
상용전원(14)은 상용 전원 계통에서 공급되는 단상 전원 또는 3상 전원으로 구성될 수 있다.
정류부(15)는 상용전원(14)에서 출력된 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환한다. 일 예로, 정류부(15)는 2상 브리지로 구성된 4개의 다이오드(미도시)와 평활 캐피시터(미도시)를 포함할 수 있으며, 이를 통해 전파 정류를 수행할 수 있다. 다른 예로, 정류부(15)는 배전압 회로를 구비할 수 있으며, 이를 통해 반파 정류를 수행할 수도 있다.
인버터부(16)는 평활 캐패시터의 직류전압을 모터부(12)를 구동하는 주파수를 가진 전압으로 변환한다. 인버터부(16)는 3상 브리지 형태로 접속된 6개의 스위칭 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 PWM 생성부(25)에서 출력되는 신호에 따라 온/오프되어, 정류부(15)에서 인가받은 전압을 3상 전압으로 변환시켜 모터부(12)에 인가한다.
센서부(17)는 앞서 설명한 바와 같이, 케이싱(10)의 온도를 감지하는 제1 온도 센서(17a) 및 토출구(10b)를 통해 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서(17b)를 포함할 수 있다.
제어부(2)는 오일(13)의 온도와 사전 설정된 기준 온도를 비교하고, 비교 결과에 따라 저속 운전 중에 가열 운전을 수행하거나, 정상 운전을 수행한다.
구체적으로, 제어부(2)는 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 미만인 경우, 모터부(12)를 저속으로 운전시키면서 가열 운전을 수행한다. 가열 운전 시에는 모터부(12)로 공급되는 전류를 증가시켜 모터부(12)의 권선(12a 12b, 12c)의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행한다. 이처럼 저속 운전 중에 가열 운전을 수행하여 더 이상 가열 운전을 수행하지 않아도 되는 것으로 판단된 경우, 제어부(2)는 모터부(12)를 고속으로 운전시키는 정상 운전을 수행한다. 정상 운전시에는 모터부(12)의 효율이 증가하는 효율 운전을 수행할 수 있다.
이를 위하여 제어부(2)는 보상부(29), 판단부(28), 속도 지령부(20), 속도 제어부(21), 전류 지령부(22), 전류 제어부(23), 제1 좌표계 변환부(24a), PWM 생성부(25), 전류 검출부(26), 제2 좌표계 변환부(24b), 및 위치 추정부(27)를 포함할 수 있다.
보상부(29)는 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 케이싱(10)의 온도를 오일(13)의 실제 온도와 가까운 값으로 보상하여 판단부(28)로 제공할 수 있다. 예를 들면, 보상부(29)는 케이싱(10)을 이루는 물질의 열전도율, 제1 온도 센서(17a)의 측정 오차 범위 등을 고려하여 보상값을 결정할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 보상부(29)에 의해 보상된 오일(13)의 온도를 '오일의 온도'라 칭하기로 한다.
판단부(28)는 보상부(29)로부터 제공받은 오일(13)의 온도와 제1 기준 온도를 비교하여, 저속 운전 및 가열 운전이 필요한지를 판단하고, 그 판단 결과를 후술될 전류 지령부(22)로 제공할 수 있다. 여기서 가열 운전이란, 모터부(12)의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 공급되는 전류의 크기를 증가시켜 각 권선(12a, 12b, 12c)에서의 발열량을 증가시키는 것을 말한다.
구체적으로, 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 이상이라면, 판단부(28)는 저속 운전 및 가열 운전을 수행할 필요가 없는 것으로 판단할 수 있다. 이처럼 저속 운전 및 가열 운전을 수행할 필요가 없다고 판단된 경우에는 정상 운전이 수행될 수 있다. 정상 운전 시에는 압축기(110)에 대해 최대 효율 운전이 실행될 수 있다. 최대 효율 운전에 대한 보다 구체적인 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
만약, 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 미만이라면, 판단부(28)는 저속 운전 및 가열 운전을 수행할 필요가 있는 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 판단된 경우에는 저속 운전 중에 가열 운전이 실행될 수 있다. 가열 운전시에는 압축기(110)에 대해 최대 손실 운전이 실행될 수 있다. 최대 손실 운전에 대한 보다 구체적인 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
속도 지령부(20)는 압축기(110)가 기동되는 경우, 모터부(12)에 인가할 속도 지령(
Figure pat00001
)을 출력한다. 구체적으로, 사용자가 운전 명령을 입력하여, 압축기(110)가 기동되는 경우, 속도 지령부(20)는 모터부(12)가 저속으로 구동될 수 있도록 속도 지령(
Figure pat00002
)을 출력할 수 있다. 속도 지령부(20)에서 출력된 속도 지령(
Figure pat00003
)은 속도 제어부(21)로 제공된다. 도 3에 표시된 부호 중에서 '*'는 '지령'을 의미한다.
속도 제어부(21)는 속도 지령부(20)에서 출력된 속도 지령에 대응하는 전류 지령을 출력한다. 즉, 속도 제어부(21)는 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전류 지령(
Figure pat00004
)과 토크분 전류 지령(
Figure pat00005
)을 출력한다. 여기서, 동기 회전 좌표계란 d축과 q축으로 이루어진 좌표계를 의미하는 것으로, d축은 회전자의 자속 방향의 축을 말하며, q축은 d축에서부터 회전자의 회전 방향으로 90도 진행한 축을 말한다.
전류 지령부(22)는 판단부(28)의 판단 결과에 따라, 속도 제어부(21)로부터 입력받은 자속분 전류 지령(
Figure pat00006
)과 토크분 전류 지령(
Figure pat00007
)을 전류 제어부(23)로 출력하거나, 새로운 자속분 전류 지령과 토크분 전류 지령을 전류 제어부(23)로 출력할 수 있다.
구체적으로, 판단부(28)에서 가열 운전이 필요하지 않은 것으로 판단된 경우, 전류 지령부(22)는 속도 제어부(21)로부터 입력받은 자속분 전류 지령(
Figure pat00008
) 및 토크분 전류 지령(
Figure pat00009
)을 그대로 출력할 수 있다. 이 때, 전류 지령부(22)에서 출력된 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령은 최대 효율 운전을 위한 전류 지령인 것으로 이해될 수 있다.
만약, 판단부(28)에서 가열 운전이 필요한 것으로 판단된 경우, 전류 지령부(22)는 속도 제어부(21)로부터 입력받은 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령보다 큰 값을 갖는, 새로운 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령을 출력할 수 있다. 이 때, 전류 지령부(22)에서 출력된 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령은 최대 손실 운전을 위한 전류 지령인 것으로 이해될 수 있다. 여기서, 최대 손실 운전을 위한 전류 제어에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 4를 참조하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 수행되는 운전 방법을 설명하기 위한 도면으로, 모터부(12)와 관련된 전류제한원, 부하 곡선 및 MTPA 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 도시한 도면이다.
도 4에서 전류제한원(Current limit circle)은 모터부(12)에 주어진 최대 고정자 전류(is)로 제어 가능한 자속분 전류 지령(d축 전류 지령) 및 토크분 전류 지령(q축 전류 지령)의 범위를 나타낸다. 즉, 전류 지령은 전류제한원 내부에 있는 값으로 주어져야 제어가 가능하다.
부하 곡선은 압축기(110)의 모터부(12)의 부하 곡선을 나타낸다.
MTPA(Maximum Torque per Ampere) 곡선은 단위 전류당 최대 토크를 발생시키는 d축 전류와 q축 전류의 조합을 나타낸다. 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 미만이어서 가열 운전이 필요하지 않은 경우, 전류 지령부(22)는 기 설정된 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 부하 곡선과 MTPA 곡선을 모두 만족하는 ①번 점에 해당하는 자속분 전류 지령(ids_1) 및 토크분 전류 지령(iqs_1)을 출력하여, 최대 효율 운전이 실행될 수 있도록 한다.
만약, 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 이상이어서 가열 운전이 필요한 경우, 전류 지령부(22)는 기 설정된 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 ①번 점 보다 큰 값을 갖는 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령을 출력한다. 예를 들면, 부하 곡선 상에 있는 ②번 점에 해당하는 자속분 전류 지령(ids_2) 및 토크분 전류 지령(iqs_2)을 출력하여, 최대 손실 운전일 실행될 수 있도록 한다. 즉, 전류 지령부(22)는 모터부(12)의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 공급되는 전류의 크기를 인위적으로 증가시켜 모터부(12)의 각 권선(12a, 12b, 12c)의 발열량이 증가하도록 한다.
도 4에서 알 수 있듯이, ②번 점은 부하 곡선과 MTPA 곡선을 모두 만족하는 점은 아니다. 따라서 ②번 점에 해당하는 크기의 자속분 전류 및 토크분 전류를 모터부(12)에 공급하는 경우, ①번 점에 해당하는 크기의 자속분 전류 및 토크분 전류를 모터부(12)에 공급하는 경우에 비하여, 압축기(110)의 효율은 다소 저하될 수 있다. 그러나 ②번 점은 전류제한원 내부에 있을 뿐만 아니라, 부하 곡선 상에 위치하기 때문에 압축기(110) 운전에는 영향을 미치지 않는다.
이상의 설명에서는 최대 손실 운전 실행 시, 전류 지령부(22)가 ②번 점과 같이, 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령을 모두 변경하는 경우 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이로 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 전류 지령부(22)는 자속분 전류 지령만을 증가시킬 수도 있다. 이하의 설명에서는 가열 운전시, 전류 지령부(22)가 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령을 모두 증가시키는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
다시 도 3을 참조하면, 전류 제어부(23)는 전류 지령부(22)에서 출력된 자속분 전류 지령(
Figure pat00010
) 및 토크분 전류 지령(
Figure pat00011
)을 입력 받아, 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전압 지령(
Figure pat00012
)과 토크분 전압 지령(
Figure pat00013
)을 출력한다.
제1 좌표계 변환부(24a)는 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전압 지령(
Figure pat00014
)과 토크분 전압 지령(
Figure pat00015
)을 각각 정지 좌표계에서의 자속분 전압 지령과 토크분 전압 지령으로 변환한다. 그 다음, 변환된 2상의 전압 지령을 이것과 등가인 3상의 전압 지령으로 변환한다. 변환된 3상의 전압 지령은 PWM 생성부(25)로 제공된다. 동기 회전 좌표계에서 정지 좌표계로의 변환은 공지의 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
PWM 생성부(25)는 제1 좌표계 변환부(24)에서 출력된 3상의 전압 지령에 기초하여 펄스 폭 변조된 전류 신호를 출력한다.
인버터부(16)의 스위칭 소자는 PWM 생성부(25)에서 출력되는 전류 신호에 따라 온/오프되어, 정류부(15)에서 인가받은 전압을 3상 전압으로 변환시켜 모터부(12)에 인가한다.
3상의 전압이 모터부(12)의 각 권선(12a, 12b, 12c)으로 공급되면, 전류 검출부(26)는 모터부(12)의 각 권선(12a, 12b, 12c)에 흐르는 전류를 검출한다. 전류 검출부(26)에서 검출된 3상의 전류는 제2 좌표계 변환부(24b)로 제공된다.
제2 좌표계 변환부(24b)는 전류 검출부(26)에 의해 검출된 3상의 전류를 이것과 등가인 2상의 전류로 변환한다. 이 때, 변환된 2상의 전류는 정지 좌표계로 표시될 수 있다. 그런 다음, 정지 좌표계에서의 2상의 전류를 동기 회전 좌표계에서의 2상의 전류로 변환한다. 정지 좌표계에서 동기 회전 좌표계로의 변환은 공지의 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
위치 추정부(27)는 센서리스 알고리즘에 근거하여, 회전자의 위치 및 속도를 추정한다. 센서리스 알고리즘에 따르면, 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서 없이도 회전자의 위치 및 속도를 추정할 수 있다. 센서리스 알고리즘을 저장하기 위해 위치 추정부(27)는 메모리부(미도시)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(110)의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
압축기(110)의 제어 방법을 설명하기에 앞서, 압축기(110)는 전원이 오프된 상태로 저온의 환경에 장시간 방치된 경우를 가정하기로 한다.
사용자가 운전 명령을 입력하면(S500), 오일(13)의 온도를 감지한다(S510). 오일의 온도를 감지하는 단계는 제1 온도 센서(17a)에서 케이싱(10)의 온도를 감지하는 단계와, 보상부(29)가 제1 온도 센서(17a)에서 감지된 케이싱의 온도를 오일(13)의 실제 온도에 가까운 값으로 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
오일(13)의 온도가 감지되면, 감지된 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 이상인지를 판단할 수 있다(S520). 제1 기준 온도는 사전에 설정될 수 있다. 예를 들면, 제1 기준 온도는 50~60℃로 설정될 수 있다.
S520 단계에서의 판단 결과, 오일(13)의 온도가 제1 기준 온도 미만인 경우(S520, 아니오), 제어부(2)는 저속 운전 및 가열 운전을 수행한다(S530). 즉, 제어부(2)는 모터부(12)를 저속으로 운전시키면서 가열 운전을 수행할 수 있다. 가열 운전 시에는 모터부(12)로 공급되는 전류를 증가시켜 모터부(12)의 권선(12a, 12b, 12c)의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행할 수 있다.
이처럼 저속 운전을 수행하면 고속 운전을 수행하는 경우에 비하여 케이싱(10) 내부의 오일(13)에 용해되어 있던 냉매가 급격하게 분리되는 현상을 감소시킬 수 있으므로, 오일 포밍을 감소시킬 수 있다. 또한, 오일 포밍이 발생하더라도 거품 상태의 오일이 토출구(10b)를 통해 한꺼번에 토출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 저속 운전 중에 가열 운전을 수행하면, 케이싱(10) 내부의 오일(13)에 용해되어 있던 냉매가 빨리 증발되어 토출구(10b)를 통해 토출되므로, 저속 운전으로 인해 느려진 냉매의 토출 속도를 보완할 수 있다.
여기서, 도 6을 참조하여, 저속 운전 및 가열 운전을 수행하는 S530 단계에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 도 5의 저속 운전 및 가열 운전을 수행하는 S530 단계는 모터부(12)를 저속으로 운전시키는 단계(S532)와, 현재의 전류 지령이 전류제한 최대값 보다 작은지를 판단하는 단계(S534)와, 현재의 전류 지령이 전류 제한 최대값 보다 작은 경우, 현재의 전류 지령보다 큰 값을 갖는 새로운 전류 지령을 출력하는 단계(S536)와, 출력된 전류 지령에 따라 전류 제어를 수행하는 단계(S538)를 포함할 수 있다.
모터부(12)를 저속으로 운전시키는 S532 단계는 속도 지령부(20)가 속도 지령을 출력하는 단계와, 속도 제어부(21)가 출력된 속도 지령에 대응하는 전류 지령을 출력하는 단계와, 전류 지령부(22)가 출력된 전류 지령을 전류 제어부(23)으로 제공하는 단계와, 전류 제어부(23)가 제공받은 전류 지령에 대응하는 2상의 전압 지령을 출력하는 단계와, 제1 좌표계 변환부(24a)가 2상의 전압 지령에 대응하는 3상의 전압 지령을 출력하는 단계와, PWM 생성부(25)가 3상의 전압 지령에 기초하여 펄스 폭 변조된 전류 신호를 인버터부(16)로 출력하는 단계, 및 인버터부(16)가 전류 신호에 따라 온/오프되어 정류부(15)에서 인가받은 전압을 3상 전압으로 변환시켜 모터부(12)에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
현재의 전류 지령이 전류제한 최대값 보다 작은지를 판단하는 S534 단계는 전류 지령부(22)에 의해 수행될 수 있다. 여기서 전류제한 최대값이란 전류제한원의 경계를 말한다. 따라서, 현재의 전류 지령이 전류제한 최대값보다 작은지를 판단한다는 것은 현재의 전류 지령이 전류제한원의 내부에 속하는지를 판단하는 것으로 이해될 수 있다.
S534 단계의 판단 결과, 현재의 전류 지령이 전류제한 최대값 보다 작지 않다면(즉, 현재의 전류 지령이 전류제한원의 경계에 위치한다면), 전류 지령의 크기를 더 이상 증가시킬 수 없는 상태라 판단하고, 정상 운전을 수행한다(S560).
S534 단계의 판단 결과, 현재의 전류 지령이 전류제한 최대값 보다 작다면(즉, 현재의 전류 지령이 전류제한원의 내부에 위치한다면), 전류 지령부(22)는 현재의 전류 지령보다 큰 값을 갖는 새로운 전류 지령을 출력한다(S536). 예를 들면, 현재의 전류 지령이 도 4의 ①번 점에 해당한다면, 전류 지령부(22)는 도 4의 ②번 점에 해당하는 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령을 출력한다. 여기서, ②번 점은 기 설정된 전류제한원의 내부에 속하면서도 부하 곡선 상에 있는 점인 것을 알 수 있다.
이처럼 S536 단계에서 새로운 전류 지령이 출력되면, 출력된 전류 지령에 따라 전류 제어가 수행될 수 있다(S538). 전류 제어를 수행하는 S538 단계는 전류 제어부(23), 제1 좌표계 변환부(24a), PWM 생성부(25)의 상호 동작으로 수행될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, S530 단계에서와 같이, 저속 운전 및 가열 운전을 수행한 이 후, 판단부(28)는 오일(13)의 온도가 제2 기준 온도 이상인지를 판단하고(S540), 압축기(110)의 토출 과열도(Discharge Superheat: DSH)가 제3 기준 온도 이상인지를 판단할 수 있다(S550).
여기서, 제2 기준 온도는 제1 기준 온도와 동일할 수도 있고, 제1 기준 온도와 다를 수도 있다. 즉, 제2 기준 온도는 제1 기준 온도 보다 낮거나 높을 수도 있다. 토출 과열도(DSH)란 압축기(110)의 토출온도에서 고압포화온도를 뺀 값을 말한다. 압축기(110)의 토출온도는 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도와 제2 온도 센서(17b)에 의해 감지된 온도 중에서 더 높은 값으로 결정될 수 있다.
S540 및 S550 단계의 판단 결과, 오일(13)의 온도가 제2 기준 온도 이상이고, 토출과열도(DSH)가 제3 기준 온도 이상이라면, 케이싱(10) 내의 오일(13)에 녹아 있던 냉매가 거의 다 토출된 것으로 볼 수 있다. 여기서, 제3 기준 온도는 사전에 설정될 수 있다. 예를 들면, 제3 기준 온도는 10℃ 이상으로 설정될 수 있다.
오일(13)의 온도가 제2 기준 온도 이상이고, 토출과열도(DSH)가 제3 기준 온도 이상이라면 케이싱(10) 내부의 오일(13)에 용해되어 있던 냉매가 모두 증발한 것으로 볼 수 있다. 따라서, 제어부(2)는 정상 운전을 수행한다(S560). 즉, 제어부(2)는 사용자가 설정한 실내 온도에 도달할 수 있도록 모터부(12)의 속도를 증가시켜 고속 운전을 수행한다. 정상 운전시에는 모터부(12)의 효율을 증가시키는 최대 효율 운전을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가열 운전시에는, ②번 점에 해당하는 자속분 전류 및 토크분 전류를 모터부(12)에 공급하여 최대 손실 운전을 실행한다. 이처럼 최대 손실 운전을 실행하다가 오일(13)의 온도 및 토출과열도(DSH)가 각각 제2 기준 온도 및 제3 기준 온도에 도달하여 가열 운전이 불필요한 것으로 판단되면, ①번 점에 해당하는 자속분 전류 및 토크분 전류를 모터부(12)에 공급하여 최대 효율 운전을 실행한다.
이와 같이, 저속 운전 중에 가열 운전을 수행하게 되면, 압축기(110) 내의 오일(13)에 용해되어 있던 냉매를 증발시킬 수 있으므로, 압축기(110)를 정지시킨 상태에서 권선 가열을 수행하는 경우에 비하여, 가열이 완료되기까지 대기 시간을 감소시킬 수 있고, 압축기(110)를 보다 빨리 정상 운전시킬 수 있다. 또한 가열이 완료되기 까지 대기 시간을 감소시킬 수 있으므로 소비자 만족도 및 압축기 신뢰성을 높일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 7a 및 도 7b를 참조하기로 한다.
도 7a는 종래의 압축기 제어 방법에서 압축기의 운전 속도 변화를 도시한 그래프이다. 그리고 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 제어 방법에서 압축기의 운전 속도 변화를 도시한 그래프이다.
도 7a를 참조하면, 종래의 압축기 제어 방법에서는 운전 명령이 입력되면, 압축기가 정지된 상태에서 모터부의 권선에 일정 크기의 전류를 흘려 압축기의 케이싱을 가열한다. 그리고 오일의 온도가 일정 수준에 이르게 되면, 압축기를 정상적으로 운전시킨다. 즉, 사용자가 설정한 조건에 도달할 수 있도록 압축기를 고속으로 운전시킨다. 이러한 종래의 압축기 제어 방법의 경우, 압축기는 오일의 온도가 일정 수준에 도달할 때까지 대략 2~3시간 동안 대기 상태로 있게 된다.
도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 제어 방법에서는 운전 명령이 입력되면, 압축기(110)를 저속으로 즉시 운전시킴과 동시에 가열 운전을 실시하여 압축기(110)를 가열한다. 이 때, 압축기(110)가 저속으로 운전되므로, 오일(13)에 용해되어 있던 냉매는 천천히 분리되므로 오일 포밍이 감소된다. 또한 오일 포밍이 발생하더라도 저속 운전 중이므로, 거품 상태의 오일(13)이 압축기(110)의 외부로 한꺼번에 토출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 압축기(110)의 저속 운전 중에 가열 운전을 수행하므로, 오일(13)에 용해되어 있던 냉매가 그만큼 빨리 증발되어 압축기(110)의 외부로 토출된다. 그 결과, 저속 운전으로 인해 느려진 냉매의 토출 속도를 보완할 수 있으며, 압축기(110)를 보다 빨리 정상적으로 운전시킬 수 있다. 즉, 도 7a 및 도 7b를 비교하면, t1 보다 t2가 짧은 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(110)의 운전 중 전류의 크기 변화를 예시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 압축기(110)의 운전이 정상 운전, 가열 운전, 다시 정상 운전의 순서로 이루어진 것을 알 수 있으며, 가열 운전 중일 때의 전류의 크기가 정상 운전 중일 때의 전류의 크기보다 증가한 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 및 압축기 제어 방법을 설명하였다. 일 실시예에 따른 압축기는 제1 온도 센서(17a)를 이용하여 케이싱(10)의 온도를 감지하고, 보상부(29)가 감지된 케이싱(10)의 온도를 실제 오일(13)의 온도에 가깝에 보상하는 경우를 설명하였다. 이하의 설명에서는 이와는 다른 실시예로서, 제1 온도 센서(17a) 및 보상부(29) 대신 오일(13)의 온도를 예측하는 예측부가 구비된 압축기 및 압축기 제어 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기의 제어 구성을 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기는 모터부(12), 상용전원(14), 정류부(15), 인버터부(16), 센서부(18) 및 제어부(3)를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 구성요소들 중에서 도 3에 도시된 구성요소들과 동일한 구성요소에 대해서는 설명을 생략하기로 하고, 센서부(18) 및 제어부(3)를 위주로 설명하기로 한다.
도 3의 센서부(17)가 케이싱(10)에 설치된 제1 온도 센서(17a)와 토출구(10b)측에 설치된 제2 온도 센서(17b)를 포함했던 것과는 달리, 도 8의 센서부(18)는 케이싱(10)의 토출구(10b) 측에 설치되어 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
제어부(3)는 속도 지령부(30), 속도 제어부(31), 전류 지령부(32), 전류 제어부(33), 제1 좌표계 변환부(34a), PWM 생성부(35), 전류 검출부(36), 제2 좌표계 변환벼(34b), 위치 추정부, 판단부(38) 및 예측부(39)를 포함할 수 있다. 제어부(3)에 포함되는 구성요소들 중에서 판단부(38) 및 예측부(39)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 3에서 설명한 구성요소들과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
예측부(39)는 압축기(110)가 정지되어 있던 시간 및 주변 온도 중 적어도 하나에 근거하여, 오일(13)의 온도를 예측할 수 있다. 이를 위해 예측부(19)는 압축기(110)가 정지되어 있던 시간 및 압축기(110)의 주변 온도에 따른 오일(13)의 온도를 저장할 수 있다. 압축기(110)가 정지되어 있던 시간 및 압축기(110)의 주변 온도에 따른 오일의 온도는 사전에 실험적으로 결정될 수 있다. 이러한 데이터는 테이블화되어 저장부(미도시)에 저장될 수 있다.
판단부(38)는 예측부(39)에서 예측된 오일의 온도에 근거하여, 가열 운전 실행 여부를 판단할 수 있다. 또한 판단부(38)는 예측부(39)에서 예측된 오일의 온도와 센서부(18)에서 감지된 냉매의 온도에 근거하여 정상 운전 실행 여부를 판단할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10에 도시된 압축기의 제어 방법은 도 5에 도시된 압축기 제어 방법과 유사하다. 다만, 도 5의 S510 단계에서의 오일의 온도는 제1 온도 센서(17a)에서 감지된 케이싱(10)의 온도를 보상부(29)에서 오일(13)의 실제 온도에 가깝게 보상한 값인데 비하여, 도 10의 S910 단계에서의 오일의 온도는 예측부(39)에 의해 예측된 값이라는 점이 다르다.
또한, 도 3의 S550 단계에서의 토출과열도(DSH)는 압축기(110)의 토출온도에서 고압포화온도를 뺀 값으로, 압축기(110)의 토출온도는 제1 온도 센서(17a)에 의해 감지된 온도와 제2 온도 센서(17b)에 의해 감지된 온도 중에서 더 높은 값으로 결정되는데 비하여, 도 10의 S950 단계에서의 토출과열도(DSH)는 예측부(39)에 의해 예측된 오일의 온도와 센서부(18)에 의해 감지된 온도 중에서 더 높은 값으로 결정된다는 점이 다르다.
이상으로 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 전술한 실시예들에서 압축기를 구성하는 일부 구성요소들은 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 여기서, '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.
전술한 실시예들에 더하여, 본 발명의 실시예들은 전술한 실시예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다. 상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, 마그네틱 저장 매체(예를 들면, ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학 기록 매체(예를 들면, CD-ROM 또는 DVD)와 같은 기록 매체, 반송파(carrier wave)와 같은 전송매체를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 상기 매체는 합성 신호 또는 비트스트림(bitstream)과 같은 신호일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장/전송되고 실행될 수 있다. 또한 더 나아가, 단지 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 압축기
10: 케이싱
11: 압축부
12: 모터
12a, 12b, 12c: 코일
13: 오일
14: 상용전원
15: 정류부
16: 인버터부
17, 18: 센서부
17a: 제1 온도 센서
17b: 제2 온도 센서
20, 30: 속도 지령부
21, 31: 속도 제어부
22, 32: 전류 지령부
23, 33: 전류 제어부
24a, 34a: 제1 좌표계 변환부
24b, 34b: 제2 좌표계 변환부
25, 35: PWM 생성부
26, 36: 전류 검출부
27, 37: 위치 추정부
28, 38: 판단부
29: 보상부
39: 예측부

Claims (27)

  1. 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부, 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 센서부를 포함하는 압축기의 제어 방법에 있어서,
    운전 명령이 입력되면 상기 오일의 온도를 감지하는 단계;
    상기 오일의 온도가 기준 온도 미만이면 상기 모터부를 저속 운전하면서 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하는 단계; 및
    상기 오일의 온도가 상기 기준 온도 이상으로 상승하면 상기 모터부의 운전을 정상 운전으로 전환하여 효율 운전을 수행하는 단계를 포함하는 압축기 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는
    상기 오일과 접촉하도록 상기 케이싱의 외측에서 내측으로 관통하여 설치되어 상기 오일의 온도를 감지하는 제1 온도 센서; 및
    상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함하는 압축기의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는
    상기 케이싱의 외측에 설치되어 상기 케이싱의 온도를 감지하는 제1 온도 센서; 및
    상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함하는 압축기의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 오일의 온도를 감지하는 단계는
    상기 제1 온도 센서에서 상기 케이싱의 온도를 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 케이싱의 온도를 상기 오일의 실제 온도에 근사한 값으로 보상하는 단계를 포함하는 압축기의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 손실 운전을 수행하는 단계는
    현재의 전류 지령이 상기 모터부에 주어진 최대 고정자 전류로 제어 가능한 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령의 범위를 나타내는 전류제한원의 내부에 있는 값인 경우, 상기 현재의 전류 지령보다 큰 값을 갖는 새로운 전류 지령을 상기 모터부로 공급하는 단계를 포함하는 압축기 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 새로운 전류 지령은
    상기 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 포함하는 압축기의 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 제1 기준 온도 및 제2 기준 온도를 포함하며,
    상기 손실 운전은 상기 오일의 온도가 상기 제1 기준 온도 미만인 경우에 수행되고,
    상기 효율 운전은 상기 오일의 온도가 상기 제2 기준 온도 이상이고, 토출 과열도가 제3 기준 온도 이상인 경우에 수행되는 압축기의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 동일한 값을 갖는 압축기의 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 서로 다른 값을 갖는 압축기의 제어 방법.
  10. 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부;
    상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부;
    적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 센서부; 및
    운전 명령이 입력되면 상기 오일의 온도를 감지하고, 상기 오일의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 상기 모터부를 저속 운전하면서 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하고, 상기 오일의 온도가 상기 기준 온도 이상으로 상승하면 상기 모터부의 운전을 정상 운전으로 전환하여 효율 운전을 수행하는 제어부를 포함하는 압축기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는
    상기 오일과 접촉하도록 상기 케이싱의 외측에서 내측으로 관통하여 설치되어 상기 오일의 온도를 감지하는 제1 온도 센서; 및
    상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함하는 압축기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는
    상기 케이싱의 외측에 설치되어 상기 케이싱의 온도를 감지하는 제1 온도 센서; 및
    상기 케이싱의 토출구 측에 설치되어 상기 케이싱에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하는 제2 온도 센서를 포함하는 압축기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서에 의해 감지된 케이싱의 온도를 상기 오일의 실제 온도에 근사한 값으로 보상하는 보상부를 더 포함하는 압축기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는
    현재의 전류 지령이 상기 모터부에 주어진 최대 고정자 전류로 제어 가능한 자속분 전류 지령 및 토크분 전류 지령의 범위를 나타내는 전류제한원의 내부에 있는 값인 경우, 상기 현재의 전류 지령보다 큰 값을 갖는 새로운 전류 지령을 상기 모터부로 제공하는 압축기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 새로운 전류 지령은
    상기 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 포함하는 압축기.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 제1 기준 온도 및 제2 기준 온도를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 오일의 온도가 상기 제1 기준 온도 미만인 경우에 상기 손실 운전을 수행하고, 상기 오일의 온도가 상기 제2 기준 온도 이상이고, 토출 과열도가 제3 기준 온도 이상인 경우, 상기 효율 운전을 수행하는 압축기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 동일한 값을 갖는 압축기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 서로 다른 값을 갖는 압축기.
  19. 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부, 상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부, 오일의 온도를 감지하는 센서부를 포함하는 압축기의 제어 방법에 있어서,
    상기 오일의 온도를 기초로 상기 모터부의 저속 운전이 필요한지를 판단하는 단계; 및
    상기 모터부의 저속 운전이 필요하면 상기 모터부의 저속 운전을 수행하다가 고속 운전을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 저속 운전시 상기 모터부로 공급되는 전류를 증가시켜 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하고,
    상기 고속 운전시 상기 모터부의 효율이 증가하는 효율 운전을 수행하는 압축기의 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 케이싱의 외측에 설치된 상기 센서부가 상기 케이싱의 온도를 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 케이싱의 온도를 상기 오일의 실제 온도에 가깝게 보상하는 단계를 더 포함하는 압축기의 제어 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 오일과 접촉하도록 상기 케이싱의 외측에서 내측으로 관통하여 설치된 상기 센서부가 상기 오일의 온도를 감지하는 단계를 더 포함하는 압축기의 제어 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 모터부가 정지되어 있던 시간 및 주변 온도 중 적어도 하나에 근거하여, 상기 오일의 온도를 예측하는 단계를 더 포함하는 압축기의 제어 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 모터부의 저속 운전이 필요한지를 판단하는 단계는
    상기 오일의 온도가 제1 기준 온도 미만인 경우, 상기 모터부의 저속 운전이 필요하다고 판단하는 단계를 포함하는 압축기의 제어 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 손실 운전은
    상기 모터부에 대한 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 상기 모터부로 공급하는 것인 압축기의 제어 방법.
  25. 내부에 수용 공간을 형성하며 냉매와 오일을 수용하는 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 설치되어 냉매를 압축하는 압축부;
    상기 케이싱의 내부에 설치되어 상기 압축부에 구동력을 제공하는 모터부;
    상기 오일의 온도를 감지하는 센서부; 및
    상기 오일의 온도를 기초로 상기 모터부의 저속 운전이 필요한지를 판단하고, 상기 모터부의 저속 운전이 필요하면 상기 모터부의 저속 운전을 수행하다가 고속 운전을 수행하는 제어부를 포함하되,
    상기 저속 운전시 상기 모터부로 공급되는 전류를 증가시켜 상기 모터부의 발열량이 증가하는 손실 운전을 수행하고, 상기 고속 운전시 상기 모터부의 효율이 증가하는 효율 운전을 수행하는 압축기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 센서부에서 감지된 상기 오일의 온도가 제1 기준 온도 미만인 경우, 상기 모터부의 저속 운전이 필요하다고 판단하는 압축기.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 모터부에 대한 전류제한원, 부하 곡선, 및 단위 전류당 최대 토크 곡선을 dq축 전류 좌표평면에 나타내었을 때, 상기 전류제한원에 속하는 전류 값들 중에서 상기 일정 토크 곡선을 만족하는 점의 자속분 전류 및 토크분 전류 지령을 상기 모터부로 공급하여 상기 손실 운전을 수행하는 압축기.
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