KR20160070548A

KR20160070548A - 압축기의 제어장치, 압축기의 제어방법 및 냉장고

Info

Publication number: KR20160070548A
Application number: KR1020140177639A
Authority: KR
Inventors: 임동휘; 허성용
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-20
Also published as: KR101710761B1

Abstract

본 발명은 압축기의 제어장치에 관한 것이다.
일 측면에 따른 압축기의 제어장치는, 3상 입력전원으로부터 입력된 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터와 연결되어, 상기 직류 전압을 평활하는 직류 링크부; 상기 직류 링크부와 연결되며, 상기 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 상기 압축기의 모터로 공급하는 인버터; 및 상기 컨버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 압축기의 정지 신호가 입력되면, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기에 구비되는 피스톤의 위치를 추정한 후에, 상기 피스톤이 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 모터가 정지되도록 상기 인버터를 제어한다.

Description

압축기의 제어장치, 압축기의 제어방법 및 냉장고{Control apparatus of a compressor, method for controlling a compressor and refrigerator}

본 발명은 압축기의 제어장치, 압축기의 제어방법 및 냉장고를 제공하는 것에 있다.

최근 냉장고를 구동하기 위한 압축기의 구동 모터로서 3상 모터를 사용한다. 3상 모터의 전력 변환 장치는 사용 전원인 교류를 직류로 변환한 후, 변환된 직류를 인버터를 이용하여 3상 모터에 인가함으로써, 3상 모터를 구동시킨다.

냉장고는 압축기, 팬 등에 전동기를 사용하며, 이를 구동하기 위한 전력변환장치를 사용하고 있다. 전력 변환 장치는 입력전원으로부터 제공된 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 변환된 직류전압을 펄스폭 변조된(PWM:Pulse Width Modulation) 전압으로 다시 변환하여 부하에 공급한다.

한편, 냉장고가 고성능, 고효율을 요구함에 따라 고조파 전류, 입력 역률, EMC 등의 문제가 발생한다. 예를 들어, 입력 전원 측으로의 고조파 전류 유입 및 입력 역률 특성이 안 좋아지는 경우, 전력 계통에 접속된 다른 전기기기가 오동작을 일으킬 수 있고, 수명에 악영향을 주게 된다. 이러한 이유로, 각국에서는 전력품질 향상을 위해 역률, 고조파 등에 대한 규제를 강화하고 있다.

일반적으로 전력 변환 장치는 입력 교류 전원과 부하, 예를 들어 모터의 사이에 컨버터와 인버터가 병렬 연결된다. 이때, 컨버터와 인버터의 사이에는 직류 링크 커패시터가 개재된다.

종래의 전력 변환 장치의 경우, 압축기의 정지 시에 압축기의 모터에서 발생된 회생 전력은 평활 커패시터로 축적될 수 있다.

그런데, 평활 커패시터가 용량이 큰 전해 커패시터인 경우에는 커패시터가 전압 상승 속도가 느려 회생 전력의 축적이 가능하나, 직류 링크 전압이 급격하게 증가하는 문제가 발생한다. 또한, 압축기가 정지하는 과정에서 모터의 관성 에너지에 의해서 압축기에서 진동이 발생하는 문제가 있다.

한편, 선행문헌으로서, 한국공개특허공보 10-2012-0090406호에는, 모터 제어 장치가 개시된다.

본 발명의 목적은, 압축기의 정지 시 직류 링크 전압의 급격한 증가를 방지하고, 압축기의 정지 과정에서 발생되는 진동이 최소화되도록 하는 압축기의 제어장치 및 제어방법과 냉장고를 제공하는 것에 있다.

일 측면에 따른 압축기의 제어장치는, 3상 입력전원으로부터 입력된 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터와 연결되어, 상기 직류 전압을 평활하는 직류 링크부; 상기 직류 링크부와 연결되며, 상기 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 상기 압축기의 모터로 공급하는 인버터; 및 상기 컨버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 압축기의 정지 신호가 입력되면, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기에 구비되는 피스톤의 위치를 추정한 후에, 상기 피스톤이 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 모터가 정지되도록 상기 인버터를 제어한다.

또한, 상기 인버터는, 상-암 소자 및 하-암 소자의 스위칭 동작을 근거로 상기 직류 링크 전압을 상기 모터 구동 전압으로 변환하며, 상기 제어부는, 상기 압축기의 압축 행정 과정에서 상기 하-암 소자가 일정 듀티로 턴 온되도록 상기 인버터를 제어한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 모터에 구비되는 회전 샤프트의 기계각을 추정하고, 추정된 기계각을 기초로 상기 피스톤의 위치를 추정한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 회전 샤프트의 적어도 1회전 과정에서 상기 회전 샤프트의 기계각을 추정하고, 기계각의 추정 이후 상기 회전 샤프트의 추가 회전 과정에서 추정된 회전 샤프트의 기계각이 메모리에 저장된 기준 기계각에 도달한 경우에 상기 모터가 정지되도록 상기 인버터로 제어신호를 출력한다.

또한, 기계각이 0인 경우를 상기 피스톤이 상사점에 위치한 것으로 보고, 기계각이 180도인 경우를 상기 피스톤이 하사점에 위치한 것으로 보고, 기계각이 360인 경우를 상기 피스톤이 하사점에서 다시 상사점에 위치한 것으로 볼 때, 상기 기준 기계각은 310도 내지 360도 범위 내에서 선택된다.

또한, 상기 제어부는, 상기 모터의 구동전류를 축 변환하여 q축 검출 전류(iq)를 출력하는 축 변환부와, 상기 축 변환부에서 출력된 q축 검출 전류(iq)를 기초로 기계각을 추정하고, 제동 지령을 출력하는 전류 제어부와, 상기 제동 지령을 근거로 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부를 포함한다.

다른 측면에 따른 압축기의 제어방법은, 압축기의 정지 신호가 입력되는 단계; 상기 압축기의 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기의 피스톤의 위치를 추정하는 단계; 추정된 상기 압축기의 피스톤 위치에 기초하여, 상기 피스톤이 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 모터를 정지시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 모터를 정지시키는 단계는, 상기 모터로 모터 구동 전압을 공급하는 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 단계를 포함한다.

또한, 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 단계는, 상기 인버터의 하-암 소자를 일정 듀티로 턴 온시키는 단계를 포함한다.

다른 측면에 따른 냉장고는, 냉매를 압축할 수 있으며, 모터를 구비하는 압축기; 상기 압축기의 모터를 제어하는 전력변환장치; 및 상기 전력변환장치를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 압축기를 정지시키기 위하여, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기의 피스톤의 위치를 추정하고, 상기 피스톤의 위치 추정 이후, 상기 압축기가 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 압축기를 정지시키기 위한 제어 신호를 상기 전력변환장치로 출력한다.

제안되는 발명에 의하면, 압축기의 정지 과정에서 모터의 에너지가 다시 모터로 회귀됨에 따라 직류 링크부의 전압이 급격하게 증가되는 것이 방지될 수 있다.

또한, 압축기의 압축 행정 중에 모터를 제동시킴에 따라서, 모터의 제동 과정에서 발생되는 진동이 최소화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉장고의 냉매 사이클을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축과정에서 피스톤의 위치를 보여주는 도면으로서, 도 3의 (a)는 피스톤이 상사점에 위치된 것을 보여주고, 도 3의 (b)는 피스톤이 하사점에 위치된 것을 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기의 제어장치를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기의 제어방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 기계각에 따른 q축 전류와 회전 샤프트의 운전 주파수를 보여주는 그래프.
도 8은 본 발명의 압축기의 모터 정지 시에 유도 기전력이 소모되는 모습을 보여주는 도면.
도 9는 회전 샤프트의 기계각에 따른 압축기 정지 시의 진동을 보여주는 그래프.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉장고의 냉매 사이클을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉장고(10)는, 냉매를 압축하기 위한 하나 이상의 압축기(11)와, 상기 압축기(11)에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기(12)와, 상기 응축기(12)에서 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창기(13)와, 상기 팽창기(13)에서 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기(21)를 포함할 수 있다.

상기 압축기(11)는, 모터(100)와, 상기 모터(100)를 제어할 수 있는 압축기 제어장치를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 압축기 제어장치는, 전력변환장치(200)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기를 개략적으로 보여주는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축과정에서 피스톤의 위치를 보여주는 도면으로서, 도 3의 (a)는 피스톤이 상사점에 위치된 것을 보여주고, 도 3의 (b)는 피스톤이 하사점에 위치된 것을 보여준다.

도 2에는 압축기의 종류로서 왕복동식 압축기가 개시되나, 본 발명에서 압축기의 종류는 제한이 없음을 밝혀둔다.

먼저, 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 압축기(11)는, 외관을 형성하는 쉘(120)을 포함할 수 있다. 상기 쉘(120)은 내부에 밀폐 공간을 형성하며, 이러한 밀페 공간 내에 압축기(11)를 이루는 각종 부품들을 수용한다. 상기 쉘(120)은 금속 재질로 이루어지며, 하부 쉘(121) 및 상부 쉘(122)을 포함할 수 있다.

상기 쉘(120)에는 냉매가 유입되기 위한 흡입 파이프(130)가 연결될 수 있다. 상기 흡입 파이프(130)는 일 예로 상기 하부 쉘(121)에 연결될 수 있다.

상기 압축기(11)는, 모터(100)와, 상기 모터(100)의 구동력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축유닛(140)을 더 포함할 수 있다.

상기 모터(100)는, 스테이터 코일이 구비되는 스테이터 코어(102)와, 회전자(104)와, 회전 샤프트(105)를 포함할 수 있다.

상기 스테이터 코어(102)는 금속 재질로 이루어지며, 내부 중공을 갖는 대략 원통 형상을 이룰 수 있다. 그리고, 스테이터 코일은 스테이터 코어(102) 내측에 장착될 수 있다. 상기 스테이터 코일은, 외부로부터 전원이 인가되면 전자기력을 발생시켜 상기 스테이터 코어(102) 및 회전자(104)와 함께 전자기적 상호 작용을 수행한다. 이를 통해, 모터(100)은 상기 압축유닛(140)의 왕복 운동을 위한 구동력을 발생시킬 수 있다.

상기 회전자(104)는 상기 모터(100)의 구동 중 회전되는 부분으로서, 스테이터 코어(102) 내측에 회전 가능하게 구비되며, 마그네트(magnet)가 구비될 수 있다.

상기 회전자(104)는, 외부로부터 전원이 공급되면 상기 스테이터 코어(102) 및 스테이터 코일과의 전자기적 상호 작용을 통해 회전하게 된다. 상기 회전자(104)의 회전에 따른 회전력은 압축유닛(140)을 구동시킬 수 있는 구동력으로 작용한다.

상기 회전 샤프트(105)는 상기 회전자(104) 내에 설치되며, 상하 방향을 따라 상기 회전자(104)를 관통하도록 장착되어, 상기 회전자(104)와 함께 회전될 수 있다. 그리고, 상기 회전 샤프트(105)는 후술하는 커넥팅 로드(155)와 연결되어, 상기 회전자(104)에서 발생하는 회전력을 상기 압축유닛(140)으로 전달한다.

상세히, 상기 회전 샤프트(105)는, 베이스 샤프트(106), 회전 플레이트(107) 및 편심 샤프트(108)를 포함할 수 있다.

상기 베이스 샤프트(106)는 회전자(104) 내에 상하방향 또는 세로방향으로 장착될 수 있다. 상기 회전자(104)가 회전하면, 상기 베이스 샤프트(106)는 상기 회전자(104)와 함께 회전될 수 있다.

상기 회전 플레이트(107)는 상기 베이스 샤프트(106)의 일측에 구비되며, 후술하는 실린더 블럭(150)에 회전 가능하게 장착될 수 있다.

상기 편심 샤프트(108)는 회전 플레이트(107)의 상면으로부터 상방으로 돌출된다. 상세히, 상기 편심 샤프트(108)는 베이스 샤프트(106)의 축 중심으로부터 편심되는 위치에서 돌출되어, 회전 플레이트(107)의 회전시 편심 회전된다. 상기 편심 샤프트(108)에는 후술하는 커넥팅 로드(155)가 장착된다. 편심 샤프트(108)의 편심 회전에 따라, 커넥팅 로드(155)는 전후 방향(수평 방향)으로 직선 왕복 운동하게 된다.

상기 압축유닛(140)은, 실린더 블럭(150), 커넥팅 로드(155), 피스톤(154) 및 피스톤 핀(160)을 포함할 수 있다.

상기 실린더 블럭(150)은 상기 회전자(104)의 상측에 구비되며 상기 쉘(120)의 내부에 장착된다. 상기 실린더 블럭(150)은 실린더(152)를 포함할 수 있다.

상기 실린더(152)는 실린더 블럭(150)의 전방부에 제공되며, 후술하는 피스톤(154)을 수용하도록 배치된다. 상기 피스톤(154)은 전후 방향(수평 방향)으로 왕복 운동 가능하며, 상기 실린더(152)의 내부에는 냉매를 압축시킬 수 있는 압축 공간(C)이 형성된다.

상기 압축기(11)는, 토출유닛(170)을 더 포함할 수 있다. 상기 토출유닛(170)은 머플러 조립체(172)를 포함할 수 있다.

상기 머플러 조립체(172)는 흡입 파이프(130)로부터 흡입된 냉매를 실린더(152)의 내부로 전달하고, 실린더(152)의 압축 공간(C)에서 압축된 냉매를 도시되지 않은 토출 파이프로 전달한다. 이를 위해, 상기 머플러 조립체(172)에는 흡입 파이프(130)로부터 흡입된 냉매를 수용하는 흡입 공간(S) 및 실린더(152)의 압축 공간(C)에서 압축된 냉매를 수용하는 토출 공간(D)이 구비될 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 상기 피스톤(154)은 실린더(152) 내에서 전후 왕복 운동될 수 있다. 일 예로 상기 피스톤(154)는 실린더(152) 내에서 상사점과 하사점 사이에서 전후 왕복될 수 있다.

즉, 상기 피스톤(154)은 상사점에서 하사점으로 이동한 후에 하사점에서 상사점으로 이동하면서, 1회 압축 수행한다. 이 때, 상기 피스톤(154)이 상사점에서 하사점으로 이동하는 과정을 흡입 행정이라고 하고, 상기 피스톤(154)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 과정을 압축 행정이라고 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기의 제어장치를 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 상기 압축기의 제어장치는, 전력변환장치(200)와, 상기 전력변환장치를 제어하는 제어부(300)를 포함할 수 있다.

상기 전력변환장치(200)는, 리액터(220)와, 컨버터(230)와, 직류 링크부(240)와, 인버터(250)를 포함할 수 있다.

상기 리액터(220)는 3개의 인덕터로 구성되어 입력전원(210)의 고조파를 저감시킬 수 있다. 상기 리액터(220)는 3상 입력전원의 전력 변동에 따라 공진주파수를 조정하도록 상기 리액터(220)의 리액턴스 값(reactance value)을 가변할 수 있으나 부하의 요구 전력에 따라서는 미리 사용자에 의해 고정적인 값을 갖는 소자로 결정될 수 있다.

이 때, 상기 입력전원(210)은 R, S, T 상의 3상 전원으로 구성될 수 있다.

상기 컨버터(230)는 상기 리액터(220)와 연결되며, 상기 제어부(300)의 컨버터 제어신호에 따라서 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다.

상기 컨버터(230)는 역률개선회로(Power Factor Correction)가 될 수 있고, 역률을 높일 수 있다. 그리고 상기 컨버터(230)는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있고, 상기 스위칭 소자의 턴-온 비율을 결정하는 가변 듀티비를 가진 게이팅 신호에 의해 상기 컨버터(230)가 제어되어 출력되는 직류 전압의 레벨을 조절할 수 있다.

일 예로 상기 컨버터(230)는 6개의 스위칭 소자를 구비한 3상 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터가 될 수 있고, 입력 전압을 승압하여 직류 전압으로 출력할 수 있고, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 입력 전류의 리플(Ripple) 성분을 감소시킬 수 있다.

상기 6개의 스위칭 소자는 3-레그 각각에 두 개씩 연결될 수 있다. 상기 각 레그의 두 개의 스위칭 소자가 만나는 노드(node) 상에 상기 입력전원(210)의 R, S, T 상 각각이 연결될 수 있다.

상기 리액터(220)는 고조파 특성을 개선하기 위하여 상기 입력전원(210)과 상기 컨버터(230) 사이의 R, S, T 상 각각에 연결될 수 있다.

상기 직류 링크부(240)는 입력되는 전원을 일정하게 유지할 수 있도록 적어도 하나의 링크 커패시터(Clink)를 포함할 수 있다.

상기 인버터(250)는 복수의 인터버용 스위칭 소자를 구비하고, 상기 제어부(300)로부터 발생된 인버터 제어신호에 따라 모터 구동 전압 및 모터 구동 전류를 상기 압축기의 모터(100)에 인가한다.

상기 인버터(250)는 제어 신호에 따라 스위칭 동작하여 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환할 수 있는 상-암 소자(252) 및 하-암 소자(254)를 포함할 수 있다.

상기 제어부(300)는 상기 모터(100)의 상태를 검출하여 상기 모터(100)의 운전 상태를 근거로 인버터 제어신호를 상기 인버터(250)에 공급하여 상기 인버터(250)를 통해 직류 전원을 모터 구동 전압 및 전류로 변환하도록 하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 인버터 제어신호는 일반적으로 상기 인버터(250)의 PWM 전압 듀티를 제어하는 PWM 신호일 수 있다.

또한, 상기 제어부(300)는 상기 직류 링크부(240)에 걸리는 직류 링크 전압, 직류 링크 전류나 리액터(220)에 인가되는 입력 전압, 입력 전류를 이용하여 컨버터 제어신호를 생성하는 컨버터 제어부를 더 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부를 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 제어부(300)는 정현파 통전 방식으로 상기 인버터(250)를 제어할 수 있다.

상기 제어부(250)는, 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부(311)와, 전류 지령과 구동 전류를 입력받고 전류 오차를 줄이는 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부(313)와, 상기 전압 지령을 근거로 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부(215)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부(300)는, 3상을 d-q축의 2상으로 변환하는 축 변환부(317)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부(300)는, 회전자 속도를 연산하여 속도 제어부(311)에 출력하는 속도 연산부(319)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(300)는 구동 전류를 검출하여 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터를 통해 3상 모터의 U, V, W상의 게이트에 신호를 출력한다. 이 때, 상 전류의 그래프가 정현파의 형태를 가질 수 있다.

상기 속도 제어부(311)는, 사용자가 원하는 속도 지령(ωm(*))과, 회전자 속도를 비교하는 비교기와, 속도 비례 적분 제어기(Proportional Integral Controller; PI)를 포함할 수 있다.

상기 속도 제어부(311)는, 속도 지령과 회전자 속도를 입력받아 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령(iq(*))을 생성하고, 이를 전류 제어부(313)에 출력할 수 있다.

상기 전류 제어부(313)는, 상기 속도 제어부(311)에서 생성된 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(id(*))을 입력받아 전압 지령을 생성하여 출력한다. 상기 전류 제어부(313)는 q축 전류 지령을 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(Vq(*))을 펄스 폭 변조 제어부(315)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(313)는 q축 전류 지령과, 모터 구동 전류를 축 변환부(317)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(iq)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(Vq(*))을 펄스 폭 변조 제어부(315)에 출력한다.

이 때, 상기 축 변환부(317)는 구동 전류 검출 유닛(330)으로부터 출력되는 모터 구동 전류를 축 변환하여 q축 검출 전류(iq)를 출력한다.

한편, 전류 제어부(313)는 d축 전류 지령을 다른 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(Vd(*))을 펄스 폭 변조 제어부(315)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(313)는 d축 전류 지령과, 모터 구동 전류를 축 변환한 d축 검출 전류(id)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(Vd(*))을 펄스 폭 변조 제어부(315)에 출력할 수 있다. 여기서, 상기 전압과 전류들은 동기 좌표계 상에서의 값들이다.

상기 펄스 폭 변조 제어부(315)는, 먼저 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계(α,β)의 전압 지령으로 축 변환한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(315)는 (Vd(*)), Vq(*))를 (Vα(*), Vβ(*))로 변환한다.

또한, 펄스 폭 변조 제어부(315)는 정지 좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(315)는 정지 좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령 (Vu(*), Vv(*), Vw(*))으로 변환하여 인버터(250)에 출력할 수 있다.

한편, 상기 회전 샤프트(105)의 기계각이 0도에서 360도가 되는 과정에서 상기 피스톤(154)은 흡입 행정 및 압축 행정을 포함하는 1번의 냉매 압축을 수행한다. 상기 회전 샤프트(105)의 기계각은 센서를 사용하여 센싱할 수 있으나, 이 경우 가격이 비싼 문제가 있다.

본 발명에서는, 상기 제어부(300)는, 센서를 이용하지 않고, 상기 회전 샤프트(105)의 기계각을 추정할 수 있다.

상기 압축기(11)의 정지 신호 입력 시, 상기 제어부(300)는, 모터 구동 전류를 축 변환부(317)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(iq)에 기초하여, 상기 압축기(11)의 회전 샤프트(105)의 기계각을 추정하고, 이를 기초로 상기 피스톤(154)의 위치를 추정할 수 있다. 그리고, 상기 제어부(300)는 상기 피스톤(154)이 압축 행정을 수행하는 중에 상기 모터(100)의 제동을 시작할 수 있다.

이 때, 모터 구동 전류를 축 변환부(317)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(iq)가 상기 전류 제어부(313)로 입력되고, 상기 전류 제어부(313)는 상기 모터(100)의 제동을 위한 제동 지령을 출력할 수 있고, 상기 펄스 폭 변조 제어부(315)는 인버터 제어신호를 출력할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기의 제어방법을 설명하는 흐름도이고, 도 7은 기계각에 따른 q축 전류와 회전 샤프트의 운전 주파수를 보여주는 그래프이며, 도 8은 본 발명의 압축기의 모터 정지 시에 유로 기전력이 소모되는 모습을 보여주는 도면이다.

또한, 도 9는 회전 샤프트의 기계각에 따른 압축기 정지 시의 진동 발생을 보여주는 그래프이다.

도 6 내지 도 9를 참조하면, 상기 제어부(300)로 압축기(11)의 정지 신호가 입력될 수 있다(S1). 상기 압축기(11)를 정지시키기 위해서는 상기 압축기(11)의 모터(100)를 정지시켜야 한다. 따라서, 상기 압축기(11)의 정지 신호는 상기 압축기(11)의 모터(100)의 정지신호일 수 있다.

상기 압축기(11)의 정지 신호는 도시되지 않은 실내기의 제어부 또는 실외기의 제어부로부터 입력될 수 있다.

상기 압축기(11)의 정지 신호가 입력되면, 상기 제어부(300)는 먼저 상기 압축기의 목표 운전 주파수를 감소시킨다(S2). 즉, 상기 제어부(300)는 상기 압축기(11)의 회전 샤프트(105)의 목표 운전 주파수를 감소시킨다. 물론, 단계 S2는 생략될 수 있다.

그 다음, 상기 제어부(300)는 상기 회전 샤프트(105)가 회전되는 중에 전류 변화 패턴을 감지한다(S3). 구체적으로, 상기 제어부(300)는 상기 회전 샤프트(105)의 적어도 1회전 시, 모터 구동 전류를 축 변환부(317)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(iq)를 감지한다.

도 7과 같이, 상기 회전 샤프트(105)의 1회전 시, 즉 기계각의 변화에 의해서 q축 검출 전류(iq)는 변화되고, 상기 회전 샤프트(105)의 운전 주파수도 변환된다. q축 검출 전류(iq)가 높아지면, 상기 회전 샤프트(105)의 운전 주파수는 낮아지고, q축 검출 전류(iq)가 낮아지면, 상기 회전 샤프트(105)의 운전 주파수는 높아진다.

본 명세서에서, 기계각이 0도인 경우는 상기 피스톤(154)이 상사점에 위치한 경우인 것으로 가정하고, 기계각이 180도인 경우는 상기 피스톤(154)이 하사점에 위치한 경우인 것으로 가정하며, 기계각이 360인 경우는 상기 피스톤(154)이 다시 상사점으로 이동한 경우인 것으로 가정한다.

상기 제어부(300)는, 변화되는 q축 검출 전류(iq)를 기초로, 상기 회전 샤프트(105)의 기계각을 추정한다(S4). 이 때, 상기 제어부(300)는 q축 검출 전류(iq)가 최대인 지점이 기계각이 0도인 것으로 추정한다.

즉, 상기 제어부(300)는 q축 검출 전류(iq)가 최대인 지점이 상기 피스톤(152)이 상사점에 위치한 것으로 추정한다.

그 다음, 상기 제어부(300)는, 상기 회전 샤프트(105)가 다음 번에 회전될 때, 추정된 피스톤의 위치를 기초로 상기 압축기(11)의 압축 행정 중에 상기 압축기(11)가 정지될 수 있도록, 제동을 위한 인버터 제어신호를 출력한다(S5).

구체적으로, 도시되지 않은 메모리에는 압축기의 제동을 위한 기준 기계각이 저장되어 있다. 상기 제어부(300)는 상기 회전 샤프트(105)의 기계각을 추정한 후에, 상기 회전 샤프트(105)의 추가 회전 과정에서 추정된 회전 샤프트(105)의 기계각이 상기 기준 기계각에 도달한 경우에 상기 인버터 제어신호를 출력한다.

즉, 상기 제어부는 상기 회전 샤프트(105)의 기계각을 추정함으로써, 상기 피스톤(155)의 위치를 추정할 수 있고, 이에 따라 상기 압축기가 흡입 행정 상태인지 또는 압축 행정 상태인지 판단할 수 있으며, 상기 압축기의 압축 행정 중에 상기 압축기를 정지시킨다.

상기 인버터 제어신호는 상기 인버터(250)의 하-암 소자(254)가 일정 듀티(duty)로 턴 온되도록 하는 신호일 수 있다. 이 때, 인버터(250)의 상-암 소자(252)는 턴 오프된다.

상기 인버터(250)의 하-암 소자(254)가 일정 듀티로 턴 온되면(S6), 도 8에 도시된 바와 같이 상기 모터(100)에 의해서 발생된 유도 기전력이 상기 하-암 소자(254)를 통하여 상기 모터(100)로 회귀하고, 상기 압축기(11)는 정지한다(S7). 즉, 상기 회전자(104)의 관성 회전에 의해서 발생된 에너지가 상기 모터(100)에서 소모되도록 한다. 상기 모터(100)로 회귀된 유도 기전력을 상기 모터(100) 내부의 저항에 의해서 소모될 수 있다.

이 때, U, V, W 3상 중에서 두 개의 상에서 모터의 유도 기전력이 흘러 다른 한 상을 통하여 모터로 회귀할 수 있으며, 모터의 상태에 따라서 유도 기전력이 흐르는 상이 달라질 수 있으므로, 본 발명에서는 하-암 소자 전부를 온시킨다.

도 8에는 일 예로 V상 및 W상에서 유도 기전력이 흘러 U상으로 입력되는 것이 도시된다.

물론, 압축기의 모터의 유도 기전력이 상-암 소자의 턴 온에 의해서 상기 모터로 흐를 수도 있으나, 하-암 소자에 비하여 상-암 소자에 인가되는 전압이 크므로, 안전성 측면에서 바람직하지 않다.

도 7 및 도 9를 참조하면, 기계각이 대략 0도에서 20도 정도인 경우, 기계각이 140도에서 180도 사이인 경우, 기계각이 대략 310도에서 360도 사이인 경우에 모터의 제동에 따른 진동이 적다.

그런데, 기계각이 310도에서 360도 사이인 경우의 회전 샤프트의 운전 주파수가 기계각이 120도에서 200도 사이인 경우의 회전 샤프트의 운전 주파수 보다 낮음을 알 수 있다. 또한, 기계각이 310도에서 360도 사이인 경우의 회전 샤프트의 운전 주파수와 기계각이 0도에서 20도 사이인 경우의 회전 샤프트의 운전 주파수는 유사하나, 기계각이 310도에서 360도 사이에서는 회전 샤프트의 운전 주파수가 감소하는 패턴을 가지고, 기계각이 0도에서 20도 사이에서는 회전 샤프트의 운전 주파수는 증가하는 패턴을 가진다.

상기 회전 샤프트의 운전 주파수가 감소하는 과정에서, 상기 압축기(11)가 정지하는 경우에, 상기 회전 샤프트(105)의 기계적 관성이 낮아 진동이 적고, 진동에 따른 소음이 적은 특성을 가진다.

따라서, 본 발명에서는 상기 압축기(11)의 압축 행정 중에 상기 모터를 제동시키며, 바람직하게는 310도 내지 360도 범위 내에서 선택된 기계각에서 모터를 제동시킬 수 있다. 기계각이 310도 내지 360도 범위 내에서 선택되는 경우에는 부하에 관계 없이 모터의 제동 발생하는 진동이 최소화될 수 있다.

본 실시 예에서 제동을 위한 기준 기계각 및 상기 하-암 소자의 턴 온을 위한 듀티는 상기 압축기(11)의 종류나 용량 등에 따라 다르게 선택될 수 있다.

또한, 본 발명과 같이 압축 행정 중에 모터를 제동하는 경우, 회전 샤프트의 관성 회전에 의해서 다음 번의 흡입 행정이 진행되는 것이 방지될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 압축기의 정지 과정에서 모터의 에너지가 다시 모터로 회귀됨에 따라 직류 링크부의 전압이 급격하게 증가되는 것이 방지될 수 있다.

본 명세서에서 q축 검출 전류(iq)를 기초로, 회전 샤프트의 기계각을 추정하는 과정은, 압축기의 정지 시 마다 수행할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 실외기 20: 실내기
100: 모터 200: 전력변환장치
210: 입력전원 220: 리액터
230: 컨버터 240: 직류 링크부
250: 인버터 300: 제어부

Claims

3상 입력전원으로부터 입력된 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터;
상기 컨버터와 연결되어, 상기 직류 전압을 평활하는 직류 링크부;
상기 직류 링크부와 연결되며, 상기 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 상기 압축기의 모터로 공급하는 인버터; 및
상기 컨버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 압축기의 정지 신호가 입력되면, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기에 구비되는 피스톤의 위치를 추정한 후에, 상기 피스톤이 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 모터가 정지되도록 상기 인버터를 제어하는 압축기의 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 인버터는, 상-암 소자 및 하-암 소자의 스위칭 동작을 근거로 상기 직류 링크 전압을 상기 모터 구동 전압으로 변환하며,
상기 제어부는, 상기 압축기의 압축 행정 과정에서 상기 하-암 소자가 일정 듀티로 턴 온되도록 상기 인터버를 제어하는 압축기의 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 모터에 구비되는 회전 샤프트의 기계각을 추정하고, 추정된 기계각을 기초로 상기 피스톤의 위치를 추정하는 압축기의 제어장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 회전 샤프트의 적어도 1회전 과정에서 상기 회전 샤프트의 기계각을 추정하고, 기계각의 추정 이후 상기 회전 샤프트의 추가 회전 과정에서 추정된 회전 샤프트의 기계각이 메모리에 저장된 기준 기계각에 도달한 경우에 상기 모터가 정지되도록 상기 인버터를 제어하는 압축기의 제어장치.
제 4 항에 있어서,
기계각이 0인 경우를 상기 피스톤이 상사점에 위치한 것으로 보고,
기계각이 180도인 경우를 상기 피스톤이 하사점에 위치한 것으로 보고,
기계각이 360인 경우를 상기 피스톤이 하사점에서 다시 상사점에 위치한 것으로 볼 때,
상기 기준 기계각은 310도 내지 360도 범위 내에서 선택되는 압축기의 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 모터의 구동전류를 축 변환하여 q축 검출 전류(iq)를 출력하는 축 변환부와,
상기 축 변환부에서 출력된 q축 검출 전류(iq)를 기초로 기계각을 추정하고, 제동 지령을 출력하는 전류 제어부와,
상기 제동 지령을 근거로 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부를 포함하는 압축기의 제어장치.
압축기의 정지 신호가 입력되는 단계;
상기 압축기의 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기의 피스톤의 위치를 추정하는 단계;
추정된 상기 압축기의 피스톤 위치에 기초하여, 상기 피스톤이 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 모터를 정지시키는 단계를 포함하는 압축기의 제어방법.
제 7 항에 있어서,
상기 모터를 정지시키는 단계는, 상기 모터로 모터 구동 전압을 공급하는 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 단계를 포함하는 압축기의 제어방법.
제 8 항에 잇어서,
인버터의 스위칭 소자를 제어하는 단계는, 상기 인버터의 하-암 소자를 일정 듀티로 턴 온시키는 단계를 포함하는 압축기의 제어방법.
냉매를 압축할 수 있으며, 모터를 구비하는 압축기;
상기 압축기의 모터를 제어하는 전력변환장치; 및
상기 전력변환장치를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 압축기를 정지시키기 위하여, 상기 모터의 구동 전류에 기초하여 상기 압축기의 피스톤의 위치를 추정하고, 상기 피스톤의 위치 추정 이후, 상기 압축기가 압축 행정을 수행하는 과정에서 상기 압축기를 정지시키기 위한 제어 신호를 상기 전력변환장치로 출력하는 냉장고.