KR20180085595A - 리니어 압축기의 제어 장치 - Google Patents

리니어 압축기의 제어 장치 Download PDF

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정경훈
김규남
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엘지전자 주식회사
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Abstract

리니어 압축기의 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 구동 신호를 인가하여 리니어 압축기를 구동하는 제어부, 상기 리니어 압축기의 모터 전류를 검출하는 전류 검출부, 및, 상기 리니어 압축기의 모터 전압을 검출하는 전압 검출부를 포함하고, 상기 제어부는,
상기 리니어 압축기에 상기 구동 신호가 인가되는 중 상기 리니어 압축기에 테스트 신호를 인가하고, 상기 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전류 및 모터 전압에 기초하여 상기 모터의 인덕턴스를 획득한다.

Description

리니어 압축기의 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은, 리니어 압축기에 제어 신호와 함께 테스트 신호를 인가함으로써, 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있는 리니어 압축기의 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동기기, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등의 일부분으로 사용된다.
압축기는 크게 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다.
왕복동식 압축기는, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시킨다.
회전식 압축기는, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시킨다.
스크롤식 압축기는, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시킨다.
왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다.
왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.
레시프로 방식이라 함은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다.
반면, 리니어 방식이라 함은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.
이러한 왕복동식 압축기는 구동력을 발생하는 전동 유닛과, 전동 유닛으로부터 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축 유닛으로 구성된다.
전동 유닛으로는 일반적으로 모터(motor)를 많이 사용하며, 상기 리니어 방식의 경우에는 리니어 모터(linear motor)를 이용한다.
리니어 모터는 모터 자체가 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계적인 변환 장치가 필요하지 않고, 구조가 복잡하지 않다.
또한, 리니어 모터는 에너지 변환으로 인한 손실을 줄일 수 있고, 마찰 및 마모가 발생하는 연결 부위가 없어서 소음을 크게 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다.
또한, 리니어 방식의 왕복동식 압축기(이하, 리니어 압축기(Linear Compressor)라 함)를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압을 변경하여 줌에 따라 압축 비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 왕복동식 압축기, 특히 리니어 압축기는 피스톤이 실린더 안에서 기구적으로 구속되어 있지 않은 상태에서 왕복 운동을 하게 된다.
따라서 갑자기 전압이 과도하게 걸리는 경우에 피스톤이 실린더 벽에 부딪히거나, 부하가 커서 피스톤이 전진하지 못하여 압축이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
때문에, 부하의 변동이나 전압의 변동에 대하여 피스톤의 운동을 제어하기 위한 제어 장치가 필수적이다.
일반적으로 압축기 제어 장치는 압축기 모터에 인가되는 전압과 전류를 검출하여 센서리스 방법으로 스트로크를 추정하여 피드백 제어를 수행한다.
이때, 압축기 제어 장치는 압축기를 제어하기 위한 수단으로 트라이악(Triac)이나 인버터(inverter)를 구비한다.
한편, 리니어 압축기(Linear Compressor)의 스트로크 추정을 위하여, 모터 상수가 이용된다. 여기서 모터 상수는 모터의 저항 성분, 모터의 인덕턴스 성분, 모터의 역기전력 상수 등일 수 있다.
공개특허공보 10-2014-0130430 에서는, 모터 상수, 특히 모터의 인덕턴스 성분을 산출하여 모터의 종류를 판단하는 내용에 대해서 기재하고 있다.
한편, 모터의 인덕턴스는, 리니어 압축기(Linear Compressor)의 운전 중 전류에 따라 변화할 수 있다.
다만 종래의 리니어 압축기(Linear Compressor)는, 모터의 인덕턴스를 하나의 대표값으로 산출하기 때문에, 리니어 압축기(Linear Compressor)의 운전시 변화하는 인덕턴스는 파악할 수 없다.
따라서 인덕턴스를 이용한 스트로크의 추정 또는 기타 제어 시 연산 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
또한 종래의 리니어 압축기(Linear Compressor)는, 모터의 인덕턴스를 파악하기 위하여 운전 전 테스트 신호의 인가가 필요했기 때문에, 인덕턴스를 연산하기 위하여 시간이 필요한 문제점이 있었다.
본 발명은, 변화하는 인덕턴스를 실시간으로 산출할 수 있는 리니어 압축기 제어 장치의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전압과 모터 전류를 추출하여 인덕턴스를 산출할 수 있는 리니어 압축기 제어 장치의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 실시간으로 산출된 인덕턴스를 이용하여 스트로크를 연산할 수 있는 리니어 압축기 제어 장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 리니어 압축기에 구동 신호가 인가되는 중 테스트 신호를 함께 인가한 후, 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전류 및 모터 전압에 기초하여 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 고조파 전압 형태의 테스트 신호를 인가하고, 고조파 모터 전류 및 고조파 모터 전압을 추출하여 인덕턴스를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 실시간으로 획득한 모터의 인덕턴스 값을 이용하여 스트로크를 연산하고, 연산된 스트로크 값을 이용하여 다음 구동신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 구동 신호 및 테스트 신호를 동시 인가함으로써, 리니어 압축기가 구동하는 중 실시간으로 변화하는 인덕턴스를 추정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고조파 테스트 신호를 인가하고, 모터 전류 및 모터 전압으로부터 고조파 전류 성분 및 고조파 전압 성분을 추출함으로써, 압축기의 구동에 영향을 미치지 아니하면서도 모터의 인덕턴스 값을 추정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 실시간으로 추정되는 인덕턴스를 이용하여 모터의 스트로크를 연산하는 바, 리니어 압축기(Linear Compressor)의 제어 시 발생되는 연산 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 리니어 압축기의 제어 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른, 리니어 압축기의 제어 장치의 제어 동작을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 리니어 압축기에 구동 신호 및 테스트 신호가 인가되는 경우의 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른, 테스트 신호에 의하여 인가된 전류 및 전압을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른, 리니어 압축기의 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 발명은 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법에 적용될 수 있다.
그러나 본 명세서에 개시된 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 기존의 모든 압축기의 제어 장치, 압축기의 제어 방법, 모터 제어 장치, 모터 제어 방법에, 고장 진단 장치, 고장 진단 방법, 테스트 장치 및 테스트 방법에도 적용될 수 있다.
특히, 본 명세서에 개시된 발명은 여러 종류의 리니어 압축기를 제어할 수 있는 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법에 적용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 리니어 압축기의 제어 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치(100)는, 제어부(10), 전류 검출부(20), 전압 검출부(30) 및 필터부(40)를 포함할 수 있다.
리니어 압축기의 제어 장치(100)의 각 구성의 동작에 대해서는 도 2를 함께 참고하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른, 리니어 압축기의 제어 장치의 제어 동작을 나타낸 블록도이다.
제어부(10)는, 리니어 압축기(200)에 구동 신호를 인가하여 리니어 압축기(200)를 구동할 수 있다.
구체적으로 제어부(10)는 리니어 압축기(200)의 모터의 인덕턴스를 이용하여 스트로크를 연산할 수 있다.
또한 제어부(10)는 연산된 스트로크에 기초하여 구동 신호를 생성하고, 생성된 구동 신호를 리니어 압축기(200)에 인가함으로써 리니어 압축기(200)를 구동할 수 있다.
여기서 구동 신호는 교류 전압일 수 있다. 또한 상기 교류 전압은 기본파 전압일 수 있다.
한편, 제어부(10)가 구동 신호를 생성하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기는 구동부(미도시)를 포함할 수 있다.
이 경우 제어부(10)는 모터의 스트로크 값을 획득하고, 모터의 스트로크 값에 기초하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한 제어부(10)는 생성된 제어 신호를 구동부(미도시)로 인가할 수 있다.
또한 구동부(미도시)는 제어 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하고, 생성된 구동 신호를 리니어 압축기(200)에 인가할 수 있다.
한편, 제어부(10)는 리니어 압축기(200)에 테스트 신호를 인가할 수 있다. 구체적으로 제어부(10)는 리니어 압축기에 구동 신호가 인가되는 중 리니어 압축기에 테스트 신호를 인가할 수 있다.
여기서 테스트 신호는 고조파 전압일 수 있다. 또한 상기 테스트 신호는, 주파수가 상기 교류 전압(기본파 전압)의 n배인 고조파 전압일 수 있다.
전류 검출부(20)는, 리니어 압축기의 모터 전류를 검출할 수 있다. 구체적으로, 구동 신호 및 테스트 신호 중 적어도 하나가 인가됨에 따라 리니어 압축기의 모터에 전류가 인가되면, 전류 검출부(20)는 리니어 압축기의 모터 전류를 검출할 수 있다.
또한 전류 검출부(20)는, 구동 신호 및 테스트 신호가 인가된 상태에서의 모터 전류를 검출할 수 있다.
전압 검출부(30)는, 리니어 압축기의 모터 전압을 검출할 수 있다. 구체적으로, 구동 신호 및 테스트 신호 중 적어도 하나가 인가됨에 따라 리니어 압축기의 모터에 전압이 인가되면, 전류 검출부(20)는 리니어 압축기의 모터 전압을 검출할 수 있다.
또한 전압 검출부(30)는, 구동 신호 및 테스트 신호가 인가된 상태에서의 모터 전압을 검출할 수 있다.
필터부(40)는, 모터 전압으로부터 고조파 전압을 추출할 수 있다. 구체적으로 필터부(40)는, 구동 신호 및 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전압으로부터 고조파 전압을 추출할 수 있다.
한편, 필터부(40)는, 모터 전류로부터 고조파 전류을 추출할 수 있다. 구체적으로 필터부(40)는, 구동 신호 및 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전류로부터 고조파 전류를 추출할 수 있다.
여기서 필터부(40)는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 포함할 수 있다.
한편 제어부(10)는 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전류 및 모터 전압을 이용하여 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있다.
구체적으로 제어부(10)는 테스트 신호가 인가된 상태에서, 필터부(40)에서 추출된 고조파 전류 및 추출된 고조파 전압에 기초하여, 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있다.
더욱 구체적으로 제어부(10)는 추출된 고조파 전류를 이용하여 모터 전류의 변화량을 획득할 수 있다. 또한 제어부(10)는 추출된 고조파 전압을 이용하여 모터 전압을 획득할 수 있다. 이 경우 제어부(10)는 모터 전류의 변화량 및 모터 전압을 이용하여, 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있다.
한편 제어부(10)는 획득된 인덕턴스를 이용하여 모터의 스트로크 값을 획득할 수 있다.
구체적으로 제어부(10)는 모터 전류, 모터 전압 및 모터 파라미터 중 적어도 하나를 이용하여 스트로크 추정치를 연산할 수 있다.
여기서 모터 파라미터는, 모터의 저한 성분, 모터의 인덕턴스 성분 및 모터의 역기전력 상수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 경우 제어부(10)는 모터의 스크로크 값에 기초하여 구동 신호를 인가할 수 있다.
구체적으로 제어부(10)는 연산된 스트로크 추정치 및 스트로크 지령치를 비교할 수 있다. 또한 제어부(10)는 상기 비교 결과에 기초하여 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호를 압축기(200)에 인가할 수 있다.
더욱 구체적으로 제어부(10)는 모터의 스트로크 추정치가 모터의 스트로크 지령치보다 크면 모터 인가 전압을 감소시킬 수 있다. 또한 제어부(10)는 모터의 스트로크 추정치가 모터의 스트로크 지령치보다 작으면 모터 인가 전압을 증가시킬 수 있다.
한편 도 1 및 도 2에 도시한 리니어 압축기 제어 장치의 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 리니어 압축기 제어 장치가 구현될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 리니어 압축기에 구동 신호 및 테스트 신호가 인가되는 경우의 전압의 파형을 도시한 도면이다.
제어부(10)는 리니어 압축기(200)에 구동 신호 및 테스트 신호를 인가할 수 있다.
한편, 구동 신호는 기본파 전압일 수 있다. 또한 테스트 신호는 고조파 전압일 수 있다.
한편 구동 신호와 테스트 신호는 함께 인가될 수 있다. 구체적으로 제어부(10)는 리니어 압축기(200)에 제1 구동 신호를 인가하는 중 테스트 신호를 함께 인가할 수 있다.
여기서 제1 구동 신호는 모터의 제1 스트로크 값에 기초하여 생성된 신호일 수 있다.
여기서 제1 스트로크 값은, 현재 인가중인 제1 구동 신호가 인가되기 이전에 검출된, 모터 전류, 모터 전압 및 모터 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 획득된 스트로크 추정치일 수 있다.
이 경우 기본파와 고조파가 결합된 형태의 전압 파형이 나타날 수 있다. 도 3에서는 제3 고조파가 기본파에 결합된 경우의 전압 파형을 도시하였다.
한편 전류 검출부(20)는, 리니어 압축기(200)의 부하 또는 리니어 압축기(200)가 적용된 냉동 시스템(일 예로, 냉장고)의 부하에 따라 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 모터 전류를 검출할 수 있다.
즉, 모터 전류는, 리니어 압축기(200)에 인가된 제1 구동 신호 및 테스트 신호에 의하여, 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 전류를 의미할 수 있다. 여기서 모터 전류는 전류 센서, 전류 측정기 등에 의해 검출될 수 있다.
또한, 전압 검출부(30)는 리니어 압축기(200)의 부하 또는 리니어 압축기(200)가 적용된 냉동 시스템(일예로, 냉장고)의 부하에 따라 리니어 압축기(200)의 모터의 양단 간에 인가되는 모터 전압을 검출할 수 있다.
즉, 모터 전압은, 리니어 압축기(200)에 인가된 제1 구동 신호 및 테스트 신호에 의하여, 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 전압을 의미할 수 있다. 여기서 모터 전압은 전압 센서, 전압 측정기 등에 의해 검출될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른, 테스트 신호에 의하여 인가된 전류 및 전압을 도시한 도면이다.
필터부(40)는 제1 구동 신호 및 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전압으로부터 고조파 전압을 추출할 수 있다.
여기서 추출되는 고조파 전압은, 리니어 압축기(200)에 인가된 테스트 신호에 의하여, 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 전압을 의미할 수 있다.
구체적으로, 제1 구동 신호와 테스트 신호가 리니어 압축기(200)에 인가되는 경우, 도 3에서 도시한 바와 같이 기본파와 고조파가 결합된 형태의 전압 파형이 나타나게 된다.
이 경우, 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 모터 전압 역시 기본파와 고조파가 결합된 형태의 전압 파형이 나타나게 된다.
이 경우 필터부(40)는 제1 구동 신호와 테스트 신호 중, 테스트 신호에 의하여 모터에 인가된 고조파 전압을 모터 전압으로부터 추출할 수 있다.
이 과정에서 제1 구동 신호에 의하여 모터에 인가된 기본파 전압은 제거될 수 있다.
도 4에서는, 모터 전압으로부터 추출된 고조파 전압의 전압 파형(410)을 도시하였다.
고조파 전류 역시 고조파 전압과 같은 원리로 검출될 수 있다.
즉, 필터부(40)는 제1 구동 신호 및 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전류으로부터 고조파 전류를 추출할 수 있다.
여기서 추출되는 고조파 전류는, 리니어 압축기(200)에 인가된 테스트 신호에 의하여, 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 전류를 의미할 수 있다.
즉, 제1 구동 신호와 테스트 신호가 리니어 압축기(200)에 인가되는 경우, 리니어 압축기(200)의 모터에 인가되는 모터 전류 역시 기본파와 고조파가 결합된 형태의 전류 파형이 나타나게 된다.
이 경우 필터부(40)는 제1 구동 신호와 테스트 신호 중, 테스트 신호에 의하여 모터에 인가된 고조파 전류를 모터 전류로부터 추출할 수 있다.
이 과정에서 제1 구동 신호에 의하여 모터에 인가된 기본파 전류는 제거될 수 있다.
도 4에서는, 모터 전압으로부터 추출된 고조파 전류의 전압 파형(420)을 도시하였다.
한편, 테스트 신호의 주파수는 설정에 의하여 다양하게 변경될 수 있다. 또한 필터부(40)는 테스트 신호에 의하여 모터에 인가된 고조파 전압 또는 고조파 전류를 추출하기 위하여, 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 포함할 수 있다.
한편, 모터의 전기적 특성을 나타내는 전기방정식은 다음과 같다.
Figure pat00001
모터 상수는, 모터의 저항 성분, 모터의 인덕턴스 성분, 모터의 역기전력 상수를 포함할 수 있다.
한편 리니어 압축기의 제어 장치(100)는 저장부(미도시)를 포함할 수 있으며, 모터 상수는 저장부(미도시)에 저장될 수 있다.
여기서 R은 모터의 저항 성분으로, 모터의 저항 특성을 나타내는 상수일 수 있다.
또한 L은 모터의 인덕턴스 성분으로, 모터의 인덕턴스 성분을 나타내는 상수일 수 있다.
또한 α는 역기전력 상수로, 모터의 역기전력 특성을 나타내는 상수일 수 있다.
또한 V는 모터 전압, i는 모터 전류, di/dt는 모터 전류의 시간 미분, dx/dt는 모터의 스트로크 시간 미분일 수 있다.
R, L, α는 [수학식 1]에 모터 전류 및 모터 전압을 대입함으로써 산출될 수 있다.
한편, 제어부(10)는 테스트 신호가 인가된 상태에서 추출된 고조파 전류 및 추출된 고조파 전압에 기초하여 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있다.
구체적으로, 테스트 신호가 인가된 상태에서 추출된 고조파 전류 및 테스트 신호가 인가된 상태에서 추출된 고조파 전압이 [수학식 1]에 대입될 수 있다.
이 경우 [수학식 2]와 같은 형태로 모터의 인덕턴스 성분이 산출될 수 있다.
Figure pat00002
테스트 신호에 의하여 고조파 전압이 리니어 압축기에 인가되는 경우, 모터의 스트로크 시간 미분(dx/dt) 및 모터 전류(i)는 0이 되거나 무시가 가능한 0과 가까운 값이 될 수 있다.
따라서 제어부(10)는 추출된 고조파 전류의 변화 및 추출된 고조파 전압을 이용하여 모터의 인덕턴스를 획득할 수 있다.
모터의 인덕턴스는, 하기 수학식 [수학식 3]으로 나타내어 질 수 있다.
Figure pat00003
즉, 제어부(10)는 추출된 고조파 전류의 시간 미분 및 추출된 고조파 전압을 근거로, 모터의 인덕턴스 성분을 산출할 수 있다.
한편, 제어부(10)는 획득된 모터의 인덕턴스를 이용하여 모터의 제2 스트로크 값을 획득할 수 있다. 또한 제어부(10)는 모터의 제2 스트로크 값에 기초하여 제2 구동 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로 제어부(10)는 모터 전류, 모터 전압 및 모터 파라미터 중 적어도 하나를 이용하여 스트로크 추정치를 연산할 수 있다.
여기서 모터 파라미터는, 모터의 저항 성분, 모터의 인덕턴스 성분 및 모터의 역기전력 상수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편 제어부(10)는 리니어 압축기에 제2 구동 신호를 인가하고, 제2 구동 신호와 함께 제2 테스트 신호를 인가할 수 있다.
또한 제어부(10)는 제2 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전압 및 모터 전류에 기초하여 모터의 제2 인덕턴스 성분을 산출할 수 있다.
구체적으로 제어부(10)는 제2 구동 신호 및 제2 테스트 신호가 인가된 상태에서 모터의 고조파 전류 및 고조파 전압을 추출하고, 추출된 고조파 전류 및 고조파 전압에 기초하여 모터의 제2 인덕턴스 성분을 산출할 수 있다.
또한 제어부(10)는 모터의 제2 인덕턴스를 이용하여 제3 스트로크 값을 획득할 수 있다. 또한 제어부(10)는 제3 스트로크 값에 기초하여 제3 구동 신호를 리니어 압축기에 인가할 수 있다.
제2 스트로크 값을 산출하기 위하여 이용되는 모터의 인덕턴스 성분은, 리니어 압축기(200)가 구동함에 따라 변경될 수 있다.
본 발명은 리니어 압축기(200)에 구동 신호를 인가하는 것과 함께 테스트 신호를 인가함으로써, 리니어 압축기(200)가 구동하는 중 실시간으로 변화하는 인덕턴스를 추정할 수 있는 바, 리니어 압축기(Linear Compressor)의 제어 시 발생되는 연산 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은, 모터 모델마다 인덕턴스 값을 입력해 주거나 구동 전 테스트 신호를 이용하여 모터의 인덕턴스 값을 연산하는 과정 없이도, 리니어 압축기의 제어 장치(100)가 운전 중 인덕턴스값을 스스로 판단하여 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은, 모터의 인덕턴스 값을 직접 측정하고 그에 따라 리니어 압축기를 제어함으로써, 모터의 특성에 맞는 정확하고 효율적인 제어가 이루어지게 되는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른, 리니어 압축기의 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 따르면, 제어부(10)는 리니어 압축기(200)에 구동 신호 및 테스트 신호를 인가할 수 있다. 구체적으로, 제어부(10)는 기본파와 고조파가 결합된 형태의 PWM 신호를 리니어 압축기(200)에 인가할 수 있다(S510).
한편 전류 검출부(20) 및 전압 검출부(30)는 각각 모터 전류 및 모터 전압을 검출할 수 있다(S520).
한편 필터부(40)는, 모터 전류 및 모터 전압으로부터 각각 고조파 전류 및 고조파 전압을 추출할 수 있다(S530).
한편 제어부(10)는 고조파 전류의 시간 미분 및 고조파 전압을 이용하여 인덕턴스 값을 추정할 수 있다(S540).
한편 제어부(10)는 추정된 인덕턴스(추정 L)를 기준 인덕턴스(L)과 비교할 수 있다.
구체적으로, 제어부(10)는 추정된 인덕턴스(추정 L)가 기준 인덕턴스(L)보다 큰지 판단할 수 있다(S550).
또한 추정된 인덕턴스(추정 L)가 기준 인덕턴스(L)보다 크면, 제어부(10)는 기준 인덕턴스(L)로부터 인덕턴스 값을 증가시킬 수 있다(S560).
다만 추정된 인덕턴스(추정 L)가 기준 인덕턴스(L)보다 크지 않으면, 제어부(10)는 추정된 인덕턴스(추정 L)가 기준 인덕턴스(L)보다 작은지 판단할 수 있다(S570).
또한 추정된 인덕턴스(추정 L)가 기준 인덕턴스(L)보다 작으면, 제어부(10)는 기준 인덕턴스(L)로부터 인덕턴스 값을 감소시킬 수 있다(S580).
한편, 제어부(10)는 증가된 인덕턴스 또는 감소된 인덕턴스가 일정 범위 내에 있는지 판단할 수 있다(S590). 그리고 제어부(10)는 최대값보다 작고 최소값보다 큰 인덕턴스를 스트로크 연산에 이용할 수 있다.
한편 제어부(10)는 인덕턴스를 이용하여 모터의 스트로크 값을 연산하고, 연산 결과에 기초하여 리니어 압축기(200)를 제어할 수 있다.(S600)
구체적으로, 제어부(10)는 기준 인덕턴스(L)로부터 증가된 인덕턴스에 기초하여 모터의 스트로크 값을 연산할 수 있다. 또한 제어부(10)는 기준 인덕턴스(L)로부터 감소된 인덕턴스에 기초하여 모터의 스트로크 값을 연산할 수 있다.
또한 제어부(10)는 연산된 스트로크 값에 기초하여 구동 신호를 생성하여 리니어 압축기(200)에 인가할 수 있다.
한편, 상술한 실시 예들에 따른 리니어 압축기 제어 장치가 적용된 리니어 압축기의 일예를 설명한다.
그러나, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 의도는 아니며, 다른 종류의 리니어 압축기에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기(600)에는, 쉘(610)의 내부에 제공되는 실린더(120)와, 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동하는 피스톤(130) 및 상기 피스톤(130)에 구동력을 부여하는 모터 어셈블리(170)가 포함된다.
상기 쉘(610)은 상부 쉘 및 하부 쉘이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 쉘(610)에는, 냉매가 유입되는 흡입부(101) 및 상기 실린더(120)의 내부에서 압축된 냉매가 배출되는 토출부(105)가 포함된다.
상기 흡입부(101)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입 머플러(140)를 거쳐 상기 피스톤(130)의 내부로 유동한다. 냉매가 상기 흡입 머플러(140)를 통과하는 과정에서, 소음이 저감될 수 있다.
상기 실린더(120)의 내부에는, 상기 피스톤(130)에 의하여 냉매가 압축되는 압축 공간(P)이 형성된다.
그리고, 상기 피스톤(130)에는, 상기 압축 공간(P)으로 냉매를 유입시키는 흡입공이 형성된다. 상기 흡입공의 일측에는 상기 흡입공(131a)을 선택적으로 개방하는 흡입 밸브(132)가 제공된다.
상기 압축 공간(P)의 일측에는, 상기 압축 공간(P)에서 압축된 냉매를 배출시키기 위한 토출밸브 어셈블리(200, 도 2 참조)가 제공된다. 즉, 상기 압축 공간(P)은 상기 피스톤(130)의 일측 단부와 토출밸브 어셈블리(200) 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다.
상기 토출밸브 어셈블리(200)에는, 냉매의 토출 공간을 형성하는 토출 커버(220)와, 상기 압축 공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 상기 토출 공간으로 유입시키는 토출 밸브(210) 및 상기 토출 밸브(210)와 토출 커버(220)의 사이에 제공되어 축 방향으로 탄성력을 부여하는 밸브 스프링(230)이 포함된다.
여기서, 상기 "축 방향"이라 함은, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향, 즉 도 1에서 가로 방향으로 이해될 수 있다.
상기 흡입 밸브(132)는 상기 압축 공간(P)의 일측에 형성되고, 상기 토출 밸브(210)는 상기 압축 공간(P)의 타측, 즉 상기 흡입 밸브(132)의 반대측에 제공될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동 하는 과정에서, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 상기 흡입 밸브(132)가 개방되어 냉매는 상기 압축 공간(P)으로 흡입된다. 반면에, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 흡입압력 이상이 되면 상기 흡입 밸브(132)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
한편, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(230)이 변형하여 상기 토출 밸브(210)를 개방시키고, 냉매는 상기 압축공간(P)으로부터 토출되어, 토출 커버(220)의 토출공간으로 배출된다.
그리고, 상기 토출 커버(220)에는, 상기 토출 밸브(210)를 통하여 배출된 냉매의 맥동을 저감하기 위한 공명실을 가지며, 냉매를 배출시키는 냉배 토출홀(미도시)이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 토출공간의 냉매는 상기 냉매 토출홀을 통하여 토출 머플러(107)로 유동하며, 루프 파이프(178)로 유입된다.
상기 토출 머플러(107)는 압축된 냉매의 유동 소음을 저감시킬 수 있으며, 상기 루프 파이프(108)는 압축된 냉매를 상기 토출부(105)로 가이드 한다.
상기 루프 파이프(108)는 상기 토출 머플러(107)에 결합되어 상기 쉘(610)의 내부공간으로 연장되며, 상기 토출부(105)에 결합된다.
상기 리니어 압축기(600)에는, 프레임(110)이 더 포함된다.
상기 프레임(110)은 상기 실린더(120)를 고정시키는 구성으로서, 상기 실린더(120)와 일체로 구성되거나 별도의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다.
그리고, 상기 토출 커버(220) 및 토출 머플러(107)는 상기 프레임(110)에 결합될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(170)에는, 상기 프레임(110)에 고정되어 상기 실린더(120)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(171,173,175)와, 상기 아우터 스테이터(171,173,175)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(177) 및 상기 아우터 스테이터(171,173,175)와 이너 스테이터(177)의 사이 공간에 위치하는 영구자석(180)이 포함된다.
상기 영구자석(1800)은, 상기 아우터 스테이터(171,173,175) 및 이너 스테이터(177)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동할 수 있다.
그리고, 상기 영구자석(180)은 1개의 극을 가지는 단일 자석으로 구성되거나, 3개의 극을 가지는 다수의 자석이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 영구자석(180)은 연결부재(138)에 의하여 상기 피스톤(130)에 결합될 수 있다.
상기 연결부재(138)는 상기 피스톤(130)의 일측 단부로부터 상기 영구자석(180)으로 연장될 수 있다.
상기 영구자석(180)이 직선 이동함에 따라, 상기 피스톤(130)은 상기 영구자석(180)과 함께 축 방향으로 직선 왕복 운동할 수 있다.
상기 아우터 스테이터(171,173,175)에는, 코일 권선체(173,175) 및 스테이터 코어(171)가 포함된다.
상기 코일 권선체(173,175)에는, 보빈(173) 및 상기 보빈(173)의 원주 방향으로 권선된 코일(175)이 포함된다. 상기 코일(175)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 일례로 육각형의 형상을 가질 수 있다.
상기 스테이터 코어(171)는 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 코일 권선체(173,175)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(170)에 전류가 인가되면, 상기 코일(175)에 전류가 흐르게 되고, 상기 코일(175)에 흐르는 전류에 의해 상기 코일(175) 주변에 자속(flux)이 형성된다.
상기 자속은 상기 아우터 스테이터(171,173,175) 및 이너 스테이터(177)를 따라 폐회로를 형성하면서 흐르게 된다.
상기 아우터 스테이터(171,173,175)와 이너 스테이터(177)를 따라 흐르는 자속과, 상기 영구자석(180)의 자속이 상호 작용하여, 상기 영구자석(180)을 이동시키는 힘이 발생될 수 있다.
상기 아우터 스테이터(171,173,175)의 일측에는 스테이터 커버(185)가 제공된다.
상기 아우터 스테이터(171,173,175)의 일측단은 상기 프레임(110)에 의하여 지지되며, 타측단은 상기 스테이터 커버(185)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 이너 스테이터(177)는 상기 실린더(120)의 외주에 고정된다. 그리고, 상기 이너 스테이터(177)는 복수 개의 라미네이션이 상기 실린더(120)의 외측에서 원주 방향으로 적층되어 구성된다.
상기 리니어 압축기(600)에는, 상기 피스톤(130)을 지지하는 서포터(135) 및 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하여 연장되는 백 커버(115)가 더 포함된다.
상기 백 커버(115)는 상기 흡입 머플러(140)의 적어도 일부분을 커버하도록 배치될 수 있다.
상기 리니어 압축기(600)에는, 상기 피스톤(130)이 공진 운동할 수 있도록 각 고유 진동수가 조절된 복수의 스프링(151,155)이 포함된다.
상기 복수의 스프링(151,155)에는, 상기 서포터(135)와 스테이터 커버(185)의 사이에 지지되는 제 1 스프링(151) 및 상기 서포터(135)와 백 커버(115)의 사이에 지지되는 제 2 스프링(155)이 포함된다.
상기 제 1 스프링(151)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 양측에 복수 개가 제공될 수 있다.
상기 제 2 스프링(155)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 후방으로 복수 개가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 "전방"이라 함은 상기 흡입부(101)로부터 상기 토출밸브 어셈블리(200)를 향하는 방향으로서 이해될 수 있다. 그리고, 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하는 방향을 "후방"이라 이해될 수 있다.
그리고, 축 방향이라 함은, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향을 의미하며, 반경방향이라 함은 상기 축 방향에 수직한 방향을 의미할 수 있다. 이러한 방향에 대한 정의는 이하의 설명에서도 동일하게 사용될 수 있다.
상기 쉘(610)의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 저장될 수 있다.
그리고, 상기 쉘(610)의 하부에는 오일을 펌핑하는 오일 공급장치(160)가 제공될 수 있다.
상기 오일 공급장치(160)는 상기 피스톤(130)이 왕복 직선운동 함에 따라 발생되는 진동에 의하여 작동되어 오일을 상방으로 펌핑할 수 있다.
상기 리니어 압축기(600)에는, 상기 오일 공급장치(160)로부터 오일의 유동을 가이드 하는 오일 공급관(165)이 더 포함된다.
상기 오일 공급관(165)은 상기 오일 공급장치(160)로부터 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간까지 연장될 수 있다.
상기 오일 공급장치(160)로부터 펌핑된 오일은 상기 오일 공급관(165)을 거쳐 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간으로 공급되어, 냉각 및 윤활 작용을 수행한다.
한편 본 명세서에 개시된 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법의 실시 예들은, 압축기의 제어 장치 및 압축기의 제어 방법에 적용되어 실시될 수 있다.
또한 본 명세서에 개시된 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법의 실시 예들은 특히, 여러 종류의 리니어 압축기를 제어할 수 있는 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법에 유용하게 적용될 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 리니어 압축기의 제어 장치 10: 제어부
20: 전류 검출부 30: 전압 검출부

Claims (10)

  1. 구동 신호를 인가하여 리니어 압축기를 구동하는 제어부;
    상기 리니어 압축기의 모터 전류를 검출하는 전류 검출부; 및
    상기 리니어 압축기의 모터 전압을 검출하는 전압 검출부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 리니어 압축기에 상기 구동 신호가 인가되는 중 상기 리니어 압축기에 테스트 신호를 인가하고, 상기 테스트 신호가 인가된 상태에서 검출된 모터 전류 및 모터 전압에 기초하여 상기 모터의 인덕턴스를 획득하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 테스트 신호는,
    고조파 전압인
    리니어 압축기의 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 모터 전류로부터 고조파 전류를 추출하고 상기 모터 전압으로부터 고조파 전압을 추출하는 필터부를 더 포함하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 필터부는,
    밴드 패스 필터를 포함하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추출된 고조파 전류의 시간 미분 및 상기 추출된 고조파 전압을 이용하여 상기 모터의 인덕턴스를 획득하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 획득된 인덕턴스을 이용하여 상기 모터의 스트로크 값을 획득하고, 상기 모터의 스트로크 값에 기초하여 상기 구동 신호를 인가하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 획득된 인덕턴스가 상기 기준 인덕턴스보다 크면 상기 기준 인덕턴스로부터 증가된 인덕턴스에 기초하여 상기 모터의 스트로크 값을 획득하고, 상기 획득된 인덕턴스가 상기 기준 인덕턴스보다 작으면 상기 기준 인덕턴스로부터 감소된 인덕턴스에 기초하여 상기 모터의 스트로크 값을 획득하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 리니어 압축기에 제1 구동신호를 인가하고, 상기 제1 구동신호와 함께 제1 테스트 신호를 인가하고,
    상기 제1 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전압 및 모터 전류에 기초하여 상기 모터의 제1 인덕턴스를 획득하고,
    상기 제1 인덕턴스을 이용하여 획득한 제1 스트로크 값에 기초하여 제2 구동 신호를 인가하고, 상기 제2 구동신호와 함께 제2 테스트 신호를 인가하고,
    상기 제2 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전압 및 모터 전류에 기초하여 상기 모터의 제2 인덕턴스를 획득하고,
    상기 제2 인덕턴스를 이용하여 획득한 제2 스트로크 값에 기초하여 제3 구동 신호를 인가하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 구동 신호는,
    교류 전압이고,
    상기 테스트 신호는,
    주파수가 상기 교류 전압의 n배인 고조파 전압인
    리니어 압축기의 제어 장치.
  10. 구동 신호를 인가하여 리니어 압축기를 구동하는 제어부;
    상기 리니어 압축기의 모터 전류를 검출하는 전류 검출부; 및
    상기 리니어 압축기의 모터 전압을 검출하는 전압 검출부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 리니어 압축기에 상기 구동 신호가 인가되는 중 상기 리니어 압축기에 테스트 신호를 인가하고, 상기 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전류의 시간 미분 및 상기 테스트 신호에 의하여 인가된 모터 전압을 이용하여 상기 모터의 인덕턴스를 획득하는
    리니어 압축기의 제어 장치.
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