KR930005661B1 - 공조기의 콤프레서의 샤프트 위치 검출방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

공조기의 콤프레서의 샤프트 위치 검출방법

제1도는 본 발명의 한 실시예를 나타내는 블록도.

제2도는 제1도의 전동기의 입력측 전압 및 전류간의 위상차와 샘플홀드회로의 출력신호와의 관계를 설명하는 파형도.

제3도는 샘플홀드회로의 출력신호를 보다 많은 샘플링 구간에 걸쳐 나타내는 파형도.

제4도는 제1도의 제어장치의 동작예를 설명하는 타임차트이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 콤프레서 4 : 유도전동기

6 : 교류전원 8 : 트라이악

10 : 포토커플러(스위칭 수단) 11 : 발광소자

12 : 수광소자 14 : 포토 커플러

15 : 발광다이오드 16 : 포토트랜지스터

17 : 충전전압형성회로 19 : 콘덴서

20 : 샘플홀드회로 21 : 전류검출기

22 : 비교회로 23 : 미분회로

26 : 비교회로 27 : 최대값 홀드회로

28 : 최소값 홀드회로 29,30 : 저항

31 : D형 플립플롭 32 : 지연회로

33 : OR회로

본 발명은 고정주파수의 교류전원에 스위치 수단을 통하여 접속되는 유도전동기에 의해 구동되는 공조기용 콤프레서의 샤프트 위치검출방법에 관한 것이다.

냉동사이클내에서 냉매를 순환시키는 콤프레서를 유도전동기로 구동함과 아울러 이 유도전동기를 고정주파수의 교류전원으로 구동하는, 주파수 고정형의 공조기에서는 실제의 온도를 설정온도와 비교해 그 편차가 0이 되도록 콤프레서를 제어함으로써, 즉 유도전동기를 온 오프 함으로써 온도를 제어하고 있다.

이에 대해 인버터 에어콘이라 불리는 공조기에서는 인버터 및 교류전동기를 통해 콤프레서를 가변속운전함으로써 공조능력을 가감해서 보다 적절한 온도제어를 하도록 하고 있다. 어쨌든 콤프레서의 정지는 전동기의 오프에 의해 이루어지고, 그 경우 주파수 고정형인 공조기에서는 고정주파수 예를 들면 50Hz 또는 60Hz에 대응하는 비교적 높은 회전속도에서 정지시키는데 비해 인버터 에어콘에서는 비교적 낮은 주파수에 대응하는 비교적 낮은 회전속도에서 정지시킨다.

공조기용 콤프레서의 부하 즉 구동은 전동기의 부하는 1회전중, 콤프레서 토출직전의 최대토크(torque)와 콤프레서 흡입개시시의 최소토크 사이에서 크게 변화하고 이것에 대응해서 콤프레서 정지시의 샤프트 위치에 따라서는 큰 진동이 발생한다.

때문에 예를들면 주파수 고정의 윈도우형 공조기 등의 경우, 전동기 전원을 오프로 하면 상용 주파수에 대응하는 비교적 높은 회전속도에서 급속히 정지해서 큰 진동이 발생하여 기기보수면 및 소음방지면에서도 적절하지 않다. 콤프레서 샤프트 위치를 검출해 진동이 최소가 되는 샤프트 위치에서 정지시키도록 하는 것도 고려되고 있지만 종래의 기술에서는 예를들면 홀(hole)소자를 사용하는 등 특히 밀폐형으로 구성되는 콤프레서에서는 장치하는 것이 어려워 실시가 곤란하다.

따라서 본 발명의 목적은 주파수 고정형의 공조기의 콤프레서 샤프트 위치를 검출하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 고정주파수의 교류 전원에 접속되어 냉동 사이클내에 냉매를 순환시키는 콤프레서를 구동하는 유도전동기의 전압과 전류간의 위상차에 따라서 콤프레서의 샤프트 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 공조기의 콤프레서의 샤프트 위치 검출 방법을 제안하는 것으로서, 본 발명은 고정주파수의 교류전원에 접속되어 냉매를 냉동 사이클내에서 순환시키는 콤프레서를 구동하는 유도전동기의 전압과 전류간의 위상차에 대응된 크기의 전압신호를 출력하는 샘플 홀드회로와 이 샘플홀드 회로에 홀드된 전압신호가 미리 정해진 소정의 값으로 될 때 위상 신호를 출력하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조기의 콤프레서의 샤프트 위치 검출방법을 제안하는 것이다.

그리고 또 본 발명은 상기 샤프트 위치 검출방법과, 콤프레서를 정지시키기 위한 콤프레서 오프 명령이 발생될 때에 샤프트 위치 검출 방법으로 검출된 유도 전동기의 전압과 전류간의 위상차가 이미 정해진 특정값이 되는 때에 오프제어 신호를 출력하는 오프신호 출력장치와 이 오프신호 출력장치로 부터의 오프제어 신호에 따라 스위칭 장치(포토 커플러)에서 교류전원을 오프시키는 스텝으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조기의 샤프트 위치 검출방법을 제안하는 것이다.

콤프레서를 구동하는 유도전동기는 콤프레서와 직접 연결되어 있으므로 1회전중 콤프레서 토출직전의 최대 토크와 콤프레서 흡입개시시의 최소 토크와의 사이에서 크게 맥동한다.

한편 구동전동기로서 유도 전동기를 사용하는 경우, 전동기에 미끄러짐이 발생하므로 이 토크맥동은 전원전압의 정현 파형의 변화와는 일치하지 않으며 비록 어느 시점에서 상대위상이 일치하고 있다해도 그 시점이후에는 어긋남이 생기고 서서히 커지게 되며 다시 일치점이 생긴다. 따라서 이같은 변화를 주기적으로 반복하게 되고, 가령 전동기가 5%의 미끄러짐을 동반한 상태로 운전되고 있다고 하면 전원전압의 20 사이클당 1번의 비율로 전원전압 변화와 토크맥동과의 상대 관계가 동일해진다.

한편 유도전동기의 일차전류는 순간토크의 대소에 따라서 전원전압 위상과의 사이의 위상차에 변화를 만든다. 즉 토크가 클 때는 위상차가 작아지며 토크가 작을때는 위상차가 커진다. 이러한 사실을 이용하면 유도전동기의 입력전압과 입력 전류와의 사이의 위상차를 검출함으로써 콤프레서의 순간 샤프트 위치를 알 수 있게 된다. 본 발명은 콤프레서의 샤프트 위치 검출을 상기의 원리에 기초하여 실행한다.

이러한 위치검출 방식에서는 콤프레서의 내부 또는 그 부근에 특정한 검출부품을 배치할 필요가 없게 되고 외부에서 전동기의 전압·전류에 의거해 용이하게 위치검출할 수 있게 된다. 상기의 위치검출의 원리를 사용해 특정한 위상차점(点)에서 전동기 전원을 오프시킴으로써 콤프레서를 특정한 샤프트의 위치에서 정지시킬 수 있고 따라서 콤프레서의 정지시 진동을 최소로 할 수 있다.

위상차의 특정값으로는 윈도우형 공조기의 경우에 대한 실험에 따르면 위상차의 최소점 근처에서 정지시킬 때 가장 작은 진동이 이루어진다는 결과가 얻어졌다.

제1도는 본 발명의 한 실시예를 나타낸다.

제1도에서는 공조기의 냉매가 순환하는 냉동사이클로서 콤프레서(CP)(2)만이 도시되어 있으며, 콤프레서(2)는 여기에 직접 연결된 유도전동기(IM)(4)에 의해 구동된다. 유도전동기(4)에는 고정주파수의 교류전원(6) 예를들면 50Hz의 상용전원에 의해 스위치 장치로써 설치된 트라이악(triac)(8)을 통해 구동전류가 공급된다. 트라이악(8)은 제어장치의 출력단에 설치되어져 있는 발광소자(11)에서 트리거 광(光)을 받는 쌍방향성 수광소자(12)에 의해 트리거된다. 발광소자(11) 및 수광소자(12)는 제1의 포토커플러(스위칭 수단)(10)를 구성하고 있다.

교류전원(6)에는 저항(13)을 통해 발광다이오드(15)가 접속되고 마이너스인 반 사이클에서 전류가 흘러 발광되고, 발광다이오드(15)로 부터의 광은 포토트랜지스터(16)에 의해 수광되며 이것을 온 상태로 제어한다. 발광다이오드(15) 및 포토트랜지스터(16)에 의해 제2의 포토커플러(14)가 구성된다.

포토트랜지스터(16)는저항(18)을 통해 충전되는 콘덴서(19)에 병렬로 접속되며, 저항(18) 및 콘덴서(19)는 충전전압형성회로(17)를 구성하고, 콘덴서(19)의 충전전압은 샘플홀드회로(20)에 샘플전압으로 입력된다.

유도전동기(4)의 전류(1차전류)가 전류검출기(21)에 의해 검출되어 전류에 대응하는 전압신호로써 비교회로(22)의 제1입력단자에 입력된다. 비교회로(22)의 제2의 입력단자에는 0신호가 입력된다. 비교회로(22)의 출력에는 콘덴서(24) 및 저항(25)으로 이루어지는 미분회로(23)가 접속되며 그 출력에서 얻어지는 펄스신호가 샘플링 회로 신호로써 샘플홀드 회로(20)에 유도된다.

이제부터 이상의 회로구성 부분에 의해 샘플홀드회로(20)의 출력으로서 획득된 신호(Vh)에 대해 설명한다.

제2도 (a)에서 실선은 교류전원(6)의 전압(Vs)을 나타내고 파선은 전동기 전류(Im)을 나타내고 있다. 제2도 (b)에서 도시된 바와같이 교류전원(6)의 전압의 포지티브의 반파구간에서는 발광다이오드(15)에 전류가 흐르지 않아 발광되지 않는다. 이 때문에 포토트랜지스터(16)는 오프상태에 있고 콘덴서(19)는 콘덴서 전압(Vc)으로 표시되도록 저항(18)을 통해 충전된다. 전류가 네거티브에서 포지티브로 이행되는 0점에서 비교회로(21) 및 미분회로(23)는 펄스신호를 출력하고 이것을 샘플링 신호로써 샘플홀드회로(20)는 그 순간의 입력콘덴서 전압(Vc)을 샘플링하여 샘플홀드전압(Vh)으로 홀드한다.

이 샘플홀드전압(Vh)은 전압(Vc)과 전류(Im)와의 사이의 위상차의 계수로써 표현할 수 있고 본 발명에서는 위상차를 나타내는 신호로써 이용된다. 전압(Vs)이 네거티브가 되면 발광다이오드(15)에 전류가 흘러 발광된다. 그 광을 받아 포토트랜지스터(16)가 온 상태로 되고 콘덴서(19)를 방전시켜 이것을 0전압으로 한다. 이같은 과정을 각 사이클마다 반복한다.

이상과 같은 샘플링 동작을 반복함으로써 제3도에서 처럼 교류전원(6)의 주파수를 기준으로해서 유도전동기(4)의 미끄러짐(S)의 역수(l/S)에 상당하는 사이클을 1 사이클로 하는 샘플홀드전압(Vh)이 제3도처럼 얻어진다. 예를들면 유도전동기(4)의 미끄러짐(S)을 5%로 하면 교류전원(6)의 20 사이클을 1사이클로 하는 샘플홀드전압(Vh)이 얻어진다. 이 샘플홀드전압(Vh)의 특정 위상점의 값이 유도전동기(4) 내지 콤프레서(2)의 샤프트 위치를 나타내는 지표로 사용된다.

이같이 해서 샘플홀드회로(20)에 의해 얻어진 샘플홀드 전압(Vh)은 제1비교회로(26)의 제1입력단에 입력되어 그 최대값(Vx)이 최대값 홀드회로(27)에 의해 홀드됨과 함께 최소값(Vn)이 최소값 홀드회로(28)로 홀드되고, 최소값(Vn)과 최대값(Vx)와의 사이의 중간값에 콤프레서 정지위치에 대응해서 설정되는 비교기준 전압(Va)이 저항(29) 및 저항(30)으로 이루어지는 분압기에 의해 얻어져 비교회로(26)의 제2입력단에 입력된다.

비교회로(26)는 제1입력단에 입력되는 샘플홀드전압(Vh)과 비교기준전압(Va)을 비교하며 출력신호(Sa)를 위상신호로써 Vh＞Va의 영역에서는 “H”신호를 출력하고 Vh＜Va의 영역에서는 “L”신호를 출력한다.

비교회로(26)의 출력신호(Sa)는 D형 플립플롭(flip-folp)(FF)(31)의 C 입력단자에 클록신호로써 입력된다.

D형 플립플롭(31)의 D 입력단자에는 콤프레서 온오프지령(So)이 입력된다.

D형 플립플롭(31)의 Q 출력으로써 획득된 출력신호는 지연회로(32)를 통해 OR 회로(33)에 제1의 입력신호로써 입력된다.

OR 회로(33)의 제2입력신호는 콤프레서 온오프 명령(So)이다.

So=“H”이면 그것은 콤프레서 온을 의미하는 명령이고 So=“L”이면 그것은 콤프레서 오프를 의미하는 명령이다. 지연회로(32)에는 지연시간으로써 1사이클의 지연시간(Id)이 설정된다. OR 회로(33)의 출력으로써 콤프레서 온오프 제어신호(Sc)가 출력되며 이 콤프레서 온오프 제어신호(Sc)에 의해 포토커플러(10)를 통해 트라이악(8)이 제어된다.

다음에 제1도의 제어장치의 동작에 대해 제4도를 참조해서 설명한다.

이미 서술된 바와같이 비교회로(26)는 샘플홀드회로(20)에 홀드된 샘플홀드전압(Vh)와 비교기준전압(Va)을 비교해 출력신호(Sa)로서 Vh＞Va의 영역에서 “H”신호를 출력하고 Vh＜Va의 영역에서는 “L”신호를 출력한다.

이 출력신호(Sa)는 D형 플립플롭(31)의 C 입력으로써 사용되고 있으며 이것이 “L”에서 “H”로 바뀌는 시발점(화살표 참조)에서 D 입력단자에 입력되어 있는 콤프레서 온오프명령(So)이 So=“H”이면 유도전동기(4)는, 즉 콤프레서(2)는 그대로 운전을 계속하며, 콤프레서 온오프 명령(So)이 So=“L”로 되어도 D형 플립플롭(31)은 그에 따라 출력이 변화되지 않는다.

D형 플립플롭(31)의 출력이 “L”로 바뀌는 것은 콤프레서 온오프 명령(So)이 “L”로 된 뒤 비교회로(26)의 출력신호(Sa)가 “L”에서 “H”로 바뀐 시점이며, 그 시점에서 더욱 지연회로(32)에 설정된 지연시간(Id)이 경과한 후 OR 회로(33)의 출력신호로써 출력되는 콤프레서 온오프 제어신호(Sc)가 “L”로 된다. 이에 따라 트라이악(8)의 트리거 신호가 발생하지 않으며 그 직후에 나타나는 전류 0점 이후 이미 전류가 흐르지 않게 되고, 바꾸어 말하면 그 전류 “0”점에서 전류를 차단할 수 있는 것이다.

그런데 이 전류 “0”점 이라는 것은 콤프레서(2)의 정지시에 진동이 가장 작아지는 전동기 회전자의 위치 즉 콤프레서(2)의 샤프트 위치에 대응하고 있으며 콤프레서(2)를 진동이 극소가 되는 조건하에서 정지시킬 수 있다. 실험에 따르면 토크맥동의 1 주기를 8단계로 나누어 각 점에서 정지시킨 경우 위상차의 최소점 근처에서 진동가속도의 최소점을 얻는 것이 판명됐다. 이 경우 최소점과 최대점 사이에는 1 : 2 정도의 진동가속도의 상위가 있었다.

따라서 본 발명에 따르면 항상 진동최소점에서 정지시키는 것이 가능하며, 이것에 의해 실질적으로 작은 진동의 공조기를 구성하는 것도 가능하다.

전술한 실시예에서는 유도 전동기(4)에 대한 전원의 온 오프용 스위치 소자로써 트라이악을 사용한 예를 나타냈다. 이 트라이악은 강제적으로 아크를 소멸시키는 장치를 갖추지 않는 한 현재 흐르고 있는 전류를 차단하는 것은 불가능하므로 동실시예에서는 전류의 자연(自然)스러운 “0”점을 기다려 자연차단시키기 위해 약 1 사이클의 지연시간을 두고 차단시키도록 했다.

트라이악 대신에 턴오프 제어가 가능한 소자를 사용하면 1 사이클을 기다리는 일없이, 즉 지연회로(32)를 설치하는 일없이 곧바로 차단시킬 수 있고 또 이러한 방법에 의해 정지정밀도를 향상시킬 수 있다.

이상 서술한 바와같이 본 발명에 따르면, 콤프레서 구동요 전동기의 입력측 전압 및 전류간의 위상차가 콤프레서의 샤프트 위치에 따른 토크맥동과 관련되어 있는 것을 이용해서 콤프레서의 샤프트 위치를 검출하므로 콤프레서의 외부에서 전기적으로 용이하게 검출할 수 있다. 이 검출결과를 사용해서 전동기 전원을 특정의 위상점에서 오프함으로써 공조기 진동의 최소점에서 정지시킬 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 고정주파수의 교류전원에 스위칭 수단을 통하여 접속된 유도전동기와, 이 유도전동기에 의해 구동되어 냉동사이클내에서 냉매를 순환시키는 콤프레서를 갖는 공조기에 있어서의 콤프레서의 샤프트 위치를 검출하는 샤프트 위치 검출 방법에 있어서, 상기 유도전동기(4)의 입력전압과 입력전류간이 위상차를 소정의 타이밍으로 검출하는 스텝과, 상기 위상차의 변화와 상기 콤프레서의 샤프트 위치에 따라서 맥동하는 토크와의 관계에 기인하여 샤프트의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 샤프트 위치 검출방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 위상차 검출스텝은 소정의 타이밍으로 상기 유도 전동기의 입력전압과 입력전류의 위상차를 검출하여 해당 위상차에 따른 위상차 신호를 출력하는 스텝을 갖고, 상기 샤프트 위치 검출 스텝은 상기 출력을 소정값과 비교하여 상기 출력이 소정값과 일치했을 때에 위상신호(Sa)를 출력하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 샤프트 위치 검출방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 콤프레서(2)를 정지시키는 신호에 응답하여, 상기 위상차 신호(Sa)에 따라 소정의 타이밍에서 상기 스위칭 수단(10)을 동작시켜서 상기 유도전동기에 대한 상기 교류전원의 공급을 끊는 스텝을 또한 갖는 것을 특징으로 하는 샤프트 위치 검출방법.

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