KR970001305B1 - 공기조화기용 압축기의 구동제어장치 - Google Patents

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KR970001305B1 KR1019920003283A KR920003283A KR970001305B1 KR 970001305 B1 KR970001305 B1 KR 970001305B1 KR 1019920003283 A KR1019920003283 A KR 1019920003283A KR 920003283 A KR920003283 A KR 920003283A KR 970001305 B1 KR970001305 B1 KR 970001305B1
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도시히코 후타미
시게야 다니모토
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가부시키가이샤 도시바
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Abstract

내용 없음.

Description

공기조화기용 압축기의 구동제어장치
제1도는 본 발명의 한 실시예의 제어회로의 구성을 나타내는 블록도.
제2도는 동 실시예의 통상시의 작용을 설명하기 위한 타임챠트.
제3도는 동 실시예에 있어서의 구동신호의 위상시프트시의 작용을 설명하기 위한 타임챠트.
제4도는 동 실시예에 있어서의 무정류자 전동기의 특성을 Es 최대 조건으로써 나타내는 도면.
제5도는 동 실시예에 있어서의 무정류자 전동기의 특성을 Iin 일정조건으로써 나타내는 도면.
제6도는 종래 장치에 있어서의 무정류자 전동기의 특성을 Es 최대 조건으로써 나타내는 도면.
제7도는 종래 장치에 있어서의 무정류자 전동기의 특성 및 유도전동기의 특성을 Iin 일정조건으로서 나타내는 도면.
제8도는 종래 장치에 있어서의 무정류자 전동기의 특성 및 유도전동기의 특성을 Iin 소정값 이하 조건으로써 나타내는 도면.
제9도는 종래의 고회전 설계를 실시한 무정류자 전동기의 특성을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 인버터회로 6 : 무정류자 전동기
11 : 위치검출부 12 : 구동신호생성부
13 : 회전수검출부 14 : 구동회로
15 : 회전수제어부 17 : 초퍼신호생성부
본 발명은 공기조화기 등에 사용하는 무정류자 전동기의 구동제어장치에 관한 것이다. 공기조화기의 압축기 구동용으로서는 직류전동기와 대략 같은 특성을 갖고, 또한 기계적인 정류기구를 전혀 구비하지 않은, 이른바 무정류자 전동기(브러쉬리스 전동기라고도 한다)가 사용되고 있다. 무정류자 전동기의 구동을 실시하는 것으로서는, 예를들어 일본 특공소 59-25038호 공보에 나타낸 것이 있지만 그곳에서는 전기자권선에 유기(誘起)하는 전압을 토대로 회전자의 위치를 검출하여 구동신호를 생성하고 있다. 여기에서 무정류자 전동기의 회전수(N)는 아래식에 의해 결정된다.
N=Kㆍ{Es-IaㆍRa)/Φ}
K는 상수, Es는 인버터회로의 출력전압(무정류자 전동기에 대한 공급전압), Ia는 전기자권선에 흐르는 전류, Ra는 전기자권선의 저항, Φ는 회전자에서 전기자권선에 유효하게 작용하는 자속이다. 일반적으로는 초퍼에 의해 출력전압(Es)을 변환시켜서 회전수를 제어하고 있다.
그런데 무정류자 전동기의 회전수(N)는 인버터회로의 출력전압(Es)에 따라서 정해지지만, 실제로는 그것뿐만이 아니고 제6도에 도시된 바와같이 인버터회로에 대한 입력전압(Vin)과 부하의 영향도 받아서 변화한다. 즉 인버터회로에 대한 입력전압(Vin)이 낮거나 부하가 크면, 예를들어 출력전압(Es)이 최대이어도 지령회전수에 도달하지 않는 경우가 있다. 이 경우 전동기출력이 불충분하게 되어 공기조화기로는 능력부족을 일으켜 버린다. 또 상용 100V의 교류전원전압으로 운전하는 공기조화기의 경우 인버터회로에 대한 입력전류(Iin)를 20A 이하로 제한할 필요가 있으며 이때문에 무정류자 전동기의 출력부족이 발생하는 빈도는 더욱 현저하게 된다.
여기에서 입력전류(Iin)가 일정한 경우의 무정류자 전동기의 회전수(N)와 부하의 관계를 제7도에 나타내고 있으며 실선에서 일점쇄선으로의 변화로써 나타내는 바와같이 입력전압(Vin)이 낮을수록 회전수(N)의 최대값이 매우 작아진다.
또한 제7도에 있어서 파선은 유도전동기의 특성이며 입력전압(Vin)이 높든 낮든 회전수(N)의 최대값에 별로 차이는 없다. 이것은 유도전동기의 경우 회전수(N)가 주로 인버터회로의 출력주파수에 의존하기 때문이다.
즉 제8도에 나타내는 바와같이 인버터회로에 대한 입력전류(Iin)가 소정값 이하인 조건에서는 무정류자 전동기의 운전범위는 유도전동기의 운전범위에 비하여 매우 좁다. 무정류자 전동기의 이와 같은 문제점은 난방운전시 능력의 신속한 상승이 요구되는 히트펌프식의 공기조화기에 있어서 개선해야 하는 커다란 과제이다.
이 대책으로서는 제9도에 도시된 바와 같이 인버터회로에 대한 입력전압(Vin)이 낮은 때에도 회전수(N)의 감소를 발생시키지 않도록 설계단계에서 회전수(N)를 미리 높여두는 것을 생각할 수 있다.
그러나 이와 같은 고회전설계 전동기의 경우 동일한 회전수 및 부하의 조건에서 보면 저회전설계 전동기보다도 낮은 전압으로 구동이 이루어지게 되어 운전전류가 증대해서 인버터회로에 있어서의 스위칭 소자의 손실이 증대하고 전압 왜곡률의 악화, 나아가서는 운전효율의 저하를 초래한다는 새로운 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 고려한 것으로 그 목적으로 하는 점은 인버터회로에 대한 입력전압이 낮아도, 또 부하가 커도, 또한 인버터회로에 대한 입력전류에 제한이 있어도 운전효율을 저하시키지 않고 무정류자 전동기의 회전수를 소정의 값으로 확실하게 설정할 수 있고, 예를들어 공기조화기에 있어서의 능력부족의 해소를 가능하게 하는 무정류자 전동기의 구동제어장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 무정류자 전동기의 구동제어장치는 공기조화기의 압축기를 구동하는 무정류자 전동기; 교류 전원 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류 회로; 상기 직류 전압을 스위칭 소자의 온ㆍ오프에 의하여 소정 주파수를 갖는 다상의 전압으로 변환하여 상기 무정류자 전동기에 대한 여자 전압으로 출력하는 인버터회로; 상기 무정류자 전동기의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출수단; 상기 위치 검출수단에서 검출된 위치에 따라 타이밍 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성 수단; 상기 타이밍 구동 신호를 받고 있는 동안 상기 인버터회로의 스위칭 소자를 온ㆍ오프 구동하는 구동 수단; 상기 무정류자 전동기의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단; 상기 회전수 검출 수단에 의해 검출된 검출회전수와 상기 무정류자 전동기의 부하상태에 따라 설정되는 지령회전수의 차에 의하여 상기 인버터회로의 스위칭 소자를 온ㆍ오프 구동 듀티를 제어하는 제어 수단을 구비하며, 상기 구동 신호 생성 수단은 여자 자속 분포에 대하여 중앙 기준 방식의 구동 신호를 생성하고, 상기 제어 수단은 상기 지령회전수가 소정값보다 크거나 상기 듀티가 설정치 이상임에도 불구하고 상기 검출회전수가 지령회전수에 도달하지 않는 경우에 상기 구동 신호의 위상을 통상의 경우보다 앞쪽으로 이동시킴으로서 상기 무정류자 전동기의 필드를 약하게 제어하며, 상기 인버터회로의 입력단에 설치되어 상기 공기조화기에 대한 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출 수단 및 상기 입력 전류 검출 수단에 의해 검출되는 입력 전류가 소정값을 넘지 않도록 상기 지령회전수를 보정하는 보정 지령신호를 상기 제어 수단으로 출력하는 회전수 보정 지령수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
무정류자 전동기의 회전자의 위치가 검출되고 그 검출위치에 따른 타이밍의 구동신호가 생성된다. 그리고 이 구동 신호가 발생하고 있는 사이에 인버터회로의 스위칭소자가 온ㆍ오프 구동생성된다. 이때 무정류자 전동기의 회전수가 검출되고 그 검출회전수와 지령회전수의 차이에 따라서 온ㆍ오프 구동의 듀티가 제어된다. 다만 이 듀티가 설정값 이상으로 되어도 검출회전수가 지령회전수에 이르지 않을 때, 또는 지령회전수가 소정값 이상인 경우 상기 구동신호의 위상이 통상보다도 전진측으로 시프트된다. 또한, 회전수 보정 지령수단은 검지된 입력전류에 따라서 지령회전수를 보정하는 보정지령신호를 상기 제어수단으로 출력한다.
이하 본 발명의 한 실시예에 대하여 제1도를 참조하여 설명한다.
상용교류전원(1)의 인버터회로(2)가 접속된다. 이 인버터회로(2)는 다이오드브리지(3)의 평활콘덴서(4)로 교류전압(단상 100V)을 조정하고 그것을 스위칭 회로(5)에 있어서의 3상브리지 접속된 복수의 스위칭소자의 온ㆍ오프에 의하여 소정주파수 및 3상의 직사각형파 전압으로 변환하여 무정류자 전동기(6)에 대한 여자 전압으로 출력하는 것이다. 무정류자 전동기(6)는 전기자(7) 및 회전자(영구자석)(8)를 구비하고 전기자권선(7r)(7s)(7t)과 회전자(8)의 계자극의 상대위치가 검출되어 전기자권선(7r)(7s)(7t)이 차례로 여자됨에 따라 회전자(8)가 회전한다. 또 무정류자 전동기(6)의 전기자권선(7r)(7s)(7t)에 위치검출부(11)가 접속된다. 위치검출부(11)는 전기자권선(7r)(7s)(7t)에 유기하는 전압을 각각 입력하고 그들 유기전압을 토대로 전기자권선(7r)(7s)(7t)과 회전자(8)의 계자극의 상대위치를 검출하는 것으로 각 유기전압과 미리 정해져 있는 기준전압을 각각 비교하고 그들 비교결과를 위치신호로서 차례로 출력한다. 이들 위치신호는 구동신호생성부(12)로 보내어진다. 구동신호생성부(12)는 후술하는 회전수제어부(15)로부터 위상시프트신호를 받지 않는 통상시에는 위치검출부(11)에서의 각 위치신호(논리 1 레벨)에 대하여 위상이 30도 늦은 소정 시간폭(위상차 120도)의 구동신호(논리 1 레벨)를 차례로 생성하고, 회전수제어부(15)로부터 위상시프트신호를 받은 경우에는 통상시보다 전진측으로 소정값 만큼 위상을 시프트시킨 구동신호를 차례로 생성하는 것이다.
이 구동신호생성부(12)에서 생성되는 각 구동신호는 회전수검출부(13) 및 구동회로(14)에 보내어진다.
회전수검출부(13)는 각 구동신호를 토대로 무정류자 전동기(6)의 회전수(N)를 검출한다. 이 검출결과는 회전수제어부(15)에 보내어진다. 또 공조기제어부(16)의 회전수설정지령이 회전수제어부(15)에 보내어진다. 회전수제어부(!5)는 회전수설정지령의 내용, 즉 지령회전수와 회전수검출부(13)로부터의 검출회전수(N)의 차이를 구하고 그 차이에 대응하는 레벨의 전압신호를 출력하며, 그 출력전압레벨이 설정값 이상인 경우라 하더라도 소정시간 이상에 걸쳐서 검출회전수(N)가 지령회전수에 이르지 않는 경우에는 위상시프트신호를 발생한다. 이 회전수제어부(15)의 출력전압은 초퍼신호생성부(17)에 보내어지고 위상시프트신호는 상기 구동신호생성부(12)에 보내어진다. 초퍼신호생성부(17)는 회전수제어부(15)의 출력전압레벨에 대응하는 온ㆍ오프 듀티를 가지는 3상의 초퍼신호를 생성한다. 이 초퍼신호는 구동회로(14)에 보내어진다. 즉 회전수제어부(15) 및 초퍼신호생성부(17)에 의해 검출회전수(N)와 지령회전수의 차이에 따라서 인버터회로(2)의 스위칭소자에 대한 온ㆍ오프 구동의 듀티를 제어하는 수단과, 이 듀티가 설정값 이상으로 되어도 검출회전수(N)가 지령회전수에 이르지 않을 때 구동신호의 위상을 통상보다도 전진측으로 시프트시키는 수단이 구성된다. 구동회로(14)는 구동신호생성부(12)에서 각 구동신호를 받고 있는 사이에 초퍼신호생성부(17)에서 공급되는 각 초퍼신호에 따라서 스위칭회로(5)의 각 스위칭소자를 온ㆍ오프 구동한다.
다음으로 상기의 구성에 따른 작용을 설명한다. 우선 제2도의 타임챠트를 참조하면서 설명한다. 상용교류전원(1)이 투입되는 동시에 인버터회로(2)가 구동되면 그 인버터회로(2)에서 소정주파수를 가지는 3상의 직사각형파 전압이 출력된다. 이들 직사각형파 전압은 무정류자 전동기(6)의 전기자권선(7r)(7s)(7t)에 각각 단자전압으로서 인가되고 전기자권선(7r)(7s)(7t)이 차례로 여자된다. 이에 따라 무정류자 전동기(6)의 회전자(8)가 회전한다. 회전자(8)가 회전하면 전기자권선(7r)(7s)(7t)에 각각 전압이 유기되고 그것이 위치검출부(11)에 입력된다. 이렇게 하여 위치검출부(11)에서는 각 유기전압을 토대로 전기자권선(7r)(7s)(7t)과 회전자(8)의 계자극의 상대위치가 검출되고 그 검출결과에 대응하는 위치신호가 차례로 출력된다. 위치신호가 발생되면 각 위치신호(논리 1 레벨)에 대하여 위상이 30도 늦은 소정시간폭(상차각 120도)의 구동신호(논리 1 레벨)가 차례로 생성된다. 이들 구동신호의 발생타이밍은 여자자속분포에 대하여 중앙기준방식으로 되어 있으며, 이 실시예에서는 0∼30도 및 150∼180도의 위상각은 통상 제어되지 않는다. 따라서 회전자(8)의 자속분포에 있어서 가장 자속이 많은 부분에 대응하고 있으며 회전자(8)에서 전기자권선(7r)(7s)(7t)에 유효하게 작용하는 자속은 Φ0로 된다. 그리고 각 구동신호에 기인하여 회전수검출부(13)에서 무정류자 전동기(6)의 회전수(N)가 검출된다.
한편 공조제어부(16)의 회전수설정지령이 회전수제어부(15)에 보내어지고 그 곳에서 회전수 설정지령의 내용, 즉 지령회전수와 회전수검출부(13)의 검출회전수(N)의 차이가 구해진다. 이 회전수차는 초퍼신호생성부(17)에 보내어지고 그곳에서 회전수차에 대응하는 온ㆍ오프 듀티를 가지는 3상의 초퍼신호가 생성된다. 이들 초퍼신호는 상기 각 구동신호와 함께 구동회로(14)에 공급된다. 구동회로(14)는 구동신호생성부(12)에서 각 구동신호가 공급되고 있는 사이 초퍼신호생성부(17)에서 공급되는 각 초퍼신호에 따라서 스위칭회로(5)의 스위칭소자를 온ㆍ오프 구동한다.
이 온ㆍ오프 구동에 의해 무정류자 전동기(6)의 회전이 계속된다. 이 경우 검출회전수(N)가 지령회전수보다 작으면 각 초퍼신호의 온ㆍ오프 듀티가 커지고 인버터회로(2)의 출력전압(Es)이 상승하여 무정류자 전동기(6)의 회전수(N)가 증대한다. 검출회전수(N)가 지령회전수보다 커지면 각 초퍼신호의 온ㆍ오프 듀티가 작아지고 인버터회로(2)의 출력전압(Es)이 하강하며 무정류자 전동기(6)의 회전수(N)가 감소한다.
그런데 인버터회로(2)에 대한 입력전압(Vin)이 낮아지거나, 또 부하가 커지거나, 또한 인버터회로(2)에 대한 입력전류(Iin)에 제한이 가해지면 인버터회로(2)의 출력전압(Es)이 최대로 되어도 무정류자 전동기(6)의 회전수(N)가 지령회전수에 도달하지 않는 경우가 생긴다. 그렇게 되면 전동기출력이 불충분하게 되어 공기조화기의 능력부족을 일으킨다. 이 경우 회전수제어부(15)의 출력전압레벨이 설정값 이상까지 상승하여 초퍼신호의 온ㆍ오프 듀티가 허용최대값에 이른다. 회전수제어부(15)는 자신의 출력전압레벨이 소정시간 이상에 걸쳐서 검출회전수(N)가 지령회전수에 도달하지 않으면 위상시프트신호를 발생한다.
이 위상시프트신호는 구동신호생성부(12)에 보내어진다. 구동신호생성부(12)에서는 위상시프트신호에 응답하여 제3도에 나타내는 바와같이 통상시보다 진전측으로 소정값만큼 위상을 시프트시킨 구동신호가 생성된다. 이 구동신호의 발생타이밍은 회전자(8)의 자속분포에 있어서 가장 자속이 많은 부분에서 벗어나 있고 회전자(8)에서 전기자권선(7r)(7s)(7t)에 유효하게 작용하는 자속은 통상(Φ0) 보다 작은 Φ1(＜Φ0)로 되고 필드를 약하게 한다. 자속(Φ)이 적으면 상기한 식 N=Kㆍ{Es-IaㆍRa)/Φ}에서 확실한 바와같이 무정류자 전동기(6)의 회전수(N)가 증가한다. 이에따라 회전수(N)가 지령회전수에 도달한다. 여기에서 위상의 시프트전, 시프트후의 무정류자 전동기(6)의 특성의 변화를 제4도 및 제5도에 나타낸다. 제4도는 인버터회로(2)의 출력전압(Es)이 일정한 경우의 특성, 제5도는 인버터회로(2)의 입력전류(Iin)가 일정한 경우의 특성이다.
이와같이 인버터회로(2)의 출력전압(Es)이 최대로 되어도 회전수(N)가 증가하지 않는 경우는 구동신호의 위상을 시프트함에 따라 회전수(N)를 지령회전수에 확실히 설정할 수 있어서 공기조화기에 있어서의 능력 부족을 해소할 수 있다. 특히 히트펌프식의 공기조화기인 경우 난방운전시의 능력의 신속한 상승이 가능하다. 또한 종래와 같이 고회전설계를 실시하는 것은 아니기 때문에 스위칭소자의 손실증대와 전압왜곡률의 악화를 발생시키는 일 없고, 나아가서는 운전효율을 저하시키지 않는다. 또한 인버터회로(2)에 대한 입력라인에 전류센서(18)를 설치하고 그 전류센서(18)의 출력을 입력전류 검출부(19)에 입력하며 그 입력전류검출부(19)의 출력을 회전수 보정부(20)에 주고 그 회전수 보정부(20)에서 회전수제어부(15)에 보정지령을 주는 구성으로 되어 있기 때문에 인버터회로(2)에 대한 입력전류(Iin)가 일정값, 예를들어 20A를 넘지않도록 무정류자 전동기(6)의 회전수를 제어하는 구성이며, 즉 입력전류(Iin)에 자신이 제한을 가하는 구성이며 이 경우도 회전수(N)를 지령회전수에 확실히 설정할 수 있다. 또한 상기 실시예에서는 회전수(N)가 지령회전수에 이르지 않는 것을 조건으로 구동신호의 위상시프트를 실행했지만 그에 한정되지 않고, 예를들어 지령 회전수가 소정값 이상이 되면 즉시 위상시프트를 실행하도록 해도 좋다.
이상 서술한 바와같이 본 발명에 따르면 인버터회로의 스위칭소자에 대한 온ㆍ오프 구동의 듀티가 설정값 이상으로 되어도 검출회전수가 지령회전수에 이르지 않을 때, 또는 지령회전수가 소정값 이상인때 구동신호의 위상을 통상보다도 전진측으로 시프트하는 구성으로 했기 때문에 인버터회로에 대한 입력전압이 낮아도, 또 부하가 커도, 또한 인버터회로에 대한 입력전류에 제한이 가해져 있어도 운전효율을 저하시키지 않고 무정류자 전동기의 회전수를 소정의 값으로 확실히 설정할 수 있고, 예를들어 공기조화기에 있어서의 능력부족의 해소를 가능하게 하는 무정류자 전동기의 구동제어장치를 제공할 수 있다.

Claims (1)

  1. 공기조화기의 압축기를 구동하는 무정류자 전동기; 교류 전원 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류회로; 상기 직류 전압을 스위칭 소자의 온ㆍ오프에 의하여 소정 주파수를 갖는 다상의 전압으로 변환하여 상기 무정류자 전동기에 대한 여자 전압으로 출력하는 인버터회로; 상기 무정류자 전동기의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출 수단; 상기 위치 검출 수단에서 검출된 위치에 따라 타이밍 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성 수단; 상기 타이밍 구동 신호를 받고 있는 동안 상기 인버터회로의 스위칭 소자를 온ㆍ오프 구동하는 구동 수단; 상기 무정류자 전동기의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단; 상기 회전수 검출 수단에 의해 검출된 검출회전수와 상기 무정류자 전동기의 부하 상태에 따라 설정되는 지령회전수의 차에 의하여 상기 인버터회로의 스위칭소자를 온ㆍ오프 구동 듀티를 제어하는 제어 수단을 갖는 공기조화기용 압출기의 구동 제어 장치에 있어서, 상기 구동 신호 생성 수단은 여자 자속 분포에 대하여 중앙 기준 방식의 구동 신호를 생성하고, 상기 제어 수단은 상기 지령회전수가 소정값보다 크거나 상기 듀티가 설정치 이상임에도 불구하고 상기 검출회전수가 지령회전수에 도달하지 않는 경우에 상기 구동 신호의 위상을 통상의 경우보다 앞쪽으로 이동시킴으로써 상기 무정류자 전동기의 필드를 약하게 제어하며, 상기 인버터회로의 입력단에 설치되어 상기 공기조화기에 대한 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출 수단 및 상기 입력 전류 검출수단에 의해 검출되는 입력 전류가 소정값을 넘지 않도록 상기 지령회전수를 보정하는 보정 지령 신호를 상기 제어 수단으로 출력하는 회전수 보정 지령 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 공기조화용 압축기의 구동 제어 장치.
KR1019920003283A 1991-02-28 1992-02-28 공기조화기용 압축기의 구동제어장치 KR970001305B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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