WO2019045371A1 - 냉장고 및 그 제어 방법 - Google Patents

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WO2019045371A1
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박성인
윤효진
박평기
신효재
양재원
유호현
제형관
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삼성전자주식회사
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerator and a control method thereof.
  • One aspect of the present invention is to provide a refrigerator and a control method thereof that can control the internal temperature and the speed of the compressor using only the operation information of the compressor without a sensor capable of controlling the internal temperature.
  • the proposed refrigerator and its control method it is possible to use a thermostat used in a conventional low-capacity / low-cost refrigerator without using a system controller equipped with various sensors (high-temperature sensor and / or outdoor sensor) To control the internal temperature and the speed of the compressor, thereby minimizing the size and material cost of the control system.
  • Inverter controller that can control the BDLC compressor estimates the indoor / outdoor temperature by using the operation information of the compressor, and determines energy consumption, vibration and noise reduction which are the biggest disadvantages of constant speed compressor. So that the satisfaction of the consumer can be improved.
  • the BLDC compressor can be started and operated stably by applying a differentiated algorithm of the inverter controller.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a structure of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a control block diagram of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an inverter control algorithm of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph of a first control condition for varying a compressor speed in a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph of a second control condition for varying a compressor speed in a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a speed controller of a compressor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a speed control execution cycle of a compressor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a lead angle controller of a compressor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining a method of checking a freewheeling interval of a compressor according to an embodiment of the present invention.
  • first component may be referred to as a second component
  • second component may also be referred to as a first component.
  • the term " and / or " includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • the idea of the present invention is basically applied to a low-capacity / low-cost refrigerator.
  • the refrigerator includes a side-by-side type refrigerator in which a freezer compartment and a refrigerating compartment are partitioned to the left and right, and a refrigerating compartment in which a refrigerating compartment is formed on the upper side and a freezing compartment is formed on the lower side
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a structure of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • a refrigerator 1 includes a box-shaped housing 10 having an outer appearance, a storage compartment 20 formed by vertically partitioning the interior of the housing 10, A door 30 that opens and closes the storage compartment 20, and a cooling device 40 that supplies cool air to the storage compartment 20.
  • the cooling device 40 includes a compressor 41 for compressing the gas refrigerant, a condenser 42 for converting the compressed gas refrigerant into liquid refrigerant, an expander 43 for reducing the pressure of the liquid refrigerant, And an evaporator 44 for changing the state of the evaporator.
  • the compressor 41 may be installed at the lower end of the rear surface 10d of the refrigerator 1 and compresses a low temperature and low pressure refrigerant to be sucked into a high temperature and high pressure, The refrigerant of high temperature and high pressure can be discharged.
  • the compressor 41 may forcibly suck the refrigerant, compress the sucked refrigerant into a high-temperature and high-pressure gas, and suction of the refrigerant may be performed using the rotational force of the built-in motor 411.
  • the compressor 41 may be a BDLC compressor using an inverter controller.
  • the motor 411 of the BDLC compressor 41 is rotatable at various rotational speeds, and thus the flow rate of the refrigerant can be controlled.
  • the rotational speed of the motor 411 of the compressor 41 may be expressed using a unit of RPM (Revolution Per Minute). Therefore, the circulation amount and the circulation speed of the refrigerant can be determined according to the degree of operation of the compressor 41, for example, the rotation speed of the motor 411, and furthermore, the cooling efficiency of the refrigerator 1 can be determined.
  • the compressor 41 may be implemented using an inlet through which the refrigerant flows, a flow space through which the refrigerant flows, a motor rotating in the flow space, associated parts, and a discharge port through which the compressed refrigerant is discharged.
  • the refrigerant transferred to the compressor 41 may be CFC, HCFC, HFC, or the like.
  • the refrigerant is not limited thereto, and various kinds of materials that can be selected by the designer can be used as the refrigerant.
  • the compressor (41) to be applied to the present invention may be an inverter compressor, a positive displacement compressor or a dynamic compressor.
  • the high-temperature, high-pressure gaseous refrigerant compressed by the compressor 41 can be delivered to the condenser 42.
  • the condenser 42 may be installed on the back surface 10d of the refrigerator 1.
  • the condenser 40 may be installed at the lower end of the rear surface 10d of the refrigerator 1 and may be exposed to the outside in the middle of the rear surface 10d of the refrigerator 1 .
  • the condenser 42 is connected to the high-pressure side discharge pipe of the compressor 41 to heat-exchange the high-temperature, high-pressure gaseous refrigerant compressed in the compressor 4 with ambient air to condense it into a liquid state.
  • the refrigerant liquefies and discharges heat to the outside, thereby lowering the temperature of the refrigerant.
  • the condenser 42 can be realized by using a pipe formed to be bent into a zigzag shape.
  • one end of the pipe extends from the refrigerant pipe 45 connected to the compressor 41, May be extended from a refrigerant pipe (45) connected to the inflator (43).
  • the inflator 43 may be installed inside or outside the housing 10 of the refrigerator 1.
  • the inflator 43 may be installed inside or outside the housing 10 of the refrigerator 1 and may be a refrigerant which is condensed in the condenser 42 at a low temperature and a low pressure,
  • a capillary tube can be used by expanding with a two-phase refrigerant to reduce the pressure.
  • the capillary may be embodied by a thin tube, and the refrigerant passing through the capillary may be depressurized and delivered to the evaporator (44).
  • an expansion valve may be used instead of the capillary.
  • the expansion valve is composed of a thermoelectronic expansion valve using bimetallic deformation, a thermal expansion type electronic expansion valve utilizing volume expansion by heating of the sealing wax, a pulse width modulation type electronic expansion valve or motor for opening and closing the solenoid valve by a pulse signal And an electronic expansion valve of a stem motor type in which a valve is opened and closed.
  • the evaporator 44 may be installed inside the rear surface 10d of the refrigerator 1. [ In this case, the evaporator 44 may be installed in the vicinity of the storage chamber 20.
  • the evaporator 44 evaporates the low-temperature low-pressure liquid refrigerant expanded in the expander 43 into a gaseous state to supply cool air.
  • the cooling device 40 can supply cool air to the storage compartment 20 by utilizing the phenomenon that the decompressed liquid refrigerant absorbs thermal energy of the ambient air while changing to the gas state.
  • the compressor 41, the condenser 42, the inflator 43 and the evaporator 44 are connected to each other through the refrigerant pipe 45 to constitute a refrigerant cycle.
  • the refrigerant pipe 45 is provided to connect the two of the compressor 41, the condenser 42, the inflator 43 and the evaporator 44, Position.
  • the configuration of the cooling device 40 is not limited to the compressor 41, the condenser 42, the expander 43, and the evaporator 44.
  • the cooling device 40 may include a Peltier element using the Peltier effect.
  • the Peltier effect means that heat is generated in one of the metals and endothermic phenomenon occurs in the other metal when a current flows through a contact surface where the metals are in contact with each other.
  • the cool air supply device may supply cool air to the storage chamber 20 using a Peltier element.
  • the cooling device 40 may include a self-cooling device utilizing a magneto-caloric effect.
  • a magnetothermal effect means that when a certain substance (magnetocaloric substance) is magnetized, it releases heat, and when a specific substance (magnetocaloric substance) is demagnetized, it absorbs heat.
  • the cooling device 40 may supply cool air to the storage compartment 20 using a self cooling device.
  • a substrate assembly 46 having a processor for controlling the refrigerator 1 may be installed inside the refrigerator 1.
  • the substrate assembly 46 may include at least one semiconductor chip and associated components, and a substrate upon which these components may be installed.
  • the semiconductor chip and the related parts provided in the substrate assembly 46 may include a semiconductor chip or a magnetic disk functioning as a processor and a storage unit functioning as an inverter controller 100 to be described later.
  • the substrate assembly 46 may be electrically connected to various semiconductor chips and related components, a power supply 50 for supplying power to the compressor 41, and the like.
  • FIG. 2 is a control block diagram of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • a refrigerator 1 may include a power supply 50, a thermostat 60, a filter 70, and an inverter controller 100 in addition to the cooling device 40 .
  • the power supply unit 50 can supply power required for various components in the refrigerator 1.
  • the power supply unit 50 may be configured to receive an external commercial power supply and to convert the received commercial power supply into an appropriate voltage and / or current to supply the component to each component.
  • the power supply unit 50 may be implemented using a battery capable of storing electrical energy, in which case the battery may be rechargeable.
  • the power supply unit 50 may supply electric energy of a predetermined voltage and / or current to the compressor 41 through a circuit provided on the board assembly 46 or a separate lead.
  • the supply unit 50 may supply electric energy of a predetermined voltage and / or current to the compressor 41 through the inverter controller 100.
  • the thermostat 60 opens or closes the switch according to the operation of the bimetal implemented by two alloy plates having different expansion coefficients.
  • the thermostat 60 is a device for opening or closing the switch according to the internal temperature of the storage chamber 20, (100) can be electrically connected.
  • the thermostat 60 energizes the circuit while the bimetal is bent, thereby electrically connecting the power supply unit 50 and the inverter controller 100 to the inverter controller 100, Can be applied.
  • the thermostat 60 can be energized in accordance with an increase in the temperature of the storage chamber 20, and the power supplied from the power supply unit 50, that is, an electrical signal, ). ≪ / RTI >
  • the inverter controller 100 drives the motor 411 of the compressor 41 to control the motor 411 to rotate.
  • the filter 70 is connected between the power supply unit 50 and the inverter controller 100 and can block switching noise generated when the compressor 41 is controlled.
  • the inverter controller 100 may include a converter 110, a smoothing capacitor 120, an inverter 130, a current sensor 150, a voltage sensor 160, and a controller 170.
  • the converter 110 is connected between the power supply unit 50 and the inverter 130 and can rectify the AC power supplied from the power supply unit 50 to output the DC link voltage.
  • the converter 110 is constituted by a diode half-wave rectification circuit, and the AC power supplied from the power supply unit 50 can be half-wave rectified and converted to DC power.
  • the converter 110 may perform full-wave rectification of the AC power source by connecting the four switching elements Q1 to Q4 in the form of a high bridge instead of the conventional diode as shown in FIG.
  • the smoothing capacitor 120 is connected between the converter 110 and the inverter 130, and can smooth the voltage output from the converter 20 and convert it into DC.
  • the inverter 130 converts the DC voltage output from the smoothing capacitor 120 into a pulse-like three-phase alternating current (U, V, W) having an arbitrary variable frequency through pulse width modulation
  • U, V, W pulse-like three-phase alternating current
  • the six switching elements Q5 to Q10 and the diode Freewheeling Diode
  • the diode Freewheeling Diode
  • the six switching elements Q5 to Q10 include a high voltage switching element such as a high voltage bipolar junction transistor, a high voltage field effect transistor, or an insulated gate bipolar transistor (IGBT). can do.
  • a high voltage switching element such as a high voltage bipolar junction transistor, a high voltage field effect transistor, or an insulated gate bipolar transistor (IGBT). can do.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the inverter 130 may be configured as a three-phase full bridge type voltage source inverter. That is, the inverter 130 may be connected to six switching elements Q5 to Q10. Specifically, the three upper switching elements Q5, Q7 and Q9 may be connected in parallel to each other, and the three lower switching elements Q6, Q8 and Q10 may be connected in parallel to each other. The three upper switching elements Q5, Q7 and Q9 and the three lower switching elements Q6, Q8 and Q10 can be connected in series on a one-to-one basis, and three upper switching elements Q5, The lower switching elements Q6, Q8 and Q10 may be connected to the motor 411. [
  • the current sensor 150 detects the current flowing in the winding of the internal motor 411 of the compressor 41 by using the shunt resistance 151 connected to the lower end of the switching elements Q3 and Q4 of the converter 110
  • the current flowing through the shunt resistor 151 can be detected and transmitted to the controller 170 by using the voltage across the shunt resistor 151 as an input.
  • the voltage sensor 160 detects the voltage applied to the winding of the internal motor 411 of the compressor 41 by using the DC link voltage connected to the DC link end connected to the DC link end, It is possible to detect the DC link voltage generated by the current input to the link stage and transmit the detected DC link voltage to the controller 170.
  • the control unit 170 controls the converter 110 and the inverter 130 by outputting a pattern of the PWM signal supplied to the converter 110 and the inverter 130.
  • the controller 110 controls the converter 110 and the switching unit 130 of the inverter 130, (MCU) for controlling the turn-on / turn-off of the transistors Q1 to Q10.
  • controller 170 may include a timer for counting the time during which the compressor 41 is operated.
  • the controller 170 calculates the current power consumption of the compressor 41 by using the voltage applied to the motor 411 and the current flowing through the motor 411 winding to calculate the current consumption power of the compressor 41
  • the operating speed of the compressor 41 can be varied by estimating the internal temperature of the storage compartment 20 by using the same.
  • the control unit 170 can also vary the operation speed of the compressor 41 by estimating the outdoor air temperature using the current operation speed of the compressor 41 and the operation time of the compressor 41.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an inverter control algorithm of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • the inverter controller 100 does not have any information on the refrigerator 1, such as the state of the refrigerant cycle, since the initial power is applied.
  • the controller 170 counts the time when the first power is applied to the inverter controller 100 and sets the delay time Td (time for protecting the compressor from the start failure, about 2 minutes, 1 minute, or 30 seconds) (Step 204).
  • step 204 when the initial power is applied to the inverter controller 100 and the delay time Td elapses, the controller 170 switches the inverter 130 to turn on the compressor 41 (step 206) .
  • a spring type oil pumping structure is employed in the interior of the motor 411 of the BLDC compressor 41 to supply oil to the compressor 41 when the compressor 41 is driven.
  • the compressor 41 is operated at a low speed for a predetermined time (about 10 minutes) (210).
  • the controller 170 calculates the current consumption Wc of the compressor 41 using the voltage applied to the motor 411 winding and the current flowing through the motor 411 winding 212).
  • the control unit 170 compares the calculated current consumption Wc of the compressor 41 with the set reference power Ws 214 to estimate the internal temperature of the storage compartment 20 and controls the operation of the compressor 41 You can control the speed.
  • step 214 If the power consumption Wc is equal to or higher than the reference power Ws as a result of the determination in step 214, the controller 170 determines that the internal temperature of the storage compartment 20 is high and is in a high load state. 216), the process returns to step 212 to proceed with the subsequent operation.
  • the control unit 170 determines that the internal temperature condition is higher than the cooling capacity and increases the operation speed of the compressor 41 Cooling capability.
  • step 214 if it is determined in step 214 that the power consumption Wc is not higher than the reference power Ws, the controller 170 determines that the internal temperature of the storage compartment 20 is in a proper load state.
  • the control unit 170 compares the operation time Tc of the compressor 41 with the reference time Ts 218 to estimate the outdoor air temperature and to control the operation speed of the compressor 41.
  • the controller 170 determines that the outdoor air temperature is high and proceeds to step 216 to drive the compressor 41 at high speed .
  • the controller 170 determines that the outdoor air temperature is in an appropriate state, At a low speed.
  • the current consumption Wc of the compressor 41 is equal to or lower than the reference power Ws and the operation time Tc of the compressor 41 is less than the reference time Ts as described above, It is determined that the refrigerating capacity of the refrigerator 1 satisfies the cooling capacity of the refrigerator 1 under the ambient temperature condition and the compressor 41 is operated at a low speed to increase energy efficiency and reduce noise and vibration.
  • FIG. 4 is a graph of a first control condition for varying a compressor speed in a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • the controller 170 controls the compressor 41 based on information generated while the compressor 41 is operated at a low speed, that is, by using the voltage applied to the windings of the motor 411 in the compressor 41 and the current flowing in the windings of the motor 411 It is possible to estimate the internal temperature by calculating the power consumption Wc of the compressor 41 and to control the operation speed of the compressor 41.
  • the controller 170 can estimate the internal temperature of the storage compartment 20 by comparing the power consumption Wc with the set reference power Ws.
  • the controller 170 determines that the in-compartment temperature of the storage compartment 20 is high and the controller 170 determines that the in- High cooling capacity is required.
  • the control unit 170 increases the operation speed of the compressor 41 to control the internal temperature to be lowered so that normal cool air can be maintained in the storage chamber 20 (refer to the high load operation of FIG. 4).
  • the controller 170 controls the operation speed of the compressor 41 It should be variable.
  • the controller 170 When the power consumption Wc is smaller than the reference power Ws, it is determined that the internal temperature of the storage compartment 20 is low, and the controller 170 requires a low cooling capacity.
  • the controller 170 reduces the operation speed of the compressor 41 and controls the internal temperature to be maintained so that normal cool air can be maintained in the storage chamber 20 (see the low load operation of FIG. 4) .
  • the initial operation represents the operation speed of the compressor 41 when the refrigerator 1 is initially started.
  • the power consumption Wc is 10 minutes or less after the low-speed operation and the reference power Ws or more, Mode so that the compressor 41 can be driven (refer to FIG. 4 (a)).
  • the control unit 170 may vary the operation speed of the compressor 41 according to the internal temperature by setting the reference power Ws for each stage of the operation speed of the compressor 41.
  • the reference power Ws may be set to several stages Ws1, Ws2, and Ws3, and the operation speed of the compressor 41 may be adjusted according to the comparison result between the power consumption Wc and the reference power Ws1, Ws2, As shown in FIG.
  • FIG. 5 is a graph of a second control condition for varying a compressor speed in a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • control unit 170 accumulates the information generated while the compressor 41 is operating at a low speed, that is, the time during which the compressor 41 is operated to estimate the ambient temperature, thereby controlling the operation speed of the compressor 41 have.
  • the thickness, size, and weight of the rotor or stator of the motor 411 can be minimized in order to reduce the cost of the internal motor 411 of the BLDC compressor 41 applied to the refrigerator 1 of the present invention.
  • the centrifugal force and the inertia of the motor 411 are reduced, so that it is difficult to detect the position at the time of the initial start, and the start failure may occur.
  • a differential pressure may be generated by the refrigerant cycle of the refrigerator 1. At this time, if the BLDC compressor 41 is started, the start failure and noise may accompany.
  • the inverter controller 100 implements the following start-up algorithm to increase the magnitude of the start-up current with respect to the same voltage by applying a voltage to a region where the back electromotive force is small at the initial startup of the compressor 41.
  • V IR + L x di / dt + e.
  • V is the motor voltage
  • I is the current flowing through the motor 411
  • R is the motor winding resistance
  • L is the motor winding inductance
  • di / dt is the current slope per hour
  • e is the counter electromotive force generated when the motor 411 rotates.
  • the BLDC compressor 41 can generate pulsation in the low-speed operation region.
  • FIG. 6 is a block diagram of a speed controller of a compressor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a speed control cycle of a compressor according to an embodiment of the present invention.
  • the speed controller 180 calculates the voltage output (duty) according to the control target speed using the PI controller 181 based on the input values for the speed error between? * (Command speed) and? (Current speed) And controls the value V * .
  • the voltage output value is finally output through the filter 182 to a value within a limited range.
  • Inverter 130 ZCP detecting (183 via a drive of the switching element (Q5 ⁇ Q10, IGBT) based on the output voltage to operate the motor 411, a neutral point voltage of each phase (E a, E b, E c) ) To detect the ZCP and estimate the current velocity [omega].
  • the inverter controller 100 calculates the power consumption value, and determines the operation speed based on the calculated power value. At this time, the determined operation speed becomes the command speed? * .
  • each phase (U phase, V phase, W phase) during operation of the motor 411 is determined as the ZCP and the point at which the neutral point voltage becomes Vdc / Is detected and the time required for detecting the next ZCP is estimated based on the time.
  • the PI controller 181 is a controller that calculates an error between an output value and a target value and calculates a control value necessary for the control using the error value.
  • I (integration) controller operates in parallel.
  • the PI controller 181 of the speed controller 180 receives the error between the target speed and the current speed and can output the driving voltage of the IGBT.
  • the inverter controller 100 may perform the following control to perform the speed control.
  • the lead angle can be fixed and the PWM duty can be varied to control the speed.
  • the controller 170 can set the PWM duty to 100% and control the lead angle to 14 ° to 30 ° to vary the speed. This will be described with reference to FIG.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a lead angle controller of a compressor according to an embodiment of the present invention.
  • the lead angle controller 190 operates after the duty becomes 100%, and adjusts the voltage output (duty) value through the speed controller 180 when the duty is less than 100%.
  • the duty is fixed to 100%, and based on the input value of the speed error of? * (Command speed) and? (Current speed), the PI control unit 191 And outputs the lead angle value * according to the following formula.
  • the output of the lead angle value is controlled to a value of 14 ° to 30 ° through the filter 192.
  • the inverter 130 drives the switching elements Q5 to Q10 and IGBT based on the output voltage to operate the motor 411 and outputs the neutral point voltages E a , E b , and E c to the ZCP detector 183 ZCP is detected and the current velocity? Is estimated.
  • the inverter controller 100 calculates the power consumption value, and determines the operation speed based on the calculated power value. At this time, the determined operation speed becomes the command speed? * .
  • each phase (U phase, V phase, W phase) during operation of the motor 411 is determined as the ZCP and the point at which the neutral point voltage becomes Vdc / Is detected and the time required for detecting the next ZCP is estimated based on the time.
  • the PI controller 191 is a controller that calculates an error between an output value and a target value and calculates a control value required for the control using the error value. I (integration) controller operates in parallel.
  • the PI controller 191 of the lead angle controller 190 receives the error between the target speed and the current speed and outputs the lead angle value.
  • the inverter controller 100 requires a large amount of current when the BLDC compressor 411 is operated in the overload region. Freewheeling current is generated according to the IPM switching of the inverter controller 100 when the current in the winding of the motor 411 increases. The ZCP detection is wrong due to the current, and the BLDC compressor 411 can not be operated normally and can be stopped.
  • the inverter controller 100 of the present invention can check the freewheeling period before the ZCP detection.
  • the BLDC compressor 41 can operate normally in the overload region.
  • a method of checking the period of freewheeling will be described with reference to FIG.
  • FIG. 9 is a view for explaining a method of checking a freewheeling interval of a compressor according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명은 냉장고 및 그 제어 방법을 제안한다. 고내 온도를 제어할 수 있는 각종 센서(고내 센서 및/또는 외기 센서) 등을 장착한 시스템 제어기를 사용하지 않고, 기존의 저용량/저가형 냉장고에서 사용하던 서모스탯을 이용하여 고내 온도와 압축기의 속도를 제어함으로써 제어 시스템의 크기와 재료비를 최소화할 수 있다. 또한, BDLC 압축기를 제어할 수 있는 인버터 제어기에서 압축기의 운전 정보를 이용하여 고내/외기 온도를 추정하고, 고내의 부하를 판단하기 때문에 정속형 압축기의 최대 단점인 에너지 절약, 진동 및 소음 저감 등을 실현하여 소비자의 만족도를 향상시킬 수 있다. 또한, 인버터 제어기의 차별화된 알고리즘을 적용하여 BLDC 압축기의 기동 및 운전을 안정적으로 수행할 수 있다.

Description

냉장고 및 그 제어 방법
본 발명은 냉장고 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
개시된 본 발명의 일 측면은 고내 온도를 제어할 수 있는 센서 없이 압축기의 운전 정보만을 이용하여 고내 온도와 압축기의 속도를 제어할 수 있는 냉장고 및 그 제어 방법을 제안하고자 한다.
제안된 냉장고 및 그 제어 방법에 의하면, 고내 온도를 제어할 수 있는 각종 센서(고내 센서 및/또는 외기 센서) 등을 장착한 시스템 제어기를 사용하지 않고, 기존의 저용량/저가형 냉장고에서 사용하던 서모스탯을 이용하여 고내 온도와 압축기의 속도를 제어함으로써 제어 시스템의 크기와 재료비를 최소화할 수 있다. 또한, BDLC 압축기를 제어할 수 있는 인버터 제어기에서 압축기의 운전 정보를 이용하여 고내/외기 온도를 추정하고, 고내의 부하를 판단하기 때문에 정속형 압축기의 최대 단점인 에너지 절약, 진동 및 소음 저감 등을 실현하여 소비자의 만족도를 향상시킬 수 있다. 또한, 인버터 제어기의 차별화된 알고리즘을 적용하여 BLDC 압축기의 기동 및 운전을 안정적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 제어 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 인버터 제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에서 압축기 속도를 가변하는 제1제어 조건의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에서 압축기 속도를 가변하는 제2제어 조건의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 속도 제어기를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 속도 제어 수행 주기를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 Lead Angle 제어기를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 Freewheeling 구간을 체크하는 방법을 설명한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예이며, 본 출원의 출원 시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성 요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 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 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
이하에서는 본 발명에 의한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 사상은 저용량/저가형 냉장고에 기본적으로 적용되는 것으로, 냉동실과 냉장실이 좌우로 구획되는 사이드 바이 사이드 타입(side by side type)의 냉장고와, 냉장실이 상측에 형성되고 냉동실이 하측에 형성되는 바텀 프리즈 타입(bottom freeze type)의 냉장고와, 냉동실이 상측에 형성되고 냉장실이 하측에 형성되는 탑 마운트 타입(top mount type)의 냉장고 또는 이들의 특징이 서로 혼합 적용된 형태의 냉장고에서 모두 적용될 수 있다.
또한, 제빙실이 냉장실에 제공되는 형태의 냉장고뿐 아니라 냉동실에 제공되는 형태의 냉장고에도 본 발명의 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고(1)는 외관을 이루는 박스 형상의 하우징(10)과, 하우징(10)의 내부에 상하로 구획되어 형성되는 저장실(20)과, 저장실(20)을 개폐하는 도어(30)와, 저장실(20)에 냉기를 공급하는 냉각 장치(40)를 포함할 수 있다.
냉각 장치(40)는 기체 냉매를 압축하는 압축기(41), 압축된 기체 냉매를 액체 냉매로 상태 변환시키는 응축기(42), 액체 냉매를 감압시키는 팽창기(43), 감압된 액체 냉매를 기체 상태로 상태 변환시키는 증발기(44)를 포함할 수 있다.
압축기(41)는 냉장고(1)의 배면(10d)의 하단부에 설치될 수 있으며, 흡입되는 저온 저압(low temperature and low pressure)의 냉매(refrigerant)를 압축하여 고온 고압(high temperature and high pressure)의 냉매를 형성한 후, 고온 고압(high temperature and high pressure)의 냉매를 토출할 수 있다.
이를 위해 압축기(41)는 냉매를 강제적으로 흡입하고, 흡입한 냉매를 압축하여 고온 고압의 기체로 변화시킬 수 있으며, 냉매의 흡입은 내장된 모터(411)의 회전력을 이용하여 수행될 수 있다. 실시예에 따라, 압축기(41)는 인버터 제어기를 이용한 BDLC 압축기가 사용될 수 있다. BDLC 압축기(41)의 모터(411)는 다양한 회전 속도로 회전 가능하며, 이에 따라 냉매의 유동 속도를 제어할 수 있게 된다. 압축기(41)의 모터(411)의 회전 속도는 RPM(Revolution Per Minute)의 단위를 이용하여 표현될 수 있다. 따라서 압축기(41)가 동작하는 정도, 일례로 모터(411)의 회전 속도에 따라 냉매의 순환량이나 순환 속도가 결정될 수 있으며, 더 나아가 냉장고(1)의 냉각 효율이 결정될 수 있다.
또한, 압축기(41)는 냉매가 유입되는 유입구와, 유입된 냉매가 유동하는 유동 공간, 유동 공간 내에서 회전하는 모터 및 관련 부품과, 압축된 냉매가 토출되는 토출구를 이용하여 구현될 수 있다.
압축기(41)로 전달되는 냉매는 프레온(CFC), 수소 염화 불화 탄소(HCFC) 또는 수소 불화 탄소(HFC) 등이 사용될 수 있다. 그러나 냉매는 이에 한정되지 않으며 설계자가 선택할 수 있는 다양한 종류의 물질이 냉매로 사용될 수 있다.
본 발명에 적용되는 압축기(41)는 인버터 압축기, 용적형 압축기 또는 다이나믹형 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축기(41)에서 압축된 고온 고압의 기체 상태의 냉매는 응축기(42)로 전달될 수 있다.
응축기(42)는 냉장고(1)의 배면(10d)에 설치될 수 있다. 필요에 따라, 응축기(40)는 냉장고(1)의 배면(10d)의 하단부에 설치될 수도 있고, 열을 용이하게 방출하기 위하여 냉장고(1)의 배면(10d)의 중간에 외부에 노출되어 설치될 수도 있다.
응축기(42)는 압축기(41)의 고압측 토출 배관에 연결되어 압축기(4)에서 압축된 고온 고압의 기체 상태의 냉매를 주변 공기와 열교환하여 액체 상태로 응축시킨다. 응축기(42) 내에서 냉매는 액화하면서 열을 외부로 방출하게 되고, 이에 따라 냉매의 온도가 낮아진다.
실시예에 따라, 응축기(42)는 지그재그 형상으로 굴곡되도록 형성된 배관을 이용하여 구현될 수 있으며, 이 경우 배관의 일 말단은 압축기(41)와 연결되는 냉매 배관(45)에서 연장되고, 타 말단은 팽창기(43)와 연결되는 냉매 배관(45)에서 연장되어 마련된 것일 수 있다.
팽창기(43)는 냉장고(1)의 하우징(10) 내부 또는 외부에 설치될 수 있으며, 응축기(42)에서 응축되어 오는 상온 고압의 액체 상태의 냉매를 저온 저압으로서 액체 성분과 기체 성분이 혼합된 2상 냉매로 팽창시켜 감압하는 것으로, 모세관(Capillary tube)이 이용될 수 있다. 모세관은 가느다란 관에 의해 구현될 수 있으며, 모세관을 통과한 냉매는 강압되어 증발기(44)로 전달될 수 있다.
실시예에 따라, 모세관 대신에 팽창 밸브가 이용될 수도 있다. 팽창 밸브는 바이메탈의 변형을 이용하는 열전식 전자 팽창 밸브, 봉입 왁스의 가열에 의한 체적 팽창을 이용하는 열동식 전자 팽창 밸브, 펄스 신호에 의해 솔레노이드 밸브를 개폐하는 펄스 폭 변조 방식 전자 팽창 밸브 또는 모터를 이용하여 밸브를 개폐하는 스템 모터 방식의 전자 팽창 밸브 등 다양한 종류의 밸브를 포함할 수 있다.
증발기(44)는 냉장고(1)의 배면(10d) 내측에 설치될 수 있다. 이 경우, 증발기(44)는 저장실(20) 주변에 설치될 수 있다.
이러한 증발기(44)는 팽창기(43)에서 팽창된 저온 저압의 액체 상태의 냉매를 기체 상태로 증발시켜 냉기를 공급한다.
이와 같이, 냉각 장치(40)는 감압된 액체 냉매가 기체 상태로 상태 변환하면서 주위 공기의 열 에너지를 흡수하는 현상을 이용하여 저장실(20)에 냉기를 공급할 수 있다.
압축기(41), 응축기(42), 팽창기(43) 및 증발기(44)는 냉매 배관(45)을 통해 서로 연결되어 냉매 사이클을 구성한다.
냉매 배관(45)은 압축기(41), 응축기(42), 팽창기(43) 및 증발기(44) 중 둘을 연결하도록 마련되며, 설계자의 선택에 따라 냉장고(1)의 하우징(10) 내의 임의의 위치에 배치될 수 있다.
한편, 냉각 장치(40)의 구성이 압축기(41), 응축기(42), 팽창기(43) 및 증발기(44)에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 냉각 장치(40)는 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 펠티어 소자를 포함할 수도 있다. 펠티어 효과란 서로 다른 종류의 금속이 접하는 접촉면에 전류를 흐르게 하면 어느 하나의 금속에서는 발열 현상이 발생하고, 다른 하나의 금속에서는 흡열 현상이 발생하는 것을 의미한다. 냉기 공급 장치는 펠티어 소자를 이용하여 저장실(20)에 냉기를 공급할 수도 있다.
다른 예로, 냉각 장치(40)는 자기 열효과(magneto-caloric effect)를 이용한 자기 냉각 장치를 포함할 수 있다. 자기 열효과란 특정한 물질(자기 열량 물질)이 자화되면 열을 방출하고, 특정한 물질(자기 열량 물질)이 탈자화되면 열을 흡수하는 것을 의미한다. 냉각 장치(40)는 자기 냉각 장치를 이용하여 저장실(20)에 냉기를 공급할 수도 있다.
이외에도, 냉장고(1)의 내부에는 냉장고(1)를 제어하기 위한 프로세서가 마련된 기판 어셈블리(46)가 설치될 수 있다. 기판 어셈블리(46)는 적어도 하나의 반도체 칩 및 관련 부품과, 이들 부품이 설치될 수 있는 기판을 포함할 수 있다. 기판 어셈블리(46)에 설치된 반도체 칩 및 관련 부품은, 후술하는 인버터 제어기(100)로 기능하는 프로세서 및 저장부로 기능하는 반도체 칩이나 자기 디스크 등을 포함할 수 있다. 기판 어셈블리(46)는 각종 반도체 칩 및 관련 부품, 압축기(41) 등에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(50)와 전기적으로 연결될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 제어 구성도이다.
도 2에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고(1)는 냉각 장치(40) 외에도 전원 공급부(50), 서모스탯(60), 필터(70) 및 인버터 제어기(100)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(50)는 냉장고(1) 내의 각종 부품에 필요한 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(50)는 외부의 상용 전원을 수신하고, 수신한 상용 전원을 적절한 전압 및/또는 전류로 변환하여 각 부품에 공급하도록 마련될 수도 있다. 또한 전원 공급부(50)는 전기 에너지를 저장할 수 있는 축전지를 이용하여 구현될 수도 있으며, 이 경우 축전지는 재충전이 가능한 것일 수 있다. 전원 공급부(50)는 일 실시예에 의하면, 기판 어셈블리(46)에 마련된 회로나 또는 별도의 도선을 통해 압축기(41)에 소정 전압 및/또는 전류의 전기 에너지를 공급할 수 있으며, 이 경우, 전원 공급부(50)는 인버터 제어기(100)를 통해 압축기(41)에 소정 전압 및/또는 전류의 전기 에너지를 공급할 수도 있다.
서모스탯(60, thermostat)은 팽창 계수가 상이한 두 개의 합금판으로 구현된 바이메탈의 동작에 따라 스위치를 개방 또는 폐쇄시키는 것으로, 저장실(20) 내부의 고내 온도에 따라 전원 공급부(50)와 인버터 제어기(100)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
즉, 서모스탯(60)은 저장실(20)의 고내 온도가 상승하면 바이메탈이 휘어지면서 회로를 통전시켜, 전원 공급부(50)와 인버터 제어기(100)를 전기적으로 연결시킴으로써 인버터 제어기(100)에 전원이 인가되도록 할 수 있다.
이와 같이, 서모스탯(60)은 저장실(20)의 고내 온도 증가에 따라 통전 가능한 상태가 되고, 전원 공급부(50)에서 공급되는 전원 즉, 전기적 신호는 서모스탯(60)을 통해 인버터 제어기(100)로 인가될 수 있다.
따라서, 서모스탯(60)에 의해 회로가 통전된 경우, 인버터 제어기(100)는 압축기(41)의 모터(411)를 구동시켜 모터(411)가 회전하도록 제어할 수 있다.
필터(70)는 전원 공급부(50)와 인버터 제어기(100) 사이에 접속되고, 압축기(41) 제어 시 발생되는 스위칭 노이즈를 차단할 수 있다.
인버터 제어기(100)는 컨버터(110), 평활 콘덴서(120), 인버터(130), 전류 센서(150), 전압 센서(160) 및 제어부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
컨버터(110)는 전원 공급부(50)와 인버터(130) 사이에 접속되고, 전원 공급부(50)으로부터 공급되는 AC 전원을 정류하여 직류 링크단 전압을 출력할 수 있다.
예를 들어, 컨버터(110)는 다이오드 반파 정류 회로로 구성되어, 전원 공급부(50)로부터 공급되는 AC 전원을 반파 정류하여 직류 전원으로 변환할 수 있다.
이외에도, 컨버터(110)는 기존의 다이오드 대신에 도 2에 도시한 바와 같이, 4개의 스위칭 소자(Q1~Q4)를 하이 브릿지(High Bridge) 형태로 결선하여 AC 전원을 전파 정류시킬 수 있다.
평활 콘덴서(120)는 컨버터(110)와 인버터(130) 사이에 접속되고, 컨버터(20)에서 출력되는 전압을 평활하여 직류로 변환할 수 있다.
인버터(130)는 평활 콘덴서(120)에서 출력되는 직류 전압을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류(U, V, W)로 바꾸어 압축기(41)의 모터(411)를 구동하는 것으로, ６개의 스위칭 소자(Q5~Q10)와 다이오드(Freewheeling Diode)를 ３상 풀 브릿지(Full Bridge)로 결선하여 직류 전압을 3상 교류로 변환하고, 이 3상 교류를 모터(411)에 공급하는 통상의 스위칭 회로이다.
여기서, 6개의 스위칭 소자(Q5~Q10)는 고전압 접합형 트랜지스터(High Voltage Bipolar Junction Transistor), 고전압 전계 효과 트랜지스터(High Voltage Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 고전압 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 인버터(130)는 ３상 풀 브릿지(Full Bridge) 형태의 전압형 인버터(Voltage Source Inverter)로 구성될 수 있다. 즉, 인버터(130)는 6개의 스위칭 소자(Q5~Q10)가 연결될 수 있다. 구체적으로, 3 개의 상단 스위칭 소자(Q5, Q7, Q9)는 서로 병렬로 연결될 수 있고, 3개의 하단 스위칭 소자(Q6, Q8, Q10)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 3개의 상단 스위칭 소자(Q5, Q7, Q9)와 3개의 하단 스위칭 소자(Q6, Q8, Q10)는 각각 일대일로 직렬 연결될 수 있고, 3개의 상단 스위칭 소자(Q5, Q7, Q9)와 3개의 하단 스위칭 소자(Q6, Q8, Q10)는 모터(411)에 연결될 수 있다.
전류 센서(150)는 컨버터(110)의 스위칭 소자(Q3, Q4)의 하단에 접속된 션트 저항(151; shunt resistance)을 이용하여 압축기(41)의 내부 모터(411) 권선에 흐르는 전류를 검출하는 것으로, 션트 저항(151) 양단의 전압을 입력으로 하여 션트 저항(151)에 흐르는 전류를 검출하여 제어부(170)에 전달할 수 있다.
전압 센서(160)는 직류 링크단에 접속되어 직류 링크단에 걸리는 DC 링크 전압을 이용하여 압축기(41)의 내부 모터(411) 권선에 인가되는 전압을 검출하는 것으로, 전원 공급부(50)로부터 직류 링크단으로 들어오는 전류에 의하여 만들어지는 DC 링크 전압을 검출하여 제어부(170)에 전달할 수 있다.
제어부(170)는 컨버터(110)와 인버터(130)에 공급되는 PWM 신호의 패턴을 출력하여 컨버터(110)와 인버터(130)를 제어하는 것으로, 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭 소자(Q1~Q10)의 턴 온/턴 오프를 제어하는 마이크로 프로세서(MCU)로 구성될 수 있다.
또한, 제어부(170)는 압축기(41)가 운전되는 시간을 카운트하는 타이머를 포함할 수 있다.
이러한 제어부(170)는 모터(411) 권선에 인가되는 전압과 모터(411) 권선에 흐르는 전류를 이용하여 압축기(41)의 현재 소비 전력을 계산하고, 계산된 압축기(41)의 현재 소비 전력을 이용하여 저장실(20)의 고내 온도를 추정하여 압축기(41)의 운전 속도를 가변할 수 있다.
또한, 제어부(170)는 압축기(41)의 현재 운전 속도와 압축기(41)의 운전 시간을 이용하여 외기 온도를 추정하여 압축기(41)의 운전 속도를 가변할 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고 및 그 제어 방법의 동작 과정 및 작용 효과를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고의 인버터 제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 3에서, 최초 고내 온도가 상승하면, 서모스탯(60)이 동작하여(200), 인버터 제어기(100)에 전원이 인가된다(202).
이때, 인버터 제어기(100)는 최초 전원이 인가되었기 때문에 냉매 사이클의 상태 등 냉장고(1)에 대한 어떠한 정보도 없는 상태이다.
따라서, 제어부(170)는 인버터 제어기(100)에 최초 전원이 인가된 시간을 카운트하여 설정된 지연 시간(Td; 기동 실패 등으로부터 압축기를 보호하기 위한 시간, 약, 2분, 1분 또는 30초)이 경과하였는지를 판단한다(204).
단계 204의 판단 결과, 인버터 제어기(100)에 최초 전원이 인가되고 지연 시간(Td)이 경과하면, 제어부(170)는 인버터(130)를 스위칭 제어하여 압축기(41)를 온 기동시킨다(206).
압축기(41)가 기동되면, 압축기(41)의 기계부가 원활하게 동작되도록 하기 위해 오일 펌핑 운전을 수행한다(208). BLDC 압축기(41)의 모터(411) 내부에는 스프링 형태의 오일 펌핑(oil pumping) 구조가 채용되어 있는데, 이는 압축기(41) 구동 시에 압축기(41) 측으로 오일을 공급해 주기 위한 것이다.
오일 펌핑 운전 후, 압축기(41)는 저속으로 일정 시간(약, 10분) 운전한다(210).
이러한 압축기(41)의 저속 운전 중 제어부(170)는 모터(411) 권선에 인가되는 전압과 모터(411) 권선에 흐르는 전류를 이용하여 압축기(41)의 현재 소비 전력(Wc)을 계산한다(212).
이어서, 제어부(170)는 계산된 압축기(41)의 현재 소비 전력(Wc)을 설정된 기준 전력(Ws)과 비교하여(214), 저장실(20)의 고내 온도를 추정하고 압축기(41)의 운전 속도를 제어할 수 있다.
단계 214의 판단 결과, 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws) 이상이면, 제어부(170)는 저장실(20)의 고내 온도가 높은 고부하 상태라고 판단하고, 압축기(41)를 고속으로 운전시키면서(216), 단계 212로 피드백하여 이후의 동작을 진행한다.
이와 같이, 제어부(170)는 압축기(41)의 현재 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws) 이상이면, 고내 온도 조건이 냉각 능력에 비해 높다고 판단하여 압축기(41)의 운전 속도를 증가시킴으로써 높은 냉각 능력을 수행할 수 있도록 한다.
한편, 단계 214의 판단 결과, 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws) 이하이면, 제어부(170)는 저장실(20)의 고내 온도가 적정한 부하 상태라고 판단한다.
이어서, 제어부(170)는 압축기(41)의 운전 시간(Tc)을 기준 시간(Ts)과 비교하여(218), 외기 온도를 추정하고 압축기(41)의 운전 속도를 제어할 수 있다.
단계 218의 판단 결과, 압축기(41)의 운전 시간(Tc)이 기준 시간(Ts) 이상이면, 제어부(170)는 외기 온도가 높다고 판단하고, 단계 216로 진행하여 압축기(41)를 고속으로 운전시킨다.
이와 같이, 제어부(170)는 압축기(41)의 현재 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws) 이하이고, 압축기(41)의 운전 시간(Tc)이 기준 시간(Ts) 이상이면, 고내 온도 조건은 냉각 능력에 적정하나, 외기 온도 조건이 냉각 능력에 비해 높다고 판단하여 압축기(41)의 운전 속도를 증가시킴으로써 높은 냉각 능력을 수행할 수 있도록 한다.
한편, 단계 218의 판단 결과, 압축기(41)의 운전 시간(Tc)이 기준 시간(Ts) 이하이면, 제어부(170)는 외기 온도가 적정한 상태라고 판단하고, 단계 210로 진행하여 압축기(41)를 저속으로 운전시킨다.
이와 같이, 제어부(170)는 압축기(41)의 현재 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws) 이하이고, 압축기(41)의 운전 시간(Tc)이 기준 시간(Ts) 이하이면, 고내 온도와 외기 온도 조건에 냉장고(1)의 냉각 능력이 만족하는 부하 상태라고 판단하여 압축기(41)를 저속으로 운전시킴으로써 에너지 효율을 상승시키고, 소음 및 진동을 저감할 수 있도록 한다.
다음에는, 압축기(41)의 현재 소비 전력(Wc)을 이용하여 저장실(20)의 고내 온도를 추정하여 압축기(41)의 운전 속도를 가변하는 방법을 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에서 압축기 속도를 가변하는 제1제어 조건의 그래프이다.
도 4에서, 제어부(170)는 압축기(41)를 저속으로 운전하면서 발생되는 정보 즉, 압축기(41) 내부 모터(411) 권선에 인가되는 전압과 모터(411) 권선에 흐르는 전류를 이용하여 현재 압축기(41)의 소비 전력(Wc)을 계산함으로써 고내 온도를 추정하고, 압축기(41)의 운전 속도를 제어할 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 제어부(170)는 소비 전력(Wc)을 설정된 기준 전력(Ws)과 비교하여, 저장실(20)의 고내 온도를 추정할 수 있다.
먼저, 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws)보다 크면, 저장실(20)의 고내 온도가 높은 고부하 상태라고 판단하고, 제어부(170)는 냉장고(1)에 보관되는 식품의 손상을 방지하기 위해 높은 냉각 능력을 필요로 한다. 높은 냉각 능력을 위해 제어부(170)는 압축기(41)의 운전 속도를 증가시켜 고내 온도가 낮아지도록 제어함으로써 저장실(20) 내부에 정상적인 냉기가 유지될 수 있도록 한다(도 4의 고부하 운전 참조).
냉장고(1)의 부하는 도어(30)의 개폐 회수, 외기 온도, 식품의 저장량 및 식품의 온도에 따라 달라지기 때문에, 제어부(170)는 정상적인 냉기를 유지하기 위해 압축기(41)의 운전 속도를 가변할 수 있어야 한다.
또한, 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws)보다 작으면, 저장실(20)의 고내 온도가 낮은 저부하 상태라고 판단하고, 제어부(170)는 낮은 냉각 능력을 필요로 한다. 낮은 냉각 능력을 위해 제어부(170)는 압축기(41)의 운전 속도를 감소시켜 고내 온도가 유지되도록 제어함으로써 저장실(20) 내부에 정상적인 냉기가 유지될 수 있도록 한다(도 4의 저부하 운전 참조).
도 4에서, 초기 운전은 냉장고(1)를 최초에 기동시켰을 때, 압축기(41)의 운전 속도를 나타낸 것으로, 저속 운전 10분 후에 소비 전력(Wc)이 기준 전력(Ws) 이상인 경우, 고속 운전 모드로 전환하여 압축기(41)를 구동시킬 수 있다(도 4의 ⓐ참조).
한편, 제어부(170)는 압축기(41)의 각 운전 속도의 단계마다 기준 전력(Ws)을 설정하여 고내 온도에 따른 압축기(41)의 운전 속도를 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 기준 전력(Ws)을 여러 단계(Ws1, Ws2, Ws3)로 설정하고, 소비 전력(Wc)과 기준 전력(Ws1, Ws2, Ws3)의 비교 결과에 따라 압축기(41)의 운전 속도를 가변하도록 제어할 수도 있다.
이외에도, 압축기(41)의 연속 운전 시간을 이용하여 외기 온도를 추정하여 압축기(41)의 운전 속도를 가변하는 방법을 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉장고에서 압축기 속도를 가변하는 제2제어 조건의 그래프이다.
도 5에서, 제어부(170)는 압축기(41)를 저속으로 운전하면서 발생되는 정보 즉, 압축기(41)가 운전되는 시간을 누적하여 외기 온도를 추정함으로써 압축기(41)의 운전 속도를 제어할 수 있다.
다음에는 본 발명의 저용량/저가형 냉장고(1)에 사용되는 BLDC 압축기(41)의 기동 및 운전 알고리즘에 대하여 설명한다.
본 발명의 냉장고(1)에 적용되는 BLDC 압축기(41)의 내부 모터(411)의 비용 절감을 위하여 모터(411)의 회전자나 고정자의 두께, 크기, 무게를 최소화할 수 있다. 이 경우 모터(411)의 원심력 및 관성이 줄어들어 초기 기동 시, 위치 검출이 어려워져 기동 실패가 발생할 수 있다. 또한 압축기(41) 운전 중 순간 정전이 발생된 경우 냉장고(1)의 냉매 사이클에 의하여 차압이 발생될 수 있는데, 이때 BLDC 압축기(41)를 기동하게 되면 기동 실패 및 소음을 동반할 수 있다.
따라서, 인버터 제어기(100)는 압축기(41)의 초기 기동 시 역기전력이 작은 영역에 전압을 인가하여 동일 전압 대비 기동 전류의 크기를 상승시킬 수 있도록 아래와 같은 기동 알고리즘을 구현하였다.
모터(411)의 전압 방정식은 V = IR + L x di/dt + e 이다.
V는 모터 전압, I는 모터(411)에 흐르는 전류, R은 모터 권선 저항, L은 모터 권선 인덕턴스, di/dt는 시간당 전류 기울기, e는 모터(411)가 회전하면서 발생되는 역기전력이다.
압축기(41)의 초기 기동 시 L x di/dt는 작다. 따라서 이를 무시하면 I = (V-e) / R이고 여기서 V, R은 일정하므로 e가 작은 영역에서 전압을 주입하면 상대적으로 큰 전류를 흘릴 수 있으므로, 초기 기동에 대한 단점이 보완 가능하다.
또한, 모터(411)가 축소됨에 따라 BLDC 압축기(41)는 저속 운전 영역에서 맥동 발생이 가능하다.
따라서, 이런 맥동을 방지하기 위하여 BLDC 압축기(41)를 제어하기 위해 사용되는 스위칭 주파수 주기로 속도 제어 수행 주기를 설정하면, 짧은 시간에 속도 오차를 구하여 전압을 가변하여 인가할 수 있기 때문에 비교적 정확한 속도 제어가 가능하고 그에 따른 맥동 발생을 억제할 수 있다. 이를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 속도 제어기를 도시한 구성도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 속도 제어 수행 주기를 도시한 도면이다.
도 6에서, 속도 제어기(180)는 ω*(지령 속도)와 ω(현재 속도)의 속도 오차에 대한 입력 값을 기반으로 PI 제어부(181)를 이용하여 제어 목표 속도에 따른 전압 출력(듀티) 값 V*을 제어한다. 전압 출력 값은 필터(182)를 거쳐 제한된 범위 내의 값으로 최종 출력된다.
인버터(130)는 출력 전압을 기반으로 스위칭 소자(Q5~Q10, IGBT)를 구동하여 모터(411)를 동작시키고, 각 상의 중성점 전압(Ea, Eb, Ec)을 통해 ZCP 검출부(183)에서 ZCP를 검출하여 현재 속도 ω를 추정할 수 있다.
따라서, 인버터 제어기(100)는 소비 전력 값을 계산하고, 계산된 전력 값을 기반으로 운전 속도를 결정하게 되는데, 이때 결정되는 운전 속도가 지령속도 ω*가 된다.
모터(411) 운전 시 각 상(U상, V상, W상)의 중성점 전압(Ea, Eb, Ec)을 검출하는데 중성점 전압이 Vdc/2가 되는 지점을 ZCP로 판단하며, ZCP가 검출되고 다음 ZCP가 검출되는데 걸리는 시간을 기반으로 현재 속도 ω를 추정해낸다.
PI제어기(181)는 출력 수치(Output)와 목표 수치(reference)의 오차(편차)를 계산하고, 이 오차 값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산해내는 제어기를 뜻하며, P(비례) 제어기와 I(적분) 제어기가 병렬로 동작하는 구조로 이루어져 있다. 속도 제어기(180)의 PI제어기(181)는 목표 속도와 현재 속도의 오차를 입력받아 IGBT의 구동 전압을 출력할 수 있다.
속도 제어기(180)의 수행 주기를 도 7에 도시한 바와 같이, 스위칭 주파수 주기(캐리어 주파수 125sec = 8KHz)와 동기화하면 짧은 시간에 속도 오차에 대한 전압을 가변하여 인가하기 때문에 비교적 정확한 속도 제어가 가능하다.
또한, 인버터 제어기(100)는 속도 제어를 수행하기 위해 다음과 같은 제어를 수행할 수 있다.
PWM 듀티가 100% 미만이면, Lead Angle은 고정하고 PWM 듀티를 가변하여 속도를 제어할 수 있다.
그리고, 부하 증가나 고속 영역이 되면, 제어부(170)는 PWM 듀티는 100%로 고정하고 Lead Angle을 14° ~ 30°까지 제어하여 속도를 가변할 수 있다. 이를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 Lead Angle 제어기를 도시한 구성도이다.
도 8에서, Lead Angle 제어기(190)는 듀티가 100%가 된 이후 동작하게 되며, 듀티가 100% 미만인 경우는 속도 제어기(180)를 통해 전압 출력(듀티) 값을 조절한다. Lead angle 제어기(190)가 동작하면 듀티는 100%로 고정되고 ω*(지령 속도)와 ω(현재 속도)의 속도 오차에 대한 입력 값을 기반으로 PI 제어부(191)를 이용하여 제어 목표 속도에 따른 Lead angle 값 *을 출력한다. 출력된 Lead angle 값은 필터(192)를 거쳐 14° ~ 30°의 값으로 제어된다.
인버터(130)는 출력 전압을 기반으로 스위칭 소자(Q5~Q10, IGBT)를 구동하여 모터(411)를 동작시키고, 각 상의 중성점 전압 Ea, Eb, Ec를 통해 ZCP 검출부(183)에서 ZCP를 검출하여 현재 속도 ω를 추정한다.
따라서, 인버터 제어기(100)는 소비 전력 값을 계산하고, 계산된 전력 값을 기반으로 운전 속도를 결정하게 되는데, 이때 결정되는 운전 속도가 지령속도 ω*가 된다.
모터(411) 운전 시 각 상(U상, V상, W상)의 중성점 전압(Ea, Eb, Ec)을 검출하는데 중성점 전압이 Vdc/2가 되는 지점을 ZCP로 판단하며, ZCP가 검출되고 다음 ZCP가 검출되는데 걸리는 시간을 기반으로 현재 속도 ω를 추정해낸다.
PI제어기(191)는 출력 수치(Output)와 목표 수치(reference)의 오차(편차)를 계산하고, 이 오차 값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산해내는 제어기를 뜻하며, P(비례) 제어기와 I(적분) 제어기가 병렬로 동작하는 구조로 이루어져 있다. Lead Angle제어기(190)의 PI제어기(191)는 목표 속도와 현재 속도의 오차를 입력 받아 Lead angle 값을 출력할 수 있다.
또한, 인버터 제어기(100)는 BLDC 압축기(411)를 과부하 영역에서 운전하는 경우 많은 전류가 필요하게 된다. 모터(411) 권선에 전류가 커지면 인버터 제어기(100)의 IPM 스위칭에 따라 Freewheeling 전류가 발생하게 된다. 이 전류로 인하여 ZCP 검출이 잘못되어 BLDC 압축기(411)가 정상적으로 운전되지 못해 정지할 수 있다.
이러한 ZCP 오검출을 방지하기 위하여 본 발명의 인버터 제어기(100)는 ZCP 검출 전 Freewheeling 구간을 체크할 수 있다.
이와 같이, ZCP 검출 전 Freewheeling 구간을 체크함으로써 BLDC 압축기(41)는 과부하 영역에서도 정상 운전이 가능하다. 여기서 Freewheeling 구간을 체크하는 방법을 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 Freewheeling 구간을 체크하는 방법을 설명한 도면이다.
도 9에서, ZCP 검출을 Low에서 High로 하는 경우 DC 링크 전압의 7/8 이하로 설정하고, ZCP 검출을 High에서 Low로 하는 경우 DC 링크 전압의 1/8 이상으로 설정할 수 있다.
이와 같이, 인버터 제어기(100)의 특화된 알고리즘을 통해 압축기(41)의 기동 실패 및 소음의 단점을 보완할 수 있게 된다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당 업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 외관을 형성하고, 저장실이 형성되는 하우징;
    상기 저장실의 고내 온도에 따라 동작하는 서모스탯;
    상기 서모스탯의 동작에 따라 동작을 개시하는 압축기; 및
    상기 압축기의 운전 정보를 이용하여 상기 압축기의 운전 속도를 제어하는 인버터 제어기;를 포함하는 냉장고.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축기의 운전 정보는,
    상기 압축기 내부 모터 권선에 인가되는 전압, 상기 모터 권선에 흐르는 전류, 상기 압축기의 운전 시간, 상기 압축기의 운전 속도 중 적어도 하나를 포함하는 냉장고.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 모터 권선에 인가되는 전압과 상기 모터 권선에 흐르는 전류를 이용하여 상기 압축기의 소비 전력(Wc)을 계산하고, 상기 계산된 소비 전력(Wc)을 이용하여 상기 고내 온도를 추정하여 상기 압축기의 운전 속도를 가변 제어하는 냉장고.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 소비 전력(Wc)을 설정된 기준 전력(Ws)과 비교하여, 상기 소비 전력(Wc)이 상기 기준 전력(Ws) 이상이면 상기 고내 온도가 높다고 판단하고, 상기 압축기의 운전 속도를 증가시키는 냉장고.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 압축기의 각 운전 속도의 단계마다 기준 전력을 설정하여 상기 고내 온도에 따라 상기 압축기의 운전 속도를 단계적으로 변화시켜 제어하는 냉장고.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 소비 전력(Wc)을 설정된 기준 전력(Ws)과 비교하여, 상기 소비 전력(Wc)이 상기 기준 전력(Ws) 이하이면 상기 고내 온도가 적정한 부하 조건이라고 판단하고, 상기 압축기를 저속 운전시키는 냉장고.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 압축기의 운전 속도 또는 상기 압축기의 운전 시간(Tc)을 이용하여 외기 온도를 추정하여 상기 압축기의 운전 속도를 가변 제어하는 냉장고.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 압축기의 운전 시간(Tc)을 설정된 기준 시간(Ts)과 비교하여, 상기 운전 시간(Tc)이 상기 기준 시간(Ts) 이상이면 상기 외기 온도가 높다고 판단하고, 상기 압축기의 운전 속도를 증가시키는 냉장고.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 압축기의 운전 시간(Tc)을 설정된 기준 시간(Ts)과 비교하여, 상기 운전 시간(Tc)이 상기 기준 시간(Ts) 이하이면 상기 외기 온도가 적정한 부하 조건이라고 판단하고, 상기 압축기를 저속 운전시키는 냉장고.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 서모스탯은,
    상기 고내 온도의 증가에 따라 통전 가능한 상태가 되어 상기 인버터 제어기에 전원을 인가하는 냉장고.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 서모스탯에 의해 회로가 통전된 경우, 상기 압축기 내부 BLDC 모터를 구동시키는 냉장고.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 압축기의 제어 시, 발생되는 스위칭 노이즈를 차단하는 필터;를 더 포함하는 냉장고.
  13. BLDC 압축기;
    저장실의 고내 온도에 따라 전기적 신호를 전달하는 서모스탯;
    상기 서모스탯에서 전달된 전기적 신호에 따라 상기 BLDC 압축기를 저속으로 운전시키는 인버터 제어기;를 포함하고,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 BLDC 압축기의 저속 운전 중에, 상기 BLDC 압축기 내부 모터 권선에 인가되는 전압과 상기 모터 권선에 흐르는 전류를 이용하여 상기 BLDC 압축기의 소비 전력(Wc)을 계산하고, 상기 계산된 소비 전력을 이용하여 상기 고내 온도를 추정하여 상기 BLDC 압축기의 운전 속도를 제어하는 냉장고.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 BLDC 압축기의 운전 속도 또는 상기 BLDC 압축기의 운전 시간(Tc)을 이용하여 외기 온도를 추정하여 상기 BLDC 압축기의 운전 속도를 제어하는 냉장고.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 인버터 제어기는,
    상기 BLDC 압축기의 각 운전 속도의 단계마다 기준 전력을 설정하여 상기 고내 온도에 따라 상기 BLDC 압축기의 운전 속도를 단계적으로 변화시켜 제어하는 냉장고.
  16. 저장실이 형성되는 하우징과, 상기 저장실의 고내 온도에 따라 동작하는 서모스탯과, 상기 서모스탯의 동작에 따라 동작을 개시하는 압축기를 구비하는 냉장고의 제어 방법에 있어서,
    상기 압축기 내부 모터 권선에 인가되는 전압과 상기 모터 권선에 흐르는 전류를 검출하여 상기 압축기의 소비 전력(Wc)을 계산하고;
    상기 계산된 소비 전력(Wc)을 설정된 기준 전력(Ws)과 비교하여, 상기 소비 전력(Wc)이 상기 기준 전력(Ws) 이상이면, 상기 압축기의 운전 속도를 증가시키고;
    상기 소비 전력(Wc)이 상기 기준 전력(Ws) 이하이면, 상기 압축기를 저속 운전시키는 것;을 포함하는 냉장고의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 압축기의 각 운전 속도의 단계마다 기준 전력을 설정하여 상기 고내 온도에 따라 상기 압축기의 운전 속도를 단계적으로 증가시키는 것;을 더 포함하는 냉장고의 제어 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 압축기의 운전 시간(Tc)을 카운트하여 설정된 기준 시간(Ts)과 비교하고;
    상기 운전 시간(Tc)이 상기 기준 시간(Ts) 이상이면, 상기 압축기의 운전 속도를 증가시키고;
    상기 운전 시간(Tc)이 상기 기준 시간(Ts) 이하이면, 상기 압축기를 저속 운전시키는 것;을 더 포함하는 냉장고의 제어 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 압축기는,
    BLDC 압축기인 냉장고의 제어 방법.
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