KR20110132939A - 모터 및 이를 구비한 압축기의 운전 제어 장치 - Google Patents

Abstract

모터 제어 장치와 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치가 개시된다. 본 발명은, 하나의 과부하 보호기를 평활 커패시터와 인버터의 사이에 구비하여 압축기의 온도가 높거나 지나치게 많은 전류가 흐르는 등 과부하가 발생하면 모터에 인가되는 전원을 용이하게 차단한다.

Description

모터 및 이를 구비한 압축기의 운전 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING MOTOR AND OPERATION OF COMPRESSOR INCLUDING THE MOTOR}

본 발명은 모터 및 이를 구비한 압축기에 관한 것으로서, 특히 압축기의 온도가 높거나 지나치게 많은 전류가 흐를 경우 전원을 차단하여 압축기를 보호하는 모터 제어 장치 및 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 모터 제어 장치 및 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치는 입력 전원에 접속된 교류-직류 컨버터와, 평활 커패시터와, 평활 커패시터에 연결되어 모터를 구동하는 전원을 공급하는 인버터를 포함한다. 모터 제어 장치 및 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치는, 압축기에 부착되거나, 입력 전원에 연결되어 압축기의 온도가 높거나 지나치게 많은 전류가 흐르는 등 과부하가 발생하면 상기 모터에 인가되는 전원을 차단하는 과부하 보호기를 더 포함할 수 있다.

종래 기술에 따른 모터 제어 장치 및 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치는, 특히 3상을 이용하는 경우에, 3상의 부하 전류를 차단하기 위해서 입력 전원에 퓨즈 등을 연결하여 과부하 시에 부하의 전류를 모두 차단한다. 이 경우에는, 과부하 보호기의 동작 특성상 전류와 온도가 모두 적용되도록 설치되어야 하므로, 과부하 보호기는 압축기에 부착하고, 과부하 보호기의 통전 상만을 입력 전원단에 설치한다. 그러나, 이 경우에는 입력 전류와 부하의 전류가 동일하지 않게 되어 과부하 보호기의 선정이 어려운 문제점이 있다.

또 다른 예로, 3상 모터와 이를 구비한 압축기의 경우에, 3상의 부하 전류를 차단하기 위해 2개 이상의 과부하 보호기를 구비하여 부하 전류를 차단하였다. 모터가 구동되는 상태에서는 1상만 차단하는 경우에 모터가 정지되지 아니하고, 계속해서 회전 운동을 하기 때문에 동시에 2상의 전원을 차단하여야 하는 문제점이 있고, 과부하 보호기의 동작점의 산포에 의해 동시에 구동되지 아니하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 과부하 보호기를 구비하여 3상 모터 및 이를 구비한 압축기의 과부하 발생 시에 전원을 용이하게 차단할 수 있도록 한 모터 제어 장치 및 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 상용 전원의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터에 병렬 연결되고, 상기 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터와, 상기 평활화된 직류 전압을 압축기 내에 구비된 모터의 구동 전압으로 변환하여 출력하는 인버터와, 상기 평활 커패시터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 과부하 시에 상기 평활 커패시터와 상기 인버터 사이의 연결을 차단하는 과부하 보호기를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 모터 제어 장치에 있어서, 상기 과부하 보호기는, 상기 평활 커패시터의 플러스 단과, 상기 인버터의 입력단의 사이에 구비되거나, 또는 상기 인버터의 출력단과, 상기 평활 커패시터의 마이너스 단의 사이에 구비된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 장치는, 3상의 브러쉬리스 직류 모터를 구비한 압축기의 운전을 제어하는 장치에 있어서, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전원의 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터와, 상기 3상의 브러쉬리스 직류 모터에 인가되는 전류 또는 상기 압축기의 온도를 근거로 상기 평활 커패시터로부터 출력되는 전류를 차단하는 과부하 보호기를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 장치에 있어서, 상기 과부하 보호기는, 상기 평활 커패시터의 플러스 단과, 상기 인버터의 입력단의 사이에 구비되거나, 또는 상기 인버터의 출력단과, 상기 평활 커패시터의 마이너스 단의 사이에 구비된다.

본 발명에 따라 하나의 과부하 보호기를 구비하여 압축기의 온도가 높거나 지나치게 많은 전류가 흐르는 등 과부하가 발생하면 모터에 인가되는 전원을 용이하게 차단함으로써 시스템의 안정성을 높이고, 사용자의 편의성을 제고하며, 제작 비용을 절감한다.

도 1은 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 압축기의 운전 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 도;
도 3은 본 발명의 다른 예에 따른 압축기의 운전 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치를 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 상용 전원(10)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(20)와, 상기 컨버터에 병렬 연결되고, 상기 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터(30)와, 상기 평활화된 직류 전압을 압축기 내에 구비된 모터(50)의 구동 전압으로 변환하여 출력하는 인버터(40)와, 상기 평활 커패시터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 과부하 시에 상기 평활 커패시터와 상기 인버터 사이의 연결을 차단하는 과부하 보호기(70)를 포함하여 구성된다.

상기 컨버터(20)는, 교류-직류 변환 유닛(AC-DC Converter)으로서, 다이오드 정류기의 조합으로 구성되고, 입력 전원, 즉 상용 전원(10)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 이때, 직류 전압은 실제로는 맥류이다.

상기 평활 커패시터(30)는, DC 링크 커패시터라고도 하며, 상기 컨버터(20)로부터 출력된 상기 맥류 형태의 직류 전압을 평활화하여 상기 인버터(40) 단으로 출력한다. 상용 전원(10)에 입력되는 전원이 AC 220V일 때, 상기 평활 커패시터(30)에 걸리는 전압은 DC 310V 정도가 된다.

상기 인버터(40)는 상기 평활 커패시터(30)로부터 출력된 직류 전압을 제어 신호에 따라 모터 구동 전압으로 변환하여 상기 모터(50)에 출력한다. 상기 인버터(40)는 복수의 스위칭 소자, 예를 들어 트랜지스터를 구비한다.

상기 과부하 보호기(70)는 상기 평활 커패시터(30)와 상기 인버터(40)의 스위칭 소자의 사이에 구비되어 상기 모터(50)에 인가되는 전류가 일정 값 이상으로 과부하가 되면 상기 평활 커패시터(30)와 상기 인버터(40)의 연결을 단락한다. 상기 과부하 보호기(70)는 상기 모터(50)에 인가되는 전류를 감지하는 전류 감지부를 포함한다.

상기 모터(40)는 브러쉬리스 직류 모터(Brushless Direct Current Motor; BLDC)일 수 있다. 상기 브러쉬리스 직류 모터(이하, BLDC)는 DC 모터에서 브러쉬와 정류자(Commutator)를 없애고 전자적인 정류 기구를 설치한 모터로서, 기계적, 전기적 노이즈가 적다. 상기 BLDC 모터는 중심에 회전하는 마그넷을 구비하고, 그 주변 둘레에 구동 코일을 구비한다. 또한, 상기 BLDC 모터는, 정류자가 없으므로 전자 정류 회로를 더 포함하여 구성된다. 상기 전자 정류 회로는 홀 소자 등의 자극 센서를 사용하여 마그넷 로터의 위치를 센싱한다. 또는 상기 BLDC 모터는 후술하는 센서리스 알고리즘에 의해 제어된다. 상기 BLDC 모터는, VTR의 실린더, 카세트 데크의 캡스턴, FDD, CD 플레이어 등의 높은 회전 성능과 긴 수명이 요구되는 분야에 사용되고, 최근에는 세탁기, 건조기 등의 가전기기에 사용된다.

3상의 BLDC 모터를 사용할 때 상기 과부하 보호기(70) (Over Load Protector; OLP)는 각 상에 설치되어야 한다. 그러나, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 상기 평활 커패시터와 상기 인버터의 사이에 하나의 과부하 보호기만을 사용한다.

상기 모터 제어 장치는, 상기 인버터(40)에 제어 신호를 출력하여 상기 모터(50)를 구동하도록 하는 제어 유닛(60)을 더 포함하여 구성된다. 상기 제어 유닛(60)은 모터 구동 전류와 속도 지령을 근거로 전압 지령을 산출하고, 전압 지령과 삼각반송파를 근거로 상기 제어 신호를 생성하여 상기 인버터(40)에 출력한다. 상기 제어 유닛(60)은 상기 모터(50)의 상태를 검출하여 모터 운전 상태를 근거로 인버터를 구동하는 제어 신호를 상기 인버터(40)에 공급하여 상기 인버터(40)를 통해 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변경하도록 한다. 여기서, 상기 제어 신호는 일반적으로 상기 인버터(40)의 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조) 전압 듀티를 제어하는 PWM 신호이다.

상기 모터 제어 장치는, 상기 모터에 인가되는 전류, 즉 모터 구동 전류를 검출하는 전류 센서를 더 포함하여 구성된다. 예를 들어, 상기 전류 센서는, 상기 인버터(40)와 상기 모터(50)의 사이에 연결되어 연속적으로 상기 모터 구동 전류를 검출하는 전류 트랜스듀서(Current Transducer)이다. 상기 전류 트랜스듀서는 상기 모터 구동 전류를 검출하여 이를 전압 신호로 변환하여 상기 제어 유닛(60)에 출력한다. 예를 들어, 3상 브러쉬리스 직류 모터(Brushless Direct Current Motor; BLDC)의 경우에 상기 전류 센서는 3상으로 인가되는 전류 중 2상(iu, iv)을 검출하여 상기 제어 유닛(60)에 출력한다. 상기 제어 유닛(60)은 인터럽트 신호를 발생하여 상기 검출된 모터 구동 전류에 따른 전압 신호를 샘플링한다. 상기 전류 센서는 도 2 또는 도 3에 도시한 바와 같이 상기 인버터(40) 내의 복수의 스위칭 소자(41)의 출력단에 연결된 저항(42), 즉 션트 저항(Shunt Resister)일 수 있다.

상기 모터 제어 장치는, 일반적으로 센서리스 알고리즘을 이용한다. 즉, 상기 제어 유닛(60)은 상기 모터의 속도와 상기 모터 내에 구비된 회전자의 위치를 연산하고, 속도 지령과 연산 속도를 입력받아 전류 지령을 출력하며, 전류 지령과 검출 전류를 입력받아 전압 지령을 출력한다. 또한, 상기 제어 유닛은, 삼각반송파와 전압 지령을 비교하고, 비교 결과에 따라 제어 신호를 생성한다. 또한, 상기 제어 유닛은, 검출된 모터 구동 전류를 입력받고, 센서리스 알고리즘을 이용하여 모터의 속도와 모터 내에 구비된 회전자의 위치를 연산하여 추정한다.

상기 제어 유닛은, 사용자가 원하는 속도 지령과, 추정 연산된 속도를 비교하고, 속도 지령과 연산 속도를 입력받아 상기 속도 지령과 상기 연산 속도의 차, 즉 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령을 생성한다. 그런 다음, 상기 제어 유닛은, q축 전류 지령과 d축 전류 지령을 이용하여 전압 지령을 생성한다. 상기 제어 유닛은, q축 전류 지령을 비례 적분 제어기와 필터를 이용하여 q축 전압 지령을 생성하고, q축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환하여 q축 연산 전류와 비교한 전류 오차를 비례 적분 제어기와 필터를 이용하여 q축 전압 지령을 생성한다. 또한, 상기 제어 유닛은, d축 전류 지령을 비례 적분 제어기와 필터를 이용하여 d축 전압 지령을 생성하고, 상기 d축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환하여 d축 연산 전류와 비교한 전류 오차를 비례 적분 제어기와 필터를 이용하여 d축 전압 지령을 생성한다.

상기 제어 유닛은, 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계의 전압 지령으로 축 변환한 다음, 정지좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 예를 들어 3상 BLDC 모터의 경우에, 상기 제어 유닛(60)은 정지좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령으로 변환하여 상기 인버터(40)에 출력한다.

상기 모터 제어 장치는 상기 제어 유닛(60)에 상기 평활 커패시터로부터 출력된 전압을 일정한 값의 직류 전압, 예를 들어 5V로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환 유닛(DC-DC Converter), 즉 레귤레이터(Regulator)를 더 포함할 수 있다.

상기 과부하 보호기(70)는, 상기 평활 커패시터의 (+) 단과, 상기 인버터의 입력단의 사이에 구비되거나, 또는 상기 인버터의 출력단과, 상기 평활 커패시터의 (-) 단의 사이에 구비된다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 장치는, 3상의 브러쉬리스 직류 모터를 구비한 압축기의 운전을 제어하는 장치에 있어서, 상용 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(20)와, 상기 직류 전원의 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터(30)와, 상기 3상의 브러쉬리스 직류 모터에 인가되는 전류 또는 상기 압축기의 온도를 근거로 상기 평활 커패시터로부터 출력되는 전류를 차단하는 과부하 보호기(71)를 포함하여 구성된다. 상기 과부하 보호기(71)는, 상기 평활 커패시터의 플러스 단과, 상기 인버터의 입력단의 사이에 구비된다.

상기 컨버터(20)는, 교류-직류 변환 유닛(AC-DC Converter)으로서, 다이오드 정류기의 조합으로 구성되고, 입력 전원, 즉 상용 전원(10)을 직류 전원으로 변환한다. 이때, 직류 전원은 실제로는 맥류이다.

상기 평활 커패시터(30)는, DC 링크 커패시터라고도 하며, 상기 컨버터(20)로부터 출력된 상기 맥류 형태의 직류 전원을 평활화하고, 이를 저장하여 상기 인버터(40) 단으로 출력한다. 상용 전원(10)에 입력되는 전원이 AC 220V일 때, 상기 평활 커패시터(30)에 걸리는 전압은 DC 310V 정도가 된다.

상기 인버터(40)는 상기 평활 커패시터(30)로부터 출력된 직류 전압을 제어 신호에 따라 모터 구동 전압으로 변환하여 상기 모터(50)에 출력한다. 상기 인버터(40)는 복수의 스위칭 소자(41), 예를 들어 IGBT, MOSFET 등의 트랜지스터를 구비한다. 또한, 상기 인버터(40)는 상기 3상 브러쉬리스 직류 모터에 인가되는 전류를 감지하는 션트 저항(42)을 더 포함하여 구성된다. 모터에 인가되는 전류를 센싱하는 전류 센서로 상기 션트 저항 대신에, 상기 인버터(40)와 상기 모터(50)의 사이에 연결되어 연속적으로 센싱하는 전류 트랜스듀서를 사용할 수 있다.

상기 과부하 보호기(71)는 상기 평활 커패시터(30)의 (+)단과 상기 인버터(40)의 스위칭 소자의 입력단의 사이에 구비되어 상기 3상의 브러쉬리스 직류 모터에 인가되는 전류 또는 상기 압축기의 온도를 근거로 상기 평활 커패시터로부터 출력되는 전류를 차단한다. 상기 과부하 보호기(70)는 모터에 인가되는 전류를 감지하는 전류 감지부를 포함한다. 또한, 상기 과부하 보호기(70)는 상기 압축기의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 브러쉬리스 직류 모터(이하, BLDC)는 DC 모터에서 브러쉬와 정류자(Commutator)를 없애고 전자적인 정류 기구를 설치한 모터로서, 중심에 회전하는 마그넷을 구비하고, 그 주변 둘레에 구동 코일을 구비한다. 또한, 상기 BLDC 모터는, 정류자가 없으므로 전자 정류 회로를 더 포함하여 구성된다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 압축기의 운전 제어 장치는, 3상의 브러쉬리스 직류 모터를 구비한 압축기의 운전을 제어하는 장치에 있어서, 상용 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(20)와, 상기 직류 전원의 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터(30)와, 상기 3상의 브러쉬리스 직류 모터에 인가되는 전류 또는 상기 압축기의 온도를 근거로 상기 평활 커패시터로부터 출력되는 전류를 차단하는 과부하 보호기(72)를 포함하여 구성되고, 상기 과부하 보호기(72)는 상기 인버터의 출력단과, 상기 평활 커패시터의 마이너스 단의 사이에 구비된다. 이하, 다른 구성 요소에 대한 설명은 도 1 또는 도 2에 대한 설명에 갈음하고 생략한다.

도 2에서의 과부하 보호기(71)와 달리, 도 3에서의 과부하 보호기(72)는, 상기 평활 커패시터의 (-)단에 연결된다. 도 2에서의 과부하 보호기(71)는 상기 평활 커패시터(30)의 출력단, 즉 (+)단과 상기 인버터(40)의 입력단에 연결되는 회로 결선 위에 부착되어 부하 전류를 직접적으로 과부하 보호기에 통전시키면서 하나의 과부하 보호기만으로 3상의 부하 전류를 모두 차단할 수 있도록 형성된다. 반면, 도 3에서의 과부하 보호기(72)는 상기 인버터(40)로부터 입력 전원단으로 돌아 나오는 전류를 검출하는 위치에 부착되어 역시 하나의 과부하 보호기를 이용하여 3상의 부하 전류를 모두 차단하도록 형성된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 장치와 상기 모터를 구비한 압축기의 운전 제어 장치는, 하나의 과부하 보호기를 평활 커패시터와 인버터의 사이에 구비하여 압축기의 온도가 높거나 지나치게 많은 전류가 흐르는 등 과부하가 발생하면 모터에 인가되는 전원을 용이하게 차단할 수 있다.

10 : 상용 전원 20 : 컨버터
30 : 평활 커패시터 40 : 인버터
50 : 모터 60 : 제어유닛
70, 71, 72 : 과부하 보호기 80 : 압축기

Claims (7)

1. 상용 전원의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터;
   상기 컨버터에 병렬 연결되고, 상기 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터;
   상기 평활화된 직류 전압을 압축기 내에 구비된 모터의 구동 전압으로 변환하여 출력하는 인버터; 및
   상기 평활 커패시터와 상기 인버터의 사이에 구비되고, 과부하 시에 상기 평활 커패시터와 상기 인버터 사이의 연결을 차단하는 과부하 보호기;를 포함하는 모터 제어 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 과부하 보호기는,
   상기 평활 커패시터의 플러스 단과, 상기 인버터의 입력단의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 과부하 보호기는,
   상기 인버터의 출력단과, 상기 평활 커패시터의 마이너스 단의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 모터는,
   3상의 브러쉬리스 직류 모터인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
5. 3상의 브러쉬리스 직류 모터를 구비한 압축기의 운전을 제어하는 장치에 있어서,
   상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터;
   상기 직류 전원의 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활 커패시터; 및
   상기 3상의 브러쉬리스 직류 모터에 인가되는 전류 또는 상기 압축기의 온도를 근거로 상기 평활 커패시터로부터 출력되는 전류를 차단하는 과부하 보호기;를 포함하는 압축기의 운전 제어 장치.
6. 제5 항에 있어서, 상기 과부하 보호기는,
   상기 평활 커패시터의 플러스 단과, 상기 인버터의 입력단의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.
7. 제5 항에 있어서, 상기 과부하 보호기는,
   상기 인버터의 출력단과, 상기 평활 커패시터의 마이너스 단의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 압축기의 운전 제어 장치.

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