[논문]싱글 로터리 컴프레셔의 온라인 부하 토크리플 보상기

구본관

doi:10.6113/tkpe.2014.19.5.457

싱글 로터리 컴프레셔의 온라인 부하 토크리플 보상기
Online Load Torque Ripple Compensator for Single Rolling Piston Compressor 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.5, 2014년, pp.457 - 462

구본관 (School of Energy Eng., Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Given their low cost, single rolling piston compressors (SRPC) are utilized in low-power room air-conditioning systems. The SRPC cycle is composed of one compression and discharge process per mechanical rotation. The load torque is high during the compression process of the refrigerants and low during the discharge process of the refrigerants. This load torque variation induces a speed ripple and severe vibration, which cause fatigue failures in the pipes and compressor parts, particularly under low-speed conditions. To reduce the vibration, the compressor usually operates at a high-speed range, where the rotor and piston inertia reduce the vibration. At a low speed, a predefined feed-forward load torque compensator is used to minimize the speed ripple and vibration. However, given that the load torque varies with temperature, pressure, and speed, a predefined load torque table based on one operating condition is not appropriate. This study proposes an online load torque compensator for SRPC. The proposed method utilizes the speed ripple as a load torque ripple factor. The speed ripple is transformed into a frequency domain and compensates each frequency harmonic term in an independent feed-forward manner. Experimental results are presented to verify the proposed method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 싱글로터리 압축기용 저속 운전 부하 토크리플 보상기를 제안하였다. 제안된 보상기는 부하패턴을 미리 알아내지 않고도 실시간으로 속도의 주파수 성분을 감지하여 진동을 최소화 할 수 있어 다양한 압축기, 다양한 환경에서 사용가능 할 것이다.
본 논문에서는 싱글로터리압축기의 저속 운전 시에 발생하는 부하토크 리플의 영향을 최소화할 수 있는 실시간 부하 토크리플 보상기를 제안한다. 제안된 기법은 속도 리플의 주파수 성분을 계산하고, 이를 최소화하는 방향으로 보상토크를 주입하는 방식으로 구성되어 있다.

제안 방법

실험에 사용된 압축기는 IPM형 모터를 채용하고 있어, 토크명령에 대해서 dq축 전류가 각각 생성되어야 한다. 그러나 실험의 단순화를 위해서 모터의 d-축전류를 0으로 제어하고 q축 전류만으로 토크를 발생시키는 방식을 적용하였다. 그림.
압축기의 진동 크기를 측정할 수 있도록 진동 측정장비(Bruel&Kajaer사, 3560C)를 사용하였다. 압축기 제어를 위해서 제품의 인버터가 아닌 별도로 구성된 인버터로 구동하였으며, 센서리스 알고리즘을 이용하여 속도제어를 할 수 있도록 하였다.[8] 전류제어기는 PI제어 기를 사용하였으며, 대역폭은 100Hz로 구성하였다.
압축기의 진동 크기를 측정할 수 있도록 진동 측정장비(Bruel&Kajaer사, 3560C)를 사용하였다.
본 논문에서는 싱글로터리압축기의 저속 운전 시에 발생하는 부하토크 리플의 영향을 최소화할 수 있는 실시간 부하 토크리플 보상기를 제안한다. 제안된 기법은 속도 리플의 주파수 성분을 계산하고, 이를 최소화하는 방향으로 보상토크를 주입하는 방식으로 구성되어 있다. 실험을 통하여 진동이 많이 감소됨을 보여 제안된 기법의 효용성을 입증하였다^[6],[7].
따라서 가장 큰 1차와 2차의 진동성분을 최소화하게 되면 진동의 양을 현격히 줄일 수 있게 될 것이다. 제안된 부하토크 보상 알고리즘은 주요 진동 인자와 마이크로프로세서의 연산능력을 고려하여 1차와 2차의 부하 토크리플에 대해서만 보상을 구현하였다. 그림 6(b)에서와 같이 제안된 제어기를 적용하면 1차와 2차 성분의 진동이 상당히 감소된 것을 볼 수 있다.
그림에는 n차에 대한 것만 표시하였으나, 실제 구현에서는 필요한 차수에 대해서 각각 구현하여 출력된 보상토크를 합쳐서 부하보상 토크명령으로 인가되게 된다. 제안된 알고리즘에서는 부하토크 리플의 크기는 찾아가도록 하고 위상은 미리 고정시켰다. 이는 진동을 일으키는 부하토크 리플의 주요 성분이 저주파에 위치해 있으며, 저주파 성분의 위상변화는 운전점의 환경 변화에 의한 영향은 크기성분에 비하여 작기 때문에 이다.
부하토크 보상을 하지 않게 되면 부하토크의 리플에 따라 속도의 리플이 존재하며 속도제어기에서 이를 보상하기 위해 동작되어 q축 전류에도 리플이 존재한다. 제안된 알고리즘은 추정된 압축기 속도를 Feedback 받아서 필요한 진동대응(부하대응)토크 명령을 만들어 낸다. 압축기 속도로부터 싱글 로터리의 부하 패턴을 검출하여 토크제어기 명령에 속도제어기 명령과 합쳐져서 인가된다.

대상 데이터

압축기 제어를 위해서 제품의 인버터가 아닌 별도로 구성된 인버터로 구동하였으며, 센서리스 알고리즘을 이용하여 속도제어를 할 수 있도록 하였다.[8] 전류제어기는 PI제어 기를 사용하였으며, 대역폭은 100Hz로 구성하였다. 압축기의 정격속도는 60Hz (3600rpm)이며, 제품의 운전은이 정격 속도에서 이루어질 경우 진동 발생이 적게 나왔으나, 속도가 낮을 경우 심한 진동이 발생하였다.
5는 실험 구성을 보여준다. 실험은 양산 에어컨인 SNW091AAW(LG전자)를 사용하였으며, 실외기 내부에 설치되어 있는 압축기를 배관 수정하여 외부에 설치하였다. 압축기의 진동 크기를 측정할 수 있도록 진동 측정장비(Bruel&Kajaer사, 3560C)를 사용하였다.

성능/효과

제안된 기법은 속도 리플의 주파수 성분을 계산하고, 이를 최소화하는 방향으로 보상토크를 주입하는 방식으로 구성되어 있다. 실험을 통하여 진동이 많이 감소됨을 보여 제안된 기법의 효용성을 입증하였다^[6],[7].
그림 6(b)에서와 같이 제안된 제어기를 적용하면 1차와 2차 성분의 진동이 상당히 감소된 것을 볼 수 있다. 전체 진동의 크기는 2.64m/s²이고, 1차성분의 진동양은 약 2.5m/s², 2차성분은 약 0.6m/s²정도로 약 75%정도의 감소를 보여줬다. 3차 진동성분을 비교해보면, 보상을 하지 않았으므로 거의 변화가 없어야 하는데 진동이 조금 증가함을 관찰할 수 있다.
그림 8은 각 운전 주파수별 진동의 양을 측정한 결과를 비교한 것 이다. 제안된 부하 토크리플 보상기법을 사용하면 운전 주파수가 25Hz-30Hz사이가 가장 많은 진동 감소 결과를 얻을 수 있었다. 35Hz 이상에서는 관성에 의해서 진동의 효과가 줄어들어 개선 효과가 높지 않았다.

후속연구

부하의 1, 2차 성분의 경우에는 그 위상 변화가 크지 않으나, 3차 이상의 성분에서는 상대적인 위상변화가 크다. 따라서 3차이상의 부하토크 리플 보상이 필요한 경우에는 크기뿐 아니라 위상 변화에 대해서도 제안된 알고리즘을 수정 및 적용하여 속도 리플을 최소화 하는 방향으로 구현하면 진동 저감에 도움이 될 것 예상된다.
본 논문에서는 싱글로터리 압축기용 저속 운전 부하 토크리플 보상기를 제안하였다. 제안된 보상기는 부하패턴을 미리 알아내지 않고도 실시간으로 속도의 주파수 성분을 감지하여 진동을 최소화 할 수 있어 다양한 압축기, 다양한 환경에서 사용가능 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 제안한 싱글로터리 압축기용 저속 운전 부하 토크리플 보상기는 어떠한가?	본 논문에서는 싱글로터리 압축기용 저속 운전 부하 토크리플 보상기를 제안하였다. 제안된 보상기는 부하패턴을 미리 알아내지 않고도 실시간으로 속도의 주파수 성분을 감지하여 진동을 최소화 할 수 있어 다양한 압축기, 다양한 환경에서 사용가능 할 것이다. 또한, 본 논문에서는 기술하지는 않았으나, 각 주파수별 위상 정보가 부하별로 변화가 발생한다. 부하의 1, 2차 성분의 경우에는 그 위상 변화가 크지 않으나, 3차 이상의 성분에서는 상대적인 위상변화가 크다. 따라서 3차이상의 부하토크 리플 보상이 필요한 경우에는 크기뿐 아니라 위상 변화에 대해서도 제안된 알고리즘을 수정 및 적용하여 속도 리플을 최소화 하는 방향으로 구현하면 진동 저감에 도움이 될 것 예상된다.
	압축기의 역할은?	압축사이클은 압축기와 Condenser, Evaporator로 구성된다. 압축기는 냉매를 단열압축하여 고온상태로 만들어 Condenser로 보내고, 실외기 팬을 통해서 Condenser 냉매의 열을 배출하게 된다. 온도가 낮아진 냉매는 실내기의 Evaporator에서 압력이 낮아져 단열 팽창으로 급격히 기화되면서 온도가 낮아지게 되다.
	에어컨의 압축사이클은 무엇으로 구성되는가?	그림 1은 에어컨시스템의 압축사이클(Compression cycle)을 보여준다. 압축사이클은 압축기와 Condenser, Evaporator로 구성된다. 압축기는 냉매를 단열압축하여 고온상태로 만들어 Condenser로 보내고, 실외기 팬을 통해서 Condenser 냉매의 열을 배출하게 된다.

참고문헌 (9)

S. Lim, J. Lim, and T. Park, "Load torque compensation for low vibration & low speed control of air-con single rotary compressor," KIPE Power Electronics Annual Conference 2010, pp. 334-336, Jul. 2010.
C. M. Young, C. C. Liu, and C. H. Liu, "Vibration analysis of rolling piston-type compressors driven by single-phase induction motor," in Proc. IECON'93, Vol. 2, pp. 918-923, Nov. 1993.
T. W. Ching, "An investigation on electrical performance of variable-frequency drives for air-conditioning applications," in Proc. EPEC2008, pp. 1-7, Oct. 2008.
H. Murakami, Y. Honda, and H. Kiriyama, "The performance comparison of SPMSM, IPMSM and SynRM in use as air-conditioning compressor," in Proc. IAS Annual Meeting, Vol 2, pp. 840-845, Oct. 1999.
J. Donlon, J. Achhammer, H. Iwamoto, and M. Iwasaki, "Power modules for appliance motor control," IEEE Transactions on Ind. Appl. Mag., Vol. 8, No. 4, pp. 26-34, Jul./Aug. 2002.
B. G. Gu, J. H. Choi, and I. S. Jung, "Load torque compensation algorithm for single rotary compressor of air conditioning system," KIPE Power Electronics Annual Conference 2010, pp. 320-322, Nov. 2010.
S. Ryu, I. S. Jung, J. H. Choi, B. G. Gu, and J. Kim, "Oscillation reductive method of compressor based on a frequency analysis with speed ripple and apparatus thereof," Korea patent No. 10-1162954, 2012.
S. Morimoto, K. Kawamoto, M. Sanada, and Y. Takeda, "Sensorless control strategy for salient-pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame," IEEE Ind. Appl., Vol 38, No. 4, pp. 1054-1061, Jul./Aug. 2002.

상세보기
C. Hua and C. Shen, "Study of maximum power tracking techniques and control of DC/DC converters for photovoltaic power system," in Proc. PESC 1998, Vol. 1, pp. 86-93, May 1998.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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