[논문]Single rotary compressor의 저진동 저속제어를 위한 자동 부하 보상 알고리즘

구본관; 최준혁; 정인성

Single rotary compressor의 저진동 저속제어를 위한 자동 부하 보상 알고리즘
Load torque compensaiton algorithm for single rotray compressor of air conditioning system 원문보기

구본관 (전자부품연구원) , 최준혁 (전자부품연구원) , 정인성 (전자부품연구원)

저용량 에어컨의 압축기에 많이 사용되는 Single rotary 방식은 하나의 피스톤만을 채용하여 가격적인 면에서 큰 이점을 가진다. 그러나, 압축기 모터가 1회전할때 마다 압축과 토출을 단 1회 거치게 되므로, 부하변동을 심하여 진동이 많이 발생하는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 Single rotary를 사용하는 에어컨 제품에서는 저속에서의 운전을 회피하거나 하나의 운전점에 대한 전향보상기를 채용하여 진동을 저감시켜 왔다. 본 논문에서는 모든 운전점에서 보상이 가능하도록 압축과 토출로 인한 부하의 패턴에서 각 주파수 성분을 분석하여 자동으로 부하 토크를 보상하는 알고리즘을 제안한다. 제안된 방법은 가장 영향이 큰 1차와 2차 주파수 성분의 속도 리플의 양을 FFT 하고, 그 양이 작아지는 방향으로 부하 토크를 전향 제어방식으로 인가하는 방식이다. 제안된 방식을 이용하여 저속 운전에서 진동이 저감 되는것을 실험을 통하여 보였다.

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문제 정의

본 논문에서는 싱글로터리 압축기용 저속 운전 부하 보상 제어기를 제안하였다. 제안된 제어기는 부하패턴을 미리 알아내지 않고도 실시간으로 속도의 주파수 성분을 감지하여 진동을 최소화 할 수 있어 다양한 압축기, 다양한 환경에서 사용가능할 것이다.

제안 방법

모든 차수의 토크명령은 합쳐져서 진동대응 토크명령으로 인가되게 된다. 알고리즘의 구현상에서는 연산 시간과 주요 진동인자를 고려하여 1차와 2차에 대해서만 진행하였다.
제한된 진동제어기의 구조는 그림 3의 아래 블록과 같다. 압축기의 속도로부터 필요한 차수별 속도 리플을 FFT를 사용하여 검출한다. 각 차수별 속도 리플은 각각의 n차 토크명령으로 출력된다.
따라서, 가장 큰 성분인 1차와 2차의 진동성분을 최소화하게 되면 진동의 양을 현격히 줄일 수 있게 될 것이다. 제안된 부하 보상 알고리즘은 이를 바탕으로 그림 3과 같은 알고리즘으로 구성하여 진동을 저감 할 수 있는 방법으로 사용하였다.
제안된 알고리즘은 압축기의 속도를 Feedback 받아서 필요한 진동대응(부하대응)토크 명령을 만들어 낸다. 입력신호로는 압축기 속도만을 받으면 되고, 압축기 속도로부터 싱글 로터리의 부하 패턴을 검출하여 토크제어기 명령에 속도제어기 명령과 합쳐져서 인가된다.

성능/효과

그림 2는 압축기 25Hz로 운전시 측정한 진동그래프를 나타낸다. 시험 결과에서 전체 진동의 크기는 10.1m/s^2이며, 회전수의 기본파 성분인 25Hz에서 진동양이 10m/s^2이고, 2차에서 약3m/s^2 가까이 발생하여 이 두 가지 성분은 다른 모든 성분에 비하여 주된 진동 요인이다. 따라서, 가장 큰 성분인 1차와 2차의 진동성분을 최소화하게 되면 진동의 양을 현격히 줄일 수 있게 될 것이다.
그림 6은 각 운전 주파수별 진동의 양을 측정한 결과이다. 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 1차 성분의 경우에는 그 위상 변화가 크지 않으나, 2차성분의 경우에는 상대적인 위상변화가 크다. 따라서, 위상 변화에 대해서도 제안된 알고리즘을 수정 및 적용하여 속도 리플을 최소화 하는 방향으로 설정하면 진동 저감에 도움이 될 것 예상한다.
본 논문에서는 싱글로터리 압축기용 저속 운전 부하 보상 제어기를 제안하였다. 제안된 제어기는 부하패턴을 미리 알아내지 않고도 실시간으로 속도의 주파수 성분을 감지하여 진동을 최소화 할 수 있어 다양한 압축기, 다양한 환경에서 사용가능할 것이다.

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