보안과제( ), 일반과제( o ) 70002279 지역전략산업진흥 고효율콤프레샤를적용한급속냉동시스템 나영산업( 주) 한국산업기술평가원
최종보고서제출서 2007년지역산업기술개발사업 ( 지역산업공통기술개발 ) 에의하여완료한고효율콤프레샤를적용한급속냉동시스템에관한기술개발사업의최종보고서를별첨과같이제출합니다. ( 지역전략산업진흥사업관리지침따라최종보고서의산업계, 학계, 관련연구기관등으로의배포에동의합니다.) 첨부 : 1. 최종보고서 10부 2. 참여기업대표의기술개발성과확약서각1부 3. 완료과제에대한 [ 참여기업, 주관기관 ] 대표자의평가의견서각 1부 2009. 11. 30. 총괄책임자 : 고정주 ( 인 ) 주관기관 : ( 주 ) 나영산업 ( 대표자 ) 고정주 ( 인 ) 참여기업 : ( 주 ) 나영산업 ( 대표자 ) 고정주 ( 인 ) 위탁기관 : 전자부품연구원 ( 대표자 ) 최평락 ( 인 ) 지식경제부장관귀하
제출문 지식경제부장관 귀하 본보고서를 고효율콤프레샤를적용한급속냉동시스템에관한기술개발 ( 개발 기간 :2007. 10. 01 ~2009. 09. 30) 과제의최종보고서로제출합니다. 2009. 11. 30. 주관기관 : ( 주 ) 나영산업 ( 대표자 ) 고정주 ( 인 ) 참여기업 : ( 주 ) 나영산업 ( 대표자 ) 고정주 ( 인 ) 위탁기관 : 전자부품연구원 ( 대표자 ) 최평락 ( 인 ) 총괄책임자ː 고정주연구원ː 조정진 " ː 박석인 " ː 정철웅 " ː 김성민 " ː 이승남 " ː 오승열 " ː 김대경 " ː 송선근 " ː 신덕식 " ː 박희재 " ː 최현용 지역전략산업진흥사업관리지침에따라보고서내용을관련기관에널리배포함에동의합니다.
지역산업기술개발사업보고서초록 ( 지역산업공통기술개발 ) 관리번호과제번호 : 70002279 과제명 키워드 고효율곰프레샤를적용한급속냉동시스템 BLDC Compressor/ 고효율냉동고 / 고효율 / 급속냉동시스템 /BLDC Compressor Driver 개발목표및내용 1. 최종목표 BLDC Compressor 제어시스템에대한개발과이에맞는냉동효율이높은냉동시스템개발 고효율 BLDC Compressor 제어시스템개발및안정적인센서리스기동및구동알고리즘개발 2. 개발내용및결과 고효율의 BLDC Compressor 시스템을적용시키기위한냉동시스템의최적설계및제작 냉동시스템을최적제어하기우한 Main Controller 개발및알고리즘개발 BLDC 제어알고리즘개발을위한시뮬레이션 제어알고리즘의원활한구현을위한저가형고효율제어시스템설계및제작 센서리스기동, 제어알고리즘의구현성능평가 연구개발결과 - 소비전력 : 24.6kWh/ 월 - 냉각속도 : 71분 - 온도범위 : -33.6[ ] - 소음 : 36.3[dB] - 온도편차 : ±0..8 3. 기대효과 ( 기술적및경제적효과 ) 본과제를통해개발된최대냉동효율을가지는냉동시스템개발과소형냉동. 냉장고제품에적용사례가없는저가형고효율인버터제어형 Compressor 시스템은소형냉동. 냉장고시장에서기술적우위를차지 현재대기업일부대형가전제품에서인버터제어형 Compressor 시스템을적용하고있지만, 본과제를통해각종전문화된기능을갖춘소형냉동. 냉장제품에적용가능한저가형고효율인버터제어형 Compressor 시스템은현재해외유명제품에비해경쟁력을가질수있음
4. 적용분야 지속적인연구개발을통한냉동고시스템의효율증대는물론제품신뢰성향상으로저소비전력, 저소음, 고효율에대한기술향상을통해소비자의감성적인만족을이끌어낼수있음. 거의모든중. 소형냉동. 냉장제품에적용가능하도록 Compressor 시스템을설계함으로서중소기업에서생산하고있는중. 소형냉동. 냉장시스템에대하여적용이확대될것으로사료됨
목 차 제 1 장서론 ------------------------------------------------------------------------------ 1 제 1 절기술개발의필요성 ------------------------------------------------------ 1 제 2 절국내외관련기술의현황 ----------------------------------------------- 5 제 3 절기술개발시예상되는파급효과및활용방안 ------------------- 7 제 2 장기술개발내용및방법 ------------------------------------------------------ 9 제 1 절최종목표및평가방법 ------------------------------------------------ 9 제 2 절년차별개발목표및범위 --------------------------------------------- 10 제 3 절년차별개발내용 --------------------------------------------------------- 12 제 3 장결과 -------------------------------------------------------------------------------- 37 제 1 절 1차년도기술개발결과 -------------------------------------------------- 37 제 2 절 2차년도기술개발결과 -------------------------------------------------- 42 제 3 절결론 ---------------------------------------------------------------------------- 48
제 1 장서론제 1 절기술개발의필요성 최근들어냉장고제품들은다양한소비자의니즈를만족시키기위한김치냉장고, 와인냉장고, 반찬냉장고등다양한목적과용도에따라기능이전문화된소형맞춤형제품이다양한형태로출시되고있다. 또한최근출시되고있는냉동고는기존냉장고에냉동실이별도로있지만냉동식품류에대한수요가늘면서냉동실용량의부족으로인한냉동전용제품에대한수요가증가하는추세이다. 그림 1-1 각용도에따른냉장고의유형 또한전문화된맞춤형소형가전기기에대한요구뿐아니라가전제품의디자인에대한소비자의요구와관심또한높아지면서대다수의가전제품들이빌트인하거나완전히숨겨공간의활용도와안전성을높이는양상을보이고있다. 비록모든가전들이가구와완벽한일체를이루는것은먼미래라할지라도, 이러한방향성을따르는가전들은더욱진보된형태의맞춤형빌트인으로출시되고있다. - 1 -
그림 1-2 빌트인가전기기 현재출시되고있는전문화된기능을갖춘소형냉장. 냉동고제품을한가정 내에서다양한용도로여러대의제품을사용할경우이에따르는전력 소모의문제가예상됨. 또한가전제품의시장추이에따라기존전문화된기능을갖춘소형냉장. 냉동고제품을빌트인시킬경우소음에대한문제가대두되고있으며, 이를해결할수있는냉장. 냉동시스템개발이시급한것으로사료된다. 1. 기술적측면 향후냉동. 냉장가전제품들은더욱전문화된기능을수행하는세분화된형태를갖출것이며, 다른가전기기와더불어빌트인형태의제품들이출시될것으로예상됨. 하지만기존소형냉동. 냉장가전제품의경우유도모터가내장된 Compressor를사용하기때문에전력소모의문제와빌트인형태의제품이출시될경우다른주방가구및제품들에소음이전이되어일반단독제품일때보다많은소음을유발하게됨. 또한냉동고의주요기능이할수있는급속냉동기능을수행할경우 기존냉동시스템은 Compressor 를일정속도로 ON/OFF 제어를하기 때문에급속냉동에대한한계가있음. 이러한이유로현재대기업에서대형냉장고및에어컨에채택하고있는 Inverter 제어용 Compressor 시스템을적용한고효율의냉동시스템개발이요구됨. - 2 -
본기술개발은최적화된냉동시스템개발과 Inverter 제어용 Compressor 시스템개발을통해냉동효율의극대화, 소비전력감소및소음저감에 효과를얻을수있는냉동시스템을개발하고자함 Compressor 시스템은냉동. 냉장고의주요에너지소비의큰비중을 차지하는부품으로서냉동. 냉장고에너지소모의약 75% 를차지고있어 이러한핵심부픔의효율향상을위한기술개발은매우중요하게요구됨. Cycle(Comp) 75% 기타 (4%) Defrost (2%) PCB (5%) F-Fan(9%) C-Fan(5%) 그림 1-3 냉동. 냉장고부품의에너지소모 또한, 선진국수준의에너지원단위의달성및제품개발에따른수출 입효과의증대를위해서는에너지사용패턴에의한에너지절감을위한시스템 Matching 기술이요구되며, 이를통해실제에너지소비량의절감및에너지효율향상효과의증대를가져오기위해서는실제부하사용변동에따른패턴을포함한시스템개발이절실히요구되고있음 따라서에너지효율을극대화시키기위해냉동시스템의최적설계와 고효율화를위한 BLDC 모터를채용한인버터시스템의가변속 Compressor 모듈적용이필수적임. 냉동시스템은냉각효과를극대화할수있는 AL OVAL TUBE 가공기술을적용한시스템설계를통해냉동효율을극대화시키고, 냉동고시스템에적용될 Compressor 는고압이며화학물질인냉매로인해제어를위한회전자위치센서를적용할수없으므로센서리스가제어알고리즘개발이요구되고있으며, 센서리스의정확한제어를통해부하패턴을 - 3 -
고려한전운전범위에서최고의효율을얻을수있는방식을통해에너지 효율을증대시키고자함. 2. 경제적측면 2006년가정용전력사용량은 3만4580GWh 였는데이가운데냉장고전력소비가8583GWh로 24.8% 로가장큰비중을차지했다. 최근특정용도에따른냉장고가개발되면서한가정에 2대이상의냉장고를사용하는가정이늘고있는추세이다. 이에따라냉장고에대한에너지효율문제가대두되고있음. 그림 1-4 가전기기의에너지사용량 * 산출근거 : 전력거래소 가전기기보급률및소비형태 조사 세계백색가전시장은에너지절약형백색가전제품이급성장하는추세이고, 환경에대한관심이고조되면서친환경제품이새로운시장을형성하고있다. 가정에서소모되는전력량중에서큰비중을차지하고있는냉동. 냉장고의경우세계각국에서냉동. 냉장고의소비전력을저감하기위한규제강화및기술개발이활발하게전계되고있는추세임. 국내제품은선진시장에서상대적으로약한브랜드인지도와중국등 후발업체의약진으로범용제품에서제한적인성장이예상되고있으며, 지역적으로는유럽, 중남미지역으로의수출증가가예상됨. - 4 -
표 1-1. 선진국기준한, 중냉동. 냉장고경쟁력비교 이러한고부가가치의백색가전시장에서전문화된기능을가진소형냉동. 냉장고가높은경쟁력을가지고대형냉동. 냉장고시장에진입하고, 시장 Trend에부합하는기능을수행하기위해서는고효율의 Compressor 시스템적용을통해보다높은에너지효율을갖는제품개발의필요성이증가되고있음. 따라서냉동. 냉장고소비전력의향상으로에너지절감에일조하고, 빠르게증가하고있는냉동. 냉장고의새로운 Trend에대한세계적인경쟁력확보를통한산업적, 경제적필요성이크게증대되고있음. 제 2 절국내외관련기술의현황 1. 국내기술현황 국내소비자의상품선택기준이과거의디자인이나기능보다는건강과풍요로운삶의추구라는면이강조되고있으며, 이러한추세에따라용도에따른냉장고의다기능화및고급화를추구하는특허출원이급증하고있음. LG 전자와삼성전자는 90 년대중반에유도기를이용한에어컨팬모터 제품을적용하였으며, 특히 97년 LG전자는터보드럼세탁기에 D. D. 방식의 BLDC 모터와인버터를채용하여출시하였음. 1990 년도중반 ~2000 년도초반까지관련특허등록이활발하게이루어지고 있으나, 가정용전기냉장고기준하여가전 3 사중 1 개업체만이유일하게 가변속압축기를적용한전기냉장고제품을출시하였음. - 5 -
2. 국외기술현황 전세계선진국을중심으로지구온난화방지와에너지절약및환경문제해결을위하여에너지효율규제를적극추진, 강화하고있는추세이며에너지사용량이많거나보급률이높은에너지사용기자재에대하여소비자가고효율제품을쉽게선별하여구매할수있도록제품에에너지소비효율이나비용을나타내는라벨의부착과저효율제품의시장유통을금지하는최저효율기준적용을주내용으로하는에너지소비효율등급표시제도를도입하고있음. 대표적으로미국 DOE(Department Of Energy) 의 Energy Guide 라벨링제도, 일본경제산업성의 Energy 절약라벨링제도, Top Runner Program, 유럽 EU위원회의 Energy 소비효율등급표시제도, 호주 DPIE(Deptment of Primary Industries and Energy) 에서의 Energy Rating 라벨표시제도등이있음. 최근에들어와대기전력감소를위해제조업체의자발적참가에기초를두고인센티브제공을통한에너지절약형제품생산을유도하는자발적프로그램이활성화되고있는데, 미국환경보호청 (EPA) 의 Energy Star Program, 유럽 9개국이공동으로시행하는 GEEA, 스위스의 Energy 2000 등을들수있음. 이와대응하여선진각국은가전기기의성능및가격을결정하는진동및소음저감, 효율향상을위하여매입형영구자석전동기 (IPM) 에대한특성해석및설계기술, 구동회로기술개발을자체적으로수행하고있으며대표적인전동기개발및생산업체인미국의 Emerson Electric Co., GE(Genaral Electric), 일본의 ( 주 )Matsushita전기에서는 IPM에대한각종특허를획득하는등의활발한연구가진행되고있음. 또한세계적으로소비자의요구와더불어세계각국에서는국가별에너지 절약및소비효율증대를위한에너지고효율등급와가전제품의 Premium급제품개발에국가적차원에서지원하고있음. 일본에서는 84년도에도시바에서 RAC타입유도기를이용한에어컨을출시하면서, 88년도부터는각종에어콘용량별로인버터를이용한가전제품이라인-업되었으며, 이후, 90년대중반부터 BLDC모터와인버터를채용한 Compressor 에어컨으로품질을개선하였음 - 6 -
냉장고 Compressor모듈의경우, 일본이가장선두적인기술을보유하고있으며, 도시바에서 BLDC 모터를채용하여가변속이가능한모델이출시되었고이후대형냉장고를중심으로에너지효율측면에서장점이있는인버터제품의점유율이약 90% 이상을차지하게되었으며, 2000년도초반부터미국특허출원이급증하고있다. (2004년 11월대우일렉트로닉스지적재산팀관련특허조사결과 ) 3. 현기술상태의취약성 현재국내업체중 1개업체만이가변속압축기및이를적용한냉장고제품을출시하고있으며, 기존방식의전기냉장고대비보급률이현저하게낮음. 또한중소기업에서생산하고있는전문화된기능을갖춘소형냉장고의효율개선및시장 Trend에부합하는제품을생산하기위해대기업에서제공되는 Compressor 제어용인버터시스템을적용할경우높은가격으로인해제품단가를상승시키는요인으로작용할뿐아니라중소기업의기술경쟁력을악화시키는요인으로도작용하고있음. 제 3 절기술개발시예상되는파급효과및활용방안 1. 기술적측면 냉장고시장의 Trend에부합하는전문화된기능을가진소형냉동. 냉장고제품의시스템구성품중에너지소비가가장많은 Compressor시스템에대하여단순 ON/OFF제어를함으로써에너지효율에대한규제가강화되고있는시점에서새로운전환점이필요함. 이에본연구개발을통해최대냉동효율을가지는냉동시스템개발과소형냉동. 냉장고제품에적용사례가없는저가형고효율인버터제어형 Compressor 시스템을개발함으로서소형냉동. 냉장고시장에서기술적우위를차지할수있다. 2. 경제적. 산업적측면 현재대기업일부대형가전제품에서인버터제어형 Compressor 시스템을적용하고있지만, 본과제를통해각종전문화된기능을갖춘소형냉동. 냉장제품에적용가능한저가형고효율인버터제어형 Compressor 시스템이개발된다면현재해외유명제품에비해경쟁력을가질수있음 - 7 -
다양한사용목적에부합하는냉동. 냉장제품에대해적용할수있는에너지효율이높은제품개발이가능함으로북미 / 유럽의값비싼미국및유럽업체대비점유율증대가예상되며저가위주에서탈피하고자하는중국및기타후발업체와의기술격차를벌림으로써국가산업경쟁력강화가기대됨 3. 활용방안 지속적인연구개발을통한냉동고시스템의효율증대는물론제품신뢰성향상으로저소비전력, 저소음, 고효율에대한기술향상을통해소비자의감성적인만족을이끌어낼수있음. 거의모든중. 소형냉동. 냉장제품에적용가능하도록 Compressor 시스템을 설계함으로서중소기업에서생산하고있는중. 소형냉동. 냉장시스템에대 하여적용이확대될것으로사료됨 - 8 -
제 2 장기술개발내용및방법제 1 절최종목표및평가방법 최근냉동. 냉장가전제품들은더욱전문화된기능을수행하는세분화된형태를갖추고있고, 생활가전에대한에너지효율문제가대두되고있다. 이러한시장 Trend에맞는고효율 Compressor 냉동전용시스템을개발하고자한다. 현재소형냉동. 냉장가전제품의경우유도모터가내장된 Compressor를사용하기때문에전력소모의문제가있고 Compressor의가변을불가능하므로급속냉동을할경우냉동효율이그리좋지않다. 이러한이유로 Compressor의속도가변이가능한 Compressor 시스템을적용하여냉동효율및전력소모에대한문제점을해결하고자 BLDC Compressor 제어시스템에대한개발과이에맞는냉동효율이높은냉동시스템개발을최종목표로한다. 표 2-1. 정량적목표항목 평가항목 ( 주요성능 Spec 1) ) 단위 전체항목에서차지하는비중 2) (%) 세계최고수준, 보유국 / 보유기업 연구개발전국내수준 개발목표치 성능수준성능수준 1 차년도 2 차년도 평가방법 3) 1. 소비전력 Kwh/ 월 30% 27kWh/ 월 29kWh/ 월 27kWh/ 월 25kWh/ 월 에너지관리공단 2. 냉각속도 (32 ~ -18 ) 분 20% 90분 95분 90분 85분이하 KTL 3. 온도범위 15% -14 ~ -27-14 ~ -27-27 -30 이하 KTL 4. 소음 db 20% 43dB 45dB 42dB 42dB 이하 KETI 5. 온도편차 15% - ±4 ±3.5 ±3 KTL - 9 -
제 2 절년차별개발목표및범위 1. 1차년도개발목표및범위가. 개발목표고효율의 BLDC Compressor 시스템을적용시키기위한냉동시스템의최적설계및제작 나. 개발내용및범위 ( 시스템구성도, 구조등은그림으로표현 ) 구분연구개발목표연구개발내용및범위 냉동고시스템용적결정 상품화를고려한냉동고시스템의모델을결정 최대외기부하를선정하여 1 차냉동고용적결정 냉동고내의부하 ( 열량 ) 계산 최저냉동실온도를 -27 로하고열전도계수가가장낮은방열재를선정하여부하계산실시 냉동시스템의냉각부하중냉동고벽면을통한열의침입이 70% 정도가되므로방열재의선택과두께를가장적합하게결정함 1 차년도 기초설계및냉장시스템전체 Lay out 작성증발기및응축기설계와압축기선정각종부속기기및안전장치결정과전기및자동제어회로설계및제작냉동시스템제작 부하계산과대략적인크기를결정한후압축기, 증발기, 응축기, 팽창변, 기타부속기기및안전장치등이설치될위치를정하는 Lay out 작성 다단형 Oval Tube 냉각기 ( 증발기 ) 의설계 효율이가장좋은압축기를결정한후응축기설계 냉장시스템에부착시킬각종부속기기및과온방지기, 과온도방지기, 고압차단기, 과부하계전기, 경보장치등안전장치를결정 냉장실내온도설정에따른자동화운전이가능하도록자동제어회로설계및제작 압축기및팽창밸브, 각종부속기기및안전장치등을구입하고증발기및응축기를선정제작 설계도면에따라고효율 BLDC Compressor 적용가능한냉동시스템제작 - 10 -
2. 2 차년도개발목표및범위 가. 개발목표 고효율 BLDC Compressor 시스템의적용하여각종시험및성능평가를 통해수정보완하여시장에진출할수있는시스템제작을최종목표로함 나. 개발내용및범위 구분연구개발목표연구개발내용및범위 냉동시스템시운전실시및성능검사 제작한냉동시스템을간단한시운전을실시 자동온도조절, 자동운전등제반사항의성능검사및검토 냉동시스템의정상운전 정상운전을실시하여고내온도상태를확인 온도조절, 자동운전, 제상시간및제상상태등이정상적으로되면에너지절약을위한 COP 계산 2 차년도 냉동시스템의성능개선보완 냉동시스템의신뢰성평가 정상운전에서나타난문제점들을파악하여설계및제작기술보완 환경신뢰성및전기적신뢰성평가를통한제품의내구성을평가하고문제점파악및보완 사업화를위한설계및제작기술모델화 냉동시스템설계제작기술 모델화 - 11 -
제 3 절년차별개발내용 1. 주관기관년차별개발내용가. 1차년도개발내용 1) 개발제품도면 : 제품의높이및깊이는국내주방가구기준 ( 높이 815mm이하, 깊이 650mm이하 ) 으로제품높이와깊이를결정하고, 제품의폭은원자재및설비의제작가능치수를고려하여결정하였음 정면 측면 - 12 -
2) 개발제품용적결정 가 ) 유효내용적 품명 산출근거 내용적 1. 단면적 :231.411m2 2. 폭 :0.456m 내용적 =1 * 2 231.411 * 0.495=114.548LT 무효내용적 1.554*3=4.663 LT 유효내용적 ( 총내용적- 무효내용적 ) 114.548-4.663 =109.885 (110LT) - 13 -
나 ) 서랍의용적 품명 ASSY DRAWER UPP *2ea ASSY DRAWER LOW 도면 ( 모델링 ) 용적 25.0 LT 20.0 LT 3) 부하계산가 ) 외부침입부하 Q = K(1/Rtotal)* A* (T1-T2) K : 열관류율 R : 열저항 A : 제품의표면적 T1 : 외기온도 T2 : 실내온도열저항 : R(total) = R1( 철 1mm) + R2( 우레탄 2cm) + R1( 철판 1mm) 철판의열전도율 (λ) = 41 kcal/m h R1( 철판 )= 0.0005/41= 0.0000129 ( m2 h /kcal) 우레탄의열전도율 (λ) = 0.0185 kcal/m h R2( 우레탄 ) = 0.075/0.0185 = 4.054 ( m2 h /kcal) R(total) = (2 * 0.0000129) + (1 * 4.054) = 4.054( m2 h /kcal) 냉동고외부철판의열저항값은너무작아소숫점세자리이하영향을못미침 ( 값무시 ) - 14 -
표 2-2. 냉동고단열면적 냉동고벽면양측면전면뒤면위면아래면전체면적 면적 {(0.564 * 0.775)-(0.168*0.215)} * 2 = 0.8019m2 0.589 * 0.775 = 0.4564m2 0.589 * 0.515 = 0.3033m2 0.589 * 0.564 = 0.3322m2 (0.396*0.589) + (0.215*0.589) + (0.168*0.589) = 0.4428m2 0.8019 + 0.4564 + 0.3033 + 0.3322 + 0.4428 = 2.3663m2 표 2-3. 냉동고각단열면부하계산 위치양측면부하전면부하뒷면부하윗면부하아랫면부하 Total 부하량 외부침입부하값 ( 외기온도 26 ),( 아래바닥온도 40 ),( 사용온도 -18 ) Q1 = 0.8019*(26-(-18))/4.054 = 8.7034 (kcal/h) Q2 = 0.4564*(26-(-18))/4.054 = 4.9535 (kcal/h) Q3 = 0.3033*(26-(-18))/4.054 = 3.2918 (kcal/h) Q4 = 0.3322*(26-(-18))/4.054 = 3.6055 (kcal/h) Q5 = 0.4428*(40-(-18))/4.054 = 6.3350 (kcal/h) Q_total = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 = 26.8892 (kcal/h) 나 ) 입고식품의냉각부하 Q = W * C * (T1-T2) / 24 W : 서랍칸칸식품중량 C : 비열 ( 물의비열로가정 ) T1: 식품의온도 (20 ) T2: 냉동고내온도 (-18 ) 24시간동안 kg의맥주를냉장고에넣었다고가정했음 Q = {(25*2)+(20*1)} * 1 * (20 - (-18)) / 24 = 110.833 (kcal/h) - 15 -
다 ) 환기에의한부하 Q = V * (ha - hr) * n / h V : 냉장실의용적 ha: 외기의엔탈피 (26 시기준 21.937kcal/ m3 ) hr: 냉장고내의공기엔탈피 (-18 시기준 19.31kcal/ m3 ) n : 문을연횟수 (24시간기준 ) Q = 0.11* 2.627 * 5 / 24 = 0.060(kcal/h) 문을연횟수를 24 시간중 5 회로가정 라 ) 냉동고내전등에의한부하 : 없음 Q = 860 * W * He / 24 W : 전등의소비전력 (kw) He : 전등의사용시간 (hr) 마 ) 전체부하 Q(1~4) = 26.8892 + 110.833 + 0.06 = 137.782 (kcal/h) 바 ) 안전율 10% Q = Q(1~4) * 0.1 = 137.7462 * 0.1 = 13.778 (kcal/h) 사 ) 안전율을고려한총냉방부하 Q(total) = 137.782 + 13.778 = 151.56 (kcal/h) - 16 -
아 ) 냉동부하계산표명칭고효율COMP적용냉동고용량 110L 외부크기 (M) 방열재의 0.58*0.0.60*0.81 폴리우레탄 W * D * H 종류방열두께명칭구분면적 ( m2 ) K Δt= t ( mm ) 1 - t 2 kcal /h 측면 ( 좌 ) 75 0.8019 0.925 44 4.3517 측면 ( 우 ) 75 0.8019 0.925 44 4.3517 방열층전면 75 0.4564 0.925 44 4.9535 으로부터뒤면 75 0.3033 0.925 44 3.2918 침입하는윗면 75 0.3322 0.925 44 3.6055 열량아래면 75 0.4428 0.925 44 6.3350 ㆍ ㆍ (2*4.3517)+4.9535+3.2918+3.6055+6.335 =26.8892 저장할때 c:1(kcal/kg) G: 3 kg :20 t 2 : 4 저장및동결을위한열량 Q 2 = C G(t 1 - t 2 ) 1/24 동결할때 c 1 : kcal /(kg ) c 2 : kcal /(kg ) L: kcal /kg t 3 : t 4 : s: 시간 G: kg 환열 기량 Q ' 2 = G[C 1 (t 3 - t 5 )+L + C 2 (t 5 +t 6 ) 1/s] kcal /h V :0.11 m3 h a :21.937 kcal / m3 h r :19.311 kcal / m3 n: 5 회 Q 3 = V (h a -h r ) n/24 작업인및기타기기에의한열량전동송풍기및조명에의한열량안전율 작업인 M : kcal /h s: 시간 N: 인 Q 4 = M N s/24 kcal /h 작업기계 W: KW s: 시간 n: 대 Q 4 ' =860 W s n/24 0 kcal /h 전동송풍기 W: KW s: 시간 n: 대 Q 5 = 860 W s n/24 0 kcal /h 조명 W: 0.013KW s: 0.12시간 n: 대 Q 5 ' =860 W s n/24 = 0 kcal /h Q :26.8892kcal/h Q 2: 110.833kcal 1 0.06kcal /h Q 4 : kcal /h kcal/h /h Q 6 =(Q 1 ~Q 5 ) (10%) = 합계 Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 = 151.56 kcal /h - 17 -
4) 냉매의선정 (HFC-134a) HFC-134a는 1987년에개발되어 1989년부터미국을중심으로냉동기가개발완료되어생산, 판매중에있고무독성냉매로서대기업중심으로많이사용되고있는일반적인냉매이므로 HFC-134a 냉매를사용하였음 열역학적성질 : CFC-12 및 HCFC-22냉매와 HFC-134a 냉매의주요열역학적성질들은 [ 표 3] 과같다. HFC-134a가비등점과빙점이놓아 HCFC-22, CFC-12 대비초저온용으로는사용하기어려우나일반냉동 / 냉방용으로는충분히사용가능함 표 2-4. CFC-12 및 HCFC-22 와 HFC-134a 냉매의주요물성비교표 주요물성 HFC-134a HCFC-22 CFC-12 분자량 102.03 86.5 120.9 비등점 (1기압, ) -26.2-40.8-29.8 빙점 (1기압, ) -96.6-160.0-157.8 임계온도 ( ) 101.1 96.1 112.2 임계압력 (kpa) 4,066.6 4,978.0 4,116.2 포화액체밀도 (30, kg / m3 ) 1,186.7 1,172.8 1,291.2 5) 압축기의선정가정용냉장고에는통상 0.5kW 이하의밀폐형압축기가주로사용되고있으며, 냉장고에사용되는압축기로는왕복동식이주종을이루고있기때문에본과제에서삼성에서생산되는 BLDC 압축기이며채택하였으며, 이에대한사양은아래내용과같음 고효율압축기사양 Application - 18 -
Compressor Spec Motor Spec Overload Protector 6) 증발기의선정 냉각코일의길이계산 Q=K F Δ t 에서 F= Q= 151.52 (kcal/h) Q K Δt K= 나관의열통과율 7(kcal/ m2 h C ) Δ t= 38 C F= = 0.569m2 8 파이 AL 관길이 ( 외경 : 8 파이, 면적 :0.6443 m2/m) 외표면적 : 0.0251 m2/m AL PLATE - 19 -
= 8.5 m 그림 4 냉동고용증발기 7) 응축기선정열통과율을 20Kacl/ m3 h 라하면 응축열량 QH = K( 보정계수 ) * 응축기입구엔탈피-응축기출구엔탈피 QH = 0.81 * (674-286) = 387.0kcal/h 전열면적 m3 동관길이 4.76동관 1m당전열면적이 m3이므로동관길이는 그림 5 냉동고용응축기 - 20 -
나. 2 차년도개발내용 1) 모니터프로그램개발 모니터프로그램은 Visual Basic 을이용하여제작하였음 그림 2-1 모니터프로그램 BLDC 콤프레셔의최적제어를위해서는회전속도에따르는냉각속도, 냉각관성등의데이터를획득해야만이최적제어가가능하므로모니터프로그램개발을통해콤프레셔속도를수동제어함으로서최적알고리즘개발 모니터프로그램의기능 - MICOM 제어 MODE Micom에로딩되어있는프로그램에의해동작하였을때구동되는주파수및설정온도 제어되는주파수표시 - PC 제어 MODE 냉동고의고내온도표시 속도제어주파수설정 2) BLDC 콤프레셔를최적제어하기위한 Main Controller 제작 BLDC 콤프레셔드라이버의구동은 PWM 제어방식으로서 60Hz ~ 120Hz 의 PWM을 Main Controller에서발생하여회전속도를제어하여냉각속도및최적제어가가능한제어기개발 PC제어가가능하도록 RS-232통신을이용하여회로를구성하였음 콤프레셔가구동되지않을경우 BLDC 드라이버의전원을차단하는회로를추가하여소비전력을최소화 - 21 -
그림 2-2 Main Controller 회로도 3) 냉동고의최적제어알고리즘 -14 셋팅 (-13 이하인상태 ) 초기 120Hz 구동 -13 가되면 60Hz 구동 -14 가되면 0Hz 냉각관성에의한온도하강 -15-14 가되면 120Hz 구동 (30초) 온도관성에의한온도상승 -13 120Hz 구동 (30초) 후 60Hz 구동 -14 가되면 0Hz -18 셋팅 (-18 이하인상태 ) 초기 120Hz 구동 -17 가되면 60Hz 구동 -18 가되면 0Hz 냉각관성에의한온도하강 -19-18 가되면 120Hz 구동 (30초) 온도관성에의한온도상승 -17 120Hz 구동 (30초) 후 60Hz 구동 -18 가되면 0Hz -22 셋팅 (-22 이하인상태 ) 초기 120Hz 구동 -21 가되면 60Hz 구동 -22 가되면 0Hz 냉각관성에의한온도하강 -23-22 가되면 120Hz 구동 (30초) 온도관성에의한온도상승 -21 120Hz 구동 (30초) 후 60Hz 구동 -22 가되면 0Hz - 22 -
-26 셋팅 (-26 이하인상태 ) 초기 120Hz 구동 -25 가되면 60Hz 구동 -26 가되면 0Hz 냉각관성에의한온도하강 -27-26 가되면 120Hz 구동 (30초) 온도관성에의한온도상승 -25 120Hz 구동 (30초) 후 60Hz 구동 -26 가되면 0Hz -30 셋팅 (-30 이하인상태 ) 초기 120Hz 구동 -29 가되면 60Hz 구동 -30 가되면 0Hz 냉각관성에의한온도하강 -31-30 가되면 120Hz 구동 (30초) 온도관성에의한온도상승 -29 120Hz 구동 (30초) 후 60Hz 구동 -30 가되면 0Hz 4) 냉동고구성도 고내온도표시, 온도셋팅, 전원 Switching 기능을가진 Dsiplay 부 Display 제어 ( 온도표시, 온도셋팅, 전원 on/off) 및 BLDC 드라이버제어를위한 Main Controller 그림 2-3 시스템구성도 - 23 -
2. 위탁기관년차별개발내용가. 1차년도개발내용 1) BLDC 제어알고리즘개발을위한시뮬레이션가 ) 브러시리스직류전동기의센서리스제어를위한알고리즘개발 1 상전환직후비여자상의단자전압파형으로부터환류종료시점을판단하고, 그이후부터비여자상의단자전압비교기출력에서 trigger가발생되는지를검사함 2 전동기회전자가전기각기준으로 60 회전하는동안 trigger 가발생되지않으면그림 2.18의경우와같이고정자자계위상이회전자자계를앞서는것으로판단하고, 위상을동기시키기위해입력 ( 전압, 또는 PWM 펄스의시비율 ) 을증가시고, 전동기회전자가전기각기준으로 60 회전할때까지기다린후상전환을수행하고다시단계 1로복귀함 3 trigger 가발생된경우에는 trigger 발생시점으로부터위상동기여부를 판단함 4 단계 3 에서위상이동기된것으로판단된경우에는전동기회전자가 전기각기준으로 60 회전할때까지기다린후상전환을수행하고 센서리스운전모드로전환함 5 단계 3에서회전자자계의위상이고정자자계의위상보다앞서는것으로판단되면현재입력이인가될수있는최소의값인지를판단하여현재의입력이최소의값보다큰경우에는입력을감소시키고, 전동기회전자가전기각기준으로 60 회전할때까지기다린후상전환을수행하고다시단계 1로복귀함현재의입력이최소의값으로판단된경우에는입력은최소의입력으로고정시키고고정자회전자계의주파수를증가시킨후, 전동기회전자가전기각기준으로 60 회전할때까지기다린후상전환을수행하고다시단계 1로복귀함 6 단계 3 에서고정자자계의위상이회전자자계의위상보다앞서는 것으로판단되면입력을증가시킨후, 전동기회전자가전기각기준으로 60 회전할때까지기다린후상전환을수행하고다시단계 1로복귀함 - 24 -
센서리스운전전환알고리즘 Trigger 발생? No Yes 입력을증가시킨다 Yes 위상동기? No No No 상전환시점인가? 상전환시점인가? Yes 상전환수행및센서리스운전모드전환 No 회전자자계위상 > 고정자자계위상 Yes 상전환수행 Yes 최소입력인가? Yes No 입력을증가키신다 입력을줄인다 주파수를증가시킨다 No 상전환시점인가? Yes 상전환수행 그림 2-4 센서리스운전전환알고리즘 Flow-Chart 나 ) 제어알고리즘시뮬레이션 PSIM에서제공하는라이브러리중 DLL은원칩과같이 C로코딩하여입 출력을할수있기때문에 PSIM자체에서해결못하는다양한시뮬레이션구현이가능하며, 회로도의구성이간단해지고데이터획득에있어서시간이줄어든다는장점을가지고있어서 PSIM을통해시뮬레이션을구현하였음 회로의원리는 PWM이 on일때마다개방된상의단자전압을 와비교하는것으로서, 실제회로는단자전압과전원전압을저항으로분압하고, 스위칭으로인한단자의진동전압을바이패스캐패시터로필터링하여비교기에인가하였음 - 25 -
그림 2-5 시뮬레이션회로도 다 ) 시뮬레이션결과 센서리스구동에대한시뮬레이션결과기동후약 1초후에정상속도에도달하는것을알수있음 상전류 [A] 단자전압 [V] 시간 [S] 속도 [rpm] 시간 [S] 시간 [S] 그림 2-6 시뮬레이션결과 - 26 -
2) 제어알고리즘의원활한구현을위한저가형고효율제어시스템설계및제작 아래그림은제안한브러시리스직류전동기센서리스드라이브의블록다이어그램을나타낸다. 상용화를위해서 T.I(Texas Instrument) 사의저가형고정포인트 DSP(digital signal processor), TMS320LF2406A 를사용하였고, 파워모듈은 Fairchild-Semiconductor사의 FSAM15SM60A SPM(Smart Power Module) 을이용하여제안한센서리스드라이브를구현하였음 그림 2-7 센서리스드라이브의블록다이어그램 전체시스템은교류전원을직류전원으로변환하는정류부 (rectifier), DC 링크 (link) 콘덴서, 인버터 (inverter), 압축기를구동하는브러시리스직류전동기, 브러시리스직류전동기의회전자위치를검출하기위한위치검출부, 위치검출부의위치신호변환및부하에따라모터의속도를제어하기위한게이트신호 (gate signal) 를발생하는마이컴으로구성하였음 - 27 -
그림 2-8 Main Controller(DSP) Circuit 그림 2-9 DSP Board Layout - 28 -
그림 2-10 BLDC Driver Power Module Circuit 그림 2-11 Power Module Layout - 29 -
나. 2차년도개발내용 1) 종래의 BLDC 제어기센서리스제어알고리즘 BLDC 전동기는전운전영역에걸쳐높은효율을유지하는특성이있고, 토크출력밀도가높기때문에압축기구동용으로널리사용되어왔다. BLDC 전동기를구동하기위해서는회전자에장착된영구자석의자극방향에따라고정자권선에인가되는전류를전환시켜주어야하므로, 일반적으로홀센서와같은회전자위치검출센서가사용된다. 그러나, 압축기의내부는고온, 고압의환경으로위치센서를사용할수없기때문에 BLDC 전동기를위치센서를사용하지않고구동하는센서리스제어방식이사용되고있다. BLDC 전동기의위치센서리스방식에대표적방법으로는오픈상전압의역기전력의 ZCP(Zero Cross Point) 를이용하는방식으로그림 2-12에역기전력의 ZCP에기반한센서리스제어의원리를설명하고있다. θe: 전기각 Ea, Ia 7π/6 3π/2 11π/6 π/6 π/2 5π/6 π θe 2π Eb,Ib Ec,Ic ZCPs of back-emf Commutation Points 그림 2-12 역기전력 ZCP 에기반한센서리스제어원리 ZCP 기반방식의센서리스제어알고리즘은평균회전속도를기반으로상전환시점을예측한다. 왕복동 BLDC 압축기의경우 1회전하는동안압축및토출을하기때문에그림 2-13과같이왕복압축기의실제부하가변동되는것을알수있다. 특히저속운전이요구되는경우부하변동에대한영향도가커지게되며회전체의관성이작거나압축기와같이기구적으로 360도회전할때마다주기적인부하변동이있는경우에는저속으로운전할때 BLDC 전동기의회전속도가일정하지않다. - 30 -
따라서이러한응용분야에 ZCP 기반방식의센서리스제어알고리즘을적용하는경우적절한상전환시점을예측할수없으며, 결과적으로예측된상전환시점에는위치오차가수반하게된다. 이러한상전환위치오차는전류맥동및토크맥동을유발하여 BLDC 전동기의소음및진동특성을악화시키고, 압축기구동어플리케이션의경우과전류로인한보호동작으로인해압축기운전정지에이르기도한다. 그림 2-13 왕복압축기의부하변동파형 그림 2-14은주기적인부하변동이있는경우 ZCP 기반센서리스제어알고리즘을적용하여 BLDC 전동기를구동하는경우의시뮬레이션결과이다. 앞에서설명한바와같이평균속도를이용하여상전환시점을예측하기때문에홀센서신호와예측된상전환신호사이에는오차가있음을확인할수있다. 이러한오차로인해큰토크맥동및과전류가발생하며, 과전류피크로인해압축기가정지하게된다. 2.00 Ia Ib Ic 상전류 전환오차 센서신호 1.00 0.0-1.00-2.00 6.00 4.00 2.00 0.0-2.00 Ha+3 Hb Hb-3 com_mode-2.5 ZCP_TRIG+5-4.00 1.20 Tem_BDCM1 1.00 토크 0.80 0.60 0.40 0.20 0.0 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 Time (s) 그림 2-14 주기적인부하변동에대한 ZCP 기반센서리스제어기시뮬레이션파형 - 31 -
2) BLDC 제어기센서리스제어알고리즘개선 냉장고용 BLDC 압축기의경우고효율화를위해서는저속의운전영역이요구된다. 종래의 ZCP 검출에의한센서리스제어알고리즘의경우고속영역에서는부하변동에대해영향도가작으나저속영역에서는운전에큰영향을받게된다. 따라서종래의 ZCP 기반의위치검출제어방식이아닌새로운방식의센서리스제어방식을적용하였다. 그림 2-15는속도변화에따른 BLDC 전동기의역기전력변화를나타낸것으로, 저속에서는역기전력의크기가작으며속도가증가할수록역기전력의크기는증가한다. 역기전력 ZCP 시점이후전기각으로 30도회전한시점에서상전환을한다고가정하면역기전력의 ZCP 시점이후부터전기각으로 30도회전한시점까지역기전력을적분한결과는 BLDC 전동기의회전속도에관계없이일정한값을가지게된다. 따라서역기전력의 ZCP를검출하고, 이시점을기준으로단자전압에서측정한역기전력의크기를적분하여상전환시점의예측보정에사용하면 ZCP 기반의센서리스제어알고리즘의문제점인상전환위치오차를크게줄일수있다. 그림 2-15 속도변화에따른 BLDC 전동기의역기전력 즉기존의 ZCP 검출방식이아닌단자전압을 A/D 변환하여역기전력의 ZCP 시점을검출하는것으로역기전력의 ZCP 시점을기준으로단자전압이어떻게샘플링되는가에따라역기전력의 ZCP 시점을계산하는방식이바뀌게된다. 그림 2-16의좌측에나타낸경우와같이역기전력의 ZCP 시점을기준으로양쪽에서단자전압이샘플링되는경우역기전력의 ZCP 시점은다음과 - 32 -
같이구해진다. tzcp = t( n 1) + ( t( n) t( n 1) ) 0.5V ( 1) DC V n V ( n) V ( n 1) ( 식 1) 그림 2-13의우측에나타낸경우와같이역기전력의 ZCP 시점이후에단자전압이샘플링되는경우역기전력의 ZCP 시점은다음과같이구해진다. tzcp = t( n) ( t( n) t( n 1) ) V ( n) 0.5V DC V ( n) V ( n 1) ( 식 2) V(n-1) V(n) V(n-1) V(n) 0.5Vdc 0.5Vdc 그림 2-16 단자전압검출 ( 좌 ) ZCP를기준으로단자전압이검출된경우 ( 우 ) ZCP를기준으로 ZCP 이후에단자전압이검출된경우 단순히단자전압을 A/D 변환하고, 그값을인버터직류전압과비교하는방식은 ZCP 검출분해능이 PWM 캐피어주파수에의해결정된다. 이러한경우고속운전에서는 ZCP 검출분해능저하로인해운전성능이악화된다. 이문제점을해결하기위해본연구에서는식 (1), (2) 의방식을사용하여역기전력의 ZCP 시점을보간하여검출함으로써 ZCP 검출분해능을개선하였다. ZCP 시점이검출되면, 그시점을기준으로단자전압으로부터센싱한역기전력값을적분하고, ZCP 발생간격정보를이용하여계산한상전환시점을역기전력적분값을이용하여보정한다. - 33 -
2.00 Ia Ib Ic 상전류 1.00 0.0-1.00-2.00 Ha+3 Hb Hc-3 com_mode-2.5 ZCP_TRIG+5 센서신호 6.00 4.00 2.00 0.0-2.00-4.00 토크 Tem_BDCM1 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.0 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 Time (s) 그림 2-17 제안하는전환오차보정알고리즘을적용한경우의시뮬레이션결과 그림 2-17은본연구에서제안한상전환위치오차보정알고리즘이적용된경우의시뮬레이션결과파형이다. 그림 2-14과 2-17을비교해보면제안된상전환위치오차보정알고리즘에의해상전환위치오차가크게줄어들었고, 결과적으로전류맥동및토크맥동도줄어들었음을확인할수있다. 3) 센서리스제어기시제품제작및시험결과 본과제에서는냉장고왕복동압축기구동용으로 200W급의 4극브러시리스직류전동기가사용되었다. 상용화를위해서저가의 Microchip 사의 dspic3f202 를사용하였고, 파워모듈은 Fairchild-Semiconductor 사의 FSBF5CH60B SPM(Smart Power Module) 을사용하여제안한센서리스드라이브를구현하였다. 인버터 PWM 주파수는 4kHz로설정하였고, 220V 교류전원을정류하여인버터직류전원으로사용하였다. 그림 2-18은 Cost를고려하여설계한 BLDC 압축기용센서리스제어기회로도를보여준다. - 34 -
그림 2-18 BLDC 압축기용센서리스제어기회로도 압축기구동용 BLDC 전동기의회전자관성이작고주기적인부하변동의폭이큰경우에는회전자순시속도변동이크게발생하고, 이로인해역기전력의크기도주기적으로크게변화한다. 이러한경우에는상전환시점오차를보정하여도속도제어기에서부하변동에적절한전압지령을출력하지않는경우과전류에의한 Fault 현상이발생하여압축기의저속과부하운전을수행할수없게된다. 따라서, 상전환시점오차보정알고리즘과함께별도의전압지령보정알고리즘의개발이필요하다. 그림 8은상전환위치보정알고리즘이적용된상태에서회전자의관성이작게만들어진압축기를저속으로운전하면서매니폴더게이지를이용하여압축기부하를임의로증가시켰을때의실험파형이다. 속도응답의진동폭이큰상태이므로, BLDC 전동기의역기전력도압축기에인가되는부하의주기적변동과동일한주파수로크게변화하게된다. 그러나인버터의지령전압이일정하기때문에지령전압과역기전력의차이에해당하는만큼전류맥동이발생하는것을확인할수있다. - 35 -
이러한문제점을해결하기위해속도오차정보를이용하여인버터의지령전압을조절하는방법을사용하였다. 그림 2-19의실험결과에비해전류응답에서맥동이크게감소했음을그림 2-20에서확인할수있다. 그림 2-19 종래의방법을적용한압축기실험파형 C1: 속도 (2500rpm/div.), 속도지령 =1800rpm, C2: 속도에러 (200(rad/sec)/div.), C3: 지령전압 (80V/div.), C3 중간이 160V. C4 : 상전류 그림 2-20 개선된알고리즘적용한압축기실험파형 C1: 속도 (2500rpm/div.), 속도지령 =1800rpm, C2: 속도에러 (200(rad/sec)/div.), C3: 지령전압 (80V/div.), C3 중간이 160V. C4 : 상전류. - 36 -
제 3 장결과 제 1 절 1 차년도기술개발결과 1. 시제품 < 시제품외관 > < BLDC COMP 드라이버 > < BLDC COMP 적용 > 그림 3-1 제작된시제품 2. 소비전력측정결과 측정장비 : 요코가와사의파워메터 (model : WT1600) 측정방법 : -18[ ] 로안정화된상태에서 1시간동안소비전력을측정 측정결과 : 26.352[kWh]/ 월 - 1시간동안소비된소비전력이 36.5867[Wh] 이므로월소비전력으로환산하면 36.6[w] 24[h] 30[day] = 26.352[kWh]/ 월 그림 3-2 소비전력측정결과 - 37 -
3. 냉각속도측정결과 측정장비 : Climate 룸챔버, 요코가와사의데이터기록계 (model : MV2000) 측정환경 : 챔버내부의대기온도는 32[ ], 습도는 75[%R.H.] 로설정 측정방법 - 대형챔버에냉동고를설치하여챔버내온도및냉동고내기하학적중앙에열전대를부착하여시험 - 냉동고내의온도가챔버의온도와 32[ ] 로평행이되는시점부터콤프레셔를 3600[rpm] 으로가동하여냉동고내의온도변화를측정 측정결과 - 32[ ] 에서 -18[ ] 온도가내려가는데까지 27분이소요되어정량적목표인 90분을충분히달성하였음확인하였음 그림 3-3 대형챔버내냉동고설치 - 38 -
그림 3-4 냉각속도시험결과 4. 온도범위측정결과 냉동온도범위측정시험은냉각속도측정시험환경에서콤프레셔를연속적으로가동하여냉동고내의온도변화를측정한결과 -27.5[ ] 까지도달하여목표치인 -27[ ] 를충분히달성할수있음을확인하였음 그림 3-5 냉동온도범위측정결과 - 39 -