516 The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 6, December 2012 http://dx.doi.org/10.6113/tkpe.2012.17.6.516 멀티냉장고용에너지절감형전력변환기및통합제어시스템개발 Development of Multi-refrigerator Energy-saving Power Converter and the Combined Control System Sang-Taek Lee, Hee-Jun Kim, and Dae-Kyong Kim Abstract - Recently trends of home appliance has been changed in house and the demand for functional refrigerator has been increased. Power consumption of refrigerator accounts for a large proportion in consumer electronics. Also, compressor accounts for most of the power consumption in refrigerator parts. Therefore, this paper proposes a multi-refrigerator system with single compressor & condenser fan in order to reduce energy. To verify the availability of the proposed multi refrigerant system, integration experiment is carried out. Keywords: energy saving, multi-refrigerator, PFC, SMPS, inverter, DPLC, RFID 가전기기의발전은주거환경및문화에따라매우빠르게변화하고있다. 최근고유가및에너지자원의한계에따라에너지절감의중요성이크게부각되고있는실정이며향후미래가전시장속에서신개념가전기기에대한여러시도도이루어지고있는실정이다. 가정의필수적인가전으로자리해온냉장고는식품의저장을주요기능으로한다. 그러나소비자의다양한욕구에따라단순하게식품저장고의역할만이아닌쌀, 약품, 기호식품, 김치, 와인등을보관하는용도의다기능성맞춤형냉장고가등장하였다. [1] 최근고급화가전기기의트랜드와맞물려사용자의목적과용도에맞게제작된맞춤형의냉장고가실제제품으로출시되고있으며, 이로인해가정내에다수의냉장고사용이확대되는추세이다. 뿐만아니라전자및정보통신기술과접목하여스마트홈에적합한스마트가전기기로서상용화가이루어지고있다. 기존가정내의가전기기중전력의소모비율이가장높은것은냉장고이며각부분별로소비전력 Paper number: TKPE-2012-17-6-7 ISSN: 1229-2214 Corresponding author: dkkim@sunchon.ac.kr, Dept. of Electrical Control Eng., Sunchon National University Tel: +82-61-750-3546 Fax: +82-61-753-3546 1 Dept. of Electronics, Electrical, Control and Instrumentation Engineering, Hanyang University 2 Korea Electronics Technology Institute (KETI) Manuscript received Sep. 1, 2011; accepted Oct. 25, 2012 본논문은편집위원회에서우수기술논문으로추천됨 은압축기와 FAN 이 80% 이상으로대부분을차지한다. 또한다수의냉장고를사용할경우각각의압축기및응축기 Fan 구동시발생되는소음은큰문제점이다. [3][4] 따라서본연구에서는새로운시스템의구성을통해에너지절감효과와소음개선효과를얻을수있는신개념멀티냉장고시스템을제안하였고통합제어에의한유용성을입증하였다. 전체시스템은그림 1 과같이구성된다. 다수의냉장고를통합적으로운용함에있어전력소모와소음문제의핵심인압축기와응축기용 FAN 에대해 750W 급압축기 1 대, 80W 급응축기용 FAN, 응축기로열교환기를구성하였고, 별도로하나의독립된외부공간에압축기와응축기팬으로구성된열교환기를설치함으로서소음진동문제를해결하였다. 전체시스템의에너지절감을위한전력변환기로통합전원, 역률개선을위한역률제어회로, 압축기구동용인버터를개발하였다. 또한시스템의통합제어와모니터링을위한중앙제어기, 각고내의센서정보교환과제어를위한단일제어기, 고내음식물판별을위한 RFID, 냉매순환제어용밸브제어기, 냉매의리사이클을위한냉매회수기로전체시스템을구성하였다. 또한다수의냉장고간에제어를위해서 12VDC 라인을이용한 DPLC (DC Power Line Communication) 전력선통신을적용하였고시스템제어가잘이루어짐을확인하였다. [5]
멀티냉장고용에너지절감형전력변환기및통합제어시스템개발 517 Table 1 Power consumption of each module controller ITEM Power Consumption [W] PFC, Inverter SMPS 15 Main Controller 7 Sub Controller 6 Value, RFID & etc. 10 Total 38 Table 2 PFC specification for Multi-refrigerator Power (P) Input Voltage ( ) Output Voltage ( ) Frequency ( ) 1kW 220[V] (85[V] 311[V]) 390[V] 65[kHz] Efficiency () 92% Power Factor (cos ) 0.99 각제어기의사용전원및전력선통신등시스템운용을위해 12V DC 전원으로단일화하여구성하였다. 시스템전원은절연이가능하고안정된제어특성과저전압리플특성을가지는 Forward 컨버터회로방식을적용하였다. 표 1 은시스템전원용량을선정하기위한기본소요전력량데이터이며확장성과부하마진을고려하여 100W 급의 SMPS 회로를설계하였고, 응답특성및안정된스위칭제어특성을위해전용의 PWM IC M51995AP 를적용하여개발하였다. 그림 2 는멀티냉장고용전원의회로도를나타내며, 과전류차단용퓨즈, EMI 저감을위한초크코일과커패 시터, 상용전원 AC 220V 를정류하기위한정류회로, DC 전압평활용입력커패시터, 전압크기의변경및절연회로구성을위한컨버터회로, 출력전압제어를위한 PWM 제어회로를적용하였고, 출력부에필터를추가하여고내성의노이즈특성과전력선통신의적용이용이하도록회로를구성하였다. 표 2 는멀티냉장고시스템을위한 PFC 설계사양이며인버터용량, 시스템전원회로의용량을고려하여 1kW 급으로선정하였다. 그림 3 은멀티냉장고시스템의역률개선회로도를나타내며전력회로의경우 Boost 컨버터 Topology, 제어 IC 는 UCC28019 를적용하여개발을수행하였다. 그림 4 는제작된역률개선회로의시제품이며전원계통및구성의간소화를위해시스템전원과역률개선회로를단일 PCB 로구성하여제작하였다. Fig. 1 Configuration of universal combined refrigeration system Fig. 3 The circuit diagram of 1kW PFC Fig. 2 The circuit diagram of 100W DC 12V SMPS Fig. 4 Device of the SMPS+PFC
518 The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 6, December 2012 냉장고의경우고효율특성이가장중요한요소이므로영구자석모터를적용한고효율압축기를적용하였다. 영구자석모터를구동하기위해서는회전자의위치센서가필수적이지만, 압축기에영구자석모터를적용하는경우내부의고온, 고압등의환경적인문제로인하여센서리스제어알고리즘의적용은필수적이다. [7] 멀티냉장고용압축기의경우종래에개별적인냉장고용압축기 150W급보다더큰 750W급의용량을가지며가변부하가더빈번하므로고성능제어및운전특성을가져야한다. 본연구에서는개발된압축기및모터에대하여전류모델기반의센서리스제어알고리즘과확장유기전력기반센서리스제어알고리즘에대하여속도응답특성을비교검토하였다. 속도응답의경우소음진동에영향을미친다. 제어알고리즘성능의비교를위해그림5, 6과같이동일조건 3,500rpm 에서시험을하였고그결과전류모델기반의제어알고리즘의속도변동은 3%, 확장유기전력기반센서리스제어알고리즘의속도맥동은 1% 가됨을확인하였다. 본연구의압축기용인버터제어기는확장유기전력기반의센서리스제어알고리즘으로시스템에적용하였다. 시스템의에너지절감을위해서는인버터제어기의고효율제어알고리즘이큰비중을차지한다. 압축기용모터의종류가매입형 BLDC 전동기일경우고정자전류의위상각을적절히제어함으로써단위전류당최대토크제어를구현할 수있으며, 이때 BLDC 전동기의동손을최소화할수있다. 회전자동기좌표계에서 BLDC 전동기의 d 축, q 축 전류및고정자전류를각각 음과같은관계가성립한다. 라고할때다 (1) BLDC 전동기의극수를 P, d 축, q 축인덕턴스및역기전력상수를 라고할때토크방정식은 다음과같다. (2) 식 2 에식 1 을이용하여정리하면식 3 과같다. (3) 단위전류당최대토크를얻기위한조건은고정자전류에대한토크궤적으로부터편미분을통해다음과같이구할수있다. (4) 식 4 를만족하는 d 축및 q 축전류는다음과같다. (5) (6) Fig. 5 Current model-based sensorless control speed ripple Fig. 6 Sensorless control speed ripple based on extended EMF characteristic 식 5, 6 에의해 d 축및 q 축전류를제어하게되면영구자석의정렬토크와자기저항토크를모두이용할수있어결과적으로 BLDC 전동기의최소동손제어를구현할수있다. 또한고속운전영역에서전류및전압제한조건을만족시키면서도토크발생을위한 q 축전류를공급하기위해서는 d 축전류를음의방향으로증가시키는약자속제어를수행해주어야한다. 압축기의경우전기자동차와같이빠른응답특성을요구하는것이아니므로전압궤환방식의약자속제어로도충분히요구되는부하특성을가짐을알수있다. [7][8] 그림 7 은압축기용모터구동을위한인버터장치로서구성은크게전력회로부, 디지털제어부, 전압 전류센서부, 부트스트랩방식의게이트구동회로부, 보호회로부, 전원회로부, 기타통신회로부등으로구성된다.
멀티냉장고용에너지절감형전력변환기및통합제어시스템개발 519 전력회로는 1kW 급까지구동이가능하도록 Mitsubishi 사의 600V/15A DIPIPM 모듈을사용하였다. 멀티냉장고중앙제어기는 Embedded Linux 를채용하여보다안정적인성능을보여줄수있도록제작되었으며하부 Slave Controller 와의통신은전력선통신을사용하여이종기기간의 I/F 를위한배선및결선의장점을보완하였다. 또한산업용범용프로토콜 Modbus 를채용하여기기의확장성을염두해두었으며최대 255 개까지의하부컨트롤러를채용할수있도록지원하였다. 각고의모니터링포인트와제어포인트들을 Modbus Packet 의 Holding / Input Register 로활용하였으며 GUI 를통해 RFID 를통해인식된데이터내용을사용자가쉽게유통기한및제조년월일을확인할수있도록고안되었다. 본연구에서는 1 개의응축기와압축기를사용하여다수의냉장고를제어한다는측면에서에너지소비의효율적제어가가능하고사용자에게쉬운 GUI 인터페이스를구축하여통합제어가가능한냉장고시스템을구현하였다. 중앙제어기는그림 8 과같은소프트웨어흐름을따라구동하게되고 QT GUI Application 은 Touch Panel 을통하여사용자에게다수의냉장고구동및각정보등을표시하기위한 Graphic 화면을제공한다. 그림 9 와같이화면에는여러개의냉장고가존재하며, 각고별로다른설정이가능하고, 온도조절을위한밸브상태, 압축기 응축기의동작속도를모니터링할수있으며, 냉장고의내용물을표시할수있다. 또한가정내에서수동으로제어할수있고외부적으로제어및모니터링할수있도록인터넷제어를할수있도록설계되었다. 단일제어기에서는각각냉장고의온도및습도상태정보를센싱하여중앙제어기와통신을통해제어동작을구현한다. 제어동작구현을위한처리방식은그림 10 과같이 Level 1 에서는오브젝트단위로각센서데이터를처리한다. Level 2 에서는각센서의상태에따른데이터를분류처리하고, Level 3 는각센서의종류에맞게제분류및가공하고 Level 4 에서는중앙제어기에서판단사용가능하게데이터를가동및데이터베이스저장하고 Level 5 에서최종데이터를생성한다. Fig. 7 Device of the compressor inverter Fig. 9 GUI Platform of the main controller Fig. 8 Block diagram of a controller software Flow Fig. 10 Processing of multi sensor data
520 The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 6, December 2012 Table 3 Each controller module and communication mode Kimchi Wine Rice Name Freezers Ref. outdoor Ref. celler Ref. Address 1(0x01) 2(0x02) 3(0x03) 4(0x04) 5(0x05) 6(0x06) Baud rate : 9600, 8-bit binary, No parity, 1 stop bit, CRC16 그림 11은 제작된 단일제어기의 시작품이며 H/W의 구성은 ATmega2560 MCU와 전력선 통신이 가능한 하 드웨어부, RS232, UHF, RFID 리더부, 8개의 ADC와 3 채널의 릴레이 모듈로 설계하였다. 2.4.3 멀티냉장고 통신프로토콜 및 제어사양 멀티 냉장시스템은 PLC모듈을 사용하여 통신선을 절 감하였고 분리된 타입에 적합하다. DC PLC통신을 사용 하므로 노이즈 개선을 위한 필터회로를 각 제어기에 적 용하여 안정적인 통신이 가능하도록 하였다. 통신 프로 토콜은 Modicon사의 모드버스 프로토콜 RTU (Remote Terminal Unit) 타입을 적용하였다.[9] 표 3은 멀티 냉장시스템의 전력선 통신을 위한 제어 기 모듈별 Slave주소와 통신규약의 설정을 나타냈다. 그 림 12는 중앙제어기가 실행 된 후 주소 1 5번은 단일 제어기에 대한 요청 및 응답 메시지를 나타내며, 6번은 압축기 및 응축기 모터에 요청하고 응답한 사항에 대해 나타낸다. 냉장시스템 내의 각각의 고와 데이터 교환이 이루어지며 고내 온도에 따른 냉매 순환밸브를 제어하 고, 압축기와 응축기 팬 모터에 고내 온도에 따른 모터 별 속도를 지령하여 시스템을 구동한다. 표4는 멀티 냉 Table 4 Multi refrigerant system control table 장고 시스템을 제어하기 위한 제어사양표이다. 냉동고 -18도, 냉장고 4도, 김치냉장고 -1도, 와인냉장고 10도, 쌀냉장고 15도로 온도 설정을 하였고 전체 시스템의 온 도 안정화를 위해 압축기, 응축기팬, 증발기팬의 속도를 지정하여 제어하였다. 또한 비고의 운전시나리오를 설정 하여 제어안정화를 구현하고자 하였다. 3. 밸브제어, 냉매회수장치, 냉장고 사이클 그림 13는 멀티냉장고 시스템의 사이클 구성을 나타 낸다. 시스템을 구현함에 있어서 여러개의 냉장냉동 모 듈을 병렬로 연결할 수 있으며 탈부착이 가능하도록 커 넥터 및 배관 장치를 개발하였다. 그림 14는 각각의 고 내에 냉매량을 조절하여 온도제어가 가능토록 하는 밸 브제어장치와 사이클 배관내 냉매 압력을 검출하여 냉 매 회수 및 충전이 자동으로 되는 자동냉매회수충전장 치의 시제품 사진이다. 본 연구를 통해 하나의 압축기, 응축기 Fan으로 구성된 열교환기를 적용하여 다수의 냉 장고를 운전할 수 있는 빌트인 개념의 멀티냉장고 시스 템을 개발하였다. Fig. 11 Single-controller and RFID module Fig. 13 Multi refrigerant cycle system block diagram Fig. 12 Main controller Qt/ Embedded Debug Fig. 14 Valve controller and auto refrigerant recycle charger
멀티냉장고용에너지절감형전력변환기및통합제어시스템개발 521 멀티냉장고용시스템을구동함에있어에너지절감을위해서는운전의적절한제어와고효율전력변환기를구성하는것이가장핵심적사항이다. 그림 15 는멀티냉장고시스템을위해제작된전원모듈의전력분석결과이며최대부하 100W 조건에서 81.28% 의효율이나타남을확인하였다. 그림 16 은 PFC 회로의전력분석결과이며최대부하 1kW 조건에서역 Fig. 15 The result of SMPS power analyzer when 100W Load 률 0.99, 효율 97.39% 의결과가나타남을확인하였다. 그림 17 은멀티냉장고시스템용압축기의상전류파형을나타내고있다. 3,800rpm 2Nm 조건에서시험을수행하였고시험결과 96.65% 의효율을달성함을확인하였다. 각각전원, 역률개선회로, 인버터회로의실험을통해시스템의에너지절감이가능한고효율, 고성능의전력변환기로서멀티냉장고시스템에적합함을확인하였다. 그림 18은 Built-In 개념을접목하여최종제작한시제품사진이다. 시제품의경우각각의냉장고가 Built-In 구성이가능하도록제작을하였다. 그림 19는멀티냉장고시스템의통합제어를위해중앙제어기, 단일제어기, 센서모듈, RFID 시스템간제어동작을위한전력선통신파형을보여주고있다. 시험결과안정된온도제어및운전특성이나타남을확인하였다. 멀티냉장고시스템을적용함에있어기존다수의냉장고를적용하는것과비교했을때냉매의열교환을위한소음진동의주원인인압축기, 응축기팬, 기구부분이실외에설치되므로소음측면에서우수함을알수있다. 표 5는제안한멀티냉장고시스템에있어서기존냉장고대비소음및에너지절감효과에대한결과값을나타내고있다. 소음측면에서는기존 SBS 냉장고 (42dB) 대비개발된멀티냉장고 (32dB) 가우수함을알수있다. 에너지절감측면에서는운전조건, 온도제어범위, 주변온도, 운전율제어에따라차이가좀있지만기존냉동고, 냉장고, 김치냉장고, 와인냉장고, 쌀냉장고등다수의냉장고의월간소비전력을각각합산한것 (88.7kWh) 과통합제어에의한 Fig. 16 The result of PFC power analyzer when 1kW Load Fig. 18 Built-In multi refrigerant system final set Fig. 17 Inverter Load Test Result for Comp. (Phase) Fig. 19 Data request and response PLC waveform
522 The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 6, December 2012 Table 5 Comparison of noise and energy saving effect Item Conventional Refrigerator Multi Refrigerator unit remark Noise 42 32.1 db (Max) Power 88.7 82.05 kwh (month) 소비전력 (82.05kWh) 의결과치를비교해보면제안한멀티냉장고시스템이 7.5% 정도개선됨을확인하였다. 본논문에서는멀티냉장고에적합한에너지절감형전력변환기, 통합제어기, 단일제어기를개발하였고새로운통합제어방식의멀티냉장고용시스템을제안하였다. 제안된방식은종래다른냉장고와과달리각각의압축기및팬에대한소음을줄일수있으며, 에너지절감의효과를기대할수있다. 또한별도의통신라인을필요치않고각제어기에공급되는전원선으로통신함에따라원가절감과시스템의간소화및설치가용이해지는장점을가진다. 본멀티냉장고시스템의개발로새로운스마트가전분야의에너지절감형신개념 Built-In 가전기기에대한새로운시도이며향후에너지절감을위한제어알고리즘의최적화보완및개발제품의제품화를위한신뢰성시험을수행할예정이다. [1] Electronics information center, Japanese consumer electronics industrial recent trends, www.eic.re.kr, Apr. 2008. [2] Electronics information center, Electronics Market outlook, www.eic.re.kr, Ma.r. 2008. [3] Dae-Kyong Kim, Kwang-Woon Lee, Byung-Il Kwon, Commutation torque ripple reduction in a position sensorless brushless DC motor drive, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 21, No. 6, pp. 1762-1768, Nov. 2006. [4] Dae-Kyong Kim, Kwang-Woon Lee, Byung-Taek Kim, Byung-Il Kwon, Advanced brushless DC motor drive without position sensor for home appliances, ICEMS Conf., pp. 707-713, Oct. 2007. [5] Yu Tao, Sung-Geun Song, Min-Jung Lee, Kwang-Heon Kim, Sung-Jun Park, "Plug-in BLDC Control System Using DC-link communication," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 14, No. 2, pp. 105-111, Apr. 2009. [6] Matsui, Takeda, Morimoto, Honda, "Design and Control of IPMSM," Ohmsa, 2001. [7] Kwang-Woon Lee, Joon-Hwan Lee, Jae-Young Choi, "Position Sensorless Starting of BLDC Motor for Compressor," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 11, No. 5, pp. 440-446, Oct. 2006. [8] Sangsun Kim, Prasad N. Enjeti, "Control of Multiple Single-Phase PFC Modules With a Single low-cost DSP," in IEEE Trans., Vol. 39, No. 5 pp. 1379-1385, Sep/Oct. 2003. [9] Modbus-Ida, "Modbus Application Protocol Specification V1.1b," Dec. 2006.