[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅱ ③] 세탁기의 파워 일렉트로닉스 기술

모터의 구동·제어는 벡터 제어 인버터에 의해 세척(50~100rpm), 탈수(~1700rpm) 등 각 공정에 요구되는 회전수로 제어된다.




액티브 서스펜션
탈수 시 세탁물(의류)이 한쪽으로 크게 쏠린 상태에서는 회전수의 상승으로 인해 드럼이 크게 진동하여 소음 및 고장의 원인이 된다. 이때 ‘드럼 정지 → 재회전’을 여러 번 반복 실시하여 의류의 배치를 바꿈으로써 균형을 잡고 드럼의 진동 저감을 도모했다. 이 드럼 진동을 흡수하면 다소의 세탁물 쏠림 현상이 있어도 탈수를 실행할 수 있기 때문에 서스펜션의 구성이 중요하다. 이와 같은 진동 문제에 대응하기 위해 타 분야에서도 액티브 서스펜션이 연구개발되어 △신칸센 차량 △ 트럭 △고급 스포츠카의 차내 진동 저감에 의한 쾌적성 향상 및 건축물의 면진(免振, vibration isolation) 방법으로서 실용화되고 있다.

(1) 드럼식 세탁건조기의 진동
드럼식 세탁건조기의 진동문제에 대해 1자유도 단진동에 의한 간단한 모델을 예로 들어 설명한다. [그림 3](a)에서의 드럼 회전에 의한 가진력을 f(χ), 서스펜션의 파라미터인 감쇠계수를 c, 스프링 정수를 k라고 하면, 운동은 아래 (1 )과 같은 식이 된다.



상기 (1)의 식에서 가진력 f(χ)와 전달력 ft(χ)의 비로 구해지는 전달함수 Ft/F(진동전달률)는 (2)의 식이 된다. 이것은 드럼 진동에 의해 제품에서 설치바닥으로 전달되는 힘의 비율이며, 진동 각속도(드럼 회전수) ω에 따라 [그림 3](b)와 같은 특성이 된다. 드럼 회전수가 시스템의 공진주파수 ωn와 일치하면, 매우 큰 진동이 전달되게 된다. 드럼 회전수가 공진 주파수의 1.4배 이하에서 감쇠계수를 크게 하면 바닥에 전달되는 진동이 작아지기 때문에 그 이상의 회전수에서는 감쇠계수를 작게 함으로써 진동을 줄일 수 있다. 기존 세탁기의 서스펜션에는 오일식 댐퍼와 마찰식 댐퍼가 사용되었는데 이것들은 감쇠력이 일정했다. 그래서 댐퍼의 감쇠력을 가변시켜 바닥에 전달되는 진동을 줄이기 위해 세탁기용 액티브 서스펜션이 개발되었다.





(2) 액티브 서스펜션의 구조
액티브 서스펜션은 [그림 4]에 보이는 바와 같이 스프링과 자기점성유체(Magneto-Rheological Fluid: MRF)에 의해 감쇠력을 발생시키는 댐퍼부로 구성된다. MRF는 자계의 인가에 의해 점도가 증가하는 특성이 있으며, 로드(九棒)와 요크 간의 틈새에 봉입(封入)되어 있다. 코일에 전류를 흘려 MRF에 자계를 인가하면, 액티브 서스펜션의 감쇠력은 무통전 시의 약 4배로 증가한다.





(3) 액티브 서스펜션의 제어
실제 시스템의 공진 주파수는 드럼 회전수가 낮은 영역(~약 400rpm)에서 나타나고, 그때는 코일에 전류를 흘려 감쇠력을 증가시킨다. 그 이상으로 회전수가 높아진 경우에는 코일의 통전을 중단하고 감쇠력을 작게 하여 바닥에 전달되는 진동을 감소시킨다. 이러한 코일을 ON/OFF시키는 기본동작 외에도 [그림 5](a)와 같이 드럼의 불균형한 위치에 동기화하여 코일에 통전하고 드럼이 좌우로 흔들리는 롤링 현상을 억제한다. 드럼의 불균형한 위치 검출은 전술의 가변 자력 모터를 구동하는 벡터 제어 인버터로 실시하고 있다. 벡터 제어 파라미터인 Q축 전류가 부하토크에 비례하는 관계를 이용하여 [그림 5](b)와 같이 불균형 위치에 동기화한 회전각 신호를 얻고 있다. 액티브 서스펜션의 탑재 효과로 탈수 시 드럼 회전을 다시 해야 하는 불편함이 해소되어 예정시간에 세탁이 종료되고 세탁시간이 단축되었다.