KR100317356B1 - 역률제어용승압형컨버터의구동제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치에 관한 것으로, 종래의 기술에 있어서 별도의 역률제어 기능이 없는 경우에는 역률이 보통 0.4∼0.7 사이의 수치를 가지게 되고, 고조파(Harmonics) 성분이 크기 때문에 국제 규격인 IEC 1000-3을 만족할 수 없으며, 전원회로의 역률이 낮게되면 고조파 전류가 많게 되어 전력손실이 증대할 뿐만 아니라 전력모선에 고조파에 의한 악영향을 초래하기 쉽고, 또한 역률이 낮으면 실효전력도 작아지기 때문에 가정내에서 사용할 수 있는 전력이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 정류부와, 평활 커패시터와, 인버터와, 전류검출부와, 과전류검지부와, 압축기 모터를 포함한 전동기 구동장치에 있어서, 상기 정류부에서 출력되는 전압에 대해 역률을 개선하기 위한 동작을 수행하는 승압용 컨버터부와; 입력되는 전압과 부하 동작시 발생하는 출력전압의 검출하여 그에 대한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 승압형 컨버터부로 출력하는 역률제어 신호구동부와; 상기 과전류검지부로부터 입력받은 신호에 의해 상기 역률제어 신호구동부의 공급전원을 차단시켜 주는 자동전원차단부와; 상기 과전류검지부로부터 이상동작 검지신호를 입력받으면 동작정지신호를 상기 인버터구동수단을 통해 상기 인버터로 출력하여 동작을 정지시키는 한편, 상기 역률제어 신호구동부로 공급되는 전원을 자동으로 차단시켜 상기 승압용 컨버터 내의 스위칭 소자의 동작을 정지시키는 제어부를 더 포함하여 구성한 장치를 제공하여 전원회로의 역률을 높임으로써, 전력모선에 고조파에 의한 악영향을 방지할 수 있고, 가정에서 사용하는 전력의 효율 또한 높일 수 있으며, 국제 규격인 IEC 1000-3을 만족시켜 시스템의 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

Description

역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치
본 발명은 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치에 관한 것으로, 특히 에어컨에서 역률(power factor)을 개선하기 위한 전용의 역률제어장치를 적용하여 승압형 컨버터(boost converter)를 구동함에 있어서, 인버터의 스위칭 소자를 보호할 목적으로 구성된 전류검지 저항 및 과전류 보호회로와 연동시켜 이상동작 시 역률제어장치의 공급전원을 자동으로 차단시켜 승압형 컨버터의 스위칭 소자를 보호하도록 하는 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치에 관한 것이다.
에어컨의 실외기 등에는 압축기 내 모터의 광범위한 회전속도 제어를 실현하기 위해 교류전원을 먼저 직류전원으로 변환하고, 이를 이용하는 인버터에 의해 전동기의 회전속도를 제어하는 전동기 구동장치의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 상용전원(10)에 실려있는 노이즈를 제거하는 노이즈 필터(11)와; 전원의 역률을 개선하기 위해 상기 노이즈 필터(11)의 뒷단에 위치하는 역률개선 필터(12)와; 상기 역률개선 필터(12)를 통해 입력되는 상용 전원(10)을 정류하여 출력하는 정류부 (13)와; 상기 정류부(13)에서 출력되는 전압을 평활하여 직류로 변환하는 평활 커패시터(C)와; 상기 평활 커패시터(C)의 직류 전압을 펄스폭변조(이하 "PWM"이라 함)를 통해 임의의 가변 주파수를 가진 교류로 바꾸어주는 인버터(14)와; 상기 인버터(14)로부터 공급받은 교류전압에 의해 구동하는 압축기 모터(15)와; 상기 인버터(14)의 출력전류를 검출하는 전류검출부(16)와; 상기 전류검출부(16)로부터 검출신호를 입력받아 과전류 여부를 판단하는 과전류검지부(17)와; 상기 과전류검지부(17)의 출력신호에 따라 PWM 제어신호를 출력하여 인버터구동수단(19)을 통해 상기 인버터(14)를 제어하는 제어부(18)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 노이즈 필터(11)는 상용전원(10)의 일측에 접속되어 교류전압에 실려있는 노이즈를 제거하며, 이 노이즈 필터(11)의 뒷단에 위치하는 역률개선 필터(12)는 전원의 역률을 개선하며, 정류부(13)에서 상기 역률개선 필터(12)를 통해 입력되는 상용 전원(10)을 정류하여 출력하면 이를 평활 커패시터(C)에서 입력받아 평활하여 직류로 변환하여 출력하는데, 도 2에서와 같이 입력전류가 직류평활전압(V0)보다 클 때만 흐르며, 작을 때에는 흐르지 않는다.
상기 평활 커패시터(C)로부터 출력되는 직류전압을 인버터(14)에서 입력받아 펄스폭변조를 통해 임의의 가변 주파수를 가진 교류로 바꾸어 부하가 되는 압축기 모터(15)로 인가하는데, 상기 인버터(14)는 3상 브리지 접속한 6개의 스위칭 소자로 구성된 3상 스위칭브리지 회로와, 상기 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 6개의 다이오드로 구성된다.
상기 인버터(14)의 출력전류를 검출하는 전류검출부(16)는 상기 인버터(14)의 스위칭 소자를 과전류로부터 보호하기 위해 검출신호를 과전류검지부(17)로 출력하며, 이를 입력받은 과전류검지부(17)는 과전류 여부를 판단하여 그에 따른 신호를 제어부(18)로 출력하고, 상기 제어부(18)는 입력되는 신호에 따른 PWM 제어신호를 인버터구동수단(19)을 통해 상기 인버터(14)로 입력시켜 이 PWM 제어신호에따른 3상 교류전압을 공급하도록 하여 압축기 모터(15)의 회전속도를 제어한다.
상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서 별도의 역률제어 기능이 없는 경우에는 역률이 보통 0.4∼0.7 사이의 수치를 가지게 되고, 고조파(Harmonics) 성분이 크기 때문에 국제 규격인 IEC 1000-3을 만족할 수 없으며, 전원회로의 역률이 낮게되면 고조파 전류가 많게 되어 전력손실이 증대할 뿐만 아니라 전력모선에 고조파에 의한 악영향을 초래하기 쉽고, 또한 역률이 낮으면 실효전력도 작아지기 때문에 가정내에서 사용할 수 있는 전력이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 역률을 개선하기 위한 전용의 역률제어장치를 적용하여 인버터의 스위칭 소자를 보호할 목적으로 구성된 전류검지 저항 및 과전류 검지부와 연동시켜 이상동작 시 상기 역률제어장치의 공급전원을 자동으로 차단시켜 승압형 컨버터의 스위칭 소자를 보호하도록 하는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 전동기 구동장치의 구성을 보인 블록도.
도 2는 도 1에서 입력전류와 직류 평활전압과의 관계를 보인 파형도.
도 3은 본 발명 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치의 일실시예의 구성을 보인 블록도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
13 : 정류부 14 : 인버터
16 : 전류검출부 17, 21 : 과전류검지부
18 : 제어부 20 : 승압형 컨버터
30 : 역률제어 신호구동부 31 : 입력전류 검출부
32 : 입력전압 검출부 33 : 출력전압 검출부
34 : 오차앰프 35 : 승산기
36 : 앰프 37 : 발진부
38 : 비교부 39 : 스위칭제어부
40 : 자동전원차단부 C : 평활 커패시터
D : 다이오드 S1 : 스위칭 소자
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치는 정류부와, 평활 커패시터와, 인버터와, 전류검출부와, 과전류검지부와, 압축기 모터와, 제어부를 포함한 전동기 구동장치에 있어서, 상기 정류부에서 출력되는 전압에 대해 역률을 개선하기 위한 동작을 수행하는 승압용 컨버터부와; 입력되는 전압과 부하 동작시 발생하는 출력전압의 검출하여 그에 대한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 승압형 컨버터부로 출력하는 역률제어 신호구동부와; 상기 과전류검지부로부터 입력받은 신호에 의해 상기 역률제어 신호구동부의 공급전원을 차단시켜 주는 자동전원차단부를 더 포함하여 구성함을 특징으로 한다.
상기 자동전원차단부는 전류검출부의 검지신호를 과전류검지부를 통해 입력받아 제어부와 연동하여 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기 역률제어 신호구동부는 입력되는 전류를 검출하는 입력전류 검출부와; 입력되는 전압을 검출하는 입력전압 검출부와; 부하 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부와; 상기 출력전압 검출부의 검출전압과 기준전압(직류전압의 정격치)을 비교하여 발생하는 차 전압을 출력하는 오차앰프와; 상기 입력전압 검출부의 검출전압과 상기 오차앰프로부터 입력되는 오차전압을 승산하는 승산기와; 상기 전류 검출부에서 검출된 전류값과 승산기의 출력과의 차를 증폭하여 출력하는 앰프와; 일정 주기의 삼각파를 발생하여 출력하는 발진기와; 상기 앰프에서 출력과 상기 발진기에서 발생한 삼각파를 비교하여 그에 따른 펄스폭 변조신호를 출력하는 비교부와; 상기 비교부로부터 입력받은 펄스폭 변조신호에 따른 제어신호를 승압용 컨버터부의 스위칭 소자로 출력하는 스위칭제어부로 구성함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치의 일실시예의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 상용전원(10)을 정류하는 정류부(13)와, 이 정류부(13)의 출력전압을 평활하는 평활 커패시터(C)와, 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 압축기모터(15)에 공급하는 인버터(14)와, 상기 인버터(14)의 출력전류를 검출하는 전류검출부(16) 및 그 전류검출부(16)의 출력으로부터 과전류를 검출하는 과전류검지부(21)와, 상기 과전류 검지부(21)의 출력을 입력받고 인버터 구동수단(19)을 통해 상기 인버터(14)의 구동을 제어하는 제어부 (18)를 포함하여 구성된 전동기 구동장치에 있어서, 특정한 주파수 이상의 고주파 전류를 차단하기 위한 초크 코일(Choke Coil)(L)과; 역률제어 신호구동부(30)의 제어신호에 의해 온/오프하여 입력전류량을 제어하는 스위칭 소자(S1)와; 상기 스위칭 소자(S1)가 오프되면 도통되어 상기 초크 코일(L)을 통해 흐르는 전류를 평활 커패시터(C)로 인가하는 다이오드(D)와; 입력되는 전류를 검출하는 입력전류 검출부(31)와; 입력되는 전압을 검출하는 입력전압 검출부(32)와; 부하 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(33)와; 상기 출력전압 검출부(33)의 검출전압과 기준전압(직류전압의 정격치)을 비교하여 발생하는 차 전압을 출력하는 오차앰프(34)와; 상기 입력전압 검출부(33)의 검출전압과 상기 오차앰프(34)로부터 입력되는 오차전압을 승산하는 승산기(35)와; 상기 입력전류 검출부(31)에서 검출된 전류값과 승산기(35)의 출력과의 차를 증폭하여 출력하는 앰프(36)와; 일정 주기의 삼각파를 발생하여 출력하는 발진부(37)와; 상기 앰프(36)의 출력과 상기 발진부(37)에서 발생한 삼각파를 비교하여 상기 앰프(36)의 출력이 삼각파보다 높을 때에 펄스폭 변조신호를 출력하는 비교부(38)와; 상기 비교부(38)로부터 입력받은 펄스폭 변조신호에 따른 제어신호를 상기 승압용 컨버터부(20)의 스위칭 소자(S1)로 출력하는 스위칭제어부(39)와; 상기 과전류검지부(21)로부터 입력받은 신호에 의해 상기 역률제어 신호구동부(30)의 공급전원을 차단시켜 주는 자동전원차단부 (40)로 구성한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 과정 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
역률 개선을 목적으로 사용되어 지는 방법은 크게 두 가지로써, 그 중 한가지 방법은 수동(passive)소자를 사용한 필터를 이용하여 개선할 수 있으나, 국제 규격치를 만족시킬 수 없으며, 다른 한가지 방법은 도 3에 도시한 역률제어를 하는 장치를 이용하여 역률 및 고조파를 줄이는 것으로, 이를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 상기 도 1에서 설명한 정류부(13)와, 평활 커패시터(C)와, 인버터(14)와, 전류검출부(16)와, 과전류검지부(17)와, 압축기 모터(15)와, 제어부 (18)로 구성된 전동기 구동장치에 승압용 컨버터부(20)와, 역률제어 신호구동부 (30) 및 자동전원차단부(40)를 더 포함하여 구성한 것으로, 상기 정류부(13)에서 상용전원(10)을 정류하면 출력(VIN)은 입력전원 주파수(60㎐)의 두 배의 주파수를 갖게 되며, 이 전압을 입력으로 하여 승압용 컨버터부(20)의 스위칭 소자(S1)를 스위칭 해주면 초크 코일(L)에는 VIN과 동상인 전류가 흐르게 되는데, 상용전원(10)에서 보면 60㎐의 입력전압에 동상인 싸인파 전류가 흘러서 역률이 1.0에 가깝게 된다.
만일, 상기 스위칭 소자(S1)와 다이오드(D) 및 초크 코일(L) 모두가 이상적이라면, 먼저 스위칭 소자(S1)가이 온(ON)되면 초크 코일(L)에는 입력전압(VIN)이 걸리고, 전류가 선형적으로 상승한다. 이때 평활 커패시터(C)에 의해 부하에 전력을 공급한다. 반대로 상기 스위칭 소자(S1)가 오프(OFF)되면 다이오드(D)가 도통하여 상기 초크 코일(L)에는 (V0-VIN)이 위의 경우와는 반대방향으로 걸리게 되고, 이 초크 코일(L)을 통해 흐르는 전류(IL)는 선형적으로 감소한다. 이 경우 입력에서 출력으로 전력을 공급하여 상기 평활 커패시터(C)를 충전하게 된다. 이와 같은 동작을 반복하여 상기 초크 코일(L)의 전류(IL)가 입력전압의 모양을 추종하도록 하여 역률을 개선한다.
상기 스위칭 소자(S1)의 스위칭은 역률제어 신호구동부(30)의 스위칭제어부 (39)에 의해 다음과 같이 제어된다. 우선 평활 커패시터(C)에 발생된 직류전압이 출력전압 검출부(33)에 의해 분압된 상태로 검출되고, 이 검출전압과 기준전압(직류전압의 정격치)의 비교로 인하여 발생한 오차전압이 오차앰프(34)로부터 출력된다. 입력전압 검출부(32)는 상기 정류부(13)의 출력전압을 검출하고, 이를 승산기 (35)에서 입력받아 상기 오차앰프(34)로부터 입력되는 오차전압과 승산을 한다. 이에 따라 상기 승산기(35)에서는 입력전압 파형이 상기 오차앰프(34)의 출력에 의해 보정된다. 따라서 상기 승산기(35)의 출력은 상기의 직류전압 성분과 입력전압에 따른 전압의 상승분으로 대응된다.
또한, 입력전류값은 입력전류 검출부(31)에 의해 검출되어 지며, 이는 앰프(36)에서 상기 승산기(35)의 출력과 비교되어 그 차가 증폭됨으로써, 전압파형에 동기한 전류파형이 검출된다. 상기 앰프(36)의 출력은 비교부(38)에 의해 발진부(37)로부터 발생한 일정 주기의 삼각파와 비교되어 상기 앰프(36)의 출력이 삼각파보다 높을 때에는 펄스폭 변조신호가 출력되며, 스위칭제어부(39)는 이 펄스폭 변조신호에 따른 제어신호를 승압용 컨버터부(20)의 스위칭 소자(S1)로 출력하게 된다.
이후, 인버터(14)는 제어부(18)에서 출력한 펄스폭 변조 제어신호를 인버터구동수단(19)을 통해 전달받아 압축기 모터(15)의 회전속도를 제어하도록 3상 교류전력을 공급하며, 부하에 과전류가 흐르거나 이상동작이 발생하는 경우에는 출력전류를 검출하는 전류검출부(16)에 의해 검지된 후, 과전류검지부(21)에 입력되어 이상동작 검지신호를 상기 제어부(18)로 전달하게 되고, 제어부(18)는 동작정지신호를 상기 인버터구동수단(19)을 통해 인버터(14)로 출력하여 동작을 정지시키는 한편, 자동전원차단부(40)는 상기 과전류검지부(21)로부터 입력받은 신호에 의해 상기 역률제어 신호구동부(30)로 공급되는 전원을 자동으로 차단시켜 상기 승압용 컨버터(20) 내의 스위칭 소자(S1)의 동작을 정지시킴으로써, 이상동작에 의한 스위칭 소자(S1)의 소손을 방지하게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치는 전원회로의 역률을 높임으로써, 전력모선에 고조파에 의한 악영향을 방지할 수 있고, 가정에서 사용하는 전력의 효율 또한 높일 수 있으며, 국제 규격인 IEC 1000-3을 만족시켜 시스템의 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 상용전원을 정류 및 평활하는 정류부 및 평활 커패시터와, 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 압축기모터에 공급하는 인버터와, 상기 인버터의 출력전류를 검출하는 전류검출부 및 그 전류검출부의 출력으로부터 과전류를 검출하는 과전류검지부와, 상기 과전류 검지부의 출력을 입력받고 상기 인버터의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 전동기 구동장치에 있어서, 상기 정류부에서 출력되는 전압에 대해 고주파 전류차단용의 초크코일, 입력전류량 제어용의 스위칭 소자 및 다이오드에 의해 역률을 개선하기 위한 동작을 수행하는 승압형 컨버터부와; 상기 승압형 컨버터부의 입력전류 및 입력전압을 검출함과 아울러 그의 출력전압을 검출하고 그 검출한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 승압형 컨버터부로 출력하는 역률제어 신호구동부와; 상기 과전류검지부의 과전류 검지신호에 의해 상기 역률제어 신호구동부의 공급전원을 차단시켜 주는 자동전원차단부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 역률제어용 스압형 컨버터의 구동제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역률제어 신호구동부는 승압형 컨버터의 입력전류를 검출하는 입력전류 검출부와; 상기 승압형 컨버터의 입력 전압을 검출하는 입력전압 검출부와; 상기 승압형 컨버터의 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부와; 상기 출력전압 검출부의 검출전압과 기준전압(직류전압의 정격치)을 비교하여 발생하는치 전압을 출력하는 오차앰프와; 상기 입력전압 검출부의 검출전압과 상기 오차앰프로부터 입력되는 오차전압을 승산하는 승산기와; 상기 입력전류 검출부에서 검출된 전류값과 승산기의 출력과의 차를 증폭하여 출력하는 앰프와; 일정 주기의 삼각파를 발생하여 출력하는 발진부와; 상기 앰프의 출력과 상기 발진부에서 발생한 삼각파를 비교하여 상기 앰프의 출력이 삼각파보다 높을 때에 펄스폭 변조신호를 출력하는 비교부와; 상기 비교부로부터 입력받츤 펄스폭 변조신호에 따른 제어신호를 상기 승압형 컨버터부의 스위칭 소자로 출력하는 스위칭제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 역률제어용 승압형 컨버터의 구동제어장치.
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