KR100395945B1 - 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 공기조화기의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하용량에 따라서 파워소자의 캐리어주파수를 가변 제어하는 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 압축기의 구동에 따른 부하량을 판단하고, 부하가 작은 상태에서는 파워소자(IGBT)의 온/오프 타임 결정을 위한 캐리어주파수를 고주파수로 조절해서 전류파형의 왜곡을 감쇠시키고, 부하가 큰 상태에서는 파워소자의 캐리어주파수를 저주파수로 조절해서 발열량을 감쇄시키는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은, 항상 일정한 캐리어주파수로 제어하였던 종래와 비교하여, 부하상태에 따라서 보다 효율적인 제어가 이루어질 수 있는 효과를 얻게 된다.

Description

인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법{Method for control carrier frequency in inverter airconditioner}

본 발명은 인버터 공기조화기의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하용량에 따라서 파워소자의 캐리어주파수를 가변 제어하는 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법에 관한 것이다.

인버터 공기조화기는, 도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 열교환기(10)로 구성된 실내기(20)와, 압축기(64) 및 열교환기(15) 등으로 구성된 실외기(30)로 분리되고 있다. 상기 실내기(20)와 실외기(30)에는 각 구성을 제어하기 위한 마이크로프로세서(13,50)가 내장되며, 실내기(20)에 내장된 마이크로프로세서(13)와 실외기(30)에 내장된 마이크로프로세서(50)는 서로간의 제어를 위하여 필요할때 데이터를 송수신한다.

상기 구성의 인버터 공기조화기의 난방운전은 상기 실내측 열교환기(10)에 고압고온의 냉매가 흐르고, 상기 냉매가 열교환기(10)를 순환하는 공기에 열을 방출하므로서, 실내측으로 따뜻한 바람이 토출되므로서 이루어진다. 그리고 실외측 열교환기(15)는 상기 동작과 반대의 동작을 수행한다.

그리고 냉방운전시에는 상기 실내측 열교환기(10)에 저온고압의 냉매가 흐르고, 상기 냉매가 열교환기(10)를 순환하는 공기에 포함된 열을 흡수하므로서, 실내측으로 차가운 바람이 토출된다. 그리고 실외측 열교환기(15)는 상기 동작과 반대의 동작을 수행한다.

다음은 도 2를 참조해서 인버터 공기조화기의 실외기의 구성을 살펴본다.

인버터 공기조화기의 실외기는, 외부에서 제품 내부로 입력되는 교류전원(40)을 정류하는 정류회로(45)와, 상기 정류회로(45)의 출력을 이용하여 후술되는 인버터부(55)에서 필요한 직류전압을 발생시키는 컨버터부(50)와, 상기 컨버터부(50) 내부의 파워소자(IGBT)의 동작 제어를 위한 IGBT 구동회로(15)와, 상기 컨버터부(50)에서 승압된 DC 전압을 감지하고, 감지된 DC전압의 크기를 마이크로컴퓨터(35)에 인가하는 DC 링크전압 감지부(20)를 포함하고 있다.

상기 컨버터부(50)는, 상기 정류회로(45)의 출력단에 연결되고 있는 리액터(R)와, 역전류 방지를 위하여 상기 리액터(R)의 출력단에 연결되고 있는 다이오드(D)와, 그리고 상기 리액터(R)의 출력신호에 포함된 고주파 노이즈와 출력전압을 능동적으로 가변하기 위해 스위칭동작을 수행하는 파워소자(IGBT)와, 상기 파워소자(IGBT)의 스위칭동작에 의해서 발생된 높은 DC 전압을 평활하는 평활용 캐패시터(C)로 구성되고 있다. 따라서 상기 IGBT 구동회로(15)는, 상기 파워소자(IGBT)의 온/오프를 제어하게 된다.

또한, 인버터 공기조화기의 실외기는, 상기 컨버터부(50)에서 승압된 DC 전압을 입력하고 3상 압축기 모터(64)를 구동하기 위한 3상 전압을 발생시키는 인버터부(55)와, 마이크로컴퓨터(35)에서 출력하는 PWM신호에 의해서 상기 인버터부(55)를 구동하는 인버터구동회로(25)를 포함하고 있다.

그리고 인버터 공기조화기의 실외기는, 센서를 통해서 실외 배관온도를 검출하고, 검출된 온도를 전기신호로 변환시켜서 마이크로컴퓨터(35)에 인가하는 실외배관온도감지부(65)를 포함한다. 그리고 상기 파워소자(IGBT)를 포함한 상기 컨버터부(50)의 여러 회로소자와 상기 인버터부(55)의 여러 회로소자들을 장착하고 있는 방열판의 온도를 감지하는 방열판온도감지부(30)를 포함한다.

이와 같이 구성되는 인버터 공기조화기는 일반적으로 시스템 입력전압에 의해서 결정된 운전주파수에 기초해서 압축기의 운전을 제어한다.

다음은 상기 구성으로 이루어진 인버터 공기조화기의 실외기에서 압축기 동작 제어과정에 대해서 설명한다.

마이크로컴퓨터(35)는 제품 내부로 입력되는 교류전압의 크기와, 실내온도 및 설정온도 등에 의해서 압축기(60)의 구동을 위한 운전주파수를 결정한다. 마이크로컴퓨터(35)는, 이렇게 결정된 압축기 운전주파수에 따라 압축기 구동전압을 결정하고, 결정된 구동전압으로 압축기의 구동이 이루어질 수 있는 제어를 수행한다.

한편, 실외기에 입력된 상용교류전원(40)은 정류회로(45)에 공급되고, 상기 정류회로(45)는 입력되는 교류전원을 1차 정류시킨다. 상기 정류회로(45)에서 정류된 전압은 컨버터부(50)에 인가된다. 상기 컨버터부(50)는, IGBT구동회로(15)에서 인가하는 PWM 제어신호에 의해서 파워소자(IGBT)가 스위칭동작을 수행하고, 이때의 스위칭동작에 따라서 인버터부(55)에서 필요로 하는 높은 DC 전압이 발생된다.

이때, 상기 컨버터부(50)의 파워소자(IGBT)는, 기결정된 캐리어주파수에 따라서 결정된 PWM신호를 IGBT구동회로(15)로부터 인가받아서 구동된다. 즉, 마이크로컴퓨터(35)는, 파워소자(IGBT)의 제어를 위한 캐리어주파수를 인지하고, 그에 따른 신호를 IGBT구동회로(15)에 인가하며, 상기 IGBT구동회로(15)는 인가된 캐리어주파수에 따라서 파워소자의 온/오프 타임을 조절하는 신호를 출력한다. 따라서 상기 컨버터부(50)의 파워소자(IGBT)는, 결정된 캐리어주파수에 따라서 온/오프시간이 조절되도록 스위칭동작을 수행하고, 이때의 스위칭동작에 따라서 높은 DC 전압을 출력한다.

이렇게 발생된 고전력의 DC 전압은 평활 캐패시터(C)를 통해서 인버터부(55) 내부의 여러 파워소자에 인가되는데, 상기 인버터부(55)의 IGBT 소자 또한, 기결정된 캐리어주파수를 인버터구동회로(25)로부터 인가받아서 동작되어진다. 이렇게 해서 상기 인버터부(55)의 내부 IGBT 소자들의 온/오프 동작을 수행할때, 상기 IGBT 소자에 인가된 고전력의 DC 전압이 3상 교류전원으로 전환되면서 압축기(60)를 구동시키는 것이다.

이와 같이 인버터 공기조화기는, 필요한 크기의 압축기 구동전원을 발생하기 위하여 다수개의 파워소자를 사용하고 있다. 이러한 파워소자 및 상기 파워소자의 전후에서 신호를 전달하는 회로소자들은, 매우 높은 고전력의 전원에 의해서 구동되어진다. 따라서 장시간 구동되거나 과부하상태로 소정시간 이상 동작되는 경우, 발생되는 열량이 높아지면서 파손의 우려가 발생되는 것이다.

따라서 압축기의 구동을 위하여 동작되는 각종 회로소자 및 전기적장치에 의해서 발생되는 열로부터 상기 파워소자 및 회로소자들을 보호할 필요가 있고, 그에 따른 제어동작이 필요한 것이다.

그러나 종래의 인버터 공기조화기의 파워소자 제어는, 앞서 언급하고 있는 바와 같이, 기설정된 캐리어주파수에 의해서 항상 일정하게 제어가 이루어지고 있다. 따라서 기설정되어 있는 캐리어주파수의 제어에 의하면, 압축기가 낮은 출력 상태일때, 상기 파워소자(IGBT)의 온타임이 오프타임에 비해서 상대적으로 짧게 되고, 또한 압축기가 높은 출력상태일때 상기 파워소자의 온 타임이 오프타임에 비해서 상대적으로 길게 된다.

이와 같은 제어에 의해서 상기 파워소자(IGBT)의 스위칭시간을 조절하기 위하여, 캐리어 주파수를 상승시키게 되면, 전류 파형의 왜곡은 작아지지만, 스위칭소자의 자체 온 저항에 의해 발생되는 발열로 과열에 의한 파손이 발생되기 때문에, 상기 발열을 저감시키기 위한 방열판의 사이즈가 커지면서 부품이 차지하게 되는 공간 및 부피와 제조비용이 상승되는 문제점을 발생시켰다.

또한, 캐리어주파수를 하강시키면, 전류와 전압간의 위상차가 커지면서 역률이 나빠져 고주파 노이즈가 발생되는 문제가 발생되었다. 이때의 고주파 노이즈에 의해서 전류 왜곡이 발생되고, 이에 따른 EMI 노이즈가 발생되어 노이즈 대책을 위한 제조비용이 상승되는 문제점을 발생시켰다.

따라서 본 발명의 목적은, 부하용량에 따라서 캐리어주파수를 가변 제어하여, 보다 효율적으로 운전을 제어할 수 있는 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 인버터 공기조화기의 구성도,

도 2는 인버터 공기조화기의 실외기 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 캐리어주파수 제어를 위한 동작 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

15 : IGBT 구동회로 20 : DC 링크전압감지부

25 : 인버터구동회로 30 : 방열판온도감지부

35 : 마이크로컴퓨터 40 : 교류전원

45 : 브릿지 다이오드 50 : 컨버터부

55 : 인버터부 60 : 3상 압축기 모터

65 : 실내배관온도감지부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법은, 캐리어주파수에 의해서 온/오프하여, 고출력을 발생시키는 파워소자를 구비한 인버터 공기조화기에 있어서: 파워소자가 장착되어진 방열판의 온도를 검출하고, 기설정된 부하량 판단 기준온도와 비교하는 제 1 단계와; 현재 제품의 소비전력을 검출하고, 기설정된 부하량 판단 기준전력치와 비교하는 제 2 단계와; 현재 실외배관온도를 검출하고, 기설정된 부하량 판단 기준온도와 비교하는 제 3 단계와; 상기 제 1,2,3 비교단계에서, 적어도 어느 한개가 기설정된 기준값보다 작은 경우에는 부하량이 작다고 판단하여 캐리어주파수를 고주파수로 조절하고, 상기 제 1,2,3 비교단계에서 모든 검출값이 기설정된 기준값보다 클 경우에는 부하량이 크다고 판단하여 캐리어주파수를 저주파수로 조절하는 단계와; 상기 조절된 캐리어주파수에 의해서 파워소자를 구동하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법에 대해서 상세하게 설명한다.

본 발명의 인버터 공기조화기에 구비되는 실외기의 구성은 도 2에 도시하고 있는 바와 같다.

그러나 본 발명의 마이크로컴퓨터(35)는, 방열판온도감지부(30)의 감지온도와, 실외배관온도감지부(65)의 감지온도와, 산출한 소비전력에 기초해서 현재 압축기에 걸려있는 부하상태를 판단하는 부분을 더 포함한다. 그리고 마이크로컴퓨터(35)는, 판단된 정보에 따라서 IGBT구동회로(15)에 인가하는 PWM 주파수를 제어하게 된다. 즉, 판단된 부하가 작은 상태에서는 파워소자를 고주파로 제어하여, 전류리플을 감소시켜서 노이즈를 줄이며, 부하가 큰 상태에서는 파워소자의 주파수를 감소시켜서 스위칭에 의한 소자의 발열을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명의 마이크로컴퓨터(35)는, 방열판의 감지온도를 읽어들이기 위해서 방열판온도감지부(30)와 연결되고, 실외배관온도의 감지온도를 읽어들이기 위해서 실외배관온도감지부(65)에 연결되고 있다.

그리고 본 발명의 동작 설명 중 필요한 구성요소에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 운전주파수를 부하상태에 따라서 가변 제어하기 위한 동작 흐름도이다.

마이크로컴퓨터(35)는 제품 내부로 입력되는 교류전압의 크기와, 실내온도 및 설정온도 등에 의해서 압축기(60)의 운전주파수를 결정한다. 마이크로컴퓨터(35)는, 이렇게 결정된 압축기 운전주파수에 따라 압축기 구동전압을 결정하고, 결정된 구동전압으로 압축기의 구동이 이루어질 수 있는 제어를 수행한다.

한편, 실외기에 입력된 상용교류전원(40)은 정류회로(45)에 공급되고, 상기 정류회로(45)는 입력되는 교류전원을 1차 정류시킨다. 상기 정류회로(45)에서 정류된 전압은 컨버터부(50)에 인가된다. 상기 컨버터부(50)는, IGBT구동회로(15)에서 인가하는 PWM 제어신호에 의해서 파워소자(IGBT)가 스위칭동작을 수행하고, 이때의 스위칭동작에 따라서 인버터부(55)에서 필요로 하는 높은 DC 전압이 발생된다.

이때, 상기 컨버터부(50)의 파워소자(IGBT)는, 기결정된 캐리어주파수에 따라서 결정된 PWM신호를 IGBT구동회로(15)로부터 인가받아서 구동된다. 즉, 마이크로컴퓨터(35)는, 파워소자(IGBT)의 제어를 위한 캐리어주파수를 인지하고, 그에 따른 신호를 IGBT구동회로(15)에 인가하며, 상기 IGBT구동회로(15)는 인가된 캐리어주파수에 따라서 파워소자의 온/오프 타임을 조절하는 신호를 출력한다. 따라서 상기 컨버터부(50)의 파워소자(IGBT)는, 결정된 캐리어주파수에 따라서 온/오프시간이 조절되도록 스위칭동작을 수행하고, 이때의 스위칭동작에 따라서 높은 DC 전압을 출력한다.

상기 컨버터부(50)에서 발생된 고전력의 DC 전압은 인버터부(55) 내부의 여러 파워소자에 인가되는데, 상기 인버터부(55)의 IGBT 소자 또한, 기결정된 캐리어주파수를 인버터구동회로(25)로부터 인가받아서 동작되어진다. 이렇게 해서 상기 인버터부(55)의 내부 IGBT 소자들의 온/오프 동작을 수행할 때, 상기 IGBT 소자에 인가된 고전력의 DC 전압이 3상 교류전원으로 전환되면서 압축기(60)를 구동시키는 것이다.

상기와 같이 압축기(60)의 구동이 이루어지는 가운데, 마이크로컴퓨터(35)는 현재 부하상태를 판단하기 위한 제어를 수행한다. 우선, 전압과 전류에 따른 사용전력을 산출한다(제 100 단계).

그리고 상기 제 100 단계에서 산출된 사용전력이 부하상태를 판단하기 위해 기설정해둔 기준전력(W1)보다 낮은지를 판단한다(제 110 단계).

상기 제 110 단계의 조건을 판단한 후, 마이크로컴퓨터(35)는 방열판온도감지부(65)로부터 검출한 방열판의 온도를 읽어들인다. 이때 읽어들인 방열판의 온도가 부하상태 판단을 위해서 기설정해둔 온도(T1)보다 낮은지를 판단한다(제 120 단계).

상기 제 120 단계의 조건을 판단한 후, 마이크로컴퓨터(35)는, 실외배관온도감지부(65)로부터 검출한 실외배관온도를 읽어들인다. 이때 읽어들인 실외배관온도가 부하상태 판단을 위해서 기설정해둔 온도(-Tc)보다 작거나, 온도(Tc)보다 큰지를 판단한다(제 130 단계).상기 제 130 단계는, 냉방운전시와 난방운전시에 따라서 실외 열교환기가 응축기 또는 증발기로 동작되어지므로, 이러한 상태에 따라서 부하상태 판단을 위한 설정온도를 두개 설정하고, 작거나 또는 큰가를 판단하는 것이다. 따라서 현재 운전모드에 따라서 읽어들인 실외배관온도가 기설정한 온도(-Tc)보다 작거나, 또는 기설정한 온도(Tc)보다 클 때, 부하량은 크다고 판단되어진다.

즉, 상기 제 110 단계 내지 제 130 단계는, 현재 압축기의 구동에 따라서 상기 압축기에 걸리는 부하량을 검출하기 위한 과정이다. 따라서 상기 제 110 단계 내지 제 130 단계에서 설정되고 있는 기준값들(소비전력 W1, 방열판온도 T1, 실외배관온도 Tc 등)은 부하량 산출을 위해 설정하고 있는 값이다.

상기 과정들에 의해서 부하가 크지 않다고 판단된 경우, 즉 상기 제 110 단계 내지 제 130 단계의 조건들 중에서 어느 한가지를 만족한 경우, 현재 설정되어 있는 캐리어주파수를 고주파로 조정한다(제 150 단계).

따라서 상기 컨버터부(50) 내의 파워소자(IGBT) 및 인버터부(55)의 파워소자(P1~P6) 들은, 고주파에 의해서 조절된 캐리어주파수를 IGBT구동회로(15)와 인버터구동회로(25)로부터 인가받아 구동된다.

이와 같이, 부하가 작은 영역에서 고주파수로 파워소자(IGBT)가 제어되면, 전류파형의 왜곡을 감쇄시키는 효과를 얻게 된다. 이 경우는, 상기 파워소자가 고주파수로 동작되기 때문에, 파워소자의 온저항에 의한 발열은 상승되지만, 이 제어영역에서는 운전전류가 낮기 때문에 발열되는 양이 크기 않으므로 부하에 영향을 미치지 않는다.

그러나 상기 과정에 의해서 부하가 크다고 판단될 경우, 즉, 상기 제 110 단계 내지 제 130 단계의 조건을 모두 만족하지 않은 경우, 파워소자(IGBT)의 제어를 위한 캐리어주파수를 저주파대로 조정한다(제 140 단계).

이와 같이 부하가 큰 영역에서 저주파수로 파워소자(IGBT)를 제어하면, 상대적으로 파워소자(IGBT)의 듀티가 크기 때문에 전류 왜곡은 작아지고, 이때 스위칭 주파수는 상대적으로 낮아지므로 발열량은 상대적으로 작아지게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 압축기의 구동에 따른 부하량을 판단하고, 부하가 작은 상태에서는 파워소자(IGBT)의 온/오프 타임 결정을 위한 캐리어주파수를 고주파수로 조절해서 전류파형의 왜곡을 감쇠시키고, 부하가 큰 상태에서는 파워소자의 캐리어주파수를 저주파수로 조절해서 발열량을 감쇄시키는 것을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.

그리고 이와 같은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다양한 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 다음과 같은 이점을 제공할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

먼저 본 발명에 의한 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법은, 부하상태에 따라서 파워소자의 캐리어주파수를 가변 제어하는 것임을 알 수 있다. 따라서 항상 일정하게 제어하였던 종래와 비교하여, 부하상태에 따라서 보다 효율적인 제어가 이루어질 수 있다는 것을 의미한다.

그리고 본 발명에 의하면, 실질적으로 발열량이 많이 발생되는 큰 부하상태에서는 캐리어주파수를 저주파수로 조절하고, 작은 부하상태에서는 캐리어주파수를 고주파수로 조절해서 전류파형의 왜곡을 감쇠시키는 효과를 얻고 있다.

따라서 본 발명은 저주파영역에서 전류리플을 감소시켜서 노이즈를 줄이고, 소비전력이 큰 부하영역에서는 소자의 발열을 저감하므로서, 방열판의 사이즈를 줄이면서 제품의 부피를 감소시켜 제조비용을 절감하는 등의 장점도 기대할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 캐리어주파수에 의해서 온/오프하여, 고출력을 발생시키는 파워소자를 구비한 인버터 공기조화기에 있어서:

   파워소자가 장착되어진 방열판의 온도를 검출하고, 기설정된 부하량 판단 기준온도와 비교하는 제 1 단계와;

   현재 제품의 소비전력을 검출하고, 기설정된 부하량 판단 기준전력치와 비교하는 제 2 단계와;

   현재 실외배관온도를 검출하고, 기설정된 부하량 판단 기준온도와 비교하는 제 3 단계와;

   상기 제 1,2,3 비교단계에서, 적어도 어느 한개가 기설정된 기준값보다 작은 경우에는 부하량이 작다고 판단하여 캐리어주파수를 고주파수로 조절하고, 상기 제 1,2,3 비교단계에서 모든 검출값이 기설정된 기준값보다 클 경우에는 부하량이 크다고 판단하여 캐리어주파수를 저주파수로 조절하는 단계와;

   상기 조절된 캐리어주파수에 의해서 파워소자를 구동하는 단계를 포함하여 구성되는 인버터 공기조화기의 캐리어주파수제어방법.
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