KR100420521B1 - 3상 유도전동기 구동시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3상 유도전동기 구동시스템 및 그 구동방법에 관한 것으로써, 3상 유도전동기를 구동시키기 위하여 3상 전압을 생성 출력하는 3상 전압부와, 상기 3상 전압부에서 출력된 전압을 정류하는 정류부와, 상기 정류뷰에서 정류된 전압을 강압하여 안정한 DC 전압을 생성하는 강압부와, 상기 강압부에서 안정화된 DC 전압에 따라 3상 유도전동기를 구동시키는 인버터부로 구성되어, 3상 전압이 공급됨에 따라 발생하는 역률 및 고조파의 발생을 방지하는 동시에 고가의 1200V의 내전압을 가지는 인버터 회로 부품을 사용할 필요 없이 저가의 600V의 내전압을 가지는 인버터 회로 부품을 사용할 수 있도록 하면서 기존의 저전압용 압축기를 그대로 사용할 수 있어 3상 유도전동기 구동시 소요되는 비용을 감소시키고 에이컨 등의 누설전류를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 3상 유도전동기 구동시스템 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 특히 3상 전원 등의 고전압을 정류한 전압을 3상 유도전동기를 구동하는 인버터부의 DC 전압으로 사용하는 경우 상기 인버터부로 강압 상태의 안정된 DC 전압을 공급할 수 있도록 하는 3상 유도전동기 구동시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.
에어컨 등의 공기조화기를 구동시키기 위하여 유도전동기가 사용된다. 유도전동기란 회전하지 않는 고정자와 회전할 수 있는 회전자로 이루어지는 모터를 의미하며, 고정자 권선에 회전 자계가 발생하는 전류를 공급하면 전자 유도에 의하여 회전자 권선에 유도 전류가 흘러들고 그에 따라 토크가 발생하여 회전하는 전동기를 의미한다.
상기와 같은 유도전동기로는 지금까지 보통 단상 유도전동기가 사용되어 있다. 단상 유도전동기란 단상 AC 전압을 정류하여 이를 상기 유도전동기를 구동시키는 인버터부로 공급함에 따라 동작하는 유도전동기이다.
도 1은 종래 단상 유도전동기를 구동시키기 위한 시스템의 블록을 도시하고 있다. 우선 단상의 220V 전압을 발생하는 단상 전압부(1)에서 생성한 전압이 정류회로부(2)를 통해 약 310V의 DC 전압으로 정류되면, 상기 정류된 전압은 파워소자(PFC; Power Factor Correction)를 통해 단상 유도전동기(4)로 인가된다.
최근 들어서는 공기조화기를 구동시키기 위하여 3상 유도전동기의 사용이 증가하고 있다. 상기 3상 유도전동기를 구동시키기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이 3상 380V 전압을 생성하는 3상 전압부(11)와, 상기 3상 전압을 정류하는 정류회로부(12)와, 상기 정류회로부(12)에서 530V의 DC 전압으로 정류된 전압에 따라 3상 유도전동기(14)를 구동시키는 인버터부(13)로 구성되는 3상 유도전동기 구동시스템이 사용된다.
그러나 상기와 같은 3상 유도전동기 구동시스템에서는 3상의 고전압을 상기 인버터부로 반복적으로 공급함에 따라 역률저하와 고조파가 발생한다는 문제점이 있다.
또한, 상기 인버터부를 구현하기 위해서는 고가의 1200V 내전압을 가지는 인버터 부품회로를 사용해야 하는데 이런 경우 3상 유도전동기 구동시스템 구현 시 소요되는 비용이 증가할 뿐 아니라 기존의 저전압용 압축기가 아닌 고전압용 압축기를 사용해야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 3상 유도전동기를 구동시키기 위하여 상기 3상 유도전동기로 DC 전압을 공급하는 과정에서 발생하는 역률저하와 고조파를 제거하고 고가의 인버터 부품을 사용할 필요가 없어 비용 절감이 가능한 3상 유도전동기 구동시스템 및 그 구동방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 단상 유도전동기 구동시스템의 구성이 도시된 블록도,
도 2는 종래 3상 유도전동기 구동시스템의 구성이 도시된 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 3상 유도전동기 구동시스템의 구성이 도시된 블록도,
도 4는 도 3의 강압부의 회로가 도시된 회로도,
도 5a, 5b는 도 4의 일부에 대한 등가회로가 도시된 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
21 : 3상 전압부 22 : 정류회로부
23 : 인버터부 24 : 3상 유도전동기
30 : 강압부 31 : 집적회로부
32 : 게이트 구동부 33 : DC 안정화부
34 : DC 링크부 35 : 부하부
36 : 전압측정부 37 : 스위치부
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 3상 유도전동기 구동시스템의 특징에 따르면, 3상 전압을 생성하는 3상 전압부와; 상기 3상 전압부에서 생성된 3상 전압을 정류하는 정류회로부와; 상기 정류회로부에서 생성된 DC 전압을 강압하여 안정된 DC 전압을 출력하는 강압부와; 상기 강압부에서 출력된 DC 전압에 따라 3상 유도전동기를 구동시키는 인버터부를 포함하여 구성되며,상기 강압부는 상기 정류회로부에서 생성된 전압을 측정하고 그에 따라 인버터부로 출력되는 DC 전압을 제어하는 제어신호를 출력하는 집적회로부와; 상기 집적회로부에서 출력된 제어신호에 따라 상기 인버터부가 구동되도록 구동신호를 생성하는 게이트 구동부와; 상기 게이트 구동부의 구동신호에 따라 상기 정류회로부에서 생성되는 DC 전압을 강압하여 안정된 DC 전압을 생성하는 DC 안정화부와; 상기 DC 안정화부에서 생성된 DC 전압이 링크되는 DC 링크부와; 상기 DC 링크부에 인가된 상기 DC 전압을 상기 인버터부로 공급하는 부하부로 구성되고,상기 집적회로부는 상기 정류회로부에서 상기 DC 안정회부로 공급되는 전류가 과전류이거나 상기 DC 안정화부에서 상기 DC 링크부에 링크되는 전압이 기준치 이상인 경우 상기 제어신호 출력을 오프하도록 구성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 3상 유도전동기 구동시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 380V의 3상 전압을 생성하는 3상 전압부(21)와, 상기 3상 전압부(21)에서 생성된 3상 전압을 530V의 DC 전압으로 정류시키는 정류회로부(22)와, 상기 정류회로부(22)에서 출력되는 DC 전압을 강압하여 안정화시키는 강압부(30)와, 상기 강압부(30)에서 출력되는 안정화된 DC 전압에 따라 3상 유도전동기(24)를 구동시키는 인버터부(23)로 구성된다.
여기서, 상기 3상 전압부(21)와 정류회로부(22), 인버터부(23)는 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 구현할 수 있는 것으로써 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 강압부(30)의 내부가 도시된 회로도이다.
도시된 바와 같이 상기 강압부(30)는 상기 정류회로부(22)에서 생성된 전압을 측정하고 그에 따라 상기 인버터부(23)로 출력되는 DC 전압을 제어하는 제어신호를 출력하는 집적회로부(31)와, 상기 집적회로부(31)에서 출력된 제어신호에 따라 상기 인버터부(23)가 구동되도록 구동신호를 생성하는 게이트 구동부(32)와, 상기 게이트 구동부(32)의 구동신호에 따라 상기 정류회로부(22)에서 생성되는 DC 전압을 강압하여 안정된 DC 전압을 생성하는 DC 안정화부(33)와, 상기 DC 안정화부(33)에서 생성된 DC 전압이 링크되는 DC 링크부(34)와, 상기 DC 링크부(34)에 인가된 상기 DC 전압을 상기 인버터부(23)로 공급하는 부하부(35)로 구성된다.
그 외에도 본 발명에 따른 강압부(30)는 상기 DC 링크부(35)에 링크되는 DC 전압을 측정하는 전압측정부(36)와, 상기 집적회로부(31)가 동작하도록 상기 집적회로부(31)로 전원을 공급하는 스위치부(37)를 더 포함하여 구성된다.
여기서 상기 전압측정부(36)는 C6, C7 커패시터가 병렬 연결되어 이루어지는 상기 DC 링크부(35)와 병렬 연결되도록 직렬 연결되는 R1,R2 저항으로 이루어진다. 또한, 상기 스위치부(37)는 18V의 전원(J4)이 Vcc를 선택적으로 출력되어 상기 집적회로부(31)로 입력되도록 하는 스위치부(S1)와, 상기 스위치부(S1)에 병렬 연결된 C1 커패시터와, 상기 스위치부(S1)와 한 단이 직렬 연결된 R2 저항과, 상기 R2저항과 직렬 연결되는 D2 다이오드 및 LED 로 이루어진다. 특히, 상기 S1이 '1-2'이 접합되도록 위치하는 경우 Vcc는 상기 집적회로부(31)로 공급되지 않음으로 상기 집적회로부(31)는 동작하지 않으며, '1-3'이 접합하도록 위치하는 경우 Vcc가 상기 집적회로부(31)로 공급되므로 상기 집적회로부(31)가 동작하게 된다.
상기 집적회로부(31)는 상기 정류회로부(22)의 정류출력단(22a)과 병렬 연결된 커패시터(C4,C5)를 통해 상기 정류출력단(22a)에서 출력되는 DC 전압의 크기를 측정하고 그에 따라 집적회로부(31)의 게이트 드라이브(Gate Drive)에서 출력되는 제어신호를 조절한다. 즉, 상기 집적회로부(31)는 정류출력단(22a)에서 출력되는 DC 전압을 전류값으로 변환하고 이를 기준 DC 전압의 실효치 기준전류와 비교하여 그에 따라 제어신호를 생성한다.
또한, 상기 집적회로부(31)는 상기 R8 저항을 통해 상기 DC 안정화부(33)로 공급되는 전류를 측정(Isense)하고 상기 측정된 전류가 기준치 이상의 과전류인 경우 상기 제어신호의 출력을 오프시킨다. 상기 집적회로부(31)는 상기 R8 저항 이외에도 상기 전압측정부(36)를 통해 상기 DC 링크부(34)에 걸리는 전압을 측정(Vsense)하는데 만일 상기 DC 링크부(34)에 걸리는 전압이 기준치 이상으로 과한 경우 상기 집적회로부(31)는 마친가지로 상기 제어신호의 출력을 오프시킨다.
상기 집적회로부(31)는 이외에도 원활한 동작 수행을 위하여 복수개의 저항(R11,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R20,R21,R24,R22,R27,R28,R29)과 복수개의 커패시터(C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17 )와 연결되며, 복수개의 핀(ENA,IAC,Vrms,SoftStart,GND,VAout,Mult,CA,PK,VCC)을 통해 다양한 신호를 입출력하는데 이는 본 발명에서 제어신호를 생성하여 출력하기 위하여 기존에 존재하던 집적회로에 특별히 추가한 사항이 아니며 기존에 통상 사용하던 집적회로부이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 게이트 구동부(32)는 상기 집적회로부(31)에서 출력된 제어신호에 따라 구동신호를 출력하는데, 도시된 바와 같이, 출력된 제어신호에 따라 온/오프되는 포토커플러(ISO2)와, 상기 포토커플러(ISO2)가 온인 경우 오프되는 pnp 트랜지스터(Q6)와, 상기 포토커플러(ISO2)가 온인 경우 온되는 npn 트랜지스터(Q5)로 구성된다. 또한, 상기 포토커플러(ISO2)의 콜렉터단에는 R23 저항이 직렬 연결되어 있으며, 상기 npn 트랜지스터(Q5)의 에미터단과 베이스단에는 R19 저항이 병렬 연결되고, 상기 npn 트랜지스터(Q5)와 pnp 트랜지스터(Q6)의 베이스단은 R25 저항을 통해 서로 연결된다.또한, 상기 npn 트랜지스터(Q5)의 콜렉터단은 R26 저항과 연결되며, D4 다이오드가 상기 R26 저항과 병렬 연결된다. 그 외에, 상기 포토커플러(ISO2)와 상기 npn, pnp 트랜지스터(Q5,Q6)로는 'Vcc2'를 통해 동작전원이 공급된다.
여기서, 상기 npn 트랜지스터(Q5)와 pnp 트랜지스터(Q6)는 양 콜렉터단이 직렬로 연결되며 특히 상기 포토커플러(ISO2)가 온인 경우, 상기 pnp 트랜지스터(Q6)가 오프이므로 상기 npn 트랜지스터(Q5)의 콜렉터단에서 출력된 전류는 'SOURCE2'가 아니라 'GATE2'를 통해 구동신호로써 출력된다.
또한, 본 발명에 따른 게이트 구동부(32)에서는 상기 구동신호를 통해 출력되는 전류의 세기를 증가시키기 위하여 상기 ISO2 포토커플러, Q5 npn 트랜지스터,Q6 pnp 트랜지스터, 복수개의 저항(R23,R19,R25,R26) 및 다이오드(D4)와 각각 대응되는 ISO1 포토커플러, Q3 npn 트랜지스터, Q4 pnp 트랜지스터와 복수개의 저항(R10,R9,R12,R15)과 다이오드 D3을 더 가진다. 여기서, 상기 ISO1 포토커플러, Q3 npn 트랜지스터, Q4 pnp 트랜지스터의 동작방식은 상기에서 설명한 ISO2 포토커플러, Q5 npn 트랜지스터, Q6 pnp 트랜지스터의 동작방식과 동일하다.
상기 DC 안정화부(33)는 상기 게이트 구동부(32)에서 입력되는 구동신호에 따라 온/오프되는 Q2 트랜지스터와, 상기 Q2 트랜지스터의 콜렉터다과 베이스단을 연결하는 R4 저항과, 상기 Q2 트랜지스터와 병렬 연결되도록 서로 직렬 연결되는 C2 커패시터와 R5 저항으로 이루어진다. 여기서, 상기 구동신호가 입력 시 상기 Q2 트랜지스터는 온 되며, 그에 따라 상기 C2 커패시터와 R5 저항에 걸리는 DC 전압은 상기 DC 링크부(34)에 링크되고 상기 D1 다이오드는 기준치 이상의 전류가 흐를 경우 상기 DC 링크부(34)에 링크되는 DC 전압을 막는다.
그 외에도, 본 발명에 따른 DC 안정화부(33)는 상기 Q2 트랜지스터와 R4, R5 저항, C2 커패시터와 대응되는 Q1 트랜지스터와 R3, R6 저항, C3 커패시터를 더 포함하여 이루어지는데, 이는 상기 DC 안정화부(33)를 통해 상기 DC 링크부(34)에 인가되는 전압을 높이기 위함이다.
상기 DC 링크부(34)에 인가되는 전압을 상기 부하부(35)에 공급되고 그에 따라 인버터부(23)로 입력되는 DC 전압은 고조파 발생이 억제된 강압 DC 전압이다.
상기와 같이 구성되는 DC 안정화부(33)와 DC 링크부(34), 부하부(35)를 등가회로를 통해 보다 알기 쉽게 그 동작을 설명하면 다음과 같다.
우선 도 5a,b에 도시된 바와 같이, 상기 DC 안정화부(33)와 DC 링크부(34), 부하부(35)의 등가회로는 정류 출력단(22a)의 한단과 직렬 연결되는 인덕터(I100)와, 상기 정류 출력단(22a)의 타단과 직렬 연결되는 저항(R100)과, 상기 인덕터(I100)와 저항(R100)이 상기 정류 출력단(22a)과 연결되지 않은 타단을 연결하는 스위치(S100)와, 상기 스위치(S100)와 한단이 직렬 연결된 다이오드(D100)와, 상기 스우치(S100)와 병렬 연결되는 커패시터(C100)와, 상기 커패시터(C100)와 병렬 연결되는 저항(R101)으로 구성된다.
여기서, 상기 R100 저항은 상기 등가회로상에 흐르는 전류를 측정할 수 있도록 하여 상기 R100 저항을 통해 출력된 전류값에 따라 상기 집적회로부(31)가 제어신호의 출력을 온/오프하고 그에 따라 상기 게이트 구동부(21)에서 상기 스위치(S100)를 온/오프시키는 구동신호의 출력을 온/오프한다.
만일, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 S100 스위치가 열린 경우, 즉 오프인 경우 상기 정류출력단(22a)에서 출력되는 DC 전압은 상기 C100 커패시터로 걸리게 된다. 그 후 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 집적회로부(31)에서 제어신호를 출력한 경우 상기 S100 스위치가 닫히게 되며 그에 따라 상기 C100 커패시터에 걸렸던 DC 전압이 상기 R101 저항을 통해 상기 부하부(35)로 공급된다. 여기서, 만일 상기 Rs에서 측정되는 전류가 기준치 이상이거나, 상기 부하부(35)에 기준치 이상이 전압이 공급되는 경우 이를 측정하는 집적회로부(31)는 제어신호의 출력을 오프하고 그에 따라 상기 S100 스위치가 오프되도록 한다. 따라서, 궁극적으로 인버터부(23)에 항상 동일한 DC 전압이 공급된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 3상 유도전동기 구동시스템 및 그 구동방법은 3상 유도전동기를 구동시키기 위하여 3상 전압을 생성 출력하는 3상 전압부와, 상기 3상 전압부에서 출력된 전압을 정류하는 정류부와, 상기 정류뷰에서 정류된 전압을 강압하여 안정한 DC 전압을 생성하는 강압부와, 상기 강압부에서 안정화된 DC 전압에 따라 3상 유도전동기를 구동시키는 인버터부로 구성되어, 3상 전압의 공급됨에 따라 발생하는 역률 및 고조파의 발생을 방지하는 동시에 고가의 1200V의 내전압을 가지는 인버터 회로 부품을 사용할 필요 없이 저가의 600V의 내전압을 가지는 인버터 회로 부품을 사용할 수 있도록 하면서 기존의 저전압용 압축기를 그대로 사용할 수 있어 3상 유도전동기 구동시 소요되는 비용을 감소시키고 에이컨 등의 누설전류를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (10)
- 3상 전압을 생성하는 3상 전압부와; 상기 3상 전압부에서 생성된 3상 전압을 정류하는 정류회로부와; 상기 정류회로부에서 생성된 DC 전압을 강압하여 안정된 DC 전압을 출력하는 강압부와; 상기 강압부에서 출력된 DC 전압에 따라 3상 유도전동기를 구동시키는 인버터부를 포함하여 구성되며,상기 강압부는 상기 정류회로부에서 생성된 전압을 측정하고 그에 따라 인버터부로 출력되는 DC 전압을 제어하는 제어신호를 출력하는 집적회로부와; 상기 집적회로부에서 출력된 제어신호에 따라 상기 인버터부가 구동되도록 구동신호를 생성하는 게이트 구동부와; 상기 게이트 구동부의 구동신호에 따라 상기 정류회로부에서 생성되는 DC 전압을 강압하여 안정된 DC 전압을 생성하는 DC 안정화부와; 상기 DC 안정화부에서 생성된 DC 전압이 링크되는 DC 링크부와; 상기 DC 링크부에 인가된 상기 DC 전압을 상기 인버터부로 공급하는 부하부로 구성되고,상기 집적회로부는 상기 정류회로부에서 상기 DC 안정회부로 공급되는 전류가 과전류이거나 상기 DC 안정화부에서 상기 DC 링크부에 링크되는 전압이 기준치 이상인 경우 상기 제어신호 출력을 오프하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 유도전동기 구동시스템.
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- 제 1 항에 있어서,상기 3상 유도전동기 구동시스템은 상기 DC 안정화부를 통해 상기 DC 링크부로 링크되는 전압을 측정하는 전압측정부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 유도전동기 구동시스템.
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- 제 1 항에 있어서,상기 게이트 구동부는 상기 집적회로부에서 출력되는 제어신호에 따라 온/오프되는 포토커플러와; 상기 포토커플러가 오프인 경우 온되는 PNP 트랜지스터와; 상기 포토커플러가 온인 경우 온되는 NPN 트랜지스터를 포함하여 구성되며,상기 PNP 트랜지스터의 콜렉터단과 상기 NPN 트랜지스터의 콜렉터단은 직렬 연결되어, 상기 PNP 트랜지스터가 온인 경우 상기 PNP 트랜지스터의 콜렉터단을 통해 상기 DC 안정화부로 구동신호가 입력되는 것을 특징으로 하는 3상 유도전동기 구동시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 DC 안정화부는 상기 게이트 구동부에서 구동신호가 입력되는 경우 온되는 트랜지스터와; 상기 트랜지스터와 병렬 연결되도록 직렬 연결된 커패시터와 저항을 포함하여 구성되며,상기 집적회로부에서 제어신호가 출력됨에 따라 상기 게이트 구동부에서 구동신호가 입력 시 상기 트랜지스터가 온 되면, 상기 커패시터와 저항에 걸리는 상기 정류회로부의 DC 전압이 상기 DC 링크부에 링크되는 것을 특징으로 하는 3상 유도전동기 구동시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 3상 유도전동기 구동시스템은 외부에서 인가되는 전원을 선택적으로 상기 집적회로부로 공급하는 스위치부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 유도전동기 구동시스템.
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