KR100509019B1

KR100509019B1 - 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법

Info

Publication number: KR100509019B1
Application number: KR10-1999-0044926A
Authority: KR
Inventors: 엄동기; 박귀근; 강훈
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 1999-10-16
Filing date: 1999-10-16
Publication date: 2005-08-18
Also published as: KR20010037409A

Abstract

본 발명은 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종의 압축기에 공용으로 사용될 수 있는 압축기 구동전압조절방법에 관한 것이다. 본 발명은 역률이 85% 개선된 모델과 98% 이상 개선된 모델로부터 발생되는 DC 전압이 상이함에 따라서, 상기 DC 전압의 차를 기초로 하여 압축기의 구동전압을 보상한다. 즉, 하나의 V/F 테이블을 기초로, 이종의 모델에 인가되는 압축기의 구동전압 보상비율을 결정하고, 제품 모델에 따라서 최종적인 압축기의 구동전압을 보상한다.

Description

인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법{Method for Compressor voltage control in inverter air conditioner}

본 발명은 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종의 압축기에 공용으로 사용될 수 있는 압축기 구동전압조절방법에 관한 것이다.

공기조화기는 실내의 공기를 용도, 목적에 따라 가장 적합한 상태로 유지하기 위한 장치이다. 이를 테면, 여름에는 실내를 시원한 냉방상태로 조절하고, 겨울에는 실내를 따뜻한 난방상태로 조절한다. 또한, 공기조화기는 실내의 습도를 조절하며, 실내의 공기를 쾌적한 청정상태로 조절한다. 이렇게 공기조화기와 같은 생활의 편의 제품이 점차적으로 확대, 사용되면서 소비자들은 높은 에너지 사용 효율과 성능 향상 및 사용에 편리한 제품을 요구하게 되었다.

이러한 요구 조건에 부합하여 개발된 것이 인버터 공기조화기이다. 인버터 공기조화기는 공기조화기 내부로 입력되는 교류전압을 DC 전압으로 변환시킨 후, 다시 교류전압으로 변환시켜서 압축기의 구동전원으로 사용한다. 따라서 인버터 공기조화기는 공기조화기 내부로 입력되는 교류전압을 감지한 후, 그에 따른 압축기 운전주파수를 설정하고, 설정된 운전주파수에 비례하여 압축기 구동전압을 발생시킨다.

상기 설명의 인버터 공기조화기에 대해서 도 1을 참조해서 살펴본다.

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 공기조화기는 다음의 방법으로 제어가 된다.

우선, 사용자가 실내기(20)에 구비된 키입력수단(도시하지 않음)을 이용하여 냉/난방운전에 따른 원하는 운전모드를 설정한다. 이후, 설정된 운전모드 상에서 압축기의 구동을 위한 설정온도를 설정하면, 설정된 온도가 실내기(20) 내부의 마이크로프로세서(13)에서 인식된다. 상기 실내기(20)의 마이크로프로세서(13)는 설정된 온도를 통신수단(도시하지 않음)을 통해서 실외기(30) 측으로 전송한다. 또한, 실내기(20)의 마이크로프로세서(13)는 공기조화기 내부로 입력되는 상용교류전압을 감지한다. 이렇게 감지된 교류전압의 크기에 따라서 마이크로프로세서(13)는 압축기의 구동을 위한 운전주파수를 설정한다. 그리고 설정된 운전주파수 또한 실외기(30) 측으로 전송한다.

상기 실외기(30)의 마이크로프로세서(50)는 운전모드 및 설정온도를 입력하여, 그에 따른 냉방운전 또는 난방운전을 제어한다. 상기 마이크로프로세서(50)가 설정온도에 도달하기까지 압축기(64)의 동작 제어를 수행할 때, 기결정된 운전주파수에 따른 온/오프신호를 출력하고, 이 신호에 기초해서 압축기(64) 구동전압이 발생된다.

다음은 도 2를 참조하여 압축기 구동전압 발생과정에 대해서 살펴본다.

도 2는 인버터 공기조화기의 실외기 구성도를 도시하고 있다.

인버터 공기조화기의 실외기는 실내기(20)와 통신을 수행하기 위한 통신회로(70)가 구비된다. 상기 통신회로(70)는 실외기의 각 구성소자들을 전체적으로 제어하는 마이크로프로세서(50)로부터 신호를 받아서 실내기로 전송한다. 그리고 통신회로(70)는 실내기로부터 전송되온 신호를 입력하여 실외기 내의 마이크로프로세서(50)에 인가하는 역할을 담당한다.

그리고 인버터 공기조화기의 실외기는, 냉방/난방의 절환 동작을 위한 4방변 및 팬(66)과, 상기 4방변 및 팬(66)의 동작 제어를 위한 릴레이 구동부(68)를 포함한다. 또한, 센서(54)를 통해서 실외 배관온도를 검출하고, 검출된 온도를 전기신호로 변환시켜서 상기 마이크로프로세서(50)에 인가하는 실외온도 배관검지부(52)와, 센서(56)를 통해서 실외온도를 검출하고, 검출된 실외온도를 전기신호로 변환시켜서 상기 마이크로프로세서(50)에 인가하는 실외온도검지부(56)를 포함한다.

또한, 인버터 공기조화기의 실외기는, 교류전원(72)을 입력하고, 입력된 교류전원에 포함된 노이즈를 필터링하는 노이즈 필터(74)와, 상기 필터(74)를 통해서 인가되는 교류전원에 흐르는 총합전류를 검지하여, 시스템의 사용 전류를 감지하는 전류 트랜스포머(76)와, 상기 전류 트랜스포머(76)의 출력을 정류시켜서 DC전압을 마이크로 프로세서(50)에 인가하는 정류회로(77)를 포함한다.

인버터 공기조화기의 실외기는, 교류전원(72)을 정류하는 정류회로(78)와, 상기 정류회로(78)의 출력으로부터 역률을 개선하는 역률개선회로(84)와, 상기 역률개선회로(84)의 출력으로부터 DC전압을 일정크기 이상으로 승압시켜서 출력하는 DC 승압부(82)를 포함한다. 그리고 상기 DC 승압부(82)에서 승압된 DC 전압을 검지하고, 검지된 DC전압을 마이크로 프로세서(50)에 인가하는 출력전압검지부(80)를 포함하고 있다.

또한, 인버터 공기조화기의 실외기는, 상기 마이크로프로세서(50)의 출력신호에 의해서 압축기(64)를 구동하기 위한 IPM 구동부(60) 및 IPM(62)을 포함하고 있다. 상기 마이크로프로세서(50)는 실내기(20) 측으로부터 전송받은 운전주파수를 인식하고, 결정된 운전주파수에 기초해서 압축기의 구동전압을 결정한다.

즉, 마이크로프로세서(50)는 결정된 운전주파수에 따라서 필요한 크기의 압축기(64) 구동전압이 발생될 수 있도록, 압축기(64)의 동작 제어를 위한 신호(U,V,W,U#,V#,W#)를 출력한다. 상기 마이크로프로세서(50)의 출력신호에 의해서 IPM구동제어부(60)는 IPM(62) 내부의 IGBT 소자 제어를 위한 하이/로우신호를 출력한다. 상기 신호에 의해서 IPM(62) 내부의 IBGT 소자가 온/오프 동작을 수행할때, 상기 DC 승압부(82)에서 승압된 DC 전압이 3상 교류 전원으로 전환되면서 압축기(64)를 구동시키게 된다.

다음은 상기 구성으로 이루어진 인버터 공기조화기의 실외기에서 압축기 구동전압의 발생되는 과정에 대해서 설명한다.

마이크로프로세서(50)는 통신회로(72)를 통해서 실내기(20) 측의 마이크로프로세서(13)로부터 운전지시를 받게 된다. 즉, 사용자가 선택한 냉방운전 또는 난방운전에 따라서 실내기(20) 측의 마이크로프로세서(13)는 냉방사이클 또는 난방사이클의 운행을 위한 지시를 하고, 그 지시를 실외기(30)의 통신회로(70)를 통해서 실외기 측의 마이크로프로세서(50)가 인지하게 된다.

또한, 실내기(20)의 마이크로프로세서(13)는 시스템 내부로 입력되는 교류전원을 검출하고, 그에 따른 압축기(64)의 운전주파수를 설정하였다. 이렇게 결정된 압축기 운전주파수도 통신회로(70)를 통해서 실외기(30)의 마이크로프로세서(50)에 인가된다.

이후, 상기 마이크로프로세서(50)는 압축기 운전주파수에 따라 설정된 압축기 구동전압을 결정하고, 결정된 구동전압으로 압축기의 구동이 이루어질 수 있는 제어를 수행한다.

한편, 실외기에 입력된 상용교류전원(72)은 정류회로(78)에 공급되고, 상기 정류회로(78)는 입력되는 교류전원을 DC 전압으로 1차 정류시킨다. 상기 정류회로(78)에서 정류된 DC전압은 역률개선회로(84)를 통해서 역률 개선이 이루어진 후, DC 승압부(82)에 인가된다. 상기 DC 승압부(82)는 입력전압을 계속해서 충전하다가 일정시점에서 방전을 수행하여, 고전력의 DC전압을 발생하는 것이다.

이렇게 발생된 고전력의 DC 전압은 IPM(62) 내부의 각 IGBT 소자에 인가되는데, 상기 IPM(62) 내부의 IGBT 소자는 기결정된 운전주파수에 의해서 온/오프 제어된다.

즉, 마이크로프로세서(50)는 통신회로(70)를 통해서 실내기 측으로부터 설정되어 전송된 압축기의 운전주파수를 인지하고, 상기 운전주파수에 따라서 설정된 압축기의 구동전압을 인식한다. 그리고 상기 인식된 압축기의 구동전압이 발생될 수 있도록, 신호(U,V,W,U#,V#,W#)를 출력한다. 상기 신호(U,V,W,U#,V#,W#)는 IPM 구동부(60)에 인가되고, IPM 구동부(60)는 입력된 신호에 기초해서 IPM(62) 내부의 IGBT 소자들의 온/오프 제어를 위한 하이/로우신호를 출력한다. 이렇게 해서 상기 IPM(62) 내부 IGBT 소자들의 온/오프 동작을 수행할때, 상기 IGBT 소자에 인가된 고전력의 DC 전압이 3상 교류전원으로 전환되면서 압축기(64)를 구동시키는 것이다.

즉, 종래의 인버터 공기조화기는, 시스템 내부에 입력되는 상용교류전압을 감지하고, 압축기의 운전주파수를 결정한다. 이렇게 해서 결정된 압축기의 운전주파수에 따라서 압축기의 구동전압이 결정되고, 이후, 마이크로프로세서(50)의 제어에 의해서 필요한 크기의 압축기 구동전압이 발생될 수 있도록 동작 제어가 이루어진다.

따라서 실외기의 마이크로프로세서(50)는 도 3에 도시하고 있는 바와 같은, 압축기의 전압/주파수 특성을 저장하고 있다. 상기 압축기의 전압/주파수 특성은 시스템 내부로 입력되는 전압이 약 80볼트일때, 시스템은 압축기의 운전주파수를 약 30Hz로 결정하고 있다. 또한, 시스템 내부로 입력되는 교류전압이 약 120볼트일때, 시스템은 압축기의 운전주파수를 약 60Hz로 결정하고, 시스템 내부로 입력되는 교류전압이 약 180볼트일때, 시스템은 압축기의 운전주파수를 약 90Hz로 결정하고 있다. 이와 같이, 결정된 압축기의 운전주파수에 따라서 압축기 구동전압(V')이 결정되는 것이다.

이때, 압축기의 구동전압(V')은, 앞서 설명하고 있는 바와 같이, DC 승압부(82)에서 승압된 DC 전압이 IPM(62) 내부의 IGBT 소자들에 인가되고 있는 상태에서, 기결정된 운전주파수의 값에 의해서 IGBT 소자가 온/오프되면서 발생되는 것이다. 따라서 시스템의 하드웨어 구조의 변화에 의해서 상기 DC 승압부(82)의 출력 DC 전압이 변화하게 되면, 압축기에 인가되는 구동전압에 변화가 발생된다.

일 예로, 최근 많은 나라에서 고조파 규제 규격을 제시하고 있다. 이러한 고조파 규제 규격을 만족시키기 위해서 대부분의 제품들은 역률 개선을 위한 역률개선회로를 보상하고 있다. 이와 같은 역률 보상에 의해서 종래의 인버터 공기조화기에서는 약 85%의 역률을 보상하여 상용교류전원 220V/60Hz의 입력에 의해서 최대 310볼트의 DC 전압을 발생시켰다면, 최근 인버터 공기조화기에서는 약 98%까지 역률이 보상되면서 동일전원을 이용해서 최대 400볼트의 DC 전압을 발생시키고 있다.

따라서 종래와 동일한 압축기 주파수/전압 특성으로는 역률 개선이 이루어진 인버터 공기조화기의 압축기 제어를 수행할 수 없는 문제점이 발생된 것이다. 만일, 이러한 특성을 무시하고 종래와 동일한 압축기 주파수/전압 특성으로 제어하게 되면, 압축기 인가전압이 상승되면서, 압축기 모터의 효율이 저하되고 또한 자기 포화 위험이 발생되어 시스템을 낙후시키는 문제점이 발생되었다.

따라서 본 발명의 목적은 상승된 DC 전압이 압축기에 인가될때, 불필요한 압축기 구동전압의 상승을 억제할 수 있는 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법은, 시스템 입력전압에 기초해서 압축기 구동전압을 설정하는 단계와; 승압된 DC 전압을 검출하고, 검출된 DC 전압의 크기에 의해서 시스템 모델을 판단하여, 역률개선비율을 결정하는 단계와; 상기 역률개선비율에 따라서 압축기 구동전압을 조정하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 압축기 구동전압의 조절 단계는, 압축기의 운전주파수를 가변시키는 것에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 압축기 구동전압의 조절은, 압축기의 구동전압 및 운전주파수를 가변시키는 것에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조해서 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법에 대해서 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절을 위한 동작 흐름도이다. 그리고 본 발명의 설명 중에 필요한 하드웨어 구성에 대해서는 도 1,2를 참조해서 설명한다.

공기조화기는 실내의 환경을 적정온도로 조정하기 위해서 겨울에는 난방운전을 수행하고, 여름에는 냉방운전을 수행한다. 따라서 사용자는 현재의 외부온도에 따라서 적절한 운전모드를 선택한다. 그리고 선택된 운전모드가 구동되기 위한 설정온도를 설정한다. 이렇게 설정된 운전모드 및 설정온도를 실내기(20)의 마이크로프로세서(13)가 인식한다.

실외기의 마이크로프로세서(50)는 통신회로(72)를 통해서 실내기(20) 측의 마이크로프로세서(13)로부터 운전지시를 받게 된다. 즉, 사용자가 선택한 냉방운전 또는 난방운전에 따라서 실내기(20) 측의 마이크로프로세서(13)는 냉방사이클 또는 난방사이클의 운행을 위한 지시를 하고, 그 지시를 실외기(30)의 통신회로(70)를 통해서 실외기 측의 마이크로프로세서(50)가 인지하게 된다(제 100 단계).

상기 마이크로프로세서(50)는, 현재 설정된 운전모드가 냉방운전일때, 냉방 구동전압/주파수(V/F) 테이블을 읽어오고(제 103 단계), 현재 설정된 운전모드가 난방운전일때 난방 구동전압/주파수(V/F) 테이블을 읽어온다(제 106 단계).

또한, 마이크로프로세서(50)는 시스템 내부로 입력되는 교류전원(V)을 검출하고(제 109 단계), 검출된 교류전원(V)에 기초해서 상기 제 103 단계 및 제 106 단계에서 읽어온 구동전압/주파수(V/F) 테이블에서 압축기(64)의 운전주파수(F)를 설정한다(제 112 단계). 상기 교류전원(V)의 검출은 교류전원(72)과 마이크로프로세서(50) 연결에 의해서 시스템 내부 유입시 즉시 검출하는 것이 가능하다. 또한, 상기 시스템 내부의 교류전원의 검출 및 운전주파수의 설정은 실내기 측에서 수행하고, 전송받는 것도 물론 가능하다.

상기 제 112 단계에서 압축기(64)의 운전주파수(F) 설정이 완료되면, 상기 제 103 단계 및 제 106 단계에서 읽어온 구동전압/주파수(V/F) 테이블에서 압축기의 구동전압(V')를 설정한다(제 115 단계).

상기까지의 과정에 의해서 마이크로프로세서(50)는 압축기(64)의 구동 제어를 위한 운전주파수(F) 및 압축기 구동전압(V')을 결정하였다.

한편, 실외기에 입력된 상용교류전원(72)은 정류회로(78)에 공급되고, 상기 정류회로(78)는 입력되는 교류전원을 DC 전압으로 1차 정류시킨다. 상기 정류회로(78)에서 정류된 DC전압은 역률개선회로(84)를 통해서 역률 개선이 이루어진 후, DC 승압부(82)에 인가된다. 상기 DC 승압부(82)는 입력전압을 계속해서 충전하다가 일정시점에서 방전을 수행하여, 고전력의 DC전압을 발생한다.

이렇게 발생된 고전력의 DC 전압은 IPM(62) 내부의 각 IGBT 소자에 인가됨과 동시에, 출력전압검지부(80)에 입력된다. 상기 출력전압검지부(80)는 상기 승압된 DC 전압을 검출하고, 검출된 전압을 마이크로프로세서(50)에 인가한다. 이 과정으로부터 상기 마이크로프로세서(50)는 승압된 DC 전압의 크기를 검출하게 된다(제 118 단계).

상기 마이크로프로세서(50)는 검출된 DC 전압에 따라서 역률 개선된 모델(발생 DC 전압이 최대 400볼트)인지, 또는 이전 모델(발생 DC 전압이 최대 310볼트)인지를 판단한다(제 121 단계).

상기 제 121 단계에서 판단된 모델에 따라서 마이크로프로세서는 상기 제 115 단계에서 결정된 압축기의 구동전압(V')을 그대로 결정하거나 또는 결정전압의 30/40으로 결정한다. 즉, 이전 모델에서는 최종적인 압축기 구동전압(P)을 상기 제 115 단계에서 결정한 압축기 구동전압(V')으로 결정하고(제 124 단계), 역률 개선모델에서는 최종적인 압축기 구동전압(P)을 상기 제 115 단계에서 결정한 압축기 구동전압(V')의 30/40 으로 결정한다(제 127 단계).

이것은 입력전압 220볼트/60Hz가 인가되는 상태에서, 능동필터를 사용한 역률개선모델에 있어서는 DC 전압이 약 400볼트 발생되는데 반해서 이전모델의 경우는 DC 전압이 약 310볼트 발생한다. 따라서 삼각파 변조시에 압축기 구동전압은 교류 270볼트 상승되므로, 압축기의 효율곡선이 변하게 된다. 따라서 종래 압축기 구동전압/주파수(V/F) 테이블의 데이터 값으로부터 약 30/40 비율로 설정하면, 압축기 모터를 종래와 공용으로 이용할 수 있는 것이다. 상기 30/40 비율은 역률개선에 따라서 승압된 DC 전압의 크기에 따라서 결정된 비율이다.

이와 같이 최종적인 압축기 구동전압(P)이 결정되면, 마이크로프로세서(50)는 결정된 압축기 구동전압(P)에 따라서 압축기의 동작을 제어한다(제 130 단계). 즉, 상기 제 124 단계에서 종래와 동일하게 V/F 테이블의 테이터 값으로 압축기 구동전압(P)이 결정되면, 상기 제 112 단계에서 설정한 압축기의 운전주파수(F)에 따라서 압축기의 동작 제어가 이루어진다.

즉, 마이크로프로세서(50)는 상기 운전주파수(F)에 따라서 설정된 압축기의 구동전압(V')이 발생될 수 있도록, 신호(U,V,W,U#,V#,W#)를 출력한다. 상기 신호(U,V,W,U#,V#,W#)는 IPM 구동부(60)에 인가되고, IPM 구동부(60)는 입력된 신호에 기초해서 IPM(62) 내부의 IGBT 소자들의 온/오프 제어를 위한 하이/로우신호를 출력한다. 이렇게 해서 상기 IPM(62) 내부 IGBT 소자들의 온/오프 동작을 수행할때, 상기 IGBT 소자에 인가된 고전력의 DC 전압이 3상 교류전원으로 전환되면서 압축기(64)를 구동시키는 것이다.

그러나 상기 제 127 단계에서는 상기 제 115 단계에서 설정된 압축기 구동전압(V')에 역률개선비율(30/40)이 승산되어 압축기 구동전압(P)이 결정되었으므로, 조정된 구동전압(V'*30/40)에 따른 압축기 운전주파수(F')를 인지해서 압축기 제어가 이루어지는 것이다. 따라서 마이크로프로세서(50)는 조정된 상기 운전주파수(F')에 따라서 압축기의 구동전압(V'*30/40)이 발생될 수 있도록 제어하여, 압축기의 정상 동작이 이루어지도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, PFC 역률개선회로가 적용된 인버터 공기조화기에서 DC 전압이 종래보다 높기 때문에, 종래의 압축기 구동전압 제어를 위한 V/F 테이블에 역률개선에 따른 증가비율을 감산시켜서 최종적인 압축기 구동전압을 결정하도록 하였다. 따라서 불필요한 압축기의 구동전압 상승을 억제하여 압축기의 효율 저하 및 자기 포화 위험을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 인버터 공기조화기의 구성도,

도 2는 인버터 공기조화기의 실외기 구성도.

도 3은 압축기의 구동전압과 운전주파수의 관계 특성도,

도 4는 본 발명에 따른 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법을 도시하는 동작 흐름도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10,15 : 열교환기 13 : 마이크로프로세서

50 : 마이크로프로세서 20 : 실내기

30 : 실외기 54,58: 센서

52 : 실외온도배관감지부 56 : 실외온도감지부

62 : IPM 64 : 압축기

66 : 팬 및 사방변 68 : 릴레이구동부

70 : 통신회로 72 : 교류전원

74 : 노이즈필터 76 : 전류트랜스포머

77,78 : 정류회로 80 : 출력전압감지부

82 : DC 승압부 60 : IPM 구동제어부 84 : 역률개선회로

Claims

시스템 입력전압에 기초해서 압축기 구동전압을 설정하는 단계와;

승압된 DC전압을 검출하고, 검출된 DC 전압의 크기에 의해서 시스템 모델을 판단하여, 역률개선비율을 결정하는 단계와;

상기 역률개선비율에 따라서 압축기 구동전압을 조정하는 단계를 포함하여 구성되는 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법.
제 1 항에 있어서,

상기 압축기 구동전압의 조절은, 압축기의 운전주파수를 가변시키는 것에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법.
제 1 항에 있어서,

상기 압축기 구동전압의 조절은, 압축기의 구동전압 및 운전주파수를 가변시키는 것에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 공기조화기의 압축기 구동전압조절방법.