KR100839073B1 - 인버터 회로의 입력전류 검출장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인버터 회로의 입력전류 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력전류를 검출하기 위한 센서를 사용하지 않고 인버터 회로에 입력되는 전류를 측정하는 인버터 회로의 입력전류 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 인버터 회로의 입력전류 검출장치 및 그 방법은 입력전류를 검출하기 위한 별개의 복잡한 회로를 구성하지 않고 통상의 인버터 회로에 간단한 회로를 부가하여 직류전원의 전압과 모터의 출력을 구하고, 상기 직류전압과 모터출력을 이용하여 상기 상용전원의 입력전류를 산출 할 수 있다.

Description

인버터 회로의 입력전류 검출장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Detecting Input Current of Inverter Circuit}
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 회로의 입력전류 검출을 위한 회로도이다.
도2는 본 발명의 제1실시예에 따라 검출한 인버터 회로의 입력전류와 실제 측정한 입력전류를 비교한 비교표이다.
도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 회로의 입력전류 검출을 위한 회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10: 상용전원 20: 정류기
50: 직류전압검출부 90: 모터 상전류검출부
190: 역기전력검출부 200: 직류전류검출부
본 발명은 인버터 회로의 입력전류 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력전류를 검출하기 위한 센서를 사용하지 않고 인버터 회로에 입력되 는 전류를 측정하는 인버터 회로의 입력전류 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터 회로는 직류전력을 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전력(U, V, W)으로 변환시키는 전력변환장치로, 에너지 절약 및 출력 제어의 용이성 때문에 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 전기제품에 사용되는 모터를 구동하기 위하여 그 사용이 점차 증가하고 있다.
이러한 인버터 회로는 정격전압과 정격전류의 최대 허용전력이 정해져 있으며 정격전압과 정격전류를 벗어난 전압 또는 전류가 입력되면, 인버터 회로가 제대로 작동하지 않거나 고장을 유발하게 된다.
따라서, 정격전류가 아닌 전류가 입력될 경우 인버터 회로를 보호하기 위해 인버터 회로에 입력되는 전류의 크기를 실시간으로 측정하는 다양한 장치들이 개발되어 왔다.
그 일례로 통상의 인버터 회로에서 상기 인버터 회로에 입력되는 전류를 측정하기 위해 전류변환기(Current Transformer;CT)를 상용전원의 전원단 측에 연결하고, 전류변환기(CT)의 2차측에 유기된 교류 신호를 저항을 통해 정류기에서 정류하여 인버터 회로에 입력되는 전원단 입력전류를 측정하였다.
그런데, 이러한 종래 모터 구동용 인버터 회로의 입력전류 측정회로는 상기 인버터 회로에 입력되는 전류를 측정하기 위해 별개의 전류변환기를 사용해야 하므로 제조비용이 상승하고, 전류변환기에서 검출된 전류의 신호처리를 위해 정류기와, 평활콘덴서 및 저항으로 구성된 로우 패스 필터(LPF)의 부가회로를 설치해야 하므로 회로가 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 입력전류를 검출하기 위한 별개의 복잡한 회로를 구성하지 않고 통상의 인버터 회로를 이용하여 상기 인버터 회로로 입력되는 전류를 측정할 수 있는 인버터 회로의 입력전류 측정장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상용전원을 정류기 및 평활콘덴서에 의해 직류전원으로 변환하고, 스위칭회로의 펄스폭변조에 의해 상기 직류전원을 3상 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 모터 구동용 인버터 회로에 있어서, 상기 직류전원의 전압을 검출하는 직류전압검출부, 상기 모터의 출력을 산출하기 위한 정보를 검출하는 정보검출부 및 상기 정보검출부에서 검출된 정보를 이용하여 모터출력을 산출하고, 산출된 모터출력과 상기 직류전압검출부에서 검출된 직류전압을 이용하여 상기 상용전원의 입력전류를 산출하는 제어부를 포함하는 인버터 회로의 입력전류 검출장치를 특징으로 한다.
또한, 상기 정보검출부는 모터에 인가되는 상전류를 검출하는 전류센서를 포함하고, 상기 제어부는 전류센서에서 검출된 상전류를 이용하여 모터의 회전수를 구하고, 상기 상전류와 회전수를 이용하여 모터출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 전류센서가 검출한 전류파형의 진폭과 주파수를 계측하여 모터의 상전류와 회전수를 구하고, 모터의 회전수나 부하토크에 따른 직류전압 의 변동을 보정하기 위해 미리 저장된 보정값을 더 포함하여 입력전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정보검출부는 직류전원의 전류를 검출하기 위한 직류전류검출부와 모터의 역기전력을 검출하기 위한 역기전력검출부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 직류전류검출부에서 검출된 직류전류를 이용하여 모터의 상전류를 구하고, 역기전력검출부에서 검출된 역기전력을 이용하여 모터의 회전수를 구하며, 상기 상전류와 회전수를 이용하여 모터출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 직류전류를 스위칭회로에 의한 펄스폭변조의 듀티비로 나누어 모터의 상전류를 구하고, 모터의 회전수나 부하토크에 따른 직류전압의 변동을 보정하기 위해 미리 저장된 보정값을 더 포함하여 입력전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상용전원을 정류기 및 평활콘덴서에 의해 직류전원으로 변환하고, 스위칭회로의 펄스폭변조에 의해 상기 직류전원을 3상 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 모터 구동용 인버터 회로에 있어서, 상기 직류전원의 전압과 모터의 출력을 구하고, 상기 직류전압과 모터출력을 이용하여 상기 상용전원의 입력전류를 산출하는 인버터 회로의 입력전류 검출방법을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터에 인가되는 전류파형의 진폭을 계측하여 모터의 상전류를 구하고, 상기 전류파형의 주파수를 계측하여 모터의 회전수를 구하며, 상기 상전류와 회전수를 이용하여 모터의 출력을 구하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 직류전원의 전류를 검출하고 검출된 직류전류를 스위칭회로에 의 한 펄스폭변조의 듀티비로 나누어 모터의 상전류를 구하고, 모터의 역기전력을 검출하여 모터의 회전수를 구하며, 상기 상전류와 회전수를 이용하여 모터의 출력을 구하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터의 회전수나 부하토크에 따른 직류전압의 변동을 보정하기 위해 미리 저장된 보정값을 더 포함하여 입력전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 인버터 회로의 입력전류 측정을 위한 회로도이다.
도1에서, 인버터 회로에 입력되는 전류를 측정하기 위한 회로는 220V 60Hz 등의 교류로 공급되는 상용전원(10)을 전파 정류하여 출력하는 정류기(20), 상기 정류기(20)의 후단에 위치하여 역률을 개선하는 리액터(L, 30), 상기 정류기(20)에 접속되어 미리 정해진 크기의 기준전압을 출력하는 스위칭모드 파워서플라이(Switching Mode Power Supply;SMPS, 40), 상기 정류기(20)에 접속되어 정류기(20)에서 출력되는 전압을 평활하여 직류로 변환하는 평활콘덴서(60), 상기 평활콘덴서(60)에서 출력되는 직류전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류(U, V, W)로 바꾸어 모터(110)를 구동하는 인버터 스위치부(70), 상기 인버터 스위치부(70)에 공급되는 PWM신호의 패턴을 출력하여 인버터구동부(80)를 통해 인버터 스위치부(70)를 제어하는 제어부(100)로 구성된 인버터 회로에, 직류전압검출부(50)와 모터 상전류검출부(90)를 포함하여 구성한다.
상기 인버터 스위치부(70)는 ６개의 스위칭소자(IGBT)와 다이오드(FRD)를 ３상 풀 브릿지(Full Bridge)로 결선하여 직류전압을 3상 교류로 변환하고 이 3상 교류를 모터(110)에 공급하는 통상의 스위칭회로이다.
상기 제어부(100)는 인버터 스위치부(70)의 ６개 스위칭소자의 온/오프를 제어하고, 임의 전압 및 임의 주파수의 ３상 교류를 만들어 내는 마이크로 프로세서로, 이는 PWM 제어를 사용한 일반적 방식으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 직류전압검출부(50)는 평활콘덴서(60)에 연결되어 상기 평활콘덴서(60)의 양단에 걸리는 직류전압을 검출하여 제어부(100)에 전달하기 위한 것으로, 통상의 전압센서를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
상기 모터 상전류검출부(90)는 통상의 인버터 회로에서 모터(110)의 회전수를 제어하기 위하여 사용되는 것으로, 공지된 방식 중 어느 하나에 의해 바람직하게 구성될 수 있다.
예를 들면, 모터(110)의 3상에 각각 전류변환기(CT)나 직렬의 션트(Shunt) 저항을 이용하여 3상 전류를 직접 검출하는 방식이나, 2개의 전류변환기나 직렬 션트 저항으로 두 상의 전류를 검출하고 나머지 한 상의 전류는 검출된 두 상의 전류값으로 추정하는 방식 등에 의하여 구성될 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 인버터 회로에서 상기 인버터 회로에 입력되는 전류를 검출하는 방법을 설명한다.
먼저, 인버터 회로에서 구동하는 모터(110)의 출력(Pmotor)과 입력전원의 출 력(Pin)의 관계는 아래의 [식1]과 같다.
Pmotor = Pin * ηinverter * ηmotor ...... [식1]
여기에서 ηinverter는 상기 인버터 회로의 전체효율, ηmotor는 모터(110)의 효율을 의미한다.
또한, 모터(110)의 출력(Pmotor)은 축 토크(T)와 모터(110) 회전수(N)의 곱이고, BLDC 모터의 경우 기본적으로 축 토크(T)가 모터상전류(Imotor)에 비례하는 관계에 있기 때문에, 모터(110)의 출력(Pmotor)은 비례상수(α)를 사용하여 아래의 [식2]와 같이 나타낼 수 있다.
Pmotor = α * Imotor * N ...... [식2]
한편, 입력전원의 출력(Pin)는 단상전원의 경우 입력전압(Vs), 입력전류(Is) 및 역률(cosφ)을 이용하여 아래의 [식3]과 같이 표현될 수 있고, 입력전압(Vs)은 평활콘덴서(60) 양단의 전압인 직류전압(Vdc)과 [식4]의 관계에 있다.
Pin = Vs * Is * cosφ ...... [식3]
Vs =√2 * Vdc ...... [식4]
따라서, [식1] 내지 [식4]에 의하여 입력전류(Is)는 직류전압(Vdc)과 모터출력(Pmotor)을 이용하여 [식5]와 같이 나타낼 수 있다.
Is = β * ( Imotor * N / Vdc ),
β= (√2 * α / (cosφ * ηinverter * ηmotor)) ...... [식5]
즉, 입력전류(Is)를 계산하기 위하여 종래와 같이 별개의 전류변환기를 사용하지 않더라도 모터상전류(Imotor), 모터(110)의 회전수(N) 및 직류전압(Vdc)을 이용하여 계산할 수 있게 된다.
한편, 실제로는 인버터 회로 자체가 소비하는 전류가 있고, 모터(110)의 회전수(N)나 부하토크에 따라 직류전압(Vdc)이 변동하기 때문에, 이에 따른 보정량(δ)을 고려하면 [식5]는 아래의 [식6]에 의하여 더욱 구체화 될 수 있다.
Is = β * ( Imotor * N / Vdc ) + δ ...... [식6]
이때, 모터상전류(Imotor)는 모터 상전류검출부(90)에서 검출한 전류파형의 진폭을 계측하여 검출할 수 있고, 모터(110)의 회전수(N)은 상기 전류파형의 주파수를 계측하여 검출할 수 있으며, 직류전압(Vdc)은 전술한 바와 같이 직류전압검출부(50)에 의하여 검출될 수 있다.
또한, β와 δ는 입력전류(Is)에 대한 검출 정밀도의 요구에 따라 정해지는 값으로 실험적으로 구하여져 데이터베이스의 형태로 미도시된 메모리에 미리 저장되어 있거나, 실제 검출한 모터상전류(Imotor), 모터의 회전수(N) 및 직류전압(Vdc)의 함수로 저장될 수 있다.
도2는 본 실시예에 따라 [식6]에 의해 산출한 입력전류(Is,calculated)와 실제로 측정한 입력전류(Is,measured)를 비교한 비교표이며, 입력전류(Is)의 측정을 위한 복잡한 회로를 사용하지 않고 구한 결과와 실제 측정결과가 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.
도3은 본 발명의 제2실시예에 의한 인버터 회로의 입력전류(Is) 측정을 위한 회로도이고, 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복된 설명을 생략한다.
도3의 회로도는 제1실시예와 같이 모터(110)의 상전류를 검출하여 모터(110)의 회전수를 제어하는 방식이 아니라 모터(110)의 비여자상태에 있는 고정자 코일에서 유기되는 역기전력을 이용하여 회전수를 제어하는 방식에 대한 것이다.
따라서, 도1과 비교하여 모터 상전류검출부(90)가 없는 대신에 모터(110)에 유기되는 역기전력을 검출하기 위한 역기전력검출부(190)와 직류전원의 전류(Idc)를 검출하여 제어부(100)에 전달하는 직류전류검출부(200)를 구비하는 점에서 차이가 있고, 나머지 구성요소는 동일하다.
역기전력을 이용하여 회전수를 제어하는 방법은 공지된 기술이기 때문에 설명을 생략하며, 이하에서는 도3의 인버터 회로에서 상기 인버터 회로의 입력전류(Is)를 검출하는 방법을 설명한다.
먼저, 인버터 회로에서 구동하는 모터(110)의 출력(Pmotor)과 직류전원의 출 력(Pdc)의 관계는 아래의 [식7]과 같다.
Pmotor = Pdc * ηIGBT * ηmotor = PIGBT * ηmotor ...... [식7]
여기에서 PIGBT는 모터(110)의 입력, 즉 인버터 스위치부(70)의 출력이고, ηIGBT와 ηmotor는 각각 인버터 스위치부(70)와 모터(110)의 효율을 의미한다.
한편, 인버터 스위치부(70)의 출력(PIGBT)과 직류전원의 출력(Pdc)은 각각 아래의 [식8]과 같이 나타낼 수 있고, 이때 R은 PWM 듀티비(duty ratio)이다.
PIGBT = Imotor * Vmotor = Imotor * Vdc * R ,
Pdc = Idc * Vdc ...... [식8]
따라서, [식7]과 [식8]에 의하여 모터상전류(Imotor)는 아래의 [식9]와 같이 나타낼 수 있고, [식9]에 의해 구한 모터상전류(Imotor)를 [식6]에 대입하여 입력전류(Is)를 구할 수 있다.
Imotor = ηIGBT * ( Idc / R ) ...... [식9]
이때, 모터(110)의 회전수(N)와 PWM 듀티비(R)는 제어부(100)가 모터(110)의 회전수를 제어하는 과정에서 구하는 정보이기 때문에 별도의 검출장치가 필요하지 않고, ηIGBT는 실험적으로 구하여져 미도시된 메모리에 미리 저장되는 값이다.
본 실시예의 경우 전술한 바와 같이 직류전류(Idc)를 검출하여 [식9]에 의해 모터상전류(Imotor)를 구하며, 구해진 모터상전류(Imotor)를 이용하여 입력전류(Is)를 구하는 방법은 제1실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.
이때, 직류전류검출부(200)는 공지된 전류검출장치를 이용하여 바람직하게 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 회로의 간단화와 비용저감을 위해 전류변환기 대신에 직류전원의 일부를 분로하여 저항회로를 구성하고 상기 저항의 양단에 인가되는 전압을 검출하여 전류치를 검출하는 방식을 사용한다.
따라서, 상기 저항 양단의 전압과 전류치의 관계에 대한 데이터가 실험적으로 구하여져 미도시된 메모리에 미리 저장된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 회로의 입력전류 검출장치 및 그 방법은 입력전류를 검출하기 위한 별개의 복잡한 회로를 구성하지 않고 통상의 인버터 회로에 간단한 회로를 부가하여 직류전원의 전압과 모터의 출력을 구하고, 상기 직류전압과 모터출력을 이용하여 상기 상용전원의 입력전류를 산출할 수 있다.

Claims (9)

  1. 상용전원을 정류기 및 평활콘덴서에 의해 직류전원으로 변환하고, 스위칭회로의 펄스폭변조에 의해 상기 직류전원을 3상 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 모터 구동용 인버터 회로에 있어서,
    상기 직류전원의 전압을 검출하는 직류전압검출부;
    상기 모터의 출력을 산출하기 위한 정보를 검출하기 위해 직류전원의 전류를 검출하기 위한 직류전류검출부와 모터의 역기전력을 검출하기 위한 역기전력검출부를 포함하는 정보검출부; 및
    상기 정보검출부에서 검출된 정보를 이용하여 모터출력을 산출하고, 산출된 모터출력과 상기 직류전압검출부에서 검출된 직류전압을 이용하여 상기 상용전원의 입력전류를 산출하는 제어부를 포함하는 인버터 회로의 입력전류 검출장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 직류전류검출부에서 검출된 직류전류를 이용하여 모터의 상전류를 구하고, 역기전력검출부에서 검출된 역기전력을 이용하여 모터의 회전수를 구하며, 상기 상전류와 회전수를 이용하여 모터출력을 산출하는 인버터 회로의 입력전류 검출장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 직류전류를 스위칭회로에 의한 펄스폭변조의 듀티비로 나누어 모터의 상전류를 구하고, 모터의 회전수나 부하토크에 따른 직류전압의 변동을 보정하기 위해 미리 저장된 보정값을 더 포함하여 입력전류를 산출하는 인버터 회로의 입력전류 검출장치.
  6. 상용전원을 정류기 및 평활콘덴서에 의해 직류전원으로 변환하고, 스위칭회로의 펄스폭변조에 의해 상기 직류전원을 3상 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 모터 구동용 인버터 회로에 있어서,
    상기 직류전원의 전압을 구하고,
    상기 직류전원의 전류를 검출하고 검출된 직류전류를 스위칭 회로에 의한 펄스 폭 변조의 듀티비로 나누어 모터의 상전류를 구하고 모터의 역기전력을 검출하여 모터의 회전수를 구하여 모터의 상전류와 회전수를 이용하여 모터의 출력을 구하고,
    상기 직류전원의 전압과 모터의 출력을 이용하여 상기 상용전원의 입력전류를 산출하는 인버터 회로의 입력전류 검출방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 모터의 회전수나 부하토크에 따른 직류전압의 변동을 보정하기 위해 미리 저장된 보정값을 더 포함하여 입력전류를 산출하는 인버터 회로의 입력전류 검출방법.
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