KR101075222B1 - Apparatus and method of power factor correction - Google Patents

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Abstract

역률 보상 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명은 부하의 상태에 따라 역률 보상 장치의 구동 주파수 및 듀티 비를 가변시켜서 부하의 변동에 적절히 대응함으로써 역률 보상 효율은 물론 모터의 운전 효율도 함께 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 역률 보상 장치는, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터가 구비되는 인버터의 역률 보상 장치에 있어서, 역률 보상 신호에 의해 온/오프되어 컨버터의 역률 보상을 위한 스위치와, 부하의 변동에 따라 역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비를 가변시키는 제어부를 포함한다.Disclosed is a power factor correction apparatus and method. An object of the present invention is to change the driving frequency and duty ratio of the power factor correction device according to the load state so as to appropriately cope with the variation of the load, thereby improving not only the power factor correction efficiency but also the driving efficiency of the motor. The power factor correction device according to the present invention for this purpose, the power factor correction device of the inverter is provided with a converter for converting the AC power to DC power, the on / off by the power factor correction signal and the switch for power factor correction of the converter; The controller may include a controller configured to vary a frequency and a duty ratio of the power factor correction signal according to a load change.

Description

역률 보상 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF POWER FACTOR CORRECTION}Power factor correction apparatus and method {APPARATUS AND METHOD OF POWER FACTOR CORRECTION}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 장치를 나타낸 도면.1 is a view showing a power factor correction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 장치의 PFC 특성을 나타낸 도면.2 is a diagram showing PFC characteristics of a power factor correction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 장치의 제어 방법을 나타낸 도면.3 is a view showing a control method of a power factor correction apparatus according to an embodiment of the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

102 : 교류 전원 장치102: AC power supply

104 : 정류부104: rectifier

106 : 인버터106: inverter

108 : 캐패시터108: capacitor

110 : 브러시리스 직류 모터110: brushless DC motor

112 : 제로 크로싱 검출부112: zero crossing detection unit

114 : 스위치 구동부114: switch drive unit

116 : 제어부116: control unit

202a, 202b, 202c : PFC 스위칭 펄스 202a, 202b, 202c: PFC Switching Pulses                 

204a, 204b, 204c : 입력 전압204a, 204b, 204c: input voltage

206a, 206b, 206c : PFC 출력 전압206a, 206b, 206c: PFC output voltage

본 발명은 역률 보상(Power Factor Correction) 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 모터 구동용 인버터로 입력되는 전압 및 전류의 역률을 보상하는 모터 구동 인버터의 역률 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power factor correction apparatus and method, and more particularly, to a power factor correction apparatus and method of a motor driving inverter for compensating power factor of a voltage and a current input to a motor driving inverter.

모터 제어에 사용되는 인버터는 에너지 소비 절감과 모터 출력 제어가 용이하기 때문에 그 사용 범위가 점차 증가하고 있다. 예를 들면, 세탁기와 냉장고, 공기 조화기 등에 채용되어 모터를 제어하는데 사용된다.Inverters used for motor control are increasingly used because of the reduction of energy consumption and easy control of motor output. For example, it is adopted to a washing machine, a refrigerator, an air conditioner, and the like and used to control a motor.

인버터를 포함하는 모터 구동 장치는, 입력되는 상용 교류 전원을 정류하여 직류 전압을 발생시키는 브리지 다이오드와, 정류된 전압의 평활용 초크 코일 및 콘덴서, 평활된 직류 전압을 3상 교류 전원으로 변환하여 모터에 공급하는 인버터를 포함한다.A motor driving device including an inverter includes a bridge diode for rectifying an input commercial AC power to generate a DC voltage, a smoothing choke coil and capacitor for the rectified voltage, and converting the smoothed DC voltage to a three-phase AC power. It includes an inverter to supply.

상용 교류 전원의 전류 파형은 초크 코일과 평활 콘덴서의 시정수에 의해 결정되는 시간 동안 그 전류 파형이 급격하게 상승한다. 이 전류 파형의 급격한 변화로 인하여 노이즈가 발생하고 무효 전력에 의한 전력 손실이 발생한다. 이와 같은 문제는 전압과 전류의 위상차에 의한 역률에 의하여 발생한다.The current waveform of the commercial AC power supply rises rapidly during the time determined by the time constant of the choke coil and the smoothing capacitor. This sudden change in the current waveform causes noise and power loss due to reactive power. This problem is caused by power factor due to the phase difference between voltage and current.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 역률 보상 장치가 사용되는데, 이 역률 보 상 장치의 구동 주파수를 높이면 스위칭 노이즈와 전자기 장해(Electromagnetic Interference, EMI) 등의 문제가 발생하며, 주파수를 낮추면 DC Link 전압이 너무 낮아져서 모터의 운전 효율이 떨어진다.To solve this problem, a power factor correction device is used.Increasing the driving frequency of the power factor compensation device causes problems such as switching noise and electromagnetic interference (EMI). This lowers the operating efficiency of the motor.

본 발명은 부하의 상태에 따라 역률 보상 장치의 구동 주파수 및 듀티 비를 가변시켜서 부하의 변동에 적절히 대응함으로써 역률 보상 효율은 물론 모터의 운전 효율도 함께 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to change the driving frequency and the duty ratio of the power factor correction device according to the load state so as to properly cope with the change in the load, thereby improving not only the power factor compensation efficiency but also the driving efficiency of the motor.

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 역률 보상 장치는, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터가 구비되는 인버터의 역률 보상 장치에 있어서, 역률 보상 신호에 의해 온/오프되어 컨버터의 역률 보상을 위한 스위치와, 인버터를 통해 전력을 공급받아 동작하는 모터의 운전 주파수와 인버터의 전류 및 전압 정보로부터 부하의 변동을 검출하고, 검출된 부하의 변동에 따라 역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비를 가변시키는 제어부를 포함한다.The power factor correction device according to the present invention for this purpose, the power factor correction device of the inverter is provided with a converter for converting the AC power to DC power, the on / off by the power factor correction signal and the switch for power factor correction of the converter; And a control unit configured to detect a load change from an operating frequency of the motor operated by receiving power through the inverter and current and voltage information of the inverter, and to change a frequency and duty ratio of the power factor correction signal according to the detected load change. do.

본 발명에 따른 역률 보상 방법은, 모터를 구동하기 위한 인버터의 역률 보상 방법에 있어서, 부하의 변동을 검출하고, 모터의 운전 주파수와 인버터의 전류 및 전압 정보로부터 부하의 변동을 검출하고, 검출된 부하의 변동에 따라 역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비를 가변시킨다.The power factor correction method according to the present invention is a power factor correction method of an inverter for driving a motor, the method comprising: detecting a change in a load, detecting a change in the load from an operating frequency of the motor and current and voltage information of the inverter, The frequency and duty ratio of the power factor correction signal are varied according to the load variation.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 장치를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 정류부(104)는 상용 교류 전원(102)을 전파(全波) 정류한다. 정류부(104)의 출력 측에는 초크 코일(118)과 다이오드(120)가 직렬 연결된다. 다이오드(120)의 출력 측에는 평활용 캐패시터(108)가 연결된다. 인버터(106)는 정류 및 평활된 직류 전압을 다상 교류 전원으로 변환하여 모터(110)로 출력한다. 정류부(104)의 두 출력 측 사이에는 스위치(124)가 연결된다. 이 스위치(124)는 대전력용 트랜지스터(IGBT)가 사용된다. 제로 크로싱 검출부(112)는 상용 교류 전원(102)의 제로 크로싱 포인트를 검출한다. 제어부(116)는 역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비를 제어하기 위한 제어 정보를 발생시킨다. 즉 모터의 운전 주파수(f1)와 속도 지령 주파수(f2), 캐패시터(108) 양 단의 직류단 전압(VDC), 인버터(106)를 통해 공급되는 운전 전류(IDC)로부터 부하의 변동을 검출하고, 이 부하 변동에 따라 최적의 역률 보상 효과를 얻을 수 있도록 제어 정보를 발생시킨다. 스위치 구동부(114)는 제어부(116)로부터 제공되는 제어 정보에 따라 역률 보상 신호를 발생시켜서 스위치(124)를 온/오프시킨다. 스위치(124)가 온/오프되면 전파 정류된 직류 전압이 단속적으로 인버터(106)에 공급된다. 도 1에서 정류부(104)와 초크 코일(118), 다이오드(120)는 교류 전원을 직류로 변환하기 위한 컨버터(converter)로서 동작한다.When described with reference to Figures 1 to 3 a preferred embodiment of the present invention made as described above. 1 is a view showing a power factor correction apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the rectifier 104 full-wave rectifies the commercial AC power supply 102. The choke coil 118 and the diode 120 are connected in series at the output side of the rectifier 104. The smoothing capacitor 108 is connected to the output side of the diode 120. The inverter 106 converts the rectified and smoothed DC voltage into a multiphase AC power and outputs the same to the motor 110. A switch 124 is connected between the two output sides of the rectifier 104. This switch 124 uses a high power transistor (IGBT). The zero crossing detection unit 112 detects a zero crossing point of the commercial AC power supply 102. The controller 116 generates control information for controlling the frequency and duty ratio of the power factor correction signal. That is, the load variation is determined from the operating frequency f1 and the speed command frequency f2 of the motor, the DC terminal voltage V DC across the capacitor 108, and the operating current I DC supplied through the inverter 106. It detects and generates control information so that an optimal power factor compensation effect can be obtained according to this load variation. The switch driver 114 generates the power factor correction signal according to the control information provided from the controller 116 to turn on / off the switch 124. When the switch 124 is turned on / off, the full-wave rectified DC voltage is intermittently supplied to the inverter 106. In FIG. 1, the rectifier 104, the choke coil 118, and the diode 120 operate as a converter for converting AC power into DC.

제어부(116)는 부하가 증가하면, 역률 보상 신호의 주파수는 낮추되 듀티 비를 증가시키고, 반대로 부하가 감소하면 역률 보상 신호의 주파수는 높이되 듀티 비는 감소시킨다. 이를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.When the load increases, the controller 116 lowers the frequency of the power factor correction signal but increases the duty ratio. On the contrary, when the load decreases, the controller 116 increases the frequency of the power factor correction signal but decreases the duty ratio. This will be described with reference to FIG. 2.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 장치의 PFC 특성을 나타낸 도면이다. 도 2(A)는 역률 보상 신호의 주파수가 낮고 듀티 비는 큰 경우의 전류 파형을 나타낸 것으로서, 역률 보상 신호의 주파수를 낮춤으로써 고조파(Harmonics)를 감소시켜 노이즈 및 EMI 감소 효과를 얻는다. 역률 보상 신호의 주파수를 낮추면 전류량이 지나치게 증가할 수 있는데, 이를 보완하기 위해 역률 보상 신호의 듀티 비를 증가시켜 캐패시터(108) 양단 전압(DC Link 전압)을 증가시키면 모터(110)의 운전 전류를 감소시킬 수 있다.2 is a diagram illustrating PFC characteristics of a power factor correction apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 (A) shows a current waveform when the frequency of the power factor correction signal is low and the duty ratio is large. The harmonics are reduced by lowering the frequency of the power factor correction signal to reduce noise and EMI. If the frequency of the power factor correction signal is lowered, the amount of current may be excessively increased.To compensate for this, the duty ratio of the power factor correction signal is increased to increase the voltage across the capacitor 108 (DC link voltage) to increase the operating current of the motor 110. Can be reduced.

도 2(B)는 역률 보상 신호의 주파수가 높고 듀티 비는 작은 경우를 나타낸 것으로서, 부하가 감소하여 역률 보상 신호의 주파수를 높이면 전류량이 지나치게 감소할 수 있는데, 이를 보완하기 위해 역률 보상 신호의 듀티 비를 감소시켜서 캐패시터(108) 양단 전압(DC Link 전압)을 감소시키면 모터(110)의 운전 전류를 증가시킬 수 있다.2 (B) shows a case where the frequency of the power factor correction signal is high and the duty ratio is small. As the load decreases and the frequency of the power factor correction signal is increased, the amount of current may be excessively reduced. Reducing the ratio reduces the voltage across the capacitor 108 (DC Link voltage), thereby increasing the operating current of the motor 110.

도 2(C)는 입력 전압의 피크 부근에서만 주파수를 낮추고 듀티 비는 증가시키는 경우를 나타낸 것으로서, 입력 전류의 파형을 구분하여 전류가 큰 부분에서는 역률 보상 신호의 주파수를 낮추어 고전류 구간에서의 고조파 성분 및 전류의 피크 값을 줄일 수 있다. 또한 주파수를 낮추어 스위치(124)의 스위칭 손실을 최소화하고 스위치(124)의 스트레스 마진을 확보할 수 있다. 즉 지극히 높은 안정성의 스위치가 필요치 않기 때문에 원가 절감의 효과를 기대할 수 있는 것이다.FIG. 2 (C) shows a case where the frequency is lowered and the duty ratio is increased only near the peak of the input voltage. The waveform of the input current is divided and the frequency of the power factor correction signal is lowered at the portion where the current is large so that harmonic components in the high current section are shown. And the peak value of the current can be reduced. In addition, it is possible to minimize the switching loss of the switch 124 by lowering the frequency and to secure the stress margin of the switch 124. In other words, cost savings can be expected because extremely stable switches are not needed.

역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비는 운전 주파수와 운전 전류, 직류단 전압 등의 변화에 따라 결정되는데, 이를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 모터 구동이 시작되고 역률 보상 기능이 인에이블 되면 (302~304) 운전 주파수(f1)와 운전 전류(IDC), 직류단 전압(VDC)을 검출한다(306). The frequency and duty ratio of the power factor correction signal are determined according to a change in an operating frequency, an operating current, a DC terminal voltage, and the like, which will be described with reference to FIG. 3. 3 is a view showing a control method of a power factor correction apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, when the motor driving is started and the power factor correction function is enabled (302 to 304), the operating frequency f1, the operating current I DC , and the DC terminal voltage V DC are detected (306). .

먼저 운전 주파수(f1) 와 기준 주파수를 비교하고(308), 만약 운전 주파수(f1)가 기준 주파수보다 작으면 역률 보상 신호의 주파수를 더 감소시키고(310), 반대로 운전 주파수(f1)가 기준 주파수보다 크면 역률 보상 신호의 주파수를 더 증가시킨다(312)First, the driving frequency f1 is compared with the reference frequency (308), and if the driving frequency f1 is less than the reference frequency, the frequency of the power factor correction signal is further reduced (310), and conversely, the driving frequency f1 is the reference frequency. Greater than 3 further increases the frequency of the power factor correction signal (312).

다음으로는 운전 전류(IDS)와 기준 전류를 비교하고(314), 만약 운전 전류(IDS)가 기준 전류보다 작으면 설정 구간에서의 역률 보상 신호의 주파수를 그대로 유지하고(316), 반대로 운전 전류(IDS)가 기준 전류보다 크면 설정 구간에서의 역률 보상 신호의 주파수를 감소시킨다.Next, the operation current I DS is compared with the reference current (314). If the operation current I DS is smaller than the reference current, the frequency of the power factor correction signal in the set period is maintained as it is (316). If the operating current I DS is greater than the reference current, the frequency of the power factor correction signal in the set period is reduced.

다음으로는 직류단 전압(VDC)과 기준 전압을 비교하고(320), 만약 직류단 전압(VDC)이 기준 전압보다 작으면 역률 보상 신호의 듀티 비를 증가시키고(322), 반대로 직류단 전압(VDC)이 기준 전압보다 크면 역률 보상 신호의 듀티 비를 감소시킨다(324).Next, compare the DC link voltage (V DC ) with the reference voltage (320), and if the DC link voltage (V DC ) is less than the reference voltage, increase the duty ratio of the power factor correction signal (322). If the voltage V DC is greater than the reference voltage, the duty ratio of the power factor correction signal is reduced (324).

이와 같이, 운전 주파수(f1)와 운전 전류(IDS), 직류단 전압(VDC)을 기준 값과 비교하여 보상 역률 신호의 주파수를 전체적으로 증가 또는 감소시키거나 필요한 경우 미리 설정된 구간의 주파수만을 선별적으로 유지 또는 감소시키며, 주파수 증감에 따른 전류 증감을 보상하기 위해 역률 보상 신호의 듀티 비를 증가 또는 감 소시킨다. 운전 주파수(f1)와 운전 전류(IDS), 직류단 전압(VDC)은 부하의 변동을 검출하기 위한 지표가 된다.In this way, the operating frequency f1, the operating current I DS , and the DC terminal voltage V DC are compared with the reference values to increase or decrease the frequency of the compensation power factor signal as a whole, or to select only the frequency of a predetermined section if necessary. It is maintained or reduced, and the duty ratio of the power factor correction signal is increased or decreased to compensate for the current increase and decrease according to the frequency increase and decrease. The operating frequency f1, the operating current I DS , and the DC terminal voltage V DC are indices for detecting a change in the load.

본 발명은 부하의 상태에 따라 역률 보상 장치의 구동 주파수 및 듀티 비를 가변시켜서 부하의 변동에 적절히 대응함으로써 역률 보상 효율은 물론 모터의 운전 효율도 함께 향상시킬 수 있도록 한다.According to the present invention, the driving frequency and the duty ratio of the power factor correction device are varied according to the load state, so that the power factor compensation efficiency as well as the driving efficiency of the motor can be improved together with the load fluctuation.

Claims (9)

교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터가 구비되는 인버터의 역률 보상 장치에 있어서,In the power factor correction apparatus of the inverter provided with a converter for converting AC power into DC power, 역률 보상 신호에 의해 온/오프되어 상기 컨버터의 역률 보상을 위한 스위치와;A switch for power factor correction of the converter turned on / off by a power factor correction signal; 상기 인버터를 통해 전력을 공급받아 동작하는 모터의 운전 주파수와 상기 인버터의 전류 및 전압 정보로부터 부하의 변동을 검출하고, 검출된 상기 부하의 변동에 따라 상기 역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비를 가변시키는 제어부를 포함하는 역률 보상 장치.A load change is detected from an operating frequency of a motor operated by receiving power through the inverter and current and voltage information of the inverter, and the frequency and duty ratio of the power factor correction signal are varied according to the detected load change. Power factor correction apparatus comprising a control unit. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,The method of claim 1, wherein the control unit, 상기 인버터에 의해 구동되는 모터의 운전 주파수와 상기 컨버터의 전류 및 전압 정보로부터 상기 부하의 변동을 검출하는 역률 보상 장치.And a power factor correction device for detecting a change in the load from an operating frequency of a motor driven by the inverter and current and voltage information of the converter. 모터를 구동하기 위한 인버터의 역률 보상 방법에 있어서,In the power factor correction method of the inverter for driving a motor, 부하의 변동을 검출하고;Detecting a change in load; 상기 모터의 운전 주파수와 상기 인버터의 전류 및 전압 정보로부터 상기 부하의 변동을 검출하고, 검출된 상기 부하의 변동에 따라 역률 보상 신호의 주파수 및 듀티 비를 가변시키는 역률 보상 방법.And detecting a change in the load from the operating frequency of the motor and current and voltage information of the inverter, and varying the frequency and duty ratio of the power factor correction signal according to the detected change in the load. 삭제delete 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 운전 주파수가 기준 주파수보다 크면 상기 역률 보상 신호의 주파수를 증가시키고;If the driving frequency is greater than a reference frequency, increase the frequency of the power factor correction signal; 상기 운전 주파수가 상기 기준 주파수보다 작으면 상기 역률 보상 신호의 주파수를 감소시키는 역률 보상 방법.And reducing the frequency of the power factor correction signal when the driving frequency is smaller than the reference frequency. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 인버터 전류가 기준 전류보다 크면 미리 설정된 구간에서의 상기 역률 보상 신호의 주파수를 감소시키고;Reducing the frequency of the power factor correction signal in a preset section when the inverter current is greater than a reference current; 상기 인버터 전류가 상기 기준 전류보다 작으면 상기 미리 설정된 구간에서의 상기 역률 보상 신호의 주파수를 그대로 유지하는 역률 보상 방법.If the inverter current is less than the reference current power factor correction method for maintaining the frequency of the power factor correction signal in the predetermined section as it is. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 인버터 전류가 상기 모터의 운전 전류인 역률 보상 방법.And the inverter current is an operating current of the motor. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 인버터 전압이 기준 전압보다 크면 상기 역률 보상 신호의 듀티 비를 감소시키고;If the inverter voltage is greater than a reference voltage, reduce the duty ratio of the power factor correction signal; 상기 인버터 전압이 상기 기준 전압보다 작으면 상기 역률 보상 신호의 듀티 비를 증가시키는 역률 보상 방법.The power factor correction method of increasing the duty ratio of the power factor correction signal when the inverter voltage is less than the reference voltage. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 인버터 전압이 상기 인버터의 직류단 전압인 역률 보상 방법.And the inverter voltage is a DC terminal voltage of the inverter.
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