KR101198487B1 - 전력변환장치 - Google Patents

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게이스케 시마타니
게이이치 요시사카
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

컨버터회로 및 인버터회로를 구비한 전력변환장치에 있어서, 이 인버터회로의 출력을 전류값만으로 제어하는 경우에 비해 정밀도 좋게 출력을 제어할 수 있으며, 이로써 운전효율의 향상을 도모할 수 있는 구성을 얻는다. 인버터회로(3)의 입력전류를 전류센서(17)에 의해 검출함과 더불어, 상기 인버터회로(3)의 입력전압을 전압센서(15)에 의해 검출한다. 인버터용 마이크로컴퓨터(30) 내의 전력값 산출부(33)에 의해 상기 입력전류 및 입력전압으로부터 전력값을 구한다. 인버터용 마이크로컴퓨터(30) 및 제어 마이크로컴퓨터(40)에 의해, 상기 전력값이 소정의 전력값보다 작아지도록 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하제어를 실행한다.

Description

전력변환장치{POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은 전력변환장치에 관한 것이며, 특히 인버터회로의 출력제어에 관한 것이다.
종래, 교류전원의 교류전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터회로와, 이 컨버터회로의 직류전력을 소정 주파수의 교류전력으로 변환하는 인버터회로를 구비한 전력변환장치가 알려져 있다. 이와 같은 전력변환장치에서는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 복수의 다이오드를 브리지형으로 접속하여 컨버터회로를 구성함과 더불어, 복수의 스위칭소자를 브리지형으로 접속하여 인버터회로를 구성한 것이 일반적으로 알려져 있다.
한편, 모터 등의 구동을 제어하는 인버터회로의 출력제어방법으로서, 예를 들어 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 인버터회로의 입력측 전류를 검출하고, 이 전류값이 소정값을 초과하지 않도록 인버터회로의 출력주파수를 수하(垂下)시키는 수하제어를 수행하는 것이 알려져 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌)
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2004-222421호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허공개 소화 60-228840호 공보
그런데, 상기 후자의 종래예와 같이, 인버터회로의 출력을 이 인버터회로의 입력측 전류에 기초하여 제어하는 경우, 전압 변동에 대해서는 고려되지 않으므로, 인버터회로의 출력제어로서 그다지 정밀도가 좋은 것은 아니다. 즉, 예를 들어 전력변환장치 내 구성부품의 과열을 방지하기 위해 인버터회로의 출력을 제어하는 경우, 구성부품에서 발생하는 열량은 전류 및 전압으로부터 구해지는 전력에 따라 변화하므로, 상기 후자의 종래예와 같이 전력에만 기초하여 인버터회로의 출력을 제어하는 구성에서는, 전압 변동량도 고려하여 임계값을 안전측에 설정할 필요가 있으며, 그만큼 인버터회로의 출력이 제한되어, 운전효율이 저하된다는 문제가 생긴다.
본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 컨버터회로 및 인버터회로를 구비한 전력변환장치에 있어서, 이 인버터회로의 출력을 전류값만으로 제어하는 경우에 비해 정밀도 좋게 출력을 제어할 수 있으며, 이로써 운전효율의 향상을 도모할 수 있는 구성을 얻는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전력변환장치(1)에서는, 인버터회로(3)의 입력전류 및 입력전압을 검출하여, 이들 값으로부터 전력값을 구하고, 이 전력값에 기초하여 인버터회로(3) 출력의 수하제어를 실행하도록 한다.
구체적으로 제 1 발명은, 교류전원(5)에 접속되며 교류전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터회로(2)와, 이 컨버터회로(2)에서 변환된 직류전력을 소정 주파수의 교류전력으로 변환하는 인버터회로(3)를 구비하는 전력변환장치를 대상으로 한다.
그리고 상기 컨버터회로(2)로부터 상기 인버터회로(3)로 입력되는 입력전류를 검출하는 전류검출수단(17)과, 상기 컨버터회로(2)로부터 상기 인버터회로(3)로 입력되는 입력전압을 검출하는 전압검출수단(15)과, 상기 전류검출수단(17)에 의해 검출된 입력전류 및 상기 전압검출수단(15)에 의해 검출된 입력전압으로부터 전력값을 구하는 전력값 산출수단(33)과, 상기 전력값 산출수단(33)에 의해 구해진 전력값이 소정의 전력값보다 작아지도록 상기 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하(垂下)제어수단(30, 40)을 구비하는 것으로 한다.
이상의 구성에 의해, 전류검출수단(17)에 의해 검출되는 인버터회로(3)의 입력전류와 전압검출수단(15)에 의해 검출되는 이 인버터회로(3)의 입력전압에 기초하여 전력값 산출수단(33)에 의해 전력값을 구하고, 수하제어수단(30, 40)에 의해 이 전력값이 소정의 전력값보다 작아지도록 인버터회로(3)의 출력을 제어할 수 있으며, 전류값만으로 출력을 제어하는 경우에 비해 정밀도 좋게 출력을 제어할 수 있다. 즉, 전류만이 아닌 전압도 검출하여, 이들 값으로부터 전력값을 구함으로써, 장치(1) 내 구성부품의 발열량에 직접 관계되는 전력값을 정확하게 파악할 수 있으며, 인버터회로(3)의 출력을 제어하는데 있어서 불필요한 여유(전류의 임계값을 약간 낮게 설정하는 등)를 없앨 수 있다.
따라서 전류값만으로 인버터회로(3)의 출력을 제어하는 종래의 구성에 비해 정밀도 좋게 인버터회로(3)의 출력을 제어할 수 있으며, 전력변환장치(1)의 효율적인 운전이 가능해진다.
전술한 구성에 있어서 상기 수하제어수단(30, 40)은, 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 상기 소정의 전력값보다 작은 수하제어 개시값(W_H) 이상인 경우에, 상기 인버터회로(3)의 출력을 억제하도록 구성되는 것으로 한다(제 2 발명).
여기서 상기 소정시간은 노이즈 등으로 인해 오검지 되지 않는 기간으로 설정된다.
이로써, 인버터회로(3)의 입력전류 및 입력전압으로부터 구해지는 전력값에 의해 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하제어를 확실하게 실행할 수 있다. 더욱이 전술한 바와 같이 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 개시값(W_H) 이상인 경우에 수하제어를 개시함으로써, 전류나 전압에 포함된 노이즈의 영향을 받는 일없이, 확실하게 전력값이 수하제어 개시값(W_H) 이상이며 수하제어가 필요한 경우에만 이 수하제어를 개시할 수 있다.
또 상기 수하제어수단(30, 40)은, 상기 인버터회로(3) 출력의 억제제어 중에 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 상기 수하제어 개시값(W_H)보다 작은 수하제어 종료값(W_L) 이하인 경우에 상기 제어를 종료하도록 구성되는 것이 바람직하다(제 3 발명).
여기서 상기 소정시간은 노이즈 등으로 인해 오검지 되지 않는 기간으로 설정된다.
이와 같이 함으로써, 상기 전력값이 저하되어 인버터회로(3)의 출력을 억제할 필요가 없어졌을 때에는 이 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하제어를 종료하여, 요구되고 있는 출력으로 되돌릴 수 있다. 더욱이, 전술한 바와 같이 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 종료값(W_L) 이하인 경우에 수하제어를 종료함으로써, 전류나 전압에 포함된 노이즈의 영향을 받는 일없이, 전력값이 확실하게 수하제어 종료값(W_L) 이하이며 수하제어가 불필요한 경우에만 이 수하제어를 종료할 수 있다.
또 상기 컨버터회로(2)는 3상의 교류전력을 정류하기 위한 정류회로를 구성하는 복수의 스위칭소자를 구비하며, 상기 교류전원(5)과 컨버터회로(2) 사이에는 리액터(7)가 배치되는 것이 바람직하다(제 4 발명).
이와 같이, 3상의 교류전력을 정류하는 정류회로를 복수의 스위칭소자에 의해 구성하며, 교류전원(5)과 컨버터회로(2) 사이에 리액터(7)를 배치한 구성에서는, 상기 스위칭소자를 고주파로 스위칭동작 시키면 상기 리액터(7)로 고주파 전류가 흘러 이 리액터(7)가 고온이 되므로, 상기 리액터(7)의 절연재가 열로 인해 손상을 받게 되어 버린다. 여기서 상기 리액터(7)에서 발생하는 열은 전력변환장치(1) 내 전력값에 대응하므로, 상기 제 1 발명과 같이, 이 전력값이 리액터(7)의 절연재가 열로 인해 손상을 받지 않을 정도의 소정 전력값보다 작아지도록 인버터회로(3)의 출력을 억제함으로써, 상기 리액터(7)를 확실하게 보호할 수 있다. 더욱이, 전술한 바와 같이 발열에 직접 대응하는 전력값에 기초하여 인버터회로(3)의 출력을 제어함으로써, 전류에 기초하여 인버터회로(3)의 출력을 제어하는 종래의 구성에 비해 정밀도 좋은 제어가 가능해지며, 전력변환장치(1)의 효율적인 운전이 가능해진다.
이상과 같이 본 발명에 관한 전력변환장치(1)에 의하면, 인버터회로(3)의 입력전류 및 입력전압으로부터 구해지는 전력값이 소정의 전력값보다 작아지도록 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하제어수단(30, 40)을 구비하므로, 전류에 기초하여 인버터회로(3)의 출력을 제어하는 종래의 구성에 비해 정밀도 좋게 출력을 제어할 수 있어, 전력변환장치(1)의 효율적인 운전이 가능해진다.
또 제 2 발명에 의하면, 상기 수하제어수단(30, 40)은 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 개시값(W_H) 이상인 경우에 인버터회로(3)의 출력을 억제하도록 구성되므로, 노이즈 등을 오검지하는 일없이, 전력값의 저하가 요구되는 경우에 확실하게 인버터회로(3)의 출력을 억제할 수 있다.
또한 제 3 발명에 의하면, 상기 수하제어수단(30, 40)은, 상기 수하제어 중에 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 종료값(W_L) 이하인 경우에 수하제어를 종료하도록 구성되므로, 노이즈 등으로 인한 오검지를 방지하면서 효율적인 전력변환장치(1)의 운전이 가능해진다.
또 제 4 발명에 의하면, 상기 컨버터회로(2)는 3상의 교류전력을 정류하기 위한 복수의 스위칭소자를 구비하며, 이 컨버터회로(2)와 교류전원(5) 사이에는 리액터(7)가 배치되므로, 이 구성에서 상기 제 1 발명과 같은 구성을 적용함으로써, 상기 리액터(7)를 확실하게 보호하면서 전력변환장치(1)의 효율적인 운전을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 전력변환장치의 개략 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 수하제어의 제어 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 직류부분의 전류값에 기초한 수하제어의 일례를 나타내는 타이밍도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 그리고 이하의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
-전체구성-
본 발명의 실시형태에 대하여 이하에 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관한 전력변환장치(1)는 컨버터회로(2)와, 인버터회로(3)와, 콘덴서회로(4)를 구비한다. 이 컨버터회로(2)는 그 입력측이 교류전력을 공급하는 상용전원(5)에 접속되는 한편, 출력측에는 상기 콘덴서회로(4) 및 인버터회로(3)가 병렬로 접속된다. 또 상기 인버터회로(3)에는, 예를 들어 공기조화장치의 압축기의 전동기(모터)(6) 등이 접속된다.
상기 컨버터회로(2)는 상기 상용전원(5)으로부터 출력되는 3상의 교류전력을 직류전력으로 변환하기 위한 것으로, 이른바 정류회로로서 구성된다. 일반적으로 상기 컨버터회로(2)는 다이오드의 브리지회로에 의해 구성되는데, 이 실시형태에서는 고조파의 저감을 위해, IGBT(insulated gate bipolar transistor) 등의 스위칭소자를 3상 브리지결선 함으로써 구성된다. 여기서, 상기 도 1에서는 설명의 간략화를 위해 스위칭소자의 브리지회로 기재는 생략한다.
또 상기 도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 컨버터회로(2)와 상용전원(5) 사이에는 각 상에 리액터(7, 7, 7)가 배치된다. 또한 상기 상용전원(5)과 리액터(7, 7, 7) 사이에는, 3상 중 2상에 걸쳐지도록, 후술하는 제로크로스 검출회로(11)(도 1에서 Z/C)가 배치된다.
또 상기 리액터(7, 7)와 컨버터회로(2) 사이에는, 3상 중 2상의 전류(i1)를 검출하기 위한 DCCT(8, 8)가 배치된다. 이 DCCT(8, 8)에서 검출된 각 상의 전류는 대응하는 신호로 변환된 후 후술하는 컨버터용 마이크로컴퓨터(10)로 송신되며, 상기 컨버터회로(2)에서의 스위칭소자 구동제어의 파라미터의 하나로서 이용된다.
상기 콘덴서회로(4)는 2개의 콘덴서(4a, 4b)가 직렬로 접속된 것으로, 상기 컨버터회로(2) 및 인버터회로(3)에 대해 병렬로 접속된다. 이 콘덴서회로(4)는 상기 컨버터회로(2)에서 변환된 직류전력이 충방전 가능하게 구성되며, 이 직류전력의 방전에 의해 상기 인버터회로(3)로 직류전력을 공급하기 위한 것이다.
상기 인버터회로(3)는 상기 콘덴서회로(4)로부터 방출되는 직류전력을 교류전력으로 변환하기 위한 것이다. 구체적으로 상기 인버터회로(3)는 복수의 스위칭소자가 3상 브리지결선 된 것으로, 상기 콘덴서회로(4)로부터 방전되는 직류전압을 모터(6)가 요구하는 소정 주파수의 교류전압으로 변환하도록 구성된다. 여기서, 상기 인버터회로(3)에서 이용되는 스위칭소자도 상기 컨버터회로(2)와 마찬가지로, 예를 들어 IGBT 등의 스위칭소자이며, 상기 도 1에서는 설명의 간략화를 위해 스위칭소자의 브리지회로 구성 기재는 생략한다.
또 상기 콘덴서회로(4)와 인버터회로(3) 사이에는 직렬로 접속된 2개의 저항(9, 9)이 이 콘덴서회로(4) 및 인버터회로(3)에 대해 병렬로 접속된다. 이들 저항(9, 9) 사이의 전압(ed)은 직류전압을 계측하는 전압센서(15)(전압검출수단)에 의해 검출되며, 대응하는 신호로 변환된 후 후술하는 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)나 인버터용 마이크로컴퓨터(30), 과전압 검출수단(12)(도 1에서 OVP) 등으로 송신된다. 여기서 상기 저항(9, 9)은 분압된 전압이 상기 전압센서(15)로 입력되도록 배치된 것이다.
또한 상기 전력변환장치(1)에는 상기 컨버터회로(2)의 출력측 및 상기 인버터회로(3)의 입력측에, 전류센서(16, 17)(전류검출수단)에 의해 전류를 검출하기 위한 션트(shunt)저항(10a, 10b)이 배치된다. 상기 컨버터회로(2)의 출력측에 배치된 션트저항(10a)에서 상기 전류센서(16)에 의해 계측된 전류(id)는 대응하는 신호로 변환된 후, 후술하는 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)나 과전류 검출수단(13)(도 1에서 OCP) 등으로 송신된다. 한편, 상기 인버터회로(3)의 입력측에 배치된 션트저항(10b)에서 상기 전류센서(17)에 의해 계측된 전류(i2)는 대응하는 신호로 변환된 후, 후술하는 인버터용 마이크로컴퓨터(30)나 과전류 검출수단(14) 등으로 송신된다.
상기 과전류 검출수단(13, 14)은 과전류 상태가 검출 가능하게 구성되며, 과전류 상태를 검출하면 각각 상기 컨버터회로(2) 및 인버터회로(3)에 대해 스위칭소자의 구동을 정지시키는 강제신호를 출력하도록 구성된다.
또 상기 전력변환장치(1)에는 상용전원(5)에 접속되는 입력측에 제로크로스 검출회로(11)가 배치된다. 이 제로크로스 검출회로(11)는 3상 중 2상에 걸쳐지도록 배치되며, 2상간의 전압차를 검출함으로써 입력전압의 제로크로스점을 검출할 수 있게 구성된 것이다. 이 제로크로스 검출회로(11)에서 검출된 입력전압의 제로크로스점에 기초하여 상기 컨버터회로(2)의 스위칭소자가 구동 제어된다.
전술한 바와 같은 회로구성을 갖는 전력변환장치(1)는, 상기 컨버터회로(2)의 스위칭소자를 구동제어하기 위한 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)와, 상기 인버터회로(3)의 스위칭소자를 구동제어하기 위한 인버터용 마이크로컴퓨터(30), 및 이들 마이크로컴퓨터(20, 30)에 대해 전력변환장치(1) 전체의 운전제어신호를 송신하는 제어 마이크로컴퓨터(40)를 구비한다.
상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는, 상기 제로크로스 검출회로(11)에서 검출된 제로크로스점이나, 상기 DCCT(8)에 의해 검출된 입력측 전류값(i1), 상기 션트저항(10a)에서 전류센서에 의해 검출된 출력측 전류값(id), 상기 저항(9, 9) 사이에서 검출된 전압값(ed) 등에 기초하여, 상기 컨버터회로(2)의 스위칭소자 구동을 제어하도록 구성된다. 즉, 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는 상기 제로크로스점이나 입력측 및 출력측의 전류값, 전압값 등에 기초하여, 스위칭소자의 구동신호를 생성하고 출력하는 구동신호 생성부(21)를 구비한다.
또 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는, 상기 컨버터회로(2)의 출력측에 배치된 션트저항(10a)에서 계측되는 직류전류(id)에 기초하여 과전류를 검지할 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 션트저항(10a)에서 계측된 직류전류(id)는, 상기 과전류 검출수단(13)에 의해 과전류가 검출되며, 이 과전류 검출수단(13)에서 과전류인 것으로 검출된 경우에, 이 과전류 검출수단(13)으로부터 상기 컨버터회로(2)의 스위칭소자에 대해 구동정지의 강제신호가 송신된다. 그러면 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)에서는 상기 컨버터회로(2)의 스위칭소자가 구동되고 있지 않음이 검출되며, 이로써 이 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)측에서 과전류 상태인 것이 인식된다.
또한 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)에서는, 전압센서(15)에 의해 계측되는 상기 저항(9, 9) 사이의 전압(ed)에 기초하여 과전압 상태가 검출되면, 신호로서 입력되도록 구성된다. 즉, 상기 전압센서(15)에 의해 계측된 전압(ed)은 상기 과전압 검출수단(12)으로 입력되며, 이 과전압 검출수단(12)에서 과전압 상태가 검출된다. 이 과전압 검출수단(12)에서 과전압 상태가 검출되면 과전압 신호가 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)로 송신되며, 이 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)에서 과전압이 검출된다.
또 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는 상기 컨버터회로(2) 내에서 발생한 이상(異常)에 따라 다른 신호를 생성하도록 구성된다. 구체적으로 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는 이상에 따라 신호를 생성하는 신호생성부(22)를 구비한다. 여기서 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20) 내의 이상으로는, 상기 DCCT(8)나 션트저항(10a)에 배치된 전류센서(16, 17) 등의 이상이나, 과전압 검출수단(12)에서 과전압 상태를 검출한 경우, 상기 저항(9, 9) 사이의 전압(ed)을 검출하는 전압센서(15)의 이상, 상기 과전류 검출수단(13)의 동작을 통해 검출되는 순시 과전류 상태, 전원주파수에 대한 스위칭소자의 동기불량(실제 제로크로스점과 마이크로컴퓨터(20) 측에서 검출하는 제로크로스점과의 차), 입력전압의 역상·결상이 검지된 경우, 제로크로스신호의 이상이 검출된 경우, 스위칭소자의 이상이 검출된 경우 등을 들 수 있다.
또한 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에 대해 복수의 포트에 의해 접속되며, 상기 신호생성부(22)에서 신호가 생성되면, 신호전용 포트를 통해 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)로 신호를 송신하도록 구성된다. 그리고 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)는 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에 대해 전용 포트를 통해 컨버터회로(2)로부터의 출력파형 상태를 나타내는 파형출력상태 신호를 송신함과 동시에, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)로부터 전용 포트를 통해 운전허가신호(컨버터회로(2)의 구동 여부에 관한 신호)를 수신하도록 구성된다.
상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는, 상기 저항(9, 9) 사이의 전압(ed)을 검출하는 전압센서(15)의 출력 및 상기 션트저항(10b)에서의 전류센서(17) 출력, 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)로부터 송신된 파형출력상태 신호 등에 기초하여 상기 인버터회로(3)의 스위칭소자를 구동 제어하도록 구성된다. 즉, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는 전압 및 전류의 검출값 등에 기초하여 스위칭소자의 구동신호를 생성하는 구동신호 생성부(31)를 구비한다.
또 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는, 상기 인버터회로(3) 내에서 이상이 발생한 경우에 이상신호를 생성하는 이상신호 생성부(32)를 구비한다. 이 이상신호 생성부(32)는, 예를 들어 인버터회로(3) 내의 스위칭소자 이상이나, 상기 과전류 검출수단(14)에 의해 과전류가 검출된 경우 등에 이상신호를 생성하도록 구성된다. 상기 이상신호 생성부(32)에서 이상신호가 생성되면 상기 제어 마이크로컴퓨터(40)로 송신되며, 이 제어 마이크로컴퓨터(40)로부터 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에 대해 인버터회로(3)의 구동정지를 지시하는 운전정지신호가 출력된다.
또한 특별히 도시하지 않으나, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는, 상기 컨버터용 마이크로컴퓨터(20)로부터 송신되는 신호에 기초하여 플래그나 코드를 생성하며, 컨버터회로(2) 및 인버터회로(3)의 구동을 정지할 필요가 있는 경우에는 대기요구신호를 생성하도록 구성된다. 그리고 이 대기요구신호가 생성되면 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는 이 신호를 상기 제어 마이크로컴퓨터(40)로 송신하며, 이 제어 마이크로컴퓨터(40)로부터 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에 대해 컨버터회로(2) 및 인버터회로(3)의 구동정지를 지시하는 운전정지신호가 출력된다.
여기서 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)와 제어 마이크로컴퓨터(40) 사이는 직렬통신 또는 병렬통신에 의해 신호의 수수가 가능하게 접속된다.
상기 제어 마이크로컴퓨터(40)는 전력변환장치(1)의 운전을 제어하는 것으로, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에 대해, 컨버터회로(2)나 인버터회로(3)의 구동을 제어하기 위한 운전제어신호를 출력하도록 구성된다. 또 전술한 바와 같이 상기 제어 마이크로컴퓨터(40)는 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)로부터 이상신호나 대기요구신호를 수신한 경우에 운전정지신호를 출력하도록 구성된다.
-수하제어-
전술한 바와 같이, 컨버터회로(2)를 복수의 스위칭소자에 의해 구성하며, 이 컨버터회로(2)와 상용전원(5)과의 사이에 리액터(7)가 배치된 전력변환장치(1)에서는, 스위칭소자를 고주파로 스위칭동작 시키면 상기 리액터(7)로 고주파 전류가 흐르게 되므로, 이 리액터(7)가 발열되어 고온이 된다. 그러면 상기 리액터(7)에 배치된 절연재가 열로 인해 손상을 받을 가능성이 있다.
따라서 본 발명에서는 상기 리액터(7)가 고온이 되지 않도록, 상기 인버터회로(3)의 일차측의 전압 및 전류로부터 구해지는 전력값에 기초하여 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하(垂下) 제어를 실행하도록 한다.
구체적으로 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는, 상기 인버터회로(3)의 일차측의 전류 및 전압으로부터 전력값을 구하는 전력값 산출부(33)(전력값 산출수단)와, 이 전력값에 기초하여 수하제어의 필요 여부를 판정하는 수하제어 판정부(34)와, 이 수하제어 판정부(34)에 의해 수하제어가 필요하다고 판정된 경우에 수하요구신호를 생성하는 수하요구신호 생성부(35)를 구비한다.
상기 전력값 산출부(33)는, 상기 저항(9, 9) 사이에 배치된 전압센서(15)에 의해 검출된 직류전압과, 상기 션트저항(10b) 부분에서 전류센서(17)에 의해 검출된 직류전류로부터 전력값을 산출하도록 구성된다.
상기 수하제어 판정부(34)는 상기 전력값 산출부(33)에 의해 산출된 전력값에 기초하여 수하제어의 필요 여부를 판정하는 것으로, 상기 전력값을 수하제어 개시값 및 수하제어 종료값과 비교하여, 그 비교결과에 따라 수하제어의 개시 및 종료를 판정하도록 구성된다.
상세하게는, 상기 수하제어 판정부(34)는, 상기 전력값이 소정시간(본 실시형태에서는 5sec) 이상 계속해서 수하제어 개시값 이상의 상태이면 수하제어가 필요한 것으로 판단하여, 상기 수하요구신호 생성부(35)에 대해 수하요구신호의 생성을 지시한다. 한편, 상기 수하제어 판정부(34)는, 수하제어를 실행하고 있을 때에 상기 전력값이 소정시간(본 실시형태에서는 5sec) 이상 계속해서 수하제어 종료값 이하의 상태이면 수하제어가 필요 없는 것으로 판단하여, 상기 수하요구신호 생성부(35)에 대해 수하요구신호의 생성 중지를 지시한다.
여기서 상기 수하제어 개시값은, 상기 리액터(7)의 발열량을 억제하기 위해 수하제어가 필요한 전력값이며, 상기 리액터(7)의 절연재가 손상을 받지 않는 한계 발열량에 대응한 전력값(소정의 전력값)보다 충분히 낮고, 전력변환장치(1)를 상기 소정시간 계속해서 운전해도 상기 한계 발열량에 대응하는 전력값에 도달하지 않는 값으로 설정된다. 또 상기 수하제어 종료값은 상기 리액터(7)의 발열량이 충분히 낮고 수하제어가 필요 없는 전력값이며, 상기 수하제어 개시값보다 낮은 값으로 설정된다.
또 상기 소정시간은 검출된 전류나 전압에 노이즈가 포함되어 있어도, 그 노이즈의 영향을 받는 일없이, 상기 수하제어 개시값 및 수하제어 종료값에 대해 상기 전력값의 대소를 정확하게 판정할 수 있는 시간으로 설정된다.
여기서, 특별히 도시하지 않으나, 상기 수하제어 판정부(34)는 전력값이 수하제어 개시값 이상인 시간이나 이 전력값이 수하제어 종료값 이하인 시간을 계측하기 위한 타이머부를 구비한다.
상기 수하요구신호 생성부(35)는, 상기 수하제어 판정부(34)에 의해 수하요구신호 생성이 지시된 경우에 수하요구신호를 생성하는 한편, 수하요구신호의 생성 중지가 지시된 경우에 수하요구신호 생성을 중지하도록 구성된다. 상기 수하요구신호 생성부(35)에서 생성된 수하요구신호는 상기 제어 마이크로컴퓨터(40)로 송신된다.
상기 제어 마이크로컴퓨터(40)는 상기 수하요구신호 생성부(35)에서 생성된 수하요구신호를 수신하면 수하제어를 위한 제어신호를 생성하는 수하제어신호 생성부(41)를 구비한다. 이 수하제어신호 생성부(41)는 수하요구신호를 수신하는 동안만 제어신호를 생성하도록 구성된다.
상기 수하제어신호 생성부(41)에서 생성된 제어신호는 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)로 송신된다. 이 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에서는 상기 제어신호를 수신하면 전동기(6)의 회전수를 내리도록 상기 인버터회로(3)의 출력주파수를 저하시킨다. 한편, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는 상기 제어신호를 수신하지 않게 되면, 상기 전동기(6)의 회전수를 원하는 회전수로 되돌리도록 상기 인버터회로(3)의 출력주파수를 변화시킨다.
따라서 본 실시형태에서는 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30) 및 제어 마이크로컴퓨터(40)에 의해 본 발명에 관한 수하제어수단이 구성된다.
이하에서, 전술한 바와 같은 구성을 갖는 전력변환장치(1)의 수하제어 동작에 대하여 도 2의 흐름 및 도 3의 타이밍도를 이용하여 설명한다.
먼저 상기 도 2의 흐름이 개시되면, 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에서, 단계(S1)에서 전류센서(17)로부터 전류값 및 전압센서(15)로부터 전압값을 각각 읽어들이며, 다음 단계(S2)에서 전력값 산출부(33)에 의해 이들 전류값 및 전압값으로부터 전력값을 산출한다.
그리고 단계(S3)에서, 수하제어 판정부(34)에 의해, 상기 전력값이 소정시간(예를 들어 5분) 이상 계속해서 수하제어 개시값(W_H) 이상인지의 여부를 판정한다. 이 단계(S3)에서 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 개시값(W_H) 이상인 것으로 판정된 경우(YES)에는, 다음 단계(S4)에서, 수하요구신호 생성부(35)에 의해 생성된 수하요구신호를 제어 마이크로컴퓨터(40)로 출력하며, 이 제어 마이크로컴퓨터(40) 내에서 생성된 제어신호를 수신하여 전술한 바와 같은 수하제어를 실행한다. 그 후, 이 흐름을 종료하여 개시로 되돌아온다(복귀).
한편, 상기 단계(S3)에서, 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 개시값(W_H) 이상이 아닌 것으로 판정된 경우(NO)에는, 단계(S5)로 진행하여 수하제어 중인지의 여부를 판정한다. 여기서 수하제어 중인지의 여부 판정은, 상기 단계(S4)에서, 수하제어를 실행할 때 수하제어 중이란 플래그를 ON으로 하도록 하여, 이 플래그의 ON-OFF에 의해 판정하면 된다.
상기 단계(S5)에서 수하제어 중이 아닌 것으로 판정된 경우(NO의 경우)에는 그대로 이 흐름을 종료하여 개시로 되돌아온다(복귀). 상기 단계(S5)에서 수하제어 중인 것으로 판정된 경우(YES)에는, 다음 단계(S6)에서 수하제어 판정부(34)에 의해 상기 전력값이 소정시간(예를 들어 5분) 이상 계속해서 수하제어 종료값(W_L) 이하인지의 여부를 판정한다.
상기 단계(S6)에서, 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 종료값(W_L) 이하가 아닌 것으로 판정된 경우(NO)에는, 상기 단계(S4)로 진행하여 수하제어를 계속하며, 개시로 되돌아온다(복귀). 한편, 상기 단계(S6)에서 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 종료값(W_L) 이하인 것으로 판정된 경우(YES)에는, 수하제어가 필요 없는 것으로 판단하며, 다음 단계(S7)에서 수하요구신호 생성부(35)에 의한 수하요구신호 생성을 중지시켜 수하제어를 해제한다. 그 후, 이 흐름을 종료하여 개시로 되돌아온다(복귀).
전술한 바와 같은 수하제어 및 그 해제를 실행하는 경우의 구체예를 도 3에 나타낸다. 이 도 3의 경우의 제어를 이하에서 구체적으로 또 상세하게 설명한다.
상기 도 3에 나타내는 바와 같이, 압축기의 전동기(6) 회전수를 증대시키면 상기 전력값 산출부(33)에 의해 산출되는 전력값은 증대한다. 그리고 이 전력값이 t1에서 수하제어 개시값(W_H) 이상이 되고 그 상태가 5sec 이상 계속되면, t2에서 상기 수하제어 판정부(34)에서는 수하요구신호 생성부(35)에 대해 수하요구신호의 생성을 지시하며, 이 수하요구신호 생성부(35)에서는 수하요구신호가 생성된다(도 3에서 ON 상태). 여기서 이때 상기 도 3의 예에서는 상기 전동기(6)의 회전수는 최대회전수가 된다.
상기 수하요구신호 생성부(35)에서 수하요구신호가 생성되면, 상기 제어 마이크로컴퓨터(40)의 수하제어신호 생성부(41)에서는 수하제어를 실행하기 위한 제어신호를 생성하며, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)로 출력한다. 그러면 이 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에서는 상기 모터(6)의 회전수를 서서히 저하시키도록 인버터회로(3)의 출력을 저하시키는 수하제어를 실행한다. 이로써, 상기 전력값 산출부(33)에 의해 산출되는 전력값도 감소된다.
그리고 t3에서 상기 전력값이 수하제어 종료값(W_L) 이하로 되고 그 상태가 5sec 이상 계속되면, t4에서 상기 수하제어 판정부(34)에서는 수하요구신호 생성부(35)에 대해 수하요구신호 생성의 중지를 지시하며, 이 수하요구신호 생성부(35)에서 수하요구신호의 생성이 중지된다. 그러면 상기 제어 마이크로컴퓨터(40)의 수하제어신호 생성부(41)에서도 제어신호 생성이 중지되며, 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)에 의한 수하제어가 중지된다.
이로써 상기 인버터용 마이크로컴퓨터(30)는 상기 전동기(6)의 회전수가 본래 요구되는 회전수가 되도록 상기 인버터회로(3)의 출력주파수를 상승시킨다.
-실시형태의 효과-
이상과 같이, 이 실시형태에 의하면 인버터회로(3)의 일차측 직류전류과 직류전압으로부터 전력값을 구하고, 이 전력값이 이 컨버터회로(2)와 상용전원(5) 사이에 배치된 리액터(7)의 절연재가 발열로 인해 손상을 받지 않는 전력값이 되도록 인버터회로(3)의 출력(출력주파수)을 수하 제어하도록 하므로, 전류만으로 인버터회로(3)의 출력을 제어하는 종래의 구성에 비해, 임계값에 불필요한 여유를 부여하는 일없이, 전력변환장치(1)를 효율적으로 운전시키는 것이 가능해진다.
즉, 종래와 같이 전류만으로 인버터회로(3)의 출력을 제어하는 경우에는 전압 변동량도 고려하여 전류의 임계값을 정할 필요가 있으며, 그만큼 리액터(7)의 한계온도에 대해 필요 이상으로 낮은 온도로 전력변환장치(1)를 운전시키게 되어, 그다지 효율적인 운전을 할 수 없다. 그러나 전술한 바와 같이 리액터(7)의 발열에 대응한 전력값에 기초하여 인버터회로(3)의 출력을 제어함으로써, 이 리액터(7)의 온도가 한계온도를 초과하지 않는 범위에서 가능한 한 운전범위를 확대할 수 있으며, 효율적인 운전이 가능해진다.
또 상기 전력변환장치(1)는 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 개시값(W_H) 이상이 되었을 때 수하제어를 개시하는 한편, 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서 수하제어 종료값(W_L) 이하가 되었을 때 수하제어를 종료하도록 구성되므로, 상기 리액터(7)가 한계온도를 초과하는 전력값이 되는 것을 확실하게 방지할 수 있음과 더불어, 불필요한 수하제어가 실행되는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 전술한 바와 같이, 수하제어의 개시·종료를 판정할 시에, 전력값이 수하제어 개시값(W_H) 이상인 상태 또는 수하제어 종료값(W_L) 이하인 상태가 소정시간 이상 계속되고 있는지의 여부를 판정함으로써, 노이즈 등으로 인한 오검지를 확실하게 방지할 수 있다.
(그 밖의 실시형태)
상기 실시형태에 대해서는 이하와 같은 구성으로 해도 된다.
상기 실시형태에서는, 컨버터회로(2) 및 인버터회로(3)를 구성하는 스위칭소자로서 IGBT를 이용하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 MOS-FET 등 다른 구성의 스위칭소자라도 된다.
또 상기 실시형태에서는, 리액터(7)를 보호하기 위해, 수하제어 개시값을 리액터(7)의 절연재가 손상을 받지 않는 한계 발열량에 대응한 전력값(소정의 전력값)보다 충분히 낮으며, 전력변환장치(1)를 상기 소정시간 계속해서 운전해도 상기 한계 발열량에 대응한 전력값에 도달하지 않는 값으로 설정하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 구성부품의 보호를 대상으로 하여 설정해도 된다. 또한 상기 수하제어 개시값은 구성부품의 보호를 목적으로 설정되는 값에 한정되지 않으며, 에너지 절약 등을 위해 설정되는 값이라도 된다.
또한 상기 실시형태에서는, 제어 마이크로컴퓨터(40)측에 수하제어신호 생성부(41)를 설치하여, 이 수하제어신호 생성부(41)에서 수하제어를 위한 제어신호를 생성하도록 하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 수하제어신호 생성부를 인버터용 마이크로컴퓨터(30) 내에 설치하여 이 인버터용 마이크로컴퓨터(30) 자체가 수하제어의 필요성을 판단하여 제어 지시를 내리도록 해도 된다.
[산업상 이용 가능성]
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 컨버터회로 및 인버터회로를 구비한 전력변환장치에 특히 유용하다.
1 : 전력변환장치 2 : 컨버터회로
3 : 인버터회로 4 : 콘덴서회로
5 : 상용전원(교류전원) 6 : 전동기
7 : 리액터 15 : 전압센서(전압검출수단)
16 : 전류센서 17 : 전류센서(전류검출수단)
20 : 컨버터용 마이크로컴퓨터 21, 31 : 구동신호 생성부
22 : 신호생성부
30 : 인버터용 마이크로컴퓨터(수하제어수단)
32 : 이상신호 생성부
33 : 전력값 산출부(전력값 산출수단)
34 : 수하제어 판정부 35 : 수하요구신호 생성부
40 : 제어 마이크로컴퓨터(수하제어수단)
41 : 수하제어신호 생성부
W_H : 수하제어 개시값 W_L : 수하제어 종료값

Claims (4)

  1. 교류전원(5)에 접속되며, 교류전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터회로(2)와, 이 컨버터회로(2)에서 변환된 직류전력을 소정 주파수의 교류전력으로 변환하는 인버터회로(3)를 구비하는 전력변환장치에 있어서,
    상기 컨버터회로(2)는, 3상 교류전력을 정류하기 위한 정류 회로를 구성하는 복수의 스위칭소자를 구비하고 있고,
    상기 교류전원(5)과 컨버터회로(2) 사이에는, 리액터(7)가 설치되어 있으며,
    상기 컨버터회로(2)로부터 상기 인버터회로(3)로 입력되는 입력전류를 검출하는 전류검출수단(17)과,
    상기 컨버터회로(2)로부터 상기 인버터회로(3)로 입력되는 입력전압을 검출하는 전압검출수단(15)과,
    상기 전류검출수단(17)에 의해 검출된 입력전류 및 상기 전압검출수단(15)에 의해 검출된 입력전압으로부터 전력값을 구하는 전력값 산출수단(33)과,
    상기 전력값 산출수단(33)에 의해 구해지는 전력값이, 상기 리액터(7)에서 생기는 열에 의해 그 리액터(7)에 설치된 절연재가 손상을 받지 않을 정도의 소정의 전력값보다 작아지도록 상기 인버터회로(3)의 출력을 억제하는 수하(垂下)제어수단(30, 40)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수하제어수단(30, 40)은 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서, 상기 소정의 전력값보다 작은 수하제어 개시값(W_H) 이상인 경우에, 상기 인버터회로(3)의 출력을 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수하제어수단(30, 40)은 상기 인버터회로(3)의 출력 억제제어 중에, 상기 전력값이 소정시간 이상 계속해서, 상기 수하제어 개시값(W_H)보다 작은 수하제어 종료값(W_L) 이하인 경우에, 상기 제어를 종료하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨버터회로(2)는 3상의 교류전력을 정류하기 위한 정류회로를 구성하는 복수의 스위칭소자를 구비하며,
    상기 교류전원(5)과 컨버터회로(2) 사이에는 리액터(7)가 배치되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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