KR101387211B1 - 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저압 인버터를 이용한 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 조절 장치는 고압 인버터 내부의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치에 있어서, 상기 고압 인버터 내부의 현재 온도를 감지하는 온도 센서; 상기 현재 온도에 대응하는 아날로그 신호를 출력하는 제어 모듈; 상기 아날로그 신호의 크기에 대응하는 주파수를 출력하는 저압 인버터; 및 상기 주파수에 대응하는 속도로 회전하는 냉각 팬을 포함한다.

Description

온도 조절 장치 및 온도 조절 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE}

본 발명은 저압 인버터를 이용한 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법에 관한 것이다.

고압 인버터는 전동기에 입력되는 전압 및 주파수를 조절하여 전동기의 속도를 제어하는 전력 변환 장치이다. 고압 인버터는 에너지를 절감하기 위하여 전동기 속도 제어에 이용될 뿐만 아니라 정밀 토크 제어 등과 같은 품질 향상을 위하여 이용될 수도 있다. 고압 대용량 인버터는 소용량 인버터와 달리 전력 회로 토폴로지, 적용 소자, 제어 기법 등이 상이하게 구성된다.

고압 인버터 동작시, 고압 인버터 내부에서 발생하는 열은 고압 인버터 동작에 오류를 일으킬 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 고압 인버터 내부에 냉각 팬을 설치할 수 있다. 냉각 팬은 고압 인버터 내부의 온도를 감소시키기 위하여 일정한 속도로 회전 동작할 수 있다. 다만, 냉각 팬이 언제나 동일한 전원에 의하여 최대 속도로 동작하는 경우에는 소음 문제가 발생할 수 있고, 불필요한 에너지를 소비하는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고압 인버터 내부 온도에 대응하여 냉각 팬의 속도를 제어하는 저압 인버터를 사용함으로써 보다 경제적으로 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 조절 장치는 고압 인버터 내부의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치에 있어서, 상기 고압 인버터 내부의 현재 온도를 감지하는 온도 센서; 상기 현재 온도에 대응하는 아날로그 신호를 출력하는 제어 모듈; 상기 아날로그 신호의 크기에 대응하는 주파수를 출력하는 저압 인버터; 및 상기 주파수에 대응하는 속도로 회전하는 냉각 팬을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 조절 방법은 냉각 팬을 이용하여 고압 인버터 내부의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 방법에 있어서, 상기 고압 인버터 내부의 현재 온도를 감지하는 단계; 상기 현재 온도가 기준 온도를 초과하면 아날로그 신호를 증가시키고, 상기 현재 온도가 상기 기준 온도 미만이면 상기 아날로그 신호를 감소시키는 단계; 상기 아날로그 신호의 크기에 대응하는 주파수를 출력하는 단계; 및 상기 냉각 팬을 상기 출력된 주파수에 대응하는 속도로 회전시켜 상기 고압 인버터 내부의 온도를 조절하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 고압 인버터 내부 온도에 대응하여 냉각 팬의 속도를 제어하는 저압 인버터를 사용함으로써 보다 경제적인 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치를 설명하기 위한 회로도이다.

고압 인버터는 고조파 출력 등으로 인하여 쉽게 열화될 수 있다. 공냉식 고압 인버터는 내부 방열 효과를 위하여 대용량의 냉각 팬(fan)을 사용할 수 있다.

도 1을 참조하면, 고압 인버터의 내부 방열 효과를 위하여 제1 배선용 차단기(MCCB-1, Molded Case Circuit Breaker-1), 제2 배선용 차단가(MCCB-2)가 순차적으로 연결(ON)될 수 있다.

이어서, 제1 전자 접촉기(MC1, Magnetic Contactor) 및 제2 전자 접촉기(MC2)가 순차적으로 연결(ON)되면, 전원 공급부(POWER SUPPLY)에서 3상(RC, SC, TC)을 통하여 공급되는 전원이 보호 계전기(30)를 통하여 냉각 팬(40)을 동작시킬 수 있다. 예컨대, 제1 보호 계전기(EOCR1, Electronic Motor Protection Relay1) 및 제2 보호 계전기(EOCR2)는 전원을 수신하여, 제1 냉각 팬(FAN1), 제2 냉각 팬(FAN2)을 각각 동작시킬 수 있다.

제1 냉각 팬(FAN1), 제2 냉각 팬(FAN2)은 대용량 냉각 팬일 수 있다. 대용량 냉각 팬(40)은 예컨대, 380V(Volts) 내지 440V의 전원을 이용하여 동작할 수 있다. 고압 인버터는 이와 같은 전원을 동력으로 이용하여 직접 냉각 팬(40)을 동작시킬 수 있다. 고압 인버터가 내부 온도와 관계없이 동일한 전원을 이용하여 냉각 팬(40)을 동작시키는 경우, 냉각 팬(40)은 항상 동일한 속도로 동작할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치의 구성도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치는 온도 센서(100), 제어 모듈(200), 저압 인버터(300), 냉각 팬(400)을 포함한다.

온도 센서(100)는 온도의 변화를 감시하는 센서를 의미한다. 온도 센서(100)는 고압 인버터 내부 예컨대, 고압 인버터 셀(Cell)의 내부 스위칭 소자(IGBT, Insulated Gate Bipolar mode Transistor), 변압기(transformer) 내부에 설치될 수 있다. 온도 센서(100)는 고압 인버터 내부의 온도를 감지하여 제어 모듈(200)에 고압 인버터 내부의 현재 온도를 전달할 수 있다.

제어 모듈(200)은 온도의 변화에 따른 출력을 제어한다.

제어 모듈(200)은 온도 센서(100)로부터 현재 온도를 검출할 수 있다. 제어 모듈(200)은 검출된 현재 온도를 기준 온도와 비교할 수 있다. 기준 온도는 온도 센서(100)가 설치된 내부 소자 자체 또는 내부 소자 주변의 온도 중 내부 소자가 최소한으로 동작할 수 있는 온도를 의미할 수 있다. 예컨대, 고압 인버터 셀의 내부 스위칭 소자(IGBT)의 기준 온도는 50℃일 수 있고, 변압기(transformer) 내부의 기준 온도는 70℃일 수 있다. 제어 모듈(200)은 현재 온도를 기준 온도와 비교하여 현재 온도가 기준 온도 이하인 경우에는 저압 인버터(300)의 동작 제어를 일정하게 유지할 수 있다. 제어 모듈(200)은 현재 온도가 기준 온도 이하인 경우에는 저압 인버터(300)의 동작을 중단할 수도 있다.

제어 모듈(200)은 예컨대, 고압 인버터 셀의 내부 스위칭 소자(IGBT)를 제어하기 위한 마스터 컨트롤러(master controller), 변압기를 제어하기 위한 PID 제어기를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 마스터 컨트롤러가 셀 내부 스위칭 소자(IGBT)의 온도를 검출하고, PID 제어기에 셀 내부 스위칭 소자(IGBT)의 온도를 전송하면, PID 제어기는 검출된 변압기 내부 온도와 셀 내부 스위칭 소자(IGBT)의 온도에 대응하는 전류를 저압 인버터(300)에 전송할 수도 있다.

제어 모듈(200)은 현재 온도를 기준 온도와 비교하여 현재 온도가 기준 온도를 초과하는 경우에는 저압 인버터(300)의 동작 제어를 변화시킬 수 있다. 제어 모듈(200)은 현재 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 정지 중인 저압 인버터(300)를 동작시킬 수도 있다.

제어 모듈(200)은 저압 인버터(300)의 동작을 제어하기 위하여, 검출된 현재 온도에 따라서 출력의 정도를 조절할 수 있다. 예컨대, 예상되는 고압 인버터 내부의 온도가 0℃ 내지 150℃라고 가정하면, 제어 모듈(200)은 저압 인버터(300)로 입력되는 전류를 4mA 내지 20mA로 설정할 수 있다. 따라서, 제어 모듈(200)은 고압 인버터 내부 온도가 10℃ 상승할 때마다, 저압 인버터(300)로 입력되는 전류를 1mA 상승시킴으로써, 저압 인버터(300)가 냉각 팬(400)을 동작시키는 속도를 가속시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면, 제어 모듈(200)은 온도 센서(100)로부터 검출된 현재 온도가 기준 온도를 초과하는 경우에 한하여, 저압 인버터(300)의 동작을 제어할 수도 있다. 예컨대, 고압 인버터 셀의 내부 스위칭 소자(IGBT)의 기준 온도가 50℃라고 가정하면, 제어 모듈(200)은 셀 내부 스위칭 소자(IGBT)의 현재 온도가 40℃인 경우에는 저압 인버터(300)에 전류가 공급되지 않도록 제어할 수 있다. 제어 모듈(200)은 셀 내부 스위칭 소자(IGBT)의 현재 온도가 기준 온도인 50℃를 초과하면, 현재 온도의 크기에 따라 저압 인버터(300)에 공급되는 전류의 크기를 조절할 수 있다.

저압 인버터(300)는 제어 모듈(200)로부터 전송된 전류의 크기를 기준으로 냉각 팬(400)을 동작시킬 수 있다. 저압 인버터(300)는 V/F 제어를 통하여 냉각 팬(400)을 동작시킬 수 있다.

저압 인버터(300)는 V/F 제어를 통하여 전압과 주파수의 크기를 제어할 수 있다. 저압 인버터(300)는 냉각 팬(400)의 동작을 결정할 수 있다. 냉각 팬(400)의 동작은 냉각 팬(400)의 회전을 의미할 수 있으므로, 저압 인버터(300)는 냉각 팬(400)을 회전시키는 모터의 동작을 결정할 수 있다. 이때, 모터는 철심에 코일을 감아 자속을 만들고, 그 자속과 회전자에 흐르는 전류와의 전자력에 의하여 회전할 수 있다. 다만, 정격 주파수 이하에서는, 전압이 일정하고 주파수가 가변하면, 예컨대, 전압이 일정한 반면, 주파수가 낮아지면 자속이 과대해지므로 모터를 손상시킬 수 있다. 모터의 손상을 방지하기 위하여 저압 인버터(300)는 전압과 주파수가 비례하여 변화하는 V/F 제어를 통하여 모터의 동작을 결정할 수 있다.

저압 인버터(300)는 온도 센서(100)가 감지한 현재 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 제어 모듈(200)로부터 전송된 전류의 크기에 커짐에 따라 냉각 팬(400)이 회전하는 속도가 빨라지도록 냉각 팬(400)의 동작을 결정할 수 있다. 저압 인버터(300)는 온도 센서(100)가 감지한 현재 온도가 기준 온도 이하인 경우, 제어 모듈(200)로부터 전송된 전류의 크기가 작아짐에 따라 냉각 팬(400)이 회전하는 속도가 줄어들도록 냉각 팬(400)의 동작을 결정할 수도 있다.

냉각 팬(400)은 모터의 동작으로 회전함으로써, 고압 인버터 내부의 온도를 낮출 수 있다. 냉각 팬(400)은 현재 온도가 높을수록 빨리 회전하고, 현재 온도가 낮을수록 천천히 회전하도록 제어될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 온도 조절 장치에 따르면, 저압 인버터가 고압 인버터의 내부 온도와 비례하여 각기 다른 크기의 전원으로 냉각 팬을 동작시키는 경우, 소음을 줄이고, 냉각 팬 동작에 사용되는 에너지 사용을 절약할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 장치를 설명하기 위한 회로도이다.

도 3을 참조하면, PLC(Programmable Logic Controller)는 고압 인버터 온도 조절 장치를 포함한다. PLC에 포함된 고압 인버터 온도 조절 장치는 온도 센서(100)와 제어 모듈(200)을 포함하고, 제어 모듈(200)은 저압 인버터(300)에 연결되어 냉각 팬(400)의 동작을 제어한다. 앞서 설명한 도 1 및 도 2에 관한 설명과 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.

PLC는 HMI(Human Machine Interface)로부터 사용자 입력을 수신할 수도 있다. PLC는 아날로그 입력 모듈을 포함한다. PLC의 아날로그 입력 모듈은 아날로그 입력 신호를 디지털 값으로 변환하는 회로를 포함할 수 있다. PLC에 포함된 고압 인버터 온도 조절 장치는 PLC에 연결된 고압 인버터 CELL 내부의 온도를 고압 인버터 CELL 동작에 최적화되도록 조절할 수 있다.

고압 인버터 온도 조절 장치에 포함된 온도 센서(100)는 고압 인버터 CELL 내부에 장착될 수 있다. 온도 센서(100)는 고압 인버터 CELL 내부의 예상 온도까지 감지할 수 있다. 온도 센서(100)는 주변 온도의 변화를 감지하고, 감지된 온도에 따라 내부 저항, 전류, 전압 중 적어도 하나 이상의 값이 변화하는 센서를 의미할 수 있다.

복수의 고압 인버터 CELL들 각각에 온도 센서(100)들이 장착될 수 있으며, 복수의 온도 센서(100)들 각각이 복수의 고압 인버터 CELL들 각각의 온도를 감지할 수 있다.

온도 센서(100)가 감지한 온도는 제어 모듈(200)에 전송될 수 있다. 제어 모듈(200)은 미리 결정된 방법에 따라 감지된 온도에 대응하는 아날로그 출력을 인버터(300)에 전송할 수 있다. 예를 들어, 제어 모듈(200)은 4mA 내지 20mA의 출력 전류 중 감지된 현재 온도에 대응하는 출력 전류를 인버터에 전송할 수 있다.

인버터(300)는 제어 모듈(200)로부터 전송된 출력 전류에 따라 냉각 팬(400)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 복수의 인버터(300)들 각각은 복수의 냉각 팬(400)들 각각의 회전 속도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 인버터(INV-1)는 제1 CELL에 장착된 제1 온도 센서를 통해 제1 CELL의 온도를 검출한 제어 모듈(200)로부터 전송된 출력 전류에 따라 냉각 팬(400)의 회전 속도를 조절하고, 제2 인버터(INV-2)는 제2 CELL에 장착된 제2 온도 센서를 통해 제2 CELL의 온도를 검출한 제어 모듈(200)로부터 전송된 출력 전류에 따라 냉각 팬(400)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 인버터(300)는 저압 인버터일 수 있으며, 저압 인버터를 통해 냉각 팬(400)의 회전 속도를 보다 세밀하게 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 인버터의 온도 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라서 고압 인버터의 온도를 조절하기 위하여, 제어 모듈(200)은 온도 센서(100)가 감지한 현재 온도를 검출한다(S101).

이어서, 제어 모듈(200)은 현재 온도와 기준 온도를 비교한다(S103). 기준 온도는 온도 센서(100)가 장착된 부품의 내부 온도에 따라 상이한 온도일 수 있다.

현재 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 제어 모듈(200)은 출력 전류를 증가시킨다(S105). 제어 모듈(200)은 출력 전류를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 출력 전력 또는 출력 전압 등의 아날로그 출력을 증가시킬 수도 있다.

제어 모듈(200)로부터 증가된 출력 전류를 수신한 저압 인버터(300)는 냉각 팬(400)의 속도를 증가시킨다(S107). 저압 인버터(300)는 제어 모듈(200)로부터 증가된 출력 전류에 대응하는 전압 및 주파수를 냉각 팬(400)에 전송할 수 있다. 저압 인버터(300)는 전압과 주파수가 서로 비례하도록 일정하게 변화시킬 수 있다.

현재 온도가 기준 온도 이하인 경우, 제어 모듈(200)은 출력 전류를 감소시킨다(S109). 제어 모듈(200)은 출력 전류를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 출력 전력 또는 출력 전압 등의 아날로그 출력을 감소시킬 수도 있다.

제어 모듈(200)로부터 감소된 출력 전류를 수신한 저압 인버터(300)는 냉각 팬(400)의 속도를 감소시킨다(S111).

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 고압 인버터 내부의 온도에 따라 냉각 팬의 회전 속도를 제어할 수 있으므로, 냉각 팬의 회전에 따른 소음을 줄이고, 냉각 팬이 항상 가장 높은 회전 속도로 동작할 때보다 에너지를 절약할 수 있으며, 냉각 팬의 수명을 연장시킬 수 있어 보다 경제적이다

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 파워 서플라이 30: 보호 계전기
40: 냉각 팬 100: 온도 센서
200: 제어 모듈 300: 저압 인버터
400: 냉각 팬

Claims (4)

1. 고압 인버터 내부의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치에 있어서,
   상기 고압 인버터 내부의 현재 온도를 감지하는 온도 센서;
   상기 현재 온도에 대응하는 전류를 출력하는 제어 모듈;
   상기 출력된 전류의 크기에 대응하는 주파수를 출력하는 저압 인버터; 및
   상기 주파수에 대응하는 속도로 회전하는 냉각 팬을 포함하고,
   상기 제어 모듈은
   상기 고압 인버터의 스위칭 소자의 현재 온도와 제1 기준 온도의 비교 결과에 따라 상기 출력되는 전류를 조절하고,
   상기 고압 인버터의 변압기의 현재 온도와 제2 기준 온도의 비교 결과에 따라 상기 출력되는 전류를 조절하고,
   상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 서로 다른
   온도 조절 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제어 모듈은
   상기 현재 온도와 상기 기준 온도를 비교하여 상기 현재 온도가 상기 기준 온도를 초과하는 경우, 상기 현재 온도에 비례하는 상기 전류를 출력하는
   온도 조절 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제어 모듈은
   상기 현재 온도와 상기 기준 온도를 비교하여 상기 현재 온도가 상기 기준 온도를 초과하는 경우, 출력하는 상기 전류를 증가시키고,
   상기 저압 인버터가 상기 증가된 전류의 크기에 대응하는 증가된 주파수를 출력하고, 상기 냉각 팬이 상기 증가된 주파수에 대응하는 속도로 회전하면, 상기 현재 온도가 상기 기준 온도 이하인지 판단하여 상기 현재 온도가 상기 기준 온도 이하인 경우, 출력하는 상기 전류를 감소시키는
   온도 조절 장치.
4. 냉각 팬을 이용하여 고압 인버터 내부의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 방법에 있어서,
   상기 고압 인버터 내부의 현재 온도를 감지하는 단계;
   상기 현재 온도와 기준 온도의 비교에 따라, 상기 현재 온도가 상기 기준 온도를 초과하면 출력 전류를 증가시키고, 상기 현재 온도가 상기 기준 온도 미만이면 상기 출력 전류를 감소시키는 단계;
   상기 출력 전류의 크기에 대응하는 주파수를 출력하는 단계; 및
   상기 냉각 팬을 상기 출력된 주파수에 대응하는 속도로 회전시켜 상기 고압 인버터 내부의 온도를 조절하는 단계를 포함하고,
   상기 현재 온도와 기준 온도의 비교 단계는
   상기 고압 인버터의 스위칭 소자의 현재 온도와 제1 기준 온도를 비교하고,
   상기 고압 인버터의 변압기의 현재 온도와 제2 기준 온도를 비교하고,
   상기 제1 기준 온도와 상기 제2 기준 온도는 서로 다른
   온도 조절 방법.
   

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