KR101423824B1 - 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류전압을 직류전압으로 변환하여 부하에 출력전력을 공급하는 인버터; 상기 인버터에 냉각수를 공급하여 상기 인버터를 냉각시키는 냉각기; 상기 인버터의 입력전력, 상기 인버터의 출력전력, 상기 냉각수의 유량, 상기 냉각기로부터 상기 인버터로 공급되는 상기 냉각수의 공급온도, 상기 인버터로부터 상기 냉각기로 회수되는 상기 냉각수의 회수온도, 상기 냉각기의 소비전류 중 적어도 어느 하나를 계측하는 검출부; 및 상기 입력전력의 변화량 또는 상기 인버터의 전력손실과 상기 냉각기의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량에 따라 상기 공급온도를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템에 관한 것으로,
본 발명에 따르면, 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 최적화하는 효과가 있다.

Description

수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법{Water cooled inverter system and Method for controlling thereof}
본 발명은 냉각수를 이용한 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
인버터는 입력전원으로부터 입력되는 직류전압을 고주파의 교류전압으로 변환하는 장치로 인버터 시스템은 인버터를 냉각하는 장치를 포함한 개념이다.
도 1은 종래 기술에 따른 인버터 시스템의 구성도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 인버터 시스템(10)은 입력전원(1), 인버터(2), 부하(3), 및 냉각기(4)를 포함한다.
인버터(2)는 입력전원(1)으로부터 입력되는 직류전압을 고주파의 교류전압 및 교류전류로 변환한다. 변환된 교류전압 및 교류전류는 다양한 부하(3)에 공급되어 부하(3)를 동작시키는데 사용된다.
인버터(2)는 직류를 교류로 변환하기 위해 내부에 스위칭 소자를 포함하며, 내부 스위칭 소자는 스위칭 동작 중에 발열을 일으킨다.
냉각기(4)는 인버터(2)가 직류를 교류로 변환하는 과정에서 내부 스위칭 소자에서 발생하는 열을 냉각시킨다. 냉각기(4)는 일반적으로 공기의 순환을 이용하여 인버터(2)를 냉각시키는 공냉형 냉각기가 사용된다.
그러나, 이러한 종래의 인버터 시스템은 다음과 같은 문제가 있다.
산업적 용도에 따라 대용량의 부하에 사용되는 인버터 시스템은 인버터 자체의 발열량이 많아 공냉형 냉각기로는 충분한 방열을 할 수 없다.
또한, 이러한 인버터 시스템은 인버터의 발열이 증가할수록 인버터(2) 효율이 감소하는 문제가 있고, 냉각기(4)가 인버터(2)의 온도를 감소시켜 인버터(2)의 효율을 증가시키더라도 인버터 시스템 전체의 소비전력이 증가할 수 있다는 문제가 있다.
따라서, 인버터(2) 및 냉각기(4)를 포함하는 인버터 시스템(10) 전체의 전력효율을 개선할 수 있는 시스템의 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 문제점을 해결하고자 고안된 것으로, 본 발명은 냉각수를 이용하여 인버터를 효율적으로 냉각시키는 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인버터의 입력전력을 고려하여 수냉형 인버터 시스템 전체의 소비전력을 효율적으로 개선시키는 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인버터의 손실전력 및 냉각기의 소비전력을 함께 고려하여 수냉형 인버터 시스템 전체의 소비전력을 효율적으로 개선시키는 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 냉각수의 온도를 제어하여 인버터 시스템 전체의 소비전력을 효율적으로 개선시키는 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서, 교류전압을 직류전압으로 변환하여 부하에 출력전력을 공급하는 인버터; 상기 인버터에 냉각수를 공급하여 상기 인버터를 냉각시키는 냉각기; 상기 인버터의 입력전력, 상기 인버터의 출력전력, 상기 냉각수의 유량, 상기 냉각기로부터 상기 인버터로 공급되는 상기 냉각수의 공급온도, 상기 인버터로부터 상기 냉각기로 회수되는 상기 냉각수의 회수온도, 상기 냉각기의 소비전류 중 적어도 어느 하나를 계측하는 검출부; 및 상기 입력전력의 변화량 또는 상기 인버터의 전력손실과 상기 냉각기의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량에 대응하여 상기 공급온도에서 미리 정해진 단위 온도를 가감하여 상기 공급온도를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서, 제1 온도의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제1 입력전력 및 제1 출력전력을 계측하는 단계; 및 상기 제1 입력전력 및 제2 온도의 상기 냉각수에 의해 냉각된 상기 인버터의 제2 입력전력의 변화량에 대응하여 상기 제2 온도에 미리 정해진 단위 온도를 가감하여 상기 냉각수의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서, 제1 온도의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제1 전력손실 및 제1 온도의 상기 냉각수를 공급하는 냉각기의 제1 소비전력의 합인 제1 총소비전력을 계산하는 단계; 제2 온도의 상기 냉각수에 의해 냉각된 상기 인버터의 제2 전력손실 및 상기 제2 온도의 상기 냉각수를 공급하는 상기 냉각기의 제2 소비전력의 합인 제2 총소비전력을 계산하는 단계; 및 상기 제 1 총소비전력 및 제2 총소비전력의 변화량에 대응하여 상기 냉각수의 온도를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도를 제어하여 상기 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 향상되도록 하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 우선, 공기에 비하여 비열이 상대적으로 큰 냉각수를 이용하는 수냉형 냉각기를 사용하기 때문에 공냉식 냉각기를 사용하는 것에 비하여 인버터의 발열을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 인버터의 입력전력의 변화량에 따라 냉각수의 온도를 제어하여 냉각기의 에너지 효율을 상승시키는 동시에 인버터의 전력손실을 최소화함에 따라 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 최적화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 인버터의 전력손실과 냉각기의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량에 따라 냉각수의 온도를 제어하여 냉각기의 에너지 효율을 상승시키는 동시에 인버터의 전력손실을 최소화함에 따라 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 최적화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉각수의 온도를 제어함에 있어, 인버터의 입력전력의 변화량 또는 수냉형 인버터 시스템의 총소비전력의 변화량에 따라 냉각수의 온도 변화량이 적응적으로 변경(적응형 단위 온도(Ts-variable))되도록 제어하여 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 빠른 시간에 최적화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 냉각수의 온도 변화량이 적응적으로 변경되도록 제어하여 최대 전력효율에 근접한 경우 수냉형 인버터 시스템의 입력전력 변화량 또는 총소비전력의 변화량이 최소화되도록 하여 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 빠른 시간에 최적화시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 인버터 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 개념을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 냉각수의 공급온도의 변화에 따른 인버터의 전력손실을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 냉각수의 공급온도의 변화에 따른 냉각기의 소비전력을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 냉각수의 공급온도의 변화에 따른 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 인버터의 출력전력의 변화에 따른 최대 전력효율을 발생시키는 냉각수의 공급온도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 인버터에 공급되는 냉각수의 공급온도 변화에 따른 냉각기에 인가되는 소비전류 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 일 실시예에 있어서 인버터 내부 스위칭 소자의 열저항 모델을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 다른 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법에 따라 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 조절되는 과정을 나타내는 일 실시예이다.
도 12는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법에 따라 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 조절되는 과정을 나타내는 다른 실시예이다.
이하에서는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 개념을 나타내는 블럭도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템(100)은 인버터(200), 냉각기(300), 검출부(400), 제어부(500), 및 비교부(600)를 포함한다.
본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템은(100)은 인버터(200)가 입력전원(110)으로부터 입력되는 직류전압을 고주파의 교류전압 및 교류전류로 변환하는 과정에서 발생되는 발열을 냉각하기 위해 냉각수를 사용한다. 냉각수를 사용하는 수냉형 인버터 시스템(100)은 공냉형에 비해서 냉각효과가 우수하고 일정한 기준온도를 유지할 수 있다.
수냉형 인버터 시스템(100)은 상기 발열을 효율적으로 냉각시키기 위해 냉각기로부터 인버터(200)로 공급되는 냉각수의 온도인 공급온도를 제어하여 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율을 최적화 할 수 있다.
이하, 냉각수의 온도에 따른 수냉형 인버터 시스템의 전력효율 변화를 설명하기 위해 도 3 내지 도 6를 참조한다.
도 3은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 냉각수의 공급온도의 변화에 따른 인버터의 전력손실을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 냉각수의 공급온도의 변화에 따른 냉각기의 소비전력을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 냉각수의 공급온도의 변화에 따른 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 나타내는 도면이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 냉각수의 공급온도가 증가할수록 인버터의 전력손실은 비선형적으로 증가한다.
도 4에서 알 수 있듯이, 냉각수의 공급온도가 증가할수록 냉각기의 소비전력은 비선형적으로 감소한다. 냉각수의 공급온도가 증가할수록 증발기에서 열교환 효율이 증가하고 응축과 압축 과정에서 소비전력이 감소하므로 냉각기가 소모하는 소비전력은 비선형적으로 감소한다.
도 5에서 알 수 있듯이, 냉각수의 공급온도가 증가하면 수냉형 인버터 시스템의 전력효율은 증가하다가 일정한 기준 온도를 지나면 다시 감소한다. 따라서, 가장 높은 전력효율을 보이는 기준 온도를 냉각수의 공급온도로 설정하는 것이 중요하다.
이때, 수냉형 인버터 시스템의 총소비전력은 인버터의 전력손실과 냉각기의 소비전력의 합으로 나타낼 수 있다. 또한, 냉각기는 인버터의 출력전력으로부터 에너지를 공급받으므로, 수냉형 인버터 시스템의 전력효율은 인버터의 출력전력을 인버터의 입력전력으로 나눈 값을 이용하여 계산할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템에서 인버터의 출력전력의 변화에 따른 최대 전력효율을 발생시키는 냉각수의 공급온도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 인버터의 출력전력이 변화함에 따라 최대 전력효율을 발생시키는 냉각수의 공급온도가 변화한다. 인버터의 출력전력의 크기에 따라 인버터의 발열 등의 조건이 달라지므로 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 최대로 하는 냉각수의 공급온도도 변화하는 것이다.
다시, 도 2를 참조하면, 인버터(200)는 복수의 스위칭 소자를 사용하여 입력전원(110)으로부터 입력되는 직류전압을 고주파의 교류전압 및 교류전류로 변환한다.
일 실시예에 있어서, 인버터(200)를 구성하는 복수의 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다. IGBT는 수 메가와트 용량의 인버터에서 사용될 수 있고, 적정 구동 주파수는 수KHz이다. 또한, 상기 실시예에 있어서 인버터를 구성하는 스위칭 소자는 IGBT 이외에, SCR(Silicon Controlled Rectifier), MOS-FET, 또는 IGCT(Integrated Gate Commuutated Thyristor)일 수도 있다.
냉각기(300)는 인버터(200)에 냉각수를 공급하여 인버터(200)를 냉각시킨다. 일 실시예에 있어서 냉각기(300)는 인버터(200)의 출력전력에서 에너지를 공급받아 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 냉각기(300)는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기, 및 순환범프를 포함할 수 있다. 냉각기(300)는 압축, 응축, 팽창, 증발을 반복하여 냉각수를 통해 인버터의 발열을 외부로 방출한다. 이때, 냉각기(300)의 냉각열량은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112012052970066-pat00001
이때, mch는 냉각수의 유량, cp는 냉각수의 비열이고, Tch-out은 냉각수의 회수온도, Tch-i는 냉각수의 공급온도이다.
냉각시스템의 에너지 효율(EER; Energy Efficiency Ratio)는 냉각능력(Qch)과 냉각기의 소비전력의 비율로서, 냉각수 공급온도가 상승되면 열교환 효율이 증가하여 냉각능력은 상승되고 소비전력은 감소하여 냉각기의 에너지 효율은 점차 상승한다. 인버터에 사용되는 스위칭 소자의 전력손실은 DC 전압과 컬렉터 전류에 비례하며, IGBT 정션 온도가 상승함에 따라 스위칭 손실은 증가한다. 반면, 냉각시스템은 설정 온도(냉각수 공급온도)가 높을수록 냉각효율이 증가하므로 수냉형 인버터 시스템의 효율은 설정온도에 대하여 냉각수 특정 냉각수 온도에서 최대 효율점을 갖는다(도 5의 기준온도 참조).
검출부(400)는 상기 인버터(200)의 입력전력, 상기 인버터(200)의 출력전력, 상기 냉각수의 유량, 상기 냉각기(300)로부터 상기 인버터(200)로 공급되는 상기 냉각수의 공급온도, 상기 인버터(200)로부터 상기 냉각기(300)로 회수되는 상기 냉각수의 회수온도, 상기 냉각기(300)의 소비전류 중 적어도 어느 하나를 계측한다.
제어부(500)는 상기 인버터(200)의 입력전력의 변화량 또는 상기 인버터(200)의 전력손실과 상기 냉각기(300)의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량에 대응하여 상기 공급온도에서 미리 정해진 단위 온도를 가감하여 상기 냉각수의 공급온도를 제어한다.
일 실시예에 있어서, 제어부(500)는 상기 입력전력의 변화량이 증가하거나, 상기 인버터(200)의 전력손실과 상기 냉각기의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량이 증가하면 상기 공급온도에서 미리 정해진 단위 온도를 차감하여 냉각수의 온도를 제어하고, 상기 입력전력의 변화량이 감소하거나 상기 총소비전력의 변화량이 감소하면 상기 공급온도에 미리 정해진 단위 온도를 부가하여 냉각수의 온도를 제어한다.
제어부(500)는 상기 입력전력의 변화량, 또는 상기 인버터(200)의 전력손실과 상기 냉각기의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량에 대응하여 상기 냉각수의 온도를 제어함에 따라 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율을 최적화 시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제어부(500)는 부하에 일정한 출력전력을 발생하도록 설정될 수 있다. 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율은 인버터(200)의 출력전력을 입력전력으로 나눈 값으로 정의할 수 있다.
제어부(500)는 검출부(400)에서 측정한 인버터(200)의 입력전력, 출력전력, 냉각수의 공급온도를 수신하여 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율을 최대화하기 위한 알고리즘을 수행한다. 제어부(500)는 냉각수의 공급온도의 변화에 따라 인버터(200)의 입력전력이 변화하면 알고리즘에 따라 다시 냉각수의 공급온도를 변경하여 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율이 최대가 되는 냉각수의 공급온도를 찾는다.
일 실시예에 있어서, 인버터(200)의 입력전력의 변화량이 증가하면, 냉각수의 공급온도에서 미리 정해진 단위 온도를 차감한다. 또한 인버터(200)의 입력전력의 변화량이 감소하면, 냉각수의 공급온도에 미리 정해진 단위 온도를 부가한다.
다른 실시예에 있어서, 제어부(500)는 인버터(200)의 전력손실과 냉각기의 소비전력의 합인 수냉형 인버터 시스템(100)의 총소비전력의 변화량을 계산하여 냉각수의 온도를 제어하고, 이에 따라 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율을 최적화한다.
인버터(200)의 전력손실은 냉각기(300)로부터 인버터(200)에 공급되는 냉각수의 공급온도 및 인버터(200)로부터 냉각기(300)로 회수되는 냉각수의 회수온도 차에 냉각수의 유량을 곱한 값을 이용하여 계산한다. 이를 계산하기 위해 제어부(500)는 검출부(400)에서 측정한 냉각수의 공급온도 및 회수온도를 읽어올 수 있다. 일 실시예에 있어서, 인버터(200)의 전력손실은 다음의 수학식 2 내지 4를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112012052970066-pat00002
이때, Tout은 냉각수의 회수온도, Ti는 냉각수의 공급온도이다.
Figure 112012052970066-pat00003
이때, m은 냉각수의 유량을 말한다.
Figure 112012052970066-pat00004
냉각기의 소비전력은 냉각기에 인가되는 소비전류 및 냉각기에 인가되는 소비전압의 곱으로 계산할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 인버터에 공급되는 냉각수의 공급온도 변화에 따른 냉각기에 인가되는 소비전류 변화를 나타내는 도면이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 일 실시예에 있어서, 냉각기에 인가되는 소비전류는 도 7과 같이 냉각수를 냉각시키는 일정 시간에만 인가될 수 있다. 이 경우, 냉각기의 소비전력은 다음의 수학식 5를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112012052970066-pat00005
이때, Ts는 냉각기의 소비전류가 인가되는 시간, ich(t)는 냉각기에 인가되는 소비전류, v(t)는 냉각기에 인가되는 소비전압이다.
제어부(500)는, 일 실시예에 있어서 상술한 바와 같이 인버터(200)의 전력손실 및 냉각기(300)의 소비전력을 구하여 인버터(200)의 전력손실 및 냉각기(300)의 소비전력의 합인 수냉형 인버터 시스템(100)의 총소비전력을 구한 후, 냉각수의 공급온도 변화에 따른 총소비전력의 변화량이 증가하면 공급온도에서 미리 정해진 단위 온도를 차감하고, 총소비전력의 변화량이 감소하면 공급온도에 미리 정해진 단위 온도를 부가하여 상기 수냉형 인버터 시스템(100)이 최적 전력효율로 운영될 수 있도록 한다.
제어부(500)는 상기 입력전력의 변화량 또는 상기 총소비전력의 변화량에 비례하여 상기 단위 온도를 적응적으로 변경하는 단위 온도 변경부를 더 포함할 수 있다.
단위 온도 변경부는 인버터의 입력전력의 변화량 또는 수냉형 인버터 시스템(100)의 총소비전력의 변화량의 크기에 비례하여 단위 온도를 적응적으로 변경할 수 있다(적응형 단위 온도). 냉각수의 공급온도에 동일한 크기의 단위 온도를 부가하거나 차감하는 경우, 전력효율이 상승할 수록 입력전력의 변화량 또는 수냉형 인버터 시스템(100)의 변화량이 감소할 수 있다. 따라서, 전력효율이 상승하는 경우 냉각수의 공급온도에 부가하거나 차감하는 단위 온도의 크기를 작게 변경하면 전력효율의 조절을 더욱 세밀하게 할 수 있다.
또한, 전력효율이 상대적으로 낮은 경우 냉각수의 공급온도에 부가하거나 차감하는 단위 온도의 크기를 크게 하면 전력효율이 보다 빠르고 효과적으로 조절될 수 있다.
제어부(500)는 상기 입력전력의 변화량이 감소하거나 상기 총소비전력의 변화량이 감소하는 경우, 냉각수의 공급온도에 미리 정해진 단위 온도를 부가하여 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율을 최적화될 수 있도록 한다. 그러나 냉각수의 공급온도를 제한없이 증가시킬 수는 없으므로 상기 냉각수의 상기 공급온도를 기초로 산출되는 상기 인버터(200) 내부 스위칭 소자의 정션온도와 임계 정션온도를 비교하여, 상기 산출된 정션온도가 상기 임계온도 이상이면 상기 공급온도를 유지하거나 감소시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 일 실시예에 있어서 인버터 내부 스위칭 소자의 열저항 모델을 나타내는 도면이다.
도 8에서 알 수 있듯이, 일 실시예에 있어서, 냉각수의 공급온도(Ti)를 기초로 인버터(200) 내부 스위칭 소자의 정션온도(Tjunction)를 산출하기 위해서는 냉각수의 공급온도(Ti) 및 냉각수 주입구 및 스위칭 소자에 접촉하는 히트싱크 사이에 열저항(Rth_hi), 히트싱크 및 스위칭 소자 케이스 사이의 열저항(Rth_ch), 및 케이스 및 스위칭 소자의 정션 사이의 열저항(Rth_jc)를 고려할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 정션온도는 다음의 수학식 6에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112012052970066-pat00006
비교부(600)는 상기 냉각수의 온도가 제1 공급온도일 때 상기 인버터(200)의 제1 출력전력과 상기 냉각수의 공급온도가 제2 공급온도일 때 상기 인버터(200)의 제2 출력전력을 비교할 수 있다. 비교부(600)에서 제1 출력전력과 제2 출력전력이 동일하다고 판단하면 제어부(500)는 지속적으로 상기 입력전력 또는 총소비전력의 변화량을 비교하고 냉각수의 온도를 제어하여 상기 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율이 최적화 되도록 조절할 수 있다.
하지만, 비교부(600)에서 제1 출력전력과 제2 출력전력이 상이하다고 판단되면, 제어부(500)는 냉각수의 공급온도를 미리 설정된 온도로 초기화하여 수냉형 인버터 시스템(100)의 전력효율을 조절하는 과정을 새롭게 시작한다. 이는 도 6에서 설명한 바와 같이, 인버터(200)의 출력전력이 변경되면 그에 따라 최적의 전력효율을 공급하는 냉각수의 공급온도도 함께 변경되기 때문이다.
이하 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법에 대해 상세하게 설명한다.
<수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 제 1 실시예>
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법은 제1 온도의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제1 입력전력 및 제1 출력전력을 계측하는 단계 및 상기 제1 입력전력 및 제2 온도의 상기 냉각수에 의해 냉각된 상기 인버터의 제2 입력전력의 변화량에 따라 상기 냉각수의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
도 9는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 9에서 알 수 있듯이, 우선, 인버터의 제1 출력전력(Pout(k-1)), 냉각수의 제1 온도(T(k-1))를 측정하고, 상기 냉각수의 제1 온도(T(k-1))에 의해 냉각된 인버터의 제1 입력전력(Pin(k-1))을 측정한다(S1100).
다음, 냉각수의 제1 온도(T(k-1))에 미리 설정된 단위 온도(Ts)를 더하여 냉각수의 온도를 제2 온도(T(k))로 설정한다(S1200).
다음, 상기 제2 온도(T(k))의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제2 입력전력(Pin(k)) 및 인버터의 제2 출력전력(Pout(k))을 측정한다(S1300).
다음, 제1 출력전력(Pout(k-1))과 상기 제2 입력전력(Pin(k))에 따른 제2 출력전력(Pout(k))을 비교한다(S1400).
다음, 제1 출력전력(Pout(k-1))과 상기 제2 입력전력(Pin(k))에 따른 제2 출력전력(Pout(k))이 상이하면 상기 냉각수의 온도를 미리 설정된 온도로 초기화하고, S1100 단계로 되돌아가 전력효율 조절 알고리즘을 다시 수행한다(S1450).
다음, 제1 출력전력(Pout(k-1))과 상기 제2 입력전력(Pin(k))에 따른 제2 출력전력(Pout(k))이 동일하면, 제2 온도(T(k))의 상기 냉각수에 의해 냉각된 상기 인버터의 제2 입력전력(Pin(k))과 상기 제1 입력전력(Pin(k-1))을 비교한다(S1500).
다음, 제2 입력전력(Pin(k))이 제1 입력전력(Pin(k-1))보다 작으면, 상기 제2 온도(T(k))에 미리 정해진 단위 온도(Ts)를 부가하여 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 조절한다(S1200에 대응). 예를 들어, 제2 입력전력(Pin(k))이 제1 입력전력(Pin(k-1))보다 작으면 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 증가한 것이므로 냉각수의 공급온도를 증가시키는 것이다.
다음, 제2 입력전력(Pin(k))이 제1 입력전력(Pin(k-1))보다 크면, 상기 제2 온도(T(k))에서 미리 정해진 단위 온도(Ts)를 차감하여 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 조절한다(S1550). 예를 들어, 제2 입력전력(Pin(k))이 제1 입력전력(Pin(k-1))보다 크면 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 감소한 것이므로 냉각수의 공급온도를 감소시키는 것이다.
다음, 입력전력 등을 계측하는 단계 및 전력효율을 조절하기 위해 냉각수의 온도를 가감하는 단계를 반복실시하면서, 상기 입력전력의 변화에 따라 상기 냉각수의 온도를 제어하여 상기 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 최적화 되도록 한다.
한편, 단위 온도는 상기 제1 입력전력 및 상기 제2 입력전력의 차이에 비례하여 적응적으로 변경될 수 있다.
냉각수의 공급온도에 동일한 크기의 단위 온도를 부가하거나 차감하는 경우, 전력효율이 상승할수록 입력전력의 변화량 또는 수냉형 인버터 시스템의 변화량이 감소할 수 있다. 따라서, 전력효율이 상승하는 경우 냉각수의 공급온도에 부가하거나 차감하는 단위 온도의 크기를 작게 변경하면 전력효율의 조절을 더욱 세밀하게 할 수 있다.
또한, 전력효율이 상대적으로 낮은 경우 냉각수의 공급온도에 부가하거나 차감하는 단위 온도의 크기를 크게 하면 전력효율이 보다 빠르고 효과적으로 조절될 수 있다.
한편, 상기 S1200 단계에서 단위 온도(Ts)를 냉각수의 제1 온도에 더하는 것으로 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 경우에 따라 단위 온도(Ts)를 차감할 수도 있다.
<수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 제 2 실시예>
다른 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법은 제1 온도의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제1 전력손실 및 제1 온도의 상기 냉각수를 공급하는 냉각기의 제1 소비전력의 합인 제1 총소비전력을 계산하는 단계, 제2 온도의 상기 냉각수에 의해 냉각된 상기 인버터의 제2 전력손실 및 상기 제2 온도의 상기 냉각수를 공급하는 상기 냉각기의 제2 소비전력의 합인 제2 총소비전력을 계산하는 단계, 및 상기 제 1 총소비전력 및 제2 총소비전력의 변화량에 따라 상기 냉각수의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도를 제어하여 상기 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 향상되도록 한다.
도 10은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 다른 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 10에서 알 수 있듯이, 우선, 인버터의 제1 출력전력(Pout(k-1)), 상기 냉각수의 유량(m), 상기 냉각기로부터 상기 인버터로 공급되는 상기 냉각수의 제1 공급온도(Tin(k-1)), 또는 초기 공급온도(Tin(int))), 상기 인버터로부터 상기 냉각기로 회수되는 상기 냉각수의 제1 회수온도(Tout(k-1)), 상기 냉각기의 소비전류(ich(t)) 등을 측정한다(S2000).
다음, 상기 냉각수의 제1 공급온도(Tin(k-1))와 상기 냉각수의 제1 회수온도(Tout(k-1))의 차에 상기 냉각수의 유량(m)을 곱한 값을 이용하여 인버터의 제1 전력손실을 계산하고, 상기 냉각기의 소비전류(ich(t))를 적분하여 냉각기의 제1 소비전력을 계산한다. 이를 이용하여 인버터의 제1 전력손실 및 냉각기의 제1 소비전력의 합인 수냉형 인버터 시스템의 제1 총소비전력(Ploss(k-1))을 계산한다(S2100).
다음, 냉각수의 제1 공급온도(Tin(k-1))에 미리 설정된 단위 온도(Ts)를 더감하여 제2 공급온도(Tin(k))를 설정한다(S2200).
다음, 인버터의 제2 출력전력(Pout(k)), 상기 냉각수의 유량(m), 상기 냉각기로부터 상기 인버터로 공급되는 상기 냉각수의 제2 공급온도(Tin(k)), 상기 인버터로부터 상기 냉각기로 회수되는 상기 냉각수의 제2 회수온도(Tout(k)), 상기 냉각기의 소비전류(ich(t)) 등을 측정한다(S2300).
다음, 상기 제2 공급온도(Tin(k))의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제2 전력손실 및 상기 제2 온도의 상기 냉각수를 공급하는 상기 냉각기의 제2 소비전력(P)의 합인 제2 총소비전력(Ploss(k))을 계산한다(S2400).
다음, 제1 출력전력(Pout(k-1))과 상기 제2 입력전력(Pin(k))에 따른 제2 출력전력(Pout(k))을 비교한다(S2500).
다음, 제1 출력전력(Pout(k-1))과 상기 제2 입력전력(Pin(k))에 따른 제2 출력전력(Pout(k))이 상이하면 상기 냉각수의 온도를 미리 설정된 온도로 초기화하고, S2000 단계로 되돌아가 전력효율 조절 알고리즘을 다시 수행한다(S2550).
다음, 제1 출력전력(Pout(k-1))과 상기 제2 입력전력(Pin(k))에 따른 제2 출력전력(Pout(k))이 동일하면, 제2 총소비전력(Ploss(k))과 제1 총소비전력(Ploss(k-1)))을 비교한다(S2600).
다음, 제2 총소비전력(Ploss(k))이 제1 총소비전력(Ploss(k-1)))보다 작으면, 냉각수의 공급온도를 제한없이 증가시킬 수는 없으므로 상기 냉각수의 상기 공급온도를 기초로 산출되는 상기 인버터 내부 스위칭 소자의 정션온도와 임계 정션온도를 비교하는 안정도 판별 단계를 수행한다(S2650).
이때, 상기 산출된 정션온도가 상기 임계온도 이하이면 상기 공급온도를 증가(S2200)시키는 단계로 진입하고, 상기 산출된 정션온도가 상기 임계온도 이상이면 상기 공급온도를 증가시키는지 않고 계측 단계(S2300)로 진입한다.
즉, 제2 총소비전력(Ploss(k))이 제1 총소비전력(Ploss(k-1)))보다 작고, 상기 산출된 정션온도가 상기 임계온도 이하이면 제2 공급온도(Tin(k))에 미리 정해진 단위 온도(Ts)를 부가한다.
다음, 제2 총소비전력(Ploss(k))이 제1 총소비전력(Ploss(k-1)))보다 크면, 제2 공급온도(Tin(k))에서 미리 정해진 단위 온도(Ts)를 차감한다(S2700). 즉, 제2 총소비전력(Ploss(k))이 제1 총소비전력(Ploss(k-1)))보다 크면, 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 감소한 것이므로 냉각수의 공급온도를 감소시킨다.
다음, 인버터의 제3 출력전력(Pout(k+1)), 상기 냉각수의 유량(m), 상기 냉각기로부터 상기 인버터로 공급되는 상기 냉각수의 제3 공급온도(Tin(k+1)), 상기 인버터로부터 상기 냉각기로 회수되는 상기 냉각수의 제3 회수온도(Tout(k+1)), 상기 냉각기의 소비전류(ich(t)) 등을 측정한다(S2800).
다음, 상기 제3 공급온도(Tin(k+1))의 냉각수에 의해 냉각된 인버터의 제3 전력손실 및 상기 제3 온도의 상기 냉각수를 공급하는 상기 냉각기의 제3 소비전력(P)의 합인 제3 총소비전력(Ploss(k+1))을 계산한다(S2900).
다음, 제2 출력전력(Pout(k))과 상기 제3 입력전력(Pin(k+1))에 따른 제3 출력전력(Pout(k+1))을 비교한다(S3000).
다음, 제2 출력전력(Pout(k))과 제 3출력전력(Pout(k+1))을 비교하여 상이하면 S2550 단계로 진입하여 알고리즘을 다시 수행한다.
다음, 제2 출력전력(Pout(k))과 제 3출력전력(Pout(k+1))을 비교하여 동일하면, 제3 총소비전력(Ploss(k+1))과 제2 총소비전력(Ploss(k)))을 비교한다(S3100).
다음, 제3 총소비전력(Ploss(k+1))이 제2 총소비전력(Ploss(k))) 보다 크면 S2200 단계로 진입하고, 제3 총소비전력(Ploss(k+1))이 제2 총소비전력(Ploss(k))) 보다 작으면 S2700 단계로 진입한다.
다음, 총소비전력 등을 계측하는 단계 및 전력효율을 조절하기 위해 냉각수의 온도를 가감하는 단계를 반복실시하면서, 상기 냉각수의 온도에 따라 변화하는 상기 총소비전력의 변화를 제어하여 상기 수냉형 인버터 시스템의 전력효율을 조절한다.
한편, 단위 온도는 상기 제1 총소비전력 및 상기 제2 총소비전력의 차이에 비례하여 적응적으로 변경될 수 있다.
냉각수의 공급온도에 동일한 크기의 단위 온도를 부가하거나 차감하는 경우, 전력효율이 상승할수록 총소비전력의 변화량이 감소할 수 있다. 따라서, 전력효율이 상승하는 경우 냉각수의 공급온도에 부가하거나 차감하는 단위 온도의 크기를 작게 변경하면 전력효율의 조절을 더욱 세밀하게 할 수 있다.
또한, 전력효율이 상대적으로 낮은 경우 냉각수의 공급온도에 부가하거나 차감하는 단위 온도의 크기를 크게 하면 전력효율이 보다 빠르고 효과적으로 조절될 수 있다.
한편, 상기 S2200 단계에서 단위 온도(Ts)를 냉각수의 제1 온도에 더하는 것으로 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 경우에 따라 단위 온도(Ts)를 차감할 수도 있다.
<수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 제 3 실시예>
도 11은 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법에 따라 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 조절되는 과정을 나타내는 일 실시예이고, 도 12는 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법에 따라 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 조절되는 과정을 나타내는 다른 실시예이다.
도 11에서 알 수 있듯이, 단위 온도가 일정한 경우, A에서 B로, B에서 C로, C에서 D로, 다시 D에서 C로 총소비전력이 최소가 되도록 냉각수의 공급온도를 제어하는 과정에서, 현재 냉각수의 공급온도가 총소비전력이 가장 최소가 되는 공급온도에 접근했는지 여부와 상관없이 일정한 양의 단위 온도에 의해 냉각수의 공급온도가 변경되게 된다.
그러나, 도 12에서 알 수 있듯이, 단위 온도가 총소비전력이 가장 최소가 되는 공급온도에 접근할수록 작아지는 경우, A에서 B로, B에서 C로, C에서 D로, 다시 D에서 C로 총소비전력이 최소가 되도록 냉각수의 공급온도를 제어하는 과정에서, 냉각수의 공급온도를 세밀하게 조절할 수 있고, 이에 따라 수냉형수냉형 시스템의 전력효율이 더욱 세밀하게 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법의 다른 실시예에 있어서, 단위 온도는 적응적으로 변경될 수 있다. 이하 적응적으로 변경 가능한 단위 온도를 적응형 단위 온도(Ts-variable)라고 정의한다.
일 실시예에 있어, 고정값의 단위 온도가 5도의 값을 갖는다면, 적응형 단위 온도는 1에서 5도의 사이의 값에서 변경될 수 있으며, 적응형 단위 온도는 입력전력의 변화량 또는 총소비전력의 변화량에 비례하여 적응적으로 변경될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 - 수냉형 인버터 시스템 110 - 입력전원
120 - 부하 200 - 인버터
300 - 냉각기 400 - 검출부
500 - 제어부 600 - 비교부

Claims (17)

  1. 부하에 출력전력을 공급하는 인버터;
    상기 인버터에 냉각수를 공급하여 상기 인버터를 냉각시키는 냉각기;
    상기 인버터의 입력전력, 상기 인버터의 출력전력, 및 상기 냉각기의 소비전류 중 적어도 어느 하나를 계측하는 검출부; 및
    상기 검출부에서 계측된 값 또는 상기 계측된 값에 의해 계산된 값의 변화량에 따라 상기 냉각기로부터 상기 인버터로 공급되는 상기 냉각수의 공급온도를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 입력전력의 변화량이 증가하거나, 상기 인버터의 전력손실과 상기 냉각기의 소비전력의 합인 총소비전력의 변화량이 증가하면 상기 공급온도에서 미리 정해진 단위 온도를 차감하고, 상기 입력전력의 변화량이 감소하거나 상기 총소비전력의 변화량이 감소하면 상기 공급온도에 상기 단위 온도를 부가하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각수의 공급온도가 제1 공급온도일 때 상기 인버터의 제1 출력전력과 상기 냉각수의 공급온도가 제2 공급온도일 때 상기 인버터의 제2 출력전력을 비교하는 비교부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 출력전력과 상기 제2 출력전력이 동일하면 상기 입력전력 또는 총소비전력의 변화량을 비교하고, 상기 제1 출력전력과 상기 제2 출력전력이 상이하면 상기 냉각수의 공급온도를 미리 설정된 온도로 초기화하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 입력전력의 변화량 또는 총소비전력의 변화량에 비례하여 미리 정해진 단위 온도를 적응적으로 변경하는 단위 온도 변경부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 입력전력의 변화량이 감소하거나 총소비전력의 변화량이 감소하는 경우, 상기 냉각수의 상기 공급온도를 기초로 산출되는 상기 인버터 내부 스위칭 소자의 정션온도와 임계 정션온도를 비교하여, 상기 산출된 정션온도가 임계온도 이상이면 상기 공급온도를 유지하거나 감소시키는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터의 전력손실은 상기 공급온도와 상기 인버터로부터 상기 냉각기로 회수되는 상기 냉각수의 회수온도 간의 차이에 상기 냉각수의 유량을 곱한 값을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템.
  7. 제1 온도의 냉각수가 공급될 때 인버터의 제1 입력전력 및 제1 출력전력을 계측하는 단계;
    제2 온도의 냉각수가 공급될 때 상기 인버터의 제2 입력전력 및 제2 출력전력을 계측하는 단계; 및
    상기 인버터의 입력전력 변화량 및 출력전력 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 상기 냉각수의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 제2 온도의 상기 냉각수에 의해 냉각된 상기 인버터의 제2 입력전력이 상기 제1 입력전력보다 크면 상기 제2 온도에 미리 정해진 단위 온도를 차감하고, 상기 제2 입력전력이 상기 제1 입력전력보다 작으면 상기 제2 온도에 상기 단위 온도를 부가하여 상기 냉각수의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 제1 출력전력과 상기 제2 입력전력에 따른 제2 출력전력이 동일하면 상기 냉각수의 온도를 제어하고, 상기 제1 출력전력과 상기 제2 출력전력이 상이하면 상기 냉각수의 온도를 미리 설정된 온도로 초기화하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 냉각수의 온도가 제1 온도일 때 인버터의 제1 전력손실 및 냉각기의 제1 소비전력의 합인 제1 총소비전력을 계산하는 단계;
    상기 냉각수의 온도가 제2 온도일 때 상기 인버터의 제2 전력손실 및 상기 냉각기의 제2 소비전력의 합인 제2 총소비전력을 계산하는 단계; 및
    상기 제 1 총소비전력 및 제2 총소비전력의 변화량에 따라 상기 냉각수의 온도를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도를 제어하여 수냉형 인버터 시스템의 전력효율이 향상되도록 하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 제2 총소비전력이 상기 제1 총소비전력 보다 크면 상기 제2 온도에서 미리 설정한 단위 온도를 차감하고, 상기 제2 총소비전력이 상기 제1 총소비전력 보다 작으면 상기 제2 온도에 상기 단위 온도를 부가하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 7항 또는 제 12항에 있어서, 상기 제어하는 단계 이후에,
    상기 냉각수의 온도를 기초로 산출되는 상기 인버터 내부 스위칭 소자의 정션온도와 임계 정션온도를 비교하는 단계; 및
    상기 산출된 정션온도가 임계온도 이상이면 상기 냉각수의 온도를 유지하거나 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉형 인버터 시스템의 제어 방법.
  17. 삭제
KR1020120072002A 2012-07-02 2012-07-02 수냉형 인버터 시스템 및 이의 제어 방법 KR101423824B1 (ko)

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