KR101647733B1 - 공기조화기의 전동기 구동장치 - Google Patents

공기조화기의 전동기 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 입력 교류 전원으로부터의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여 전동기를 구동하는 인버터와, 검출된 입력 전류에 기초하여, 입력 교류 전원으로부터의 입력 전압의 크기 및 위상을 추정하며, 추정된 위상에 기초하여, 컨버터의 스위칭 소자를 구동하는 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 공기조화기의 전동기 구동장치에 관한 것이다. 이에 의하여, 전동기 구동장치 내의 입력 전압을 간단하고 정확히 추정할 수 있게 된다.
Figure R1020090021303
전동기, 구동 장치, 입력 전류, 검출, 입력 전압, 추정

Description

공기조화기의 전동기 구동장치{Apparatus for dirving motor of air conditioner}
본 발명은 공기조화기의 전동기 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기 구동장치 내의 입력 전압을 간단하고 정확하게 추정할 수 있는 공기조화기의 전동기 구동장치에 관한 것이다.
공기조화기는 방, 거실, 사무실 또는 영업 점포 등의 공간에 배치되어 공기의 온도, 습도, 청정도 및 기류를 조절하여 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있도록 하는 장치이다.
공기조화기는 일반적으로 일체형과 분리형으로 나뉜다. 일체형과 분리형은 기능적으로는 같지만, 일체형은 냉각과 방열의 기능을 일체화하여 가옥의 벽에 구멍을 뚫거나 창에 장치를 걸어서 설치한 것이고, 분리형은 실내측에는 냉/난방을 수행하는 실내기를 설치하고 실외측에는 방열과 압축 기능을 수행하는 실외기를 설치한 후 서로 분리된 두 기기를 냉매 배관으로 연결시킨 것이다.
한편, 공기조화기에는 압축기, 팬 등에 전동기가 사용되며, 이를 구동하기 위한 전동기 구동장치가 사용되고 있다. 전동기 구동장치는 상용 교류 전원을 입력 받아 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 소정 주파수의 상용 교류 전원으로 변환하여 전동기에 공급함으로써, 압축기, 팬 등의 전동기를 구동하도록 제어한다.
한편, 공기조화기의 고성능과 고효율에 요구사항이 커짐에 따라 고조파 전류, 입력역률, EMC 등과 같은 문제가 이슈화 되고 있다.
예를 들어, 입력 전원측으로의 고조파 전류 유입 및 입력 역률 특성이 안 좋아지는 경우, 전력계통에 접속된 다른 전기기기의 오동작 및 수명에 악영향을 주게 된다. 이에 각국에서는 전력품질 향상을 위해 이에 대한 규제를 실시하거나 추진 중에 있다. 특히, EU에서는 고조파 전류규제인 IEC6100-3-2 등의 규제를 시행하고 있다. 이에 따라, 고조파 잡음을 개선함은 물론 이에 따른 제조비용 저감을 위한 공기조화기의 전동기 구동장치를 개발하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
본 발명의 목적은, 전동기 구동장치 내의 입력 전압을 간단하고 정확히 추정할 수 있는 공기조화기의 전동기 구동장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치는, 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 입력 교류 전원으로부터의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여 전동기를 구동하는 인버터와, 검출된 입력 전류에 기초하여, 입력 교류 전원으로부터의 입력 전압의 크기 및 위상을 추정하며, 추정된 위상에 기초하여, 컨버터의 스위칭 소자를 구동하는 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치는, 전동기 구동 장치 내의 입력 전압을 검출되는 입력 전류에 기초하여 간단하고 정확하게 추정할 수 있게 된다. 또한 검출된 입력 전압의 크기에 기초하여 과전압 여부를 정확히 판단할 수 있게 된다. 이에 따라, 과전압 판단시 구동장치 내의 회로 소자들의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 컨버터 전단에 LCL 필터를 사용함으로써, 스위칭 소자의 스위칭 동작 에 따라 발생하는 입력 전류 리플 성분을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.
또한, 제어부가 컨버터와 인버터를 동시에 제어함으로써, 입력 전압의 크기가 과전압인 경우, 컨버터는 물론 인버터의 동작도 정지시킴으로써, 구동 장치 내의 회로 소자의 안정성을 더욱 확보할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(I)와 실외기(O)로 구분된다.
실외기(O)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(2)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(2b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(4)와, 실외 열교환기(4)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(5a)과 실외팬(5a)을 회전시키는 전동기(5b)로 이루어진 실외 송풍기(5)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(6)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(10)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(3) 등을 포함한다.
실내기(I)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(8)와, 실내측 열교환기(8)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(9a)과 실내팬(9a)을 회전시키는 전동기(9b)로 이루어진 실내 송풍기(9) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(8)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(2)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치에서의 전동기는 도면에서 도시한, 공기 조화기의 실외팬, 압축기 또는 실내 팬을 동작시키기 각 전동기(2b,5b,9b)일 수 있다.
한편, 도 1에서는 실내기(I)와 실외기(O)를 각각 1개씩 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 구동장치는 이에 한정되지 않으며, 복수개의 실내기와 실외기를 구비하는 멀티형 공기조화기, 한 개의 실내기와 복수개의 실외기를 구비하는 공기조화기 등에도 적용이 가능함은 물론이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 도시한 회로도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 전동기 구동장치(200)는, 컨버터(210), 인버터(220), 제어부(230) 및 입력 전류 검출부(A)를 포함한다. 또한, 도 2의 전동기 구동장치(200)는 리액터(L1,L2), 평활 커패시터(C), dc 단 전압 검출부(B), 출력전류 검출부(E) 등을 더 포함할 수도 있다.
리액터(L1,L2)는, 상용 교류 전원(205, vs)과 컨버터(210) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압동작을 수행한다. 또한, 리액터(L1,L2)는 컨버터(210)의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
입력 전류 검출부(A)는 상용 교류 전원(205)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)의 생성 및 입력전압(vs) 추정을 위해 제어부(230)에 입력될 수 있다.
컨버터(210)는 리액터(L1,L2)를 거친 상용 교류 전원(205)을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 도면에서는 상용 교류 전원(205)을 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 삼상 교류 전원일 수도 있다. 상용 교류 전원(205)의 종류에 따라 컨버터(210)의 내부 구조도 달라진다. 예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
컨버터(210)는 스위칭 소자를 구비하여, 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행한다. 한편, 컨버터(210)는 다이오드 등으로 이루어져 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
평활 커패시터(C)는 컨버터(210)의 출력단에 접속된다. 컨버터(210)로부터 출력되는 변환된 직류 전원을 평활하게 된다. 이하에서는 컨버터(210)의 출력단을 dc 단 또는 dc 링크단이라고 한다. dc 단에 평활된 직류 전압은 인버터(220)에 인 가된다.
dc 단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)의 생성을 위해, 제어부(230)에 입력될 수 있다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 전동기(250)에 출력한다.
인버터(220)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(220) 내의 스위칭 소자들은 제어부(230)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 전동기(250)에 출력되게 된다.
제어부(230)는, 컨버터(210)의 스위칭 동작을 제어를 제어한다. 이를 위해, 제어부(230)는, 입력 전류 검출부(A)에서 검출되는 입력 전류(is)를 입력받는다.
제어부(230)는, 컨버터(210)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)를 컨버터(210)에 출력한다. 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)는 PWM용 스위칭 제어신호로서, 입력 전류 검출부(A)로부터 검출되는 입력 전류(is)를 기초로 생성되어 출력된다. 제어부(230) 내의 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)의 출력에 대한 상세 동작은 도 4를 참조하여 후술한다.
또한, 제어부(230)는, 입력 전류 검출부(A)에서 검출되는 입력 전류(is)에 기초하여 입력 전압(vs)의 크기 및 위상을 추정한다. 한편, 제어부(230)는 추정된 입력 전압(vs)의 크기에 기초하여 과전압 보호 동작을 수행할 수 있다. 이에 대해서는 도 4을 참조하여 후술한다.
또한, 제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어할 수도 있다. 이를 위해, 제어부(230)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(220)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 PWM용 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다. 제어부(230) 내의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 출력에 대한 상세 동작은 도 6을 참조하여 후술한다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(220)와 삼상 전동기(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 전동기(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 한 상 또는 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(220)와 전동기(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 또한, 션트 저항은 인버터(220)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(230)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
삼상 전동기(250)는 고정자와 회전자를 구비하며, 각상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 전동기(250)의 종류로는 BLDC(blushless DC) 전동기, synRM(Synchronous Reluctance Motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
삼상 전동기(250)는, 공기조화기의 실외기 내의 팬용 전동기 또는 압축기용 전동기로 사용될 수 있으며, 또한 공기조화기의 실내기 내의 팬용 전동기로 사용될 수 있다.
한편, 상술한 공기조화기의 구동장치(200)가, 예를 들어, 실외기에 사용되는 팬용 전동기 또는 압축기용 전동기를 구동하기 위한 경우, 제어부(230)는 실외기 제어부로서, 실내기에 별도로 배치될 수 있는 실내기 제어부와의 통신을 더 수행하는 것도 가능하다. 실외기 제어부는, 실내기 제어부와의 통신에 의해 운전 지령을 수신하며, 수신된 운전 지령에 기초하여 후술하는 속도 지령치를 결정할 수 있게 된다.
또한, 상술한 공기조화기의 구동장치(200)의 제어부(230)는, 실외기에 사용되는 팬용 전동기 및 압축기용 전동기를 동시에 제어하는 것도 가능하다.
도 3은 도 2의 컨버터의 일예를 보여주는 회로도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 컨버터(210)는, 4개의 다이오드 소자(D1~D4) 및 2개의 스위칭 소자(S1~S2)를 구비한다. 또한 2개의 저항 소자(Rs)를 더 구비할 수 있다.
컨버터(210)의 정류 동작을 위해, 단상 상용 교류 전원에 4개의 다이오드 소자(D1~D4)가 브릿지 형태로 배치된다. 즉, 제1 및 제2 다이오드 소자(D1~D2)가 서로 직렬로 접속되며, 제3 및 제4 다이오드 소자(D3~D4)가 서로 직렬로 접속되며, 또한 제1 및 제2 다이오드 소자(D1~D2)와 병렬로 접속된다. 이 중 하부의 2개의 다이오드 소자(D2,D4)에는 각각 스위칭 소자(S1~S2)가 병렬로 접속된다. 또한, 이 2개의 다이오드 소자(D2,D4)의 일단에는 2개의 저항 소자(Rs)가 각각 접속될 수 있다.
그 동작을 간략히 설명하면, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 턴 온 동작에 의해 리액터(L1,L2)에 전류 성분이 저장되며, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 턴 오프 동작에 의해 리액터(L1,L2)에 저장된 전류 성분이 평활 커패시터(C)로 저장된다. 이에 의해, 승압 기능이 수행되며, 온/오프 스위칭 시간에 의해 역률 보정이 수행된다.
도 4는 도 2의 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면,제어부(230)는, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)의 생성 및 입력전압(vs) 추정을 위해, 전류 지령 생성부(410), 입력 전압 추정부(415), 듀티 생성부(420), 이상 판단부(425), 및 스위칭 제어 신호 출력부(430)를 포함한다.
전류 지령 생성부(410)는 검출된 dc 단 전압(Vdc)과 dc 전압 지령치(V*dc)에 기초하여 전류 지령치(I*)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(410)는, 검출되는 dc 단 전압(Vdc)과 dc 전압 지령치(V*dc)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전류 지령치(I*)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전류 지령 생성부(410)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전류 지령치(I*)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
입력 전압 추정부(415)는, 입력 전류 검출부(A)로부터 검출된 입력 전류(is)로부터 입력 전압의 크기(VM) 및 위상(θM)을 추정한다.
이하에서는, 도 3의 컨버터(210)를 중심으로, 본 발명의 실시예인 검출된 입력 전류로부터 입력 전압을 추정하는 내용을 기술한다. 즉, 컨버터(210)의 전기 방정식의 모델링에 의한 모델 입력 전류(iM)와 검출 입력 전류(is)와의 편차(Δi)를 영으로 제어함으로써, 입력 전압의 진폭(VM)과 위상각(θM)을 추정하도록 한다.
먼저, 도 2의 전동기 구동장치(200)에서의 상용 교류 전원(vs)은 하기의 수 학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112009015137471-pat00001
다음, 도 2의 전동기 구동장치(200)에서의 상용 교류 전원(vs)에서부터 평활 커패시터(C)까지의 전압 방정식은 하기의 수학식 2와 같다.
Figure 112009015137471-pat00002
여기서, Vr은 스위칭 소자(S1 또는 S2)가 온되는 경우 0 V, 스위칭 소자(S1 또는 S2)가 오프되는 경우 평활 커패시터(C) 양단의 전압인 Vdc가 된다.
따라서, 상용 교류 전원(vs)의 한 주기 동안의 평균 전압은 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112009015137471-pat00003
여기서, d는 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 턴 온 듀티비를 나타내며, 그 값은 0 에서 1 사이의 값이다.
한편, 수학식 2를 제어부(230)가 처리하기 위한 이산 방정식으로 변환하면 하기의 수학식 4와 같다.
Figure 112009015137471-pat00004
여기서, Ts는 제어 주기이다. 이는 샘플링 주기와 동일할 수 있다.
또한, 입력 전압 vs[n-1]은 입력 전압의 피크치(Vs)와 해당하는 위상각(θs)으로 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112009015137471-pat00005
또한, 위상각 θs[n]은 [n-1] 시점에서 위상각에 대응하는 값과 초기 위상각(θ0)로 하여 하기의 6과 같이 표현된다.
Figure 112009015137471-pat00006
한편, 상술한 수학식 4를 정리하면 다음의 수학식 7과 같이 된다.
Figure 112009015137471-pat00007
한편, 추정 입력 전압을 다음의 수학식 8과 정의한다.
Figure 112009015137471-pat00008
여기서, vM은 모델링에 의한 추정 입력 전압이고, VM은 추정 입력 전압의 최대치이며, θM은 추정 위상각을 나타낸다.
상술한 수학식 7은 실제 입력 전류(is)에 대한 이상 방정식이며, 이에 컨버터(210)를 모델링한 전기 방정식은 하기의 수학식 9와 같이 변경되어 표현이 가능하다.
Figure 112009015137471-pat00009
수학식 9에서의 모델링된 리액터의 리액턴스(LM1,LM2) 및 저항소자의 저항값(RM)이, 각각 도 2에서의 리액터의 실제치(L1,L2) 및 저항소자의 실제치(Rs)와 동일하다고 가정하면, 실제 입력 전류(is)와 모델링된 입력 전류(iM)와의 전류 오차(Δis)는 하기의 수학식 10과 같이 된다.
Figure 112009015137471-pat00010
이 때의 입력 전압 오차(Δv)는 크기와 위상에 각각 오차가 존재하므로 다음의 수학식 11과 같이 표현된다.
Figure 112009015137471-pat00011
수학식 11을 이용하여 수학식 10을 다시 정리하면, 다음의 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure 112009015137471-pat00012
수학식 12를 푸리에 급수를 이용하여 정리하면, 입력 전압 오차(Δv)와 입력 전압의 위상 오차(Δθ)를 다음과 같이 각각 구할 수 있다.
Figure 112009015137471-pat00013
Figure 112009015137471-pat00014
수학식 13 및 14에, 수학식 12를 대입하여 정리하면, 다음과 같이 입력 전압의 크기(VM) 및 위상(θM)을 추정할 수 있다.
Figure 112009015137471-pat00015
Figure 112009015137471-pat00016
수학식 15와 16에서, KE는 전류 게인(gain), Kθ는 전류 위상 게인(gain)이다. KE는 리액터의 인덕턴스(L1,L2) 및 제어 주기(TS)에 기초하여 구해지며, Kθ는 리액터의 인덕턴스(L1,L2) 및 제어 주기(TS)는 물론, 입력 전압의 크기(VM) 성분에 기초하여 구해진다.
정리하면, 입력 전압의 크기(VM)는 검출된 입력 전류(is) 및 전류 게인(KE)에 기초하여 추정되며, 이 때의 전류 게인(KE)은 리액터의 인덕턴스(L1,L2) 및 제어 주기(TS)로 부터 구해진다.
또한, 입력 전압의 위상(θM)은 검출된 입력 전류(is) 및 전류 게인(Kθ)에 기초하여 추정되며, 이 때의 전류 게인(Kθ)은 리액터의 인덕턴스(L1,L2), 제어 주기(TS), 및 입력 전압의 크기(VM) 성분에 기초하여 구해진다.
한편, 듀티 생성부(420)는, 전류 지령 생성부(410)로부터의 전류 지령치(I*), 입력 전압 추정부(415)로부터의 위상(θM)에 기초하여 컨버터(210) 내의 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 듀티(d)를 산출한다. 예를 들어, 듀티 생성부(420)는, 전류 지령치(I*)와 위상(θM)에 의한 I*cosθM 값과 검출된 입력 전류(is)의 차이에 기초하여, P제어를 수행하여 듀티(d)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 듀티 생성부(420)는 P 제어기(미도시)를 구비할 수 있다.
스위칭 제어 신호 출력부(430)는 생성된 듀티(d)에 기초하여 PWM신호인 컨버터용 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하여 컨버터(210)로 출력한다. 이에 따라 컨버터(210) 내의 스위칭 소자(S1 또는 S2)는 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 된다.
한편, 이상 판단부(425)는, 추정된 입력 전압의 크기(VM)에 기초하여 과전압 여부를 판단한다. 예를 들어, 추정된 입력 전압의 크기의 한 주기 평균 값 또는 rms 값이 미리 설정된 허용치를 초과하는 경우, 이상 판단부(425)는 과전압으로 판 단하여 스위칭 제어 신호 출력부(430)로 동작 정지 신호(Sst)를 출력한다.
스위칭 제어 신호 출력부(430)는 동작 정지 신호(Sst)를 수신하는 경우, 컨버터용 스위칭 제어 신호(Scc)의 출력을 정지한다. 이에 따라, 구동장치(200) 내의 회로 소자들의 소손 등을 방지할 수 있어 회로 소자들의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
도 5는 도 4의 입력 전압 추정부에 의해 추정된 입력 전압을 도시하는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 실제 입력 전압(vs)과 추정된 입력 전압(vM)의 최대치가 스케일링에 의해 일치하여 보이지 않지만, 이는 실험 결과에 따른 표시 상의 차이일 뿐, 실제 입력 전압(vs)과 추정된 입력 전압(vM)의 크기는 거의 일치 한다. 한편, 실제 입력 전압(vs)과 추정된 입력 전압(vM)의 위상 차이는 거의 없음을 알 수 있다.
또한, 검출된 실제 입력 전류(is)와 실제 입력 전압(vs) 또는 추정된 입력 전압(vM)의 위상의 거의 동일함을 알 수 있다.
도 6은 도 2의 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 2의 제어부(230)는 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력함은 물론, 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력하는 것도 가능하다.
이를 위해, 제어부(230)는, 추정부(605), 전류 지령 생성부(610), 전압 지령 생성부(620), 스위칭 제어신호 출력부(630)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 삼상의 출력 전류(io)를 d축, q축 전류로 변환하거나 d축, q축 전류를 삼상의 전류로 변환하는 축 변환부를 더 포함할 수도 있다.
추정부(605)는, 검출된 출력 전류(io)에 기초하여 전동기의 속도(v)를 추정한다. 또한, 회전자의 위치를 추정할 수도 있다. 이는 전동기(250)의 기계 방정식 및 전기 방정식을 서로 비교하여, 그에 따라 전동기의 속도(v)를 추정할 수 있다.
전류 지령 생성부(610)는 추정 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(610)는, 추정 속도(v)와 속도 지령치(v*)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전류 지령 생성부(610)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전류 지령치(i* d,i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령 생성부(620)는 검출된 출력 전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생 성부(620)는, 검출된 출력 전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전압 지령 생성부(620)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
스위칭 제어신호 출력부(630)는 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 PWM신호인 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 인버터(220)로 출력한다. 이에 따라 인버터(220) 내의 스위칭 소자()(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)는 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 된다.
한편, 도 4의 설명에서 기술한 바와 같이, 이상 판단부(425)로 부터 동작 정지 신호(Sst)가 출력되는 경우, 컨버터용 스위칭 제어 신호(Scc)의 출력은 물론 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)의 출력도 정지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 구동장치(200) 내의 컨버터(210) 및 인버터(220)를 비롯한 회로 소자들의 소손 등을 방지할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 도시한 회로도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 7의 공기조화기의 전동기 구동장치(700)는 도 2의 공기조화기의 전동기 구동장치(200)와 거의 동일하다. 따라서, 도 7의 전동기 구동장치(700)에서의 컨버터(710), 인버터(720), 제어부(730), 입력 전류 검출부(A), dc 단 전압 검출부(B), 평활 커패시터(C), 및 출력전류 검출부(E)는 도 2에 대한 설명과 같다.
다만, 도 7의 공기조화기의 전동기 구동장치(700)는 상용 교류 전원(705, vs)과 컨버터(710) 사이에 LCL 필터부(709)를 더 포함한다. 또한, 상용 교류 전원(vs)으로부터의 EMI를 저감하기 위한 EMI 필터부(707)가 더 구비될 수도 있다.
LCL 필터부(709)는, 입력 전류(is)의 리플 성분 등의 고조파 전류를 제거 하기 위하여, 서로 직렬 접속되는 제1 및 제2 인덕터(La,L1), 서로 직렬 접속되는 제3 및 제4 인덕터(Lb,L2), 및 제1 및 제2 인덕터(La,L1)에 병렬 접속되는 제1 커패시터(Ca)를 구비할 수 있다. 제1 커패시터(Ca)는, 제1 및 제2 인덕터(La,L1)의 사이와 제3 및 제4 인덕터(Lb,L2) 사이에 접속된다.
이에 의해, 입력 전류(is) 중 하모닉에 의한 고주파 전류는 인덕터 성분(jwL)에 의해 제한되며, 입력 전류(is) 중 하모닉에 의한 저주파 전류는 커패시터 성분(1/jwC)에 의해 제한되게 된다.
한편, LCL 필터부(709)는 전동기 구동장치 내의 공진 현상을 방지하기 위하여, 제1 커패시터(Ca)에 일단이 접속되는 댐핑 저항(Ra)을 더 포함할 수 있다. 이 댐핑 저항(Ra)에 의해, 양호도(Q)가 낮아지고 대역폭이 넓어져 안정도가 개선된다.
결국, LCL 필터부(709)에 의해, 컨버터(710)의 고속 스위칭에 의해 발생하는 고조파의 하모닉 전류를 제한할 수 있어, 유럽의 고조파 규격인 IEC 61000-3 등의 하모닉(harmonic) 규제에 대응할 수 있게 된다.
그 외 도 7의 공기조화기의 전동기 구동장치(700)의 동작은 도 2의 공기조화기의 전동기 구동장치의 동작과 동일하다. 특히, 컨버터(710)는, 도 3에 도시된 바와 동일할 수도 있다.
도 8은 도 2 및 도 7의 구동장치에 따른 검출 입력 전류를 도시한 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 7에 대한 설명에서 상술한 바와 같이, LCL 필터가 구비되는 도 7의 구동장치(700)에서의 입력 전류(is)가 도 2에 비해, 전류 리플 성분이 더 제거된 것을 알 수 있다. 이에 따라, 입력 전압 추정시 더욱 정밀한 입력 전압 추정이 수행될 수도 있으며, 나아가 구동장치(700) 내의 전반적인 회로 안정성이 더 확보되게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모 든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 도 2의 컨버터의 일예를 보여주는 회로도이다.
도 4는 도 2의 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도 5는 도 4의 입력 전압 추정부에 의해 추정된 입력 전압을 도시하는 도면이다.
도 6은 도 2의 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 8은 도 2 및 도 7의 구동장치에 따른 검출 입력 전류를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210:컨버터 220:인버터
230:제어부 415:입력 전압 추정부
420:듀티 생성부 425:이상 판단부
320:전압지령 생성부 330:스위칭 제어 신호 출력부
A:입력 전류 검출부 B:dc단 전압 검출부
E:출력 전류 검출부

Claims (12)

  1. 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 입력 교류 전원으로부터의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부;
    복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 상기 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여 전동기를 구동하는 인버터;
    상기 검출된 입력 전류에 기초하여, 상기 입력 교류 전원으로부터의 입력 전압의 크기 및 위상을 추정하며, 상기 추정된 위상에 기초하여, 상기 컨버터의 스위칭 소자를 구동하는 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부; 및
    상기 인버터와 상기 전동기 사이에 흐르는 출력전류를 검출하는 출력전류 검출부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 인버터의 스위칭 소자들을 구동하는 인버터 스위칭 제어 신호를 출력하며,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 입력 전류에 기초하여, 상기 입력 전압의 크기 및 위상을 추정하는 입력 전압 추정부;
    상기 검출된 입력 전류 및 상기 입력 전압의 위상에 기초하여, 상기 컨버터의 스위칭 제어 신호의 듀티를 생성하는 듀티 생성부; 및
    상기 생성된 듀티에 기초하여, 상기 컨버터 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;
    상기 추정된 입력 전압의 크기에 기초하여, 과전압 여부를 판단하는 이상 판단부;
    상기 검출된 출력 전류에 기초하여 상기 전동기의 속도를 추정하는 추정부;
    속도 지령치 및 상기 추정부에서 추정된 속도에 기초하여 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치 및 상기 검출된 출력 전류에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 제2 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 과전압 판단시, 상기 스위칭 제어 신호 출력부로부터의 상기 스위칭 제어 신호의 출력을 정지시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 교류 전원과 상기 컨버터 사이에 접속되는 리액터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력 전압의 크기는, 상기 검출된 입력 전류, 상기 리액터의 인덕턴스 및 제어 주기에 기초하여 결정되며,
    상기 입력 전압의 위상은, 검출된 입력 전류, 상기 리액터의 인덕턴스, 상기 제어 주기, 및 입력 전압의 크기에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 컨버터 출력단인 dc 단 전압의 검출치 및 dc 단 전압의 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;를 더 포함하며,
    상기 듀티 생성부는, 상기 전류 지령치, 상기 검출된 입력 전류, 및 상기 입력 전압의 위상에 기초하여, 상기 컨버터의 스위칭 제어 신호의 듀티를 생성하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    서로 직렬로 접속된 제1 및 제2 다이오드 소자;
    상기 제1 및 제2 다이오드 소자와 병렬로 연결되며, 서로 직렬로 접속된 제3 및 제4 다이오드 소자; 및
    상기 제2 및 제4 다이오드 소자 양단에 각각 병렬로 접속되는 제1 및 제2 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 제2 및 제4 다이오드 소자의 일단에 각각 접속되며, 서로 병렬로 접속되는 제1 및 제2 저항소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동 기 구동장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입력 교류 전원과 상기 컨버터 사이에, 서로 직렬 접속되는 제1 및 제2 인덕터와, 상기 제1 및 제2 인덕터 사이에 병렬 접속되는 제1 커패시터를 구비하는 LCL 필터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 LCL 필터부는
    상기 제1 커패시터의 일단에 접속된 댐핑 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 구동장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
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