KR101698778B1 - 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템 - Google Patents

분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 분산전원을 이용한 전동기 구동장치는, 본 발명의 실시예에 따른 분산전원을 이용한 전동기 구동장치는, 외부로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변화시켜 dc 단 버스에 출력하는 dc/dc 컨버터와, dc 단 버스의 직류 전원을 스위칭 동작에 의해 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원으로 전동기를 구동하는 인버터를 포함하고, dc/dc 컨버터는, 서로 병렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하며, 제1 및 제2 스위칭 소자가 교호하게 턴 온되어, 외부 직류 전원을 dc 단 버스에 출력한다. 이에 의하여, 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템 내의 전류 리플을 저감할 수 있게 된다.
Figure R1020090071699
전동기, 구동 장치, 교호, 스위칭

Description

분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템{Apparatus for dirving motor using distributed power and distributed power system}
본 발명은 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류 리플을 저감할 수 있는 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템에 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 입력받아 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, 전동기 구동장치의 소비전력 효율 향상, 고조파 전류, 입력역률, EMC 등과 같은 문제가 이슈화 되고 있다.
이러한 고성능 고효율의 전력 문제는, 상술한 공기조화기등을 비롯한 각종 전자기기 모두에 공통되는 관심사이며, 따라서, 가정이나 공공 건물 등의 전력 시스템에서도 이슈화 되고 있다.
본 발명의 목적은, 전류 리플을 저감할 수 있는 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 분산전원을 이용한 전동기 구동장치는, 외부로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변화시켜 dc 단 버스에 출력하는 dc/dc 컨버터와, dc 단 버스의 직류 전원을 스위칭 동작에 의해 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원으로 전동기를 구동하는 인버터를 포함하고, dc/dc 컨버터는, 서로 병렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하며, 제1 및 제2 스위칭 소자가 교호하게 턴 온되어, 외부 직류 전원을 dc 단 버스에 출력한다.
또한, 상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 dc/dc 컨버터는, 서로 직렬로 연결되며, dc 단 버스의 양단 사이에서, 쌍을 이루어 배치되는 제1 및 제2 다이오드 소자와, 서로 직렬로 연결되며 dc 단 버스의 양단 사이에서 쌍을 이루며 제1 및 제2 다이오드 소자와 각각 병렬로 연결되는 제3 및 제4 다이오드 소자와, 제3 및 제4 다이오드 소자에 각각 병렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하고, 제1 및 제2 스위칭 소자가 교호하게 턴 온되어, 외부 직류 전원을 dc 단 버스에 출력한다.
또한, 상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따 른 분산전원 시스템은, 외부로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변화시켜 dc 단 버스에 출력하는 dc/dc 컨버터와, dc 단 버스의 직류 전원을 스위칭 동작에 의해 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 AC 부하로 공급하는 인버터와, 계통으로부터의 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc 단 버스에 공급하거나, dc 단 버스의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통으로 전달하는 양방향 ac/dc 컨버터를 포함하며, dc/dc 컨버터는, 서로 병렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하며, 제1 및 제2 스위칭 소자가 교호하게 턴 온되어, 외부 직류 전원을 상기 dc 단 버스에 출력한다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템은, dc/dc 컨버터에 구비되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 교호하게 턴 온함으로써, 전류 리플이 저감되는 직류 전원을 출력할 수 있게 된다.
또한, dc/dc 컨버터를 이용하여 외부로부터의 직류 전원을 변환하여, dc 단 버스에 공급할 수 있어, 효율적으로 외부 전원을 dc 단 버스에 공급할 수 있게 된다.
또한, dc 전압 충방전부를 이용함으로써, dc 단 버스의 전압을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 특히, AC 부하의 순간 과부하 또는 교류 전원의 정전에 의해, dc 단 버스의 전압이 급격히 하강하는 경우, dc 전압 충방전부로부터 전압을 보충함으로써, 분산전원을 이용한 전동기 구동장치 및 분산전원 시스템 내의 안정성이 확보되게 된다.
또한, AC 부하에서 소비되는 전력과 dc/dc 컨버터를 통해 dc 단 버스로 공급되는 전력을 비교하여, 계통에서 dc 단 버스로 전원을 공급하거나, dc 단 버스에서 계통으로부터 전원을 공급할 수 있어, 효율적인 전력 사용을 도모할 수 있게 된다.
또한, 다양한 에너지 공급원으로부터 생성되는 직류 전원을 이용하여, 전동기 등의 AC 부하를 동작시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 구동장치를 회로도이다.
도면과 같이, 입력되는 전원이 외부(PV1,PV2)에 의하는 경우 이를 분산 전원이라고 한다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 전동기 구동장치(100)는, dc/dc 컨버터(115), 및 인버터(125)를 포함한다. 또한, 전동기 구동장치(100)는, dc 전압 검출부(A) 및 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전동기 구동장치(100)는, dc/dc 컨버터(115)를 제어하는 직류 변환 제어부(118) 및 인버터(125)를 제어하는 인버터 제어부(128)를 더 포함할 수 있다.
먼저, dc/dc 컨버터(115)는, 외부로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변화시켜 dc 단 버스(110)에 출력한다.
여기서 외부로부터 공급되는 직류 전원은, 태양광, 풍력, 조력, 지열 등 중 적어도 하나를 이용한 직류 전원일 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 전동기 구동장치(100)는 다양한 에너지 공급원으로부터 생성되는 직류 전원을 이용하여, dc 단 버스(110)에 출력할 수 있게 된다.
도면에서는 태양광을 전기적인 전원으로 변환하는 것을 위해 태양전지(PV1,PV2)를 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이하에서는 일예로 태양광이 전기적으로 변환된 직류 전원인 것으로 기술한다.
dc/dc 컨버터(115)는 입력되는 직류 전원을 레벨 변화시켜, dc 단 버스(110)에 출력한다. dc/dc 컨버터(115)는 레벨을 상승시키는 승압형, 레벨을 하강시키는 강압형 모두 가능하다.
이를 위해, dc/dc 컨버터(115)는, 다이오드 소자 및 스위칭 소자 등을 포함할 수 있다. 도면에서는 일예로, dc/dc 컨버터(115)가, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1 ~ S2), 및 제1 내지 제4 다이오드 소자(D1 ~ D4)를 구비하는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, dc/dc 컨버터(115)는, 변압기(미도시) 등을 더 포함할 수도 있다.
제1 다이오드 소자(D1)와 제2 다이오드 소자(D2)는, 서로 직렬로 연결되며, dc 단 버스(110)의 양단 사이에서 쌍을 이루어 배치된다. 제3 다이오드 소자(D3)와 제4 다이오드 소자(D4)는, 서로 직렬로 연결되며, dc 단 버스(110)의 양단 사이에서 쌍을 이루며, 제1 다이오드 소자(D1), 제2 다이오드 소자(D2)와는 병렬로 연결된다. 한편, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)는, 제2 및 제4 다이오드 소자(D2, D4)에 각각 역병렬로 접속된다.
예를 들어, 태앙전지(PV1,PV2)의 직류 전원을 dc 단 버스(110)로 레벨 변환하여 공급하는 경우, dc/dc 컨버터(115) 내의 제1 및 제2 스위칭소자(S1, S2)는 교 호하게 턴 온될 수 있다. 제1 및 제2 스위칭소자(S1, S2)를 교호하게 턴 온 시킴으로써, dc 단 버스로 공급되는 직류 전원의 전류 리플 성분을 현저히 감소시킬 수 있게 된다. 이러한 dc/dc 컨버터(115)의 동작에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
한편, 직류 변환 제어부(118)는, dc/dc 컨버터(115)의 스위칭 동작을 제어를 제어한다. 직류 변환 제어부(118)는, dc/dc 컨버터(115)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 예를 들어 직류 변환 스위칭 제어신호(Sdc)를 dc/dc 컨버터(115)에 출력한다.
한편, 태앙전지(PV1,PV2)와 dc/dc 컨버터(115) 사이에는, dc 단 버스(110)로의 전원 레벨 변환 공급시의 전류의 저장 및 방출을 위한 인덕터(L1,L2)를 더 포함할 수 있다. 이에 의해, 승압 또는 강압이 가능할 수 있게 된다.
한편, 상술한 바와 같이, 전동기 구동장치(100) 하에서, dc/dc 컨버터(115)를 이용하여 외부로부터의 직류 전원을 변환하여, dc 단 버스(110)에 공급할 수 있어, 외부 전원을 효율적으로 dc 단 버스(110)에 공급할 수 있게 된다.
한편, dc 단 버스(110)는, 전동기 구동장치(100) 하에서 직류 전원을 공급하는 부분으로서, 도면과 같이, 평활 커패시터(C)가 양단에 접속되어 직류 전원을 저장 또는 평활할 수 있다.
dc 단 버스(110)의 전원은, dc/dc 컨버터(115)에 의해, 외부 직류 전원이 공급되며, 인버터(125)는 전동기(120)를 구동하는 데에 이를 이용한다. 이하에서는, dc 단 버스의 직류 전원을 Vdc로 표현한다.
dc 전압 검출부(A)는 dc 단 버스의 직류 전압(Vdc)을 검출한다. 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 dc 단 버스의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 직류 변환 제어부(118)에 인가될 수 있으며, dc 단 버스의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 충방전 스위칭 제어신호(Scc)가 생성된다.
인버터(125)는, 복수개의 인버터용 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해, dc 단 버스의 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수, 소정 크기의 교류 전원으로 AC 부하 즉, 전동기(120)에 변환하여 출력한다.
인버터(125)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 다이오드 소자(Da,D'a,Db,D'b,Dc,D'c)가 역병렬로 연결된다.
인버터(125) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(128)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 각 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해, 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는 펄스폭이 가변되며, 이에 따라 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 전동기(120)에 출력되게 된다.
한편, 인버터 제어부(128)는, 인버터(125)의 스위칭 동작을 제어를 제어한다. 인버터 제어부(128)는, 인버터(125)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 예를 들 어 펄스폭이 가변되는 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(125)에 출력한다. 인버터 제어부(128) 내의 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)의 출력에 대한 상세 동작은 도 9를 참조하여 후술한다.
전동기(120)는, 삼상 전동기일 수 있다. 전동기(120)는, 고정자와 회전자를 구비하며, 각상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 전동기(120)의 종류로는 BLDC(blushless DC) 전동기, synRM(Synchronous Reluctance Motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
출력 전류 검출부(E)는, 인버터(125)와 삼상 전동기(120) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 전동기(120)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 전동기(120)의 삼상인 u,v,w 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(125)와 전동기(120) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)의 생성을 위해, 인버터 제어부(128)에 입력될 수 있다. 인버터 제어부(128)의 동작은 도 9를 참조하여 후술한다.
한편, 도면에서는, 직류 변환 제어부(118) 및 인버터 제어부(128)를 각각 별개의 제어부로 도시하나, 2개의 제어부가 하나로 통합되어 구현이 가능하다.
도 2 및 도 3은 도 1의 dc/dc 컨버터의 동작을 설명하기위해 참조되는 도면 이다.
도면을 참조하여 설명하면, 먼저 도 2(a)는 dc/dc 컨버터(115) 내의 제1 스위칭 소자(S1)가 턴오프되는 것을 도시한다. 이에 따라, 태양전지(PV1)으로부터의 직류 전원은 인덕터(L1), 제1 다이오드(D1)를 거쳐 dc 단 버스(110)에 공급되게 된다.
다음, 도 2(b)는 dc/dc 컨버터(115) 내의 제1 스위칭 소자(S1)가 턴온되는 것을 도시한다. 이에 따라, 태양전지(PV1)으로부터의 직류 전원은 인덕터(L1), 제1 스위칭 소자(S1)를 거치며, dc 단 버스(110)에는 공급되지 않게 된다.
다음, 도 2(c)는 dc/dc 컨버터(115) 내의 제2 스위칭 소자(S2)가 오프되는 것을 도시한다. 이에 따라, 태양전지(PV2)으로부터의 직류 전원은 인덕터(L2), 제3 다이오드(D3)를 거쳐 dc 단 버스(110)에 공급되게 된다.
다음, 도 2(d)는 dc/dc 컨버터(115) 내의 제2 스위칭 소자(S2)가 오프되는 것을 도시한다. 이에 따라, 태양전지(PV2)으로부터의 직류 전원은 인덕터(L2), 제2 스위칭 소자(S2)를 거치며, dc 단 버스(110)에는 공급되지 않게 된다.
다음, 도 3(a)는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)가 동시에 턴 온 하는 것을 보여주며, 도 3(b)는, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)가 교호하게 턴 온하는 것을 보여준다.
도 3(a)와 같이, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 동시에 턴 온, 턴 오프 하게 되면, 특히, 동시에 턴 오프 하는 동안, 제1 및 제3 다이오드 소자(D1, D3)에 는 각각 제1 및 제3 다이오드 전류(iD1,iD3)가 흐르며, 그 값은 턴 오프 시간에 비례하여 점차 하강하게 된다. 이 때의 레벨 차이는 도면과 같이 a라 한다. 한편, 제1 및 제3 다이오드 전류의 그 합(iD1+iD3)은, 동시의 턴 온, 턴 오프 동작에 의해, 그 리플이 커지게 된다. 이때의 레벨 차이는 도면과 같이 2a가 된다.
다음, 도 3(b)와 같이, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 교호하게 턴 온하는 경우, 제1 및 제3 다이오드 소자(D1, D3)에는 각각 제1 및 제3 다이오드 전류(iD1,iD3)가 교호하게 흐르며, 그 값은 턴 오프 시간에 비례하여 점차 하강하게 된다. 이 때의 레벨 차이는 도면과 같이 a라 한다. 한편, 제1 및 제3 다이오드 전류의 그 합(iD1+iD3)은, 교호한 턴 온 동작에 의해, 그 리플이 작아지게 된다. 즉, 이때의 레벨 차이는 도면과 같이 a 보다 작은 k가 된다.
도면에서는, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온 동작이 시간을 달리하여 교호하게 턴 온되는 것으로 도시하면서, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 오프 동작이 일부 중첩 구간을 두어 교호하게 턴 오프 되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 중첩하지 않고 교호하게 턴 오프 도는 것도 가능하다.
결국, dc/dc 컨버터(115)는, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)를 서로 교호하게 턴 온 함으로써, 외부로부터 직류 전원을 레벨 변환하여 dc 단 버스(110)에 공급하면서, dc 단 버스(110)로 공급되는 전류의 리플 성분을 저감할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분산 전원 시스템을 도시한 회로도이다.
도면과 같이, 입력되는 전원이 외부(PV1,PV2) 및 계통(405)으로 나뉘어 전원이 공급되는 시스템을 분산 전원 시스템(400)이라고 한다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시스템(400)은, dc/dc 컨버터(415), 인버터(425), dc 전압 충방전부(430), 양방향 dc/dc 공급부(435), 및 양방향 ac/dc 컨버터(445)를 포함한다. 또한, 분산 전원 시스템(400)은, dc 전압 검출부(A) 및 출력 전류 검출부(A)를 더 포함할 수 있다.
또한, 분산 전원 시스템(400)은, 각 전력 변환부를 제어하는, 직류 변환 제어부(418), 인버터 제어부(428), 충방전 제어부(438), 및 양방향 변환 제어부(448)를 더 포함할 수 있다. 또한, 분산 전원 시스템(400)은, 제2 dc/dc 컨버터(465)를 더 포함할 수 있다.
dc/dc 컨버터(415), 인버터(425), 직류 변환 제어부(418), 인버터 제어부(428), dc 전압 검출부(A) 및 출력 전류 검출부(E)의 동작은 도 1에서 기술한 dc/dc 컨버터(115), 인버터(125), 직류 변환 제어부(118), 인버터 제어부(128), dc 전압 검출부(A) 및 출력 전류 검출부(E)와 그 동작이 유사하므로 상술한 바에 따른다.
dc 전압 충방전부(430)는, dc 단 버스(410)의 직류 전원을 충전하거나 저장된 직류 전원을 dc 단 버스(410)로 방전한다. 이를 위해, dc 전압 충방전부(430)는, 예를 들어, 배터리를 포함할 수 있다. 이때, 배터리는 복수개로 구현될 수 있으며, 이를 배터리 뱅크라 할 수 있다.
한편, dc 단 버스(410)는, 분산 전원 시스템(400) 하에서 직류 전원을 공급 하는 부분으로서, 도면과 같이, 평활 커패시터(C)가 양단에 접속되어 직류 전원을 저장 또는 평활할 수 있다.
dc 단 버스(410)의 전원은, 후술하는 바와 같이, dc 전압 충방전부(430)로 공급되거나, dc 전압 충방전부(430)에서 다시 공급될 수 있으며, dc/dc 컨버터(415)에 의해, 외부 직류 전원이 공급될 수 있으며, 양방향 ac/dc 컨버터(445)에 의해 계통(405)의 전원이 변환되어 공급되거나, 계통(405)으로 공급될 수 있다.
양방향 dc/dc 공급부(435)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 동작에 의해, dc 단 버스(410)의 직류 전원을 dc 전압 충방전부(430)로 공급하거나, dc 전압 충방전부(430)의 직류 전원을 dc 단 버스(410)로 공급한다.
도면에서는 일예로, 양방향 dc/dc 공급부(435)가, 제3 스위칭 소자 내지 제6 스위칭 소자(S3 ~ S6), 및 제5 다이오드 소자 내지 제8 다이오드 소자(D5 ~ D8)를 구비하는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않는다.
제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)는, 서로 직렬로 연결되며, dc 단 버스(410)의 양단 사이에서 쌍을 이루어 배치된다.
제5 스위칭 소자(S5)와 제6 스위칭 소자(S6)는, 서로 직렬로 연결되며, dc 단 버스(410)의 양단 사이에서 쌍을 이루며, 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4)와는 병렬로 연결된다.
제5 다이오드 소자 내지 제8 다이오드 소자(D5 ~ D8)는, 제3 스위칭 소자 내지 제6 스위칭 소자(S3 ~ S6)에 각각 역병렬로 접속된다.
예를 들어, dc 단 버스(410)의 직류 전원을 dc 전압 충방전부(430)로 충전하 는 경우, 양방향 dc/dc 공급부(435) 내의 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)는 턴 온 하고, 제4 및 제6 스위칭소자(S4, S6)는 턴 오프될 수 있으며, dc 전압 충방전부(430)의 저장된 직류 전원을 dc 단 버스(410)로 방전하는 경우, 양방향 dc/dc 공급부(435) 내의 제4 및 제6 스위칭소자(S4, S6)는 턴 온 하고, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)는 턴 오프될 수 있다.
한편, 충방전 제어부(438)는, 양방향 dc/dc 공급부(435)의 스위칭 동작을 제어를 제어한다. 충방전 제어부(438)는, 양방향 dc/dc 공급부(435)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 예를 들어 충방전 스위칭 제어신호(Scc)를 양방향 dc/dc 공급부(435)에 출력한다.
한편, 양방향 dc/dc 공급부(435)와 충방전 제어부(438) 사이에는, 충방전시의 전류의 저장 및 방출을 위한 인덕터(L3,L4)를 더 포함할 수 있다. 이에 의해, 승압 또는 강압이 가능할 수 있게 된다.
양방향 dc/dc 공급부(435)의 동작에 대해서는 후술하는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
양방향 ac/dc 컨버터(445)는, 계통(405)으로부터의 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc 단 버스(410)에 공급하거나, dc 단 버스(410)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통(405)으로 전달한다. 이를 위해, 양방향 ac/dc 컨버터(445)는, 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있다.
도면에서는 일예로, 양방향 ac/dc 컨버터(445)가, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sr,Ss,St) 및 하암 스위칭 소자(S'r,S's,S't)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sr&S'r,Ss&S's,St&S't)로 연결되는 것을 도시한다. 각 스위칭 소자(Sr,S'r,Ss,S's,St,S't)에는 다이오드 소자(Dr,D'r,Ds,D's,Dt,D't)가 역병렬로 연결된다.
이러한 예는, 계통(405)이 삼상 교류 전원인 경우를 가정한 것이며, 계통(405)이 단상인 경우는, 세쌍이 아닌 두쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결되며, 각 스위칭 소자에는 다이오드 소자가 역병렬로 연결될 수 있다.
양방향 ac/dc 컨버터(445) 내의 스위칭 소자들은 양방향 변환 제어부(448)로 부터의 양방향 변환 스위칭 제어 신호(Sbc)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 각 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해, 계통(405)으로부터의 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc 단 버스(410)에 공급하거나, dc 단 버스(410)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통(405)으로 전달한다.
한편, 양방향 변환 제어부(448)는, 양방향 ac/dc 컨버터(445)의 스위칭 동작을 제어한다. 양방향 변환 제어부(448)는, 양방향 ac/dc 컨버터(445)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 양방향 변환 스위칭 제어신호(Sbc)를 양방향 ac/dc 컨버터(445)에 출력한다.
한편, 양방향 변환 제어부(448)와 계통(405) 사이에는, 양방향 변환 제어부(448) 내의 스위칭 소자의 동작에 따라 전류의 저장 및 방출을 위한 인덕터(Lr,Ls,Lt)를 더 포함할 수 있다. 이에 의해, 승압 또는 강압이 가능할 수 있게 된다. 또한, 역률이 개선될 수 있으며, 고조파 전류 성분을 제거할 수도 있다.
제2 dc/dc 컨버터(465)는, dc 단 버스의 직류 전압을 레벨 변화시켜, dc 부 하(260)에 출력한다. 제2 dc/dc 컨버터(465)는 레벨을 상승시키는 승압형, 레벨을 하강시키는 강압형 모두 가능하다. 이를 위해, 제2 dc/dc 컨버터(465)는, 다이오드 소자 및 스위칭 소자 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 dc/dc 컨버터(465)는, dc/dc 컨버터(415)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
한편, 도면에서는, 인버터 제어부(428), 직류 변환 제어부(418), 충방전 제어부(438), 및 양방향 변환 제어부(448)를 각각 별개의 제어부로 도시하나, 적어도 2개의 제어부가 하나로 통합되어 구현이 가능하며, 또한, 단일의 제어부가 모든 제어부를 포함하여 구현되는 것도 가능하다.
도 5는 도 1의 분산 전원 시스템의 전력 흐름을 간략히 나타내는 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 먼저, dc 단 버스(410)의 전력 중 적어도 일부(Pdc)가 dc 전압 충방전부(430)로 공급되게 된다. 이를 위해, 복수의 스위칭을 구비하는 양방향 dc/dc 공급부(435)는 스위칭 동작을 수행한다. 이러한 경우는, dc 단 버스(410)의 전압이 dc 전압 충방전부(430)의 전압 보다 높은 것을 전제로한다.
한편, 예를 들어, AC 부하(420)에 급격한 과부하가 걸리는 경우, 또는 DC 부하(420)에 급격한 과부하가 걸리는 경우, dc 단 버스(410)의 직류 전압이 제1 소정치 이하로 순간적으로 하강할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에서는, 분산 전원 시스템의 안정성을 향상시키기 위해, dc 전압 검출부(A)에서 검출된 dc 단 버스(410)의 직류 전압이 제1 소정치 이하로 하강하는 경우, 양방향 dc/dc 공급부(435)를 동작시켜, dc 전압 충방전부(430)의 전 력 중 적어도 일부(Pbat)가 dc 단 버스(410)로 공급되게 한다.
한편, 계통(405)으로부터의 상용 교류 전원이 변환되어 dc 단 버스(410)에 직류 전원을 공급하다가, 순간적으로 정전이 발생하는 경우에도, 상술한 바와 같이, 양방향 dc/dc 공급부(435)를 동작시켜, dc 전압 충방전부(430)의 전력 중 적어도 일부(Pbat)가 dc 단 버스(410)로 공급되게 할 수 있다.
또한, 외부, 예를 들어 태양 전지(PV)로부터의 직류 전원이 변환되어 dc 단 버스(410)에 직류 전원을 공급하다가, 외부적인 요인에 의해 지속적으로 직류 전원을 공급하지 못하는 경우에도, 상술한 바와 같이, 양방향 dc/dc 공급부(435)를 동작시켜, dc 전압 충방전부(430)의 전력 중 적어도 일부(Pbat)가 dc 단 버스(410)로 공급되게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 양방향 ac/dc 컨버터(445)는, 계통(405)으로부터의 교류 전력(Ps)를 dc 단 버스(410)에 공급할 수 있으며, dc/dc 컨버터(415)는, 외부, 예를 들어 태양 전지(PV)로부터의 전력(Ppv)을 dc 단 버스(410)에 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는, 분산 전원 시스템의 안정성을 향상시키기 위해, dc 전압 검출부(A)에서 검출된 dc 단 버스(410)의 직류 전압이 제2 소정치 이상으로 상승하는 경우, dc 단 버스(410)의 직류 전압이 과도하게 상승하는 것을 방지하기 위해, dc/dc 컨버터(4345)의 동작을 오프시켜, 직류 전원이 더 이상 dc 단 버스(410)에 공급되지 않도록 한다. 또는, 양방향 dc/dc 공급부(435)의 동작을 오프시켜, 계통(405)으로부터의 교류 전원이 더 이상 dc 단 버스(410)에 공급되지 않도록 한다.
한편, 상술한 제2 소정치는 제1 소정치 보다 높은 것이 바람직하다.
한편, dc/dc 컨버터(415)를 통해 태양 전지(PV)로부터 dc 단 버스(410)로 공급되는 전력(Ppv)이 인버터(425)를 통해 AC 부하에서 소비되는 전력(Pinv) 보다 더 큰 경우, 양방향 ac/dc 컨버터(445)가 dc 단 버스(410)의 전력의 적어도 일부(Pdc)를 계통(405)으로 공급하도록 동작할 수 있다.
이는 DC 부하(460)와 dc 전압 충방전부(430)에서 각각 소비되는 전력(Pconv, Pbat)이 일정하거나 없다고 가정하는 경우에 적용될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 단지 태양 전지(PV)로부터 dc 단 버스(410)로 공급되는 전력(Ppv)이 인버터(425)를 통해 AC 부하(420)에서 소비되는 전력(Pinv) 보다 더 크기만 하면 적용 가능할 수 있다.
한편, 인버터(425)를 통해 AC 부하(420)에서 소비되는 전력(Pinv)이 태양 전지(PV)로부터 dc 단 버스(410)로 공급되는 전력(Ppv) 보다 더 큰 경우, 양방향 ac/dc 컨버터(445)가 계통(405)으로부터의 전력(Ps)을 dc 단 버스(410)로 공급하도록 동작할 수 있다.
한편, dc 단 버스(410)의 직류 전원(Vdc)은, AC 부하(420), DC 부하(460), 계통(405), 및 dc 전압 충방전부(430) 중 우선 순위가 높은 순서대로 공급될 수 있다. 즉, dc 단 버스(410)의 전력 중 적어도 일부(Pdc)가 전력 우선 순위대로 각 부하에 공급될 수 있다.
예를 들어, AC 부하(420) 또는 DC 부하(460)는, dc 전압 충방전부(430), 및 계통(405) 보다 그 우선순위가 높게 설정될 수 있으며, 이에 따라, dc 단 버 스(410)의 직류 전원(Vdc)은, dc 전압 충방전부(430), 및 계통(405) 보다 AC 부하(420) 또는 DC 부하(460) 에 먼저 공급될 수 있다. 한편, AC 부하(420)가 DC 부하(460) 보다 그 우선 순위가 더 높을 수 있다. 한편, dc 전압 충방전부(430)가 계통(405) 보다는 그 우선 순위가 높게 설정될 수 있다.
이와 같이, 전력 비교 또는 우선 순위에 따라 전력의 흐름을 제어함으로써, 분산 전원 시스템(400) 하에서 효율적인 전력 사용을 도모할 수 있게 된다.
한편, dc 단 버스(410)의 직류 전원(Vdc)을 사용하는 AC 부하(420), DC 부하(460), 계통(405), 및 dc 전압 충방전부(430) 중 우선 순위가 낮은 순서대로 그 동작을 정지시키는 것도 가능하다.
한편, 상술한 분산 전원 시스템(400) 내에서, 전력 흐름 제어는, 상술한 바와 같이, 충방전 제어부(438), 인버터 제어부(428), 직류 변환 제어부(418), 및 양방향 변환 제어부(448)의 각각의 통신에 따라, 각각 제어하는 장치의 동작을 제어하는 것이 가능하나 이에 한정되지 않으며, 단일의 제어부를 통해 전력 제어를 일괄적으로 수행하는 것이 가능하다.
한편, 각 장치로부터의 전력, 즉 태양 전지(PV)로부터 공급되는 전력(Ppv), AC 부하(420)에서 소비되는 전력(Pinv), dc 단 버스(410)의 전력(Pdc), DC 부하(460)에서 소비되는 전력(Pconv), dc 전압 충방전부(430)에서 소비되는 전력(Pbat), 및 계통(405)으로부터의 전력(Ps)은, 각 전압 검출부(미도시)를 통해 검출되는 것이 가능하다. 이에 따라, 상술한 dc 전압 검출부(A) 외에, 태양 전지(PV), AC 부하(420), DC 부하(460), dc 전압 충방전부(430), 및 계통(405)의 전 압을 검출하는 전압 검출부(미도시)가 각각 구비되는 것이 바람직하다. 그 외 태양 전지(PV), AC 부하(420), DC 부하(460), dc 전압 충방전부(430), 및 계통(405)의 전류를 검출하는 전류 검출부(미도시)가 각각 구비되는 것도 가능하다.
도 6 및 도 7은 도 4의 양방향 dc/dc 공급부의 동작을 설명하기위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 먼저 도 6은 양방향 dc/dc 공급부의 충전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)를 보면, dc 단 버스(410)의 양 단에 양방향 dc/dc 공급부(435)가 접속되며, 양방향 dc/dc 공급부(435)는, 리액터(L3,L4), 및 dc 전압 충방전부(430)가 접속된다.
dc 단 버스(410)의 직류 전원(Vdc)을 dc 전압 충방전부(430)에 충전하기 위해, 양방향 dc/dc 공급부(435)내의 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)가 턴 온되는 것을 보여준다. 이때 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)는 턴 오프 되는 것으로 한다.
도 6(b)는 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)가 동시에 턴 온 하는 것을 보여주며, 도 6(c)는, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)가 교호하게 턴 온하는 것을 보여준다.
도 6(b)와 같이, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)를 동시에 턴 온하는 경우, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)에는 각각 제3 및 제5 스위칭 전류(is3,is5)가 흐르 며, 그 값은 턴 온 시간에 비례하여 점차 상승하게 된다. 이 때의 레벨 차이는 도면과 같이 a'라 한다. 한편, 제3 및 제5 스위칭 전류의 그 합(is3+is5)은, 동시의 턴 온 동작에 의해, 그 리플이 커지게 된다. 이때의 레벨 차이는 도면과 같이 2a'가 된다.
다음, 도 6(c)와 같이, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)를 교호하게 턴 온하는 경우, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)에는 각각 제3 및 제5 스위칭 전류(is3,is5)가 교호하게 흐르며, 그 값은 턴 온 시간에 비례하여 점차 상승하게 된다. 이 때의 레벨 차이는 도면과 같이 a'라 한다. 한편, 제3 및 제5 스위칭 전류의 그 합(is3+is5)은, 교호한 턴 온 동작에 의해, 그 리플이 작아지게 된다. 즉, 이때의 레벨 차이는 도면과 같이 a'가 된다.
도면에서는, 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)의 턴 온 동작이 시간을 달리하여 교호하게 턴 온되는 것으로 도시하나, 이에 한정되지 않으며, 일부 중첩 구간을 두어 교호하게 턴 온 동작하는 것도 가능하다.
한편, 도 6(c)와 같이, 제3 스위칭 소자(S3)의 턴 온 구간 및 제5 스위칭 소자(S5)의 턴 온 구간의 합은, 상용 교류 전원의 360도 위상 내에서 수행될 수 있다. 예를 들어 상용 교류 전원이 60Hz인 경우, 제3 스위칭 소자(S3)의 턴 온 구간 및 제5 스위칭 소자(S5)의 턴 온 구간의 합은, 1/60 = 1.6ms 일 수 있다.
다음, 도 6(d)는 도 6(b)와 같이 동시에 턴 온되는 경우에 dc 전압 충방전부(430)에 흐르는 전류 리플을 보여주며, 도 6(e)는 도 6(c)와 같이 교호하게 턴 온되는 경우에 dc 전압 충방전부(430)에 흐르는 전류 리플을 보여준다.
동시에 턴 온되는 경우, 인덕터(L3,L4)에 동시에 전류(iL3,iL4)가 흐르게 되며, 각각의 전류 리플은 도면과 같이 b를 가지므로, 결국, dc 전압 충방전부(430)에 흐르는 전류((iL3+iL4)의 리플은 도면과 같이 2b의 크기를 갖게 된다.
한편, 교호하게 턴 온되는 경우, 인덕터(L3,L4)에 교호하게 각각 전류(iL3,iL4)가 흐르게 되며, 각각의 전류 리플은 도면과 같이 b를 가지므로, 결국, dc 전압 충방전부(430)에 흐르는 전류((iL3+iL4)의 리플은 b 보다 작거나 같은 c 값을 가질 수 있다.
결국, 양방향 dc/dc 공급부(435)는, 충전시, 제3 스위칭 소자(S3)와 제5 스위칭 소자(S5)를 서로 교호하게 턴 온 함으로써, 전류 리플을 저감할 수 있게 된다.
다음, 도 7은 양방향 dc/dc 공급부의 방전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7(a)를 보면, dc 단 버스(410)의 양 단에 양방향 dc/dc 공급부(435)가 접속되며, 양방향 dc/dc 공급부(435)는, 리액터(L3,L4), 및 dc 전압 충방전부(430)가 접속된다.
dc 전압 충방전부(430)의 직류 전원(Vdc)을 dc 단 버스(410)에 방전하기 위해, 양방향 dc/dc 공급부(435)내의 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)가 턴 온되는 것을 보여준다. 이때 제3 및 제5 스위칭 소자(S3, S5)는 턴 오프 되는 것으로 한다.
도 7(a)는 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)가 동시에 턴 온 하는 것을 보여주며, 도 7(b)는, 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)가 교호하게 턴 온하는 것을 보여준다.
도 7(a)와 같이, 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)를 동시에 턴 온, 턴 오프 하게 되면, 특히, 동시에 턴 오프 하는 동안, 제5 및 제7 다이오드 소자(D5, D7)에는 각각 제5 및 제7 다이오드 전류(iD5,iD7)가 흐르며, 그 값은 턴 오프 시간에 비례하여 점차 하강하게 된다. 이 때의 레벨 차이는 도면과 같이 a''라 한다. 한편, 제5 및 제7 다이오드 전류의 그 합(iD5+iD7)은, 동시의 턴 온, 턴 오프 동작에 의해, 그 리플이 커지게 된다. 이때의 레벨 차이는 도면과 같이 2a''가 된다.
다음, 도 7(b)와 같이, 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)를 교호하게 턴 온하는 경우, 제5 및 제7 다이오드 소자(D5, D7)에는 각각 제5 및 제7 다이오드 전류(iD5,iD7)가 교호하게 흐르며, 그 값은 턴 오프 시간에 비례하여 점차 하강하게 된다. 이 때의 레벨 차이는 도면과 같이 a''라 한다. 한편, 제5 및 제7 다이오드 전류의 그 합(iD5+iD7)은, 교호한 턴 온 동작에 의해, 그 리플이 작아지게 된다. 즉, 이때의 레벨 차이는 도면과 같이 a'' 보다 작은 k'가 된다.
도면에서는, 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)의 턴 온 동작이 시간을 달리하여 교호하게 턴 온되는 것으로 도시하면서, 제4 및 제6 스위칭 소자(S4, S6)의 턴 오프 동작이 일부 중첩 구간을 두어 교호하게 턴 오프 되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 중첩하지 않고 교호하게 턴 오프 도는 것도 가능하다.
다음, 도 7(d)는 도 7(a)와 같이 동시에 턴 온되는 경우에 dc 전압 충방전부(430)로 부터 출력되는 전류 리플을 보여주며, 도 7(e)는 도 7(b)와 같이 교호하게 턴 온되는 경우에 dc 전압 충방전부(430)로 부터 출력되는 전류 리플을 보여준다.
동시에 턴 온되는 경우, 인덕터(L3,L4)에 동시에 전류(iL3,iL4)가 흐르게 되며, 각각의 전류 리플은 도면과 같이 b를 가지므로, 결국, dc 전압 충방전부(430)로 부터 출력되는 전류((iL3+iL4)의 리플은 도면과 같이 2b의 크기를 갖게 된다.
한편, 교호하게 턴 온되는 경우, 인덕터(L3,L4)에 교호하게 각각 전류(iL3,iL4)가 흐르게 되며, 각각의 전류 리플은 도면과 같이 b를 가지므로, 결국, dc 전압 충방전부(430)로 부터 출력되는 전류((iL3+iL4)의 리플은 b 보다 작거나 같은 c 값을 가질 수 있다.
결국, 양방향 dc/dc 공급부(435)는, 방전시, 제4 스위칭 소자(S4)와 제6 스위칭 소자(S6)를 서로 교호하게 턴 온 함으로써, 전류 리플을 저감할 수 있게 된다.
도 8은 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 열교환 기(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 동작시키는 각 전동기(2b,5b,9b) 중 하나일 수 있다.
한편, 도 8에서는 실내기(I)와 실외기(O)를 각각 1개씩 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치는 이에 한정되지 않으며, 복수개의 실내기와 실외기를 구비하는 멀티형 공기조화기, 한 개의 실내기와 복수개의 실외기를 구비하는 공기조화기 등에도 적용이 가능함은 물론이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 보여주는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 9의 공기조화기의 전동기 구동장치(900)는, 도 4와 비교하여, 도 4의 AC 부하(420)를 삼상 전동기(920)로 변경한 것에 대응된다.
이하에서는 그 차이점을 중심으로 기술한다.
도 9의 공기조화기의 전동기 구동장치(900)는, dc/dc 컨버터(915), 인버터(925), dc 전압 충방전부(930), 및 양방향 dc/dc 공급부(935)를 포함한다. 또한, 공기조화기의 전동기 구동장치(900)는, 양방향 ac/dc 컨버터(945)를 더 포함할 수 있다. 또한, dc 전압 검출부(A), 및 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다. 또한, 공기조화기의 전동기 구동장치(900)는, 각 전력 변환부를 제어하는, 충방전 제어부(918), 인버터 제어부(928), 직류 변환 제어부(938), 및 양방향 변환 제어부(948)를 더 포함할 수 있다.
이 중에서, dc/dc 컨버터(915), 인버터(925), dc 전압 충방전부(930), 양방향 dc/dc 공급부(935), 및 양방향 ac/dc 컨버터(945)에 대한 설명은 도 4의 설명에 따른다. 또한 각 제어부(918,928,938,948)의 동작에 대한 설명은 도 4를 참조하여 생략한다. 또한, 전동기(920), 출력 전류 검출부(E)에 대한 설명은 도 1의 설명을 참조한다.
한편, 도 9의 공기조화기의 전동기 구동장치(900)의 전동기(920)는, 공기조화기의 실외기 내의 팬용 전동기 또는 압축기용 전동기로 사용될 수 있으며, 또한 공기조화기의 실내기 내의 팬용 전동기로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명 실시예에 따른 분산전원을 이용한 전동기 구동장치(900)는, dc/dc 컨버터(915)에 구비되는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 교호하게 턴 온함으로써, 전류 리플이 저감되는 직류 전원을 dc 단 버스(910)로 출력할 수 있게 된다.
또한, dc 전압 충방전부(930)를 이용함으로써, dc 단 버스(910)의 전압을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 특히, 전동기(920)의 순간 과부하 또는 계통(905)의 정전에 의해, dc 단 버스(910)의 전압이 급격히 하강하는 경우, dc 전압 충방전부(930)로부터 직류 전압을 보충함으로써, 분산전원을 이용한 전동기 구동장치(900) 내의 안정성이 확보되게 된다.
또한, dc/dc 컨버터(915)를 이용하여 외부(PV1,PV2)로부터의 직류 전원을 변환하여, dc 단 버스(910)에 공급할 수 있어, 효율적으로 외부 전원을 dc 단 버스(910)에 공급할 수 있게 된다.
또한, dc/dc 컨버터(915)롤 통해, 다양한 에너지 공급원으로부터 생성되는 직류 전원을 이용하여, 전동기(920)를 동작시킬 수 있게 된다.
또한, 전동기(920)에서 소비되는 전력과 dc/dc 컨버터(915)를 통해 dc 단 버스(910)로 공급되는 전력을 비교하여, 계통(905)에서 dc 단 버스(910)로 전원을 공급하거나, dc 단 버스(910)에서 계통(905)으로부터 전원을 공급할 수 있어, 효율적인 전력 사용을 도모할 수 있게 된다.
도 10은 도 9의 인버터 제어부의 간략한 내부 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 인버터 제어부(928)는, 추정부(1005), 전류 지령 생성부(1010), 전압 지령 생성부(1020), 및 스위칭 제어신호 출력부(1030)를 포함할 수 있다.
추정부(1005)는, 검출된 출력 전류(io)에 기초하여 전동기의 속도(v)를 추정한다. 또한, 회전자의 위치를 추정할 수도 있다. 이는 전동기(920)의 기계 방정식 및 전기 방정식을 서로 비교하여, 그에 따라 전동기의 속도(v)를 추정할 수 있다. 속도 추정시, 추정부(1005)는, 삼상의 출력 전류(io)를 d축, q축 전류로 축변환하여 속도 추정을 수행할 수도 있다.
전류 지령 생성부(1010)는 추정 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(1010)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(1010)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(1020)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(1020)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(1020)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(1030)는, 전압 지령치(v* d,v* q)를 기초로 하여, 최종적으로 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 공간 벡터 기법에 따라 스위칭 벡터 시간 정보(To,T1,T2)를 연산할 수 있으며, 연산된 스위칭 벡터 시간 정보(To,T1,T2)에 따라 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
이에 따라 인버터(925) 내의 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)는 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 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 면에 서 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 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 구동장치를 회로도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 dc/dc 컨버터의 동작을 설명하기위해 참조되는 도면이
다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분산 전원 시스템을 도시한 회로도이다.
도 5는 도 4의 분산 전원 시스템의 전력 흐름을 간략히 나타내는 블록도이다.
도 6 및 도 7은 도 4의 양방향 dc/dc 공급부의 동작을 설명하기위해 참조되는 도면이다.
도 8은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 구동장치를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9의 인버터 제어부의 간략한 내부 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
110: dc 단 버스 115: dc/dc 컨버터
120: AC 부하 125: 인버터
130: dc 전압 충방전부 135: 양방향 dc/dc 공급부
145: 양방향 ac/dc 컨버터

Claims (26)

  1. 외부로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변화시켜 dc 단 버스에 출력하는 dc/dc 컨버터; 및
    dc 단 버스의 직류 전원을 스위칭 동작에 의해 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원으로 전동기를 구동하는 인버터;
    상기 전동기에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력전류 검출부;
    상기 검출되는 출력 전류에 기초하여 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 포함하고,
    상기 dc/dc 컨버터는,
    상기 dc단 버스의 양단 사이에서 쌍을 이루며, 서로 직렬 연결되는 제1 및 제2 다이오드 소자;
    상기 제1 및 제2 다이오드와는 병렬 접속되며, 상기 dc단 버스의 양단 사이에서 쌍을 이루며, 서로 직렬 연결되는 제3 및 제4 다이오드 소자;
    상기 제2 및 제4 다이오드 소자에, 각각 병렬 접속되는 제1 및 제2 스위칭 소자;를 구비하며,
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 교호하게 턴 온 및 턴 오프되면서, 턴 오프 기간이 일부 중첩되는 경우, 상기 제1 및 제3 다이오드 소자에, 전류가 교호하게 흐르며, 상기 전류는, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 턴 오프 시간에 비례하여 순차 하강하며,
    상기 dc/dc 컨버터는,
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 교호하게 턴 온, 및 턴 오프되는 것에 기초하여, 상기 외부로부터의 직류 전원의 레벨 변환하고, 상기 레벨 변환된 직류 전원을 상기 dc 단 버스에 출력하며,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 검출된 출력 전류에 기초하여 전동기의 속도를 추정하는 추정부;
    상기 추정 속도와 속도 지령치에 기초하여 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 검출된 출력 전류와 상기 전류 지령치에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부;
    상기 전압 지령치에 기초하여 공간 벡터 기법에 따라 스위칭 벡터 시간 정보를 연산하며, 연산된 스위칭 벡터 시간 정보에 따라 인버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 dc 단 버스의 직류 전원을 충전하거나 저장된 직류 전원을 상기 dc 단 버스로 방전하는 dc 전압 충방전부;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 스위칭 소자의 동작에 의해, 상기 dc 단 버스의 직류 전원을 상기 dc 전압 충방전부로 공급하거나, 상기 dc 전압 충방전부의 직류 전원을 상기 dc 단 버스로 공급하는 양방향 dc/dc 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    계통으로부터의 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 dc 단 버스에 공급하거나, 상기 dc 단 버스의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 계통으로 전달하는 양방향 ac/dc 컨버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 dc 단 버스의 전압을 검출하는 dc 단 전압 검출부;를 더 포함하며,
    상기 검출된 dc 단 버스의 전압이 제1 소정치 이하로 하강하는 경우, 상기 양방향 dc/dc 공급부가 동작하여 상기 dc 전압 충방전부의 전압을 상기 dc 단 버스로 공급하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 dc 단 버스의 전압을 검출하는 dc 단 전압 검출부;를 더 포함하며,
    상기 검출된 dc 단 버스의 전압이 제2 소정치 이상인 경우, 상기 dc/dc 컨버터는 상기 레벨 변환된 직류 전원을 dc 단 버스에 출력하지 않는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 양방향 ac/dc 컨버터는,
    상기 dc/dc 컨버터를 통해 상기 dc 단 버스로 공급되는 전력이 상기 인버터를 통해 상기 전동기에서 소비되는 전력 보다 더 큰 경우, 상기 dc 단 버스의 전압의 적어도 일부를 상기 계통으로 공급하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 양방향 ac/dc 컨버터는,
    상기 인버터를 통해 상기 전동기에서 소비되는 전력이 상기 dc/dc 컨버터를 통해 상기 dc 단 버스로 공급되는 전력 보다 더 큰 경우, 상기 계통으로부터의 상기 상용 교류 전원을 변환하여 상기 dc 단 버스에 공급하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 dc 단 버스의 직류 전원은 상기 전동기, 상기 계통, 및 상기 dc 전압 충방전부 중 우선 순위가 높은 순서대로 공급되는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외부로부터 공급되는 직류 전원은,
    태양광, 풍력, 조력, 및 지열을 이용하여 전기적으로 변환된 직류 전원인 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 양방향 dc/dc 공급부는,
    서로 직렬로 연결되며, 상기 dc 단 버스의 양단 사이에서 쌍을 이루어 배치되는 제3 및 제4 스위칭 소자;
    상기 제3 및 제4 스위칭 소자에 각각 역병렬로 연결되는 제5 및 제6 다이오드 소자;
    서로 직렬로 연결되며, 상기 dc 단 버스의 양단 사이에서 쌍을 이루며, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 제5 및 제6 스위칭 소자; 및
    상기 제5 및 제6 스위칭 소자에 각각 역병렬로 연결되는 제7 및 제8 다이오드 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 양방향 dc/dc 공급부는,
    상기 제3 스위칭 소자와 상기 제5 스위칭 소자가 서로 교호하게 턴 온하여, 상기 dc 단 버스의 전압을 상기 dc 전압 충방전부로 공급하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 양방향 dc/dc 공급부는,
    상기 제4 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자가 서로 교호하게 턴 온하여, 상기 dc 전압 충방전부에 충전된 전압을 상기 dc 단 버스로 공급하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동장치.
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