KR101827274B1

KR101827274B1 - 인버터-모터 제어장치

Info

Publication number: KR101827274B1
Application number: KR1020110118925A
Authority: KR
Inventors: 하동명
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2018-02-08
Also published as: KR20130053248A

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치는 직류전압을 수신하여, 교류전압으로 변환하는 인버터, 교류전압에 의해 구동되는 모터, 모터에 흐르는 전류를 감지하여, 전류를 전압으로 변환하는 센서부, 전압을 감지하여, 전압이 기 설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는 경우 제1 차단신호를 출력하는 제1 비교기, 전압을 감지하여, 전압이 기 설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는 경우 제2 차단신호를 출력하는 제2 비교기 및 제1 차단신호 또는 제2 차단신호를 수신하여 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

인버터-모터 제어장치 {APPARATUS FOR CONTROLLING INVERTER-MOTOR}

본 발명은 인버터-모터 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터에 흐르는 전류를 감지하여 인버터의 동작을 제어하는 인버터-모터 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 공기 조화장치는 요구된 공간 내의 열을 교환하여 요구된 공간(즉, 실내)을 냉방 또는 난방한다. 열 교환은 냉매 순환 루프를 따라 순환되는 냉매에 의하여 수행된다. 냉매 순환 루프는 냉매가 증발 압축 방식으로 순환되게 한다. 냉매의 순환 량은 냉매 순환 루프 상에 설치된 전동 압축기에 의하여 가감 조절된다.

이러한 냉매 순환 루프에서 순환될 냉매의 량을 조절하기 위한 전동 압축기용 모터로는 3상 교류 모터가 주로 사용된다. 3상 교류 모터에 전압을 인가하기 위해서는 상용교류전원을 정류하는 컨버터부와, 정류된 직류전원을 공급받아 3상 교류전원을 생성하여 모터에 인가하는 인버터부가 사용된다.

모터에 인가되는 교류 전원이 모터가 정상적으로 구동할 수 있는 (-)전압보다 낮으면, 모터 기동 시 모터 내부의 압력(부하)에 의해 기동 실패를 하거나, 저전압으로 인한 탈조 현상이 발생하게 된다. 또한, 모터의 동작 중 저전압 발생시 원하는 회전 속도(RPM)를 얻지 못하여 시스템이 불안정 상태가 되는 문제가 있다. 이와 반대로, 입력 전원이 모터가 정상적으로 구동할 수 있는 (+)전압보다 높으면 모터에 유입되는 출력 전류가 상승하기 때문에 부품의 온도 상승 또는 과전류로 인해 파손이 발생할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 입력전압이 모터의 기준전압보다 높거나, 낮은 경우, 부품이 파손되거나 또는 시스템이 불안정 상태가 되는 것을 방지하는 인버터-모터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치는 직류전압을 수신하여, 교류전압으로 변환하는 인버터부, 교류전압이 인가되어 구동되는 모터, 교류전압에 의한 모터에 흐르는 전류를 감지하여, 전류를 전압으로 변환하는 센서부, 센서부에서 변환된 전압을 감지하여, 전압이 기설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는 경우 제1 차단신호를 출력하는 제1 비교기, 전압을 감지하여, 전압이 기설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는 경우 제2 차단신호를 출력하는 제2 비교기 및 제1 차단신호 또는 제2 차단신호를 수신하여 인버터부의 동작을 중지하는 제어부를 포함한다.

그리고, 인버터-모터 제어장치는 센서부에서 변환된 전압을 증폭하는 전압 증폭부를 더 포함하고, 제1 비교기와 제2 비교기는 전압 증폭부에서 증폭한 전압을 감지할 수 있다.

제1 비교기는 기설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는 전압의 지속시간을 감지하고, 지속시간 동안 제1 차단신호를 출력할 수 있다.

제2 비교기는 기설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는 전압의 지속시간을 감지하고, 지속시간 동안 제2 차단신호를 출력할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어방법은 인버터부로부터 교류 전압이 인가되어 모터를 구동하는 단계, 모터에 인가된 교류전압에 의해 모터에 흐르는 전류를 감지하고, 전류를 변환하여 전압으로 변환하는 단계, 변환된 전압 값이 기설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는지 판단하는 제1 전압판단단계, 변환된 전압 값이 제1 전압 이상의 값을 갖는 경우, 인버터부의 동작을 중지시키는 제1 인버터중지단계, 변환된 전압 값이 기설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는지 판단하는 제2 전압판단단계 및 변환된 전압 값이 제2 전압 이하의 값을 갖는 경우, 인버터부의 동작을 중지시키는 제2 인버터중지단계를 포함한다.

본 발명에 따른 인버터-모터 제어장치는 모터의 기준전압보다 높거나 낮은 전원이 모터에 인가된 경우에도, 모터의 부품 소자의 소손 또는 시스템의 불안정을 방지하여 제어장치의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치가 탑재될 수 있는 공기 조화장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치가 탑재될 수 있는 공기 조화장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치의 제1 차단신호 및 제2 차단신호를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어방법을 나타낸 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 이하 설명에서 동일한 구성 요소에는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치가 탑재될 수 있는 공기 조화장치의 예시도이다. 도시한 바와 같이, 공기 조화장치는 실내를 공조하기 위한 실내 열 교환기(10)와 상기 실내 열 교환기(10)와 냉매관에 의하여 연결된 실외 열 교환기(20)를 구비한다. 공기 조화장치는 넓은 의미로 실내공기를 공기 조화하는 장치로 이해되어야 하며, 실내를 냉방 또는 난방하거나, 실내공기를 가습 또는 제습하거나, 실내공기를 정화하는 등의 모든 과정을 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치(60)가 탑재될 수 있는 공기 조화장치의 블록도이다. 도시한 바와 같이, 공기 조화장치는 냉매의 순환을 위해, 실외 열 교환기(20), 실내 열 교환기(10)와 함께, 압축기(30) 및 팽창 밸브(40)(전동 팽창 밸브)를 포함하고, 압축기(30)에 동력을 제공하기 위한 컨버터부(20) 및 인버터-모터 제어장치(60)를 포함한다.

공기 조화장치가 냉방 운전을 수행할 경우, 압축기(30)로부터의 토출 냉매는 실외 열 교환기(20)를 통과하여 팽창 밸브(40)에서 감압 팽창되고, 실내 열 교환기(10)를 거쳐 전동 압축기(30)로 돌아온다. 이 경우, 실외 열 교환기(20)는 응축기로서 기능하고, 실내 열 교환기(10)는 증발기로서 기능한다. 이 결과, 냉매 순환 루프는 실내 열 교환기(10)가 설치된 요구된 공간 내의 공기가 냉각되게 한다.

한편, 공기 조화장치가 난방운전을 수행할 경우에는, 압축기(30)로부터의 토출 냉매는, 실내 열 교환기(10)를 통과한 후, 팽창 밸브(40)에서 감압 팽창되고, 실외 열 교환기(20)를 통과하여 압축기(30)로 돌아온다. 이 경우, 실내 열 교환기(10)는 응축기로서 기능하고, 실외 열 교환기(20)는 증발기로서 기능한다. 이렇게 냉매 순환 루프를 순환하는 냉매에 의하여, 실내 열 교환기(10)가 위치한 요구된 공간(즉, 실내) 내의 공기가 가열된다.

또한, 실내 열 교환기(10)와 실외 열 교환기(20)는 실내공기와 실외공기가 각각의 열 교환기와 열 교환하는 과정 중 송풍되도록 송풍팬을 구비한다. 따라서, 실내 열 교환기(10)에서 냉매가 증발 또는 응축되는 과정 중 실내 열 교환기(10) 측으로 송풍된 공기는 실내 열 교환기(10)와 열 교환되어 냉각 또는 가열되고, 냉각 또는 가열된 공기는 실내로 공급되어 실내를 냉방 또는 난방하게 된다.

압축기(30)는 실내 열 교환기(10)에서 증발한 저온, 저압의 기체냉매를 흡입하여 실외 열 교환기(20)에서 응축액화하기 쉽도록 응축 온도에 상당하는 포화압력까지 압력과 온도를 증대시킨다. 압축기(30)는 모터(110)를 포함하여 구성되거나, 별개로 구성될 수 있다.

모터(110)를 구동하기 위해, 컨버터부(20)는 다이오드 소자를 포함할 수 있고, 상용 전원(70)으로부터 단상 교류전압을 인가받아 직류 전압으로 정류한다. 또한, 컨버터부(20)는 컨버터부(20)의 정류된 직류 전압을 평활 하여 DC 링크 전압을 생성하는 DC 링크 커패시터(DC Link Capacitor)를 더 포함할 수 있다. 이후, 컨버터부(20)는 직류 전압을 출력하여 인버터부(100)로 인가한다.

인버터-모터 제어장치(60)는 인버터부(100), 모터(110), 센서부(120), 전압 증폭부(130), 제1 비교기(140), 제2 비교기(150) 및 제어부(160)를 포함할 수 있다.

먼저, 인버터부(100)는 평활된 직류 전압을 소정 주파수의 3상 교류 전압으로 변환하여 모터(110)에 3상 교류 전압을 공급한다.

모터(110)는 고정자와 회전자를 구비하며, 각상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 모터(110)의 종류로는 BLDC 전동기, synRM 전동기, 유도 전동기 등 다양한 형태가 가능하다.

따라서, 모터(110)는 인버터로부터 3상 교류 전압을 인가받아 구동하고, 이에 따라 교류 전류가 발생할 수 있다.

센서부(120)는 모터(110)에 흐르는 출력 전류를 감지한다. 센서부(120)는 각 상의 출력전류를 모두 검출할 수 있으며, 또는 3상 평형을 이용하여 한 상 또는 두 상의 출력전류를 검출할 수도 있다.

그리고, 센서부(120)는 감지한 출력 전류를 전압으로 변환한다. 감지된 출력전류는 펄스 형태의 신호로서, 변환된 전압 또한 펄스 형태의 신호일 수 있다. 센서부(120)로부터 변환된 전압의 파형에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.

전압 증폭부(130)는 연산 증폭기(op-amp)를 포함하고, 센서부(120)로부터 출력된 전압을 증폭하여 후술할 비교기에서의 전압 감지 및 차단 신호 출력을 용이하게 한다. 전압 증폭부(130)는 센서부(120)에서 출력된 전압 값이 작을 때, 이를 증폭하여 진폭이 큰 전압으로 만들게 되고, 비교기는 증폭된 전압과 기 설정된 차단 전압값과의 비교를 용이하게 할 수 있다.

제1 비교기(140)는 증폭된 전압을 수신하여, 전압이 기 설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는 경우 제1 차단신호(fault out signal)를 출력한다. 제1 전압값을 설정하고, 검출된 전류로부터 변환된 전압과 이를 비교하는 이유는 인버터, 모터(110) 및 이를 포함하는 회로를 보호하기 위함이다. 즉, 전압이 제1 전압값을 초과하면 회로가 손상되므로, 제1 비교기(140)는 제1 차단신호를 제어부(160)로 출력한다.

제2 비교기(150)는 증폭된 전압을 수신하여, 전압이 기 설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는 경우 제2 차단신호(fault out signal)를 출력한다. 전압이 제2 전압값보다 낮으면 회로가 손상되므로, 제2 비교기(150)는 제2 차단신호를 제어부(160)로 출력한다.

제어부(160)는 인버터부(100)를 제어하기 위하여, PAM(pulse amplitude modulation, 펄스 크기 변조) 제어 신호 또는 PWM(pulse width modulation, 펄스 폭 변조) 제어 신호를 인버터로 출력할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 제1 비교기(140) 또는 제2 비교기(150)로부터 제1 차단신호 또는 제2 차단신호가 입력되면, 즉각적으로 모터(110)의 구동을 정지하도록 한다. 즉, 제어부(160)는 차단신호를 수신하면 모터(110)의 구동을 정지시키기 위하여 인버터부(100)를 제어하는 신호를 출력할 수 있다.

나아가, 제어부(160)는 상용 교류 전원의 공급을 중단하거나, 컨버터부(20)에서 정류된 직류 전압을 차단하도록 차단 유닛(50)을 제어할 수도 있다. 따라서, 제1 비교기(140) 또는 제2 비교기(150)가 차단신호를 출력하면, 제어부(160)는 인버터 또는 차단 유닛(50)을 제어할 수 있으므로 인버터-모터 제어장치(60)는 회로 부품의 파손 방지 및 시스템을 안정시킬 수 있는 효과를 가진다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어장치(60)의 제1 차단신호 및 제2 차단신호를 나타낸 예시도이다. 도시한 바와 같이, 센서부(120)에서 감지된 전류를 전압으로 변환하여 전압 증폭부(130)에서 증폭한 전압은 펄스 형태로 나타난다. 이때, 제1 비교기(140)는 증폭된 전압이 제1 차단 전압 값 이상의 값을 갖는 경우 차단신호를 출력하고, 제2 비교기(150)는 증폭된 전압이 제2 차단 전압 값 이하의 값을 갖는 경우 차단신호를 출력한다.

제1 비교기(140)는 전압이 제1 차단전압 이상이면 차단신호를 연속적으로 출력하고, 전압이 제1 차단전압 이하로 낮아지는 순간 차단신호 출력을 중지할 수 있다. 또한, 제 2 비교기도 전압이 제2 차단전압 이하이면 차단신호를 연속적으로 출력하고, 전압이 제2 차단전압 이상으로 높아지는 순간 차단신호 출력을 중지할 수 있다. 즉, 전압이 제1 차단 전압과 제2 차단전압을 초과하거나 미달하는 동안, 비교기는 차단신호를 연속적으로 출력할 수 있다.

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 그러한 실시 예들이 제어부(160)에 의해 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 절차나 기능과 같은 실시예들은 적어도 하나의 기능 또는 작동을 수행하게 하는 별개의 소프트웨어 모듈과 함께 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션에 의해 구현될 수 있다. 이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어방법에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터-모터 제어방법을 나타낸 순서도이다. 도시한 바와 같이, 센서부(120)는 모터 전류를 감지(S10)한다. 모터(110)는 교류 전압에 의해 구동되고, 이 때, 센서부(120)는 모터(110)에 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 변환(S20)한다.

다음으로, 전압 증폭부(130)는 변환된 전압을 증폭(S30)한다. 이는 센서부(120)에 의해 변환된 전압을 증폭시켜 제1 비교기(140)와 제2 비교기(150)에서 증폭된 전압을 이용하여 정밀한 비교를 행하기 위함이다. 예를 들어, 전압을 증폭하지 않고 비교하는 경우, 전압의 진폭이 크지 않으므로, 비교기는 변환된 전압과 차단 전압 값을 비교하는데 어려움이 있다. 그러나, 증폭된 전압은 진폭이 크므로, 비교기는 용이하게 증폭된 전압과 차단 전압을 비교할 수 있다.

이후, 제1 비교기(140) 및 제2 비교기(150)는 증폭된 전압을 감지(S40)하고, 제1 비교기(140)는 전압이 제1 차단전압과 비교하여 전압이 제1 차단전압보다 높은지 판단(S50)한다. 전압이 제1 차단전압보다 높은 경우, 제1 차단신호를 출력한다. 전압이 제1 차단전압보다 낮은 경우에는 제2 비교기(150)가 전압이 제2 차단전압과 비교하여 전압이 제2 차단전압보다 낮은지 판단(S60)한다. 제2 비교기(150)는 전압이 제2 차단전압보다 낮은 경우, 제2 차단신호를 출력하고, 전압이 제2 차단전압보다 높은 경우, 전압을 다시 측정한다.

제어부(160)는 제1 비교기(140) 및 제2 비교기(150)로부터 각각 제1 차단신호 및 제2 차단신호를 수신하면 인버터부(100)를 제어(S70)한다. 즉, 제어부(160)는 인버터부(100)의 동작을 중지시키는 신호를 인버터부(100)에 출력하거나, 인버터부(100)에 전류가 흐르지 않도록 차단 유닛(50)을 동작시켜 회로의 소손을 방지할 수 있다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

직류전압을 수신하여, 교류전압으로 변환하는 인버터부;
상기 교류전압이 인가되어 구동되는 모터;
상기 교류전압에 의한 상기 모터에 흐르는 전류를 감지하여, 상기 전류를 교류전압으로 변환하는 센서부;
상기 센서부에서 변환된 상기 교류전압을 감지하여, 상기 교류전압의 상측 피크 값이 기설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는 경우 제1 차단신호를 출력하는 제1 비교기;
상기 교류전압을 감지하여, 상기 교류전압의 하측 피크 값이 기설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는 경우 제2 차단신호를 출력하는 제2 비교기; 및
상기 제1 차단신호 또는 상기 제2 차단신호를 수신하여 상기 인버터부의 동작을 중지하는 제어부;
를 포함하는 인버터-모터 제어장치.
제1 항에 있어서,
상기 센서부에서 변환된 전압을 증폭하는 전압 증폭부를 더 포함하고,
상기 제1 비교기와 상기 제2 비교기는 상기 전압 증폭부에서 증폭한 전압을 감지하는 인버터-모터 제어장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 비교기는,
기설정된 제1 전압 이상의 값을 갖는 상기 전압의 지속시간을 감지하고, 상기 지속시간 동안 상기 제1 차단신호를 출력하는 인버터-모터 제어장치.
제1 항에 있어서,
상기 제2 비교기는,
기설정된 제2 전압 이하의 값을 갖는 상기 전압의 지속시간을 감지하고, 상기 지속시간 동안 상기 제2 차단신호를 출력하는 인버터-모터 제어장치.
제1 항에 있어서, 상기 변환된 교류전압이 상기 제1 전압 내지 제2 전압 사이의 범위로 설정된 범위를 초과하는 경우에 상기 제1 비교기 또는 제2 비교기가 각각 상기 제1 차단신호 및 제2 차단신호를 출력하는 인버터-모터 제어장치.
제1 항에 있어서, 상기 센서부에서 변환된 교류전압은 펄스 형태의 신호인 인버터-모터 제어장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 비교기는 상기 변환된 교류전압이 제1 전압 이상이면 차단신호를 연속적으로 출력하고, 상기 변환된 교류전압이 제1 전압 이하로 낮아지는 순간 차단신호 출력을 중지하는 인버터-모터 제어장치.
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