KR101905480B1 - 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함한다. 이에 따라, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기{Mootor driver and air conditioner including the same}
본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 인간에게 보다 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 설치된다. 일반적으로 공기조화기는 열교환기로 구성되어 실내에 설치되는 실내기와, 압축기 및 열교환기 등으로 구성되어 실내기로 냉매를 공급하는 실외기를 포함한다.
한편, 공기조화기의 압축기를 구동하기 위해, 압축기 모터 구동장치가 사용된다.
한편, 국제 서지 보호 표준인 IEC 61000에 따르면, 고조파 저감을 위한 규격이 설정되며, 이에 따라, 압축기 모터 구동장치 내의 입력 교류 전류에 의한 고조파 저감을 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
본 발명의 목적은, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하도록, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기와, 압축기 내의 모터를 구동하기 위한 압축기 모터 구동장치를 포함하며, 압축기 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기조화기는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기와, 압축기 내의 모터를 구동하기 위한 압축기 모터 구동장치를 포함하며, 압축기 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하도록, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함함으로써, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
특히, 고조파 전체에 대한 고조파 저감이 아닌, 고차 성분의 고조파만을 저감함으로써, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 되며, 또한, 고조파 저감부의 회로 소자의 개수를 저감할 수 있게 된다.
특히, 커패시터의 용량이 작아 커패시터 양단이 맥동하는 경우, 고조파 저감부를 이용함으로써, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터와, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하도록, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함함으로써, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
특히, 고조파 전체에 대한 고조파 저감이 아닌, 고차 성분의 고조파만을 저감함으로써, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 압축기 구동을 위한 모터 구동장치의 블록도의 일예이다.
도 4는 도 3의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 5는 모터 구동장치의 일예이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 3의 모터 구동장치의 설명에 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도 8a 내지 도 10c는 도 7의 설명에 참조되는 도면이다.
도 11은 도 3의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
본 발명에 따른 공기조화기는 도 1에 도시된 바와 같이, 대형의 공기조화기(50)로서, 복수의 실내기(31 내지 35), 복수의 실내기에 연결되는 복수의 실외기(21, 22), 복수의 실내기 각각과 연결되는 리모컨(41 내지 45), 그리고 복수의 실내기 및 실외기를 제어하는 원격제어기(10)를 포함할 수 있다.
원격제어기(10)는 복수의 실내기(31 내지 36) 및 복수의 실외기(21, 22)와 연결되어 그 동작을 모니터링하고 제어한다. 이때, 원격제어기(10)는 복수의 실내기에 연결되어 실내기에 대한 운전설정, 잠금설정, 스케줄제어, 그룹제어 등을 수행할 수 있다.
공기조화기는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 이하 설명의 편의를 위하여 천장형 공기조화기를 예로 설명한다. 또한, 공기조화기는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21, 22)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시)와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기(미도시)와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(미도시)와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함하나, 그 구성에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
실외기(21, 22)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31 내지 35)로 냉매를 공급한다. 실외기(21,22)는 원격제어기(10) 또는 실내기(31 내지 35)의 요구에 의해 구동되고, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 된다.
이때, 실외기(21, 22)는 복수의 실외기가, 각각 연결된 실내기로 각각 냉매를 공급하는 것을 기본으로 하여 설명하나, 실외기 및 실내기의 연결구조에 따라 복수의 실외기가 상호 연결되어 복수의 실내기로 냉매를 공급할 수도 있다.
실내기(31 내지 35)는 복수의 실외기(21, 22) 중 어느 하나에 연결되어, 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(31 내지 35)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(21, 22) 및 실내기(31 내지 35)는 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하고, 실외기 및 실내기는 원격제어기(10)와 별도의 통신선으로 연결되어 원격제어기(10)의 제어에 따라 동작한다.
리모컨(41 내지 45)는 실내기에 각각 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신하며, 경우에 따라 복수의 실내기에 하나의 리모컨이 연결되어 하나의 리모컨 입력을 통해 복수의 실내기의 설정이 변경될 수 있다.
또한, 리모컨(41 내지 45)은 내부에 온도감지센서를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(31)와 실외기(21)로 구분된다.
실외기(21)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(105a)과 실외팬(105a)을 회전시키는 전동기(105b)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함한다.
실내기(31)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(109a)과 실내팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(109)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)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, 도 2에서는 실내기(31)와 실외기(21)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 1의 실외기(21) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(250)를 구동하는 압축기 고둥을 위한 모터 구동장치(200)에 의해 구동될 수 있다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 압축기 구동을 위한 모터 구동장치의 블록도의 일예이다.
먼저, 도 3의, 모터 구동장치(200)는, 압축기 모터(250)에 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(220)와, 인버터(220)를 제어하는 인버터 제어부(230)와, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210)를 포함할 수 있다.
모터 구동장치(200)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 압축기 모터(250)에 변환된 전력을 공급한다. 이에 따라, 모터 구동장치(200)는, 전력변환장치 또는 압축기 구동장치라고도 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 수십 μF 이하의 저용량의 dc단 커패시터(C)를 사용하는 것으로 한다. 예를 들어, 저용량의 dc단 커패시터(C)는, 전해 커패시터가 아닌, 필름 커패시터를 포함할 수 있다.
저용량의 커패시터를 사용하는 경우, dc단 전압의 변화가 커져, 맥동하게되며, 평활 동작이 거의 수행되지 않게 된다.
이러한, 수십 μF 이하의 저용량의 dc단 커패시터(C)를 구비하는 모터 구동장치를, 커패시터리스(capacitorless) 기반의 모터 구동장치라 할 수 있다.
본 명세서에서는, 저용량의 dc단 커패시터(C)를 구비하는 모터 구동장치(200)를 중심으로 기술한다.
한편, 본 발명에 따르면, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210)는, 삼상 교류 전원을 입력받아, 직류 전원을 변환을 수행한다. 이를 위해, 컨버터(210)는, 정류부(도 7의 510)를 구비할 수 있다.
정류부(도 7의 510)는, 입력 교류 전원(201)을 입력받아 정류하여 정류된 전원을 출력할 수 있다. 입력 교류 전원(201)이 삼상 교류 전원인 경우, 정류부(510)는 삼상 교류 전원을 정류하여 출력할 수 있다.
한편, 컨버터(210)는, 맥동하는 커패시터(C) 양단을 고려하여, 전압을 부스팅하는 부스트 컨버터를 구비할 수도 있다.
컨버터(210)의 출력단에는, 커패시터(C)가 접속된다. 커패시터(C)는, 컨버터(210)에서 출력되는, 맥동하는 전원을 저장할 수 있다. 컨버터(210)에서 출력되는, 전원은 dc 전원이므로, dc단 커패시터라 명명할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 컨버터(210) 전단에, 위치할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 컨버터(210) 전단에, 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
dc 전압 검출부(B)는 dc 단 커패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 dc 단 커패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있으며, dc 단 커패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성될 수 있다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(250)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(220)는, 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있다. 예를 들어, 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 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(220)에 출력할 수 있다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io) 또는 dc단 커패시터 양단인 dc 단 전압(Vdc)에 기초하여, 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, dc 단 전압(Vdc)은 dc 단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(220)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
도 4는 도 3의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 4를 참조하면, 인버터 제어부(230)는, 축변환부(310), 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure 112017009606137-pat00001
)를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치(
Figure 112017009606137-pat00002
)에 기초하여, 연산된 속도(
Figure 112017009606137-pat00003
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112017009606137-pat00004
)와 목표 속도(ω)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산하며, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112017009606137-pat00005
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(435)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(444)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(448)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure 112017009606137-pat00006
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure 112017009606137-pat00007
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 5는 모터 구동장치의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 5의 모터 구동장치(92)는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부(98), 고조파 저감을 위한 리액터(Lx), 커패시터(Cx), 및 커패시터(Cx) 양단에 접속되며, 커패시터(Cx) 양단의 전압을 이용하여 교류 전원을 모터(250x)에 출력하는 인버터(220x)를 포함할 수 있다.
국제 서지 보호 표준인 IEC 61000에 따르면, 고조파 저감을 위한 규격이 설정된다. 이에 따라, 도 5의 모터 구동장치(92)는, 고조파 저감을 위한 리액터(Lx)를 사용한다.
특히, 도 5의 모터 구동장치(92)는, 입력 전류에 의한 고조파를 저감하기 위해, 리액터(Lx)에 걸리는 전압을 검출하여, 인버터(220x)를 제어하는 방식을 사용할 수 있다.
그러나, 이러한 방식에 의하면, 인버터(220x)에 고조파가 증가하는 단점이 있으며, 또한, dc 리액터(Lx)를 추가하여야 하므로, 제조 비용이 저감되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은, 인버터의 출력 고조파를 효율적으로 저감하는 방안을 제시한다. 이에 대해서는, 도 7 이하를 참조하여 기술한다.
도 6a 내지 도 6d는 도 3의 모터 구동장치의 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6a는, 저용량의 dc 단 커패시터(C)가, 컨버터(210) 내에 부스트 컨버터 없이, 정류부에 접속되는 경우의, dc 단 전압(Vdc)을 예시한다.
저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우, 도면과 같이, 저용량의 dc 단 커패시터(C)가, dc 단 전압(Vdc)을, 평활하지 못하며, 따라서, 맥동하는 dc 단 전압(Vdc)이 그대로 인버터(220)에 공급되게 된다.
이러한 경우, 맥동하는 dc 단 전압(Vdc)의 피크치(VL1) 보다 낮은, 대략 0.7VL1 전압에서 평균 전압이 형성된다.
인버터(220)는, 대략 0.7VL1 전압을 이용하여, 삼상의 교류 전원을 생성할 수 있으나, 대략 0.7VL1 전압 이하의 구간에서는, 모터 구동을 원활하게 수행하기 힘들게 된다. 따라서, 전압 이용율이 낮아지게 된다.
또한, 도면을 보면, 입력 전압의 주파수가 대략 60Hz인 경우, 그 두 배에 해당하는, 대략 120Hz의 전압 리플이 발생하게 된다.
한편, 도 6a와 같이 맥동하는 전압을 이용하여, 인버터(220)를 통해 모터(250)를 구동하는 경우, 도 6b와 같이, ΔT1에 대응하는 토크 리플이 발생한다. 이러한 토크 리플로 인하여, 진동 및 소음이 발생하게 된다.
한편, 저용량의 dc 단 커패시터(C)의 커패시턴스가 작아질수록, 전류 제어 등이 수행되지 않으므로, 낮은 입력 역률 특성이 발생하게 된다.
이러한 점을 해결하기 위해, 본 발명에서는, 입력 전원으로 삼상 입력 전원을 사용한다. 단상에 비해 고전압의 입력 전원을 사용함으로써, 실제 전압 이용율이 높아지게 된다.
또는, 이러한 점을 해결하기 위해, 컨버터(210) 내에, 정류부 이후에, 부스트 컨버터를 배치하는 것도 가능하다.
도 6c는, 부스트 컨버터와 저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우의, dc 단 전압(Vdc)을 예시한다.
부스트 컨버터를 이용하여, VL2 전압 만큼 승압시키면, 최소 전압이 VL2이며, 피크치가, VL2+VL1인 맥동 전압이 dc 단에 출력되게 된다. 이에 의하면, 대략, VL1 전압에서 평균 전압이 형성될 수 있다.
인버터(220)는, 대략 VL1 전압을 이용하여, 삼상의 교류 전원을 생성할 수 있으나, 대부분의 전압 구간에서, 모터 구동을 원활하게 수행할 수 있게 된다. 따라서, 전압 이용율이 상승하며, 운전 영역이 증대되게 된다.
한편, 도 6c와 같이, 부스트 컨버터와 저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우의, dc 단 전압(Vdc)에 의해, 인버터(220)를 통해 모터(250)를 구동하는 경우, 도 6d와 같이, ΔT2에 대응하는 토크 리플이 발생한다. 즉, 도 6a의 ΔT1 보다 작은, ΔT2 에 대응하는 토크 리플이 발생할 수 있다. 즉, 토크 리플이 상당히 저감되게 된다.
한편, 부스트 컨버터를 사용하면, 입력 전류(Is)를 제어하게 되어, 결국, 입력 역률이 개선되게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이고, 도 8a 내지 도 10c는 도 7의 설명에 참조되는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본원의 모터 구동장치(700)는, 입력 교류 전원(201)을 정류하는 정류부(510)와, 정류부(510)로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터(C)와, 정류부(510)와 커패시터(C) 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부(520)와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 커패시터(C) 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력하는 인버터(220)와, 인버터(220)를 제어하는 인버터 제어부(230)를 포함할 수 있다. 이에 의하면, 인버터(220)의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
특히, 고조파 전체에 대한 고조파 저감이 아닌, 고차 성분의 고조파만을 저감함으로써, 인버터(220)의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 되며, 또한, 고조파 저감부(520)의 회로 소자의 개수를 저감할 수 있게 된다.
특히, 커패시터(C)의 용량이 작아 커패시터(C) 양단이 맥동하는 경우, 고조파 저감부(520)를 이용함으로써, 인버터(220)의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
도면에서는, 입력 교류 전원(201)이 삼상 교류 전원인 것을 예시하며, 이에 따라, 정류부(510)가, 삼상 교류 전원을 정류하기 위한, 풀 브릿지 다이오드(Da,D'a,Db,D'b,Dc,D'c)를 구비할 수 있다.
고조파 저감부(520)는, 입력 교류 전원의 고조파(harmonic) 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행할 수 있다.
고조파 저감부(520)는, 커패시터(C) 양단 사이에, 접속되는 인덕터(L1), 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 커패시터(C1)와, 인덕터(L1) 및 제1 스위칭 소자(S1)의 사이와, 제2 커패시터(C1) 및 커패시터(C) 사이에, 접속되는 제2 스위칭 소자(S2)를 포함할 수 있다.
즉, 고조파 저감부(520) 내에, 커패시터(C)의 양단 사이에, 인덕터(L1), 및 제2 스위칭 소자(S2)가 접속되며, 제2 스위칭 소자(S2)의 양단 사이에, 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 커패시터(C1)가 접속될 수 있다.
제1 스위칭 소자(S1), 또는 제2 스위칭 소자(S2)의 동작은, 인버터 제어부(230)로부터의 스위칭 제어 신호의 제어에 의해, 제어될 수 있다.
제1 스위칭 소자(S1), 또는 제2 스위칭 소자(S2)의 동작에 따라, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행할 수 있다.
상술한, 국제 서지 보호 표준인 IEC 61000에 따르면, THD(Total Harmonic Distortion)(1차~40차), PWHD(Partial Weighted Harmonic Distortion)(14차~40차)항목이 있는데, 필름 커패시터(C)를 적용한 인버터(220)에서는, THD 항목 충족이 쉽지 않게 된다.
이에 본 발명에서는, 따라서 PWHD에 따라, 고조파 중 14차 이상의 성분만 보상하는 방안을 제시한다.
이에 의하면, 1차 내지 40차의 고조파를 모두 보상하는 경우보다, 인버터(220)의 출력 고조파를 저감할 수 있고, 고조파 저감부(520)의 내부 회로 소자의 개수 또는 용량 등을 저감할 수 있게 된다.
이에, 고조파 저감부(520)는, 입력 교류 전원의 고조파 중 14차 이상의 고조파 저감을 수행하고, 14차 미만의 고조파는 바이패스(bypass)할 수 있다.
즉, 고조파 저감부(520)는, 입력 교류 전원의 고조파 중 14차 이상의 고조파를, 내부의 인덕터(L1), 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 커패시터(C1), 제2 스위칭 소자(S2)에서, 소비시키고, 입력 교류 전원의 14차 미만의 고조파를 인버터(220)로, 바이패스시킬 수 있다.
이에 의하면, 인버터(220)는, 입력 교류 전원의 고조파 중 14차 이상의 고조파를 제외한, 입력 교류 전원의 14차 미만의 고조파만을 고려하여, 스위칭 동작하면 되므로, 인버터(220)의 출력 고조파를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 입력 교류 전원에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류를 추출하고, 추출된 고조파 전류에 기초하여, 고조파 저감부(520)를 제어할 수 있다. 이에 대해서는, 도 11을 참조하여 보다 상세히 기술한다.
도 8a은, 도 7의 고조파 저감부(520)가 정류부(510)와 커패시터(C) 사이에 배치되지 않는 것을 예시한다.
도 8a의 (a)는, 입력 교류 전원의 정류부(510)에, 1차 내지 13차의 고조파에 대응하는 전류가 3A이고, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류가 3A로서, 총 6A의 전류가 흐르는 것을 예시하며, 인버터(220)의 동작에 의해, 1차 내지 13차의 고조파에 대응하는 전류 3A와, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류 3A의, 고조파가 저감된 것을 예시한다.
이와 같이, 1차 내지 40차의 고조파 저감을 위해, 인버터(220)가 동작하는 경우, 상술한 바와 같이, 인버터(220) 출력에 고조파 성분이 나타나는 문제가 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 7의 고조파 저감부(520)가 없는 경우라도, 인버터 제어부(230)가, 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하도록, 인버터(220)를 제어하도록 제어할 수 있다.
즉, 인버터 제어부(230)는, 인버터(220) 동작시, 입력 교류 전원의 고조파 중 14차 이상의 고조파 저감을 수행하고, 14차 미만의 고조파는 바이패스되도록 제어할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 입력 교류 전원에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류를 추출하고, 추출된 고조파 전류에 기초하여, 인버터(220)를 제어할 수 있다.
이에 따라, 도 8a의 (b)는, 입력 교류 전원의 정류부(510)에, 1차 내지 13차의 고조파에 대응하는 전류가 3A이고, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류가 3A로서, 총 6A의 전류가 흐르는 것을 예시하며, 인버터(220)의 동작에 의해, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류 3A가, 저감된 것을 예시한다.
도 8b은, 도 7의 고조파 저감부(520)가 정류부(510)와 커패시터(C) 사이에 배치는 것을 예시한다.
도 8b의 (a)는, 입력 교류 전원의 정류부(510)에, 1차 내지 13차의 고조파에 대응하는 전류가 3A이고, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류가 3A로서, 총 6A의 전류가 흐르는 것을 예시하며, 고조파 저감부(520)의 동작에 의해, 1차 내지 13차의 고조파에 대응하는 전류 3A와, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류 3A의, 고조파가 저감된 것을 예시한다.
이와 같이, 1차 내지 40차의 고조파 저감을 위해, 고조파 저감부(520)가 동작하는 경우, 고조파 저감부(520) 내부의 회로 소자의 용량 또는 개수 등이 증가되어야 하는 문제점이 있다. 또한, 인버터(220) 출력에 고조파 성분이 나타나는 문제도 발생할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따르면, 도 7의 고조파 저감부(520)가 고조파 중 14차 이상의 고조파만을 저감하도록 한다.
고조파 저감부(520)는, 입력 교류 전원의 고조파 중 14차 이상의 고조파 저감을 수행하고, 14차 미만의 고조파는 바이패스할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 입력 교류 전원에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류를 추출하고, 추출된 고조파 전류에 기초하여, 고조파 저감부(520)를 제어할 수 있다.
이에 따라, 도 8b의 (b)는, 입력 교류 전원의 정류부(510)에, 1차 내지 13차의 고조파에 대응하는 전류가 3A이고, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류가 3A로서, 총 6A의 전류가 흐르는 것을 예시하며, 고조파 저감부(520)의 동작에 의해, 14차 이상의 고조파에 대응하는 전류 3A가, 저감된 것을 예시한다.
도 9a는, 고조파 저감부(520) 내의 제1 스위칭 소자(S1)는 턴 오프, 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 온된 것을 예시한다. 이에 따라, 인덕터(L1), 제2 스위칭 소자(S2)를 흐르는 제1 전류 패쓰(path a)가 예시될 수 있다.
도 9b는, 고조파 저감부(520) 내의 제1 스위칭 소자(S1)는 턴 온, 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 오프된 것을 예시한다. 이에 따라, 인덕터(L1), 제1 스위칭 소자(S1), 제2 커패시터(C1)를 흐르는 제1 전류 패쓰(path b)가 예시될 수 있다.
도 9c는, 고조파 저감부(520) 내의 제1 스위칭 소자(S1)는 턴 온, 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 오프된 것을 예시한다. 이에 따라, 제1 스위칭 소자(S1), 인덕터(L1), 커패시터(C)를 흐르는 제3 전류 패쓰(path c)가 예시될 수 있다.
도 9d는, 고조파 저감부(520) 내의 제1 스위칭 소자(S1)는 턴 오프, 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 온된 것을 예시한다. 이에 따라, 인덕터(L1), 커패시터(C)를 흐르는 제4 전류 패쓰(path d)가 예시될 수 있다.
도 10a는, 도 7의 정류부(510)에 입력되는 입력 전류(im1)의 파형을 예시한다. 입력 전류(im1)는, 1차 내지 40차의 고조파 성분이 모두 포함된 것일 수 있다.
다음, 도 10b는, 고조파 저감부(520)의 동작에 의해, 인덕터(L1)에 흐르는 전류(im2)의 파형을 예시한다. 인덕터(L1)에 흐르는 전류(im2)는, 14차 이상의 고조파가 저감된 것을 예시한다.
다음, 도 10c는, 고조파 저감부(520)의 동작에 의해, 14차 이상의 고조파가 저감된 입력 전류(im3)의 파형을 예시한다. 이와 같이, 입력 전류에 고조파가 제거되므로, 모터 구동장치의 동작시, 제어 안정성이 향상되게 된다.
도 11은 도 3의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 인버터 제어부(230)는, 입력 전류 지령 생성부(720), 전력 지령 생성부(730), 변환부(725), 및 전압 지령 생성부(740)를 구비할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 입력 교류 전원에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류를 추출하고, 추출된 고조파 전류에 기초하여, 고조파 저감부(520)를 제어할 수 있다.
입력 전류 지령 생성부(720)는, 입력 교류 전원(Is)에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류(I*s)를 추출할 수 있다.
변환부(725)는, 입력 교류 전압(Vs)에 의한 입력 전압(Vs)을, 회전좌표계 기반으로 축변환할 수 있다. 변환된 입력 교류 전압은, 전력 지령 생성부(730)에 입력될 수 있다.
전력 지령 생성부(730)는, 입력 전류 지령 생성부(720)로부터 추출된 고조파 전류(I*s)와, 변환부(725)에서 출력된 입력 교류 전압 성분을 승산하는 승산기(731)를 구비할 수 있다.
이에 따라, 전력 지령 생성부(730)는, 14차 이상의 고조파 전류(I*s)에 기초하여, 전력 지령치(P*)를 생성할 수 있다.
전압 지령 생성부(740)는, 전력 지령치(P*)에 기초하여, 보상 전압 지령치(V*)를 생성할 수 있다.
특히, 전압 지령 생성부(740)는, 전력 지령치(P*) 및 4차 이상의 고조파 전류(I*s)에 기초하여, 보상 전압 지령치(V*)를 생성할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 보상 전압 지령치(V*)에 기초하여, 고조파 저감부(520) 내의, 제1 스위칭 소자(S1), 또는 제2 스위칭 소자(S2)가 동작하도록 제어할 수 있다.
또는, 인버터 제어부(230)는, 보상 전압 지령치(V*)에 기초하여, 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 모터 구동장치 또는 공기조화기의 동작방법은, 모터 구동장치 또는 공기조화기에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (11)

  1. 입력 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 제1 커패시터;
    상기 정류부와 상기 제1 커패시터 사이에 배치되며, 상기 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부;
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 제1 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터;
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 포함하며,
    상기 고조파 저감부는,
    상기 제1 커패시터 양단 사이에, 접속되는 인덕터, 제1 스위칭 소자, 및 제2 커패시터;
    상기 인덕터 및 상기 제1 스위칭 소자의 사이와, 상기 제2 커패시터 및 상기 제1 커패시터 사이에, 접속되는 제2 스위칭 소자;를 포함하며,
    상기 제1 스위칭 소자, 또는 상기 제2 스위칭 소자의 동작에 따라, 상기 입력 교류 전원의 고조파 중 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 저감부는,
    상기 입력 교류 전원의 고조파 중 14차 이상의 고조파 저감을 수행하고, 상기 14차 미만의 고조파는 바이패스하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴 오프, 상기 제2 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전류가, 상기 인덕터, 상기 제2 스위칭 소자를 흐르며,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴 온, 상기 제2 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 제2 전류가, 상기 인덕터, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 커패시터를 흐르는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 입력 교류 전원에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류를 추출하고, 상기 추출된 고조파 전류에 기초하여, 상기 고조파 저감부를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 입력 교류 전원에 의한 입력 전류 중 14차 이상의 고조파 전류를 추출하는 전류 지령 생성부;
    상기 14차 이상의 고조파 전류에 기초하여, 전력 지령치를 생성하는 전력 지령 생성부;
    상기 생성된 전력 지령치에 기초하여, 보상 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부;를 포함하고,
    상기 보상 전압 지령치에 기초하여, 상기 고조파 저감부 내의, 상기 제1 스위칭 소자, 또는 상기 제2 스위칭 소자가 동작하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는, 필름 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 모터 구동장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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