KR102040092B1 - 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기 - Google Patents

전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기 Download PDF

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Abstract

전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기가 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 입력전력 또는 입력전압에 따라 기준 직류링크전압을 결정하여 직류링크전압을 최적으로 제어함으로써 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 직류링크전압과 모터구동전압에 의해 결정되는 변조지수를 기준 직류링크전압과 연동하여 직류링크전압을 제어함으로써 컨덕션 손실을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 스위칭 손실, 컨덕션 손실을 최소화함으로써 효율을 증대할 수 있다.

Description

전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기{POWER CONVERTING APPARATUS, CONTROLLING METHOD OF THE SAME, AND AIR CONDITIONER HAVING THE APPARATUS}
본 발명은 입력전력 또는 입력전압에 따라 직류링크전압을 최적으로 제어하는 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기에 관한 것이다.
최근 공기조화기는 압축기의 구동 모터로서 주로 3상 모터를 사용한다. 3상 모터의 전력변환장치는 상용 전원인 교류를 직류로 변환한 후, 변환된 직류를 인버터를 이용하여 3상 모터에 인가함으로써 3상 모터를 구동시킨다.
공기조화기는 압축기, 팬 등에 전동기를 사용하며, 이를 구동하기 위한 전력변환장치를 사용하고 있다. 전력변환장치는 입력전원으로부터 제공된 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 변환된 직류전압을 펄스-폭 변조된(PWM:Pulse Width Modulation) 전압으로 다시 변환하여 부하에 공급한다.
한편, 공기조화기가 고성능, 고효율을 요구함에 따라 고조파 전류, 입력 역률, EMC 등의 문제가 발생한다. 예를 들어, 입력 전원 측으로의 고조파 전류 유입 및 입력 역률 특성이 안 좋아지는 경우, 전력계통에 접속된 다른 전기기기가 오동작을 일으킬 수 있고, 수명에 악영향을 주게 된다. 이러한 이유로, 각국에서는 전력품질 향상을 위해 역률, 고조파 등에 대한 규제를 강화하고 있다.
한편, 인버터(Inverter)는 일정 또는 가변 직류 전원으로부터 가변 전압, 가변 주파수의 교류 전원을 발생시키는 장치로, 에너지 절약 및 출력 제어의 용이성 때문에 세탁기, 냉장고, 공기조화기 등의 전기제품에 사용되는 모터를 구동시킨다.인버터 회로를 이용하여 모터를 효율적으로 제어하기 위해서, 모터에 인가되는 전류를 검출하여 그에 따라 모터에 인가되는 전류를 펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식으로 제어하는 방법 등이 사용된다.
일반적으로 모터 구동 방식은 전압 변조 방식 중 하나의 방식을 사용하여 전류제어기로부터 출력된 전압지령이 모터에 인가되도록 전력 스위칭 소자를 스위칭한다. 필요에 따라 변조지수를 근거로 전압 변조 방식을 달리할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 입력전력 또는 입력전압에 따라 직류링크전압을 최적으로 유지하도록 하는 전력변환장치, 이의 제어방법, 및 공기조화기를 제공하는 데에 일 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 직류링크전압을 변조지수와 연동하고 변조지수를 일정하게 유지하면서 기준 직류링크전압을 제어하는 전력변환장치, 이의 제어방법, 및 공기조화기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 하나 이상의 스위치를 포함하고, 입력전원을 직류전원으로 변환하며, 컨버터 제어신호에 따라 상기 스위치를 동작하여 역률을 개선하는 컨버터; 상기 컨버터의 후단에 연결되는 직류링크부; 복수의 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 직류링크부의 직류링크전압을 모터구동전압으로 변환하여 부하에 출력하는 인버터; 및 상기 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 발생하고, 상기 스위치에 상기 컨버터 제어신호를 발생하는 제어부;를 포함하여 구성된다. 상기 제어부는, 입력전력과 변조지수를 근거로 기준 직류링크전압을 결정하고, 상기 직류링크전압이 상기 기준 직류링크전압에 도달하도록 상기 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 변조지수는, 상기 직류링크전압과, 상기 모터구동전압의 d축 전압값과 q축 전압값을 근거로 결정되는 것을 특징으로 한다. 상기 변조지수는, 1보다 작은 일정 값인 것일 수 있다.
일 실시 예에 따른 전력변환장치의 제어방법은, 하나 이상의 스위치를 포함하고, 입력전원을 직류전원으로 변환하며, 컨버터 제어신호에 따라 상기 스위치를 동작하여 역률을 개선하는 컨버터; 상기 컨버터의 후단에 연결되는 직류링크부; 복수의 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 직류링크부의 직류링크전압을 모터구동전압으로 변환하여 부하에 출력하는 인버터; 및 상기 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 발생하고, 상기 스위치에 상기 컨버터 제어신호를 발생하는 제어부;를 포함하는 전력변환장치에 있어서, 상기 전력변환장치의 제어방법은, 상기 입력전원의 입력전압을 검출하는 단계; 상기 입력전압을 근거로 상기 기준 직류링크전압의 상한값 및 하한값을 결정하는 단계; 입력전력과 변조지수를 근거로 기준 직류링크전압을 결정하는 단계; 및 상기 직류링크전압이 상기 기준 직류링크전압에 도달하도록 상기 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어하는 단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예들은 입력전력 또는 입력전압에 따라 기준 직류링크전압을 결정하여 직류링크전압을 최적으로 제어함으로써 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 직류링크전압과 모터구동전압에 의해 결정되는 변조지수를 기준 직류링크전압과 연동하여 직류링크전압을 제어함으로써 컨덕션 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 스위칭 손실, 컨덕션 손실을 최소화함으로써 효율을 증대할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전력변환장치를 보인 블록도;
도 2 내지 도 4는 도 1에서의 컨버터의 예들을 상세히 보인 회로 구성도들;
도 5는 입력 전력에 따른 기준 직류링크전압을 결정하는 동작을 설명하기 위한 그래프;
도 6은 변조지수와 하모닉스의 관계를 설명하기 위한 그래프;
도 7은 일정한 변조지수를 이용하여 직류링크전압을 제어하는 동작을 설명하기 위한 도;
도 8은 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 제어방법을 개략적으로 보인 흐름도;
도 9는 도 8에서의 직류링크전압을 제어하는 동작을 설명하기 위한 흐름도; 및
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치를 포함하는 공기조화기의 일 예를 보인 도이다.
본 발명에서 전력변환장치를 포함하는 공기조화기에 대해서만 설명하나, 압축기, 모터를 구비하는 다른 전기기기 등에도 동일하게 전력변환장치가 사용될 수 있다.
먼저, 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치를 포함하는 공기조화기는, 후술하는 바와 같은 전력변환장치, 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 인버터 제어신호에 따라 상기 직류전원을 모터구동전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터와, 상기 모터구동전압에 따라 구동되는 구동 모터를 구비하는 압축기를 포함하여 구성된다.
상세히, 공기조화기는 공기 조화를 수행하는 하나 이상의 실내기와, 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기를 운전하는 모터, 및 상기 모터의 구동을 제어하는 제어 장치를 구비한다. 또, 상기 공기조화기는 하나 이상의 실내기와 배관을 통해 연결되어 상기 실내기를 구동하는 실외기를 포함한다. 상기 제어장치는 본 발명에 따른 전력변환장치를 포함하며, 상기 전력변환장치는 하나 이상의 전력변환장치용 스위칭 소자를 구비하고, 제어신호에 따라 상기 스위칭 소자를 구동하여 환류 경로를 생성함으로써 전력 효율을 보상한다. 또한 상기 전력변환장치는 상용 교류 전원의 교류 전압을 정류하여 정류 전압으로 변환하는 정류부를 포함하여 이루어진다.
실외기(10)는, 압축기에서 압축된 냉매를 공기와 열 교환하여 방열하는 증발기(13)와, 증발기에서 방열된 상기 냉매를 저온, 저압으로 팽창하는 팽창 밸브(14)와, 저온, 저압의 냉매를 물과 열 교환하는 응축기(15)와, 압축기(12)의 출구에 구비되어 압축기에서 압축된 냉매를 증발기(13) 또는 응축기(15)로 안내하는 냉매전환밸브(17)를 더 포함하여 구성된다.
도 10을 참조하면, 실외기(10)는, 케이스(11)의 내부에 압축기(12)와 증발기(13) 그리고 팽창 밸브(14)와 응축기(15)로 된 냉동사이클이 설치되고, 케이스(11)의 상면 또는 측면에는 외부의 공기를 흡입하여 증발기(13)와 열교환되도록 하기 위한 복수 개의 흡기팬(16)이 설치되며, 응축기(15)에는 실내기(20)들로 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 매질순환관(30)이 연결된다. 그리고 압축기(12)의 출구에는 그 압축기(12)에서 압축되는 냉매를 운전조건에 따라 증발기 방향 또는 응축기 방향으로 전환하기 위한 냉매전환밸브(17)가 설치된다.
냉매전환밸브(17)는 통상 4방밸브로 이루어진다. 상기와 같은 실외기(10)는 하절기에는 냉방기로 운전을 하는 반면 동절기에 난방기로 전환하여 운전을 하게 된다. 예를 들어, 하절기에는 압축기(12)에서 고온,고압으로 압축된 냉매를 냉매전환밸브가 증발기(13)로 안내하여 그 증발기(13)에서 공기와 열교환되어 방열하고 팽창 밸브(14)에서 저온, 저압으로 만든 후 응축기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 냉방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급한다. 한편, 동절기에는 냉매전환밸브(17)가 냉매를 응축기 방향으로 안내하여 고온, 고압의 냉매가 응축기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 난방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급한다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 컨버터(200)와, 직류링크부(300)와, 제어부(400)를 포함하여 구성된다. 또, 상기 전력변환장치는 인버터(500)를 더 포함할 수 있다.
컨버터(200)는, 하나 이상의 스위치를 포함하고, 입력전원(100)을 직류전원으로 변환하며, 컨버터 제어신호에 따라 스위치를 동작하여 역률을 개선한다. 직류링크부(300)는 컨버터(200)의 후단에 연결된다. 인버터(500)는, 복수의 스위칭 소자들을 포함하고, 직류링크부(300)의 직류링크전압을 모터구동전압으로 변환하여 부하(예를 들어, 압축기 모터(600))에 출력한다. 제어부(400)는, 인버터(500) 내의 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 발생하고, 컨버터(200) 내의 스위치에 컨버터 제어신호를 발생한다.
도 2를 참조하면, 상기 전력변환장치에 구비된 컨버터(200)는, 네 개의 다이오드들(D1 내지 D4)이 브리지 회로를 구성하고, 하단의 두 개의 다이오드들(D3, D4)에는 각각 스위치가 연결될 수 있다. 다이오드 브리지 회로의 입력단에는 하나 이상의 리액터(150)가 연결될 수 있다. 그리고 다이오드 브리지 회로의 출력단에는 직류링크부(300)가 구비된다. 또, 입력전원(100)과 리액터(150), 또는 입력전원(100)과 컨버터(200)의 사이에는 노이즈 필터(N/F)가 더 포함될 수 있다.
도 3은 다른 형태의 컨버터를 도시한다. 도 3을 참조하면, 컨버터(200)는 정류부와, 역률개선부로 구분될 수 있다. 정류부는 입력전원(100)의 교류전압을 정류한다. 또한, 정류부와 역률개선부는 다이오드 브리지 회로를 공유한다. 입력전원(100)이 공급하는 교류전압을 전파정류하기 위해서는 일반적으로 네 개의 다이오드로 구성된 다이오드 브리지 회로가 필요하다. 물론, 역률개선부는 하나 이상의 스위치를 더 포함한다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 컨버터(200)는 컨버터 제어신호에 따라, 구비된 스위치를 동작하여 입력전원(100)의 역률을 개선한다. 구체적으로, 스위치를 온(on) 상태로 하여 입력전원의 전류를 환류하고 환류된 전류를 연결된 리액터에 저장함으로써 입력전류의 역률을 개선할 수 있다. 여기서, 스위치는 예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT), MOSFET 등일 수 있다. 스위치는 컨버터 제어신호에 따라 입력전원(100)의 환류 경로를 단속한다. 즉, 컨버터 제어신호에 따라 스위치의 스위칭 동작이 이루어져서 입력전원이 환류된다.
제어부(400)는 컨버터(200)에 구비된 스위치를 통해 입력전원(100)의 경로와 단락전도시간을 제어한다. 여기서, 단락전도시간은 전류의 파형을 정류하기 위해 부하에 따라 또는 입력전원의 전력값에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 제어부(400)는 입력전원의 일단과 연결되면 제로 크로싱 지점(Zero Crossing Point)을 검출할 수 있다. 제어부(400)는 컨버터의 스위치를 도통하는 컨버터 제어신호를 발생하여 입력전원(100)의 환류 경로를 생성하게끔 한다. 또, 제어부는 검출된 부하의 크기에 따라 입력전원(100)의 단락전도시간을 제어하여 역률을 개선한다.
일반적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 리액터(150)는 컨버터(200) 및 입력전원(100) 사이에 연결된다. 도 3에 도시한 바와 같이 리액터(200a)가 컨버터(200) 내에 구비될 수도 있다. 구체적으로, 리액터의 일단은 입력전원(100)의 일단에 접속되고, 리액터의 타단은 컨버터의 AC 터미널 사이에 접속된다. 이때, 리액터는 복수 개일 수 있다. 리액터는 고조파 성분을 제거하고 입력전원(100)의 전력 효율을 보상한다. 리액터는 컨버터(200)의 스위치가 도통되면, 입력전원(100)의 에너지를 저장하고 입력전원(100)을 단락시킨다. 즉, 제어부의 컨버터 제어신호에 따라 컨버터(200)의 스위치가 턴온되면 환류 경로가 형성되며, 이에 리액터는 입력전원(100)의 전력을 저장하고 입력전원(100)을 강제로 단락시킨다.
직류링크부(300)는 컨버터(200)에 의해 정류된 직류전압을 평활화한다. 상기 직류링크부(300)는 평활한 직류전압을 부하, 예를 들어 인버터 및 후단에 공급한다. 직류링크부(300)는 하나의 커패시터(DC Link Capacitor) 또는 이를 포함한 간단한 회로로 구성될 수 있다.
이때, 제어부(400)는, 입력전원(100)의 입력전류의 파형이, 전원주파수 및 입력전류의 피크값에 의해 결정되는 전류기울기를 추종하도록 컨버터의 스위치를 스위칭할 수 있다. 제어부(400)는 입력전원(100)의 전원주파수의 2배수 만큼 제로 크로싱 지점을 기준으로 일 회 또는 복수 회 동안 스위치를 스위칭하는 컨버터 제어신호를 발생하여 입력전류의 파형을 결정한다. 전력변환장치는, 부하의 소비전력, 입력전압, 직류링크전압에 대한 데이터를 이용하여 역률 및 하모닉 규제(Harmonics)를 만족하는 전류의 형태를 결정한다. 입력전류의 파형은, 전원주파수 및 입력전류의 피크값에 의해 결정되는 전류기울기를 추종한다. 입력전류의 파형은, 입력전압의 제로 크로싱 지점으로부터 일정시간의 지연시간, 전류기울기, 스위칭에 따른 전류리플, 스위칭 횟수, 및 직류링크전압 중 하나 이상의 인자에 의해 결정된다.
도 4는 또 다른 예의 컨버터(200)를 도시한다. 도 4를 참조하면, 컨버터(200)는 도 3과 마찬가지로 정류부(210)와 역률개선부(220)로 구분될 수 있다. 다만, 정류부와 역률개선부는 브리지 다이오드 회로를 공유하지 아니한다. 즉, 정류부(210)는 일반적으로 브리지 다이오드 회로로 구성되고, 역률개선부(220)는 인터리브드 컨버터(Interleaved Converter) 회로로 구성된다. 역률개선부(220)는 두 쌍의 스위치와 전류 패스를 형성하는 다이오드로 구성된다. 스위치에는 각각 프리휠링 다이오드(Freewheeling Diode)가 연결될 수 있다. 또, 스위치들의 전단에는 각각 리액터가 연결될 수 있다. 역률개선부(220)를 구성하는 스위치들은 상호 보완적으로 동작한다. 이에 대한 상세한 설명은 일반적인 인터리브드 컨버터 회로의 동작과 같으므로 이하 생략한다.
상기 전력변환장치는 입력전원(100)의 입력전압을 검출하는 입력전압검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또, 상기 전력변환장치는 직류링크부(300)의 직류링크전압을 검출하는 직류링크전압검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어부(400)는, 입력전력(Power)과 변조지수(Modulation Index, MI)를 근거로 기준 직류링크전압을 결정한다. 또, 제어부(400)는, 직류링크전압(Vdc)이 기준 직류링크전압에 도달하도록 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어할 수 있다.
변조지수(MI)는, 직류링크전압과, 모터구동전압의 d축 전압값과 q축 전압값을 근거로 결정될 수 있다. 변조지수는 전압 이용률을 의미한다. 즉, 변조지수는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013007154601-pat00001
여기서, MI는 변조지수, Vdc는 직류링크전압, Vds는 고정좌표계 d축 전압, Vqs는 고정좌표계 q축 전압을 의미한다.
상기 변조지수는, 1보다 작은 일정 값, 즉 CMI(Constant Modulation Index)일 수 있다. 예를 들어, MI=0.9일 수 있다.
제어부(400)는, 입력전원(100)의 입력전압을 근거로 기준 직류링크전압의 상한값(Vdc.max) 및 하한값(Vdc.min)을 결정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부는 입력전압 또는 입력전력(Power)에 따라 직류링크전압의 기준, 즉 기준 직류링크전압을 결정한다. 이때, 현재 검출한 직류링크전압과 컨버터 출력전압을 비교할 수 있다. 예를 들어, 현재 직류링크전압이 컨버터 최소 출력전압보다 작으면 기준 직류링크전압을 최소 직류링크전압(Vdc.min)으로 유지한다(도 5의 (A)). 인버터 사용전압이 인버터 최대 사용전압이상이고 현재 직류링크전압이 컨버터 최대 출력전압 이하이면 기준 직류링크전압을 상승시킨다(도 5의 (B)). 인버터 사용전압이 인버터 최대 사용전압 이상이나 현재 직류링크전압이 컨버터 최대 출력전압보다 크면 기준 직류링크전압을 최대 직류링크전압(Vdc.max)으로 유지한다(도 5의 (C)). 여기서, 도 5의 (C) 영역은 약계자 영역이다.
도 5의 (B) 영역에서 전력변환장치는 CMI 제어, 즉 일정 값의 변조지수로 직류링크전압을 제어할 수 있다. 도 6은 MI가 0.9일 때의 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)과 DPWM(Discreat PWM)의 고조파(Harmonics)를 비교한 그래프이다. 도 6에 도시한 바와 같이, DPWM을 사용하는 경우에 변조지수가 0.9이면 고조파가 가장 낮음을 알 수 있다. 도 7을 참조하면, 인버터 출력 전압에 대하여 변조지수가 최대 상태를 유지하도록 직류링크전압을 제어할 수 있다. 인버터 출력 전압을 만족하는 최소한의 직류링크전압 제어를 통해 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 직류링크전압 제어를 통해 이용률을 항상 100%로 일정하게 유지할 수 있다. 다만, 약계자 진입 해제와 맞물려서 일정하게 90% 수준을 유지하도록 설계하는 것이 바람직하다. 즉, 직류링크전압을 가변하여 최대 인버터 출력 전압을 가변할 수 있다. 반면, 직류링크전압을 항상 최대로 유지하는 기존 방식의 경우(점선 부분), 인버터 출력 전압이 낮을 경우에 과도한 여유전압으로 스위칭 손실이 발생할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치의 제어방법을 설명한다.
도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 제어방법은, 입력전원의 입력전압을 검출하는 단계(S100)와, 상기 입력전압을 근거로 상기 기준 직류링크전압의 상한값 및 하한값을 결정하는 단계(S200)와, 입력전력과 변조지수를 근거로 기준 직류링크전압을 결정하는 단계(S300)와, 상기 직류링크전압이 상기 기준 직류링크전압에 도달하도록 상기 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어하는 단계(S400)를 포함하여 구성된다. 전력변환장치의 구성은 도 1 내지 도 4를 참조한다. 또, 공기조화기의 구성은 도 10을 참조한다.
전력변환장치는 입력전원의 입력전압을 근거로 기준 직류링크전압의 상한값(Vdc.max) 및 하한값(Vdc.min)을 결정한다(S200). 전력변환장치는 입력전력(Power)과 변조지수(Modulation Index, MI)를 근거로 기준 직류링크전압을 결정한다(S300). 또, 전력변환장치는 직류링크전압(Vdc)이 기준 직류링크전압에 도달하도록 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어한다(S400).
변조지수(MI)는, 직류링크전압과, 모터구동전압의 d축 전압값과 q축 전압값을 근거로 결정될 수 있다. 변조지수는 전압 이용률을 의미한다. 즉, 변조지수는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013007154601-pat00002
여기서, MI는 변조지수, Vdc는 직류링크전압, Vds는 고정좌표계 d축 전압, Vqs는 고정좌표계 q축 전압을 의미한다.
상기 변조지수는, 1보다 작은 일정 값, 즉 CMI(Constant Modulation Index)일 수 있다. 예를 들어, MI=0.9일 수 있다.
도 5를 참조하면, 전력변환장치는 입력전압 또는 입력전력(Power)에 따라 직류링크전압의 기준, 즉 기준 직류링크전압을 결정한다. 이때, 현재 검출한 직류링크전압과 컨버터 출력전압을 비교할 수 있다.
도 9를 참조하면, 전력변환장치는, 인버터 사용전압이 인버터 최대 사용전압보다 작고(S310의 아니오 단계), 현재 직류링크전압이 컨버터 최소 출력전압보다 작으면(S330의 아니오 단계), 기준 직류링크전압을 최소 직류링크전압(Vdc.min)으로 유지한다(S370, 도 5의 (A)). 또, 전력변환장치는, 인버터 사용전압이 인버터 최대 사용전압보다 작고(S310의 아니오 단계), 현재 직류링크전압이 컨버터 최소 출력전압이상이면(S330의 예 단계), 기준 직류링크전압을 줄여 직류링크전압을 하강 제어한다(S360, 도 5의 (B)). 한편, 전력변환장치는, 인버터 사용전압이 인버터 최대 사용전압이상이고(S310의 예 단계), 현재 직류링크전압이 컨버터 최대 출력전압 이하이면(S320의 예 단계), 기준 직류링크전압을 상승시킨다(S350, 도 5의 (B)). 또, 전력변환장치는, 인버터 사용전압이 인버터 최대 사용전압 이상이나(S310의 예 단계), 현재 직류링크전압이 컨버터 최대 출력전압보다 크면(S320의 아니오 단계), 기준 직류링크전압을 최대 직류링크전압(Vdc.max)으로 유지한다(도 5의 (C)). 여기서, 도 5의 (C) 영역은 약계자 영역이다.
도 5의 (B) 영역에서 전력변환장치는 CMI 제어, 즉 일정 값의 변조지수로 직류링크전압을 제어할 수 있다. 도 6을 참조하면, DPWM을 사용하는 경우에 변조지수가 0.9이면 고조파가 가장 낮음을 알 수 있다. 도 7을 참조하면, 인버터 출력 전압에 대하여 변조지수가 최대 상태를 유지하도록 직류링크전압을 제어할 수 있다. 인버터 출력 전압을 만족하는 최소한의 직류링크전압 제어를 통해 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 직류링크전압 제어를 통해 이용률을 항상 100%로 일정하게 유지할 수 있다. 다만, 약계자 진입 해제와 맞물려서 일정하게 90% 수준을 유지하도록 설계하는 것이 바람직하다. 즉, 직류링크전압을 가변하여 최대 인버터 출력 전압을 가변할 수 있다. 반면, 직류링크전압을 항상 최대로 유지하는 기존 방식의 경우, 인버터 출력 전압이 낮을 경우에 과도한 여유전압으로 스위칭 손실이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기는, 입력전력 또는 입력전압에 따라 기준 직류링크전압을 결정하여 직류링크전압을 최적으로 제어함으로써 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 직류링크전압과 모터구동전압에 의해 결정되는 변조지수를 기준 직류링크전압과 연동하여 직류링크전압을 제어함으로써 컨덕션 손실을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 스위칭 손실, 컨덕션 손실을 최소화함으로써 효율을 증대할 수 있다.
100: 입력전원 200: 컨버터
300: 직류링크부 400: 제어부
500: 인버터 600: 모터, 부하

Claims (10)

  1. 하나 이상의 스위치를 포함하고, 입력전원을 직류전원으로 변환하며, 컨버터 제어신호에 따라 상기 스위치를 동작하여 역률을 개선하는 컨버터;
    상기 컨버터의 후단에 연결되는 직류링크부;
    복수의 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 직류링크부의 직류링크전압을 모터구동전압으로 변환하여 부하에 출력하는 인버터; 및
    상기 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 발생하고, 상기 스위치에 상기 컨버터 제어신호를 발생하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 컨버터에 입력되는 입력전력과 변조지수를 근거로 기준 직류링크전압을 결정하고, 상기 직류링크전압이 상기 기준 직류링크전압에 도달하도록 상기 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 변조지수는, 상기 직류링크전압과, 상기 모터구동전압의 d축 전압값과 q축 전압값을 근거로 결정되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 변조지수는, 1보다 작은 일정 값인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 입력전원의 입력전압을 근거로 상기 기준 직류링크전압의 상한값 및 하한값을 결정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부; 및
    상기 직류링크전압을 검출하는 직류링크전압 검출부;를 더 포함하는 전력변환장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 입력전원과의 사이에 연결되고, 상기 스위치의 스위칭에 따라 에너지를 저장하는 하나 이상의 리액터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서의 전력변환장치; 및
    상기 모터구동전압에 따라 구동되는 구동 모터를 구비하는 압축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  8. 하나 이상의 스위치를 포함하고, 입력전원을 직류전원으로 변환하며, 컨버터 제어신호에 따라 상기 스위치를 동작하여 역률을 개선하는 컨버터; 상기 컨버터의 후단에 연결되는 직류링크부; 복수의 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 직류링크부의 직류링크전압을 모터구동전압으로 변환하여 부하에 출력하는 인버터; 및 상기 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 발생하고, 상기 스위치에 상기 컨버터 제어신호를 발생하는 제어부;를 포함하는 전력변환장치의 제어방법에 있어서,
    상기 입력전원의 입력전압을 검출하는 단계;
    상기 입력전압을 근거로 기준 직류링크전압의 상한값 및 하한값을 결정하는 단계;
    상기 컨버터에 입력되는 입력전력과 변조지수를 근거로 상기 기준 직류링크전압을 결정하는 단계; 및
    상기 직류링크전압이 상기 기준 직류링크전압에 도달하도록 상기 컨버터 제어신호에 대한 듀티를 제어하는 단계;를 포함하는 전력변환장치의 제어방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 변조지수는, 상기 직류링크전압과, 상기 모터구동전압의 d축 전압값과 q축 전압값을 근거로 결정되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 변조지수는, 1보다 작은 일정 값인 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
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