KR102120109B1 - 지락 보호 기능을 가지는 공기 조화기 - Google Patents

지락 보호 기능을 가지는 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기 조화기에 관한 것으로 특히, 지락에 대하여 보호 기능을 가지는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기에 있어서, 실외기; 상기 실외기 내에 설치되고 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 신호에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부; 상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터; 상기 DC-링크 캐패시터에 저장된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 구동부를 포함하는 인버터 모듈; 및 상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이에 설치되어 지락 발생을 감지하여 지락에 의한 과전류로부터 상기 인버터 모듈을 보호하는 지락 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

지락 보호 기능을 가지는 공기 조화기 {Air conditioner having function of protection from grounding}
본 발명은 공기 조화기에 관한 것으로 특히, 지락에 대하여 보호 기능을 가지는 공기 조화기에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 조화기의 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 이러한 모터에는 전력 변환 장치로부터 교류 전력이 공급된다.
이와 같은 전력 변환 장치는 주로, 정류부, 역률 제어부 및 인버터를 포함하는 것으로 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터에 공급된다. 이때, 인버터에서는 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.
경우에 따라, 정류부와 인버터 사이에는 역률 개선을 위한 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)가 구비될 수 있다.
이와 같이, 인버터에 의하여 구동되는 모터의 작동에 따라 압축기가 동작하여 공기 조화기의 냉매 순환 사이클이 이루어진다.
경우에 따라, 인버터를 포함하는 전력 변환 장치에 전기적 이상이 발생할 수 있다. 예를 들어, 과전류 및 과전압이 인가되는 등의 현상이 발생할 수 있다. 이러한 과전류 및 과전압의 인가는 여러 원인에 의하여 발생할 수 있다.
이러한 여러 원인 중에서, 통상적으로, 암쇼트(arm short) 및 선간 단락은 션트 저항을 이용하여 감지할 수 있다.
그러나, 지락 현상이 발생하면 인버터에 유입된 전류 중 적어도 일부는 환류되지 않고 다른 경로로 흐르게 되는, 이른바 '누전' 현상이 발생하게 된다.
즉, 지락 현상이 발생하면 인버터에 유입된 전류 중 적어도 일부는 외부의 경로를 통하여 흐르게 되어 션트 저항으로는 이를 감지할 수 없게 된다.
따라서, 이러한 지락이 발생할 때 이를 효과적으로 감지하고 전력 변환 장치를 보호할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 지락으로부터 인버터, 모터 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나를 보호할 수 있는 지락 보호 기능을 가지는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
또한, 지락 발생 시 별도의 전원부 공급 없이도 감지 및 보호 기능을 수행할 수 있는 지락 보호 기능을 가지는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 공기 조화기의 지락 발생을 감지하여 전력 변환 장치, 인버터 및 압축기 모터 중 적어도 하나를 보호할 수 있는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
이러한 제1관점에 의한 본 발명은, 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기에 있어서, 실외기; 상기 실외기 내에 설치되고 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 신호에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부; 상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터; 상기 DC-링크 캐패시터에 저장된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 구동부를 포함하는 인버터 모듈; 및 상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이에 설치되어 지락 발생을 감지하여 지락에 의한 과전류로부터 상기 인버터 모듈을 보호하는 지락 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 지락 보호부는, 상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이의 활성선에 설치되어 직류 전류를 감지하는 제1 전류 감지부; 및 상기 제1 전류 감지부의 전류 감지량에 따라 상기 인버터 모듈에 전달되는 구동신호를 차단하는 제어부를 포함할 수 있다. 따라서 활성선의 과전류를 감지하여 인버터 모듈을 보호할 수 있다.
또한, 상기 지락 보호부는, 상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이의 중성선에 설치되어 직류 전류를 감지하는 제2 전류 감지부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전류 감지부의 감지 전류와 상기 제2 전류 감지부에 감지된 전류를 비교하여 상기 인버터 모듈에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있다. 이와 같이, 활성선의 전류와 중성선의 전류를 비교하여 지락을 판단할 수 있다.
또한, 상기 지락 보호부는, 상기 압축기 모터의 하우징에 설치되는 제3 전류 감지부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 지락 보호부는, 상기 실외기의 하우징에 설치되는 제4 전류 감지부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 전류 감지부 및 상기 제4 전류 감지부 중 적어도 어느 하나는 감지 전류량에 따른 전압 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이, 상기 제3 전류 감지부 및 상기 제4 전류 감지부는 전력 변환 장치에 직접 연결되어 있지 않아도 전압 신호를 제어부로 전달할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제3 전류 감지부 및 제4 전류 감지부 중 적어도 어느 하나의 출력 전압 신호의 크기가 설정값 이상일 때 상기 인버터 모듈에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있다. 이때, 활성선의 전류에 과전류가 감지되지 않아도 지락을 판단할 수 있다.
또한, 상기 지락 보호부는, 상기 제3 전류 감지부 및 상기 제4 전류 감지부 중 적어도 어느 하나에서 출력되는 전압 신호를 감지하여, 해당 지락이 발생한 부분을 표시할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 활성선의 전류량 및 상기 인버터 모듈을 거쳐 환류되는 중성선의 전류량을 감지 및 비교하여 지락을 판단하여 전력 변환 장치, 인버터 및 압축기 모터 중 적어도 하나를 보호할 수 있는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
이러한 제2관점에 의한 본 발명은, 압축기 모터를 포함하는 실외기를 포함하고 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기에 있어서, 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 신호에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부; 상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터; 상기 DC-링크 캐패시터에 저장된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 구동부를 포함하는 인버터 모듈; 및 상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이의 활성선의 전류량 및 상기 인버터 모듈을 거쳐 환류되는 중성선의 전류량을 감지 및 비교하여 지락을 판단하여 상기 인버터 모듈에 전달되는 구동신호를 차단하는 지락 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 지락 보호부는, 상기 압축기 모터의 하우징에 흐르는 전류량 및 상기 실외기의 하우징에 흐르는 전류량 중 적어도 하나를 더 감지하여 지락을 판단할 수 있다.
또한, 상기 지락 보호부는, 상기 압축기 모터의 하우징에 흐르는 전류량 및 상기 실외기의 하우징에 흐르는 전류량이 설정값 이상일 경우에 해당 지락이 발생한 부분을 표시할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 지락 보호부의 작동에 의하여 과전류 발생 시 인버터 모듈, 압축기 및 전력 변환 장치 중 적어도 하나를 보호할 수 있다.
또한, 과전류가 발생하지 않아도 환류되는 전류량을 감지하여 지락 발생 여부를 판단하여 인버터 모듈, 압축기 및 전력 변환 장치 중 적어도 하나를 보호할 뿐 아니라 작업자를 보호할 수 있다.
즉, 지락 발생 여부를 알림으로써 작업자는 전기 전송 선로 이외의 부분에서도 누전이 발생한 사실을 인지하여, 이에 대하여 보호 수단을 이용하여 작업을 수행할 수 있다.
더욱이, 지락 발생 부분을 표시함으로써, 작업자는 보다 용이하게 지락 발생 원인을 찾아 수리 등의 작업을 수행할 수 있는 것이다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 공기 조화기의 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기를 나타내는 회로도이다.
도 3은 공기 조화기의 암쇼트 현상을 나타내는 개략도이다.
도 4는 공기 조화기의 선간 단락 현상을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 지락 보호부의 작동을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 지락 보호부의 작동을 나타내는 세부 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 공기 조화기의 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다. 이러한 전력 변환 장치는 공기 조화기의 실외기에 포함될 수 있다.
도 1을 참조하면, 모터(200) 또는 이 모터(200)에 의하여 구동되는 압축기(210; 도 2 참조)를 구동하기 위한 전력 변환 장치(100)는 교류 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 정류부(110)에서 정류된 DC 전압을 승/강압하는 과정에서 역률을 제어하는 컨버터(120), 컨버터(120)를 제어하는 컨버터 제어부(130), 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150)와, 그리고 컨버터(120)와 인버터(140) 사이의 DC-링크(DC-link) 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터(140)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다. 따라서, 모터 구동장치와 전력 변환 장치는 동일한 도면 부호(100)를 참조하여 설명한다.
그러나 모터(200)는 압축기 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차, 청소기 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
한편, 모터 구동장치(100)는, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터(120)는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터(120)는 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터를 이용할 수 있다. 또한, 이러한 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 승압 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 경우에 따라, 컨버터(120)는 정류부(110)를 포함하는 개념일 수 있다. 이하, 컨버터(120)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(110)는, 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전력을 컨버터(120) 측으로 출력한다.
이와 같이, 컨버터(120)는 정류부(110)에서 정류된 전압 신호를 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
컨버터 제어부(130)는 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함한 구성일 수 있다.
이와 같이, 컨버터 제어부(130)는 컨버터(120) 내의 스위칭 소자(Q1; 도 2 참조)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 제어 신호(Sc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(130)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(D)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
경우에 따라, 이러한 컨버터(120) 및 컨버터 제어부(130)는 생략될 수 있다. 즉, 정류부(110)를 거친 출력 전압이 컨버터(120)를 거치지 않고 DC-링크 캐패시터(C)에 충전되거나 인버터(140)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(110) 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, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current transformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC-링크 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 캐패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 제어신호(Si)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 DC 전압은, 컨버터 제어부(130)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(140)는, 컨버터(120)의 스위칭 소자(Q1)의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(200)에 출력할 수 있다.
인버터 제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터(140)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC-링크 캐패시터(C) 양단인 DC-링크 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC-링크 전압(Vdc)은 DC-링크 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
인버터 제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 구동부(gate driver; 142; 도 2 참조)와, 이러한 구동부(142)에 구동 신호를 전달하는 제어부(151)를 포함한 구성일 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(200)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(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기를 나타내는 회로도이다. 구체적으로, 도 2에서 도시하는 구성은 공기 조화기의 실외기의 구성일 수 있다.
도 2를 참조하면, 모터(200; 도 1 참조)에 의하여 구동되는 압축기(210)를 보호하기 위한 구체적인 회로의 구성을 나타내고 있다.
정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
컨버터(120)는, 정류부(110)에 연결되는 인덕터(L1), 이 인덕터(L1)에 연결되는 스위칭 소자(Q1), 및 스위칭 소자(Q1)와 DC-링크 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
승압 컨버터(120)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 컨버터로서, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 다이오드(D1)가 차단되면서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, DC-링크 캐패시터(C)에 저장되어 있던 전하가 방전하면서 출력단에 출력전압을 발생시킨다.
또한, 스위칭 소자(Q1)가 차단되면 스위칭 소자(Q1) 도통 시 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지가 더해져서 출력단으로 전달된다.
여기서, 스위칭 소자(Q1)는 별도의 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 즉, 컨버터 제어부(130)에서 전달되는 PWM 신호가 스위칭 소자(Q1)의 게이트(gate; 또는 베이스) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
IGBT는 전력 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자로서, 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 소자이다.
인버터 모듈(141)은, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 컨버터(120)의 스위칭 소자(Q1)의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터 모듈(141)은 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터 모듈(141)의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
이러한 인버터 모듈(141)은 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)를 구동하기 위한 구동부(142)가 결합된 통합 파워 모듈(Integrated Power Module; IPM)일 수 있다.
이때, 제어부(165)는 이러한 구동부(142)를 제어하기 위한 인버터 제어신호를 인버터 모듈(141)에 출력할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 인버터 제어신호는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호일 수 있다.
이러한 제어부(165)는 위에서 설명한 인버터 제어부(150)와 동일한 요소이거나 인버터 제어부(150)의 일부일 수 있다. 예를 들어, 인버터 제어부(150)는 구동부(142)와 제어부(165)를 포함한 구성일 수 있다.
또한, 이러한 제어부(165)는 지락을 감지하고 전력 변환 장치, 인버터 모듈(141) 및 압축기 모터(210) 중 적어도 어느 하나를 보호할 수 있는 지락 보호부(160)의 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(165)는 지락 보호부(160)의 일부 구성으로 작용할 수 있다.
이러한 지락 보호부(160)는 DC-링크 캐패시터(C)와 인버터 모듈(141) 사이에 설치되어 지락 발생을 감지하여 지락에 의한 과전류로부터 인버터 모듈(141)을 보호할 수 있다.
지락 보호부(160)는 지락 현상으로부터 인버터 모듈(141)을 보호할 수 있다.
지락(grounding) 현상은 전기 전송 경로와 대지 사이에 절연이 저하되어 아크 또는 도전성 물질에 의해 교락(bridged) 되어 나타나는 현상으로, 전기 전송 경로 또는 기기의 외부에 사람에게 위험한 전압이 나타나거나 전류가 흐르는 현상을 말한다. 이때의 전류를 지락 전류라고 하고 이 현상을 일반적으로 누전이라고 일컫기도 한다.
전기 전송 경로에 지락이 발생하면 감전 재해나 전력설비의 손상 등을 일으킬 수 있으며, 전기 전송 경로의 절연이 열화되어 파손되어 예를 들면, 모터 하우징을 통해서 지락 전류가 발생하면 이 모터 하우징에는 고전압이 발생하여 사람이 여기에 접촉하면 감전 재해를 일으킬 수 있다.
통상적으로, 공기 조화기 실외기에서 암쇼트(arm short) 및 선간 단락은 션트 저항을 이용하여 감지할 수 있다.
도 3은 공기 조화기의 암쇼트 현상을 나타내는 개략도이고, 도 4는 공기 조화기의 선간 단락 현상을 나타내는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 암쇼트 현상은 인버터(140)에서 삼상 중에서 어느 한 상의 상암측 소자와 하암측 소자, 예를 들면, U상의 상암측 소자(Qa) 및 하암측 소자(Qa')를 통하여 전류가 흐르는 현상을 말한다.
이와 같이, 암쇼트 현상이 발생하면 전류가 모터(200)를 통하여 흐르지 못하고 환류되어 과전류가 발생할 수 있다. 이와 같이 환류되는 전류(a)는 U상의 하암측 소자(Qa') 부근에 설치되는 션트 저항(도시되지 않음)을 통하여 감지될 수 있다.
도 4를 참조하면, 선간 단락 현상은, 인버터(140)와 모터(200) 사이를 잇는 전선에 단락(short)이 발생하는 현상이다. 이 경우에도 전류는 모터(200)를 통하여 흐르지 못하고 환류되어 과전류가 발생할 수 있다.
도 4에서는 U상과 V상을 잇는 전선에 단락이 발생하여, U상의 상암측 소자(Qa)를 통과한 전류가 V상의 하암측 소자(Qb')를 통하여 환류되는 현상이 나타나고 있다. 마찬가지로 이와 같이 환류되는 전류(b)는 U상의 하암측 소자(Qa') 부근에 설치되는 션트 저항(도시되지 않음)을 통하여 감지될 수 있다.
도 3의 암쇼트 현상 및 도 4의 선간 단락 현상은 동일하게 과전류를 일으키나, 위에서 설명한 바와 같이, 션트 저항에 의하여 감지될 수 있다. 이와 같이 과전류가 감지되면 인버터(140)의 동작을 정지시킴으로써 인버터(140) 및 모터(200)를 보호할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 지락 현상이 발생하면 인버터 모듈(141)에 유입된 전류 중 적어도 일부는 환류되지 않고 다른 경로로 흐르게 되는, 이른바 '누전' 현상이 발생하게 된다.
즉, 지락 현상이 발생하면 인버터 모듈(141)에 유입된 전류 중 적어도 일부는, 예를 들면, 압축기(210) 하우징(housing)이나 실외기(300) 하우징 측으로 흐르게 되어 션트 저항으로는 이를 감지할 수 없게 된다.
이와 같은 지락 현상은 활성선(Live line)의 전류량을 감지함으로써 판단 가능하며, 또한, 인버터 모듈(141)을 거쳐 환류되는 중성선(Neutral line)의 전류량을 함께 감지하여 판단할 수 있다. 이러한 중성선은 접지선(Ground line)이라 칭할 수도 있다.
이때, 감지되는 전류량은 직류(DC) 전류인 것이 유리하다. 따라서, 이와 같이 감지되는 활성선의 전류량은 DC-링크 캐패시터(C)와 인버터 모듈(141) 사이의 전류량일 수 있다.
즉, 지락 보호부(160)는 DC-링크 캐패시터(C)와 인버터 모듈(141) 사이의 활성선의 전류량을 감지하거나, 이와 함께 인버터 모듈(141)을 거쳐 환류되는 중성선의 전류량을 감지함으로써 지락 발생으로부터 인버터 모듈(141)을 보호할 수 있다. 이때, 지락이 발생하면 지락 보호부(160)는 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있다.
구체적으로, 지락 보호부(160)는, DC-링크 캐패시터(C)와 인버터 모듈(141) 사이의 활성선에 설치되어 직류 전류를 감지하는 제1 전류 감지부(161) 및 이 제1 전류 감지부(161)의 전류 감지량에 따라 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단하는 제어부(165)를 포함할 수 있다.
따라서, 이러한 지락 보호부(160)를 이용하여 활성선의 과전류를 감지하여 인버터 모듈(141)을 보호할 수 있다. 또한, 과전압 및 과전류에 민감한 제어부(165)를 구현하는 마이크로 컴퓨터와 같은 부품을 보호할 수 있다. 이하, 지락 보호부(160)에 의하여 보호되는 구성을 인버터 모듈(141), 전력 변환 장치(100), 압축기(210), 제어부(165) 등을 선택적으로 들어 설명하나 이와 같이 보호되는 구성은 이들 중 다른 어느 하나일 수 있고, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
또한, 지락 보호부(160)는, DC-링크 캐패시터(C)와 인버터 모듈(141) 사이의 중성선에 설치되어 직류 전류를 감지하는 제2 전류 감지부(164)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제어부(165)는, 제1 전류 감지부(161)의 감지 전류와 제2 전류 감지부(164)에 감지된 전류를 비교하여 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있다. 이와 같이, 활성선의 전류와 중성선의 전류를 비교하여 지락을 판단할 수 있다.
예를 들어, 제1 전류 감지부(161)의 감지 전류와 제2 전류 감지부(164)에 감지된 전류의 차이값이 설정값 이상일 경우에 제어부(165)는 지락으로 판단할 수 있다. 이에 대해서는 자세히 후술한다.
이와 같은 제1 전류 감지부(161) 및 제2 전류 감지부(164)는 SMPS와 같은 별도의 전원이 필요 없고 제어부(165)에 공급되는 동일한 전원을 사용하여 동작할 수 있으므로 회로 구성이 간단하고 용이한 장점이 있다.
또한, 지락 보호부(160)는, 압축기 모터(210)의 하우징에 설치되는 제3 전류 감지부(162)를 더 포함할 수 있다. 또한, 지락 보호부(160)는, 실외기(300)의 하우징에 설치되는 제4 전류 감지부(163)를 더 포함할 수 있다.
이러한 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163)를 통하여, 지락의 발생 원인을 용이하게 검지할 수 있다. 예를 들어, 누전이 발생하는 장소를 상대적으로 명확하게 판단할 수 있다.
또한, 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163) 중 적어도 어느 하나는 감지 전류량에 따른 전압 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163)는 전력 변환 장치 회로에 직접 연결되어 있지 않아도 전압 신호를 제어부(165)로 전달할 수 있도록 구비될 수 있다.
이때, 제어부(165)는, 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163) 중 적어도 어느 하나의 출력 전압 신호의 크기가 설정값 이상일 때 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있다. 이때, 활성선의 전류에 과전류가 감지되지 않아도 지락을 판단할 수 있다.
즉, 제1 전류 감지부(161)에 과전류가 감지되면 지락 발생 여부와 관계없이 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있다. 그러나, 제1 전류 감지부(161)에 과전류가 감지되지 않는 경우에도 제어부(165)는 지락을 판단하여 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단할 수 있는 것이다.
또한, 지락 보호부(160)는 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163) 중 적어도 어느 하나에서 출력되는 전압 신호(Vc, Vh)를 감지하여, 해당 지락(누전 현상)이 발생한 부분을 표시할 수 있다.
예를 들어, 제어부(165)에서 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163) 중 적어도 어느 하나에서 출력되는 전압 신호(Vc, Vh)가 설정값 이상임을 감지하면, 설정값 이상의 전압 신호(Vc, Vh)를 전송하는 부분을 표시할 수 있다.
이러한 지락 발생 부분을 표시하는 수단은 예를 들면, 디스플레이 패널, LED 램프, 소리 등이 이용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 지락 보호부(160)의 작동에 의하여 과전류 발생 시 인버터 모듈(141), 압축기(210) 및 전력 변환 장치 중 적어도 하나를 보호할 수 있다.
또한, 과전류가 발생하지 않아도 환류되는 전류량을 감지하여 지락 발생 여부를 판단하여 인버터 모듈(141), 압축기(210) 및 전력 변환 장치 중 적어도 하나를 보호할 뿐 아니라 작업자를 보호할 수 있다.
즉, 지락 발생 여부를 알림으로써 작업자는 전기 전송 선로 이외의 부분에서도 누전이 발생한 사실을 인지하여, 이에 대하여 보호 수단을 이용하여 작업을 수행할 수 있다.
더욱이, 지락 발생 부분을 표시함으로써, 작업자는 보다 용이하게 지락 발생 원인을 찾아 수리 등의 작업을 수행할 수 있는 것이다.
이와 같이, 지락 발생 시 지락이 발생한 부분을 명확히 알 수 있게 되며, 작업자는 지락의 발생에 유의하여 작업을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 지락 보호부의 작동을 나타내는 순서도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 지락 보호부의 작동을 나타내는 세부 순서도이다.
이하, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 작동을 상세히 설명한다.
먼저, 실외기를 구동하여(S10) 공기 조화기를 구동한다.
이하에서 이루어지는 과정은 지락 보호부(160) 또는 제어부(165)에서 이루어질 수 있다.
이후, 활성선에 흐르는 전류를 감지하는 과정 및 중성선에 전류를 감지하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 수행할 수 있다(S20).
활성선에 흐르는 전류를 감지하는 과정만이 수행되었다면 실외기에 장착된 전력 변환 장치에 과전류가 발생하는 경우에 보호 작동을 수행할 수 있다. 이때, 보호 작동은 제어부(165)에서 인버터 모듈(141)의 구동부(142)로 전달되는 구동 신호를 차단하는 것일 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 활성선에 흐르는 전류의 감지는 제1 전류 감지부(161)에 의하여 수행될 수 있고, 중성선에 흐르는 전류의 감지는 제2 전류 감지부(164)에 의하여 수행될 수 있다.
이하, 활성선에 흐르는 전류를 감지하는 과정 및 중성선에 전류를 감지하는 과정을 모두 수행한 상태에서 이후의 과정을 설명한다.
다음, 활성선에 과전류 발생 여부를 판단하는 과정을 수행할 수 있다(S30).
이때, 과전류가 발생한 것으로 판단되면 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단(S50)할 수 있다.
한편, 과전류가 발생하지 않은 경우에는, 활성선에 흐르는 전류량에서 중성선에 흐르는 전류량을 뺀 값이 설정값 이상인지를 판단하는 과정(S40)을 수행할 수 있다.
이때, 과전류가 발생하지 않았더라도 활성선에 흐르는 전류량에서 중성선에 흐르는 전류량을 뺀 값이 설정값 이상이라면 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단(S50)할 수 있다.
반면, 활성선에 흐르는 전류량에서 중성선에 흐르는 전류량을 뺀 값이 설정값 이상이 아니라면 S20 단계로 복귀하여 이후의 과정을 진행할 수 있다.
이와 같이, 인버터 모듈(141)에 전달되는 구동신호를 차단(S50)된 이후에는, 지락 발생 부분을 표시하는 과정(S60)이 수행될 수 있다.
이러한 지락 발생 부분을 표시하는 과정(S60)은 구체적으로 다음과 같은 과정들을 포함할 수 있다.
즉, 도 6을 참조하면, 먼저, 모터 하우징에 흐르는 전류 및 실외기 하우징에 흐르는 전류를 감지할 수 있다(S61).
이후, 모터 하우징에 흐르는 전류량 및 실외기 하우징에 흐르는 전류량 중 적어도 어느 하나가 설정값 이상인지를 판단할 수 있다(S62). 위에서 설명한 바와 같이, 모터 하우징에 흐르는 전류량 및 실외기 하우징에 흐르는 전류량은 각각 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163)을 통하여 수행될 수 있다.
또한, 제3 전류 감지부(162) 및 제4 전류 감지부(163)는 감지된 전류량에 해당하는 크기의 전압 신호(Vc, Vh)를 제어부(165)에 전송할 수 있다. 따라서, 제어부(165)에서는 해당 부분에 누전이 발생하는지를 판단할 수 있다.
이때, 모터 하우징에 흐르는 전류 및 실외기 하우징에 흐르는 전류 중 적어도 어느 하나가 설정값 이상인 경우에는 해당 부분을 표시할 수 있다(S63).
예를 들어, 모터 하우징에 흐르는 전류량이 설정값 이상인 것으로 판단되는 경우, 모터 하우징을 통하여 누전이 발생함을 판단하고, 이를 표시할 수 있다.
반면, 실외기 하우징에 흐르는 전류량이 설정값 이상인 것으로 판단되는 경우, 실외기 하우징을 통하여 누전이 발생함을 판단하고, 이를 표시할 수 있다.
한편, 모터 하우징에 흐르는 전류 및 실외기 하우징에 흐르는 전류 중 적어도 어느 하나가 설정값보다 작은 경우에는 S61 단계로 복귀하여 전류 감지 과정을 반복할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 전력 변환 장치 110: 정류부
120: 컨버터 130: 컨버터 제어부
140: 인버터 141: 인버터 모듈
142: 구동부 150: 인버터 제어부
160: 지락 보호부 161: 제1 전류 감지부
164: 제2 전류 감지부 162: 제3 전류 감지부
163: 제4 전류 감지부 165: 제어부
210: 압축기 300: 실외기

Claims (12)

  1. 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기에 있어서,
    실외기;
    상기 실외기 내에 설치되고 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 신호에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부;
    상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터;
    상기 DC-링크 캐패시터에 저장된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 구동부를 포함하는 인버터 모듈;
    상기 인버터 모듈과 상기 모터 사이에 위치하여 선간 단락 현상을 검출하는 출력 전류 검출부; 및
    상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이의 활성선에 설치되어 직류 전류를 감지하는 제1 전류 감지부 및 상기 DC-링크 캐패시터와 상기 인버터 모듈 사이의 중성선에 설치되어 직류 전류를 감지하는 제2 전류 감지부를 포함하여, 상기 제1 전류 감지부에서 감지된 제1 전류량 및 상기 제2 전류 감지부를 통하여 상기 인버터 모듈을 거쳐 환류되는 중성선의 제2 전류량을 감지 및 비교하여 지락을 판단함으로써 지락에 의한 과전류로부터 상기 인버터 모듈을 보호하는 지락 보호부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
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  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 전류 감지부의 감지 전류와 상기 제2 전류 감지부에 감지된 전류를 비교하여 지락이 판단되거나 상기 선간 단락 현상이 검출되면 상기 인버터 모듈에 전달되는 구동신호를 차단하는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지락 보호부는,
    상기 모터의 하우징에 설치되는 제3 전류 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 지락 보호부는,
    상기 실외기의 하우징에 설치되는 제4 전류 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제3 전류 감지부 및 상기 제4 전류 감지부 중 적어도 어느 하나는 감지 전류량에 따른 전압 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제3 전류 감지부 및 제4 전류 감지부 중 적어도 어느 하나의 출력 전압 신호의 크기가 설정값 이상일 때 상기 인버터 모듈에 전달되는 구동신호를 차단하는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
  9. 제6항에 있어서, 상기 지락 보호부는, 상기 제3 전류 감지부 및 상기 제4 전류 감지부 중 적어도 어느 하나에서 출력되는 전압 신호를 감지하여, 해당 지락이 발생한 부분을 표시하는 것을 특징으로 하는 지락에 대한 보호 기능을 포함하는 공기 조화기.
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