KR102160049B1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 인버터부와 인버터 제어부를 포함하고, 인버터부는 복수 개의 인버터 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환한다. 한편, 인버터 제어부는 상기 인버터부의 스위칭 동작을 제어하기 위해, PWM 제어신호를 상기 인버터부에 출력한다. 이때, 상기 PWM 제어 신호에 의해 상기 인버터부에서 모터로 출력되는 제1 내지 제3 출력 신호의 합은 듀티 구간 중 일부 구간에서 제로 벡터(zero vector)가 되어, PWM 제어 신호에 의해 인버터부에서 모터로 출력되는 신호들을 동적으로 제어하여, 전기 소음을 저감시킬 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기{POWER TRANSFORMING APPARATUS AND AIR CONDITIONER INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 전기 소음 저감을 위한 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 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 인버터 방식의 전력 변환부를 구성하는 것이 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터와 같은 전력 변환부에 공급된다. 이때, 전력 변환부는, 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.
한편, 이와 같은 인버터를 이용하여 모터를 구동하기 위해 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식이 사용될 수 있다. 하지만, 이러한 PWM 변조 방식은 스위칭 주파수(switching frequency)에 따라 해당 주파수의 정수배의 주파수에서 고조파 신호로 인해 모터 소음이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
종래에는, 위와 같은 모터 소음을 제어하기 위해, 모터 출력 제어 및 고조파 성분을 감소시키기 위한 방법들이 사용되었다.
구체적으로, 일본 등록특허 JP596880에서는, 모터의 출력이 큰 구간에서는 캐리어 주파수를 낮게 한다. 이에 따라, 리플(ripple) 증가로 소음이 증가하며, 모터 출력을 위해 소음 증가를 감수해야 한다. 한편, 모터의 출력이 작은 구간에서는 캐리어 주파수를 높게 한다. 이에 따라, 리플 감소로 인해 소음이 감소하게 된다.
하지만, 이와 같이 캐리어 주파수를 변경하는 것은 전기 소음 자체를 감소시키는 것은 아니다. 단지, 모터 출력이 큰 구간 (캐리어 주파수가 낮은 구간)에서 기계 소음이 커서 전기 소음이 상대적으로 작게 느껴질 뿐 실제로 전기 소음이 여전히 존재하고 있다는 문제점이 존재한다.
한편, 일본 등록특허 JP4269881에서는, 모터의 고조파 성분(harmonic component)에 의한 소음을 감소시킨다. 구체적으로, 모터의 기본 주파수 성분을 기준으로 n차의 고조파 성분에 의한 소음은 (n+1)차의 주파수 성분의 신호를 중첩함으로써 감소 가능하다.
하지만, 이와 같은 고조파 소음 감소 기법은 연산량이 많고, 또 다른 고조파 신호 성분 주입으로 인해, 고조파 특성이 악화될 수 있다는 문제점이 여전히 존재한다.
따라서, 인버터에 의한 모터 구동 시 전기 소음을 저감함으로써, 저소음 특성을 갖는 전력 변환 장치와 이러한 전력 변환 장치를 이용하는 가전 제품이 요구되고 있다.
본 발명은 PWM 제어 신호에 의해 인버터에서 모터로 출력되는 신호들의 듀티 구간을 제어하여, 전기 소음을 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 기술적 과제는, 공간 벡터 PWM 신호 별로 듀티 구간을 제어하여, 전기 소음을 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치는, 인버터부와 인버터 제어부를 포함한다. 인버터부는 복수 개의 인버터 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환한다. 한편, 인버터 제어부는 상기 인버터부의 스위칭 동작을 제어하기 위해, PWM 제어신호를 상기 인버터부에 출력한다. 이때, 상기 PWM 제어 신호에 의해 상기 인버터부에서 모터로 출력되는 제1 내지 제3 출력 신호의 합은 듀티 구간 중 일부 구간에서 제로 벡터(zero vector)가 되어, PWM 제어 신호에 의해 인버터부에서 모터로 출력되는 신호들을 동적으로 제어하여, 전기 소음을 저감시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 내지 제3 PWM 신호의 합은 듀티 구간 중 일부 구간에서 제로 벡터(zero vector)가 되어, 공간 벡터 PWM 신호 별로 듀티 구간을 제어하여, 전기 소음을 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 듀티 구간은, T0, T1, T2, T7, T7, T2, T1, T0 구간으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 T1과 상기 T2 구간을 제외한 나머지 구간에서 전류가 흐르지 않는 제로 벡터일 수 있다.
그리고, 상기 인버터 제어부는, 상기 제로 벡터와 연관된 상기 나머지 구간의 비율을 지속적으로 변화시켜, 상기 인버터부의 스위칭 동작에 따른 소음의 피크 성분을 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 인버터 제어부는, 상기 제로 벡터에 해당하는 상기 TO와 상기 T7 구간의 비율을 파라미터(δ)에 의해 T0 = (1-δ) * Tz 와 T7 = δ * Tz로 조정할 수 있다.
이를 위해, 상기 인버터 제어부는, T 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0 + △δ로 조정하여, 상기 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 상기 인버터 구동 중에 소음 성분을 감소시킬 수 있다.
반면에, 상기 인버터 제어부는, T 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0 - △δ로 조정하여, 상기 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 상기 인버터 구동 시점에서 소음 성분을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 인버터 제어부는, 상기 모터의 회전자(rotor) 위치에 따라 상기 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 결정할 수 있다. 구체적으로, 상기 인버터 제어부는, 상기 소정 주파수에 따라 상기 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 결정할 수 있다. 또는, 상기 인버터 제어부는, 상기 모터의 회전자 위치에 의해 상기 소음의 피크 성분이 증가할 것으로 판단되면, 상기 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 소정 주파수의 2배의 주파수가 가청 주파수 대역 내에 속하는 것으로 판단되면, 상기 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 상기 스위칭 소자에 구동 신호를 인가하는 인버터 구동부 및 상기 인버터부의 스위칭 동작을 제어하기 위해, PWM 제어신호를 상기 인버터부에 출력하는 인버터 제어부를 포함하는 전력 변환 장치가 제공될 수 있다. 이때, 상기 PWM 제어 신호에 의해 상기 인버터부에서 모터로 출력되는 제1 내지 제3 PWM 신호는 SVPWM (Space Vector PWM) 신호이고, 상기 제1 내지 제3 PWM 신호의 합은 듀티 구간 중 일부 구간에서 제로 벡터(zero vector)일 수 있다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, PWM 제어 신호에 의해 인버터에서 모터로 출력되는 신호들을 동적으로 제어하여, 전기 소음을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 별도의 구성 부품의 추가 없이 모터에서 출력되는 신호들의 합이 제로 벡터가 되는 구간을 동적으로 제어하여, 제품의 구조 변경이나 비용 추가 없이 전기 소음을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
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 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 블럭 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 PWM 제어 신호의 시간 구간별 형태를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 제로 벡터 구간 비율 조정을 위한 PWM 제어 신호의 형태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시간 주기 변화에 따른 PWM 제어 신호의 변화를 나타낸다.
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 실시예를 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.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 블럭 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(1000)는 교류 전원(100)을 정류하는 정류부(1100), 정류부(1100)에서 정류된 DC 전압을 승압/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터부(1200), 컨버터부(1200)를 제어하는 컨버터 제어부(1300)를 포함한다. 또한, 전력 변환 장치(1000)는 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터부(1400)와 인버터부(1400)를 제어하는 인버터 제어부(1500)를 더 포함할 수 있다.
이러한 인버터부(1400)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(2000)에 공급된다. 한편, 전력 변환 장치(1000)는 인버터부(1400)를 제어하는 인버터 제어부(1500)와, 그리고 컨버터부(1200)와 인버터부(1400) 사이의 DC단 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.
여기서, 모터(2000)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(2000)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(1000)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치일 수 있다.
이러한 인버터부(1400)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(2000)에 공급된다. 여기서, 모터(2000)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(2000)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(1000)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다.
그러나 모터(2900)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, 전력 변환 장치(1000)는, 압축기 모터를 구동하기 위하여, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
전력 변환 장치(1000)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(2000)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터부(1200)는, 입력 교류 전원(100)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터부(1200)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, 컨버터부(1200)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(1100)는, 단상 교류 전원(100)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전원을 컨버터부(1200) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(1100)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이와 같이, 컨버터부(1200)는 정류부(1100)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
이러한 컨버터부(1200)는, 정류부(1100)에 연결되는 인덕터(L1), 이 인덕터(L1)에 연결되는 스위칭 소자(Q1), 이러한 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 연결되는 캐패시터(C), 및 스위칭 소자(Q1)와 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
컨버터부(1200)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 승압 컨버터로서, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 다이오드(D1)가 차단되면서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, 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 컨버터 구동부(1600)에 전달되고, 컨버터 구동부(1600)는, 스위칭 소자(Q1)의 베이스(base; 또는 게이트) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작을 구동시킬 수 있다.
일 예로, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자(Q1)는, 게이트단이 컨버터 구동부(1600)에 연결되고, 에미터단이 컨버터 구동부(1600)와 소자 보호부(1800) 사이의 노드에 연결될 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 transitor)의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자로서, 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 소자이다.
이와 같이, 컨버터 제어부(1300)는 컨버터부(1200) 내의 스위칭 소자(Q1)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(1300)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
그리고, 정류부(1100)를 거친 출력 전압은, DC단 캐패시터(C)에 충전되거나 인버터부(1400)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(100)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(1100) 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(1300)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(100)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(1100) 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(1300)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC단 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC단 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(1500)에 인가될 수 있으며, DC단 캐패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 제어신호(Si)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 DC 전압은, 컨버터 제어부(1300)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 PWM 제어에 의한 출력 신호의 제로 벡터 비율을 조정하여, 전기 소음을 저감할 수 있다. 이와 관련하여, 인버터부(1400)를 통해 모터(2000)를 운전하기 위해 본 발명에서는 Space Vector PWM 변조 방식을 사용한다. 한편, Space Vector PWM 변조 방식은 스위칭(switching) 주파수에 따라 해당 주파수와 2배의 주파수에 전기 소음이 발생한다. 이때, 4 내지 7kHz의 주파수로 스위치 온/오프에 의해 해당 소음이 가청 주파수 이내에서 발생할 수 있고, 이에 따라 주변 소음이 작은 경우에 소비자에게 불쾌감을 유발할 수도 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 소음을 감소시키기 위해 SV-PMW 방식에서 전류가 흐르지 않는 제로 벡터 구간의 비율을 지속적으로 변화시켜 소음 피크(peak) 성분을 감소시키는 방법을 제시한다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 인버터부(1400)는 복수 개의 인버터 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환한다.
인버터부(1400)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(2000)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터부(1400)는 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.
컨버터부(1200)와 마찬가지로, 인버터부(1400)의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
인버터 제어부(1500)는, 인버터부(1400)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터부(1400)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(2000)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC단 캐패시터(C) 양단인 DC단 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC단 전압(Vdc)은 DC단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터부(1400)와 모터(2000) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(2000)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 인버터부(1400)와 모터부(2000) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 인버터부(1400)와 모터(2000)가 연결되는 지점에서의 출력 전류(ia, ib, ic) 또는 이에 대응하는 출력 전압(Va, Vb, Vc)를 제1 및 제3 출력 신호로 지칭할 수 있다.
본 발명에 따르면, PWM 제어 신호에 의해 인버터부(1400)에서 모터(2000)로 출력되는 제1 내지 제3 출력 신호에 의해 전기 소음을 동적으로 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3은 본 발명의 PWM 제어 신호의 시간 구간별 형태를 나타낸다. 도 3을 참조하면, PWM 제어 신호는 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, 또는 Qa', Qb', Qc')별로 듀티 구간이 상이한 SVPWM (Space Vector PWM) 신호일 수 있다. 여기서, 듀티 구간은 도시된 바와 같이 T0, T1, T2, T7, T7, T2, T1, T0 구간으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 인버터 스위칭 소자(Qa)에 의한 제1 PWM 제어 신호는 T0 구간에서만 오프 상태이고, 나머지 구간에서는 온 상태일 수 있다. 한편, 제2 인버터 스위칭 소자(Qb)에 의한 제2 PWM 제어 신호는 T0, T1 구간에서 오프 상태이고, 나머지 구간에서는 온 상태일 수 있다. 또한, 제3 인버터 스위칭 소자(Qc)에 의한 제3 PWM 제어 신호는 T0, T1, T2 구간에서 오프 상태이고, 나머지 구간에서는 온 상태일 수 있다. 도 3에서는 T0, T7 구간을 Tz/2로 표시하였으나, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 다양하게 변형 가능하다.
한편, PWM 제어 신호에 의해 인버터부(1400)에서 모터(2000)로 출력되는 제1 내지 제3 출력 신호의 합은 듀티 구간 중 일부 구간에서 제로 벡터(zero vector)이다. 이와 관련하여, T0 구간에서는 PWM 제어 신호가 모두 오프 상태이므로, 제1 내지 제3 출력 신호의 합은 제로 벡터이다. 반면에, T7 구간에서는 PWM 제어 신호가 모두 온 상태이지만, 제1 내지 제3 출력 신호의 합은 제로 벡터이다. 이와 관련하여, T7 구간에서는 제 1 내지 제3 출력 신호의 위상 차가 120°이기 때문이다.
따라서, 전술된 듀티 구간인 T0, T1, T2, T7, T7, T2, T1, T0 구간 중에서, 제1 내지 제3 출력 신호의 합은 T1과 T2 구간을 제외한 나머지 구간에서 전류가 흐르지 않는 제로 벡터일 수 있다. 이때, PWM 제어 신호의 스위칭 주파수는 4 내지 6kHz 로 조절하여 가청 주파수에 포함되도록 할 수 있고, 이에 따라, PWM 스위칭에 의한 전기 소음 저감이 가능하다.
이와 같이 전기 소음 저감을 위해, 인버터 제어부(1500)는 제로 벡터와 연관된 나머지 구간의 비율을 지속적으로 변화시켜, 인버터부(1400)의 스위칭 동작에 따른 소음의 피크 성분을 감소시킬 수 있다. 여기서, 제로 벡터와 연관된 나머지 구간의 비율은 풀 듀티 구간에서 제로 벡터가 출력되는 구간의 비율을 의미한다. 즉, 제로 벡터와 연관된 나머지 구간의 비율은 풀 듀티 구간에서 T1과 T2를 제외한 T0와 T7 구간의 비율을 의미한다.
이와 관련하여, 도 4는 본 발명에 따른 제로 벡터 구간 비율 조정을 위한 PWM 제어 신호의 형태를 나타낸다. 이러한 제로 벡터 구간 비율 조정을 위해, 신호를 모터로 출력해야 하는 PWM 듀티 구간인 T1과 T2를 계산한다. 이때, 풀 듀티 구간에서 T1과 T2를 제외한 나머지 구간이 제로 벡터 구간에 해당한다.
한편, 인버터 제어부(1500)는 제로 벡터에 해당하는 TO와 T7 구간의 비율을 파라미터(δ)에 의해 T0 = (1-δ) * Tz 와 T7 = δ * Tz로 조정할 수 있다. 이때, δ=0.5로 설정하면 도 3에 표시된 바와 같이, T0 = T7 = Tz/2로 설정 가능하다. 한편, 무작위(random)하게 발생하는 전기 소음 저감을 위해 이러한 제로 벡터 구간 비율의 조정 또한 무작위하게 이루어질 수 있다.
한편, 인버터 제어부(1500)는 모터(2000)의 회전자(rotor)의 위치와 주파수에 따라 제로 벡터 구간 비율을 변경할 수 있다. 이와 관련하여, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시간 주기 변화에 따른 PWM 제어 신호의 변화를 나타낸다.
구체적으로, 인버터 제어부(1500)는 T 번째 주기에서, 파라미터(δ)를 δ0로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0 + △δ로 조정할 수 있다. 이에 따라, 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 인버터 구동 중에 소음 성분을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 한편, 도 5에서는 δ0 = 0.5에서 δ0 + △δ = 0.6으로 조정하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다.
도 5의 (a)를 참조하면, T 번째 주기에서 δ0 = 0.5로 설정하여, 제로 벡터 구간이 T0 = T7 = Tz/2로 동일하게 설정된다. 한편, 도 5의 (a)를 참조하면, (T+1) 번째 주기에서 δ0 + △δ = 0.6으로 설정하여, 제로 벡터 구간이 T0 = 0.4 * Tz, T7 = 0.6 * Tz로 상이하게 설정된다. 이와 같이, 제로 벡터 구간의 비율의 개별적인 조정을 통해서도, 풀 듀티 구간 대비 제로 벡터 구간의 전체 비율은 변동이 없다. 한편, 제로 벡터 구간이 크기가 인버터 구동 초기 시점보다 인버터 구동 중에 증가함에 따라, 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 인버터 구동 중에 소음 성분을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
반면에, 인버터 제어부(1500)는 T 번째 주기에서, 파라미터(δ)를 δ0로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0 - △δ로 조정할 수 있다. 도 5를 참조하면, T 번째 주기에서 δ0 = 0.6으로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서 δ0 - △δ =0.5로 설정할 수 있다. 이에 따라, 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 인버터 구동 시점에서 소음 성분을 감소시킬 수 있다.
한편, 전력 변환 장치(1000)와 모터(2000)를 구비하는 시스템 내에 설치된 소음 센서를 통해서 전기 소음의 유형에 관한 정보를 인버터 제어부(1500)로 전달할 수 있다.
이에 따라, 전기 소음이 인버터 구동 시점에서 크게 발생하는 경우에는 파라미터(δ)를 감소시켜 인버터 구동 시점에서 소음 성분을 더 감소시킬 수 있다. 반면에, 전기 소음이 인버터 구동 중에 크게 발생하는 경우에는 파라미터(δ)를 증가시켜 인버터 구동 중에 소음 성분을 더 감소시킬 수 있다.
한편, 인버터 제어부(1500)는 모터(2000)의 회전자(rotor) 위치에 따라 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 결정할 수 있다. 구체적으로, 인버터 제어부(1500)는 소정 주파수에 따라 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 결정할 수 있다. 일 실시 예에서, 인버터 제어부(1500)는 모터(2000)의 회전자 위치에 의해 소음의 피크 성분이 증가할 것으로 판단되면, 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 증가시킬 수 있다. 이때, 소정 주파수의 2배의 주파수가 가청 주파수 대역 내에 속하는 것으로 판단되면, 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 증가시켜, 전기 소음을 감소시킬 수 있다. 따라서, 풀 듀티 대비 제로 벡터 구간의 비율이 증가하여 전기 소음을 감소시킬 수 있다.
반면에, 인버터 제어부(1500)는 모터(2000)의 회전자 위치에 의해 소음의 피크 성분이 감소할 것으로 판단되면, 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 Tz를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 풀 듀티 대비 제로 벡터 구간의 비율이 감소하지만, 전기 소음 문제없이 모터로 출력되는 신호가 증가할 수 있다.
한편, 모터(2000)의 전기 소음의 발생 유형 및 회전자 위치에 따라 소음 피크 성분을 판단하지 않고, PWM 제어 시점마다 제로 벡터의 출력 비율과 연관된 파라미터인δ와 Tz를 지속적으로 변경시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, PWM 제어 신호에 의해 인버터에서 모터로 출력되는 신호들을 동적으로 제어하여, 전기 소음을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 별도의 구성 부품의 추가 없이 모터에서 출력되는 신호들의 합이 제로 벡터가 되는 구간을 동적으로 제어하여, 제품의 구조 변경이나 비용 추가 없이 전기 소음을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
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.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 전력 변환 장치에 있어서,
    복수 개의 인버터 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하는 인버터부; 및
    상기 인버터부의 스위칭 동작을 제어하기 위해, PWM 제어 신호를 상기 인버터부에 출력하는 인버터 제어부를 포함하고,
    상기 PWM 제어 신호의 듀티 구간은, T0, T1, T2, T7, T7, T2, T1, T0 구간으로 구성되고,
    상기 T0 구간 및 상기 T7 구간은, 상기 PWM 제어 신호에 의해 상기 인버터부에서 모터로 출력되는 제1 내지 제3 출력 신호의 합이 제로 벡터(zero vector)이고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 T0 구간 및 상기 T7 구간으로 구성되는 Tz 구간에서, 상기 T0 구간과 상기 T7 구간의 비율을 지속적으로 변화시켜, 상기 인버터부의 스위칭 동작에 따른 소음의 피크 성분을 감소시키고,
    상기 T0 구간과 상기 T7 구간의 비율은,
    파라미터(δ)에 의해, T0 = (1-δ) * Tz 와 T7 = δ * Tz로 조정되는, 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    T 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0 + △δ로 조정하여, 상기 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 상기 인버터부의 구동 중에 소음 성분을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    T 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0로 설정하고, (T+1) 번째 주기에서, 상기 파라미터(δ)를 δ0 - △δ로 조정하여, 상기 제로 벡터의 구간을 일정하게 유지하면서 상기 인버터부의 구동 시점에서 소음 성분을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 회전자(rotor) 위치에 따라 상기 Tz 구간을 결정하는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 소정 주파수에 따라 상기 Tz 구간을 결정하는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 회전자 위치에 의해 상기 소음의 피크 성분이 증가할 것으로 판단되면, 상기 Tz 구간을 증가시키고,
    상기 소정 주파수의 2배의 주파수가 가청 주파수 대역 내에 속하는 것으로 판단되면, 상기 Tz 구간을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  10. 제1항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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