KR102201291B1 - 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 적어도 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부 및 제어부를 포함하고, 제어부는, 정류부로 입력되는, 입력 교류 전원의 입력전류에 대한 고조파 레벨을 산출하고, 산출된 고조파 레벨에 따라, 고조파 저감부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치에 구비되는 리액터의 특성을 변경하는 것과 동일한 결과를 도출할 수 있고, 이를 통해 기본파 파형의 왜곡에 가장 큰 영향을 미치는 특정 차수의 고조파를 저감할 수 있다. 그 외에 다양한 실시예들이 가능하다.

Description

전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기{POWER CONVERTING APPARATUS AND AIR CONDITIONER INCLUDING THE SAME}
본 발명은, 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전력 계통으로부터 교류 전원을 공급받는 비선형 부하에 의해 발생하는, 고조파 성분을 효율적으로 저감할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해, 실내로 냉온의 공기를 토출하여 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로써, 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.
공기조화기는 냉매의 흐름에 따라 냉방운전되거나 난방운전된다. 냉방운전 시, 실외기의 압축기로부터 실외기의 열교환기를 거쳐 고온, 고압의 액체 냉매가 실내기로 공급되고, 실내기의 열교환기에서 냉매가 팽창 및 기화되면서 주변 공기의 온도가 내려가고, 실내기 팬이 회전 동작함에 따라 냉기가 실내로 토출된다. 난방운전 시, 실외기의 압축기로부터 고온, 고압의 기체 냉매가 실내기로 공급되고, 실내기의 열교환기에서 고온, 고압의 기체 냉매가 액화되면서 방출된 에너지에 의해 따뜻해진 공기가 실내기 팬의 동작에 따라 실내로 토출된다.
일반적으로 공기조화기는 압축기, 팬 등을 구동하기 위한 구동원으로서 모터를 이용하고 있고, 이러한 모터에 교류 전원을 공급하기 위해 정류부 및 인버터를 포함하는 전력변환장치를 구비한다.
한편, 전력변환장치에 구비된 정류부 및 인버터는 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있으며, 복수의 스위칭 소자들의 동작 등에 의하여 고조파(harmonics)를 포함하는 노이즈가 발생할 수 있다. 또한, 제조 비용 저감 등을 이유로, 저용량 커패시터가 사용되는 커패시터리스(capacitorless) 방식의 전력변환장치가 많이 사용되고 있으나, 저용량 커패시터의 사용으로 인해 커패시터 양단 전압이 맥동하게 되어 고조파가 증대되는 문제점이 있다.
전류의 고조파 성분은 공기조화기의 불필요한 에너지 소비, 소음 및 진동, 과전류로 인한 회로 소자의 소손 등을 야기할 수 있어, 고조파 성분을 효율적으로 제거하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명의 목적은, 전력변환장치로 공급되는 입력전류의 고조파 레벨을 검출하고, 검출된 고조파 레벨을 고려하여 리액터의 특성을 변경하는 것과 동일한 결과를 도출할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치는, 정류부에 입력되는 입력 교류 전원의 고조파 레벨을 산출하고, 산출된 고조파 레벨에 따라 고조파 저감부의 리액턴스를 변경할 수 있는 회로 구성을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 적어도 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부 및 제어부를 포함하고, 제어부는, 정류부로 입력되는, 입력 교류 전원의 입력전류에 대한 고조파 레벨을 산출하고, 산출된 고조파 레벨에 따라, 고조파 저감부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부, 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터, 정류부와 커패시터 사이에 배치되며, 입력 교류 전원의 고조파 중 적어도 일부에 대한 고조파 저감을 수행하는 고조파 저감부 및 제어부를 포함하고, 제어부는, 정류부로 입력되는, 입력 교류 전원의 입력전류에 대한 고조파 레벨을 산출하고, 산출된 고조파 레벨에 따라, 고조파 저감부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력할 수 있는 전력변환장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 전류의 고조파 성분을 효율적으로 저감함으로써, 회로 소자의 소손을 방지할 수 있어, 내구성이 증가되고, 안정적인 운전이 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 리액터를 사용함으로써, 서지와 같은 과전압의 유입으로부터 회로 소자들을 안정적으로 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 입력전류로부터 검출된 고조파 레벨을 고려하여 리액터의 특성을 변경하는 것과 동일한 결과를 도출할 수 있고, 이를 통해 기본파 파형의 왜곡에 가장 큰 영향을 미치는 특정 차수의 고조파를 저감할 수 있어, 특정 차수의 고조파만 저감하는 것에 비해 고조파 성분을 효율적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 입력전류로부터 검출된 고조파 성분의 레벨에 따라 동작하므로, 저부하 조건에서 운전전류 값이 작은 경우에도 고조파 성분을 효율적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 복잡하고 고비용의 회로 소자가 아닌, 트랜지스터 등 비교적 간단한 회로 소자들을 사용하므로, 그 구현이 용이하고 비용이 저렴하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 공기조화기의 구성의 예시를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 동작의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
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.
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.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 공기조화기의 구성의 예시를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(100)는, 실외기(21) 및 실외기(21)에 연결되는 적어도 하나의 실내기(31)를 포함할 수 있다. 실내기(31)는 실외기(21)에 복수로 연결될 수 있고 그 수는 도면에 한정되지 않는다.
실내기(31)는, 예를 들면, 스탠드형 실내기(31a), 벽걸이형 실내기(31b) 및 천장형 실내기(31c) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 공기조화기(100)는, 예를 들면, 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기(31) 및 실외기(21)의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21)는, 예를 들면, 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 포함할 수 있다. 또한, 실외기(21)는, 예를 들면, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함할 수 있다.
실외기(21)는, 예를 들면, 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31)로 냉매를 공급할 수 있다. 실외기(21)는, 예를 들면, 원격제어기(미도시) 또는 실내기(31)의 요구(demand)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동되는 실내기(31)에 대응하여 냉/난방 용량이 가변됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변되는 것도 가능하다.
이때, 실외기(21)는, 연결된 실내기(31)로 압축된 냉매를 공급할 수 있다.
실내기(31)는, 예를 들면, 실외기(21)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출할 수 있다. 실내기(31)는, 예를 들면, 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
이때, 실외기(21) 및 실내기(31)는, 예를 들면, 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신할 수 있고, 실외기(21) 및 실내기(31)는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수도 있다.
리모컨(41)은, 예를 들면, 실내기(31)에 연결되어, 실내기(31)로 사용자의 제어명령을 전달하고, 실내기(31)의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨(41)은 실내기(31)와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
한편, 공기조화기(100)는, 예를 들면, 실내 공기의 상태를 감지할 수 있는 적어도 하나의 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 공기조화기(100)는, 실내 온도를 감지하는 온도 센서, 실내 습도를 감지하는 습도 센서, 실내 기압을 감지하는 기압 센서, 실내 공기 중의 먼지량을 측정하는 센서 등을 더 포함할 수 있고, 온도, 습도, 기압, 공기 중의 먼지량 등 다양한 데이터를 함께 수집할 수 있는 센서를 포함할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실외기와 실내기의 개략도이다. 도 1에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(100)는, 크게 실내기(31)와 실외기(21)로 구분될 수 있다.
실외기(21)는, 예를 들면, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102b)와, 압축기(102b)를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외측 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 포함할 수 있다.
실내기(31)는, 예를 들면, 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(108)와, 실내측 열교환기(108)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(109a)과 실내팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함할 수 있다.
실내측 열교환기(108)는, 예를 들면, 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)는, 예를 들면, 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(100)는, 예를 들면, 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 3을 참조하면, 공기조화기(100)에 구비되는 전력변환장치(200)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(201)을 정류하는 정류부(210), 맥동 전압을 저장하는 dc단 커패시터(C), dc단 커패시터(C) 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 모터(260)로 출력하는 인버터(220), 인버터(220)를 제어하는 인버터 제어부(230), 정류부(210)와 dc단 커패시터(C) 사이에 접속되는 고조파 저감부(240), 고조파 저감부(240)를 제어하는 고조파 저감 제어부(250) 및/또는 정류부(210)에 입력되는 입력전류를 검출하는 입력전류 검출부(D) 를 포함할 수 있다.
전력변환장치(200)는, 예를 들면, 입력전압 검출부(A), dc단 전압 검출부(B) 및/또는 출력전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도면에서는 인버터 제어부(230)와 고조파 저감 제어부(250)를 구분하여 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 구성(예: 제어부)에 포함될 수도 있다. 한편, 인버터 제어부(230)와 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 상호 연결되어 데이터를 송수신할 수도 있다.
전력변환장치(200)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(201)을 공급받아 전력 변환하여, 모터(260)에 변환된 전력을 공급할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(200)는, 예를 들면, 모터 구동장치라고도 할 수 있다. 이하에서는 모터 구동장치와 전력변환장치를 혼용하여 사용한다.
정류부(210)는, 예를 들면, 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력할 수 있다. 이때, 교류 전원은, 예를 들면, 단상 교류 전원 또는 3상 교류 전원일 수 있다.
정류부(210)는, 예를 들면, 브릿지 다이오드를 구비할 수 있다. 예를 들면, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자 및 하암 다이오드 소자가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍 또는 세 쌍의 상, 하암 다이오드 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
고조파 저감부(240)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(201)의 고조파(harmonics) 중 적어도 일부를 저감하는 고조파 저감 동작을 수행할 수 있다.
고조파 저감부(240)는, 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)에서 출력되는 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00001
)(이하, 고조파 제어신호)에 기초하여, 입력 교류 전원(201)의 고조파 중 특정 차수의 고조파를 저감할 수 있다.
고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)에 기초하여, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨을 산출할 수 있다. 여기서, 고조파 레벨은, 예를 들면, 교류 전원의 기본파 파형이 왜곡된 정도를 나타내는 수치를 의미할 수 있다. 예를 들면, 고조파 레벨은, 전고조파 왜곡률(total harmonic distortion; THD)일 수 있다. 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 다음 수학식 1에 기초하여 연산되는 전고조파 왜곡률(THD)를 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨로 산출할 수 있다.
Figure 112019004265281-pat00002
고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 고조파 저감부(240)에 고조파 제어신호(
Figure 112020038614873-pat00003
)를 출력할 수 있다. 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨과 기 설정된 기준 레벨을 비교할 수 있고, 비교 결과에 기초하여 고조파 저감부(240)에 고조파 제어신호(
Figure 112020038614873-pat00004
)를 출력할 수 있다. 한편, 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 고조파 제어신호(
Figure 112020038614873-pat00005
)가 출력되는 동안, 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)에 기초하여, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨을 산출할 수 있다.
고조파 저감 제어부(250)에서 출력되는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00006
)는, 예를 들면, 소정 듀티 비(duty cycle)와 주파수를 가지는 펄스폭 변조 방식(Pulse Width Modulation; PWM)의 제어 신호일 수 있다. 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨과 기 설정된 기준 레벨을 비교한 결과에 따라, 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00007
)의 듀티 비 및/또는 주파수를 변경할 수 있다.
고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00008
)가 출력되는 동안 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 기 설정된 기준에 따라 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00009
)의 듀티 비를 변경할 수 있고, 변경된 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00010
)를 출력할 수 있다.
예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는, 20%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00011
)가 출력되는 동안 산출된, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 듀티 비를 40%로 변경할 수 있고, 변경된 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00012
)를 출력할 수 있다.
예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는, 20%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00013
)가 출력되는 동안 산출된, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 미만인 경우, 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨에 대응하는 듀티 비인 20%를 기준 듀티 비로 결정할 수 있고, 기준 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00014
)를 출력할 수 있다.
dc단 커패시터(C)는, 예를 들면, 고조파 저감부(240)의 출력단에 접속될 수 있고, 정류부(210)에서 출력되어, 고조파 저감부(240)를 통해 고조파 중 적어도 일부가 저감된 전원을 저장할 수 있다.
인버터(220)는, 예를 들면, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해, 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 3상 교류 전원으로 변환하여, 모터(260)에 출력할 수 있다.
예를 들면, 인버터(220)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위칭 소자에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 예를 들면, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(220)에 출력할 수 있다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(260)에 흐르는 출력전류(io) 및/또는 dc단 커패시터(C)에 저장된 전압(Vdc)에 기초하여, 생성되어 출력될 수 있다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 예를 들면, 모터(260)에 흐르는 출력전류(io) 및/또는 dc단 커패시터(C)에 저장된 전압(Vdc)에 기초하여, 입력 교류 전원(201)의 고조파 중 적어도 일부가 저감되도록, 스위칭 제어신호를 생성하여 출력할 수 있다.
입력전압 검출부(A)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전압(Vs)을 검출할 수 있다. 입력전압 검출부(A)는, 예를 들면, 정류부(210)의 전단에 접속될 수 있다. 입력전압 검출부(A)는, 예를 들면, 입력전압(Vs)의 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 예를 들면, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 입력될 수 있다.
입력전류 검출부(D)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)를 검출할 수 있다. 입력전압 검출부(D)는, 예를 들면, 정류부(210)의 전단에 접속될 수 있다. 입력전류 검출부(D)는, 예를 들면, 입력전류(Is)의 검출을 위해, 전류센서, 변류기(current transformer; CT), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력전류(Is)는, 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250) 및/또는 인버터 제어부(230)에 입력될 수 있다.
dc단 전압 검출부(B)는, 예를 들면, dc단 커패시터(C)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 전압(Vdc)은, 예를 들면, 펄스 형태의 이산 신호로서, 인버터 제어부(230)에 입력될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 예를 들면, 모터(260)에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 출력전류 검출부(E)는, 예를 들면, 모터(260)에 흐르는 전류를 검출하기 위해, 인버터(220)와 모터(260) 사이에 배치될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 예를 들면, 3개의 저항 소자를 통해, 모터(260)에 흐르는 각 상의 출력전류(io)인 상 전류(phase current)를 검출할 수 있다. 검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호로서, 인버터 제어부(220)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성될 수 있다.
한편, 출력전류 검출부(E)는, 예를 들면, 2개의 저항 소자를 구비할 수도 있다. 이때, 나머지 한 상의 상전류는, 3상 평형을 이용하여, 연산될 수 있다.
모터(260)는, 예를 들면, 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 구비하며, 각 상(a, b, c상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각 상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 할 수 있다.
모터(260)는, 예를 들면, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interidcr Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 내부 블록도의 일 예이다. 도 3에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 4를 참조하면, 고조파 저감부(240)는, 예를 들면, 정류부(210)와 dc단 커패시터(C) 사이에 접속되는 리액터(L) 및 리액터(L)에 병렬 연결되는 스위칭 소자(SW)를 포함할 수 있다.
스위칭 소자(SW)는, 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)에서 출력되는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00015
)에 따라 턴-온/오프 될 수 있다.
스위칭 소자(SW)는, 예를 들면, 예를 들면, 트랜지스터(transistor) 소자일 수 있다. 스위칭 소자(SW)는, 예를 들면, 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor; BJT) 또는 전계 효과 트랜지스터(Field Effective Transistor; FET)일 수 있다. 예를 들면, 트랜지스터 소자(SW)가 양극성 접합 트랜지스터(BJT)인 경우, 고조파 저감 제어부(250)는 스위칭 소자(SW)의 베이스 단으로 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00016
)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 트랜지스터 소자(SW)가 전계 효과 트랜지스터(FET)인 경우, 고조파 저감 제어부(250)는 스위칭 소자(SW)의 게이트 단으로 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00017
)를 출력할 수 있다. 한편, 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00018
)는, 예를 들면, PWM 형태의 베이스 입력 전류 또는 게이트 입력 전압일 수 있다.
도면에서는 스위칭 소자(SW)를 양극성 접합 트랜지스터(BJT)로 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 스위칭 소자(SW)는, 코일에 흐르는 전류에 기초하여 턴-온 또는 턴-오프 되는 릴레이일 수도 있다.
고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)에 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00019
)를 출력할 수 있다. 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨과 기 설정된 기준 레벨을 비교할 수 있고, 비교 결과에 기초하여 고조파 저감부(240)에 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00020
)를 출력하여 스위칭 소자(SW)의 턴-온/오프 동작을 제어할 수 있다.
고조파 저감 제어부(250)에서 출력되는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00021
)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 제어 신호일 수 있다. 고조파 저감 제어부(250)는, 예를 들면, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨과 기 설정된 기준 레벨을 비교한 결과에 따라, 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00022
)의 듀티 비 및/또는 주파수를 변경할 수 있고, 변경된 듀티 비 및/또는 주파수를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00023
)를 출력하여 스위칭 소자(SW)의 턴-온/오프 동작을 제어할 수 있다.
예를 들면, 0%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00024
)가 출력되는 동안 산출된, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 고조파 저감 제어부(250)는, 기 설정된 기준에 따라 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00025
)의 듀티 비를 30%로 변경할 수 있고, 30%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00026
)를 출력할 수 있다.
한편, 예를 들면, 30%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00027
)가 출력되는 동안 산출된, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨도 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 고조파 저감 제어부(250)는, 기 설정된 기준에 따라 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00028
)의 듀티 비를 60%로 변경할 수 있고, 60%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00029
)를 출력할 수 있다.
한편, 고조파 저감 제어부(250)에서 출력되는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00030
)에 따라 스위칭 소자(SW)가 턴-온 되는 경우, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00031
)의 전류 변화량이 증가될 수 있다. 즉, 리액터(L)와 스위칭 소자(SW)를 하나의 리액터 소자로 해석하면, 스위칭 소자(SW)가 턴-온 되는 경우 리액턴스 값이 감소하여 dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00032
)의 전류 변화량이 증가하는 것으로 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 입력전류(Is)로부터 검출된 고조파 레벨을 고려하여 전력변환장치(200)에 구비된 리액터(L)의 특성을 변경할 수 있고, 이를 통해 기본파 파형의 왜곡에 가장 큰 영향을 미치는 특정 차수의 고조파를 저감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 제어방법을 도시한 순서도이다. 도 3 및 4에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
전력변환장치(200)는, S510 동작에서, 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)를 검출할 수 있다. 예를 들면, 전력변환장치(200)에 구비된 입력전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)를 검출할 수 있다.
한편, 전력변환장치(200)는, 예를 들면, 전력변환장치(200)에 구비된 고조파 저감 제어부(250)에서 기 설정된 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00033
)가 출력되는 동안, 입력전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)를 검출할 수 있다. 예를 들면, 공기조화기(100)가 최초 구동되는 경우, 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00034
)의 기 설정된 듀티 비는 0% 일 수 있다.
전력변환장치(200)는, S520 동작에서, 입력전류(Is)에 기초하여, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨을 산출할 수 있다. 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는, 입력전류 검출부(D)에서 검출된 입력전류(Is)에 기초하여, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨을 산출할 수 있다. 이때, 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는, 전고조파 왜곡률(THD)를 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨로 산출할 수 있다.
전력변환장치(200)는, S530 동작에서, S520 동작에서 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨과 기 설정된 기준 레벨을 비교할 수 있다. 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는, 입력전류(Is)에 기초하여 산출된 전고조파 왜곡률(THD)이 기 설정된 기준 레벨 미만인지 여부를 확인할 수 있다.
전력변환장치(200)는, S540 동작에서, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 미만인 경우, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨에 대응하는 듀티 비를 기준 듀티 비로 결정할 수 있다.
예를 들면, 0%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00035
)가 출력되는 동안 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 미만인 경우, 고조파 저감 제어부(250)는 0%의 듀티 비를 기준 듀티 비로 결정할 수 있다.
전력변환장치(200)는, S550 동작에서, S540 동작에서 결정된 기준 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00036
)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는 기준 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00037
)를 출력할 수 있고, 전력변환장치(200)에 구비된 스위칭 소자(SW)는, 고조파 저감 제어부(250)에서 출력된 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00038
)에 따라 턴-온/오프 될 수 있다.
한편, 전력변환장치(200)는, S560 동작에서, 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 기 설정된 기준에 따라 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00039
)의 듀티 비를 변경할 수 있다.
예를 들면, 0%의 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00040
)가 출력되는 동안 산출된 입력전류(Is)에 대한 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 고조파 저감 제어부(250)는 기 설정된 기준에 따라 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00041
)의 듀티 비를 30%로 변경할 수 있다.
전력변환장치(200)는, S570 동작에서, S560 동작에서 변경된 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00042
)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 고조파 저감 제어부(250)는 변경된 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00043
)를 출력할 수 있고, 전력변환장치(200)에 구비된 스위칭 소자(SW)는, 고조파 저감 제어부(250)에서 출력된 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00044
)에 따라 턴-온/오프 될 수 있다.
한편, 전력변환장치(200)는, 변경된 듀티 비를 가지는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00045
)가 고조파 저감 제어부(250)에서 출력되는 동안, S510 동작으로 분기하여, 입력 교류 전원(201)로부터의 입력전류(Is)를 검출할 수 있고, 입력 전류(Is)에 대한 고조파 레벨을 산출할 수 있다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력변환장치의 동작의 설명에 참조되는 도면이다.
도 6a를 참조하면, 모터(260)에 흐르는 출력전류(io) 및/또는 dc단 커패시터(C)에 저장된 전압(Vdc)에 기초하여, 인버터(220)가 고조파 중 적어도 일부를 저감하는 경우에 있어서, 전력변환장치(200)로부터 전력을 공급받는 부하가 커질수록, 전력변환장치(200)로 공급되는 입력전류(Is)에 대한 전고조파 왜곡률(THD)이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
그러나 부하가 작아질 수록 dc단 커패시터(C)에 저장되는 전압이 상승하고, 운전전류 값이 작아져, 인터버(220)의 스위칭 동작을 통한, 입력 교류 전원(201)의 고조파 중 일부를 저감하는 것이 충분히 이루어지지 못할 수 있다. 이로 인해, 고조파에 의한, 입력 교류 전원(201)의 기본파 파형이 왜곡되는 정도가 커질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, a 지점 및 b 지점과 같이, 인터버(220)의 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원(201)의 고조파 중 적어도 일부가 충분히 저감되지 못하는 경우에도, 고조파 저감부(240)에 구비된 스위칭 소자(SW)의 턴-온/오프를 통해, 입력 교류 전원(201)의 고조파 중 적어도 일부를 충분히 저감할 수 있다.
도 6b의 도면부호 (a)를 참조하면, 도 6a의 a 지점과 같이 전고조파 왜곡률(THD)이 매우 큰 경우, 고조파 저감 제어부(250)로부터 출력되는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00046
)의 듀티 비가, t1 시점 이전에는 0%, t1 시점부터 t3 시점까지는 30%, t3 시점 이후부터는 60% 로 변경될 수 있다. 또한, 듀티 비가 0% 및 30%인 경우, 입력전류(Is)에 대한 전고조파 왜곡률(THD)이 여전히 기 설정된 기준 레벨 이상인 관계로, 60%의 듀티 비가 기준 듀티 비로 결정된 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6b의 도면부호 (b)를 참조하면, 듀티 비에 따라 고조파 저감부(240)에 구비된 스위칭 소자(SW)가 턴-온/오프 됨으로써, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00047
)의 그래프 기울기가 변경되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 0% 및 30%의 듀티 비에 비해, 60%의 듀티 비에 따라 스위칭 소자(SW)가 턴-온/오프 되는 경우, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00048
)의 그래프 기울기가 보다 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 6c의 도면부호 (a)를 참조하면, 도 6a의 b 지점과 같이 전고조파 왜곡률(THD)이 a 지점보다는 작으나, 기준 레벨 이상인 경우, 고조파 저감 제어부(250)로부터 출력되는 고조파 제어신호(
Figure 112019004265281-pat00049
)의 듀티 비가, t1 시점 이전에는 0%, t1 시점 이후부터는 30% 로 변경될 수 있다. 또한, 듀티 비가 0%인 경우, 입력전류(Is)에 대한 전고조파 왜곡률(THD)이 기 설정된 기준 레벨 이상인 관계로, 30%의 듀티 비가 기준 듀티 비로 결정된 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6c 도면부호 (b)를 참조하면, 듀티 비에 따라 고조파 저감부(240)에 구비된 스위칭 소자(SW)가 턴-온/오프 됨으로써, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00050
)의 그래프 기울기가 변경되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 0%의 듀티 비에 비해, 30%의 듀티 비에 따라 스위칭 소자(SW)가 턴-온/오프 되는 경우, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00051
)의 그래프 기울기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 6d를 참조하면, 도 6a의 c 지점과 같이 전고조파 왜곡률(THD)이 기준 레벨 미만인 경우, 기준 듀티 비는 0% 일 수 있고, 듀티 비에 따라 고조파 저감부(240)에 구비된 스위칭 소자(SW)가 지속적으로 턴-오프 됨으로써, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00052
)의 그래프 기울기가 일정한 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 6a 내지 6d를 참조하면, 고조파 저감부(240)에 구비된 스위칭 소자(SW)가 턴-온 됨에 따라, dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00053
)의 전류 변화량이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이를 통해, 리액터(L)와 스위칭 소자(SW)를 하나의 리액터 소자로 해석하면, 스위칭 소자(SW)가 턴-온 되는 경우 리액턴스 값이 감소하여 dc단 커패시터(C)의 입력단으로 흐르는 전류(
Figure 112019004265281-pat00054
)의 전류 값이 증가하는 것으로 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 입력전류(Is)로부터 검출된 고조파 레벨을 고려하여 전력변환장치(200)에 구비되는 리액터(L)의 특성을 변경할 수 있고, 이를 통해 기본파 파형의 왜곡에 가장 큰 영향을 미치는 특정 차수의 고조파를 저감할 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 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.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 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 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
200: 전력변환장치 201: 외부 교류 전원
210: 정류부 220: 인버터
230: 인버터 제어부 240: 고조파 저감부
250: 고조파 저감 제어부 A: 입력전압 검출부
B: dc단 전압 검출부 C: dc단 커패시터
D: 입력전류 검출부 E: 출력전류 검출부

Claims (10)

  1. 입력 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터의 맥동 전압을 저장하는 커패시터;
    상기 정류부와 상기 커패시터 사이에 배치되는 리액터와, 상기 리액터에 병렬 연결되는 스위칭 소자를 포함하는 고조파 저감부; 및
    상기 스위칭 소자의 턴-온/오프를 제어하는 제어신호를 상기 스위칭 소자에 출력하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 정류부로 입력되는, 상기 입력 교류 전원의 입력전류에 대한 고조파 레벨을 산출하고,
    상기 산출된 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 상기 제어신호의 현재 듀티 비를 증가시키고,
    상기 산출된 고조파 레벨이 기 설정된 기준 레벨 미만인 경우, 상기 제어신호의 현재 듀티 비를 상기 제어신호의 기준 듀티 비로 결정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어신호는, 펄스폭 변조 방식(Pulse Width Modulation; PWM)의 제어 신호인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 레벨은, 전고조파 왜곡률(total harmonic distortion; THD)인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는, 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor; BJT) 또는 전계 효과 트랜지스터(Field Effective Transistor; FET)인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 정류부의 입력단에 접속되어, 상기 입력 교류 전원의 입력전류를 검출하는 입력전류 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 입력전류 검출부로부터 검출된 입력 전류에 기초하여, 상기 입력전류에 대한 고조파 레벨을 산출하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제1항, 제4항, 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전력변환장치를 구비하는 공기조화기.
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