KR102224639B1 - 공기조화기 - Google Patents

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KR102224639B1
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Abstract

본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 모터 구동을 위한 구동부의 온도에 대응하여 인버터의 스위칭 소자에 대한 주파수를 가변하여 설정함으로써, 상암 스위칭 소자와 하암의 스위칭 소자를 구분하여 제어하여 인버터의 전체의 온도상승을 방지하고, 저온에서의 주파수 감소를 통해 전자파 노이즈를 저감할 수 있으며, 저온의 스위칭 소자의 온도를 증가시킬 수 있고, 고온의 스위칭 소자는 주파수를 통해 스위칭 속도를 조절함으로써 발열량을 제어할 수 있다.

Description

공기조화기{Air conditioner}
본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기 제어시 발생하는 노이즈를 억제하고 발열을 제어하는 공기조화기 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 보다 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 설치된다.
공기조화기는 열교환기로 구성된 실내기와, 압축기 및 열교환기 등으로 구성된 실외기로 제어되며, 실외기 및 실내기가 냉매배관으로 연결되어, 실외기의 압축기로부터 압축된 냉매가 냉매배관을 통해 실내기의 열교환기로 공급되고, 실내기의 열교환기에서 열교환된 냉매는 다시 냉매배관을 통해 실외기의 압축기로 유입된다. 그에 따라 실내기는 냉매를 이용한 열교환을 통해 냉온의 공기를 실내로 토출한다.
압축기 또는 팬은 모터의 구동에 의해 동작하게 된다. 그에 따라 모터를 보다 효과적으로 동작시키기 위한 개발이 진행되고 있다. 인버터 방식의 압축기 및 팬의 사용이 증가함에 따라 모터를 제어하기 위한 다양한 방안이 적용되는 있다.
모터 구동을 위해 사용되는 컨버터 및 인버터는 스위칭 소자를 포함한다.
이러한 스위칭 소자는 고속으로 온, 오프를 반복하여 스위칭동작을 수행한다. 컨버터 및 인버터는 스위칭소자를 포함함으로써, 이러한 과정에서 내부적으로 노이즈가 발생하게 된다. 또한, 스위칭 소자가 고속으로 스위칭 동작을 수행하는 경우 컨버터 및 인버터는 열을 발생하게 된다.
스위칭 소자는 온도가 상승하게 되면, 열에 의해 오동작하는 문제점이 있다.
또한, 발생된 노이즈는 제품의 오동작을 유발하고, 외부로 누설될 수 있는 문제점이 있다. 전자파 노이즈가 외부로 누설되는 경우 감전사고가 발생할 수 있다.
종래의 공기조화기는 스위칭 소자의 스위칭 속도가 고정되어 있는 것이 일반적으로 동작중에 발생하는 열과 노이즈를 제어할 수 없는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 20020043695는 이러한 문제에 대비하여 오실레이션 신호를 수신하여 소정값으로 분주시킨 신호를 출력하는 포스트디바이더를 구비함으로써, 스위칭 주파수를 변경하는 것을 개시하고 있다.
그러나 종래 발명은 주파수 변조를 통한 위상지연을 구현하기 위하여 프리 디바이더, 위상검출기, 메인 디바이더 등이 추가됨에 따라 비용이 상승하고 회로의 복잡도가 상승하는 문제점이 있다. 종래 발명은 회로의 복잡도로 인하여 제품 설계의 어려움 및 회로 공간의 부족을 야기할 수 있다.
또한, 종래발명은 노이즈를 개선할 수는 있겠으나 발열은 제어할 수 없다는 문제점이 있다. 특히 소자 증가로 인하여 발열문제가 증가할 가능성이 있으므로 적용에는 한계가 있다.
따라서, 컨버터 및 인버터의 스위칭 소자를 제어하여 전자파 노이즈를 감소시키는 것은 물론, 열로 인한 오동작을 해소하는 방안이 요구된다.
본 발명의 목적은 공기조화기에 있어서, 압축기를 동작시키기 위한 컨버터 및 인버터에 있어서 측정되는 온도에 따라 스위칭 소자의 스위칭을 제어하여 노이즈를 감소하면서 발열을 제어하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 공기조화기는 모터를 포함하는 압축기; 복수의 스위칭 소자로 구성되어, 상기 모터로 동작전원을 인가하는 인버터; 상기 복수의 스위칭 소자로 제어신호를 인가하여 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 인버터 제어부; 상기 인버터의 온도를 감지하는 온도감지부를 포함하고, 상기 인버터 제어부는 상기 온도감지부로부터 감지되는 상기 인버터의 온도에 대응하여 상기 복수의 스위칭 소자에 대한 동작 주파수를 증가 또는 감소시켜 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 제어부는 상기 스위칭 시간의 변화에 따라 상기 스위칭 소자의 발열량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 제어부는 상기 주파수의 변화에 따라 전자파 노이즈를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 제어부는 상기 인버터의 온도가 기준온도 미만이면 상기 스위칭 소자의 주파수를 감소시켜 스위칭 시간을 증가시키고,
상기 인버터의 온도가 기준온도 이상이면, 상기 주파수를 증가시켜 스위칭 시간이 감소되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 제어부는 상기 복수의 스위칭 소자를 각각 상이한 주파수로 개별 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 제어부는 상기 복수의 스위칭 소자를 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자로 구분하여, 상기 상암 스위칭 소자와 상기 하암 스위칭 소자의 주파수를 상이하게 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 공기조화기는, 압축기를 동작시키는 컨버터 및 인버터에 포함되는 스위칭 소자를, 온도에 따라 스위칭을 제어하여 전자파 노이즈를 감소할 수 있다.
본 발명은 컨버터 또는 인버터의 스위칭 소자의 동작 주파수를 제어할 수 있다.
본 발명은 컨버터 및 인버터의 스위칭 소자의 동작 주파수를 일정 범위 내에서 조절하여, 고정 주파수를 사용하는 경우와 비교하여 한계값이 증가할 수 있다.
본 발명은 온도변화에 따른 스위칭 소자의 특성 변화에 대응하여 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
본 발명은 스위칭 제어 시, 전압의 증가구간과 감소구간을 확장하여 설정할 수 있다.
본 발명은 스위칭 소자의 동작 주파수를 조절하여 컨버터 또는 인버터의 스위칭 소자가 상온에도 동작할 수 있다.
본 발명은 동작 주파수의 제어를 통해 전자파 노이즈를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 스위칭 소자의 동작에 의한 발열을 감소시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 2 는 도 1의 실외기의 개략적인 구성이 도시된 회로도이다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 동작제어를 위한 구성이 간략하게 도시된 블록도이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 및 모터가 도시된 도이다.
도 5 는 도 4의 인버터의 스위칭 소자에 대한 동작을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 6 은 온도감지부의 온도에 따른 저항의 변화가 도시된 도이다.
도 7 및 도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 사이클별 스위칭 동작을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 온도에 따른 스위칭 속도변화를 설명하는데 참조되는 도이다.
도 10 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 스위칭 주파수별 온도와 전압의 변화가 도시된 도이다.
도 11a 및 도 11b 는 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 스위칭 시간에 따른 발열을 설명하는데 참조되는 도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명은 공기조화기에 포함되는 제어부 및 그 외 각 부의 구성이, 하나 또는 그 이상의 프로세서(Micro Processor)로 구현될 수 있고, 하드웨어 장치로 구현될 수 있음을 명시한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 실외기와 실내기의 개략도이다.
본 발명에 따른 공기조화기(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 실내기(31), 실내기(31)에 연결되는 실외기(21)를 포함할 수 있다.
공기조화기의 실내기(31)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 도면에서는, 스탠드형 실내기(31)를 예시한다.
한편, 공기조화기(100)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31)로 냉매를 공급한다. 실외기(21)는 원격제어기(미도시) 또는 실내기(31)의 요구(demand)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변되는 것도 가능하다.
이때, 실외기(21)는, 연결된 실내기(310)로 압축된 냉매를 공급한다.
실내기(31)는, 실외기(21)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다.
이때, 실외기(21) 및 실내기(31)는 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하며, 실외기 및 실내기는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
리모컨(미도시)은 실내기(31)에 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
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(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 포함한다.
실내측 열교환기(108)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(100)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
도 1의 실외기(21) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(250)를 구동하는 모터 구동장치에 의해 구동될 수 있다. 또한, 실내팬 또는 실외팬은 연결된 모터가, 모터 구동장치에 의해 구동될 수 있다.
도 2 는 도 1의 실외기의 개략적인 구성이 도시된 회로도이다.
도 2를 참조하면, 실외기(21)는, 압축기의 모터를 구동하기 위한 구동부(200)를 포함한다. 구동부는 전원부의 교류 전원(201)을 공급받아, 전력 변환하여, 모터에 변환된 전력을 공급한다. 이에 따라, 구동부는, 전력변환장치라고도 할 수 있다.
구동부(200)는, 압축기 또는 팬에 구비되는 모터(250)에 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(220)와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부(230)와, 인버터에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210), 컨버터(210)를 제어하는 컨버터 제어부(215), 컨버터(210)와 인버터 사이의 DC링크단(C)을 포함할 수 있다.
또한, 실외기는 입력전류를 검출하는 입력전류 검출부(D), 인버터의 출력전류를 검출하는 인버터전류 검출부(E)를 포함하고, 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부(A), 인버터로 입력되는 전압을 검출하는 DC전압 검출부(B)를 포함할 수 있다.
이러한 구성은 실외기의 압축기뿐 아니라, 실외팬 및 실내기(31)의 실내팬에 구비되는 모터를 구동하기 위한 구동부에 동일하게 적용될 수 있다.
인버터 제어부(230) 및 컨버터 제어부(215)는 실외기의 동작 전반을 제어하는 제어부(미도시)에 포함될 수 있고, 각각 컨버터와 인버터에 별도로 구비되는 것 또한 가능하다.
컨버터(210)는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다. 컨버터(210)는, 정류부(미도시)와 부스트 컨버터(미도시)를 포함하는 개념일 수 있다.
부스트 컨버터는, 정류부와 인버터(220) 사이에, 서로 직렬 접속되는 리액터(미도시)와 다이오드(미도시), 리액터와 다이오드 사이에 접속되는 스위칭 소자(미도시)를 구비한다. 부스트 컨버터는 스위칭 소자의 온에 의해, 리액터에 에너지가 저장되다가, 스위칭 소자의 오프에 의해, 리액터에 저장된 에너지가 다이오드를 거쳐, 출력될 수 있다.
컨버터(210)는 부스트 컨버터 외의 다른 형태의 컨버터 또한 사용될 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 컨버터(210) 내부의 스위칭 소자의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 스위칭 제어 신호(Soc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(215)는, 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부의 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 스위칭 제어 신호(Soc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(215)에 인가될 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부의 전단에, 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전류(Is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 스위칭 제어 신호(Soc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(215)에 인가될 수 있다.
DC전압 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)(C11)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성될 수 있다.
한편, 검출되는 dc 전압은, 컨버터 제어부(215)에 인가되어, 컨버터 스위칭 제어 신호(Soc)가 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 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(미도시) 및 하암 스위칭 소자(미도시)가 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, 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) 및 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 DC전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(220)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.
인버터 제어부(230)는, 축변환부(미도시), 속도 연산부(미도시), 전류 지령 생성부(미도시), 전압 지령 생성부(미도시), 축변환부(미도시), 및 스위칭 제어신호 출력부(미도시)를 포함할 수 있다. 이하 인버터 제어부에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
이러한 실외기는 운전모드에 따라 절환밸브(사방변밸브)(110)가 동작하여, 냉매의 유로가 변경되고, 그에 따라 난방모드 또는 냉방모드로 동작할 수 있다.
실외기는 구동부(200)를 제어하여 압축기가 동작하도록 하고, 실외팬이 동작하여 냉매가 열교환하고, 냉매가 냉매배관을 따라 유동하여 실내기로 공급된다.
실내기는 실외팬을 동작시키고, 공급되는 냉매를 열교환기에서 열교환함으로써 실내로 냉온의 공기를 토출한다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 동작제어를 위한 구성이 간략하게 도시된 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실외기는 온도감지부(290)를 포함한다.
온도감지부(290)는 인버터의 온도를 감지하여 제어부(240) 또는 인버터 제어부(230)로 인가한다. 인버터 제어부(230)는 제어부(240)에 포함되거나 별도로 구비될 수 있다.
온도감지부(290)는 복수의 온도센서를 포함한다.
온도센서는 인버터에 설치될 수 있고, 또는 인버터에 인접하여 설치될 수 있다. 온도센서는 인버터의 온도를 감지한다.
온도센서는 인버터의 내부에 내장되어 스위칭소자의 온도를 감지할 수 있다. 온도센서는 NCT일 수 있다.
온도센서는 인버터 외에도 컨버터의 온도를 감지할 수 있다. 또한, 온도센서는 압축기, 냉매배관, 팬, 실외기 케이스 등에 설치되어, 냉매온도, 열교환온도, 실외온도 등을 감지할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 온도감지부(290)를 통해 감지되는 인버터(220)의 온도에 따라 인버터(220)의 복수의 스위칭 소자에 대한 주파수를 가변하여 제어한다.
인버터 제어부(230)는 감지되는 온도를 기준온도와 비교하여 기준온도 미만인 경우, 기준온도인 경우, 기준온도 이상인 경우로 구분하여 스위칭 소자의 주파수를 변경하여 설정한다.
인버터 제어부(230)는 감지되는 온도에 따라 복수의 단계로 스위칭 소자의 주파수를 제어할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(230)는 인버터에 구비되는 복수의 스위칭 소자에 대하여, 각각 상이한 주파수로 동작하도록 설정할 수 있다. 인버터 제어부(230)는 복수의 스위칭 소자를 상암과 하암으로 구분하여 주파수를 제어할 수 있고, 또한, 복수의 스위칭 소자에 대하여 각각의 스위칭 소자 별로 주파수를 상이하게 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 인버터의 온도가 기준온도인 경우, 스위칭 소자를 기본 주파수로 제어하는 것을 가정할 때, 감지온도가 기준온도 미만이면, 주파수를 감소시키고, 감지온도가 기준온도를 초과하는 경우 주파수를 증가시킬 수 있다.
인버터는, 스위칭 소자의 주파수를 감소시키는 경우 스위칭 로스에 의해 스위칭 소자의 발열이 증가하게 된다. 반면, 스위칭 소자의 주파수를 증가시키는 경우 전자파 노이즈가 증가하게 된다.
그에 따라 인버터 제어부(230)는 인버터의 온도가 기준온도 미만인 경우에는 스위칭 로스에 의한 발열을 감수하면서 주파수를 감소하여 전자파 노이즈를 감소시킨다.
인버터 제어부(230)는 저온에서 스위칭 소자의 주파수를 감소시킴으로써, 스위칭 소자의 주파수가 고정된 경우와 비교할 때, 발생하는 전자파 노이즈가 크게 감소할 수 있다.
또한, 스위칭 소자는 기준온도 미만의 저온 상태에서 내압이 감소하여 동작 효율이 저하되는데, 주파수의 감소로 인하여 발생하는 열에 의해, 스위칭 소자의 온도가 상승하고, 스위칭 소자의 내압이 상승하여 동작 효율을 향상될 수 있다.
다만 스위칭 소자의 주파수의 감소폭이 큰 경우 인버터가 오동작 할 수 있으므로, 온도에 따라 일정 범위 내에서 감소시키는 것이 바람직하다.
또한, 인버터 제어부(230)는 인버터의 감지온도가 기준온도보다 높은 경우 스위칭 소자의 주파수를 증가시켜 발열을 감소시킬 수 있다.
인버터 제어부(230)는 인버터의 모든 스위칭 소자의 온도가 상승할 수 있으므로, 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 상이하게 주파수를 제어한다. 또한, 인버터 제어부(230)는 상암 스위칭 소자와 하암 스위치 소자에 대하여 교번하여 제어할 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 및 모터가 도시된 도이다.
도 4는 도시된 바와 같이, 인버터는 상암 스위칭 소자(SA)와 하암 스위칭 소자(SB)가 각각 한쌍을 이루도록 연결된다.
상암 스위칭 소자(SA)는 제 1, 3, 5 스위칭 소자, 하암 스위칭 소자(SB)는 제 2, 4, 6 스위칭 소자로 구성된다.
인버터(220)는 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)가 한 쌍이 되고, 제 2 스위칭 소자(SW3)와 제 4 스위칭 소자(SW4)가 한 쌍이 되며, 제 5 스위칭 소자(SW5)와 제 6 스위칭 소자(SW6)가 한 쌍이 되어, 각각 U, W, V의 3상의 전원을 모터(250)로 공급한다.
인버터 제어부(230)는 감지되는 인버터의 온도에 따라 주파수를 변경하여 설정한다.
인버터 제어부(230)는 제 1 내지 제 6 스위칭 소자에 대하여, 상암과 하암의 스위칭 소자로 구분하여 주파수를 상이하게 설정할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(230)는 제 1 내지 제 6 스위칭 소자에 대하여 각각 주파수를 상이하게 설정할 수 있다. 인버터 제어부(230)는 인버터의 온도를 기준으로 스위칭 소자의 스위칭 시점에 따라 주파수를 설정할 수 있다.
경우에 따라 인버터 제어부(230)는 각각의 스위칭 소자의 온도를 바탕으로 주파수를 설정할 수 있다. 이때, 온도감지부는 복수의 온도센서가 각각의 스위칭 소자의 온도를 측정할 수 있다.
도 5 는 도 4의 인버터의 스위칭 소자에 대한 동작을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 인버터 제어부(230)는 제어 사이클에 따라 상암 스위칭 소자(SA)와 하암 스위칭 소자(SB)를 제어한다.
인버터 제어부(230)는 온도감지부에 의해 감지되는 감지온도에 대응하여 스위칭 소자의 주파수를 설정한다.
인버터 제어부(230)는 제 1 사이클에서, 상암의 제 1, 3, 5 스위칭 소자의 감지온도(Ta, Tb, Tc)에 따라 제 1, 3, 5, 스위칭 소자(SW1, SW3, SW5)의 주파수를 설정한다.
인버터 제어부(230)는 제 1 스위칭 소자(SW1)의 감지온도(Ta)가 상승(기준온도 이상)하면 제 1 스위칭 소자(SW1)의 주파수를 증가시킨다.
인버터 제어부(230)는 제 3 스위칭 소자(SW3)의 감지온도(Tb)가 감소(기준온도 미만)하면 제 3 스위칭 소자(SW3)의 주파수를 감소시킨다.
인버터 제어부(230)는 제 5 스위칭 소자(SW5)의 감지온도(Tc)가 상승(기준온도 이상)하면 제 5 스위칭 소자(SW5)의 주파수를 증가시킨다.
인버터 제어부(230)는 제 2 사이클에서, 상암의 제 1, 3, 5 스위칭 소자의 감지온도(Ta, Tb, Tc)에 따라 제 1, 3, 5, 스위칭 소자(SW1, SW3, SW5)의 주파수를 설정한다.
인버터 제어부(230)는 제 1 사이클의 주파수 제어에 의해, 주파수가 작은 스위칭 소자의 온도가 상승하면, 제 2 사이클에서는, 온도가 상승한 스위칭 소자의 주파수를 상승시키고, 다른 스위칭 소자의 주파수를 감소시킨다.
인버터 제어부(230)는, 제 1 사이클에서 주파수를 감소시킨 결과로, 제 3 스위칭 소자(SW3)의 감지온도(Tb)가 증가(기준온도 이상)하면, 제 2 사이클에서, 제 3 스위칭 소자(SW3)의 주파수를 증가시킨다.
또한, 인버터 제어부(230)는 제 5 스위칭 소자(SW5)의 감지온도(Tc)가 감소함에 따라 제 5 스위칭 소자(SW5)의 주파수를 감소시킨다.
그에 따라 제 2 사이클에서, 제 1 스위칭 소자(SW1)는 감지온도(Ta)의 상승에 따라 주파수를 증가시키고, 제 3 스위칭 소자(SW3)의 감지온도(Tb)의 증가(기준온도 이상)에 따라 제 3 스위칭 소자(SW3)의 주파수를 증가시키며, 제 5 스위칭 소자(SW5)의 감지온도(Tc)의 감소(기준온도 미만)에 따라 제 5 스위칭 소자(SW5)의 주파수를 감소시킨다.
이때, 제 1, 3, 5 스위칭 소자의 온도가 모두 상승할 수 있으므로, 상암의 스위칭 소자와 하암의 스위칭 소자에 대하여 어느 한쪽만을 선정하여 주파수가 상승하도록 제어할 수 있다.
도 6 은 온도감지부의 온도에 따른 저항의 변화가 도시된 도이다.
구동부(200)는 앞서 설명한 바와 같이 컨버터(210)와 인버터(220)로 구성되며, 컨버터와 인버터는 복수의 스위칭 소자를 포함한다.
스위칭 소자는 온도에 따라 그 특성이 가변될 수 있다.
스위칭 소자는 기준온도 이하에서는 특성이 감소하고, 기준온도 이상에서는 특성이 증가하게 된다. 컨버터 및 인버터에 포함되는 스위칭 소자는, 기준온도에서의 내압을 제 1 전압이라 할 때, 기준온도 이하에서는 내압이 감소하고, 기준온도 이상에서는 내입이 증가하게 된다. 또한, DC링크단의 커패시턴스 또한 기준온도를 경계로 커패시턴스가 변화한다.
스위칭 소자의 온도를 감지하는 온도감지부의 온도센서는 도 6에 도시된 바와 같이 저항성분이 가변된다. 온도센서는 인버터 내부에 설치되는 NTC인 것을 예로 하여 설명한다.
온도감지부의 온도센서는, 저항성분은 도 6에 도시된 바와 같이 온도가 증가함에 따라 감소한다. 이때 온도에 따른 저항성분은 선형적으로 변경되는 것이 아니라, 지수함수적으로 가변된다.
온도센서는 도시된 바와 같이 온도가 증가함에 따라 저항성분이 감소하고, 온도가 감소함에 따라 저항성분이 증가한다.
온도센서는 기준온도를 기준으로 저항성분의 변화가 급격하게 나타난다.
인버터 제어부는 온도센서의 저항값을 바탕으로 스위칭 소자의 주파수를 설정한다. 이때, 인버터 제어부는 기준온도 미만인 경우와 기준온도 이상인 경우를 구분하여 스위칭 소자의 주파수를 제어한다.
도 7 및 도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 사이클 별 스위칭 동작을 설명하는데 참조되는 도이다.
스위칭 소자는, 온도에 따라 스위칭 소자의 저항성분이 가변됨에 따라 도 7 및 도 8과 같이 온도에 따른 스위칭 소자의 상승구간(턴온구간)이 상이하게 나타난다. 스위칭 소자는 온도에 따라 저항성분이 가변되므로, 그에 따라 스위칭 속도가 가변된다.
스위칭 소자는, 주파수에 따라 전압의 상승구간(턴온구간)과 하강구간(턴오프구간)의 길이(시간)가 다르게 측정된다. 즉, 스위칭 소자는, 주파수에 대하여, 스위칭 속도가 가변될 수 있다.
인버터 제어부는 온도가 낮은 경우 스위칭 주파수를 감소시키고, 온도가 높은 경우 스위칭 소자의 주파수를 증가시킨다.
또한, 스위칭 소자는 주파수가 낮은 경우 발열이 증가하게 되므로, 온도가 낮은 경우 주파수를 감소시킴으로써, 발열은 증가하고 전자파 노이즈는 감소하게 된다.
즉 스위칭 소자는 온도가 낮은 경우, 주파수를 감소시키는 것이 바람직하고, 주파수가 감소하는 경우 전자파 노이즈가 감소하게 된다. 스위칭 소자는, 낮은 주파수로 인하여 스위칭 소자의 온도는 상승하게 되지만, 저온 상태이므로 발열에 의한 영향이 적고, 발열에 의해 스위칭 소자의 온도가 상승하게 되면, 내압특성 또한 증가하게 된다.
또한, 인버터 제어부(230)는 스위칭 소자의 온도가 기준온도 이상으로 증가하게 되면, 주파수를 증가시켜 발열을 감소시킬 수 있다.
따라서, 인버터 제어부(230)는 온도에 따라 스위칭 소자 단위로 주파수를 상승 또는 감소시킴으로써, 발열과 전자파 노이즈를 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215) 또한, 컨버터의 스위칭 소자의 주파수를 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 도 7에 도시된 바와 같이 인버터(220)의 복수의 스위칭 소자에 대하여 상암 스위칭 소자(SA)와 하암 스위칭 소자(SB)를 상이하게 제어한다.
인버터 제어부(230)는 제 1 사이클에, 상암 스위칭 소자(SA)를 도 7의 (a)와 같이 제 1 주파수로 제어하고, 하암 스위칭 소자(SB)는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 제 2 주파수로 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 상암 스위칭 소자는 주파수를 증가시키고, 하암 스위칭 소자는 주파수가 감소하도록 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 상암 스위칭 소자(SA)와 하암 스위ㅊ이 소자(SB) 중 어느 한쪽의 주파수를 증가하고 다른 한쪽은 감소하도록 한다.
저온 상황이라 하더라도 동시에 모든 스위칭 소자의 주파수를 상승시키는 경우, 인버터 전체의 온도가 상승할 수 있으므로 어느 한쪽의 주파수만을 상승시키도록 한다.
상암 스위칭 소자 중에도 각 스위칭 소자를 상이한 주파수로 제어할 수 있는데, 상암의 제 1, 3, 5 스위칭 소자가 모두 온도가 상승할 수 있으므로 하암 스위칭 소자는 주파수를 감소시켜 인버터 전체 온도의 상승을 방지할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 제 2 사이클에는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 상암 스위칭 소자의 주파수는 감소시키고, 도 8의 (b)와 같이 하암 스위칭 소자의 주파수는 증가시킬 수 있다.
인버터 제어부(230)는 도 7과 도 8에 따른 제어를 사이클에 따라 번갈아 스위칭할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 상암 스위췽 소자와 하암 스위칭 소자에 대하여 사이클 단위로 번갈아 주파수가 증가하도록 설정함으로써, 인버터의 온도 상승과 전자파 노이즈의 발생을 조절할 수 있다.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 온도에 따른 스위칭 속도변화를 설명하는데 참조되는 도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자에 대한 주파수를 고정하는 경우 제 2 그래프(L1)와 같이 턴온 시간이 결정된다.
인버터 제어부(230)는 온도에 따라 인버터(220)의 스위칭 소자에 대한 주파수를 감소하는 경우, 제 2 그래프(L2)와 같이 스위칭에 따른 턴온 시간이 증가하고, 주파수를 증가하는 경우 제 3 그래프(L3)와 같이 스위칭에 따른 턴온 시간이 감소하게 된다. 이때, 전압의 크기 또한 상이해진다.
인버터 제어부(230)는 저온상태에서 주파수를 감소하고 고온상태에서 주파수를 증가시킴으로써 스위칭 소자의 스위치 속도를 제어할 수 있고, 그에 따라 스위칭 소자의 스위칭 시간의 변화폭이 확대될 수 있다.
인버터 제어부(230)는 온도가 상승하면 다음 사이클로 변경하여 주파수를 감소시킴으로써 발열을 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 온도에 다른 주파수 변경을 통해, 최대 스위칭 시간이 확대된다.
도 10 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 스위칭 시간에 따른 발열을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자의 온, 오프에 따라 전압(V), 전류(I)가 도시된 바와 같이 변화한다.
스위칭 소자가 오프상태에서 온상태로 변화하는 경우, 제 11 시간(Tm11)에 전류값이 증가하여 온(ON) 되고, 제 11 시간에서 제 12 시간(Tm11 내지 Tm12)의 상승구간이 발생한다. 한편, 전압(V)은 스위칭 소자가 턴온되면서, 제 12시간(Tm12)에 그 값이 감소하여 제 13 시간(Tm13)에 0이 된다.
그에 따라 스위칭 소자에는, 제 11 시간 내지 제 13 시간(Tm11 내지 Tm13)의 시간 동안 스위칭 로스(S)가 발생한다.
스위칭 소자는, 스위칭 로스(S) 만큼의 열을 발생하게 되는데, 이로인하여 스위칭 소자의 온도가 상승하게 된다.
주파수가 기본 주파수 보다 낮은 경우 스위칭 속도가 느려지므로 스위칭 로스가 증가하게 되어, 발열량이 증가하게 된다. 반면, 스위칭 소자는 주파수가 증가하면 스위치 속도는 증가하나 전자파 노이즈가 발생하게 된다.
도 11a 및 도 11b 은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 스위칭 주파수별 온도와 전압의 변화가 도시된 도이다.
인버터 제어부(230)는 인버터(220)의 제 1 내지 제 6 스위칭 소자(SW1 내지 SW6)에 대하여 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 스위칭을 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는 스위칭 소자의 온도별로 스위칭 소자의 주파수를 증가 또는 감소시킴으로써, 제 1 내지 제 6 스위핑 소자(SW1 내지 SW6)의 스위칭 시간과 그로 인한 온도가 상이하게 나타날 수 있다.
인버터 제어부(230)는 상암 스위칭 소자(SA)의 제 1, 3, 5 스위칭 소자(SW1, SW3, SW5), 주파수를 각각 제어하여 각각 스위칭 시간이 제 1 시간(Tm1) 내지 제 3 시간(Tm3)이 된다.
이때 제 1 스위칭 소자의 온도를 제 1 온도(T1)라 할 때, 제 3 스위칭 소자의 온도는 제 2 온도(T2)고, 제 5 스위칭 소자의 온도는 제 3 온도(T3)가 될 수 있다.
제 3 스위칭 소자(SW3)는 제 1 스위칭 소자(SW1)보다 주파수가 감소하도록 설정되어, 스위칭 시간이 제 2 시간(Tm2)으로 제 1 시간(Tm1)보다 증가하고, 온도 또한 제 1 온도(T1)보다 높은 제 2 온도(T2)가 상승한다.
제 5 스위칭 소자(SW5)는 제 3 스위칭 소자(SW3)보다 주파수가 감소하도록 설정되어, 스위칭 시간이 제 3 시간(Tm3)으로 제 2 시간(Tm2)보다 증가하고, 온도 또한 제 2 온도(T2)보다 높은 제 3 온도(T3)로 상승한다.
한편, 인버터 제어부는 도 11b에 도시된 바와 같이, 하암 스위칭 소자 중, 제 2, 4, 6 스위칭 소자(SW2, SW4, SW6), 주파수를 각각 제어하여 각각 스위칭 시간이 제 4 시간(Tm4) 내지 제 6 시간(Tm6)이 된다.
제 2 스위칭 소자의 온도를 제 4 온도(T4)라 할 때, 제 4 스위칭 소자의 온도는 제 5 온도(T5)고, 제 6 스위칭 소자의 온도는 제 6 온도(T6)가 될 수 있다.
제 4 스위칭 소자(SW4)는 제 2 스위칭 소자(SW2)보다 주파수가 감소하도록 설정되어, 스위칭 시간이 제 5 시간(Tm5)으로 제 4 시간(Tm4)보다 증가하고, 온도 또한 제 4 온도(T4)보다 높은 제 5 온도(T5)로 상승한다.
또한, 제 6 스위칭 소자(SW6)는 제 4 스위칭 소자(SW4)보다 주파수가 감소하도록 설정되어, 스위칭 시간이 제 6 시간(Tm6)으로 제 5 시간(Tm5)보다 증가하고, 온도 또한 제 5 온도(T5)보다 높은 제 6 온도(T6)로 상승한다.
인버터 제어부는 다음 사이클에서 제 1, 3, 5 스위칭 소자의 주파수를 감소하고 제 2, 4, 6 스위칭 소자의 주파수를 증가시킴으로써, 제 2, 4, 6 스위칭소자의 온도는 제 1 내지 제 3 온도로 감소하게 된다.
이때, 종래의 스위칭 소자의 주파수를 고정하는 경우, 도 11a의 제 1 온도(T1)내지 제 3 온도(T3)까지의 온도 상승은 가능하였으나, 그 이상의 온도, 즉 도 11b의 제 4 내지 제 6 온도(T4 내지 T6)의 경우에는 사용할 수 없었다.
주파수가 고정된 경우, 제 4 온도 내지 제 6 온도까지 인버터의 온도가 상승하면 인버터를 정지하지 않는 한, 온도를 감소시킬 방법이 없어서 사용할 수 없었다.
본 발명은 인버터 제어부가 제 4 내지 제 6 온도에 도달하더라도 해당 스위칭 소자의 주파수를 증가시켜 온도를 감소시킬 수 있고, 온도가 감소하면 주파수를 감소시킨다. 인버터 제어부는 주파수의 감소도 온도가 상승하면 다시 주파수를 증가시켜 주파수의 증가와 감소를 반복함으로써, 온도 조절이 가능하다.
또한, 인버터 제어부는 저온상태에서 주파수를 감소시킴으로써 전자파 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 실시예에 따라서는 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
21: 실외기 31: 실내기
102: 압축기 102b: 압축기 모터
105: 실외팬 108: 실외팬
201: 전원
210: 컨버터 220: 인버터
230: 인버터 제어부 250: 모터
290: 온도감지부

Claims (12)

  1. 모터를 포함하는 압축기;
    복수의 스위칭 소자로 구성되어, 상기 모터로 동작전원을 인가하는 인버터;
    상기 복수의 스위칭 소자로 제어신호를 인가하여 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 인버터 제어부; 및
    상기 인버터의 온도를 감지하는 온도감지부를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 인버터의 온도가 기준온도 미만인 경우, 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간이 증가하도록,상기 스위칭 소자의 주파수를 감소시키고,
    상기 인버터의 온도가 상기 기준온도 이상인 경우, 상기 스위칭 소자의 상기 스위칭 시간이 감소하도록, 상기 스위칭 소자의 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 복수의 스위칭 소자를 각각 상이한 주파수로 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도감지부는 복수의 온도센서를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자의 온도를 감지하여 상기 인버터 제어부로 인가하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 복수의 스위칭 소자의 온도를 기준온도와 비교하여 상기 복수의 스위칭 소자의 주파수를 개별 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 복수의 스위칭 소자 중 제 1 스위칭 소자의 온도가 상승하면, 상기 제 1 스위칭 소자의 주파수를 증가시키고,
    상기 복수의 스위칭 소자 중 제 2 스위칭 소자의 주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 복수의 스위칭 소자를 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자로 구분하여, 상기 상암 스위칭 소자와 상기 하암 스위칭 소자의 주파수를 상이하게 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 상암 스위칭 소자의 주파수를 증가시키는 경우, 상기 하암 스위칭 소자의 주파수를 감소시키고,
    다음 제어 시 상기 상암 스위칭 소자의 주파수를 감소시키고, 상기 하암 스위칭 소자의 주파수를 증가시키는 것을 반복하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 스위칭 시간의 변화에 따라 상기 스위칭 소자의 발열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 주파수의 변화에 따라 전자파 노이즈를 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도감지부는 상기 인버터의 내부에 설치된 복수의 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도감지부는 상기 인버터 내부의 NTC인 것을 특징으로 하는 공기조화기.


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