KR102308028B1 - 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 맥동 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제1 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 압축기 모터로 출력하는 제1 인버터와, 정류부로부터 정류된 전원을 저장하는 제2 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제2 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 제1 팬 모터로 출력하는 제2 인버터와, 제2 커패시터 양단의 전압을 강압하여 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 포함한다. 이에 따라, 저용량의 커패시터를 사용하는 모터 구동 장치에서 동일한 입력 교류 전원에 기초하여 압축기 모터와 팬 모터를 구동할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기{Motor driving device and air conditioner including the same}
본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저용량의 커패시터를 사용하는 모터 구동 장치에서 동일한 입력 교류 전원에 기초하여 압축기 모터와 팬 모터를 구동할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 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.
본 발명의 목적은, 저용량의 커패시터를 사용하는 모터 구동 장치에서 동일한 입력 교류 전원에 기초하여 압축기 모터와 팬 모터를 구동할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 맥동 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제1 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 압축기 모터로 출력하는 제1 인버터와, 정류부로부터 정류된 전원을 저장하는 제2 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제2 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 제1 팬 모터로 출력하는 제2 인버터와, 제2 커패시터 양단의 전압을 강압하여 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기와, 압축기 내의 모터를 구동하기 위한 모터 구동 장치를 포함하고, 모터 구동 장치는,입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 맥동 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제1 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 압축기 모터로 출력하는 제1 인버터와, 정류부로부터 정류된 전원을 저장하는 제2 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제2 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 제1 팬 모터로 출력하는 제2 인버터와, 제2 커패시터 양단의 전압을 강압하여 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 맥동 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제1 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 압축기 모터로 출력하는 제1 인버터와, 정류부로부터 정류된 전원을 저장하는 제2 커패시터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 제2 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 제1 팬 모터로 출력하는 제2 인버터와, 제2 커패시터 양단의 전압을 강압하여 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 포함함으로써, 저용량의 커패시터를 사용하는 모터 구동 장치에서 동일한 입력 교류 전원에 기초하여 압축기 모터와 팬 모터를 구동할 수 있게 된다.
또한, 동일한 제2 커패시터를 사용하여, 팬 모터 구동과, 동작 전원을 생성할 수 있게 된다.
또한, 부스트 컨버터에 의해 승압된 전압을 압축기용 인버터가 사용함으로써, 모터 구동시의 토크 리플이 저감되게 된다.
또한, 부스트 컨버터를 사용함으로써, 역률 개선 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 모터 구동장치의 블록도이다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도 5a 내지 도 6b는 도 4의 모터 구동 장치의 설명에 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도 11은 도 4의 컨버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
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 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 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함하나, 그 구성에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
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. 실내기(31)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
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)는 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.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(100)는, 크게 실내기(31)와 실외기(21)로 구분된다.
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(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(109a)과 실내팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(109)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 구동장치(도 3의 200)에 의해 구동될 수 있다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 모터 구동장치의 블록도이고, 도 4는 도 3의 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 모터 구동장치(200)는, 압축기 모터(250)에 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(220)와, 인버터(220)를 제어하는 인버터 제어부(230)와, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210), 컨버터(210)를 제어하는 컨버터 제어부(215), 컨버터(210)와 인버터(220) 사이의 dc단 커패시터(C)를 포함할 수 있다. 한편, 모터 구동장치(200)는, dc단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(200)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(250)에 변환된 전력을 공급한다. 이에 따라, 모터 구동장치(200)는, 전력변환장치라고도 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 수십 μF 이하의 저용량의 dc단 커패시터(C)를 사용하는 것으로 한다. 예를 들어, 저용량의 dc단 커패시터(C)는, 전해 커패시터가 아닌, 필름 커패시터를 포함할 수 있다.
저용량의 커패시터를 사용하는 경우, dc단 전압의 변화가 커져, 맥동하게되며, 평활 동작이 거의 수행되지 않게 된다.
이러한, 수십 μF 이하의 저용량의 dc단 커패시터(C)를 구비하는 모터 구동 장치를, 커패시터리스(capacitorless) 기반의 모터 구동장치라 할 수 있다.
본 명세서에서는, 저용량의 dc단 커패시터(C)를 구비하는 모터 구동 장치(200)를 중심으로 기술한다.
컨버터(210)는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다. 컨버터(210)는, 정류부(410)와 부스트 컨버터(420)를 포함하는 개념일 수 있다.
정류부(410)는, 단상 교류 전원(201)을 입력받아 정류하여 정류된 전원을 출력한다.
이를 위해, 정류부(410)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Da,Db) 및 하암 다이오드 소자(D'a,D'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 다이오드 소자가 서로 병렬(Da&D'a,Db&D'b)로 연결되는 것을 예시한다. 즉, 브릿지 형태로 서로 접속될 수 있다.
부스트 컨버터(420)는, 정류부(410)와 인버터(220) 사이에, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L1)와 다이오드(D1), 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S1)를 구비한다. 이러한 스위칭 소자(S1)의 온에 의해, 인덕터(L1)에 에너지가 저장되다가, 스위칭 소자(S1)의 오프에 의해, 인덕터(L1)에 저장된 에너지가 다이오드(D1)를 거쳐, 출력될 수 있다.
특히, 저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 모터 구동장치(200)에 있어, 부스트 컨버터(420)로부터, 일정 전압이 승압된, 즉 오프셋된, 전압이 출력될 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 부스트 컨버터(420) 내의 스위칭 소자(S1)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(S1)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)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, 정류부(410) 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(Scc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(215)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(410) 전단에, 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(215)에 인가될 수 있다.
dc 전압 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)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 dc 전압은, 컨버터 제어부(215)에 인가되어, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)가 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 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(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 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 dc 단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)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.
축변환부(미도시)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(미도시)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(미도시)는, 위치 감지부(미도시)로부터 입력되는 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여, 속도(
Figure 112014053804010-pat00001
)를 연산할 수 있다. 즉, 위치 신호에 기반하여, 시간에 대해, 나누면, 속도를 연산할 수 있게 된다.
한편, 위치 감지부(미도시)는, 모터(250)의 회전자 위치를 감지할 수 있다. 이를 위해, 위치 감지부(미도시)는 홀 센서를 포함할 수 있다.
한편, 속도 연산부(미도시)는, 입력되는 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여 연산된 위치(
Figure 112014053804010-pat00002
)와 연산된 속도(
Figure 112014053804010-pat00003
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(미도시)는, 연산 속도(
Figure 112014053804010-pat00004
)와 목표 속도(ω)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산하며, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(미도시)는, 연산 속도(
Figure 112014053804010-pat00005
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(535)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(미도시)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(미도시)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(미도시) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(미도시)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(544)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(미도시)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(548)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(미도시)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(미도시)에 입력된다.
축변환부(미도시)는, 속도 연산부(미도시)에서 연산된 위치(
Figure 112014053804010-pat00006
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(미도시)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(미도시)에서 연산된 위치(
Figure 112014053804010-pat00007
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(미도시)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(미도시)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 5a 내지 도 6b는 도 4의 모터 구동 장치의 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 5a는, 저용량의 dc 단 커패시터(C)가, 도 4의 부스트 컨버터(420) 없이, 정류부(410)에 접속되는 경우의, dc 단 전압(Vdc)을 예시한다.
저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우, 도면과 같이, 저용량의 dc 단 커패시터(C)가, dc 단 전압(Vdc)을, 평활하지 못하며, 따라서, 맥동하는 dc 단 전압(Vdc)이 그대로 인버터(220)에 공급되게 된다.
이러한 경우, 맥동하는 dc 단 전압(Vdc)의 피크치(VL1) 보다 낮은, 대략 0.7VL1 전압에서 평균 전압이 형성된다.
인버터(220)는, 대략 0.7VL1 전압을 이용하여, 삼상의 교류 전원을 생성할 수 있으나, 대략 0.7VL1 전압 이하의 구간에서는, 모터 구동을 원활하게 수행하기 힘들게 된다. 따라서, 전압 이용율이 낮아지게 된다.
또한, 도면을 보면, 입력 전압의 주파수가 대략 60Hz인 경우, 그 두 배에 해당하는, 대략 120Hz의 전압 리플이 발생하게 된다.
한편, 도 5a와 같이 맥동하는 전압을 이용하여, 인버터(220)를 통해 모터(250)를 구동하는 경우, 도 5b와 같이, ΔT1에 대응하는 토크 리플이 발생한다. 이러한 토크 리플로 인하여, 진동 및 소음이 발생하게 된다.
한편, 저용량의 dc 단 커패시터(C)의 커패시턴스가 작아질수록, 전류 제어 등이 수행되지 않으므로, 낮은 입력 역률 특성이 발생하게 된다.
이러한 점을 해결하기 위해, 본 발명에서는, 도 4와 같이, 정류부(410) 이후에, 부스트 컨버터(420)를 배치한다.
도 6a는, 도 4의 부스트 컨버터(420)와 저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우의, dc 단 전압(Vdc)을 예시한다.
부스트 컨버터(420)를 이용하여, VL2 전압 만큼 승압시키면, 최소 전압이 VL2이며, 피크치가, VL2+VL1인 맥동 전압이 dc 단에 출력되게 된다. 이에 의하면, 대략, VL1 전압에서 평균 전압이 형성될 수 있다.
인버터(220)는, 대략 VL1 전압을 이용하여, 삼상의 교류 전원을 생성할 수 있으나, 대부분의 전압 구간에서, 모터 구동을 원활하게 수행할 수 있게 된다. 따라서, 전압 이용율이 상승하며, 운전 영역이 증대되게 된다.
한편, 도 6a와 같이, 부스트 컨버터(420)와 저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우의, dc 단 전압(Vdc)에 의해, 인버터(220)를 통해 모터(250)를 구동하는 경우, 도 6b와 같이, ΔT2에 대응하는 토크 리플이 발생한다. 즉, 도 5a의 ΔT1 보다 작은, ΔT2 에 대응하는 토크 리플이 발생할 수 있다. 즉, 토크 리플이 상당히 저감되게 된다.
한편, 부스트 컨버터(420)를 사용하면, 입력 전류(Is)를 제어하게 되어, 결국, 입력 역률이 개선되게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 7의 모터 구동장치(700)는, 정류부(410), 부스트 컨버터(420), 제1 커패시터(C), 제1 인버터(220), 제2 커패시터(Cm), 제2 인버터(720), 및 전압 강압부(910)를 구비할 수 있다.
이 중 부스트 컨버터(420), 제1 커패시터(C), 제1 인버터(220)는, 압축기 모터(250)를 구동하기 위한, 압축기 구동부(705)라 명명할 수 있다.
또한, 제2 커패시터(Cm), 제2 인버터(720)는 제1 팬 모터(750)를 구동하기 위한 제1 팬 구동부(710)라 명명할 수 있다.
압축기 모터(250)는 고전압이 필요하며, 제1 팬 모터(750)는 압축기 모터(250) 보다는, 저전압이 필요하다.
모터 구동 장치의 컴팩트화를 위해, 압축기 모터(250)와 제1 팬 모터(750)를 구동하기 위한, 회로 소자를 하나의 보드 상에 구현하는 경우, 압축기 모터(250)에 필요 전압과, 제1 팬 모터(750)의 필요 전압이 달라, 이를 반영하는 것이 바람직하다.
한편, dc 단에, 저용량의 커패시터(C)를 사용하는 경우, dc 단이 맥동하므로, 상술한 바와 같이, 부스트 컨버터(420)를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 부스트 컨버터(420)에 의해, 승압된 공통의 dc 단을 이용하여, 압축기 모터(250)와 제1 팬 모터(750)를 구동하는 경우, 팬 모터 구동을 위해, 상당량의 강압 수행이 이루어져야 하는 부담이 있다.
본 발명에서는, 이러한 점을 해결하기 위해, 압축기 모터(250)와 제1 팬 모터(750)시, 정류부(410)를 공통으로 사용하는 것으로 한다.
이에 의하면, 압축기 모터(250)를 구동하기 위해, 소용량의 커패시터(C) 사용이 가능해지며, 제1 팬 모터(750)가 압축기 모터(250) 보다 낮은 전압으로 안정적으로 구동하게 된다.
도면에서는, 단상의 입력 교류 전원(201)을 정류하는 정류부(410)의 양 단자(a-b 단자)에, 압축기 구동부(705)와 제1 팬 구동부(710)가 서로 병렬 연결되는 것을 예시한다.
즉, 정류부(410)의 양 단자(a-b 단자)에, 부스트 컨버터(420), 제1 커패시터(C), 압축기용 인버터(220)가 차례로 배치된다. 또한, 정류부(410)의 양 단자(a-b 단자)에, 제2 커패시터(Cm), 팬용 인버터(720)가 차례로 배치된다.
정류부(410)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Da,Db) 및 하암 다이오드 소자(D'a,D'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 다이오드 소자가 서로 병렬(Da&D'a,Db&D'b)로 연결되는 것을 예시한다. 즉, 브릿지 형태로 서로 접속될 수 있다.
부스트 컨버터(420)는, 정류부(410)와 제1 커패시터(C) 사이에, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L1)와 다이오드(D1), 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S1)를 구비한다. 이러한 스위칭 소자(S1)의 온에 의해, 인덕터(L1)에 에너지가 저장되다가, 스위칭 소자(S1)의 오프에 의해, 인덕터(L1)에 저장된 에너지가 다이오드(D1)를 거쳐, 출력될 수 있다.
특히, dc 단 커패시터(C)로 저용량의 필름 커패시터를 사용하는 모터 구동장치(700)에 있어, 부스트 컨버터(420)로부터, 일정 전압이 승압된, 즉 오프셋된, 전압이 출력될 수 있다.
한편, 제1 커패시터(C)의 커패시턴스가, 제2 커패시터(Cm)의 커패시턴스 보다 작은 것이 바람직하다. 즉, 제2 커패시터(Cm)의 커패시턴스가, 제1 커패시터(C)의 커패시턴스 보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 제1 커패시터(C)에 저장되는 전압(Vc) 레벨이, 제2 커패시터(Cm)에 저장되는 전압(Vcm) 레벨 보다 더 큰 것이 바람직하다. 제1 커패시터(C)에 저장되는 전압(Vc) 레벨은, 대략 450V 이고, 제2 커패시터(Cm)에 저장되는 전압(Vcm) 레벨은 대략 300V일 수 있다.
이에 의해, 제1 팬 모터(750)는, 보다 덜 맥동하는 직류 전원(Vcm)에 기초하여, 안정적으로 구동되게 된다.
한편, 전압 강압부(910)는, 제2 커패시터(Cm)의 양 단자(c-d 단자) 사이에, 접속되며, 제2 커패시터(Cm) 양단의 전압(Vcm(을 강압하여 강압된 전압을 출력한다.
이를 위해, 전압 강압부(910)는, 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)를 구비할 수 있다. 출력되는 전압은 대략 15V, 7.5V, 5V 등의 동작 전원(Vcc)일 수 있다. 이러한 동작 전원은, 인버터(220), 인버터 제어부(230)의 동작 전원 등으로 사용될 수 있다.
이와 같이, 동일한 제2 커패시터(Cm)를 사용하여, 팬 모터 구동과, 동작 전원을 생성할 수 있게 되어, 전압 강압부(910) 설계가 용이할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 8의 모터 구동장치(800)는, 도 7의 모터 구동장치(700)와 유사하나, 단상의 입력 교류 전원(201)과 정류부(410) 사이에, 배치되는 팬용 스위칭 소자(Saf)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 팬용 스위칭 소자(Saf)의 온 동작에 의해, AC 타입의 제2 팬 모터(805)가 바로 동작하게 된다. 따라서, 도 8의 모터 구동장치(800)는, 안정적으로, 압축기 모터(250), 제1 팬 모터(750), 제2 팬 모터(805)를 구동할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 9의 모터 구동장치(900)는, 도 7의 모터 구동장치(700)와 유사하나, 삼상의 입력 교류 전원(201a,201b,201c)이, 사용되는 것에 그 차이가 있다.
이에 따라, 정류부(510)는, 삼상의 입력 교류 전원(201a,201b,201c)을 입력받아 정류하여 정류된 전원을 출력한다.
이를 위해, 정류부(510)는, 삼상 브릿지 다이오드를 구비할 수 있다. 정류부(510)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Da,Db,Dc) 및 하암 다이오드 소자(D'a,D'b,D'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 다이오드 소자가 서로 병렬(Da&D'a,Db&D'b, Dc&D'c)로 연결되는 것을 예시한다. 즉, 브릿지 형태로 서로 접속될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동장치의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 10의 모터 구동장치(1000)는, 도 9의 모터 구동장치(900)와 유사하나, 삼상의 입력 교류 전원(201a,201b,201c) 중 어느 두 상(201a,201b) 사이에, 배치되는 팬용 스위칭 소자(Saf)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 팬용 스위칭 소자(Saf)의 온 동작에 의해, AC 타입의 제2 팬 모터(805)가 바로 동작하게 된다. 따라서, 도 10의 모터 구동장치(1000)는, 안정적으로, 압축기 모터(250), 제1 팬 모터(750), 제2 팬 모터(805)를 구동할 수 있게 된다.
도 11은 도 4의 컨버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 컨버터 제어부(215)는, 입력 전류 지령 생성부(720), 전류류 제어부(730), 및 전향 보상부(740)를 구비할 수 있다.
입력 전류 지령 생성부(720)는, 입력 전압 검출부(A)에서 검출되는 입력 전압(Vs)을 수신하고, 입력 전압(Vs)에 기초하여, 입력 전류 지령치(I*s)를 생성할 수 있다.
한편, 감산기(725)는, 입력 전류 지령치(I*s)와, 입력 전류 검출부(D)에서 검출되는 입력 전류(Is)와의 차이를 연산하고, 그 차이를 전류 제어부(730)에 인가한다.
전류 제어부(730)는, 입력 전류 지령치(I*s)와, 입력 전류 검출부(D)에서 검출되는 입력 전류(Is)에 기초하여, 제1 듀티(duty)에 대응하는 제1 스위칭 제어 신호(Sp1)를 생성한다.
구체적으로, 전류 제어부(730)는, 입력 전류 지령치(I*s)와, 입력 전류(Is)의 차이에 기초하여, 제1 듀티(duty)에 대응하는 제1 스위칭 제어 신호를 생성한다.
한편, 전향 보상부(740)는, 부스트 컨버터(420)의 입력전압(Vs) 및 dc 단 전압(Vdc)으로 이루어진 왜란을 제거하기 위해, 전향 보상(feed-forward compensation)을 수행한다. 이에 따라, 전향 보상부(740)는, 왜란 제거를 고려한, 제2 듀티에 대응하는 제2 스위칭 제어 신호(Sp2)를 생성할 수 있다.
가산기(735)는, 제1 스위칭 제어 신호(Sp1)와 제2 스위칭 제어 신호(Sp2)를 가산하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력할 수 있다. 즉, 가산기(735)는, 제1 듀티와 제2 듀티를 고려한, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 모터 구동장치 또는 공기조화기의 동작방법은, 모터 구동장치 또는 공기조화기에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 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 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (11)

  1. 입력 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터;
    상기 부스트 컨버터로부터의 맥동 전압을 저장하는 제1 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 제1 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 압축기 모터로 출력하는 제1 인버터;
    상기 정류부로부터 정류된 전원을 저장하는 제2 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 제2 커패시터 양단의 전압을 이용하여, 변환된 교류 전원을 제1 팬 모터로 출력하는 제2 인버터; 및
    상기 제2 커패시터 양단의 전압을 강압하여 강압된 전압을, 상기 제1 인버터의 동작 전원으로서, 출력하는 전압 강압부;를 포함하며,
    상기 제1 커패시터의 커패시턴스가, 상기 제2 커패시터의 커패시턴스 보다 작으며,
    상기 부스트 컨버터는, 제1 전압만큼 승압시켜, 상기 제1 전압과 상기 입력 교류 전원의 피크치의 합인, 상기 맥동 전압을 출력하며,
    상기 부스트 컨버터는, 상기 정류부와 상기 제1 커패시터 사이에 배치되며,
    상기 제1 커패시터는, 상기 부스트 컨버터와 상기 제1 인버터 사이에 배치되며,
    상기 제2 커패시터는, 상기 정류부와 상기 제2 인버터 사이에 배치되며,
    상기 전압 강압부는, 상기 제2 커패시터의 양 단자 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 교류 전원과 상기 정류부 사이에, 배치되는 팬용 스위칭 소자를 더 구비하고,
    상기 팬용 스위칭 소자의 온 동작에 의해, 제2 팬 모터가 동작하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터에 저장되는 전압 레벨이, 상기 제2 커패시터에 저장되는 전압 레벨 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는, 필름 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는,
    상기 정류부와 상기 제1 커패시터 사이에, 서로 직렬 접속되는 인덕터와 다이오드;
    상기 인덕터와 다이오드 사이에 접속되는 스위칭 소자;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입력 교류 전원으로부터의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부;
    상기 입력 교류 전원으로부터의 입력 전압을 검출하는 입력 전압 검출부; 및
    상기 입력 전류와 상기 입력 전압에 기초하여, 상기 부스트 컨버터 내의 스위칭 소자를 제어하기 위한 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 검출된 입력 전압에 기초하여, 입력 전류 지령치를 생성하는 입력 전류 지령 생성부;
    상기 입력 전류 지령치와 상기 검출된 입력 전류에 기초하여, 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는 전류 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    제2 스위칭 제어 신호를 생성하는 전향 보상부;를 더 포함하며,
    상기 제1 스위칭 제어 신호와 제2 스위칭 제어 신호에 기초하여, 상기 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터와 상기 제1 인버터 사이의 제1 dc 단 전압을 검출하는 dc 단 전압 검출부;
    상기 압축기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부; 및
    상기 검출되는 dc 단 전압 및 상기 검출되는 출력 전류에 기초하여, 상기 제1 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  11. 상기 제1항 내지 제2항, 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.




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