KR102492943B1 - 전력 품질 보상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제하고, 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선하는 전력 품질 보상 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 품질 보상 장치는 계통과 비선형 부하 사이의 노드에 병렬로 연결되고, 직류 전원을 제1 보상 전류 및 제2 보상 전류 중 적어도 하나로 변환하여 상기 노드로 출력하는 전력 변환부, 상기 비선형 부하에 출력되는 부하전류의 크기를 기준값과 비교하여 상기 전력 변환부의 동작 모드를 판단하는 동작 모드 판단부 및 상기 동작 모드가 구동 모드이면 상기 전력 변환부가 상기 제1 보상 전류를 출력하도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 동작 모드가 대기 모드이면 상기 전력 변환부가 상기 제2 보상 전류를 출력하도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 품질 보상 장치{Power quality conditioner}
본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제하고, 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선하는 전력 품질 보상 장치에 관한 것이다.
공기조화장치는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 냉온의 공기를 토출하여 실내 온도를 조절하거나 실내 공기를 정화하는 장치이다. 일반적으로 공기조화장치는 실내에 설치되는 실내기와, 실내기로 냉매를 공급하는 실외기로 구성된다.
여기서, 실외기는 압축기 및 열교환기 등으로 구성되며, 압축기를 구동하기 위한 모터, 모터에 3상 전류를 출력하는 인버터 및 인버터에 직류 전원을 공급하는 컨버터를 포함한다.
인버터와 컨버터는 비선형 소자(예를 들어, 전력 스위칭 소자)를 포함하는 비선형 부하이고, 이와 같은 비선형 부하에서는 계통에서 공급되는 교류 전류의 주파수의 정수배를 갖는 고조파가 발생한다.
비선형 부하에서 발생한 고조파는 계통 및 해당 계통에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치므로, 고조파를 효율적으로 제거하기 위한 방법이 요구되고 있다.
한편, 공기조화장치는 장치의 특성 상 특정 시기에 구동되거나 사용자의 필요에 따라 일정 시간 동안만 구동된다. 즉, 공기조화장치는 항상 구동되는 장치가 아니며, 장치가 구동되지 않는 대기시간에 공기조화장치는 대기전력(standby power)을 소모한다.
공기조화장치에 포함되는 인버터 및 컨버터는 필터 커패시터, DC 링크 커패시터 등의 용량성 소자를 포함하고, 공기조화장치가 대기전력을 소모할 때 이와 같은 용량성 소자에 의해 계통 전원에는 진상 역률이 발생한다.
다시 말해, 용량성 소자의 정전 용량에 의해 계통 전원에 흐르는 전류의 위상은 전압의 위상보다 앞서게 된다.
계통 전원에서 발생하는 진상 역률은 계통에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 전력 소비의 효율성을 낮추며 전기 요금에 할증을 발생시킬 수 있으므로, 진상 역률을 효율적으로 개선하기 위한 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제하는 전력 품질 보상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선하는 전력 품질 보상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제함과 동시에 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선하는 전력 품질 보상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 비선형 부하에 출력되는 부하전류의 크기가 기준값 이상이면 계통과 비선형 부하 사이의 노드에 고조파 전류를 상쇄하기 위한 제1 보상 전류를 출력함으로써 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 비선형 부하에 출력되는 부하전류의 크기가 기준값 미만이면 계통과 비선형 부하 사이의 노드에 부하전류의 위상을 천이하기 위한 제2 보상 전류를 출력함으로써 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 비선형 부하에 출력되는 부하전류의 크기가 기준값 이상이면 계통과 비선형 부하 사이의 노드에 제1 보상 전류와 제2 보상 전류를 함께 출력함으로써 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제함과 동시에 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선할 수 있다.
본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제함으로써, 고조파 전류가 계통 및 계통에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선함으로써, 전력 소비의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전기 요금을 아낄 수 있다.
또한, 본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제함과 동시에 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선함으로써, 계통을 안정화시킬 뿐만 아니라 계통에서 공급되는 전원을 효율적으로 소비할 수 있다.
도 1은 공기조화장치의 일반적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 실외기에 구비되는 압축기 구동장치를 도시한 도면.
도 3은 비선형 부하가 구동될 때 고조파 성분을 포함하는 계통 전원단의 전류를 도시한 그래프.
도 4는 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 전압 및 전류를 도시한 그래프.
도 5는 도 2에 도시된 전력 품질 보상 장치를 도시한 도면.
도 6은 도 3에 도시된 전류의 고조파 성분이 제1 보상 전류에 의해 상쇄된 모습을 도시한 그래프.
도 7은 도 4에 도시된 전류가 제2 보상 전류에 의해 전압의 위상을 추종하는 모습을 도시한 그래프.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 공기조화장치의 일반적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 실외기에 구비되는 압축기 구동장치를 도시한 도면이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화장치(1)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나일 수 있다.
실내 공기를 조화하는 기능을 수행하기 위해 공기조화장치(1)는 복수의 실내기(31 내지 35) 및 복수의 실내기에 연결되는 하나 이상의 실외기(21, 22)를 포함할 수 있다.
또한, 공기조화장치(1)는 복수의 실내기(31 내지 35)를 유선으로 제어하는 컨트롤러(41, 42, 44)를 포함할 수 있고, 복수의 실내기(31 내지 35)를 무선으로 제어하는 리모컨(43, 44)을 포함할 수도 있다. 뿐만 아니라, 공기조화장치(1)는 각 실내기(31 내지 35)와 실외기(21, 22)를 제어하는 원격 제어기(10)를 더 포함할 수 있다.
실외기(21, 22)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시) 및 냉매와 실외 공기를 열교환하는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 실외기(21, 22)는 압축기 및 열교환기를 동작시켜 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31 내지 35)로 냉매를 공급할 수 있다.
실외기(21, 22)는 원격 제어기(10) 또는 실내기(31 내지 35)의 요구에 따라 구동될 수 있으며, 구동되는 실내기(31 내지 35)의 개수에 따라 실외기(21, 22) 및 실외기(21, 22)에 구비된 압축기의 작동 개수가 결정될 수 있다.
실내기(31 내지 35)는 하나 이상의 실외기(21, 22) 중 어느 하나에 연결되어 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출할 수 있다.
공기조화장치(1)를 구성하는 실내기(31 내지 35)는 임의의 형태로 설치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 천장형으로 설치될 수 있고, 이와 달리, 스탠드형, 벽걸이형 등으로 설치될 수도 있다.
컨트롤러(41, 42, 44) 및 리모컨(43, 45)은 실내기(31 내지 35)에 각각 연결되어, 사용자로부터 제공받은 제어 명령을 실내기(31 내지 35)로 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 컨트롤러(41, 42, 44) 및 리모컨(43, 45)은 실내기(31 내지 35)의 상태 정보를 수신하여 표시할 수도 있다.
원격 제어기(10)는 실내기(31 내지 35) 및 실외기(21, 22)의 동작을 제어하거나 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 원격 제어기(10)는 실내기(31 내지 35)와 연결되어 실내기(31 내지 35)에 대한 운전설정, 스케줄제어 등을 수행할 수 있다.
다음으로 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 실외기(21, 22)에 구비되는 압축기(미도시)는 압축기 구동장치(2)에 의해 구동될 수 있다.
압축기 구동장치(2)는 크게 전력 품질 보상 장치(100), 비선형 부하(300) 및 비선형 부하(300)에 교류 전류를 제공하는 계통(200)을 포함할 수 있다.
여기서, 비선형 부하(300)는 압축기를 구동하는 모터(340), 모터(340)에 3상 교류 전류를 출력하는 인버터(320), 인버터(320)를 제어하는 인버터 제어부(330) 및 계통(200) 전원을 이용하여 인버터(320)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(310)를 포함할 수 있다.
컨버터(310)는 계통(200)으로부터 교류 전원을 입력받아, 직류 전원으로 변환하고 변환된 직류 전원을 인버터(320)로 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(310)는 3상 교류 전원을 정류하기 위한 복수의 다이오드를 포함할 수도 있고, 복수의 전력 스위칭 소자를 포함할 수도 있다.
DC 링크 커패시터(C)는 컨버터(310)와 인버터(320) 사이에 구비되어, 컨버터(310)에서 출력되는 직류 전원을 저장하거나 평활화하는 기능을 수행할 수 있다.
DC 링크 커패시터(C)는 소용량의 커패시터로서 커패시터리스 (capacitorless)타입일 수 있다. 다시 말해, DC 링크 커패시터(C)는 전해 커패시터로 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 필름 타입으로 구성될 수도 있다.
인버터(320)는 내부에 복수의 전력 스위칭 소자를 포함하고, 각 전력 스위칭 소자의 온 및 오프 동작에 따라, 평활화된 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 모터(340)에 출력할 수 있다.
인버터 제어부(330)는 인버터(320)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 신호(SC)를 인버터(320)에 제공할 수 있다. 제어 신호(SC)는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM) 방식의 제어 신호일 수 있다.
이와 같은 제어 신호(SC)는 모터(340)에 출력되는 전류(Iabc) 및 인버터(320)에 제공되는 직류 전압(Vin) 중 적어도 하나에 기초하여 생성될 수 있다. 이 때, 모터(340)에 출력되는 전류(Iabc)는 전류 센서(D2)에서 검출될 수 있으며, 인버터(320)에 제공되는 직류 전압(Vin)은 전압 센서(D1)에서 검출될 수 있다.
이하에서는, 도 2에 도시된 비선형 부하(300)를 구동할 때 계통(200) 전원에서 발생하는 고조파 전류와 비선형 부하(300)를 구동하지 않을 때 계통(200) 전원에서 발생하는 진상 역률에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 비선형 부하가 구동될 때 고조파 성분을 포함하는 계통 전원단의 전류를 도시한 그래프이고, 도 4는 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
먼저 도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 인버터(320) 및 컨버터(310)에는 비선형 소자(예를 들어, 다이오드, 전력 스위칭 소자 등)가 포함될 수 있다. 이에 따라 비선형 부하(300)가 구동될 때, 비선형 부하(300)에서는 비선형 소자의 특성에 의한 고조파 전류가 발생할 수 있다.
고조파 전류는 주파수가, 계통(200) 전원 주파수의 정수배
Figure 112017097261726-pat00001
인 각각의 고조파 성분을 합성한 전류일 수 있다.
이와 같은 고조파 전류는 계통(200) 전원으로 유입되어 계통(200) 및 계통(200)에 연결된 다른 부하에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 도 2에 도시된 전력 품질 보상 장치(100)는 비선형 부하(300)에서 발생하는 고조파 전류를 억제하기 위해, 계통(200)과 비선형 부하(300) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하면, 비선형 부하(300)가 구동되지 않을 때 비선형 부하(300)는 대기전력(standby power)을 소모할 수 있다. 이 경우, 비선형 부하(300)를 구성하는 필터 커패시터, DC 링크 커패시터 등의 용량성 소자에 의해 계통(200) 전원에는 진상 역률이 발생할 수 있다.
다시 말해, 용량성 소자의 정전 용량에 의해 계통(200) 전원에 흐르는 전류의 위상이 전압의 위상보다 앞설 수 있다.
이와 같은 진상 역률은 계통(200)에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 전력 소비의 효율성을 낮추며 전기 요금에 할증을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 도 2에 도시된 전력 품질 보상 장치(100)는 계통(200) 전원단에서 발생하는 진상 역률을 개선하기 위해, 계통(200)과 비선형 부하(300) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 다른 전력 품질 보상 장치(100)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 도 2에 도시된 전력 품질 보상 장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 품질 보상 장치(100)는 전력 변환부(110), 동작 모드 판단부(120) 및 스위칭 제어부(130)를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 전력 품질 보상 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 5에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
전력 변환부(110)는 계통(200)과 비선형 부하(300) 사이의 노드(N)에 병렬로 연결되고, 직류 전원(VDC)을 보상 전류로 변환하여 출력할 수 있다.
보다 구체적으로, 전력 변환부(110)는 직류 전원(VDC)을 제1 보상 전류 및 제2 보상 전류 중 적어도 하나로 변환하여 노드(N)로 출력할 수 있다. 여기서 제1 보상 전류 및 제2 보상 전류는 각 상에 대한 교류 전류로서, 3상 교류 전류일 수 있다.
다시 말해, 전력 변환부(110)는 직류 전원(VDC)을 이용하여 각 상에 대한 교류 전류를 생성하고, 생성된 교류 전류를 계통(200)과 비선형 부하(300) 사이에 출력할 수 있다.
이를 위해, 전력 변환부(110)는 보상 전류를 3상 교류 전류로 출력하기 위한 복수의 전력 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
복수의 전력 스위칭 소자는 상암 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)와 하암 스위칭 소자(SW1', SW2', SW3')로 구성될 수 있다. 상암 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)와 하암 스위칭 소자(SW1', SW2', SW3')는 각 상에 대해 쌍으로 구성되어 보상 전류를 생성할 수 있다.
전력 변환부(110)가 제1 보상 전류 및 제2 보상 전류 중 적어도 하나를 생성하는 과정을 후술하도록 한다.
동작 모드 판단부(120)는 비선형 부하(300)에 출력되는 부하전류(IS1)의 크기를 기준값과 비교하여 전력 변환부(110)의 동작 모드를 판단할 수 있다. 여기서, 부하전류(IS1)는 계통(200)에서 비선형 부하(300)로 제공되는 전류로서 3상 교류 전류일 수 있다.
다시 말해, 동작 모드 판단부(120)는 비선형 부하(300)에 출력되는 부하전류(IS1)의 크기에 기초하여 비선형 부하(300)가 구동중인지, 구동중이 아닌지 여부를 판단하여 동작 모드를 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 동작 모드 판단부(120)는 부하전류(IS1)의 크기가 기준값 이상이면 동작 모드를 구동 모드로 판단할 수 있다. 반대로, 동작 모드 판단부(120)는 부하전류(IS1)의 크기가 기준값 미만이면 동작 모드를 대기 모드로 판단할 수 있다.
동작 모드 판단부(120)는 부하전류 센서(S1)으로부터 부하전류(IS1)의 크기를 제공받고, 부하전류(IS1)의 크기를 메모리에 저장된 기준값과 비교할 수 있다. 기준값은 사용자에 의해 설정될 수 있고, 예를 들어, 3[A]로 설정될 수 있다.
동작 모드 판단부(120)는 부하전류 센서(S1)에서 측정된 부하전류(IS1)의 크기가 3[A] 이상이면 비선형 부하(300)가 구동중인 것으로 판단하여, 전력 변환부(110)의 동작 모드를 구동 모드로 결정할 수 있다.
반면에, 동작 모드 판단부(120)는 부하전류 센서(S1)에서 측정된 부하전류(IS1)의 크기가 3[A] 미만이면 비선형 부하(300)가 구동중이 아닌 것으로 판단하여, 전력 변환부(110)의 동작 모드를 대기 모드로 결정할 수 있다.
한편, 동작 모드 판단부(120)는 부하전류(IS1)의 크기가 미리 설정된 시간 이상 기준값 미만이면 동작 모드를 대기 모드로 판단할 수 있다.
상술한 바와 같이 부하전류(IS1)는 3상 교류 전류일 수 있고, 교류 전류의 크기는 측정 시점에 따라 변할 수 있다. 즉, 비선형 부하(300)가 구동중인 경우에도 특정 시점에 부하전류 센서(S1)에서 측정된 부하전류(IS1)의 크기는 기준값 미만일 수 있다.
이에 따라, 동작 모드 판단부(120)는 부하전류(IS1)의 크기가 미리 설정된 시간 이상 연속적으로 기준값 미만에서 측정되면, 비선형 부하(300)가 구동중이 아닌 것으로 판단하여 전력 변환부(110)의 동작 모드를 대기 모드로 결정할 수 있다.
미리 설정된 시간은 사용자에 의해 설정될 수 있으며, 예를 들어, 30초 이상으로 설정될 수 있다.
이하에서는, 구동 모드에서 고조파 전류를 억제하기 위한 스위칭 제어부(130) 및 전력 변환부(110)의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
스위칭 제어부(130)는 동작 모드가 구동 모드이면 전력 변환부(110)가 제1 보상 전류를 출력하도록 전력 변환부(110)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(130)는 동작 모드 판단부(120)로부터 제공된 동작 모드 판단 신호(SM)에 기초하여 전력 변환부(110)의 동작 모드를 파악할 수 있다. 제공된 동작 모드 판단 신호(SM)가 구동 모드 신호이면 스위칭 제어부(130)는 전력 변환부(110)에 고조파 전류를 억제하기 위한 스위칭 제어 신호(Sf)를 제공할 수 있다.
이를 위해, 스위칭 제어부(130)는 비선형 부하(300)에서 발생하는 고조파 전류를 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위칭 제어부(130)는 부하전류 센서(S1)로부터 부하전류(IS1)를 제공받아 고조파 전류을 검출할 수 있다.
스위칭 제어부(130)는 특정 주파수를 갖는 고조파 성분을 검출하기 위해, 적어도 하나의 대역 통과 필터를 포함할 수 있다. 다시 말해, 스위칭 제어부(130)는 통과 주파수가 계통(200) 주파수의 정수배로 설정된 복수의 대역 통과 필터를 이용하여 각 차수의 고조파 성분을 검출할 수 있다.
예를 들어, 계통(200)에서 공급되는 교류 전원의 주파수가 60Hz일 때, 스위칭 제어부(130)는 각각 300Hz 및 420Hz를 선택적으로 통과시키는 두 개의 대역 통과 필터를 이용하여 5차 및 7차(계통(200) 전원 주파수의 5배 및 7배) 고조파 성분을 검출할 수 있다.
스위칭 제어부(130)는 검출된 고조파 성분에 따라 전력 변환부(110)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위칭 제어부(130)는 검출된 고조파 성분을 합성한 고조파 전류에 따라 전력 변환부(110)에 스위칭 제어 신호(Sf)를 제공하여, 전력 변환부(110)가 제1 보상 전류를 출력하도록 할 수 있다.
이 때, 제1 보상 전류는 고조파 전류와 크기는 동일하고 위상이 반대인 전류일 수 있다.
보다 구체적으로, 스위칭 제어부(130)는 계통(200) 전원 주파수의 정수배(
Figure 112017097261726-pat00002
인 각각의 고조파 성분에 대하여, 크기가 동일하고 위상이 반대인 세부 보상 전류를 생성할 수 있다. 이후, 스위칭 제어부(130)는 생성된 세부 보상 전류를 모두 합성하여 제1 보상 전류를 생성하도록 전력 변환부(110)를 제어할 수 있다.
이와 달리, 스위칭 제어부(130)는 계통(200) 전원 주파수의 정수배인 각각의 고조파 성분을 모두 합성한 고조파 전류에 대하여, 크기가 동일하고 위상이 반대인 제1 보상 전류를 곧바로 생성하도록 전력 변환부(110)를 제어할 수도 있다.
전력 변환부(110)는 스위칭 제어부(130)의 제어에 따라 스위칭 동작을 수행하여 제1 보상 전류를 생성할 수 있고, 생성된 제1 보상 전류를 계통(200)과 비선형 부하(300) 사이의 노드(N)에 출력할 수 있다.
이에 따라, 비선형 부하(300)로 인해 계통(200) 전원에 발생되는 고조파 전류는 제1 보상 전류에 의해 상쇄됨으로써, 계통(200)에 영향을 미치는 고조파 전류를 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제함으로써, 고조파 전류가 계통 및 계통에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 대기 모드에서 역률을 개선하기 위한 스위칭 제어부(130) 및 전력 변환부(110)의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
스위칭 제어부(130)는 동작 모드가 대기 모드이면 전력 변환부(110)가 제2 보상 전류를 출력하도록 전력 변환부(110)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(130)는 동작 모드 판단부(120)로부터 제공된 동작 모드 판단 신호(SM)에 기초하여 전력 변환부(110)의 동작 모드를 파악할 수 있다. 제공된 동작 모드 판단 신호(SM)가 대기 모드 신호이면 스위칭 제어부(130)는 전력 변환부(110)에 역률을 개선하기 위한 스위칭 제어 신호(Sf)를 제공할 수 있다.
이를 위해, 스위칭 제어부(130)는 비선형 부하(300)에 공급되는 부하전압과 부하전류(IS1)의 위상차를 검출할 수 있다.
보다 구체적으로, 스위칭 제어부(130)는 위상 고정 루프(Phase Locked Loop; PLL)를 이용하여 부하전압 및 부하전류(IS1) 각각의 위상을 검출할 수 있고, 검출된 각 위상을 이용하여 부하전압과 부하전류(IS1)의 위상차를 검출할 수 있다.
스위칭 제어부(130)는 제2 보상 전류와 부하전류(IS1)를 합성한 합성 전류의 위상이 비선형 부하(300)에 공급되는 부하전압의 위상을 추종하도록 전력 변환부(110)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 스위칭 제어부(130)는 제2 보상 전류를 부하전류(IS1)에 합성시킴으로써, 부하전류(IS1)의 위상을 천이하여(phase shifting) 부하전류(IS1)의 위상이 부하전압의 위상을 추종하도록 제어할 수 있다.
일 예에서, 진상 역률에 의해 부하전류(IS1)의 위상이 부하전압의 위상보다 빠른 경우, 스위칭 제어부(130)는 제2 보상 전류를 부하전류(IS1)에 합성시킴으로써 부하전류(IS1)의 위상을 지연시킬(delay) 수 있다.
다른 예에서, 지상 역률에 의해 부하전류(IS1)의 위상이 부하전압의 위상보다 느린 경우, 스위칭 제어부(130)는 제2 보상 전류를 부하전류(IS1)에 합성시킴으로써 부하전류(IS1)의 위상을 당길(drag) 수 있다.
전류의 위상을 천이하는 방법은 당해 기술분야에서 일반적인 방법을 이용하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
전력 변환부(110)는 스위칭 제어부(130)의 제어에 따라 스위칭 동작을 수행하여 제2 보상 전류를 생성할 수 있고, 생성된 제2 보상 전류를 계통(200)과 비선형 부하(300) 사이의 노드(N)에 출력할 수 있다.
이에 따라, 제2 보상 전류는 부하전류(IS1)와 합성되고, 제2 보상 전류와 부하전류(IS1)가 합성된 합성 전류는 부하전압의 위상과 동일하므로, 역률은 1로 제어될 수 있다.
즉, 비선형 부하(300)의 용량성 소자로 인해 계통(200) 전원에 발생되는 진상 역률은 제2 보상 전류에 의해 개선될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 비선형 부하가 구동되지 않을 때 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선함으로써, 전력 소비의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전기 요금을 아낄 수 있다.
한편, 전술한 역률 개선 동작은 비선형 부하(300)가 구동중일 때에도 수행될 수 있다.
즉, 스위칭 제어부(130)는 동작 모드가 구동 모드일 때에도 제2 보상 전류와 부하전류(IS1)를 합성한 합성 전류의 위상이 비선형 부하(300)에 공급되는 부하전압의 위상을 추종하도록 전력 변환부(110)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
다시 말해, 비선형 부하(300)가 구동중일 때에는 전술한 고조파 전류의 억제 동작 및 진상 역률 개선 동작이 동시에 이루어질 수 있다.
다만, 비선형 부하(300)가 구동중이 아닐 때에는 계통(200) 전원에 고조파 전류가 발생하지 않으므로, 전술한 진상 역률 개선 동작만이 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 비선형 부하가 구동될 때 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 억제함과 동시에 계통 전원에서 발생하는 진상 역률을 개선함으로써, 계통을 안정화시킬 뿐만 아니라 계통에서 공급되는 전원을 효율적으로 소비할 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 전류의 고조파 성분이 제1 보상 전류에 의해 상쇄된 모습을 도시한 그래프이고, 도 7은 도 4에 도시된 전류가 제2 보상 전류에 의해 전압의 위상을 추종하는 모습을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 비선형 부하(300)의 구동에 따라 계통(200) 전원단에 흐르는 전류(전원단 전류)는 고조파 전류를 포함할 수 있다. 이 때, 전원단 전류는 제1 보상 전류와 합성되고, 전원단 전류에 포함된 고조파 전류는 제1 보상 전류에 의해 상쇄될 수 있다.
이에 따라, 전원단 전류는 고조파 성분이 포함되지 않은 정현파의 형태로 출력될 수 있다.
도 7을 참조하면, 비선형 부하(300)가 구동되지 않을 때, 비선형 부하(300)에 포함된 용량성 소자에 의해 계통(200) 전원단에 흐르는 전압과 전류에는 위상차가 발생할 수 있다. 보다 구체적으로, 계통(200) 전원단에서는 전류의 위상이 전압의 위상보다 앞서는 진상 역률이 발생할 수 있다.
이 때, 전원단 전류는 제2 보상 전류와 합성되고, 전원단에 흐르는 전류의 위상은 지연되어 전원단의 흐르는 전압의 위상과 동기될 수 있다.
이에 따라, 전원단에서 전류와 전압의 위상은 일치함으로써 역률이 1로 제어될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
1: 공기조화장치 2: 압축기 구동장치
100: 전력 품질 보상 장치 110: 전력 변환부
120: 동작 모드 판단부 130: 스위칭 제어부

Claims (11)

  1. 계통과 비선형 부하 사이의 노드에 병렬로 연결되고, 직류 전원을 제1 보상 전류 및 제2 보상 전류 중 적어도 하나로 변환하여 상기 노드로 출력하는 전력 변환부; 및
    상기 비선형 부하에 출력되는 부하전류의 크기를 기준값과 비교하여 상기 전력 변환부의 동작 모드를 판단하는 동작 모드 판단부; 및
    상기 동작 모드가 구동 모드이면 상기 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 상쇄하기 위한 상기 제1 보상 전류를 상기 전력 변환부가 출력하도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 동작 모드가 대기 모드이면 상기 부하전류의 위상이 부하전압의 위상을 추종하도록 상기 부하전류의 위상을 천이하기 위한 상기 제2 보상 전류를 상기 전력 변환부가 출력하도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는
    전력 품질 보상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는
    상기 제1 보상 전류 및 상기 제2 보상 전류를 생성하는 복수의 전력 스위칭 소자를 포함하는 전력 품질 보상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는
    상기 제1 보상 전류 및 상기 제2 보상 전류를 3상 교류 전류로 출력하는 전력 품질 보상 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동작 모드 판단부는
    상기 부하전류의 크기가 상기 기준값 이상이면 상기 동작 모드를 구동 모드로 판단하고, 상기 부하전류의 크기가 상기 기준값 미만이면 상기 동작 모드를 대기 모드로 판단하는 전력 품질 보상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 동작 모드 판단부는
    상기 부하전류의 크기가 미리 설정된 시간 이상 상기 기준값 미만이면 상기 동작 모드를 대기 모드로 판단하는 전력 품질 보상 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 동작 모드가 상기 구동 모드이면 상기 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 검출하는 전력 품질 보상 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 동작 모드가 상기 구동 모드이면 상기 제1 보상 전류가 상기 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류와 크기는 동일하고 위상이 반대가 되도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하는 전력 품질 보상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 동작 모드가 상기 구동 모드이면 상기 제2 보상 전류와 상기 부하전류를 합성한 합성 전류의 위상이 상기 비선형 부하에 공급되는 부하전압의 위상을 추종하도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하는 전력 품질 보상 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 동작 모드가 상기 대기 모드이면 상기 비선형 부하에 공급되는 부하전압과 상기 부하전류의 위상차를 검출하는 전력 품질 보상 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 동작 모드가 상기 대기 모드이면 상기 제2 보상 전류와 상기 부하전류를 합성한 합성 전류의 위상이 상기 비선형 부하에 공급되는 부하전압의 위상을 추종하도록 상기 전력 변환부의 스위칭 동작을 제어하는 전력 품질 보상 장치.
  11. 압축기;
    상기 압축기 내의 모터를 구동하는 인버터;
    계통 전원을 이용하여 상기 인버터에 직류 전원을 공급하는 컨버터; 및
    상기 모터가 구동될 때 상기 계통 전원단에 발생하는 고조파를 억제하고, 상기 모터가 구동되지 않을 때 상기 계통 전원단에 발생하는 진상 역률을 개선하는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전력 품질 보상 장치를 포함하는
    공기조화장치.
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