KR20010010415A - Power factor correcting apparatus and method of inverter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 인가전압의 주파수를 알기위한 제로 크로싱전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하여 펄스폭변조를 제어함으로써 부하의 변화및 평활용커패시터의 용량 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있도록 한 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power factor correction device and a method of an inverter, and in particular, a pulse width modulation is controlled by comparing a magnitude of a zero crossing voltage and a current to know a frequency of an applied voltage, thereby controlling a load change and a smoothing capacitor. The present invention relates to a power factor correction apparatus and method for an inverter capable of actively coping with a capacity change.
현재 가전제품의 에너지 절약, 출력제어 용이성 때문에 급속하게 인버터화가 추진되어 인버터 구동 모터를 적용한 세탁기 및 냉장고 등이 개발되고 있으며, 인버터는 장치의 특성상 상용전원(국내에는 220V/60㎐)을 먼저 직류(DC)화한 후, 이를 스위칭소자를 사용하여 원하는 전압 및 주파수로 전환시키므로 직류화 과정에서 용량이 큰 커패시터가 필요로 하게 되는데, 이와같은 종래 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Due to the energy saving and ease of output control of home appliances, inverters are rapidly being promoted, and washing machines and refrigerators using inverter driving motors are being developed.Inverters have a direct current (for example, 220V / 60㎐). After DC), it is converted to a desired voltage and frequency using a switching element, so a capacitor having a large capacity is required in the process of direct current, which will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래 인버터 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 상용교류전원(100)과; 브리지 다이오드(111)와 초크코일(choke coil, 112)로 구성되어 상기 상용교류전원(100)을 정류하는 정류부(110)와; 상기 정류부(110)의 출력 전압을 평활하는 평활용 커패시터(120)와; 상기 평활용 커패시터(120)의 직류 전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 가변 주파수 및 가변 전압으로 바꾸어주는 인버터(130)와; 상기 인버터(130)의 제어에 따라 구동되는 모터(140)로 구성되는데, 도 2는 도 1의 인버터 장치의 입력전압 및 전류의 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 전류파형에서 시간 t는 상기 초크코일(112)과 평활용 커패시터(120)의 시정수에 의해 결정되며, 보통 상용전원주기의 1/5 이하이다. 그리고 이상적인 역률제어시 전류파형은 교류전압과 동일한 위상을 가지며, 또한 상용전원의 전류 최대 크기보다 작은 피크(peak) 전류를 가져 이와 같이 전류파형과 전압파형을 동일하게 하면 노이즈 저감과 무효전력감소 등의 효과를 가져오게 된다.Figure 1 is an exemplary view showing a configuration of a conventional inverter device, a commercial AC power supply 100 as shown therein; A rectifier 110 comprising a bridge diode 111 and a choke coil 112 to rectify the commercial AC power supply 100; A smoothing capacitor 120 for smoothing the output voltage of the rectifier 110; An inverter 130 for converting the DC voltage of the smoothing capacitor 120 into a variable frequency and a variable voltage through a pulse width modulation (PWM); 2 is a waveform diagram of an input voltage and a current of the inverter device of FIG. 1, and the time t in the current waveform is shown in FIG. It is determined by the time constant of the coil 112 and the smoothing capacitor 120, and is usually less than 1/5 of the commercial power cycle. In the case of the ideal power factor control, the current waveform has the same phase as the AC voltage, and also has a peak current smaller than the maximum current of the commercial power supply. Will bring the effect of.
도 3은 종래 역률보정을 위한 역률보정장치를 적용한 인버터 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 상기 도 1에서 설명한 상용교류전원(100)과; 브리지 다이오드(111)와; 평활용 커패시터(120)와; 인버터(130)와; 모터(140)로 구성된 인버터 장치에 초크코일(220), 저항(R1∼R11), 다이오드(D1,D2), 커패시터(C1∼C3), 아날로그 역률보정 집적회로(IC, 210) 및 스위칭 소자(Q1)로 구성되어 듀티를 가변하여 스위칭 함으로써, 전체적인 입력전류와 전압의 파형을 동일하게 하는 역률보정부(200)를 더 포함하여 구성한 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.3 is an exemplary view showing a configuration of an inverter device to which a power factor correction apparatus for conventional power factor correction is applied, and as shown therein, the commercial AC power supply 100 described with reference to FIG. 1; A bridge diode 111; A smoothing capacitor 120; An inverter 130; In the inverter device composed of the motor 140, the choke coil 220, resistors R1 to R11, diodes D1 and D2, capacitors C1 to C3, analog power factor correction integrated circuits IC and 210, and switching elements ( Q1) and by varying the duty to switch, it further comprises a power factor correction unit 200 to equalize the waveform of the overall input current and voltage, the operation of the conventional device configured as described above is as follows. .
도 3에 도시된 바와 같이 브리지 다이오드(111)의 출력전압 파형이 사인파의 형태를 가지고, 이 파형과 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류가 사인파 형태로 도 5a에서와 같이 비교된다. 즉 도 4에 도시된 역률보정 IC(210)의 비교기(216)의 두 입력신호(MO, CS)에 의해 상기 스위칭 소자(Q1)의 게이트 파형이 도 5b와 같이 나타나며, 이는 사인파의 낮은 부분에서는 듀티가 커지고, 사인파가 높은 곳에서는 듀티가 낮도록 스위칭하여 전체적인 입력전류 및 입력전압 파형과 동일하도록 한다.As shown in FIG. 3, the output voltage waveform of the bridge diode 111 has a sine wave form, and the waveform and the current flowing through the switching element Q1 are compared in sine wave form as shown in FIG. 5A. That is, the gate waveform of the switching element Q1 is represented as shown in FIG. 5B by two input signals MO and CS of the comparator 216 of the power factor correcting IC 210 shown in FIG. Where the duty is high and the sine wave is high, the duty is switched low so that it is equal to the overall input current and input voltage waveforms.
그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 역률보정을 위해 아날로그용 칩을 사용하므로 부품수가 많아 주변회로가 복잡하고, 또한 초크코일에 보조권선등이 필요하게 되어 비용이 증가하므로 경제성이 저하되는 문제점이 있었다.However, the conventional apparatus operating as described above uses an analog chip for power factor correction, so the number of parts is large, so that the peripheral circuit is complicated, and the cost is increased because the auxiliary coil is required for the choke coil. there was.
따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 디지탈회로를 이용하여 반도체 제조공정을 간단화함으로써 비용을 절감할 수 있고 아울러 인가전압의 주파수를 알기위한 제로 크로싱전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하여 펄스폭변조를 제어함으로써 부하의 변화및 평활용커패시터의 용량 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있도록 한 인버터의 역률보정장치및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention devised in view of the above problems can reduce the cost by simplifying the semiconductor manufacturing process using a digital circuit, and in addition, the magnitude of the zero crossing voltage and the magnitude change of the current to know the frequency of the applied voltage are in order. It is an object of the present invention to provide an inverter power factor correction apparatus and method that can actively cope with a change in load and a change in capacity of a smoothing capacitor by controlling pulse width modulation in comparison with time.
도 1은 종래 인버터 장치의 구성을 보인 예시도.1 is an exemplary view showing a configuration of a conventional inverter device.
도 2는 도 1의 인버터 장치의 입력전압 및 전류의 파형도.FIG. 2 is a waveform diagram of input voltage and current of the inverter device of FIG. 1. FIG.
도 3은 종래 역률개선을 위한 역률보정장치를 적용한 인버터 장치의 구성을 보인 예시도.3 is an exemplary view showing the configuration of an inverter device to which a power factor correction device for improving power factor in the related art is shown.
도 4는 도 3에서 아날로그 역률개선 IC의 구성을 보인 예시도.4 is an exemplary view showing the configuration of the analog power factor improving IC in FIG.
도 5는 도 3에서 아날로그 역률개선 IC의 동작 파형도.FIG. 5 is an operational waveform diagram of the analog power factor improving IC of FIG. 3. FIG.
도 6은 본 발명 인버터의 역률보정장치의 구성을 보인 블록도.Figure 6 is a block diagram showing the configuration of a power factor correction apparatus of the present invention inverter.
도 7은 본 발명 인버터의 역률보정방법에 대한 동작 흐름도.7 is an operation flowchart for a power factor correction method of the inverter of the present invention.
*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명********** Description of the symbols for the main parts of the drawings *****
600:정류부 610:인버터부600: rectifier 610: inverter
620:모터 630:전류검출부620: motor 630: current detector
640:비교기 650:제로전압검출부640: comparator 650: zero voltage detector
660:펄스폭변조제어부 670:롬660: pulse width modulation control unit 670: ROM
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부와; 전파 정류된 신호를 저항을 통해 입력받아 부하에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 전류검출부로부터 전류검출신호를 입력받아 이를 기설정된 기준전류와 비교하여 그에 따른 비교신호를 출력하는 비교기와; 소정 주파수단위로 입력 상용교류전원에 대한 사인값이 기저장되는 롬과; 상기 비교기의 비교신호를 입력받아 이를 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형의 지연을 판단하여 그에 따라 해당되는 롬의 사인데이터를 최적의 펄스폭변조신호로 상기 PAM제어용트랜지스터의 게이트에 인가하는 펄스폭변조제어부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention rectifies and smoothes a commercial AC power source, and accordingly, direct-current voltage is changed into three phases according to ON / OFF of a switching element of an inverter unit to drive a motor while switching a PAM control switching element. In an inverter device which operates so that the waveform of the overall input current and voltage becomes the same by varying the duty according to the off state, the rectified signal of only the negative waveform is input, the zero voltage of the signal is detected, and the zero voltage detection signal accordingly is obtained. A zero voltage detector for outputting; A current detector which receives a full-wave rectified signal through a resistor and detects a current to know when a current is supplied to a load; A comparator for receiving a current detection signal from the current detector and comparing the current detection signal with a preset reference current and outputting a comparison signal according thereto; A pre-stored sine value for the input commercial AC power in a predetermined frequency unit; The delay of the current waveform is determined based on the zero voltage detection signal of the zero voltage detection unit based on the comparison signal of the comparator, and the sine data of the corresponding ROM is converted into an optimal pulse width modulation signal of the gate of the PAM control transistor. Characterized in that it comprises a pulse width modulation control unit for applying to.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력상용교류전원의 제로전압을 검출하는 제1 단계와; 부하에 공급되는 일정레벨 이상의 전류를 검출하는 제2 단계와; 상기 제1 단계에서 검출된 제로전압과 상기 제2 단계에서 검출된 전류의 위상을 비교하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 비교결과에 따른 전압과 동위상의 사인파전류를 롬으로부터 가져와서 적절한 펄스폭변조신호를 출력하는 제4 단계로 수행함을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object comprises a first step of detecting a zero voltage of the input commercial AC power supply; Detecting a current of a predetermined level or more supplied to the load; A third step of comparing a phase of the zero voltage detected in the first step with a current detected in the second step; And a fourth step of outputting an appropriate pulse width modulated signal by taking a sine wave current in phase with the voltage according to the comparison result of the third step from the ROM.
이하, 본 발명에 의한 인버터의 역률보정장치및 방법에 대한 작용및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation and effects of the power factor correction apparatus and method of the inverter according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도6은 본 발명 인버터의 역률보정장치에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 상용교류전원(AC)을 정류하는 정류부(600)와; 상기 정류부(600)의 출력 전압을 평활하는 인덕터(L1)와; 상기 인덕터(L1)의 출력전압을 정류용 다이오드(D1)를 통해 입력받아 다시 평활하는 평활용 커패시터(C1)와; 상기 평활용 커패시터(C1)의 직류 전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 가변 주파수 및 가변 전압으로 바꾸어주는 인버터부(610)와; 상기 인버터부(610)의 제어에 따라 구동되는 모터(620)와; 드레인이 인덕터(L1)의 후단에 접속되고, 소스가 접지되어, 게이트에 인가되는 펄스폭변조신호에 의해 도통제어되는 PAM제어용트랜지스터(N1)와; 상기 정류부(600)의 정류신호를 저항(R1)을 통해 입력받아 부하에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하는 전류검출부(630)와; 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부(650)와; 상기 전류검출부(630)로부터 전류검출신호를 입력받아 이를 기설정된 기준전류와 비교하여 그에 따른 비교신호를 출력하는 비교기(640)와; 소정 주파수단위로 입력 상용교류전원에 대한 사인값이 기저장되는 롬(670)과; 상기 비교기(640)의 비교신호를 입력받아 이를 상기 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형의 지연을 판단하여 그에 따라 해당되는 롬의 사인데이터를 최적의 펄스폭변조신호로 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)의 게이트에 인가하는 펄스폭변조제어부(660)로 구성한다.6 is a circuit diagram showing the configuration of the power factor correcting apparatus of the present invention, as shown in the rectifier 600 for rectifying the commercial AC power supply (AC); An inductor L1 for smoothing the output voltage of the rectifier 600; A smoothing capacitor C1 that receives the output voltage of the inductor L1 through the rectifying diode D1 and smoothes again; An inverter unit 610 for converting the DC voltage of the smoothing capacitor C1 into a variable frequency and a variable voltage through a pulse width modulation PWM; A motor 620 driven under the control of the inverter unit 610; A PAM control transistor (N1) whose drain is connected to the rear end of the inductor (L1), whose source is grounded, and which is electrically controlled by a pulse width modulation signal applied to the gate; A current detector 630 which receives a rectified signal of the rectifier 600 through a resistor R1 and detects a current to know when a current is supplied to a load; A zero voltage detector 650 which receives a signal in which only a negative waveform is rectified, detects a zero voltage of the signal, and outputs a zero voltage detection signal accordingly; A comparator 640 which receives the current detection signal from the current detector 630 and compares it with a preset reference current and outputs a comparison signal according thereto; A ROM 670 in which a sine value for the input commercial AC power is stored in predetermined frequency units; Receives the comparison signal of the comparator 640 and determines the delay of the current waveform based on the zero voltage detection signal of the zero voltage detection unit 650 and accordingly the sine data of the corresponding ROM as an optimal pulse width modulation signal. A pulse width modulation control unit 660 is applied to the gate of the PAM control transistor N1.
도7은 본 발명 인버터의 역률보정방법에 대한 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와같이 입력상용교류전원(AC)의 제로전압을 검출하는 제1 단계와; 부하에 공급되는 일정레벨 이상의 전류를 검출하는 제2 단계와; 상기 제1 단계에서 검출된 제로전압과 상기 제2 단계에서 검출된 전류의 위상을 비교하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 비교결과에 따른 전압과 동위상의 사인파전류를 롬(670)으로부터 가져와서 적절한 펄스폭변조신호를 출력하는 제4 단계로 이루어지며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.7 is an operation flowchart of the power factor correction method of the inverter of the present invention, and as shown therein, a first step of detecting a zero voltage of an input commercial AC power supply; Detecting a current of a predetermined level or more supplied to the load; A third step of comparing a phase of the zero voltage detected in the first step with a current detected in the second step; The fourth step of taking the sinusoidal current in phase with the voltage according to the comparison result of the third step from the ROM 670 and outputting an appropriate pulse width modulated signal is described.
먼저, 전류검출부(630)는 정류부(600)의 정류신호를 저항(R1)을 통해 입력받아 부하(모터:620)에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하여 그 검출전류를 비교기(640)에 인가하고, 그러면 상기 비교기(640)는 사용자에 의해 기설정된 기준전류(Ref)와 상기 검출전류를 비교하여 일정레벨(기준전류) 이상일 경우 그 검출전류를 펄스폭변조제어부(660)에 인가한다.First, the current detector 630 receives the rectified signal of the rectifier 600 through the resistor R1 and detects a current to know when the current is supplied to the load (motor) 620 and compares the detected current with the comparator 640. The comparator 640 compares the reference current Ref preset by the user with the detection current, and applies the detection current to the pulse width modulation control unit 660 when it is equal to or greater than a predetermined level (reference current). do.
이때, 상기 비교기(640)는 아나로그/디지탈변환기로 대체할 수 있는 데, 즉 상기 아나로그/디지탈변환기는 전류검출부(630)로부터 아나로그신호인 검출전류를 입력받아 이를 디지탈신호로 변환하여 펄스폭변조제어부(660)에 인가한다.(여기서, 본 발명은 비교기를 사용할 경우에 대하여 설명한다.)In this case, the comparator 640 may be replaced with an analog / digital converter. That is, the analog / digital converter receives a detection current, which is an analog signal, from the current detector 630 and converts the detected current into a digital signal, thereby pulsed. The width modulation control unit 660 is applied to the width modulation control unit 660. (In the present invention, a case of using a comparator will be described.)
그리고, 제로전압검출부(650)는 정류부(600)로부터 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 펄스폭변조제어부(660)로 출력한다.The zero voltage detector 650 receives a signal obtained by rectifying only a negative waveform from the rectifier 600, detects a zero voltage of the signal, and outputs a zero voltage detection signal to the pulse width modulation controller 660.
그러면, 상기 펄스폭변조제어부(660)는 상기 제로검출신호를 기준으로 하여 상기 비교기(640)를 통해 입력된 검출전류의 파형이 어느정도의 지연이 발생하였는지를 판단하여 그에 해당되는 롬(670)의 번지에 기저장된 펄스폭변조신호를 PAM제어용트랜지스터(N1)의 게이트에 인가한다.Then, the pulse width modulation control unit 660 determines the delay of the waveform of the detection current input through the comparator 640 based on the zero detection signal and the address of the ROM 670 corresponding thereto. The pre-stored pulse width modulation signal is applied to the gate of the PAM control transistor N1.
이에따라, 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)는 온/오프 제어되어 듀티비가 변화하게 되어 이상적이 전류파형이 부하에 공급되는데, 즉 역률이 개선된다.Accordingly, the PAM control transistor N1 is controlled on / off so that the duty ratio is changed so that an ideal current waveform is supplied to the load, that is, the power factor is improved.
상술한 바와같이, 본 발명은 전류검출부(630)의 전류검출 신호를 비교기(640)에서 기준전류(Ref)와 비교하여 그 기준전류(Ref)보다 크면 펄스폭변조제어부(650)에 인가하고, 그러면 상기 펄스폭변조제어부(650)는 상기 비교기(640)의 비교신호를 입력받아 이를 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형이 어느정도 지연되었는지를 판단하여 해당되는 롬(670)의 번지에 기저장된 최적의 펄스폭변조신호를 출력한다.As described above, the present invention compares the current detection signal of the current detector 630 with the reference current Ref in the comparator 640 and applies it to the pulse width modulation control unit 650 if it is larger than the reference current Ref. Then, the pulse width modulation controller 650 receives the comparison signal of the comparator 640 and determines how much the current waveform is delayed based on the zero voltage detection signal of the zero voltage detector 650. Outputs the optimal pulse width modulated signal stored at the () address.
다시 말하면, 평활용커패시터(C1)의 용량에 따라 전류의 충방전되는 시간이 변화하게 되어 부하에 공급되는 전류파형도 변화하게 되고, 전류검출부(630)는 상기 부하에 공급되는 전류를 검출하게 되며, 이때 비교기(640)는 상기 전류검출부(630)의 검출전류와 사용자에 의해 기 설정된 기준전류를 비교하여 일정레벨 이상의 검출전류를 펄스폭변조제어부(660)에 인가하고, 그러면 상기 펄스폭변조제어부(660)는 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 기준으로 현재 공급되는 전류위상을 체크하여 그 체크결과에 따라 롬(670)의 소정 번지의 사인값을 리드하여 그에따른 펄스폭변조신호를 PAM제어용트랜지스터(N1)에 인가하고, 이에 의해 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)가 온/오프 제어되면 듀티비가 변화하여 이상적인 전류파형에 근접하게 전류가 부하에 공급되도록 역률이 능동적으로 보정된다.In other words, the time for charging and discharging the current is changed according to the capacity of the smoothing capacitor C1, thereby changing the current waveform supplied to the load, and the current detector 630 detects the current supplied to the load. In this case, the comparator 640 compares the detection current of the current detection unit 630 with a reference current preset by the user, and applies a detection current of a predetermined level or more to the pulse width modulation control unit 660, and then the pulse width modulation control unit. 660 checks the current phase currently supplied based on the zero voltage detection signal of the zero voltage detection unit 650, reads the sine of the predetermined address of the ROM 670 according to the result of the check, and accordingly the pulse width modulation signal. Is applied to the PAM control transistor N1. When the PAM control transistor N1 is on / off controlled, the duty ratio is changed so that the current is supplied to the load close to the ideal current waveform. So that the power factor is actively corrected.
이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 인가전압의 주파수를 알기 위한 제로 검출전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하여 그에 따라 펄스폭변조 제어함으로써 부하변화 및 커패시터의 용량변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention can actively cope with the load change and the capacitor change by controlling the pulse width modulation according to the instantaneous comparison of the magnitude of the zero detection voltage and the current to know the frequency of the applied voltage. It has an effect.
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1999
- 1999-07-20 KR KR1019990029294A patent/KR20010010415A/en not_active Application Discontinuation
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