KR20010038717A - 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 대의 실외기에 다수의 실내기가 연결되어 있는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템에 관한 것으로서,

인버터 시스템에서 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키기 위해 스위칭 동작을 수행하는 트랜지스터의 앞단에 스파이크 형태의 전류 파형의 발생을 억제시키는 동시에 공급 전압과 위상이 같은 정현파 형태의 전류 파형을 갖도록 역률 보상 회로를 추가시킴으로써 역률의 저하가 방지될 수 있고, 스파이크 형태의 전류로 인한 고조파 발생과 그에 따른 노이즈 발생이 방지될 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

멀티 에어컨의 역률 보상 시스템{System of power factor compensation for multi-air conditioner }

본 발명은 한 대의 실외기에 다수의 실내기가 연결되어 있는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템에 관한 것으로서, 특히 인버터 회로 특성상 스파이크(spike) 형태의 전원전류로 인해 발생되는 역률 저하 및 고조파가 발생으로 인한 노이즈 문제를 해결하기 위해 역률보상 회로를 적용하여 전류 파형을 전원 전압과 동일하도록 제어할 수 있는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 멀티 에어컨 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 한 대의 실외기(1)에 다수의 실내기(2)가 연결되어 있는데, 여러 대의 실내기(2)를 구동시키기 위해서는 실외기(1)에 큰 용량의 압축기가 필요하게 된다. 그런데, 대부분의 멀티 에어컨 시스템에서는 온/오프(ON/OFF)형 압축기가 탑재되어 있다.

여기서, 대용량 온/오프형 압축기는 전력 소모가 크고 시스템의 크기도 커지는 단점이 있고, 특히 부하가 작을 때에도 압축기를 정격으로 운전시켜야 할뿐만 아니라 작은 부하에 대응하기 위해 계속 압축기를 온/오프시켜야 하므로 초기 기동시 큰 소비전력 손실과 피크전류 등으로 인해 시스템의 신뢰성이 저하된다는 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 대용량 온/오프형 압축기 대신에 용량을 줄이고 인버터 제어를 수행할 수 있는 인버터형 멀티 에어컨 시스템이 개발되고 있는 추세이다.

상기 인버터 제어를 통한 멀티 에어컨 시스템은 부하에 따라 압축기의 능력을 가변시킬 수 있으므로 부하가 작을 때에는 압축기의 회전수가 감소 운전되어 소비전력의 낭비를 방지할 수 있으며, 부하가 큰 경우에도 온/오프형 압축기와 동일한 사이즈(size)의 압축기와 비교해 보면 더 높은 회전수로 운전되어 상대적으로 큰 능력을 발휘할 수 있게 된다.

상기에서, 온/오프형 압축기를 적용한 멀티 에어컨 시스템에서는 전원선에 직접 전원을 공급하여 압축기를 구동하게 되지만, 인버터형 멀티 에어컨 시스템에서는 인버터 시스템이 속도를 가변시키기 위해 공급 전압의 크기뿐만 아니라 주파수도 변화시켜 주어야 하기 때문에 교류 전원을 일단 직류 전원으로 컨버팅(converting)한 후에 그 직류 전원을 다시 교류 전원으로 인버팅(inverting)하는 회로를 사용하게 된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 멀티 에어컨 인버터 시스템은 외부에서 교류 전원이 전달되게 되면 이를 정류 및 평활하여 직류 전압으로 변환 출력시키는 정류용 다이오드부(11) 및 평활용 캐패시터(12)와, 상기 정류용 다이오드부 및 평활용 캐패시터(12)에 의해 변환된 직류전압을 다시 교류 전압으로 변환시키기 위해 스위칭 동작을 수행하는 트랜지스터부(13)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 멀티 에어컨 인버터 시스템의 동작은, 외부에서 정류용 다이오드부(11) 및 평활용 캐패시터(12)로 교류 전원이 전달되게 되면 정류용 다이오드부(11) 및 평활용 캐패시터(12)에서 교류 전원을 정류 및 평활하여 직류 전압으로 변환하게 된다. 그 후, 시스템의 속도를 가변시키기 위해 공급되는 전압의 크기 및 주파수를 변화시켜야 하기 때문에 다시 트랜지스터부(13)를 통해 직류 전압을 일정한 크기와 주파수를 갖는 교류 전압으로 변환시키게 된다.

이때, 시스템으로 전달되는 교류전원을 V_Line에서 측정해 보면 그 전압파형은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 일정한 사인파 형태를 갖는다. 또한, 상기 정류용 다이오드부(11)를 통해 정류된 전압이 평활용 캐패시터(12)로 입력되기 전에 그 전압을 V_Filt에서 측정해 보면 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 교류 전압이 직류 전압으로 변환되었음을 알 수 있다.

반면에, 도 3의 (a) 및 (b)과 대응되는 이상적인 전류 파형은 전압 파형과 위상이 같은 정현파를 갖는 것인데, 도 3의 (c)와 (d)에 도시된 바와 같이 도 2의 I_Line과 I_Fiit에서 각각 측정된 전류 파형이 (a) 및 (b)과는 전혀 다른 파형을 보여주고 있다.

상기에서 전류 파형이 도 3의 (c)와 같이 나타난 이유는 정류용 다이오드부(11)에서 다이오드의 순방향 특성 때문이다. 즉, 도 3의 (a)에서 t1시간 동안 다이오드의 애노드(anode)측 전원 전압이 캐소드(cathod)측에 연결된 평활용 캐패시터(12)의 충전 전압보다 작아 다이오드를 통해 전류가 흐르지 못하고 t2시간 동안에만 다이오드를 통해 전류가 흐르므로 전류는 도 3의 (c)와 같이 스파이크 형태의 전류 파형을 갖게 된다.

상기한 V_Line에서의 전압 파형과 동일한 위상을 갖는 이상적인 전류 파형에서는 투입되는 소비전력이 최대 효율을 보이게 되는데 이를 역률(Power Factor)라 하며, 현재 각 제품에서 역률이 일정치 이상이 되도록 규제를 받고 있다. 그런데, 도 3의 (c)와 같은 전류 파형에서는 역률이 저하될 뿐만 아니라 피크(peak) 전류로 인해 고조파가 발생될 수 있다.

결국, 종래 경우에는 전류 파형이 전원 전압과 위상이 같은 정현파 형태를 갖지 못하고 스파이크 형태를 갖게 됨으로써 기기의 역률이 저하될 뿐만 아니라 피크 전류로 인한 고조파 발생으로 노이즈 문제가 발생된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 인버터 시스템에서 스파이크 형태의 전류 파형의 발생을 억제시키는 동시에 공급 전압과 위상이 같은 정현파 형태의 전류 파형을 갖도록 역률 보상 회로를 추가시킴으로써 역률의 저하가 방지될 수 있고, 스파이크 형태의 전류로 인한 고조파 발생과 그에 따른 노이즈 발생이 방지될 수 있는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 멀티 에어컨 시스템의 구성이 도시된 도면,

도 2는 종래 기술에 따른 멀티 에어컨의 인버터 시스템의 구성이 도시된 블록도,

도 3은 도 2의 V_Line, V_Filt, I_Line, I_Filt에서 측정된 신호 파형이 도시된 도면,

도 4는 본 발명에 따른 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템의 구성이 도시된 블록도,

도 5는 본 발명에 따른 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템의 회로도,

도 6은 본 발명에 따른 상위 및 하위 기준값과 각 기준값에 의해 보정되는 I_L이 도시된 도면,

도 7a는 도 5의 일부 구성요소인 트랜지스터의 온 동작시 시스템의 회로 구성이 도시된 도면,

도 7b는 상기 트랜지스터의 오프 동작시 시스템의 회로 구성이 도시된 도면,

도 8은 도 4의 V_Line, V_Filt, I_Line, I_Filt에서 측정된 신호 파형이 도시된 도면.

＜도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명＞

20 : 정류용 다이오드부 30 : 스위칭부

40 : 로드 50 : 역률보상부

51 : 필터부 53 : 전압보상부

55 : 논리 구동부 A1, A2 : 제 1 및 제2 비교수단

M : 승산수단 C_F, C1, C2 : 캐패시터

R1∼R5 : 저항 R_L: 센서 저항

D_F: 다이오드 T : 트랜지스터

L_F: 인덕터

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템의 제1 특징에 따르면, 외부에서 공급되는 교류전원이 순차적으로 정류 및 평활되어 직류전압으로 변환 출력되는 제1 전압변환부와, 상기 제1 전압변환부를 통과하는 전류를 측정하여 그 측정된 전류측정값을 시스템에 전달하는 전류감지부와, 상기 제1 전압변환부에서 정류된 전압을 측정하여 그 측정 결과로 인해 상위 및 하위 기준값을 생성 출력시키는 기준값 발생부와, 상기 전류감지부의 전류측정값을 전달받아 항상 역률이 일정치 이상이 될 수 있게 그 전류측정값이 상위 및 하위 기준값 사이가 되도록 하는 역률보상부와, 상기 역률보상부를 통과한 직류전압이 시스템의 속도 가변을 위해 전압 크기 및 주파수가 변화되어 다시 교류전압으로 변환 출력되는 제2 전압변환부를 포함한다.

또한, 본 발명의 제2 특징에 따르면, 상기 제2 전압변환부를 통해 출력되는 출력전압이 로드(load)의 크기에 따라 일정하게 공급되도록 시스템에서 이미 설정된 기준전압과 로드로 인한 변동전압을 상호 비교하여 그 비교 결과에 따라 출력전압을 기준전압과 일치시키는 전압보상부를 포함한다.

본 발명의 제3 특징에 따르면, 상기 기준값 발생부는 제1 전압변환부에서 정류된 전압이 분압 측정된 후에 그 측정된 전압을 통해 상위 및 하위 기준 전압으로 보정시키는 승산수단을 포함한다.

마지막으로, 본 발명의 제4 특징에 따르면, 상기 역률보상부는 전류감지부의 전류측정값과 상기 기준값 발생부의 상위 및 하위 기준값을 입력받아 상호 비교한 후에 그 비교 결과를 출력시키는 비교수단과, 상기 비교수단의 비교 결과에 따라 그 전류측정값이 항상 상위 및 하위 기준값 사이의 값을 갖도록 전류를 제어하는 논리 구동부를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4는 본 발명에 따른 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템의 구성이 도시된 블록도이고, 도 5는 본 발명에 따른 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템의 회로도이다. 또한, 도 6은 본 발명에 따른 상위 및 하위 기준값과 각 기준값에 의해 보정되는 I_L이 도시된 도면이다. 도 7a는 도 5의 일부 구성요소인 트랜지스터의 온 동작시 시스템의 회로 구성이 도시된 도면이고, 도 7b는 상기 트랜지스터의 오프 동작시 시스템의 회로 구성이 도시된 도면이다. 그리고, 도 8은 도 4의 V_Line, V_Filt, I_Line, I_Filt에서 측정된 신호 파형이 도시된 도면이다.

다음, 본 발명은 기존과 거의 동일하게 정류용 다이오드부(20)와 제1 캐패시터(C1)를 통해 외부에서 전달되는 교류 전원(V_Line)이 직류 전압으로 변환되게 된다. 이렇게, 상기 정류용 다이오드부(20)와 제1 캐패시터(C1)에 의해 변환된 직류 전압이 스위칭부(30)에 의해 다시 교류 전압으로 변환 출력되게 된다.

그런데, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 기존과 달리 상기 스위칭부(30) 앞단에 역률보상부(50)가 추가 설치되어 있는데, 상기 역률보상부(50)는 스파이크 특성의 전원전류가 정상적인 정현파의 파형을 갖는 전원전압과 동일한 파형을 특성을 갖도록 함으로써 역률이 항상 일정치 이상이 되도록 규제하게 된다.

즉, 도 5를 참조하면 전원 전류(I_Line)는 상기 정류용 다이오드부(20) 및 제1 캐패시터(C1)를 거쳐 인덕터(L_F)와 트랜지스터(IGBT), 다이오드(D_F), 캐패시터(C_F)로 이루어져 있는 스위칭부(30)를 통과하게 된다. 이때, 상기 인덕터(L_F)에 흐르는 전류 I_L은 인덕터(L_F)의 앞단에 직렬로 연결되어 있는 센서 저항(R_L)을 통해 측정되게 된다.

한편, 상기 정류용 다이오드부(20)를 통과한 교류 전압은 제1 및 제2 저항(R1, R2)을 통해 분압 측정되어 승산수단(M)의 일측 입력단으로 입력되게 되고, 그 승산수단(M)으로 입력된 교류 전압은 전류 파형의 기준값으로 이용하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이 상위 기준전압과 하위 기준값으로 보정되게 된다.

이때, 시스템으로 공급되는 전압은 로드(40)의 크기에 따라 일정하게 공급되지 못하고 변동되는 경우가 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 제3 저항(R3), 제2 캐패시터(C2), 제2 비교수단(A2)으로 이루어져 있는 전압보상부(53)를 통해 그 공급 전압이 시스템에서 원하는 기준전압(V_REF)으로 조정되게 된다. 즉, 상기 제2 비교수단(A2)의 입력단으로 시스템에서 이미 정해진 기준전압(V_REF)과 제3 저항(R3)을 통해 로드(40)로 인한 변동 전압이 각각 입력되게 되고, 그 제2 비교수단(A2)에서는 기준전압(V_REF)과 변동 전압을 상호 비교하여 변동 전압을 기준전압(V_REF)과 일치시켜 이를 제2 비교수단(A2)의 출력단으로 출력시키게 된다.

특히, 상기 로드(40)로 인한 변동 전압은 제3 저항(R3)과 제4 및 제5 저항(R4, R5) 사이에 연결되어 있는 필터부(51)를 통해 상기 제2 비교수단(A2)으로 입력되게 되는데, 상기 필터부(51)는 시스템에 필요 이상의 고전압이 전달되지 않도록 로드(40)로 인한 변동 전압을 필터링하게 된다.

여기서, 상기 제2 캐패시터(C2)는 제2 비교수단(A2)의 출력단과 변동 전압이 입력되는 일측 입력단 사이에 설치되어 있다. 그리고, 상기 제2 비교수단(A2)의 출력단은 승산수단(M)의 일측 입력단과 연결되어 있다.

이렇게, 상기 승산수단(M)의 일측 입력단으로 제2 비교수단(A2)의 비교 결과가 입력되게 되고, 그 타측 입력단으로 상기 제1 및 제2 저항(R1, R2)에 의해 교류 전압이 분압 측정되어 입력되게 된 후에 상위 및 하위 기준값으로 보정되고, 그 승산수단(M)의 출력 결과가 제1 비교수단(A1)의 일측 입력단에 연결되게 된다. 상기 제1 비교수단(A1)의 타측 입력단으로는 상기 센서 저항(R_L)에 의해 측정된 I_L이 입력되게 되고, 상기 제1 비교수단(A1)에서는 I_L과 상위 및 하위 기준값과 상호 비교하여 그 비교결과를 출력시키게 된다.

그러면, 상기 제1 비교수단(A1)의 출력 결과를 전달받아 이를 통해 I_L이 도 6에 도시된 바와 같이 항상 상위 및 하위 기준값 사이에 위치되도록 논리 구동부(55)에서 조정함으로써 I_L의 평균값(I_LA)이 상위 및 하위 기준값의 중간에 위치되게 된다. 상기 논리 구동부(55)는 I_L이 상위 기준값에 있는지, 하위 기준값에 있는지를 판단하여 그 판단 결과에 따라 트랜지스터(IGBT)가 스위칭 동작을 수행할 수 있도록 트랜지스터(IGBT)의 온/오프 시간을 계산하게 된다.

도 7a에 도시된 바와 같이 트랜지스터(IGBT)의 온 시간은 도 6의 T1에 해당되는 구간으로서 교류 전압은 인덕터(L_F)로 흘러들어 인덕터(L_F)에 에너지를 저장하는 동안 로드(40)에 필요한 에너지는 캐패시터(C_F)에 저장되어 있던 전류에 의해 공급되게 된다. 상기 인덕터(L_F)에 흐르는 전류 I_L은 상기 센서 저항(R_L)에 의해 측정되어 그 측정된 값이 도 6의 상위 기준값에 이르게 되면 트랜지스터(IGBT)는 오프 동작되게 된다.

상기 트랜지스터(IGBTT)의 오프 시간은 도 6의 T2에 해당되는 구간으로서 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 인덕터(L_F)에 저장되어 있던 에너지는 캐패시터(C_F) 및 로드(40)로 공급되게 되고, 인덕터(L_F)에 흐르는 전류 I_L은 계속해서 센서 저항(R_L)에 의해 측정되어 저장된 에너지가 소모되는 시점인 하위 기준값에 이르게 되면 상기 트랜지스터(IGBT)는 온 동작되게 된다.

이와 같이, 상기 트랜지스터(IGBT)의 온/오프 동작이 계속해서 반복됨으로써 인덕터(L_F)에 흐르는 전류 I_L은 항상 상위 및 하위 기준값 구간 내에서 정현파에 가까운 형태의 파형으로 공급될 수 있게 된다.

도 4에서 V_Line, V_Filt, I_Line, I_Filt에서 각 전압 및 전류를 측정해 보면 도 8에 도시된 바와 같이 V_Line에서는 정상적인 교류 전압 파형이 나타나게 되고, V_Filt에서는 정류용 다이오드부(20)와 제1 캐패시터(C1)를 통과한 전압을 측정하게 되므로 정류 및 평활되어 직류 전압 파형이 나타남을 알 수 있다. 그리고, I_Line및 I_Filt에서는 기존과 달리 V_Line, V_Filt에서의 전압과 동일한 위상을 갖는 정현파의 전류 파형이 측정되게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템은 인버터 시스템에서 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키기 위해 스위칭 동작을 수행하는 트랜지스터의 앞단에 스파이크 형태의 전류 파형의 발생을 억제시키는 동시에 공급 전압과 위상이 같은 정현파 형태의 전류 파형을 갖도록 역률 보상 회로를 추가시킴으로써 역률의 저하가 방지될 수 있고, 스파이크 형태의 전류로 인한 고조파 발생과 그에 따른 노이즈 발생이 방지될 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 외부에서 공급되는 교류전원이 순차적으로 정류 및 평활되어 직류전압으로 변환 출력되는 제1 전압변환부와, 상기 제1 전압변환부를 통과하는 전류를 측정하여 그 측정된 전류 측정값을 시스템에 전달하는 전류감지부와, 상기 제1 전압변환부에서 정류된 전압을 측정하여 그 측정 결과로 인해 상위 및 하위 기준값을 생성 출력시키는 기준값 발생부와, 상기 전류감지부의 전류측정값을 전달받아 항상 역률이 일정치 이상 되도록 그 전류 측정값을 상위 및 하위 기준값 사이에 배치시키는 역률보상부와, 상기 역률보상부를 통과한 직류전압이 시스템의 속도 가변을 위해 전압 크기 및 주파수가 변화되어 다시 교류전압으로 변환 출력되는 제2 전압변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 전압변환부를 통해 출력되는 출력전압이 로드(load)의 크기에 따라 일정하게 공급되도록 시스템에서 이미 설정된 기준전압과 로드로 인한 변동전압을 상호 비교하여 그 비교 결과에 따라 출력전압을 기준전압과 일치시키는 전압보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기준값 발생부는 제1 전압변환부에서 정류된 전압이 분압 측정된 후에 그 측정된 전압을 통해 상위 및 하위 기준 전압으로 보정시키는 승산수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 역률보상부는 전류감지부의 전류측정값과 상기 기준값 발생부의 상위 및 하위 기준값을 입력받아 상호 비교한 후에 그 비교 결과를 출력시키는 비교수단과, 상기 비교수단의 비교 결과에 따라 그 전류측정값이 항상 상위 및 하위 기준값 사이의 값을 갖도록 전류를 제어하는 논리 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 에어컨의 역률 보상 시스템