KR200311633Y1 - 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템에 관한 것으로서, 특히 정류부를 구성하는 브릿지다이오드의 일측에 스위칭용 트랜지스터를 형성하고, 상기 트랜지스터를 입력전원의 반주기 시점마다 스위칭동작시켜 정류되는 전원의 전압, 전류 위상 동조율이 향상되도록 하고, 압축기로 구동전압을 공급하는 인버터의 트랜지스터를 반펄스폭변조된 스위칭제어펄스로 구동시키므로서 인버터의 출력신호에서 고조파성분을 감소시켜 손실을 저감하고, 출력증대를 꾀함은 물론 전체적인 구성을 단순화하여 제품의 생산단가를 저감시키고, 에어컨의 출력 향상 및 소비전력 감소의 효과를 기대할 수 있도록 한 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템에 관한 것이다.

Description

냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템{Heating and cooling inverter air-condition power system}

본 고안은 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템에 관한 것으로서, 특히 인버터의 출력신호에서 고조파성분을 감소시켜 손실을 저감하고, 출력증대를 꾀함은 물론 전체적인 구성을 단순화하여 제품의 생산단가를 저감시키고, 에어컨의 출력 향상 및 소비전력 감소의 효과를 기대할 수 있도록 한 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템에 관한 것이다.

도 4 와 도 5 는 종래의 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템을 도시한 것으로서,

입력되는 상용교류전원의 잡음을 제거하는 인덕터(L20)와 콘덴서(C20)로 구성된 능동필터(20)와, 상기 능동필터(20)를 통과한 전원을 정류하는 브릿지다이오드(D20~D23)로 구성된 정류부(21)와, 상기 정류부(21)에서 출력되는 신호에 포함되어 있는 리플성분을 제거하기 위한 평활콘덴서(C21)와, 플러스성분의 전압을 압축기(26)로 공급하기위한 한쌍의 트랜지스터(Q20,Q21)와 마이너스성분의 전압을 압축기(26)로 공급하기 위한 한쌍의 트랜지스터(Q22,Q23)로 구성된 인버터(23)와, 상기 인버터(23)의 트랜지스터(Q20~Q23)를 스위칭시키기 위한 펄스폭변조된 제어신호를 출력하는 인버터제어부(24)와, 상기 인버터(23)에서 출력되는 전압의 저주파수대역을 통과시켜 압축기(26)로 공급하는 인덕터(L21)와 콘덴서(C22)로 구성된 저역필터(25)로 구성된다.

그러나, 종래의 인버터 에어컨용 전원시스템은 정류부(21)의 후단에 정류된전원에 포함되어있는 리플성분을 효과적으로 제거하기위해 고용량의 콘덴서(C21)를 적용해야만 하고, 인버터(23)를 구성하는 트랜지스터(Q20~Q23)의 스위칭동작을 제어하기 위한 제어신호로서 인버터제어부(24)에서 출력되는 도 5 의 (a)(b)와 같이 마이너스성분을 포함한 펄스폭변조된 스위칭제어신호를 이용하기 때문에 스위칭제어신호의 마이너스성분에 의해 트랜지스터(Q20~Q23)의 스위칭손실이 크게 발생하면서 고조파성분에 의해 시스템의 효율, 경제성, 신속성 및 전자노이즈발생, 시스템의 역률저하등의 문제점을 일으키게되고, 따라서 인버터의 출력손실을 초래하여 압축기의 출력이 저하되는 문제점이 발생하고 있었다.

즉, 인버터제어부(24)에서 출력되는 도 5 의 (a)와같은 스위칭제어신호에 의해 인버터(23)의 트랜지스터(Q20,Q21)가 스위칭동작하여 플러스성분의 전압을 압축기로 공급하고, 도 5 의 (b)와같은 스위칭제어신호에 의해 인버터(23)의 트랜지스터(Q22,Q23)가 동작하여 마이너스성분의 전압을 압축기(26)로 공급하도록 되어있는데, 상기 스위칭제어신호에 포함되어있는 마이너스성분의 펄스에 의해 고조파성분이 증가되면서 트랜지스터(Q20~Q23)에 스위칭손실이 발생하게되면서 인버터(23)의 출력이 낮아지고, 이로 인해 압축기(26)의 출력저하를 일으키게되는 원인이 된다.

또한, 종래의 전원시스템은 정류부(21)의 출력신호에 포함되어있는 리플성분을 효과적으로 제거하기위해 고용량의 평활콘덴서(C21)를 사용해야만 하므로 제품의 생산단가가 높아지는 문제점이 발생하고 있었다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 고안은 정류부를 구성하는 브릿지다이오드의 일측에 스위칭용 트랜지스터를 형성하고, 상기 트랜지스터를 입력전원의 반주기 시점마다 스위칭동작시켜 정류되는 전원의 전압, 전류 위상 동조율이 향상되도록 하고, 압축기로 구동전압을 공급하는 인버터의 트랜지스터를 반펄스폭변조된 스위칭제어펄스로 구동시킴으로서 인버터의 출력신호에서 고조파성분을 감소시켜 손실을 저감하고, 출력증대를 꾀함은 물론 전체적인 구성을 간소화하여 제품의 생산단가를 저감시키고, 에어컨의 출력 향상 및 소비전력 감소의 효과를 기대할 수 있도록 한 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템을 제공함을 목적으로 한다.

도 1 은 본 고안의 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템을 보인 회로도.

도 2 의 (가)~(라)는 본 고안의 각부 출력파형을 보인 도면.

도 3 의 (가)~(다)는 본고안과 종래기술의 출력 특성을 비교하기 위한 도면.

도 4 는 종래의 전원시스템을 보인 회로도.

도 5 는 종래 전원시스템의 인버터 구동을 위한 스위칭제어신호를 보인 파형도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 정류부, 2: 위상동조 개선부,

3: 스위칭제어부, 4: 보조정류부,

5: 배전압부, 6: 인버터,

7: 인버터제어부, 8: 마이크로 프로세서,

25: 저역필터, 26: 압축기,

L1: 인덕터, D1~D10: 다이오드,

Q1~Q5: 트랜지스터, C1,C2: 콘덴서

도 1 내지 도 3 은 상기 목적달성을 위한 본 고안의 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템을 도시한 것으로서 이 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 고안의 설명에 있어서 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일부호 표기하여 중복설명을 피하기로 한다.

상기 목적달성을 위한 본 고안은

상용교류전원을 안정되게 통과시키는 인덕터(L1)와;

상기 인덕터(L1)를 통과한 교류전원을 정류하는 브릿지다이오드(D1~D4)로 구성된 정류부(1)와;

상기 정류부(1)에서 출력된 전압을 증폭하는 중용량의 콘덴서(C1,C2)로 구성된 배전압부(5)와;

상기 브릿지다이오드(D1~D4)의 일측에 연결되는 스위칭용 트랜지스터(Q1)와,입력되는 상용교류전원의 플러스반주기와 마이너스반주기 시점마다 스위칭제어용 펄스를 트랜지스터(Q1)로 출력하여 브릿지다이오드(D1~D4)를 강제 단락시켜 입력전압과 전류의 위상 동조율이 개선되도록 하는 스위칭제어부(3)로 구성된 위상동조개선부(2)와;

스위칭동작하여 플러스, 마이너스성분의 구동전압을 압축기(26)로 공급하는 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)(Q4,Q5)들로 구성된 인버터(6)와;

입력전압의 플러스 반주기 동안 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)가 구동할때 다른 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)는 동작하지 않으면서 휴지기간을 갖고, 입력전압의 마이너스 반주기 동안 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)가 구동할때 다른 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)는 동작하지 않으면서 휴지기간을 가지도록 하는 펄스폭변조된 스위칭제어신호를 공급하되, 스위칭제어신호의 마이너스성분이 출력되지 않도록 하는 반펄스폭변조(Half pulse width modulation)된 스위칭제어신호를 출력하는 인버터제어부(7)와;

상기 스위칭제어부(3)와 인버터제어부(7)의 구동타이밍을 제어하는 마이크로프로세서(8); 로 구성된 것을 특징으로 한다.

이와같이 구성된 본 고안의 동작을 도 1 과 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2 의 (가)와같이 전압과 전류가 같은 위상의 파형을 이루는 교류전원이 입력되면, 인덕터(L1)는 입력되는 교류전원의 리플성분을 효과적으로 제거하면서 후단으로 공급하고, 정류부(21)를 구성하는 브릿지다이오드(D1~D4)는 입력되는 전압을 정류하여 후단으로 출력한다.

이때, 스위칭제어부(3)는 상기 입력전압의 플러스 반주기와 마이너스 반주기의 시점에 동조된 스위칭제어펄스를 도 2 의 (나)와같이 출력하여 트랜지스터(Q1)를 스위칭동작시키고, 상기 트랜지스터(Q1)는 스위칭제어부(3)에서 출력된 스위칭제어펄스에 의해 스위칭동작하면서 브릿지다이오드(D1~D4)를 강제적으로 단락시켜 정류된 신호의 전압과 전류의 동조율이 개선되도록 한다.

상기 트랜지스터(Q1)의 스위칭동작에 의해 입력전압과 전류의 동조율이 개선되면, 입력신호에 대한 역률이 향상되고, 정류부(1)의 정류된 신호에 리플성분이 적게 포함되게되므로서 그 후단에 설치되는 배전압부(5)의 콘덴서(C1,C2)를 중용량으로 대체할 수 있게된다.

상기 정류부(1)에서 정류된 신호는 다시 보조정류부(4)를 구성하는 다이오드(D5,D6)에 의해 재차 정류되어 배전압부(5)를 통해 인버터(6)로 공급된다.

상기 보조정류부(4)는 정류부(1)의 기능을 보조하는 수단으로 사용된다.

상기 배전압부(5)를 통과한 전압은 인버터(6)를 구성하는 트랜지스터(Q2~Q5)의 스위칭동작에 따라 압축기(26)의 구동전압으로 교류전압이 공급된다.

이때, 상기 트랜지스터(Q2~Q5)는 인버터제어부(7)에서 출력되는 도 2 (다)의 (a)와같은 반펄스폭변조된 스위칭제어신호에 의해 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)가 입력전압의 플러스 반주기동안 스위칭동작하여 압축기(26)로 플러스성분의 전압을 공급하고, 또 도 2 (다)의 (b)와같은 반펄스폭변조된 스위칭제어신호에 의해 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)가 입력전압의 마이너스 반주기동안 스위칭동작하여 압축기(26)로 마이너스성분의 전압을 공급한다.

상기 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)가 작동할때에는 다른 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)가 작동하지 않으면서 휴지기간을 갖게되고, 상기 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)가 작동할때에는 다른 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)가 작동하지 않으면서 휴지기간을 갖게된다.

상기 설명과같이 인버터제어부(7)에서 출력되는 도 2 (다)의 (a)(b)와같이 마이너스성분이 존재하지 않는 스위칭제어신호에 의해 인버터(6)의 트랜지스터(Q2~Q5)가 동작하게되면, 마이너스성분에 의한 고조파성분 및 인버터(6)의 출력손실을 저감할 수 있게되는 것이다.

상기한 인버터(6)의 구동에 의해 출력된 전압은 저역필터(25)를 통해 압축기(26)로 공급되어 압축기(26)가 구동하게되며, 이때 압축기(26)로 공급되는 전압과 전류는 도 2 의 (라)와같이 이루어지며, 이 파형에 의하면 압축기(26)로 공급되는 전압과 전류의 위상이 거의 일치되면서 동조되어 시스템의 역률이 현저히 개선되고, 압축기(26)의 소비전력을 낮출 수 있게된다.

도 3 의 (가)는 종래기술과 본 고안의 전원시스템이 갖는 50Hz와 60Hz 대역에서의 주파수별 특성을 나타낸 표로서, 종래기술에 비해 본 고안의 전원시스템이 입력전류가 낮아지고, 역률은 향상되며, 출력전압이 종래기술에 비해 현저히 증가되었으며, 최대전류와 최대전압은 종래에 비해 낮아지는 등 본 고안에 의한 전원시스템이 종래에 비해 입출력특성 및 역률이 현저히 개선되어있음을 알 수 있다.

도 3 의 (나)는 인버터를 구성하는 트랜지스터(Q2~Q5)의 턴온신호에 따른 입력역률을 비교한 것으로서, 반펄스폭변조된 스위칭제어신호에 의해 트랜지스터(Q2~Q5)가 스위칭동작하였을때 종래에 비해 역률이 약 4~7% 정도 개선되었음을 알 수 있다.

도 3 의 (다)는 전체적인 전원시스템의 운전주파수(Hz)별 입력역률을 비교한 것으로서, 본 고안의 입력역률이 전체적인 운전 주파수대역에서 종래기술에 비해 일정치 높아진 것을 확인할 수 있었다.

결과적으로 본 고안의 전원시스템에서 적용되고 있는 인버터(6) 구동을 위한 반펄스폭변조 제어방법은 기존에 비해 스위칭횟수를 감소시켜 압축기의 모터에 인가할 수 있는 전압을 그만큼 올려줄 수 있고, 이로인해 에어컨의 소비전력을 줄일 수 있으며, 에너지 소비효율도 향상시킬 수 있는 것이다.

상기 설명과같은 본 고안의 전원시스템은 입력전압과 전류의 위상 동조율을 개선시켜 입력 역률이 향상되도록 하는 위상동조 개선부를 적용하여 입력신호의 역률개선 및 전류의 고조파 성분을 최소화하여 Green Round 및 고조파 관리기준(IEC555-2)규정을 만족할 수 있도록 하고, 출력전압의 상승을 억제하며, 전류파형을 개선하여 출력에 입력전압의 2배를 얻는 정류회로를 이용하여 효율이나 경제성 및 전자노이즈 등의 문제점을 해결할 수 있었다.

또한 본 고안의 전원시스템은 전부하영역에서 1에 가까운 역률, 예를들면 역률 97% 와 최대효율 98%가 얻어지며, 9% 이하의 전고조파 왜율(THD: Total Harmonic Distortion)을 저감할 수 있고, 부하변동에 관계없이 안정된 정격 출력전압을 보장하여 인버터부의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하였으며, 회로구성의 간소화 및 전자파 장애가 저감된다.

그리고, 인버터의 각 트랜지스터를 마이너스성분의 펄스가 존재하지 않는 반펄스폭변조된 스위칭제어신호로서 제어함으로서, 직류측에서 발생하는 맥동주파수에 의한 교류출력전력의 왜곡을 개선하고, 인버터의 각 트랜지스터로 공급되는 입력전류가 불연속이 되도록 하므로서 맥동율과 스위칭 손실을 현저히 줄여줄 수 있다.

이에따라, 본 고안에 의하면 압축기의 모터 구동효율을 높일 수 있는 것이며, 에어컨 인버터의 고속운전 제어에 적합한 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 고안은 정류부를 구성하는 브릿지다이오드의 일측에 스위칭용 트랜지스터를 형성하고, 상기 트랜지스터를 입력전원의 반주기 시점마다 스위칭동작시켜 정류되는 전원의 전압, 전류 위상 동조율이 향상되도록 하고, 압축기로 구동전압을 공급하는 인버터의 트랜지스터를 반펄스폭변조된 스위칭제어펄스로 구동시킴으로서 인버터의 출력신호에서 고조파성분을 감소시켜 손실을 저감하고, 출력증대를 꾀함은 물론 전체적인 구성을 단순화하여 제품의 생산단가를 저감시키고, 에어컨의 출력 향상 및 소비전력 감소의 효과를 기대할 수 있도록 한 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (1)

1. 상용교류전원을 안정되게 통과시키는 인덕터(L1)와;

   상기 인덕터(L1)를 통과한 교류전원을 정류하는 브릿지다이오드(D1~D4)로 구성된 정류부(1)와;

   상기 정류부(1)에서 출력된 전압을 증폭하는 중용량의 콘덴서(C1,C2)로 구성된 배전압부(5)와;

   상기 브릿지다이오드(D1~D4)의 일측에 연결되는 스위칭용 트랜지스터(Q1)와, 입력되는 상용교류전원의 플러스반주기와 마이너스반주기 시점마다 스위칭제어용 펄스를 트랜지스터(Q1)로 출력하여 브릿지다이오드(D1~D4)를 강제 단락시켜 입력전압과 전류의 위상 동조율이 개선되도록 하는 스위칭제어부(3)로 구성된 위상동조개선부(2)와;

   스위칭동작하여 플러스, 마이너스성분의 구동전압을 압축기(26)로 공급하는 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)(Q4,Q5)들로 구성된 인버터(6)와;

   입력전압의 플러스 반주기 동안 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)가 구동할때 다른 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)는 동작하지 않으면서 휴지기간을 갖고, 입력전압의 마이너스 반주기 동안 한쌍의 트랜지스터(Q4,Q5)가 구동할때 다른 한쌍의 트랜지스터(Q2,Q3)는 동작하지 않으면서 휴지기간을 가지도록 하는 펄스폭변조된 스위칭제어신호를 공급하되, 스위칭제어신호의 마이너스성분이 출력되지 않도록 하는 반펄스폭변조(Half pulse width modulation)된 스위칭제어신호를 출력하는 인버터제어부(7)와;

   상기 스위칭제어부(3)와 인버터제어부(7)의 구동타이밍을 제어하는 마이크로프로세서(8); 로 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방 인버터 에어컨용 전원시스템.