KR20050111204A - 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 제어회로에 있어서, 특히 역률보상부의 스위치 온 시점을 제로크로싱 지점보다 소정 시간 지연시키고 지연된 시간값이 부하 크기에 반비례하도록 적응적으로 제어할 수 있도록 한 역률보상 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법은, 입력전압 위상의 제로크로싱 위치를 검출하는 단계; 제로크로싱 위치보다 일정 시간 지연된 시간으로 역률보상 스위치의 온 시간을 세팅하는 단계; 상기 세팅된 시간 지연 경과 여부를 확인한 후 경과되면 역률보상 스위치를 온시키는 단계; 이후 현재의 DC 링크 전압과 목표 DC 링크 전압을 비교한 후 현재 DC 링크 전압이 목표 DC 전압에 도달하였을 경우 상기 역률보상 스위치를 오프시키는 단계; 상기 역률보상 스위치가 오프되면 모터 부하 크기를 측정한 후 그 측정 결과에 따라 상기 역률보상 스위치의 온 타임을 위한 시간 지연값을 모터 부하 크기에 적응적으로 가감시켜 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인버터 제어회로의 역률보상 제어방법{Method for power factor compensation of inverter control circuit}

본 발명은 인버터 제어회로에 있어서, 특히 역률보상부의 스위치 온 시점을 제로크로싱 지점보다 소정 시간 지연시키고 상기 지연된 시간값이 부하 크기에 반비례하도록 적응적으로 제어할 수 있도록 한 역률보상 제어방법에 관한 것이다.

일반적인 인버터 공기조화기의 역률개선회로에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 인버터 공기조화기의 역률개선회로 구성도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 교류전원(101)의 리액턴스를 나타내는 리액터(102)와, 브리지 다이오드(104) 및 평활캐패시터(C1~C3)로 구성되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(103)와, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(106)를 구동하는 인버터부(105)와, 입력 전류를 감지하는 입력전류검지부(107)와, 입력 교류전원의 제로 크로싱(zero crossing)을 검출하는 제로크로싱 검출부(108)와, 정류된 DC 전압을 검출하는 DC링크전압 검출부(109)와, 역류보상 제어신호에 의해 역률보상을 제어하는 역률보상부(110)와, 상기 입력전류검지부(107), 제로크로싱 검출부(108), DC 링크 검출부(109)로부터 검출된 데이터를 이용하여 인버터부(105)를 제어하고 역류보상 스위치의 온/오프를 제어하는 마이컴(120)으로 구성된다.

상기 역률보상부(110)는 입력 AC 링크에 연결된 브리지 다이오드(111)와, 브리지 다이오드(111)에 연결되어 역률보상 제어신호에 의해 스위칭 온/오프하여 고주파 노이즈와 출력전압을 능동적으로 가변시켜주는 역률보상 스위치(IGBT, 112)로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 인버터 제어회로의 역률 개선 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 마이컴(120)의 제어하에 구동이 시작되면, 교류전원(101)이 리액터부(102)를 통해 정류부(103)의 브리지 다이오드(104)에서 정류되고, 평활캐패시터(C1,C2,C3)에 의해 평활된 후 직류전원으로 출력된다. 정류부(103)에서 정류된 직류전원은 인버터부(105)에 의해 교류전원으로 변환된 후 모터(106)의 구동전원으로 공급된다.

그리고, 마이컴(120)은 PWM 신호를 인터버 구동회로(미도시)로 출력하여 인버터부(105)를 구동시켜 준다.

그리고, 입력전류검지부(107)는 입력 전류를 검지하고, 제로크로싱 검출부(108)는 제로크로싱 위치 즉, 입력전류의 위상을 검출하며, 또 DC 링크전압 검출부(109)는 정류부(103)에 의해 정류된 DC 링크전압을 검출한다. 마이컴(120)은 상기 입력전류검지부(107)에서 감지된 입력 전류의 크기, 제로크로싱 검출부(108)에 의해 검출된 입력전압의 제로크로싱 위치, DC 링크전압 검출부(109)로부터 검출된 DC 링크전압을 전달받는다.

마이컴(120)은 입력전압의 위상을 감지하고 DC 전압을 감지하여, DC 전압의 크기가 항상 일정하도록 역률보상부(110)의 역률보상 스위치(112)의 스위칭 동작을 제어하게 되는데, 상기 마이컴(120)은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 시점일 때, 역률보상 스위치(112)의 온동작을 명령하고, 이때의 신호에 의해서 역률보상 스위치(112)가 온동작된다.

이때, 역률보상 스위치(112)가 온 동작되는 동안, 리액터부(102)에는 입력전압이 걸리고, 리액터부(102)를 통과하는 전류의 위상은 도 2와 같이 선형적으로 상승하면서 전압 파형의 위상에 가깝게 조절된다. 이때 정류부(103)에 의해 정류된 DC 전압이 인버터부(105)를 통해 모터(106)로 공급된다.

상기 동작과 같은 역률보상 스위치(112)의 온 동작은 입력전압의 위상이 제로크로싱 시점에서 반복해서 이루어지며, 상기 온 동작시간은 후술되는 목표 DC 링크전압과 현재의 DC 링크전압이 동일할 때, 역률보상 스위치를 오프시켜 준다.

이때, 역률보상 스위치(112)가 오프되면 리액터부(102)에는 출력전압에서 입력전압 만큼을 뺀 전압이 걸리고 상기 리액터 전류는 역률보상 스위치의 온 동작에서와 반대로 선형적으로 감소한다.

이러한 역률보상 스위치의 온 동작, 오프동작은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 시점마다 한번씩 이루어진다.

도 3은 종래의 역률 개선 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 마이컴은 제로크로싱 검출부로부터 입력전압의 제로크로싱 위치를 검출하고(S101), 검출된 입력전압의 제로크로싱 지점일 때 역률보상 스위치(IGBT)를 온 시켜 준다(S103). 이후, DC 링크전압 검출부로부터 검출된 DC 링크전압이 목표 DC 전압과 일치하는지를 비교한 후(S105), DC링크전압이 목표전압과 일치하면 역률보상 스위치를 오프시켜 준다(S107). 여기서, 목표 DC전압은 역률이 가장 높게 나오는 DC 링크전압을 목표 DC 링크전압으로 설정해 준다.

그러나, 종래에는 전원전압의 제로크로싱 지점에서 역률보상부의 스위치를 온시켜 줌으로써, 역률 개선에 한계가 있다. 즉, 부하에 관계없이 입력전압의 제로크로싱 위치(지점)를 검출한 후 그 위치에서 역률보상 스위치를 일정한 간격으로 온/오프시켜 줌으로써, 부하의 넓은 운전 범위에 대하여 역률을 일정하게 제어할 수 없어 역률개선에 한계가 있다.

또한 기존의 역률 개선 회로는 역률의 개선 목적으로만 사용되고 있으며, 모터 효율에 의해 결정되는 DC 전압을 사용하므로, 정격에서의 운전 효율은 우수하지만, 모터 설계점을 벗어나는 경우 효율이 저하되는 문제가 있다.

또한 요구되는 DC 전압이 낮을 경우 DC 전압을 일정하게 제어하는데 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 역률보상 스위치의 온 시점을 제로크로싱 시점 보다 소정 시간 지연시켜 구동시켜 줌으로써, 역률를 개선시켜 줄 수 있도록 한 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법을 제공함에 그 목적에 있다.

본 발명의 다른 목적은 역률보상 스위치의 온 시간의 지연 값을 부하의 크기에 반비례하도록 함으로써, 부하의 크기에 적응적으로 역률보상 스위치 온 시간를 제어할 수 있도록 한 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 모터 부하가 크면 역률보상 스위치의 시간 지연값을 작게 하고, 모터 부하가 작으면 역률보상 스위치의 시간 지연값을 크게할 수 있도록 한 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 역률보상 스위치의 오프 시점은 현재 DC 링크 전압이 목표 DC 링크 전압에 도달하였을 경우로 제어하는 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법은,

모터의 구동을 위해 정류부 및 인버터부와, 역률 개선을 위한 역률보상 스위치를 구비한 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법에 있어서,

(a) 입력전압 위상의 제로크로싱 위치를 검출하는 단계;

(b) 제로크로싱 위치보다 일정 시간 지연된 시간으로 역률보상 스위치의 온 시간을 세팅하는 단계;

(c) 상기 세팅된 시간 지연 경과 여부를 확인한 후 경과되면 역률보상 스위치를 온시키는 단계;

(d) 상기 (c) 단계 후, 현재의 DC 링크 전압과 목표 DC 링크 전압을 비교한 후 현재 DC 링크 전압이 목표 DC 전압에 도달하였을 경우 상기 역률보상 스위치를 오프시키는 단계;

(e) 상기 역률보상 스위치가 오프되면 모터 부하 크기를 측정한 후 그 측정 결과에 따라 상기 역률보상 스위치의 온 타임을 위한 시간 지연값을 모터 부하 크기에 적응적으로 가감시켜 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (e) 단계는, 역률보상 스위치의 온 시간은 모터 부하 크기에 반비례하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (e) 단계는, 역률보상 스위치의 온 시간은 모터 부하가 작으면 역률보상 스위치의 온 시점을 증가시켜 세팅하고, 모터 부하가 클 경우 역률보상 스위치의 감소시켜 세팅하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 실시 예에 따른 인버터 제어회로의 역률 보상방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 종래와 동일 부분에 대해서는 동일 부호로 처리하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하여 설명하면, 인버터 제어회로는 제품 내부로 입력되는 교류전원을 정류 및 평활부(103)를 이용하여 직류전원으로 변환하고, 인버터부(105)를 통해서 인버터 에어컨의 모터(106)의 구동을 제어하고 있으며, 역률 제어 회로를 삽입하여 역률의 향상을 도모하고 있다.

이때의 역률 제어회로는 마이컴(120)이 역률보상부(110)의 역률보상 스위치(112)의 온 시간(Ton)을 결정하게 된다. 이를 위해서 제로 크로싱 검출부(108)는 입력되는 전압 위상의 제로크로싱 위치를 검출한 후 마이컴(120)에 전달하고, 입력전류 검지부(107)는 입력되는 전류 크기를 감지하고 마이컴(120)에 전달하게 된다. 또한, DC링크 전압 검출부(109)에 의해 DC 링크 전압을 검출하여 마이컴(120)에 전달하게 된다.

그리고, 마이컴(120)은 상기 입력전압의 제로크로싱 위치(지점), 입력 전류 크기, DC 링크 전압을 입력받고, 부하 전류 감지부(미도시)를 통해서 부하 전류를 감지하게 된다.

여기서, 마이컴(120)의 역률 보상을 위해 역률보상 스위치(112)의 온 시간은 각 제품에 대한 실험단계에서 역률이 가장 높게 나오는 DC 링크전압으로 목표 DC 링크 전압을 설정하게 된다.

그리고, 마이컴(120)은 제로크로싱 위치 보다 소정 시간 지연된 값으로 역률보상 스위치(112)를 온 시켜 줄 수 있도록 설정된다. 이러한 역률보상 스위치(112)의 온 시간 및 목표 DC 전압을 마이컴(120) 내부에 저장하게 된다.

상기와 같은 인터버 제어회로에서는 도 1 및 도 4를 참조하여 동작을 설명하기로 한다. 먼저 마이컴(120)의 제어 하에 구동이 시작되면 제품 내부로 전원이 입력되면서 정류 및 평활부(103)에 의해 정류되고 평활된 높은 DC 전압이 인버터부(105)를 통해서 교류전압으로 모터(106)에 공급된다.

그리고 DC 링크전압 검출부(109)는 DC링크단으로부터 발생되는 DC 링크전압을 감지하여 마이컴(120)에 제공하며, 또한 제로 크로싱 검출부(108)는 제품 내부로 입력되는 전압의 제로크로싱 지점을 검출하여 마이컴(120)에 제공한다(S101).

이때, 상기 마이컴(120)에는 입력전압의 제로크로싱 지점 보다 소정 지연된 시간으로 역률보상 스위치의 온 지점이 세팅된다(S113).

그리고, 역률보상부(110)의 스위칭 구동을 위해 상기 제로 크로싱 지점과 상기 역률보상 시간 지연값을 이용하여 시간 지연값의 경과 여부를 확인하고(S115), 상기 확인결과 스위칭 구동을 위한 시간 지연값을 경과하게 되면 역률보상부(110)의 역률보상 스위치(112)를 스위칭 온시켜 준다(S117). 즉, 역률 보상부(110)의 역률보상 스위치(112)를 온 시켜주는 시점을 제로크로싱 지점 보다 일정 시간 지연된 지점부터 구동을 제어하게 된다.

그리고, 역률보상 스위치(112)가 온 동작되는 동안, 리액터(102)에는 입력전압이 걸리고, 상기 리액터(102)를 통과하는 전류의 위상은 선형적으로 상승하게 되면서 전압파형의 위상에 가깝게 조절된다. 이때, 정류 및 평활부(103)에 의해 평활된 DC 전압이 인버터부(105)를 거쳐서 모터(106)로 공급된다.

이러한 역률보상 스위치(112)의 온 동작은, 입력전압의 위상이 제로크로싱 시점 보다 일정 시간 지연된 위치에서 반복해서 이루어진다. 상기 역률보상 스위치(112)가 온으로 동작하는 동안 마이컴(120)은 DC링크 전압 검출부(109)로부터 검출된 현재의 DC 링크 전압이 목표 DC 링크 전압에 도달하였는가를 비교하게 된다(S119,S121).

이때, 현재의 DC 링크 전압이 목표 DC 링크 전압에 도달하였으면 역률보상 스위치(112)를 오프시켜 준다(S123). 상기 역률보상 스위치(112)가 오프되면 리액터(102)에는 출력전압에서 입력전압을 뺀 전압이 걸리고, 상기 리액터 전류는 역률보상 스위치(112)가 온 동작에서와 반대로 선형적으로 감소하게 된다. 여기서는 입력에서 출력으로 파워를 공급하게 되므로 평활캐패시터(C1,C2,C3)에 에너지가 충전되고 모터(106)로 에너지가 공급된다.

또한 역률보상 스위치(112)의 오프시점은 예컨대, 입력전류 검지부(107)에 의해 검출된 전류값이 첫 번째 피크(1Peak)에 도달되었을 경우 오프시켜 준다. 즉, 현재 전류의 피크 도달 여부는 현재 전류값(RMS)로 계산된 피크 값의 15% 내외로 하여, 첫 번째 피크값에 도달하였을 경우 역률보상 스위치(112)를 오프시켜 준다.

상기 역률 보상 스위치(112)가 오프되면 시간 지연 값을 새롭게 세팅시켜 준다. 이러한 새로운 시간 지연값은 부하에 따라 역률 보상 스위치(112)의 온되는 시간을 제어하기 위해 재 설정된다(S125).

이때, 새로운 시간 지연값을 재 설정하기 위해서, 마이컴(120)은 부하 전류 감지부로부터 감지된 부하전류, 입력전류 감지부로부터 감지된 입력 전류의 크기 등을 이용하여 부하 크기에 적응적으로 시간 지연값을 재 설정해 주게 된다. 즉, 역률보상 스위치(112)의 시간 지연값이 부하 크기에 반비례가 되도록 설정해 준다.

상기 역률보상 스위치의 시간 지연값을 설정하는 방법에 대해 구체적으로 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 정격 모터의 부하를 세팅하고(S131), 인터버 제어회로를 구동하여 모터 부하를 측정하게 된다(S133).

현재 측정되는 모터의 부하를 비교하게 된다(S135). 즉, 모터의 부하가 기준 값 보다 큰지, 작은지, 모터 부하의 기준값과 비교하여 결정할 수 있으며, 모터 부하의 크기는 부하 전류 감지부에 의해 측정이 가능하다.

만약, 모터의 부하가 작다면(motor load = 소) 역률보상 스위치의 시간 지연값은 세팅된 값 보다 증가(+)시켜 설정해 준다(S137). 이는 역률보상 스위치의 온 시점이 제로크로싱 지점보다 상기 증가된 시간 지연값 만큼 늦게 세팅되는데, 바람직하게는 상기 새롭게 세팅된 시간 지연값은 기존에 세팅된 시간 지연값에 증가된 값으로 설정되는 것이 바람직하다.

그리고, 모터의 부하가 기준 범위 내에 있다면(motor load = 중) 역률보상 스위치의 시간 지연값은 세팅된 값과 동일하게 된다(S139). 이때에는 이전에 세팅된 값 또는 초기 세팅된 값으로 역률 보상 스위치의 온 시점이 결정된다.

또한, 모터의 부하가 기준 범위를 초과하는 경우라면(motor load = 대) 역률보상 스위치의 시간 지연값은 세팅된 값 보다 감소(-)시켜 준다(S141). 이때에는 역률보상 스위치의 온 시점이 제로크로싱 지점보다 상기 감소된 시간 지연값 만큼 빠르게 구동된다.

이와 같이 모터 부하에 따라 새로운 시간 지연값으로 재 설정해 줌으로써, 역률보상 스위치의 온 시간을 제로크로싱 지점 보다 어느 정도의 시간 지연 값으로 지연하고 온 시켜 줄지가 결정된다(S143).

이러한 모터의 부하 변동에 대해 보다 적응적으로 역률보상 스위치의 구동 시점을 제어하기 위해서 모터 부하 크기 제품의 특정에 맞게 세분화할 경우 보다 정밀한 시간 지연값으로 재 설정이 가능하고, 역률보상 스위치의 온 시점을 보다 적응적으로 대처할 수 있어 역률 보상을 향상시켜 줄 수 있다.

또한 본 발명은 부하에 따라 역률보상 스위치의 지연 시간값을 재 설정할 수 있도록, 공기조화기 내로 유입되는 부하전류와 입력전압에 따른 소비전력을 측정하고 소비전력의 크기에 따라 역률보상 스위치의 시간 지연값을 조정함으로써, 역률보상 스위치의 온 시점의 지연을 통해서 역률을 보상할 수 있게 된다.

따라서, 모터 부하를 측정하기 위한 파라미터(전류, 전력 등)를 무엇으로 하는지에 따라 역률보상 스위치의 시간 지연값의 재 설정 범위가 변경될 수도 있다. 또한, 넓은 운전영역에서도 역률을 일정하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 역률 보상부에 필요없는 전류의 흐름을 방지하여 회로의 손실을 줄여주는 효과가 있다. 또한 저부하 영역과 정격부하영역에서 효율을 확보하여 경제적인 모터의 운전을 가능케하며, 고부하 영역에서도 모터의 운전 능력을 확보하여 고성능을 발휘하도록 할 수 있는 효과가 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시 예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 인버터 제어회로의 역률보상방법에 의하면, 역률보상 스위치의 구동 시점을 제로크로싱 위치 보다 소정 시간 지연시켜 구동시키고, 지연되는 정도가 부하의 크기에 따라 역률보상 스위치의 온 시점을 제어함으로써, 부하에 적응적으로 대처하고 역률 개선의 효과가 있다.

또한, 인버터 제어회로 내에서 넓은 운전영역에서도 역률을 일정하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 역률 보상부에 필요없는 전류의 흐름을 방지하여 회로의 손실을 줄여주는 효과가 있다. 또한 저부하 영역과 정격부하영역에서 효율을 확보하여 경제적인 모터의 운전을 가능케하며, 고부하 영역에서도 모터의 운전 능력을 확보하여 고성능을 발휘하도록 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 인버터 제어회로의 역률 개선 회로 구성도.

도 2는 종래 인터버 제어회로의 입력전류 및 입력전압 파형도.

도 3은 종래 인버터 제어회로의 역률 제어방법을 나타낸 플로우 챠트.

도 4는 본 발명 실시 예에 따른 인터버 제어회로의 역률보상 제어방법을 나타낸 플로우 챠트.

도 5는 본 발명 실시 예에 따른 인터버 제어회로의 역률보상 제어방법을 나타낸 플로우 챠트.

Claims (3)

1. 모터의 구동을 위해 정류부 및 인버터부와, 역률 개선을 위한 역률보상 스위치를 구비한 인버터 제어회로의 역률개선 방법에 있어서,

   (a) 입력전압 위상의 제로크로싱 위치를 검출하는 단계;

   (b) 제로크로싱 위치보다 일정 시간 지연된 시간으로 역률보상 스위치의 온 시간을 세팅하는 단계;

   (c) 상기 세팅된 시간 지연 경과 여부를 확인한 후 경과되면 역률보상 스위치를 온시키는 단계;

   (d) 상기 (c) 단계 후, 현재의 DC 링크 전압과 목표 DC 링크 전압을 비교한 후 현재 DC 링크 전압이 목표 DC 전압에 도달하였을 경우 상기 역률보상 스위치를 오프시키는 단계;

   (e) 상기 역률보상 스위치가 오프되면 모터 부하 크기를 측정한 후 그 측정 결과에 따라 상기 역률보상 스위치의 온 타임을 위한 시간 지연값을 모터 부하 크기에 적응적으로 가감시켜 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (e) 단계는, 역률보상 스위치의 온 시간은 모터 부하 크기에 반비례하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 (e) 단계는, 역률보상 스위치의 온 시간은 모터 부하가 작으면 역률보상 스위치의 온 시점을 증가시켜 세팅하고, 모터 부하가 클 경우 역률보상 스위치의 감소시켜 세팅하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 역률보상 제어방법.