KR20090042522A - 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어 장치 - Google Patents

공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 팬용 전동기가 역회전하는지 여부를 판단하고 팬용 전동기가 역회전하는 경우, 팬용 전동기의 역회전 속도를 산출하고, 산출된 역회전 속도에 기초하여 제로 벡터 인가 시간을 결정하며, 결정된 제로 벡터를 상기 팬용 전동기에 인가하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어장치에 관한 것이다. 이에 의하여, 공기조화기의 팬용 전동기가 외풍에 의해 역회전하는 경우, 팬용 전동기를 효율적으로 정지시킬 수 있게 된다.
Figure P1020070108326
공기조화기, 팬용 전동기, 제로 벡터, 역회전

Description

공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어 장치{Method for controlling fan motor of air conditioner and the motor controller}
본 발명은 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외풍에 의해 팬용 전동기가 역회전하는 경우 이를 효율적으로 정지시키는 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어 장치에 관한 것이다.
공기조화기는 방, 거실, 사무실 또는 영업 점포 등의 공간에 배치되어 공기의 온도, 습도, 청정도 및 기류를 조절하여 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있도록 하는 장치이다.
공기조화기는 일반적으로 일체형과 분리형으로 나뉜다. 일체형과 분리형은 기능적으로는 같지만, 일체형은 냉각과 방열의 기능을 일체화하여 가옥의 벽에 구멍을 뚫거나 창에 장치를 걸어서 설치한 것이고, 분리형은 실내측에는 냉/난방을 수행하는 실내기를 설치하고 실외측에는 방열과 압축 기능을 수행하는 실외기를 설치한 후 서로 분리된 두 기기를 냉매 배관으로 연결시킨 것이다.
한편, 공기조화기에는 압축기,팬 등에 전동기가 사용되며, 이를 구동하기 위한 전동기 제어장치가 사용되고 있다. 즉, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하 고, 이를 다시 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하는 전동기 제어장치가 사용된다.
통상적인 공기조화기의 전동기 제어장치에서, 팬용 전동기가 외풍에 의해 역회전하는 경우를 방지하기 위한 다양한 방안이 연구되고 있다.
본 발명의 목적은, 공기조화기의 팬용 전동기가 외풍에 의해 역회전하는 경우 제로 벡터에 의해 효율적으로 정지시키는 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법은, 팬용 전동기가 역회전하는지 여부를 판단하고 팬용 전동기가 역회전하는 경우, 팬용 전동기의 역회전 속도를 산출하고, 산출된 역회전 속도에 기초하여 제로 벡터 인가 시간을 결정하며, 결정된 제로 벡터를 상기 팬용 전동기에 인가한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는, 팬용 전동기를 구동하는 인버터와, 팬용 전동기의 위치 신호를 감지하는 적어도 하나의 센서와, 센서로부터의 위치 신호에 기초하여 팬용 전동기의 속도를 산출하는 속도 산출부와, 산출된 속도가 역회전 속도인 경우, 역회전 속도에 기초하여 전동기에 인가되는 제로 벡터 인가 시간을 결정하고, 제로 벡터 인가 시간에 기초하여 스위칭 제어 신호를 인버터로 출력하는 마이컴을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법 및 그 제어 장치는, 팬용 전동기가 외풍에 의해 역회전하는 경우, 역회전 속도 를 산출하고 이에 기초하여 제로 벡터 인가 시간을 결정함으로써, 효율적이고 안정적으로 팬용 전동기를 정지시킬 수 있게 된다.
또한, 팬용 전동기의 역회전시 이를 정지하기 위해, 역회전 속도에 가변하는 시간 동안 제로 벡터를 인가함으로써, 인버터 내의 스위칭 소자에 흐르는 피크 전류가 감소하게 되어, 인버터 스위칭 소자들을 보호할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(I)와 실외기(O)로 구분된다.
실외기(O)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(2)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(2b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(4)와, 실외 열교환기(5)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(5a)과 실외팬(5a)을 회전시키는 전동기(5b)로 이루어진 실외 송풍기(5)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(6)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(10)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(3) 등을 포함한다.
실내기(I)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(8)와, 실내측 열교환기(8)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(9a)과 실내팬(9a)을 회전시키는 전동기(9b)로 이루어진 실내 송풍기(9) 등을 포함한 다.
실내측 열교환기(8)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(2)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 또한, 상기 공기조화기(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치에서의 전동기는 도면에서 도시한, 실외팬을 동작시키기 전동기(5b)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치의 블록도이고, 도 3은 SVPWM 파형에서의 제로 벡터를 도시하는 타이밍도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치(200)는, 컨버터(210), 인버터(220), 마이컴(230), 속도 산출부(240), 팬용 전동기(250) 및 적어도 하나의 센서(260a~260c)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치(200)는 리액터(미도시), 평활 커패시터(C), 및 출력전류 검출수단(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
컨버터(210)는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 도면에서는 상용 교류 전원을 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 삼상 교류 전원일 수도 있다. 상용 교류 전원의 종류에 따라 컨버터(210)의 내부 구조도 달라진다. 예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 조사 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다. 컨버터(210)는 복수개의 스위칭 소자를 구비하여, 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행한다.
한편, 상용 교류 전원과 컨버터(210) 사이에, 승압동작을 위하여, 전류를 저장하는 리액터(미도시)가 배치될 수 있다. 또한, 리액터는 컨버터의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
평활 커패시터(C)는 컨버터(210)의 출력단에 접속된다. 컨버터(210)로부터 출력되는 변환된 직류 전원을 평활하게 된다. 이하에서는 컨버터(210)의 출력단을 dc 단 또는 dc 링크단이라고 한다. dc 단에 평활된 직류 전압은 인버터(220)에 인가된다.
인버터(220)는 복수개의 인버터용 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 구체적으로 설명하면, 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된다.
인버터(220)에서 출력되는 삼상 교류 전원은 삼상 팬용 전동기(250)의 각 상에 인가된다. 여기서 삼상 전동기(250)는 고정자와 회전자를 구비하며, 각상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 삼상 팬용 전동기(250)의 종류로는 BLDC 전동기, synRM 전동기 등 다양한 형태가 가능하다.
마이컴(230)은 인버터(220)를 제어하도록 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 스위칭 제어신호(Sic)는 PWM용 스위칭 제어신호로서, 팬용 전동기(250)의 속도를 산출하는 속도 산출부(250)으로부터의 산출 속도(v)에 기초하여 생성된다.
특히, 마이컴(230)은, 팬용 전동기가 정지한 상태에서 외풍에 의해 팬용 전동기(250)가 역회전하는 경우, 속도 산출부(250)로부터 산출된 속도(v)에 기초하여 제로벡터의 인가시간을 결정한다.
역회전 산출 속도(v)가 커질수록, 제로벡터의 인가시간을 더 길게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 역회전 산출 속도(v)에 비례하여 제로벡터의 인가시간이 결정될 수도 있다. 이에 의해, 외풍에 의한 역회전 속도가 강한 경우는 제로 벡터에 의해 인가시간을 길게 하고, 역회전 속도가 낮은 경우는 제로 벡터의 인가시간을 짧게 하여, 팬용 전동기를 효율적으로 정지시킬 수 있다. 또한, 팬용 전동기의 역회전시 이를 정지하기 위해, 역회전 속도에 가변하는 시간 동안 제로 벡터를 인가함으로써, 인버터 내의 스위칭 소자에 흐르는 피크 전류가 감소하게 되어, 인버터 스위칭 소자들을 보호할 수 있게 된다.
결국, 마이컴(230)은 역회전 시 결정되는 제로 벡터 인가시간에 기초하여 인버터 스위칭 제어 신호를 결정하여 출력한다. 이러한 스위칭 제어 신호에 의해, 팬용 전동기는 정지하게 된다. 이에 의해, 마이컴(230)은 인버터(220)로 출력되는 인버터의 스위칭 제어 신호(Sic)를 결정한다.
도 4는 삼상 전동기의 각 상에 인가되는 공간벡터 펄스폭변조(Space Vector Pulse Width Modulation; SVPWM) 신호의 일예를 보여주는 인버터 스위칭 소자의 스위칭 타이밍도이다. 단위 스위칭 시간(1/스위칭 주파수)이 Ts 일때, 2Ts 동안 삼상 에 해당하는 각 스위칭 소자는 온/오프 동작을 하게 된다. 한편, 3상 중 모든 상의 스위칭 소자가 오프되거나, 모두 온 되는 경우를 제로 벡터라 하며, 이에 의해 전동기, 도 2의 팬용 전동기(250)에 흐르는 전류가 폐루프 또는 개루프를 형성하게 된다. 도 4는, 개루프를 형성하는 제1 제로 벡터의 인가시간(To1)과, 폐루프를 형성하는 제2 제로 벡터의 인가시간(To2)을 도시한다. 바람직하게는, 제2 제로 벡터의 인가시간(To2)이 외풍에 의한 역회전 속도(v)에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
마이컴(230)에 대한 추가 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.
속도 산출부(240)는 팬용 전동기(250)의 회전 속도(v)를 산출한다. 도면에서는 후술하는 적어도 하나의 센서(260a~260c)로부터 얻어지는 전동기 회전자의 위치 신호(Ha,Hb,Hc)에 기초하여 팬용 전동기(250)의 회전자 속도(v)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 위치와 속도의 관계는 시간에 대한 미분 관계이므로, 위치 신호를 미분하여 회전자의 속도를 산출할 수 있다.
또한, 속도 산출부(240)는 팬용 전동기(250)에 흐르는 출력전류를 이용하여 팬용 전동기의 회전자 속도를 산출할 수 있다. 예를 들어, 검출되는 출력전류에 기초하여 위치 추정 및 속도 추정 알고리즘을 이용하여 팬용 전동기의 회전자 속도(v)를 추정하여 산출할 수도 있다.
한편, 적어도 하나의 센서(260a~260c)는 전동기 회전자의 위치 신호(Ha,Hb,Hc)를 검출한다. 이를 위하여, 홀 센서(hall sensor)가 사용될 수 있다. 3상 모두에 홀 센서가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 삼상 평형을 이용하 여 적어도 하나의 홀 센서를 사용할 수도 있다. 또한, 인코더(encoder)가 사용되는 것도 가능하다. 검출된 위치 신호(Ha,Hb,Hc)는 속도 산출부(240)에 입력된다.
한편, 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치(200)는 출력전류 검출을 위한 출력전류 검출수단을 더 포함할 수 있다. 검출되는 출력전류에 기초하여 상술한 바와 같이 속도 산출부(240)로부터 전동기의 회전 속도(v)가 산출될 수 있으며, 이에 의해 인버터 스위칭 제어 신호가 생성될 수 있다.
또한, 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치(200)는 dc 단 전압을 검출하는 dc 단 전압 검출수단, 상용 교류 전원으로부터의 입력전류를 검출하는 입력전류 검출수단, 또는 입력전압 검출수단 등을 더 포함할 수 있다. dc 단 전압, 입력전류, 입력전압 등은 컨버터 동작을 위한 스위칭 제어 신호(Scc)의 생성 및 과전압,과전류 등의 보호동작에 사용될 수 있다.
도 4는 도 2의 인버터 마이컴 내부의 간략 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 인버터 마이컴(230)은 전압 지령 생성부(410) 및 스위칭 제어 신호 출력부(420)를 포함한다.
전압 지령 생성부(410)는, 속도 산출부(240)로부터의 산출된 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 즉, 전압지령 생성부(410)는 산출된 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성하는 PI 제어기(미도시) 및 전압 지령치(v* d,v* q)가 각각 소정치를 초과하지 않 도록 그 레벨을 제한하는 전압 지령 제한부(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 전압 지령 생성부(410) 전에, 산출된 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성하는 전류 지령 생성부(미도시)를 더 포함할 수도 있으며, 이와 같은 경우 전압 지령 생성부는 전류 지령치(i* d,i* q)와 전동기에 흐르는 출력전류에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성할 수도 있다.
스위칭 제어 신호 출력부(420)는 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 PWM신호인 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 인버터(220)로 출력한다. 이에 의해, 복수개의 스위칭 소자를 구비하는 인버터(220)가 동작을 하게 된다.
일단, 외풍에 의해, 전동기가 역회전하는 경우의 속도 지령치(v*)는 제로(0)의 값이므로, 속도 산출부(240)으로부터 산출된 속도(v)가 커질수록, 산출된 속도(v)와 속도 지령치(v*)의 차이가 커지게 된다. 따라서, 전압 지령 생성부(410)의 전압 지령치는 커지게 되고, 스위칭 제어 신호 출력부(420)에서 출력되는 스위칭 제어 신호(Sic)의 제로 벡터의 인가시간(T02)은 커지게 된다. 이에 의해, 팬용 전동기(250)의 역회전은 효율적으로 정지하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어방법의 순서도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 먼저, 팬용 전동기가 역회전하는지 여부를 판단한다(S510). 도 2의 적어도 하나의 센서(260a~260c)는 팬용 전동기(250)의 위치 신호(Ha,Hb,Hc)를 감지한다. 이러한 위치 신호가 정해진 패턴이 아닌 경우, 즉 역회전의 패턴인 경우 이를 역회전으로 판단한다.
다음에, 팬용 전동기의 속도를 산출한다(S520). 도 2의 속도 산출부(240)는 팬용 전동기의 속도(v)를 산출한다. 도 2의 적어도 하나의 센서(260a~260c)로부터의 위치 신호(Ha,Hb,Hc)에 기초하여(미분 등) 팬용 전동기의 속도(v)를 산출하거나, 출력전류로부터 추정 알고리듬을 이용하여 팬용 전동기의 속도(v)를 산출할 수 있다. 산출되는 속도는 팬용 전동기의 역회전 속도이다.
다음에, 산출된 속도에 기초하여 제로 벡터 인가 시간을 결정한다(S530). 도 2의 마이컴(230)은 팬용 전동기의 역회전 속도(v)에 기초하여 제로벡터 인가 시간을 결정한다. 속도가 클수록 제로 벡터 인가 시간이 커진다. 제로 벡터는 도 3에서의 제2 제로 벡터일 수 있다.
다음에, 결정된 제로 벡터 인가 시간에 기초하여 스위칭 제어 신호를 인버터에 출력한다(S540). 도 4의 스위칭 제어 신호 출력부(420)는 결정된 제로 벡터 인가 시간(To2)에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 인버터(220)에 출력한다. 이에 의해 인버터(220)는 전동기(250)에 제로 벡터와 관련된 신호를 인가하여 역회전을 정지시키게 된다.
도면에서는 도시하지 않았지만, 외풍에 의해 팬용 전동기(250)의 역회전을 정지 시킨후, 초기 기동을 위해 전동기에 일정 전류를 인가한다(S550). 즉, 초기 기동시 전동기 회전자의 위치를 정렬하도록 하기 위하여, 전동기(250)에 일정 전류를 인가한다. 이를 위해, 인버터(220)의 세 개의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 온되고, 온 되는 상암 스위칭 소자와 쌍을 이루지 않는 나머지 두 개의 하암 스위칭 소자가 온 된다. 일정 전류의 크기는 수 A 일 수 있다.
일정 전류의 인가 이후에, 전동기는 통상 운전에 의해 구동되게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명과 관련된 공기조화기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치의 블록도이다.
도 3은 SVPWM 파형에서의 제로 벡터를 도시하는 타이밍도이다.
도 4는 도 2의 인버터 마이컴 내부의 간략 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법을 도시한 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210:컨버터 220:인버터
230:마이컴 240:속도 산출부
250:팬용 전동기 260a,b,c:홀 센서

Claims (7)

  1. 팬용 전동기가 역회전하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 팬용 전동기가 역회전하는 경우, 상기 팬용 전동기의 역회전 속도를 산출하는 단계;
    상기 산출된 역회전 속도에 기초하여 제로 벡터 인가 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 팬용 전동기를 구동하는 인버터에, 상기 결정된 제로 벡터 인가 시간에 기초한 스위칭 제어 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역회전 속도가 클수록, 상기 제로 벡터 인가 시간이 커지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제로 벡터 인가 후에, 상기 팬용 전동기를 기동하도록, 상기 팬용 전동기에 일정전류를 인가하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어방법.
  4. 팬용 전동기를 구동하는 인버터;
    상기 팬용 전동기의 속도를 산출하는 속도 산출부; 및
    상기 산출된 속도가 역회전 속도인 경우, 상기 역회전 속도에 기초하여 전동기에 인가되는 제로 벡터 인가 시간을 결정하고, 상기 제로 벡터 인가 시간에 기초하여 스위칭 제어 신호를 상기 인버터로 출력하는 마이컴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팬용 전동기의 위치 신호를 감지하는 적어도 하나의 센서;를 더 포함하고,
    상기 속도 산출부는 상기 센서로부터의 위치 신호에 기초하여 상기 팬용 전동기의 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마이컴은,
    상기 역회전 속도가 클수록, 상기 제로 벡터 인가 시간이 커지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 마이컴은,
    상기 산출된 속도 및 속도 지령치에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 인버터의 스위칭 소자들을 구동하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 팬용 전동기 제어장치.
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