KR20090044256A - 공기조화기의 전동기 제어장치 - Google Patents

공기조화기의 전동기 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 회전자 및 고정자를 포함하는 삼상 전동기, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 직류 전원으로 소정의 교류 전원으로 변환하여 전동기를 구동하는 인버터, 전동기 회전자의 위치 신호를 감지하는 위치 감지부 및 필터링된 아날로그 신호에 기초하여 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 공기조화기의 전동기 제어장치에 관한 것이다. 이에 의하여, 소비 전력을 저감하면서 간단히 전동기를 제어할 수 있게 된다.
Figure P1020070110265
전동기, 모터부, 아날로그 신호

Description

공기조화기의 전동기 제어장치{Motor controller of air conditioner}
본 발명은 공기조화기의 전동기 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소비 전력을 저감하면서 간단히 전동기를 제어할 수 있는 공기조화기의 전동기 제어장치에 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 등에 전동기가 사용되며, 이를 구동하기 위한 전동기 제어장치가 사용되고 있다. 공기조화기의 전동기 제어장치는 상용 교류 전원을 입력받아 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여 전동기에 공급함으로써, 전동기를 구동하도록 제어한다.
직류 전압을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여 전동기에 공급하는 인버터는 스위칭 제어 신호에 의해 동작을 하게 되며, 마이컴을 통해 이러한 스위칭 제어 신호시 소정의 알고리즘을 사용하고 있는 추세이다. 알고리즘을 사용하는 경우, 하드웨어적으로는 간단해 지지만, 소프트웨어적으로 복잡하게 된다. 이와 같은, 공기조화기의 전동기를 효율적이고 간단히 제어가능한 방안이 논의되고 있다.
본 발명의 목적은, 소비 전력을 저감하면서 간단히 전동기를 제어할 수 있는 공기조화기의 전동기 제어장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 회전자 및 고정자를 포함하는 삼상 전동기, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 직류 전원으로 소정의 교류 전원으로 변환하여 전동기를 구동하는 인버터, 전동기 회전자의 위치 신호를 감지하는 위치 감지부, 및 필터링된 아날로그 신호에 기초하여 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 모터부를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는 인버터를 포함하는 모터부에 아날로그 신호를 인가함으로써, 소비 전력을 저감하면서 전동기를 구동할 수 있게 된다.
또한, 아날로그 신호의 레벨에 따라 PWM 스위칭 제어 신호의 듀티가 결정되므로, 간단히 전동기를 제어할 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 포함한다.
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 전동기 제어장치에서의 전동기는 도면에서 도시한, 실외팬, 또는 실내 팬을 동작시키기 각 전동기(2b,9b)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치를 도시한 회로도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는, 컨버터(210) 및 모터부(220)를 포함한다. 여기서 모터부(220)는 전동기(250), 제어부(260) 및 인버터(230)를 포함한다. 한편, 도 2의 공기조화기의 전동기 제어장치는 마이컴(230) 및 필터부(240)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 2의 공기조화기의 전동기 제어장치는 리액터(L) 및 평활 커패시터(C) 등을 더 포함할 수 있다.
리액터(L)는, 상용 교류 전원과 컨버터(210) 사이에 배치되어, 승압동작을 수행한다. 또한, 리액터(L)는 컨버터의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
컨버터(210)는 리액터(L)를 거친 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 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다. 컨버터(210)는 복수개의 스위칭 소자를 구비하여, 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행한다.
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 모터부(220) 내의 인버터(230)에 인가된다.
인버터(230)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(230)에서 출력되는 삼상 교류 전원은 삼상 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 전동기(250)의 종류로는 유도 전동기, BLDC 전동기, synRM 전동기 등 다양한 형태가 가능하다.
위치 감지부(235)는 전동기(250)의 회전자 위치를 감지한다. 위치 감지부(235)로 홀 센서(hall sensor)로 구현되는 것이 가능하며, 삼상 평형을 고려하여, 삼상 전동기(250)의 삼상 중 적어도 한 상의 위치를 감지하도록 적어도 하나의 홀 센서가 사용될 수 있다. 또한, 위치 감지부(235)로 인코더(encoder)가 사용되는 것도 가능하다. 위치 감지부(235)는 감지한 위치 감지 신호(P)를 제어부(240)에 출력한다.
제어부(240)는, 필터부(270)로부터 입력되는 필터링된 아날로그 신호(Va)에 기초하여 인버터 내의 스위칭 소자를 제어하기 위한 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다. 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는 PWM 신호로서, 듀티가 가변함에 따라, 복수개의 스위칭 소자를 구비하는 인버터(230)가 동작을 하게 된다.
또한, 제어부(240)는 위치 감지부(235)로부터 입력되는 위치 감지 신호(P)에 기초하여 속도(v)를 산출하고 이를 모터부(220)의 외부에 있는 마이컴(260)에 출력한다. 제어부(240)의 동작에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하여 후술한다.
한편, 상술한 인버터(230), 위치 감지부(235), 제어부(240), 및 전동기(250)는 모듈 형태로서 모터부(220) 내에 포함될 수 있다. 이러한 경우에, 전동기 제어를 위해 모터부(220), 더 구체적으로는 제어부(240)에 아날로그 신호(Va)를 입력하여 제어한다.
마이컴(260)은 산출된 속도(v)에 기초하여, 아날로그 신호(Sa)를 출력한다. 아날로그 신호(Sa)는 모터부(220) 내의 제어부(240)에서 생성되는 스위칭 제어 신호(Sic)의 생성에 사용되며, 이를 위하여, 레벨이 가변되는 신호일 수 있다. 마이컴(260)에 대한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.
필터부(270)는, 마이컴(260)에서 출력되는 아날로그 신호(Sa)를 입력받아, 필터링을 수행하고, 필터링된 아날로그 신호(Va)를 모터부(220) 내의 제어부(240)로 출력한다. 필터링된 아날로그 신호는 전압 신호로서, 전압 신호의 크기에 따라 제어부(240)에서 생성되는 스위칭 제어 신호(Sic)의 듀티가 결정된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는 dc 단 전 압(Vdc)을 검출하는 dc 단 전압 검출수단, 상용 교류 전원으로부터의 입력전압 또는 입력전류를 검출하는 수단 등을 더 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc), 입력전류 또는 입력전압에 기초하여 생성되는 컨버터 스위칭 제어 신호에 의해 컨버터가 제어된다. 이러한 컨버터 스위칭 제어 신호는 마이컴(230)과 동일한 마이컴에서 생성될 수 있으나, 별개의 마이컴에서 생성되는 것도 가능하다.
도 3은 도 2의 제어부의 내부 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 제어부(240)는 스위칭 제어 신호 출력부(310) 및 속도 산출부(320)를 포함한다.
스위칭 제어 신호 출력부(310)는, 필터부(270)로부터 입력되는 필터링된 아날로그 신호(Va)에 기초하여, 인버터 내의 스위칭 소자를 제어하기 위한 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다. 여기서, 필터링된 아날로그 신호(Va)는 전압 신호일 수 있으며, 필터링된 아날로그 신호(Va)는 0V 내지 5V 사이의 크기를 가질 수 있다. 아날로그 신호(Va)의 크기에 기초하여 PWM 형태의 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)의 듀티가 결정될 수 있다. 즉, 아날로그 신호(Va)의 크기가 크면, 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)의 듀티가 넓어질 수 있다.
속도 산출부(320)는 위치 감지부(235)로부터의 위치 검지 신호(P)에 기초하여 전동기의 속도(v)를 산출한다. 위치(P)와 속도(v)는 미분 관계에 있으므로, 속도 산출부(320)는 미분 관계를 이용하여 전동기의 속도(v)를 산출할 수 있다.
한편, 속도 산출부(320)는 전동기에 흐르는 출력전류에 기초하여 속도(v)를 추정할 수도 있다.
도 4는 도 2의 마이컴의 내부 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 모터부(220)의 외부에 위치하는 마이컴(260)은 전압 지령 생성부(410) 및 아날로그 신호 출력부(420)를 포함한다.
전압 지령 생성부(410)는 속도 산출부(320)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 않도록 그 레벨을 제한하는 전압 지령 제한부(미도시)를 포함할 수 있다.
아날로그 신호 출력부(430)는 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 아날로그 신호(Va)를 생성하여 필터부(270)로 출력한다. 아날로그 신호(Va)는 전압 신호로서, 모터부(220) 내의 제어부(260)에서 생성되는 스위칭 제어 신호(Sic)의 생성에 기초가 된다. 즉, 전압 지령치(v* d,v* q)의 크기에 따라, 아날로그 신호(Va)의 크기가 결정될 수 있다.
도면에서는, 속도 산출부(320)로부터의 산출된 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않 는다. 즉, 속도 산출부(320)로부터의 산출된 속도(v)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성하는 전류 지령 생성부를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 전압 지령 생성부는 전류 지령치에 기초하여 전압 지령치를 생성하게 된다.
도 5는 도 2의 필터부의 내부 회로도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 필터부(270)는 기동부(510), 증폭부(520), 및 로우패스 필터부(530)를 포함한다.
기동부(510)는, 필터부(270)의 필터링 동작을 기동시키도록, 스위칭 소자(T1)을 포함한다. 펄스 형태의 기동 제어 신호(EN)의 레벨에 따라 스위칭 소자(T1)가 온(on) 되어, 전체 필터부(270)가 동작을 하게 된다. 기동 제어 신호(EN)는 마이컴(260)에서 출력될 수 있다. 즉, 마이컴(260)은 필터부(270)의 온/오프 동작을 제어하게 된다.
증폭부(520)는 마이컴(260)으로부터의 아날로그 신호(Sa)를 증폭하여 로우패스 필터부(530)에 전달한다. 이를 위하여, 증폭부(520)는 아날로그 신호(Sa)에 의해 동작하는 스위칭 소자(T2), 커패시터(C1) 및 저항 소자들(R1,R2)을 포함한다.
로우 패스 필터부(530)는 증폭된 아날로그 신호(Sa)를 로우 패스 필터링하여 필터링된 아날로그 신호(Va)를 출력한다. 이를 위하여, 로우 패스 필터부(530)는 저항 소자(R3) 및 커패시터(C2)를 포함한다. 필터링된 아날로그 신호(Va)는 전압 신호로서, 0 ~ 5V 의 크기를 가질 수 있다. 필터링된 아날로그 신호(Va)는 모터부(220) 내의 제어부(240)에 입력되어 스위칭 제어 신호(Sic)의 생성에 사용된다.
마이컴(260), 및 필터부(270)를 통해, 전압 신호인 아날로그 신호(Sa)를 생성하고, 이를 필터링하여 필터링된 아날로그 신호(Va)의 크기에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)의 듀티를 가변할 수 있게 되어, 간단히, 전동기(250)를 제어할 수 있게 된다. 또한, 마이컴(260)에서 사용되는 소비전력도 저감되게 된다.
상술한 전동기(250)를 포함하는 모터부(220)는 도 1에서 도시한 전동기 중 실외팬, 또는 실내 팬을 동작시키기 각 전동기(2b,9b)에 적용되는 것이 바람직하다.
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 전동기 제어장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 제어부의 내부 블록도이다.
도 4는 도 2의 마이컴의 내부 블록도이다.
도 5는 도 2의 필터부의 내부 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210:컨버터 220:모터부
230:인버터 235:위치 감지부
240:제어부 260:마이컴
270:필터부

Claims (7)

  1. 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터; 및
    회전자 및 고정자를 포함하는 삼상 전동기와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 직류 전원으로 소정의 교류 전원으로 변환하여 상기 전동기를 구동하는 인버터와, 상기 전동기 회전자의 위치 신호를 감지하는 위치 감지부와, 필터링된 아날로그 신호에 기초하여 상기 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 모터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 감지된 위치 신호에 기초하여 속도를 산출하는 속도 산출부; 및
    상기 필터링된 아날로그 신호에 기초하여 상기 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산출된 속도에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 마이컴; 및
    상기 아날로그 신호를 필터링하여 상기 필터링된 아날로그 신호를 출력하는 필터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이컴은,
    상기 산출된 속도 및 속도 지령치에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여 상기 아날로그 신호를 출력하는 아날로그 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 필터부는,
    필터링 동작을 기동하는 기동부;
    상기 아날로그 신호를 증폭하는 증폭부; 및
    상기 증폭된 아날로그 신호를 로우패스 필터링하는 로우패스 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 필터링된 아날로그 신호는 0V 내지 5V 사이의 크기를 갖는 전압 신호인 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전동기는
    상기 공기조화기의 실내용 팬 전동기 또는 실외용 팬 전동기인 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
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