KR20090052168A - 공기조화기의 전동기 제어장치 - Google Patents

공기조화기의 전동기 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 복수개의 스위칭을 구비하고 그 스위칭 동작에 의해 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기에 공급하는 인버터와, 전동기에 인가되는 전력을 연산하는 전력 연산부와, 연산된 전력에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각을 연산하는 각도 연산부와, 최적 위상각에 기초하여 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 마이컴을 포함하는 공기조화기의 전동기 제어장치에 관한 것이다. 이에 의하여, 최적의 전류 지령치의 위상각을 실시간으로 간단히 결정할 수 있게 된다.
Figure P1020070118734
공기조화기, 전동기, 전력, 연산, 각도

Description

공기조화기의 전동기 제어장치{Motor controller of air conditioner}
본 발명은 공기조화기의 전동기 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최적의 전류 지령치의 위상각을 실시간으로 간단히 결정 가능한 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, 팬 등에 전동기가 사용되며, 이를 구동하기 위한 전동기 제어장치가 사용되고 있다. 공기조화기의 전동기 제어장치는 상용 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 변환하고, 직류 전원을 소정 주파수의 상용 교 류 전원으로 변환하여 전동기에 공급함으로써, 압축기, 팬 등의 전동기를 구동하도록 제어한다.
이러한 공기조화기의 제어를 위해, 인버터를 구동하는 스위칭 제어 신호가 인가되고 있으며, 스위칭 제어 신호의 생성시, 전류지령치의 위상각이 최적의 값을 갖도록 하는 다양한 방안이 논의되고 있다.
본 발명의 목적은, 최적의 전류 지령치의 위상각을 실시간으로 간단히 결정 가능한 공기조화기의 전동기 제어장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는, 복수개의 스위칭을 구비하고 그 스위칭 동작에 의해 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기에 공급하는 인버터와, 전동기에 인가되는 전력을 연산하는 전력 연산부와, 연산된 전력에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각을 연산하는 각도 연산부와, 최적 위상각에 기초하여 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 마이컴을 포함한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는, 복수개의 스위칭을 구비하고 그 스위칭 동작에 의해 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기에 공급하는 인버터와, 전동기에 흐르는 출력전류에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각을 연산하는 각도 연산부와, 최적 위상각에 기초하여 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 마이컴을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치는 최적의 전류 지령치의 위상각을 간단히 결정할 수 있게 된다. 또한, 실시간으로 결정할 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, 공기조화기(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치의 전동기는 도면에서 도시한, 실외팬, 압축기 또는 실내 팬을 동작시키기 각 전동기(2b,5b,9b)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치를 도시한 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치(200)는, 인버터(220), 마이컴(230), 전력 연산부(260), 및 각도 연산부(270)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치(200)는 출력전류 검출수단(E), 및 출력전압 검출수단(F) 를 더 포함할 수 있다. 또한, 컨버터(210), 리액터(L) 및 평활 커패시터(C) 등을 더 포함할 수 있다.
리액터(L)는, 상용 교류 전원과 컨버터(210) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압 동작을 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 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 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.
출력전류 검출수단(E)은 전동기(250)에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 출력전류 검출수단(E)은 인버터(220)와 전동기(250) 사이의 적어도 한 상에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 또한 출력전류 검출수단(E)은 인버터(220)의 3개의 하암 스위 칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자에 일단이 접속되는 션트 저항일 수 있다. 검출되는 출력전류(io)는 마이컴(230) 및 전력 연산부(260)에 입력된다.
출력전압 검출수단(F)은 전동기(250)에 인가되는 출력전압(vo)을 검출한다.출력전압 검출수단(F)은 인버터(220)와 전동기(250) 사이의 적어도 한 상에 위치할 수 있으며, 전압 검출을 위해, 전압 센서 또는 저항 소자 등이 사용될 수 있다. 검출되는 출력전압(vo)는 전력연산을 위해 전력 연산부(260)에 입력된다.
전력 연산부(260)는, 출력전류 검출수단(E)으로부터의 출력전류(io)와, 출력전압 검출수단(F)으로부터의 출력전압(vo)에 기초하여 출력전력(Pc)을 연산한다. 전력 연산부(260)는, 삼상 전동기의 각 상의 출력전력(Pc)을 연산할 수 있다. 또한, 전력 연산부(260)는, 출력전력(Pc)을 실시간으로 연산할 수 있다. 연산된 출력전력(Pc)은 각도 연산부(270)에 인가된다.
각도 연산부(270)는 연산된 전력(Pc)에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각(θc)을 연산한다. 전류 지령치의 최적 위상각(θc)은 연산된 전력(Pc)의 크기가 최소인 경우에 해당하는 위상각일 수 있다. 즉, 연산된 전력의 변곡점에서 전류 지령치의 최적 위상각(θc)이 결정될 수 있다.
한편, 전동기(250) 각 상의 연산된 전력은 회전 좌표계인 d, q 축으로 축변환될 수 있으며, d, q 축으로 축변환된 전력에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각(θc)이 결정될 수 있다. 이와 같이, 실시간으로 연산된 전력(Pc)에 기초하여 간 단히 전류 지령치의 최적 위상각(θc)이 결정된다. 한편, 연산된 최적 위상각(θc)은 마이컴(230)에 입력되어, 스위칭 제어 신호의 생성(Sic)에 사용된다.
마이컴(230)은 인버터(220)를 제어하도록 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 스위칭 제어신호(Sic)는 PWM용 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출수단(E)에서 검출되는 출력전류(io) 및 연산된 최적 위상각(θc)에 기초하여 생성된다.
마이컴(230)에 상세한 동작은 도 3을 참조하여 후술한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치(200)는, 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압을 검출하는 dc 단 전압 검출수단을 더 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압은 컨버터의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터 스위칭 제어 신호의 생성에 사용될 수 있다. 여기서, 컨버터 스위칭 제어 신호는 마이컴(230)과 동일한 마이컴에서 생성될 수 있으나, 이와 달리 별개의 마이컴에서 생성되는 것도 가능하다.
도 3은 도 2의 마이컴 내부의 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 마이컴(230)은 추정부(305), 전류 지령 생성부(310), 전압 지령 생성부(320) 및 스위칭 제어신호 출력부(330)를 포함한다.
추정부(305)는 검출된 출력전류(io)에 기초하여 전동기의 회전자 속도(v)를 추정한다. 속도 추정 알고리즘에 의해 속도(v)를 추정한다. 한편, 추정부(305)는 전동(250)기 회전자의 위치를 추정할 수도 있다. 위치를 추정하는 경우, 회전자 위 치와 속도(v)는 미분관계이므로, 회전자 속도는 회전자 위치를 이용하여 연산될 수 있다.
전류 지령 생성부(310)는 추정 속도(v), 속도 지령치(v*) 및 최적 위상각(θc)에 기초하여 d, q축 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다. 전류 지령 생성부(310)는 추정 속도(v) 및 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치의 크기(I*)를 결정할 수 있으며, 연산된 최적 위상각(θc)을 이용하여, d, q축 전류 지령치(i* d,i* q)을 생성할 수 있다. 즉, 전류 지령치의 크기(I*), 최적 위상각(θc) 및 d, q축 전류 지령치(i* d,i* q)는 다음의 수학식 1과 같은 관계가 있다.
Figure 112007083446680-PAT00001
즉, 전류 지령 생성부(310)는, d, q축 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성하는 PI 제어기(미도시), 및 d,q축 전류 지령치(i* d,i* q)가 각각 소정치를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 d,q축 전류 지령 제한부(미도시)를 포함할 수 있다.
전압 지령 생성부(320)는 d, q축 전류 지령치(i* d,i* q)와 검출되는 출력 전 류(io)에 기초하여 d,q 축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 즉, 전압 지령 생성부(320)는, d,q 축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성하는 PI 제어기(미도시) 및 d,q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 각각 소정치를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 d,q축 전압 지령 제한부(미도시)를 포함할 수 있다.
스위칭 제어신호 출력부(330)는 d, q축 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 인버터용 스위칭 소자를 구동하도록 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력한다. 스위칭 제어 신호(Sic)는 인버터(220) 스위칭 소자의 게이트 단자에 인가되어 인버터 스위칭 소자의 온/오프를 제어한다.
한편, 도면에서는 전압 지령 생성부(320)에 출력전류(io)가 입력되는 것으로 도시되고 있으나, 이에 한정되지 않고 출력전류(io)가 d, q축의 회전좌표계로 변환된 값일 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치를 도시한 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치(400)는 인버터(420), 마이컴(430), 및 각도 연산부(470)을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치(400)는, 출력전류 검출수단(E)을 더 포함한다. 또한, 컨버터(410), 리액터(L), 및 평활 커패시 터(C) 등을 더 포함할 수 있다.
도 4의 공기조화기의 전동기 제어장치(400)는 도 2의 공기조화기의 전동기 제어장치(200)와 유사하다. 즉, 리액터(L), 컨버터(410), 인버터(420), 마이컴(430), 및 평활 커패시터(C)는 그 동작이 도 2에서와 동일하다. 이하에서는 도 2와의 차이점을 중심으로 설명한다.
출력전류 검출수단(E)은 전동기(450)에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 출력전류 검출수단(E)에 대한 설명은 도 2에서의 설명과 거의 동일하다. 다만, 검출되는 출력전류(io)는 마이컴(430) 및 각도 연산부(470)에 입력된다.
각도 연산부(470)는 출력전류(io)에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각(θc)을 연산한다. 전류 지령치의 최적 위상각(θc)은 출력전류(io)의 크기가 최소인 경우에 해당하는 위상각일 수 있다. 즉, 출력전류(io)의 변곡점에서 전류 지령치의 최적 위상각(θc)이 결정될 수 있다.
한편, 전동기(450) 각 상의 출력전류는 회전 좌표계인 d, q 축으로 축변환되며, d, q 축으로 축변환된 출력전류에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각(θc)이 결정될 수 있다. 이와 같이, 실시간으로 출력전류(io)에 기초하여 간단히 전류 지령치의 최적 위상각(θc)이 결정된다. 한편, 연산된 최적 위상각(θc)은 마이컴(430)에 입력되어, 스위칭 제어 신호의 생성(Sic)에 사용된다.
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 마이컴 내부의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 전동기 제어장치를 도시한 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210:컨버터 220:인버터
230:마이컴 260:전력 연산부
270,470:각도 연산부

Claims (8)

  1. 복수개의 스위칭을 구비하고, 그 스위칭 동작에 의해 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기에 공급하는 인버터;
    상기 전동기에 인가되는 전력을 연산하는 전력 연산부;
    상기 연산된 전력에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각을 연산하는 각도 연산부; 및
    상기 최적 위상각에 기초하여 상기 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 마이컴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도 연산부는
    상기 연산된 전력의 크기가 최소인 경우에 해당하는 위상각을 최적 위상각으로 연산하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 출력전류 검출수단; 및
    상기 전동기에 인가되는 전압을 검출하는 출력전압 검출수단;을 더 포함하고,
    상기 전력 연산부는,
    상기 출력전류 및 출력전압에 기초하여 상기 전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴은,
    상기 전동기에 흐르는 출력전류에 기초하여 속도를 추정하는 추정부;
    상기 추정 속도, 속도 지령치 및 상기 최적 위상각에 기초하여 d,q축 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 d,q축 전류 지령치 및 상기 출력전류에 기초하여 d,q축 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 d,q축 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기의 제어장치.
  5. 복수개의 스위칭을 구비하고, 그 스위칭 동작에 의해 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기에 공급하는 인버터;
    상기 전동기에 흐르는 출력전류에 기초하여 전류 지령치의 최적 위상각을 연산하는 각도 연산부; 및
    상기 최적 위상각에 기초하여 상기 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 마이컴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각도 연산부는
    상기 출력전류의 크기가 최소인 경우에 해당하는 위상각을 최적 위상각으로 연산하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전동기에 흐르는 출력전류를 검출하는 출력전류 검출수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기 제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴은,
    상기 출력전류에 기초하여 속도를 추정하는 추정부;
    상기 추정 속도, 속도 지령치 및 상기 최적 위상각에 기초하여 d,q축 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 d,q축 전류 지령치 및 상기 출력전류에 기초하여 d,q축 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 d,q축 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터 스위칭 제어 신호를 출력하 는 스위칭 제어 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 전동기의 제어장치.
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