KR20160048216A - 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

역률 개선부의 온 오프가 단시간에 연속하여 전환되는 헌팅현상의 발생을 방지한다. 역률 개선 제어부(31g)는, 역률 개선부(25)의 입력전류(Im)에 관한 파라미터(parameter)값이 제 1 임계값 이상인 경우는 역률 개선부(25)를 온(on)시키고, 파라미터값이 제 1 임계값보다도 낮은 제 2 임계값 이하인 경우는 역률 개선부(25)를 오프(off)시킨다. 역률 개선부(25)가 온에서 오프 또는 오프에서 온으로 전환된 때부터 소정 시간(Tg) 동안, 역률 개선 제어부(31g)는, 파라미터값에 관계없이 전환 후의 역률 개선부(25)의 상태를 유지한다.

Description

전력변환장치{POWER CONVERTER}
본 발명은, 전력변환장치, 특히, 역률 개선부의 온(on) 및 오프(off)의 헌팅현상 발생 방지책에 관한 것이다.
공기조화장치에 있어서의 압축기는, 모터를 구동원으로 하여 구동된다. 모터는, 전력변환을 행하는 장치로부터 교류전력을 공급받아 구동된다.
전력변환을 행하는 장치로서는, 특허문헌 1에 나타내듯이, 주로, 정류부(整流部), 승압형 역률 개선부, 및 인버터식 전력변환부에 의해 구성되는 것이 일반적으로 알려져 있다. 먼저, 상용 전원으로부터 출력된 교류전원인 상용전압은, 정류부에 의해 정류된다. 정류 후의 전압은, 역률 개선부에 의해 원하는 전압으로 승압되고 평활(平滑)됨으로써, 역률 개선된다. 역률 개선 후의 전압은, 전력변환부에 공급된다. 전력변환부는, 역률 개선 후의 전압을 이용하여 모터 구동용 교류전력을 생성한다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2011－239547호 공보
역률 개선부의 온 오프 제어는, CPU 등으로 구성되는 컨트롤러에 의해 이루어진다. 컨트롤러는, 예를 들어, 역률 개선부의 입력전류에 기초하여 얻어진 파라미터(parameter)값의 대소(大小)에 따라, 역률 개선부를 온 또는 오프시킨다. 그러나, 조건에 따라서는, 역률 개선부의 온 오프의 전환 직후, 컨트롤러에 의한 현시점에서의 역률에 관한 상태의 인식이 과도적으로 맞지 않게 되어, 단시간에 연속하여 역률 개선부의 온 오프가 전환되는 헌팅현상이 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 헌팅현상은, 역률 개선부에 흐르는 전류의 파형 일그러짐을 발생시켜, 역률 개선부 내(內)의 리액터로부터 이상음을 발생시키는 원인으로도 될 수 있다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 상기 헌팅현상의 발생을 방지하는 데 있다.
본 개시의 제 1 양태는, 교류전원(91)으로부터의 입력교류를 정류하는 정류부(22)와, 상기 정류부(22)로부터 출력되는 입력전압(V1)에 대해 역률 개선 동작을 행하는 역률 개선부(25)와, 상기 역률 개선부(25)의 출력단자에 접속되며, 출력교류전력(SU, SV, SW)을 생성하는 전력변환부(28)와, 상기 역률 개선부(25)의 상기 역률 개선 동작을 제어하는 제어부(31g)를 구비한다. 상기 제어부(31g)는, 상기 역률 개선부(25)의 입력 또는 출력에 관한 파라미터값이 제 1 임계값 이상인 경우는 상기 역률 개선부(25)를 온(on)시켜 상기 역률 개선 동작을 행하게 하며, 상기 파라미터값이 상기 제 1 임계값보다도 낮은 제 2 임계값 이하인 경우는 상기 역률 개선부(25)를 오프(off)시켜 상기 역률 개선 동작을 정지시키고, 상기 역률 개선부(25)가 온에서 오프 또는 오프에서 온으로 전환된 때부터 소정 시간(Tg) 동안, 상기 파라미터값에 관계없이 전환 후의 상기 역률 개선부(25)의 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 제 1 양태에 의하면, 역률 개선부(25)가 온에서 오프로 전환된 경우, 당해 전환 시부터 소정 시간(Tg) 동안, 역률 개선부(25)의 오프 상태가 유지된다. 반대로, 역률 개선부(25)가 오프에서 온으로 전환된 경우, 당해 전환 시부터 소정 시간(Tg) 동안, 역률 개선부(25)의 온 상태가 유지된다. 따라서, 역률 개선부(25)의 상태 전환 시부터 소정 시간(Tg) 동안에, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 연속하여 전환되는 헌팅현상의 발생을 방지할 수 있다.
본 개시의 제 2 양태는, 제 1 양태에 있어서, 상기 제어부(31g)는, 상기 소정 시간(Tg) 경과 후, 전환 후의 상기 역률 개선부(25)의 상태 유지를 해제하는 것을 특징으로 한다.
제 2 양태에 의하면, 소정 시간(Tg) 경과 후에는, 파라미터값과 2개의 임계값(구체적으로는, 제 1 임계값 및 제 2 임계값)의 대소 관계에 따라, 역률 개선부(25)가 오프에서 온 또는 온에서 오프로 전환되게 된다.
본 개시의 제 3 양태는, 제 2 양태에 있어서, 상기 역률 개선부(25)의 입력 또는 출력을 소정 주기(Ts)로 검출하는 검출부(29)를 더 구비한다. 상기 소정 시간(Tg)은, 상기 소정 주기(Ts)보다도 긴 것을 특징으로 한다.
제 3 양태에 의하면, 소정 시간(Tg) 경과 후에는, 소정 시간(Tg) 중에 검출된 최신 역률 개선부(25)의 입력 또는 출력에 관한 파라미터값에 기초하여, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 전환된다. 따라서, 소정 시간(Tg) 경과 후, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 최신 파라미터값에 기초하여 정확하게 전환됨과 동시에, 소정 시간(Tg) 경과 후의 헌팅현상 발생도, 확실하게 방지된다.
본 개시의 제 4 양태는, 제 3 양태에 있어서, 상기 검출부(29)는, 상기 역률 개선부(25)의 입력전류(Im)를 검출하는 전류검출부인 것을 특징으로 한다.
본 개시의 제 5 양태는, 제 1 양태에서 제 3 양태 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 파라미터값은, 상기 역률 개선부(25)의 입력전력 또는 출력전력에 관한 값인 것을 특징으로 한다.
본 개시의 제 6 양태는, 제 1 양태에서 제 5 양태 중 어느 한 양태의 전력변환장치(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치이다.
본 개시의 제 1 양태, 제 4 양태에서 제 6 양태에 의하면, 역률 개선부(25)의 상태 전환 시부터 소정 시간(Tg) 동안에, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 연속하여 전환되는 헌팅현상의 발생을 방지할 수 있다.
또, 상기 제 2 양태에 의하면, 소정 시간(Tg) 경과 후에는, 파라미터값과 2개의 임계값(구체적으로는, 제 1 임계값 및 제 2 임계값)의 대소 관계에 따라, 역률 개선부(25)가 오프에서 온 또는 온에서 오프로 전환되게 된다.
또한, 상기 제 3 양태에 의하면, 소정 시간(Tg) 경과 후, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 최신 파라미터값에 기초하여 정확하게 전환됨과 동시에, 소정 시간(Tg) 경과 후의 헌팅현상 발생도, 확실하게 방지된다.
도 1은, 전력변환장치를 구비한 모터 구동 시스템의 구성도이다.
도 2는, 입력전압, 그 파고값, 입력측 검출주기, 및 입력전압 검출부의 검출결과의 경시적 변화를 나타낸 타이밍 차트(timing chart)다.
도 3은, 컨트롤러의 기능부를 모식적으로 나타낸 도이다.
도 4는, 가변식 출력 목표값의 개념 설명도이다.
도 5는, 헌팅현상이 발생하는 메커니즘의 설명도이다.
도 6은, 입력전류, 전류검출부에 의한 입력전류의 검출 타이밍, 및 PFC(power factor correction) 구동 지령신호의 경시적 변화를 나타내는 타이밍 차트다.
도 7은, 공기조화장치 구성의 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 그리고, 이하의 실시형태는, 본질적으로 바람직한 예시이고, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
《제 1 실시형태》
＜개요＞
도 1은, 본 제 1 실시형태에 관한 전력변환장치(20)를 구비한 모터 구동 시스템(100)의 구성도이다. 도 1의 모터 구동 시스템(100)은, 모터(11)와, 전력변환장치(20)로 구성된다.
모터(11)는, 3상 브러시리스(BL: brushless) DC 모터이고, 도시는 하지 않으나, 스테이터, 로터, 및 홀 소자 등을 갖는다. 스테이터는, 복수의 구동 코일로 구성된다. 로터는, 영구자석으로 구성된다. 홀 소자는, 스테이터에 대한 로터의 위치를 검출하기 위한 소자이다.
여기서, 본 제 1 실시형태에 관한 모터(11)는, 도 7의 공기조화장치(70)에 포함되는 압축기(72)의 구동원이다. 도 7은, 실외유닛(71) 및 실내유닛(80)에 의해 구성되는 냉매 회로도이다. 실외유닛(71)에는, 모터(11), 냉매를 압축하는 압축기(72), 냉매의 흐름을 전환하는 사방 전환 밸브(73), 외기(外氣)와 냉매와의 사이에서 열교환을 행하는 실외 열교환기(74), 냉매를 감압하는 팽창 밸브(75), 실외 열교환기(74)로 외기를 공급하는 실외 팬(76), 및 팬 모터(77)가 포함된다. 실내유닛(80)에는, 실내 공기와 냉매와의 사이에서 열교환을 행하는 실내 열교환기(81), 열교환 후의 공기를 실내에 취출(吹出)하는 실내 팬(82), 및 팬 모터(83)가 포함된다.
전력변환장치(20)는, 상용 전원(91) 및 모터(11)와, 복수 개의 하니스(harness)를 개재하여 접속된다. 전력변환장치(20)는, 교류 전원인 상용 전원(91)으로부터의 입력교류를 출력교류전력(SU, SV, SW)으로 변환시켜 모터(11)에 공급한다. 이에 의해, 모터(11)는 구동될 수 있다.
그리고, 본 제 1 실시형태에서는, 상용 전원(91)이 단상 전원인 경우를 예로 든다.
＜전력변환장치의 구성＞
전력변환장치(20)는, 주로, 필터(21), 정류부(22), 주전원 릴레이(23), 입력전압 검출부(24), 역률 개선부(25), 출력전압 검출부(27), 전력변환부(28), 검출부인 전류 검출부(29), 역률 개선 구동부(30), 및 컨트롤러(31)를 구비한다.
－필터－
필터(21)는, 상용 전원(91)과 정류부(22)와의 사이에 위치한다. 필터(21)는, 코일(21a)과 콘덴서(21b)로 구성된 저역 필터(low-pass filter)이며, 역률 개선부(25) 및 전력변환부(28)에서 발생한 고주파 노이즈가 상용 전원(91)측으로 돌아 들어가는 것을 방지한다.
－정류부－
정류부(22)는, 필터(21)의 후단(後段)에 접속된다. 정류부(22)는, 4개의 다이오드(22a, 22b, 22c, 22d)로 구성된다.
구체적으로는, 다이오드(22a, 22c)의 각 캐소드 단자는, 전원 배선(41)에 접속된다. 다이오드(22b, 22d)의 각 애노드 단자는, GND 배선(42)에 접속된다. 다이오드(22a)의 애노드 단자와 다이오드(22b)의 캐소드 단자의 접속점, 및, 다이오드(22c)의 애노드 단자와 다이오드(22d)의 캐소드 단자의 접속점은, 각각 상용 전원(91)의 출력에 접속된다.
정류부(22)는, 상용 전원(91)으로부터의 입력교류를, 도 2에 나타내듯이 전파 정류하여 출력한다. 도 2는, 정류된 전압(이하, 입력전압)(V1), 입력전압(V1)의 파고값(V11), 후술하는 입력측 검출주기, 및 입력전압 검출부(24)의 검출결과(Vac_peak)의 경시적 변화를 나타낸다.
이하에서는, 설명의 편의상, 입력교류의 전압을 ＂상용전압(V0)＂이라고 칭한다.
－주전원 릴레이－
주전원 릴레이(23)는, 정류부(22)와 역률 개선부(25)와의 사이에서, 전원 배선(41) 상에 직렬로 접속된다. 주전원 릴레이(23)는 상폐접점(normally close contact)이다. 주전원 릴레이(23)는, 예를 들어 모터(11)의 구동을 긴급 정지해야 하는 경우에 개방됨으로써, 상용 전원(91)으로부터 모터(11)측으로의 전력 공급을 차단한다.
모터(11)의 구동을 긴급 정지해야 하는 경우로서는, 압축기(72)에서 고압이상이 발생한 경우, 및, 모터(11)에 과대 전류가 흐른 경우 등을 들 수 있다.
그리고, 주전원 릴레이(23)의 위치는, 정류부(22)의 후단 대신에 전단(前段)이어도 된다.
－입력전압 검출부－
입력전압 검출부(24)는, 정류부(22)로부터 출력된 전압(V1)을, 역률 개선부(25)의 입력전압으로서 검출한다.
구체적으로, 입력전압 검출부(24)는, 도 1 및 도 3에 나타내듯이, 주로, 직렬로 접속된 2개의 저항(24a, 24b), 피크 홀드 회로(24c), 입력전압 샘플링부(31a)로서 기능하는 컨트롤러(31) 등에 의해 구성된다. 직렬로 접속된 2개의 저항(24a, 24b)은, 주전원 릴레이(23)와 역률 개선부(25)와의 사이에서, 정류부(22)의 출력 양단에 접속된다. 저항(24a, 24b)끼리의 접속점의 전압은, 피크 홀드 회로(24c)에 입력된다. 피크 홀드 회로(24c)에서는, 도 2에 나타내듯이, 정류된 전압(즉 입력전압)(V1)의 최대값인 파고값(V11)이, 일정 시간 동안 유지된다. 이 파고값(V11)은, 컨트롤러(31)에 입력되고, 입력전압 샘플링부(31a)에 의해, 도 2에 나타내듯이 입력측 검출주기로 샘플링 및 AD 변환되어, 검출결과(Vac_peak)로서 인식된다.
여기서, 도 3은, 제 1 실시형태에 관한 컨트롤러(31)의 기능부를 모식적으로 나타낸다.
또, 도 2에서는, 입력전압 검출부(24)의 검출주기인 입력측 검출주기가, 입력전압(V1)이 최대값이 되는 주기(전원 주파수)보다도 긴 경우를 나타낸다.
－역률 개선부－
도 1에 나타내듯이, 역률 개선부(25)는, 주전원 릴레이(23)의 후단에서, 정류부(22)의 출력 양단에 접속된다. 역률 개선부(25)는, 승압형 역률 개선 회로이며, 입력전압(V1)을 승압 및 평활시킴으로써, 입력전압(V1)에 대해 역률 개선 동작을 행한다.
구체적으로, 본 제 1 실시형태에 관한 역률 개선부(25)는, 3상 인터리브 방식으로 구성된 3상 승압 초퍼 회로와 1개의 평활 콘덴서(26)를 갖는다. 구체적으로, 역률 개선부(25)는, 3개의 리액터(L25a, L25b, L25c), 3개의 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c), 3개의 저항(R25a, R25b, R25c), 3개의 다이오드(D25a, D25b, D25c), 및 1개의 평활 콘덴서(26)를 갖는다.
리액터(L25a)는, 전원 배선(41) 상에 직렬로 접속되며, 입력전압(V1)을 전기 에너지로 하고, 이를 자속(磁束) 에너지로 변화시켜 축적하는 역할을 맡는다. 리액터(L25a)의 인덕턴스(inductance)값은, 전원 배선(41) 상을 흐르는 전류값이나 스위칭 소자(Q25a)의 스위칭 주파수 등에 따라, 적절히 결정된다.
스위칭 소자(Q25a)는, Nch 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)로 구성되고, 리액터(L25a)에 대해 병렬로 접속된다. 스위칭 소자(Q25a)는, 입력전압(V1)에 기초하는 에너지의, 리액터(L25a)로의 축적과 리액터(L25a)로부터의 방전을 전환하는 역할을 맡는다. 스위칭 소자(Q25a)는, 역률 개선 구동부(30)에 의해 스위칭 소자(Q25a)의 온 및 오프가 제어된다.
저항(R25a)은, 스위칭 소자(Q25a)에 흐르는 PFC 전류(Ipfc) 검출용 션트(shunt) 저항이며, 스위칭 소자(Q25a)와 GND 배선(42)과의 사이에 접속된다. 저항(R25a)의 양단 전압(Vd1)은, AD 변환 후, PFC 전류 산출부(31b)로서 기능하는 컨트롤러(31)에 입력되어(도 3 참조), PFC 전류(Ipfc) 산출에 이용된다. PFC 전류(Ipfc)는, 역률 개선부(25)의 구동 제어에 이용된다. 출력전압(V2)이 어느 정도 상하(上下)했다 하더라도, 안정된 에너지가 역률 개선부(25)의 후단으로 공급되도록 하기 위함이다. 저항(R25a)의 저항값은, 역률 개선부(25)에 의한 전압의 승압 동작을 방해하는 일 없는 적절한 값으로, 결정된다.
그리고, 도 1에서는, 저항(R25c)의 양단 전압(Vd1)만이 컨트롤러(31)에 입력되고 있으나, 저항(R25a, R25b)의 양단 전압(Vd1)도 컨트롤러(31)에 입력된다.
다이오드(D25a)는, 리액터(L25a)의 출력측에서, 전원 배선(41) 상에 직렬로 접속된다. 특히, 다이오드(D25a)의 애노드 단자는, 리액터(L25a)와 스위칭 소자(Q25a)의 접속점보다도 전류의 흐름방향 하류측(下流側)에 접속된다. 다이오드(D25a)는, 리액터(L25a)측에서 전력변환부(28)측으로의 전류의 흐름만을 허용한다.
평활 콘덴서(26)는, 예를 들어 전해 콘덴서에 의해 구성되고, 각 상(相) 승압 초퍼 회로에 공통적으로 1개 배치된다. 평활 콘덴서(26)는, 각 리액터(L25a, L25b, L25c)의 출력측에서, 각 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)에 병렬로 접속된다. 평활 콘덴서(26)는, 각 리액터(L25a, L25b, L25c)로부터 방출된 에너지를 충방전함으로써, 비교적 리플 성분(ripple reduction)이 낮은 직류 전압을 생성한다.
이와 같은 역률 개선부(25)의 승압 동작(즉, 역률 개선 동작)에 대해, 1상분(相分) 승압 초퍼 회로를 예로 설명한다. 먼저, 스위칭 소자(Q25a)가 온(on)되면, 전원 배선(41)으로부터 리액터(L25a), 스위칭 소자(Q25a), 저항(R25a)을 지나 GND 배선(42)으로 전류 경로가 형성되어, PFC 전류(Ipfc)가 이 순서로 흐른다. 이와 같이 하면, 리액터(L25a)에 PFC 전류(Ipfc)가 흐름으로써, 리액터(L25a)에는 에너지가 축적된다. 이어서, 스위칭 소자(Q25a)가 오프(off)되면, 상기 전류 경로가 스위칭 소자(Q25a)에 의해 끊긴다. 리액터(L25a)에 축적된 에너지만큼의 전류가, 다이오드(D25a)를 지나 평활 콘덴서(26)로 흘러 들어간다. 이 동작이 반복됨으로써, 평활 콘덴서(26)의 양단 전압은 높아진다.
그리고, 그 밖의 2상분 승압 초퍼 회로는, 상술한 1상분 승압 초퍼 회로와 병렬로 접속되고, 그 동작은 상기와 마찬가지이다.
또한, 상기 역률 개선부(25)의 각 구성요소(리액터(L25a, L25b, L25c) 등)의 수는, 일례이며, 상기에 한정되는 것은 아니다. 또, 저항(R25a, R25b, R25c) 대신에 전류센서(current sensor)가, PFC 전류(Ipfc)의 검출을 행하여도 된다.
－출력전압 검출부－
출력전압 검출부(27)는, 출력전압(V2)을 검출한다.
출력전압 검출부(27)는, 도 1 및 도 3에 나타내듯이, 주로, 직렬로 접속된 2개의 저항(27a, 27b), 출력전압 샘플링부(31c)로서 기능하는 컨트롤러(31)에 의해 구성된다. 직렬로 접속된 2개의 저항(27a, 27b)은, 역률 개선부(25)와 전력변환부(28)와의 사이에서, 평활 콘덴서(26) 양단에 접속된다. 저항(27a, 27b)끼리의 접속점의 전압(V21)은, 컨트롤러(31)에 입력되고, 출력전압 샘플링부(31c)에 의해 출력측 검출주기로 샘플링 및 AD 변환되어, 출력전압(V2)의 검출결과(Vdc)로서 인식된다.
그리고, 상기 출력측 검출주기는, 입력전압 검출부(24)의 검출주기인 입력측 검출주기보다도 짧아도 되고, 동일해도 된다.
－전력변환부－
전력변환부(28)는, 역률 개선부(25)의 출력측에서, 리액터(L25a, L25b, L25c)에 대해 병렬로 접속된다. 전력변환부(28)는, 역률 개선부(25)로부터 출력전압(V2)을 공급 받으면, 출력교류전력(SU, SV, SW)을 생성한다.
전력변환부(28)는, 도시는 하지 않으나, 인버터 회로 및 인버터 구동부로 구성된다. 인버터 회로는, 예를 들어 절연 게이트형 쌍극성 트랜지스터로 구성된 파워 소자와, 파워 소자에 역병렬로 접속된 환류용(還流用) 다이오드를, 각각 복수 가진 구성으로 되어 있다. 인버터 구동부는, 예를 들어 집적회로에 의해 구성되고, 각 파워 소자의 게이트단자에 접속된다. 인버터 구동부는, 컨트롤러(31)로부터 출력되는 모터 제어신호(Pwm)에 기초하여, 각 파워 소자로의 게이트 전압의 인가 제어를 행함으로써 각 파워 소자를 온 및 오프시켜, 인버터 회로에 의해 출력교류전력(SU, SV, SW)을 생성시킨다.
－전류검출부－
전류 검출부(29)는, 역률 개선부(25)로의 입력전류(Im)의 값을 검출한다. 입력전류(Im)란, 상용 전원(91)으로부터 전원 배선(41), 전력변환부(28), 모터(11)로 흘러, 다시 전력변환부(28), GND 배선(42)을 지나, 역률 개선부(25)에 흘러 들어가는 전류다.
전류 검출부(29)는, 도 1 및 도 3에 나타내듯이, 주로, GND 배선(42) 상에 직렬로 접속된 션트 저항(29a), 입력전류 산출부(31d)로서 기능하는 컨트롤러(31) 등에 의해 구성된다. 션트 저항(29a)의 양단 전압(Vd2)은, 컨트롤러(31)에 입력되고, 입력전류 산출부(31d)에 의해 소정의 샘플링 주기(Ts)(소정 주기에 상당)로 샘플링 및 AD 변환되어, 입력전류(Im) 산출에 이용된다.
－역률 개선 구동부－
역률 개선 구동부(30)는, 각 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)의 게이트 단자 및 컨트롤러(31)와 접속된다. 역률 개선 구동부(30)는, 예를 들어 집적회로에 의해 구성된다. 역률 개선 구동부(30)는, 컨트롤러(31)로부터의 PFC 구동 지령신호(Cpfc)에 기초하여, 각 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)로의 게이트 전압의 인가 제어를 행함으로써, 역률 개선부(25)를 온 및 오프시킨다.
구체적으로, 역률 개선 구동부(30)는, 역률 개선부(25)를 온(on)으로 하여 역률 개선 동작을 행하게 할 시, 각 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)의 온 및 오프를 짧은 주기로 반복시키기 위한 게이트 제어신호(G1, G2, G3)를, 각 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)에 출력한다. 반대로, 역률 개선 구동부(30)는, 역률 개선부(25)를 오프로 하여 역률 개선 동작을 정지시킬 시, 모든 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)를 오프의 상태로 유지하기 위한 게이트 제어신호(G1, G2, G3)를, 각 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)에 출력한다.
－컨트롤러－
컨트롤러(31)는, 메모리 및 CPU에 의해 구성된다. 컨트롤러(31)는, 메모리에 격납된 각종 프로그램에 따라, 도 3에 나타내듯이, 상술한 입력전압 샘플링부(31a), PFC 전류 산출부(31b), 출력전압 샘플링부(31c), 입력전류 산출부(31d) 외에, 모터 구동 제어부(31e)로서 기능한다.
모터 구동 제어부(31e)는, 모터(11)에 있어서의 로터 위치 정보에 기초하여 모터 제어신호(Pwm)를 결정하고, 이를 전력변환부(28)의 인버터 구동부에 출력한다. 로터 위치 정보로서는, 모터(11)의 홀 소자의 검출결과, 전류 검출부(29)의 검출결과인 입력전류(Im) 등을 들 수 있다. 또, 모터 구동 제어부(31e)는, 모터(11)가 구동되는 동안, 로터 위치 정보 및 그때마다의 각 검출부(24, 27)의 검출결과(Vac_peak, Vdc) 등을 이용하여, 모터(11) 구동에 대해 피드백 제어를 행한다.
또한, 본 제 1 실시형태에 관한 컨트롤러(31)는, 역률 개선부(25)에 관한 제어를 행한다. 당해 제어로서는, 역률 개선부(25)가 출력해야 할 출력 전압(Vdc)의 목표값인 출력 목표값(Vdc_ref)의 가변제어, 그리고, 역률 개선부(25)의 온 및 오프 제어를 들 수 있다.
출력 목표값(Vdc_ref)의 가변제어는, 목표값 결정부(31f)로서 기능하는 컨트롤러(31)에 의해 이루어진다. 예를 들어 도 4에 나타내듯이, 목표값 결정부(31f)는, 그때마다의 입력전압 검출부(24)의 검출결과(Vac_peak)에 일정량의 승압량(Va)을 가산(加算)한 결과를, 출력 목표값(Vdc_ref)으로서 결정한다. 도 4는, 가변식 출력 목표값(Vdc_ref)의 개념 설명도이다. 즉, 도 4에서는, 역률 개선부(25)의 출력 전압(Vdc)이 입력전압(V1)에 따라 변화하는 것을 나타낸다. 이에 의해, 예를 들어 상용전압(V0)이 변동하는 전원전압 변동이 발생했다 하더라도, 역률 개선부(25)의 승압량(Va) 자체는 변화하지 않는다. 따라서, 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)를 흐르는 전류는 대체로 일정하게 되고, 리액터(L25a, L25b, L25c) 및 스위칭 소자(Q25a, Q25b, Q25c)의 전력손실도, 대체로 일정하게 된다.
＜역률 개선부의 온 및 오프 제어＞
이 제어는, 역률 개선 제어부(31g)(제어부에 상당)로서 기능하는 컨트롤러(31)에 의해 이루어진다. 역률 개선 제어부(31g)는, 입력전류(Im)에 기초하여 역률 개선부(25)의 온 및 오프를 제어한다.
그리고, 이하의 설명에서 이용하는 도 5는, 헌팅현상이 발생하는 메커니즘의 설명도이다. 도 6은, 입력전류(Im), 전류 검출부(29)에 의한 입력전류(Im)의 검출 타이밍 및 PFC 구동 지령신호(Cpfc)의 경시적 변화를 나타내는 타이밍 차트다.
도 5에 나타내듯이, 역률 개선 제어부(31g)는, 역률 개선부(25)가 온(on)인 경우의 역률에 관한 계수를 포함하는 온(on) 시 전류 환산식(PF_on)과, 역률 개선부(25)가 오프인 경우의 역률에 관한 계수를 포함하는 오프(off) 시 전류 환산식(PF_off)을 갖는다. 역률 개선 제어부(31g)는, 역률 개선부(25)의 온 오프의 상태에 따라 온 시 전류 환산식(PF_on) 또는 오프 시 전류 환산식(PF_off)을 선택하고, 선택한 전류 환산식(PF_on, PF_off)을 이용하여, 전류 검출부(29)의 검출결과인 입력전류(Im)를, 역률을 고려한 값으로 환산한다. 이 환산 결과를 파라미터(parameter)값이라고 한다.
그리고, 역률 개선 제어부(31g)는, 오프 시 전류 환산식(PF_off)에 의한 파라미터값이 제 1 임계값 이상인 경우, 역률 개선부(25)를 온(on)시켜 역률 개선 동작을 행하게 한다. 역률 개선 제어부(31g)는, 온 시 전류 환산식(PF_on)에 의한 파라미터값이 제 1 임계값보다도 낮은 제 2 임계값 이하인 경우, 역률 개선부(25)를 오프시켜 역률 개선 동작을 정지시킨다. 역률 개선부(25)의 온 오프를 전환한 후, 역률 개선 제어부(31g)는, 전환 후의 역률 개선부(25)의 온 오프 상태에 따라 온 시 전류 환산식(PF_on) 또는 오프 시 전류 환산식(PF_off)을 선택하고, 선택한 전류 환산식(PF_on, PF_off)을 이용하여, 파라미터값을 다시 환산한다.
또한, 전류 환산식(PF_on, PF_off)은, 역률 개선부(25)를 실제로 온 또는 오프시킨 경우의, 부하측(즉, 모터(11)측)의 소비전력, 입력전류(Im), 및 입력전압(V1) 등에 의해, 미리 결정된다.
이하, 도 5를 이용하여 일례를 나타낸다. 각 전류 환산식(PF_on, PF_off)을, 다음 식(1)(2)으로 정의한다.
PF_on＝Im／1 … (1)
PF_off＝Im／0.5 … (2)
상기 식(1)의 ＂1＂은, 역률 개선부(25)가 온인 경우의 역률을 나타내고, 상기 식(2)의 ＂0.5＂는, 역률 개선부(25)가 오프인 경우의 역률을 나타낸다. 파라미터값은, 전류 검출부(29)의 검출결과를 각 역률로 제산(除算)함으로써 얻어진다.
가령, 제 1 임계값을 ＂10A＂, 제 2 임계값을 ＂4A＂로 한다.
역률 개선부(25)가 오프인 상태 시, 예를 들어 도 5의 ＂부하 상승＂의 화살표로 나타내듯이, GND 배선(42)을 흐르는 실제 입력전류(Im)는 상승해간다. 이 상태에서 전류 검출부(29)의 검출결과가 ＂6A＂이었다고 하면, 상기 식(2)으로부터 파라미터값은 제 1 임계값 이상인 ＂12A＂가 되므로(도 5의 A점), 역률 개선 제어부(31g)는 역률 개선부(25)를 온(on)시킨다. 이어서, 상기 식(1)의 온 시 전류 환산식(PF_on)이 선택되고, 다시 환산된 파라미터값은 ＂6A＂가 된다(도 5의 B점).
또, 역률 개선부(25)가 온인 상태 시, 예를 들어 도 5의 ＂부하 하강＂의 화살표로 나타내듯이, 실제 입력전류(Im)는 감소해간다. 이 상태에서 전류 검출부(29)의 검출결과가 ＂4A＂이었다고 하면, 상기 식(1)으로부터 파라미터값은 제 2 임계값과 동등한 ＂4A＂가 되므로(도 5의 D점), 역률 개선 제어부(31g)는 역률 개선부(25)를 오프시킨다. 이어서, 상기 식(2)의 오프 시 전류 환산식(PF_off)이 선택되고, 다시 환산된 파라미터값은 ＂8A＂가 된다(도 5의 E점).
제 1 임계값 및 제 2 임계값은, 예를 들어, 전환 직후에 다시 환산된 파라미터값을 채용할 수 있는 범위에 의해 결정된다.
그러나, 상술한 바와 같이 하여 전환 직후에 다시 환산된 파라미터값은, 전환 직전의 입력전류(Im)에 기초하는 것이다. 즉, 역률 개선부(25)의 온 오프의 전환 직후의 시점에서는, 전류 검출부(29)가 새로 입력전류(Im)의 검출을 행하지 않으므로, 역률 개선 제어부(31g)는, 전환 직전의 입력전류(Im)를 유지한다. 이와 같이 되면, 역률 개선 제어부(31g)는, 다시 환산한 파라미터값부터로는, 최신 역률 개선부(25)의 상태를 포함하는 역률에 관한 본래 상태를 오인식하는 케이스가 발생한다.
예를 들어, 도 5의 그래프에서, 역률 개선부(25)의 상태가 A점에서 B점으로 천이(遷移)한 경우, B점의 파라미터값 ＂6A＂는, 애초에 역률 개선부(25)가 오프하고 있던 시의 입력전류(Im)에 의해 얻어진 값이므로, 역률 개선 제어부(31g)는, 본래의 상태인 B점을, 역률 개선부(25)가 오프하고 있으며 파라미터값이 동일한 ＂6A＂가 되는 C점으로 잘못 인식해버릴 우려가 있다. 이와 같이 되면, 역률 개선 제어부(31g)는, 온으로 막 전환한 역률 개선부(25)를, 재차 오프로 전환시켜 버린다. 가령 C점의 상태라면, 역률 개선 제어부(31g)는, 파라미터값이 제 1 임계값 이상이 되기까지는 역률 개선부(25)를 오프시키는 제어를 행하기 때문이다.
마찬가지로, 역률 개선부(25)의 상태가 D점에서 E점으로 천이한 경우, E점의 파라미터값 ＂8A＂는, 애초에 역률 개선부(25)가 온(on)하고 있던 시의 입력전류(Im)에 의해 얻어진 값이므로, 역률 개선 제어부(31g)는, 본래 상태인 E점을, 역률 개선부(25)가 온(on)하고 있으며 파라미터값이 동일한 ＂8A＂가 되는 F점으로 잘못 인식해버릴 우려가 있다. 이와 같이 되면, 역률 개선 제어부(31g)는, 오프로 막 전환한 역률 개선부(25)를, 재차 온으로 전환시켜 버린다. 가령 F점의 상태라면, 역률 개선 제어부(31g)는, 파라미터값이 제 2 임계값 이하가 되기까지는 역률 개선부(25)를 온시키는 제어를 행하기 때문이다.
이와 같은 동작으로 인해, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 단시간에 반복되는, 이른바 헌팅현상이 발생한다. 헌팅현상은, 입력전류(Im)의 파형 일그러짐을 발생시켜, 리액터(L25a, L25b, L25c)로부터 이상음을 발생시킨다.
그래서, 본 실시형태에 관한 역률 개선 제어부(31g)는, 도 6에 나타내듯이, 역률 개선부(25)가 온에서 오프 또는 오프에서 온으로 전환된 때부터 소정 시간(Tg) 동안, 파라미터값에 관계없이, 전환 후의 역률 개선부(25)의 상태를 유지한다. 역률 개선 제어부(31g)는, 소정 시간(Tg) 경과 후, 전환 후의 역률 개선부(25)의 상태 유지를 해제한다. 이에 의해, 역률 개선부(25)가 예를 들어 일단 온으로 전환되면, 소정 시간(Tg) 동안, 역률 개선부(25)는 온 상태 그대로 된다. 따라서, 소정 시간(Tg) 동안에 헌팅현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
특히, 상기 소정 시간(Tg)은, 전류 검출부(29)가 입력전류(Im)를 검출하는 소정의 샘플링 주기(Ts)보다도 길게 설정된다(Tg＞Ts). 즉, 본 실시형태에서는, 일단 역률 개선부(25)의 온 오프가 전환되면, 다음 온 오프 전환까지는, 전류 검출부(29)가 적어도 1회는 새로 입력전류(Im)를 검출하게 된다. 헌팅현상 발생의 원인 중 하나로써, 역률 개선부(25)의 온 오프가 재차 전환되는 시, 당해 전환 전후에서 갱신되지 않은 전류 검출부(29)의 검출결과가 이용되는 것을 들 수 있으나, 본 실시형태라면, 이와 같은 요인은 발생하지 않게 된다. 또, 온 오프의 전환 후에 검출된 입력전류(Im)에는, 당해 전환에 의한 역률 변동의 영향이 반영된다. 따라서, 역률 개선 제어부(31g)는, 최신 입력전류(Im)에 따라, 필요한 경우에 역률 개선부(25)의 온 오프의 상태를 확실하게 전환할 수 있다.
＜실시형태의 효과＞
본 실시형태에 관한 전력변환장치(20)에 의하면, 역률 개선부(25)의 온 오프가 전환된 경우, 당해 전환 시로부터 소정 시간(Tg) 동안, 파라미터값에 관계없이 전환 후의 역률 개선부(25)의 온 오프 상태가 유지된다. 따라서, 역률 개선부(25)의 온 오프 전환 시부터 소정 시간(Tg) 동안에, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 연속하여 전환되는 헌팅현상 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 소정 시간(Tg) 경과 후에는, 파라미터값과 2개의 임계값(구체적으로는, 제 1 임계값 및 제 2 임계값)의 대소 관계에 의해, 역률 개선부(25)의 온 오프가 전환되게 된다.
또한, 상기 소정 시간(Tg)은, 전류 검출부(29)가 입력전류(Im)를 검출하는 소정의 샘플링 주기(Ts)보다도 길다. 이에 의해, 소정 시간(Tg) 경과 후에는, 소정 시간(Tg) 중에 검출된 최신 입력전류(Im)에 의해 환산된 파라미터값에 기초하여, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 전환된다. 따라서, 소정 시간(Tg) 경과 후, 역률 개선부(25)의 온 및 오프가 최신 파라미터값에 기초하여 정확하게 전환됨과 동시에, 소정 시간(Tg) 경과 후의 헌팅현상 발생도, 확실하게 방지된다.
《그 밖의 실시형태》
상기 실시형태에 대해서는, 이하와 같은 구성으로 하여도 된다.
역률 개선 제어부(31g)는, 역률 개선부(25)의 온 및 오프 제어를, 입력전류(Im) 대신에, 입력전력 또는 출력전력에 기초하여 행하여도 된다. 입력전력은, 입력전류(Im)와 입력전압(V1)의 곱으로 구해진다. 이 경우, 입력전압(V1)의 검출부는 입력전압 검출부(24)과는 별도로 배치되고, 소정 시간(Tg)보다도 짧은 검출 주기로 입력전압(V1)을 검출하는 것이 바람직하다. 출력전력은, 역률 개선부(25)의 출력전류와, 출력전압 검출부(27)에 의해 검출된 출력전압(V2)의 곱으로 구해진다. 출력전압 검출부(27)의 출력측 검출 주기도, 소정 시간(Tg)보다도 짧은 것이 바람직하다. 그리고, 입력전력 또는 출력전력은, 역률을 고려한 값으로 환산되어(파라미터값), 역률 개선부(25)의 온 및 오프 제어에 이용되는 것이 바람직하다. 즉 이 경우, 파라미터값은, 입력전력 또는 출력전력에 관한 값이라고 할 수 있다.
또, 소정 시간(Tg)은, 일정 시간이 아니라, 가변 시간이라도 된다.
또한, 출력 목표값(Vdc_ref)은, 가변값이 아니라, 고정값이라도 된다.
또, 역률 개선부(25)는, 승압형 대신에, 강압형, 또는 승압형과 강압형의 혼합형이라도 된다.
또한, 모터(11)의 구동 대상은, 압축기(72) 이외(예를 들어 실외 팬(76) 및 실내 팬(82) 등)라도 된다.
또, 입력전압 검출부(24)는, 입력전압(V1)의 파고값(V11) 대신에, 상용전압(V0) 또는 입력전압(V1)의 실효값 및 평균값 등을 입력측 검출주기로 샘플링하는 구성이라도 된다.
또한, 정류부(22)와는 별도로 상용 전원(91)에 접속된 정류 회로가 있고, 입력전압 검출부(24)는, 당해 회로로부터 출력되는 전압을 검출하는 구성이라도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 역률 개선부를 포함하는 전력변환장치에 대해 유용하다.
20 : 전력변환장치
22 : 정류부
25 : 역률 개선부
28 : 전력변환부
29 : 전류검출부(검출부)
31g : 역률 개선 제어부(제어부)
91 : 교류 전원(상용 전원)
70 : 공기조화장치
V1 : 입력전압
Im : 입력전류
Ts : 소정의 샘플링 주기(소정 주기)
Tg : 소정 시간

Claims (6)

  1. 교류전원(91)으로부터의 입력교류를 정류(整流)하는 정류부(22)와,
    상기 정류부(22)로부터 출력되는 입력전압(V1)에 대해 역률 개선 동작을 행하는 역률 개선부(25)와,
    상기 역률 개선부(25)의 출력단자에 접속되며, 출력교류전력(SU, SV, SW)을 생성하는 전력변환부(28)와,
    상기 역률 개선부(25)의 상기 역률 개선 동작을 제어하는 제어부(31g),
    를 구비하고,
    상기 제어부(31g)는,
    상기 역률 개선부(25)의 입력 또는 출력에 관한 파라미터(parameter)값이 제 1 임계값 이상인 경우는 상기 역률 개선부(25)를 온(on)시켜 상기 역률 개선 동작을 행하게 하며, 상기 파라미터값이 상기 제 1 임계값보다도 낮은 제 2 임계값 이하인 경우는 상기 역률 개선부(25)를 오프(off)시켜 상기 역률 개선 동작을 정지시키고,
    상기 역률 개선부(25)가 온에서 오프 또는 오프에서 온으로 전환된 때부터 소정 시간(Tg) 동안, 상기 파라미터값에 관계없이 전환 후의 상기 역률 개선부(25)의 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(31g)는, 상기 소정 시간(Tg) 경과 후, 전환 후의 상기 역률 개선부(25)의 상태 유지를 해제하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 역률 개선부(25)의 입력 또는 출력을 소정 주기(Ts)로 검출하는 검출부(29),
    를 더 구비하고,
    상기 소정 시간(Tg)은, 상기 소정 주기(Ts)보다도 긴 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 역률 개선부(25)의 입력 또는 출력을 소정 주기(Ts)로 검출하는 검출부(29),
    를 더 구비하고,
    상기 소정 시간(Tg)은, 상기 소정 주기(Ts)보다도 긴 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 청구항 1에서 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파라미터값은, 상기 역률 개선부(25)의 입력전력 또는 출력전력에 관한 값인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 청구항 1에서 청구항 5 중 어느 한 항의 전력변환장치(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
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