KR20190090541A - 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치에 관한 것으로, 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하더라도 모터를 지속적으로 구동할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 계통으로부터 공급되는 3상 교류 전원을 정류하는 정류 회로, 상기 정류 회로에 의해 정류된 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터, 상기 DC 링크 커패시터에 저장된 전압을 변환하여 모터에 제공하는 전력 변환 회로, 계통단에서 발생하는 고조파 전류를 검출하고 상기 검출된 고조파 전류를 상쇄하기 위한 보상 전류를 상기 계통단에 출력하는 고조파 보상 회로 및 상기 DC 링크 커패시터의 전압을 검출하고, 상기 검출된 전압에 따라 상기 DC 링크 커패시터에 상기 정류 회로 또는 상기 고조파 보상 회로를 선택적으로 연결하는 스위치 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치{MOTOR DRIVING APPARATUS AND AIR CONDITIONER COMPRISING THE SAME}
본 발명은 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치에 관한 것으로, 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하더라도 모터를 지속적으로 구동할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치에 관한 것이다.
공기조화장치는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 냉온의 공기를 토출하여 실내 온도를 조절하거나 실내 공기를 정화하는 장치이다. 일반적으로 공기조화장치는 실내에 설치되는 실내기와, 실내기로 냉매를 공급하는 실외기로 구성된다.
여기서, 실외기는 압축기 및 열교환기 등으로 구성되며, 압축기를 구동하기 위한 모터, 모터에 3상 전류를 출력하는 인버터 및 인버터에 직류 전원을 공급하는 정류단(컨버터)을 포함한다.
인버터와 정류단은 비선형 소자(예를 들어, 다이오드, 전력 스위칭 소자)를 포함하는 비선형 부하이고, 이와 같은 비선형 부하에서는 계통에서 공급되는 교류 전류의 주파수의 정수배를 갖는 고조파 전류가 발생한다.
비선형 부하에서 발생한 고조파 전류는 계통 및 해당 계통에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치므로, 고조파 전류를 효율적으로 제거하기 능동전력필터(Active Power Filter; APF)가 이용되고 있다.
도 1는 일반적인 모터 구동 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 공기조화장치에는 모터 구동 장치(20)가 포함되며, 모터 구동 장치(20)는 계통(40)에서 공급되는 3상 교류 전원을 정류하는 정류단(20a), 정류단(20a)의 출력단과 연결되어 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터(20b), DC 링크 커패시터(20b)에 저장된 직류 전압을 변환하여 모터(50)에 공급하는 인버터(20c) 및 고조파 제거를 위한 능동전력필터(20d)를 포함한다.
여기서, 능동전력필터(20d)의 상세한 동작 과정에 대해서는 한국 등록특허 10-1010069에 개시되어 있다.
한국 등록특허 10-1010069에 개시된 내용에 기초하면 능동전력필터(20d)는 3상 계통(40)에 접속되어 상별 전류 및 상별 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 따라 고조파 보상 출력 신호를 생성한다.
이어서, 능동전력필터(20d) 고조파 보상 출력 신호에 따라 펄스 폭을 변조하여 상별 스위치 소자 쌍들의 스위칭 듀티(switching duty)를 제어함으로서 왜곡이 최소화된 기본파(정현파) 형태의 3상 교류 파형을 만들어 계통(40)으로 출력한다.
이와 같은 모터 구동 장치(20)에서, 정류단(20a)을 구성하는 회로 소자에 고장이 발생하여 DC 링크 커패시터(20b)에 충분한 전압이 충전되지 못하는 경우, 모터(50)에 충분한 전류가 제공되지 못하므로 모터 구동 장치(20)는 인버터(20c)의 동작을 중단한다.
또한, 인버터(20c)의 동작이 중단되면 계통(40)과 모터 구동 장치(20)의 연결이 차단되며, 이에 따라 3상 계통(40)에서 검출되는 상별 전류 및 상별 전압에 따라 고조파 보상을 수행하는 능동전력필터(20d)의 동작 또한 중단된다.
즉, 종래 모터 구동 장치(20)에 의하면 정류단(20a)에 이상이 발생하는 경우, 모터(50)의 구동 및 고조파 보상 동작을 곧바로 중단해야 하는 한계가 있다.
본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작 이상 여부를 파악할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하더라도 모터를 지속적으로 구동할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하였는지 여부에 관계 없이 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 상쇄할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 DC 링크 커패시터의 직류 전압을 검출하고, 검출된 직류 전압의 평균값을 기준 직류 전압과 비교하거나, 검출된 직류 전압의 리플 전압을 기준 리플 전압과 비교함으로써, 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작 이상 여부를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터의 직류 전압에 따라 DC 링크 커패시터에 정류 회로 또는 고조파 보상 회로를 선택적으로 연결함으로써, 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하더라도 모터를 지속적으로 구동할 수 있다.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터에 정류 회로 또는 고조파 보상 회로가 연결된 경우, 계통단에서 발생하는 고조파 전류를 검출하고 검출된 고조파 전류를 상쇄하기 위한 보상 전류를 계통단에 출력함으로써, 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하였는지 여부에 관계 없이 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 상쇄할 수 있다.
본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작 이상 여부를 파악함으로써, 공기조화장치의 고장을 진단할 수 있다.
또한, 본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하더라도 모터를 지속적으로 구동함으로써, 공기조화장치의 고장 시에도 사용자에게 조화 공기(conditioned air)를 끊임없이 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하였는지 여부에 관계 없이 계통단에서 발생하는 고조파 전류를 상쇄함으로써, 고조파 전류가 계통 및 계통에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
도 1는 일반적인 모터 구동 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 모터 구동 장치의 세부 구성을 도시한 도면.
도 5는 정류 회로가 정상일 때 DC 링크 커패시터의 전압의 파형을 도시한 도면.
도 6 및 도 7은 정류 회로가 비정상일 때 DC 링크 커패시터의 전압의 파형을 도시한 도면.
도 8은 DC 링크 커패시터에 고조파 보상 회로가 선택적으로 연결되었을 때 모터 구동 장치의 회로를 도시한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기조화장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 도 3에 도시된 모터 구동 장치의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 정류 회로가 정상일 때 DC 링크 커패시터의 전압의 파형을 도시한 도면이고, 도 6 및 도 7은 정류 회로가 비정상일 때 DC 링크 커패시터의 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 8은 DC 링크 커패시터에 고조파 보상 회로가 선택적으로 연결되었을 때 모터 구동 장치의 회로를 도시한 도면이다.
먼저 도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화장치(1)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치, 냉난방 장치 중 적어도 하나일 수 있다.
실내 공기를 조화하는 기능을 수행하기 위하여, 공기조화장치(1)는 복수의 실내기(31 ~ 35)와, 복수의 실내기(31 ~ 35)에 연결되는 복수의 실외기(21, 22)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 공기조화장치(1)는 각 실내기(31 ~ 35)와 실외기(21, 22)를 원격에서 제어하는 원격 제어기(10)를 더 포함할 수도 있다.
실외기(21, 22)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시) 및 냉매와 실외 공기를 열교환하는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 압축기 및 열교환기를 통해 실외기(21, 22)는 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31 ~ 35)로 냉매를 공급할 수 있다.
실외기(21, 22)는 원격 제어기(10) 또는 실내기(31 ~ 35)의 요구에 따라 구동될 수 있으며, 구동되는 실내기(31 ~ 35)의 개수에 따라 실외기(21, 22) 및 실외기(21, 22)에 구비된 압축기의 작동 개수가 결정될 수 있다.
실내기(31 ~ 35)는 하나 이상의 실외기(21, 22) 중 적어도 하나와 연결되어 냉매를 공급받을 수 있고, 공급된 냉매를 이용하여 실내로 냉온의 공기를 토출할 수 있다.
공기조화장치(1)를 구성하는 실내기(31 ~ 35)는 임의의 형태로 설치될 수 있으며, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 천장형으로 설치될 수 있고, 이와 달리, 스탠드형 벽걸이형 등으로 설치될 수도 있다.
원격 제어기(10)는 실내기(31 ~ 35) 및 실외기(21, 22)의 동작을 제어하거나 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 원격 제어기(10)는 실내기(31 ~ 35)와 연결되어 실내기(31 ~ 35)에 대한 운전설정, 스케줄제어 등의 기능을 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 실외기(21, 22)에는 압축기가 포함되며, 압축기는 모터에 의해 구동되어 냉매를 압축할 수 있다. 이에 따라, 실외기(21, 22)에는 압축기 내의 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 포함되며, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(100)는 정류 회로(110), DC 링크 커패시터(120), 전력 변환 회로(130), 고조파 보상 회로(140) 및 스위치 제어부(150)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 모터 구동 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
정류 회로(110)는 계통(200)으로부터 공급되는 3상 교류 전원을 정류할 수 있다.
정류 회로(110)는 계통(200)의 각 상에 연결되어 계통(200)의 각 상에서 공급되는 교류 전원을 정류할 수 있다. 이를 위해, 정류 회로(110)는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 회로 소자가 포함될 수 있고, 예를 들어 다이오드(diode)를 포함할 수 있다.
일 예에서, 정류 회로(110)는 계통(200)의 각 상에 연결되는 한 개의 다이오드를 각각 포함하는 3상 반파 정류(three phase half-wave rectification) 회로일 수 있다. 이 경우, 정류 회로(110)는 계통(200)에서 공급되는 각 상의 교류 전원에 대해, 해당 교류 전원의 반 주기에 걸쳐 정류된 전류를 출력할 수 있다.
다른 예에서, 정류 회로(110)는 계통(200)의 각 상에 연결되는 두 개의 다이오드를 각각 포함하는 3상 전파 정류(three phase full-wave rectification) 회로일 수 있다.
정류 회로(110)는 각 상에 연결되는 두 개의 다이오드를 각각 포함할 수 있고, 어느 한 상에 연결된 두 개의 다이오드는 계통(200)과 연결되는 노드를 사이에 두고 배치되며 일 방향으로만 전류를 흐르게 할 수 있다.
다시 말해, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 다이오드는 상암 다이오드와 하암 다이오드로 구성되며, 상암 다이오드와 하암 다이오드는 각 상에 대한 쌍으로 구성되어, 각 상의 교류 전원을 정류할 수 있다.
이 경우, 정류 회로(110)는 계통(200)에서 공급되는 각 상의 교류 전원에 대해, 해당 교류 전원의 전 주기에 걸쳐 정류된 전류를 출력할 수 있다.
DC 링크 커패시터(120)는 정류 회로(110)에 의해 정류된 전압을 저장할 수 있다.
DC 링크 커패시터(120)는 정류 회로(110)에서 출력되는 전류를 제공받아 직류 전압을 저장할 수 있다. 보다 구체적으로, DC 링크 커패시터(120)는, DC 링크 커패시터(120)의 커패시턴스(capacitance)에 따라 직류 전압을 평활화(smoothing)하여 저장할 수 있다. 여기서, DC 링크 커패시터(120)의 평활화 능력은 커패시턴스의 크기에 비례할 수 있다.
도 5를 참조하면, DC 링크 커패시터(120)에 충전되는 직류 전압(이하, 직류단 전압, Vlink)의 파형은 교류 파형이 평활화된 파형일 수 있다. 직류단 전압(Vlink)은 리플 성분을 포함할 수 있고, 리플 성분에 대응하는 전압(Vr)을 이하, 리플 전압(Vr)이라 한다.
전력 변환 회로(130)는 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 전압을 변환하여 모터에 제공할 수 있다.
모터는 전력 변환 회로(130)에서 출력되는 전류 또는 전압에 의해 구동될 수 있다. 한편, 본 발명에서 모터는 실외기(21, 22), 보다 구체적으로는 압축기 내부에 구비될 수 있고, 3상 교류 전원에 의해 동작하는 3상 교류 모터일 수 있다.
모터가 3상 교류 모터인 경우, 전력 변환 회로(130)는 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 전압을 이용하여 3상 교류 전류를 생성하는 복수의 전력 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 전력 변환 회로(130)는 각 상에 대해 상단 및 하단 스위칭 소자를 포함하여 총 6개의 전력 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 전력 스위칭 소자는 예를 들어, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
전력 스위칭 소자는 세 개의 상암 스위칭 소자와 세 개의 하암 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자는 각 상에 대한 쌍으로 구성되어 3상 교류 전류를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 각각의 전력 스위칭 소자는 PWM 제어부(미도시)의 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어에 따라 턴 온 및 턴 오프 동작을 수행하여 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전압을 교류 전류로 변환할 수 있다.
펄스 폭 변조 제어는 모터로 출력되는 전류 및 직류단 전압(Vlink) 중 적어도 하나에 기초하여 생성될 수 있다. 이 때, 모터로 출력되는 전류는 제2 전류센서(S3)에 의해 검출될 수 있으며, 직류단 전압(Vlink)은 제1 전압센서(S1)에 의해 검출될 수 있다.
펄스 폭 변조 제어를 통해 전력 스위칭 소자를 제어하는 방법은 당해 기술분야에서 이용되는 다양항 방법에 의해 수행되므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
고조파 보상 회로(140)는 계통단에서 발생하는 고조파 전류를 검출하고, 검출된 고조파 전류를 상쇄하기 위한 보상 전류를 계통단에 출력할 수 있다.
여기서 계통단은 계통(200)과 정류 회로(110)가 연결되는 노드로 정의될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 계통(200)과 정류 회로(110)는 3상 노드를 통해 서로 각각 연결될 수 있고, 이 때, 계통단은 3상 노드일 수 있다.
전술한 바와 같이 정류 회로(110) 및 전력 변환 회로(130)에는 비선형 소자(예를 들어, 다이오드, 전력 스위칭 소자)가 포함될 수 있다. 이에 따라, 정류 회로(110) 및 전력 변환 회로(130)가 각각 정류 동작 및 전력 변환 동작을 수행할 때, 각각의 회로에서는 비선형 소자의 특성에 의한 고조파 전류가 발생할 수 있다.
고조파 전류는, 주파수가 계통(200)으로부터 공급되는 3상 교류 전원 주파수의 정수배
Figure pat00001
인 각각의 고조파 성분을 합성한 전류일 수 있다.
이와 같은 고조파 전류는 계통(200)으로 유입되어 계통(200) 및 계통(200)에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치므로, 고조파 보상 회로(140)는 고조파 전류를 상쇄함으로써 계통(200)으로 유입되는 전류가 정현파를 갖도록 할 수 있다.
고조파 보상 회로(140)는 계통단에 흐르는 전류에서 고조파 성분을 추출함으로써 고조파 전류를 검출할 수 있다.
보다 구체적으로, 고조파 보상 회로(140)는 계통단의 전류를 센싱하는 전류 센서(S2)로부터 전류룰 제공받고, 해당 전류에 포함된 고조파 성분을 검출할 수 있다. 이를 위해, 고조파 보상 회로(140)는 특정 주파수를 갖는 고조파 성분을 검출하는 적어도 하나의 대역 통과 필터를 포함할 수 있다.
고조파 보상 회로(140)는 전류 센서(S2)로부터 제공받은 각 상에 대한 교류 전류를 대역 통과 필터에 통과시킴으로써, 특정 주파수를 갖는 고조파 성분을 검출할 수 있다.
예를 들어, 계통(200)에서 공급되는 3상 교류 전원의 주파수가 60Hz일 때, 고조파 보상 회로(140)는 각각 300Hz 및 420Hz를 선택적으로 통과시키는 두 개의 대역 통과 필터를 이용하여 5차 및 7차(계통 전원 주파수의 5배 및 7배) 고조파 성분을 검출할 수 있다.
고조파 보상 회로(140)는 각 차수의 고조파 성분을 합성하여 고조파 전류를 검출할 수 있고, 검출된 고조파 전류에 따라 보상 전류를 생성할 수 있다. 또한, 고조파 보상 회로(140)는 각 차수의 고조파 성분에 대한 보상 전류를 생성하고, 생성된 보상 전류를 합성하여 최종적으로 계통단으로 출력될 보상 전류를 생성할 수 있다. 이 때, 보상 전류는 고조파 전류와 크기는 동일하고 위상이 반대일 수 있다.
이러한 보상 전류를 생성하기 위하여, 고조파 보상 회로(140)는 직류 전압원(141)과 직류 전압원(141)에 저장된 직류 전압(Vdc)을 이용하여 보상 전류를 생성하는 복수의 전력 스위칭 소자(142)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 고조파 보상 회로(140)는 복수의 전력 스위칭 소자(142)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 고조파 제어부(143)를 더 포함할 수 있다.
복수의 전력 스위칭 소자(142)는 고조파 제어부(143)의 펄스 폭 변조(PWM) 제어에 따라 턴 온 및 턴 오프 동작을 수행하여, 직류 전압원(141)에 저장된 직류 전압(Vdc)을 보상 전류로 변환할 수 있다.
펄스 폭 변조 제어를 통해 전력 스위칭 소자(142)를 제어하는 방법은 당해 기술분야에서 이용되는 다양항 방법에 의해 수행될 수 있음은 전술한 바와 같다.
직류 전압원(141)은 계통(200)으로부터 전력을 공급받아 일정 크기 이상의 직류 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터일 수 있고, 일정 크기 이상의 직류 전압(Vdc)을 공급하는 독립 전압원일 수도 있다.
다시 도 3을 참조하면, 고조파 보상 회로(140)는 계통단에 병렬로 연결되어 보상 전류를 계통단에 출력할 수 있다.
이에 따라, 계통단에 흐르는 전류는 고조파 보상 회로(140)로부터 출력되는 보상 전류와 합성될 수 있고, 합성된 전류가 계통(200)으로 유입될 수 있다. 전술한 바와 같이, 보상 전류는 고조파 전류와 크기는 동일하고 위상이 반대이므로, 계통(200)에 유입되는 전류는 고조파 전류가 상쇄된 정현파 형태의 전류일 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 스위치 제어부(150)는 DC 링크 커패시터(120)의 전압(직류단 전압, Vlink)을 검출하고, 검출된 전압에 따라 DC 링크 커패시터(120)에 정류 회로(110) 또는 고조파 보상 회로(140)를 선택적으로 연결할 수 있다.
이를 위해, 스위치 제어부(150)는 DC 링크 커패시터(120)와 정류 회로(110)를 연결하는 스위치와, DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)를 연결하는 스위치의 온 및 오프를 제어할 수 있다. 정류 회로(110)와 고조파 보상 회로(140)는 스위치 제어부(150)의 제어에 따라 DC 링크 커패시터(120)와 병렬로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 스위치 제어부(150)는 정류 회로(110)의 출력단과 DC 링크 커패시터(120)를 연결하는 제1 스위치(151) 및 고조파 보상 회로(140) 내의 직류 전압원(141)과 DC 링크 커패시터(120)를 연결하는 제2 스위치(152)를 제어할 수 있다.
이에 따라, 제1 스위치(151)가 온 되고, 제2 스위치(152)가 오프 되는 경우 DC 링크 커패시터(120)는 정류 회로(110)와 병렬로 연결되어 정류 회로(110)로부터 전압을 인가받을 수 있다. 반대로, 제1 스위치(151)가 오프 되고, 제2 스위치(152)가 온 되는 경우 DC 링크 커패시터(120)는 고조파 보상 회로(140)의 직류 전압원(141)과 병렬로 연결되어 직류 전압원(141)으로부터 전압을 인가받을 수 있다.
다만, 전술한 스위치 제어에 앞서, 직류단 전압(Vlink)을 검출하기 위한 초기 상태로서, 먼저 DC 링크 커패시터(120)는 정류 회로(110)와 선택적으로 연결될 수 있다.
제1 스위치(151) 및 제2 스위치(152)는 회로를 개폐할 수 있는 임의의 회로 소자일 수 있고, 예를 들어, 릴레이(relay)일 수 있다.
이하에서는, 스위치 제어부(150)가 각 스위치(151, 152)를 제어하는 기준을 구체적으로 설명하도록 한다.
전술한 바와 같이 DC 링크 커패시터(120)에 충전되는 직류 전압(직류단 전압, Vlink)의 파형은 도 5에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 4에 도시된 정류 회로(110)는 임의의 한 상의 전위가 다른 두 상의 전위보다 높을 때, 해당 상의 상암 다이오드가 온 되어 DC 링크 커패시터(120)에 전압을 공급할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 정류 회로(110)는 임의의 한 상의 전위가 다른 두 상의 전위보다 낮을 때, 해당 상의 하암 다이오드가 온 되어 DC 링크 커패시터(120)에 전압을 공급할 수 있다.
이 때, 정류 회로(110)에 지락 사고가 발생하여 정류 회로(110) 내부 일부 상에 대응하는 다이오드가 지속적으로 오프 되는 경우, 해당 상의 전위가 다른 두 상의 전위보다 높을 때에도 상암 다이오드는 DC 링크 커패시터(120)에 전압을 공급하지 못하고, 해당 상의 전위가 다른 두 상의 전위보다 낮을 때에도 하암 다이오드는 DC 링크 커패시터(120)에 전압을 공급하지 못하므로 직류단 전압(Vlink)의 파형은 도 6에 도시된 바와 같을 수 있다.
한편, 정류 회로(110)에 개방 사고가 발생하여 정류 회로(110) 내부 일부 상에 대응하는 다이오드가 지속적으로 온 되는 경우, 해당 상의 전위가 다른 두 상의 전위보다 낮을 때에도 상암 다이오드는 DC 링크 커패시터(120)에 전압을 공급하고, 해당 상의 전위가 다른 두 상의 전위보다 높을 때에도 하암 다이오드는 DC 링크 커패시터(120)에 전압을 공급하므로 직류단 전압(Vlink)의 파형은 도 7에 도시된 바와 같을 수 있다.
정류 회로(110)에 지락 또는 개방 사고가 발생하는 경우, 각 상의 교류 전류가 일부 합성되어 DC 링크 커패시터(120)로 출력될 수 있다. 이에 따라, 정류 회로(110)에 지락 또는 개방 사고가 발생하는 경우 DC 링크 커패시터(120)에 충전된 직류단 전압(Vlink)의 크기는 정상 상태의 직류단 전압(Vlink)의 크기보다 작을 수 있다.
다시 말해, 도 6 및 도 7에 도시된 직류단 전압(Vlink)의 평균값은 도 5에 도시된 직류단 전압(Vlink)의 평균값 미만일 수 있다.
이에 따라, 스위치 제어부(150)는 직류단 전압(Vlink)의 평균값이 기준 직류 전압 이상이면 정류 회로(110)와 DC 링크 커패시터(120)를 연결하고, 직류단 전압(Vlink)의 평균값이 기준 직류 전압 미만이면 고조파 보상 회로(140)와 DC 링크 커패시터(120)를 연결할 수 있다. 이 때, 직류단 전압(Vlink)은 전압 센서(S1)에 의해 검출될 수 있다.
기준 직류 전압은 정상 상태에서 측정되는 직류단 전압(Vlink)에 대한 비율로 설정될 수 있다. 예를 들어, 기준 직류 전압은 정상 상태에서 측정되는 직류단 전압(Vlink)의 90%의 비율로 설정될 수 있다.
직류단 전압(Vlink)의 평균값이 기준 직류 전압 이상이면 정류 회로(110)가 정상 상태이므로, 스위치 제어부(150)는 정류 회로(110)와 DC 링크 커패시터(120)를 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위치 제어부(150)는 제1 스위치(151)는 온 상태로 제어하고 제2 스위치(152)를 오프 상태로 제어함으로써 초기 상태를 유지할 수 있다.
반면에, 직류단 전압(Vlink)의 평균값이 기준 직류 전압 미만이면 정류 회로(110)에 사고가 발생하였으므로, 스위치 제어부(150)는 DC 링크 커패시터(120)와 정류 회로(110) 간의 연결을 끊고, DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)를 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위치 제어부(150)는 제1 스위치(151)를 오프 상태로 제어하고 제2 스위치(152)를 온 상태로 제어함으로써 DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)를 선택적으로 연결할 수 있다.
한편, 정류 회로(110)에 지락 또는 개방 사고가 발생하는 경우, 정류 회로(110)에서 출력되는 전류의 크기 변화가 정상 상태보다 클 수 있다. 이에 따라, DC 링크 커패시터(120)에 충전된 직류단 전압(Vlink)의 리플 전압(Vr)의 크기는 정상 상태의 리플 전압(Vr)의 크기보다 클 수 있다.
다시 말해, 도 6 및 도 7에 도시된 리플 전압(Vr)의 크기는 도 5에 도시된 리플 전압(Vr)의 크기보다 클 수 있다.
이에 따라, 스위치 제어부(150)는 리플 전압(Vr)이 기준 리플 전압 미만이면 정류 회로(110)와 DC 링크 커패시터(120)를 연결하고, 리플 전압(Vr)이 기준 리플 전압 이상이면 고조파 보상 회로(140)와 DC 링크 커패시터(120)를 연결할 수 있다.
기준 리플 전압은 정상 상태에서 측정되는 리플 전압(Vr)에 대한 비율로 설정될 수 있다. 예를 들어, 기준 리플 전압은 정상 상태에서 측정되는 리플 전압(Vr)의 110%의 비율로 설정될 수 있다.
직류단 전압(Vlink)의 리플 전압(Vr)이 기준 리플 전압 미만이면 정류 회로(110)가 정상 상태이므로, 스위치 제어부(150)는 정류 회로(110)와 DC 링크 커패시터(120)를 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위치 제어부(150)는 제1 스위치(151)는 온 상태로 제어하고 제2 스위치(152)를 오프 상태로 제어함으로써 초기 상태를 유지할 수 있다.
반면에, 직류단 전압(Vlink)의 리플 전압(Vr)이 기준 리플 전압 이상이면 정류 회로(110)에 사고가 발생하였으므로, 스위치 제어부(150)는 DC 링크 커패시터(120)와 정류 회로(110) 간의 연결을 끊고, DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)를 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위치 제어부(150)는 제1 스위치(151)를 오프 상태로 제어하고 제2 스위치(152)를 온 상태로 제어함으로써 DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)를 선택적으로 연결할 수 있다.
DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)가 선택적으로 연결되면, 모터 구동 장치(100)는 도 8에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
이 경우, DC 링크 커패시터(120)는 고조파 보상 회로(140) 내의 직류 전압원(141)으로부터 전압을 공급받을 수 있다. 이를 위해, 직류 전압원(141)에 저장된 직류 전압(Vdc)의 크기는 직류단 전압(Vlink)의 크기보다 클 수 있다.
DC 링크 커패시터(120)와 고조파 보상 회로(140)가 선택적으로 연결된 경우에도 고조파 보상 회로(140)는 전류 센서(S2)를 통해 측정된 전류에 따라 보상 전류를 생성할 수 있다. 보상 전류를 생성하는 방법은 전술한 바 있으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작 이상을 파악함으로써 공기조화장치의 고장을 진단할 수 있고, 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하더라도 모터를 지속적으로 구동함으로써, 공기조화장치의 고장 시에도 사용자에게 조화 공기(conditioned air)를 끊임없이 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 계통에서 공급되는 3상 교류 전원의 정류 동작에 이상이 발생하였는지 여부에 관계 없이 계통단에서 발생하는 고조파 전류를 상쇄함으로써, 고조파 전류가 계통 및 계통에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
도 2에 도시된 공기조화장치(1)는 압축기, 인버터, 컨버터, 능동 전력 필터 및 복수의 스위치를 포함할 수 있다.
인버터는 직류 전압을 3상 교류 전류로 변환하고 3상 교류 전류를 이용하여 압축기 내의 모터를 구동할 수 있으며, 도 3 및 도 4에 도시된 DC 링크 커패시터(120) 및 전력 변환 회로(130)를 포함할 수 있다.
컨버터는 인버터에 직류 전압을 공급할 수 있으며, 도 3 및 도 4에 도시된 정류 회로(110)를 포함할 수 있다.
능동 전력 필터는 모터의 구동으로 인해 발생하는 고조파 전류를 상쇄할 수 있다. 보다 구체적으로, 전술한 인버터 및 컨버터의 동작으로 인해 모터가 구동되면 인버터 및 컨버터에 포함된 비선형 소자(예를 들어, 다이오드, 전력 스위칭 소자 등)의 특성에 의해 고조파 전류가 발생할 수 있다.
능동 전력 필터는 이와 같이 발생한 고조파 전류를 보상 전류를 통해 상쇄할 수 있고, 도 3 및 도 4에 도시된 고조파 보상 회로(140)를 포함할 수 있다.
복수의 스위치는 인버터 내의 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전압에 따라 컨버터 또는 능동 전력 필터를 인버터에 선택적으로 연결할 수 있고, 도 3 및 도 4에 도시된 제1 스위치(151) 및 제2 스위치(152)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 복수의 스위치는 컨버터의 출력단과 인버터를 연결하는 제1 스위치(151)와, 능동 전력 필터 내의 직류 전압원(141)과 인버터를 연결하는 제2 스위치(152)를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 스위치는 도 3 및 도 4에 도시된 스위치 제어부(150)의 제어에 따라 온 또는 오프 될 수 있다.
보다 구체적으로, 복수의 스위치는 인버터 내의 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전압의 평균값이 기준 직류 전압 이상이면 컨버터와 인버터를 연결하고, DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전압의 평균값이 기준 직류 전압 미만이면 능동 전력 필터와 인버터를 연결할 수 있다.
또한, 복수의 스위치는 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전압의 리플 전압(Vr)이 기준 리플 전압 미만이면 컨버터와 인버터를 연결하고, 리플 전압(Vr)이 기준 리플 전압 이상이면 능동 전력 필터와 인버터를 연결할 수 있다.
즉, 본 발명의 공기조화장치(1)는 전술한 모터 구동 장치(100)의 각 구성요소를 포함할 수 있고, 모터 구동 장치(100)를 구성하는 전력 변환 회로(130), 정류 회로(110), 고조파 보상 회로(140) 및 스위치 제어부(150)의 동작 방법에 대해서는 전술한 바 있으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (13)

  1. 계통으로부터 공급되는 3상 교류 전원을 정류하는 정류 회로;
    상기 정류 회로에 의해 정류된 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터;
    상기 DC 링크 커패시터에 저장된 전압을 변환하여 모터에 제공하는 전력 변환 회로;
    계통단에서 발생하는 고조파 전류를 검출하고 상기 검출된 고조파 전류를 상쇄하기 위한 보상 전류를 상기 계통단에 출력하는 고조파 보상 회로; 및
    상기 DC 링크 커패시터의 전압을 검출하고, 상기 검출된 전압에 따라 상기 DC 링크 커패시터에 상기 정류 회로 또는 상기 고조파 보상 회로를 선택적으로 연결하는 스위치 제어부를 포함하는
    모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류 회로는
    상기 3상 교류 전원의 각 상에 연결되는 두 개의 다이오드를 각각 포함하는 3상 전파 정류(three phase full-wave rectification) 회로인 모터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 회로는
    상기 DC 링크 커패시터에 저장된 전압을 이용하여 3상 교류 전류를 생성하는 복수의 전력 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 보상 회로는
    상기 계통단에 병렬로 연결되어 상기 보상 전류를 상기 계통단에 출력하는 모터 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 보상 회로는
    직류 전압원과,
    상기 직류 전압원에 저장된 직류 전압을 이용하여 상기 보상 전류를 생성하는 복수의 전력 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 보상 회로는
    상기 검출된 고조파 전류와 크기는 동일하고 위상이 반대인 상기 보상 전류를 생성하는 모터 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 정류 회로의 출력단과 상기 DC 링크 커패시터를 연결하는 제1 스위치 및 상기 고조파 보상 회로 내의 직류 전압원과 상기 DC 링크 커패시터를 연결하는 제2 스위치를 제어하는 모터 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 검출된 직류 전압의 평균값이 기준 직류 전압 이상이면 상기 정류 회로와 상기 DC 링크 커패시터를 연결하고, 상기 검출된 직류 전압의 평균값이 상기 기준 직류 전압 미만이면 상기 고조파 보상 회로와 상기 DC 링크 커패시터를 연결하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 검출된 직류 전압의 리플 전압이 기준 리플 전압 미만이면 상기 정류 회로와 상기 DC 링크 커패시터를 연결하고, 상기 리플 전압이 상기 기준 리플 전압 이상이면 상기 고조파 보상 회로와 상기 DC 링크 커패시터를 연결하는 모터 구동 장치.
  10. 압축기;
    직류 전압을 3상 교류 전류로 변환하고, 상기 3상 교류 전류를 이용하여 상기 압축기 내의 모터를 구동하는 인버터;
    상기 인버터에 상기 직류 전압을 공급하는 컨버터;
    상기 모터의 구동으로 인해 발생하는 고조파 전류를 상쇄하는 능동 전력 필터; 및
    상기 직류 전압에 따라 상기 컨버터 또는 상기 능동 전력 필터를 상기 인버터에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 포함하는
    공기조화장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는
    상기 컨버터의 출력단과 상기 인버터를 연결하는 제1 스위치와,
    상기 능동 전력 필터 내의 직류 전압원과 상기 인버터를 연결하는 제2 스위치를 포함하는 공기조화장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는
    상기 검출된 직류 전압의 평균값이 기준 직류 전압 이상이면 상기 컨버터와 상기 인버터를 연결하고, 상기 검출된 직류 전압의 평균값이 상기 기준 직류 전압 미만이면 상기 능동 전력 필터와 상기 인버터를 연결하는 공기조화장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는
    상기 검출된 직류 전압의 리플 전압이 기준 리플 전압 미만이면 상기 컨버터와 상기 인버터를 연결하고, 상기 리플 전압이 상기 기준 리플 전압 이상이면 상기 능동 전력 필터와 상기 인버터를 연결하는 공기조화장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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