KR20210109955A - 부하 기기의 저항값 검출 기능을 갖는 전력 변환 장치 및 방법 - Google Patents

부하 기기의 저항값 검출 기능을 갖는 전력 변환 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

부하 기기의 저항값 검출 기능을 갖는 전력 변환 장치 및 방법에 대해 제시한다. 전력 변환 장치는 같은 임피던스로 이루어진 중성점은 같은 크기의 전압을 가진다는 원리를 이용하기 위해, 저항값 검출회로에 부하 기기의 중성점과 같은 임피던스로 이루어진 다른 중성점이 대칭적으로 형성되도록 한다. 그리고, 부하 기기와 같은 임피던스로 이루어진 해당 중성점의 전압과 부하 기기로 공급되는 전압의 차전압을 검출함으로써 해당 부하 기기의 구동 전압 값을 검출한다. 이와 같이, 인버터를 통해 부하 기기로 전송되고 있는 전류량과 부하 기기의 구동 전압이 검출되면 해당 부하 기기의 저항값은 저항값 검출 수학식을 통해 정확하게 검출할 수 있다. 이에, 본 발명으로는 전력 변환 장치에 연결된 부하 기기의 구동 전압과 전류 및 저항값을 정확하게 검출할 수 있다.

Description

부하 기기의 저항값 검출 기능을 갖는 전력 변환 장치 및 방법{POWER CONVERTING DEVICE AND METHOD WITH FUNCTION FOR DETECTING VALUE OF THE RESISTANCE OF LOAD DEVICE FOR}
본 발명은 압축기나 전동기 등의 부하 기기에 대한 저항값 검출 기능을 통해 부하 기기별로 전력 소비 특성에 맞게 제어할 수 있도록 한 전력 변환 장치 및 전력 변환 방법에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 입력 전원(또는, 상용 전원)의 전류 및 전압 등을 변환하고, 변환된 전원을 가전기기나 산업용 기기 등 전력을 이용하는 다양한 부하 기기들로 공급하는 장치이다. 이러한, 전력 변환 장치는 산업체나 수용가 내의 다양한 부하 기기들과 함께 구성되어, 외부의 입력 전원을 해당 부하 기기의 구동 전원으로 변환해서 공급하는 기능을 수행한다.
수용가의 가전기기나 산업용 전력기기 등에 주로 이용되는 부하 기기로는 압축기와 전동기(또는, 전기 모터) 등이 주요 이용되는데, 압축기의 경우는 기계적인 에너지를 압축성 유체의 압축 에너지로 전환시키는 기기이다. 그리고, 전동기는 전기 에너지를 회전 동력으로 전환시키는 기기이다. 이러한 압축기나 전동기 등은 냉장고나 공기 조화기 등의 주요 부품으로 사용되고 있다.
외부의 입력 전원(또는, 상용 전원)을 압축기나 전동기 등의 부하 기기로 전달하는 전력 변환 장치는 다수의 전력 스위칭 소자를 구비해서 구성된 컨버터와 인버터 등을 포함한다. 예를 들어, 컨버터에 구성된 적어도 하나의 스위치는 마이컴에서 출력하는 컨버터 제어 신호에 기초해서 스위칭 동작을 수행함으로써, 입력 전원에 대한 정류나 승압 등을 수행할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 인버터의 경우는 다수의 스위치를 구비하고, 마이컴에서 출력하는 인버터 제어 신호에 기초한 스위치의 동작에 따라 직류 전압을 미리 설정된 전압 크기의 정격 전원(또는, 구동 전원)으로 변환해서 출력할 수 있다.
이러한, 종래의 전력 변환 장치는 구동 전원을 공급하게 되는 부하 기기의 저항값이 소비 전류량 등을 정확하게 검출할 수 없었기 때문에, 미리 세팅된 부하 용량이나 구동 전압 크기 등에 따라서만 동작할 수밖에 없었다. 즉, 부하 기기의 저항값이나 전력 효율 등의 정보가 마이컴에 미리 저장되도록 하고, 마이컴이 미리 저장된 부하 기기의 전력 이용 특성에 알맞게 세팅된 상태로만 인버터 제어 신호를 생성해서 인버터 등을 제어해야 했다.
따라서, 구동 전원 출력단의 부하 기기가 변경되는 경우, 변경되는 부하 기기별로 저항값이나 전력 효율 등의 정보를 다시 확인해서 입력해주어야 하는 문제가 있었다. 이에, 전동기나 압축기 등의 부하 기기에 대한 저항값을 추정하기 위한 방식은 대한민국 등록특허공보 제10-1196028호(2012.10.24) 등으로 제안되었다.
도 1은 종래 기술에 따른 모터의 고정자 저항 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 모터 제어 장치에 제1 자속 전류(idas)를 인가하고, 제1 자속 전류(idas)가 인가되는 동안의 제1 지령 전압(Vdas)과 제1 지령전류(idas) 및 실제 전류(idas)의 차이를 0으로 만드는 지령 전압값을 비례 적분 제어기(11)에서 저장했다. 그리고, 지령 전압값과 제1 자속 전류(idas)에 대한 고정자 저항 추정값(Rs)을 미리 설정된 식을 이용해 산출했다. 이때는 모터의 종류에 따라 제1 자속 전류의 정수배, 예컨대 2배인 제2 자속 전류를 인가하고, 그때의 제2 지령 전압을 저장해서 특정 자속 전류에 대한 고정자 저항 추정값을 산출할 수 있었다. 이와 같이, 종래에는 모터에 인가되는 자속 전류나 모터 구동 제어를 위한 지령 전류 등을 설정해서 모터의 고정자 저항을 추정할 수 있었다.
하지만, 인버터 등이 이용되는 캡리스(capless) 구조, 즉 커패시턴스를 이용하는 인버터 적용 구조에서는 커패시턴스 용량에 따라 교류 전압이 정확하게 평활화되지 못하기 때문에 정확하게 저항값을 검출할 수 없게 된다. 즉, 캡리스 구조에서 커패시턴스 용량이 작거나 작아지도록 가변되는 경우에는 교류 전압이 확실하게 평활화되지 못하고, 파동을 유지하기 때문에 불균일한 전류 값으로는 정확하게 저항값을 추정할 수 없는 문제가 있었다.
또한, 커패시턴스를 이용하는 인버터 적용 구조에서는 부하 기기가 변경될 때마다 별도의 외부 장치를 이용해서 부하 기기의 저항값이나 소비 전력량 등을 검출해야 했다. 즉, 종래에는 별도의 저항값 검출 장치 등을 이용해서 해당 부하 기기별로 저항값이나 소비 전력 특성을 검출한 후, 마이컴에 입력 및 적용시켜야 하는 번거로움을 감수해야 했다.
또한, 별도의 저항값 검출 장치를 이용하는 경우에는 저항값 검출 장치들의 부피와 무게 및 구입 비용 등의 문제를 감수해야 했다. 따라서, 종래에는 전력 변환 장치에 한번 적용된 부하 기기를 용이하게 변경시킬 수가 없었고, 그에 따라 인버터를 이용한 전력 변환 장치의 이용 효율이 저하될 수밖에 없는 문제가 있었다.
본 발명에서는 부하 기기 측의 임피던스와 동일한 임피던스로 이루어진 중성점의 전압과 부하 기기로 공급되는 구동 전압 및 구동 전류를 검출해서 해당 부하 기기에 대한 저항값을 정확하게 검출할 수 있는 전력 변환 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 별도의 저항값 검출 장치를 이용하지 않고, 전력 변환 장치에 내장된 저항값 검출 회로를 이용해서 부하 기기에 대한 저항값을 정확하게 검출할 수 있는 캡리스 구조의 전력 변환 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 부하 기기가 변경 또는 교체되더라도 전력 변환 장치에 내장된 저항값 검출 회로를 이용해서 실시간으로 해당 부하 기기에 대한 저항값을 검출하고, 마이컴에서 해당 부하 기기의 소비 전력 특성에 알맞게 인버터 제어 신호를 생성해서 인버터 등을 제어할 수 있는 전력 변환 장치 및 방법을 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 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 같은 임피던스로 이루어진 중성점은 같은 크기의 전압을 가진다는 원리를 이용하기 위해, 저항값 검출회로에 부하 기기의 중성점과 같은 임피던스로 이루어진 다른 중성점이 대칭적으로 형성되도록 한다. 그리고, 부하 기기와 같은 임피던스로 이루어진 해당 중성점의 전압과 부하 기기로 공급되는 전압의 차전압을 검출함으로써 해당 부하 기기의 구동 전압 값을 검출한다. 이와 더불어, 인버터를 통해 부하 기기로 전송되고 있는 전류량과 부하 기기의 구동 전압이 검출되면 해당 부하 기기의 저항값은 저항값 검출 수학식을 통해 정확하게 검출할 수 있다.
부하 기기의 저항값 검출의 위해, 전력 변환 장치는 저항값 검출 회로부에 부하 기기의 중성점 임피던스와 동일한 임피던스를 갖도록 부하 대칭 중성점을 형성하고, 부하 대칭 중성점의 전압과 부하 기기로 전송되는 전압 크기를 검출해서 부하 기기의 구동 전압 크기를 산출한다.
또한, 부하 기기의 구동 전압과 인버터를 통해 부하 기기로 흐르는 구동 전류량을 마이컴으로 연산하여 부하 기기의 저항값을 산출하고, 부하 기기의 구동 전압과 저항값 특성에 따라 인버터의 구동을 제어한다. 이때는 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 직류 전류 공급부로 공급함으로써, 직류 전류 공급부를 통해 인버터로 전송되는 직류 전압 크기, 전류량, 전류 피크치, 전류 공급 주파수 중 적어도 하나의 값을 가변시킬 수 있다.
이와 달리, 마이컴으로부터의 스위칭 제어 신호에 따라 인버터에 구성된 복수의 스위칭 소자 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 가변시켜 생성 및 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 부하 기기 측 중성점의 임피던스와 동일한 임피던스로 이루어진 다른 중성점의 전압과 부하 기기로 입력되는 구동 전압 및 구동 전류량을 검출해서 해당 부하 기기에 대한 저항값을 정확하게 검출할 수 있다. 이에, 전력 변환 장치와 부하 기기들의 이용 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 전력 변환 장치에 내장된 저항값 검출 회로를 이용해서 부하 기기에 대한 저항값을 정확하게 검출함으로써 캡리스 구조의 전력 변환 장치에도 용이하게 적용되도록 할 수 있다. 이에, 캡리스 구조의 전력 변환 장치 적용시에도 별도의 저항값 검출 장치를 이용하지 않아도 되기 때문에 캡리스 구조의 전력 변환 장치에 대한 이용 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 부하 기기가 교체 또는 변경되더라도 전력 변환 장치에 내장된 저항값 검출 회로를 이용해서 실시간으로 변경된 부하 기기에 대한 저항값을 검출할 수 있다. 그리고, 마이컴에서 해당 부하기기의 전력 이용 특성에 알맞게 인버터 제어 신호를 생성해서 인버터 등을 효율적으로 제어할 수 있다. 이에, 부하 기기들을 용이하게 교체하거나 변경해서 이용할 수 있으며, 그 이용 효율 증대로 인해 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 모터의 고정자 저항 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 인버터와 부하 기기 간에 구성된 저항값 검출 회로의 회로도이다.
도 4는 부하 기기로 입력되는 전류, 전압 및 부하 기기의 중성점 전압 검출 포인트를 각각 나타낸 회로도이다.
도 5는 부하 기기로 입력되는 전류, 전압 및 부하 기기의 중성점 전압 값 검출 파형을 나타낸 파형도이다.
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. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
압축기, 팬(Fan), 전동기 등의 부하 기기들을 사용하는 공기 조화기나 냉장고 등은 상용 전원 입력단으로 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환해서 정격 전원을 출력하는 전력 변환 장치를 포함한다.
본 발명에서의 전력 변환 장치는 공기 조화기와 냉장고 외에도 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등의 가전기기, 및 사무기기와 산업용 기기 등에도 다양하게 적용 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부하 기기의 저항값 검출 기능을 갖는 전력 변환 장치 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 전력 제어장치는 필터부(200), 직류 전류 공급부(300), 직류 전류 제어부(310), 안정화 캐패시터(400), 인버터(500), 인버터 제어부(510), 마이컴(520) 및 저항값 검출 회로부(700) 등을 포함한다.
필터부(200)는 전원 입력단(100)의 외부 입력 전류를 필터링해서 직류 전류 공급부(300)로 전송한다. 이러한 필터부(200)는 적어도 하나의 인덕턴스와 저항 소자 및 캐패시터 등으로 이루어진 회로 구성을 통해 전원 입력단(100)의 입력 전류를 필터링한다. 그리고, 노이즈 등이 제거된 직류 전류를 직류 전류 공급부(300)로 전송한다.
직류 전류 공급부(300)는 직류 전류 제어부(310)의 제어에 따라 필터부(200)를 통해 입력되는 직류 전압을 승압 또는 변압해서 안정화시키고, 적절한 크기로 승압 또는 변압된 직류 링크 전압을 인버터(500)로 전송한다. 이러한 직류 전류 공급부(300)는 필터부(200)를 통해 입력되는 직류 전압을 승압 또는 변압하기 위한 수단으로 부스트 컨버터를 포함할 수 있다.
직류 전류 공급부(300)의 부스트 컨버터는 적어도 하나의 스위칭 소자(예를 들어, Insulated gate bipolar transistor)와 인덕턴스 및 다이오드 등을 포함해서 구성될 수 있고, 적어도 하나의 다이오드에는 리플 발생용 스위칭 소자(미도시)나 캐패시터 등이 병렬 구조로 연결될 수도 있다. 이에, 직류 전류 공급부(300)에 구성된 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로는 직류 전류 제어부(310)로부터의 미리 설정된 주기의 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류가 입력된다. 이에, 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터에서 출력되는 교류 파형의 전류에 의해 직류 전류 공급부(300)에서 출력되는 직류 전류에는 특정 주파수의 리플이 포함되게 된다. 이러한 구성과 동작에 의해, 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500) 간에는 소정 주파수 범위의 리플이 포함된 직류 링크 전압이 전송 및 유지된다. 이러한, 직류 전류 공급부(300)는 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터나 능동형 정류기 등으로 구성될 수도 있다. 하지만, 직류 전류 공급부(300) 구성은 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터 구성이나, 능동형 정류기 구성 등으로만 국한되지 않는다.
직류 전류 제어부(310)는 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급하여, 직류 전류 공급부(300)에서 리플이 포함된 직류 전압이 출력되도록 한다. 이때 직류 전류의 리플은 전동기 등의 부하 기기(600)에 대한 구동 특성을 감안하여, 전동기의 구동 주기인 적어도 1주기의 기간을 인버터(500)의 스위칭 개수로 나눈 주기에 대응하는 주기 단위로 발생되도록 할 수 있다.
또한, 직류 전류 제어부(310)는 리플 발생용 스위칭 신호의 주파수를 변조하는 방식이나 리플 발생 전류량 제어 방식 등을 통해 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량이 가변되도록 제어한다. 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킴으로써, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류의 전류량과 스위칭 주파수 또한 가변되도록 할 수 있다.
한편, 직류 전류 제어부(310)는 마이컴(520)의 제어에 따라 인버터(500)의 션트 저항 소자(SR)를 통해 검출된 교류 전류량 또는 전류 피크치를 반영하여 인버터(500)로 입력되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수 있다. 이에, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류의 전류량이나 피크치를 제어할 수 있다. 또한, 직류 전류 제어부(310)는 부하 기기(600)의 저항값을 검출 결과에 따라 설정되는 부하 기기(600)의 구동 전압 값이나 구동 전류량에 따라 인버터(500)로 입력되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수도 있다.
직류 전류 제어부(310)는 직류 전류 공급부(300)에서 인버터(500)로 입력되는 직류 전압의 크기나 전류량을 제어함에 있어서, 부하 기기(600)의 소비 전력 특성에 따라 특정 전압 및 특정 전류에서 최대전력을 생산해내도록 하는 최대 전력점 추종 알고리즘을 따르게 된다. 이때, 직류 전류 제어부(310)는 저항값 검출 회로부(700)를 통해 검출되는 인버터(500) 출력단의 부하 기기(600) 특성 변동에 따라 최대 전력점을 찾기 위해 지속적으로 지령값을 변화시켜 최대 전력점을 추종하도록 한다. 예를 들면, 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)의 출력단이나 션트 저항 소자(SR)를 통해 실시간으로 검출된 전류량 또는 전류 피크치에 따라 단계적으로 레벨을 올리거나 내리며 자체적으로 입력 전류 지령을 생성한다. 그리고 단계적으로 생성된 입력 전류 지령에 따라 리플 발생 전류량 및 전류 피크치를 상승 또는 하강시켜서 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급할 수 있다.
안정화 캐패시터(400)는 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500) 간에 구성될 수 있다. 안정화 캐패시터(400)는 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500)의 제1 및 제2 극성(+,-) 간에 구성된다. 이에, 안정화 캐패시터(400)는 직류 전류 공급부(300)에서 출력되는 직류 전류를 충전 및 방전함으로써, 인버터(500)로 전송되는 직류 전류가 안정화 상태로 전송되도록 한다. 전술한 바와 같이, 직류 전류 공급부(300)는 인버터(500)로 전송되는 전류량을 가변시켜 출력하기 때문에, 안정화 캐패시터(400)의 용량은 인버터(500)로 전송되는 직류 전압 크기나 전류량 변화에 따라 100㎌ 이하까지 최소화되도록 구성될 수도 있다. 안정화 캐패시터(400)의 용량을 최소화하게 되면 안정화 캐패시터(400)에 따른 전류 손실을 최소화함으로써 전류 제어 효율은 높일 수 있게 된다.
인버터(500)는 인버터 제어부(510)의 스위칭 제어에 따라 리플이 포함된 직류 전류를 스위칭시킴으로써, 리플이 포함된 직류 전류를 교류 전류로 변환한다. 그리고 리플이 포함된 교류 전류를 부하 기기(600)로 전송한다.
인버터(500)는 리플이 포함된 직류 전류 입력단의 제1 및 제2 극성(+,-) 간 극성 변화에 따라 교류 전류 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환 가능한 양방향 회로 구조로 구성될 수도 있다. 이러한 인버터(500)의 입력단에는 제1 및 제2 극성(+,-)을 변환시켜 직류 전압을 입력받는 트랜스 회로(또는, 전환 스위칭 회로) 등이 더 구성될 수 있다.
인버터(500)의 제1 및 제2 극성(+,-) 단자 간에는 제1 및 제4 스위칭 소자(S1,S4)가 직렬 연결되며, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1,S4)와는 병렬 구조로 제2 및 제5 스위칭 소자(S1,S4)가 직렬로 연결된다. 또한, 제2 및 제5 스위칭 소자(S1,S4)와는 병렬 구조로 제3 및 제6 스위칭 소자(S3,S6)가 직렬로 연결된다. 인버터(500)의 구조는 도 2 및 3에 도시된 구조로 한정되지 않으며, 인버터(500)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)는 그 직/병렬 조합 구조에 따라 다양한 구조의 브리지 회로 형태로 구성될 수 있다.
인버터(500) 입력단의 제1 및 제2 극성(+,-) 변화와 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 온/오프 스위칭 제어 모드에 의해, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류량과 전류 흐름 방향은 정방향 또는 역방향으로 변환될 수도 있다.
인버터 제어부(510)는 마이컴(520)으로부터의 스위칭 제어 신호에 따라 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성 및 공급함으로써, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
부하 기기(600)로는 압축기나 전동기 등 다양한 전력기기들이 적용될 수 있지만, 이하에서는 3상 입력 전압(iu,iv,iw)에 의해 회전 동력을 방생시키는 전동기가 적용된 예로 설명하기로 한다. 일반적으로 전동기는 3상의 전압(iu,iv,iw) 입력단 각각에 제1 내지 제3 리액터(L1,L2,L3)와 제1 내지 제3 저항 소자(R1,R2,R3) 등의 저항체를 포함해서 구성된다. 전동기에는 3상 전압(iu,iv,iw) 입력에 의해 소정의 임피던스를 갖는 중성점(NP)이 형성된다.
저항값 검출 회로부(700)는 부하 기기(600) 측 중성점(NP)의 임피던스와 동일한 임피던스를 갖도록 형성되는 다른 임의의 중성점(이하, 부하 대칭 중성점) 전압의 크기와 부하 기기(600)로 입력되는 전압 크기를 검출해서 실시간으로 부하 기기(600)의 구동 전압 크기를 산출한다.
구체적으로, 저항값 검출 회로부(700)는 부하 기기(600)로 입력되는 3상 전압(iu,iv,iw)에 의해 형성된 중성점(NP)의 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 중성점 형성 회로를 구축함으로써, 부하 기기(600) 측 중성점(NP)의 임피던스와 동일한 임피던스로 이루어진 부하 대칭 중성점의 전압 크기를 검출한다. 그리고, 부하 기기(600)로 입력되는 3상 전압(iu,iv,iw) 중 적어도 하나의 전압 크기를 검출한 후, 중성점(NP)의 전압 대비 부하 기기(600)로 입력되는 전압의 차 전압을 검출함으로써 실시간으로 부하 기기(600)의 구동 전압 크기를 산출할 수 있다. 이렇게 산출된 부하 기기(600)의 구동 전압은 마이컴(520)으로 전송된다.
마이컴(520)은 저항값 검출 회로부(700)로부터 검출된 부하 기기(600)의 구동 전압과 인버터(500)의 출력단이나 인버터(500)의 션트 저항 소자(SR)를 통해 실시간으로 검출된 부하 기기(600)의 구동 전류량(또는 전류 값)을 이용해서, 부하 기기(600)의 저항값을 산출한다. 그리고, 부하 기기(600)의 저항값, 구동 전류량 및 구동 전압 크기 등에 따른 전력 특성에 따라 직류 전류 공급부(300)에서 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수 있도록 스위칭 신호를 생성할 수 있다. 이때, 마이컴(520)은 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수 있도록 생성된 스위칭 신호는 직류 전류 제어부(310)로 공급해서 인버터(500)로 입력되는 직류 전압의 크기나 전류량이 가변되도록 할 수 제어할 수 있다.
또한, 마이컴(520)은 부하 기기(600)의 구동 전류량과 구동 전압 크기 등에 따른 전력 특성에 따라 듀티 비를 가변시켜서 스위칭 제어신호를 생성하고, 이를 인버터 제어부(510)로 공급할 수 있다.
이에, 인버터 제어부(510)는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 스위칭시키기 위한 PWM 신호들의 듀티 비를 스위칭 제어신호에 의해 설정된 비율로 가변시켜서 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 전송할 수 있다. 이를 위해, 마이컴(520)은 인버터(500)에 구성된 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 온/오프 듀티 비를 부하 기기(600)의 소비 전력 특성이나 구동 전류량 등에 따라 미리 설정된 비율로 가변시켜서 인버터 제어부(510)로 공급한다.
또한, 인버터 제어부(510)는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 스위칭시키기 위한 PWM 신호들의 듀티 비를 일정하게 고정시키고, 직류 전류 제어부(310)로부터 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 크기나 전류량 및 스위칭 주파수 등에 따라 출력 전압과 전류량 등이 가변되도록 할 수도 있다.
도 3은 도 2에 도시된 인버터와 부하 기기 간에 구성된 저항값 검출 회로의 회로도이다. 그리고, 도 4는 부하 기기로 입력되는 전류, 전압 및 부하 기기의 중성점 전압 검출 포인트를 각각 나타낸 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 저항값 검출 회로부(700)는 부하 대칭 중성점(SNP)을 형성하는 중성점 검출 회로, 적어도 하나의 연산 증폭 회로(OP1), 제1 내지 제4 안정화 소자(SR1 내지 SR4) 등을 포함한다.
구체적으로, 중성점 검출 회로는 부하 기기(600)의 3상 전압 입력단(iu,iv,iw)에 병렬 구조로 구성되어 부하 기기(600)의 중성점(NP) 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점(SNP)을 형성한다.
중성점 검출 회로는 부하 기기(600)의 1상 전압 입력단(iu)과는 병렬 구조로 구성되되 서로간에 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터(C1,C2), 및 부하 기기(600)의 2상 전압 입력단(iv)과 제1 및 제2 커패시터(C1,C2)와는 병렬 구조로 구성되되 서로간에 직렬로 연결된 제3 및 제4 커패시터(C3,C4)를 포함한다.
또한, 중성점 검출 회로는 부하 기기(600)의 3상 전압 입력단(iw)과 제3 및 제4 커패시터(C3,C4)와는 병렬 구조로 구성되되 서로간에 직렬로 연결된 제5 및 제6 커패시터(C5,C6)를 포함함으로써, 부하 기기(600)의 중성점(NP) 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점(SNP)을 형성한다.
제1 내지 제6 커패시터(C1 내지 C6) 각각의 용량은 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500)의 출력 전압과 전류량 범위에 따라 미리 설정될 수 있다. 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500)의 출력 전압과 전류량 범위에 따라 부하 기기(600)의 구동 전압 및 전류량 범위가 설정되기 때문이다. 이에, 제1 내지 제6 커패시터(C1 내지 C6) 각각의 용량은 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500)의 출력 전압과 전류량 마진을 포함하는 크기로 설정됨이 바람직하다.
적어도 하나의 연산 증폭 회로(OP1)는 부하 대칭 중성점(SNP)의 전압과 부하 기기(600)로 입력되는 전압의 차 전압을 검출하고, 차 전압을 마이컴(520)으로 전송한다.
연산 증폭 회로(OP1)는 중성점 검출 회로에 형성된 부하 대칭 중성점(SNP)의 전압 크기와 부하 기기(600)로 입력되는 3상 전압(iu,iv,iw) 중 어느 한 전압의 차전압을 검출하고, 검출된 차전압을 마이컴(520)으로 전송한다. 여기서, 마이컴(520)은 부하 대칭 중성점(SNP)의 전압과 3상 전압(iu,iv,iw) 중 어느 한 전압 간의 차전압을 부하 기기(600)의 구동 전압으로 입력받는다. 여기서, 연산 증폭 회로(OP1)의 전압 차 검출 마진은 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500)의 출력 전압과 전류량 범위에 따라 미리 설정될 수 있다.
한편, 인버터(500)에는 인버터(500)의 구동 전류를 실시간으로 검출할 수 있도록 구성된 적어도 하나의 션트 저항 소자(SR)가 포함된다.
적어도 하나의 션트 저항 소자(SR)는 인버터(500) 3상 전압(iu,iv,iw) 출력단이나 인버터의 저전위 노드 또는 고전위 노드에 직렬이나 병렬로 연결될 수 있으므로, 션트 저항 소자(SR)의 배치 위치에 따라 부하 기기(600)의 구동 전류량 검출 타이밍은 가변 될 수 있다. 본 발명에서는 하나의 션트 저항 소자(SR)가 인버터(500)의 저전위 노드에 직렬로 연결된 구성을 일 예로 도시하였다.
이와 같은 구성에 따라, 마이컴(520)은 저항값 검출 회로부(700)의 연산 증폭 회로(OP1)를 통해 입력되는 부하 기기(600)의 구동 전압, 및 인버터(500)의 션트 저항 소자(SR)를 통해 검출된 부하 기기(600)의 구동 전류량을 이용해서 부하 기기(600)의 저항값을 검출한다. 여기서, 마이컴(520)은 하기의 수학식 1, 2를 이용해서 부하 기기(600)의 저항값을 검출할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, Ishunt는 적어도 하나의 션트 저항 소자(SR)를 통해 검출된 전류 값이고, Vshunt는 3상 전압(iu,iv,iw) 출력단 중 어느 한 출력단의 검출 전압이다. 그리고, Vmicom은 부하 기기(600)의 구동 전압이다.
상기 수학식 1 및 2의 정의에 따라, 해당 부하 기기(600)의 저항값(R)은 부하 기기(600)의 구동 전압과 구동 전류량의 연산 값으로 추출될 수 있다. 이에 따라, 마이컴(520)은 부하 기기(600)의 저항값, 구동 전류량 및 구동 전압 크기 등에 따른 전력 특성에 따라 직류 전류 공급부(300)에서 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수 있다. 반면, 부하 기기(600)의 구동 전류량과 구동 전압 크기 등에 따른 전력 특성에 따라 인버터(500)에서 출력되는 전류량 및 스위칭 주파수를 가변시킬 수도 있다.
도 5는 부하 기기로 입력되는 전류, 전압 및 부하 기기의 중성점 전압 값 검출 파형을 나타낸 파형도이다.
도 4와 함께 도 5를 참조하면, 마이컴(520)은 인버터(500)의 션트 저항 소자(SR) 접속 단자(AP)를 통해 부하 기기(600)의 구동 전류량을 실시간으로 모니터할 수 있다. 션트 저항 소자(SR)를 통해 검출되는 전압 및 전류는 인버터(500)의 스위칭 주파수에 따라 스위칭되어 검출될 수 있다.
션트 저항 소자(SR)는 인버터(500) 3상 전압(iu,iv,iw) 출력단이나 인버터의 저전위 노드 또는 고전위 노드에 직렬이나 병렬로 연결될 수 있으므로, 션트 저항 소자(SR)의 배치 위치에 따라 부하 기기(600)의 구동 전류량 검출 타이밍은 가변될 수 있다.
한편, 마이컴(520)은 인버터(500)의 3상 전압(iu,iv,iw) 출력단이나 저전위 단자(BP)를 통해서 인버터(500)의 출력 전류량이나 출력 전압을 실시간으로 검출할 수도 있다. 인버터(500)의 3상 전압(iu,iv,iw) 출력단이나 저전위 단자(BP)를 통해서 검출되는 전압 및 전류는 인버터(500)의 스위칭 동작에 의해 스위칭되어 턴-온 타이밍에 검출될 수 있다.
저항값 검출 회로부(700)는 인버터(500)에서 출력되는 3상 전압(iu,iv,iw) 출력단에 부하 기기(600)와는 병렬로 연결되어, 3상 전압(iu,iv,iw)을 동시에 입력받는다. 이에, 저항값 검출 회로부(700)의 연산 증폭 회로(OP1)는 인버터(500)에서 출력되는 3상 전압(iu,iv,iw) 중 어느 한 전압의 출력 포인트(CP)를 통해 부하 기기(600)의 구동 전압을 검출할 수 있다.
이에 따라, 연산 증폭 회로(OP1)는 중성점 검출 회로에 형성된 부하 대칭 중성점(SNP)의 전압 크기와 부하 기기(600)로 입력되는 3상 전압(iu,iv,iw) 중 어느 한 전압의 차 전압을 검출할 수 있으며, 마이컴(520)은 부하 기기(600)의 구동 전압을 확인할 수 있다.
이상, 상술한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 마이컴(520)은 부하 기기(600) 측 중성점의 임피던스와 동일한 임피던스로 이루어진 부하 대칭 중성점(SNP)의 전압과 부하 기기(600)로 입력되는 구동 전압 및 구동 전류를 검출해서 해당 부하 기기(600)에 대한 저항값을 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 전력 변환 장치에 내장된 저항값 검출 회로부(700)를 이용해서 부하 기기(600)에 대한 저항값을 정확하게 검출함으로써 캡리스 구조의 전력 변환 장치에도 용이하게 적용되도록 할 수 있다. 이에, 캡리스 구조의 전력 변환 장치 적용시에도 별도의 저항값 검출 장치를 이용하지 않아도 되기 때문에 캡리스 구조의 전력 변환 장치에 대한 이용 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 부하 기기(600)가 변경되더라도 전력 변환 장치에 내장된 저항값 검출 회로부(700)를 이용해서 실시간으로 변경된 부하 기기에 대한 저항값을 검출하고, 마이컴(520)에서 해당 부하 기기(600)의 전력 이용 특성에 알맞게 인버터 제어 신호를 생성해서 인버터(500) 등을 제어할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 전원 입력단
200: 필터부
300: 직류 전류 공급부
310: 직류 전류 제어부
400: 안정화 캐패시터
500: 인버터
510: 인버터 제어부
520: 마이컴
600: 부하 기기
700: 저항값 검출 회로부

Claims (13)

  1. 외부로부터의 직류 전류를 스위칭시킴으로써 교류 전류로 변환해서 부하 기기로 전송하는 인버터;
    상기 인버터의 제1 및 제2 극성 간에 구성되어 직류 전류를 충전 및 방전시키는 안정화 캐패시터;
    상기 부하 기기의 중성점 임피던스와 동일한 임피던스를 갖도록 부하 대칭 중성점을 형성하고 상기 부하 대칭 중성점의 전압과 상기 부하 기기로 전송되는 전압 크기를 검출해서 상기 부하 기기의 구동 전압 크기를 산출하는 저항값 검출 회로부; 및
    상기 부하 기기의 구동 전압과 상기 인버터를 통해 상기 부하 기기로 흐르는 구동 전류량을 연산해서 상기 부하 기기의 저항값을 산출하는 마이컴을 포함하는,
    전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    외부로부터 입력되는 입력 전압을 승압 또는 변압해서 상기 안정화 캐패시터 및 상기 인버터의 입력단으로 전송하는 직류 전류 공급부;
    상기 마이컴의 제어에 따라 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 직류 전류 공급부로 공급함으로써, 상기 직류 전류 공급부를 통해 상기 인버터로 전송되는 직류 전압 크기, 전류량, 전류 피크치, 전류 공급 주파수 중 적어도 하나의 값을 가변시키는 직류 전류 제어부; 및
    상기 마이컴으로부터의 스위칭 제어 신호에 따라 상기 인버터에 구성된 복수의 스위칭 소자 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 가변시켜 생성 및 공급하는 인버터 제어부를 포함하는,
    전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항값 검출 회로부는
    상기 부하 기기로 입력되는 3상 전압에 의해 형성된 상기 부하 기기의 중성점의 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점을 형성하고,
    상기 부하 대칭 중성점의 전압 크기와 상기 3상 전압 중 적어도 하나의 전압 크기를 검출하며,
    상기 부하 대칭 중성점의 전압 대비 상기 3상 전압 중 적어도 하나의 전압에 대한 차 전압을 연산 처리함으로써 상기 부하 기기의 구동 전압을 산출하는,
    전력 변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항값 검출 회로부는
    상기 부하 기기의 3상 전압 입력단에 병렬 구조로 구성되어 상기 부하 기기의 중성점 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점을 형성하는 중성점 검출 회로; 및
    상기 부하 대칭 중성점의 전압 대비 상기 부하 기기로 입력되는 3상 전압 중 적어도 하나의 전압에 대한 차 전압을 연산 처리함으로써, 상기 부하 기기의 구동 전압을 산출해서 상기 마이컴으로 공급하는 연산 증폭기를 포함하는,
    전력 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중성점 검출 회로는
    상기 부하 기기의 1상 전압 입력단과는 병렬 구조로 구성되되 서로간에 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터;
    상기 부하 기기의 2상 전압 입력단과 상기 제1 및 제2 커패시터와는 병렬 구조로 구성되되 서로간에 직렬로 연결된 제3 및 제4 커패시터; 및
    상기 부하 기기의 3상 전압 입력단과 상기 제3 및 제4 커패시터와는 병렬 구조로 구성되되 서로간에 직렬로 연결된 제5 및 제6 커패시터를 포함함으로써, 상기 부하 기기의 중성점 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 상기 부하 대칭 중성점을 형성하는,
    전력 변환 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 마이컴은
    상기 저항값 검출 회로부의 연산 증폭기를 통해 산출된 상기 부하 기기의 구동 전압과 상기 인버터의 출력단이나 상기 인버터의 션트 저항 소자를 통해서 실시간으로 검출된 상기 부하 기기의 구동 전류량(또는 전류 값)을 이용해서 상기 부하 기기의 저항값을 산출하고,
    상기 부하 기기의 저항값, 구동 전류량 및 구동 전압 크기에 따라 미리 설정된 전력 특성에 기초하여 직류 전류 공급부에서 상기 인버터로 전송되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수 있도록 직류 전류 제어부를 제어하거나,
    상기 부하 기기의 저항값, 구동 전류량 및 구동 전압 크기에 따라 미리 설정된 전력 특성에 기초하여 미리 설정된 듀티 비를 가변시켜서 스위칭 제어신호를 생성해서 인버터 제어부를 제어하는,
    전력 변환 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 션트 저항 소자는
    상기 인버터의 3상 전압 출력단이나 상기 인버터의 저전위 노드에는 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 인버터의 구동 전류량을 검출할 수 있도록 구성된,
    전력 변환 장치.
  8. 외부로부터의 직류 전류를 인버터로 스위칭시켜서 교류 전류로 변환하고 부하 기기로 전송하는 단계;
    상기 인버터의 제1 및 제2 극성 간에 구성된 안정화 캐패시터를 이용해서 상기 직류 전류를 충전 및 방전시키는 단계;
    상기 부하 기기의 중성점 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점의 전압과 상기 부하 기기로 전송되는 전압 크기를 검출해서 상기 부하 기기의 구동 전압 크기를 산출하는 단계; 및
    상기 부하 기기의 구동 전압과 상기 인버터를 통해 상기 부하 기기로 흐르는 구동 전류량을 마이컴으로 연산하여 상기 부하 기기의 저항값을 산출하고 상기 부하 기기의 구동 전압과 저항값 특성에 따라 상기 인버터의 구동을 제어하는 단계를 포함하는,
    전력 변환 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    외부로부터 입력되는 입력 전압을 직류 전류 공급부로 승압 또는 변압하고 상기 안정화 캐패시터 및 상기 인버터의 입력단으로 공급하는 단계;
    상기 마이컴의 제어에 따라 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 직류 전류 공급부로 공급함으로써, 상기 직류 전류 공급부를 통해 상기 인버터로 전송되는 직류 전압 크기, 전류량, 전류 피크치, 전류 공급 주파수 중 적어도 하나의 값을 가변시키는 단계; 및
    상기 마이컴으로부터의 스위칭 제어 신호에 따라 상기 인버터에 구성된 복수의 스위칭 소자 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 가변시켜 생성 및 공급하는 단계를 더 포함하는,
    전력 변환 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하 기기의 구동 전압 크기를 산출하는 단계는
    상기 부하 기기로 입력되는 3상 전압에 의해 형성된 상기 부하 기기의 중성점의 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점을 형성하는 단계;
    상기 부하 대칭 중성점의 전압 크기와 상기 3상 전압 중 적어도 하나의 전압 크기를 검출하는 단계; 및
    상기 부하 대칭 중성점의 전압 대비 상기 3상 전압 중 적어도 하나의 전압에 대한 차 전압을 연산 처리함으로써 상기 부하 기기의 구동 전압을 산출하는 단계를 포함하는,
    전력 변환 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하 기기의 구동 전압 크기를 산출하는 단계는
    상기 부하 기기의 3상 전압 입력단에 병렬 구조로 구성된 중성점 검출 회로를 통해 상기 부하 기기의 중성점 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 부하 대칭 중성점을 형성하는 단계; 및
    적어도 하나의 연산 증폭기를 이용해서 상기 부하 대칭 중성점의 전압 대비 상기 부하 기기로 입력되는 3상 전압 중 적어도 하나의 전압에 대한 차 전압을 연산 처리하고 상기 부하 기기의 구동 전압을 산출해서 상기 마이컴으로 공급하는 단계를 포함하는,
    전력 변환 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 인버터의 구동을 제어하는 단계는
    상기 연산 증폭기를 통해 산출된 상기 부하 기기의 구동 전압과 상기 인버터의 출력단이나 상기 인버터의 션트 저항 소자를 통해서 실시간으로 검출된 상기 부하 기기의 구동 전류량(또는 전류 값)을 이용해서 상기 부하 기기의 저항값을 산출하는 단계;
    상기 부하 기기의 저항값, 구동 전류량 및 구동 전압 크기에 따라 미리 설정된 전력 특성에 기초하여 직류 전류 공급부에서 상기 인버터로 전송되는 직류 전압의 크기나 전류량을 가변시킬 수 있도록 직류 전류 제어부를 제어하는 단계; 및
    상기 부하 기기의 저항값, 구동 전류량 및 구동 전압 크기에 따라 미리 설정된 전력 특성에 기초하여 미리 설정된 듀티 비를 가변시켜서 스위칭 제어신호를 생성해서 인버터 제어부를 제어하는 단계를 포함하는,
    전력 변환 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 부하 기기의 구동 전류량을 검출하는 단계는,
    상기 인버터의 3상 전압 출력단이나 상기 인버터의 저전위 노드에는 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 인버터의 구동 전류량을 검출할 수 있도록 구성된 션트 저항 소자를 이용해서 검출하는,
    전력 변환 방법.
KR1020200025255A 2020-02-28 2020-02-28 부하 기기의 저항값 검출 기능을 갖는 전력 변환 장치 및 방법 KR102399725B1 (ko)

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