KR100584288B1 - 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 제어회로에 있어서, 특히 역률보상부의 특성을 이용하여 DC 전압을 변경함으로써 불필요한 전류의 흐름을 방지하여 회로의 손실을 줄일 수 있도록 한 직류전압 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법은, 역률보상 스위치 온 시간의 결정 및 목표 DC 전압을 설정하는 단계; 입력전압의 제로크로싱 지점에서 역률보상 스위치를 온시키는 단계; 역률보상 스위치의 온 동작 후, 현재 DC 링크전압이 목표 DC 전압과 일치하는 지를 비교한 후, 일치하면 역률보상 스위치를 오프시키고 모터의 회전수를 제어하는 단계; 상기 모터의 회전수 제어시, PWM 듀티가 적정 범위를 벗어나 동작하는 부하 영역에 따라 목표 DC 전압을 가감하고 목표 DC 전압을 재 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

인버터, 제어회로, 역률보상부, IGBT, PWM

Description

인버터 제어회로의 직류전압 제어방법{Control method for direct current voltage of inverter control circuit}

도 1은 인버터 제어회로의 역률 개선 회로 구성도.

도 2는 종래 도 1의 역률개선회로를 이용한 역률개선방법을 나타낸 플로우 챠트.

도 3은 본 발명 실시 예에 따른 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법을 나타낸 플로우 챠트.

도 4는 일반적인 에어컨의 동작 상태에 따른 입력전류 및 입력전압 파형도.

본 발명은 인버터 제어회로에 있어서, 특히 역률보상부의 특성을 이용하여 DC 전압을 변경함으로써 불필요한 전류의 흐름을 방지하여 회로의 손실을 줄일 수 있도록 한 직류전압 제어방법에 관한 것이다.

일반적인 인버터 공기조화기의 역률개선회로에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 인버터 공기조화기의 역률개선회로 구성도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 교류전원(101)의 리액턴스를 나타내는 리액터(reactor)(102)와, 브리지 다이오드(104) 및 평활캐패시터(C1~C3)로 구성되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(103)와, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(106)를 구동하는 인버터부(105)와, 입력 전류를 감지하는 입력전류검지부(107)와, 입력 교류전원의 제로 크로싱(zero crossing)을 검출하는 제로크로싱 검출부(108)와, 정류된 DC 전압을 검출하는 DC링크전압 검출부(109)와, 역류보상 제어신호에 의해 역률보상을 제어하는 역률보상부(110)와, 상기 입력전류검지부(107), 제로크로싱 검출부(108), DC 링크 검출부(109)로부터 검출된 데이터를 이용하여 인버터부(105)를 제어하고 역류보상 스위치의 온/오프를 제어하는 마이컴(120)으로 구성된다.

상기 역률보상부(110)는 입력 AC 링크에 연결된 브리지 다이오드(111)와, 브리지 다이오드(111)에 연결되어 역률보상 제어신호에 의해 스위칭 온/오프하여 고주파 노이즈와 출력전압을 능동적으로 가변시켜주는 역률보상 스위치(IGBT, 112)로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 인버터 제어회로의 역률 개선 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 마이컴(120)의 제어하에 구동이 시작되면, 교류전원(101)이 리액터부(102)를 통해 정류부(103)의 브리지 다이오드(104)에서 정류되고, 평활캐패시터(C1,C2,C3)에 의해 평활된 후 직류전원으로 출력된다. 정류부(103)에서 정류된 직류전원은 인버터부(105)에 의해 교류전원으로 변환된 후 모터(106)의 구동 전원으로 공급된다.

그리고, 마이컴(120)은 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인터버 구동회로(미도시)로 출력하여 인버터부(105)를 구동시켜 준다.

그리고, 입력전류검지부(107)는 입력 전류를 검지하고, 제로크로싱 검출부(108)는 제로크로싱 위치 즉, 입력전압의 위상을 검출하며, 또 DC 링크전압 검출부(109)는 정류부(103)에 의해 정류된 DC 링크전압을 검출한다. 마이컴(120)은 상기 입력전류검지부(107)에서 감지된 입력 전류의 크기, 제로크로싱 검출부(108)에 의해 검출된 입력전압의 제로크로싱 위치, DC 링크전압 검출부(109)로부터 검출된 DC 링크전압을 전달받는다.

마이컴(120)은 입력전압의 위상을 감지하고 DC 전압을 감지하여, DC 전압의 크기가 항상 일정하도록 역률보상부(110)의 역률보상 스위치(112)의 스위칭 동작을 제어하게 되는데, 상기 마이컴(120)은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 시점일 때, 역률보상 스위치(112)의 온동작을 명령하고, 이때의 신호에 의해서 역률보상 스위치(112)가 온동작된다.

이때, 역률보상 스위치(112)가 온 동작되는 동안, 리액터부(102)에는 입력전압이 걸리고, 리액터부(102)를 통과하는 전류의 위상은 도 4와 같이 선형적으로 상승하면서 전압 파형의 위상에 가깝게 조절된다. 이때 정류부(103)에 의해 정류된 DC 전압이 인버터부(105)를 통해 모터(106)로 공급된다.

상기 동작과 같은 역률보상 스위치(112)의 온 동작은 입력전압의 위상이 제로크로싱 시점에서 반복해서 이루어지며, 상기 온 동작시간은 후술되는 목표 DC 링 크전압과 현재의 DC 링크전압이 동일할 때, 역률보상 스위치를 오프시켜 준다.

이때, 역률보상 스위치(112)가 오프되면 리액터부(102)에는 출력전압에서 입력전압 만큼을 뺀 전압이 걸리고 상기 리액터 전류는 역률보상 스위치의 온 동작에서와 반대로 제로크로싱 위치까지 감소하게 된다.

이러한 역률보상 스위치의 온 동작, 오프동작은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 시점마다 한번씩 이루어진다.

도 2는 종래의 역률 개선 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 마이컴은 제로크로싱 검출부로부터 입력전압의 제로크로싱 위치를 검출하고(S101), 검출된 입력전압의 제로크로싱 지점일 때 역률보상 스위치(IGBT)를 온 시켜 준다(S103). 이후, DC 링크전압 검출부로부터 검출된 DC 링크전압이 목표 DC 전압과 일치하는지를 비교한 후(S105), DC링크전압이 목표전압과 일치하면 역률보상 스위치를 오프시켜 준다(S107). 여기서, 목표 DC전압은 역률이 가장 높게 나오는 DC 링크전압을 목표 DC 링크전압으로 설정해 준다.

그러나, 종래에는 전원전압의 제로크로싱 지점에서 역률보상부의 스위치를 온시켜 줌으로써, 역률 개선에 한계가 있다. 즉, 부하에 관계없이 입력전압의 제로크로싱 위치를 검출한 후 그 위치에서 역률보상 스위치를 일정하게 온/오프시켜 줌으로써, 부하의 넓은 운전 범위에 대하여 역률을 일정하게 제어할 수 없어 역률개선에 한계가 있다.

또한 기존의 역률 개선 회로는 역률의 개선 목적으로만 사용되고 있으며, 모터 효율에 의해 결정되는 DC 전압만을 사용하므로, 정격에서의 운전 효율은 우수하 지만, 모터 설계점을 벗어나는 경우 효율이 저하되는 문제가 있다.

또한 요구되는 DC 전압이 낮을 경우 DC 전압을 일정하게 제어하는데 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 역률보상 스위치를 이용하여 DC 링크전압을 가감시켜 줄 수 있도록 한 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법을 제공함에 그 목적에 있다.

본 발명의 다른 목적은 목표 DC 전압과 정격 부하에서의 PWM 듀티(Duty)의 적정 범위를 설정하고, PWM 듀티의 적정범위를 벗어나게 되는 경우 목표 DC 전압을 가감하여, 새로운 부하에 적절한 목표 DC 전압으로 제어할 수 있도록 함으로써, 부하 영역에 따라 모터의 성능 및 효율을 확보할 수 있도록 한 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 인버터 제어회로의 직류전압 제어 방법은,

역률보상 스위치 온 시간의 결정 및 목표 DC 전압을 설정하는 단계;

입력전압의 제로크로싱 지점에서 역률보상 스위치를 온시키는 단계;

역률보상 스위치의 온 동작 후, 현재 DC 링크전압이 목표 DC 전압과 일치하 는 지를 비교한 후, 일치하면 역률보상 스위치를 오프시키고 모터의 회전수를 PWM 듀티로 제어하는 단계;

상기의 PWM 듀티가 적정 범위를 벗어나 동작하는 부하 영역에 따라 목표 DC 전압을 가감하고 목표 DC 전압을 재 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 PWM 듀티가 저 부하 영역에 있을 경우 목표 DC 전압을 낮추고, 고 부하 영역에 존재할 경우 목표 DC 전압을 높여주고, 정격 부하 영역에 있을 경우 목표 DC 전압을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 PWM 듀티의 부하 영역은 저부하 영역 또는 고부하 영역으로 판단하며, 상기 저부하 영역은 PWM 듀티의 적정 범위의 40% 이하이며, 상기 고부하 영역은 PWM 듀티의 적정 범위에 대해 90% 이상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 목표 DC 전압은 모터가 설계된 정격 DC 전압의 70%~140% 수준으로 설정하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 실시 예에 따른 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1 및 도 3을 참조하면, 마이컴(120)은 역률보상부(110)의 역률보상 스위치(112)의 온 시간(Ton)을 결정하게 되는데, 이때의 역률보상 스위치(112)의 온 시간은 각 제품에 대한 실험단계에서 역률이 가장 높게 나오는 DC 링크전압에 도달하기까지에 이르는 시간(Ton)으로 설정하게 된다(S201).

또한 각 제품에 대한 실험단계에서 역률이 가장 높게 나오는 DC 링크전압을 목표 DC 전압으로 설정하게 되며(S203), 상기에서 설정된 역률보상 스위치(112)의 온 시간 및 목표 DC 전압을 마이컴(120) 내부에 저장하게 된다.

이후, 마이컴(120)의 제어하에 구동이 시작되면 제품 내부로 전원이 입력되면서 정류부(103)에 의해 정류되고 높은 DC 전압이 인버터부(105)를 통해서 교류전압으로 모터(106)에 공급된다.

이때, DC 링크전압 검출부(109)는 발생되는 DC 링크전압을 감지해서 마이컴(120)에 제공하며, 또한 제로크로싱 검출부(108)는 제품 내부로 입력되는 전압의 위상을 감지해서 마이컴(120)에 제공한다.

그러면, 마이컴(120)은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 지점일 때, 역률보상 스위치(112)를 온 동작시킨다(S205). 역률보상 스위치(112)가 온동작되는 동안, 리액터부(102)에는 입력전압이 걸리고, 리액터부(102)를 통과하는 전류의 위상은 도 4와 같이 선형적으로 상승하면서 전압 파형의 위상에 가깝게 조절된다. 이때 정류부(103)에 의해 정류된 DC 전압이 인버터부(105)를 통해 모터(106)로 공급된다.

상기 동작과 같은 역률보상 스위치(112)의 온 동작은 입력전압의 위상이 제로크로싱 시점에서 반복해서 이루어지며, 상기 온 동작시간은 목표 DC 링크전압과 현재의 DC 링크전압이 동일할 때, 역률보상 스위치(112)를 오프시켜 준다(S207,S209). 이때, 역률보상 스위치(112)가 오프되면 리액터부(102)에는 출력전압에서 입력전압 만큼을 뺀 전압이 걸리고 상기 리액터 전류는 역률보상 스위치의 온 동작에서와 반대로 제로크로싱 위치까지 감소하게 된다.

이러한 역률보상 스위치(112)의 온 동작, 오프동작은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 시점마다 한번씩 이루어진다.

그리고, 마이컴(120)은 PWM 듀티(duty) 제어신호로 인버터 구동회로(미도시)에 출력하여 인버터 구동회로에 의해서 인버터부(105)를 구동시켜 주어, 모터(106)의 회전수를 제어하게 된다(S211).

이때의 마이컴(120)은 상기의 PWM 제어시, PWM 듀티가 적정 범위(T_L,T_H)를 벗어나는지를 판단하여, 적정 범위를 벗어날 경우 목표 DC 전압을 변경하여 제어하게 된다.

구체적으로, PWM 듀티의 운전동작이 정격 부하보다 낮은 영역 즉, 저 부하 영역(40% 이하=T_L)에서 운전될 경우(PWM duty < 40%) 목표 DC전압을 감소(또는 낮춤)시키고(S213,S214), 고 부하 영역(90% 이상=T_H)에서 운전될 경우(PWM duty > 90%) 목표 DC 전압을 증가(또는 높임)시켜 준다(S215,S216). 이때의 목표 DC 전압의 변경 정도는 PWM 듀티가 정격 부하 영역에서 벗어나는 정도에 따라 조정하거나 단계적으로 증가 또는 감소시켜 줄 수 있다. 그리고, 정격 부하 영역에서 운전될 경우 목표 DC 전압은 그대로 유지시켜 준다(S217).

이와 같이 PWM 듀티의 운전 영역에 따라 가감되는 목표 DC 전압으로 재 설정한다(S218). 이후 상기의 S205단계로 진입하여 피드백 제어가 이루어지도록 한다.

여기서, PWM 듀티의 운전 영역에 따라 재 설정되는 목표 DC 전압의 하한치는 정격 DC 전압의 70% 수준으로 하고, 목표 DC 전압의 상한치는 정격 DC 전압의 140% 수준으로 설정해 준다. 이에 따라 역률보상부에 필요없는 전류의 흐름을 방지하여 회로이 손실을 줄여줄 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시 예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법에 의하면, 부하의 운전 영역 변동시 역률보상 스위치를 이용하여 DC 링크전압을 가감시켜 줄 수 있도록 함으로써, 넓은 운전영역에서도 역률을 일정하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 역률보상부에 필요없는 전류의 흐름을 방지하여 회로의 손실을 줄여주는 효과가 있다. 또한 저부하 영역과 정격부하영역에서 효율을 확보하여 경제적인 모터의 운전을 가능케하며, 고부하 영역에서도 모터의 운전 능력을 확보하여 고성능을 발휘하도록 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 역률보상 스위치 온 시간의 결정 및 목표 DC 전압을 설정하는 단계;

   입력전압의 제로크로싱 지점에서 역률보상 스위치를 온시키는 단계;

   역률보상 스위치의 온 동작 후, 현재 DC 링크전압이 목표 DC 전압과 일치하는 지를 비교한 후, 일치하면 역률보상 스위치를 오프시키고 모터의 회전수를 PWM 듀티로 제어하는 단계;

   상기의 PWM 듀티가 적정 범위를 벗어나 동작하는 부하 영역에 따라 목표 DC 전압을 가감하고 목표 DC 전압을 재 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 PWM 듀티가 저 부하 영역에 있을 경우 목표 DC 전압을 감소시키고, 고 부하 영역에 존재할 경우 목표 DC 전압을 증가시켜 주는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 PWM 듀티의 부하 영역은 저부하 영역 또는 고부하 영역으로 판단하며,

   상기 저 부하영역은 PWM 듀티의 40% 이하일때로 판단하며, 고부하 영역은 PWM 듀티의 90% 이상일때로 판단하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 목표 DC 전압은 모터가 설계된 정격 DC 전압의 70%~140% 수준으로 설정하여 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어회로의 직류전압 제어방법.

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