KR101449513B1 - 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법 - Google Patents

전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관성이 큰 회전체 부하가 연결된 모터의 회전속도 변경 및 회전방향 변경을 위해 감속이 발생할 때, 회전체 부하의 회전 에너지에 의해 모터로부터 발생되는 역기전력을 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터의 효율을 높이고 소비전력을 줄일 수 있으며, 모터에서 소모되는 에너지를 최소화하여 모터의 열발생을 최소화함에 따라 방열 구조를 최소화할 수 있는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
본 발명의 모터 구동방법은 AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 AC-DC 변환과 동시에 승압하여 제1커패시터에 충전하는 AC-DC 변환 단계; 상기 제1커패시터에 충전된 전압을 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시켜서 출력하는 DC-DC 변환 단계; 및 상기 동작전원(Vcc)을 사용하여 인버터에서 상기 모터를 구동하는 데 필요한 3상 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 3상 스테이터 코일에 인가하는 단계로 포함하며, 상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 DC로 변환한 후 DC-AC 변환에 의해 전력 반환이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법{Motor Driving Apparatus Having Power Return Function and Driving Method thereof}
본 발명은 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관성이 큰 회전체 부하가 연결된 모터의 회전속도 변경 및 회전방향 변경을 위해 감속이 발생할 때, 회전체 부하의 회전 에너지에 의해 모터로부터 발생되는 역기전력을 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터의 효율을 높이고 소비전력을 줄일 수 있으며, 모터에서 소모되는 에너지를 최소화하여 모터의 열발생을 최소화함에 따라 방열 구조를 최소화할 수 있는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법에 관한 것이다.
그린 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 특히 회생 에너지에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 다양한 분야에서 회생 에너지를 활용하는 방법에 대해서 연구되어 있다.
전동기 혹은 원동기라고도 일컬어지는 모터는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 장치로서 우리나라 전체 전력소비량의 약 60%, 산업부문 전력소비량의 약 70% 이상을 차지하고 있는 것으로 추정된다.
모터는 우리가 생활하는 거의 모든 곳의 전기와 관련된 기기들에 깊숙이 파고들어 가장 흔한 냉장고, 세탁기, 식기세척기의 가전기기에서부터 자판기, 정수기, 음식물 처리기 등의 생활 주변 기기, 의료용 및 운동용 기기뿐 아니라, 복사기, 프린터 등의 OA 기기와 산업용 기기까지 전기를 사용하여, 움직이는 운동 에너지를 생산해야 하는 거의 모든 전기 기기에 장착되어 있다.
전체 전력 소비량의 60% 이상을 차지하는 모터의 고 효율화는 에너지 효율화 추진에 필수불가결한 요소이다. 따라서, 이러한 모터에서 회생 에너지를 생성하여 모터를 고효율화하고 에너지를 절약하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
모터의 효율 개선은 주로 연료전지 차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량, 전동차, 타워 크레인 등의 차량에 적용된 모터에서 이루어지고 있다.
예를 들어, 연료전지 차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량의 구동시스템에 이용되는 영구자석 동기모터는 고속 회전하다가 제어보드 이상에 의해 인버터에 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트 시그널을 보내주지 않으면, 모터가 발전기로서 작동하게 된다. 그런데, 이 때 발전기로부터 생성되는 전압이 전혀 레귤레이션(Regulation)이 되지 않은 상태이기 때문에, 이를 UCG(Uncontrolled Generator) 모드라 한다. 이 경우 d상 전류를 역방향으로 가하는 약계자 제어가 수행되지 않기 때문에 높은 역기전압이 모터 측의 터미널에 나타날 뿐 아니라, 전류가 콘덴서에 회생되어 직류링크 전압이 급격히 높아진다.
특히, 이러한 급격한 역기전압의 변화는 속도 가변범위가 매우 넓은 전기 자동차 모터설계 및 구동시스템을 설계함에 있어서 중요한 고려사항이 될 수 있으며, 이를 해결하기 방법으로 산업용 모터구동 인버터 시스템에서는 다이나믹 브레이킹(Dynamic Braking) 회로를 직류링크 전압단에 설치하여, UCG 상황에서 발생하는 회생에너지를 일정 전압 이상이 되면 방전저항과 IGBT 스위치를 통해 부(-)전압단으로 소모시켜 모터와 인버터를 보호하는 방법을 이용하고 있다.
또한, 대용량 전동기의 가변속 구동에서 특히, 관성이 큰 부하를 가지고 회전하는 경우 감속과 정지를 반복할 때, 관성에 의해 교류전동기로부터 DC 전원으로 역발전(Re-generation)되는 전기에너지의 양은 매우 크다. 이에 따라, 역발전에 의해 DC전압을 충전하는 콘덴서로 되돌아오는 과도한 에너지 때문에 콘덴서에 절연파괴가 발생하는 것을 방지하기 위한 목적으로 직류링크 전압 양단에 초퍼와 저항을 직렬로 연결하여 직류링크에 되돌아오는 과전압을 저항에서 전기에너지를 열 에너지로 소모하는 방법을 사용하고 있다.
그런데 상기한 종래의 회생 에너지 제어 장치 및 방법은 UCG 상황에서 발생하는 회생에너지를 일정 전압 이상이 되면 방전저항과 IGBT 스위치를 통해 부(-)전압단으로 소모시켜 모터와 인버터를 보호하는 방법을 이용한 것이므로, UCG 상황에서 발생한 회생에너지를 방전저항을 통해 소모하여, 불필요한 에너지의 소모가 발생하게 되어 전체적으로 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.
이러한 종래기술의 문제점을 고려하여, 한국 공개특허 제10-2005-56585호에는 회생시 발생한 에너지를 소비하여 방전저항을 통해 태워 없애는 것이 아니라, 기본적인 다이나믹 브레이킹 구조를 그대로 사용하면서, UCG 상황시의 모터 및 인버터를 보호하는 기능을 포함하고, 직류링크 전압단의 회생되는 전압레벨을 낮추어 보조배터리에 에너지를 충전하여 재사용함으로써 에너지를 효율을 높일 수 있는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법을 제안하고 있다.
일반적으로 크레인의 속도 제어 및 모터 기동 전류의 억제를 위하여 인버터를 사용하여 모터의 제동 또는 권하 동작시 발생하는 역기전력을 제동저항으로 소비하는 DBU(Dynamic Braking Unit) 방식의 시스템이 대부분 채용되고 있는 상태이다.
상기와 같은 DBU 방식의 시스템은 전동기의 급 가감속시 발생하는 회생에너지로 인해 DC Link의 전압이 상승되고, 이로 인해 IGBT와 커패시터(Capacitor)에 스트레스를 줌으로써 인버터의 손실에 대한 지대한 영향을 미치는 바, 이러한 증상을 막기 위해 저항을 이용해 에너지를 소비시키는 제동유닛을 사용한다.
또한, 상기 DBU 시스템은 큰 부피의 저항 박스(BOX)가 항상 동반되어야 하고, 열적인 문제가 있으며, 구매비용은 저렴하나 공간 비용이나 설치비용이 고려되어야 하는 문제점이 있다.
더욱이, 상기 DBU 방식의 시스템은 전동기를 통해 발생하는 에너지를 저항을 이용하여 열적으로 소모함으로써 에너지 재활용 측면에서 에너지 손실이 발생된다는 문제점이 있다.
상기한 DBU 시스템의 문제를 고려하여 한국 공개특허 제10-2011-129098호에는 크레인을 구동시키기 위한 모터를 제동할 때 발생하는 회생 에너지를 제동저항으로 소비하지 않고 재생 에너지를 AC 전원으로 변환시켜 다른 전기장치의 전원으로 사용할 수 있도록 하기 위한 전력 회생 에너지 시스템을 제안하고 있다.
이를 위해 상기 전력 회생 에너지 시스템은 AC 교류 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하여 각 구성부로 구동전원을 공급하는 전원부; 모터에서 발생하는 고장 전류를 억제하고, 직류 전압을 출력하는 직렬리액터를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 직렬리액터를 통해 입력되는 직류전압을 미리 설정되어 있는 일정 레벨을 가지도록 정류하여 회생전력으로 상기 전원부에 출력하는 전력회생부; 및 상기 전력회생부의 정류된 출력전압과 3상 모선 사이의 전압차를 미리 설정된 전압차를 가지도록 조정하고, 상기 정류된 출력전압이 상기 모터로 출력되도록 하는 교류 리액터로 이루어진 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 타워 크레인의 권하시 또는 선회운전 감속시에 구동모터의 역 구동에 의해 발생하는 전기 에너지는 저항기를 통해 열 에너지로 변환하여 대기 중으로 버려지게 되어 에너지 낭비가 발생하고, 동시에 대기 온도 상승 요인으로 작용하여 환경 파괴에 일조하게 된다. 특히, 타워 크레인처럼 높은 양정 높이를 갖는 건설장비의 경우는 원리상 에너지 낭비 및 이에 따른 환경 파괴 정도가 심하다 할 수 있다.
이러한 타워 크레인의 권하시 또는 선회운전 감속시 구동모터의 역 구동에 의해 발생하는 전기 에너지를 회생하여 이용할 수 있는 기술로서, 한국 공개특허 제10-2012-0017659호에는 타워 크레인의 권하시 또는 선회운전 감속시 구동모터에 의해 발생하는 전기에너지를 변환하는 제1변환부와; 상기 제1변환부에 의해 변환된 전기에너지를 동력원으로 공급하여 회생시키는 제2변환부를; 포함하는 타워 크레인의 전기에너지 회생장치가 제안되어 있다.
상기 한국 공개특허 제10-2012-0017659호에서는 타워 크레인의 권상시 또는 선회운전 증속시에 동력원으로부터의 3상 교류 입력이 제2변환부의 IGBT 소자의 다이오드에 의해 정류되어 직류로 변환되어 컨덴서에 정전압 전류로 충전되고, 컨덴서에 충전된 정전압 전류가 제1변환부의 IGBT 소자에 구동전압으로 인가될 때, 3상 교류 입력이 불안정한 경우 인버터로 동작하는 제1변환부의 출력도 함께 불안정해지는 문제가 있다.
또한, 타워 크레인의 권하시 또는 선회운전 감속시에 발전기로서 동작하는 구동모터에 의해 발생하는 교류가 제1변환부에 의해 직류로 변환되어 컨덴서에 정전압 전류로 충전되고, 컨덴서에 충전된 정전압 전류가 제2변환부의 트랜지스터의 스위칭 제어 동작에 따라 교류로 변환되어 동력원으로 회생될 때, 컨덴서에 충전된 정전압이 동력원 보다 더 높게 설정하는 것을 보장할 수 없어 효과적인 전력 반환이 이루어질 수 없는 문제가 있다.
한편, 종래의 세탁기용 모터로서 BLDC 모터를 사용하는 세탁기용 모터 구동장치에서는 AC 전원으로부터 전파 정류하여 얻어진 DC 전압을 커패시터를 사용하여 리플을 제거하는 평활 과정을 거친 후, 모터 드라이버 내부의 인버터에 구동전원(Vcc)으로 공급됨에 따라 BLDC 모터를 구동하여 세탁조를 회전 구동시킨다.
상기한 종래의 세탁기용 모터 구동장치는 AC 전원라인에 인가되는 전원으로 BLDC 모터를 구동하는 형태이다. 즉, 전력은 AC 전원라인에서 모터로만 가하여진다.
즉, 이러한 종래의 모터 구동장치는 AC 전원라인에서 모터측으로 가하여진 에너지는 종국적으로 모터가 붙어있는 드라이버 회로에 공급된다. 이 에너지는 모터 드라이버 손실, 모터 손실, 모터로부터 세탁조 사이에 동력을 전달하기 위한 동력전달부의 기계적 손실과 함께 세탁조에 대한 회전 에너지로 전달될 수 있다. 그 에너지 구성은 도 1과 같이 표현될 수 있다.
통돌이식 세탁기는 관성이 큰 물체를 회전시키는 동작으로 세탁 모드를 가지고 있으며, 이러한 세탁 모드에서는 세탁조를 가속과 감속을 계속하여 반복하는 것이 요구된다. 이러한 가속과 감속은 모터를 이용하여 구현한다. 즉, 모터의 회전 속도를 가속함에 따라 세탁조의 회전 속도가 가속되며, 감속시에도 세탁조의 회전력을 모터에서 소모하여 원하는 감속을 구현한다. 상기와 같이 가속 및 감속 과정의 전기에너지는 도 2와 같이, 모터와 드라이버, 기계 부분(즉, 동력전달부)에서 열로 소모된다.
도 2에서 모터가 세탁조에 전달한 에너지는 세탁조를 가속시키며, 이 가속된 세탁조의 회전력은 감속시에 세탁조를 감속시켜야 한다. 그런데 이러한 감속은 도 2와 같이 주로 모터에서 소모시켜 세탁조를 급속히 감속시켜 관성이 작용하는 내부의 물살이 세탁물과 마찰되게 하여 세탁이 이루어지게 된다.
이와 같이 소모되는 에너지는 결국 모터의 온도상승을 가져오게 된다. 즉, 효율이 매우 높은 모터일지라도, 세탁기의 세탁 모드 특성상 결국 공급된 에너지의 대부분이 모터에서 소모되므로 모터의 온도를 상승시키는 구성이다.
따라서, 이를 해결하기 위한 방안으로 종래에는 상기한 바와 같이 모터에서 소비되는 에너지를 다이나믹 브레이킹(Dynamic Braking) 회로와 방전저항(또는 제동저항)을 드라이버에 채용하여 저항에서 열적으로 소모시키기도 한다.
이러한 구성은 대형 전동기에서 많이 사용되는 방법으로서 전체적인 시스템 효율이 낮아지고, 대형의 저항 박스를 구비하여야 하는 문제를 가지고 있으며, 또한 이러한 방법은 가속과 감속이 잦은 세탁기에서는 전체 시스템의 전력낭비를 온다.
한편, 세탁기에서 세탁 모드는 세탁조를 미리 설정된 저속 rpm으로 정/역방향으로 반복하여 회전시킴에 의해 실현하는 것도 가능하다. 이 경우에도 세탁조를 구동하는 모터의 가속, 감속, 정지 및 방향전환 동작이 요구되므로, 상기와 유사하게 많은 에너지가 모터에서 소모되는 문제가 발생한다.
또한, 이러한 종래 기술에서는 모터의 스테이터 및 로터의 발열을 해소하도록 로터 및 스테이터 지지체에 공냉용 벤트홀을 구비하는 것이 바람직하고, 드라이버의 인버터를 구성하는 스위칭 소자를 냉각시키기 위한 히트 싱크를 채용하고 있다.
따라서, 모터를 냉각시키기 위한 구조를 채용함에 따라 소음 레벨이 증가하는 문제가 있고, 모터의 용량 증가에 따라 히트 싱크의 크기도 증가하여 드라이버의 크기가 증가하는 문제가 있게 된다.
특허문헌 1 : 한국 공개특허 제10-2005-56585호 특허문헌 2 : 한국 공개특허 제10-2011-129098호 특허문헌 3 : 한국 공개특허 제10-2012-0017659호
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제1목적은 관성이 큰 회전체 부하가 연결된 모터의 회전속도 변경 및 회전방향 변경을 위해 감속이 발생할 때, 회전체 부하의 회전 에너지에 의해 모터로부터 발생되는 역기전력을 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터의 효율을 높이고 소비전력을 줄일 수 있으며, 모터에서 소모되는 에너지를 최소화하여 모터의 열발생을 최소화함에 따라 방열 구조를 최소화할 수 있는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2목적은 BLDC 모터에서 감속시에 발생되는 회생에너지를 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터에서 소모되는 에너지를 최소화하여 모터의 열발생을 최소화함에 따라 방열 구조를 최소화할 수 있는 전력 반환 기능을 갖는 세탁기용 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제3목적은 일측방향으로 동작할 때 AC 전력을 DC로 변환하는 정류 기능과 DC의 전압을 원하는 전압으로 승압시켜서 출력하는 부스트-업 기능을 가지고, 반대방향으로 동작할 때 DC측 전력을 AC로 변환하여 AC측으로 반환하는 양방향 AC/DC 변환기를 구비한 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제4목적은 AC 전력을 DC로 변환하는 정류 기능을 수행할 때, AC측의 전류를 입력 전압과 동기화시켜 출력함에 의해 시스템의 전력 역률을 높이는 역률 보정기능을 가진 양방향 AC/DC 변환부를 구비한 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제5목적은 양방향 AC/DC 변환부와 인버터 사이에 DC/DC 변환기를 구비하여, 양방향 AC/DC 변환부로부터 발생된 고압의 DC 전압을 인버터용 저압의 동작전원으로 강압시키고, 인버터를 통하여 BLDC 모터의 감속시에 발생되는 저압의 DC 전압을 충분히 높은 고압 DC 전압으로 승압시킴에 의해 양방향 AC/DC 변환기를 통하여 AC 전원측으로 회생에너지를 효율적으로 반환이 이루어질 수 있게 하며, 저속 모터 회전 구간에서 모터의 구동효율을 높여줄 수 있는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제6목적은 양방향 AC/DC 변환부와 DC/DC 변환기 사이에 충전용 커패시터를 구비하여, 양방향 AC/DC 변환부로부터 발생된 DC 전압의 리플을 억제하며 DC/DC 변환기 및 인버터에 안정된 전압을 공급할 수 있어, 입력 전압이 불안정한 지역에서도 안정되게 모터를 구동할 수 있는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제7목적은 양방향 AC/DC 변환부와 인버터 사이에 PWM 방식으로 변조비의 제어가 이루어지는 DC/DC 변환기를 구비하여, BLDC 모터의 정속 구동시에 인버터에 인가되는 DC 전압을 조절하여 모터의 속도 제어가 간단하게 이루어질 수 있고, BLDC 모터의 감속시에 발생된 DC 전압이 충전용 커패시터에 불필요하게 고압으로 인가되는 현상을 방지할 수 있는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제8목적은 PWM 제어되는 DC/DC 변환기에 의해 인버터에 인가되는 DC 전압을 조절하여 모터의 속도 제어가 이루어질 수 있어, 인버터를 통하여 모터에 인가되는 PWM 전압(주파수)을 낮추어 불요전파 복사를 억제할 수 있는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제9목적은 PWM 제어되는 DC/DC 변환기의 듀티비를 제어하여 전압은 낮추고 정지된 모터의 기동에 필요한 전류를 증가시켜 인버터에 인가함에 의해 모터 기동이 쉽게 이루어질 수 있는 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제10목적은 세탁모드에 따라 세탁물이 수용된 세탁조를 주기적으로 순방향 및 역방향으로 회전시키기 위해 세탁조의 가속 및 감속이 이루어질 때 감속에 따라 세탁조의 회전 에너지를 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 세탁기용 모터의 효율을 높일 수 있는 세탁기 모터용 모터 구동장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 부하로 접속되는 모터를 구동하며, 상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 AC 전원측으로 반환하는 모터 구동장치로서, 상기 AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 AC-DC 변환하여 후단으로 출력하며, 상기 모터의 감속시에 발생되는 역기전력(BEMF)을 AC 전원측으로 반환하도록 후단에서 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 DC 전압이 인가되는 경우 DC-AC 변환이 이루어지는 양방향 AC/DC 변환기; 상기 양방향 AC/DC 변환기를 통하여 AC-DC 변환된 DC 전압이 충전되는 제1커패시터; 상기 제1커패시터에 충전된 고압 전압을 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시키며, 후단에서 인가되는 DC 전압을 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 전압으로 승압하여 상기 제1커패시터에 충전시키는 양방향 DC/DC 변환기; 및 상기 양방향 DC/DC 변환기로부터 제공되는 DC 전압을 동작전원(Vcc)으로 사용하여 상기 모터를 구동하는 데 필요한 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 스테이터 코일에 인가하고, 상기 모터의 감속에 따라 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 DC로 변환하여 양방향 DC/DC 변환기로 전달하는 인버터를 포함하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 AC-DC 변환과 동시에 승압하여 제1커패시터에 충전하는 AC-DC 변환 단계; 상기 제1커패시터에 충전된 전압을 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시켜서 출력하는 DC-DC 변환 단계; 및 상기 동작전원(Vcc)을 사용하여 인버터에서 상기 모터를 구동하는 데 필요한 3상 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 3상 스테이터 코일에 인가하는 단계로 포함하며, 상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 DC로 변환한 후 DC-AC 변환에 의해 전력 반환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환과 동시에 승압하여 제1커패시터에 충전하는 AC-DC 변환 단계; 상기 제1커패시터에 충전된 전압을 양방향 DC/DC 변환기에서 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시켜서 출력하는 DC-DC 변환 단계; 및 상기 동작전원(Vcc)을 사용하여 인버터에서 상기 모터를 구동하는 데 필요한 3상 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 3상 스테이터 코일에 인가하는 단계로 포함하며, 상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 인버터에서 DC로 변환한 후 양방향 DC/DC 변환기에서 인버터로부터 인가되는 DC 전압을 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 전압으로 승압하여 상기 제1커패시터에 충전시킴에 의해 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환에 의해 AC 전원측으로 전력을 반환하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환과 동시에 승압하여 제1커패시터에 충전하는 AC-DC 변환 단계; 상기 제1커패시터에 충전된 전압을 양방향 DC/DC 변환기에서 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시켜서 출력하는 DC-DC 변환 단계; 및 상기 동작전원(Vcc)을 사용하여 인버터에서 상기 모터를 구동하는 데 필요한 3상 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 3상 스테이터 코일에 인가하는 단계를 포함하며, 상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 인버터에서 DC로 변환한 후 양방향 DC/DC 변환기에서 인버터로부터 인가되는 DC 전압을 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 전압으로 승압하여 상기 제1커패시터에 충전시킴에 의해 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환에 의해 AC 전원측으로 전력을 반환하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법을 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 세탁기와 같이 관성이 큰 회전체 부하가 연결된 모터의 회전속도 변경 및 회전방향 변경을 위해 감속이 발생할 때, 회전체 부하의 회전 에너지에 의해 모터로부터 발생되는 역기전력을 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터의 효율을 높이며 소비전력을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 BLDC 모터에서 감속시에 발생되는 역기전력, 즉 회생에너지를 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터에서 소모되는 에너지를 최소화하여 모터의 열발생을 최소화함에 따라 방열 구조를 최소화할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 일측방향으로 동작할 때 AC 전력을 DC로 변환하는 정류 기능과 DC의 전압을 원하는 전압으로 승압시켜서 출력하는 부스트-업 기능을 가지고, 반대방향으로 동작할 때 DC측 전력을 AC로 변환하여 AC측으로 반환하는 양방향 AC/DC 변환기를 구비한다.
이 경우, 양방향 AC/DC 변환부는 AC 전력을 DC로 변환하는 정류 기능을 수행할 때, AC측의 전류를 입력 전압과 동기화시켜 출력함에 의해 시스템의 전력 소비의 전력 역률을 높이는 역률 보정기능을 가진다.
본 발명에서는 양방향 AC/DC 변환부와 인버터 사이에 DC/DC 변환기를 구비함에 따라, 양방향 AC/DC 변환부로부터 발생된 고압의 DC 전압을 인버터용 저압의 동작전원으로 강압시키고, 인버터를 통하여 BLDC 모터의 감속시에 발생되는 저압의 DC 전압을 충분히 높은 고압 DC 전압으로 승압시킴에 의해 양방향 AC/DC 변환기를 통하여 AC측으로 회생에너지를 효율적으로 반환이 이루어질 수 있게 하며, 저속 모터 회전 구간에서 모터의 구동효율을 높여줄 수 있다.
또한, 본 발명에서는 양방향 AC/DC 변환부의 후단에 충전 및 평활용 커패시터를 구비하여, 양방향 AC/DC 변환부로부터 발생된 DC 전압의 리플을 억제하며 DC/DC 변환기 및 인버터에 안정된 전압을 공급할 수 있어, 입력 전압이 불안정한 지역에서도 안정되게 모터를 구동할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 양방향 AC/DC 변환부와 인버터 사이에 PWM 방식으로 변조비의 제어가 이루어지는 DC/DC 변환기를 구비하여, BLDC 모터의 정속 구동시에 인버터에 인가되는 DC 전압을 조절하여 모터의 속도 제어가 간단하게 이루어질 수 있고, BLDC 모터의 감속시에 발생된 DC 전압이 충전용 커패시터에 불필요하게 고압으로 인가되는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명은 PWM 제어되는 DC/DC 변환기에 의해 인버터에 인가되는 DC 전압을 조절하여 모터의 속도 제어가 이루어질 수 있어, 인버터를 통하여 모터에 인가되는 PWM 전압(주파수)을 낮추어 불요전파 복사를 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 PWM 제어되는 DC/DC 변환기의 듀티비를 제어하여 전압은 낮추고 정지된 모터의 기동에 필요한 전류를 증가시켜 인버터에 인가함에 의해 모터 기동이 쉽게 이루어질 수 있다.
본 발명은 모터의 속도가 충분히 작은 경우 인버터의 스위칭 소자를 이용하여 각 상의 단자를 단락시킴에 의해 다이나믹 브레이크(dynamic break)를 발생시켜서 모터를 정지시킬 수 있다.
본 발명은 모터 구동장치를 세탁기 모터에 적용함에 따라 세탁모드에 따라 세탁물이 수용된 세탁조를 주기적으로 순방향 및 역방향으로 회전시키기 위해 세탁조의 가속 및 감속이 이루어질 때 감속에 따라 세탁조의 회전 에너지를 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 세탁기의 세탁조를 가속시키는 가속 구간에서 에너지 소모를 나타내는 설명도,
도 2는 종래의 세탁기에서 세탁조를 감속시키는 감속 구간에서 에너지 소모를 나타내는 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 세탁기에서 세탁조를 감속시키는 감속 구간에서 에너지 소모를 나타내는 설명도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 나타낸 개략 블록도 및 상세 회로도,
도 5는 도 4b에 도시된 양방향 AC/DC 변환기의 동작을 설명하기 위해 분리하여 나타낸 회로도,
도 6은 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도,
도 7은 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환이 이루어질 때 입력 전압의 극성별 스위칭 소자의 설정 모드를 나타낸 설명도,
도 8은 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도,
도 9는 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환이 이루어질 때 입력 전압의 극성별 스위칭 소자의 설정 모드를 나타낸 설명도,
도 10은 도 4b에 도시된 양방향 DC/DC 변환기에서 DC-DC 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 분리하여 나타낸 회로도,
도 11은 도 10에 도시된 양방향 DC/DC 변환기에서 DC-DC 강압 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도,
도 12는 도 10에 도시된 양방향 DC/DC 변환기에서 DC-DC 승압 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도,
도 13은 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용한 세탁기용 모터의 구동방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용하여 세탁기용 모터의 구동시에 세탁조의 정방향 및 역방향 구동방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 본 발명에서는 모터 구동장치에 의해 구동되는 부하로서 BLDC(brushless DC) 모터를 예를 들어 설명한다. 그러나, 본 발명은 인버터에 의해 구동되며 빈번한 가속과 감속이 이루어지는 모터인 경우 BLDC 모터뿐만 아니라 다른 방식의 모터에 대하여도 적용될 수 있다.
또한, 하기 실시예 설명에서는 본 발명에 따른 모터 구동장치가 전자동 세탁기의 세탁조를 회전 구동하기 위한 세탁기용 모터를 구동하는 것을 예를 들어 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 빈번한 가속과 감속이 이루어지는 드럼 세탁기의 드럼 구동용 모터나 자동차용 모터에도 적용될 수 있다.
첨부된 도 3은 본 발명에 따른 세탁기에서 세탁조를 감속시키는 감속 구간에서 에너지 소모를 나타내는 설명도, 도 4a는 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 나타낸 블록도이다.
도 3 및 도 4a를 참고하면, 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치는 크게 양방향 AC/DC 변환기(120), 충전 및 평활용 커패시터(C1), 양방향 DC/DC 변환기(140) 및 인버터(160)를 포함하고 있다.
상기 양방향 AC/DC 변환기(120)의 입력단에는 적산 전력계(도시되지 않음)를 통하여 220V AC 전원(100)이 연결되어 있고, 인버터(160)의 후단에는 동력전달부, 예를 들어, 회전축(190)을 통하여 세탁기의 세탁조(200)를 회전 구동하는 BLDC(brushless DC) 모터(180)가 연결되어 있다.
상기 BLDC 모터(180)는 인버터(160)의 제어에 따라 회전자계를 발생하는 스테이터와, 다수의 N극 및 S극 자석이 교대로 배치되며 상기 스테이터의 외주면에 일정 갭을 두고 회전 가능하게 배치되고 중앙부에 회전축(190)이 결합된 로터를 포함한다.
상기 스테이터는 예를 들어, 3상 구동방식으로 구동이 이루어질 수 있도록 스테이터 코일이 U,V,W 3상 구조의 3개의 코일(L11-L13)로 이루어져 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치에는 상기 양방향 AC/DC 변환기(120), 양방향 DC/DC 변환기(140), 인버터(160)를 PWM 제어하기 위한 제어부(150)를 포함하고 있으며, PWM 제어신호를 발생한다. 상기 제어부(150)는 예를 들어, 세탁기와 같은 시스템 본체로부터 사용자가 선택한 세탁 모드 종류에 따라 인가되는 외부 제어신호를 수신하며, 인버터(160)를 통하여 모터(180)를 회전시키기 위하여 스테이터로부터 회전자계를 발생시키는 데 필요한 로터위치신호를 3개의 홀(Hall)소자(H1-H3)를 통하여 공급받고 있다.
상기 제어부(150)는 프로세서(CPU)와, 프로세서의 내부 또는 외부에 신호 처리중의 데이터를 임시로 저장하는 RAM과, 시스템 제어 프로그램이 저장된 ROM이나 PROM, 또는 EEPROM 등을 구비한 마이컴이나 콘트롤러 또는 범용 신호처리장치로 구성될 수 있다.
상기 BLDC 모터(180)에서 사용되는 로터는 N극 및 S극으로 이루어진 영구 자석을 포함하므로 제어부(150)는 로터 회전시에 홀(Hall)소자(H1-H3)와 같은 자기 검출센서를 사용하여 자속 변화를 센싱한 후, 이를 신호처리하면 로터위치신호를 얻게 된다.
상기 제어부(150)와 인버터(160) 사이에는 인버터(160)를 PWM 방식으로 구동하는 데 필요한 스위칭 신호를 증폭하여 인버터에 전달하기 위한 게이트 드라이버를 더 포함할 수 있으며, 게이트 드라이버는 제어부(150)와 함께 일체로 집적될 수도 있다.
상기 양방향 AC/DC 변환기(120)는 적산 전력계(도시되지 않음)를 통하여 각 가정 또는 사업장에 공급된 예를 들어, 220V AC 전원(100)으로부터 공급된 AC 전원을 AC-DC 변환하여 후단으로 출력하며, 모터 구동장치의 부하로 연결된 모터(180)가 감속될 때 발생되는 역기전력을 AC 전원(100)으로 반환하도록 후단에서 DC 전압이 인가되는 경우 DC-AC 변환이 이루어진다.
모터 속도가 가속되려면 AC 전원(100)에서 모터(180)로 전력이 공급되어야 한다. 상기 양방향 AC/DC 변환기(120)는 AC 전력을 DC로 변환하면서 변환된 DC 전압을 원하는 전압으로 승압하여 출력하는 기능을 가진다. 양방향 AC/DC 변환기(120)의 기본 구성은 정류 기능과 출력 전압 상승, 즉, 부스트(Boost) 기능을 가진 회로로서, 이 변환기의 AC-DC 변환 동작시에 AC 전원(100)측의 전류를 입력 전압과 동기화시켜 보내어 시스템의 전력 소비의 전력 역률을 높이는 ‘역률 보정 기능’을 가진다.
양방향 AC/DC 변환기(120)는 모터(180)의 감속시에 세탁조(200)의 회전에너지를 AC 전원(100)측으로 보내도록 모터(180)에서 발생된 역기전력(BEMF)에 기초하여 양방향 AC/DC 변환기(120)의 후단부로부터 인가되는 DC측의 전력을 AC 전원(100)측으로 보내는 기능과 함께, 전원의 역률을 유지하는 기능을 수행한다.
본 발명에 따른 양방향 AC/DC 변환기(120)는 역률 보정기의 기능을 수행할 때 별도로 부가되는 역률 조절용 인덕터가 필요 없으며, 후단에 배치된 충전 및 평활용 커패시터(C1)와 함께 출력 전압조절 기능을 발휘하여 전압이 불안전한 지역에서 모터(180)를 구동하는 인버터(160)가 안정된 동작기능을 수행하게 한다.
상기 커패시터(C1)는 양방향 AC/DC 변환기(120)가 AC 전원(100)측의 전력을 DC로 변환할 때 DC로 변환된 전압의 맥류(ripple)를 최소화하는 역할을 한다. 또한, 상기 커패시터(C1)의 충전 전압은 AC 전원(100)의 입력 전압보다 높은 전압으로 설정되도록 제어부(150)에서 제어할 수 있으므로, AC 전원(100)의 입력 전압보다 높게 설정하면, 상용 전원의 입력 전압이 불안정한 지역에서 세탁기에 안정적인 전압을 공급할 수 있는 정전압 회로 역할을 한다. 즉, 양방향 AC/DC 변환기(120)와 커패시터(C1)가 조합된 본 발명의 모터 구동장치는 상용 전원의 인가 전압이 불안정한 지역에서도 안정되게 세탁기를 구동할 수 있는 기능을 부여한다.
상기 커패시터(C1)에는 AC 전원(100)측의 전압이 충분히 승압된 전압이 충전되어 있게 된다. 그 결과, 커패시터(C1)로부터 모터(180)를 구동하는 양방향 DC/DC변환기(140) 및 인버터(160)로 안정된 전압의 전력을 공급하게 된다.
또한, 상기 커패시터(C1)에는 BLDC 모터(180)의 감속시에 모터가 공급하는 전기에너지가 축전된다. 이 축전된 전압은 AC 전원(100)측의 첨두전압보다 높게 설정됨에 따라 충분히 높은 효율로 AC 전원(100)측으로 보낼 수 있게 된다. 커패시터(C1)에 충전된 전압 레벨의 조절은 후술하는 바와 같이 양방향 DC/DC 변환기(140)에 의해 이루어진다.
상기 양방향 DC/DC 변환기(140)는 진행방향에 따라 벅 컨버터(buck converter) 역할과 부스트 컨버터(boost converter) 역할을 가진다. 양방향 DC/DC 변환기(140)가 벅 컨버터(buck converter) 역할을 하는 경우, 양방향 AC/DC 변환기(120)에 의해 고압으로 변환되어 커패시터(C1)에 충전된 고압 전압을 BLDC 모터(180)를 구동하는 인버터(160)의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시키는 기능을 가지며, 이와 반대로 부스트 컨버터(boost converter) 역할을 하는 경우 BLDC 모터(180)의 발전 전압을 커패시터(C1)측으로 승압시키는 기능을 가진 양방향 변환기로서, 전류가 양방향으로 흐르는 변환기이다.
양방향 DC/DC 변환기(140)는 제어부(150)의 제어에 따라 양측의 전압을 적절하게 제어할 수 있는 기능이 있어, 인버터(160)의 동작전원(Vcc)을 적절하게 제어하여 모터(180)의 회전이 느린 세탁구간에서 BLDC 모터(180)의 구동하는 인버터(160)의 효율을 높여주는 기능 등 전체 시스템의 효율도 높여 준다.
즉, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 모터의 가속 및 정속 주행시에 커패시터(C1)에 충전된 고압의 DC 전압을 레벨 변환하여 인버터(160)에 필요한 최소한의 DC 동작전원(Vcc)을 공급하며, 모터의 감속 및 정지시에는 BLDC 모터(180)에서 발전되어 인버터(160)에서 DC로 변환된 회생 전력을 커패시터(C1)에 보내는 역할을 한다.
상기 양방향 DC/DC 변환기(140)에서는 제어부(150)에 의해 적절하게 PWM 변조 비를 제어하여 커패시터(C1)에 축적되는 직류 전압과 전류를 제어한다. 이와 같이 제어부(150)에서 커패시터(C1)에 축적되는 전압을 제어함에 따라 커패시터(C1)에 필요 이상의 고압으로 전압이 인가되는 현상을 방지하여 커패시터(C1)의 수명 단축을 방지할 수 있다.
상기 인버터(160)는 BLDC 모터(180)의 회전을 제어하는 모터 구동회로로서, 제어부(150)에 의해 적절하게 PWM 변조 비를 제어하여 모터(180)의 스테이터 코일(L11-L13)에 인가되는 전압과 전류를 제어하여 모터(180)의 출력을 제어한다. 즉, 인버터(160)는 모터(180)의 구동력과 동작 회전수를 제어하는 회로로서 모터의 스테이터 코일(L11-L13)에 흐르는 전류와 단자 전압을 제어한다.
본 발명에서 상기 인버터(160)는 PWM 방식의 구동신호를 사용하여 모터(180)를 구동하여 세탁조(200)를 회전시킴에 의해 전기에너지를 기계에너지로 변환시키는 것을 제어하며, 또한 이와 반대로 모터의 감속시에는 세탁조(200)의 회전 에너지에 따라 모터(180)로부터 역기전력(back electromotive force)을 발생시킴에 의해 기계에너지를 전기에너지로 변환시키는 것을 제어하며, 그 변환되는 양을 제어한다.
BLDC 모터(180)를 감속시키거나 회전방향의 전환을 위해 감속이 이루어질 때, 인버터(160)로부터 모터(180)의 스테이터 코일(L11-L13)에 구동신호가 인가되지 않으며, 모터에 연결된 세탁조(200)는 관성에 의해 회전이 이루어진다.
이 경우, 세탁조(200)의 회전 에너지는 무시할 수 없을 만큼 크며, 상기 세탁조(200)의 회전에 따라 모터(180)는 발전기로서 역할을 한다.
그 결과, 세탁조(200)의 회전 에너지는 BLDC 모터(180)의 로터의 영구자석을 회전시킴에 따라 스테이터 코일(L11-L13)에는 교류 전력이 발전되고, 이 교류 전력은 인버터(160)를 통하여 DC로 변환된 후, 양방향 DC/DC 변환기(140)를 통하여 커패시터(C1)에 충전됨에 따라 DC 전원측으로 되돌려지게 된다. 이 되돌려지는 전류와 전압은 세탁조(200)의 회전에 전자 브레이크를 인가하는 역할을 하며, 상기 인버터(160)는 가속 때와 같이 감속이 이루어질 때 적절한 구동전류와 전압이 인가되게 제어하여 모터(180)의 속도와 브레이크 힘을 세탁조(200)에 인가하게 한다.
본 발명에서 상기 인버터(160)는 모터의 가속 및 정속 주행시나 감속시에 모터에 인가되는 PWM 전압을 낮추어 불요전파 복사를 억제할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치는 BLDC 모터(180)가 세탁조(200)의 회전을 가속시킬 때에는 AC 전원(100)측의 전기 에너지가 세탁조(200)로 공급된다. 이때, 에너지의 흐름은 도 1에 도시된 종래 모터 구동장치의 에너지 흐름과 비교하여 큰 차이가 없다.
그러나, 세탁조(200)가 감속되는 시기에는 세탁조의 회전에너지가 AC 전원(100)측으로 전달되어 종래의 세탁기 동작과 차이가 나는 동작을 하게 된다. 즉, 이때에는 도 3에 도시된 바와 같이, 세탁조(200)의 회전에너지 대부분이 AC 전원(100)측으로 전달되어 모터(180)에서 소모되는 에너지를 최소화할 수 있다. 이 경우, 기계 부분(즉, 동력전달부)에서 열로 소모되는 에너지는 종래와 동일하나, 모터(180)와 인버터(160)에서 열로 소모되는 에너지는 종래와 비교하여 현저하게 감소된다.
이러한 전력 반환 동작은 모터(180)의 효율이 높을수록 모터(180)의 열상승의 억제가 뚜렷이 나타나게 된다. 따라서, 세탁기의 가속과 감속을 모두 모터에서 감당해야 하는 종래의 모터 구동 시스템에서는 발생되는 열을 방출하기 위하여 구동 소자와 케이싱의 크기나 표면적, 또는 방열 시스템이 갖추어져 있어야 하나, 이러한 드라이버 시스템에서는 모터의 효율이 높으면 높을수록 그러한 열 발산 문제에서 자유로워진다.
이하에 본 발명에 따른 실시예를 참고하여 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 4b는 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치 전체를 나타낸 상세 회로도이다. 먼저, 도 5 내지 도 9를 참고하여 양방향 AC/DC 변환기(120)의 회로 구성 및 동작을 설명한다.
도 5는 도 4b에 도시된 양방향 AC/DC 변환기의 동작을 설명하기 위해 분리하여 나타낸 회로도, 도 6은 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도, 도 7은 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환이 이루어질 때 입력 전압의 극성별 스위칭 소자의 설정 모드를 나타낸 설명도, 도 8은 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도, 도 9는 도 5에 도시된 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환이 이루어질 때 입력 전압의 극성별 스위칭 소자의 설정 모드를 나타낸 설명도이다.
상기 양방향 AC/DC 변환기(120)는 2쌍의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1,Q2;Q3,Q4)가 각각 토템폴 접속 구조로 연결되어 있으며, 각쌍의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1,Q2;Q3,Q4)의 접속점은 AC 전원(100)측으로부터 예를 들어, 220V의 상용 AC 전원이 제1 및 제2 인덕터(L1,L2)를 통하여 인가되고 있으며, 각각의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)에는 풀 브리지(full bridge) 방식의 정류 회로를 구성하도록 정류용 제1 내지 제4 다이오드(D1-D4)가 병렬로 접속되어 있다.
또한, 각각의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)는 예를 들어, 트랜지스터, FET, IGBT 등과 같은 전력 스위칭 반도체 소자로 구성될 수 있으며, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)의 게이트에는 제어부(150)로부터 제어신호(S1-S4)가 인가된다.
토템폴 접속된 2쌍의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1,Q2;Q3,Q4)에서 상측 제1 및 제3 스위칭 소자(Q1,Q3)의 드레인 단자와 하측 제2 및 제4 스위칭 소자(Q2,Q4)의 소오스 단자는 각각 공통 접속되며, 상기 양방향 AC/DC 변환기(120)의 후단부, 즉 공통 드레인 단자와 공통 소오스 단자에는 충전 및 평활용 커패시터(C1)가 연결되어, 양방향 AC/DC 변환기(120)가 AC 전원(100)측의 전력을 DC로 변환할 때 DC로 변환된 전압의 맥류(ripple)를 최소화하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 양방향 AC/DC 변환기(120)는 AC-DC 변환이 이루어질 때, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)에 병렬 접속된 제1 내지 제4 다이오드(D1-D4)에 의해 풀 브릿지(full bridge) 정류회로를 형성한다.
AC 전원(100)의 제1 인덕터(L1)와 연결된 일측단자(V1)가 (+)인 경우, 도 5의 양방향 AC/DC 변환기(120)에서 제1다이오드(D1)가 병렬 접속된 제1스위칭 소자(Q1)는 다이오드, 제2다이오드(D2)가 병렬 접속된 제2스위칭 소자(Q2)는 스위치, 제3다이오드(D3)가 병렬 접속된 제3스위칭 소자(Q3)는 턴-오프, 제4다이오드(D4)가 병렬 접속된 제4스위칭 소자(Q4)는 다이오드로서의 기능을 갖도록 설정되면, 도 6과 같이 표현될 수 있다.
도 6과 같이 표현된 양방향 AC/DC 변환기(120)는 제1 인덕터(L1), 제2스위칭 소자(Q2) 및 제1다이오드(D1)로 이루어지는 부스트 컨버터(boost converter)를 형성한다. 상기 부스트 컨버터는 제1 인덕터(L1)에 AC 전원(100)으로부터 AC 입력 전압(V12)이 인가될 때 AC-DC 정류와 함께 승압(boost)시켜 양방향 AC/DC 변환기(120)의 출력단에 접속된 제1커패시터(C1)에 DC 전압을 충전시키는 회로이다.
이하에 양방향 AC/DC 변환기(120)의 운용 방법을 상세히 살펴보기로 한다. 도 6의 부스트 컨버터에서 AC 전원(100)의 일측단자(V1)가 (+)인 경우, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)에서 일측단자(V1)가 (+)에 연결된 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)는 승압(boost)회로로 동작하고, 제3스위칭 소자(Q3)는 턴-오프되어 차단상태이고, 제4스위칭 소자(Q4)는 도통 상태로 동작한다.
실제의 회로에서 제1스위칭 소자(Q1)에는 제1다이오드(D1)가 병렬 접속된 소자를 사용하므로 제어부(150)로부터 PWM 제어가 이루어지는 스위칭 소자는 제2스위칭 소자(Q2)이다. 제2스위칭 소자(Q2)에 인가되는 펄스폭변조(PWM) 신호에서 전체시간 대 On 시간의 비율을 듀티비(duty rate)(D)라고 불린다. 즉, 제2스위칭 소자(Q2)의 전체시간 대 On 시간 비를 D라고 하면, AC/DC 변환기(120)의 출력단에 접속된 제1커패시터(C1)에 축적되는 DC 전압(V34)은 하기 수학식 1과 같이 표현된다.
[수학식 1]
V34=V12/D
여기서, V34는 제1커패시터(C1)에 축적되는 DC 전압, V12는 AC 입력 전압이다. 이 경우, D는 0~1 사이의 값이므로, 항상 제1커패시터(C1)에 축적되는 DC 전압은 AC 입력 전압(V12)보다 높은 것을 알 수 있다.
도 6의 부스트 컨버터에서 제2스위칭 소자(Q2)가 턴-온인 경우, 제1인덕터(L1)와 제2스위칭 소자(Q2)를 통하는 점선 경로를 따라 전류가 흐르면서 제1인덕터(L1)에 에너지가 축적된다. 이 경우, 제1커패시터(C1) 후단, 즉 양방향 DC/DC 변환기(140)에는 제1커패시터(C1)에 축적된 전하가 방전되면서 DC 전압이 공급된다. 제2스위칭 소자(Q2)가 턴-온인 경우, 제1다이오드(D1)는 제1커패시터(C1)에 축적된 전하가 제2스위칭 소자(Q2)로 흐르는 것을 차단하는 역할을 한다.
또한, 제2스위칭 소자(Q2)가 턴-오프인 경우, 제1인덕터(L1)와 제1다이오드(D1)를 통하는 실선 경로를 따라 전류가 흐르면서, AC 전원(100)으로부터 일측단자(V1)에 인가되는 AC 입력 전압(V12)에 제1인덕터(L1)에 축적된 에너지가 더해져서 제1커패시터(C1)에는 (AC 입력 전압(V12)+제1인덕터(L1) 양단의 전압(VL))으로 충전이 이루어진다. 즉, 제1커패시터(C1)에는 제1인덕터(L1)에 축적된 에너지 전압만큼 승압된 전압으로 충전이 이루어진다.
일반적으로 역률 보정회로에서는 역률을 원하는 0.9나 0.95에 맞추기 위하여 보통 AC 전원(100)의 AC 입력 전압(V12)은 최대치의 1.2배 정도가 되도록 제어한다. 또한, PWM 제어에 따라 입력 전류가 펄스 형태로 이루어지는 경우, 고조파가 발생되어 역률이 저하하는 현상이 발생된다.
본 발명의 AC/DC 변환기(120)에서는 듀티비(D)를 조절하여 출력 전압을 조절할 수 있으며 입력 전류도 제어가 가능하다. 즉, AC/DC 변환기(120)에 입력되는 AC 전원(100)의 AC 입력 전압(V12)과 전류를 센싱하여, 제2 및 제4 스위칭 소자(Q2,Q4)에 인가되는 PWM 제어신호의 듀티(duty)값을 조절하면, 제1 및 제2 인덕터(L1,L2)를 통과하여 입력되는 입력 전류의 파형을 입력 전압의 정현파 파형과 거의 동일하게 정현파 형상으로 구현하는 것이 가능하며, AC 전원(100)측의 입력 전류를 입력 전압과 동기화시켜서 위상차를 제거하면 시스템의 전력 소비의 역률을 높이는 ‘역률 보정기능’을 가지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 PWM 제어신호의 듀티(duty)값을 조절하여 입력 전압과 전류가 적절한 위상차와 하모닉을 갖게 하면 원하는 역률로 제어할 수 있다.
또한, 양방향 AC/DC 변환기(120)는 대칭의 회로 구성을 가지고 있다. 그 결과, 도 7과 같이, AC 입력 전압(V12)의 전압이 바뀐 경우, 즉 AC 전원(100)의 타측단자(V2)가 (+)인 경우에는 상대 스위칭 소자가 상기와 동일한 방식으로 동작하여 AC-DC 변환이 이루어진다.
즉, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)에서 타측단자(V2)가 (+)에 연결된 제3 및 제4 스위칭 소자(Q3,Q4)는 승압(boost)회로로 동작하고, 제1스위칭 소자(Q1)는 턴-오프되어 차단상태이고, 제2스위칭 소자(Q2)는 도통 상태로 동작한다.
AC 전원(100)의 타측단자(V2)가 (+)인 경우의 동작 설명은 상기와 동일하게 이루어지므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이하에 도 8 및 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 양방향 AC/DC 변환기(120)가 DC/AC 변환기로 동작하는 경우를 설명한다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 양방향 AC/DC 변환기(120)는 모터(180)의 감속에 따라 발생된 역기전력(BEMF)이 인버터(160)에서 DC로 변환된 후, 양방향 DC/DC 변환기(140)에서 승압되어 AC 전원(100)측의 첨두전압보다 충분히 높은 전압으로 제1커패시터(C1)에 전압이 축적된 상태에서 DC-AC 변환이 이루어진다.
양방향 AC/DC 변환기(120)에서 DC-AC 변환이 이루어질 때, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)는 AC 전원(100)의 제1 인덕터(L1)와 연결된 일측단자(V1)가 (+)인 경우, 도 5의 양방향 AC/DC 변환기(120)에서 제1다이오드(D1)가 병렬 접속된 제1스위칭 소자(Q1)는 스위치(switch), 제2다이오드(D2)가 병렬 접속된 제2스위칭 소자(Q2)는 다이오드, 제3다이오드(D3)가 병렬 접속된 제3스위칭 소자(Q3)는 턴-오프, 제4다이오드(D4)가 병렬 접속된 제4스위칭 소자(Q4)는 턴-온 상태를 유지하도록 설정되면, 도 8과 같이 표현될 수 있다.
도 8에 도시된 AC/DC 변환기(120)는 DC-AC 변환기로 동작할 때, AC-DC 변환의 가역동작으로 DC측에서 AC 전원(100)측으로 전류를 흘려보내는 기능을 가진다. 이 경우, 제1스위칭 소자(Q1)가 스위치로서 동작하여 도 8의 실선 경로를 따라 DC 전류를 AC 전원(100)측으로 보낸다. 즉, 제1스위칭 소자(Q1)가 턴-온되고 AC 전원(100)의 일측단자(V1)가 (+)일 때, 제1커패시터(C1)에 일측단자(V1)보다 더 높은 DC 전압이 축적되어 있으므로 AC 전원(100)측으로 전류가 흐르게 된다.
즉, 제1스위칭 소자(Q1)가 턴-온되면 제1커패시터(C1)로부터 제1인덕터(L1)에 전류가 흐르면서 제1인덕터(L1)에 에너지가 축적되고, AC 전원(100)측으로 반환이 이루어지게 된다. 이때 DC 전압은 AC 전원(100)의 입력 전압의 첨두치보다 높은 전압이다.
또한, 제1스위칭 소자(Q1)가 턴-오프되는 경우, 제2다이오드(D2)는 제1인덕터(L1)에 축적된 에너지인 인덕터 전류가 AC 전원(100)으로 통하는 경로를 형성하면서 인덕터 전류는 제1스위칭 소자(Q1)가 다시 턴-온 상태로 될 때까지 감소한다.
상기와 같이 주기적으로 제1스위칭 소자(Q1)가 턴온 및 턴-오프가 이루어지면, 제1인덕터(L1)를 통하여 AC 전원(100)측으로 반환되는 반환 전류는 정현파 형상의 AC 전류가 얻어지게 된다.
이때, 전류의 세기는 제어부(150)에서 제1스위칭 소자(Q1)에 인가되는 PWM 제어신호의 듀티(duty)값을 조절하여 전류의 양을 조절할 수 있으며, 한 사이클 동안 전류의 양을 적절하게 조절하여 입력 전류와 위상과 크기를 맞추어 출력하면, 전력을 반환하는 주기 동안에도 역률을 충분히 높여 줄 수 있다.
양방향 AC/DC 변환기(120)는 대칭의 회로 구성을 가지고 있으며, 도 9와 같이, 상기한 반주기가 지나 AC 입력 전압(V12)의 전압이 바뀐 경우, 즉 AC 전원(100)의 타측단자(V2)가 (+)인 경우에는 상대 스위칭 소자가 상기와 동일한 방식으로 동작하여 DC-AC 변환이 이루어진다.
즉, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)에서 제1스위칭 소자(Q1)는 턴-오프되어 차단상태, 제2스위칭 소자(Q2)는 턴-온되어 도통상태, 제3스위칭 소자(Q3)는 스위치, 제4스위칭 소자(Q4)는 다이오드로 설정되어 동작한다.
AC 전원(100)의 타측단자(V2)가 (+)인 경우의 동작 설명은 상기와 동일하게 이루어지므로 이에 대한 설명은 생략한다.
또한, 상기 커패시터(C1)에는 AC 전원(100)의 입력 전압보다 높은 전압으로 충전이 이루어져서, 후단에 접속된 양방향 DC/DC변환기(140) 및 인버터(160)로 안정된 DC 전압의 전력을 공급한다.
이하에, 도 10 내지 도 12를 참고하여 양방향 DC/DC 변환기의 회로 구성 및 동작을 설명한다.
도 10은 도 4b에 도시된 양방향 DC/DC 변환기에서 DC-DC 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 분리하여 나타낸 회로도, 도 11은 도 10에 도시된 양방향 DC/DC 변환기에서 DC-DC 강압 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도, 도 12는 도 10에 도시된 양방향 DC/DC 변환기에서 DC-DC 승압 변환이 이루어지는 동작을 설명하기 위해 재구성한 회로도이다.
도 10 내지 도 12를 참고하면, 상기 양방향 DC/DC 변환기(140)는 진행방향에 따라 벅 컨버터(buck converter) 역할과 부스트 컨버터(boost converter) 역할을 하도록 구성되어 있다. 이를 위해 양방향 DC/DC 변환기(140)는 전단에 설치된 충전 및 평활용 커패시터(C1)와 병렬 연결되어 DC 전압이 인가되도록 1쌍의 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)가 토템폴 접속 구조로 연결되어 있으며, 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)에는 각각 양방향 전류 흐름경로를 형성하도록 제5 및 제6 다이오드(D5,D6)가 병렬로 접속되어 있고, 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)의 접속점으로부터 제3인덕터(L3)를 통하여 레벨 변환된 DC 전압이 발생되어 인버터(160)의 동작전원(Vcc)으로 인가된다.
또한, 각 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)는 예를 들어, 트랜지스터, FET, IGBT 등과 같은 전력 스위칭 반도체 소자로 구성될 수 있으며, 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)의 게이트에는 양방향 DC/DC 변환기(140)의 출력 전압 레벨을 조정하도록 제어부(150)로부터 제어신호(S5,S6)가 인가된다.
상기 양방향 DC/DC 변환기(140)와 인버터(160) 사이에는 급격한 전압 변동을 억제하며, 고주파 신호를 제거하는 충전 및 평활용 커패시터(C2)를 더 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 변환기(140)는 AC 전원(100)측으로부터 입력된 DC 전압을 레벨 변환하여 모터(180)측으로 변환된 DC 전압을 출력하는 경우, 도 11과 같이 벅 컨버터(buck converter)를 형성한다.
상기 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)는 상보동작을 수행하여 어느 하나가 턴-온(ON) 되면 다른 하나는 턴-오프(OFF)된다. 상기 제5 및 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)에 병렬로 연결된 제5 및 제6 다이오드(D5,D6)는 양방향 DC/DC 변환기(140)의 양방향으로 전류가 흐르는 것을 가능하게 하여 준다.
도 10에서 상기 양방향 DC/DC 변환기(140)가 벅 컨버터로 동작하는 경우, 제5스위칭 소자(Q5)에는 PWM 제어신호(S6)가 인가되고, 제6스위칭 소자(Q6)는 턴-오프 상태로 설정되도록 설정된다.
도 11을 참고하면, 펄스 형태의 PWM 제어신호(S5)가 제5스위칭 소자(Q5)의 게이트에 인가되며, 이에 따라 제5스위칭 소자(Q5)가 턴-온 상태일 때 제3인덕터(L3)로 전류가 흐르면서 인덕터에 에너지가 축적되고 또한, 부하로서 후단에 접속된 인버터(160)에 공급되며, 제5스위칭 소자(Q5)가 턴-오프 상태일 때 제3인덕터(L3)에 축적된 에너지에 기초한 인덕터 전류가 후단에 접속된 인버터(160)에 공급된다.
이에 따라 벅 컨버터로 동작하는 양방향 DC/DC 변환기(140)는 제5스위칭 소자(Q5)의 게이트에 인가되는 PWM 제어신호(S5)의 듀티비를 제어함에 따라 인버터(160)에 동작전원(Vcc)로 역할을 하는 출력전압의 레벨을 조절한다.
이 경우, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 출력 전압(V56)이 입력 전압(V34)보다 더 작게 얻어진다.
일반적으로 모터의 기동시에 모터에는 낮은 전압 대신 높은 전류가 필요하다. 이 경우 양방향 DC/DC 변환기(140)는 벅 컨버터로 동작하여 AC측의 전류를 낮게 하고 출력측 즉, 인버터(160)에 의해 구동되는 모터(180)측의 전류를 높게 할 수 있다. 따라서, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 강력한 기동 전류의 구동 기능을 갖게 된다.
또한, 일반적으로 인버터(160)를 형성하는 6개의 제11 내지 제16 스위칭 소자(Q11-Q16)에 PWM 방식으로 구동하여 모터를 기동하는 경우보다 벅 컨버터(Buck Converter)를 사용한 회로는 EMI 노이즈 등에서 우수한 특성을 가진다.
더욱이, 벅 컨버터로 동작하는 양방향 DC/DC 변환기(140)를 사용하여 인버터(160)에 인가되는 동작전원(Vcc)을 제어하는 경우, 모터(180)의 속도 제어가 간단해진다. 즉, 직류(DC) 전동기의 속도는 전압만 제어하면 그 속도를 제어할 수 있다. 따라서, 양방향 DC/DC 변환기(140)에 의해 인버터(160)에 인가되는 동작전원(Vcc)을 제어하는 본 발명의 모터 구동장치는 이러한 직류(DC) 전동기의 제어 알고리즘을 쉽게 적용할 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 변환기(140)는 모터(180)측으로부터 입력된 DC 전압을 레벨 변환하여 AC 전원(100)측으로 변환된 DC 전압을 출력하는 경우, 도 12와 같이 부스트 컨버터(boost converter)를 형성한다.
즉, 도 10에서 상기 제5스위칭 소자(Q5)는 턴-오프 상태로 설정되고, 제6스위칭 소자(Q6)에는 PWM 제어신호(S6)가 인가되도록 설정된다.
양방향 DC/DC 변환기(140)가 도 12와 같이 부스트 컨버터로 동작하는 경우, 펄스 형태의 PWM 제어신호(S6)가 제6스위칭 소자(Q6)의 게이트에 인가되며, 이에 따라 제6스위칭 소자(Q6)가 턴-온 상태일 때 제3인덕터(L3)와 제6스위칭 소자(Q6)를 통하는 점선 경로를 따라 전류가 흐르면서 제1인덕터(L1)에 에너지가 축적된다. 이 경우, 제1커패시터(C1) 후단, 즉 양방향 AC/DC 변환기(120)에는 제1커패시터(C1)에 축적된 전하가 방전되면서 DC 전압이 공급된다. 제6스위칭 소자(Q6)가 턴-온인 경우, 제5다이오드(D5)는 제1커패시터(C1)에 축적된 전하가 제6스위칭 소자(Q6)로 흐르는 것을 차단하는 역할을 한다.
또한, 제6스위칭 소자(Q6)가 턴-오프인 경우, 제3인덕터(L3)와 제5다이오드(D5)를 통하는 실선 경로를 따라 전류가 흐르면서, 인버터(160)를 통하여 모터(180)로부터 반환되는 단자(V5)에 인가되는 DC 입력 전압(V56)에 제3인덕터(L3)에 축적된 에너지가 더해져서 제1커패시터(C1)에는 (DC 입력 전압(V56)+제3인덕터(L3) 양단의 전압(VL3))으로 충전이 이루어진다. 즉, 제1커패시터(C1)에는 제3인덕터(L3)에 축적된 에너지 전압만큼 승압된 전압으로 충전이 이루어진다.
이에 따라 부스트 컨버터로 동작하는 양방향 DC/DC 변환기(140)는 제6스위칭 소자(Q6)의 게이트에 인가되는 PWM 제어신호(S6)의 듀티비를 제어함에 따라 제1커패시터(C1)에 충전되는 충전전압의 레벨을 조절한다.
이 경우, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 출력 전압(V34)이 입력 전압(V56)보다 더 크게 얻어진다.
상기와 같이 모터측에서 AC 전원(100)측으로 회생 전원을 공급하는 경우, 양방향 DC/DC 변환기(140)가 부스트 컨버터로 동작함에 따라 모터의 에너지를 효율적으로 AC 전원(100)측으로 전달할 수 있다. 이 경우, 제어부(150)에서 효과적인 PWM 제어를 실시함에 따라 EMI 영향을 최소화하며 인버터에서 고주파의 불요 복사와 속도제어가 간단해진다.
더욱이, 양방향 DC/DC 변환기(140)에서 AC 전원(100)으로 보내는데 필요한 충분히 높은 고전압으로 승압시켜서 제1커패시터(C1)에 충전이 이루어지면, 양방향 AC/DC 변환기(120)를 통하여 AC 전원(100)측으로 효율적으로 전류를 보낼 수 있으며, 모터의 감속에 따라 발생된 회생전력을 AC 전원(100)측으로 효율적인 반환이 이루어지면 효율적인 모터의 감속 또는 정지 기능을 수행할 수 있다.
이하에 도 13 내지 도 14b를 참고하여 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 세탁기용 모터의 구동에 적용한 실시예를 설명한다.
도 13은 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용한 세탁기용 모터의 구동방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 먼저 단계(S300)에서 세탁기의 전원이 턴-온된다.
이와 같은 상태에서 제어부(150)는 사용자의 선택에 따라 외부, 즉 세탁기 본체로부터 입력되는 세탁 제어신호를 통해 현재 세탁 또는 헹굼 모드를 수행하는 지의 여부를 판단한다(S302).
상기 판단 결과, 세탁 또는 헹굼 모드를 수행할 경우에 상기 제어부(150)는 세탁 또는 헹굼 모드에 따라 인버터(160)를 구동시킨다(S304).
그러면, 상기 인버터(160)가 3상 교류전력을 발생시키고, 발생시킨 3상 교류전력은 세탁기용 모터(180)의 3상 스테이터 코일(L1-L3)에 인가되어 로터와 세탁조(또는 펄세이터)(200)를 회전시켜 세탁동작 또는 헹굼동작을 수행한다.
이 때, 상기 제어부(150)는 일반적인 6-스텝 방식에 기초하여 인버터(160)에 구비된 3쌍의 상부 스위칭 소자(Q11,Q13,Q15) 중 하나와 3쌍의 하부 스위칭 소자(Q12,Q14,Q16) 중 하나를 선택적으로 턴-온시켜서 교류전력을 발생시키고, 발생하는 U상, V상 및 W상의 교류전력을 변경하면서 3상 스테이터 코일(L1-L3)에 인가되는 3상 교류전력의 상을 변경하여 상기 모터(180)와 세탁조(또는 펄세이터)(200)를 정방향 또는 역방향으로 변경하면서 세탁동작 또는 헹굼동작을 수행한다.
그 후, 모터(180)와 세탁조(또는 펄세이터)(200)를 정방향 또는 역방향으로 변경하면서 세탁동작 또는 헹굼동작의 수행이 미리 설정된 횟수에 도달하였는지를 판단하고(S308), 미리 설정된 횟수에 도달한 경우, 상기 제어부(150)는 로터를 정지시킨 이후에 현재 탈수모드를 수행하는지의 여부를 판단하거나 또는 상기 단계(S302)에서 세탁모드 또는 헹굼모드가 아닐 경우에 탈수모드를 수행해야 되는지의 여부를 판단한다(S308).
상기 판단 결과 탈수 모드를 수행해야 될 경우에 상기 제어부(150)는 로터의 회전방향을 결정하고, 결정한 회전방향에 따라 상기 로터를 일방향으로 회전할 수 있도록 제어한다(S310).
그 후, 상기 제어부(150)는 인버터(160)를 제어하여 3상 교류전력을 생성하고, 생성한 3상 교류전력이 세탁기용 모터(180)의 3상 스테이터 코일(L1-L3)에 인가됨에 따라 로터가 회전되면, 세탁조(또는 펄세이터)(200) 및 탈수조가 동일한 방향으로 회전되게 하여 탈수 모드의 동작을 수행한다.
그 후, 상기 제어부(150)는 세탁 제어신호를 이용하여 탈수모드의 수행시간이 경과되었는지의 여부를 판단하고(S312), 탈수모드의 시간이 경과되었을 경우에 세탁물의 세탁 동작을 종료한다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용하여 세탁기용 모터의 구동시에 세탁조의 정방향 및 역방향 구동방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명에 따른 모터 구동장치의 입력단에 AC(교류) 전원(100)으로부터 양방향 AC/DC 변환기(120)에 AC(교류) 전원이 인가되면(S400), 도 6과 같이 AC-DC 변환이 이루어짐과 동시에 승압이 이루어지며(S402), 승압된 DC 전압이 제1커패시터(C1)에 충전되면서 리플에 대한 평활이 이루어진다(S404).
이 경우, 상기 양방향 AC/DC 변환기(120)는 제어부(150)로부터 인가되는 제2 및 제4 스위칭 소자(Q2,Q4)에 대한 PWM 제어신호(S2,S4)의 듀티비를 적절하게 제어함에 따라 역률 보정 기능과 출력 전압 조절 기능을 나타낸다.
또한, 상기한 출력 전압 조절 기능에 따라 상용 전원의 전압이 불안정한 지역에서 사용될지라도 AC 전원(100)의 입력 전압보다 높은 DC 전압이 제1커패시터(C1)에 충전됨에 따라, 제1커패시터(C1)에 충전된 DC 전압을 동작전원(Vcc)으로 사용하는 인버터(160) 및 세탁기용 모터(180) 또한 안정된 회로 동작이 이루어질 수 있다.
그 후, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 벅 컨버터(buck converter)로서 동작하여 제어부(150)가 제5스위칭 소자(Q5)에 대한 PWM 제어신호(S5)의 듀티비를 적절하게 제어함에 따라 제1커패시터(C1)에 충전된 고압의 DC 전압을 저압의 DC 전압으로 레벨 변환하여(S406), 인버터(160)의 동작전원(Vcc)으로 제공한다.
이 경우, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 인버터(160)의 동작전원(Vcc)을 제어함에 따라 모터(180)가 저속 회전이 이루어지는 세탁동작 또는 헹굼동작을 수행할 때, BLDC 모터를 구동하는 인버터(160)의 효율을 높여주는 역할을 한다.
양방향 DC/DC 변환기(140)로부터 인버터(160)에 대한 동작전원(Vcc)이 인가된 상태에서 제어부(150)는 세탁기 본체로부터 세탁모드의 외부 제어신호가 수신되면, 이에 따라 상기 세탁기용 모터(180)를 구동시키기 위한 구동신호를 발생한다.
이 경우, 예를 들면, 상기 제어부(150)는 상기 세탁기용 모터(180)를 구동시키기 위해 6-스텝(step) 방식에 기초하여 인버터(160)에 구비된 3쌍의 상부 스위칭 소자(Q11,Q13,Q15) 중 하나와 3쌍의 하부 스위칭 소자(Q12,Q14,Q16) 중 하나를 선택적으로 턴-온하도록 PWM 제어신호(S11-S16)를 인가하면, 도 8에 도시된 양방향 AC/DC 변환기(120)의 DC-AC 변환 동작과 같이, 3상 스테이터 코일(L1-L3) 중 2상의 스테이터 코일에 AC 전력이 인가된다(S408).
상기 인버터(160)는 6-스탭 방식에 따라 홀소자(H1-H3)로부터 검출된 로터 위치가 예를 들어, 0°일 때 상부 스위칭 소자(Q11,Q13,Q15) 중 U상의 상부 스위칭 소자(Q11)와 W상의 하부 스위칭 소자(Q16)를 턴-온시켜서 전류 흐름 경로를 형성한다.
즉, U상의 상부 스위칭 소자(Q11), U상 스테이터 코일(L1), 중성점(NP), W상 스테이터 코일(L3), W상의 하부 스위칭 소자(Q16)를 거치는 경로를 따라 전류가 흐르면서, U상 스테이터 코일(L1)과 W상 스테이터 코일(L3)이 권선된 스테이터 코어에는 자속이 발생되고, 이와 대향하여 배치된 로터의 마그넷은 회전이 이루어지게 된다.
이와 같은 방법으로 제어부(150)는 홀소자(H1-H3)로부터 검출된 로터 위치가 변경될 때마다 6-스탭 방식에 따라 3쌍의 상부 스위칭 소자(Q11,Q13,Q15) 중 하나와 3쌍의 하부 스위칭 소자(Q12,Q14,Q16) 중 하나를 순차적/선택적으로 턴-온시키면 3상 스테이터 코일(L1-L3)로부터 회전 자계가 발생하여 로터를 일방향으로 회전시킨다.
이 경우, 제어부(150)는 인버터(160)의 스위칭 소자(Q11-Q16)에 대한 PWM 제어신호(S11-S16)를 인가함에 의해 모터(180)에 인가되는 전압과 전류를 제어하여 모터(180)의 출력을 제어하면서 미리 설정된 속도에 도달할 때까지 모터의 속도를 가속시킨다.
상기와 같이 모터(180)의 로터가 일방향(정방향)으로 회전되면, 회전축(190)을 통하여 회전력이 전달되는 세탁기의 세탁조(200)도 일방향(정방향)으로 회전이 이루어지게 된다(S410).
모터(180)를 등속도로 운전할 경우에는 주로 정속도로 운용하기 위한 제어의 기능을 수행한다. 외란에 의한 토크의 변화가 주어져서 제어 속도의 변동이 발생할 수 있다. 이 경우, 제어부(150)는 DC/DC 변환기(140)의 듀티비를 세밀하게 조절하여 정속도를 유지하며, DC/DC 변환기(140)의 DC/DC 변환 전류를 정밀 측정하여 과부하가 인가되는 것을 방지할 수 있다.
그 후, 세탁모드에 따라 세탁조(200)의 회전속도를 급 감속하거나 회전 방향을 전환하고자 할 때, 제어부(150)는 세탁조(200)의 회전속도를 급 감속하도록 스위칭 소자(Q11-Q16)에 인가되는 PWM 제어신호(S11-S16)의 듀티비를 제어하여 인가한다.
그 결과, 모터(180)의 감속이 발생하면 세탁조(200)는 관성에 의한 회전이 이루어지면서 스테이터 코일(L11-L13)에는 역기전력(BEMF)이 발생된다. 상기 정현파 형태로 발생되는 역기전력(BEMF)은 도 6에 도시된 AC/DC 변환기(120)의 AC-DC 변환과 동일하게 인버터(160)를 거치면서 DC로 변환이 이루어진다(S412).
그 후, DC로 변환된 역기전력은 부스트 컨버터(boost converter)로서 역할을 하는 양방향 DC/DC 변환기(140)를 통하여 승압되어 제1커패시터(C1)에 충전이 이루어진다(S414,S416).
상기 제1커패시터(C1)에 충전된 DC 전압은 AC 전원(100)의 입력 전압의 첨두치보다 높은 전압으로 제어되므로, 제1커패시터(C1)에 충전된 DC 전압은 AC/DC 변환기(120)를 통하여 DC-AC 변환이 효율 좋게 이루어지면서(S418), AC 전원(100)에 연결된 적산 전력계의 미터기를 역방향으로 회전 구동시킨다(S420).
그 결과, 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용하는 경우, 전력반환에 의해 소비전력의 절감을 기할 수 있다.
또한, AC 전원(100)측으로 되돌려지는 전류와 전압은 세탁조(200)의 회전에 전자 브레이크를 인가하는 역할을 하며, 상기 인버터(160)는 가속 때와 같이 감속이 이루어질 때 적절한 구동전류와 전압이 인가되게 제어하여 모터(180)의 속도와 브레이크 힘을 세탁조(200)에 인가하게 한다.
그 후, 모터(180)의 속도가 충분히 작을 때에는 인버터(160)의 스위칭 소자(Q12,Q14,Q16)를 이용하여 각 상(U,V,W)의 출력단자를 단락시켜 ‘다이나믹 브레이크’를 적용하면, 모터(180)를 빠르게 정지시킬 수 있다.
모터가 정지된 후, 이어서 세탁조(200)의 회전 방향을 역방향으로 구동하도록 제어부(150)는 인버터(160)에 제어신호(S11-S16)를 인가하여 모터를 역방향으로 회전시키면 세탁조(200)는 역방향으로 회전된다(S422).
본 발명은 입력전압이 변동되는 환경에서 우수한 구동전압 조절 기능을 발휘할 수 있다. 즉, AC/DC 변환기(120)에서 일정 전압을 제1커패시터(C1)에 충전할 수 있다. 그러나, 입력전압이 너무 낮은 경우 제어부(150)에서 직류 전압을 차단하여 인버터(160) 및 모터(180)가 너무 작은 전압에서 불안전하게 운전하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 모터의 기동시에 PWM 제어되는 DC/DC 변환기(140)의 듀티비를 제어하여 전압은 낮추고 정지된 모터의 기동에 필요한 전류를 증가시켜서 인버터(160)에 인가함에 의해 모터(180)의 기동을 쉽게 할 수 있다.
이 경우, 인버터(160)를 구성하는 6개의 스위칭 소자(Q11-Q16)를 최소의 펄스수로 제어하면, 불요 고주파를 억제하며 인버터 회로의 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치에 의해 구동되는 모터가 소위 통돌이식 세탁기의 세탁조를 회전 구동하는 데 적용된 것을 예를 들어 설명하였으나, 회전속도의 가변 및 회전 급반전이 요구되는 드럼 세탁기의 터브 또는 드럼을 구동하는데 적용될 수 있다.
또한, 상기 모터의 구조는 세탁조나 드럼 하나만을 구동하도록 싱글 로터 또는 더블 로터와 싱글 스테이터를 구비하는 일반적인 모터 뿐 아니라, 2개의 피구동체, 예를 들어, 세탁조와 탈수조, 펄세이터와 세탁조, 메인 드럼과 보조 드럼을 개별적으로 구동하도록 더블 로터와 더블 스테이터를 구비한 이중 모터에도 적용될 수 있다.
더욱이, 상기 실시예에서는 본 발명이 세탁기용 모터에 적용된 것을 예시하였으나, AC 전원을 사용하여 동작되는 전동차, 타워 크레인 등에 적용된 모터에도 적용될 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명은 모터의 감속시에 발생되는 회생에너지를 교류(AC)로 변환하여 AC 전원측으로 반환시킴에 의해 모터의 효율을 높이고 소비전력을 줄일 수 있으며, 모터에서 소모되는 에너지를 최소화하여 모터의 열발생을 최소화함에 따라 방열 구조를 최소화할 수 있는 것으로, AC 전원을 사용하여 구동되는 세탁기, 전동차, 타워 크레인 등에 적용된 모터의 모터 구동장치에 적용된다.
100: AC 전원 120: 양방향 AC/DC 변환기
140: 양방향 DC/DC 변환기 150: 제어부
160: 인버터 180: BLDC 모터
190: 회전축 200: 세탁조
C1,C2: 커패시터 D1-D6,D11-D16: 다이오드
H1-H3: 홀소자 L1-L3: 인덕터
L11-L13: 코일 Q1-Q6,Q11-Q16: 스위칭 소자

Claims (22)

  1. 부하로 접속되는 모터를 구동하며, 상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 AC 전원측으로 반환하는 모터 구동장치로서,
    상기 AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 AC-DC 변환하여 후단으로 출력하며, 상기 모터의 감속시에 발생되는 역기전력(BEMF)을 AC 전원측으로 반환하도록 후단에서 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 DC 전압이 인가되는 경우 DC-AC 변환이 이루어지는 양방향 AC/DC 변환기;
    상기 양방향 AC/DC 변환기를 통하여 AC-DC 변환된 DC 전압이 충전되는 제1커패시터;
    상기 제1커패시터에 충전된 고압 전압을 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시키며, 후단에서 인가되는 DC 전압을 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 전압으로 승압하여 상기 제1커패시터에 충전시키는 양방향 DC/DC 변환기; 및
    상기 양방향 DC/DC 변환기로부터 제공되는 DC 전압을 동작전원(Vcc)으로 사용하여 상기 모터를 구동하는 데 필요한 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 스테이터 코일에 인가하고, 상기 모터의 감속에 따라 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 DC로 변환하여 양방향 DC/DC 변환기로 전달하는 인버터를 포함하며,
    상기 양방향 AC/DC 변환기는 AC-DC 변환 동작시에 AC 전원측의 전류를 입력 전압과 동기화시켜 보내어 전력 역률을 높이는 역률 보정 기능을 수행하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터에는 세탁기의 세탁조가 연결되며, 모터의 감속시에 세탁조의 회전 에너지에 의해 모터로부터 역기전력(BEMF)이 발생되는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양방향 AC/DC 변환기는
    상용 AC 전원이 인가되는 제1 및 제2 인덕터;
    토템폴 접속 구조로 연결되어 있으며, 접속점에 상기 제1인덕터를 통하여 AC 전원이 인가되는 제1 및 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자에 각각 병렬로 접속되는 제1 및 제2 다이오드;
    토템폴 접속 구조로 연결되어 있으며, 접속점에 상기 제2인덕터를 통하여 AC 전원이 인가되는 제3 및 제4 스위칭 소자; 및
    상기 제3 및 제4 스위칭 소자에 각각 병렬로 접속되는 제3 및 제4 다이오드를 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 다이오드는 풀 브리지(full bridge) 방식의 정류 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양방향 AC/DC 변환기가 AC-DC 변환을 수행할 때, 상기 제1커패시터의 충전 전압이 AC 전원의 입력 전압보다 높은 전압으로 충전되도록 상기 양방향 AC/DC 변환기에 대한 PWM 제어신호의 듀티비를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하며,
    상기 제1커패시터는 상용 전원의 입력 전압이 불안정한 지역에서 정전압 회로 역할을 하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 AC/DC 변환기는 모터의 감속시에 모터에 연결된 세탁조의 회전에너지를 AC 전원측으로 보내도록 모터에서 발생된 역기전력에 기초하여 양방향 AC/DC 변환기의 후단부로부터 인가되는 DC측의 전력을 AC 전원측으로 반환하며,
    상기 AC 전원측으로 반환된 AC 전력에 의해 적산전력계의 미터기를 역방향으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환이 이루어질 때, 상기 제1 인덕터와 연결된 일측단자가 (+)인 경우, 상기 제1스위칭 소자는 다이오드, 상기 제2스위칭 소자는 스위치, 상기 제3스위칭 소자는 턴-오프, 상기 제4스위칭 소자는 다이오드로서의 기능을 갖도록 설정되고,
    상기 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환이 이루어질 때, 상기 제1스위칭 소자는 스위치(switch), 제2스위칭 소자는 다이오드, 제3스위칭 소자는 턴-오프, 제4스위칭 소자는 턴-온 상태를 유지하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 양방향 DC/DC 변환기는
    토템폴 접속 구조로 연결되어 있는 제5 및 제6 스위칭 소자;
    각각 상기 제5 및 제6 스위칭 소자에 병렬로 접속되어 각각 양방향 전류 흐름경로를 형성하는 제5 및 제6 다이오드; 및
    상기 제5 및 제6 스위칭 소자의 접속점에 연결되어 인버터의 동작전원(Vcc)을 발생하는 제3인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자는 상보 관계로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 DC/DC 변환기는 부하방향으로 동작할 때 벅 컨버터(buck converter)로 동작하고, 역방향일 때 부스트 컨버터(boost converter)로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양방향 DC/DC 변환기는 벅 컨버터로 동작할 때, 상기 인버터에 인가되는 동작전원(Vcc)을 제어하여 모터의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 모터의 기동시에 인버터에 인가되는 동작전원(Vcc)의 출력 전압은 낮추고 정지된 모터의 기동에 필요한 전류를 증가시키도록 상기 양방향 DC/DC 변환기의 제6 스위칭 소자에 인가되는 PWM 제어신호의 듀티비를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 인버터는
    각각의 쌍마다 토템폴 접속 구조로 연결되어 있는 3쌍의 제1 내지 제6 스위칭 소자;
    상기 제1 내지 제6 스위칭 소자에 각각 병렬 접속된 제1 내지 제6 다이오드를 포함하며,
    상기 3쌍의 제1 내지 제6 스위칭 소자의 토템폴 접속된 U,V,W 접속점으로부터 3상 구동방식 모터의 3상 스테이터 코일에 AC 구동신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 모터의 회전속도가 작은 경우 인버터를 구성하는 제1 내지 제6 스위칭 소자를 제어하여 상기 U,V,W 접속점을 단락시킴에 의해 다이나믹 브레이크(dynamic break)를 발생시켜서 모터를 정지시키는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 모터의 감속에 따라 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 DC로 변환할 때 제1 내지 제6 다이오드는 정류 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 DC/DC 변환기와 인버터 사이에 병렬 접속되는 제2커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.
  17. AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 AC-DC 변환과 동시에 승압하여 제1커패시터에 충전하는 AC-DC 변환 단계;
    상기 제1커패시터에 충전된 전압을 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시켜서 출력하는 DC-DC 변환 단계; 및
    상기 동작전원(Vcc)을 사용하여 인버터에서 상기 모터를 구동하는 데 필요한 3상 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 3상 스테이터 코일에 인가하는 단계를 포함하며,
    상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 DC로 변환한 후 DC-AC 변환에 의해 전력 반환이 이루어지며,
    상기 AC-DC 변환 단계는 상기 AC 전원측의 전류를 입력 전압과 동기화시켜 보내어 전력 역률을 높이는 역률 보정 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전력 반환은
    상기 모터의 감속시에 모터로부터 발생되는 역기전력(BEMF)을 인버터에 의해 DC로 변환하는 단계;
    상기 인버터로부터 인가되는 DC 전압을 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 전압으로 승압하여 상기 제1커패시터에 충전시키는 DC-DC 변환 단계; 및
    상기 제1커패시터에 충전된 DC 전압이 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 경우 DC-AC 변환에 의해 AC 전원측으로 전력을 반환하는 DC-AC 변환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 모터에는 세탁기의 세탁조가 연결되며, 모터의 감속시에 세탁조의 회전 에너지에 의해 모터로부터 역기전력(BEMF)이 발생되는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 인버터에 인가되는 동작전원(Vcc)을 제어하여 모터의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 AC 전원측으로 반환된 AC 전력에 의해 적산 전력계의 미터기를 역방향으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.
  22. AC 전원측으로부터 공급된 AC 전원을 양방향 AC/DC 변환기에서 AC-DC 변환과 동시에 승압하여 제1커패시터에 충전하는 AC-DC 변환 단계;
    상기 제1커패시터에 충전된 전압을 양방향 DC/DC 변환기에서 모터를 구동하는 인버터의 동작전원(Vcc)으로 전압 강하시켜서 출력하는 DC-DC 변환 단계; 및
    상기 동작전원(Vcc)을 사용하여 인버터에서 상기 모터를 구동하는 데 필요한 3상 AC 전력을 발생하여 상기 모터의 3상 스테이터 코일에 인가하는 단계를 포함하며,
    상기 모터의 감속이 발생할 때 모터로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 인버터에서 DC로 변환한 후 양방향 DC/DC 변환기에서 인버터로부터 인가되는 DC 전압을 AC 전원측의 첨두전압보다 높은 전압으로 승압하여 상기 제1커패시터에 충전시킴에 의해 양방향 AC/DC 변환기에서 DC-AC 변환에 의해 AC 전원측으로 전력을 반환하며,
    상기 AC-DC 변환 단계는 상기 AC 전원측의 전류를 입력 전압과 동기화시켜 보내어 전력 역률을 높이는 역률 보정 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.
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