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KR102557401B1 - 공조 장치 및 정류 장치 - Google Patents

공조 장치 및 정류 장치 Download PDF

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KR102557401B1
KR102557401B1 KR1020180081550A KR20180081550A KR102557401B1 KR 102557401 B1 KR102557401 B1 KR 102557401B1 KR 1020180081550 A KR1020180081550 A KR 1020180081550A KR 20180081550 A KR20180081550 A KR 20180081550A KR 102557401 B1 KR102557401 B1 KR 102557401B1
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voltage
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유이치 다케다
야스유키 야마다
요시야 니시마키
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

공조 장치는 직렬 접속된 복수의 콘덴서, 복수의 콘덴서를 충전시키거나 방전시키기 위해 각 콘덴서에 공급되는 전류의 흐름을 제어하는 스위칭 소자, 복수의 콘덴서의 출력 전압을 검지하는 전압 검지부, 및 전류를 검지하는 전류 검지부를 포함하는 정류부, 및 정류부의 출력 전압을 공급 받아 교류를 생성하는 인버터부를 포함한다.

Description

공조 장치 및 정류 장치{AIR CONDITIONER AND RECTIFIER}
본 발명은 공조 장치 및 정류 장치에 관한 것이다.
최근 교류를 정류하는 정류 장치(즉, 컨버터)는 인버터 장치와 연결되어 정류 장치에 공급되는 교류의 주파수와 다른 주파수의 교류를 생성하여 모터 등의 구동에 이용되고 있다. 이러한 모터는 에어컨과 같은 공조 장치 또는 냉장 장고와 같은 냉장 장치 등에 널리 이용되고 있다.
그런데, 교류를 정류하고, 입력된 교류 전압의 2배의 직류 전압으로 승압하는 배전압 정류 장치에 있어서, 승압뿐만 아니라, 효과적으로 고조파 전류를 억제하는 역률 개선(PFC:Power Factor Control) 기술이 중요해지고 있다. 특히, 정류 장치의 대출력화, 고밀도화에 수반하여, 역률 개선을 위한 부재의 전기적, 온도적 부하가 커지므로, 보다 효율이 좋은 역률 개선을 도모할 수 있는 배전압 정류 장치가 요구되고 있다.
개시된 실시예는 출력 전압을 정해진 값으로 제어하면서, 고조파 전류를 억제한 공조 장치 및 정류 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 일 측면에 따른 공조 장치는 직렬 접속된 복수의 콘덴서, 복수의 콘덴서를 충전시키거나 방전시키기 위해 각 콘덴서에 공급되는 전류의 흐름을 제어하는 스위칭 소자, 복수의 콘덴서의 출력 전압을 검지하는 전압 검지부, 및 전류를 검지하는 전류 검지부를 포함하는 정류부, 및 정류부의 출력 전압을 공급 받아 교류를 생성하는 인버터부를 포함할 수 있다.
정류부는 복수의 스위칭 소자와 병렬 연결된 다이오드 브리지를 더 포함하되, 전류 검지부는 다이오드 브리지의 출력 전류를 검지할 수 있다.
전류 감지부는 정류부에 전압을 공급하는 전원의 전류를 검지할 수 있다.
전압 검지부는 복수의 콘덴서의 출력 전압을 각각 검지하는 복수개의 전압 검지부를 포함할 수 있다.
정류부는 전압 검지부에 의해 검지된 출력 전압 및 미리 설정된 목표 전압을 비교하고, 비교 결과값에 기초하여 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 비교 결과값에 기초하여 목표 전류를 산출하고, 산출된 목표 전류와 전류 검지부의 검지 결과를 비교하고, 목표 전류와 전류 검지부의 검지 결과의 비교 결과값에 기초하여 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
제어부는 비교 결과값에 기초하여 목표 전류를 산출하고, 전류 검지부가 측정한 전류가 목표 전류의 파형을 갖도록 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
제어부는 목표 전류가 미리 설정된 고조파 규격을 충족할 수 있도록 목표 전류의 파형을 변환하고, 전류 검지부가 측정한 전류가 변환된 목표 전류의 파형을 갖도록 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
전압 검지부는 복수의 콘덴서의 출력 전압을 각각 검지하는 복수개의 전압 검지부를 포함하고, 제어부는 복수개의 전압 검지부 별로 각각 미리 설정된 복수개의 목표 전압과 복수의 콘덴서의 출력 전압을 각각 비교할 수 있다.
스위칭 소자는 복수의 콘덴서를 각각 충전하기 위해 각 콘덴서에 공급되는 전류의 흐름을 제어하는 복수개의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
정류부는 복수개의 스위칭 소자를 독립적으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 복수개의 스위칭 소자의 듀티비를 제어할 수 있다.
다른 측면에 따른 공조 장치는 직렬 접속되고, 양 단자간 및 접속점으로부터 복수의 출력 전압을 공급하는 복수의 콘덴서, 복수의 콘덴서를 개별로 충전하도록, 공급되는 교류가 정류된 직류를 스위칭하는 복수의 스위칭 소자, 복수의 출력 전압을 각각 검지하는 복수의 전압 검지부, 및 교류 또는 직류를 검지하는 전류 검지부를 포함하는 정류부, 및 정류부의 출력 전압을 공급 받아 교류를 생성하는 인버터부를 포함할 수 있다.
전류 검지부는, 복수의 전압 검지부보다, 교류가 공급되는 측에 설치되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
정류부는 복수의 전압 검지부에 의해 검지된 복수의 출력 전압 및 전류 검지부에 의해 검지된 전류, 및, 복수의 당해 출력 전압에 대하여 각각 정해진 목표 전압 및 고조파에 대한 규격에 대응하도록 설정된 목표 전류에 기초하여, 복수의 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
복수의 출력 전압의 각 목표 전압은, 복수의 당해 출력 전압마다 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
목표 전류는, 공급되는 교류 주파수의 3배의 주파수의 정현파의 절댓값에 오프셋값을 더한 값, 또는, 공급되는 교류 주파수의 정현파의 절댓값일 수 있다.
제어부는, 목표 전류를 나타내는 파형 중 적어도 1주기를 포함하도록 설정된 반복 단위 기간을 복수의 구분으로 분할하고, 당해 구분마다 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
제어부는, 구분에 있어서의 단위 기간의 하나 전의 단위 기간에 있어서 검지된 전류와 목표 전류와의 차분이 적분 요소에 의해 연산된 값을 사용하여 복수의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따른 정류 장치는 직렬 접속된 복수의 콘덴서, 복수의 콘덴서를 충전시키거나 방전시키기 위해 각 콘덴서에 공급되는 전류의 흐름을 제어하는 스위칭 소자, 복수의 콘덴서의 출력 전압을 검지하는 전압 검지부, 및 전류를 검지하는 전류 검지부를 포함할 수 있다.
전술한 과제 해결 수단에 의하면, 출력 전압을 정해진 값으로 제어하면서, 고조파 전류를 억제한 공조 장치 및 정류 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 전원부에 있어서의 정류부의 기본 동작을 설명하는 도면이다. (a)는, 인덕터 및 콘덴서의 충전 모드, (b)는, 인덕터의 방전 모드, (c)는, 인덕터 및 콘덴서의 충전 모드, (d)는, 인덕터의 방전 모드이다.
도 3은 전원부에 있어서의 제어부의 블록선도이다.
도 4는 전류 제어 블록에 있어서의 기억기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 실시예를 설명하는 도면이다. (a)는, 전원이 전동기 장치에 공급하는 교류상 전압, (b)는, 도 3의 제어부에 의한 제어를 수행하지 않을 경우에 전동기 장치에 입력되는 입력 전류(A), (c)는, 도 3의 제어부에 있어서, 전압 제어 블록 및 전류 제어 블록을 사용한 경우에 전동기 장치에 입력되는 입력 전류(B), (d)는, 도 3의 제어부에 있어서, 전압 제어 블록과 전류 제어 블록에 더하여, 전동기 고조파 제어 블록을 사용한 경우에 전동기 장치에 입력되는 입력 전류(C), (e)는, 도 3의 제어부에 있어서, 전압 제어 블록, 전류 제어 블록 및 전동기 고조파 제어 블록에 더하여, 전류 파형 제어 블록을 사용한 경우에 전동기 장치에 입력되는 입력 전류(D)의 파형이다.
도 6은 제2 실시형태가 적용되는 전동기 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 제3 실시형태가 적용되는 전동기 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 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.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
전원의 고조파 전류에 관한 IEC규격(고주파에 대한 규격)을 충족하기 위하여, 정류 장치(컨버터)에서는, 일반적으로 리액터 등의 수동 부품에 의한 고조파 억제 대책이 취해지고 있다. 그러나, 정류 장치를 대형의 공조 장치와 같은 삼상 교류를 사용하는 기기에 적용하는 경우, 리액터가 대형화 되어버린다. 이로 인해, 리액터에 의한 손실이나 발열, 장치의 거대화 등, 다양한 단점이 발생한다. 따라서, 본 실시형태에서는, 출력 전압(DC 링크 전압)을 정해진 값으로 제어하면서, 고조파 전류를 억제하도록 제어하고 있다. 또한, 공조 장치는, 냉동기 송풍기(팬) 열교환기ㆍ가습기ㆍ 에어 필터 등을 포함한 것으로서, 공기의 온도나 습도, 청정도, 기류 등을 조정한다. 냉동기는, 압축기에 의해 구동된다.
또한, 최근의 디바이스 성능의 진보, 시장으로부터의 코스트 요구 등 다양한 요구에 의해, 정류 장치의 코스트를 억제하는 것이 진행되고 있다. 예를 들어, 삼상 교류에서 사용되는 정류 장치에 있어서, 400V 계의 전원을 사용하는 경우, 정류 장치에서 사용되는 디바이스는, 1200V 내압의 것을 사용하게 된다. 정류 장치를 대형 공조 장치에 적용한 경우, 압축기를 구동하는 출력 전압(DC 링크 전압)을, 팬의 구동용 전원으로서도 이용하면, 팬을 구동하는 인버터 장치도 필연적으로 1200V 내압의 디바이스를 사용한 것이 된다. 팬에 필요한 전력은, 압축기와 비교하여 작기 때문에, 저내압의 디바이스를 적용하고, 저비용화를 도모하는 것이 바람직하다.
1200V 계의 정류 장치는, 평활을 위한 전해 콘덴서의 내압을 확보할 목적으로 2개가 직렬로 사용되는 경우가 많고, 또한, 복수가 병렬로 사용되는 경우가 많다. 이것은, 결과적으로 출력 전압(DC 링크 전압)을 콘덴서로 분압하고 있는 것이 된다. 따라서, 직렬로 접속된 콘덴서로 분압된 전압을 사용하여, 팬 등의 부하에 전력을 공급하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 한 쪽의 콘덴서로부터 팬 등의 부하에 전력을 공급하면, 다른 쪽의 콘덴서와의 사이에서 전압이 불평형 상태로 되어버린다. 최종적으로 한 쪽의 콘덴서의 전압이 0V, 다른 쪽의 콘덴서 전압이 출력 전압(DC 링크 전압)으로 되어, 그대로는 부하에 전력을 공급할 수 없을 뿐만 아니라, 콘덴서의 내압을 초과해버린다.
따라서, 본 실시형태에서 설명하는 정류 장치 등에서는, 직렬 접속의 콘덴서 전압을 각각 제어함으로써, 출력 전압(DC 링크 전압)을 정해진 값으로 제어하면서, 직렬 접속된 콘덴서의 각각에 접속된 부하에 전력을 공급하는 것을 가능하게 하고 있다. 즉, 콘덴서에 의해 분압된 전압을 사용하여, 부하가 불평형이라 하더라도, 콘덴서의 전압을 안정적으로 제어하도록 하고 있다. 이에 의해, 분압된 전압을 사용하는 부하측에서 저내압의 디바이스를 사용할 수 있도록 하고 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.
<제1 실시형태>
도 1은, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)의 일례를 나타내는 도면이다.
제1 실시형태에 있어서의 전동기 장치(100)는, 전원부(1) 및 전동기(모터)(2)를 포함하고 있다. 전동기 장치(100)는, 삼상 교류의 전원(200)에 접속되어 있다. 전원(200)은, 교류 전원의 일례이다. 전원부(1)는, 전원 장치의 일례이다.
전원부(1)는, 전원(200)에 접속된 전자기 방해(EMI:Electromagnetic Interference) 억제 필터(10)(이하에서는, EMI 억제 필터(10)라 표기한다.), EMI 억제 필터(10)에 접속된 정류부(20; 컨버터), 정류부(20)에 접속되어 정류부(20)을 제어하는 제어부(30) 및 정류부(20)에 접속된 인버터부(40)를 포함한다. 또한, 전원부(1)는, 인버터부(40)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)를 포함한다. 또한, 전원부(1)는 전원부(1)로부터 전동기(2)에 공급하는 전류를 검지하는 전류 검지부(50)를 포함할 수도 있다.
정류부(20)는, 정류 장치의 일례이다. 또한, 정류 장치는, 정류부(20) 외에 EMI 억제 필터(10)를 구비할 수도 있다.
전동기(2)는, 인버터부(40)에 접속되어 있다. 전동기(2)는, 예를 들어 DC 브러시리스 모터일 수 있다.
전류 검지부(50)는, 인버터부(40)로부터 전동기(2)에 공급되는 삼상 교류(U상, V상, W상)에 있어서의 임의의 2상에 흐르는 전류를 검지(전류값을 측정)한다. 도 1에서는, U상과 W상을 검지할 수 있다. 삼상 교류의 경우, 삼상에 흐르는 전류값의 합은 0이 되므로, 2상의 전류를 검지(전류값을 측정)함으로써, 삼상의 전류값이 구해진다.
이하 순서대로 설명한다.
[EMI 억제 필터(10)]
EMI 억제 필터(10)는, EMI를 제거하는 부재이며, 예를 들어 고주파의 노이즈 통과를 저지하는 초크코일일 수 있다. .
[정류부20]
정류부(20)는, 전원(200)으로부터 공급되는 삼상 교류를 직류로 정류한다. 정류부(20)는, 인덕터(L1, L2, L3), 다이오드 브리지(DB), 스위칭 소자(SW1, SW2), 다이오드(D1, D2), 귀환 다이오드(Df1, Df2), 콘덴서(C1, C2)를 구비하고 있다. 또한, 다이오드 브리지(DB)는, 다이오드(D11, D12, D13, D14, D15 및 D16)를 포함한다. 또한, 정류부(20)는, 다이오드 브리지(DB)의 전류(출력 전류)를 검지하는 전류 검지부(23)를 포함한다. 또한, 정류부(20)는, 정류부(20)의 출력 전압을 검지하는 전압 검지부(21)와 콘덴서(C2)의 전압을 검지하는 전압 검지부(22)를 포함한다. 또한, 정류부(20)는 전류 검지부(23) 대신에 또는 전류 검지부(23)와 함께 전원(200)의 전류를 검지하는 전류 검지부(24)를 포함할 수도 있다.
다이오드 브리지(DB)는, 직렬 접속된 2개의 다이오드의 조가, 3개 병렬로 접속되어 있다. 즉, 다이오드(D11, D12)가 접속점(a)에서 직렬 접속되고, 다이오드(D13, D14)가 접속점(b)에서 직렬 접속되고, 다이오드(D15, D16)가 접속점(c)에서 직렬 접속되어 있다. 그리고, 이들이 접속점(d)와 접속점(e) 사이에 병렬 접속되어 있다. 또한, 다이오드(D11 내지 D16)는, 접속점(e)로부터 접속점(d)를 향하는 방향으로 전류가 흐르도록 접속되어 있다.
인덕터(L1, L2, L3)의 한 쪽의 단자는, EMI 억제 필터(10)를 통하여, 전원(200)의 R상, S상, T상에 각각 접속되어 있다. 그리고, 인덕터(L1)의 다른 쪽 단자는, 접속점(a)에 접속되고, 인덕터(L2)의 다른 쪽 단자는, 접속점(b)에 접속되고, 인덕터(L3)의 다른 쪽 단자는, 접속점(c)에 접속되어 있다.
스위칭 소자(SW1, SW2)는, 접속점(h)에서 직렬 접속되고, 스위칭 소자(SW1)와 접속점(d)을 연결하는 접속점(f)에 접속되고, 스위칭 소자(SW2)와 접속점(e)을 연결하는 접속점(g)에 접속되어 있다. 귀환 다이오드(Df1, Df2)가 스위칭 소자(SW1, SW2)에 병렬로 접속되어 있다. 귀환 다이오드(Df1, Df2)는, 접속점(g)로부터 접속점(f)에 전류가 흐르는 방향으로 접속되어 있다. 귀환 다이오드(Df1, Df2)에 전류가 흐르는 방향은, 스위칭 소자(SW1, SW2)에 전류가 흐르는 방향의 역방향이다. 또한, 접속점(d)과 접속점(f)는 동일한 전위를 갖는다. 또한, 접속점(e)와 접속점(g)는 동일한 전위를 갖는다.
스위칭 소자(SW1, SW2)는, 고내압의 전력용 스위칭 소자이다. 스위칭 소자(SW1, SW2)에는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터, 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor) 등을 적용할 수 있다. 스위칭 소자(SW1, SW2)는, 3단자 소자이며, 온/오프를 제어하는 단자는 게이트로 불린다.
다이오드(D1)는, 한 쪽의 단자(애노드)가 접속점(f)에, 다른 쪽의 단자(캐소드)가 접속점(i)에 접속되어 있다. 또한, 다이오드(D2)는, 한 쪽의 단자(캐소드)가 접속점(j)에, 다른 쪽의 단자(애노드)가 접속점(g)에 접속되어 있다.
콘덴서(C1, C2)는, 접속점(k)에서 직렬 접속됨과 함께, 콘덴서(C1)측이 접속점(i)에 접속되고, 콘덴서(C2)측이 접속점(j)에 접속되어 있다. 그리고, 콘덴서(C1)와 콘덴서(C2)의 접속점(k)은, 스위칭 소자(SW1)와 스위칭 소자(SW2)의 접속점(h)에 접속되어 있다. 즉, 접속점(h)과 접속점(k)은 동일한 전위를 갖는다.
이 정류부(20)에서는, 접속점(j)을 기준으로 한 접속점(i)의 전위(전압)와, 접속점(j)을 기준으로 한 접속점(k)의 전위(전압)의 2개의 전압을 취출할 수 있다. 즉, 정류부(20)는, 멀티 레벨 부스트컨버터(Multi-Level Boost Converter)를 구현할 수 있다. 또한, 접속점(k)의 전위는, 접속점(i)의 전위에 비교하여 낮으므로, 중간 전위(Vhalf)로 불린다. 그리고, 접속점(i, j)는, 인버터부(40)의 입력 단자(P, N)에 접속되어 있다.
여기에서는, 접속점(j)에 대한 접속점(i)의 전위를 출력 전위(출력 전압), 접속점(j)에 대한 접속점(k)의 전위를 중간 전위(중간 전압)로 표기하는 경우가 있다.
또한, 정류부(20)에 있어서의 접속점(j)은, 기준 전위를 갖는다. 그리고, 정류부(20)에 있어서의 접속점(i)은, DC 링크로 불린다. 따라서, 접속점(j)의 전위(기준 전압)에 대한 접속점(i)의 전위(전압)를, DC 링크 전압으로 표기하는 경우가 있다. 즉, DC 링크 전압은, 콘덴서(C1)의 전압(접속점(i)과 접속점(k) 사이의 전압)과 콘덴서(C2)의 전압(접속점(k)와 접속점(j) 사이의 전압)이 가산된 전압이다. 그리고, DC 링크 전압이, 정류부(20)의 출력 전압으로서 인버터부(40)에 공급된다.
전류 검지부(23)는, 접속점(d)과 접속점(f) 사이에 설치되고, 다이오드 브리지(DB)의 전류(출력 전류)를 검지(전류값을 측정)한다. 다이오드 브리지(DB)의 전류는, 삼상 교류를 반영한 맥류이므로, 전류의 파형으로부터, 삼상 교류에 있어서의 각 상의 전류를 알 수 있다.
전압 검지부(21)는, 접속점(i)(접속점(i)과 인버터부(40)의 입력 단자(P) 사이)에 설치되고, 직렬 접속된 콘덴서(C1)의 전압과 콘덴서(C2)의 전압이 가산된 전압, 즉 정류부(20)의 출력 전압(DC 링크 전압)을 검지(전압값을 측정)한다. 또한, 전압 검지부(22)는, 콘덴서(C2)의 전압, 즉 중간 전위(Vhalf)를 검지(전압값을 측정)한다.
전술한 전류 검지부(23) 대신에 포함되는 다른 전류 검지부(24)는, 전원(200)으로부터 EMI 억제 필터(10)에 공급되는 삼상 교류(R상, S상, T상)에 있어서의 임의의 2상에 흐르는 전류를 검지(전류값을 측정)한다. 도 1에서는, R상과 T상을 검지한다. 전술한 바와 같이, 삼상 교류의 경우, 삼상에 흐르는 전류값의 합은 0이 되므로, 2상의 전류를 검지(전류값을 측정)함으로써, 삼상의 전류값을 구할 수 있다.
전류 검지부(23) 또는 전류 검지부(24)는, 전압 검지부(21, 22)보다 교류를 공급하는 전원(200)측(상류측)에 설치되어 있다.
또한, 인덕터(L1, L2, L3) 대신에 접속점(d)과 접속점(f) 사이 및 접속점(e)과 접속점(g) 사이의 각각에 인덕터를 설치할 수도 있다.
[제어부(30)]
제어부(30)는, CPU, 메모리 등을 포함한 컴퓨터로서 구현될 수 있다. 그리고, 제어부(30)는, 정류부(20)의 전류 검지부(23)(또는, 전류 검지부(24))에서 검지된 전류 및 전압 검지부(21, 22)에 의해 검지된 전압에 기초하여, 정류부(20)의 스위칭 소자(SW1, SW2)의 온/오프를 제어할 수 있다. 즉, 메모리에 축적된 프로그램에 의해, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 온/오프를 제어하는 펄스폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 신호를 생성한다.
제어부(30)는, 2개의 제어 유닛(30A, 30B)을 포함한다. 제어 유닛(30A, 30B)은, 후술하는 바와 같이, 동일한 구성이다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 제어 유닛(30A)은, 접속점(i)의 전위(DC 링크 전압)를 검지하는 전압 검지부(21)에 접속되어 있다. 한편, 제어 유닛(30B)은, 접속점(k)의 전위(중간 전위(Vhalf))를 검지하는 전압 검지부(22)에 접속되어 있다. 또한, 제어 유닛(30A)에는, 접속점(i)의 전위로부터 제어 유닛(30B)이 검지한 접속점(k)의 전위를 끌어당긴, 콘덴서(C1)에 인가된 전압(DC 링크 전압- 중간 전위(Vhalf))이 입력되도록 되어 있다. 또한, 제어 유닛(30B)에는, 접속점(k)의 전위로부터 접속점(j)의 전위(기준 전위)를 끌어당긴, 콘덴서(C2)에 인가된 전압이 입력되도록 되어 있다. 전압의 검지는, 접속점(i)과 접속점(j) 사이 및 접속점(k)과 접속점(j) 사이의 각각에 저항을 설치하고, 흐르는 전류에 의해 발생하는 전압값을 측정하는 등 다양한 방법에 의해 실시될 수 있다.
그리고, 제어부(30)는, 접속점(d)(다이오드 브리지(DB)의 출력)과 접속점(f)(스위칭 소자(SW1)측) 사이를 흐르는 전류를 검지(전류값을 측정)하는 전류 검지부(23)에 접속되어 있다. 또한, 전류 검지부(23)가 검지한 전류(측정한 전류값)가, 제어 유닛(30A, 30B)에 입력되도록 되어 있다. 전술한 바와 같이, 전류 검지부(23) 대신에 전류 검지부(24)를 사용할 수도 있다. 또한, 전류 검지부(23) 또는 전류 검지부(24)를 제어부(30)의 제어 유닛(30A, 30B)의 각각에 접속할 수도 있다.
전류의 검지(전류값의 측정)는, 전류가 흐르는 경로에 설치한 전류 센서에 의해 수행될 수 있다. 전류 센서는, 예를 들어 전류의 경로를 둘러싸도록 설치된 코일이다. 그리고, 전류의 검지는, 코일로 유도되는 전압을 계측하는 등 다양한 방법을 통해 실시될 수 있다.
그리고, 제어 유닛(30A)은, 스위칭 소자(SW2)의 게이트에, 스위칭 소자(SW2)의 온/오프를 제어하는 PWM신호를 생성하여 공급한다. 한편, 제어 유닛(30B)은, 스위칭 소자(SW1)의 게이트에, 스위칭 소자(SW1)를 온/오프하는 PWM신호를 생성하고, 공급한다. 즉, 제어 유닛(30A)은, 콘덴서(C1)의 전압을 검지하여, 스위칭 소자(SW2)를 온/오프하고, 콘덴서(C1)의 전압을 제어한다. 제어 유닛(30B)은, 콘덴서(C2)의 전압을 검지하여, 스위칭 소자(SW1)를 온/오프하고, 콘덴서(C2)의 전압을 제어한다.
또한, 제어 유닛(30A, 30B)은, 각각이 다른 컴퓨터(마이크로컴퓨터)로 구현될 수도 있고, 1개의 컴퓨터(마이크로컴퓨터)로 구현되고, 가상적으로 제어 유닛(30A, 30B)이 구현될 수도 있다.
[인버터부40]
인버터부(40)는, 정류부(20)가 공급하는 직류를 스위칭하여, 부하인 전동기(2)를 구동하는 교류를 생성한다. 여기에서는, 인버터부(40)는, 삼상 교류(U상, V상 및 W상)를 생성한다.
인버터부(40)는, 스위칭 소자(SW3 내지 SW8) 및 그들에 병렬로 접속된 귀환 다이오드(부호 없음)를 포함한다. 그리고, 직렬 접속된 2개의 스위칭 소자의 조가, 3개 병렬로 접속되어 있다. 즉, 스위칭 소자(SW3, SW4)가 직렬 접속되고, 스위칭 소자(SW5, SW6)가 직렬 접속되고, 스위칭 소자(SW7, SW8)가 직렬 접속되어 있다. 그리고, 이들이 인버터부(40)의 입력 단자(P, N) 사이에 병렬 접속되어 있다. 스위칭 소자(SW3 내지 SW8) 및 그들에 병렬로 접속된 귀환 다이오드(부호 없음)는, 입력 단자(P)로부터 입력 단자(N)에 전류가 흐르는 방향으로 접속되어 있다. 이 귀환 다이오드에 전류가 흐르는 방향은, 스위칭 소자(SW3 내지 SW8)에 전류가 흐르는 방향에 대하여 역방향이다.
그리고, 스위칭 소자(SW3, SW4)의 접속점이 U상, 스위칭 소자(SW5, SW6)의 접속점이 V상 및 스위칭 소자(SW7, SW8)의 접속점이 W상으로서, 전동기(2)에 접속되어 있다.
인버터부(40)를 제어하는 제어부에 의해, 스위칭 소자(SW3 내지 SW8)의 게이트에 PWM신호가 공급된다. 이에 의해, 인버터부(40)는, 삼상 교류(U상, V상 및 W상)를 생성한다.
[전동기 장치(100)의 동작]
전동기 장치(100)의 동작을 설명한다.
전원(200)으로부터 EMI 억제 필터(10)를 통하여 교류가 공급되면, 정류부(20)는, 교류를 정류하여, 접속점(i)과 접속점(j) 사이에 직류의 출력 전압(DC 링크 전압)을 생성한다. 이때, 정류부(20)는, 스위칭 소자(SW1, SW2) 및 콘덴서(C1, C2)를 포함함으로써, 교류 전압을 다이오드 브리지(DB)에서 정류했을 경우에 얻어지는 전압에 대하여 승압비 1 이상의 임의로 설정된 전압이 얻어진다. 예를 들어, 전원(200)이 공급하는 교류 전압의 선간 실효값이 380Vrms일 경우, 교류 전압을 다이오드 브리지(DB)에서 정류했을 경우에 얻어지는 직류 전압의 피크값은, 이상적으로는 537V이다. 이에 대해, 정류부(20)에서 얻어지는 직류의 출력 전압(DC 링크 전압)은, 537V 이상의 임의로 설정된 전압으로 하는 것이 가능하다.
인버터부(40)는, 정류부(20)가 생성한 직류의 출력 전압(DC 링크 전압)을, 3개의 직렬 접속된 스위칭 소자의 조의 온/오프에 의해, 삼상 교류(U상, V상 및 W상)를 생성한다. 그리고, 인버터부(40)는, 삼상 교류(U상, V상 및 W상)를 전동기(2)에 공급한다. 또한, 3조의 스위칭 소자의 조라 함은, 스위칭 소자(SW3, SW4)의 조, 스위칭 소자(SW5, SW6)의 조 및 스위칭 소자(SW7, SW8)의 조를 말한다.
전동기(2)는, 인버터부(40)가 공급하는 교류(U상, V상 및 W상)에 의해, 회전한다. 인버터부(40)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)에 의해, 인버터부(40)가 공급하는 교류(U상, V상 및 W상)의 주파수를 바꿈으로써, 전동기(2)의 회전수가 바뀐다.
인버터부(40)의 동작에 대하여는, 공지의 내용이므로 상세한 설명을 생략하고, 이하에서는, 전원부(1)에 있어서의 정류부(20)의 동작을 상세히 설명한다.
(정류부(20)의 동작)
도 2는, 전원부(1)에 있어서의 정류부(20)의 기본 동작을 설명하는 도면이다. 도 2의 (a)는, 인덕터(L1, L3) 및 콘덴서(C1)의 충전 모드, 도 2의 (b)는, 인덕터(L1, L3)의 방전 모드, 도 2의 (c)는, 인덕터(L1, L3) 및 콘덴서(C2)의 충전 모드, 도 2의 (d)는, 인덕터(L1, L3)의 방전 모드이다. 도 2의 (a) 내지 (d)는, R상의 전위가 T상의 전위보다 높은 경우이다. 이하, 순서대로 설명한다.
인버터부(40)(입력 단자(P, N)간)에는, 직렬 접속된 콘덴서(C1)의 전압(접속점(i)과 접속점(k) 사이의 전압)과 콘덴서(C2)의 전압(접속점(k)과 접속점(j) 사이의 전압)이 가산된 전압이 인가된다.
(a)인덕터(L1, L3) 및 콘덴서(C1)의 충전 모드
도 2의 (a)에 나타내는 인덕터(L1, L3) 및 콘덴서(C1)의 충전 모드에서는, 제어부(30)(도 1 참조)에 의해, 스위칭 소자(SW1)가 오프, 스위칭 소자(SW2)가 온으로 설정되어 있다. 그러면, 전원(200)(도 1 참조)의 R상으로부터, 인덕터(L1), 다이오드(D11), 다이오드(D1), 콘덴서(C1), 스위칭 소자(SW2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 순서대로 경유하고, 전원(200)의 T상으로 복귀되는 경로로 전류가 흐른다. 이때, 인덕터(L1, L3)에 전자 에너지가 축적됨과 함께, 콘덴서(C1)가 충전된다. 콘덴서(C1)에는, 전원(200)의 교류 전압을 다이오드 브리지(DB)에서 정류했을 경우에 얻어지는 직류 전압으로부터, 스위칭 소자(SW2)가 온인 시간(온 듀티 시간)에 있어서 전하가 공급된다. 또한, 온 듀티 시간이란, 스위칭 소자(SW2)가 온과 오프를 반복하는 주기에 있어서, 온인 시간이다. 즉, 콘덴서(C1)는, 스위칭 소자(SW2)가 온인 시간에 의해 전압 제어가 가능해진다.
이때, 다이오드(D2)는 전류가 흐르는 경로에 대하여 역방향으로 접속되어 있으므로, 콘덴서(C2)가 방전되는 일은 없다.
(b)인덕터(L1, L3)의 방전 모드
도 2의 (b)에 나타내는 인덕터(L1, L3)의 방전 모드에서는, 제어부(30)에 의해, 온이었던 스위칭 소자(SW2)가 오프로 설정된다. 즉, 스위칭 소자(SW1, SW2)가 모두 오프 상태가 된다. 스위칭 소자(SW2)가 온에서 오프로 이행함으로써, 스위칭 소자(SW2)를 경유하는 전류 경로가 차단된다. 이로 인해, 전원(200)의 R상으로부터, 인덕터(L1), 다이오드(D1), 콘덴서(C1, C2), 다이오드(D2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 경유하여 전원(200)의 T상으로 복귀되는 경로로 전류가 흐름으로써, 인덕터(L1, L3)에 축적된 전자 에너지가 방출(방전)된다. 이에 의해, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)가 더욱 충전된다. 인덕터(L1, L3)의 인덕턴스 값에 따라서는, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)의 전압(접속점(i)과 접속점(j) 사이의 전압)이 상승한다.
(c)인덕터(L1, L3) 및 콘덴서(C2)의 충전 모드
도 2의 (c)에 나타내는 인덕터(L1, L3) 및 콘덴서(C2)의 충전 모드에서는, 제어부(30)에 의해, 오프였던 스위칭 소자(SW1)가 온으로 설정된다. 즉, 스위칭 소자(SW1)가 온, 스위칭 소자(SW2)가 오프 상태가 된다. 그러면, 전원(200)의 R상으로부터, 인덕터(L1), 다이오드(D11), 스위칭 소자(SW1), 콘덴서(C2), 다이오드(D2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 순서대로 경유하고, 전원(200)의 T상으로 복귀되는 경로로 전류가 흐른다. 이때, 인덕터(L1, L3)에 전자 에너지가 축적됨과 함께, 콘덴서(C2)가 충전된다. 콘덴서(C2)에는, 전원(200)의 교류 전압을 다이오드 브리지(DB)에서 정류했을 경우에 얻어지는 직류 전압으로부터, 스위칭 소자(SW1)가 온인 시간(온 듀티 시간)에 있어서 전하가 공급된다. 즉, 콘덴서(C2)는, 스위칭 소자(SW1)가 온인 시간에 의해 전압 제어가 가능해진다.
이상으로부터, 콘덴서(C1)와 콘덴서(C2)로, 각각이 전압 제어 가능해지므로, 콘덴서(C1) 및 콘덴서(C2)의 각각의 전압이 임의의 설정 전압으로 제어 가능할 뿐만 아니라, 접속점(i)과 접속점(j) 사이의 전압(DC 링크 전압)이, 승압비 1 이상의 전압으로 제어할 수 있다.
(d)인덕터(L1, L3)의 방전 모드
　도 2의 (d)에 나타내는 인덕터(L1)의 방전 모드에서는, 제어부(30)에 의해, 온이었던 스위칭 소자(SW1)가 오프로 설정된다. 즉, 스위칭 소자(SW1, SW2)가 모두 오프 상태가 된다. 스위칭 소자(SW1)가 온에서 오프로 이행함으로써, 스위칭 소자(SW1)를 경유하는 전류 경로가 차단된다. 이로 인해, 전원(200)의 R상으로부터, 인덕터(L1), 다이오드(D1), 콘덴서(C1, C2), 다이오드(D2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 경유하여 전원(200)의 T상으로 복귀되는 경로로 전류가 흐름으로써, 인덕터(L1, L3)에 축적된 전자 에너지가 방출(방전)된다. 이에 의해, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)가 더욱 충전된다. 인덕터(L1, L3)의 인덕턴스 값에 따라서는, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)의 전압(접속점(i)과 접속점(j) 사이의 전압)이 상승한다.
이상에 있어서는, R상과 T상 사이에 있어서, R상의 전위가 T상의 전위보다 높은 것으로 설명했지만, 삼상(R상, S상 및 T상)에 있어서, 전위의 관계가 다른 조합으로 된 경우에도 마찬가지이다. 따라서 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 정류부(20)는, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 각각이 온인 시간(온 듀티 시간)을 제어함으로써 콘덴서(C1, C2)의 각각의 전압을 제어 가능하게 하고 있다. 따라서, 콘덴서(C1, C2)의 각각에 부하를 접속한 경우에 있어서, 콘덴서(C1, C2) 사이에 전압이 불평형 상태라도, 안정된 전압을 유지하는 것이 가능해진다. 그리고, 콘덴서(C1)의 전압과 콘덴서(C2)의 전압의 합(접속점(i)과 접속점(j) 사이의 전압)이, 정류부(20)의 출력 전압(DC 링크 전압)으로 되고, 인버터부(40)의 입력 전압(입력 단자(P, N)간의 전압)으로 된다.
여기에서는, 인덕터(L1, L2, L3)를 포함하고 있다. 인덕터(L1, L2, L3)는, 스위칭 소자(SW1)와 스위칭 소자(SW2) 중 어느 한 쪽이 온인 상태에 있어서 전자 에너지를 축적하고, 스위칭 소자(SW1, SW2)가 모두 오프 상태에 있어서 축적한 전자 에너지를 방출(방전)하여 콘덴서(C1, C2)를 충전한다. 즉, 부하에 공급하는 전력에도 영향을 받지만, 부하가 극단적으로 작은 경우에 있어서, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 온 시간을 제어하면, 인덕터(L1, L2, L3)의 인덕턴스 값에도 따르지만, 정류부(20)의 출력 전압(DC 링크 전압)은, 콘덴서(C1)의 전압과 콘덴서(C2)의 전압의 합(접속점(i)과 접속점(j) 사이의 전압)이므로, 전원(200)의 교류 전압의 피크값의 2배 이상까지 용이하게 승압될 수 있다. 이때, 예를 들어 교류 전압을 다이오드 브리지(DB)에서 정류한 직류 전압의 피크값을 537V(380V*√2)로 하고, 정류부(20)로부터의 출력 전압(DC 링크 전압)의 목표값을 600V로 했을 경우, 피크값인 537V를, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 온 시간에서 콘덴서(C1, C2)의 각각에 공급할 수 있으므로, 콘덴서(C1, C2)의 각각의 전압을, 최대 537V로 하는 것이 가능하다. 따라서, 인덕터(L1, L2, L3)로부터의 에너지의 공급은, 원리적으로 거의 불필요하다. 또한, "*"은 곱을 나타낸다.
정류부(20)에 승압 기능을 설치하는 방법으로서, 2개의 콘덴서(C1, C2) 대신에 1개의 콘덴서를 사용하고, 인덕터로 승압하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 교류 전압을 다이오드 브리지(DB)에서 정류한 직류 전압의 피크 전압보다 승압하는 분량의 에너지는, 인덕터로부터 공급하게 된다. 예를 들어 다이오드 브리지(DB)에서 정류한 직류 전압의 피크값을 537V(380V*√2)로 하고, 정류부(20)로부터의 출력 전압(DC 링크 전압)의 목표값을 600V로 했을 경우, 인덕터는, 537V를 기준으로 그 이상으로 승압하는 분량의 에너지를 공급 할 필요가 있다. 따라서, 1개의 콘덴서를 사용하는 방법에서는, 상기의 2개의 콘덴서(C1, C2)를 사용한 경우와 비교하여, 인덕터로부터 공급하는 에너지가 커진다. 즉, 1개의 콘덴서를 사용하는 방법에서는, 큰 인덕턴스 값, 즉 큰 형상의 인덕터를 사용하는 것이 필요해진다.
이상과 같이, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)에 있어서의 정류부(20)의 인덕터(L1, L2, L3)에는, 인덕턴스 값이 작은 인덕터를 사용하면 되고, 소형화 할 수 있다.
또한, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 각각의 양단에 인가되는 전압은, 콘덴서(C1, C2)로 분압된 전압과 동등해지므로, 400V 계의 전원(200)을 사용한 경우라도, 스위칭 소자(SW1, SW2)에는 DC 링크 전압(접속점(i, j)간의 전압)의 1/2의 전압밖에 인가되지 않는다. 따라서, 출력 전압(DC 링크 전압)의 목표값이, 최대 1000V라도, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 내압은, 500V 이상이면 된다. 즉, 600V 내압의 스위칭 소자를 사용할 수 있다.
한편, 스위칭 소자가 1개의 경우에서는, 스위칭 소자에 1000V가 인가되게 되어, 1200V 내압의 스위칭 소자를 사용하는 것이 필요해진다. 스위칭 소자는, 내압이 낮을수록 고속이므로, 제1 실시형태가 적용되는 2개의 콘덴서(C1, C2)를 사용하는 방법은, 고속화할 수 있는 장점도 있다.
이어서, 전원부(1)에 있어서의 정류부(20)을 제어하는 제어부(30)의 동작을 상세히 설명한다.
(제어부(30)의 동작)
도 3은, 전원부(1)에 있어서의 제어부(30)의 블록선도이다. 또한, 상술한 바와 같이, 제어부(30)는, 2개의 제어 유닛(제어 유닛(30A, 30B))을 포함한다. 여기에 나타내는 블록선도는, 2개의 제어 유닛(제어 유닛(30A, 30B)) 중 제어 유닛(30A)을 나타낸다. 또한, 제어 유닛(30B)도, 하기에 나타내는 부분을 제외하고, 제어 유닛(30A)과 동일한 블록선도로 표현된다. 따라서, 제어 유닛(30B)에 대하여는 설명을 생략한다.
제어 유닛(30A)은, 정류부(20)가 출력하는 직류의 출력 전압을 제어하는 전압 제어 블록(31), 전류에 발생하는 고조파를 제어하기 위하여 전류 파형을 제어하는 전류 파형 제어 블록(32), 전류를 제어하는 전류 제어 블록(33) 및 전동기(2)로부터 발생하는 고조파를 제어하는 전동기 고조파 제어 블록(34)을 포함한다. 또한, 전동기 고조파 제어 블록(34)은, 전동기(2)를 제어하는 경우에 사용된다. 따라서, 전동기(2)를 제어하지 않을 경우에는, 전동기 고조파 제어 블록(34)을 포함하는 것을 필요로 하지 않는다. 이하, 순서대로 설명한다.
전술한 바와 같이, 제어 유닛(30A)은, 정류부(20)의 접속점(i)의 전압을 검출하고, 스위칭 소자(SW2)의 온/오프를 설정하는 PWM신호의 듀티비를 제어하여, 콘덴서(C1)의 전압(접속점(i)의 전압과 접속점(k)과의 사이의 전압)을 정해진 전압으로 제어함과 함께, 전류에 나타나는 고조파를 IEC규격에 적합하도록 제어한다. 또한, 듀티비란, 온(On)과 오프(Off)의 반복 주기에 있어서, 온(On)인 시간의 비이다.
{전압 제어 블록(31)}
전압 제어 블록(31)은, 콘덴서(C1)의 전압을 제어하는 제어량으로서 전압 차분값을 출력한다. 전압 제어 블록(31)은, 비교기(311), 적분 요소(적분기)(312), 비례 요소(비례기)(313) 및 가산기(314)를 포함한다. 그리고, 비교기(311)에, 콘덴서(C1)에 대하여 정해진 목표 전압(목표 전압)과, 전압 검지부(21)(도 1 참조)에 의해 검지(측정)된 콘덴서(C1)의 전압(전압 측정값)이 입력된다. 그러면, 비교기(311)는, 목표 전압과 전압 측정값의 차분(편차)을 연산한다. 적분 요소(312)는, 전달 함수(Ki_V*1/s)로 표현되는 요소이며, 비교기(311)로 구해진 차분에 대하여 적분 연산한다. 비례 요소(313)는, 전달 함수(Kp_V)로 표현되는 요소이며, 비교기(311)로 구해진 차분에 대하여 비례 연산한다. 그리고, 가산기(314)는, 적분 요소(312)에 의한 적분 연산의 결과와 비례 요소(313)에 의한 비례 연산의 결과를 가산하여, 제어해야 할 제어값으로서 전압 차분값을 출력한다.
즉, 전압 제어 블록(31)은, 콘덴서(C1)의 전압을 정해진 전압으로 제어하기 위한 비례 적분(PI) 제어를 행한다.
출력되는 전력(출력 전력)의 크기에 의해 콘덴서(C1)의 전압(DC 링크 전압)이 저하되어도, 그 전압을 목표 전압으로 되도록 전압 차분값을 제어한다. 따라서, 출력 전력에 따른 전압 차분값으로 된다. 또한, 콘덴서(C1)의 전압(DC 링크 전압)은, 전동기(2)의 효율이 최대가 되도록 제어된다. 따라서, 출력 전력이 작아도 높은 전압이 필요한 경우에 그에 따라 전압 차분값이 설정되게 되어, 전동기(2)의 제어에 있어서, 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제어 유닛(30B)에서는, 비교기(311)에는, 콘덴서(C1) 대신에 콘덴서(C2)에 대하여 정해진 목표 전압과, 전압 검지부(21)(도 1 참조)에 의해 검지(측정)된 콘덴서(C2)의 전압(전압 측정값)이 입력된다.
제어 유닛(30A, 30B)으로, 목표 전압을 각각 별도의 값으로 설정함으로써, DC 링크 전압을 제어하면서, 콘덴서(C1, C2)로 분압된 전압(Vhalf)을 제어할 수 있다. 이로 인해, 콘덴서(C1, C2)와의 접속점(k)(분압점)으로부터 부하에의 전력의 공급이 가능하게 되어 있다.
{전류 파형 제어 블록(32)}
전류 파형 제어 블록(32)은, 전류 파형에 출현하는 고조파를 IEC규격에 적합하게 하기 위하여, 전류 파형을 제어한다. IEC규격에서는, 종합 고조파 왜곡(THD:Total Harmonic Distortion)이나 부분 가중 고조파 왜곡(PWHD:Partial Weighted Harmonic Distortion)이 정해진 값 이하로 되도록 규정되어 있다.
전류 파형 제어 블록(32)은, 전류 파형 설정 요소(321) 및 가산기(322)를 포함한다. 전류 파형 설정 요소(321)는, 전원(200)이 삼상 교류의 경우, 삼상 교류의 3배의 주파수 성분의 절댓값(A*|sin(3θ)|)의 전달 함수로 표현되는 요소에 의해 연산되는 전류 파형 보정값을 출력한다. 또한, 전류 파형 설정 요소(321)는, 비례기로서 기능한다. 여기서, θ은, 교류 전압의 시간을 나타내는 각도이다. θ=2π로 1주기이다. 그리고, 가산기(322)는, 이 전류 파형 보정값과, 전압 제어 블록(31)에 의해 얻어진 전압 차분값을 가산하여, 목표 전류를 출력한다. 전압 차분값은, 전류에 대한 오프셋값이다. 즉, 목표 전류는, (A*|sin(3θ)|)+전류에 대한 오프셋값으로 표현된다. 전류 파형 보정값은 전류 파형을 설정하는 것이며, 전류에 대한 오프셋값은 전압 제어 블록(31)에 의해 얻어진 전압 차분값에 의해 전류의 크기를 설정한다(바이어스이다). 여기에서는, (A*|sin(3θ)|)+전류에 대한 오프셋값으로 나타나는 목표 전류의 평균값을, 목표 전류의 크기라고 부른다. 도 3에서는 전류에 대한 오프셋값을 오프셋값으로 표기한다.
또한, 상기 진폭(A)은, 전류 파형의 진폭을 설정하는 파라미터이며, 가변할 수 있도록 되어 있다. 즉, 전류가 커지면, 고조파에 대한 규격을 충족하기 위하여, 진폭(A)을 크게 설정하는 것이 필요해진다. 따라서, 진폭(A)은, 전압 차분값에 대응하여 가변할 수 있도록 되어 있다. 진폭(A)은, 부하에 공급되는 전압값(목표 전압)으로부터 연산에 의해 구해도 좋고, 부하에 공급되는 전압값에 대하여 설치된 테이블을 참조하여 구할 수도 있다.
즉, 제어부(30)는, 진폭(A)을 전압 차분값(전류에 대한 오프셋값)에 관련지어서 변경한다. 바꾸어 말하면, 제어부(30)는, 목표 전류의 크기를 변경한다. 이에 의해, 교류 전압 파형에 대한 전류 파형이 근소한 위상의 어긋남 등을 보정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전류 파형 제어 블록(32)은, 전류 파형에 나타나는 고조파가 미리 정해진 규격에 적합하도록, 전류 파형을 설정하는 목표 전류를 출력한다. 그리고, 전류 파형 제어 블록(32)은, 입력된 전압을 제어하는 전압 차분값을, 전류를 제어하는 목표 전류로 변환한다. 이러한 미리 정해진 고조파 규격은 제조 단계에서 미리 설정되거나 사용자로부터 입력된 값일 수 있다.
여기서, 전류 파형 설정 요소(321)는, 전압 제어 블록(31)에 의해 얻어진 전압 차분값에, 삼상 교류의 3배의 주파수 성분의 절댓값(A*|sin(3θ)|)을 전달 함수로 하였다. 이것은 일례이며, 전류에 나타나는 고조파가 규격을 만족시키도록 전류 파형을 보정하는 전류 파형 보정값을 출력하면 된다. 여기에서는, 전류에 나타나는 고조파가 규격을 만족시키는 파형을 설정하고, 이 파형으로 되도록 전류 파형 보정값을 출력하면 된다. 즉, 고조파의 규격을 만족하도록, 고조파를 가하고 있다. 따라서, 전류 파형 보정값은, 상기와 같이 전류 파형을 나타내는 함수로부터 연산에 의해 출력해도 좋고, 정해진 전류 파형을 설정하는 테이블에 의해 부여할 수도 있다. 전류 파형 보정값 및 목표 전류에 대하여는, 후에 상세히 설명한다.
{전류 제어 블록(33)}
전류 제어 블록(33)은, 정류부(20)에 흐르는 전류를 제어하는 제어량으로서 전류 차분값을 출력한다. 전류 제어 블록(33)은, 비교기(331), 비례 요소(비례기)(332), 적분 요소(적분기)(333) 및 기억기(메모리)(334) 및 가산기(335)를 포함한다. 그리고, 비교기(331)에, 전류 파형 제어 블록(32)이 출력하는 목표 전류와, 전류 검지부(23)에서 검지(측정)된 전류값(전류 측정값)이 입력된다. 그러면, 비교기(331)는, 목표 전류와 전류 측정값의 차분을 연산한다. 비례 요소(332)는, 전달 함수(Kp_i)로 표현되는 요소이며, 비교기(331)로 구해진 차분을 비례 연산한다. 적분 요소(333)는, 전달 함수(Ki_i*1/s)로 표현되는 요소이며, 비교기(331)로 구해진 차분을 적분 연산한다. 그리고, 기억기(334)는, 전원(200)의 교류 전압의 타이밍(후술하는 구분)마다, 적분 연산의 결과를 축적함과 함께, 다음 타이밍(다음의 구분)에 대하여 이미 축적되어 있던 다음 구분의 적분 연산의 결과를 출력한다. 가산기(335)는, 비례 요소(332)에 의한 비례 연산의 결과와 기억기(334)로부터 출력된 적분 연산의 결과를 가산하여, 제어해야 할 제어값으로서 전류 차분값을 출력한다. 즉, 구분마다 비례 적분 제어를 행한다. 또한, 구분에 대하여는, 후술한다.
또한, 기억기(334)는, 제어부(30)가 포함하는 메모리에 구현될 수 있다.
제어 유닛(30B)에서도, 비교기(331)에는, 전류 검지부(23)에서 검지(측정)된 전류값(전류 측정값)이 입력된다.
또한, 전류 측정값은, 전술한 바와 같이, 전류 검지부(23) 대신에 전류 검지부(24)에서 검지된 전류값일 수도 있다.
{전동기 고조파 제어 블록(34)}
전동기(2)는, 자계의 변화를 나타내는 전기각의 주파수(f)의 6배의 고조파(6f)를 발생하기 쉬워, 이 고조파(6f)가 전원부(1)로 흘러버리는 경우가 있다. 전류는, 콘덴서(C1, C2)보다 전원(200)측에 설치된 전류 검지부(23)(도 1 참조)에서 검출된다. 따라서, 검출되는 전류에는, 전원(200)의 교류 전압의 주기와 다른 주기의, 고조파(6f)가 외란으로서 혼입된다. 따라서, 전동기 고조파 제어 블록(34)을 설치하고, 전동기(2)로부터 발생하는 6배의 고조파(6f)를 억제하고 있다. 이와 같이 함으로써, 전류 제어 블록(33)에 있어서, 안정된 주기성의 전류 파형으로 하는 것이 가능해진다. 따라서, 전류 제어 블록(33)에 있어서의 제어 안정성이 향상된다.
전동기 고조파 제어 블록(34)은, 비교기(341)를 포함한다. 비교기(341)는, 전류 제어 블록(33)이 출력하는 전류 차분값과 6배의 고조파(6f)를 억제하기 위한 보정값(고조파(6f) 억제 보정값)과의 차를 출력한다. 또한, 전동기(2)의 고조파(6f)의 주파수는, 전동기(2)측의 전류를 검지함으로써 알 수 있다. 따라서, 고조파(6f) 억제 보정값은, 전류 검지부(50)에서 검지(측정)한 전동기(2)의 고조파(6f)의 주파수에 기초하여 설정된다. 그리고, 스위칭 소자(SW2)를 온/오프를 제어하는 제어량으로 한 신호(PWM신호)를 생성한다. 바꿔 말하면, 제어량은, 스위칭 소자(SW2)를 온/오프하는 PWM신호의 듀티비이다.
또한, 제어 유닛(30A)은, 전압 제어 블록(31), 전류 파형 제어 블록(32), 전류 제어 블록(33) 및 전동기 고조파 제어 블록(34)의 모두를 포함하지 않을 수도 있다. 제어 유닛(30A)이 전동기 고조파 제어 블록(34)을 포함하지 않을 경우에는, 제어 유닛(30A)은 전류 제어 블록(33)이 출력하는 전류 차분값을 스위칭 소자(SW2)의 온/오프를 제어하는 신호(PWM신호)가 되도록 구현될 수 있다. 또한, 제어 유닛(30A)이 전류 파형 제어 블록(32)을 포함하지 않을 경우에는, 제어 유닛(30A)은 전압 제어 블록(31)의 출력하는 전압 차분값을 목표 전류로서 구성하고, 전류 제어 블록(33)에 입력할 수 있다.
제어 유닛(30B)도 마찬가지이다.
{전류 제어 블록(33)에 있어서의 기억기(334)의 동작}
이하에서는, 전류 제어 블록(33)에 있어서의 기억기(334)의 동작을 상세히 설명한다.
전류 제어 블록(33)은, 전술한 바와 같이 역률 개선을 행한다. 역률 개선(PFC)에서는, 교류상 전압의 파형(교류상 전압 파형)에 맞추어 전류 파형을 제어한다. 즉, 교류상 전압 파형에 위상을 맞추어서 전류 파형을 설정하는 것이 필요해진다.
도 4는, 전류 제어 블록(33)에 있어서의 기억기(334)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 4에서는, 전원(200)의 삼상 교류 전압 파형에 있어서의 1상(교류상 전압 파형)의 1주기를 나타내고 있다. 그리고, 전류 파형 제어 블록(32)으로부터 출력되는 목표 전류를 맞추어서 나타내고 있다. 목표 전류는, 전류 파형 보정값(A*|sin(3θ)|)+전류에 대한 오프셋값이다. 전류에 대한 오프셋값은, 전류 파형 보정값에 비하여 변동이 작다. 따라서, 목표 전류는, 전류 파형 보정값의 주기성을 갖고 있다. 또한, 도 4의 하부에는, 기억기(334)의 일부 및 전동기 고조파 제어 블록(34)이 스위칭 소자(SW2)의 게이트에 출력하는 PWM신호의 일부를 나타내고 있다.
여기에서는, 목표 전류는, 전원(200)의 교류 전압에 대하여 3배의 주파수의 주기성을 갖고, 교류상 전압 파형(도 4에서는, 교류상 전압으로 표기한다.) 과 위상이 맞추어져 있다. 즉, 목표 전류가 0이 되는 시점이, 교류상 전압 파형이 0V가 되는 시점(제로 크로스)과 일치하도록 하고 있다.
여기에서는, 일례로서 교류상 전압 파형의 1주기(위상)를 반복 단위 기간으로 하고, 1단위 기간을 266의 구간으로 분할하고 있다. 즉, 교류상 전압 파형의 1주기를 266으로 분할하고, 분할된 구간마다, 스위칭 소자(SW2)를 제어하는 PWM신호를 설정한다. 그리고, 기억기(334)는, 266의 기억 영역을 갖고 있다. 여기에서는, 분할된 구간을 구간 1 내지 266과, 구간 1 내지 266의 각각의 개시 시점을 시각(t1 내지 t266)으로 표기한다. 그리고, 기억 영역의 각각을 기억 영역(#1 내지 #266)으로 표기한다. 또한, 주기성을 갖는 전류의 1주기(도 4에 있어서는, 전류 파형 보정값의 1주기이며 교류상 전압의 1주기의 1/3)를 단위 기간으로 할 수도 있다. 즉, 단위 기간은, 목표 전류를 나타내는 파형 중 적어도 1주기를 포함하도록 설정될 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하면서, 도 4를 설명한다.
시각(t1)에 있어서, 비교기(331)에 실측된 전류 측정값이 입력된다. 그러면, 적분 요소(333)는, 비교기(331)의 출력하는 목표 전류와 전류 측정값과의 차분(오차)을 전달 함수(Ki_i*1/s)에 의해 적분 연산한다. 그리고, 새롭게 연산하여 구한 시각(t1)에 대한 전류 적분값N(1)을, 기억기(334)의 기억 영역(#1)에 축적한다. 한편, 기억기(334)는, 기억 영역(#2)에 이미 축적되어 있던 전류 적분값(O(2))을 가산기(335)에 출력한다. 그러면, 가산기(335)는, 전류 적분값(O(2))에 기초하여, 시각(t2)로부터 시작되는 구간 2의 전류 차분값을 출력한다. 전류 차분값은, 전동기 고조파 제어 블록(34)에 의해, PWM 신호로 변환되어서 출력된다. 또한, 시각(tx)(x는, 1 내지 266의 정수)에 있어서 측정된 전류 측정값에 의해 새롭게 연산되는 전류 적분값을 전류 적분값(N(x))으로 하고, 시각(tx)에 있어서, 이미 기억기(334)에 축적되어 있는 전류 적분값을 전류 적분값(O(x))으로 한다.
기억기(334)에 축적되어 있던 전류 적분값(O(2))은, 시각(t2)보다 1단위 기간(여기서는, 교류상 전압 파형의 1주기) 전에 축적된 전류 적분값에 해당한다. 이와 같이 1단위 기간 전의 전류 적분값(O(x))을 사용하는 이유를, x=1의 경우에서 이하에 설명한다.
시각(t1)에서 실측된 전류 측정값에 기초하여, 구간 1에 적용하는 전류 적분값을 연산하여, 구간 1에 적용하는 것이 이상적이다. 그러나, 제어부(30)에 있어서 전류 적분값을 연산하기 위해서는, 시간이 걸린다. 이로 인해, 제어부(30)에 의해 구간 1에 대한 전류 적분값이 연산되어 출력되는 타이밍은, 구간 1에 적용하기 위해서는 지나치게 늦을 우려가 있다. 만일 구간 1에 적용할 전류 적분값이, 구간 2 등, 구간 1 이외의 구간에 적용되면, 교류상 전압 파형과 전류 파형에서 위상이 어긋나버린다. 여기에서는, 삼상 교류의 3배의 주파수 성분(A*|sin(3θ)|)을 포함하도록, 목표 전류가 설정되어 있다. 이로 인해, 도 4에 도시한 바와 같이, 전류의 변화가 크다. 따라서, 구간 1에 적용할 전류 적분값이, 구간 2 등, 구간 1 이외의 구간에 적용되면, 교류상 전압 파형과 전류 파형에서 위상이 어긋나버려, 고조파에 대한 규격을 만족시키지 못하게 되어버린다. 즉, 교류상 전압 파형과 전류 파형과의 위상의 어긋남이 작은 것이 요구된다.
따라서, 제1 실시형태에서는, 실측한 전류 측정값에 기초하여 연산한 전류 적분값을 기억기(334)에 축적하고, 1단위 기간(여기서는, 교류상 전압 파형의 1주기) 전에 기억기(334)에 축적한 전류 적분값을 사용하여 전류 차분값을 연산하도록 하고 있다. 이것은, 인접하는 단위 기간 동안에 있어서 전류 측정값에 차가 있어도, 상기한 위상이 어긋나는 경우에 비하여, 고조파에 대한 규격을 만족하기 쉽기 때문이다.
즉, 시각(tx)에 있어서의 전류 측정값으로부터 전류 적분값(N(x))을 연산하여 기억 영역(#x)에 축적하고, 기억 영역(#(x+1))에 축적되어 있던 1단위 기간 전의 전류 적분값(O(x+1))을 출력하여, 시각(tx+1)으로부터의 구간(x+1)에 적용하는 목표 전류를 연산하고 있다. 이와 같이, 기억기(334)에 있어서의 기억 영역(#x)은, 축적되어 있던 전류 적분값(O(x))이 출력된 후에, 새로운 전류 적분값(N(x))이 축적된다.
일례로서 교류상 전압에 1주기(위상)를 1단위 기간으로 하여 266의 구간으로 분할했지만, 구간수는, 더 클수도 있다. 즉, 적분 요소(333)로 연산되는 전류 적분값은, 1단위 기간 전의 값을 사용한다. 그러나, 도 3의 전류 제어 블록(33)에 도시한 바와 같이, 비례 요소(332)로 연산되는 전류 비례값은 기억기를 포함하지 않는다. 따라서, 전류가 실측된 구간의 값을 다음 구간에서 사용하게 된다. 이로 인해, 전류 차분값은, 1단위 시간 전의 전류 적분값과 1구간 전의 전류 비례값의 합으로 된다. 즉, 전류 비례값은, 1 구간분의 오차를 포함하기 때문에, 구간수가 많으면 많을수록, 전류 차분값의 정밀도가 향상된다. 또한, 구간수는, 이 정밀도와 제어부(30)의 연산 능력에 따라 정하면 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 주기성을 가진 전류 파형이라면, 실제의 전류 파형을 목표 전류로 설정되는 파형으로 제어할 수 있다. 이 방법에 의하면, 고속 푸리에 변환(FFT:Fast Fourier Transform) 등의 연산 부하가 큰 연산을 하지 않고 고조파를 억제할 수 있다. 따라서, 이 알고리즘을 실행하는 프로그램은, 연산 능력이 낮은 저렴한 마이크로컴퓨터에도 실장 가능하다.
{실시예}
도 5는, 실시예를 설명하는 도면이다. 도 5의 (a)는, 전원(200)이 전동기 장치(100)에 공급하는 교류상 전압, 도 5의 (b)는, 도 3의 제어부(30)에 의한 제어를 수행하지 않을 경우에 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(A), 도 5의 (c)는, 도 3의 제어부(30)에 있어서, 전압 제어 블록(31) 및 전류 제어 블록(33)을 사용한 경우에 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(B), 도 5의 (d)는, 도 3의 제어부(30)에 있어서, 전압 제어 블록(31)과 전류 제어 블록(33)에 더하여, 전동기 고조파 제어 블록(34)을 사용한 경우에 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(C), 도 5의 (e)는, 도 3의 제어부(30)에 있어서, 전압 제어 블록(31), 전류 제어 블록(33) 및 전동기 고조파 제어 블록(34) 외에, 전류 파형 제어 블록(32)을 사용한 경우에 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(D)의 파형이다.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 여기서는, 사인파의 교류상 전압 파형의 2주기를 나타내고 있다.
도 5의 (b)에 나타내는, 도 3에 도시하는 제어를 수행하지 않을 경우, 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(A)의 파형은, 전동기(2)의 전기각 주파수(f)의 6배의 고조파(6f)를 포함함과 함께, 교류상 전압 파형에 대한 추종성이 나쁜 파형으로 되어 있다. 또한, 고조파(6f)는, 입력 전류(A)에 나타나는 주파수가 높은 진동이다.
도 5의 (c)에 나타내는, 도 3의 제어부(30)에 있어서 전압 제어 블록(31) 및 전류 제어 블록(33)을 사용한 경우, 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(B)의 파형은, 교류상 전압 파형에 약간 가까워지지만, 전동기(2)의 전기각 주파수(f)의 6배의 고조파(6f)를 포함한 파형으로 되어 있다. 또한, 전원(200)의 임피던스와 콘덴서(C1, C2)의 공진에 의해, 입력 전류가 발신하는 경우가 있다. 여기에서는, 입력 전류(B)는, 전류 제어 블록(33)을 사용함으로써 공진을 억제함과 함께, 전압 제어 블록(31)에 의해 DC 링크 전압의 변동을 억제하고 있다. 이에 의해, 전원(200)의 임피던스가 다른 경우라도, 안정적인 전압 제어 및／또는 전류 제어가 가능하게 되어 있다.
도 5의 (d)에 나타내는, 도 3의 제어부(30)에 있어서 전압 제어 블록(31)과 전류 제어 블록(33)에 더하여, 전동기 고조파 제어 블록(34)을 사용한 경우, 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(C)의 파형은, 전동기(2)의 전기각 주파수(f)의 6배의 고조파(6f)가 억제되어 있다.
도 5의 (e)에 나타내는, 도 3의 제어부(30)에 있어서 전압 제어 블록(31), 전류 제어 블록(33) 및 전동기 고조파 제어 블록(34) 외에, 전류 파형 제어 블록(32)을 사용한 경우, 전동기 장치(100)에 입력되는 입력 전류(D)의 파형은, 교류상 전압 파형에 추종성이 높은 파형으로 되어 있다.
즉, 제어부(30)에 있어서, 전압 제어 블록(31) 및 전류 제어 블록(33)을 사용함으로써 전류 파형(입력 전류(B, C))은 교류상 전압 파형에 추종하는 파형에 가까워지지만, 전류 파형 제어 블록(32)을 더함으로써 전류 파형(입력 전류(D))이, 보다 교류상 전압 파형에 추종하는 파형으로 되는 것을 알 수 있다.
여기에서는, 전류 파형 제어 블록(32)에 있어서, 교류 전압의 3배의 주파수를 갖는 목표 전류를 인가하고 있다. 이것은, 전원(200)이 삼상 교류일 경우, 각 상에 있어서 전류가 흐르지 않는 타이밍(기간)이 발생하기 때문이다. 예를 들어, 도 5의 (b) 내지 (e)에 있어서의 구간 1, 2, 3에서는, 전류가 흐르지 않고 있다. 따라서, 교류 전압의 3배의 주파수를 갖는 목표 전류를 적용하여 전류 파형을 제어함으로써, 고조파에 관한 규격을 만족하도록 하고 있다.
<제2 실시형태>
제1 실시형태에서는, 전원(200)은, 삼상 교류였다. 제2 실시형태에서는, 전원(210)은, 단상 교류이다.
도 6은, 제2 실시형태가 적용되는 전동기 장치(110)의 일례를 나타내는 도면이다.
제2 실시형태에 있어서의 전동기 장치(110)는, 전원부(1) 및 전동기(모터)(2)를 포함하고 있다. 전동기 장치(100)는, 단상 교류의 전원(210)에 접속되어 있다. 전원(210)은, 교류 전원의 다른 일례이다. 삼상이 단상으로 되는 부분을 제외한, 다른 구성은 제1 실시형태와 마찬가지이므로 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략한다.
제2 실시형태에서는, 도 3에 도시한 블록선도에 있어서, 전류 파형 제어 블록(32)에 있어서의 전류 파형 설정 요소(321)의 전달 함수를 A*|sin(θ)|로 할 수 있다. 단상 교류의 경우, 각 상에 있어서 전류가 흐르지 않는 기간이 발생하지 않으므로, 고조파에 관한 규격을 만족하기 쉽다.
<제3 실시형태>
제3 실시형태의 전동기 장치(120)는, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)와 정류부(20)의 구성이 상이하다.
도 7은, 제3 실시형태가 적용되는 전동기 장치(120)의 일례를 나타내는 도면이다. 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)와 동일한 부분은, 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다. 또한, 제1 실시형태와 마찬가지로, 전원(200)은, 삼상 교류이다.
전동기 장치(120)의 정류부(20)는, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)의 정류부(20)에, 다이오드(D21 내지 D26)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 다이오드(D21, D22)가 접속점(l)에서 직렬 접속되고, 다이오드(D23, D24)가 접속점(m)에서 직렬 접속되고, 다이오드(D25, D26)가 접속점(n)에서 직렬 접속되어 있다. 이들이, 접속점(o)과 접속점(p) 사이에 병렬 접속되어 있다. 다이오드(D21 내지 D26)는, 접속점(p)으로부터 접속점(o)을 향하여 전류가 흐르는 방향에서 접속되어 있다. 그리고, 직렬 접속된 다이오드(D21, D22)의 접속점(l)이, 인덕터(L1) 및 EMI 억제 필터(10)를 통하여 전원(200)의 R상에 접속되어 있다. 직렬 접속된 다이오드(D23, D24)의 접속점(m)이, 인덕터(L2) 및 EMI 억제 필터(10)를 통하여, 전원(200)의 S상에 접속되어 있다. 직렬 접속된 다이오드(D25, D26)의 접속점(n)이, 인덕터(L3) 및 EMI 억제 필터(10)를 통하여, 전원(200)의 T상에 접속되어 있다.
그리고, 직렬 접속된 스위칭 소자(SW1, SW2)는, 접속점(o)과 접속점(p) 사이에 접속되어 있다. 또한, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)는, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)와 마찬가지로, 접속점(i)과 접속점(j) 사이에 접속되어 있다. 그리고, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 접속점(h)과, 콘덴서(C1, C2)의 접속점(k)이 접속되어 있다. 그리고, 접속점(k)으로부터 중간 전위(Vhalf)를 취출할 수 있도록 되어 있다.
전동기 장치(120)의 동작을 설명한다.
여기에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, R상의 전위가 T상의 전위에 비하여 높은 경우를 설명한다.
스위칭 소자(SW1)가 오프, 스위칭 소자(SW2)가 온의 상태이면, 인덕터(L1, L3)에 전자 에너지가 축적됨과 함께, 콘덴서(C1)가 충전되는 모드로 된다. 즉, R상으로부터 인덕터(L1), 콘덴서(C1), 스위칭 소자(SW2), 다이오드(D26), 인덕터(L3)를 경유하여 T상으로 전류가 흐른다. 이에 의해, 인덕터(L1, L3)에 전자 에너지가 축적됨과 함께, 콘덴서(C1)가 전원(200)의 교류 전압으로 충전된다.
여기서, 스위칭 소자(SW2)가 오프로 되어, 스위칭 소자(SW1, SW2)가 오프 상태로 되면, 인덕터(L1, L3)에 축적된 전자 에너지가 방전(방출)된다. 즉, R상으로부터 인덕터(L1), 다이오드(D11), 콘덴서(C1, C2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 경유하여 T상으로 전류가 흐른다. 이에 의해, 콘덴서(C1, C2)가 충전된다.
이어서, 스위칭 소자(SW1)가 온으로 되어, 스위칭 소자(SW1)가 온, 스위칭 소자(SW2)가 오프 상태로 되면, 인덕터(L1, L3)에 전자 에너지가 축적됨과 함께, 콘덴서(C2)가 충전되는 모드로 된다. 즉, R상으로부터 인덕터(L1), 다이오드(D21), 스위칭 소자(SW1), 콘덴서(C2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 경유하여 T상으로 전류가 흐른다. 이에 의해, 인덕터(L1, L3)에 전자 에너지가 축적됨과 함께, 콘덴서(C2)가 전원(200)의 교류 전압으로 충전된다.
여기서, 스위칭 소자(SW1)가 오프로 되어, 스위칭 소자(SW1, SW2)가 오프 상태로 되면, 인덕터(L1, L3)에 축적된 전자 에너지가 방전(방출)된다. 즉, R상으로부터 인덕터(L1), 다이오드(D11), 콘덴서(C1, C2), 다이오드(D16), 인덕터(L3)를 경유하여 T상으로 전류가 흐른다. 이에 의해, 콘덴서(C1, C2)가 충전된다.
그리고, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)의 양 단자(접속점(i)과 접속점(j)의) 사이의 전압은, 스위칭 소자(SW1, SW2)의 각각이 온인 시간(온 듀티 시간)에 의해 제어된다(승압된다). 또한, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)의 접속점(k)으로부터, 중간 전위(Vhalf)를 취출할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전동기 장치(120)의 정류부(20)에서도, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)와 마찬가지로, 직렬 접속된 콘덴서(C1, C2)를 포함하고, 콘덴서(C1, C2)의 각각을 스위칭 소자(SW1, SW2)에 의해 전환하여 충전하도록 되어 있다. 따라서, 전동기 장치(120)는, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)와 동일한 제어부(30)(제어 유닛(30A, 30B))를 포함함으로써, 제1 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100)와 동일하게 제어된다. 또한, 제어부(30)(제어 유닛(30A, 30B))는, 정류부(20)의 접속점(d)과 접속점(i) 사이에서 흐르는 전류를 검지할 수 있다.
또한, 제3 실시형태가 적용되는 전동기 장치(120)는, 삼상 교류의 전원(200)에 접속되어 있지만, 제2 실시형태가 적용되는 전동기 장치(110)와 마찬가지로, 단상 교류의 전원(210)에 접속되도록 변경될 수 있다.
제1 실시형태로부터 제3 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100, 110. 120)의 전원부(1)에 있어서의 정류부(20)의 콘덴서(C1, C2)는, 전해 콘덴서이어도 좋지만, 제어부(30)에 의해 콘덴서(C1, C2)의 충전이 수행되는 점에서, 전해 콘덴서에 비하여 용량이 작은 필름 콘덴서나 세라믹 콘덴서라도 안정된 DC 링크 전압이 얻어진다. 필름 콘덴서나 세라믹 콘덴서는, 전해 콘덴서에 비하여 소형임과 동시에 수명이 길다. 또한, 전술한 바와 같이, 인덕터(L1, L2, L3)로는, 인덕턴스가 작은 소형의 인덕터를 사용할 수 있다. 따라서, 전동기 장치(100, 110, 120) 등을 소형화할 수 있음과 함께 수명을 길게 할 수 있다.
또한, 제1 실시형태로부터 제3 실시형태가 적용되는 전동기 장치(100, 110. 120)의 전원부(1)에 있어서의 정류부(20)에서는, 2개의 콘덴서(C1, C2)와 2개의 스위칭 소자(SW1, SW2)를 사용하여, 승압비 1 이상이 임의의 출력 전압(DC 링크 전압)을 얻었다. 각각이 2개를 초과하는 콘덴서와 스위칭 소자를 사용하여, 더욱 고전압의 출력 전압(DC 링크 전압)을 얻도록 할 수 있다.
또한, 도 1, 도 7에 나타내는 삼상 교류의 전원(200)은, 별형상(스타)의 결선이지만, 환 형상(델타)의 결선일 수도 있다. 그리고, 고조파에 대한 규격을 만족하도록 입력 전류의 위상을 조정할 수 있다.
그리고, 제1 실시형태로부터 제3 실시형태에서는, 전동기 장치(100, 110, 120)로 했지만, 전원부(1)가 전원 장치로서 전동기(2) 이외에 출력을 공급할 수도 있다. 또한, 전원부(1)의 정류부(20)가 정류 장치로서 사용될 수도 있다.
또한, 전동기 장치(100, 110, 120)는, 공조 장치 등에 내장되어 사용될 수 있다.
한편, 전술한 정류 장치, 전원 장치, 및 공조 장치의 구성 요소들의 성능에 대응하여 적어도 하나의 구성요소가 추가되거나 삭제될 수 있다. 또한, 구성 요소들의 상호 위치는 시스템의 성능 또는 구조에 대응하여 변경될 수 있다는 것은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 용이하게 이해될 것이다.
또한, 도 1 내지 도 7에 도시된 일부 구성요소는 소프트웨어 및/또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 및 주문형 반도체(ASIC, Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성요소일 수 있다.
또한, 개시된 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하는 기록매체의 형태로 구현될 수 있다. 명령어는 프로그램 코드의 형태로 저장될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행되었을 때, 프로그램 모듈을 생성하여 개시된 실시예들의 동작을 수행할 수 있다. 기록매체는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터에 의하여 해독될 수 있는 명령어가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 직렬 접속된 복수의 콘덴서, 상기 복수의 콘덴서를 충전시키거나 방전시키기 위해 각 콘덴서에 공급되는 전류의 흐름을 제어하는 스위칭 소자, 상기 복수의 콘덴서의 출력 전압을 검지하는 전압 검지부, 및 상기 전류를 검지하는 전류 검지부를 포함하는 정류부;
    상기 정류부의 출력 전압을 공급 받아 교류를 생성하는 인버터부; 및
    전류 파형 보정값을 출력하고, 상기 전압 검지부에 의해 검지된 상기 출력 전압 및 미리 설정된 목표 전압을 비교 하고, 상기 비교 결과 값 및 상기 전류 파형 보정값에 기초하여 목표 전류를 산출하고, 상기 전류 검지부가 측정한 전류 및 상기 전류 파형 보정값에 기초하여 설정되는 상기 목표 전류의 파형에 기초하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 제어부;를 포함하는 공조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 소자와 병렬 연결된 다이오드 브리지를 더 포함하되,
    상기 전류 검지부는 상기 다이오드 브리지의 출력 전류를 검지하는 공조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 검지부는 상기 정류부에 전압을 공급하는 전원의 전류를 검지하는 공조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 검지부는 상기 복수의 콘덴서의 출력 전압을 각각 검지하는 복수개의 전압 검지부를 포함하는 공조 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 비교 결과값에 기초하여 목표 전류를 산출하고, 산출된 목표 전류와 상기 전류 검지부의 검지 결과를 비교하고, 상기 목표 전류와 상기 전류 검지부의 검지 결과의 비교 결과값에 기초하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 공조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 비교 결과값에 기초하여 목표 전류를 산출하고, 상기 전류 검지부가 측정한 전류가 상기 목표 전류의 파형을 갖도록 상기 스위칭 소자를 제어하는 공조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 목표 전류가 미리 설정된 고조파 규격을 충족할 수 있도록 상기 목표 전류의 파형을 변환하고, 상기 전류 검지부가 측정한 전류가 상기 변환된 목표 전류의 파형을 갖도록 상기 스위칭 소자를 제어하는 공조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 검지부는 상기 복수의 콘덴서의 출력 전압을 각각 검지하는 복수개의 전압 검지부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 복수개의 전압 검지부 별로 각각 미리 설정된 복수개의 목표 전압과 상기 복수의 콘덴서의 출력 전압을 각각 비교하는 공조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 상기 복수의 콘덴서를 각각 충전하기 위해 각 콘덴서에 공급되는 전류의 흐름을 제어하는 복수개의 스위칭 소자를 포함하는 공조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수개의 스위칭 소자를 독립적으로 제어하는 제어부를 더 포함하는 공조 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수개의 스위칭 소자의 듀티비를 제어하는 공조 장치.
  13. 직렬 접속되고, 양 단자간 및 접속점으로부터 복수의 출력 전압을 공급하는 복수의 콘덴서, 복수의 상기 콘덴서를 개별로 충전하도록, 공급되는 교류가 정류된 직류를 스위칭하는 복수의 스위칭 소자, 복수의 상기 출력 전압을 각각 검지하는 복수의 전압 검지부, 및 상기 교류 또는 상기 직류를 검지하는 전류 검지부를 포함하는 정류부;
    상기 정류부의 출력 전압을 공급 받아 교류를 생성하는 인버터부; 및
    전류 파형 보정값을 출력하고, 상기 전압 검지부에 의해 검지된 상기 출력 전압 및 미리 설정된 목표 전압을 비교 하고, 상기 비교 결과 값 및 상기 전류 파형 보정값에 기초하여 목표 전류를 산출하고, 상기 전류 검지부가 측정한 전류 및 상기 전류 파형 보정값에 기초하여 설정되는 상기 목표 전류의 파형에 기초하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 제어부;를 포함하는 공조 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전류 검지부는, 복수의 상기 전압 검지부보다, 교류가 공급되는 측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 공조 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    복수의 상기 전압 검지부에 의해 검지된 복수의 상기 출력 전압 및 상기 전류 검지부에 의해 검지된 전류, 및, 복수의 당해 출력 전압에 대하여 각각 정해진 목표 전압 및 고조파에 대한 규격에 대응하도록 설정된 목표 전류에 기초하여, 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 더 포함하는 공조 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    복수의 상기 출력 전압의 각 목표 전압은, 복수의 당해 출력 전압마다 설정되는 것을 특징으로 하는, 공조 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 목표 전류는, 공급되는 교류 주파수의 3배의 주파수의 정현파의 절댓값에 오프셋값을 더한 값, 또는, 공급되는 교류 주파수의 정현파의 절댓값인 공조 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 목표 전류를 나타내는 파형 중 적어도 1주기를 포함하도록 설정된 반복 단위 기간을 복수의 구분으로 분할하고, 당해 구분마다 상기 스위칭 소자를 제어하는 공조 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 구분에 있어서의 상기 단위 기간의 하나 전의 단위 기간에 있어서 검지된 전류와 상기 목표 전류와의 차분이 적분 요소에 의해 연산된 값을 사용하여 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 공조 장치.
  20. 삭제
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