KR101449513B1 - Motor Driving Apparatus Having Power Return Function and Driving Method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
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.BACKGROUND OF THE
그린 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 특히 회생 에너지에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 다양한 분야에서 회생 에너지를 활용하는 방법에 대해서 연구되어 있다. With growing interest in green energy, interest in renewable energy is increasing day by day. Methods for utilizing regenerative energy in various fields have been studied.
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. A motor, also called an electric motor or a prime mover, is a device that converts electrical energy into mechanical energy, which is estimated to account for about 60% of the total electric power consumption in Korea and about 70% of the electric power consumption in the industrial sector.
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. Motors dig deep into electrical appliances in almost every corner of our life, from the most common appliances of refrigerators, washing machines, dishwashers, to life appliances such as vending machines, water purifiers, food processors, medical and exercise devices , Copiers, printers, and other office equipment, as well as industrial appliances.
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.The high efficiency of the motor, which accounts for more than 60% of the total power consumption, is an indispensable factor in promoting energy efficiency. Therefore, there is a need for a study on a method for generating a regenerative energy in such a motor, thereby achieving high efficiency of the motor and saving energy.
모터의 효율 개선은 주로 연료전지 차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량, 전동차, 타워 크레인 등의 차량에 적용된 모터에서 이루어지고 있다.The efficiency improvement of the motor is mainly performed in a motor applied to a vehicle such as a fuel cell vehicle or a fuel cell / battery hybrid vehicle, a train car, and a tower crane.
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.For example, if a permanent magnet synchronous motor used in a fuel cell vehicle or a fuel cell / battery hybrid vehicle drive system rotates at high speed and does not send an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) gate signal to the inverter due to a control board abnormality, Is operated as a generator. However, since the voltage generated from the generator at this time is not regulated at all, this is referred to as a UCG (uncontrolled generator) mode. In this case, since weak field control to apply the d-phase current in the reverse direction is not performed, not only a high counter-electromotive voltage appears at the terminal on the motor side but also the current is regenerated in the capacitor and the DC link voltage is rapidly increased.
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.Particularly, such a sudden change in the counter-electromotive force can be an important consideration in designing an electric automobile motor design and drive system having a wide variable range of speed. In order to solve this problem, in an industrial motor drive inverter system, dynamic braking ) Circuit is installed at the DC link voltage terminal and the regenerative energy generated in the UCG situation is consumed to the negative voltage terminal through the discharging resistor and the IGBT switch when the voltage exceeds the certain voltage, have.
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.In addition, in the variable speed drive of the large-capacity electric motor, when the electric motor rotates with a load having a large inertia, the amount of electric energy to be re-generated from the AC electric motor to the DC electric power by the inertia is very large . Accordingly, in order to prevent insulation breakdown in the capacitor due to excessive energy returning to the capacitor charging the DC voltage by reverse power generation, a chopper and a resistor are connected in series at both ends of the DC link voltage to return to the DC link And the overvoltage is consumed as electric energy from the resistance as heat energy.
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.However, the above-mentioned conventional regenerative energy control apparatus and method use a method of protecting the motor and the inverter by consuming the regenerative energy generated in the UCG situation as a negative voltage terminal through the discharging resistor and the IGBT switch when the voltage exceeds a predetermined voltage Therefore, the regenerative energy generated in the UCG situation is consumed through the discharge resistor, and unnecessary energy is consumed, resulting in a low energy efficiency as a whole.
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.In consideration of the problems of the prior art, Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-56585 discloses a technique of using the basic dynamic braking structure as it is, not consuming the energy generated during regeneration and burning through discharge resistance, The present invention also provides a regenerative energy control apparatus and method for a motor drive system that can improve energy efficiency by recharging energy of a secondary battery by lowering a voltage level regenerated at a DC link voltage terminal, have.
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.Generally, DBU (Dynamic Braking Unit) type system which consumes the counter electromotive force generated when the motor is braked or excited by the braking resistor by using the inverter is used for the speed control of the crane and the suppression of the motor starting current .
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.In the DBU system, the voltage of the DC link rises due to the regenerative energy generated during the acceleration and deceleration of the motor, thereby giving a great stress to the inverter due to stress on the IGBT and the capacitor. , A braking unit is used to dissipate energy using resistors to prevent these symptoms.
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.In addition, the DBU system must always be accompanied by a large-volume resistance box, and there is a thermal problem, and the purchase cost is low, but the space cost and installation cost must be considered.
더욱이, 상기 DBU 방식의 시스템은 전동기를 통해 발생하는 에너지를 저항을 이용하여 열적으로 소모함으로써 에너지 재활용 측면에서 에너지 손실이 발생된다는 문제점이 있다.Furthermore, in the DBU system, there is a problem that energy is generated in terms of energy recycling by thermally consuming energy generated through a motor using a resistor.
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. In consideration of the above-mentioned problem of the DBU system, Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-129098 discloses that the regenerative energy generated when the motor for driving the crane is braked is not consumed by the braking resistor, A power regenerative energy system is proposed to be used as a power source of an electric apparatus.
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.To this end, the power regenerative energy system includes a power unit for receiving AC AC power and converting it into DC power and supplying driving power to each component; An inverter including a series reactor that suppresses a fault current generated in the motor and outputs a DC voltage; A power regeneration unit rectifying the DC voltage input through the series reactor of the inverter to have a preset constant level and outputting the rectified voltage to the power unit with regenerative power; And an AC reactor that adjusts the voltage difference between the rectified output voltage of the power regeneration unit and the three-phase bus line to have a predetermined voltage difference and outputs the rectified output voltage to the motor.
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.In addition, when the tower crane is tilted or when the driving operation is decelerated, the electric energy generated by the inverse driving of the driving motor is converted into thermal energy through the resistor to be discarded into the atmosphere, resulting in waste of energy, Thereby contributing to environmental destruction. Especially, in the case of construction equipment having a height as high as a tower crane, the waste of energy and the environmental destruction due to the principle can be severe.
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.Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0017659 discloses a technique for recovering electric energy generated by reverse rotation of a drive motor when the tower crane is tilted or when the vehicle is decelerated in a turning operation. A first converting unit for converting electric energy generated by the driving motor; A second converting unit that supplies electric energy converted by the first converting unit to a power source and regenerates the electric energy; An electric energy regenerating device of a tower crane including a crane is proposed.
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.In Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0017659, the three-phase AC input from the power source is rectified by the diode of the IGBT element of the second conversion section when the tower crane is hoisted or the hoisting operation is accelerated, When the three-phase AC input is unstable when the constant-voltage current charged in the capacitor is applied to the IGBT element of the first converter, the output of the first converter operating as an inverter also becomes unstable.
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. In addition, alternating current generated by a driving motor that operates as a generator when the tower crane is tilted or when the vehicle is decelerating is converted into a direct current by the first converting unit to be charged into the capacitor with a constant voltage current, and the constant- 2 conversion unit is converted into an alternating current and regenerated as a power source, it is impossible to ensure that the constant voltage charged in the capacitor is set higher than the power source, so that there is a problem that effective power can not be returned.
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.On the other hand, in a conventional motor driving apparatus for a washing machine using a BLDC motor as a motor for a washing machine, a DC voltage obtained by full-wave rectification from an AC power source is subjected to a smoothing process using a capacitor to remove ripples, And is supplied to the power source (Vcc) to drive the BLDC motor to rotate the washing tub.
상기한 종래의 세탁기용 모터 구동장치는 AC 전원라인에 인가되는 전원으로 BLDC 모터를 구동하는 형태이다. 즉, 전력은 AC 전원라인에서 모터로만 가하여진다. The above-described conventional motor driving apparatus for a washing machine drives a BLDC motor by a power source applied to an AC power line. That is, power is applied only to the motor in the AC power line.
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. That is, in such a conventional motor drive apparatus, the energy applied to the motor side from the AC power supply line is eventually supplied to the driver circuit to which the motor is attached. This energy can be delivered as rotational energy to the washing machine, with motor losses, motor losses, and mechanical losses in the power transmission to transfer power between the motor and the washing machine. The energy configuration can be expressed as shown in FIG.
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. The recirculation type washing machine has a washing mode by an operation of rotating an inertial object. In such a washing mode, it is required to continuously repeat acceleration and deceleration of the washing tub. These acceleration and deceleration are realized by using a motor. That is, as the rotation speed of the motor is accelerated, the rotation speed of the washing tub is accelerated. In the deceleration, the rotation torque of the washing tub is consumed by the motor to achieve a desired deceleration. As described above, the electric energy in the acceleration and deceleration processes is consumed as heat in the motor, the driver, and the mechanical part (i.e., the power transmitting part) as shown in Fig.
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. In Fig. 2, the energy transmitted to the washing tub by the motor accelerates the washing tub, and the rotating force of the accelerated washing tub must decelerate the washing tub when decelerating. However, such a deceleration is mainly consumed by the motor as shown in FIG. 2, so that the washing tub is rapidly decelerated, and the water in the inner inertia is rubbed against the laundry to be washed.
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. The energy thus consumed eventually leads to the temperature rise of the motor. That is, even if the efficiency is high, most of the energy finally supplied to the motor is consumed by the washing mode characteristic of the washing machine, thereby raising the temperature of the motor.
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. Therefore, in order to solve this problem, as described above, energy consumed by the motor is consumed thermally in a resistor by employing a dynamic braking circuit and a discharging resistor (or a braking resistor) in the driver.
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. Such a configuration is a method widely used in a large-sized motor. The overall system efficiency is low, and a large resistance box must be provided. In addition, in a washing machine having frequent acceleration and deceleration, power consumption of the entire system is increased.
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.On the other hand, the washing mode in the washing machine can be realized by repeatedly rotating the washing tub in the forward / reverse direction at a predetermined low speed rpm. Even in this case, since the acceleration, deceleration, stop and direction switching operation of the motor for driving the washing tub is required, a large amount of energy is consumed in the motor similarly to the above.
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.In this prior art, it is preferable to provide an air-cooling vent hole in the rotor and the stator support to eliminate the heat of the stator and the rotor of the motor, and a heat sink for cooling the switching element constituting the inverter of the driver is adopted .
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.Therefore, there is a problem that the noise level is increased by employing the structure for cooling the motor, and the size of the heat sink increases with the increase of the capacity of the motor, which increases the size of the driver.
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.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems of the conventional art described above, and it is a first object of the present invention to provide a rotation control apparatus and a control method thereof, By converting the back electromotive force generated from the motor by the energy into AC (AC) and returning it to the AC power side, it is possible to increase the efficiency of the motor and to reduce the power consumption and to minimize the heat generation of the motor by minimizing the energy consumed by the motor A motor driving apparatus having a power return function capable of minimizing a heat dissipation structure, and a driving method thereof.
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.The second object of the present invention is to return the regenerative energy generated at the time of deceleration of the BLDC motor to the AC power source side, thereby minimizing the energy consumed by the motor, thereby minimizing the heat generation of the motor, And a method of driving the same.
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.A third object of the present invention is to provide a rectifying function for converting AC power into DC when operating in one direction, a boost-up function for boosting the voltage of DC to a desired voltage and outputting the DC voltage, And a bidirectional AC / DC converter for converting the AC power to AC and returning it to the AC side, and a driving method thereof.
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.A fourth object of the present invention is to provide a bidirectional AC / DC converter having a power factor correcting function for increasing a power factor of a system by synchronizing an AC current with an input voltage when performing a rectifying function of converting AC power into DC And a method of driving the motor drive apparatus.
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.A fifth object of the present invention is to provide a DC / DC converter between a bidirectional AC / DC converter and an inverter to step down a high voltage DC voltage generated from a bidirectional AC / DC converter to a low- Voltage DC voltage generated at the time of deceleration of the BLDC motor to a sufficiently high high-voltage DC voltage so that the regenerative energy can be efficiently returned to the AC power source through the bidirectional AC / DC converter, And to provide a motor driving apparatus having a power return function capable of raising the driving efficiency of the motor in a section and a driving method thereof.
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.A sixth object of the present invention is to provide a DC / DC converter and a DC / DC converter which includes a charging capacitor between a bidirectional AC / DC converter and a DC / DC converter to suppress ripple of a DC voltage generated from a bidirectional AC / And to provide a motor driving apparatus capable of stably supplying a stable voltage even in an unstable input voltage region and a driving method thereof.
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.A seventh object of the present invention is to provide a DC / DC converter that controls a modulation ratio in a PWM manner between a bidirectional AC / DC converter and an inverter, and adjusts a DC voltage applied to the inverter at a constant speed of the BLDC motor, And the DC voltage generated at the time of deceleration of the BLDC motor is prevented from being unnecessarily applied to the charging capacitor at a high voltage, and a driving method thereof.
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.The eighth object of the present invention is to provide a motor control apparatus and a motor control method thereof, which can control a speed of a motor by controlling a DC voltage applied to an inverter by a PWM controlled DC / DC converter, thereby lowering a PWM voltage (frequency) The present invention provides a motor driving apparatus capable of suppressing copying and a driving method thereof.
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.A ninth object of the present invention is to provide a motor drive device capable of easily starting a motor by controlling a duty ratio of a PWM-controlled DC / DC converter to lower a voltage and increasing a current required for starting a stopped motor, And to provide a driving method thereof.
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.According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a washing machine, comprising: an AC power source for converting rotation energy of a washing tub into alternating current (AC) according to deceleration when accelerating and decelerating the washing tub to periodically rotate forward and backward, To thereby improve the efficiency of the washing machine motor, and a driving method thereof.
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.In order to achieve the above object, the present invention provides a motor drive apparatus for driving a motor connected to a load and for returning a counter electromotive force (BEMF) generated from a motor to the AC power source when deceleration of the motor occurs, DC-converted AC power is output to the rear end, and when a DC voltage higher than the peak voltage of the AC power source is applied at the rear end to return the back electromotive force (BEMF) generated at the time of deceleration of the motor to the AC power source side, A bidirectional AC / DC converter for performing AC conversion; A first capacitor charged with an AC-DC converted DC voltage through the bidirectional AC / DC converter; The high voltage charged in the first capacitor is lowered to the operating voltage Vcc of the inverter driving the motor and the DC voltage applied at the subsequent stage is boosted to a voltage higher than the peak voltage of the AC power source side to charge the first capacitor A bidirectional DC / DC converter; And a DC voltage supplied from the bidirectional DC / DC converter as an operation power source (Vcc) to generate AC power required to drive the motor and apply the generated AC power to the stator coil of the motor. And an inverter for converting the generated counter electromotive force (BEMF) to DC and delivering it to the bidirectional DC / DC converter.
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.According to another aspect of the present invention, there is provided an AC-DC conversion step of charging an AC power supplied from an AC power source side to a first capacitor by simultaneously boosting AC-DC conversion; A DC-DC conversion step of dropping the voltage charged in the first capacitor to a voltage Vcc of the inverter driving the motor and outputting the voltage; And generating three-phase AC power necessary for driving the motor in the inverter using the operation power source (Vcc) and applying the generated three-phase AC power to the three-phase stator coil of the motor, wherein when the motor decelerates, And converting the generated back electromotive force (BEMF) into DC, and then returning power by DC-AC conversion.
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.According to another aspect of the present invention, there is provided an AC-DC conversion step of charging an AC power supplied from an AC power source side to a first capacitor by simultaneously boosting AC-DC conversion in a bidirectional AC / DC converter; A DC-DC conversion step of outputting the voltage charged in the first capacitor by reducing the voltage of the bidirectional DC / DC converter to the operating power supply (Vcc) of the inverter driving the motor; And generating three-phase AC power necessary for driving the motor in the inverter using the operation power source (Vcc) and applying the generated three-phase AC power to the three-phase stator coil of the motor, wherein when the motor decelerates, The bidirectional DC / DC converter converts the generated back electromotive force (BEMF) from the inverter to DC, boosts the DC voltage applied from the inverter to a voltage higher than the peak voltage of the AC power source and charges the first capacitor, DC converter converts power from the AC power source to the AC power source by DC-AC conversion.
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.According to another aspect of the present invention, there is provided an AC-DC conversion step of charging an AC power supplied from an AC power source side to a first capacitor by simultaneously boosting AC-DC conversion in a bidirectional AC / DC converter; A DC-DC conversion step of outputting the voltage charged in the first capacitor by reducing the voltage of the bidirectional DC / DC converter to the operating power supply (Vcc) of the inverter driving the motor; And generating three-phase AC power necessary for driving the motor in the inverter using the operating power source (Vcc) and applying the three-phase AC power to the three-phase stator coil of the motor, wherein when the motor decelerates, The bidirectional DC / DC converter converts the generated back electromotive force (BEMF) from the inverter to DC, boosts the DC voltage applied from the inverter to a voltage higher than the peak voltage of the AC power source and charges the first capacitor, DC converter converts power from the AC power source to the AC power source by DC-AC conversion.
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.As described above, in the present invention, when the rotation speed of the motor connected to a large rotational load such as a washing machine is changed and a deceleration is generated for changing the rotational direction, the counter electromotive force generated from the motor by the rotational energy of the rotational load is converted into alternating current AC) and returning it to the AC power source side, the efficiency of the motor can be increased and the power consumption can be reduced.
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.In addition, in the present invention, by returning the counter electromotive force (i.e., regenerative energy) generated at the time of deceleration of the BLDC motor to the AC power source side, the energy consumed by the motor is minimized to minimize the heat generation of the motor, thereby minimizing the heat dissipation structure.
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.Further, the present invention has a rectifying function for converting AC power to DC when operating in one direction, a boost-up function for boosting the voltage of DC to a desired voltage and outputting the DC power to AC And a bidirectional AC / DC converter which converts the AC voltage to AC voltage.
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.In this case, the bidirectional AC / DC converter has a power factor correcting function for increasing the power factor of the power consumption of the system by outputting the AC current synchronized with the input voltage when performing the rectifying function for converting the AC power to DC .
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.In the present invention, since the DC / DC converter is provided between the bidirectional AC / DC converter and the inverter, the high-voltage DC voltage generated from the bidirectional AC / DC converter is lowered to the low- By increasing the low voltage DC voltage generated during the deceleration of the motor to a sufficiently high high voltage DC voltage, the regenerative energy can be efficiently returned to the AC side via the bidirectional AC / DC converter. In the low speed motor rotation section, The driving efficiency can be increased.
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.Also, in the present invention, a charging and smoothing capacitor is provided at the rear end of the bidirectional AC / DC conversion unit to suppress ripple of the DC voltage generated from the bidirectional AC / DC conversion unit and to supply a stable voltage to the DC / Therefore, it is possible to drive the motor stably even in an unstable input voltage range.
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.Further, in the present invention, a DC / DC converter is provided between the bidirectional AC / DC converter and the inverter to control the modulation ratio in PWM manner. By controlling the DC voltage applied to the inverter at the constant speed of the BLDC motor, The control can be made simple and the DC voltage generated at the time of deceleration of the BLDC motor can be prevented from being unnecessarily applied at high voltage to the charging capacitor.
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.The present invention can control the speed of the motor by controlling the DC voltage applied to the inverter by the PWM controlled DC / DC converter, thereby reducing the PWM voltage (frequency) applied to the motor through the inverter to suppress spurious radiation . Further, in the present invention, the duty ratio of the PWM controlled DC / DC converter is controlled to lower the voltage, and the current required for starting the stopped motor is increased and applied to the inverter, so that the motor can be easily started.
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.In the present invention, when the speed of the motor is sufficiently small, the terminals of each phase are short-circuited by using a switching element of the inverter to generate a dynamic break to stop the motor.
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.According to the present invention, when the motor driving device is applied to a washing machine motor, when the washing machine is accelerated and decelerated to periodically rotate the washing machine in a forward and reverse direction according to the washing mode, the rotation energy of the washing machine ) And returning it to the AC power source side, the efficiency of the motor can be increased.
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.1 is an explanatory diagram showing energy consumption in an acceleration section for accelerating a washing tub of a washing machine,
FIG. 2 is an explanatory diagram showing energy consumption in a deceleration section for decelerating a washing tub in a conventional washing machine,
3 is an explanatory view showing energy consumption in a deceleration section for decelerating the washing tub in the washing machine according to the present invention,
4A and 4B are a schematic block diagram and a detailed circuit diagram showing a motor drive apparatus having a power return function according to the present invention,
5 is a circuit diagram that is separately shown for explaining the operation of the bidirectional AC / DC converter shown in Fig. 4B. Fig.
6 is a reconfigured circuit diagram for explaining an operation in which AC-DC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. 5,
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a setting mode of a switching device for each polarity of an input voltage when AC-DC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. 5;
8 is a reconfigured circuit diagram for explaining an operation in which DC-AC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. 5,
FIG. 9 is an explanatory view showing a setting mode of a switching device for each polarity of an input voltage when DC-AC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. 5;
FIG. 10 is a circuit diagram that is separately shown for explaining an operation in which DC-DC conversion is performed in the bidirectional DC / DC converter shown in FIG. 4B;
11 is a reconfigured circuit diagram for explaining an operation in which the DC-DC step-down conversion is performed in the bidirectional DC / DC converter shown in FIG. 10,
12 is a reconfigured circuit diagram for explaining the operation in which the DC-DC boost conversion is performed in the bidirectional DC / DC converter shown in FIG. 10,
13 is a flowchart illustrating a method of driving a motor for a washing machine using a motor driving apparatus having a power return function according to the present invention.
FIGS. 14A and 14B are operational flowcharts for explaining a method of driving the washing machine in forward and reverse directions at the time of driving the motor using the motor driving device having the power return function according to the present invention.
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.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
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.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the same reference numerals will be used for the same constituent elements in the drawings, and redundant explanations for the same constituent elements will be omitted.
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.Hereinafter, a BLDC (brushless DC) motor will be described as an example of a load driven by a motor driving device in the present invention. However, the present invention can be applied not only to a BLDC motor but also to other types of motors in the case of a motor driven by an inverter and having frequent acceleration and deceleration.
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.In the following description of the present invention, a motor driving apparatus according to the present invention drives a washing machine motor for rotating and driving a washing tub of a fully automatic washer. However, the present invention is not limited to this, The present invention can be applied to a drum driving motor or an automobile motor of a drum washing machine.
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.FIG. 3 is an explanatory view showing energy consumption in a deceleration section for decelerating the washing tub in the washing machine according to the present invention. FIG. 4A is a block diagram showing a motor driving apparatus having a power return function according to the present invention.
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. 3 and 4A, a motor drive apparatus having a power return function according to the present invention mainly includes a bidirectional AC /
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.A 220 V
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.The
상기 스테이터는 예를 들어, 3상 구동방식으로 구동이 이루어질 수 있도록 스테이터 코일이 U,V,W 3상 구조의 3개의 코일(L11-L13)로 이루어져 있다.For example, the stator is composed of three coils L11-L13 of U, V, W three-phase structure so that the stator coils can be driven by a three-phase driving system.
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.Further, the motor driving apparatus having a power return function according to the present invention includes a
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.The
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.Since the rotor used in the
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.The gate driver may further include a gate driver for amplifying a switching signal required for driving the
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.The bidirectional AC /
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. Power must be supplied from the
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. The bidirectional AC /
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. The bidirectional AC /
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. The capacitor C1 serves to minimize the ripple of the DC-converted voltage when the bidirectional AC /
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. The voltage at the side of the
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. The capacitor C1 is charged with electric energy supplied by the motor at the time of deceleration of the
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. The bidirectional DC /
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. The bidirectional DC /
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. That is, the bidirectional DC /
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.In the bidirectional DC /
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. The
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. In the present invention, the
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.The drive signal is not applied from the
이 경우, 세탁조(200)의 회전 에너지는 무시할 수 없을 만큼 크며, 상기 세탁조(200)의 회전에 따라 모터(180)는 발전기로서 역할을 한다. In this case, the rotational energy of the
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. As a result, as the rotational energy of the
본 발명에서 상기 인버터(160)는 모터의 가속 및 정속 주행시나 감속시에 모터에 인가되는 PWM 전압을 낮추어 불요전파 복사를 억제할 수 있다.In the present invention, the
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. As described above, in the motor driving apparatus having the power return function according to the present invention, when the
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. However, at the time when the
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. Such a power return operation is conspicuous in that the higher the efficiency of the
이하에 본 발명에 따른 실시예를 참고하여 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a motor driving apparatus having a power return function will be described in more detail with reference to embodiments according to the present invention.
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.FIG. 4B is a detailed circuit diagram showing the entire motor driving apparatus having a power return function according to the present invention. First, the circuit configuration and operation of the bidirectional AC /
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.FIG. 5 is a circuit diagram for explaining the operation of the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. 4B. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of AC-DC conversion in the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. FIG. 7 is an explanatory view showing a setting mode of a switching device for each polarity of an input voltage when AC-DC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter shown in FIG. 5. FIG. FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a DC-AC conversion operation in the DC-to-DC converter according to the first embodiment of the present invention. FIG. Fig.
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. The bidirectional AC /
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.Each of the first to fourth switching devices Q1 to Q4 may be configured as a power switching semiconductor device such as a transistor, an FET, an IGBT, or the like, and the first to fourth switching devices Q1 to Q4, The control signal S1-S4 is applied from the
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. The drain terminal of the upper first and third switching devices Q1 and Q3 and the lower second and fourth switching devices Q2 and Q3 in the two pairs of first to fourth switching devices Q1 and Q2 and Q3 and Q4 connected to the totem- And a common source terminal and a common source terminal of the bidirectional AC /
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.5 to 7, when the AC-DC conversion is performed, the bidirectional AC /
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. In the bidirectional AC /
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. The bidirectional AC /
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.Hereinafter, a method of operating the bidirectional AC /
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.In the actual circuit, since the first diode D1 is connected to the first switching element Q1 in parallel, the switching element PWM controlled by the
[수학식 1][Equation 1]
V34=V12/DV 34 = V 12 / 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. Here, 34 V is the 1 DC voltage accumulated in the capacitor (C1), V 12 is the AC input voltage. In this case, because D is a value between 0 and 1, the DC voltage to be always stored in the first capacitor (C1) it can be seen that higher than the AC input voltage (V 12).
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.In the boost converter of FIG. 6, when the second switching device Q2 is turned on, the current flows along the dotted line passing through the first inductor L1 and the second switching device Q2, Is accumulated. In this case, the DC voltage is supplied to the rear end of the first capacitor C1, that is, the bidirectional DC /
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.When the second switching device Q2 is turned off, current flows from the
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.Generally, in the power factor correction circuit, the AC input voltage (V 12 ) of the
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.In the AC /
따라서, 본 발명에서는 PWM 제어신호의 듀티(duty)값을 조절하여 입력 전압과 전류가 적절한 위상차와 하모닉을 갖게 하면 원하는 역률로 제어할 수 있다. Accordingly, in the present invention, by controlling the duty value of the PWM control signal, if the input voltage and the current have appropriate phase difference and harmonic, the desired power factor can be controlled.
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. Further, the bidirectional AC /
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.That is, the third and fourth switching elements Q3 and Q4 connected to the other terminal V2 of the first to fourth switching elements Q1 to Q4 act as a boost circuit, The switching element Q1 is turned off to be in the cutoff state, and the second switching element Q2 operates in the conduction state.
AC 전원(100)의 타측단자(V2)가 (+)인 경우의 동작 설명은 상기와 동일하게 이루어지므로 이에 대한 설명은 생략한다.The description of the operation in the case where the other terminal V2 of the
이하에 도 8 및 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 양방향 AC/DC 변환기(120)가 DC/AC 변환기로 동작하는 경우를 설명한다.Hereinafter, a case where the bidirectional AC /
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.Referring to FIGS. 8 and 9, the bidirectional AC /
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. When the DC-AC conversion is performed in the bidirectional AC /
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. The AC /
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. That is, when the first switching device Q1 is turned on, a current flows from the first capacitor C1 to the first inductor L1 and energy is accumulated in the first inductor L1 and returned to the
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.In addition, when the first switching device Q1 is turned off, the second diode D2 forms a path through which the inductor current, which is the energy stored in the first inductor L1, flows to the
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.When the first switching device Q1 is turned on and off periodically as described above, a sinusoidal AC current is obtained as a return current that is returned to the
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. At this time, the intensity of the current may be adjusted by adjusting the duty value of the PWM control signal applied to the first switching device Q1 in the
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. 9, the bidirectional AC /
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.That is, in the first to fourth switching devices Q1 to Q4, the first switching device Q1 is turned off to be in a cutoff state, the second switching device Q2 is turned on to be in a conductive state, Q3 are the switches, and the fourth switching element Q4 is the diode.
AC 전원(100)의 타측단자(V2)가 (+)인 경우의 동작 설명은 상기와 동일하게 이루어지므로 이에 대한 설명은 생략한다.The description of the operation in the case where the other terminal V2 of the
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. The capacitor C1 is charged to a voltage higher than the input voltage of the
이하에, 도 10 내지 도 12를 참고하여 양방향 DC/DC 변환기의 회로 구성 및 동작을 설명한다.Hereinafter, the circuit configuration and operation of the bidirectional DC / DC converter will be described with reference to FIGS. 10 to 12. FIG.
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.FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the operation in which the DC-DC conversion is performed in the bidirectional DC / DC converter shown in FIG. 4B, and FIG. 11 is a circuit diagram showing the DC-DC down conversion in the bidirectional DC / DC converter shown in FIG. 12 is a circuit diagram reconstructed to explain the operation in which the DC-DC boost conversion is performed in the bidirectional DC / DC converter shown in FIG. 10.
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. Referring to FIGS. 10 to 12, the bidirectional DC /
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.Each of the fifth and sixth switching elements Q5 and Q6 may be constituted by a power switching semiconductor element such as a transistor, an FET, an IGBT, and the like, and the fifth and sixth switching elements Q5 and Q6 Control signals S5 and S6 are applied to the gate of the
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.A charging and smoothing capacitor C2 may be further provided between the bidirectional DC /
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.The bidirectional DC /
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. The fifth and sixth switching elements Q5 and Q6 perform a complementary operation, and when one of them is turned on, the other is turned off. The fifth and sixth diodes D5 and D6 connected in parallel to the fifth and sixth switching elements Q5 and Q6 enable current to flow in both directions of the bidirectional DC /
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.10, when the bidirectional DC /
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.11, a pulse-like PWM control signal S5 is applied to the gate of the fifth switching device Q5, so that when the fifth switching device Q5 is in the turn-on state, the third inductor L3 Energy is stored in the inductor as a current flows through the third inductor L3 and is supplied to the
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.The bidirectional DC /
이 경우, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 출력 전압(V56)이 입력 전압(V34)보다 더 작게 얻어진다.In this case, the bidirectional DC /
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. Generally, a motor needs a high current instead of a low voltage when the motor starts. In this case, the bidirectional DC /
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. Generally, a circuit using a buck converter is more likely to be used in EMI noise or the like than in a case where the sixteenth to sixteenth switching elements Q11 to Q16 forming the
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. Moreover, when controlling the operating power supply Vcc applied to the
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.On the other hand, when the bidirectional DC /
즉, 도 10에서 상기 제5스위칭 소자(Q5)는 턴-오프 상태로 설정되고, 제6스위칭 소자(Q6)에는 PWM 제어신호(S6)가 인가되도록 설정된다.That is, in FIG. 10, the fifth switching device Q5 is set in the turn-off state and the PWM control signal S6 is set in the sixth switching device Q6.
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.When the bidirectional DC /
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.When the sixth switching element Q6 is turned off, current flows from the
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.Accordingly, the bidirectional DC /
이 경우, 양방향 DC/DC 변환기(140)는 출력 전압(V34)이 입력 전압(V56)보다 더 크게 얻어진다.In this case, the bidirectional DC /
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. As described above, when the regenerative power is supplied from the motor side to the
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.Furthermore, when the first capacitor C1 is charged by raising the voltage to a sufficiently high high voltage required to be sent from the bidirectional DC /
이하에 도 13 내지 도 14b를 참고하여 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 세탁기용 모터의 구동에 적용한 실시예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment in which a motor driving apparatus having a power return function according to the present invention is applied to driving a motor for a washing machine will be described with reference to FIGS. 13 to 14B. FIG.
도 13은 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용한 세탁기용 모터의 구동방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.13 is a flowchart illustrating a method of driving a motor for a washing machine using a motor driving apparatus having a power return function according to the present invention.
도 13을 참조하면, 먼저 단계(S300)에서 세탁기의 전원이 턴-온된다.Referring to FIG. 13, the power of the washing machine is turned on in step S300.
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).In this state, the
상기 판단 결과, 세탁 또는 헹굼 모드를 수행할 경우에 상기 제어부(150)는 세탁 또는 헹굼 모드에 따라 인버터(160)를 구동시킨다(S304).As a result of the determination, when the washing or rinsing mode is performed, the
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.Then, the
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.At this time, the
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).Thereafter, it is determined whether the washing operation or the rinsing operation has been performed a predetermined number of times while changing the
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).If it is determined that the dehydration mode should be performed, the
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.Thereafter, the
그 후, 상기 제어부(150)는 세탁 제어신호를 이용하여 탈수모드의 수행시간이 경과되었는지의 여부를 판단하고(S312), 탈수모드의 시간이 경과되었을 경우에 세탁물의 세탁 동작을 종료한다.Thereafter, the
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.FIGS. 14A and 14B are operational flowcharts for explaining a method of driving the washing machine in forward and reverse directions at the time of driving the motor using the motor driving device having the power return function according to the present invention.
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).AC power is applied from the
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.In this case, the bidirectional AC /
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. According to the output voltage regulation function, even when the voltage of the commercial power source is used in an unstable region, the first capacitor C1 is charged with a DC voltage higher than the input voltage of the
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.Thereafter, the bidirectional DC /
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.In this case, the bidirectional DC /
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.When the operation power source Vcc for the
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). In this case, for example, the
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. When the rotor position detected from the Hall elements H1 to H3 is, for example, 0 degrees, the
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. That is, as the current flows along the path passing through the upper switching element Q11 of the U phase, the U phase stator coil L1, the neutral point NP, the W phase stator coil L3, and the W phase lower switching element Q16, A magnetic flux is generated in the stator core in which the upper stator coil L1 and the W phase stator coil L3 are wound, and the magnet of the rotor disposed opposite thereto is rotated.
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.In this way, whenever the rotor position detected from the Hall elements H1 to H3 is changed, the
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.In this case, the
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).As described above, when the rotor of the
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. When the
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.The
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).As a result, when the
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).Thereafter, the counter electromotive force converted to DC is boosted through the bidirectional DC /
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). The DC voltage charged in the first capacitor C1 is controlled to be higher than the peak voltage of the input voltage of the
그 결과, 본 발명에 따른 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치를 사용하는 경우, 전력반환에 의해 소비전력의 절감을 기할 수 있다.As a result, when the motor driving apparatus having the power return function according to the present invention is used, the power consumption can be reduced by returning the power.
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. In addition, the current and voltage returned to the
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. Thereafter, when the speed of the
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).After the motor is stopped, the
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. The present invention can exert an excellent drive voltage control function in an environment where the input voltage fluctuates. That is, the AC /
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.In the present invention, the duty ratio of the DC /
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.In this case, by controlling the six switching elements Q11 to Q16 constituting the
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.Although the motor driven by the motor driving apparatus having the electric power returning function according to the present invention is applied to rotational driving of the washing tub of the so-called coarse type washing machine in the above description of the embodiment, It can be applied to drive the tub or drum of the drum washing machine in which the reversal is required.
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.The structure of the motor is not limited to a general motor having a single rotor or a double rotor and a single stator for driving only a washing machine or a drum, but also two driven members such as a washing tub and a dehydrating tub, a pulsator and a washing tub, The present invention can also be applied to a dual motor having a double rotor and a double stator for separately driving the drum and the auxiliary drum.
더욱이, 상기 실시예에서는 본 발명이 세탁기용 모터에 적용된 것을 예시하였으나, AC 전원을 사용하여 동작되는 전동차, 타워 크레인 등에 적용된 모터에도 적용될 수 있다.Furthermore, although the present invention is applied to a motor for a washing machine in the above embodiment, the present invention can be applied to a motor applied to a train, a tower crane or the like operated by an AC power source.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, I will understand.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by equivalents to the appended claims, as well as the appended claims.
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.The present invention can improve the efficiency of the motor and reduce the power consumption by converting the regenerative energy generated when the motor is decelerated to AC and returning it to the AC power source side, The heat dissipation structure can be minimized by minimizing the generation of the electric power, and it is applied to a motor driving device of a motor applied to a washing machine, an electric vehicle, a tower crane, etc. driven by an AC power source.
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 소자100: AC power source 120: bidirectional AC / DC converter
140: bi-directional DC / DC converter 150:
160: inverter 180: BLDC motor
190: rotating shaft 200: washing tub
C1, C2: Capacitors D1-D6, D11-D16: Diodes
H1-H3: Hall element L1-L3: Inductor
L11-L13: Coils Q1-Q6, Q11-Q16: Switching elements
Claims (22)
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.A motor drive apparatus for driving a motor connected to a load and returning a counter electromotive force (BEMF) generated from the motor to the AC power source when deceleration of the motor occurs,
A DC voltage higher than the peak voltage of the AC power source is applied to the AC power source side so that the BEMF generated at the time of deceleration of the motor is returned to the AC power source side by AC-DC conversion of the AC power source supplied from the AC power source side A bidirectional AC / DC converter where DC-to-AC conversion is performed;
A first capacitor charged with an AC-DC converted DC voltage through the bidirectional AC / DC converter;
The high voltage charged in the first capacitor is lowered to the operating voltage Vcc of the inverter driving the motor and the DC voltage applied at the subsequent stage is boosted to a voltage higher than the peak voltage of the AC power source side to charge the first capacitor A bidirectional DC / DC converter; And
DC voltage supplied from the bidirectional DC / DC converter is used as an operation power source (Vcc) to generate AC power required to drive the motor and apply the generated AC power to the stator coil of the motor. (BEMF) to a DC to a bi-directional DC / DC converter,
Wherein the bidirectional AC / DC converter has a power return function for performing a power factor correcting function of increasing a power factor by synchronizing a current of an AC power source with an input voltage during an AC-DC conversion operation.
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.The method according to claim 1,
Wherein the washing machine of the washing machine is connected to the motor and a counter electromotive force (BEMF) is generated from the motor by the rotation energy of the washing machine when the motor decelerates.
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.The method of claim 1, wherein the bi-directional AC / DC converter
First and second inductors to which commercial AC power is applied;
First and second switching elements connected to the totem pole connection structure and to which AC power is applied to the connection point through the first inductor;
First and second diodes connected in parallel to the first and second switching elements, respectively;
Third and fourth switching devices connected to the totem pole connection structure and to which AC power is applied to the connection point through the second inductor; And
And third and fourth diodes connected in parallel to the third and fourth switching elements, respectively,
Wherein the first to fourth diodes form a full bridge rectifier circuit.
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.The method of claim 3,
Wherein the duty ratio of the PWM control signal for the bidirectional AC / DC converter is set such that when the bidirectional AC / DC converter performs the AC-DC conversion, the charge voltage of the first capacitor is charged to a voltage higher than the input voltage of the AC power supply. Further comprising: a control unit for controlling,
Wherein the first capacitor serves as a constant voltage circuit in an area where the input voltage of the commercial power supply is unstable.
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.The method according to claim 1,
The bidirectional AC / DC converter is configured to convert the power on the DC side applied from the rear end of the bidirectional AC / DC converter based on the counter electromotive force generated in the motor to send the rotational energy of the washing tub connected to the motor to the AC power source side at the time of deceleration of the motor, Return to power source side,
And the meter of the integrated meter is driven in a reverse direction by the AC power returned to the AC power source side.
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.The method of claim 3,
Wherein, when AC-DC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter, the first switching element is a diode, the second switching element is a switch, and the third switching element is a switch when the one terminal connected to the first inductor is (+ The element is turned off, the fourth switching element is set to have a function as a diode,
When the DC-AC conversion is performed in the bidirectional AC / DC converter, the first switching element is a switch, the second switching element is a diode, the third switching element is turned off, the fourth switching element is turned on State of the motor drive apparatus.
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.The method of claim 1, wherein the bi-directional DC / DC converter
Fifth and sixth switching elements connected in a totem pole connection structure;
Fifth and sixth diodes connected in parallel to the fifth and sixth switching elements, respectively, to form a bi-directional current flow path, respectively; And
And a third inductor connected to a connection point of the fifth and sixth switching elements to generate an operating power supply voltage Vcc of the inverter.
상기 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자는 상보 관계로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.9. The method of claim 8,
And the fifth switching element and the sixth switching element operate in a complementary relationship.
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.The method according to claim 1,
Wherein the bidirectional DC / DC converter operates as a buck converter when operating in a load direction and operates as a boost converter in a reverse direction.
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.11. The method of claim 10,
Wherein the bidirectional DC / DC converter controls a speed of the motor by controlling an operation power source (Vcc) applied to the inverter when the bidirectional DC / DC converter operates as a buck converter.
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.2. The inverter according to claim 1, wherein the inverter
Three pairs of first to sixth switching elements connected to each pair through a totem pole connection structure;
And first to sixth diodes connected in parallel to the first to sixth switching elements,
And an AC drive signal is applied to the three-phase stator coils of the three-phase drive type motor from the U, V, W connection points of the three pairs of first to sixth switching elements connected to the totem pole. Device.
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.14. The method of claim 13,
Wherein when the rotation speed of the motor is small, the first to sixth switching elements constituting the inverter are controlled to short-circuit the U, V, and W connection points to generate a dynamic break to stop the motor And a power returning function.
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.14. The method of claim 13,
Wherein the first to sixth diodes have a rectifying function when the counter electromotive force (BEMF) generated from the motor is converted into DC according to the deceleration of the motor.
상기 양방향 DC/DC 변환기와 인버터 사이에 병렬 접속되는 제2커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동장치.The method according to claim 1,
And a second capacitor connected in parallel between the bidirectional DC / DC converter and the inverter.
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.An AC-DC conversion step of increasing the AC power supplied from the AC power source side simultaneously with the AC-DC conversion and charging the first capacitor;
A DC-DC conversion step of dropping the voltage charged in the first capacitor to a voltage Vcc of the inverter driving the motor and outputting the voltage; And
Generating three-phase AC power necessary for driving the motor in the inverter using the operating power supply (Vcc) and applying the three-phase AC power to the three-phase stator coil of the motor,
(BEMF) generated by the motor when the motor decelerates, converts the DC power into DC, and then DC-AC conversion is performed to return the power.
Wherein the AC-DC conversion step performs a power factor correcting function that increases the power factor by sending the current of the AC power source in synchronization with the input voltage.
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.18. The method of claim 17,
Converting the counter electromotive force (BEMF) generated from the motor at the time of deceleration of the motor into DC by the inverter;
A DC-DC conversion step of boosting a DC voltage applied from the inverter to a voltage higher than a peak voltage of an AC power source side to charge the first capacitor; And
And a DC-AC converting step of returning power to the AC power source side by DC-AC conversion when the DC voltage charged in the first capacitor is higher than the peak voltage of the AC power source side Way.
상기 AC 전원측으로 반환된 AC 전력에 의해 적산 전력계의 미터기를 역방향으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 전력 반환 기능을 갖는 모터 구동방법.18. The method of claim 17,
And the meter of the integrated meter is driven in the reverse direction by the AC power returned to the AC power source side.
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.An AC-DC conversion step of simultaneously boosting the AC power supplied from the AC power source side and the AC-DC conversion in the bidirectional AC / DC converter to charge the first capacitor;
A DC-DC conversion step of outputting the voltage charged in the first capacitor by reducing the voltage of the bidirectional DC / DC converter to the operating power supply (Vcc) of the inverter driving the motor; And
Generating three-phase AC power necessary for driving the motor in the inverter using the operating power supply (Vcc) and applying the three-phase AC power to the three-phase stator coil of the motor,
(BEMF) generated from the motor when the motor decelerates, converts the DC voltage applied from the inverter to a voltage higher than the peak voltage of the AC power source side in the bidirectional DC / DC converter after converting the BEMF generated from the motor to inverter DC-to-AC conversion in the bidirectional AC / DC converter by charging the capacitor to the AC power side,
Wherein the AC-DC conversion step performs a power factor correcting function that increases the power factor by sending the current of the AC power source in synchronization with the input voltage.
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