KR20000050367A - power-factor improvement apparatus of air-conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압축기의 운전주파수를 냉방 또는 난방능력에 따라 가변하는 인버터 공기조화기에 관한 것으로, 특히 컨버터수단에 에너지 축적패스를 갖는 인덕터와 스위칭소자를 접속하여 공기조화기의 운전 역률을 개선하는 공기조화기의 역률개선장치에 관한 것이다.The present invention relates to an inverter air conditioner for varying an operating frequency of a compressor according to cooling or heating capacity, and in particular, an air conditioner for improving an operating power factor of an air conditioner by connecting an inductor and a switching element having an energy accumulation path to a converter means. The present invention relates to a device for improving power factor.
일반적으로, 공기조화기의 인버터장치는 도1에 도시한 바와같이, 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터부(3)와, 실외조건 및 실내기의 지시에 따라 압축기(9)의 운전주파수를 결정하여 인버터 구동신호를 출력하는 제어부(5)와, 상기 제어부(5)에서 결정된 운전주파수에 따라 상기 압축기(9)를 회전시키도록 상기 제어부(5)로부터 출력되는 구동신호에 따라 도시되지 않은 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시켜 상기 컨버터부(3)로부터 출력되는 DC전원을 3상 AC전원으로 변환시키는 인버터부(7)로 구성되어 있다.In general, the inverter device of the air conditioner, as shown in Fig. 1, the converter unit 3 for converting the AC input power input from the power input terminal 1 to the DC power, in accordance with the outdoor conditions and the instructions of the indoor unit A control unit 5 which determines an operating frequency of the compressor 9 and outputs an inverter driving signal, and is output from the control unit 5 so as to rotate the compressor 9 according to the operating frequency determined by the control unit 5. The inverter unit 7 is configured to alternately turn on or turn off a power transistor, not shown, in accordance with the drive signal to convert the DC power output from the converter unit 3 into a three-phase AC power source.
상기 컨버터부(3)는 AC입력전원을 소정의 직류전압으로 전파정류하는 브리지정류기(11)와, 상기 브리지정류기(11)에 의해 전파정류된 직류전압에 포함된 리플성분을 필터링함과 동시에 그 전파정류된 직류전압을 충전하도록 상기 브리지정류기(11)의 출력단에 접속된 평활콘덴서(C1)로 구성되어 있다.The converter unit 3 filters the ripple component included in the bridge rectifier 11 for full-wave rectifying the AC input power at a predetermined DC voltage, and the ripple component included in the DC voltage full-wave rectified by the bridge rectifier 11. And a smoothing capacitor C1 connected to the output terminal of the bridge rectifier 11 to charge the full-wave rectified DC voltage.
상기와 같이 구성된 인버터 공기조화기에 있어서, 전원입력단(1)으로부터 AC입력전원이 인가되면, AC입력전원은 컨버터부(3)의 브리지정류기(11)를 통해 소정의 DC전원으로 정류되고, 브리지정류기(11)에 의해 정류된 DC전원에 포함된 리플성분은 평활콘덴서(C1)를 통해 필터링된다.In the inverter air conditioner configured as described above, when AC input power is applied from the power input terminal 1, the AC input power is rectified to a predetermined DC power through the bridge rectifier 11 of the converter unit 3, and the bridge rectifier The ripple component included in the DC power source rectified by (11) is filtered through the smoothing capacitor C1.
이때, 인버터부(7)에서는 제어부(5)로부터 출력되는 구동신호에 따라 도시되지 않은 6개의 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시켜 컨버터부(3)로부터 출력되는 DC전원을 3상(u상, v상, w상) AC전원으로 변환시켜 압축기(9)를 구동시킨다.In this case, the inverter unit 7 alternately turns on or off the six power transistors (not shown) according to the driving signal output from the controller 5 to generate three-phase DC power output from the converter unit 3. u-phase, v-phase, w-phase) The compressor 9 is driven by switching to AC power.
상기와 같이, AC입력전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터부(3)는 적은 리플을 갖는 DC를 얻기 위해 비교적 큰 용량의 평활콘덴서(C1)를 사용하는데 이 평활콘덴서(C1)의 영향으로 입력전류(Is)가 도 2에 도시한 바와같이, 비정현적인 파형으로 왜곡되어 시스템의 역률이 0.5~0.7 정도의 낮은 값을 가지게 된다.As described above, the converter unit 3 for converting the AC input power to the DC power source uses a relatively large capacity smoothing capacitor C1 to obtain DC having a small ripple, but the input current is affected by the smoothing capacitor C1. As shown in FIG. 2, the distortion is distorted into an unsine waveform, so that the power factor of the system has a low value of about 0.5 to 0.7.
이러한 시스템의 낮은 역률은 전원고조파 성분의 증가를 수반하여 노이즈 및 EMI를 발생시키며 무효전력을 증가시켜 시스템에서 필요로 하는 전류보다 더 큰 전류가 흐르게 되어 기기 설계시 전류 정격이 큰 부품을 선정해야 하는 등의 여러 문제점들을 발생시켜 유럽 및 선진각국에서는 전원고조파의 규제를 법제화하여 이를 만족하지 못하는 제품의 경우 수출을 진행하지 못하게 하는 등의 조치를 취하고 있는 실정이다.The low power factor of such a system is accompanied by an increase in power harmonics, which generates noise and EMI, increases reactive power, and causes a larger current to flow than that required by the system. Due to various problems, the European and advanced countries are taking measures to prevent the export of products that do not satisfy the legislation of power harmonics.
이에, 시스템의 역률을 개선하기 위한 역률개선장치가 고안되고 있는 바, 역률개선장치로는 크게 능동방식과 수동방식이 있다.Accordingly, a power factor improving device for improving the power factor of the system has been devised. As a power factor improving device, there are largely active methods and passive methods.
먼저, 수동방식은 도 1에 도시한 바와같이, 브리지정류기(11)의 출력단 또는 전원입력단(1)에 전류의 순간적인 증가를 막아주고 전류증가의 방향변화시 축적된 에너지를 방출하여 역률을 보상하는 코일(L1)과, 상기 코일(L1)에 병렬접속되어 전류위상을 앞당겨 상기 코일(L1)과의 상호보완작용으로 역률을 보상하는 콘덴서(C2)를 접속하여 임피던스를 적절히 조절하는 방식이다.First, as shown in FIG. 1, the passive method prevents an instantaneous increase in current at the output terminal or the power input terminal 1 of the bridge rectifier 11 and compensates for the power factor by releasing the accumulated energy when the direction of the current increase is changed. And a coil (L1) to be connected in parallel with the coil (L1) to advance the current phase and the capacitor (C2) for compensating the power factor by complementary action with the coil (L1) is connected to adjust the impedance appropriately.
상기의 수동방식은 입력전류의 1차 고조파(기본파)에 대해서는 작은 임피던스를 가지게 하고, 이외의 고조파에 대해서는 높은 임피던스를 갖도록 하여 입력전류의 파형을 개선하는 방식으로 일반적인 인버터 공기조화기에서 널리 사용되고 있다.The passive method described above has a small impedance for the first harmonic (base wave) of the input current and a high impedance for the other harmonics to improve the waveform of the input current, and is widely used in general inverter air conditioners. have.
브리지정류기(11)에서 본 임피던스는 다음과 같다.The impedance seen from the bridge rectifier 11 is as follows.
(여기서 s=jw) Where s = jw
상기의 식을 이용하여 적절한 L과 C값을 선정하여 1차 고조파에 대해서는 0의 임피던스를 갖게 하고 이외의 고조파에 대해서는 무한대의 임피던스를 갖도록 하는 방식인데 실제로 이러한 L과 C는 없다.By using the above formula, the appropriate L and C values are selected to have zero impedance for the first harmonic and infinite impedance for the other harmonics.
따라서, 상대적으로 1차에 대해서는 작은 임피던스를, 왜곡에 가장 큰 영향을 주는 3차, 5차 고조파에 대해서는 비교적 큰 임피던스를 갖도록 하고 있다.Therefore, it is intended to have a relatively small impedance for the first order and a relatively large impedance for the third and fifth harmonics that have the greatest influence on the distortion.
그런데, 이와같은 종래의 수동식 역률개선장치에 있어서는, 압축기(9)의 부하변동 및 공기조화기 세트의 역률에 관계없이 역률보상회로인 코일(L1)의 리액턴스용량과 컨덴서(C2)의 캐패시턴스용량이 최초 설계치로 고정되어 있기 때문에 압축기(9) 부하가 크면 역률이 증가하고, 압축기(9) 부하가 작아지면 역률이 감소하여 표준정격부하 이상에서는 기준치를 만족하지만(예를들면, 정격부하시 역률 90%이상), 정격부하 미만에서 최소부하로 감소할수록 역률이 비례적으로 감소하여 최소부하시 역률이 기준치 이하로 떨어진다는(예를들면, 최소부하시 역률 75%미만) 문제점이 있고, 또한 DC 링크(Link)전압이 부하(압축기)에 따라 변하는데 이에 대한 대책이 마련되어 있지 않아 전원고조파를 억제하지 못하는 문제점이 있었다.In the conventional manual power factor improving device, however, the reactance capacity of the coil L1 and the capacitance of the capacitor C2, which are power factor correction circuits, are independent of the load fluctuation of the compressor 9 and the power factor of the air conditioner set. Since the initial design value is fixed, the power factor increases when the load of the compressor (9) is high, and the power factor decreases when the load of the compressor (9) is reduced, while satisfying the reference value above the standard rated load (eg, rated load power factor of 90). Or more), the power factor decreases proportionally as the minimum load is lower than the rated load, so that the minimum load power factor falls below the reference value (for example, the minimum load power factor is less than 75%). (Link) voltage is changed according to the load (compressor), there is a problem that can not suppress the power harmonics because there is no countermeasure.
다음에, 능동방식으로는 브리지정류기와 평활콘덴서 사이에 DC/DC컨버터를 연결하여 전류를 전원전압과 동상의 파형으로 만들어 주는 방식으로 본 출원인에 의해 선출원된 한국 특허출원번호95-39229호에 개시되어 있다.Next, as an active method, a DC / DC converter is connected between a bridge rectifier and a smoothing capacitor to make a current in a waveform of power voltage and in phase, and is disclosed in Korean Patent Application No. 95-39229 filed by the present applicant. It is.
동공보에 개시된 능동식 역률개선장치는 거의 1에 가까운 역률 및 전원고조파의 전대역 패스의 효과를 얻을 수 있으나, 복잡한 제어회로와 높은 스위칭 주파수로 인해 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있고, 그 자체가 노이즈원이 되어 이를 해결하기 위한 노이즈 필터 설계의 어려움 및 재료비 상승등이 수반되는 문제점이 있었다.The active power factor correction device disclosed in this publication can achieve the effect of a full band pass of power factor and power harmonics of almost 1, but it can cause reliability problems due to complicated control circuits and high switching frequency, which is itself a noise source. As a result, there was a problem accompanied by difficulty in designing a noise filter and an increase in material cost.
따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 컨버터수단에 에너지 축적패스를 갖는 인덕터와 스위칭소자를 접속하고, 부하변화에 따라 스위칭소자의 턴온시간을 제어하여 공기조화기의 운전 역률을 향상시키고 전원고조파 성분을 억제하므로 고조파 전류를 제한하는 규격(EN60555-2)의 기준을 만족시킬 수 있는 공기조화기의 역률개선장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, by connecting an inductor having an energy accumulation path to the converter means and a switching element, and controlling the turn-on time of the switching element according to the load change of the air conditioner. The purpose of the present invention is to provide a power factor improving apparatus for an air conditioner that can satisfy the criteria of the standard (EN60555-2) that limits the harmonic currents by improving the operating power factor and suppressing the power harmonic components.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 공기조화기의 역률개선장치는, 전원입력단의 교류를 정류부 및 평활콘덴서에 의해 직류로 변환하는 컨버터수단과, 상기 컨버터수단에서 변환된 직류를 원하는 주파수의 3상 교류전원으로 변환시키는 인버터수단과, 상기 인버터수단으로부터 출력되는 3상 교류전원에 의해 회전하는 압축기를 구비하는 공기조화기에 있어서, 상기 정류부와 평활콘덴서 사이에는 입력전류의 위상을 보상하는 인덕터와, 상기 인덕터에 입력전류가 흐르도록 스위칭되는 스위칭소자를 접속하고, 상기 전원입력단과 정류부 사이에는 입력전압의 위상을 감지하는 전압위상감지수단을 접속하며, 상기 전압위상감지수단에 의해 감지된 입력전압의 위상에 따라 상기 압축기의 운전주파수에 비례하여 상기 스위칭소자의 턴온시간을 제어하는 기본제어값을 변화시키는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a power factor improving apparatus for an air conditioner according to the present invention includes: converter means for converting alternating current at a power input stage into a direct current by a rectifying unit and a smoothing capacitor; An air conditioner comprising: an inverter means for converting into a phase alternating current power supply; and a compressor rotating by a three-phase alternating current power output from the inverter means, comprising: an inductor for compensating the phase of an input current between the rectifier and the smoothing capacitor; A switching element for switching an input current to the inductor is connected, and a voltage phase sensing means for sensing a phase of an input voltage is connected between the power supply input terminal and the rectifying unit, and a voltage phase sensing means for sensing the phase of the input voltage. The turn-on time of the switching element is proportional to the operating frequency of the compressor according to the phase. And control means for changing the basic control value to be controlled.
도 1은 종래에 의한 인버터장치의 수동식 역률개선 회로도,1 is a manual power factor improvement circuit diagram of a conventional inverter device;
도 2는 도 1에 도시된 L-C필터가 없는 경우의 전압 및 전류 파형도,2 is a voltage and current waveform diagram when there is no L-C filter shown in FIG. 1;
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 능동식 역률개선장치의 회로블록도,3 is a circuit block diagram of an active power factor improving apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 4는 도 3의 전압감지수단 및 전압위상감지수단의 상세회로도,4 is a detailed circuit diagram of the voltage sensing means and the voltage phase sensing means of FIG.
도 5는 본 발명에 의한 인덕터와 스위칭소자의 게이트신호 및 전류 동작파형도,5 is a gate signal and a current operating waveform diagram of an inductor and a switching device according to the present invention;
도 6은 본 발명에 의한 압축기의 운전주파수대 스위칭소자의 기본데이터 설명도,6 is a basic data explanatory diagram of an operating frequency band switching element of a compressor according to the present invention;
도 7은 본 발명의 압축기 운전주파수에 따른 스위칭소자의 제어동작을 도시한 플로우챠트.7 is a flowchart illustrating a control operation of a switching device according to a compressor operating frequency of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
100 : 컨버터수단 110 : 전류감지수단100: converter means 110: current sensing means
120 : 전압감지수단 130 : 전압위상감지수단120: voltage detection means 130: voltage phase detection means
140 : 제어수단 150 : 역률개선수단140: control means 150: power factor improvement means
160 : 인버터수단 162 : 압축기160: inverter means 162: compressor
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 능동식 역률개선장치의 회로블록도이고, 도 4는 도 3의 전압감지수단 및 전압위상감지수단의 상세회로도이다.3 is a circuit block diagram of an active power factor improving apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a detailed circuit diagram of the voltage sensing means and voltage phase sensing means of FIG.
도 3 및 도 4에 도시한 바와같이, 컨버터수단(100)은 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원을 정류 및 평활시켜 DC전원으로 변환하는 것으로서, 이 컨버터수단(100)은 상기 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원을 소정의 직류전원으로 전파정류하는 정류부(102)와, 상기 정류부(102)에 의해 전파정류된 직류전원에 포함되어 있는 리플성분을 필터링함과 동시에 그 전파정류된 직류전압을 충전하도록 상기 정류부(102)의 출력단에 접속된 평활콘덴서(C1)로 구성되어 있다.As shown in Figs. 3 and 4, the converter means 100 rectifies and smoothes the AC input power input from the power input terminal 1 to convert it into DC power, and the converter means 100 is the power input terminal. (1) filter the ripple component contained in the rectifying unit 102 for full-wave rectifying the AC input power input from the predetermined DC power, and the full-wave rectification at the same time It consists of the smoothing capacitor C1 connected to the output terminal of the said rectification part 102 so that the charged DC voltage may be charged.
전류감지수단(110)은 상기 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원의 전원전류를 감지한다.Current sensing means 110 detects the power current of the AC input power input from the power input terminal (1).
그리고, 전압감지수단(120)은 상기 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원의 전원전압을 감지하는 것으로서, 이 전압감지수단(120)은 상기 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원을 1차측에 인가받아 소정의 저전압으로 감압하여 2차측으로 유기하는 감압트랜스(TX1)와, 상기 감압트랜스(TX1)에 의해 갑압된 교류전압의 전류성분을 제한하는 저항(R1)과, 상기 감압트랜스(TX1)에 의해 감압된 교류전압을 소정의 직류전압으로 전파정류하는 브리지정류기(122)와, 상기 브리지정류기(122)에 의해 전파정류된 직류전압에 포함된 리플성분을 필터링하도록 상기 브리지정류기(122)의 출력단에 접속된 평활콘덴서(C2)와,상기 평활콘덴서(C2)에 의해 필터링된 직류전압에서 소정레벨의 항복전압 이상만을 바이패스하여 일정전위의 정전압을 공급하는 제너다이오드(Dz)와, 상기 제너다이오드(Dz)에 의해 바이패스된 항복전압의 최대치를 제한하는 다이오드(D7)와, 상기 평활콘덴서(C2)에 의해 필터링된 직류전압을 후술하는 제어수단에 입력하는 저항(R2)으로 구성되어 있다.In addition, the voltage sensing means 120 senses the power supply voltage of the AC input power input from the power input terminal 1, and the voltage sensing means 120 receives the AC input power input from the power input terminal 1. A decompression transformer TX1 applied to the primary side and decompressed to a predetermined low voltage and induced to the secondary side; a resistor R1 for limiting a current component of the AC voltage boosted by the decompression transformer TX1; and the decompression transformer. Bridge rectifier 122 for full-wave rectifying the AC voltage reduced by TX1 to a predetermined DC voltage, and the bridge rectifier to filter the ripple component included in the DC voltage full-wave rectified by the bridge rectifier 122. A zener diode for supplying a constant voltage of a constant potential by bypassing a smoothing capacitor C2 connected to an output terminal of 122) and a breakdown voltage of a predetermined level or more from a DC voltage filtered by the smoothing capacitor C2. (Dz), a diode (D7) for limiting the maximum value of the breakdown voltage bypassed by the zener diode (Dz), and a resistor for inputting the DC voltage filtered by the smoothing capacitor (C2) to the control means described later. It consists of (R2).
전압위상감지수단(130)은 상기 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원의 전압위상(전원주파수)을 감지하는 것으로서, 이 전압위상감지수단(130)은 상기 감압트랜스(TX1)에 의해 감압된 교류전압을 저항(R3)(R4)을 통해 입력받아 AC입력전압의 영전위점에서 온동작하는 양방향성의 포토커플러(132)와, 상기 포토커플러(132)의 온동작시 외부에서 인가되는 전압(5V)을 저항(R5)(R6)을 통해 입력받아 턴온동작하는 트랜지스터(TR1)와, 상기 트랜지스터(TR1)의 턴온동작시 외부에서 인가되는 전압(5V)을 저항(R7)을 통해 입력받아 턴온동작하는 트랜지스터(TR2)와, 상기 트랜지스터(TR1)(TR2)의 턴온동작시 상기 제어수단의 전위를 안정하게 유지하여 제어수단의 오동작을 방지하는 콘덴서(C3)(C4)와, 상기 트랜지스터(TR2)의 턴온동작시 AC입력전압의 영전위점에 동기하는 로우레벨의 전압신호를 상기 제어수단에 입력하는 저항(R8)으로 구성되어 있다.The voltage phase detection means 130 detects the voltage phase (power frequency) of the AC input power input from the power input terminal 1, and the voltage phase detection means 130 decompresses the voltage by the decompression transformer TX1. The bidirectional photocoupler 132 which is inputted through the resistors R3 and R4 to be operated on at the zero potential point of the AC input voltage, and the voltage applied from the outside during the on operation of the photocoupler 132 ( 5V is inputted through the resistors R5 and R6 to turn on the transistor TR1 and a voltage 5V applied from the outside during the turn-on operation of the transistor TR1 through the resistor R7 and turned on. A transistor TR2 that operates, a capacitor C3, C4 that maintains the potential of the control means stably during the turn-on operation of the transistors TR1, TR2, and prevents a malfunction of the control means, and the transistor TR2 In synchronization with the zero potential of the AC input voltage during the turn-on It consists of a voltage signal of a level resistance (R8) to input to the control means.
또한, 제어수단(140)은 상기 전압위상감지수단(130)으로부터 입력되는 AC입력전압의 영전위점 신호(로우레벨의 전압신호)에 동기하여 상기 전원입력단(1)으로부터 입력되는 입력전원전류의 파형이 정현파에 가까운 형태로 되도록 스위칭신호를 출력함은 물론, 실외조건 및 실내기의 지시에 따라 압축기(162)의 운전주파수를 결정하여 인버터 구동신호를 출력하는 마이컴으로서, 이 제어수단(140)은 상기 전압감지수단(120)으로부터 입력되는 전원전압레벨에 따라 상기 압축기(162)의 공극자속(V/F)을 정격치로 유지하기 위한 주파수대전압(F/V) 데이터와 압축기(162)의 운전주파수에 해당하는 스위칭소자(SW1)의 기본제어값(턴온시간)을 롬테이블상에 저장하고 있다.In addition, the control means 140 is a waveform of the input power current input from the power input terminal 1 in synchronization with the zero potential point signal (low level voltage signal) of the AC input voltage input from the voltage phase detection means 130. As a microcomputer that outputs a switching signal so as to be close to the sine wave, and determines an operating frequency of the compressor 162 according to outdoor conditions and an indoor unit's instruction, and outputs an inverter driving signal. The frequency band voltage (F / V) data for maintaining the air gap flux (V / F) of the compressor 162 at the rated value and the operating frequency of the compressor 162 according to the power supply voltage level input from the voltage sensing means 120 The basic control value (turn-on time) of the corresponding switching element SW1 is stored on the ROM table.
또, 역률개선수단(150)은 상기 제어수단(140)으로부터 출력되는 스위칭신호를 입력받아 입력전류의 위상이 입력전압의 위상에 가까워지도록 하여 역률을 개선하는 것으로서, 이 역률개선수단(150)은 상기 컨버터수단(100)의 정류부(102) 출력단에 접속되어 양(+)의 전압이 걸리면 전류를 축적하였다가 음(-)의 전압이 걸리면 축적된 양만큼 전류가 계속 동일 방향으로 흐르도록 하여 전류의 위상을 지연시키는 인덕터(L5)와, 상기 인덕터(L5)에 접속되어 상기 인덕터(L5)에 강제로 전류가 흐르도록 상기 제어수단(140)으로부터의 스위칭신호에 따라 턴온/턴오프 스위칭되는 초퍼 스위칭소자(SW1)와, 상기 스위칭소자(SW1)의 턴오프 동작시 상기 인덕터(L5)에 축적되어 있던 전류가 흐르는 다이오드(D5)와, 상기 스위칭소자(SW1)의 보호용 다이오드(D6)로 구성되어 있다.In addition, the power factor improving means 150 receives the switching signal output from the control means 140 and improves the power factor by bringing the phase of the input current closer to the phase of the input voltage. It is connected to the output terminal of the rectifier 102 of the converter means 100 and accumulates the current when the positive voltage is applied, and the current continues to flow in the same direction by the accumulated amount when the negative voltage is applied. An inductor L5 for delaying a phase of the chopper, and a chopper connected to the inductor L5 and turned on / off in accordance with a switching signal from the control means 140 to force a current to flow in the inductor L5. A switching element SW1, a diode D5 through which current accumulated in the inductor L5 flows during the turn-off operation of the switching element SW1, and a protection diode D6 of the switching element SW1. It is.
또한 도면에 있어서, 인버터수단(160)은 상기 제어수단(140)으로부터 출력되는 구동신호에 따라 도시되지 않은 6개의 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시켜 상기 컨버터수단(100)으로부터 출력되는 DC전원을 상기 압축기(162)의 운전주파수에 맞는 가변주파수 및 가변전압의 3상(u상, v상, w상) AC전원으로 변환시켜 상기 압축기(162)에 공급한다.In addition, in the drawing, the inverter means 160 alternately turns on or turns off six power-transistors (not shown) according to a driving signal output from the control means 140 to be output from the converter means 100. The DC power is converted into a three-phase (u-phase, v-phase, w-phase) AC power having a variable frequency and a variable voltage suitable for the operation frequency of the compressor 162, and is supplied to the compressor 162.
이하, 상기와 같이 구성된 공기조화기의 역률개선장치의 작용효과를 설명한다.Hereinafter, the effect of the power factor improving device of the air conditioner configured as described above will be described.
전원입력단(1)으로부터 AC입력전원이 인가되면, AC입력전원은 컨버터수단(100)의 정류부(102)를 통해 소정의 DC전원으로 정류되고, 정류부(102)에 의해 정류된 DC전원에 포함된 리플성분은 평활콘덴서(C1)를 통해 필터링되어 DC전원으로 변환된다.When AC input power is applied from the power input terminal 1, the AC input power is rectified to a predetermined DC power through the rectifying unit 102 of the converter means 100 and included in the DC power rectified by the rectifying unit 102. The ripple component is filtered through the smoothing capacitor C1 and converted into DC power.
상기와 같이, AC입력전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터수단(100)는 적은 리플을 갖는 DC를 얻기 위해 비교적 큰 용량의 평활콘덴서(C1)를 사용하는데 이 평활콘덴서(C1)의 영향으로 입력전류(Is)가 도 2에 도시한 바와같이, 비정현적인 펄스파형으로 왜곡된다.As described above, the converter means 100 for converting the AC input power to the DC power source uses a relatively large capacity smoothing capacitor C1 to obtain a DC having a small ripple, which is influenced by the smoothing capacitor C1. As shown in Fig. 2, Is is distorted into a non-sinusoidal pulse waveform.
이에, 본 발명에서는 컨버터수단(100)에 에너지 축적패스를 갖는 인덕터(L5)와 초퍼 스위칭소자(SW1)를 접속하여 전류의 위상이 전압의 위상에 조금 더 일치하도록 제어한다.Therefore, in the present invention, the inductor L5 having the energy accumulation path and the chopper switching element SW1 are connected to the converter means 100 so as to control the phase of the current to be a little more matched to the phase of the voltage.
먼저, 상기 컨버터수단(100)의 정류부(102) 출력단에 접속된 인덕터(L5)에 흐르는 전류가 입력전원전류를 결정하게 되는데 인덕터(L5)에 흐르는 전류는 인덕터(L5) 양단의 전압에 의해 제어된다.First, the current flowing through the inductor L5 connected to the output terminal of the rectifying unit 102 of the converter means 100 determines the input power current. The current flowing through the inductor L5 is controlled by the voltage across the inductor L5. do.
인덕터(L5) 양단에 양(+)의 전압이 걸리면 인덕터(L5)가 싱크(sink)로 작용하여 전류가 인덕터(L5)로 흐르고 이 전류는 인덕터(L5)에 축적되다가, 음(-)의 전압이 걸리면 인덕터(L5)가 소스(source)로 작용하여 축적된 양만큼 전류가 계속 동일 방향으로 흐르게 하는 인덕터(L5)의 특성을 이용하여 인덕터(L5) 값을 비교적 큰 값을 갖도록 하면 도 5의 (a)에서와 같이 전류(Is)가 위상지연이 크게 되면서 흐른다.When a positive voltage is applied across the inductor L5, the inductor L5 acts as a sink so that a current flows in the inductor L5, and this current accumulates in the inductor L5, and is negative. When the voltage is applied, the inductor L5 acts as a source, so that the inductor L5 has a relatively large value by using the characteristic of the inductor L5 that the current continues to flow in the same direction by the accumulated amount. As in (a), the current Is flows with a large phase delay.
이때, 앞의 위상지연 부분에서 인덕터(L5) 전압을 강제로 양(+)으로 가하는 에너지 축적 패스를 형성하면, 도 5(a)의 점선부분에서와 같이 전류(Is)가 흐르게 되므로 상기 인덕터(L5)에 강제로 전류를 흐르게 하기 위해서 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 등과 같은 초퍼 스위칭소자(SW1)를 인덕터(L5) 후단에 DC(-) 단과 연결하여 스위칭해 줌으로서 원하는 구간에서 전류를 흐르게 할 수 있도록 제어한다.In this case, when the energy accumulation path forcing the inductor L5 to the positive phase is formed in the previous phase delay part, the current Is flows as shown in the dotted line of FIG. In order to force current to flow in L5), a chopper switching element SW1 such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is connected to a DC (-) terminal at the rear end of the inductor L5 to switch the current to flow in a desired section. To control.
다음, 상기 인덕터(L5)의 에너지축적 동작메카니즘을 살펴보자.Next, let's look at the energy accumulation operation mechanism of the inductor (L5).
전원입력단(1)으로부터 감압트랜스(TX1) 1차측에 입력되는 AC입력전원이 소정의 교류전압으로 감압되어 2차측으로 유기되면, 감압트랜스(TX1)에 의해 감압된 교류전압이 저항(R3)(R4)을 통해 전압위상감지수단(130)의 포토커플러(132)에 인가되어 포토커플러(132)가 AC입력전압의 영전위점에서 온동작한다.When the AC input power input from the power supply input terminal 1 to the primary side of the decompression transformer TX1 is decompressed to a predetermined AC voltage and induced to the secondary side, the AC voltage decompressed by the decompression transformer TX1 is resistance R3 ( It is applied to the photocoupler 132 of the voltage phase detection means 130 through R4) and the photocoupler 132 operates on at the zero potential point of the AC input voltage.
상기 포토커플러(132)가 온동작하면, 트랜지스터(TR1)(TR2)가 턴온동작되어 전압위상감지수단(130)으로부터 AC입력전압의 영전위점에 동기하는 로우레벨의 전압신호가 제어수단(140)에 입력된다.When the photocoupler 132 is turned on, the transistors TR1 and TR2 are turned on so that a low-level voltage signal synchronized with the zero potential point of the AC input voltage from the voltage phase sensing means 130 is controlled. Is entered.
따라서, 상기 제어수단(140)에서는 전압위상감지수단(130)으로부터 입력되는 AC입력전압의 영전위점 신호(로우레벨의 전압신호)에 동기하여 인덕터(L5)에 흐르는 입력전류의 위상이 입력전압의 위상에 가까워지도록 하기 위한 도 5(b)의 스위칭신호를 스위칭소자(SW1)의 게이트단자에 출력한다.Therefore, in the control means 140, the phase of the input current flowing through the inductor L5 in synchronization with the zero potential point signal (low level voltage signal) of the AC input voltage input from the voltage phase detection means 130 is The switching signal of FIG. 5 (b) for approaching the phase is output to the gate terminal of the switching element SW1.
상기 제어수단(140)으로부터의 스위칭신호에 따라 스위칭소자(SW1)가 턴온되면, 인덕터(L5) 양단은 정류부(102) 출력과 DC(-) 단에 바로 단락이 되므로 인덕터(L5) 양단은 스위칭소자(SW1) 턴온과 동시에 양(+)전압이 걸리게 되면서 전류가 흐르게 되므로 도 5(a)의 점선부분에서 전류(Is)가 상승하는 부분이 도 5의 (b)에서와 같이, 스위칭소자(SW1)를 턴온했을 때 도 5의 (c)에서와 같이, 인덕터(L5)와 스위칭소자(SW1)를 통해 강제로 흐르는 전류가 된다.When the switching device SW1 is turned on according to the switching signal from the control unit 140, both ends of the inductor L5 are directly short-circuited to the output of the rectifier 102 and the DC (−) terminal, so that both ends of the inductor L5 are switched. Since the current flows while the positive voltage is applied at the same time as the device SW1 is turned on, a portion in which the current Is rises in the dotted line in FIG. 5 (a) is the same as in FIG. 5 (b). When SW1 is turned on, as shown in FIG. 5C, the current flows through the inductor L5 and the switching device SW1 by force.
이때, 상기 스위칭소자(SW1)의 전원주파수와 부하(압축기) 전류에 따라 제어수단(140)에 미리 정해진 시간이 경과하면 스위칭소자(SW1)를 턴오프시켜 축적되어 있던 전류가 스위칭소자(SW1)의 턴오프후에도 다이오드(D5)를 통해 흐르게 되는데 도 5(a)의 점선부분에서 전류(Is)가 약간 감소하는 부분이 된다.At this time, according to the power source frequency and the load (compressor) current of the switching device SW1, when a predetermined time elapses in the control unit 140, the current accumulated by turning off the switching device SW1 is switched to the switching device SW1. After the turn-off, the current flows through the diode D5, and the current Is decreases slightly in the dotted line in FIG.
이후, 인덕터(L5) 양단은 DC 링크전압이 인덕터(L5) 앞단의 전압(Vd)보다 작아지면서 양(+)전압이 걸리게 되어 전류가 증가하게 되고 다시 인덕터(L5) 앞단 전압이 DC 링크전압보다 작아지면서 인덕터(L5) 양단은 음(-)전압이 걸리게 되는데, 이때에는 전원으로부터의 전류는 유입되지 않고 축적되어 있던 전류가 감소하면서 흐른다.Thereafter, both ends of the inductor L5 have a positive voltage while the DC link voltage becomes smaller than the voltage Vd at the front end of the inductor L5, thereby increasing the current, and again, the voltage at the front end of the inductor L5 exceeds the DC link voltage. As it decreases, a negative voltage is applied to both ends of the inductor L5. At this time, current from the power supply does not flow and flows while the accumulated current decreases.
이와같이, 강제적으로 흐르는 인덕터(L5)의 충전전류와 실제의 부하전류가 합쳐지면서 전류의 위상이 전압의 위상에 조금 더 가까워지게 보상이 되고 전류 파형도 펄스파의 형태에서 정현파에 보다 가까운 형태를 가지게 되어 시스템의 역률은 아래의 식과 같이 전압, 전류의 위상차와 전류의 기본파크기에 의해 정의되므로 상기와 같은 방법으로 θ와 Is1을 제어하여 시스템의 역률 향상 및 전원고조파의 규제만족을 도모할 수 있다.In this way, the charging current of the forcibly flowing inductor L5 and the actual load current are combined to compensate for the phase of the current to be closer to the phase of the voltage. Therefore, the power factor of the system is defined by the phase difference of voltage and current and the basic size of current as shown in the following formula, so that the power factor of the system and the regulation satisfaction of power harmonics can be improved by controlling θ and Is 1 in the above manner. .
다음에는, 부하변화(압축기의 운전주파수)에 따른 스위칭소자(SW1)의 동작제어를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.Next, operation control of the switching element SW1 according to the load change (operation frequency of the compressor) will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
도 7은 본 발명의 압축기 운전주파수에 따른 스위칭소자의 제어동작을 도시한 플로우챠트로서, 도 7에서 S는 스텝(STEP)을 표시한다.FIG. 7 is a flowchart showing a control operation of a switching element according to the compressor operating frequency of the present invention, in which S denotes a step.
먼저, 스텝S1에서 제어수단(140)은 압축기(162)의 운전주파수에 따라 스위칭소자(SW1)의 턴온시간을 증가 또는 감소시키기 위한 스위칭소자(SW1)의 기본테이터(턴온시간)와, 전원전압의 크기에 따라 압축기(162)의 공극자속(V/F)을 정격치로 유지하기 위한 다수개의 주파수대전압(F/V) 데이터를 롬테이블상에 설정해 놓는다.First, in step S1, the control means 140 includes a basic data (turn-on time) of the switching element SW1 for increasing or decreasing the turn-on time of the switching element SW1 according to the operating frequency of the compressor 162, and the power supply voltage. The frequency band voltage (F / V) data for maintaining the air gap magnetic flux (V / F) of the compressor 162 at the rated value is set on the ROM table according to the size of.
상기 스위칭소자(SW1)의 기본데이터값은 압축기(162)의 운전주파수가 증가하면 스위칭소자(SW1)의 턴온시간(도통각)을 증가시켜 인덕터(L5)에 축적되는 에너지의 양을 증가시키는 것으로, 부하전류의 증가에 따라 입력전류가 기본파성분값에 가깝도록 디미(Dymmy) 패스로 흐르는 전류값을 충분히 증가시켜 전류의 고조파성분을 억제시키므로 도 5(a)의 입력전류(Is)가 증가하면 점선부분의 전류값도 충분히 커지도록 스위칭소자(SW1)의 턴온시간을 제어하는 것이다.The basic data value of the switching element SW1 is to increase the amount of energy accumulated in the inductor L5 by increasing the turn-on time (conduction angle) of the switching element SW1 when the operating frequency of the compressor 162 increases. As the load current increases, the input current Is in FIG. 5 (a) increases because the current value flowing in the Dymmy path is sufficiently increased so that the input current is close to the fundamental wave component value. In this case, the turn-on time of the switching element SW1 is controlled to sufficiently increase the current value of the dotted line portion.
이어서, 스텝S2에서는 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원의 전압위상을 전압위상감지수단(130)에서 감지하여 전원주파수가 50Hz인가를 판별하여, 50Hz이면(YES일 경우) 스텝S3으로 나아가서 제어수단(140)은 실외조건 및 실내기의 지시에 따라 압축기(162)의 운전주파수를 결정한다음 상기 스텝S1에서 설정해 놓은 롬테이블로부터 그 운전주파수에 해당하는 스위칭소자(SW1)의 턴온시간을 결정한다.Subsequently, in step S2, the voltage phase detection means 130 detects the voltage phase of the AC input power input from the power input terminal 1, determines whether the power frequency is 50 Hz, and if it is 50 Hz (YES), proceeds to step S3. The control means 140 determines the operating frequency of the compressor 162 according to the outdoor conditions and the instructions of the indoor unit, and then determines the turn-on time of the switching element SW1 corresponding to the operating frequency from the ROM table set in step S1. .
상기 스텝S2에서의 판별결과, 50Hz가 아니면(NO일 경우) 기본 예로서 60Hz 전원이라고 판정하여 스텝S21로 나아가서 제어수단(140)은 상기 스텝S1에서 롬테이블상에 설정된 스위칭소자(SW1)의 기본데이터값에서 Dt1(예:0.1ms)만큼 즉, 전원주파수가 빨라진 만큼 스위칭소자(SW1)의 턴온시간을 단축시키면서 상기 스텝S3으로 나아간다.As a result of the discrimination in step S2, if it is not 50Hz (NO), it is determined that the power supply is 60Hz as a basic example, and the control means 140 proceeds to step S21. In step S3, the turn-on time of the switching element SW1 is shortened as much as Dt1 (e.g., 0.1 ms) in the data value, that is, as the power supply frequency is increased.
이어서, 스텝S4에서는 전원입력단(1)으로부터 입력되는 AC입력전원의 전원전압 크기를 전압감지수단(120)에서 감지하여 전원전압레벨이 저전압인가를 판별하여, 저전압이 아니면(NO일 경우) 스텝S5로 나아가서 상기 스텝S1에서 설정해 놓은 다수개의 롬테이블로부터 그 전원전압레벨에 해당하는 최적의 주파수대전압(F/V)을 결정한다.Subsequently, in step S4, the voltage sensing unit 120 senses the magnitude of the power supply voltage of the AC input power input from the power supply input terminal 1 to determine whether the power supply voltage level is a low voltage. Further, the optimum frequency band voltage (F / V) corresponding to the power supply voltage level is determined from the plurality of ROM tables set in step S1.
이는, 중국 지역과 같이 전원전압의 변동이 큰 지역에서는 압축기(162) 운전을 위해 정해진 하나의 주파수대전압(F/V) 테이블로는 저전압시(180V 이하 지역)의 저주파수 운전영역에서 압축기(162) 모터의 1차측 권선저항에 의해 발생되는 전압강하가 커 압축기(162)의 공극자속(V/F)이 저하하기 때문에 토오크가 저하되어 기동토오크가 부족한 경우가 발생한다.This is because one frequency band voltage (F / V) table defined for the operation of the compressor 162 in regions with large fluctuations in power supply voltage, such as China, is used in the low frequency operation region at low voltage (180 V or less). Since the voltage drop generated by the primary winding resistance of the motor is large and the air gap magnetic flux (V / F) of the compressor 162 is lowered, the torque is lowered and the starting torque is insufficient.
또한, 고전압시에는 비정상적으로 높은 선간전압의 인가에 의한 압축기(162) 모터의 자기포화에 따르는 여자전류의 증가로 인하여 역률, 효율의 저하가 발생되어 주파수대전압(F/V) 특성을 맞추기가 어렵기 때문에 사전계산에 의한 다수개의 주파수대전압(F/V) 데이터를 설정한 후, 전원전압레벨에 따라 효율이 저하되지 않는 최적의 F/V를 결정하여 압축기(162)의 공극자속(V/F)을 정격치로 유지시키는 것이다.In addition, during high voltage, power factor and efficiency are lowered due to an increase in the excitation current caused by the magnetic saturation of the motor of the compressor 162 due to the application of an abnormally high line voltage, making it difficult to match the frequency band voltage (F / V) characteristics. Therefore, after setting a plurality of frequency band voltage (F / V) data by precomputation, the optimum F / V which does not decrease the efficiency according to the power supply voltage level is determined and the air gap flux (V / F) of the compressor 162 is determined. ) Is maintained at the rated value.
상기 스텝S4에서의 판별결과, 전원전압레벨이 저전압이면(YES일 경우)에는 전압의 부족에 의해서 고회전수 영역에서 토오크가 부족하기 때문에 스텝S41로 나아가서 제어수단(140)은 압축기(162)의 최대 운전주파수를 기설정된 기본최대 운전주파수보다 낮게 설정하여 압축기(162)가 운전되도록 하므로 전운전 영역에서 안정된 운전을 유지한다.As a result of the discrimination in step S4, if the power supply voltage level is low (YES), the torque is insufficient in the high-speed range due to the lack of voltage, and the control means 140 proceeds to the step S41. Since the compressor 162 is operated by setting the operation frequency lower than the preset basic maximum operating frequency, stable operation is maintained in the entire operation region.
이어서, 스텝S6에서 인버터수단(160)은 상기 제어수단(140)으로부터 출력되는 인버터 구동신호에 따라 도시되지 않은 6개의 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시켜 컨버터수단(100)으로부터 출력되는 DC전원을 3상(u상, v상, w상) AC전원으로 변환시켜 압축기(162)를 회전시킨다.Subsequently, in step S6, the inverter means 160 alternately turns on or turns off six power transistors (not shown) according to the inverter driving signal output from the control means 140 to be output from the converter means 100. The compressor 162 is rotated by converting the DC power supply into a three-phase (u-phase, v-phase, w-phase) AC power source.
이와 동시에, 전압감지수단(120) 및 전압위상감지수단(130)에서는 입력전압의 위상(전원주파수) 및 입력전압값(F/V 데이터 변경)을 감지하여 입력전류의 위상을 전압의 위상에 가깝게 제어하고, 압축기(162)의 운전주파수(부하변화)에 따라 스위칭소자(SW1)의 턴온시간을 가변제어하여 전운전 영역제어의 역률을 0.95정도로 유지하면서 EN60555-2의 전류 고조파규정을 충분히 만족시키는 제어동작이 가능하게 된다.At the same time, the voltage sensing unit 120 and the voltage phase sensing unit 130 detect the phase (power frequency) and input voltage value (change of F / V data) of the input voltage to bring the phase of the input current closer to the phase of the voltage. The control device controls the turn-on time of the switching element SW1 according to the operating frequency (load change) of the compressor 162 to sufficiently satisfy the current harmonic regulation of EN60555-2 while maintaining the power factor of the pre-operation area control at about 0.95. The control operation becomes possible.
본 발명에 따른 역률개선장치를 공기조화기 세트에 장착하여 실험을 해본 결과, 종래의 수동방식에 비해 월등히 높은 역률을 나타내며 국제전기표준회의(IEC: International Electronical Commission)에서 규제(EN60555-2)하는 고조파 성분에 있어서도 만족할 수 있고, 종래의 능동방식과는 비슷한 역률을 나타내지만 낮은 운전주파수로 인해 신뢰성의 향상 및 EMI noise filter의 설계용이와 제어의 간단화가 가능하게 되어 인버터방식을 사용하는 모든 기기에서의 역률 및 고조파장치에 사용가능하다.As a result of experimenting by mounting the power factor improving device according to the present invention on an air conditioner set, it shows a significantly higher power factor than the conventional manual method and regulated by the International Electronical Commission (IEC) (EN60555-2). It can satisfy the harmonics, and has similar power factor to the conventional active method, but the low operation frequency improves the reliability, simplifying the design and control of the EMI noise filter, and makes it possible to use the inverter system in all devices. It can be used for power factor and harmonic devices.
상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 공기조화기의 역률개선장치에 의하면, 컨버터수단에 에너지 축적패스를 갖는 인덕터와 스위칭소자를 접속하고, 부하변화에 따라 스위칭소자의 턴온시간을 제어하여 공기조화기의 운전 역률을 향상시키고 전원고조파 성분을 억제하므로 고조파 전류를 제한하는 규격(EN60555-2)의 기준을 만족시킬 수 있다는 효과가 있다.According to the power factor improvement apparatus of the air conditioner according to the present invention as described above, the air conditioner is connected by connecting an inductor having an energy accumulation path to the converter means and a switching element, and controlling the turn-on time of the switching element according to the load change. By improving the operating power factor of the device and suppressing the power harmonic components, there is an effect that it can satisfy the standard of the standard (EN60555-2) that limits the harmonic current.
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