[논문]인버터 에어컨 시스템의 역률보상을 위한 AC-DC 컨버터 제어

박귀근; 최재원

doi:10.5302/j.icros.2007.13.2.154

인버터 에어컨 시스템의 역률보상을 위한 AC-DC 컨버터 제어
AC-DC Converter Control for Power Factor Correction of Inverter Air Conditioner System 원문보기

제어·자동화·시스템공학 논문지 = Journal of control, automation and systems engineering, v.13 no.2, 2007년, pp.154 - 162

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In this paper, we propose a new AC-DC converter control method to comply with harmonics regulation(IEC 61000-3) effective for the inverter system of an air conditioner whose power consumption is less than 2,500W. There are many different ways of AC-DC converter control, but this paper focuses on the converter control method that is adopting an input reactor with low cost silicon steel core to strengthen cost competitiveness of the manufacturer. The proposed control method controls input current every half cycle of the line frequency to get unit power factor and at the same time to reduce switching loss of devices and acoustic noise from reactor. This kind of converter is known as a Partial Switching Converter(PSC). In this study, theoretical analysis of the PSC has been performed using Matlab/Simulink while a 16-bit micro-processor based converter has been used to perform the experimental analysis. In the theoretical analysis, electrical circuit models and equations of the PSC are derived and simulated. In the experiments, micro-processor controls input current to keep the power factor above 0.95 by reducing the phase difference between input voltage and current and at the same time to maintain a reference DC-link voltage against voltage drop which depends on DC-link load. Therefore it becomes possible to comply with harmonic regulations while the power factor is maximized by optimizing the time of current flow through the input reactor for every half cycle of line frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단상 전원을 이용하는 인버터 시스템에서 AC-DC 컨버터의 새로운 개념의 신뢰성 있는 컨버터를 설계하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 성능을 검증하였다. 특히 컨버터부를 반도체 메이커와 공동연구를 통하여 새로운 개념으로 컨버터부를 모듈화하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있도록 개발하였다.
실내기에서는 실내기의 풍량, 센서, 풍향, Display, Remote Signal을 제어하기 위한 마이크로프로세서와 함께 실내기 제어기가 구성되고 실외기에서는 능력 가변을 위한 컴프레서(BLDC 모터), 열교환 능력을 가변하기위한 실외 Fan모터(BLDC 모터), 역률 보정 및 DC Link 전압을 제어하기 위한 컨버터부 및 이를 한꺼번에 제어하기위한 u-Processor로 구성된 실외기제어기로 구성된다. 본 논문에서는 실외기 제어시스템 중 컨버터 부분만 언급하도록한다. 특히 컴프레서의 모터가 Induction Motor(IM), Synchronous Reluctance Motor(SynRM), BLDCM 등이 적용되는데 이 중 에너지 효율이 가장 높은 BLDC 모터 적용이 점차 증가하고 있다.
소비전력이 작은 경우, 즉 운전전류가 작은 경우에는 Td 시간이 길어져야 하고, 운전전류가 큰 경우는 반대로 작아지는 방향으로 제어가 되어야만 최적의 역률을 얻을 수 있게 된다. 본 논문에서는 운전 전류에 따른 Regression을 유추하여 제어기능을 수행하였다
본 논문의 AC-DC 컨버터 부분은 인버터 에어컨의 설계된 제어기의 일부이며, 이 제품에 최적화 되도록 설계하였고, 최적화된 컨버터의 성능을 확인할 수 있다. 인버터 제어시스템은 컨버터부와 인버터부로 구성되는데 그 중 가장가격 경쟁력을 갖춘 컨버터부의 역률 및 DC-Link전압을 안정화 하는 제어 방법에 대해서 다음과 같은 순서로 검증하고자 한다.
구성된다. 여기서 Shunt 저항은 IGBT의 Ic(Collector Current)의 피크전류를 감지하여 IGBT가 소손되는 것을 방지하기 위해서 설계되었다.

제안 방법

3) 저가의 규소강판의 reactor 최적화 방법을 제시하였다.
4) DC Link 전압을 입력 전압에 따른 정전압이 될 수 있도록 제어할 수 있는 제어개념을 제시하였다-
5) Harmonic current 규제를 통과할 수 있는 최소의 power 您ctor를 제시하였다.
그림 19는 PSC모듈의 DC 피크전류 감지가 정확하게 되는지를 검증한 결과그래프이다. OC(Over Current) 신호(feult signal)가 발생되는약 0.44V로 실제 IGBT의 collect 전류가 17.6A가 감지되어안전장치가 작동되어 부품의 파손을 미연에 방지하도록 하였다. 또한 방열이 안 되는 조건 (실외 fan blocking)으로 Tc=134도에서 안정적으로 동작되는 것을 검증하였다.
각 전원주파수의 Zero Cross Point를 감지하여 위, 상의 시작점을 판단해야 하며, 스위치를 구동시키기 위하여 Zero Cross Point에서 시간지연을 제어하는 Toff 타이머와스위치가 on하는 Ton 타이머를 두어 제어한다. Ton시간은실제로 리액터에 강제로 스위칭 하여 전류를 흐르게 하며, 이 전류 변화분 (//)의 크기에 따라 실제 부스트하는 전압이 결정된다.
알 수 있다. 그리고 스위치를 동작하지 않을 때와 동작할 때를 연결하여 약 350msec동안 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 14와 같이 각 시간에서 역률(P.
먼저, 본 논문의 연구배경이 되는 에어컨의 더 나은 성능 확보를 위한 대표적인 제어시스템에 대해 간략히 기술한다
민생기기인 인버터 에어컨은 IEC 61000-3-2 규약에 따르면 Class A에 해당되며, 본 논문에서는 16A 이하의 제품에서의 고조파전류 제한에 대해서 분석하여 규제를 통과할수 있는 역률을 다음과 같이 분석하였다.
본 논문에서 적용되는 PSC 모듈은 반도체 제작사와 같이 공동개발 되었으며, 실제 이와 같은 모듈 형태로 상용화를 하였다. 실제 시험검증은 아래와 같은 조건으로 실시되었다.
결정되는 중요한 요소이다. 본 논문에서는 Td, Ton과 컨버터 시스템간의 상호 관계를 시뮬레이션을 통하여 확인한후 시스템을 설계하였다.
제어기의 입력 수단으로 전원 전압의 Zero Crossing Point 를 감지하는 회로 평활 캐패시터의 DC-Link 전압을 분압 시켜 환산하여 현재의 DC-Link 전압을 감지하는 회5, 그리고 에어컨 시스템의 전체 부하 전류를 판단하는 전류 감지 회로 입력전압을 감지하는 회로로 구성하였으며, 출력수단으로 최종 내부 제어알고리듬에서 결정된 IGBT의 스위칭 시간을 결정하여 최종 PWM 신호를 출력한다.
검증하였다. 특히 컨버터부를 반도체 메이커와 공동연구를 통하여 새로운 개념으로 컨버터부를 모듈화하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있도록 개발하였다.
한편, 소비전력이 2, 500W 이상의 제품에서는 본 논문에서 제시한 부분 스위칭 방식 (PSC 방식)으로는 고조파 전류규제 통과에 난점이 있다. 또한 지나치게 규소강판 core size가 커져 무게, 발열의 문제와 더불어 가격 경쟁력에서취약한 면이 있어 한계가 있다.

성능/효과

2) 고조파전류 규제와 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 최적의 경쟁력을 갖는 power factor correction controller를 실현하였다.
6) 실제 harmonics 규제를 통과할 수 있도록 95% 이상의 power factor를 실현하였다.
6A가 감지되어안전장치가 작동되어 부품의 파손을 미연에 방지하도록 하였다. 또한 방열이 안 되는 조건 (실외 fan blocking)으로 Tc=134도에서 안정적으로 동작되는 것을 검증하였다.

후속연구

또한 지나치게 규소강판 core size가 커져 무게, 발열의 문제와 더불어 가격 경쟁력에서취약한 면이 있어 한계가 있다. 따라서 향후 연구과제로 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 고속 스위칭 (20KHz ~40KHz) 방식인 PFC 방법 중의 하나인 Boost 방식의 PFC 방식기반 제어시스템의 개발하고자 한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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