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[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅰ①] 인버터 에어컨의 파워 일렉트로닉스 기술
2016년 6월 1일 (수) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2016년 6월호 - 전체 보기 )

[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅰ①]
인버터 에어컨의 파워 일렉트로닉스 기술


일본 국내 룸에어컨의 세대 보급률은 90%를 넘어 가정 내 소비전력량의 1/4을 차지하고 있다. 한편, 세계의 룸에어컨 수요는 아시아·중남미를 중심으로 한 신흥국에서의 성장이 두드러진다. 이에 따라 지구온난화 방지 차원에서 ‘룸에어컨의 소비전력 절감’이 중대한 과제가 되고 있어 세계 각국에서 다양한 에너지 절약 규제들이 실시되고 있다. 소비전력 절감을 위해서는 에어컨 가운데 가장 많은 전력을 소비하는 압축기의 입력전력을 절감하는 것이 효과적이며, 그것을 구동하는 인버터의 고효율화가 중요한 과제가 된다. 이와 더불어 세계 각국에서 전원 고조파 억제에 대한 요구가 점차 높아지고 있어 인버터의 전원 고조파 전류를 억제하는 기술도 크게 진화하고 있다. 본고에서는 에어컨의 구성과 에너지절약 운전 시스템를 살펴본 후, 압축기 구동용 인버터의 △파워 디바이스 △회로구성 △전원고조파억제기술을 소개한다.
정리 편집부

에어컨 구성과 히트펌프 사이클
[그림 2]에 룸에어컨 실외기의 내부 구조를 나타냈다. 실외기에는 팬·압축기를 구동하는 영구자석 모터와 팽창밸브를 구동하는 스테핑 모터, 실내기에는 팬을 구동하는 영구자석 모터와 풍향조정을 위한 스테핑 모터가 사용된다.
[그림 3]에서 열역학의 p-h 선도상에 실내기 및 실외기를 배치하여 냉방 시의 히트펌프 사이클을 모식적으로 나타냈다. 히트펌프 사이클의 일련의 과정은

· 압축 행정 【①→②】: 외부로부터의 동력 p에 의해 압축기를 동작시킨다. 저온저압의 냉매가스가 압축되어 고온고압의 냉매가스가 된다.
· 응축 행정 【②→③】: Qc의 열을 응축기에 의해 냉매에서 실외의 고온분위기로 방열한다. 냉매의 온도가 내려가 고온고압의 가스에서 중온고압의 액체 상태로 변화한다.
· 팽창 행정 【③→④】: 팽창밸브에서 감압되어 저온저압의 액체·가스(2상의 상태)로 변화한다.
· 증발 행정 【④→①】: Qe의 열을 증발기에 의해 실내로부터 흡열한다. 액냉매는 증발하여 저온저압의 가스로 돌아간다.

이 일련의 과정에 의해 열을 저온에서 고온으로 이동시킨다. 이때 △압축기 모터의 회전수 제어에 의한 냉매유량제어 △팽창밸브 개도(開度, opening)를 스테핑 모터로 조정하는 냉매압력제어 △팬모터 회전수 제어에 의한 풍량제어와 함께 실내 온도를 일정하게 유지시킨다.

[그림 3]의 압축일이 히트펌프 사이클에 대한 입력전력 P1로, 실내기의 흡열량이 냉방 시의 열일 Qe1이 된다. 이때 히트펌프의 Coefficient of Performance(COP: 성적계수)는 (1)의 식으로 나타낸다.

여기에서 여름철 냉방 시 에어컨의 설정온도를 26℃에서 28℃로 변경한 경우의 COP 향상을 [그림 3]의 모식도를 이용하여 설명한다. 설정온도를 28℃로 변경하면 히트펌프 사이클은 [그림 3]의 점선 상태로 변화한다. 실내기의 온도가 상승함으로써 증발 행정(④→①)의 압력이 올라가고, 실내기의 흡열량(Qe2)이 증가함과 동시에 압축일 P₂는 감소한다. 그 결과, 입력전력이 감소해도 흡열량이 증가하기 때문에 COP는 향상되고, 입력전력 절감 이상의 절전효과를 낳게 된다.

그러나 실내기의 온도가 올라가면 에어컨 바람의 온도가 상승하여 이용자가 무더운 느낌을 받을 수 있다. 그리하여 팬모터의 회전수를 변화시켜 바람의 풍량에 요동을 갖게 하는, 풍향 조정을 위한 스테핑 모터를 제어함으로써 사람이 있는 곳에 집중적으로 바람을 보내어 체감온도를 낮추는 등 절전과 쾌적성의 양립을 도모하고 있다.
한편, 에어컨의 연간 에너지 소비효율을 나타내는 지표로 Annual Performance Factor(APF)가 사용된다. 냉난방 각각의 정격운전효율뿐만 아니라, 운전시간이 긴 중간부하 조건에서의 효율을 고려하기 위해 출현시간에 따른 가중치 평가를 실시한다. 연중 내내 절전효과를 발휘하기 위해서는 이 APF 값을 높여야 한다. 여기에는 운전시간이 긴 중간부하 시의 압축기 구동용 모터와 인버터의 효율 향상이 필수적이다.

에어컨의 파워 일렉트로닉스 기술
최신 스위칭 소자
에어컨에 사용되는 반도체 소자 가운데 압축기 모터를 구동하는 Pulse Width Modulation(PWM) 인버터의 파워 디바이스부의 손실이 가장 크다. 일반적인 인버터 에어컨에서는 IGBT 모듈을 사용하고 있는데 최근에 새로운 파워 디바이스가 채용되기 시작했다.
APF 향상에 유효한 경부하시의 손실저감에 착안하여 유니폴러 소자 Super Junction MOSFET을 이용한 예를 [그림 4]에 나타냈다. 리커버리(Recovery) 손실을 줄이기 위한 역전류 주입회로를 채용하여 경부하시의 손실을 저감하고 있다. 또한, 차세대 파워 디바이스로 자리매김할 SiC 다이오드의 상품 탑재가 시작됐다. 스위칭 손실의 저감을 목적으로 인버터부의 환류 다이오드에 SiC 다이오드를 이용하여 상품화가 이루어지고 있다.


역률개선과 전원고조파 억제 기술

룸에어컨에서는 한정된 브레이커 용량 안에서 최대한의 능력을 발휘시키기 위해 고입력 역률에 대한 요구가 높다. 또 냉난방 능력을 높이기 위해서는 압축기의 고속회전이 필요하기 때문에 매입자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor: IPMSM)의 유기전압 상승을 억제하는 약화자속제어(flux weaken ing control)의 채용 및 인버터 입력전압의 승압이 요구된다. 따라서 전원 역률을 개선하기 위한 Power Factor Correction(PEC) 및 승압기능을 가진 Pulse Amplitude Modulation(PAM) 컨버터가 사용된다.
인버터 에어컨의 컨버터 회로로서 [그림 5](a)와 같이 역률 개선을 위해 초기단계에서 입력부에 대용량 리액터를 설치한 전파정류회로가 채용되고 있다. [그림 5](b)는 입력 역률의 향상과 효율 저하의 극소화를 양립하기 위한 회로이다. PFC 기능으로서 부분 스위칭 방식을 채용, 상용전원의 반주기(半週期) 내에 1~수회의 스위칭으로 역률 개선을 도모하고 있다. 또 [그림 5](C)의 승압 초퍼 방식은 승압기능과 함께 전원 고조파를 가장 저감할 수 있는 방식으로서 널리 이용되고 있다.


전원고조파 억제 기술
[그림 5](a)의 회로에서는 전원고조파 규격 IEC61000- 3-2에 대응할 수 없기 때문에 유럽 및 중국에서 발매하는 인버터 에어컨은 고조파 대책을 위해 PFC 회로가 추가되어 비용이 높아지게 된다. 한편, 소득 수준이 낮은 신흥국에서 인버터 에어컨의 보급이 활성화되려면 비용절감(저코스트화)이 필수이다.
이를 해결하기 위해 [그림 5](a)의 리액터와 전해콘덴서를 없애고 IPMSM의 약화자속제어를 활용함으로써 저코스트화와 전원고조파 규제 대응을 양립시키는 전해콘덴서리스 인버터가 2000년도에 나가오카 기술과학대학의 다카하시 교수에 의해 제안되었다. 그 후 아시아의 신흥국에서 IEC 61000-3-2에 적합한 제품으로서 전해콘덴서리스 인버터가 2011년도에 발매되었다. 이 제품에서는 [그림 6]에 보이는 바와 같이 스위칭 리플을 흡수하는 목적으로 6mH의 리액터와 20㎌의 필름 콘덴서가 사용되고 있다.
전해콘덴서리스 인버터 제어의 기본적인 개념은 전원에서의 입력전력과 모터로의 출력전력이 동등해지도록 모터의 토크를 순시에 제어하는 것이다. 이에 따라 인버터의 에너지 저장 부품이 필요 없게 된다. 또, 전원의 입력전류를 정현파로 하려면 모터로의 출력전력을 전원의 2배 주파수로 맥동시키면 되고, 회로부품의 추가 없이 불필요한 전원고조파를 억제할 수 있다. [그림 7]에 에어컨 최대출력 시의 입력전류 파형과 DC링크 전압 파형을 나타냈다. 입력전류는 IEC 61000-3-2에 적합하다. 또 DC링크 전압이 100V 이하로 내려가도 모터토크를 제어해야 하기 때문에 약화자속제어가 가능한 IPMSM과의 조합이 필수적이다.
 

 

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