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[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅱ ①] 히트펌프 급탕기의 파워 일렉트로닉스 기술
2016년 7월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2016년 7월호 - 전체 보기 )

[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅱ ①]
히트펌프 급탕기의 파워 일렉트로닉스 기술


2001년도에 가정용으로 상품화되기 시작한 자연냉매(CO₂) 히트펌프 급탕기는 시장에서의 보급이 확대됨에 따라 에너지 절약성 및 상품으로서의 부가가치가 커지고 있다. 기기의 에너지 절약화를 실현하기 위해서는 가정부문에서 소비되는 에너지의 약 30%가 급탕용이므로 에너지 절약 기기를 이 분야에 도입하면 큰 효과를 기대할 수 있다. 본고에서는 에너지 절약 성능을 향상시키는 급탕기의 파워 일렉트로닉스 기술(압축기 모터 구동제어, 컨버터 제어)과 급탕기의 동작원리에 대해 소개한다.
 
정리 편집부
히트펌프 급탕기 시스템
제품외관
제품의 외관사진을 [그림 1]에 나타냈다. 제품은 히트펌프 유닛과 저탕(貯湯, hot-water storage) 유닛으로 구성된다.


동작원리

히트펌프 급탕기 시스템([그림 2] 참조)은 히트펌프 유닛과 저탕 유닛으로 구성되며 주로 저렴한 심야전력을 이용해 온수를 생산·이용하는 시스템이다. 히트펌프 유닛은 △압축기 △공기열교환기 △수열교환기 △팽창밸브로 구성되며, 열을 운반하는 매체(냉매)로 이산화탄소(CO₂)가 충진되어 있다. ①~④의 히트펌프 사이클을 통해 만들어진 온수는 저탕탱크에 저장되고 물과 혼합하여 알맞은 온도로 공급된다.

[히트펌프 사이클의 기본동작(①~④)]
① 외기의 열을 공기열교환기에 포획하고, 포획된 열은 자연냉매인 CO₂를 냉매로 하여 시스템 내에 순환시킨다.
② 자연냉매(CO₂)는 압축기에서 압축되어 고온이 된다. CO₂를 냉매로 사용하기 때문에 높은 온도(약 90℃)까지 끓어 올릴 수 있다.
③ 고온이 된 자연냉매(CO₂)는 수열교환기로 운반되어 저탕탱크의 물을 데운다.
④ 물을 다 데운 자연냉매(CO₂)는 팽창밸브로 운반되어 저온에서 외기열을 포획하기 쉬운 상태가 되고 다시 공기열교환기로 순환된다.

시스템 효율
시스템 효율은 히트펌프 유닛과 저탕 유닛의 효율로 결정되며, 히트펌프 유닛의 주된 효율개선에는 열교환기의 전열성능, 압축기(기계, 모터), 인버터의 구동 개선 등이 있다. 저탕 유닛의 효율개선에는 저탕탱크, 배관 방열 손실 저감(하드웨어적인 면), 심야시간대에서의 저탕량 결정 제어(소프트웨어적인 면) 등이 있다.

에너지 절약성 향상 기술
압축기 구동 인버터 시스템

급탕기에 채용되고 있는 파워 일렉트로닉스 기술(압축기 모터 제어, 인버터 구동, 컨버터 제어)은 에어컨, 세탁기, 냉장고 등의 백물가전(白物家電, White goods)에서 구축된 기술을 채용하고 있다.

● 압축기 모터 구동제어 기술
(1) 영구자석 동기모터
압축기 모터는 로터 내부에 자석을 매립한 구조의 매립형 자석 동기 모터(Interior Permanent Magnet Synch ronous Motor: IPMSM)를 채용하고 있다. IPMSM은 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 매립형태에 따른 자기저항의 차이에 의한 릴럭턴스 토크를 적절하게 제어해 전류를 최소화할 수 있어 고효율 제어에 적합하다.

(2) 위치 센서리스(Sensorless) 제어
영구자석 동기모터의 제어에는 로터 회전 위치에 따라 통전 위상을 제어할 필요가 있는데 압축기 내부가 고온, 고압, 냉매가스 분위기라는 특수한 환경으로 이루어졌기 때문에 압축기 내에 자극(磁極) 위치 센서를 장착하기가 쉽지 않다. 따라서 압축기 구동모터의 제어는 위치 센서리스 제어방식이 필수적이다.
위치 센서리스 제어방식에 대해 설명한다. 이 제어는 제어축(γ-δ 좌표축) 위에서 자속을 일정하게 제어하는 방식으로, 전류제어 및 속도제어기를 갖지 않는 구성을 취하고 있다. 이 제어방식은 연산부하가 작고, 과변조 PWM(Pulse Width Modulation)을 용이하게 실현할 수 있다는 특징이 있다.

(3) 과변조 PWM 제어
[그림 3]을 통해 과변조 PWM 구동에 대해 설명한다. 과변조 PWM 제어는 인버터의 전압지령을 직류전압에 의해 결정되는 최대전압치보다 높게 설정하고, PWM 신호를 부분적으로 100% duty화함으로써 정현파 PWM 제어에 비해 출력전압의 기본파 성분을 최대 10% 증가시킬 수 있다. 또 전압의 제어범위를 확대함으로싸 모터전류를 저전류화하고, 과변조 시에 스위칭 횟수도 억제되어 모터와 인버터 구동의 종합효율을 개선할 수 있다.([그림 4] 참조)

(4) 스무스 웨이브(Smooth Wave) 제어
밀폐형 압축기의 부하토크는 기계적 구조로부터 회전각도에 따라 부하토크가 주기적으로 맥동하는 맥동부하토크이기 때문에 모터에 흐르는 전류는 부하토크의 크기에 동기되어 맥동하고, 맥동에 의한 전류피크가 증가함에 따라 손실이 발생된다. 일본의 미쓰비시㈜에서는 압축기 부하토크의 맥동에 관계없이 압축기용 브러시리스 DC모터에 흐르는 전류피크를 일정하게 하는 스무스 웨이브 제어를 도입함으로써 손실을 개선시켰다.([그림 5] 참조)

● 컨버터 기술
컨버터는 교류 AC를 정류하여 직류 DC로 변환한다. 급탕기에 채용되고 있는 컨버터 방식은 전원 역률 개선, 전원 고조파 전류 억제를 간단한 회로구성으로 실현할 수 있고 노이즈 발생이 작은 ‘부분 스위칭 방식’을 채용하고 있다.

(1) 부분 스위칭 방식
부분 스위칭 방식을 [그림 6]에, 교류 스위치 회로를 전원 반주기(半週期)에 1회 동작시켰을 때의 전류파형을 [그림 7]에 나타냈다. 동작은 전원전압의 제로 크로스점을 검출하고, 거기에서 교류 스위칭 회로를 일정시간 ON시켜 리액터에 강제적으로 전류를 흘린다. 이렇게 함으로써 입력전류의 통전각을 넓혀 역률을 개선하고 고조파 전류를 억제하는 방식이다.

(2) 복수회(複數回) 스위칭
1회 스위칭에서의 리액터가 차지하는 손실비율은 크며, 그 손실은 리액터의 인덕턴스 값에 기인한다. 따라서 리액터의 손실을 저감시키기 위해서는 인덕턴스 값을 낮출 필요가 있다. 그래서 이 방식은 스위칭 횟수를 전원 반주기에 복수회(2회) 동작시킴으로써 인덕턴스 값을 낮추고 손실을 개선할 수 있으므로 보다 에너지 절약성을 추구한 기종에 채용되고 있다.([그림 8] 참조)


급탕제어기술
학습 비등(沸騰) 제어
과거의 온수 사용현황으로부터 파악한 1일 온수 사용량(집중탕량)을 학습하여 온수의 사용현황에 맞춘 스마트 비등 제어(추가 비등)를 통해 각 가정의 급탕 패턴에 따라 온수 부족을 방지한 고효율의 비등 운전을 실현하고 있다. 제어의 개요를 [그림 9]에 나타냈다.


고효율화를 향한 미래 기술
인버터, 컨버터 구동 디바이스에 와이드 밴드갭 반도체를 적용하는 기술이 있다. 와이드 밴드갭 반도체란 탄화규소(SiC: 실리콘 카바이드) 및 질화갈륨(GaN: 갈륨 나이트라이드) 등의 재료로 구성된 반도체이며, 절연내력이 우수하고, 반도체 소자의 박형화가 가능해 포화손실 및 스위칭 손실을 대폭적으로 저감할 수 있는 소재이다. 최근 이 SiC 다이오드를 채용한 에어컨이 등장하고 있다. 이 에어컨에서는 압축기를 구동하는 인버터의 파워 반도체 IPM(Intelligent Power Module: 지능형 전력 모듈)에 SiC 다이오드를 채용하여 스위칭 손실을 대폭적으로 저감하고 있다.
앞으로는 Si 디바이스의 대체가 아닌, 이 와이드 밴드갭 반도체의 특징을 최대한으로 이끌어내는 압축기 구동 인버터 시스템(모터 제어, 인버터 구동, 컨버터 제어)의 개발이 중요하다고 하겠다.

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태그 : 전기제품 첨단 파워 일렉트로닉스 기술 히트펌프 급탕기
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