KR100236259B1 - 전력변환장치의 퓨우즈고장 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 전력변환장치에서 하드웨어적으로 구성되는 퓨우즈단선감지센서 및 퓨우즈고장 검출부의 기능을 마이콤을 이용하여 소프트웨어적으로 수행하도록 하여서, 보다 간소화된 전력변환장치의 퓨우즈고장 검출장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 의한 퓨우즈고장 검출장치는, 퓨우즈와 전력반도체소자 사이에서 전압을 추출하여 전압변성기를 통과시켜 감압시키고, 이 감압된 전압을 영전압검출부의 입력으로 하여 출력되는 3상의 구형파전압의 위상차를 비교하여 마이콤에 저장되는 프로그램에 의해 퓨우즈의 고장을 검출하는 구성이다.

Description

전력변환장치의 퓨우즈고장 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING FUSE BREAKDOWN OF POWER CONVERSION SYSTEM}

본 발명은, 교류전력을 직류전력으로 변환하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3상교류전원측과 3상교류전력을 직류전력으로 변환하는 변환기 사이에 장착되는 퓨우즈고장 검출장치에 관한 것이다.

3상교류전력을 임의의 주파수와 전압으로 변환하여 이용하기 위해서는 교류전력을 직류전력으로 변환하고 이를 다시 교류전력으로 변환하는 전력변환장치가 일반적으로 이용되고 있다.

이와 같은 전력변환장치에는 과도한 부하가 발생할 경우에 장비의 보호와 화재발생의 위험을 방지하기 위하여 3상교류전력과 이 전력을 직류전력으로 변환하는 장치(일반적으로 컨버터라 함) 사이에는 퓨우즈로 연결된다. 이 퓨우즈의 역할은, 교류전력과 전력변환장치 사이에 일정치 이상의 전류가 흐르게 되면, 퓨우즈가 단선되어 전력변환장치로 전력이 공급되지 못하게 하는 것이다. 이 퓨우즈가 단선되면, 전력변환장치는 운전을 중단해야 하지만, 퓨우즈의 일부가 단선되었는데 이를 감지하지 못하고 계속 운전할 경우 문제가 발생하므로, 퓨우즈의 고장을 검출해야 할 필요가 있다. 특히, 한 상의 퓨우즈만 단선되었을 경우는 반드시 검출되어야 만 전력변환장치의 오동작 및 고장을 방지할 수 있다.

종래에 일반적으로 사용되는 전력변환장치의 시스템 구성은 도 1과 같다. 전체적인 구성을 살펴보면, 3상교류전원(1)이 전원연결스위치(2)와 직렬로 접속되고 다시 퓨우즈(3)로 연결되며, 전기한 퓨우즈(3)를 통과한 전력은 컨버터제어용 리액터(6)를 통해 전력반도체소자로 구성되는 컨버터를 통과하면서 전력반도체소자의 스위칭에 의해 직류전력으로 변환된다. 또, 변환된 직류전력은 필터콘덴서, 및 전력반도체소자로 구성되는 인버터를 통과하여 다시 교류전력으로 변환된 후, 유도전동기(9) 등의 부하장치를 구동시키기 위한 부하구동용 리액터(8)를 통과하여 유도전동기(9)를 구동시킨다. 부호(10)는 유도전동기의 회전속도 등을 검출하여 그 정보를 인버터보드를 통해 인버터측으로 보내어 유도전동기(9)를 제어하도록 하는 회전인코더(rotary encoder)이다.

도 1에 있어서, 부호(4)는 퓨우즈(3)의 단선을 감지하여 전력변환장치의 운전을 중단시키기 위한 퓨우즈단선감지센서이고, 부호(5)는 3상교류전원과 컨버터 사이에 흐르는 전류를 감지하기 위한 전류감지센서이다. 또한, 부호(7)는 컨버터의 역률을 제어하는데 필수요소인 전원전압의 위상각을 검출하기 위하여 장착되는 전압변성기(potential transformer)이다. 이 전압변성기(7)의 출력전압은 도 2에 나타내는 바와 같이 상전압 영점검출기의 입력으로 되며, 비교기(12)는 상전압(11)이 0보다 크면 고레벨(high level : 이하, H레벨로 약기함)의 전압을, 0보다 작은 경우는 저레벨(low level : 이하, L레벨로 약기함)의 전압을 출력하여 부호(12)로 표시하는 바와 같은 구형파전압을 출력한다. 이 구형파전압은 상전압의 위상을 검출하는데 이용된다.

상술한 구성의 종래의 전력변환장치에 있어서는 과부하가 걸리거나 전력변환장치 자체의 문제점으로 과전류가 전력변환장치로 입력될 경우, 퓨우즈(3)가 단선되어 전력이 더 이상 전력변환장치로 공급되지 못하도록 동작하여서, 전력변환장치가 보호될 수 있다. 퓨우즈(3)가 단선되면 퓨우즈단에 부착된 퓨우즈단선감지센서(4)는 접점이 ON에서 OFF 또는 OFF에서 ON으로 되고, 이 접점의 변화를 퓨우즈고장검출부(15)에서 검출하여 그 결과를 전력변환장치의 마이콤(17)으로 전송하면 전기한 마이콤(17)이 이를 파악하여 전력변환장치의 운전을 중단시키고 퓨우즈고장을 나타낸다.

그러나, 상술한 종래의 전력변환장치에서는, 퓨우즈의 고장을 검출할 경우 퓨우즈의 단선을 감지하기 위한 퓨우즈단선감지센서(4)와, 이를 판독하기 위한 퓨우즈고장검출부(15)를 하드웨어적으로 구성하고 있어서 전력변환장치 전체의 제조경비를 상승시키는 요인이 되고 있으며, 또한 전기한 감지센서(4) 및 고장검출부(15)의 신뢰도에 따라 전력변환장치 전체의 신뢰도가 좌우되므로, 전력변환장치의 가동률 향상이라는 관점에서 전기한 감지센서(4) 및 고장검출부(15)에의 의존성이 지나치게 높다고 하는 문제점이 있다. 특히, 컨버터나 인버터를 구성하고 있는 전력반도체소자가 고속으로 스위칭하고 있으므로, 감지센서 및 고장검출부가 이 고속스위칭에 따른 고조파 노이즈의 영향을 받기 쉬워 오동작의 가능성이 매우 높다는 문제도 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 전력변환장치에서 하드웨어적으로 구성되는 퓨우즈단선감지센서 및 퓨우즈고장검출부의 기능을 마이콤을 이용하여 소프트웨어적으로 수행하도록 하여서, 보다 간소화된 전력변환장치의 퓨우즈고장 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 퓨우즈의 고장을 검출하기 위해 필요로 하였던 퓨우즈단선감지센서와 전기한 감지센서의 출력을 판독하는 퓨우즈고장검출부가 불필요하게 되므로, 전력변환장치의 구성을 간소화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조경비를 저감시킬 수 있다. 또한, 퓨우즈고장 검출의 신뢰성을 향상시켜 전체적으로 장치의 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.

도 1은, 종래의 일반적인 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면.

도 2는, 종래의 전력변환장치에 있어서 전원단 상전압의 영점을 검출하는 영점검출기의 구성도.

도 3은, 종래의 전력변환장치에 있어서 퓨우즈고장을 검출하는 장치의 구성도.

도 4는, 본 발명에 의한 퓨우즈고장을 검출하는 장치의 구성도.

도 5는, 본 발명에 의한 퓨우즈고장 검출의 개념도.

도 6은, 퓨우즈가 정상일 경우 영점검출부의 비교기 출력파형을 나타내는 파형도.

도 7은, T상의 퓨우즈가 단선된 경우 영점검출부의 비교기 출력파형을 나타내는 파형도.

도 8은, 2상 또는 3상의 퓨우즈가 단선된 경우 비교기 출력파형을 나타내는 파형도.

도 9는, 퓨우즈의 정상 또는 단선여부는 판단하는 구간을 나타내는 설명도.

도 10은, T상의 퓨우즈가 단선된 경우 그 고장을 검출하는 순서도.

도 11은, 2상 또는 3상의 퓨우즈가 단선된 경우 그 고장을 검출하는 순서도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

(1) ---------------------------- 3상교류전원,

(2) ------------------------- 전원연결스위치,

(3) --------------------------------- 퓨우즈,

(4) ----------------------퓨우즈단선감지센서,

(5) --------------------------- 전류감지센서,

(6) ---------------------- 전압제어용 리액터,

(7) ----------------------------- 전압변성기,

(8) ---------------------- 부하구동용 리액터,

(9) ----------------------------- 유도전동기,

(10) ---------------------------- 회전인코더,

(11) ----------------- 전압변성기의 출력전압,

(12) -------------------------------- 비교기,

(13) --------------------- 비교기의 출력파형.

이하, 본 발명에 대하여 도 4 내지 도 11을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 퓨우즈고장 검출장치에 사용되었던 퓨우즈단선감지센서(4)와 퓨우즈고장검출부(15)를 제거하고, 별도의 하드웨어적인 장치없이 전압변성기(7) 및 영전압검출부(16)를 이용하여 전력변환장치를 제어하는 마이콤(18)이 퓨우즈고장을 검출하도록 구성되어 있다. 즉, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 전압변성기(7)의 출력(11)이 비교기(12)를 통과하여 발생시키는 R, S, T 3상의 구형파전압(13)을 비교하여 각 상의 퓨우즈단선 여부를 판단하는 프로그램을 작성하여 이를 마이콤(18)에 기억시키고, 이 프로그램을 특정주기마다 수행하도록 한다. 그 순서도는 도 10과 도 11에 나타낸다.

도 10은 T상 퓨우즈의 고장을 검출하기 위한 순서도로서, 특정시간마다 1회씩 수행되는 무한반복루틴이다. 이 무한반복루틴은, 영전압검출부(16)의 출력을 읽어 들이는 단계(S101)와, R상의 영점검출이 예전 단계에서 L레벨에서 H레벨로 변화하여 유지되고 있는지를 판단하는 단계(S102)와, R상의 전압이 L레벨에서 H레벨로 변화되었는지를 판단하는 단계(S104)와, S상의 전압이 L레벨인지를 판단하는 단계(S109)와, R상이 H레벨이고 S상이 L레벨인 상태를 유지하면 이 시간을 카운트하는 단계(S110)와, 이와 같은 상태를 카운트한 값이 특정값의 대역이면 고장으로 판단하는 단계(S106, S107), 및 퓨우즈가 단선되지 않았을 경우 카운터를 리셋시키는 단계(S111)로 구성된다. 이와 같은 구성은 1상의 퓨우즈만이 단선된 경우를 검출할 수 있으므로, 2상 또는 3상의 퓨우즈가 단선된 경우를 검출하기 위해서는 도 11에 나타내는 순서의 프로그램이 마이콤(18)에 내장된다.

본 발명에서는 퓨우즈의 고장검출을 위해서 상술한 바와 같이 전압변성기(7)와 영전압검출부(16)가 사용된다. 이 전압변성기(7) 및 영전압검출부(16)는 전력변환장치의 퓨우즈(3)와 리액터(6) 사이에 설치되어 3상교류전압의 위상을 검출한다.

전원단의 3상교류전압은 120°의 위상차를 보유하며 그 크기가 380V 이상의 고전압이므로, 마이콤(18)이 감지할 수 있는 저전압(전압변성기(7)의 출력전압)으로 하기 위하여 전압변성기(7)가 사용된다. 3상 전압변성기(7)의 출력은 120°의 위상차를 갖는 3상 대칭의 전압으로서, 도 2 및 도 5와 같이 영전압검출부의 입력으로 된다. 영전압검출부(16)는 그 입력이 0보다 크면 H레벨을, 또한 0보다 작으면 L레벨을 출력하여 부호(13)로 표시하는 바와 같은 구형파전압을 출력한다. 이 구형파전압의 주파수는 전원단 전압의 주파수(50∼60㎐)와 일치하며, 3상의 구형파는 120°의 위상차를 갖는다.

상기한 바와 같은 수단에 의해 발생되는 구형파전압은 도 5와 같이 마이콤(18)에 소프트웨어적으로 구성되는 위상검출부(14)와 퓨우즈고장검출부(15)로 입력된다. 구형파전압은 퓨우즈가 단선되지 않은 정상인 경우, 도 6과 같이 3상 전압의 1주기(W)가 120°의 위상차를 갖는 전압을 출력하고, T상의 퓨우즈가 단선된 경우는 도 7과 같이 S상과 T상의 전압이 180°위상차를 갖는 파형을 출력한다. 따라서, 특정한 2상이 180°의 위상차를 갖게 되면, 다른 1상의 퓨우즈는 단선된 것으로 판단할 수 있다.

상기한 바와 같이 특정한 2상이 180°의 위상차를 갖게 되는 것을 이용하여 다른 1상의 퓨우즈가 단선된 것을 판단하는 프로그램의 순서도는 도 10과 같다. 도 10의 순서도는, T상의 퓨우즈가 단선된 경우, R상과 S상이 180°의 위상차를 갖는 것을 이용하여 퓨우즈의 고장검출이 수행되는 것을 나타낸다. 먼저, 영전압검출부(16)의 출력을 읽어 들이고(S101), R상의 영점검출이 예전 단계에서 L레벨에서 H레벨로 변화하여 유지되고 있는지를 판단한다(S102). 예전 단계에서 R상이 L레벨에서 H레벨로 변화하여 유지되어 왔다면, R상이 다시 L레벨로 되었는지를 판단하고(S103), 아니면 S상이 L레벨인지를 판단하여(S109) 그 시간을 카운트한다(S110). R상이 L레벨로 되었다면 현재까지 카운트한 시간(R카운트값)이 제1소정치와 제2소정치 범위내에 있는지를 판단하여(S106), 그 값이 제1소정치와 제2소정치 범위이내의 값이면 퓨우즈고장이라고 판단하여 고장을 검출하고(S107), 제1소정치와 제2소정치 사이의 값이 아니면 R카운터를 리셋한다(S111).

상기한 동작을 요약하며 설명하면, R상의 전압이 H레벨인 시간동안 S상의 전압이 L레벨로 유지되는 시간을 카운트하여 그 값이 소정치 범위내이면 T상의 퓨우즈가 단선된 것으로 판단한다. 이 경우, 제1 및 제2소정치를 적절한 값으로 설정하여 두면, 카운터 및 영전압검출부의 동작에 오차가 있더라도 충분히 퓨우즈의 고장을 검출할 수가 있다.

도 10의 순서도에서는 T상의 퓨우즈가 단선되었을 때를 예로서 나타내었지만, R상의 고장검출은 T상과 S상의 전압을 이용하고, 또한 S상의 고장검출은 R상과 T상의 전압을 이용하여 검출할 수 있다.

3상의 퓨우즈가 모두 단선되거나 2상의 퓨우즈가 단선된 경우는, 영전압검출부의 출력이 도 8에 도시하는 바와 같이 모두 H레벨로 유지되므로, 도 11에 도시하는 순서도에 의하여 이를 검출할 수 있다. 즉, 영전압검출부(16)를 출력을 읽어 들이고(S201), R, S, T상이 모두 H레벨인지를 판단하여서(S202), 모두 H레벨로 유지되는 경우 R, S, T카운터로 H레벨로 유지되는 시간을 카운트하여(S203) 그 카운트값이 소정치 이상이면(S205) 퓨우즈가 단선된 것으로 판단한다(S206).

그리고, 1상의 퓨우즈가 단선된 경우, 상술한 예에서는 다른 2상의 위상차가 180°인 것을 이용하여 퓨우즈의 단선을 검출하고 있지만, 도 9에 도시하는 바와 같이 퓨우즈가 정상일 경우 2상이 동시에 L레벨로 되는 구간(t)이 존재하지 않는 것을 검출하여 퓨우즈의 단선을 판단할 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 퓨우즈의 고장을 검출하기 위해 하드웨어적으로 구성하였던 종래의 퓨우즈단선감지센서와 이 감지센서의 출력을 판독하는 퓨우즈고장검출부를 소프트웨어적으로 구성할 수 있으므로, 전력변환장치를 간소화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조경비를 저감시킬 수 있을 뿐 아니라, 퓨우즈고장 검출의 신뢰성을 향상시켜 전체적으로 전력변환장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 3상교류전력을 직류전력으로 변환하는 전력변환장치에 있어서, 퓨우즈와 전력반도체소자 사이에서 전압을 추출하여 감압시키는 전압변성기와, 상기 전압변성기의 출력을 입력으로 하여 영전압을 검출하는 영전압 검출부와, 상기 영전압 검출부로부터 출력되는 3상구형파전압의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 상기 영전압 검출부의 출력과 상기 위상 검출부의 출력으로부터 퓨우즈의 고장을 검출하는 퓨우즈 고장 검출부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 퓨우즈 고장검출장치.
2. 제1항에 있어서, 상기한 3상구형파전압의 출력파형 중 1상과 다른 2상의 위상차가 180°인 경우 퓨우즈가 고장이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 퓨우즈 고장검출장치.
3. 제1항에 있어서, 상기한 3상구형파전압의 출력파형 중 2상이 소정시간 동안 동일 레벨에 있는 경우 퓨우즈가 고장이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 퓨우즈 고장검출장치.
4. 제1항에 있어서, 상기한 3상구형파전압의 출력파형 중 3상이 소정시간 동안 하이레벨에 있는 경우 퓨우즈가 고장이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 퓨우즈 고장검출장치.

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