KR100668104B1 - Compensator for 3-phase PWM rectifiers under switching device's fault - Google Patents
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Abstract
d-q 괘적 비교 방식을 이용하여 특정 스위칭 소자의 고장을 판단한 후, 일반적인 스위칭 벡터 방식에서 탈피하여 삼상 PWM 정류기를 단상 PWM 정류기로 전환하여 동작시킬 수 있도록 하는 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치가 개시되어 있다. 제1 비교기는 PWM 정류기로부터의 출력 직류-링크 전압을 직류-링크 전압 지령값과 비교하여 비교 결과 신호를 출력한다. 비례 적분 제어부는 상기 제 1 비교기로부터의 비교 결과 신호를 비례 적분 제어하여 입력 전류의 최대값을 얻는다. 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부는 상기 비례 적분 제어부로부터의 상기 입력 전류의 최대값과 제1, 제2, 및 제3 입력 전압의 위상과 각각 동기화시켜 제1 상, 제 2 상, 및 제 3 상의 전류 지령값을 얻는다. 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기는 상기 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부로부터의 상기 제1 상, 제 2 상, 및 제 3 상의 전류 지령값을 실제의 제1, 제2, 및 제3 상 입력 전류와 각각 비교한다. PWM 제어부는 상기 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기의 출력들을 기초로 하여 상기 스위칭 소자의 고장 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 다수의 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 출력한다.An operation compensation device in case of a switch failure of a three-phase PWM rectifier, which determines a failure of a specific switching device by using a dq square comparison method, switches from a general switching vector method, and operates the three-phase PWM rectifier to a single-phase PWM rectifier. It is. The first comparator compares the output DC-link voltage from the PWM rectifier with the DC-link voltage command value and outputs a comparison result signal. The proportional integral controller controls the comparison result signal from the first comparator to proportionally integrate to obtain a maximum value of the input current. The first, second, and third current command value acquisition units synchronize the maximum value of the input current from the proportional integration controller with the phases of the first, second, and third input voltages, respectively, so as to synchronize the first phase and the second phase. The current command values of the phase and the third phase are obtained. The second, third, and fourth comparators compare the first, second, and third phase current command values from the first, second, and third current command value acquisition units with actual first, second, and third phases. Compare with the second and third phase input currents, respectively. The PWM controller determines whether the switching device has failed based on the outputs of the second, third, and fourth comparators, and controls the on / off of the plurality of switching devices according to the determination result. Outputs
정류기, 스위칭 소자Rectifiers, Switching Elements
Description
도 1은 삼상 PWM AC-DC 정류기의 구성을 회로도이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a three-phase PWM AC-DC rectifier.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치이다.2 is an operation compensation device when a switch failure of the three-phase PWM rectifier according to an embodiment of the present invention.
도 3은 PWM 정류기의 정상 운전 상태의 특성을 나타낸 도면이다.3 is a view showing the characteristics of the normal operating state of the PWM rectifier.
도 4는 PWM 정류기의 정상 운전 상태의 입력 전류의 d-q 괘적을 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating d-q rule of an input current in a normal operation state of a PWM rectifier.
도 5는 PWM 정류기의 임의 스위칭 소자에 고장이 발생한 경우의 PWM 정류기의 특성을 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing the characteristics of the PWM rectifier when a failure occurs in any switching element of the PWM rectifier.
도 6은 PWM 정류기 A상 상단 스위칭 소자 S1에 고장이 발생한 경우의 d-q 괘적을 나타낸 도면이다.Fig. 6 is a diagram showing d-q paths when a failure occurs in the upper switching element S1 of the PWM rectifier A phase.
도 7은 PWM 정류기 A상 하단 스위칭 소자 S4에 고장이 발생한 경우의 d-q 괘적을 나타낸 도면이다.Fig. 7 is a diagram showing d-q paths when a failure occurs in the PWM rectifier A phase lower switching element S4.
도 8은 PWM 정류기 B상 상단 스위칭 소자 S3에 고장이 발생한 경우의 d-q 괘적을 나타낸 도면이다.Fig. 8 is a diagram showing d-q paths when a failure occurs in the PWM rectifier B phase upper switching element S3.
도 9는 PWM 정류기 B상 하단 스위칭 소자 S6에 고장이 발생한 경우의 d-q 괘적을 나타낸 도면이다.9 is a diagram showing d-q rule when a failure occurs in the B-phase lower switching device S6 of the PWM rectifier.
도 10은 PWM 정류기 C상 상단 스위칭 소자 S5에 고장이 발생한 경우의 d-q 괘적을 나타낸 도면이다.Fig. 10 is a diagram showing d-q paths when a failure occurs in the PWM rectifier phase C upper switching element S5.
도 11은 PWM 정류기 C상 하단 스위칭 소자 S2에 고장이 발생한 경우의 d-q 괘적을 나타낸 도면이다.Fig. 11 is a diagram showing d-q paths when a failure occurs in the PWM rectifier C phase lower switching element S2.
도 12는 삼상 PWM 정류기의 A상 상단 스위칭 소자에 고장이 발생한 경우 단상 PWM 정류기로 전환하는 방식을 나타낸 도면이다.12 is a diagram illustrating a method of switching to a single-phase PWM rectifier when a failure occurs in the A-phase upper switching device of the three-phase PWM rectifier.
도 13은 삼상 PWM 정류기가 단상 PWM 정류기로 운전 모드가 전환된 후의 상태를 나타낸 회로도이다. Fig. 13 is a circuit diagram showing a state after the three-phase PWM rectifier is switched to a single phase PWM rectifier.
도 14는 삼상 PWM 정류기 운전 모드의 제어 방식을 나타낸 도면이다.14 is a diagram illustrating a control method of a three-phase PWM rectifier operating mode.
도 15는 단상 PWM 정류기 운전 모드의 제어 방식을 나타낸 도면이다.15 is a diagram illustrating a control method of a single-phase PWM rectifier operating mode.
도 16은 본 발명에 따른 운전 보상 방법을 적용한 후의 DC-링크 전압을 나타낸 도면이다.16 is a diagram illustrating a DC-link voltage after applying the driving compensation method according to the present invention.
도 17은 본 발명에 따른 운전 보상 방법을 적용한 후의 입력 전압 및 전류를나타낸 도면이다.17 illustrates an input voltage and a current after applying a driving compensation method according to the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of Signs for Main Parts of Drawings>
202: 제1 비교기 204: 비례 적분 제어부202: first comparator 204: proportional integral control unit
206: 제1 전류 지령값 획득부 208: 제2 전류 지령값 획득부206: First current command value acquisition unit 208: Second current command value acquisition unit
210: 제3 전류 지령값 획득부 212: 제 2 비교기210: third current command value acquisition unit 212: second comparator
214: 제 3 비교기 216: PWM 제어부 214: third comparator 216: PWM control unit
218: 곱셈기 220: 고장 발생 회로부218: multiplier 220: fault generating circuit
본 발명은 PWM 정류기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 삼상 PWM AC-DC 정류기의 전력용 반도체 스위칭 소자가 운전 중에 고장을 발생시킬 경우에 이를 감지하여 정류기를 정상적으로 동작시킬 수 있는 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a PWM rectifier, and more particularly, a switch of a three-phase PWM rectifier capable of operating the rectifier normally by detecting when a power semiconductor switching element of the three-phase PWM AC-DC rectifier fails during operation. It relates to a driving compensation device in case of failure.
도 1은 삼상 PWM AC-DC 정류기의 구성을 회로도이다. 일반적으로, 삼상 PWM AC-DC 정류기는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력 삼상 전압 Va, Vb, 및 Vc, 6-스위치 브리지 회로(S1∼S6), 및 DC-링크 평활 커패시터(Vd)로 구성된다. 이와 같은 삼상 PWM AC-DC 정류기는 산업 분야에서 도금용, 통신용, 전기로, 전철 구동 장치, 고전압 직류 전송(High Voltage DC Transmission, HVDC), FACT (Flexible AC Transmission) 등 산업 공정에 핵심 기기로서 사용되고 있으며, 매우 큰 시장 규모를 차지하고 있다. 또한, PWM 정류기는 주로 산업기기의 동력 부분을 제어하는 부분에 연관되어 있는 관계로 짧은 기간의 운전 정지가 전체 제품 생산의 막대한 손실을 초래하며, 특히 병원과 같은 장소에 설치되어 있는 장치의 경우, 운전 정지는 인간의 생명에 직결되는 큰 문제를 야기하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 여분의 장치를 별도로 설치하는 방법을 사용하지만, 장치의 가격이 매우 고가이므로, 이 또한 경제적 부담이 큰 실정이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a three-phase PWM AC-DC rectifier. In general, a three-phase PWM AC-DC rectifier consists of input three-phase voltages Va, Vb, and Vc, six-switch bridge circuits (S1 to S6), and a DC-link smoothing capacitor (Vd), as shown in FIG. do. These three-phase PWM AC-DC rectifiers are used in industrial applications as key devices in industrial processes such as plating, telecommunications, electric furnaces, train drives, high voltage DC transmission (HVDC), and flexible AC transmission (FACT). It occupies a very large market. In addition, the PWM rectifier is mainly related to the control part of the power part of the industrial equipment, so a short period of shutdown will cause a huge loss of the entire product production, especially in the case of a device installed in a place such as a hospital, Shutdowns cause big problems that are directly linked to human life. Therefore, in order to prevent this, a method of separately installing a spare device is used, but since the price of the device is very expensive, this situation is also a large economic burden.
따라서, 상기한 PWM 정류기의 운전 신뢰도를 높이는 방법이 가장 중요하다. PWM 정류기의 고장 원인 중에서 가장 빈번한 원인은 반도체로 구성된 전력용 반도체 스위칭 소자의 고장이다. 전력용 반도체 스위칭 소자는 반도체로 구성되어 있기 때문에, 아주 짧은 시간 동안의 비정상적인 동작으로 인하여 그 수명에 결정적인 영향을 받는 민감한 소자이다. PWM 정류기의 동작 중 이를 구성하는 6개 스위칭 소자 중에서 임의의 소자에서 고장이 발생할 경우, 현재로는 PWM 정류기를 정지시키고, 작업자가 일일이 6개의 스위칭 소자를 점검하여 고장난 스위칭 소자를 대체하고 있다. 이러한 경우, 점검을 위한 인력 확보가 어렵고, 특성상 부품이 많아 이를 효율적으로 점검하기가 매우 난해하다. 또, 작업 시간을 피해서 점검을 해야 하므로, 점검 시간이 짧고, 많은 수고를 필요로 한다. 더욱이, 상기한 바와 같이, PWM 정류기를 정시시킨다는 것은 제품 생산 및 인간 생명 등에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 적합한 방법이라 할 수 없다. 이와 같이, PWM 정류기에 대한 운전 신뢰도를 증가시키는 방법의 결핍은 PWM 정류기의 안전 확보에 문제를 야기하는 것 뿐만 아니라, 장치의 경제적 비활용성에도 심각한 문제를 야기한다.Therefore, the method of increasing the operation reliability of the PWM rectifier is the most important. The most frequent cause of the failure of the PWM rectifier is the failure of a power semiconductor switching element composed of semiconductors. Since the power semiconductor switching device is composed of a semiconductor, it is a sensitive device that is decisively influenced by its lifetime due to abnormal operation for a very short time. If any of the six switching elements constituting the PWM rectifier fails during operation, the current PWM rectifier is stopped and the operator checks the six switching elements one by one to replace the failed switching element. In such a case, it is difficult to secure manpower for inspection, and it is very difficult to check it efficiently due to the large number of parts. In addition, the inspection time must be avoided, so the inspection time is short, and much labor is required. Moreover, as described above, specifying the PWM rectifier is not a suitable method because it directly affects product production and human life. As such, the lack of a method of increasing operating reliability for the PWM rectifier not only causes a problem in ensuring the safety of the PWM rectifier, but also causes a serious problem in the economic inefficiency of the device.
이처럼 PWM 정류기의 운전 신뢰도를 증가시키는 방법의 확립은 단순히 장치의 안전한 동작을 확보해 준다는 의미 뿐만아니라 더 나아가서는 PWM 정류기가 장착되어 있는 전체 시스템의 안정성을 높여 주며, 고가의 장비들이 활용성을 증가시켜, 경제적 부가 가치를 높이는 중요한 의미를 갖는다.This establishment of a method to increase the operation reliability of the PWM rectifier not only means safe operation of the device, but also increases the stability of the entire system equipped with the PWM rectifier, and increases the availability of expensive equipment. In other words, the economic added value is important.
일반적으로, 6개의 스위칭 소자를 통해서는 2³= 8 가지의 PWM 스위칭 벡터를 발생할 수 있다. 8가지 스위칭 벡터는 (0,0,0), (0,0,1), (0,1,0), (0,1,1),In general, six switching elements can generate 2³ = 8 PWM switching vectors. The eight switching vectors are (0,0,0), (0,0,1), (0,1,0), (0,1,1),
(1,0,0), (1,0,1), (1,1,0), 및 (1,1,1)이다. 하나의 스위칭 벡터는 세 숫자로 구성되어 있고, 각각 A상, B상, 및 C상의 스위칭 소자의 상태를 나타낸다. 즉, '0'은 상단 스위칭 소자가 오프, 하단 스위칭 소자가 온되어 있는 상태를, '1'은 상단 스위칭 소자가 온, 하단 스위칭 소자가 오프되어 있는 상태를 나타낸 것이다. 이 중에서 어느 한 스위칭 소자가 고장이 나서 동작이 안되면, 일반적인 스위칭 벡터를 구성할 수 없게 되어 PWM 정류기를 더 이상 동작시킬 수 없게 된다. 이러한 이유로 지금 까지는 스위칭 소자가 고장날 경우, PWM 정류기의 동작을 즉시 중단하고 고장난 스위칭 소자를 찾아 대체하는 방식을 사용하고 있다. (1,0,0), (1,0,1), (1,1,0), and (1,1,1). One switching vector consists of three numbers, and represents the state of switching elements of A phase, B phase, and C phase, respectively. That is, '0' represents a state in which the upper switching element is off and the lower switching element is on, and '1' represents a state in which the upper switching element is on and the lower switching element is off. If any one of these switching elements fails and fails to operate, the general switching vector cannot be constructed and the PWM rectifier can no longer be operated. For this reason, until now, when a switching device fails, the current method is to immediately stop the operation of the PWM rectifier and find and replace the failed switching device.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 일차적으로 일반적인 d-q 괘적 비교 방식을 이용하여 특정 스위칭 소자의 고장을 판단한 후, 일반적인 스위칭 벡터 방식에서 탈피하여 삼상 PWM 정류기를 단상 PWM 정류기로 전환하여 동작시킬 수 있도록 하는 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and after determining the failure of a specific switching device by using a general dq square comparison method, the three-phase PWM rectifier is separated from the general switching vector method. It is an object of the present invention to provide an operation compensation device in the case of a switch failure of a three-phase PWM rectifier that can be operated by switching to a single-phase PWM rectifier.
본 발명은 다수의 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 스위칭 소자를 구비하여 주 회로가 구성되고 상기 주 회로의 삼상 입력 전압을 원하는 크기의 직류 전압 형태로 변환하고 전류의 위상을 동기화하여 입력 역률을 개선하는 제어기를 포함하 는 삼상 PWM 정류기로부터의 출력 직류-링크 전압을 직류-링크 전압 지령값과 비교하여 비교 결과 신호를 출력하는 제1 비교기;The present invention includes a power semiconductor switching device having a plurality of switching elements, the main circuit is configured to convert the three-phase input voltage of the main circuit into a DC voltage of the desired size and to synchronize the phase of the current to improve the input power factor A first comparator for outputting a comparison result signal by comparing the output DC-link voltage from the three-phase PWM rectifier including a controller with a DC-link voltage command value;
상기 제 1 비교기로부터의 비교 결과 신호를 비례 적분 제어하여 입력 전류의 최대값을 얻는 비례 적분 제어부;A proportional integral controller configured to proportionally integrate a comparison result signal from the first comparator to obtain a maximum value of an input current;
상기 비례 적분 제어부로부터의 상기 입력 전류의 최대값과 제1, 제2, 및 제3 입력 전압의 위상과 각각 동기화시켜 제1 상, 제 2 상, 및 제 3 상의 전류 지령값을 얻는 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부;A first, second, and third phase current command value synchronized with the maximum value of the input current from the proportional integration controller and the phases of the first, second, and third input voltages, respectively; A second and third current command value acquisition unit;
상기 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부로부터의 상기 제1 상, 제 2 상, 및 제 3 상의 전류 지령값을 실제의 제1, 제2, 및 제3 상 입력 전류와 각각 비교하는 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기; 및 The first, second, and third phase current command values from the first, second, and third current command value acquisition units are respectively compared with the actual first, second, and third phase input currents. Comparing second, third, and fourth comparators; And
상기 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기의 출력들을 기초로 하여 상기 스위칭 소자의 고장 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 다수의 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 출력하는 PWM 제어부를 포함하는 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치를 제공한다.Determining whether the switching device has failed based on the outputs of the second, third, and fourth comparators, and outputting a pulse width modulated signal for controlling on / off of the plurality of switching devices according to a determination result. Provided is an operation compensation device in case of a switch failure of a three-phase PWM rectifier including a PWM control unit.
바람직하게는, 상기 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기는 각각 가산기이다.더욱 바람직하게는, 상기 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부는 각각 곱셈기이다. 가장 바람직하게는, 상기 곱셈기는 고장이 발생한 스위칭 소자와 동일 상의 다른 스위칭 소자를 강제로 오프시켜 상기 고장이 발생한 스위칭 소자를 상기 PWM 정류기로부터 전기적으로 분리시키고, 상기 전기적 분리에 의해 상기 삼상 PWM 정류기는 단상 PWM 정류기로 변형 동작시킨다. Preferably, the first, second, third, and fourth comparators are adders, respectively. More preferably, the first, second, and third current command value acquisition units are respectively multipliers. Most preferably, the multiplier forcibly turns off another switching element of the same phase as the faulty switching element to electrically disconnect the faulty switching element from the PWM rectifier, and wherein the three phase PWM rectifier It is transformed into a single phase PWM rectifier.
실시예에 의하면, d-q 괘적을 통하여 상기 제 1 상, 제 2 상, 및 제 3 상 스위칭 소자의 고장을 판단한다. 또한, 정상 동작하는 스위칭 소자와 고장이 발생한 스위칭 소자는 상이한 입력 전류의 d-q 괘적을 출력한다. 더욱이, 상기 전력용 반도체 스위칭 소자는 SCR, BJT, MOSFET, IGBT, GTO, 또는 IGCT이다. 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치는 고장 발생 신호를 발생하는 고장 발생 회로 및 상기 PWM 제어부로부터의 상기 펄스 폭 변조 신호와 상기 고장 발생 회로로부터의 상기 고장 발생 제어 신호를 곱셈하는 곱셈기를 더 포함한다.
According to the embodiment, the failure of the first phase, the second phase, and the third phase switching element is determined through the dq rule. In addition, the normally operating switching element and the failed switching element output dq paths of different input currents. Moreover, the power semiconductor switching element is SCR, BJT, MOSFET, IGBT, GTO, or IGCT. The operation compensator for a switch failure of a three-phase PWM rectifier further includes a fault generating circuit for generating a fault generating signal and a multiplier for multiplying the pulse width modulation signal from the PWM control unit with the fault generating control signal from the fault generating circuit. do.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 삼상 PWM AC-DC 정류기의 구성을 회로도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치이다. 도 3은 PWM 정류기의 정상 운전 상태의 특성을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, PWM 정류기는 입력 삼상 전압 Va, Vb, 및 Vc, 6-스위치 브리지 회로(S1∼S6), 및 DC-링크 평활 커패시터(Vd)를 포함한다. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a three-phase PWM AC-DC rectifier. 2 is an operation compensation device when a switch failure of the three-phase PWM rectifier according to an embodiment of the present invention. 3 is a view showing the characteristics of the normal operating state of the PWM rectifier. As shown in Fig. 1, the PWM rectifier includes input three-phase voltages Va, Vb, and Vc, six-switch bridge circuits S1-S6, and a DC-link smoothing capacitor Vd.
본 발명의 실시예에 따른 삼상 PWM 정류기의 스위치 고장시 운전 보상 장치는 제1 비교기(202), 비례 적분 제어부(204), 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부(206, 208, 및 210), 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기(212, 214, 및 216), PWM 제어부(218), 곱셈기(220), 및 고장 발생 회로(222)를 포함한다.An operation compensating apparatus for a switch failure of a three-phase PWM rectifier according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
제1 비교기(202)는 다수의 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 스위칭 소자를 구비하여 주 회로가 구성되고 상기 주 회로의 삼상 입력 전압을 원하는 크기의 직류 전압 형태로 변환하고 전류의 위상을 동기화하여 입력 역률을 개선하는 제어기를 포함하는 삼상 PWM 정류기(200)로부터의 출력 직류-링크 전압을 직류-링크 전압 지령값과 비교하여 비교 결과 신호를 출력한다.The
비례 적분 제어부(204)는 상기 제1 비교기(202)로부터의 비교 결과 신호를 비례 적분 제어하여 입력 전류의 최대값을 얻는다The proportional
제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부(206, 208, 및 210)는 상기 비례 적분 제어부(204)로부터의 상기 입력 전류의 최대값과 제1, 제2, 및 제3 입력 전압의 위상과 각각 동기화시켜 제1 상, 제 2 상, 및 제 3 상의 전류 지령값을 얻는다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부(206, 208, 및 210)는 각각 곱셈기인 것이 바람직하다.The first, second, and third current command
제 2, 제 3, 및 제 4 비교기(212, 214, 및 216)는 상기 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부(206, 208, 및 210)로부터의 상기 제1 상, 제 2 상, 및 제 3 상의 전류 지령값을 실제의 제1, 제2, 및 제3 상 입력 전류와 각각 비교한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기는 각각 가산기인 것이 바람직하다.Second, third, and
PWM 제어부(218)는 상기 제 2, 제 3, 및 제 4 비교기(212, 214, 및 216)의 출력들을 기초로 하여 상기 스위칭 소자의 고장 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 다수의 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 출력한다. 고장 발생 회로(222)는 고장 발생 신호를 발생한다. 곱셈기(220)는 상기 PWM 제어부로부터의 상기 펄스 폭 변조 신호와 상기 고장 발생 회로로부터의 상기 고장 발생 제어 신호를 곱셈한다.The
상기 곱셈기(220)는 고장이 발생한 스위칭 소자와 동일 상의 다른 스위칭 소자를 강제로 오프시켜 상기 고장이 발생한 스위칭 소자를 상기 PWM 정류기(200)로부터 전기적으로 분리시키고, 상기 전기적 분리에 의해 상기 삼상 PWM 정류기는 단상 PWM 정류기로 변형 동작시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, d-q 괘적을 통하여 상기 제 1 상, 제 2 상, 및 제 3 상 스위칭 소자의 고장을 판단한다.The
더욱 바람직하게는, 정상 동작하는 스위칭 소자와 고장이 발생한 스위칭 소자는 상이한 입력 전류의 d-q 괘적을 출력한다. 상기 전력용 반도체 스위칭 소자는 SCR, BJT, MOSFET, IGBT, GTO, 또는 IGCT일 수 있다. More preferably, the normally operating switching element and the failed switching element output d-q paths of different input currents. The power semiconductor switching element may be SCR, BJT, MOSFET, IGBT, GTO, or IGCT.
도 2를 참조하면, 원하는 크기의 DC-링크 전압을 얻고 입력 역률을 제어하기위하여는 DC-링크 전압 Vd를 검출하여 비교기(202)에 의해 DC-링크 전압 지령값 Vd_ref와 비교한 후, 비례 적분(Proportional Integration, 이하 PI라 함) 제어기(204)를 통하여 입력 전류의 최대값 Is_peak를 얻는다. 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부(206, 208, 및 210)는 입력 전류의 최대값 Is_peak에 입력 전압들의 위상들 sinwt, sin(wt-120), 및 sin(wt-240)을 각각 동기화를 시켜 각 상의 전류 지령값 Is_a_ref, Is_b_ref, 및 Is_c_ref를 획득한다. Referring to FIG. 2, in order to obtain a DC-link voltage having a desired magnitude and to control an input power factor, the DC-link voltage Vd is detected and compared by the
제 2, 제 3, 및 제 4 비교기(212, 214, 및 216)는 실제의 삼상 입력 전류 Ia, Ib, Ic를 상기 제1, 제2, 및 제3 전류 지령값 획득부(206, 208, 및 210)로부터 의 상기 전류 지령값 Is_a_ref, Is_b_ref, 및 Is_c_ref를 비교한다. 그 후, PWM 제어부(218)를 통하여 각 6개 스위치를 동작시키는 PWM 신호를 생성한다. PWM 정류기의 동작 중 임의의 스위칭 소자에 고장을 발생시키기 위한 고장 발생 회로(222)로부터 신호를 발생하여 동작 중 임의 스위칭 소자에 고장을 발생시킨다.The second, third, and
도 3은 PWM 정류기의 정상 운전 상태의 특성을 나타낸 도면으로, 최상단부터 DC-링크 전압, A상 전압/전류, B상 전압/전류, 및 C상 전압/전류 파형이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, PWM 정류기가 정상적으로 동작하는 경우에는 DC-링크 전압이 지령값에 일정한 값으로 제어되고, 입력 전압과 전류가 동상으로 제어됨 알 수 있다. 또한 이때의 입력 전류의 d-q 괘적을 살펴 보면, 도 4와 같이 거의 원형으로 나타난다.3 is a view showing the characteristics of the normal operating state of the PWM rectifier, the DC-link voltage, the A-phase voltage / current, the B-phase voltage / current, and the C-phase voltage / current waveform is shown from the top. As shown in FIG. 3, when the PWM rectifier operates normally, the DC-link voltage is controlled to a constant value and the input voltage and current are controlled in phase. In addition, looking at the d-q rule of the input current at this time, as shown in Figure 4 almost circular.
도 5는 PWM 정류기의 임의 스위칭 소자에 고장이 발생한 경우의 PWM 정류기의 특성을 나타낸 도면이다. 도 3과 비교해 보면, DC-링크 전압이 일정하게 제어가 되지 않고, 심한 왜곡이 발생하는 것을 알 수 있으며, 또한 입력 전류에 오프-셋이 발생하고, 파형이 왜곡되어서 결과적으로 입력 역률이 악화됨을 알 수 있다. 이는 앞에서 설명한 스위칭 벡터가 올바로 생성되지 못한 것에 기인한다.5 is a diagram showing the characteristics of the PWM rectifier when a failure occurs in any switching element of the PWM rectifier. Compared with FIG. 3, it can be seen that the DC-link voltage is not constantly controlled and severe distortion occurs. In addition, off-set occurs in the input current, and the waveform is distorted, resulting in deterioration of the input power factor. Able to know. This is due to the switching vector described above not being generated correctly.
PWM 정류기를 구성하는 6개의 스위칭 소자에 각각 고장이 발생할 경우의 d-q 괘적을 조사하여 정리한 것이 도 6 내지 도 11이다. A 상 상단 스위치(S1)의 고장은 도 6, A 상 하단 스위치(S4)의 고장은 도 7, B 상 상단 스위치(S3)의 고장은 도 8, B 상 하단 스위치(S6)의 고장은 도 9, C 상 상단 스위치(S5)의 고장은 도 10, 및 C 상 하단 스위치(S2)의 고장은 도 11에 각각 도시되어 있다. 도면들에서 알 수 있는 바와 같이, 각 스위칭 소자의 고장에 따른 d-q 괘적은 뚜렷한 변화를 나타내며, 이로 부터 PWM 정류기 동작 중 어는 스위칭 소자에 문제가 발생하였는 지를 판단할 수 있다.6 to 11 show the arrangement of the six switching elements constituting the PWM rectifier. The failure of phase A upper switch S1 is shown in FIG. 6, the failure of phase A lower switch S4 is shown in FIG. 7, the failure of phase B upper switch S3 is shown in FIG. 8, and the failure of phase B lower switch S6 is shown in FIG. 9, the failure of phase C upper switch S5 is shown in FIG. 10, and the failure of phase C lower switch S2 is shown in FIG. As can be seen in the drawings, the d-q rule according to the failure of each switching device shows a distinct change, from which it can be determined whether a problem occurs in the switching device during the PWM rectifier operation.
도 12부터는 본 발명에 따른 운전 보상 방법에 대한 설명이다. 도 12는 삼상 PWM 정류기의 A상 상단 스위칭 소자(S1)에 고장이 발생한 경우 단상 PWM 정류기로 전환하는 방식을 나타낸 도면이다. A상 상단 스위칭 소자(S1)에 고장이 발생할 경우, A상의 다른 스위칭 소자(S4)를 강제를 오프시켜서 고장이 발생한 A상을 PWM 정류기로부터 전기적으로 분리한다. 이와 같이 전기적으로 분리를 수행하면, 삼상 PWM 정류기(200)는 도 13과 같이 단상 PWM 정류기로 회로를 변형하여 사용할 수 있게 된다. 이렇게 단상 정류기로 변환하게 되면, 고장이 발생하지 않은 나머지 2개의 상, 여기서는 B 상 및 C 상의 전압이 하나로 합쳐지게 되고, B 상 및 C 상에 삽입된 인덕터 또한 하나로 합쳐지게 되어 삼상 정류기의 경우 보다 2 배 큰 값, 2L의 입력 인덕턴스를 갖게 된다. 도 13에 도시된 회로와 같이 변환을 한 후에는 고장난 스위칭 소자(S1)와 그 소자와 같은 상에 있던 스위칭 소자(S4)를 제외한 나머지 4개의 스위칭 소자로 새로이 스위칭 벡터를 구성하여 PWM 정류기를 제어하게 된다. 이렇게 새로이 형성된 스위칭 벡터는 2²= 4개로 (0,0), (0,1), (1,0),(1,1)과 같다.12 is a description of a driving compensation method according to the present invention. 12 is a diagram illustrating a method of switching to a single-phase PWM rectifier when a failure occurs in the A-phase upper switching device S1 of the three-phase PWM rectifier. When a failure occurs in the A phase upper switching element S1, the other switching element S4 of the A phase is forcibly turned off to electrically disconnect the A phase in which the failure occurs from the PWM rectifier. When the electrical separation is performed in this way, the three-
PWM 정류기에 사용된 제어기에는 삼상 운전 모드 프로그램 및 단상 운전 모드 프로그램이 동시에 포함되어 있어 입력 전류로부터 스위칭 소자의 고장이라는 판단을 내린 후, 즉시 약 1초 내에 운전 모드로 전환하게 된다. 도 14는 삼상 PWM 정류기 운전 모드의 제어 방식을 나타낸 도면이다. 도 15는 단상 PWM 정류기 운전 모드의 제어 방식을 나타낸 도면이다.The controller used in the PWM rectifier includes a three-phase operation mode program and a single-phase operation mode program at the same time. After determining that the switching device has failed from the input current, the controller immediately switches to the operation mode within about one second. 14 is a diagram illustrating a control method of a three-phase PWM rectifier operating mode. 15 is a diagram illustrating a control method of a single-phase PWM rectifier operating mode.
이와 같이, 본 발명에 따른 운전 보상 장치를 적용한 경우의 PWM 정류기 동작 특성이 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 도 5의 결과와 비교하여 살펴 보면, 고장이 발생한 후, 도 5에서는 DC-링크 전압과 입력 전류에 심한 왜곡이 발생하였지만, 운전보상 방법을 적용한 후에는 DC-링크 전압과 입력 전류 모두 제어가 잘 되고 있음을 확인할 수 있다. 삼상 운전 모드 보다 단상 운전 모드일 경우의 파형에 좀 더 많은 리플 성분이 나타나는 것은 스위칭 벡터가 8개에서 4개로 줄었기 때문이다. 이를 통하여 삼상 PWM 정류기가 스위칭 소자에 고장이 발생하였을 경우, 운전 중 정지를 시키지 않고도 어느 스위칭 소자에 문제가 발생하였는 지를 판단한 후, 고장이 발생한 스위칭 소자와 동일상의 다른 스위칭 소자를 강제로 오프시켜 상기 고장이 발생한 스위칭 소자를 상기 PWM 정류기로부터 분리시키고, 상기 전기적인 분리에 의해 삼상 PWM 정류기가 단상 PWM 정류기로 전환되면서 지속적으로 동작시킬 수 있음을 확인할 수 있다.As such, the PWM rectifier operating characteristics when the driving compensation apparatus according to the present invention is applied are illustrated in FIGS. 16 and 17. In comparison with the results of FIG. 5, after the failure, in FIG. 5, the severe distortion occurs in the DC-link voltage and the input current, but after the operation compensation method is applied, both the DC-link voltage and the input current are well controlled. It can be confirmed. The more ripple component appears in the waveforms in the single-phase operation mode than in the three-phase operation mode, because the switching vectors are reduced from eight to four. Through this, when the three-phase PWM rectifier has a failure in the switching device, it is determined which switching device has a problem without stopping during operation, and then forcibly turns off another switching device of the same phase as the failed switching device. It can be seen that the faulty switching element is separated from the PWM rectifier and the three-phase PWM rectifier is converted to a single phase PWM rectifier and continuously operated by the electrical separation.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.Although the present invention has been described as a specific preferred embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention is not limited to the above-described embodiments without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Anyone with a variety of variations will be possible.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, PWM 정류기(200)의 정상 동작 중 삼상 입력 전류를 계속 검출하여 이를 d-q 변환식을 통하여 변환한 후, d-q 괘적을 통하여 스위칭 소자들의 상태를 지속적으로 모니터링한다. 스위칭 소자에 문제가 발생할 경우, d-q 괘적은 6개의 스위칭 소자에 따라 모두 다른 괘적을 그리게 되어 어는 스위칭 소자에 문제가 발생하였는 지를 알 수 있게 된다. d-q 괘적을 이용하는 방법은 널리 공지된 기술이므로, 상세 설명은 생략한다. d-q 괘적을 통하여 PWM 정류기의 고장 상태를 감지한 후, 고장이 발생하지 않은 나머지 스위칭 소자들만으로 정상적인 동작, 즉 DC-링크 전압 제어 및 입력 역률 제어를 수행할 수 있다. 즉, 본 발명은 PWM 정류기의 부품 들 중에서 수명 및 운전 특성을 결정하는 주요 부품인 전력용 반도체 스위칭 소자가 동작 중에 고장을 일으킬 경우, 정류기의 동작을 중단시키지 않고 정상적으로 동작할 수 있는 운전 보상 방법에 의하여 PWM 정류기의 안전한 동작을 보장하며, 고가 장치의 충분한 활용을 극대화시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, after the three-phase input current is continuously detected during the normal operation of the
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