KR100956488B1 - 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서 스위칭부가 부하로 공급하는 전류를 복수의 전류 검출소자로 검출하고, 검출한 전류를 정지좌표계의 2상 직류전류로 변환하여 지락의 발생여부를 판단하며, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터를 정지시키는 것으로서 지락의 발생여부를 정확하게 검출한다.
인버터, 지락, 정지좌표계, 회전좌표계, 여자전류, 전류검출,

Description

인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for protecting ground fault in inverter}
본 발명은 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 인버터가 부하로 출력하는 3상 전류를 검출하고, 그 검출한 3상 전류의 정보를 이용하여 지락의 발생 여부를 정확하게 판별하는 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인버터는 모터 적용분야 및 각종 전기기기 분야 등을 비롯하여 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 상기 인버터는 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 스위칭 소자가 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 상기 변환한 직류전압을 스위칭시켜 교류전압을 생성하며, 생성한 교류전압을 부하로 출력하여 구동시키는 것으로서 사용자가 원하는 전압 및 주파수의 교류전압을 부하로 공급하여 부하의 구동을 정밀하게 제어할 수 있다.
상기 스위칭 소자로는 통상적으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 를 많이 사용하고 있다.
이러한 인버터에 있어서, 부하로 교류전압을 출력하는 출력단에 지락이 발생할 경우에 인버터는 부하에 따른 출력전류뿐만 아니라 지락에 의한 전류가 함께 출력된다. 상기 지락 전류는 지락의 상태에 따라 결정되는 것으로서 지락전류의 크기가 인버터에서 사용하고 있는 스위칭 소자의 정격 전류보다 클 경우에 지락전류를 제한할 필요가 있다.
또한 지락전류가 스위칭 소자의 정격 전류보다 크지 않더라도 부하에서 요구되는 출력전류 이외의 전류가 지속적으로 흐르게 되면, 스위칭 소자가 손상(damage) 받게 되고, 최악의 경우에는 스위칭 소자의 파손을 야기시킬 수 있다.
그러므로 인버터는 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락의 발생이 판단될 경우에 인버터를 정지시켜 지락으로 인한 스위칭 소자의 파손을 미연에 방지할 수 있도록 하고 있다.
인버터가 부하로 3상 전력을 출력한다고 가정할 경우에 수학식 1과 같이 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합은 0(3상 평형)이 된다.
Iu + Iv + Iw = 0
그리고 지락이 발생하였을 경우에는 3상 평형이 이루어지지 않아 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합은 0이 되지 않는다.
그러므로 종래에는 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw를 검출하고, 검출한 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합을 계산하며, 계산한 전류의 합이 소정의 레벨 이상으로 소 정의 시간 이상 지속될 경우에 지락으로 판단하여 인버터를 정지시키고, 스위칭 소자가 지락으로 인하여 파손되지 않도록 하고 있다.
인버터에서 전류 검출의 정확도는 각 상의 전류를 검출하는 전류 검출소자의 정확도 및 옵셋(off set)과, 전류 검출소자가 검출한 전류를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기의 분해능, 전류 검출소자가 검출한 전류를 처리하는 아날로그 회로의 정확도, 검출시간의 지연 등에 의해 결정되는 것으로서 종래의 지락 검출은 검출한 전류의 정확도에 의해 그 성능이 좌우된다.
종래의 지락 검출은 전류 검출소자로 각 상의 전류를 검출하고, 검출한 전류를 디지털 신호로 변환한 후 각 상의 전류의 합을 계산하며, 검출한 각 상의 전류의 합이 소정의 레벨 이상으로 소정의 시간 이상 지속될 경우에 지락으로 판단하고 있다.
그러나 전류 검출소자로 검출한 각 상의 전류에 옵셋을 포함하고 있다면, 실제로 지락이 발생하지 않았음에도 불구하고 각 상의 전류의 합이 0으로 되지 않고, 옵셋의 값이 지락이라고 판단하는 레벨 이상일 경우에 지락이라고 잘못 판단하여 인버터의 운전을 정지시키게 된다.
상기 지락이 아닌 상황에서 인버터를 정지시키는 것은 인버터로 구동되는 시스템의 오동작을 유발시켜 전체 시스템에 악영향을 미치게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서 인버터가 부하로 출력하는 전류를 검출하고, 그 검출한 전류를 이용하여 지락의 발생여부를 정확하게 판단하는 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법에 따르면, 인버터가 부하로 출력하는 3상 전류를 전류 검출소자로 검출하고, 이를 아날로그/디지털 변환기가 디지털 신호로 변환한다.
상기 디지털 신호로 변환한 검출전류를 정지좌표계의 2상 교류전류로 변환하고, 그 정지좌표계의 2상 교류전류를 회전좌표계의 2상 직류전류로 변환한다,.
상기 변환한 회전좌표계의 2상 직류전류에서 하나의 전류는 여자전류에 해당되는 것으로서 그 여자전류에 해당되는 전류의 리플 크기를 이용하여 지락의 발생 여부를 판단한다.
그러므로 본 발명의 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치는, 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류기와, 상기 정류기의 출력전압을 스위칭시켜 부하로 교류전압을 출력하는 스위칭부와, 상기 스위칭부가 상기 부하로 공급하는 전류를 검출하는 복수의 전류 검출소자와, 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 복수의 전류 검출소자가 검출한 전류를 정지좌표계의 2상 직류전류로 변환하고, 변환한 정지좌표계의 2상 직류전류로 지락의 발생여부를 판단하며, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터를 정지시키는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 복수의 전류 검출소자의 검출전류를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기와, 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력 전류를 정지좌표계의 전류로 변환하는 정지좌표계 변환부와, 상기 정지좌표계 변환부가 변환한 정지좌표계의 전류를 회전좌표계의 전류로 변환하는 회전좌표계 변환부와, 상기 회전좌표계 변환부가 변환한 회전좌표계의 전류로 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터의 운전을 정지시키는 판단부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 판단부는 상기 정지좌표계의 전류에서 여자전류에 해당하는 전류의 리플 크기로 지락의 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 방법은, 스위칭부가 부하로 공급하는 교류전류를 복수의 전류 검출소자로 검출하여 아날로그/디지털 변환기로 디지털 신호로 변환하는 단계와, 상기 디지털 신호로 변환한 전류를 정지좌표계 변환부가 정지좌표계의 2상 교류전류로 변환하는 단계와, 상기 정지좌표계의 2상 교류전류를 회전좌표계 변환부가 회전좌표계의 2상 직류전류로 변환하는 단계와, 상기 회전좌표계의 2상 직류전류로 판단부가 지락의 발생여부를 판단하고, 지 락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
지락의 발생여부 판단은 상기 회전좌표계의 2상 직류전류에서 여자전류에 해당하는 전류의 리플로 지락의 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 트립신호를 발생하는 단계는 상기 회전좌표계의 2상 직류전류에서 여자전류에 해당하는 전류의 크기가 이전보다 큰지의 여부를 판단하는 단계와, 상기 판단 결과 이전보다 크지 않을 경우에 지락판단 카운트 값을 1 감소시키는 단계와, 상기 판단 결과 이전보다 클 경우에 지락판단 카운트 값을 1 증가시키고, 지락판단 카운트 값이 미리 설정된 값 이상일 경우에 트립신호를 발생하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 스위칭부가 직류전압을 스위칭시켜 부하로 공급하는 교류전류를 전류 검출소자로 검출하고, 검출한 전류를 회전좌표계의 2상 교류전류 및 정지좌표계의 2상 직류전류로 순차적으로 변환하여 지락의 발생여부를 판단하는 것으로서 지락의 발생 여부를 정확하게 판단할 수 있다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으 로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
도 1은 본 발명의 장치의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 회로도이다. 여기서, 부호 100은 정류기이다. 상기 정류기(100)는 R상, S상 및 T상의 전압을 정류하여 직류전압으로 변환한다.
부호 110은 제어부이다. 제어부이다. 상기 제어부(110)는 상기 정류기(100)가 출력하는 직류전압의 스위칭을 제어한다. 또한 상기 제어부(110)는 본 발명에 따라 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터의 운전을 정지시키는 것을 제어한다.
부호 120은 스위칭부이다. 상기 스위칭부(120)는 상기 정류기(100)의 출력단자에 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2)(IGBT3, IGBT4)(IGBT5, IGBT6)를 각기 직렬로 접속하고, 상기 제어부(110)가 출력하는 스위칭 신호에 따라 상기 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2)(IGBT3, IGBT4)(IGBT5, IGBT6)가 선택적으로 온 및 오프되면서, 상기 정류기(100)가 출력하는 직류전압을 교류전압으로 변환하고, 그 변환한 교류전압을 부하(130)로 출력하여 부하(130)를 구동시킨다.
부호 140은 복수의 전류 검출소자이다. 상기 복수의 전류 검출소자(140)는 상기 스위칭부(120)가 상기 부하(130)로 공급하는 전류를 검출하여 상기 제어 부(110)로 입력시킨다.
도 2는 상기 제어부(110)의 구성을 보인 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제어부(110)는, 상기 복수의 전류 검출소자(140)의 검출전류를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(200)와, 상기 아날로그/디지털 변환기(200)가 디지털 신호로 변환한 검출전류를 정지좌표계의 전류로 변환하는 정지좌표계 변환부(210)와, 상기 정지좌표계 변환부(210)가 변환한 정지좌표계의 전류를 회전좌표계의 전류로 변환하는 회전좌표계 변환부(230)와, 상기 회전좌표계 변환부(230)가 변환한 회전좌표계의 전류로 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터의 운전을 정지시키는 판단부(230)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 입력되는 R상, S상 및 T상의 3상 전압을 정류가(100)가 정류하고, 평활하여 직류전압으로 변환한다.
이와 같은 상태에서 제어부(110)는 스위칭 신호를 발생하고, 발생한 스위칭 신호는 스위칭부(120)의 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2)(IGBT3, IGBT4)(IGBT5, IGBT6)의 게이트에 인가되어 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2)(IGBT3, IGBT4)(IGBT5, IGBT6)들이 선택적으로 온 및 오프되는 것을 반복한다.
여기서, 상기 스위칭 신호는 예를 들면, 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2), 스위칭 소자(IGBT3, IGBT4) 및 스위칭 소자(IGBT5, IGBT6)들 각각이 상호간에 180°의 위 상차를 가지고 교대로 온 및 오프를 반복하게 발생하고, 또한 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2), 스위칭 소자(IGBT3, IGBT4) 및 스위칭 소자(IGBT5, IGBT6)들 사이에는 상호간에 120°의 위상차를 가지도록 발생한다.
그러면, 상기 스위칭부(120)는 상기 스위칭 신호에 따라 선택적으로 온 및 오프를 반복하면서, 상기 정류기(100)가 출력하는 직류전압을 스위칭시켜 3상 교류전압으로 변환하고, 그 변환한 3상 교류전압이 부하(130)로 출력되어 부하(130)가 구동된다.
이와 같은 상태에서 상기 스위칭부(120)가 상기 부하(130)로 출력하는 3상 교류전압의 전류 Iu, Iv 및 Iw를 복수의 전류 검출소자(140)가 검출하여 상기 제어부(110)로 입력시킨다.
상기 제어부(110)는 상기 복수의 전류 검출소자(140)가 검출한 3상 전류 Iu, Iv 및 Iw를 아날로그/디지털 변환기(200)가 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로 변환한 3상 전류 Iu, Iv 및 Iw를 정지좌표계 변환부(210)가 정지좌표계의 전류로 변환한다.
상기 3상 전류 Iu, Iv 및 Iw를 정지좌표계의 전류로 변환하면, 2상의 교류전류를 얻을 수 있는 것으로서 상기 정지좌표계 변환부(210)는 예를 들면, 다음의 수학식 2와 같이 3상 전류 Iu, Iv 및 Iw를 정지좌표계의 교류전류로 변환한다.
Figure 112008017167341-pat00001
여기서, idss는 정지좌표계의 d축 교류전류이고, iqss는 정지좌표계의 q축 교류전류이다.
상기 정지좌표계 변환부(210)가 변환한 정지좌표계의 2상 교류전류는 회전좌표계 변환부(220)로 입력되어 회전좌표계의 2상 직류전류로 변환한다.
예를 들면, 회전좌표계 변환부(220)는 수학식 3과 같이 정지좌표계의 2상 교류전류를 회전좌표계의 2상 직류전류로 변환한다.
Figure 112008017167341-pat00002
여기서, 상기 idse 및 iqse는 회전좌표계의 2상 직류전류이다.
상기 회전좌표계 변환부(220)가 변환한 회전좌표계의 2상 직류전류 idse 및 iqse는 판단부(230)로 입력된다.
여기서, 지락이 발생하지 않은 정상적인 상황일 경우에 상기 회전좌표계의 2상 직류전류들 중에서 idse는 여자전류에 해당되는 것으로서 크기가 거의 일정하다. 그리고 상기 iqse는 부하(130)의 크기에 비례하여 가변된다.
상기 판단부(230)는 상기 회전좌표계의 2상 직류전류들 중에서 idse의 리플 여부를 관찰하여 지락의 발생여부를 판단한다. 즉, 지락이 발생하지 않았을 경우에 idse는 시간의 경과에 관계없이 거의 일정하게 유지된다. 그러나 지락이 발생하였을 경우에 3상 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합이 0으로 되지 않고, 그 영향이 idse에 미치게 된다.
지락이 발생하였을 경우에 상기 idse는 리플의 크기가 지락 전류에 비례하고, 상기 idse의 맥동 주파수는 상기 스위칭부(120)가 출력하는 3상 교류전압의 주파수와 동기되어 나타나게 된다.
상기 판단부(230)는 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하고, 그 발생한 트립신호에 의해 인버터의 운전이 정지되어 지락으로부터 스위칭부(120)의 스위칭 소자(IGBT1, IGBT2)(IGBT3, IGBT4)(IGBT5, IGBT6)들이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 방법의 바람직한 실시 예의 동작을 보인 신호흐름도이다. 도 3을 참조하면, 소정의 주기로 인터럽트가 발생할 때(S300)마다 전류 검출소자(140)가 검출하는 3상 전류 iu, Iv 및 Iw를 제어부(110)의 아날로그/디지털 변환기(200)가 디지털 신호로 변환한다(S302).
상기 디지털 신호로 변환한 3상 전류 iu, Iv 및 Iw는 정지좌표계 변환부(210)가 정지좌표계의 2상 교류전류 idss 및 iqss로 변환하고(S304), 그 정지좌표계의 2상 교류전류 idss 및 iqss를 회전좌표계 변환부(220)가 회전좌표계의 2상 직류전류 idse 및 iqse로 변환하여 판단부(230)로 출력한다(S306).
그러면, 상기 판단부(230)는 상기 회전좌표계의 2상 직류전류 idse 및 iqse들 중에서 여자전류에 대응되는 idse가 이전 값보다 큰지의 여부를 판단한다(S308).
상기 판단 결과 현재 검출한 idse가 이전 값보다 크지 않을 경우에 판단 부(230)는 지락판단 카운트 값을 1 감소시키고(S310), 현재 검출한 idse를 이전 값으로 저장하여 다음의 인터럽트가 발생할 때 사용할 수 있도록 한 후(S312) 인터럽트 발생에 따른 동작을 종료한다(S314).
그리고 상기 판단 결과 현재 검출한 idse가 이전 값보다 클 경우에 판단부(230)는 지락판단 카운트 값을 1 증가시키고(S316), 지락판단 카운트 값이 미리 설정된 값 이상인지의 여부를 판단한다(S318).
상기 판단 결과 지락판단 카운트 값이 미리 설정된 값 이상이 아닐 경우에 판단부(230)는 현재 검출한 idse를 이전 값으로 저장하여 다음의 인터럽트가 발생할 때 사용할 수 있도록 한 후(S312) 인터럽트 발생에 따른 동작을 종료한다(S314).
그리고 상기 판단 결과 지락판단 카운트 값이 미리 설정된 값 이상일 경우에 판단부(230)는 트립신호를 발생하여 인버터의 운전을 정지시키고, 종료한다(S314).
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명은 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서 인버터가 부하로 출력하는 3상 전류를 검출하고, 검출한 전류를 정지좌표계의 2상 교류전류 및 회전좌표계의 2상 직류전류로 순차적으로 변환한 후 그 변환한 회전좌표계의 2상 직류전류 중에서 여자전류에 대응하는 값의 리플을 이용하여 지락의 발생여부를 정확하게 판단하고, 스위칭 소자가 지락에 의해 파손되는 것을 미연에 방지함은 물론 지락을 잘못 판단하여 인버터를 정지시키는 에러의 발생을 미연에 방지한다.
도 1은 본 발명의 장치의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 회로도,
도 2는 도 1의 제어부의 구성을 보인 블록도, 및
도 3은 본 발명의 방법의 바람직한 실시 예의 동작을 보인 신호흐름도이다.

Claims (6)

  1. 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류기;
    상기 정류기의 출력전압을 스위칭시켜 부하로 교류전압을 출력하는 스위칭부;
    상기 스위칭부가 상기 부하로 공급하는 전류를 검출하는 복수의 전류 검출소자; 및
    상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 복수의 전류 검출소자가 검출한 전류를 정지좌표계의 2상 직류전류로 변환하고, 변환한 정지좌표계의 2상 직류전류로 지락의 발생여부를 판단하며, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터를 정지시키는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는;
    상기 복수의 전류 검출소자의 검출전류를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;
    상기 아날로그/디지털 변환기의 출력 전류를 정지좌표계의 2상 전류로 변환하는 정지좌표계 변환부;
    상기 정지좌표계 변환부가 변환한 정지좌표계의 2상 전류를 회전좌표계의 2상 전류로 변환하는 회전좌표계 변환부; 및
    상기 회전좌표계 변환부가 변환한 회전좌표계의 2상 전류들 중에서 여자전류에 해당하는 하나의 전류의 리플 크기로 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하여 인버터의 운전을 정지시키는 판단부;를 포함하여 구성된 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 스위칭부가 부하로 공급하는 3상 교류전류를 복수의 전류 검출소자로 검출하여 아날로그/디지털 변환기로 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털 신호로 변환한 3상 교류전류를 정지좌표계 변환부가 정지좌표계의 2상 교류전류로 변환하는 단계;
    상기 정지좌표계의 2상 교류전류를 회전좌표계 변환부가 회전좌표계의 2상 직류전류로 변환하는 단계; 및
    상기 회전좌표계의 2상 직류전류들 중에서 판단부가 여자전류에 해당하는 하나의 전류의 리플로 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락의 발생이 판단될 경우에 트립신호를 발생하는 단계를 포함하여 이루어지는 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 트립신호를 발생하는 단계는;
    상기 회전좌표계의 2상 직류전류에서 여자전류에 해당하는 전류의 크기가 이전보다 큰지의 여부를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과 이전보다 크지 않을 경우에 지락판단 카운트 값을 1 감소시키는 단계; 및
    상기 판단 결과 이전보다 클 경우에 지락판단 카운트 값을 1 증가시키고, 지락판단 카운트 값이 미리 설정된 값 이상일 경우에 트립신호를 발생하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 인버터를 지락으로부터 보호하기 위한 방법.
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