KR101103425B1 - Ｐｗｍ 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

Ｐｗｍ 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 삼상 교류전원이 인덕터를 통해 스위칭소자로 입력되고, 상기 스위칭소자는 직류단의 신호를 이용한 피드백 제어부의 피드백신호에 따라 온/오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM 컨버터의 후단에 연결되는 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법에 있어서, 상기 전해 커패시터의 용량을 추정하는 단계와, 온도센서를 이용하여 상기 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 단계와, 상기 동작온도 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 제1데이터와, 상기 동작온도 별 상기 온도센서의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터를 이용하여, 상기 출력전압 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상기 상온 조건과 대비하여 나타낸 제3데이터를 획득하는 단계, 및 상기 제3데이터에 대응되는 함수를 이용하여, 상기 동작온도에서 추정된 전해 커패시터의 용량 값을 상온에서의 용량 값으로 보정하는 단계를 포함하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템에 따르면, 온도 변화에 따라 야기되는 커패시터의 추정 용량을 온도센서를 이용하여 상온에서의 값으로 보정함에 따라 전해 커패시터의 용량을 보다 정확하고 간편하게 추정할 수 있다.

Description

ＰＷＭ 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템{CAPACITANCE ESTIMATION METHOD USING TEMPERATURE COMPENSATION OF ELECTROLYTIC CAPACITOR FOR PULSE WIDTH MODULATION CONVERTER AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PWM 컨버터에 연결되는 전해 커패시터의 용량을 온도 보정을 이용하여 정확하고 간편하게 추정할 수 있는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
3상 PWM 컨버터는 교류 가변속 구동, 통합 전력품질조절기(unified power quality conditioner, UPQC), 무정전 전원장치(UPSs), 풍력발전시스템 등에 널리 활용되고 있다. 전해 커패시터는 가격이 낮고 용량이 커서 필터나 에너지 버퍼로써 AC/DC/AC PWM 컨버터의 직류링크 단에 흔히 사용된다.
일반적으로 전해 커패시터의 수명은 컨버터의 다른 부품에 비하여 매우 짧으므로 시스템 전체의 수명에 영향을 미치게 된다. 따라서, 시스템의 효율적인 유지 보수를 위하여 커패시터의 교체시기를 판별할 필요가 있다. 전해 커패시터는 사용시간이 지남에 따라 내부 전해질의 휘발에 의해 용량이 감소한다. 실제 커패시터의 용량은 동작주파수와 동작온도에 민감하므로 용량 추정시 이를 고려하여야 한다.
대부분의 전력변환 시스템에서 커패시터는 시스템의 내부에 설치되어 있어, 계측기로 용량을 측정하기 위해서는 시스템으로부터 분리해야 하므로 측정이 어렵다. 그동안 전해 커패시터의 파라미터 추정에 관한 몇몇 연구가 있지만, 이 방법들은 동작온도에 따라 커패시터의 파라미터가 변화하는 특성을 고려하지 않고 있다.
본 발명은 PWM 컨버터에 연결되는 전해 커패시터의 용량을 온도 보정을 이용하여 정확하고 간편하게 추정할 수 있는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 삼상 교류전원이 인덕터를 통해 스위칭소자로 입력되고, 상기 스위칭소자는 직류단의 신호를 이용한 피드백 제어부의 피드백신호에 따라 온/오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM 컨버터의 후단에 연결되는 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법에 있어서, 상기 전해 커패시터의 용량을 추정하는 단계와, 온도센서를 이용하여 상기 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 단계와, 상기 동작온도 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 제1데이터와, 상기 동작온도 별 상기 온도센서의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터를 이용하여, 상기 출력전압 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상기 상온 조건과 대비하여 나타낸 제3데이터를 획득하는 단계, 및 상기 제3데이터에 대응되는 함수를 이용하여, 상기 동작온도에서 추정된 전해 커패시터의 용량 값을 상온에서의 용량 값으로 보정하는 단계를 포함하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 온도센서는, 상기 전해 커패시터 상에 배치되고 상기 동작온도에 따라 저항이 변하는 써미스터일 수 있다.
그리고, 상기 제2데이터는, 상기 동작온도 별 상기 온도센서의 저항 변화와, 상기 저항 변화에 따른 상기 출력전압 변화를 계산하여 산출될 수 있다.
또한, 상기 제3데이터에 대응되는 함수는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112010076078036-pat00001
여기서,
Figure 112010076078036-pat00002
는 상기 상온 조건과 대비한 상기 전해 커패시터의 용량 값,
Figure 112010076078036-pat00003
는 상기 온도센서에 의한 현재 출력전압,
Figure 112010076078036-pat00004
은 상기 제3데이터에 의해 결정되는 임의의 상수이다.
또한, 상기 상온에서의 용량 값으로 보정하는 단계는, 아래의 수학식을 이용할 수 있다.
Figure 112010076078036-pat00005
여기서,
Figure 112010076078036-pat00006
는 상기 보정된 용량 값이고,
Figure 112010076078036-pat00007
는 상기 동작온도에서 추정된 용량 값이다.
그리고, 본 발명은, 삼상 교류전원이 인덕터를 통해 스위칭소자로 입력되고, 상기 스위칭소자는 직류단의 신호를 이용한 피드백 제어부의 피드백신호에 따라 온/오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM 컨버터의 후단에 연결되는 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템에 있어서, 상기 전해 커패시터의 용량을 추정하는 추정부와, 상기 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 온도센서와, 상기 동작온도 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 제1데이터와, 상기 동작온도 별 상기 온도센서의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터를 이용하여, 상기 출력전압 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상기 상온 조건과 대비하여 나타낸 제3데이터를 획득하는 데이터 획득부, 및 상기 제3데이터에 대응되는 함수를 이용하여, 상기 동작온도에서 추정된 전해 커패시터의 용량 값을 상온에서의 용량 값으로 보정하는 보정부를 포함하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법 및 시스템에 따르면, 온도 변화에 따라 야기되는 커패시터의 추정 용량을 온도센서를 이용하여 상온에서의 값으로 보정함에 따라 전해 커패시터의 용량을 보다 정확하고 간편하게 추정할 수 있다. 또한, 전해 커패시터의 온도 특성 보정을 통해 커패시터의 열화 정도를 보다 정확히 진단할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법을 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1을 위한 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 사용한 전해 커패시터의 데이터 시트로부터 얻어진 커패시터의 온도 및 주파수 특성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 사용한 전해 커패시터의 용량 추정을 위하여 직류전압에 주입한 30Hz 주파수에서 동작온도에 따른 커패시터 용량 값을 상온 조건과 대비하여 나타낸 것이다.
도 5는 도 1의 온도센서를 이용하여 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 회로 구성도이다.
도 6은 도 1의 온도센서의 온도변화에 따른 저항값 변화를 나타낸다.
도 7은 도 1의 온도센서의 저항 변화에 따른 출력전압 변화를 나타낸다.
도 8은 도 1의 온도센서의 온도 변화에 따른 출력전압 변화를 나타낸다.
도 9는 도 4 및 도 8의 데이터를 통해 온도센서의 출력전압 별 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 직류링크 전압 주입시 전압 제어기의 성능을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 직류링크 전압의 리플을 발생하는 컨버터 입력측 q축 전류를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 직류링크의 전류 파형이다.
도 13은 본 발명의 실시예에서 커패시터 용량의 급격한 변화에 따른 용량 추정 결과이다.
도 14는 도 1의 온도센서에 직접 온도 변화를 인가한 경우에 대한 온도센서의 출력전압 변화에 대한 커패시터의 용량 변화를 나타낸다.
도 15는 도 1의 전해 커패시터에 C2만 연결되어 동작될 때 커패시터 용량을 추정하면서 온도의 영향을 보정한 결과를 나타낸다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그리고 명세서 전체에서 전압을 유지한다는 표현은 특정 2점간의 전위 차가 시간 경과에 따라 변화하여도 그 변화가 설계상 허용될 수 있는 범위 내이거나 변화의 원인이 당업자의 설계 관행에서는 무시되고 있는 기생 성분에 의한 경우를 포함한다. 또한 방전 전압에 비해 반도체 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 문턱 전압이 매우 낮으므로 문턱 전압을 0V로 간주하고 근사 처리한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법을 나타내는 구성도이다. 도 2는 도 1을 위한 시스템의 구성도이다. 상기 시스템(100)은, PWM 컨버터(110), 전해 커패시터(120), 제1 연산기(130), 피드백 제어부(140), RLS 연산부(150), 온도센서(160), 데이터 획득부(170), 보정부(180)를 포함한다.
상기 시스템(100)은 전해 커패시터(120)의 동작 온도에 따라 야기되는 전해 커패시터(120)의 용량 변화를 손쉽게 보정할 수 있도록, 상기 RLS 연산부(150)에서 추정된 전해 커패시터(120)의 용량(C^)을, 상기 온도센서(160), 데이터 획득부(170), 그리고 보정부(180)를 통해 상온에서의 값으로 환산하여 보정한다.
이하에서는, 상기 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법에 관하여 상세히 설명한다.
먼저, 상기 RLS 연산부(150)에서 상기 전해 커패시터(120)의 용량을 추정한다(S110). 이를 위해, 상기 시스템(100)의 직류링크 전압에 교류성분을 주입하고 이 전압성분과 이에 대응되는 직류링크 전류를 검출하여 반복최소자승법(Recursive least squares, RLS)을 이용하여 커패시터의 용량(
Figure 112010076078036-pat00008
)을 추정(계산)한다.
이를 보다 상세히 설명하기 위하여, RLS 연산부(150)의 전단에 있는 PWM 컨버터(110), 전해 커패시터(120), 제1 연산기(130), 피드백 제어부(140), BPF(150)의 개별 기능을 살펴보면 아래와 같다.
입력 전원(eas, ebs, ecs)의 후단에 각각 인덕터(L)가 연결되고, 인덕터(L)의 후단에는 3상(a, b, c)의 입력 전원을 직류 전원으로 변환하는 PWM 컨버터(110)가 연결된다. 본 발명의 실시예에 따른 PWM 컨버터(110)는 스위칭 소자를 포함하며, 스위칭 소자는 공간벡터PWM 구동부(170)로부터 피드백된 신호에 의하여 동작한다. 스위칭 소자는 6개의 스위치(A+, A-, B+, B-, C+, C-)를 포함하며, 스위치는 주로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)로 구성되며, 펄스 폭을 조절할 수 있는 다른 종류의 트랜지스터, 예를 들면 MOSFET, BJT 등으로 구현될 수 있다.
PWM 컨버터에서 상단에 위치한 스위치(A+, B+, C+)와 하단에 위치한 스위치(A-, B-, C-)는 서로 상보적인 관계에 있으므로, 서로 반대의 스위칭 동작을 하게 된다. 즉, 스위치(A+, B+, C+)가 턴온 상태이면 각각의 스위치에 대하여 레그를 이루는 스위치(A-, B-, C-)는 턴오프 상태이고, 마찬가지로 스위치(A+, B+, C+)가 턴오프 상태이면 스위치(A-, B-, C-)는 턴온 상태가 된다.
삼상 교류전원이 인덕터(L)를 통해 스위칭소자로 입력되고, 스위칭소자는 전압 제어부(141) 및 전류 제어부(143)의 출력신호를 이용하여 공간벡터 펄스폭변조(PWM) 구동부(145)에서 출력되는 구동신호에 따라 온/오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하며, 직류단의 직류전원은 부하(M)를 구동하기 위한 인버터(Inv)의 전원으로 사용된다.
PWM 컨버터(110)의 후단에는 직류단이 형성되는데 직류단에는 전해 커패시터(120)가 위치한다. 설명의 편의상 도 2에서는 전해 커패시터(120)를 내부 커패시터(C)와 ESR이 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 나타내었다. 또한 이하에서 "전해 커패시터의 내부 전압"이라는 표현은 실질적으로 내부 커패시터의 전압을 의미하며, "직류단의 전압"이라는 표현은 실질적으로 전해 커패시터의 양단에 걸리는 직류 링크 전압을 의미한다.
전해 커패시터(120)는 PWM 컨버터(110)의 후단에 연결되어 직류 전압을 평활화하며, 직류단의 양단에는 직류 전압(Vdc)이 인가된다.
제1 연산기(130)는 센싱된 직류단의 전압(Vdc)과 전압 지령(Vdc *)과의 차이 값을 구한다. 여기서 직류단의 전압(Vdc)은 교류 성분과 직류 성분이 혼합되어 있고, 전압지령(Vdc *)은 직류 성분으로만 구성된다.
전압지령(Vdc *)은 전류를 주입하기 전에 전해 커패시터(120) 양단에 유지되어야 할 전압 값을 나타낸다. 전압지령(Vdc *)은 부하(M)측의 정격적압 및 부하특성을 고려하여 설정할 수 있다.
제1 연산기(130)는 전압지령(Vdc *)에서 직류단의 전압(Vdc)을 차감하고, 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF)는 출력 값의 노이즈를 제거하고, 대역저지필터(Band Stop Filter, BSF)는 교류 성분을 제거한다. 본 발명의 실시예에 따르면 BSF는 30Hz 주파수 대역의 교류 성분을 제거한다.
피드백 제어부(140)는 PWM 컨버터의 후단에 연결되어 있는 직류단의 신호를 이용하여 스위칭 소자를 구동하기 위한 피드백 신호를 생성한다. 피드백 제어부(140)는 전압 제어부(141), 제2 연산기(142), 전류 제어부(143), 전류 주입 지령부(144) 및 공간벡터 PWM 구동부(145)를 포함한다.
전압 제어부(141)에는 교류 성분이 제거된 직류단의 전압이 인가되고, 전압 제어부(140)는 전압지령(Vdc *) 수준을 유지하도록 커패시터 양단 전압을 제어한다.
그리고 전압 제어부(141)는 직류단에 흐르는 전류 중에서 무효 전력 성분이 0인 전류지령(i* de=0)을 전류 제어부(143)로 전달하고, 유효 전력 성분만을 제어하도록 하는 전류지령(i* qeo)을 출력한다.
제2 연산기(142)는 전압 제어부(141)로부터 출력되는 전류지령(i* qeo)과 전류 주입 지령부(144)에서 출력되는 교류 형태의 주입전류지령(i* inj)을 가산하고, 가산된 유효 전력 성분의 전류지령(i* qe)이 전류 제어부(143)로 인가된다
여기서 교류 형태의 주입전류지령(i* inj)의 전류 값은 다음의 수학식 1과 같으며 30Hz의 주파수 성분을 가진다.
Figure 112010076078036-pat00009
제2 연산기(142)에서 출력된 전류지령(i* qe)과 역률 제어를 위한 전류지령(i* de=0)을 이용하여 전류 제어부(143)는 해당되는 전압을 출력하고, 전류 제어부(143)에서 출력된 전압지령(V* de, V* qe)을 이용하여 공간벡터 PWM 구동부(145)에서는 스위칭 소자(A+, A-, B+, B-, C+, C-)를 구동하기 위한 PWM 구동신호, 즉 스위칭 신호를 출력한다. 여기서, 전압지령(V* de)은 d축 무효 전력 성분에 대한 전압지령이고, 전압지령(V* qe)은 q축 유효 전력 성분 전압지령이다.
공간벡터 PWM 구동부(145)는 전압지령(V* de, V* qe)에 대응하여 전압을 생성하고, 생성된 전압을 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조(Space vector pulse width modulation, SVPWM) 방법에 의하여 스위칭 신호로 전환한다. 따라서 공간벡터 PWM 구동부(145)는 스위칭 신호를 PWM 컨버터로 피드백시켜 스위칭 소자(A+, A-, B+, B-, C+, C-)의 스위칭을 제어한다.
그리고, 공간벡터 PWM 구동부(145)로부터 피드백된 스위칭 신호를 통해 PWM 컨버터(110)의 후단에 연결된 직류단의 양단 전압(Vdc)은 전류 주입 지령부(144)에 의해 인가된 교류 전류의 주파수(30Hz)와 동일한 주파수를 가진다.
상기 RLS 연산부(150)는 30Hz 대역용 BPF를 통과한 직류단의 계산된 전류 평균 값(idc , cal _ ave)과 전압 평균값(Vdc _ ave)을 이용하여 반복최소자승법(Recursive least squares, RLS)을 통해 전해 커패시터(120)의 용량을 실시간 추정한다. 실제로 전해 커패시터(120)의 용량은 온도에 따라 변하는데, 상기 RLS 연산부(150)에 추정된 전해 커패시터(120)의 용량(
Figure 112010076078036-pat00010
)은 온도에 따른 영향을 전혀 고려하지 않았으므로, 온도를 고려하여 커패시턴스 값을 보정하여야 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 사용한 전해 커패시터의 데이터 시트로부터 얻어진 커패시터의 온도 및 주파수 특성을 나타낸다. 여기서, 가로축은 주파수를 나타낸다. 세로축은 주파수마다 온도를 달리하여 측정한 전해 커패시터(120)의 용량을 상온에서의 용량 값으로 나눈 비를 나타낸다. 일반적으로 커패시터의 용량은 주파수 및 동작온도에 따라 변하는데 이는 도 3을 통해 확인이 됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 사용한 전해 커패시터의 용량 추정을 위하여 직류전압에 주입한 30Hz 주파수에서 동작온도에 따른 커패시터 용량 값을 상온 조건과 대비하여 나타낸 것이다. 여기서, 가로 축은 동작 온도이고, 세로 축은 동작 온도별 측정된 전해 커패시터의 용량을 상온에서의 용량 값으로 나눈 비를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 전해 커패시터(120)의 동작온도 범위는 -40도∼+85도 이다. 동작온도가 증가하면 커패시터의 용량이 증가하고, 동작온도가 감소하면 용량은 감소한다. 또한, 동작온도가 매우 낮을 경우에는 전해질의 활성도가 낮아져서 전해 커패시터 용량이 급격히 감소한다.
이러한 전해 커패시터(120)의 특성을 이용하여, 상술한 S110단계 이후에는, 전해 커패시터(120)의 표면 상에 온도센서(160)를 배치하여, 상기 온도센서(160)를 통해 전해 커패시터(120)의 동작온도를 측정한다(S120).
일반적으로 커패시터의 동작온도(Tcore)는 커패시터 내부 전해질의 온도를 뜻한다. 그러나, 실제 내부온도를 정확하게 측정하는 것은 불가능하다. 본 발명의 실시예에서는 도 1의 PWM 컨버터 시스템이 장시간 동안 동작하여 전해 커패시터(120)의 동작온도(Tcore)와 표면 온도(Tcase)가 같다고 가정한다.
도 5는 도 1의 온도센서를 이용하여 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 회로 구성도이다. 이때, 온도센서(160)는 전해 커패시터(120)의 동작온도에 따라 저항이 변하는 써미스터(thermister)를 사용한다.
도 5에서 온도센서(160)(Rthermal)와 직렬로 연결된 저항(R)은 높은 온도에서 저항이 낮아지는 써미스터의 특성을 고려하여, 전류를 제한하는 역할을 하고, 직류전원 양단에 연결된 커패시터(C)는 회로 상에 공급되는 전원(DC source)을 안정하게 유지시키는 역할을 한다.
전해 커패시터(120)의 표면온도(Tcase)를 측정하기 위하여, 상기 온도센서(160)를 전해 커패시터(120)의 표면에 부착한 다음, 5V의 직류전원을 공급하면, 전압분배법칙에 따라 온도센서(160)의 양단에 전압이 걸리게 되고, 이 전압값(Vout)을 제어 보드를 통하여 읽는다.
상기 S120 단계 이후에는, 상기 동작온도 별 상기 전해 커패시터(120)의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 제1데이터(도 4)와, 상기 동작온도 별 상기 온도센서(160)의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터(도 8)를 이용하여, 상기 출력전압 별 상기 전해 커패시터(120)의 용량 변화를 상기 상온 조건과 대비하여 나타낸 제3데이터(도 9)를 데이터 획득부(170)에서 획득한다(S130).
이는 전해 커패시터(120)와 온도센서(160)의 데이터 시트를 이용한다. 이러한 S130단계에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 온도센서(160)의 양단에 걸리는 전압값(Vout)을 통해 전해 커패시터(120)의 표면온도(Tcase)를 알기 위해서는 전압과 온도 사이의 관계를 알아야 한다. 이 관계는 온도센서(160)의 데이터 시트를 이용한다.
도 6은 도 1의 온도센서(써미스터)의 온도변화에 따른 저항값 변화를 나타낸다. 즉, 전해 커패시터(120)의 동작온도에 상응하는 온도센서(160)의 저항값들을 데이터 시트로부터 추출할 수 있다.
도 7은 도 1의 온도센서(써미스터)의 저항 변화에 따른 출력전압 변화를 나타낸다. 즉, 도 6을 통해 추출된 저항 값들을 이용하여 온도센서(160) 양단에 걸리는 출력 전압(Vout)을 계산할 수 있다.
전해 커패시터(120)는 그 용량이 초기치로부터 25%이상 감소하면, 수명이 다한 것으로 본다. 전해 커패시터(120)는 온도에 따라 변하므로, 온도의 영향을 고려하여 이를 판단하여야 한다.
도 8은 도 1의 온도센서(써미스터)의 온도 변화에 따른 출력 전압 변화를 나타낸다. 즉, 상기 동작온도 별 상기 온도센서(160)의 저항 변화(도 6)와, 상기 저항 변화에 따른 상기 출력전압 변화(도 7)를 이용한다면, 상기 동작온도 별 상기 온도센서(160)의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터(도 8)을 획득할 수 있다.
도 9는 도 4 및 도 8의 데이터를 통해 온도센서(써미스터)의 출력전압 별 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 것이다. 즉, 상기 S130단계는, 상술한 도 4의 제1데이터와 도 8의 제2데이터를 이용하여 도 9의 제3데이터를 얻는 단계이다.
이러한 도 9는 도 8의 7개의 데이터를 이용한 그래프로서, 그 관계를 매틀랩(Matlab) 곡선 맞춤(Curve-fitting) 도구를 이용하여 수식화하면 수학식 2의 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112010076078036-pat00011
이러한 수학식 2는 도 9의 제3데이터에 대응되는 함수에 해당된다. 여기서,
Figure 112010076078036-pat00012
는 상기 상온 조건과 대비한 상기 전해 커패시터의 용량 값,
Figure 112010076078036-pat00013
는 상기 온도센서에 의한 현재 출력전압, 상기
Figure 112010076078036-pat00014
은 상기 제3데이터에 의해 결정되는 임의의 상수이다.
본 발명의 실시예에 사용된 상수 값은 아래와 같다.
Figure 112010076078036-pat00015
상기
Figure 112010076078036-pat00016
은 사용되는 전해 커패시터(120)와 온도센서(160)의 스펙(Specification)에 따라 변경될 수 있는 요소이다.
상기 S130단계 이후에는, 이러한 제3데이터에 대응되는 함수를 이용하여, 상기 동작온도에서 추정된 전해 커패시터의 용량 값(
Figure 112010076078036-pat00017
)을 상온에서의 용량 값()으로 보정한다(S140). 이는 상기 보정부(180)를 통해 수행한다.
상기 전해 커패시터(120)의 용량 값의 보정은 아래의 수학식 3을 사용한다.
Figure 112010076078036-pat00019
여기서,
Figure 112010076078036-pat00020
는 상기 보정된 용량 값을 나타낸다.
수학식 3을 역으로 본다면,
Figure 112010076078036-pat00021
는 동작 온도
Figure 112010076078036-pat00022
에서의 용량 추정치(
Figure 112010076078036-pat00023
)와, 이를 상온
Figure 112010076078036-pat00024
에서의 값으로 환산한 용량(
Figure 112010076078036-pat00025
)의 비를 나타낸다.
이러한
Figure 112010076078036-pat00026
값과 당초 커패시터의 사용 초기치의 값을 비교하여 열화의 정도를 판단할 수 있다.
이하에서는 이상과 같은 본 발명의 실시예를 검증하는 실험예를 설명한다.
표 1은 실험에 사용된 시스템 파라미터를 보여준다.
Figure 112010076078036-pat00027
그리고, 표 2는 사용된 전해 커패시턴스 값을 나타낸다.
Figure 112010076078036-pat00028
도 10은 본 발명의 실시예에서 직류링크 전압 주입시 전압 제어기의 성능을 나타낸다. 직류링크 기준전압은 340[V]이며 주입된 교류전압이 그 지령치를 잘 추종함을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 직류링크 전압의 리플을 발생하는 컨버터 입력측 q축 전류를 나타낸다. 이를 통해 실제 값이 지령 값을 잘 추종함을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 직류링크의 전류 파형이다. 도 12의 (a)는 측정된 직류링크 전류 순시값 및 계산된 전류 평균값을 나타내고, (b)는 (a)의 확대 파형을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에서 커패시터 용량의 급격한 변화에 따른 용량 추정 결과를 보여주고 있다. 이는 RLS 연산부(150)에 의한 추정 값이다.
이러한 도 13의 경우는 도 1의 전해 커패시터 위치 상에, 두 개의 커패시터를 C1=2,078[μF]와 C2=2,089[μF]를 초기에 병렬 연결하여 전체 커패시터 용량을 추정하고, 일정 시간 후 C1을 직류링크에서 분리시켜 커패시터 용량에 급격한 변화를 준 경우이다. 실험 결과 커패시터 용량의 급격한 변화에도 그 추정 속도가 매우 빠름을 알 수 있다.
도 14는 도 1의 온도센서에 직접 온도 변화를 인가한 경우에 대한 온도센서의 출력전압 변화에 대한 커패시터의 용량 변화를 나타낸다. 이는 도 9에 나타난 온도센서(160)의 출력전압 변화에 따른 커패시턴스 변화와 일치한다.
도 15는 도 1의 전해 커패시터에 C2만 연결되어 동작될 때 커패시터 용량을 추정하면서 온도의 영향을 보정한 결과를 나타낸다. 이는 상기 보정부(180)에 의한 결과이다.
동작온도 25.3℃에서 온도센서(160)의 출력전압은 2.49[V]이고, 이때 커패시턴스 추정값(
Figure 112010076078036-pat00029
)은 2097.6[uF] 이다. 이 값을 수학식 2 및 수학식 3을 통해 상온의 값으로 보정하면, 보정된 커패시턴스 값(
Figure 112010076078036-pat00030
)은 2097[μF]이 된다.
즉, 수학식 2에서
Figure 112010076078036-pat00031
=2.49를 대입하면
Figure 112010076078036-pat00032
는 약 1.00042 값이 나온다. 이를 수학식 3에 적용하면
Figure 112010076078036-pat00033
는 약 2097[μF]이 된다.
앞서 표 2에서와 같이, 상온에서 C2의 실측 커패시턴스 값은 2,089[μF]이었으며, 추정치(2097[μF])는 실측치(2,089[μF])와 거의 같고 추정오차는 0.38%로 나타났다. 이로부터, 온도 보정 전에 비하여 온도 보정을 수행한 이후 추정오차가 줄어든 것을 알 수 있다.
이상과 같은 AC/DC/AC PWM 컨버터 시스템은, 직류링크 전해 커패시터(120)의 용량 추정시에, 전해 커패시터(120)의 동작온도가 용량에 미치는 영향을 보상하기 위하여, 추정된 커패시터의 용량을 상온에서의 값으로 보정하는 기법을 사용한다. 여기서, 온도센서(160)를 이용하여 전해 커패시터(120)의 온도를 직접 측정함으로써 온도의 변화에 따라 야기되는 커패시턴스의 변화를 보정할 수 있으며, 이러한 커패시터의 온도 특성 보정을 통해 커패시터의 열화 정도를 보다 정확히 진단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: PWM 컨버터 120: 전해 커패시터
130: 제1 연산기 140: 피드백 제어부
141: 전압 제어부 142: 제2 연산기
143: 전류 제어부 144: 전류 주입 지령부
145: 공간벡터 PWM 구동부 150: RLS 연산부
160: 온도센서 170: 데이터 획득부
180: 보정부

Claims (10)

  1. 삼상 교류전원이 인덕터를 통해 스위칭소자로 입력되고, 상기 스위칭소자는 직류단의 신호를 이용한 피드백 제어부의 피드백신호에 따라 온/오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM 컨버터의 후단에 연결되는 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법에 있어서,
    상기 전해 커패시터의 용량을 추정하는 단계;
    온도센서를 이용하여 상기 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 단계;
    상기 동작온도 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 제1데이터와, 상기 동작온도 별 상기 온도센서의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터를 이용하여, 상기 출력전압 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상기 상온 조건과 대비하여 나타낸 제3데이터를 획득하는 단계; 및
    상기 제3데이터에 대응되는 함수를 이용하여, 상기 동작온도에서 추정된 전해 커패시터의 용량 값을 상온에서의 용량 값으로 보정하는 단계를 포함하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도센서는,
    상기 전해 커패시터 상에 배치되고 상기 동작온도에 따라 저항이 변하는 써미스터인 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2데이터는,
    상기 동작온도 별 상기 온도센서의 저항 변화와, 상기 저항 변화에 따른 상기 출력전압 변화를 계산하여 산출된 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3데이터에 대응되는 함수는 아래의 수학식으로 표현되는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법:
    Figure 112010076078036-pat00034

    여기서,
    Figure 112010076078036-pat00035
    는 상기 상온 조건과 대비한 상기 전해 커패시터의 용량 값,
    Figure 112010076078036-pat00036
    는 상기 온도센서에 의한 현재 출력전압,
    Figure 112010076078036-pat00037
    은 상기 제3데이터에 의해 결정되는 임의의 상수이다.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상온에서의 용량 값으로 보정하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 방법:
    Figure 112010076078036-pat00038

    여기서,
    Figure 112010076078036-pat00039
    는 상기 보정된 용량 값이고,
    Figure 112010076078036-pat00040
    는 상기 동작온도에서 추정된 용량 값이다.
  6. 삼상 교류전원이 인덕터를 통해 스위칭소자로 입력되고, 상기 스위칭소자는 직류단의 신호를 이용한 피드백 제어부의 피드백신호에 따라 온/오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM 컨버터의 후단에 연결되는 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템에 있어서,
    상기 전해 커패시터의 용량을 추정하는 추정부;
    상기 전해 커패시터의 동작온도를 측정하는 온도센서;
    상기 동작온도 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상온 조건과 대비하여 나타낸 제1데이터와, 상기 동작온도 별 상기 온도센서의 출력전압 변화를 나타낸 제2데이터를 이용하여, 상기 출력전압 별 상기 전해 커패시터의 용량 변화를 상기 상온 조건과 대비하여 나타낸 제3데이터를 획득하는 데이터 획득부; 및
    상기 제3데이터에 대응되는 함수를 이용하여, 상기 동작온도에서 추정된 전해 커패시터의 용량 값을 상온에서의 용량 값으로 보정하는 보정부를 포함하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 온도센서는,
    상기 전해 커패시터 상에 배치되고 상기 동작온도에 따라 저항이 변하는 써미스터인 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2데이터는,
    상기 동작온도 별 상기 온도센서의 저항 변화와, 상기 저항 변화에 따른 상기 출력전압 변화를 계산하여 산출된 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3데이터에 대응되는 함수는 아래의 수학식으로 표현되는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템:
    Figure 112010076078036-pat00041

    여기서,
    Figure 112010076078036-pat00042
    는 상기 상온 조건과 대비한 상기 전해 커패시터의 용량 값,
    Figure 112010076078036-pat00043
    는 상기 온도센서에 의한 현재 출력전압,
    Figure 112010076078036-pat00044
    은 상기 제3데이터에 의해 결정되는 임의의 상수이다.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 보정부는,
    아래의 수학식을 이용하는 PWM 컨버터용 전해 커패시터의 온도 보정을 이용한 용량 추정 시스템:
    Figure 112010076078036-pat00045

    여기서,
    Figure 112010076078036-pat00046
    는 상기 보정된 용량 값이고,
    Figure 112010076078036-pat00047
    는 상기 동작온도에서 추정된 용량 값이다.
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