KR101769649B1

KR101769649B1 - 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법

Info

Publication number: KR101769649B1
Application number: KR1020130104839A
Authority: KR
Inventors: 강용진
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-08-18
Also published as: US20150061694A1; EP2843430B1; CN104422850B; ES2707331T3; JP5934295B2; CN104422850A; KR20150026260A; EP2843430A1; JP2015050924A

Abstract

실시 예는 3상 전력 케이블을 이용하여 인버터에서 발생한 전력을 모터로 공급하는 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법에 있어서, 제 1 주기가 도래하면, 상기 제 1 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치를 계산하는 단계; 상기 계산된 제 1 주기의 전류 공간 벡터의 위치를 이용하여, 다음 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산하는 단계; 상기 제 2 주기가 도래하면, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치를 계산하는 단계; 상기 계산된 예상 위치와, 실제 위치를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 3상 전력 케이블의 상태를 검출하는 단계를 포함하는 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법을 제공한다.

Description

인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법{METHOD FOR DETECTING POWER CABLE STATE IN INVERTER SYSTEM}

본 발명은 인버터 시스템에 관한 것으로, 특히 인버터와 전동기 사이를 연결하는 고전압 케이블의 단선을 검출할 수 있는 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법에 관한 것이다.

친환경 자동차 등에 이용되는 모터 제어기인 인버터 시스템은 고전압의 직류 전원을 모터 제어를 위한 교류 또는 직류 전원으로 변환해주는 역할을 하는 ESA(Electric/Electronic Sub Assembly, 전기/전자 부품)로, 차량의 전동 기구에 속하는 주요 부품이다.

상기와 같이, 친환경 자동차에는 구동수단으로 영구자석형 모터가 적용된다. 상기한 친환경 자동차에 구동수단으로 적용되는 모터는 제어기의 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 의해 직류전압을 3상 전압으로 변환시키는 인버터로부터 제 1 고전압 전력 케이블을 통해 전달되는 상 전류에 의해 구동된다.

또한, 상기 인버터는 메인 릴레이의 개폐에 의해 제 2 고전압 전력 케이블을 통해 전달되는 DC 링크 전압을 3상 전압으로 변환한다.

따라서, 인버터와 모터를 연결하는 제 1 전력 케이블이나, 상기 고전압 배터리와 인버터를 연결하는 제 2 전력 케이블 중 어느 하나의 전력 케이블이 분리되면 모터 구동이 원활히 이루어지지 않을 뿐만 아니라 고압/고전류가 시스템에 유기되어 인버터 전체 시스템을 파손시키는 치명적인 문제점이 발생한다.

도 1은 종래 기술에 따른 인버터 시스템에서 전력 케이블의 분리 검출 장치를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 전력 케이블의 분리 검출 장치는, 전력 케이블(10), 커넥터(20) 및 상기 전력 케이블(10)과 커넥터(20) 사이에 형성되어 상기 전력 케이블(10)과 커넥터(20) 간의 분리 여부에 따른 신호를 전송하는 센서(30)를 포함한다.

상기 센서(30)는 상기 전력 케이블(10)과 커넥터(20) 사이(접촉 부분)에 연결되며, 상기 커넥터(20)에 상기 전력 케이블(10)이 연결되었는지 여부에 따른 디지털 신호를 제어기에 전달한다.

즉, 종래에는 전력 케이블(10)이나 커넥터(20)에 하드웨어적으로 별도로 상기 전력 케이블(10)의 분리 여부를 확인하는 센서가 설치되어 있으며, 상기 센서에서 출력되는 디지털 신호를 이용하여 상기 전력 케이블(10)의 분리 여부를 실시간으로 확인하였다.

그러나, 상기와 같은 전력 케이블의 분리 검출 장치는, 전력 케이블의 분리 여부를 하드웨어적으로 검출하기 때문에, 가격 측면뿐만 아니라, 공간적인 제약이 따르는 문제가 있다.

또한, 상기와 같은 전력 케이블의 분리 검출 장치는, 진동 등의 외부 요인에 의해 오동작할 가능성이 높으며, 이는 운전자의 안전을 위협하는 요인으로 작용하게 된다.

한편, 최근에는 소프트웨어적으로 전력 케이블의 단선을 검출하는 방법을 제공하고 있다.

도 2는 일반적인 전력 케이블에서 단선이 발생한 경우의 전류 변화를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 전력 케이블이 단선되는 경우에 전류의 흐름이 변하는데, 이때 2상 이상이 단선되면 3상 전류가 모두 0이 되고, 1상만 단선되면 단선된 상(도 2에서는 V상)의 전류만 0이 되며, 이에 따라 일정 시간 동안 전류의 크기가 지령치와 큰 차이를 보이거나, 0인지 여부에 따라 단선 여부를 판단하게 된다.

그러나, 상기와 같은 방법은 전류의 크기만을 검출하기 때문에 전동기 속도와 샘플링 주기에 의해 오작동할 확률이 존재하게 된다.

본 발명에 따른 실시 예에서는, 전류의 크기뿐 아니라 전류의 공간 벡터의 크기를 이용하여 전력 케이블의 상태를 검출할 수 있는 인버터 시스템에서의 전력 케이블의 상태 검출 방법을 제공한다.

제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 제 1 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치 또는 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치를 계산하는 단계는, 해당 주기에서 상기 모터로 공급되는 3상 전류 값을 획득하는 단계와, 상기 획득한 3상 전류 값을 이용하여 고정자 좌표계의 d축 전류 및 q축 전류를 계산하는 단계와, 상기 계산된 d축 전류와 q축 전류의 비와, 아크 탄젠트 함수를 이용하여 전류 공간 벡터의 위치를 계산하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산하는 단계는, 상기 모터의 회전 속도를 획득하는 단계와, 상기 모터의 회전 속도와의 관계성을 이용하여 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도를 계산하는 단계와, 상기 제 1 및 2 주기 사이의 샘플링 시간과, 상기 계산된 전류 공간 벡터의 회전 속도를 이용하여 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 비교하는 단계는, 상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 큰지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 3상 전력 케이블의 상태를 검출하는 단계는 상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 제 2 주기에서 획득한 3상 전류 값을 확인하는 단계와, 상기 확인한 3상 전류 값이 모두 0이면, 상기 3상 전력 케이블 중 2개 이상의 케이블에 단선이 발생한 것으로 검출하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 3상 전력 케이블의 상태를 검출하는 단계는, 상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치를 확인하는 단계와, 상기 확인한 전류 공간 벡터의 실제 위치에 따라 상기 3상 전력 케이블 중 단선이 발생한 특정 전력 케이블을 판별하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 판별하는 단계는, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치가 90° 또는 -90°이면, 상기 3상 전력 케이블에서 u상 전력 케이블이 단선된 것으로 검출하는 단계와, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치가 -30° 또는 150°이면, 상기 3상 전력 케이블에서 v상 전력 케이블이 단선된 것으로 검출하는 단계와, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치가 30° 또는 -150°이면, 상기 3상 전력 케이블에서 w 상 전력 케이블이 단선된 것으로 검출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 전류의 크기가 아니라 전류의 공간 벡터의 크기를 이용하여 전동기와 연결된 전력 케이블의 상태를 검출함으로써, 여러 회수의 샘플링 동안에 크기를 검출함에 따른 검출 오류 발생 확률을 현저히 감소시킬 수 있으며, 상기 전력 케이블의 단선 여부를 빠르게 검출하여 더 큰 사고로 이어지는 것을 사전에 막을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 인버터 시스템에서 전력 케이블의 분리 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 전력 케이블에서 단선이 발생한 경우의 전류 변화를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 케이블 중 u상 케이블에 단선이 발생하였을 경우에 변화하는 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 케이블 중 v상 케이블에 단선이 발생하였을 경우에 변화하는 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 케이블 중 w상 케이블에 단선이 발생하였을 경우에 변화하는 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 인버터 시스템은 인버터(110), 상기 인버터(110)를 통해 출력되는 전력을 모터로 공급하는 3상 전력 케이블(120), 및 모터의 구동 상태에 대한 정보를 획득하는 센서(130)와, 상기 인버터(110)의 동작을 제어하면서 상기 3상 전력 케이블(120)의 단선 여부를 검출하여 상기 인버터(110)의 동작을 중지시키는 제어부(130)를 포함한다.

인버터(110)는 전지 자동차 내에 구성되며, 그에 따라 상기 전기 자동차 내에 구성된 배터리(battery)(미도시)로부터 발생한 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다.

이때, 상기 배터리는 고전압 배터리로써, 복수 개의 단위 셀의 집합으로 형성될 수 있다.

상기 복수 개의 단위 셀은 일정한 전압을 유지하기 위하여, 배터리 관리 시스템(미도시)에 의해 관리될 수 있으며, 상기 배터리는 상기 배터리 관리 시스템의 제어에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.

또한, 상기 배터리의 방전에 의해 출력되는 전력은 인버터(110) 내에 구성된 커패시터로 전달된다.

이때, 상기 배터리와 상기 인버터(110) 사이에는 릴레이가 형성되어 있으며, 상기 릴레이의 동작에 의해 상기 인버터(110)로 공급되는 전력의 단속이 이루어질 수 있다.

즉, 상기 릴레이가 온 동작을 하는 경우에는 상기 배터리의 전력이 상기 인버터(110)로 공급되고, 상기 릴레이가 오프 동작을 하는 경우에는 상기 인버터(110)로 공급되는 전력이 차단될 수 있다.

상기 인버터(110)는 상기 배터리로 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터로 공급한다.

이때, 상기 인버터(110)에 의해 변환되는 교류 전력은 3상 교류 전력임이 바람직하다.

상기 인버터(110)는 상기 기재한 커패시터와, 다수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지며, 상기 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 후술할 제어부(130)에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 실행하여 상기 배터리에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 모터로 공급한다.

상기 모터는 회전하지 않고 고정되는 고정자와, 회전하는 회전자를 포함할 수 있다. 상기 모터는 인버터(110)를 통해 공급되는 교류 전력을 인가받는다.

모터는 예를 들어 3상 모터일 수 있으며, 각 상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전력이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 따라 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.

모터는 유도 모터(Induction Motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.

한편, 모터의 일 측에는 구동 기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동 기어는 모터의 회전 에너지를 기어 비어에 따라 변환시킨다. 구동 기어에서 출력되는 회전 에너지는 앞바퀴 및/또는 뒷바퀴에 전달되어 전기 자동차가 움직이도록 한다.

상기 인버터(110)와 모터 사이에는 전력 케이블(120)이 형성된다. 상기 전력 케이블(120)은 3상 전력 케이블임이 바람직하며, 이에 따라 이는 u상 케이블, v상 케이블 및 w상 케이블로 구성된다.

센서(130)는 상기 모터의 구동 상태에 대응하는 정보를 획득한다. 이때, 도면상에는 상기 센서(130)가 속도 센서인 것으로 도시하였다. 즉, 상기 센서(130)는 상기 모터의 일측에 배치되어, 상기 모터의 회전에 따른 회전 속도를 검출한다.

그리고, 센서(130)는 상기 모터의 회전 속도가 검출되면, 상기 검출한 회전 속도를 제어부(140)로 전달한다.

또한, 상기 센서(130)는 전류 센서를 포함할 수 있다.

즉, 센서(130)는 상기 인버터(110)와 모터 사이에 형성된 3상 전력 케이블(120)의 각 출력 라인에 배치되어, 상기 3상에 대한 전류를 획득하는 전류 센서를 더 포함할 수 있다.

이에 따라, 센서(130)는 상기 모터로 공급되는 3상 전류 값(u상 전류 값, v상 전류 값, w상 전류 값)과, 상기 모터의 회전 속도를 검출하여 제어부(140)로 전달한다.

제어부(140)는 상기 인버터(110)의 전반적인 동작을 제어한다.

예를 들어, 제어부(140)는 상기 모터로 공급되는 전류(3상 전류)를 이용하여 상기 모터를 구동시킬 구동 값을 계산하고, 상기 계산한 구동 값에 따라 상기 인버터의 제어를 위한(바람직하게는, 상기 인버터를 구성하는 IGBT의 스위칭 제어를 위한) 스위칭 신호를 발생한다.

이에 따라, 상기 인버터(110)는 상기 제어부(140)를 통해 발생하는 스위칭 신호에 따라 선택적으로 온-오프 동작을 수행하여, 상기 배터리로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.

한편, 제어부(140)는 상기 센서(130)를 통해 전달되는 3상 전류 값과, 회전 속도를 이용하여 상기 전력 케이블(120)의 상태를 검출한다.

그리고, 제어부(140)는 상기 전력 케이블(120)의 상태에 문제가 발생하면(예를 들어, 단선, 분리 및 미체결 등), 상기 인버터(110)를 통해 변환된 교류 전력이 상기 모터로 공급되지 못하여 전기 자동차의 운행에 큰 영향을 미칠 수 있다.

이에 따라, 제어부(140)는 상기 전력 케이블(120)의 단선 여부를 검출하고, 그에 따라 상기 전력 케이블(120)이 단선된 것으로 검출되면 상기 모터로 공급되는 교류 전력을 차단한다.

이하, 상기 제어부(140)에서 수행되는 전력 케이블(120)의 단선 검출 동작에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 케이블 중 u상 케이블에 단선이 발생하였을 경우에 변화하는 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 케이블 중 v상 케이블에 단선이 발생하였을 경우에 변화하는 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 케이블 중 w상 케이블에 단선이 발생하였을 경우에 변화하는 3상 전류의 공간 벡터를 나타낸 도면이다.

도 4 내지 7을 참조하여, 상기 제어부(140)에 의해 수행되는 전력 케이블(120)의 단선 검출 동작에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 모터의 속도와 전류의 공간 벡터의 속도와의 관계에 대해 설명하기로 한다.

상기 전력 케이블(120)을 통해 3상 전류가 상기 모터에 공급되면, 상기 모터에는 토크가 발생하여 상기 모터의 회전이 이루어진다.

이때, 상기 모터가 동기 모터(Synchronous Motor)인 경우, 전류의 공간 벡터의 회전 속도와, 상기 모터의 회전 속도가 동일하며, 상기 모터가 비동기 모터(Asynchronous Motor)인 경우, 상기 전류의 공간 벡터의 회전 속도가 상기 모터의 회전 속도와 일정한 차이를 갖게 된다.

따라서, 상기 모터의 회전 속도를 알고 있으면, 상기 전류의 공간 벡터의 속도 역시 얻을 수 있다.

여기에서, 상기 공간 벡터란, 3차원 좌표에서의 전류 벡터를 의미한다.

즉, 도 4를 참조하면, 모터는 3상의 권선이 기계적으로 120°의 차이를 두고 만들어지며, 이 3상의 권선에 전기적으로 120° 위상 차이가 나는 3상 전류가 흐르게 된다. 그러면, 상기 흐르는 3상 전류에 의해 자계가 형성이 되고, 이 자계를 공간 벡터라 한다.

이때, 정상적인 3상 전류가 계속적으로 흐르는 경우, 상기 전류의 공간 벡터는 회전하게 된다.

그러나, 상기 3상 전류가 비정상적으로 흐르는 경우, 상기 전류의 공간 벡터는 회전하지 않고, 특정 위치(각도라고도 할 수 있음)를 교번하는 형태로 나타나게 된다.

다시 말해서, N번째 샘플링시 획득한 전류 공간 벡터의 위치가 도 4와 같다면, 정상적인 3상 전류가 흐르는 경우에 N+1번째의 전류 공간 벡터의 위치는 도 4의 화살표 방향으로 회전하게 된다. 이때, 상기 공간 벡터의 회전 속도는 상기 모터의 회전 속도에 영향을 받게 된다. 예를 들어, N번째 전류 공간 벡터의 위치가 20°이고, 상기 모터의 회전 속도가 A라면, N+1번째 전류 공간 벡터의 위치는 상기 화살표 방향으로 상기 N과 N+1의 시간 차이에 상기 모터의 회전 속도를 연산한 만큼 회전하게 된다.

그러나, 상기 3상 전류가 비정상적으로 흐르는 경우(즉, 전력 케이블에 단선이 발생한 경우)에는, 상기 연산한 각도만큼 상기 전류 공간 벡터의 회전이 이루어지지 않는다. 따라서, 정상적인 경우에는 현재 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치와, 다음 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치는 상기 모터의 속도와 샘플링 시간에 따라 일정 간격을 가지게 되는데, 상기와 같이 비정상적인 경우에는 현재 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치와 다음 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치에는 아무런 연관성이 존재하지 않게 된다.

따라서, 상기 제어부(140)는 현재 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치를 계산하고, 상기 계산한 현재 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치에 따라 다음 주기에서 상기 전류 공간 벡터가 형성될 위치를 예측한다. 상기 예측하는 방법은 샘플링 시간과, 상기 모터의 속도에 의해 이루어질 수 있다.

이에 대해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 제어부(140)는 상기 센서(130)를 통해 획득된 3상 전류 값을 이용하여 고정자 좌표계의 d축 전류 및 q축 전류를 계산한다.

상기 d축 전류(id)와 q축 전류(iq)를 계산하는 방법은 다음과 같다.

우선, 상기 d축 전류와 q축 전류를 계산하기 위해, 먼저 idq벡터를 구한다.

상기 idq벡터는 다음과 같은 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

따라서, 상기와 같은 idq에서 d축 전류(id)와, q축 전류(iq)를 다음과 같은 수학식 2에 의해 구할 수 있다.

즉, 상기 수학식 1 및 2에 의하여, 상기 획득한 3상 전류(Ia, Ib, Ic)로부터 고정자 좌표계의 d축 전류와 q축 전류를 각각 계산할 수 있다.

또한, 상기 d축 전류와 q축 전류가 계산되면, 상기 계산한 d축 전류와 q축 전류를 이용하여 전류 공간 벡터의 위치를 계산할 수 있다.

다시 말해서, 상기 전류 공간 벡터의 위치는, 상기 고정자 좌표계의 d축 전류와 q축 전류의 값의 비와, 아크 탄젠트(arctangent) 함수를 이용하여 전류 공간 벡터의 위치를 계산할 수 있다.

상기 전류 공간 벡터의 위치는 다음과 같은 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.

상기와 같은 수학식 1, 2 및 3을 기준으로, 상기 제어부(140)는 일정 주기(N, N+1, N+2...)마다 전류 공간 벡터의 위치를 계산한다.

여기에서, N 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치는 다음과 같을 수 있다.

또한, N+1 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치는 다음과 같을 수 있다.

이때, 상기 전류 공간 벡터의 위치는 상기 모터의 속도에 따라 회전하게 된다.

이에 따라, 현재 주기의 전류 공간 벡터의 위치를 알고 있다면, 상기 모터의 속도와, 샘플링 시간(N+1과 N의 시간 차이)를 기준으로, 다음 주기의 전류 공간 벡터의 위치를 예측할 수 있다.

즉, 제어부(140)는 상기 모터의 속도에 따라 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도를 계산할 수 있다. 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도는 상기 모터의 종류에 따라 계산될 수 있는데, 상기 설명한 바와 같이 상기 모터가 동기 모터이면, 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도는 상기 모터의 속도와 같으며, 상기 모터가 비동기 모터이면, 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도는 상기 모터의 속도와 일정 차이를 갖는다.

따라서, 제어부(140)는 상기 모터의 종류 및 상기 모터의 속도를 이용하여, 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도를 계산할 수 있다.

이로 인해, 제어부(140)는 현재 주기(N)의 전류 공간 벡터의 위치와, 회전자 속도(모터의 속도)에서 얻어진 현재 주기(N)의 전류 공간 벡터의 회전 속도를 이용하여 다음 주기(N+1)의 전류 공간 벡터의 위치를 예측할 수 있다.

상기 다음 주기의 전류 공간 벡터의 위치는 다음과 같은 수학식 4에 의해 예측될 수 있다.

= 전류 공간 벡터의 회전 속도,

=샘플링 시간

이후, 상기 제어부(140)는 상기 다음 주기(N+1)가 도래하면, 상기 도래한 주기에 따른 전류 공간 벡터의 위치를 계산한다.

상기 도래한 주기(N+1)의 전류 공간 벡터의 위치는, 상기 설명한 수학식 1 내지 3에 의해 계산될 수 있다.

또한, 상기 다음 주기에 대한 전류 공간 벡터의 실 위치가 계산되면, 제어부(140)는 상기 다음 주기에 대해 예측한 전류 공간 벡터의 위치와, 상기 계산한 다음 주기에 대한 전류 공간 벡터의 실 위치를 비교하여, 상기 예측 위치와 실 위치에 차이가 있는지를 확인한다.

이때, 상기 예측 위치와 실 위치가 서로 동일하다면, 3상 전류가 정상적으로 흐르는 상태임을 나타내므로, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블(120)이 정상적으로 연결된 것을 확인할 수 있을 것이다.

그러나, 상기 예측 위치와 실 위치에 차이가 있다면, 제어부(140)는 상기 발생한 차이가 오차 범위 이내에 있는지, 아니면 오차 범위를 벗어났는지를 확인한다. 상기 오차 범위는 다양한 실험을 통해 발생할 수 있는 위치 차이를 계산하여, 이를 기준 값으로 지정할 수 있다. 예를 들어, 상기 오차 범위는 10°로 설정될 수 있다.

이후, 상기 예측 위치와 실 위치의 차이가 오차 범위 이내에 속하면, 제어부(140)는 상기 전력 케이블(120)이 정상적으로 연결된 것으로 판단한다.

그러나, 상기 예측 위치와 실 위치의 차이가 오차 범위를 벗어나면, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블(120)이 비정상적으로 연결된 것(예를 들어, 단선)으로 판단한다.

이후, 제어부(140)는 상기 전력 케이블(120)에 이상이 발생하였음을 알리고, 그에 따라 상기 인버터(110)로 공급되는 전력이나, 상기 인버터(110)에서 출력되는 전력을 차단한다.

이때, 제어부(140)는 상기 계산한 실 위치를 이용하여 상기 전력 케이블(120) 중 어느 상의 케이블에 이상이 발생하였는지를 확인한다.

이를 위해, 제어부(140)는 상기 센서(130)를 통해 획득된 3상 전류 값을 확인한다. 그리고, 상기 확인한 3상 전류 값이 모두 0이면, 상기 제어부(140)는 상기 3상 케이블 중 2상 이상의 케이블에 이상이 발생하였다고 판단한다. 즉, 상기 3상 케이블 중 2개 이상의 케이블이 단선 상태인 경우에는 상기 3상 전류 값이 모두 0이 되며, 이를 토대로 제어부(140)는 상기 3상 전류 값을 이용하여 2개 이상의 케이블에 이상이 발생하였는지를 확인할 수 있다.

또한, 제어부(140)는 상기 확인한 3상 전류 값이 모두 0이 아니면, 상기 전류 공간 벡터의 실 위치의 변화 상태에 따라 상기 전력 케이블에서 어느 한 상에 이상이 발생하였는지를 확인한다.

이때, 상기 어느 하나의 특정 전력 케이블에 단선이 발생하게 되면, 상기 단선이 발생한 상의 전류 값만 0이 되며, 이때 상기 전류 공간 벡터의 위치에 규칙적인 변화가 발생한다.

즉, 정상적인 3상 전류가 흐르는 상태이면, 도 4에 도시된 바와 같이 전류 공간 벡터는 상기 모터의 회전 속도에 대응하게 회전하게 된다.

그러나, 상기 3상 전류 중 어느 한 상의 전류가 흐르지 않게 되면, 사기 전류 공간 벡터는 회전하지 않고, 2개의 위치를 교번하는 형태로 변화하게 된다.

다시 말해서, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 전력 케이블 중 u상 케이블이 단선된 경우, 전류 공간 벡터는 90°와 -90° 면을 교번하는 형태로 변화하게 된다.

이에 따라, 제어부(140)는 상기 전류 공간 벡터의 위치를 확인하고, 상기 전류 공간 벡터의 위치가 도 5와 같이, 90°와 -90°를 교번하는 형태로 변화하게 되면, 상기 전력 케이블 중 u상 케이블이 단선된 것으로 판단한다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 전력 케이블 중 v상 케이블이 단선된 경우, 전류 공간 벡터는 -30°와 150° 면을 교번하는 형태로 변화하게 된다.

이에 따라, 제어부(140)는 상기 전류 공간 벡터의 위치를 확인하고, 상기 전류 공간 벡터의 위치가 도 6과 같이, -30°와 150°를 교번하는 형태로 변화하게 되면, 상기 전력 케이블 중 v상 케이블이 단선된 것으로 판단한다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 전력 케이블 중 w상 케이블이 단선된 경우, 전류 공간 벡터는 -150°와 30° 면을 교번하는 형태로 변화하게 된다.

이에 따라, 제어부(140)는 상기 전류 공간 벡터의 위치를 확인하고, 상기 전류 공간 벡터의 위치가 도 7과 같이, -150°와 30°를 교번하는 형태로 변화하게 되면, 상기 전력 케이블 중 w상 케이블이 단선된 것으로 판단한다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 전류의 크기가 아니라 전류의 공간 벡터의 크기를 이용하여 전동기와 연결된 전력 케이블의 상태를 검출함으로써, 여러 회수의 샘플링 동안에 크기를 검출함에 따른 검출 오류 발생 확률을 현저히 감소시킬 수 있으며, 상기 전력 케이블의 단선 여부를 빠르게 검출하여 더 큰 사고로 이어지는 것을 사전에 막을 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 먼저 제어부(140)는 현재 주기(N주기, 이하에서는, 현재 주기를 '제 1 주기'라 함)에서의 전류 공간 벡터의 위치를 계산한다(101단계).

상기 전류 공간 벡터는 상기 기재한 수학식 1 내지 3에 의해 계산될 수 있다.

상기 제 1 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치가 계산되면, 제어부(140)는 다음 주기(N+1주기, 이하에서는 다음 주기를 '제 2 주기'라 함)에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산한다(102단계).

즉, 제어부(140)는 모터의 속도를 이용하여 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도를 계산하고, 그에 따라 샘플링 시간(제 1 주기와 제 2 주기의 시간 차이)과 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도를 이용하여 상기 제 2 주기에서 나타날 전류 공간 백터의 예상 위치를 계산한다.

이후, 상기 제 2 주기가 도래하면, 상기 제어부(140)는 상기 제 2 주기에서의 실제 전류 공간 벡터의 위치를 계산한다(103단계).

상기 제 2 주기에서의 실제 전류 공간 벡터의 위치가 계산되면, 상기 제어부(140)는 상기 예상 위치와, 상기 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 큰지 여부를 판단한다(104단계). 즉, 제어부(140)는 상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 다양한 실험을 통해 획득한 오차 범위를 벗어나는지 여부를 판단한다.

상기 판단결과(104단계), 상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 작으면, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블이 정상적으로 연결된 것으로 간주하고, 그에 따라 상기 단계(102단계)로 복귀한다.

그러나, 상기 판단결과(104단계), 상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블에 이상이 발생하였음을 감지하고, 그에 따라 상기 전력 케이블의 어느 상에 이상이 발생하였는지를 확인하는 과정에 들어간다(105단계~112단계).

이를 위해, 먼저 상기 제어부(140)는 상기 전류 공간 벡터의 위치를 계산하기 위해 획득한 3상 전류 값이 모두 0인지 여부를 판단한다(105단계).

이후, 상기 판단결과(105단계), 상기 3상 전류 값이 모두 0이면, 상기 전력 케이블에서 적어도 2개 이상의 케이블이 단선된 것으로 판단한다(106단계).

그러나, 상기 판단결과(105단계), 상기 3상 전류 값이 모두 0이 아니면, 상기 제어부(140)는 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 90°또는 -90°인지 여부를 판단한다(107단계).

이후, 상기 판단결과(107단계), 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 90° 또는 -90°이면, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블 중 u상 케이블에 단선이 발생하였음을 검출한다(108단계).

또한, 상기 판단결과(107단계), 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 90° 또는 -90°가 아니면, 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 -30°또는 150°인지 여부를 판단한다(109단계).

이후, 상기 판단결과(109단계), 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 -30° 또는 150°이면, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블 중 v상 케이블에 단선이 발생하였음을 검출한다(110단계).

또한, 상기 판단결과(109단계), 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 -30° 또는 150°가 아니면, 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 30°또는 -150°인지 여부를 판단한다(111단계).

이후, 상기 판단결과(111단계), 상기 제 2 주기에서 나타난 전류 공간 벡터의 위치가 30° 또는 -150°이면, 상기 제어부(140)는 상기 전력 케이블 중 w상 케이블에 단선이 발생하였음을 검출한다(112단계)..

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100: 인버터 시스템
110: 인버터
120: 전력 케이블
130: 센서
140: 제어부

Claims

3상 전력 케이블을 이용하여 인버터에서 발생한 전력을 모터로 공급하는 인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법에 있어서,
제 1 주기가 도래하면, 상기 제 1 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치를 계산하는 단계;
상기 계산된 제 1 주기의 전류 공간 벡터의 위치를 이용하여, 다음 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산하는 단계;
상기 제 2 주기가 도래하면, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치를 계산하는 단계;
상기 계산된 예상 위치와, 실제 위치를 비교하는 단계; 및
상기 비교 결과에 따라 상기 3상 전력 케이블의 상태를 검출하는 단계를 포함하고,
상기 비교하는 단계는,
상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 큰지 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
상기 3상 전력 케이블의 상태를 검출하는 단계는,
상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치를 확인하는 단계와,
상기 확인한 전류 공간 벡터의 실제 위치에 따라 상기 3상 전력 케이블 중 단선이 발생한 특정 전력 케이블을 판별하는 단계를 포함하고,
상기 판별하는 단계는,
상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치가 90° 또는 -90°이면, 상기 3상 전력 케이블에서 u상 전력 케이블이 단선된 것으로 검출하는 단계와,
상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치가 -30° 또는 150°이면, 상기 3상 전력 케이블에서 v상 전력 케이블이 단선된 것으로 검출하는 단계와,
상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치가 30° 또는 -150°이면, 상기 3상 전력 케이블에서 w 상 전력 케이블이 단선된 것으로 검출하는 단계를 포함하는
인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 주기에서의 전류 공간 벡터의 위치 또는 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 실제 위치를 계산하는 단계는,
해당 주기에서 상기 모터로 공급되는 3상 전류 값을 획득하는 단계와,
상기 획득한 3상 전류 값을 이용하여 고정자 좌표계의 d축 전류 및 q축 전류를 계산하는 단계와,
상기 계산된 d축 전류와 q축 전류의 비와, 아크 탄젠트 함수를 이용하여 전류 공간 벡터의 위치를 계산하는 단계를 포함하는
인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산하는 단계는,
상기 모터의 회전 속도를 획득하는 단계와,
상기 모터의 회전 속도와의 관계성을 이용하여 상기 전류 공간 벡터의 회전 속도를 계산하는 단계와,
상기 제 1 및 2 주기 사이의 샘플링 시간과, 상기 계산된 전류 공간 벡터의 회전 속도를 이용하여 상기 제 2 주기에서의 전류 공간 벡터의 예상 위치를 계산하는 단계를 포함하는
인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법.
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제 1항에 있어서,
상기 3상 전력 케이블의 상태를 검출하는 단계는
상기 예상 위치와 실제 위치의 차이가 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 제 2 주기에서 획득한 3상 전류 값을 확인하는 단계와,
상기 확인한 3상 전류 값이 모두 0이면, 상기 3상 전력 케이블 중 2개 이상의 케이블에 단선이 발생한 것으로 검출하는 단계를 포함하는
인버터 시스템에서 전력 케이블의 상태 검출 방법.
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