KR101823140B1 - 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 방법은, 측정부를 통하여 3상 전류를 측정하는 단계, 측정한 3상 전류를 정지좌표계

축 전류로 변환하는 단계, 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산하는 단계, 계산한 벡터 위상각에 기반하여 섹터 구간을 구분하는 단계, 구분한 섹터 구간에 기반하여, 고장 검출 변수를 생성하는 단계 및 생성한 고장 검출 변수와 제 1 임계값을 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

인버터 고장 진단 방법 및 그 장치{METHOD FOR DETECTING INVERTER FAULT AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3상 PWM 인버터에서 추가적인 하드웨어 소자를 사용하지 않고 기존의 주 제어기에서 사용되는 신호들인 각 상의 전류 신호를 이용하여 실시간으로 스위치의 개방고장 검출 및 고장 스위치를 식별할 수 있는 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

오늘날 3상 PWM 인버터는 가변속 모터 제어나 무정전 전원장치, 능동전력필터 등 다양한 산업 분야에 널리 사용되고 있다. PWM 인버터의 주요 구성요소인 전력반도체 스위치는 예상치 못한 과열이나 기계적 또는 전기적 스트레스로 인해 종종 고장을 일으킬 수 있다. 따라서 시스템의 신뢰성 및 안전 확보를 위해 인버터 스위치의 고장에 대한 진단 기법이 강구될 필요가 있다.

스위치 고장은 크게 단락고장 또는 개방고장으로 분류될 수 있다. 스위치 단락고장은 순간적으로 큰 전류를 흐르게 하여 시스템에 심각한 피해를 유발하므로 게이트 드라이버나 추가적인 하드웨어를 사용하여 보호하는 것이 일반적이다.

스위치 개방고장은 스위치가 지속적으로 개방되는 고장으로서 단락고장과는 달리 전체시스템의 즉각적인 피해를 유발하지 않는다. 그러나 개방고장이 검출되지 않은 채 계속 동작하게 되면 누적된 스트레스로 인해 시스템의 2차적인 고장을 일으키고 결국 시스템의 중단 및 수리 비용의 피해가 발생하게 된다.

따라서, 스위치 단락고장 또는 스위치 개방고장을 검출하고 식별할 수 있는 장치와 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 추가적인 하드웨어 소자를 사용하지 않고 기존의 주 제어기에서 사용되는 신호들인 각 상의 전류 신호를 이용하여 실시간으로 스위치의 개방고장 검출 및 고장 스위치를 식별할 수 있는 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 방법은, 측정부를 통하여 3상 전류를 측정하는 단계, 측정한 3상 전류를 정지좌표계

축 전류로 변환하는 단계, 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산하는 단계, 계산한 벡터 위상각에 기반하여 섹터 구간을 구분하는 단계, 구분한 섹터 구간에 기반하여, 고장 검출 변수를 생성하는 단계 및 생성한 고장 검출 변수와 제 1 임계값을 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 구분한 섹터 구간에 기반하여, 고장 검출 변수를 생성하는 단계는, 구분한 섹터 구간에서, 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌면 0으로 초기화하는 변수

를 생성하는 단계, 변수

의 평균값

를 계산하는 단계 및 계산한 평균값

를 정규화하여 고장 검출 변수를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 제 1 임계값은 1 을 초과하고 1.5 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 방법은, 측정부를 통하여 3상 전류를 측정하는 단계, 측정한 3상 전류를 정규화 하는 단계, 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산하는 단계, 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성하는 단계 및 생성한 상 개방고장 식별 변수와 제 2 임계값을 비교하여, 인버터의 상 개방고장을 식별하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성하는 단계는, 계산한 두 상전류의 차의 절대값을 계산하는 단계, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값을 계산하는 단계 및 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값에서 1.1을 빼서, 상 개방고장 식별변수를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 제 2 임계값은 0.35 를 초과하고 0.632 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 방법은, 측정부를 통하여 3상 전류를 측정하는 단계, 측정한 3상 전류를 제 3 임계값과 비교하는 단계, 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하는 단계 및 생성한 다중 스위치 고장 식별 변수와 제 4 임계값을 비교하여 인버터의 다중 개방고장을 식별하는 단계를 포함하며, 제 3 임계값은 정격 전류 값의 2% 이상 5% 이하일 수 있다.

또한, 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하는 단계는, 비교한 결과를 이용하여 부호 결정 변수

을 생성하는 단계 및 생성한 부호 결정 변수

의 평균값

을 계산하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 제 4 임계값은 0.3 을 초과하고 0.5 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 장치는, 3상 전류를 측정하기 위한 측정부, 측정부에서 측정한 전류값들을 계산 및 변환하여 평균값을 계산하기 위한 계산부, 계산부의 계산 결과를 이용하여 인버터 개방고장 여부를 검출하기 위한 고장 검출부 및 고장 검출부에서 인버터 개방고장을 검출하면, 어느 상의 스위치가 고장인지 식별하는 고장 식별부를 포함하며, 계산부는 측정한 3상 전류를 정지좌표계

축 전류로 변환하고, 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산하고, 계산한 벡터 위상각에 기반하여 섹터 구간을 구분하고, 구분한 섹터 구간에 기반하여, 고장 검출 변수를 생성하고, 고장 검출부는 생성한 고장 검출 변수와 제 1 임계값을 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단할 수 있다.

또한, 구분한 섹터 구간에 기반하여, 고장 검출 변수의 생성은, 구분한 섹터 구간에서, 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌면 0으로 초기화하는 변수

를 생성하고, 변수

의 평균값

를 계산하고, 계산한 평균값

를 정규화한 고장 검출 변수의 생성을 포함할 수 있다.

또한, 제 1 임계값은 1 을 초과하고 1.5 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 장치는, 3상 전류를 측정하기 위한 측정부, 측정부에서 측정한 전류값들을 계산 및 변환하여 평균값을 계산하기 위한 계산부, 계산부의 계산 결과를 이용하여 인버터 개방고장 여부를 검출하기 위한 고장 검출부 및 고장 검출부에서 인버터 개방고장을 검출하면, 어느 상의 스위치가 고장인지 식별하는 고장 식별부를 포함하며, 계산부는 측정한 3상 전류를 정규화하고, 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산하고, 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성하고, 고장 식별부는 생성한 상 개방고장 식별 변수와 제 2 임계값을 비교하여 인버터의 상 개방고장을 식별할 수 있다.

또한, 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수의 생성은, 계산한 두 상전류의 차의 절대값을 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값을 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값에서 1.1을 빼서, 상 개방고장 식별변수를 생성할 수 있다.

또한, 제 2 임계값은 0.35 를 초과하고 0.632 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 장치는, 3상 전류를 측정하기 위한 측정부, 측정부에서 측정한 전류값들을 계산 및 변환하여 평균값을 계산하기 위한 계산부, 계산부의 계산 결과를 이용하여 인버터 개방고장 여부를 검출하기 위한 고장 검출부 및 고장 검출부에서 인버터 개방고장을 검출하면, 어느 상의 스위치가 고장인지 식별하는 고장 식별부를 포함하며, 계산부는 측정한 3상 전류를 제 3 임계값과 비교하고, 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하고, 고장 식별부는 생성한 다중 스위치 고장 식별 변수와 제 4 임계값을 비교하여 인버터의 다중 개방고장을 식별하고, 제 3 임계값은 정격 전류 값의 2% 이상 5% 이하일 수 있다.

또한, 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수의 생성은, 비교한 결과를 이용하여 부호 결정 변수

을 생성하고, 생성한 부호 결정 변수

의 평균값

을 계산하여 다중 스위치 고장 식별 변수의 생성을 포함할 수 있다.

또한, 제 4 임계값은 0.3 을 초과하고 0.5 미만일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예로써, 전술한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치에 의하면, 추가적인 하드웨어 소자를 사용하지 않고 기존의 주 제어기에서 사용되는 신호의 검출만으로도 3상 PWM 인버터가 응용되는 모터 제어 시스템에서 실시간으로 스위치의 개방고장 검출이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치에 의하면, 인버터의 전류 신호만을 감지하더라도 실시간으로 다중으로 인버터 고장 스위치의 식별이 가능하다.

도 1은 일반적인 3상 PWM 인버터 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 진단 방법 블록도를 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지좌표계 및 각 섹터 구간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 스위치 고장 검출 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 모터의 속도 변동에 따른 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 모터의 회전 방향이 정방향에서 역방향, 다시 정방향으로 변화하는 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 부하 토크가 변화하는 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 스위치 S1의 고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 S1 및 S2에 고장이 발생한 상 개방고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 A상의 상단 스위치 S1과 B상의 하단 스위치 S4의 고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 A, B상의 상단 스위치 S1, S3 및 C상의 하단 스위치 S6에 고장이 발생한 경우의 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장을 검출할 수 있는 인버터 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 상 개방고장을 식별할 수 있는 인버터 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 다중 개방고장을 식별할 수 있는 인버터 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 3상 PWM 인버터 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 3상 PWM 인버터 시스템을 나타내고 있으며,

는 직류 전원 전압,

,

, 는 각각 A, B, C 상 전류, 부하로는 유도 전동기를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 진단 방법 블록도를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 고장 진단 방법은 크게 고장 검출(Fault detection)(210)과 고장 식별(Fault identification)(220)의 두 부분으로 구성될 수 있다. 고장 검출(210)은 스위치 고장이 발생하면 이를 검출하는 부분이고, 고장 식별(220)은 고장난 스위치를 판별하는 부분이다. 인버터의 출력 상전류

와 정지좌표계에서의 전류 지령값

이 고장 진단을 위한 입력이 될 수 있다.

,

는 인버터의 기본적인 전류제어를 위해 사용되는 정보로서, 고장 진단 방법에서는 이들 전류 정보만을 사용하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 진단 방법은 인버터의 동작 조건에 관계없이 독립적으로 고장을 진단할 수 있다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터에서 고장 검출(210)을 하기 위한 방법을 살펴보면, 측정부(10)를 통해 측정된 3상 전류

는 <수학식 1> 과 같이 정지좌표계

축 전류

로 변환이 가능하고, 이에 따른 벡터 위상각

를 <수학식 2> 와 같이 계산할 수 있다.

수학식 1

수학식 2

다음으로, 벡터 위상각

는 <수학식 3>과 같이, 0도에서 360도까지 60도 간격으로 나누어 각 섹터 구간마다 번호를 지정하여 구분할 수 있다.

수학식 3

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지좌표계 및 각 섹터 구간의 관계를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 3상 전류로부터 구한 정지좌표계 전류

는 정현파 전류이므로 벡터 위상각

는 0도에서 360도까지 일정한 속도로 회전할 수 있다. 벡터 위상각이 일정한 속도로 회전하므로 각 섹터 구간이 존재하는 시간도 일정할 수 있다. 다만, 인버터 스위치에 고장이 발생하면 3상 전류는 왜곡되고 그에 따라 벡터 위상각

또한 왜곡될 수 있다. 따라서, 고장이 발생한 스위치에 따라 벡터 위상각

는 특정 섹터 구간에만 존재하게 되므로, 각 섹터 구간이 존재하는 시간에 차이가 발생할 수 있다. 즉, 각 섹터 구간이 일정한 속도로 바뀌는 지를 관찰함으로써 인버터 스위치의 고장을 검출할 수 있다.

따라서, <수학식 4>와 같이 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌게 되면 0으로 초기화하는 변수

를 정의할 수 있다.

수학식 4

즉, 변수

의 평균값을 계산함으로써, 평균값

를 생성할 수 있다. 인버터 스위치가 정상적으로 동작한다면

는 일정하게 유지될 수 있으나, 인버터 스위치 고장이 발생하면 벡터 위상각은 특정 섹터에만 존재하므로 특정 섹터 시간이 길어져

가 증가할 수 있다.

만약, 인버터 시스템에서 부하가 변동하는 등의 이유로 인버터에 흐르는 전류의 크기나 주파수가 바뀌게 되면, 벡터 위상각의 회전 속도도 바뀌게 되므로,

또한 바뀔 수 있다. 이 경우 모든 스위치는 정상적으로 동작함에도 불구하고, 고장으로 판단하는 검출 오류(False alarm)가 발생할 수 있다. 따라서, 부하 변동에 대한 검출 오류를 방지하기 위해

의 정규화 과정이 필요할 수 있다.

의 정규화는 전류 제어기의 지령값으로부터 구할 수 있다. 즉, <수학식 5>를 통해 정지좌표계의 지령 전류

의 벡터 위상각

를 계산할 수 있다.

수학식 5

<수학식 3>, <수학식 4>와 마찬가지로, <수학식 5>를 통해 <수학식 6>, <수학식 7>을 계산함으로써,

의 섹터 구간섹터 구간

및 변수

를 계산할 수 있다.

수학식 6

수학식 7

<수학식 8>과 같이,

에

의 평균값

를 나누어 주면 부하 변동 등의 과도상태에 독립적이며, 인버터 스위치 고장의 검출이 가능한 정규화된 고장 검출 변수

을 구할 수 있다. 따라서, 인버터 스위치가 정상 동작을 한다면

와

가 같은 값을 가지므로

은 1 의 값을 가지며, 인버터 스위치가 고장이라면,

에 비해

가 증가하게 되므로

은 1 보다 큰 값을 가질 수 있다.

수학식 8

따라서, 인버터 스위치의 고장 검출을 위해, 고장 검출 변수

을 제 1 임계값

과 비교하여,

이 제 1 임계값

을 넘어서지 않는다면 정상 동작으로 판단하고, 제 1 임계값

을 넘어서면 고장으로 판단할 수 있다. 또한, 고장 검출 변수

은 정규화된 변수이므로 제 1 임계값

의 선정은 실험적으로 여러 경우에서의

을 관찰하여 결정할 수 있다.

즉, 인버터 스위치가 정상 동작할 때,

을 유지하고, 스위치 고장이 발생한 경우에는

은 1. 5 이상 증가하게 되므로, 제 1 임계값

은

범위에서 결정될 수 있다. 제 1 임계값

을 1에 가까이 결정할수록 고장 검출 속도는 빨라지지만,

과의 여유(margin) 간격이 좁아지기 때문에, 고장이 아님에도 불구하고 고장 판정 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 제 1 임계값

을 1.5에 가까이 결정할수록 고장 검출 속도는 느려지지만, 부하 변동이나 외란 등의 과도 상태에 대한 강인성이 증가할 수 있다. 따라서, 제 1 임계값

의 결정은 강인성을 충분히 확보하면서 검출속도 또한 충분히 고려함으로써 결정하여야 하고, 적절한 균형을 통해 결정하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로 제 1 임계값

은 충분한 강인성을 확보하면서, 검출속도 또한 확보되도록 1.3으로 결정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 스위치 고장 검출 파형을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 도 4(a)는 3상 전류의 파형, 도 4(b)는 벡터 위상각, 도 4(c)는 섹터 번호, 도 4(d)는 변수

, 도 4(d)는 변수

의 평균값인

및 도 5(e)는 고장 검출 변수

을 나타낸 도면이다.

도 4는 3상 전류 (

)와 정지좌표계의 벡터 위상각

, 섹터 번호

, 변수

및

와 고장 검출 변수

에 대한 파형을 보이고 있다. 도 4를 참조하면, 약 1.708초에 인버터 스위치 S₁에 개방고장이 발생하였고, 그에 따라 고장 검출 변수

이 제 1 임계값

보다 커지므로, 고장 진단 방법을 사용하여, 인버터 스위치 고장을 검출할 수 있다. 도 4에서,

이 2보다 큰 값을 가지면 2로 유지되도록 제한값을 결정하였다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터에서 고장 식별(220)을 하기 위한 방법을 살펴보면, 인버터 고장 진단의 두 번째 단계로서, 먼저, 인버터 스위치의 고장이 검출(210)되면, 어느 스위치가 고장인지 판별하기 위한 고장 식별(220)이 필요할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 스위치의 고장 식별(220)은 두 가지의 식별 변수를 통해 수행될 수 있다. 하나는 상 개방고장의 식별, 즉, 인버터의 한 상이 개방된 경우를 식별하기 위한 것으로, A, B, C 상 중 같은 상의 상단 스위치와 하단 스위치 모두 고장이 발생할 경우를 식별하기 위한 것이고, 다른 하나는 스위치의 다중 개방고장 발생 시, 이를 식별하기 위한 것으로 하나 이상의 여러 스위치에 개방고장이 발생한 경우를 식별하기 위한 것이다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터에서 상 개방고장 식별을 하기 위한 방법으로, 인버터 3상의 각 상전류는 이상적인 정현파로 가정하여, <수학식 9>와 같이 표현할 수 있다.

수학식 9

<수학식 9>에서,

은 전류 최대값,

는 전류 각주파수,

는 초기 위상각을 의미한다. 각 상전류에 정규화를 취하면 다음 <수학식 10>과 같이 표현될 수 있다.

수학식 10

따라서, <수학식 10>과 같이, 정규화된 전류는 항상

의 범위 내에서만 존재할 수 있다.

정규화된 전류를 이용하여, <수학식 11>과 같이 다른 두 상전류의 차를 이용함으로써, 상 개방고장의 식별 변수를 계산할 수 있다.

수학식 11

예를 들어, C상에서 개방고장이 발생했다고 가정하고, A상 및 B상의 상전류 차를 구하면 <수학식 12>와 같이 계산할 수 있다.

수학식 12

즉, 크기가

인 정현파가 되는데, 여기에서, A상 및 B상의 상전류 차에 절대값을 취한 후 평균을 계산하면 <수학식 13>과 같다.

수학식 13

<수학식 13>에서, T는 정현파 전류의 한주기를 의미한다.

만약, 상 개방고장 없이 스위치가 정상이라면, <수학식 13>에 의해, A상 및 B상의 상전류 차의 절대값은 1.1 이 되므로, 상 개방고장 식별 변수

은 정상일 때 항상 0을 유지할 수 있다. 만약 3상 중에 C상에 고장이 발생하였다고 가정하면, A상 및 B상 전류는 키르히호프의 전류법칙에 의해 부호만 반대 부호로 반전되고 크기는 같아질 수 있다. 즉,

이 되고, 그 절대값은

이 되므로, 상 개방고장의 식별 변수

은

이 될 수 있다. 즉, 상 개방고장 식별 변수

이 0이면 인버터는 정상 상태이고,

이 0.632 값을 가지면 상 개방고장 상태가 되므로,

을 제 2 임계값

와 비교함으로써, 상 개방고장을 식별할 수 있다. 여기에서, 스위치 S1이나 S2 둘 중 하나만 고장이 발생했다면,

는 약 0.3~0.35의 값을 가지게 되므로, 제 2 임계값

는

범위에서 결정될 수 있다.

다중 개방고장이 발생한 경우, 인버터를 구성하는 6개 스위치 중 고장이 발생한 스위치에 따라 해당 상의 상전류는 양(+)의 반주기나 혹은 음(-)의 반주기만 존재하게 된다. 예를 들어, 도 4(a)를 참조하면, 인버터 A상의 상단 스위치(S1)에 고장이 발생하면 A상 상전류는 음(-)의 반주기 전류만 존재하게 된다. 따라서, 고장 스위치의 식별은 측정된 3상 전류의 부호를 통해서 파악할 수 있다.

3상 전류에 대한 부호 결정 변수

을 도입하고, 부호 결정 변수

의 한 주기 동안 평균을 계산함으로써, 부호 결정 변수의 한 주기 동안 평균이 0이면 인버터가 정상 동작하는 것으로 판단할 수 있고, 어떤 상수값을 가지면 스위치가 고장난 것으로 판단할 수 있다. 즉, 부호 결정 변수

의 한 주기 동안 평균이 여러 상의 스위치 고장을 식별할 수 있는 다중 스위치 고장 식별 변수

이 된다.

3상 전류에 대한 부호 결정 변수를 도입하기 위해서는, 3상 전류 신호의 부호를 판별하기 위한 기준이 되는 제 3 임계값

을 정의해야 한다. 즉, <수학식 14>와 같이 각 상전류의 절대값이 제 3 임계값

보다 작으면 0으로 정의하고, 각 상전류의 절대값이 제 3 임계값

이상이면서, 부호가 같으면 1로 정의하고, 부호가 다르면 -1 로 정의할 수 있다.

수학식 14

이론적으로는 제 3 임계값

은 측정 전류값과 비교하여 3상 전류 신호의 부호를 판별하기 위한 것이므로, 제 3 임계값

을 0으로 두고, 측정된 전류 신호가 0보다 크면

로 정의하고, 작으면

로 정의하는 것이 부호 판별의 계산에 용이할 수 있다. 다만, 제 3 임계값

은 실제 측정 전류값과 비교하는 것이므로, 제 3 임계값

을 이론상 전류값 0으로 결정할 수는 없고, 노이즈 등의 옵셋 성분을 가진 실제 전류값을 고려하여 결정할 수 있다. 즉, 제 3 임계값

은 가능한 작은 값을 가지도록 결정되는 것이 정확할 수 있으나, 너무 작게 결정되면 전류 신호에 포함된 노이즈 등에 민감해지므로, 제 3 임계값

은 노이즈 등의 옵셋 성분, 민감도 등을 고려하여 정격 전류 값의 2% ~ 5% 정도로 결정될 수 있다.

따라서, 다중 스위치 고장 식별 변수

은 <수학식 15>와 같이 부호 결정 변수

의 평균값, 즉, 한 주기 동안 평균으로 표현할 수 있다.

수학식 15

인버터가 정상 동작할 때, 각 상전류는 정현파이므로 다중 스위치 고장 식별 변수

이 되고, 스위치 고장의 경우, 해당 상의 고장 식별변수는 고장 스위치에 따라

가 된다.

예를 들어, A상의 상단 스위치 S1이 고장이라면 A상 전류는 양(+)의 반주기는 0, 음(-)의 반주기는 음(-)의 값만 가지므로 고장 식별 변수

중

는 약 -0.5가 되고, 반대로 A상의 하단 스위치 S2가 고장이라면

는 약 +0.5가 된다. 이 때,

와

는 0.2에서 0.3의 값을 가지게 된다.

따라서, 다중 스위치 고장 식별 변수

을 제 4 임계값

와 비교하여, 고장 스위치를 판별할 수 있다. 위의 예처럼, A상의 상단 스위치 S1이 고장이면,

는 약 -0.5의 값을 가지고,

와

는 0.2에서 0.3의 값을 가지므로, 제 4 임계값

는

의 범위에서 결정될 수 있다. 즉, 다중 스위치 고장 식별 변수

의 값이 제 4 임계값

보다 작으면 A 상 스위치는 정상 상태이고, 식별 변수

의 값이 제 4 임계값

보다 크면 A상 스위치가 개방고장 상태인 것으로 판단할 수 있다.

표 1은 인버터 스위치의 개방고장에 대해 식별 가능한 경우의 수를 나타낸 표이다. 표 1에서 스위치의 개방고장에 대해 식별 가능한 경우의 수를 나타내기 위해, <수학식 16>, <수학식 17>에서 고장 검출 변수와 다중 스위치 고장 식별 변수를 기호를 정의하여 표현하였다.

수학식 16

수학식 17

표 1을 참조하면, 개방고장을 5가지의 그룹으로 분류하여 하나의 스위치 고장, 상 개방고장, 두 상의 각각 상단 및 하단 스위치 고장, 두 상의 상단(하단) 스위치와 다른 상의 하단(상단) 스위치 고장, 한 상의 개방고장과 두 상의 각각 상단 및 하단 스위치 고장으로서 총 27가지의 경우의 개방고장을 식별할 수 있다. 표 1에서 [ ]는 해당 스위치가 고장이거나 정상임을 의미하고, ( | )는 둘다 고장 또는 적어도 하나는 고장임을 의미한다.

표 1 및 <수학식 16>, <수학식 17>을 참조하면, 상 개방고장 식별 변수

이 모두 N인 경우에는 같은 상에는 고장인 스위치가 없으며, 상 개방고장 식별 변수

의 어느 한 상에서 F인 경우에는 그 한 상에서 스위치 고장이 발생했음을 판단할 수 있다.

또한, 표 1 및 <수학식 16>, <수학식 17>을 참조하면, 다중 스위치 고장 식별 변수

이 0인 경우에는 고장인 스위치가 없으며, H 또는 L인 경우에는 해당 상의 스위치가 고장임을 판단할 수 있다.

도 5 내지 도 7은 부하가 변화하는 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 5는 모터의 속도 변동에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 6은 모터의 회전 방향에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 7은 부하 토크의 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 5 내지 도 7에서, (a)는 모터 속도(

)와 그 지령값(

)의 시뮬레이션 결과이고, (b)는 3상 전류(

)의 시뮬레이션 결과이고, (c)는 고장 검출 변수

과 제 1 임계값

의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

시뮬레이션 회로도는 도 1과 같은 회로를 이용하였고, 시뮬레이션 조건은 표 2의 시스템 파라미터를 이용하여 시뮬레이션 결과를 획득하였다.

도 5는 모터의 속도 변동에 따른 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 일정한 부하 토크가 인가되는 상황에서 1.5초일 때 속도 지령을 1200rpm에서 450rpm까지 스텝변화를 인가하고 1.8초에서 다시 1200rpm으로 지령값을 인가하였다. 급격한 속도 지령의 변화에도 불구하고, 고장 검출변수

은 제 1 임계값

을 넘기지 않고 속도 변화에 강인함을 보일 수 있다.

도 6은 모터의 회전 방향이 정방향에서 역방향, 다시 정방향으로 변화하는 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

종래의 기술들은 모터가 영속도를 교차할 때 검출 오류를 발생하거나 역방향 운전 구간에서는 고장 검출이 불가능하다. 다만, 도 6(c)를 참조하면, 모터 속도가 0을 교차하여 역방향으로 운전하더라도 고장 검출 변수

은 제 1 임계값

을 넘기지 않고 급격한 속도 변화에도 강인함을 보일 수 있다.

도 7은 부하 토크가 변화하는 과도 상태 구간에서 검출 오류의 발생 유무를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 일정한 속도로 운전되는 상황에서 1.6초일 때, 부하 토크가 무부하에서 정격부하로 스텝변화가 인가되었고, 2초에서 다시 무부하로 스텝변화가 인가되었다. 굉장히 큰 부하 토크의 변화에도 불구하고 도 7(c)에서 보이는 바와 같이 고장 검출 변수

은 제 1 임계값

을 넘기지 않고 토크 변화에 강인함을 보일 수 있다.

도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 개방고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.

도 8은 하나의 스위치 S1의 고장의 경우를 나타낸 도면이고, 도 9는 스위치 S1 및 S2에 고장이 발생한 상 개방고장의 경우를 나타낸 도면이고, 도 10은 A상의 상단 스위치 S1과 B상의 하단 스위치 S4에 고장이 발생한 경우를 나타낸 도면이고, 도 11은 A, B상의 상단 스위치 S1, S3 및 C상의 하단 스위치 S6에 고장이 발생한 경우의 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.

도 8 내지 도 11에서 (a)는 3상 전류(

), (b)는 고장 검출 변수

및 제 1 임계값

, (c)는 상 개방 고장 식별 변수

및 제 2 임계값

, (d)는 다중 스위치 고장 식별 변수

및 제 4 임계값

, (e)는 고장 스위치 신호를 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 스위치 S1의 고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 하나의 스위치 고장에 따른 결과로서, 1.7056초에서 스위치 S1에 고장이 발생하였고, 1.7099초에서 고장 검출 변수

이 제 1 임계값

을 넘어서, 전류 기본파 한 주기의 약 17.6% 빠른 속도로 검출될 수 있다. 도 8(c)의 상 개방 고장 식별 변수

및 8(d)의 다중 스위치 고장 식별 변수

을 통해 8(e)와 같이 고장 스위치를 식별할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 S1 및 S2에 고장이 발생한 상 개방고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 도 9는 1.7056초에서 스위치 S1, S2 에 고장이 발생한 상 개방고장의 경우를 나타내고, 상 개방고장 식별 변수

이 제 2 임계값

을 넘어감으로써 A상에 개방고장이 발생되었음을 식별할 수 있다. 상 개방고장 검출 시간은 1.7099초로 전류 기본파 한주기의 약 17.6%가 될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 A상의 상단 스위치 S1과 B상의 하단 스위치 S4의 고장에 따른 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 1.7056초에서 A상의 상단 스위치 S1과 B상의 하단 스위치 S4에 고장이 발생한 경우에 따른 검출 결과를 보일 수 있다, 즉, 도 10(d)의 다중 스위치 고장 검출 변수

와

를 통해, 고장 스위치가 식별될 수 있다. 고장 검출 시간은 1.7095초로 전류 기본파 한주기의 16.2%로 빠른 검출 결과를 얻을 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 A, B상의 상단 스위치 S1, S3 및 C상의 하단 스위치 S6에 고장이 발생한 경우의 고장 검출 및 식별 결과의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 도 11(c)의 다중 스위치 고장 식별 변수

,

및

를 통해 고장 스위치를 식별할 수 있고, 이 때의 검출 시간은 1.7099초로 전류 기본파 한주기의 17.6%가 될 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 12를 참조하면, 인버터 고장 진단 장치(100)는 측정부(10), 계산부(20), 고장 검출부(30) 및 고장 식별부(40)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(10)는 인버터에서 3상 전류의 값들을 측정할 수 있다. 즉, 측정부(10)에서는 인버터 각 상 A, B, C 상의 전류들(

,

,

)의 값들을 측정하고, 인버터 고장 진단을 위해, 그 측정한 값들을 계산부(20)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 측정부(10)는 인버터 제어를 위해 일반적으로 사용되는 전류 측정 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 계산부(20)는 측정부(10)에서 측정한 3상 전류값들을 계산하고, 변환하여 평균값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 고장 검출 변수를 생성하기 위해, 측정한 3상 전류를 정지좌표계

축 전류로 변화하고, 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산하고, 계산한 벡터 위상각에 기반하여 섹터 구간을 구분하고, 구분한 섹터 구간에 기반하여, 구분한 섹터 구간에서, 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌면 0으로 초기화하는 변수를 생성하고, 변수의 평균값을 계산하고, 계산한 평균값을 정규화하여 고장 검출 변수를 생성할 수 있다.

또한, 계산부(20)는 상 개방고장 식별 변수를 생성하기 위해, 측정한 3상 전류를 정규화하고, 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값을 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값을 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값에서 1.1을 빼서, 상 개방고장 식별 변수를 생성할 수 있다.

또한, 계산부(20)는 측정한 3상 전류를 제 3 임계값과 비교하고, 비교한 결과를 이용하여 부호 결정 변수를 생성하고, 생성한 부호 결정 변수의 평균값을 계산하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고장 검출부(30)는 계산부(20)의 계산 결과를 이용하여 인버터 개방고장 여부를 검출할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 고장 검출 변수를 생성할 수 있고, 고장 검출부(30)는 고장 검출 변수를 제 1 임계값과 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단할 수 있다. 즉, 인버터 스위치가 정상 동작할 때, 고장 검출 변수

을 유지하고, 스위치 고장이 발생한 경우에는

은 1.5 이상 증가하게 되므로, 제1 임계값

을

범위에서 결정하여, 고장 검출 변수

을 제 1 임계값

과 비교하여 인버터의 개방고장 여부를 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고장 식별부(40)는 계산부(20) 및 고장 검출부(30)를 이용하여, 인버터의 고장을 검출한 후, 상 개방고장으로 같은 상의 스위치가 고장인지 여부를 식별할 수 있다. 예를 들어, 고장 식별부(40)는 인버터의 고장을 검출한 후, 계산부(20)가 생성한 상 개방고장 식별 변수

을 제 2 임계값

와 비교함으로써, 상 개방고장을 식별할 수 있다. 상 개방고장 상태일 때, 상 개방고장 식별 변수

은 0.632 의 값을 가지고, 같은 상의 개방 고장으로 스위치 S1이나 S2 둘 중 하나만 고장이 발생했다면,

는 약 0.3~0.35의 값을 가지므로, 제 2 임계값

는

범위에서 결정될 수 있다. 따라서, 상 개방고장 식별 변수

이 제 2 임계값

보다 작으면 정상 상태이고, 제 2 임계값

보다 커지면 상 개방고장 상태로 판단할 수 있다. 여기에서, 상전류의 차를 구하지 않은 나머지 한 상의 스위치가 고장난 것으로 식별할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고장 식별부(40)는 계산부(20) 및 고장 검출부(30)를 이용하여, 인버터의 고장을 검출한 후, 다중 스위치 개방고장인지 판단할 수 있다. 예를 들어, 고장 식별부(40)는 인버터의 고장을 검출한 후, 계산부(20)가 생성한 상 다중 스위치 고장 식별 변수

을 제 4 임계값

와 비교함으로써, 인버터 다중 개방고장을 식별할 수 있다.

즉, 고장 식별부(40)는 고장을 검출한 후, 어느 스위치가 고장인지 판단하기 위해, 상 개방고장 식별 변수

및 다중 스위치 고장 식별 변수

을 제 2 임계값

, 제 4 임계값

와 비교할 수 있다. 표 1을 이용함으로써,

및

의 값에 따른 스위치 고장을 식별할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장을 검출할 수 있는 인버터 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.

단계 S10에서, 인버터 고장 여부를 판단하기 위해, 측정부(10)를 통하여 3상 전류를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(10)를 이용하여, 인버터의 출력 상전류

의 전류값을 측정할 수 있다.

단계 S20에서, 계산부(20)는 측정한 3상 전류를 정지좌표계

축 전류로 변환할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 측정한 3상 전류

를 <수학식 1>을 이용하여, 정지 좌표계

축 전류

로 변환할 수 있다.

단계 S30에서, 계산부(20)는 정지좌표계

축으로 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 전류

에서 <수학식 2>를 이용하여, 벡터 위상각

를 계산할 수 있다.

단계 S40에서, 계산부(20)는 계산한 벡터 위상각에 기반하여 섹터 구간을 구분할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 계산한 벡터 위상각

에 기반하여, <수학식 3>과 같이, 0도에서 360도까지 60도 간격으로 나누어 각 섹터 구간마다 번호를 지정하여 구분할 수 있다.

단계 S50에서, 계산부(20)는 구분한 섹터 구간에 기반하여, 정규화된 고장 검출 변수를 생성할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 구분한 섹터 구간에서, <수학식 4>를 이용하여, 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌면 0으로 초기화하는 변수

를 생성할 수 있고, 변수

의 평균값

를 계산하고, 계산한 평균값

를 <수학식 8>을 이용하여 정규화함으로써 고장 검출 변수

을 생성할 수 있다.

단계 S60에서, 고장 검출부(30)는 생성한 정규화된 고장 검출 변수와 제 1 임계값을 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 고장 검출부(30)는 계산부(20)가 생성한 고장 검출 변수

을 제 1 임계값

과 비교하여,

이 제 1 임계값

을 넘어서지 않는다면 정상 동작으로 판단하고, 제 1 임계값

을 넘어서면 고장으로 판단할 수 있다.

또한, 인버터 스위치가 정상 동작할 때,

을 유지하고, 스위치 고장이 발생한 경우에는

은 1. 5 이상 증가하게 되므로, 제 1 임계값

은

범위에서 결정될 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 상 개방고장을 식별할 수 있는 인버터 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.

단계 S110에서, 인버터 상 개방고장을 식별하기 위해, 측정부(10)를 통하여 3상 전류를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(10)를 이용하여, 인버터의 출력 상전류

의 전류값을 측정하고, 이상적인 정현파로 가정하여 출력 상전류

를 <수학식 9>와 같이 나타낼 수 있다.

단계 S120에서, 계산부(20)는 측정한 3상 전류를 정규화할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 <수학식 10>을 이용하여 각 상전류

에 정규화를 취할 수 있다.

단계 S130에서, 계산부(20)는 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산할 수 있다. 상 개방고장일 경우, 키르히호프의 전류법칙에 의해 부호만 반대 부호로 반전되고 크기는 같아질 수 있기 때문에, 상 개방고장 검출을 위해, 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산할 수 있다.

단계 S140에서, 계산부(20)는 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 계산한 두 상전류의 차의 절대값을 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값을 계산하고, 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값에서 1.1을 빼서, 상 개방고장 식별변수

을 생성할 수 있다.

단계 S150에서, 고장 식별부(40)는 생성한 상 개방고장 식별 변수와 제 2 임계값을 비교하여, 인버터의 상 개방고장을 식별할 수 있다. 예를 들어, 고장 식별부(40)는 제 2 임계값

를

범위로 결정함으로써, 생성한 상 개방고장 식별 변수

과 제 2 임계값

을 비교하여 상 개방고장을 식별할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 다중 개방고장을 식별할 수 있는 인버터 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.

단계 S210에서, 인버터 다중 개방고장을 식별하기 위해, 측정부(10)를 통하여 3상 전류를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(10)를 이용하여, 인버터의 출력 상전류

의 전류값을 측정할 수 있다.

단계 S220에서, 계산부(20)는 측정한 3상 전류를 제 3 임계값과 비교할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 부호 결정 변수

을 생성하기 위해, 측정한 3상 전류를 제 3 임계값

과 비교할 수 있다. 제 3 임계값

은 부호를 판별하기 위한 기준이 되어야 하고, 실제 전류값의 노이즈, 옵셋 성분, 민감도 등을 고려할 때, 정격 전류 값의 2% 이상 5% 정도로 결정될 수 있다.

단계 S230에서, 계산부(20)는 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성할 수 있다. 예를 들어, 계산부(20)는 비교한 결과를 이용하여 <수학식 14>에 따라 부호 결정 변수

을 생성하고, <수학식 15>와 같이 생성한 부호 결정 변수

의 평균값

을 계산함으로써, 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성할 수 있다.

단계 S240에서, 고장 식별부(40)는 생성한 다중 스위치 고장 식별 변수와 제 4 임계값을 비교하여 인버터의 다중 개방고장을 식별할 수 있다. 예를 들어, 고장 식별부(40)는 다중 스위치 고장 식별 변수와 제 4 임계값

을 비교하여 고장난 스위치를 판별할 수 있다. 즉, 다중 스위치 고장 식별 변수

의 값이 제 4 임계값

보다 작으면 A 상 스위치는 정상 상태이고, 식별 변수

의 값이 제 4 임계값

보다 크면 A상 스위치가 개방고장 상태인 것으로 판단할 수 있다.

또한, A상의 상단 스위치 S1이 고장이면,

는 약 -0.5의 값을 가지고,

와

는 0.2에서 0.3의 값을 가지게 되므로, 제 4 임계값

는

의 범위에서 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 고장 진단 장치와 관련하여서는 전술한 방법에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 인버터 고장 진단 장치와 관련하여, 전술한 방법에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 측정부
20: 계산부
30: 고장 검출부
40: 고장 식별부
100: 인버터 고장 진단 장치
210: 고장 검출(Fault detection)
220: 고장 식별(Fault identification)

Claims (19)

1. 인버터 고장 진단 방법에 있어서,
   측정부를 통하여 3상 전류를 측정하는 단계;
   상기 측정한 3상 전류를 정지좌표계

   

   축 전류로 변환하는 단계;
   상기 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산하는 단계;
   상기 계산한 벡터 위상각에 기반하여 0도에서 360도까지 60도 간격으로 나누어 각 섹터 구간마다 번호를 지정하여 섹터 구간을 구분하는 단계;
   상기 구분된 섹터 구간에 기반하여, 부하 변동에 대한 검출 오류를 방지하기 위한 정규화된 고장 검출 변수

   

   을 생성하는 단계; 및
   상기 생성한 정규화된 고장 검출 변수

   

   과 제 1 임계값을 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
   상기 구분된 섹터 구간에 기반하여, 정규화된 고장 검출 변수

   

   을 생성하는 단계는,
   상기 구분된 섹터 구간에서, 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌면 0으로 초기화하는 변수

   

   를 생성하는 단계;
   상기 변수

   

   의 평균값

   

   를 계산하는 단계;
   상기 정지좌표계

   

   축 전류에서 벡터 위상각

   

   , 섹터 구간

   

   및 변수

   

   를 계산하는 단계;
   상기 변수

   

   의 평균값

   

   를 계산하는 단계; 및
   상기 계산된

   

   및

   

   를 이용하여 정규화된 고장 검출 변수

   

   을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 임계값은 1 을 초과하고 1.5 미만인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 측정된 3상 전류를 정규화 하는 단계;
   상기 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산하는 단계;
   상기 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성하는 단계; 및
   상기 생성한 상 개방고장 식별 변수와 제 2 임계값을 비교하여, 인버터의 상 개방고장을 식별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성하는 단계는,
   상기 계산한 두 상전류의 차의 절대값을 계산하는 단계;
   상기 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값을 계산하는 단계; 및
   상기 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값에서 1.1을 빼서, 상 개방고장 식별변수를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 임계값은 0.35 를 초과하고 0.632 미만인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 측정된 3상 전류를 제 3 임계값과 비교하는 단계;
   상기 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하는 단계; 및
   상기 생성한 다중 스위치 고장 식별 변수와 제 4 임계값을 비교하여 인버터의 다중 개방고장을 식별하는 단계를 더 포함하며,
   상기 제 3 임계값은 정격 전류 값의 2% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하는 단계는,
   상기 비교한 결과를 이용하여 부호 결정 변수

   

   을 생성하는 단계; 및
   상기 생성한 부호 결정 변수

   

   의 평균값

   

   을 계산하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제 4 임계값은 0.3 을 초과하고 0.5 미만인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 방법.
   
10. 인버터 고장 진단 장치에 있어서,
    3상 전류를 측정하기 위한 측정부;
    상기 측정부에서 측정한 전류값들을 계산 및 변환하여 평균값을 계산하기 위한 계산부;
    상기 계산부의 계산 결과를 이용하여 인버터 개방고장 여부를 검출하기 위한 고장 검출부; 및
    상기 고장 검출부에서 인버터 개방고장을 검출하면, 어느 상의 스위치가 고장인지 식별하는 고장 식별부를 포함하며,
    상기 계산부는 상기 측정된 3상 전류를 정지좌표계

    

    축 전류로 변환하고, 상기 변환한 전류에서 벡터 위상각을 계산하고, 상기 계산한 벡터 위상각에 기반하여 0도에서 360도까지 60도 간격으로 나누어 각 섹터 구간마다 번호를 지정하여 섹터 구간을 구분하고, 상기 구분된 섹터 구간에 기반하여, 부하 변동에 대한 검출 오류를 방지하기 위한 정규화된 고장 검출 변수

    

    을 생성하고,
    상기 고장 검출부는 상기 생성한 고장 검출 변수와 제 1 임계값을 비교하여 인버터의 고장 여부를 판단하고,
    상기 구분된 섹터 구간에 기반하여, 정규화된 고장 검출 변수

    

    의 생성은,
    상기 구분된 섹터 구간에서, 매 샘플링마다 섹터 번호를 이전 값과 비교하여 바뀌지 않으면 1의 값을 저장하고, 섹터 번호가 바뀌면 0으로 초기화하는 변수

    

    를 생성하고, 상기 변수

    

    의 평균값

    

    를 계산하고, 상기 정지좌표계

    

    축 전류에서 벡터 위상각

    

    , 섹터 구간

    

    및 변수

    

    를 계산하고, 상기 변수

    

    의 평균값

    

    를 계산하고, 상기 계산된

    

    및

    

    를 이용하여 정규화된 고장 검출 변수

    

    을 생성을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
11. 삭제
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 임계값은 1 을 초과하고 1.5 미만인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 계산부는 상기 측정된 3상 전류를 정규화하고, 상기 정규화된 3상 전류 중 두 상전류의 차를 계산하고, 상기 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수를 생성하고,
    상기 고장 식별부는 상기 생성한 상 개방고장 식별 변수와 제 2 임계값을 비교하여 인버터의 상 개방고장을 식별하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 계산한 두 상전류의 차를 이용하여, 상 개방고장 식별 변수의 생성은,
    상기 계산한 두 상전류의 차의 절대값을 계산하고, 상기 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값을 계산하고, 상기 계산한 두 상전류의 차의 절대값의 평균값에서 1.1을 빼서, 상 개방고장 식별변수를 생성하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 임계값은 0.35 를 초과하고 0.632 미만인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
16. 제 10 항에 있어서,
    상기 계산부는 상기 측정된 3상 전류를 제 3 임계값과 비교하고, 상기 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수를 생성하고,
    상기 고장 식별부는 상기 생성한 다중 스위치 고장 식별 변수와 제 4 임계값을 비교하여 인버터의 다중 개방고장을 식별하고,
    상기 제 3 임계값은 정격 전류 값의 2% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 비교한 결과를 이용하여 다중 스위치 고장 식별 변수의 생성은,
    상기 비교한 결과를 이용하여 부호 결정 변수

    

    을 생성하고, 상기 생성한 부호 결정 변수

    

    의 평균값

    

    을 계산하여 다중 스위치 고장 식별 변수의 생성을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 4 임계값은 0.3 을 초과하고 0.5 미만인 것을 특징으로 하는 인버터 고장 진단 장치.
    
19. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.

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