KR101893174B1 - System and method for localizing multiple open-switch faults in inverter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장하는 단계; 제어부가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별하는 단계; 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출하는 단계; 및 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별이 가능한 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 한층 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a system and method for identifying multiple switch open faults in an inverter. The method for discriminating multiple switch open faults of an inverter according to the present invention groups and sets open fault types of multiple switches of an inverter and obtains current waveform data for each fault type of each group through computer- Storing; Determining whether an open fault of the inverter switch is generated based on the measured voltage or current waveform data of the inverter and a fault diagnosis algorithm; Detecting a fault group based on data stored in a memory when an open fault of the inverter switch is determined to have occurred; And a step of discriminating a fault generating unit of the multiple switches of the inverter by applying a moving window method in which the control unit calculates detection variables for every sampling period on the basis of the detected fault groups and discriminates multiple switch open fault portions of the inverter in real time .
According to the present invention, by using the fault group detection technique and the moving window method capable of calculating the detection variable every sampling period and realizing the multiple switch open failure portion of the inverter in real time, the efficiency and accuracy of the fault portion discrimination can be improved Can be further improved.
Description
본 발명은 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for identifying multiple switch open faults in an inverter and more particularly to a fault group detection technique for grouping and setting open fault types of multiple switches of an inverter, The present invention relates to a system and method for multiple switch open-end discrimination of an inverter capable of improving the efficiency and accuracy of discrimination of a fault occurrence section by applying a moving window technique that identifies multiple switch open faults of an inverter in real time.
인버터를 적용한 가변속 AC 전동기 구동 및 제어 시스템은 다양한 공정분야 및 산업분야, 전자 부품, 전기 자동차 및 철도 구동 등에 폭넓게 적용되는 핵심 구성 요소이다. The variable-speed AC motor drive and control system employing an inverter is a key component widely applied to various process and industrial fields, electronic parts, electric vehicles, and railroad drives.
전력 변환기 및 전력 스위치에서의 고장은 전체 시스템의 운전(가동) 정지를 야기하기 때문에, 종종 전체 구동 시스템에 대해 대단히 중요한, 그리고 치명적인 요소로 간주된다. 이러한 경우에, 예상하지 않았던 그리고 계획에 없던 보수작업이 수행되어야 하고, 그것은 큰 비용과 시간을 요구한다. 일반적으로, 인버터 전력 소자에서의 고장은 크게 개방 회로(open circuit)(개방 스위치) 고장과 단락 회로(short circuit) 고장으로 분류된다. 단락 회로 고장은 그 미치는 파급 효과가 매우 엄청나서(매우 파괴적이어서), 이 경우에 구동 시스템을 즉시 정지시키기 위한 특별 조치가 요구된다. 개방 회로(개방 스위치) 고장은 필연적으로 시스템 정지를 야기하지는 않으며, 운전(가동) 시간의 늘어난 기간에 계속 발견되지 않을 수도 있다. 하지만, 발견되지 않은 채 남아 있으면, 그러한 고장은 인버터 전력 소자에 큰 전압 및 전류 스트레스뿐만 아니라 과열을 초래할 수 있기 때문에 다른 구성요소들에 빠르게 전파될 수 있다. 따라서, 정확한 온라인 고장 진단과 고장 근원 및 위치에 대한 조기 검출은 추가적인 사고 발생을 피하고, 수리 비용 및 모터 정지 시간을 줄이는 지속적인 운전(가동)을 보장하기 위해 매우 중요하다.Failures in power converters and power switches are often regarded as critical and critical to the overall drive system, since they cause an operating (shutdown) stop of the entire system. In this case, unexpected and unscheduled maintenance work must be performed, which requires a great deal of cost and time. In general, faults in inverter power devices are largely classified into open circuit (open switch) failures and short circuit failures. Short circuit failures are so damaging (very destructive) that their effect is so severe that special measures are required to immediately stop the drive system. An open-circuit (open-switch) fault does not inevitably lead to a system shutdown and may not be detected in an extended period of operation (operating) time. However, if left undetected, such failures can quickly propagate to other components because they can cause overvoltages as well as large voltage and current stresses on the inverter power devices. Thus, accurate on-line fault diagnosis and early detection of fault sources and locations are critical to avoid additional accidents and ensure continuous operation (operation) to reduce repair costs and motor downtime.
인버터 및 전력변환 회로에서 전력용 반도체 소자의 개방 고장을 진단하기 위한 여러 기법이 연구되었으나 실제 시스템에서는 다양한 형태의 고장이 존재하여 고장을 검출하고 고장부의 위치를 판별하는데 어려움이 있다. Various techniques have been studied to diagnose the open failure of power semiconductor devices in inverters and power conversion circuits. However, in actual systems, there are various types of failures, which makes it difficult to detect failures and determine the location of failures.
종래의 대부분의 고장 검출 및 고장 위치 판별 기술에서는 전류의 주기적 정보를 사용하며, 이에 따라 한 주기의 전류정보가 CPU에 획득된 이후 고장 발생 및 고장 발생 위치를 파악할 수 있다. 따라서 고장 진단 및 판별에 많은 시간이 소요되고, 부하 등 동작 조건에 따라 판별의 정확도가 떨어진다.Most conventional fault detection and fault location identification techniques use periodic information of the current, so that after one cycle of current information is acquired by the CPU, the fault occurrence and the fault occurrence location can be grasped. Therefore, it takes much time to diagnose and distinguish the fault, and the accuracy of the discrimination is lowered depending on the operating conditions such as load.
또한, 종래의 기술은 전류의 주기 데이터를 처리하여 검출 변수를 결정하고 이를 이용하여 고장 발생부의 위치를 판별하는데 이로 인해 검출 변수의 갱신 주기가 커서 시간 지연이 증대되는 문제가 있다.In addition, in the conventional technique, the period of the current data is processed to determine the detection variable and the position of the fault generator is determined using the detected variable. Therefore, there is a problem that the update period of the detection variable is large and the time delay is increased.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2011-0062945호(특허문헌 1)에는 "다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법은, 3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화하여 데이터베이스화하는 과정; 및 상기 인버터로부터 실시간으로 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 과정을 포함하여 구성된다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0062945 (Patent Document 1) discloses "a multi-stage switch failure diagnosis apparatus and method for a multi-level inverter ", and a multi- Stage inverter of a multi-level inverter for driving a motor by outputting an AC power of three phases, the method comprising the steps of: sequentially switching the switches constituting the multi-stage switch to output alternating current waveforms, A process of making a feature vector (reference feature vector) at the time of failure in advance into a codebook and creating a database; And a step of converting a fault diagnosis current waveform output from the inverter into a fault feature vector and determining a switch corresponding to a codebooked feature vector having a minimum distance error between the feature vector and the fault feature vector as a fault switch .
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 다단으로 구성되는 다단스위치의 각각의 고장을 진단할 수 있는 장점이 있기는 하나, 이 또한 전류의 주기적 정보를 이용하기 때문에 고장 진단 및 판별에 많은 시간이 소요되고, 부하 등 동작 조건에 따라 판별의 정확도가 떨어지는 문제를 내포하고 있다.In the case of
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a fault group detection technique for grouping open fault types of multiple switches of an inverter, And an object of the present invention is to provide a system and a method for discriminating multiple open-circuit faults of an inverter, which can improve the efficiency and accuracy of discrimination of a fault occurrence section by applying a moving window technique for discriminating multiple open-circuit faults of an inverter in real time.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템은, According to an aspect of the present invention, there is provided a multiple switch open failure determination system for an inverter,
인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 시스템으로서,A system for discriminating an open failure of a multi-semiconductor switch element in an inverter, which is employed in a drive system of an inverter-based three-phase AC motor,
직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 상기 3상 교류 전동기의 구동을 위한 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 3상 교류 전동기의 동작을 제어하는 인버터와;An inverter for receiving a DC voltage from a DC power source and converting the AC voltage into an AC voltage for driving the three-phase AC motor, and controlling the operation of the three-phase AC motor by on / off operations of the multiple semiconductor switch elements therein;
상위 계층으로부터 입력받은 전압을 인버터 구동을 위한 전압으로 변환해주며, 상기 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 게이트를 구동하는 게이트 드라이브와;A gate drive for converting the voltage input from the upper layer into a voltage for driving the inverter and driving the gate of the multiple semiconductor switch elements in the inverter;
상기 인버터로부터 출력되어 상기 3상 교류 전동기로 입력되는 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 피드백(feedback) 받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기와;An analog / digital (A / D) converter for converting a voltage and current signal (analog signal) inputted from the inverter and input to the three-phase AC motor into a digital signal;
상기 아날로그/디지털 변환기로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 처리 결과를 바탕으로 상기 인버터의 고장 여부를 진단하며, 고장 발생으로 진단된 경우 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 디지털 신호 처리기(DSP); 및A controller for receiving and processing an output signal from the analog-to-digital converter, diagnosing whether or not the inverter is faulty based on the processing result, and a digital signal A processor (DSP); And
상기 디지털 신호 처리기를 통해 제어된 시스템을 모니터링하며, 고장 발생시 상기 디지털 신호 처리기에 의한 고장 진단 여부 및 고장 발생 부위를 모니터 화면에 표시하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,And a host computer for monitoring a system controlled through the digital signal processor and for displaying a faulty portion and a fault occurrence site on the monitor screen by the digital signal processor when a fault occurs,
상기 디지털 신호 처리기는 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별함에 있어서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용하여 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 점에 그 특징이 있다.The digital signal processor includes a fault group detection technique for grouping open fault types of multiple switches of an inverter in determining the open fault of the multiple semiconductor switch elements in the inverter, The present invention is characterized in that an open fault portion of a multi-semiconductor switch device is discriminated by applying a moving window technique that calculates and identifies multiple switch open faults of the inverter in real time.
여기서, 바람직하게는 상기 인버터의 출력단과 상기 3상 교류 전동기의 입력단 사이에는 상기 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 설정값 이상의 과전압 또는 과전류가 흐를 경우 3상 교류 전동기로 공급되는 전압 및 전류를 차단함으로써 3상 교류 전동기를 보호하는 안전 회로부가 더 설치될 수 있다.Preferably, when an overvoltage or an overcurrent more than a set value flows in the drive system of the inverter-based three-phase alternating-current motor between the output terminal of the inverter and the input terminal of the three-phase alternating-current motor, Phase AC electric motor by interrupting the three-phase AC motor.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a method of determining an open-
인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 방법으로서,A method for discriminating an open fault portion of a multiple semiconductor switch element in an inverter, which is employed in a drive system of an inverter-based three-phase AC motor,
a) 사전 준비 단계로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장하는 단계;a) grouping and setting open fault types of multiple switches of an inverter as a preliminary preparation step, obtaining current waveform data for a fault type of each group through a computer simulation and storing the current waveform data in a memory;
b) 제어부가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별하는 단계; b) determining whether an open fault of the inverter switch is generated based on the measured voltage or current waveform data of the inverter and a fault diagnosis algorithm;
c) 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 상기 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출하는 단계; 및 c) if the open failure of the inverter switch is determined to have occurred, the control unit detects the fault group based on the data stored in the memory; And
d) 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수 (detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.d) Based on the detected fault group, the control unit computes detection variables for every sampling period and applies a moving window method to determine the open switch fault of the inverter in real time. And a step of discriminating the fault generating unit.
여기서, 상기 단계 b)에서 상기 고장 진단 알고리즘은,The fault diagnosis algorithm in step b)
b-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상의 전류 실효값(root mean square; RMS)(iarms, ibrms, icrms)을 계산하는 단계;b-1) calculating a root mean square (RMS) (i arms , i brms , i crms ) of each phase of the three-phase AC motor;
b-2) 상기 계산된 각 상의 전류 실효값(iarms, ibrms, icrms)을 바탕으로 각 상의 정규화된 전류 실효값(normalized RMS current)(ian, ibn, icn)을 계산하는 단계;b-2) Calculating the normalized RMS current (i an , i bn , i cn ) of each phase based on the calculated current effective values (i arms , i brms , i crms ) step;
b-3) 상기 계산된 각 상의 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)과 미리 설정된 임계값(threshold value; Kth)을 비교하여 고장 발생을 검출 및 카운팅하는 단계; 및b-3) detecting and counting a failure occurrence by comparing the calculated normalized current effective values (i an , i bn , i cn ) of each phase with a predetermined threshold value (K th ); And
b-4) 상기 고장 발생 카운팅 값이 미리 설정된 값 이상이면, 고장 상태로 판별하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.b-4) If the failure occurrence count value is greater than or equal to a predetermined value, it is determined that the failure state is included.
또한, 상기 단계 c)에서의 고장 그룹 검출 및 단계 d)에서의 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정은,The process of detecting the fault group in step c) and the fault generator of the multiple switches of the inverter in step d)
cd-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별하는 단계;cd-1) absolute values (│i a, avg │ the average value of the instantaneous current of each phase (phase) of the three-phase alternating current motor, │i b, avg │, │i c, avg │) are all pre-set critical determining whether or not the value is less than (K th);
cd-2) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고, 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계;cd-2) In the determination of the step cd-1, the absolute values (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) of the average values of the instantaneous currents of the respective phases K th ), it is determined to be the
cd-3) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별하는 단계; cd-3) either one of any critical step in the determination of the cd-1), the absolute value of the average value of the instantaneous current of each phase (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) Determining if the zero current is 1, if not less than the value;
cd-4) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고, 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계; 및cd-4) In the determination of step cd-3), if the zero current is 1, it is determined as
cd-5) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정하고, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하는 단계를 포함한다.cd-5) In the determination of the step cd-3), if the zero current is not 1, it is determined as the
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터 스위치의 개방 고장 발생 시 정확한 고장부의 판별이 가능하도록 하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별이 가능한 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 한층 향상시킬 수 있다.According to the present invention, there is provided a fault group detection technique that enables accurate fault detection when an open fault occurs in an inverter switch, and a moving fault detection method that can detect multiple switch open faults of the inverter in real time by calculating detection variables every sampling period By applying the window technique, it is possible to further improve the efficiency and accuracy of discrimination of the fault occurrence part.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템의 인버터와 3상 교류 전동기의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에서의 고장 진단 알고리즘의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 그룹 검출 및 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 정상 조건(상태)에서의 3상 교류 전동기의 각 상의 전류(ia, ib, ic)파형을 나타낸 도면이다.
도 7은 인버터의 개방 스위치 고장 하에서의 3상 교류 전동기의 각 상전류 응답 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 진단 및 개방 스위치 고장부 판별 결과를 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a multiple switch open fault discrimination system of an inverter according to an embodiment of the present invention; Fig.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a connection relationship between an inverter and a three-phase AC motor in the multiple switch open fault discrimination system of the inverter of FIG.
FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation of a method for determining multiple switch open-circuit failure of an inverter according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating an execution procedure of the fault diagnosis algorithm in the multiple switch open fault determination method of the inverter according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a process of detecting a fault group and identifying a fault generating unit of multiple switches according to a method of identifying multiple switch open faults in an inverter according to the present invention.
6 is a diagram showing waveforms of currents (i a , i b , i c ) of respective phases of a three-phase AC motor under normal conditions (state).
Fig. 7 is a diagram showing the phase current response characteristics of the three-phase alternating-current motor under the failure of the open-circuit switch of the inverter. Fig.
FIG. 8 is a diagram showing the results of the fault diagnosis and the determination of the open switch failure part according to the multiple switch open failure portion discrimination method of the inverter according to the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way Should be construed in accordance with the principles and meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.
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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms " part, "" module, "and" device " Lt; / RTI >
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템을 나타낸 것으로서, 도 1은 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 인버터와 3상 교류 전동기의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of a system, and FIG. 2 is a block diagram of an inverter and a three-phase AC motor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. And FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템(100)은, 인버터 기반의 3상 교류 전동기(190)의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 시스템으로서, 인버터(110), 게이트 드라이브(120), 아날로그/디지털(A/D) 변환기(130), 디지털 신호 처리기(DSP)(140), 호스트 컴퓨터(150)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the multi-switch open-circuit
인버터(110)는 직류 전원(170)으로부터의 DC 전압을 입력받아 3상 교류 전동기(190)의 구동을 위한 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 온/오프 동작에 의해 3상 교류 전동기(190)의 동작을 제어한다. 여기서, 이와 같은 인버터(110)로는 바람직하게는 펄스 폭 변조(PWM) 인버터가 사용된다.
게이트 드라이브(120)는 상위 계층(여기서는 후술하는 DSP(140))으로부터 입력받은 전압(예를 들면, 0∼3.3V)을 인버터(110) 구동을 위한 전압(예를 들면, -15∼15V)으로 변환해주며, 인버터(110) 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 게이트를 구동한다.The
아날로그/디지털(A/D) 변환기(130)는 인버터(110)로부터 출력되어 3상 교류 전동기(190)로 입력되는 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 피드백 (feedback) 받아 디지털 신호로 변환해 준다.The analog / digital (A / D)
디지털 신호 처리기(DSP)(140)는 아날로그/디지털 변환기(130)로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 처리 결과를 바탕으로 인버터(110)의 고장 여부를 진단하며, 고장 발생으로 진단된 경우 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 개방 고장부를 판별한다. 이와 같은 디지털 신호 처리기(DSP)(140)는 3상 교류 전동기(190)의 구동을 위한 제어 시스템 설정 프로그램(DC 전압값, 주기 설정, DC 링크 커패시터 값, 모터 토크값 등)과 전체 구동 시스템 제어를 위한 제어 시스템 설계 및 각종 제어를 위한 프로그램(소프트웨어)을 담당한다. The digital signal processor (DSP) 140 receives and processes the output signal from the A /
호스트 컴퓨터(150)는 디지털 신호 처리기(140)를 통해 제어된 시스템을 모니터링하며, 고장 발생시 디지털 신호 처리기(140)에 의한 고장 진단 여부 및 고장 발생 부위를 모니터 화면에 표시한다. 즉, 호스트 컴퓨터(150)는 3상 교류 전동기(190)의 구동 시, 전류, 전압, 속도 등 사용자가 확인하고자 하는 변수들에 대한 출력값 및 파형 등을 화면에 표시하는 한편 고장 발생 시 고장 진단 여부 및 고장 발생 스위치를 화면에 표시한다.The
여기서, 바람직하게는 인버터(110)의 출력단과 3상 교류 전동기(190)의 입력단 사이에는 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 설정값 이상의 과전압 또는 과전류가 흐를 경우 3상 교류 전동기(190)로 공급되는 전압 및 전류를 차단함으로써 3상 교류 전동기(190))를 보호하기 위한 안전 회로부(safety circuit)(160)가 더 설치될 수 있다. 도 1에서 참조번호 180은 직류 링크 커패시터를 나타낸다.The three-
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템(100)에서, 상기 디지털 신호 처리기(140)는 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 개방 고장부를 판별함에 있어서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 개방 고장부를 판별한다.In the multi-switch open-circuit
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템(100)을 기반으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 과정에 대하여 설명해 보기로 한다.Hereinafter, a description will be made of a process for determining the multiple switch open failure portion of the inverter based on the multiple switch open failure
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation of a method for determining multiple switch open-circuit failure of an inverter according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은, 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 방법으로서, 먼저 사전 준비 단계로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장한다(단계 S301). 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에서는 개방-스위치 고장이 오직 하나의 스위치에서 또는 2개의 다중 스위치에서 발생한 경우를 전제로 하며, 다음과 같이 4개의 고장 그룹으로 분류한다.Referring to FIG. 3, a method for discriminating multiple open-circuit failure portions of an inverter according to the present invention is employed in a drive system of an inverter-based three-phase alternating-current motor to discriminate open fault portions of multiple semiconductor switch elements in an inverter First, as a preliminary preparation step, open fault types of multiple switches of the inverter are grouped and set, and current waveform data for the fault type of each group is obtained through computer simulation (step S301). Here, it is assumed that the open-switch failure occurs in only one switch or two multiple switches in the multiple switch open fault portion discrimination method of the inverter according to the embodiment of the present invention. Classify.
그리고 이상과 같이 분류된 고장 그룹과 관련하여, 도 6에 도시된 바와 같은 정상 조건(상태)에서의 3상 교류 전동기의 각 상의 전류(ia, ib, ic) 파형에 대해, 도 7에 도시된 바와 같이, 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리(미도시)에 저장한다.Regarding the fault groups classified as above, for the current waveforms (i a , i b , i c ) of each phase of the three-phase AC motor in the normal condition (state) , Current waveform data for each group of fault types is acquired and stored in a memory (not shown).
이상에 의해 고장 그룹 설정과 고장 그룹 관련 전류 파형 데이터의 획득이 완료된 상태에서, 제어부(여기서는 DSP(140))가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별한다(단계 S302). 고장 진단 알고리즘과 관련해서는 뒤에서 다시 설명한다.In this way, in the state where the fault group setting and the acquisition of the fault group related current waveform data are completed, the control unit (
위의 단계 S302의 판별에서, 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 상기 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출한다(단계 S303). 즉, 위에서 설명한 4개의 고장 그룹 중 해당하는 고장 그룹을 검출하는 것이다.If it is determined in step S302 that an open failure of the inverter switch has occurred, the control unit detects a fault group based on the data stored in the memory (step S303). That is, one of the four fault groups described above is detected.
그런 후, 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별한다(단계 S304). 즉, 고장 그룹이 검출되면, 그 검출된 고장 그룹 내에서 실제로 고장난 스위치가 어느 것인지 그 고장 발생부(고장난 스위치의 위치)를 판별하는 것이다. 이와 관련해서는 뒤에서 다시 설명한다.Then, based on the detected fault group, the control unit computes a detection variable for each sampling period to apply a moving window technique that identifies multiple switch open faults of the inverter in real time, (Step S304). That is, when a fault group is detected, it is determined which fault actually occurred in the fault group (the position of the faulty switch). This is explained later.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에서의 고장 진단 알고리즘의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating an execution procedure of the fault diagnosis algorithm in the multiple switch open fault determination method of the inverter according to the embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 이는 위에서 설명한 도 3의 흐름도에서 단계 S302에서의 고장 진단 알고리즘의 실행 과정을 보여주는 것으로서, 먼저 3상 교류 전동기 (190)의 각 상의 전류 실효값(root mean square; RMS)(iarms, ibrms, icrms)을 계산한다(단계 S401).Referring to FIG. 4, the process of executing the failure diagnosis algorithm in step S302 in the flowchart of FIG. 3 described above is performed. First, the root mean square (RMS) value of each phase of the three- i arms , i brms , i crms ) (step S401).
그런 후, 계산된 각 상의 전류 실효값(iarms, ibrms, icrms)을 바탕으로 각 상의 정규화된 전류 실효값(normalized RMS current)(ian, ibn, icn)을 계산한다(단계 S402). 여기서, 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)은 다음과 같이 표현될 수 있다.Then, the normalized RMS current (i an , i bn , i cn ) of each phase is calculated based on the calculated current effective values (i arms , i brms , i crms ) of each phase S402). Here, the normalized current effective value (i an , i bn , i cn ) can be expressed as follows.
ian = iarms/ism, ibn = ibrms/ism, icn = icrms/ism i an = i arms / i sm , i bn = i brms / i sm , i cn = i crms / i sm
여기서, ism은 전류의 크기를 나타낸다.Here, i sm represents the magnitude of the current.
이후, 상기 계산된 각 상의 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)과 미리 설정된 임계값(threshold value; Kth)을 비교하여 고장 발생을 검출 및 카운팅한다(단계 S403∼S407). 즉, 먼저 ian이 임계값(Kth) 이상인지를 판별하여(단계 S403), 임계값(Kth) 이상이면 고장 누적 카운트 단계(S407)로 진행하고, 임계값(Kth) 이상이 아니면 ibn이 임계값(Kth) 이상인지를 판별한다(단계 S404). 이 판별에서, ibn이 임계값(Kth) 이상이면 고장 누적 카운트 단계(S407)로 진행하고, 임계값(Kth) 이상이 아니면 icn이 임계값(Kth) 이상인지를 판별한다(단계 S405). 이 판별에서, icn이 임계값(Kth) 이상이면 고장 누적 카운트 단계(S407)로 진행하고, 임계값(Kth) 이상이 아니면 "고장 상태 = 0"(즉, 고장이 아님)으로 판단하고(단계 S406), 상기 단계 S402로 회귀한다.Then, the fault occurrence is detected and counted by comparing the calculated normalized current effective values (i an , i bn , i cn ) of each phase with a predetermined threshold value (K th ) (steps S 403 to S 407) . That is, first i an a, and proceeds to the threshold (K th) if the determination (step S403) to more than, the threshold fault cumulative count step (S407) is (K th) or higher, or a threshold value or more (K th) It determines whether i bn over the threshold (K th) (step S404). It determines whether this determination, i bn the threshold value is (K th) or higher, and proceeds to the failure cumulative count step (S407), or the threshold value or more (K th) i cn the threshold or more (K th) ( Step S405). In this determination, if i cn is not less than the threshold value K th , the process proceeds to the failure cumulative counting step S407. If it is not equal to or greater than the threshold value K th , it is judged that the failure state is 0 (Step S406), and returns to step S402.
한편, 상기 고장 누적 카운트 단계(S407)에서의 고장 발생 누적 카운팅 값이 미리 설정된 값(예를 들면, 10) 이상인지를 판별하여(단계 S408), 설정값 미만이면 상기 단계 S403으로 회귀하고, 설정값 이상이면 "고장 상태 = 1"(고장임)로 판별한다(단계 S409).On the other hand, it is determined whether or not the cumulative failure count value in the failure cumulative counting step S407 is equal to or greater than a predetermined value (for example, 10) (step S408). If the count is less than the set value, the process returns to step S403, Quot; failure state = 1 "(failure) (step S409).
이후 실제로 개방 고장이 발생한 스위치를 검출하는 고장 검출 루틴을 실행하는 단계(S410)로 진행하게 된다.Thereafter, the process proceeds to step S410 of executing a failure detection routine for detecting a switch in which an actual open failure has occurred.
도 5는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 그룹 검출 및 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정을 나타낸 흐름도이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a process of detecting a fault group and identifying a fault generating unit of multiple switches according to a method of identifying multiple switch open faults in an inverter according to the present invention.
도 5를 참조하면, 이는 상기 도 4의 단계 S410의 고정 검출 루틴의 실행 과정(즉, 도 3의 단계 S303에서의 고장 그룹 검출 및 S304에서의 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정)을 보여주는 것으로서, 먼저 3상 교류 전동기(190)의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별한다(단계 S501).Referring to FIG. 5, this corresponds to the process of executing the fixed detection routine of step S410 of FIG. 4 (i.e., the process of detecting the fault group in step S303 of FIG. 3 and the fault generating unit of multiple switches of the inverter in step S304) First, the absolute values (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) of the average values of the instantaneous currents in the phases of the three-phase AC
상기 단계 S501의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고(단계 S502), 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행한다(단계 S503∼S508). 즉, ian이 최소값(ian = Min)인지를 판별하여(단계 S503), 최소값이면 고장 스위치 1 및 4로 판정한다(단계 S504). 그리고 단계 S503의 판별에서 ian이 최소값(ian = Min)이 아니면, ibn이 최소값(ibn = Min)인지를 판별하여(단계 S505), 최소값이면 고장 스위치 2 및 5로 판정한다(단계 S506). 그리고 단계 S505의 판별에서 ibn이 최소값(ibn = Min)이 아니면, icn이 최소값(icn = Min)인지를 판별하여(단계 S507), 최소값이면 고장 스위치 3 및 6으로 판정한다(단계 S508).In the determination of step S501, if the absolute values (ia , avg |, ib , avg |, | i c, avg |) of the average values of the instantaneous currents of the respective phases are all less than the threshold value (K th ) 2 (step S502), and proceeds to the subsequent process for determining the corresponding failure switch in the failure group 2 (steps S503 to S508). That is, it is determined whether i an is the minimum value (i an = Min) (step S503), and if it is the minimum value, the failure switches 1 and 4 are determined (step S504). And in the determination of the step S503 i an is not a minimum value (i an = Min), i bn , the minimum value (i bn = Min) to determine whether or not (step S505), the minimum value when it is determined as a fault switches 2 and 5 (step S506). If i bn is not the minimum value (i bn = Min) in step S505, it is determined whether i cn is the minimum value (i cn = Min) (step S507) S508).
또한, 상기 단계 S501의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별한다(단계 S509). If it is determined in step S501 that any one of the absolute values (ia , avg |, | Ib , avg |, | c, avg |) of the average value of the instantaneous currents in each phase is not less than the threshold value, It is determined whether the zero current is 1 (step S509).
상기 단계 S509의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고(단계 S510), 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행한다(단계 S511∼S522). 즉, ian이 최소값(ian = Min)인지를 판별하여(단계 S511), 최소값이면 a상의 순시 전류의 평균치(ia,avg)가 0보다 작은지를 판별한다(단계 S512). 이 판별에서, a상의 순시 전류의 평균치(ia,avg)가 0보다 작으면 고장 스위치 1로, 0보다 작지 않으면 고장 스위치 4로 각각 판정한다(단계 S513, S514). 그리고 상기 단계 S511의 판별에서 ian이 최소값(ian = Min)이 아니면, ibn이 최소값(ibn = Min)인지를 판별하여(단계 S515), 최소값이면 b상의 순시 전류의 평균치(ib,avg)가 0보다 작은지를 판별한다(단계 S516). 이 판별에서, b상의 순시 전류의 평균치(ib,avg)가 0보다 작으면 고장 스위치 2로, 0보다 작지 않으면 고장 스위치 5로 각각 판정한다(단계 S517, S518). In the determination of step S509, if the zero current is 1, it is determined to be the failure group 1 (step S510), and a subsequent process for determining the failure switch in the
또한, 상기 단계 S515의 판별에서, ibn이 최소값(ibn = Min)이 아니면, icn이 최소값(icn = Min)인지를 판별하여(단계 S519), 최소값이면 c상의 순시 전류의 평균치(ic,avg)가 0보다 작은지를 판별한다(단계 S520). 이 판별에서, c상의 순시 전류의 평균치(ic,avg)가 0보다 작으면 고장 스위치 3으로, 0보다 작지 않으면 고장 스위치 6으로 각각 판정한다(단계 S521, S522). If i bn is not the minimum value (i bn = Min) in step S515, it is determined whether i cn is the minimum value (i cn = Min) (step S519) i c, avg ) is smaller than 0 (step S520). In this determination, if the average value (i c, avg ) of the instantaneous current on the c-phase is less than 0, it is judged by the
한편, 상기 단계 S509의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정한다(단계 S523). 이후, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하게 된다.On the other hand, in the determination of step S509, if the zero current is not 1, it is determined to be the
도 8은 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 진단 및 개방 스위치 고장부 판별 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a diagram showing the results of the fault diagnosis and the determination of the open switch failure part according to the multiple switch open failure portion discrimination method of the inverter according to the present invention.
도 8을 참조하면, (a)는 인버터의 다중 스위치 중 스위치 S1(고장그룹 1)에서의 개방 스위치 고장하에서 고장 진단 및 고장부 판별(위치 검출)의 결과를 보여주는 것이고, (b)는 인버터의 다중 스위치 중 스위치 S1 및 S4(고장그룹 2)에서의 개방 스위치 고장하에서 고장 진단 및 고장부 판별(위치 검출)의 결과를 보여주는 것이다. 이를 통해 고장 및 고장 스위치가 효과적으로 검출될 수 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 8, (a) shows the results of fault diagnosis and fault detection (position detection) under open switch failures in switch S 1 (fault group 1) among multiple switches of the inverter, (Location detection) under open-switch failures in switches S 1 and S 4 (fault group 2) of the multiple switches of FIG. It can be seen that the fault and fault switches can be effectively detected.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은 인버터 스위치의 개방 고장 발생 시 정확한 고장부의 판별이 가능하도록 하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별이 가능한 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 한층 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, there is provided a fault group detection method for enabling accurate fault detection when an open fault of an inverter switch occurs, and a fault group detection method for detecting a fault in a real time , It is possible to further improve the efficiency and accuracy of discrimination of a fault occurrence portion by applying a moving window method capable of discriminating open fault portions of multiple switches of the inverter.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Be clear to the technician. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of the same should be construed as being included in the scope of the present invention.
110: 인버터 120: 게이트 드라이브
130: 아날로그/디지털 변환기 140: 디지털 신호 처리기
150: 호스트 컴퓨터 160: 안전 회로부
170: 직류 전원 180: 직류 링크 커패시터
190: 3상 교류 전동기110: inverter 120: gate drive
130: analog-to-digital converter 140: digital signal processor
150: host computer 160: safety circuit
170: DC power supply 180: DC link capacitor
190: Three phase alternating current motor
Claims (5)
직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 상기 3상 교류 전동기의 구동을 위한 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 3상 교류 전동기의 동작을 제어하는 인버터와;
상위 계층으로부터 입력받은 전압을 인버터 구동을 위한 전압으로 변환해주며, 상기 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 게이트를 구동하는 게이트 드라이브와;
상기 인버터로부터 출력되어 상기 3상 교류 전동기로 입력되는 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 피드백(feedback) 받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기와;
상기 아날로그/디지털 변환기로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 처리 결과를 바탕으로 상기 인버터의 고장 여부를 진단하며, 고장 발생으로 진단된 경우 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 디지털 신호 처리기(DSP); 및
상기 디지털 신호 처리기를 통해 제어된 시스템을 모니터링하며, 고장 발생시 상기 디지털 신호 처리기에 의한 고장 진단 여부 및 고장 발생 부위를 모니터 화면에 표시하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,
상기 디지털 신호 처리기는 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별함에 있어서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용하여 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하되,
상기 3상 교류 전동기의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별하고;
상기 임계값(Kth) 미만인지의 여부 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고, 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하며;
상기 임계값(Kth) 미만인지의 여부 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별하고;
상기 제로 전류(zero current)가 1인지의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고, 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하며;
상기 제로 전류(zero current)가 1인지의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정하고, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하는 것을 특징으로 하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템.
A system for discriminating an open failure of a multi-semiconductor switch element in an inverter, which is employed in a drive system of an inverter-based three-phase AC motor,
An inverter for receiving a DC voltage from a DC power source and converting the AC voltage into an AC voltage for driving the three-phase AC motor, and controlling the operation of the three-phase AC motor by on / off operations of the multiple semiconductor switch elements therein;
A gate drive for converting the voltage input from the upper layer into a voltage for driving the inverter and driving the gate of the multiple semiconductor switch elements in the inverter;
An analog / digital (A / D) converter for converting a voltage and current signal (analog signal) inputted from the inverter and input to the three-phase AC motor into a digital signal;
A controller for receiving and processing an output signal from the analog-to-digital converter, diagnosing whether or not the inverter is faulty based on the processing result, and a digital signal A processor (DSP); And
And a host computer for monitoring a system controlled through the digital signal processor and for displaying a faulty portion and a fault occurrence site on the monitor screen by the digital signal processor when a fault occurs,
The digital signal processor includes a fault group detection technique for grouping open fault types of multiple switches of an inverter in determining the open fault of the multiple semiconductor switch elements in the inverter, The open fault of the multiple semiconductor switch device is discriminated by applying the moving window method which calculates the open fault of the multiple switch of the inverter in real time,
The absolute value of the average value of the instantaneous current of each phase (phase) of the three-phase alternating current motor (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) are all pre-set threshold (K th ); ≪ / RTI >
The threshold value in the determination whether or not less than (K th), the absolute value of the mean value of the instantaneous current in each (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) are both thresholds ( If it is less than K th) it is determined as a fault group 2, and proceeds to the subsequent procedure for determining the failure in the failure switch group 2;
In determining whether or not the threshold value is less than (K th), the absolute value of the average value of the instantaneous current of each phase (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) at any one of the critical If it is not less than the value, it is determined whether the zero current is 1;
If it is determined that the zero current is 1, it is determined that the zero current is 1, and a subsequent process for determining the corresponding failure switch in the failure group 1 is performed;
If it is determined that the zero current is 1, it is determined that the zero current is not 1, and the subsequent process for determining the corresponding failure switch in the failure group 3 or 4, respectively, Characterized by the multiple switch open fault detection system of the inverter.
상기 인버터의 출력단과 상기 3상 교류 전동기의 입력단 사이에는 상기 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 설정값 이상의 과전압 또는 과전류가 흐를 경우 3상 교류 전동기로 공급되는 전압 및 전류를 차단함으로써 3상 교류 전동기를 보호하는 안전 회로부가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템.
The method according to claim 1,
When the overvoltage or overcurrent more than the set value flows in the drive system of the inverter-based three-phase alternating-current motor, the voltage and current supplied to the three-phase alternating-current motor are cut off between the output terminal of the inverter and the input terminal of the three- Further comprising a safety circuit for protecting the AC motor.
a) 사전 준비 단계로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장하는 단계;
b) 제어부가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별하는 단계;
c) 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 상기 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출하는 단계; 및
d) 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수 (detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 단계를 포함하고,
상기 단계 c)에서의 고장 그룹 검출 및 단계 d)에서의 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정은,
cd-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별하는 단계;
cd-2) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고, 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계;
cd-3) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별하는 단계;
cd-4) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고, 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계; 및
cd-5) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정하고, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하는 단계를 포함하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법.
A method for discriminating an open fault portion of a multiple semiconductor switch element in an inverter, which is employed in a drive system of an inverter-based three-phase AC motor,
a) grouping and setting open fault types of multiple switches of an inverter as a preliminary preparation step, obtaining current waveform data for a fault type of each group through a computer simulation and storing the current waveform data in a memory;
b) determining whether an open fault of the inverter switch is generated based on the measured voltage or current waveform data of the inverter and a fault diagnosis algorithm;
c) if the open failure of the inverter switch is determined to have occurred, the control unit detects the fault group based on the data stored in the memory; And
d) Based on the detected fault group, the control unit computes detection variables for every sampling period and applies a moving window method to determine the open switch fault of the inverter in real time. And a step of discriminating a fault generating unit,
The process of detecting the fault group in the step c) and the fault generator of the multiple switches of the inverter in the step d)
cd-1) absolute values (│i a, avg │ the average value of the instantaneous current of each phase (phase) of the three-phase alternating current motor, │i b, avg │, │i c, avg │) are all pre-set critical determining whether or not the value is less than (K th);
cd-2) In the determination of the step cd-1, the absolute values (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) of the average values of the instantaneous currents of the respective phases K th ), it is determined to be the fault group 2, and a subsequent process for determining the corresponding fault switch in the fault group 2 is performed;
cd-3) either one of any critical step in the determination of the cd-1), the absolute value of the average value of the instantaneous current of each phase (│i a, avg │, │i b, avg │, │i c, avg │) Determining if the zero current is 1, if not less than the value;
cd-4) In the determination of step cd-3), if the zero current is 1, it is determined as fault group 1, and a subsequent process for determining the corresponding fault switch in fault group 1 is performed; And
cd-5) In the determination of the step cd-3), if the zero current is not 1, it is determined as the failure group 3, 4, and the subsequent process for determining the corresponding failure switch in the failure group 3 or 4, The method comprising the steps of:
상기 단계 b)에서 상기 고장 진단 알고리즘은,
b-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상의 전류 실효값(root mean square; RMS)(iarms, ibrms, icrms)을 계산하는 단계;
b-2) 상기 계산된 각 상의 전류 실효값(iarms, ibrms, icrms)을 바탕으로 각 상의 정규화된 전류 실효값(normalized RMS current)(ian, ibn, icn)을 계산하는 단계;
b-3) 상기 계산된 각 상의 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)과 미리 설정된 임계값(threshold value; Kth)을 비교하여 고장 발생을 검출 및 카운팅하는 단계; 및
b-4) 상기 고장 발생 카운팅 값이 미리 설정된 값 이상이면, 고장 상태로 판별하는 단계를 포함하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법.
The method of claim 3,
The fault diagnosis algorithm in step b)
b-1) calculating a root mean square (RMS) (i arms , i brms , i crms ) of each phase of the three-phase AC motor;
b-2) Calculating the normalized RMS current (i an , i bn , i cn ) of each phase based on the calculated current effective values (i arms , i brms , i crms ) step;
b-3) detecting and counting a failure occurrence by comparing the calculated normalized current effective values (i an , i bn , i cn ) of each phase with a predetermined threshold value (K th ); And
and b-4) determining that the fault occurrence counting value is greater than or equal to a predetermined value, and determining that the fault has occurred.
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