KR101965239B1 - 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법 - Google Patents

인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법 Download PDF

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김경화
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Abstract

본 발명은 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법은, 호스트 컴퓨터가 내부에 탑재된 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시키는 단계; PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 포지티브 프리휠링 모드를 동작시키는 단계; 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 단계; 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 네거티브 프리휠링 모드를 동작시키는 단계; 및 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터의 프리휠링 상태에서의 전류정보를 이용함으로써, 복잡한 데이터 처리 및 그룹화 과정을 요구하지 않으며, 인버터에서 다양한 고장이 동시에 발생하는 경우에도 모든 고장부를 신속, 정확하게 판별할 수 있다.

Description

인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법{System and method for localizing open-switch faults in inverter}
본 발명은 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 인버터의 다중개방 스위치 고장부의 정확한 판별을 위해 인버터의 프리휠링(free-wheeling) 상태에서의 전류정보를 이용함으로써, 복잡한 데이터 처리 및 그룹화 과정을 요구하지 않으면서 인버터 스위치의 모든 고장부를 신속, 정확하게 판별할 수 있는 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전력변환 인버터를 적용한 가변속 AC 전동기 구동 및 제어 시스템은 다양한 공정과 산업분야, 전자부품, 전기자동차 및 철도구동 등에 폭넓게 적용되는 핵심 구성 요소이다.
고장으로 인한 시스템의 갑작스런 정지는 많은 손실과 피해를 유발하기 때문에 최근 시스템 연속성과 신뢰성 및 안정성이 중요한 요소가 되고 있다. 특히 전기자동차 및 철도와 같은 수송 시스템에서의 고장은 하나의 재난으로서 인명 피해를 초래할 수 있다.
종래의 고장 검출 및 고장 위치 판별 기술에서는 전류정보, 전압정보 혹은 고조파 해석 기술을 이용하고 있다. 그러나 이러한 방식에서는 고장 자체는 쉽게 판별될 수 있지만, 고장난 부위(고장부)의 정확한 검출은 상당히 어려워 대부분의 방식에서는 인버터의 1개 스위치에서의 개방 스위치 고장부 판별 기술을 다루고 있다.
인버터에서 다중개방 스위치 고장은 매우 다양하고 복잡한 형태로 나타나며, 이를 해결하기 위해 인버터 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 고장부를 판별하는 기술이 소개되었다. 그러나 이러한 방식 역시 복잡한 알고리즘, 신호처리 및 전류 파형 분석을 요구하여 상용 시스템에 적용하기에는 어려움이 있다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2013-0004657호(특허문헌 1)에는 "엔피시 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른 NPC(Neutral Point Clamped) 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법은, 3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법에 있어서, 상기 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환하는 단계; 상기 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계; 및 상기 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 계통 연계된 NPC 인버터의 출력인 3상 교류 전류의 정지 좌표계상 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초하여, NPC 인버터 내의 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 계통전압의 극성상태에 따라 고장 발생이 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 고장이 발생한 상에서의 전류의 흐름 여부로 고장 스위칭 소자를 판단함으로써, 계통 연계된 NPC 인버터에 전압센서의 추가 없이, 또한 복잡한 시스템의 수학적 모델링 없이 간단하게 NPC 인버터 내부의 스위칭 소자들의 고장을 진단할 수 있는 장점이 있을지는 모르겠으나, 계통 연계된 NPC 인버터의 출력인 3상 교류 전류의 정지 좌표계상 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초하여, NPC 인버터 내의 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여 고장이 발생한 상에서의 전류의 흐름 여부로 고장 스위칭 소자를 판단하도록 되어 있어, 일단 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도를 구해야 하는 번거로움이 있고, 다양한 고장이 동시에 발생한 경우 신속하게 대응하기 어려운 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0004657호(2013.01.14. 공개)
본 발명은 상기와 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 인버터의 다중개방 스위치 고장 부의 정확한 판별을 위해 인버터의 프리휠링(free-wheeling) 상태에서의 전류정보를 이용함으로써, 종래와 같이 복잡한 데이터 처리 및 그룹화 과정을 요구하지 않으며, 인버터에서 1개, 2개, 3개 및 4개 스위치 개방 고장 등 다양한 고장이 동시에 발생하는 경우에도 모든 고장부를 신속, 정확하게 판별할 수 있는 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템은,
복수의 반도체 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원으로부터 전압을 공급받아 펄스 폭 및 주파수를 변화시키며, 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변경해주는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터와;
상기 PWM 인버터로부터의 출력 전압 및 전류와 부하단의 교류 전동기로부터의 출력 전압, 전류, 속도의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D(analog to digital) 컨버터와;
상기 A/D 컨버터로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 상기 교류 전동기의 정상적인 동작을 위해 교류 전동기 구동 시스템의 전체적인 변수들을 제어하는 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor: DSP)와;
상기 디지털 신호 처리기로부터의 출력 신호(전압 신호)를 입력받아 상기 PWM 인버터의 구동을 위한 전압의 크기로 변환해 주는 게이트 드라이브; 및
프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘(일종의 소프트웨어 프로그램)이 탑재되며, 상기 디지털 신호 처리기에 의해 제어되는 시스템을 모니터링 하고, 상기 교류 전동기의 구동 시 전동기의 동작과 관련하여 확인하고자 하는 변수들에 대한 출력값 및 파형을 모니터링하며, 시스템에 고장 발생 시 고장 진단 및 고장부를 판별하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,
상기 호스트 컴퓨터는 시스템에 고장 발생 시 고장부를 판별함에 있어서, 상기 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시켜 고장부를 판별하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시켜 고장부를 판별함에 있어서, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 포지티브 (positive) 프리휠링 모드 동작을 이용하여 상부측 반도체 스위치 소자의 개방고장을 검출하고, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 네거티브(negative) 프리휠링 모드 동작을 이용하여 하부측 반도체 스위치 소자의 개방고장을 검출하며, 상기 포지티브 프리휠링 모드 및 네거티브 프리휠링 모드 동작시 각각 발생하는 출력전류의 파형을 각각 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 PWM 인버터와 부하단의 교류 전동기 사이에 설치되며, 상기 PWM 인버터로부터의 출력 전압 및 전류가 설정된 전압 및 전류 이상으로 과도하게 흐를 경우, 고장에 따른 2차 피해를 막기 위해 상기 교류 전동기로 전압 및 전류가 공급되지 못하도록 차단하는 보호 회로(Safety Circuit)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법은,
삭제
a) 호스트 컴퓨터가 내부에 탑재된 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘(일종의 소프트웨어 프로그램)을 실행시키는 단계와;
b) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 포지티브(positive) 프리휠링 모드를 동작시키는 단계와;
c) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 단계와;
d) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 네거티브(negative) 프리휠링 모드를 동작시키는 단계와;
e) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작 시에는, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 온(ON) 상태로 유지시키고, 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 오프(OFF) 상태로 유지시키며, 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작 시에는, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 오프(OFF) 상태로 유지시키고, 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 온(ON) 상태로 유지시킨 상태에서 인버터에 전원을 공급하고, 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터의 다중개방 스위치 고장부의 정확한 판별을 위해 인버터의 프리휠링(free-wheeling) 상태에서의 전류정보를 이용함으로써, 종래와 같이 복잡한 데이터 처리 및 그룹화 과정을 요구하지 않으며, 인버터에서 1개, 2개, 3개 및 4개 스위치 개방 고장 등 다양한 고장이 동시에 발생하는 경우에도 모든 고장부를 신속, 정확하게 판별할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 인버터의 반도체 스위칭 소자와 3상 교류 전동기의 각 상의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시의 전류파형과 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시의 전류파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 포지티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 6은 포지티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 네거티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 8은 네거티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 인버터의 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 포지티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 포지티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 11은 인버터의 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 네거티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 12는 네거티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 13은 인버터의 제1, 제2, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 포지티브 프리휠링 모드 및 네거티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이다.
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.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 인버터의 반도체 스위칭 소자와 3상 교류 전동기의 각 상의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템(100)은, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터(110), A/D(analog to digital) 컨버터(120), 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor: DSP)(130), 게이트 드라이브(140), 호스트 컴퓨터(150)를 포함하여 구성된다.
PWM 인버터(110)는 복수의(여기서는 6개의) 반도체 스위칭 소자(S1∼S6)를 구비하며, 직류 전원(DC source)으로부터 전압을 공급받아 펄스 폭 및 주파수를 변화시키며, 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변경해 준다.
A/D 컨버터(120)는 PWM 인버터(110)로부터의 출력 전압 및 전류와 부하단의 교류 전동기(PMSM)로부터의 출력 전압, 전류, 속도 등의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 준다.
디지털 신호 처리기(DSP)(130)는 A/D 컨버터(120)로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 교류 전동기(PMSM)의 정상적인 동작을 위해 교류 전동기 구동 시스템의 전체적인 변수들(예를 들면, DC 전압값, 주기, DC 링크 커패시터 값, 전동기의 토크 등)을 제어한다.
게이트 드라이브(140)는 디지털 신호 처리기(130)로부터의 출력 신호(전압 신호)(예를 들면, 0∼3.3V)를 입력받아 상기 PWM 인버터(110)의 구동을 위한 전압 (-15∼15V)의 크기로 변환해 준다.
호스트 컴퓨터(150)는 내부의 메모리에 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘(일종의 소프트웨어 프로그램)이 탑재되며, 디지털 신호 처리기(130)에 의해 제어되는 전동기 구동 시스템을 모니터링하고, 상기 교류 전동기(PMSM)의 구동 시 전동기의 동작과 관련하여 확인하고자 하는 변수들(예컨대, 전류, 전압, 속도 등)에 대한 출력값 및 파형을 모니터링하며, 시스템에 고장 발생 시 고장 진단 및 고장부를 판별한다. 이와 같은 호스트 컴퓨터(150)는 시스템에 고장 발생 시 고장부를 판별함에 있어서, 상기 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시켜 고장부를 판별한다.
여기서, 상기 호스트 컴퓨터(150)는 상기 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시켜 고장부를 판별함에 있어서, PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6) 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S1∼S3)에 대한 포지티브(positive) 프리휠링 모드 동작을 이용하여 상부측 반도체 스위치 소자(S1∼S3)의 개방고장을 검출한다. 그리고 호스트 컴퓨터(150)는 PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6) 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S4∼S6)에 대한 네거티브(negative) 프리휠링 모드 동작을 이용하여 하부측 반도체 스위치 소자(S4∼S6)의 개방고장을 검출한다. 또한, 호스트 컴퓨터(150)는 상기 포지티브 프리휠링 모드 및 네거티브 프리휠링 모드 동작시 각각 발생하는 출력전류의 파형을 각각 분석하여 PWM 인버터(11)의 개방 스위치 고장부를 판별한다. 즉, 호스트 컴퓨터(150)의 메모리에는 PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6)에 의해 발생할 수 있는 모든 경우의 수의 개방 스위치 고장 상태에서의 출력전류의 파형에 대한 시뮬레이션 데이터가 저장되어 있으며, 따라서 호스트 컴퓨터(150)는 포지티브 프리휠링 모드 및 네거티브 프리휠링 모드 동작시 각각 발생하는 출력전류의 파형을 메모리에 저장되어 있는 파형들과의 비교/분석을 통해서 PWM 인버터(110)의 개방 스위치 고장부를 판별하게 된다.
여기서, 또한 바람직하게는 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템(100)은 PWM 인버터(110)와 부하단의 교류 전동기(PMSM) 사이에 설치되는 것으로, PWM 인버터(110)로부터의 출력 전압 및 전류가 시스템 설계자에 의해 설정된 기준 전압 및 전류 이상으로 과도하게 흐를 경우, 고장에 따른 2차 피해를 막기 위해 상기 교류 전동기(PMSM)로 전압 및 전류가 공급되지 못하도록 차단하는 보호 회로(Safety Circuit)(160)를 더 포함할 수 있다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템을 바탕으로 한 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법은, 전술한 바와 같은 PWM 인버터(110), A/D 컨버터(120), 디지털 신호 처리기(130), 게이트 드라이브(140), 호스트 컴퓨터 (150)를 포함하는 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템(100)에 기반한 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법으로서, 먼저 호스트 컴퓨터(150)는 내부에 탑재된 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘(일종의 소프트웨어 프로그램)을 실행시킨다(단계 S301).
그런 후, 호스트 컴퓨터(150)에 의해 PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6) 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S1∼S3)에 대한 포지티브(positive) 프리휠링 모드를 동작시킨다(단계 S302).
그런 다음, 호스트 컴퓨터(150)에 의해 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터(110)의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터(110)의 개방 스위치 고장부를 판별한다(단계 S303). 즉, 전술한 바와 같이, 호스트 컴퓨터(150)의 메모리에는 PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6)에 의해 발생할 수 있는 모든 경우의 수의 개방 스위치 고장 상태에서의 출력전류의 파형에 대한 시뮬레이션 데이터가 저장되어 있으며, 따라서 호스트 컴퓨터(150)는 포지티브 프리휠링 모드(또는 네거티브 프리휠링 모드) 동작시 발생하는 출력전류의 파형을 메모리에 저장되어 있는 파형들과의 비교/분석을 통해서 PWM 인버터(110)의 개방 스위치 고장부를 판별하게 되는 것이다.
여기서, 상기 단계 S302 및 S303에서 호스트 컴퓨터(150)는 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작 시에는, PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6) 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S1∼S3)는 모두 온(ON) 상태로 유지시키고, 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S4∼S6)는 모두 오프(OFF) 상태로 유지시킨 상태에서 인버터에 전원을 공급하고, 출력전류의 파형을 분석함으로써, PWM 인버터(110)의 개방 스위치 고장부를 판별할 수 있다.
이후, 호스트 컴퓨터(150)에 의해 PWM 인버터(110)의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6) 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S4∼S6)에 대한 네거티브(negative) 프리휠링 모드를 동작시킨다(단계 S304).
그런 다음, 호스트 컴퓨터(150)에 의해 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터(110)의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터(110)의 개방 스위치 고장부를 판별한다(단계 S305).
상기 단계 S304 및 S305에서 호스트 컴퓨터(150)는 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작 시에는, PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자(S1∼S6) 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S1∼S3)는 모두 오프(OFF) 상태로 유지시키고, 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자(S4∼S6)는 모두 온(ON) 상태로 유지시킨 상태에서 인버터에 전원을 공급하고, 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터(110)의 개방 스위치 고장부를 판별할 수 있다.
이하에서는 이상과 같은 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법에 대해 실예를 들어 부연 설명해 보기로 한다.
도 4는 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시의 전류파형과 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시의 전류파형을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S5, S6)의 개방 고장 발생 시 3상 출력전류 파형과, 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S1, S5, S6)의 개방 고장 발생 시 3상 출력전류 파형은 동일하게 검출된다. 따라서, 파워링 모드에서는 정확한 고장부 판별이 어렵다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 프리휠링 모드 시의 출력전류 파형을 이용하며, 이에 따라 이상과 같은 고장 발생 시에도 인버터의 개방 스위치 고장부의 위치 판별이 가능하다.
도 5는 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 포지티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이고, 도 6은 포지티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S5, S6)의 개방 고장 발생시, 포지티브 프리휠링 모드 동작인 경우는 상측 스위치 소자(S1, S2, S3)는 모두 온(ON), 하측 스위치 소자(S4, S5, S6)는 모두 오프(OFF) 상태가 되기 때문에, 구간 ①, ②에서 출력전류 파형은 3상 전류 모두 출력됨을 확인할 수 있다.
도 7은 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 네거티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이고, 도 8은 네거티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 인버터의 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S5, S6)의 개방 고장 발생시, 네거티브 프리휠링 모드 동작인 경우는 상측 스위치 소자(S1, S2, S3)는 모두 오프(OFF), 하측 스위치 소자(S4, S5, S6)는 모두 온(ON) 상태가 되기 때문에, 구간 ①의 경우에는 b상에 음의 전류가 흐르지 못하고, 구간 ②의 경우에는 c상에 음의 전류가 흐르지 못한다. 즉, b상과 c상에는 양의 전류만 출력됨을 확인할 수 있다. 또한, b상과 c상의 음의 전류가 없어 a상의 양의 전류도 흐르지 않는다.
도 9는 인버터의 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 포지티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이고, 도 10은 포지티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 인버터의 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S1, S5, S6)의 개방 고장 발생시, 포지티브 프리휠링 모드 동작인 경우는 상측 스위치 소자(S1, S2, S3)는 모두 온(ON), 하측 스위치 소자(S4, S5, S6)는 모두 오프(OFF) 상태가 되기 때문에, 구간 ①에서 a상에 양의 전류가 흐르지 못하고, a상에 음의 전류만 출력됨을 확인할 수 있다.
도 11은 인버터의 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 네거티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이고, 도 12는 네거티브 프리휠링 모드 동작시 특정 구간에서의 인버터의 스위치 소자와 전동기 간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 인버터의 제1, 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S1, S5, S6)의 개방 고장 발생시, 네거티브 프리휠링 모드 동작인 경우는 상측 스위치 소자(S1, S2, S3)는 모두 오프(OFF), 하측 스위치 소자(S4, S5, S6)는 모두 온(ON) 상태가 되기 때문에, 구간 ①의 경우에는 b상에 음의 전류가 흐르지 못하고, 구간 ②의 경우에는 c상에 음의 전류가 흐르지 못한다. 즉, b상과 c상에는 양의 전류만 출력됨을 확인할 수 있다. 또한, b상과 c상의 음의 전류가 없어 a상의 양의 전류도 흐르지 않는다.
도 13은 인버터의 제1, 제2, 제5, 제6 반도체 스위치 소자의 개방 고장시 포지티브 프리휠링 모드 및 네거티브 프리휠링 모드 동작에 따른 출력전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, (A)와 같이 포지티브 프리휠링 모드 동작 시, 상측 스위치 소자(S1, S2, S3)는 모두 온(ON) 상태가 되고, 네거티브 프리휠링 모드 동작 시, 하측 스위치 소자(S4, S5, S6)는 모두 온(ON) 상태가 된다.
4개의 스위치, 즉 제1, 제2, 제5, 제6 반도체 스위치 소자(S1, S2, S5, S6)의 개방 고장이 발생한 경우에는 고장의 위치가 a상 하단 스위치, b상 상,하단 스위치, c상 하단 스위치이다.
포지티브 프리휠링 모드의 경우에는, 상측 스위치 소자(S1, S2, S3)는 모두 온(ON) 상태가 되고, 제1, 제2 스위치 소자(S1, S2)가 고장상태이기 때문에, a상과 b상의 음의 전류만 출력되며, 이에 따라 c상은 양의 전류만 출력된다.
또한, (B)와 같이 네거티브 프리휠링 모드의 경우에는, 하측 스위치 소자(S4, S5, S6)는 모두 온(ON) 상태가 되고, 제5, 제6 스위치 소자(S5, S6)가 고장상태이기 때문에, b상과 c상의 양의 전류만 출력되며, 이에 따라 a상은 음의 전류만 출력된다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템 및 방법은 인버터의 다중개방 스위치 고장부의 정확한 판별을 위해 인버터의 프리휠링(free-wheeling) 상태에서의 전류정보를 이용함으로써, 종래와 같이 복잡한 데이터 처리 및 그룹화 과정을 요구하지 않으며, 인버터에서 1개, 2개, 3개 및 4개 스위치 개방 고장 등 다양한 고장이 동시에 발생하는 경우에도 모든 고장부를 신속, 정확하게 판별할 수 있는 장점이 있다.
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.
110: PWM 인버터 120: A/D 컨버터
130: 디지털 신호 처리기 140: 게이트 드라이브
150: 호스트 컴퓨터 160: 보호 회로

Claims (5)

  1. 복수의 반도체 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원으로부터 전압을 공급받아 펄스 폭 및 주파수를 변화시키며, 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변경해주는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터와;
    상기 PWM 인버터로부터의 출력 전압 및 전류와 부하단의 교류 전동기로부터의 출력 전압, 전류, 속도의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D(analog to digital) 컨버터와;
    상기 A/D 컨버터로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 상기 교류 전동기의 정상적인 동작을 위해 교류 전동기 구동 시스템의 전체적인 변수들을 제어하는 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor: DSP)와;
    상기 디지털 신호 처리기로부터의 출력 신호(전압 신호)를 입력받아 상기 PWM 인버터의 구동을 위한 전압의 크기로 변환해 주는 게이트 드라이브; 및
    프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘(일종의 소프트웨어 프로그램)이 탑재되며, 상기 디지털 신호 처리기에 의해 제어되는 시스템을 모니터링 하고, 상기 교류 전동기의 구동 시 전동기의 동작과 관련하여 확인하고자 하는 변수들에 대한 출력값 및 파형을 모니터링하며, 시스템에 고장 발생 시 고장 진단 및 고장부를 판별하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,
    상기 호스트 컴퓨터는 시스템에 고장 발생 시 고장부를 판별함에 있어서, 상기 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시켜 고장부를 판별하며,
    상기 호스트 컴퓨터는 상기 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘을 실행시켜 고장부를 판별함에 있어서, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 포지티브 (positive) 프리휠링 모드 동작을 이용하여 상부측 반도체 스위치 소자의 개방고장을 검출하고, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 네거티브(negative) 프리휠링 모드 동작을 이용하여 하부측 반도체 스위치 소자의 개방고장을 검출하며, 상기 포지티브 프리휠링 모드 및 네거티브 프리휠링 모드 동작시 각각 발생하는 출력전류의 파형을 각각 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 것을 특징으로 하는 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 인버터와 부하단의 교류 전동기 사이에 설치되며, 상기 PWM 인버터로부터의 출력 전압 및 전류가 설정된 전압 및 전류 이상으로 과도하게 흐를 경우, 고장에 따른 2차 피해를 막기 위해 상기 교류 전동기로 전압 및 전류가 공급되지 못하도록 차단하는 보호 회로(Safety Circuit)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 시스템.
  4. a) 호스트 컴퓨터가 내부에 탑재된 프리휠링 모드를 이용한 고장부 판별 알고리즘(일종의 소프트웨어 프로그램)을 실행시키는 단계와;
    b) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 포지티브(positive) 프리휠링 모드를 동작시키는 단계와;
    c) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 단계와;
    d) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자에 대한 네거티브(negative) 프리휠링 모드를 동작시키는 단계와;
    e) 상기 호스트 컴퓨터에 의해 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작시 발생하는 PWM 인버터의 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 단계를 포함하고,
    상기 호스트 컴퓨터는 상기 포지티브 프리휠링 모드 동작 시에는, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 온(ON) 상태로 유지시키고, 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 오프(OFF) 상태로 유지시키며, 상기 네거티브 프리휠링 모드 동작 시에는, 상기 PWM 인버터의 6개의 반도체 스위치 소자 중 상부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 오프(OFF) 상태로 유지시키고, 하부측에 위치하는 3개의 반도체 스위치 소자는 모두 온(ON) 상태로 유지시킨 상태에서 인버터에 전원을 공급하고, 출력전류의 파형을 분석하여 PWM 인버터의 개방 스위치 고장부를 판별하는 것을 특징으로 하는 인버터의 개방 스위치 고장부 판별 방법.
  5. 삭제
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