KR20050037714A - 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법은, 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 저항분압 회로 또는 저항과 커패시터 회로를 설치하고, 그 저항 분압회로 또는 저항과 커패시터 회로를 이용한 계측을 통해 해당 전력변환장치의 출력상태와 필터 커패시터 및 전력변환장치 내의 반도체 스위칭 소자의 상태를 판별한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 방법들에서 제안한 입 출력 전압과 전류신호해석에 의한 오동작 판별방법을 대신하여 입 출력단의 신호 측정회로를 통해 계측한 신호를 처리하여 이상징후를 진단하므로, 신호해석을 단순화하고 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 종래의 방법들에서는 없었던 전력변환장치의 상태에 대한 계측과 감시를 커패시터 감시와 스위치 소자의 특성 감시를 통해 이룰 수 있다. 따라서, 전력변환장치의 오동작이나 파손을 감시함은 물론, 기기의 노후나 열화에 따른 이상 상태를 미리 감시 및 진단할 수 있는 장점이 있다.

Description

전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법 및 그 장치{Method for supervising and diagnosing status of electric power converter and apparatus thereof}

본 발명은 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 전력변환장치의 입,출력단자의 신호 분석과 필터 커패시터의 커패시턴스 변화 및 맥동전압 변화량을 감시함으로써 전력변환장치의 오동작이나 파손을 감시함은 물론, 기기의 노후나 열화에 따른 이상 상태를 미리 감시 및 진단할 수 있는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

오늘날, 전력전자기술의 발달과 함께, 산업, 가정, 수송, 의료, 환경 등 다양한 분야에서 각종 정류기, 인버터, 직류변환기 등의 전원장치가 널리 사용되고 있으며, 각 분야에서 전력을 공급하는 가장 기본적이면서 핵심적인 구성요소로서의 역할을 하고 있다.

특히, 무정전전원장치, 의료용 기기, 수송용 인버터 전원장치 등은 사고시 경제적, 사회적 손실을 가져올 가능성이 매우 크며 항상 신뢰성 있는 운전이 요구된다. 이에 따라 최근에 전력변환장치에 대한 진단 연구가 일부 시작되고 문헌에도 소개가 되고 있다. 즉, 장치의 상태를 입력전류의 신호처리나 동작 주파수의 스펙트럼 해석 등을 통해 변환장치와 기기의 이상을 추정하고자 하는 방법이 소개된 예이다. 그렇지만 문헌에서 소개된 방법들은 장치의 이상이 발생한 뒤의 상황을 판단하는 데에 주안점을 두었으며 전력변환장치의 노화나 열화에 의한 이상 징후를 포착할 수 있는 방법에 대해서는 아직 연구되지 않고 있는 실정이다.

전력변환장치의 사고상황에 대비하는 것도 매우 중요하지만 미리 이상징후를 포착하고 전원을 교체해 줌으로써 전체 시스템을 보호하는 것이 앞으로 이루어야 할 향후 기술이라 할 수 있다.

현재의 전력변환장치 유지보수방법은 임의의 수명연한을 설정하고 일정하게 교체해 줌으로써 사고 가능성을 낮추고 있다. 이것은 변환장치가 수많은 부품들로 구성된 복잡한 계의 시스템이므로 특정한 신호로 전체의 상태 판정이 매우 어렵기 때문이다. 그러므로 일정한 주기로 교체하는 방법이 일반적으로 사용되고 있으며 이것은 정확한 동작상태를 파악하고 교체하는 것에 비해 국가적으로 볼 때, 상당한 경제적 손실을 주고 있다.

종래의 전력변환장치 진단기술은 전력용 반도체 스위치의 이상이나 제어기 또는 필터 커패시터, 그리고 출력단의 기기 이상에 대해 여러 가지 변수 중에서 일부를 추출하여 신호를 해석하고, 이상 결과를 표출해주는 방식을 취했다.

그런데, 이와 같은 종래의 방식은 상태 감시의 의미보다는 사고 상황을 알려주는 기능에 국한되어 있다고 할 수 있다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 전력변환장치의 입,출력단자의 신호 분석과 필터 커패시터의 커패시턴스 변화 및 맥동전압 변화량을 감시함으로써 전력변환장치의 오동작이나 파손을 감시함은 물론, 기기의 노후나 열화에 따른 이상 상태를 미리 감시 및 진단할 수 있는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법은,

단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 저항분압 회로 또는 저항과 커패시터 회로를 설치하고, 그 저항 분압회로 또는 저항과 커패시터 회로를 이용한 계측을 통해 해당 전력변환장치의 출력상태와 필터 커패시터 및 전력변환장치 내의 반도체 스위칭 소자의 상태를 판별하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치는,

단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 직류단 커패시터의 커패시턴스와 맥동전압 변화를 감지하기 위한 제1 감지회로부;

상기 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 전력용 반도체 소자의 상태를 감지하기 위한 제2 감지회로부;

상기 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 일반적인 전력변환장치의 동작이상이나 3상 출력전압의 비대칭을 감지하기 위한 제3 감지회로부;

상기 제1, 제2 및 제3 감지회로부의 감지저항으로부터의 신호를 감지하기 위한 감지저항 신호 감지부;

상기 감지저항 신호 감지부에 의해 감지된 감지저항 신호를 필터링하고 증폭하는 필터링 및 증폭부;

상기 필터링 및 증폭부를 거친 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하는 한편 디지탈 연산을 수행하는 A/D 변환 및 디지탈 연산부; 및

상기 A/D 변환 및 디지탈 연산부의 출력신호를 입력받아 최종적으로 신호처리를 수행하는 한편 전력변환장치의 상태를 진단하는 신호처리 및 상태진단부를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치는 제1 감지회로부(110), 제2 감지회로부(120), 제3 감지회로부(130), 감지저항 신호 감지부(140), 필터링 및 증폭부(150), A/D 변환 및 디지탈 연산부(160), 신호처리 및 상태진단부(170)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 감지회로부(110)는 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 직류단 커패시터의 커패시턴스와 맥동전압 변화를 감지한다. 이 제1 감지회로부(110)는 감지저항(Rs)과 커패시터(C)의 직렬연결 회로로 구성된다. 이와 같은 제1 감지회로부(110)를 통하여 측정하고자 하는 커패시터와 측정용 커패시터의 출력전류 분배나 외부 분로 저항을 통한 측정값으로 커패시턴스 비를 추정할 수 있다. 또한, 측정저항을 포함한 직류단 전체 전압을 측정하여 맥동전압을 측정한다.

즉, 전력변환장치에 장착된 커패시터의 변화는 분리하여 측정하여야 값의 변화를 알 수 있다. 이것은 동작하는 장치의 상태를 감시하는 데에는 사용할 수 없다. 본 발명에서는 일반적으로 단자가 외부에 나와 있는 전력변환장치의 직류단에 병렬로 커패시터를 접속하여 흐르는 전류를 측정함으로써 전력변환장치의 필터 커패시턴스를 계측한다. 병렬로 접속된 커패시터와 전력변환장치내의 필터 커패시터는 정확히 커패시터 비에 의해 전류비를 가지며 출력전류와 병렬접속 커패시터의 전류비를 통해 필터 커패시터의 변화를 추정할 수 있게 된다.

도 2는 전류비에 따른 커패시턴스 비의 측정 결과를 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 4700uF의 커패시터에 병렬로 940uF의 측정 커패시터를 접속하여 둘 사이의 전류 선형성을 시험하였으며, 보조 커패시터에 의한 전체 커패시터의 변화 추정이 가능함을 알 수 있었다.

두 번째 방법으로는 커패시터 변화를 측정하기 위해 커패시터의 맥동전압 변화를 계측하고 출력전류에 비례하는 맥동전압을 계산하여 커패시턴스 변화량을 역시 계측할 수 있다. 즉, 커패시터의 변화량은 다음 식과 같이 표현할 수 있으므로 이를 통해 커패시터 변화를 추정 가능하다.

여기서, Ts는 측정 주기, Vdc-max는 직류 맥동전압의 한 주기 첨두치, Vdc-min은 직류 맥동전압의 한주기 최소치이다. 본 발명의 방법을 통해 정확한 실제 커패시턴스의 계산은 어렵지만 커패시터 변화에 대한 추정은 가능하다.

상기 제2 감지회로부(120)는 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 전력용 반도체 소자(S1∼S6)의 상태를 감지한다. 이 제2 감지회로부(120)는 전력변환장치의 입력단의 양의 단자에 접속되는 제1감지저항(Rs1)과, 입력단의 음의 단자에 접속되는 제2감지저항(Rs2)과, 제1,제2감지저항 (Rs1,Rs2)의 직렬접속선 상에 병렬로 접속되는 제3감지저항(Rs3)의 직,병렬 조합회로로 구성된다. 스위치 누설전류 상태 판별은 부하에 의한 영향이 없도록 무부하에서 보조회로의 신호값을 측정한다.

입력단과 연결되는 제1,제2감지저항 (Rs1,Rs2)은 입력단 양의 단자와 음의 단자에 연결되며, 스위치 임피던스의 측정시에는 스위치 임피던스보다 매우 크게 한다. 제3감지저항(Rs3)은 분압 측정 전압비로써 결정된다.

턴 온 전압 측정을 위해서는 동일한 회로 구조에서 일정한 부하에서 시험되어야 한다.

상기 제3 감지회로부(130)는 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 일반적인 전력변환장치의 동작이상이나 3상 출력전압의 비대칭을 감지한다. 이와 같은 제3 감지회로부(130)는 전력변환장치의 3상 출력단자에 각각 접속되는 3개의 분압저항(R1,R2,R3)과, 이들 분압저항(R1,R2,R3)을 서로 연결해주는 3개의 감지저항(Rs4,Rs5,Rs6)으로 구성된다.

전력변환장치의 동작에 따라 3상 출력단자에는 출력전압이 인가되며 이들 파형이 각 분압저항(R1,R2,R3)에 인가되고, 각 분압저항(R1,R2,R3)과 감지저항(Rs4, Rs5,Rs6)은 저항비에 따라 전압이 나타난다. 부하에 대한 결선은 계측신호를 처리하는 방법에 따라 Y결선 또는 Y결선 후에 중성점을 직류단 커패시터의 중성점에 측정저항을 통해 연결하는 방법이 역시 가능하다.

출력전압이 일정한 위상차를 가진 3상 대칭의 파형을 가지면 분압저항 (R1,R2,R3)들의 전압은 정현파로 나타나게 되고, 따라서 각 상 신호전압 간의 합 전압 또는 전체 정류 전압은 일정한 모양을 갖는다. 반면에 출력전압이 비 대칭인 경우에는 센스파형에 오프셋 전압이 더해진 왜형된 파형이 나타난다. 그러므로, 각각 계측한 신호전압의 합 전압 또는 영점을 기준으로 한 신호전압간의 비교 또는 정류전압의 맥동전압을 통해 전력변환장치의 제어기와 구동회로에 의한 오동작을 판별할 수 있다. 이외에 왜형된 신호전압을 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하여 발생되는 고조파를 통해 역시 이상을 판정할 수 있다.

상기 감지저항 신호 감지부(140)는 제1, 제2 및 제3 감지회로부(110,120, 130)의 감지저항(Rs∼Rs6)으로부터의 신호를 감지한다.

상기 필터링 및 증폭부(150)는 감지저항 신호 감지부(140)에 의해 감지된 감지저항 신호를 필터링하고 증폭한다.

상기 A/D 변환 및 디지탈 연산부(160)는 위의 필터링 및 증폭부(150)를 거친 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하는 한편 디지탈 연산을 수행한다.

상기 신호처리 및 상태진단부(170)는 A/D 변환 및 디지탈 연산부(160)의 출력신호를 입력받아 최종적으로 신호처리를 수행하는 한편 전력변환장치의 상태를 진단한다.

이상과 같이, 본 발명에서는 입력 직류 전원단자와 출력단자 사이에 신호를 감지할 수 있는 분압회로를 구성하여 반도체 소자의 턴 온 전압과 누설전류 그리고 전력변환기의 동작상태를 감지할 수 있게 한다.

또한 입력 직류전원단자에 병렬 커패시터를 접속하고 흐르는 전류를 측정함으로써 부하전류와의 상관관계를 이용하여 전원의 필터 커패시터 변화를 계산해 낼 수도 있다.

전해 커패시터는 노화와 열화가 이루어짐에 따라 크게 세 가지 요소가 나타나게 되는데, 그 세 가지 요소는 커패시턴스와 ESR(equivalent series resistance) 그리고 누설전류 변화량이다. 전해 커패시터의 커패시턴스는 노화와 열화에 의해 점차 전해성분이 감소하여 커패시턴스가 감소하게 되고 ESR 값은 증가하게 된다. 이 중 커패시턴스는 약 10% ∼25%가량 변화량을 이상으로 볼 수 있으며, 본 발명에서는 특히 커패시턴스 변화와 맥동전압 변화를 진단 기준으로 삼는다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법은 종래의 방법들에서 제안한 입 출력 전압과 전류신호해석에 의한 오동작 판별방법을 대신하여 입 출력단의 신호 측정회로를 통해 계측한 신호를 처리하여 이상징후를 진단하므로, 신호해석을 단순화하고 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 종래의 방법들에서는 없었던 전력변환장치의 상태에 대한 계측과 감시를 커패시터 감시와 스위치 소자의 특성 감시를 통해 이룰 수 있다. 따라서, 전력변환장치의 오동작이나 파손을 감시함은 물론, 기기의 노후나 열화에 따른 이상 상태를 미리 감시 및 진단할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.

도 2는 일반적인 전력변환장치에서의 전류비에 따른 커패시턴스 비의 측정 결과를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...제1 감지회로부 120...제2 감지회로부

130...제3 감지회로부 140...감지저항(Rs) 신호 감지부

150...필터링 및 증폭부 160...A/D변환 및 디지탈 연산부

170...신호처리 및 상태진단부

Claims (5)

1. 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 저항분압 회로 또는 저항과 커패시터 회로를 설치하고, 그 저항 분압회로 또는 저항과 커패시터 회로를 이용한 계측을 통해 해당 전력변환장치의 출력상태와 필터 커패시터 및 전력변환장치 내의 반도체 스위칭 소자의 상태를 판별하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단 방법.
2. 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 직류단 커패시터의 커패시턴스와 맥동전압 변화를 감지하기 위한 제1 감지회로부;

   상기 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 전력용 반도체 소자의 상태를 감지하기 위한 제2 감지회로부;

   상기 단상 또는 삼상의 전력변환장치의 입력단자와 출력단자 사이에 설치되며, 일반적인 전력변환장치의 동작이상이나 3상 출력전압의 비대칭을 감지하기 위한 제3 감지회로부;

   상기 제1, 제2 및 제3 감지회로부의 감지저항으로부터의 신호를 감지하기 위한 감지저항 신호 감지부;

   상기 감지저항 신호 감지부에 의해 감지된 감지저항 신호를 필터링하고 증폭하는 필터링 및 증폭부;

   상기 필터링 및 증폭부를 거친 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하는 한편 디지탈 연산을 수행하는 A/D 변환 및 디지탈 연산부; 및

   상기 A/D 변환 및 디지탈 연산부의 출력신호를 입력받아 최종적으로 신호처리를 수행하는 한편 전력변환장치의 상태를 진단하는 신호처리 및 상태진단부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제1 감지회로부는 감지저항(Rs)과 커패시터(C)의 직렬연결 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 제2 감지회로부는 전력변환장치의 입력단의 양의 단자에 접속되는 제1감지저항(Rs1)과, 입력단의 음의 단자에 접속되는 제2감지저항(Rs2)과, 제1,제2감지저항 (Rs1,Rs2)의 직렬접속선 상에 병렬로 접속되는 제3감지저항(Rs3)의 직,병렬 조합회로로 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 제3 감지회로부는 전력변환장치의 3상 출력단자에 각각 접속되는 3개의 분압저항(R1,R2,R3)과, 이들 분압저항(R1,R2,R3)과 연결되어 Δ또는 Y 결선으로 연결되는 3개의 감지저항(Rs4,Rs5,Rs6)으로 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 상태 감시 및 진단장치.