KR20100009191U

KR20100009191U - 전력변환 시스템에 사용되는 전해커패시터의 실시간 고장진단 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR20100009191U
Application number: KR2020090002748U
Authority: KR
Inventors: 손진근
Original assignee: 손진근
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24

Abstract

본 발명은 주문형 전력(Custom Power)기기에 사용되는 전해커패시터의 열화 상태를 실시간으로 분석하는 전해커패시터 실시간 고장진단 모니터링 시스템에 관한 것으로, 전해커패시터의 등가직렬저항을 실시간으로 모니터링 하여 등가직렬저항의 변화를 기준으로 전해커패시터의 열화 상태를 분석하는 것이다.

본 발명은 전해커패시터의 리플전압 값(17)과 리플전류 값(16)만을 가지고 전해커패시터의 등가직렬저항을 추정하므로 시스템의 구성이 간단하다는 장점을 가지며, 측정된 전해커패시터의 리플전압 값과 리플전류 값을 실시간으로 연산하여 전해커패시터의 열화와 고장을 실시간으로 분석한다는 장점을 갖는다.

현재 운송용 엘리베이터, 에스컬레이터 등의 인버터 사용 급증과 UPS, ASD(adjust speed driver), DVR(dynamic voltage restorer), 정보통신용 전원 등 비선형 부하의 지속적인 사용 증대에 따른 주문형 전력(Custom Power)기기의 광범위한 사용으로 인해서 비선형부하가 폭발적으로 증가하고 있다. 또한 태양광 발전 등 신재생에너지 분야 및 전기자동차의 수요 확대에 따른 전력변환기의 사용 급증은 이러한 현상을 가속하고 있다. 이러한 전력변환기기의 내부에는 필수적으로 AC/DC(교류/직류) 연계를 위한 전력용 전해커패시터 (electrolytic capacitor)가 사용되게 된다.

여기서 전력용 전력변환기기 사고의 대부분을 전해커패시터가 차지하고 있다는 점을 주목해야 한다. 이처럼 일시적 에너지저장 및 전력연계(DC Link)를 위한 전해커패시터의 사용은 주문형 전력기기 시스템 사고의 원인의 대부분을 차지하는 매우 강한 인자이다. 이러한 전해커패시터는 전해액의 증발에 따른 열화, 손실 증대가 가중되면서 폭발로 이어지는 사고를 발생시키고 특히 고조파 리플 전류의 지속적인 유입은 전해커패시터의 사고를 가속시킨다. 전력변환기기의 중요 부품 중 사고의 가장 큰 요인은 전해커패시터가 차지하며, 이의 평균수명이 약 5∼6년 이지만 고조파 등의 스트레스에 의하여 그 수명이 최근 급격히 감소하게 된다. 또한 대부분의 전력변환기기(인버터 등)는 효율 및 스위칭 손실 부분에만 주안점을 두기 때문에 스위칭 디바이스 파트에만 Heat sink 및 방열 팬을 부착하고 온도에 매우 취약한 커패시터 부분에는 보호장치가 거의 전무한 상황이다.

따라서 전해커패시터의 사고해석 및 고장 진단시스템은 설비의 신뢰도 증진, 안전문제, 경제적 손실 방지, 사용기간 연장에 의한 환경개선 등 을 위하여 매우 시급한 과제이다. 비선형 부하와 관련된 전해 커패시터 진단시스템은 현재 국내에 없으며 주로 LCR 미터에 의존한 실정이며, 부분적으로 전해 커패시터에 대한 저항,온도,용량 등의 측정기법은 논문에 발표되고 있으나 실시간 진단장치는 없는 상황이다.

본 발명에서는 전해커패시터의 리플전압(VP_dc)(17)과 리플전류(I_cc)(16)를 감지하고 각각을 밴드패스필터(21∼24)를 거친 후 실효 값으로 변환(25)하여 등가직렬저항을 실시간으로 추정(26)하는 시스템을 고안하였다. 이를 실현하기 위해 전해커패시터 전압 감지 장치(18), 전해커패시터 전류 감지 장치(15), 전해 커패시터의 전압 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(21), 전해 커패시터의 전압 값에 대한 입력 교류 전원주파수의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ nㅧfm Hz) 밴드패스필터(23), 전해 커패시터의 전류 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스 필터(22), 전해 커패시터의 전류 값에 대한 입력 교류 전원주파수의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ nㅧfm Hz) 밴드패스필터(24), 밴드패스필터(21∼24)를 통과한 신호에 대한 실효값 계산기(25), 등가직렬저항 연산기(26)를 고안하였다.

본 발명은 현재 광범위하게 사용되는 주문형 전력기기에 적용될 것으로 기대되며, 특별히 전해커패시터의 고장 예측이 불가능하여 고가의 필름커패시터를 사용하고 있는 전기자동차, 풍력, 태양광 시스템에 전해커패터를 적용 할 수 있는 전기를 마련 할 수 있을 것으로 기대 된다.

비선형 부하, 주문형 전력기기, 전해커패시터, 등가직렬저항, 고장진단, 리플전압, 리플전류, 주파수대역필터

Description

전력변환 시스템에 사용되는 전해커패시터의 실시간 고장진단 모니터링 시스템 {Real Time Fault Monitoring System of Electrolytic Capacitor for Power Conversion System}

도 1 : 부스트 컨버터에 적용된 실시간 전해커패시터 상태 모니터링 시스템

도 2 : 전해커패시터 리플전압과 리플전류의 신호처리 구성도

도 3 : 전해커패시터의 감지된 리플전압과 리플전류 순시파형

도 4 : 전해커패시터의 감지된 리플전압과 리플전류가 밴드패스필터 통과 후의 순시파형

도 5 : 전해커패시터의 감지된 리플전압과 리플전류가 밴드패스필터 통과 후의 주파수 분석 (4∼6 kHz)

도 6 : 전해커패시터의 감지된 리플전압과 리플전류가 밴드패스필터 통과 후의 주파수 분석(0∼50 kHz)

< 주요 부분에 대한 부호 설명 >

1 : Power Source

전력을 사용하는 부하측(31)에 전력을 공급하는 전력 공급원

2 : 정류기

교류입력 전원을 직류로 변환하기 위한 장치

4 : 평활용 전해커패시터

입력 교류 전원에서 직류로 변환 후 직류의 안정성을 확보하기 위한 커패시터

5 : 입력 리액터

DC-Link 단과 전력 변환 장치 사이에서 전력의 안전성을 확보하기 위한 리액터

10 : 스위칭 소자

DC - Link 단의 전력을 전력 변환하기 위한 스위칭 소자

11 : 스위칭 소자 게이트 신호

스위칭 소자를 동작하기 위한 입력 신호이며, 스위칭 주파수 fs 가 된다

12 : 부스트 컨버터 다이오드

부스트 컨버터의 전력변환 에너지 전달용 다이오드

13 : 등가직력저항

부스트 컨버터 전해커패시터의 등가직렬저항

14 : 전해커패시턴스

부스트 컨버터 전해커패시터의 커패시턴스

15 : 전해커패시터 리플전류 감지장치

부스트 컨버터 전해커패시터에 흐르는 리플전류의 순시 값을 감지하는 장치

16 : 전해커패시터 리플전류

부스트 컨버터 전해커패시터에 흐르는 리플전류의 순시 값 (I_cc)

17 : 전해커패시터 리플전압

부스트 컨버터 전해커패시터 양단의 리플전압의 순시 값 (VP_dc)

18 : 전해커패시터 리플전압 감지장치

부스트 컨버터 전해커패시터 양단에서 발생하는 리플전압을 감지하는 장치

20 : 전해커패시터 리플전류용 밴드패스필터(22, 24)

부스트 컨버터 전해커패시터의 리플전류 순시값을 신호처리하기 위한 필터

20-1 : 전해커패시터 리플전압용 밴드패스필터(21, 23)

부스트 컨버터 전해커패시터의 리플전압 순시값을 신호처리하기 위한 필터

31 : 부하저항

부스트 컨버터의 부하 저항

21 : 전해커패시터 리플전압의 스위칭 주파수에서의 밴드패스필터

전해 커패시터의 전압 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터

22 : 전해커패시터 리플전류의 스위칭 주파수에서의 밴드패스필터

전해 커패시터의 전류 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터

23 : 전해커패시터 리플전압의 입력 교류 전원 주파수 영향을 고려한 밴드패스필터

전해 커패시터의 전압 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ 120Hz) 밴드패스필터

24 : 전해커패시터 리플전류의 입력 교류 전원 주파수 영향을 고려한 밴드패스필터

전해 커패시터의 전류 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ 120Hz) 밴드패스필터

25 : 실효값 연산장치

밴드패스필터(21∼24)를 통과한 신호에 대한 실효값 연산 장치

26 : 등가직렬저항 연산장치

전해커패시터의 등가직렬저항 추정 및 모니터링 장치

광범위하기 사용되고 있는 전력변환 시스템과 향후 신재생에너지 분야에서의 전력 변환 시스템의 폭발적인 증가를 예측할 때, 전력변환 시스템의 고장의 원인가운데 가장 큰 비중을 차지하는 전해커패시터의 사고해석 및 고장 진단시스템은 설비의 신뢰도 증진, 안전문제, 경제적 손실 방지, 사용기간 연장에 의한 환경개선 등 을 위하여 매우 시급한 과제이다. 비선형 부하와 관련된 전해 커패시터 진단시스템은 현재 국내에 없으며 주로 LCR 미터에 의존한 실정이며, 부분적으로 전해커패시터에 대한 저항,온도,용량 등의 측정기법은 논문에 발표되고 있으나 실시간 진단장치는 없는 상황이다.

본 발명은 전력변환 시스템에 광범위하게 사용되고 있는 전해커패시터의 실시간 고장진단을 목적으로 고안되었다. 이를 실현하기 위해 본 발명에서는 전해커패시터의 리플전압(VP_dc)(17)과 리플전류(I_cc)(16)를 감지하고 각각을 밴드패스필터를 거친 후 실효 값으로 변환하여 등가직렬저항을 실시간으로 추정하는 시스템을 고안하였다. 이를 실현하기 위해 전해커패시터 전압 감지 장치(18), 전해커패시터 전류 감지 장치(15), 전해 커패시터의 전압 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(21), 전해 커패시터의 전압 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ 120Hz) 밴드패스필터(23), 전해 커패시터의 전류 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(22), 전해 커패시터의 전류 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ 120Hz) 밴드패스필터(24), 밴드패스필터(21∼24)를 통과한 신호에 대한 실효값 계산기(25), 등가직렬저항 연산기(26)를 고안하였다.

도 1에 대한 설명

전력을 사용하는 부하측(31)에 전력을 공급하는 Power Source(1)는 교류입력 전원을 직류로 변환하기 위한 장치인 정류기(2)를 거쳐서 입력 교류 전원에서 직류로 변환 후 직류의 안정성을 확보하기 위한 평활용 커패시터(4)와 DC-Link 단과 전력 변환 장치 사이에서 전력의 안전성을 확보하기 위한 입력 리액터(5) 통해서 전력변환 스위칭 소자에 입력되게 된다. DC - Link 단의 전력을 전력 변환하기 위한 스위칭 소자(10)는 스위칭 소자 게이트 신호(11)에 의해 동작되고, 이때의 동작 주파수가 스위칭 주파수(fs)가 된다. 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해서 부하측(31)에 공급되는 전력이 결정되고 이 에너지는 부스트 컨버터의 전력변환 에너지 전달용 다이오드(12)에 의해 부하측에 전달된다. 이 때 부스트 컨버터와 부하측 사이에 안정된 전력공급을 위해서 부스트 컨버터용 전해커패시터가 설치된다. 부스트 컨버터용 전해커패시터는 커패시턴스 값(14)과 직렬저항 성분(13)을 가지게 되는데, 이 때 직렬저항성분(13)은 리플전류에 의한 전해커패시터 스트레스로 인해 점차 변해가게 된다. 이처럼 전해커패시터의 등가직렬저항의 변화를 추적하면 전해커패시터의 열화 상태를 판단할 수 있는데, 본 발명에서는 부스트 컨버터 전해커패시터에 흐르는 리플전류의 순시 값 (I_cc)(16)과 부스트 컨버터 전해커패시터 양단의 리플전압의 순시 값 (VP_dc)(17)을 감지하여 전해커패시터의 등가직렬저항(13)을 추정하게 된다. 이때 전해커패시터 리플전류 감지장치(15)와 전해커패시터 리플전압 감지장치(18)가 이러한 기능을 수행한다.

부스트 컨버터의 전해커패시터의 리플 전압과 리플 전류는 고조파 성분을 갖고 있으므로 등가직렬저항 계산을 위해서는 각각의 주파수 성분에 대한 주파수 분석에 따른 연산이 필요하게 되는데, 이 때 가장 중요한 주파수 성분은 스위칭 주파 수(fs)와 특정주파수(스위칭 주파수 ㅁ nㅧfm Hz)가 된다. 이때 n은 양의 정수이고, fm은 입력교류전원(1) 주파수에 의해서 결정되는 DC Link 단 Vs(3)의 맥동 주파수이다. 예를 들어서 입력교류전원이 단상 60Hz 라면 fm=120Hz가 된다. 밴드패스 필터는 전해커패시터 등가직렬저항 계산 시 가장 큰 영향을 미치는 주파수 성분만을 얻어내기 위해서 사용된다. 전해커패시터 리플전류용 밴드패스필터(20)는 부스트 컨버터 전해커패시터의 리플전류 순시 값을 신호처리하기 위한 필터이고, 전해커패시터 리플전압용 밴드패스필터(20-1)는 부스트 컨버터 전해커패시터의 리플전압 순시 값을 신호처리하기 위한 필터이다.

< 전해커패시터 등가모델 >

본 발명에서는 전해커패시터의 등가 모델을 간략화된 등가 모델로 적용하였다. 여기서 ESR은 등가직렬저항이다.

L 값을 고려한 등가 모델 간략화된 등가 모델(본 발명)

< 리플전압과 리플전류에 의한 등가직력저항 산출식 >

-------- 식 (1)

-------- 식(2)

여기서,

Vfs, 는 스위칭 주파수에서의 전해커패시터 리플전압 실효치

Ifs, 는 스위칭 주파수에서의 전해커패시터 리플전류 실효치

Vfsㅁfm, Vfsㅁ2fm, 는 스위칭 주파수 부근의 전해커패시터 리플전압의 사이드 밴드 값의 실효치

Ifsㅁfm, Ifsㅁ2fm, 는 스위칭 주파수 부근의 전해커패시터 리플전류의 사이드 밴드 값의 실효치

여기서 fm은 입력교류전원(1) 주파수에 의해서 결정되는 DC Link 단 Vs(3)의 맥동 주파수이다. 예를 들어서 입력교류전원이 단상 60Hz 라면 fm=120Hz, 2 ㅧ fm=240Hz 가 된다.

도 2에 대한 설명

도2는 전해커패시터의 리플전압(VP_dc)(17)과 리플전류(I_cc)(16)를 감지한 후 각각을 밴드패스필터를 거친 후 실효 값으로 변환하여 등가직렬저항을 실시간으로 추정하는 시스템에 관한 것이다. 이를 실현하기 위해 전해커패시터 전압 감지 장치(18), 전해커패시터 전류 감지 장치(15)에서 감지된 신호가 입력 신호로 작동하게 된다. 전해 커패시터의 전압 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(21)는 스위칭 주파수 밴드의 전압 신호를 통과시키고, 전해 커패시터의 리플전압 값에 대한 입력 교류 전원주파수의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ 120Hz) 밴드패스필터(23)는 스위칭 주파수 밴드 부근의 특정주파수의 전압 신호를 통과시키고, 전해 커패시터의 리플전류 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(22)는 스위칭 주파수 밴드의 전류 신호를 통과시키고, 전해 커패시터의 리플전류 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ 120Hz) 밴드패스필터(24)는 스위칭 주파수 밴드 부근의 특정주파수의 전류 신호를 통과시키고, 밴드패스필터(21∼24)는 실효값 계산기(25)를 통해서 각각의 밴드패스 필터를 통과한 신호의 실효치를 연산하게 된다. 최종적으로 등가직렬저항 연산기(26)에서는 식 (2)에 따라서 전해커패시터의 등가직렬저항을 연산하게 된다.

도 3에 대한 설명

도 3은 시뮬레이션 결과로, 도1의 구성을 다음과 같은 조건에 의해서 PSpice 로 모의 실험한 전해커패시터의 리플전압(VP_dc, 17)과 리플전류(I_cc, 16) 순시파형 결과이다.

<실험조건>

* 다이오드 정류기 교류 입력 조건 = 20 Vrms, 60Hz

* 부스트 인턱터의 인덕턴스 = 0.001 H

* 부스트 스위치의 스위칭 주파수 = 5 kHz, 듀티 비 = 0.6

* 부스트 커패시터의 커패스턴스 = 680 μF, 등가직렬저항 = 600mΩ, 부하 저항 = 20 Ω

도 4에 대한 설명

도 4는 시뮬레이션 결과로, 도1의 구성을 도3과 동일한 조건에 의해서 PSIM 으로 모의 실험한 전해커패시터의 리플전압(VP_dc, 17)과 리플전류(I_cc, 16)가 밴드패스필터 통과 후의 순시파형 결과이다. 스위칭 주파수에서 가장 중요한 성분이 존재하고, 스위칭 주파수 부근의 사이드 밴드는 스위칭 주파수(fs) ㅁ nㅧfm 의 주파수 영역에서 큰 진폭이 나타난다.

도 5에 대한 설명

도 5는 시뮬레이션 결과로, 도1의 구성을 도3과 동일한 조건에 의해서 PSIM 으로 모의 실험한 전해커패시터의 리플전압(VP_dc, 17)과 리플전류(I_cc, 16)가 밴드패스필터 통과 후의 주파수 분석 (4∼6 kHz) 결과이다. 스위칭 주파수가 가장 큰 영향을 미치고, 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 주파수 밴드에서 성분이 나타난다.

도 6에 대한 설명

도 6은 시뮬레이션 결과로, 도1의 구성을 도3과 동일한 조건에 의해서 PSIM 으로 모의 실험한 전해커패시터의 감지된 리플전압과 리플전류가 밴드패스필터 통과 후의 주파수 분석(0∼50 kHz) 결과이다.

< 적용 산식과 시뮬레이션 결과에 대한 검증 >

식 (1)과 식 (2)토대로 다음과 같은 조건으로 모의 실험한 결과인 그림 5와 그림 6의 결과 값을 토대로 다음과 같은 결과를 얻었다. 사용된 리플전압과 리플전류의 주파수 밴드는 스위칭 주파수에 해당하는 5 kHz, 5 kHz ㅁ 120Hz 이다.

여기서 본 발명에서 제안된 알고리즘에 의해서 계산된 등가직렬저항은 603 mΩ 이고, 실제 전해콘덴서의 등가직렬저항은 600 mΩ으로 매우 정확한 결과가 산출 되었다. 스위칭 주파수인 5kHz 영역의 전압 및 전류 값과 5 kHz ㅁ 120Hz 영역의 전압 및 전류 값만으로도 만족할 만한 결과를 얻었다. 이것은 본 발명의 실제구현 과정에서 매우 간단하고 빠른 처리 능력을 갖춘 제품을 생산할 수 있다는 것을 시사한다.

전해커패시터의 사고해석 및 고장 진단시스템은 설비의 신뢰도 증진, 안전문제, 경제적 손실 방지, 사용기간 연장에 의한 환경개선 등에 기여할 수 있을 것으로 기대되고, 비선형 부하와 관련된 전해 커패시터 실시간 진단시스템이라는 새로운 형태의 제품 모델을 제시할 수 있을 것이다.

본 발명은 현재 광범위하게 사용되는 주문형 전력기기에 적용될 것으로 기대되 며, 특별히 전해커패시터의 고장 예측이 불가능하여 고가의 필름커패시터를 사용하고 있는 전기자동차, 풍력, 태양광 시스템에 전해커패시터를 적용 할 수 있는 전기를 마련 할 수 있을 것으로 기대 된다.

Claims

전력을 사용하는 부하측(31)에 전력을 공급하는 Power Source(1)과 교류입력 전원을 직류로 변환하기 위한 장치인 정류기(2)와 입력 교류 전원에서 직류로 변환 후 직류의 안정성을 확보하기 위한 평활용 커패시터(4)와 DC-Link 단과 전력 변환 장치 사이에서 전력의 안전성을 확보하기 위한 입력 리액터(5)와 DC - Link 단의 전력을 전력 변환하기 위한 스위칭 소자(10)와 부스트 컨버터용 전해커패시터의 커패시턴tm(14)와 직렬저항 성분(13)과 전해커패시터 리프전류를 감지하기 위한 수단(16)과 전해커패시터 리플전압를 감지하기 위한 수단(18)과 커패시터 리플전류 값을 신호처리하기 위한 밴드패스필터(20, 22, 24)와 커패시터 리플전압 값을 신호처리하기 위한 밴드패스필터(20-1, 21, 23)와 전해커패시터 등가직렬저항 산출 장치(26)로 구성되어서 실시간으로 전해커패시터의 등가직렬저항을 분석하는 것을 특징으로 하는 전력변환 시스템에 사용되는 전해커패시터의 실시간 고장진단 모니터링 시스템
청구항 1에 있어서, 전해커패시터 리플전류 값을 신호처리하기 위한 밴드패스필 터(20)와 커패시터 리플전압 값을 신호처리하기 위한 밴드패스필터(20-1)는 전해 커패시터의 전압 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(21)는 스위칭 주파수 밴드의 전압 신호를 통과시키고, 전해 커패시터의 전압 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ nㅧfm Hz) 밴드패스필터(23)는 스위칭 주파수 밴드 부근의 특정주파수의 전압 신호를 통과시키고, 전해 커패시터의 전류 값에 대한 스위칭 주파수 대역(fs) 밴드패스필터(22)는 스위칭 주파수 밴드의 전류 신호를 통과시키고, 전해 커패시터의 전류 값에 대한 입력 교류 전원의 영향에 의한 주파수 대역(fs ㅁ nㅧfm Hz) 밴드패스필터(24)는 스위칭 주파수 밴드 부근의 특정주파수의 전류 신호를 통과시키는 것을 특징으로 하는 전력변환 시스템에 사용되는 전해커패시터의 실시간 고장진단 모니터링 시스템
청구항 1에 있어서, 전해커패시터의 등가직렬저항 추정 및 모니터링 기능을 하는 등가직렬저항 연산장치(26)는 각각의 밴드패스필터(21∼25)를 거친 후 실효값으로 변환(25)한 값을 식 (2)에 따라서 연산하는 것을 특징으로 하는 전력변환 시스템에 사용되는 전해커패시터의 실시간 고장진단 모니터링 시스템