KR20100120056A - 전력변환장치에서의 직류 출력 필터 커패시터의 온라인 고장검출 시스템 - Google Patents

전력변환장치에서의 직류 출력 필터 커패시터의 온라인 고장검출 시스템 Download PDF

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Abstract

전해 커패시터(33)는 대 용량, 저 가격 및 빠른 충방전 특성 때문에 다양한 전력 변환장치에서 많이 사용되고 있다. 이러한 전해 커패시터는 DC 에너지의 일시적 저장 및 전압 평활용으로 주로 사용되며, AC/DC 전압의 연계(link) 및 충방전에너지의 완충(buffer)용으로 최근에는 신재생 에너지 분야에도 많이 사용되고 있다. 그러나 전해 커패시터는 정류성질의 전도성 극판을 위하여 전해질(electrolyte)을 사용하고 있으며, 매우 얇은 산화막 및 유전체의 재료 특성 등으로 인한 구조적 단점 때문에 사용에 대한 신뢰성이 매우 취약하다는 단점이 계속 지적되고 있는 실정이다. 전력 변환장치들의 사용 시간이 증가되면서 전해 커패시터의 온도 및 열화 특성은 상대적으로 점점 악화되어 결국에는 전해액 폭발 등의 사고로 이어질 수 있다. 이러한 전해 커패시터의 사고는 PCB를 통한 단락사고, 전력 변환장치의 시스템 파괴 및 생산라인의 가동정지 등 매우 위험한 상황으로 치달을 수 있으며 이에 대한 대책 마련이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 각종 전력 변환장치에 사용되는 전채커패시터의 파라미터 산출에 근거한 고장신호 검출에 의한 온라인 진단시스템을 제시하였다.
이러한 전해 커패시터의 고장진단 시스템은 사용시간의 증가에 따른 커패시턴스의 용량 측정기법 보다는 커패시터의 내부 파라미터의 변화, 즉 온도 특성에 따른 유전체 손실(
Figure 112009026971918-PAT00001
) 또는 등가직렬저항(equivalet series resistor; 이하 'ESR'이라 칭함)의 추정에 의한 진단기법이 전통적으로 사용되고 있다. 커패시턴스의 용량 추정기법은 운전 중 실험이 난해하고 제작과정에서 이미 ±10∼20[%]의 허용오차가 존재하고 있기 때문에 대부분은 등가직렬저항의 추정에 의한 고장 신호 기법에 의존한다.
지금까지 전해 커패시터와 관련된 고장 진단기법들은 주로 특정한 전력변환장치에 한하여 연구와 발명이 진행되어 왔다. Afroz M. Imam는 부스트 컨버터의 모델에서 커패시터의 전압과 전류로부터 적응신호처리(LMS)기법을 이용하여 파라미터 연산을 수행하였으며, M. L. Gasperi는 AC 인버터 드라이브 모델에서 ESR 계산 및 전해액의 분출량 관계에 의해서 수명예측 모델을 제시하였다. .J.w.Kolar 는 인버터의 공간벡터 PWM 기법의 스위칭 상태 모드에 따른 커패시터의 전류계산에 의한 ESR 추정 기법을 제시하였으며, Amine Lahyani는 하프 브리지컨버터와 공진형 DC/DC 컨버터에서만 온도함수에 따른 ESR 추정이 가능토록 하였으며, 또한 Lee는 PWM 인버터에서의 스위칭 상태에 따른 듀티비의 계산에 의하여 ESR 추정하는 등 거의 대부분은 연산과정 및 신호처리 알고리즘에 의존한다는 단점이 있으며, 특히 이의 진단 기법은 전력 변환장치의 종류가 변경되면 그에 대한 적용범위가 한정된다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 다양한 스위칭 컨버터(SMPS, DC /DC 컨버터, 가변속 인버터 등)의 전력변환장치에 적용 가능한 온라인형 전해 커패시터의 ESR 추정에 의한 고장 진단기법을 고안하였다. 이의 고장 검출기법은 단지 커패시터의 전압센서 만으로도 커패시터의 ESR 크기 변동을 검출하여 이의 열화 상태를 경고할 수 있도록 하는 장점이 있다. 또한 본 알고리즘의 구성요소에 추가로 커패시터의 전류 센서를 부착한다면 검출된 전류 값을 전압 검출기법과 동일한 알고리즘을 적용하여 ESR 값을 직접 계산하여 고장 및 수명 예측 프로그램을 가동할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제안 기법의 타당성 입증을 위해서 모의실험 결과들을 매우 양호하게 나타내었다. 벅 및 부스트 DC/DC 컨버터의 전력 변환장치뿐만 아니라 가변속 인버터를 부하로 사용하는 정류기의 DC 출력 필터 커패시터에 모두 적용하여 양호한 ESR 추정 특성을 얻었다. 또한 운전 중 ESR 가변 에 따른 ESR의 추정결과는 향후 열화상태 진행에 따른 고장 신호의 검출에 충분히 응용가능하리라 기대된다. 이의 결과에 따라, 향후 커패시턴스 값의 추정과 함께 온도특성 변화에 따른 미세 조정 과정의 확인을 거친다면 이의 고장진단 시스템은 더욱 신뢰성을 가져다 줄 수 있으리라 사료된다.
결론적으로 본 발명에서는 전해 커패시터의 고장진단을 위한 온라인 기법의 커패시터 ESR을 추정하는 새로운 기법을 제안하였다. 컨버터 및 인버터 등 다양한 전력 변환장치에도 범용적으로 활용 가능하다는 장점이 있으며 또한 이의고장 검출기법은 단지 커패시터의 전압센서 만으로도 커패시터의 ESR의 크기 변동에 대한 열화 및 고장상태를 검출하여 이를 상태 경고할 수 있다는 장점이 있다. 또한 본 알고리즘의 구성요소에 추가로 커패시터의 전류 센서를 부착한다면 이의 신호를 전압 검출과 동일한 알고리즘을 적용하여 ESR 값을 직접 계산하여 고장 및 수명 예측 프로그램을 가동할 수 있는 장점이 있다. 본 발명은 현재 광범위하게 사용되는 주문형 전력기기에 적용될 것으로 기대되며, 특별히 전해 커패시터의 고장 예측이 불가능 하여 고가의 필름커패시터를 사용하고 있는 전기자동차, 풍력, 태양광 시스템에 전해 커패시터를 적용 할 수 있는 전기를 마련 할 수 있을 것으로 기대 된다.
전해 커패시터, 등가직렬저항 (ESR : Equivalent Series Resistance), 고장 진단, 부스트 컨버터, 주파수 분석

Description

전력변환장치에서의 직류 출력 필터 커패시터의 온라인 고장검출 시스템 {Online Failure Detection System of DC Output Filtering Capacitors in Power Converters}
전해 커패시터의 고장진단 시스템은 사용시간의 증가에 따른 커패시턴스의 용량 측정기법 보다는 커패시터의 내부 파라미터의 변화, 즉 온도 특성에 따른 유전체 손실(
Figure 112009026971918-PAT00003
) 또는 등가직렬저항(equivalent series resistor; 이하 'ESR'이라 칭함)의 추정에 의한 진단기법이 전통적으로 사용되고 있다. 커패시턴스의 용량 추정기법은 운전 중 실험이 난해하고 제작과정에서 이미 ±10∼20[%]의 허용오차가 존재하고 있기 때문에 대부분은 등가직렬저항의 추정에 의한 고장 신호 기법에 의존한다.
지금까지 전해 커패시터와 관련된 고장 진단기법들은 주로 특정한 전력변환장치에 한하여 연구와 발명이 진행되어 왔다. Afroz M. Imam는 부스트 컨버터의 모델에서 커패시터의 전압과 전류로부터 적응신호처리(LMS)기법을 이용하여 파라미터 연산을 수행하였으며, M. L. Gasperi는 AC 인버터 드라이브 모델에서 ESR 계산 및 전해액의 분출량 관계에 의해서 수명예측 모델을 제시하였다. J.w.Kolar 는 인버터의 공간벡터 PWM 기법의 스위칭 상태 모드에 따른 커패시터의 전류계산에 의한 ESR 추정 기법을 제시하였으며, Amine Lahyani는 하프 브리지컨버터와 공진형 DC/DC 컨버터에서만 온도함수에 따른 ESR 추정이 가능토록 하였으며, 또한 Lee는 PWM 인버터에서의 스위칭 상태에 따른 듀티비의 계산에 의하여 ESR 추정하는 등 거의 대부분은 연산과정 및 신호처리 알고리즘에 의존한다는 단점이 있으며, 특히 이의 진단 기법은 전력 변환장치의 종류가 변경되면 그에 대한 적용범위가 한정된다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 다양한 스위칭 컨버터(SMPS, DC /DC 컨버터, 가변속 인버터 등)의 전력변환장치에 적용 가능한 온라인형 전해 커패시터의 ESR 추정에 의한 고장 진단기법을 고안하였다. 이의 고장 검출기법은 단지 커패시터의 전압센서 만으로도 커패시터의 ESR 크기 변동을 검출하여 이의 열화 상태를 경고할 수 있도록 하는 장점이 있다. 또한 본 알고리즘의 구성요소에 추가로 커패시터의 전류 센서를 부착한다면 검출된 전류 값을 전압 검출기법과 동일한 알고리즘을 적용하여 ESR 값을 직접 계산하여 고장 및 수명 예측 프로그램을 가동할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 배경기술은 운전 중인 전력변환 장치의 동작을 멈추지 않고 온라인으로 고장 및 수명진단을 하기 위한 ESR를 산출해 내는 알고리즘과 측정 기술에 있고, 이와 함께 전압 및 전류 고조파 등 전력 품질이 좋지 않은 전력변환 장치에서 센싱한 신호를 적절한 필터와 신호 처리를 통해서 외란에 강한 ESR 산출 알고리즘 과 기술에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 핵심은 전해 커패시터의 고장을 온라인으로 진단하는 기술이다. 이를 실현하기 위해기 위해서 전압만의 센싱으로 ESR을 추정하여 전해 커패시터의 고장을 판단하는 알고리즘과 회로를 실현하는 것이다. 이와 함께 추가적으로 전류 센싱을 통해서 온라인으로 직접 ESR을 산출하는 알고리즘과 회로를 구성하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 실현하기 위해서 도 6과 같이 도시된 것처럼 대역통과(bandpass) 필터(11), 정류기를 통한 RMS 검출기(12), 저역통과(lowpass) 필터(13), 히스테리시스 비교기(14) 및 ESR 알람(15) 등으로 이루어져 있는 온라인 가능 고장 진단시스템의 구성하였다. 도 6의 구성에서 대역통과 필터(11)는 DC 컨버터(32)의 ON-OFF 스위칭에 의한 고주파 노이즈 제거 및 DC 전압 성분을 제거한 AC 출력의 맥동 전압을 얻게 된다.
이러한 필터(11)를 거친 AC 맥동 전압
Figure 112009026971918-PAT00004
은 정류기(12)를 거쳐서 DC 맥동 전압의 RMS 값
Figure 112009026971918-PAT00005
로 변환된다. 이후 저역통과 필터(13)에서는 DC 전압
Figure 112009026971918-PAT00006
를 출력하게 되고 이 값이 커패시터 ESR의 등가치(Estimated ESR)(16)로 변환하게 된다. 그리고 이 값은 고장 알람을 트리거링 할 수 있는 미리 결정된 히스테리시스 비교기(14)의 기준치(Reference ESR)(17)와 비교하게 되며, 일정 지속시간의 유무를 판단하여 ESR 알람(15)에 신호를 보내게 된다.
따라서 본 회로의 구성에 의한 고장 검출기법은 오로지 커패시터의 전압센서(18) 만으로 커패시터의 ESR의 크기 변동에 대한 열화상태 및 고장 검출을 수행하도록 할 수 있는 장점이 있다. 따라서 제안된 ESR 값 크기 변동의 검출기법 구조는 시스템이 운전 중에 있더라도 이를 온라인으로 처리할 수 있다는 장점 및 회로의 구성을 최소화 할 수 있도록 하여 전해 커패시터와 함께 패키지화 할 수 있다는 장점을 가질 수 있게 하였다. 그리고 본 회로의 구성과 함께 만일 커패시터에 전류센서(19)를 추가로 부착한다면
Figure 112009026971918-PAT00007
의 전류 검출에 대하여
Figure 112009026971918-PAT00008
전압 검출과 동일한 알고리즘을 적용하여 ESR 값을 직접 계산하여 고장예측 프로그램을 가동할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 제안한 ESR에 의한 전해 커패시터의 고장 검출기법은 오로지 커패시터의 전압센서 만으로도 커패시터의 ESR의 크기 변동에 대한 열화상태 및 고장 검출을 수행하도록 할 수 있는 장점이 있다. 그리고 이의 방법은 온라인으로 처리할 수 있다는 장점이 있으며, 특히 DC/AC 인버터 및 DC/DC 전력변환장치의 종류에 상 관없이 범용적으로 활용 가능하다는 것이 최대의 장점이기도 하다. 또한 본 알고리즘의 구성요소에 추가로 커패시터의 전류 센서를 부착한다면
Figure 112009026971918-PAT00009
의 전류 검출에 대하여
Figure 112009026971918-PAT00010
전압 검출과 동일한 알고리즘을 적용하여 ESR 값을 시뮬레이션의 결과에서처럼 이를 직접 계산하여 고장 및 수명 예측 프로그램을 가동할 수 있는 장점이 있다. 본 발명은 현재 광범위하게 사용되는 주문형 전력기기에 적용될 것으로 기대되며, 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.
도 1 : 전해 커패시터의 등가 모델
도 1은 알루미늄 전해 커패시터의 등가 구조 및 등가회로를 나타낸 것이다. 여기서 커패시턴스 C의 생성은 양극(anode & cathode)에서 발생되고 내부 저항 R은 전해액과 절연지의 저항으로 나타내며, C와 병렬로 구성되어 있는 RLC는 전해액 누설 전류(leakage current)에 기인하는 저항이며 LESL은 등가직렬 인덕턴스를 나타낸 것이다.
< 전해커패시터 등가모델 >
본 발명에서는 전해커패시터의 등가 모델을 간략화된 등가 모델로 적용하였다. 여기서 ESR은 등가직렬저항이다.
Figure 112009026971918-PAT00011
Figure 112009026971918-PAT00012
L 값을 고려한 등가 모델 간략화된 등가 모델(본 발명)
상기 전해 커패시터의 등가 모델 회로로부터 커패시턴스의 복소 임피던스
Figure 112009026971918-PAT00013
는 식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 여기서
Figure 112009026971918-PAT00014
는 각 주파수(f)를 나타낸다.
Figure 112009026971918-PAT00015
(식 1)
도 2 : 전해 커패시터의 고장 모드 FTA (Fault Tree Analysis)
도 2는 전해 커패시터의 고장 모드 및 그 요인을 FTA(fault tree analysis)로 나타낸 것이다. 전해 커패시터의 고장 모드는 크게 단락 및 개방회로, 그리고 커패시턴스의 감소 및 ESR의 증가와 누설전류의 증가 등 전기적 성능 악화를 나눌 수 있다. 단락 및 개방회로는 주로 기계적 스트레스에 의하며 단락 시에는 산화막의 유전 파괴가 있을 수 있으나 이는 산화막의 신속한 복귀 성능 때문에 전류의 집중이 거의 일어나지 않아 단락회로의 형성은 매우 드룰다.
전해 커패시터의 고장 모드 거의 대부분은 전기화학적 반응에 의하여 나타나게 되는데 이는 전해액의 감소 및 전해액 증기분출(vaporization), 양극과 음극에서의 커패시턴스 감소로 나타나게 되며 이의 요인으로는 온도 및 전압 그리고 맥동전류 등의 초과에 의해서 발생된다. 특히 온도의 초과는 전해액 성능과 직접 관련이 있으며 기타 맥동전류의 증가에 의하여 온도 상승을 가중시키고 있음을 알 수 있다.
따라서 전해 커패시터의 고장 및 열화의 메커니즘은 온도 상승에 따른 전해액의 증발(dry up)이 가장 큰 요인이며, 이에 따라 정전용량의 감소 및 tan
Figure 112009026971918-PAT00016
(또는 ESR)의 증가를 초래한다고 할 수 있다.
도 3 : 전해 커패시터의 고장 실험을 위한 회로도
도 3은 전해 커패시터의 고장 메커니즘의 확인을 위하여 P.Venet가 실험을 수행한 회로 구성이다. 미국 MIL-HDBK 217F의 표준에 의하여 도 2와 같은 변형된 SMPS회로를 구성하여 전력변환장치의 구성요소별 고장 실험을 수행하였다. MOSFET의 스위칭 주파수는 66[kHZ]로 하였고, 주위 온도는 25[℃]의 상온에서 2,200[μF], 10[V], 105[℃]의 정격용량을 가지는 전해 커패시터를 구성하여 실험을 수행하였으며, 전력변환시스템의 고장은 전해 커패시터에서 가장 많이 발생(60%) 된다는 결론을 얻었다.(P. Venet, F.Perisse, M.H. El-Hussein1, and G. Rojat, "Realization of a smart electrolytic capacitor circuit", IEEE of Industry Applications Magazine, No.1, pp. 16-20. 2002.) 따라서 SMPS 등 전력변환장치에서는 반도체 소 자 등 다른 요소들이 수명을 보장하고 있는 대신에 상대적으로 전해 커패시터의 수명이 짧아서 시스템의 신뢰성을 매우 악화시키는 결과를 초래할 수 있다.
도 4 : LC 필터를 포함한 전형적인 DC/DC 컨버터
도 4는 SMPS 등에 사용되는 정류회로를 포함한 전형적인 DC/DC 컨버터의 회로 구성을 나타내고 있으며 이의 출력부에는 LC 출력필터가 포함되고 있다.
도 4의 LC 출력부에서 인덕턴스
Figure 112009026971918-PAT00017
은 그 값이 매우 크다면 정전류 소스로 취급할 수 있으나 이는 크기 및 비용의 문제 때문에 이의 값은 매우 제한적으로 사용 가능하며, 전류의 맥동 성분을 저감 시켜주는 전류 평활용 소자로 작용하게 된다. 이때에 인덕터에 흐르는 전류
Figure 112009026971918-PAT00018
은 DC전류의 성분
Figure 112009026971918-PAT00019
와 AC성분의 전류
Figure 112009026971918-PAT00020
로 구분하여 나타낼 수 있고 이는 식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009026971918-PAT00021
(식 2)
도 5 : AC 출력 분석에 대한 LC 필터의 간략화 회로
따라서 도 4와 같이 표현된 LC 필터의 출력 인덕터
Figure 112009026971918-PAT00022
은 AC 전류소스
Figure 112009026971918-PAT00023
로 대체할 수 있으며, 이때의 전해 커패시터는 도 1에서 설명된 간략화 등가모델에 근거하여 도 5와 같이 나타낼 수 있다. 도 4와 같은 SMPS 전력변환회로의 경우 스위 칭 동작 주파수는 최소 20[kHz]가 넘고 일반적인 DC/DC 컨버터의 경우에도 거의 다 10[kHz]가 넘으며 또한 커패시터의 경우에도 그 값이 최소 수 백 [μF]을 초과하게 된다. 이러한 특성 때문에 전해 커패시터의 임피던스는 ESR 값의 크기가 그 특성을 좌우하게 된다. 따라서 도 5와 같은 회로 구조에서 커패시터
Figure 112009026971918-PAT00024
는 단락회로로 전환시킬 수 있으며, 이에 따라 부하저항
Figure 112009026971918-PAT00025
에서의 출력 AC 맥동 전압(
Figure 112009026971918-PAT00026
)은 식 3으로 표현할 수 있다.
Figure 112009026971918-PAT00027
(식 3)
식 3으로로 부터 DC/DC 컨버터의 출력 맥동 전압은 커패시터의 ESR 값과 관계가 있으며, 또한 인덕터의 AC 맥동 전류 및 부하저항의 크기와 관련되어 있음을 알 수 있다. 그러나 출력 전압의 평활화 특성을 얻기 위해서는 ESR이 부하저항 보다 그 값이 매우적어야 하며, 이러한 특성을 감안하면 출력 AC 맥동 전압은 식 4와 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112009026971918-PAT00028
(식 4)
이러한 관계식에서 출력 전압의 맥동은 커패시터의 ESR 값에 따라 매우 영향을 받으며 또한 인덕터의 맥동전류
Figure 112009026971918-PAT00029
값에도 지배적임을 알 수 있다. 그리고 실제의 동작에서는 인덕터에 대한 맥동 전류의 크기는 인덕턴스 값, 입출력 전압의 차 이 및 스위칭 듀티(duty) 비에 의하여 결정된다. 그러나 DC/DC 컨버터가 정상상태에서 운전되는 경우에는 인덕터의 맥동 전류는 위의 세 가지 요소에 의해서는 거의 작용하지 않기 때문에 이의 전류 값은 거의 일정하게 유지하게 된다. 따라서 AC 출력 전압의 맥동성분은 커패시터의 ESR 값의 크기에 직접 비례하게 됨을 알 수 있다. 지배된다고 할 수 있다.
그러므로 높은 맥동 성분의 전압은 부하 저항과 병렬로 연결되어 있는 높은 ESR 값을 가지는 열화된 전해 커패시터에서 나타나게 될 것이며, 전해 커패시터의 맥동 전압 증가는 ESR 값의 증가로 나타내게 되며 이로써 커패시터의 마모ㆍ고장을 진단할 수 있게 된다.
SMPS 등 대부분의 DC/DC 컨버터에서는 인덕터 L의 부착이 거의 필수적이지만 설령 정류기의 경우와 같이 인덕터
Figure 112009026971918-PAT00030
을 부착하지 않더라도 위의 알고리즘은 성립한다. 왜냐하면 DC/DC 컨버터에서 전해 커패시터가 LC 필터의 형태인 인덕터
Figure 112009026971918-PAT00031
과 함께 사용되지 않는 경우라 하더라도 커패시터의 맥동전압은 부하 전류의 크기에 의하여 영향을 받게 된다. 이러한 경우 AC 출력 맥동 성분의 전압 변동은 전해 커패시터의 ESR 값의 크기와 직접 관계되어 나타나므로 이를 통하여 열화 상태를 진단할 수 있기 때문이다. 그러나 대부분의 전력변환 장치에는 내부라인의 인덕터가 미세하게라도 존재하기 때문에 이의 염려는 없어도 된다.
도 6 : 본 발명에서 제안된 전해 커패시터 고장 검출기업의 블록다이어그램
도 6은 본 발명에서 제안한 전해 커패시터의 온라인 고장진단 기법에 대한 블럭 다이어그램을 나타내고 있다. 이는 대역통과(bandpass) 필터(11), 정류기를 통한 RMS 검출기(12), 저역통과(lowpass) 필터(13), 히스테리시스 비교기(14) 및 ESR 알람(15) 등으로 이루어져 있는 온라인 가능 고장 진단시스템의 구성이다. 도 6의 구성에서 대역통과 필터(11)는 DC 컨버터(32)의 ON-OFF 스위칭에 의한 고주파 노이즈 제거 및 DC 전압 성분을 제거한 AC 출력의 맥동 전압을 얻게 된다.
이러한 필터(11)를 거친 AC 맥동 전압
Figure 112009026971918-PAT00032
은 정류기(12)를 거쳐서 DC 맥동 전압의 RMS 값
Figure 112009026971918-PAT00033
로 변환된다. 이후 저역통과 필터(13)에서는 DC 전압
Figure 112009026971918-PAT00034
를 출력하게 되고 이 값이 커패시터 ESR의 등가치(Estimated ESR)(16)로 변환하게 된다. 그리고 이 값은 고장 알람을 트리거링 할 수 있는 미리 결정된 히스테리시스 비교기(14)의 기준치(Reference ESR)(17)와 비교하게 되며, 일정 지속시간의 유무를 판단하여 ESR 알람(15)에 신호를 보내게 된다.
따라서 본 회로의 구성에 의한 고장 검출기법은 오로지 커패시터의 전압센서(18) 만으로 커패시터의 ESR의 크기 변동에 대한 열화상태 및 고장 검출을 수행하도록 할 수 있는 장점이 있다. 따라서 제안된 ESR 값 크기 변동의 검출기법 구조는 시스템이 운전 중에 있더라도 이를 온라인으로 처리할 수 있다는 장점 및 회로의 구성을 최소화 할 수 있도록 하여 전해 커패시터와 함께 패키지화 할 수 있다는 장점을 가질 수 있게 하였다. 그리고 본 회로의 구성과 함께 만일 커패시터에 전류센서(19)를 추가로 부착한다면
Figure 112009026971918-PAT00035
의 전류 검출에 대하여
Figure 112009026971918-PAT00036
전압 검출과 동일한 알고리즘을 적용하여 ESR 값을 직접 계산하여 고장예측 프로그램을 가동할 수 있는 장점이 있다.
도 7 : ESR 추정을 위한 부스트 컨버터의 모의회로
도 7은 DC/DC 벅 컨버터를 구성하여 PSIM 6.0 툴을 사용하여 모의 실험한 결과이다. (단, 이하 LPF 등의 회로 구성들은 생략하였음).
또한 본 모의실험에서는 부스트 컨버터를 구성하여 이의 특성을 동시에 파악하였다. 본 알고리즘에 의하여 추정하고자 하는 ESR은 DC 부하단에 커패시터를 선정하여 이의 전압
Figure 112009026971918-PAT00037
와 전류 를 계측하여 신호처리를 수행하였다. 이때 추정하고자하는 ESR 값은 PSIM 상에서 커패시터의 내부파라 설정모드가 없는 관계로 인하여 이를 직렬로 주입(Injected ESR)하여 연결하였으며(0.5, 1.0[Ω] 및 1.5[Ω]으로 각각 주입), 전압의 계측에 대한 신호처리 과정은 도 6과 마찬가지로
Figure 112009026971918-PAT00039
,
Figure 112009026971918-PAT00040
및
Figure 112009026971918-PAT00041
의 순으로 하였다. 이때의 모의실험 조건은 벅 컨버터 및 부스트 컨버터 모두 동일하며 다음과 같다.
*전원
Figure 112009026971918-PAT00042
=50[Vpeak), 60[Hz], 부하저항 : 100[Ω]
*듀티비 :0.5, MOSFET의 스위칭 주파수 : 5[kHz],
*
Figure 112009026971918-PAT00043
(정류기) 및
Figure 112009026971918-PAT00044
커패시터 : 6,800[μF] 및 4,700[μF]
*인덕터 L : 0.1[mH]
도 8 : ESR=0.5[Ω]인 경우 전압 신호 파형(벅 컨버터)
도 8에서는 벅 컨버터의 출력단 커패시터의 전압파형에 대하여 도 6의 절차 순서에 의한 필터 통과후의 파형을 각각 나타내었다(V(BPF),V(recti),V(LPF)). 이때의 계측시간은 20[ms] 이후의 정상 상태를 계측하였으며, 주입된 ESR 값은 0.5[Ω]으로 선정하였다.
도 9 : ESR=1.5[Ω]인 경우 전압 신호 파형(벅 컨버터)
도 9는 도 8과 같은 벅 컨버터의 조건에서 ESR 값을 1.5[Ω]으로 선정한 결과로 ESR 값의 변동에 따라 전압계측이 달라지고 있음을 보여주고 있다. 따라서 이의 값 계측만으로도 ESR 상태에 따른 커패시터의 고장 알람에 대한 예방진단 시스템으로 가능할 수 있다.
도 10 : ESR의 가변에 따른 추정된 ESR의 결과(벅 컨버터)
도 10은 앞에서와 같은 조건의 벅 컨버터의 출력단 커패시터의 전압파형 및 전류파형의 계측 관계에 의한 ESR 추정값 추이를 나타낸 그림이다. 이의 관계는 도 6에서 설명한 알고리즘의 관계를 이용하여 ESR을 추정하였으며, 50[ms]의 시간 경과 후 커패시터의 ESR을 내부와 직렬로 주입(Injected ESR)하여 그 값이 변하도록 하였다. 모의 실험상의 내부 스위치 연결에 의하여 ESR을 초기 1.0[Ω]으로 실험하다가 50[ms]후에는 0.5[Ω]로 가변 시켰다. 이의 결과는 주입된 ESR 값에 대응하여 추정된 ESR 값은 오차가 거의 없이 매우 잘 추정함을 확인할 수 있다.
도 11 : ESR의 가변에 따른 추정된 ESR의 결과(부스트 컨버터)
또한 도 11은 도 10과 같은 조건에서 부스트 컨버터로 동작시킨 ESR의 추정결과를 각각 나타낸 것이다. 이의 결과 역시 ESR을 초기 1.0[Ω]으로 실험하다가 50[ms]후에는 0.5[Ω]로 가변 시켰으나 이의 값에 잘 대응하여 추정된 ESR 값은 오차가 거의 없이 잘 추정함을 확인할 수 있다.
도 12 : ESR의 가변에 따른 추정된 ESR의 결과( 인버터 부하의 정류기)
도 12는 V.V.V.F.(가변속) 인버터가 포함된 정류기 DC 출력단의 커패시터 전압 및 전류파형의 계측에 의한 ESR 추정값의 추이를 나타낸 것이다. V.V.V.F. 인버터에 의한 3상 4극 유도전동기의 속도제어기를 DC 커패시터의 정류기 부하에 부착 하여 모의실험을 수행 하였으며, 이때의 정류기 출력에는 인덕터
Figure 112009026971918-PAT00045
이 부착하지 않았다. 60[Hz], 선간 RMS 560[V]의 전압을 인가하였으며, 커패시터의 조건은 도 10 및 도 11과 같게 설정하였다. 이때의 ESR의 가변에 의한 추정은 150[ms]의 시간 경과 후 커패시터의 ESR이 변하도록 하였다. 이의 결과는 기동전류(Ia)의 변화에 따라 약간의 노이즈는 나타나고 있으나, 이는 커패시터의 전압/전류에 대한 필터 통과 후의 파형이 같이 변화하기 때문에 ESR의 추정에는 아무런 영향이 없고 다만 ESR의 가변에 따른 과도상태에서만 이의 값이 변화할 따름이다.
도 1 : 전해 커패시터의 등가 모델
도 2 : 전해 커패시터의 고장 모드 FTA (Fault Tree Analysis)
도 3 : 전해 커패시터의 고장 실험을 위한 회로도
도 4 : LC 필터를 포함한 전형적인 DC/DC 컨버터
도 5 : AC 출력 분석에 대한 LC 필터의 간략화 회로
도 6 : 본 발명에서 제안된 전해 커패시터 고장 검출기업의 블록다이어그램
도 7 : ESR 추정을 위한 부스트 컨버터의 모의회로
도 8 : ESR=0.5[Ω]인 경우 전압 신호 파형(벅 컨버터)
도 9 : ESR=1.5[Ω]인 경우 전압 신호 파형(벅 컨버터)
도 10 : ESR의 가변에 따른 추정된 ESR의 결과(벅 컨버터)
도 11 : ESR의 가변에 따른 추정된 ESR의 결과(부스트 컨버터)
도 12 : ESR의 가변에 따른 추정된 ESR의 결과(인버터 부하의 정류기)
< 주요 부분에 대한 부호 설명 >
11 : 전해 커패시터 전압 값의 대역통과(bandpass) 필터
DC 컨버터(32)의 ON-OFF 스위칭에 의한 고주파 노이즈 제거 및 DC 전압 성분을 제거한 AC 출력의 맥동 전압을 얻기 위한 회로
12 : 전해 커패시터 전압 값의 정류기를 통한 RMS 검출기
대역통과필터(11)를 거친 AC 맥동 전압
Figure 112009026971918-PAT00050
을 DC 맥동 전압의 RMS 값
Figure 112009026971918-PAT00051
로 변 환하기 위한 정류기
13 : 전해 커패시터 전압 값의 저역통과(lowpass) 필터
RMS 검축기(12)를 통과한 DC 맥동 전압의 RMS 값
Figure 112009026971918-PAT00052
를 DC 전압
Figure 112009026971918-PAT00053
를 출력하여 이 값을 커패시터 ESR의 등가치(Estimated ESR)(16)로 변환하기 위한 필터
14 : ESR 히스테리시스 비교기
저역통과필터(13)에서 추정된 ESR(16)과 미리 설정된 ESR의 고장 기준치(17)와 일정시간 비교하기 위한 비교장치
15 : ESR 알람
전해 커패시터가 고장 여부를 경고하기 위한 ESR 알람
16 : ESR의 등가치(Estimated ESR)
17 : ESR의 기준치(Reference ESR)
18 : 전해 커패시터의 전압센서 또는 전압 값
19 : 전해 커패시터에 전류센서 또는 전류 값
20 : 전해 커패시터 전류 값의 대역통과(bandpass) 필터
21 : 전해 커패시터 전류 값의 정류기를 통한 RMS 검출기
22 : 전해 커패시터 전류 값의 저역통과(lowpass) 필터
23 : ESR 연산을 위한 연산기
전해 커패시터의 전압 값 연산(11, 12, 13)과 전류 값 연산(20, 21, 22)에 의해서 산출된 값에서 ESR를 산출하기 위한 연산기
31 : Power Source
32 : DC / DC Converter
33 : 전해 커패시터

Claims (3)

  1. 전력을 사용하는 부하측에 전력을 공급하는 Power Source(31)과 입력된 전력을 원하는 DC출력으로 제어하기 위한 DC /DC Converter(32)와 전해커패시터 양단 전압을 감지하는 전압 센서(18)와 DC/DC Converter 출력단의 전압을 평활하기 위한 전해 커패시터(33)와 DC/DC 컨버터(32)의 ON-OFF 스위칭에 의한 고주파 노이즈 제거 및 DC 전압 성분을 제거한 AC 출력의 맥동 전압을 얻기 위한 전해 커패시터 전압 값의 대역통과(bandpass) 필터(11)와 대역통과필터를 거친 AC 맥동 전압
    Figure 112009026971918-PAT00046
    을 DC 맥동 전압의 RMS 값
    Figure 112009026971918-PAT00047
    로 변환하기 위한 전해 커패시터 전압 값의 정류기를 통한 RMS 검출기(12)와 RMS 검축기를 통과한 DC 맥동 전압의 RMS 값
    Figure 112009026971918-PAT00048
    를 DC 전압
    Figure 112009026971918-PAT00049
    를 출력하여 이 값을 전해 커패시터 ESR의 등가치(Estimated ESR)(16)로 변환하기 위한 전해 커패시터 전압 값의 저역통과(lowpass) 필터(13)와 저역통과필터에서 추정된 ESR(16)과 미리 설정된 ESR의 고장 기준치(17)를 일정시간 비교하기 위한 ESR 히스테리시스 비교기(14)와 전해 커패시터의 고장 여부를 경고하기 위한 ESR 알람(15)으로 구성되어서 전해 커패시터의 전압 값(18)만을 가지고도 ESR(16)을 추정하여 전해 커패시터의 온라인 고장진단이 가능한 것을 특징으로 하는 ″전력변환장치에서의 직류 출력 필터 커패시터의 온라인 고장검출 시스템″
  2. 청구항 1에 추가적으로 전해커패시터의 전류를 감지하기 위한 전류 센서(19)와 전해 커패시터 전류 값의 대역통과(bandpass) 필터(28)와 대역통과필터를 거친 맥동 값을 DC 맥동 값의 RMS 값으로 변환하기 위한 전해 커패시터 전류 값의 정류기를 통한 RMS 검출기(21)와 RMS 검축기를 통과한 DC 맥동의 RMS 값을 DC 값으로 출력하여 이 값을 전해 커패시터의 전압 값 (11, 12, 13) 값에 대하여 나누기 연산하여 ESR를 산출하기 위한 연산기(23)로 구성되어서 ESR을 직접 계산하여 전해 커패시터의 온라인 고장 예측 및 수명 예측 프로그램 가동이 가능한 것을 특징으로 하는 ″전력변환장치에서의 직류 출력 필터 커패시터의 온라인 고장검출 시스템″
  3. 청구항 1 또는 청구항 2로 구성되어서 DC/AC 인버터 및 DC/DC 전력 변환 장치의 종류에 상관없이 범용적으로 온라인 ESR 연산에 의한 전해 커패시터 고장 진단 및 수명 예측에 활용이 가능한 것을 장점으로 하는 ″전력변환장치에서의 직류 출력 필터 커패시터의 온라인 고장검출 시스템″
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