KR20120097571A - 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법 - Google Patents

간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치는, 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치를 구비하며, 입력 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 출력하는 정류단; 복수 개의 스위치를 구비하며, 상기 정류단에서 출력된 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환하는 인버터단; 상기 정류단 및 인버터단을 연결하며, 상기 정류단에서 출력되는 직류전류를 인버터단에 인가하는 직류단; 및 상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하고, 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버단 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는, 고장진단부를 포함한다.

Description

간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FAULT DETECTION OF SWITCH IN INDIRECT MATRIX CONVERTER}
본 발명은 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 간접 매트릭스 컨버터 내 스위치의 개방 또는 단락 고장을 진단하는 기술에 관한 것이다.
매트릭스 컨버터는 전력용 반도체 스위치(IGBT)를 통해 입력 전원이 출력 부하에 직접 연결되어 가변 전압, 가변 주파수의 출력을 합성하는 구조이다. 이러한 매트릭스 컨버터는 직접 매트릭스 컨버터(direct matrix converter)와 간접 매트릭스 컨버터(indirect matrix converter)로 분류할 수 있다. 직접 매트릭스 컨버터는 9개의 양방향 전력용 반도체 스위치를 사용하여 행렬(matrix) 형태로 연결한 구조이고, 간접 매트릭스 컨버터는 교류-직류-직류 간접 전력변환장치의 구조에서 직류단의 에너지 저장소자를 제거한 형태이다.
이 중 간접 매트릭스 컨버터는 직류단에 요구되는 에너지 저장소자, 예를 들어 전해 커패시터를 제거함으로써 크기가 작고 긴 수명을 가지고 에너지 회생 및 역률제어가 가능하다는 장점을 가진다. 간접 매트릭스 컨버터는 많은 수의 전력용 반도체 스위치를 포함하고 있다. 전력용 반도체 스위치 소자의 개방 또는 단락사고가 발생하는 경우, 간접 매트릭스 컨버터의 성능 및 안정성을 저하시킨다.
이를 미연에 방지하기 위해서 스위치의 고장 여부를 검사해서 조치를 취할 필요가 있다. 스위치의 고장진단방법에는, 입력전압과 출력전압의 오차 신호를 구하고 이 오차신호의 급격한 변화를 이용하여 스위치의 고장을 진단하는 기술과, 전압의 추정 값과 실제 값의 오차 신호를 이용하여 스위치의 고장을 진단하는 기술이 있다.
그러나 이러한 방법들은 스위치의 고장진단을 위한 매트릭스 컨버터의 수학적 모델링을 필요로 하는데, 매트릭스 컨버터의 수학적 모델링이 잘못된 경우 잘못된 고장진단신호를 발생할 수 있어서, 복잡한 구성을 갖는 간접 매트릭스 컨버터에 적용하는데 한계가 있다.
매트릭스 컨버터의 수학적 모델링 없이 매트릭스 컨버터 내 스위치의 고장을 진단하는 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법이 제안된다.
본 발명의 일 양상에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치는, 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치를 구비하며, 입력 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 출력하는 정류단; 복수 개의 스위치를 구비하며, 상기 정류단에서 출력된 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환하는 인버터단; 상기 정류단 및 인버터단을 연결하며, 상기 정류단에서 출력되는 직류전류를 인버터단에 인가하는 직류단; 및 상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하고, 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는, 고장진단부를 포함한다.
상기 고장진단부는, 상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하는 좌표변환부; 상기 직류단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과의 비교를 통하여 상기 정류단 및 인버터단의 고장을 판단하는 고장위치 판단부; 및 상기 정류단에 고장이 발생한 경우 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며, 상기 정류단에 고장이 발생하지 않은 경우 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버단 내 스위치의 고장여부를 파악하는 고장스위치판별부를 포함할 수 있다.
상기 좌표변환부는, 상기 입력 3상 교류전류를 아래의 수학식을 이용하여 2차원 입력 전류로 변환할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure pat00001
이때,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 입력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 입력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 입력 전류 값, 유효분의 2차원 입력 전류 값을 나타내고,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
는 입력 3상 교류 전류를 나타낸다.
상기 좌표변환부는, 상기 출력 3상 교류전류를 아래의 수학식을 이용하여 2차원 출력 전류로 변환할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure pat00007
이때,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 출력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 출력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 출력 전류 값, 유효분의 2차원 출력 전류 값을 나타내고,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
는 출력 3상 교류 전류를 나타낸다.
상기 고장위치판단부는, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과 차이가 있는 경우 정류단에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화를 구할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure pat00013
이때,
Figure pat00014
는 2차원 입력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
Figure pat00015
는 정상상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
Figure pat00016
는 고장상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화를 구할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure pat00017
,
이때,
Figure pat00018
는 2차원 출력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
Figure pat00019
는 정상상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
Figure pat00020
는 고장상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 입력 전류벡터의 각도를 구할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure pat00021
이때,
Figure pat00022
은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
Figure pat00023
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
Figure pat00024
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 출력 전류벡터의 각도를 구할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure pat00025
이때,
Figure pat00026
은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
Figure pat00027
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
Figure pat00028
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
본 발명의 다른 양상에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법은, 즉 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치를 구비하며, 입력 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 출력하는 정류단, 복수 개의 스위치를 구비하며, 상기 정류단에서 출력된 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환하는 인버터단 및 상기 정류단 및 인버터단을 연결하며 상기 정류단에서 출력되는 직류전류를 인버터단에 인가하는 직류단을 구비하는 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법은, 상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하는 단계; 와 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는 단계를 포함한다.
상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는 단계는, 상기 직류단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과의 비교를 통하여 상기 정류단 및 인버터단의 고장을 판단하는 단계; 상기 정류단에 고장이 발생한 경우 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며, 상기 정류단에 고장이 발생하지 않은 경우 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버단 내 스위치의 고장여부를 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는 단계는, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과 차이가 있는 경우 정류단에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치 및 방법에 따르면, 정류단 및 인버터단의 연결하는 직류단의 전압을 측정해서 정류단 및 인버터단의 고장을 분류하고 정류단에 입력되는 입력 3상 교류전류를 정지좌표계의 2차원 입력 전류벡터로 변환하고 인버터단에서 출력된 출력 3상 교류전류를 정지좌표계의 2차원 출력 전류벡터로 변환하고 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도 또는 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여, 고장이 발생한 정류단 또는 인버터단 내의 스위치를 파악함으로써, 매트릭스 컨버터의 수학적 모델링 없이 매트릭스 컨버터 내 스위치의 고장을 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 인버터단으로부터 출력된 출력 3상 교류 전류에 대해 정지좌표계로 변환된 2차원 출력 전류의 정상운전상태 및 고장상태에서의 전류벡터를 예시한 도면이다.
도 2의 (b)는 정류단에 입력되는 입력 3상 교류 전류에 대해 정지좌표계로 변환된 2차원 입력 전류의 정상운전상태 및 고장상태에서의 전류벡터를 예시한 도면이다.
도 3의 (a)는 인버터단 내 개방 사고가 발생한 스위치의 위치에 따른 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸 도면이다.
도 3의 (b)는 정류단 내 개방 사고가 발생한 양방향 스위치의 위치에 따른 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸 도면이다.
도 4는 스위치 고장 테이블을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법에 대한 플로차트를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치는, 정류단(1), 인버터단(2), 직류단(3) 및 고장진단부(4)를 포함한다.
정류단(1)은 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치(Sap, San, Sbp, Sbn, Scp, Scn)를 구비하며, 입력단(5)을 통해서 입력되는 입력 3상 교류 전류를 직류 전류(+iDC, -iDC)로 변환하여 출력한다. 이때, 복수 개의 양방향 스위치(Sap, San, Sbp, Sbn, Scp, Scn)는 도 1에 도시된 바와 같이, 순방향의 전력용 다이오드, 역방향의 전력용 다이오드 및 두 개의 전력용 반도체 스위치 소자를 연결하여 구성될 수 있다.
인버터단(2)은 복수 개의 스위치(SCp, SCn, SBp, SBn, SAp, SAn)를 구비하며, 정류단(1)에서 출력된 직류전류(+iDC, -iDC)를 출력 3상 교류전류로 변환하여 출력단(6)에 인가한다.
직류단(3)은 정류단(1) 및 인버터단(2)을 연결하며, 정류단(1)에서 출력되는 직류전류를 인버터단(2)에 인가한다. 이때 직류단(3)에는 교류-직류-교류 간접 전력변환장치의 직류단에 구비된 에너지 저장 소자가 구비되어 있지 않다. 따라서 간접 매트릭스 컨버터의 크기를 작게 하고 간접 매트릭스 컨버터의 수명을 연장하며 에너지 회생 및 역률 제어를 가능하게 해준다.
나아가, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치는, 정류단(1) 및 인버터단(3)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다. 즉, 정류단(1)은 제어부의 제어에 따라 입력 3상 교류 전류를 직류전류로 변환시키고, 인버터단(3)은 제어부의 제어에 따라 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환한다.
고장진단부(4)는 좌표변환부(10), 고장위치판단부(11) 및 고장스위치판별부(12)를 포함한다.
좌표변환부(10)는 정류단(1)에 입력되는 입력 3상 교류전류(ia, ib, ic) 및 인버터단(2)에서 출력되는 출력 3상 교류전류(iA, iB, iC)를 측정하고, 측정된 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류전류를 각각 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)변환을 통해 2차원 입력 전류 및 2차원 출력 전류로 변환하여 정지 좌표계 상에서 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 표현한다. 이때 좌표 변환부(10)는 정류단(1)에 입력되는 입력 3상 교류전류를 아래의 수학식 1을 이용하여 2차원 입력 전류로 변환할 수 있고, 인버터단(2)에서 출력되는 출력 3상 교류전류를 아래의 수학식 2를 이용하여 2차원 출력 전류로 변환할 수 있다.
Figure pat00029
이때,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 입력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 입력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 입력 전류 값, 유효분의 2차원 입력 전류 값을 나타내고,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
는 입력 3상 교류 전류를 나타낸다.
Figure pat00035
이때,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 출력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 출력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 출력 전류 값, 유효분의 2차원 출력 전류 값을 나타내고,
Figure pat00038
,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
는 출력 3상 교류 전류를 나타낸다.
고장위치판단부(11)는 직류단(3)의 전압을 측정하고, 측정된 직류단(3)의 전압과 설정된 기준 전압과의 비교를 통해 측정된 직류단(3)의 전압의 변화 여부를 확인하여 정류단(1) 및 인버터단(2)의 고장 여부를 파악할 수 있다. 즉, 고장위치판단부(11)는 측정된 직류단(3)의 전압과 설정된 기준 전압과 차이가 있는 경우 정류단(1)에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이는 정류단(1)의 고장이 직류단에 바로 영향을 주어 직류단 전압의 변화를 가져오지만, 인버터단(2)의 고장의 경우 직류단(3)에 큰 영향을 주지 않기 때문이다.
고장스위치판별부(12)는 좌표변환부(10)에서 정지 좌표계 상에 표현된 2차원 입력 전류 벡터 또는 2차원 출력 전류 벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여, 고장이 발생한 정류단(1)의 양방향 스위치 또는 인버터단(2)의 스위치를 판별한다. 이때, 3상 교류 전류에 대한 정지 좌표계로 변환된 2차원 입력 전류 또는 2차원 출력 전류는 도 2에 예시된 바와 같이 표현될 수 있다. 도 2의 (a)는 인버터단(2)로부터 출력된 출력 3상 교류 전류에 대해 정지좌표계로 변환된 2차원 출력 전류의 정상운전상태 및 고장상태에서의 전류벡터를 예시한 도면이다. 도 2의 (b)는 정류단(1)에 입력되는 입력 3상 교류 전류에 대해 정지좌표계로 변환된 2차원 입력 전류의 정상운전상태 및 고장상태에서의 전류벡터를 예시한 도면이다. 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 전류벡터는 정상상태의 경우 원의 모양을 가지며 고장상태의 경우 반원 또는 왜곡된 원의 모양을 가진다. 이렇게 고장상태의 경우 전류벡터가 반원 또는 왜곡된 원의 모양을 하는 이유는 하나의 양방향 스위치 또는 스위치의 고장이 같은 상의 전류에 영향을 주기 때문이다. 한편 고장이 난 양방향 스위치 또는 스위치의 위치에 따라 각도가 달라질 수 있다.
이러한 고장이 난 양방향 스위치 또는 스위치의 위치에 따른 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸 도면이 도 3에 도시되어 있다.
도 3의 (a)는 인버터단(2) 내 개방 사고가 발생한 스위치의 위치에 따른 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸다. 도 3의 (a)에서 normal은 인버터단(2) 내 스위치들에 고장이 발생하지 않은 경우의 전류벡터의 패턴을 나타내며, SAp fault 및 SAn fault는 각각 스위치 SAp 및 SAn에 개방 사고시의 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타내고, SBp fault 및 SBn fault는 각각 스위치 SBp 및 SBn에 개방 사고시의 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타내고, SCp fault 및 SCn fault는 각각 스위치 SCp 및 SCn에 개방 사고시의 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸다.
도 3의 (b)는 정류단(1) 내 개방 사고가 발생한 양방향 스위치의 위치에 따른 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸다. 도 3의 (b)에서 normal은 정류단(1) 내 양방향 스위치들에 고장이 발생하지 않은 경우의 전류벡터의 패턴을 나타내며, Sap fault 및 San fault는 각각 양방향 스위치 Sap 및 San에 개방 사고시의 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타내고, Sbp fault 및 Sbn fault는 각각 양방향 스위치 Sbp 및 Sbn에 개방 사고시의 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타내고, Scp fault 및 Scn fault는 각각 양방향 스위치 Scp 및 Scn에 개방 사고시의 전류벡터의 패턴 및 각도를 나타낸다.
상기한 바와 같이 전류벡터의 패턴은 정상운전상태의 경우 원의 모양, 고장상태의 경우 반원 또는 왜곡된 원의 모양을 가지며 양방향 스위치 또는 스위치의 위치에 따라 반원 또는 왜곡된 원의 각도가 변화됨을 알 수 있다.
따라서 고장이 발생한 정류단(1)의 양방향 스위치 또는 인버터단(2)의 스위치를 판별하기 위해서, 2차원 전류 벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 구할 필요가 있다. 이를 구하기 위해서 고장스위치판별부(12)는 아래의 수학식 3 및 4를 이용하여 각각 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화를 구할 수 있다. .
Figure pat00041
이때,
Figure pat00042
는 2차원 입력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
Figure pat00043
는 정상상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
Figure pat00044
는 고장상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
Figure pat00045
이때,
Figure pat00046
는 2차원 출력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
Figure pat00047
는 정상상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
Figure pat00048
는 고장상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
한편, 아래의 수학식 5를 이용하여 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 구할 수 있고, 아래의 수학식 6을 이용하여 정지 좌표계에 표현된 2차원 출력 전류벡터의 각도를 구할 수 있다.
Figure pat00049
이때,
Figure pat00050
은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
Figure pat00051
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
Figure pat00052
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
Figure pat00053
이때,
Figure pat00054
은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
Figure pat00055
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
Figure pat00056
는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
이에 따라 고장스위치판별부(12)는 수학식 5를 이용하여 구해진 2차원 입력 전류벡터의 각도 및 도 4에 도시된 스위치 고장 테이블을 이용하여, 정류단(1) 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악할 수 있게 된다. 또한 고장스위치판별부(12)는 수학식 6을 이용하여 구해진 2차원 출력 전류벡터의 각도 및 도 4에 도시된 스위치 고장 테이블을 이용하여, 인버터단(2) 내 고장이 발생한 스위치를 파악할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법에 대한 플로차트를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법은 도 1에 도시된 간접 매트릭스 컨버터, 즉 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치를 구비하며, 입력 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 출력하는 정류단과, 복수 개의 스위치를 구비하며, 정류단에서 출력된 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환하는 인버터단 및 정류단과 인버터단을 연결하며 정류단에서 출력되는 직류전류를 인버터단에 인가하는 직류단을 구비하는 간접 매트릭스 컨버터 내의 스위치들의 고장을 진단하는 기술이다.
이에 대해서 살펴보기로 한다.
먼저, 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환한다(S1). 이때, 입력 3상 교류전류는 수학식 1을 이용하여 2차원 입력 전류로 변환될 수 있고, 출력 3상 교류전류는 수학식 2를 이용하여 2차원 출력 전류로 변환될 수 있다.
이후 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악한다(S2). 구체적으로, 직류단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과의 비교를 통하여 정류단 및 인버터단의 고장을 판단한다. 이때, 정류단은 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과 차이가 있는 경우 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
정류단에 고장이 발생한 경우 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며, 정류단에 고장이 발생하지 않은 경우 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 인터버단 내 스위치의 고장여부를 파악할 수 있다. 이때, 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화는 수학식 3을 이용하여 구해질 수 있으며, 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화는 수학식 4를 이용하여 구해질 수 있다. 그리고, 2차원 입력 전류벡터의 각도는 수학식 5를 이용하여 구해질 수 있고, 2차원 출력 전류벡터의 각도는, 수학식 6을 이용하여 구해질 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치를 구비하며, 입력 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 출력하는 정류단;
    복수 개의 스위치를 구비하며, 상기 정류단에서 출력된 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환하는 인버터단;
    상기 정류단 및 인버터단을 연결하며, 상기 정류단에서 출력되는 직류전류를 인버터단에 인가하는 직류단; 및
    상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하고, 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는, 고장진단부를 포함하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장진단부는,
    상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하는 좌표변환부;
    상기 직류단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과의 비교를 통하여 상기 정류단 및 인버터단의 고장을 판단하는 고장위치 판단부; 및
    상기 정류단에 고장이 발생한 경우 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며, 상기 정류단에 고장이 발생하지 않은 경우 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버단 내 스위치의 고장여부를 파악하는 고장스위치판별부를 포함하는 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 좌표변환부는,
    상기 입력 3상 교류전류를 아래의 수학식을 이용하여 2차원 입력 전류로 변환하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00057

    이때,
    Figure pat00058
    ,
    Figure pat00059
    는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 입력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 입력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 입력 전류 값, 유효분의 2차원 입력 전류 값을 나타내고,
    Figure pat00060
    ,
    Figure pat00061
    ,
    Figure pat00062
    는 입력 3상 교류 전류를 나타낸다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 좌표변환부는,
    상기 출력 3상 교류전류를 아래의 수학식을 이용하여 2차원 출력 전류로 변환하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00063

    이때,
    Figure pat00064
    ,
    Figure pat00065
    는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 출력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 출력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 출력 전류 값, 유효분의 2차원 출력 전류 값을 나타내고,
    Figure pat00066
    ,
    Figure pat00067
    ,
    Figure pat00068
    는 출력 3상 교류 전류를 나타낸다.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장위치판단부는,
    상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과 차이가 있는 경우 정류단에 고장이 발생한 것으로 판단하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화를 구하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00069

    이때,
    Figure pat00070
    는 2차원 입력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
    Figure pat00071
    는 정상상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
    Figure pat00072
    는 고장상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화를 구하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00073
    ,
    이때,
    Figure pat00074
    는 2차원 출력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
    Figure pat00075
    는 정상상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
    Figure pat00076
    는 고장상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 입력 전류벡터의 각도를 구하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00077

    이때,
    Figure pat00078
    은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
    Figure pat00079
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
    Figure pat00080
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장스위치판별부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 2차원 출력 전류벡터의 각도를 구하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단장치.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00081

    이때,
    Figure pat00082
    은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
    Figure pat00083
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
    Figure pat00084
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
  10. 양방향 전력 흐름이 가능한 복수 개의 양방향 스위치를 구비하며, 입력 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 출력하는 정류단, 복수 개의 스위치를 구비하며, 상기 정류단에서 출력된 직류전류를 출력 3상 교류전류로 변환하는 인버터단 및 상기 정류단 및 인버터단을 연결하며 상기 정류단에서 출력되는 직류전류를 인버터단에 인가하는 직류단을 구비하는 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법에 있어서,
    상기 입력 3상 교류전류 및 출력 3상 교류 전류를 각각 정지 좌표계상의 2차원 입력 전류벡터 및 2차원 출력 전류벡터로 변환하는 단계; 와
    상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는 단계를 포함하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는 단계는,
    상기 직류단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과의 비교를 통하여 상기 정류단 및 인버터단의 고장을 판단하는 단계;
    상기 정류단에 고장이 발생한 경우 상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며, 상기 정류단에 고장이 발생하지 않은 경우 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버단 내 스위치의 고장여부를 파악하는 단계를 더 포함하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 입력 3상 교류전류는 아래의 수학식을 이용하여 2차원 입력 전류로 변환되는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00085

    이때,
    Figure pat00086
    ,
    Figure pat00087
    는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 입력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 입력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 입력 전류 값, 유효분의 2차원 입력 전류 값을 나타내고,
    Figure pat00088
    ,
    Figure pat00089
    ,
    Figure pat00090
    는 입력 3상 교류 전류를 나타낸다.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 출력 3상 교류전류는 아래의 수학식을 이용하여 2차원 출력 전류로 변환되는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00091

    이때,
    Figure pat00092
    ,
    Figure pat00093
    는, 가로축에 무효분(d)의 2차원 출력 전류가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 출력 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류 전류에 대한 각각 무효분의 2차원 출력 전류 값, 유효분의 2차원 출력 전류 값을 나타내고,
    Figure pat00094
    ,
    Figure pat00095
    ,
    Figure pat00096
    는 출력 3상 교류 전류를 나타낸다.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 변환된 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 정류단 내 고장이 발생한 양방향 스위치를 파악하며 상기 변환된 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화 및 각도를 이용하여 상기 인터버 내 고장이 발생한 스위치를 파악하는 단계는,
    상기 측정된 직류단의 전압과 설정된 기준 전압과 차이가 있는 경우 정류단에 고장이 발생한 것으로 판단하는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 2차원 입력 전류벡터의 패턴의 넓이변화는 아래의 수학식을 이용하여 구해지는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00097

    이때,
    Figure pat00098
    는 2차원 입력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
    Figure pat00099
    는 정상상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
    Figure pat00100
    는 고장상태에서의 2차원 입력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 2차원 출력 전류벡터의 패턴의 넓이변화는, 아래의 수학식을 이용하여 구해지는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00101
    ,
    이때,
    Figure pat00102
    는 2차원 출력 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
    Figure pat00103
    는 정상상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타내고,
    Figure pat00104
    는 고장상태에서의 2차원 출력 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 2차원 입력 전류벡터의 각도는, 아래의 수학식을 이용하여 구해지는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00105

    이때,
    Figure pat00106
    은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
    Figure pat00107
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
    Figure pat00108
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 2차원 출력 전류벡터의 각도는, 아래의 수학식을 이용하여 구해지는, 간접 매트릭스 컨버터의 스위치 고장진단방법.
    [ 수학식 ]
    Figure pat00109

    이때,
    Figure pat00110
    은 정지 좌표계에 표현된 2차원 입력 전류벡터의 각도를 나타내고,
    Figure pat00111
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 유효분(q)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고
    Figure pat00112
    는 2차원 입력 전류벡터가 표현되는 정지좌표계에서 무효분(d)의 전류값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
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