KR20120113910A - Fault-tolerant control apparatus under the open-circuit fault condition of 3-phase ac/dc pwm converter and method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An open circuit fault tolerant control device of a three phase AC and DC PWM converter and a method thereof are provided to increase a power factor of a system by reducing an unbalance between each phase and a harmonic wave included in a current during an open circuit failure. CONSTITUTION: A three phase current value is converted into a two phase rest frame current value(S110). A current vectorposition angle is obtained by an arctangent calculation of the coverted two phase rest frame current value(S120)(S130). An open circuit fault phase is detected based on the obtained current vector position angle(S140). When the open circuit fault phase is detected, a switching signal for fault tolerant control is provided to a converter. [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S110) Converting a three phase current value into a two phase rest frame current value; (S120) Operating the converted two phase rest frame current value with arctangent calculation; (S130) Obtaining a current vector position angle by generating an angle according to the mark of the current; (S140) Detecting a fault phase based on the current vector position angle

Description

3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치 및 그 방법{Fault-tolerant control apparatus under the open-circuit fault condition of 3-phase AC/DC PWM converter and method thereof}Fault-tolerant control apparatus under the open-circuit fault condition of 3-phase AC / DC PWM converter and method

본 발명은 3상 AC/DC PWM 컨버터에 관한 것으로, 특히 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a three-phase AC / DC PWM converter, and more particularly, to an open circuit fault tolerance control technique of a three-phase AC / DC PWM converter.

3상 AC/PC PWM 컨버터는 산업계의 여러 분야에서 오랜 시간 동안 사용되어 오고 있다. 전력 품질에 대한 관심이 증가함과 동시에 그에 대한 제재가 심해지고 또한 신 재생 에너지원의 도입에 따른 기존 전력 시스템과의 연계 등으로 인해 그 사용범위가 지속적으로 증가하고 있다. 한편, 이러한 PWM 컨버터의 고장 원인 중 약 38%는 IGBT와 같은 스위칭 소자의 고장으로 인해 발생하는 것으로 추산된다. 스위칭 소자의 고장은 크게 단락 회로 고장과 개방 회로 고장으로 나눌 수가 있다. 단락회로 고장이 발생한 경우, 일반적으로 차단기나 퓨즈와 같은 보호회로에 의해서 전원이 끊기지만 그렇지 못한 경우 스위칭 소자가 파괴될 뿐만 아니라 주변 소자에 치명적인 피해를 입히게 된다.Three-phase AC / PC PWM converters have been used for a long time in many industries. As the interest in power quality increases, sanctions are severed, and the range of use continues to increase due to linkage with existing power systems following the introduction of renewable energy sources. On the other hand, about 38% of the causes of the failure of the PWM converter are estimated to be caused by a failure of a switching device such as an IGBT. The failure of the switching element can be divided into short circuit failure and open circuit failure. In the case of a short circuit failure, the power is usually cut off by a protection circuit such as a breaker or a fuse, but if not, the switching element is not only destroyed, but also a fatal damage to the peripheral element.

반면에, 개방회로 고장이 발생한 경우는 곧바로 시스템의 중단으로 이어지지 않고 저하된 성능으로 계속 동작하게 된다. 이때 전류에는 많은 고조파 성분이 포함되고, 각 상들은 불평형을 초래할 뿐만 아니라, 만들어진 DC단 전압에는 계통 주파수 성분의 맥동을 야기하게 된다. 이러한 비정상적인 동작이 계속 지속될 경우, 불안정한 운전으로 인해 누적된 피로 때문에 발생되는 다른 소자들의 오동작들이 컨버터 시스템이나 부하 또는 계통에 2차적인 고장으로 이어질 가능성을 발생시킨다. 따라서 컨버터 시스템의 운전을 멈추고 고장난 부분을 수리할 필요가 있다. 하지만 고장 후에도 시스템을 정지시킬 수 없이 계속 운전을 해야만 하는 반도체나 철강 공정과 같은 특수한 응용 분야에서는 고장 허용 제어가 필수적이다.On the other hand, if an open circuit failure occurs, it does not immediately lead to system shutdown but continues to operate with degraded performance. The current contains a lot of harmonic components, and each phase causes an unbalance, as well as a pulsation of the system frequency component in the DC voltage generated. If this abnormal operation continues, malfunctions of other devices due to accumulated fatigue due to unstable operation may lead to secondary failures in the converter system or the load or system. Therefore, it is necessary to stop the converter system and repair the broken part. However, fault-tolerant control is essential for special applications such as semiconductor and steel processes where the system must continue to operate after failure.

본 발명은 3상 AC/DC PWM 컨버터에서 개방회로 고장에 대한 고장 허용 제어를 가능하게 하는 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a technical scheme that enables fault-tolerant control of open circuit failure in a three-phase AC / DC PWM converter.

고성능의 3상 AC/DC PWM 컨버터는 보통 공간 벡터 제어 기법을 통해 운전된다. 이때 스위칭 소자의 개방회로 고장이 발생하면, 고장난 스위칭 소자를 통해서는 전류를 흘릴 수가 없게 되고 단지 고장난 상에 위치한 역방향 환류 다이오드를 통해서만 전류가 흐름으로써, 특정 구간 동안 다이오드 정류기처럼 동작하는 현상이 발생한다. 정상적일 때의 120도 위상차를 가지는 3상의 평형 전류들이 고장 후에는 고조파를 포함하는 불평형한 전류 파형들로 바뀌게 된다.High-performance three-phase AC / DC PWM converters are usually driven by space vector control techniques. At this time, if an open circuit failure of the switching element occurs, current cannot flow through the failed switching element, and current flows only through the reverse reflux diode located in the faulty phase, thereby acting as a diode rectifier for a specific period. . Three phase balanced currents with a 120 degree phase difference at normal time are changed to unbalanced current waveforms including harmonics after failure.

이때 나타나는 현상을 살펴보면, 개방회로 고장 때문에 제어기가 원하는 전압 지령을 컨버터에서 만들어 줄 수가 없다. 다시 말하면 제어기가 원하는 전압 지령 벡터는 컨버터의 고장으로 인해서 왜곡된 크기와 방향의 전압 벡터로 나가게 된다. 그리고 이 왜곡된 출력 전압 벡터는 왜곡된 전류를 만들어 내게 된다.In this case, the controller cannot produce the desired voltage command from the converter because of the open circuit failure. In other words, the voltage command vector desired by the controller goes out as a voltage vector of distorted magnitude and direction due to the converter failure. And this distorted output voltage vector produces distorted current.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 최종 제어기의 출력에서 나오는 전압 지령이 PWM으로 바뀌는 부분의 수정이 필요하다. 개방회로 고장이 발생한 정확한 상을 알고 있다고 가정하였을 때, 고장난 스위치에 상관없이 전압 지령 벡터를 정확히 만들어내기 위한 또는 가장 가까운 벡터를 만들어내기 위한 방식으로의 스위치 패턴이 변경되어야만 한다.To solve this problem, it is necessary to correct the portion where the voltage command from the output of the final controller is converted to PWM. Assuming that the exact phase in which the open circuit failure occurred is known, the switch pattern must be changed in such a way as to accurately generate the voltage command vector or to produce the closest vector regardless of the failed switch.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 지령 전압에 따라 공간 벡터 펄스 폭 변조(Space Vector Pulse Width Modulation)된 스위칭 신호를 입력받아 동작하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 장치는 상기 컨버터의 개방회로 고장을 진단하는 고장 진단부, 및 상기 고장 진단부에 의해 고장이 진단되면 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호 대신에 고장 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 상기 컨버터로 인가하는 고장 허용 제어부를 포함한다.An open circuit failure of a three-phase AC / DC PWM converter operating by receiving a switching signal subjected to a space vector pulse width modulated according to a command voltage according to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem. The permitting device applies a fault diagnosis unit for diagnosing an open circuit fault of the converter, and a switching signal for fault tolerance control to the converter instead of the space vector pulse width modulated switching signal when the fault is diagnosed by the fault diagnosis unit. It includes a fault tolerance control unit.

여기서 상기 고장 진단부는 상기 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출하며, 상기 고장 허용 제어부는 상기 검출된 고장 상과 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 확인하고, 그 확인 결과에 따른 기지정된 고정 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 컨버터로 인가한다.Here, the fault diagnosis unit detects an open circuit fault phase of the converter, and the fault tolerance control unit checks the detected fault phase and the space vector pulse width modulated switching signal, and according to a result of the confirmation, the fixed fixation control. Generate a switching signal for and apply it to the converter.

그리고 고장 진단부는 3상의 전류 값으로부터 변환된 2상의 정지좌표계 전류 값에 근거하여 상기 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출한다. 구체적으로 고장 진단부는 상기 2상의 정지좌표계 전류 값을 아크탄젠트 취하고 전류의 부호에 따라 각도를 생성하여 전류 벡터 위치 각을 획득 및 그 각 변화량을 감시하여 고장 상을 검출한다.The fault diagnosis unit detects an open circuit fault phase of the converter on the basis of the two-phase stationary coordinate current value converted from the three-phase current value. Specifically, the fault diagnosis unit takes an arc tangent of the current values of the stationary coordinate system of the two phases, generates an angle according to the sign of the current, obtains a current vector position angle, and monitors the change amount thereof to detect a fault phase.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법은 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출하는 단계, 및 상기 고장 상이 검출되면 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호 대신에 고장 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 상기 컨버터로 인가하는 단계를 포함한다.On the other hand, the open circuit fault tolerance control method of the three-phase AC / DC PWM converter according to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem is a step of detecting the open circuit failure phase of the three-phase AC / DC PWM converter, and If the fault phase is detected, applying a switching signal for fault tolerance control to the converter instead of the space vector pulse width modulated switching signal.

여기서 상기 검출하는 단계는 3상의 전류 값을 2상의 정지좌표계 전류 값으로 변환하는 단계, 상기 변환된 2상의 정지좌표계 전류 값을 아크탄젠트 취하는 단계, 상기 아크탄젠트 취한 후 전류의 부호에 따라 각도를 생성하여 전류 벡터 위치 각을 획득하는 단계, 및 상기 획득된 전류 벡터 위치 각에 근거하여 개방회로 고장 상을 검출하는 단계를 포함한다.The detecting may include converting a three-phase current value into a two-phase stationary coordinate current value, taking an arc tangent of the converted two-phase stationary current value, and generating an angle according to a sign of the current after taking the arc tangent. Acquiring a current vector position angle, and detecting an open circuit fault phase based on the obtained current vector position angle.

본 발명은 일반적인 공간 벡터 제어를 사용하는 고성능 3상 AC/DC PWM 컨버터에서의 개방회로 고장 발생시 간단한 PWM 스위칭 패턴의 변경만으로 성능과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 개방회로 고장시 전류에 포함되는 고조파와 각 상 간의 불평형을 크게 줄이고 DC단의 전압 맥동 또한 감소시키는 효과가 있다. 따라서 시스템의 역률이 높아지면서 효율이 증가한다. 게다가 개방회로 고장 운전으로 인해 나타날 수 있는 2차적인 고장 발생의 원인을 줄임으로써 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.The present invention can greatly improve performance and reliability by only changing a simple PWM switching pattern when an open circuit failure occurs in a high performance three-phase AC / DC PWM converter using general space vector control. In the case of an open circuit failure, the harmonics included in the current and the imbalance between phases are greatly reduced, and the voltage pulsation of the DC stage is also reduced. Thus, the efficiency increases as the power factor of the system increases. In addition, reliability can be greatly improved by reducing the cause of secondary failures that may occur due to open circuit fault operation.

특히, 시스템의 운전 중 비상 정지가 불가능한 특정 응용 분야에서는 개방회로 고장이 발생하더라도 높을 성능과 신뢰성을 유지한 채 연속 운전이 가능하다는 장점을 가지며, 일반적인 컨버터 시스템에서도 허용 제어를 통해 최적의 제어를 함으로써 고장난 컨버터 시스템 교체까지의 시간적인 낭비를 최소화할 수 있다.In particular, in certain application areas where emergency stop is not possible while the system is in operation, it has the advantage that continuous operation can be performed with high performance and reliability even in the event of an open circuit failure. Minimal waste of time before replacing a failed converter system.

도 1은 3상 AC/DC PWM 컨버터 개방회로 고장 전과 고장 후의 상 전류와 전류 각 파형도.
도 2는 PWM 컨버터의 6개 스위칭 소자 각각의 고장 시에 발생하는 전류 각 파형도.
도 3은 A상 상단 스위치의 개방 회로 고장을 가진 3상 AC/DC PWM 컨버터.
도 4는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 정상 동작시 상 전류와 전류 각 파형도.
도 5는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 A상 상단 스위치의 개방회로 고장 시의 상 전류와 전류 각 파형도.
도 6은 3상 AC/DC PWM 컨버터의 A상 상단 스위치의 개방회로 고장 시의 상 전류와 전류 각 변화량 파형도.
도 7은 공간 벡터 PWM(Space Vector PWM, SVPWM)의 전압벡터 평면도.
도 8은 SecⅢ에서의 정상 스위칭 패턴.
도 9는 SecⅢ에서 A상 상단 스위치 고장시 스위칭 패턴.
도 10은 SecⅢ에서 A상 상단 스위치 고장 상태에서 허용 제어시 패턴.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치 블록도.
도 12는 정지좌표계 dq축 전류와 전류 각 및 고장 진단 기법에 의한 검출 신호 파형도.
도 13은 정상 상태에서의 상전류 파형과 DC단 전압 파형 및 그 전압의 FFT 결과 그래프.
도 14는 A상 상단 스위치의 개방 회로 고장시의 상전류 파형과 DC단 전압 파형 및 그 전압의 FFT 결과 그래프.
도 15 고장 허용 제어 후의 상전류 파형과 DC단 전압 파형 및 그 전압의 FFT 결과 그래프.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법 흐름도.
도 17은 도 16에 도시된 S100의 구체적인 흐름도.
1 is a waveform diagram of phase currents and currents before and after failure of a three-phase AC / DC PWM converter open circuit;
2 is a waveform diagram of currents generated when a failure of each of the six switching elements of a PWM converter occurs.
3 is a three phase AC / DC PWM converter with open circuit failure of the A phase top switch.
4 is a waveform diagram of phase currents and currents in a normal operation of a three-phase AC / DC PWM converter.
Fig. 5 is a waveform diagram of phase currents and currents at the time of an open circuit failure of an A phase upper switch of a three-phase AC / DC PWM converter.
Fig. 6 is a waveform diagram of phase current and current angular variation in the open circuit failure of the A phase upper switch of a three-phase AC / DC PWM converter.
7 is a plan view of a voltage vector of a space vector PWM (SVPWM).
8 is a normal switching pattern in SecIII.
9 is a switching pattern when a phase A top switch failure in SecIII.
Figure 10 is a pattern during the permissible control in the A phase upper switch failure state in SecIII.
11 is a block diagram of an open circuit failure tolerance control device of a three-phase AC / DC PWM converter according to an embodiment of the present invention.
Fig. 12 is a waveform diagram of a detection signal based on the static coordinate system dq-axis current, current angle, and fault diagnosis technique.
Fig. 13 is a graph of phase current waveforms and DC stage voltage waveforms and their FFT results in steady state;
Fig. 14 is a graph of the phase current waveforms and DC stage voltage waveforms and the FFT results of the voltages at the time of open circuit failure of the upper switch of the phase A;
Fig. 15 is a graph of phase current waveforms and DC stage voltage waveforms after fault-tolerant control and FFT result graphs of the voltages.
16 is a flowchart illustrating an open circuit fault tolerance control method of a three-phase AC / DC PWM converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a detailed flowchart of S100 shown in FIG. 16;

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The foregoing and further aspects of the present invention will become more apparent from the following detailed description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in detail to enable those skilled in the art to easily understand and reproduce the present invention.

도 1은 3상 AC/DC PWM 컨버터 개방회로 고장 전과 고장 후의 상 전류와 전류 각 파형도이다.1 is a waveform diagram of phase currents and currents before and after failure of a three-phase AC / DC PWM converter open circuit.

고성능의 3상 AC/DC PWM 컨버터는 일반적으로 공간 벡터 제어가 이용된다. 정상적인 동작에서 측정된 3상 전류(A-phase current, B-phase current, C-phase current)를 dq축 정지좌표계 값으로 표현하면 다음과 같이 수학식 1로 표현 가능하다.High-performance three-phase AC / DC PWM converters typically use space vector control. When the three-phase current (A-phase current, B-phase current, C-phase current) measured in the normal operation is expressed by the dq-axis stationary coordinate system value, it can be expressed by Equation 1 as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

위 수학식 1의 전류벡터는 정상상태나 과도상태에 관계없이 항상 일정한 계통 주파수의 속도로 회전한다. 이때 각각의 샘플링마다 변하는 전류 각(curent angle) 변화량은 아래와 같이 수학식 2로 나타낼 수 있다.The current vector of Equation 1 rotates at a constant system frequency speed regardless of steady state or transient state. At this time, the amount of change in the current angle (curent angle) for each sampling can be represented by the following equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 ω는 계통주파수이고, Ts는 샘플링 주기이다. 위의 수학식 2는 스위치의 개방 고장이 없을 때에는 항상 일정한 값을 가지게 된다. 그러나 만약 개방회로 고장이 발생한다면, 그 상 전류는 개방회로의 스위칭 소자를 통하여 흐를 수 없고, 오직 환류 다이오드를 통해서만 흐르게 된다. 따라서 상 전류는 도 1에서 보여지는 특정 구간에서 3상 도통 대신에 2상 도통으로 동작하게 된다. 이에 따라 도 1에서 보이는 특정 구간에서는 고장 상의 전류는 거의 0으로 남아 있고, 오직 두 상의 전류만이 흐를 수 있다. 이 순간, 전류 벡터의 각은 도 1에서의 특정 구간에 보이는 것처럼 일정한 값이다.Where ω is the system frequency and T s is the sampling period. Equation 2 above always has a constant value when there is no open failure of the switch. However, if an open circuit failure occurs, the phase current cannot flow through the switching elements of the open circuit, only through the freewheeling diode. Therefore, the phase current operates in two-phase conduction instead of three-phase conduction in the specific section shown in FIG. As a result, in the particular section shown in FIG. 1, the current in the fault phase remains almost zero, and only two phase currents may flow. At this moment, the angle of the current vector is a constant value as shown in the particular section in FIG.

도 2는 PWM 컨버터의 6개 스위칭 소자 각각의 고장 시에 발생하는 전류 각 파형도이다.2 is a waveform diagram of currents generated at the failure of each of the six switching elements of the PWM converter.

도 2에서는 A상 상단 스위치와 A상 하단 스위치, B상 상단 스위치와 B상 하단 스위치, 그리고 C상 상단 스위치와 C상 하단 스위치 각각의 개방회로 고장 시에 나타나는 전류 각을 보여주고 있다. 도 2를 통해 확인할 수 있듯이, 각 스위치별 개방회로 고장 시에 발생하는 전류 각이 서로 다르다. 이는 전류 각을 통해 개방회로 고장이 발생한 스위칭 소자를 검출해 낼 수 있음을 의미한다.Figure 2 shows the current angles appearing in the open circuit failure of each of the phase A top switch, phase A bottom switch, phase B top switch and phase B bottom switch, phase C top switch and phase C bottom switch. As can be seen from Figure 2, the current angle generated when the open circuit failure of each switch is different. This means that current elements can detect switching elements that have an open circuit failure.

도 3은 A상 상단 스위치의 개방회로 고장을 가진 3상 AC/DC PWM 컨버터의 회로도이고, 도 4는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 정상 동작시 상 전류와 전류 각 파형도이고, 도 5는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 A상 상단 스위치의 개방회로 고장 시의 상 전류와 전류 각 파형도이며, 도 6은 3상 AC/DC PWM 컨버터의 A상 상단 스위치의 개방회로 고장 시의 상 전류와 전류 각 변화량 파형도이다.FIG. 3 is a circuit diagram of a three-phase AC / DC PWM converter having an open circuit failure of an upper phase switch of A phase. FIG. 4 is a waveform diagram of phase current and current angles during normal operation of a three-phase AC / DC PWM converter. Phase current and current waveforms when the open circuit of the A-phase upper switch of the three-phase AC / DC PWM converter fails. FIG. 6 shows the phase current of the open circuit of the A-phase upper switch of the three-phase AC / DC PWM converter. This is a waveform diagram of the angular current variation amount.

도 3에 도시된 회로의 정상 동작시에는 도 4와 같이 정상적인 3상 전류 파형과 그 전류로부터 얻어진 일정한 변화랑을 가지는 전류 각을 얻을 수 있다. 그러나 3상 AC/DC PWM 컨버터의 동작 중 스위칭 소자의 개방회로 고장이 발생하면, 그 상 전류는 개방회로의 스위칭 소자를 통하여 흐를 수 없게 되고 단지 고장난 상에 위치한 역방향 환류 다이오드를 통해서만 전류가 흐름으로써 다이오드 정류기처럼 동작하게 된다. 따라서 정상적일 때의 120도 위상차를 가지는 3상의 평형 전류들이 고장 후에는 고조파를 포함하는 불평형한 전류 파형들로 바뀌게 된다.In the normal operation of the circuit shown in FIG. 3, as shown in FIG. 4, a current three phase current waveform and a current angle having a constant change obtained from the current can be obtained. However, if an open circuit failure of the switching element occurs during the operation of a three-phase AC / DC PWM converter, the phase current cannot flow through the switching element of the open circuit and only current flows through the reverse reflux diode located in the fault phase. It acts like a diode rectifier. Thus, the three-phase balanced currents with 120-degree phase difference in normal state are changed to unbalanced current waveforms including harmonics after failure.

이때 전류에 나타나는 현상을 살펴보게 되면, 다이오드를 통해 흐르던 전류가 고장난 스위칭 소자를 통과해야 하는 전류 방향으로 바뀌게 될 경우, 그 상의 전류는 다음의 다이오드가 도통되기 위한 구간까지 영의 전류에 머물게 된다. 이는 3상 도통을 하던 전류들이 고장난 상의 전류 방향이 바뀌는 구간부터 다음의 다이오드가 도통되는 구간까지 2상 도통 구간을 가지게 된다는 의미가 된다. 2상 도통 구간은 BLDC 전동기의 전류 파형과 같이 3상 중 한 상을 동작을 하지 않고, 나머지 2상을 통해 전류가 흐른다. 따라서 한 상은 양의 전류, 다른 한 상은 음의 전류 그리고 나머지 한 상은 영 전류가 흐르게 된다.When looking at the phenomenon appearing in the current, if the current flowing through the diode is changed in the direction of the current that must pass through the failed switching element, the current on the phase will remain at zero current until the next diode conduction. This means that currents in three-phase conduction have a two-phase conduction section from the section in which the current direction of the faulty phase changes to the section in which the next diode conducts. In the two-phase conduction section, one of the three phases does not operate like the current waveform of the BLDC motor, and current flows through the remaining two phases. Thus, one phase is positive current, the other is negative current and the other is zero current.

도 3에서는 A상 상단 스위치가 고장이 난 경우를 예시하고 있다. A상 상단 스위치가 고장이 나게 되면, 도 4에서 보여주듯이 스위칭 소자를 통과하는 전류 iaN은 흐를 수 없고 환류 다이오드를 통과하는 전류 iaP만이 흐를 수 있게 된다. 이에 따라, 도 5와 같은 전류 파형과 왜곡된 전류 각이 나타나게 된다. 이때 전류 각의 변화량은 도 6과 같이 나타나는데, 전류 각의 변화량이 일정시간 동안 영 근처에 머무는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 그 구간은 3상 도통 구간이 2상 도통 구간으로 바뀌면서 전류벡터가 같은 방향을 일정시간 동안 머물고 있기 때문이다. 도 6에서 개방회로 고장 검출(fault detection) 구간은 도 2를 통해 A상 상단 스위치의 고장이라고 판단할 수 있다.3 illustrates a case where the A phase upper switch is broken. If the A phase upper switch fails, as shown in FIG. 4, the current i aN through the switching element cannot flow, and only the current i aP through the freewheeling diode can flow. Accordingly, the current waveform and the distorted current angle shown in FIG. 5 appear. At this time, the amount of change in the current angle is shown as shown in Figure 6, it can be seen that the amount of change in the current angle stays near zero for a certain time. This is because the period is changed from the three-phase conduction section to the two-phase conduction section and the current vector stays in the same direction for a certain time. In FIG. 6, an open circuit fault detection interval may be determined as a failure of the upper switch of the phase A through FIG. 2.

도 7은 공간 벡터 PWM(Space Vector PWM, SVPWM)의 전압벡터 평면도이고, 도 8은 전압 지령 V*가 secⅢ에 위치해 있을 때 정상 동작에서의 스위칭 패턴이며, 도 9는 전압 지령 V*가 secⅢ에 위치해 있을 때 A상 상단 스위치의 개방회로 고장 상태에서의 스위치 패턴이며, 도 10은 전압 지령 V*가 secⅢ에서 A상 상단 스위치 고장 상태에서 허용 제어시 패턴이다.7 is a plan view of a voltage vector of a space vector PWM (SVPWM), FIG. 8 is a switching pattern in normal operation when the voltage command V * is located at secIII, and FIG. 9 is a voltage pattern V * at secIII. when the switch is located in the pattern of an open circuit failure of the a-phase upper switching state, Figure 10 is a pattern when the voltage command V * is permitted controlled by the phase a upper switch failure condition in secⅢ.

도 7에 예시된 바와 같이 전압 지령 V*가 secⅢ에 위치해 있는 경우, 도 8에서와 같이 정상적인 SVPWM 스위칭 패턴에서 V3과 V4의 유효 벡터 시간은 각각 T1과 T2이다. 그리고 도 9에서 보이듯이, 고장 조건 하에서는 영벡터 V7은 생성될 수 없고 대신 V4처럼 동작하기 때문에, 유효 벡터 V4의 인가 시간은 T0/2 만큼 증가하게 된다. 도 10은 본 발명에 따른 고장 허용 제어를 적용하였을 경우, secⅢ에서 나타나는 스위칭 패턴을 보여준다. 유효 전압 벡터 V4의 시간을 고장 전과 같이 보상하기 위해, 영벡터 V7은 제거되고 영벡터 V0에 T0/2의 시간이 더해지면서 영벡터 V0 구간은 T0가 된다. 이에 따라 유효 벡터 V3과 V4의 인가 시간이 고장 전과 같이 완벽히 보상된다.As illustrated in FIG. 7, when the voltage command V * is located at secIII, the effective vector times of V 3 and V 4 in the normal SVPWM switching pattern as shown in FIG. 8 are T 1 and T 2, respectively. This and as shown in Figure 9, under fault conditions zero vector V is 7 because it operates as a place of V 4 can not be generated, the effective vector application times of V 4 is increased by T 0/2. 10 shows the switching pattern appearing in secIII when the fault tolerance control according to the present invention is applied. For the time of the effective voltage vector V 4 to compensate for such failure before, the zero vector V 7 is a vector V 0 removed and spirit As the addition time interval of the zero vector V 0 0 T / 2 becomes T 0. This ensures that the application time of the effective vectors V 3 and V 4 is completely compensated as before the failure.

아래 표 1은 A상 상단 스위치의 개방 회로 고장시의 섹터별 고장 상태 벡터를 나타낸다. 그리고 표 2는 A상 상단 스위치의 개방 회로 고장시의 섹터별 고장 허용 제어에 의한 보상된 벡터를 나타낸다. 표 1과 표 2에서 secII와 secV는 A상 전류의 부호에 따라 나뉘게 된다. Table 1 below shows a sector-by-sector failure state vector in case of an open circuit failure of an upper phase switch of A phase. And Table 2 shows the compensated vector by the fault-to-sector fault tolerance control in the open circuit failure of the upper phase switch of the A phase. In Table 1 and Table 2, secII and secV are divided according to the sign of A phase current.

Normal conditionNormal condition Open-circuit fault condition of A-phase top switchOpen-circuit fault condition of A-phase top switch SectorSector VectorVector Abnormal VectorAbnormal Vector Faulty Condition Vector timeFaulty Condition Vector time SectorSector SecⅠSecⅠ V0, V1, V2, V7 V 0 , V 1 , V 2 , V 7 -- NormalNormal SecⅠSecⅠ SecⅡ
SecⅡ
V0, V2, V3, V7
V 0 , V 2 , V 3 , V 7
-- NormalNormal SecIISecII
V2, V7 V 2 , V 7 V0(T0/2), V3(T1+T2), V4(T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 3 (T 1 + T 2 ), V 4 (T 0/2 ) SecⅢSecⅢ SecⅢSecⅢ V0, V3, V4, V7 V 0 , V 3 , V 4 , V 7 V7 V 7 V0(T0/2), V3(T), V4(T2+T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 3 (T), V 4 (T 2 + T 0/2 ) SecⅢSecⅢ SecⅣSec IV V0, V4, V5, V7 V 0 , V 4 , V 5 , V 7 V7 V 7 V0(T0/2), V5(T1), V4(T2+T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 5 (T 1 ), V 4 (T 2 + T 0/2 ) SecⅣSec IV SecⅤ
SecⅤ
V0, V5, V6, V7
V 0 , V 5 , V 6 , V 7
V6, V7 V 6 , V 7 V0(T0/2), V5(T1+T2), V4(T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 5 (T 1 + T 2 ), V 4 (T 0/2 ) SecⅣSec IV
-- NormalNormal SecVSecV SecⅥSecVI V0, V6, V1, V7 V 0 , V 6 , V 1 , V 7 -- NormalNormal SecⅥSecVI

Open-circuit fault condition of A-phase top switchOpen-circuit fault condition of A-phase top switch Fault-tolerance controlFault-tolerance control SectorSector Vector timeVector time Vector timeVector time CompensationCompensation SecⅠSecⅠ NormalNormal NANA NANA SecⅡ
SecⅡ
NormalNormal NANA NANA
V0(T0/2), V3(T1+T2), V4(T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 3 (T 1 + T 2 ), V 4 (T 0/2 ) V0(T0),V3(T1/2+T2) V 0 (T 0), V 3 (T 1/2 + T 2) PartiallyPartially SecⅢSecⅢ V0(T0/2), V3(T), V4(T2+T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 3 (T), V 4 (T 2 + T 0/2 ) V0(T0),V3(T1),V4(T2)V 0 (T 0 ), V 3 (T 1 ), V 4 (T 2 ) PerfectlyPerfectly SecⅣSec IV V0(T0/2), V5(T1), V4(T2+T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 5 (T 1 ), V 4 (T 2 + T 0/2 ) V0(T0),V5(T1),V4(T2)V 0 (T 0 ), V 5 (T 1 ), V 4 (T 2 ) PerfectlyPerfectly SecⅤ
SecⅤ
V0(T0/2), V5(T1+T2), V4(T0/2)V 0 (T 0/2 ), V 5 (T 1 + T 2 ), V 4 (T 0/2 ) V0(T0),V5(T1+T2/2) V 0 (T 0), V 5 (T 1 + T 2/2) PartiallyPartially
NormalNormal NANA NANA SecⅥSecVI NormalNormal NANA NANA

SecⅡ, SecⅣ, SecⅤ는 앞서 설명한 SecⅢ과 같은 고장 허용 제어에 따른 보상기법이 적용될 수 있다. 하지만 SecⅠ과 SecⅥ은 보상에서 제외된다. 왜냐하면 도 3에서 보이듯이 A상 상단 스위치 고장은 환류 다이오드 D1으로 인해 양의 전류 iaP에 영향을 주지 못하기 때문이다. 한편, 위 표에서는 A상 상단 스위치 고장의 경우에 섹터별 고장 허용 제어에 의한 보상된 벡터에 대해 보여주고 있다. 마찬가지로, 실험을 통해 다른 스위치 고장의 경우에 섹터별 나타나는 고장 상태 벡터를 확인하고, 고장 허용 제어를 위한 보상된 벡터를 얻어낼 수 있다.In SecII, SecIV, and SecV, a compensation technique according to the fault tolerance control described above may be applied. However, Sec I and Sec VI are excluded from compensation. This is because, as shown in FIG. 3, the A phase upper switch failure does not affect the positive current i aP due to the freewheeling diode D 1 . On the other hand, the above table shows the compensated vector by the fault-tolerant control for each sector in the case of the A phase upper switch failure. Similarly, experiments can identify sector-specific failure state vectors in the case of other switch failures and obtain compensated vectors for fault tolerance control.

도 11은 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치 블록도이다.11 is a block diagram of an open circuit fault tolerance control device of a three-phase AC / DC PWM converter.

제1전류 변환부(100)는 C.T(Current Transformer)에 의해 측정된 3상 전류 값을 ias, ibs, ics를 dq축 정지좌표계 전류 값인 is d, is q로 변환한다. 제2전류 변환부(200)는 제1전류 변환부(100)에 의해 변환된 정지좌표계 전류를 동기좌표계 전류 ie ds, ie qs로 변환한다. 전압 제어기(Voltage Controller)(300)는 DC단 전압과 DC단 전압 지령을 입력받아 d축 지령 전류인 ie * ds와 q축 지령 전류인 ie * qs를 생성하여 전류 제어기(Current Controller)(400)로 출력한다. 전류 제어기(400)는 제2전류 변환부(200)로부터 d축 전류 ie ds와 q축 전류 ie qs를 입력받고, 전압 제어기(300)로부터 d축 지령 전류 ie * ds와 q축 지령 전류 ie * qs를 입력받아 d축 지령 전압인 ve * ds와 q축 지령 전압인 ve * qs를 생성하여 제3전류 변환부(500)로 출력한다. 제3전류 변환부(500)는 전류 제어기(400)로부터 d축 지령 전압 ve * ds와 q축 지령 전압 ve * qs를 입력받아 3상 지령 전압인 v* abc를 생성한다. 펄스 폭 변조부(600)는 제3전류 변환부(500)로부터 3상 지령 전압인 v* abc를 입력받아 공간 벡터 펄스 폭 변조(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)을 수행하여 컨버터를 구성하는 스위칭 소자들의 온/오프를 제어하기 위한 스위칭 신호를 출력한다.The first current converter 100 converts i as , i bs , i cs , measured by CT (Current Transformer), to i s d , i s q , which are dq-axis stop coordinate system current values. The second current converter 200 converts the stationary coordinate current converted by the first current converter 100 into the synchronous coordinate currents i e ds and i e qs . The voltage controller 300 receives a DC terminal voltage and a DC terminal voltage command to generate a d-axis command current i e * ds and a q-axis command current i e * qs to generate a current controller (Current Controller) ( 400). The current controller 400 receives the d-axis current i e ds and the q-axis current i e qs from the second current converter 200, and the d-axis command current i e * ds and q-axis command from the voltage controller 300. The current i e * qs is input and the d-axis command voltage v e * ds and the q-axis command voltage v e * qs are generated and output to the third current converter 500. The third current converter 500 receives the d-axis command voltage v e * ds and the q-axis command voltage v e * qs from the current controller 400 to generate a three-phase command voltage v * abc . The pulse width modulator 600 receives a three-phase command voltage v * abc from the third current converter 500 and performs space vector pulse width modulation (SVWWM) to configure a converter. Outputs a switching signal for controlling the on / off of the devices.

이하 고장 진단부(700)와 고장 허용 제어부(800)에 대해 설명한다. 고장 진단부(700)와 고장 허용 제어부(800)는 3상 AC/DC PWM 컨버터를 제어하기 위한 제어기의 일부분으로 구현될 수 있다. 고장 진단부(700)는 PWM 컨버터의 개방회로 고장 여부를 진단한다. 본 발명의 일 양상에 따른 고장 진단부(700)는 제1전류 변환부(100)에 의해 변환된 dq축 정지좌표계 전류 값인 is d, is q에 근거하여 스위칭 소자들의 개방회로 고장 여부를 판단한다. 구체적으로 설명하면, PWM 컨버터의 정상 동작시에 2상 정지좌표계에서의 전류는 일정한 속도로 회전하는 원을 그리게 된다. 여기서 회전하는 전류 벡터의 속도는 항상 계통 전원 주파수와 동일한 값이 될 것이다. 만약 개방회로 고장이 발생하게 되면, 3상 도통을 하던 전류들이 특정 구간 동안 한 상의 전류가 영으로 머물면서 2상 도통 동작을 하게 된다. 이 경우에는 2상 정지좌표계의 전류 벡터가 일정한 값으로 머물게 된다. 다르게 말하면, 항상 일정하게 계통 전원 주파수로 회전하던 전류 벡터의 속도가 감소하였다는 의미가 된다. 따라서 고장 진단부(700)는 2상 정지좌표계의 전류 벡터의 각 변화량을 감시함으로써, PWM 컨버터의 개방회로 고장과 그 상을 검출할 수 있다.Hereinafter, the fault diagnosis unit 700 and the fault tolerance control unit 800 will be described. The fault diagnosis unit 700 and the fault tolerance control unit 800 may be implemented as part of a controller for controlling the three-phase AC / DC PWM converter. The failure diagnosis unit 700 diagnoses whether an open circuit of the PWM converter has failed. The fault diagnosis unit 700 according to an aspect of the present invention determines whether an open circuit of the switching elements has failed based on a current value of dq-axis stop coordinate system i s d , i s q converted by the first current converter 100. To judge. Specifically, in the normal operation of the PWM converter, the current in the two-phase stationary coordinate system draws a circle rotating at a constant speed. The speed of the rotating current vector here will always be the same value as the grid power supply frequency. If an open circuit failure occurs, currents in three-phase conduction are operated in two-phase conduction with one phase current staying at zero for a certain period. In this case, the current vector of the two-phase stationary coordinate system remains constant. In other words, it means that the speed of the current vector, which always rotates at a constant grid power frequency, has decreased. Therefore, the failure diagnosis unit 700 may detect an open circuit failure of the PWM converter and its phase by monitoring the amount of change in the current vector of the two-phase stationary coordinate system.

고장 진단부(700)는 2상 정지좌표계의 전류 값을 아크탄젠트(tan-1) 취하고 전류의 부호에 따라 각도를 생성한다. 이로부터 계통 주파수의 속도로 움직이는 0도에서 360도의 전류 벡터 위치 각을 얻을 수 있다. 고장 진단부(700)는 제어기의 매 샘플링 주기마다 전류 벡터 위치 각을 획득하고 그 이전의 샘플링 값(이전의 전류 벡터 위치 각)과 비교하여 각 변화량을 계속하여 감시한다. 이때 각 변화량이 감소하여 정상 동작에서 30도만큼 회전하는 시간 1.38[ms] 동안 일정한 전류 벡터를 가리키고 있을 때, 개방회로 고장으로 판단할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 고장이 발견되었을 때의 각도는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 6개의 스위치마다 전부 다르게 나타나기 때문에, 고장 진단부(700)는 어느 스위칭 소자에서 고장이 발생했는지 바로 진단할 수가 있다. 도 12에서는 정지좌표계 dq축 전류와 전류 각 그리고 고장이 발생한 후 고장 검출 신호 정보로부터 고장 확인 신호가 나타난 파형을 보여주고 있다.The failure diagnosis unit 700 takes an arc tangent (tan −1 ) of the current value of the two-phase stationary coordinate system and generates an angle according to the sign of the current. This results in a current vector position angle of 0 to 360 degrees moving at the speed of the system frequency. The failure diagnosis unit 700 acquires the current vector position angle at every sampling period of the controller and continuously monitors each variation in comparison with the previous sampling value (previous current vector position angle). At this time, when the amount of change decreases and points to a constant current vector for 1.38 [ms] for 30 degrees of rotation in normal operation, it can be determined as an open circuit failure. As shown in Fig. 2, since the angle when a failure is found is different for every six switches of the three-phase AC / DC PWM converter, the failure diagnosis unit 700 can immediately diagnose which switching element has failed. There is a number. 12 shows a waveform in which the fault confirmation signal is displayed from the fault coordinate system dq-axis current, the current angle, and the fault detection signal information after the fault has occurred.

한편, 고장 허용 제어부(800)는 고장 허용 제어를 수행하기 위한 구성으로, 고장 진단부(700)에 의해 검출된 고장 상(Fault phase)과 펄스 폭 변조부(600)의 공간 벡터 펄스 폭 변조에 근거하여 고장 허용 제어를 수행한다. 구체적으로 고장 허용 제어부(800)는 고장 진단부(700)이 제공하는 고장 상에 대한 정보와 펄스 폭 변조부(600)에서 출력되는 스위칭 신호를 가지고 표 2와 같은 룩업 테이블을 조회하여 고장 허용 제어를 위한 보상 벡터를 확인하고, 확인된 보상 벡터에 따라 스위칭 신호를 생성하여 PWM 컨버터에 인가한다.On the other hand, the fault tolerance control unit 800 is a configuration for performing fault tolerance control, the fault phase (Fault phase) detected by the fault diagnosis unit 700 and the space vector pulse width modulation of the pulse width modulator 600 Perform fault tolerance control based on this. In detail, the fault tolerance control unit 800 has fault information provided by the fault diagnosis unit 700 and the switching signal output from the pulse width modulator 600 to look up a look-up table as shown in Table 2 to control fault tolerance. Check the compensation vector for, and generates a switching signal according to the identified compensation vector and apply it to the PWM converter.

고장 허용 제어부(800)에 의한 스위칭 신호가 PWM 컨버터에 인가되는 경우에는 펄스 폭 변조부(600)에서 출력된 스위칭 신호가 PWM 컨버터에 인가되어서는 안 된다. 이를 위해 본 발명의 일 양상에 따른 고장 허용 제어 장치는 선택적 출력부를 더 포함한다. 선택적 출력부(900)는 고장 검출(Fault detection) 신호가 인가되지 않으면, 펄스 폭 변조부(600)의 스위칭 신호를 PWM 컨버터로 출력한다. 반대로 선택적 출력부(900)는 고장 검출 신호가 인가되면, 펄스 폭 변조부(600)의 스위칭 신호 대신에 고장 허용 제어부(800)의 스위칭 신호를 PWM 컨버터로 출력한다. 일 실시예에 있어서, 선택적 출력부(900)는 고장 검출 신호의 입력 여부에 따라 다른 스위칭 신호를 입력받아 PWM 컨버터로 전달할 수 있는 절환 스위치로 구현될 수 있다.When the switching signal by the fault tolerance control unit 800 is applied to the PWM converter, the switching signal output from the pulse width modulator 600 should not be applied to the PWM converter. To this end, the fault tolerance control apparatus according to an aspect of the present invention further includes an optional output unit. If the fault detection signal is not applied, the selective output unit 900 outputs the switching signal of the pulse width modulator 600 to the PWM converter. In contrast, when the fault detection signal is applied, the selective output unit 900 outputs the switching signal of the fault tolerance control unit 800 to the PWM converter instead of the switching signal of the pulse width modulator 600. In one embodiment, the selective output unit 900 may be implemented as a switching switch that can receive another switching signal according to whether the failure detection signal is input, and transfer it to the PWM converter.

도 13은 정상 상태에서의 상전류 파형과 DC단 전압 파형 및 그 전압의 FFT 결과 그래프이고, 도 14는 A상 상단 스위치의 개방 회로 고장시의 상전류 파형과 DC단 전압 파형 및 그 전압의 FFT 결과 그래프이며, 도 15 고장 허용 제어 후의 상전류 파형과 DC단 전압 파형 및 그 전압의 FFT 결과 그래프이다.Fig. 13 is a graph of the phase current waveform and the DC stage voltage waveform in the steady state and the FFT result graph of the voltage, and Fig. 14 is a graph of the phase current waveform and the DC stage voltage waveform and the FFT result graph at the open circuit failure of the A phase upper switch. Fig. 15 is a graph of the phase current waveform, the DC stage voltage waveform after the fault tolerance control, and the FFT result graph of the voltage.

도 13에서와 같이 PWM 컨버터의 정상 상태에서는 120도 위상 차를 가지는 평형의 3상 전류가 흐르며, DC단 전압도 맥동이 없음을 알 수 있다. 하지만, 도 14에서 보이듯이 개방회로 고장이 발생하게 되면 고조파를 가진 불평형 전류들이 나타나게 된다. DC단 전압 또한 계통 주파수 성분의 맥동을 가지고 진동하는 것을 알 수 있다. 그러나 고장 허용 제어를 수행하면, 도 15와 같이 상 전류에 고조파가 저감되고 불평형이 해소되며 DC단 전압 맥동 또한 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. SecⅢ과 SecⅣ에서는 완벽히 보상이 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, SecⅡ와 SecⅤ에서는 부분적인 보장이 이루어 짐으로써 빠른 응답을 가지는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 13, in the steady state of the PWM converter, a balanced three-phase current having a phase difference of 120 degrees flows, and there is no pulsation in the DC stage voltage. However, as shown in FIG. 14, when an open circuit failure occurs, unbalanced currents having harmonics appear. It can be seen that the DC stage voltage also vibrates with pulsation of the system frequency component. However, when the fault tolerance control is performed, it can be seen that harmonics are reduced in phase current, unbalance is eliminated, and the DC stage voltage pulsation is also greatly reduced as shown in FIG. 15. In Sec III and Sec IV, it can be seen that the compensation is completely completed. In Sec II and Sec V, partial guarantees are made, resulting in fast response.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법 흐름도이다.16 is a flowchart illustrating an open circuit fault tolerance control method of a three-phase AC / DC PWM converter according to an exemplary embodiment of the present invention.

우선, 고장 허용 제어 장치는 PWM 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출한다(S100). 고장 상이 검출되면, 고장 허용 제어 장치는 검출된 고장 상과 펄스 폭 변조부(600)로부터 출력되는 스위칭 신호에 따라 고장 허용 제어를 위한 지정된 스위칭 신호를 생성한다(S200). 구체적으로 S200에서, 고장 허용 제어 장치는 표 2와 같은 룩업 테이블을 참조하여 고장 상과 펄스 폭 변조부(600)로부터 출력되는 스위칭 신호에 대응하는 보상 벡터를 확인하고, 확인된 보상 벡터에 따른 스위칭 신호를 생성한다. 보상 벡터에 따른 스위칭 신호가 생성되면, 고장 허용 제어 장치는 펄스 폭 변조부(600)로부터 출력되는 스위칭 신호 대신에 보상 벡터에 따른 스위칭 신호를 PWM 컨버터로 출력한다(S300).First, the fault tolerance control device detects an open circuit fault phase of the PWM converter (S100). When the fault phase is detected, the fault tolerance control apparatus generates a designated switching signal for fault tolerance control according to the detected fault phase and the switching signal output from the pulse width modulator 600 (S200). In detail, in S200, the fault tolerance control apparatus checks a compensation vector corresponding to a switching signal output from the fault phase and the pulse width modulator 600 with reference to a look-up table as shown in Table 2, and switches according to the identified compensation vector. Generate a signal. When the switching signal based on the compensation vector is generated, the fault tolerance control apparatus outputs the switching signal according to the compensation vector to the PWM converter instead of the switching signal output from the pulse width modulator 600 (S300).

도 17은 도 16에 도시된 S100의 구체적인 흐름도이다.17 is a detailed flowchart of S100 shown in FIG. 16.

고장 허용 제어 장치는 CT(Current Transformer)에 의해 측정된 3상의 전류 값을 2상의 정지좌표계 전류 값으로 변환한다(S110). 그 다음, 고장 허용 제어 장치는 변환된 2상의 정지좌표계 전류 값을 아크탄젠트(tan-1) 취한 후 전류의 부호에 따라 각도를 생성하여 전류 벡터 위치 각을 획득한다(S120)(S130). 고장 허용 제어 장치는 획득된 전류 벡터 위치 각에 근거하여 개방회로 고장 및 그 고장이 발생한 상이 어떤 상인지 검출한다(S140). 구체적으로 고장 허용 제어 장치는 매 샘플링 주기마다 전류 벡터 위치 각을 획득하고, 이전의 샘플링 값과 비교하여 전류 벡터 위치 각의 변화량을 지속적으로 감시하여 개방회로 고장 여부 및 고장이 발생한 상을 검출하게 된다.
The fault-tolerant control device converts the three-phase current value measured by the CT (Current Transformer) into the two-phase stationary coordinate current value (S110). Then, the fault-tolerant control device obtains the current vector position angle by taking an arc tangent (tan −1 ) of the converted two-phase stationary coordinate current value and generating an angle according to the sign of the current (S120) (S130). The fault-tolerant control device detects which phase of the open circuit fault and the phase in which the fault occurs based on the obtained current vector position angle (S140). Specifically, the fault-tolerant control device acquires the current vector position angle at every sampling period, and continuously monitors the amount of change in the current vector position angle in comparison with the previous sampling value to detect whether an open circuit fault occurs and the phase in which the fault has occurred. .

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 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. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

100 : 제1전류 변환부 200 : 제2전류 변환부
300 : 전압 제어기 400 : 전류 제어기
500 : 제3전류 변환부 600 : 펄스 폭 변조부
700 : 고장 진단부 800 : 고장 허용 제어부
900 : 선택적 출력부
100: first current converter 200: second current converter
300: voltage controller 400: current controller
500: third current converter 600: pulse width modulator
700: fault diagnosis unit 800: fault tolerance control unit
900: optional output

Claims (10)

지령 전압에 따라 공간 벡터 펄스 폭 변조(Space Vector Pulse Width Modulation)된 스위칭 신호를 입력받아 동작하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 장치에 있어서,
상기 컨버터의 개방회로 고장을 진단하는 고장 진단부; 및
상기 고장 진단부에 의해 고장이 진단되면, 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호 대신에 고장 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 상기 컨버터로 인가하는 고장 허용 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치.
In the open circuit fault tolerance device of a three-phase AC / DC PWM converter that operates by receiving a space vector pulse width modulated switching signal according to the command voltage,
A fault diagnosis unit for diagnosing an open circuit fault of the converter; And
A fault tolerance controller for applying a switching signal for fault tolerance control to the converter when the fault is diagnosed by the fault diagnosis unit, instead of the space vector pulse width modulated switching signal;
Open circuit fault tolerance control device of a three-phase AC / DC PWM converter, comprising a.
제1항에 있어서,
상기 고장 진단부는 상기 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출하며,
상기 고장 허용 제어부는 상기 검출된 고장 상과 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 확인하고, 그 확인 결과에 따른 기지정된 고정 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 컨버터로 인가함을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치.
The method of claim 1,
The fault diagnosis unit detects an open circuit fault phase of the converter,
The fault tolerance control unit checks the detected fault phase and the space vector pulse width modulated switching signal, generates a switching signal for a predetermined fixed admission control according to a result of the check, and applies the converted signal to the converter. Open circuit fault tolerance control device for three-phase AC / DC PWM converters.
제2항에 있어서,
상기 고장 진단부에 의해 고장 상이 미검출되는 경우에는 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 상기 컨버터로 출력하고, 상기 고장 진단부에 의해 고장 상이 검출되는 경우에는 상기 고정 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 상기 컨버터로 출력하는 선택적 출력부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치.
The method of claim 2,
If the fault phase is not detected by the fault diagnosis unit, the space vector pulse width modulated switching signal is output to the converter. When the fault phase is detected by the fault diagnosis unit, a switching signal for the fixed permission control is output. An optional output unit outputting to the converter;
Open circuit fault tolerance control device of a three-phase AC / DC PWM converter, characterized in that it further comprises.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 고장 진단부는 3상의 전류 값으로부터 변환된 2상의 정지좌표계 전류 값에 근거하여 상기 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출함을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치.
The method according to claim 2 or 3,
And the fault diagnosis unit detects an open circuit fault phase of the converter based on a current value of the two-phase stationary coordinate system converted from the current value of the three phases.
제4항에 있어서,
상기 고장 진단부는 상기 2상의 정지좌표계 전류 값을 아크탄젠트 취하고 전류의 부호에 따라 각도를 생성하여 전류 벡터 위치 각을 획득 및 그 각 변화량을 감시하여 고장 상을 검출함을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치.
The method of claim 4, wherein
The fault diagnosis unit detects a fault phase by taking an arc tangent of the two-phase stationary coordinate current value and generating an angle according to the sign of the current to obtain a current vector position angle and monitoring the change amount thereof. Open circuit fault tolerance control device for DC PWM converters.
제5항에 있어서,
상기 고장 진단부는 샘플링 주기마다 상기 전류 벡터 위치 각을 획득하고 이전 샘플링 값과 비교하여 상기 전류 벡터 위치 각의 변화량을 감시함을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 장치.
The method of claim 5,
And the fault diagnosis unit obtains the current vector position angle at each sampling period and monitors the amount of change in the current vector position angle by comparing with a previous sampling value.
3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 상을 검출하는 단계; 및
상기 고장 상이 검출되면, 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호 대신에 고장 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 상기 컨버터로 인가하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법.
Detecting an open circuit fault phase of the three-phase AC / DC PWM converter; And
If the fault phase is detected, applying a switching signal for fault tolerance control to the converter instead of the space vector pulse width modulated switching signal;
Open circuit fault tolerance control method of a three-phase AC / DC PWM converter comprising a.
제7항에 있어서, 상기 검출하는 단계는 :
3상의 전류 값을 2상의 정지좌표계 전류 값으로 변환하는 단계;
상기 변환된 2상의 정지좌표계 전류 값을 아크탄젠트 취하는 단계;
상기 아크탄젠트 취한 후 전류의 부호에 따라 각도를 생성하여 전류 벡터 위치 각을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 전류 벡터 위치 각에 근거하여 개방회로 고장 상을 검출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법.
8. The method of claim 7, wherein said detecting comprises:
Converting a current value of the three phases into a static coordinate system current value of the two phases;
Taking an arc tangent of the converted two-phase stationary coordinate current value;
Acquiring the current vector position angle by generating an angle according to the sign of the current after taking the arc tangent; And
Detecting an open circuit fault phase based on the obtained current vector position angle;
Open circuit fault tolerance control method of a three-phase AC / DC PWM converter comprising a.
제8항에 있어서,
상기 전류 벡터 위치 각을 획득하는 단계는 매 샘플링 주기마다 수행되며,
상기 고장 상을 검출하는 단계는 현재 샘플링 값과 이전 샘플링 값의 비교를 통해 고장 상을 검출함을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법.
9. The method of claim 8,
Acquiring the current vector position angle is performed every sampling period,
The detecting of the fault phase may include detecting a fault phase by comparing a current sampling value with a previous sampling value.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고장 허용 제어를 위한 스위칭 신호를 상기 컨버터로 인가하는 단계는 :
상기 검출된 고장 상과 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 확인하는 단계;
상기 확인 결과에 대응되는 고장 허용 제어를 위한 보상 벡터에 따른 스위칭 신호를 생성하는 단계;
상기 생성된 스위칭 신호를 상기 컨버터로 출력하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 AC/DC PWM 컨버터의 개방회로 고장 허용 제어 방법.
10. The method of any one of claims 7 to 9, wherein applying a switching signal for the fault tolerance control to the converter:
Confirming the detected fault phase and the space vector pulse width modulated switching signal;
Generating a switching signal according to a compensation vector for fault tolerance control corresponding to the verification result;
Outputting the generated switching signal to the converter;
Open circuit fault tolerance control method of a three-phase AC / DC PWM converter comprising a.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102904473A (en) * 2012-10-30 2013-01-30 江苏大全凯帆电器股份有限公司 Comprehensive vector modulation method of three-phase diode clamping three-level converter
KR101420231B1 (en) * 2012-11-20 2014-07-21 한국전기연구원 Method of Sense and Control for Open Phase and 3-Phase Unbalance in Regenerative Converter of Crane
CN104333208A (en) * 2014-10-27 2015-02-04 中南大学 Device for handling open-circuit fault of three-section bridge converter circuit and fault diagnosis method
WO2019213673A1 (en) * 2018-05-01 2019-11-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. Buck matrix-type rectifier with boost switch, and operation thereof during one-phase loss
CN114362333A (en) * 2020-10-13 2022-04-15 比亚迪股份有限公司 Charging device and vehicle with same
CN117783929A (en) * 2024-02-26 2024-03-29 西北工业大学 Switching tube fault diagnosis method of direct current converter

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104993767B (en) * 2015-05-31 2018-01-12 浙江科技学院 Consider the polyphase machine open-phase fault fault-tolerant operation electric current reconstructing method of Harmonic coupling
CN105305734B (en) * 2015-10-22 2018-10-09 江苏大学 The harmonic wave note of fault tolerant permanent magnet machine cuts method
KR102525603B1 (en) 2020-08-04 2023-04-27 성균관대학교산학협력단 Method for controlling fault using switching technique of three phase four wire interlinking converter

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100964035B1 (en) 2008-06-02 2010-06-15 영남대학교 산학협력단 Device for detecting an inverter trouble and method thereof
JP2010246327A (en) 2009-04-09 2010-10-28 Nissan Motor Co Ltd Fault diagnostic device for inverter

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102904473A (en) * 2012-10-30 2013-01-30 江苏大全凯帆电器股份有限公司 Comprehensive vector modulation method of three-phase diode clamping three-level converter
KR101420231B1 (en) * 2012-11-20 2014-07-21 한국전기연구원 Method of Sense and Control for Open Phase and 3-Phase Unbalance in Regenerative Converter of Crane
CN104333208A (en) * 2014-10-27 2015-02-04 中南大学 Device for handling open-circuit fault of three-section bridge converter circuit and fault diagnosis method
CN104333208B (en) * 2014-10-27 2017-02-15 中南大学 Device for handling open-circuit fault of three-section bridge converter circuit and fault diagnosis method
WO2019213673A1 (en) * 2018-05-01 2019-11-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. Buck matrix-type rectifier with boost switch, and operation thereof during one-phase loss
US11637492B2 (en) 2018-05-01 2023-04-25 Murata Manufacturing Co., Ltd. Buck matrix-type rectifier with boost switch, and operation thereof during one-phase loss
CN114362333A (en) * 2020-10-13 2022-04-15 比亚迪股份有限公司 Charging device and vehicle with same
CN117783929A (en) * 2024-02-26 2024-03-29 西北工业大学 Switching tube fault diagnosis method of direct current converter
CN117783929B (en) * 2024-02-26 2024-05-03 西北工业大学 Switching tube fault diagnosis method of direct current converter

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