KR20180053137A - 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법 - Google Patents

인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장하는 단계; 제어부가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별하는 단계; 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출하는 단계; 및 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별이 가능한 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 한층 향상시킬 수 있다.

Description

인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법{System and method for localizing multiple open-switch faults in inverter}
본 발명은 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법에 관한 것이다.
인버터를 적용한 가변속 AC 전동기 구동 및 제어 시스템은 다양한 공정분야 및 산업분야, 전자 부품, 전기 자동차 및 철도 구동 등에 폭넓게 적용되는 핵심 구성 요소이다.
전력 변환기 및 전력 스위치에서의 고장은 전체 시스템의 운전(가동) 정지를 야기하기 때문에, 종종 전체 구동 시스템에 대해 대단히 중요한, 그리고 치명적인 요소로 간주된다. 이러한 경우에, 예상하지 않았던 그리고 계획에 없던 보수작업이 수행되어야 하고, 그것은 큰 비용과 시간을 요구한다. 일반적으로, 인버터 전력 소자에서의 고장은 크게 개방 회로(open circuit)(개방 스위치) 고장과 단락 회로(short circuit) 고장으로 분류된다. 단락 회로 고장은 그 미치는 파급 효과가 매우 엄청나서(매우 파괴적이어서), 이 경우에 구동 시스템을 즉시 정지시키기 위한 특별 조치가 요구된다. 개방 회로(개방 스위치) 고장은 필연적으로 시스템 정지를 야기하지는 않으며, 운전(가동) 시간의 늘어난 기간에 계속 발견되지 않을 수도 있다. 하지만, 발견되지 않은 채 남아 있으면, 그러한 고장은 인버터 전력 소자에 큰 전압 및 전류 스트레스뿐만 아니라 과열을 초래할 수 있기 때문에 다른 구성요소들에 빠르게 전파될 수 있다. 따라서, 정확한 온라인 고장 진단과 고장 근원 및 위치에 대한 조기 검출은 추가적인 사고 발생을 피하고, 수리 비용 및 모터 정지 시간을 줄이는 지속적인 운전(가동)을 보장하기 위해 매우 중요하다.
인버터 및 전력변환 회로에서 전력용 반도체 소자의 개방 고장을 진단하기 위한 여러 기법이 연구되었으나 실제 시스템에서는 다양한 형태의 고장이 존재하여 고장을 검출하고 고장부의 위치를 판별하는데 어려움이 있다.
종래의 대부분의 고장 검출 및 고장 위치 판별 기술에서는 전류의 주기적 정보를 사용하며, 이에 따라 한 주기의 전류정보가 CPU에 획득된 이후 고장 발생 및 고장 발생 위치를 파악할 수 있다. 따라서 고장 진단 및 판별에 많은 시간이 소요되고, 부하 등 동작 조건에 따라 판별의 정확도가 떨어진다.
또한, 종래의 기술은 전류의 주기 데이터를 처리하여 검출 변수를 결정하고 이를 이용하여 고장 발생부의 위치를 판별하는데 이로 인해 검출 변수의 갱신 주기가 커서 시간 지연이 증대되는 문제가 있다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2011-0062945호(특허문헌 1)에는 "다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법은, 3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화하여 데이터베이스화하는 과정; 및 상기 인버터로부터 실시간으로 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 과정을 포함하여 구성된다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 다단으로 구성되는 다단스위치의 각각의 고장을 진단할 수 있는 장점이 있기는 하나, 이 또한 전류의 주기적 정보를 이용하기 때문에 고장 진단 및 판별에 많은 시간이 소요되고, 부하 등 동작 조건에 따라 판별의 정확도가 떨어지는 문제를 내포하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-0062945호(2011.06.10.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템은,
인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 시스템으로서,
직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 상기 3상 교류 전동기의 구동을 위한 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 3상 교류 전동기의 동작을 제어하는 인버터와;
상위 계층으로부터 입력받은 전압을 인버터 구동을 위한 전압으로 변환해주며, 상기 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 게이트를 구동하는 게이트 드라이브와;
상기 인버터로부터 출력되어 상기 3상 교류 전동기로 입력되는 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 피드백(feedback) 받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기와;
상기 아날로그/디지털 변환기로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 처리 결과를 바탕으로 상기 인버터의 고장 여부를 진단하며, 고장 발생으로 진단된 경우 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 디지털 신호 처리기(DSP); 및
상기 디지털 신호 처리기를 통해 제어된 시스템을 모니터링하며, 고장 발생시 상기 디지털 신호 처리기에 의한 고장 진단 여부 및 고장 발생 부위를 모니터 화면에 표시하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,
상기 디지털 신호 처리기는 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별함에 있어서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용하여 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 인버터의 출력단과 상기 3상 교류 전동기의 입력단 사이에는 상기 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 설정값 이상의 과전압 또는 과전류가 흐를 경우 3상 교류 전동기로 공급되는 전압 및 전류를 차단함으로써 3상 교류 전동기를 보호하는 안전 회로부가 더 설치될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은,
인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 방법으로서,
a) 사전 준비 단계로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장하는 단계;
b) 제어부가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별하는 단계;
c) 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 상기 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출하는 단계; 및
d) 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수 (detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 b)에서 상기 고장 진단 알고리즘은,
b-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상의 전류 실효값(root mean square; RMS)(iarms, ibrms, icrms)을 계산하는 단계;
b-2) 상기 계산된 각 상의 전류 실효값(iarms, ibrms, icrms)을 바탕으로 각 상의 정규화된 전류 실효값(normalized RMS current)(ian, ibn, icn)을 계산하는 단계;
b-3) 상기 계산된 각 상의 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)과 미리 설정된 임계값(threshold value; Kth)을 비교하여 고장 발생을 검출 및 카운팅하는 단계; 및
b-4) 상기 고장 발생 카운팅 값이 미리 설정된 값 이상이면, 고장 상태로 판별하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 단계 c)에서의 고장 그룹 검출 및 단계 d)에서의 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정은,
cd-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별하는 단계;
cd-2) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고, 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계;
cd-3) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별하는 단계;
cd-4) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고, 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계; 및
cd-5) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정하고, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터 스위치의 개방 고장 발생 시 정확한 고장부의 판별이 가능하도록 하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별이 가능한 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 한층 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템의 인버터와 3상 교류 전동기의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에서의 고장 진단 알고리즘의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 그룹 검출 및 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 정상 조건(상태)에서의 3상 교류 전동기의 각 상의 전류(ia, ib, ic)파형을 나타낸 도면이다.
도 7은 인버터의 개방 스위치 고장 하에서의 3상 교류 전동기의 각 상전류 응답 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 진단 및 개방 스위치 고장부 판별 결과를 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템을 나타낸 것으로서, 도 1은 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 인버터와 3상 교류 전동기의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템(100)은, 인버터 기반의 3상 교류 전동기(190)의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 시스템으로서, 인버터(110), 게이트 드라이브(120), 아날로그/디지털(A/D) 변환기(130), 디지털 신호 처리기(DSP)(140), 호스트 컴퓨터(150)를 포함하여 구성된다.
인버터(110)는 직류 전원(170)으로부터의 DC 전압을 입력받아 3상 교류 전동기(190)의 구동을 위한 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 온/오프 동작에 의해 3상 교류 전동기(190)의 동작을 제어한다. 여기서, 이와 같은 인버터(110)로는 바람직하게는 펄스 폭 변조(PWM) 인버터가 사용된다.
게이트 드라이브(120)는 상위 계층(여기서는 후술하는 DSP(140))으로부터 입력받은 전압(예를 들면, 0∼3.3V)을 인버터(110) 구동을 위한 전압(예를 들면, -15∼15V)으로 변환해주며, 인버터(110) 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 게이트를 구동한다.
아날로그/디지털(A/D) 변환기(130)는 인버터(110)로부터 출력되어 3상 교류 전동기(190)로 입력되는 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 피드백 (feedback) 받아 디지털 신호로 변환해 준다.
디지털 신호 처리기(DSP)(140)는 아날로그/디지털 변환기(130)로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 처리 결과를 바탕으로 인버터(110)의 고장 여부를 진단하며, 고장 발생으로 진단된 경우 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 개방 고장부를 판별한다. 이와 같은 디지털 신호 처리기(DSP)(140)는 3상 교류 전동기(190)의 구동을 위한 제어 시스템 설정 프로그램(DC 전압값, 주기 설정, DC 링크 커패시터 값, 모터 토크값 등)과 전체 구동 시스템 제어를 위한 제어 시스템 설계 및 각종 제어를 위한 프로그램(소프트웨어)을 담당한다.
호스트 컴퓨터(150)는 디지털 신호 처리기(140)를 통해 제어된 시스템을 모니터링하며, 고장 발생시 디지털 신호 처리기(140)에 의한 고장 진단 여부 및 고장 발생 부위를 모니터 화면에 표시한다. 즉, 호스트 컴퓨터(150)는 3상 교류 전동기(190)의 구동 시, 전류, 전압, 속도 등 사용자가 확인하고자 하는 변수들에 대한 출력값 및 파형 등을 화면에 표시하는 한편 고장 발생 시 고장 진단 여부 및 고장 발생 스위치를 화면에 표시한다.
여기서, 바람직하게는 인버터(110)의 출력단과 3상 교류 전동기(190)의 입력단 사이에는 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 설정값 이상의 과전압 또는 과전류가 흐를 경우 3상 교류 전동기(190)로 공급되는 전압 및 전류를 차단함으로써 3상 교류 전동기(190))를 보호하기 위한 안전 회로부(safety circuit)(160)가 더 설치될 수 있다. 도 1에서 참조번호 180은 직류 링크 커패시터를 나타낸다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템(100)에서, 상기 디지털 신호 처리기(140)는 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 개방 고장부를 판별함에 있어서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 다중 반도체 스위치 소자(S1∼S6)의 개방 고장부를 판별한다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템(100)을 기반으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 과정에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은, 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 방법으로서, 먼저 사전 준비 단계로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장한다(단계 S301). 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에서는 개방-스위치 고장이 오직 하나의 스위치에서 또는 2개의 다중 스위치에서 발생한 경우를 전제로 하며, 다음과 같이 4개의 고장 그룹으로 분류한다.
Figure pat00001
그리고 이상과 같이 분류된 고장 그룹과 관련하여, 도 6에 도시된 바와 같은 정상 조건(상태)에서의 3상 교류 전동기의 각 상의 전류(ia, ib, ic) 파형에 대해, 도 7에 도시된 바와 같이, 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리(미도시)에 저장한다.
이상에 의해 고장 그룹 설정과 고장 그룹 관련 전류 파형 데이터의 획득이 완료된 상태에서, 제어부(여기서는 DSP(140))가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별한다(단계 S302). 고장 진단 알고리즘과 관련해서는 뒤에서 다시 설명한다.
위의 단계 S302의 판별에서, 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 상기 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출한다(단계 S303). 즉, 위에서 설명한 4개의 고장 그룹 중 해당하는 고장 그룹을 검출하는 것이다.
그런 후, 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별한다(단계 S304). 즉, 고장 그룹이 검출되면, 그 검출된 고장 그룹 내에서 실제로 고장난 스위치가 어느 것인지 그 고장 발생부(고장난 스위치의 위치)를 판별하는 것이다. 이와 관련해서는 뒤에서 다시 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에서의 고장 진단 알고리즘의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 이는 위에서 설명한 도 3의 흐름도에서 단계 S302에서의 고장 진단 알고리즘의 실행 과정을 보여주는 것으로서, 먼저 3상 교류 전동기 (190)의 각 상의 전류 실효값(root mean square; RMS)(iarms, ibrms, icrms)을 계산한다(단계 S401).
그런 후, 계산된 각 상의 전류 실효값(iarms, ibrms, icrms)을 바탕으로 각 상의 정규화된 전류 실효값(normalized RMS current)(ian, ibn, icn)을 계산한다(단계 S402). 여기서, 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
ian = iarms/ism, ibn = ibrms/ism, icn = icrms/ism
여기서, ism은 전류의 크기를 나타낸다.
이후, 상기 계산된 각 상의 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)과 미리 설정된 임계값(threshold value; Kth)을 비교하여 고장 발생을 검출 및 카운팅한다(단계 S403∼S407). 즉, 먼저 ian이 임계값(Kth) 이상인지를 판별하여(단계 S403), 임계값(Kth) 이상이면 고장 누적 카운트 단계(S407)로 진행하고, 임계값(Kth) 이상이 아니면 ibn이 임계값(Kth) 이상인지를 판별한다(단계 S404). 이 판별에서, ibn이 임계값(Kth) 이상이면 고장 누적 카운트 단계(S407)로 진행하고, 임계값(Kth) 이상이 아니면 icn이 임계값(Kth) 이상인지를 판별한다(단계 S405). 이 판별에서, icn이 임계값(Kth) 이상이면 고장 누적 카운트 단계(S407)로 진행하고, 임계값(Kth) 이상이 아니면 "고장 상태 = 0"(즉, 고장이 아님)으로 판단하고(단계 S406), 상기 단계 S402로 회귀한다.
한편, 상기 고장 누적 카운트 단계(S407)에서의 고장 발생 누적 카운팅 값이 미리 설정된 값(예를 들면, 10) 이상인지를 판별하여(단계 S408), 설정값 미만이면 상기 단계 S403으로 회귀하고, 설정값 이상이면 "고장 상태 = 1"(고장임)로 판별한다(단계 S409).
이후 실제로 개방 고장이 발생한 스위치를 검출하는 고장 검출 루틴을 실행하는 단계(S410)로 진행하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 그룹 검출 및 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 이는 상기 도 4의 단계 S410의 고정 검출 루틴의 실행 과정(즉, 도 3의 단계 S303에서의 고장 그룹 검출 및 S304에서의 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정)을 보여주는 것으로서, 먼저 3상 교류 전동기(190)의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별한다(단계 S501).
상기 단계 S501의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고(단계 S502), 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행한다(단계 S503∼S508). 즉, ian이 최소값(ian = Min)인지를 판별하여(단계 S503), 최소값이면 고장 스위치 1 및 4로 판정한다(단계 S504). 그리고 단계 S503의 판별에서 ian이 최소값(ian = Min)이 아니면, ibn이 최소값(ibn = Min)인지를 판별하여(단계 S505), 최소값이면 고장 스위치 2 및 5로 판정한다(단계 S506). 그리고 단계 S505의 판별에서 ibn이 최소값(ibn = Min)이 아니면, icn이 최소값(icn = Min)인지를 판별하여(단계 S507), 최소값이면 고장 스위치 3 및 6으로 판정한다(단계 S508).
또한, 상기 단계 S501의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별한다(단계 S509).
상기 단계 S509의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고(단계 S510), 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행한다(단계 S511∼S522). 즉, ian이 최소값(ian = Min)인지를 판별하여(단계 S511), 최소값이면 a상의 순시 전류의 평균치(ia,avg)가 0보다 작은지를 판별한다(단계 S512). 이 판별에서, a상의 순시 전류의 평균치(ia,avg)가 0보다 작으면 고장 스위치 1로, 0보다 작지 않으면 고장 스위치 4로 각각 판정한다(단계 S513, S514). 그리고 상기 단계 S511의 판별에서 ian이 최소값(ian = Min)이 아니면, ibn이 최소값(ibn = Min)인지를 판별하여(단계 S515), 최소값이면 b상의 순시 전류의 평균치(ib,avg)가 0보다 작은지를 판별한다(단계 S516). 이 판별에서, b상의 순시 전류의 평균치(ib,avg)가 0보다 작으면 고장 스위치 2로, 0보다 작지 않으면 고장 스위치 5로 각각 판정한다(단계 S517, S518).
또한, 상기 단계 S515의 판별에서, ibn이 최소값(ibn = Min)이 아니면, icn이 최소값(icn = Min)인지를 판별하여(단계 S519), 최소값이면 c상의 순시 전류의 평균치(ic,avg)가 0보다 작은지를 판별한다(단계 S520). 이 판별에서, c상의 순시 전류의 평균치(ic,avg)가 0보다 작으면 고장 스위치 3으로, 0보다 작지 않으면 고장 스위치 6으로 각각 판정한다(단계 S521, S522).
한편, 상기 단계 S509의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정한다(단계 S523). 이후, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법에 따라 고장 진단 및 개방 스위치 고장부 판별 결과를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, (a)는 인버터의 다중 스위치 중 스위치 S1(고장그룹 1)에서의 개방 스위치 고장하에서 고장 진단 및 고장부 판별(위치 검출)의 결과를 보여주는 것이고, (b)는 인버터의 다중 스위치 중 스위치 S1 및 S4(고장그룹 2)에서의 개방 스위치 고장하에서 고장 진단 및 고장부 판별(위치 검출)의 결과를 보여주는 것이다. 이를 통해 고장 및 고장 스위치가 효과적으로 검출될 수 있음을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법은 인버터 스위치의 개방 고장 발생 시 정확한 고장부의 판별이 가능하도록 하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별이 가능한 무빙 윈도우 기법을 적용함으로써, 고장 발생부 판별의 효율성과 정확도를 한층 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 인버터 120: 게이트 드라이브
130: 아날로그/디지털 변환기 140: 디지털 신호 처리기
150: 호스트 컴퓨터 160: 안전 회로부
170: 직류 전원 180: 직류 링크 커패시터
190: 3상 교류 전동기

Claims (5)

  1. 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 시스템으로서,
    직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 상기 3상 교류 전동기의 구동을 위한 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 3상 교류 전동기의 동작을 제어하는 인버터와;
    상위 계층으로부터 입력받은 전압을 인버터 구동을 위한 전압으로 변환해주며, 상기 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 게이트를 구동하는 게이트 드라이브와;
    상기 인버터로부터 출력되어 상기 3상 교류 전동기로 입력되는 전압 및 전류 신호(아날로그 신호)를 피드백(feedback) 받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기와;
    상기 아날로그/디지털 변환기로부터의 출력신호를 입력받아 처리하고, 처리 결과를 바탕으로 상기 인버터의 고장 여부를 진단하며, 고장 발생으로 진단된 경우 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 디지털 신호 처리기(DSP); 및
    상기 디지털 신호 처리기를 통해 제어된 시스템을 모니터링하며, 고장 발생시 상기 디지털 신호 처리기에 의한 고장 진단 여부 및 고장 발생 부위를 모니터 화면에 표시하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,
    상기 디지털 신호 처리기는 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별함에 있어서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하는 고장 그룹 검출 기법과, 매 샘플 주기마다 검출 변수(detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우 기법을 적용하여 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하는 것을 특징으로 하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터의 출력단과 상기 3상 교류 전동기의 입력단 사이에는 상기 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 설정값 이상의 과전압 또는 과전류가 흐를 경우 3상 교류 전동기로 공급되는 전압 및 전류를 차단함으로써 3상 교류 전동기를 보호하는 안전 회로부가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 시스템.
  3. 인버터 기반의 3상 교류 전동기의 구동 시스템에 채용되어 인버터 내부의 다중 반도체 스위치 소자의 개방 고장부를 판별하기 위한 방법으로서,
    a) 사전 준비 단계로서, 인버터의 다중 스위치의 개방 고장 유형을 그룹화하여 설정하고, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 그룹의 고장 유형에 대한 전류 파형 데이터를 획득하여 메모리에 저장하는 단계;
    b) 제어부가 인버터 스위치의 개방 고장 발생 여부를 인버터의 측정 전압 또는 전류 파형 데이터와 고장 진단 알고리즘을 바탕으로 판별하는 단계;
    c) 인버터 스위치의 개방 고장이 발생한 것으로 판별된 경우, 제어부가 상기 메모리에 저장된 데이터를 바탕으로 고장 그룹을 검출하는 단계; 및
    d) 검출된 고장 그룹을 바탕으로 제어부가 매 샘플 주기마다 검출 변수 (detection variable)를 계산하여 실시간으로 인버터의 다중 스위치 개방 고장부를 판별하는 무빙 윈도우(moving window) 기법을 적용하여 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 단계를 포함하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 고장 진단 알고리즘은,
    b-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상의 전류 실효값(root mean square; RMS)(iarms, ibrms, icrms)을 계산하는 단계;
    b-2) 상기 계산된 각 상의 전류 실효값(iarms, ibrms, icrms)을 바탕으로 각 상의 정규화된 전류 실효값(normalized RMS current)(ian, ibn, icn)을 계산하는 단계;
    b-3) 상기 계산된 각 상의 정규화된 전류 실효값(ian, ibn, icn)과 미리 설정된 임계값(threshold value; Kth)을 비교하여 고장 발생을 검출 및 카운팅하는 단계; 및
    b-4) 상기 고장 발생 카운팅 값이 미리 설정된 값 이상이면, 고장 상태로 판별하는 단계를 포함하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 고장 그룹 검출 및 단계 d)에서의 인버터의 다중 스위치의 고장 발생부를 판별하는 과정은,
    cd-1) 상기 3상 교류 전동기의 각 상(phase)의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 미리 설정된 임계값(Kth) 미만인지의 여부를 판별하는 단계;
    cd-2) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│)이 모두 임계값(Kth) 미만이면 고장 그룹 2로 판정하고, 고장 그룹 2 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계;
    cd-3) 상기 단계 cd-1)의 판별에서, 각 상의 순시 전류의 평균치의 절대값(│ia,avg│, │ib,avg│, │ic,avg│) 중 어느 하나라도 임계값 미만이 아니면, 제로 전류(zero current)가 1인지를 판별하는 단계;
    cd-4) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류(zero current)가 1이면 고장 그룹 1로 판정하고, 고장 그룹 1 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 진행하는 단계; 및
    cd-5) 상기 단계 cd-3)의 판별에서, 제로 전류가 1이 아니면 고장 그룹 3,4로 판정하고, 고장 그룹 3 또는 4 내에서 해당 고장 스위치를 판별하기 위한 후속 과정을 각각 진행하는 단계를 포함하는 인버터의 다중 스위치 개방 고장부 판별 방법.
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