KR20180087803A - 모터 구동 장치 - Google Patents

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KR20180087803A
KR20180087803A KR1020170012327A KR20170012327A KR20180087803A KR 20180087803 A KR20180087803 A KR 20180087803A KR 1020170012327 A KR1020170012327 A KR 1020170012327A KR 20170012327 A KR20170012327 A KR 20170012327A KR 20180087803 A KR20180087803 A KR 20180087803A
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김동근
최영훈
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엘지전자 주식회사
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    • G—PHYSICS
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치는, 스위칭 동작에 의해, 직류 전원을 복수의 상을 갖는 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터, 상기 인버터로부터 상기 모터로 출력되는 상기 복수의 상을 갖는 교류 전원에 대하여, 상기 복수의 상 각각에 대한 상전류를 측정하는 전류 측정부, 및 상기 모터의 전기각에 기초하여, 상기 복수의 상 중 적어도 하나의 상에 대한 상전류를 측정하도록 상기 전류 측정부를 제어하고, 측정된 상전류에 기초하여 상기 적어도 하나의 상에 대응하는 전력 케이블의 단선 여부를 검출하는 인버터 제어부를 포함한다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS}
본 발명은 모터 구동 장치에 대한 것으로, 특히 각종 가전 기기나 자동차 등 다양한 장치에 구비되는 모터의 단선을 검출할 수 있는 모터 구동 장치에 대한 것이다.
모터 구동 장치는 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이다. 모터 구동 장치는 센서를 이용한 센서 방식의 모터 구동 장치와, 센서가 없는 센서리스(sensorless) 방식의 모터 구동 장치로 구분될 수 있다. 최근에는 제조 비용의 절감 등을 이유로, 센서리스 방식의 모터 구동 장치가 많이 사용되고 있다.
모터는 에어컨, 세탁기, 냉장고, 청소기, 및 식기세척기 등 각종 가전 기기 뿐만 아니라, 최근에는 전기자동차 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 모터는, 모터 구동 장치의 인버터로부터 전력 케이블을 통해 전달되는 상전류에 의해 구동될 수 있다. 상기 모터는 일반적으로 삼상 BLDC 모터(brushless DC motor)로 구현될 수 있다.
한편, 인버터와 모터를 연결하는 전력 케이블에 단선이나 단락이 발생함에 따라, 모터가 회전하지 않는 상황이 발생할 수 있다. 만약 모터 구동 장치가 상기 전력 케이블의 단선이나 단락을 인지하지 못하는 경우, 모터 구동 장치는 모터의 부하로 인해 모터가 회전하지 못하는 것으로 판단하게 될 수 있다. 이에 따라, 모터 구동 장치는 상전류를 증가시키도록 인버터를 제어할 수 있다. 그 결과, 과도한 상전류가 시스템에 유기되어 모터 또는 인버터 자체가 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
종래의 경우, 모터의 구동 전에 인버터에 순차적인 스위칭 시퀀스를 인가하여 각 상(U, V, W)의 상전류를 측정하여 전력 케이블의 단선이나 단락을 감지하는 방법이 적용된다. 다만, 이러한 방법은 모터의 구동 중에 전력 케이블이 단선되거나 단락되는 경우에 대해서는 감지하지 못한다.
또한, 종래 선행 문헌으로서 한국 등록 특허 공보 제10-1114375호에는, 모터의 속도를 판별하고, 각 상의 상전류를 판별하며, 상전류의 합 판별하고, 고장이 발생한 상 이외의 상전류의 합을 판별함으로써 전력 케이블의 단선을 검출하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법의 경우 속도의 판별, 상전류의 판별, 및 상전류의 합 판별 등 다양한 판별법이 적용되어야 하므로 다소 복잡하고, 이에 따른 소프트웨어 로드가 증가하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 모터의 구동 중 인버터와 모터 사이에 구비되는 전력 케이블의 단선을 검출함에 있어서, 소프트웨어의 로드를 최소화하면서도 상기 단선을 정밀하게 검출할 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 일 측면에 따르면, 모터 구동 장치는 복수의 상을 갖는 교류 전원을 모터로 출력하여 상기 모터를 구동하기 위한 인버터와, 상기 교류 전원으로부터 복수의 상들에 대한 상전류를 측정하는 전류 측정부와, 상기 모터의 전기각 및 측정된 상전류에 기초하여 적어도 하나의 상에 대응하는 전력 케이블의 단선 여부를 검출하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다.
상기 인버터 제어부는, 상기 복수의 상 중 제1 상에 대한 제1 상전류의 값을 측정할 수 있다. 상기 인버터 제어부는, 상기 모터의 정상 동작시 상기 제1 상전류가 최대인 전기각을 포함하는 제1 범위 내에서, 상기 측정된 제1 상전류의 값이 단선 기준값보다 낮은지 여부에 기초하여 상기 제1 상에 대응하는 제1 전력 케이블의 단선 여부를 검출할 수 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 일 측면에 따르면, 인버터 제어부는 상기 제1 상전류를 주기적 또는 연속적으로 측정하고, 측정된 제1 상전류의 값이 단선 기준값보다 소정 횟수 이상 낮게 측정되는 경우에, 상기 제1 전력 케이블의 단선을 검출할 수 있다.
상기 인버터 제어부는, 상기 제1 전력 케이블의 단선이 검출된 경우, 상기 모터로의 전원 공급을 차단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 모터 구동 장치는 각 상의 상전류와 모터의 전기각만을 이용하여 전력 케이블의 단선을 용이하게 검출할 수 있다. 즉, 상기 각 상의 상전류 측정값만을 이용하여 단선을 검출하므로, 인버터 제어부의 로드가 최소화될 수 있다. 따라서, 인버터 제어부를 구성함에 있어 보다 저전력의 컨트롤러를 이용할 수 있고, 인버터 제어부의 단가 또한 절약할 수 있다.
또한, 모터 구동 장치는 인버터로부터 모터로 출력되는 각 상의 상전류가 기준 횟수 이상 연속적으로 단선 기준값보다 낮게 측정되는 경우에 전력 케이블의 단선을 검출하게 된다. 이에 따라, 모터 구동 장치는 전력 케이블의 단선을 보다 정밀하게 검출할 수 있다.
뿐만 아니라, 모터 구동 장치는 전력 케이블의 단선 검출 시 모터로의 전원 공급을 차단함으로써, 과도한 전류의 공급으로 인한 모터 또는 인버터 자체의 파손이나 손상을 방지할 수 있다. 또한, 모터 또는 인버터의 발화로 인해 가전 기기나 전기 자동차가 발화하여 인명 피해가 발생하거나 재산 피해가 발생하는 것을 방지할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 및 모터 구동 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모터 구동 장치의 회로도의 일 예를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치가, 모터의 각 상에 대한 단선 여부를 검출하는 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6은 모터의 전기각을 판단하기 위한 좌표계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 좌표계에 기초하여, q축을 기준으로 정의되는 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다.
도 8은 모터의 U상에 대응하는 전력 케이블의 단선 시, 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다.
도 9는 모터의 V상에 대응하는 전력 케이블의 단선 시, 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다.
도 10은 모터의 W상에 대응하는 전력 케이블의 단선 시, 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다.
본 명세서에서 설명하는 모터는 삼상 BLDC 모터(Brushless DC motor)로 구현될 수 있다. BLDC 모터는 브러시가 없는 DC 모터로서, 브러시로 인한 스파크나 소음의 발생이 방지될 수 있다. 따라서, 일반적인 DC 모터에 비해 수명이 길고, 배터리의 효율이 높아 다양한 장치에서 사용된다. 이러한 BLDC 모터는 홀 센서(hall sensor)가 구비된 BLDC 모터와, 홀 센서가 구비되지 않는 센서리스 BLDC 모터를 포함할 수 있다.
홀 센서가 구비된 BLDC 모터는, 홀 센서를 이용하여 회전자의 현재 위치를 파악하고, 파악된 위치에 기초하여 회전자를 다음 위치로 회전시키기 위한 구동 신호를 가하는 방식으로 동작할 수 있다. 반면, 센서리스 BLDC 모터는, 모터의 회전 시 발생하는 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 파악하고, 회전자를 다음 위치로 회전시키기 위한 구동 신호를 가하는 방식으로 동작할 수 있다.
이하 본 명세서에서는, 이러한 BLDC 모터의 구동을 제어하는 모터 구동 장치에 있어서, 모터 구동 장치의 인버터와 상기 BLDC 모터 사이의 전력 케이블의 단선을 검출할 수 있는 모터 구동 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 및 모터 구동 장치를 포함하는 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 시스템은 가전 기기, 전기 자동차 등과 같은 다양한 장치로 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 가전 기기는 에어컨, 세탁기, 냉장고, 식기 세척기, 청소기 등을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 모터 구동 장치(10), 모터(20), 및 전원 공급부(30)를 포함할 수 있다.
모터 구동 장치(10)는 모터(20)의 구동을 제어할 수 있다. 모터 구동 장치(10)는 인버터(11)와 인버터 제어부(12)를 포함할 수 있다.
인버터(11)는 전원 공급부(30)로부터 공급되는 전원을 수신할 수 있다. 인버터(11)는 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원(예컨대, 삼상 교류 전원)으로 변환할 수 있다. 변환된 교류 전원은 모터(20)로 출력되고, 모터(20)는 수신된 교류 전원에 기초하여 구동될 수 있다.
실시 예에 따라, 전원 공급부(30)가 교류 전원을 출력하는 경우, 모터 구동 장치(10)는 전원 공급부(30)로부터 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하기 위한 컨버터(13)를 더 포함할 수 있다. 인버터(11)는 컨버터(13)에 의해 변환된 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환할 수 있다.
반면, 전원 공급부(30)가 배터리 등으로 구현되어 직류 전원을 출력하는 경우, 모터 구동 장치(10)는 컨버터(13)를 구비하지 않을 수도 있다. 또는, 컨버터(13)가 전원 공급부(30)로부터 출력된 직류 전원을 승압, 역률 개선, 정류 등을 통해 다른 특성을 갖는 직류 전원으로 변환할 수도 있다.
인버터 제어부(12)는 인버터(11)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 인버터 제어부(12)는 인버터(11)로부터 모터(20)의 각 상으로 출력되는 삼상 출력 전류를 각각 측정하고, 측정된 삼상 출력 전류를 2상 전류로 변환할 수 있다. 상기 2상 전류는 q축 전류와 d축 전류에 해당할 수 있다. 상기 q축은 토크축에 대응하고, d축은 자속축에 대응할 수 있다.
인버터 제어부(12)는 모터(20)의 회전을 가속시키고자 하는 경우, q축 전류를 인가(또는 q축 전류의 인가량을 증가)하도록 인버터(11)를 제어할 수 있다. 한편, 인버터 제어부(53)는 모터(21)의 회전을 정지(얼라인(align))시키고자 하는 경우, q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만을 인가하도록 인버터(51)를 제어할 수 있다. d축 전류만이 인가됨에 따라 모터(21)의 회전자는 회전하지 않고 고정될 수 있다.
실시 예에 따라, 인버터 제어부(12)는 모터(20)의 회전자 위치에 기초하여 모터(20)의 회전 속도를 연산할 수 있다. 모터(20)가 홀 센서를 구비하는 BLDC 모터인 경우, 인버터 제어부(12)는 홀 센서에 의해 발생되는 온/오프 신호에 기초하여 회전자의 위치를 추정하고, 추정된 위치에 기초하여 모터(20)의 회전 속도를 연산할 수 있다. 반면, 모터(20)가 센서리스 BLDC 모터인 경우, 인버터 제어부(12)는 모터(20)의 회전 시 모터(20)의 코일로부터 발생하는 역기전력(back EMF)을 감지함으로써 회전자의 위치를 추정할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(12)는 역기전력 감지부를 구비할 수 있다.
인버터 제어부(12)는 연산된 회전 속도와, 모터(20)로 출력되는 전류에 기초하여 부하(40)를 추정할 수 있다. 예컨대, 출력 전류 대비 회전 속도가 낮게 연산되는 경우, 인버터 제어부(12)는 부하(40)가 높은 것으로 추정할 수 있다.
전원 공급부(30)는 모터(20)의 구동을 위한 전원을 제공할 수 있다. 전원 공급부(30)는 상용 교류 전원을 출력할 수 있다. 실시 예에 따라, 전원 공급부(30)가 배터리로 구현되는 경우, 전원 공급부(30)는 직류 전원을 출력할 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 모터 구동 장치의 회로도의 일 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 전원 공급부(30)는 모터 구동 장치(10) 및 모터(20)로 입력되는 입력 전류(IS)를 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 실시 예에서, 전원 공급부(30)는 상용 교류 전원을 제공하는 것으로 가정한다. 이 경우, 입력 전류(IS)는 교류 전류에 해당할 수 있다.
컨버터(13)는 교류 형태의 입력 전류(IS)를 직류 형태로 변환할 수 있다. 이에 따라, 인버터(11)로 입력되는 전원은 직류 전원의 형태를 갖게 될 수 있다.
실시 에에 따라, 모터 구동 장치(10)는 평활 커패시터(C)를 구비할 수 있다. 평활 커패시터(C)는 입력되는 전원을 평활하고 이를 저장할 수 있다. 도 2에서는 하나의 평활 커패시터(C)가 구비된 것으로 도시되어 있으나, 실시 예에 따라 복수의 평활 커패시터(C)가 구비되어 소자의 안정성을 확보할 수도 있다.
인버터(11)는 복수의 스위칭 소자들(S1~S6)를 구비할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터(11)는 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자(S1&S2)(S3&S4)(S5&S6)가 한 쌍이 되고, 총 세 쌍의 상암, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(S1&S2, S3&S4, S5&S6)로 연결될 수 있다. 각 스위칭 소자(S1~S6)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터(11) 내의 스위칭 소자들(S1~S6)은, 인버터 제어부(12)로부터의 스위칭 제어 신호(SC)에 기초하여 각각 온/오프 동작을 수행한다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 모터(20)로 출력될 수 있다.
한편, 인버터 제어부(12)는 모터(20)의 회전자 위치를 추정하고, 모터(20)의 회전 속도를 연산할 수 있다. 상기 회전자 위치 및 회전 속도에 기초하여, 인버터 제어부(12)는 스위칭 제어 신호(SC)를 생성함으로써 인버터(11)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 또한, 상기 회전 속도와 목표 속도(또는 지령 속도)의 차이에 기초하여, 인버터 제어부(12)는 q축 전류값과 d축 전류값을 조절할 수 있다.
회전 속도가 목표 속도보다 낮은 경우, 인버터 제어부(12)는 q축 전류값을 증가시킬 수 있다. 경우에 따라, 인버터(11)와 모터(20) 사이의 전력 케이블들(U상 전력 케이블, V상 전력 케이블, 및 W상 전력 케이블) 중 적어도 하나가 단선 또는 단락될 수 있다. 적어도 하나의 전력 케이블이 단선되는 경우, 모터(20)의 회전자는 회전하지 못하거나 비정상적으로 움직일 수 있다. 그 결과, 인버터 제어부(12)에 의해 연산되는 회전 속도는 목표 속도보다 크게 낮아질 수 있다.
인버터 제어부(12)가 전력 케이블의 단선을 인지하지 못한다면, 인버터 제어부(12)는 회전 속도가 목표 속도보다 낮게 연산되는 경우 부하(40)가 높은 것으로 판단하게 될 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부(12)는 모터(20)의 회전 속도를 높이기 위해 q축 전류값을 증가시킬 수 있다.
전력 케이블이 단선되었으므로, q축 전류값을 증가시키더라도 모터(20)의 회전 속도는 증가하지 않게 된다. 이에 따라, 인버터 제어부(12)는 q축 전류값을 과도하게 증가시키게 되고, 과도한 전류의 투입으로 인해 모터(20) 또는 인버터(11) 자체가 손상 또는 파손되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 과도한 전류의 투입으로 인해 모터(20) 또는 인버터(11)가 발화할 가능성도 존재하며, 이 경우, 모터(20) 및 모터 구동 장치(10)가 장착된 가전 기기 또는 전기 자동차의 화재 발생 가능성 또한 존재한다.
종래에는, 상술한 화재 발생 가능성을 방지하기 위해, 모터(20) 또는 모터 구동 장치(10)의 온도를 측정하여, 측정된 온도가 기준 온도를 초과하는 경우 전력 공급을 차단하도록 함으로써 화재를 예방할 수 있었다. 그러나, 이 경우 화재의 발생만을 방지할 수 있을 뿐, 모터(20) 또는 인버터(11) 자체의 손상 또는 파손까지도 완전히 방지하기는 어렵다는 문제가 있다.
한편, 인버터 제어부(12)는, 인버터(11)로부터 모터(20)로 출력되는 삼상 교류 전원에 대하여, 각 상의 전류를 측정할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(12)는 각 상의 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 구비할 수 있다. 상기 전류 측정부는 CT(current transformer) 센서로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
각 상의 전류는 U상 전류(IU), V상 전류(IV), 및 W상 전류(IW)에 해당할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어부(12)는, 측정된 각 상의 전류(IU, IV, IW)를 이용하여 전력 케이블의 단선 여부를 간편하게 검출할 수 있다. 이에 대해 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치가, 모터의 각 상에 대한 단선 여부를 검출하는 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 3은 V상의 전력 케이블에 대한 단선 여부를 검출하는 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 3을 참조하면, 모터 구동 장치(10)는 구동 중인 모터(20)의 전기각을 측정할 수 있다(S100).
인버터 제어부(12)는, 모터(20)의 구동을 위한 전류를 공급하도록 인버터(11)를 제어할 수 있다. 모터(20)로 삼상 전류가 공급됨에 따라, 인버터 제어부(12)는 모터(20)의 전기각을 측정할 수 있다.
상기 전기각과 관련하여 도 6 및 도 7을 통해 설명하기로 한다.
도 6은 모터의 전기각을 판단하기 위한 좌표계의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 좌표계에 기초하여, q축을 기준으로 정의되는 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, U상 상전류, V상 상전류, 및 W상 상전류의 벡터합은 d-q축 상에 표시할 수 있다. d-q축의 표시 방법으로서 d-q축이 회전하지 않는 정지 좌표계와, d-q축이 벡터합에 따라 회전하는 회전 좌표계가 존재한다. 도 6에서는 d-q축이 회전하지 않는 정지 좌표계를 이용하여 상기 전기각을 판단하는 것으로 설명한다.
정지 좌표계에서, d축은 자속축으로서, 통상 U상 권선에서 발생한 자속의 방향으로 선정될 수 있다. q축은 토크축으로서, d축과 직교를 이루는 축에 해당할 수 있다.
모터(20)의 전기각은 좌표계의 q축(토크축)을 기준으로 반시계 방향으로 측정될 수 있다. 인버터 제어부(12)는 인버터(11)의 스위칭 동작을 제어하므로, 모터(20)의 전기각을 항상 측정 또는 추정할 수 있다. 실시 예에 따라, 인버터 제어부(12)는 각 상의 상전류 값들 중 적어도 하나를 이용하여 전기각을 측정 또는 추정할 수도 있다.
이에 기초하여 도 6 및 도 7을 참조하면, 모터(20)의 전기각인 30˚인 지점에서, V상의 상전류는 최대값을 가질 수 있다. 또한, 모터(20)의 전기각이 150˚인 지점에서, W상의 상전류는 최대값을 가질 수 있다. 마지막으로, 모터(20)의 전기각이 270˚인 지점에서, U상의 상전류는 최대값을 가질 수 있다.
한편, U상 전류의 ZCP(zero crossing point) 지점은, U상 전류값이 0에 해당하는 전기각을 의미할 수 있다. 즉, 도 6에서 U상 전류의 ZCP 지점은 0˚ 및 180˚에 해당할 수 있다.
이와 유사하게, V상 전류의 ZCP 지점은 V상 전류값이 0에 해당하는 전기각을 의미하고, W상 전류의 ZCP 지점은 W상 전류값이 0에 해당하는 전기각을 의미할 수 있다. 도 6에서, V상 전류의 ZCP 지점은 120˚ 및 300˚에 해당하고, W상 전류의 ZCP 지점은 60˚ 및 240˚에 해당할 수 있다.
각 상의 전력 케이블이 단선되지 않은 정상 상태인 경우에는, 각 상의 상전류가 최대값을 갖는 전기각에서 소정 수치의 전류값이 측정될 수 있다. 반면, 어느 하나의 상(예컨대, U상)의 전력 케이블이 단선된 경우, 전기각이 270˚인 지점에서 U상의 상전류의 크기가 0으로 측정되거나, 상기 최대값에 비해 현저히 낮은 값의 상전류가 측정될 수 있다.
따라서, 인버터 제어부(12)는 전기각이 30˚인 지점 및 그를 포함하는 각도 범위(제1 범위(R1))에서 V상의 상전류를 측정하고, 전기각이 150˚인 지점 또는 그를 포함하는 각도 범위(제2 범위(R2))에서 W상의 상전류를 측정할 수 있다. 또한 인버터 제어부(12)는 전기각이 270˚인 지점 또는 그를 포함하는 각도 범위(제3 범위(R3))에서 U상의 상전류를 측정할 수 있다. 제1 범위(R1) 내지 제3 범위(R3)는, 대응하는 상의 상전류가 0보다 큰 전기각을 포함하도록 설정될 수 있다. 보다 바람직하게, 제1 범위(R1) 내지 제3 범위(R3)는 대응하는 상의 상전류가 다른 상의 상전류보다 큰 구간에 해당하는 전기각을 포함하도록 설정될 수 있다. 따라서, 상전류 측정시 노이즈에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
실시 예에 따라, 제1 범위(R1) 내지 제3 범위(R3)는, 대응하는 상의 상전류가 역방향으로 최대값을 갖는 전기각을 포함하도록 설정될 수도 있다. 이 경우, 제1 범위(R1)는 전기각이 210˚인 지점을 포함하도록 설정될 수 있고, 제2 범위(R2)는 전기각이 330˚인 지점을 포함하도록 설정될 수 있으며, 제3 범위(R3)는 전기각이 90˚인 지점을 포함하도록 설정될 수 있다.
다시 도 3을 설명한다.
측정된 전기각이 제1 범위 이내인 경우(S110의 YES), 모터 구동 장치(10)는 인버터(11)로부터 모터(20)로 공급되는 각 상의 상전류 중 V상의 상전류를 측정할 수 있다(S120).
제1 범위(R1)는, 30˚를 기준으로 일정 범위의 각도를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 범위(R1)는 20˚~ 40˚에 해당할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
V상에 해당하는 전력 케이블이 단선되지 않은 경우, 전기각이 제1 범위(R1)에 해당할 때 V상의 상전류(IV)는 최대값 또는 최대값에 근접한 값을 가질 수 있다. 따라서, 인버터 제어부(10)에 의해 측정되는 V상의 상전류(IV)는 소정 값 이상의 전류값을 갖게 될 수 있다.
반면, V상에 해당하는 전력 케이블이 단선된 경우, 전기각이 제1 범위(R1)에 해당하더라도 V상의 상전류(IV)는 상기 최대값에 비해 매우 낮은 값을 가질 수 있다. 이론적으로는 전력 케이블이 단선되었으므로 V상의 상전류(IV)는 0으로 측정되어야 하나, 실제 노이즈의 영향 등으로 인해 V상의 상전류(IV)는 미세한 값을 가질 수 있다.
따라서, 인버터 제어부(12)는 전기각이 제1 범위(R1)에 해당할 때 V상의 상전류(IV)를 측정함으로써, V상의 상전류(IV)의 이상 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
측정된 V상의 상전류가 단선 기준값보다 낮은 경우(S130의 YES), 모터 구동 장치(10)는 단선 여부를 판단하기 위한 카운트를 증가시킬 수 있다(S140).
상술한 바와 같이, V상의 상전류가 미세한 값을 갖는 경우, 즉 기 설정된 단선 기준값보다 낮은 값을 갖는 경우, 인버터 제어부(12)는 V상의 전력 케이블의 단선 여부를 판단하기 위한 카운트를 증가시킬 수 있다.
경우에 따라, 측정 오류 등으로 인해 V상의 전력 케이블이 단선되지 않았음에도 상전류 값이 지나치게 낮게 측정될 수도 있다. 따라서, 인버터 제어부(12)는 소정 횟수 동안 V상의 상전류를 주기적 또는 연속적으로 측정하여 단선 여부를 판단함으로써, 전력 케이블의 단선 검출 시 정밀도를 향상시킬 수 있다.
모터 구동 장치(10)는 카운트가 기준값에 도달하였는지 여부를 확인할 수 있다(S150). 카운트가 기준값에 도달하지 않은 경우(S150의 NO), 모터 구동 장치(10)는 모터의 전기각이 1회 회전 후 다시 제1 범위(R1) 이내에 해당할 때, V상의 상전류를 다시 측정할 수 있다.
반면, 카운트가 기준값에 도달한 경우(S150의 YES), 모터 구동 장치(10)는 V상에 해당하는 전력 케이블의 단선을 검출할 수 있다(S160).
즉, 인버터 제어부(12)는 V상의 상전류(IV)가 소정 카운트 이상 연속적으로 단선 기준값 미만으로 측정되는 경우에만 상기 V상의 전력 케이블이 단선되는 것으로 검출할 수 있다. 따라서, 단순한 측정 오류에도 전력 케이블이 단선된 것으로 잘못 검출하는 문제를 해소함으로써, 전력 케이블의 단선 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 W상의 전력 케이블에 대한 단선 여부를 검출하는 동작을 설명하기 위한 플로우차트이고, 도 5는 U상의 전력 케이블에 대한 단선 여부를 검출하는 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 3과 도 4를 참조하면, S200 단계는 S100 단계와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
측정된 전기각이 제2 범위 이내인 경우(S210의 YES), 모터 구동 장치(10)는 인버터(11)로부터 모터(20)로 공급되는 각 상의 상전류 중 W상의 상전류를 측정할 수 있다(S220).
제2 범위(R2)는 150˚를 기준으로 일정 범위의 각도를 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 범위(R2)는 140˚~ 160˚에 해당할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
W상에 해당하는 전력 케이블이 단선되지 않은 경우, 전기각이 제2 범위(R2)에 해당할 때 W상의 상전류(IW)는 최대값 또는 최대값에 근접한 값을 가질 수 있다. 따라서, 인버터 제어부(10)에 의해 측정되는 W상의 상전류(IW)는 소정 값 이상의 전류값을 갖게 될 수 있다.
반면, W상에 해당하는 전력 케이블이 단선된 경우, 전기각이 제2 범위(R2)에 해당하더라도 W상의 상전류(IW)는 상기 최대값에 비해 매우 낮은 값을 가질 수 있다. 이론적으로는 전력 케이블이 단선되었으므로 V상의 상전류(IW)는 0으로 측정되어야 하나, 실제 노이즈의 영향 등으로 인해 V상의 상전류(IW)는 미세한 값을 가질 수 있다.
따라서, 인버터 제어부(12)는 전기각이 제2 범위(R2)에 해당할 때 W상의 상전류(IW)를 측정함으로써, W상의 상전류(IW)의 이상 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
측정된 W상의 상전류가 단선 기준값보다 낮은 경우(S230의 YES), 모터 구동 장치(10)는 단선 여부를 판단하기 위한 카운트를 증가시킬 수 있다(S240).
상술한 바와 같이, W상의 상전류가 미세한 값을 갖는 경우, 즉 기 설정된 단선 기준값보다 낮은 값을 갖는 경우, 인버터 제어부(12)는 W상의 전력 케이블의 단선 여부를 판단하기 위한 카운트를 증가시킬 수 있다.
경우에 따라, 측정 오류 등으로 인해 W상의 전력 케이블이 단선되지 않았음에도 상전류 값이 지나치게 낮게 측정될 수도 있다. 따라서, 인버터 제어부(12)는 소정 횟수 동안 W상의 상전류를 주기적 또는 연속적으로 측정하여 단선 여부를 판단함으로써, 전력 케이블의 단선 검출 시 정밀도를 향상시킬 수 있다.
모터 구동 장치(10)는 카운트가 기준값에 도달하였는지 여부를 확인할 수 있다(S250). 카운트가 기준값에 도달하지 않은 경우(S250의 NO), 모터 구동 장치(10)는 모터의 전기각이 1회 회전 후 다시 제2 범위(R2) 이내에 해당할 때, W상의 상전류를 다시 측정할 수 있다.
반면, 카운트가 기준값에 도달한 경우(S250의 YES), 모터 구동 장치(10)는 W상에 해당하는 전력 케이블의 단선을 검출할 수 있다(S260).
S250 단계 내지 S260 단계는 도 3의 S150 단계 내지 S160 단계와 유사한 바, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3과 도 5를 참조하면, S300 단계는 S100 단계와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
측정된 전기각이 제3 범위 이내인 경우(S310의 YES), 모터 구동 장치(10)는 인버터(11)로부터 모터(20)로 공급되는 각 상의 상전류 중 U상의 상전류를 측정할 수 있다(S320).
제3 범위(R3)는 270˚를 기준으로 일정 범위의 각도를 포함할 수 있다. 예컨대, 제3 범위(R3)는 260˚~ 280˚에 해당할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
U상에 해당하는 전력 케이블이 단선되지 않은 경우, 전기각이 제3 범위(R3)에 해당할 때 U상의 상전류(IU)는 최대값 또는 최대값에 근접한 값을 가질 수 있다. 따라서, 인버터 제어부(10)에 의해 측정되는 U상의 상전류(IU)는 소정 값 이상의 전류값을 갖게 될 수 있다.
반면, U상에 해당하는 전력 케이블이 단선된 경우, 전기각이 제3 범위(R3)에 해당하더라도 U상의 상전류(IU)는 상기 최대값에 비해 매우 낮은 값을 가질 수 있다. 이론적으로는 전력 케이블이 단선되었으므로 U상의 상전류(IU)는 0으로 측정되어야 하나, 실제 노이즈의 영향 등으로 인해 U상의 상전류(IU)는 미세한 값을 가질 수 있다.
따라서, 인버터 제어부(12)는 전기각이 제3 범위(R2)에 해당할 때 U상의 상전류(IU)를 측정함으로써, U상의 상전류(IU)의 이상 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
측정된 U상의 상전류가 단선 기준값보다 낮은 경우(S330의 YES), 모터 구동 장치(10)는 단선 여부를 판단하기 위한 카운트를 증가시킬 수 있다(S340).
상술한 바와 같이, U상의 상전류가 미세한 값을 갖는 경우, 즉 기 설정된 단선 기준값보다 낮은 값을 갖는 경우, 인버터 제어부(12)는 U상의 전력 케이블의 단선 여부를 판단하기 위한 카운트를 증가시킬 수 있다.
경우에 따라, 측정 오류 등으로 인해 U상의 전력 케이블이 단선되지 않았음에도 상전류 값이 지나치게 낮게 측정될 수도 있다. 따라서, 인버터 제어부(12)는 소정 횟수 동안 U상의 상전류를 주기적 또는 연속적으로 측정하여 단선 여부를 판단함으로써, 전력 케이블의 단선 검출 시 정밀도를 향상시킬 수 있다.
모터 구동 장치(10)는 카운트가 기준값에 도달하였는지 여부를 확인할 수 있다(S350). 카운트가 기준값에 도달하지 않은 경우(S350의 NO), 모터 구동 장치(10)는 모터의 전기각이 1회 회전 후 다시 제3 범위(R3) 이내에 해당할 때, U상의 상전류를 다시 측정할 수 있다.
반면, 카운트가 기준값에 도달한 경우(S350의 YES), 모터 구동 장치(10)는 U상에 해당하는 전력 케이블의 단선을 검출할 수 있다(S360).
S350 단계 내지 S360 단계는 도 3의 S150 단계 내지 S160 단계와 유사한 바, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 실시 예는 개별적으로 수행되는 것이 아니라, 동시에 수행될 수 있다. 예컨대, U상의 전력 케이블과 W상의 전력 케이블이 모두 단선된 경우, 인버터 제어부(12)는 U상의 전력 케이블의 단선을 검출할 수 있고, 이와 함께 W상의 전력 케이블의 단선까지도 검출할 수 있다.
적어도 하나의 전력 케이블의 단선이 검출되는 경우, 인버터 제어부(12)는 모터(20)로의 전원 공급을 중단하도록 인버터(11)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(20)로의 과전류 공급을 방지함으로써 모터(20) 또는 인버터(11) 자체의 손상이나 파손을 방지할 수 있다. 동시에, 모터(20) 또는 인버터(11)의 발화를 방지하여 모터(20) 및 인버터(11)가 장착된 가전 기기나 전기 자동차 등의 발화까지도 방지할 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 어느 하나의 전력 케이블의 단선 시 측정되는 상전류의 예를 살펴보기로 한다.
도 8은 모터의 U상에 대응하는 전력 케이블의 단선 시, 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다. 도 9는 모터의 V상에 대응하는 전력 케이블의 단선 시, 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다. 도 10은 모터의 W상에 대응하는 전력 케이블의 단선 시, 전기각에 따른 각 상의 상전류를 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 인버터 제어부(12)는 모터(20)로 삼상 교류 전류를 출력하도록 인버터(11)를 제어할 수 있다. 인버터(11)는 U상의 전력 케이블을 통해 U상의 교류 전류(IU)를 출력하고, V상의 전력 케이블을 통해 V상의 교류 전류(IV)를 출력하며, W상의 전력 케이블을 통해 W상의 교류 전류(IW)를 출력할 수 있다.
도 8을 참조하면, U상의 전력 케이블이 단선되는 경우, U상의 교류 전류(IU)는 모터(20)로 공급되지 못하므로, U상의 전류(IU)의 크기는 0으로 측정될 수 있다. 다만, 실제로는 노이즈 등의 영향으로 인해 U상의 전류(IU)는 미세한 값을 가질 수도 있다.
이 경우, U상의 교류 전류(IU)가 최대값을 가져야 하는 구간인 제3 범위(R3) 구간에서, U상의 교류 전류(IU)는 소정 값(예컨대, 단선 기준값)보다 낮게 측정될 수 있다. 이러한 현상이 기준 횟수 이상 연속적으로 나타나는 경우, 인버터 제어부(12)는 U상의 전력 케이블이 단선된 것으로 검출할 수 있다.
도 9를 참조하면, V상의 전력 케이블이 단선되는 경우, V상의 교류 전류(IV)는 모터(20)로 공급되지 못하므로, V상의 전류(IV)의 크기는 0으로 측정(또는 미세한 값으로 측정)될 수 있다.
이 경우, V상의 교류 전류(IV)가 최대값을 가져야 하는 구간인 제1 범위(R1) 구간에서, V상의 교류 전류(IV)는 소정 값(예컨대, 단선 기준값)보다 낮게 측정될 수 있다. 이러한 현상이 기준 횟수 이상 연속적으로 나타나는 경우, 인버터 제어부(12)는 V상의 전력 케이블이 단선된 것으로 검출할 수 있다.
도 10을 참조하면, W상의 전력 케이블이 단선되는 경우, W상의 교류 전류(IW)는 모터(20)로 공급되지 못하므로, W상의 전류(IW)의 크기는 0으로 측정(또는 미세한 값으로 측정)될 수 있다.
이 경우, W상의 교류 전류(IW)가 최대값을 가져야 하는 구간인 제2 범위(R2) 구간에서, W상의 교류 전류(IW)는 소정 값(예컨대, 단선 기준값)보다 낮게 측정될 수 있다. 이러한 현상이 기준 횟수 이상 연속적으로 나타나는 경우, 인버터 제어부(12)는 W상의 전력 케이블이 단선된 것으로 검출할 수 있다.
비록 도시되지는 않았으나, 예컨대 U상의 전력 케이블 및 V상의 전력 케이블이 모두 단선된 경우, 제3 범위(R3)에서의 U상의 전류(IU)의 크기와, 제1 범위(R1)에서의 V상의 전류(IV)의 크기는 각각 소정 값보다 낮게 측정될 수 있다. 이러한 현상이 기준 횟수 이상 연속적으로 나타나는 경우, 인버터 제어부(12)는 U상의 전력 케이블 및 V상의 전력 케이블이 단선된 것으로 검출할 수 있다.
즉, 본 명세서에 도시된 실시 예에 따르면, 모터 구동 장치(10)는 인버터(11)로부터 모터(20)로 출력되는 각 상의 상전류만을 이용하여 전력 케이블의 단선을 정밀하게 검출할 수 있다. 특히, 상기 각 상의 상전류만을 이용하므로, 인버터 제어부(12)의 로드가 최소화될 수 있다. 따라서, 인버터 제어부(12)를 구성함에 있어 보다 저전력의 컨트롤러(예컨대, MCU 등)를 이용할 수 있고, 인버터 제어부(12)의 단가 또한 절약할 수 있다.

Claims (10)

  1. 스위칭 동작에 의해, 직류 전원을 복수의 상을 갖는 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터;
    상기 인버터로부터 상기 모터로 출력되는 상기 복수의 상을 갖는 교류 전원에 대하여, 상기 복수의 상 각각에 대한 상전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 모터의 전기각에 기초하여, 상기 복수의 상 중 적어도 하나의 상에 대한 상전류를 측정하도록 상기 전류 측정부를 제어하고,
    측정된 상전류에 기초하여 상기 적어도 하나의 상에 대응하는 전력 케이블의 단선 여부를 검출하는 인버터 제어부를 포함하는 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 전기각이 제1 각도를 포함하는 제1 범위 이내인 경우, 상기 복수의 상 중 제1 상에 대한 제1 상전류를 측정하고,
    측정된 제1 상전류의 값이 단선 기준값보다 낮은지 여부에 기초하여, 상기 제1 상에 대응하는 제1 전력 케이블의 단선 여부를 검출하는 모터 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1 상전류를 연속적으로 측정하고,
    상기 연속적으로 측정된 제1 상전류의 값이 상기 단선 기준값보다 소정 횟수 이상 낮은 경우, 상기 제1 전력 케이블의 단선을 검출하는 모터 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1 상전류의 값이 상기 단선 기준값보다 낮은 경우, 상기 제1 전력 케이블의 단선 여부를 검출하기 위한 카운트를 증가시키고,
    상기 카운트가 기준값에 도달하는 경우, 상기 제1 전력 케이블의 단선을 검출하는 모터 구동 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 각도는, 상기 모터의 정상 동작 시 상기 제1 상전류가 최대값을 갖는 전기각인 모터 구동 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 모터는 삼상 모터를 포함하고,
    상기 인버터는 상기 모터로 삼상 교류 전원을 출력하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 전기각이 제2 각도를 포함하는 제2 범위 이내인 경우, 상기 삼상 중 제2 상에 대한 제2 상전류를 측정하고,
    측정된 제2 상전류의 값이 상기 단선 기준값보다 낮은지 여부에 기초하여, 상기 제2 상에 대응하는 제2 전력 케이블의 단선 여부를 검출하는 모터 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 각도는, 상기 모터의 정상 동작 시 상기 제2 상전류가 최대값을 갖는 전기각이고,
    상기 제2 각도와 상기 제1 각도의 차이는 120˚에 해당하는 모터 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는 CT(current transformer) 센서를 포함하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1 전력 케이블의 단선이 검출된 경우, 상기 모터로의 상기 교류 전원 공급을 차단하는 모터 구동 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 구비된 모터 구동 장치를 포함하는 가전 기기.
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