KR20230126341A - 인버터의 입력부 이상 검출 방법 - Google Patents

인버터의 입력부 이상 검출 방법 Download PDF

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KR20230126341A
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Abstract

본 발명은 인버터의 입력부 이상 검출 방법에 관한 것으로, 인버터의 DC 링크 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 초기충전회로의 릴레이를 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛에서 수행되는 이상 검출 방법으로서, a) 제1검출시점에서 DC 링크 커패시터의 제1충전전압을 검출하여, 시점 판단 기준을 제공함과 아울러 설정된 시간 간격으로 DC 링크 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 충전 목표 전압과 비교하는 기준 설정 과정과, b) 상기 기준 설정 과정에서 충전 전압과 충전 목표 전압의 비교 결과 검출된 충전 전압이 충전 목표 전압을 초과한 경우, 충전 전압의 검출 시점을 이용하여 입력전원의 과전압 여부를 판정하는 제1이상 검출 과정과, c) 상기 기준 설정 과정에서 충전 전압과 충전 목표 전압의 비교 결과 검출된 충전 전압이 충전 목표 전압 이하이면, 충전 전압의 검출 시점을 이용하여 입력전원의 저전압 또는 릴레이 소손으로 판정하는 제2이상 검출 과정을 포함할 수 있다.

Description

인버터의 입력부 이상 검출 방법{Error detection method for input part of inverter}
본 발명은 인버터의 입력부 이상 검출 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 인버터의 입력전원 및 초기 충전회로의 릴레이 소손을 검출하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터는 컨버터와 함께 대표적인 전력변환 장치 중 하나이다. 인버터는 교류전력을 입력받아 직류로 변환한 뒤 전동기 제어를 위해 다시 교류로 변환하여 전동기를 제어한다. 팬, 펌프, 엘리베이터, 이송장치, 생산라인 등 전동기가 사용되는 산업 전반에 다양한 형태로 사용된다. 컨버터는 교류 또는 직류 입력전원을 직류로 변환해주는 장치로 전력변환 방식은 인버터와 유사하며, 인버터와 마찬가지로 산업 전반에 다양하게 사용되고 있다.
인버터에는 초기충전회로가 필수적이다. 초기충전회로는 인버터의 직류링크캐패시터에 돌입전류로 인한 과전류가 흐르는 것을 방지하고, 정류부와 직류단의 기생 인덕턴스 성분과 돌입전류에 의해 발생하는 고전압으로부터 소자들을 보호한다.
초기충전회로는 통상 릴레이와 초기충전저항의 병렬 구성을 가지며, 안정적인 전동기 제어를 위해 초기충전회로의 상태를 감시하는 구성이 본 발명 출원인의 공개특허 10-2021-0107414호(2021년 9월 1일 공개)에 기재되어 있다.
위의 공개특허에는 포토커플러를 사용하여 초기충전회로의 릴레이가 닫힌 상태에서 초기충전저항에 흐르는 전류를 검출하는 방식을 사용하는 것으로, 간단한 회로를 사용하면서 효과적으로 초기충전회로의 이상 여부를 검출할 수 있다는 특징이 있다.
다만, 위의 공개특허는 간단한 추가 구성이지만 포토커플러를 부가해야 한다는 점과 입력 전력 이상을 검출할 수 없다는 점에서는 개선이 요구되고 있다.
상기와 같은 개선점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 부가적인 회로 또는 소자의 추가 없이 초기충전회로의 릴레이 소손을 검출할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제는, 초기충전회로의 릴레이 소손 여부 뿐만 아니라 인버터의 입력 전압 이상을 함께 검출할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 인버터의 입력부 이상 검출 방법은, a) 제1검출시점에서 DC 링크 커패시터의 제1충전전압을 검출하여, 시점 판단 기준을 제공함과 아울러 설정된 시간 간격으로 DC 링크 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 충전 목표 전압과 비교하는 기준 설정 과정과, b) 상기 기준 설정 과정에서 충전 전압과 충전 목표 전압의 비교 결과 검출된 충전 전압이 충전 목표 전압을 초과한 경우, 충전 전압의 검출 시점을 이용하여 입력전원의 과전압 여부를 판정하는 제1이상 검출 과정과, c) 상기 기준 설정 과정에서 충전 전압과 충전 목표 전압의 비교 결과 검출된 충전 전압이 충전 목표 전압 이하이면, 충전 전압의 검출 시점을 이용하여 입력전원의 저전압 또는 릴레이 소손으로 판정하는 제2이상 검출 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 a) 과정은, 인버터 동작이 시작되면 제1검출시점에서 제1충전전압을 검출하는 단계와, 제1충전전압과 제1검출시점을 저장하는 단계와, 설정된 시간 간격으로 DC 링크 커패시터의 충전전압을 검출하는 단계와, 검출된 충전전압이 충전 목표 전압을 초과하는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 b) 과정은, 충전전압이 충전 목표 전압을 초과하는 시점이 충전 완료 예상 시간 미만이면 입력전원의 과전압에 의한 DC 링크 커패시터의 과충전이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 c) 과정은, 충전전압이 충전 목표 전압 이하로 유지되는 시간이 충전 완료 예상 시간보다 늦으면, 입력전원이 저전압 이거나 릴레이가 닫힌 상태로, DC 링크 커패시터가 충전 목표 전압으로 충전되지 않는 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명은, 초기충전저항을 통해 DC 링크 커패시터가 충전되는 시간 및 전압을 이용하여, 입력부 이상을 검출함으로써, 별도의 추가 회로를 사용하지 않고도 초기충전회로의 릴레이 소손 여부를 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 릴레이 소손의 검출과 아울러 입력전원의 이상 여부를 검출하여, 릴레이 입력부 이상의 구체적인 원인을 쉽게 확인할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터의 입력부 이상 검출 방법이 적용되는 인버터의 예시도이다.
도 3은 도 1과 도 2의 초기충전회로의 초기 충전 상태의 모델링 회로도이다.
도 4는 초기 충전 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터의 입력부 이상 검출 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명을 설명하기 위한 충전 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
특히, 본 발명은 인버터의 입력부 이상을 검출하는 방법에 관한 것으로, 방법의 수행 주체는 인버터에 적용되어 DC 링크 전압을 검출하고, 초기충전회로의 릴레이를 제어하는 마이크로 콘트롤 유닛(MCU)에서 수행되는 것으로 한다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인버터의 입력부 이상 검출 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명이 적용되는 인버터의 예시도로서, 도 1은 입력전원이 교류인 교류 입력형 인버터의 예이고, 도 2는 입력전원이 직류인 직류 입력형 인버터의 예시도이다.
도 1과 도 2를 각각 참조하면, 교류 입력형 인버터는 정류부(20)를 더 포함하여, 교류인 입력전원을 직류로 정류하여 공급하는 것에서 차이가 있을 뿐, 인버터부(40)에 병렬 연결되는 DC 링크 커패시터(30)와, DC 링크 커패시터(30)의 일단에 충전 전류를 공급하는 초기충전회로(10)와, DC 링크 커패시터(30)의 충전전압을 검출하고, 적어도 초기충전회로(10)의 릴레이(11)를 제어하는 마이크로 컨트롤러 유닛(50, 이하 MCU라 약칭함)을 포함하여 구성된다.
상기 DC 링크 커패시터(30)와 초기충전회로(10)는 인버터부(40)의 입력단 DC 전원을 안정시키는 역할을 하는 것으로, DC 링크 커패시터(30)는 직류 전압을 평활하여 안정적인 직류 전압을 제공하고, 초기충전회로(10)는 인버터부(40)의 동작 시점에서의 DC 링크 커패시터의 돌입 전류를 억제한다.
즉, 인버터부(40)의 초기 가동시 초기충전회로(10)의 릴레이(11)는 열려있으며, 따라서 DC 링크 커패시터(30)에 의해 발생하는 돌입전류가 초기충전회로(10)의 초기충전저항(12)으로 흐르게하여, 돌입 전류의 상승을 억제하는 역할을 한다.
한편, MCU(50)는 DC 링크 커패시터(30)의 전압을 검출하여, 설정된 기준 전압에 비하여 낮은 경우, 릴레이(11)를 열어 초기충전저항(12)을 통해 전류를 공급하여, DC 링크 커패시터(30)가 충전될 수 있도록 제어한다.
이때, DC 링크 커패시터(30)에 충전된 링크 전압이 설정된 전압값으로 충전되면, 인버터부(40)를 동작시켜 전동기에 전류를 공급하여 전동기를 구동한다. 이때 릴레이(11)는 닫힌 상태로 제어된다.
도 3은 앞서 설명한 도 1과 도 2의 초기충전회로(10)의 초기 충전 상태의 모델링 회로도이다.
도 3을 참조하면, 초기충전시에 한정하여 초기충전회로(10)는 상호 직렬 연결된 릴레이(11)와 초기충전저항(12)으로 모델링할 수 있으며, 초기충전시 릴레이(11)가 닫혀, 입력전원(60)의 전류가 초기충전저항(12)을 통해 DC 링크 커패시터(30)로 흐르도록 하여, DC 링크 커패시터(30)를 충전한다.
DC 링크 커패시터(30)가 설정된 전압으로 충전되면, 릴레이(11)를 열어 더 이상 충전이 이루어지지 않도록 입력전원(60)을 차단한다.
이와 같은 모델링 회로에서 초기충전저항(12)의 저항값이 변동되지 않는다는 가정하에, 충전에 필요한 시간은 아래의 수학식1의 함수로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
tcharge = f(Cdc-link)
즉, 충전에 필요한 시간(tcharge)은 DC 링크 커패시터(30)의 정전용량(Cdc-link)의 함수로 표현할 수 있다.
도 4에는 DC 링크 커패시터(30)의 초기 충전 그래프를 도시하였다.
도 4에서 Tr은 충전이 완료되어 릴레이(11)가 닫히는 시각을 나타낸다.
DC 링크 커패시터의 충전전압(Vdc)은 0V에서 초기에 급격하게 증가하다가 완만한 기울기로 충정되며, Vdc1은 릴레이(11)가 닫히는 시각의 기준이 되는 충전 목표 전압이다.
본 발명은 초기충전회로(10)의 동작인 릴레이(11)의 닫힘 또는 열림 상태와 특정 시점에서의 충전전압(Vdc)을 이용하여 인버터 입력부의 이상을 검출한다.
위에서 릴레이(11)의 동작은 MCU(50)에서 제어되는 것으로, 쉽게 확인 가능하다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터의 입력부 이상 검출 방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면 본 발명은 검출 기준을 설정하는 기준 설정 과정(S10)과, 기준 설정 과정에서 설정된 기준을 바탕으로 입력전원(60)의 상향 이상을 검출하는 제1이상 검출 과정(S20)과, 상기 기준 설정 과정에서 설정된 기준을 바탕으로 입력전원(60)의 하향 이상 또는 릴레이(11) 이상을 검출하는 제2이상 검출 과정(S30)을 포함한다.
이하에서는, 이와 같이 구성된 본 발명 인버터 입력부 이상 검출 방법의 구체적인 구성과 작용을 도 6의 그래프를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 기준 설정 과정(S10)은 S11단계와 같이 인버터의 동작이 개시되면 MCU(50)는 설정된 첫 번째 측정 시점(tm1)에서 DC 링크 커패시터(30)의 충전 전압(Vdcm1)을 검출하고 저장한다. 이때 측정 시점(tm1)은 인버터의 동작 개시와 거의 동시에 이루어지는 것으로 할 수 있다. 예를 들어 인버터 동작 개시 후 0.01s 이내인 것으로 할 수 있다.
그 다음, S12단계와 같이 설정된 주기에 따라 반복적으로 DC 링크 커패시터(30)의 충전 전압(Vdc)을 모니터링한다.
즉, S12단계에서는 MCU(50)가 일정한 시간 간격(tm2, tm3..)으로 DC 링크 커패시터(11)의 충전 전압(Vdcm2, Vdcm3..)을 검출한다.
도 6에는 정상 상태의 DC 링크 전압과, 과충전이 발생하는 제1이상 상태의 DC 링크 전압 및 낮은 전압으로 충전되는 제2이상 상태의 예를 설명의 편의를 위하여 과도한 차이로 도시하였다.
그 다음, S13단계와 같이 현재 검출된 DC 링크 전압이 충전 목표 전압(Vdc1)에 대하여 같거나 큰 값인지 확인한다.
예를 들어, MCU(50)가 두 번째 시점(tm2)에서 검출한 DC 링크 전압인 충전 전압(vdcm2)을 보면 정상 상태와 제1이상 상태 및 제2이상 상태 모두에서 충전 목표 전압(Vdc1)보다 작은 값임을 알 수 있다.
이 경우 제2이상 검출 과정(S30)을 수행하며, S31단계와 같이 현재 시간(Tm)을 두 번째 검출 시점(tm2)으로 설정한다.
그 다음, S32단계에서는 현재 시간(Tm=tm2)과 최초 DC 링크 전압을 검출한 시간(tm1)의 차를 구하고, 그 차가 충전 완료 예상 시간(Tr)보다 큰 값인지 확인한다.
두 번째 시점(tm2)에서는 충전 완료 예상 시간(Tr)보다 구해진 값이 작으므로, S12단계의 DC 링크 전압 모니터링을 계속 수행한다.
그 다음, S13단계와 같이 세 번째 시점(tm3)에서 검출된 DC 링크 전압인 충전 전압(Vdcm3)이 충전 목표 전압(Vdc1)과 같거나 큰지 확인한다.
도 6에서 제1이상 상태가 발생한 경우, 세 번째 시점(tm3)에서의 충전 전압(Vdcm3)은 충전 목표 전압(Vdc1)보다 크며, 따라서 제1이상 검출 과정(S20)을 수행한다.
S21단계와 같이 현재 검출된 시점인 세 번째 시점(tm3)을 현재 시간(Tm)으로 설정하고, S22단계와 같이 현재 시간(Tm)과 첫 번째 시점(tm1)의 차가 충전 완료 예상 시간(Tr)보다 작은지 확인한다.
이와 같은 단계는, 충전 완료 예상 시간(Tr)에 비하여 짧은 시간 내에 DC 링크 전압을 검출한 충전 전압(Vdcm3)이 충전 목표 전압(Vdc1)을 초과했는지 확인하는 것이다.
즉, 입력전원(60)이 정상 전압보다 큰 전압을 공급하여, DC 링크 커패시터(30)가 과충전 되었는지 확인하는 과정으로 이해될 수 있다.
S22단계의 판단결과 과충전 상태이면, S24단계와 같이 입력전원(60)의 전압이 과도하게 입력되는 제1이상 상태로 판단한다.
이때, 현재 시간(Tm)과 첫 번째 검출 시점(tm1)의 차가 충전 완료 예상 시간(Tr)과 같거나 크면, S23단계와 같이 정상 동작으로 판단하는 것으로 한다.
만약, 도 6에 도시한 제2이상 상태로 DC 링크 커패시터(30)가 초기 충전되는 상태라면, 앞서 설명한 S12, S13, S31, S32단계가 설정된 시간 간격으로 계속 수행된다.
이때, S12단계에서 n번째 시점에서 충전 전압(Vdcmn)을 검출하고, S13단계에서 충전 전압(Vdcm)이 충전 목표 전압(Vdc1)보다 작을 때, S31단계와 같이 현재 n번째 시점을 현재 시간(Tm)으로 설정한다.
그 다음, S32단계와 같이 현재 시간(Tm)과 첫 번째 검출 시점(tm1)의 차가 충전 예상 시간(Tr)보다 큰지 판단한다.
S32단계는 실질적으로 초기충전이 시작되고 경과한 시간이 충전 예상 시간(Tr)을 넘었는지 판단하는 것이다.
즉, 충전 예상 시간(Tr)이 경과하였음에도, DC 링크 커패시터(30)의 충전 전압(Vdcmn)이 충전 목표 전압(Vdc1)에 도달하지 못하는 경우를 검출한다.
이처럼 충전이 이루어지지 않는 이유는 입력전원(60)이 저전압이거나, 릴레이(11)가 열린 상태가 아닌 닫힌 상태로 유지되고 있는 릴레이 소손 상태인 것으로 판단할 수 있다.
이 경우, S33단계와 같이 릴레이 소손 또는 입력전원(60)이 저전압인 제2이상 상태의 발생을 검출하게 된다.
이처럼 본 발명은 별도의 하드웨어를 추가하지 않고도, DC 링크 커패시터의 충전 전압 상태를 검출하고, 그 충전 전압 상태를 검출한 시간의 정보를 이용하여 인버터의 입력전원의 과전압 또는 저전압 여부를 판단할 수 있으며, 아울러 초기충전회로(10)의 릴레이(11) 소손 여부를 검출할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10:초기충전회로 11:릴레이
12:초기충전저항 30:DC 링크 커패시터
40:인버터부 50:MCU
60:입력전원

Claims (4)

  1. 인버터의 DC 링크 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 초기충전회로의 릴레이를 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛에서 수행되는 이상 검출 방법으로서,
    a) 제1검출시점에서 DC 링크 커패시터의 제1충전전압을 검출하여, 시점 판단 기준을 제공함과 아울러 설정된 시간 간격으로 DC 링크 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 충전 목표 전압과 비교하는 기준 설정 과정;
    b) 상기 기준 설정 과정에서 충전 전압과 충전 목표 전압의 비교 결과 검출된 충전 전압이 충전 목표 전압을 초과한 경우, 충전 전압의 검출 시점을 이용하여 입력전원의 과전압 여부를 판정하는 제1이상 검출 과정; 및
    c) 상기 기준 설정 과정에서 충전 전압과 충전 목표 전압의 비교 결과 검출된 충전 전압이 충전 목표 전압 이하이면, 충전 전압의 검출 시점을 이용하여 입력전원의 저전압 또는 릴레이 소손으로 판정하는 제2이상 검출 과정을 포함하는 인버터의 입력부 이상 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 과정은,
    인버터 동작이 시작되면 제1검출시점에서 제1충전전압을 검출하는 단계;
    제1충전전압과 제1검출시점을 저장하는 단계;
    설정된 시간 간격으로 DC 링크 커패시터의 충전전압을 검출하는 단계; 및
    검출된 충전전압이 충전 목표 전압을 초과하는지 판단하는 단계를 포함하는 인버터의 입력부 이상 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 b) 과정은,
    충전전압이 충전 목표 전압을 초과하는 시점이 충전 완료 예상 시간 미만이면 입력전원의 과전압에 의한 DC 링크 커패시터의 과충전이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 인버터의 입력부 이상 검출 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 c) 과정은,
    충전전압이 충전 목표 전압 이하로 유지되는 시간이 충전 완료 예상 시간보다 늦으면, 입력전원이 저전압 이거나 릴레이가 닫힌 상태로, DC 링크 커패시터가 충전 목표 전압으로 충전되지 않는 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 인버터의 입력부 이상 검출 방법.
KR1020220023363A 2022-02-23 2022-02-23 인버터의 입력부 이상 검출 방법 KR20230126341A (ko)

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