KR100566437B1 - 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 종래에는 운전 중 출력선이 지락되었거나, 인버터의 전원주파수와 출력주파수가 유사한 경우에 지락고장을 검출하지 못하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 인버터로 유도 전동기를 구동하는 제어 장치에 있어서, 상기 인버터의 각 상의 전류를 검출하여 출력하는 전류 검출기와; 전류 검출 인터럽트의 발생 빈도를 조절하여 상기 전류 정보의 양을 조절하는 검출빈도조절기와; 상기 각 상에 무효 벡터 인가시 전류의 변동을 검출하고 검출된 값과 기 설정된 무효 벡터 전류 레벨의 대소 여부에 따라 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판별하는 지락 상 판별기와; 상기 판별된 지락 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 위상 천이 조정기로 구성된 지락검출기를 포함하여 구성되어 운전 중 출력선이 지락되었거나 인버터의 전원주파수와 출력주파수가 유사한 경우에도 지락고장을 검출하여 인버터의 동작 신뢰성을 높이고, 추가 비용을 들이지 않고 신뢰성을 증대시키는 효과가 있다.

Description

위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치 및 방법{INVERTER FAULT DETECTION APPARATUS AND METHOD USING PHASE SHIFTING}

도 1은 종래 유도 전동기를 구동하는 제어 장치의 구성을 보인 블록도.

도 2는 도 1의 전력회로의 상세 구성을 보인 예시도.

도 3은 3상 Y결선 중성점 접지의 경우에 설치된 인버터의 출력 U상에 지락고장이 발생한 상황을 등가회로로 구성한 예를 보인도.

도 4는 3상 △결선의 경우 RST 상중 임의의 상을 접지로 사용한 경우에 설치된 인버터의 출력 U상에 지락고장이 발생한 상황을 등가회로로 구성한 예를 보인도.

도 5는 3상 △결선의 경우 RST 상중 R상을 접지로 사용한 경우에 인버터의 출력 U상에 지락고장이 발생한 상황을 등가회로로 구성한 예를 보인도.

도 6은 종래 지락 검출 장치의 구성을 보인 블록도.

도 7은 종래 지락 검출 방법의 동작 흐름도.

도 8은 종래 지락 검출 방법에 의한 실험 결과를 보인 파형도.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치의 구성을 보인 블록도.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 방 법의 동작 흐름도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

6 : 인버터 8 : 전류 검출기

10 : 가변전압/가변주파수 펄스 폭 제어부 91 : 지락 검출기

본 발명은 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 인버터가 출력을 개시한 시점부터 운전주파수가 인버터 전원주파수와 같아지는 영역 내에서 인버터의 출력단과 대지간에 발생한 지락고장을 위상천이를 이용하여 감지할 수 있게 한 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 유도 전동기를 구동하는 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터(2)와; 전원 투입시 돌입 전류의 유입을 방지하는 초기 충전저항(R)과; 상기 돌입 전류가 억제된 후 초기 충전저항을 회로에서 분리하는 전자접촉기(4)와; 상기 직류전압을 평활시키는 필터 콘덴서(5)와; 제어 스위치 소자(Transistor, MOSFET, IGBT, GTO)로 구성되어 직류를 교류로 변환하는 가변전압/가변주파수 펄스 폭 변조 인버터(이하, 인버터로 표기함)(6)와; 상기 인버터(6)에 의해 운전되는 유도 전동기(7)와; U, V, W 각 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기(8)와; 상기 인버터의 직류전압 및 상전류 등의 각종 정보를 수집하고 각 종 운전을 지령하는 주제어부(9)와; 상기 주제어부(9)로부터 입력된 전압지령과 주파수 지령치를 가지고 펄스 폭 변조 파형을 만들어 인버터 상의 스위치 소자에 스위칭 전압을 인가하는 가변전압/가변주파수 펄스 폭 변조 제어부(10)로 구성된다.

인버터(6)는 상용전원(AC220/440V)의 전력을 입력받아 전력변환을 통하여 출력전압과 주파수를 변환시켜 전동기에 공급함으로써 전동기 속도 및 토크를 고효율로 제어하는 가변속 전동기 구동 장치이다.

인버터(6)는 전동기의 속도를 정밀 제어하여 에너지 절약과 품질향상을 이룰 수 있으므로 각종 송풍기, 펌프 및 공작기계, 섬유기계 등의 자동화 설비에 널리 쓰이고 있다. 상기 인버터(6)를 사용하는 저압배전선 계통에서는 고압과 저압의 혼촉에 의한 2차측 전력선에 과전류 재해를 방지하기 위하여 접지를 한다.

만약 인버터(6)의 출력선이 낙뢰나 노후에 의하여 대지에 접촉되면 이때 흐르는 대전류가 인버터의 정류 다이오드 및 스위치 소자를 경유하여 대지로 흐르게 되어 소자의 파손 및 화재 등의 2차 사고를 유발할 수 있으므로 인버터의 출력단과 대지간에 발생한 지락고장에 대한 보호가 필요하게 된다.

도 2는 도 1의 전력회로를 상세하게 도시한 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터(2)와; 제어 스위치 소자(IGBT)로 구성되어 직류를 교류로 변환하는 인버터(6)와; U, V, W 각 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기(8)로 구성된다.

상기 전력회로에서 교류전원은 수/배전반에서 인출한 변압기 2차측 전원으로 3상 Y결선의 경우 중성점을 접지하며, 3상 △결선의 경우 RST 상중 임의의 상을 접 지로 사용한다.

도 3은 3상 Y결선 중성점 접지의 경우 설치된 인버터의 출력 U상이 지락고장이 발생한 상황을 등가회로로 구성한 예이고, 도 4는 3상 △결선의 경우 RST 상중 임의의 상을 접지로 사용한 경우에 설치된 인버터의 출력 U상이 지락고장이 발생한 상황을 등가회로로 구성한 예이다. 추가된 저항은 접지저항을 표현한 것이며 인버터는 누전의 위험도가 크기 때문에 접지저항이 10Ω인 특별2종 접지이어야 한다.

도 5는 유도 전동기를 구동하는 제어 장치에서 교류전원이 3상 △결선의 경우 RST 상중 R상을 접지로 사용한 경우에 설치된 인버터의 출력 U상이 대지로 접촉되어 지락고장이 발생한 상황을 등가회로로 구성한 예를 보인도이다.

지락고장이 발생하면 접지저항을 통한 누설전류가 흐르게 되고, 이 전류는 스위치 소자와 정류 다이오드, 유도 전동기, 직류전압을 평활시키는 필터 콘덴서 등 여러 경로를 통해서 시스템에 영향을 준다.

도 6은 종래 지락의 발생을 감지하고 고장 처리를 하기 위한 지락 검출 장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 전류 흐름을 검출하는 전류검출기(8)와; 발생된 지락전류를 계산하고 고장으로 처리할지 계속 운전할지를 결정하는 주제어부(9)와; 계속 운전할 경우 스위칭 패턴을 구현하는 가변전압/가변주파수 펄스 폭 변조 제어부(10)와; 직류를 교류로 변환하는 인버터(6)로 구성된다.

주제어부(9)는 지락고장과 관련하여 인버터(6)의 동작을 제어하며, 도 7에서 종래 지락 검출 방법의 동작 흐름을 표시하였다.

인버터로부터 입력된 전류정보는 모두 합해져서 지락전류값으로 계산되고, 설정된 지락전류 레벨보다 계산된 지락전류가 큰 경우가 되면 내부 카운터를 가산하고 작으면 감산한다.

그리고, 상기 카운터 값이 미리 설정된 지락고장 카운터보다 커지면 고장으로 처리한다.

도 8은 종래 기술을 검증하기 위해 교류 전원의 주파수와 인버터의 출력 주파수를 동일하게 한 후 인버터를 운전하여 지락고장의 검출여부를 확인하기 위한 실험 결과의 파형을 보인도이다.

1번 채널은 U상전류, 2번 채널은 지락전류를 나타내고, 이 파형을 보면 외부 지락으로 인한 상전류의 왜곡이 심하고, 커다란 지락전류가 흐름에도 불구하고, 지락고장 처리를 하지 못하는 경우가 발생함을 알 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 있어서, 운전 중 출력선이 지락되었거나, 인버터의 전원주파수와 출력주파수가 유사한 경우에 지락고장을 검출하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 지락고장 처리를 하지 못하는 경우가 발생함으로 인해 지락전류가 인버터의 정류 다이오드 및 스위치 소자를 경유하여 대지로 흐르게 되어 소자의 파손 및 화재 등 2차 사고를 유발할 수 있으므로 제품의 신뢰성을 저해하는 문제점이 있다.

또한, 유도 전동기의 입력전압 중첩으로 인한 토크의 불균형은 일정한 회전속도의 특성을 저해하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 인버터가 출력을 개시한 시점부터 운전주파수가 인버터 전원주파수와 같아지는 영역 내에서 인버터의 출력단과 대지간에 발생한 지락고장을 출력전압의 위상천이를 이용하여 감지하도록 한 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인버터로 유도 전동기를 구동하는 제어 장치에 있어서, 상기 인버터의 각 상의 전류를 검출하여 출력하는 전류 검출기와; 전류 검출 인터럽트의 발생 빈도를 조절하여 상기 전류 정보의 양을 조절하는 검출빈도조절기와; 상기 각 상에 무효 벡터 인가시 전류의 변동을 검출하고 검출된 값과 기 설정된 무효 벡터 전류 레벨의 대소 여부에 따라 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판별하는 지락 상 판별기와; 상기 판별된 지락 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 위상 천이 조정기로 구성된 지락검출기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 인버터에서 각 상에 흐르는 전류를 감지한 값을 모두 더한 값이 지락전류 레벨보다 크면 지락검출을 결정하는 단계와; 상기 지락검출이 결정되면 무효 벡터 인가시 각 상별 검출 전류의 크기 차이인 무효 벡터 전류 레벨을 설정하는 단계와; 상기 각 상의 전류에 대한 검출 빈도를 조절하여 전류 정보량을 증가시키는 단계와; 상기 각 상에 무효 벡터 인가시 전류의 변동을 계산한 값과 기 설정된 상기 무효 벡터 전류 레벨간의 대소 여부를 비교하여 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판단하는 단계와; 상기 지락으로 판별된 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 단계와; 상기 지락검출이 소정 횟수 이상이면 지락 고장으로 판단하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 직류를 교류로 변환하는 인버터(6)와; 상기 인버터(6)의 전류를 검출하는 각 상의 전류 검출기(8)와; 상기 인버터(6)의 직류전압 및 상전류 등의 각종 정보를 수집하고 각종 운전을 지령하는 주제어부(9)와; 상기 주제어부(9)로부터 출력되는 전압지령과 주파수 지령치를 입력받아 펄스 폭 변조 파형을 만들어 상기 인버터 각 상의 스위치 소자의 게이트에 스위칭 전압을 인가하는 가변전압/가변주파수 펄스 폭 변조 제어부(10)와; 각 상의 전류 정보를 가공하여 지락전류를 추정하고 지락 상을 판별하여 위상 천이를 유도하는 지락검출기(91)로 구성된다. 여기서, 인버터는 0벡터, 1벡터, 2벡터, 3벡터, 4벡터, 5벡터, 6벡터, 7벡터를 만들어 상기 벡터의 값에 대응하게 상보 관계의 3상 스위치를 온/오프하여 모터를 구동한다. 이 중 1~6벡터는 유효 벡터로서 인버터가 상기 유효 벡터를 출력하면 상기 유효 벡터의 값에 대응한 스위칭에 의해 인버터의 구동 전압이 모터에 전달된다. 그리고 0벡터는 상보 관계의 3상 스위치에서 아랫상들의 스위치만을 모두 온시키고, 7벡터는 윗상들의 스위치만을 모두 온시킨다. 따라서 상기 0벡터와 상기 7벡터는 무효 벡터로서 인버터가 상기 무효 벡터를 출력하면 상기 무효 벡터의 값에 대응한 스위칭에 의해 인버터의 구동 전압이 모터에 전달되지 않는다.

상기 지락검출기(91)는 인버터의 각 상의 전류를 검출하여 출력하는 전류 검출기와; 전류 검출 인터럽트의 발생 빈도를 조절하여 전류 정보의 양을 조절하는 검출빈도조절기와; 상기 각 상별 영벡터와 7벡터 인가시 검출 전류의 차이를 구하고 이 값과 설정된 영벡터 전류 레벨의 대소 여부에 따라 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판별하는 지락상 판별기와; 상기 판별된 지락 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 위상 천이 조정기로 구성된다.

각 상의 전류 검출기(8)는 인버터(6)의 전류를 검출하여 출력하고, 지락검출기는 상기 각 상의 전류 정보를 모두 더해서 지락전류보다 큰지를 판단하여 지락전류를 추정하고 지락 상을 판별하여 출력전압의 위상을 천이한다.

그리고, 검출빈도조절기는 전류 검출 인터럽트의 발생 빈도를 조절하여 더 많은 전류 정보를 입력받을 수 있도록 한다.

지락상 판별기는 각 상별 영벡터와 7벡터 인가시 전류의 차이를 구하고, 이 값과 설정된 영벡터 전류 레벨의 대소 여부에 따라 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판별한다.

위상 천이 조정기는 지락 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시킨다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 방법의 동작 흐름도로서, 이에 도시된 바와 같이 인버터의 각 상에 흐르는 전류를 감지한 값을 모두 더한 값이 지락전류 레벨보다 크면 지락검출을 결정하는 단계와; 상기 지락검출이 결정되면 전압벡터 영벡터와 7벡터 인가시 각 상별 검출 전류의 크기 차이인 영벡터 전류 레벨을 설정하는 단계와; 상기 각 상의 전류에 대한 검출 빈도를 조절하여 전류 정보량을 증가시키는 단계와; 상기 각 상별 영벡터와 7벡터 인가시 전류의 차이를 구한 값과 설정된 영벡터 전류 레벨간의 대소 여부를 비교하여 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판단하는 단계와; 상기 지락으로 판별된 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 단계와; 상기 지락검출이 소정 횟수 이상이면 지락 고장으로 판단하는 단계로 이루어진다.

지락검출기는 지락전류를 추정하고 지락 상을 판별하고 위상천이를 유도하여 지락고장의 검출특성을 개선한다.

인버터로부터 입력되는 전류정보는 모두 더해져서 지락전류값으로 계산되며, 설정된 지락전류 레벨보다 계산된 지락전류가 크면 지락 검출을 시작하고 내부 카운터를 가산하고 작으면 감산한다.

지락 검출은 전압벡터 영벡터와 7벡터 인가시 각 상별 검출 전류의 크기 차이인 영벡터 전류 레벨을 설정하고, 검출빈도조절기에 더 많은 전류정보를 입력받을 수 있도록 전류검출 인터럽트의 발생빈도를 조절하게 한다.

각 상별 영벡터와 7벡터 인가시 전류의 차이를 구하고, 이 값과 설정된 영벡터 전류 레벨의 대소 여부에 따라 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판별한다.

지락으로 판별된 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시켜 운전 중 출력선이 지락되었거나, 인버터의 전원주파수와 출력주파수가 유사한 경우에서도 지락고장을 검출한다. 인버터는 무효 벡터의 출력 구간에서 전류의 변동 추이를 감지하여 지락 여부를 판단할 수 있지만 지락 여부 판단의 정밀도를 높이기 위해 판별된 지락 상의 전압 지령의 최대값 위상을 지락 전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시킨다. 즉, 인버터의 AC 전압은 위상에 따라 전압 크기가 다르므로 인버터는 무효 벡터의 출력 구간에서 의도적으로 전압 지령의 최대값의 위상을 변화시켜 외부 이상 전압에 대해 전류 크기가 가장 큰 시점을 찾기 위해 위상을 변화시키는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 지락 상의 출력전압의 위상을지락전류 위상에 일치시켜 지락고장을 감지함으로써 운전 중 출력선이 지락되었거나 인버터의 전원주파수와 출력주파수가 유사한 경우에도 지락고장을 검출하여 인버터의 동작 신뢰성을 높이고, 추가 비용을 들이지 않고 신뢰성을 증대시키는 효과 가 있다.

또한, 지락고장을 감지하지 못해 발생할 수 있는 소자의 파손 및 화재 등의 2차 사고를 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 인버터로 유도 전동기를 구동하는 제어 장치에 있어서,

   상기 인버터의 각 상의 전류를 검출하여 출력하는 전류 검출기와;

   전류 검출 인터럽트의 발생 빈도를 조절하여 상기 전류 정보의 양을 조절하는 검출빈도조절기와;

   상기 각 상에 무효 벡터 인가시 전류의 변동을 검출하고 검출된 값과 기 설정된 무효 벡터 전류 레벨의 대소 여부에 따라 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판별하는 지락 상 판별기와;

   상기 판별된 지락 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 위상 천이 조정기로 구성된 지락검출기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 장치.
2. 인버터에서 각 상에 흐르는 전류를 감지한 값을 모두 더한 값이 지락전류 레벨보다 크면 지락검출을 결정하는 단계와;

   상기 지락검출이 결정되면 무효 벡터 인가시 각 상별 검출 전류의 크기 차이인 무효 벡터 전류 레벨을 설정하는 단계와;

   상기 각 상의 전류에 대한 검출 빈도를 조절하여 전류 정보량을 증가시키는 단계와;

   상기 각 상에 무효 벡터 인가시 전류의 변동을 계산한 값과 기 설정된 상기 무효 벡터 전류 레벨간의 대소 여부를 비교하여 어느 상에서 지락이 발생하였는지를 판단하는 단계와;

   상기 지락으로 판별된 상의 전압 지령의 최대값의 위상을 지락전류 최대값이 흐르는 위상에 일치시키는 단계와;

   상기 지락검출이 소정 횟수 이상이면 지락 고장으로 판단하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 위상천이를 이용한 인버터 고장 검출 방법.

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