KR101142749B1

KR101142749B1 - 인버터 지락 검출 시스템 및 인버터 지락 검출 방법

Info

Publication number: KR101142749B1
Application number: KR1020100129770A
Authority: KR
Inventors: 박정규
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-05-04

Abstract

본 발명은 기동 시 및 동작 중에 발생하는 지락 전류를 검출할 수 있는 인버터 지락 검출 시스템을 개시(introduce)한다. 상기 인버터 지락 검출 시스템은, 인버터, 2상 전류센서, 지락 전류 검출용 DC 션트 저항 및 지락 검출 스위치를 포함한다. 상기 인버터는 입력되는 서로 위상이 다른 3개의 입력교류전압을 이용하여 서로 위상이 다른 3개의 출력교류전압을 생성한다. 상기 2상 전류센서는 상기 인버터로부터 출력되는 3개의 3상 전류 중 2개의 3상 전류의 양을 검출한다. 상기 지락 전류 검출용 DC 션트 저항은 일 단자가 상기 3개의 출력교류전압 중 하나에 연결된다. 상기 지락 검출 스위치는 상기 3개의 입력교류전압 중 하나와 상기 지락 전류 검출용 DC 션트 저항의 다른 하나의 단자를 스위칭한다.

Description

인버터 지락 검출 시스템 및 인버터 지락 검출 방법 {METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING GROUND FAULT OF INVERTER}

본 발명은 인버터 지락 검출 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 기동 시는 물론 동작 중에 발생하는 지락을 검출할 수 있는 인버터 지락 검출 시스템에 관한 것이다.

인버터(inverter)는 교류전압을 직류전압으로 변환하고, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 상기 변환된 직류전압을 스위칭하여 교류전압을 생성한다. 인버터에서 생성된 교류전압은 부하(load)로 전달되어 사용되는데, 사용자가 원하는 전압 및 원하는 주파수의 교류전압을 부하로 공급하여 부하의 구동을 정밀하게 제어할 수 있다.

인버터에서 직류전압을 교류전압으로 변환시키는데 사용되는 스위칭 소자로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 것이 일반적이다. 부하 예를 들면 교류전동기로 교류전압을 출력하는 인버터의 출력단에 지락(ground fault)이 발생할 경우, 인버터는 부하에 공급하는 전류뿐만 아니라 지락에 의한 전류를 함께 출력한다. 지락 전류는 지락의 상태에 따라 결정되는 것으로서 지락 전류의 크기가 인버터에서 사용하고 있는 스위칭 소자의 정격 전류보다 클 경우에 지락 전류를 제한할 필요가 있다.

또한 지락 전류가 스위칭 소자의 정격 전류보다 크지 않더라도 부하에서 요구되는 전류 이외의 전류가 지속적으로 스위칭 소자를 경유하여 출력되면, 과도한 전류에 의해 스위칭 소자가 손상(damage) 받게 되며 최악의 경우에는 스위칭 소자의 파손을 야기시킬 수 있다. 따라서 인버터는 지락의 발생 여부를 판단하고, 지락이 발생되었다고 판단된 경우에는 인버터를 정지시켜 지락으로 인한 스위칭 소자의 파손을 미연에 방지할 수 있도록 해야 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기동 시 및 동작 중에 발생하는 지락 전류를 검출할 수 있는 인버터 지락 검출 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 기동 시 및 동작 중에 발생하는 지락 전류를 검출할 수 있는 인버터 지락 검출 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 인버터 지락 검출 시스템은, 인버터, 2상 전류센서, 지락 전류 검출용 DC 션트 저항 및 지락 검출 스위치를 포함한다. 상기 인버터는 입력되는 서로 위상이 다른 3개의 입력교류전압을 이용하여 서로 위상이 다른 3개의 출력교류전압을 생성한다. 상기 2상 전류센서는 상기 인버터로부터 출력되는 3개의 3상 전류 중 2개의 3상 전류의 양을 검출한다. 상기 지락 전류 검출용 DC 션트 저항은 일 단자가 상기 3개의 출력교류전압 중 하나에 연결된다. 상기 지락 검출 스위치는 상기 3개의 입력교류전압 중 하나와 상기 지락 전류 검출용 DC 션트 저항의 다른 하나의 단자를 스위칭한다.

상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 인버터 지락 검출방법은, 1차 교류전압을 직류전압으로 변환하는 다이오드 브릿지 회로, 상기 직류전압을 2차 교류전압으로 변환하는 인버팅 스위치를 구비하는 인버터에 적용되며, 상기 인버팅 스위치부를 구성하는 복수 개의 스위치의 온 오프를 제어하는데 사용되며 기동 시 지락 여부 확인용 DC 펄스를 상기 인버팅 스위치부에 제공하는 단계; 상기 기동 시 지락 여부 확인용 DC 펄스에 따라 상기 인버터에 흐르는 내부 DC 전류가 예정된 고장전류 보다 큰 값인지 비교하는 단계; 상기 내부 DC 전류가 상기 예정된 고장전류보다 크다면 지락 고장이 발생한 것으로 판단하여 상기 인버터의 출력을 차단하는 단계; 상기 내부 DC 전류가 상기 예정된 고장전류보다 크지 않다면 상기 인버터가 정상 동작하는데 사용되는 3상 PWM 파형을 상기 인버팅 스위치부에 제공하는 단계; 상기 3상 PWM 파형에 의해 결정되는 상기 인버터의 출력전류인 2차 교류전류가 예정된 과부하 전류 값보다 큰 값인지 비교하는 단계; 상기 2차 교류전류가 상기 예정된 과부하 전류 값보다 크다면 지락 고장이 발생한 것으로 판단하여 상기 인버터의 출력을 차단하는 단계; 및 상기 2차 교류전류가 상기 예정된 과부하 전류 값보다 작다면 정상운전을 수행하고 다음 동작을 위한 상기 3상 PWM 파형을 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 인버터 지락 검출시스템 및 인버터 지락 검출방법은, 초기 기동 시 지락 전류를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 운전 중 지락 전류 검출도 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 인버터 지락 검출시스템 및 인버터 지락 검출방법은, 3 CT(current transformer) 및 ZCT(Zero Current Transformer)와 같은 고가의 전류센서 및 영상전류센서를 소자를 사용하지 않기 때문에 저비용으로 지락을 검출할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인버터 지락 검출 시스템을 나타낸다.
도 2는 초기 기동 시 지락 검출 경로를 나타내다.
도3 은 본 발명에 따른 인버터의 지락 검출방법을 나타내는 신호흐름도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

인버터가 부하로 3상 전력을 정상적으로 출력한다고 가정할 경우에 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합은 3상 평형 즉 0(Iu + Iv + Iw = 0)이 된다. 따라서 지락이 발생하였을 경우에는 3상 평형이 이루어지지 않아 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합은 0이 되지 않는다. 이러한 경우 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw를 검출하고, 검출한 각 상의 전류 Iu, Iv 및 Iw의 합을 계산하며, 계산한 전류의 합이 소정의 레벨 이상으로 소정의 시간 이상 지속될 경우에 지락으로 판단하여 인버터를 정지시키고, 스위칭 소자가 지락으로 인하여 파손되지 않도록 하여야 한다.

인버터에서 전류 검출의 정확도는 각 상의 전류를 검출하는 전류 검출소자의 정확도 및 옵셋(off set)과, 전류검출소자가 검출한 전류를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기의 분해능, 전류 검출소자가 검출한 전류를 처리하는 아날로그 회로의 정확도, 검출시간의 지연 등에 의해 결정되는 것으로서 종래의 지락 검출은 검출한 전류의 정확도에 의해 그 성능이 좌우된다.

도 1은 본 발명에 따른 인버터 지락 검출 시스템을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 인버터 지락 검출 시스템(100)은 인버터(110), 2상 전류센서(120), 지락 전류 스위치(SW2) 및 DC 션트 저항(130)을 포함한다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 인버터 지락 검출 시스템의 가장 중요한 특징은 지락 검출을 위해 2상 전류센서(120)와 지락 전류 검출용 DC 션트 저항(130)을 포함하고 있다는 것이다.

여기서 인버터(110)는 정류부(111), 돌입전류 방지부(112), 평활 콘덴서(CAP), 회생제동부(113), 인버팅 스위치부(114) 및 전류검출저항(115)을 포함한다. 인버터는 본 발명의 핵심 아이디어에 포함되는 것이 아니고, 또한 인버터의 동작은 일반적으로 알려져 있으므로 여기서는 자세하게 설명하지 않는다.

지락의 발생은 인버터의 초기 기동 시와 인터버의 동작 중에 발생하게 되는데, 먼저 인버터의 동작 중에 발생되는 지락에 대하여 설명한다.

도 1에 도시된 인버터 지락 검출 시스템의 경우, 인버터(110)의 동작 중에 지락이 발생되는 경로(화살표)에 대한 것이다.

일반적으로 지락 고장의 경우, 운전 중에는 과열현상에 의해 점진적으로 진행 되므로 돌입전류 방지부(112)를 구성하는 절연 파괴에 의한 저항(R)의 저항 값은 점진적으로 낮아지며, 이에 따라 지락 전류는 W상을 통해 증가한다. 이때 2상 전류센서(120)를 이용하여, W상의 전류 값이 인버팅 스위치부(114)에 사용된 IGBT 과부하 조건을 초과하는 가를 판단한다. 판단 회수를 카운트 하여 초과하는 경우가 설정된 기준보다 클 경우 인버터(110)의 출력을 차단한다.

도 1은 설명의 편의 및 이해를 돕기 위하여 1선 지락이 발생할 경우에 대한 것으로 한정하였는데, W상의 1선 지락의 경우 경로 A를 통해 흐르게 되며 이는 W상 2상 전류센서(120)를 통해 검출 된다.

지락 전류는 지락 전류 검출용 DC 션트 저항(130)을 통해 대지로 흐르는 전류이므로, 지락 전류의 경로는 입력이 델타(delta) 결선인 경우 R, S, T 상 중 1상(T)의 전류가 지락 전류 스위치(SW2) 및 지락 전류 검출용 DC 션트 저항(130)을 경유하는 경로로 나타낼 수 있다.

이 회로에서 지락 전류 검출용 DC 션트 저항(130)은 고속의 고장 전류 검출기에 연결되어 순시적인 과전류 발생시에 출력을 차단하게 된다. 이 회로에서 2상 전류센서(120)는 U, W 2상에 배치되며 대역폭이 낮은 저가형으로 구현되어 있다.

도 2는 초기 기동 시 지락 검출 경로를 나타내다.

도 2를 참조하면, 초기 인버터 구동 시에는 상당히 큰 전류가 흐르게 되므로, 인버터(110)의 지락에 의한 고장의 정도를 파악할 수 없다. 따라서, 인버팅 스위치부(114)를 구성하는 복수 개의 스위치들(IGBT) 중 아래 쪽에 배열된 3개의 스위치들 모두를 턴 온 및 턴 오프를 반복하여 실시함으로써, 3개의 출력선(U, V, W) 중 적어도 하나의 출력선에서 지락이 발생되는 것을 검출한다. 이 때의 지락 경로는 화살표로 도시되어 있다. 인버터의 기동 시 흐르는 지락 전류가 모듈 보호 동작이 이르면 즉시 출력을 차단하고 고장상황을 나타내게 된다.

도 1에서 2상 전류센서(120)를 이용할 경우, 종래의 3상 전류센서를 사용하는 경우와 같이 3상 불평형 전류를 연산하고 영상 전류 기준 지락 고장을 검출 할 수는 없다. 그 대신 소용량 인버터의 정격전류가 낮은 점을 이용하여 일반 고장 지락 전류가 수십 암페어(Ampere)를 초과할 경우 인버터 과전류 보호동작과 같아지므로 2개의 전력선(U, W)의 상의 전류가 과전류 조건을 일정 시간 유지할 경우 지락 고장 및 출력 과부하 조건을 판단하고 출력을 차단하게 된다.

이때 2상 전류센서(120)는 나머지 하나의 전력선(V)으로 흐르는 전류를 검출하지 않으므로, 나머지 하나의 전력선(V)의 지락 고장의 경우 기동 시의 지락 검출 시에는 고장 여부가 검출이 되지 않는다. 그러나, 모터 결선에 의하여 다음 위상에서 2개의 전력선(U, W) 상의 전류센서(120)로 검출 되므로 운전 중 점진적인 절연 파괴에 의한 지락 검출은 가능하다.

도 2에서는 상기 2상 전류센서(120)만을 사용하여 구현 시 1선 완전 지락과 같이 순간적으로 수백 암페어의 전류가 흐르는 경우 나머지 하나의 전력선(V)상 윗상을 통해 고장전류가 흐른다면 IGBT 정격을 초과하여 소손이 발생할 수 있다. 이를 보완하여 최초 기동 시 IGBT 아래 3상을 모두 on/off 반복동작을 시켜 도 2 하단의 그래프와 같은 지락 전류가 발생할 경우 순시적으로 차단하고 지락 고장을 검출하게 된다.

본 발명에서는 상기 2가지 동작을 복합적으로 구성하여 저가격으로 기동 시와 운전 중 지락 고장에 대해 인버터 주요회로를 보호할 수 있도록 설계 하였다.

도3 은 본 발명에 따른 인버터의 지락 검출방법을 나타내는 신호흐름도이다.

도 3을 참조하면, 인버터 지락 검출방법은 먼저 DC 펄스를 출력한다(S2). 이때 예시적으로 40msec 동안 반복 수행할 수 있다. 이는 인버터의 초기 구동을 위한 것이다.

이어서 내부 DC 전류가 예정된 고장전류보다 큰 값인지 비교한다. 만약 크다면(YES), 지락 고장이 발생한 것이며 이 경우 출력을 차단하고(S6) 이어서 인버터에 고장을 표시한다(S8).

만약 크지 않다면(NO), 3상 PWM 파형을 출력한다(S4).

이어서 인버터의 출력전류가 과부하 전류 값보다 큰 값인지 비교한다(S5).

만약 인버터의 출력전류가 과부하 전류 값보다 크다면(YES), 지락 고장이 발생한 것이며 이 경우 출력을 차단하고(S6), 이어서, 인버터에 고장을 표시한다(S8).

만약 인버터의 출력전류가 과부하 전류 값보다 작다면(NO), 정상운전을 수행하고(S7), 다음 동작을 위한 3상 PWM 파형을 출력한다(S4).

여기서, DC 저항 검출 이용(S2)은 초기 기동 시에 해당 되며, 모터가 기동 후 회전 중에는 2상 전류센서를 이용하여 출력 전류를 실제 검출하여 고장 전류 레벨 이상일 경우 출력을 차단하고 인버터 표시 창에 나타내어 과전류에 의한 인버터 고장을 방지한다.

본 발명의 효과 중 운전 중 절연 파괴에 의한 지락 고장 보호는 도 1의 2 상 전류센서(120)에 의한 검출 보호동작에 의해 달성되고, 기동 시 지락 고장 보호의 경우 인버팅 스위치부(114)의 아래부분에 배치된 3상 IGBT 소자를 반복하여 온/오프 하여 DC 션트 저항을 통해 검출하여 달성하게 된다.

또한 본 발명에서 경제적 구성은 운전 중 지락 고장의 경우 IGBT 순시 정격응답을 요하는 과전류가 발생하지 않으므로 기존 3상 전류센서를 이용하는 방식보다 낮은 대역폭의 부품을 적용하여 달성하게 되고 별도 영상전류센서를 사용하지 않는다.

도 1 및 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 인버터 지락 전류 검출 시스템(100)은 인버터의 기동 시 지락 전류 검출용 DC 션트 저항(130)을 통해 흐르는 전류의 양을 검출하고 이를 예정된 고장전류와 비교하는 기능 및 인버터의 동작 중 지락 전류를 검출하기 위하여 인버터의 출력전류를 검출하고 검출된 출력전류와 예정된 과전류 조건을 비교하는 기능을 수행하는 인버터 구동부(미도시)를 더 구비한다.

이외에도, 인버터 구동부는 상기 인버터의 기동 시 지락 전류를 검출하는데 사용되는 상기 DC 펄스를 생성하여 인버팅 스위치부(114)에 전달하는 기능 및 인버터가 정상적으로 동작하도록 하는 제어신호를 인버팅 스위치부(114)에 전달하는 기능도 수행한다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 인버터
120: 2상 전류센서
130: 락 전류 검출용 DC 션트 저항

Claims

입력되는 서로 위상이 다른 3개의 입력교류전압을 이용하여 서로 위상이 다른 3개의 출력교류전압을 생성하는 인버터;
상기 인버터로부터 출력되는 3개의 3상 전류 중 2개의 3상 전류의 양을 검출하는 2상 전류센서;
일 단자가 상기 3개의 출력교류전압 중 하나에 연결된 지락 전류 검출용 DC 션트 저항; 및
상기 3개의 입력교류전압 중 하나와 상기 지락 전류 검출용 DC 션트 저항 의 다른 하나의 단자를 스위칭하는 지락 검출 스위치를 포함하는 인버터 지락 검출 시스템.
제1항에 있어서, 상기 인버터 지락 검출시스템은,
상기 인버터의 기동 시 지락 전류 검출용 DC 션트 저항을 통해 흐르는 전류의 양을 검출하고 이를 예정된 고장전류와 비교하는 기능 및 인버터의 동작 중 지락 전류를 검출하기 위하여 인버터의 출력전류를 검출하고 검출된 출력전류와 예정된 과전류 조건을 비교하는 기능을 수행하는 인버터 구동부를 더 구비하는 인버터 지락 전류 검출시스템.
제2항에 있어서, 상기 인버터 구동부는,
상기 인버터의 기동 시 지락 전류를 검토하기 위한 지락 전류 검출용 스위치제어신호 및 상기 인버터의 일반적인 동작을 제어하는 스위치 제어신호를 더 생성하는 인버터 지락 전류 검출시스템.
1차 교류전압을 직류전압으로 변환하는 다이오드 브릿지 회로, 상기 직류전압을 2차 교류전압으로 변환하는 인버팅 스위치를 구비하는 인버터에 적용되며,
상기 인버팅 스위치부를 구성하는 복수 개의 스위치의 온 오프를 제어하는데 사용되며 기동 시 지락 여부 확인용 DC 펄스를 상기 인버팅 스위치부에 제공하는 단계;
상기 기동 시 지락 여부 확인용 DC 펄스에 따라 상기 인버터에 흐르는 내부 DC 전류가 예정된 고장전류 보다 큰 값인지 비교하는 단계;
상기 내부 DC 전류가 상기 예정된 고장전류보다 크다면 지락 고장이 발생한 것으로 판단하여 상기 인버터의 출력을 차단하는 단계;
상기 내부 DC 전류가 상기 예정된 고장전류보다 크지 않다면 상기 인버터가 정상 동작하는데 사용되는 3상 PWM 파형을 상기 인버팅 스위치부에 제공하는 단계;
상기 3상 PWM 파형에 의해 결정되는 상기 인버터의 출력전류인 2차 교류전류가 예정된 과부하 전류 값보다 큰 값인지 비교하는 단계;
상기 2차 교류전류가 상기 예정된 과부하 전류 값보다 크다면 지락 고장이 발생한 것으로 판단하여 상기 인버터의 출력을 차단하는 단계; 및
상기 2차 교류전류가 상기 예정된 과부하 전류 값보다 작다면 정상운전을 수행하고 다음 동작을 위한 상기 3상 PWM 파형을 제공하는 단계를 포함하는 인버터의 지락 검출 방법.
제4 항에 있어서, 상기 DC 펄스는,
40msec 동안 제공되는 인터버의 지락 검출 방법.
제4 항에 있어서, 상기 인버터의 출력전류는,
상기 3상 인버터로부터 출력되는 3개의 3상 전류 중 2개의 3상 전류를 의미하는 인버터의 지락 검출 방법.