KR101791225B1 - 정류기 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents

정류기 고장 진단 장치 및 방법 Download PDF

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신덕호
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 장치는, 3상(three-phase) 교류 전원이 출력하는 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 획득하는 위상 검출부, 상기 3상 교류 전원으로부터 상기 3상 교류 전압에 의해 출력되는 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 부하에 전달하는 정류기에 있어서, 상기 3상 교류 전류의 각 상의 전류를 측정하고, 상기 부하에 소정 크기의 직류 전류를 전달하기 위해 필요한 3상 교류 전류의 값인 3상 지령 전류의 값을 획득하는 전류 검출부, 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 실제 전류 벡터 및 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 지령 전류 벡터를 산출하고, 상기 지령 전류 벡터의 크기에 대한 상기 실제 전류 벡터의 크기의 비율을 계산하는 연산부 및 상기 위상 및 상기 비율에 기초하여, 상기 정류기의 고장 발생 여부 및 상기 3상 교류 전류의 각 상별로 상기 정류기에 구비된 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치를 판단하는 판단부를 포함할 수 있다.

Description

정류기 고장 진단 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FAILURE OF RECTIFIER}
본 발명은 비엔나 정류기(Vienna Rectifier)와 같은 정류기의 스위치 결함으로 인한 개방성 고장의 발생 여부 및 고장이 발생한 스위치의 위치를 판단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
비엔나 정류기는 단방향 전력 변환 장치의 일종으로, 구체적으로는 교류 전원으로부터 공급되는 3상(three-phase) 교류 전력을 직류로 변환하여 부하에 전달하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 비엔나 정류기는 부하에 전달되는 전력을 용이하게 제어할 수 있고, 전력 전달의 효율이 높다는 이점을 갖는다. 비엔나 정류기는 교류-직류 변환 장치(AC-DC Converter)의 구현에 널리 활용되어 왔으며, 최근에는 전기자동차 충전을 위한 급속충전기의 제작에도 활용되고 있다.
비엔나 정류기를 비롯한 전력 변환 장치의 동작에 있어서, 고장 등으로 인한 이상 동작을 조기에 검출하여 대처하는 것은 장치의 신뢰성 유지에 있어 필수적이라 할 수 있다. 특히 비엔나 정류기는 다수의 전력 스위치를 포함하고 있으며, 이러한 스위치에서 발생하는 고장이 비엔나 정류기 내에서 발생하는 고장의 대부분을 차지한다. 따라서, 고장이 발생한 스위치가 어떤 것인지를 신속하면서도 정확하게 검출하는 것은 비엔나 정류기의 유지 및 보수를 위해 매우 중요하다.
하지만, 비엔나 정류기의 고장 발생 여부 및 고장이 발생한 스위치의 위치를 알기 위해서는 고장 진단을 위한 추가적인 회로 혹은 센서 등의 설비가 필요한데, 이러한 설비는 비엔나 정류기를 포함하는 장치의 가격 및 사이즈를 상승시키는 요인이 될 수 있다.
특허문헌: 대한민국 등록특허 제 10-1250454 호 (2013.03.28. 공고)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 비엔나 정류기와 같은 정류기에 포함된 복수의 스위치 중 고장이 발생한 스위치를 간단한 방법을 통해 정확하게 검출하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 장치는, 3상(three-phase) 교류 전원이 출력하는 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 획득하는 위상 검출부, 상기 3상 교류 전원으로부터 상기 3상 교류 전압에 의해 출력되는 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 부하에 전달하는 정류기에 있어서, 상기 3상 교류 전류의 각 상의 전류를 측정하고, 상기 부하에 소정 크기의 직류 전류를 전달하기 위해 필요한 3상 교류 전류의 값인 3상 지령 전류의 값을 획득하는 전류 검출부, 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 실제 전류 벡터 및 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 지령 전류 벡터를 산출하고, 상기 지령 전류 벡터의 크기에 대한 상기 실제 전류 벡터의 크기의 비율을 계산하는 연산부 및 상기 위상 및 상기 비율에 기초하여, 상기 정류기의 고장 발생 여부 및 상기 3상 교류 전류의 각 상별로 상기 정류기에 구비된 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치를 판단하는 판단부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 위상은, 상기 3상 교류 전압의 한 주기 내에서 시간의 경과에 비례하여 0˚에서 360˚까지 변화하며, 상기 한 주기가 경과하면 다시 0˚가 될 수 있다.
또한, 상기 연산부는, 상기 3상 지령 전류 및 상기 측정된 3상 교류 전류에 대해 기 정해진 벡터 연산을 각각 적용하여 상기 지령 전류 벡터 및 상기 실제 전류 벡터를 생성하되, 상기 기 정해진 벡터 연산은, 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값 또는 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값에 D-Q 변환을 수행하여 2개의 벡터를 생성하고, 상기 2개의 벡터를 하나의 벡터로 합성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 판단부는, 상기 비율이 기 정해진 상수보다 작을 경우, 상기 비엔나 정류기에 고장이 발생하였다고 판단할 수 있다.
또한, 상기 판단부는, 상기 고장 발생 시점의 상기 위상에 기초하여, 상기 복수의 스위치 중 고장이 발생한 스위치를 판단할 수 있다.
또한, 상기 정류기 고장 진단 장치는, 일정한 전압 레벨을 갖는 고장 신호를, 상기 고장 발생 시점부터 출력하는 출력부를 더 포함하며, 상기 전압 레벨은 상기 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치에 대응하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법은, 3상(three-phase) 교류 전원이 출력하는 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 획득하는 단계, 상기 3상 교류 전원으로부터 상기 3상 교류 전압에 의해 출력되는 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 부하에 전달하는 정류기에 있어서, 상기 3상 교류 전류의 각 상의 전류를 측정하는 단계, 상기 부하에 소정 크기의 직류 전류를 전달하기 위해 필요한 3상 교류 전류의 값인 3상 지령 전류의 값을 획득하는 단계, 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 실제 전류 벡터 및 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 지령 전류 벡터를 산출하는 단계, 상기 지령 전류 벡터의 크기에 대한 상기 실제 전류 벡터의 크기의 비율을 계산하는 단계 및 상기 위상 및 상기 비율에 기초하여, 상기 정류기의 고장 발생 여부 및 상기 3상 교류 전류의 각 상별로 상기 정류기에 구비된 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비엔나 정류기의 제어를 위해 기존부터 필수적으로 측정되고 있던 정보인 3상 교류 전압 및 3상 교류 전류에 관한 정보를 획득하고, 이들 정보로부터 산출된 전류의 크기 및 위상 등의 인자를 기초로 하여 고장 발생 여부 및 고장이 발생한 스위치의 위치를 알 수 있다. 이에 따라, 복잡한 설비를 부가할 필요 없이 적은 연산량으로 간편하면서도 정확하게 고장 진단을 수행함으로써, 정류기의 유지 및 보수를 용이하게 할 수 있다.
도 1은 교류를 직류로 변환하여 부하에 전달하기 위한 정류기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법의 순서를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법과 관련된 물리량의 파형을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법에서의 벡터 연산을 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 교류를 직류로 변환하여 부하에 전달하기 위한 정류기의 구성을 도시한 도면이다. 도 1의 정류기(10)는 3상 교류 전원(20)으로부터 교류 형태의 전력을 수신하고, 이를 직류로 변환하여 부하(30)에 전달할 수 있다. 본 발명의 정류기(10)는 그 구체적인 구조나 세부적인 기능 등에 제한은 없지만, 본 발명의 일 실시예에서는 대표적인 예로서 정류기(10)가 비엔나 정류기(Vienna Rectifier)임을 가정하고 설명하도록 한다. 한편, 3상 교류 전원(20)은 3상 교류 전압 및 전류를 출력할 수 있는 것이라면 어떤 것이든 될 수 있다. 부하(30) 역시 직류로 변환된 전력을 전달받아 축적 혹은 소비할 수 있는 것이라면 어떤 것이든 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 정류기(10)는 3상 교류 전원(20)과 연결된 세 개의 전송 선로(41, 42, 43)을 통해, 3상 교류 전원(20)으로부터 출력되는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)를 수신할 수 있다. 이들 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)는 다이오드(Dap, Dan, Dbp, Dbn, Dcp, Dcn)에 의해 정류되어 직류 전류(Idc)로 변환될 수 있다. 직류 전류(Idc)는 부하(30)를 통해 흐르며 부하(30) 양단의 전압 강하를 발생시키며, 이에 따라 부하(30) 양단 중 접지된 일단이 아닌 타단에는 직류 전압(Vdc)이 출력된다.
이 때, 직류 전류(Idc) 및 직류 전압(Vdc)의 값은 부하(30)의 정격에 기초하여 일정하게 유지될 필요가 있다. 이를 위해, 정류기(10)를 제어하기 위한 제어부(미도시)는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic), 직류 전류(Idc) 및 직류 전압(Vdc) 등의 값을 실시간으로 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 이러한 제어 신호는 예컨대 3상 교류 전원(20)이 특정한 값을 갖는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하도록 하는 명령을 포함할 수 있으며, 이를 3상 지령 전류라 할 수 있다. 즉, 3상 교류 전원(20)은 정류기(10)의 제어부로부터 수신한 3상 지령 전류와 같은 값의 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)가 출력되도록 할 수 있다. 또한, 정류기(10)의 제어부가 생성하는 제어 신호에는 정류기(10) 내의 스위치(Sa, Sb, Sc)를 ON시키거나 OFF시키기 위한 스위치 제어 신호가 포함될 수 있다.
이하에서는 전술한 제어 신호에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 부하(30)에 걸리는 직류 전류(Idc) 및 직류 전압(Vdc)을 원하는 값으로 유지시키기 위해, 정류기(10)의 제어부는 스위치 제어 신호를 통해 스위치(Sa, Sb, Sc)의 ON/OFF를 조절할 수 있다. 각 스위치(Sa, Sb, Sc)는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)가 전송되는 전송 선로(41, 42, 43) 중 하나와, 직류단 커패시터(Ctop, Cbottom) 사이의 노드(z) 사이의 연결을 설정 혹은 해제할 수 있다. 즉, 제 1 스위치(Sa)는 제 1 전송 선로(41)와 노드(z) 사이의 연결을, 제 2 스위치(Sb)는 제 2 전송 선로(42)와 노드(z) 사이의 연결을, 제 3 스위치(Sc)는 제 3 전송 선로(43)와 노드(z) 사이의 연결을 각각 설정 혹은 해제할 수 있다. 이들 각 스위치(Sa, Sb, Sc)의 ON-OFF 듀티(duty) 비를 조절하여, 결과적으로 임의의 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)가 3상 교류 전원(20)으로부터 전송될 때 부하(30)에 전달되는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
이에 더하여, 앞서 설명한 바와 같이 정류기(10)의 제어부는 3상 교류 전원(20)이 출력할 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 값을 3상 지령 전류로서 3상 교류 전원(20)에 전송할 수 있다. 즉, 3상 지령 전류는 부하(30)에 특정 직류 전류(Idc) 및 직류 전압(Vdc)이 걸리도록 하기 위한 기준(reference)이 되며, 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)를 위한 일종의 이상적인 값이므로, 정류기(10)가 올바르게 동작할 경우 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 값은 3상 지령 전류의 값과 같다. 하지만, 정류기(10)에 고장이 발생하면 정류기(10)의 제어부와 3상 교류 전원(20)이 의도한 바와 다른, 즉 3상 지령 전류와 상이한 값을 갖는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)가 전송 선로(41, 42, 43)을 통해 흐르게 된다. 이는 결과적으로 부하(30)의 정격에 맞지 않는 전력이 부하(30)로 전달되게 하는 결과를 야기하므로, 따라서 정류기(10)의 고장을 신속하고 정확하게 검출하는 것은 매우 중요하다. 특히 비엔나 정류기와 같은 유형의 정류기(10)에 발생하는 고장 중 대부분을 차지하는, 스위치(Sa, Sb, Sc)의 개방성 고장(즉, 스위치가 항상 오픈(open)된 상태로 있게 됨에 따라 ON 상태로 될 수 없는 상황)이 복수의 스위치(Sa, Sb, Sc) 중 어떤 스위치에서 발생했는지를 신속하고 정확하게 알아내는 것은 정류기(10)의 유지 및 보수를 위해 매우 중요하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다. 즉, 도 2의 정류기 고장 진단 장치(100)는 앞서 언급한 정류기(10)에서의 스위치(Sa, Sb, Sc)의 개방성 고장 발생 여부 및 고장이 발생한 스위치를 알아내기 위한 장치이다. 정류기 고장 진단 장치(100)는 측정부(110), 연산부(120), 판단부(130) 및 출력부(140)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 3상 교류 전원(20)이 출력하는 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 획득할 수 있다. 이러한 위상이 구체적으로 어떠한 값을 일컫는지에 대해서는 후술하도록 한다. 또한, 측정부(110)는 3 상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 값, 즉 Ia, Ib, Ic 각각의 값과, 정류기(10)의 제어부에서 3상 교류 전원(20)으로 전송되는 제어 신호에 포함된 3상 지령 전류의 값을 획득할 수 있다. 이러한 측정부(110)는 일반적인 측정 장비 혹은 입출력 인터페이스 등을 통해 구현될 수 있는데, 상세한 구현 방법은 통상의 기술자에게 용이한 사항이므로 여기에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 또한, 측정부(110)는 3상 교류 전압 정보 및 3상 교류 전압의 위상을 획득하는 위상 검출부와, 3 상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 및 3상 지령 전류 정보를 획득하는 전류 검출부로 나뉘어 구현될 수도 있다.
연산부(120)는 측정부(110)에 의해 측정된 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 각 상의 전류의 값인 Ia, Ib, Ic를 벡터 연산을 통해 벡터적으로 합성하여 실제 전류 벡터를 산출할 수 있다. 또한, 연산부(120)는 3상 지령 전류에 대해서도 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 경우와 동일하게 벡터 연산을 적용하여 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 지령 전류 벡터를 산출할 수 있다. 상기 벡터 연산의 구체적인 사항에 대해서는 후술하도록 한다. 그리고 연산부(120)는 지령 전류 벡터의 크기에 대한 실제 전류 벡터의 크기의 비율을 계산하여, 후술할 판단부(130)에 계산의 결과를 전달할 수 있다. 이러한 연산부(120)는 판단부(130)와 함께 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함하는 연산 장치에 의해 구현될 수 있다.
판단부(130)는 측정부(110)의 측정 결과 및 연산부(120)의 연산 결과에 기초하여, 정류기(10)의 고장 발생 여부 및 스위치(Sa, Sb, Sc) 중 어떤 스위치에서 고장이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 판단부(130)는 고장 발생 여부를 연산부(120)에서 계산된 상기 비율의 크기에 기초하여 판단할 수 있으며, 고장이 발생한 스위치는 고장 발생 시점의 3상 교류 전압의 위상에 기초하여 판단할 수 있다.
출력부(140)는 판단부(130)에 의해 고장 발생이 판단된 시점부터, 일정한 전압 레벨을 갖는 고장 신호를 출력할 수 있다. 이러한 고장 신호의 전압 레벨은 고장이 발생한 스위치에 대응되도록 정해질 수 있다. 즉, 고장 신호의 전압 레벨을 통해 고장이 발생한 스위치가 어떤 것인지를 알 수 있도록 할 수 있다. 이러한 출력부(140)는 특정 레벨의 전압을 출력하기 위한 장치라면 어떤 것이든 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법의 순서를 도시한 도면이다. 도 3의 정류기 고장 진단 방법은 도 2를 참조하여 설명한 정류기 고장 진단 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 단, 도 3에 도시된 방법은 본 발명의 일 실시예에 불과하므로 도 3에 의해 본 발명의 사상이 한정 해석되는 것은 아니며, 도 3에 도시된 방법의 각 단계는 경우에 따라 도면에 제시된 바와 그 순서를 달리하여 수행될 수도 있음은 물론이다.
우선, 측정부(110)에 의해 3상 교류 전원(20)이 출력하는 3상 교류 전압에 대한 정보를 획득하고(S110), 상기 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 측정할 수 있다. 여기서 위상의 값은 3상 교류 전압의 한 주기 내에서 시간의 경과에 비례하여 0˚에서 360˚까지 변화할 수 있으며, 해당 주기가 경과하면 다시 0˚가 될 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법과 관련된 물리량의 파형을 도시한 도면이다. 도 4a의 (C)를 보면, 위상의 값(θg)이 위에서 설명한 바와 같이 시간의 경과에 비례하여 0˚에서 360˚까지 선형적으로 변하다가, 360˚에 다다르면 다시 0˚가 되어 360˚까지 변하는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 위상이 0˚에서 360˚까지 한 번 변하는 데 걸리는 시간은 3상 교류 전압의 주기와 같다. 위상이 0˚ 혹은 360˚가 되는 시점은, 예컨대 3상 교류 전압 중 제 1 상전압, 즉 제 1 전송 선로(41)에 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 중 제 1 상전류(Ia)를 출력하기 위한 전압의 값에 기초하여 정해질 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 제 1 상전압의 값이 0이되 제 1 상전압의 평균변화율이 음수인 시점을, 상기 위상이 0˚ 혹은 360˚가 되는 시점으로 정할 수 있다. 아래의 설명에서는 이와 같은 예에 따라 위상의 값이 정해진다고 가정하고 설명하도록 하겠지만, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아님은 물론이다.
다음으로, 측정부(110)에 의해 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 및 3상 지령 전류에 대한 정보를 획득할 수 있다(S130). 여기서 정보라 함은, 대표적으로는 측정이 이루어지는 시점에서의 각 상의 전류의 값을 들 수 있다. 상기 정보에 기초하여, 연산부(120)는 실제 전류 벡터 및 지령 전류 벡터를 각각 산출하여(S140) 이들 벡터의 크기를 각각 구할 수 있다(S150). 여기서, 실제 전류 벡터 및 지령 전류 벡터의 생성을 위해 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 및 3상 지령 전류에 대해 기 정해진 벡터 연산을 각각 적용할 수 있는데, 이러한 벡터 연산은 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 값 혹은 3상 지령 전류의 값에 대해 D-Q 변환을 수행하여 2개의 벡터를 생성하고, 상기 2개의 벡터를 하나의 벡터로 합성하는 것이 될 수 있다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기 고장 진단 방법에서의 벡터 연산을 개념적으로 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 단계 S130에서 측정부(110)는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 각 상의 전류의 값인 Ia, Ib, Ic를 획득할 수 있다. 여기서, 역시 단계 S130을 통하여 측정부(110)에 의해 획득된 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 각각 Ia,ref, Ib,ref, Ic,ref라 하자. 또한, 벡터 연산의 결과에 따라 생성되는 지령 전류 벡터의 크기를 Imag, 실제 전류 벡터의 크기를 Cf라 하자.
Imag의 값은 다음과 같은 수학식 1을 통해 도출될 수 있다.
Figure 112016128929619-pat00001
또한, Cf의 값은 다음과 같은 수학식 2를 통해 도출될 수 있다.
Figure 112016128929619-pat00002
도 5를 참조하면 이와 같은 수식을 직관적으로 이해할 수 있다. 우선 도 5와 같이 서로 120˚의 간격을 갖는 I a , I b , I c 라는 벡터를 특정 시점에서의 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 크기에 기초하여 생성할 수 있다. 이어서 D-Q 변환을 통해 서로 수직한 I ds 와 I qs 라는 두 개의 벡터를 생성할 수 있다. I ds 는 I a 와 같도록 할 수 있고, I qs 는 I b 와 I c 를 합성하여 I ds 와 수직한 벡터가 되도록 생성할 수 있다. 그러면 I ds 와 I qs 를 벡터적으로 합한 벡터인 I ds + I qs 의 크기를 Cf의 값으로 할 수 있다. 지령 전류 벡터의 값인 Imag 역시 같은 원리로 계산될 수 있다.
Cf와 Imag의 값이 산출되고 나면, 연산부(120)에 의해 Imag에 대한 Cf의 비율이 계산되고, 상기 비율이 기 정해진 상수(K) 미만일 경우(S160) 판단부(130)에 의해 정류기(10)에 고장이 발생했다고 판단할 수 있다(S170). 이를 달리 표현하면, Imag에 K를 곱한 값보다 Cf가 작을 경우 정류기(10)에 고장이 발생한 것이라 말할 수 있다. 정류기(10)가 정상적으로 동작할 때의 Cf와 Imag의 값은 원칙적으로 서로 같으므로, K의 값은 0보다 크지만 1보다는 작은 임의의 실수로 설정될 수 있다.
고장이 발생했다고 판단되면, 판단부(130)는 스위치(Sa, Sb, Sc) 중 고장이 발생한 스위치가 어떤 것인지를 판단할 수 있다. 이는 고장 판단 시점에서 측정부(110)가 획득한 위상의 값(θg)에 따라, 아래의 표 1에 기초하여 판단될 수 있다.
θg 30˚ 90˚ 150˚ 210˚ 270˚ 330˚
고장 위치 Sbp San Scp Sbn Sap Scn
여기에서, 각 스위치(Sa, Sb, Sc)로서 사용될 수 있는 구체적인 구성에 대해 언급할 필요가 있다. 도 1을 참조하면, 각 스위치(Sa, Sb, Sc)를 구성하는 소자로서 두 개의 스위칭 소자(예컨대, 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor))가 결합된 것을 이용할 수 있는데, 그 예로서는 도 1의 (a) 혹은 (b)와 같은 것을 들 수 있다. 도 1의 (a)와 (b) 모두 두 개의 스위칭 소자를 포함하고 있으며, 두 개의 스위칭 소자 중 하나는 양(positive), 나머지 하나는 음(negative)으로 정의할 수 있다. 따라서, 스위치(Sa, Sb, Sc)에는 총 6개의 스위칭 소자가 포함될 수 있다. 제 1 스위치(Sa), 제 2 스위치(Sb) 및 제 3 스위치(Sc) 모두 각각 양의 스위칭 소자와 음의 스위칭 소자를 포함할 수 있기 때문이다.
전술한 바 및 표 1에 따르면, 예컨대 고장 판단 시점에서 위상의 값이 150˚였다면, 제 3 스위치(Sc)의 양의 스위칭 소자(Scp)가 고장난 것이라 판단할 수 있다. 다른 예로서, 고장 판단 시점에서 위상의 값이 210˚였다면, 제 2 스위치(Sb)의 음의 스위칭 소자(Sbn)가 고장난 것이라 판단할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이 고장 판단이 이루어질 경우, 출력부(140)에 의해 고장 신호를 출력함으로써 정류기(10)에 고장이 발생하였음을 정류기(10)의 관리자가 신속하게 알 수 있도록 할 수 있다(S180).
실제로 고장이 발생했을 경우의 3상 교류 전압, 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 등의 파형을 도 4a 및 5b를 통해 살펴보도록 한다. 우선 도 4a를 살펴보면, (A)에서는 시간에 따른 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 파형을, (B)에서는 Cf와 Imag의 파형을, (C)에서는 위상의 값과 고장 신호의 파형을 각각 확인할 수 있다. 시간축 기준 0.3s에 해당하는 시점까지는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 파형이 일반적인 3상 교류의 파형으로서 정상적으로 출력되고 있음을 알 수 있다. 이에 따라 Cf는 K×Imag(K는 1보다 작은 양의 실수)의 값보다 크게 유지되며, 고장 신호 역시 출력되지 않는다. 하지만 시간축 기준 0.3s에 해당하는 시점부터 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 파형이 왜곡됨을 알 수 있다. 이는 정류기(10)에 고장이 발생했음을 나타내는 것으로, 이에 따라 Cf는 K×Imag의 값 미만으로 떨어지게 된다. Cf의 값이 K×Imag의 값 미만으로 떨어지는 현상이 관찰되는 시점들에서의 위상의 값(θg)을 살펴보면, 270˚ 근처임을 알 수 있다. 이에 따라, 상기 표 1에 의해 제 1 스위치(Sa)의 양의 스위칭 소자(Sap)가 고장났다고 판단할 수 있다. 또한, 최초로 고장 판단이 이루어진 시점부터 고장 신호가 출력됨을 아울러 알 수 있다.
이번에는 도 4b를 살펴보도록 한다. 도 4a와 유사하게, 도 4b의 (A)에서는 시간에 따른 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)의 파형을(B)에서는 Cf와 Imag의 파형을, (C)에서는 위상의 값과 고장 신호의 파형을 각각 확인할 수 있다. 도 4b는 제 1 스위치(Sa)의 음의 스위칭 소자(San)이 고장난 경우이다. 도 4a와 고장난 스위치는 제 1 스위치(Sa)로 같지만 고장난 스위칭 소자가 서로 다르므로, 도 4b의 경우에서는 도 4a의 경우와는 다른 레벨의 고장 신호가 고장 판단 시점부터 출력되도록 할 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 경우와 같이 정류기(10)의 스위치(Sa, Sb, Sc)에 개방성 고장이 발생한 경우, 정류기(10)가 정상적으로 동작할 때 일정한 값을 유지하던 직류 전압(Vdc)은 그 값을 일정하게 유지하지 못하고 흔들리게 된다. 즉, 정류기(10)에 스위치(Sa, Sb, Sc)의 개방성 고장이 발생했다는 것은 결국 부하(30)에 안정적인 전력을 공급하지 못하게 됨을 의미한다. 다만 지금까지 설명한 본 발명의 정류기 고장 진단 장치(100) 및 이를 이용한 방법에 따르면, 복잡한 설비를 부가할 필요 없이 적은 연산량으로 간편하면서도 정확하게 고장 진단을 수행할 수 있게 된다. 이에 따라 정류기(10)의 유지 및 보수를 용이하게 할 수 있다.
본 발명에 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 정류기
20: 3상 교류 전원
30: 부하
100: 정류기 고장 진단 장치
110: 측정부
120: 연산부
130: 판단부
140: 출력부

Claims (16)

  1. 3상(three-phase) 교류 전원이 출력하는 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 획득하는 위상 검출부;
    상기 3상 교류 전원으로부터 상기 3상 교류 전압에 의해 출력되는 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 부하에 전달하는 비엔나 정류기에 있어서, 상기 3상 교류 전류의 각 상의 전류를 측정하고, 상기 부하에 소정 크기의 직류 전류를 전달하기 위해 필요한 3상 교류 전류의 값인 3상 지령 전류의 값을 획득하는 전류 검출부;
    상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 실제 전류 벡터 및 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 지령 전류 벡터를 산출하고, 상기 지령 전류 벡터의 크기에 대한 상기 실제 전류 벡터의 크기의 비율을 계산하는 연산부; 및
    상기 위상 및 상기 비율에 기초하여, 상기 비엔나 정류기의 고장 발생 여부 및 상기 3상 교류 전류의 각 상별로 상기 비엔나 정류기에 구비된 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치를 판단하는 판단부를 포함하며,
    상기 판단부는, 시간별로 측정된 상기 비율의 값이 1 미만의 양의 실수로서 기 정해진 상수보다 작아지는 시간대가 발생할 경우, 상기 비엔나 정류기에 고장이 발생하였다고 판단하며, 상기 시간대에서의 상기 위상의 값에 기초하여 상기 복수의 스위치 중 고장이 발생한 스위치를 판단하는
    정류기 고장 진단 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 3상 지령 전류 및 상기 측정된 3상 교류 전류에 대해 기 정해진 벡터 연산을 각각 적용하여 상기 지령 전류 벡터 및 상기 실제 전류 벡터를 생성하되,
    상기 기 정해진 벡터 연산은, 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값 또는 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값에 D-Q 변환을 수행하여 2개의 벡터를 생성하고, 상기 2개의 벡터를 하나의 벡터로 합성하는 것인
    정류기 고장 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 각각 Ia,ref, Ib,ref, Ic,ref라 하고, 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 각각 Ia, Ib, Ic라 하며, 상기 지령 전류 벡터의 크기를 Imag, 상기 실제 전류 벡터의 크기를 Cf라 할 때,
    상기 Imag 및 상기 Cf의 값은
    Figure 112016128929619-pat00003

    Figure 112016128929619-pat00004

    Figure 112016128929619-pat00005

    Figure 112016128929619-pat00006

    Figure 112016128929619-pat00007

    Figure 112016128929619-pat00008

    의 수식에 기초하여 정해지는
    정류기 고장 진단 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    일정한 전압 레벨을 갖는 고장 신호를, 상기 고장 발생 시점부터 출력하는 출력부를 더 포함하며,
    상기 전압 레벨은 상기 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치에 대응하여 결정되는
    정류기 고장 진단 장치.
  8. 3상(three-phase) 교류 전원이 출력하는 3상 교류 전압 중 어느 한 상의 전압이 시간의 변화에 따라 갖는 위상을 측정하는 단계;
    상기 3상 교류 전원으로부터 상기 3상 교류 전압에 의해 출력되는 3상 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 부하에 전달하는 비엔나 정류기에 있어서, 상기 3상 교류 전류의 각 상의 전류를 측정하는 단계;
    상기 부하에 소정 크기의 직류 전류를 전달하기 위해 필요한 3상 교류 전류의 값인 3상 지령 전류의 값을 획득하는 단계;
    상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 실제 전류 벡터 및 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 벡터적으로 합성한 지령 전류 벡터를 산출하는 단계;
    상기 지령 전류 벡터의 크기에 대한 상기 실제 전류 벡터의 크기의 비율을 계산하는 단계; 및
    상기 위상 및 상기 비율에 기초하여, 상기 비엔나 정류기의 고장 발생 여부 및 상기 3상 교류 전류의 각 상별로 상기 비엔나 정류기에 구비된 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치를 판단하는 단계를 포함하며,
    상기 판단하는 단계는, 시간별로 측정된 상기 비율의 값이 1 미만의 양의 실수로서 기 정해진 상수보다 작아지는 시간대가 발생할 경우, 상기 비엔나 정류기에 고장이 발생하였다고 판단하며, 상기 시간대에서의 상기 위상의 값에 기초하여 상기 복수의 스위치 중 고장이 발생한 스위치를 판단하는 단계를 포함하는
    정류기 고장 진단 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는, 상기 3상 지령 전류 및 상기 측정된 3상 교류 전류에 대해 기 정해진 벡터 연산을 각각 적용하여 상기 지령 전류 벡터 및 상기 실제 전류 벡터를 생성하되,
    상기 기 정해진 벡터 연산은, 상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값 또는 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값에 D-Q 변환을 수행하여 2개의 벡터를 생성하고, 상기 2개의 벡터를 하나의 벡터로 합성하는 것인
    정류기 고장 진단 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 3상 지령 전류의 각 상의 전류의 값을 각각 Ia,ref, Ib,ref, Ic,ref라 하고, 상기 측정된 3상 교류 전류의 각 상의 전류의 값을 각각 Ia, Ib, Ic라 하며, 상기 지령 전류 벡터의 크기를 Imag, 상기 실제 전류 벡터의 크기를 Cf라 할 때,
    상기 Imag 및 상기 Cf의 값은
    Figure 112016128929619-pat00009

    Figure 112016128929619-pat00010

    Figure 112016128929619-pat00011

    Figure 112016128929619-pat00012

    Figure 112016128929619-pat00013

    Figure 112016128929619-pat00014

    의 수식에 기초하여 정해지는
    정류기 고장 진단 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 8 항에 있어서,
    일정한 전압 레벨을 갖는 고장 신호를, 상기 고장 발생 시점부터 출력하는 단계를 더 포함하며,
    상기 전압 레벨은 상기 복수의 스위치 중 상기 고장이 발생한 스위치에 대응하여 결정되는
    정류기 고장 진단 방법.
  15. 제 8 항, 제 10 항, 제 11 항 및 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따른 각각의 단계를 수행하는, 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장된 프로그램.
  16. 제 8 항, 제 10 항, 제 11 항 및 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따른 각각의 단계를 수행하는 명령어를 포함하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111344937A (zh) * 2017-11-10 2020-06-26 雷诺股份公司 用于在功率开关故障时控制三相维也纳整流器的方法

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