KR101993195B1 - 인버터의 지락 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

인버터 출력 지락 검출 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 인버터 출력 지락 검출 방법은 레그-션트(Leg-shunt) 저항을 이용한 전류검출방식에 있어서 인버터 출력 지락을 검출하는 방법으로서, 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계; 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인지 판단하는 단계; 및 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

Description

인버터의 지락 검출 방법{A METHOD FOR DETECTING A GROUND FAULT OF AN INVERTER}
본 발명은 인버터의 지락 검출 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 레그-션트(Leg-shunt) 저항을 이용한 인버터 전류 검출 방식에서 인버터 출력 지락을 검출하는 방법에 관한 것이다.
인버터(inverter)는 교류전압을 직류전압으로 변환하고, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 변환된 직류 전압을 스위칭하여 교류전압을 생성한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 인버터에서 생성된 교류전압은 모터 등의 부하로 전달되어 모터의 구동을 제어한다.
인버터 출력선의 단선 또는 인버터 출력과 대지간 도체 유입 등으로 인해 인버터 출력지락이 발생할 수 있는데, 인버터 출력지락시에 모터는 정격전류 이상의 과전류로 인하여 열화에 의한 소손이 발생할 수 있으며, 지락선이 인체에 접촉하는 경우 인명사고가 발생할 수 있다. 따라서, 모터 구동용 인버터에서는 인버터 출력지락 유무를 사용자에게 알려주고, 출력지락시에 인버터 운전을 정지하여 모터 및 사용자를 안전하게 보호하는 기능을 제공하고 있다.
통상적으로 인버터 출력 결상은 인버터 출력 전류를 검출하여 판별한다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 인버터 정상 동작에서는 인버터 3상의 출력전류의 합은 KCL(Kirchhoff Current Law; 키르히호프 전류 법칙)에 따라 Iu+Iv+Iw=0 이 된다. 하지만 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 출력지락이 발생하면 출력지락 상의 전류가 대지로 Path를 형성하게 되므로, 인버터 3상 출력전류의 합은 Iu+Iv+Iw≠0 이 된다. 이렇게 인버터 3상 출력전류값을 이용하여 인버터 출력 결상을 판별할 수 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 CT(Current Transformer)를 이용한 인버터 출력전류 검출 회로에서는 인버터 CT를 출력상에 위치시켜 인버터 3상 출력 전류를 검출하도록 한다. 이러한 CT를 이용한 전류 검출 방식은 스탠다드급 인버터 이상에 주로 사용된다. CT를 이용하여 전류를 검출하는 종래의 인버터 출력 결상 검출 방법은 상술한 바와 같이 인버터 3상 출력전류를 이용하여 KCL 에 따라 출력지락 유무를 판단한다. 예를 들어, 인버터 정상 동작에서는 인버터 3상의 출력전류의 합은 KCL에 따라 Iu+Iv+Iw=0 이 된다. 하지만 출력지락이 발생하면 인버터 3상 출력전류의 합은 Iu+Iv+Iw≠0 이 된다. 즉, 인버터의 출력지락 검출은 KCL 을 이용하여 3상 출력전류의 합이 설정된 레벨 이상이면 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호동작을 수행할 수 있다. 이러한 종래 기술에 따른 인버터 출력지락 검출방법의 순서도가 도 4에 개시되어 있다.
상술한 바와 같이, 인버터 3상 출력전류에 대하여 KCL을 적용하여 출력지락을 검출하는 방식은 CT를 이용하여 전류검출을 하는 인버터에서는 유용하게 적용될 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같은 Leg-shunt 저항을 이용하는 전류검출 방식에서는 상기 방식에 따라 출력지락을 검출할 수 없다. 도 5를 참조하여 Leg-shunt 저항을 이용하는 전류검출 방식에 대하여 설명하면, Leg-shunt 저항은 인버터 각 상의 하단 IGBT 이미터(E) 단에 위치하여, 인버터 스위칭 동작 상태에 따라 하단 IGBT로 전류가 흐를 때 인버터 출력 전류를 검출한다. Leg-shunt 저항을 이용한 인버터 출력 전류 검출 방식은 도 6에 도시된 바와 같이, 인버터 스위칭 동작 상태 및 전류 도통 시간에 따라 전류 검출 영역이 제한되므로, 전류 검출 영역 확장을 위하여 인버터 3상 출력전류 중 유효한 2상 전류를 검출하여 나머지 1상의 전류를 연산하는 방식을 사용한다. 도 6을 참조하면, 인버터 PWM 상태에 따른 출력 전류 검출 제한 영역이 도시되어 있으며, 도 7에는 인버터 3상 출력 전류 중 유효한 2상 전류를 검출하여 나머지 1상의 전류를 연산하는 수식의 테이블이 도시된다.
즉, Leg-shunt 저항을 이용한 인버터 출력 전류 검출 방식의 경우, PWM 구간에 따라 인버터 3상 출력전류 중 유효한 2상 전류를 검출하여 나머지 1상 전류를 연산하는 방식을 사용하므로, 인버터 정상 작동시나 출력 지락 발생시나 인버터 3상 출력전류의 합이 항상 Iu+Iv+Iw=0 이 된다. 따라서, Leg-shunt 저항을 이용하는 전류검출 방식에서는 종래의 지락 검출 방법으로는 인버터 출력 지락을 검출하지 못하게 된다. Leg-shunt 저항을 이용하는 전류검출방식이 CT를 이용한 방식에 비해 비교적 저가로 구현이 가능하여, 저가형 소형 인버터에 많이 사용됨을 고려할 때, Leg-shunt 저항을 이용하는 전류검출 방식에서 인버터 출력 지락을 정확하고 신속하게 검출할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 Leg-shunt 저항을 이용한 전류검출방식에서 인버터 출력 지락을 정확하고 신속하게 검출하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 인버터 지락 검출 방법은, 레그-션트(Leg-shunt) 저항을 이용한 전류검출방식에 있어서 PWM 인버터 출력 지락을 검출하는 방법으로서, 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계; 상기 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인지 판단하는 단계; 및 상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 전압이용률이 상기 설정치 허용전압레벨 이상인 경우, 상기 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인지 판단하는 단계 이후에, 상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상인지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 검출된 상기 인버터 3상 출력전류의 합이 설정치 출력지락 레벨 이상인 경우 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호동작을 수행할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 인버터의 출력전류레벨이 상기 설정치 허용전류레벨 이상인 경우, 상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상인지 판단하는 단계 이후에, PWM 변조를 수행하여 제로(zero) 벡터를 인가하고, 제로 벡터 구간 내에서 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 샘플링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제로 벡터 구간 내에서 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 샘플링하는 단계 이후에, 샘플링된 상기 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 이용하여 상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계를 수행할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 전압이용률이 상기 설정치 허용전압레벨 미만인 경우, 상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계에서, 검출된 상기 인버터 3상 출력전류를 이용하여 출력 지락 여부를 판단할 수 있다.
실시 예에 있어서, 샘플링된 상기 인버터 출력전류의 합이 설정치 출력지락 레벨 이상인 경우 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호동작을 수행할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 미만인 경우, 상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계로 피드백하여 인버터 출력 지락 검출 프로세스를 다시 수행할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계 이후에, LPF(Low Pass Filter)를 이용하여 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 레그 션트 저항은 상기 인버터의 각 상의 하단 IGBT 이미터 단에 각각 위치하는 3개의 레그 션트 저항일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)는 상기 3개의 레그 션트 저항에 인가되는 전압을 검출하여 계산될 수 있다.
본 발명인 인버터 지락 검출 방법에 따르면, 레그-션트(Leg-shunt) 저항을 이용한 전류검출방식에서 인버터 출력지락을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 레그-션트 저항을 이용한 전류검출방식에서 인버터 출력지락을 정확하고 신속하게 검출할 수 있으므로, 인버터 제작 및 유지보수 비용을 절감할 수 있으며, 저가의 소형 인버터의 보급을 활성화할 수 있다.
도 1 은 일반적인 모터 구동용 인버터 전원부의 구성도이다.
도 2(a)는 인버터 정상 동작시 출력 전류 path를 나타내는 도이고, 도 2(b)는 인버터 출력지락 발생시 출력 전류 path를 나타내는 도이다.
도 3 은 CT를 이용한 전류 검출 방식을 나타내는 도이다.
도 4 는 종래 기술에 따른 인버터 출력 지락 검출 방법의 순서도이다.
도 5 는 Leg-shunt 저항을 이용한 전류검출 방식을 나타내는 도이다.
도 6 은 인버터 PWM 상태에 따른 출력 전류 검출 제한 영역을 나타내는 도이다.
도 7 은 도 6의 인버터 PWM 상태에 따른 인버터 출력 전류 연산식의 테이블이다.
도 8 은 인버터 전류 검출 순서를 나타낸 블록도이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 출력 지락 검출 방법의 순서도이다.
도 10 은 본 발명에 따른 인버터 출력 지락 검출 방법에서 제로 벡터 인가 구간에서 인버터 출력 전류를 샘플링하는 방법을 설명하기 위한 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서, 본 발명은 구체적인 실시 예를 통해 설명되고 있으나, 본 발명은 그 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있음은 잘 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.
도 8 을 참조하면, 본 발명에 따른 인버터 전류 검출 순서를 나타낸 블록도이다. 인버터 전류 검출 순서는 크게 (a)인버터 3상 출력 전류 검출 -> (b) 잡음제거를 위한 LPF 및 스케일 조정 -> (c)인버터 출력 전류 검출 -> (d) 출력 전류 연산 -> (e) 출력 결상 연산의 흐름에 따라 이루어진다. 본 발명은 이러한 검출 순서 중 특히 (c) 인버터 출력 전류 검출 단계에 관련된 것으로서, 이하에서 상세히 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 출력전류 지락 검출 방법의 순서도이다. 도 9를 참조하면, 인버터의 출력전류 지락 검출 방법은 우선, 인버터 출력 전류(Ius, Ivs, Iws)를 검출한다.(S10) 이 때, Ius, Ivs, Iws는 각각 인버터 각 상의 하단 IGBT 이미터 단에 위치하는 레그-션트(Leg-shunt) 저항에 흐르는 전류를 의미한다. 상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)는 상기 3개의 레그 션트 저항에 인가되는 전압을 검출하여 계산되거나, 별도의 전류검출기를 이용하여 검출할 수도 있다.
이후, 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인지를 판단한다.(S20) 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 미만인 경우(NO), 검출된 인버터 출력전류(Ius, Ivs, Iws)를 이용하여 출력지락여부를 판단한다.(S50) 출력지락여부 판단은 인버터 출력전류(Ius, Ivs, Iws)에 대해 KCL을 적용하여 인버터 3상 출력전류의 합(Ius+Ivs+Iws)이 소정의 출력지락레벨 이상인지를 판단하는 방식으로 사용자에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 인버터 출력전류 지락 검출 방법이 적용 가능한 인버터는 출력지락판단부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 출력지락판단부는 상술한 바와 같이, 검출된 인버터 출력전류(Ius, Ivs, Iws)에 대해 KCL을 적용하여 인버터 3상 출력전류의 합(Ius+Ivs+Iws)이 소정의 출력지락레벨 이상인지를 판단하는 방식으로 출력지락여부를 판단할 수 있다.
인버터 3상 출력 전류의 합이 설정치 출력지락레벨값 이상이면 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호동작을 수행한다(S60).
한편, S20단계에서 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인 경우(YES), 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상인지를 판단한다(S30). 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 미만이면(NO), 프로세스 시작단으로 되돌아가 프로세스를 다시 수행한다. 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상이면(YES), PWM 변조를 수행하여 제로(Zero) 벡터를 인가하고, 제로벡터 구간 내에서 인버터 출력전류를 샘플링한다(S40). 이 후, 제로벡터구간 내에서 샘플링된 인버터 3상 출력전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 이용하여 출력지락여부를 판단한다(S50). 구체적으로 출력지락여부 판단은 제로벡터구간 내의 인버터 3상 출력전류의 합(Ius_zero+Ivs_zero+Iws_zero)이 설정치 출력지락레벨값 이상이면 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호동작을 수행한다(S60).
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 출력지락 검출 방법은, 전압이용률이 작아 제로 벡터 구간이 충분히 확보된 구간에서는 별도의 PWM 변조없이 센싱된 3상 전류를 그대로 사용하여 출력지락여부를 판단하고, 전압이용률이 커서 제로 벡터 구간이 충분히 확보되지 않으면, PWM 변조를 통해 제로 벡터 구간을 출력하여 3상 전류를 센싱하는 방식으로 인버터 출력지락을 검출할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 인버터 출력지락 검출방법에서 제로벡터구간에서 인버터 출력전류를 검출하는 방식에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 10은 도 6에 도시된 벡터 PWM 변조방식의 6가지 Sector 중 Sector 3을 기준으로 예를 들어 설명하도록 한다. 제로 벡터 구간이란 3상 PWM 펄스가 모두 "0"이 되는 구간으로서, 제로 벡터 구간에서는 인버터 출력 3상 전류를 모두 검출할 수 있다. Sector 3에서의 액티브(Active) 영역은 V3(0,1,0) 과 V4(0,1,1)이며, 제로 벡터는 V0(0,0,0) 와 V7(1,1,1) 이다. 제로 벡터 중 전류 검출이 가능한 벡터는 V0 이므로, 본 실시예에서는 V0 구간에서 전류 검출이 이루어진다. 제로 벡터 인가 구간의 물리적인 시간은 전압 이용률과 인버터 스위칭 주파수에 의하여 결정되며, 전압 이용률과 인버터 스위칭 주파수가 클수록 제로 벡터 인가 구간의 시간은 짧아지게 되어 전류 검출이 액티브 벡터 구간(V1~V6)에서 수행될 수 있다. 이렇게 제로 벡터 구간(V0)에서 인버터 출력 전류를 샘플링하여, 샘플링된 인버터 출력 전류에 대하여 KCL을 적용하여 인버터 출력 지락 발생 여부를 판단할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, CT를 이용한 방식에 비해 비교적 저가로 구현이 가능한 레그-션트(Leg-shunt) 저항을 이용한 전류검출방식에서 인버터 출력 지락을 정확하고 신속하게 검출할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 레그-션트(Leg-shunt) 저항을 이용한 전류검출방식에 있어서 PWM 인버터 출력 지락을 검출하는 방법으로서,
    인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계;
    상기 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계는,
    상기 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인 경우, 상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상인 경우에 응답하여, PWM 변조를 통해 제로 벡터 구간을 출력하여 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 센싱하여 출력 지락 여부를 판단하고,
    상기 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 미만인 경우, 검출된 인버터 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 사용하여 출력 지락 여부를 판단하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압이용률이 상기 설정치 허용전압레벨 이상인 경우,
    상기 인버터의 전압이용률이 설정치 허용전압레벨 이상인지 판단하는 단계 이후에, 상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상인지 판단하는 단계를 수행하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터의 출력전류레벨이 상기 설정치 허용전류레벨 이상인 경우,
    상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 이상인지 판단하는 단계 이후에, PWM 변조를 수행하여 제로(zero) 벡터를 인가하고, 제로 벡터 구간 내에서 상기 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 샘플링하는 단계를 수행하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제로 벡터 구간 내에서 상기 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 샘플링하는 단계 이후에, 샘플링된 상기 인버터 출력 전류(Ius_zero, Ivs_zero, Iws_zero)를 이용하여 상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계를 수행하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    샘플링된 상기 인버터 출력전류의 합이 설정치 출력지락 레벨 이상인 경우 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호동작을 수행하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압이용률이 상기 설정치 허용전압레벨 미만인 경우,
    상기 인버터의 출력 지락 여부를 판단하는 단계에서, 검출된 상기 인버터 3상 출력전류의 합이 설정치 출력지락 레벨 이상인 경우, 출력지락이 발생한 것으로 판단하고 보호 동작을 수행하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터의 출력전류레벨이 설정치 허용전류레벨 미만인 경우, 상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계로 피드백하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)를 검출하는 단계 이후에,
    LPF(Low Pass Filter)를 이용하여 필터링하는 단계를 더 포함하는 인버터 출력 지락 검출 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레그 션트 저항은 상기 인버터의 각 상의 하단 IGBT 이미터 단에 각각 위치하는 3개의 레그 션트 저항인, 인버터 출력 지락 검출 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인버터 3 상 출력전류(Ius,Ivs,Iws)는 상기 3개의 레그 션트 저항에 인가되는 전압을 검출하여 계산되는, 인버터 출력 지락 검출 방법.

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