KR102022977B1 - 인버터 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

인버터 제어장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 장치는, 초기충전저항과 직류링크 커패시터의 RC 시정수에 의한 충전곡선의 기울기가 시간에 따라 작아지는 특성을 이용하여, 초기충전부의 스위칭소자의 상태를 일차적으로 판별한다.

Description

인버터 제어장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING INVERTER}
본 발명은 인버터 제어장치 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 인버터는 전기적으로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 역변환 장치로써, 산업계에서 사용되는 인버터는 상용전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체적으로 전압과 주파수를 가변하여 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 고효율로 이용하게 제어하는 일련의 장치로 정의된다.
인버터로 입력된 AC 입력전원은 다이오드 등의 소자로 구성되는 정류부를 거쳐 정류되고, 직류링크 커패시터에 의해 평활된다. 보통 커패시터는 방전상태에서 전류제한 없이 전원이 입력되면 큰 돌입전류(inrush current)가 흐르게 되고, 이 돌입전류는 정류부의 소자나 커패시터가 소손되는 원인이 된다. 따라서, 인버터에는 보통 전원투입시 직류링크 커패시터로 흐르는 돌입전류를 제한하기 위해 초기충전회로가 사용된다.
7.5kW 이하의 소용량 인버터에서 초기충전회로는 일반적으로 저항과 이에 병렬연결되는 스위칭소자로 구성된다. 이러한 초기충전회로에는 인버터에서 부하로 전달되는 메인전류가 흐르므로, 초기충전회로의 고장으로 인해 스위칭소자가 오픈되는 경우, 초기충전저항의 발열로 인한 화재의 위험성이 있으며, 쇼트되는 경우에는 돌입전류에 의한 2차 고장 가능성이 있다.
이러한 초기충전회로의 불량을 검출하기 위해서, 스위칭소자의 접점상태를 직접 모니터링할 수도 있지만, 이는 인버터의 원가증가와 사이즈 증대를 초래하게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 초기충전저항과 직류링크 커패시터의 충전 시정수를 사용하여 초기충전회로의 스위칭소자의 상태를 결정하는, 인버터 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치는, 인버터의 직류링크 커패시터의 전단에 배치되는 초기충전저항과 상기 초기충전저항에 병렬로 연결되는 스위칭소자로 구성되는 초기충전부; 상기 직류링크 커패시터에 충전되는 직류링크 전압을 검출하는 검출부; 및 상기 초기충전저항과 상기 직류링크 커패시터의 RC 시정수에 의한 충전곡선의 기울기가 시간에 따라 작아지는 특성을 이용하여, 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 직류링크 전압이 소정 레벨에 도달하는 제1시점의 직류링크 전압을 제1전압으로 결정하고, 상기 제1시점으로부터 제1시간이 경과한 제2시점의 직류링크 전압을 제2전압으로 결정하고, 상기 제2시점으로부터 제2시간이 경과한 제3시점의 직류링크 전압을 제3전압으로 결정하여, 상기 제1 내지 제3전압과, 상기 제1 및 제2시간을 이용하여 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 인버터 제어장치.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위칭소자는, 직류링크 전압이 상기 소정 레벨에 도달하였을 때, 양단의 전압에 의해 접점이 동작하여 제2시점과 제3시점 사이에서 온상태로 전환할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 직류링크 전압이 상기 소정 레벨에 도달하였을 때, 상기 제2시점과 제3시점 사이에서 온신호를 상기 스위칭소자로 전송할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 다음의 관계를 만족하는 경우 상기 스위칭소자가 정상인 것으로 판별할 수 있다.
Figure 112018019803363-pat00001
이때, V1은 제1전압, V2는 제2전압, V3는 제3전압, T1은 제1시간, T2는 제2시간이다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 직류링크 전압이 입력전압만큼 초기충전된 상황에서 상기 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화(전압차)를 이용하여, 상기 스위칭소자의 상태를 더 판별할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제3시점으로부터 소정 시간 이후 제4시점에 상기 스위칭소자에 오프신호를 전송하고, 상기 제4시점으로부터 제3시간이 경과한 제5시점의 직류링크 전압인 제4전압을 결정하고, 상기 제5시점으로부터 소정 시간 이후인 제6시점에 상기 스위칭소자에 온신호를 전송하고, 상기 제6시점으로부터 제4시간이 경과한 제7시점의 직류링크 전압인 제5전압을 결정하여, 상기 제4 및 제5전압과 상기 전압차를 이용하여 상기 스위칭소자의 상태를 판별할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 다음 수학식을 만족하는 경우 상기 스위칭소자가 정상인 것으로 판별할 수 있다.
Figure 112018019803363-pat00002
이때, V4는 제4전압, V5는 제5전압, ΔV는 전압차이다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법은, 초기충전저항을 통해 초기전원이 인버터의 직류링크 커패시터로 투입되는 상태에서, 상기 직류링크 커패시터에 충전되는 직류링크 전압을 제공받는 단계; 직류링크 전압이 소정 레벨에 도달하는 제1시점에서의 직류링크 커패시터의 전압을 제1전압으로 결정하는 단계; 상기 제1시점으로부터 제1시간 경과한 제2시점의 직류링크 전압을 제2전압으로 결정하는 단계; 상기 초기충전저항에 병렬로 연결된 스위칭소자가 온상태로 전환하는 단계; 상기 제2시점으로부터 제2시간 경과한 제3시점의 직류링크 전압을 제3전압으로 결정하는 단계; 및 상기 제1 내지 제3전압과, 제1시간 및 제2시간을 이용하여, 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법은, 상기 제3시점으로부터 소정 시간이 경과한 제4시점에 상기 스위칭소자에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 제4시점으로부터 제3시간이 경과한 제5시점의 직류링크 전압을 제4전압으로 결정하는 단계; 상기 제5시점으로부터 소정 시간이 경과한 제6시점에 상기 스위칭소자에 온신호를 전송하는 단계; 상기 제6시점으로부터 제4시간이 경과한 제7시점의 직류링크 전압을 제5전압으로 결정하는 단계; 및 상기 제4 및 제5전압과, 상기 스위칭소자가 정상인 경우 직류링크 전압이 입력전압만큼 초기충전된 상태에서 상기 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화를 이용하여, 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 초기충전저항과 직류링크 커패시터의 RC 충전곡선을 사용하는 제1조건을 판별하고, 직류링크 전압이 입력전압만큼 충전된 상황에서 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화를 이용하여 제1조건의 오류를 보완하는 제2조건의 판별을 통해, 추가적인 부품을 요구하지 않고 인버터 사이즈의 증대없이 간단하게 스위칭소자의 상태를 판별하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 인버터 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 인버터에 초기전원 투입시 직류링크 커패시터의 충전파형을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치가 적용되는 인버터 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 스위칭소자가 정상동작하는 경우 직류링크 전압의 파형에서 본 발명의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 스위칭소자가 오동작하는 경우 직류링크 전압의 파형에서 본 발명의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
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.
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래의 초기충전회로의 동작을 설명하고, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치 및 방법을 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 인버터 시스템의 구성도이다.
인버터(100)는, 3상의 전원부(200)로부터 입력되는 교류전원을 정류하는 정류부(110), 정류된 입력전압을 저장하는 직류링크 커패시터(120), 직류링크 커패시터(120)에 저장된 전압을 소정 전압 및 주파수지령에 따라 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM)하여 교류전압을 출력하는 인버터부(130), 및 정류부(110)와 직류링크 커패시터(120)의 사이에서 돌입전류를 방지하는 초기충전부(140)와, 인버터부(130)에 전압지령 및 부파수지령에 따라 PWM 신호를 제공하는 제어부(150)로 구성된다.
인버터부(130)에 의해 출력되는 소정 주파수의 교류전원은 전동기와 같은 부하(300)로 공급될 수 있으며, 인버터부(130)를 구성하는 스위칭소자를 이용한 PWM 출력에 따라 전압과 주파수를 가변하여 부하(300)의 구동속도를 제어할 수 있다.
초기충전부(140)는 인버터(100)에 입력되는 돌입전류에 의해 발생할 수 있는 과전류를 방지하고, 인버터(100)의 각 소자의 절연파괴를 방지할 수 있다. 초기충전부(140)는 초기충전저항(141)과, 이에 병렬로 연결되는 릴레이(142)로 구성된다. 초기충전저항(141)은 인버터(100)의 초기전원 투입시에만 동작하고, 초기충전동작이 종료된 이후에는 릴레이(142)로 전류흐름을 전환하여 초기충전저항(141)에 의한 불필요한 전력손실을 방지하였다.
즉, 종래의 경우, 초기충전저항(141)으로 전원이 투입되면, 정류부(110)는 정류된 전원의 전류를 제한하여 직류링크 커패시터(120)로 전달한다. 직류링크 커패시터(120)의 충전전압이 특정 레벨(저전압(low voltage, LV) 클리어 레벨)에 도달하면, 릴레이(142)가 동작하기 시작하며, 이에 의해 초기충전저항(141)을 통해 충전되던 직류링크 커패시터(120)는 릴레이(142)를 통해 충전될 수 있다.
이하, 도 2를 참조로 도 1의 인버터 시스템에서의 종래의 전원확립동작을 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 인버터에 초기전원 투입시 직류링크 커패시터의 충전파형을 나타낸 것이다.
도 2에서, 2A는 릴레이(142)가 정상동작하는 경우 인버터 전원투입시 직류링크 커패시터(120)의 충전파형을 나타내고, 2B는 릴레이(142)가 오동작하는 경우 인버터 전원투입시 직류링크 커패시터(120)의 충전파형을 나타낸다.
초기충전저항(141)으로 전원이 투입되면 설정된 시간인 t1(약 300ms)에서 제어부(150)에 전원이 인가되고, 직류링크 커패시터(120)에 충전된 전압이 t2에서 소정 레벨(LV 클리어 레벨)에 도달하면, 시간 t3(약 500~600ms)에서 릴레이(142)가 온상태로 전환(즉, 릴레이(142) 접점이 붙기 시작)하여, 시간 t4(약 650~750ms)에서 릴레이(142)의 동작이 시작된다. t2에서 릴레이(142)가 온상태로 전환하기 시작하는 t3까지의 시간간격과, t3에서 릴레이(142)의 동작이 시작되는 t4까지의 시간간격은 회로에서의 신호전달에 의한 딜레이에 의한 것으로서, 이하 본 발명의 설명에서는, 설명의 편의를 위해, 릴레이(142)가 온상태로 전환하기 시작하는 시점 t3와 릴레이(142)의 동작이 시작되는 시점인 t4 사이의 딜레이를 고려하지 않고 설명하기로 하겠다.
도 2에서, 릴레이(142)가 정상동작하는 경우, 정류부(110)에 의해 평활된 직류전압이 릴레이(142)를 통해 직접 직류링크 커패시터(120)에 인가되므로 2A와 같은 충전파형이 보여지지만, 만약 릴레이(142)가 오동작하는 경우에는 초기충전저항(141)을 통해 직류링크 커패시터(120)에 충전되므로, 직류링크 커패시터(120)와 초기충전저항(141)의 RC 시정수(time constant)에 의해 충전파형이 2B와 같이 나타난다.
이와 같이, 종래의 경우, 릴레이(142)의 동작불량으로 접점이 떨어지는 등 오작동하는 경우, 초기충전저항(141)으로 장시간 큰 전류가 흐르게 되어 발열에 의해 화재가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 릴레이(142)의 동작불량으로 인해 접점이 붙어있는 상태에서 반복적으로 투입될 경우, 정류부(110) 및 직류링크 커패시터(120)로 큰 돌입전류가 흘러 소자가 소손되는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래의 초기충전회로에서 릴레이의 동작불량을 결과적으로 확인할 수 밖에 없는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인버터의 제어부에서 초기충전저항과 직류링크 커패시터에 의한 시정수를 이용하여 릴레이의 상태를 진단함으로써, 인버터의 비용과 크기의 증가 없이 안전하게 인버터를 구동할 수 있는 장치 및 방법을 제안한다.
즉, 인버터에 전원이 투입되는 경우, 직류링크 커패시터의 충전전압은 릴레이가 동작하기 전까지 초기충전저항과 직류링크 커패시터에 의한 RC 시정수에 의해 파형이 형성되며, 직류링크 커패시터가 인버터의 입력전압 크기만큼 충전되기 전 릴레이가 정상동작하며 초기충전저항과 직류링크 커패시터의 RC 시정수에 의한 충전파형은 유지되지 않게 되므로, 본 발명의 일실시예에 의해, 릴레이의 상태진단은 이 충전전압파형을 이용하여 구할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치가 적용되는 인버터 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예가 적용되는 인버터 시스템은, 인버터(1)와, 인버터(1)에 교류전원을 인가하는 3상 전원부(2) 및, 인버터(1)로부터 출력되는 3상 교류전원을 수신하여 구동되는 전동기 등 부하(3)로 구성될 수 있다.
또한, 인버터(1)는 정류부(10), 직류링크 커패시터(20), 인버터부(30), 초기충전부(40) 및 전압검출부(50)를 포함할 수 있고, 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치(60)는, 제어부(61) 및 인버터 구동부(62)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예의 제어장치(60)는 인버터(1)의 외부에 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 인버터(1)의 외부에 제공될 수도 있지만, 인버터(1) 내부에 제공될 수도 있을 것이다. 즉, 인버터(1) 내부의 제어 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB) 상에 제공될 수도 있을 것이다.
정류부(10)는 복수의 다이오드 등 전력변환소자의 연결에 의해 구성되며, 전원부(2)로부터 입력되는 교류전원을 정류할 수 있다.
직류링크 커패시터(20)는 정류부(10)에 의해 정류된 전압을 평활하고 저장할 수 있다.
인버터부(30)는 인버터 구동부(62)로부터 수신되는 PWM 제어신호에 의해 복수의 스위칭소자의 스위칭에 따라 소정 전압 및 주파수의 교류전원을 출력할 수 있다.
초기충전부(40)는 인버터(1)에 입력되는 돌입전류에 의해 발생할 수 있는 과전류를 방지하고, 인버터(1)의 각 소자의 절연파괴를 방지할 수 있다. 초기충전부(40)는 초기충전저항(41) 및 이에 병렬로 연결되는 스위칭소자(42)를 포함할 수 있다. 스위칭소자(42)는 예를 들어 릴레이(relay)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 제어부(61)의 온신호 또는 오프신호에 의해 온상태 또는 오프상태로 전환할 수 있고, 양단에 걸리는 전압에 의해 접점이 작동하여 오프상태에서 온상태로 전환할 수 있는 다양한 스위칭소자가 사용될 수 있을 것이다.
또한, 전압검출부(50)는 직류링크 커패시터(20)의 직류전압을 검출하여, 이를 제어부(61)에 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 제어부(61)는 초기충전저항(41)과 직류링크 커패시터(20)의 RC 시정수에 의한 직류링크 커패시터(20)의 충전전압을 이용하여, 스위칭소자(42)의 상태를 진단할 수 있으며, 스위칭소자(42)에 온신호 또는 오프신호를 제공할 수 있다. 제어부(61)의 상세한 동작에 대해서는, 아래에서 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
인버터 구동부(62)는 인버터부(30)의 복수의 스위칭소자의 게이트에 PWM 신호를 인가하여, 인버터부(30)의 구동을 제어할 수 있다. 인버터 구동부(62)가 PWM 신호를 생성하는 방식에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 바와 같으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서, 전원부(2)로부터 인버터(1)의 전원이 투입되면(S10), 초기충전부(40)의 스위칭소자(42)는 오프상태이고, 초기충전저항(41)을 통해 직류링크 커패시터(20)가 충전되기 시작한다.
전원투입후 소정시간이 경과하면 제어부(61)에 전원이 인가될 수 있다(S11). 제어부(61)의 전원은, 제어부(61)가 인버터(1)의 내부에 제공되는 경우에는 인버터(1) 내부의 파워 PCB 상의 전원공급장치(switched mode power supply, SMPS)에 의해 인가될 수 있을 것이고, 또는 제어부(61)가 인버터(1)의 외부에 제공되는 경우 별도의 전원장치에 의해 인가될 수 있을 것이다.
제어부(61)에 전원이 인가되면, 전압검출부(50)는 직류링크 전압을 검출하여 이를 제어부(61)에 제공하여 제어부(61)가 이를 확인할 수 있다(S12). 즉, 전압검출부(50)는 지속적으로 직류링크 전압을 검출하고, 제어부(61)의 전원인가에 의해 제어부(61)는 전압검출부(50)로부터 직류링크 전압을 수신하여 이를 확인할 수 있게 된다.
제어부(61)가 인버터(1)의 내부에 제공되는 경우, PCB의 배선을 따라 직류링크 전압이 전압검출부(50)로부터 제어부(61)로 전달될 수 있을 것이고, 또는 제어부(61)가 인버터(1)의 외부에 제공되는 경우에는 전압검출부(50)가 검출한 직류링크 전압의 제공을 위해 무선 또는 유선 네트워크를 통하여 직류링크 전압과 관련한 데이터를 전송하는 통신부(도시되지 않음)가 별도로 인버터(1)에 포함될 수 있을 것이다.
이후, 제어부(61)는 직류링크 전압이 일정 전압(LV 클리어 레벨)에 도달하면(S13), 해당 시점에서의 직류링크 전압을 V1으로 결정할 수 있다(S14). LV 클리어 레벨은, 인버터가 구동을 준비하기 시작하는 전압레벨로써, 인버터마다 달라지지만, 보통 AC 200V 타입의 인버터의 경우 DC 230V 정도로 결정되고, AC 400V 타입의 인버터의 경우 DC 460V 정도로 결정될 수 있다. 이와 같은 LV 클리어 레벨은 인버터(1)의 설정 파라미터로서 제공되는 것으로서, 인버터(1) 내부의 메모리(도시되지 않음)에 미리 저장되어 있을 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 LV 클리어 레벨에 도달하는 시점에서의 직류링크 전압을 V1으로 결정하는 것에 대해 설명하고 있으나, 이는 이상적인 경우에 해당하는 것으로서, 직류링크 전압이 LV 클리어 레벨에 도달하는 시점과 전압검출부(50)로부터 해당 시점에서의 직류링크 전압인 V1을 수신하는 시점은 다소 지연이 발생할 수도 있을 것이다.
제어부(61)는 V1 검출시점으로부터 T1 시간 이후의 직류링크 전압을 V2로 결정할 수 있다(S15). 한편, LV 클리어 레벨에 직류링크 전압이 도달하는 경우(S14), 스위칭소자(42)의 양단에 걸리는 전압에 의해 스위칭소자(42)의 접점이 붙기 시작하여, T1 시간 이후에 스위칭소자(42)가 온으로 전환할 수 있다(S16). T1 시간은 스위칭소자(42)가 LV 클리어 레벨 이후 온으로 전환하는 시간보다 짧게 설정될 수 있을 것이다.
다만, 본 발명의 일실시예에서는 직류링크 전압이 LV 클리어 레벨에 도달하는 경우 스위칭소자(42)의 양단에 걸리는 전압에 의해 스위칭소자(42)가 온으로 전환하는 것을 예를 들어 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 제어부(61)의 온신호에 의해 스위칭소자(42)가 온상태로 전환될 수도 있을 것이다. 즉, 제어부(61)는, 직류링크 전압 V2의 결정 이후 소정 시간이 경과하는 경우, 스위칭소자(42)에 온신호를 제공할 수 있고, 이에 의해 스위칭소자(42)가 온상태로 전환될 수도 있을 것이다.
이때, 제어부(61)가 인버터(1)의 내부에 제공되는 경우, 스위칭소자(42)로의 온신호 전제공은 PCB 배선을 따라 전달되거나 내부의 전달매체를 통해 제공될 수도 있을 것이다. 또는, 제어부(61)가 인버터(1)의 외부에 제공되는 경우에는 스위칭소자(42)로 온신호 전달을 위해 별도의 통신부(도시되지 않음)가 인버터(1)에 포함될 수 있을 것이다.
이후, 제어부(61)는 직류링크 전압 V2의 검출시점으로부터 T2 시간 이후의 직류링크 전압을 V3로 결정할 수 있다(S17). 이때, T2는 스위칭소자(42)가 양단의 전압에 의해 온상태로 전환되는 시점 또는 스위칭소자(42)에 대해 제어부(61)가 온신호를 제공되는 시점보다 이후가 되도록 미리 설정될 수 있을 것이다.
제어부(61)는, V1, V2, V3, T1 및 T3를 이용하여, 스위칭소자(42)의 정상판별을 위한 제1조건을 만족하는지 확인할 수 있다(S18). 제1조건은, 초기충전저항(41)과 직류링크 커패시터(20)의 RC 시정수에 의한 충전곡선의 기울기가 항상 시간에 따라 작아지는 특성을 이용한 것으로서, 아래 수학식 1의 조건을 만족하는 경우 스위칭소자(42)가 정상인 것으로 결정할 수 있다.
Figure 112018019803363-pat00003
이후, 제어부(61)는, 위 수학식 1에 의한 제1조건을 만족하는 경우, 스위칭소자(42)가 정상인 것으로 판별하여, 인버터(1)를 가동할 준비를 완료할 수 있다(S25). 만약, 제어부(61)는 위 수학식 1에 의한 제1조건을 만족하지 않는 경우에는, 스위칭소자(42)에 오프신호를 제공하고(S19), 해당 오프신호에 의해 스위칭소자(42)는 오프상태로 전환될 수 있다. 이에 의해 직류링크 커패시터(20)는 초기충전저항(41)을 통해 충전될 수 있을 것이다.
즉, 제어부(61)는 제1조건을 만족하지 않는 경우, 스위칭소자(42)를 다시 오프상태로 전환함으로써, 스위칭소자(42)의 정상판별을 위한 제2조건을 확인하기 위한 절차를 개시할 수 있다. 인버터(1)의 내외 환경 또는 전압검출부(50)의 상태에 따라, 정상적인 경우에도 제1조건을 만족하지 않을 수도 있으므로, 본 발명의 일실시예에서는, 해당 오류를 보완하기 위하여 제2조건을 이용하여 상태를 진단할 수 있다.
이후, 제어부(61)는 스위칭소자(42)로의 오프신호 출력으로부터 T3 시간 이후의 직류링크 전압을 V4로 결정할 수 있다(S20). T3은 스위칭소자(41)의 오프상태 전환 후 충분한 간격을 두도록 설정될 수 있을 것이다.
이후, 제어부(61)는 직류링크 전압 V4의 결정 이후 소정 시간이 경과하는 경우, 스위칭소자(42)에 온신호를 제공할 수 있고(S21), 이에 의해 스위칭소자(42)가 온상태로 전환될 수 있다.
이후, 제어부(61)는 스위칭소자(42)로의 온신호 출력으로부터 T4 시간 이후의 직류링크 전압을 V5로 결정할 수 있다(S22).
제어부(61)는, V3, V4, V5 및 직류링크 전압이 입력전압만큼 충전된 상황에서 스위칭소자(42)의 온 및 오프('온/오프')에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화(ΔV)를 이용하여, 스위칭소자(42)의 정상판별을 위한 제2조건을 만족하는지 확인할 수 있다(S23). 제2조건은, 직류링크 커패시터(20)의 직류링크 전압이 입력전압만큼 초기충전된 상황에서 스위칭소자(42)의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화를 이용하는 것으로서, 스위칭소자(42)의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 차(ΔV)는 초기충전저항(41)의 양단에 걸리는 전압에 의해 발생한다. 이때, 아래 수학식 2의 조건을 만족하는 경우 스위칭소자(42)가 정상인 것으로 결정할 수 있다.
Figure 112018019803363-pat00004
이후, 제어부(61)는, 위 수학식 2에 의한 제2조건을 만족하는 경우, 스위칭소자(42)가 정상인 것으로 판별하여, 인버터(1)를 가동할 준비를 완료한다(S25). 만약, 제어부(61)는 위 수학식 2에 의한 제2조건을 만족하지 않는 경우에는, 스위칭소자(42)가 불량인 것으로 판정하고(S24), 스위칭소자(42)의 불량 트립을 발생할 수 있다. 이는, 스위칭소자(24)의 고장상황(오픈)에서, 초기충전저항(410의 발열에 의한 화재 위험성을 제거하고, 스위칭소자(24)의 고장(쇼트)으로 인해 빈번한 인버터(1) 온/오프에 따라 돌입전류가 발생할 수 있는 가능성을 제거하기 위한 것이다.
도 5는 스위칭소자(42)가 정상동작하는 경우 직류링크 전압의 파형에서 본 발명의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 도 4를 연계하여 설명하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 인버터(1)에 전원이 투입되면(S10), 직류링크 커패시터(20)는 초기충전부(40)의 초기충전저항(41)과 직류링크 커패시터(20)의 RC 시정수에 의한 곡선을 형성하면서 충전되기 시작한다.
전류가 투입된 후 소정 시간 Ta가 경과하는 시점 5A에서 제어부(61)에 전원이 인가되고(S11), 이후, 직류링크 전압을 전압검출부(50)로부터 확인하여(S12), 소정 레벨(LV 클리어 레벨)에 도달하는 시점 5B에서의 직류링크 전압이 V1으로 결정된다(S13, S14). 다만, 본 발명의 일실시예에서는 LV 클리어 레벨에 도달하는 시점 5B에서의 전압을 V1으로 결정하는 것으로 설명하고 있지만, 이는 이상적인 경우로서, 다소의 지연이 발생하여, LV 클리어 레벨에 도달하는 시점과 V1이 결정되는 시점간 다소 차이가 발생할 수도 있을 것이다.
시점 5B 이후 T1 시간이 경과되는 시점 5C에서의 직류링크 전압이 V2로 결정되고(S15), LV 클리어 레벨에 도달하는 시점 5B로부터 스위칭소자(42)의 접점이 온되기 시작하여 시점 5D에서 스위칭소자(42)가 온으로 전환될 수 있다(S16). 또는, LV 클리어 레벨에 도달하는 시점 5B 이후 Tb 시간이 경과되는 시점 5D에서 제어부(61)로부터 스위칭소자(42)에 온신호가 제공되어, 스위칭소자(42)의 온상태 전환에 의해 직류링크 전압이 입력전압으로 상승할 수 있다.
다만, 도면에서는 스위칭소자(42)의 접점이 구동하기 시작되는 시점(또는 온신호가 제공되는 시점)과 직류링크 전압이 상승하는 시점(즉, 스위칭소자(42)가 온상태로 전환되는 시점)이 동일한 것으로 도시되고 있으나, 접점구동시점(온신호의 제공시점)과 직류링크 전압의 상승시점에 약간의 시간차가 존재할 수도 있음은, 도 2를 참조로 설명한 바와 같다.
이후, 제어부(61)는, 시점 5C 이후 T2 시간이 경과하는 시점 5E에서의 직류링크 전압을 V3로 결정하고(S17), 수학식 1의 조건을 만족하는 경우, 스위칭소자(42)가 정상인 것으로 판별하고 인버터의 구동을 준비한다(S25).
한편, 도 6은 스위칭소자(42)가 오동작하는 경우 직류링크 전압의 파형에서 본 발명의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 도 4를 연계하여 설명하기로 한다. 도 6에서, 시점 5E 이전의 동작은 도 5와 동일하다 할 것이므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
스위칭소자(42)의 오동작으로 인해, 시점 5D에서 스위칭소자(42)가 온상태로 전환되지 않았으므로, 시점 5E에서 결정되는 직류링크 전압 V3는 스위칭소자(42)가 정상동작하는 경우의 V3(도 6에서 V3'라 표기하기로 함, 스위칭소자가 정상동작하는 경우의 전압파형곡선은 점선으로 표기하기로 함)보다 작은 값이다. 따라서, 제1조건을 만족하지 않는 경우가 되므로, 시점 6A에서 제어부(61)의 오프신호(S19)에 의해 스위칭소자(42)가 오프상태로 전환될 수 있다.
이후, 제어부(61)는 시점 6A로부터 T3 시간이 경과하는 시점 6B에서의 직류링크 전압을 V4로 결정하고(S20), 제어부(61)는 시점 6B 이후 Tc 시간이 경과되는 시점 6C에서 스위칭소자(42)에 온신호를 제공하여(S21), 스위칭소자(42)가 온상태로 전환될 수 있다.
이후, 제어부(61)는 시점 6C로부터 T4 시간이 경과하는 시점 6D에서의 직류링크 전압을 V5로 결정할 수 있다(S22).
제어부(61)는, 수학식 2를 만족하는 경우, 스위칭소자(42)가 정상인 것으로 판별하고 인버터의 구동을 준비하고(S25), 수학식 2를 만족하지 않는 경우 스위칭소자(42)의 불량을 판정하고(S24) 스위칭소자(42)의 불량트립을 발생할 수 있다.
시점 6C에서 스위칭소자(42)가 정상동작하게 되면, 점선과 같이 동작하여 V5'가 되나, 스위칭소자(42)의 오동작에 의해 정상동작하는 경우의 V5'보다 작은 V5로 결정된다. 이에 의해 수학식 2의 조건을 만족하지 못하게 되므로, 스위칭소자의 불량을 판정할 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에서는, 릴레이 등 스위칭소자가 저항에 병렬로 연결되는 초기출정회로를 사용하는 인버터에서, 부품이나 회로의 추가없이 인버터의 전원투입시 스위칭소자의 상태를 진단할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 초기충전저항(41)과 직류링크 커패시터(20)의 RC 충전곡선을 사용하는 제1조건을 판별하고, 직류링크 전압이 입력전압만큼 충전된상황에서 스위칭소자(42)의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화를 이용하여 제1조건의 오류를 보완하는 제2조건의 판별을 통해, 추가적인 부품을 요구하지 않으면서 간단하게 스위칭소자의 상태를 판별할 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.
1: 인버터 10: 정류부
20: 직류링크 커패시 30: 인버터부
40: 초기충전부 41: 초기충전저항
42: 스위칭소자 50: 전압검출부
61: 제어부

Claims (10)

  1. 인버터의 직류링크 커패시터의 전단에 배치되는 초기충전저항과 상기 초기충전저항에 병렬로 연결되는 스위칭소자로 구성되는 초기충전부;
    상기 직류링크 커패시터에 충전되는 직류링크 전압을 검출하는 검출부; 및
    상기 초기충전저항과 상기 직류링크 커패시터의 RC 시정수에 의한 충전곡선의 기울기가 시간에 따라 작아지는 특성을 이용하여, 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    직류링크 전압이 소정 레벨에 도달하는 제1시점의 직류링크 전압을 제1전압으로 결정하고, 상기 제1시점으로부터 제1시간이 경과한 제2시점의 직류링크 전압을 제2전압으로 결정하고, 상기 제2시점으로부터 제2시간이 경과한 제3시점의 직류링크 전압을 제3전압으로 결정하고, 상기 제3시점으로부터 소정 시간 이후 제4시점에 상기 스위칭소자에 오프신호를 전송하고, 상기 제4시점으로부터 제3시간이 경과한 제5시점의 직류링크 전압인 제4전압을 결정하고, 상기 제5시점으로부터 소정 시간 이후인 제6시점에 상기 스위칭소자에 온신호를 전송하고, 상기 제6시점으로부터 제4시간이 경과한 제7시점의 직류링크 전압인 제5전압을 결정하고,
    제1 조건 및 제2 조건을 이용하여 상기 스위칭소자의 상태를 판별하고,
    상기 제1 조건을 만족하는 경우 상기 스위칭소자, 인버터 내외 환경 및 전압검출부의 상태가 모두 정상인 것으로 판별하고, 상기 제2 조건을 만족하는 경우 상기 스위칭소자의 상태가 정상인 것으로 판별하고, 상기 제1 조건을 만족하지 않으면서 상기 제2 조건을 만족하는 경우 상기 스위칭소자의 상태는 정상이고, 인버터 내외 환경 및 전압검출부의 상태가 비정상 상태인 것으로 판별하고,
    상기 제1 조건은 상기 제1 내지 제3전압과, 상기 제1 및 제2시간을 이용하며 다음의 수학식을 만족하는 조건이고,
    Figure 112019062425418-pat00013

    (이때, V1은 제1전압, V2는 제2전압, V3는 제3전압, T1은 제1시간, T2는 제2시간임)
    상기 제2 조건은 상기 제4전압, 제5전압과 상기 스위칭소자가 정상인 경우 직류링크 전압이 인버터의 입력전압만큼 초기충전된 상태에서 상기 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화(전압차)를 이용하여 상기 스위칭소자의 상태를 판별하며 다음의 수학식을 만족하는 조건인 인버터 제어장치.
    Figure 112019062425418-pat00014

    (이때, V1은 제1전압, V2는 제2전압, V3는 제3전압, V4는 제4전압, V5는 제5전압, ΔV는 상기 스위칭소자가 정상인 경우 직류링크 전압이 인버터의 입력전압만큼 초기충전된 상태에서 상기 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화(전압차)에 해당함)는 인버터 제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭소자는,
    직류링크 전압이 상기 소정 레벨에 도달하였을 때, 양단의 전압에 의해 접점이 동작하여 제2시점과 제3시점 사이에서 온상태로 전환하는 인버터 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    직류링크 전압이 상기 소정 레벨에 도달하였을 때, 상기 제2시점과 제3시점 사이에서 온신호를 상기 스위칭소자로 전송하는 인버터 제어장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 초기충전저항을 통해 초기전원이 인버터의 직류링크 커패시터로 투입되는 상태에서, 상기 직류링크 커패시터에 충전되는 직류링크 전압을 제공받는 단계;
    직류링크 전압이 소정 레벨에 도달하는 제1시점에서의 직류링크 커패시터의 전압을 제1전압으로 결정하는 단계;
    상기 제1시점으로부터 제1시간 경과한 제2시점의 직류링크 전압을 제2전압으로 결정하는 단계;
    상기 초기충전저항에 병렬로 연결된 스위칭소자가 온상태로 전환하는 단계;
    상기 제2시점으로부터 제2시간 경과한 제3시점의 직류링크 전압을 제3전압으로 결정하는 단계;
    상기 제1 내지 제3전압과, 제1 및 제2시간을 이용하여, 제1 조건으로부터 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 단계;
    상기 제3시점으로부터 소정 시간이 경과한 제4시점에 상기 스위칭소자에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 제4시점으로부터 제3시간이 경과한 제5시점의 직류링크 전압을 제4전압으로 결정하는 단계;
    상기 제5시점으로부터 소정 시간이 경과한 제6시점에 상기 스위칭소자에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 제6시점으로부터 제4시간이 경과한 제7시점의 직류링크 전압을 제5전압으로 결정하는 단계;
    상기 제4전압, 제5전압과, 상기 스위칭소자가 정상인 경우 직류링크 전압이 인버터의 입력전압만큼 초기충전된 상태에서 상기 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화(전압차)를 이용하여, 제2 조건으로부터 상기 스위칭소자의 상태를 판별하는 단계; 및
    상기 제1 조건을 만족하는 경우 상기 스위칭소자, 인버터 내외 환경 및 전압검출부의 상태가 모두 정상인 것으로 판별하고, 상기 제2 조건을 만족하는 경우 상기 스위칭소자의 상태가 정상인 것으로 판별하고, 상기 제1 조건을 만족하지 않으면서 상기 제2 조건을 만족하는 경우 상기 스위칭소자의 상태는 정상이고, 인버터 내외 환경 및 전압검출부의 상태가 비정상 상태인 것으로 판별하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 조건은 다음의 수학식을 만족하는 조건이고,
    Figure 112019062425418-pat00015

    (이때, V1은 제1전압, V2는 제2전압, V3는 제3전압, T1은 제1시간, T2는 제2시간임)
    상기 제2 조건은 다음의 수학식을 만족하는 조건인 인버터 제어방법.
    Figure 112019062425418-pat00016

    (이때, V3는 제3전압, V4는 제4전압, V5는 제5전압, ΔV는 상기 스위칭소자가 정상인 경우 직류링크 전압이 인버터의 입력전압만큼 초기충전된 상태에서 상기 스위칭소자의 온/오프에 의해 발생하는 직류링크 전압의 변화(전압차)에 해당함)를 포함하는 인버터 제어방법.


  10. 삭제
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