KR102182635B1 - 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템 - Google Patents

인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 입출력측의 전압과 전류 정보를 모두 반영한 입력 전력과 출력 전력에 기초하여 고장 검출을 행하므로, 다양한 고장에 대하여 폭넓게 검출가능한 인버터 고장 검출 방법을 제공하는 것으로, (b) 입력단의 각 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상의 출력 전류를 검출하는 단계(S3); (c) 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하게 되는 단계(S4); (e) 3상 입력 전압/전류에 기하여 입력 전압 및 입력 전류를 그리고 상기 입력 전압 및 입력 전류에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 및 출력 전류 그리고 상기 출력 전압 및 출력 전류에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 입력 전력(Pin) 및 출력 전력(Pout)에 의하여 계산하는 단계(S6); (f) 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다도 큰지 여부를 판단하는 단계(S7); 및 (g) 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 작으면 (Pdiff < Th1) 인버터 정상으로 판단하여, 계속해서 반복 수행하고, 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 크면 (Pdiff > Th1), 인버터 고장으로 판별하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템{A method for detecting inverter failure and the system therefor}
본 발명은 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템에 관한 것으로, 특별히 하드웨어 추가를 최소화하면서 새로운 인버터의 고장 검출시에는 소프트웨어의 업데이트만으로도 가능한 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템에 관한 것이다.
직류를 교류로 변환하는 인버터, 그 중에서도 삼상 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터는 전동기 구동 드라이브, UPS(Uninterruptible Power Supply), 능동 전력 필터 등과 같은 다양한 산업 응용분야를 비롯하여 신재생 에너지 변환 시스템과 하이브리드 자동차 등에도 활용되고 있다.
인버터 시스템의 설계와 제어 기술은 어느 정도 성숙되었으나, 산업 현장에서는 많은 종류의 예상치 못한 인버터 고장이 자주 발생한다. 특히, 인버터 고장은 전체 시스템의 동작에 영향을 미치게 되므로, 시스템의 신뢰성을 증가시키고 고장에 의한 악영향을 제거하기 위해서 고장 검출과 진단이 필요하다.
이러한 인버터 고장 검출에 관한 종래기술로서, (특허문헌 1) 대한민국 특허 제10-0964035호 (명칭: 인버터 고장 검출 장치 및 그 방법), (특허문헌 2) 대한민국 특허 제10-1745186호 (명칭: 인버터의 파워모듈 고장 검출 장치 및 그 방법) 및 (특허문헌 3) 대한민국 특허 제10-1823140호 (명칭: 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치)이 있다.
그러나, 상기 종래기술들은 전압이나 전류 어느 한 가지만을 가지고 고장을 검출하기 때문에, 종합적인 고장 검출은 곤란하며, 더욱이 추가적인 하드웨어 장치의 필요성이 존재한다.
한편, (특허문헌 4) 대한민국 특허 제10-1892974호 (명칭: 과전류 검출 기능을 갖춘 인버터) 의 경우, 인버터의 과전류 검출에 관한 것이기는 하나, 전체 입력 전력이 임계값을 초과하면 인버터의 과전류 오류를 감지하며 상기 임계값은 브리지 전류를 기초로 결정되므로, 입력 전력을 기초로 과전류 검출이 이루어지는 기술이다.
도 1은 상기 종래기술의 실시 형태에 따른 인버터를 도시하는바, 상기 인버터는 전력 출력단(10)을 포함하고, 이 전력 출력단은 반도체 스위치 (1, 2, 3, 4, 5, 6) 들을 구비한 다수의 반브리지 회로를 포함한다. 각각 2개의 반도체 스위치가 하나의 반브리지 (예컨대, 반도체 스위치 1 및 2) 를 형성한다. 상기 반도체 스위치들은 예를 들면 IGBT들과 전력 MOSFET들로부터 형성될 수 있다. 개별 반브리지들은 각각 전동 컴프레서의 부분인 전기 모터용 상전류를 출력한다.
도 1은 예시적으로 소위 B6-브리지를 보여주며, 이때 상기 B6-브리지는 모터에 3상 교류를 출력한다.
전력 출력단(10)은 또한 중간 회로 커패시터(C)를 포함할 수 있으며, 전력 출력단(10)에는 고전압 배터리(HV+ 및 HV-)에 의해 전압이 공급된다.
인버터는 또한 제 1 측정 유닛(20)을 포함하고, 이 제 1 측정 유닛은 상기 인버터의 전체 입력 전압(Vin)과 전체 입력 전류 강도(Iin)를 측정하고, 그리고 상기 전체 입력 전압과 전체 입력 전류 강도를 기초로 상기 인버터의 전체 입력 전력(Pin)을 산출(Pin = Vin x Iin)하도록 설치되어 있다.
도 1은 상기 중간 회로 커패시터(C) 보다 높은 전체 입력 전압(Vin)을 측정하는 제 1 측정 유닛(20)의 실시 형태를 도시한다.
또한, 상기 실시 형태에서 전체 입력 전류 강도(Iin)는 저전압측(HV-)에서 측정된다. 고전압측(HV+)에서의 측정에 비해, 이러한 저전압측 측정이 갖는 장점은, 저전압 측에서는 분리된 전류 측정이 필요하지 않다는 것이다.
그 밖에도 인버터는 제 2 측정 유닛(30)을 포함하며, 이 제 2 측정 유닛은 반브리지 회로들 내에서 개별 브리지 전류를 측정하도록 설치되어 있다. 브리지 전류는 바람직하게 동기적으로 측정된다. 반도체 스위치(1 및 2)들에 의해 형성된 반브리지 내 브리지 전류는 하기에서 Iph1로 명명된다. 반도체 스위치(3 및 4)들에 의해 형성된 반브리지 내 브리지 전류는 하기에서 Iph2로 명명된다. 반도체 스위치(5 및 6)들에 의해 형성된 반브리지 내 브리지 전류는 하기에서 Iph3으로 명명된다.
상기 제 2 측정 유닛(30)이 반브리지 회로들의 저전압 측에서 분로 저항에 의해 브리지 전류를 측정하도록 설치되어 있다. 도 2는 분로 저항(31)에 의해 브리지 전류(Iph1)가 측정되는 실시 형태를 도시한다. 상기 분로 저항(31) 보다 높은 전압 하강은 증폭기(32)에 의해 증폭되어 제어 유닛(40)으로 출력된다. 동일한 방식으로 다른 반브리지들 내 브리지 전류(Iph2 및 Iph3)가 측정될 수 있다.
저전압 측에서 이루어지는 브리지 전류 측정은 분리된 전류 측정이 필요하지 않다는 장점을 갖는다.
도 1은 모든 반브리지 내 브리지 전류가 측정되는 경우를 도시한다.
인버터는 또한 제어 유닛(40)을 포함하고, 이 제어 유닛은 전체 입력 전력(Pin)이 임계값(Pin_limit)을 초과하면, 인버터의 과전류 오류를 감지하도록 설치되어 있으며, 이 경우 상기 임계값은 브리지 전류(Iph1, Iph2, Iph3)를 기초로 결정된다.
따라서 임계값은 고정적으로 설정되어 있는 것이 아니라, 측정된 브리지 전류에 맞게 조정된다. 그 결과 과전류를 신속하게 검출하는 것이 가능하다.
제어 유닛(40)은 제 1 측정 유닛(20)과 제 2 측정 유닛(30)으로부터 측정 신호들을 수신한다. 그 밖에 제어 유닛(40)은, 전력 출력단(10)이 모터로 교류를 출력하는 방식으로 반도체 스위치(1, 2, 3, 4, 5, 6)들을 스위칭하기 위해 상기 전력 출력단(10)에 제어 신호들을 전송한다. 추가로 제어 유닛(40)은 도면에 도시되지 않은 차량-제어 유닛과 서로 통신한다.
바람직한 한 실시 형태에 따르면, 제어 유닛(40)은 PWM-제어에 의해 전력 출력단(10)을 제어하고, 그리고 사전 설정된 PWM-클록 수에서 측정된 다수의 브리지 전류를 기초로 임계값을 결정하도록 설치되어 있다.
따라서 임계값 산출 시 과거에 측정된 다수의 브리지 전류가 고려된다. 그 결과 전체 입력 전력(Pin)의 너무 갑작스런 차이를 감지하여 과전류를 신속하게 검출하는 것이 가능하다.
도 3은 상기 종래기술의 실시 형태에 따른 방법을 도시한다. 상기 실시 형태는 전동 컴프레서용 인버터를 제어하기 위한 방법과 관련이 있으며, 이때 상기 인버터는 전력 출력단을 포함하고, 상기 전력 출력단은 반도체 스위치들을 구비한 다수의 반브리지 회로를 포함한다. 상기 방법은 인버터의 전체 입력 전압과 전체 입력 전류 강도를 측정하기 위한 단계(S1)와 상기 전체 입력 전압과 전체 입력 전류 강도를 기초로 인버터의 전체 입력 전력을 산출하기 위한 단계(S2)를 포함한다. 상기 방법은 또한 반브리지 회로들 내 개별 브리지 전류를 측정하는 단계(S3)와 전체 입력 전력이 임계값을 초과하면 인버터의 과전류 오류를 감지하는 단계(S4)를 포함하며, 이때 상기 임계값은 브리지 전류를 기초로 결정된다.
그러나 상기 (특허문헌 4)의 종래기술 역시, 어디까지나 과전류 검출에 관한 것이며, 입력 전력과 출력 전력에 기초하여 행하는 고장 검출은 아니므로, 단락 발생 여부를 감지하는데 촛점이 맞추어져 있다.
더욱이, 출력 과전압의 경우에는, 출력이 PWM 방식의 파형이므로, 측정이 쉽지 않을뿐더러 순시적으로 변하기 때문에, 출력 전력의 측정 자체가 쉽지 않다는 근본적인 문제점을 지니게 된다.
특히, 종래기술들의 경우, 인버터 내부의 주요 소자의 고장이나 수명의 노후화를 검출하기 위하여 별도의 검출 장치를 설치하여야 하며, 이는 추가 비용을 초래한다.
대한민국 특허 제10-0964035호 (명칭: 인버터 고장 검출 장치 및 그 방법) 대한민국 특허 제10-1745186호 (명칭: 인버터의 파워모듈 고장 검출 장치 및 그 방법) 대한민국 특허 제10-1823140호 (명칭: 인버터 고장 진단 방법 및 그 장치) 대한민국 특허 제10-1892974호 (명칭: 과전류 검출 기능을 갖춘 인버터)
본 발명은, 상기 종래기술의 문제점에 대한 대책으로서, 입출력측의 전압과 전류 정보를 모두 반영한 입력 전력과 출력 전력에 기초하여 고장 검출을 행하므로, 다양한 고장에 대하여 폭넓게 검출가능한 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템을 제공하는 것이다.
더욱이, 본 발명은, 별도의 장비를 추가하지 않고 인버터 내에 부착된 전압, 전류 센서를 이용한 인버터의 고장 또는 주요 소자의 노후화를 검출하는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 인버터 고장 검출 방법은, (b) 입력단의 각 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상의 출력 전류를 검출하는 단계(S3); (c) 상기 (b) 단계 후, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하게 되는 단계(S4); (e) 상기 (c) 단계 후, 상기 (b) 단계에서 센싱된 3상 입력 전압/전류에 기하여 입력 전압 및 입력 전류를 그리고 상기 입력 전압 및 입력 전류에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 상기 (b) 단계에서 센싱되고 상기 (c) 단계에서 산출된 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 및 출력 전류 그리고 상기 출력 전압 및 출력 전류에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 입력 전력(Pin) 및 출력 전력(Pout)에 의하여 계산하는 단계(S6); (f) 상기 (e) 단계 후, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다도 큰지 여부를 판단하는 단계(S7); 및 (g) 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 작으면 (Pdiff < Th1) 인버터 정상으로 판단하여, 계속해서 반복 수행하고, 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 크면 (Pdiff > Th1), 인버터 고장으로 판별하는 단계; 를 포함하며, 상기 (b) 단계에서의 입력측의 전압과 상기 입출력측의 전류는, 별도의 장비를 추가하지 않고, 인버터 내에 부착된 전압, 전류 센서를 이용하여 실시간으로 검출되도록 하며, 상기 (c) 단계에서의 출력 전압은, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 부하 제어부에서 부하 출력값에 의해 산출되어지도록 하되, 상기 부하 제어부는, 사용자로부터 수신된 지령값(Vel_ref)과 부하(50)로부터 피드백되어온 실제값(Vel_fbk)의 차이값에 따른 부하 출력값에 따른 전압 지령을 출력 전압으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 인버터 고장 검출 방법은, (b') 입력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 출력 전류를 검출하는 단계(S3'); (c) 상기 (b') 단계 후, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하게 되는 단계(S4); (d) 상기 (c) 단계 후, 상기 (b') 단계에서 검출된 입력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 출력 전류로부터, 나머지 한 상의 입력 전압 및 입력 전류 그리고 출력 전류를 검출하는 단계(S5'); (e) 상기 (d) 단계 후, 상기 (b') 단계에서 센싱된 3상 입력 전압/전류에 기하여 입력 전압 및 입력 전류를 그리고 상기 입력 전압 및 입력 전류에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 상기 (b') 단계에서 센싱되고 상기 (c) 단계에서 산출된 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 및 출력 전류 그리고 상기 출력 전압 및 출력 전류에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 입력 전력(Pin) 및 출력 전력(Pout)에 의하여 계산하는 단계(S6); (f) 상기 (e) 단계 후, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다도 큰지 여부를 판단하는 단계(S7); 및 (g) 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 작으면 (Pdiff < Th1) 인버터 정상으로 판단하여, 계속해서 반복 수행하고, 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 크면 (Pdiff > Th1), 인버터 고장으로 판별하는 단계; 를 포함하며, 상기 (b') 단계에서의 입력측의 전압과 상기 입출력측의 전류는, 별도의 장비를 추가하지 않고, 인버터 내에 부착된 전압, 전류 센서를 이용하여 실시간으로 검출되도록 하며, 상기 (c) 단계에서의 출력 전압은, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 부하 제어부에서 부하 출력값에 의해 산출되어지도록 하되, 상기 부하 제어부는, 사용자로부터 수신된 지령값(Vel_ref)과 부하(50)로부터 피드백되어온 실제값(Vel_fbk)의 차이값에 따른 부하 출력값에 따른 전압 지령을 출력 전압으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (g) 단계는, (g1) 상기 (f) 단계에서의 판단 결과, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제1 임계치(Th1) 보다 큰 경우 (Pdiff > Th1), 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제1 임계치(Th1) 보다 더 큰 제2 임계치(Th2) 보다 큰지 여부를 판단하고, (g2) 상기 (g1) 단계에서의 판단 결과, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제2 임계치(Th2) 보다 작으면 (Pdiff < Th2), 경미한 인버터 고장으로 판단하고(S9), (g3) 상기 (g1) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제2 임계치(Th2) 보다도 더 크면 (Pdiff > Th2), 인버터 이상 중에서도 중대한 인버터 고장으로 판별하는(S10) 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 (g2) 단계에서는 사용자에게 경고 메시지만을 출력하고, 상기 (g3) 단계에서는 사용자에게 에러 메시지를 출력함과 동시에 인버터의 동작을 강제로 정지시키게 되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 (e) 단계에서, 상기 입력 전력(Pin)은 [수학식1]에 의하여 산출되며, 상기 출력 전력(Pout)은 [수학식2]에 의하여 산출되며, 상기 전력 차이값(Pdiff)을 [수학식3]에 의하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
[수학식1]
Figure 112020042934840-pat00001
[수학식2]
Figure 112020042934840-pat00002
[수학식3] 전력 차이값(Pdiff) = Pin(입력 전력) - Pout(출력 전력)
(이때,
Figure 112020042934840-pat00003
이고,
Figure 112020042934840-pat00004
이며,
Figure 112020042934840-pat00005
이고,
Figure 112020042934840-pat00006
임)
또한 바람직하게는, 상기 (c) 단계는, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하는 루틴을 수행하여 행하여지되, 인버터의 CPU(60)는 속도 제어기(61) 출력에 해당하는 지령 속도(Vel_ref)를 사용자로부터 수신하고(S41), 한편으로는 부하(50)로부터 피드백되어온 실제 속도(Vel_fbk)를 피드백 받아(S42), 이들 속도 차이(지령 속도 - 실제 속도) 에 따른 전압 지령을 속도 제어기의 출력으로 하며(S43), 이때의 전압 지령을 출력 전압으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 상기 인버터 고장 검출 방법을 수행하는 CPU(60); 입력 전원(10)과 인버팅부(30) 사이에서 입력 전류 및 전압을 검출하여 상기 CPU(60)로 보내는 인버터 입력 전압전류 검출부(20); 및 상기 인버팅부(30)와 출력 부하(50)와 사이에서 출력 전류를 검출하여 상기 CPU(60)로 보내는 인버터 출력 전류 검출부(40); 로 이루어지는 인버터 고장 검출 방법을 채용하는 시스템이 제안된다.
본 발명에 따른 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템에 따르면, 입출력측의 전압과 전류 정보를 모두 반영한 입력 전력과 출력 전력에 기초하여 고장 검출을 행하므로, 다양한 고장에 대하여 다양하게 고장 검출이 가능하고, 별도의 장비를 추가하지 않고 인버터 내에 부착된 전압, 전류 센서를 이용한 인버터의 고장 또는 주요 소자의 노후화를 검출하는 것이 가능하다.
추가적으로, 검출이 곤란하고 복잡한 인버터 출력 전압의 경우에는, 인버터 내부의 제어 변수인 전압 지령을 사용하여 검출 가능하고, 더욱이, 3상 중에서 2상만을 검출하여 전체 3상 전압 전류 산출 및 전력 계산이 가능하다는 장점이 있다.
상기 목적 및 효과 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 과전류 검출 기능을 갖춘 인버터의 회로도.
도 2는 분로 저항이 사용되는 종래기술에 따른 인버터의 회로도.
도 3은 종래기술에 따른 인버터의 과전류 검출 방법의 흐름도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법이 적용되는 시스템.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법의 흐름도.
도 6은 도 5의 전압 지령을 사용하여 출력전압을 산출하는 서브루틴의 흐름도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법이 적용되는 시스템.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법의 흐름도.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
(제1 실시예)
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법이 적용되는 시스템이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법의 흐름도이며, 도 6은 도 5의 전압 지령을 사용하여 출력전압을 산출하는 서브루틴의 흐름도이다.
우선, 본 발명의 제1 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법이 적용되는 시스템에 대하여 도 4를 참조하여 상술하면, 3상 입력 전원(10)을 인버팅부(30)의 정류부(31)에서 정류한 후, 다시 스위칭부(33)에서 정해진 주파수의 PWM 방식으로 스위칭하여 모터와 같은 각종 머신의 부하(50)로 출력하게 되는바, 상기 입력 전원(10)과 인버팅부(30) 사이에는 인버터 입력 전압전류 검출부(20)가 개재되고, 상기 인버팅부(30)와 출력 부하(50)와 사이에는 인버터 출력 전류 검출부(40)가 개재되어, 각각의 전압 센서(PT) 및 전류 센서(CT)에서 입력 전압/전류 및 출력 전류를 검출하게 된다.
계속해서 상기 인버터 입력 전압전류 검출부(20) 및 인버터 출력 전류 검출부(40)에서 검출된 입력 전압/전류 및 출력 전류는 인버터의 CPU(60)로 보내져서, CPU에서 인버터 고장 검출을 하는데 사용되어 진다.
특히, 본 발명의 시스템에서는 출력 전압을 별도로 검출하지 않고, 인버터 내부의 제어 변수인 전압 지령을 사용하여 속도제어기(61)에서 산출하도록 하는바, 본 발명의 시스템과 같은 방식에서는 출력이 PWM 방식이므로 순시 측정이 어렵기 때문에 일반적으로 출력 전압 측정 장치가 별도로 존재하지 않으며, 또 굳이 출력 전압을 측정하려면 고가의 장비를 사용하여야 하므로, 종래기술에서도 출력 전압 측정을 별도로 하지 않고, 출력 전류만을 가지고 고장 검출을 행하기 때문에 충분하고 폭넓은 고장 검출이 안 되었다.
본 실시예에서의 전압 지령을 사용한 출력 전압 산출에 대해서는, 추후 도 6을 참조하여 후술한다.
미 설명부호 '32'는 중간 회로 커패시터(DC-link Capacitor)이고, '62'는 전류제어기이다.
한편, 본 발명의 핵심이 입력 전력(Pin)과 출력 전력(Pout)을 대비하여, 고장 여부를 검출하는 것인바, 입력 전압전류 검출부(20)에서 센싱된 입력 전압치 및 입력 전류치에 의해 입력 전력(Pin)을 계산하는 수학식은 다음과 같다.
Figure 112020042934840-pat00007
이때, Vi(입력 전압)는 3상 전압 Vr, Vs 및 Vt의 rms 값인바,
Figure 112020042934840-pat00008
이고, Ii(입력 전류)는 3상 전류 Ir, Is 및 It의 rms 값인바,
Figure 112020042934840-pat00009
이다.
마찬가지로, 출력 전류 검출부(40)에서 센싱된 출력 전류치 및 전압 지령을 사용하여 산출한 출력 전압치에 의해 출력 전력(Pout)을 계산하는 수학식은 다음과 같다.
Figure 112020042934840-pat00010
이때, Vo(출력 전압)는 3상 전압 Vu, Vv 및 Vw의 rms 값인바,
Figure 112020042934840-pat00011
이고, Io(출력 전류)는 3상 전류 Iu, Iv 및 Iw의 rms 값인바,
Figure 112020042934840-pat00012
이다.
Figure 112020042934840-pat00013
이제, CPU는 인버터 내부에서 Pin(입력 전력) 과 Pout(출력 전력)을 순시적으로 비교 연산 수행하고, 아래와 같이 그 전력 차이값(Pdiff) (= Pin(입력 전력) - Pout(출력 전력)) 이 제1 임계치(Th1) 및 제2 임계치(Th2)의 규정치 이상인가 여부로 인버터 이상 여부를 판단하게 되는바, 먼저 상기 차이값(Pdiff)을 [수학식3]에 의하여 계산하는바, 상기 차이값(Pdiff) (= Pin(입력 전력) - Pout(출력 전력)) 이 제1 임계치(Th1) 보다 크면, 주요 부품 (일례로 DC-link 커패시터 등) 의 수명 저하와 같은 경미한 고장으로 판단하여 사용자에게 경고 메시지만을 출력하고, 상기 차이값(Pdiff) (= Pin(입력 전력) - Pout(출력 전력)) 이 제2 임계치(Th2) 보다도 크면, 주요 부품의 소손 또는 지락 사고와 같은 중대한 고장으로 판단하여 사용자에게 에러 메시지를 출력하면서 인버터의 동작을 정지시킨다.
참고로, 상기 제1 임계치(Th1) 및 제2 임계치(Th2)는 인버터의 특성이나 운행 조건에 따라서 달라지나, 일례로 상기 제1 임계치(Th1)는 정격출력 전력의 15% 정도의 값으로, 그리고 상기 제2 임계치(Th2)는 정격출력 전력의 30% 정도의 값으로 하면 좋다.
이제, 도 5 및 도 6을 주로 참조하고 도 4를 보조적으로 참조하면서, 본 발명의 제1 실시예에 관한 인버터 고장 검출 방법에 대하여 설명하는바, 부하(50)를 속도 제어 모터로 가정하여 예시적으로 상술한다.
모터 운전이 시작되면(S1), CPU는 모터의 운전 조건이 모터링(motoring) 운전인가? 여부를 판단하는바(S2), 상기 S2 단계에서의 판단 결과, "Iq (q상 전류) < 0" 이어서 '회생 운전(regenerating run)'인 것으로 판단되면, 이 조건하에서는 전력차의 연산을 하지 않고 반복해서 수행하는바, 일반적인 인버터에서 회생시의 정확한 전력 계산을 위해서는 하드웨어의 추가가 필요하므로 본 발명에서는 많은 비용을 필요로 하는데 반해 그다지 효과가 크지 않는 이 방식에서의 고장 검출은, 본 발명의 목적상 행하지 않는 것으로 한다.
한편, 상기 S2 단계에서의 판단 결과, "Iq (q상 전류) > 0" 이어서 '모터링 운전(motoring run)'인 것으로 판단되면, Pin(입력 전력) 과 Pout(출력 전력)을 계산하기 위하여, 입력단의 R, S, T 각 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 U, V, W 각 상의 출력 전류를 검출하고(S3), 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하게 된다(S4).
계속해서, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하는 루틴(S4)을 도 6을 참조하여 설명하면, 먼저 인버터의 CPU(60)는 속도 제어기(61) 출력에 해당하는 지령 속도(Vel_ref)를 사용자로부터 수신하고(S41), 한편으로는 부하(50)로부터 피드백되어온 실제 속도(Vel_fbk)를 피드백받아(S42), 이들 속도 차이(지령 속도 - 실제 속도) 에 따른 전압 지령을 일례로 PI 제어기인 속도 제어기의 출력으로 하며(S43), 이때의 전압 지령을 출력 전압으로 산출한다.
이후, 부하 (일례로 모터) 의 전압 지령에 따른 모터의 전류 제어가, 상기 전류제어기(62)에 의하여 행하여지는바, 역시 모터로부터 피드백되어온 실제 전류치(Cur_fbk)를 피드백받아(S44), 역시 이들 전류 차이(지령 전류 - 실제 전류) 에 따른 전류 지령을 일례로 PI 제어기인 전류 제어기의 출력으로 하여(S45), 이때의 전류 지령에 따라 모터를 제어하게 된다(S46).
이제, 프로세스는 다시 도 5의 S6으로 진행하여, 이들 센싱된 3상 입력 전압/전류에 기하여 입력 전압(
Figure 112020042934840-pat00014
) 및 입력 전류 (
Figure 112020042934840-pat00015
) 를 그리고 상기 [수학식1]에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 이들 센싱 및 산출된 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 (
Figure 112020042934840-pat00016
) 및 출력 전류 (
Figure 112020042934840-pat00017
) 그리고 상기 [수학식2]에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 [수학식3]에 의하여 계산한다(S6).
그리하여, 상기 Pin(입력 전력) 과 Pout(출력 전력)을 순시적으로 비교 연산하되, 상기 S6 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다도 큰지 여부를 판단하여(S7), 작으면 (Pdiff < Th1) 인버터 정상으로 판단하여, 계속해서 반복 수행하고, 상기 S7 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 크면 (Pdiff > Th1), 일단 인버터 고장으로 판별하되, 다시 고장의 경중 여부를 판단하기 위하여, 상기 S6 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 더 큰 제2 임계치(Th2) 보다도 큰지 여부를 판단하게 된다(S8).
그리하여, 상기 S8 단계에서의 판단 결과, 상기 S6 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제2 임계치(Th2) 보다 작으면 (Pdiff < Th2) 경미한 인버터 고장 (중요 부품(32) 등의 수명 저하) 으로 판단하여, 사용자에게 단순 경고 메시지만을 출력하나(S9), 상기 S8 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제2 임계치(Th2) 보다도 더 크면 (Pdiff > Th2), 인버터 이상 중에서도 중대한 인버터 고장 (주요 부품이 소손 또는 지락 사고) 으로 판별하여, 사용자에게 에러 메시지를 출력함과 동시에 더 이상의 사고를 막기 위해 인버터의 동작을 강제로 정지시키게 된다(S10).
(제2 실시예)
이제, 본 발명의 제2 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법 및 이를 채용한 인버터 고장 검출 시스템에 대하여 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법이 적용되는 시스템이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 인버터 고장 검출 방법의 흐름도이다.
본 제2 실시예의 경우에는, 도 7에서 보는 바와 같이, 입력 전압전류 검출부(20)의 경우, 3개 상 모두에서 전압 전류를 검출하지 않고, 2개 상에서만 (일례로 R 및 S상에서만) 전류를 검출하며, 2개 상 상이에서만 (일례로 R과 S 및 S와 T상 사이에서만) 전압을 검출하며, 출력 전류 검출부(40) 역시, 어느 2개 상에서만 (일례로 U 및 V상에서만) 전류를 검출한다는 점이다.
즉, 전압/전류 검출 센서를 2상에만 설치하며, 나머지 한 상의 경우에는, 3상 평형 상태로 가정하고 내부에서 연산을 통해 산출한다는 점이, 제1 실시예와 상이하다.
이에 따라, 본 제2 실시예에서의 인버터 고장 검출 방법 역시, S2 단계 후, 2개 상에서만 입력 전류/전압 및 출력 전류를 검출하고(S3'), 전압 지령에 다른 출력 전압을 산출한 후(S4), 나머지 상의 전압 전류는 연산에 의해 수행하게 된다. 예를들어, 입력 전압의 경우, Vt=-(Vr+Vs) 이므로, 입력 전압(
Figure 112020042934840-pat00018
) 및 입력 전류 (
Figure 112020042934840-pat00019
) 를 그리고 상기 [수학식1]에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 이들 센싱 및 산출된 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 (
Figure 112020042934840-pat00020
) 및 출력 전류 (
Figure 112020042934840-pat00021
) 를 그리고 상기 [수학식2]에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 [수학식3]에 의하여 계산한다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 삼상 이외의 다상인 경우와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
10 : 입력 3상 전원부 20 : 입력 전압전류 검출부
30 : 인버팅부 31 : 정류부 32 : 중간 회로 커패시터 33 : 스위칭부
40 : 출력 전류 검출부 50 : 부하
60 : CPU 61 : 속도제어기
62 : 전류제어기

Claims (7)

  1. (b) 입력단의 각 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상의 출력 전류를 검출하는 단계(S3);
    (c) 상기 (b) 단계 후, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하게 되는 단계(S4);
    (e) 상기 (c) 단계 후, 상기 (b) 단계에서 센싱된 3상 입력 전압/전류에 기하여 입력 전압 및 입력 전류를 그리고 상기 입력 전압 및 입력 전류에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 상기 (b) 단계에서 센싱되고 상기 (c) 단계에서 산출된 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 및 출력 전류 그리고 상기 출력 전압 및 출력 전류에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 입력 전력(Pin) 및 출력 전력(Pout)에 의하여 계산하는 단계(S6);
    (f) 상기 (e) 단계 후, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다도 큰지 여부를 판단하는 단계(S7); 및
    (g) 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 작으면 (Pdiff < Th1) 인버터 정상으로 판단하여, 계속해서 반복 수행하고, 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 크면 (Pdiff > Th1), 인버터 고장으로 판별하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (b) 단계에서의 입력측의 전압과 상기 입출력측의 전류는, 별도의 장비를 추가하지 않고, 인버터 내에 부착된 전압, 전류 센서를 이용하여 실시간으로 검출되도록 하며,
    상기 (c) 단계에서의 출력 전압은, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 부하 제어부에서 부하 출력값에 의해 산출되어지도록 하되,
    상기 부하 제어부는, 사용자로부터 수신된 지령값(Vel_ref)과 부하(50)로부터 피드백되어온 실제값(Vel_fbk)의 차이값에 따른 부하 출력값에 따른 전압 지령을 출력 전압으로 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 검출 방법.
  2. (b') 입력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 출력 전류를 검출하는 단계(S3');
    (c) 상기 (b') 단계 후, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 출력 전압을 산출하게 되는 단계(S4);
    (d) 상기 (c) 단계 후, 상기 (b') 단계에서 검출된 입력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 입력 전압 및 입력 전류, 그리고 출력단의 각 상 중 어느 한 상을 제외한 상의 출력 전류로부터, 나머지 한 상의 입력 전압 및 입력 전류 그리고 출력 전류를 검출하는 단계(S5');
    (e) 상기 (d) 단계 후, 상기 (b') 단계에서 센싱된 3상 입력 전압/전류에 기하여 입력 전압 및 입력 전류를 그리고 상기 입력 전압 및 입력 전류에 의하여 입력 전력(Pin)을 계산하고, 상기 (b') 단계에서 센싱되고 상기 (c) 단계에서 산출된 3상 출력 전압/전류에 기하여 출력 전압 및 출력 전류 그리고 상기 출력 전압 및 출력 전류에 의하여 출력 전력(Pout)을 계산하며, 계속해서 전력 차이값(Pdiff)을 상기 입력 전력(Pin) 및 출력 전력(Pout)에 의하여 계산하는 단계(S6);
    (f) 상기 (e) 단계 후, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다도 큰지 여부를 판단하는 단계(S7); 및
    (g) 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 작으면 (Pdiff < Th1) 인버터 정상으로 판단하여, 계속해서 반복 수행하고, 상기 (f) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 제1 임계치(Th1) 보다 크면 (Pdiff > Th1), 인버터 고장으로 판별하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (b') 단계에서의 입력측의 전압과 상기 입출력측의 전류는, 별도의 장비를 추가하지 않고, 인버터 내에 부착된 전압, 전류 센서를 이용하여 실시간으로 검출되도록 하며,
    상기 (c) 단계에서의 출력 전압은, 인버터 내부의 제어 변수인 전압지령을 사용하여 부하 제어부에서 부하 출력값에 의해 산출되어지도록 하되,
    상기 부하 제어부는, 사용자로부터 수신된 지령값(Vel_ref)과 부하(50)로부터 피드백되어온 실제값(Vel_fbk)의 차이값에 따른 부하 출력값에 따른 전압 지령을 출력 전압으로 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 검출 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (g) 단계는,
    (g1) 상기 (f) 단계에서의 판단 결과, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제1 임계치(Th1) 보다 큰 경우 (Pdiff > Th1), 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이, 상기 제1 임계치(Th1) 보다 더 큰 제2 임계치(Th2) 보다 큰지 여부를 판단하고,
    (g2) 상기 (g1) 단계에서의 판단 결과, 상기 (e) 단계에서 계산한 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제2 임계치(Th2) 보다 작으면 (Pdiff < Th2), 경미한 인버터 고장으로 판단하고(S9),
    (g3) 상기 (g1) 단계에서의 판단 결과 전력 차이값(Pdiff = Pin - Pout)이 상기 제2 임계치(Th2) 보다도 더 크면 (Pdiff > Th2), 인버터 이상 중에서도 중대한 인버터 고장으로 판별하는(S10) 것을 특징으로 하는 인버터 고장 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (g2) 단계에서는 사용자에게 경고 메시지만을 출력하고, 상기 (g3) 단계에서는 사용자에게 에러 메시지를 출력함과 동시에 인버터의 동작을 강제로 정지시키게 되는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 검출 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서, 상기 입력 전력(Pin)은 [수학식1]에 의하여 산출되며, 상기 출력 전력(Pout)은 [수학식2]에 의하여 산출되며, 상기 전력 차이값(Pdiff)을 [수학식3]에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 인버터 고장 검출 방법.
    [수학식1]
    Figure 112020042934840-pat00022

    [수학식2]
    Figure 112020042934840-pat00023

    [수학식3] 전력 차이값(Pdiff) = Pin(입력 전력) - Pout(출력 전력)
    (이때,
    Figure 112020042934840-pat00024
    이고,
    Figure 112020042934840-pat00025
    이며,
    Figure 112020042934840-pat00026
    이고,
    Figure 112020042934840-pat00027
    임)
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 인버터 고장 검출 방법을 수행하는 CPU(60);
    입력 전원(10)과 인버팅부(30) 사이에서 입력 전류 및 전압을 검출하여 상기 CPU(60)로 보내는 인버터 입력 전압전류 검출부(20); 및
    상기 인버팅부(30)와 출력 부하(50)와 사이에서 출력 전류를 검출하여 상기 CPU(60)로 보내는 인버터 출력 전류 검출부(40);
    로 이루어지는 인버터 고장 검출 방법을 채용하는 시스템.
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