KR20150140960A - 인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 구동 전동기의 고정자 권선에 관한 절연 상태를 진단하는 방법에 관한 것으로서, 일정 듀티비를 가지도록 V(0,0,0) 벡터와 V(1,1,1) 벡터에 따라 스위칭 소자를 교번하여 스위칭 하고, 전동기의 평균단자전압과 평균출력전류를 구한 후, 이로부터 전동기의 절연저항 값을 계산한다. 그리고, 계산된 절연저항 값이 기준 값 이하이면 절연 상태 불량으로 판단하여 경고 신호를 표시한다. 상용 인버터 회로의 변경이나 추가 부품의 필요 없이 프로그램의 추가만으로 구현이 가능하여 범용적으로 적용될 수 있다.

Description

인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법{ Method for Monitoring Stator Winding Insulation Condition of Inverter-Fed Motor }

본 발명은 인버터 구동 전동기의 고정자 권선에 관한 절연 상태를 진단하는 방법에 관한 것이다.

산업 현장에서 인버터로 구동되는 전동기가 널리 사용되고 있다.

전동기가 인버터로 구동되면, 상용 전원으로 구동될 때에 비해 열적, 전기적 스트레스가 증가하여 절연에 취약해지고, 전동기의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.

현재 인버터 구동 전동기의 절연 상태는 상용 전원으로 구동되는 전동기의 진단법과 마찬가지로 절연 저항, 성극지수, 유전 정접 등의 오프라인 진단 방식에 의존하고 있으며, 주요 전동기의 경우에만 부분 방전 감시장치가 사용되고 있다.

오프라인 진단 기법은 3~6년에 한번 수행하는 정기 점검 시에만 진단을 할 수 있기 때문에 절연의 열화가 빠르게 진행되는 인버터 구동 전동기의 절연 상태 진단에는 효과적이지 못하다. 또한 부분 방전 감시장치는 온라인으로 시험을 시행할 수 있지만, 인버터가 주로 중소형 전동기의 구동에 사용되기 때문에 고가의 장비를 사용하기에는 한계가 있다.

도 1과 도 2를 참조하여 종래에 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법을 살펴보자면, 인버터(11)와 전동기(13)의 연결 부분에 저항(R_sense)과 단속기(11-1)를 구비하도록 한다.

진단을 시행할 때는 단속기(11-1)를 개패하여 A상만 연결하고 B상과 C상은 개방시킨 후, A상을 스위칭하여 전동기(13)에 단상 펄스 전압을 인가한다. 그러면 저항(R_sense)과 전동기(13)의 절연 임피던스에 의해 전동기 단자에 전압이 인가되고 전류가 흐르게 된다.

이 전압과 전류를 통해 기본파 성분의 위상 차를 계산하고, 위상 차의 변화로부터 전동기(13)의 고장 여부를 판별한다.

이러한 종래의 기술은 인버터(11)와 전동기(13)의 사이에 저항이나 단속기(11-1)를 추가해야 하기 때문에 추가적으로 비용이 소모되고, 단속기(11-1)를 개폐하기 위한 인력이 필요하게 된다.

단속기의 개폐를 전자 접촉기(Magnetic Contact) 등을 이용하여 수행할 수 있지만, 이 경우에도 추가 회로 구성이 필요하게 된다.

즉, 종래 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법은 진단 주기가 너무 길거나, 또는 추가 회로나 부품이 필요하여 비용이 소요되고, 관리가 불편한 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회로 변경이나 부품 추가 등의 필요 없이 간단하고 편리하게 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법은, 일정 듀티비를 가지도록 V(0,0,0) 벡터와 V(1,1,1) 벡터에 따라 스위칭 소자를 교번하여 스위칭 하는 단계; 전동기의 평균단자전압과 평균출력전류를 구하는 단계; 및 상기 평균단자전압과 평균출력전류로부터 전동기의 절연저항 값을 구하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법은, 상기 절연저항 값이 절연 상태를 판단하기 위해 설정된 기준 저항 값 이하이면 경고 신호를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 평균단자전압은 상기 V(0,0,0) 벡터에 따라 스위칭된 시간을 D1, 상기 V(1,1,1) 벡터에 따라 스위칭된 시간을 D2, 상기 인버터의 DC 링크단 전압을 Vdc라고 할 때,

의 식에 따라 구할 수 있다.

본 발명에 따르면, 인버터를 이용하여 전동기에 직류를 주입하고 누설 전류를 측정하여 권선의 절연 상태를 손쉽게 진단할 수 있으며, 일반적인 오프라인 진단 기법에 비교하여 훨씬 자주 측정할 수 있다.

인버터에 의해 구동되는 모든 전동기에 대해 적용할 수 있으며, 상용 인버터 회로의 변경이나 추가 부품의 필요 없이 프로그램의 추가만으로 구현이 가능하여 범용적으로 적용될 수 있다.

도 1과 도 2는 종래에 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법을 설명하는 예,
도 3은 본 발명에 따라 전동기의 절연 상태를 진단하는 인버터의 예,
도 4는 본 발명에 따라 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법에 관한 일 실시예,
도 5는 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단할 때 사용되는 요소들의 파형을 보인 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3을 참조하자면, 본 발명에 따라 전동기(102)의 절연 상태를 진단하는 인버터(110)는 3상 교류전원(101)의 교류전압을 정류하여 직류전압으로 변환하기 위한 정류부(111), 정류부(111)에서 정류된 직류전압을 평활하게 하기 위한 평활용 커패시터(Cdc), 평활용 커패시터(Cdc)의 직류전압(Vdc, DC 링크단 전압)을 교류로 변환하기 위한 전력회로부(112), 출력전류(전동기의 입력 전류)를 검출하기 위한 전류검출부(113), 제어부(114), 인버터의 동작 관련 정보를 표시하기 위한 표시부(115)를 포함하여 이루어질 수 있다.

전력회로부(112)는 각 상에 대응하여 상단 스위칭 소자와 하단 스위칭 소자를 포함한다. 즉, u, v, w 각 상에 대하여 상단 스위칭 소자 S1, S2, S3를 구비하고, 하단 스위칭 소자 S4, S5, S6을 구비한다. 스위칭 소자의 구체적인 예로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 들 수 있다.

제어부(114)는 전력회로부(112)의 각 스위칭 소자를 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식으로 온/오프(On/Off) 하여 전동기(102)를 구동하며, 전류검출부(113)에서 검출된 각 상의 출력전류(iu, iv, iw)와, DC 링크단 전압(Vdc)을 입력 받는다.

도 4는 본 발명에 따라 인버터 구동 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법에 관한 일 실시예를 보인 것이고, 도 5는 절연 상태 진단에 사용되는 각 요소를 설명하기 위한 예이다.

먼저 인버터의 제어부(114)는 전동기(102)의 절연 상태를 파악하기 위하여, 일정 듀티비(Duty Ratio)를 가지도록 V(0,0,0) 벡터와 V(1,1,1) 벡터에 따라 교번하여 스위칭 소자들을 구동시킨다(S211).

전력회로부(112)의 스위칭 소자를 제어하는 방법을 설명할 때, 벡터 V(x,x,x)와 같은 표현을 사용하는데, x가 0이면 해당 상의 상단 스위칭 소자가 온(On) 되고, 하단 스위칭 소자가 오프(Off) 된다는 것을 의미한다. 또한, x가 1이면 해당 상의 하단 스위칭 소자가 온(On)되고, 상단 스위칭 소자가 오프(Off)된다는 것을 의미한다.

예컨대 V(0,0,0) 벡터는 u, v, w 각 상에 대하여 상단 스위칭 소자(S1, S2, S3)가 모두 온되고, 하단 스위칭 소자(S4, S5, S6)는 모두 오프 된다는 것을 말하며, V(1,1,1) 벡터는 u, v, w 각 상에 대하여 하단 스위칭 소자(S4, S5, S6)가 모두 온 되고, 상단 스위칭 소자(S1, S2, S3)는 모두 오프 된다는 것을 말한다.

그리고, 전동기의 평균단자전압과, 평균출력전류를 구한다(S212).

단계 S211에서의 제어로 전동기(102)에는 직류 성분이 인가되고, 정상적인 전류는 흐르지 않는다. 그러므로 이때 흐르는 출력전류는 전동기(102)에 흐르는 누설전류(I_leak)를 의미한다.

도 5에 보인 바와 같이, V(0.0.0) 벡터가 인가된 경우 전동기(102)의 단자 전압은 'Vdc/2'가 되고, V(1,1,1)이 인가된 경우에는 '-Vdc/2'가 된다.

D1은 V(0,0,0) 벡터로 스위칭 소자들을 제어하는 시간이고, D2는 V(1,1,1) 벡터로 스위칭 소자들을 제어하는 시간이다.

이때 듀티비 D는 'D1/(D1+D2)'이며, 전동기의 평균단자전압(Vt)은 다음의 수학식 1과 같이 구해질 수 있다.

한편, 전류검출부(113)를 통해 측정된 출력전류 iu, iv, iw의 합(It)은 전동기(102)의 누설전류(I_leak)와 같고, 이 누설전류의 평균을 취하면 누설전류의 직류 성분(I_{t_mean})을 구할 수 있다.

이제 평균단자전압(Vt)과 출력전류(누설전류)의 직류성분(I_{t_mean})을 이용하여 전동기의 절연저항 값(Insulation Resistance)을 구한다(S213).

전동기의 절연저항 값은 다음의 수학식 2에 따라 구할 수 있다.

그러면, 단계 S213에서 구한 전동기의 절연저항 값을 이용하여 전동기(102)의 절연 상태를 판별할 수 있다(S214).

절연 상태와 관련된 정상/불량을 판별하는 기준은 시스템의 사양, 적용환경, 시험자 등 여러 요인에 의해 달라질 수 있지만, 기본적으로 절연저항 값이 절연 판단의 기준으로 사용되는 기준 저항 값 이하일 때 절연 상태가 좋지 않은 불량으로 판정할 수 있다.

기준 저항 값은 다양하게 설정할 수 있는 것이며, 구체적인 예로서 IEEE STD 43에서 기준이 되는 절연저항 값을 사용할 수 있다.

예컨대 IEEE STD 43에서는 1kV 이하의 유도 전동기의 경우 최소 절연 저항을 5MΩ으로 규정하고 있으므로, 단계 S213에서 측정된 절연저항 값이 5MΩ 이하이면 절연 불량 상태로 판단할 수 있다.

인버터의 제어부(114)는 단계 S214에서의 판단 결과, 절연 불량 상태인 경우에는 표시부(115)를 통해 경고 신호를 출력하여 절연 위험 상태를 사용자에게 알릴 수 있다(S215).

이와 같이, 인버터가 스위칭을 통해 일정 크기의 직류(DC) 성분을 전동기(102)에 주입하고, 이를 통해 절연저항 값을 계산하여 절연 상태를 진단하기 때문에 회로 변경이나 부품의 추가 등이 없이도 절연 진단을 편리하게 자주 수행할 수 있게 된다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

101: 3상 교류전원 102: 전동기
110: 인버터 111: 정류부
112: 전력회로부 113: 전류검출부
114: 제어부 115: 표시부
Cdc: 평활용 커패시터 S1~S6: 스위칭 소자

Claims (3)

1. 전동기 구동용 인버터가 고정자 권선의 절연을 진단하는 방법으로서,
   일정 듀티비를 가지도록 V(0,0,0) 벡터와 V(1,1,1) 벡터에 따라 스위칭 소자를 교번하여 스위칭 하는 단계;
   전동기의 평균단자전압과 평균출력전류를 구하는 단계; 및
   상기 평균단자전압과 평균출력전류로부터 전동기의 절연저항 값을 구하는 단계를 포함하는 인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 절연저항 값이 절연 상태를 판단하기 위해 설정된 기준 저항 값 이하이면 경고 신호를 표시하는 단계를 더 포함하는 인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 평균단자전압은 상기 V(0,0,0) 벡터에 따라 스위칭된 시간을 D1, 상기 V(1,1,1) 벡터에 따라 스위칭된 시간을 D2, 상기 인버터의 DC 링크단 전압을 Vdc라고 할 때,
   

   

   
   의 식에 따라 구하는 것을 특징으로 하는 인버터 구동 전동기의 고정자 권선 절연 진단 방법.

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