KR20160121642A - 인버터 구동 전동기의 절연 상태 진단 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터로 구동되는 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터에서 출력되는 3상 출력 전류에 의해 구동되는 전동기의 절연 상태를 진단하는 장치는, 상기 인버터의 3상 입력 단자 각각에 입력 전압을 인가하는 전압 제어부, 상기 3상 출력 전류의 인가에 의한 상기 전동기의 누설 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 입력 전압의 파형 및 상기 누설 전류의 파형을 서로 비교하여 상기 전동기의 절연 캐패시터 각도를 결정하고, 상기 절연 캐패시터 각도에 기초하여 상기 전동기의 절연 상태를 진단하는 진단부를 포함한다. 본 발명에 의하면 부분 방전 감시 장치와 같은 고가의 장비를 이용하지 않고도 인버터에 의해 구동되는 전동기의 절연 상태를 효율적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.

Description

인버터 구동 전동기의 절연 상태 진단 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR INSULATION CONDITION OF INVERTER-FED MOTOR}

본 발명은 인버터로 구동되는 전동기의 절연 상태를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

인버터는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 스위칭 소자가 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 변환된 직류 전압을 스위칭시켜 교류 전압을 생성하며, 생성된 교류 전압을 부하로 출력시키는 회로로서, 사용자가 원하는 전압 및 주파수의 교류 전압을 부하로 공급하여 부하의 구동을 정밀하게 제어할 수 있다.

이와 같은 인버터는 유도 전동기와 같은 전동기의 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 그런데 인버터에 의해 구동되는 전동기는 상용 전원으로 구동되는 전동기에 비하여 열적, 전기적 스트레스가 증가하기 때문에 절연에 더욱 취약해지며, 이에 따라 전동기의 신뢰성이 떨어지게 된다. 현재 인버터 구동 전동기의 절연 상태는 상용 전원으로 구동되는 전동기와 마찬가지로 절연 저항 측정, 성극 지수 측정, 유전 정접과 같은 오프라인 방식에 의존하고 있으며, 주요한 전동기의 경우에만 부분 방전 감시 장치가 사용되고 있다.

이와 같은 종래의 오프라인 진단 기법에 따르면 특정 주기, 예컨대 3~6년에 한번씩 전동기의 절연 상태를 진단한다. 그러나 이와 같은 종래의 오프라인 진단 기법은 절연의 열화가 빠르게 진행되는 인버터 구동 전동기의 절연 상태 진단에는 효과적이지 못하다. 또한 특정 전동기에 사용되는 부분 방전 감시 장치는 온라인으로 전동기의 절연 상태를 진단할 수 있지만, 이와 같은 부분 방전 감시 장치는 고가의 장비이기 때문에 전동기의 절연 상태 진단을 위한 비용의 상승을 유발하게 된다.

본 발명은 부분 방전 감시 장치와 같은 고가의 장비를 이용하지 않고도 인버터에 의해 구동되는 전동기의 절연 상태를 효율적으로 진단할 수 있는 인버터 구동 전동기의 절연 상태 진단 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기존 인버터 회로의 변경없이 전동기의 절연 상태를 보다 정확하고 빈번하게 진단할 수 있는 인버터 구동 전동기의 절연 상태 진단 방법 및 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인버터에서 출력되는 3상 출력 전류에 의해 구동되는 전동기의 절연 상태를 진단하는 장치에 있어서, 상기 인버터의 3상 입력 단자 각각에 입력 전압을 인가하는 전압 제어부, 상기 3상 출력 전류의 인가에 의한 상기 전동기의 누설 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 입력 전압의 파형 및 상기 누설 전류의 파형을 서로 비교하여 상기 전동기의 절연 캐패시터 각도를 결정하고, 상기 절연 캐패시터 각도에 기초하여 상기 전동기의 절연 상태를 진단하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 부분 방전 감시 장치와 같은 고가의 장비를 이용하지 않고도 인버터에 의해 구동되는 전동기의 절연 상태를 효율적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면 기존 인버터 회로의 변경없이 전동기의 절연 상태를 보다 정확하고 빈번하게 진단할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전동기의 절연 진단 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 절연 진단 장치 및 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 절연 저항 전류 성분 및 절연 캐패시터 전류 성분으로 구성되는 전동기의 누설 전류를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 인버터를 통해 인가되는 입력 전압의 파형과 절연 상태가 정상일 때의 누설 전류 파형을 비교하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 인버터를 통해 인가되는 입력 전압의 파형과 절연 상태가 비정상일 때의 누설 전류 파형을 비교하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 절연 진단 방법의 흐름도이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 종래 기술에 따른 전동기의 절연 진단 방법을 설명하기 위한 회로도이다.

전술한 바와 같이 종래에는 여러가지 방법을 통해 전동기의 절연 상태를 진단하는데, 도 1에 도시된 종래의 전동기의 절연 진단 방법은 기존의 인버터 회로에 단속기(112)를 추가하여 전동기의 절연 상태를 진단하는 것이다.

도 1에서 인버터 회로는 3상 교류 전압(Vag, Vbg, Vcg)(106)을 입력받아 정류부(108)에서 이를 DC 전압으로 정류한다. 그리고 나서, 정류된 DC 전압은 캐패시터(C_dc)를 통해 평활화된다. 평활화된 DC 전압은 스위칭부(110)를 통하여 3상 교류 전류(I_a, I_b, I_c)로 변환되고, 3상 교류 전류(I_a, I_b, I_c)는 전동기(102)의 3상 입력 전원으로 인가되어 교류전동기가 구동된다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술에서는 3상 교류 전류(I_a, I_b, I_c)가 출력되는 신호선마다 각각 단속기(112)를 배치하고, 단속기(112) 중 A' 단자와 연결되는 단속기에는 전류 검출용 저항(R_sense)이 병렬로 연결된다. 이 때 스위칭부(50)의 S1 및 S4를 교대로 스위칭하면 전류 검출용 저항(R_sense)의 배치로 인해 전동기(102)의 A 단자에는 시정수를 갖고 천천히 증가되는 전압이 인가된다. 그 결과 전동기(102)에는 누설 전류가 흐르게 되고, 이 누설 전류를 측정하여 절연 저항, 커패시턴스, 전압과 누설 전류간 위상차, DF(Dissipation Factor)와 같은 절연 인자를 계산한다. 도 1에 도시된 종래 기술에서는 이와 같은 절연 인자를 전동기(102)가 동작하지 않을 때마다 측정하고, 시간에 따른 변화를 관찰함으로써 전동기의 절연 상태를 진단한다.

그러나 도 1와 같은 종래 기술에 따르면 인버터와 전동기 사이에 별도의 단속기 및 전류 검출용 저항을 추가해야 하기 때문에 진단에 소요되는 비용이 상승한다. 또한 절연 상태 진단을 위해서는 사용자가 직접 수동으로 단속기를 개폐하거나 자기 접점(Magnetic Contact)과 같은 추가적인 장치가 설치되어야 하는 단점도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 절연 진단 장치 및 방법을 설명하기 위한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 진단 장치(202)는 전압 제어부(204), 전류 측정부(206), 진단부(208)를 포함한다.

전압 제어부(204)는 인버터(20)의 3상 입력 단자(a, b, c) 각각에 입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)을 인가한다. 본 발명의 일 실시예에서 전압 제어부(204)는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 통해 3상 입력 단자(a, b, c) 각각에 입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)을 인가할 수 있다. 이 때 3상 입력 단자(a, b, c)에는 동시에 같은 크기를 갖는 입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)이 인가되며, 이에 따라 선간 전류는 0이 된다.

입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)의 인가에 의해 인버터(20)의 출력 단자를 통해 3상 출력 전류(i_a, i_b, i_c)가 출력되고, 출력된 3상 출력 전류(i_a, i_b, i_c)는 전동기(22)로 입력되어 전동기(22)를 구동시킨다. 이 때 전동기(22)의 절연 임피던스는 도 2에 도시된 바와 같이 절연 저항(R)과 절연 캐패시터(C)의 병렬 연결 형태로 모델링될 수 있다. 3상 출력 전류(i_a, i_b, i_c)가 입력되면 전동기(22)의 절연 임피던스를 통해 전동기의 권선(n)과 접지 사이에는 누설 전류(I_leak)가 흐르게 된다. 전류 측정부(206)는 센서(210)를 통해 인버터(20)의 3상 출력 전류(i_a, i_b, i_c) 중 어느 하나를 측정하고, 측정된 3상 출력 전류, 예컨대 출력 전류(i_a)를 누설 전류(I_leak)로서 측정한다. 이와 같이 출력 전류(i_a)를 누설 전류(I_leak)로 간주하는 것은 앞서 설명한 바와 같이 3상 입력 단자(a, b, c)에 동시에 같은 크기를 갖는 입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)이 인가되고 그에 따라 선간 전류가 0이 되기 때문이다. 본 발명의 다른 실시예에서 전류 측정부(206)는 출력 전류(i_b) 또는 출력 전류(i_c)를 누설 전류(I_leak)로서 측정할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 전동기(22)의 절연 임피던스는 절연 저항(R)과 절연 캐패시터(C)의 병렬 연결 형태로 모델링될 수 있다. 이에 따라서 전동기(22)의 누설 전류(I_leak)는 절연 저항(R)에 흐르는 절연 저항 전류(I_R) 및 절연 캐패시터(C)에 흐르는 절연 캐패시터 전류(I_C)로 나누어질 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 누설 전류(I_leak)는 절연 저항 전류(I_R) 성분과 절연 캐패시터 전류(I_C) 성분의 벡터 합으로 표현될 수 있다. 이 때 누설 전류(I_leak) 성분과 절연 저항 전류(I_R) 성분이 이루는 각도는 절연 저항 각도(θ)로 정의되고, 누설 전류(I_leak) 성분과 절연 캐패시터 전류(I_C) 성분이 이루는 각도는 절연 캐패시터 각도(δ)로 정의된다.

진단부(208)는 입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)의 파형 및 누설 전류(I_leak)의 파형을 서로 비교하여 전동기(22)의 절연 캐패시터 각도(δ)를 결정한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 인버터를 통해 인가되는 입력 전압의 파형과 절연 상태가 정상일 때의 누설 전류 파형을 비교하기 위한 그래프를 나타내고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에서 인버터를 통해 인가되는 입력 전압의 파형과 절연 상태가 비정상일 때의 누설 전류 파형을 비교하기 위한 그래프를 나타낸다.

전동기(22)의 절연 상태가 정상일 때, 입력 전압(V_ag)의 파형(402) 및 누설 전류(I_leak)의 파형(404)은 각각 도 4와 같은 정현파 형태로 나타난다. 전동기(22)의 절연 상태가 정상인 경우에는 절연 저항(R)의 크기가 매우 크기 때문에 절연 저항 전류(I_R)는 매우 작다. 이에 따라서 입력 전압(V_ag)의 파형(402) 및 누설 전류(I_leak)의 파형(404) 간의 위상 차(θ1), 즉 절연 저항 각도(θ1)는 도 4와 같이 90°에 근접하는 크기를 갖게 된다.

그러나 열화로 인해 전동기(22)의 절연 상태가 비정상인 경우에는 도 5와 같이 입력 전압(V_ag)의 파형(402) 및 누설 전류(I_leak)의 파형(504) 간 위상 차(θ2), 즉 절연 저항 각도(θ2)는 도 5와 같이 90°보다 작은 값을 갖게 된다. 참고로 도 4 및 도 5에서는 입력 전압(V_ag)의 파형을 나타내었으나 전술한 바와 같이 입력 전압(V_ag, V_bg, V_cg)은 모두 동일하므로 입력 전압(V_bg) 또는 입력 전압(V_cg)의 파형을 사용하더라도 같은 결과를 얻을 수 있다.

결국 절연 상태가 정상일 경우 절연 캐패시터 전류(I_C)가 절연 저항 전류(I_R)에 비하여 매우 크기 때문에 입력 전압 파형과 누설 전류 파형 간 위상 차는 90도에 가깝지만, 절연이 열화되면 절연 저항 전류(I_R)의 증가에 따라 입력 전압 파형과 누설 전류 파형 간 위상 차는 점차 감소하게 된다.

진단부(208)는 이와 같이 입력 전압(V_ag)의 파형 및 누설 전류(I_leak)의 파형 간 위상차를 이용하여 전동기의 절연 캐패시터 각도(δ)를 결정한다. 예컨대 도 3과 같이 절연 저항 각도(θ)와 절연 캐패시터 각도(δ)의 합은 90°이므로 진단부(208)는 90°에서 입력 전압(V_ag)의 파형 및 누설 전류(I_leak)의 파형 간 위상차를 이용하여 계산된 절연 저항 각도(θ)를 뺌으로써 절연 캐패시터 각도(δ)를 결정할 수 있다.

진단부(208)는 이와 같이 결정된 절연 캐패시터 각도(δ)에 기초하여 전동기(22)의 절연 상태를 진단한다. 본 발명의 일 실시예에서, 진단부(208)는 미리 정해진 전압 범위 내에서 측정된 절연 캐패시터 각도(δ)의 변화량이 기준 변화량을 초과하는 경우 전동기의 절연 상태를 비정상으로 판단하고, 그렇지 않은 경우에는 전동기의 절연 상태를 정상으로 판단한다. 이 때 절연 캐패시터 각도(δ)의 변화량이 매우 작을 수 있기 때문에 절연 상태 진단에는 δ 대신에 tan δ 값이 사용될 수 있다.

예를 들어 진단부(208)는 정격 상전압의 25% ~ 100% 전압을 인가하여 절연 캐패시터 각도(δ)를 측정하고, 해당 범위 내에서 tan δ의 변화량을 계산한다. 만약 계산된 tan δ의 변화량이 1% 이하이면 진단부(208)는 전동기의 절연 상태를 정상으로 판단하고, 그렇지 않은 경우 전동기의 절연이 비정상인 것으로 판단한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 진단부(208)는 정격 상전압의 125% 전압을 인가하여 계산되는 tan δ의 변화량이 2.5%를 초과하게 되면 전동기의 절연이 비정상인 것으로 판단한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 절연 진단 방법의 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 먼저 인버터의 3상 입력 단자 각각에 입력 전압을 인가한다(602). 이 때 3상 입력 단자에는 동시에 같은 크기를 갖는 입력 전압이 인가되며, 이에 따라 선간 전류는 0이 된다.

그리고 나서, 입력 전압의 인가에 따라 전동기에 흐르는 누설 전류를 측정한다(604). 본 발명의 일 실시예에서는 출력 단자를 통해 출력되는 3상 출력 전류 중 어느 하나를 측정하여 누설 전류로서 이용할 수 있다.

다음으로, 입력 전압의 파형 및 누설 전류의 파형을 비교하여 절연 캐패시터 각도를 결정하고(606), 결정된 절연 캐패시터 각도에 기초하여 전동기의 절연 상태를 진단한다(608). 본 발명의 일 실시예에는 미리 정해진 전압 범위 내에서 측정된 절연 캐패시터 각도의 변화량이 기준 변화량을 초과하는지 여부에 따라서 전동기의 절연 상태가 정상 또는 비정상인지 여부를 판단할 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (6)

1. 인버터에서 출력되는 3상 출력 전류에 의해 구동되는 전동기의 절연 상태를 진단하는 장치에 있어서,
   상기 인버터의 3상 입력 단자 각각에 입력 전압을 인가하는 전압 제어부;
   상기 3상 출력 전류의 인가에 의한 상기 전동기의 누설 전류를 측정하는 전류 측정부;
   상기 입력 전압의 파형 및 상기 누설 전류의 파형을 서로 비교하여 상기 전동기의 절연 캐패시터 각도를 결정하고, 상기 절연 캐패시터 각도에 기초하여 상기 전동기의 절연 상태를 진단하는 진단부를
   포함하는 절연 상태 진단 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 진단부는
   상기 입력 전압의 파형 및 상기 출력 전류의 파형 간의 위상 차를 이용하여 상기 절연 캐패시터 각도를 결정하는
   절연 상태 진단 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전류 측정부는
   상기 인버터의 3상 출력 전류 중 어느 하나를 상기 누설 전류로서 측정하는
   절연 상태 진단 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 누설 전류는
   상기 전동기의 절연 임피던스를 구성하는 절연 저항 및 절연 캐패시터에 각각 흐르는 절연 저항 전류 성분 및 절연 캐패시터 전류 성분의 합으로 표현되는
   절연 상태 진단 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 절연 캐패시터 각도는
   상기 절연 캐패시터 전류 성분과 누설 전류 성분이 이루는 각도인
   절연 상태 진단 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 진단부는
   미리 정해진 전압 범위 내에서 측정된 상기 절연 캐패시터 각도의 변화량이 기준 변화량을 초과하는 경우 상기 전동기의 절연 상태를 비정상으로 판단하는
   절연 상태 진단 장치.

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