KR20170014070A - 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류 링크 커패시터(DC-Link capacitor)의 용량 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 별도의 부가 장치 없이 통상의 인버터에 장착되어 있는 입력 전압 센서 및 출력 전류 센서의 측정값을 이용해 직류 링크 캐패시터의 용량을 측정할 수 있도록 하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법은, 인버터에 구비되는 직류 링크 커패시터의 용량을 측정하기 위한 방법에 있어서, 전동기의 회전력이 발생되지 않는 일정 주파수의 출력 전류를 정지중인 전동기에 인가하는 전류 인가 단계, 상기 전류 인가 단계를 통해 인가되는 출력 전류로부터 인버터의 입력 전류 형태를 구하고, 상기 입력 전류의 리플(ripple)값을 계산하는 전류 리플값 계산 단계, 전압 센서로부터 상기 인버터의 입력 전압 리플값을 획득하는 전압 리플값 획득 단계 및 상기 전류 인가 단계를 통해 인가되는 출력 전류의 주파수, 상기 전류 리플값 계산 단계를 통해 계산된 입력 전류의 리플값, 상기 전압 리플값 획득 단계를 통해 획득된 입력 전압의 리플값을 이용하여 직류 링크 커패시터의 용량을 계산하는 용량 계산 단계를 포함하여 구성된다.

Description

직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법{METHOD FOR MEASURING CAPACITANCE OF DC LINK CAPACITOR}

본 발명은 직류 링크 커패시터(DC-Link capacitor)의 용량 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 별도의 부가 장치 없이 통상의 인버터에 장착되어 있는 입력 전압 센서 및 출력 전류 센서의 측정값을 이용해 직류 링크 캐패시터의 용량을 측정할 수 있도록 하기 위한 방법에 관한 것이다.

인버터는 직류 전압을 교류 전압으로 변환시켜 산업용 전동기 등을 제어하기 위한 설비로써, 직류 전압이 인가되는 인버터의 입력단에는 직류 전압의 리플(ripple)을 저감시키기 위한 직류 링크 커패시터가 배치된다.

직류 링크 커패시터는 인버터의 수명에 가장 큰 영향을 미치는 소자 가운데 하나이다. 즉, 인버터의 사용 시간이 증가할수록 커패시터의 용량(커패시턴스)은 줄어들게 되는데, 이러한 커패시턴스가 일정 값 이하가 되면 인버터는 제품으로서의 수명이 종료된 것으로 간주된다.

따라서, 직류 링크 커패시터를 지속적으로 모니터링 하고 실시간 그 용량을 파악하기 위한 기술은 매우 중요하며, 이의 개발을 위해 수많은 연구와 시도가 있어 왔다.

직류 링크 커패시터의 용량을 측정하기 위한 종래의 방법 가운데, 커패시터의 방전 시 에너지 변화를 측정한 후 이를 이용해 커패시턴스를 계산하는 방식이 있다. 하지만 이와 같은 방식의 경우, 전동기가 정지해 있는 상태에서는 전류의 계산이 용이하지만, 전동기의 회전 시 출력 전류로부터 입력 전류를 계산하기가 무척 까다롭기 때문에, 계산 결과의 정확성 등이 떨어진다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 별다른 장치의 추가 없이 직류 링크 커패시터의 정확한 용량을 실시간 계산할 수 있도록 하기 위한 방안을 제안하고자 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 별도의 부가 장치 없이 통상의 인버터에 장착되어 있는 입력 전압 센서 및 출력 전류 센서의 측정값을 이용해 직류 링크 캐패시터의 용량을 측정할 수 있도록 하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 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.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인버터에 구비되는 직류 링크 커패시터의 용량을 측정하기 위한 방법에 있어서, 전동기의 회전력이 발생되지 않는 일정 주파수의 출력 전류를 정지중인 전동기에 인가하는 전류 인가 단계, 상기 전류 인가 단계를 통해 인가되는 출력 전류로부터 인버터의 입력 전류 형태를 구하고, 상기 입력 전류의 리플값을 계산하는 전류 리플값 계산 단계, 전압 센서로부터 상기 인버터의 입력 전압 리플값을 획득하는 전압 리플값 획득 단계 및 상기 전류 인가 단계를 통해 인가되는 출력 전류의 주파수, 상기 전류 리플값 계산 단계를 통해 계산된 입력 전류의 리플값, 상기 전압 리플값 획득 단계를 통해 획득된 입력 전압의 리플값을 이용하여 직류 링크 커패시터의 용량을 계산하는 용량 계산 단계를 포함하는 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법을 제공할 수 있다.

여기서, 본 발명은, 상기 전류 인가 단계에 앞서, 상기 전동기의 회전력이 발생되지 않을 수 있는 전류값의 계산을 위해 현재 전동기의 회전자 위치를 측정하는 회전자 위치 측정 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 전류 리플값 계산 단계는, 상기 인버터의 3상 출력 전류와 이에 따른 스위칭(switching) 상태의 케이스(case) 정리 과정을 통해 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전류 인가 단계는, 전류의 공간 벡터 위치 계산을 통해 전동기의 회전력이 발생되지 않는 일정 주파수의 출력 전류를 계산하는 과정을 통해 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 별다른 장치적 추가 없이 통상의 인버터에 구비된 입력 전압 센서 및 출력 전류 센서 등의 구성요소만을 이용하여 직류 링크 커패시터의 정확한 용량을 실시간 계산할 수 있도록 한다는 등의 장점을 제공할 수 있다.

이에 따라, 정확한 커패시턴스의 계산을 통해 커패시터의 수명 및 인버터의 수명 등에 대한 구체적인 예측이 가능할 수 있게 됨으로써, 보다 안정적인 인버터 시스템의 운용이 가능하게 된다는 등의 부가적인 장점을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법이 적용되는 인버터 시스템을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 링크 캐패시터의 용량 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 전류 인가 단계에 있어 전동기의 회전력이 발생되지 않는 전류를 계산하는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 적용되는 전류 리플값 계산 단계를 설명하기 위한 구체적 예시도이다.

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 본 발명의 실시예에 따른 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법이 적용되는 인버터 시스템을 개략적으로 나타낸 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 직류 링크 캐패시터의 용량 측정 방법이 적용되는 인버터 시스템은, 직류 전압원(110), 인버터(120) 및 전동기(150) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.

직류 전압원(110)은 DC/DC 컨버터 등을 이용해 구현될 수 있으며, 안정적인 직류 전압을 인버터(120) 측으로 공급하게 된다.

인버터(120)는 직류 링크 캐패시터(130) 및 전력용 반도체(140) 등을 구비하며, 직류 전압원(110)으로부터 공급받은 직류 전원을 이용하여 3상 교류 전원을 생성하는 기능을 수행한다. 전력용 반도체(140)로 통상의 IGBT 등이 사용될 수 있음은 당연하다.

직류 링크 캐패시터(130)는 직류 전압이 인가되는 인버터(120)의 입력단에 구비되며, 직류 전압의 리플을 저감시키는 등의 기능을 수행하게 된다. 이와 같은 직류 링크 커패시터(130)는 인버터(120)의 수명에 가장 큰 영향을 미치는 소자 가운데 하나로써, 직류 링크 커패시터(130)를 지속적으로 모니터링 하고 실시간 그 용량 등을 파악하기 위한 기술의 개발이 매우 중요함에 대해서는 전술한 바 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 인버터(120)에 대한 입력 전압 센서(미도시)와 출력 전류 센서(160) 등을 이용해 직류 링크 커패시터(130)의 정확한 용량을 계산할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

전동기(150)는 인버터(120)의 출력 전류에 의해 동작되는 3상 전동기이며, 전동기(150)의 회전 속도는 속도 센서(165)에 의해 감지되어 실시간 인버터(120)로 피드백 됨을 도면을 통해 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 링크 캐패시터의 용량 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 링크 캐패시터의 용량 측정 방법은, 회전자 위치 측정 단계(S210), 전류 인가 단계(S220), 전류 리플값 계산 단계(S230), 전압 리플값 획득 단계(S240) 및 용량 계산 단계(S250) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.

회전자 위치 측정 단계(S210)는 전동기의 회전력이 발생되지 않을 수 있는 전류값의 계산을 위해 현재 전동기의 회전자 위치를 측정하기 위한 과정을 의미한다. 다시 말해, 3상 전동기는 임의의 회전자 위치에 대해 특정 3상 전류를 인가하는 경우 회전력이 발생하지 않게 되는데, 따라서, 회전자 위치 측정 단계(S210)를 통해 정확한 회전자의 위치가 파악되어야 이에 대응되는 특정 3상 전류를 인가할 수 있게 된다.

이와 같은 회전자의 위치를 측정하기 위한 방법은, 전동기의 종류 또는 전동기에 구비된 센서의 종류 등에 따라 조금씩 상이할 수 있는데, 가령, 전동기에 구비된 위치 센서가 절대 위치 센서인 경우에는 센서 값을 읽는 것으로 회전자의 위치 측정이 가능하다. 하지만, 전동기의 위치 센서가 상대 센서라면, 센서 값으로부터 절대 위치를 계산하거나 산정하는 과정을 거쳐야 한다.

아울러, 전동기가 동기 전동기라면, 초기 위치 추정 방법을 통해 절대 위치를 계산할 수 있으며, 유도 전동기인 경우에는 절대 위치를 선정하는 과정을 통해 회전자의 위치를 측정할 수 있다.

전류 인가 단계(S220)는, 회전자 위치 측정 단계(S210)를 통해 파악된 회전자의 위치에 대응되도록, 전동기의 회전력이 발생되지 않는 일정 주파수의 출력 전류를 정지중인 전동기에 인가하기 위한 과정을 의미한다. 즉, 전류 인가 단계(S220)는 전동기에서 회전력에 기여하는 전류를 0으로 제어함으로써 회전력을 발생시키지 않을 수 있는 일정 주파수의 전류를 전동기 측으로 인가하는 과정을 나타낸다.

도 3에, 전류 인가 단계(S220)에 있어 전동기의 회전력이 발생되지 않는 전류를 계산하는 과정을 나타낸 예시도를 도시하였다.

도 3을 참조하면, 3상 전류의 각 상(u, v, w) 스위치의 상태를 이용한 좌표를 통해 전류의 공간 벡터를 구할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 이와 같은 벡터값을 이용해 전동기의 회전력에 기여하는 전류를 0으로 제어할 수 있는 전류값의 계산이 가능할 수 있다.

3상 전류의 각 상(u, v, w) 스위치 상태에 따른 함수값 표기법에 대해서는 추후 별도로 설명할 수 있도록 한다.

전류 리플값 계산 단계(S230)는, 전류 인가 단계(S220)를 통해 인가되는 출력 전류로부터 인버터의 입력 전류 형태를 구하고, 이에 대한 리플값을 계산하는 과정을 의미한다.

인버터에서 출력 전류가 발생되면 해당 스위칭 상태를 이용해 입력 전류의 값을 알 수 있다. 다시 말해, 일반적인 2-레벨 인버터는 위(top)와 아래(bottom) 각각 3개씩 총 6개의 스위치를 구비하게 되는데, 인버터의 일반적인 스위칭 패턴에서 전력을 공급하는 경우 <위 스위치 1개, 아래 스위치 2개> 또는 <위 스위치 2개, 아래 스위치 1개>와 같은 패턴으로 스위치가 온(on) 상태가 된다.

즉, 3상 전류의 각 상에 대해 어느 1상의 위 스위치가 온 상태이면 아래 스위치는 반드시 오프(off) 상태가 되어야 한다. 이를 함수로 정의해서 Su=1이면 u상의 위 스위치는 온, 아래 스위치는 오프, Sw=0이면 w상의 위 스위치는 오프, 아래 스위치는 온과 같이 표현할 수 있다.

도 4에 이와 같은 전류 리플값 계산 단계(S230)를 설명하기 위한 예시도를 도시하였다.

도 4를 참조하면, (a)의 경우 (SuSvSw)=(011)이고 (b)의 경우 (SuSvSw)=(101)임을 확인할 수 있다. 즉, 실선이 스위치의 온 상태, 점선이 스위치의 오프 상태를 나타낸다고 할 때, (a)는 P를 통해 입력되는 전류가 모두 u상에 대해 위 스위치를 통해서 흐르게 되는데 반해, (b)는 P를 통해 입력되는 전류가 모두 u상에 대해 아래 스위치를 통해서 흐르게 된다.

따라서, 현재 u, v, w 상의 전류(출력 전류)와 각각의 스위칭 상태를 알면, 이에 대한 모든 케이스의 정리를 통해 인버터의 입력 전류 계산이 가능하게 된다. 그리고 이와 같이 계산된 입력 전류에서 다시 직류(DC)와 교류(AC)를 각각 계산할 수 있는데, 이때 교류 전류값이 입력 전류의 리플이 된다.

즉, 인버터 운전 시 스위칭 벡터는 다음과 같은 총 8가지 케이스로 표현할 수 있다.

(Su,Sv,Sw) = (000), (100), (110), (010), (011), (001), (101), (111)

그런데, 이 가운데 영 벡터 (000)과 (111)은 전류 인가에 영향을 주지 않기 때문에, 나머지 6개의 벡터만을 가지고 스위칭 온/오프 상태에 따라 분류하면, 크게 다음의 2가지로 구분 가능하다.

Su+Sv+Sw가 1이 되는 (100), (010), (001); Su+Sv+Sw가 2가 되는 (110), (011), (101).

Su+Sv+Sw의 합이 1이면 인버터 입력 전류는 스위칭 변수가 1인 상의 전류이고, 합이 2이면 스위칭 변수가 2인 상의 전류가 된다.

상기의 스위칭 벡터 값들을 시간에 대해 정리한 표가 도 5이다. 도 5를 참조하면, T0는 (000)벡터 인가시간, T1은 Su+Sv+Sw=1인 시간, T2는 Su+Sv+Sw=2인 시간 그리고 T3는 (111)벡터 인가 시간을 나타냄을 확인할 수 있다.

따라서, 이상에서 설명한 바와 같은 u, v, w 상의 출력 전류와 각각의 스위칭 상태, 그리고 이에 대한 모든 케이스의 정리를 통해 인버터의 입력 전류 형태를 구할 수 있으며, 이를 이용함으로써 입력 전류의 리플 값을 계산할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 방식의 적용을 통해 입력 전류의 리플 값을 계산하는 상세 과정에 대해서는, 예를 들어 Folker Renken의 논문, [Analytic Calculation of the DC-Link Capacitor Current for Pulsed Three-Phase Inverters] 등을 통해 확인할 수 있다.

다음, 전압 리플값 획득 단계(S240)는 전압 센서로부터 인버터의 입력 전압 리플값을 획득하는 과정으로, 인버터의 입력단 측에 위치되는 통상의 전압 센서를 이용하여 쉽게 수행 가능하다.

이어서, 용량 계산 단계(S250)는, 상기한 각각의 과정들을 통해 얻어지는 값들, 다시 말해, 전류 인가 단계(S220)를 통해 인가되는 출력 전류의 주파수, 전류 리플값 계산 단계(S230)를 통해 계산된 입력 전류의 리플값 및 전압 리플값 획득 단계(S240)를 통해 획득된 입력 전압의 리플값을 모두 이용하여 직류 링크 커패시터의 용량을 계산하는 과정을 의미한다.

상기한 값들을 이용한 직류 링크 커패시터의 용량(C)은 다음의 <수학식 1>을 이용해 쉽게 구할 수 있다.

따라서, 일정 주기마다 전류의 공간 벡터 위치를 계산하고, 이 값을 이용해 인버터가 전동기에 회전력이 발생되지 않는 전류를 인가하도록 함으로써, 이상에서 설명한 과정들의 반복을 통해 직류 링크 커패시터의 실시간 용량 측정이 가능할 수 있게 된다. 즉, 전동기에 회전력이 발생되지 않는 출력 전류를 인가하고, 출력 전류로부터 입력 전류의 리플을 계산하며, 전압 센서로부터 입력 전압의 리플을 획득하여 직류 링크 커패시터의 용량을 측정할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은, 직류 링크 커패시터의 용량에 대한 지속적이고 즉각적인 모니터링을 가능하게 함으로써, 결과적으로 인버터 시스템의 안정적이고 효율적인 운용을 가능할 수 있도록 한다.

그리고 지금까지 설명한 본 발명의 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법이, 커패시터의 실시간 용량 측정을 필요로 하는 다양한 분야에 응용될 수 있음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.

전술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 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.

110: 직류 전압원 120: 인버터
130: 직류 링크 캐패시터 140: 전력용 반도체
150: 전동기 160: 전류 센서
165: 속도 센서

Claims (5)

1. 인버터에 구비되는 직류 링크 커패시터(DC-Link capacitor)의 용량을 측정하기 위한 방법에 있어서,
   전동기의 회전력이 발생되지 않는 일정 주파수의 출력 전류를 정지중인 전동기에 인가하는 전류 인가 단계;
   상기 전류 인가 단계를 통해 인가되는 출력 전류로부터 인버터의 입력 전류 형태를 구하고, 상기 입력 전류의 리플(ripple)값을 계산하는 전류 리플값 계산 단계;
   전압 센서로부터 상기 인버터의 입력 전압 리플값을 획득하는 전압 리플값 획득 단계; 및
   상기 출력 전류, 상기 입력 전류 및 상기 입력 전압을 이용하여 상기 직류 링크 커패시터의 용량을 계산하는 용량 계산 단계;를 포함하는 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 용량 계산 단계는, 상기 전류 인가 단계를 통해 인가되는 출력 전류의 주파수, 상기 전류 리플값 계산 단계를 통해 계산된 입력 전류의 리플값 및 상기 전압 리플값 획득 단계를 통해 획득된 입력 전압 리플값을 이용하여 직류 링크 커패시터의 용량을 계산하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전류 인가 단계에 앞서, 상기 전동기의 회전력이 발생되지 않는 전류값의 계산을 위해 현재 전동기의 회전자 위치를 측정하는 회전자 위치 측정 단계;를 더 포함하는 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전류 리플값 계산 단계는, 상기 인버터의 3상 출력 전류와 이에 따른 스위칭(switching) 상태의 케이스(case) 정리 과정을 통해 상기 인버터의 입력 전류 형태를 구하고, 상기 인버터의 입력 전류 형태를 이용해 상기 입력 전류의 리플값을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 전류 인가 단계는, 전류의 공간 벡터 위치 계산을 통해 전동기의 회전력이 발생되지 않는 일정 주파수의 출력 전류를 계산하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 커패시터의 용량 측정 방법.
   

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