KR20170119506A - 커패시터 고장 검출장치 - Google Patents

Abstract

커패시터 고장 검출장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 커패시터의 양단의 전압을 검출하고, 커패시터의 양단의 전압으로부터, 인버터의 출력전압의 리플전압을 추출하여, 리플전압의 크기로부터, 커패시터의 용량비에 따라 커패시터의 고장여부를 결정한다.

Description

커패시터 고장 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING FAULT OF CAPACITOR}

본 발명은 커패시터 고장 검출장치에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 인버터에 사용되는 커패시터의 고장을 검출하는 장치에 대한 것이다.

일반적으로, 전압형 인버터는 직류링크 커패시터의 직류전력을 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT) 또는 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)와 같은 전력용 스위칭 소자를 이용하여 원하는 크기의 전압과 주파수의 교류전력으로 변환하여 대상(모터, 계통 등)에 공급한다.

이때 사용되는 직류링크용 커패시터로서 대부분 전해 커패시터가 사용되는데, 이러한 전해 커패시터는 다른 종류의 커패시터와 비교하여 소형 및 저가로 대용량을 설계할 수 있는 장점이 있지만, 상대적으로 수명이 짧은 문제점이 있다.

따라서, 커패시터의 수명은 인버터의 수명을 결정하는 중요한 요소이며, 커패시터의 수명을 예측, 검출하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.

전해 커패시터의 수명계산은 다양한 방식이 있으나, 다음 수학식에 의해 계산하는 것이 일반적이다.

여기서, L은 기대수명, Ls는 최고 사용온도에서의 수명, Ts는 제품의 최고 사용온도, ΔTs는 최고 사용온도에서 발열온도, T는 실사용 온도, ΔT는 실측정 발열온도이다.

그러나, 위 수학식 1에 의해 계산된 커패시터의 수명은 확률적으로 계산된 시간까지 동작할 수 있다는 의미일 뿐이므로, 실제 더 빨리 고장이 발생할 수도 있고 더 긴 시간동안 동작할 수도 있다.

직류링크 커패시터의 수명이 다하게 되면 인버터가 오동작하고, 심할 경우 제품의 소손, 화재 등 사고로 이어질 수 있으므로, 커패시터의 수명을 정확하게 예측하는 것은 매우 중요한 문제이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 실제 커패시터의 상태를 통해 미리 고장을 검출하는, 인버터 커패시터 고장 검출장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 직류링크 커패시터를 포함하는 인버터로부터 출력되는 출력전압에 의해 전동기를 구동하는 시스템에서, 상기 커패시터의 고장을 검출하는 본 발명의 일실시예의 장치는, 상기 커패시터의 양단의 전압을 검출하는 검출부; 상기 커패시터의 양단의 전압으로부터, 상기 인버터의 출력전압의 리플전압을 추출하는 추출부; 및 상기 리플전압의 크기로부터, 상기 커패시터의 용량비에 따라 상기 커패시터의 고장여부를 결정하는 결정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 리플전압은, 상기 인버터의 출력전압의 출력주파수의 2배에 해당하는 전압일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 결정부는, 상기 리플전압의 크기에 따라, 상기 커패시터의 최대 용량대비 현재 용량비를 결정할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 결정부는, 상기 커패시터의 최대 용량대비 현재 용량비가 소정 비율 이하인 경우 상기 커패시터의 고장을 결정할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 직류링크 전압의 리플전압의 크기를 확인하여 실제 직류링크 커패시터의 용량변화를 모니터링함으로써, 실제 직류링크 커패시터의 사용상태에 따라 고장을 미리 검출하게 하는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은, 직류링크 커패시터의 교체시기를 보다 정확하게 알려줌으로써, 직류링크 커패시터가 사용되는 인버터 시스템의 운전효율과 시스템 안정성을 제고하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 인버터의 커패시터 고장 검출장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 커패시터 고장 검출방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

전해 커패시터의 수명은 리플전압과 사용온도에 크게 영향을 받는다. 전해 커패시터에 리플전압이 발생하면 열이 발생하게 되고, 이 열에 의해 주변온도가 높아짐에 따라 내부 전해액이 증발하게 된다. 전해액이 증발하게 되면 커패시터의 용량이 줄어들게 되고, 리플전압에 의한 발열이 더 심해지게 되므로 전해액의 증발이 촉진된다.

인버터가 교류전압을 출력할 때 직류링크 전압에 출력전압의 주파수의 2배에 해당하는 교류성분(리플전압)이 발생하게 괸다. 이 리플전압의 크기는 커패시터 용량에 큰 영향을 받으며, 커패시터의 용량의 크기와 리플전압의 크기는 반비례 관계이다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는, 인버터가 동작할 때 직류링크 전압의 교류성분의 크기를 검출하여, 커패시터의 현재 상태와 수명 및 고장시점 등을 판별할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 인버터의 커패시터 고장 검출장치의 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 커패시터 고장 검출장치(4)는, 3상 전원공급부(1)로부터 상용전원을 인가받아 이를 전동기(3)에 제공하는 인버터(2)에 제공되는 것으로서, 먼저 인버터(2)는 상용의 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부(21), 변환된 직류전압을 평활하고 저장하는 직류링크 커패시터(22) 및 직류전압을 전동기(3)에 제공할 소정 크기와 주파수의 교류전압으로 변환하는 인버터부(23)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예의 고장 검출장치(4)는, 전압검출부(41), 리플전압 추출부(42), 결정부(43) 및 저장부(44)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 고장 검출장치(4)는, 인버터(2)와 별도로 구성되는 것처럼 도시되어 있으나, 본 발명의 고장 검출장치(4)는 인버터(2) 내부에 제공될 수도 있고, 또는 인버터(2)와 네트워크를 통해 연결된 상위 제어부(도시되지 않음)에 제공될 수도 있을 것이다. 고장 검출장치(4)가 상위 제어부(도시되지 않음)에 제공되는 경우 전압검출부(41)와 리플전압 추출부(42) 사이에 네트워크를 통해 데이터를 송수신할 수도 있고, 인버터(2)의 내부에 전압검출부(41)를 구비하여, 이를 네트워크를 통해 리플전압 추출부(42)가 수신할 수도 있을 것이다.

인버터(2)에서, 정류부(21)는 복수의 다이오드로 구성되어 교류전압을 정류할 수 있고, 직류링크 커패시터(22)는 정류부(21)와 인버터부(23) 사이에 연결되어, 정류부(21)의 출력전압을 평활화하고 저장할 수 있다.

인버터부(23)는 소정의 제어신호, 예를 들어 제어부(도시되지 않음)로부터 출력된 제어신호에 따라 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 구동신호를 이용하여 전동기(3)를 구동하는 구동전압을 인가할 수 있다. 이때 인버터부(23)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 전계효과 트랜지스터(FET)와 같은 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 인버터부(23)의 스위칭 소자의 프로토콜은 H-브릿지(H-bridge) 방식, 중성점 클램프(neutral point clamped, NPC) 방식 등 다양한 프로토콜일 수 있으며, 본 발명이 인버터부(23)의 스위칭 소자의 프로토콜에 의해 제한되는 것이 아니므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일예에서는 인버터부(23)가 3상의 교류전압을 출력하는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 단상 교류전압이 출력될 수도 있을 것임은 자명하다.

위에서 설명한 바와 같이, 직류링크 커패시터(22)의 출력전압에는 전동기(3)로 출력되는 교류전압의 주파수의 배수에 해당하는 리플전압이 발생하게 된다. 본 발명은 이러한 리플전압의 크기와 직류링크 커패시터(22)의 용량이 반비례한다는 사실에 착안한 것으로서, 전압검출부(41)는 직류링크 커패시터(22)의 양단의 전압을 검출할 수 있다.

리플전압 추출부(42)는 직류전압 커패시터(22)의 양단의 전압으로부터, 리플전압을 추출할 수 있다. 즉, 전동기(3)로 출력되는 출력전압의 출력주파수의 2배에 해당하는 주파수에 해당하는 전압을 검출할 수 있을 것이다. 예를 들어 전동기(3)로 출력되는 출력전압의 주파수가 50㎐인 경우, 100㎐ 대역에 해당하는 교류전압을 검출할 수 있을 것이다. 이를 위해 리플전압 추출부(42)는 예를 들어 대역통과필터(band pass filter, BPF)일 수 있다.

결정부(43)는 리플전압의 크기(예를 들어, 피크-투-피크 전압(peak-to-peak voltage)) ΔV로부터 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 잔여 용량비를 결정하고, 이에 의해 고장 여부를 결정할 수 있다.

즉, 결정부(43)는, 해당 직류링크 커패시터(22)가 100%에 해당하는 용량일 때 리플전압의 크기 ΔV를 저장부(44)에 저장하고, 직류링크 커패시터(22)의 용량이 최대 용량대비 소정 용량비(예를 들어 50%) 이하인 경우, 해당 직류링크 커패시터(22)가 고장인 것으로 결정할 수 있을 것이다.

예를 들어 직류링크 커패시터(22)가 100%에 해당하는 용량일 때 리플전압의 크기 ΔV가 2V인 것이 저장부(44)에 저장되어 있고, 직류링크 커패시터(22)의 용량이 최대 용량대비 50%일 때 고장인 것으로 결정하는 것으로 설정되어 있다고 가정하기로 한다.

결정부(43)는 리플전압 추출부(42)가 추출한 리플전압의 크기 ΔV가 3V인 경우에는 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 75%인 것으로 보아, 고장으로 결정하지 않을 수 있다. 이는, 직류링크 커패시터(22)의 용량의 크기와 리플전압의 크기는 반비례 관계인 것을 이용한 것이다. 만약, 결정부(43)는 리플전압 추출부(42)가 추출한 리플전압의 크기 ΔV가 4V인 경우에는 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 50%이므로 고장으로 결정하고 이를 상위 제어부(도시되지 않음)에 알릴 수 있다.

다만, 본 발명의 설명에서는 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 50% 용량인 경우 고장인 것으로 검출하는 예를 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 설정에 의해 달라질 수 있다. 즉, 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 고장에 해당하는 용량의 설정은, 상위 제어부(도시되지 않음)로부터 전송되어 저장부(44)에 저장될 수도 있고, 또는 HMI와 같은 입력장치에 의해 사용자로부터 설정되어 저장부(44)에 저장될 수도 있을 것이다. 이와 같은 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 고장에 해당하는 용량의 설정은 사용자의 설정 외에, 직류링크 커패시터(22)의 특성에 의해서도 변경될 수도 있을 것이다.

또한, 본 발명의 설명에서는 피크-투-피크 전압을 리플전압의 크기로서 사용하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 다양한 방식으로 리플전압의 크기가 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어 정현파의 1/2에 해당하는 크기를 리플전압의 크기로서 사용할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 일예에서는, 인버터에 사용되는 직류링크 커패시터에 적용되는 것을 설명하고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 교류-직류 네트워크를 사용하는 전자기기에 사용되는 전해 커패시터에도 적용될 수 있을 것임은 자명하다.

도 2는 본 발명의 일실시예의 커패시터 고장 검출방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서, 본 발명의 전압검출부(41)는 인버터(2)의 직류링크 커패시터(22)의 직류링크 전압을 검출할 수 있다(S21). 이후 리플전압 추출부(42)는 직류링크 전압에 포함되는 리플전압을 추출할 수 있다(S22). 이때 리플전압은 인버터(2)가 전동기(3)로 출력하는 출력전압의 출력주파수에 2배에 해당하는 전압일 수 있다.

결정부(43)는 리플전압의 크기를 확인하여(S23), 직류링크 커패시터(22)의 최대 용량대비 현재의 직류링크 커패시터(22)의 용량비를 확인할 수 있다(S24) 이는, 직류링크 커패시터(22)의 용량의 크기와 리플전압의 크기는 반비례 관계인 것을 이용한 것이다.

이에 의해, 현재 직류링크 커패시터(22)의 용량비가 최대 용량대비 소정 비율 이상인 경우에는(S25), 다시 S21로 진입하여 직류링크 전압을 모니터링할 수 있을 것이다. 또한, 현재 직류링크 커패시터(22)의 용량비가 최대 용량대비 소정 비율 이하인 경우에는(S25), 결정부(43)는 직류링크 커패시터(22)의 고장을 상위 제어부(도시되지 않음)에 알릴 수 있다(S26).

이와 같이, 본 발명에 의하면, 직류링크 전압의 리플전압을 확인하여 실제 직류링크 커패시터의 용량변화를 모니터링함으로써, 실제 직류링크 커패시터의 사용상태에 따라 고장을 미리 검출할 수 있으므로, 직류링크 커패시터의 교체시기를 보다 정확하게 알려줌으로써, 인버터 시스템의 운전효율과 시스템 안정성을 제고할 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 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1: 전원공급부 2: 인버터
3: 전동기 4: 고장 검출장치
21: 정류부 22: 직류링크 커패시터
23: 인버터부 41: 전압검출부
42: 리플전압 추출부 43: 결정부
44: 저장부

Claims (4)

1. 직류링크 커패시터를 포함하는 인버터로부터 출력되는 출력전압에 의해 전동기를 구동하는 시스템에서, 상기 커패시터의 고장을 검출하는 장치에 있어서,
   상기 커패시터의 양단의 전압을 검출하는 검출부;
   상기 커패시터의 양단의 전압으로부터, 상기 인버터의 출력전압의 리플전압을 추출하는 추출부; 및
   상기 리플전압의 크기로부터, 상기 커패시터의 용량비에 따라 상기 커패시터의 고장여부를 결정하는 결정부를 포함하는 커패시터 고장 검출장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 리플전압은,
   상기 인버터의 출력전압의 출력주파수의 2배에 해당하는 전압인 커패시터 고장 검출장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 결정부는,
   상기 리플전압의 크기에 따라, 상기 커패시터의 최대 용량대비 현재 용량비를 결정하는 커패시터 고장 검출장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 결정부는,
   상기 커패시터의 최대 용량대비 현재 용량비가 소정 비율 이하인 경우 상기 커패시터의 고장을 결정하는 커패시터 고장 검출장치.

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