[논문]주파수 분석기법을 이용한 전압 평활용 전해 커패시터의 고장진단

손진근; 김진식

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Electrolytic capacitors have been widely used in power electronics system because of the features of large capacitance, small size, high-voltage, and low-cost. Electrolytic capacitors, which is most of the time affected by aging effect, plays a very important role for the power electronics system qu...

Electrolytic capacitors have been widely used in power electronics system because of the features of large capacitance, small size, high-voltage, and low-cost. Electrolytic capacitors, which is most of the time affected by aging effect, plays a very important role for the power electronics system quality and reliability. Therefore it is important to estimate the parameter of an electrolytic capacitor to predict the failure. This paper proposed a novel fault diagnosis method of an electrolytic capacitor used for voltage smoothing in boost DC converter. The equivalent series resistance(ESR) of electrolytic capacitor estimated from FFT result of filtered waveform of capacitor voltage/current. Main advantage of the proposed method include circuit simplicity and easy implementation. Simulation and experimental results are shown to verify the performance of the proposed method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 운전 정지시 커패시터를 시스템으로부터 분리하여 ESR을 측정하는 단순 LCR 메타 등의 측정기법을 탈피하고, 운전 .중 저주파의 신호에만 의존하는 기존의 ESR 추정기법을 극복한 새로운 주파수 분석기법의 알고리즘을 제시하여 시뮬레이션 및 실험에서 양호한 특성 결과를 얻었다.
따라서 본 논문에서는 전력변환장치가 운전 중에 있더라도 커패시터를 시스템에서 분리하지 않고 측정 가능하며 비교적 간단한 연산으로 ESR 추정이 가능한 새로운 방법을 제안한다. 이는 커패시터의 맥동 전압과 전류성분을 계측하여 이를 특정 밴드패스필터에 통과사킨 후 이를 주파수 성분별로 크기를 분석하여 ESR의 추정에 활용하는 방식이다.
본 논문에서는 전해 커패시터의 고장진단을 위하여 주파수 분석기법을 도입한 운전 중에서의 커패시터 ESR을 추정하는 알고리즘을 제시하였다. 전해 커패시터의 고장진단은 운전 중 커패시턴스의 값을 계측하여 제작사에서 주어진 사양보다 약 25[%]이하의 값일 때 고장으로 판명할 수 있다.
문제점이 있다. 이를 해결하고자 본 논문에서는 전해 커패시터의 사용에 따른 신뢰성 확보 및 고장진단을 위하여 주파수 분석기법을 도입한 커패시터 내부 등가 직렬저항 추정기법을 제안하고자 한다.

제안 방법

3장에서 기술한 전해 커패시터의 모델링과 ESR 추정 알고리즘의 검증을 위하여 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 시뮬레이션에서는 그림 4.
값의 추정이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 3장에서의 ESR 추정 알고리즘과 시뮬레이션의 결과를 토대로 실험을 수행하였다. 실험은 그림 3.
시뮬레이션에서는 그림 4.1과 같이 교류 입력전원을 바탕으로 부스트 컨버터의 동작을 PSIM 7.0 툴을 사용하여 모의하였으며, 추정하고자 하는 ESRe DC부하단의 커패시터를 선정하여 이의 전압 와 전류 D를 계측하였다. 이때의 ESR 값은 PSIM 상에서 커패시터의 내부파라 설정모드가 없는 관계로 인하여 이를 직렬로 주입血jected ESR)하여 연결하였으며 (0.
0 툴을 사용하여 모의하였으며, 추정하고자 하는 ESRe DC부하단의 커패시터를 선정하여 이의 전압 와 전류 D를 계측하였다. 이때의 ESR 값은 PSIM 상에서 커패시터의 내부파라 설정모드가 없는 관계로 인하여 이를 직렬로 주입血jected ESR)하여 연결하였으며 (0.3 및 0.6[Q]으로 각각 주입), 전압과 전류의 계측은 대역 통과 필터(band pass filter ;이하 BPF)를 통과하여 FFT를 수행하도록 하였다. 이때의 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.
이러한 실험과정의 블럭 다이어그램을 그림 4.6에 나타내었 다 커패시터의 전압과 전류를 센서로부터 계측하여 ADC를 거친 후, DSP TMS320VC₃₃에서 구-현된 BPF를 통과하여 신호처리 한 후 DAC를 거쳐 이를 FFT하여 계측토록 하였다. 이때의 BPF 설계는 식 (4.

대상 데이터

본 실험에서는 국내의 S전기(주)에서 열화시험을 수행하기 위하여 약 2배의 내전압을 인가하여 전해액이 증발된 450EWV1, 500[uF] 등의 열화된 전해 커패시터를 제공받아실험을 수행하였다. 또한 400[WV], 4, 700[pF] 용량의 정상 커패시터를 동일 조건으로 부스트컨버터의 DC부하 단에 부착하여 ESR 추정실험을 그림 46의 절차에 의하여 수행하였고, 이의 결과를 그림 4.
따라서 본 논문에서는 3장에서의 ESR 추정 알고리즘과 시뮬레이션의 결과를 토대로 실험을 수행하였다. 실험은 그림 3.2와 그림 4.1의 회로구성을 기반으로 하여 50M의 교류 입력전압과 5[kHz]의 스위칭 주파수, 부하저항 약 100[Q]의 부스트컨버터를 제작하여 실험을 수행하였다.
알루미늄 전해 커패시터는 전극으로 고 순도의 알루미늄박(foil)을 사용하고 유전체로 얇은 산화 막을 사용한다. (+) 전극(Anode foil)은 전해 에칭에 의해 표면적을 확대한 후전해욕 속에서 산화를 시행하여 표면에 유전체 산화피막 (句2。3)을 형성시키고, (-)전극(Ca난iode foil)은 에칭하여 표면적을 확대하지만 산화가 없으며 이의 전극 사이에는 전해액과 전해지(seperator paper)로 구성되어 진다.

데이터처리

이의 실험장치의 구성은 그림 4.5에 나타낸 것과 같으며 그 옆의 그림은 ESR을 추정하기 위한 HP4912 LCR Impedance Analyzer등의 계측기로써 이의 평균값을 통하여 추정 ESR 값과 측정한 ESR값을 상호 비교하도록 하였다.

성능/효과

6의 수행과정을 나타내기 위한 전해 커패시터 양단의 전압 파형을 나타낸 것이다. BPF를 통과한 교류 맥동 전압의 성분을 잘 반영하였으며, 또한 FFT 분석결과 5[kHz]의 스위칭 주파수와 부고조파 영역인 ±120[Hz] 영역에서의 전압성분이 추정되었다. 따라서 커패시터를 시스템에서 별도 분리하지 않고 이의 성분을 RMS 연산 및 게인 튜닝 등을 통하여 ESR 값을 추정하였으며 이의 결과는 HP4912 LCR Impedance Analyzer 등의 결과와 비교하여 표 4.
BPF를 통과한 교류 맥동 전압의 성분을 잘 반영하였으며, 또한 FFT 분석결과 5[kHz]의 스위칭 주파수와 부고조파 영역인 ±120[Hz] 영역에서의 전압성분이 추정되었다. 따라서 커패시터를 시스템에서 별도 분리하지 않고 이의 성분을 RMS 연산 및 게인 튜닝 등을 통하여 ESR 값을 추정하였으며 이의 결과는 HP4912 LCR Impedance Analyzer 등의 결과와 비교하여 표 4.2와 같이 오차가 거의 없는 양호한 성능으로 나타나고 있음을 확인하였다.
8)에 대입하여 정리한 결과를 표 41에 정리하였다. 이의 결과 시뮬레이션 과정에서 이미 알고 있는 커패시터 ESR 값을 FFT의 분석결과에서도 정확히 추정하고 있음을 알 수 있다.
탈피하고, 운전 .중 저주파의 신호에만 의존하는 기존의 ESR 추정기법을 극복한 새로운 주파수 분석기법의 알고리즘을 제시하여 시뮬레이션 및 실험에서 양호한 특성 결과를 얻었다. 이의 결과는 DC/DC 컨버터 등 각종 산업에 활용되고 있는 전력변환장치 내부의 전해 커패시터에 대한 파라미터 추정의 온라인 진단기법에 활용할 수 있다.

후속연구

이의 결과는 DC/DC 컨버터 등 각종 산업에 활용되고 있는 전력변환장치 내부의 전해 커패시터에 대한 파라미터 추정의 온라인 진단기법에 활용할 수 있다. 그러나 이의 기법은 BFF의 계수튜닝 등 지속적인 연구가 진행되어야 하며, 또한 커패시턴스 값의 추정 알고리즘과 병행되는 고장진단 알고리즘 및 체계적인 커패시터 열화 가속시험이 계속 진행되어야 한다고 생각된다.
이러한 전해 커패시터의 ESR 추정기법은 열화가 진행되면서 ESR의 추정값이 정상 값 대비 약 2배 이상일 경우에 이상(Abnormal) 징후의 시작으로 판단하는 고장진단알고리즘에 적용한다. 모의실험 및 실험결과의 검증에 의하여 제안된 기법의 타당성을 입증하였으며, 향후 커패시턴스 값의 추정과 함꼐 온도특성 실험에 의한 수명예측 실험이 동시에 진행된다면 고장진단 시스템에 신뢰성을 더 할 수 있다고 판단된다.

참고문헌 (9)

P. Vencet, F. Perisse, M.H. El-Husseinl, and G. Rojat, "Realization of a amart electrolytic capacitor circuit", IEEE of Industry Applications Magazine, No.1, pp. 16-20. 2002
United States Department of Defense, "US MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of electronics Equipment," Version F, Notice 2, USA, 1995
M.L. Gasperi, "Life Prediction Modeling of Bus Capacitor in AC Variable-Frequency Drives", IEEE Trans. on Ind. Appl, vol.,41, no.6, pp.1430-1435, 2005, Nov./Dec

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P. Venet, H. Darand, and G. Grellet," Detection of faults of filter capacitor in a converter. Applications to predictive maintenance," International Telecommunication Energy Conference, pp. 229-234, 1993
E.C.Aeloiza, J.H.Kim, P.Ruminot, P.N Enjeti, "A Real Time Mothod to Estimate Electroytic Capacitor Condition in PWM Adjustable Speed Drives and Uninterruptible Power Supplies," in Conf. Rec. IEEE 2005 PESC, pp. 2867-2872.
Afroz M. Imam, Thomas G. Habetler, Ronald G. Harly and D. M. Divan, "LMS based Condition Monitoring of Electrolytic Capacitor" IEEE Trans. on Ind. Appl., vol., 41, no.6, pp.848-853, 2005

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안치영, 김재중, 장석원, 신승중, 곽계달, "알루미늄 전해 커패시터의 가속열화시험," 대한기계학회 추계학술대회 논문집, pp.1-6, 2006
이광운, "인버터 직류링크 전압 평활용 전해 커패시터의 고장 진단", 전력전자학회 논문지, 제12권 제5호, pp. 372-377, 2007년 10월

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Matsushita Electronic Components Co,"Technical guide of aluminum electrolytic capacitors," Mar. 2, 2000

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