[논문]전력변환기에 대한 직류링크 커패시터의 고장진단을 위한 간단한 용량 추정 기법

손진근; 김동준

doi:10.5370/kieep.2010.59.4.378

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Due to the large capacity and low cost, DC link electrolytic capacitors with of energy storage and voltage regulation are used for almost all types of power converter as the DC/AC inverter or DC/DC converter. Electrolytic capacitor, which is the most of the time affected by the aging effect, plays v...

Due to the large capacity and low cost, DC link electrolytic capacitors with of energy storage and voltage regulation are used for almost all types of power converter as the DC/AC inverter or DC/DC converter. Electrolytic capacitor, which is the most of the time affected by the aging effect, plays very important role for the power converter system quality and reliability. Therefore, this paper proposes a simple method to estimate the capacitance variation of an electrolytic capacitor in order to analyze the internal characteristic decrease and worn-out state of an electrolytic capacitor. Simulation results by using capacitor storage energy computation show the validity of the proposed capacitance estimation method.

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AI 본문요약
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문제 정의

이의 추정 기법에는 사용시간의 증가에 따른 커패시턴스의 용량 감소를 이용하는 방법과 등가 직렬 저항(equivalent series resistor; 이하 ‘ESR’이라 칭함)의 상승 추정을 이용한 진단기법이 주로 사용되고 있다. 진단의 상당 부분은 ESR의 추정에 의한 고장 판별기법이 차지하지만 본 논문에 서는 진단시스템의 성능확장을 위하여 커패시턴스의 용량 추정기법에 대하여 간단한 측정기법을 제안하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 전력변환기가 정지 중에 있는 경우 별도의 LCR 메터의 계측기를 사용치 않고 복잡한 별도의 회로 구성이 필요 없는 가격이 저렴한 방식의 커패시터 용량 추정기법을 제안하고자 한다. 이의 방법은 진단하고자 하는 전력변환기의 직류링크 커패시터를 이용하여 간단한 충방전 회로의 구성으로 오실로스코프로도 추정 가능한 방식이다.
따라서 본 논문에서는 전력변환기가 정지 중에 있는 경우 별도의 LCR 메터의 계측기를 사용치 않고 복잡한 별도의 회로 구성이 필요 없는 가격이 저렴한 방식의 커패시터 용량 추정기법을 제안하였다. 이의 방법은 진단하고자 하는 전력변환기의 직류링크 커패시터를 이용하여 간단한 충방전 회로의 구성으로 오실로스코프로도 추정 가능한 방식이다.

제안 방법

본 본문에서 제안된 간단한 커패시턴스의 추정기법의 결과에 대하여, 커패시턴스 추정의 정확도와 측정 주기 T, RC 시정수 (τ), 샘플링 회수 n의 관계에 대한 모의결과를 에 종합적으로 분석해 놓았다.
이의 타당성 확보 및 커패시턴스 추정의 정확도를 살펴보기 위하여 본 본문에서는 측정 주기 T, RC 시정수(τ), 샘플링 회수 n 의 관계에 대한 결과를 종합적으로 분석하여 보았다.

데이터처리

간단한 방식의 제안된 커패시턴스 용량 추정 기법의 타당성을 검증하기 위하여 그림 6과 같이 PSIM 7.0의 시뮬레이션 툴을 사용하여 모의실험을 수행하였다. 그림 6의 알고리즘 구성과 같이 커패시터는 평상시 스위치 S₁을 소프트 온시켜 일정전압 V_S를 충전하고 있다가 S₁ 을 오프시키고 S₂ 온 및 부하저항 R을 연결하면 방전이 시작된다.

성능/효과

커패시턴스 추정 정확도는 RC 시정수가 측정 주기 T 보다 충분히 큰 경우는 샘플링 회수 n에 크게 영향을 받지 않고 거의 정확히 추정 된다는 사실을 쉽게 얻을 수 있다. 실험 결과에 의하면 RC ≫ T 를 만족시켜서 RC/T의 비율이 39 이상인 경우는 커패시턴스 추정 오차율이 4.1[%] 이하로 분석되었다.
그림 10은 위의 결과를 재확인하기 위하여 그림과 같이 다양한 커패시터 값에 대하여 샘플링 수 n=100까지 증가시키고, 측정주기를 T=600[ms]인 그룹과 T=60[ms]인 그룹을 구별하여 추정결과를 비교한 그림이다. 이의 결과 역시 샘플링 수와는 크게 좌우되지 않고 RC ≫ T에 근접한 T=60[ms]인 그룹에서 오차가 매우 적음을 확인하였다.
이의 타당성 확보 및 커패시턴스 추정의 정확도를 살펴보기 위하여 본 본문에서는 측정 주기 T, RC 시정수(τ), 샘플링 회수 n 의 관계에 대한 결과를 종합적으로 분석하여 보았다. 이의 결과, 커패시턴스의 추정 정확도를 높이기 위해서는 측정 주기T 가 RC 시정수 보다 충분히 적고 샘플링 회수 n의 증가가 있어야만 정확한 추정이 가능함을 알 수 있었다. 이는 RC ≫ T를 확실히 만족시키는 경우가 샘플링 회수 n을 증가시키는 경우보다 더 우선이되어야만 커패시턴스 추정의 정확도를 높일 수 있음을 알 수 있었다.
이의 결과, 커패시턴스의 추정 정확도를 높이기 위해서는 측정 주기T 가 RC 시정수 보다 충분히 적고 샘플링 회수 n의 증가가 있어야만 정확한 추정이 가능함을 알 수 있었다. 이는 RC ≫ T를 확실히 만족시키는 경우가 샘플링 회수 n을 증가시키는 경우보다 더 우선이되어야만 커패시턴스 추정의 정확도를 높일 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

이는 커패시터의 일정 방전시간(T) 내에서 전력 에너지의 샘플링 누적평균 기법을 이용한 방식으로 제품의 제작 시에는 간단한 구성품으로 용량을 추정할 수 있으므로 가격이 저렴하고 휴대가 가능할 수 있다는 장점이 있다. 이의 제안된 방법을 검증하기 위한 모의실험 결과는 양호하게 나타났으며, 이의 결과는 향후 전해 커패시터의 용량 추정 값이 정상 값 대비 약 25[%] 이하[9]일 경우에 수명 말기의 시작으로 판단하는 고장진단 시스템에의 응용에 이용되리라 생각된다.
전반적으로 이의 제안된 방법에 대한 모의실험의 결과는 양호하게 나타나 향후, 전해 커패시터의 용량 추정 값이 정상 값 대비 약 25[%] 이하일 경우에 수명 말기의 시작으로 판단하는 고장진단 시스템 등에 요소적 응용이 가능하리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DC 전력을 AC로 변환하는 인버터 및 DC/DC 컨버터 등의 전력 변환기에서 직류링크부에 사용되는 커패시터는 어디에 주로 사용되는가?	DC 전력을 AC로 변환하는 인버터 및 DC/DC 컨버터 등의 전력 변환기에서 직류링크부에 사용되는 커패시터는 DC 에너지의 전압 연계(link) 및 전압 평활화 그리고 충방전 에너지의 완충(buffer)용으로 주로 사용된다. 이의 직류링크 커패시터는 가격이 저렴하면서 용량이 크고, 비교적 빠른 충/방전 특성 때문에 거의 대부분은 알루미늄 전해 커패시터가 사용된다[1].
	직류링크 커패시터로 알루미늄 전해 커패시터가 사용되는 이유는?	DC 전력을 AC로 변환하는 인버터 및 DC/DC 컨버터 등의 전력 변환기에서 직류링크부에 사용되는 커패시터는 DC 에너지의 전압 연계(link) 및 전압 평활화 그리고 충방전 에너지의 완충(buffer)용으로 주로 사용된다. 이의 직류링크 커패시터는 가격이 저렴하면서 용량이 크고, 비교적 빠른 충/방전 특성 때문에 거의 대부분은 알루미늄 전해 커패시터가 사용된다[1].
	본 논문에서 제시한 전력변환기가 정지 중에 있는 경우 별도의 LCR 메터의 계측기를 사용치 않고 복잡한 별도의 회로 구성이 필요 없는 가격이 저렴한 방식의 커패시터 용량 추정기법이란?	따라서 본 논문에서는 전력변환기가 정지 중에 있는 경우 별도의 LCR 메터의 계측기를 사용치 않고 복잡한 별도의 회로 구성이 필요 없는 가격이 저렴한 방식의 커패시터 용량 추정기법을 제안하고자 한다. 이의 방법은 진단하고자 하는 전력변환기의 직류링크 커패시터를 이용하여 간단한 충방전 회로의 구성으로 오실로스코프로도 추정 가능한 방식이다. 이는 커패시터의 일정 방전시간(T) 내에서 전력 에너지의 샘플링 누적평균 기법을 이용한 방식으로 제품의 제작 시에는 간단한 구성품으로 용량을 추정할 수 있으므로 가격이 저렴하고 휴대가 가능할 수 있다는 장점이 있다. 이의 제안된 방법을 검증하기 위한 모의실험 결과는 양호하게 나타났으며, 이의 결과는 향후 전해 커패시터의 용량 추정 값이 정상 값 대비 약 25[%] 이하[9]일 경우에 수명 말기의 시작으로 판단하는 고장진단 시스템에의 응용에 이용되리라 생각된다.

참고문헌 (12)

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, Nov./Dec. 2005.

상세보기
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.

상세보기
손진근, "전력변환장치에서의 DC 출력 필터 커패시터의 온라인 고장 검출기법", 전기학회 논문지, 제58P권 제4호, pp. 483-489, 2009년 12월.
손진근, "비선형부하에 대한 전해 커패시터의 특성 해석과 커패시턴스 용량 추정 알고리즘", 한국ITS학회논문지 제8권 6호, pp.181-187, 2009. 12.
손진근, 김진식, "주파수 분석기법을 이용한 전압 평활용 전해 커패시터의 고장진단", 전기학회논문지 58P권 제2호, pp.207-213, 2009. 6.
손진근,나채동, "PWM 전력 컨버터에서 DC 링크 커패시터의 개선된 온라인 고장 진단", 전기학회 논문지, 제59P권 제1호, pp. 40-46, 2010. 3.
E. Aeloiza, J.H. Kim, P. Enjeti, P. Ruminot, 'A Real Time Method to Estimate Electrolytic Capacitor Condition in PWM Adjustable Speed Drives and Uninterruptible Power Supplies', Proc. of IEEE PESC, pp. 2867 - 2872, 2005.
손진근, "수퍼 커패시터의 고장진단을 위한 파라미터의 측정기법과 순시전압강하 보상장치에의 응용사례", 한국ITS학회 논문지 제8권 6호, pp.174-180, 2009. 12.
P. Venet, F. Perisse, M.H. El-Hussein1, and G. Rojat, "Realization of a smart electrolytic capacitor circuit", IEEE of Industry Applications Magazine, No.1, pp. 16-20. 2002.
기술표준원 신뢰성전문위원회, 알루미늄 전해 커패시터 해설서 RS C 0005, 산업자원부, 2001. 11.
United States Department of Defense, US MIL- HDBK-217F Reliability Prediction of electronics Equipment, Version F, Notice 2, USA, 1995.
Matsushita Electronic Components Co, Technical guide of aluminum electrolytic capacitors, Mar. Feb, 2000.

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