[논문]인버터의 직류단 전해 커패시터 고장 진단

양진규

doi:10.6113/tkpe.2013.18.2.145

인버터의 직류단 전해 커패시터 고장 진단
Fault Diagnosis of DC Link Electrolytic Capacitors in Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.2, 2013년, pp.145 - 152

양진규 (Automation R&D Department, LS Industrial Systems)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrolytic capacitors used for smoothing DC link voltage is one of the major root causes of fault in power electronic system. The aging of aluminum electrolytic capacitors is expressed by the increase of their equivalent series resistance (ESR) and the reduction of their capacitance. Thus, the proposed technique in this paper is to measure capacitance, by comparing energy loss of DC link capacitors with stator resistor in electric machine. Condition of DC link capacitors can be estimated from the capacitance decrease rate between initial and aged capacitors. The results show that the proposed technique provides an easy, widely applicable and simple low cost solution for detecting dc link capacitor degradation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 1)저가로, 현재 산업용 시스템에 쉽게 구현이 가능하며, 2)추가적인 하드웨어가 요구 되지 않고, 3) 복잡한 알고리즘이 필요하지 않은 상용인버터의 전해 커패시터 고장 진단 기법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 인버터의 전해 커패시터의 고장 진단을 위하여 인버터에 적용된 센서만을 사용하여 커패시터의 열화 상태를 파악하는 방법을 제안하였다. 입력 전원을 차단함으로써 커패시터에 충, 방전되는 전류를 부하로 흐르는 전류와 같도록 하였으며, 전동기에 전류를 흘림으로써 에너지를 소모시켰다.
본 논문에서는 추가 하드웨어가 필요 없는 저가의 측정 방법을 구현하는 것을 목적으로 하기 때문에 기존에 장착된 센서를 최대한 이용하는 방법을 적용한다. 이를 위하여 입력 단을 전원에서 분리시킴으로써 커패시터 충/ 방전 전류 i_cap과 부하 소모 전류 i_l의 합을 0으로 만든다.

가설 설정

그림 3에 나타낸 것과 같이 전류가 지령 전류보다 낮아지게 되면 V(1,0,0) 상태로 변경되게 된다. 이는 그림 4의 (b)에 나타낸 것과 같이 직류단으로부터 전류를 공급받아 전동기에 흐르는 전류가 증가하며 이로 인하여 직류단 전압은 감소하게 된다. 지령전류보다 실제 흐르는 전류가 증가하면 스위치는 V(0,0,0)으로 변경되게 되고 그림 4의 (c)에 나타낸 것과 같이 S₂, S₄ ,S₆을 통하여 프리휠링 함으로써 부하 전류는 감소하게 된다.

제안 방법

3.2절에 기술한 것과 같이 측정 정확도는 전력 변환 손실에 의하여 영향을 받으며, 이에 대한 영향을 검증하기 위하여 380V, 7.5kW 인버터와 전동기를 이용하였다. 실험에 사용된 인버터의 직류단 커패시터는 그림 7(a)에 나타낸 것과 같이 1000uF이다.
부하로 소모되는 에너지를 측정함으로써 커패시터의 용량을 추정할 수 있고 그 변화로부터 커패시터의 상태를 판단하는 알고리즘을 제안하였다. 다양한 실험 조건, 부하 변동에 관한 실험을 통하여 알고리즘의 타당성을 검증하였으며, 커패시턴스 측정 환경에 따라 추정 오차의 변화에 대하여 분석하였다.
인버터와 전동기의 용량이 같으면 정격 전류는 거의 비슷하지만, 용량이 달라지면 각각의 정격 전류가 달라진다. 따라서 인버터와 전동기의 정격 전류를 비교하여 낮은 정격 전류를 가지는 기기에 맞추어 전류를 인가하였고, 3.7kW의 전동기를 사용한 경우에는 전동기 정격에 맞추어 25A를, 15kW 전동기를 사용한 경우에는 인버터 정격에 맞추어 40A를 인가하였다. 7.
본 논문에 적용된 방법의 기본 개념은 직류단 전압을 전동기를 통하여 방전시킴으로써, 직류단 커패시터가 소모한 에너지와 부하 전동기가 소모한 에너지가 같다는 것에서 시작한다. 이를 위하여 직류단에서 커패시터가 방전되는 경우 모든 전류는 부하 전동기를 통해 흘러나가야 한다.
본 논문에서 제안된 기법은 인버터 프로그램 수정을 통하여 소프트웨어적으로 구현이 가능하며, 기존에 장착된 직류단 전압 및 상전류 센서만을 이용하여 측정이 가능하므로 하드웨어의 추가나 교체가 요구되지 않는다. 따라서 저가로 구성을 할 수 있고, 현재 생산되고 있는 상용 인버터 및 기존에 판매된 인버터에도 바로 적용할 수 있어 범용성이 확보된 기술이라고 할 수 있다.
유효 시간을 계산하기 위해서는 인버터 PWM 제어단의 비교 레지스터 값, 시스템 클럭 주파수와 PWM 스위칭 주파수 등이 필요하다. 본 논문에서는 위에 기술한 방법 중 고정자 저항값, 부하 전류 값을 이용하여 에너지를 계산하는 방법을 이용한다.
입력 전원을 차단함으로써 커패시터에 충, 방전되는 전류를 부하로 흐르는 전류와 같도록 하였으며, 전동기에 전류를 흘림으로써 에너지를 소모시켰다. 부하로 소모되는 에너지를 측정함으로써 커패시터의 용량을 추정할 수 있고 그 변화로부터 커패시터의 상태를 판단하는 알고리즘을 제안하였다. 다양한 실험 조건, 부하 변동에 관한 실험을 통하여 알고리즘의 타당성을 검증하였으며, 커패시턴스 측정 환경에 따라 추정 오차의 변화에 대하여 분석하였다.
로 나타내었다. 실험에서는 전류를 인가하고 입력단 전원을 끊음으로써 방전이 시작되도록 하였다. 방전 구간 동안 전류는 직류로 제어되고, 부하로 에너지를 공급하기 때문에 직류단 전압이 하강한다.
본 논문에서는 인버터의 전해 커패시터의 고장 진단을 위하여 인버터에 적용된 센서만을 사용하여 커패시터의 열화 상태를 파악하는 방법을 제안하였다. 입력 전원을 차단함으로써 커패시터에 충, 방전되는 전류를 부하로 흐르는 전류와 같도록 하였으며, 전동기에 전류를 흘림으로써 에너지를 소모시켰다. 부하로 소모되는 에너지를 측정함으로써 커패시터의 용량을 추정할 수 있고 그 변화로부터 커패시터의 상태를 판단하는 알고리즘을 제안하였다.
전동기가 에너지를 소모하도록 하기 위하여 인가하는 전류의 형태는 다양하지만 본 논문에서는 직류 전류를 인가하는 방법을 택한다. 전동기에 직류 전류를 인가하면 전동기의 고정자에는 회전자계가 형성되지 않으므로, 전동기가 회전하지 않게 되고 전동기가 소모하는 전력은 고정자 저항을 통하여 열로 발생하는 손실만 존재하게 된다.
실험에 사용된 인버터의 직류단 커패시터는 그림 7(a)에 나타낸 것과 같이 1000uF이다. 전동기에 인가하는 전류 및 스위칭 주파수, 직류단 전압을 변화시키며 시험을 진행하였고, 측정된 V₁,V₂,t₁,t₂,부하 전류 및 고정자 저항을 이용하여 식 (6)에 의하여 추정된 커패시턴스 변화율 결과를 표 1, 2에 나타내었다. 표 1에 나타낸 것과 같이 전류가 증가할수록 전력 변환장치의 손실 전력과 비교하여 부하 소모 전력의 비율이 커지기 때문에 추정된 직류단 커패시턴스 값은 실제 값에 근접해 간다.

대상 데이터

본 논문에서 제안된 커패시터 진단 기법의 검증을 위하여 220V-7.5kW, 380V-7.5kW 인버터를 사용하였고, 3.7kW, 7.5kW, 15kW 유도 전동기를 사용하였으며 시험구성을 그림 6에 나타내었다. 커패시터가 열화되면서 용량이 감소하는 것을 측정하기 위해서는 실제 커패시터를 열화시켜야 하지만 열화 자체만으로 비용, 시간이 많이 소요된다.

성능/효과

오토 튜닝 기능 중 고정자 저항 추정은 전동기에 직류 전류를 인가하여 지령 전압, 부하 전류로부터 고정자 저항 값을 구하는 것으로, 실제전압과 지령 전압이 차이가 발생하면 추정된 고정자 저항 값도 오차가 발생하게 된다. 이러한 경우 1), 2) 방법의 결과로 추정된 직류단의 커패시턴스 값은 오차가 발생하게 된다. 3)의 방법에 사용되는 유효 시간은 그림 4 의 (a), (c)와 같이 프리윌링 구간은 제외하고, 그림 4의 (b)에 나타낸 것과 같이 직류단에서 스위치로 전류가 공급되는 시간만을 이용해야 한다.
2.2절에서 기술한 것과 같이 전해 커패시터는 열화가 진행되면 용량이 감소한다. 따라서 시스템 초기의 커패시터 용량과 일정 시간이 지난 후 용량을 비교하여 감소한 정도를 통해 열화 정도 및 수명을 파악할 수 있으며, 감소 비율 추정에 관한 식을 다음 수식에 나타내었다.
)항은 손실 전력과 시간의 곱으로 에너지를 나타낸다. 소모 에너지를 구하는 방법으로 다양한 방법이 존재하는데 1) 수식 (2)로 표현한 고정자 저항, 부하 전류로부터 구하는 방법, 2) 지령 전압과 부하 전류의 곱으로 구하는 방법, 3) 직류단 전압, 직류단에서 스위치로 흐르는 전류(i_l)와 유효 시간을 이용하여 구하는 방법이 있다. 고정자 저항은 실제 측정하거나, 인버터의 오토 튜닝 기능을 이용하여 추정된 저항을 이용할 수 있다.
7kW의 전동기를 사용한 경우에는 전동기 정격에 맞추어 25A를, 15kW 전동기를 사용한 경우에는 인버터 정격에 맞추어 40A를 인가하였다. 7.5kw의 전동기를 사용했을 때와 마찬가지로 적은 오차로 정확하게 커패시턴스 변화율을 추정함을 확인할 수 있다. 이 결과는 전동기의 용량과 인버터의 용량이 다르더라도 초기의 커패시터를 측정할 때와 열화된 후의 커패시터를 측정할 때 같은 전동기를 사용한다면, 본 논문에서 제안한 방법을 이용한 커패시턴스 변화율 추정이 가능하다는 것을 보여준다.
커패시터가 열화되면서 용량이 감소하는 것을 측정하기 위해서는 실제 커패시터를 열화시켜야 하지만 열화 자체만으로 비용, 시간이 많이 소요된다. 따라서 본 논문에서는 그림 6과 7에 나타낸 것과 같이 인버터 직류단 커패시터에 추가로 커패시터를 직, 병렬로 연결하여 커패시터의 용량을 변화시키고, 제안한 방법을 통하여 변경된 커패시터 용량을 추정할 수 있음을 보이는 것으로 타당성을 검증하였다.
표 1에 나타낸 것과 같이 전류가 증가할수록 전력 변환장치의 손실 전력과 비교하여 부하 소모 전력의 비율이 커지기 때문에 추정된 직류단 커패시턴스 값은 실제 값에 근접해 간다. 또한 스위칭 주파수가 증가할수록 스위칭 손실이 증가하기 때문에 추정된 커패시턴스 값은 감소함을 알 수 있다. 표 2에는 인가 전류 40A, 스위칭 주파수 5kHz로 고정한 경우 직류단 전압을 변경시키며 커패시턴스를 측정한 결과를 나타내었다.
IGBT 데이터 시트로부터 스위칭 손실은 부하 전류와 비례하는 형태를 띠고 있는 것을 알 수 있으며 앞에 기술한 것과 같이 P_R이 부하 전류의 제곱에 비례함을 감안할 때 추정의 정확도를 높이기 위해서는 부하 전류가 큰 것이 유리하다. 스위칭 주파수가 감소하게 되면 부하 전류를 일정하게 제어하는 데에 영향을 미칠 수 있지만, 본 연구에서는 부하 전류를 최대한 크게 유지하는 것이 유리하고, 스위칭 손실을 줄일 수 있기 때문에 커패시턴스 추정 정확도를 높일 수 있다.
기준이 되는 변화율을 ΔC_ref로 표시하여 기준 변화율과 추정된 커패시턴스 변화율을 표 3에 나타내었다. 실험 결과로부터 기준 커패시턴스 변화율과 추정된 변화율의 오차가 매우 작은 것을 확인할 수 있으며 제안한 방법의 타당성을 확인할 수 있다.
5kw의 전동기를 사용했을 때와 마찬가지로 적은 오차로 정확하게 커패시턴스 변화율을 추정함을 확인할 수 있다. 이 결과는 전동기의 용량과 인버터의 용량이 다르더라도 초기의 커패시터를 측정할 때와 열화된 후의 커패시터를 측정할 때 같은 전동기를 사용한다면, 본 논문에서 제안한 방법을 이용한 커패시턴스 변화율 추정이 가능하다는 것을 보여준다.

후속연구

따라서 이 경우에서는 초기 측정 시와 열화 후 측정 시 변동되는 전동기의 고정자 저항 값에 따라 P_R및 k factor의 비율이 달라지므로 커패시턴스 추정 정확도가 떨어지게 된다. 따라서 본 논문에 제안한 알고리즘의적용에는 인버터로 구동되는 전동기의 변동이 있는 경우에 고정자 저항 값의 변화와 추정 커패시턴스의 추정 정확도 사이의 트레이드오프가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전해 커패시터의 장점은?	전해 커패시터는 제조 공정의 특징으로 인하여 다른 커패시터와 비교하여 작은 크기, 낮은 가격, 큰 용량을 가지도록 제작할 수 있기 때문에 여러 전력 변환 장치에서 전압 평활을 목적으로 널리 사용되고 있다. 하지만 다른 전력용 반도체 소자에 비하여 수명이 상대적으로 짧기 때문에 고장 발생 비율이 60%를 차지하며, 따라서 전력 변환 장치를 구성하는 요소 중 가장 취약하다고할 수 있다.
	전해 커패시터의 단점은?	전해 커패시터는 제조 공정의 특징으로 인하여 다른 커패시터와 비교하여 작은 크기, 낮은 가격, 큰 용량을 가지도록 제작할 수 있기 때문에 여러 전력 변환 장치에서 전압 평활을 목적으로 널리 사용되고 있다. 하지만 다른 전력용 반도체 소자에 비하여 수명이 상대적으로 짧기 때문에 고장 발생 비율이 60%를 차지하며, 따라서 전력 변환 장치를 구성하는 요소 중 가장 취약하다고할 수 있다.[1] 개별적인 구성 요소의 고장은 전력 변환 장치의 고장 및 그 장치가 포함된 전체 시스템을 정지시키기 때문에, 고장 요소의 개별적인 교체뿐만 아니라 전체적인 시스템의 정지에 따른 추가적인 비용 및 시간이 소요된다.
	전해 커패시터의 수명는 어떤 요인에 따라 변화되는가?	전해 커패시터의 수명은 커패시터 제조사에서 제공하는 데이터 시트에 명시된 인자로부터 수식적으로 예측할 수 있지만[2][3], 생산되는 커패시터의 용량 산포, 사용 환경에서의 리플 전류, 주위 온도 변화 등의 요인에 의하여 변화하기 때문에 수명 추정의 정확도에는 한계가 있다. 따라서 커패시터의 신뢰성을 확보하기 위해서는 현재의 커패시터 상태를 직접 관찰함으로써 전해 커패시터의 열화 상태를 미리 판단하고 고장으로 진행되기 이전에 그 상태를 미리 사용자에게 알릴 수 있는 고장 진단 수단이 필수적으로 요구된다.

참고문헌 (12)

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상세보기
X.-S. Pu, K.-H. Kim, D.-C. Lee, K.-B. Lee, J.-M. Kim, "Compensation of Temperature Characteristics for Capacitance Estimation of DC-Link Capacitors," Trans. of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 15, No. 5, pp. 387-393, Oct. 2010.

원문보기 상세보기
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상세보기
K.-J. Lee, D.-C. Lee, J.-K. Seok, "Capacitance Estimation of DC-Link Capacitors of Three-phase AC/DC/AC PWM Converters using Input Current Injection," Trans. of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 8, No. 2, pp. 173-179, Apr. 2003.
K.-W. Lee, "Fault Diagnosis of a Electrolytic Capacitor for Inverter DC-Link Voltage Smoothing," Trans. of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 12, No. 5, pp. 372-377, Oct. 2007.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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