[논문]5상 유도전동기 구동 시스템을 위한 인버터의 개방고장진단 방법

백승구; 신혜웅; 강성윤; 박춘수; 이교범

doi:10.5370/kiee.2016.65.2.304

5상 유도전동기 구동 시스템을 위한 인버터의 개방고장진단 방법
Open Fault Diagnosis Method for Five-Phase Induction Motor Driving System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.2, 2016년, pp.304 - 310

백승구 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 신혜웅 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 강성윤 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 박춘수 (Korea Railroad Research Institute) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a fault diagnosis method for an open-fault in inverter driving five-phase induction motor. The five-phase induction motor has a high output torque and small torque ripple in comparison to three-phase. The best advantage of the five-phase induction motor is fault diagnosis and tolerant control using redundancy of phases. This paper uses an inverter as a power converter for driving a five-phase induction motor. If a switch of inverter occurs to the open-fault, this problem is the influence on the output current and output torque. To solve this problem, there is need of an accurate diagnosis and fault switch distinction. Therefore, this paper propose a fault detection method of the open-fault switches for the fault diagnosis. First, analyzing the pattern for the open-circuit fault of one phase. next, analyzing the pattern for the open-circuit fault of each inverter switches. Through the pattern analysis, It defines the scope of each of the failure switch. Thereafter, By using an algorithm that proposes to perform a fault diagnosis method. The proposed algorithm is verified from the experiment with the 1.5 kW five-phase induction motor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 5상 유도전동기 구동시스템을 위한 인버터의 개방고장진단법을 제안한다. 제안된 고장진단법은 정지좌표계 d-q축 전류 궤적을 이용하여 고장의 크기와 스위치 위치를 계산하는 방법이다.
본 논문은 5상 유도전동기의 정지좌표계 d-q축 전류를 이용한 인버터의 고장진단 방법을 제안한다. 제안한 방법은 정지좌표계 d-q축 전류를 이용해 고장진단에 사용될 각을 만들어 한 제어주기 이전의 각 정보와 현재 각 정보를 통해 오차 값을 도출한다.

제안 방법

5상 유도전동기의 벡터제어는 위에서 설명한 변환행렬을 사용하며, 본 논문에서는 속도제어가 수행되는 동안 기본파를 이용한 고장진단을 수행한다.
실험은 배열의 크기를 고려하여 200μs의 제어주기에서 속도제어를 수행하였으며 속도는 900rpm으로 설정하였다.
인버터의 개방고장의 종류는 한 상의 위, 아래 스위치가 모두 개방고장이 발생했을 때와 각각의 스위치가 개방고장이 발생했을 때로 크게 나눌 수 있다. 이를 진단하기 위해 정지좌표계 d-q축 전류궤적 패턴을 분석하여 각 스위치별 개방고장의 범위를 정의한다. 그 후 제안하는 고장진단법을 이용하면 개방고장진단이 가능하다.
이 회로도는 a 상의 개방고장이 발생하여 위, 아래 스위치가 모두 개방된 경우를 나타낸다. 이와 같은 상황에서 정지좌표계 d-q축 전류궤적을 이용해 패턴 분석을 수행한다.
그림 2(b)에서는 정상동작할 때 fault_mag가 0으로 유지되는 것을 볼 수 있고, 개방 고장이 발생하면 fault_mag는 0이 아닌 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 제안하는 고장진단방법은 크기와 각도의 고장진단 조건이 만족하는 경우 flag를 생성한다.
본 논문은 5상 유도전동기의 정지좌표계 d-q축 전류를 이용한 인버터의 고장진단 방법을 제안한다. 제안한 방법은 정지좌표계 d-q축 전류를 이용해 고장진단에 사용될 각을 만들어 한 제어주기 이전의 각 정보와 현재 각 정보를 통해 오차 값을 도출한다. 정상 동작 할 때 각의 오차 값은 일정하고 정지좌표계 d-q축 전류의 한 주기 평균값은 0이다.

성능/효과

5상 유도전동기가 정상 동작할 때 정지좌표계 d-q축 전류는 일정한 크기를 가지며 한 주기 동안의 평균은 0이 됨을 알 수 있다. 그러나 5상 인버터에 개방고장이 발생하면, 정지좌표계 d-q축 전류는 한 주기 동안의 평균값이 0이 되지 않는다.
그림 4는 각 상의 개방고장에 대한 정지좌표계 d-q축 전류궤적을 나타낸 것이다. 5상 유도전동기가 정상 동작할 때의 전류궤적은 원으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 만약 각 상에 개방고장이 발생하면 위, 아래 스위치가 동시에 개방되므로 180° 위상 차이를 가지고 작은 전류가 형성되어 타원의 형태로 나타난다.
또한, 기존의 3상 전동기에 비해 같은 출력에서 상당 전압의 변화 없이 상당 전류의 크기 및 토크리플을 감소시킬 수 있으며 고조파 전류의 주입을 통해 출력토크를 높일 수 있다. 또한 다상 전동기에 내재되어있는 여분의 상을 이용해 허용제어가 가능하여 3상 전동기보다 고장진단 및 허용제어가 쉽다는 가장 큰 장점이 존재한다[4].
그림 4에서는 한 상에 두 개의 스위치가 동시에 개방고장이 발생했지만, 그림 6에서는 한 상에 하나의 스위치에 개방고장이 발생하여 원의 모양에서 한 부분만 변형됨을 확인할 수 있다. 스위치별 개방고장 패턴은 10개의 스위치 상태에 따라 다른 패턴을 가지는 것을 확인 할 수 있으며, 고장 난 스위치의 각도 범위도 다르다는 것을 확인할 수 있다.
정지좌표계 d-q축 전류의 한 주기 평균값은 0이 아닌 값을 가지게 되어 고장의 유무를 판단한다. 제안한 고장진단 방법은 각 상의 스위치에 대한 진단을 수행할 수 있다는 장점이 있으며, 제안한 고장진단 알고리즘은 실험을 통해 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도전동기의 고장진단 방법 종류는?	이러한 이유로 전동기의 고장 진단이 하나의 커다란 주제로써 오래전부터 여러 형태로 연구가 진행 중이다[5]. 유도전동기의 고장진단 방법으로는 전기적 신호를 이용한 고장진단, 온도측정을 이용한 고장진단, 적외선 측정을 통한 고장진단, 소음 및 진동 모니터링을 통한 고장진단, 속도 및 토크의 변화를 이용한 고장진단, Park's vector를 이용한 고장진단, 정지좌표계 d-q축 전류 궤적을 이용한 고장진단 등이 존재한다[6-8].
	다상 전동기가 3상 전동기를 대체할 수 있는 분야는?	다상 전동기는 전기자동차, 항공기, 선박 추진시스템, 군사용 장치 구동시스템, 전기 기기나 산업공정, 철도차량 운전 등의 분야에서 기존의 3상 전동기를 대체할 전동기로써 많은 연구가 진행되고 있다[1-3].
	기존의 3상 전동기를 대체할 전동기가 다상 전동기인 이유는?	또한, 기존의 3상 전동기에 비해 같은 출력에서 상당 전압의 변화 없이 상당 전류의 크기 및 토크리플을 감소시킬 수 있으며 고조파 전류의 주입을 통해 출력토크를 높일 수 있다. 또한 다상 전동기에 내재되어있는 여분의 상을 이용해 허용제어가 가능하여 3상 전동기보다 고장진단 및 허용제어가 쉽다는 가장 큰 장점이 존재한다[4].

참고문헌 (11)

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H. A. Toliyat, M. M. Rahimian, and T. A. Lipo, "dq Modeling of Five Phase Synchronous Reluctance Machines Including Third Harmonic of Air-Gap MMF," in Proceeding Conference Record of the 1991 IEEEIndustry Applications Society Annual Meeting, Vol. 1, pp. 231-37, Oct. 1991.
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