원영제
(Young-Je Won)
1
이재건
(Jae-Gun Lee)
1
이현재
(Hyun-Jae Lee)
1
김길동
(Gil-Dong Kim)
2
손진근
(Jin-Geun Shon)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gachon University, Korea.)
-
(Korea Railroad Research Institute, Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
DC link capacitor, Overshoot, Phase transfer method, Power relay, Secure fault stability, Transient duration
1. 서 론
최근 지구의 온난화로 인한 온실가스 배출 증가는 많은 환경 문제를 초래하고 있으며 이에 따라 재생 에너지의 관리와 변환을 위하여 다양한 전력변환시스템의
연구가 지속적으로 진행되고 있다[1]. 특히 고효율 전동기가 적용된 여러 전력변환장치가 개발되는 도중에도 고 신뢰성의 안정된 전력변환 드라이브 시스템에서는 목표 속도를 정밀하게 제어할
수 있어야 하며, 이를 위해 3상 전압 및 전류, 주파수를 제어할 수 있는 3상 인버터와 전력을 변환, 저장, 분배 및 제어하는 전력 반도체가 필수적이다.
전력변환 드라이브 시스템에서 인버터는 높은 전력을 처리하기 때문에 전력용 반도체인 IGBT가 사용된다. 그러나 IGBT는 과부하, 충격, 진동 또는
전기적 단락으로 인해 개방 또는 단락 사고가 발생할 수 있다[2]. 이러한 고장은 시스템이 정지하게 되며 시스템의 역할에 여러 차질을 초래할 수 있다.
따라서 고신뢰성 확보를 위한 전력변환 드라이브 시스템은 비상의 상황에서도 안정적인 작동을 위해 무중단의 지속적인 제어 방안이 필요하다. 이러한 문제를
해결하기 위해 고장난 상(phase)을 단락시키고 중성점을 연결하여 전력 공급을 지속할 수 있도록 상 절체 방식의 연구가 필요하게 된다[3].
이러한 상 절체(phase transfer) 방식은 전력용 반도체의 고장이 발생하면 고장난 상을 B접점 릴레이를 이용하여 상을 단락시키고, DC 링크
커패시터에 A접점 릴레이를 부착하여 중성점을 연결하는 방식으로 전력 공급을 지속시킬 수 있다. 그러나 상 절체 방식을 적용하기 위해서는 Power
Relay의 동작 순서와 지연 시간이 중요하며 상 절체 과정에서의 안정성 검증이 필요하다.
따라서 본 논문에서는 전력변환 드라이브 시스템에서 인버터의 상 절체에 따른 안정성 분석을 위해 Power Relay를 전력회로에 적용하고 이의 동작
지연 시간에 따른 특성을 비교하고자 하드웨어를 제작하여 실험을 진행하였다. 이때의 Power Relay는 40[A]급(Panasonic-AHES4291)을
이용하였고 DSP TMS320F28335 프로세서를 통해 제어하였다.
IGBT(1200V/100A)를 적용한 3상 인버터의 실험에서 고장난 상은 C상으로 가정하였다. 고장난 C상을 단락시키고 DC 링크 커패시터의 중성점
연결을 위해 B접점 Power Relay 2개와 A접점 Power Relay 1개를 사용하여 Power Relay 사이에 동작 지연 시간을 부여하고,
지연 시간의 변동에 따라 과도 상태 지속시간과 최대 오버슈트를 비교·분석하였다.
이의 결과로 이론적으로 부여한 지연 시간과 하드웨어에서 나타난 동작 지연 시간은 차이가 있었음을 확인하였으며 상 절체 과정에서 릴레이 동작의 적절한
순서와 최소한의 지연 동작 시간을 확보하는 것이 필요하다는 점 등 다양한 연구 결과가 분석되어 향후 이를 근거로 상 절체의 전력변환 시스템에 다양하게
적용할 예정이다.
2. 전력변환 드라이브 시스템에서 인버터의 상절체를 위한 전력회로의 구성과 제어
2.1 인버터의 토폴로지와 제어 방식 분석
그림 1은 전력변환 드라이브 시스템에서 인버터의 기본적인 전력변환 회로 구성을 나타낸다. 각 상(A상, B상, C상)에는 각각 두 개의 IGBT가 연결되어
있으며, 총 6개의 IGBT로 구성된다. 3상 인버터는 DC 전원을 변환하여 3개의 AC 전력을 공급하며, 출력 전력은 동일한 진폭과 주파수를 가지며,
위상차는 120도를 유지한다.
그림 1. 전력변환 드라이브 시스템- 인버터의 구성
Fig. 1. Inverter circuit diagram in power conversion drive system
그림 2는 3상 인버터의 제어부 구조를 보여준다. 먼저, 3상 전류(ia, ib, ic)는 3상 고정 좌표계에서 2상 회전
좌표계로 변환되어 제어의 용이성을 높인다. 변환된 dq 전류 id, iq는 Idref, Iqref의 기준 값과
비교되어 오차가 발생하며, PI 제어기를 통해 보정된다. 이후 보정된 값은 다시 dq 좌표계에서 abc 좌표계로 변환되어 최종적으로 3상 전압(Va,Vb,Vc)이 출력된다. 이 출력 전압은 PWM 생성기로 전달되어 인버터의 IGBT를 제어하는 데 사용된다.
그림 2. SPWM 방식이 적용된 3상 인버터의 제어 블록도
Fig. 2. Control block diagram of a three-phase inverter using SPWM method
2.2 상 절체의 기본 구조
3상 인버터는 3개의 상을 각각 제어하는 인버터와 2개의 상을 제어하고 중성점을 연결하여 제어할 수 있는 인버터로 나뉜다. 2개의 상과 중성점을 이용하여
제어하는 방법을 상 절체 방식에 적용하여 Power Relay1,2를 통해 고장난 상을 단락시키고 Power Relay3를 이용하여 DC 링크 커패시터에
중성점을 연결하여 전력 공급을 지속시킨다. 또한, 고장난 상을 절체하기 위한 Power Relay 제어 알고리즘은 그림 4와 같이 표현된다.
그림 3. 고장시 상이 절체 되는 과정 (a) 상 절체 전 (b) 상 절체 후
Fig. 3. The process of phase trasnfer method in case of a fault (a) Before phase trasnfer
method (b) After phase trasnfer method
그림 4. 고장 안정성 확보를 위한 파워 릴레이 제어 알고리즘
Fig. 4. Power relay control algorithm to secure failure stability
2.3 3상 인버터의 상 절체 과정 및 기존의 3상 인버터와 제어 방식 비교
그림 5는 상 절체 방식을 위하여 파워 릴레이가 적용된 3상 인버터 회로를 보여준다.
그림 5. 상 절체 방식을 위한 파워 릴레이가 적용된 3상 인버터의 회로도
Fig. 5. Circuit diagram of a three-phase inverter with power relay for phase trasnfer
method
각 상은 정상적으로 작동하고 있으며, 전류가 정상적으로 흐르고 있다. 고장이 발생하기 전에는 기존의 3상 2-level 인버터 방식으로 모든 상이
제어되고 있으며, 중성점은 연결되지 않은 상태다. 그림 6은 C상에 고장이 발생한 후 상 절체가 이루어진 상태를 나타낸다. 이때 C상은 중성점으로 연결되며, 나머지 두 상(A상과 B상)은 계속해서 전력을
공급받는다. 상 절체 방식이 적용되어 상 전환이 이루어진 후에도 남은 상들에서 전력 공급이 지속되도록 설계되었다.
그림 6. 3상 인버터의 상 절체 이후 회로도
Fig. 6. Circuit diagram after phase trasnfer method of 3-phase inverter
그림 7. SPWM 방식이 적용된 3상 인버터의 상 절체를 위한 제어 블록도
Fig. 7. Control block diagram for phase trasnfer method of a three-phase inverter
using SPWM mode
그림 7은 3상 2-Level 인버터의 SPWM 제어 방식에서 C상의 상 절체가 진행될 때의 제어 방식을 나타낸다. dq에서 abc로의 변환이 완료된 후,
절체된 C상의 전압 값 Va−Vc와 Vb−Vc 를 기준으로 PWM 신호가 생성된다. 이를 통해 2개의 상과 중성점이
연결된 상태에서 3상 인버터를 제어하게 된다.
3. 3상 인버터에서 상 절체를 적용한 실험
3.1 실험을 위한 하드웨어 설계
본 실험은 3상 2-Level 인버터에서 상 절체 동작을 검증하기 위한 하드웨어 설계를 포함한다. 그림 4와 그림 5에서 보여준 Power Relay를 적용한 상 절체 회로도를 기반으로 하드웨어가 제작되었으며, 표 1에 나와 있는 파라미터를 적용하여 실험을 수행하였다. 이 실험의 목적은 고장 발생 시 상 절체 방식을 이용하여 두 개의 상과 중성점 연결 방식으로
전환되는 과정을 분석하고, 릴레이의 지연 시간이 시스템의 동작에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 주요 하드웨어 구성 요소로는 DSP TMS320F28335
프로세서, Current Sensor(LA-25P), 40[A]급의 파워 릴레이(AHES4291), R-L 부하, 100[A]급의 IGBT(SKM100GB12T4)
등이 사용되었으며 이들을 통해 실시간으로 상 절체 과정을 제어하고 분석할 수 있었다. 또한 실험에서 고장난 상을 C상으로 가정하였다.
그림 8. 실험 환경
Fig. 8. Experimental environment
표 1 하드웨어 제작에 적용된 파라미터
Table 1 Parameters applied in hardware fabrication
|
Units
|
Value
|
VDC
|
[V]
|
220
|
DC link capacitor
|
[μF]
|
4700
|
Rload
|
[Ω]
|
30
|
Lload
|
[mH]
|
28
|
f
|
[Hz]
|
60
|
ftri
|
[kHz]
|
20
|
Power relay
|
[A]
|
40
|
3.2 실험을 위한 이론적 동작
그림 9. 상 절체 방식이 적용되기 전과 후를 나타낸 파형 (a) R-L 부하의 C상 상전압 파형, (b) 3상 교류 파형
Fig. 9. Waveforms showing before and after the phase trasnfer method is applied
실험의 이론적 동작은 전압 변동 안정화와 전력 공급 지속을 위해 고장난 상을 분리한 후, 중성점을 연결하여 상을 전환하는 것이 핵심 동작이다. 그림 9는 상 절체 방식이 적용되어 상이 전환되는 과정을 나타낸다. 그림 4와 같은 알고리즘을 이용하여 Power Relay1과 Power Relay2를 동시에 동작시켜 고장난 상을 분리하고 이후 Power Relay3이
동작하여 중성점과 연결 시킴으로써 A상과 B상 그리고 중성점 연결을 통한 안정적인 전력 공급이 지속된다. 이러한 고장 안정성 확보를 위한 파워 릴레이
제어 알고리즘은 시스템의 신뢰성을 높이고 전력 공급을 안정화 시키는 데에 중요한 역할을 한다.
4. 상 절체 지연 시간을 적용한 실험
4.1 파워 릴레이 간의 동작 지연을 적용한 실험
이 실험에서는 3상 2-Level 인버터에서 상 절체 시 릴레이 동작 간 발생하는 동작 지연이 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 동작 지연 시간은
스위칭 주파수 20[kHz]를 기준으로 설정되었으며 최소 동작 지연 시간인 2.2[ms]부터 2.5[ms], 2.8[ms], 3.4[ms]의
지연 시간이 파워 릴레이에 적용되었다. 실험은 DSP TMS320F28335 프로세서를 사용하여 릴레이 동작 간 지연시간을 부여하고 Power Relay1과
Power Relay2는 동시에 열리고 Power Relay3은 동작 지연 시간이 적용 후 A접점으로 구성해 닫히는 방식으로 진행되었다. 실험을 통해
각 지연된 시간의 값에 따른 과도 상태, 전류 제한, 실제로 동작이 지연된 시간 및 최대 오버슈트 값을 측정하였다.
그림 10은 DSP TMS320F28335에서 최소 동작 지연 시간을 적용했을 때의 파형을 나타낸다. 과도 상태의 시간은 2.2[ms]으로 나타났다. 실험
결과, 최대 오버 슈트는 1.24[A]로 측정되었고, 지연 시간 이후 Power Relay3가 동작하여 중성점이 연결되기 전까지 과도 상태가 유지되는
것을 확인했다.
그림 10. 파워 릴레이의 동작 지연 시간이 2.2[ms]일 때의 파형 (a) R-L 부하의 C상 상전압 파형, (b) 3상 교류 파형
Fig. 10. The waveform when the power relay's operation delay time is 2.2 [ms](a)
Phase C voltage waveform of the R-L load, (b) 3-phase AC waveform
그림 11은 파워 릴레이의 동작 지연 시간을 2.5[ms]를 적용했을 때의 파형을 나타낸다. 실험 결과, 최대 오버 슈트 1.23[A]로 측정되었고, 지연
시간 이후 Power Relay3가 동작하여 중성점이 연결되기 전까지 과도 상태가 유지되는 것을 확인했다.
그림 12는 파워 릴레이의 동작 지연 시간을 2.8[ms]를 적용했을 때의 파형을 나타낸다. 실험 결과 최대 오버 슈트 1.44[A]로 측정되었고, 지연
시간 이후 Power Relay3가 동작하여 중성점이 연결되기 전까지 과도 상태가 유지되는 것을 확인했다.
그림 11. 파워 릴레이의 동작 지연 시간이 2.5[ms]일 때의 파형 (a) R-L 부하의 C상 상전압 파형, (b) 3상 교류 파형
Fig. 11. The waveform when the power relay's operation delay time is 2.5 [ms]. (a)
Phase C voltage waveform of the R-L load, (b) 3-phase AC waveform
그림 12. 파워 릴레이의 동작 지연 시간이 2.8[ms]일 때의 파형 (a) R-L 부하의 C상 상전압 파형, (b) 3상 교류 파형
Fig. 12. The waveform when the power relay's operation delay time is 2.8[ms]. (a)
Phase C voltage waveform of the R-L load, (b) 3-phase AC waveform
그림 13은 파워 릴레이의 동작 지연 시간을 3.4[ms]를 적용했을 때의 파형을 나타낸다. 실험 결과, 최대 오버 슈트 1.51[A]로 측정되었고, 지연
시간 이후 Power Relay3가 동작하여 중성점이 연결되기 전까지 과도 상태가 유지되는 것을 확인했다.
그림 15는 Power Relay1, 2에서 Power Relay3로 전환할 때가 아닌 Power Relay3에서 Power Relay1, 2로 전환할 때
동작 지연 시간을 부여한 파형을 나타낸다. 이때 한 상이 탈락되는 현상이 발생하는데 이는 상 절체 후 중성점이 연결되어 A상과 B상이 안정적으로 작동해야
함에도 불구하고 두 상에서 불안정한 전류 변동이 나타나 제어 시스템에 문제가 발생했음을 의미한다. Power Relay3에서 Power Relay1,
2로 전환하는 경우 중성점이 연결된 후에도 두 개의 상과 중성점이 연결된 방식으로 정상적인 제어가 이루어지지 않아 절체된 상이 탈락되는 현상이 나타나게
된다.
그림 13. 파워 릴레이의 동작 지연 시간이 3.4[ms]일 때의 파형 (a) R-L 부하의 C상 상전압 파형, (b) 3상 교류 파형
Fig. 13. The waveform when the power relay's operation delay time is 3.4 [ms]. (a)
Phase C voltage waveform of the R-L load, (b) 3-phase AC waveform
그림 14. Power Relay3에서 Power Relay1, 2로 전환될 때 한 상의 탈락이 일어나는 파형 (a) R-L 부하의 C상 상전압 파형,
(b) 한 상의 탈락이 일어난 파형
Fig. 14. Waveform showing the dropout of one phase during the transition from Power
Relay3 to Power Relay1 and 2 (a) Phase C voltage waveform of the R-L load, (b) 3-phase
AC waveform
상 절체 지연 시간을 적용한 실험에서는 다양한 동작 지연 시간 값을 적용하여 파워 릴레이의 동작이 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 실험은 DSP
TMS320F28335 프로세서를 사용하여 진행되었으며 동작 지연 시간 값에 따른 과도 상태, 최대 오버슈트 값을 측정하였다. 실험에서 적용된 파워
릴레의 동작 지연 시간의 값은 2.2[ms], 2.5[ms], 2.8[ms], 3.4[ms]으로 나타났다.
표 2 동작 지연 시간에 따른 실험 결과 표
Table 2 Experimental results according to operation delay time
Power Relay operation sequence
|
Delay Setting
|
Actual Delay
|
Phase Dropout
|
Maximum Overshoot
|
1,2→ 3
|
0.05[ms]
|
2.2[ms]
|
X
|
1.24[A]
|
1,2 →3
|
0.25[ms]
|
2.5[ms]
|
X
|
1.23[A]
|
1,2 →3
|
1[ms]
|
2.8[ms]
|
X
|
1.44[A]
|
1,2 →3
|
1.5[ms]
|
3.4[ms]
|
X
|
1.51[A]
|
3 →1,2
|
0.25[ms]
|
1.5[ms]
|
O
|
-
|
이때의 Power Relay1과 Power Relay2는 동시에 열리고 Power Relay3은 동작 지연 시간을 적용 후 닫히는 방식으로 진행되었으며
실험에서의 최대 오버슈트는 지연 시간이 3.4[ms]일 때 1.51[A], 최소 오버슈트는 지연 시간이 2.5[ms]일 때 1.23[A]
측정되었고 지연 시간의 값이 증가할수록 과도 상태의 시간이 길어지는 경향이 관찰되었다.
표 2는 각 지연 시간 값에 따른 최대 오버슈트 결과를 정리한 것으로 지연된 시간의 격차가 커지면 오버 슈트가 증가하지만 지연된 시간의 차이가 작을 때에는
오버슈트는 격차가 작다는 것을 확인하였으며 지연 시간은 이론적으로 설정된 값과 실제 측정값 간에 차이가 있었음을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 전력변환 드라이브 시스템에서 3상 인버터의 상 절체에 대한 안정성을 분석하기 위하여 파워 릴레이 동작 지연의 영향을 실험을 통해 비교하였다.
실험 결과 릴레이 동작 시 발생하는 지연 시간이 시스템의 과도 상태에 큰 영향을 미친다는 점을 확인하였다. 특히 상 절체 후 중성점이 연결된 상태에서
2상 제어 방식으로의 전환이 원활히 이루어지지 않을 경우 A상과 B상에서 불안정한 전류 변동이 발생하며 시스템의 제어가 실패할 수 있음을 확인하였다.
실험에서는 지연 시간이 길어질수록 과도 상태 도달 시간이 증가하는 경향이 있음을 확인하였다. 또한 지연 시간의 격차가 커지면 오버슈트가 증가하며 지연
시간의 차이가 작을 때에는 오버슈트 값의 변동이 적은 것을 확인하였다. 이를 통해 릴레이 동작의 정확성과 빠른 응답 속도가 과도 상태의 안정성에 중요한
요소임을 확인하였다. 또한 중성점 연결 후에도 정상적인 두 개의 상과 중성점 연결 방식 전환이 이루어지지 않는 경우가 있었으며 이는 중성점 연결 및
제어 신호 전달에서 발생한 문제로 해석되었다.
결과적으로 상 절체 과정에서 릴레이 동작의 적절한 순서와 최소한의 지연 동작 시간을 확보하는 것이 두 개의 상과 중성점 연결 방식으로의 원활한 전환과
안정적인 전력 공급에 필수적이다. 향후 연구에서는 릴레이 동작의 시간 최적화와 제어 신호의 정확성을 개선하여 인버터 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수
있는 방법을 추가적으로 모색해야 할 것이다. 특히 다양한 부하 조건과 운행 환경에서 상 절체 성능을 향상시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 진행된다면
더욱 많은 응용분야 확대되라 사료된다.
Acknowledgements
This research was supported by a grant from R&D Program(PK2403D1) of the Korea Railroad
Research Institute. and the Korea Energy Technology Evaluation Institute (KETEP, No.20214000000060)
with the support of the Ministry of Trade, Industry and Energy.
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저자소개
He is pursuing his M.S. degree in Gachon University, Gyeonggi-Do, Korea. His research
interests are Power conversion and Power control.
E-mail : youngje9440@gachon.ac.kr
He received his B.S. degree and he is pursuing his M.S. degree in Gachon University,
Gyeonggi-Do, Korea. His research interests are Power conversion and Power control.
E-mail : lydagun@gachon.ac.kr
He received his M.S. and Ph. D. degree in Gachon University, Gyeonggi-Do, Korea. His
research interests are Power conversion and Power control.
E-mail : lhj501@gachon.ac.kr
He received his B.S., M.S. and Ph. D. degrees in the Department of Electrical
Engineering from Myongji University in 1986, 1991 and 2003. He is currently
a Head Director at the Korea Railroad Research Institute(KRRI), Korea.
E-mail : gdkim@krri.re.kr
He received his B.S., M.S. and Ph. D. degrees in the Department of Electrical Engineering
from Soongsil University in 1990, 1992 and 1997. He was Chief Researcher in Electro-Mechanical
Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd., Gyeonggi-do, Korea, during
1992-1995. He was a Postdoctoral Researcher in the Department of Electrical and Electronic
Engineering, Kagoshima University, from 2002 to 2003. He was also a Visiting Scholar
in the Power Electronics Laboratory, Michigan State University, from 2009 to 2010.
He is currently a Professor at the school of Electrical Engineering, Gachon University,
Korea. His research interests are the power conversion, control and diagnosis of power
utility.
E-mail : shon@gachon.ac.kr