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KR100738572B1 - 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터 - Google Patents

이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터 Download PDF

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KR100738572B1
KR100738572B1 KR1020060051025A KR20060051025A KR100738572B1 KR 100738572 B1 KR100738572 B1 KR 100738572B1 KR 1020060051025 A KR1020060051025 A KR 1020060051025A KR 20060051025 A KR20060051025 A KR 20060051025A KR 100738572 B1 KR100738572 B1 KR 100738572B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
control board
controller
optical communication
main control
redundant
Prior art date
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Active
Application number
KR1020060051025A
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English (en)
Inventor
박영민
유한승
최세경
이현원
정명길
이세현
Original Assignee
현대중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대중공업 주식회사 filed Critical 현대중공업 주식회사
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Abstract

이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주 제어기(Master Controller)와, 상기 주 제어기의 제어신호인 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 CAN(Controller Area Network)통신에 의해 전달하는 광통신선로와, 상기 광통신선로를 통해 수신된 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호에 동기하여 파워 셀(Power Cell)을 동작시키는 셀 제어기로 구성된 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 있어서, 상기 주 제어기는 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주 제어보드와, 상기 주 제어보드가 이상 동작할 경우 이를 감지하여 연속운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 주 제어보드를 이중화한 예비 제어보드를 포함한다.
이중화, 제어부, 컨트롤러, 인버터, 멀티레벨, 제어기

Description

이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터{H-BRIDGE MULTI-LEVEL INVERTER HAVING A DUAL CONTROLLER }
도 1은 종래의 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터 전력회로를 보인 회로 구성도.
도 2는 종래의 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터 제어기를 보인 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중화된 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 보인 블록도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이중화된 주 제어보드와 광 변환보드를 이중화한 주 제어기를 보인 보드 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광통신선로를 이중화한 것을 보인 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 CAN통신부를 이중화한 셀 제어기를 보인 구성도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이중화된 인버터의 작동상태를 보인 순서도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 주 제어기 11: 주 제어보드
12: 주 광변환보드 13: 예비 제어보드
14: 예비 광변환보드
20: 셀 제어기 21: CAN통신부
22: 예비 CAN통신부
30: 광통신선로 31: 예비 광통신선로
40: 파워 셀
본 발명은 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고전압 전동기를 가변속하는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터의 연속운전에 따른 신뢰성을 향상시키기 위해 제어부를 이중화한 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 관한 것이다.
일반적으로 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 고전압 전동기의 가변속 장치로 도 1에 도시한 바와 같이 직렬 접속되는 다수개의 파워 셀(2)로 구성된다. 이러한 다수개의 파워 셀(2)은 각 상별로 각각 직렬 접속되며, 각각의 파워 셀(2)은 독립된 단상인버터 구조로 된다.
그리고 여러 개의 파워 셀(2)을 직렬로 연결함으로써 저 전압 파워 셀, 즉 저 전압 전력용 반도체를 사용하여 고 전압을 얻을 수 있다. 또한, 파워 셀(2)의 수에 따라 출력되는 전압레벨 수가 증가하여 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있다.
여기서 전원계통과 연결되는 입력부는 2차측이 확장 델타 결선방법의 여러 개의 탭을 갖는 변압기(6)로 전원선(5)으로 연결된다.
또한, 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 도 2에 도시한 바와 같이 유도전동기를 제어하기 위해 3상으로 마련되며, 한 상당 6개의 파워 셀(2)이 직렬 연결되어 있다.
그리고 각각의 파워 셀(2)에는 파워 셀(2)을 제어하는 셀 제어기(4)가 마련되고, 셀 제어기(4)는 각각의 주 제어기(1)와 광통신선로(3)를 통해 광통신 될 수 있도록 구성된다. 그리고 주 제어기(1)는 주 제어보드가 구비되고, 주 제어보드에서 셀 제어기(4)와 광통신할 수 있도록 광 변환보드로 구비된다.
이렇게 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 시스템이 동일한 파워 셀과 이를 제어하기 위한 제어기의 조합으로 구성됨으로서 오작동시 파워 셀 단위 또는 제어기 단위의 교체가 가능하여 여유분의 파워 셀과 제어기만을 확보하면 되므로 여유부품에 대한 부담이 적다는 장점이 있다.
또한, 보호동작 기능이 있어, 파워 셀 단위의 고장을 감시하고, 시스템 단위의 감시하는 기능으로 좀더 신뢰성 있고, 유연한 고장감시 및 진단기능을 수행할 수 있으며, 파워 셀의 단위의 교체 및 셀과 제어기 각각의 교체하기 위해서는 시스템을 일시 정지하여 손상된 부품을 교체하여야 한다.
하지만 시스템이 일시적으로라도 정지되어서는 안 되는 경우에는 파워 셀 및 제어기 각각의 부품교체 시간으로 인해 연속운전이 불가능한 문제가 있다.
즉, 각각의 제어기 및 파워 셀의 손상이 발생되거나 주 제어기와 셀 제어기 사이에 통신 선로로 사용되는 광통신선로는 물리적인 손상이 발생될 경우 광통신선로를 교체하기 위해 시스템을 정지하여야 함으로 연속운전이 불가능하여 중요한 작업의 경우에도 정시시켜야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 제어기가 분산화 및 모듈화 되어 있는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에서 오류 및 파손으로 오작동이 발생될 경우 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터의 정지 없이 연속운전의 신뢰성이 확보될 수 있도록 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주 제어기(Master Controller)와, 상기 주 제어기의 제어신호인 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 CAN(Controller Area Network)통신에 의해 전달하는 광통신선로와, 상기 광통신선로를 통해 수신된 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호에 동기하여 파워 셀(Power Cell)을 동작시키는 셀 제어기로 구성된 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 있어서,
상기 주 제어기는 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주 제어보드와, 상기 주 제어보드가 이상 동작할 경우 이를 감지하여 연속운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 주 제어보드를 이중화한 예비 제어보드를 포함한다.
여기서, 상기 예비 제어보드는 상기 주 제어보드 이상 동작할 경우 상기 주 제어보드와 동일한 기능을 수행할 수 있도록 양쪽 보드가 크로스 결선되며, 예비 제어보드는 대기상태에서 상기 주 제어보드의 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 업데이트 저장하고, 상기 주 제어보드의 이상동작이 감지될 경우 업데이트 기 저장된 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호에 근거하여 동작할 수 있도록 하는 NVRAM을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 주 제어보드와 예비 제어보드는 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 광통신할 수 있도록 변환하는 광변환보드가 마련되며, 상기 광 변환 보드의 연속운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 주 광변환보드 및, 상기 주 광 변환 보드를 이중화한 예비 광변환보드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 셀 제어기는 상기 광통신선로의 이상 신호가 입력될 경우 상기 셀 제어기에서 연속동작의 신뢰성을 향상시키기 위해 이중화된 예비 광통신선로를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 셀 제어기는 광통신선로와 예비 광통신선로를 통해 CAN통신할 수 있도록 CAN통신부가 마련되며, 상기 CAN통신부가 이상 동작할 경우 이를 감지하여 연속동작의 신뢰성을 향상시키기 위해 이중화된 예비 CAN통신부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 셀 제어기는 상기 광통신선로를 통해 이상 동작신호가 입력될 경우 상기 예비 광통신선로로 전환하는 반도체 스위치를 포함하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중화된 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 보인 블록도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이중화된 주 제어보드와 광 변환보드를 이중화한 주 제어기를 보인 보드 구성도이다.
또한, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광통신선로를 이중화한 것을 보인 구성도이다. 그리고 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 CAN통신부를 이중화한 셀 제어기를 보인 구성도이다. 마지막으로 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이중화된 인버터의 작동상태를 보인 순서도이다.
도 3 내지 도 4를 참고하여 설명하면, 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 3상으로 구성되며, 각각의 상은 6개의 파워 셀(40)이 직렬 연결된다.
그리고 각각의 파워 셀(40)은 셀 제어기(20)가 마련되어, 셀 제어기(20)의 제어신호를 발생시켜 파워 셀(40)을 구동한다. 그리고 셀 제어기(20)에 전압 기준값을 전달하는 주 제어기(10)가 마련된다.
여기서 주 제어기(10)는 전동기의 속도와 인버터 출력전류를 받아들여 전동기 속도 및 전류제어를 수행하고, 3상의 전압 기준값을 각 상별로 동기를 맞추어 셀 제어기(20)로 송신한다.
이때 주 제어기(10)는 주 제어보드(11)에서 상기한 기능을 수행하고, 상기 전압 기준값을 셀 제어기(20)로 송신하기 위해 주 광변환보드(12)가 마련된다. 따라서 주 제어기(10)는 주 광변환보드(12)와 광통신선로(30)를 이용하여 셀 제어기(20)와 CAN통신으로 데이터를 송신한다.
그리고 주 제어기(10)는 예비 제어보드(13)와, 예비 제어보드(13)를 통해 전압 기준값을 셀 제어기(20)로 송신하기 위해 예비 광변환보드(14)가 더 마련된다.
여기서 예비 제어보드(13)는 주 제어보드(11)의 고장 또는 오작동 및 이상 작동될 경우 인지하여 주 제어보드(11)와 동일하게 접속된 입출력 신호를 제어하여 인버터 출력 값을 재 연산하고, 예비 제어보드(13)에 직접 연결된 예비 광변환보드(14)와 후술하는 예비 광통신선로(31)를 통해 셀 제어기(20)로 송신하여 연속운전이 계속되도록 한다.
또한, 예비 제어보드(13)는 주 제어보드(11)의 이상 작동될 경우를 감지하기 위해 주 제어보드(11)와 크로스 결선되어 있다.
그리고 5에 도시한 바와 같이 주 제어기(10)와 셀 제어기(20) 사이에는 CAN 광 통신 할 수 있도록 CAN통신부(21)가 마련되며, 상기 CAN통신부(21)는 셀 제어기(20)에 원 칩 형태로 구성된다.
또한 CAN통신부(21)의 이상 작동 및 광통신선로(30)가 손상될 경우 이를 대체할 수 있도록 이중화한 예비 CAN통신부(22)를 포함하며, 셀 제어기(20) 각각에 마련된다.
그리고 CAN통신부(21)의 이중화한 예비 CAN통신부(22)를 포함함과 더불어 광통신선로(30)가 이중화된 예비 광통신선로(31)가 더 마련된다. 여기서 예비 광통신 선로(31)는 예비 CAN통신부(22)에 연결되며, 광통신선로(30)는 CAN통신부(21)에 연결된다.
또한 셀 제어기(20)는 상기 CAN통신부(21)와 광통신선로(30)의 이상 여부를 판단하여 예비 CAN통신부(22)와 예비 광통신선로(31)가 연결될 수 있도록 통신포트를 변경하는 미도시한 반도체 스위치가 더 마련된다.
여기서 이상감지는 상기 주 제어보드(11), 주 광변환보드(12) CAN통신부(21)의 CAN 수신 인터럽트를 이용한 카운터를 사용하여 이상 감지시 반도체 소자를 이용하여 예비 제어보드(13) 및 예비 광변환보드(14)로 통신 포트를 변경한다.
한편, 도 6은 셀 제어기(20)를 이중화 한 것으로 셀 제어기(20) 또한 이중화로 인버터의 연속운전에 신뢰성을 확보할 수 있다.
이하 본 발명의 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 따른 작용을 도 7을 참고하여 설명한다. 그리고 도 3 내지 6이 함께 참고 된다.
인버터 제어전원이 투입되면, 주 제어보드(11)와 예비 제어보드(13)는 각각의 프로세서가 동작을 수행하고, 주 제어보드(11)와 예비 제어보드(13)는 CPU에서 사전 설정된 스위치에 의해 각각의 ID를 판별할 수 있도록 되어 있다.
이때 주 제어보드(11)와 예비 제어보드(13)는 각각 독립적으로 프로그램을 수행하며, 주 제어보드(11)는 주 프로그램이 수행되고, 예비 제어보드(13)는 예비 프로그램이 수행된다.
여기서 주 프로그램과 예비 프로그램의 차이는 주 제어보드(11)의 경우 CAN 통신을 포함한 인버터 제어를 위한 정상적인 동작을 수행하고, 예비 제어보드(13) 는 대기상태에서 시스템 오퍼레이터에서 통신하고 있는 주 제어보드(11)의 기본 정보를 수신한 후 NVRAM에 계속 정보를 저장하여 새로운 정보로 업데이트 하고, 주 제어보드(11)의 이상동작을 점검한다.
만약, 주 제어보드(11)가 정상 동작중에 주 제어보드(11)에서 이상동작(예를 들면, CPU의 Watchdog Timer 고장 검지 또는 CAN통신 고장 검지 등)이 감지되면, EPLD(Electrically Programmable Logic Device)를 통해 검지된 후 예비 제어보드(13)로 전달된다.(SYS_FAIL_OUT=1)
이때 주 제어보드(11)에서 고장이 발생되면, 해당 보드에 접속되어 있는 CAN통신이 정지되어 CAN통신이 수행되지 않음으로 셀 제어기(20)에서 이를 검지한 후 셀 제어기(20)는 주 제어보드(11)와 CAN통신을 재시도 한다.
이때 CAN통신 재시도는 일정시간 수행한 후 일정시간 이후에도 CAN통신이 재개되지 않으면 셀 제어기(20)의 CAN통신부(21)를 예비 CAN통신부(22)로 전환한다. 그리고 전환된 예비 CAN통신부(22)에서 예비 제어보드(13)와 CAN통신을 재시도 한다.
주 제어보드(11)와 예비 제어보드(13)간의 SYS_FAIL에 대한 신호는 양 보드간에 크로스 결선되어 있음으로 주 제어보드(11)의 고장(SYS_FAIL_IN=1)을 인지한 예비 제어보드(13)는 대기상태에서 NVRAM에 업데이트 했던 주 제어보드(11)의 운전정보와, 파라미터를 근거하여 동시 접속하고 있는 모든 I/O 신호를 제어한다.
이때 예비 제어보드(13)는 인버터 출력 값을 재 연산 하고, 이중화 접속하고 있는 예비 광변환보드(14)와, 예비 광통신선로(31)를 통해 셀 제어기(20)로 전달하 여 전동기의 구동이 계속되도록 제어한다.
그리고 SYS_FAIL이 발생하기 이전의 주 제어보드(11)의 운전상태에 따라 정상운전, 정격감소운전 등 해당하는 운전상태로 복귀하기 위해 인버터 운전이 재개될 경우 일반적으로 임의의 속도로 회전하고 있는 전동기에 전원과 주파수가 인가되므로 전동기 과전류 등 과도현상을 축소 억제할 수 있는 인버터 재기동 제어기능이 적용된 인버터 재기동 모드에 돌입하게 된다.
이후 예비 제어보드(13)로 인버터 정상운전시 상기한 고장이 또 발생된다면, 다른 일반 고장과 동일하게 인버터 동작을 정지시킨다.
이상에서 본 발명의 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이 주 제어기, 셀 제어기, CAN통신부, 광통신선로 등의 제어부를 이중화시켜 구성한 본 발명의 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터는 멀티레벨 인버터 시스템에서 오류 및 파손으로 오작동이 발생될 경우 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터의 정지 없이 전환하여 운전할 수 있도록 함으로서 연속운전의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주 제어기(Master Controller)와, 상기 주 제어기의 제어신호인 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 CAN(Controller Area Network)통신에 의해 전달하는 광통신선로와, 상기 광통신선로를 통해 수신된 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호에 동기하여 파워 셀(Power Cell)을 동작시키는 셀 제어기로 구성된 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터에 있어서,
    상기 주 제어기는 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주 제어보드와,
    상기 주 제어보드가 이상 동작할 경우 이를 감지하여 연속운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 주 제어보드를 이중화한 예비 제어보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예비 제어보드는 상기 주 제어보드 이상 동작할 경우 상기 주 제어보드와 동일한 기능을 수행할 수 있도록 양쪽 보드가 크로스 결선되는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
  3. 제1항 내지 2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 제어보드는 대기상태에서 상기 주 제어보드의 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 업데이트 저장하고, 상기 주 제어보드의 이상동작이 감지될 경 우 업데이트 기 저장된 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호에 근거하여 동작할 수 있도록 하는 NVRAM을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주 제어보드와 예비 제어보드는 전압지령 값, 운전신호 및 보호신호를 광통신할 수 있도록 변환하는 광변환보드가 마련되며,
    상기 광 변환 보드의 연속운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 주 광변환보드; 및,
    상기 주 광 변환 보드를 이중화한 예비 광변환보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 제어기는 상기 광통신선로의 이상 신호가 입력될 경우 상기 셀 제어기에서 연속동작의 신뢰성을 향상시키기 위해 이중화된 예비 광통신선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀 제어기는 광통신선로와 예비 광통신선로를 통해 CAN통신할 수 있도록 CAN통신부가 마련되며,
    상기 CAN통신부가 이상 동작할 경우 이를 감지하여 연속동작의 신뢰성을 향상시키기 위해 이중화된 예비 CAN통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀 제어기는 상기 광통신선로를 통해 이상 동작신호가 입력될 경우 상기 예비 광통신선로로 전환하는 반도체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어부를 갖는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터.
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