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KR101144314B1 - Multi-level inverter switch fault detection apparatus and method - Google Patents

Multi-level inverter switch fault detection apparatus and method Download PDF

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KR101144314B1
KR101144314B1 KR1020090119833A KR20090119833A KR101144314B1 KR 101144314 B1 KR101144314 B1 KR 101144314B1 KR 1020090119833 A KR1020090119833 A KR 1020090119833A KR 20090119833 A KR20090119833 A KR 20090119833A KR 101144314 B1 KR101144314 B1 KR 101144314B1
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switch
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Abstract

본 발명은 인버터의 고장 진단장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 인버터를 구성하고 있는 다단 스위치의 고장을 판별할 수 있도록 한 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 장치에 있어서, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화한 후, 실시간으로 상기 인버터로부터 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 제어부를 포함하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법을 제공한다.

Figure R1020090119833

인버터, PWM, 스위치, 고장 진단, 다중레벨, 모터

The present invention relates to an apparatus and method for diagnosing a failure of an inverter, and more particularly, to an apparatus and a method for diagnosing a failure of a multi-stage switch of a multi-level inverter capable of determining a failure of a multi-stage switch constituting the inverter. As described above, the present invention is a device for diagnosing a failure of a multi-stage switch provided in an inverter of a multilevel that outputs three-phase AC power to drive a motor. Distance code between the feature vector and the fault feature vector by code-booking the feature vector (reference feature vector) at the time of fault for each switch in advance, and converting the fault diagnosis current waveform output from the inverter into a fault feature vector in real time. An apparatus and method for diagnosing a multi-stage switch failure of a multilevel inverter including a control unit for determining a switch corresponding to a codebooked feature vector having a minimum value as a failure switch are provided.

Figure R1020090119833

Inverter, PWM, Switch, Fault Diagnosis, Multilevel, Motor

Description

다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법{MULTI-LEVEL INVERTER SWITCH FAULT DETECTION APPARATUS AND METHOD}Multi-stage inverter fault diagnosis apparatus and method {MULTI-LEVEL INVERTER SWITCH FAULT DETECTION APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 인버터의 고장 진단장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 인버터를 구성하고 있는 다단 스위치의 고장을 판별할 수 있도록 한 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for diagnosing a failure of an inverter, and more particularly, to an apparatus and a method for diagnosing a failure of a multi-stage switch of a multi-level inverter capable of determining a failure of a multi-stage switch constituting the inverter.

일반적으로, 인버터는 직류전압을 교류전압으로 전환하는 것으로, 고장 보호기능이 구비되어 있어 전원인가 후 인버터에 운전 지령을 주는 순간 인버터의 이상이 발견되면 즉시 고장표시를 하도록 되어 있다.In general, the inverter converts a DC voltage into an AC voltage, and is equipped with a fault protection function, so that a fault indication is immediately displayed when an abnormality is found in the inverter at the moment of supplying an operation command to the inverter after applying power.

한편, 인버터에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자가 사용이 되는데, 이러한 IGBT는 전력용 반도체로서 주로 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있으며, 고효율, 고속의 전력 시스템에 특히 많이 사용되고 있습니다. Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) are used for inverters. These IGBTs are power semiconductors, which are widely used in the voltage range of 300V or higher, and are especially used for high-efficiency, high-speed power systems.

그러나, 이러한 종래의 인버터의 구조로 다층 전원 변환장치가 요구되는 다중 스위치로 구성된 인버터는 어느 스위치가 고장인지를 판별할 수 없는 문제점과 함께 전체 시스템의 예후를 점검할 수 없는 문제점이 있다.However, such an inverter has a problem in that it is not possible to determine which switch is faulty and the prognosis of the entire system is not possible.

이에, 대부분의 산업 응용 분야에서 교류구동 시스템들은 시스템에서 발생하는 고장에 대하여 민감한 반응을 보이고, 여러 가지의 고장 중에서 하나가 발생하면, 예정되어 있지 않은 시스템 중단을 해야하는 경우가 발생하는 문제점이 있다.Accordingly, in most industrial applications, AC drive systems exhibit a sensitive response to failures occurring in the system, and when one of several failures occurs, there is a problem in that an unplanned system shutdown is required.

이러한 시스템의 중단은 많은 경제적 손실을 가져오고, 작업의 비능률을 가져오기 때문에 이익 창출을 위한 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.Disruption of such a system causes a lot of economic loss and inefficiency of the work, which causes a problem of lowering reliability for profit generation.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 인버터를 구성하고 있는 다단 스위치의 고장을 예측할 수 있도록 한 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a multistage switch failure diagnosis apparatus and method for predicting a failure of a multistage switch constituting an inverter.

본 발명의 다른 목적은 인버터의 각 스위치별 단락 상태에서 3상으로 검출되는 전압/전류 파형의 특징벡터를 데이터베이스화하여 인버터의 출력 전압/전류 파형으로부터 인버터의 다단 스위치 중 특정 스위치의 고장여부를 판별할 수 있도록 한 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to determine whether a particular switch is faulted among the inverter's multi-stage switches by outputting a database of feature vectors of voltage / current waveforms detected in three phases in the short-circuit state of each switch of the inverter. An apparatus and method for diagnosing multi-stage switch failure of a multilevel inverter are provided.

본 발명의 또 다른 목적은 인버터의 다단 스위치 중에서 고장 스위치를 판별할 수 있도록 하여 전체 시스템의 예후 점검시 판단정보를 제공할 수 있도록 한 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a multi-stage inverter fault diagnosis apparatus and method for determining a fault switch among the multi-stage switches of the inverter to provide judgment information during prognostic check of the entire system.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다. The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치는, 3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 장치에 있어서, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화한 후, 실시간으로 상기 인버터로부터 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 제어부를 포함한다.Multi-stage switch fault diagnosis apparatus of a multi-level inverter according to an aspect of the present invention for achieving the above object, to diagnose the failure of the multi-stage switch provided in the multi-level inverter for driving the motor by outputting three-phase AC power In the apparatus, a failure diagnosis output from the inverter in real time after codebooking a feature vector (reference feature vector) at the time of a fault for each switch from an AC current waveform outputted by sequentially shorting the switches constituting the multistage switch. And a controller for converting a current waveform into a fault feature vector and determining a switch corresponding to a codebooked feature vector having a minimum distance error between the feature vector and the fault feature vector as a fault switch.

바람직하게, 상기 인버터의 다단 스위치의 상태에 따른 특정 스위치의 고장여부를 판별할 수 있도록 각 스위치별 고장시의 전류파형으로부터 특징벡터를 추출하는 특징 벡터 추출 알고리즘과 상기 특징 벡터 추출 알고리즘에 의해 각 스위치의 단락상태별 특징 벡터가 코드북화되어 저장되는 메모리를 더 포함한다.Preferably, each switch is extracted by a feature vector extraction algorithm and a feature vector extraction algorithm for extracting a feature vector from a current waveform at the time of failure of each switch so as to determine whether a specific switch has failed according to a state of a multi-stage switch of the inverter. It further includes a memory in which the feature vector for each short state of the codebook is stored.

바람직하게, 상기 제어부는 상기 출력되는 교류 전류파형을 DQ변환한 후, 아래의 수학식 1을 이용하여 수평축과 수직축의 평균값을 연산하고, 그 연산된 수평축과 수직축의 평균값을 아래의 수학식 2에 적용하여 획득되는 특징 벡터(

Figure 112009075069213-pat00001
)를 코드북화한다.Preferably, the control unit converts the output AC current waveform by DQ, and then calculates an average value of the horizontal axis and the vertical axis using Equation 1 below, and calculates the average value of the calculated horizontal axis and the vertical axis into Equation 2 below. Feature vector obtained by applying
Figure 112009075069213-pat00001
) Codebook.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure 112009075069213-pat00002
Figure 112009075069213-pat00002

(수학식 2)(Equation 2)

Figure 112009075069213-pat00003
Figure 112009075069213-pat00003

여기서,

Figure 112009075069213-pat00004
는 수평축 평균값,
Figure 112009075069213-pat00005
는 수직축 평균값을 의미하며, i=각 스위치의 개수, j=샘플링수를 의미한다.here,
Figure 112009075069213-pat00004
Is the mean value of the horizontal axis,
Figure 112009075069213-pat00005
Denotes the average value of the vertical axis, i = the number of switches, j = the number of sampling.

바람직하게, 상기 제어부는 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차를 아래의 수학식 3을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치.Preferably, the control unit is a multi-stage inverter fault diagnosis apparatus, characterized in that for calculating the distance error between the feature vector and the fault feature vector using the following equation (3).

(수학식 3)(Equation 3)

Figure 112011066727284-pat00051

여기서 Pi,j는 고장 특징 벡터, 즉 점검하려는 고장가능성이 존재하는 시스템의 특정벡터를 의미하고, di,j는 특징 벡터를 의미한다. 또한, M은 스위치의 갯수를 나타낸다.
Figure 112011066727284-pat00051

Here, P i, j means a fault feature vector, that is, a specific vector of a system in which there is a possibility of failure to be checked, and d i, j means a feature vector. In addition, M represents the number of switches.

여기서,

Figure 112009075069213-pat00007
는 고장 특징 벡터를 의미하고,
Figure 112009075069213-pat00008
는 특징 벡터를 의미한다.here,
Figure 112009075069213-pat00007
Means the fault feature vector,
Figure 112009075069213-pat00008
Means a feature vector.

바람직하게, 상기 특징 벡터 코드북은 스위치 갯수 * 샘플링 수의 크기로 이루어진다.Preferably, the feature vector codebook has a size of the number of switches * the number of samplings.

본 발명의 다른 면에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법은, 3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치 를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화하여 데이터베이스화하는 과정; 및 상기 인버터로부터 실시간으로 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 과정을 포함한다.According to another aspect of the present invention, a multi-stage switch fault diagnosis method of a multi-level inverter is a method for diagnosing a failure of a multi-stage switch provided in a multi-level inverter for outputting three-phase AC power to drive a motor. Sequentially code-singing the feature vectors (reference feature vectors) at the time of failure for each switch from the AC current waveform output by short-circuiting the switches constituting the circuit; And converting the fault diagnosis current waveform output in real time from the inverter into a fault feature vector, and determining a switch corresponding to a codebooked feature vector having a minimum distance error between the feature vector and the fault feature vector as a fault switch. It includes.

바람직하게, 상기 데이터베이스화하는 과정은 상기 교류 전류파형을 DQ변환한 후, 아래의 수학식 4를 이용하여 수평축과 수직축의 평균값을 연산하고, 그 연산된 수평축과 수직축의 평균값을 아래의 수학식 5에 적용하여 획득되는 특징 벡터(

Figure 112009075069213-pat00009
)를 코드북화한다.Preferably, the process of the database is the DQ conversion of the AC current waveform, the average value of the horizontal axis and the vertical axis is calculated using Equation 4 below, and the average value of the calculated horizontal axis and the vertical axis is expressed by Equation 5 below. The feature vector obtained by applying to
Figure 112009075069213-pat00009
) Codebook.

(수학식 4)(Equation 4)

Figure 112009075069213-pat00010
Figure 112009075069213-pat00010

(수학식 5)(5)

Figure 112009075069213-pat00011
Figure 112009075069213-pat00011

여기서,

Figure 112009075069213-pat00012
는 수평축 평균값,
Figure 112009075069213-pat00013
는 수직축 평균값을 의미하며, i=각 스위치의 개수, j=샘플링수를 의미한다.here,
Figure 112009075069213-pat00012
Is the mean value of the horizontal axis,
Figure 112009075069213-pat00013
Denotes the average value of the vertical axis, i = the number of switches, j = the number of sampling.

바람직하게, 상기 거리오차는 아래의 수학식 6을 이용하여 연산한다.Preferably, the distance error is calculated using Equation 6 below.

(수학식 6)(6)

Figure 112011066727284-pat00052

여기서 Pi,j는 고장 특징 벡터, 즉 점검하려는 고장가능성이 존재하는 시스템의 특정벡터를 의미하고, di,j는 특징 벡터를 의미한다. 또한, M은 스위치의 갯수를 나타낸다.
Figure 112011066727284-pat00052

Here, P i, j means a fault feature vector, that is, a specific vector of a system in which there is a possibility of failure to be checked, and d i, j means a feature vector. In addition, M represents the number of switches.

여기서,

Figure 112009075069213-pat00015
는 고장 특징 벡터를 의미하고,
Figure 112009075069213-pat00016
는 특징 벡터를 의미한다.here,
Figure 112009075069213-pat00015
Means the fault feature vector,
Figure 112009075069213-pat00016
Means a feature vector.

바람직하게, 상기 특징 벡터 코드북은 스위치 갯수 * 샘플링 수의 크기로 이루어진다.Preferably, the feature vector codebook has a size of the number of switches * the number of samplings.

전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 다단으로 구성되는 다단스위치의 각개 고장을 진단할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of diagnosing the failure of each of the multi-stage switch composed of a multi-stage by the above-mentioned problem solving means.

또한 각각의 스위치의 이상이 약간의 시간 차이를 두고 발생할 경우에도 고장난 특정 스위치들의 구별이 가능함으로써, 전체 시스템의 예후를 점검하는 경우에 판단 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, even if the abnormality of each switch occurs with a slight time difference, it is possible to distinguish the specific failure of the switch, it is possible to provide the decision information when checking the prognosis of the entire system.

하기의 설명에서 본 발명의 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.In the following description, specific details of the multi-stage switch fault diagnosis apparatus and method of the present invention are shown to provide a more comprehensive understanding of the present invention, and the present invention may be readily made without these specific details and also by variations thereof. It will be apparent to one of ordinary skill in the art that the present invention can be practiced in a timely manner.

본 발명에 따른 인버터는 다중 스위치로 이루어진 다층 전원 변환장치가 요구되는 구성으로서, 한 계층이 아닌 다중으로 구성된 높이를 갖는 펄스 구형파의 샘플링을 수행하여 직류의 전압/전류를 교류로 변환할 수 있도록 구성된다.Inverter according to the present invention is a configuration that requires a multi-switch power conversion device consisting of multiple switches, configured to convert the voltage / current of direct current to alternating current by performing the sampling of pulse square wave having a height consisting of multiple rather than one layer do.

본 발명에서는 인버터를 구성하고 있는 다단 스위치 중 특정 스위치의 고장을 전압이나 전류의 형태를 가지고 측정한다.In the present invention, the failure of a specific switch among the multistage switches constituting the inverter is measured in the form of voltage or current.

한편, 본 발명에서는 이해를 돕고자 인버터를 이루고 있는 스위치가 72개인 다단 스위치회로이고, 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM)는 30도 간격임을 전제로 이하 동작 및 작용을 설명할 것이다. 또한 하기에서는 인버터의 다단 스위치중 특정 스위치의 고장을 판단하기 위해 인버터의 출력 전류파형을 이용하는 과정에 대해서 설명하도록 한다. 그러나, 인버터의 출력 전압 파형을 이용해도 무방하다. 또한 하기에서 특징벡터의 추출은 패턴 분류를 통한 고장인식을 위한 정보로 DQ변환을 이용하는데, 획득된 특징벡터는 고장에 따라 유일성과 일관성을 갖는다. 본 발명에서 제안하는 방법은 Fourier Descriptor의 특성중에서 주파수에 관련부분을 제거하고, 회전변환에 대한 Invariance특성을 제거함으로써, 특징 벡터 추출을 위한 알고리즘의 특성을 간략화하였다.On the other hand, the present invention will be described in the following operation and operation on the premise that the switch is a multi-stage switch circuit with 72 switches constituting the inverter, pulse width modulation (PWM) is 30 degrees intervals. In addition, the following describes a process of using the output current waveform of the inverter to determine the failure of a particular switch of the multi-stage switch of the inverter. However, the output voltage waveform of the inverter may be used. In addition, the extraction of the feature vector below uses the DQ transform as information for fault recognition through pattern classification, and the obtained feature vector has uniqueness and consistency according to the fault. The method proposed in the present invention simplifies the characteristics of the algorithm for feature vector extraction by removing the relevant part of the frequency of the Fourier Descriptor and removing the Invariance characteristic for the rotation transformation.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설 명한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, it will be described focusing on the parts necessary to understand the operation and action according to the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 있어, 인버터의 내부 구성도이다.1 is a configuration diagram of a multi-stage switch fault diagnosis apparatus of a multilevel inverter according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an internal configuration diagram of an inverter in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 시스템(100)은 입력전원(11)과, 정류기(13)와, 인버터(INV)(20)와, 모터(15)와, 부하(17)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a multi-stage switch failure diagnosis system 100 of a multi-level inverter according to the present invention includes an input power source 11, a rectifier 13, an inverter (INV) 20, a motor 15, And a load 17 is configured.

정류기(13)는 입력전원(11)로부터 공급되는 직류 전원을 정류시켜 정류된 직류 전원을 출력한다. 여기서 정류기(13)는 일반적으로 공지된 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.The rectifier 13 rectifies the DC power supplied from the input power 11 to output the rectified DC power. Since the rectifier 13 is a generally known technique, a detailed description thereof will be omitted.

인버터(INV)(20)는 다단 스위치의 스위칭 동작에 의해 정류된 직류 전원을 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM)하여 3상의 교류전원을 모터(15)에 인가함과 동시에 제어부(33)로 인가한다. 여기서 인버터의 스위치 구조는 도 2와 같이 A상, B상, C상에 대해 다단계의 스위치로 구성되어 있다.The inverter (INV) 20 pulse-modulates the DC power rectified by the switching operation of the multi-stage switch (Pulse Width Modulation (PWM)) and applies the three-phase AC power to the motor 15 to the control unit 33. Is authorized. Here, the switch structure of the inverter is composed of a multi-stage switch for the A phase, B phase, and C phase as shown in FIG.

모터(15)는 인버터(INV)(20)로부터 인가되는 교류 전원에 의해 동작하여 부하(17)를 동작시킨다.The motor 15 operates by the AC power supplied from the inverter INV 20 to operate the load 17.

저장부(31)에는 인버터(INV)(20)의 다단 스위치의 상태에 따른 특정 스위치의 고장여부를 판별할 수 있도록 각 스위치별 고장시의 전류파형으로부터 특징벡터를 추출하는 특징 벡터 추출 알고리즘이 저장된다. 또한 저장부(31)에는 특징 벡터 추출 알고리즘에 의해 각 스위치의 단락상태별 특징 벡터가 코드북화되어 저장된 다. The storage unit 31 stores a feature vector extraction algorithm for extracting feature vectors from current waveforms at the time of failure of each switch so as to determine whether a particular switch has failed according to the state of the multi-stage switch of the inverter (INV) 20. do. In the storage unit 31, the feature vector for each short state of each switch is codebooked and stored by a feature vector extraction algorithm.

제어부(33)는 특징벡터 추출 알고리즘을 통해 각 스위치별 고장시의 특징 벡터를 코드북화하여 저장부(31)에 저장한다. 이러한 특징벡터 코드북은 다단 스위치중 고장 스위치를 판별하는데에 있어서 레퍼런스(reference)로 작용하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다. 이후 제어부(33)는 인버터(INV)(20)로부터 출력되는 3상 전류의 파형을 DQ변환을 이용하여 중심값으로부터 각점의 유클라디안 거리벡터를 연산하고, 그 획득한 특징 벡터들 사이의 최소자승기법을 이용하여 획득되는 거리오차 중 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판별한다. 이러한 고장 스위치의 판별방법에 대해서는 하기에서 상세히 설명한다.The control unit 33 codebooks the feature vectors at the time of failure of each switch through the feature vector extraction algorithm and stores them in the storage unit 31. This feature vector codebook serves as a reference for determining a faulty switch among the multi-stage switches, which will be described later. Then, the control unit 33 calculates the Euclidean distance vector of each point from the center value of the waveform of the three-phase current output from the inverter (INV) 20 by using the DQ transformation, and the minimum between the obtained feature vectors The switch corresponding to the codebook feature vector having the lowest value among the distance errors obtained by using the square method is determined as the fault switch. A method of determining such a failing switch will be described in detail below.

표시부(35)는 제어부(33)의 제어하에 시스템 및 인터버(INV)(20)의 상태를 표시하고, 인버터(INV)(20)의 다단 스위치 중 고장 스위치에 대한 정보를 표시한다. 여기서 표시부(35)는 LCD를 사용할 수 있으며, 이런 경우 표시부(35)는 LCD제어부(LCD controller), 화면데이터를 저장할 수 있는 메모리(미도시) 및 LCD표시소자(미도시) 등을 구비할 수 있다. 여기서 표시부(35)를 터치스크린(touch screen) 방식으로 구현하는 경우 입력부가 될 수 있다.The display unit 35 displays the state of the system and the intervener (INV) 20 under the control of the control unit 33, and displays information on the faulty switch among the multi-stage switches of the inverter (INV) 20. In this case, the display unit 35 may use an LCD. In this case, the display unit 35 may include an LCD controller, a memory capable of storing screen data (not shown), and an LCD display element (not shown). have. Herein, when the display unit 35 is implemented by using a touch screen method, the display unit 35 may be an input unit.

이러한 기술적 구성을 갖는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치의 특징 벡터 추출 알고리즘에 의해 특징벡터 코드북화하는 과정에 대해서 설명하도록 한다.A process of feature vector codebooking by a feature vector extraction algorithm of a multi-stage switch fault diagnosis apparatus of a multilevel inverter having such a technical configuration will be described.

도 3은 도 1에 있어 인버터의 출력 전류파형을 도시한 예시도이고, 도 4는 도 3의 출력 전류 파형을 DQ변환하여 보인 파형도이다.3 is an exemplary diagram illustrating an output current waveform of an inverter in FIG. 1, and FIG. 4 is a waveform diagram of the output current waveform of FIG. 3 obtained by DQ conversion.

도 3을 참조하면, 인버터(INV)(20)는 다단 스위치 중 특정 스위치의 단락상태에 따른 직류 전류를 교류 전류로 인버팅하여 출력한다.Referring to FIG. 3, the inverter (INV) 20 inverts and outputs a DC current according to a short circuit state of a specific switch among multi-stage switches to AC current.

이후, 도 3의 출력 전류 파형을 DQ변환하면, 수평축과 수직축의 값을 도 4와 같이 평면상의 페이저로 표시할 수 있다. 이때 도 4와 같이 DQ변환된 전류 파형이 원형의 모양을 벗어나 찌그러진 파형을 갖게 된다. 이는 특정 스위치가 고장난 경우에 발생되는 파형이다. 여기서, DQ변환은 참고로 아래의 수학식 7에 의해 획득된다.Subsequently, when the output current waveform of FIG. 3 is DQ-converted, values of the horizontal axis and the vertical axis may be displayed by a flat pager as shown in FIG. 4. At this time, as shown in FIG. 4, the DQ-converted current waveform has a waveform that is distorted out of a circular shape. This is the waveform generated when a particular switch fails. Here, the DQ transform is obtained by the following Equation 7 for reference.

Figure 112009075069213-pat00017
Figure 112009075069213-pat00017

여기서, ia는 a상 전류, ib는 b상 전류, ic는 c상의 3상 전류를 의미하며, ids는 DQ 변환을 했을 경우 전류 ia, ib, ic상의 전류가 d-축에 사영된 전류, iqs는 DQ 변환을 했을 경우 전류 ia, ib, ic상의 전류가 q-축에 사영된 전류, ios는 DQ변환을 했을 경우 영상분 전류를 의미한다.Where ia is a-phase current, ib is b-phase current, ic is c-phase three-phase current, and ids is the current projected on d-axis by currents ia, ib and ic when DQ conversion, iqs Is the current projected on the q-axis in the currents ia, ib, and ic when the DQ conversion is performed, and ios is the image current when the DQ conversion is performed.

제어부(33)는 하기 수학식 8를 통해 도 4의 수평축과 수직축의 값에 대한 수평축 평균값과 수직축 평균값을 연산하여 획득한다.The controller 33 calculates and obtains the horizontal axis average value and the vertical axis average value of the values of the horizontal axis and the vertical axis of FIG. 4 through Equation 8 below.

Figure 112009075069213-pat00018
Figure 112009075069213-pat00018

여기서,

Figure 112009075069213-pat00019
는 수평축 평균값,
Figure 112009075069213-pat00020
는 수직축 평균값을 의미하며, i=1, ㆍㆍㆍ,72이며, j=1,ㆍㆍㆍ,2000이다. here,
Figure 112009075069213-pat00019
Is the mean value of the horizontal axis,
Figure 112009075069213-pat00020
Denotes an average value of the vertical axis, i = 1, ..., 72, and j = 1, ..., 2000.

이후, 제어부(33)는 상기 수학식 8를 통해 획득된 수평 및 수직축 평균값을 하기 수학식 9에 대입하여 특징 벡터(

Figure 112011066727284-pat00021
)를 생성한다.Subsequently, the controller 33 substitutes the horizontal and vertical axis mean values obtained through Equation 8 into Equation 9 to obtain a feature vector (
Figure 112011066727284-pat00021
)

Figure 112009075069213-pat00022
Figure 112009075069213-pat00022

제어부(33)는 상기 수학식 9를 통해 획득되는 특징 벡터들을 코드북화하여 데이터베이스화하여 저장부(31)에 저장한다. 이러한 특징벡터 코드북의 크기는 72 *2000이 된다.The controller 33 codes the feature vectors obtained through Equation 9 into a database and stores them in the storage unit 31. The feature vector codebook has a size of 72 * 2000.

이로써, 제어부(33)는 인버터를 이루는 다단 스위치에 대한 각 스위치의 고장 특징 패턴을 특징 벡터 코드북으로 데이터베이스화한다.As a result, the control unit 33 makes a database of feature vector codebooks of failure feature patterns of the switches for the multi-stage switches forming the inverter.

이후, 제어부(33)는 인버터(INV)(20)를 통해 실시간으로 입력되는 고장진단 전류파형(즉, 인버터를 통해 출력되는 전류파형)을 DQ변환한 후, 상기 수학식 8 및 수학식 9에 적용하여 고장 특징벡터로 변환한다.Thereafter, the controller 33 performs a DQ conversion on the fault diagnosis current waveform (that is, the current waveform output through the inverter) input in real time through the inverter (INV) 20, and then the equations (8) and (9). It is converted into fault feature vector.

일예로, 인버터(INV)(20)의 1번째 스위치가 고장이라고 가정하면, 제어부(33)는 고장 특징 벡터의

Figure 112011066727284-pat00023
와 특징 벡터 코드북의 유클리디안 거리(거리차이)를 하기 수학식 10을 이용하여 연산한다.As an example, assuming that the first switch of the inverter (INV) 20 is faulty, the control unit 33 may determine the fault feature vector.
Figure 112011066727284-pat00023
And the Euclidean distance (distance difference) of the feature vector codebook are calculated using Equation 10 below.

즉, DQ변환의 중심값을 획득하고, 그 중심값으로부터 각 점의 유클리디안 거리 벡터를 구하며, 획득한 특징 벡터들 사이의 최소자승기법을 이용한 오차를 구한다.That is, the center value of the DQ transform is obtained, the Euclidean distance vector of each point is obtained from the center value, and the error using the least square method between the obtained feature vectors is obtained.

Figure 112011066727284-pat00053

여기서 Pi,j는 고장 특징 벡터, 즉 점검하려는 고장가능성이 존재하는 시스템의 특정벡터를 의미하고, di,j는 특징 벡터를 의미한다. 또한, M은 스위치의 갯수를 나타낸다.
Figure 112011066727284-pat00053

Here, P i, j means a fault feature vector, that is, a specific vector of a system in which there is a possibility of failure to be checked, and d i, j means a feature vector. In addition, M represents the number of switches.

제어부(33)는 상기 수학식 10을 이용함으로써, 특징 벡터 코드북에 데이터 베이스화된 고장 패턴과 거리오차가 최소인 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장으로 판단한다.By using Equation 10, the controller 33 determines that the switch corresponding to the feature vector having the minimum distance error and the failure pattern databased in the feature vector codebook is a failure.

즉, 측정된 거리오차들 중에서 가장 작은 값(

Figure 112009075069213-pat00025
)을 내는 i번째의 특징 벡터에 대응하는 i번째 스위치를 고장으로 판단한다.That is, the smallest value among the measured distance errors (
Figure 112009075069213-pat00025
It is determined that the i-th switch corresponding to the i-th feature vector yielding 1) is a failure.

이후, 제어부(33)는 거리차이가 가장 작은 i번째 스위치가 고장났다고 판단한다. 이러한 판단결과는 표시부(35)를 통해 화면에 표시된다.Thereafter, the controller 33 determines that the i-th switch having the smallest distance difference has failed. The determination result is displayed on the screen through the display unit 35.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단방법을 보인 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a multi-stage switch fault diagnosis method of a multilevel inverter according to an exemplary embodiment of the present invention.

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도 7을 참조하면, 제어부(33)는 인버터(INV)(20)의 다단 스위치를 각각 순차적으로 단락시켰을때 출력되는 교류 전류파형을 DQ변환하여 변환된 DQ의 중심점에서의 수평축과 수직축에 대한 수평축 평균값과 수직축 평균값을 연산한다(S701). 이는 상기 수학식 8에 의해 얻어진다.Referring to FIG. 7, the control unit 33 performs a DQ conversion on an AC current waveform output when the multi-stage switches of the inverter (INV) 20 are sequentially shorted, respectively, and the horizontal axis with respect to the horizontal axis and the vertical axis at the center point of the converted DQ. The average value and the vertical axis average value are calculated (S701). This is obtained by the above equation (8).

이후, 제어부(33)는 획득된 수평 및 수직축 평균값을 이용하여 DQ의 중심점으로부터 각 점의 거리벡터를 구하여 특징 벡터(

Figure 112011066727284-pat00026
)를 생성한다(S703). 이는 상기 수학식 9를 통해 얻어진다.Subsequently, the controller 33 obtains a distance vector of each point from the center point of the DQ using the obtained horizontal and vertical mean values, and obtains a feature vector (
Figure 112011066727284-pat00026
) Is generated (S703). This is obtained through equation (9).

제어부(33)는 생성된 특징 벡터(

Figure 112009075069213-pat00027
)를 코드북화하여 데이터베이스화한다(S705).The control unit 33 generates the generated feature vector (
Figure 112009075069213-pat00027
) Is codebooked into a database (S705).

이후, 제어부(33)는 인버터(INV)(20)로부터 실시간으로 출력되는 고장진단 전류파형을 DQ변환한 후, 고장 특징벡터로 변환한다(S707). 여기서 고장 특징벡터는 상기 수학식 8 및 수학식 9와 같이 적용하여 얻어진다.Thereafter, the controller 33 converts the fault diagnosis current waveform output in real time from the inverter INV 20 into a fault feature vector (S707). The fault feature vector is obtained by applying the equations (8) and (9).

제어부(33)는 고장 특징벡터와 데이터베이스된 특징 벡터 코드북의 특징 벡터와의 거리오차(차이)를 데이터베이스화된 특징 벡터 개수만큼 연산한다(S709). 이때 거리오차에 대한 연산 수식은 상기 수학식 10을 이용한다.The control unit 33 calculates the distance error (difference) between the fault feature vector and the feature vector of the feature vector codebook as many as the number of database feature vectors (S709). At this time, the calculation formula for the distance error uses the above equation (10).

그래서 제어부(33)는 그중 거리오차가 가장 작은 특징 벡터를 획득하고(S711), 획득된 특징 벡터에 대응하는 특정번째 스위치를 고장으로 판단한다(S713).Thus, the controller 33 obtains a feature vector having the smallest distance error (S711), and determines that the specific switch corresponding to the acquired feature vector is a failure (S713).

이후, 제어부(33)는 고장으로 판단한 특정번째 스위치를 고장이라고 표시하여 이를 알린다(S715).After that, the control unit 33 indicates that the specific switch determined as the failure is notified (S715).

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치의 구성도.1 is a block diagram of a multi-stage switch failure diagnosis apparatus of a multilevel inverter according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 있어, 인버터의 내부 구성도.2 is an internal configuration diagram of an inverter in FIG. 1.

도 3은 도 1에 있어 인버터의 출력 전류파형을 도시한 예시도. 3 is an exemplary diagram showing an output current waveform of the inverter in FIG.

도 4는 도 3의 출력 전류 파형을 DQ변환하여 보인 파형도.4 is a waveform diagram showing DQ conversion of the output current waveform of FIG. 3; FIG.

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도 7은 본 발명의 실시예에 따라 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법을 보인 흐름도.7 is a flowchart illustrating a multi-stage switch fault diagnosis method of a multilevel inverter according to an exemplary embodiment of the present invention.

Claims (9)

3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 장치에 있어서,A device for diagnosing a failure of a multi-stage switch provided in a multilevel inverter that outputs three-phase AC power to drive a motor, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화한 후, 실시간으로 상기 인버터로부터 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 제어부; 및Code-book the feature vector (reference feature vector) at the time of failure of each switch from the AC current waveform outputted by sequentially shorting the switches constituting the multi-stage switch, and then fail the fault diagnosis current waveform output from the inverter in real time. A control unit converting the feature vector into a feature vector and determining a switch corresponding to a codebooked feature vector having a minimum distance error between the feature vector and the fault feature vector as a fault switch; And 상기 인버터의 다단 스위치의 상태에 따른 특정 스위치의 고장여부를 판별할 수 있도록 각 스위치별 고장시의 전류파형으로부터 특징벡터를 추출하는 특징 벡터 추출 알고리즘과 상기 특징 벡터 추출 알고리즘에 의해 각 스위치의 단락상태별 특징 벡터가 코드북화되어 저장되는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치.Short-circuit state of each switch by feature vector extraction algorithm and feature vector extraction algorithm extracting feature vectors from current waveforms at each switch failure to determine whether a particular switch has failed according to the state of the multi-stage switch of the inverter Multi-stage inverter failure diagnosis apparatus, characterized in that it comprises a memory that is stored in the code feature of the star feature vector. 삭제delete 제1 항에 있어서, 상기 제어부는,The method of claim 1, wherein the control unit, 상기 출력되는 교류 전류파형을 DQ변환한 후, 아래의 수학식 1을 이용하여 수평축과 수직축의 평균값을 연산하고, 그 연산된 수평축과 수직축의 평균값을 아래의 수학식 2에 적용하여 획득되는 특징 벡터(
Figure 112009075069213-pat00028
)를 코드북화하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치.
After converting the output AC current waveform by DQ, the average value of the horizontal and vertical axes is calculated using Equation 1 below, and the average value of the calculated horizontal and vertical axes is applied to Equation 2 below. (
Figure 112009075069213-pat00028
Multi-stage switch fault diagnosis apparatus, characterized in that the codebook.
(수학식 1)(Equation 1)
Figure 112009075069213-pat00029
Figure 112009075069213-pat00029
(수학식 2)(Equation 2)
Figure 112009075069213-pat00030
Figure 112009075069213-pat00030
여기서,
Figure 112009075069213-pat00031
는 수평축 평균값,
Figure 112009075069213-pat00032
는 수직축 평균값을 의미하며, i=각 스위치의 개수, j=샘플링수를 의미함.
here,
Figure 112009075069213-pat00031
Is the mean value of the horizontal axis,
Figure 112009075069213-pat00032
Means the average value of vertical axis, i = number of switches, j = number of samples.
제3 항에 있어서, 상기 제어부는,The method of claim 3, wherein the control unit, 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차를 아래의 수학식 3을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치.And a distance error between the feature vector and the fault feature vector is calculated using Equation 3 below. (수학식 3)(Equation 3)
Figure 112011066727284-pat00054
Figure 112011066727284-pat00054
여기서 Pi,j는 고장 특징 벡터, 즉 점검하려는 고장가능성이 존재하는 시스템의 특정벡터를 의미하고, di,j는 특징 벡터를 의미하고, M은 스위치의 갯수를 나타냄.Where P i, j means a fault feature vector, i.e. a specific vector of the system in which there is a fault possibility to be checked, d i, j means a feature vector, and M indicates the number of switches.
삭제delete 3상의 교류 전원을 출력하여 모터를 구동시키는 다중레벨의 인버터에 구비된 다단 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서,In the method for diagnosing the failure of a multi-stage switch provided in a multilevel inverter for outputting three-phase AC power to drive a motor, 상기 다단 스위치를 이루는 스위치를 순차적으로 단락시켜 출력되는 교류전류 파형으로부터 각 스위치별 고장시의 특징 벡터(기준 특징 벡터)를 미리 코드북화하여 데이터베이스화하는 과정; 및A step of codebooking a feature vector (reference feature vector) at the time of failure for each switch from an AC current waveform outputted by sequentially shorting the switches constituting the multi-stage switch and making a database; And 상기 인버터로부터 실시간으로 출력되는 고장진단 전류파형을 고장 특징 벡터로 변환하여 상기 특징 벡터와 상기 고장 특징 벡터의 거리오차가 최저치를 갖는 코드북화된 특징 벡터에 대응하는 스위치를 고장스위치로 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법.Converting a fault diagnosis current waveform output from the inverter in real time into a fault feature vector, and determining a switch corresponding to a codebooked feature vector having a minimum distance error between the feature vector and the fault feature vector as a fault switch. Multi-stage switch failure diagnosis method for a multi-level inverter comprising a. 제6 항에 있어서, 상기 데이터베이스화하는 과정은,The method of claim 6, wherein the database process is performed. 상기 교류 전류파형을 DQ변환한 후, 아래의 수학식 4를 이용하여 수평축과 수직축의 평균값을 연산하고, 그 연산된 수평축과 수직축의 평균값을 아래의 수학식 5에 적용하여 획득되는 특징 벡터(
Figure 112009075069213-pat00036
)를 코드북화하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법.
After the DQ conversion of the AC current waveform, the average value of the horizontal axis and the vertical axis is calculated using Equation 4 below, and the feature vector obtained by applying the average value of the calculated horizontal axis and the vertical axis to Equation 5 below (
Figure 112009075069213-pat00036
Multi-stage switch fault diagnosis method for a multilevel inverter, characterized in that the codebook.
(수학식 4)(Equation 4)
Figure 112009075069213-pat00037
Figure 112009075069213-pat00037
(수학식 5)(5)
Figure 112009075069213-pat00038
Figure 112009075069213-pat00038
여기서,
Figure 112009075069213-pat00039
는 수평축 평균값,
Figure 112009075069213-pat00040
는 수직축 평균값을 의미하며, i=각 스위치의 개수, j=샘플링수를 의미함.
here,
Figure 112009075069213-pat00039
Is the mean value of the horizontal axis,
Figure 112009075069213-pat00040
Means the average value of vertical axis, i = number of switches, j = number of samples.
제6 항에 있어서, 상기 거리오차는,The method of claim 6, wherein the distance error, 아래의 수학식 6을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 방법.Multi-stage switch fault diagnosis method of the multi-level inverter, characterized in that the calculation using the following equation (6). (수학식 6)(6)
Figure 112011066727284-pat00055
Figure 112011066727284-pat00055
여기서 Pi,j는 고장 특징 벡터, 즉 점검하려는 고장가능성이 존재하는 시스템의 특정벡터를 의미하고, di,j는 특징 벡터를 의미하고, M은 스위치의 갯수를 나타냄.Where P i, j means a fault feature vector, i.e. a specific vector of the system in which there is a fault possibility to be checked, d i, j means a feature vector, and M indicates the number of switches.
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