1.1 연구의 필요성

최근 전기차(Electric Vehicles, EVs), 전기 항공기(electrical Vertical Take-Off Landings, eVTOLs), 항공우주 등 높은 신뢰성이 요구되는 분야에서 다상 구동 시스템의 적용이 점차 확대되고 있다. 다상 구동 시스템은 회전 시 발생하는 토크 리플을 효과적으로 감소시켜 보다 안정적인 운전을 가능하게 한다. 또한, 자속 생성 시 공간 고조파가 줄어들어 기존 3상 시스템에 비해 손실이 감소하고 전반적인 효율이 향상된다. 이러한 이점으로 인해 다상 구동 시스템은 기존 3상 시스템 대비 저소음 동작, 고효율성, 고장 허용 운전이 가능하다는 이점을 기반으로 널리 활용되고 있다^[1-8].

다상 구동 시스템은 전류 센서, 위치 센서, 스위치 소자 등 다양한 복합 구성 요소들로 이루어져 있어 스위치 개방 고장, 센서 탈착 등과 같은 여러 종류의 고장이 발생할 수 있다. 이러한 고장은 시스템에 부정적인 영향을 미치며, 특히 토크 리플, 진동 및 대전류와 같은 문제가 심각하게 나타날 수 있다. 이에 따라, 짧은 고장 검출 시간을 확보하여 위와 같은 부정적인 영향을 최소화하는 것이 요구되며 이를 위한 다양한 고장 검출 방식에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다^[9-11].

고장 검출은 크게 추가 하드웨어를 이용한 방식과 소프트웨어를 이용한 방식으로 구분할 수 있다. 추가 하드웨어를 이용한 방법에는 간섭형(intervention) 신호 진단법이 있는데 이는 테스트 신호 생성기나 임의 파형 발생 회로와 같이 추가 하드웨어를 구성하여 고장 진단 민감도를 향상하는 방식이다. 이러한 방법은 고장 검출 속도가 빠르다는 장점은 있으나, 별도의 하드웨어 구성이 필요하다는 한계가 존재한다^[12,13].

반면, 소프트웨어를 이용한 고장 검출 방법은 모델 기반(model-based) 방법과 신호 기반(signal-based) 방법으로 나눌 수 있다^[14,15]. 모델 기반 방법은 시스템의 수학적 모델을 이용하여, 측정된 신호가 정상 상태 예측값과 불일치할 때 고장을 진단하는 방식이다. 해당 방식은 추가 하드웨어 없이 검출할 수 있으나 정확한 모델링이 필수적이며, 운전 조건 변화에 따른 전기적 파라미터 변화에 민감하다는 단점이 있다. 신호 기반 방법은 고장 발생 시 나타나는 전압 및 전류 리플과 같은 신호 특성을 활용하여 고장을 검출하는 방식으로 대부분은 기존 제어에 사용되는 센서를 그대로 이용할 수 있어 추가 하드웨어 없이 적용 가능하다는 이점을 가진다.

본 논문에서는 직류단 전류 분석을 기반으로 한 듀얼 3상 인버터 시스템의 스위치 개방 고장 검출 기법을 제안한다. 상 개방 고장이 발생하면 직류단 전류에는 운전 주파수의 2배 성분의 맥동이 포함되며, 상·하단 스위치 개방 고장의 경우에는 운전 주파수의 1배 맥동 성분이 나타난다. 제안된 알고리즘은 이러한 맥동 성분을 추출하기 위해 가변 고역통과필터(Variable High-Pass Filter, VHPF)를 사용하고, 이후 90도 위상 지연을 도입하는 가변 전역통과필터(Variable All Pass-Filter, VAPF)를 적용하여 피크값 추정을 용이하게 한다. 추출된 신호는 고주파 노이즈 제거를 위해 저역통과필터(Low Pass-Filter, LPF)를 추가적으로 통과하며, 이후 상전류와의 상관관계를 분석하여 고장을 검출한다. 제안된 기법은 별도의 하드웨어 추가 없이 구현 가능하며, 프로펠러 벤치마크 실험을 통해 신뢰성을 검증하였다.

2.1 스위치 개방 고장 시 듀얼 3상 인버터 시스템 특성 분석

Fig. 1은 본 논문에서 대상으로한 비대칭 6상 영구자석 동기전동기의 구동을 위한 듀얼 dq축 전류 제어 기의 블로도를 나타내었다. 듀얼 인버터는 Fig. 2와 같이 6개의 스위치를 가진 3상 인버터 2개로 구성되어 있다. 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기의 정상상태 운전 조건에서의 상전류와 정지 및 동기 좌표계 dq축 전류식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 본 논문에서는 abc 3상 성분을 기준으로 나타내었지만 나머지 uvw상에 대해서 30도 위상차를 가진 동일한 수식이 적용된다.

여기서, $I_{m}$은 상전류 최댓값, $\theta_{e}$는 전기각을 나타낸다.

스위치 개방 고장이 발생하지 않는 경우, 식 (1)과 같이 각 상의 전류가 120°의 위상차를 가짐을 확인할 수 있으며 정지 좌표계 변환을 통해 식 (2)에서 볼 수 있듯이 90° 위상차를 가짐을 알 수 있다. 또한, 회전자 위치각으로 변환시 식 (3)과 같이 동기 좌표계의 d축 전류는 ‘0’으로 수렴하고 q축 전류는 직류 성분으로 출력됨을 알 수 있다.

반면, 스위치 개방 고장이 발생하게 되면 고장이 발생한 해당 상의 상전류는 완전히 차단된다. a상의 상하단 스위치 모두 개방 고장이 발생하게 되면 주기에 따라 정지 및 동기 좌표계 dq축 전류는 식 (4)와 식 (5)로 표현할 수 있다.

Fig. 1. Block diagram of dual dq-axis current controls for dual three-phase inverter system

상단 또는 하단 스위치 개방 고장 발생 시 상전류 반주기는 정상적으로 출력이 되며 나머지 반주기는 장 시 $0\le\theta_{e}\le\pi$ 구간에 적용되며 하단 고장 시 구간 $\pi\le\theta_{e}\le 2\pi$에서 적용된다.

고장 발생 시, 동기 좌표계 d축 전류는 식 (5)와 같이 전기각 2배 맥동이 발생하며 동기 좌표계 q축 전류는 직류 성분과 전기각 2배 맥동이 발생함을 알 수 있다. b상 및 c상의 스위치 개방 고장에 따른 정지 좌표계 및 동기 좌표계 전류식을 식 (6)과 식 (7)로 나타낼 수 있다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 식 (6) 및 식 (7)은 스위치 개방 고장 시 고장이 발생한 상의 상전류는 완전히 차단되며,정지 좌표계 q축에서는 1배 맥동이 발생하고 동기 좌표계에서 d축 및 q축에 전기각 기준 2배 맥동이 발생한다.

Fig. 2. Block diagram of dual dq-axis current controls for dual three-phase inverter system

Fig. 3. Block diagram of fault detection algorithm using DC-link current ripple

2.2 제안하는 스위치 개방 고장 검출 알고리즘

Fig. 3은 직류단 전류 리플을 검출하고 좌표변환을 포함한 고장검출 블록도이다. 가변 차단 주파수($\omega_{VHPF}$)를 가지는 가변 고역통과필터(VHPF)는 직단 전류에서 교류(AC) 성분을 추출하는 데 사용된다.

여기서, 가변형 차단 주파수는 운전 속도에 따라 값이 결정된다. VHPF를 통과한 전류는 이후 가변 전역통과필터(VAPF)를 거쳐 90도의 위상 지연이 적용되어 가상의 q축을 통해 정지 좌표계를 구성하게 된다. 이 VAPF에 적용되는 차단 주파수에서는 상 불균형 전류, DC 성분 및 전기적 회전자 위치의 2배 주파수로 발생하는 맥동 성분이 관찰된다. 고장 검출에 사용되는 값이 맥동 성분의 피크치($i_{DC\_peak}$)로 식 (8)로 표현할 수 있다.

Fig. 4는 개방 고장 검출 알고리즘의 흐름을 보여준다. 직류단 전류는 VHPF를 통해 AC 성분이 추출되고, 이어서 VAPF를 통해 90도의 위상 지연이 적용되어 가상의 정지좌표계 성분이 생성된다. 이 과정을 통해 직류단 전류 맥동의 크기가 얻어지고 이후 저역통과필터(LPF)를 통해 노이즈가 제거된다. 노이즈가 제거된 값은 알파$(\alpha)$과의 비교를 통해 고장을 식별한다. LPF를 거친 출력 성분과 위상 전류의 변화를 분석함으로써 스위치 개방 고장 및 상 개방 고장을 검출할 수 있다.

Fig. 4. Flowchart of the proposed switch open fault detection algorithm

3.1 실험 장치

Fig. 5. Experimental setup

Fig. 5과 Table 1은 제안된 알고리즘을 검증하기 위한 실험 장치와 주요 사양을 보여주고 있다. 직류단 전압 48V에 20kHz의 스위칭 주파수로 구동하며, 30인치 프로펠러를 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기에 부착하여 간이 프로펠러 벤치마크 실험 장치를 구현하여 스위칭 개방 고장 모의 및 동작 특성 분석과 제안한 검출 기법을 진행하였다.

3.2 실험 및 결과

Fig. 6은 한 상 전체 개방고장 발생 시 상전류 및 동기 좌표계 전류 파형을 보여준다. 앞서 언급했듯이 한 상 전체 개방 고장이 발생하게 되면 고장이 발생한 상의 상전류는 출력되지 않으며 나머지 두상의 상전류는 기존의 120도 위상차가 아닌 180도 위상차를 가지게 된다. 동기 좌표계 전류는 수식(5)-(7)에서 보았듯이 고장이 발생하게 되면 기존의 직류성분이 아닌 2배 맥동이 섞인 교류파형으로 출력됨을 확인 할 수 있다. Fig. 7은 고장 발생 시 고장 검출 신호들의 파형을 나타냈다. Fig. 7(a)에서와 같이, 모터가 1,000rpm으로 동작 중일 때 직류단 전류는 DC성분 만을 가지다가 개방 회로 고장이 발생하면 AC성분과 DC성분이 합쳐진 형태로 출력되게 된다. 이후 직류단 전류에 가변 전역 통과 필터(VAPF)를 적용 위상 지연 전류가 생성된다. 파형에서 보이듯이 직류단 d축 전류($i^{s_{ds\_DC}}$)와 직류단 q축 전류($i^{s_{qs\_DC}}$)는 고장이 발생하게 되면 AC성분만 90° 위상차를 가지며 출력된다. 저역통과필터(LPF)를 거친 직류단 전류 맥동의 피크 값이 기준 알파(α)값에서 벗어나는 양상을 보이며, 이를 위상 전류와의 상관성을 통해 고장 검출이 가능함을 나타낸다. 여기서 알파값은 다수의 실험을 통해 고장 발생 시 직류단 전류의 절대값의 10%의 범위에 들어오는 것을 확인해 해당 값을 정의하였다. 이 임계값을 기준으로 제안된 기법은 운전주파수 기준 3주기 내에 고장 검출할 수 있다. Fig. 8(b) 및 9은 Fig. 4에서 제안된 고장 검출 알고리즘의 실험 결과를 보여준다.

Fig. 6. Experimental waveforms. (a) a-phase fault phase currents (b) synchronous reference frame dq axis currents without and with b-phase fault

Fig. 7. Experimental results of A-phase open fault (a) after passing through the all-pass filter (b) A-phase open fault

Fig. 8. Experimental results of switch open fault (a) a-phase top switch open fault (b) a-phase bottom switch open fault

Fig. 9. Experimental results of transient state (a) a-phase open fault (b) a-phase switch open fault

상 전체 고장 및 상하단 고장 시 고장 맥동 성분의 피크치 변화에 따라 고장 검출이 가능함을 확인 할 수 있다. Fig. 9는 과도 상태에서 상 전체 및 스위치 개방 고장이 발생했을 때의 실험 파형을 나타낸 것으로, 제안된 알고리즘이 정상 상태뿐만 아니라 과도 상태에서도 유효하게 동작함을 확인시켜준다.

본 논문에서는 a상의 결과만 제시하였지만, b상 및 c상, 그리고 uvw상에 대해서도 동일한 실험이 수행되었다. 상 개방 고장 및 상/하단 스위치 개방 고장을 포함한 모든 개방 고장 시나리오에서 각 상마다 고유한 위상 이동 특성이 관측되었으며, 이는 Fig. 7-9에 제시된 결과와 일치하는 실험 결과를 보여주었다. 위상 전류 주기의 변화를 비교함으로써 제안된 알고리즘은 단순히 고장을 검출하는데 그치지 않고, 고장이 발생한 특정 상까지도 식별할 수 있음을 나타낸다. 이러한 결과는 제안된 고장 검출 기법이 모든 상의 스위치 개방 고장에 효과적으로 적용될 수 있음을 보여주고 있다.