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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

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Research article

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The Transactions P of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEEP Vol. 72P, No. 03, p.172-178

ISSN (print) :

1229-800X

ISSN (online) :

2586-7792

Received : 14 August 2023Revised : 24 August 2023Accepted : 27 August 2023

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEEP.2023.72.3.172

철도차량용 3-level ANPC 인버터의 DC 커패시터 고장 진단을 위한 ESR 측정 방안의 적용 효과 연구

A Study on the Application Effect of ESR Measurement Methods for DC Capacitor Fault Diagnosis of 3-level ANPC Inverter for Railway Vehicles

이현재 (Hyun-Jae Lee) ¹ 김길동 (Gil-Dong Kim) ² 이건복 (Gun-Bok Lee) ² 손진근 (Jin-Geun Shon) ^†iD

(Dept. of Electrical Engineering, Gachon University, Korea.)
(Korea Railroad Research Institute, Korea.)

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Gachon University, Korea. E-mail: shon@gachon.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

This paper studies the effect of applying the ESR measurement method to diagnose DC-link capacitor failure of 3-level ANPC inverter for railway vehicles. Inverters use DC-link capacitors to keep the voltage constant, which is the factor with the highest failure rate compared to other components used in inverters. Accordingly, in this paper, in order to find a way to monitor the failure of the DC-link capacitor, ESR measurement methods were analyzed, and the effect was analyzed through a simulation experiment applied to a 3-level ANPC inverter. As a result, when measuring ESR by designing an analog filter using Op-Amp, the RMS-based ESR measurement method is effective. Conversely, when measuring ESR using digital filters, it is judged to be more effective to use the AC coupling-based ESR measurement method.

Key words

3-level ANPC Inverter, AC coupling-based ESR measurement, ESR(Equivalent Series Resistance), RMS-based ESR measurement.

1. 서 론

최근 인버터를 활용한 전동기의 구동 활용성이 증가됨에 따라 전동기로 움직이는 수송기기들의 많은 연구가 이루어지고 있다^[1,^2]. 특히, 2차전지(Li-ion Battery), 액화수소(Liquid-hydrogen)와 같은 저장용 에너지를 이용해 움직이는 수송기기들의 다양한 연구가 이루어지고 있다^[1,^2].

전동기와 저장용 에너지를 사용한 수송기기들의 발달은 전기자동차 뿐만 아니라 철도차량에도 적용된다. 이에 수송기기를 사용하는 승객들의 안전을 보장하고 철도차량 고장에 따른 레일 위 정지 상태를 회피하기 위하여 다양한 고장 감지 기술들이 적용될 필요가 있다.

이러한 수송기기에 사용되는 전동기에는 정밀한 속도 제어를 위하여 인버터(Inverter)가 적용된다. 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 전력변환장치로써 생성하는 AC 전력의 크기와 주파수를 자유롭게 제어할 수 있다. 이는 전동기의 토크와 속도를 제어할 수 있다는 장점이 있기 때문에 전동기 제어에 주로 적용된다^[3].

하지만 인버터는 AC 전압을 출력하기 위해 필요한 일정한 전압 유지를 위하여 DC-link 커패시터가 사용되는데 이는 인버터에 사용되는 다른 부품들에 비하여 고장 발생률이 가장 높은 요소이다^[4,^5]. 특히, 높은 전압을 사용하는 철도차량의 경우 DC-link 커패시터에 인가되는 내압도 동시에 높아지기 때문에 커패시터의 고장을 모니터링할 수 있는 방안이 필요하다^[6,^7].

DC-link 커패시터 고장 진단은 크게 커패시터 용량을 측정하여 그 특성을 이용하거나 등가직렬저항(ESR : Equivalent Series Resistance)을 이용하여 고장 진단을 수행할 수 있다. 이 중 본 논문에서는 DC-link 커패시터의 고장 진단을 위하여 ESR을 측정할 수 있는 방안들을 적용하고 그 효과를 분석한다.

특히, 철도차량용 전동기의 속도를 제어하기 위하여 3-level ANPC(Active Neutral-Point-Clamped)인버터를 적용하였으며 ESR을 측정할 수 있는 다양한 방안 중 RMS(Root Mean Square) 기반의 ESR 측정 방안^[8]과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안^[9]을 분석하고 모의실험을 통해 그 적용 효과를 분석하였다.

그 결과, 두가지 방안 모두 3-level ANPC 인버터의 ESR을 측정하기에 적합할 것으로 사료되며 디지털 필터 활용하여 ESR을 측정할 경우 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하는 것이 더욱 효과적이라고 판단된다.

2. 철도차량용 인버터의 DC-link 커패시터 고장 진단을 위한 ESR 측정 방안들의 효과 분석

철도차량용 전동기를 제어하기 위해 사용되는 3-level ANPC 인버터에도 인버터의 일정한 전압을 유지하기 위해 DC-link 커패시터가 존재한다.

그림 1. 전동기에 적용된 3-level ANPC 인버터의 회로도

Fig. 1. Circuit diagram of 3-level ANPC inverter applied to motor

그림 1은 전동기 제어를 위하여 적용된 3-level ANPC 인버터의 회로도를 보여준다. 3-level ANPC 인버터의 경우 기본적으로 2개의 DC-link 커패시터가 존재한다. 3-level ANPC 인버터의 특성상 중성점이 DC-link 커패시터들의 중심에 연결되어 있으며 이 때 커패시터 양단에 인가되는 전압은 $V_{dc}/2$[V]와 같다. 즉, 일반적인 2-level 인버터보다 2배 많은 DC-link 커패시터의 개수가 필요하므로 안정성을 위해 ESR 측정을 통한 고장 진단을 수행할 필요가 있다.

2.1 주파수 분석 기법 기반의 ESR 측정 방안

주파수 분석 기법을 이용한 ESR 측정 방안은 대역통과필터(BPF : Band Pass Filter)와 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 ESR을 추정하는 기법을 의미한다. 그림 2는 주파수 분석 기반의 ESR 측정 방안 블록 다이어그램을 보여준다. 주파수 분석 기

그림 2. 주파수 분석 기반의 ESR 측정 방안 블록 다이어그램

Fig. 2. Block diagram of ESR measurement method based on frequency analysis

반의 ESR 측정 방안은 기본적으로 DC-link에 인가되는 전압과 전류를 측정하고 그 값을 사용한다. 이 때 DC-link에 인가되는 전압과 전류가 포함하고 있는 다양한 성분의 주파수 대역 중 ESR을 측정하기에 유효한 대역만을 추출하기 위해 BPF가 사용된다. 이후에 추출된 전압 및 전류값과 FFT를 사용하여 주파수별 크기를 사용하면 DC-link 커패시터의 ESR을 계산할 수 있다. 하지만 특정한 주파수 대역의 신호를 측정하기 위하여 BPF를 사용해야 하는데 특정의 스위칭 주파수를 미리 알아야한다. 또한, 고차의 필터설계가 필요하여 소프트웨어 및 하드웨어적으로 구현에 어려움이 따를 수 있다는 단점이 있으며 오프라인 상황에서 주로 사용된다는 단점이 있다.

2.2 RMS 기반의 ESR 측정 방안

RMS 기반의 ESR 측정 방안은 전압/전류 신호를 각각 BPF에 통과 후 신호를 RMS 연산처리하여 DC-link 커패시터 ESR을 추정하는 방안을 의미한다.

그림 3. RMS 기반의 ESR 측정 방안 블록 다이어그램

Fig. 3. Block diagram of RMS-based ESR measurement method

그림 3은 RMS 기반의 ESR 측정 방안의 블록 다이어그램을 보여준다. RMS 기반의 ESR 측정 방안도 기본적으로 DC-link 커패시터에 인가되는 전압과 흐르는 전류를 측정하고 그 값을 사용한다. 측정된 전압과 전류는 BPF를 통하여 스위칭 주파수 대역의 전압 및 전류의 크기만을 통과시킨다. 이후 스위칭 주파수 대역의 전압과 전류의 크기를 RMS로 계산하고 양수의 크기로 정류한 뒤 저역통과필터(LPF : Low Pass Filter)를 거쳐 그 크기를 평균화 시킨다. 위와 같은 방안으로 평균화된 전압, 전류의 데이터를 활용한다면 ESR을 측정할 수 있다.

이러한 RMS 기반의 ESR 측정 방안은 주파수 분석 기반의 ESR 측정 방안에 비하여 연산속도 증가한다는 장점이 있다. 하지만 주파수 분석 기법을 이용한 ESR 측정 방안과 동일하게 BPF를 사용해야함에 따라 소프트웨어 및 하드웨어적으로 구현에 어려움이 따를 수 있다는 단점이 있다.

2.3 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안

AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안은 측정된 전압과 전류의 AC 특성을 활용하여 ESR을 추정하는 방안을 의미한다.

그림 4. AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 블록 다이어그램

Fig. 4. Block diagram of ESR measurement method based on AC coupling

그림 4는 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 블록 다이어그램을 보여준다. AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 또한 기본적으로 DC-link 커패시터에 인가되는 전압 및 전류를 측정하고 이를 사용한다. 측정된 값들은 AC 커플링되어 AC 신호만이 추출되며 이를 전력과 전류의 데이터를 생성할 수 있다. 이후에 생성된 전력에서 전류를 나누면 DC-link 커패시터의 ESR을 추정할 수 있다.

이러한 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안은 BPF를 사용하지 않아 다양한 전력변환장치에서도 적용이 가능하고 스위칭 주파수의 사전정보 없이도 간단하게 구현할 수 있다는 장점이 있다. AC 커플링의 간단한 신호 처리에 의하여 구현이 가능함에 따라 타 기법에 비해 연산속도가 증가될 수 있다. 또한, 신속하게 ESR을 측정할 수 있음에 따라 커패시터 고장 진단을 실시간으로 제공할 수 있다. 하지만 AC 커플링된 맥동 신호가 ESR을 계산하기에 충분하지 않을 경우 그 정확성이 떨어진다는 단점이 있다.

2.4 모의실험을 통한 3-level ANPC 인버터에서 ESR 측정 방안의 적용 효과 분석

3-level ANPC 인버터에 ESR 측정 방안들을 적용하였을 때의 효과를 분석하기 위하여 모의실험을 진행하였다. 사용된 회로도와 3-level ANPC 인버터의 파라미터는 그림 5와 표 1과 같이 설정하였다.

그림 5. 모의실험을 위한 3-level ANPC 인버터와 ESR 측정 방안 회로도

Fig. 5. Circuit diagram of 3-level ANPC inverter and ESR measurement method for simulation

표 1 모의실험에 사용된 다양한 파라미터 표

Table 1 Table of various parameters used in the simulation

Parameter	Units	Value
DC-link Voltage	[$V$]	300
Switching Frequency	[$k Hz$]	20
Output Frequency	[$Hz$]	60
Inductance (L)	[$m H$]	28.14
Resistance (R)	[$\omega$]	30
DC-link Capacitance	[$u F$]	4,700
DC-link ESR	[$\omega$]	Variable

그림 5는 모의실험을 위해 구성된 3-level ANPC 인버터와 구현된 ESR 측정 방안들을 보여준다. 여기서 사용된 3-level ANPC 인버터에는 2개의 DC-link 커패시터를 사용하였으며 전동기를 대신하여 LR 등가회로를 적용하였다. 이 때 DC-link 커패시터의 전압은 300[V]로 설정하였으며 스위칭 주파수는 20[$k Hz$]로 설정하였다. LR 등가회로에 인가되는 출력 주파수는 60[$Hz$]로 설정하였으며 이 때 L은 28.14[$m H$], R은 30[$\omega$]으로 설정하였다. 여기서 DC-link 커패시터의 용량은 각각 4,700[$u F$]로 설정하였으며 각각의 ESR은 모두 가변되도록 설정하여 모의실험을 진행하였다. 여기서 사용된 ESR 측정 방안은 온라인으로 ESR이 측정 가능한 RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 적용하였다.

2.4.1 ESR 고정시의 모의실험 결과 분석

그림 6은 ESR이 1[$\omega$]일 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형을 보여준다. 그림 6(a)는 3-level ANPC 인버터가 생성하는 3상 전류파형을 보여준다. 여기서 3상의 파형은 각각 a,b,c상의 전류를 의미하며 ESR을 DC-link 커패시터에 추가하여도 정상적으로 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.

여기서 High-side의 ESR과 Low-side의 ESR을 1[$\omega$]으로 설정하였으며 그 때의 결과는 각각 그림 6(b)와 그림 6(c)와 같다. 그림 6(b)의 빨간색, 파란색, 주황색의 그래프는 각각 설정한 ESR, RMS 기반의 ESR 측정 방안 사용시 ESR 결과, AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 사용시 ESR 결과를 의미한다. 여기서 RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 모두 1[$\omega$]의 High-side의 ESR을 계산한 결과를 볼 수 있다. 3-level ANPC 인버터의 DC-link 커패시터의 ESR을 측정하기에 두가지 방안 모두 효과가 있을 것으로 판단할 수 있다.

그림 6. ESR이 1[$\omega$]일 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형

Fig. 6. Simulation result waveform according to ESR measurement method when ESR is 1[$\omega$]

그림 6(b)에서 ESR 측정 도달 속도를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때는 약 0.325[s]에 도달하였고 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때는 약 0.35[s]에 도달하였다.

그림 6(c)의 빨간색, 파란색, 주황색의 그래프는 각각 설정한 ESR, RMS 기반의 ESR 측정 방안 사용시 ESR 결과, AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 사용시 ESR 결과를 의미한다. 이를 자세히 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 모두 1[$\omega$]의 Low-side ESR을 계산하였다. 이는 High-side측의 ESR을 측정한 결과와 동일하게 3-level ANPC 인버터의 DC-link 커패시터의 ESR을 측정하기에 두가지 방안 모두 효과가 있다는 것을 알 수 있다.

그림 6(c)에서 ESR 측정 도달 속도를 살펴보면 그림 5(b)와 동일한 결과를 보였으며 RMS 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때는 약 0.325[s]에 도달하였고 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때는 약 0.35[s]에 도달하였다.

하지만 위와 같은 조건은 모의실험의 계산 주기가 1[us]로써 1[MHz]의 계산 속도를 갖는 조건이다. 이는 일반적인 MCU(Micro Controller Units)로 디지털 필터를 사용하기에 부적합한 조건임에 따라 MCU에 환경에 맞는 조건하에서 ESR 측정 방안들을 적용해볼 필요가 있다. 이에 따라 디지털 필터들의 계산 주기가 스위칭 주파수와 동일한 20[kHz] 조건에서 모의실험을 진행한 결과는 다음과 같다.

그림 7. 계산 주기가 20[kHz]이고 ESR이 1[$\omega$]일 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형

Fig. 7. When the calculation period is 20 [kHz] and the ESR is 1[$\omega$], the simulation result waveform according to the ESR measurement method

그림 7은 계산 주기가 20[kHz]이고 ESR이 1[$\omega$]일 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형을 보여준다. 그림 7(a)는 3-level ANPC 인버터가 생성하는 3상 전류파형을 보여준다. 이는 ESR을 DC-link 커패시터에 추가하고 계산주기를 20[kHz]로 제한하여도 3-level ANPC 인버터가 정상적으로 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.

여기서 그림 6과 동일하게 High-side의 ESR과 Low-side의 ESR을 1[$\omega$]으로 설정하였다. 그림 7(b)를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 약 1.033[$\omega$]의 ESR을 계산하였다. AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때에는 약 0.997[$\omega$]의 ESR을 계산한 결과를 볼 수 있다. 이는 그림 7(b)와 다르게 계산 주기에 따라 RMS 기반의 ESR 측정 방안의 정확도가 떨어지는 것을 볼 수 있다.

그림 7(c)를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때에는 약 1.033[$\omega$]의 ESR을 계산하였다. AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때에는 약 0.997[$\omega$]의 ESR을 계산한 결과를 볼 수 있다. 이는 High-side측의 ESR을 측정한 결과와 동일하게 계산 주기에 따라 RMS 기반의 ESR 측정 방안의 정확도가 떨어지는 것을 볼 수 있었다.

2.4.2 ESR을 가변하였을 경우의 모의실험 결과 분석

두가지 방안의 효과를 더욱 비교 분석하기 위하여 ESR이 가변될 때의 모의실험을 진행하였다. 그림 8은 ESR을 변화시켰을 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형을 보여준다. 여기서 High-side의 ESR은 0.25[s]마다 0.5[$\omega$], 2[$\omega$], 1[$\omega$], 0.2[$\omega$]의 순서대로 변화시켰다. Low-side의 ESR은 0.25[s]마다 1[$\omega$], 0.7[$\omega$], 1[$\omega$], 0.1[$\omega$]의 순서대로 변화시켰다. 그림 8(a)는 3-level ANPC 인버터가 생성하는 3상 전류파형을 보여주며 ESR을 지속적으로 변화시켜도 3-level ANPC 인버터가 정상적으로 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.

그림 8. ESR을 변화시켰을 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형

Fig. 8. Simulation result waveform according to ESR measurement method when ESR is changed

그림 8(b)를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 ESR이 변화할 때마다 각각 0.5[$\omega$], 2[$\omega$], 1[$\omega$], 0.2[$\omega$]의 ESR을 계산한 모습을 볼 수 있다. 이는 High-side의 ESR이 변화하여도 두가지 방안의 ESR 측정 효과가 우수한 것으로 나타났다.

그림 8(c)를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 ESR이 변화할 때마다 각각 1[$\omega$], 0.7[$\omega$], 1[$\omega$], 0.1[$\omega$]의 ESR을 계산한 모습을 볼 수 있다. 이는 Low-side의 ESR이 변화하여도 두가지 방안의 ESR 측정 효과가 High-side와 같이 우수한 것으로 나타났다.

위와 같은 모의실험을 통하여 RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 모두 3-level ANPC 인버터의 DC-link 커패시터 ESR을 측정하기에 그 정확성이 우수하다고 판단할 수 있다. 계산 도달 시간 측면에서 볼 경우 RMS 기반의 ESR 측정 방안이 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때보다 조금더 우수한 것으로 나타났다.

그림 9. 계산 주기가 20[kHz]이고 ESR을 변화시켰을 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형

Fig. 9. Simulation result waveform according to the ESR measurement method when the calculation period is 20 [kHz] and the ESR is changed

그림 9는 계산 주기가 20[kHz]이고 ESR을 변화시켰을 때 ESR 측정 방안에 따른 모의실험 결과 파형을 보여준다. 여기서 High-side의 ESR은 그림 8(b)와 동일하게 0.25[s]마다 0.5[$\omega$], 2[$\omega$], 1[$\omega$], 0.2[$\omega$]의 순서대로 변화시켰다. Low-side의 ESR 또한 그림 8(c)와 동일하게 0.25[s]마다 1[$\omega$], 0.7[$\omega$], 1[$\omega$], 0.1[$\omega$]의 순서대로 변화시켰다. 그림 9(a)는 3-level ANPC 인버터가 생성하는 3상 전류파형을 보여주며 ESR을 지속적으로 변화시키면서 계산주기를 20[kHz]로 제한하여도 3-level ANPC 인버터가 정상적으로 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.

그림 9(b)를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 ESR이 변화할 때마다 각각 0.543[$\omega$], 2.07[$\omega$], 1.035[$\omega$], 0.513[$\omega$]의 ESR을 계산한 모습을 볼 수 있다. AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때에는 ESR이 변화할 때마다 각각 0.499[$\omega$], 1.99[$\omega$], 0.997[$\omega$], 0.2[$\omega$]의 ESR을 계산한 모습을 볼 수 있다. 이는 High-side의 ESR이 변화할 때 계산 주기 제한에 의하여 RMS 기반의 ESR 측정 방안의 정확도가 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때보다 줄어든 모습을 볼 수 있었다.

그림 9(c)를 살펴보면 RMS 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때 ESR이 변화할 때마다 각각 1.07[$\omega$], 0.738[$\omega$], 1.035[$\omega$], 0.291[$\omega$]의 ESR을 계산한 모습을 볼 수 있다. AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때에는 ESR이 변화할 때마다 각각 0.998[$\omega$], 0.699[$\omega$], 0.997[$\omega$], 0.097[$\omega$]의 ESR을 계산한 모습을 볼 수 있다. 이는 Low-side에서도 RMS 기반의 ESR 측정 방안의 정확도가 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하였을 때보다 줄어든 모습을 볼 수 있었다. 그림 9와 같은 결과를 표료 요약하면 표 2와 표 3과 같다.

표 2 DC-link 커패시터의 high-side ESR 측정 모의실험 결과 요약표

Table 2 Summary table of high-side ESR measurement simulation results

Method	Units	0.5[$\omega$]	2[$\omega$]	1[$\omega$]	0.2[$\omega$]
RMS Method	[$\omega$]	0.543	2.07	1.035	0.513
AC Coupling Method	[$\omega$]	0.499	1.99	0.997	0.2

표 3 DC-link 커패시터의 low-side ESR 측정 모의실험 결과 요약표

Table 3 Summary table of low-side ESR measurement simulation results

Method	Units	1[$\omega$]	0.7[$\omega$]	1[$\omega$]	0.1[$\omega$]
RMS Method	[$\omega$]	1.07	0.738	1.035	0.291
AC Coupling Method	[$\omega$]	0.998	0.699	0.997	0.097

이러한 결과는 계산 주기가 스위칭 주파수와 동일했기 때문이며 대역통과필터 계산에 필요한 샘플링의 개수가 충분하게 확보되지 않았기 때문이다. 즉, Op-Amp를 활용한 아날로그 필터를 설계하여 ESR을 측정할 경우 RMS 기반의 ESR 측정 방안이 효과적이며 MCU를 활용한 디지털 필터를 설계하여 ESR을 측정할 경우 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하는 것이 더욱 효과적이라고 판단된다.

3. 결 론

본 논문은 철도차량용 3-level ANPC 인버터의 DC-link 커패시터 고장 진단을 위하여 ESR 측정 방안을 적용하였을 때의 효과를 연구한다. 수송기기에 사용되는 인버터는 전압을 일정하게 유지하기 위하여 DC-link 커패시터가 사용되는데 이는 인버터에 사용되는 다른 부품들에 비하여 고장 발생률이 가장 높은 요소이다. 이에 따라 본 논문에서는 DC-link 커패시터의 고장을 모니터링할 수 있는 방안을 모색하기 위하여 ESR을 측정 방안들을 분석하였으며 이를 3-level ANPC 인버터에 적용한 모의실험을 통해 그 효과를 분석하였다.

그 결과, RMS 기반의 ESR 측정 방안과 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안 모두 3-level ANPC 인버터의 DC-link 커패시터 ESR을 측정할 수 있다는 가능성을 확인하였다.

세부적으로 Op-Amp를 활용한 아날로그 필터를 설계하여 ESR을 측정할 경우 RMS 기반의 ESR 측정 방안이 효과적이며 MCU를 활용한 디지털 필터를 설계하여 ESR을 측정할 경우 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안을 사용하는 것이 더욱 효과적이라고 사료된다.

Acknowledgements

This research was supported by a grant from R&D program (PK2303F1) of the Korea Railroad Research Institute and also supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20214000000060).

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저자소개

이현재 (Hyun-Jae Lee)

received his M.S. degree in Gachon University, Gyeonggi- Do, Korea in 2020. currently he is pursuing his Ph. D. degree in Gachon University, Gyeonggi- Do, Korea. His research interests are Power conversion and Power control.

김길동 (Gil-Dong Kim)

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

이건복 (Gun-Bok Lee)

He received the B.S. degree in electrical and information communications engineering from Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 2010, and the Ph.D. degree in electrical engineering at the Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang, Korea, in 2016. He was a Visiting Student with the Sensor Systems Laboratory, University of Washington in 2012. He is currently a senior researcher at the Smart Electrical & Signaling Division at the Korea Railroad Research Institute in Uiwang, Korea. His research interests are hydrogen powered locomotives, wireless power transfer, electromagnetic energy harvesting. E-mail : gunbok@krri.re.kr

손진근 (Jin-Geun Shon)

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

KIEEThe Transactions P of
the Korean Institute of Electrical Engineers

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleTrans. P of KIEE

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A Study on the Application Effect of ESR Measurement Methods for DC Capacitor Fault Diagnosis of 3-level ANPC Inverter for Railway Vehicles

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 철도차량용 인버터의 DC-link 커패시터 고장 진단을 위한 ESR 측정 방안들의 효과 분석

2.1 주파수 분석 기법 기반의 ESR 측정 방안

2.2 RMS 기반의 ESR 측정 방안

2.3 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안

2.4 모의실험을 통한 3-level ANPC 인버터에서 ESR 측정 방안의 적용 효과 분석

2.4.1 ESR 고정시의 모의실험 결과 분석

2.4.2 ESR을 가변하였을 경우의 모의실험 결과 분석

3. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

이현재 (Hyun-Jae Lee)

김길동 (Gil-Dong Kim)

이건복 (Gun-Bok Lee)

손진근 (Jin-Geun Shon)

Article Information (continued)

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KIEEThe Transactions P ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleTrans. P of KIEE

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A Study on the Application Effect of ESR Measurement Methods for DC Capacitor Fault Diagnosis of 3-level ANPC Inverter for Railway Vehicles

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 철도차량용 인버터의 DC-link 커패시터 고장 진단을 위한 ESR 측정 방안들의 효과 분석

2.1 주파수 분석 기법 기반의 ESR 측정 방안

2.2 RMS 기반의 ESR 측정 방안

2.3 AC 커플링 기반의 ESR 측정 방안

2.4 모의실험을 통한 3-level ANPC 인버터에서 ESR 측정 방안의 적용 효과 분석

2.4.1 ESR 고정시의 모의실험 결과 분석

2.4.2 ESR을 가변하였을 경우의 모의실험 결과 분석

3. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

이현재 (Hyun-Jae Lee)

김길동 (Gil-Dong Kim)

이건복 (Gun-Bok Lee)

손진근 (Jin-Geun Shon)

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