본 발명은 기기의 분해나 별도의 배선이 필요 없이 위상제어정류기의 이상 유무를 신속하게 진단하도록 한 위상제어정류기의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 발전기의 계자권선에 직류전원을 공급하는 위상제어정류기의 고장을 진단하는 장치에 있어서, 상기 위상제어정류기의 직류 출력전압을 검출하는 전압검출기와, 상기 전압검출기의 검출전압에 포함된 노이즈를 제거하는 저주파통과필터 및, 상기 저주파통과필터의 출력신호를 스케일링하여 출력하는 스케일러를 포함하여 구성되는 신호처리수단과; 상기
신호처리수단의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털변환수단과; 상기 디지털신호로 변환된 상기 신호처리수단의 출력신호에 대하여 이산푸리에변환을 적용하여 각 주파수 성분을 구하고, 그 주파수 성분중에서 직류성분 다음으로 많은 주파수성분이 상기 위상제어정류기의 입력전원주파수의 특정 차수의 고조파성분인지에 따라 상기 위상제어정류기의 고장여부를 판정하는 고장판정수단을 구비하여, 사이리스터 소자 자체뿐만 아니라 게이트 구동회로를 포함한 위상제어정류기의 정상동작 유무를 판정하기 위하여 위상제어정류기의 직류 출력전압을 검출하고 이의 주파수 스펙트럼을 분석하여 일정 구간의 지배주파수가 6f(여기서 f는 위상제어정류기의 입력교류신호의 주파수)가 아닌 다른 주파수 성분이면 위상제어정류기는 정상 동작하지 않는 것으로 판정하므로, 최소의 하드웨어 및 최소의 배선으로 단시간에 위상제어정류기의 동작 상태를 판정하게 된다. 위상제어정류기의 고장 진단 장치 및 방법{Apparatus and method for diagnosing error of phase-controlled rectifier} 본 발명은 위상제어정류기의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전기의 계자권선에 직류전류를 공급하는 위상제어정류기의 이상 유무를 신속하게 판정하도록 한 장치 및 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 위상제어정류기가 정상적으로 동작하면 도 1에서 보는 바와 같이 그 위상제어정류기의 직류 출력전압은 3상이고 입력 주파수가
f인 경우 도 3a에 도시된 바와 같이 그 위상제어정류기의 출력파형은 6f-차수의 고조파를 포함하는 직류전압이 된다. 그러나, 도 2에서와 같이 사이리스터(thyristor)의 고장이나 혹은 게이트구동회로 등이 부분적으로 고장이 나면 직류 출력은 맥동 주파수 성분이 달라지게 된다. 즉, 1개의 사이리스터가 단락되었을 경우에는 상기 위상제어정류기의 출력 파형은 도 3b에 예시된 바와 같이 되고, 1상에 연결된 사이리스터의 게이트에 구동 신호가 연결되지 않아 1상으로만 동작하는 경우에는 상기 위상제어정류기의 출력 파형은 도 3c에 예시된 바와 같이 된다. 사이리스터의 고장 진단 장치가 장착되어 있지 않는 위상제어정류기의 경우 다른 건전한 상이 더 많은 전압을 출력하므로서 직류측의 실효치 전압은 바뀌지 않게 되고, 발전기의 단자전압 변동도 없게 된다. 이러한 상태로 계속 운전되면 건전한 각 사이리스터는 더 많은 전류를 부담하게 되므로 발열이 증가하여 최종적으로는
전체의 사이리스터 고장으로 이어진다. 따라서 위상제어정류기를 연속적으로 안정하게 운전하기 위해서는 사이리스터의 고장검출이 필수적이다. 이와 같이 종래에는 개별적으로 사이리스터 소자의 특성을 검사하였다. 이와 관련한 방식으로는 국내 특허출원번호 1997-66193호에 기재된 내용(명칭 : 사이리스터 열화진단장치)과 같이, 진단 대상 기기를 완전히 정지하고 기기로부터 사이리스터를 분리하여 여기에 전기적인 신호를 인가하여 정상적인 반도체 스위치로서의 기능을 하는지 여부를 검사하는 방식이 있다. 이 방식은 고장의 진단은 확실하나 운전중에 실시할 수 있는 방법이 아니어서 정기적으로 기기를 운전정지하고 시험해야 하는 단점이 있다. 또 다른 방식으로는 각각의 개별 사이리스터 양단의 전압과 이를 통과하는 전류를 검출하고 이 상태를 점호신호와 연관하여 도통 신호가 있어도 사이리스터가 도통상태로 되지 않거나 역전압이 인가되어도 전류가 차단되지 않는 상태를 고장으로
검출하는 방식이 있다. 이러한 방식 중 전자의 방식은 소자의 분리 및 배선이 필수적이며 진단장치가 있어야 하고 그 결과로부터 전문가가 판단해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 후자의 방식의 경우는 그 기능을 보유한 기기만이 진단이 가능하며, 이 기능을 구현하기 위해서는 개별 사이리스터마다 전압 센서 및 전류센서를 부착해야 하고 각각 신호처리부 및 판정회로가 필요하다는 단점이 있다. 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기기의 분해나 별도의 배선이 필요없이 위상제어정류기의 이상 유무를 신속하게 진단하도록 한 위상제어정류기의 고장 진단 장치를 제공함에 그 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적은 기기의 분해나 별도의 배선이 필요없이 위상제어정류기의 이상 유무를 신속하게 진단하도록 한 위상제어정류기의 고장 진단 방법을 제공함에 있다. 도 1은 위상제어정류기가 정상 동작일 경우의 일반적인 출력전압 파형을 예시한 도면, 도 2는 사이리스터가 1개 고장일 경우의 위상제어정류기의 일반적인 출력전압 파형을 예시한 도면, 도 3a는 위상제어정류기가 정상 동작일 경우의 일반적인 출력 파형을 예시한 도면, 도 3b 및 도 3c는 위상제어정류기에 고장이 발생된 경우의 일반적인 출력 파형을 예시한 도면, 도 4는 본 발명에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 장치가 적용된 여자제어시스템의 구성도, 도 5는 도 4에 도시된 신호처리수단의 내부구성도, 도 6은 본 발명에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 방법을 설명하는 플로우차트, 도 7은 본 발명의 방법 설명에 채용되는 이산푸리에변환의 결과값을 나타낸도면, 도 8a는 위상제어정류기가 정상 동작일 경우의 이산푸리에변환의 결과 출력을 예시한 도면, 도 8b 및 도 8c는 위상제어정류기에 고장이 발생된 경우의 이산푸리에변환의 결과 출력을 예시한 도면이다. ※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 1 : 동기발전기 2 : 단자전압 3 : 계자권선 4 : 변류기 5 : 변압기 6 : 승압 변압기 7 : 보조 전력용 변압기 8 : 위상제어정류기 9 : 자동전압조정기 10 : 신호처리부 11 : 아날로그-디지털 변환기 12 : CPU 14 ; 변압기 15 : 변류기 16 : 직류변류기 30 : 여자제어시스템 40 : 고장 진단 장치 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 장치는, 발전기의 계자권선에 직류전원을 공급하는 위상제어정류기의 고장을 진단하는 장치에 있어서, 상기 위상제어정류기의 직류 출력전압을 검출하는 전압검출기와, 상기 전압검출기의 검출전압에 포함된 노이즈를 제거하는 저주파통과필터 및, 상기 저주파통과필터의 출력신호를 스케일링하여 출력하는 스케일러를 포함하여 구성되는 신호처리수단과; 상기 신호처리수단의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털변환수단과; 상기 디지털신호로 변환된 상기 신호처리수단의 출력신호에 대하여 이산푸리에변환을 적용하여 각 주파수 성분을 구하고, 그 주파수 성분중에서 직류성분 다음으로 많은 주파수성분이 상기 위상제어정류기의 입력전원주파수의 특정 차수의 고조파성분인지에 따라 상기 위상제어정류기의 고장여부를 판정하는 고장판정수단을 구비한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 방법은, 전압검출수단에 의하여 검출된 위상제어정류기의 직류 출력전압에 대하여 노이즈 제거 및 스케일링을 행하는 제 1과정; 및 상기 노이즈 제거 및 스케일링 결과에 따른 신호에 대하여 이산푸리에변환을 적용하여 각 주파수 성분을 구하고, 그 주파수 성분중에서 직류성분 다음으로 많은 주파수성분이 상기 위상제어정류기의 입력전원주파수의 특정 차수의 고조파성분인지에 따라 상기 위상제어정류기의 고장여부를 판정하는 제 2과정을 구비한다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 장치가 적용된 여자제어시스템의 구성도로서, 동기발전기(1)의 계자권선(3)에 직류전압을 공급하는 여자제어시스템(30)은 상기 여자제어시스템(30)내의 위상제어정류기(8)의 정상 동작 여부를 진단하는 고장 진단 장치(40)를 추가로 구비한다. 상기 여자제어시스템(30)은 상기 동기발전기(1)의 출력단자의 전류를 검출하는 변류기(4), 상기 동기발전기(1)의 출력단자의 전압(2)을 검출하는 변압기(5), 상기 동기발전기(1)의 출력단자의 전압(2)을 적당한 비율로 승압하여 외부로 제공하는 승압변압기(6), 상기 변류기(4) 및 변압기(5)를 통해 입력되는 전압을 전압기준치와 비교하여 전원전압의 변동을 억제하고 출력단자를 통해 일정한 전압을 출력시키는 자동전압조정기(9), 상기 자동전압조정기(9)의 출력전압의 위상을 제어하여 상기 계자권선(3)으로 제공하는 위상제어정류기(8), 및 상기 위상제어정류기(8)에 전원을 공급하는 보조 전력용 변압기(7)를 구비한다. 그리고, 상기 고장 진단 장치(40)는 상기 위상제어정류기(8)의 직류 출력전압을 검출하고 이 검출된 전압에 대하여 노이즈 제거 및 스케일링을 행하는 신호처리부(10), 상기 신호처리부(10)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(11), 및 상기 아날로그-디지털 변환기(11)에서 출력되는 데이터를 입력받아 이산푸리에변환(Discrete Fourier Transform, 이하 DFT라 함)을 행하고 그 DFT결과값에 따라 상기 위상제어정류기(8)에 대한 고장 진단을 행하는 중앙처리장치(12)를 구비한다. 상기 고장 진단 장치(40)는 상기 동기발전기(1)의 상태뿐만 아니라 자동전압조정기(9) 및 위상제어정류기(8)의 상태도 검출할 수 있도록 구현된 것으로서, 상기 동기발전기(1)의 상태뿐만 아니라 자동전압조정기(9) 및 위상제어정류기(8)의 상태 검출에 있어서 상기 여자제어시스템(30)에 아무런 영향을 미치지 않도록 하기 위해 변압기(14)와 변류기(15, 16)에 의해 전기적인 신호의 절연을 행한다. 상기 변압기(14)의 1차측이 상기 변압기(5)와 자동전압조정기(9) 사이에 접속되고 상기 변압기(14)의 2차측이 상기 신호처리부(10)에 접속된다. 상기 변류기(15)는 상기 변류기(4)와 자동전압조정기(9) 사이에 설치되어 절연을 하면서 2차 전류를 상기 신호처리부(10)로 제공하며, 상기 변류기(16)는 위상제어정류기(8)의 출력단과 계자권선(3) 사이에 설치되어 직류전류를 상기 신호처리부(10)로 제공한다. 상기 신호처리부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 위상제어정류기(8)의 직류 출력전압을 검출하는 전압검출기(20), 상기 전압검출기(20)의 출력에 포함된 사이리스터의 스위칭 노이즈를 제거하는 저주파통과필터(21), 및 상기 저주파통과필터(21)의 출력신호를 상기 아날로그-디지털 변환기(11)의 입력신호에 맞도록 스케일링하는 스케일러(22; scaler)를 구비한다. 상기 스케일러(22)를 통과하여 아날로그-디지털 변환기(11)로 제공되는 신호는 전기적인 절연을 위하여 절연증폭기(23)를 거쳐 전달된다. 상기 아날로그-디지털 변환기(11) 및 중앙처리장치(12)는 상업용 컴퓨터의 슬롯상에 설치되고, 상기 중앙처리장치(12)에 의해 행해진 위상제어정류기(8)에 대한 고장 진단 결과는 해당 상업용 컴퓨터의 모니터를 통해 소정의 문자메시지로 나타날 수도 있으며, 해당 상업용 컴퓨터의 스피커를 통해 소정의 음성메시지로 나타날 수도 있다. 본 발명에서는 사이리스터 소자 자체뿐만 아니라 게이트 구동회로를 포함한 위상제어정류기(8)의 정상동작 유무를 판정하기 위하여 개별적으로 사이리스터의 전압 및 전류를 검출하는 대신 그 위상제어정류기(8)의 직류 출력전압을 검출하고 이의 주파수 스펙트럼을 분석하는 방법을 사용한다. 위상제어정류기(8)에 입력되는 교류신호의 주파수를 f라 할때 일정 구간의 주파수 스펙트럼의 분석을 통해서 지배주파수가 6f가 아닌 다른 주파수 성분이면 위상제어정류기(8)는 정상 동작하지 않는 것이 된다. 상기 위상제어정류기(8)의 직류 출력전압을 샘플링 주기(T)로 이산화하여 얻은 시퀀스신호를 f(kT)라고 하면, 이 시퀀스신호는 3상 전파정류기가 정상적으로 동작할 때는 특정 주파수 성분을 포함하게 된다. 즉, 입력교류신호의 주파수를 f라 하면의 고조파 성분을 가지게 된다. 또한, 각 고조파 차수의 크기에 있어서 정상적인 동작을 할 때는 0-차수 즉, 직류성분이 가장 많고 그 다음으로는 6차 성분이 많다. 그러나, 사이리스터에 고장이 발생되면 6차의 배수배가 아닌 차수의 고조파가 직류성분 다음으로 크게 된다. 이것은 위상제어정류기는 일정한 각도마다 점호되고 그 출력 파형은 주기적이라는 사실에 기인한다. 사이리스터나 혹은 게이트 구동회로의 고장시 일정한 시점마다 점호가 되지 않으므로 전원전압의 한 주기 내에서 각 점호시점의 출력 파형이 주기성을 상실하고, 그것을 주파수분석을 통해 검출하는 것이다. 주파수 성분을 추출하기 위하여 DFT를 사용할 수 있다. N개의 샘플링 데이터를 이용한 DFT 알고리즘은 다음의 식으로 표시할 수 있다. 여기서, 입력전원 주파수가 60Hz인 경우, 샘플링 주기 T = 1/1800[초]로 하고 30개 이상으로 DFT를 행하면 최소한 1주기의 입력 신호를 포함하게 된다. 따라서, N-점 DFT의 출력(F(n OMEGA))은 주파수 성분의 크기와 위상 정보를 출력하게 된다. 샘플링 주기(T)로 임의의 시점에서 N개의 데이터를 샘플링하여 이를 DFT하면 직류성분과 고조파 성분의 크기를 알 수 있고, 이로부터 위상제어정류기의 정상 동작 여부를 판정할 수 있다. DFT의 특성상 입력신호의 위상은 출력의 주파수 성분 크기와 관련이 없다. 따라서 시점에 관계없이 N개의 데이터의 취득만으로 주파수 특성을 알 수가 있다. 이어, 본 발명에 따른 위상제어정류기의 고장 진단 방법에 대해 도 6의 플로우차트를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 진단 시험을 하기 전에 시험 대상 정류기의 입력전원주파수(f_base), 상수(1 혹은 3상), 정류기 방식(전파정류, 반파정류, 세미콘버터 방식 등) 등의 데이터를 고장 진단 장치(40)로 입력한다(단계 S10). 이후, 시작 명령에 따라 상기 고장 진단 장치(40)내의 신호처리부(10)는 상기 위상제어정류기(8)의 직류 출력전압 정보를 취득한다. 즉, 상기 신호처리부(10)에서는 전압검출기(20)에 의해 상기 위상제어정류기(8)의 직류 출력전압을 검출하고, 상기 전압검출기(20)의 출력신호는 저주파통과필터(21)를 통해 노이즈성분이 제거된 후 스케일러(22)를 통해 스케일링되어 절연증폭기(23)를 거쳐 아날로그-디지털 변환기(11)로 입력된다. 그에 따라, 상기 아날로그-디지털 변환기(11)는 입력된 아날로그신호를 디지털신호로 변환(단계 S12)한 후 CPU(12)로 보낸다. 상기 CPU(12)는 상기 아날로그-디지털 변환기(11)에서 변환되어 출력되는 디지털 데이터의 수가 N의 값이 되면(단계 S14에서 "예") DFT연산을 수행한다(단계 S16). N-점 DFT 연산의 결과인 F(n OMEGA)의 N개의 계수는 예를 들어 N = 30, ~T = 1/1800이면이 된다. 즉, 60[Hz]의 배수로 나타나게 된다. 따라서 n = 0일 때의 값은 직류 성분이 되고 n에 따라서 고조파의 크기를 알 수 있다. 일반적으로 DFT는 고속의 FFT(Fast Fourier Transform)을 사용하기 위하여 N의 값을 2의 멱, 예를 들어 29= 512로 주게 된다. 따라서, 일반적으로는 N-점 DFT에서 각 주파수 성분은 아래의 식으로 주어진다. 여기서 m은 고조파의 차수로서 1, 2, 3, 4, 5, 6의 값이 되며 F(n OMEGA)의 x = (k의 반올림+1)번째 값이 그 고조파 성분의 크기가 된다. 그러나, 실제에 있어서는 입력주파수의 변동이 있을 수 있으므로 반드시 x번째 항이 m-차 고조파가 아닐 수도 있다. 따라서 적당한 크기의 영역을 이용하여 국부적인 최대 주파수 성분을 찾는 방법을 사용한다. m-차의 고조파 성분을 찾기 위해 위에서 계산한 x값에서 [x-△f, x+△f]인 영역을 이용하여 이 범위 내에서 최대인 F(n OMEGA)의 값을 찾아 그 값을 m-차 고조파 성분으로 판정한다. N을 128개로 한 경우의 DFT 출력이 도 7에 나타나 있다. N의 값이 2의 멱승 형태이므로 FFT 알고리즘으로 계산되고 그 결과는 중간을 대칭으로 동일한 값이 출력되므로 1/2만의 데이터를 취득하면 64개의 데이터가 된다. 여기서 m = 1, N= 128로 하여 아래의 식으로 계산하면 를 2로 하면 [3, 7] 사이에서 최대값을 찾을 수 있으며 그 값은 60[Hz] 성분이 된다(도 7에서 25), 또 m = 6으로 두고 계산하면 x = 27이 되고 [25, 29] 사이에서 최대값을 찾으면 그 값이 6차 고조파 성분이 된다(도 7에서 35). 이렇게 구해진 최대값들을 가지고 전원의 상수와 정류기 방식에 의해 결정된 최대 고조파 차수와 그 이하의 고조파에 대해서 각각의 최대값을 구하고 그 중에서 다시 최대값을 선택하여 이 주파수가 이미 결정된 기본파 성분인지를 판단한다(단계 S18). 그 판단결과, 상기 최종적인 최대값 선택에 의해 결정된 주파수가 이미 결정된 기본파 성분이면 정상 운전(단계 S20)하는 것으로 판정하고 그렇지 않으면 고장(단계 S22)으로 판정하여 화면에 표시하여 준다. 즉, 도 8a는 위상제어정류기(8)가 정상적인 동작을 할 경우 360[Hz] 성분이 직류 성분 다음으로 많은 것을 보여주고, 도 8b는 1개의 사이리스터가 단락되었을 때 120[Hz] 성분이 직류성분 다음으로 크다는 것을 보여주며, 도 8c는 1상이 개방되었을 때 60[Hz] 이하의 성분이 직류 성분보다 크다는 것을 보여 주므로, 상기 CPU(12)는 이를 이용하여 위상제어정류기(8)의 이상 유무를 판정한다. 상기 CPU(12)는 이러한 연산과 판정 알고리즘을 일정한 주기마다 계속 실행하여 위상제어정류기(8)의 이상 유무를 판정하게 된다. 한편, 디지털로 구현되는 자동전압조정기나 혹은 여자제어시스템에 있어서 동기발전기 및 위상제어정류기의 출력 전압 및 전류는 제어의 목적상 주 제어기가 그 정보를 상시로 보유하고 있다. 따라서 본 발명이 제안하는 알고리즘과 판단 절차를 수행하는 보조 함수의 추가를 통해서 위상제어정류기의 정상 동작 유무를 용이하게 판정할 수 있다. 이 방법의 장점은 사이리스터의 고장 검출을 위해 별도의 하드웨어장치가 필요하지 않다는 점이며, 혹은 별도의 하드웨어장치가 있다 해도 이 장치의 후비보호용(backup)으로 사용될 수 있다는 점이다. 이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 사이리스터 소자 자체뿐만 아니라 게이트 구동회로를 포함한 위상제어정류기의 정상동작 유무를 판정하기 위하여 위상제어정류기의 직류 출력전압을 검출하고 이의 주파수 스펙트럼을 분석하여 일정 구간의 지배주파수가 6f가 아닌 다른 주파수 성분이면 위상제어정류기는 정상 동작하지 않는 것으로 판정하므로, 최소의 하드웨어 및 최소의 배선으로 단시간에 위상제어정류기의 동작 상태를 판정하게 된다. 그리고, 본 발명에 따르면 발전기 자동전압조정기용이나 직류전동기 제어장치 등에서 사용되고 있는 위상제어정류기의 고장 진단을 용이하게 검사할 수 있고, 사이리스터의 고장뿐만 아니라 게이트 구동회로, 신호전송부 등의 주변장치를 포함하여 위상제어정류기의 전체적인 정상 운전 여부를 검사할 수 있다. 또한, 본 발명의 고장진단 장치 및 방법을 자동전압조정기 또는 직류전동기의 제어기에 실장할 경우 별도의 검출장치나 회로없이 소프트웨어적으로 위상제어정류기의 정상 동작 여부를 판정하게 된다. 한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형이 가능하고, 그 수정 및 변형된 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다. 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제어 정류기 중 특정 고조파를 제거할 수 있는 방법
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