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목차
1. 서론 11
1-1. 연구의 배경 11
1-2. 기존의 연구 12
1-3. 연구의 내용 14
2. 인버터 시스템 고장 16
2-1. 고장의 종류 16
1. 전원단 고장(F0(이미지참조)) 16
2. 스위치 개방 고장(F₁) 16
3. 스위치 단락 고장(F₂) 17
4. 선간 단락 고장(F₃) 17
5. 한 상 지락 고장(F₄) 17
6. 전류 센서 고장(F5(이미지참조)) 18
7. 직류단 모선 지락 고장(F6(이미지참조)) 18
8. 직류단 커패시터 단락 회로 고장(F7(이미지참조)) 18
2-2. 보호시스템 19
2-3. 고장 검출 방법 21
2-3-1. 과전류 및 단락 고장 검출 21
2-3-2. 센서 고장 검출 23
2-3-3. 과전류(단락)/ 지락고상 검출 및 센서고장 검출 25
2-4. 인버터의 스위치 개방 회로 고장 27
2-4-1. 개방 회로 고장 현상 28
2-4-2. 반도체 보호용 속단 퓨즈를 이용한 단락회로 보호 36
2-5. 고장 허용 제어 토폴로지 37
2-5-1. 중성점 연결 방식 37
2-5-2. 여분의 스위치를 이용한 방식 38
3. 웨이브렛 변환 및 SVM 40
3-1. 웨이브렛 변환 40
3-1-1. 퓨리에 변환(FFT) 40
3-1-2. 웨이브렛 변환 41
3-1-2-1. 연속 웨이브렛 변환 (CWT) 42
3-1-2-2. 이산 웨이브렛 변환 (DWT) 44
3-2. Support Vector Machine 46
4. 제안하는 고장 판별 방법 52
4-1. 전류 신호 정규화 52
4-2. 평균 전류 벡터를 이용한 고장진단. 54
4-2-1. 평균 전류 벡터 54
4-2-1-1. 저역 통과 필터를 이용한 방법 55
4-2-1-2. 변동 샘플링을 이용한 방법 55
4-2-2. SVM 입력 56
4-2-3. SVM 훈련결과 59
4-3. 이산 웨이브렛 변환과 SVM을 이용한 방법 71
4-3-1. 이산 웨이브렛 변환 71
4-3-1-1. 이산 웨이브렛 변환을 위한 필터의 구성 71
4-3-1-2. 고장 시점 검출 - 전류 신호의 불연속 검출 73
4-3-2. SVM을 이용한 고장 판별 77
4-3-2-1. 고장 상(레그) 판별 78
4-3-2-2. 고장 스위치 판별 81
4-3-3. 고장 진단 진행 순서도 83
5. 시뮬레이션 결과 85
5-1. 시뮬레이션 조건 85
5-2. 시뮬레이션 결과 86
5-2-1. 유도기의 동작범위에서 오신호 발생 유무 확인 86
5-2-2. 구동 중의 외란 인가시 및 고장 발생시 고장 판별 신호의 발생 확인 86
6. 실험 결과 91
6-1. 실험장치의 구성 91
6-2. 실험결과 93
7. 결론 104
참고문헌 105
부록 110
요약 114
Abstract 115
표 3.1. 커널 함수와 해당 분류기 타입 51
표 4.1. SVM 훈련 파라미터 70
표 4.2. 필터 계수 72
표 5.1. 시뮬레이션에 사용된 유도전동기 정보 85
표 5.2. 시뮬레이션의 목적 85
표 6.1. 농형유도기 파라미터 92
그림 2.1. 인버터 시스템의 고장 종류 16
그림 2.2. 일반적인 보호시스템 19
그림 2.3. 과전류 및 단락 고장 검출을 위한 센서위치 21
그림 2.4. 고주파 전압주입을 이용한 센서 고장 검출법 23
그림 2.5. 센서를 이용한 고장검출 25
그림 2.6. 3상 PWM 인버터 27
그림 2.7. S1 고장 , 전류 극성 - 양 29
그림 2.8. S₁ 고장 , 전류 극성 - 음 29
그림 2.9. S₁ 고장시 전류 흐름 30
그림 2.10. 그림 2-9를 확대한 그림 31
그림 2.11. S₁ 고장이고 전류의 극성이 양일 경우 전류 흐름 패턴 33
그림 2.12. S₁ 고장 34
그림 2.13. S₂ 고장 34
그림 2.14. S₃ 고장 35
그림 2.15. S₄ 고장 35
그림 2.16. S5(이미지참조) 고장 35
그림 2.17. S6(이미지참조) 고장 35
그림 2.18. 스위치 단락 고장에 의해 퓨즈가 끊어진 상태. 36
그림 2.19. 중성점 연결을 통한 허용 제어 토폴로지 37
그림 2.20. 여분의 스위치를 이용한 허용 제어 토폴로지 38
그림 3.1. 비정상 신호(고장신호)에 대한 FFT 결과 41
그림 3.2. 비정상 신호(고장신호)에 대한 CWT 결과 43
그림 3.3. 고장신호에 대한 CWT 계수 43
그림 3.4. 3단계 2채널 해석 구조 45
그림 3.5. 최대 마진을 갖도록 분류된 두 집합 46
그림 3.6. 입력 공간에서 고차의 특징공간으로의 사상 50
그림 4.1. 전류 신호 (a) 원래의 전류 신호 (b) 정규 전류 신호 53
그림 4.2. 고장 스위치에 따른 고장 패턴 (a) 원래의 전류 신호 (b) 정규 전류 신호 53
그림 4.3. 다중 구조 SVM을 이용한 순차적 고장 판별 54
그림 4.4. 평균 전류 벡터의 움직임(S₂ 고장) (a) 식(4.4), (b) 식(4.5) 56
그림 4.5. 외란 인가시 평균 전류 벡터(x₁,x₂)의 패턴 (SVM1의 입력) 57
그림 4.6. 계단 속도 지령 인가시 평균 전류 벡터(x₁,x₂)의 패턴 - 무부하시 (SVM1의 입력) (a) 유도기 속도 (b),(c) 평균 전류 벡터 58
그림 4.7. 스위치(S₂)가 고장 났을 경우 평균 (실제) 전류 벡터의 패턴 59
그림 4.8. SVM 1에 대한 훈련 결과 (고장의 검출) 60
그림 4.9. Gaussian RBF 커널 - C : ∞ (a) σ : 0.1, (b) σ : 0.5 61
그림 4.10. Gaussian RBF 커널 - C: ∞ (a) σ : 5 , (b) σ : 500 62
그림 4.11. Exponential RBF 커널 - C : ∞ (a) σ : 0.5 , (b) σ : 5 63
그림 4.12. Polynomial 커널 - C : ∞ (a) n : 2 (b) n : 10 (c) n : 20 64
그림 4.13. Polynomial 커널 - n : 5 (a) C : ∞ (b) C : 1 (c) C : 0.1 65
그림 4.14. SVM 2 의 훈련 결과 (S₁ 고장 검출) 67
그림 4.15. SVM 3 의 훈련 결과 (S₂ 고장 검출) 68
그림 4.16. SVM 4 의 훈련 결과 (S₃ 고장 검출) 68
그림 4.17. SVM 5 의 훈련 결과 (S₄ 고장 검출) 69
그림 4.18. SVM 6 의 훈련 결과 (S5(이미지참조) 고장 검출) 69
그림 4.19. SVM 7 의 훈련 결과 (S6(이미지참조) 고장 검출) 70
그림 4.20. db4 (a) 스케일 함수 (b) 웨이브렛 함수 (c) low-pass (d) high-pass 71
그림 4.21. 필터의 주파수 특성 72
그림 4.22. 두 채널 필터 뱅크를 이용한 해석 구조 73
그림 4.23. 상전류 및 정규화된 전류와 세부신호 d3 (a)A상, (b)B상. 74
그림 4.24. (a) 유도전동기 속도(rpm), (b) 원래의 전류신호 (c) 정규화된 전류신호, (전류의 세부신호 d3 - (d) A상, (e) b상, (f) c상), (g) 토크 75
그림 4.25. SVM을 이용한 고장 판별 77
그림 4.26. 한 주기 전류의 구간별 샘플 수 (a) 정상 (b) 고장 79
그림 4.27. SVM1 훈련결과 80
그림 4.28. 고장에 의한 전류패턴 (a),(b),(c) 전류의 극성이 양일 때 고장난 경우 (d),(e) 전류의 극성이 음일 때 고장난 경우 81
그림 4.29. SVM2 훈련결과 82
그림 4.30. SVM을 이용한 고장 진단 진행 순서도 83
그림 5.1. 고장 발생기 87
그림 5.2. 시뮬레이션 결과 (a) 속도 (b) 상전류 (c) 정규 전류 신호 (d)-(f) 세부 신호 (g) 상 고장 판별 신호 (h) 스위치 고장 판별 신호 88
그림 5.3. 시뮬레이션 결과 (a) 속도 (b) 상전류 (c) 토크 (d) 세부신호 (e) 고장 상의 판별을 위한 특징 신호(SVM1입력) (g) 상 고장 판별 신호 (g) 스위치 고장 판별 신호 89
그림 5.4. 그림 5.3을 확대한 그림 90
그림 6.1. 실험장치의 구성도 92
그림 6.2. RL 부하의 전류 제어 - 갑작스런 주파수 지령 변화 (a) : 상전류 , (b) : 상(레그) 고장 판별 신호 (SVM1 출력) 95
그림 6.3. RL 부하 전류 제어 - 갑작스런 크기 지령 변화 (a) : 상 전류 , (b) : 상(레그) 고장 판별 신호 (SVM1 출력) 96
그림 6.4. RL 부하 전류 제어 - 주파수와 크기 지령 변화 ( 전류지 령 : f=60sinθ, iqe=14sinθ(이미지참조) ) (a) : 상전류 , (b) : 상(레그) 고장 판별 신호 (SVM1 출력) 97
그림 6.5. 전류 파형 (a) : 상 전류 (b) : 정규 전류 신호 98
그림 6.6. RL 부하 전류 제어 - (a) A, B, C상에 대한 SVM 1의 출 력신호 (b) A상 전류 99
그림 6.7. 유도기 벡터 제어 (a) SVM1의 출력 (b) A상전류 (c) A상 정규 전류 신호 (d) 속도 100
그림 6.8. SVM1의 출력 (a-h : 윗 스위치 고장 , a-l : 아래 스위치 고장), A상의 정규 전류 신호 (b-h : 윗 스위치 고장 , b-l : 아래 스위치 고장) 101
그림 6.9. 윗 스위치 S1 고장 (a) SVM1의 출력 (b) SVM2(고장 스 위치 판별)의 출력 (c) A상 정규 전류 신호 102
그림 6.10. 아래 스위치 S2 고장 (a) SVM1의 출력 (b) SVM2(고장 스위치 판별)의 출력 (c) A상 정규 전류 신호 103
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본 논문에서는 이산 웨이브렛 변환과 SVM을 이용한 3상 PWM 인버터 스위치의 개방 회로 고장 진단 방법을 제안하였다. 우선적으로 인버터 시스템의 고장의 종류와 고장 검출법에 대해 소개하였고, 이어서 스위치 개방 회로 고장 현상 및 허용 제어 토폴로지에 대해 언급하였다.
제안되는 스위치 개방 회로 고장 검출 방법은 정지 좌표계의 d축과 q축의 평균 전류 벡터를 이용한 방법과 각 상의 영 전류 샘플 수를 이용한 고장 판별 방법으로 나뉜다. 두 방법 모두 SVM이라는 학습 머신이 사용되며, 영 전류 샘플 수를 이용한 방법의 경우 고장 시점 검출을 위해 이산 웨이브렛 변환 알고리즘이 추가된다.
제안된 방법은 다양한 조건의 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성이 검증된다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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