AT519520B1 - Verfahren zur Überwachung von Filterkondensatoren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Betriebssicherheit von in Sternschaltung geschalteten Filterkondensatoren (CF) eines am netzseitigen Eingang einer dreiphasigen, mit Halbleiterschaltelementen (T1_1, T1_2, T1_3, T2_1, T2_2, T2_3) und Induktivitäten (LN) aufgebauten Gleichrichterschaltung angeordneten und mit Gleich- und Gegentaktstörungen belasteten Gleichtaktfilters, bei dem vorgeschlagen wird, dass die Kapazität oder ein zur Kapazität proportionaler Wert mithilfe von gemessenen Gleichtaktströmen (iCM) mit Frequenzen unterhalb oder gleich der Resonanzfrequenz (fres) des von den Filterkondensatoren (CF) des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten (LN) der Gleichrichterschaltung gebildeten Schwingkreises ermittelt wird, und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes (GW) ein Warnsignal generiert wird. Mithilfe der Erfindung gelingt es die Betriebssicherheit der Filterkondensatoren (CF) auf einfache Weise zu überwachen, und auf diese Weise mögliche Beeinträchtigungen der Filterkondensatoren (CF) frühzeitig zu erkennen.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Betriebssicherheit von in Sternschaltung geschalteten Filterkondensatoren eines am netzseitigen Eingang einer dreiphasigen, mit Halbleiterschaltelementen und Induktivitäten aufgebauten Gleichrichterschaltung angeordneten und mit Gleich- und Gegentaktstörungen belasteten Gleichtaktfilters, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Verfahren zur Überwachung der Betriebssicherheit von in Sternschaltung geschalteten Filterkondensatoren wurden etwa in der EP 2660962 A oder der EP 2919024 A1 beschrieben. In der modernen Leistungselektronik ist eine Vielzahl an unterschiedlichen Ausführungsformen von Gleichrichterschaltungen bekannt. Die Gleichrichterschaltungen stellen dabei im Wesentlichen aus netzseitigen, sinusförmigen Spannungen am Eingang eine möglichst konstante Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung bereit. Am netzseitigen Eingang weist die Schaltung dabei drei Phasen L1, L2, L3 auf. Die Phasenströme iL1,IL2,I_s Sind dabei in Phase mit den Phasenspannungen und weisen sinusförmigen Verlauf auf. Die Stromperiode der Schaltung ist durch die Netzperiode gegeben.

[0003] Eine Ausführungsform einer Gleichrichterschaltung wird etwa von sechs regelbaren Halbleiterschaltelementen, vorzugsweise Leistungsschaltern (IGBTs), gebildet, die durch entsprechendes Schalten mit einer gegebenen Schaltfrequenz aus den netzseitigen, sinusförmigen Spannungen am Eingang die gleichgerichtete Spannung erzeugen. In der Regel werden hierfür die regelbaren Schaltelemente durch eine geeignete Ansteuereinheit entsprechend geschaltet, bei der es sich etwa um einen Pulsweitenmodulator handeln kann, der eingehende Modulationssignale in ausgehende pulsweitenmodulierte Schaltsignale für die Schaltelemente umwandelt.

[0004] Am gleichstromseitigen Ausgang ist mit den Ausgangsleitungen eine Last verbunden, die auch eine weitere elektronische Schaltung, etwa ein weiterer Stromumrichter, sein kann, wobei die Gleichrichterschaltung in diesem Fall als sogenannter Gleichrichter mit Spannungszwischenkreis verwendet wird. Des Weiteren sind am gleichstromseitigen Ausgang zwischen den Ausgangsleitungen üblicherweise Ausgangskondensatoren vorgesehen. Aufgrund der hohen gleichgerichteten Spannung müssen zwei Kondensatoren in Serie geschalten werden. Werden bidirektionale Schalter zwischen den jeweiligen Netzphasen und dem Mittelpunktanschluss der Ausgangskondensatoren verwendet, entsteht eine so genannte aktive 3-Level Gleichrichterstruktur. Die Kommutierungen erfolgen dann nur mit halber Zwischenkreisspannung, wodurch die Leistungsschalter sperrspannungsmäßig nur mit halber Zwischenkreisspannung belastet werden. Auf diese Weise können auch Schaltverluste verringert und die Schaltfrequenz erhöht werden. Zudem kann die Eingangsdrossel kleiner ausgeführt werden.

[0005] Der Betrieb von Gleichrichterschaltungen geht jedoch stets mit der Bildung von Störsignalen einher, die in Gleichtaktstörungen (engl. Common mode noise) und Gegentaktstörungen (engl. Differential mode noise) unterteilt werden und vor allem auf die Schaltvorgänge der Schaltelemente der Gleichrichterschaltung zurückzuführen sind. Gleichtaktstörungen beschreiben Störsignale gegenüber Erde, die in allen drei Phasen gleich auftreten, während Gegentaktstörungen zwischen zwei Phasen auftreten und in jeder Phase unterschiedlich sein können. Diese Störsignale zeigen ein vielfältiges Frequenzspektrum, das unter anderem hochfrequente Anteile mit Schaltfrequenz und Vielfachen der Schaltirequenz aufweist. Diese Störsignale können eine Vielzahl unerwünschter Wirkungen zeigen, etwa unerwünschte Netzrückkopplungen, Lagerströme bei Verwendung der Gleichrichterschaltung in Motorumrichter, oder auch Beeinträchtigungen der Funktionsweise anderer elektronischer Systeme durch hochfrequente Störsignale. Daher werden Gleichrichterschaltungen am netzseitigen Eingang zumeist mit Filteranordnungen versehen. Beispielsweise werden oft LC- oder LCL-Filterstrukturen verwendet, welche mit den Phasen L1, L2, L3 verbundene, sternförmig angeordnete Filterkondensatoren aufweisen. Diese Eingangsfilter reduzieren Gegentaktstörungen am Netz beträchtlich, weisen aber nur eine sehr geringe Abschwächung von Gleichtaktstörungen auf. Der Sternpunkt der sternförmig

angeordneten Filterkondensatoren kann jedoch mit dem Mittelpunktanschluss der Ausgangskondensatoren verbunden werden. Diese Filteranordnung wird auch als Gleichtaktfilter (engl. Common mode filter) bezeichnet und soll den aufgrund der Gleichtaktstörungen entstehenden Gleichtaktstrom in seiner Entstehung und Ausbreitung zum Netz hindern, indem die Impedanz in Richtung des Netzes entsprechend erhöht und/oder ein möglichst großer Anteil des Gleichtaktstroms über eine Verbindung entsprechend niedriger Impedanz zum Ausgang zurückgeführt wird.

[0006] Diese Gileichtaktfilter zeigen an sich gute Resultate. Die Filterkondensatoren werden allerdings zusätzlich mit dem Gleichtaktstrom beansprucht. Im praktischen Einsatz lässt sich beobachten, dass die Filterkondensatoren aufgrund äußerer Einflüsse eine reduzierte Lebensdauer aufweisen, insbesondere unter heißen Umgebungsbedingungen und bei hoher Luftfeuchtigkeit. Danach zeigt sich eine allmähliche Reduktion der Kapazität mit entsprechender Zunahme der Kondensatorströme, die mitunter auch zur Brandentwicklung führen kann. Eingangsfilter weisen somit die unangenehme Eigenschaft auf, dass ihre technische Funktion bei Betrieb mit erhöhter Umgebungstemperatur und hoher Luftfeuchtigkeit mitunter bereits nach wenigen Jahren zunehmend beeinträchtigt ist und die oben beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit den Störsignalen wieder verstärkt auftreten, etwa die Beeinträchtigung anderer Systeme durch hochfrequente Störsignale.

[0007] Daher wäre es wünschenswert, wenn die Filterkondensatoren entsprechend überwacht werden könnten, um deren ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Eine Möglichkeit bestünde etwa darin den Strom und die Spannung an jedem Kondensator zu messen und durch Quotientenbildung gemäß den hinlänglich bekannten Formeln die Kapazität zu ermitteln. Eine solche Vorgangsweise erfordert aber Strom- und Spannungsmessungen an jedem Kondensator, und somit einen entsprechenden messtechnischen Aufwand.

[0008] Es ist daher das Ziel der Erfindung die Betriebssicherheit der Filterkondensatoren auf einfache Weise zu überwachen, um mögliche Beeinträchtigungen der Filterkondensatoren frühzeitig erkennen zu können.

[0009] Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Betriebssicherheit von in Sternschaltung geschalteten Filterkondensatoren eines am netzseitigen Eingang einer dreiphasigen, mit Halbleiterschaltelementen und Induktivitäten aufgebauten Gleichrichterschaltung angeordneten und mit Gleich- und Gegentaktstörungen belasteten Gileichtaktfilters. Erfindungsgemäß wird hierbei vorgeschlagen, dass die Kapazität oder ein zur Kapazität proportionaler Wert mithilfe von gemessenen Gleichtaktströmen mit Frequenzen unterhalb oder gleich der Resonanzfrequenz des von den Filterkondensatoren des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten der Gleichrichterschaltung gebildeten Schwingkreises ermittelt wird, und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein Warnsignal generiert wird.

[0010] Erfindungsgemäß wird somit die Kapazität oder ein zur Kapazität proportionaler Wert zur Überwachung der Betriebssicherheit der Filterkondensatoren herangezogen. Bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes wird ein Warnsignal generiert, das den Anwender auf die fehlende Betriebssicherheit der Filterkondensatoren hinweist. Dabei kann etwa ein erstes Warnsignal bei Unterschreiten eines ersten Grenzwertes als Vorwarnsignal vorgesehen sein, um noch vor dem Eintreten von Problemen aufgrund fehlender Betriebssicherheit erforderliche Maßnahmen wie das Wechseln der Filterkondensatoren setzen zu können. Zudem kann ein zweites Warnsignal bei Unterschreiten eines zweiten Grenzwertes, der unterhalb des ersten Grenzwertes liegt, vorgesehen sein, um etwa eine sofortige Außerbetriebnahme des betroffenen Umrichters anzuzeigen. Erfindungsgemäß werden des Weiteren Gleichtaktströme mit Frequenzen unterhalb oder gleich der Resonanzfrequenz des von den Filterkondensatoren des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten der Gleichrichterschaltung gebildeten Schwingkreises zur Beurteilung der Betriebssicherheit der Filterkondensatoren herangezogen. Beobachtungen der Anmelderin haben nämlich gezeigt, dass sich bei diesen Frequenzen die Abnahme der Kapazität mit ausreichender Deutlichkeit feststellen lässt, um eine zuverlässige Beurteilung der Be-

triebssicherheit zu ermöglichen, wie noch näher ausgeführt werden wird.

[0011] Die Messung der Gleichtaktströme sowie die Ermittlung der Kapazität oder eines zur Kapazität proportionalen Wertes kann auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden. So könnten die Gleichtaktströme etwa mithilfe einer Straommessung in der elektrischen Leitung zwischen dem Sternpunkt der sternförmig angeordneten Filterkondensatoren und dem Mittelpunktanschluss der Ausgangskondensatoren der Gileichrichterschaltung gemessen werden. Diese Vorgangsweise erfordert allerdings die Anordnung eines zusätzlichen Stromsensors. Daher wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass der Gleichtaktstrom durch Addition der in jeder der drei Phasen gemessenen Eingangsströme am netzseitigen Eingang ermittelt wird. Bei dieser Addition verbleibt lediglich der Gleichtaktstrom als Summenwert, da sich die Gegentaktströme neben den eigentlichen Phasenströmen zu Null addieren. Die Eingangsströme werden aber ohnehin zur Überwachung und Regelung des Umrichters gemessen, sodass hierfür kein zusätzlicher messtechnischer Aufwand erforderlich ist.

[0012] Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Kapazität oder eines zur Kapazität proportionalen Wertes anhand der so gemessenen Gleichtaktströme besteht vorzugsweise darin, den Effektivwert des Gleichtaktstromes bei der Frequenz der dritten Netzharmonischen oder bei ungeraden Vielfachen dieser Frequenz als einen zur Kapazität proportionalen Wert zu ermitteln. Die Gleichtaktspannung ist nämlich nur von der Zwischenkreisspannung abhängig und direkt proportional zur Zwischenkreisspannung. Da die Zwischenkreisspannung bekannt ist, hängt der Kapazitätswert daher nur vom Effektivwert des Gleichtaktstroms ab, der somit zur Beurteilung der Filterkondensatoren herangezogen werden kann. Die dritte Netzharmonische zeigt mitunter auch eine Abhängigkeit von der für die Halbleiterschaltelemente gewählten Modulationsfunktion, sodass bei Anderungen der Modulationsfunktion die Wahl von Netzharmonischen mit ungeraden Vielfachen der Frequenz der dritten Netzharmonischen, also etwa der neunten Netzharmonischen, vorteilhaft sein kann, die eine solche Abhängigkeit nicht zeigen. Dabei könnte in weiterer Folge die Kapazität unter Quotientenbildung mit dem Effektivwert der Gleichtaktspannung errechnet werden, und die so errechnete Kapazität mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen werden, oder es wird der Effektivwert des Gleichtaktstroms nach Multiplikation mit einem entsprechenden Korrekturfaktor für die Zwischenkreisspannung mit entsprechenden Grenzwerten verglichen.

[0013] Dabei ist es auch denkbar, dass ein Gleichtaktsignal einer ungeraden Vielfachen der Frequenz der dritten Netzharmonischen zum Modulationssignal für die Halbleiterschaltelemente addiert wird, da solch ein Gleichtaktsignal, das zu den Modulationssignalen der drei Phasen des Umrichters hinzuaddiert wird, keine Auswirkungen auf die Eingangsströme hat. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass nur ungerade Vielfache der dritten Netzharmonischen keine nachteiligen Auswirkungen haben.

[0014] Eine bevorzugte Möglichkeit zur Ermittlung des Effektivwerts des Gleichtaktstromes bei der Frequenz der dritten Netzharmonischen oder ungeraden Vielfachen dieser Frequenz besteht etwa darin, die Netzharmonische mithilfe eines Tiefpassfilters mit einer Grenzfrequenz oberhalb der Frequenz der dritten Netzharmonischen oder ungeraden Vielfachen dieser Frequenz aus dem gemessenen Gleichtaktstrom zu ermitteln und mit einer zumindest der Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Abtastrate abzutasten, und aus den abgetasteten Werten den Effektivwert des gefilterten Gleichtaktstroms zu errechnen. Da die Frequenz etwa der dritten Netzharmonischen das Dreifache der Netzfrequenz beträgt, also 150 Hz, ist eine Abtastrate mit zumindest der Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente, die im kHz-Bereich liegt, somit ausreichend. Die Ermittlung eines zur Kapazität proportionalen Wertes anhand des so abgetasteten Gleichtaktstromes kann dabei digital erfolgen, oder auch analog. Im Zuge einer bevorzugten Ausführung können die abgetasteten Werte einem Quadrierer zugeführt werden, dessen Ausgangssignal mithilfe eines Tiefpassfilters geglättet wird. Das Ergebnis ist ein dem Quadrat des Effektivwerts des Gleichtaktstromes entsprechender Wert, der in weiterer Folge nach Multiplikation mit einem entsprechenden Korrekturfaktor für die Zwischenkreisspannung als ein zur Kapazität proportionaler Wert für den Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten, die auf das Quadrat des Gleichtaktstromes abstellen, herangezogen werden kann.

[0015] Als Alternative zur oben beschriebenen Vorgangsweise auf Basis von Netzharmonischen wird vorgeschlagen, dass aus den gemessenen Gileichtaktströmen mithilfe eines Tiefpassfilters Gleichtaktströme mit Frequenzen unterhalb der Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente ermittelt und abgetastet werden, und aus den abgetasteten Werten mithilfe einer Fourier- Transformation die Resonanzfrequenz des von den Filterkondensatoren des Gileichtaktfilter und den Induktivitäten der Gleichrichterschaltung gebildeten Schwingkreises als ein zur Kapazität proportionaler Wert als Maximum im Frequenzspektrum ermittelt wird. Die Filterkondensatoren des Gileichtaktfilters und die Induktivitäten der Gleichrichterschaltung können mit der von der Gleichrichterschaltung gebildeten Störspannungsquelle als Schwingkreis aufgefasst werden, dem eine Resonanzfrequenz zugeordnet werden kann. Beobachtungen der Anmelderin haben nun ergeben, dass sich diese Resonanzfrequenz bei zunehmender Beeinträchtigung der Filterkondensatoren mit ausreichender Deutlichkeit verändert, um eine zuverlässige Beurteilung der Betriebssicherheit zu ermöglichen. Die Resonanzfrequenz ist über hinlänglich bekannte Formeln abhängig von der Kapazität der Kondensatoren, sodass sich somit auch die Resonanzfrequenz als ein zur Kapazität proportionaler Wert verwenden lässt, der sich mit vorgegebenen Grenzwerten vergleichen lässt. Die Resonanzfrequenz liegt aber in der Regel zwischen den niederfrequenten Oberschwingungsfrequenzen des Netzes und unterhalb der Schaltfrequenz der Halbleiterelemente. Die Schaltirequenzanteile können daher nicht mehr in einfacher Weise mit einem Tiefpassfilter weggefiltert werden, sodass auch die Abtastrate entsprechend höher gewählt werden muss. Abtastraten in der Höhe der Zehnfachen Schaltfrequenz sollten jedenfalls ausreichend sein. Die so abgetasteten Werte können in weiterer Folge einer schnellen Fourier-Transformation (FFT, Fast Fourier Transformation) oder diskreten Fourier-Transformation (DFT, Discrete Fourier Transformation) unterzogen werden, um das Frequenzspektrum zu errechnen. Die Resonanzfrequenz erscheint im entsprechenden Bereich des Frequenzspektrums als Maximum, sodass über die Ermittlung des Maximums im Frequenzspektrum die Resonanzfrequenz ermittelt werden kann. Die Resonanzfrequenz kann in weiterer Folge als ein zur Kapazität proportionaler Wert mit vorgegebenen Grenzwerten, die auf die Resonanzfrequenz abstellen, verglichen werden.

[0016] Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auch auf einen Umrichter mit einem Prozessor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein erfindungsgemäßer Umrichter wird dabei in der Regel einen Prozessor aufweisen, auf dem entsprechende Softwaremodule zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmale implementiert sind.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen die

[0018] Fig. 1 beispielhaft eine Ausführungsform einer Gleichrichterschaltung mit Gleichtaktfilter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

[0019] Fig. 2 eine Darstellung zur beobachteten Verschlechterung der Funktion von Filterkondensatoren,

[0020] Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Beurteilung der Betriebssicherheit von

Filterkondensatoren,

[0021] Fig. 4a ein Ersatzschaltbild für den von den Filterkondensatoren des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten der Gleichrichterschaltung mit der von der Gleichrichterschaltung gebildeten Störspannungsquelle gebildeten Schwingkreis,

[0022] Fig. 4b eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen Gileichtaktstrom und Schwingkreisfrequenz für das Ersatzschaltbild der Fig. 4a und dessen Entwicklung mit zunehmendem Alter der Filterkondensatoren,

[0023] Fig. 5 eine schematische Darstellung einer möglichen Implementierung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

[0024] Fig. 6 eine weitere Darstellung zur Ausführungsform gemäß der Fig. 5 in analoger Umsetzung,

[0025] Fig. 7 eine schematische Darstellung einer möglichen Implementierung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine Gleichtaktkomponente mit neunter Stromharmonischen zur Modulationsfunktion des Umrichters hinzuaddiert wird,

[0026] Fig. 8a ein Ersatzschaltbild für den von den Filterkondensatoren des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten der Gleichrichterschaltung mit der von der Gleichrichterschaltung gebildeten Störspannungsquelle gebildeten Schwingkreis für die Ausführungsform gemäß der Fig. 7,

[0027] Fig. 8b eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen Gileichtaktstrom und Schwingkreisfrequenz für das Ersatzschaltbild der Fig. 8a und dessen Entwicklung mit zunehmendem Alter der Filterkondensatoren, und die

[0028] Fig. 9 eine schematische Darstellung einer möglichen Implementierung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Zuhilfenahme schneller Fourier-Transformation.

[0029] Die Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Gleichrichterschaltung als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren. In der Figur 1 ist netzseitig ein Neutralpunkt N, das Massen-Potential des Netzes, dargestellt. Am gleichstromseitigen Ausgang ist mit den Ausgangsleitungen +uo/2 und -uo/2 eine Last verbunden. Des Weiteren sind am gleichstromseitigen Ausgang zwischen den Ausgangsleitungen +uo/2 und -uov/2 üblicherweise Ausgangskondensatoren Cop und Con mit einem gemeinsamen Mittelpunktanschluss M vorgesehen. Die Last kann auch eine weitere elektronische Schaltung, etwa ein weiterer Stromumrichter, sein, wobei die dargestellte Gleichrichterschaltung dann als sogenannter Gleichrichter mit Spannungszwischenkreis verwendet wird. Des Weiteren weist die Schaltung gemäß Figur 1 eingangsseitig in jeder Phase noch eine Eingangsdrossel Ln auf. Die Phasenströme iL1,IL2,I3 sind in Phase mit den Netzspannungen und daher entsprechend eines Drehstromnetzes phasenverschoben. Die Stromperiode der Schaltung ist dabei durch die Netzperiode fy gegeben. Die Gleichrichtanordnung wird aus sechs vorzugsweise als Leistungsschalter (IGBTs) ausgebildete Halbleiterschaltelemente T+; 1, T4_2, T+3, T2 1, T22 und T> 3 gebildet. Des Weiteren sind in der gezeigten Ausführungsform einer 3-Level Gleichrichterstruktur rückwärtssperrende Leistungsschalter (IGBTs) Ts 1, Ta +1, Ta 2, T4 2, Sowie Ts 3 und T4 3 zu jeder Phase L1, L2, L3 gezeigt und mit dem gemeinsamen Mittelpunktanschluss der Ausgangskondensatoren Cop und Con verbunden. Schaltungen gemäß der Fig. 1 verfügen des Weiteren über einen Prozessor (in der Fig. 1 nicht ersichtlich) zur Steuerung der verwendeten Leistungsschalter.

[0030] Der Betrieb von Gleichrichterschaltungen geht jedoch wie bereits erwähnt mit der Bildung von Störsignalen einher, die in Gleichtaktstörungen (engl. Common mode noise) und Gegentaktstörungen (engl. Differential mode noise) unterteilt werden und vor allem auf die Schaltvorgänge der Schaltelemente der Gleichrichterschaltung zurückzuführen sind. Daher werden Gileichrichterschaltungen am netzseitigen Eingang mit Filteranordnungen in LC- oder LCL-Ausführung versehen, die beispielsweise mit den Phasen L1, L2, L3 verbundene, sternförmig angeordnete Filterkondensatoren Cr aufweisen, und deren Sternpunkt mit dem Mittelpunktanschluss M der Ausgangskondensatoren Cop und Con der Gleichrichterschaltung verbunden ist. Diese Filteranordnung wird auch als Gleichtaktfilter (engl. Common mode filter) bezeichnet und soll den aufgrund der Gleichtaktstörungen entstehenden Gleichtaktstrom in seiner Entstehung und Ausbreitung zum Netz hindern.

[0031] Wie bereits erwähnt wurde, werden die Filterkondensatoren Cr allerdings sehr beansprucht, wobei sich im praktischen Einsatz beobachten lässt, dass die Lebensdauer der Filterkondensatoren aufgrund äußerer Einflüsse reduziert werden kann, wie anhand der Fig. 2 erläutert wird. Gemäß Fig. 2 zeigt sich im Vergleich zu den gewünschten Kapazitätswerten (obere Kurve) eine allmähliche Reduktion der Kapazität (untere Kurve), die auf den Betrieb bei erhöhter Umgebungstemperatur von 40°C und hoher Luftfeuchtigkeit bei permanenter Spannungsbelastung zurückzuführen ist. Die technische Funktion der Kondensatoren und somit der Gleichtaktfilterstufe kann somit bereits nach wenigen Jahren beeinträchtigt sein, und daher können

Probleme im Zusammenhang mit Störsignalen wieder verstärkt auftreten, etwa unerwünschte Netzrückkopplungen, Lagerströme bei Verwendung der Gleichrichterschaltung in Motorumrichter, oder die Beeinträchtigung anderer Systeme durch hochfrequente Störsignale.

[0032] Daher wäre es wünschenswert, wenn die Filterkondensatoren Cr: entsprechend überwacht werden könnten, um deren ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Hierfür wird vorgeschlagen die Kapazität oder einen zur Kapazität proportionalen Wert zur Überwachung der Betriebssicherheit der Filterkondensatoren Cr. heranzuziehen, wie anhand der Fig. 3 erläutert wird. Bei Unterschreiten eines vorgegebenen ersten Grenzwertes GW+ wird ein Vorwarnsignal generiert, das den Anwender auf eine bevorstehende fehlende Betriebssicherheit der Filterkondensatoren Cr hinweist. Bei Unterschreiten eines zweiten Grenzwertes GW, der unterhalb des ersten Grenzwertes GW; liegt, wird ein Warnsignal generiert, das eine sofortige Außerbetriebnahme des betroffenen Umrichters empfiehlt.

[0033] In weiterer Folge sollen unterschiedliche Möglichkeiten zur Ermittlung eines Werts vorgeschlagen werden, der sich zur Bewertung der Betriebssicherheit gemäß der Fig. 3 eignet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird hierfür die Kapazität oder ein zur Kapazität proportionaler Wert für die Filterkondensatoren Cr des Gleichtaktfilters ermittelt und mit den Grenzwerten GW: und GW, verglichen. Zur Erläuterung der unterschiedlichen Möglichkeiten wird zunächst auf die Fig. 4 Bezug genommen. Die Fig. 4a zeigt dabei ein Ersatzschaltbild für den von den Filterkondensatoren Cr des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten Ly der Gleichrichterschaltung mit der von der Gileichrichterschaltung gebildeten Störspannungsquelle Ucm gebildeten Schwingkreis. Hinsichtlich der Störspannungsquelle Ucm wird schematisch angedeutet, dass die Störspannungen hochfrequente Anteil UcmHF aufgrund der Schaltvorgänge der Schaltelemente enthalten, sowie im Vergleich dazu niederfrequente Anteile Ucm-, beispielsweise aufgrund einer gewünschten dritten Harmonischen Spannungskomponente, welche zur Erhöhung des Aussteuergrades der Gleichrichterschaltung verwendet wird. Die Fig. 4b zeigt eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Gileichtaktstrom icm und der Schwingkreisfrequenz f für das Ersatzschaltbild der Fig. 4a. Der Gleichtaktstrom icm steigt zunächst mit zunehmender Schwingkreisfrequenz f an (durchgezogene Kurve), und fällt nach Erreichen der Resonanzfrequenz fres wieder ab. Mit zunehmendem Alter der Filterkondensatoren Cr (gestrichelte Kurve) verschiebt sich die Resonanzfrequenz fies ZU höheren Werten, was aufgrund des hinlänglich bekannten Zusammenhangs zwischen der Resonanzfrequenz f,es, der Induktivität und der Kapazität eines Schwingkreises auf eine abnehmende Kapazität schließen lässt. Es ist jedoch bemerkenswert, dass für Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz fres kein merklicher Unterschied zwischen einem unbeeinträchtigten Filterkondensator Cr. (durchgezogene Kurve) und einem beeinträchtigten Filterkondensator Cr (gestrichelte Kurve) besteht. Für Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz fres Ist jedoch ein deutlicher Unterschied zu beobachten, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung für eine Bewertung der Betriebssicherheit von Filterkondensator Cr herangezogen wird.

[0034] Die Fig. 5 zeigt etwa eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der gemäß Fig. 4b beobachtete Sachverhalt ausgenutzt wird, dass sich der Gleichtaktstrom icm bei gleicher Frequenz verringert. Hierbei wird der Effektivwert Icm,rms des Gleichtaktstromes icm bei der Frequenz 3fn der dritten Netzharmonischen als ein zur Kapazität der Filterkondensatoren Cr proportionaler Wert ermittelt. Nach Ermittlung des zeitabhängigen Gleichtaktstromes icm, etwa durch Messung der in jeder der drei Phasen L1, L2, L3 gemessenen Eingangsströme am netzseitigen Eingang und deren Addition, wird die dritte Netzharmonische mithilfe eines Tiefpassfilters LP mit einer Grenzfrequenz oberhalb der Frequenz 3fy der dritten Netzharmonischen aus dem gemessenen Gleichtaktstrom icm gefiltert. Der gefilterte Gleichtaktstrom Icm1F enthält nur mehr entsprechend niedrige Frequenzanteile im Bereich der dritten Netzharmonischen und wird in weiterer Folge mit einer zumindest der Schaltfrequenz fs der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Abtastrate abgetastet. Aus den abgetasteten Werten kann der Effektivwert icm,arms des Gleichtaktstroms icm als Quadratwurzel des quadratischen Mittelwerts des zeitlich veränderlichen Gleichtaktstroms icm errechnet werden. Dieser Effektivwert icm,ams des Gleichtaktstroms icm kann nach Multiplikation mit einem entsprechenden Kor-

rekturfaktor Veus/Veus,nom für die Zwischenkreisspannung Veus mit entsprechenden Grenzwerten GW;(icm) und GW,(icm) verglichen werden.

[0035] Die Ermittlung eines zur Kapazität proportionalen Wertes anhand des abgetasteten Gleichtaktstromes icm kann dabei digital erfolgen, oder auch analog, wie anhand der Fig. 6 gezeigt wird. Im Zuge einer analogen Ermittlung können die gefilterten und abgetasteten Werte einem Quadrierer 1 zugeführt werden, dessen Ausgangssignal mithilfe eines Tiefpassfilters 2 geglättet wird. Das Ergebnis ist ein dem Quadrat des Effektivwerts des Gleichtaktstromes i°cm,aRms entsprechender Wert, der in weiterer Folge nach Multiplikation mit dem Korrekturfaktor Veus/Veus,nom für die Zwischenkreisspannung Veus als ein zur Kapazität proportionaler Wert für den Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten GWı(icm”) und GWo(icm”), die auf das Quadrat des Gleichtaktstromes icm abstellen, herangezogen werden kann.

[0036] Anstelle der dritten Netzharmonischen könnte auch jedes ungerade Vielfache der dritten Netzharmonischen zur Ermittlung der Kapazität herangezogen werden, etwa die neunte Netzharmonische. Es ist auch denkbar, eine Gleichtaktkomponente mit neunter Netzharmonischen der Modulationsfunktion des Umrichters hinzuzuaddieren, wie anhand der Fig. 7 und 8 erläutert wird. Die Fig. 7 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer üblichen Regelung eines Umrichters. Die in Fig. 7 dargestellte aktive Gleichrichterschaltung umfasst wiederum sechs regelbare Halbleiterschaltelemente T+; +1, T+ 2, T43, T2 1, T2 2, T2 3, vorzugsweise IGBTs. Zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente T+; 1, T1 2, T4 3, T2 1, T2 2, T2 3 etwa über Pulsweitenmodulation ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die an sich bekannte Regelelemente umfasst, im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 7 beispielsweise einen Stromregler K(s), einen Pulsweitenmodulator PWM, sowie ein Messglied M(s) zum Erfassen der jeweiligen Eingangsströme in den drei Phasen L1, L2, L3. Das Messglied M(s) stellt die gemessenen Eingangsströme Imeas dem Stromregler K(s) bereit, wo in an sich bekannter Weise ein Abgleich mit einem Zielwert irer erfolgt und ein Modulationssignal m, für den Pulsweitenmodulator PWM erzeugt wird. Der Pulsweitenmodulator PWM wandelt eingehende Modulationssignale m, in ausgehende pulsweitenmodulierte Schaltsignale g für die Halbleiterschaltelemente T+; +1, T+2, Tis3, T21, T22, T2 3 um. Den Modulationssignalen m, wird jedoch zusätzlich eine Gleichtaktkomponente ms mit der Frequenz der neunten Netzharmonischen addiert. Alternativ oder zusätzlich könnte auch eine Gleichtaktkomponente m3 mit der Frequenz der dritten Netzharmonischen addiert werden, zum Beispiel um in bekannter Weise den Aussteuerbereich der Gleichrichterschaltung zu erhöhen. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass nur ungeradzahlige Vielfache der dritten Netzharmonischen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Eingangsströme haben.

[0037] Die Fig. 8a zeigt dabei ein Ersatzschaltbild für den von den Filterkondensatoren Cr des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten Ln der Gleichrichterschaltung mit der von der Gleichrichterschaltung gebildeten Störspannungsquelle Ucm gebildeten Schwingkreis, der nun auch Gleichtaktspannungen Up9 aufgrund der hinzuaddierten Gleichtaktkomponente mit neunter Netzharmonischen enthält. Die Fig. 8b zeigt hierfür wieder eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Gileichtaktstrom icm und der Schwingkreisfrequenz f für das Ersatzschaltbild der Fig. 8a, wobei auch die Frequenz 3-3fy der neunten Netzharmonischen h93 eingezeichnet ist. Der Gleichtaktstrom icm steigt wiederum mit zunehmender Schwingkreisfrequenz f an (durchgezogene Kurve), und fällt nach Erreichen der Resonanzfrequenz fies wieder ab. Mit zunehmendem Alter der Filterkondensatoren CF (gestrichelte Kurve) verschiebt sich die Resonanzfrequenz fies ZU höheren Werten, was aufgrund des hinlänglich bekannten Zusammenhangs zwischen der Resonanzfrequenz fres, der Induktivität und der Kapazität eines Schwingkreises auf eine abnehmende Kapazität schließen lässt. Bei gleicher Frequenz verringert sich der Gleichtaktstrom icm, wie unter anderem bei der Frequenz 3-3fy für die neunte Netzharmonische hg zu beobachten ist. Analog zur Fig. 5 wird der Effektivwert icmrms des Gleichtaktstromes icm bei der Frequenz 3:3fyv der neunten Netzharmonischen als ein zur Kapazität der Filterkondensatoren Cr proportionaler Wert ermittelt. Nach Ermittlung des zeitabhängigen Gleichtaktstromes icm, etwa durch Messung der in jeder der drei Phasen L1, L2, L3 gemessenen Eingangsströme am netzseitigen Eingang und deren Addition, wird die neunte Netzharmonische h9 mithilfe eines Tiefpassfilters Lp mit einer Grenzfrequenz oberhalb der Frequenz der neunten

Netzharmonischen aus dem gemessenen Gleichtaktstrom icm gefiltert. Der gefilterte Gleichtaktstrom icm..- enthält nur mehr entsprechend niedrige Frequenzanteile im Bereich der neunten Netzharmonischen und wird in weiterer Folge mit einer zumindest der Schaltfrequenz fs der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Abtastrate abgetastet. Aus den abgetasteten Werten kann der Effektivwert icm,arms des Gleichtaktstroms icm als Quadratwurzel des quadratischen Mittelwerts des zeitlich veränderlichen Gleichtaktstroms icm errechnet werden. Dieser Effektivwert icm,ams des Gleichtaktstroms icm kann nach Multiplikation mit einem entsprechenden Korrekturfaktor Veus/Veus,nom für die Zwischenkreisspannung Veus mit entsprechenden Grenzwerten GWi(icm) und GW(icm) verglichen werden.

[0038] Als Alternative zur oben beschriebenen Vorgangsweise auf Basis von Stromharmonischen wird vorgeschlagen, dass die Resonanzfrequenz fres als ein zur Kapazität indirekt proportionaler Wert ermittelt und mit vorgegebenen Grenzwerten GWi(fes) und GW,(fres) verglichen wird, wie anhand der Fig. 9 erläutert wird. Wie bereits ausgeführt wurde, können nämlich die Filterkondensatoren Cr des Gleichtaktfilter und die Induktivitäten Ln der Gleichrichterschaltung mit der von der Gleichrichterschaltung gebildeten Störspannungsquelle Ucm als Schwingkreis aufgefasst werden, dem eine Resonanzfrequenz fies zugeordnet werden kann. Beobachtungen der Anmelderin haben nun ergeben, dass sich diese Resonanzfrequenz f;es bei zunehmender Beeinträchtigung der Filterkondensatoren C- mit ausreichender Deutlichkeit verändert, um eine zuverlässige Beurteilung der Betriebssicherheit zu ermöglichen.

[0039] Hierfür wird nach Ermittlung des zeitabhängigen Gleichtaktstromes icm, etwa durch Messung der in jeder der drei Phasen L1, L2, L3 gemessenen Eingangsströme am netzseitigen Eingang und deren Addition, mithilfe eines Tiefpassfilters L» Gleichtaktströme icm,.- mit Frequenzen unterhalb der Schaltfrequenz fs der Halbleiterschaltelemente gefiltert. Der gefilterte Gleichtaktstrom icm..- enthält nur mehr entsprechend niedrige Frequenzanteile und wird in weiterer Folge mit einer zumindest der Schaltirequenz fs der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Abtastrate abgetastet. Die Abtastrate sollte dabei zumindest das Zehnfache der Resonanzfrequenz fies betragen. Falls der Wert der Resonanzfrequenz fres Nicht im Vorhinein hinreichend abgeschätzt werden kann, empfiehlt sich eine Abtastung mit einer Abtastrate von zumindest dem Zehnfachen der Schaltfrequenz fs. Die so abgetasteten Werte können in weiterer Folge einer schnellen Fourier-Transformation FFT oder einer diskreten Fourier-Transformation DFT unterzogen werden, um das Frequenzspektrum zu errechnen. Die Resonanzfrequenz fres erscheint im Frequenzspektrum im entsprechenden Frequenzbereich als Maximum, sodass über die Ermittlung des Maximums im Frequenzspektrum die Resonanzfrequenz fres ermittelt werden kann. Die Resonanzfrequenz fres kann in weiterer Folge als ein zur Kapazität proportionaler Wert mit vorgegebenen Grenzwerten GWi;(fres) und GW(fres), die auf die Resonanzfrequenz fies abstellen, verglichen werden. Die Ermittlung der Resonanzfrequenz fies mithilfe schneller Fourier-Transformation könnte dabei auch mithilfe eines selektiven Bandpassfilter erfolgen, das im Bereich der erwarteten Resonanzfrequenz fies entsprechend durchgestimmt werden kann, um die Resonanzfrequenz fres aufzufinden.

[0040] Mithilfe der Erfindung gelingt es die Betriebssicherheit der Filterkondensatoren Cr auf einfache Weise zu überwachen, und auf diese Weise mögliche Beeinträchtigungen der Filterkondensatoren frühzeitig zu erkennen.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Überwachung der Betriebssicherheit von in Sternschaltung geschalteten Filterkondensatoren (Cr) eines am netzseitigen Eingang einer dreiphasigen, mit Halbleiterschaltelementen (T+;_+1, T+_2, T4_3, T2 1, T2 2, T2 3) und Induktivitäten (Ln) aufgebauten Gleichrichterschaltung angeordneten und mit Gleich- und Gegentaktstörungen belasteten Gleichtaktfilters, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität oder ein zur Kapazität proportionaler Wert mithilfe von gemessenen Gleichtaktströmen (icm) mit Frequenzen unterhalb oder gleich der Resonanzfrequenz (fies) des von den Filterkondensatoren (Cr) des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten (Ln) der Gleichrichterschaltung gebildeten Schwingkreises ermittelt wird, und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes (GW) ein Warnsignal generiert wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichtaktstrom (icm) durch Addition der in jeder der drei Phasen (L1, L2, L3) gemessenen Eingangsströme am netzseitigen Eingang ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektivwert (icm,rms) des Gleichtaktstroms (icm) bei der Frequenz (3fu) der dritten Netzharmonischen oder bei ungeraden Vielfachen dieser Frequenz (m:3f„ mit m=1,3,..) als ein zur Kapazität proportionaler Wert ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichtaktsignal mit der Frequenz (3fn) der dritten Netzharmonischen oder ungeraden Vielfachen dieser Frequenz (m-3fn mit m=1,3,..) zum Modulationssignal (m) für die Halbleiterschaltelemente (T+_+, T+_2, T+48, T214, T2 2, T2 3) addiert wird, und der Gleichtaktstrom (icm) an dieser Frequenz (m:3f.) als ein zur Kapazität proportionaler Wert ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzharmonische mithilfe eines Tiefpassfilters (LP) mit einer Grenzfrequenz oberhalb der Frequenz der dritten Netzharmonischen oder ungeraden Vielfachen dieser Frequenz aus dem gemessenen Gleichtaktstrom (icm) ermittelt und mit einer zumindest der Schaltfrequenz (fs) der Halbleiterschaltelemente (T+ +1, T+2, T43, T2 1, T2 2, T2 3) entsprechenden Abtastrate abgetastet wird, und aus den abgetasteten Werten der Effektivwert (icm,rms) des gefilterten Gleichtaktstroms (icm) errechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Gleichtaktströmen (icm) mithilfe eines Tiefpassfilters (LP) Gleichtaktströme mit Frequenzen unterhalb der Schaltfrequenz (fs) der Halbleiterschaltelemente (T+ 1, Ti 2, T43, T21, T22, T2 3) ermittelt und abgetastet werden, und aus den abgetasteten Werten mithilfe einer Fourier-Transformation (FTT) die Resonanzfrequenz (fies) des von den Filterkondensatoren (Cr) des Gleichtaktfilter und den Induktivitäten (Ln) der Gleichrichterschaltung gebildeten Schwingkreises als ein zur Kapazität proportionaler Wert als Maximum im Frequenzspektrum ermittelt wird.

7. Umrichter mit einem Prozessor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen