DE102004030532A1 - Verfahren zur Ermittlung des Belastungszustandes eines Dioden-Gleichrichters eines Frequenzumrichters - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung des Belastungszustandes eines Dioden-Gleichrichters eines Frequenzumrichters Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Belastungszustandes eines Dioden-Gleichrichters (4) eines an einem speisenden Netz (18) angeschlossenen Frequenzumrichters (2). Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung (U¶ZK¶) und gemessener Motorströme (i¶i¶, i¶2¶, i¶3¶) ein Gleichtrichterstrom (i¶ZKnetz¶) ermittelt, wobei dieser Gleichrichterstrom (i¶ZKnetz¶) derart mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird, dass Überschreitungen abgespeichert werden, und wird die Häufigkeit dieser Überschreitungen innerhalb eines vorbestimmten Zeitbereichs bestimmt, die ein Maß des Belastungszustandes darstellt. Somit ist ein an einem speisenden Netz (18) angeschlossener Frequenzumrichter (2) mit einem netzseitigen Dioden-Gleichrichter (4) in der Lage, ohne großen Aufwand den Belastungszustand seines Dioden-Gleichrichters (4) infolge von kurzzeitigen Netzspannungseinbrüchen zu ermitteln, wodurch die Dioden des Dioden-Gleichrichters (4) nicht mehr überdimensioniert werden müssen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Belastungszustandes eines Dioden-Gleichrichters eines an einem speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters.
  • Bei Frequenzumrichtern, insbesondere bei solchen, bei denen Dioden-Gleichrichter zur Speisung eines Gleichspannungs-Zwischenkreises eingesetzt werden, führen Fehler im speisenden Netz zu einer erhöhten Belastung des Dioden-Gleichrichters, der infolge einer Überlastung zerstört werden kann.
  • Insbesondere Spannungseinbrüche im speisenden Netz mit nachfolgender schneller Wiederkehr der eingebrochenen Netzspannung belasten die Dioden des Dioden-Gleichrichters des am speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters erheblich. Durch die schnelle Wiederkehr der Netzspannung wird der Gleichspannungs-Zwischenkreis des am speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters mit einem sehr hohen Ladestrom wieder aufgeladen. Da bei kurzzeitigen Netzeinbrüchen (< 20 msec.) eine im Frequenzumrichter vorhandene Ladeschaltung für den Gleichspannungs-Zwischenkreis nicht aktiviert wird, wird die Höhe des Ladestromes nach Netzwiederkehr nur durch die Spannungsdifferenz zwischen Netzspannung und Zwischenkreisspannung und der Steilheit der Spannungswiederkehr bestimmt. Diesen überhöhten Ladestrom nach Netzwiederkehr müssen die Dioden des Gleichrichters führen. Treten solche kurzzeitigen Netzeinbrüche mehrmals hintereinander auf, so werden die Dioden des Dioden-Gleichrichters des am speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters thermisch zerstört, wobei der Frequenzumrichter ausfällt.
  • Ein derartiges Problem tritt vermehrt bei nicht sehr stabilen Netzen auf. Bisher wird dieses Problem dadurch gelöst, dass der Dioden-Gleichrichter eines Frequenzumrichters überdimensioniert wird. D.h., der Gleichrichter wird so dimensioniert, dass dieser einen solchen Fehler unter Ausnutzung eines Stossstromgrenzwertes bzw. eines Grenzlastintegrals übersteht. Außerdem werden Vordrosseln verwendet, die eine große Induktivität aufweisen. Sollen die Netzrückwirkungen des Frequenzumrichters möglichst gering sein, werden ebenfalls Netzdrosseln benötigt. D.h., wenn diese bereits vorhandenen Netzdrosseln auch zur Lösung des geschilderten Problems beitragen sollen, müssen deren Induktivitäten entsprechend erhöht werden. Werden Frequenzumrichter länderspezifisch hergestellt, so werden keine Maßnahmen getroffen, wenn diese Frequenzumrichter nur an sehr stabilen Netzen betrieben werden. Wegen der Globalisierung der Märkte ist es wirtschaftlich nicht vertretbar, wenn für unterschiedliche Netze ein und derselbe Frequenzumrichter unterschiedlich bemessen bzw. mit Optionen versehen wird. Für einen Kunden eines Frequenzumrichtergerätes wäre es sehr hilfreich, wenn der Frequenzumrichter den Belastungszustand seines netzseitigen Dioden-Gleichrichters selbst ermitteln könnte, um rechtzeitig gezielt auf einen steigenden Belastungszustand reagieren zu können.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Belastungszustand eines Dioden-Gleichrichters eines an einem speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters ermittelt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird aus Messgrößen eines Frequenzumrichters, die bereits für Regelungs- und Schutzzwecke des Frequenzumrichters vorhanden sind, ein Gleichrichterstrom ermittelt, der mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird. Jede Überschreitung wird abgespeichert, um die Häufigkeit dieser Überschreitungen in einem vorbestimmten Zeitbereich ermitteln zu können. Diese ermittelte Häufigkeit pro Zeiteinheit ist ein Maß für den Belastungszustand des Dioden-Gleichrichters. Somit erhält man auf einfachem Wege aus bereits vorhandenen Messgrößen des Frequenzumrichters den Belastungszustand seines netzseitigen Gleichrichters. In Kenntnis dieses Belastungszustandes können Gegenmaßnahmen gezielt eingeleitet werden.
  • Bei einem vorteilhaften Verfahren wird für jeden auftretenden Überstrom des Gleichrichterstromes ein Lastintegral berechnet, das jeweils derart mit einem Grenzlastintegral verglichen wird, dass bei Überschreitung der am speisenden Netz angeschlossene Frequenzumrichter abgeschaltet wird. Somit wird die Gefahr vermindert, dass der Gleichrichter thermisch überlastet wird.
  • Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die ermittelte Häufigkeit derart mit einer vorbestimmten Häufigkeit verglichen, dass bei Überschreitung ein Warnsignal ausgegeben wird. Dadurch kann der Betreiber dieses am speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters rechtzeitig erkennen, dass infolge von mehreren nacheinander auftretenden Netzspannungseinbrüchen der netzseitige Dioden-Gleichrichter einen kritischen Belastungszustand erreicht hat.
  • Den Unteransprüchen 4 bis 6 kann entnommen werden, wie aus den bereits vorhandenen Messgrößen des Frequenzumrichters ein Gleichrichterstrom ermittelt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass nachträglich in jedem Frequenzumrichter mit einem eingangsseitigen Dioden-Gleichrichter nachgerüstet werden kann, kann der an einem beliebigen speisenden Netz angeschlossene Frequenzumrichter ohne großen Aufwand feststellen, wie der Belastungszustand des netzseitigen Dioden-Gleichrichters infolge von kurzseitigen Netzspannungseinbrüchen ist. In Kenntnis dieses Belastungszustandes sind Gegenmaßnahmen erst ausführbar.
    •
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird anhand der 1, die ein Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Frequenzumrichters mit Diodeneinspeisung an einem speisenden Netz darstellt, das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
  • Diese 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Frequenzumrichters 2, der als netzseitiger Stromrichter einen Dioden-Gleichrichter 4 und als lastseitigen Stromrichter einen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 aufweist. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises elektrisch leitend miteinander verknüpft. Dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis weist einen Zwischenkreiskondensator CZK auf, an dem eine Zwischenkreisspannung UZK abfällt. An den Phasen-Ausgängen 8, 10 und 12 des selbstgeführten Pulsstromrichters 6 ist ein Motor 14 angeschlossen. Motor 14 und Frequenzumrichter 2 bilden einen sogenannten Antrieb. Eingangsseitig weist dieser Frequenzumrichter 2 eine Netzkommutierungsdrossel 16 auf, die für jede Netzphase eine Induktivität L beinhaltet. Mittels dieser Netzkommutierungsdrossel 16 ist dieser Frequenzumrichter 2 an ein speisendes Netz angeschlossen.
  • Der Dioden-Gleichrichter 4 generiert aus den anstehenden Phasenspannungen uRnetz, uSnetz und uTnetz des speisenden Netzes 18 eine gleichgerichtete Spannung, die Zwischenkreisspannung UZK, die mittels des Zwischenkreiskondensators CZK gepuffert wird. Außerdem liefert dieser Dioden-Gleichrichter 4 einen Gleichrichterstrom iZKnetz, der sich aus den Phasenströmen iR, iS und iT des speisenden Netzes 18 zusammensetzt. Dieser Gleichrichterstrom iZKnetz, der auch als netzseitiger Zwischenkreisstrom bezeichnet wird, teilt sich in einen Ladestrom iCZK des Zwischenkreiskondensators CZK und einen lastseitigen Zwischenkreisstrom iZKmotor auf. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind von den Phasenspannungen uRnetz, uSnetz und UTnetz und den Phasenströmen iR, iS und iT nur die der Größen Phase R dargestellt.
  • Da der Wert der Zwischenkreisspannung UZK direkt von der Amplitude der Netzspannung abhängig ist, macht sich ein Spannungseinbruch direkt in der Zwischenkreisspannung UZK bemerkbar. Unterschreitet die Zwischenkreisspannung UZK einen unteren vorbestimmten Wert, so schaltet der Frequenzumrichter 2 ab. Steigt nach einem Spannungseinbruch die Netzspannung wieder auf ihren ursprünglichen Wert, so fließt ein erhöhter netzseitiger Zwischenkreisstrom iZKnetz. Je steiler der Spannungsanstieg ist, um so höher ist der netzseitige Zwischenkreisstrom iZKnetz. Überschreitet dieser Gleichrichterstrom iZKnetz einen vorbestimmten Grenzwert, so werden die Dioden des Dioden-Gleichrichters 4 vermehrt belastet. Treten nun solche kurzseitigen (< 20 msec) Netzspannungseinbrüche mehrfach nacheinander auf, erhöht sich der Belastungszustand des Diodengleichrichters 4. Jede Überschreitung des Gleichrichterstromes iZKnetz wird abgespeichert, damit für einen vorbestimmten Zeitbereich deren Häufigkeit ermittelt werden kann. Der Wert dieser ermittelten Häufigkeit pro Zeitbereich gibt den Belastungszustand des Dioden-Gleichrichters 4 wieder. Somit stellt der Wert der ermittelten Häufigkeit ein Maß für den Belastungszustand des Dioden-Gleichrichters 4 eines an einem speisenden Netz 18 angeschlossenen Frequenzumrichters 2 dar.
  • Für Regelungs- und Schutzzwecke werden die Zwischenkreisspannung UZK und der motorseitige Zwischenkreisstrom iZKmotor oder die Motorströme i1, i2 und i3 gemessen. Ohne weitere Messgrößen gelangt man mit Hilfe von Gleichungen zum netzseitigen Zwischenkreisstrom iZKnetz. Im Fall der Motorstrommessung wird mit Hilfe der gemessenen Motorströme i1, i2 und i3 und den Ausgangsspannungen des selbstgeführten Pulsstromrichters 6 die Motorleistung gemäß folgender Gleichung: Pmotor = u1·i1 + u2·i2 + u3·i3 (1)berechnet. Diese Ausgangsspannung u1, u2 und u3 des Frequenzumrichters 2 brauchen nicht gemessen zu werden, da die Regeleinrichtung des Frequenzumrichters 2 die Sollwerte dieser Ausgangsspannungen liefert. In Abhängigkeit dieser berechneten Motorleistung Pmotor und der gemessenen Zwischenkreisspannung UZK gelangt man mittels folgender Gleichung: iZKmotor = Pmotor/UZK (2)zum Wert des motorseitigen Zwischenkreisstromes iZKmotor. Der netzseitige Zwischenkreisstrom iZKnetz ergibt sich aus der Knotenregel zu: iZKnetz = iCZK + iZKmotor (3)wobei der Ladestrom iCZK gemäß folgender Gleichung: iCZK = CZK·dUZK/dt (4)berechnet wird. Somit erhält man aus vorhandenen Messgrößen mit einigen einfachen Rechenoperationen den Gleichrichterstrom iZKnetz, der hinsichtlich des Belastungszustandes des Dioden-Gleichrichters 4 ausgewertet werden kann. Die vorhandenen Messgrößen UZK und i1, i2 und i3 und u1, u2 und u3 stehen zu jeden Abtastschritt während des gesamten Betriebes zur Verfügung.
  • Dieser berechnete Gleichrichterstrom iZKnetz wird fortlaufend mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen, um feststellen zu können, ob ein Überstrom im Dioden-Gleichrichter 4 fließt. Jedes Auftreten eines Überstromes wird abgespeichert, um deren Häufigkeit in einem vorbestimmten Zeitbereich feststellen zu können. Je höher der Wert dieser Häufigkeit ist, um so höher ist der Belastungszustand des Dioden-Gleichrichters 4 des am speisenden Netz 18 angeschlossenen Frequenzumrichters 2.
  • Zusätzlich kann in Abhängigkeit des ermittelten Gleichrichterstromes iZKnetz ein Lastintegral A berechnet werden. Die dazu benötigte Gleichung lautet: A = ∫(iZKnetz)2·dt
  • Diese berechneten Lastintegrale A werden fortlaufend mit einem vorbestimmten Grenzlastintegral AGr verglichen. Bei Überschreitung dieses Grenzlastintegral AGr wird das Frequenzumrichtergerät abgeschaltet. Die Abschaltung reduziert den Überstrom abhängig von der augenblicklichen Motorleistung. Durch den Stromabbau auf der Motorseite wird der Zwischenkreisspannungsaufbau unterstützt. Die Abschaltung verhindert einen weiteren Vorgang, der das Gerät zerstören könnte und macht das Bedienpersonal auf den aufgetretenen Netzfehler aufmerksam.
  • Der Anstieg des Wertes der Häufigkeit und damit der Anstieg des Belastungszustandes des Dioden-Gleichrichters 4 des Frequenzumrichters 2 kann visuell mittels Leuchtdioden angezeigt werden. Dabei wird der Wert der Häufigkeit pro Zeitbereich gestaffelt. Diese Stafflung kann auch mittels farbiger Leuchtdioden (grün, gelb, rot) sichtbar gemacht werden. Wird ein vorbestimmter Grenzbelastungszustand erreicht, so wird das Frequenzumrichtergerät abgeschaltet, damit dieses Gerät nicht zerstört wird.
  • Mit Hilfe der aus dem Gleichrichterstrom iZKnetz und einer bekannten Diodendurchlasskennlinie berechneten Verlustleistung und eines an sich bekannten thermischen Halbleitermodells wird eine Sperrschichttemperatur einer Diode des Dioden-Gleichrichters 4 errechnet. Bei Erreichen eines Grenzwertes wird das Frequenzumrichtergerät abgeschaltet. Zur Verbesserung der Genauigkeit kann der Gleichrichterstrom iZKnetz beispielsweise unter Benutzung der Netzfrequenz des speisenden Netzes gezielt den verschiedenen Dioden des Dioden-Gleichrichters 4 zugeordnet werden. Damit kann das thermische Modell für jede Diode getrennt berechnet werden.
  • Um Ströme durch einen eventuell vorhandenen Pulswiderstand zu eliminieren, werden negative Werte des netzseitigen Zwischen kreisstromes iZKnetz unterdrückt oder die Messung wird bei Zwischenkreisspannungen UZK, die über der Einsatzschwelle des Pulswiderstandes liegen, ausgesetzt.
  • Mit diesen erfindungsgemäßen Verfahren ist ein an ein speisendes Netz 18 angeschlossener Frequenzumrichter 2 nun in der Lage, auch ohne großen Aufwand den Belastungszustand seines netzseitigen Dioden-Gleichrichters 4 zu ermitteln, wodurch die thermische Zerstörung des Dioden-Gleichrichters 4 infolge von mehrfach nacheinander auftretenden Netzspannungseinbrüchen in kurzer Zeit verhindert wird. Dadurch kommt es zu weniger Ausfällen des Frequenzumrichtergerätes mit den damit verbundenen Nachteilen wie Kosten und Imageverlust, ohne dass der Dioden-Gleichrichter 4 des Frequenzumrichters 2 überdimensioniert werden muss.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Ermittlung des Belastungszustandes eines Dioden-Gleichrichters (4) eines an einem speisenden Netz (18) angeschlossenen Frequenzumrichters (2), wobei in Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung (UZK) und eines gemessenen motorseitigen Zwischenkreisstroms iZKmotor) oder gemessener Motorströme (ii, i2, i3) ein Gleichrichterstrom (iZKnetz) ermittelt wird, wobei dieser Gleichrichterstrom (iZKnetz) derart mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird, dass Überschreitungen abgespeichert werden, und wobei die Häufigkeit dieser Überschreitungen innerhalb eines vorbestimmten Zeitbereichs bestimmt wird, die ein Maß des Belastungszustandes darstellt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden auftretenden Überstrom ein Lastintegral (A) berechnet wird, die jeweils derart mit einem vorbestimmten Grenzlastintegral (AGr) verglichen werden, dass bei Überschreitung der Frequenzumrichter (2) abgeschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Häufigkeit derart mit einer vorbestimmten Häufigkeit verglichen wird, dass bei Überschreitung ein Warnsignal ausgegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichterstrom (iZKnetz) in Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung (UZK) und eines gemessenen motorseitigen Zwischenkreisstromes (iZKmotor) gemäß folgender Gleichung: iZKnetz = CZK·dUZK/dt + iZKmotor berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Zwischenkreisstrom (iZKmotor) in Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung (UZK) und einer berechneten Motorleistung (Pmotor) gemäß folgender Gleichung: iZKmotor = Pmotor/UZK berechnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorleistung (Pmotor) in Abhängigkeit gemessener Motorströme (i1,i2,i3) und vorbestimmter Motorspannungen (u1,u2,u3) gemäß folgender Gleichung: Pmotor = u1·i1 + u2·i2 + u3·i3 berechnet wird.
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