DE102004035723A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Restlebensdauer eines Elektrolytkondensators eines Frequenzumrichters - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Restlebensdauer eines Elektrolytkondensators eines Frequenzumrichters Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Restlebendauer (LD¶R¶) eines Elektrolytkondensators (20) eines Frequenzumrichters (2) und auf eine Vorrichtung (26) zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit einer gemessenen Umgebungstemperatur (T¶amb¶) des Elektrolytkondensators (20) und seiner berechneten Verlustleistung (P¶V¶) fortlaufend eine Kerntemperatur (T¶K¶) dieses Elektrolytkondensators (20) ermittelt, wird zu jeder Kerntemperatur (T¶K¶) eine korrespondierende Lebensdauer (LD) berechnet, aus denen jeweils eine Alterungsgeschwindigkeit berechnet wird, die zu einem tatsächlichen Lebensalter (LV) des Elektrolytkondensators (20) aufintegriert werden, und wobei dieses tatsächliche Lebensalter (LV) subtrahiert von einem Lebensdauerende (LD¶E¶) die Restlebendauer (LD¶R¶) ergibt. Somit wird der Lebensverbrauch (DELTALV) des Elektrolytkondensators (20) eines Frequenzumrichters (2) entsprechend den Einsatzbedingungen ermittelt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer eines Elektrolytkondensators eines Frequenzumrichters und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Wegen ihrer hohen Energiedichte werden als Zwischenkreiskondensatoren in Frequenzumrichtern in der Regel Elektrolytkondensatoren verwendet. Dieser Kondensatortyp ist der Alterung unterworfen. Die Lebensdauer dieser Kondensatoren begrenzt die Lebensdauer des ganzen Frequenzumrichters.
  • Das zu lösende Problem besteht darin, die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren des Spannungszwischenkreises eines Frequenzumrichters angeben zu können, um rechtzeitig vor Erreichen des Lebensdauerendes Maßnahmen ergreifen zu können.
  • Die Schwierigkeit dabei ist, dass die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren entscheidend von den jeweiligen Einsatzbedingungen abhängt.
  • Bisher wird die Gerätelebensdauer eines Frequenzumrichters von einer zu erwartenden Belastung abgeschätzt. Die tatsächlichen Einsatzbedingungen werden nicht berücksichtigt.
  • Der Elektrolyt bestimmt über seine Verdunstungsrate die Lebensdauer des Kondensators. Schon bei Raumtemperatur gehen Teile dieser Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand über. Dieses Verhalten trifft generell für Flüssigkeiten zu, wobei die Gasbildung mit steigender Temperatur zunimmt (Arrhenius-Gesetz). Befindet sich die Flüssigkeit in einem verschlossenen Becher, wie im Elektrolyt-Kondensator, so wird lediglich der unmittelbare Austausch der gasförmigen Bestandteile mit der Umgebung verhindert. Über die Diffusionsvorgänge im Verschlussbereich verliert jedoch auch ein verschlossener Becher langsam, aber ständig Gasanteile. Es tritt ein Elektrolytverlust auf, und zwar umso schneller, je höher die Temperatur ist. Mit abnehmender Elektrolytmenge ändern sich aber auch die elektrischen Parameter des Kondensators dahingehend, dass sich die Kapazität verringert und der äquivalente Serienwiderstand zunimmt.
  • Als Faustformel gilt die Regel: Eine Verringerung der Bechertemperatur um 10K verdoppelt die Lebensdauer des Kondensators. Zur Berechnung der Brauchbarkeitsdauer eines Kondensators in einer bestehenden Applikation müssen die Umgebungstemperatur und der überlagerte Wechselstrom gemeinsam betrachtet werden. Dieser eng verzahnte Zusammenhang ist im so genannten Lebensdauer-Nomogramm wiedergegeben. Die erwartete Brauchbarkeitsdauer wird bei bekannter Umgebungstemperatur und bekannten Verhältnis des tatsächlich auftretenden Effektivstromes zum Bemessungsstrom, durch Multiplika-tion der angegebenen Lebensdauer mit dem Lebensdauerkorrekturfaktor gewonnen.
  • In dem Artikel "Jenseits der Taktfrequenz" von Karl Schwarz und Willi Sterzik, abgelegt unter folgender Internetadresse: http://www.elektroniknet.de/topics/stromversorgung/fachthemen/2002/0015/print.htm, wird die Problematik einer Stromversorgung von Prozessoren behandelt. Als Stromversorgung ist ein hochfrequent geschalteter DC/DC-Wandler (Abwärtswandler) vorgesehen. Gemäß diesem Artikel kommt dem Eingangskondensator dieses DC/DC-Wandlers eine Schlüsselfunktion zu, da dieser durch Schaltvorgänge stark belastet wird. Dieser Eingangskondensator besteht aus mehreren Einzelkondensatoren gleichen Typs, wodurch dieser auch als Eingangskondensatorbank bezeichnet wird. Diese Kondensatorbank ist im allgemeinen unzureichend ausgelegt. Entweder, es werden zu wenige Kondensatoren verwendet, oder es werden Kondensatoren mit schlechten elektrischen Eigenschaften (85°C anstatt 105°C, äquivalenter Serienwiderstand (ESR) hoch, maximal erlaubter Rippelstrom zu niedrig).
  • Gemäß diesem Artikel ist die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators eine komplizierte Funktion aus verschiedenen Parametern, wobei die Brauchbarkeitsdauer hauptsächlich durch die Arbeitstemperatur bestimmt wird, die sich aus der Summe der Umgebungstemperatur und der Eigenerwärmung ergibt. Die Eigenerwärmung wiederum entsteht aufgrund des Rippelstromes (Lade- und Entladestrom), der am Reihenersatzwiderstand bzw. äquivalenten Serienwiderstand (ESR) ohmsche Verluste erzeugt und so das Kondensatorgehäuse erwärmt. Mit Hilfe des bereits erwähnten Nomogramms kann die typische Brauchbarkeitsdauer beispielsweise eines 105°C-Elektrolytkondensators in Abhängigkeit vom Rippelstrom und der Bechertemperatur ermittelt werden. Auf der Y-Achse dieses Nomogramms ist das Verhältnis vom tatsächlichen Rippelstrom zum maximal zulässigem Rippelstrom bei 105°C aufgetragen (korrigiert mit dem Frequenzkorrekturfaktor).
  • Wird ein Elektrolytkondensator, der in seinem Datenblatt mit 3000 Stunden bei 105°C und einem überlagertem Rippelstrom von 1,5 A spezifiziert ist, bei 60°C betrieben, so kann aus dem Nomogramm eine 20-fach erhöhte Lebensdauer abgelesen werden, was wiederum ca. 60000 Stunden entspricht. Eine Verdoppelung des Rippelstromes auf 3 A bei 60°C lässt den Lebensdauermultiplikator allerdings schon auf 6 schrumpfen, wodurch die Lebensdauer nur noch 18000 Stunden beträgt.
  • Aus der JP 08-322 141 A ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lebensdauer eines Elektrolytkondensators eines Leistungs-Umrichters bekannt. Diese Vorrichtung weist eingangsseitig eine Temperaturbestimmungs-Einrichtung und ausgangsseitig eine Einrichtung zur Generierung eines Warnsignals auf. Ausgangsseitig ist die Temperaturbestimmungs-Einrichtung mit einer Arithmetik-Einrichtung verbunden, die ausgangsseitig mit einem Eingang der Einrichtung zur Generierung eines Warnsig nals verknüpft ist. Die Temperaturbestimmungs-Einrichtung ist eingangsseitig mit einem Temperatursensor verbunden, mit dem die Umgebungstemperatur des Elektrolytkondensators gemessen wird. Die Arithmetik-Einrichtung unterteilt die Betriebszeit des Elektrolytkondensators in gleich große Zeitspannen. Für jede Zeitspanne wird aus den gemessenen Umgebungstemperaturen des Elektrolytkondensators eine Durchschnittstemperatur berechnet. Korrespondierend zu dieser Durchschnittstemperatur wird in Abhängigkeit eines vorbestimmten Verhältnisses zwischen Lebensdauer und Umgebungstemperatur eine äquivalente verstrichene Lebensdauer mit der Arithmetik-Einrichtung berechnet. Diese für jede Zeitspanne berechnete verstrichene Lebensdauer werden akkumuliert. So bald dieser akkumulierte Wert einen vorbestimmten Wert überschreitet, generiert die ausgangsseitige Einrichtung ein Warnsignal. Mit dieser Vorrichtung wird der Zeitpunkt für den Austausch eines Elektrolytkondensators exakt bestimmt, so dass dieser Elektrolytkondensator nicht mehr zu früh ausgetauscht wird.
  • Der Artikel aus dem Internet gibt eine Hilfe für die Dimensionierung von Elektrolytkondensatoren an. Für die Dimensionierung wird auf das Lebensdauer-Nomogramm für Elektrolytkondensator zurückgegriffen. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, wie die Einsatzbedingungen des Elektrolytkondensators sein werden. Bei dem Verfahren gemäß der genannten Japanischen Offenlegungsschrift wird die in unmittelbarer Nähe des betriebenen Elektrolytkondensators gemessene Temperatur verwendet, wodurch die daraus ergebene Lebensdauer bzw. die Restlebensdauer ein Näherungswert ist, der während des Betriebes der Elektrolytkondensators bestimmt wird.
  • Wie eingangs bereits erwähnt, wird die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren durch die Austrocknung des Elektrolyten begrenzt. Diese Austrocknungsgeschwindigkeit wird jedoch durch die Temperatur im Kern des Elektrolytkondensators bestimmt.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Restlebensdauer eines Elektrolytkondensators eines Frequenzumrichters exakt angegeben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
  • Durch Auswertung betrieblich vorhandener Informationen des Frequenzumrichters werden die die Alterung bestimmenden Einflussgrößen während des Betriebes kontinuierlich ermittelt. Dazu wird die Alterung berechnet und die Restlebensdauer abgeschätzt. Unterschreitet diese Restlebensdauer einen vorbestimmten Wert, so kann vorteilhafterweise ein Warnsignal ausgegeben werden. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Lebensdauerverbrauch des Elektrolytkondensators entsprechend den Einsatzbedingungen des Frequenzumrichters ermittelt, so dass Schäden am Umrichter und Folgeschäden, beispielsweise durch Anlagenstillstand, bei sehr starker Belastung durch rechtzeitigen Austausch des Elektrolytkondensators verhindert werden können. Der unnötige Austausch von gering belasteten Elektrolytkondensatoren erübrigt sich dadurch.
    •
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht ist.
  • 1 zeigt einen Frequenzumrichter mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der
  • 2 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die
  • 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines thermischen Modells für den Elektrolytkondensator des Frequenzumrichters nach 1, die
  • 4 zeigt eine Ausführungsform eines vereinfachten thermischen Modells des Elektrolytkondensators und in der
  • 5 ist ein Blockschaltbild einer Recheneinrichtung zur Ermittlung einer Verlustleistung des Elektrolytkondensators dargestellt.
  • Gemäß der 1 weist der Frequenzumrichter 2 als netzseitigen Stromrichter einen Diodengleichrichter 4 und als lastseitigen Stromrichter einen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 auf. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden. Dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis weist einen Zwischenkreiskondensator 20 auf, an dem eine Zwischenkreisspannung UZK abfällt. Als Zwischenkreiskondensator 20 ist wenigstens ein Elektrolytkondensator mit der Kapazität CZK vorgesehen. Der Zwischenkreiskondensator 20 kann auch aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung einzelner Elektrolytkondensatoren bestehen. An den Phasen-Ausgängen 8, 10 und 12 des selbstgeführten Pulsstromrichters 6 ist ein Motor 14 angeschlossen. Motor 14 und Frequenzumrichter 2 bilden einen so genannten Antrieb. Eingangsseitig weist dieser Frequenzumrichter eine Netzkommutierungsdrossel 16 auf, die für jede Netzphase eine Induktivität L beinhaltet. Mittels dieser Netzkommutierungsdrossel 16 ist dieser Frequenzumrichter 2 an ein speisendes Netz 18 angeschlossen.
  • Die Signalelektronik dieses Frequenzumrichters 2 weist eine Regeleinrichtung 22 und einen Modulator 24 auf. Mittels der Regeleinrichtung 22 wird in Abhängigkeit eines Drehzahl-Sollwertes n* und/oder eines Drehmoment-Sollwertes m* eine Sollspannung, insbesondere ein Sollspannungs-Raumzeiger u*, berechnet. Aus diesem Sollspannungs-Raumzeiger u* erzeugt der nachgeschaltete Modulator 24 Steuersignale Sν für die abschaltbaren Halbleiterschalter T1 bis T6 des motorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 6. Neben den beiden genannten Sollwerten n* und m* werden auch die gemessenen Phasen-Motorströme i1, i2 und i3 und die gemessene Zwischenkreisspan nung UZK zugeführt. Die Umgebungstemperatur Tamb, beispielsweise die Kühlmitteltemperatur des Frequenzumrichters 2, wird bei vielen Frequenzumrichtern schon für Schutzzwecke verwendet. Diese Kühlmitteltemperatur Tamb wird mittels eines einfachen Sensors innerhalb eines Kühlmittelstromes des Frequenzumrichters 2 erfasst.
  • Diese bekannte Signalelektronik des Frequenzumrichters 2 ist um eine Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert worden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden betrieblich vorhandene Informationen verarbeitet. Zu diesen betrieblich vorhandenen Informationen zählen die Zwischenkreisspannung UZK, die Umgebungstemperatur Tamb, die Amplituden Imot und Umot eines ermittelten Motorstrom- und Motorspannungs-Raumzeigers i und u, die Serienwiderstände RESRn und RESRs und die Kapazität CZK des Elektrolytkondensators 20 im Gleichspannungs-Zwischenkreis des Frequenzumrichters 2. Die Parameter RESRn, RESRs und CZK sind dem Datenblatt des Elektrolytkondensators 20 entnehmbar. Ausgangsseitig ist diese Vorrichtung 26 mit einer Anzeige 28 verbunden, die entweder das tatsächliche Lebensalter LV des Elektrolytkondensators 20, deren Restlebensdauer LDR oder ein Warnsignal SW anzeigt, dass darauf hinweist, dass das Lebensdauerende fasst erreicht ist. Wenn das Warnsignal SW angezeigt wird, muss der Elektrolytkondensator 20 ausgetauscht werden, damit kein Schaden am Frequenzumrichter 2 entsteht. Damit sollen Folgeschäden durch Anlagenstillstand vermieden werden.
  • Mit dieser Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Restlebensdauer LDR eines Elektrolytkondensators 20 eines Frequenzumrichters 2 werden betrieblich vorhandene Informationen dahingehend ausgewertet, um die die Alterung des Elektrolytkondensators 20 bestimmenden Einflussgrößen während des Betriebes des Frequenzumrichters 2 kontinuierlich bestimmen zu können. Dadurch wird der Lebensverbrauch des Elektrolytkondensators 20 ent sprechend den Einsatzbedingungen des Frequenzumrichters 2 ermittelt.
  • Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieblich vorhandene Informationen verwendet werden, ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Regeleinrichtung 22 integriert ist. D.h., in der Regelsoftware ist eine Software integriert, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Der einzige Mehraufwand den man betreiben muss, besteht darin, dass weitere Parameter des Elektrolytkondensators 20 aus einem zugehörigen Datenblatt eingegeben werden müssen.
  • Die 2 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung 26 weist eingangsseitig eine Recheneinrichtung 30 auf, mit der die Verlustleistung Pv des Elektrolytkondensators 20 kontinuierlich berechnet werden kann. Dazu sind dieser Recheneinrichtung 30 einerseits eine ermittelte Zwischenkreisspannung UZK und Amplitudenwerte Imot und Umot erzeugter Raumzeiger vom Motorstrom i und Motorspannung u und andererseits Parameter wie die Kapazität CZK des Elektrolytkondensator 20 und dessen wirksame Innenwiderstände RESRn und RESRs zugeführt. Wie diese Signale miteinander zu einer Verlustleistung Pv des Elektrolytkondensators 20 verknüpft werden, ist dem Blockschaltbild der 5 entnehmbar.
  • Dieser Recheneinrichtung 30 zur Ermittlung der Verlustleistung Pv des Elektrolytkondensators 20 ist ein thermisches Modell 32 des Elektrolytkondensators 20 nachgeschaltet. Ausführungsformen dieses thermischen Modells 32 sind den 3 und 4 entnehmbar. Mittels diesem thermischen Modell 32 wird in Abhängigkeit der Verlustleistung Pv des Elektrolytkondensators 20 und seiner Umgebungstemperatur Tamb mittels eines Wärmeübergangswiderstandes Rth zwischen dem Kern des Elektrolytkondensators 20 und der Umgebung und einer Wärmekapazität Cth, die in Übergangszuständen wirksam ist, die Kerntempera tur TK des Elektrolytkondensators 20 berechnet. Diese Kerntemperatur TK bestimmt die Austrocknungsgeschwindigkeit des Elektrolyten und damit die Lebensdauer LD des Elektrolytkondensators 20. Mittels diesem thermischen Modell 32 des Elektrolytkondensators 20 wird eine die Alterung bestimmende Einflussgröße kontinuierlich ermittelt.
  • Diesem thermischen Modell 32 ist eine weitere Recheneinrichtung 34 nachgeschaltet, mit der das tatsächliche Lebensalter LV des Elektrolytkondensators 20 berechnet werden kann. Kennt man das tatsächliche Lebensalter LV, so kennt man ebenfalls die Restlebensdauer LDR dieses Elektrolytkondensators 20. Damit keine Schäden am Frequenzumrichter 2 und keine Folgeschäden, beispielsweise durch Anlagenstillstand entstehen können, wird ein Warnsignal SW generiert, das anzeigt, dass das tatsächliche Lebensalter LV des Elektrolytkondensators 20 sich bis auf einen vorbestimmten Abstand zum Lebensdauerende LDE diesem angenähert hat. Mit der Generierung des Warnsignals SW ist ein Zeitpunkt erreicht, zu dem es ratsam ist, den Elektrolytkondensator 20 bzw. den gesamten Frequenzumrichter 2 auszutauschen. Das ermittelte tatsächliche Lebensalter LV und/oder die ermittelte Restlebensdauer LDR kann mittels der Anzeige 28 angezeigt werden. Damit man diese Werte in Abhängigkeit der kontinuierlich ermittelten Kerntemperatur TK bestimmen kann, ist dieser Recheneinrichtung 34 eine Bemessungstemperatur Tmax und eine spezifizierte Lebensdauer LO bei dieser Bemessungstemperatur Tmax zugeführt. Zur Berechnung der Lebensdauer LD für die berechnete Kerntemperatur TK wird folgende bekannte Gleichung:
    Figure 00090001
    bzw.
    Figure 00090002
    verwendet. Um die aktuelle Alterungsgeschwindigkeit, d.h. den Lebensverbrauch ΔLV pro Zeiteinheit Δt, berechnen zu können, wird folgende Gleichung: ΔLV(TK)/Δt = 100%/L(TK) (3)verwendet. Das tatsächliche Lebensalter LV zu einem Zeitpunkt t ergibt sich aus dem Integral der Alterungsgeschwindigkeit bzw. der Summe über die gesamte Lebenszeit des Elektrolytkondensators 20. Dazu wird folgende Gleichung: LV(t) = Σ100%/L(TK)·tab (4)mit tab = Abtastzeit
    berechnet. Da der Lebensverbrauch ΔLV in Prozent angegeben wird, ist das Lebensende durch 100 % gekennzeichnet. Zur Vereinfachung kann die Integration bzw. Summation auch über die gesamte Betriebszeit erfolgen, weil die Alterung in der betriebsfreien Zeit wegen der niedrigen Kerntemperatur TK des Elektrolytkondensators 20 gering ist.
  • Nähert sich das so ermittelte tatsächliche Lebensalter LV bis auf einen vorbestimmten Abstand zum Lebensdauerende LDE wird ein Warnsignal SW generiert. Die Differenz zwischen einem Lebensdauerende LDE und des ermittelten tatsächlichen Lebensalter LV des Elektrolytkondensators 20 gibt die Restlebensdauer LDR an.
  • Die Restlebensdauer LDR kann jedoch auch auf Basis der spezifizierten Lebensdauer L0 gemäß LDR0 = (1 – LV(t)/100%)·L0 (5)oder auf Basis des bisherigen Betriebes gemäß LDRB = ((100% – LV(t))/LV(t))·tBtd (6) oder auf Basis der bisherigen Lebensdauer gemäß LDRL = ((100% – LV(t))/LV(t))·LGerät (7)oder auf Basis der Betriebsdaten des letzten Betriebsmonats oder eines ähnlichen Zeitraums ΔZ gemäß LDR∆Z = (100% – LV(t))/(LV(t) – LV(t – ΔZ))·ΔZ (8)berechnet werden. Die Restlebensdauer LDRB und LDRL auf der Basis des bisherigen Betriebes und der bisherigen Lebensdauer setzt voraus, dass das bisherige Belastungsprofil des Elektrolytkondensators 20 auch in Zukunft bestehen bleibt.
  • In der 3 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines thermischen Modells 32 näher dargestellt. Mit diesem thermischen Modell 32 wird abhängig von einer tatsächlichen Verlustleistung Pv und einer Umgebungstemperatur Tamb eine Kerntemperatur TK ermittelt. Wie bereits erwähnt, ergibt sich die Kerntemperatur TK des Elektrolytkondensators 20 im stationären Zustand aus einer ermittelten Umgebungstemperatur Tamb, der Kondensatorverlustleistung Pv und dem Wärmeübergangswiderstand Rth zwischen Kern und Umgebung. In Übergangszuständen ist außerdem die Wärmekapazität Cth des Elektrolytkondensators wirksam. Der Wärmeübergangswiderstand Rth und die Wärmekapazität Cth sind im Datenblatt des Elektrolytkondensators 20 angegeben. Die Umgebungstemperatur Tamb, die beispielsweise die Kühlmitteltemperatur des Frequenzumrichters 2 ist, wird mit einem einfachen Sensor innerhalb eines Kühlmittelstromes des Frequenzumrichters 2 erfasst. In vielen Fällen wird diese Kühlmitteltemperatur Tamb zu Schutzzwecken ohnehin erfasst. Als Ergebnis liefert dieses thermische Modell 32 des Elektrolytkondensators 20 eine geschätzte Kerntemperatur TK des Elektrolytkondensators 20. In der 4 ist eine vereinfachte Ausführungsform dieses thermischen Modells 32 näher dargestellt.
  • Zur Berechnung der Kondensatorverlustleistung Pv ist die Recheneinrichtung 30 in der Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Ein Blockschaltbild dieser Recheneinrichtung 30 ist in der 5 näher dargestellt. Die Verlustleistung Pv des Elektrolytkondensators 20 hängt vor allen vom Kondensatorstrom iCZK und seinem Innenwiderstand RESR ab. Der Kondensatorstrom iCZK besteht bei einem Frequenzumrichter 2 aus zwei Anteilen, einen durch den motorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 verursachten Anteil Ischalt, dessen Spektrum näherungsweise aus Linien bei den Vielfachen der Schaltfrequenz besteht, und dem Nachladeanteil Inl, der bei Diodeneinspeisung im wesentlichen die doppelte Netzfrequenz (bei einphasiger Einspeisung) bzw. die sechsfache Netzfrequenz (bei dreiphasiger Einspeisung) und deren Vielfache aufweist. Die wirksamen Innenwiderstände RESRn und RESRs des Elektrolytkondensators 20 sind in dessen Datenblättern angegeben. Sie können für beide Frequenzbereiche unterschiedlich sein.
  • Der zeitliche Verlauf des niederfrequenten Anteils inl (t) kann bei Frequenzumrichtern aus dem ohnehin vorhandenen Messwert der Zwischenkreisspannung UZK und der Kapazität CZK des Zwischenkreiskondensators 20 gemäß folgender Gleichung: inl(t) = CZK·d(UZK)/dt (9)berechnet werden. Diese Gleichung (9) ist im Block 36 dieser Recheneinrichtung 30 hinterlegt. Die Kondensatorverlustleistung Pv wird gemäß folgender Gleichung: Pv = RESRnl·I2nl + RESRs·I2schalt (10)berechnet. Gemäß dieser Gleichung (10) wird von niederfrequenten Anteil inl des Kondensatorstroms iCZK das Quadrat des Effektivwertes I2 nl benötigt. Das Quadrat des Effektivwertes I2 nl ergibt sich aus dem Mittelwert der quadrierten Einzelmesswerte. Gemäß folgender Gleichung:
    Figure 00130001
    mit n = Anzahl der summierten Messwerte.
  • Die Summationsperiode ist dabei vorzugsweise die Periode der Netzfrequenz. Gemäß der Gleichung (10) wird außerdem das Quadrat des Effektivwertes I2 schalt des pulsförmigen Stromes ischalt benötigt. Das Quadrat des Effektivwertes I2 schalt wird im Block 38 der Recheneinrichtung 30 aus der Amplitude Imot des Raumzeigers vom Motorstrom i und einem Aussteuergrad α grob gemäß folgender Gleichung: I2schalt = I2mot ·(α – α2) (12)mit α = Umot/(2/3·UZK) (13)abgeschätzt werden. Mit diesen Quadraten der Effektivwerte I2 nl und I2 schalt wird im Block 40 der Recheneinrichtung 30, in dem die Gleichung (10) hinterlegt ist, die Kondensatorverlustleistung Pv berechnet. Mit dieser Kondensatorverlustleistung Pv hat man eine weitere Einflussgröße, die die Alterung des Elektrolytkondensators 20 bestimmt.
  • Somit kann nun der Lebensdauerverbrauch ΔLV des Elektrolytkondensators 20 eines Frequenzumrichters 2 entsprechend den Einsatzbedingungen ermittelt werden. Dadurch wird ein Elektrolytkondensator 20 bzw. ein Frequenzumrichter 2 nicht mehr nach Ablauf einer geschätzten Gerätelebensdauer ausgetauscht, sondern erst zu einem Zeitpunkt, zu dem feststeht, dass die Restlebensdauer LDR einen vorbestimmten Grenzwert unterschritten hat.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer (LDR) eines Elektrolytkondensators (20) eines Frequenzumrichters (2), wobei in Abhängigkeit einer gemessenen Umgebungstemperatur (Tamb) des Elektrolytkondensators (20) und seiner berechneten Verlustleistung (Pv) fortlaufend eine Kerntemperatur (TK) dieses Elektrolytkondensators (20) ermittelt wird, wobei zu jeder Kerntemperatur (TK) eine korrespondierende Lebensdauer (LD) berechnet wird, aus denen jeweils eine Alterungsgeschwindigkeit berechnet wird, die zu einem tatsächlichen Lebensalter (LV) des Elektrolytkondensators (20) aufintegriert werden und wobei dieses tatsächliche Lebensalter (LV) subtrahiert von einem Lebensdauerende (LDE) die Restlebensdauer (LDR) ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Warnmeldung (SW) generiert wird, sobald das tatsächliche Lebensalter (LV) einen vorbestimmten Grenzwert (LVG) übersteigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung (Pv) des Elektrolytkondensators (20) in Abhängigkeit von einer gemessenen Zwischenkreisspannung (UZK), eines gemessenen Motorstromes (Imot), einer ermittelten Motorspannung (Umot), der Kapazität (CZK) des Elektrolytkondensators (20) und seiner wirksamen Innenwiderstände (RESRn, RESRs) berechnet wird.
  4. Vorrichtung (26) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung (26) eingangsseitig eine Recheneinrichtung (30) zur Ermittelung einer Verlustleistung (Pv) des Elektrolytkondensators (20), der ein thermisches Modell (32) für den Elektrolytkondensator (20) nachgeschaltet ist, und ausgangsseitig eine Recheneinrichtung (34) zur Ermittlung einer Restlebensdauer (LDR) aufweist, die eingangsseitig mit einem Ausgang des thermischen Modells (32) verknüpft ist.
  5. Vorrichtung (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Recheneinrichtung (30) zur Ermittlung einer Verlustleistung (Pv) des Elektrolytkondensators (20) Messwerte (UZK, Imot, Umot) des Frequenzumrichters (2) und Parameter (CZK, RESRn, RESRs) des Elektrolytkondensators (20) zugeführt sind.
  6. Vorrichtung (26) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (26) ein Mikroprozessor ist.
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