DE102004036211A1

DE102004036211A1 - Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines Elektrolytkondensators einer Vorrichtung

Info

Publication number: DE102004036211A1
Application number: DE200410036211
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Reitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-03-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines Elektrolytkondensators (C¶ZK¶) einer Vorrichtung (2), der mittels eines zuschaltbaren Vorladewiderstandes (R) geladen wird. Erfindungsgemäß werden während eines Vorladevorgangs zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (t¶0¶, t¶1¶) jeweils eine am Elektrolytkondensator (C¶ZK¶) anstehende Spannung (u¶C0¶, u¶C1¶) erfasst, wird bei überbrücktem Vorladewiderstand (R) eine am Elektrolytkondensator (C¶ZK¶) anstehende Spannung (u¶ZK¶) erfasst und wird in Abhängigkeit dieser gemessenen Spannungen (u¶C0¶, u¶C1¶, u¶ZK¶) und einem Zeitpunkt (t¶1¶) eine Zeitkonstante (Ð) des Vorladevorgangs berechnet, die anschließend mit einer vorbestimmten Zeitkonstante (Ð¶N¶) verglichen wird, wobei eine ermittelte Abweichung ein Maß für die Alterung des Elektrolytkondensators (C¶ZK¶) ist. Somit erhält man ein Verfahren, mit dem beim Einschalten der Vorrichtung (2) die Alterung des Elektrolytkondensators (C¶ZK¶) dieser Vorrichtung (2) auf einfache Art und Weise bestimmt werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines Elektrolytkondensators einer Vorrichtung, der mittels eines zuschaltbaren Vorladewiderstandes geladen wird.
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 einen 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 geschlossener Becher langsam, aber ständig Gasanteile. Es tritt ein Elektrolytverlust auf, und zwar um so schneller, je höher die Temperatur ist. Mit abnehmender Elektrolytmenge ändert sich aber auch die elektrischen Parameter des Kondensators dahingehend, dass sich die Kapazität verringert und der äquivalente Serienwiderstand zunimmt.
Aus der JP 08-034 001 A1 ist eine Kondensatorkapazität-Diagnoseschaltung bekannt. Der Elektrolytkondensator, dessen Kapazität ermittelt wird, ist mit einem Ausgang eines DC/DC-Wandlers verbunden, der eingangsseitig aus einer Gleichspannungsquelle gespeist wird. Zwischen dieser Gleichspannungsquelle und dem DC/DC-Wandler ist ein Schalter angeordnet. Zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers und dem Elektrolytkondensator ist derart eine Diode geschaltet, dass die im Elektrolytkondensator gespeicherte Energie nicht in den DC/DC-Wandler fließen kann. Die Diagnoseschaltung besteht aus einer zuschaltbaren Entladeschaltung, einer Spannungserfassungseinrichtung und einer Steuereinrichtung. Diese Steuereinrichtung ist einerseits mit der zuschaltbaren Entladeschaltung und andererseits mit der Spannungserfassungseinrichtung verknüpft. Die Entladeschaltung besteht aus einer Reihenschaltung eines Entladewiderstandes und eines abschaltbaren Halbleiterschalters. Die Steuereinrichtung schaltet für eine vorbestimmte Zeitdauer die Entladeschaltung ein, wenn der Elektrolytkondensator auf einen vorbestimmten Spannungswert aufgeladen ist. Mit dem Zuschalten der Entladeschaltung wird die Spannung des Elektrolytkondensators zu diesen Zeitpunkt erfasst. Am Ende der Zeitdauer für den Entladevorgang des Elektrolytkondensators wird wieder die Spannung am Elektrolytkondensator erfasst. Aus diesen beiden Spannungswerten wird ein Spannungsänderungsverhältnis berechnet, das mit einem vorbestimmten Spannungsänderungsverhältnis verglichen wird. Nimmt die Spannung am Elektrolytkondensator mit einem vorbestimmten Verhältnis ab, ist der Elektrolytkondensator in Ordnung. Nimmt jedoch die Spannung am Elektrolytkondensator nicht mit dem vorbestimmten Verhältnis ab, so wird daraus geschlossen, dass der Elektrolytkondensator nicht mehr der Norm entspricht.
Mit diesem Verfahren wird nur überprüft, ob die Kapazität des Elektrolytkondensators noch der Norm entspricht oder nicht. Die Alterung dieses Elektrolytkondensators an sich wird nicht ermittelt. Außerdem wird für diese Diagnose der Elektrolytkondensator mit einer zusätzlichen Schaltungsanordnung entladen, d.h., die betriebliche Verwendung dieser Stromversorgungseinrichtung ist für die Dauer der Diagnose unterbrochen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung einer Alterung eines Elektrolytkondensators einer Vorrichtung anzugeben, dass während der betrieblichen Verwendung der Vorrichtung ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zeitkonstante des Vorladevorgangs des Elektrolytkondensators einer Vorrichtung berechnet. Anhand einer vorbestimmten Zeitkonstante wird eine Abweichung ermittelt, die ein Maß für die Alterung des Elektrolytkondensators ist, da der Vorladewiderstand keiner Alterung unterworfen ist. Zur Berechnung dieser Zeitkonstanten werden nur zwei zeitlich beabstandete Spannungwerte des Elektrolytkondensators benötigt und ein Spannungswert am Elektrolytkondensator bei überbrückten Vorladewiderstand. Mit diesem Verfahren wird nicht das Lebensalter und damit die Restlebensdauer eines Elektrolytkondensators ermittelt, sondern es wird nur aus einer ermittelten tatsächlichen Zeitkonstante und einer vorbestimmten Zeitkonstante eine Abweichung ermittelt, die ein Maß für die Alterung des Elektrolytkondensators darstellt. D.h., es wird eine Kapazitätsänderung her vorgerufen durch Alterung ermittelt, wobei keine zusätzliche Schaltungsanordnung verwendet wird.
Unterschreitet diese ermittelte Abweichung einen vorbestimmten Grenzwert, so wird ein Warnsignal generiert. Aufgrund dieses Warnsignals kann dann bei einem nächstmöglichen Wartungstermin der Elektrolytkondensator bzw. die Vorrichtung ausgetauscht werden, damit keine Folgeschäden entstehen können.
Da dieses erfindungsgemäße Verfahren mit dem Einschalten der Vorrichtung gestartet wird und diese Vorrichtung während seiner Betriebszeit mehrmals ein- und ausgeschaltet wird, kann bei jedem Einschalten die tatsächliche Zeitkonstante des Vorladevorgangs des Elektrolytkondensators ermittelt werden. Dadurch kann über die gesamte Betriebszeit der Vorrichtung die Alterung des Elektrolytkondensators ermittelt werden. Diese berechnete Zeitkonstante können auch für eine spätere Auswertung aufgezeichnet werden.
Zu diesen Vorrichtungen, die einen Elektrolytkondensator aufweisen, der vor der betrieblichen Verwendung der Vorrichtung aufgeladen werden muss, zählt beispielsweise ein Frequenzumrichter oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgungseinrichtung.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figur Bezug genommen, die ein Blockschaltbild eines handelsüblichen Frequenzumrichters schematisch veranschaulicht.
Gemäß diesem Ersatzschaltbild 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 Gleichspannungszwischenkreises 20 elektrisch leitend miteinander verbunden. Dieser Gleichspannungszwischenkreis weist einen Elektrolytkondensator C_ZK und einen überbrückbaren Vorladewiderstand R auf. Dieser Vorladewiderstand R wird mittels eines Relais 22 überbrückt. D.h., nur während des Vorladevorgangs ist dieser Vorladewiderstand R wirksam. Ist der Elektrolytkondensator C_ZK aufgeladen, so fällt an diesem eine Zwischenkreisspannung U_ZK ab. An den Phasen-Ausgängen 8, 10 und 12 des selbstgeführten Pulsstromrichters ist ein Motor 14 angeschlossen. Motor 14 und der Frequenzumrichter 2 bilden einen sogenannten Antrieb für eine nicht näher dargestellte Arbeitsmaschine. 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 einem speisenden Netz 18 anschließbar, wobei zwischen den Induktivitäten L dieser Netzkommutierungsdrossel 16 und den Eingangs-Anschlüssen 24, 26 und 28 des Frequenzumrichters 2 ein mehrpoliger Ein-/Aus-Schalter, der hier nicht explizit dargestellt ist, angeordnet ist.
Wird nun ein derartiger handelsüblicher Frequenzumrichter 2 an ein speisendes Netz 18 geschaltet, so wird der Ein-/Aus-Schalter, auch als Netzschalter bezeichnet, betätigt. Da am Elektrolytkondensator C_ZK noch keine Spannung u_C abfällt, ist das Relais 22 derart geschaltet, dass der Vorladewiderstand R im Gleichspannungszwischenkreis 20 geschaltet ist, so dass dieser elektrisch in Reihe zum Elektrolytkondensator C_ZK geschaltet ist. Der Diodengleichrichter 4 generiert aus den anstehenden Phasenspannungen u_Rnetz, u_Snetz und u_Tnetz des speisenden Netzes 18 eine gleichgerichtete Spannung. Außerdem liefert dieser Diodengleichrichter 4 einen Gleichrichterstrom, der sich aus den Phasenströmen i_R, i_S und i_T des speisenden Netzes 18 zusammensetzt. Mit dem Gleichrichterstrom wird zunächst der Elektrolytkondensator C_ZK aufgeladen. Da jeder Elektrolytkondensator C_ZK nur einen vorbestimmten Ladestrom unbeschadet verträgt, muss ein Vorladewiderstand R verwendet werden, der den Gleichrichterstrom auf den vom Elektrolytkondensator C_ZK gewünschten Ladestrom begrenzt. Sobald am Elektrolytkondensator C_ZK eine Kondensatorspannung u_C von bei spielsweise 30% bis 40% der Zwischenkreisspannung U_ZK abfällt, wird die Elektronik des Frequenzumrichters 2 initialisiert und hochgefahren. Bei einer Kondensatorspannung u_C von beispielsweise 90% der Zwischenkreisspannung U_ZK wird das Relais 22 derart betätigt, dass der Vorladewiderstand R überbrückt wird.
Diesen Vorladevorgang nutzt das erfindungsgemäße Verfahren aus, um feststellen zu können, ob und wie weit der Elektrolytkondensator C_ZK gealtert ist. Dieses erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass beim Vorladevorgang nur zwei Bauelemente, nämlich der Vorladewiderstand R und der Elektrolytkondensator C_ZK, beteiligt sind. Diese beiden Bauelemente R und C_ZK bestimmen auch die Zeitkonstante τ des Vorladevorgangs. Da von diesen beiden Bauelementen R und C_ZK nur der Elektrolytkondensator C_ZK einer Alterung unterworfen ist, spiegelt sich die Alterung dieses Elektrolytkondensators C_ZK in der Zeitkonstanten τ des Vorladevorgangs wieder.
Die Kondensatorspannung u_C steigt gemäß einer e-Funktion, wobei deren Zeitkonstante τ von dem Vorladewiderstand R und dem Elektrolytkondensator C_ZK bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird zu zwei zeitlich aufeinander folgenden Zeitpunkten die Kondensatorspannung u_C(t=t₀) und u_C(t=t₁) gemessen. Außerdem wird die Zwischenkreisspannung u_ZK am Ende des Vorladevorgangs gemessen. Mit diesen Spannungswerten ergibt sich folgende Gleichung:
Aus dieser Gleichung erhält man nach einigen Umformungen die Gleichung für die Zeitkonstante τ=RC:
Mit dieser Gleichung (2) kann bei jedem Vorladevorgang die tatsächliche Zeitkonstante τ dieses Vorgangs ermittelt werden. Um nun die Alterung des Elektrolytkondensators C_ZK feststellen zu können, muss diese tatsächliche Zeitkonstante τ mit einer vorbestimmten Zeitkonstante τ_N, die beispielsweise zum Zeitpunkt der Fertigstellung des Frequenzumrichters 2 bestimmt worden ist, verglichen werden. Eine Abweichung dieser tatsächlichen Zeitkonstanten τ von der vorbestimmten Zeitkonstanten τ_N zeigt an, dass sich die Kapazität des Elektrolytkondensators C_ZK verändert haben muss. Wie eingangsseitig erläutert, verringert sich die Kapazität eines Elektrolytkondensators mit seiner Alterung.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann man somit bei jedem Einschalten einer Vorrichtung mit einem Elektrolytkondensator dessen Alterung mit einfachen Mitteln feststellen. Dadurch kann ein Elektrolytkondensator C_ZK bzw. die Vorrichtung entsprechend seines Alterungsprozesses ausgetauscht werden und nicht wie üblich nach einer vorbestimmten Betriebsdauer, die die tatsächliche Belastung des Elektrolytkondensators C_ZK nicht berücksichtigt.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines Elektrolytkondensators (C_ZK) einer Vorrichtung (2), der mittels eines zuschaltbaren Vorladewiderstandes (R) geladen wird, wobei während eines Vorladevorgangs zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (t₀, t₁,) jeweils eine am Elektrolytkondensator (C_ZK) anstehende Spannung (u_C0, u_C1) erfasst werden, wobei bei überbrückten Vorladewiderstand (R) eine am Elektrolytkondensator (C_ZK) anstehende Spannung (u_ZK) erfasst wird, wobei in Abhängigkeit dieser gemessenen Spannungen (u_C0, u_C1, u_ZK) und einem Zeitpunkt (t₁) eine Zeitkonstante (τ) des Vorladevorgangs berechnet wird, die anschließend mit einer vorbestimmten Zeitkonstanten (τ_N) verglichen wird, wobei eine ermittelte Abweichung ein Maß für die Alterung des Elektrolytkondensators (C_ZK) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante (τ) gemäß folgender Gleichung:
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sobald die ermittelte Abweichung einen vorbestimmten Wert unterschreitet, ein Warnsignal generiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Vorladevorgang eine Zeitkonstante (τ) berechnet wird.