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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Gebrauchslebensdauer
von leistungselektronischen Baueinheiten, wie beispielsweise eines
Frequenzumrichters, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Merkmalen, ein elektronisches Überwachungssystem zum Überwachen
der Gebrauchslebensdauer einer mehrere Bauelemente aufweisenden
leistungselektronischen Baueinheit mit den im Oberbegriff des Anspruchs
14 genannten Merkmalen, ein Computerprogramm-Erzeugnis zum Überwachen
der Gebrauchslebensdauer leistungselektronischer Bauelemente mit
den im Oberbegriff des Anspruchs 15 genannten Merkmalen und ein computerlesbares
Speichermedium mit den im Oberbegriff des Anspruchs 16 genannten
Merkmalen.
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Alle
elektrischen und elektronischen Bauteile weisen nur eine begrenzte
Lebensdauer auf. Je nach Bauteil sind mechanische (zum Beispiel
Wellenlager bei Ventilatoren), chemische (zum Beispiel Elektrolyt bei
Kondensatoren) oder physikalische Effekte für die Lebensdauerbegrenzung
verantwortlich. Am Ende der Lebensdauer eines Bauteiles geht beispielsweise ein
Frequenzumrichter mehr oder weniger auffällig in den Störzustand.
Das bedeutet oftmals für den Anwender eine kostenintensive
Unterbrechung seines Fertigungsprozesses. Andererseits werden oft
aufwendige Service- und/oder Austauschmaßnahmen durchgeführt,
die nicht erforderlich sind (zum Beispiel Tausch von Kondensatorbänken,
wenn nach Betriebszeit des gesamten Frequenzumrichters gerechnet
das Gebrauchslebensende erreicht worden ist).
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Ein
zumeist anzutreffender Stand der Technik ist, dass beispielsweise
die Frequenzumrichter-(FU)-Hersteller dem Kunden-Service Empfehlungen
nennen, so zum Beispiel zum Tausch der Ventilatoren nach einer vorgegebenen
Betriebszeit. Dem Kunden werden in der Regel die Lebensdauern der entscheidenden
Komponenten genannt.
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Mit
der
DE 102 03 577
A1 ist ein Verfahren zum Prognostizieren der Lebensdauer
leistungselektronischer Bauelemente bekannt geworden, bei dem die
Sperrschichttemperatur des leistungselektronischen Bauelementes
ermittelt und die Temperaturhübe nach Anzahl und Höhe
gespeichert und daraus anhand abgelegter Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer
bestimmt wird. Dieses Verfahren ermöglicht somit lediglich
das Prognostizieren der Gebrauchslebensdauer elektronischer Leistungsbauelemente,
wie etwa der Schalttransistoren. Eine moderne leistungselektronische
Baueinheit weist jedoch noch weitere, ebenso dem Verschleiß unterliegende
Bauelemente wie zum Beispiel Kondensatoren, Flachbaugruppen und/oder
Kühlventilatoren etc. auf, so dass auch die Lebenszyklen
dieser zum Betrieb ebenso unentbehrlichen Bauelemente Wartungsvorgänge
auslösen, die meist sehr großzügig quantisiert
sind, das heißt, der Austausch der verschlissenen Bauelemente
zumeist viel zu früh ausgeführt wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
anzugeben, mit dem die Gebrauchslebensdauer verschiedenartiger leistungselektronischer
Bauelemente während des Betriebes hinreichend genau bestimmt
werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Überwachen
der Gebrauchslebensdauer leistungselektronischer Baueinheiten gelöst, aufweisend
Schritte zum Erfassen der Sperrschicht-Temperatur eines Bauelementes,
der Dauer der Temperaturhübe, zum Auswerten der erfassten Werte
anhand einer vorliegenden Belastungskennlinie des Herstellers und
zum Aufsummieren ermittelter Nutzungsverbrauchswerte zu einem Gebrauchslebensdauerwert,
wobei das Verfahren auf eine Vielzahl von verschiedenartigen elektronischen
und/oder elektrischen Bauelementen wenigstens einer Baueinheit angepasst
und angewendet wird, wobei für jedes Bauelement eine spezifische,
angepasste Erfassungs- und Auswertungsprozedur angewendet wird und
die erfassten Werte für jeweils jedes Bauelement einzeln
und unabhängig voneinander überwacht werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens
eines der Bauelemente ein Kondensator, wobei die auf den Kondensator
angewendete angepasste Erfassungs- und Auswertungsprozedur die Dauer
der elektrischen Last und die Betriebstemperatur des Kondensators
erfasst und abhängig von der Betriebstemperatur nach einer
vorgegebenen, für den Kondensator spezifischen Berechnungsregel
einen verringerten oder erhöhten Gebrauchslebensdauerwert
des Kondensators berechnet. Je nach Ausführungsform unterliegen
die Kondensatoren verschiedenen Alterungsprozessen. Es wird im Wesentlichen
zwischen Elektrolyt-(Elko) und Folien-Kondensatoren unterschieden.
Unabhängig vom Typ des Kondensators erfolgt die Zwischenkreis-Auslegung
für eine bestimmte Anzahl von Volllaststunden bei maximaler Umgebungs-
bzw. Hotspot-Temperatur. Hinweis: reduziert sich die Temperatur
um 10 K, so ist mit doppelter Lebensdauer zu rechnen, was durch
erfindungsgemäße Merkmale vorteilhaft verwendet
wird. Im Betrieb einer Baueinheit wird für die Kondensatoren
ein Modell gerechnet, das den Lebensdauerverbrauch entsprechend
der Auslegung für Volllast unter Berücksichtigung
der aktuellen Strom-, Spannungs- und Temperatur-Belastung berechnet.
Ist die Belastung geringer als Volllast, wird der Lebensdauerverbrauch
entsprechend geringer bewertet. Entspricht der Verbrauch dem Auslegungswert,
wird eine Reaktion ausgelöst.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung ist wenigstens eines der Bauelemente ein Leistungsschalttransistor,
wobei die auf den Leistungsschalttransistor angewendete Erfassungs-
und Auswertungsprozedur die Dauer der Temperaturhübe und
die Betriebstemperaturänderungen des Leistungsschalttransistors
erfasst und abhängig von den erfassten Werten nach einer
vorgegebenen, für den Leistungsschalttransistor spezifischen
Berechnungsregel einen verringerten oder erhöhten Gebrauchslebensdauerwert
des Leistungsschalttransistors berechnet, wobei der Auswertungsprozedur
eine Leistungs/Lebensdauer-Kennlinie des Leistungsschalttransistors
zugrunde gelegt wird.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Leistungs/Lebensdauer-Kennlinie
des Leistungsschalttransistors näherungsweise durch eine
exponentielle Funktion approximiert. Für eine Überwachung
der so genannten "Powercycle" wird die Kurve zum Beispiel durch
die Funktion
approximiert.
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Sie
stellt die maximale Anzahl der vom Gerät bis zum Service
(Modul-Austausch) ausführbaren Temperaturhübe ΔT
dar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die
Temperaturhübe (ΔT) von >= 20 Grad als kritisch erfasst und die
Anzahl und Dauer dieser kritischen Temperaturhübe zu jedem
Zeitpunkt aufsummiert und verfügbar gemacht. Es wird ein
thermisches Modell mitgerechnet, das die Temperaturhübe ΔT
der Junction zum Kühlkörper bestimmt.
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Es
wird online die Anzahl (n) für die jeweils berechneten
Temperaturhübe ΔT(t), zum Beispiel für ΔT(t) > 20 K bestimmt. Für
den gerade anstehenden Betriebspunkt wird sowohl n
max (ΔT)
als auch die Anzahl der gerade ausgeführten Temperaturhübe ΔT(t) berechnet:
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die verbrauchte
Gebrauchslebensdauer des Leistungsschalttransistors als Quotient
der erfassten Anzahl und Dauer der kritischen Temperaturhübe
und der exponentiellen Funktion bestimmt. Durch Bildung des Quotienten
wird für den jeweiligen
Betriebspunkt die verbrauchte Gebrauchslebensdauer bestimmt.
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Für
den Fall ΣnVerbrauch(i) =
1ist das Ende der Gebrauchslebensdauer erreicht. Dieses wird
für jeden Betriebspunkt (i) mit ΔT z. B. > 20 K ausgeführt.
Mit der Summe aus den in den Betriebspunkten (i) verbrauchten Lebensdauern
n(i) steht eine Größe zur Verfügung,
die die verbrauchte Gebrauchslebensdauer direkt anzeigt.
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In
noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Leistungsschalttransistor
als ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgeführt.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung ist wenigstens eines der Bauelemente eine elektronische
Flachbaugruppe, wobei die auf die Flachbaugruppe angewendete Erfassungs-
und Auswertungsprozedur die Umgebungstemperatur und Betriebsdauer
erfasst und abhängig von den erfassten Werten nach einer
vorgegebenen, für die Flachbaugruppe spezifischen Berechnungsregel
einen verringerten oder erhöhten Gebrauchslebensdauerwert
der Flachbaugruppe berechnet, wobei der spezifischen Berechnungsregel
als Bezugsgröße die Werte des kritischsten Bauelementes
der Flachbaugruppe zugrunde gelegt werden.
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Die
Lebensdauer einer Flachbaugruppe ist durch das kritischste Bauteil
der Baugruppe begrenzt. Die Gebrauchslebensdauer der Bauteile auf den
Baugruppen weist eine Temperaturabhängigkeit auf. In einem
definiert eingebauten Zustand ist somit die Umgebungstemperatur
der Baugruppe die Größe, die die Lebensdauer beeinflusst.
Mit der Bauteilauslegung der Baugruppen wird eine Größe
definiert, die als Referenz für das Ende der Gebrauchslebensdauer
gilt. Mit der Gleichung t·TAuslegung = tTmax [3]wird das
Produkt aus Lebensdauerauslegungswert (t) und maximalem Temperaturwert
(TAuslegung) berechnet. Im Betrieb wird
dieser Faktor zu Σt·T(t). Erreicht der Wert den
Auslegungswert tTmax, so wird eine Reaktion
ausgelöst.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung ist wenigstens eines der Bauelemente ein Ventilator, wobei
die auf den Ventilator angewendete Erfassungs- und Auswertungsprozedur
die tatsächliche Betriebsdauer während der Einschaltzeiten
des Ventilators erfasst und abhängig von den erfassten
Werten nach einer vorgegebenen, für den Ventilator spezifischen
Berechnungsregel einen verringerten oder erhöhten Gebrauchslebensdauerwert
des Ventilators berechnet. Bei Ventilatoren sind die Wellenlager
die die Gebrauchslebensdauer begrenzenden kritischen Elemente. Der
Hersteller des Ventilators gibt die Lebensdauer des Ventilators
an und es wird erfindungsgemäß die Einschaltzeit
des Ventilators aufsummiert und mit dem Lebensdauerwert verglichen.
Ist dieser nahezu erreicht, wird eine Reaktion ausgelöst.
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Neben
diesen genauer beschriebenen Bauteilen kann man erfindungsgemäß die
Gebrauchslebensdauer für jedes andere eingesetzte Bauteil
bestimmen und auswerten.
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Jede
der zuvor genannten Überwachungen löst eine Reaktion
aus. Diese soll dem Anwender mitteilen, für sein Gerät
einen Service-Vorgang einzuplanen oder den aktuellen Prozess zu
Ende zu bringen und dann einen Service-Vorgang durchzuführen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung führt in einem zusätzlichen Schritt
wenigstens eine Erfassungs- und Auswertungsprozedur wenigstens eines
Bauelementes bei Erreichen eines kritischen Zustandes eine Alarmfunktion
aus, die wenigstens eine visuelle und/oder tontechnische Meldung
ausgibt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung stellt wenigstens eine Erfassungs- und Auswertungsprozedur
wenigstens eines Bauelementes die erfassten Werte auf einem Bildschirm
in Form von Balkendiagrammen grafisch und/oder in tabellarischer
Form dar.
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Die
erfassten Werte können vorzugsweise über ein angeschlossenes
Netzwerk zu einer verarbeitenden Station fernübertragen
werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung wird das Verfahren auf eine als ein Frequenzumrichter
ausgeführte elektronische Baueinheit angewendet.
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Nach
einem anderen Aspekt ist die Aufgabe der Erfindung durch ein elektronisches Überwachungssystem
zum Überwachen der Gebrauchslebensdauer einer mehrere Bauelemente
aufweisenden leistungselektronischen Baueinheit mit jeweils wenigstens
einem Leistungsschalttransistor, Zwischenkreiskondensator, Flachbaugruppe,
mit oder ohne wenigstens einem Ventilator, gelöst, bei
dem Mittel zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters wenigstens
eines der Bauelemente vorgesehen sind, und bei Betrieb einer leistungselektronischen
Baueinheit an einer Vielzahl von verschiedenartigen elektronischen
und/oder elektrischen Bauelementen dieser Baueinheit die Erfassung
der Gebrauchslebensdauer ausgeführt ist, wobei für
jedes Bauelement eine spezifische, angepasste Erfassungs- und Auswertungsprozedur
angewendet wird, und die erfassten Werte für jeweils jedes
Bauelement einzeln und unabhängig voneinander überwacht sind.
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Nach
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Aufgaben
der Erfindung durch ein Computerprogramm-Erzeugnis erreicht, das
ein computerlesbares Speichermedium umfasst, das es einem Computer
ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen
worden ist, zum Überwachen der Gebrauchslebensdauer leistungselektronischer
Bauelemente, die mit Lastwechseln beaufschlagt werden, wenigstens
folgende Schritte durchzuführen: bei Betrieb einer leistungselektronischen
Baueinheit an einer Vielzahl von verschiedenartigen elektronischen
und/oder elektrischen Bauelementen dieser Baueinheit die Erfassung
der Gebrauchslebensdauer auszuführen, wobei für
jedes Bauelement eine spezifische, angepasste Erfassungs- und Auswertungsprozedur
angewendet wird, und die erfassten Werte für jeweils jedes
Bauelement einzeln und unabhängig voneinander überwacht
werden.
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Nach
noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Aufgaben
der Erfindung durch ein computerlesbares Speichermedium gelöst, auf
dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht,
nachdem es in den Speicher des Computers geladen ist, zum Prognostizieren
der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit
niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden, folgende Schritte
durchzuführen: bei Betrieb einer leistungselektronischen
Baueinheit an einer Vielzahl von verschiedenartigen elektronischen
und/oder elektrischen Bauelementen dieser Baueinheit die Erfassung
der Gebrauchslebensdauer auszuführen, wobei für
jedes Bauelement eine spezifische, angepasste Erfassungs- und Auswertungsprozedur
angewendet wird, und die erfassten Werte für jeweils jedes
Bauelement einzeln und unabhängig voneinander überwacht
werden.
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Durch
die erfindungsgemäßen Merkmale gewinnt der Anwender
an Prozesssicherheit. Er kann sich jederzeit über die Restlaufzeit
seines Gerätes bis zum nächsten Service-Vorgang
informieren, wodurch eine Risikominimierung für einen Fertigungsprozess
des Kunden ermöglicht ist. "Blind" durchgeführte
Tauschaktionen werden nicht mehr durchgeführt.
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Die
Baueinheit teilt dem Anwender mit, ob und wann er einen Service
benötigt. Die Kosten für unnötige, verfrühte
Service-Vorgänge und Teileaustausch werden reduziert.
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Im
Weiteren wird anhand einer Figur die Abhängigkeit der Gebrauchslebensdauer
von der Anzahl und Lasthöhe erklärt.
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In
der Figur ist eine beispielhafte Kennlinie, wie sie einem IGBT-Modul
von dem Hersteller beigefügt ist, dargestellt.
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Auf
der Abszissenachse ist die Höhe der Temperaturhübe ΔT
in Grad aufgetragen und auf der Ordinatenachse die Anzahl n der
Schaltzyklen.
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Es
sind beispielhaft zwei Kennlinien 1, 2 eingetragen,
wobei die Kennlinie 1 für Standard-Module angegeben
ist und die Kennlinie 2 für Leistungs-Module.
Erkennbar ist, dass je höher die Temperaturhübe ΔT
werden, umso kleiner die Anzahl von Schaltzyklen n ist, die die
betreffende Baueinheit oder das Bauelement aushalten kann, bis die
Gebrauchslebensdauer abgelaufen ist.
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Die
mit gestrichelten Linien dargestellten Kennlinienbereiche geben
ein abgeschätztes, approximiertes verhalten jenseits der
Herstellerangaben an.
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Die
vorangehenden Ausführungen sind lediglich beispielhaft
und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen.
Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen
werden. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist zur
Veranschaulichung vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der
Patentansprüche einzuschränken. Viele Alternativen,
Modifikationen und Varianten sind für einen durchschnittlichen
Fachmann offensichtlich, ohne dass er hierfür den Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung verlassen müsste, der in den
nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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