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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Zwischenkreiskapazität, insbesondere der Kapazität eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem, sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einem Zwischenkreiskondensator, dessen Kapazität überwacht werden kann.
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Stand der Technik
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Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen häufig leistungselektronische Schaltungskomponenten im Antriebssystem zwischen Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine auf, welche in der Regel als Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut sind. Dabei dient ein Gleichspannungszwischenkreis als Koppelglied zwischen Traktionsbatterie und einem Wechselrichter, welcher zur Übertragung von elektrischer Leistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis auf die elektrische Maschine angesteuert werden kann.
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Wechselrichter können beispielsweise als Vollbrückenschaltung mit einer Anzahl von Brückenzweigen mit je zwei Halbleiterschaltern ausgeführt sein. Dabei können die mit einem ersten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als High-Side-Schalter und die mit dem zweiten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Als Halbleiterschalter können dabei beispielsweise IGBT-Module (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) mit antiparallel geschalteter Diode oder MOSFETs (Metalloxidfeldeffekttransistoren) verwendet werden.
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In derartigen Systemen ist es wünschenswert, die im Gleichspannungszwischenkreis eingesetzten Spannungsspeicherelemente wie Zwischenkreiskondensatoren auf Degradationseffekte durch Alterung oder Überlastung hin überprüfen zu können.
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Solche Degradationseffekte können unter Umständen zu Einschränkungen der Leistungsfähigkeit der Speicherelemente und unter Umständen auch zum Ausfall des gesamten Systems führen.
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Die Druckschrift
US 2013/0057297 A1 beispielsweise offenbart ein Verfahren zur Detektion von Degradationseffekten in Zwischenkreiskondensatoren, bei dem ein negativer Folgestrom und eine negative Folgespannung bei einer Grundfrequenz der Wechselspannungsversorgung gemessen und mit Sollwerten verglichen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Steuerregelung, einem Wechselrichter, und einem Zwischenkreiskondensator, welcher mit Eingangsanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt ist. Die Steuerregelung ist dabei dazu ausgelegt, Schwankungen des Eingangsstroms oder der Eingangsspannung des Wechselrichters zu erfassen, auf der Basis der erfassten Schwankungen einen momentanen Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators zu berechnen, und das Betriebsverhalten des Wechselrichters zu ändern, falls der berechnete momentane Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators einen kritischen Schwellwert unterschreitet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Kapazitätswerts eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten des Erfassens der Schwankungen des Eingangsstroms oder der Eingangsspannung eines Wechselrichters des elektrischen Antriebssystems, des Berechnens einer momentanen Kapazitätswert des mit dem Wechselrichter gekoppelten Zwischenkreiskondensators, und des Änderns des Betriebsverhaltens des Wechselrichters, falls der berechnete momentane Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators einen kritischen Schwellwert unterschreitet.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zwischenkreiskondensator, welcher einen Wechselrichter mit Gleichspannung speist, hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit und möglicher Überlastung zeitnah zu überwachen. Dadurch, dass über Schwankungen im Strom oder der Spannung an den Eingangsanschlüssen des angeschlossenen Wechselrichters (sogenannte Strom-Ripple oder Spannungs-Ripple), die im elektrischen Antriebssystem gemessen werden können oder schon bekannt sind, auf die Kapazität des Zwischenkreiskondensators geschlossen werden kann, ist es möglich, Rückschlüsse auf die aktuelle Belastung des Zwischenkreiskondensators zu ziehen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass mit dem Verfahren und der Steuerregelung ein Diagnosebetriebsmodus geschaffen werden kann, welcher während des gewöhnlichen Betriebs des Antriebssystems eine Überprüfungsmöglichkeit für mögliche Degradationseffekte des Zwischenkreiskondensators in Echtzeit bietet. Somit kann ein drohender Leistungseinbruch des Zwischenkreises durch thermische Überlastung und damit mögliche Ausfälle oder Defekte frühzeitig erkannt werden. Die Gefahr des Ausfalls des Gesamtsystems kann dadurch reduziert werden.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass für geringe Frequenzen von etwa 10 kHz, wie sie im Normalbetrieb des Wechselrichters auftreten, üblicherweise verwendete Zwischenkreiskondensatoren wie etwa Folienkondensatoren nahezu ideale Kondensatoren sind, deren komplexer Widerstand invers proportional zum Produkt aus Schwankungsfrequenz und Kapazität skaliert. Dadurch kann die Kapazität bei bekannter Schwankungsfrequenz über den Strom oder die Spannung sehr einfach ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise können beim Feststellen von Kapazitätsverlusten oder unüblich rascher Kapazitätsabnahme am Zwischenkreiskondensator Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die die Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators verlängern können, beispielsweise eine Senkung der Spitzenbelastung des Zwischenkreises oder eine generelle Senkung der Maximalleistung des Systems. Außerdem können Betriebsparameter des Systems angepasst werden, um Überspannungen im System und insbesondere am Zwischenkreiskondensator in Zukunft zu vermeiden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuerregelung weiterhin dazu ausgelegt sein, sowohl Schwankungen des Eingangsstroms und Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters zu erfassen, und den momentanen Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators auf der Basis des Verhältnisses zwischen den erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und den erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters zu berechnen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuerregelung weiterhin einen Tiefpassfilter aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, die erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und/oder die erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters zu filtern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine elektrische Maschine umfassen, welche mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, und welche von dem Wechselrichter mit einem ein- oder mehrphasigen Versorgungsstrom gespeist wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuerregelung weiterhin dazu ausgelegt sein, einen zeitlichen Verlauf der berechneten momentanen Kapazitätswerte zu berechnen, und das Betriebsverhalten des Wechselrichters zu ändern, falls der Gradient des berechneten zeitlichen Verlaufs einen kritischen Schwellwert überschreitet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann der Zwischenkreiskondensator einen Folienkondensator umfassen. Folienkondensatoren umfassen dabei elektrische Kondensatoren, die isolierende Kunststofffolien als Dielektrikum einsetzen. Dabei werden dünne aus Kunststoff gezogene Folien mit Elektroden verbunden, die beispielsweise gewickelt oder in Einzellagen geschichtet einen Kondensator bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und/oder die erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters mit einem Tiefpassfilter gefiltert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können sowohl die Schwankungen des Eingangsstroms als auch die Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters erfasst werden. Dabei kann zusätzlich ein Berechnen des momentanen Kapazitätswerts des Zwischenkreiskondensators auf der Basis des Verhältnisses zwischen den erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und den erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters vorgenommen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ändern des Betriebsverhaltens des Wechselrichters erfolgen, wenn der Gradient eines zeitlichen Verlaufs der berechneten momentanen Kapazitätswerte einen kritischen Schwellwert überschreitet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Zwischenkreiskondensator einen Folienkondensator umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ändern des Betriebsverhaltens des Wechselrichters eine Reduktion des Wirkleistungsfaktors, eine Reduktion der Phasenstromstärke und/oder eine Reduktion der Drehzahl der elektrischen Maschine umfassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Momentanwerten einer Kapazität eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Kapazität eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100, beispielsweise eines elektrischen Antriebssystems 100 eines Fahrzeugs. Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst zwei Eingangsanschlüsse T+ und T–, welche beispielsweise durch eine Energiespeichereinrichtung wie eine Hochspannungsbatterie oder eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs mit Spannung versorgt werden können. Die Eingangsanschlüsse T+ und T– sind mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden, welcher einen Zwischenkreiskondensator 2 aufweist. Der Zwischenkreiskondensator 2 kann beispielsweise ein Folienkondensator sein. Der Zwischenkreiskondensator 2 ist über Ausgangsanschlüsse mit Eingangsanschlüssen eines Wechselrichters 10, beispielsweise eines Pulswechselrichters 10, verbunden. Der Wechselrichter 10 ist seinerseits mit einer elektrischen Maschine 3 des Antriebssystems 100 gekoppelt und speist die elektrische Maschine 3 mit ein- oder mehrphasigem Versorgungsstrom.
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Der in 1 dargestellte Spannungszwischenkreisumrichter mit dem Zwischenkreiskondensator 2 und dem Wechselrichter 10 ist beispielhaft als dreiphasiger Umrichter dargestellt, das heißt, der Wechselrichter 10 umfasst drei Brückenzweige mit jeweils zwei Halbleiterschaltern. Der erste Brückenzweig umfasst beispielsweise die Halbleiterschalter 1a und 1d, der zweite Brückenzweig beispielsweise die Halbleiterschalter 1b und 1e und der dritte Brückenzweig beispielsweise die Halbleiterschalter 1c und 1f. Dabei werden die Halbleiterschalter 1a, 1b, 1c einer Brückenseite als High-Side-Schalter bezeichnet, und die Halbleiterschalter 1d, 1e, 1f der anderen Brückenseite als Low-Side-Schalter. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Brückenzweigen bzw. Phasen des Spannungszwischenkreisumrichters ebenso möglich ist, und dass die Bezeichnung der Halbleiterschalter 1a bis 1f als High-Side- und Low-Side-Schalter nur beispielhaft gewählt ist.
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Die in 1 dargestellten Halbleiterschalter 1a bis 1f können dabei beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In einer möglichen Ausführungsform sind die Halbleiterschalter jeweils IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), es ist jedoch ebenso möglich, andere Halbleiterschalter in entsprechender Form vorzusehen, zum Beispiel in Form von JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors). Wenn die Halbleiterschalter 1a bis 1f IGBT-Schalter aufweisen, kann es vorgesehen sein, zu jedem der IGBT-Schalter eine in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Diode anti-parallel zu schalten.
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Das elektrische Antriebssystem 100 weist ferner eine Steuerregelung 6 auf, welche dazu ausgelegt ist, Schaltsignale 5a, 5b und 5c zu erzeugen, welche ein schaltendes Ansteuern der Halbleiterschalter 1a bis 1f codieren. Die Schaltsignale 5a, 5b und 5c können dabei beispielsweise einen logisch niedrigen Pegel aufweisen, wenn die Halbleiterschalter geöffnet sein sollen, und einen logisch hohen Pegel, wenn die Halbleiterschalter geschlossen sein sollen. Die Steuerregelung 6 speist die Schaltsignale 5a, 5b und 5c in entsprechende Steuervorrichtungen 4a, 4b und 4c ein, welche jeweils für die Ansteuerung der Halbleiterschalter einer Halbbrücke des Wechselrichters 10 verantwortlich sind.
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Die Steuervorrichtungen 4a, 4b, 4c weisen jeweils einen Steuerausgang auf, über welchen ein Steuersignal 7a, 7b, 7c an einen Steuereingang der Halbleiterschalter 1a bis 1f abgegeben werden kann, um den Betrieb der Halbleiterschalters 1a bis 1f zu steuern.
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Die Steuerregelung 6 ist insbesondere dazu ausgelegt, Schwankungen des Eingangsstroms oder der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 zu erfassen. Diese erfassten Schwankungen (auch Ripple genannt) können von der Steuerregelung 6 dann dazu herangezogen werden, um einen momentanen Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators 2 zu berechnen. Der Strom U und die Spannung I an einem Kondensator des (komplexen) Widerstands Z hängen proportional voneinander ab: U = Z·I
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Bei geringen Frequenzen f, zum Beispiel etwa 10 kHz verhalten sich Kondensatoren mit den notwendigen Kapazitätswerten C näherungsweise wie ideale Kondensatoren, so dass der Widerstand Z invers proportional zur Frequenz f und zur Kapazität C ist: Z = (f·C)–1
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Das bedeutet, dass eine frequenzaufgelöste Bestimmung der Amplituden des Stroms I oder der Spannung U am Zwischenkreiskondensator 2 die Berechnung seiner Kapazität C erlaubt. Beispielsweise können auch sowohl Schwankungen des Eingangsstroms als auch Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 erfasst werden, um den momentanen Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators 2 auf der Basis des Verhältnisses zwischen den erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und den erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 zu berechnen. Die Steuerregelung 6 kann daher die Kapazitätswerte C des Zwischenkreiskondensators 2 im fortlaufenden Betrieb immer wieder aktualisieren, um einen zeitlichen Verlauf über die Betriebsdauer des elektrischen Antriebssystems hinweg zu erhalten. Die ermittelten Kapazitätswerte können zum Beispiel in einem Speichermodul 6a der Steuerregelung in einem Messwertprotokoll gespeichert werden.
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2 zeigt einen derartigen beispielhaften zeitlichen Verlauf 20 der Kapazität C eines Zwischenkreiskondensators 2 über die Zeit t. Die Kapazität C nimmt stetig ab, was auf ein normales und erwartetes Alterungsverhalten im Betrieb zurückzuführen. An einem ersten Zeitpunkt T1 jedoch ist die zeitliche Änderung schneller als erwartet. Bei derartigen Änderungen wird von einer zunehmenden Schädigung des Zwischenkreiskondensators 2 durch ungünstige Betriebsbedingungen im elektrischen Antriebssystem 100 ausgegangen. Um solche Situationen erkennen zu können, kann Steuerregelung 6 dazu ausgelegt sein, der Gradient des zeitlichen Verlaufs der berechneten momentanen Kapazitätswerte C zu ermitteln. Falls dieser Gradient dann einen kritischen Schwellwert überschreitet, kann die Steuerregelung entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen, um die fortschreitende übermäßige Degradation des Kondensators 2 zu vermeiden.
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Zu einem Zeitpunkt T2 kann die Kapazität C des Zwischenkreiskondensators 2 einen generellen unteren Schwellwert unterschreiten, bei dem der Betrieb des elektrischen Antriebssystems 100 nicht mehr als zuverlässig bzw. sicher gelten kann. Auch kann die Steuerregelung entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des elektrischen Antriebssystems 100 zu gewährleisten.
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Entsprechende Gegenmaßnahmen können insbesondere durch Einflussnahme auf einen oder mehrere einer Vielzahl von Einflussparametern des elektrischen Antriebssystems 100 eingeleitet werden. Die Steuerregelung 6 kann beispielsweise die Kühlwassertemperatur, die Umgebungstemperatur, den erzeugten Phasenstrom des Wechselrichters 10, den Modulationsgrad m der elektrischen Maschine 3, den Wirkleistungsfaktor der elektrischen Maschine 3, die Drehzahl der elektrischen Maschine 3, die Art s des Ansteuerverfahrens und/oder die Taktfrequenz f des Wechselrichters 10 verändern. Durch entsprechende Anpassung dieser Einflussparameter kann das Betriebsverhalten des Wechselrichters 10 geändert werden, um eine dauerhafte mittlere Leistung des Antriebssystems 100 zu begrenzen und den Zwischenkreiskondensator 2 zu schützen.
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Um zu vermeiden, dass nur kurzzeitig auftretende Überbelastungen sofort eine regulativen Eingriff in das Betriebsverhalten des Antriebssystems 100 nach sich ziehen, kann die Steuerregelung 6 einen Tiefpassfilter 6b aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, die erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und/oder die erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 zu filtern. Insbesondere können durch die Tiefpassfilterung kurzfristige Störungen von länger anhaltenden Trends getrennt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens M zum Ermitteln eines Kapazitätswerts eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere des Zwischenkreiskondensators 2 in dem elektrischen Antriebssystem 100, wie in 1 dargestellt und erläutert. Das Verfahren M umfasst in einem ersten Schritt M1 ein Erfassen der Schwankungen des Eingangsstroms oder der Eingangsspannung eines Wechselrichters 10 des elektrischen Antriebssystems 100. Die erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und/oder die erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 können vorab mit einem Tiefpassfilter 6b gefiltert werden, um kurzfristige Störsignale oder Ausreißer eliminieren zu können.
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Auf der Basis dieser gegebenenfalls gefilterten Schwankungen kann in einem Schritt M2 ein momentaner Kapazitätswert des mit dem Wechselrichter 10 gekoppelten Zwischenkreiskondensators 2 berechnet werden. Falls der berechnete momentane Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators 2 dann einen kritischen Schwellwert unterschreiten sollten, kann in Schritt M3 das Betriebsverhalten des Wechselrichters 10 geändert werden, zum Beispiel durch eine Reduktion des Wirkleistungsfaktors eine Reduktion der Phasenstromstärke und/oder eine Reduktion der Drehzahl der elektrischen Maschine 3. Ferner kann das Betriebsverhalten des Wechselrichters 10 auch dann geändert werden, wenn der Gradient des zeitlichen Verlaufs der berechneten momentanen Kapazitätswerte einen kritischen Schwellwert überschreitet, das heißt, wenn die Kapazität schneller sinkt als eigentlich im normalen Betriebsverhalten durch Alterung erwartet.
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In Schritt M2 können beispielsweise sowohl die Schwankungen des Eingangsstroms als auch die Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 erfasst werden, so dass in einem optionalen Schritt M4 ein momentaner Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators 2 auf der Basis des Verhältnisses zwischen den erfassten Schwankungen des Eingangsstroms und den erfassten Schwankungen der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 berechnet werden kann.
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Das Verfahren M kann prinzipiell in jedem Betriebsmodus des Wechselrichters 10 durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren M in einem gewöhnlichen Normalbetrieb des Wechselrichters 10 durchgeführt werden. Idealerweise sollte kein weiterer Verbraucher elektrischer Energie an den Zwischenkreis angekoppelt sein, so dass kein weiterer Verbraucher elektrische Energie aus dem Zwischenkreis entnimmt. Dabei kann die Steuerregelung 6 günstige Betriebsbedingungen ermitteln, bei denen die Messungen der Kapazitätswerte C besonders genau ausfallen können, wie etwa bei geringer Betriebstemperatur des Zwischenkreiskondensators oder im quasi-stationären Betrieb.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0057297 A1 [0006]
