DE102016224937A1

DE102016224937A1 - Umrichter für eine Antriebseinrichtung und Verfahren zum Überwachen der Funktion eines solchen Umrichters

Info

Publication number: DE102016224937A1
Application number: DE102016224937.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kraus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Es sind ein Umrichter (10) für eine Antriebseinrichtung (20) und ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines solchen Umrichters (10) bereitgestellt. Der Umrichter (10) hat einen Gleichrichter (11) zum Gleichrichten einer Wechselspannung, einen Zwischenkreis (13) zur Zwischenspeicherung der von dem Gleichrichter (11) gleichgerichteten Spannung, um anschließend, nach einer Wechselrichtung der Gleichspannung des Zwischenkreises (13) mit einer Wechselrichterbrücke (14), der Antriebseinrichtung (20) einen Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz bereitzustellen, ein Strommessgerät (151), das zwischen den Gleichrichter (11) und den Zwischenkreis (13) geschaltet ist, um einen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstrom (I) zu messen, und eine Überwachungseinheit (152), die zur Verarbeitung der Messergebnisse des von dem Strommessgerät (151) gemessenen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms (I) und zur Steuerung mindestens einer Komponente des Umrichters (10) in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis (5) ausgestaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter für eine Antriebseinrichtung und ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines solchen Umrichters.
Bei technischen Anlagen kommen für verschiedene Anwendungen elektrische Antriebseinrichtungen zum Einsatz. Zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung werden Umrichter verwendet, die einen dreiphasigen Wechselstrom gleichrichten und nach Speicherung in einem Gleichspannungszwischenkreis wieder in einen Wechselstrom umwandeln, der jeweils für die elektrische Antriebseinrichtung benötigt wird.
Derzeitige Umrichter fallen von Zeit zu Zeit aus, was teure Anlagenstillstände nach sich ziehen kann.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Umrichter für eine Antriebseinrichtung und ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines solchen Umrichters bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen ein Umrichter für eine Antriebseinrichtung und ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines solchen Umrichters bereitgestellt werden, mit welchen Ausfälle des Umrichters minimiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Umrichter nach Anspruch 1 gelöst. Der Umrichter dient zur Versorgung einer Antriebseinrichtung mit einem elektrischen Wechselstrom und hat einen Gleichrichter zum Gleichrichten einer Wechselspannung, einen Zwischenkreis zur Zwischenspeicherung der von dem Gleichrichter gleichgerichteten Spannung, um anschließend, nach einer Wechselrichtung der Gleichspannung des Zwischenkreises mit einer Wechselrichterbrücke, der Antriebseinrichtung einen Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz bereitzustellen, ein Strommessgerät, das zwischen den Gleichrichter und den Zwischenkreis geschaltet ist, um einen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstrom zu messen, und eine Überwachungseinheit, die zur Verarbeitung der Messergebnisse des von dem Strommessgerät gemessenen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms und zur Steuerung mindestens einer Komponente des Umrichters in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis ausgestaltet ist.
Der Umrichter ist mit einer Überwachungseinheit derart ausgestaltet, dass Komponenten des Umrichters besser überwacht werden können. Dadurch können die Komponenten besser ausgenutzt werden. Noch dazu können Ausfälle der Komponenten des Umrichters und damit auch des Umrichters verhindert werden.
Darüber hinaus wird es möglich, die Lebensdauer des Umrichters bzw. seiner einzelnen Komponenten genauer bestimmen zu können. Dadurch kann der Umrichter bzw. seine Komponenten gewartet oder ausgetauscht werden, bevor es zu einem Ausfall des Umrichters und damit der Antriebseinrichtung kommt. Dadurch können teure Anlagenstillstände vermieden werden.
Aufgrund ihrer Ausgestaltung ist der Umrichter auch als Basis für ein Idustrie-4.0-Datamining zur Prozessstabilisierung und Prozessoptimierung geeignet. Hierbei ist auch eine Auswertung der Messergebnisse des Strommessgeräts im Schadensfall möglich, wodurch die notwendigen Daten für eine Suche nach der Schadensursache verfügbar sind.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Umrichters sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Möglicherweise hat der Umrichter zudem einen Bremschopper, der zwischen den Ausgang des Gleichrichters und den Eingang des Zwischenkreises geschaltet ist, wobei das Strommessgerät zum Messen eines Bremschopperstroms angeordnet ist, und wobei die Überwachungseinheit, zur Steuerung des Bremschoppers in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Messung des Bremschopperstroms ausgestaltet ist.
Der Umrichter ist zudem ausrüstbar mit einem Speicher zur Speicherung aller Messergebnisse des Strommessgeräts und/oder der Verarbeitungsergebnisse der Überwachungseinheit.
In einer speziellen Ausführungsvariante ist die Überwachungseinheit ausgestaltet, aus mindestens einem Teil der Messergebnisse des Strommessgeräts und/oder mindestens einem Teil der Verarbeitungsergebnisse der Überwachungseinheit die Restlebensdauer des Umrichters zu ermitteln.
In einer speziellen Ausführungsvariante ist die Überwachungseinheit ausgestaltet, aus mindestens einem Teil der Messergebnisse des Strommessgeräts und/oder mindestens einem Teil der Verarbeitungsergebnisse der Überwachungseinheit einen nächsten Wartungszeitpunkt des Umrichters zu ermitteln.
Denkbar ist auch, dass die Überwachungseinheit ausgestaltet ist, zu einer vorbestimmten Zeit ein Signal auszugeben, um auf der Grundlage mindestens eines Messergebnisses des Strommessgeräts einen bevorstehenden nächsten Wartungszeitpunkt und/oder eine Restlebensdauer des Umrichters anzuzeigen.
Bevorzugt hat die Überwachungseinheit zumindest einen Kommunikationsanschluss zum Anschluss des Umrichters an eine Zentraleinheit über eine Kommunikationsverbindung aufweist.
Möglicherweise ist die Überwachungseinheit zur Durchführung einer Leistungs- und Energiemessung und zur Weitergabe des Ergebnisses an die Zentraleinheit ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist die Überwachungseinheit zur Erkennung eines Überstroms ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist die Überwachungseinheit zur Ermittlung des Formfaktors für eine Auslegung des Gleichrichters ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist die Überwachungseinheit zur Ermittlung des netzseitigen Ripplestroms ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist die Überwachungseinheit zur Messung des Bremschopperstroms und zur Ermittlung der Auslegung des Bremschoppers ausgestaltet ist.
Der zuvor beschriebene Umrichter kann Teil einer technischen Anlage sein, die mindestens eine Zentraleinheit zur Ansteuerung des Umrichters aufweist, wobei die Zentraleinheit mit dem Umrichter über eine Kommunikationsverbindung verbunden ist.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Umrichters nach Anspruch 10 gelöst. Der Umrichter weist einen Gleichrichter, einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, ein Strommessgerät und eine Überwachungseinheit auf. Das Verfahren hat die Schritte: Gleichrichten einer Wechselspannung mit dem Gleichrichter, Zwischenspeichern der von dem Gleichrichter gleichgerichteten Spannung in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis, um anschließend, nach einer Wechselrichtung der Gleichspannung des Zwischenkreises mit einer Wechselrichterbrücke, der Antriebseinrichtung einen Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz bereitzustellen, Messen, mit einem Strommessgerät, das zwischen den Gleichrichter und den Zwischenkreis geschaltet ist, eines gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms, und Verarbeiten, mit der Überwachungseinheit, der Messergebnisse des von dem Strommessgerät gemessenen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms, und Steuern mindestens einer Komponente des Umrichters in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis.
Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf den Umrichter genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Schaltbild eines Umrichters einer elektrischen Antriebseinrichtung einer technische Anlage gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der Figur sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt sehr schematisch eine technische Anlage 1 mit einem Umrichter 10, einer Antriebseinrichtung 20, einer Zentraleinheit 30 und einer Kommunikationsverbindung 40 zwischen dem Umrichter 10 und der Zentraleinheit 30.
Die technische Anlage 1 kann eine beliebige technische Anlage sein, wie eine Maschine zum Fertigen von Gegenständen, insbesondere eine Spritzgießmaschine, eine Druckmaschine, eine Transportvorrichtung, eine chemische Anlage mit einem Rührwerk, usw. Die technische Anlage 1 kann alternativ Teil einer Energieversorgungsanlage, eines Kraftwerks, usw. sein.
Die Antriebseinrichtung 20 hat einen elektrischen Motor oder Generator 21. Daher dient die Antriebseinrichtung 20 insbesondere zum Antrieb einer nicht dargestellten Antriebswelle in eine Drehbewegung, um beispielweise ein Rührwerk, eine Transporteinrichtung, usw. anzutreiben, oder zum Umsetzen einer Drehbewegung in elektrische Energie. Es ist jedoch auch möglich, dass der Motor oder Generator 21 für die Erzeugung oder Umsetzung einer linearen Bewegung ausgelegt ist. In diesem Fall ist die Antriebseinrichtung 20 als Linearmotor oder Lineargenerator ausgeführt.
Die Zentraleinheit 30 kann als Steuereinrichtung ausgeführt sein, die zumindest einen Teil der technischen Anlage 1 steuern kann. Somit kann die Steuereinrichtung 10 als übergeordnete Anlage beispielsweise den Umrichter 10 und die Antriebseinrichtung 20 und das Subsystem 15 steuern. Die Zentraleinheit 30 kann zur Speicherung von Daten einen Speicher aufweisen, der in 1 nicht extra dargestellt ist.
Die Kommunikationsverbindung 40 ist entweder eine drahtgebundene oder eine drahtlose Kommunikationsverbindung. Insbesondere kann die Kommunikationsverbindung 40 als Teil eines Bussystems ausgebildet sein. Die Kommunikationsverbindung 40 kann mit jedem geeigneten Datenübertragungsprotokoll arbeiten, das die geforderte Schnelligkeit für eine Datenübertragung zwischen der Zentraleinheit 30 und dem Subsystem 15 gewährleistet.
Der Umrichter 10 dient zum Umwandeln einer dreiphasigen Wechselspannung mit den drei Phasen U, V, W in eine Gleichspannung, die nach Zwischenspeicherung in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis in die für die Antriebseinrichtung 20 jeweils benötigte Wechselspannung mit den drei Phasen A1, A2, A3 gewandelt wird. Hierfür hat der Umrichter 10 mehrere Komponenten, nämlich einen Gleichrichter 11, einen Bremschopper 12, einen Zwischenkreis 13, eine Wechselrichterbrücke 14 und ein Subsystem 15. Der Umrichter 10 ist somit als indirekter Umrichter mit Gleichspannung im Zwischenkreis 13 ausgestaltet. Der Umrichter 10 ist insbesondere als Frequenzumrichter bzw. Stromrichter ausgeführt, der aus einer Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung für die direkte Versorgung der elektrischen Antriebseinrichtung, wie einen Drehstrommotor generiert.
Der Gleichrichter 11 hat sechs Dioden 111, die in eine Gleichrichterbrückenschaltung geschaltet sind. Am Ausgang des Gleichrichters 11 ist der Eingang des Bremschoppers 12 parallelgeschaltet. Der Bremschopper 12 weist zwischen seinen beiden Eingängen eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 121 und einer Diode 122 auf, zu der ein Transistor 123 in Reihe geschaltet ist. Der Transistor 123 ist in 1 als Beispiel als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgeführt. Am Ausgang des Bremschoppers 12 ist der Eingang des Zwischenkreises 13 parallelgeschaltet. Der Zwischenkreis 13 hat zwischen seinen beiden Eingängen eine Reihenschaltung aus zwei Zwischenkreiskondensatoren 131, denen wiederum jeweils ein Widerstand parallel geschaltet ist. Die Gleichspannung an den Zwischenkreiskondensatoren 131 als Energiespeicher im Zwischenkreis 13 ist annähernd konstant. Am Ausgang des Zwischenkreises 13 ist der Eingang der Wechselrichterbrücke 14 parallel geschaltet. Die Wechselrichterbrücke 14 ist als Halbleiterwechselrichterbrücke ausgeführt und hat bei dem in 1 gezeigten Beispiel Bipolartransistoren 141 mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Die zuvor genannten Bipolartransistoren 123, 141 mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) als elektronische Schalter können je nach Anwendung auch durch andere elektronische Schalter, wie Thyristoren, ersetzt werden.
Das Subsystem 15 ist im Umrichter 10 gleichrichterseitig vorgesehen. Hierbei ist ein Strommessgerät 151 zur Messung des gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms I_GZ vorgesehen. Zusätzlich dazu umfasst das Subsystem 15 eine Überwachungseinheit 152 mit einem Controller 153 und einem Speicher 154, in dem Messergebnisse 4 des Strommessgeräts 151 und Verarbeitungsergebnisse 5 des Controllers 153 speicherbar sind. Zusätzlich kann der Speicher 154 für eine Speicherung von Software des Controllers 153 ausgelegt sein. Die Überwachungseinheit 152 ist beispielsweise als Mikrocontroller mit integriertem Analog-Digital-Wandler ausgeführt. Dadurch kann die Messung des gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms I_GZ mit dem Strommessgerät 151 mit der intelligenten, autark arbeitenden Überwachungseinheit 152 verarbeitet werden. Das hat den Vorteil, dass eine potentialbehaftete Shuntmessung sehr günstig realisieren werden kann, da das Subsystem 15 auf dem Messpotential liegen kann und über eine schmale, günstige Schnittstelle über die Kommunikationsverbindung 40 mit der Zentraleinheit 30 als Hauptsystem kommunizieren kann. Die Schnittstelle kann als UART-Schnittstelle (UART = Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ausgeführt sein, die als elektronische Schaltung zur Realisierung einer digitalen seriellen Schnittstelle dient.
Alternativ ist das zuvor beschriebene Konzept grundsätzlich aber auch mit einer potentialfreien Messung realisierbar.
Das Subsystem 15 bringt so viel Intelligenz/Rechenleistung mit sich, dass es zusätzliche Funktionen realisieren kann, die nachfolgend beschrieben sind.
Als eine erste dieser Funktionen kann das Subsystem 15 autark eine Leistungs- und Energiemessung durchführen und das Ergebnis mittels seiner Überwachungseinheit 152 an die Zentraleinheit 30 weitergeben. Außerdem kann eine Überstromerkennung, die in der Regel zu einer Fehlermeldung und Abschaltung des Umrichters 10 führen soll, realisiert werden.
Als eine zweite dieser Funktionen kann das Subsystem 15 eine Messung von arithmetischen Mittelwert und Effektivwert des gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms I_GZ vornehmen. Daraus ist der Rückschluss auf einen Formfaktor F möglich, woraus sich Netzverhältnisse, wie beispielsweise Kurzschlussleistung, usw., ableiten lassen. Dies ist wichtig, um die Belastung der Gleichrichterhalbleiter bzw. der Dioden 111 des Gleichrichters 11 zu bewerten und gegebenenfalls eine Leistungsherabstufung (Leistungsderating) zu ermöglichen. Die Bewertung der Belastung der Gleichrichterhalbleiter bzw. der Dioden 111 kann auf der Grundlage der folgenden Überlegungen erfolgen.
Die Verlustleistung Pv einer Diode 111 des Gleichrichters 11 kann mit folgender Formel beschrieben werden: $P_{V} = Ι_{a v g} \cdot V_{0} + Ι_{e f f}^{2} \cdot r b$
Hierbei ist I_avg der Gleichrichtwert, I_eff der Effektivwert des Stroms durch die Diode 111, V₀ die anliegende Spannung und r_b der ohmsche Widerstand des Halbleitermaterials der Diode 111.
Die thermische Auslastung der Diode 111 ist also vom Gleichrichtwert I_avg und dem Effektivwert I_eff des Eingangsstroms abhängig. Das Verhältnis zwischen Effektivwert und Gleichrichtwert, der Formfaktor F, wird im Wesentlichen von der Netzkurzschlussleistung bestimmt. Hierbei gilt: $F = Ι e f f / Ι a v g$
Bei einem starren Netz, das eine hohe Kurzschlussleistung hat, ist der Formfaktor F sehr groß, wodurch sich eine hohe Verlustleistung in der Diode 111 des Gleichrichters 11 ergibt. Dadurch sinkt die Ausgangsleistung des Gleichrichters 11. Durch die Berechnung von Gleichricht- und Effektivwert im Subsystem 15 kann die Auslastung der Gleichrichterhalbleiter bzw. der Dioden 111 des Gleichrichters 11 exakt ermittelt und an die Zentraleinheit 30 weitergegeben werden. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Gleichrichters 11 insbesondere bei starren Netzen.
Des Weiteren können die Daten über das Netzverhältnis im Subsystem 15, insbesondere dem Speicher 154 der Überwachungseinheit 152, gespeichert werden, um im Servicefall beurteilen zu können, ob der Umrichter 10 bzw. der Gleichrichter 11 im erlaubten Arbeitsbereich betrieben wurde. Die Daten können außerdem an einen Nutzer weitergegeben werden, um dem Nutzer zusätzliche Maßnahmen zu empfehlen, zum Beispiel den Einsatz einer Netzdrossel an einem zu starren Netz.
Als eine dritte dieser Funktionen kann das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152 mit ihrem Controller 153, eine Ermittlung eines netzseitigen Elko-Ripplestroms durchführen. Hierbei wird berücksichtigt, dass durch Pulsströme im Gleichrichter 11 ein Wechselstrom in den Zwischenkreiskondensatoren 131 des Zwischenkreises 13 entsteht, der sogenannte Ripplestrom. Neben weiteren Faktoren, wie Umgebungstemperatur oder der wechselrichterseitige Ripplestrom, spielt dieser netzseitige Ripplestrom eine zentrale Rolle für die Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren 131 des Zwischenkreises 13. Die Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren 131 ist wiederum für die Lebensdauer des gesamten Antriebssystems aus Umrichter 1 und Antriebseinrichtung 20 entscheidend. Daher kann der netzseitige Elko-Ripplestroms als Eingangsgröße für eine Lebensdauerüberwachung der Zwischenkreiskondensatoren 131 genutzt werden.
Der netzseitige Elko-Ripplestrom ist in der Gleichrichterstrommessung sichtbar. Wenn man die Messung nur zur Ermittlung eines Überstroms und Leistungsmessung nutzt, wird dieser Blindstrom herausgefiltert. Das Subsystem 15 kann die Wechselstromkomponente jedoch getrennt erfassen und weiterverarbeiten.
Als eine vierte dieser Funktionen kann das Subsystem 15 eine Messung des Bremschopperstroms I₁₂ durchführen. Die Messung des Bremschopperstroms I₁₂ wird hierfür so platziert, dass nicht nur der Gleichrichterstrom I_G, sondern auch der Strom durch den integrierten Bremschopper 12 gemessen wird. Das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152, erhält hierfür die Information über den Schaltzustand des Bremschoppers 12 von der Zentraleinheit 30. Alternativ kann das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152, den Bremschopper 12 sogar selbst ansteuern.
Da der Bremschopperstrom I₁₂ negativ ist, kann er vom positiven Gleichrichterstrom I_G unterschieden werden. Zusammen mit dem Soll-Schaltzustand kann so ein Defekt des Bremschoppers 12 erkannt werden, wie beispielsweise ein Kurzschluss des Transistors 123. Außerdem kann über den gemessenen Bremschopperstrom I₁₂ und die Spannung der Bremswiderstandswert des Widerstands 121 des Bremschoppers 12 überprüft werden. Dies ist besonders bei Widerständen 121 relevant, die vom Nutzer angeschlossen und parametriert werden. Ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands 121 bekannt, kann über die Messung auf die Temperatur des Widerstands 121 geschlossen werden.
Eine weitere Möglichkeit, die sich durch die Kombination einer schnellen Messung des Bremschopperstroms I₁₂ und der Ansteuerung des Bremschoppers 12 ergibt, ist die Berechnung der Chiptemperatur des Leistungstransistors 123. Wenn das Modell in einer Zykluszeit, die deutlich geringer als die thermische Zeitkonstante des Chips ist, gerechnet wird, kann der Spitzenstrom des Bremschopperstroms I₁₂ erhöht werden. Das bedeutet, dass für den Widerstand 121 kleinere Widerstandswerte verwendet werden können.
Beträgt beispielsweise der maximale Strom durch den Bremstransistor 123 bei 100% Einschaltdauer 100 A, entspricht dies bei einer maximalen Bremsspannung von 900 V einem minimalen Widerstandswert von 9 Ohm für den Widerstand 121. Der Widerstand 121 hat eine Toleranz von 10%. Der Widerstand 121 muss also einen Nennwert von 10 Ohm haben. Die garantierte Bremsleistung an der oberen Toleranzgrenze des Widerstands beträgt ca. 73 kW bei 100% Einschaltdauer.
Bei einer Pulsdauer von 2 ms hat der maximale Strom des Transistors 123 einen Wert von 120 A. Der minimale Widerstand beträgt jetzt 7,5 Ohm, was einem Nennwert von ca. 8,3 Ohm entspricht. An der oberen Toleranzgrenze beträgt die erreichbare Leistung nun ca. 98 kW, also in etwa so viel, wie ein idealer Widerstand ohne Toleranz erlauben würde.
Anhand der Strommessung kann die Bremschopperansteuerung, die mittels der Zentraleinheit 30 oder mittels des Subsystems 15 ausgeführt wird, die Pulsdauer auf 2 ms begrenzen und die Einschaltdauer reduzieren, sobald für den Strom durch den Bremstransistor 122 die 100 A in der Spitze überschritten werden. Die Einschaltdauer wird so gewählt, dass im Mittel 100 A erreicht werden können.
Mit dem Subsystem 15, insbesondere seiner Überwachungseinheit 152, ist somit eine Aggregation und Dokumentation von Kennwerten, die auf einer gleichrichterseitigen Zwischenkreisstrommessung bei einem Umrichter 10 basieren.
Das Subsystem 15, insbesondere seine Überwachungseinheit 152, ist somit zur Verarbeitung der von dem Strommessgerät 151 gemessenen Messergebnisse oder Daten ausgestaltet. Hierfür hat die Überwachungseinheit 152 eine speziell ausgestaltete Software und/oder Hardware, wie zuvor beschrieben, welche zumindest einen Teil der von dem Strommessgerät 151 gemessenen Daten auswertet und hieraus Signale zur Ansteuerung der Komponenten des Umrichters 10 erzeugt. Hierfür hat die Überwachungseinheit 152 den entsprechenden Speicher 154, in welchem die Messergebnisse 4 des Strommessgeräts 151 gespeichert sind. Zusätzlich sind die Verarbeitungsergebnisse 5 der Überwachungseinheit 152 in dem Speicher 154 speicherbar, wie zuvor beschrieben. Die Verarbeitungsergebnisse 154 der Überwachungseinheit 152 werden vorzugsweise in Echtzeit bereitgestellt.
Der Speicher ist beispielsweise ein FPGA (Field Programmable Gate Array). Dadurch ist für den Speicher eine im Feld, also vor Ort, beim Nutzer programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung vorhanden. Der Speicher kann mit einem EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory = elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-LeseSpeicher) verbunden sein. Zusätzlich kann der Speicher mit einem Flash-Speicher für eine nichtflüchtige Speicherung der Daten verbunden sein. Zusätzlich kann ein externer Speicher vorgesehen sein, der als SD-Karte (Sichere Digitale Speicherkarte) ausgeführt ist oder über eine USB-Schnittstelle (USB = Universal Serial Bus) an die Überwachungseinheit 152 anschließbar ist.
Das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152, kann bei der Auswertung oder Verarbeitung mindestens eines Teils der Messergebnisse des Strommessgeräts 151 die Lebensdauer und/oder Restlebensdauer des Umrichters 10 und/oder der Antriebseinrichtung 20 ermitteln. Je nach Ergebnis der Auswertung oder Verarbeitung gibt das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152, zu einer vorbestimmten Zeit ein Signal aus, um eine Lebensdauer und/oder Restlebensdauer des Umrichters 10 und/oder der Antriebseinrichtung 20 anzuzeigen. Hierfür kann an dem Subsystem 15 oder bei der Zentraleinheit 30 eine entsprechende Anzeigeeinrichtung vorgesehen sein, die insbesondere eine optische und/oder akustische Anzeige ausgibt.
Zudem bietet das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152, eine lückenlose Erfassung oder Messung und Dokumentation der Verwendung des Umrichters 10 und/oder der Antriebseinrichtung 20 als Basis für Datamining/ Prozessoptimierung/ Schadensprognose. Mit dem Subsystem 15, genauer gesagt seiner Überwachungseinheit 152, ist daher eine Historie in Bezug auf die Einsatzbedingungen oder die Verwendung des Umrichters 10 und/oder der Antriebseinrichtung 20 in der technischen Anlage 1 möglich. Es ist also eine intelligente Signalverarbeitung auf der Steuerungsebene möglich. Zusätzlich ist eine intelligente Reaktion auf der Steuerungsebene möglich.
Auf die zuvor beschriebene Weise wird in der technischen Anlage 1 ein Verfahren zum Überwachen der Funktion des Umrichters 10 ausgeführt.
Gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ermittelt das Subsystem 15, genauer gesagt seine Überwachungseinheit 152, bei der Auswertung oder Verarbeitung aus mindestens einem Teil der Messergebnisse 4 des Subsystems 15 zusätzlich oder alternativ einen bevorstehenden nächsten Wartungszeitpunkt des Umrichters 10 und/oder seiner einzelnen Komponenten 11 bis 15. Je nach Ergebnis der Auswertung oder Verarbeitung gibt das Subsystem 15 zu einer vorbestimmten Zeit ein Signal aus, um den bevorstehenden nächsten Wartungszeitpunkt des Umrichters 10 und/oder seiner einzelnen Komponenten 11 bis 15 anzuzeigen, wie zuvor beschrieben.
Insgesamt ist mit der technischen Anlage 1 eine Überwachung des Umrichters 10 auch aus der Ferne möglich, so dass ein Serviceeinsatz für Wartung oder Austausch des Umrichters 10 und/oder der Antriebseinrichtung 20 und eine Prognose der Restlebensdauer bei unveränderten Bedingungen mit dem Subsystem 15 möglich ist.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der technischen Anlage 1, des Umrichters 10, des Subsystems 15 und des Verfahrens zum Überwachen der Funktion des Umrichters 10 können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels und dessen Modifikationen beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Der Umrichter 10 kann ausgestaltet sein, nicht mit Dreiphasenwechselspannung sondern mit Einphasenwechselspannung zu arbeiten. Es ist auch denkbar, dass der Umrichter 10 aus Einphasenwechselspannung eine Dreiphasenwechselspannung für die Versorgung von Drehstrommotoren generiert.
Das Subsystem 15 muss nicht für alle der zuvor beschriebenen speziellen Funktionen ausgestaltet sein oder sie ausführen. Das Subsystem 15 kann für zumindest eine beliebige Funktion der zuvor beschriebenen speziellen Funktionen ausgestaltet sein oder sie ausführen.
In einer bevorzugten Variante ist das Subsystem 15 in den Umrichter 10 integriert, was eine sehr kompakte Ausführung sicherstellt. Jedoch ist auch eine Variante umsetzbar, bei welcher das Subsystem 15 an den Umrichter 10 angebaut ist.
Das Subsystem 15 kann für den Einbau in einen Schaltschrank ausgestaltet sein. In diesem Fall hat zumindest die Überwachungseinheit 152 Schnappelemente zur Montage auf einer Hutschiene oder C-Profilschiene.
Die Anzahl der Teile der technischen Anlage 1 ist je nach Anwendungsfall beliebig wählbar.
Die technische Anlage 1 kann eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) sein. Die technische Anlage 1 kann eine CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control = rechnergestützte numerische Steuerung) sein. Die technische Anlage 1 kann eine Bewegungslogiksteuerung für beispielsweise Transportsysteme oder zur Führung von Werkzeugen, usw. sein.

Claims

Umrichter (10) zur Versorgung einer Antriebseinrichtung (20) mit einem elektrischen Wechselstrom, wobei der Umrichter (10) aufweist einen Gleichrichter (11) zum Gleichrichten einer Wechselspannung, einen Zwischenkreis (13) zur Zwischenspeicherung der von dem Gleichrichter (11) gleichgerichteten Spannung, um anschließend, nach einer Wechselrichtung der Gleichspannung des Zwischenkreises (13) mit einer Wechselrichterbrücke (14), der Antriebseinrichtung (20) einen Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz bereitzustellen, ein Strommessgerät (151), das zwischen den Gleichrichter (11) und den Zwischenkreis (13) geschaltet ist, um einen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstrom (I_GZ) zu messen, und eine Überwachungseinheit (152), die zur Verarbeitung der Messergebnisse des von dem Strommessgerät (151) gemessenen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms (I_GZ) und zur Steuerung mindestens einer Komponente des Umrichters (10) in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis (5) ausgestaltet ist.
Umrichter (10) nach Anspruch 1, zudem mit einem Bremschopper (12), der zwischen den Ausgang des Gleichrichters und den Eingang des Zwischenkreises (13) geschaltet ist, wobei das Strommessgerät (151) zum Messen eines Bremschopperstroms (I₁₂) angeordnet ist, und wobei die Überwachungseinheit (152), zur Steuerung des Bremschoppers (12) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Messung des Bremschopperstroms (I₁₂) ausgestaltet ist.
Umrichter (10) nach Anspruch 1 oder 2, zudem mit einem Speicher zur Speicherung aller Messergebnisse (4) des Strommessgeräts (151) und/oder der Verarbeitungsergebnisse (5) der Überwachungseinheit (152).
Umrichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (152) ausgestaltet ist, aus mindestens einem Teil der Messergebnisse (4) des Strommessgeräts (151) und/oder mindestens einem Teil der Verarbeitungsergebnisse (5) der Überwachungseinheit (152) die Restlebensdauer des Umrichters (10) zu ermitteln.
Umrichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (152) ausgestaltet ist, aus mindestens einem Teil der Messergebnisse (4) des Strommessgeräts (151) und/oder mindestens einem Teil der Verarbeitungsergebnisse (5) der Überwachungseinheit (152) einen nächsten Wartungszeitpunkt des Umrichters (10) zu ermitteln.
Umrichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (152) ausgestaltet ist, zu einer vorbestimmten Zeit ein Signal auszugeben, um auf der Grundlage mindestens eines Messergebnisses (4) des Strommessgeräts (151) einen bevorstehenden nächsten Wartungszeitpunkt und/oder eine Restlebensdauer des Umrichters (10) anzuzeigen.
Umrichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (152) zumindest einen Kommunikationsanschluss zum Anschluss des Umrichters (10) an eine Zentraleinheit (30) über eine Kommunikationsverbindung (40) aufweist.
Umrichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (152) zur Durchführung einer Leistungs- und Energiemessung und zur Weitergabe des Ergebnisses an die Zentraleinheit (30) ausgestaltet ist, und/oder wobei die Überwachungseinheit (152) zur Erkennung eines Überstroms ausgestaltet ist, und/oder wobei die Überwachungseinheit (152) zur Ermittlung des Formfaktors für eine Auslegung des Gleichrichters (11) ausgestaltet ist, und/oder wobei die Überwachungseinheit (152) zur Ermittlung des netzseitigen Ripplestroms ausgestaltet ist, und/oder wobei die Überwachungseinheit (152) zur Messung des Bremschopperstroms (I₁₂) und zur Ermittlung der Auslegung des Bremschoppers (12) ausgestaltet ist.
Technische Anlage (1), mit mindestens einem Umrichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, und mindestens einer Zentraleinheit (30) zur Ansteuerung des Umrichters (10), wobei die Zentraleinheit (30) mit dem Umrichter (10) über eine Kommunikationsverbindung (40) verbunden ist.
Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Umrichters (10), der einen Gleichrichter (11), einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (13), ein Strommessgerät (151) und eine Überwachungseinheit (152) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist Gleichrichten einer Wechselspannung mit dem Gleichrichter (11), Zwischenspeichern der von dem Gleichrichter (11) gleichgerichteten Spannung in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (13), um anschließend, nach einer Wechselrichtung der Gleichspannung des Zwischenkreises (13) mit einer Wechselrichterbrücke (14), der Antriebseinrichtung (20) einen Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz bereitzustellen, Messen, mit einem Strommessgerät (151), das zwischen den Gleichrichter (11) und den Zwischenkreis (13) geschaltet ist, eines gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms (I_GZ), und Verarbeiten, mit der Überwachungseinheit (152), der Messergebnisse des von dem Strommessgerät (151) gemessenen gleichrichterseitigen Zwischenkreisstroms (I_GZ), und Steuern mindestens einer Komponente des Umrichters (10) in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis (5).