DE102017203664A1

DE102017203664A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Stroms in einen Gleichrichter

Info

Publication number: DE102017203664A1
Application number: DE102017203664.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Gebbe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-03-08
Also published as: DE102017203664B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Stroms in einen Gleichrichter, der in einer Schaltung zu anderen elektrischen Verbrauchern parallel geschaltet ist. Dabei wird ein Gesamtstrom in die Schaltung gemessen, in dem Gesamtstrom zumindest eine Spitze ermittelt, und aus der zumindest einen Spitze der Strom in den Gleichrichter bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Stroms in einen Gleichrichter, der in einer Schaltung zu anderen elektrischen Verbrauchern parallel geschaltet ist. Dabei wird ein Gesamtstrom in die Schaltung gemessen, in dem Gesamtstrom zumindest eine Spitze ermittelt, und aus der zumindest einen Spitze der Strom in den Gleichrichter bestimmt.
Um die Effizienz von elektrischen Geräten beurteilen zu können, muss deren Energieverbrauch analysiert werden. Dabei sind insbesondere Langzeitmessungen hilfreich, um beurteilen zu können, ob die Komponenten des Gerätes angemessen dimensioniert und geregelt sind.
Um derartige Informationen zu ermitteln, wird gegenwärtig ein Stromsensor an jeder Komponente des Gerätes installiert. Dieses Vorgehen ist zeitaufwendig und kann nur von entsprechend geschultem Personal durchgeführt werden. Darüber hinaus steigen die Kosten für dieses Vorgehen mit jedem zusätzlichen Stromsensor.
Ein effizienteres Verfahren ist die nicht eingreifende Lastmessung (nonintrusive load monitoring, NILM). Hierbei werden Sensoren nur an den Hauptleitungen der Geräte installiert und ein aggregierter Strom gemessen, d. h. die Summe des Stroms von allen Komponenten des Gerätes. Dieser wird dann in einzelne Teile zerlegt. Der Schritt der Zerlegung wird als Disaggregation bezeichnet. Zum Disaggregieren des Stroms können Merkmale wie beispielsweise Sprünge in der Leistung, harmonische Oberschwingungen im Strom und die Form des Stroms beim Einschalten einzelner Komponenten verwendet werden. Auch die Anwesenheit von Rauschen mit Frequenzen über 10 kHz kann grundsätzlich verwendet werden, obwohl dies in der Praxis bisher nicht sehr verbreitet ist.
Die beschriebenen Verfahren der Disaggregation stoßen an ihre Grenzenbei Verbrauchern mit variierendem elektrischen Wirkleistungsbedarf, wozu üblicherweise alle drehzahlvariablen, d.h. durch Frequenzumrichter gespeisten Motoren (Variable Speed Drive, VSD) gehören, die vor allem bei größeren Maschinen im Einsatz sind. Diese stellen für die Disaggregation eine besondere Herausforderung dar, da ihr Leistungsbedarf stetig veränderlich ist im Gegensatz zu Geräten mit einem oder mehreren diskreten Zuständen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in einer Schaltung, die einen Gleichrichter aufweist, den Strom in diesen Gleichrichter zu bestimmen bzw. zu disaggregieren. Vorzugsweise kann die Schaltung eine Schaltung sein, in welcher der Gleichrichter zu anderen elektrischen Komponenten parallelgeschaltet ist, so dass es die Aufgabe ist, den Strom in den Gleichrichter vor dem Hintergrund der zu diesem parallelgeschalteten anderen elektrischen Komponenten zu bestimmen bzw. zu disaggregieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Bestimmung eines Stroms in einen Gleichrichter nach Anspruch 1. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafterweise Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 an.
Durch einen Frequenzumrichter gespeiste Antriebe weisen einen Gleichrichter auf. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Gleichrichter, insbesondere solche ohne Power Factor Control (PFC), einen charakteristischen Stromverlauf aufweisen, anhand dessen der in den Gleichrichter fließende Strom in einem Gesamtstrom einer den Gleichrichter aufweisenden Schaltung identifiziert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf drehzahlvariable Antriebe (VSD) vorteilhaft anwendbar, kann aber auch für eine Bestimmung des Stroms in beliebige andere einen Gleichrichter aufweisende Komponenten innerhalb einer Schaltung angewandt werden.
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Bestimmung eines Stroms in einem Gleichrichter angegeben. Dabei wird zunächst ein Gesamtstrom in eine Parallelschaltung gemessen, die den Gleichrichter aufweist. Die Schaltung weist zumindest eine weitere elektrische Komponente auf, die vorteilhafterweise keinen Gleichrichter enthält und dem Gleichrichter parallelgeschaltet ist. Die genannte den Gleichrichter aufweisende Schaltung kann beispielsweise ein elektrisches Gerät sein oder auch eine Produktionsanlage.
Sofern hier vom Strom in eine Komponente oder Schaltung gesprochen wird, ist dies unabhängig vom Vorzeichen des Stromflusses zu verstehen. Da die Schaltung mit Wechselstrom betrieben wird, fließt der Strom mit wechselnden Vorzeichen in die Schaltung, also mit wechselnder Fließrichtung der Elektronen.
Der Begriff Strom bezieht sich hier vorzugsweise auf den Strom im Außenleiter, der Begriff Spannung vorzugsweise auf die Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter. Der Begriff „Strom“ soll synonym zu „Stromstärke“ verstanden werden.
Der Erfindung liegt das Verständnis zugrunde, dass Gleichrichter Stromverläufe aufweisen, die Spitzen bzw. Peaks aufweisen. Die Begriffe Spitze und Peak soll hier synonym verwendet werden. Erfindungsgemäß wird daher in dem Gesamtstrom zumindest eine Spitze ermittelt. Aus der zumindest einen Spitze kann dann der Strom in den Gleichrichter bestimmt werden. Das Verfahren erlaubt es auch, die Summe von Strömen zu bestimmen, die in mehrere Gleichrichter, vorzugsweise solche gleichen Typs, in der gleichen Schaltung fließen.
Unter einer Spitze soll hier vorzugsweise jene charakteristische Stromverlaufsform verstanden werden, wie sie durch Gleichrichter erzeugt wird. Eine Spitze kann eine betragsmäßige Erhöhung des Stroms zwischen einem Anfangspunkt und einem Endpunkt der Spitze umfassen. Insbesondere umfasst vorzugsweise eine Spitze eine betragsmäßige Erhöhung der Stromstärke gegenüber einem Stromverlauf, der sich durch Interpolation des Stromverlaufs von den an die Spitze angrenzenden Bereichen aus ergeben würde. Diese Beschreibung trägt dem Umstand Rechnung, dass der die Spitze definierende Strom jener in den Gleichrichter fließende Strom ist, der im Bereich der Spitze zu jenem Strom hinzukommt, der in die anderen Komponenten der Schaltung fließt. Die an die Schaltung angelegte Spannung kann als Wechselspannung verstanden werden. Im Normalfall, jedoch nicht zwingender Weise, wird die angelegte Spannung sinusförmig sein. Es wird daher abwechselnd ein positives und ein negatives Vorzeichen angelegt werden. Die Spitzen des in den Gleichrichter fließenden Stroms werden daher abhängig von der Phase positives oder negatives Vorzeichen haben. Die obige Beschreibung der Form der Spitze nimmt daher auf den Betrag Bezug.
Vorteilhafterweise kann zur Ermittlung der zumindest einen Spitze der Gesamtstrom in Phasenwinkelbereiche zerlegt werden, deren Länge jeweils eine halbe Periode einer an der den Gleichrichter aufweisenden Schaltung anliegenden Spannung beträgt, und die bevorzugt jeweils mit einem Nulldurchgang der Gesamtspannung beginnen und enden. Es kann dann die zumindest eine Spitze jeweils innerhalb zumindest eines der Phasenwinkelbereiche bestimmt werden.
Die zumindest eine Spitze tritt stets zu einer bestimmten Phase der Spannung auf. Die Phase der Spannung kann daher als Referenz zur Bestimmung des Zeitpunktes, zu dem die Spitze auftritt, verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Spitze nicht in allen Perioden zur gleichen Phase der Spannung auftreten muss, sondern etwas von der Stärke des Stroms in den Gleichrichter abhängig sein kann.
Die genannten Phasenwinkelbereiche könnten auch als Zeitrahmen angesehen werden, wobei der Zeitpunkt des Auftretens der Spitze relativ zu diesem Zeitrahmen angegeben werden kann. Der Nulldurchgang der Spannung könnte dann vorteilhaft den Nullpunkt der Zeitmessung darstellen und der Zeitpunkt des Auftretens der Spitze relativ zu diesem Nullpunkt angegeben werden.
Bevorzugterweise wird zur Ermittlung des Stromes in den Gleichrichter in zumindest einigen oder allen der Phasenwinkelbereiche eines bestimmten Betrachtungs- oder Messungszeitraumes für jede der zumindest einen Spitzen in diesem Phasenwinkelbereich jeweils zumindest einen Phasenwinkelteilbereich so festgelegt, dass genau eine der zumindest einen Spitzen innerhalb dieses Phasenwinkelteilbereichs liegt. Der Phasenwinkelteilbereich kann, wie im Folgenden noch ausgeführt werden wird, durch Analyse des Stromverlaufes bestimmt werden, es ist jedoch auch möglich, die Lage und Ausdehnung des Phasenwinkelteilbereichs vorab festzulegen, wenn die Lage der Spitzen aufgrund der Kenntnis der Schaltung oder aufgrund analytischer Überlegungen oder Simulationen vorab bekannt ist. Unter einem Phasenwinkelteilbereich kann hier ein Intervall mit einem Anfangsphasenwinkel und einem Endphasenwinkel verstanden werden, das so gewählt ist, dass jeweils genau eine Spitze zwischen dem Anfangsphasenwinkel und dem Endphasenwinkel liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können für jede der zumindest einen Spitzen in zumindest einem Teil oder allen der betrachteten Perioden innerhalb des Messungszeitraums jeweils ein Anfangsphasenwinkel oder ein Endphasenwinkel der zumindest einen Spitze bestimmt werden. Der Anfangsphasenwinkel und Endphasenwinkel der Spitze kann mit dem Anfangsphasenwinkel und dem Endphasenwinkel des oben beschriebenen Phasenwinkelteilbereichs übereinstimmen oder kann zur Definition des Phasenwinkelteilbereichs herangezogen werden. Wird das Verfahren so ausgeführt, dass in jeder betrachteten Periode der Anfangsphasenwinkel und der Endphasenwinkel der Spitze bestimmt wird, so kann das Verfahren ohne die Definition von Phasenwinkelteilbereichen ausgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Phasenwinkelteilbereich zur Bestimmung des Anfangsphasenwinkels und des Endphasenwinkels der Spitze heranzuziehen, wie dies im Folgenden noch ausgeführt wird.
Zur Bestimmung des in den Gleichrichter fließenden Stroms kann vorteilhaft der Wert des Gesamtstroms zum Anfangsphasenwinkel und zum Endphasenwinkel der zumindest einen Spitze mit einer stetigen Funktion verbunden werden. Es kann dann im Bereich zwischen dem Anfangsphasenwinkel und dem Endphasenwinkel eine Differenz zwischen dem gemessenen Gesamtstrom und der stetigen Funktion ermittelt werden. Diese Differenz kann als in den Gleichrichter fließenden Strom angesehen werden. Auf diese Weise kann aus dem Gesamtstrom der in den Gleichrichter fließende Strom direkt bestimmt werden. Die stetige Funktion kann beispielsweise eine lineare Funktion, ein Polynom, eine Sinusfunktion oder eine Cosinusfunktion sein. Ob eine lineare oder eine Sinus- oder Cosinusfunktion gewählt wird, kann davon abhängig gemacht werden, ob die zumindest eine Spitze in einem Bereich des Stromverlaufs der anderen Komponente der Schaltung auftritt der nahe am linearem Bereich liegt oder in größerer Entfernung vom linearem Bereich.
Sofern optional, wie oben beschrieben, Phasenwinkelteilbereiche definiert werden, die jeweils genau eine der Spitzen enthalten, können diese Phasenwinkelteilbereiche zur Bestimmung des Anfangsphasenwinkels und des Endphasenwinkel der Spitze wie folgt verwendet werden. Es kann dabei als Anfangsphasenwinkel der zumindest einen Spitze jener Phasenwinkel gewählt werden, zu welchem der Gesamtstrom zwischen einem vorderen Rand bzw. dem Anfangsphasenwinkel des entsprechenden Phasenwinkelteilbereichs und einer Mitte des Phasenwinkelteilbereichs minimal wird. Entsprechend kann als Endphasenwinkel der zumindest einen Spitze jene Phase gewählt werden, zu welcher der Gesamtstrom zwischen der Mitte des Phasenwinkelteilbereichs und einem hinteren Rand bzw. einem Endphasenwinkel des Phasenwinkelteilbereichs minimal bei positiven Spitzen und maximal bei negativen Spitzen wird. Es ist hieraus zu erkennen, dass der Phasenwinkelteilbereich nicht exakt mit den Abmessungen der Spitze übereinstimmen muss. Vorteilhafterweise wird der Phasenwinkelteilbereich jedoch so festgelegt, dass er keine weiteren lokalen Minima bzw. Maxima als die genannten Minima bzw. Maxima der Gesamtstromstärke umfasst.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können der Anfangsphasenwinkel und der Endphasenwinkel der zumindest einen Spitze bestimmt werden, indem die zweite Ableitung des Gesamtstroms nach der Zeit oder der Phase gebildet wird und als Anfangsphasenwinkel und/oder als Endphasenwinkel einer Spitze jener Phasenwinkel bestimmt wird, zu dem der Betrag der zweiten Ableitung größer als ein vorgegebener Schwellenwert wird. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist es nicht zwingend notwendig, Phasenwinkelteilbereiche festzulegen, es kann jedoch vorteilhaft erfolgen.
Bei Berücksichtigung des Vorzeichens kann ein Phasenwinkel als Anfangsphasenwinkel oder Endphasenwinkel identifiziert werden, wenn die zweite Ableitung größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Ist der Gesamtstrom negativ, so kann als Anfangs- oder Endphasenwinkel der Spitze ein Phasenwinkel identifiziert werden, zu dem die negative zweite Ableitung größer als ein vorgegebener Schwellenwert wird. Jene Phasenwinkel, zu denen die zweite Ableitung den Schwellenwert betragsmäßig überschreitet, sollen im Folgenden als Krümmungsphasenwinkel bezeichnet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die wie oben beschrieben ermittelten Krümmungsphasenwinkel jeweils entweder als Anfangsphasenwinkel oder Endphasenwinkel einer der zumindest einen Spitzen klassifiziert werden. Hierzu kann zunächst für einige oder alle der Phasenwinkelbereiche eines Messzeitraumes jeweils eine der Anzahl der Spitzen pro Phasenwinkelbereich entsprechende Anzahl an Phasenwinkeln bestimmt werden, zu denen eine Mitte einer Spitze vorliegt. Die Bestimmung der Mitten kann wie unten dargestellt erfolgen. Es kann dann zunächst jeder krümmungsphasenwinkel jener Spitze zugeordnet werden, zu deren Mitte er am nächsten liegt. Es können dann als Anfang einer Spitze jene Krümmungsphasenwinkel klassifiziert werden, auf die jeweils zeitlich oder, was gleichbedeutend ist, in der Phase, eine der Mitten ohne dazwischen liegenden Krümmungsphasenwinkel folgt. Als Enden können jene Krümmungsphasenwinkel klassifiziert werden, die jeweils zeitlich oder gleichbedeutend bezüglich der Phase auf eine der Mitten ohne dazwischen liegende Krümmungsphasenwinkel folgen.
Eine vorteilhafte optionale Möglichkeit, jene Phasenwinkel zu bestimmen, zu denen eine Mitte einer Spitze vorliegt, kann wie folgt aussehen. Es kann hierzu die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, dass ein Phasenwinkelkandidat eine Mitte einer Spitze darstellt. Dabei wird festgelegt, dass diese Wahrscheinlichkeit umso größer ist, je weniger Krümmungsphasenwinkel sich in der unmittelbaren Umgebung des betrachteten Phasenwinkelkandidaten befinden, außerdem, je mehr Krümmungsphasenwinkel sich in einem vorgegebenen Intervall vor oder nach dem betrachteten Phasenwinkelkandidaten befinden und je größer die Übereinstimmung der durchschnittlichen Phasenabstände der Krümmungsphasenwinkel jeweils vor und nach dem betrachteten Phasenwinkelkandidaten ist. Es wird dann jener Phasenwinkel als die Mitte einer der zumindest einen Spitzen bestimmt, dessen auf diese Weise bestimmte Wahrscheinlichkeit am größten ist.
Sind die Anfangsphasenwinkel und Endphasenwinkel der Spitzen bekannt, so können die Mitten der Spitzen mit etwas größerer Genauigkeit optional nochmals bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die zeitliche Länge oder gleichbedeutend Phasenwinkellänge der Spitzen bestimmt werden. Diese Länge bzw. Breite der Spitzen kann mit der Zeit variieren, abhängig von dem Anteil der vom Gleichrichter beanspruchten Leistung. Die Länge der Spitzen kann pro Phasenwinkelbereich bzw. Halbperiode der Spannung bestimmt werden.
Die oben beschriebenen Anfangsphasenwinkel und Endphasenwinkel der Spitzen können zur Festlegung der genannten Phasenwinkelteilbereiche verwendet werden. Es können beispielsweise diese Anfangs- und Endphasenwinkel für eine Mehrzahl von Phasenrahmen oder Halbperioden ermittelt werden und die so ermittelten Anfangs- und Endphasenwinkel dann als Anfangs- und Endphasenwinkel des Phasenfensters für die späteren Phasenrahmen oder Halbperioden verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Breite oder Länge der Spitzen mittels eines Wahrscheinlichkeitsmaßes für einen Bereich bestimmter Werte erneut berechnet werden. Dabei kann von jener zu der Mitte der Spitze korrespondierenden Zeit bzw. Phase und der Länge der Spitze in Zeit- bzw. Phasenrichtung ausgegangen werden. Je geringer die Abstände der ermittelten Zeitpunkte zu den erwarteten Zeitpunkten sind, desto wahrscheinlicher ist die Zeitdauer der Spitze die gewünschte. Enthält ein Phasenwinkelbereich bzw. eine Halbperiode keine geeigneten Zeit- bzw. Phasenpunkte, kann die Dauer der Spitze aus der vorhergehenden Halbperiode beibehalten werden.
Bevorzugterweise werden im Rahmen der Erfindung solche Strukturen als Spitzen angesehen, die vom Anfang der jeweiligen Spitze zum Ende der jeweiligen Spitze weniger als 180°, vorzugsweise weniger oder gleich 120°, vorzugsweise weniger oder gleich 60°, besonders bevorzugt weniger oder gleich 30° breit sind.
Um die Robustheit des Verfahrens gegenüber Strömen mit einem hohen Anteil hoher Frequenz zu erhöhen, kann vorab ein Savitzky-Golay-Filter auf die Spannung angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit allen gängigen Formen von Gleichrichtern ohne Power Factor Control einsetzbar. Insbesondere kommen einphasige Gleichrichter in Frage. Zu diesen zählen Einweg-Gleichrichter (Half-Wave-Gleichrichter) sowie Full-Wave-Gleichrichter. Letztere können mit vier Dioden in Brückenkonfiguration als Brückengleichrichter B2 oder als Mittelpunkt-Gleichrichter ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren für die genannten Brückengleichrichter B2 einsetzen.
Darüber hinaus kommen dreiphasige Gleichrichter in Frage. Hier können Half-Wave-Gleichrichter (Dreipuls-Mittelpunktschaltungen) eingesetzt werden. Als Full-Wave-Gleichrichter kann eine Schaltung mit sechs Dioden (Drehstromdrücke B6), mit 12 Dioden (Drehstrombrücke B6-2S oder B6-2P) oder sechs Dioden in einer Sechs-Puls-Mittelpunktschaltung zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren für die Drehstrombrücke B6 verwenden.
Im Falle der Anwendung auf einphasige Full-Wave-Gleichrichter wird vorteilhaft pro Phasenwinkelbereiche eine der genannten Spitzen ermittelt. Bei dreiphasigen Full-Wave-Gleichrichtern werden vorzugsweise zwei der Spitzen pro Phasenwinkelbereiche ermittelt. Bei einphasigen Half-Wave-Gleichrichtern kann bei jeder zweiten Halbperiode pro Phasenwinkelbereiche eine der Spitzen ermittelt werden und bei dreiphasigen Half-Wave-Gleichrichtern kann ebenfalls bei jeder zweiten Halbperiode pro Phasenwinkelbereiche eine der Spitzen ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch im Eingangsstrom die Anzahl der Spitzen pro Phasenwinkelbereiche oder Halbperiode ermittelt werden und aus der Anzahl der Spitzen bestimmt werden, welchen Typs der Gleichrichter ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den einzelnen Figuren gezeigten Merkmale können auch unter den Beispielen kombiniert werden und unabhängig vom jeweiligen Beispiel realisiert werden.
Es zeigt

1 einen charakteristischen Stromverlauf eines Gleichrichters eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit,
2 eine Schaltung zum Antreiben eines Motors mit variabler Geschwindigkeit,
3 Stromverläufe eines Gebläses und eines Transformators mit einem einphasigen B2-Gleichrichter.
4 Stromverläufe einer Fräsmaschine und eines Transformators mit dreiphasigen B6-Gleichrichtern.
5 einen Aufbau eines einphasigen B2-Gleichrichters,
6 einen Aufbau eines dreiphasigen B6-Gleichrichters,
7 eine beispielhafte Bestimmung von zweiten Ableitungen des Gesamtstroms,
8 Krümmungsphasenwinkel für eine Vielzahl von Perioden,
9 ein Beispiel der Ermittlung eines Stroms aus Spitzen eines Gleichrichters,
10 ein beispielhaftes Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Anwendung auf eine Fräsmaschine, und
11 ein beispielhaftes Ergebnis bei Anwendung auf eine Thermoformmaschine.

1 zeigt ein Beispiel eines charakteristischen Stromverlaufs eines dreiphasigen Full-Wave-Gleichrichters, welcher Teil eines Frequenzumrichters ist. Auf der vertikalen Achse ist dabei die Stromstärke in Ampere aufgetragen und auf der horizontalen Achse die Zeit in Millisekunden. Die durchgezogene Linie stellt den Stromverlauf in den Frequenzumrichter dar, der den Antrieb mit variabler Drehzahl betreibt. Die gestrichelte Linie stellt die an den Frequenzumrichter angelegte Spannung dar. Die auf der horizontalen Achse dargestellte Zeit beginnt bei Null mit dem Nulldurchgang der Spannung und kann daher direkt in eine Phase derart umgerechnet werden, dass beim folgenden Nulldurchgang die Phase 180°ist und beim darauffolgenden Nulldurchgang 360°. Das Maximum der idealen Spannungskurve liegt bei 90° und das Minimum bei 270°.
Zerlegt man den Stromverlauf in zwei Phasenwinkelbereiche, deren Länge jeweils eine halbe Periode der Spannung beträgt, so ist zu erkennen, dass der Stromverlauf pro halbe Periode zwei Spitzen aufweist. Die Anzahl von zwei Spitzen pro Phasenwinkelbereich deutet darauf hin, dass der Gleichrichter ein dreiphasiger Full-Wave-Gleichrichter ist. Das Vorhandensein der Spitzen im Gesamtstromverlauf ist charakteristisch für diese Gleichrichter und wird daher erfindungsgemäß verwendet, um den Stromfluss in den Gleichrichter zu bestimmen.
2 zeigt schematisch eine beispielhafte Schaltung eines Frequenzumrichters, mit dem Motoren angetrieben werden können. An einem Eingangsanschluss 5 wird die Netzspannung angelegt. Diese wird durch einen Gleichrichter gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird mittels einer Kapazität 6 geglättet. Die gleichgerichtete Spannung liegt an einem Wechselrichter 2 an, der über eine Regelelektronik 3 gesteuert wird. Der Wechselrichter 2 speist einen Motor 4. Durch den Gleichrichter 1 weist der Stromverlauf in den gezeigten Frequenzumrichter die in 1 gezeigte Charakteristik auf.
3 zeigt Stromprofile, die für bestimmte beispielhafte Geräte charakteristisch sind. In den beiden Diagrammen ist wiederum auf der vertikalen Achse der Strom in Ampere aufgetragen und auf der horizontalen Achse die Zeit in Millisekunden. Das linke Teilbild zeigt den Stromverlauf in den Frequenzumrichter eines Gebläses und das rechte Teilbild zeigt den Stromverlauf in einen 15 Volt-Transformator. Die Gleichrichter in diesem Fall sind einphasige B2-Gleichrichter.
4 zeigt in Diagrammen entsprechend 3 charakteristische Stromprofile, wobei im linken Teilbild der Stromverlauf eines Frequenzumrichters einer Fräsmaschine gezeigt ist und im rechten Teilbild jener eines 24 Volt-Transformators. Zu erkennen ist, dass pro halber Periode zwei Spitzen vorhanden sind. In diesen beiden Beispielen der 4 ist der Gleichrichter ein dreiphasiger B6-Gleichrichter.
Beim einphasigen und beim dreiphasigen Half-Wave-Gleichrichter sieht das Stromprofil ähnlich aus wie beim einphasigen Full-Wave-Gleichrichter, nämlich jeweils mit einer Spitze pro Halbperiode. Allerdings gäbe es nur die positiven Spitzen, nicht die negativen. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert daher auch für Half-Wave-Gleichrichter, sowohl einphasige als auch dreiphasige.
Die Phasen, in denen die Spitzen relativ zum Spannungsverlauf auftreten, können beispielsweise wie folgt aussehen:

• eine Phase: je Halbperiode (180°): Spitze zwischen 30° und 150°
• drei Phasen: je Halbperiode (180°): erste Spitze zwischen 30°und 90° und zweite Spitze zwischen 120° und 150°.

Die genauen Phasenwinkelteilbereiche, in denen die Spitzen auftreten, hängen jedoch von den Parametern der eingesetzten Kapazität sowie von den Widerständen und dem elektrischen Verbraucher hinter dem Gleichrichter ab. In einigen Fällen ist es jedoch möglich, die Lage der Spitzen bereits vorab mit hinreichender Genauigkeit zu schätzen und Phasenwinkelteilbereiche festzulegen, die so bemessen sind, dass genau eine Spitze innerhalb jeweils eines Phasenwinkelteilbereichs liegt.
5 zeigt ein Beispiel eines einphasigen B2-Gleichrichters. An einem Eingang wird eine Wechselspannung 51 angelegt. Diese liegt über einen Brückengleichrichter 52 an. Der Brückengleichrichter 52 weist vier Dioden D₁, D₂, D₃ und D₄ auf. Dabei liegt die Spannung mit einem Pol zwischen den Dioden D₁ und D₄ mit dem anderen Pol zwischen den Dioden D₂ und D₃ an. Zwischen den Dioden D₂ und D₄ kann dann der negative Pol der Gleichspannung abgegriffen werden und zwischen den Dioden D₁ und D₃ der positive Pol. Die so erzeugte Gleichspannung liegt dann beispielsweise über einer Last 53 an, die hier beispielhaft als Widerstand dargestellt ist. Die in 5 gezeigte Schaltung sieht einen Kondensator 54 vor, der strenggenommen nicht zum Gleichrichter gehört, aber normalerweise mit verbaut wird, um die Gleichspannung zu glätten.
6 zeigt ein Beispiel eines dreiphasigen B6-Gleichrichters. Es wird hier an einem Eingang eine dreiphasige Spannung 61 angelegt. Diese wird durch eine sechs Dioden D₁ bis D₆ aufweisende Gleichrichterschaltung 62 gleichgerichtet, so dass über einer Last 63 eine Gleichspannung anliegt. Auch hier ist parallel zur Last 63 eine Kapazität 64 vorgesehen, die der Glättung der Gleichspannung dient. Diese gehört wiederum strenggenommen nicht zum Gleichrichter, wird jedoch normalerweise mit verbaut.
7 zeigt eine beispielhafte Bestimmung von Zeit- bzw. Phasenpunkten, zu denen Spitzen anfangen und enden. Auf der vertikalen Achse ist der Strom in Ampere aufgetragen und auf der horizontalen Achse die Zeit in Millisekunden, die gleichbedeutend mit der Phase ist. Die durchgezogene schwarze Linie stellt den aggregierten Strom dar. Die durchgezogene graue Linie stellt die zweite Ableitung des aggregierten Stromes dar. Die horizontalen gepunkteten Geraden stellen den Schwellenwert für die zweite Ableitung des Stromes dar und die vertikalen gestrichelten Linien stellen die ermittelten Zeitpunkte dar, zu denen die zweite Ableitung den Schwellenwert überschreitet.
Zur Ermittlung der Spitzen können jene Zeitpunkte (Krümmungsphasenwinkel) ermittelt werden, zu denen die charakteristischen Spitzen anfangen oder enden. Hierzu kann die zweite Ableitung des aggregierten Stromes nach der Zeit oder der Phase berechnet werden. Überschreitet deren Wert einen vorgegebenen Schwellenwert (ε) während der Strom positiv ist, wird der entsprechende Zeitpunkt oder Phasenpunkt als ein potentieller Anfang oder ein potentielles Ende einer Spitze markiert. Mathematisch kann die für jeden Zeitpunkt t überprüfte Bedingung ausgedrückt werden als: $I (t) > 0 a n d \frac{d^{2}}{d t^{2}} I (t) > ε$
Diese Bedingung wird für positive Spitzen geprüft. Für negative Spitzen werden stattdessen der negative Strom und die negative zweite Ableitung verwendet. 7 zeigt beispielhaft das Resultat einer solchen Berechnung. Es ist zu erkennen, dass die genannte Bedingung durch eine Vielzahl von beieinander liegenden Zeitpunkten erfüllt wird. Wenn der Abstand zwischen solchen Zeitpunkten hinreichend klein ist, können sie als eine Zeitpunktegruppe anstatt als einzelne Zeitpunkte gespeichert werden, um für die weitere Analyse verwendet zu werden. Im Rahmen dieses Beispiels sollen alle Zeitpunkte als Zeitpunktgruppen angesprochen werden, selbst wenn sie nur einen Zeitpunkt enthalten.
Die im in 2 gezeigten Beispiel ermittelten Zeitpunkte können in einem Diagramm wie in 8 dargestellt eingetragen werden. Dabei ist in 8 auf der vertikalen Achse die Zeit innerhalb jeder Halbperiode in Millisekunden gerechnet vom Nulldurchgang der Spannung an aufgetragen. Auf der horizontalen Achse werden die Halbperioden durchgezählt. Jeder Zeitpunkt, zu dem die zweite Ableitung des Stromes nach der Zeit wie oben beschrieben den Schwellenwert überschreitet, ist in 8 als Kreuzchen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass in allen Halbperioden vier Bänder von markierten Zeitpunktgruppen unterschieden werden können, die zu den zwei Spitzenanfängen und Spitzenenden korrespondieren. Einige der markierten Zeitpunkt sind Ausreißer und in einigen Teilperioden wurden keine Zeitpunkt markiert.
Sofern diese Information nicht auf andere Weise zugänglich ist, können die hier ermittelten Zeitpunkte wie folgt gefiltert und klassifiziert werden. Im gezeigten Beispiel mit zwei Spitzen pro Halbperiode können zunächst zwei Zeitpunkte pro Halbperiode für alle Halbperioden geschätzt werden, die den Mitten der zwei Spitzen entsprechen. Dies kann beispielsweise durch Berechnung eines Wahrscheinlichkeitsmaßes (oder einer Kostenfunktion) für einen Bereich möglicher Zeiten geschehen. Entsprechend diesem Maß ist ein Zeitpunkt mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Mittelpunkt einer Spitze

• je weniger der ermittelten Zeitpunkte in seiner unmittelbaren Umgebung liegen,
• je mehr markierte Zeitpunkte in einem vorbestimmten Zeitabstand kurz vor oder kurz nach seinem Wert liegen, und
• je mehr der durchschnittliche Abstand zu den markierten Zeitpunkten kurz vor und der durchschnittliche Abstand zu den markierten Zeitpunkten kurz nach dem fraglichen Zeitpunkt übereinstimmen.

Basierend auf diesen zwei Mitten von Spitzen können alle erkannten Zeitpunktgruppen entweder als Anfang oder Ende einer Spitze klassifiziert werden. Wurde eine Gruppe als Anfang einer Spitze klassifiziert, so wird im Folgenden in diesem Beispiel nur der Anfang der Zeitpunktgruppe verwendet. Wurde andererseits die Gruppe als Ende klassifiziert, so wird im Folgenden nur das Ende der Zeitpunktgruppe verwendet. Mit Hilfe dieser neuen Information können die zwei Zeitpunkte, die den Mitten der Spitzen entsprechen, erneut mit etwas größerer Genauigkeit bestimmt werden.
Es kann nun in einem weiteren Schritt die zeitliche Länge bzw. Phasenlänge der Spitzen bestimmt werden. Wie in 8 zu erkennen ist, variiert die Länge der Spitzen über die Zeit leicht, abhängig vom Anteil des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit an der gesamten aktiven Leistung. Die zeitliche Länge der Spitzen wird daher pro Halbperiode bestimmt. Die beiden zu den Mitten der Spitzen korrespondierenden Zeiten und die zeitliche Länge der Spitzen definieren zusammen die vier erwarteten Zeiten pro Halbperiode, die zu den Anfängen und Enden der Spitzen korrespondieren unter der Annahme, dass die Mitte die zeitliche Länge des Peaks in der Mitte schneidet. Die zeitliche Länge der Spitzen kann wiederum mittels eines Wahrscheinlichkeitsmaßes für einen Bereich vorbestimmter Werte wie folgt berechnet werden. Je kleiner die Abstände der markierten Zeitpunkte zu den vier erwarteten Zeiten sind, desto wahrscheinlicher ist die Zeitlänge die gewünschte. Enthält eine Halbperiode keine geeigneten markierten Zeitpunkte, wird die Länge der Spitze gegenüber jener der vorangegangenen Halbperiode nicht verändert. Auf diese Weise können der erwartete Anfang und das erwartete Ende der Spitzen definiert werden. Diese sind in 8 als durchgezogene Linien gezeigt.
Es kann nun der Strom in den Gleichrichter berechnet werden. Dazu kann beispielsweise eine Gerade zwischen den Stromwerten am Anfang und am Ende der Spitze gezogen werden. Die Differenz zwischen dieser Linie und den Stromwerten entspricht dem Strom in den Gleichrichter. In allen anderen Bereichen wird dessen Strom als Null angenommen.
Dieses Vorgehen ist in 9 beispielhaft gezeigt. In 9 sind darüber hinaus als vertikale durchgezogene Linien Zeitfenster (Phasenwinkelteilbereiche) eingezeichnet, die vorgegeben sein können. Bei Vorhandensein solcher Zeitfenster kann die vorhergehend beschriebene Bestimmung der Peaks über die zweiten Ableitungen vermieden werden. Bei Verwendung der Zeitfenster kann als Anfang eines Peaks das Minimum des Stromverlaufs zwischen dem Anfang des Zeitfensters und der Mitte des Zeitfensters verwendet werden und als Ende des Peaks das Minimum zwischen der Mitte des Zeitfensters und dem Ende des Zeitfensters.
Es ist auch möglich, die über die zweiten Ableitungen ermittelten Grenzen der Spitzen als die genannten Zeitfenster zu definieren und zur eigentlichen Bestimmung des Stromes die Minima wie beschrieben zu verbinden. Auf diese Weise wird eine hohe Genauigkeit erreicht.
Im Folgenden soll die beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf zwei Maschinen beschrieben werden, zum einen eine Fräsmaschine und zum anderen eine Thermoformverpackungsmaschine. Der wesentliche Teil der Fräsmaschine ist ein Frequenzumrichter, der die Antriebe mit variabler Geschwindigkeit (VSD) der x-, y- und z-Achse der Fräsmaschine sowie den VSD der Frässpindel speist. Darüber hinaus weist die Maschine verschiedene Pumpen für Kühlmittel, schmierendes Öl und einen Hydraulikzylinder auf sowie Ventilatoren und einige elektronische Eingabe- und Ausgabegeräte. Die Thermoformverpackungsmaschine weist zwei drehzahlvariable Antriebe mit jeweils einem Frequenzumrichter (VSD) auf, die für die mechanische Bewegung der Hauptfördervorrichtung und einer Anhebevorrichtung dienen. Die Maschine weist außerdem andere elektrische Verbraucher wie eine Heizung, eine Kühleinheit, eine Vakuumpumpe, drei Ventilatoren und einen nicht variablen Antrieb auf. Für jede Maschine wurde der Strom durch drei Hauptleitungen gemessen sowie darüber hinaus der Strom in die Frequenzumrichter. Die aktive Leistung wurde berechnet und im Fall der Thermoformmaschine der Leistungsbedarf der zwei Frequenzumrichter, die die VSDs versorgen, aufsummiert. Auf diese Weise wurden sie effektiv als nur ein VSD behandelt. Der Strom wurde in ein Spannungssignal überführt unter Verwendung eines Zangenstrommessers des Modells WZ12B von GossenMetrawatt. Die Spannungen und die transformierten Ströme wurden gemessen unter Verwendung von DeweSoft DS-Net Modul V4-HV für die Spannung und V8 für das konvertierte Stromsignal unter Verwendung einer Abtastrate von 10 kS/s pro Kanal. Die aktive Leistung für die gemessenen Werte wurde direkt mit dem implementierten Leistungsanalysemodul berechnet. Nach Durchführung der Messung wurden die Werte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet.
Die Ergebnisse der Disaggregation in diesem Beispiel sind in den 10 und 11 gezeigt. Sie zeigen die gemessene aktive Gesamtleistung, d. h. die Leistung durch alle drei Phasen der aggregierten Maschine und für das VSD. Darüber hinaus wird die aktive Leistung des VSD, wie durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt, dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die geschätzte aktive Leistung des VSD sehr gut übereinstimmt mit den tatsächlich gemessenen Werten. Die akkumulierte Energie, d. h. das Integral der aktiven Leistung in der Berechnung erreicht 94 % des gemessenen Wertes im Fall der Fräsmaschine und 87 % der gemessenen Werte im Fall der Thermoformmaschine. Die Dynamik des Leistungssignals wird mit großer Genauigkeit wiedergegeben und es treten keine ungewöhnlichen Werte auf. Es sei darauf hingewiesen, dass in beiden Maschinen mehrere elektrische Verbraucher neben dem VSD aktiv waren und dass der Anteil des VSD an der Gesamtleistung von 90 % im Fall der Fräsmaschine zu weniger als 10 % im Fall der Thermoformmaschine reicht.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Stromes in einen Gleichrichter, wobei ein Gesamtstrom in eine den Gleichrichter aufweisende Schaltung gemessen wird, wobei der Gleichrichter in der Schaltung zu zumindest einem weiteren elektrischen Verbraucher parallelgeschaltet ist, wobei in dem Gesamtstrom zumindest eine Spitze ermittelt wird, und aus der zumindest einen Spitze der Strom in den Gleichrichter bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zur Ermittlung der zumindest einen Spitze der Gesamtstrom in Phasenwinkelbereiche zerlegt wird, deren Länge jeweils eine halbe Periode einer an der den Gleichrichter ausweisenden Schaltung anliegenden Gesamtspannung beträgt, und wobei die zumindest eine Spitze jeweils innerhalb zumindest eines der Phasenwinkelbereiche bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Phasenwinkelbereich jeweils mit einem Nulldurchgang der Gesamtspannung beginnen und enden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in den Phasenwinkelbereichen für jede der Spitzen in diesem Phasenwinkelbereich jeweils zumindest ein Phasenwinkelteilbereich so festgelegt wird, dass genau eine der zumindest einen Spitzen innerhalb dieses Phasenwinkelteilbereichs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine jeweils die Werte des Gesamtstromes zu einem Anfangsphasenwinkel und zu einem Endphasenwinkel der zumindest einen Spitze verbindende stetige Funktion festgelegt wird, und eine Differenz zwischen dem gemessenen Gesamtstrom und der stetigen Funktion als der in den Gleichrichter fließende Strom ermittelt wir.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die stetige Funktion eine lineare Funktion, eine polynomiale Funktion, eine Sinus-Funktion oder eine Cosinus-Funktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei als Anfangsphasenwinkel der zumindest einen Spitze jener Phasenwinkel gewählt wird, zu welchem der Gesamtstrom zwischen einem Anfang des entsprechenden Phasenwinkelteilbereichs und einer Mitte des Phasenwinkelteilbereichs minimal wird und wobei als Endphasenwinkel der zumindest einen Spitze jener Phasenwinkel gewählt wird, zu welchem der Gesamtstrom zwischen der Mitte des Phasenwinkelteilbereichs und einem Ende des Phasenwinkelteilbereichs minimal wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung des Anfangsphasenwinkels und des Endphasenwinkels zumindest einer der Spitzen die zweite Ableitung des Gesamtstromes nach der Zeit gebildet wird und der Anfangsphasenwinkel und/oder der Endphasenwinkel einer Spitze bestimmt wird als ein Krümmungsphasenwinkel, zu dem der Betrag der zweiten Ableitung größer als ein vorgegebener Schwellenwert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Krümmungsphasenwinkel,jeweils entweder als Anfang oder Ende einer der Spitzen klassifiziert werden, indem zunächst für die Phasenwinkelbereiche jeweils eine der Anzahl der Spitzen pro Phasenwinkelbereich entsprechende Anzahl an Phasen bestimmt werden, zu denen eine Mitte einer Spitze vorliegt, dann die Krümmungsphasenwinkel jener der Mitten zugeordnet werden, der sie am nächsten liegen, und dann als Anfang jene Krümmungsphasenwinkel klassifiziert werden, auf die jeweils zeitlich eine der Mitten ohne dazwischenliegenden Krümmungsphasenwinkel folgt, und als Ende jene Krümmungsphasenwinkel klassifiziert werden, die jeweils zeitlich auf eine der Mitten ohne dazwischenliegenden Krümmungsphase folgen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Phasenwinkel, zu denen eine Mitte einer Spitze vorliegt, wie folgt bestimmt werden: es wird die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass ein Phasenwinkelkandidat eine Mitte einer Spitze darstellt, wobei diese Wahrscheinlichkeit um so größer ist, je weniger Krümmungsphasenwinkel sich in der unmittelbaren Umgebung des Phasenwinkelkandidaten befinden, je mehr Krümmungsphasenwinkel sich in einem vorgegebenen Winkelabstand vor oder nach dem Phasenwinkelkandidat befinden und je geringer die Differenz der durchschnittlichen Phasenabstände der Krümmungsphasenwinkel vor dem Phasenwinkelkandidat zu den durchschnittlichen Phasenwinkelabständen nach dem Phasenwinkelkandidat ist, wobei jener Phasewinkelkandidat als die Mitte einer der zumindest einen Spitzen bestimmt wird, deren Wahrscheinlichkeit am größten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei als der Phasenwinkelteilbereich der Phasenwinkelbereich zwischen dem Anfangsphasenwinkel und dem Endphasenwinkel eines Teils der Spitzen, vorzugsweise einer Mehrzahl von zuerst auftretenden Spitzen, festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spitzen gemessen vom Anfang der jeweiligen Spitze zum Ende der jeweiligen Spitze jeweils weniger als 180°, vorzugsweise weniger oder gleich 120°, vorzugsweise weniger oder gleich 60°, besonders bevorzugt weniger oder gleich 30° breit sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter ein einphasiger Full-Wave Gleichrichter ist und pro Phasenwinkelbereich eine der Spitzen ermittelt wird oder ein Dreiphasiger Full-Wave Gleichrichter ist und pro Phasenwinkelbereich zwei der Spitzen ermittelt werden, oder ein einphasiger Half-Wave Gleichrichter ist und pro Phasenwinkelbereich eine der Spitzen ermittelt wird, oder ein dreiphasiger Half-Wave Gleichrichter ist und pro Phasenwinkelbereich eine der Spitzen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entweder eine Spitze je Halbperiode auftritt und deren Mitte vorzugsweise bei einem Phasenwinkel von 90° +- 10° auftritt oder zwei Spitzen je Halbperiode auftreten und deren Mitten vorzugsweise bei Phasenwinkeln von 60° +-10° und 120° +- 10° auftreten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Spitzen pro Phasenwinkelbereich ermittelt werden und aus der Anzahl der Spitzen ermittelt wird, welchen Typs der Gleichrichter ist.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Stromes in einen Gleichrichter, aufweisend eine Messvorrichtung, die eingerichtet ist zur Messung eines Gesamtstromes in eine den Gleichrichter aufweisende Schaltung, eine Ermittlungvorrichtung, die Eingerichtet ist zur Ermittlung zumindest einer Spitze, und eine Bestimmungsvorrichtung, die eingerichtet ist zur Bestimmung es Stromes in den Gleichrichter aus der zumindest einen Spitze, wobei mit der Vorrichtung zur Bestimmung eines Stromes in einen Gleichrichter ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.