DE102022208640A1

DE102022208640A1 - Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102022208640A1
Application number: DE102022208640.6A
Authority: DE
Inventors: Urs Obernolte; Ting Helmholdt-Zhu
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Frequenzumrichter (100), aufweisend:- einen Wechselrichter (1) mit einer Anzahl von Leistungshalbleitern (7-12), wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgebildet ist, die Leistungshalbleiter (7-12) derart taktend anzusteuern, dass eine Anzahl von Ansteuersignalen (u, v, w) mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung eines Elektromotors (2) erzeugt wird,- Anschlüsse (13, 14, 15), an denen die Anzahl von Ansteuersignalen (u, v, w) ausgegeben wird, und- einen Teilentladungsdetektor (16), der dazu ausgebildet ist, während des Taktens der Leistungshalbleiter (7-12) Teilentladungen zu detektieren, die in einem an den Frequenzumrichter (100) angeschlossenen Elektromotor (2) und/oder in Leitungen (17, 18, 19) zwischen dem Frequenzumrichter (100) und dem Elektromotor (2) auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter, der eine möglichst schonende Ansteuerung von Elektromotoren ermöglicht.
Der Frequenzumrichter weist einen herkömmlichen Wechselrichter mit einer Anzahl von Leistungshalbleitern auf. Der Wechselrichter kann beispielsweise 6 Leistungshalbleiter aufweisen. Der Wechselrichter ist herkömmlich dazu ausgebildet, die Leistungshalbleiter derart taktend anzusteuern, dass eine Anzahl von, insbesondere pulsweitenmodulierten, Ansteuersignalen mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung eines Elektromotors erzeugt wird. Beispielsweise können genau drei Ansteuersignale erzeugt werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Frequenzumrichter weist weiter Anschlüsse auf, an denen die Anzahl von Ansteuersignalen ausgegeben wird.
Erfindungsgemäß weist der Frequenzumrichter einen Teilentladungsdetektor auf, der dazu ausgebildet ist, während des Taktens der Leistungshalbleiter Teilentladungen zu detektieren, die in einem an den Frequenzumrichter angeschlossenen Elektromotor und/oder in bzw. auf Leitungen zwischen dem Frequenzumrichter und dem Elektromotor auftreten.
In einer Ausführungsform weist der Teilentladungsdetektor einen Teilentladungssensor auf, der dazu ausgebildet ist, Teilentladungssignale aus Signalen auszukoppeln, die an den Anschlüssen des Frequenzumrichters anstehen.
In einer Ausführungsform ist der Teilentladungssensor dazu ausgebildet, die Teilentladungssignale kapazitiv auszukoppeln, induktiv auszukoppeln, feldgebunden auszukoppeln und/oder richtgekoppelt auszukoppeln.
In einer Ausführungsform weist der Teilentladungsdetektor ein Filter auf, das dazu ausgebildet ist, die ausgekoppelten Teilentladungssignale von Störsignalen zu trennen, die durch das Takten der Leistungshalbleiter verursacht sind.
In einer Ausführungsform weist der Teilentladungsdetektor eine Verarbeitungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die gefilterten Teilentladungssignale zum Detektieren von Teilentladungen auszuwerten.
In einer Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Teilentladungssignale einen Hüllkurvendetektor auf.
In einer Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Teilentladungssignale einen Root Mean Square RMS-Detektor auf.
Einer der Schädigungsmechanismen für elektrische Maschinen bzw. Elektromotoren ist die Beschädigung einer Wicklungsisolation durch sogenannte Teilentladungen. Hierbei wird die Isolation schleichend geschädigt, bis es zum Durchschlag und damit der Zerstörung des Isolationssystems kommt.
Teilentladungen entstehen durch hohe Feldstärken in der Isolation beziehungsweise durch schnelle Feldstärkeänderungen. Diese Probleme treten beim Betrieb an einem Frequenzumrichter oder in Schaltnetzteilen vermehrt auf, insbesondere bei besonders verlustarmen, schnell schaltenden Frequenzumrichtern und Schaltnetzteilen. Durch die Erfindung kann während des Betriebs der elektrischen Maschine, auch am Frequenzumrichter, eine Teilentladungen erkannt werden. Somit können eine Erkennung und eine Wartung vor Ausfall der elektrischen Maschine erfolgen und Stillstandszeiten im Sinne einer Predictive Maintenance eliminiert werden. Ebenso gilt dies für andere Wickelgüter unter hoher Belastung durch schaltende Elemente wie unter Anderem in Schaltnetzteilen.
Erfindungsgemäß wird der Teilentladungsdetektor in einen Frequenzumrichter mit schnell schaltenden Halbleiterschaltern integriert. Somit können Teilentladungen in Wicklungen bzw. deren Zuleitungen im Frequenzumrichter selbst detektiert werden, so dass im Frequenzumrichter unmittelbar geeignete Gegenmaßnahmen, beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiter, ergriffen werden können.
Der Teilentladungsdetektor ist dazu ausgebildet, ein Teilentladungssignal an den Anschlüssen eines Elektromotors, eines Transformators und/oder einer Induktivität zuverlässig auszukoppeln. Weiter ist der Teilentladungsdetektor dazu ausgebildet, ein Störsignal von dem Teilentladungssignal zu trennen. Weiter ist der Teilentladungsdetektor dazu ausgebildet, das Teilentladungssignal geeignet zu verarbeiten und Teilentladungen geräteintern oder nach extern zu signalisieren.
Das Entkoppeln des Teilentladungssignals kann beispielsweise durch kapazitive Kopplung, induktive Kopplung, feldgebundene Kopplung und/oder durch Richtkopplung oder andere Koppelmechanismen erfolgen.
Aus dem entkoppelten bzw. ausgekoppelten Signal müssen Störungen, die beispielsweise durch den Umrichter entstehen, entfernt werden. Hierfür können beispielsweise Hochfrequenzfilter verwendet werden.
Um die Teilentladung zu erkennen, kann bei sehr schneller Erfassung das Teilentladungssignal unmittelbar verwendet werden. Um die Verarbeitung direkt im Frequenzumrichter zu vereinfachen, kann beispielsweise ein Hüllkurven- oder RMS-Detektor verwendet werden.
Die aus dem Teilentladungssignal extrahierten Daten können direkt im Frequenzumrichter ausgewertet werden, beispielsweise über einen Analog-Digital-Wandler. Alternativ können die Messwerte bzw. Rohdaten auch über eine Datenverbindung an eine übergeordnete Steuerung zur dortigen Auswertung weitergegeben werden.
Durch die sichere Entkopplung des Teilentladungssignals von anderen Signalen an den Anschlüssen der Maschine kann eine sichere Teilentladungsmessung durchgeführt werden.
Durch eine steilflankige Trennung von Teilentladungssignal und Störsignal kann ein hoher Störspannungsabstand erreicht werden. Hiermit kann eine sichere Detektion erfolgen.
Durch die Verwendung eines Hüllkurven- oder RMS-Detektors kann die gesamte Schaltung einfach und kostengünstig gehalten werden.
Durch eine Verarbeitung direkt im Frequenzumrichter kann beim Auftreten von vermehrten Teilentladungen der Frequenzumrichter bereits vor einem Totalausfall mit Folgeschäden gestoppt werden. Durch eine Anbindung des Frequenzumrichters an eine übergeordnete Steuerung kann über eine Datenverbindung eine Meldung erfolgen.
Anders als bei herkömmlichen Teilentladungsdetektoren erfolgt die Teilentladungsdetektion bei getakteten Ansteuersignalen, die auch zur Ansteuerung von Elektromotoren verwendet werden. Herkömmlich werden stattdessen sinusförmige Spannungen und Ströme verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Frequenzumrichters mit einem Wechselrichter und einem Teilentladungsdetektor.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Frequenzumrichters 100.
Der Frequenzumrichter 100 weist einen herkömmlichen Wechselrichter 1 mit sechs Leistungshalbleitern 7 bis 12 in der dargestellten Topologie auf, wobei der Wechselrichter 1 herkömmlich dazu ausgebildet ist, die Leistungshalbleiter 7-12 derart nach einem PWM-Schema taktend anzusteuern, dass eine Anzahl von sinusförmigen Ansteuersignalen bzw. Ansteuerspannungen u, v, w mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung eines Elektromotors 2 erzeugt wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter drei Anschlüsse 13, 14, 15 auf, an denen die Ansteuersignale u, v, w ausgegeben werden.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter einen Teilentladungsdetektor 16 auf, der dazu ausgebildet ist, während des Taktens der Leistungshalbleiter 7-12 Teilentladungen zu detektieren, die in dem an den Frequenzumrichter 100 angeschlossenen Elektromotor 2 und/oder in Leitungen 17, 18, 19 zwischen dem Frequenzumrichter 100 und dem Elektromotor 2 auftreten.
Der Teilentladungsdetektor 16 weist einen Teilentladungssensor 3 auf, der dazu ausgebildet ist, ein bzw. mehrere Teilentladungssignale TS aus Signalen bzw. den Ansteuersignalen u, v, w auszukoppeln, die an den Anschlüssen 13, 14, 15 des Frequenzumrichters 100 anstehen.
Der Teilentladungssensor 3 ist dazu ausgebildet, die Teilentladungssignale TS kapazitiv auszukoppeln, induktiv auszukoppeln, feldgebunden auszukoppeln und/oder richtgekoppelt auszukoppeln.
Der Teilentladungsdetektor 16 weist ein Filter 4 auf, beispielswiese in Form eines Bandpassfilters, das dazu ausgebildet ist, die ausgekoppelten Teilentladungssignale TS von Störsignalen zu trennen, die durch das Takten der Leistungshalbleiter 7-12 verursacht sind.
Der Teilentladungsdetektor 16 weist eine Verarbeitungseinheit 5 auf, die dazu ausgebildet ist, die gefilterten Teilentladungssignale TS zum Detektieren von Teilentladungen auszuwerten.
Die Verarbeitungseinheit 5 weist zur Auswertung der Teilentladungssignale TS beispielsweise einen Hüllkurvendetektor 20 und/oder einen Root Mean Square RMS-Detektor 21 auf.
Der Teilentladungsdetektor 16 weist eine der Verarbeitungseinheit 5 nachgeschaltete Steuereinheit 6 auf, die unter anderem dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter 1 basierend auf den Auswertungsergebnissen der Verarbeitungseinheit 5 anzusteuern.

Claims

Frequenzumrichter (100), aufweisend: - einen Wechselrichter (1) mit einer Anzahl von Leistungshalbleitern (7-12), wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgebildet ist, die Leistungshalbleiter (7-12) derart taktend anzusteuern, dass eine Anzahl von Ansteuersignalen (u, v, w) mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung eines Elektromotors (2) erzeugt wird, und - Anschlüsse (13, 14, 15), an denen die Anzahl von Ansteuersignalen (u, v, w) ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (100) weiter aufweist: - einen Teilentladungsdetektor (16), der dazu ausgebildet ist, während des Taktens der Leistungshalbleiter (7-12) Teilentladungen zu detektieren, die in einem an den Frequenzumrichter (100) angeschlossenen Elektromotor (2) und/oder in Leitungen (17, 18, 19) zwischen dem Frequenzumrichter (100) und dem Elektromotor (2) auftreten.
Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Teilentladungsdetektor (16) einen Teilentladungssensor (3) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Teilentladungssignale (TS) aus Signalen auszukoppeln, die an den Anschlüssen (13, 14, 15) des Frequenzumrichters (100) anstehen.
Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Teilentladungssensor (3) dazu ausgebildet ist, die Teilentladungssignale (TS) kapazitiv auszukoppeln, induktiv auszukoppeln, feldgebunden auszukoppeln und/oder richtgekoppelt auszukoppeln.
Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Teilentladungsdetektor (16) ein Filter (4) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die ausgekoppelten Teilentladungssignale (TS) von Störsignalen zu trennen, die durch das Takten der Leistungshalbleiter (7-12) verursacht sind.
Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Teilentladungsdetektor (16) eine Verarbeitungseinheit (5) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die gefilterten Teilentladungssignale (TS) zum Detektieren von Teilentladungen auszuwerten.
Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die Verarbeitungseinheit (5) zur Auswertung der Teilentladungssignale (TS) einen Hüllkurvendetektor (20) aufweist.
Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Verarbeitungseinheit (5) zur Auswertung der Teilentladungssignale (TS) einen Root Mean Square RMS-Detektor (21) aufweist.