DE10244765A1

DE10244765A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Zwischenkreisspannungen in Gleichrichtern

Info

Publication number: DE10244765A1
Application number: DE10244765A
Authority: DE
Inventors: Jochen Bechtler; Johann Frei; Josef Reiter
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Zwischenkreisspannungen in Gleichrichtern und Inverter zum Gleichrichten eines mehrphasigen Eingangswechselspannungssignals, wobei die Kondensatorschaltung vorzugsweise elektrolytische Kondensatoren zur Glättung einer am Invertereingang anliegenden Zwischenkreisspannung aufweist. Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des Verfahrens zur Detektierung eines Phasenausfalls sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Aufgabe der Erfindung ist es, die Zwischenkreisspannungen in Gleichrichtern zu überwachen, insbesondere ein Absinken der Kondensatorleistung bzw. der Kondensatorkapazität frühzeitig zu erkennen. Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Dabei wird die am Ausgang der Kondensatorschaltung anliegende Zwischenkreisspannung digitalisiert und frequenzabhängig gefiltert. Aus dem gefilterten Zwischenkreisspannungssignal wird der Oberwellenspannungswert ermittelt und mit einem vorgegebenen Referenzspannungswert verglichen. Die ermittelte Differenz von Oberwellenspannungswert und Referenzspannungswert wird überwacht. In vorteilhafter Weise können Leistungsminderungen der Kondensatorschaltung ebenso wie Eingangsspannungsfehler festgestellt und angezeigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Zwischenkreisspannungen in Gleichrichtern mit einer Kondensatorschaltung und Inverter zum Gleichrichten eines mehrphasigen Eingangswechselspannungssignals, wobei die Kondensatorschaltung vorzugsweise elektrolytische Kondensatoren zur Glättung einer am Invertereingang anliegenden Zwischenkreisspannung aufweist. Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des Verfahrens zur Detektierung eines Phasenausfalls.
Verfahren dieser Art werden eingesetzt, um Elektromotoren für Antriebe zu betreiben. Dabei wird eine mehrphasige Eingangswechselspannung, vorzugsweise eine Netz- oder Drehstromgeneratorspannung, gleichgerichtet. Über eine mit der so gleichgerichteten Spannung versorgte Antriebsregelung werden die Elektromotoren mit einer getakteten Spannung versorgt. Die Antriebsregelung steuert den dabei fließenden Strom je nach Einschaltverhältnis der verwendeten Leistungshalbleiter, womit Drehmoment beziehungsweise die Drehzahl oder Position des Elektromotors geregelt beziehungsweise gesteuert werden.
Des Weiteren werden Elektromotoren für Luftverdichter zur Erzeugung von Druckluft mit derartigen Verfahren betrieben. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind Systeme, in denen ungeregelte Netzgleichrichter verwendet werden.
Zur Gleichrichtung einer mehrphasigen Eingangswechselspannung, beispielsweise bei einer Netzspannung mit drei Phasen, wird eine Schaltungsvorrichtung verwendet, welche als Gleichrichter passive Diodenbrücken verwendet, wobei jeder Phase eine Diodenbrücke zugeordnet ist. Am Ausgang des Gleichrichters sind Kondensatoren geschaltet, welche das gleichgerichtete Eingangssignal glätten. Am Ausgang der Kondensatorschaltung liegt eine Zwischenkreisspannung an. Für die Gleichrichtung von üblichen Netz- oder Generatorspannungen ist es üblich, dass zur Glättung des Gleichrichterausgangssignals elektrolytische Kondensatoren verwendet werden können.
Ein Nachteil elektrolytischer Kondensatoren in der vorbeschriebenen Schaltungsvorrichtung ist die Alterung dieser Bauelemente. Die Alterung der elektrolytischen Kondensatoren hängt im Wesentlichen von der Belastung im Betrieb, der Umgebungstemperatur und von der Qualität der Eingangswechselspannung ab. Die Qualität der Eingangswechselspannung wird durch die Häufigkeit von Ausfällen einer Phase und von Spannungsasymmetrien der verschiedenen Phasen erheblich beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigungen führen zu einer schnellen Alterung der elektrolytischen Kondensatoren.
Die Alterung der elektrolytischen Kondensatoren führt zum Einen zu einem Absinken der Kapazität der Kondensatoren. Dadurch bedingt wird die Qualität der Gleichspannung entsprechend schlechter, welches an die Antriebsregelung und den Elektromotor weitergegeben wird.

Um den zur Alterung der elektrolytischen Kondensatoren erheblich beitragenden Phasenausfall festzustellen, schlägt die JP Hei 4-15 62 22 eine Schaltungsvorrichtung vor, bei welcher durch Messen einer Zwischenspannung bei Überschreiten eines festgelegten Zwischenspannungswerts ein Fehlphasen- bzw. Fehlspannungssignal ausgegeben wird. Nachteil der vorbeschriebenen Vorrichtung ist, dass die Zwischenspannung selbst lediglich Informationen über Fehlphasen und Fehlspannungen aufweist. Somit bleibt durch die vorgeschlagene Vorrichtung ein Absinken der Kondensatorkapazität und damit eine vorbeugende Erkennung des Alterns elektrolytischer Kondensatoren in einer derartigen Schaltungsvorrichtung unbemerkt. Hierdurch kann es zu einem vollständigen Ausfall der Kondensatoren kommen, womit nach kurzer Zeit ein vollständiger Ausfall des Gesamtsystems einschließlich der Antriebssteuerung des Elektromotors und des Elektromotors selbst verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es folglich, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen es möglich ist, die Zwischenkreisspannungen in Gleichrichtern zu überwachen, insbesondere ein Absinken der Kondensatorleistung bzw. der Kondensatorkapazität frühzeitig zu erkennen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

1. Digitalisieren der am Ausgang der Kondensatorschaltung anliegenden Zwischenkreisspannung,
2. frequenzabhängige Filterung der Oberwellen aus der Zwischenkreisspannung,
3. Ermittlung des Oberwellenspannungswertes aus dem gefilterten Zwischenkreisspannungssignal,
4. Vergleich des Oberwellenspannungswertes mit einem vorgegebenen Referenzspannungswert,
5. Ausgabe eines Anzeigesignals, welches die Differenz von Oberwellenspannungswert und Referenzspannungswert repräsentiert.

Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erkannt werden, wenn die Glättung des am Gleichrichterausgang anliegenden Signals abnimmt, d. h. wenn die Kapazität der Kondensatoren sinkt. Dies wird erreicht, indem mit einem elektronischen Filter der Wechselspannungsanteil der Gleichrichterausgangsspannung mit einem vorgegebenen Wert einer Referenzspannung verglichen wird. Die Differenz von Oberwellenspannungswert und Referenzspannungswert wird vorzugsweise durch ein kontinuierliches Anzeigesignal ausgegeben.

Es ist vorgesehen, dass die Antriebssteuerung bei Überschreiten einer maximalen Differenz in einem Warnmodus weiterarbeitet. Der Warnmodus kann bei weiterem Ansteigen der Differenz oder durch eine zeitliche Vorgabe abgebrochen werden, wobei die Anlage, vorzugsweise automatisch, ausgeschaltet wird. Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Anzeigesignal bei Überschreiten eines bestimmten Wertes der Differenz als Warnmeldung an das Bedienpersonal ausgegeben wird.

Da die Zwischenkreisspannung bei Gleichrichtung üblicher Netz- oder Generatorspannungen im Wesentlichen für die Beschaltung mit konventionellen Analog-Digital-Wandlern zu hoch ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Zwischenkreisspannung vor der Filterung der Oberwellen mittels Spannungsteiler zu teilen. Dabei wird die Spannung in einem Verhältnis geteilt, das von der Leistung des Analog-Digital-Wandlers abhängig ist. Um konventionelle Analog-Digital-Wandler verwenden zu können, wird die Spannung so geteilt, dass am Eingang des Analog-Digitalwandlers eine Spannung im Bereich zwischen 2 und 5 Volt anliegt.

Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante wird dadurch erreicht, dass die digitalisierte Zwischenkreisspannung bei einer vorbestimmten Frequenz gefiltert wird, vorzugsweise bei einer Frequenz, welche abhängig ist von der Anzahl der Phasen und der Frequenz der Eingangswechselspannung. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass die Filterung bei einer Frequenz erfolgt, welche dem doppelten Produkt aus der Anzahl der Phasen und der Frequenz der Eingangswechselspannung entspricht. Hierdurch ist es möglich, aus der Zwischenkreisspannung die gleichgerichtete, die Eingangswechselspannung repräsentierende Oberwellenspannung herauszufiltern. Dabei wird der Gleichspannungsanteil der Zwischenkreisspannung vollständig vernachlässigt und lediglich der Wechselspannungsanteil als Oberwellenspannung weiterverarbeitet.

In vorteilhafter Weise wird dies dadurch erreicht, dass die Oberwellenspannung mit einer vorgegebenen Referenzspannung verglichen wird, vorzugsweise durch Vergleich der Spannungswerte in einem Digitalsignalprozessor. Als Ergebnis des Vergleichs wird ein Anzeigesignal ausgegeben, welches die Differenz von Oberwellenspannung und Referenzspannung oder den digitalisierten Wert dieser Spannungen repräsentiert.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Spannungswert der Referenzspannung größer ist als der Spannungswert des Wechselspannungsanteils der Zwischenkreisspannung, d. h. der Oberwellenspannungswert, bei voller Kapazität der Kondensatoren. Somit ist es möglich, den Warnmodus der Antriebsregelung oder die Ausgabe eines Warnsignals erst dann einzuleiten, wenn ein bestimmter Leistungsabfall an den Kondensatoren bereits erreicht ist.

Es hat sich erwiesen, dass das vorbeschriebene Verfahren in vorteilhafter Weise zur Detektierung eines Phasenausfalls für einen aus drei Phasen bestehendes Eingangswechselspannungssignal, vorzugsweise einer Netzspannung verwendbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die digitalisierte Zwischenkreisspannung bei einer Frequenz gefiltert wird, welche einen Wert aufweist, der dem doppelten der Frequenz des Eingangswechselspannungssignals entspricht. Bei dieser Frequenz der Zwischenkreisspannung ist die Oberwellenspannung maximal, wenn eine Phase ausgefallen ist, da die Oberwelle als deformierte Wechselspannung der beiden verbleibenden Phasen am Ausgang der Kondensatorschaltung anliegt. Durch geeignete Beschaltung wird es damit möglich, sowohl den Phasenausfall einer Phase einer mehrphasigen Netzspannung sowie das Absinken der Leistung der Kondensatorschaltung anzuzeigen.

Zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines Elektromotors vorgeschlagen, insbesondere für den Betrieb einer Druckmaschine, mit einer Schaltungsvorrichtung mit Gleichrichter und Inverter zum Gleichrichten eines mehrphasigen Eingangswechselspannungssignals, wobei eine Kondensatorschaltung, vorzugsweise elektrolytische Kondensatoren zur Glättung der Invertereingangsspannung aufweist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Ausgang der Kondensatorschaltung mit einem Spannungsteiler, einer Filterschaltung zur Filterung der Oberwellenspannung aus der digitalisierten Zwischenkreisspannung und eine Vergleichsschaltung zur Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen Referenz- und Oberwellenspannungswerten beschaltet ist.

Es ist des Weiteren vorgesehen, dass die Filterschaltung einen Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der Zwischenkreisspannung und einen Operationsverstärker aufweist, welcher den Oberwellenspannungswert aus der digitalisierten Zwischenkreisspannung ermittelt. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers für den Vergleich des Oberwellenspannungswertes mit dem Referenzspannungswert mit einer Datenverarbeitungseinheit, vorzugsweise einem Digitalsignalprozessor, beschaltet ist.

Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass durch die Erkennung eines Leistungsabfalls an der Kondensatorschaltung einem vollständigen Ausfall der Gleichrichterschaltung vorgebeugt werden kann und somit die nachfolgende Antriebsregelung sowie der Elektromotor vor Fehlspannungen geschützt werden, die aus dem Ausfall der Kondensatorschaltung oder der gesamten Gleichrichterschaltung resultieren.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung von Zwischenkreisspannungen in einem Gleichrichter.
In Fig. 1 ist eine Überwachungsvorrichtung 1 in einem Zwischenkreis 2 mit Gleichrichter 3 und Inverter 4 zum Gleichrichten eines mehrphasigen Eingangswechselspannungssignals dargestellt. Das Eingangswechselspannungssignal ist durch die drei Phasen L1, L2 und L3 am Eingang der Gleichrichterschaltung 3 repräsentiert. Dabei wird jede Phase über eine Diodenbrücke 5 geleitet. Am Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 ist die Kondensatorschaltung 6 angeschlossen. Die Kondensatorschaltung 6 weist elektrolytische Kondensatoren 7 auf. Die elektrolytischen Kondensatoren 7 glätten das gleichgerichtete Eingangswechselspannungssignal am Eingang der Inverterschaltung 4. Am Ausgang der Kondensatorschaltung 6, welche durch die Schaltungspunkte A, B repräsentiert sind, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Überwachungsvorrichtung 1 geschaltet.
Die Überwachungsvorrichtung 1 weist einen mit einem Spannungsteiler 8 beschalteten Operationsverstärker 9 auf, mit dem der Wechselspannungsanteil aus der Zwischenkreisspannung ermittelt wird. Am Ausgang der Schaltung ist ein Analog-Digital-Wandler 10 angeschlossen, mit dem die Oberwellenspannung digitalisiert wird. Die digitalisierte Oberwellenspannung wird bei einer vorgegebenen Frequenz gefiltert und in einem an den Analog-Digital-Wandler 10 angeschlossenen Digitalsignalprozessor 11 weiterverarbeitet. Der Digitalsignalprozessor 11 ermittelt den Oberwellenspannungswert und vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Referenzspannungswert. Als Ergebnis des Vergleichs der Spannungswerte wird ein kontinuierliches oder sporadisches Anzeigesignal ausgegeben, mit dem der Betrieb des Gleichrichters, bzw. der Antriebsregelung eines angeschlossenen Motors gesteuert werden kann.
Vorteil der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung ist, dass bei bekannten Gleichrichter- und Inverterschaltungen mit geringem Aufwand sowohl bereits bestehende Anlagen als auch neue Anlagen mit einer Überwachungsvorrichtung 1 für die Zwischenkreisspannung ausgestattet werden können, sodass eine Minderung der Kapazität der Kondensatorschaltung 6 frühzeitig erkennbar ist und selbsttätig oder durch das Bedienpersonal ein Eingreifen möglich ist, wenn die Leistung der Kondensatorschaltung 6 um ein vorbestimmtes Maß sinkt. Der Betrieb der Anlage kann dann in einem Warnmodus erfolgen. Durch Austausch der Kondensatorschaltung 6 kann der Betrieb wieder vollständig gewährleistet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass ein Eingreifen möglich ist, bevor durch Fehlspannungen weitere Bauelemente zerstört werden und der gesamte Antrieb ausfällt.
Zudem ist es möglich mit der Überwachungsvorrichtung 1 zusätzlich Fehlspannungen am Eingang der Schaltung zu erkennen, insbesondere Asymmetrien oder Ausfälle einer Phase der Eingangswechselspannung. Bezugszeichenliste 1 Überwachungsvorrichtung
2 Zwischenkreis
3 Gleichrichter
4 Inverter
5 Diodenbrücken
6 Kondensatorschaltung
7 Elektrolytische Kondensatoren
8 Spannungsteiler
9 Operationsverstärker
10 Analog-Digital-Wandler
11 Digitalsignalprozessor

Claims

1. Verfahren zur Überwachung von Zwischenkreisspannungen in Gleichrichtern mit einer Kondensatorschaltung und zum Gleichrichten eines mehrphasigen Eingangswechselspannungssignals, wobei die Kondensatorschaltung vorzugsweise elektrolytische Kondensatoren zur Glättung der Zwischenkreisspannung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. Digitalisieren der am Ausgang der Kondensatorschaltung anliegenden Zwischenkreisspannung,

- frequenzabhängige Filterung der Oberwellen aus der Zwischenkreisspannung,

- Ermittlung des Oberwellenspannungswertes aus dem gefilterten Zwischenkreisspannungssignal

- Vergleich des Oberwellenspannungswertes mit einem vorgegebenen Referenzspannungswert,

- Ausgabe eines Anzeigesignals, welches die Differenz von Oberwellenspannungswert und Referenzspannungswert repräsentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung vor der Digitalisierung in einem vorgegebenen Verhältnis mittels Spannungsteiler geteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierte Zwischenkreisspannung bei einer vorbestimmten Frequenz gefiltert wird, vorzugsweise bei einer Frequenz, welche abhängig ist von der Anzahl der Phasen und der Frequenz der Eingangswechselspannung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung bei einer Frequenz erfolgt, welche dem doppelten Produkt aus der Anzahl der Phasen und der Frequenz der Eingangswechselspannung entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberwellenspannung mit einer vorgegebenen Referenzspannung verglichen wird, vorzugsweise durch Vergleich der Spannungswerte in einem Digitalsignalprozessor.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswert der Referenzspannung größer ist, als der Spannungswert des Wechselspannungsanteil der Zwischenkreisspannung bei voller Kapazität der Kondensatoren.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 zur Detektierung eines Phasenausfalls für ein aus drei Phasen bestehendes Eingangswechselspannungssignal, vorzugsweise einer Netzspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierte Zwischenkreisspannung bei einer Frequenz gefiltert wird, welche einen Wert aufweist, der dem Doppelten der Frequenz des Eingangswechselspannungssignals entspricht.

8. Vorrichtung zum Betrieb eines Elektromotors mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere für den Betrieb eines Elektromotors in einer Druckmaschine, mit einem Gleichrichter zum Gleichrichten eines mehrphasigen Eingangswechselspannungssignals, wobei eine Kondensatorschaltung vorzugsweise elektrolytische Kondensatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Kondensatorschaltung mit einem Spannungsteiler, einer Filterschaltung zur Filterung der Oberwellenspannung aus der digitalisierten Zwischenkreisspannung und eine Vergleichsschaltung zur Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen Referenz- und Oberwellenspannungswerten beschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung einen Operationsverstärker, welcher die Oberwellenspannung aus der Zwischenkreisspannung filtert, und einen Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der Oberwellenspannung aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers für den Vergleich der Oberwellenspannung mit der Referenzspannung mit einer Datenverarbeitungseinheit, vorzugsweise einem Digitalsignalprozessor beschaltet ist.