EP4706165A1 - Stromrichteranordnung und verfahren zur zustandsermittlung von elementen eines stromrichters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung mit Leistungsmodulen (1, 2, 3) eines Stromrichters sowie einer Ansteuereinrichtung (4) für Leistungsmodule, einer Zwischenkreis-Kondensatoranordnung (5) im Zwischenkreis des Stromrichters sowie einer Überwachungsvorrichtung (6, 7, 8, 14) zur Zustandsermittlung von Elementen des Stromrichters, insbesondere zur Zustandsermittlung der Zwischenkreis- Kondensatoranordnung, wobei die Überwachungsvorrichtung eine von der Zwischenkreisspannung unabhängig steuerbare Überwachungswechselspannungsquelle (6) aufweist, die mittels eines Koppelkondensators (7) und Verbindungsleitungen (11, 12) mit den Anschlüssen (13, 14) des Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden ist und dem Zwischenkreis eine Überwachungswechselspannung aufprägt, wobei zur effizienten Überwachung folgende Elemente vorgesehen sind: eine Spannungserfassungseinrichtung (8a) zur Erfassung der sich einstellenden, zeitabhängigen Überwachungswechselspannung, eine Stromerfassungseinrichtung (8b) zur Erfassung eines zeitabhängigen, sich mit Einprägung der Überwachungswechselspannung einstellenden Überwa- chungsstroms, ein Spannungsschwellendetektor (8c) zur Erfassung von Zeitpunkten von Schwellendurchgängen, insbesondere von Spannungsnulldurchgängen, der Überwachungswechselspannung, ein Stromschwellendetektor (8d) zur Erfassung von Zeitpunkten von Schwellendurchgängen, insbesondere von Stromnulldurchgängen, des Überwachungsstroms, sowie eine Zeitmessvorrichtung (9) zur Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen der Überwachungsspannung und dem Überwachungsstrom aufgrund der erfassten Zeitpunkte der Schwellendurchgänge, insbesondere der Nulldurchgänge, von Überwachungsspannung und Überwachungsstrom und eine Verarbeitungseinrichtung (10), die der ermittelten Phasenverschiebung aufgrund eines Vergleichs mit Referenzwerten einen Alterungszustand zuordnet.

Description

Stromrichteranordnung und Verfahren zur Zustandsermittlung von Elementen eines Stromrichters Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und der Leistungselektronik und ist bei Stromrichtern in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise der Energieverteilung, Generator- und Motorsteuerung sowie der Windenergietechnik und der Solartechnik anwendbar. Die Komponenten im Leistungspfad von Stromrichtern unterliegen einer Alte- rung/Degradation während ihres Lebenszyklus. Dieser Degradationsprozess ist allgegenwärtig und von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren abhängig. Die während des Lebenszyklus fortschreitende Alterung führt dazu, dass sich die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Komponenten verändern. Aufgrund von unterschiedlichen Ausfallcharakteristika der verschiedenen Komponenten besteht die Gefahr, dass bei der plötzlichen Zerstörung einer Komponente oder bei Überschreitung bestimmter Alterungsschwellen weitere Komponenten des Stromrichters beschädigt werden können und/oder es zu Ausfallzeiten des Stromrichters bzw. des überlagerten Systems aufgrund von notwendigen Reparaturen oder einer unaufschiebbaren Wartung kommt.

Es sind bereits Lösungen bekannt, die es ermöglichen, Alterungseinflüsse in einem Stromrichtersystem zu erkennen. Vor allem im Bereich der thermomechanischen Ermüdungserscheinungen an Leistungsmodulen gibt es bereits Veröffentlichungen, die die Überwachung der Aufbau- und Verbindungstechnik beschreiben. Häufig nutzen solche Ansätze die Erfassung einer Belastungsakkumulation (Zyklenzähler) und verwenden temperatursensitive elektrische Parameter, um anhand von Rechenmodellen Alterungs- und Ermüdungszustände zu berechnen und/oder zu prognostizieren.

Auch das Verständnis für die Degradationsprozesse und Mechanismen bei elektronischen Leistungsmodulen eines Umrichters ist durch die intensiven Forschungsvorhaben in den letzten Jahren signifikant angestiegen. Eine weitere wichtige Komponente im Stromrichtersystem sind die Zwischenkreiskondensatoren, welche nachweislich ebenfalls relativ häufig ausfallen. Aufgrund ihrer Bedeutung im Stromrichtersystem sowie der gespeicherten Energiemenge sind Defekte am Zwischenkreis häufig mit einer Zerstörung von Komponenten verbunden.

Zudem existieren auf dem Gebiet der Erkennung feuchtigkeitsinduzierter Degradation im Stromrichter Untersuchungen, die sich auf eine Leckstrom-Überwachung oder Überwachung der Reduktion der Sperrfestigkeit der Leistungsmodule konzentrieren. Solche Verfahren können aber nur begrenzt auf andere Komponenten im Leistungspfad übertragen werden. Zudem ist eine Leckstrommessung während des Stromrichterbetriebs äußerst schwierig aufgrund der Tatsache, dass dem vergleichsweise sehr kleinen Leckstrom der Laststrom überlagert ist und durch die Leistungshalbleiter-Schalthandlungen laufend Störungen in das zu überwachende System eingekoppelt werden. Weiterhin existieren Ansätze im Bereich der Impedanzspektroskopie.

In der Publikation von W. Zhou, M. Wang und Q. Wu, „A Model-Based Monitoring Method for Offline Accelerated Testing of DC-Link Capacitor in Three- Phase Inverter Systems ", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 36 No.l, pp. 61-67, 2021 wird ein Ansatz vorgestellt, der auf der Injektion eines Wechselsignals in einen Zwischenkreis über einen Koppelkondensator beruht. Bei dem dort geschilderten Aufbau ist jedoch nur ein eingeschränkter Betrieb unter Feldbedingungen möglich. Insbesondere die Koppelkapazität wurde in der Publikation im Verhältnis zur Zwischenkreiskapazität sehr groß gewählt. Dies ist in der Praxis nur sehr schwer bis nicht zielführend umzusetzen, da eine solch große Kapazität mit der nötigen Spannungsfestigkeit sehr viel Bauvolumen beanspruchen würde und nicht sinnvoll integriert werden könnte. Zudem werden bei dem Aufbau die Spannung und der Strom im Zwischenkreis gemessen und weiteren Berechnungen zu Grunde gelegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung und ein Verfahren zu schaffen, die auf einfache, genaue und zuverlässige Weise die Überwachung von Alterungszuständen für Komponenten einer Stromrichteranordnung ermöglichen. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung durch eine Stromrichteranordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Zustandsermittlung von Elementen eines Stromrichters gelöst. Die Unteransprüche stellen mögliche Implementierungen der Stromrichteranordnung und des Verfahrens zur Zustandsermittlung vor.

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Stromrichteranordnung mit Leistungsmodulen eines Stromrichters sowie einer Ansteuereinrichtung für Leistungsmodule, einer Zwischenkreis-Kondensatoranordnung im Zwischenkreis des Stromrichters sowie einer Überwachungsvorrichtung zur Zustandsermittlung von Elementen des Stromrichters, insbesondere zur Zustandsermittlung der Zwischenkreis- Kondensatoranordnung, wobei die Überwachungsvorrichtung eine von der Zwischenkreisspannung unabhängig steuerbare Überwa- chungswechselspannungsquelle aufweist, die mittels eines Koppelkondensators und Verbindungsleitungen mit den Anschlüssen des Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden ist und dem Zwischenkreis eine Überwachungs- wechselspannung aufprägt.

Eine solche Stromrichteranordnung weist zur Lösung der Aufgabe zudem folgende Merkmale auf:

Eine Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung der sich einstellenden, zeitabhängigen Überwachungswechselspannung, eine Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung eines zeitabhängigen, sich mit Einprägung der Überwachungswechselspannung einstellenden Überwa- chungsstroms, einen Spannungsschwellendetektor zur Erfassung von Zeitpunkten von Schwellendurchgängen, insbesondere von Spannungsnulldurchgängen, der Überwachungswechselspannung, einen Stromschwellendetektor zur Erfassung von Zeitpunkten von Schwellendurchgängen, insbesondere von Stromnulldurchgängen, des Überwachungsstroms, sowie eine Zeitmessvorrichtung zur Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen der Überwachungsspannung und dem Überwachungsstrom aufgrund der erfassten Zeitpunkte der Schwellendurchgänge, insbesondere der Nulldurchgänge, von Überwachungsspannung und Überwachungsstrom und eine Verarbeitungseinrichtung, die der ermittelten Phasenverschiebung aufgrund eines Vergleichs mit Referenzwerten einen Alterungszustand zuordnet.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung soll in erster Linie eine Zwischenkreis- kondenatoranordnung überwacht werden, die einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren aufweisen kann. Zudem kann aber auch ein Alterungszustand der übrigen Teile des Stromrichters, also beispielsweise der Leistungsmodule, einen Einfluss auf die Messgrößen haben und somit überwacht werden. Unter den Leistungsmodulen kann in diesem Zusammenhang jeweils ein Paar von Leistungshalbleitereinheiten verstanden werden, die durch eine Ansteuereinrichtung gesteuert werden und jeweils den Strom in einem Zweig des Umrichters steuern.

Der Kern der Erfindung besteht in der Ermittlung der Degradation konkret aus der Phasenverschiebung des injizierten Stroms gegenüber der injizierten Spannung. Dabei wird die injizierte Spannung durch eine von den übrigen Elementen der Stromrichteranordnung unabhängige Überwachungswechsel- spannungsquelle erzeugt und über einen Koppelkondensator in den Zwischenkreis eingekoppelt. Der injizierte Strom stellt sich dann als Systemantwort ein und kann außerhalb des Zwischenkreises im Bereich der Überwachungswech- selspannungsquelle an einem Messwiderstand in Form der an diesem abfallenden Spannung gemessen werden. Der Koppelkondensator wird bezüglich seiner Kapazität kleiner gewählt als die Kondensatoranordnung des/der Zwischenkreiskondensatoren. Damit ergibt sich zwar durch die Spannungsteilung eine relativ hohe am Koppelkondensator abfallende Spannung, die grundsätzlich nicht wünschenswert ist, jedoch wird damit die Baugröße des Koppelkondensators derart begrenzt, dass eine bauliche Integration in den Steuerteil des Stromrichters möglich wird. Die Kapazität des Koppelkondensators kann beispielsweise unter 1 mF im Bereich von beispielsweise lOnF bis lOpF (je nach Spannungsfestigkeit) liegen. Die Überwachungswechselspannungsquelle, die Spannungserfassungseinrichtung und die Stromerfassungseinrichtung können außerhalb des Zwischenkreises angeordnet sein. Die beschriebene Anordnung erlaubt eine im Vergleich zur vollumfänglichen Impedanzspektroskopie stark vereinfachte messtechnische Erfassung der Phasenverschiebung des injizierten Stroms, der durch die Stromerfassungseinrichtung gemessen wird, relativ zur injizierten Spannung, die durch die Spannungserfassungseinrichtung gemessen wird, beispielsweise unter Verwendung von Schwellendetektoren und eines Time-to-Digital Converters (TDC). Eine Auswertung/Bewertung der Phasenverschiebung kann mit einem Mikrokontroller erfolgen. Die ausgewerteten Daten und Ereignisse können an die Steuerung des Stromrichters und/oder einer Zustandsüberwachung weitergeleitet werden.

Eine mögliche Implementierung der Stromrichteranordnung kann vorsehen, dass die Spannungserfassungseinrichtung und die Stromerfassungseinrichtung unmittelbar mit den Verbindungsleitungen zwischen der Überwachungswech- selspannungsquelle und den Potentialanschlüssen des Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden sind.

Eine weitere mögliche Implementierung der Stromrichteranordnung kann vorsehen, dass die Stromerfassungseinrichtung einen mit einer Verbindunglei- tung zwischen der Überwachungswechselspannungsquelle und den Anschlüssen der Zwischenkreis-Kondensatoranordnung elektrisch in Reihe geschalteten Messwiderstand aufweist, an dem ein Spannungsabfall gemessen wird.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Spannungserfassungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die sich einstellende zeitabhängige Überwachungsspan- nung unabhängig von der an der Zwischenkreis-Kondensatoranordnung anliegenden Spannung zu erfassen.

Damit können die injizierte Spannung und der sich als Systemantwort einstellende injizierte Strom unabhängig vom Laststrom im Stromrichter selbst und der Zwischenkreisspannung gemessen werden, so dass die Systemantwort anhand dieser Größen gut zu detektieren ist. Bei einer Messung im Stromrichter selbst würden die injizierten Größen nur einen kleinen Anteil der dort herrschenden Spannungen und der fließenden Ströme darstellen.

Eine mögliche Ausführungsform kann somit vorsehen, dass die Stromerfassungseinrichtung dazu eingerichtet ist, den zeitabhängigen, durch die Über- wachungswechselspannungsquelle erzeugten Überwachungsstrom unabhängig von den im Stromrichter fließenden Lastströmen zu erfassen.

Es kann zudem bei einer Stromrichteranordnung der beschriebenen Art vorgesehen sein, dass die Überwachungswechselspannungsquelle mit einer elektronischen Baugruppe des Stromrichters, insbesondere einer Ansteuereinrichtung für Leistungsmodule oder einer Messeinrichtung für eine Zwischenkreisspannung, baulich derart zusammengefasst ist, dass die Anschlüsse der Über- wachungswechselspannungsquelle mit den Potentialanschlüssen des Zwischenkreises verbunden oder verbindbar sind.

Zu diesem Zweck kann die Überwachungswechselspannungsquelle unmittelbar auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit einer Ansteuereinrichtung für Leistungsmodule oder einer Messeinrichtung für eine Zwischenkreisspannung angeordnet sein oder sie kann als Modul mit einer solchen Leiterplatte verbindbar, beispielsweise auf sie aufsteckbar sein. In jedem Fall kann die Über- wachungswechselspannungsquelle in einem gemeinsamen Gehäuse oder auf einem gemeinsamen Träger mit einer Ansteuereinrichtung angeordnet sein. Der bautechnische Aufwand kann damit gesenkt werden und die Energieversorgung der verschiedenen Aggregate kann zusammengefasst werden. Außerdem können die Potentiale des Zwischenkreises und der Überwachungsvor- richtung aneinander angepaßt werden.

Eine weitere mögliche Implementierung der Stromrichteranordnung kann vorsehen, dass die Spannungserfassungseinrichtung und/oder die Stromerfassungseinrichtung mit einer elektronischen Baugruppe des Stromrichters, insbesondere einer Ansteuereinrichtung für Leistungsmodule oder einer Messeinrichtung für eine Zwischenkreisspannung, baulich zusammengefasst, insbesondere auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder in einem elektronischen Modul zusammengefasst ist.

Auch die Spannungserfassungseinrichtung und/oder die Stromerfassungseinrichtung kann/können somit gemeinsam mit der Überwachungswechselspan- nungsquelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte und/oder einem Träger oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.

Es kann bei einer Stromrichteranordnung der beschriebenen Art zudem vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Relation zwischen erfassten Strom- und Spannungswerten des Überwachungsstroms und der Überwachungswechselspannung zu ermitteln, diesen mit gespeicherten Referenzwerten zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs bei der Zuordnung eines Alterungszustandes zu berücksichtigen.

Da außer der Phasenverschiebung zwischen der injizierten Wechselspannung und dem injizierten Strom auch das Amplitudenverhältnis zwischen diesen beiden Größen vom Alterungszustand der Elemente des Zwischenkreises, insbesondere der Zwischenkreiskondensatoranordnung, abhängt, kann auch dieses Amplitudenverhältnis als Indikator für die Bestimmung eines Alterungszustandes herangezogen oder berücksichtigt werden.

Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Stromrichteranordnung der oben beschriebenen Art auch auf ein Verfahren zur Zustandsermittlung von Elementen eines Stromrichters mit Leistungsmodulen und einem Zwischenkreis, insbesondere zur Zustandsermittlung einer Zwischenkreis- Kondensatoranordnung eines Stromrichters, bei dem der Zwischenkreis-Kondensatoranordnung mittels einer von den Lastströmen des Stromrichters unabhängig steuerbaren Überwachungswechselspannungsquelle über einen Koppelkondensator eine Überwachungswechselspannung aufprägt wird, bei dem durch eine Spannungserfassungseinrichtung die sich einstellende, zeitabhängige Überwachungsspannung erfasst wird, durch eine Stromerfassungseinrichtung der zeitabhängige, durch die Überwa- chungswechselspannungsquelle erzeugte Überwachungsstrom erfasst wird, durch einen Spannungsschwellendetektor Zeitpunkte von Schwellendurchgängen, insbesondere der Spannungsnulldurchgänge, der Überwachungswechselspannung erfasst werden, durch einen Stromnulldurchgangsdetektor Zeitpunkte von Schwellendurchgängen, insbesondere der Stromnulldurchgänge, des Überwachungsstroms erfasst werden, durch eine Zeitmessvorrichtung die Phasenverschiebung zwischen der Überwachungsspannung und dem Überwachungsstrom aufgrund der erfassten Zeitpunkte der Schwellendurchgänge von Überwachungsspannung und Überwachungsstrom ermittelt wird und durch eine Verarbeitungseinrichtung der ermittelten Phasenverschiebung aufgrund eines Vergleichs mit Referenzwerten ein Alterungszustand zugeordnet wird.

Eine mögliche Implementierung des genannten Verfahrens kann dabei vorsehen, dass das Verhältnis von Absolutwerten, insbesondere das Verhältnis der Scheitelwerte, von Überwachungsstrom und Überwachungsspannung ermittelt und bei der Zuordnung eines Alterungszustandes berücksichtigt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben.

Dabei zeigt

Figur 1: ein symbolisches Schaltbild einer Stromrichteranordnung,

Figur 2: den Verlauf der injizierten Wechselspannung relativ zu einem gemessenen Spannungsabfall, der den Verlauf der injizierten Stromstärke repräsentiert sowie

Figur 3 eine schematische Übersicht über die Funktionselemente einer Stromrichteranordnung. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung mit drei Leistungsmodulen 1, 2, 3, die jeweils Paare von Leistungs- Halbleiterelementen S1 und S2, S3 und S4 sowie S5 und S6 enthalten. Die Leistungsmodule können auch als Einzelschaltermodule ausgeführt sein. Die einzelnen Paare von Leistungs- Halbleiterelementen schalten jeweils eine Phase eines Laststroms zu und ab. Ein Zwischenkreis ist durch einen Zwischenkreiskondensator 5 und seine Verbindungen zu den Leistungsmodulen 1, 2, 3 definiert. Im rechten Teil der Figur 1 ist ein Ersatzschaltbild des Zwischenkreiskondensators mit einer Kapazität 5a, einem zu diesem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand 5b, einem zur Kapazität 5a elektrisch in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand 5c sowie einer zur Kapazität 5a elektrisch in Reihe geschalteten Induktivität 5d dargestellt.

Eine Ansteuerungseinrichtung 4 der Leistungsmodule, 1, 2, 3, weist Gate- Treiber 4a, 4b auf. Die Gate- Treiber sind jeweils in an sich bekannter Weise mit den Steueranschlüssen der Leistungshalbleiterelemente SI, S2, S3, S4, S5, S6 verbunden, nämlich über die Anschlüsse Auxiliary emitter high-side (AEHS), Auxiliary emitter low-side (AELS), Auxiliary collector high-side (ACHS), Gate high-side (G HS) und Gate low-side (G LS). Exemplarisch ist in der Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Gate- Treiber für einen der Halbbrückenzweige dargestellt.

Der Zwischenkreisspannung wird durch eine elektronische Schaltung, welche auf der Ebene der Gate-Treiber 4a, 4b, also der Ansteuerungseinrichtung 4 der Leistungsmodule, 1, 2, 3, integriert ist, ein Wechselsignal in Form einer Überwachungswechselspannung Ui überlagert, deren Amplitude deutlich kleiner ist als die Zwischenkreisspannung, beispielsweise weniger als 5%, insbesondere weniger als 2% oder weniger als 1%, weiter insbesondere weniger als 0,1% oder sogar weniger als 0,01% der Zwischenkreisspannung beträgt und das durch eine Überwachungswechselspannungsquelle 6 erzeugt wird. Die Einkopplung erfolgt dabei galvanisch getrennt, kapazitiv und ist mittels eines Koppelkondensators 7 realisiert. Die Überwachungswechselspannungs- quelle 6 ist auf einer Seite mittels der Verbindungsleitung 12 an einen Potenzi- alanschluss 14 (Erdpotenzial, oder das negative Zwischenkreispotential DC, Auxiliary emitter low-side (AELS) und des Zwischenkreises angeschlossen, während auf der anderen Seite der der Überwachungswechselspannungsquelle 6 abgewandte Anschluss des Koppelkondensators 7 mittels der Verbindungsleitung 11 mit dem Hochspannungs-Potenzialanschluss 13 (Auxiliary collector high-side (ACHS)), des Zwischenkreises verbunden ist. Der Potenzialanschluss 14 kann vorteilhaft auf demselben Potenzial liegen wir der Anschluss GNDLS, damit der Stromkreis der Wechselspannungsquelle geschlossen ist und, das eingeprägte Wechselsignal zur Quelle zurückfließen kann.

Die injizierte Spannung Ui wird durch eine Spannungserfassungseinrichtung 8a erfasst. Der injizierte Strom wird mittels eines Spannungsabfalls U2 an dem Messwiderstand 15 durch eine Stromerfassungseinrichtung 8b erfasst. Zur genaueren Erfassung der Verläufe der Spannungen Ui und U2 erfolgt jeweils eine Nulldurchgangserkennung (zero-crossing detection) durch den Spannungsschwellendetektor 8c und den Stromschwellendetektor 8d, um aus den analogen Signalverläufen Logik-Pegel zu erzeugen. Eine Zeitmessvorrichtung 9, beispielsweise in Form eines Time-to-digital Converters, ermittelt die Phasenverschiebung zwischen der Überwachungsspannung und dem Überwa- chungsstrom aufgrund der erfassten zeitlich versetzt auftretenden Signalflanken, konkret der Zeitpunkte der Nulldurchgänge von Überwachungsspannung und Überwachungsstrom. Eine Verarbeitungseinrichtung 10, beispielsweise in Form eines Microcontrollers ordnet der ermittelten Phasenverschiebung aufgrund eines Vergleichs mit gespeicherten Referenzwerten einen Alterungszustand zu.

Die zeitlichen Verläufe des Überwachungsstroms (des injizierten Stroms) relativ zu der Überwachungsspannung (der injizierten Wechselspannung) sind in Figur 2 für verschiedene Alterungszustände einer Zwischenkreiskondensatoranordnung oder eines Stromrichters skizziert und sollen das Verhalten bei einer fortschreitenden Alterung tendenziell zeigen. Die Werte des zeitlichen Versatzes der Signale U2, die den sich einstellenden injizierten Strom repräsentieren, gegenüber dem Signalverlauf der Überwachungswechselspannung, der durch die gemessene Spannung Ui repräsentiert wird, werden für verschiedene Alterungszustände experimentell oder durch Simulationsrechnungen ermittelt. Der Pfeil 16 zeigt die Richtung an, in der sich die Kurven, die U2 und damit den Stromverlauf des injizierten Stroms repräsentieren, mit zunehmender Alterung verschieben. Zudem ist aus der Figur 2 ersichtlich, dass mit zunehmender Alterung auch die Amplitude von U2 relativ zur Amplitude von Ui steigt. Somit ist auch das Amplitudenverhältnis zwischen U2 und Ui (der Quotient von U 2 und Ui) ein Indikator für die Alterung, der zur Analyse mit herangezogen werden kann.

Die Phasenverschiebung als Schädigungs- oder Alterungsindikator bietet den Vorteil, dass sie als eine einzelne Größe leicht auszuwerten ist und keine aufwändige Weiterverarbeitung der Daten notwendig ist. Grundsätzlich bietet das Verfahren die Möglichkeit einer Degradationsüberwachung während des Stromrichterbetriebs. Die Erfindung kann sowohl beim Bau einer Stromrichteranordnung in Gate-Units mitintegriert werden, als auch als Nachrüstlösung in ein bestehendes System eingefügt werden.

Die Figur 3 zeigt eine Übersichtsdarstellung des Messkonzepts im Zusammenhang mit den Funktionseinheiten 17, 18, 19 des Stromrichters.

Dabei umfasst die Funktionseinheit 17 die Steuerung des Stromrichters mit der Regelung, der Messgrößenerfassung und den Kommunikationsschnittstellen, die Funktionseinheit 18 die Gate- Unit mit den Gate- Treibern 4a, 4b für die Leistungshalbleitermodule S1-S6 sowie Schutzeinrichtungen auf der Leistungshalbleiterebene. Die Funktionseinheit 19 umfasst den eigentlichen Leistungsteil des Stromrichters mit den Leistungshalbleitermodulen S1-S6, den Lastanschlüssen, den Phasenanschlüssen (busbars) und den Elementen des Zwischenkreises, insbesondere dem/den Zwischenkreiskondensator/en 5. Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung mit der Überwachungs- wechselspannungsquelle, den Strom- und Spannungserfassungseinrichtungen 8a, 8b, den Schwellendetektoren 8c, 8d der und Zeitmessvorrichtung 9 sowie der Verarbeitungseinrichtung 10 ist in Figur 3 mit 20 bezeichnet und in die Funktionseinheit 18 integriert dargestellt- entweder bei der Herstellung in diese integriert oder im Rahmen eines Retrofits nachgerüstet.

Wird die Überwachungseinrichtung systematisch in die Stromrichteranordnung integriert und ist dort eine Platine mit einer elektronischen Schaltung für die Messung der Zwischenkreisspannung vorgesehen, so besteht die Möglichkeit die Überwachungseinrichtung mit auf dieser Platine anzuordnen.

Claims

Patentansprüche

1. Stromrichteranordnung mit Leistungsmodulen (1, 2, 3) eines Stromrichters sowie einer Ansteuereinrichtung (4) für Leistungsmodule, einer Zwischenkreis-Kondensatoranordnung (5) im Zwischenkreis des Stromrichters sowie einer Überwachungsvorrichtung (6, 7, 8, 14) zur Zustandsermittlung von Elementen des Stromrichters, insbesondere zur Zustandsermittlung der Zwischenkreis- Kondensatoranordnung, wobei die Überwachungsvorrichtung eine von der Zwischenkreisspannung unabhängig steuerbare Überwachungs- wechselspannungsquelle (6) aufweist, die mittels eines Koppelkondensators (7) und Verbindungsleitungen (11, 12) mit den Anschlüssen (13, 14) des Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden ist und dem Zwischenkreis eine Überwachungswechselspannung aufprägt, gekennzeichnet durch eine Spannungserfassungseinrichtung (8a) zur Erfassung der sich einstellenden, zeitabhängigen Überwachungswechselspannung (U i, U inj), eine Stromerfassungseinrichtung (8b) zur Erfassung eines zeitabhängigen, sich mit Einprägung der Überwachungswechselspannung einstellenden Überwa- chungsstroms (I inj), einen Spannungsschwellendetektor (8c) zur Erfassung von Zeitpunkten von Schwellendurchgängen, insbesondere von Spannungsnulldurchgängen, der Überwachungswechselspannung, einen Stromschwellendetektor (8d) zur Erfassung von Zeitpunkten von Schwellendurchgängen, insbesondere von Stromnulldurchgängen, des Über- wachungsstroms, sowie eine Zeitmessvorrichtung (9) zur Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen der Überwachungsspannung und dem Überwachungsstrom aufgrund der erfassten Zeitpunkte der Schwellendurchgänge, insbesondere der Nulldurchgänge, von Überwachungsspannung und Überwachungsstrom und eine Verarbeitungseinrichtung (10), die der ermittelten Phasenverschiebung aufgrund eines Vergleichs mit Referenzwerten einen Alterungszustand zuordnet.

2. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinrichtung (8a) und die Stromerfassungseinrichtung (8b) unmittelbar mit den Verbindungsleitungen (11, 12) zwischen der Überwa- chungswechselspannungsquelle (6) und den Potentialanschlüssen (13, 14) des Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden sind.

3. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinrichtung (8b) einen mit einer Verbindungsleitung (11) zwischen der Überwachungswechselspannungsquelle (6) und den Anschlüssen (13) der Zwischenkreis-Kondensatoranordnung (5) elektrisch in Reihe geschalteten Messwiderstand (15) aufweist, an dem ein Spannungsabfall gemessen wird.

4. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinrichtung (8a) dazu eingerichtet ist, die sich einstellende zeitabhängige Überwachungsspannung (U inj ) unabhängig von der an der Zwischenkreis-Kondensatoranordnung (5) anliegenden Spannung zu erfassen.

5. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinrichtung (8b) dazu eingerichtet ist, den zeitabhängigen, durch die Überwachungswechselspannungsquelle (6) erzeugten Überwachungsstrom (linj) unabhängig von den im Stromrichter fließenden Lastströmen zu erfassen.

6. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungswechselspannungsquelle (6) mit einer elektronischen Baugruppe des Stromrichters, insbesondere einer Ansteuereinrichtung (4) für Leistungsmodule (1, 2, 3) oder einer Messeinrichtung für eine Zwischenkreisspannung, baulich derart zusammengefasst ist, dass die Anschlüsse der Überwachungswechselspannungsquelle mit den Potentialanschlüssen (13, 14) des Zwischenkreises verbunden oder verbindbar sind.

7. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinrichtung (8a) und/oder die Stromerfassungseinrichtung (8b) mit einer elektronischen Baugruppe des Stromrichters, insbesondere einer Ansteuereinrichtung (4) für Leistungsmodule (1, 2, 3) oder einer Messeinrichtung für eine Zwischenkreisspannung, baulich zusammengefasst, insbesondere auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder in einem elektronischen Modul zusammengefasst ist.

8. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, eine Relation zwischen erfassten Strom- und Spannungswerten des Überwa- chungsstroms und der Überwachungswechselspannung zu ermitteln, diese mit gespeicherten Referenzwerten zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs bei der Zuordnung eines Alterungszustandes zu berücksichtigen.

9. Verfahren zur Zustandsermittlung von Elementen eines Stromrichters mit Leistungsmodulen (1, 2, 3), insbesondere zur Zustandsermittlung einer Zwischenkreis- Kondensatoranordnung (5) eines Stromrichters, bei dem der Zwischenkreis-Kondensatoranordnung (5) mittels einer von den Lastströmen des Stromrichters unabhängig steuerbaren Überwachungswechselspannungs- quelle (6) über einen Koppelkondensator (7) eine Überwachungswechselspannung (Ui, U inj) aufprägt wird, bei dem durch eine Spannungserfassungseinrichtung (8a) die sich einstellende, zeitabhängige Überwachungsspannung erfasst wird, durch eine Stromerfassungseinrichtung (8b) der zeitabhängige, durch die Überwachungswechselspannungsquelle erzeugte Überwachungsstrom (I inj) erfasst wird, durch einen Spannungsschwellendetektor (8c) Zeitpunkte von Schwellendurchgängen, insbesondere der Spannungsnulldurchgänge, der Überwachungswechselspannung erfasst werden, durch einen Stromnulldurchgangsdetektor (8d) Zeitpunkte von Schwellendurchgängen, insbesondere der Stromnulldurchgänge, des Überwachungsstroms erfasst werden, durch eine Zeitmessvorrichtung (9) die Phasenverschiebung zwischen der Überwachungsspannung und dem Überwachungsstrom aufgrund der erfassten Zeitpunkte der Schwellendurchgänge von Überwachungsspannung und Überwachungsstrom ermittelt wird und durch eine Verarbeitungseinrichtung (10) der ermittelten Phasenverschiebung aufgrund eines Vergleichs mit Referenzwerten ein Alterungszustand zugeordnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Absolutwerten, insbesondere das Verhältnis der Scheitelwerte, von Über- wachungsstrom und Überwachungsspannung ermittelt und bei der Zuordnung eines Alterungszustandes berücksichtigt wird.