FI120758B - Komponentin eliniän määritys - Google Patents

Description

KOMPONENTIN ELINIÄN MÄÄRITYS Tekniikan ala 5 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestely teho- elektroniikkalaitteen, esimerkiksi taajuusmuuttajan, komponentin, ja erityisesti sen kuluvimman osan, jäähdytyspuhaltimen, jäljelläolevan eliniän laskemiseksi ja sen vaihtamisen vaatiman huoltoseisakin ajankohdan ennustamiseksi.

10 Tunnettu tekniikka

Tehoelektroniikkalaitteiden kilpailukykyinen tekninen ja kaupallinen kehitys on johtanut ja johtaa tulevaisuudessakin yhä korkeampiin tehotiheyksiin. Tehotiheyden kasvattaminen perustuu erityisesti tehokomponenttien hyötysuh-15 teen paranemiseen sekä jäähdytyksen tehokkuuden paranemiseen.

Suurin osa tehoelektroniikkalaitteen, esimerkiksi taajuusmuuttajan, häviötehosta syntyy pääpiirin tehopuolijohdetekniikkaan perustuvissa kytkin-komponenteissa, kuten IGBT-transistoreissa ja piidiodeissa. Suuritehoisissa laitteissa voi myös kondensaattoreissa, kuristimissa ja kiskostoissa syntyvä hä-20 viöteho olla merkittävä. Eniten jäähdytystä tarvitsevat komponentit kiinnitetään normaalisti esimerkiksi kuvion 1a mukaisesti jäähdyttimeen, johon niiden tuottama häviöteho pääosin siirtyy johtumalla ja josta se on edelleen edullisesti siir-!***: rettävissä käytössä olevaan jäähdytysväliaineeseen.

Tavallisin tapa jäähdyttää tehoelektroniikkalaitetta on siirtää siinä ·** . .·. 25 syntynyt häviöteho laitetta ympäröivään ilmaan. Ilmajäähdytyksessä käytetään :*!·. yleisesti kuvion 1a esimerkin mukaista ripajäähdytintä, johon laitteen eniten hä- 5” * viötehoa tuottavat komponentit on kiinnitetty ja jonka ripojen kautta häviöteho « «· siirtyy säteilemällä ripojen välissä liikkuvaan ilmaan. Tällaisen jäähdyttimen *··*’ jäähdytysteho on sitä parempi mitä nopeammin ja pyörteisemmin ilma liikkuu 30 ripojen välissä. Tehokas ilmajäähdytys vaatiikin yleensä puhaltimen, jonka : ’** avulla ilma pakotetaan kulkemaan jäähdytyksen kannalta tarkoituksen-

• M

mukaisella nopeudella haluttua reittiä pitkin.

Tehopuolijohdekomponenteilla toteutettu tehoelektroniikkalaite on .*·*·. staattinen laite, jonka ainoa mekaanisesti jatkuvasti liikkuva ja siten kuluvin osa 35 on juuri jäähdytyspuhallin. Mekaanisen kulumisen vuoksi puhallin onkin yleen-sä laitteen eliniän kannalta kriittisin osa, joka suositellaan vaihdettavaksi valmis- • · · : *.*· tajan ilmoittamien, käyttöolosuhteista riippuvien ajanjaksojen välein. Puhalti- 2 men elinikään vaikuttavia käyttöolosuhteita ovat lähinnä sitä ympäröivä lämpötila ja pyörimisnopeus.

Laitteen käyttöolosuhteet ovat yleensä vaihtelevia eikä niitä välttämättä rekisteröidä jatkuvasti, jolloin esimerkiksi puhaltimen eliniän ja siitä johtu-5 van huoltoseisakin määrittäminen on epätarkkaa. Normaalia onkin laskea puhaltimen elinikä esimerkiksi arvioiduissa keskimääräisissä tai pahimmissa olosuhteissa ja määrittää huoltoväli etukäteen sillä perusteella. Menetelmä johtaa yleensä siihen, että täysin käyttökuntoinen puhallin vaihdetaan sopivan seisakin yhteydessä "varmuuden vuoksi".

10 Mikäli laitteen suojausfunktiot ovat edistykselliset, on itse jäähdytet tävän laitteen kannalta myös mahdollista odottaa kunnes puhallin rikkoutuu ja vaihtaa se vasta silloin. Tällöin huoltoseisakin ajankohta on kuitenkin arvaamaton ja se voi siten sattua käyttöprosessin kannalta hankalaan aikaan.

15 Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön mukaisella ratkaisulla voidaan välttää tunnetun tekniikan mukaiset ongelmat. Ratkaisu perustuu siihen, että tehoelektroniikka-laitteen ohjausyksikkö laskee jatkuvasti reaaliajassa tai kokonaiskäyttöikään 20 suhteutetuin aikavälein komponentin, kuten puhaltimen, jäljelläolevaa käyttöikää valmistajan antamien ja laitteeseen ohjelmoitujen komponenttikohtaisten tietojen perusteella. Ratkaisussa rekisteröidään myös komponentin käyttöolosuhtei-:***: ta, joiden perusteella voidaan muodostaa erilaisia malleja jäljelläolevan elinikä- laskennan pohjaksi. Eräs edullinen tapa on laskea jatkuvasti keskiarvoa käyt- . .*. 25 töolosuhteista ja olettaa niiden pysyvän samanlaisina tulevaisuudessakin.

·» • · • · · • · · j*j ’ Jäljelläolevan eliniän laskenta pohjautuu puhaltimen tapauksessa: \#>> 1) Puhaltimen imuilman reaaliaikaiseen ja käyttöhistoriasta kerty- ***** neeseen lämpötilatietoon, jonka voi arvioida suoralla mittauksella tai edullisesti 30 mitatun jäähdyttimen lämpötilan ja tiedossa olevan kuormituksen perusteella : *** 2) Pyörimisnopeusohjatun puhaltimen reaaliaikaiseen ja käyttö- • · · historiasta kertyneeseen pyörimisnopeustietoon, joka voi olla mitattu tai ohjear-votieto • · · 3) Kertyneisiin käyttötunteihin » · '•*t 35 4) Puhallinvalmistajan ilmoittamiin puhallinkohtaisiin lämpötilasta ja *:**: pyörimisnopeudesta riippuviin elinikätietoihin.

·· · • » * • ♦ • · 3

Alan ammattimiehelle on selvää, vaikka keksinnön selitysosassa keskitytään vain puhaltimeen, että keksinnön mukaista menetelmää voi soveltaa myös eräisiin muihin tehoelektroniikkalaitteen luotettavuuden kannalta kriittisiin komponentteihin, kuten esimerkiksi tehokondensaattoreihin, kontaktoreihin 5 ja releisiin. Tehokondensaattorin tapauksessa jäljelläolevan eliniän laskenta voi pohjautua kondensaattoria rasittavan virran, jännitteen ja lämpötilan suoriin tai epäsuoriin mittauksiin, kertyneisiin käyttötunteihin ja kondensaattorin valmistajan ilmoittamiin eliniän laskentatietoihin. Kontaktorin ja releen tapauksissa eliniän laskennan vaatimia tietoja voivat olla esimerkiksi kytkentöjen lukumäärä, 10 virta ja lämpötila.

Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle menetelmälle ja järjestelylle tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön avulla tehoelektroniikkalaitteen, edullisesti taajuus-15 muuttajan, puhaltimen tai muun kuluvan komponentin vaihtamisen vaatimat huoltoseisokit voi ajoittaa tarkasti ja todellisen tarpeen mukaisesti.

Piirustusten lyhyt kuvaus 20 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerk kien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1a esittää häviötehoa tuottavaa komponenttia ja jäähdytintä, :***: Kuvio 1b esittää häviötehon siirtymistä jäähdytysilmaan, ;***. Kuvio 2 esittää jäähdyttimen lämpövastuksen riippuvuutta sen läpi ··· . .·. 25 kulkevan ilman nopeudesta, ·**.·, Kuvio 3 esittää puhaltimen eliniän riippuvuutta ympäristön lämpöti- * ♦ «

Jt* ' lasta ja pyörimisnopeudesta, ja **..!’ Kuvio 4 esittää puhaltimen elinikälaskennan etenemistä.

* t • · *·· 30 Keksinnön sovellutusmuotojen yksityiskohtainen kuvaus • · • ·· ««·

Kuvioissa 1a ja 1b on esimerkki yleisesti käytetystä ilmajäähdyttei- .·!·; sen tehokomponentin 11 jä ä hdy t i nj ä rj este ly stä. Järjestelyyn kuuluu pursotus- .··*. tekniikalla valmistettu ripajäähdytin 12, johon kuuluu useita ilman virtauksen • · "* 35 suuntaisia pitkittäisiä ripoja 13 joihin tehokomponentin häviöteho Pw pääosin siirtyy johtumalla. Kuvion 1b mukaisesti järjestelyyn kuuluu myös puhallin 14, ·· » : V joka aikaansaa pakotetun ilmanvirtauksen AF jäähdyttimen 12 ripojen 13 väleis tä, jolloin häviöteho Pw siirtyy tehokkaasti rivoista ilmaan.

4

Kuvio 2 esittää tällaisen ripajäähdyttimen lämpövastuksen Rth luonteenomaista käyttäytymistä sen läpi kulkevan ilman virtausnopeuden vaf funktiona. Kuvion mukaisesti lämpövastus, joka määritelmänsä mukaisesti kuvaa 5 jäähdyttimen lämpötilan nousun ja siihen syötetyn häviötehon suhdetta, on sitä pienempi mitä suurempi on ilman virtausnopeus. Ilman virtausnopeutta voi muuttaa säätämällä puhaltimen 14 pyörimisnopeutta.

Erityisesti moduulityyppisillä tehopuolijohteilla on tunnetusti edullis-10 ta pyrkiä säilyttämään puolijohdekomponentin lämpötila mahdollisimman vakaana, koska lämpötilanmuutokset rasittavat moduulin sisäisiä liitoksia ja sitä kautta vaikuttavat lyhentävästi moduulin elinikään. Mm. tästä syystä voi olla edullista järjestää puhaltimen pyörimisnopeus säädettäväksi, jolloin esim. ympäristön lämpötilan ollessa alhainen voi pyörimisnopeutta alentaa ja sitä kautta 15 nostaa jäähdyttimen lämpövastusta.

Puhaltimen eliniän kannalta heikoin osa on yleensä laakerointi; mitä suurempi on pyörimisnopeus sitä nopeammin laakerointi kuluu mekaanisesti. Luonteenomainen eliniän Lop riippuvuus pyörimisnopeudesta n on kuvion 3 20 mukainen. Eliniän Lop riippuvuus puhaltimen läpi kulkevan ilman lämpötilasta Tamb on myös luonteeltaan samanlainen; mitä korkeampi on lämpötila sitä lyhempi on elinikä. Elinikäriippuvuuksien yksityiskohdat ovat puhallinkohtaisia ja ne on yleensä selvitetty puhallinvalmistajien suorittamissa elinikätesteissä.

• · • · • · ··· : 25 Puhallin on yleensä nykyaikaisen tehoelektroniikkalaitteen ainoa *»« : .·. mekaanisesti jatkuvasti liikkuva ja siten kuluvin osa, minkä vuoksi se onkin :·. normaalisti koko laitteen eliniän kannalta kriittisin komponentti. Tämän keksin- • ·· non mukaisesti laitteen ohjausyksikön laskentakapasiteettia hyödynnetään pu- "* haltimen jäljelläolevan eliniän laskemiseksi. Tämä tapahtuu laitteen ohjausyk- „ 30 sikköön talletettujen, kuvion 3 esimerkin luonteisten puhallinkohtaisten elinikä- • · " käyrien, ohjausyksikön rekisteröimien käyttötuntien sekä puhaltimen elinikään vaikuttavien mittaustietojen pohjalta. Mittaustiedoista puhaltimen ympäristö-lämpötila Tamb voi olla joko suoraan mitattu tai se voidaan päätellä mitatun · jäähdyttimen 12 lämpötilan ja tehopuolijohteen 11 kuormituksen perusteella, ·, 35 jotka molemmat ovat normaalisti laitteen ohjausyksikön tiedossa. Puhaltimen .* pyörimisnopeustietona voi käyttää mitattua tai edullisemmin ohjearvotietoa sil- • ♦ « : ·* loin kun pyörimisnopeus on laitteen ohjausyksikön ohjattavissa.

5

Koska elinikälaskelmissa on yleensä kyse useiden vuosien aikajaksoista, ei laskelmia kannata välttämättä tehdä kovin usein. Elinikään vaikuttavista mittaustiedoista tarkoituksenmukaisin aikavälein otettujen näytteiden perusteella voidaan esimerkiksi muodostaa keskiarvo jota käytetään jäljelläolevan 5 eliniän laskennassa. Tarkoituksenmukainen aikaväli on riippuvainen mm. siitä, kuinka usein elinikään vaikuttavat olosuhteet vaihtuvat.

Elinikälaskentaan voi soveltaa useitakin tunnettuja menetelmiä, joista tässä on esitetty esimerkkinä kuvion 4 vuokaavio. Menetelmässä lasken-10 ta suoritetaan vain tietyin aikavälein At, jona aikana kerättyjen mittaus-tietojen keskiarvoja laskennassa käytetään. Laskenta etenee esimerkin mukaisesti seuraavasti: 1. Alussa puhaltimen suhteellinen jäljelläoleva elinikä L% on täydet 100%.

2. Lämpötilan ja pyörimisnopeuden keskiarvot Tave ja ηΑνε lasketaan aika- 15 välillä At. Aikaväliin luetaan vain ne käyttötunnit, jolloin puhallin pyörii.

3. Puhaltimen valmistajan ilmoittamien tietojen pohjalta lasketaan puhaltimen täysi elinikä L100 aikavälin At mukaisissa keskimääräissä olosuhteissa.

4. Puhaltimen jäljelläoleva elinikä Lr aikavälin At lopussa lasketaan kerto- 20 maila suhteellinen jäljelläoleva elinikä L% teoreettisella täydellä eliniällä L100 ja vähentämällä tuloksesta kyseisen aikavälin At kesto.

5. Puhaltimen uusi suhteellinen jäljelläoleva elinikä L% lasketaan jakamalla jäljelläoleva elinikä Lr teoreettisella täydellä eliniällä L100.

:***: 6. Palataan kohtaan 2 ja käytetään seuraavan aikavälin At lopussa suoritet- ··· . .·. 25 tavissa laskutoimituksissa uutta L%:n arvoa.

• · · ru • t · • m • · · • · ♦ ·♦ • t « ♦♦ *·· • · '·*·* Seuraavassa taulukossa on numeerinen esimerkki laskennan etene- 30 misestä edelläkuvatulla menetelmällä, kun laskenta-aikaväli At on 1000 h ja pu- : *** haltimen kuvitteelliset elinikäarvot ovat sarakkeen L100 mukaiset: ··· • · • · ·»· ___ _ :Y; t Tave. ηΑνε L100 Lr L% M_ PC, rpm] [h]_Jh]__[%]_ 0 _ 100 • .................. .. . * — — " - 1000 50,1400 20000 19000 95,0 • · - ^^1 “ —— : V 12000 140,1500 [25000 22750 91,0 ___6__ 3000 130,1450 30000 126300 187,7 4000 [40,1400 [26000 21793 183,8

Kuvatun menetelmän mukainen laskenta ilmoittaa jäljelläolevan eliniän Lr juuri päättyneen mittausaikavälin mukaisissa olosuhteissa, joten se voi vaihdella suuresti ja näennäisesti välillä jopa kasvaakin käyttöolosuhteiden muuttu-5 essa.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Puhaltimen lisäksi voi-10 daan jäljelläoleva elinikä ja seuraava huoltoseisokki määrittää myös muille te-hoelektroniikkalaitteen kuluville komponenteille, joiden valmistajat ilmoittavat niiden eliniän komponentin käytön ja käyttöolosuhteiden mukaisesti kuten esimerkiksi tehokondensaattoreille, kontaktoreiile ja releille. Eliniän määrittämisellä tarkoitetaan tässä yhteydessä sitä, että komponentti tai sen osa on vaihdettava 15 uuteen tai siihen on tehtävä jotain huoltotoimenpiteitä.

··» • · • · ··· ·« • · • · * • · 1 • « 1 • I# · * 1 1 » « · • · · • · • · • ·· • · · • · • · • · ·« • 1 ♦ ♦1 • # ♦ • · • · ·♦1 • · φ · · f t · • · • 9« • 1 • · tl· • 1 · ♦ · ♦ • · • ·

Claims (14)

1. Menetelmä tehoelektroniikkalaitteen, kuten taajuusmuuttajan, komponentin (11, 14) jäljellä olevan eliniän (Lop) määrittämiseksi, jossa käyte-5 tään komponentin valmistajan ilmoittamia ympäristöolosuhteista ja käytöstä riippuvia elinikätietoja, jossa menetelmässä: määritetään ainakin yhtä ympäristöolosuhteisiin liittyvää suuretta, kuten lämpötilaa (Tamb), 10 määritetään ainakin yhtä komponentin kuormitussuuretta, kuten pyörimisnopeutta (n), ja jäljellä olevan eliniän laskenta suoritetaan komponentin ainakin yhden ympäristöolosuhteisiin liittyvän suureen, kuten lämpötilan, ja ainakin yhden kuormitussuureen, kuten pyörimisnopeuden, sekä komponentin valmistajan il-15 moittamien näistä ympäristöolosuhteista ja kuormituksesta riippuvien elinikätie-tojen perusteella, tunnettu siitä, että menetelmässä: rekisteröidään komponentin käyttöolosuhteita, ja niiden perusteella muodostetaan malli jäljellä olevan elinikälasken-20 nan pohjaksi, esimerkiksi malli, jossa lasketaan jatkuvasti keskiarvoa käyttöolosuhteista ja oletetaan niiden pysyvän samanlaisina tulevaisuudessakin, jossa mallissa elinikää lasketaan tietyin aikavälein (At), joiden aika-na kerättyjen mittaustietojen arvoja, edullisesti keskiarvoja, laskennassa käyte- :***; tään. • · · . ·*. 25 • · · ··· : .·.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, • · · ' tunnettu siitä, että komponentti on jäähdytyspuhallin (14) tai • ·· 4*..% vastaava pyörivä sähkölaite, ja eliniän laskenta suoritetaan puhaltimen ympäris- tölämpötilan ja pyörimisnopeuden sekä puhaltimen valmistajan ilmoittamien ... 30 ympäristölämpötilasta ja pyörimisnopeudesta riippuvien elinikätietojen perus- : teolla. li* * · • · · ·

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, .*·*. tunnettu siitä, että ympäristölämpötila mitataan. • i* 35

\ 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, * · tunnettu siitä, että ympäristölämpötila määritetään jäähdytti-men mitatun lämpötilan ja jäähdyttimen yhteyteen sovitettujen tehokomponent-tien mitatun kuormituksen perusteella.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhaltimen (14) tai vastaavan pyörivän sähkölaitteen pyörimisnopeus mitataan.

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetel- 10 mä, tunnettu siitä, että elinikälaskennassa käytetään puhaltimen (14) tai vastaavan pyörivän sähkölaitteen pyörimisnopeuden ohjearvoa.

7. Järjestely ohjausyksiköllä varustetun tehoelektroniikkalaitteen, 15 kuten taajuusmuuttajan, komponentin (11, 14) jäljellä olevan eliniän (Lop) määrittämiseksi, jossa käytetään komponentin valmistajan ilmoittamia ympäristöolosuhteista ja käytöstä riippuvia elinikätietoja, joka ohjausyksikkö määrittää ainakin yhtä ympäristöolosuhteisiin liittyvää suuretta, ku-20 ten lämpötilaa (TAmb). määrittää ainakin yhtä komponentin kuormitussuuretta, kuten pyörimisnopeutta (n), ja laskee jäljelläolevaa elinikää komponentin ainakin yhden ympäris-töolosuhteisiin liittyvän suureen, kuten lämpötilan, ja ainakin yhden kuormitus- ··· . 25 suureen, kuten pyörimisnopeuden, sekä komponentin valmistajan ilmoittamien : .·. näistä ympäristöolosuhteista ja kuormituksesta riippuvien elinikätietojen perus- »·] ' teella, • ·· tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu: ***·’ rekisteröimään komponentin käyttöolosuhteita, ja 30 niiden perusteella muodostamaan mallin jäljellä olevan elinikälas- • · · *·'" kennan pohjaksi, esimerkiksi mallin, jossa lasketaan jatkuvasti keskiarvoa käyt- töolosuhteista ja oletetaan niiden pysyvän samanlaisina tulevaisuudessakin, :1·1: jossa mallissa elinikää lasketaan tietyin aikavälein (At), joiden aika- na kerättyjen mittaustietojen arvoja, edullisesti keskiarvoja, laskennassa käyte- • , 35 tään. • · ·

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että komponentti on jäähdytyspuhallin (14) tai vastaava pyörivä sähkölaite, ja ohjausyksikkö on sovitettu laskemaan elinikää puhaltimen ympäristölämpötilan ja pyörimisnopeuden sekä puhaltimen valmista-5 jän ilmoittamien ympäristölämpötilasta ja pyörimisnopeudesta riippuvien elinikä-tietojen perusteella.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu mittaamaan ym- 10 päristölämpötilaa.

10. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu määrittämään ympäristölämpötilaa jäähdyttimen mitatun lämpötilan ja jäähdyttimen yhteyteen 15 sovitettujen tehokomponenttien (11) mitatun kuormituksen perusteella.

11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 7-10 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu mittaamaan puhaltimen tai vastaavan pyörivän sähkölaitteen pyörimisnopeutta. 20

12. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 7-10 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu käyttämään elin- ikälaskennassa puhaltimen (14) tai vastaavan pyörivän sähkölaitteen pyörimis- ·*"· nopeuden ohjearvoa. . 25 #·ί ## : .·.

13. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 7-10 mukainen järjestely, j” ’ tunnettu siitä, että komponentti on tehokondensaattori, jossa • ·· tapauksessa jäljelläolevan eliniän laskentaa varten ohjausyksiköllä on määritet-***·" tävissä kondensaattoria rasittava virta, jännite ja lämpötila suoriin tai epäsuoriin 30 mittauksiin perustuen. • · * • · · ··*

14. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 7-10 mukainen järjestely, :*·*. tunnettu siitä, että komponentti on kontaktori tai rele, jossa ta- • .*··. pauksessa jäljelläolevan eliniän laskentaa varten ohjausyksiköllä on määritettä- • # 35 vissä komponenttien suorittamien kytkentöjen lukumäärä sekä komponenttia * ] rasittava virta ja lämpötila suoriin tai epäsuoriin mittauksiin perustuen. • ·