DE102021133889A1 - Verfahren zum Bewerten des Verschlechterungsgrads von Kondensatoren eines Leistungsfilters, Antrieb mit anpassbarer Drehzahl und Leistungswandler, die zum Durchführen des Verfahrens bereitgestellt sind - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten des Verschlechterungsgrads von Kondensatoren eines Leistungsfilters, das mit einem Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder einem Leistungswandler verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Antrieb mit anpassbarer Drehzahl und einen Leistungswandler, die zum Durchführen des Verfahrens bereitgestellt sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten des Verschlechterungsgrads von Kondensatoren eines Leistungsfilters, das mit einem Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder einem Leistungswandler verbunden ist.
• Die Erfindung betrifft außerdem einen Antrieb mit anpassbarer Drehzahl und einen Leistungswandler, die zum Durchführen des Verfahrens bereitgestellt sind.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Antrieben mit anpassbarer Drehzahl und Leistungswandlern und ihre Verwendung zusammen mit Leistungsfiltern. Leistungsfilter sind wesentliche Komponenten in Antriebssystemen, die den Schalteffekt der Leistungsvorrichtungen des Umrichters auf die Nutzungsdauer des Motors neutralisieren.
• In bekannten Anwendungen ist ein LC-Ausgangsfilter die passive Komponente eines Antriebssystems. Es ist nicht immer möglich, es zur Überprüfung seiner Gesundheit vom Antriebssystem zu trennen. In bestimmten kritischen Anwendungen ist es nicht zulässig, den Antrieb zu stoppen, und folglich ist es unmöglich, eine Gesundheitsprüfung des mit Energie versorgten LC-Filters durchzuführen.
• Bekannte Lösungen behandeln das Abtrennen des Filters von dem Antriebssystem. In Abhängigkeit von der Größe des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung kann es hunderte von Antrieben geben, die LC-Filter nutzen, zum Beispiel in petrochemischen Anlagen. Abtrennen dieser Antriebe kann in einer Abschaltung von erheblichem Ausmaß resultieren und hohe Ausfallkosten mit sich bringen. Daher ist es nicht immer möglich, mehrere Antriebe abzutrennen, um Gesundheitsprüfungen an den Filtern und ihren Kondensatoren durchzuführen.
• Das Ziel der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Bewerten des Verschlechterungsgrads von Kondensatoren, einen verbesserten Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD) und Leistungswandler bereitzustellen, die die vorstehend umrissenen Probleme überwinden.
• Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, einen Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD) nach Anspruch 13 und einen Leistungswandler nach Anspruch 14 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unterliegen den abhängigen Ansprüchen.
• Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Bewerten des Verschlechterungsgrads von Kondensatoren eines Leistungsfilters, das mit einem Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder einem Leistungswandler verbunden ist, bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die nachstehenden Schritte:
• Einspeisen einer steuerbaren Störung und Messen der Reaktion mindestens eines der Kondensatoren,
• Bestimmen der nicht verschlechterten Resonanzfrequenz des Kondensators, Einspeisen einer zweiten steuerbaren Störung und Messen der Reaktion des Kondensators,
• Bestimmen der verschlechterten Resonanzfrequenz des Kondensators und
• Bestimmen des Verschlechterungsgrads des Kondensators aus den zwei Resonanzfrequenzen.
• Die Kondensatoren können Bestandteil des Leistungsfilters sein und/oder es kann an das System angeschlossen sein. Im Fall eines Eingangsleistungsfilters kann das System die Leistungsversorgung, das Leistungsfilter und den Leistungswandler umfassen. Im Fall eines Ausgangsfilters kann das System den Leistungswandler/Antrieb, das Leistungsfilter und den Motor umfassen. Gemäß der Erfindung können Wechselstromsignale von vorzugsweise verschiedenen Frequenzen in mindestens einen der Kondensatoren für eine begrenzte Zeit eingespeist werden.
• Dies gestattet, die Resonanzfrequenz des Leistungsfilters, die zum Zustand des Filterkondensators in Beziehung steht, zu erfassen und zu berechnen. Sobald sich der Kondensator im Verlauf der Zeit verschlechtert, verschiebt sich die Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen. Eine tiefgehende Verschlechterung von Kondensatoren kann zu unvorhersehbaren Ereignissen wie Explosionen oder anderen Ausfällen von Ausrüstung führen. Die vorliegende Erfindung detektiert den Grad der Veränderung der Resonanzfrequenz und schätzt den Betrag der Kondensatorverschlechterung basierend auf der Veränderung der Resonanzfrequenz. Die vorliegende Erfindung schätzt den Verschlechterungsgrad der Kondensatoren in den Leistungsfiltern, der durch vorausschauende Wartungsprogramme verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung verwendet den Leistungswandler selbst als einen Sensor zum Detektieren der Verschlechterung des Kondensators.
• Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das nicht erfordert, den Antrieb auszuschalten, um den Gesundheitszustand des Filters zu schätzen. Durch Überwachen der Verschlechterung des Kondensators kann man rechtzeitig handeln, um eine Fehlfunktion oder Zerstörung des Antriebs zu vermeiden. Demgemäß ist es möglich, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Gefahrlosigkeit des Antriebs in hohem Maße zu verbessern. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Ausfälle der Ausrüstung und unvorhersagbare Stopps des Betriebs zu vermeiden. Infolgedessen ist es möglich, zusätzliche Kostenreduzierungen zu erreichen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die nicht verschlechterte Resonanzfrequenz theoretisch aus Gleichung 1 bestimmt: $${ƒ}_{resGrundlinie}=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_{ech}{C}_{ƒGrundlinie}}},$$

  
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die verschlechterte Resonanzfrequenz theoretisch aus Gleichung 2 bestimmt: $${ƒ}_{resVerschlechtert}=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_{ech}{C}_{ƒVerschlechtert}}}$$

  
• Die äquivalente Induktanz L_ech ist die kombinierte Induktanz des gesamten Systems, d. h. die Motorinduktanz L_motor und die Filterinduktanz L_fi.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Verschlechterungsgrad des Kondensators aus Gleichung 4 bestimmt: $$Verschlechterung=100{\left(\frac{{ƒ}_{resGrundlinie}}{{ƒ}_{resVerschlechtert}}\right)}^2\left[\%\right]$$

  
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Verfahrensschritte periodisch wiederholt, insbesondere basierend auf einem Wert eines lokalen Zeitgebers.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zeitgeberwert eine Funktion der Betriebszeit des Leistungswandlers oder Antriebs mit anpassbarer Drehzahl.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bestimmung der nicht verschlechterten Resonanzfrequenz des Filters einschließlich des Kondensators eine Typenschild-Schätzung, eine Messung im Stillstandszustand und/oder eine Messung im laufenden Zustand.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die verschlechterte Resonanzfrequenz des Kondensators eine Messung im Stillstandszustand und/oder eine Messung im laufenden Zustand.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungsfilter ein Eingangsleistungsfilter und/oder ein Ausgangsleistungsfilter. Das Leistungsfilter kann daher entweder zwischen Netz und Leistungswandler oder Antrieb mit variabler Drehzahl und Motor verbunden sein.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Software zum Betreiben des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl oder des Leistungswandlers bereitgestellt, um die Resonanz des Systems, das den Filterkondensator umfasst, durch Einspeisen der steuerbaren Störung und Messen der Transferfunktion des Systems, das den Filterkondensator umfasst, zu messen.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  wird eine Frequenz von Einspeisungen innerhalb eines gegebenen Bereichs um die verschlechterte und/oder nicht verschlechterte Resonanzfrequenz monoton verändert, und/oder wird eine Frequenz von Einspeisungen randomisiert, um Störungen zu minimieren,
  und/oder lassen die Einspeisungen Bereiche kritischer Frequenz aus, um Steuerungsprobleme zu vermeiden,
  und/oder werden die Größenordnungen von Einspeisungen manuell und/oder automatisch angepasst, um Störungen zu minimieren,
  und/oder werden die Dauern von Einspeisungen manuell und/oder automatisch angepasst, um Störungen zu minimieren,
  und/oder werden die Verfahrensschritte bei einer automatisch zunehmenden Frequenz oder Wiederholungsrate wiederholt, wenn sich der Kondensator über ein gegebenes Niveau hinaus verschlechtert, um seine beschleunigte Verschlechterung zu überwachen.
• Die Frequenz von Einspeisungen wird randomisiert, um Störungen des Motors, Störungen der gesamten Anwendung oder allgemeine Audiostörungen zu minimieren. Die Einspeisungen können Bereiche kritischer Frequenzen auslassen, um Steuerungsprobleme wie Treppeneffekte, EMI-Interferenzen, mechanische Resonanzen und/oder Störungen der Anwendung zu vermeiden. Wenn der Kondensator sich über ein gegebenes Niveau hinaus verschlechtert, kann die Wiederholungsrate des Verfahrens erhöht werden, um die beschleunigte Kondensatorverschlechterung zu überwachen.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Längen und/oder die Größenordnungen der Einspeisungen an die Drehzahl und/oder Belastung der Betriebsbedingungen des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl oder des Leistungswandlers angepasst und/oder werden die Verfahrensschritte bei einer Rate wiederholt, die manuell und/oder automatisch angepasst wird.
• Alternativ oder zusätzlich können die Längen und/oder die Größenordnungen der Einspeisungen an die Drehzahl und/oder Belastung der Betriebsbedingungen einer Vorrichtung, die durch den ASD gesteuert wird, oder einer Vorrichtung, die mit dem Leistungswandler verbunden ist, angepasst werden. Die Wiederholungsrate der Verfahrensschritte kann automatisch derart angepasst werden, dass ausreichende Messungen für eine genaue Schätzung erzeugt werden.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  wird der Verschlechterungsgrad mit Schwellenwerten verglichen, um Warnungen, Alarme auszugeben und/oder Signale auszulösen,
  und/oder wird dieser Verschlechterungsgrad für jede Phase eines mehrphasigen Signals einzeln bestimmt;
  und/oder wird eine Zeitreihe der Kondensatorverschlechterung verwendet, um den Moment des Endes der Nutzungsdauer für vorausschauende/vorbeugende Wartung zu schätzen,
  und/oder wird Kondensatorverschlechterung zum Aktualisieren der Steuerungsparameter des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl oder des Leistungswandlers verwendet, um die Steuerungsleistung zu verbessern,
  und/oder werden die bestimmten Resonanzfrequenzen verwendet, um Betriebsbedingungen des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl oder des Leistungswandlers, die die Resonanzfrequenzen anregen können, auszulassen.
• Als eine Konsequenz ist es möglich, die Oberschwingungsbeanspruchung zu minimieren und infolgedessen die Nutzungsdauer des Leistungsfilters zu verlängern.
• Die Erfindung betrifft außerdem einen Antrieb mit anpassbarer Drehzahl zum Durchführen eines Verfahrens mindestens nach Anspruch 13. Die Software des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl wird bereitgestellt, um die Resonanz des Systems, das den Kondensator umfasst, durch Einspeisen der steuerbaren Störung und Messen der Transferfunktion des Systems, das den Kondensator umfasst, zu messen.
• Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Leistungswandler zum Durchführen eines Verfahren nach mindestens Anspruch 14. Seine Software wird bereitgestellt, um die Resonanz des Kondensators durch Einspeisen der steuerbaren Störung und Messen der Transferfunktion des Systems, das den Kondensator umfasst, zu messen.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen:
• 1: Blockdiagramm des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl, das mit einem Ausgangsleistungsfilter und einem Motor verbunden ist;
• 2: Blockdiagramm eines Leistungswandlers, der mit der Wechselstromversorgung durch ein LCL-Eingangsleistungsfilter verbunden ist;
• 3: Darstellung des Kondensatorverschlechterungsprozesses im Verlauf der Zeit, die die Evolution der Kapazität C und der ESR darstellt;
• 4: elektrische Zeichnung, die die Transferfunktionen des Systems zeigt;
• 5a-5c: Transferfunktionen des Systemscheinleitwerts Y (Aliasstrom);
• 6: Frequenzdomänensignatur der Kapazitätsveränderung, die im Ausgangsstrom des Antriebs ersichtlich ist;
• 7a, 7b: Wirkung des Kapazitätsabfalls, der im Bode-Diagramm ersichtlich ist und durch das Signaleinspeisungsverfahren detektiert wird;
• 8: Diagramm des Laboraufbaus, der zum Testen der vorliegenden Erfindung verwendet wurde;
• 9a-9c: Resonanzfrequenz, aufgezeichnet für ausgeglichene Veränderungen von Filterkondensatoren;
• 10: Genauigkeit der geschätzten Verschlechterung für ausgeglichene Kondensatorverschlechterung;
• 11: Blockdiagramm der zur Berechnung der Cf-Verschlechterung verwendeten Komponenten;
• 12: Ablaufdiagramm, das drei Weisen zum Erfassen der Grundlinien-Resonanzfrequenz zeigt; und
• 13: Ablaufdiagramm, das Überwachen der Kondensatorverschlechterung zeigt.
• Figure 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Antriebs mit anpassbarer Drehzahl ASD gemäß dem Stand der Technik. Der ASD ist mit einem Ausgangsleistungsfilter und einem Motor verbunden.
• Antriebe mit anpassbarer Drehzahl werden zusammen mit Motoren verwendet, um eine steuerbare Drehzahl und Leistung zu erreichen, wie sie z. B. für industrielle Anwendungen erforderlich sind. Der ASD stellt eine Impulsbreitenmodulationsspannung an seinem Ausgang für diese steuerbare Bewegung des Motors bereit.
• Ein Nachteil der Modulation ist die Spannungsbeanspruchung auf die Motorwicklungen. Daher werden Ausgangsleistungsfilter Cf verwendet, um die durch die hohe Spannungsmodulation verursachte Beanspruchung zu glätten, wodurch eine niedrigere elektrische Beanspruchung der Isolationsmaterialien des Motors verursacht wird. Des Weiteren weist der Motor niedrigere Verluste auf und ergibt daher niedrigere Temperaturen, was zum Absenken der Feuergefahr von Interesse ist.
• 1 zeigt eine typische Verbindung des Ausgangsleistungsfilters zwischen dem ASD und dem Motor. Mit zunehmenden Betriebsstunden verändern die Kondensatoren Cf ihre physikalischen Eigenschaften und unterliegen dadurch einem Verschlechterungsprozess. Bekannte Quellen der Kondensatorverschlechterung sind interne Effekte, die durch die Strom- und Spannungsbelastung, die an den Kondensator angelegt werden, ausgelöst werden. Interne Effekte umfassen Temperaturbeanspruchungen, die das Altern des Kondensators beschleunigen, insbesondere seiner internen Struktur und Materialeigenschaften. Interne Effekte umfassen außerdem den Koronaeffekt und Spannungsdurchschlageffekte, die die Materialstruktur und ihre allgemeinen Eigenschaften verändern.
• Weitere Quellen der Kondensatorverschlechterung beziehen sich auf externe Effekte, d. h. Umweltbedingungen wie Umgebungstemperatur, Belüftung, Luftfeuchtigkeit und/oder -druck. Andere Quellen der Kondensatorverschlechterung sind zeitabhängig und beziehen sich auf Altern von Materialien im Inneren des Kondensators. Mechanische Kräfte können ebenfalls zur Kondensatorverschlechterung beitragen, wie Anbringungsbedingungen und externe mechanische Beanspruchungen, die die Kondensatorstruktur und ihre physikalischen Eigenschaften verändern.
• Sobald sich der Kondensator verschlechtert, besteht ein höheres Risiko von Fehlfunktionen und falschem Betrieb des gesteuerten Motors.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und Vorrichtungen zum Schätzen der Verschlechterung des Kondensators in Leistungsfiltern, die mit dem ASD verbunden sind, bereit. Die Erfindung verwendet den ASD direkt zum Detektieren der Verschlechterung des Filterkondensators Cf.
• Das Verfahren speist einen Wechselstrom verschiedener Frequenzen über eine begrenzte Zeitperiode ein. Dies gestattet, die Resonanzfrequenz des Leistungsfilters, die vom Filterkondensator Cf abhängig ist, zu erfassen und zu berechnen. Sobald sich die Kapazität im Lauf der Zeit verschlechtert, verschiebt sich die Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen, und die gegenwärtig beschriebene Erfindung ermöglicht es, den Grad der Veränderung zu detektieren, und schätzt den Betrag der Verschlechterung des Kondensators Cf.
• Die Erfindung ermöglicht, sowohl symmetrische als auch asymmetrische Verschlechterung von Kondensatoren Cf in Dreiphasen-Anwendungen zu detektieren.
• 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers, der mit der Wechselstromversorgung durch ein LCL-Eingangsleistungsfilter verbunden ist. Sie zeigt die typische Verwendung eines Eingangsleistungsfilters in einer Anwendung mit aktivem vorgeschaltetem Leistungswandler. Der Leistungswandler verfügt über steuerbare Leistungsschalter an der Netzseite, daher wird typischerweise ein Eingangsfilter verwendet, um das Impulsbreitenmodulationsrauschen herauszufiltern. Beispiele derartiger Anwendungen sind Energieerzeugungseinheiten in Fotovoltaik-Anwendungen und Windkrafterzeugung, regenerative Leistungswandler, die in Kraftantriebe verwendet werden, usw. Der Kondensator Cf ist der gleichen Art von elektrischer Beanspruchung aufgrund der Impulsbreitenmodulation ausgesetzt und erleidet einen ähnlichen Alterungsprozess, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
• 3 zeigt eine Darstellung des Kondensatorverschlechterungsprozesses im Verlauf der Zeit, der die Evolution der Kapazität C und der ESR darstellt. Beide Werte, der gesunde Kondensator Co und das Ende der Nutzungsdauer C_EOL, werden angegeben. Die nachstehenden Verfahren werden zum Überwachen der Kondensatorverschlechterung verwendet.
• Die Temperatur ist ein guter Indikator der Kondensatorverschlechterung, wenn man die Verluste in dem Kondensator schätzen kann. Demgemäß besteht ein Verfahren darin, die Temperatur für den gleichen Betrag von Verlusten zu vergleichen. Eine höhere Temperatur gibt eine höhere Verschlechterung des Kondensators für einen gegebenen Betrag von elektrischen Verlusten an. Die Herausforderung besteht darin, die Verluste zu schätzen, da dies erfordern würde, den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) zu kennen, selbst wenn einige vereinfachende Annahmen gemacht werden können. Ein Temperatursensor kann direkt verwendet werden, um Logik in dem Antrieb auszulösen.
• Der äquivalente Reihenwiderstand (ESR) des Kondensators ist ein anderer bekannter Indikator der Kondensatorverschlechterung. Ein korrespondierendes Verfahren erfordert eine geeignete Definition und Charakterisierung davon, welche Art von ESR (Verlustfaktor) betrachtet wird, bei welcher Frequenz und unter welchen Messbedingungen. Wenn diese nicht im Voraus spezifiziert werden und wenn kein gutes Verständnis der Abhängigkeiten vorliegt, kann dies zu Fehlern bei der Schätzung führen, da andere Einflüsse wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. während der Bewertung vorkommen können. Eine Begrenzung ist das Erfordernis von Sensoren für sowohl die Spannung als auch den Strom im Kondensator.
• Der Verlust von Kapazität ist eine andere Weise zum Vorhersagen der Kondensatorverschlechterung. Der Verlust von Kapazität stellt für sich kein Risiko dar, ist aber mit internen Veränderungen im Kondensator verknüpft und steht daher in Beziehung zur Kondensatorverschlechterung. Eine Reduktion der Kapazität präsentiert ein sekundäres Risiko: bei Zunahme der LC-Resonanzfrequenz hin zur Schaltfrequenz bestimmt sie eine Zunahme der internen Verluste.
• Zwei weitere, weniger allgemeine Möglichkeiten zur Überwachung der Kondensatorverschlechterung sind die Überwachung des Isolationswiderstands und des Wärmescheinwiderstands. Derartige Verfahren werden aufgrund des Bedarfs an hochentwickelter Messausrüstung in der Praxis im Allgemeinen nicht verwendet.
• Die vorliegende Erfindung kann mit einem Antrieb, einem Ausgangsleistungsfilter und einem Motor ausgeführt werden. Der Scheinleitwert des korrespondierenden Systems wird durch analytische Berechnung abgeleitet und als eine Frequenzverlauf-Transferfunktion gezeichnet, wie in 3 dargestellt. Wenn eine Spannung u_ASD an dem ADS-Anschluss anliegt, wird der Strom bei verschiedenen Frequenzen dargestellt. Dieser Ansatz ist nützlich, um ein grundlegendes Verständnis der Empfindlichkeitsregionen als eine Funktion der Frequenz und folglich davon, wo eine starke Signatur des Kondensators zu erwarten ist, zu erlangen.
• Die nachstehenden Transferfunktionen werden berechnet: $${\text{Y}}_{\text{ASD}}\left(\text{s}\right)={\text{i}}_{\text{ASD}}/{\text{u}}_{\text{ASD}}=\text{Antriebsstrom basierend auf Antriebsspannung}$$

  

  $${\text{Y}}_{\text{cap}}\left(\text{s}\right)={\text{i}}_{\text{f}}/{\text{u}}_{\text{ASD}}=\text{ Kondensatorstrom basierend auf Antriebsspannung}$$

  

  $${\text{Y}}_{\text{molo}}\left(\text{s}\right)={\text{i}}_{\text{s}}/{\text{u}}_{\text{ASD}}=\text{ Motorstrom basieren auf Antriebsspannung}$$

  
• 4 zeigt eine äquivalente Schaltung mit den Transferfunktionen des Systems.
  Die 5a bis 5c zeigen die Bode-Diagramme der Transferfunktionen des Filters und eines Motors. Beide Fälle, mit dem (durchgezogene Linie) und ohne das (gestrichelte Linie) Ausgangsleistungsfilter sind eingezeichnet, um seine Auswirkungen auf die Transferfunktion zu sehen. 5a zeigt das Bode-Diagramm für eine Kombination des Filters mit dem Motor. 5b zeigt das Bode-Diagramm nur für das Filter und 5c zeigt das Bode-Diagramm nur für den Motor.
• Die Signatur der Kapazität, die in dem Strom zu sehen ist, basiert auf der nachstehenden Gleichung: $${\text{i}}_{\text{ASD}}={\text{Y}}_{\text{ASD}}\left(\text{s}\right)*{\text{u}}_{\text{ASD}}$$

  
• Für eine starke Signatur des Kondensators in dem Antriebsstrom ist ein hoher Faktor erwünscht, d. h. entweder eine hohe Spannung u_ASD und/oder ein hoher Scheinleitwert Y_ASD (s).
• Die Resonanzfrequenz stellte eine starke Indikation der Verschlechterung der Filterkapazität bereit. Um diese Information zu erlangen, muss die LC-Resonanz zuerst mit einem durch den ASD produzierten, eingespeisten Spannungssignal erregt werden. Die Veränderung der Resonanzfrequenz wird über die Ausgangsstromsensoren des Antriebs gemessen. Die Abweichung der Resonanzfrequenz ist mit einer Veränderung des Kapazitätswerts assoziiert.
• Die Signatur der Kapazitätsveränderung ist in der Frequenzdomäne in 6 dargestellt. Hier wird der Abfall der Kapazität von ihrem anfänglichen gesunden Wert von 100 % auf 50 % beziehungsweise 30 % ihres anfänglichen Werts dargestellt.
• Die Signatur der Kapazitätsveränderung ist in der Frequenzdomäne in 7a für einen Abfall von 20 % der Cf-Kapazität dargestellt. Die gleiche Signatur wird in der Zeitdomäne detektiert, indem ein Frequenzdurchlaufsignal eingespeist und die höchste Größenordnung des Stroms durch eine diskrete Fouriertransformation (DFT) in 7b detektiert wird. 7b zeigt ein simuliertes demoduliertes Signal und seine Resonanzfrequenz für die beiden in 7a gezeigten Fälle.
• Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Resonanzfrequenz eines gesunden Ausgangsleistungsfilters zu messen und dies im Verlauf der Zeit zu wiederholen, um zu sehen, ob eine Veränderung seiner Resonanzfrequenz erfolgt. Die Verschlechterungsgrad des Kondensators kann basierend auf den nachstehenden Gleichungen berechnet werden: $${\text{f}}_{\text{resGrundlinie}}=1/\left(2\pi \surd \left({\text{L}}_{\text{ech}}{\text{ Cf}}_{\text{Grundlinie}}\right)\right),$$

  

  zur Grundlinien-Zeit genommen, unter der Annahme eines gesunden Kondensators $${\text{f}}_{\text{resVerschlechtert}}=1/\left(2\pi \surd \left({\text{L}}_{\text{ech}}{\text{ Cf}}_{\text{Verschlechtert}}\right)\right),$$

  

  zu einem späteren Zeitpunkt genommen, unter der Annahme eines verschlechterten Kondensators
• Die Gleichungen 1 und 2 sind theoretische Darstellungen. Die erwähnten Frequenzen können aus Messungen bestimmt werden.
• Das Verhältnis der zwei Fälle ergibt: $${\text{Cf}}_{\text{Verschlechtert}}={\text{Cf}}_{\text{Grundline}}\left({\text{f}}_{\text{resGriundlinie}}/{\text{f}}_{\text{resVerschlechtert}}\right)2$$

  
• Die prozentuale Verschlechterung der Cf-Kapazität kann wie folgt berechnet werden: $$\text{Verschlechterung}=100\left({\text{f}}_{\text{resGrundlinie}}/{\text{f}}_{\text{resVerschlechtert}}\right)\text{2}\left[\%\right]$$

  
• Daher kann die Bewertung der Verschlechterung den nachstehenden Schritten folgen:
• - Einspeisen einer steuerbaren Störung und Messen der Resonanzfrequenz des Systems.
• - Detektieren der Resonanzfrequenz des gesunden Kondensators aus Messungen.
• - Detektieren der Resonanzfrequenz des verschlechterten Kondensators zu einem späteren Zeitpunkt aus Messungen.
• - Berechnen des Verschlechterungsgrads gemäß Gl. 4.
• Die Validierung des gegenwärtig beschriebenen Verfahrens erfolgt an der folgenden Anordnung, wie in 8 dargestellt, unter Verwendung eines Ausgangsleistungsfilters, das mit einem Induktionsmotor verbunden ist. Das Leistungsfilter ist modifiziert, um allmähliche Veränderungen der Kapazität zu niedrigeren Werten zu gestatten, wodurch der Alterungsprozess des Kondensators emuliert wird. Die Veränderung wird durch Ausschalten der Kondensatoren unter Verwendung der Schalter S1uvw... S3uvw einzeln für jede Phase durchgeführt. Demgemäß kann man in Abhängigkeit von der Auswahl der Schalter eine symmetrische oder unausgeglichene Verschlechterung der Kondensatoren emulieren. Dies kann durchgeführt werden, während der Motor in Betrieb oder im Stillstand ist.
• Die Software des ASD ist modifiziert, um imstande zu sein, die Resonanz des Leistungsfilters durch Hinzufügen einer Erregung und Messen der Transferfunktion des Systems zu messen.
• Wenn die Veränderung der Filterresonanzfrequenz gemessen wird, während der Motor läuft oder stillsteht, werden die in den 9a bis 9c dargestellten Ergebnisse erhalten. Die 9a bis 9c zeigen, wie sich die Resonanzfrequenz zu höheren Werten verlagert, wenn sich der Kondensator verschlechtert.
• Die 9a bis 9c zeigen die Resonanz des Systems für verschiedene Verschlechterungsgrade der Kondensatoren. In diesem Beispiel ist die Kondensatorverschlechterung ausgeglichen, d. h. bei allen drei Phasen erfolgt die gleiche Verschlechterung. Der Betrag der Kondensatorveränderung ist in jeder Figur angegeben. In dem dargestellten Beispiel beträgt die Motordrehzahl 700 U/min, wobei der ASD bei der typischen Schaltfrequenz von 5 kHz betrieben wird.
• In 9a sind die Kondensatoren jeder Phase bei 100 % ihrer anfänglichen Kapazität. In 9b sind die Kondensatoren jeder Phase bei 80 % ihrer anfänglichen Kapazität und in 9c sind die Kondensatoren jeder Phase bei 60 % ihrer anfänglichen Kapazität.
• Nachdem die Resonanzfrequenz gemessen wurde, kann die Verschlechterung aus der Kapazität gemäß Gleichung 4 berechnet werden.
• Die Genauigkeit der geschätzten Verschlechterung kann mit Messungen der Kapazität, die mit kalibrierten Instrumenten durchgeführt wurden, verglichen werden. Ein Beispiel der Differenz ist in 10 gegeben.
• 11 zeigt ein Blockdiagramm mit den hauptsächlichen Komponenten der gegenwärtig beschriebenen Erfindung. Die Komponenten können in einen bestehenden ASD implementierte Software-Funktionen sein. Im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung steht der mit „Cf-Verschlechterung“ bezeichnete Schritt in 11.
• Das Blockdiagramm zeigt den ASD, der mit dem Wechselstromnetz und über ein Ausgangsleistungsfilter mit einem Motor verbunden ist. Der ASD umfasst mindestens zwei Komponenten:
1. a. eine Stromversorgungsplatine mit sämtlicher Hardware, analogen, digitalen Schaltungen, Leistungsschalter usw. und
2. b. eine Steuerungsplatine mit sämtlicher Software, Steuerung und Schutz des ASD usw.
• Die ASD-Steuerungsplatine stellt hauptsächlich ASD-Steuerung bereit, d. h. die primäre Funktion des ASD. Sie stellt die Steuerung der Hardware und sämtliche benötigten Funktionen für Motorsteuerung bereit.
• Die ASD-Steuerung stellt außerdem die sekundäre Funktion der Überwachung der Cf-Verschlechterung bereit. Ein korrespondierender Algorithmus ist in der Steuerungsplatinen-SW implementiert, die interne und externe Signale empfängt und die Kondensatorverschlechterung in dem Leistungsfilter berechnet. Diese Information wird später für Warnungen und/oder Rückmeldung in die „ASD-Steuerung“ verwendet, um die Stabilität zu verbessern und die Leistung zu steuern.
• Die Teilkomponenten des Abschnitts „Cf-Verschlechterung“ sind die nachstehenden:
1. 1. Steuereinheit - eine Funktion, die für das Synchronisieren (durch das Signal „sync“) des gesamten Prozesses des Einspeisens des Wechselstroms und Messen des in den ASD-Ausgangsströmen und -spannungen produzierten Effekts verantwortlich ist. Der Einspeisungsprozess benötigt nur eine kurze Zeitperiode, wird aber basierend auf einem lokalen Zeitgeber periodisch wiederholt. Dieser Ansatz minimiert die in dem ausgegebenen Motordrehmoment und der Drehzahl produzierte Störschwingung. Diese Funktion schätzt außerdem ab, wann es die richtige Zeit zum Einspeisen des Wechselstroms ist, um das System nicht zu stören und keine Fehler und Auslösungen zu verursachen. Sie überprüft außerdem, ob der ASD in einem gleichförmigen und stabilen Betriebszustand ist, um die Messung durchzuführen und fehlerhafte Ergebnisse zu vermeiden. Die Größenordnung der Wechselstrom-Einspeisung wird ebenfalls durch diesen Block mit dem gleichen Grund, keine übermäßige Störung zu produzieren, eingestellt.
2. 2. Einspeisung von Wechselspannung - eine Funktion, die die von dem Steuereinheitsblock empfangenen Informationen (Größenordnung, Frequenzbereich, Markierung freigeben) in die benötigte Referenz U_ACinjection aggregiert und sie an die ASD-Steuerungen sendet, um dem Wechselstromausgang hinzugefügt zu werden. Sie startet die Einspeisung, wenn sie das Synchronisierungssignal von der Steuereinheit empfängt. Diese Funktion synchronisiert die Einspeisung, um die geringstmögliche Störung des normalen Betriebs des ASD-Ausgangsstroms zu haben, um Übergänge und fehlerhafte Ergebnisse zu vermeiden.
3. 3. Stromsensoren Is - eine Funktion, die die Ausgangsströme Is1,2,3 von den ASD-Stromsensoren und nach Filterung auf Versatz, Rauschen oder Gleichtaktsignale empfängt.
4. 4. Berechnung der Cf-Verschlechterung - eine Funktion, die die Gleichung 4 implementiert, um zu bestimmen, wie viel sich der Kondensator verschlechtert hat, seitdem der letzte Grundlinienwert aufgezeichnet wurde. Diese Funktion kann außerdem Regressionskurven mit den erfassten Zeitreihen implementieren, um das Ende der Nutzungsdauer des Kondensators zu bestimmen. Ein Ausgang dieser Funktion ist ein geschätzter Cf-Wert basierend auf der berechneten Verschlechterung, die die ASD-Steuerung speisen kann, um ihre Steuerungsstabilität und Leistung zu verbessern. Ein anderer Ausgang ist für Warnungen und Auslösungslogik, basierend auf Benutzerauswahl. Der Zeitgeberwert kann basierend auf ASD-Betriebsstunden und der Verfügbarkeit zum Messen variieren, basierend auf anwendungsspezifischen Begrenzungen.
• 12 zeigt, wie der Grundlinienmodus zwischen verschiedenen Auswahlen zum Messen der Kondensatorverschlechterung unterscheidet.
• - Die Typenschild-Schätzung wird für diejenigen Leistungsfilter verwendet, die bereits seit einer Weile im Gebrauch sind, in der sich die Kondensatoren bereits verschlechtert haben können, so dass der anfängliche Kondensatorwert nicht messbar ist.
• - Der Stillstandszustand wird für Fälle verwendet, in denen es nicht möglich ist oder durch den Benutzer nicht gewünscht wird, sie im laufenden Zustand durchzuführen. Er könnte zum Beispiel bei Produktionsstopps ausgeführt werden.
• - Der laufende Zustand erfordert weniger Eingriffe durch den Benutzer, beruht aber auf einer Lernphase zum Erfassen von Daten, während die Anwendung läuft.
• 13 beschreibt die Überwachungsphase der Kondensatorverschlechterung. Die Überwachung kann im Stillstandszustand oder im laufenden Zustand durchgeführt werden, abhängig von einer Benutzerauswahl. Im Fall der Überwachung im Stillstandszustand wird das System auf die gleichen Pegel wie während der Grundlinienbildungsphase mit Energie versorgt. Dies entkoppelt die Belastungsabhängigkeit und gewährleistet die gleichen Bedingungen zur Bewertung der Resonanzfrequenz und daher der Kapazität.
• Im Fall der Überwachung im laufenden Zustand werden die Belastung und die Drehzahl des Motors ebenfalls gemessen, und das Ergebnis der Überwachung verwendet diese Informationen beim Vergleichen mit dem Grundlinienwert. Interpolation wird eingesetzt, wenn der genaue Belastungswert im Grundlinien-Datensatz fehlt.
• Das ausgegebene Ergebnis kann für verschiedene Bereiche verwendet werden, entweder um Warnungen, Alarme, Auslösungen bereitzustellen oder um die Steuerungsleistung des Leistungswandlers zu verbessern.

Claims (14)

1. Verfahren zum Bewerten des Verschlechterungsgrads von Kondensatoren (Cf) eines Leistungsfilters, das mit einem Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder einem Leistungswandler verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die nachstehenden Schritte umfasst: - Einspeisen einer steuerbaren Störung und Messen der Reaktion mindestens eines der Kondensatoren (Cf), - Bestimmen der nicht verschlechterten Resonanzfrequenz (f_resBaseline) des Kondensators (Cf), - Einspeisen einer zweiten steuerbaren Störung und Messen der Reaktion des Kondensators (Cf), - Bestimmen der verschlechterten Resonanzfrequenz (f_resDegraded) des Kondensators (Cf) und - Bestimmen des Verschlechterungsgrads des Kondensators (Cf) aus den zwei Resonanzfrequenzen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlechterungsgrad des Kondensators (Cf) aus Gleichung 4 bestimmt wird: $$Verschlechterung=100{\left(\frac{{ƒ}_{resGrundlinie}}{{ƒ}_{resVerschlechtert}}\right)}^2\left[\%\right]$$

   
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte periodisch wiederholt werden, insbesondere basierend auf einem Wert eines lokalen Zeitgebers.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitgeberwert eine Funktion der Betriebszeit des Leistungswandlers oder Antriebs mit anpassbarer Drehzahl (ASD) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der nicht verschlechterten Resonanzfrequenz (f_resBaseline) des Filters einschließlich des Kondensators (Cf) eine Typenschild-Schätzung, eine Messung im Stillstandszustand und/oder eine Messung im laufenden Zustand umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verschlechterte Resonanzfrequenz (f_resDegraded) des Kondensators (Cf) eine Messung im Stillstandszustand und/oder eine Messung im laufenden Zustand umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfilter ein Eingangsleistungsfilter und/oder ein Ausgangsleistungsfilter umfasst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Software zum Betreiben des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder des Leistungswandlers bereitgestellt wird, um die Resonanz des Systems, das den Filterkondensator (Cf) umfasst, durch Einspeisen der steuerbaren Störung und Messen der Transferfunktion des Systems, das den Filterkondensator (Cf) umfasst, zu messen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz von Einspeisungen innerhalb eines gegebenen Bereichs um die verschlechterte und/oder nicht verschlechterte Resonanzfrequenz (f_resDegraded, f_resBaseline) monoton verändert wird, und/oder dass eine Frequenz von Einspeisungen randomisiert wird, um Störungen zu minimieren, und/oder dass die Einspeisungen Bereiche kritischer Frequenz auslassen, um Steuerungsprobleme zu vermeiden, und/oder dass die Größenordnungen von Einspeisungen manuell und/oder automatisch angepasst werden, um Störungen zu minimieren, und/oder dass die Dauern von Einspeisungen manuell und/oder automatisch angepasst werden, um Störungen zu minimieren, und/oder dass die Verfahrensschritte bei einer automatisch zunehmenden Wiederholungsrate wiederholt werden, wenn der Kondensator (Cf) sich über einen gegebenen Grad hinaus verschlechtert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen und/oder die Größenordnungen der Einspeisungen an die Drehzahl und/oder Belastung der Betriebsbedingungen des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder des Leistungswandlers angepasst werden, und/oder dass die Verfahrensschritte bei einer Rate wiederholt werden, die manuell und/oder automatisch angepasst wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlechterungsgrad mit Schwellenwerten verglichen wird, um Warnungen, Alarme auszugeben und/oder Signale auszulösen, und/oder dass der Verschlechterungsgrad für jede Phase eines mehrphasigen Signals einzeln bestimmt wird, und/oder dass eine Zeitreihe der Kondensatorverschlechterung verwendet wird, um den Moment des Endes der Nutzungsdauer für vorausschauende/vorbeugende Wartung zu schätzen, und/oder dass Kondensatorverschlechterung zum Aktualisieren der Steuerungsparameter des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder des Leistungswandlers verwendet wird, um die Steuerungsleistung zu verbessern, und/oder dass die bestimmten Resonanzfrequenzen (f_resDegraded, f_resBaseline) verwendet werden, um Betriebsbedingungen des Antriebs mit anpassbarer Drehzahl (ASD) oder des Leistungswandlers auszulassen, die die Resonanzfrequenzen (f_resDegraded, f_resBaseline) anregen können.
13. Antrieb mit anpassbarer Drehzahl (ASD), bereitgestellt zum Durchführen eines Verfahrens nach mindestens Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass seine Software bereitgestellt wird, um die Resonanz des Systems, das den Filterkondensator (Cf) umfasst, durch Einspeisen der steuerbaren Störung und Messen der Transferfunktion des Systems, das den Kondensator (Cf) umfasst, zu messen.
14. Leistungswandler, bereitgestellt zum Durchführen eines Verfahrens nach mindestens Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass seine Software bereitgestellt wird, um die Resonanz des Systems, das den Filterkondensator (Cf) umfasst, durch Einspeisen der steuerbaren Störung und Messen der Transferfunktion des Systems, das den Kondensator (Cf) umfasst, zu messen.

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