FI120280B

FI120280B - Menetelmä tasajännitevälipiirin kondensaattorien kunnonvalvontaan

Info

Publication number: FI120280B
Application number: FI20085047A
Authority: FI
Inventors: Timo Alho
Original assignee: Switch High Power Converters O
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-08-31
Also published as: CN101918852A; EP2235548A2; US8829919B2; FI20085047A0; FI20085047A; WO2009092848A3; US20100295554A1; WO2009092848A2

Description

MENETELMÄ TASAJÄNNITEVÄLIPIIRIN KONDENSAATTORIEN KUNNONVALVONTAAN

KEKSINNÖN ALA

5 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä tehoelektroniikkalaitteiston, kuten taajuusmuuttajan, tasajännitevälipiirin kondensaattoriyksikön kunnonvalvontaan.

10 Keksinnön kohteena on myös järjestelmä tehoelektroniikkalaitteiston, kuten in-vertterin, tasajännitevälipiirin kondensaattoriyksikön kunnonvalvontaan.

KEKSINNÖN TAUSTA

15 Pääasiallisesti tehoelektroniikkaa hyödyntävän laitteen, kuten taajuusmuuttajan, elinkaaren määräävät sen kondensaattorit, joita käytetään tasajännitevälipiirissä erityisesti häiriöjännitteiden suodatukseen ja myös varastoimaan sähköenergi aa.

20 Taajuusmuuttajissa tasajännitevälipiirin kondensaattoreihin kohdistuu suuria rasituksia. Usein kondensaattorin tuhoutuminen tapahtuu yllättäen, eikä sen vaihtoa ole osattu ennakoida. Tämä edelleen johtaa ei-toivottuihin seisokkeihin tuotannossa ja aiheuttaa näin taloudellisia tappioita.

25 Kondensaattorin elinikään vaikuttaa voimakkaasti ympäristön lämpötila, virran rippeli, korkeat jännitteet ja taajuudet. Kondensaattorin vanhetessa sen sisäinen resistanssi kasvaa, kuten myös sen läpi kulkeva vuotovirta, kapasitanssi laskee hitaasti ajan myötä. Kaikki nämä ilmiöt on mahdollista mitata, mutta käytännössä vaativat laitteen avaamista.

30

Valmistajat määrittelevät usein kondensaattorin olevan elinkaarensa päässä, kun sen kapasitanssi on laskenut tietyn suhteellisen määrän.

Artikkelissa E.C. Aeloiza; J-H Kim, P. Ruminot, P.N. Enjeti ” A Real Time Met-35 hod to Estimate Electrolytic Capacitor Condition in PWM Adjustable Speed Drives and Uninterruptible Power Supplies”, s. 2867-2872, IEEE 2005, esitetään menetelmä estimoida elektrolyyttikondensaattorin tilaa säädettävissä PWM- 2 vaihtovirtakäytöissä ja UPS-laitteissa, jossa menetelmässä tilaa voidaan tutkia käyttöpaikalla. Menetelmä perustuu siihen että kondensaattorin kuluminen johtaa vaihteluihin sen sisäisessä ekvivalentissa sarjavastuksessa (ESR). Ko. menetelmässä mitataan kondensaattoriyksikön keskimääräinen teho ja sen yli ole-5 van virran rms-arvo. Menetelmän haittana on sen monimutkaisuus ja suuri mittauksessa käytettävän ohjauselektroniikan laskentatehon tarve.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

10 Tässä keksinnössä esitellään uudenlainen menetelmä taajuusmuuttajan, invert-terin tai muun DC-välipiirillä varustetun tehoelektroniikkalaittesiton välipiirin kondensaattoripaketin kunnon valvontaan.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ja järjestelmässä käytetään hyväksi jo 15 olemassa olevia taajuusmuuttajan sisäisiä mittauksia kondensaattoripaketin kunnon valvomiseen käyttöpaikalla ja määritetään siten kondensaattoripaketin I. -yksikön elinikää DC välipiirissä säännöllisesti jo olemassa olevilla mittauksilla.

Menetelmä perustuu kapasitanssin vähenemisestä johtuvaan varauksen säily-20 tyskyvyn heikkenemiseen. Tämä todennetaan suorittamalla välipiirin jännitteen purkaustesti.

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

25

Menetelmä on yksinkertainen, eikä vaadi lisämittauksia järjestelmään.

Saavutettu hyöty on säännöllisen kondensaattoripaketin kunnonvalvonnan kautta saatava mittausdata, jonka ansiosta voidaan tehoelektroniikkalaitteen jäljellä 30 olevaa elinikää arvioida. Ohjausyksikön valvontaohjelmistoon on mahdollista integroida monenlaisia erilaisia ominaisuuksia, esim. varoitusilmoitus, joka kertoo kapasitanssin pudonneen kriittiseen pisteeseen tai sen alle.

PIIRUSTUSTEN LYHYT KUVAUS

35

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1a esittää tunnettua kolmivaihever- 3 kosta syötettyä taajuus-muuttajaa, kuvio 1b esittää kolmivaiheverkosta syötetyn taajuusmuuttajan välipiirin sijaiskytkentää, ja kuvio 2 esittää kondensaattorin teoreettista purkauskäyrää.

5 KEKSINNÖN EDULLISTEN SOVELLUTUSMUOTOJEN KUVAUS

Keksinnössä käytetään hyväksi taajuusmuuttajan sisäisiä mittauksia konden-saattoripaketin kunnon valvomiseen käyttöpaikalla ja määritetään siten konden-saattoripaketin I. -yksikön elinikää DC-välipiirissä jo olemassa olevilla mittauk-10 silla.

Kuviossa 1a on esitetty esim. tuuliroottorin pyörittämään kolmivaiheiseen vaih-tosähkögeneraattoriin liitetty, neljässä kvadrantissa toimiva taajuusmuuttajalait-teisto, jolla syötetään esimerkiksi verkkosuodattimen kautta kolmivaiheiseen 15 vaihtosähköverkkoon, jonka vaihejännitteet ovat Ur, Us, Ut, kolmivaiheista vaih-tosähköä.

Taajuusmuuttajassa on kaksi invertterisiltayksikköä, generaattorisilta 11 ja verk-kosilta 12, joiden DC-liitännät on kytketty tasajännitevälipiiriin, jossa on tasajän-20 nitekondensaattoriyksikkö ja toisen AC-liitännät generaattoriin ja toisen vaihtosähköverkkoon verkkosuodattimen kautta.

Kuvion 1a esittämässä taajuusmuuttajassa generaattorisilta 11 tasasuuntaa generaattorin kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jossa on vaihejännitteet Uu, Uv, 25 Uw, tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi Udc ja verkkosilta muuntaa tasajännite-välipiirin tasajännitteen amplitudiltaan ja taajuudeltaan vaihtosähköverkkoon soveltuvaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi. Kukin silta on kuusipulssinen kokoaaltosilta, jossa on kussakin sillan haarassa ohjattavat puolijohdekytkimet, jotka koostuvat kuvion 1a mukaisesti esim. IGBT:istä (sillassa 11 Q11 - Q16 ja 30 niiden kanssa vastarinnankytketyt diodit D11 - D16, sillassa 12 Q21 - Q26 ja D21 - D26). Kytkentä mahdollistaa myös negatiivisen välipiirivirran kulkemisen generaattorin suuntaan jarrutustilanteissa.

Taajuusmuuttaja on mahdollista erottaa verkosta, sekä sähkökoneesta katkai-35 simien S1 ja S2 avulla. Puolijohdekytkimiä ohjataan pulssinleveysmodulaatiolla laitteiston ohjausyksikössä 13.

Tasajännitevälipiirissä on kondensaattoriyksikkö, jossa on useasta kondensaat torista sarjaan ja rinnankytketyt kondensaattoripaketit 14-16, joista osa kuuluu jarrukatkojayksikköön 15.

4 5 Taajuusmuuttajassa mitataan tasajännitevälipiin jännitettä sisäisellä jännitemit-tauksella 17, joka on liitetty ohjausyksikköön 13.

Seuraavassa esitetään kondensaattoriyksikkö ja sen toimintaa 10 Kondensaattori on komponentti, joka varastoi energiaa sähkökenttään. Taajuusmuuttajan välipiirissä hyödynnetään kondensaattorin ominaisuutta pienentää välipiirin jännitteen heiluntaa, sekä energian varastointikykyä. Välipiirissä usein kytketään useita kondensaattoreita sarjaan, jolla saadaan lisää jännite-kestävyyttä, samalla kokonaiskapasitanssi kuitenkin tippuu. Kapasitanssia voi-15 daan kasvattaa kytkemällä kondensaattoreita rinnan halutun kapasitanssin aikaansaamiseksi.

Matemaattisesti voidaan sarjaan ja rinnan kytketyt kondensaattorit ja niiden rinnalla olevat tasausvastukset esittää yksinkertaisesti kondensaattorin ja tasaus-20 vastuksen sarjaankytkentänä, kun välipiiri on erotettu verkosta, sekä sähkökoneesta katkaisijoiden avulla (kuvio 1b).

Kuviossa 1b on esitetty DC-välipiirin kondensaattoripaketin kytkentää vastaava sijaiskytkentä, jossa Ctoton kokonaiskapasitanssi, Rtot tasausvastuksista aiheu-25 tuva kokonaisresistanssi ja Resr on kondensaattoreiden sisäinen resistanssi.

Kirchoffin jännitelain mukaan voidaan kirjoitttaa: 30 Uc + UESR + UR — 0 0)Uc+(Resr+Rr)Ic=0

Sijoitetaan yhtälöön (1) virran riippuvuus varauksen muutoksesta ajan suhteen 35 Ic =^£- sekä varauksen muutoksen riippuvuus jännitteen muutoksesta dt dQc = C · dUc 5

Koska UESR « UR niin voidaan jättää UESR pois tarkastelusta.

Ryhmittelyn jälkeen saadaan ensimmäisen asteen differentiaaliyhtälö: 5 dUr mRC—- + UC=0 ' ' dt c

Yhtälö on mahdollista ratkaista tekemällä yrite: t/c = A e Alkuarvona käytetään Uc (0) ^ DCVoltage 10 Yhtälölle saadaan ratkaisu: -t

(3) Uc = UDCVohage · eRC

Nyt on mahdollista ratkaista kapasitanssi C, kun jännitteen muutos (AU ) sekä 15 siihen kuluva aika (t) tunnetaan. Taajuusmuuttaja ei suoraan mittaa kondensaattorin yli olevaa jännitettä, vaan sen sijaan välipiirin yli olevan kokonaisjännit-teen. Jännitehäviö kondensaattorin sisäisen resistanssin vaikutuksesta on mitätön verrattuna mittausepätarkkuuten, ja siksi voidaan yksinkertaisesti olettaa, että Uc ~ UDCVoltage.

20

Kun välipiirin jännite tippuu tietyn suhteellisen määrän siitä hetkestä kun välipiirin lataus lopetetaan, voidaan merkitä. Uc - v-UDCVoltage

Kondensaattorin jännite on nyt mahdollista ratkaista yhtälöstä: —t

25 v · UDCVoltage = UDCVoltage e RC

DC jännitteet voi yhtälöstä supistaa pois. Kun vielä otetaan puolittain luonnollinen logaritmi sekä ryhmitellään yhtälöä hiukan saadaan ratkaistua kapasitanssi.

r - (4) ^tOt Q i

Rtot 'lnV

missä "v" on välipiirin tasajännitteen suhteellinen muutos, ”t” on siihen kuluva purkausaika ja ”Rtot” on tasausvastusten kokonaisresistanssi.

30 6

Esimerkkinä yhtälön (3) avulla voidaan piirtää teoreettinen kondensaattoripake-tin purkauskäyrä kun kapasitanssi, purkausvastusten resistanssi, sekä välipiirin 5 dc jännite tunnetaan (kuvio 2).

Alkuarvot: Kapasitanssi C=3600pF

Resistanssi R=10kQ DC-jännite 11=1000V

10

Koska kondensaattorien sekä tasausvastusten valmistustoleranssit vaihtelevat, on purkaustesti syytä tehdä jokaiselle laitteelle erikseen. Lisäksi on otettava huomioon kapasitanssin sekä resistanssin muuttuminen lämpötilan suhteen. Kun laite tehtaalla kojeistetaan voidaan välipiiri esiladata sovitulla DC-jännit-15 teellä standardissa ympäristön lämpötilassa, joka käytännössä on noin 20°C. Esilatauspiiri 18 irrotetaan välipiiristä ja seurataan mittauksilla miten nopeasti välipiirin jännite laskee. Tämän avulla voidaan määrittää välipiirin kapasitanssi kondensaattorien ollessa uusia. Ohjausyksikössä oleva sovellusohjelmisto hoitaa kapasitanssin laskemisen, joka edelleen voidaan tallettaa ohjausyksikössä 20 erilliseen muistiin. Absoluuttisen kapasitanssin arvon sijaan lasketaan suhteellisen kapasitanssin muutosta. Tällöin voidaan yhtälöstä (4) jättää välipiirin resistanssi pois, sillä oletuksella, että resistanssi ei merkittävästi muutu laitteen eliniän aikana. Välipiirin kokonaisresistanssi riippuu tasausvastusten lisäksi siltojen IGBT transistorien resistanssista sekä niiden rinnalla olevista diodeista. Myös 25 mahdollisien välipiiriin liitettyjen DC hakkurien ottama teho on huomioitava. Mittaus vaatii sen, että se toistetaan aina tietyn ennaltamäärätyn lämpötila-alueen rajoissa. Tämä siksi, että muuten komponenttien muuttuvat sähköiset ominaisuudet lämpötilan suhteen tekisivät tulokseen merkittävää epätarkkuutta. Mittaustavan stannardisoinnilla on mahdollista päästä hyvään tarkkuuteen ja näin 30 saada luotettavia tuloksia.

Taajuusmuuttajan ollessa käytössä loppusijoituspaikassaan voidaan vastaava testi toistaa säännöllisesti, ja näin seurata välipiirin kondensaattorien kuntoa. Sovellusohjelmisto analysoi järjestelmästä mitattuja lämpötiloja ja näin määritte-35 lee sopivan ajankohdan purkaustestille. Mitä nopeampi on mitatun jännitteen muutos, sitä suurempi on kapasitanssin suhteellinen alenema. Kun kapasitanssin muutos verrattuna tehdaskojeistuksessa saatuun arvoon lähestyy valmista- 7 jän antamaa raja-arvoa on aika vaihtaa kondensaattoripaketti tai koko taajuus-muuttaja.

On selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä 5 esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Keksintöä voidaan soveltaa myös muihin tasajännitevä-lipiirillä varustettuihin tehoelektroniikkalaitteisiin, kuten UPS-laitteistot. Taajuus-muuttajassa voi tehotarpeen mukaan olla myös kaksi tai useampia rinnakkaisia generaattori- tai verkkosiltoja, jolloin kapasitanssin muutos lasketaan koko sys-10 teemille.

Claims

1. Menetelmä tehoelektroniikkalaitteiston, kuten taajuusmuuttajan, ta-sajännitevälipiirin kondensaattorijärjestelyn (14-16) kunnonvalvontaan käyttö- 5 paikalla, jossa menetelmässä mitataan kondensaattorijärjestelyn yli olevaa pur-kausjänniteitä ajan funktiona, tunnettu siitä, että menetelmässä esiladataan välipiiri ennaltamäärätyyllä DC-jännitteellä, 10 irrotetaan esilataus välipiiristä, mitataan välipiirin jännitettä näytteistetysti määrävälein, määritetään mitatun välipiirin jännitteen perusteella jännitteenlasku ajan funktiona, määritetään jännitteenlaskun perusteella kapasitanssi tai sen suh-15 teellinen muutos, verrataan jännitteenlaskun perusteella määritettyä kapasitanssin tai sen suhteellisen muutoksen arvoa ennaltamäärättyyn raja-arvoon, ja tehdään tarvittava kunnonvalvontatoimenpide mittauksella määritetyn arvon saavuttaessa ennaltamäärätyn raja-arvon tai ollessa lähellä sitä. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännitettä mitataan laitteiston sisäisellä jännitteen-mittauksella.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennaltamäärätyn kapasitanssin raja-arvon määrityksessä laitteisto koeistetaan siten, että välipiiri esiladataan sovitulla DC-jännitteellä standardissa ympäristön lämpötilassa, esilatauspiiri (18) irrotetaan välipiiristä ja seurataan mittauksilla miten nopeasti välipiirin jännite laskee, min-30 kä jälkeen ohjausyksikössä määritetään kapasitanssi.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kapasitanssi määritetään yhtälöllä 35 r - ~f (4) ^tot D i v ' Rf„f · lnv tot missä ”v” on välipiirin tasajännitteen suhteellinen muutos, ”t” on siihen kuluva purkausaika ja ”Rtot” on tasausvastusten kokonaisresistanssi. 5

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasketaan suhteellisen kapasitanssin muutosta jättämällä yhtälöstä (4) välipiirin resistanssi pois.

6. Patenttivaatimusten 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennaltamäärätty kapasitanssinako talletetaan muistiin.

7. Järjestelmä tehoelektroniikkalaitteiston, kuten taajuusmuuttajan, ta-15 sajännitevälipiirin kondensaattorijärjestelyn (14-16) kunnonvalvontaan käyttöpaikalla, jossa järjestelmässä on mittausjärjestely (17), jolla voidaan mitata kondensaattorijärjestelyn yli olevaa jännitettä ajan suhteen, tunnettu siitä, että järjestelmän ohjausyksikkö (13) on sovitettu 20 esilataamaan välipiirin ennaltamäärätyyllä DC-jännitteellä, irrottamaan esilatauksen välipiiristä, mittaamaan välipiirin jännitettä määrävälein, määrittämään mitatun välipiirin jännitteen perusteella jännitteenlas-ku, 25 määrittämään jännitteenlaskun perusteella kapasitanssia tai sen suhteellista muutosta, vertaamaan jännitteenlaskun perusteella määritettyä kapasitanssin tai sen suhteellisen muutoksen arvoa ennaltamäärättyyn raja-arvoon, ja ohjaamaan tarvittavan kunnonvalvontatoimenpiteen mittauksella 30 määritetyn arvon saavuttaessa raja-arvon tai ollessa lähellä sitä.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä on sovitettu mittaamaan jännitettä laitteiston sisäisellä jännitteenmittauksella. 35

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ennaltamäärätyn kapasitanssi raja-arvon määrityksessä laitteisto on sovitettu koeistettavaksi siten, että välipiiri esiladataan sovitulla DC- jännitteellä standardissa ympäristön lämpötilassa, esilatauspiiri 5 (18) irrotetaan välipiiristä ja seurataan mittauksilla miten nopeasti välipiirin jänni te laskee, minkä jälkeen ohjausyksikössä määritetään kapasitanssi.

10. Patenttivaatimusten 9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että laskettu kapasitanssiarvo talletetaan ohjausyksi-10 kössä olevaan muistiin.