Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Verschmutzungs¬ grades eines betriebenen Umrichtergerätes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor¬ richtung zur Erfassung eines Verschmutzungsgrades eines be¬ triebenen Umrichtergerätes.

Wenn Umrichtergeräte, beispielsweise Frequenzumrichter, in verschmutzter Umgebung betrieben werden, für die sie jedoch nicht einen entsprechenden Schutzgrad aufweisen, kommt es zu Ablagerungen innerhalb des Umrichtergerätes. Da die Umge¬ bungsluft des Umrichtergerätes als Kühlmedium verwendet wird, können sich die in der Umgebungsluft befindlichen Schmutzpar¬ tikel an Flächen von Bauelementen, insbesondere zu kühlender Elemente, des Umrichtergerätes ablagern. Diese Ablagerungen führen bei zu kühlenden Flächen, beispielsweise eines Kühl¬ körpers, oder Oberflächen von verlustbehafteten Bauelementen zur Überhitzung mit anschließendem Defekt. Ablagerungen auf isolierenden Oberflächen können die elektrische Isolation überbrücken und gefährden damit die Funktion und die Sicher¬ heit des Umrichtergerätes.

Ob ein in den Handel gebrachtes Umrichtergerät entsprechend seines Schutzgrades eingesetzt wird, ist vom Hersteller die¬ ses Umrichtergerätes nicht mehr nachprüfbar. Erst wenn ein Umrichtergerät wegen Auftretens eines Fehlers sich abgeschal¬ tet hat und ein Techniker zur Behebung des Fehlers dieses Um- richtergerät öffnet, kann festgestellt werden, ob dieses Um¬ richtergerät seinem Schutzgrad entsprechend eingesetzt worden ist. Wenn nicht, müssen die Komponenten bzw. Bauelemente des Umrichtergerätes mit Ablagerungen überzogen sein. Erst dann steht fest, dass die Ursache der Abschaltung des Umrichterge- rätes nicht bauartbedingt, sondern einsatzbedingt ist. Wenn ein derartiges Umrichtergerät in einem Produktionsprozess eingebunden ist, muss unter Umständen wegen des abgeschalte- ten Umrichtergerätes die gesamte Produktion unterbrochen wer¬ den, wodurch erhebliche Folgekosten entstehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Verschmutzungsgrades eines betriebenen Umrichtergerätes anzugeben, so dass noch vor einer Betriebsunterbrechung die Gefahr einer Schutzab¬ schaltung des Umrichtergerätes infolge Verschmutzung erkannt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2 (Verfahren) und mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. 9 bzw. 10 (Vorrichtung) gelöst.

Dadurch, dass einerseits ein Betriebszustand wenigstens eines der Umgebungsluft des Umrichtergerätes ausgesetzten Bauele¬ ments des Umrichtergerätes und andererseits ein Betriebszu¬ stand dieses Bauelement im unverschmutzten Zustand bestimmt werden, kann man mittels eines Vergleichs dieser beiden Be- triebszustände auf den Verschmutzungsgrad des Umrichtergerä¬ tes schließen. Der ermittelte Vergleichswert ist ein Maß für den Verschmutzungsgrad des Umrichtergerätes.

Mittels des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verschmutzungsgrad eines Umrichtergerätes in Abhängigkeit mittels der Ermittlung einer Oberflächenleitfähigkeit eines der Umgebungsluft des Umrichtergerätes ausgesetzten Teils des Umrichtergerätes und eines vorbestimmten Grenzwertes erfasst. Mit steigender Verschmutzung im Innern des Umrichtergerätes steigt die Oberflächenleitfähigkeit eines der Umgebungsluft des Umrichtergerätes ausgesetzten Teils des Umrichtergerätes und damit der Wert eines Ableitstromes.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zur Erfassung des Verschmutzungsgrades werden die erfassten Ver¬ gleichswerte abgespeichert. Dadurch steht die Fortschreitung der Verschmutzung eines Umrichtergerätes für zusätzliche Aus- Wertungen zur Verfügung. Aus dieser Fortschreitung der Ver¬ schmutzung des Umrichtergerätes kann beispielsweise eine Prognose für den Zeitpunkt der Schutzabschaltung des Umrich¬ tergerätes ermittelt werden. D.h., man kann die verbleibenden Betriebsstunden des Umrichtergerätes anzeigen, damit ein Pro- duktionsprozess gezielt heruntergefahren werden kann.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird bei Über¬ schreitung eines vorbestimmten Vergleichswertes ein Warnsig- nal generiert. Dadurch wird visuell und/oder akustisch ange¬ zeigt, dass ein ungestörter Betrieb gefährdet ist.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird bei Über¬ schreitung eines zweiten vorbestimmten Vergleichswertes, der größer als der erste Vergleichswert ist, eine Warnmeldung ge¬ neriert, die eine bevorstehende Schutzabschaltung des Umrich¬ tergerätes ankündigt. Dabei ist dieser zweite Vergleichswert so vorbestimmt, dass eine Stillsetzung des Produktionsprozes¬ ses noch möglich ist.

Bauelemente des Umrichtergerätes, deren Verlustleistung und/oder Temperatur bestimmt werden können, werden vorteil¬ hafter Weise zur Diagnose der Verschmutzung des Umrichterge¬ rätes herangezogen. Besonders geeignet zur Diagnose der Ver- schmutzung des Umrichtergerätes ist der Kühlkörper des Um¬ richtergerätes, auf dem die Leistungshalbleiter des Umrich¬ tergerätes wärmeleitend angebracht sind. Zur Überwachung des Leistungsteils des Umrichtergerätes wird die Temperatur des Kühlkörpers erfasst. Bei Überschreitung eines Grenzwertes wird das Umrichtergerät abgeschaltet.

Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Verschmutzungsgrades eines betriebenen Umrichtergerätes weist ein thermisches Modell zur Schätzung einer Temperatur des . Kühlkörpers des Umrichtergerätes, einen Temperatursensor zur Ermittlung einer Kühlkörpertemperatur und eine Auswerteschal¬ tung auf, die eingangsseitig mit dem thermischen Modell und dem Temperatursensor verknüpft ist. Somit kann man mit weni¬ gen Bauelementen, die teilweise im handelsüblichen Umrichter¬ gerät bereits vorhanden sind, einen Verschmutzungsgrad eines betriebenen Umrichtergerätes diagnostizieren.

Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Verschmutzungsgrades eines betriebenen Umrichtergerätes wird eine Widerstands-Brückenschaltung verwendet, die ein- gangsseitig mit einer Spannungsversorgung des Umrichtergerä- tes verknüpft ist und deren Widerstände derart dimensioniert sind, dass zwei diagonal gegenüberliegende Widerstände ihren Widerstandswert betriebsbedingt durch Erwärmung ändern, wäh¬ rend die beiden anderen jeweils ihren Widerstandswert beibe¬ halten, und ausgangsseitig mit einer Auswerteschaltung ver- knüpft ist.

Vorteilhafter Weise besteht wenigstens ein Widerstand der beiden Widerstände, die betriebsbedingt ihren Widerstandswert ändern, aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Wider- ständen, die im Umrichtergerät verteilt angeordnet sind. Da¬ durch wird die Verschmutzung des Umrichtergerätes nicht nur an einer vorbestimmten Stelle erfasst, sondern innerhalb des gesamten Umrichtergerätes.

Eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus der Mes¬ sung der Oberflächenleitfähigkeit. Dazu weist diese Vorrich¬ tung zwei eng nebeneinander verlaufende Leiterbahnen, von de¬ nen eine mit einem Ableitwiderstand verbunden ist, dem elek¬ trisch parallel ein Spannungsfolger geschaltet ist. Die zwei- te Leiterbahn ist mit einer Spannungsversorgung des Umrich¬ tergerätes verknüpft. Am Ausgang des Spannungsfolgers steht eine Messspannung an, deren Amplitude proportional einem di¬ agnostizierten Verschmutzungsgrad des Umrichtergerätes ist.

Mit diesen erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen kön¬ nen die Anzahl der Ausfälle infolge einer nicht schutzgradge- rechten Betriebsweise eines Umrichtergerätes und die damit verbundenen Nachteile wie Kosten und Imageverlust reduziert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung schematisch veranschaulicht sind.

FIG 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der FIG 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der ers¬ ten Vorrichtung nach FIG 1 veranschaulicht, die FIG 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung, und in der FIG 4 ist eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung veran- schaulicht, wobei in FIG 5 eine Ausführungsform des Messsensors der Vorrichtung nach FIG 4 dargestellt ist.

In der FIG 1 ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer ers- ten Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung weist ein Temperaturmodell 2, einen Tempe¬ ratursensor 4 und eine Auswerteschaltung 6 auf. Der Tempera¬ tursensor 4 ist am Bauelement des Umrichtergerätes platziert, dessen Temperatur gemessen werden soll. Dieses Bauelement ist der Kühlkörper des Umrichtergerätes, der direkt mit der Umge¬ bungsluft des Umrichtergerätes in Kontakt kommt. Beim Tempe¬ raturmodell 2 handelt es sich um ein an sich bekanntes Tempe¬ raturmodell für den Kühlkörper. Mit diesem Temperaturmodell wird abhängig von einer tatsächlichen Verlustleistung Pv und einer tatsächlichen Kühlmitteltemperatur Tumg eine zu erwar¬ tende Kühlkörpertemperatur TRK ermittelt. Die Integrations¬ zeitkonstante entspricht dabei der thermischen Masse und der Rückführungskoeffizient dem Kehrwert des thermischen Wider¬ standes Rth des Kühlkörpers. Die Verlustleistung Pv wird wie bei einem herkömmlichen thermischen Modell beispielsweise zur Schätzung einer Sperrschichttemperatur eines Leistungshalb¬ leiters, aus einem Laststromwert, einem Zwischenkreisspan- nungswert, dem Aussteuerungsgrad und einer Schaltfrequenz er¬ mittelt. Die Kühlmitteltemperatur Turag wird mittels eines wei¬ teren Temperatursensors ermittelt, der beispielsweise im Kühlmittelstrom angeordnet ist. Als Ergebnis liefert dieses Temperaturmodell 2 des Kühlkörpers eine geschätzte Kühlkör¬ pertemperatur TKK^ die der Kühlkörper bei Abführung der Ver¬ lustleistung Pv einnimmt, wenn dieser nicht verschmutzt ist.

Die Auswerteschaltung 6 weist eingangsseitig einen Verglei- eher 8, dem ein Speicher 10 nachgeschaltet ist, auf. Aus- gangsseitig ist dieser Speicher 10 mit einer Vergleichsein¬ richtung 12 verbunden, an deren Ausgang ein Warnsignal Sw an¬ steht. Außerdem sind dieser Vergleichseinrichtung 12 zwei Grenzwerte TKKeGi und TKκeG2 für einen ermittelten Vergleichs- wert Tκκe zugeführt. Der Speicher 10 wird nur dann benötigt, um die zeitliche Veränderung der Verschmutzung zusätzlich auswerten zu können. Ansonsten kann der ermittelte Ver¬ gleichswert TKκe auch direkt der Vergleichseinrichtung 12 zu¬ geführt werden.

Bei Verschmutzung des Kühlkörpers des Umrichtergerätes ist die gemessene Kühlkörpertemperatur T^cmes höher als die ge¬ schätzte Kühlkörpertemperatur TRK des Temperaturmodells 2. Als Vergleichswert Tκκe erhält man einen negativen Wert. Das Minus-Zeichen signalisiert, dass der Kühlkörper des Leis¬ tungsteils des Umrichtergerätes schlechter arbeitet als vor¬ gesehen. Der Wert dieses Vergleichswertes TKKe gibt an, um wie viel dieser Kühlkörper schlechter arbeitet. Erst wenn der Wert dieses ermittelten Vergleichswertes Tκκe negativ und sein Betrag gleich oder größer als der erste Grenzwert TKKeGi ist, wird ein Warnsignal Sw generiert, beispielsweise eine Anzeige ansteuert. Steigt infolge der anhaltenden Verschmutzung des Kühlkörpers des Leistungsteils des Umrichtergerätes der Be¬ trag des Vergleichswertes Tκκe derart an, dass dieser gleich oder größer einem zweiten Grenzwert TκκeG2 ist, der größer als der erste Grenzwert TKKeGi ist, wird ein zweites Warnsignal Sw generiert. Dieses Warnsignal Sw kann dazu verwendet werden, um anzuzeigen, dass ein Verschmutzungsgrad erreicht ist, bei dem damit zu rechnen ist, dass in absehbarer Zeit eine Schutzabschaltung ausgelöst wird oder eine Gerätestörung auf¬ tritt. Aus der zeitlichen Aufzeichnung dieser einzelnen Ver- gleichswerte kann beispielsweise eine Restbetriebszeit be¬ rechnet werden. Die Restbetriebszeit gibt an, dass unter den vorherrschenden betrieblichen Bedingungen das Umrichtergerät nach Ablauf der angegebenen Zeitspanne abschaltet. Zusätzlich zur visuellen Darstellung kann ein akustisches Signal verwen- det werden.

Die FIG 2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der ersten Vorrichtung nach der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach FIG 1 da- durch, dass das Temperaturmodell 2 um einen Schätzer für den thermischen Widerstand Rth des Kühlkörpers erweitert ist. D.h., der Wert der zwischen Kühlkörper und Kühlmittel ermit¬ telte Temperaturdifferenz TKκa wird nicht mehr direkt dem Kehrwert des thermischen Widerstandes Rth zugeführt, sondern einem Multiplizierer 14, an dessem zweiten Eingang der Kehr¬ wert des thermischen Widerstandes Rth ansteht. Außerdem ist dem Vergleicher 8 der Auswerteschaltung 6 ein Integrierer 16 nachgeschaltet, der ausgangsseitig dem Kehrwert des thermi¬ schen Widerstandes Rth zugeführt wird. Der Wert, der am Aus- gang des Integrierers 16 ansteht, ist der Wirkungsgrad ηKκ des Kühlkörpers, der ein direktes Maß für die Effektivität des Kühlsystems ist. Ein Wirkungsgrad TJKK kleiner Eins bedeu¬ tet, dass eine Verschmutzung des Kühlkörpers vorliegt. Die Differenz zu r|κκ = 1 gibt den Verschmutzungsgrad des Kühlkör- pers des Umrichtergerätes an. Dieser Wert des Wirkungsgrades τ|κκ kann genauso ausgewertet werden, wie die ermittelte Tem¬ peraturabweichung TKκe des Kühlkörpers.

Eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Verschmutzungsgrades eines betriebenen Umrichtergerätes ist in der FIG 3 näher dargestellt. Diese zweite erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Widerstands-Brückenschaltung 18, die eingangsseitig mit einer Versorgungsspannung U des Umrichtergerätes verknüpft ist. Diese Widerstands-Brücken- schaltung 18 weist zwei Widerstände R2 und R3 auf, die be¬ triebsmäßig warm werden und dadurch ihren Widerstandswert er- höhen, und zwei Widerstände Ri und R4 die während des Betrie¬ bes des Umrichtergerätes ihren Widerstandswert nicht ändern. Diese Widerstände Ri und R4 bleiben entweder auf Umgebungs¬ temperatur oder sind aus Material mit temperaturunabhängigem Widerstand gefertigt. Wählt man die Widerstandswerte dieser Widerstände Ri bis R4 so, dass eine Brückendiagonalspannung Udiag bei unverschmutzten Widerständen R1 bis R4 im einge¬ schwungenen Zustand genau Null ist, so kann diese Brückendia¬ gonalspannung Udiag direkt als Maß für eine auftretende Ver¬ schmutzung des betriebenen Umrichtergerätes verwendet werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung besteht der Widerstand R2 bzw. R3 aus mehreren Widerständen, die im Innern des Umrichtergerätes verteilt angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dadurch wird die Ver- schmutzung des betriebenen Umrichtergerätes nicht nur an ei¬ ner vorbestimmten Stelle ermittelt, sondern im gesamten Um¬ richtergerät.

In der FIG 4 ist eine dritte Vorrichtung zur Ermittlung eines Verschmutzungsgrades eines betriebenen Umrichtergerätes ver¬ anschaulicht. Diese Vorrichtung weist eine Messeinrichtung 20 zur Oberflächenleitfähigkeit und einen Spannungsfolger 22 auf. Die Messeinrichtung 20 weist einen Ableitwiderstand 24 und einen Messsensor 26 auf. Als Messsensor 26 werden bei- spielsweise zwei dicht nebeneinander verlaufende Leiterbahnen 28, 30 verwendet, die über diejenigen Platinenbereiche des Umrichtergerätes geführt sind, in denen während des Betriebes des Umrichtergerätes die größte Verschmutzung erwartet wird. Diese Ausführung dieses Messsensors 26 ist in der FIG 5 näher dargestellt. An den Eingangsklemmen 32 und 34 der Messein¬ richtung 20 ist eine Versorgungsspannung U des Umrichtergerä¬ tes angelegt. Die Eingangsklemme 32 ist mit der Leiterbahn 28 des Messsensors 26 elektrisch leitend verbunden, wogegen die Leiterbahn 30 mit einem Anschluss des Ableitwiderstandes 24 verbunden ist . Die zweite Eingangsklemme 34 der Messeinrich¬ tung 20 ist mit dem freien Anschluss des Ableitwiderstandes 24 verknüpft. Damit ein Ableitstrom proportional zur Ver¬ schmutzung des Umrichtergerätes fließen kann, sind diese bei¬ den Leiterbahnen 28 und 30 frei von Lötstop-Lack. Am Ableit¬ widerstand 24 steht dann eine dazu proportionale Spannung an. Diese Spannung wird mittels eines Kondensators 36 geglättet. Der Spannungsfolger 22, der als Impedanzwandler eingesetzt wird, erzeugt aus dieser geglätteten Spannung eine Messspan¬ nung Umes, die proportional der Verschmutzung des betriebenen Umrichtergerätes ist. Anstelle der beiden eng nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen 28 und 30 können auch alternativ Lötaugen, die in regelmäßigen Abständen vorgesehen sind, ver¬ wendet werden.

Mit diesen Vorrichtungen, deren Bestandteile in ein Umrich¬ tergerät integriert werden bzw. schon zum Teil zum Umrichter- gerät gehören, kann während des Betriebes des Umrichtergerä¬ tes dessen Verschmutzung einfach diagnostiziert werden. Da¬ durch wird die Gefahr von Gerätestörungen oder -ausfällen in¬ folge einer fortschreitenden Verschmutzung erkannt, noch be¬ vor es zu einer Betriebsunterbrechung kommt. Dadurch wird die Anzahl von Ausfällen mit den damit verbundenen Nachteilen wie Kosten und Imageverlust reduziert.