In-Situ Monitoring von Umrichter-Zwischenkreiskondensatoren

Im Rahmen des beantragten Projektes soll eine neue Methode zur Überwachung der Alterung der Zwischenkreiskondensatoren bei Pulsumrichtern (wie sie z.B. für Drehstromantriebe weite Verbreitung gefunden haben) untersucht und getestet werden. Das Verfahren basiert auf einer Identifizierung des Kondensator- Verlustwiderstandes (equivalent series resistance - ESR), welcher sehr gut als Alterungs-Indikator herangezogen werden kann. Die permanente Bestimmung des ESR-Wertes ermöglicht einen rechtzeitigen Austausch der Kondensatoren zur Vermeidung von spontanen Umrichterausfällen mit u.U. sehr hohen Folgekosten. Bei der vorgeschlagenen neuartigen Methode erfolgt die ESR-Detektierung über die Bestimmung der Verlustleistung, basierend auf einer Strom-/Spannungs-Messung am Kondensator. Der große Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß es parameterunempfindlich und in idealer Weise digital umsetzbar ist, d.h., es kann auf einem einfachen und kostengünstigen Einchip-Mikrocontroller abgesetzt werden. Die Realisierung zu Kosten die im Verhältnis zum Kondensator selbst nahezu vernachlässigbar sind, ermöglicht - im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren - eine breite Anwendbarkeit. Neben der Bestimmung des Alterungszustandes kann zusätzlich auch effizient ein aktives Verfahren zur Symmetrierung der Teilspannungen bei in Serie geschalteten Kondensatorgruppen implementiert werden. Diese wird bisher üblicherweise mittels eines passiven Spannungsteilers realisiert, was aber beträchtliche permanente Zusatzverluste bedingt. Mit der projektgemäßen Monitorings-Einheit ist somit eine signifikante Erhöhung der Zuverlässigkeit, wie auch eine wesentliche Reduktion der Stand-By-Verluste von Pulsumrichtern erreichbar.

In den letzten zehn Jahren hat die Verbreitung von leistungselektronischen Konvertern im Bereich der elektrischen Energietechnik bedeutend zugenommen, insbesondere der wachsende und nicht mehr wegzudenkende Einsatz von Pulswechselrichtern bei modernen elektrischen Antriebssystemen. Zentrale Bauelemente dieser Umrichter sind neben den Halbleiterschaltelementen (IGBT, MOSFET) vor allem die Elektrolytkondensatoren (Elkos) im Gleichspannungs-Zwischenkreis. Diese Kondensatoren sind notwendig, um schaltfrequente Anteile der IGBT- Eingangsströme zu unterdrücken sowie generell (besonders in einphasigen Systemen) zur netzfrequenten Energiespeicherung. Wegen ihres elektro-chemischen Grundprinzips (Elektrolyt-Flüssigkeit) hängt die Lebensdauer von Elkos (und damit des gesamten Gerätes) sehr stark von der Temperatur ab. Um unerwartete, teils hohe Folgekosten verursachende Ausfälle des Umrichters zu verhindern, ist es zweckmäßig, das Gerät mit einer Online- Überwachung des Alterungszustandes der Zwischenkreis-Elkos auszustatten. Damit ist ein zeitgerechter Austausch schadhafter Elkos möglich, womit die Zuverlässigkeit des Umrichters wesentlich erhöht. Als sehr guter Indikator und effektives Charakterisierungskriterium für den Alterungszustand eines Elkos eignet sich besonders dessen ohmscher Verlustwiderstand (ESR - equivalent series resistance), da dieser großteils durch den (primär alterungs- verantwortlichen) Elektrolyt bestimmt ist. Ziel dieses Forschungsprojektes war deshalb die Entwicklung und Analyse eines Monitoring-Systems für Umrichter-Zwischenkreiskondensatoren basierend auf einer kontinuierlichen ("In-Situ") Bestimmung des ESR- Wertes während des normalen Umrichterbetriebes. Ein zunehmender Anstieg des ESR auf typ. 300% des Ursprungswertes (neuer Elko) kann dabei als "End-of-Life"-Indikator für das Bauteil interpretiert werden. Der dem Projekt zugrunde liegende neuartige Lösungsansatz zur Bestimmung des ESR basiert auf der Auswertung der Kondensator-Verlustleistung, ermittelt aus Spannungs- und Strommessung. Dieses Verfahren ermöglicht im Vergleich zu bekannten Methoden eine weitgehend parameterunempfindliche ESR-Detektion. Als besonderer Vorteil ist aber vor allem die Möglichkeit einer besonders einfachen und kostengünstigen Realisierung hervorzuheben (low-cost-Mikrocontroller). Die entwickelte Überwachungseinheit wurde als Printplatten-Modul implementiert, welches sehr einfach zwischen Elko und den Zwischenkreis-Stromschienen des Umrichters eingefügt werden kann. Dies ermöglicht kurze Signalwege für Strom- bzw. Spannungssignale wie auch die zur Auswertung des ESR wichtige einfache Erfassung der Elko-Temperatur. Zusätzlich ist es mit der entwickelten Monitoringeinheit aber auch möglich, die Teilspannungen bei in Serie geschalteten Kondensatoren "aktiv" zu symmetrieren. Dieses Verfahren ermöglicht eine praktisch vollständige Vermeidung der Verluste wie sie bei konventionellen passiven Symmetrierschaltungen mir ohmschen Spannungsteilern auftreten. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das im Rahmen des vorliegenden Projektes entwickelte Elko-Monitoring- Verfahren eine signifikante Erhöhung der Zuverlässigkeit von Pulsumrichtern erlaubt. Mit der möglichen aktiven Spannungssymmetrierung kann zusätzlich eine sehr attraktive substantielle Reduktion der Standby-Verluste des Umrichters erzielt werden.