In-Situ Monitoring von Umrichter-Zwischenkreiskondensatoren

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde ein In-Situ Monitor für Elektrolytkondensatoren realisiert. Die Hauptaufgabe der autonomen Monitoring-Einheit ist es den Alterungszustand eines großen Elektrolykondensators, wie sie in Spannungszwischenkreisen von Pulsumrichtersystemen eingestzt werden, zu bestimmen und somit einen Ausfall des Kondensators und dadurch des gesamten Umrichters zu verhindern. Der Alterungszustand wird von der Überwachungseinheit über eine Messung des ohmschen Ersatzwiderstandes (ESR) ermittelt. Hierzu ist die Einheit direkt an den Leistungsanschlüssen des Elektrolytkondensators montiert um den typisch niederohmigen ESR-Wert unmittelbar erfassen zu köonnen. Da der ESR eines Elektrolytkondesators von der Temperatur abghängt, ist ein Temperatursensor in der Überwachungseinheit integriert, welcher den ermittelten ESR bewertet und somit ein aussagekräftiges Ergebnis liefert. Zusätzlich zur Lebensdauerermittlung des Kondensators wurde eine Funktion integriert, welche die Kondensatorspannung (falls mehrere Kondensatoren in Serie geschaltet sind) aktiv symmetriert und somit die Zerstörung des Elektrolytkondensators infolge Überspannung verhindert.<br />Durch die aktive Symmetrierung wird, im Vergleich zu einer passiven Lösung mit einem Spannungsteiler mittels Widerständen, zusätzlich Energie gespart was heutzutage von großer Bedeutung ist. Das Ende der Brauchbarkeitsdauer sowie alle anderen Messergebnisse werden über ein im Monitor integriertes Feldbus- oder RF-Interface gesendet und können somit von der Umrichter-Steuereinheit ausgewertet werden. Da zusätzliche Funktionen mit einem zusätzlichen Energieverbrauch einhergehen, verfügt die Überwachungseinheit über ein aktives Energiemanagement, welches die aufgenommen Leistung so klein wie möglich hält. Im Gegensatz zu bekannten, aufwendigen Überwachungsmethoden, stellt das neuartige mit einem low-cost Microcontroller realisierte Konzept eine sehr attraktive Methode zur Erhöhung der Zuverlässigkeit moderner Umrichtersysteme dar.<br />Es konnte somit eine kompakte autonome Monitoring-Einheit entwickelt werden, welche keine externe Versorgung benötigt und für eine Kondensatorspannung von 400V und einen Strom von 30A ausgelegt ist.<br />Weiters wurden im Rahmen der Diplomarbeit alle für die Entwicklung benötigten Hilfsschaltungen, wie z.B. Interface-Adapter zur Kommunikation mit einem PC bzw. Laptop, entwickelt und gebaut.<br />

The present diploma thesis describes the developement and practical realisation of an In-Situ monitor for electrolytic capacitors.<br />The main task of the stand-alone monitoring unit is to determine the end-of-life cycle of a huge electrolytic condensator as are used in DC voltage links of PWM converters, especially for drive applications. The unit performs an identification of the equivalent series resistance (ESR) of the capacitor in order to detect the end-of-life cycle to permit a preventive maintenance of the converter prior to a capacitor failure. The unit is designed as a small printed circuit board located between the capacitor screw terminals and the converter busbar to measure the typically rather low ESR values. Duo to the temperature dependency of the ESR a temperatur sensor has to be integrated in the monitor to detect the temperature of the capacitor which is important for the evaluation of the identified ESR value. Furthermore, an activ voltage balancing function is implemented (in case a capacitor series string is used) which avoids a damage of the capacitors due to overvoltages. The activ voltage balancing also reduces the energy consumption compared to a passiv solution with a conventional resistor divider. Nowadays this energy saving feature is an important requirement of every new system. The end-of-life cycle like all other mesurements are transmitted via a Feldbus- or a RF-interface to the converter control unit which evaluates the results. In general every new function causes an additional energy consumption which has to be minimized with an integrated activ energy management. Compared to other known complex monitoring systems, the novel unit operates with a simple low-cost microcontroller and is therefore a very attractive method to extend the reliability of modern converters. So a compact stand-alone monitoring unit was developed which operates without any auxiliary powersupply suitable for a capacitor voltage of 400V and a current of 30 A. Additionally, all required auxiliary circuits for the developement of the monitoring unit, like Interfaces for the communication with a PC or a laptop, have been designed and implemented.