IGBTs Intelligente Überwachungstechnik für Leistungshalbleiter

Autor / Redakteur: Bryn Parry * / Gerd Kucera

Power Insight für IGBT-Module ist eine Adapter-Elektronik zum Erkennen von Performance-Änderungen, die Indizien für potenzielle Systemausfälle und Störungen in der Leistungselektronik sein können.

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Bild 1: Mit dem Einsatz von Echtzeit-Überwachungssystemen lassen sich die nötigen Diagnose- und Kommunikationsfunktionen bereitstellen, um Performance-Probleme zu erkennen, vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen zu planen und die Betriebsverfügbarkeit, etwa von Lokomotiven, zu verbessern
Bild 1: Mit dem Einsatz von Echtzeit-Überwachungssystemen lassen sich die nötigen Diagnose- und Kommunikationsfunktionen bereitstellen, um Performance-Probleme zu erkennen, vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen zu planen und die Betriebsverfügbarkeit, etwa von Lokomotiven, zu verbessern
(Bild: Amantys)

In Leistungsanwendungen wie Antrieben, Traktionssystemen, Windkraftanlagen-Umrichtern und Hochspannungs-Gleichstromübertragungen (HGÜ), in denen mittlere bis hohe Spannungen geschaltet werden müssen, kommen üblicherweise IGBT-Module zum Einsatz. Es ist jedoch dokumentiert, dass IGBTs unter hoher elektrischer und thermischer Belastung zu Ausfällen neigen, was Probleme bezüglich der Anlagenverfügbarkeit mit sich bringt. Erschwerend kommt hinzu, dass von den Leistungsschaltern In der Regel nur die Signale Ein, Aus und Störung kommen

In der Leistungselektronik ist mehr Intelligenz nötig

Aufgrund dieser skizzierten Situation kommt die Forderung der Systemhersteller nach intelligenteren Lösungen nicht überraschend. Leistungshalbleiterhersteller Amantys entwickelt deshalb neue, innovative Überwachungstechniken, mit denen sich die Leistungsfähigkeit der primären und nachgeordneten elektrischen Systeme beurteilen lässt. Das Konzept beruht auf der Abfrage und Weiterleitung parametrischer Daten. Es erlaubt die Feststellung von Performance-Änderungen, die Indizien für potenzielle Systemausfälle und Störungen mit hohen Folgekosten liefern können.

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Für Unternehmen, in denen die uneingeschränkte Auslastung der Anlagegüter – speziell angesichts der derzeit herrschenden schwierigen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen – oberstes Gebot ist, ergeben sich aus diesem Konzept beträchtliche potenzielle Vorteile. Das Bedienpersonal kann hiermit nämlich bevorstehende Ausfälle erkennen, noch bevor sie tatsächlich eintreten. Die betreffenden Komponenten lassen sich dann im Rahmen routinemäßiger Instandhaltungsarbeiten prophylaktisch austauschen, sodass ein anhaltend hohes Verfügbarkeitsniveau gewährleistet ist.

Verfügbarkeit hat in vielen Bereichen höchste Priorität

Leistungselektronik wird in zahlreichen kritischen Bereichen in großem Umfang eingesetzt, so zum Beispiel in Systemen mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen. Dazu zählen unter anderem Umrichter in Windkraftanlagen. Jeder Stillstand eines Windrads kann erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität der Anlage haben, speziell wenn der Ausfall während einer Wetterlage auftritt, die eigentlich einen erhöhten Energieertrag versprochen hätte.

Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang auch die Zugänglichkeit der Windkraftanlagen. Schon auf dem Festland werden diese bevorzugt in entlegenen Gegenden errichtet, um die Auswirkungen auf die Bevölkerung zu minimieren. Der Transport von Technikern, Werkzeugen und Ersatzteilen zu einem Windpark kann sich deshalb zeit- und kostenintensiv gestalten. Die dadurch erschwerte Reparatur wiederum bleibt nicht ohne Folgewirkungen auf das Unternehmen insgesamt.

Auch Züge dürfen nicht stillstehen

Noch schwieriger und teurer aber wird es bei Offshore-Windparks. Die potenziellen Kosten durch den Stillstand einer vor der Küste errichteten Windkraftanlage nehmen steil zu, wenn sich die Instandsetzung infolge schlechter Wetterbedingungen um Tage oder gar Wochen verzögert.

Solche teuren Verzögerungen und Reparaturarbeiten kommen nicht nur bei IGBTs in Windkraftanlagen vor, sondern betreffen auch die Zulieferer der Lokomotivhersteller, die prinzipbedingt äußerst konservativ vorgehen müssen. Eine hieraus resultierende Konsequenz sind aufwändige Wartungspläne, die dazu zwingen, die höchst kapitalintensiven Triebfahrzeuge regelmäßig für Instandhaltungsarbeiten aus dem Betrieb zu nehmen.

Eine zuverlässigsorientierte Instandhaltungs-Strategie

Ist eine Lokomotive wegen geplanter oder ungeplanter Wartungsarbeiten nicht verfügbar, entstehen enorme Kosten für die Schienenverkehrsunternehmen, die unablässig auf der Suche nach Möglichkeiten sind, die Verfügbarkeit ihrer wichtigsten Anlagegüter zu verbessern. An Popularität gewinnt in diesem Zusammenhang der Umstieg auf eine zuverlässigsorientierte Instandhaltungs-Strategie (Reliability Centred Maintenance – RCM). Ein entscheidender Bestandteil dieses Verfahren ist es, kritische Systeme fortlaufend auf Anzeichen für eine Änderung der Leistungsfähigkeit oder Ausfälle hin zu überwachen. Dies wird als zustandsorientierte Instandhaltung (Condition Based Maintenance – CBM) bezeichnet.

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Als ideal erweisen sich hier detaillierte Einblickmöglichkeiten in die Leistungselektronik der Lokomotive, denn die Verkehrsunternehmen erhalten hierdurch Gelegenheit, diese Art der Instandhaltungs-Strategie auch auf Traktionsstromrichter und Hilfsbetriebeumrichter auszudehnen. Die Langzeit-Überwachung wichtiger Umrichter-Parameter gibt den Betreibern die Möglichkeit, die Notwendigkeit von Wartungsmaßnahmen an real beobachteten Performance-Änderungen zu erkennen und dabei nach Anzeichen für Verschleiß und bevorstehende Ausfälle Ausschau zu halten.

Die gesammelten Informationen können an ein bordeigenes Zugmanagement-System übertragen werden, das dem Wartungspersonal einen detaillierten Bericht zur Verfügung stellen kann, damit die zeitliche Planung und die Folgewirkungen von Instandhaltungsarbeiten optimiert werden können.

Dieses System wird zurzeit von der Instandhaltungs-Organisation eines großen europäischen Schienenverkehrsunternehmens eingerichtet, um die System-Performance zu überwachen, zu beobachten und zu steigern. Hierüber dürfte in Kürze mehr zu hören sein.

Ein weiterer Bereich mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen sind HGÜ-Systeme in Schaltanlagen für das Smart Grid. Ähnlich wie bei Lokomotiven und Windkraftanlagen können Stillstände auch hier gravierende Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit haben. Präventive Instandhaltung ermöglicht beispielsweise den Austausch eines Leistungsschalters, bei dem das Risiko eines Ausfalls besteht, bevor es tatsächlich zu einer Störung kommt. In einem Smart Grid kann dies die Möglichkeit bieten, die Last innerhalb des Systems so zu koordinieren, dass die betroffene Komponente entlastet wird und der Austausch somit im Zuge einer routinemäßigen Wartungsmaßnahme ausgeführt werden kann.

Werden IGBT-Gatetreiber mit Amantys Power Insight bestückt, dann sind damit jene Diagnose- und Kommunikations-Funktionen verfügbar, mit denen sich die eben skizzierten positiven Auswirkungen auf das Unternehmen erzielen lassen. Von der Anwendung prophylaktischer Instandhaltungsmaßnahmen in der Leistungselektronik können jetzt und in Zukunft die unterschiedlichsten Systeme profitieren, was spürbaren Einfluss auf die Gewinne der jeweiligen Firmen hat.

Mit diesem Grad an Einblick und Vorausplanung bekommen Smart-Grid-Betreiber die Gelegenheit, ihre Anlagenverfügbarkeit signifikant zu steigern. Mit der richtigen Intelligenz ausgestattet, lassen sich mit präventiven Instandhaltungsmaßnahmen erhebliche Verbesserungen erzielen.

* * Bryn Parry ist VP Corporate Development bei Amantys in Cambridge/England.

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