IGBT-Umrichtersysteme für Windkraftanlagen: Analyse der Zyklenbelastung, Modellbildung, Optimierung und Lebensdauervorhersage

Moderne Windenergieanlagen sind die Wiederentdeckung einer traditionsreichen Technik. Heutige Anlagen sind jedoch vornehmlich durch ihren hohen Anteil an Leistungselektronik gekennzeichnet. Nur mit komplexen Umrichtersystemen ist es wirtschaftlich möglich, den erzeugten Strom von Großanlagen so aufzubereiten, dass er netzverträglich eingespeist werden kann. Anhand des Konzeptes einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine als Generatortyp werden die Probleme und Belastungszustände des eingesetzten Frequenzumrichters auf einer Windkraftanlage vorgestellt. Die genaue Analyse der Lastanforderungen ergibt, dass diese sich wesentlich von den Anforderungen an Traktionsantriebe unterscheiden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung eines speziellen Werkzeuges zur Dimensionierung und Lebensdauerabschätzung derartiger IGBT-Frequenzumrichter. In einem ersten Schritt wird ein Verlustleistungmodell zur Bestimmung der tatsächlichen Verlustleistung des Umrichters anhand von Datenblattangaben und Messungen entwickelt. Das thermische Modell der IGBTs wird ausgehend von den physikalischen Grundlagen hergeleitet. Zur Ermittlung des Wärmeflusses in den eingesetzten Kühlkörpern werden diese in berechenbare Makrozellen unterteilt. Die Wärmeabfuhr eines Kühlkörpers ist stark von seinem Aufbau und vor allem von seinen strömungsmechanischen Eigenschaften abhängig. Besonders wichtig für ein umfassendes Entwicklungstool ist daher die Möglichkeit, allein aus den Kühlkörper-Geometriedaten den strömungsmechanischen Arbeitspunkt in Verbindung mit einem Lüfter bestimmen zu können. Ausgehend von den Grundlagen wird das strömungsmechanische Modell entwickelt, simuliert und anhand von Messungen verifiziert. Der Zusammenschluss der beschriebenen Einzelmodelle kann als Netzwerkmodell mit gängigen Schaltungs-Simulationsprogrammen simuliert werden. Um die Simulationsergebnisse des Gesamtsystems zu verifizieren, wurde ein Langzeit-Prüfstand zur Zyklenbelastung der IGBTs im realen Umrichterbetrieb entwickelt und aufgebaut. Dessen Ergebnisse werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Die im Langzeit-Zyklentest entstandenen Ausfälle werden untersucht. Durch eine Schadensanalyse konnte ein Ausfall eindeutig solchen Bonddrahtschäden zugeordnet werden, die durch Lastwechselzyklen verursacht werden. Ferner wurden neue lebensdauerherabsetzende Ausfallmechanismen entdeckt und analysiert, z.B. im Bereich des thermischen Übergangs vom IGBT-Modul zum Kühlkörper. Den Abschluss der Arbeit bildet ein aus den Erkenntnissen abgeleitetes vereinfachtes Modell, welches auf einem Microcontroller implementiert wird, um die Chiptemperatur in Echtzeit zu berechnen und somit eine kontinuierliche Lebensdauervorhersage im Betrieb der Anlage zu ermöglichen.