Leistungshalbleiter für Windkraftanlagen Von Mikro- bis Megawatt

Innerhalb einer »Windmühle« ist der Umgang mit Elektrizität in einem extrem weiten Leistungsbereich die allgegenwärtige Herausforderung. Auf dem untersten Leistungslevel läuft das Erfassen, Bearbeiten und Übertragen von Betriebsdaten, was manchmal nur wenige Mikrowatt verbraucht. Dazwischen liegen mechanische und hydraulische Systeme, die zum Betrieb der Anlage unentbehrlich sind. Am oberen Leistungsende befindet sich der Einspeiseumrichter ins Stromnetz mit mehreren Megawatt. Für diese zwölf Dekaden Leistungsbereich sind die jeweils passenden Leistungshalbleiter vonnöten.

Windkraftanlagen werden auf den ersten Blick häufig nur als Megawatt-Applikation wahrgenommen. Tatsächlich kann eine solche Anlage jedoch nur arbeiten, weil eine Vielzahl von elektronischen Komponenten so interagiert, wie es in Bild 1 schematisch dargestellt ist. Ein detaillierter Blick auf die Anlaufphase zeigt, wie Elektronik in einem Leistungsbereich von zwölf Dekaden bereits involviert ist, bevor sich der Rotor in Bewegung setzt.

Mikro- bis Milliwatt:

Der Bereich von Mikro- bis Milliwatt umfasst hauptsächlich die verschiedenen Sensoren.

Neben den für den Betrieb wichtigen elektrischen Größen müssen sie Parameter wie Winkel, Temperatur, Feuchtigkeit und Druck aufnehmen und bereitstellen. Grundlegend wichtig ist die Temperatur innerhalb der Gondel, die vor Inbetriebnahme in geeigneter Weise einzustellen ist.

In kalten Regionen kann ein anfängliches Beheizen der Gondel notwendig sein; andere Standorte haben dies eventuell nicht nötig oder bedürfen nur der Ventilation. In manchen Fällen ist sogar aktive Kühlung unter Zuhilfenahme von Klimaanlagen notwendig. Neben der Gondeltemperatur spielen die thermische Situation von Generator, Getriebe, Flüssigkühlsystemen und der Leistungselektronik eine wichtige Rolle. Windgeschwindigkeit und Windrichtung als weitere wichtige Informationen lassen sich mit Hilfe von Anemometer und Windfahne ermitteln (in Bild 1).

Milliwatt bis Watt

Von Milliwatt bis hin zu einigen Watt erstreckt sich die Datenübertragung (in Bild 1). Die meisten Windkraftanlagen sind über Netzwerke verbunden, die einen Fernzugriff zur Datenerfassung erlauben und die Betriebsdaten der Anlage übermitteln können. Kommunikationssysteme wie D-Net, GSM oder UMTS haben typischerweise einen Leistungsbedarf von nur einigen Watt.

Watt bis einige hundert Watt

Kleinere Systeme im Bereich von bis zu einigen hundert Watt umfassen zum Beispiel das Leuchtfeuer der Anlage, Hydraulik- und Kühlmittelpumpen, Kompressoren von Kühlaggregaten sowie kleinere Lüfter (in Bild 1). Versorgt werden diese Hilfsantriebe üblicherweise von Schaltnetzteilen. Hier kommen häufig diskrete Bauelemente, vergossene Baugruppen oder ASICs zur Anwendung.

Kilowattbereich

Im Kilowattbereich finden sich die Antriebe zur mechanischen Kontrolle der Windanlage wieder (in Bild 1). Bevor sich der Rotor der Anlage in Bewegung setzt, dominieren zwei Parameter die zu erledigenden Aufgaben. Zunächst ist die Gondel mit der Nabe in den Wind zu drehen. Anschließend werden die Rotorblätter so eingestellt, dass das notwendige Anlaufdrehmoment erzeugt wird. Da die Kontrolle der Rotorstellung (Pitch-Regelung) auch zum Nothalten der Nabe dient, handelt es sich um ein sicherheitsrelevantes System. Diese Funktion ist vom Netz unabhängig ausgeführt, da sie auch im Falle eines Netzausfalls sichergestellt sein muss. Während des Betriebs der Anlage ist wegen der entstehenden Verlustleistung im Antriebsstrang für eine hinreichende Belüftung der Gondel zu sorgen; die hierzu installierten Ventilatoren haben meist ebenfalls Leistungen von einigen Kilowatt.

Bis zu einigen Megawatt

Abhängig von der jeweiligen Anlage oder vom Anlagenpark beginnt die Energieerzeugung und Verteilung bei einigen hundert Kilowatt, wobei die aktuell größten Einzelanlagen Ausgangsleistungen von bis zu 6 MW aufweisen. Im Fall eines Windparks können 106 W leicht überschritten und 108 W erreicht werden. Der größte europäische Windpark heute hat eine Gesamtleistung von 500 MW.

Pitch-Regelung

Mit dem Schwerpunkt auf der Leistungselektronik stellen sich die Gebiete der Rotorblattkontrolle, der Azimut-Einstellung (Windrichtungsnachführung) und der Energieeinspeisung als die interessantesten Felder dar.

Die Pitch-Regelung für ein einzelnes Rotorblatt (Bild 2) besteht aus einem Getriebemotor, der über ein Zahnrad den Drehwinkel des Rotorblatts einstellt. 

Elektrisch ist das System mit dem Netz verbunden und ähnelt in seinem Aufbau einer USV-Anlage (Bild 3). Im Vergleich zur industriellen USV stellt sich die Pitch-Regelung bezüglich mechanischer, elektrischer und thermischer Beanspruchung als sehr viel anspruchsvollere Applikation dar.

Zusätzlicher mechanischer Stress entsteht als Konsequenz der Montageposition. Durch die Rotation der Nabe leidet der Aufbau unter der Zentrifugalbeschleunigung, mechanischer Wechsellast und Vibration - Effekte, die im stationären industriellen Aufbau meist von untergeordnetem Belang sind.

Um den Flügel um die Längsachse zu drehen, ist das Losbrechmoment zu überwinden. Während dies im Stillstand noch unkritisch ist, stellt sich während des Betriebs zusätzlich die Kraft durch die aerodynamischen Gegebenheiten ein. Hält man sich vor Augen, dass ein einzelnes Rotorblatt einer Multi-Megawatt-Anlage mehrere Tonnen wiegt, wird deutlich, dass ein erhebliches Trägheitsmoment herrscht.

Da der Pitch-Regler immer nur kurzfristig arbeitet, um den Flügelwinkel einzustellen, zeichnet sich der Betrieb durch kurze Perioden mit maximaler Last aus. Diese sehr hohen, zyklischen Belastungen stellen an die Leistungselektronik entsprechende Anforderungen. Im Normalbetrieb ist die Anforderung, dass die Flügelverstellung mit 3 °/s agiert; im Notfall sind jedoch 12 °/s gefordert, woraus sich die Überlastbedingungen für den Antrieb ableiten lassen.

Die Dimensionierung eines entsprechenden Antriebsstranges muss außerdem berücksichtigen, dass die Zwischenkreisspannung bei Batteriebetrieb kleiner ist als die aus dem Netz gewonnene. Um die Ausgangsleistung trotzdem konstant zu halten, fließen im Batteriebetrieb also höhere Ströme als im Netzbetrieb.
Thermisch leidet der Antrieb unter den Außentemperaturen, die sich in dieser Applikation im Bereich von -30 °C bis +70 °C bewegen.

Infineon hat in Kooperation mit führenden Umrichterherstellern umfassende Forschung und Entwicklung speziell zum Thema Vibrationsfestigkeit betrieben.

Entsprechende Tests umfassten mehrachsige Vibrationsversuche mit kompletten Umrichteraufbauten, um Schwachstellen im Design aufzudecken und die Widerstandsfähigkeit der Konstruktion bezüglich mechanischer Wechsellast zu steigern.

Amplitude, Frequenzspektrum und Beschleunigungen überschritten bei diesen Tests die in den entsprechenden Normen genannten Anforderungen deutlich.

In neuen Modulen wie dem SmartPACK und dem EconoPACK 4 sind die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen bereits eingeflossen.

Ein wichtiges Ergebnis ist die Verwendung neuer Verbindungstechniken. Per Ultraschall geschweißte Anschlüsse (Bild 4) verbessern die Stabilität bezüglich mechanischer und thermomechanischer Wechsellast. Ein weiterer Fortschritt ergab sich aus der Einführung der PressFIT-Pins.

Infineon hat diese Technik bereits in Produkten der Econo-Familie eingeführt und anschließend auf die Smart- und Easy-Module ausgeweitet.

Auch im Bereich der Module mit mittlerer Leistung wie dem EconoPACK 4 (Bild 5) hat sich diese Technik bewährt.