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IGBT-Lösungen für Bahnsysteme

Hoher Integrationsgrad erleichtert vorbeugende Wartung

23. September 2024, 14:00 Uhr | Von Thorsten Schmidt, Power Integrations

Eine Studie von Siemens Mobility über den Einsatz der vorbeugenden Wartung bei Schienenfahrzeugen hat einige verblüffende Ergebnisse hervorgebracht. In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, dass in Bahnsystemen das IGBT-Modul und der Treiber entscheidend für die Lebensdauer des Stromwandlers sind.

Aktuell sind es vor allem Kunden aus den Bereichen Schienenverkehr, Stromnetze und Erdölförderung, die ernsthaft nach Lösungen für vorbeugende Wartung verlangen. Es dürfte aber nur eine Frage der Zeit sein, bis auch andere Branchen die Vorteile eines datenbasierten Ansatzes für die Wartung erkennen.

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Vorbeugende Wartung zielt darauf ab, die Häufigkeit von Wartungsarbeiten zu minimieren, indem Betriebsdaten gesammelt und analysiert werden, um Anomalien und Verhaltensmuster zu erkennen, die Ausfällen von Anlagen vorangehen. Mithilfe dieser Vorgehensweise lassen sich Prozesse implementieren, bei denen Reparaturmaßnahmen ergriffen werden können, bevor es zu Ausfällen kommt. Auf diese Weise lassen sich ungeplante Ausfallzeiten und unnötige Wartungskosten vermeiden.

Während die vorausschauende Wartung ein relativ einfacher Ansatz ist, der nach einem regelmäßigen Zeitplan auf der Grundlage von Nutzung und Zeit durchgeführt wird, werden bei der vorbeugenden Wartung nur dann Eingriffe geplant, wenn Daten darauf hinweisen, dass der Zustand einer bestimmten Maschine Anlass zur Sorge gibt. In Bezug auf IGBTs wird die vorbeugende Wartung am ehesten in hochwertigen Systemen wie Zügen, Stromnetzen und großen Anlagen für erneuerbare Energien wie Windturbinen und Solarparks zum Einsatz kommen.

Eine spezielle Studie von Siemens Mobility über den Einsatz der vorbeugenden Wartung bei Schienenfahrzeugen hat einige verblüffende Ergebnisse hervorgebracht:

In Echtzeit erfasste Daten von Zügen im Betrieb ermöglichen eine präzise Planung der Wartungsarbeiten, wobei Depotstopps nur dann erfolgen, wenn sie notwendig sind, also weder zu früh noch zu spät. Dadurch lassen sich ungeplante Depotstopps und Eingriffe für korrektive Wartungsarbeiten um bis zu 30 Prozent reduzieren.

Eine datengesteuerte, zustandsorientierte Wartung verlängert die Wartungsintervalle, vermeidet unnötige Arbeiten wie den vorzeitigen Austausch von Teilen und reduziert die Wartungskosten um bis zu 15 Prozent.

Automatisierte Messungen und zustandsbasierte Wartungsinformationen verhindern systematisch außerplanmäßige Ausfallzeiten, da die Wartung anhand des tatsächlichen Bedarfs und nicht in festen Intervallen geplant werden kann. Dies stellt eine bis zu 100-prozentige Verfügbarkeit der Fahrzeugflotte sicher.

In Bahnsystemen sind das IGBT-Modul und der Treiber entscheidend für die Lebensdauer des Stromwandlers. Einige Anbieter erstellen Lebensdauermodelle auf der Grundlage der IGBT-Sperrschichttemperatur.

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Gate-Treiber 1SP0635V2A0D von Power Integrations
Vorteile auf Systemebene Messkreise erfassen Systemdaten Reduzierung von Komplexität und Kosten Identifizierung der Beanspruchung/Alterung von Systemkomponenten Vorhersage des Wartungsbedarfs Statusüberwachung erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit Optischer Datenbus Gate-Status Protokollintegritäts-Selbsttest

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Reduzierung von Komplexität und Kosten
Identifizierung der Beanspruchung/Alterung von Systemkomponenten
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Statusüberwachung erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit

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Protokollintegritäts-Selbsttest

Power Integrations (PI), ein führender Anbieter von Gate-Treibern für Mittel- und Hochspannungs-Umrichter, hat in vielen seiner Gate-Treiber neben anderen Sensoren auch Temperatursensoren eingebaut. Die von PI bevorzugte Methode ist jedoch die Messung der Gate-Spannung. Eine abfallende Gate-Spannung ist ein klares Anzeichen für Alterung. Dieser Ansatz wird in zwei IEEE-Papieren ausführlich erörtert: »Online Degradation State Assessment Methodology for Multi-Mode Failures of Insulated Gate Bipolar Transistor« und »A Failure-Detection Strategy for IGBT Based on Gate-Voltage Behaviour Applied to a Motor Drive System«.

Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es keine Modelle, sondern reale Daten liefert. Anhand der gemessenen Gate-Spannungen können Systementwickler die Sperrschichttemperaturen modellieren und Rückschlüsse auf den Alterungszustand des IGBT ziehen, sofern dies gewünscht wird. Zudem bietet der Ansatz größere Flexibilität beim Design, da viel mehr IGBT-Module überwacht werden können und die Kunden keine potenziell sensiblen Systeminformationen preisgeben müssen. Da alle Systeme unterschiedlich sind, kann auch die Genauigkeit und Anwendbarkeit der externen Modellierung variieren, was die bereitgestellten Informationen über den Status der Ausrüstung infrage stellt.

Vor Kurzem hat Power Integrations einen neuen einkanaligen Plug-and-Play-Gate-Treiber für 190 mm × 140 mm große IHM- und IHV-IGBT-Module bis zu 3300 V angekündigt (Bild 1). Der 1SP0635V2A0D vereint die bewährte Scale-2-Schaltleistung und die Schutzfunktionen des Unternehmens mit einer konfigurierbaren, isolierten seriellen Ausgangsschnittstelle, welche die Programmierbarkeit des Treibers erweitert und umfassende Telemetrieberichte für eine genaue Abschätzung der Lebensdauer liefert. Mehrere Messkreise sind integriert, darunter thermische sowie Bauelement- und Buszustandsinformationen, was das Systemdesign vereinfacht und die Beobachtbarkeit, Steuerung und Zuverlässigkeit verbessert. Anwendungsbereiche sind Bahnstromumrichter, Stromnetze und Mittelspannungsantriebe.

Das serielle Status-Ausgangsprotokoll enthält kritische Echtzeit-Messungen, die eine erweiterte Betriebsüberprüfung ermöglichen und den Gesamtzustand, die Zuverlässigkeit und die Effizienz des Wechselrichters deutlich verbessern. Entwickler können Überwachungs- und Kontrollsysteme an das Standard-Plug-and-Play-Protokoll von Power Integrations anpassen oder individuelle Anpassungen während der Entwicklungsphase ihres Projekts bei den Technikern von Power Integrations anfordern.

Zu den vom Gate-Treiber 1SP0635V2A0D zur Verfügung gestellten Telemetriedaten gehört eine genaue Temperaturmessung, die das Wärmemanagement vereinfacht und den Einsatz externer Temperatursensoren überflüssig macht. Ebenfalls integriert ist die Messung der DC-Link-Spannung, was die externe Schaltung minimiert und die Komplexität und Kosten des Systems reduziert. Durch die Closed-Loop-Überwachung von Gate-Spannung, Gate-Status und Kurzschluss ist sichergestellt, dass die Module innerhalb der vorgegebenen Grenzen betrieben werden, was die Effizienz verbessert und katastrophale Ausfälle vermeidet.

Zu den weiteren Merkmalen gehört ein Statusmonitor für die Glasfaserschnittstelle, der sicherstellt, dass die Schaltbefehle korrekt empfangen werden. Ebenso stellt die Gate-Überwachung sicher, dass die Schaltbefehle korrekt ausgeführt wurden und sich das Leistungsmodul im entsprechenden Betriebszustand befindet. Die Kurzschlussüberwachung sorgt für eine präzise Steuerung, sodass der Gate-Treiber im Falle eines Kurzschlusses angemessen reagieren kann.

Übertragen werden die Daten über die proprietäre programmierbare serielle Schnittstelle von Power Integrations, die nach den Bedürfnissen des Kunden programmiert werden kann. Flexibilität bei der Berichterstellung ist wichtig, weil die großen Akteure, die den Eisenbahnmarkt beherrschen, ihre eigenen, über Jahre entwickelten Protokolle haben.

In Bild 2 sind die von Power Integrations angebotenen Systemvorteile zusammen-gefasst. Alle Messkreise, die zur Bereitstellung von Daten für die Überwachung der Lebensdauer erforderlich sind, sind in den Gate-Treiber integriert, was die Komplexität reduziert und die systemübergreifende Reproduzierbarkeit erhöht. Zudem ist eine Zustandsüberprüfung enthalten, die sicherstellt, dass keine fehlerhaften Daten übermittelt werden.