Komponentenlösungen vom Kilowatt- bis zum Megawatt-Bereich
Leistungselektronische Herausforderungen bei der Entwicklung von Windkraftanlagen
Um die Stabilität von Lötverbindungen in Leistungshalbleitermodulen für Windkraftanlagen zu verbessern, wird unter anderem an der Neugestaltung von Chip-Oberflächen gearbeitet, um Kupfer-Bonden zu ermöglichen. Infineon Technologies .XT-Technik nutzt diese Verbesserungen und steigert so die Lebensdauer um den Faktor 10.
Innerhalb einer Windkraftanlage kommen Komponenten in einem extrem weiten Leistungsbereich zum Einsatz. Während mechanische und hydraulische Systeme für den Betrieb der Anlage Antriebsleistungen von nur einigen kW benötigen, findet sich der höchste Leistungsdurchsatz im Einspeise-Umrichter mit Leistungen bis hin zu mehreren MW. In Offshore-Anwendungen sind außerdem Lösungen nötig, die den rauen Umgebungsbedingungen und den hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit Rechnung tragen.
Windkraftanlagen werden auf den ersten Blick häufig nur als MW-Applikation wahrgenommen. Tatsächlich können solche Anlage jedoch nur arbeiten, weil eine Vielzahl von unterschiedlichen elektronischen Komponenten so interagiert, wie es in Bild 1 schematisch dargestellt ist. Im Kleinleistungsbereich finden sich Systeme im Bereich von bis zu einigen hundert W und umfassen das Leuchtfeuer der Anlage, Hydraulik- und Kühlmittelpumpen, Kompressoren von Kühlaggregaten sowie kleinere Lüfter. Versorgt werden diese Hilfsantriebe üblicherweise von Schaltnetzteilen. Hier kommen häufig diskrete Bauelemente, vergossene Baugruppen oder ASICs zur Anwendung.
Im Kilowattbereich finden sich die Antriebe zur mechanischen Kontrolle der Windanlage wieder. 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. 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 kW.
Abhängig von der jeweiligen Anlage oder des Anlagenparks beginnt die Energieerzeugung und Verteilung bei einigen hundert kW, wobei die aktuell größten Einzelanlagen Ausgangsleistungen von bis zu 6 MW aufweisen. Im Fall eines Windparks kann die Leistung hunderte MW leicht überschreiten und die GW-Grenze sprengen. Der bereits in Betrieb gegangene Off-Shore Windpark Alpha Ventus erreicht eine Gesamtleistung von über 1000 MW.
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