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

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1 IGBT-Umrichtersysteme für Windkraftanlagen: Analyse der Zyklenbelastung, Modellbildung, Optimierung und Lebensdauervorhersage Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation. Vorgelegt von Dipl.-Ing. Markus Bartram aus Hannover Berichter: Univ.-Prof. Dr. ir. Rik. W. De Doncker Univ.-Prof. Dr.-Ing. Armin Schnettler Tag des öffentlichen Vortrages: Tag der mündlichen Prüfung:

2 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 5 2 PROBLEMSTELLUNG WINDKRAFTANLAGEN IM NETZBETRIEB Stand der Technik / Topologien Historischer Überblick Anlagen mit fester Drehzahl und direkter Netzankopplung Drehzahlgestufte Systeme Drehzahlvariable Generatorsysteme mit Frequenzumrichter Prinzip der Doppelt Gespeisten Asynchromaschine mit Frequenzumrichter Ersatzschaltbild und Raumzeigerdarstellung Umrichter Belastung des Umrichters Leistungsdichte des Windes Auswirkungen von Lastwechseln Lebensdauerabschätzung 24 3 DER IGBT IM UMRICHTERBETRIEB Struktur und Prinzip von IGBT-Leistungsschaltern IGBT-Verlustleistung Modellbildung Herleitung des Modells aus dem Datenblatt Herleitung des Modells aus Messungen Vergleich der Verfahren : Schädigung durch thermische Zyklen Grundlagen Bonddrahtfehler Mathematische Modellbildung Ablösung der Lötstellen zwischen Chip und Keramik (Delamination) Standardisierte Lebensdauertests Beschleunigte Lebensdauertests IGBT mit hermetisch dichtem Gehäuse (Druckkontakt-IGBT) Untersuchungen im Feld ("ZULES") Schlussfolgerungen 55 4 THERMISCHES MODELL DES UMRICHTERS Thermisches Modell eines IGBT 57

3 4.1.1 Zusammenfassung der physikalischen Grundlagen Wärmespreizung Entwicklung des thermischen Modells eines IGBT im Modulgehäuse Kühlkörper Makrozellenmodell Strategie zur Unterteilung eines Kühlkörpers Zusammenfassung 71 5 MODELL DES STRÖMUNGSVORGANGES IN LUFTKÜHLKÖRPERN Zusammenfassung der physikalischen Grundlagen Konvektion Kennzahlen für Konvektion Strömungsvorgänge Bernoulli-Gleichung und Druckverlust Turbulente Rohrströmung Druckverlustkoeffizient und Rohrreibungszahl Lokale Druckverluste Aus hydraulischer Betrachtung abgeleitetes Modell Druckverlust längs des Kühlkörpers Druckverlust am Eintritt des Kühlkörpers Druckverlust am Austritt des Kühlkörpers Druckverluste bei gebondeten Kühlkörpern Simulationsergebnisse Messungen des Druckabfalls Vergleich der Ergebnisse Die Kühlrippe: Wärmeübertragung bei gleichzeitigem Auftreten von Leitung und Konvektion Zusammenfassung 98 6 ENTWICKLUNG EINES PC-BASIERTEN SIMULATIONSWERKZEUGES Programmstruktur Vorteile der Kombination aus Matlab und PSpice Berücksichtigung der Luftströmung Simulationsergebnisse Zusammenfassung VALIDIERUNG DER SIMULATIONSERGEBNISSE AUF EINEM LANGZEIT- PRÜFSTAND MIT ZYKLENBELASTUNG Aufbau des Langzeit-Prüfstandes Steuerung und Regelung ISEADSP Schnittstellenplatine Übersicht über die ISEADSP / XCS Die Schnittstellenplatine Regelungs-Software 113

4 7.2.4 Aussteuerungsgrenzen Versuchsbedingungen Bonddrahtbelastung Methoden zur Bestimmung der Zyklendegradation Ergebnisse aus dem Betrieb des Langzeit-Prüfstandes Änderung der Sättigungsspannung Ergebnisse der Charakterisierungsmessungen Ausfallanalyse (Bonddrahtschäden) Degradation der Wärmeleitpaste Abrieb bei Bodenplattenlosen Modulen Sonstige Erkenntnisse aus dem Betrieb des Langzeitprüfstandes Kriechstrecken Lebensdauerbetrachtung Zusammenfassung ECHTZEIT-TEMPERATUR-MONITOR IM EMBEDDED-SYSTEM Implementierung der Modelle Foster-Netzwerk (Reihenleitermodell) Cauer-Netzwerk(Kettenleitermodell) Implementierung des Kettenleitermodells Berücksichtigung der Kopplung zwischen Diode und IGBT Beschreibung der Berechnung Messergebnisse Zusammenfassung ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ANHANG Formelzeichen Griechische Formelzeichen Formelzeichen (Konstanten) Formelzeichen Ausgewählte Stoffparameter von Feststoffen Ausgewählte Stoffparameter von Fluiden Literaturliste Schaltpläne Prinzip der Steuerung des Laststromes im Prüfstand Modell der Last Modulation des Stromes Maße der Kühlkörper Strömungsvorgänge Laminare Rohrströmung Messung von Druck und Strömungsgeschwindigkeit 180

5 Temperatur-und Druckabhängigkeit des Druckabfalls Genaue Berechnung der Wärmestrahlung Detaillierter Programmablauf des Simulationswerkzeuges Lebenslauf 185