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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Ermitteln des Lebensdauerverbrauchs von mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement eines elektrischen Stromrichters.
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Aus der
US 6,405 154 B1 ist ein elektrischer Umrichter bekannt, bei dem die Alterung der elektronischen Leistungshalbleiterbauelemente überwacht wird. Zu diesem Zweck werden die Einschaltzeitdauern der Leistungshalbleiterbauelemente gemessen und in Abhängigkeit davon wird der aktuelle Zustand des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements ermittelt.
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Aus der
JP 2007028741 A ist ein elektrischer Umrichter bekannt, bei dem die Alterung eines Leistungshalbleiterbauelements geschätzt wird. Zu diesem Zweck wird der Umfang von Temperaturschwankungen des Leistungshalbleiterbauelements geschätzt und der Umfang derartiger Temperaturschwankungen wird mit einem Referenzwert verglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zum Ermitteln der Alterung eines Leistungshalbleiterbauelements zu schaffen, das im Vergleich zum Stand der Technik genauer ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie durch ein System nach dem Anspruch 16.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe von Betriebsgrößen des Stromrichters der Verlauf von mindestens einer Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterbauelements ermittelt. Anhand dieses Verlaufs der Betriebstemperatur werden Temperaturzyklen der Betriebstemperatur ermittelt. In Abhängigkeit von den Temperaturzyklen wird ein Lebensdauerverbrauch des Leistungshalbleiterbauelements ermittelt.
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Insbesondere durch die Ermittlung des Verlaufs von mindestens einer Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterbauelements und der Ermittlung von Temperaturzyklen aus dieser Betriebstemperatur wird die Genauigkeit des ermittelten Lebensdauerverbrauchs wesentlich verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert also nicht auf einer einfachen Schätzung des Umfangs von Temperaturschwankungen, sondern auf einer von den Betriebsgrößen abhängigen und damit wesentlich genaueren Ermittlung von Temperaturzyklen. Die vorgenannten Ermittlungen können dabei vorzugsweise mit Hilfe von mathematischen thermisch/elektrischen Modellen durchgeführt werden. Auch dies erhöht die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Genauigkeit der ermittelten Alterung des Leistungshalbleiterbauelements ist damit insgesamt wesentlich größer als beim Stand der Technik.
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Dies ist gleichbedeutend damit, dass der Ablauf der Lebensdauer des Leistungshalbleiterbauelements wesentlich genauer ermittelt werden kann. Der gegebenenfalls erforderliche Austausch des Leistungshalbleiterbauelements kann damit nutzungsabhängig durchgeführt werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird bzw. werden der Verlauf von mindestens einer Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiterbauelements und/oder der Verlauf der Bodenplattentemperatur des Leistungshalbleiterbauelements ermittelt. Diese vorstehenden Temperaturen sind besonders gut dazu geeignet, als Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterbauelements ausgewertet zu werden. Insbesondere kann mit diesen Temperaturen eine besonders genaue Ermittlung des Lebensdauerverbrauchs beispielsweise von verschleißempfindlichen Bond- und Lötverbindungen im Inneren des Leistungshalbleiterbauelements erreicht werden.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Verlauf der Betriebstemperatur zum Zwecke der Ermittlung der Temperaturzyklen im Hinblick auf einen Temperaturhub und/oder im Hinblick auf einen zugehörigen Scheitelwert des Temperaturhubs und/oder im Hinblick auf eine Hubdauer des Temperaturhubs ausgewertet. Mit Hilfe dieser Kriterien ist es besonders einfach und zuverlässig möglich, aus dem Verlauf der Betriebstemperatur die betreffenden Temperaturzyklen zu ermitteln.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung des sogenannten Rainflow-Algorithmus. Auf diese Weise können auch unterschiedliche überlagerte Temperaturzyklen aus dem Verlauf der Betriebstemperatur ermittelt werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden die Betriebsgrößen einer Datenaufbereitung zugeführt, und es wird bei einer Betriebsgröße, die eine Wechselgröße darstellt, beispielsweise bei dem Ausgangsstrom des Stromrichters, vorzugsweise der Effektivwert als Betriebsgröße verwendet. Durch diese Maßnahme kann die Frequenz, mit der die Betriebsgrößen in der Datenaufbereitung verarbeitet werden, auf einen Wert von einigen wenigen Hertz reduziert werden.
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Die Steuereinrichtung und die Datenaufbereitung können dabei besonders zweckmäßig als ein gemeinsames Rechengerät ausgebildet sein.
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Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden die Betriebsgrößen von der Datenaufbereitung vorzugsweise über das Internet an einen Historienspeicher gesendet und dort gespeichert.
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Die Ermittlung des Lebensdauerverbrauchs des Leistungshalbleiterbauelements wird dann vorzugsweise von einer Auswerteeinrichtung durchgeführt, die auf den Historienspeicher zugreift. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Ermittlung des Lebensdauerverbrauchs unabhängig von der Steuereinrichtung durchgeführt werden kann, vorzugsweise örtlich entfernt von der Steuereinrichtung. In diesem Fall kann in vorteilhafter Weise der Lebensdauerverbrauch von Leistungshalbleiterbauelementen einer Mehrzahl von vorzugsweise örtlich entfernt zueinander angeordneten Stromrichtern ermittelt werden.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der zugehörigen Figur dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Figur.
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Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln des Lebensdauerverbrauchs von mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement eines elektrischen Stromrichters.
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In der Figur ist ein elektrisches Energieversorgungsnetz 11 über einen elektrischen Umrichter 12 mit dem Rotor eines elektrischen Generators 13 verbunden. Der Stator des Generators 13 ist direkt oder über einen Transformator 14 mit dem Energieversorgungsnetz 11 verbunden.
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Bei dem Generator 13 handelt es sich um einen sogenannten doppelt-gespeisten Asynchrongenerator. Es versteht sich, dass auch ein anderer Generator-Typ zum Einsatz kommen kann.
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Das Energieversorgungsnetz 11 ist vorliegend dreiphasig ausgebildet, kann aber auch eine andere Anzahl von Phasen aufweisen. Entsprechendes gilt für den Umrichter 12 und den Generator 13.
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Der Generator 13 kann beispielsweise ein Bestandteil einer Windenergieanlage sein. In diesem Fall ist der Generator 13 mechanisch mit einem nicht-dargestellten Windrad verbunden. Wird der Generator 13 von dem Windrad angetrieben, so erzeugt er elektrische Energie. Mit Hilfe des Umrichters 12 kann die Energie in das Energieversorgungsnetz 11 eingespeist werden.
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Der Umrichter 12 weist einen netzseitigen Stromrichter 15, einen maschinenseitigen Stromrichter 16 und einen dazwischen angeordneten Zwischenkreis 17 auf. Der Zwischenkreis 17 ist dabei aus einem oder mehreren Kondensatoren aufgebaut. Die Kondensatoren können in Serie und/oder parallel geschaltet sein und/oder als Kondensatorbänke ausgebildet sein.
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Jeder der beiden Stromrichter 15, 16 weist eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf. Dabei kann es sich um IGBTs (IGBT = insulated gate bipolar transistor) oder Thyristoren oder GTO-Thyristoren (GTO = gate turn off) oder Dioden oder sonstige Leistungshalbleiterbauelemente handeln. Ebenfalls kann es sich dabei um Kombinationen derartiger Bauelemente handeln, beispielsweise um einen IGBT mit zugehöriger Freilaufdiode oder dergleichen.
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Unter dem Begriff „Leistungshalbleiterbauelement“ wird somit jegliches der vorgenannten Bauelemente einzeln oder in Kombination verstanden. Diese Leistungshalbleiterbauelemente können dabei als Module bzw. in Modulbauweise oder auf sonstige Weise hergestellt sein.
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Jeder der beiden Stromrichter 15, 16 kann als zwei- oder mehrstufige Stromrichterschaltung ausgebildet sein, beispielsweise als dreistufiger NPC-Stromrichter (NPC = neutral point clamped). Es versteht sich, dass auch andere Stromrichterschaltungen zum Einsatz kommen können.
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Jeder der beiden Stromrichter 15, 16 ist dazu geeignet, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und umgekehrt. Es kann dabei ein Energiefluss in beide Richtungen des Umrichters 12 auftreten. Die Gleichspannung liegt an dem Zwischenkreis 17 an. Mit Hilfe der beiden Stromrichter 15, 16 kann insbesondere die Frequenz der von dem Generator 13 erzeugten Wechselspannung an die Frequenz des Energieversorgungsnetzes 11 angepasst werden.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente der beiden Stromrichter 15, 16 werden von einer Steuereinrichtung 18 angesteuert. Dies ist in der Figur durch die Pfeile 19 dargestellt. Insbesondere werden die Leistungshalbleiterbauelemente von der Steuereinrichtung 18 leitend bzw. sperrend geschaltet.
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Der Steuereinrichtung 18 sind eine Mehrzahl von Betriebsgrößen der beiden Stromrichter 15, 16 zugeführt. Dies ist in der Figur durch die Doppelpfeile 20 dargestellt. Die einzelnen Betriebsgrößen können durch Messungen und/oder durch Berechnungen oder dergleichen ermittelt werden.
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Beispielsweise sind der Steuereinrichtung 18 die Gleichspannung am Zwischenkreis 17 und/oder der Ausgangsstrom des jeweiligen Stromrichters 15, 16 und/oder die Pulsfrequenz, mit der die Leistungshalbleiterbauelemente des jeweiligen Stromrichters 15, 16 angesteuert werden, und/oder die Ausgangs-Grundschwingungsfrequenz und/oder der Lastwinkel und/oder der Modulationsgrad des jeweiligen Stromrichters 15, 16 und/oder die Energieflussrichtung der beiden Stromrichter 15, 16 und/oder dergleichen zugeführt oder werden von der Steuereinrichtung 18 ermittelt.
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Bei den Wechselgrößen, also insbesondere bei dem vorgenannten Ausgangsstrom des jeweiligen Stromrichters 15, 16, wird vorzugsweise ein Effektivwert als Betriebsgröße verwendet, und bei Gleichgrößen, also beispielsweise bei der Gleichspannung am Zwischenkreis 17, wird vorzugsweise ein Momentanwert oder ein Mittelwert als Betriebsgröße verwendet.
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Als weitere Betriebsgröße kann die Temperatur eines Kühlkörpers eines Leistungshalbleiterbauelements bzw. des zugehörigen Moduls vorgesehen sein. Diese Temperatur kann beispielsweise mit Hilfe eines entsprechend angeordneten Temperatursensors gemessen werden.
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Es versteht sich, dass auch andere oder weitere Betriebsgrößen der Steuereinrichtung 18 zugeführt sein können. Dabei kann es sich nicht nur um Betriebsgrößen des Umrichters 12 handeln, sondern auch um Betriebsgrößen des Energieversorgungsnetzes 11 und/oder des Generators 13 und gegebenenfalls auch der übrigen Windenergieanlage.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente der beiden Stromrichter 15, 16 des Umrichters 12 werden derart von der Steuereinrichtung 18 angesteuert, dass die von dem Generator 13 erzeugte Energie in das Energieversorgungsnetz 11 eingespeist wird. Die Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente erfolgt dabei in Abhängigkeit von den zugeführten Betriebsgrößen. Der Ansteuerung können ein oder mehrere Steuerungs- und/oder Regelungsverfahren zugrundeliegen.
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Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass die in der Figur dargestellte Zusammenschaltung des Energieversorgungsnetzes 11, des Umrichters 12 und des Generators 13 auch andersartig ausgebildet sein kann. So ist beispielsweise auch eine Reihenschaltung des Energieversorgungsnetzes, des Umrichters und des Generators denkbar, wobei dann insbesondere ein Synchrongenerator zum Einsatz kommen würde.
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Ebenfalls wird darauf hingewiesen, dass auch der Umrichter 12 andersartig ausgebildet sein kann. So ist es beispielsweise bei der vorgenannten Reihenschaltung gegebenenfalls denkbar, dass der Umrichter aus einem Dioden-Gleichrichter und einem Wechselrichter aufgebaut ist, wobei dann nur der Wechselrichter mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterbauelementen versehen ist.
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Weiterhin versteht es sich, dass anstelle des Generators 13 auch ein Elektromotor vorhanden sein kann. In diesem Fall wird der Elektromotor mit Hilfe der Energie aus dem Energieversorgungsnetz 11 angetrieben. Der Umrichter 12 dient dann unter anderem der Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Elektromotors. Der Umrichter 12 und der Elektromotor können dabei insbesondere eine Reihenschaltung bilden, wobei dann der Umrichter wiederum aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter aufgebaut sein kann.
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Im vorliegenden, anhand der Figur beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die erläuterten, der Steuereinrichtung 18 zugeführten Betriebsgrößen an eine Datenaufbereitung 21 übermittelt. Die Betriebsgrößen werden dann von der Datenaufbereitung 21 aufbereitet und versendet.
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Die Steuereinrichtung 18 und die Datenaufbereitung 21 können auf einem gemeinsamen Rechengerät vorhanden sein. Es ist aber auch möglich, dass die Steuereinrichtung 18 und die Datenaufbereitung 21 getrennt voneinander und gegebenenfalls örtlich entfernt voneinander ausgebildet sind.
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Im Hinblick auf die Aufbereitung der Betriebsgrößen wird davon ausgegangen, dass der jeweils aktuelle Wert von jeder der Betriebsgrößen fortlaufend mit einer bestimmten Abtastfrequenz der Datenaufbereitung 21 zugeführt wird. Die Datenaufbereitung 21 speichert die Betriebsgrößen mit einer Frequenz von vorzugsweise einigen Hertz, beispielsweise 2 Hz. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass es für die Datenaufbereitung 21 erkennbar ist, zu welchem der beiden Stromrichter 15, 16 die jeweilige Betriebsgröße zugehörig ist und/oder ob es sich um eine Betriebsgröße des Energieversorgungsnetzes 11 und/oder des Generators 13 handelt.
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Zur Aufbereitung der Betriebsgrößen ordnet die Datenaufbereitung 21 jeder der zu speichernden Betriebsgrößen einen bestimmten Zeitstempel und einen bestimmten Herkunftsstempel zu. Der Zeitstempel kennzeichnet den Zeitpunkt der Speicherung der jeweiligen Betriebsgröße durch die Datenaufbereitung 21 und der Herkunftsstempel kennzeichnet, woher die jeweilige Betriebsgröße stammt. Der Zeitstempel und der Herkunftsstempel sind dabei derart ausgebildet, dass mit ihrer Hilfe jederzeit eine zeitliche und örtliche Zuordnung der jeweiligen Betriebsgröße möglich ist. Im Hinblick auf den Zeitstempel ist es dabei möglich, dass hier keine absolute Zeitangabe vorhanden ist, sondern nur die Zuordnung der jeweiligen Betriebsgröße zu einem bestimmten Zeitintervall.
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Die aufbereiteten Betriebsgrößen werden dann von der Datenaufbereitung 21 an einen Historienspeicher 22 übersandt. Der Historienspeicher 22 ist vorzugsweise örtlich getrennt von der Steuereinrichtung 18 und der Datenaufbereitung 21 angeordnet. Insbesondere kann die Versendung der Betriebsgrößen über das Internet 23 erfolgen. Das Senden der Betriebsgrößen kann beispielsweise paketorientiert erfolgen. Der Zeitpunkt des Sendens der einzelnen Betriebsgrößen durch die Datenaufbereitung 21 ist dabei unabhängig von dem Abruf der jeweiligen Betriebsgrößen aus der Steuereinrichtung 18.
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So ist es möglich, dass die Betriebsgrößen von der Datenaufbereitung 21 über eine Zeitdauer gesammelt werden, um dann als gemeinsamer Übertragungsblock von der Datenaufbereitung 21 an den Historienspeicher 22 gesendet zu werden. Gegebenenfalls können die Betriebsgrößen auch von der Steuereinrichtung 18 gesammelt und als Block an die Datenaufbereitung 21 übermittelt werden.
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Es ist eine Auswerteeinrichtung 24 vorhanden, die mit dem Historienspeicher 22 verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung 24 und der Historienspeicher 22 können als ein gemeinsames Rechengerät ausgebildet sein, das insbesondere entfernt von der Steuereinrichtung 18 und/oder der Datenaufbereitung 21 örtlich angeordnet ist. Vorzugsweise kann es sich dabei um ein Rechengerät mit einer großen Speicher- und Rechenkapazität handeln. Alternativ können die Auswerteeinrichtung 24 und der Historienspeicher 22 auch völlig unabhängig voneinander, insbesondere als getrennte Rechengeräte, an unterschiedlichen Orten vorgesehen sein.
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Von der Auswerteeinrichtung 24 werden bestimmte Betriebsgrößen aus dem Historienspeicher 22 abgerufen und verarbeitet.
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Dabei handelt es sich um Betriebsgrößen, die einem bestimmten Zeitintervall angehören. Diese Zuordnung von Betriebsgrößen zu dem erwünschten Zeitintervall kann dabei mit Hilfe des Zeitstempels vorgenommen werden. Weiterhin kann es sich bei den bestimmten Betriebsgrößen nur um die Betriebsgrößen von einem der beiden Stromrichter 15, 16 handeln. Diese Zuordnung kann mit Hilfe des Herkunftsstempels vorgenommen werden.
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Die dem erwünschten Zeitintervall und gegebenenfalls dem erwünschten Stromrichter zugehörigen und von der Auswerteeinrichtung 24 abgerufenen Betriebsgrößen werden mit Hilfe eines mathematischen thermisch/elektrischen Modells verarbeitet. Das thermisch/elektrische Modell ist dabei dazu vorgesehen, das Betriebsverhalten eines elektrischen Stromrichters sowie die Auswirkungen auf die relevanten Temperaturverläufe nachzubilden.
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Mit Hilfe des mathematischen thermisch/elektrischen Modells ist es insbesondere möglich, den Verlauf von zumindest einer Betriebstemperatur eines Leistungshalbleiterbauelements des Stromrichters während des erwünschten Zeitintervalls nachzuvollziehen. Bei der vorgenannten Betriebstemperatur handelt es sich dabei insbesondere um eine Temperatur, die im Inneren des Leistungshalbleiterbauelements vorhanden ist.
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Von der Auswerteeinrichtung 24 kann dann auf dieser Grundlage der zeitliche Verlauf der thermischen Beanspruchung der Leistungshalbleiterbauelemente des Stromrichters nachgebildet bzw. rekonstruiert werden.
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Vorzugsweise wird bzw. werden von der Auswerteeinrichtung 24 der Verlauf von mindestens einer Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente und/oder der Verlauf der Bodenplattentemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente des erwünschten Stromrichters während des erwünschten Zeitintervalls ermittelt. Diese Ermittlung wird von der Auswerteeinrichtung 24 in Abhängigkeit von den abgerufenen Betriebsgrößen des entsprechenden Zeitintervalls und gegebenenfalls des entsprechenden Stromrichters durchgeführt.
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Bei dem Verlauf/den Verläufen der Betriebstemperatur/en bzw. insbesondere der/den Sperrschichttemperatur/en und/oder der Bodenplattentemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente handelt es sich jeweils um einen Mittelwert für alle Leistungshalbleiterbauelemente des jeweils vorgesehenen Stromrichters.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden von der Auswerteeinrichtung 24 die Sperrschichttemperatur/en der Leistungshalbleiterbauelemente sowie die Bodenplattentemperatur ermittelt. Danach wird von der Auswerteeinrichtung 24 der Verlauf der ermittelten Sperrschichttemperatur/en und/oder der ermittelten Bodenplattentemperatur ausgewertet.
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Insbesondere wird der Verlauf der jeweiligen Temperatur innerhalb des untersuchten Zeitintervalls im Hinblick auf die Erkennung von einem oder mehreren Temperaturzyklen untersucht. Zu diesem Zweck wird der Verlauf der jeweiligen Temperatur beispielsweise im Hinblick auf einen Temperaturhub und/oder einen zugehörigen Scheitelwert und/oder im Hinblick auf eine Hubdauer des jeweiligen Temperaturhubs ausgewertet.
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Bei dieser Untersuchung der einzelnen Temperaturverläufe kann gegebenenfalls der sogenannte Rainflow-Algorithmus zur Anwendung kommen. Dieser Algorithmus ist dazu geeignet, aus einem Signalverlauf bestimmte relevante Größen, beispielsweise den Signalhub, herauszufiltern. Gegebenenfalls kann der Algorithmus auch darauf ausgerichtet oder erweitert sein, zusätzlich oder alternativ die Dauer eines Signalhubs und/oder den Scheitelwert eines Signalhubs zu erkennen. Auf diese Weise ist es mit Hilfe des Rainflow-Algorithmus möglich, die vorgenannten Temperaturzyklen zu erkennen.
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Mit Hilfe der Auswertung der Sperrschichttemperatur/en und/oder der Bodenplattentemperatur und der daraus resultierenden Erkennung von Temperaturzyklen können von der Auswerteeinrichtung 24 thermische Wechsellasten an den Leistungshalbleiterbauelementen ermittelt werden. Derartige thermische Wechsellasten sind für die Alterung der Leistungshalbleiterbauelemente von besonderer Bedeutung.
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Nunmehr wird von der Auswerteeinrichtung 24 für die einzelnen Temperaturzyklen ermittelt, welche Alterung der jeweilige Temperaturzyklus für ein Leistungshalbleiterbauelement zur Folge hat.
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Hierzu wird davon ausgegangen, dass ein Leistungshalbleiterbauelement in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen eine bestimmte Lebensdauer besitzt, die vorab mit Hilfe von Versuchen oder durch Modellrechnungen ermittelbar ist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass jeder Temperaturzyklus, der von dem Leistungshalbleiterbauelement durchlaufen wird, einen bestimmten Lebensdauerverbrauch zur Folge hat. Dieser Lebensdauerverbrauch stellt letztlich die Alterung des Leistungshalbleiterbauelements dar. Die Lebensdauerverbräuche der einzelnen Temperaturzyklen sind dabei an sich unterschiedlich und hängen beispielsweise von dem Scheitelwert und/oder der Hubdauer des jeweiligen Temperaturzyklus ab. Die Lebensdauerverbräuche der einzelnen Temperaturzyklen addieren sich auf, so dass nach einer Anzahl von Temperaturzyklen die Lebensdauer des Leistungshalbleiterbauelements verbraucht ist.
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Auf dieser Grundlage ermittelt die Auswerteeinrichtung 24 den Lebensdauerverbrauch jedes einzelnen Temperaturzyklus insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen Hubdauer und/oder dem jeweiligen Scheitelwert. Die Lebensdauerverbräuche aller Temperaturzyklen des erwünschten Zeitintervalls werden dann von der Auswerteeinrichtung 24 aufaddiert. Der erhaltene Lebensdauerverbrauch stellt die Alterung der Leistungshalbleiterbauelemente während des betroffenen Zeitintervalls dar.
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Sofern vorhanden, so dient der Rainflow-Algorithmus der Filterung und Erkennung von Temperaturzyklen. Auf dieser Grundlage ist es im Zusammenhang mit dem Rainflow-Algorithmus möglich, anstelle der erläuterten Addition der Lebensdauerverbräuche die Temperaturzyklen zu bewerten und dann die Anzahl der erkannten Temperaturzyklen zu zählen. Diese gezählte und bewertete Anzahl der Temperaturzyklen entspricht dann dem Lebensdauerverbrauch bzw. der Alterung der Leistungshalbleiterbauelemente.
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Wie bereits erwähnt, besitzen die Leistungshalbleiterbauelemente eine bestimmte Lebensdauer. Diese Lebensdauer wird üblicherweise von dem Hersteller der Leistungshalbleiterbauelemente insbesondere typspezifisch angegeben. Die Auswerteeinrichtung 24 subtrahiert nunmehr den ermittelten Lebensdauerverbrauch von der vorgenannten Lebensdauer (bzw. – wie noch erläutert werden wird – von der zuletzt ermittelten, verbleibenden Restlebensdauer). Das Ergebnis stellt dann die verbleibende Restlebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente dar.
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Sofern die Lebensdauerverbräuche mit Hilfe der Bewertung und Zählung der Temperaturzyklen ermittelt werden, dann wird die bewertete und gezählte Anzahl der Temperaturzyklen mit einer der Lebensdauer zugehörigen Anzahl von Temperaturzyklen verglichen. Die der Lebensdauer entsprechende Anzahl von Temperaturzyklen wird dabei ebenfalls üblicherweise vom Hersteller der Leistungshalbleiterbauelemente angegeben. Auch hier stellt dann das Ergebnis des Vergleichs die verbleibende Restlebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente dar.
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Die vorgenannte verbleibende Restlebensdauer stellt letztlich die noch vorhandene Brauchbarkeitsdauer der Leistungshalbleiterbauelemente dar. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Leistungshalbleiterbauelemente im Wesentlichen nur noch die genannte Restlebensdauer brauchbar sind, kurz vor dem Erreichen oder spätestens nach Ablauf dieser Restlebensdauer jedoch vorzugsweise ersetzt werden sollten.
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Bei der vorstehend erläuterten Ermittlung des Lebensdauerverbrauchs wird davon ausgegangen, dass alle Leistungshalbleiterbauelemente des betreffenden Stromrichters im Wesentlichen gleichartig belastet werden. Insoweit wird darauf hingewiesen, dass der vorgenannte Lebensdauerverbrauch, wie auch die erwähnte Lebensdauer jeweils einen Mittelwert für alle Leistungshalbleiterbauelemente des betroffenen Stromrichters darstellen. Die ermittelte Restlebensdauer stellt damit ebenfalls einen Mittelwert für alle Leistungshalbleiterbauelemente des betroffenen Stromrichters dar.
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Der ermittelte Lebensdauerverbrauch für das betroffene Zeitintervall und/oder die verbleibende Restlebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente wird von der Auswerteeinrichtung 24 an den Historienspeicher 22 zurückgesandt und dort gespeichert. Gegebenenfalls werden auch andere oder weitere entsprechende Zustandsgrößen von der Auswerteeinrichtung 24 ermittelt und an den Historienspeicher 22 übersandt, die in vergleichbarer Weise die Alterung der Leistungshalbleiterbauelemente charakterisieren, und/oder die eine korrekte Aneinanderreihung mehrerer Zeitintervalle unterstützen.
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Das vorstehend erläuterte Verfahren wird zu bestimmten Zeitpunkten und/oder fortlaufend für insbesondere aufeinanderfolgende Zeitintervalle von der Auswerteeinrichtung 24 durchgeführt. Der von der Auswerteeinrichtung 24 dabei für ein bestimmtes Zeitintervall ermittelte Lebensdauerverbrauch wird dabei immer von der zuletzt ermittelten, verbleibenden Restlebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente subtrahiert.
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Durch die Subtraktion der Lebensdauerverbräuche der aufeinanderfolgenden Zeitintervalle wird damit die verbleibende Restlebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente über der Zeit immer kleiner.
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Die ermittelte Restlebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente des betroffenen Stromrichters kann nunmehr von der Auswerteeinrichtung 24 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Unterschreitet die Restlebensdauer den Schwellwert, so wird von der Auswerteeinrichtung 24 eine Meldung beispielsweise in optischer und/oder akustischer Form erzeugt. Dies ist in der Figur durch den Pfeil 25 dargestellt.
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Alternativ kann die Auswerteeinrichtung 24 auch eine elektronische Meldung auslösen, beispielsweise eine Email oder eine SMS (SMS = short message service), die dann an eine vorab festgelegte Adresse übersandt wird.
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Zusätzlich oder alternativ zu der Ermittlung des Mittelwerts der verbleibenden Restlebensdauer für alle Leistungshalbleiterbauelemente ist es möglich, die verbleibende Restlebensdauer für eine Gruppe von Leistungshalbleiterbauelementen und/oder für ein einzelnes Leistungshalbleiterbauelement zu ermitteln. Hierzu wird die elektrische Schaltung des betreffenden Stromrichters herangezogen, also die Art und Weise, wie die einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente des Stromrichters miteinander verschaltet sind. Aus der elektrischen Schaltung kann abgeleitet werden, ob bzw. in welchem Umfang eine Gruppe von funktionsgleichen Leistungshalbleiterbauelementen und/oder ein bestimmtes Leistungshalbleiterbauelement des Stromrichters hinsichtlich seiner thermischen Belastung von dem angenommenen Mittelwert abweicht. Unter Berücksichtigung dieser Abweichung kann dann der Lebensdauerverbrauch bzw. die verbleibende Restlebensdauer für diese Gruppe von Leistungshalbleiterbauelementen und/oder für dieses bestimmte Leistungshalbleiterbauelement in entsprechender Weise ermittelt werden, wie dies bereits für den Mittelwert aller Leistungshalbleiterbauelemente erläutert wurde.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Auswerteeinrichtung 24 nicht nur für die Ermittlung des Lebensdauerverbrauchs eines einzelnen Stromrichters oder eines einzelnen Umrichters vorgesehen sein kann, sondern dass die Auswerteeinrichtung 24 auch einer Mehrzahl von Stromrichtern bzw. Umrichtern zugeordnet sein kann. Die genannte Mehrzahl von Stromrichtern bzw. Umrichtern kann dabei örtlich voneinander entfernt angeordnet sein. In dem Historienspeicher 22 können dann die Betriebsgrößen dieser Mehrzahl von Stromrichtern bzw. Umrichtern abgespeichert werden.
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Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 24 einer Mehrzahl von Windenergieanlagen eines Windparks und damit einer Vielzahl von Umrichtern zugeordnet sein.
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In diesem Fall ist es zusätzlich zu der Ermittlung von Lebensdauerverbräuchen bzw. Restlebensdauern möglich, die insgesamt in dem Historienspeicher 22 vorliegenden Daten in übergeordneter Weise auszuwerten. Insbesondere können die Daten statistisch ausgewertet werden. Damit ist es unter anderem möglich, das erläuterte Verfahren zu adaptieren. Beispielsweise ist es möglich, die von dem Hersteller üblicherweise vorgegebene typspezifische Lebensdauer eines Leistungshalbleiterbauelements oder einer Freilaufdiode in Abhängigkeit von den vorhandenen Daten zu verändern bzw. anzupassen.
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Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Auswerteeinrichtung 24 auch als sogenanntes verteiltes System ausgeführt sein kann, um insbesondere die Rechenkapazität zu erhöhen. Dieses verteilte System kann auf unterschiedlichen Rechengeräten implementiert sein. Es ist aber auch möglich, dass das verteilte System in der Form von mehreren virtuellen Rechner auf demselben Rechengerät vorhanden ist.
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Schließlich wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem erläuterten Lebensdauerverbrauch und der erläuterten Restlebensdauer um relative oder absolute Größen handeln kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6405154 B1 [0002]
- JP 2007028741 A [0003]
