Gefahrenzulage für Umrichter

Umrichter - Hart am Wind arbeiten ist nicht alles, was Umrichter in der Windenergie leisten müssen. Leistungselektronik der Megawatt-Klasse reist oft rund um die Erde in windige Regionen. Sie muss also auch als Globetrotter mechanisch höchst belastbar sein. Bevor sie auf Reise geht, wird sie harten Tests unterzogen.

15. September 2005

Windenergieanlagen müssen starken mechanischen Schwingungen trotzen. Erst einmal aber müssen all ihre Komponenten den Aufstellort unbeschadet erreichen. Bereits dies erfordert besondere Maßnahmen, zumal für kompakt aufgebaute Leistungselektronik in der Megawatt-Klasse. Nicht selten reisen Windenergie-Schaltanlagen um die halbe Welt, ehe sie installiert werden: Ein Paradebeispiel sind in Berlin konstruierte Systeme, die in Südostasien in Turmsegmenten montiert werden, um ihren Platz dann in einem Windpark in Indien, China oder Austra­lien zu finden. Auch sehr rauer Behandlung sollten sie auf den langen Wegen dorthin unbedingt gewachsen sein. Ihre mechanische Belastbarkeit galt es deshalb zu optimieren und vorab gründlich zu prüfen.

Risiko Transport

Statistisch nachweisbar zählen Transportunfälle, speziell Stöße, zu den wachsenden Risiken für die Beschädigung der Leistungselektronik für Windenergieanlagen. Die Konsequenzen können gravierend sein, wenn etwa ganze Teilbereiche eines Windparks erst verspätet ans Netz gehen können. Für die Alstom Power Conversion GmbH, seit zehn Jahren als unabhängiger Zulieferer für leistungselektronische Systeme in der Windenergie aktiv, haben entsprechende Gegenmaßnahmen zunehmend an Bedeutung gewonnen.

Über Stock und Stein

Zwar bleibt der ständige Druck zur Kostenoptimierung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung die vielleicht wichtigste Herausforderung in der Entwicklung. Doch hat sich die Optimierung der mechanischen Belastbarkeit daneben zu einer weiteren Schlüsselanforderung bei Konstruktion und Fertigung der Leistungselektronik entwickelt. Einen wichtigen Anstoß dazu gab ein Auftrag, bei dem mehrere Dutzend Systeme nach Südostasien verschifft und dort montiert werden sollten. Die Windenergie ist im Laufe der vergangenen zwanzig Jahre zu einer festen Größe der glo­balen Energiewirtschaft geworden. Windenergieanlagen finden sich immer öfter selbst in entlegenen Weltgegenden. Mit dem Erfolg und der weiten Verbreitung der Technologie wächst für die Branche unweigerlich die Bedeutung der Logistik: Zwangsläufig führt der Weg vieler Anlagen und Komponenten immer häufiger durch Länder mit schlechter Infrastruktur, und nicht nur bei Ver- und Umladevorgängen, sondern selbst noch bei der Endmontage und bei der Errichtung der Anlagen ist das Risiko ungünstiger Bedingungen und unsachgemäßer Handhabung gestiegen. Manche Anlage rumpelt nicht nur über Schlaglochpisten, sondern liegt dabei auch auf einem Hebezeug, dessen Lenker sich beim Rangieren wenig daran stört, hier und da entlangzuschrammen oder anzustoßen. Neben solchen Transportrisiken gerät fast außer Acht, dass außerdem natürlich auch später durch den Betrieb auftretende mechanische Schwingungen keine Auswirkung auf die Lebensdauer der Anlagen haben dürfen. Dabei werden in den nach außen immer imposan­teren Anlagen immer größere Kräfte wirksam. Zugleich aber wird die Leistungselektronik für die Megawatt-Klasse dank technologischer Fortschritte ständig kompakter.

Konstruiert und geprüft

Entsprechend anspruchsvoller gerät damit die Aufgabe, die Auswirkungen der Schwingungen so weit wie möglich zu neutralisieren. Solche Erwägungen markierten die grundsätzlichen Vorgaben für die mechanische Auslegung der neuen Umrichter, doch kamen mit dem konkreten Auftrag natürlich noch einige andere Spezifikationen hinzu. So war darauf zu achten, dass die Befestigung der Umrichter hängend im Turm vor­gesehen war. Die Segmente mit den so vormontierten Schränken sollten dann per Schiff und LKW bis zum Errichtungsort liegend transportiert werden. Bei der Umsetzung der entsprechenden mechanischen Verstärkungen griff Alstom sowohl auf eigene Erfahrungswerte aus anderen Anwendungen als auch auf das Know-how des Schaltschranklieferanten Rittal zurück, mit dem man bei der Konstruktion eng kooperierte. Angesichts des extrem weit entfernten Errichtungsorts waren - bei allem Vertrauen in die fertige Konstruktion - allerdings Prüfdurchläufe unverzichtbar. Nur so ließ sich belegen, dass das System allen realistisch zu erwartenden Belastungen auch tatsächlich standhalten würde. Ein unabhängiger Sachverständiger wurde damit beauftragt.

Prüfkriterien festgelegt

Zunächst wurden dann anhand der gegebenen Spezifikationen die Prüfkriterien für die Belastungsfälle Transport, Lagerung und Betrieb festgelegt:

¦ Prüfungen mit stationärer harmonischer Erregung; Amplitude des Schwingwegs und der Schwingbeschleunigung in Abhängigkeit vom Frequenzbereich,

¦ Prüfungen mit stationären stochastischen Erregungen; Spektrale Leistungsdichte der Beschleunigung in Abhän­gigkeit ?vom ?Frequenzbereich,

¦ Prüfungen mit Stößen; Maximalwerte der Beschleunigungen.

Die Eckwerte der Prüfungen ergaben sich durch die Auswahl verschiedener, für den jeweiligen Belastungsfall typischen Klassen nach EN 60721-3-1: Class 2M1/2M2 für den Transport, Class 1M1 für die Lagerung sowie Class 3M2 für den stationären Betrieb. Beachtung verdienen vor allem die besonders aussagekräftigen Prüfungen mit Stoßbelastungen, die ja auch die meisten Transportschäden verursachen. Für diese Prüfungen wurde ein Maximalwert von 10 g festgelegt.

Fall gut überstanden

Die Testreihen wurden als Fallprüfungen durchgeführt: Nach Anheben des Prüflings auf einer Seite wurde er frei auf eine Gummimatte fallen gelassen. Am Kopf und am Fuß des

Prüflings erfolgte der Aufprall in den Stoßrichtungen, in denen wesentliche Auswirkungen der Massenkräfte von schweren Komponenten, beispielsweise der Drosseln und Leistungsschalter, zu erwarten waren. Der Umrichter ALSPA ProWind hat bei diesen definierten Tests seine mechanische Festigkeit und fortdauernde Funktionstüchtigkeit erfolgreich nachgewiesen. Im Frequenzspektrum bis 200 Hz sind keine Resonanzen in ausgeprägter Form aufgetreten. Im Anschluss an die Falltests hat der Umrichter eine vollständige Systemprüfung ohne Beanstandungen durchlaufen.

Stefan Franko, Alstom Power Conversion

Erschienen in Ausgabe: 06/2005