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Errergersystem Synchrongenerator

Entwicklung eines digital geregelten, passiv gekühlten Erregersystems für Synchrongeneratoren in Schiffsbordnetzen

Digital geregelte Netzteile finden durch ihre Vielzahl an Vorteilen in immer mehr Bereichen Einsatz. Auch für Erregersysteme von Synchronmaschinen wiegen die Vorteile die erhöhten Entwicklungskosten auf. Diese liegen in der besseren Kontrolle über die Regelung an sich, aber auch im Bereich einer überlagerten Steuerung, Wartung und Zuverlässigkeit. Hier können Betriebszustände überwacht und aufgezeichnet werden, um an ein steuerndes System gemeldet zu werden und so die Ausfallsicherheit zu verbessern.

Im Zuge eines Verbundprojektes soll ein digital geregeltes Erregersystem mit 2,5 kW Ausgangsleistung für Synchrongeneratoren mit bis zu 50 MW entwickelt werden. Es wird für den Betrieb in Schiffsbordnetzen konzipiert und soll bereits vorhandene Systeme ersetzen können. In Abb. 1 ist der Systemaufbau schematisch dargestellt.

Eine wichtige Voraussetzung ist die rein passive Kühlung, um auf fehleranfällige mechanische Komponenten verzichten zu können. Ebenso sollen bis zu drei der zu entwickelnden Leistungsteile parallel geschaltet werden können, um die Ausgangsleistung zu erhöhen oder Redundanz zu schaffen. Durch die Anforderung, vorhandene Systeme ersetzen zu können, ist als Bauform ein 19“-Gehäuse mit 1,5 HE vorgegeben. Dies begrenzt die verfügbare Kühlfläche auf die beiden Außenseiten des Gerätes.

Überschlagsrechnungen und Simulationen in der ersten Projektphase zeigten bereits, dass die anfallende Verlustleistung der begrenzende Faktor für die Ausgangsleistung des Systems sein wird. Daher liegt ein Fokus darauf, diese zu minimieren und mit den verfügbaren Kühlmöglichkeiten bestmöglich abzuführen.

Die Verwendung eines „interleaved“-Konzeptes ermöglicht es, die Leistungshalbleiter auf die beiden Kühlkörper zu verteilen, was vorteilhaft für die Abführung der Wärme ist. Durch die resultierende Aufteilung des Laststromes können die Leistungshalbleiter außerdem kleiner ausgelegt werden.

In einer Simulation wurden zunächst nur die Verluste eines der beiden Leistungsschaltermodule betrachtet. In Abb. 2 sind die Ergebnisse für den Einsatz eines Si-IGBT Moduls dargestellt. Zu sehen sind die Temperatur eines Leistungshalbleiters, des Kühlkörpers sowie die Verlustleistung, aufgeteilt in Durchlass- und Schaltverluste. Es wurden kleinere Zeitkonstanten gewählt, um nach kürzerer Zeit den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Die Endtemperatur von über 100 °C zeigt, dass die Grenzen der Kühlleistung erreicht werden und eine weitere Leistungssteigerung ohne weiteres nicht möglich sein wird. Im realen Aufbau würden zusätzliche Verluste durch den Gleichrichter entstehen.

Ein vielversprechender Optimierungsansatz wäre der Einsatz von SiC-MOSFETs anstatt der Si-IGBTs. Diese bieten wesentlich geringere Schaltverluste und, bei geringeren Strömen, kleinere Durchlassverluste. Abb. 3 zeigt die Temperatur sowie die Schalt- und Durchlassverluste eines gleichwertigen SiC-MOSFET Moduls. Unter den gleichen Einsatzbedingungen ist eine deutliche Reduzierung der Abwärme durch die geringeren Verluste zu erkennen.

Es könnte also eine Steigerung der Ausgangsleistung nur mit dem Austausch der Leistungsschalter durch moderne SiC-Bauelemente erreicht werden.