Einflüsse auf die Lebensdauer der Leistungselektronik Bericht B23 des HTG-Fachausschusses »Hafenumschlagtechnik« (AHU) Vorwort Die Lebensdauer eines Kranes wird bestimmt durch die Auslegung und durch die Nutzung des Kranes. Sie kann deutlich länger sein als die Lebensdauer der dort verbauten elektronischen Komponenten. Eine wichtige Komponente auf dem Kran ist die in den Antriebsschränken eingesetzte Leistungselektronik. In der nachfolgenden Betrachtung werden die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Leistungselektronik und ihre Auswirkungen auf deren Lebensdauer beschrieben. Dieser Bericht ergänzt die bisherigen Veröffentlichungen des Ausschusses für Hafenumschlagtechnik der HTG. Der Bericht ist online abrufbar unter: https://www.htg-online.de/fachausschuesse/hafenumschlagtechnik/veroeffentlichungen/das-blaue-buch/ Abb. 1: Einflussfaktoren auf die Lebensdauer der Leistungselektronik 1. Einflussfaktoren auf die Lebensdauer der Leistungselektronik In Abbildung 1 sind die Faktoren dargestellt, die einen Einfluss auf die Lebensdauer der Leistungselektronik haben. Diese Faktoren gliedern sich in die Betriebsparameter, die Umgebungsbedingungen und die elektrische und mechanische Auslegung. Orange eingefärbte Faktoren verkürzen, grün eingefärbte Faktoren verlängern die Lebensdauer. Mittelbar haben auch die Ersatzteilverfügbarkeit und die Ersatzteilbevorratung im Fall des Produktauslaufes einen Einfluss auf die mögliche Nutzungsdauer der elektrischen Ausrüstung. Elektrische Spannung Die Stabilität der Spannung wird im Wesentlichen durch die Kurzschlussleistung des Versorgungsnetzes bestimmt. Ist die Leistung des Versorgungsnetzes nicht ausreichend für alle angeschlossenen Verbraucher dimensioniert, kann es zu Funktionsstörungen bis hin zu Zerstörungen von Bauteilen führen. Bei Anschluss von zusätzlichen elektrischen Anlagen oder Änderungen des Versorgungsnetzes sind die Kurzschlussleistung und die Netzstabilität erneut für jeden Kran zu prüfen. Das Spannungsniveau für die Leistungselektronik wird vom Elektroausrüster gewählt. Strom Aus den vom Betreiber vorgegebenen zu bewegenden Lasten folgt das Lastkollektiv. Aus Fahrweg, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen folgt das Fahrspiel. Die Beschleunigungs- und Bremsrampen sind neben den Vorgaben des Betreibers auch abhängig vom Design der Antriebsstränge des Kranes. Aus Lastkollektiv und Fahrspiel ergeben sich der Drehmomentverlauf und 2. Betriebsparameter Die Betriebsparameter werden überwiegend durch die Vorgaben des Betreibers und den daraus abgeleiteten Anforderungen des Kranherstellers an den Elektroausrüster definiert. 2.1 Berücksichtigung der Betriebsparameter Die wichtigsten elektrischen Parameter für die Leistungselektronik sind Spannung und Strom. Betreiber Kranhersteller Elektroausrüster Kurzschlussleistung des Versorgungsnetzes x Spannungsniveau x Lastkollektivvorgabe x Fahrspiel (manuell) x Fahrspiel (automatisch) x x Konfiguration des Antriebsstranges x Beschleunigungs- und Bremsrampen x x x Feldschwächkurve x x x Tab. 1: Für die Dimensionierung der Leistungselektronik zugrunde zu legende Betriebsparameter Das »x« kennzeichnet, wer für die Vorgaben der angegebenen Betriebsparameter verantwortlich ist 92 HANSA International Maritime Journal – 155. Jahrgang – 2018 – Nr. 3
damit der erforderliche Stromverlauf. Starke Schwankungen im Stromverlauf bestimmen die Wechsellast, die Höhe des Dauerstromes bestimmt die Grundlast. Beide haben Einfluss auf die thermische Beanspruchung und damit auf die Lebensdauer der Leistungselektronik. Für die Dimensionierung der Leistungselektronik sind die in Tabelle 1 dargestellten Betriebsparameter ausschlaggebend. 2.2 Einhaltung der Betriebsparameter während des Betriebes Änderungen der Betriebsparameter sind mit dem Kranhersteller und dem Elektroausrüster abzustimmen. Die auf Basis der Betriebsparameter erfolgten Einstellungen der Leistungselektronik dürfen vom Betreiber nicht ohne Rücksprache mit dem Elektroausrüster verändert werden. 3. Einfluss der elektrischen Auslegung Die Auswahl der Leistungselektronik basiert auf den Spannungen und Strömen, die sich aus den schon genannten Betriebsparametern ergeben. Zusätzlich sind die in Tabelle 2 zusammen gefassten Faktoren zu berücksichtigen. 4. Umgebungsbedingungen und andere äußere Einflüsse Neben den oben genannten Betriebsparametern haben die Umgebungsbedingungen Einfluss auf die Lebensdauer der Leistungselektronik. Die Umgebungsbedingungen sind durch den Betreiber zu spezifizieren und deren Einfluss durch den Hersteller zu berücksichtigen. Die Klimabedingungen und weitere Besonderheiten am Einsatzort sind vom Betreiber bereits mit der Anfrage für den Kran oder die Elektroausrüstung dem Hersteller mitzuteilen (Tab. 3). Die Vorgaben für Lagerung, Transport, Montage und Betrieb der Komponenten erfolgen durch die Hersteller. Zu den mechanischen Einflüssen gehören auch Stöße und Vibrationen aus ungeplanten Abschaltungen (Tab. 4). Chemische Einflüsse können starke Korrosion, auch der Kupferteile, und damit einen Ausfall der Bauteile verursachen. Elektrisch leitender Staub kann zu Kurzschluss mit Lichtbogen oder anderen Fehlfunktionen führen (Tab. 5). Betreiber Gewählte Nennspannungen und Toleranzen Maßnahmen gegen Spannungsspitzen (Filter, Überspannungsableiter) x x Dimensionierung Nenn- und Spitzenstrom gemäß den Vorgaben der Hersteller der x Leistungselektronik Auslegungsreserve x x De-Rating*, d.h. Reduzierung der verfügbaren Leistung Tab. 2: Weitere Einflüsse auf die elektrische Auslegung der Leistungselektronik Das »x« kennzeichnet, wer für die Berücksichtigung der jeweiligen Faktoren verantwortlich ist Bei der Dimensionierung der Leistungselektronik kann zwischen Betreiber und Elektroausrüster eine Auslegungsreserve vereinbart werden. *Gemäß Hersteller ist ein De-Rating zu beachten bei: • der Kühllufttemperatur, in der Regel über 40°C • der Aufstellungshöhe, in der Regel ab 1000 m • der Parallelschaltung von Leistungsteilen • der Pulsfrequenz • der Wechsellast Chemische Einflüsse, Verschmutzung Gase, z.B. Abgase Schwefeldioxid salzhaltige Luft Stäube Betriebsbedingte Verschmut zung, wie Fett, Abrieb der Bremsbeläge x • dem häufigen Betrieb mit kleiner Ausgangsfrequenz unter 10Hz (kleine Ausgangsfrequenzen sind für geringe Drehzahlen notwendig, wie z.B. Halten der Last mit offener Bremse; Positionierbetrieb) Betreiber Betreiber x x x x x Elektroausrüster Kranhersteller Elektroausrüster Mechanische Einflüsse Transport x x Lagerung x x Montage x x Betrieb x Vibrationen x x x Sachgemäße Instandhaltung x Ungeplante Abschaltungen x x x Tab. 4: Mechanische Einflüsse auf die Krankomponenten Das »x« kennzeichnet, wer für die Berücksichtigung der jeweiligen Einflüsse verantwortlich ist Tab. 5: Chemische Einflüsse auf die Krankomponenten und Verschmutzungen Das »x« kennzeichnet, wer für die Vorgaben der jeweiligen Einflüsse verantwortlich ist Kranhersteller Elektroausrüster x Betreiber Kranhersteller Klimabedingungen und weitere Besonderheiten Luftfeuchtigkeit x Luftdruck x Temperaturschwankung, Umgebungstemperatur x UV-Strahlung x Externe elektromagnetische Einflüsse x Tab. 3: Klimabedingungen und weitere Besonderheiten am Kraneinsatzort Das »x« kennzeichnet, wer für die Vorgaben der jeweiligen Einflüsse verantwortlich ist Elektroausrüster Kranhersteller HANSA International Maritime Journal – 155. Jahrgang – 2018 – Nr. 3 93
