Fordelene ved forudseende og tilstandsbaseret vedligehold i IGBT-systemer er særdeles store inden for jernbaneapplikationer, i elnettet og i den bæredygtige energiforsyning
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 7 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Thorsten Schmidt, Power Integrations
Forebyggende vedligehold har til formål at minimere utilsigtet downtime for vedligehold gennem opsamling og analyse af driftsdata, der skal identificere anormaliteter og mønstre for behaviour op til typiske nedbrudsforløb. Med den metode er det muligt at implementere en strategi, hvor man kan foregribe fejl ved at udføre reparationer, før fejlene opstår, så man undgår dyr uplanlagt downtime og vedligeholdsomkostninger. Mens forebyggende vedligehold er en ret ligetil metode, som kan udføres med afsæt i henholdsvis brug og tid, så er det såkaldte ”forudseende vedligehold” baseret på, at der kun gribes ind, når data for en given maskine giver anledning til bekymring.
En redaktionel kommentar til den sproglige forvirring, der kan opstå omkring begreberne, skulle nok være, at ”planlagt vedligehold” er det tidligere tids- og brugsbaserede, mens ”forudseende/forebyggende vedligehold” er baseret på analyse af opsamlede data og mønstergenkendelse. Lad os bare i det følgende kalde processen for ”forebyggende vedligehold” for ikke at forplumre begreberne yderligere.
Med afsæt i IGBT’er må man formode, at forebyggende vedligehold primært sker i højværdisystemer som tog, elnettets installationer og store bæredygtige energiforsyninger som vindturbiner og solcellefarme.
Studier udført af Siemens Mobility i brugen af forebyggende vedligehold i jernbaner har ført til nogle spændende konklusioner:
• Real-time data opsamlet fra tog i drift gør en meget præcis vedligeholdsplanlægning mulig kun med stop i depoterne, når det er nødvendigt – hverken for tidligt eller for sent. Det reducerer de uplanlagte depotstop og udbedringer med op til 30 procent.
• Datastyret, tilstandsbaseret vedligehold udvider intervallerne mellem service og eliminerer unødvendigt arbejde som for tidlig udskiftning af sliddele, hvilket reducerer vedligeholdsomkostningerne med op til 15 procent.
• Automatiske målinger og tilstandsbaseret vedligehold forhindrer intelligent og konsistent uplanlagt downtime, så vedligehold er baseret på de praktiske behov i stedet for de faste intervaller. Det sikrer en tilgængelighed til hele flåden af transportmidler med op til 100 procent.
IGBT kritisk for effektkonverterens levetid
I jernbanesystemer er IGBT-modulerne og driverne kritiske for levetiden af effektkonverterne. Visse leverandører stiller levetidsmodeller baseret på IGBT junction-temperaturerne til rådighed. Power Integrations, der er en førende virksomhed inden for gate driver-teknologi til mellem- og højspændings inverter-applikationer, inkluderer temperaturrapportering side om side med mange andre sensorer i flere af virksomhedens gate drivere. Power Integrations bruger dog en foretrukken metode, hvor virksomheden måler gate-spændingen. Hvis gate-spændingen falder, er det et klart bevis på ældning af elektronikken.
Måling af gate-spænding er en metode, der er diskuteret indgående i to IEEE-papers, ”Online Degradation State Assessment Methodology for Multi-Mode Failures of Insulated Gate Bipolar Transistor” og ”A Failure Detection Strategy for IGBT Based on Gate-Voltage Behaviour Applied to a Motor Drive System”. En fordel ved denne teknik er, at metoden bruger reelle data frem for modeller. Og med de målte gate-spændinger kan systemdesignere modellere junction-temperaturer om ønsket, samt den indflydelse ældningen har på IGBT’en. Tilgangen giver ikke alene en øget designfleksibilitet – hvor langt flere IGBT-moduler kan moniteres – men kunder behøver ikke at afsløre potentielt følsom systeminformation. Endelig, da alle systemer varierer, vil præcisionen og anvendeligheden af ekstern modellering også variere, og så kan man med rette sætte spørgsmålstegn ved den statusinformation, der ledsager udstyret.
For nylig har Power Integrations lanceret en ny enkelt-kanals plug-and-play gate driver til 190mm x 140mm IHM- og IHV IGBT-moduler op til 3300V (figur 1). 1SP0635V2A0D kombinerer virksomhedens gennemprøvede SCALE-2 switching-ydelse og beskyttelsesfunktioner med et konfigurérbart, isoleret serielt output-interface, der øger driverens programmérbarhed og leverer omfattende telemetri og rapportering til et præcist estimat af levetiden. Multiple sensorkredsløb inklusive termiske-, komponent- og bustilstandsmålinger giver information om driften af driveren og forenkler systemdesignet og overskueligheden med deraf følgende kontrol og pålidelighed. Applikationer er typisk jernbane-invertere, elnet-styringer og drev til mellemspændingsniveauet.
Tidskritiske målinger
Protokollen for seriel output-status indeholder kritiske real-time målinger, hvilket letter avanceret driftsverificering med dramatisk forbedring af gennemskueligheden af inverterens tilstand, pålidelighed og effektivitet. Ingeniører og teknikere kan tilpasse moniterings- og kontrolsystemer i forhold til Power Integrations’ standard plug-and-play protokol eller spørge efter kundetilpassede justeringer fra Power Integrations’ ingeniører under et projekts udviklingsfase.
De telemetriske data, der er tilgængelige fra 1SP0635V2A0D gate driveren inkluderer præcise temperaturmålinger, der igen letter termisk management og eliminerer behovet for eksterne temperatursensorer. DC-link spændingsmålinger minimerer også behovet for eksterne kredsløb, hvilket igen reducerer systemkompleksitet og -omkostninger. Closed-loop gate-spændings-, gate-status og kortslutningsmonitering sikrer, at modulerne arbejder inden for de afsatte grænser, så man optimerer effektiviteten og undgår katastrofale fejl.
Andre funktioner inkluderer en statusmonitor for det indbyggede fiberoptiske interface, så man er sikret, at switching-kommandoer bliver modtaget korrekt. Tilsvarende sikrer gate-monitering, at switching-kommandoerne er blevet korrekt eksekveret, og at effektmodulet er i sin bedst egnede driftstilstand. Kortslutningsmonitering giver en præcis styring af gate driverens respons i tilfælde af en kortslutning.
Data bliver leveret via Power Integrations’ eget programmérbare, serielle interface, der kan programmeres i henhold til specifikke kundebehov. De store spillere, som dominerer jernbanemarkedet, har deres egne protokoller, der er blevet udviklet over adskillige år, så derfor er en høj grad af fleksibilitet i afrapporteringen meget vigtig.
Figur 2 opsummerer de systemfordele, som Power Integrations leverer. Alle de nødvendige sensorkredsløb, der giver data til levetidsmonitering, er integreret i gate driveren, reducerer kompleksiteten og øger repetérbarheden på tværs af multiple systemer. Der er også inkluderet et helbredstjek, som sikrer, at de leverede data ikke er ”forurenede”.
Konklusion
Selv om jernbane-, elnet- og offshore-brancherne er områder, hvor kunderne forventer levetider på over 20 år for deres udstyr, så kommer man ikke uden om, at det kræver meget omfattende forebyggende vedligeholdsprogrammer. Det er også kun et spørgsmål om tid, før andre brancher tager ved lære af de fordele, som de meget funktionskritiske brancher stiller til forebyggende vedligehold. At undgå downtime og vedligehold efter nedbrud handler ikke kun om at undgå unødige omkostninger, men også om at mindske overflødige indgreb. Da Power Integrations har integreret alle sensorkredsløbene i sine gate drivere, kan kunderne få øget tillid til deres systemer, ligesom MTBF-tallene vil stige markant.
FAKTABOKS
Fordele på systemniveau
Sensorkredsløb opsamler systemdata
• Reduktion af kompleksitet og omkostninger.
• Identifikation af stress og ældning af systemkomponenter.
• Forudser vedligeholdskrav.
Statusmonitering øger sikkerhed og pålidelighed
• Optisk databus.
• Gate-status.
• Selvtjek af protokolintegritet.
Billedtekster:
Figur 1: Power Integrations’ nye 3300V IGBT-modul gate driver leverer telemetriske data til observation, forebyggende vedligehold og levetidsmodellering.
Figur 2: Fordele på systemniveau med Power Integrations’ gate driver-teknologi med integrerede sensorer.
