Testlabor HiPE-LAB

Hohe Nachfrage nach Tests an Hochleistungselektronik

Seinen Ursprung hatte das Testlabor an der Universität Bremen im Forschungsprojekt HiPE-WiND – drei Jahre nach Projektabschluss ist die Einrichtung im Jahr 2025 erstmals komplett ausgebucht. Neben Herstellern aus dem Bereich Windenergie fragen auch Unternehmen aus der Photovoltaik im HiPE-LAB an – einem einzigartigen Labor für die Bestimmung der Lebensdauer leistungselektronischer Bauteile und Systeme.

Eine große Klimakammer, die Temperatur und Feuchtigkeit der meisten Klimazonen der Welt nachbilden kann, ergänzt durch kleinere Klimaschränke, alles kombinierbar mit jeder prinzipiell auftretenden elektrischen Belastung: Mit der Ausstattung des HiPE-LAB können Unternehmen und Forschende ganze Frequenzumrichter bis zu einer Leistung von 10 Megavoltampere (MVA) auf ihre voraussichtliche Lebensdauer prüfen. Frequenzumrichter, oder auch nur „Umrichter“ , passen Amplitude, Frequenz und Phasenlage der erzeugten Spannung so an, dass die aus regenerativen Quellen gewonnene Energie in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Um diese Hochleistungselektronik zu testen, werden im HiPE-LAB die im späteren Betrieb zu erwartenden Bedingungen der Anlagen simuliert. 

Multimodale Tests geben Hinweise auf Optimierungspotenzial

Die sogenannten multimodalen Tests bestehen zum einen aus veränderlichen Klimabedingungen und zum anderen aus dynamischen elektrischen Belastungen. Ziel der Tests ist es, den Prüfling bereits während der Entwicklung den Bedingungen eines späteren Einsatzes im Feld bzw. noch härteren Bedingungen auszusetzen. Dadurch erhält man Aussagen über die Zuverlässigkeit des Prüflings. Hohe Leistungen bis zu 10 MVA kommen etwa bei Windenergieanlagen im Megawattbereich oder bei großen Photovoltaik- Freiflächenanlagen vor. Und das schlägt sich auch im Gewicht nieder: Knapp vier Tonnen wog einer der Umrichter, die das Laborteam im Jahr 2025 in seinem Klimaraum getestet hat.

Daneben können Interessierte in diesem Labor aber auch gezielt einzelne elektronische Bauteile und Komponenten prüfen, wie zum Beispiel Leistungshalbleiter, Kondensatoren, Platinen oder ganze elektronische Baugruppen. Hierfür stehen separate Klimaschränke bereit. Zukünftig soll auch eine beschleunigte Alterung der leistungselektronischen Systeme ermöglicht werden. Für Einzelkomponenten wird das bereits umgesetzt.

Tests über mehrere Monate durch vollautomatisierte Steuerung

„Die Herausforderung für viele Kunden ist bereits die elektrische Belastung in diesem Leistungsbereich selbst, wodurch sich die Leistungselektronik durch die elektrischen Verluste erwärmt und entsprechend gekühlt werden muss. Und dann kommen die Umgebungsbedingungen dazu, also die Temperaturwechsel und natürlich auch die Feuchte, die von außen auf den Prüfling einwirken“, erklärt Wilfried Holzke, wissenschaftlicher Leiter des HiPE-LAB. Die vollautomatisierte Steuerung im HiPE-LAB ermöglicht zudem über mehrere Monate laufende Tests. Bei Unternehmen können diese meist nicht selbst umgesetzt werden. Die umfangreichen Tests im HiPE-LAB zeigen somit mögliche Verbesserungen der Prüflinge auf, die umgesetzt werden können, bevor die Umrichter in Serie gehen. Damit wird ein zuverlässiger Betrieb im Feld gewährleistet.

Laborkapazität im Jahr 2025 durchgängig ausgebucht

Die Simulation einer Vielzahl von Klimazonen ist auch für das Ausland attraktiv. Eine aktuelle Anfrage bezieht sich zum Beispiel auf den Betrieb von Anlagen in Indien, berichtet Holzke: „Das Unternehmen möchte wissen, wie lange die Leistungshalbleitermodule vor dem Betrieb, also dem Einschalten, erwärmt werden müssen, damit die Feuchtigkeit aus dem Modul austritt.“ Auch aus der Schweiz und aus Norwegen kamen bereits Anfragen zu Produkttests, die restlichen aus Deutschland. „Im Jahr 2025 sind wir durchgängig ausgebucht gewesen. Zwei weitere Aufträge konnten wir nicht mehr annehmen, weil wir einfach die Kapazitäten nicht mehr hatten“, so Holzke.

Betreiber des Labors ist heute der damalige Koordinator des Projektes HiPE-WiND, aus dem das HiPE-LAB hervorgegangen ist: das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen, in enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, welcher auch heute noch ein wichtiger Partner für eingehende Aufträge im Bereich der Windenergie ist. Die Hoffnung des Teams ist, dass sich die gute Auftragslage weiterentwickelt und sich das HiPE-LAB in weiteren Branchen etablieren lässt. Hierzu ist es auf Messen wie der Husum Wind und WindEnergy bzw. Konferenzen wie ECCE Europe und PCIM Europe mit einem eigenen Stand unterwegs, bietet Workshops für Unternehmen oder Führungen durch das Labor an, oder veröffentlicht Beiträge – wie etwa 2025 im PCIM Magazin. „Die ursprüngliche Projektförderung soll sich in hohem Nutzen für die Praxis auszahlen“, meint Holzke: „Wir nutzen alle aktuellen Möglichkeiten, um die Fördergelder im Sinne des Fördermittelgebers nutzbringend einzusetzen.“

Als Förderprojekt Lücke der europäischen Testlabore geschlossen

Ziel des Projekts HiPE-WiND zum Start im Jahr 2017 war, unter realen multimodalen Umwelt- und Lastbedingungen Untersuchungen der Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen zu ermöglichen, um Ausfallmechanismen zu erforschen und die Anlagen robuster zu gestalten. Am Ende sollte die Lebensdauer der Umrichter erhöht werden. Entsprechende herstellerunabhängige Versuchsstände waren damals europaweit am Markt nicht verfügbar. „Alles, was wir aktuell nutzen, um die Frequenzumrichter zu testen, ist in dem Projekt aufgebaut worden“, erklärt Wilfried Holzke, „wir verbessern natürlich unsere Verfahren und passen sie an die Kundenwünsche an, ergänzen mit den Aufträgen zum Beispiel den Umfang der technischen Möglichkeiten zum Testen von Einzelkomponenten und kompletten Systemen im gesamten Leistungsbereich bis 10 MVA. So hilft jeder Auftrag gleichzeitig auch, das Labor weiterzuentwickeln.“ Mit den hier ermöglichten Tests der Hochleistungselektronik trägt das Labor entscheidend zu einem zuverlässigen und ressourcenschonenden Betrieb erneuerbarer Energie-Anlagen bei. (mb)