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Leistungskondensatoren

3. Juni 2020

Auf Zuverlässigkeit getrimmt

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Ein- Ausgangsstufen von Leistungselektronik benötigen eine Filterung, um die erforderliche EMV und Power Quality zu erreichen. TDK hat hierfür neue Serien von EPCOS AC-Filterkondensatoren entwickelt, die sich durch hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auszeichnen.

AC-Filterkondensatoren werden mit sehr hohen Leistungen beaufschlagt. Nach der Norm IEC-61071 für Kondensatoren in der Leistungselektronik ist für Leistungskondensatoren eine Sicherheitseinrichtung zum Freischalten im Fehlerfall vorgeschrieben. Bisher werden als Sicherheitseinrichtung hauptsächlich interne Anschlussdrähte des Wickels mit einer definierten Kerbe verwendet. Dies wird auch als Abreißsicherung bezeichnet. Bei einem Kurzschluss oder einer extremen Überlastung des Kondensators steigt der Druck im Inneren des Kondensators, der Deckel wölbt sich auf und der Anschlussdraht reißt an der eingekerbten Stelle. Abbildung 1 zeigt das Prinzip.

Der Anschlussdraht wird mit dem Schraubanschluss verlötet. Dies hat jedoch einige Nachteile, denn der Lötvorgang kann durch Oxidation zu einer Verfärbung der Anschlüsse, zu einem Abblättern der Lackierung oder zum Eindringen von Fremdstoffen an den Anschlüssen führen. Zusätzlich können unter ungünstigen Umständen Flussmittel ins Gehäuse eindringen, Kunstharz aus dem Gehäuse austreten und andere Bauelemente schädigen. Außerdem hat diese Konstruktion den Nachteil, dass sie empfindlich auf Vibrationen reagiert. Bei einem stärkeren mechanischen Stoß kann in Maschinen mit starken Vibrationen wie Kompressoren und Windgeneratoren oder während des Transports der Anschlussdraht getrennt werden, wodurch die jeweilige Phase unterbrochen wird.

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Abbildung 1:

Der Anschlussdraht reißt an der eingekerbten Stelle, wenn sich der Deckel des Kondensators durch Überlast wölbt.

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Abbildung 2:

Die Konstruktion der Sicherheitseinrichtung macht einen Lötprozess der Anschlussdrähte überflüssig, was wiederum die Zuverlässigkeit erhöht.


Höhere Sicherheit durch lötfreie Verbindung

TDK hat nun eine neue, zuverlässigere Sicherheitseinrichtung entwickelt, die bei den neuen AC-Filterkondensatoren der EPCOS MKD-AC-Serie B3237* eingesetzt wird. Sie sind ein upgrade der Serie B3236*. Hierbei kommen massive Schraubanschlüsse zum Einsatz, durch die kein verlöteter Anschlussdraht mehr führt. Die Schraubanschlüsse drücken im Normalbetrieb an ihrer Unterseite an Kupferbänder, die mit den Wickeln kontaktiert sind. Kommt es nun zu einem Schaden des Kondensators, hebt sich der Deckel mit den Schraubanschlüssen und die Kontaktierung zu den Kupferbändern wird unterbrochen, wodurch der Kondensator freigeschaltet ist. Neben dem Verzicht auf die Verlötung mit all ihren Nachteilen, ergibt sich durch diese Konstruktion eine deutlich gesteigerte mechanische Robustheit gegenüber Vibrationen. Abbildung 2 zeigt das Prinzip.

Höhere Lebensdauer durch verbessertes thermisches Design

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Lebensdauer von Kondensatoren mit der Standardausführung der Sicherheitseinrichtung. Die Lebensdauer der metallisierten Folie hängt wesentlich von der Nennspannung und der Hotspot-Temperatur (Ths) im Betrieb ab (Abbildung 3).

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Abbildung 3:

Erwartete Lebensdauer in Stunden bei unterschiedlichen Hotspot Temperaturen und Betriebsspannungen


Bei der bisherigen Ausführung befindet sich der Anschlussdraht in der Mitte des Kondensatorwickels. Im Betrieb fließt durch das Kupferanschlusskabel ein Strom mit einem bestimmten Effektivwert, der die Temperatur des Drahts erhöht. In der Folge steigt auch die Temperatur des Wickels, wobei die Temperaturdifferenz von der Mitte nach außen 15 bis 20 K beträgt und zu einer Verringerung der Lebensdauer führt (Abbildung 4). 

TDK hat daher die Konstruktion der EPCOS MKD-AC-Serie mit der neuen Serie B3237* deutlich verbessert. Dabei kommen statt runder Drähte Kupferflachbandkabel mit niedrigerem Widerstand zum Einsatz, wodurch die Wärmeentwicklung reduziert wird. Zudem sind diese Flachkabel außerhalb des Wickels angebracht und weisen so eine gute thermische Anbindung zum Aluminiumbecher des Kondensators auf, wodurch eine bessere Entwärmung erfolgt. Damit erreichen Kondensatoren in dem neuen Design eine Lebensdauer von mindestens 100.000 Stunden bei Betrieb mit Nennspannung und maximaler Hotspot-Temperatur. Abbildung 5 verdeutlicht das Konstruktionsprinzip. 

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Abbildung 4:

Temperaturverteilung bei konventionellen Filterkondensatoren mit Abreißsicherung                                                                                                                                                                 


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Abbildung 5:

Kupferbänder mit geringem Widerstand, die eine gute thermische Anbindung zum Kondensatorbecher haben, ermöglichen eine bessere Entwärmung, was die Lebensdauer des Kondensators steigert.


Platzsparende 3-Phasenausführung

Leistungsstarke Umrichter für Antriebe oder Photovoltaik- und Windkraftanlagen werden heute im 3-Phasendesing gebaut. Viele Hersteller von Leistungselektronik setzen nach wie vor 3 einzelne Kondensatoren zur Ausgangsbefilterung ein. Dies hat verschiedene Gründe wie zum Beispiel das Beibehalten eines bewährten Konzepts, Lagerbestände oder bestehende Kundenfreigaben. Dreiphasige Filterkondensatoren bieten jedoch etliche Vorteile: 

  • Geringerer Platzbedarf
  • Weniger Volumen
  • Geringeres Gewicht
  • Weniger Bauelemente
  • Niedrigeres Ausfallrisiko
  • Geringerer Installationsaufwand

Ein konkretes Beispiel dazu: Ein dreiphasiger EPCOS MKD-AC Kondensator B32377A3107J030 kann drei einphasige Kondensatoren (B32373A3107J030) ersetzen und erreicht dabei die gleiche Spannungsfestigkeit und Kapazität. 

Die Lösung mit dem dreiphasigen Kondensator benötigt 27,6 Prozent weniger Raum (ohne Berücksichtigung der Zwischenräume) und wiegt nur die Hälfte. Außerdem ist die dreiphasige Lösung um rund 40 Prozent kostengünstiger − nur bezogen auf die Anschaffungskosten der Kondensatoren. Außerdem sind weniger Kabelverbindungen erforderlich (3 statt 6), das Ausfallrisiko und der Montageaufwand sind niedriger. 

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Abbildung 6:

Verglichen mit drei einzelnen Kondensatoren bietet die dreiphasige Lösung mit nur einem Bauelement bei Platzbedarf, Gewicht und Zuverlässigkeit erhebliche Vorteile.


Die Vorteile dreiphasiger Filterkondensatoren im Vergleich zu einphasigen Lösungen im Überblick:

Parameter1 Ph3 Ph
Kapazität [µF]1003x100
Spannung [Veff]330330
Strom [Ieff]3633
Gewicht [kg]0,71,4
Durchmesser [mm]7575
Höhe [mm]117275
Anzahl der Kabel 63
Gesamtgewicht [kg]2,11,4
Gesamtvolumen [cm³]15511215
Gesamtkapazität [µF]3x1003x100