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AC-Filterkondensatoren

Auf Zuverlässigkeit getrimmt

19. August 2020, 13:00 Uhr   |  Von Nicolás Faúndes und Dennis Huang

Auf Zuverlässigkeit getrimmt
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Leistungskondensatoren werden in der Regel durch einen gekerbten Anschlussdraht gegen Fehlfunktionen abgesichert. Mit einem neuen Sicherheitsprinzip lässt sich die Lebensdauer verlängern und die Zuverlässigkeit erhöhen.

AC-Filterkondensatoren werden unter anderem in Eingangs- und Ausgangsstufen von Leistungselektronik integriert. Sie sind darauf ausgelegt, um mit sehr hohen Leistungen beaufschlagt zu werden. Nach der Norm IEC 61071 für Kondensatoren in der Leistungselektronik ist für Leistungskondensatoren eine Sicherheitseinrichtung zum Freischalten im Fehlerfall vorgeschrieben.

Gekerbter Anschlussdraht

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 (Bild 1).

Der Anschlussdraht reißt an der eingekerbten Stelle, wenn sich der Deckel des Kondensators durch Überlast wölbt
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Bild 1. Der Anschlussdraht reißt an der eingekerbten Stelle, wenn sich der Deckel des Kondensators durch Überlast wölbt.

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.

Höhere Sicherheit durch lotfreie Verbindung

 Die Konstruktion der Sicherheitseinrichtung macht einen Lötprozess der Anschlussdrähte überflüssig. Damit erhöht sich die Zuverlässigkeit
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Bild 2. Die Konstruktion der Sicherheitseinrichtung macht einen Lötprozess der Anschlussdrähte überflüssig. Damit erhöht sich die Zuverlässigkeit.

TDK hat nun eine neue, zuverlässigere Sicherheitseinrichtung entwickelt, die bei den neuen AC-Filterkondensatoren der Epcos-MKD-AC-Serie B3237 eingesetzt wird. Sie sind eine Weiterentwicklung 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 (Bild 2). Neben dem Verzicht auf die Verlötung mit all ihren Nachteilen, ergibt sich durch diese Konstruktion eine deutlich gesteigerte mechanische Robustheit gegenüber Vibrationen.

Gesteigerte Wärmeableitung

Ein weiterer entscheidender 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 (Bild 3).

rwartete Lebensdauer bei unterschiedlichen Hotspot-Temperaturen (Ths) und Betriebsspannungen V.
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Bild 3. Erwartete Lebensdauer bei unterschiedlichen Hotspot-Temperaturen (Ths) und Betriebsspannungen V. Wird der Kondensator mit Ths = 85 °C bei der Nennspannung VRMS betrieben, entspricht die erwartete Lebensdauer unter Betriebsbedingungen tLD der spezifizierten Lebensdauer tLD(CO) von 100.000 Stunden. Bei kleineren Temperaturen und geringeren Betriebsspannungen erhöht sich die erwartete Lebensdauer.

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, durch den sich die Temperatur des Drahts erhöht. In der Folge steigt damit auch die Temperatur des Wickels, wobei die Temperaturdifferenz von der Mitte nach außen 15 K bis 20 K beträgt und zu einer Verringerung der Lebensdauer führt.

Die neue Serie B3237 der Epcos-MKD-AC-Kondensatoren hat einen anderen Aufbau, der zu einer effizienteren Entwärmung führt. Bei dieser Serie werden Kupferflachbandkabel verwendet statt runder Drähte. Die Flachbandkabel zeichnen sich durch einen geringeren Widerstand aus, wodurch die Wärmeentwicklung reduziert wird.

Kupferbänder mit geringem Widerstand, die eine gute thermische Anbindung zum Kondensatorbecher haben, ermöglichen eine bessere Entwärmung, was die Lebensdauer des Kondensators steigert
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Bild 4. Kupferbänder mit geringem Widerstand, die eine gute thermische Anbindung zum Kondensatorbecher haben, ermöglichen eine bessere Entwärmung, was die Lebensdauer des Kondensators steigert.

Zudem sind die Kupferflachbandkabel außerhalb des Wickels angebracht und thermisch gut an den Aluminiumbecher des Kondensators angebunden (Bild 4). Das führt zu einer erhöhten Wärmeableitung. Auf diese Weise erreichen Kondensatoren in dem neuen Design eine Lebensdauer von mindestens 100.000 Stunden bei Betrieb mit Nennspannung und maximaler Hotspot-Temperatur.

Platzsparende 3-Phasenausführung

Leistungsstarke Umrichter für Antriebe oder Photovoltaik- und Windkraftanlagen werden heute im 3-Phasendesign gebaut. Viele Hersteller von Leistungselektronik setzen nach wie vor drei 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.

 Ein dreiphasiger Filterkondensator ist verglichen mit drei einphasigen Filterkondensatoren bei gleicher Gesamtkapazität um rund 33 % leichter und benötigt 22 % weniger Volumen
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Tabelle 1. Ein dreiphasiger Filterkondensator ist verglichen mit drei einphasigen Filterkondensatoren bei gleicher Gesamtkapazität um rund 33 % leichter und benötigt 22 % weniger Volumen.

Wird ein dreiphasiger Kondensator gewählt, lassen sich 22 % Bauvolumen (ohne Berücksichtigung der Zwischenräume) und 33 % Gewicht einsparen. Die dreiphasige Variante ist um rund 40 % kostengünstiger − nur bezogen auf die Anschaffungskosten der Kondensatoren. Außerdem sind weniger Kabelverbindungen erforderlich (drei statt sechs), das Ausfallrisiko und der Montageaufwand sind niedriger.

Die Vorteile dreiphasiger Filterkondensatoren im Vergleich zu drei einphasigen Filterkondensatoren sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die Autoren

Nicolás-Faúndes von TDK Electronics
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Nicolás-Faúndes von TDK Electronics.

Nicolás Faúndes

studierte Leistungselektronik an der Universidad Tecnica Federico Santa Maria (Chile) und Informatik an der Fachhochschule Mannheim. Derzeit arbeitet er als Product Marketing Manager für Leistungskondensatoren bei TDK Electronics in München.

Dennis-Huang von TDK Electronics
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Dennis-Huang von TDK Electronics.

Dennis Huang

studierte Thermodynamik an der South China University of Technology. Er ist als Entwicklungsingenieur für AC-Filterkondensatoren bei TDK in Zhuhai tätig.

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