Kondensatoren
Elko-Lebensdauer bei zyklischen Lastprofilen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Lastprofile von Elkos
Vielen Anwendungen im industriellen Umfeld sind zyklisch wiederkehrende Lastprofile gemein, die zum Beispiel aus wiederholt ablaufenden mechanischen Transport- oder Fertigungsvorgängen resultieren. Wenn man die Lastzustände nach ihrer jeweiligen Verweildauer in den verschiedenen Betriebspunkten absteigend sortiert, erhält man eine Zeitreihe der Temperaturen, Rippleströme und der am -Elko anliegenden Spannungen - wie im Bild gezeigt.
Um die Lebensdauer eines Elkos abzuschätzen, der wiederholt dem gezeigten Lastprofil ausgesetzt wird, bedient man sich der Lebensdauerfaktoren KT, KR und KV. Die Lebensdauerfaktoren gestatten die Berechnung einer äquivalenten Betriebsdauer t(T0, I0, Ur) des Elkos unter Nennlastbedingungen zu jeder Verweildauer t(Ta, Ia, Ua) in einem Betriebspunkt des Profils. Es gilt:
t(T0, I0, Ur)= t(Ta, Ia, Ua) / (KT × KR × KV)
Die Summe der äquivalenten Verweildauern aller Betriebspunkte des Profils muss dabei kleiner oder gleich der im Datenblatt angegebenen Elko-Lebensdauer sein - sonst könnte das gesamte Lastprofil nicht innerhalb eines Elko-Lebens abgefahren werden.
Die Tabelle zeigt das Beispiel eines Elkos, der im Zwischenkreis eines Frequenzumrichters bei einer Motorsteuerung eingesetzt wird. Als Elko dient hier ein Typ aus der Jianghai-Schraubanschlussbaureihe CD_138S_WP, der eine Lebensdauer (useful life) von 15.000 h bei einem Nennripple von 14,3 A bei 100 Hz und 85 °C sowie einer Nennspannung von 400 V aufweist.
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Verweildauer (h) | Umgebungs- temperatur Ta (C°) | Ripplestrom Ia (A) | Lebensdauerfaktor KT x KR x KV | äquivalente Verweildauer bei Nennlast (Io,T0, Ur) (h) |
|---|---|---|---|---|
| 1724 | 45 | 25,1 |
6,4 |
270 |
| 860 | 55 | 25,1 |
3,2 |
269 |
| 860 | 20 | 25,1 |
36,1 |
24 |
| 690 | 45 | 15,7 |
23,5 |
29 |
| 575 | 45 | 25,1 |
4,0 |
145 |
| 345 | 55 | 15,7 |
11,8 |
29 |
| 345 | 20 | 15,7 |
132,9 |
3 |
| 287 | 55 | - |
27,1 |
11 |
| 287 | 45 | - |
33,6 |
9 |
| 287 | 45 | - |
32,0 |
9 |
| 287 | 20 | - |
306,6 |
1 |
| 287 | 55 | 25,1 |
2,0 |
145 |
| 287 | 20 | 25,1 |
22,4 |
13 |
| 230 | 45 | 15,7 |
14,6 |
16 |
| 173 | 45 | 31,4 |
1,9 |
90 |
| 143 | 55 | - |
16,8 |
8 |
| 143 | 55 | - |
16,0 |
9 |
| 143 | 45 | - |
54,2 |
3 |
| 143 | 20 | - |
190,3 |
1 |
| 143 | 20 | - |
181,0 |
1 |
| 115 | 55 | 15,7 |
7,3 |
16 |
| 115 | 20 | 15,7 |
82,5 |
1 |
| 87 | 55 | 31,4 |
1,0 |
91 |
| 87 | 20 | 31,4 |
10,8 |
8 |
| 59 | 45 | 31,4 |
1,2 |
50 |
| 29 | 55 | 31,4 |
0,6 |
49 |
| 29 | 20 | 31,4 |
6,7 |
4 |
| 8760 | 1303 |
Lastprofil (Ausschnitt) mit Verweildauern und äquivalenten Verweildauern bei Nennlast
Das Lastprofil in der Tabelle zeigt in Auszügen die Verweildauern in bestimmten Betriebspunkten während eines Jahres. Die Zyklusdauer von 1 Jahr = 8.760 h entspricht in Bezug auf den Alterungseffekt des betrachteten Elkos einem Zeitraum von 1.303 h Betrieb unter Nennlast. Beim erstmaligen Durchlaufen des Profils würden somit 1.303 h der zu Beginn verfügbaren 15.000 h der Elko-Lebensdauer bei Nennlast aufgezehrt.
Der gesamte Lebensdauervorrat des Elkos reicht aus, um 15.000 h / 1303 h = ca. 11,5 Zyklen des Lastprofils zu durchlaufen. Da ein Durchlauf in dem gewählten Beispielprofil ein Jahr dauert, entsprechen 11,5 Zyklen einer Gesamtlebensdauer des Elkos in der Applikation von etwa 11,5 Jahren.
Literatur & Autor:
[1] Albertsen, A.: Lebe lang und in Frieden! Hilfsmittel für eine praxisnahe Elko-Lebensdauerabschätzung. Elektronik components, H. 2009, S. 22 - 28.
[2] Albertsen, A.: Auf eine sichere Bank setzen - Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren. Elektronik components 2010, S. 14 - 17.
[3] Albertsen, A.: Gebührenden Abstand einhalten! - Spannungsfestigkeitsbetrachtungen bei Elektrolytkondensatoren. Elektronik power 2011, S. 54 - 57.
| Dr. Arne Albertsen |
|---|
| wurde 1965 in Eutin geboren und studierte Physik mit dem Schwerpunkt Angewandte Physik an der Universität Kiel. Nach Diplom (1992) und Doktorarbeit (1994) über die Messung und Analyse von Stromzeitreihen aus Ionenkanälen in biologischen Membranen wechselte er in die Industrie, wo er in verschiedenen Bereichen des umwelt- und verfahrenstechnischen Anlagenbaus tätig war. Ab 2001 widmete er sich als Mitarbeiter führender Bauteile-Hersteller dem Marketing und Vertrieb von passiven und diskreten aktiven Bauelementen. Seit November 2008 zeichnet er als Manager Sales & Marketing verantwortlich für die Betreuung von europäischen Kunden der von Jianghai Europe Electronic Components GmbH (Krefeld) vertriebenen Elektrolytkondensatoren. |
a.albertsen@jianghai-europe.com
- Elko-Lebensdauer bei zyklischen Lastprofilen
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