Zwischenkreiskondensatoren für Wechselrichter
Sind Elkos immer besser?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Sind Elkos immer besser?
Ihre sehr geringen Induktivitäten ermöglichen Anschlusskonfigurationen herunter bis zu 5 nH. Außerdem zeigen Folienkondensatoren ein erheblich besseres ESR-Verhalten: Sind beispielsweise 500 μF bei 700 V und 10 kHz gefordert, dann genügt ein Folienkondensator, der einen ESR von etwa 2,5 mΩ aufweist. Für dieselbe Anwendung wären zwei Elkos erforderlich, die aber etwa 120 mΩ ergeben. Das ESR-Verhältnis von Folien- zu Elektrolytkondensatoren liegt also bei etwa 1:50. Für die Folienkondensatoren spricht außerdem ihr kleinerer dielektrischer Verlustfaktor und die geringere Frequenzabhängigkeit, was bei hochfrequenten Störströmen das entscheidende Kriterium ist.
Konkretes Rechenbeispiel
An einem konkreten Beispiel stellt sich der Unterschied zwischen den Kondensatortypen wie folgt dar: Gegeben sei ein dreiphasiger Wechselrichter für 50 Hz, 1000 V, maximale Brummspannung 100 V, minimale Kapazität 500 μF, Brummstrom 50 A, 300 Hz und +75 °C Umgebungstemperatur. Für ein solches System sind neun Elkos erforderlich (je drei in Serie geschaltete Kondensatoren in drei parallelen Strängen), die ein Volumen von 2,95 l einnehmen (Bild 1). Dagegen benötigt man nur zwei Folienkondensatoren mit einem Volumen von 1,58 l, deren Kapazitätswerte zudem über viele Jahre stabil bleiben. Diese Vorteile haben allerdings ihren Preis: Die reinen Bauteilkosten für zwei Folientypen liegen über denen für neun Elkos.
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| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| hohe Kapazität bezogen auf die Baugröße |
großer Leistungsverlust |
| geringe Kosten | kleiner Isolationswiderstand |
| hohe Ladefähigkeit bei niedrigen Frequenzen |
begrenzte Lagerfähigkeit und Lebensdauer |
Tabelle 2: Vor- und Nachteile von Elektrolytkondensatoren
Betrachtet man hingegen die Gesamtkosten, ist die Lösung mit Folienkondensatoren günstiger. Beim Betrieb von Elkos unter entsprechenden Bedingungen erreichen diese durchaus eine Lebenszeit in der Größenordnung von 100.000 Stunden, was ungefähr zehn Jahren entspricht. Dabei gilt es aber zu beachten, dass die Angaben der Hersteller zur Lebensdauer unter maximaler Brummlast gemacht werden. Nur bei entsprechend niedrigerer Auslastung erhöht sich die Lebensdauer zusätzlich zur Arrhenius-Regel (pro 10 K niedrigere Temperaturbeanspruchung verdoppelt sich die Lebensdauer).
Ob dies für den Einsatz im entsprechenden Wechselrichter ausreicht, muss von Fall zu Fall entschieden werden. Prinzipiell gilt jedoch: Umso höher der Anspruch an Strom, Temperatur, Spannung und Lebensdauer ist, desto eher sind Folienkondensatoren die erste Wahl. Für beide Typen steht auf dem Markt eine ganze Reihe an Produkten zur Verfügung. Hochzuverlässige Elkos bieten zum Beispiel die Firmen Kemet, Panasonic und Rubycon, Standard-Elkos führen etwa Samwha, Yageo und Jamicon. Im Sektor der Folienkondensatoren stehen Kemet, Vishay, Wima sowie AVX für qualitativ hochwertige Produkte. Die Vielfalt des Angebots erschwert häufig die Auswahl und es lässt sich kaum pauschal beantworten, wann welche Lösung optimal ist. Eine herstellerneutrale Beratung eines Distributors kann hier Unterstützung bieten.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| stabile mechanische Bauweise |
relativ große Abmessungen |
| sehr geringe ohmsche Verluste | Korona-Effekt bei zu hoher Wechselspannung |
| hohe Impulsbelastbarkeit | Kapazitätsverlust durch Selbstheilung |
| Selbstheilungseigenschaften bei metallisierten Typen | |
| hohe Resonanzfrequenz | |
| stabiles Temperaturverhalten |
Tabelle 3: Vor- und Nachteile von Filmkondensatoren
Der Autor:
Jürgen Geier ist Field Application Engineer Kondensatoren bei Rutronik.
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