Feuchtigkeitsgeschützte Kondensatoren Aluminium-Verkapselung schützt vor Schäden

Windparkanlagen erzeugen Ököstrom
Windparkanlagen erzeugen Ököstrom

FTCAP hat neue feuchtigkeitsgeschützte Filmkondensatoren entwickelt, die sich u. a. für den Einsatz in Offshore-Windkraftanlagen eignen. Aufgrund einer speziellen Verkapselung und einem Aluminiumbecher überzeugen sie auch unter rauen Wetterbedingungen mit einer langen Lebensdauer.

Zwischenkreis-Folienkondensatoren in industriellen Geräten für die Leistungselektronik sind immer häufiger auch rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Besonders in Offshore-Windenergie-Anwendungen werden Wechselrichter durch Feuchtigkeit, salzige Luft und extreme Temperaturen außerordentlich beansprucht. Diese Umstände führen insbesondere bei den eingesetzten Zwischenkreiskondensatoren zu einer zusätzlichen Belastung: Feuchtigkeit beeinflusst die elektrischen Eigenschaften von metallisierten Folienkondensatoren stark. Das führt durch Korrosion zu einer Demetallisierung der metallbedampften Elektroden.

Weiterhin steigt der Verlustfaktor, der Isolationswiderstand sinkt und die Wärmeentwicklung nimmt zu. Laut Studien liegt die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit an den Standorten von Windkraftanlagen zwischen 70 und 95 %. Bei Standardkondensatoren stellen sich aus diesen Gründen sehr schnell Schäden durch Korrosion ein, welche die Lebensdauer signifikant verkürzen – denn sie führen früher oder später zu Komplettausfällen.

Möglichst dicht durch Aluminiumverkapselung

Um Abhilfe zu schaffen, hat FTCAP Filmkondensatoren des Typs GP (Bild 1) entwickelt. Im Unterschied zu diesen besteht bei Standardkondensatoren vom Typ GT das Gehäuse aus Polyamid PA66, wobei der nicht vom Wickel ausgefüllte Bauraum mit Kondensatorharz aufgefüllt wird. Kondensatoren mit einem verbesserten Feuchtigkeitsschutz (Typ GP) hingegen verfügen über einen Becher und eine Dichtungsscheibe aus Aluminium.

Dank ihrer speziellen Verkapselung sind diese Kondensatoren sehr gut vor Feuchtigkeit geschützt. Die Angriffsfläche der Feuchtigkeit beschränkt sich außerhalb des Konden­sators auf die benötigten Isolierungen. Diese werden bei der axialen Bauform noch zusätzlich als Verdrehsicherung ausgeführt, um beim sensiblen Übergang vom Terminal zur Kondensator­folie die Beanspruchung durch Drehmomente zu minimieren.

Dauertests erfolgreich bestanden

Wie gut die Kondensatoren vor Feuchtigkeit geschützt sind, belegt ein Dauertest über 26 Tage: Dabei wurden acht Folienkondensatoren des Typs Typ GT (225 µF/1000 V) mit Steiner-Metallisierungsfolie in einen PA6-Behälter mit Wevo PU-Harzform (Typ A) eingegossen. Weitere acht Folienkondensatoren des Typs GP (225 µF/1000 V) mit Steiner-Metallisierungsfolie wurden mit Wevo PU-Harz in einen Aluminium-Behälter eingegossen und mit einem Aluminium-Scheibendeckel (Typ B) verschlossen.

Alle 16 Proben wurden 26 Tage lang in einer Klimakammer des Typs Weiss WKL 100_40 bei 93 % r.F. bei 70 °C gelagert. Vor und nach der Behandlung wurden Gewicht (Kern-Balance) und Kapazitäten (WayneKerr4300_EMP) der A- und B-Typen gemessen.

Das Ergebnis: Die Kapazitätsänderungen für die beiden Kondensatorenmodelle unterscheiden sich nach der 26-tägigen Behandlung nicht signifikant. Es wurde kein Kapazitätsabfall beobachtet – wie bei anderen Untersuchungen. Wahrscheinlich ist eine 26-Tage-Behandlung zu kurz, um Schäden an der Metallisierung der Elektroden zu beobachten. Daher setzt FTCAP die Erprobung des Alterungsprozesses fort. Allerdings ist bei beiden Kondensatorentypen eine deutliche positive Gewichtsveränderung zu beobachten. Das ist deshalb interessant, weil eine positive Gewichtsveränderung unter diesen Umständen dem Eintrag von Wasser zugeschrieben wird.

Die Analyse der Gewichtszunahme der Kondensatoren zeigt, dass Kondensatoren des Typs A nach der Testperiode durchschnittlich 3 g mehr wiegen, während die Kondensatoren des Typs B nur 0,3 g zusätzlich auf die Waage bringen. Insgesamt nahmen beide Modelle also an Gewicht zu – die Standardausführung allerdings um das Zehnfache mehr als die neue Lösung. Die spezielle Verkapselung der Kondensatoren reduziert demnach wirkungsvoll das Eindringen von Feuchtigkeit, was in einer längeren Lebensdauer und größeren Ausfall­sicherheit auch unter extremen Einsatzbedingungen resultiert.

Weitere Kondensatoren für die Windkraft

Abgesehen von den neuen feuchtigkeitsgeschützten Filmkondensatoren bietet FTCAP eine Reihe von weiteren Lösungen, die sich für den Einsatz in Windkraftanlagen eignen. Zum Beispiel die bewährten Elko-Bänke (Bild 2). Bei diesen Lösungen werden mehrere Kondensatoren an einem Busbar-Anschluss kontaktiert. In dieses geschlossene System kann kaum Feuchtigkeit eindringen, sodass sich die Lebensdauer auch bei rauen Einsatzbedingungen beispielsweise auf hoher See signifikant verlängert.

Anwender der Elko-Bänke profitieren aber auch von zahlreichen weiteren Vorteilen: Die komplett einbaufertigen Module überzeugen im Betrieb mit extrem niedrigen Induktivitäten und erleichtern dank der abgestimmten Bauhöhe die Kühlung der Kondensatoren.

Mit weiteren leichten Modifikationen ließen sich auch Hochleistungs-PowerStacks in der Windkraft nutzen, die FTCAP gemeinsam mit den Partnern Mersen und AgileSwitch entwickelt hat (Bild 3). Diese Systeme vereinen Leistungs­module, Busbars, Kondensatoren, Kühlvorrichtungen und Gate-Treiber in einer Einheit und weisen eine hohe Leistungsdichte auf. Unter anderem wurde ein Modell für die Energiespeicherung entwickelt, das sich dank des flexiblen Gesamtkonzepts ganz einfach anwendungsspezifisch an­passen lässt.

Generell geht die Entwicklung bei FTCAP immer weiter: Derzeit erforscht das Husumer Unternehmen im Rahmen des »Innovationscluster Leistungselektronik für regenerative Energieversorgung« auch Filmkondensatoren mit einem neuen Hochtemperatur-Dielektrikum – im Sinne einer verlängerten Lebensdauer.