Kondensatoren für Traktionsanwendungen Bahntechnik braucht hohe Ripplestromfestigkeit und Langlebigkeit

Hohe Ripplestromfestigkeit und Langlebigkeit bei zum Teil rauen Einsatzbedingungen mit Maximal-Einsatztemperaturen von + 85 °C bis +105 °C kennzeichnen das Anforderungsprofil für Aluminium-Elektrolyt- und Folienkondensatoren in der Bahntechnik.
Hohe Ripplestromfestigkeit und Langlebigkeit bei zum Teil rauen Einsatzbedingungen mit Maximal-Einsatztemperaturen von + 85 °C bis +105 °C kennzeichnen das Anforderungsprofil für Aluminium-Elektrolyt- und Folienkondensatoren in der Bahntechnik.

In der Schienenfahrzeugtechnik fasst der Oberbegriff »Traktion« Antriebs- und Hilfsenergieversorgung zusammen. Hauptsächlich geht es dabei um die Motorsteuerung und um elektrische Systeme, die andere Funktionen wie etwa Bremsen oder Beleuchtung unterstützen.

Zum Beschleunigen und Bremsen benötigen die Elektromotoren von Zügen eine kontrollierte Energiezufuhr. Normalerweise werden für die Energieregelung Frequenz- oder Spannungsumrichter (Inverter) verwendet. Ein Inverter ist eine elektronische Schaltung, die den Strom in sehr kurzen Zeitabständen – eine Tausendstel Sekunde oder weniger – ein-/ ausschaltet und die jeweils erforderliche Wellenform moduliert.

Dabei erfolgt die Leistungsregelung durch Variieren der Ein- und Ausschaltzeiten der Schalter in dem Inverter. Beispielsweise erhält der Motor bei 100 Prozent Einschaltdauer die volle verfügbare Leistung, bei 50 Prozent die halbe Leistung. Der entscheidende Vorteil eines Inverters besteht darin, dass er nur wenig Verlustleistung erzeugt, die in Form von Wärme verloren geht. Früher setzte man Widerstandsbänke ein, welche die von den Motoren nicht benötigte Energie nutzlos »verheizten«.

Eine der Herausforderungen für die Entwickler von Invertern besteht darin, dass lange Stromleitungen wie die Oberleitungen von Regionalbahnen keine schnellen Stromänderungen zulassen, wie sie ein Inverter verursacht. Als Lösung bietet sich ein Kondensator an, der elektrische Energie speichert und die Schaltströme von der Oberleitung »entkoppelt«. Schaltet der Inverter ein, wird der Strom von der Oberleitung und vom Kondensator geliefert. Bei einem passend dimensionierten Kondensator ist der durch die Oberleitung fließende Strom gleich dem mittleren Strom, den die Elektromotoren für die jeweilige Geschwindigkeit benötigen; dieser mittlere Strom ändert sich nur langsam. Damit entspricht der Strom durch den Kondensator der Differenz zwischen diesem langsam schwankenden mittleren Strom und dem vom Inverter verursachten Schaltstrom. Dieser Strom wird auch als »Ripplestrom« bezeichnet.

Es gibt verschiedene Kondensatortypen, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Für Traktionsanwendungen kommen vorzugsweise Kunststofffolien- oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren zum Einsatz. Kunststofffolien erwärmen sich durch den Ripplestrom nur wenig, sind langzeitstabil und für Hochspannungen bis 20kV auslegbar. Zum Speichern von Spannungen bis 1,2 kV finden auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren Verwendung. Diese sind bei gleicher Speicherkapazität kompakter und preisgünstiger als Kunststofffolienkondensatoren.

Allerdings erwärmen sich Aluminium-Elektrolytkondensatoren durch den Ripplestrom, außerdem haben sie eine begrenzte, temperaturabhängige Lebensdauer – das ist bei der Schaltungsentwicklung zu berücksichtigen. Dieser Artikel beschreibt, worauf Entwickler beim Einsatz von Aluminium-Elektrolyt- und Kunststofffolienkondensatoren in solchen Anwendungen achten müssen, und welche Eigenschaften ein solcher Kondensator idealerweise haben sollte.

Auswahl des optimalen Kondensators für die jeweilige Anwendung

Aluminium-Elektrolytkondensatoren finden hauptsächlich in folgenden Traktionsanwendungen Verwendung:

  • als DC-Zwischenkreiskondensatoren in Motorsteuerungen, die die Drehzahl elektrischer Großmotoren steuern,
  • als DC-Zwischenkreiskondensatoren in Hilfsstromversorgungen, beispielsweise für Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen.

In beiden Applikationen dient der Aluminium-Elektrolytkondensator als Energiespeicher, der dafür sorgt, dass der Umrichter, der den Motor steuert oder eine Hilfsstromversorgung speist, stabil läuft. Er wirkt auch als Filter, der verhindert, dass Hochfrequenzsignale aus dem Umrichter in das Bordnetz gelangen.

Wichtigstes Auswahlkriterium für den Aluminium-Elektrolytkondensator ist dessen Ripplestrombelastbarkeit bei Ripplestrom-Frequenzen im Bereich von 8kHz bis 20kHz, wie sie für Inverter typisch sind. Um die Lebensdauer des Aluminium-Elektrolytkondensators zu maximieren, sollte man ihn an der kühlsten Stelle anbringen. Durch Zwangskühlung oder Anbringen eines Kühlkörpers – insbesondere in Verbindung mit der erweiterten Kathodenkonstruktion in dem Aluminium-Elektrolytkon-densator – lässt sich die Lebensdauer des Kondensators verlängern.

Es ist ratsam, eine Mindestkapazität zu spezifizieren, die einen stabilen Betrieb der Motorsteuerung gewährleistet. Auch sollte die Parasitär-Induktivität (ESL, Equivalent Series Inductance) möglichst klein sein, um das Schaltrauschen stärker zu unterdrücken. Große Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Schraubanschlüssen können ESL-Werte von weniger als 13nH erreichen.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren erlauben sowohl Parallel- als auch Reihenschaltung. Schienenfahrzeuge haben Betriebsspannungen von bis zu 1200V; in solchen Anwendungen ist es möglich, drei Aluminium-Elektrolytkondensatoren in Reihe zu schalten. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Gesamtspannung sich gleichmäßig auf die drei Kondensatoren verteilt. In der Regel verwendet man hierfür Ableitwiderstände – sogenannte »Bleeder«-Widerstände.