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Spannungsfestigkeit im Fokus

Einsatz von Film- und Elektrolytkondensatoren in der Energietechnik

11. Oktober 2013, 11:02 Uhr | Engelbert Hopf

Kondensatoren-Gestelle, auf denen die waagrechte Montage über Einzelkondensatoren erfolgt: Diese Türme können Höhen von 7 bis 10 m erreichen.

Als Speicherelemente in der Energietechnik finden Kondensatoren die verschiedensten Anwendungen. So sind effiziente Leistungsumrichter ohne die entsprechenden Film- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren nicht realisierbar und eine Spannungsstabilisierung im Hochspannungsnetz nur durch den Einsatz entsprechend leistungsfähiger Kondensatorbänke möglich.

Wesentlicher Bestandteil moderner Stromversorgungen und Frequenzumrichtern sind die Speicherelemente, welche die Energie in den unterschiedlichsten Formen zwischenspeichern und für die nachfolgenden Umformprozesse zur Verfügung stellen. Hohes Augenmerk liegt dabei auf Glättung und Gleichförmigkeit der Energiequelle. Kondensatoren mit ihrer Eigenschaft große elektrische Ladungen zu speichern, kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Prinzipiell gilt: Je größer die sich gegenüberstehenden Platten, desto größer die Kapazität. Wegen des begrenzten Bauraums moderner Geräte kommt es darauf an, in kleinem Volumen hohe Kapazitäten zu realisieren. Im speziellen Einsatzfall der Energietechnik ist zudem die Spannungsfestigkeit besonders wichtig.

Film- und Elektrolytkondensatoren

Film-Kondensatoren, speziell metallisierte Filmkondensatoren, basieren auf einer Wicklung aus zwei Lagen metallisiertem Polypropylen. Dabei bestimmt die Dicke der Polypropylenfolie (Isolator) die Nennspannung, die bis zu mehreren kV betragen kann. Eine Besonderheit der Polypropylenkondensatoren ist ihre Selbstheilung. Bei den im Allgemeinen sehr geringen Folienstärken ist das sehr wichtig, um einem Kurzschluss bei Durchschlag vorzubeugen. Weitere konstruktionsbedingte Eigenschaften sind ein geringer ESR, ESL und ein relativ weiter Einsatztemperaturbereich. Ihre Kapazität ändert sich nicht wesentlich mit der Temperatur, zudem werden sie beim Laden / Entladen kaum aufgeheizt und sie lassen sich in einem weiten Frequenzbereich einsetzen.

Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren bestehen aus zwei Schichten Aluminiumfolie, getrennt durch eine oder zwei Schichten von Papier, und imprägniert durch eine leitende Flüssigkeit, den Elektrolyten. Begrenzt wird seine Betriebsspannung durch die Dicke der Oxidschicht der ersten Aluminiumfolie und die Eigenschaften des Elektrolyten. In der Praxis liegt sie bei etwa 500 V. Hervorzuhebende Eigenschaften sind das sehr hohe Ladungsspeichervermögen, und die auf die Kapazität bezogenen kleinen Abmessungen. Weil der Elektrolytkondensator polarisiert ist, lässt er sich er nur begrenzt im Wechselspannungsumfeld einsetzen. Aluminium Elektrolytkondensatoren weisen eine höhere Kapazität per Volumeneinheit auf. Durch die spezifische Konstruktion variiert der Kapazitätswert jedoch mit Temperatur und Frequenz. Ohmsche und frequenzabhängige Verluste verursachen Erwärmungen beim Laden / Entladen, was den möglichen Ripple-Strom begrenzt. Durch chemische Prozesse ändern sich die elektrischen Eigenschaften im Laufe der Zeit, was zu einer erhöhten Ausfallrate nach Ende der spezifizierten Lebensdauer führen kann.

Keramikkondensatoren sind durch die zur Isolation verwendeten keramischen Materialen sehr hochspannungsfest. Sehr fein gemahlenen para-/ ferroelektrischer Grundstoffe werden bei hohen Temperaturen zu einem kapazitiven Element gesintert, welches als Dielektrikum als Träger der Elektroden dient. Keramikkondensatoren können nur kleine Ladungsmengen speichern. Im Allgemeinen finden sie zu Filterzwecken für hochfrequente Spannungen Einsatz. Hierfür werden die Phasen und Nullleiter über die Kondensatoren mit der Erde kurzgeschlossen. Hochspannungskondensatoren können Überspannungen im Bereich mehrerer Kilovolt verarbeitet. Aktuelle Stromversorgungen und Umrichter erreichen immer höhere Leistungsdichten bis in den Megawatt-Bereich. Moderne Halbleiter erlauben das Schalten von hohen Lasten mit immer höheren Frequenzen, und damit die Realisierung von Großumrichtern in kompakter Ausführung und zu vertretbaren Kosten. Die Anforderungen an die Kondensatoren steigen mit zunehmender Leistungsdichte.

Grundsätzlich unterscheidet man bei Umrichtern einen Eingangskreis, der je nach Energiequelle mehr oder weniger umfangreich aufgebaut ist. Speziell bei Solarumrichtern hängt die Eingangsgröße von der Sonnenscheinintensität ab, und ist damit großen Schwankungen unterworfen, was eine optimale Arbeitspunkteinstellung des Umrichters eher schwierig gestaltet. Daher muss man die Verwendung eines Gleichspannungsenergiespeichers am Eingang vorsehen. Als Eingangskreiskondensator verwendet man auf Grund des hohen Gleichspannungsanteils und der gewünschten hohen Speicherkapazität Elektrolytkondensatoren, die entsprechend überdimensioniert werden können. Weil keine sehr hohen Wechselanteile zu erwarten sind, wird der Kondensator kaum gestresst.

Wesentlich komplexer sind die Anforderungen an einen Zwischenkreiskondensator, auch DC-Link genannt. Sie wirken als Energiespeicher zwischen dem DC / DC-Wandler und dem DC / AC-Wechselrichter. Ihre Eingangsströme enthalten sehr hohe Wechselanteile (Ripple). Ausgangsseitig müssen sie die Spannung gut glätten, um eine stabile Gleichspannungsversorgung des Wechselrichters sicherzustellen. Typische Vertreter für Umrichter kleinerer Leistung sind etwa metallisierte Polypropylenkondensatoren. Ist der verfügbare Raum zu gering, oder soll mehr Energie gespeichert werden, bieten Aluminiumkondensatoren eine passende Alternative. Mit einer guten Dimensionierung auf Basis eines zu erwartenden Lastprofils lassen sich auch mit Aluminiumkondensatoren Wechselrichter-Lebensdauern von über 20 Jahren realisieren. Bei Anwendungen im Leistungsbereich von 100 kW und mehr wird ein Zwischenkreiskondensator oft mit größeren Aluminiumkondensatoren aufgebaut.
Bezogen auf die Kosten der Bauelemente bietet ein Aluminiumkondensator einen klaren Vorteil, da ein 470μF/450V Aluminiumkondensator etwa ein Fünftel eines vergleichbaren Filmkondensators kostet. Allerdings erfordern Folienkondensatoren wenig Schutzschaltung, um die Auswirkungen von Ausfällen zu begrenzen. Hohe Schaltfrequenzen und steile Schaltflanken machen den Einsatz von Dämpfungskondensatoren (Snubber) erforderlich. Ihre Aufgabe ist es, Spannungs-und Stromspitzen zu reduzieren oder zu eliminieren und Schaltverluste zu verringern. Aufgrund der Unterdrückung von durch das Schalten von Leistungshalbleitern verursachten Spannungs- und Stromüberschwingungen wird die Störsignalausstrahlung (EMI) gesenkt.

Alternativ setzen Entwickler für Leistungselektronik vermehrt komplexe Schaltalgorithmen für Puls-Weiten-Modulation (PWM) ein, um Effizienz zu gewinnen und um die Netzqualität zu verbessern. Solche Konstruktionen verwenden höhere Frequenzen und Oberschwingungen, die durch Einsatz von LC-und LCL-Filter am Ausgang gefiltert werden müssen. AC-Filter-Kondensatoren bieten einen weiten Kapazitätsbereich, vielfältige Anschlusskonfiguration und zur erhöhten Betriebssicherheit auch die sogenannte Segmented-Film-Technology entsprechend des UL810 Standards.

Mit steigender Leistungsdichte und erhöhten Anforderungen rückt die Betrachtung des Überlast- und Fehlerverhalten in den Fokus. Treten im Inneren eines Filmkondensators Probleme auf, verhält er sich letztendlich wie ein offener Stromkreis, während im Fehlerfall das Ergebnis in einem Aluminiumkondensator weniger vorhersehbar ist. Der Schaden kann sich am Ende als ein Kurzschluss, eine offene Schaltung oder etwas dazwischen (hoher Leckstrom) auswirken sowie bei Überhitzung zu Austritt des Elektrolyten durch die Druckentlastung und zum Austrocknen der Wicklung führen.