AKKN Electronics GermanyKondensatorbänke erreichen ihre Belastungsgrenze selten an der Spannungsfestigkeit, sondern meist an der thermischen Grenze. Das gilt für die Blindleistungskompensationsanlage am 50-Hz-Netz ebenso wie für die Kondensatorbank im Gleichspannungs-Zwischenkreis eines Frequenzumrichters. In beiden Fällen überlagern sich dem Grundschwingungsstrom Wechselanteile, die als Rippelstrom den Kondensator von innen erwärmen. Wer Ersatz nur anhand von Kapazität und Spannung auswählt, aber die thermische Einbausituation unberücksichtigt lässt, riskiert eine deutlich verkürzte Betriebsdauer. Dieser Beitrag zeigt, woraus die Wärmelast entsteht und wie sie sich im Schaltschrank beherrschen lässt.
Wärmelast bestimmen: Rippelstrom und ESR
Die im Kondensator umgesetzte Verlustleistung Pv berechnet sich aus dem Effektivwert des Rippelstroms Ieff und dem Ersatzserienwiderstand ESR: Pv = Ieff² · ESR(f).
Der ESR ist keine Konstante. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren sinkt er mit steigender Frequenz deutlich; Datenblattwerte beziehen sich üblicherweise auf 100 Hz. Bei Folienkondensatoren dominieren dielektrische und Kontaktverluste, die bis in den Kilohertzbereich hinein nur mäßig ansteigen. Für die thermische Auslegung genügt der Nennstrom der Kompensationsstufe oder des Umrichters nicht. Maßgeblich ist der gesamte Rippelstrom aus allen Frequenzanteilen: Ieff = √(Σ In²), wobei In die Effektivwerte des Grundschwingungsanteils und der einzelnen Oberschwingungsströme sind.
Im Netzbetrieb stammen die relevanten Oberschwingungen aus Umrichtern und Schaltnetzteilen; sie überlagern sich dem 50-Hz-Strom des Kompensationskondensators. Mit einer vorgeschalteten Entdrosselung verschiebt sich die Resonanzfrequenz bewusst unter die niedrigste auftretende Oberschwingung – die Rippelstrombelastung des Kondensators bleibt jedoch erhalten.
Ein bewährter Anhaltswert der Lebensdauertechnik: Eine Erhöhung der inneren Kondensatortemperatur um rund 10 K kann bei vielen Kondensatorbaureihen die erwartete Betriebsdauer halbieren. Maßgeblich ist die Hot-Spot-Temperatur im Wickel oder im Zellkern, nicht allein die Temperatur im Schaltschrank.
Anforderungen an Kondensator und Einbausituation
Aus der ermittelten Wärmelast ergeben sich konkrete Anforderungen an den Kondensator:
- Rippelstromtragfähigkeit: Der Nenn-Rippelstrom muss den im Dauerbetrieb auftretenden Effektivwert einschließlich Frequenzfaktor abdecken. Übliche Frequenzfaktoren reichen von 1,0 bei 100 Hz bis etwa 1,3 oberhalb von 10 kHz.
- Temperaturklasse: Für Folienkondensatoren in Kompensationsanlagen definiert IEC 60831 Temperaturklassen und Grenztemperaturen; für Kondensatoren in Umrichter-Zwischenkreisen gilt IEC 61071. Die Gehäusetemperatur muss im Dauerbetrieb unterhalb der Klassengrenze bleiben.
- Thermischer Pfad: Der Wärmewiderstand zwischen Hot-Spot und Umgebung bestimmt die Übertemperatur. Bauformen mit wärmeleitender Bodenplatte nutzen die Montagefläche als zusätzlichen Kühlweg.
| Messgröße | Beurteilungskriterium | Maßnahme bei Abweichung |
|---|---|---|
| Übertemperatur der Gehäuseoberfläche im Dauerbetrieb | ΔT ≤ 15 K gegenüber Umgebung bei Konvektionskühlung | Rippelstromlast prüfen, Luftführung verbessern, Derating anwenden |
| Thermografie-Vergleich gleichartiger Module | Abweichung unter 5 K zwischen den Modulen einer Stufe | ESR-Messung veranlassen, auffälligen Kondensator ersetzen |
| Temperatur an Schraub- und Anschlusskontakten | ΔT ≤ 20 K gegenüber Umgebung | Anzugsdrehmoment nach Herstellerangabe kontrollieren, Kontaktflächen bearbeiten |
| Zeit bis zum thermischen Gleichgewicht | Maximal 2 Stunden bei konstanter Last | Umgebungs- und Drosseltemperatur prüfen, Lastprofil hinterfragen |
Die Tabellenwerte sind Richtwerte für die Beurteilung im Schaltschrank. Sie ersetzen keine Herstellerangabe, ermöglichen aber eine schnelle Einordnung im Instandhaltungsfall.
Einbaukriterien und Verifikation im Betrieb
Eine zentrale Maßnahme zur Begrenzung der Erwärmung ist die Anordnung im Schaltschrank. Ein vertikaler Luftkanal mit Lufteintritt unten und -austritt oben unterstützt die natürliche Konvektion. Mehrreihige Kondensatorbänke benötigen einen seitlichen Abstand von mindestens 20 mm zwischen den Einzelgeräten, damit Luft zwischen den Zylindern aufsteigen kann. Wärmequellen wie Kompensationsdrosseln, Entladewiderstände oder Leistungshalbleiter gehören nicht in den direkten Zuströmbereich der Kondensatoren; bei engem Einbauraum ist Zwangsbelüftung erforderlich.
Bei Bauformen mit wärmeleitender Bodenplatte muss die Anschlussseite oben liegen und die Bodenplatte flächig auf der Montageplatte aufliegen. Wärmeleitfolie und das vorgeschriebene Anzugsdrehmoment der Befestigungsschrauben sind Voraussetzung für einen tragenden Wärmepfad. Die obere Gehäusefläche sollte frei bleiben, damit die Wärme an die Luft abgegeben werden kann.
Zur Verifikation eignet sich eine Thermografiemessung unter realer Last. Blanke Metallflächen verfälschen das Messergebnis; Schraubkontakte werden deshalb mit einem schwarzen Klebeband belegt, das einen definierten Emissionsgrad aufweist. Alternativ messen Thermoelemente mit Wärmeleitpaste an der Gehäusebodenmitte. Die Anlage ist so lange zu betreiben, bis die Temperatur über eine Stunde um weniger als 1 K ansteigt; erst dieser Zustand erlaubt den Vergleich mit der Klassengrenze.
Liegt die Umgebungstemperatur im Schaltschrank dauerhaft über 55 °C, ist für Rippelstrom und Spannungsfestigkeit ein Derating anzusetzen, dessen konkrete Werte sich aus der Herstellerangabe ergeben. Die Messwerte aus Umgebungstemperatur, Gehäusetemperatur und Laststrom gehören ins Prüfprotokoll. Sie dokumentieren nach einem Kondensatortausch nicht nur die Kapazität, sondern auch die thermische Reserve des Ersatztyps. Normgerechte Kondensatorauswahl umfasst deshalb auch die Kenntnis und Messung der Temperaturgrenzen am Einbauort.
