AKKN Electronics GermanyKondensatorbänke in Frequenzumrichtern, USV-Anlagen und Blindleistungskompensationsanlagen sind thermisch hoch beanspruchte Komponenten. Ihre Verlustleistung steigt quadratisch mit dem Rippelstrom, und die zulässige Kerntemperatur des Dielektrikums bestimmt die nutzbare Lebensdauer unmittelbar. Für die Auslegung und Überwachung ist daher die Kenntnis der Wärmepfade entscheidend: von der Verlustquelle im Kondensator über das Gehäuse bis zur umgebenden Schaltschrankluft.
Elektrische Beanspruchung und Wärmeentstehung
Im DC-Zwischenkreis eines Umrichters fließt ein Rippelstrom, der sich aus der Schaltfrequenz der Endstufe (typisch 2 kHz bis 16 kHz) und den Seitenbändern der Pulsweitenmodulation zusammensetzt. Die daraus resultierende Verlustleistung berechnet sich näherungsweise zu PV = IRMS² × ESR. Je nach Bauart tragen unterschiedliche physikalische Mechanismen zum Ersatzserienwiderstand bei: bei Folienkondensatoren der Metallschichtwiderstand und die Kontaktierung, bei Elektrolytkondensatoren zusätzlich der Elektrolytwiderstand und die Oxidschicht. Der ESR ist frequenz- und temperaturabhängig; bei tiefen Temperaturen kann er ein Vielfaches des Wertes bei 20 °C betragen.
Neben dem Dauerbetrieb sind zwei Sonderfälle zu betrachten:
- Einschaltvorgänge: Beim Laden des Zwischenkreises entsteht kurzzeitig eine erhöhte Verlustleistung. Die thermische Einschwingzeit der Kondensatorbank glättet diese Lastspitzen; maßgeblich ist der Effektivwert über die Ansprechzeit des Schutzes.
- Oberschwingungen: In Kompensationsanlagen erzeugen stromrichtergespeiste Verbraucher Oberschwingungsströme. Liegt die Resonanzfrequenz der Kondensatorbank in der Nähe einer dominanten Harmonischen (z. B. 5. oder 7. Ordnung), steigt der Effektivstrom über den Bemessungswert.
Anforderungen an Kondensatoren aus der thermischen Belastung
Aus der beschriebenen Beanspruchung leiten sich konkrete Mindestanforderungen ab, die sowohl bei der Erstauslegung als auch bei der Ersatzbeschaffung zu prüfen sind.
Rippelstromtragfähigkeit
Der zulässige Rippelstrom ist bei Elektrolytkondensatoren auf eine maximale Kerntemperatur bezogen, bei Folienkondensatoren auf eine maximale Gehäusetemperatur. Überschreitet der Betriebsstrom den Bemessungswert, steigt die Übertemperatur quadratisch an. Als Auslegungsregel sollte der Dauerrippelstrom bei Umgebungstemperaturen über 50 °C auf etwa 70 % des Katalogwertes reduziert werden.
Derating und Temperaturklasse
Die Komponenten müssen über einen dokumentierten Derating-Verlauf verfügen, der den zulässigen Rippelstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur angibt. Zusätzlich ist die maximal zulässige Gehäusetemperatur zu prüfen. Diese liegt bei gängigen Bauformen bei 85 °C; für besonders warme Schaltschrankbereiche werden Typen mit erweiterter Temperaturklasse benötigt.
Für die Normkonformität gilt: Kondensatoren der Leistungselektronik sind nach IEC 61071 zu beurteilen, selbstheilende Wechselspannungs-Leistungskondensatoren nach IEC 60831. Die dort festgelegten Prüf- und Betriebsbedingungen liefern eine belastbare Grundlage für den Vergleich von Ersatztypen.
Spezifikationstabelle für die thermische Auslegung
Die folgende Tabelle fasst die typischen Kenngrößen zusammen, die für die thermische Bewertung einer Kondensatorbank benötigt werden. Die Zahlenwerte sind als Orientierung für die Auswahl zu verstehen; verbindlich ist die Herstellerdokumentation des eingesetzten Typs.
| Kenngröße | Üblicher Bereich | Bedeutung für die Praxis |
|---|---|---|
| Bemessungsspannung UN | 400 V–1100 V DC | AC-Ausführung: 230 V–480 V nach IEC 60831; Spannungsreserve für Transienten einplanen |
| Nennkapazität CN | 5 µF–10 000 µF je nach Bauform | Toleranz und Alterungsdrift bei Ersatztypen prüfen |
| Zulässiger Rippelstrom IR | 10 A–60 A (baugrößenabhängig) | Bei Umgebungstemperatur > 50 °C auf ca. 70 % reduzieren |
| Verlustfaktor tan δ (Folie) | 1×10⁻⁴ bis 1×10⁻³ bei 1 kHz | Steigt mit der Frequenz; Datenblattkurve beachten |
| ESR (Elektrolyt) | 5 mΩ–50 mΩ bei 10 kHz | Bei Kaltstart um ein Vielfaches höher als bei 20 °C |
| Max. Gehäusetemperatur | 85 °C (erweiterte Typen 95 °C) | Fühler an der Seitenfläche in Höhe der Wickelmitte anbringen |
| Max. Kerntemperatur | 105 °C (üblich) | Überschreitung verkürzt die Nutzungsdauer deutlich |
| Thermischer Widerstand Rth | 3 K/W–12 K/W | Niedrigere Werte bei Montage auf Kühlplatte mit Wärmeleitpaste |
| Nutzungsdauer | 10 000 h–200 000 h bei Nennbetrieb | Richtwert: 10 K geringere Kerntemperatur ≈ doppelte Nutzungsdauer |
Montage- und Prüfhinweise für den Schaltschrank
Die Wärmeabfuhr wird wesentlich durch die Einbausituation bestimmt. Folgende Hinweise sind in der Praxis zu beachten:
- Lüftungsabstände: Zwischen den Kondensatoren und zu benachbarten Bauteilen sind Mindestabstände von 10 mm bis 20 mm einzuhalten. Werden mehrere Reihen ohne Zwischenraum übereinander montiert, dominiert die Verlustwärme der unteren Reihe die Erwärmung der darüberliegenden Bauteile.
- Einbaulage: Bei Elektrolytkondensatoren mit Überdruckventil ist die Lage des Ventils zu beachten; das Ventil darf nicht durch Kabel oder Montagewinkel verdeckt werden.
- Zwangsbelüftung: Bei Umgebungstemperaturen über 50 °C oder hoher Verlustleistungsdichte ist eine Zwangsbelüftung erforderlich. Der Luftstrom sollte von unten nach oben gerichtet sein; eine direkte Ansaugung über dem Kondensator ist zu vermeiden.
- Kühlkörpermontage: Für Baugruppen mit hoher Verlustleistung werden Kondensatoren mit planer Gehäuseunterseite auf einer Kühlplatte montiert. Die Kontaktfläche ist mit Wärmeleitpaste zu versehen, um den Übergangswiderstand niedrig zu halten.
Messpraxis und Inbetriebnahme
Für die Temperaturmessung eignen sich Thermoelemente oder PT100-Fühler, die an der Seitenfläche des Gehäuses in Höhe der Wickelmitte befestigt werden. Die Messung am Deckel oder an der Anschlussklemme ergibt zu niedrige Werte. Die thermische Einschwingzeit großer Kondensatorbänke beträgt 1 bis 3 Stunden; eine Aussage über die stationäre Übertemperatur ist erst nach dieser Zeit belastbar.
Die zulässige Übertemperatur Δθ ergibt sich aus dem thermischen Gesamtwiderstand und der Verlustleistung:
Δθ = PV × Rth,gesamt
Bei der Inbetriebnahme ist folgendes Prüfschema sinnvoll:
- Strommessung am Ausgang des Umrichters mit Oszilloskop und Stromzange; Dokumentation des Rippelstroms bei Nennlast.
- Temperaturerfassung an mehreren Kondensatoren der Bank über mindestens 2 Stunden Dauerbetrieb.
- Vergleich der gemessenen Gehäusetemperatur mit dem Derating-Diagramm des Herstellers.
- Bei Überschreitung: Prüfung der Resonanzlage, Reduzierung der Schaltfrequenz oder Vergrößerung der Lüftungsabstände.
Eine Erhöhung der Gehäusetemperatur um 10 K gegenüber dem Ausgangszustand bei unverändertem Betriebsstrom deutet auf eine Erhöhung des ESR hin – ein Anzeichen für fortschreitende Trocknung bei Elektrolytkondensatoren. Regelmäßige Temperaturmessungen im Rahmen der Wartung erkennen diese Veränderung frühzeitig.
