AKKN Electronics GermanyEin 22-kW-Umrichter für ein Förderband mit häufigen Lastwechseln schaltet beim Abbremsen unregelmäßig mit der Störmeldung „Überspannung Zwischenkreis“ ab. Der Bremswiderstand und der zugehörige Schalttransistor sind funktionsfähig. Was zunächst nach einer Störung in der Bremsverwaltung aussieht, entpuppt sich bei genauerer Untersuchung als typischer Alterungsfall der Zwischenkreiskondensatoren: Ein angestiegener ESR und der Verlust an Kapazität vergrößern den Spannungsrippel am Gleichspannungszwischenkreis, sodass die Überspannungserkennung bereits bei mittleren Bremsrampen anspricht. Die Störmeldung ist das Symptom; die Ursache liegt im Zwischenkreis selbst.
Erstbefund und Eingrenzung der Fehlerursache
Vor jeder Messung steht die Sichtprüfung. Ein geöffnetes Sicherheitsventil, ausgetretener Elektrolyt und eine verformte Dichtung weisen auf eine Übertemperatur im Kondensatorinneren hin. Die Einbaulage ist ebenfalls zu prüfen: Kondensatoren mit Sicherheitsventil müssen mit der Ventilseite nach oben montiert sein, damit austretender Elektrolyt im Fehlerfall nicht auf Leiterplatte oder Schaltschrankgehäuse läuft.
Die Ursachen lassen sich in drei Ebenen eingrenzen:
- Elektrische Belastung: Die effektive Rippelstrombelastung bestimmt die Erwärmung des Wickels. Sie resultiert aus Lade- und Entladezyklen des Zwischenkreises, aus der PWM-Ausgangsstufe und aus Brems- oder Rückspeisebetrieb. Bei Hubwerken und Zentrifugen fließt der Bremsstrom zeitweise direkt in den Zwischenkreis; der Kondensator muss diesen Rippelstrom bei gleichzeitig hoher Umgebungstemperatur aufnehmen.
- Thermische Umgebung: Hohe Schaltschranktemperaturen, die Nähe zu Netzdrosseln oder Bremswiderständen und eine unzureichende Luftführung heben die Gehäusetemperatur. Da die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren stark temperaturabhängig ist, senken bereits wenige Kelvin Dauererhöhung die erwartete Lebensdauer merklich.
- Dimensionierung und Typ: Im 400-V-Drehstromnetz liegt die unbelastete Zwischenkreisspannung nach dem Gleichrichter bei etwa 565 V; üblich sind Reihenschaltungen zweier Kondensatoren mit 350 V oder 400 V Nennspannung. Die Nennspannung muss die maximale auftretende Spannung einschließlich Netzschwankungen dauerhaft abdecken. Zusätzlich sind die Symmetrierwiderstände zu prüfen, da eine Teilspannungsdrift die Last auf einer der beiden Kapazitäten konzentriert.
Messablauf mit Grenzwerten
Vor jeder Messung ist der Zwischenkreis definiert zu entladen: über einen geeigneten Entladewiderstand, anschließend Spannungsfreiheit messen. Bei fehlenden Entladewiderständen kann die Restladung auch nach Stunden noch mehrere hundert Volt betragen. Die Einzelmessung erfolgt am ausgebauten Bauteil; bei parallelen Kondensatoren verfälscht die Parallelschaltung die Messung.
| Messgröße | Messbedingung | Grenzwert und Handlung |
|---|---|---|
| Kapazität | LCR-Meter, 100 Hz oder 120 Hz | Abfall auf unter 80 % des Nennwerts: Kondensator ersetzen |
| ESR | LCR-Meter, 10 kHz | Anstieg über das 1,5-Fache des Neuwerts: Kondensator ersetzen |
| Gehäusetemperatur | Thermoelement an der Gehäusemitte im Dauerbetrieb | Übertemperatur über 15 K gegenüber der Schrankinnenluft: Belastung prüfen |
| Ableitstrom | Gleichspannung gleich Nennspannung, nach 5 Minuten | Überschreitung von 0,01 · C · U (mA, C in µF, U in V): Kondensator ersetzen |
Die Grenzwerte dienen als Orientierung; maßgeblich sind die Angaben des Herstellers im Datenblatt. Bei der Messung im eingebauten Zustand beeinflussen Streuinduktivitäten und Leitungslängen die ESR-Messung bei 10 kHz; reproduzierbare Verbindungen mit kurzer Messleitung sind deshalb Voraussetzung. Eine um mehr als 10 K gegenüber einem baugleichen Neuteil erhöhte Gehäusetemperatur spricht ebenfalls für einen angestiegenen ESR und rechtfertigt den Austausch, auch wenn die Kapazität noch knapp über 80 % liegt.
Vorbeugung und Kriterien für den Ersatztyp
Die Auswahl des Ersatzkondensators bestimmt, ob der Umrichter das nächste Wartungsintervall erreicht. Folgende Punkte sollten dokumentiert und im Schaltschrank geprüft werden:
- Das Derating der Nennspannung sollte üblicherweise 15 bis 20 % über der maximalen Zwischenkreisspannung im Leerlauf liegen; für 400-V-Netze ist auf die höchste zulässige Netzspannung einschließlich Toleranz zu dimensionieren, nicht auf den Netznenwert.
- Die Kapazität ist auf den zulässigen Spannungsrippel und die geforderte Überbrückungszeit auszulegen. Bei hoher Rippelstrombelastung senkt die Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren den resultierenden ESR.
- Der Nennrippelstrom aus dem Datenblatt gilt bei der oberen Kategorietemperatur (zum Beispiel 85 °C). Oberhalb dieser Temperatur ist der Rippelstrom abzumindern, unterhalb kann er entsprechend der Herstellerkurve erhöht werden.
- Die thermische Einbindung im Schaltschrank ist zu kontrollieren: Abstand zu Wärmequellen, Luftführung und gegebenenfalls Querlüftung. Nach der Inbetriebnahme sollte die Gehäusetemperatur messtechnisch erfasst und als Wartungswert abgelegt werden.
- Für Reihenschaltungen sind Symmetrierwiderstände mit enger Toleranz zu verwenden; ihr Wert ist bei der Instandsetzung mit zu prüfen.
- Der Ersatztyp muss zu Anschlussbild, Befestigungsmaßen und elektrischen Kenndaten des vorhandenen Fußabdrucks passen. Für die Bewertung gelten die Festlegungen nach DIN EN 60384-4 für Aluminium-Elektrolytkondensatoren; bei Folienkondensatoren im Zwischenkreis ist DIN EN 61071 heranzuziehen. Losprotokolle und Messzertifikate des Lieferanten erleichtern die Rückverfolgbarkeit im Fehlerfall.
Als Näherung gilt: Eine Verringerung der Kerntemperatur um 10 K verdoppelt die zu erwartende Lebensdauer. Wer Lastprofil, Einbausituation und Messwerte gegen die genannten Grenzen dokumentiert, plant Ersatzbeschaffung und Tausch auf einer belastbaren Grundlage und vermeidet den zweiten Stillstand durch einen falsch gewählten Ersatzkondensator.
