AKKN Electronics GermanyDer Zwischenkreis eines Antriebsumrichters ist die energetische Drehscheibe zwischen Netzgleichrichter und Wechselrichterstufe. Aluminium-Elektrolytkondensatoren übernehmen dort die Pufferung der Zwischenkreisspannung, die Glättung der Rippelspannung und die Bereitstellung von Impulsenergie für die IGBT-Wechselrichterbrücke. Unter den Bauelementen des Umrichters ist die Lebensdauer des Elektrolytkondensators besonders stark von der Temperatur abhängig. Für Instandhaltungs- und Entwicklungsingenieure ist es daher wichtig, die Belastung im realen Betrieb zu kennen, den Ersatztyp normgerecht auszuwählen und den Alterungszustand durch Messung zu beurteilen.
Belastungssituation im Antriebsumrichter
Die elektrische Belastung des Zwischenkreiskondensators setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Der Gleichrichter lädt den Kondensator pulsierend; der Wechselrichter entnimmt Strom in Taktrate des Pulsweitenmodulationsverfahrens. Beide Vorgänge erzeugen einen überlagerten Wechselstrom, den Rippelstrom. Dieser fließt über den Ersatzserienwiderstand (ESR) des Kondensators und führt zu einer Erwärmung des Wickels. Die Verlustleistung beträgt näherungsweise das Produkt aus dem Quadrat des Rippelstroms und dem ESR (P = I²_ripple × ESR).
Hinzu kommen die Umgebungstemperatur im Schaltschrank, die bei kompakten Antrieben und fehlender Durchlüftung deutlich über 40 °C liegen kann, sowie Lastspiele durch Anfahr-, Brems- und Leerlaufphasen. Die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators wird maßgeblich durch die Hot-Spot-Temperatur im Wickel bestimmt. Nach der Arrhenius-Beziehung verdoppelt sich die Lebensdauer bei einer Absenkung der Hot-Spot-Temperatur um 10 K. Ein Kondensator mit einer spezifizierten Lebensdauer von 8.000 h bei 105 °C erreicht bei 85 °C Hot-Spot-Temperatur rechnerisch 32.000 h.
Anforderungen an den Ersatztyp
Für den Einsatz im Antriebsumrichter muss der Kondensator eine hohe Rippelstromtragfähigkeit, einen niedrigen ESR bei 10 kHz und eine hohe obere Kategorietemperatur aufweisen. Die Auswahl erfolgt nach IEC 60384-4 beziehungsweise DIN EN 60384-4. Die folgende Tabelle fasst typische Kenngrößen für einen Zwischenkreiskondensator in einem 400-V-Antrieb zusammen.
| Kenngröße | Typischer Wert | Auswahl- und Prüfhinweis |
|---|---|---|
| Zwischenkreisspannung | ca. 560 V DC bei 400-V-Netz | Reihenschaltung von Kondensatoren mit 450 V DC Nennspannung erforderlich; Symmetrierwiderstände vorsehen |
| Nennkapazität | 470 µF bis 680 µF | Toleranz −10 % / +30 % nach IEC 60384-4 beachten |
| Rippelstrom | ≥ 2,4 A bei 10 kHz und 105 °C | Betriebsrippelstrom der Applikation muss unterhalb des Nennwertes liegen |
| ESR | ≤ 45 mΩ bei 10 kHz, 20 °C | Mit LCR-Meter messen; Anstieg auf mehr als das Doppelte gilt als End-of-life-Kriterium |
| Lebensdauer | 8.000 h bei 105 °C und Nennrippelstrom | Temperatur- und Rippelstrom-Derating anwenden |
Die Nennspannung ist so zu wählen, dass die maximale Zwischenkreisspannung im Stillstand, bei Netzüberspannung und bei Bremsbetrieb sicher unterhalb der Nennspannung des Kondensators beziehungsweise der Reihenschaltung bleibt. Ein Betrieb mit reduzierter Spannung erhöht die Lebensdauer zusätzlich, da die elektrische Feldstärke im Oxid geringer ist.
Lebensdauer abschätzen und auslegen
Für eine überschlägige Lebensdauerabschätzung wird die Hot-Spot-Temperatur aus Umgebungstemperatur und Rippelstromerwärmung gebildet. Die Eigenerwärmung hängt vom ESR und vom thermischen Widerstand des Kondensators ab. Je nach Baugröße und Kühlung sind bei Nennrippelstrom Werte von 10 K bis 20 K üblich. Wird der Kondensator beispielsweise bei 75 °C Umgebungstemperatur mit einem Rippelstrom betrieben, der eine Erwärmung um 10 K bewirkt, liegt die Hot-Spot-Temperatur bei 85 °C. Gegenüber der Nenntemperatur von 105 °C ergibt sich ein Lebensdauerfaktor von 2^(20/10) = 4, also 32.000 h.
Liegt der Betriebsrippelstrom unterhalb des Nennwertes, verringert sich die Eigenerwärmung quadratisch, da die Verlustleistung proportional zu I² × ESR ist. Eine Absenkung des Rippelstroms um 30 % reduziert die Verlustleistung auf etwa die Hälfte und wirkt sich entsprechend positiv auf die Lebensdauer aus. Bei der Auslegung sind außerdem die zulässige Rippelspannung und der Formfaktor des Stroms zu berücksichtigen; die Datenblattangaben gelten in der Regel für sinusförmige Ströme.
Einbau- und Prüfhinweise für die Praxis
Für eine lange Lebensdauer ist die Wärmeabfuhr entscheidend. Kondensatoren sind so einzubauen, dass die Konvektion nicht behindert wird; ein Abstand von mindestens 10 mm zwischen benachbarten Bauelementen und die Anordnung außerhalb des Luftstroms von Bremswiderständen oder Netzdrosseln sind empfehlenswert. Bei Reihenschaltung ist auf eine Symmetrierung der Spannungsaufteilung durch parallelgeschaltete Widerstände zu achten.
Bei der Instandhaltung genügt die Messung von Kapazität und ESR mit einem LCR-Meter bei 10 kHz oder 100 kHz. Ein ESR-Anstieg auf mehr als das Doppelte des Anfangswertes oder ein Kapazitätsabfall um mehr als 20 % gegenüber dem Anfangswert weist auf eine beginnende Austrocknung hin. Ergänzend sind die Entlüftungseinrichtung auf Bauchung und ein Austritt von Elektrolyt zu prüfen. Vor jeder Messung muss der Kondensator gemäß EN 50110 spannungsfrei geschaltet und entladen werden. Bei längerer Lagerung über zwei Jahre ist ein Formieren vor der Inbetriebnahme erforderlich, um den Oxidfilm wiederherzustellen und den Ableitstrom zu begrenzen.
