Bei der Ersatzteilbeschaffung für Antriebsumrichter und Schaltschränke gelangen Kondensatoren häufig über Zwischenhändler in den Wareneingang, deren Herstellerkette sich nicht lückenlos nachvollziehen lässt. Nachgefertigte oder umbeschriftete Bauelemente tragen zwar das Datenblatt des gewünschten Typs, erfüllen die elektrischen Kennwerte jedoch nicht. Eine im Wareneingang durchgeführte Kombination aus Sichtkontrolle und elektrischer Messung deckt die meisten dieser Fälle auf, bevor ein solches Bauteil im Zwischenkreis montiert wird.
Beanspruchung im Zwischenkreis und abgeleitete Anforderungen
Im Zwischenkreis eines Antriebsumrichters an einem 400-V-Netz liegt die Gleichspannung je nach Netzbelastung zwischen etwa 540 und 580 V. Beim Schalten von Netzlasten oder im Kurzschlussfall können Transienten kurzzeitig über 800 V erreichen. Üblich sind daher Kondensatoren mit mindestens 630 V Nennspannung oder eine Reihenschaltung zweier Typen mit je 400 V. Parallel dazu überlagert der pulsförmige Laststrom des Wechselrichters einen Rippelstrom im Bereich von 2 bis 16 kHz. Dieser Strom erwärmt das Bauelement über den Kernwiderstand; bei einem Elektrolytkondensator können daraus ohne wirksame ESR-Begrenzung 15 bis 25 K Eigenerwärmung resultieren. Hinzu kommen 40 bis 60 °C Gehäuse-Innentemperatur im Schaltschrank. Daraus lassen sich folgende Anforderungen an das Originalbauteil ableiten:
- Nennspannung mindestens 15 % über der maximalen stationären Zwischenkreisspannung, besser 25 %.
- Rippelstrom-Nennwert bezogen auf 105 °C; bei Umgebungstemperaturen um 60 °C ist ein höherer Betriebsstrom zulässig, sofern die zulässige Kern- und Gehäusetemperatur eingehalten wird.
- ESR bei 10 kHz nach Datenblatt, damit die Verlustleistung bei Schaltfrequenz unterhalb der thermischen Grenze bleibt.
- Kapazitätstoleranz ±20 % für Elektrolytkondensatoren, ±5 % für Folienkondensatoren nach IEC 60384-4 bzw. IEC 60384-16.
- Leckstrom beziehungsweise Reststrom im Bereich der einschlägigen Bauteilnorm, da erhöhte Restströme auf Fertigungsfehler oder gealterte Wickel hinweisen.
Messgrenzen für die Wareneingangsprüfung
Die Messung erfolgt mit einem kalibrierten LCR-Meter und einem regelbaren Gleichspannungsnetzteil mit Vorwiderstand. Elektrolytkondensatoren werden vor der Reststrommessung über einen Vorwiderstand auf Nennspannung geladen und fünf Minuten gehalten. Für Folienkondensatoren genügt die Kapazitäts- und Verlustfaktorbestimmung.
| Messgröße | Messbedingung | Wareneingangs-Grenzwert |
|---|---|---|
| Kapazität (Elektrolyt) | 1 kHz, 0,5 V AC | 80 bis 120 % des Nennwertes |
| Kapazität (Folie, MKP) | 1 kHz, 1 V AC | ±5 % des Nennwertes |
| ESR (Elektrolyt) | 10 kHz, 1 V AC, 20 °C | ≤ 1,2 × Datenblattwert |
| Verlustfaktor (Folie) | 1 kHz, 20 °C | ≤ 0,001 bei MKP |
| Reststrom | nach 5 min bei Nennspannung | ≤ 0,01 × CR × UR + 5 µA |
| Abmessungen | Messschieber, Vergleich mit Referenzmuster | Höhe/Durchmesser ±2 % beziehungsweise ±1 mm |
Überschreitet die gemessene Kapazität den oberen Toleranzwert, liegt häufig eine andere Wickelkonstruktion vor; unterschreitet sie den unteren Wert, wurde oft ein Typ mit kleinerer Kapazität nachbeschriftet. Ein ESR von mehr als dem 1,5-fachen Datenblattwert weist auf einen veränderten Wickelaufbau oder gealtertes Elektrolyt hin, auch wenn Kapazität und Reststrom innerhalb der Toleranz liegen.
Sichtprüfung: Kennzeichen nachbeschrifteter Bauteile
Die folgenden Merkmale sind Hinweise auf Umbeschriftung und sollten zur Ablehnung führen, sobald zwei oder mehr zutreffen:
- Siebruck leicht verschoben, ungleichmäßige Schriftstärke oder abweichende Farbe gegenüber Referenzmustern.
- Datumscode ohne Charge, ohne Herstellerzeichen oder an ungewohnter Position.
- Druckstelle des Berstventils bereits angehoben oder geöffnet, obwohl das Bauteil als neu deklariert ist.
- Anschlussdrähte oder Schraubanschlüsse mit Nacharbeitsspuren, etwa Löt-, Biege- oder Schleifmarken.
- Gehäusemantel mit unregelmäßigen Kratzern, nachträglich aufgezogenem Schrumpfschlauch oder sichtbarer Klebereste.
Ein Massevergleich mit einem Musterbauteil bekannter Herkunft unterstützt die Beurteilung. Nachbeschriftete Elektrolytkondensatoren weichen häufig um mehr als 5 % im Gewicht ab, da Wickelaufbau und Gehäusewandstärke nicht dem Original entsprechen. Auch die Lage des Berstventils sollte mit dem Datenblatt übereinstimmen.
Bewertung und Dokumentation
Für die Stichprobenprüfung bietet sich ein Umfang von fünf bis zehn Bauteilen je Charge an, abgestimmt auf die Liefermenge. Weicht mehr als ein Muster außerhalb der Toleranz, ist die Charge zu sperren. Bei einzelnen Ausreißern empfiehlt sich die 100-%ige Nachmessung der betroffenen Kenngrößen. Die Ergebnisse sind mit Chargennummer, Lieferschein-Referenz und Messgerät im Prüfprotokoll festzuhalten; diese Rückverfolgbarkeit ist im Schaltschrankbau und in der Instandhaltung Voraussetzung für eine spätere Ursachenanalyse. Die Kapazitäts-, ESR- und Reststrommessung ersetzt keine Herstellerprüfung, deckt aber die häufigsten Fälle umbeschrifteter Bauelemente zuverlässig auf.
Werden die genannten Schwellen konsequent angewendet und dokumentiert, bleiben Folgeausfälle im Umrichter durch nachgefertigte Kondensatoren aus. Im Zweifel hilft der Abgleich der Siebdruck- und Datumscode-Angaben mit dem Datenblatt des Originalherstellers sowie eine Rückfrage beim Lieferanten. Bewährt hat sich, für kritische Antriebsanwendungen Kondensatoren nur mit vollständiger Charge- und Werksdokumentation zu beschaffen.