Auf einen Blick

Grundsätzlich gilt, je größer die Platten eines Kondensators sind, desto größer ist seine Kapazität. Aufgrund der geringen Einbaumaße in modernen Geräten ist jedoch die Realisierung hoher Kapazitäten bei kleinem Umfang entscheidend. Darüber hinaus ist die Durchschlagfestigkeit von großer Bedeutung. Film- und Elektrolytkondensatoren sind typische Beispiele für Elemente, die diesen Anforderungen gerecht werden.

Filmkondensatoren, insbesondere metallisierte Filmkondensatoren, basieren auf einer zweischichtigen Wicklung aus metallisiertem Polypropylen. Die Dicke der Polypropylenfolie (Isolator) bestimmt die Nennspannung, die bis zu mehreren kV betragen kann. Eine besondere Eigenschaft der Polypropylenkondensatoren ist ihre „Selbstheilungsfähigkeit“. Da in der Regel sehr dünne Folien verwendet werden, ist diese Fähigkeit äußerst wichtig, um Kurzschlüsse nach Überschlägen zu vermeiden. Zu den weiteren Konstruktionseigenschaften gehören niedrige ESR und ESL und ein relativ großer Betriebstemperaturbereich.

Bild 1: Filmkondensatoren sind praktisch ideal für Solaranwendungen, da sich ihre Kapazität mit der Temperatur nicht wesentlich verändert und beim Laden und Entladen nahezu unverändert bleibt.

Bild 1: Filmkondensatoren sind praktisch ideal für Solaranwendungen, da sich ihre Kapazität mit der Temperatur nicht wesentlich verändert und beim Laden und Entladen nahezu unverändert bleibt. Vishay

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus zwei Aluminiumfolien, die durch eine oder zwei Schichten Papier voneinander getrennt und mit einer leitfähigen Flüssigkeit, dem Elektrolyt, getränkt sind. Die Betriebsspannung wird durch die Stärke der Oxidschicht der ersten Aluminiumfolie und die Eigenschaften des Elektrolytes auf etwa 500 V begrenzt. Wesentliche Eigenschaften sind eine sehr hohe Ladungsspeicherkapazität und geringe Abmessungen in Relation zur Kapazität. Da der Elektrolytkondensator jedoch polarisiert ist, kann er in Wechselstromumgebungen nur begrenzt eingesetzt werden. Der Aluminium-Elektrolytkondensator hat zwar eine höhere Kapazität pro Volumeneinheit, aufgrund seiner spezifischen Konstruktion schwanken die Kapazitätswerte jedoch mit der Temperatur und der Frequenz. Ohm‘sche und frequenzabhängige Verluste führen beim Laden und Entladen zur Erwärmung, was den möglichen Welligkeitsstrom begrenzt. Darüber hinaus verändern sich aufgrund von chemischen Prozessen mit der Zeit die elektrischen Eigenschaften. Das kann gegen Ende der angegebenen Lebensdauer zu erhöhten Ausfallquoten führen.

Keramikkondensatoren sind aufgrund der für ihre Isolierung verwendeten keramischen Materialien resistent gegenüber extrem hohen Spannungen. Sehr fein gemahlene paraelektrische/ferroelektrische Ausgangsmaterialien werden bei hohen Temperaturen auf ein kapazitives Element gesintert, das als Elektrodenträger die Funktion des Dielektrikums übernimmt. Keramikkondensatoren können nur kleine Ladungsmengen speichern und werden in der Regel zu Filterzwecken bei Hochfrequenzspannungen eingesetzt. In diesen Anwendungen werden die Phasen- und Nullleiter über die Kondensatoren mit der Masse kurzgeschlossen. Heute erhältliche Hochspannungskondensatoren können Überspannungen von mehreren Kilovolt verarbeiten.

Resistent gegenüber extrem hohen Spannungen

Moderne Stromversorgungen und Wandler erreichen immer höhere Leistungsdichten bis in den Megawattbereich. Moderne Halbleiter erlauben das Schalten von hohen Lasten bei konstant steigenden Frequenzen und machen so leistungsstarke Wandler in kompakter Bauweise zu akzeptablen Preisen möglich. Mit den steigenden Leistungsdichten steigen jedoch die Anforderungen an die Kondensatoren.

Grundsätzlich unterscheiden sich mehr oder weniger umfangreich strukturierte Wandlereingangsschaltungen durch die Energiequelle. Insbesondere bei Solarwandlern unterliegt der Eingangswert großen Schwankungen, da er von der Intensität des Sonnenlichts abhängig ist. Das erschwert das Einrichten eines optimalen Arbeitspunktes. Deshalb muss am Eingang ein Gleichstromenergiespeicher zur Verfügung stehen. Als Kondensator für den Eingangskreis werden wegen der hohen Gleichspannungskomponente und der erforderlichen hohen Speicherkapazität Elektrolytkondensatoren verwendet, die sich entsprechend überdimensionieren lassen. Da keine sehr hohen Wechselstromkomponenten zu erwarten sind, wird der Kondensator kaum beansprucht.

Die Anforderungen für Zwischenkreiskondensatoren sind deutlich komplexer. Sie fungieren als Energiespeicher zwischen dem Gleichstromwandler und dem Wechselrichter und ihr Eingangsstrom enthält sehr hohe Wechselstromkomponenten (Welligkeit). Die Spannung an der Ausgangsseite muss gut geglättet werden, um eine stabile Gleichspannungsversorgung zum Wechselrichter sicherzustellen. Typische Beispiele für kapazitätsarme Wandler sind metallisierte Polypropylenkondensatoren der Baureihe MKP1848, während sich Kondensatoren der Baureihe HDMKP für größere Wandler eignen.

Wenn der verfügbare Platz nicht ausreicht oder wenn mehr Energie gespeichert werden muss, sind Aluminiumkondensatoren eine geeignete Alternative. Für Anwendungen mit Lastbereichen ab 100 kW kann ein Zwischenkreiskondensator – oft größere Aluminiumkondensatoren – eingesetzt werden.

Bild 2: Bei guter Dimensionierung der Komponenten anhand des erwarteten Lastprofils kann mit Elementen wie Vishays 193 PUR-SI Solar oder 159 PUL-SI eine Wechselrichterlebensdauer von über 20 Jahren erreicht werden.

Bild 2: Bei guter Dimensionierung der Komponenten anhand des erwarteten Lastprofils kann mit Elementen wie Vishays 193 PUR-SI Solar oder 159 PUL-SI eine Wechselrichterlebensdauer von über 20 Jahren erreicht werden. Vishay

Bei den Kosten der Bauteile liegen Aluminiumkondensatoren klar im Vorteil. Der Preis für einen 470-μF/450-V-Aluminumkondensator liegt bei nur einem Fünftel von dem eines vergleichbaren Filmkondensators. Filmkondensatoren benötigen jedoch nur wenige Schutzschaltkreise, um die Auswirkungen von Ausfällen einzuschränken. Hohe Schaltfrequenzen und steile Schaltflanken machen die Verwendung von Dämpfungskondensatoren (Snubber) erforderlich. Der Snubberkondensator MKP386M hat die Aufgabe, Spannungs- und Stromspitzen und Schaltverluste zu verringern oder zu beseitigen. Geräuschemissionen (EMI) werden durch das Unterdrücken der beim Schalten von Halbleitern entstehenden Spannungs- und Stromüberschwingungen reduziert.

Alternativ setzen Entwickler zunehmend komplexe Schaltalgorithmen in der Leistungselektronik zur Pulsweitenmodulation ein, um die Effizienz zu steigern und die Netzqualität zu erhöhen. Solche Konstruktionen nutzen höhere Frequenzen und Oberschwingungen, die am Ausgang mithilfe von LC- und LCL-Filtern ausgefiltert werden müssen. Netzfilterkondensatoren wie die Baureihe MKP1847 bieten einen erweiterten Kapazitätsbereich, verschiedene Anschlusskonfigurationen und zur Erhöhung der Sicherheit die sogenannte Segmented-Film-Technology gemäß UL810-Standard.

Mit steigender Leistungsdichte rückt die Betrachtung von Überlast- und Fehlerverhalten in den Fokus. Schäden können in Form eines Kurzschlusses, einer offenen Schaltung oder etwas dazwischen wie ein erhöhter Leckstrom auftreten und bei Überhitzung kann durch die Druckreduzierung und das Austrocknen der Wicklung das Elektrolyt austreten.

Stabile Hochspannung trotz wechselnder Lasten

Die zunehmende Integration erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie stellt das Netz vor neue Herausforderungen. Kondensatoren zur Spannungsstabilisierung im Hochspannungsnetz arbeiten in einem völlig anderen Anwendungsgebiet als herkömmliche Kondensatoren, mit anderen Konstruktionsanforderungen und Abmessungen. Sie dienen dazu, die Standardanforderung zu erfüllen, nach der die Netzspannung beim Endverbraucher nicht mehr als ±10 % von 230 VAC abweichen darf.

Das zusätzliche Bereitstellen von kapazitiver Blindleistung kann die Spannung stabilisieren. Durch eine leichte Phasenverschiebung im kapazitiven oder induktiven Bereich lässt sich die Spannung anheben oder absenken. Dafür können nach Bedarf Kompensationsdrosselspulen oder Kondensatorbänke hinzugeschaltet werden. Oberleitungen wirken bei hoher Last induktiv. Die Spannung sinkt und steigt wieder, wenn durch kapazitive Blindleistung die Phase verschoben wird.

Neben der Spannungsstabilität ist auch die Spannungsqualität von wesentlicher Bedeutung für die Netzbetreiber. Während des Betriebes addieren sich Oberwellen – überlagerte Spannungen mit einem Vielfachen der Grundwellenfrequenz – zur Grundwelle. Im Allgemeinen ist in stark belasteten Netzen die dritte Oberwelle (150 Hz) am stärksten ausgeprägt, sodass sie deutlich reduziert werden muss. Die entsprechenden Filtereinrichtungen liegen in der Regel im Leistungsbereich von 200 bis 300 MVA.

Erreicht wird die Blindleistungsreduzierung durch eine mechanisch geschaltete Kondensatorbank mit Dämpfung (MSCDN). Wenn eine starke Last am Netz anliegt und die Spannung gestützt werden muss, werden den Phasen Kondensatoren zugeschaltet. Die Abstimmung der beiden Kondensatoren C1 und C2 mit der Hochspannungsspule L bewirkt, dass der 50-Hz-Stromanteil ungehindert durch C2 fließt. Nah an der Mittenfrequenz liegende Frequenzen werden jedoch durch den Widerstand geleitet und in Wärme umgewandelt. Die Störfrequenz wird so deutlich reduziert.

Aufbau der einzelnen Kondensatoren

Kondensatoren bestehen aus gewickelten Elementen. Da sich die Elemente bis zu einer Spannung von etwa 2 kV optimal betreiben lassen, muss eine Vielzahl von Elementen in Reihe geschaltet werden, um die erforderliche Überschlagspannung von 250 bis 300 kV zu erreichen. Damit diese riesigen Kapazitäten modular transportiert und installiert werden können, bauen Spezialhersteller die gewickelten Elemente in Edelstahlgehäuse ein und verschweißen sie hermetisch. Diese Einheiten nennt man Mittelspannungskondensatoren.

Die am ersten Kondensator (C1) anliegende Hochspannung wird auf eine Reihe von 30 bis 40 Kondensatoren verteilt. Für jeden einzelnen Kondensator ergibt das eine Spannung von rund 7,5 kV. Das Gewicht der Kondensatoren ist auf maximal 100 kg begrenzt, sodass weniger als zehn parallele Kondensatoren pro Reihe geschaltet werden können. Ein C1-Kondensator verfügt über eine Kapazität von 35 bis 40 µF. Diese Kondensatoren bestehen aus mehreren gewickelten Elementen, die intern zu seriellen Wickelgruppen geschaltet sind. Im zweiten Kondensator (C2) werden die anliegenden 30 bis 40 kV auf etwa fünf Kondensatorreihen verteilt. Das ergibt 7 kV pro Kondensator bei einer Kapazität von etwa 45 µF.

In der technischen Umsetzung entsteht dabei eine sehr große Anlage. Die Elektroden eines Kondensatorwickelelementes bestehen aus einer Aluminiumfolie, das Dielektrikum aus mehreren Lagen Polypropylenfolie. Würden alle für ein solches Projekt benötigten Folien aneinandergereiht, entstünde ein Band von 8.000.000 Meter Länge. Das ist weit mehr als die Hälfte der Erdachse und mit der Fläche der Folien könnte man etwa 350 Fußballfelder abdecken. In Gewicht ausdrückt, benötigt man über zehn Tonnen Aluminium und zirka 25 Tonnen Polypropylen. Um diese große aktive Oberfläche in eine kompakte Form zu bringen, werden die Aluminium- und Polypropylenfolien erst rund aufgewickelt und dann flach gepresst. Diese flachen Wicklungen werden gestapelt, verschaltet, isoliert und hermetisch dicht in rechteckigen Gehäusen verbaut. Das Gesamtgewicht der Kondensatoren mit Gehäusen und Anschlüssen liegt bei weit über 50 Tonnen.

Filmkondensatoren sind praktisch ideal für Umrichteranwendungen , da sich ihre Kapazität mit der Temperatur nicht wesentlich verändert und beim Laden und Entladen nahezu unverändert bleibt.

Filmkondensatoren sind praktisch ideal für Umrichteranwendungen , da sich ihre Kapazität mit der Temperatur nicht wesentlich verändert und beim Laden und Entladen nahezu unverändert bleibt. Vishay

Diese zahlreichen Beispiele demonstrieren die vielfältigen Anwendungen von Kondensatoren in der Leistungselektronik und Elektrotechnik. Darüber hinaus können sie in weiteren Anwendungen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen, Stromzählern und der Steuerung von Hochleistungsantrieben als Ergänzung eingesetzt werden.