Energiespeicher Neues Konzept sorgt für effizienten Einsatz von Kondensatoren

Bei Umrichtern, zum Beispiel für Windkraftanlagen, spielen Kondensatoren eine entscheidende Rolle. Wurden die passiven Bauelemente in den letzten Jahren vor allem unter Preisdruck weiterentwickelt, ist jetzt auch einen Trend hin zu individuellen und durchdachten Konzepten zu erkennen. Ein Beispiel dafür liefert Hersteller FTCAP.

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Vor allem beim Handling der Energiespeicher gab es bislang noch Verbesserungspotenzial: „Die Herausforderungen bestanden vor allem in der aufwändigen Montage der Kondensatoren und dem knappen Bauraum der Umrichter“, sagt André Tausche, Geschäftsführer von FTCAP Fischer und Tausche Capacitors. Das neue Busbarsystem Fischer Link schafft Abhilfe – denn bei diesem patentierten Konzept erhalten die Anwender ein einbaufertiges Modul, sodass keine weitere Montage anfällt und im Schadensfall ein schneller Wechsel möglich ist.

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Ein Kondensatorendeckel ist bei dieser platzsparenden Bauweise nicht nötig, so dass sich die Volumenkapazität um bis zu zehn Prozent steigern lässt. „Das ist vor allem vor dem Hintergrund interessant, dass die Möglichkeit der Volumenreduzierung bei gängigen Konzepten begrenzt ist“, hebt Tausche hervor. „Normalerweise werden Film- und Folienkondensatoren über die Schichtdicke der verwendeten Folien optimiert, aber das ist nicht beliebig steigerbar.“

Beim Einsatz in Windkraftanlagen ergeben sich weitere konkrete Vorteile: In der Vergangenheit wurden fehlerhafte oder alte Kondensatoren einzeln ausgetauscht. Häufig mussten neue Kondensatoren in alte Kondensatorenbänke integriert werden – dabei handelt es sich um einen teuren und zeitaufwändigen Prozess, der auch Risiken birgt: „Ein neuer Kondensator hat im Vergleich zu alten Modellen einen relativ geringen Kriechstrom“, erläutert der Geschäftsführer. „Der Abgleichwiderstand kann die verschieden hohen Kriechströme innerhalb ein- und derselben Kondensatorenbank aber nicht ausgleichen. Daraus ergibt sich ein höheres Ausfallrisiko.“

Beim Umstieg auf Fischer Link werden die alten Bänke entsorgt und durch die innovativen Kondensatorenmodule ersetzt. So lassen sich Aufwand und Kosten für die Wartung signifikant reduzieren; zeitgleich wird die Ausfallsicherheit der betreffenden Windkraftanlage deutlich erhöht.

Individuell gemäß den Anforderungen gefertigt

FTCAP konzipiert und fertigt die Module jeweils nach kundenspezifischen Vorgaben. „Unsere enorme Produktionstiefe ermöglicht es uns, sehr individuelle Lösungen zu realisieren“, so André Tausche. Generell werden die Filmkondensatoren beim Fischer-Link-System direkt auf die Kupferplatten geschweißt. Die fertig bestückten Busbarplatten werden in einer flachen Wanne unter Vakuum eingegossen. So erreicht man eine rüttelfeste und haltbare Verbindung; für extreme Einsatzbedingungen sind optional zusätzliche Becherboden-Befestigungsplatten erhältlich. Durch die direkte Verbindung von Kondensator und Busbar lassen sich Kontaktkorrosionen vermeiden, die bei der Verschraubung der Kontakte auf laminierten Busbars häufig auftreten. Ebenso entfällt der Kondensatordeckel als „Schwachstelle“, über den diffusionsbedingte Feuchtigkeit einfallen könnte – entsprechend verlängert sich die Lebensdauer der Module maßgeblich.

Niederinduktiver Aufbau sorgt für hohe Resonanzfrequenz

Abgesehen von einer effizienteren Montage und Qualitätssicherung überzeugen die Systeme mit geringer Induktivität – parasitäre Widerstände und Induktivitäten werden auf ein Minimum reduziert. Der niederinduktive Aufbau des Systems bewirkt eine hohe Resonanzfrequenz und einen in weiten Bereichen gleichbleibend niedrigen inneren Verlustwiderstand (ESR, Equivalent Serial Resistance) von unter 1 mOhm. Der robuste Busbar aus reinem Kupfer gewährleistet eine gleichbleibend hohe Stromtragfähigkeit für den gesamten Frequenzbereich oberhalb 100 Hz bis weit über die Resonanzfrequenz hinaus. Die Bauweise erlaubt zudem eine optimale Abstimmung der elektrischen Eigenschaften von Busbar und Einzelkondensatoren.

Weniger Vergussmasse – bessere Kühlung

Eine effiziente Kühlung der einzelnen Kondensatoren im System wird durch eine Reduktion der Vergussmasse auf ein benötigtes Minimum erzielt. Hintergrund: Der Verguss bewirkt eine schlechtere Wärmeabfuhr; der Aufbau des Systems mit Einzelaluminiumbechern wirkt diesem Effekt entgegen. Die Abstände Wickel – Aluminiumbecher und Busbar (Kupferplatten) – Kühlkörper werden beim Fischer Link so gering wie möglich gehalten. Durch die großflächigen Kupferplatten, welche so nah wie möglich Richtung Kühlkörper verlegt werden, gewährleistet FTCAP eine bestmögliche Anbindung an die Kühlkörper – wobei der Kondensator natürlich potentialfrei ist.

Vormontierte Elko-Bänke für eine höhere Belastbarkeit und Lebensdauer

Die Busbars lassen sich jedoch nicht nur mit Film-, sondern auch mit Elektrolytkondensatoren bestücken“, sagt Tausche. Bei der Anwendung mit Elektrolytkondensatoren wird ein Busbar mit mehreren Energiespeichern bestückt und in ein stabiles Kunststoffgehäuse mit Polyurethan fest vergossen. Die Kontaktierung kann in Serien- und Parallelschaltung erfolgen. Die benötigten Symmetriewiderstände sind bereits integriert. Diese Kontaktierung ermöglicht es, die Kondensatorenbank direkt mit dem IGBT zu verbinden und dabei schädliche Induktivitäten zu minimieren. Durch die millimetergenau abgestimmte Bauhöhe lassen sich IGBT und Kondensatoren mit demselben Kühlkörper kühlen, außerdem wird die Leistungsfähigkeit gesteigert. Die optimierte Kühlung erhöht den überlagerten Wechselstrom, was sich positiv auf die Lebensdauer der Kondensatoren auswirkt.

Die Elko-Bänke finden vor allem in der Antriebsteuerung und unterbrechungsfreien Stromversorgung Verwendung. Es sind diverse CU-Kombinationen möglich. Die hohe Leistungsdichte sowie eine thermische, mechanische und elektrische Robustheit machen die Module zu einer interessanten Alternative zu allen traditionellen Montagelösungen von Kondensatoren und IGBTs.

* *Dr. Thomas Ebel, Geschäftsführer der FTCAP GmbH

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