Kondensatorenschränke Beim Induktionserwärmen auf die Steckdose verzichten

Die Firma Idea entwickelt hocheffiziente Produkte und Lösungen für induktive Erwärmungsaufgaben wie das Härten, Löten und Schrumpfen. „Wir sind unter anderem Experten für induktive Härteanwendungen“, sagt Andreas Häußler, geschäftsführender Gesellschafter von Idea. „Unsere Induktionserwärmungsanlagen sind weltweit im Einsatz und härten auf effiziente Art und Weise und mit größter Präzision verschiedenste Werkstücke.“

Die Anlagen des baden-württembergischen Unternehmens verfügen über einen flexiblen Anpass- und Frequenzbereich, sodass einer optimalen Auslegung des individuellen Wärmeprozesses nichts im Wege steht.

Energie- und Kostenersparnisse

Um den Kunden immer die modernsten Technologien bieten zu können, erforscht Idea kontinuierlich neue Prozesse und Herangehensweisen. Derzeit beschäftigen sich die Experten mit der Frage, ob spezielle Kondensatorenschränke beim Kurzzeithärten Energie und Kosten sparen können.

„Bei Induktionserwärmungs- und Schweißanlagen werden oft hohe Leistungen für einen sehr kurzen Zeitraum im Bereich von Millisekunden benötigt“, erläutert Häußler. Das sei unter anderem bei Punktschweißanlagen im Automobilbau der Fall. Aber auch bei der konturgenauen Härtung von Zahnrädern benötige man für eine kurze Zeit einen sehr großen Leistungspuls, um die Oberflächen der Komponenten schnell zu erwärmen, bevor sie wieder abgeschreckt werden. „Bislang läuft dieser Vorgang ohne Kondensatoren, das heißt, die hohen Leistungspulse werden aus dem regulären Stromnetz gezogen.“

Das jedoch belastet die Netzversorgung und führt zu erheblichen Energiekosten, da die zu bezahlende Vorhalteleistung nach der maximalen Leistungsentnahme berechnet wird. „Wenn auch nur eine Sekunde lang mit 1 MW geheizt werden soll, müssen Sie dem Energieversorger pauschal die Vorhaltsleistung von 1 MW bezahlen“, erklärt Häußler. „Dabei ist es ganz egal, wie lange die Pausen zwischen den Heizphasen sind.“

Zudem müsse man die entsprechenden Netzelemente auf die hohen Leistungen auslegen, was zusätzliche Kosten verursacht. Abhilfe könnten Kondensatorbänke schaffen, die als Energiespeicher beziehungsweise Puffer zwischen dem Netzanschluss und der Anwendung dienen.

„Wenn man die Kondensatoren zwischenschaltet und kontinuierlich mit 100 kW lädt, muss man nur diese reduzierte Vorhaltsleistung bezahlen“, sagt Häußler. „Auch die vorgeschalteten Elemente können kostensparend für kleinere Leistungen ausgelegt werden.“ Anlagen wie diese existieren allerdings bislang nicht – noch nicht, denn Idea will demnächst ein entsprechendes Pilotprojekt an den Start bringen.

Anforderungen an die Kondensatoren

Dafür wurden jedoch zunächst einmal die passenden Kondensatoren benötigt. Die Experten von Idea wandten sich dafür an den bewährten Lieferanten Mersen, mit dem schon seit vielen Jahren eine vertrauensvolle Kundenbeziehung besteht. Die Anforderungen waren hoch: Idea wünschte sich Kondensatorenschränke, die auf kleinstem Bauraum eine sehr hohe Kapazität zur Verfügung stellen.

„Die Lösungen müssen mehrere Millionen Lade- und Entladezyklen bei Umgebungstemperaturen von bis zu 55 °C erlauben, ohne dass Defekte oder nennenswerte Kapazitätsverluste auftreten“, erläutert Häußler. „Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad ist zudem ein sehr geringer Innenwiderstand sowie eine niedrige Selbstentladung von entscheidender Bedeutung.“ Leistungsseitig müssen die Energiespeicher in der Lage sein, eine Energieleistung von mehreren hundert Kilowatt für circa eine Sekunde abzugeben. Im Anschluss erfolgt eine prozessbedingte Pause von mehreren Sekunden.

Mersen konzipierte für Idea ein Konzept, bei dem pro Schrank eine Vielzahl von Kondensatoren verbaut sind. „Für das Pilotprojekt liefern wir im ersten Schritt zwei Schränke, die wir auch selbst bauen und bestücken“, sagt André Tausche, Geschäftsführer von FTCap (Teil des Mersen-Konzerns). „Neben den Kondensatoren sind auch die benötigten Teleskopschienen, Traversen und Symmetriewiderstände im Angebot enthalten. Wir übernehmen zudem die fachgerechte Montage der Schienen und Kondensatoren auf den Platten.“ Die komplette Fertigstellung der Baugruppe wird von Idea durchgeführt.

Hohe Kapazitäten bei langer Lebensdauer

In den Schaltschränken von Idea kommen Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Gewindeanschluss der FTCap-Serie GM zum Einsatz. Jeder der Kondensatoren besitzt selbst bei hohen Einsatztemperaturen von bis zu 85 °C eine sehr lange Lebensdauer von circa 8.000 Stunden. Darüber hinaus können diese Aluminium-Elektrolytkondensatoren, bei denen alle internen Kontakte verschweißt sind, in einem weiten Spannungsbereich von 16 bis 450 V eingesetzt werden und zeichnen sich durch eine sehr niedrige Induktivität aus.

„Kondensatoren mit Gewindeanschluss eignen sich generell für alle Anwendungen, in denen eine besonders enge Verbindung der Bauteile mit ihrer Umgebung wichtig ist“, erklärt Tausche. „Das ist nicht nur in der vorliegenden Anwendung, sondern zum Beispiel auch in der Medizin- und der Bahntechnik der Fall.“

Die Serie GMX Long Life eignet sich aufgrund ihrer langen Lebensdauer speziell für die Verwendung in der Medizintechnik. Noch rauer sind die Einsatzbedingungen in der Bahntechnik, für die die Baureihe GW konzipiert ist. Diese Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind unempfindlich gegenüber hohen Rippelströmen und zeichnen sich durch eine sehr niedrige Induktivität aus.

Speziell für Umgebungen, in denen erhöhte Sicherheitsanforderungen gelten, hat der Hersteller die Baureihe GF entwickelt. Diese Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus einem selbstverlöschenden Elektrolyt und werden unter anderem in industriellen Schweißgeräten verbaut.

Häußler ist mit der Wahl der Kondensatoren zufrieden: „Dank der sehr hohe Volumenleistungsdichte, der langen Lebensdauer und der niedrigen Induktivität eignen sich die FTCap-GM-Kondensatoren bestens für unser Pilotprojekt“, sagt der Idea-Geschäftsführer. Mit den ersten Tests der beiden Kondensatorenschränke will man in Kürze beginnen.

Sollte sich das Konzept bewähren, ist Mersen auch auf lange Frist mit von der Partie: „Mersen ist ein langjähriger zuverlässiger und flexibler Lieferant der Idea. Wir sind wirklich froh, einen starken Partner an unserer Seite zu haben, der auch kundenspezifische, anwendungsoptimierte Lösungen im Kleinserienbereich professionell umsetzt“, sagt Häußler abschließend.