Zwischenkreis-Folienkondensatoren in industriellen Geräten für die Leistungselektronik sind immer häufiger rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Besonders in Offshore-
Windenergieanwendungen werden Wechselrichter durch Feuchtigkeit, salzige Luft und extreme Temperaturen stark beansprucht. Diese Umstände führen insbesondere bei den eingesetzten Zwischenkreiskondensatoren zu einer zusätzlichen Belastung: Denn Feuchtigkeit beeinflusst die elektrischen Eigenschaften von metallisierten Folienkondensatoren sehr stark.
Das führt durch Korrosion zu einer Demetallisierung der metallbedampften Elektroden. Weiterhin steigt der Verlustfaktor, der Isolationswiderstand sinkt und die Wärmeentwicklung nimmt zu. Laut Studien liegt die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit an den Standorten von Windkraftanlagen zwischen 70 und 95 Prozent. Bei Standard-Kondensatoren stellen sich aus diesen Gründen sehr schnell Schäden durch Korrosion ein, die die Lebensdauer signifikant verkürzen – denn sie führen früher oder später zu Komplett-Ausfällen.
Absolute Dichte durch Aluminiumverkapselung
Um hier Abhilfe zu schaffen, hat FTCAP Filmkondensatoren des Typs GP entwickelt. Bei Standardkondensatoren vom Typ GT besteht das Gehäuse aus Polyamid PA66, wobei der nicht vom Wickel ausgefüllte Bauraum mit Kondensatorharz aufgefüllt wird. Kondensatoren mit einem verbesserten Feuchtigkeitsschutz (Typ GP) hingegen verfügen über einen Becher und eine Dichtungsscheibe aus Aluminium.
Dank ihrer speziellen Verkapselung sind diese Kondensatoren sehr gut vor Feuchtigkeit geschützt. Die Angriffsfläche der Feuchtigkeit beschränkt sich außerhalb des Kondensators auf die benötigten Isolierungen. Diese werden bei der axialen Bauform noch zusätzlich als Verdrehsicherung ausgeführt, um beim sensiblen Übergang vom Terminal zur Kondensatorfolie die Beanspruchung durch Drehmomente zu minimieren.
Dauertests erfolgreich bestanden
Wie gut die Kondensatoren vor Feuchtigkeit geschützt sind, belegt ein Dauertest über 26 Tage: Dabei wurden acht Folienkondensatoren des Typs GT mit 225µF bei 1000 V mit Steiner-Metallisierungsfolie in einen PA6-Behälter mit Wevo-PU-Harzform (Typ A) eingegossen.
Weitere acht Folienkondensatoren des Typs GP mit 225µF bei 1000 V mit Steiner-Metallisierungsfolie wurden mit Wevo-PU-Harz in einen Aluminium-Behälter eingegossen und mit einem Aluminium-Scheibendeckel (Typ B) verschlossen.
Alle 16 Proben wurden 26 Tage lang in einer Klimakammer des Typs Weiss WKL 100_40 bei 93 Prozent r.F. bei 70 °C gelagert. Vor und nach der Behandlung wurden Gewicht (Kern-Balance) und Kapazitäten (WayneKerr4300_EMP) der A- und B-Typen gemessen.
Das Ergebnis: Die Kapazitätsänderungen für die beiden Kondensatoren-Modelle unterscheiden sich nach der 26-tägigen Behandlung nicht signifikant voneinander.
Es wurde kein Kapazitätsabfall beobachtet wie bei anderen Untersuchungen. Wahrscheinlich ist eine 26-Tage-Behandlung zu kurz, um Schäden an der Metallisierung der Elektroden zu beobachten. Daher setzt FTCAP die Erprobung des Alterungsprozesses fort.
Allerdings ist bei beiden Kondensatorentypen eine deutliche positive Gewichtsveränderung zu beobachten, also die Kondensatoren waren nach dem Einsatz schwerer als vorher. Das ist deshalb interessant, weil eine positive Gewichtsveränderung unter diesen Umständen dem Eintrag von Wasser zugeschrieben wird.
Die Analyse der Gewichtszunahme der Kondensatoren nach der Prüfung zeigt, dass Kondensatoren des Typs A nach der Testperiode durchschnittlich 3 g wiegen, während die Kondensatoren des Typs B nur 0,3 g auf die Waage bringen.
Lebensdauer auf hoher See verlängert
Insgesamt nahmen beide Modelle an Gewicht zu – die Standard-Ausführung allerdings um das Zehnfache mehr als die neue Lösung. Die spezielle Verkapselung der Kondensatoren reduziert demnach das Eindringen von Feuchtigkeit, was in einer längeren Lebensdauer und größeren Ausfallsicherheit auch unter extremen Einsatzbedingungen resultiert.
Abgesehen von den neuen feuchtigkeitsgeschützten Filmkondensatoren bietet FTCAP auch eine Reihe von weiteren Lösungen, die sich für den Einsatz in Windkraftanlagen eignen. Zum Beispiel die bewährten Elko-Bänke: Bei diesen Lösungen werden mehrere Kondensatoren an einem Busbar-Anschluss kontaktiert. In dieses geschlossene System kann kaum Feuchtigkeit eindringen, sodass sich die Lebensdauer auch bei rauen Einsatzbedingungen, wie beispielsweise auf hoher See verlängert.
Anwender der Elko-Bänke profitieren aber auch von zahlreichen weiteren Vorteilen: Die komplett einbaufertigen Module stellen sich im Betrieb mit niedrigen Induktivitäten heraus und erleichtern dank der abgestimmten Bauhöhe die problemlose Kühlung der Kondensatoren.
Mit leichten Modifikationen ließen sich auch Hochleistungs-Power-Stacks in der Windkraft nutzen. FTCAP hat diese in Kooperation mit den Partnern Mersen und Agile-Switch entwickelt. Diese neuartigen Systeme vereinen Leistungsmodule, Busbars, Kondensatoren, Kühlvorrichtungen und Gate-Treiber in einer Einheit. Unter anderem wurde ein Modell für die Energiespeicherung entwickelt, das sich dank des flexiblen Gesamtkonzepts ganz einfach an verschiedene Anwendungen anpassen lässt.
Generell bleibt man im Hause FTCAP kontinuierlich am Ball, sodass die Forschungen und Entwicklungen immer weiter gehen: Derzeit erforscht das Husumer Unternehmen im Rahmen des „Innovationscluster Leistungselektronik für regenerative Energieversorgung“ auch Filmkondensatoren mit einem neuen Hochtemperatur-Dielektrikum für das gesteckte Ziel: verlängerte Lebensdauer.
