Seit einigen Jahren haben sich MKP-Gleichspannungskondensatoren mit einer Metallisierung in Segmentform als Zwischenkreis-, Speicher- oder Filterkondensator durchgesetzt. Aufgrund der hohen möglichen Betriebsfeldstärke ergeben sich Kondensatoren mit einer hohen spezifischen Kapazität.
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Abb. 1 zeigt den Prinzipaufbau dieses Dielektrikums, welches bei ELECTRONICON die Bezeichnung "SMKP" (Segment-metallisierter Kunststoffkondensator, Polypropylen) trägt.
Das Dielektrikum weist außer dem Selbstheileffekt, bei dem nach einem Durchschlag im Dielektrikum die dünne Metallschicht (Dicke in nm-Bereich) rings um die Durchschlagstelle verdampft und sie damit i.d.R. isoliert, eine zusätzliche Sicherung in Form eines Stromtores auf. Bei einem nicht sicher ausheilenden Durchschlag in einem Segment verdampft das Stromtor, so daß sich das schadhafte Segment abtrennt. Abbildung 1 - Aufbau eines SMKP-Dielektrikums |
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Abb. 2 zeigt einen Test der Spannungsfestigkeit im Kurzzeitbetrieb. An jeder markierten Feldstärke wurde die Prüfspannung für 10 min angelegt und anschließend die Kapazität gemessen.
Man sieht, daß bei einer Betriebsfeldstärke von ca. 150V/µm und einer Prüffeldstärke für die Spannungsfestigkeit von 225V/µm noch keinerlei Veränderungen im Dielektrikum auftreten. Man erkennt jedoch auch, daß bei erhöhter Umgebungstemperatur bereits unter niedrigeren Feldstärken ein deutlicher Kapazitätsverlust auftritt.
Abb.2 - Kurzzeitprüfung der Spannungsfestigkeit
Für die Beurteilung des Verhaltens der Kondensatoren im Dauerbetrieb reicht die in Abbildung 2 darge-stellte Prüfung allerdings nicht aus.
Nach IEC EN61071 (IEC 1071) sollen die Kondensatoren im Betrieb folgenden Überspannungen widerstehen:
| 1,1 x UN | 30 % der Einschaltdauer |
| 1,15 x UN | 30 min/d |
| 1,2 x UN | 5 min/d |
| 1,3 x UN | 1 min/d |
| 1,5 x UN | 100 ms/d |
Dieser Nachweis erfolgt über eine Alterungsprüfung, bei der die Kondensatoren 1000mal mit dem doppelten Wert des zulässigen Spitzenstromes entladen und anschließend bei oberer Grenztemperatur einer Dauerspannung von 1,4 x UN ausgesetzt werden. Dabei darf die Kapazität maximal um 2% absinken.
Abbildung 3 zeigt das Verhalten dieser Kondensatoren bei der Alterungsprüfung. Die Kondensatoren wurden
Die IEC -Vorschrift verlangt, daß dem Wert von 1,3 x UN eine Minute pro Tag widerstanden wird. Bei einer Lebensdauer von 100.000 Stunden entspricht das einer zulässigen Beanspruchung von ca. 70 Stunden bei 1,3-facher Nennspannung. Man ersieht daraus, daß an die Typprüfung der Kondensatoren hohe Anforderungen gestellt und große Sicherheitsreserven verlangt werden.
Insbesondere bei Anwendungen der Schienenfahrzeugtechnik werden in bezug auf Höhe und Häufigkeit der Überspannungen oft höhere Anforderungen gestellt. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis einer Prüfung, bei der alle 15 Minuten eine Belastung mit einer Überspannung von 1,2 x UN für eine Dauer von 15 Sekunden nachgebildet wurde. Mit anderen Worten, an Stelle der gemäß IEC zulässigen Dauer dieser Überspannung von 5 min/d tritt diese 24 Minuten am Tage auf. Die Prüfung erfolgte für 1000 Zyklen dieser Beanspruchung. Kurve 1 stellt die Kapazitätsänderung des Prüflings bei der vom Anwender geforderten oberen Grenztem-peratur von 75 °C dar, Kurve 2 zeigt dagegen die gleiche Überspannungsbeanspruchung bei einer Tem-peratur von ca. 30 °C.
Man erkennt, daß bei Raumtemperatur noch unkritische Überspannungen bei höheren Betriebstemperaturen bereits zu geringfügigen Kapazitätsverlusten führen können.
Abbildung 4 -Prüfung auf Überspannungens-Verträglichkeit
Schlußfolgerungen
Das SMKP-Dielektrikum weist eine hohe Spannungsfestigkeit auf und kann bis zu Umgebungstemperatu-ren von 70°C mit den nach IEC EN61071 zulässigen Überspannungen belastet werden.
Um eine hohe Lebensdauer zu erzielen, sollte jedoch darauf geachtet werden, daß Betriebszustände mit Überspannungen an der oberen Grenztemperatur möglichst vermieden werden. Werden besonders hohe Anforderungen an die Überspannungsfestigkeit gestellt, so muß gegebenenfalls die obere Grenztempe-ratur herabgesetzt bzw. die Betriebsfeldstärke abgesenkt werden. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen bis etwa 50°C hat das SMKP-Dielektrikum in bezug auf Beanspruchung mit Überspannung hohe Reserven.
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