Powercycling-Kondensatoren
FVA 918 I | IGF-Nr. 21495-N
Lebensdauerprüfung von Leistungskondensatoren mit aktiven Temperaturwechseln (KoPCT)
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Teststands zur thermomechanischen Alterung von Kondensatoren durch Verlustleistung. DC-Link-Kondensatoren sind in Umrichtern wechselnden elektrischen Belastungen ausgesetzt. Dabei erwärmen sich die Kondensatoren durch Verlustleistung am internen Serienwiderstand (ESR). Die wechselnde elektrische Belastung führt zu wechselnder thermischer Belastung. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien und Bauteile im Kondensator führen zu thermomechanischen Spannungen, die wiederum zur Schädigung oder zum Ausfall des Kondensators führen können. In dieser Arbeit wird ein Testaufbau zur gezielten thermomechanischen Alterung durch zyklische thermische Belastung entwickelt. Durch ein besseres Verständnis der Ausfallmechanismen von Kondensatoren können die Lebensdauer verlängert bzw. die Leistungsdichte erhöht und Bauraum eingespart werden.
Zu Beginn des Projekts wurden die relevanten Alterungsmechanismen und die typische Belastung von Zwischenkreiskondensatoren erarbeitet. Dabei zeigt sich, dass für eine realitätsnahe Belastung der Kondensatoren ein Anregungssignal mit signifikantem Oberwellenanteil notwendig ist - ein großer Forschungsbedarf hinsichtlich thermomechanischer Alterung von Kondensatoren. In einem zweiten Schritt werden mögliche Schaltungstopologien zur Erwärmung von Kondensatoren durch Verlustleistung erarbeitet und im Hinblick auf den Lebensdauertest bewertet. Zur Umsetzung wird eine Topologie (siehe Abbildung) mit geschalteter Induktivität ausgewählt, die einen hohen, nahezu rechteckigen Kondensatorstrom bei geringer externer Energiezufuhr erzeugen kann. Dies wird durch Verschieben von Ladung zwischen mehreren Kondensatoren erreicht, sodass die Energie vorwiegend im System verbleibt. Ein Prototyp des Testaufbaus inklusive der notwendigen Sicherheitstechnik wurde aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen.
Das IGF-Vorhaben Nr. 21495-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
