Funktions- und Auswahlhilfe für Zwischenkreiskondensatoren

I. Kernfunktionen von Zwischenkreiskondensatoderen

Zwischenkreiskondensator Sie befinden sich typischerweise zwischen dem Gleichrichter (oder einer anderen Gleichstromquelle) und dem Wechselrichter und sind Schlüsselkomponenten in Geräten wie Frequenzumrichtern, Wechselrichter-Netzteilen und USV. Ihre Hauptfunktionen lassen sich in den folgenden vier Punkten zusammenfassen:

1. DC-Busspannung stabilisieren (Spannungsregelung)
Funktion: Wechselrichter (z. B. IGBTs) schalten mit hohen Frequenzen und ziehen dabei stark pulsierenden Strom aus dem DC-Bus. Dies führt zu einer erheblichen Welligkeit der DC-Busspannung.
Das Verhalten eines Kondensators: Wenn der Schalttransistor eingeschaltet wird und der Strom ansteigt, entlädt sich der Kondensator, wodurch die Last sofort mit Energie versorgt wird und ein plötzlicher Abfall der Busspannung verhindert wird. Wenn der Schalttransistor ausgeschaltet ist, lädt sich der Kondensator auf, absorbiert Energie aus der Stromquelle und verhindert einen Anstieg der Busspannung. Es wirkt wie ein „Reservoir“, das Schwankungen im Durchfluss (Strom) ausgleicht und einen stabilen Wasserstand (Spannung) aufrechterhält.

2. Momentanen Spitzenstrom bereitstellen (Blindleistung bereitstellen)
Anwendung: Moderne Motorantriebe erfordern eine schnelle dynamische Reaktion. Wenn die Last plötzlich ansteigt, muss der Wechselrichter sofort einen großen Strom liefern. Aufgrund der parasitären Induktivität der Gleichstromversorgung und der Front-End-Leitungen können sie nicht sofort einen so großen Strom liefern.
Verhalten des Kondensators: Aufgrund ihres geringen Innenwiderstands (ESL/ESR) können Kondensatoren ihre gespeicherte Energie sehr schnell abgeben, wodurch der Wechselrichter sofort mit dem erforderlichen Spitzenstrom versorgt wird und die schnelle Reaktionsfähigkeit des Antriebs gewährleistet wird.

3. Absorbiert hochfrequentes Rauschen und Welligkeit (Filterung)
Funktion: Durch das schnelle Ein- und Ausschalten von Schaltgeräten entstehen hochfrequente Schaltgeräusche, die über die Leitung abgestrahlt bzw. abgeleitet werden.
Verhalten des Kondensators: Zwischenkreiskondensatoren bilden eine Schleife mit niedriger Impedanz für diese hochfrequenten Rauschkomponenten, sodass sie lokal absorbiert werden können. Dadurch wird verhindert, dass Rauschstörungen den vorgeschalteten Gleichrichterkreis oder das Stromnetz beeinträchtigen und auch den nachgeschalteten Steuerkreis beeinträchtigen.

4. Unterdrücken Sie die Energierückkopplung des Induktors
Funktion: Wenn sich der Motor beim Motorantrieb im Generatorzustand befindet (z. B. beim Bremsen oder beim Absenken schwerer Gegenstände), wird Energie von der Motorseite in den DC-Bus zurückgespeist.
Das Verhalten eines Kondensators: Ein Kondensator kann diese Rückkopplungsenergie absorbieren und so verhindern, dass die DC-Busspannung zu hoch gepumpt wird, wodurch die Schaltgeräte vor einem Überspannungsausfall geschützt werden. (Bei starker Energierückspeisung sind in der Regel ein Bremswiderstand und eine Bremseinheit erforderlich.)

II. Wichtige Punkte für die Auswahl von Zwischenkreiskondensatoren
Bei der Auswahl eines Zwischenkreiskondensators müssen die folgenden Schlüsselparameter berücksichtigt werden:

1. Nennspannung
Berechnung: Die Spannung muss höher sein als die mögliche Spannung des DC-Busses. Beispielsweise beträgt bei einem dreiphasigen Eingang mit 380 V Wechselstrom die durchschnittliche Gleichspannung nach der Gleichrichtung etwa 540 V Gleichstrom. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie Netzschwankungen und Pumpspannung sind Kondensatoren mit einer Nennspannung von 630 VDC or Typischerweise werden 700 VDC gewählt .
Marge: Im Allgemeinen ist ein Spannungsspielraum von 15–20 % erforderlich, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Spannungsspitzen zu bewältigen.

2. Kapazität
Funktion: Der Kapazitätswert bestimmt die Fähigkeit eines Kondensators, Energie zu speichern und die Spannung zu stabilisieren. Je größer der Kapazitätswert, desto besser ist der Spannungsregulierungseffekt und desto geringer ist die Spannungswelligkeit.
Schätzmethode: Es gibt komplexe Berechnungsformeln, aber eine gängige Faustregel lautet Pro 1 kW Wechselrichter-Ausgangsleistung werden etwa 100 μF – 200 μF Kondensator benötigt . Beispielsweise verwendet ein 15-kW-Wechselrichter typischerweise 1500–3000 μF Zwischenkreiskondensator.
Zu den Einflussfaktoren gehören die Systemleistung, die Schaltfrequenz, der zulässige Spannungswelligkeitsfaktor und die Lastträgheit. Eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht einen relativ kleineren erforderlichen Kondensator.

3. Nennwelligkeitsstrom
Definition: Der Effektivwert des Dauerwechselstroms, dem ein Kondensator standhalten kann. Dies ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Kondensatorerwärmung.
Bedeutung: Wenn der tatsächliche Welligkeitsstrom den Nennwert des Kondensators überschreitet, führt dies zu einer starken Überhitzung im Inneren des Kondensators, einem Austrocknen des Elektrolyten, einer starken Verkürzung der Lebensdauer und sogar einem thermischen Zusammenbruch.
Auswahlprinzip: Der Effektivwert des gesamten durch den Kondensator fließenden Rippelstroms muss berechnet oder simuliert werden und es muss sichergestellt werden, dass dies der Fall ist Der Nennwelligkeitsstrom des ausgewählten Kondensators ist größer als der tatsächliche Welligkeitsstrom , mit einem gewissen Spielraum. Bei Hochfrequenzanwendungen ist dies ein Parameter, der genauso wichtig oder sogar wichtiger ist als die Kapazität.

4. Äquivalenter Serienwiderstand (ESR) und äquivalente Serieninduktivität (ESL)
ESR: Der Hauptfaktor für Verluste und Wärmeentwicklung in Kondensatoren. Je kleiner der ESR, desto geringer der Verlust und desto besser die Filterleistung bei hohen Frequenzen.
ESL (Effektive Niederspannung): Begrenzt die Hochfrequenzeigenschaften eines Kondensators. Wenn die Frequenz seine Eigenresonanzfrequenz überschreitet, wird der Kondensator induktiv und verliert seine kapazitive Funktion. Um die ESL zu reduzieren, werden typischerweise Multi-Pin-, Multi-Layer- oder Flat-Row-Pin-Designs verwendet.

5. Lebensdauer
Schlüsselfaktor: Bei Elektrolytkondensatoren ist die Lebensdauer der wichtigste Leistungsindikator. Die Lebensdauer wird hauptsächlich beeinflusst durch die Temperatur interner Hotspots .
Berechnung: Befolgen Sie die „10-Grad-Regel“, was bedeutet, dass sich die Lebensdauer mit jedem Rückgang der Betriebstemperatur um 10 °C verdoppelt. Die Hersteller geben die Nennlebensdauer bei Betriebstemperatur an (z. B. 105 °C/2000 Stunden).
Überlegungen zur Auswahl: Wählen Sie Kondensatormodelle mit ausreichender Lebensdauer basierend auf der erwarteten Lebensdauer des Geräts und der Umgebungstemperatur.