März 2011

Leistungskondensatoren für Traktionsumrichter

Ein feiner Zug

Für Velaro-Hochgeschwindigkeitszüge, die Siemens für die chinesische Staatsbahn baut, liefert TDK-EPC Leistungskondensatoren. Diese EPCOS Produkte werden in den Saugkreisen der Traktionsumrichter eingesetzt.

China baut sein Eisenbahnnetz konsequent aus. Mit den Velaro CN von Siemens gingen rechtzeitig zu den Olympischen Spielen 2008 die bislang schnellsten Reisezüge der chinesischen Staatsbahn China Railway (CR) in Betrieb. Diese vierte Baureihe von Hochgeschwindigkeitszügen wird in China CRH3 genannt und basiert auf dem deutschen ICE 3. TDK-EPC lieferte EPCOS Saugkreis-Kondensatoren für insgesamt über 1000 Traktionsumrichter.


Siemens erhielt 2005 von der chinesischen Staatsbahn einen Auftrag über 60 Hoch-geschwindigkeitszüge der Baureihe Velaro CN. Diese haben breitere Wagenkasten als der ICE 3 und bieten so sechs Passagieren pro Sitzreihe Platz. Insgesamt verfügt der 200 Meter lange Velaro CN in seinen acht Wagen über mehr als 600 Sitzplätze. Der rund 447 t schwere Zug ist für eine Reisegeschwindigkeit von 300 km/h ausgelegt und kann später für 350 km/h nachgerüstet werden. Zu den Olympischen Spielen 2008 waren bereits die ersten fünf Züge im Einsatz (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Triebzug-Prinzip

Mittlerweile verkehren alle 60 Züge auf der 115 km langen Strecke zwischen der Hauptstadt Peking und der südöstlich gelegenen Hafenstadt Tianjin nach Fahrplan und benötigen dafür nur 30 Minuten. Abgesehen von den ersten drei Zügen baut die Tangshan Locomotive & Rolling Stock Works (TLRW) in Tianjin die chinesische Version des Velaro CN.

15 Prozent mehr Sitzplätze dank neuem Antriebskonzept

Die Antriebe des Velaro CN sitzen nicht in Triebköpfen am Anfang und Ende des Zuges, sondern sind im Unterflurbereich über den ganzen Zug verteilt. 16 der 32 Achsen sind angetrieben; die insgesamt vier Traktionsumrichter des Zugs versorgen jeweils vier Fahrmotoren. Dieses Antriebskonzept ermöglicht es dem Betreiber der Züge rund 15 Prozent mehr Sitzplätze unterzubringen. Als besondere Attraktion haben Fahrgäste die Möglichkeit, einen Blick auf die Bahnstrecke zu werfen. Drangvoll eng wird es allerdings unter dem Zug: Neben Traktionsumrichtern und Antrieben müssen dort auch Transformatoren, Klimaanlagen, Drucklufterzeuger, Tanks für sanitäre Anlagen und viele weitere Aggregate untergebracht werden. Für die Traktionsumrichter steht daher nur ein vergleichsweise kleiner Bauraum zur Verfügung.

Saugkreis bei elektrischen Bahnen notwendig

Im Gegensatz zu Drehstromantrieben in der Industrie werden die Fahrmotoren von Lokomotiven und Triebzügen aus einer einphasigen Wechselspannung versorgt. Die Fahrdrahtspannung des Velaro CN von 25 kV mit 50 Hz wird zunächst herunter transformiert, gleichgerichtet und mit Hilfe von Zwischenkreiskondensatoren geglättet.

Auf Grund der einphasigen Versorgung ist diese Zwischenkreisspannung aber immer noch von einer erheblichen Brummspannung mit der doppelten Netzfrequenz überlagert. Eine zusätzliche Filterung und Störunterdrückung übernimmt ein Saugkreis, also ein Serienschwingkreis aus Kondensator und Drossel, der auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmt ist.

Realisiert wurde der Saugkreis des Velaro CN durch die Parallelschaltung zweier Festkondensatoren sowie eines Abstimmkondensators, der vier Kondensatoren in einem Gehäuse vereint. Dadurch ist es möglich, die Saugkreisfrequenz auch nach alterungsbedingten Kapazitätsverlusten oder Abweichungen der Drosselinduktivität korrekt einstellen zu können.

Kundenorientierte Lösung

Aus den Spezifikationen von Siemens wurde ein Basisdesign entwickelt, das mit Hilfe von Simulationsmodellen hinsichtlich des Temperaturprofils, des Strom- und Frequenzgangs sowie der zu erwartenden Fahrspiele eines Hochgeschwindigkeitszugs optimiert wurde. Der Lösungsvorschlag für den Saugkreis waren EPCOS Leistungskondensatoren der Bauform MKK DCI, also Kondensatoren mit Ölimprägnierung, die für den Betrieb mit Gleichspannungen ausgelegt sind (Abbildung 2). Diese Kondensatoren erfüllen zudem die hohen Anforderungen an Grenzbelastungen und den Brandschutz.

Abbildung 2: Saugkreis-Kondensator
EPCOS Leistungskondensatoren der Bauform MKK DCI haben eine Ölimprägnierung und sind für den Betrieb mit Gleichspannungen ausgelegt. Diese Kondensatoren erfüllen zudem die hohen Anforderungen an Grenzbelastungen und den Brandschutz.

Die beiden Festkondensatoren der Saugkreise in den Traktionsumrichtern der Velaro CN-Züge verfügen über eine Kapazität von jeweils 1520 μF und sind für eine Betriebsspannung von 4135 V ausgelegt. Der Abstimmkondensator verfügt über mehrere Anzapfungen und bietet so in einem Gehäuse vier Kondensatoren, deren Gesamtkapazität ebenfalls 1520 μF beträgt.

Tabelle: Technische Daten der EPCOS Leistungskondensatoren

ParameterFestkondensatorAbstimmkondensator
Kapazität [µF]1520∑ 1520
Betriebsspannung4135 V DC4135 V DC
Spitzenspannung6000 V DC6000 V DC
Betriebsstrom [A]265265
Spitzenstrom [kA]175175
Arbeitstemperatur [°C]−50 bis +70−50 bis +70
Luftfeuchtigkeit [%]< 95%< 95%
Klimakategorie50 / 60 / 5650 / 60 / 56
Brandlast [g]< 300 /1,74 MJ
Requirement 0, NFF 16 - 102
> 300 /1,74 MJ
Requirement 0, NFF 16 - 102
Abmessungen (B × T × H) [mm3]450 x 165 x 580450 x 165 x 580
Gewicht [kg]5657

Langlebig dank Selbstheilung

Das Innenleben der Leistungskondensatoren bildet eine strukturierte Folie, die in einzelne Segmente unterteilt ist. Die Saugkreis-Kondensatoren des Velaro CN bestehen daher aus rund 10.000 parallel und in Serie geschalteten Kondensatoren, die in Schichten übereinander gelegt und direkt über die Stirnseite der Folie kontaktiert werden.

Abbildung 3: Schnitt durch einen EPCOS Leistungskondensator

Das Innenleben eines Leistungskondensators besteht aus Stapeln mit rund 10.000 Einzelkondensatoren. Durch entsprechende Parallel- und Serienschaltungen dieser Einzelkondensatoren werden hohe Kapazitätswerte bei großen Spannungen erzielt.

Dieses Bauprinzip sorgt für die Selbstheilung der Leistungskondensatoren und deren unkritisches Verhalten bei Überlast: Tritt in einem dieser Teilkondensatoren ein Durchschlag auf, verdampft die Metallisierung an der Stelle, bis der Abstand zwischen den verbliebenen Metallflächen wieder groß genug ist. Steigt der Strom trotzdem weiter an, schmilzt die Folie definiert auf. Der Teilkondensator wird hochohmig; die Gefahr einer weiteren Erwärmung und somit des Durchschlags an anderen Stellen im Kondensator ist gebannt.

Die einzelnen Teilkondensatoren sind direkt mit den Anschlussleitungen verbunden; die Leistungskondensatoren der Bauform MKK DCI weisen daher nicht nur eine sehr geringe parasitäre Induktivität auf, sondern vor allem einen geringen Innenwiderstand. Da zudem nur sehr wenig Bedrahtung erforderlich ist, ist der ESR-Wert dieser Kondensatoren gering. Als direkte Konsequenz zeichnen sich die Saugkreis-Kondensatoren des Velaro CN durch eine geringe Eigenerwärmung und eine sehr hohe Impulsbelastbarkeit von bis zu 175 kA aus. Die geringe Eigenerwärmung und die hohe Impulsbelastbarkeit sind deshalb wichtig, weil IGBT-Leistungsschalter bei immer höheren Schaltfrequenzen betrieben werden.

Kompakt und zuverlässig

Die EPCOS Saugkreis-Kondensatoren sind mit Rapsöl gefüllt, das für eine bessere Wärmeverteilung im Kondensator sorgt, als dies mit einem trockenen Verguss möglich ist. In Verbindung mit der Ölimprägnierung verkraftet die Kondensatorfolie Feldstärken von bis zu 240 V/μm und erlaubt damit eine hohe Energiedichte im Kondensator, was zu einer sehr kompakten Bauform führt: Bei einer Grundflache von 450 × 165 mm2 ist der in ein Edelstahlgehäuse eingeschweißte Kondensator nur 580 mm hoch, verkraftet aber trotzdem Spannungsspitzen von bis zu 6000 V AC.

Nicht zuletzt dank ihres optimierten Aufbaus sind die Kondensatoren extrem zuverlässig. Die Lebenserwartung beträgt 200.000 Stunden, was einem Dauerbetrieb von rund 23 Jahren entspricht und damit die Anforderung der EN 50155 deutlich übertrifft. Zudem sind die MKK DCI-Kondensatoren äußerst kapazitätskonstant; unter normalen Betriebsbedingungen reduziert sich ihre Kapazität über die gesamte Einsatzdauer um weit weniger als 3 Prozent.

Trotz der permanenten Erschütterungen und Vibrationen des Zugs bleiben die elektrischen Eigenschaften der MKK DCI-Kondensatoren über den ganzen Temperaturbereich von −50 °C bis +70 °C konstant. Für die Anforderungen im Bahnbetrieb sind die Kondensatoren gemäß IEC 1071 qualifiziert.

IRIS-zertifizierte Werke

Nach abgeschlossener Auslegung der Saugkreis-Kondensatoren wurden im TDK-EPC Werk Málaga/Spanien Muster gefertigt, die zum Teil für die Lebensdauertests sowie für die elektrischen und thermischen Typprüfungen verwendet wurden. Die anderen Kondensatoren verbaute Siemens in den ersten Mustern der Traktionsumrichter, die anschließend entsprechend der Vorgaben von China Railway geprüft und getestet wurden. Als eines der ersten TDK-EPC Werke weltweit wurde die Fertigung in Málaga nach dem auf ISO 9001 basierenden Regelwerk IRIS des Verbands der europäischen Eisenbahnindustrie zertifiziert. Auch das Werk in Nashik/Indien erhielt jüngst die IRIS-Zertifizierung.

Auf Grund der Marktentwicklung im Bereich der Hochgeschwindigkeitszüge und der Güterzuglokomotiven werden derzeit weitere Fertigungskapazitäten für Leistungskondensatoren in Indien und China aufgebaut. Die Werke vor Ort sollen dabei nicht nur den oft erforderlichen lokalen Wertschöpfungsanteil bei Aufträgen von Staatsbahnen ermöglichen, sondern vor allem ein schnelles und flexibles Erfüllen von Kundenanforderungen.

Neben den Saugkreis-Kondensatoren liefert TDK-EPC zahlreiche weitere Kondensatoren für die Traktionsumrichter der Velaro CN-Züge, beispielsweise für die Filter oder für die Beschaltung der IGBT-Leistungsschalter.

Entwicklungstrends bei Leitungskondensatoren

Grundsätzlich sind die Saugkreis-Kondensatoren für den Velaro CN nicht nur für Hochgeschwindigkeitszüge geeignet, sondern – schon allein auf Grund ihrer langen Lebenserwartung – für alle Lokomotiven und Triebzüge. Zudem bietet sich für elektrische Schienenfahrzeuge im grenzüberschreitenden Verkehr (z.B. 16 2/3 Hz in Mitteleuropa und Teilen Skandinaviens, 50 Hz in Frankreich) der Einsatz abstimmbarer Saugkreise an.

Der Aufbau der MKK DC/DCI-Kondensatoren erlaubt es, die äußeren Abmessungen speziell auf die Applikation hin auszulegen und damit den Schaltungsaufbau im Umrichter zu vereinfachen und zu optimieren. Ein Beispiel dafür sind rechteckige Folien-Kondensatoren mit geringer Bauhöhe, deren Grundfläche exakt den Abmessungen eines IGBT-Leistungsschalters entspricht. Das spart neben Platz vor allem Verbindungsleitungen im Umrichter, was in letzter Konsequenz zu geringeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit des Gesamtsystems führt.

Im März 2009 bestellte China Railway weitere 100 Hochgeschwindigkeitszüge auf Basis des CRH3. Diese neuen Züge sind mit 16 Wagen doppelt so lang wie die bisherigen Modelle. Bei einer Reisegeschwindigkeit von 350 km/h verkürzt sich die Fahrzeit für die rund 1300 Kilometer von Peking nach Shanghai auf etwa vier Stunden. Auch die neuen CRH3-Züge werden mit Saugkreis-Kondensatoren von TDK-EPC ausgerüstet.

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