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Bild: iStock, Scanrail

Kondensatoren für Bordnetzumrichter Konstante Spannung in der Bahn

20.03.2017

In Zügen müssen zahlreiche Verbraucher, von der Anzeigetafel bis zur Klimaanlage, mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Aufgabe übernehmen Bordnetzumrichter. Eine besondere Rolle kommt dabei ihren Kondensatoren zu, wie das Beispiel neuer S-Bahnen in Hamburg zeigt.

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Der Hamburger S-Bahn-Betreiber hatte für 60 neue Nahverkehrszüge, die seit Anfang 2017 im Probebetrieb fahren, Bordnetzumrichter bestellt. Ihre Aufgabe ist es, das AC-Netz der S-Bahn-Fahrzeuge mit Energie zu versorgen. Sie werden vom Hersteller Knorr-Bremse Powertech als komplettes Bauteil für den Einbau in einen Unterflur-Container geliefert. Ihre Eingangsspannung erhalten sie entweder aus einem Traktions-Zwischenkreis mit 1.800 VDC oder aus einer dritten Schiene mit 1.200 VDC. Die Umrichter sind kompakt gebaut, haben eine hohe Ausgangsleistung von 160 kVA und sind dank ihrer Flüssigkeitskühlung sehr platzsparend. Ihre Maße betragen lediglich 120 mal 55 mal 50 Zentimeter, bei einem Gewicht von 340 kg. Da die Umrichter im Zug gut zugänglich sind, lassen sich die Leistungsmodule unkompliziert warten.

Eine zentrale Rolle in ihnen kommt den Kondensatoren zu. Im Gesamtsystem des Umrichters fungieren sie als Zwischenkreiskondensatoren, sorgen also für eine konstante Spannung und liefern bei Bedarf Strom. Die Liste der Anforderungen, die Knorr-Bremse stellt, ist lang:

  • gute thermische Anbindung an den Kühlkörper

  • einfache, aber robuste Bauweise

  • rüttelfest, kompakt und leicht zu montieren

  • serielle Anordnung in einem Gehäuse mit integrierten Busbars

Zudem müssen die Kondensatoren selbstverständlich den elektrotechnischen Anforderungen genügen. Folgende Größen sind dafür relevant:

  • Ripplestrom-Belastbarkeit

  • Spannungsbeanspruchung

  • Verlustleistung

  • Kapazität

Als Lieferanten für die Kondensatoren entschied sich Knorr-Bremse für das Husumer Unternehmen FTCAP. Die Firma kümmert sich vor allem um Sonderlösungen für Spezialaufträge und ist schon seit Jahren in der Bahntechnik aktiv. „In dieser Branche werden oft besondere Anforderungen an die Bauteile gestellt. Zum Beispiel ist meist wenig Platz vorhanden oder wir müssen unsere Kondensatoren besonders rüttelfest machen“, erzählt Thomas Ebel, Geschäftsführer von FTCAP.

In den Umrichtern der S-Bahnen kommen Kondensatoreinheiten zum Einsatz, die aus mehreren intern verschalteten Filmkondensatoren bestehen. Die Module lassen sich per Plug-and-play mühelos einsetzen und im Wartungsfall auch wieder ausbauen. Anders als herkömmliche Kondensatoren können sie an denselben Kühlkörper wie der IGBT angeschlossen werden. Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit der Kondensatoren deutlich.

Ohne Kondensator geht nichts

In jedem Bordnetzumrichter stecken drei Kondensatoreinheiten. Da die Kondensatoren, die Busbars und das Befestigungsmaterial nicht mehr einzeln gekauft werden müssen, reduziert sich der Beschaffungsaufwand für den Umrichter-Hersteller sehr stark. Auch die Verschaltung der Kondensatoren untereinander, die bisher als potentielle Fehlerquelle berücksichtigt werden musste, entfällt. „Der Kunde erhält eine Art Black Box mit Anschlüssen. Er muss sich um nichts weiter kümmern. Die Einheiten sind komplett von uns getestet und lassen sich mit wenigen Handgriffen einbauen“, sagt Ebel.

Spezielle Konstruktion um Wärme zu widerstehen

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung der Kondensatoren stellten die hohen Ströme in Kombination mit den Umgebungstemperaturen von mehr als 70 °C dar. Die Kondensatoreinheiten wurden deshalb sehr niederinduktiv aufgebaut, um auch höhere Schaltfrequenzen abdecken zu können. Eine spezielle Konstruktion, die unter anderem aus besondere Materialien und Wickelaufbauten besteht, sorgt für eine sehr gute Wärmeabgabe an den Kühlkörper.

Die Kondensatoren wurden außerdem von FTCAP so konstruiert und verstärkt, dass sie den hohen Ansprüchen an die Vibrationsfestigkeit gerecht werden. Ihr Innenaufbau zeichnet sich durch eine solide Verlötung und speziell angeordnete Einzelwickel aus. Als Basis der vibrationsfesten Sonderlösung dienen Kondensatorgehäuse aus Edelstahl, Aluminium oder auch Kunststoff. Sie trotzen extremen Bedingungen, lassen sich aber dennoch flexibel gestalten und anpassen. Auf Kundenwunsch sind zudem spezielle Wickelaufbauten, Kontaktierungen und Befestigungen möglich. Beispielsweise kann die Befestigung je nach Einbaubedingung durch das Gehäuse selbst oder direkt am Gehäuse gelöst werden. Dank dieser Maßnahmen sind die Filmkondensatoren von FTCAP auch für hohe g-Kräfte
geeignet.

Regelbetrieb ab 2018

Noch sind die Bordnetzumrichter für die neuen S-Bahnen nicht serienreif. Derzeit testet Knorr-Bremse, wie sich die Kondensatoreinheiten im Zusammenspiel mit dem Gesamtsystem verhalten. Wichtige Tests bezüglich S&V, elektromagnetischer Verträglichkeit und Temperatur wurden aber schon erfolgreich abgeschlossen. Wenn alles nach Plan läuft, werden die neuen S-Bahn-Züge bereits ab 2018 im Regelbetrieb eingesetzt.

Bildergalerie

  • Im Bordnetzumrichter werden insgesamt drei Kondensatoreinheiten von FTCAP eingesetzt (orange markiert).

    Bild: FTCAP

  • Derzeit werden die Kondensatoreinheiten (im Bild rechts) im Zusammenspiel mit dem Gesamtsystem getestet.

    Bild: FTCAP

  • Die Bordnetzumrichter ET 490 sind für S-Bahnen gedacht. Die Kondensatoreneinheiten, im Bild rechts und links vorne, wurden speziell für sie entwickelt.

    Bild: FTCAP

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