In der Vergangenheit waren Kondensatorblöcke auf isolierte, Lowtech und hochgeschützte öffentliche Kraftwerke beschränkt. Heute haben sich Kondensatorblockanwendungen auf MEMS-Geräte in Nanogröße verkleinert und richten sich nach außen zu Offshore-Windpark-Netzverteilstationen. Unabhängig von ihrer Verwendung leisten Kondensatorblöcke die gleichen Funktionen der Speicherung und Glättung elektrischer Energie. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen von Kondensatorblöcken und ihrer Verwendung in einem breiten Spektrum moderner Anwendungen erläutert.
Definition
Wie der Name sagt, ist ein Kondensatorblock schlicht eine Gruppe verschiedener Kondensatoren gleicher Leistung. Kondensatorblöcke können in Reihe oder parallel geschaltet werden, je nach der gewünschten Leistung. Wie bei einem einzelnen Kondensator werden Kondensatorblöcke eingesetzt, um elektrische Energie zu speichern und den Energiefluss zu konditionieren. Die Erhöhung der Anzahl der Kondensatoren in einem Block erhöht die Kapazität der Energie, die in einem einzelnen Gerät gespeichert werden kann.
Typische Anwendungen
Unsere moderne Welt der Elektronik erfordert sehr viel Energie. Um dieser Nachfrage nachkommen zu können, muss Energie elektrisch gespeichert werden, um den Zugriff zu erleichtern. Kondensatoren sind ideal für die Speicherung großer elektrischer Ladungen sowie für die bedarfsgesteuerte Konditionierung des Energieflusses.
Hier einige typische Anwendungsbereiche für Kondensatorblöcke:
• Shunt-Kondensatoren: Ein Shunt ist ein Mechanismus, der es mittels Erzeugung eines Pfads mit niedrigem Widerstand ermöglicht, elektrischen Strom an einen anderen Punkt im Kreislauf weiterzuleiten. Bei Überbrückungsanwendungen von Elektrorauschen werden Kondensatoren eingesetzt, um Hochfrequenzrauschen zur Erde umzulenken, bevor es über das System, speziell jedoch über die Last, verbreitet wird. Shunt-Kondensatorblöcke werden eingesetzt, um die Qualität der elektrischen Versorgung und dadurch die Effizienz von Stromversorgungssystemen zu verbessern (Abb. 1).
Abbildung 1: Hier wird ein Kondensatorblock gezeigt, genauer: ein Shunt-Kondensatorblock. (Quelle: Vishay Intertechnology))
• Leistungsfaktorkorrektur: In Transformatoren und Elektromotoren werden Kondensatoren verwendet, um Verzögerungen des Leistungsfaktors oder die Phasenverschiebung von Wechselstrom (AC) bei der Stromversorgung zu korrigieren. Der Leistungsfaktor eines AC-Stromsystem ist der Vergleich der Leistung, die von der Last genutzt wird, die „Wirkleistung“, geteilt durch die an die Last abgegebene Leistung, die „Scheinleistung“. Mit anderen Worten, der Leistungsfaktor ist das Verhältnis der Nutzarbeit, die von einem Kreislauf erbracht wird, verglichen mit der maximalen Nutzarbeit, die mit der bereitgestellten Spannung und Amperezahl geleistet werden könnte.
Bei der elektrischen Stromversorgung werden Kondensatorblöcke für die Blindstromkompensation eingesetzt. Diese Blöcke werden benötigt, um induktive Belastung von Geräten wie Elektromotoren und Übertragungsleitungen zu verhindern, wodurch die Last weitgehend als ohmsche Last auftritt. Im Wesentlichen steigern Kompensationskondensatoren die Strombelastbarkeit des Systems. Durch Hinzufügen von Kondensatorblöcken können Sie einem System zusätzliche Last geben, ohne die Scheinleistung zu verändern. Blöcke können auch in der Stromversorgung mit Gleichstrom (DC) eingesetzt werden, um die Kapazität des Restwelligkeitsstroms der Stromversorgung oder die Gesamtmenge der gespeicherten Energie zu steigern.
• Speicherung von Energie: Wie einzelne Kondensatoren, speichern Kondensatorblöcke elektrische Energie, wenn sie an einen Ladestromkreis angeschlossen werden und geben diese Energie bei Entladung wieder ab. Kondensatoren werden in Elektrogeräten üblicherweise verwendet, um die Stromversorgung aufrechtzuerhalten, wenn die Batterien gewechselt werden. Für moderne Verbrauchergeräte, wie etwa Mobiltelefone, wird aufgrund des eingeschränkten Platzes eine hohe Speicherkapazität mit einem sehr geringen Umfang benötigt. Das stellt eine Herausforderung dar, weil eine größere Kapazität normalerweise auch einen größeren Bereich auf den Platten bedeutet, wie in „A“ in Abb. 2 dargestellt wird.
Abbildung 2: Die Miniaturisierung von Kondensatorblöcken entsteht durch Einfügung neuer Materialien zwischen die Platten des Kondensators, welche die Dielektrizitätskonstante “k” des dielektrischen Materials erhöhen. (Quelle: Autor des Artikels)
Wie die Gleichungen zeigen, ist ein anderes Verfahren zur Steigerung der Kapazität die Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit. Das Element „k“ ist die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials zwischen den Platten. Bei freiem Raum entspricht „k“ der Einheit oder Eins. Bei allen anderen Medien ist „k“ größer als Eins. Folien- und Elektrolytkondensatoren sind typische Beispiele von Geräten, die für diese Anwendungen geeignet sind.
Groß, klein, exotisch
Kondensatorblock-Anwendungen decken die gesamte Palette ab, von sehr großen bis zu extrem kleinen Anwendungen. Eine der eher ungewöhnlichen Anwendungen ist eine Anwendung für Windpark-Netzverteilstationen. Der Lincs-Windpark ist ein 270 MW Offshore-Windpark, der 8 km (5.0 mi) vor Skegness an der Ostküste Englands liegt (Abb. 3). Die offshore produzierte Energie wird über das in Walpole im Bezirk Norfolk County gelegene Umspannwerk ins Netz geleitet. Die Hochspannungskondensatoranlage von Siemens hat insgesamt sechs sicherungsfreie einphasige Kondensatorblöcke sowie sechs einphasige Blöcke mit intern gesicherten Kondensatoren beliefert.
Abbildung 3: Offshore Windpark Lincs. (Quelle: Mat Fascione via Geograph)
In der Praxis können Kondensatorblock-Stromanlagen in einem von drei Bereichen zusammengelegt werden: intern gesichert, extern gesichert oder sicherungsfrei. Bei intern gesicherten Kondensatoren setzt sich das einzelne Kondensator-Gehäuse aus einer Gruppe paralleler Kondensatorelemente zusammen, wobei jedes Element individuell mit dem Gehäuse gesichert ist. Umgekehrt bestehen extern gesicherte Kondensatorblöcke aus Gruppen paralleler Kondensatoren, die so konzipiert sind, dass sie mit einer gemeinsamen externen Sicherung arbeiten.
Diese externe Sicherung kann potentiell zu Problemen führen, falls in einer der Spulen ein Fehler auftritt, denn in diesem Fall muss die gesamte Einheit entsorgt werden. Laut Brad Henderson der Abteilung Regionalvertrieb und Marketing für den Bereich Leistungskondensatoren Vishay ESTA ist die Verwendung von intern gesicherten Kondensatoren einer der neuesten Trends in der modernen Kondensatorblock-Technologie. „Eine der größten Herausforderungen beim Design ist die Veränderung der Mentalität der Endkunden, die daran gewöhnt sind, das alte Verfahren extern gesicherter Kondensatorblöcke zu verwenden, das traditionell in Amerika eingesetzt wird,“ erklärt Henderson.
Letztendlich haben sicherungsfreie Kondensatorblöcke auch eine externe Sicherung. Sie enthalten jedoch normalerweise mehr Elemente als ein Kondensator mit traditioneller Sicherung. Auf diese Weise verursacht ein Kurzschluss in einem Element keine kaskadenartige Ausbreitung von Ausfällen im gesamten Behälter.
Am anderen Ende der Skala sind die kleinen Anwendungen, wie z.B. für Smartphones und Speichergeräte. Kleinkondensatorblöcke werden zusammen mit Super-Kondensatoren mit großer Kapazität verwendet, um die Aufladezeit eines Mobiltelefons zu verkürzen. Ein Super-Kondensator ist in der Lage, hundert Mal mehr elektrische Ladung zu speichern als Standardkondensatoren und wird auch als wiederaufladbare Kleinspannungsbatterie verwendet.
Bei Hochfrequenz (HF) und drahtlosen Räumen, winzigen Mikro-Elektronisch-Mechanischen Systemen oder MEMS, werden abstimmbare Kondensatorblöcke verwendet, um die großen elektromechanisch abstimmbaren Kondensatorblöcke zu erweitern oder zu ersetzen. Hunderte von winzigen MEMS-Kondensatoren unterschiedlicher Werte werden über eine serielle periphere Schnittstelle (SPI - Serial Peripheral Interface) digital gesteuert und abgestimmt. Diese getakteten Kondensatorblöcke können in einem Paket kombiniert werden, wodurch der Abstimmungsbereich des Gesamtsystems erweitert wird.
Ein etwas exotischeres Einsatzgebiet von Kondensatorblöcken sind Anwendungen mit Pulsleistung oder Waffensysteme. Es wurden Forschungen mit niederinduktiven Hochspannungskondensatorblöcken durchgeführt, die starke Stromimpulse für viele Impulsstromanwendungen liefern können. Kondensatorblöcken mit großer Energiedichte (über 1 J/cm3) und moderne Halbleiterschalter können eingesetzt werden, um kompakte Energiemengen in Höhe von mehreren Hundert Kilo-Joules (kJ) zu schaffen und Impulsstrom mit hoher Amplitude zu generieren.
Anwendungen für diese hochdichten Kondensatorblöcke sind unter anderem Magnetumformung, Marx-Generatoren, gepulster Laser, pulsformende Netzwerke, Radar, Fusionsforschung und Teilchenbeschleuniger. Experimentelle Arbeiten mit Kondensatorblöcken als Energiequelle für elektromagnetische Rüstung und elektromagnetische Schienengewehre und Gaußgewehre werden fortgeführt.