Arbeitsprinzip und Eigenschaften von Gleichrichtertransformatoren

Funktionsprinzip von Gleichrichtertransformatoren

Das Funktionsprinzip eines Gleichrichtertransformators ist dasselbe wie das eines herkömmlichen Transformators. Ein Transformator ist ein Gerät, das Wechselstromspannungen auf der Grundlage des Prinzips der elektromagnetischen Induktion umwandelt. In der Regel besteht ein Transformator aus zwei elektrisch getrennten Wicklungen – der Primär- und Sekundärwicklung –, die um einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind. Wenn die Primärwicklung an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird, erzeugt der Wechselstrom eine magnetomotorische Kraft, die einen wechselnden Magnetfluss im geschlossenen Eisenkern erzeugt. Dieser sich ändernde Fluss verbindet beide Wicklungen und induziert in der Sekundärwicklung eine Wechselspannung gleicher Frequenz. Das Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung entspricht ihrem Wicklungsverhältnis. Wenn zum Beispiel die Primärwicklung 440 Windungen hat und die Sekundärwicklung 220 Windungen bei einer Eingangsspannung von 220 V, beträgt die Ausgangsspannung 110 V. Manche Transformatoren können mehrere Sekundärwicklungen oder Anzapfstellen haben, um mehrere Ausgangsspannungen zu liefern.

Eigenschaften von Gleichrichtertransformatoren

Gleichrichtertransformatoren werden in Verbindung mit Gleichrichtern verwendet, um Gleichrichtersysteme zu bilden, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Diese Systeme dienen als die gängigsten Gleichstromquellen in modernen industriellen Anwendungen und finden weite Verwendung in Bereichen wie Hochspannungs-Gleichstromübertragung, Elektrolokomotiven, Walzwerken, Galvanisierung und Elektrolyse.

Die Primärseite eines Gleichrichtertransformators ist an das Wechselstromnetz (Netzseite) angeschlossen, während die Sekundärseite an den Gleichrichter (Ventilseite) angeschlossen ist. Obwohl das strukturelle Prinzip dem eines Standardtransformators ähnelt, verleiht die spezifische Last – nämlich der Gleichrichter – bestimmte Eigenschaften:

• Nichtsinusförmige Stromformen: In einem Gleichrichterschaltkreis leitet jeder Arm abwechselnd während eines Zyklus, wobei die Leitzeit nur einen Teil des Zyklus ausmacht. Daher ist die Stromform durch die Gleichrichterarme nicht sinusförmig, sondern ähnelt einer unterbrochenen Rechteckwelle. Folglich sind die Stromformen sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärwicklung nichtsinusförmig. Die Abbildung zeigt die Stromform in einem Drei-Phasen-Brückengleichrichter mit YN-Verbindung. Bei der Verwendung von Thyristor-Gleichrichtern führt ein größeres Zündverzögerungswinkel zu steileren Stromübergängen und erhöhtem Harmonikgehalt, was zu höheren Wirbelstromverlusten führt. Da die Sekundärwicklung nur einen Teil des Zyklus leitet, wird die Nutzung des Gleichrichtertransformators reduziert. Im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren sind Gleichrichtertransformatoren unter gleichen Leistungsbedingungen in der Regel größer und schwerer.

• Äquivalente Leistungsbewertung: Bei einem herkömmlichen Transformator sind die Leistungen auf der Primär- und Sekundarseite gleich (ohne Berücksichtigung von Verlusten), und die Nennleistung des Transformators entspricht der Leistung einer der Wicklungen. Bei einem Gleichrichtertransformator jedoch können aufgrund der nichtsinusförmigen Stromformen die Scheinleistungen auf der Primär- und Sekundarseite unterschiedlich sein (z.B. bei Halbwellengleichrichtung). Daher wird die Leistung des Transformators definiert als der Durchschnitt der Scheinleistungen der Primär- und Sekundärwicklung, bekannt als äquivalente Leistung, gegeben durch S = (S₁ + S₂) / 2, wobei S₁ und S₂ die Scheinleistungen der Primär- und Sekundärwicklung sind.

• Kurzschlussbeständigkeit: Im Gegensatz zu allgemeinen Transformatoren müssen Gleichrichtertransformatoren strengen Anforderungen hinsichtlich mechanischer Stabilität bei Kurzschlüssen genügen. Die Gewährleistung dynamischer Stabilität bei Kurzschlüssen ist daher ein kritischer Aspekt in ihrer Konstruktion und Herstellung.