Gleichrichtertransformator: Arbeitsprinzip & Anwendungen
1. Gleichrichtertransformator: Prinzip und Übersicht
Ein Gleichrichtertransformator ist ein speziell konstruierter Transformator, der zur Versorgung von Gleichrichtersystemen dient. Sein Arbeitsprinzip entspricht dem eines herkömmlichen Transformators – er arbeitet auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion und wird verwendet, um Wechselspannung zu transformieren. Ein typischer Transformator hat zwei elektrisch getrennte Wicklungen – Primär- und Sekundärwicklung – die um einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind.
Wenn die Primärwicklung an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird, fließt Wechselstrom durch sie, was eine magnetische Feldstärke (MMF) erzeugt, die einen wechselnden Magnetfluss im geschlossenen Eisenkern erzeugt. Dieser sich ändernde Fluss schneidet sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung, wodurch in der Sekundärwicklung eine Wechselspannung gleicher Frequenz induziert wird.
Das Verhältnis der Windungsanzahl zwischen der Primär- und Sekundärwicklung entspricht dem Spannungsverhältnis. Wenn beispielsweise ein Transformator 440 Windungen auf der Primärseite und 220 Windungen auf der Sekundärseite hat und 220V Eingangsspannung auf der Primärseite vorhanden sind, beträgt die Ausgangsspannung auf der Sekundärseite 110V. Einige Transformator können mehrere Sekundärwicklungen oder Anzapfungen haben, was es ermöglicht, mehrere verschiedene Ausgangsspannungen zu erhalten.
2. Merkmale von Gleichrichtertransformator
Gleichrichtertransformator arbeiten zusammen mit Gleichrichtern, um Rektifikationsanlagen zu bilden, die die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglichen. Solche Gleichrichtersysteme sind die am häufigsten verwendeten Gleichstromquellen in modernen Industrieunternehmen und finden breite Anwendung in der Hochspannungs-Gleichstromübertragung, Elektrolokomotiven, Walzwerken, Galvanisierung, Elektrolyse und anderen Bereichen.
Die Primärseite (auch Netzseite genannt) des Gleichrichtertransformators ist mit dem Wechselstromnetz verbunden, während die Sekundärseite (auch Ventilseite genannt) mit dem Gleichrichter verbunden ist. Obwohl seine grundlegende Struktur und sein Arbeitsprinzip denen eines herkömmlichen Transformators ähnlich sind, unterscheidet sich die Last – ein Gleichrichter – erheblich von normalen Lasten, was zu einzigartigen Design- und Betriebsmerkmalen führt:
2.2 Nicht-sinusförmige Stromformen
In einem Gleichrichterschaltkreis leitet jeder Arm nur während eines Teils des Zyklus, was zu nicht-sinusförmigen Stromformen führt – typischerweise nahezu diskontinuierliche rechteckige Pulse. Daher sind sowohl die Ströme in der Primär- als auch in der Sekundärwicklung nicht-sinusförmig.
Beispielsweise zeigt bei einer Drei-Phasen-Brückengleichrichtung mit Y/Y-Schaltung das Stromdiagramm deutliche Pulsformen. Wenn Thyristoren für die Gleichrichtung verwendet werden, ist die Steigung des Stromanstiegs/Abfalls umso größer, je größer der Feuerwinkel, was den Harmonischenanteil erhöht. Dies führt zu höheren Wirbelstromverlusten. Da die Sekundärwicklung nur zeitweise Strom leitet, ist die Ausnutzungsrate des Gleichrichtertransformators geringer als die eines herkömmlichen Transformators. Daher neigen Gleichrichtertransformator bei gleicher Leistungsklasse dazu, größer und schwerer zu sein.
2.3 Äquivalente (durchschnittliche) Scheinleistung
Bei einem herkömmlichen Transformator sind die Eingangs- und Ausgangsleistungen gleich (ohne Berücksichtigung von Verlusten), so dass die Nennleistung einfach die Scheinleistung einer der Wicklungen ist. Bei einem Gleichrichtertransformator können jedoch die Ströme in der Primär- und Sekundärwicklung unterschiedliche Formen aufweisen (z.B. bei Halbwellengleichrichtung), was ihre Scheinleistungen ungleich macht.
Daher wird die Leistung des Transformators definiert als der Durchschnitt der Scheinleistungen der Primär- und Sekundärseite, bekannt als die äquivalente Leistung:
wobei S1 die Scheinleistung der Primärseite und S2 die Scheinleistung der Sekundärseite ist.
2.4 Hohe Kurzschlussfestigkeit
Gleichrichtertransformator müssen über hohe mechanische Festigkeit verfügen, um Kurzschluss-Elektromagnetkräfte infolge häufiger Störungen oder plötzlicher Laständerungen (z.B. Motorstart) standhalten zu können. Die Gewährleistung dynamischer Stabilität unter Kurzschlussbedingungen ist ein kritisches Entwurfs- und Fertigungsmerkmal.
3. Hauptanwendungen von Gleichrichtertransformator
Gleichrichtertransformator dienen als Stromquelle für Gleichrichteranlagen. Ihr Hauptmerkmal besteht darin, die Wechselstrom-Eingabe auf der Primärseite über Gleichrichterelemente auf der Sekundärseite in Gleichstrom-Ausgabe umzuwandeln. "Stromumwandlung" umfasst Rektifikation, Invertierung und Frequenzumwandlung, wobei Rektifikation am weitesten verbreitet ist. Transformator, die zur Versorgung von Gleichrichtervorrichtungen verwendet werden, heißen Gleichrichtertransformator. Die meisten industriellen Gleichstromversorgungen werden durch die Kombination von Wechselstromnetzen, Gleichrichtertransformator und Gleichrichterschaltkreisen erzeugt.
3.1 Elektrochemische Industrie
Dies ist der größte Anwendungsbereich für Gleichrichtertransformator:
Elektrolyse von Metallverbindungen zur Herstellung von Aluminium, Magnesium, Kupfer und anderen nicht-rostenden Metallen
Chlor- und Alkaliproduktion durch Salzwasser-Elektrolyse
Wasserstoff- und Sauerstoffgewinnung durch Wasserelektrolyse
Diese Prozesse erfordern Hochstrom-, Niederspannungs-Gleichstrom, ähnlich in mancher Hinsicht wie Elektroschmelzofen-Transformator. Daher teilen Gleichrichtertransformator strukturelle Merkmale mit Ofen-Transformator.
Das markanteste Merkmal von Gleichrichtertransformator ist, dass der Sekundärstrom nicht länger sinusförmiger Wechselstrom ist. Aufgrund der einseitigen Leitungsfähigkeit der Gleichrichterelemente werden Phasenströme pulsierend und einseitig. Nach der Filterung wird dieser pulsierende Strom zu glattem Gleichstrom.
Die Sekundärspannung und -strom hängen nicht nur von der Transformatorleistung und der Verbindunggruppe, sondern auch von der Gleichrichterschaltung (z.B. Drei-Phasen-Brücke, Doppel-Antiparallel mit Ausgleichsdrossel) ab. Selbst für die gleiche Gleichstromausgabe erfordern verschiedene Gleichrichterschaltungen unterschiedliche Sekundärspannungen und -ströme. Daher beginnt die Parameterberechnung für Gleichrichtertransformator auf der Sekundärseite und basiert auf der spezifischen Gleichrichtertopologie.
Da die Gleichrichterwicklungsströme reiche höhere Harmonische enthalten, belasten sie das Wechselstromnetz und reduzieren den Leistungsfaktor. Um Harmonische zu reduzieren und den Leistungsfaktor zu verbessern, muss die Pulzzahl des Gleichrichtersystems erhöht werden, was in der Regel durch Phasenverschiebungstechniken erreicht wird. Das Ziel der Phasenverschiebung ist, eine Phasenverschiebung zwischen den Leitungsspannungen an homologen Enden der Sekundärwicklungen einzuführen.
3.2 Traktions-Gleichstromversorgung
Verwendet in Bergbau- oder städtischen Elektrolokomotiven mit Gleichstrom-Dachleitung.
Häufige Kurzschlussfehler aufgrund der Exposition der Dachleitung
Große Schwankungen der Gleichstromlast
Häufige Motoraufstarter, die kurzfristige Überlastungen verursachen
Um diese Bedingungen zu bewältigen:
Niedrigere Temperaturanstiegsgrenzen
Reduzierte Stromdichte
Impedanz etwa 30 % höher als bei Standard-Starkstromtransformator
3.3 Industrielle Antriebs-Gleichstromversorgung
Hauptsächlich verwendet, um Gleichstrommotoren in elektrischen Antriebssystemen zu versorgen, wie zum Beispiel:
Anker- und Feldanregung für Walzwerk-Motoren
3.4 Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HVDC)
Betriebsspannungen üblicherweise über 110 kV
Leistungsbereiche von Zehntausenden bis Hunderttausenden kVA
Besondere Beachtung erforderlich für kombinierten Wechsel- und Gleichspannungs-Isolationsstress gegenüber Erde
Andere Anwendungen:
Gleichstromversorgung für Galvanisierung oder Elektro-Bearbeitung
Erregerspannungsversorgung für Generatoren
Batterieladeanlagen
Energieversorgung für elektrostatische Niederschlagsfilter (ESP)
