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Gleichrichtertransformator – eine Lösung zur Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC)

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Gleichrichtertransformator

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Ein Gleichrichtertransformator ist ein speziell entwickelter Transformator, der ein Gleichrichtersystem mit Wechselstrom versorgt, welches Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leistungstransformatoren sind Gleichrichtertransformatoren so ausgelegt, dass sie Oberschwingungsströmen, Gleichstromvorspannung, unsymmetrischer Belastung und den mit dem Gleichrichterbetrieb verbundenen starken thermischen Belastungen standhalten.

Gleichrichtertransformatoren finden breite Anwendung in der elektrochemischen Industrie, der Metallverarbeitung, bei Gleichstrommotorantrieben, in Systemen für erneuerbare Energien, im Bergbau, im Eisenbahnwesen und bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC).

Funktionsprinzip
Der Transformator bezieht Wechselstrom aus dem Versorgungsnetz und wandelt ihn in die vom Gleichrichter benötigte Spannung um. Der Gleichrichter wandelt den Wechselstrom dann mithilfe von Dioden oder Thyristoren in Gleichstrom um.

Der Ablauf ist wie folgt:
1. Hochspannungs-Wechselstrom fließt in die Primärwicklung.
2. Der Transformator erhöht oder senkt die Spannung je nach Bedarf.
3. Mehrere Sekundärwicklungen können phasenverschobene Ausgangssignale liefern.
4. Der Gleichrichter wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um.
5. Filter und Glättdrosseln reduzieren die Welligkeit, bevor die Gleichstromlast gespeist wird.

Hauptkomponenten
Magnetkern
· Hochwertiger CRGO-Siliziumstahlkern
· Stufengestufte Kernkonstruktion für reduzierte Verluste und Geräuschentwicklung
· Ausgelegt zur Minimierung zusätzlicher Verluste durch Oberschwingungen

Wicklungen
·Leiter aus Kupfer oder Aluminium
·Hochleistungsfähiges Isolationssystem
·Verstärkte mechanische Konstruktion zur Kurzschlussfestigkeit
·Mehrere Sekundärwicklungen für Mehrpuls-Gleichrichtersysteme

Isolationssystem
·Öl-Papier-Isolierung (ölgefüllte Ausführungen)
·Isolierung der Klasse F oder Klasse H (Trockenausführungen)
·Verbesserte Isolierung gegen Erwärmung durch Oberschwingungen

Kühlsystem
Zu den typischen Kühlverfahren gehören:
·ONAN – Öl-Naturlüftung-Naturlüftung
·ONAF – Öl-Naturlüftung-Zwangsbelüftung
·OFAF – Öl-Zwangsbelüftung-Zwangsbelüftung
·OFWF – Öl-Zwangsluft-Wasser-Zwangskühlung
·AN – natürliche Luftkühlung (Trockenausführung)
·AF – Zwangsluftkühlung (Trockenausführung)
Große industrielle Gleichrichtertransformatoren werden in der Regel mit ONAF-, OFAF- oder OFWF-Kühlung betrieben.

Typische technische Spezifikationen
·Nennleistung: 100 kVA – 250 MVA
·Primärspannung: 3,3 kV – 400 kV
·Sekundärspannung: 100 V – 33 kV
·Frequenz: 50 Hz / 60 Hz
·Gleichstromausgang: Abhängig von der Gleichrichterkonfiguration
·Kühlung: ONAN, ONAF, OFAF, OFWF, AN, AF
·Isolationsklasse: A, F, H (Trockenbauweise)
·Vektorgruppe: Auf den Gleichrichterbetrieb zugeschnitten
·Impedanz: Optimiert für das Oberwellenverhalten

Arten von Gleichrichtertransformatoren
·Einphasen-Gleichrichtertransformator
·Kleine Gleichstromversorgungen
·Batterieladesysteme
·Laborgeräte
·Dreiphasen-Gleichrichtertransformator
·Industrielle Gleichrichtersysteme
·Große Gleichstrommotorantriebe
·Elektrolyseanlagen

Mehrpuls-Gleichrichtertransformator

Gängige Pulskonfigurationen sind:
·6-Puls
·12-Puls
·18-Puls
·24-Puls
·36-Puls
Eine höhere Pulsanzahl reduziert die Oberschwingungsverzerrung und verbessert die Netzqualität.

Hauptmerkmale
·Ausgelegt für nichtlineare Lasten
·Hohe Beständigkeit gegen Erwärmung durch Oberschwingungen
·Mehrere Sekundärwicklungen
·Hervorragende Kurzschlussfestigkeit
·Geringe Streuverluste
·Hohe Überlastfähigkeit
·Stabile Spannungsregelung
·Lange Lebensdauer unter anspruchsvollen industriellen Bedingungen

Anwendungen
·Elektrolyseanlagen (Chlor-Alkali, Wasserstoffproduktion)
·Aluminiumschmelzen
·Elektrolytische Gewinnung von Kupfer und Zink
·Stahlherstellung
·Gleichstrommotorantriebe
·Bergbaumaschinen
·Industrieöfen
·Bahn-Traktionsunterwerke
·Batterieladesysteme
·Umwandlungssysteme für erneuerbare Energien
·Hochspannungs-Gleichstrom-Umrichterstationen (HVDC)

Vorteile
·Zuverlässige Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung
·Unterstützt hochstromführende Gleichstromlasten
·Optimiert für Umgebungen mit hohem Oberschwingungsanteil
·Verbesserter Wirkungsgrad bei Gleichrichteranwendungen
·Flexible Spannungs- und Phasenverschiebungskonfigurationen
·Hohe mechanische und thermische Belastbarkeit

Konstruktionsaspekte
Gleichrichtertransformatoren sind ausgelegt, um folgende Herausforderungen zu bewältigen:
·Von Gleichrichtern erzeugte Oberschwingungsströme
·Erhöhte Wirbelstrom- und Streuverluste
·Gleichstrom-Magnetisierungseffekte
·Hohe thermische Belastung
·Anforderungen an die Spannungsregelung
·Elektromagnetische Kräfte bei Kurzschlüssen
·Kompatibilität mit der Impulskonfiguration des Umrichters

Anwendbare Normen

Zu den gängigen internationalen Normen gehören:
·IEC 60076 – Leistungstransformatoren
·IEC 61378 – Umrichtertransformatoren
·IEEE C57.18.10 – Praktiken und Anforderungen für Gleichrichter- und Ofen-Transformatoren
·IEC 60146 – Halbleiterumrichter
·Kundenspezifische industrielle Spezifikationen

Typische Installation
Eine Gleichrichtertransformator-Anlage umfasst typischerweise:
·Hochspannungsschaltanlage
·Gleichrichtertransformator
·Dioden- oder Thyristor-Gleichrichterbrücke
·Glättungsdrossel
·Oberschwingungsfilter
·Gleichstromschaltanlage
·Schutzrelais
·Kühlanlagen
·Überwachungs- und Steuerungssysteme

Zusammenfassung
Ein Gleichrichtertransformator ist ein speziell entwickelter Transformator zur Versorgung von Gleichrichtersystemen mit Wechselstrom, der eine effiziente Umwandlung in Gleichstrom ermöglicht. Sein robustes thermisches und mechanisches Design, seine Oberschwingungstoleranz und seine anpassbaren Wicklungskonfigurationen machen ihn unverzichtbar für anspruchsvolle industrielle Anwendungen wie Elektrolyse, Metallverarbeitung, Traktionssysteme und HGÜ. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Transformator bietet er überlegene Leistung und Zuverlässigkeit bei der Versorgung nichtlinearer Gleichstromlasten.