Dreiphasengleichrichter
Dreiphasengleichrichter sind elektronische Gleichrichterschaltungen die Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Sie werden vor allem im Bereich der elektrischen Energietechnik bei mittleren Leistungen bis in den Hochleistungsbereich eingesetzt, beispielsweise zur Versorgung der mit Gleichstrom betriebenen Straßenbahnen aus dem mit Dreiphasenwechselstrom betrieben Stromnetz, bei Drehstrom-Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen, oder in Form von erweiterten Wechselrichtern im Bereich der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).
Dreiphasengleichrichter weisen, aufgrund der Anspeisung mit mehreren, phasenverschobenen Wechselspannungen, bei sonst gleicher Leistung und Filterung, eine kleinere Brummspannung als Gleichrichter für einphasige Wechselspannung auf. Ein weiterer Vorteil ist der im Vergleich zu einphasigen Gleichrichtern eher sinusförmige Eingangsstrom und die dadurch geringe Belastung des Versorgungsnetzes mit Verzerrungsblindleistung bzw. geringere Oberschwingungen.
Allgemeines
Um die Brummspannung auf der Gleichspannungsseite klein zu halten, werden wie bei den einphasigen Wechselspannungsgleichrichtern Glättungskondensatoren bzw. Speicherdrosseln eingesetzt. Für den Einsatz von bestimmten Dreiphasengleichrichtern sind bei einigen Schaltungen Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren nötig, welche funktioniell mit der Schaltung verbunden sind. Im Bereich der Energietechnik wie HGÜ-Anlagen werden diese Transformatoren auch als „Stromrichtertransformator“ bezeichnet.
Eine Erweiterung des Dreiphasengleichrichters mit einem kombinierten Schaltnetzteil zur Reduktion des Oberschwingunganteils und Nachbildung des sinusförmigen Stromverlaufes auf der Wechselspannungsseite stellt der Vienna-Gleichrichter dar.
Typen
Dreiphasengleichrichter können in verschiedenen Formen aufgebaut werden. Eine wesentliche Unterscheidung erfolgt durch die so genannte Pulszahl. Diese gibt an, wie viele Gleichrichterzweige innerhalb der Zeit einer Periode leitend werden. Durch Gleichrichterschaltungen mit einer möglichst hohen Pulsanzahl sinkt die Brummspannung, allerdings steigt bei höherer Pulsanzahl der Schaltungsaufwand.
Dreipulsgleichrichter (M3)
Der einfachste Dreiphasengleichrichter ist der Dreipulsgleichrichter, abgekürzt wird diese Schaltung als M3 bezeichnet, welcher ähnlich wie der Einweggleichrichter aufgebaut ist und aus drei Dioden besteht. Bei jeder Phase wird nur die positive bzw. negative Halbschwingung verwendet und deren Summe, wie in nebenstehenden Abbildung dargestellt, als Ausgangsgleichspannung verwendet. Nachteilig ist der hohe Oberschwingungsanteil.
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Schaltung -
Gleichspannungsverlauf
Sechspulsgleichrichter (B6U)
Sechspulsegleichrichter, diese stellen auch die gebräuchlichste Form dar und werden als B6 bezeichnet, stellen eine Form von Brückengleichrichter dar und nutzen beide Halbschwingungen einer Phase zur Gleichrichtung.
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Schaltung -
Gleichspannungsverlauf -
M6-Schaltung mit Mittelanzapfungen am Dreiphasentrafo -
Alternative Form Sechspulsegleichrichter, mit 12 Dioden
Zwölfpulsgleichrichter
Die Zwölfpulsschaltung besteht aus zwei in Serie geschalteten Drehstrom-Brückenschaltungen (B6). Hierbei wird die eine Brücke über einen Dreiphasentransformator bei dem die Windungen nach dem Stern-Stern- und die andere Brücke nach dem Stern-Dreieck-Prinzip geschaltet sind, gespeist. Die Windungsverhältnisse am Trafo müssen dabei so ausgelegt sein, um die verschiedenen Spannungen der Stern- bzw. Dreieckschaltung auszugleichen.
Die Vorteile der Zwölfpulsschaltung sind die geringe Restwelligkeit beim Gleichrichterbetrieb bzw. der geringe Oberschwingungsanteil beim Wechselrichterbetrieb. Insbesondere treten nur Oberschwingungen der Größenordnung 12 · n + 1 bzw. 12 · n − 1 auf, Oberschwingungsanteile anderer Frequenzen löschen sich gegenseitig aus.
Die Zwölfpulsschaltung kann in zwei verschiedenen Arten betrieben werden, je nachdem wie die beiden Brückenschaltungen geschaltet sind:
- In Reihenschaltung um hohe Ausgangsspannungen zu erhalten – Abgekürzt als B6-2S
- In Parallelschaltung um hohe Ausgangsströme zu erhalten – auch als B6-2C bezeichnet und in nebenstehender Abbildung darstellt.
Die Zwölfpulsschaltung wird für die Speisung von Hochspannungs-Gleichstromverbrauchern wie Elektronenröhren in Sendeanlagen verwendet. In Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen wird sie fast ausnahmslos verwendet, da sie nicht nur eine geringe Restwelligkeit ergibt, sondern auch den Aufwand bei den auf Hochspannungspotential arbeitenden Oberschwingungsfiltern reduziert. Dabei werden die Dioden durch Thyristoren ersetzt, was eine Kontrolle der Leistung und eine Umkehrung des Energieflusses in Form des Wechselrichters erlaubt.
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Zwölfpulsgleichrichter in Reihenschaltung
Vierundzwanzigpulsgleichrichter
Eine unübliche Erweiterung der obigen Zwölfpulsschaltung mit zwei getrennten Dreiphasentransformatoren, wobei ein Transformator primärseitig in Stern und einer in Dreieck geschaltet ist und die Sekundärseiten potentialfrei gehalten sind, ergibt einen Vierundzwanzigpulsgleichrichter. Wegen der Notwendigkeit zu zwei Dreiphasentransformatoren besitzt diese Form nur eine untergeordnete Bedeutung.
Sekundärseitig können die einzelnen Brücken in Reihe bzw. in Serie geschaltet werden.
Literatur
- Rudolf Busch: Elektrotechnik und Elektronik: für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker. 4. Auflage. Vieweg+Teubner, 2008, ISBN 978-3-8351-0248-4.