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 Dreiphasenwechselstrom liefernden 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 und Speicherdrosseln eingesetzt. Für den Einsatz von bestimmten Dreiphasengleichrichtern sind bei einigen Schaltungen Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren nötig, welche funktionell 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 allen Phasen 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

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  Gleichspannungsverlauf

Sechspulsgleichrichter (B6U)

Sechspulsgleichrichter – B6 – stellen eine Form von Brückengleichrichter dar und nutzen jeweils beide Halbschwingungen jeder Phase zur Gleichrichtung. Der Sechspulsgleichrichter ist die gebräuchlichste Form des Dreiphasengleichrichters.

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  Schaltung

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  Gleichspannungsverlauf

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  M6-Schaltung mit Mittelanzapfungen am Dreiphasentrafo

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  Alternative Form Sechspulsgleichrichter, mit 12 Dioden

Die M6-Schaltung mit Mittelanzapfungen am Dreiphasentrafo wurde früher besonders bei mehrphasigen Quecksilberdampfgleichrichtern mit sechs Anoden eingesetzt, da dabei alle Kathoden auf gleichen Potential liegen. Damit können die Kathoden konstruktiv zu einer gemeinsamen Kathode am Quecksilberdampfgleichrichter zusammengefasst werden.

Zwölfpulsgleichrichter

Schaltbild eines 12-Puls-Gleichrichters in Parallelschaltung (B62C-Schaltung)

Spannungsverlauf 12-Puls-Gleichrichter. Blau: Sternpunktwindungs-Trafo, Grün: Dreieckswindungs-Trafo, Rot: Gleichgerichtete Spannung

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 dargestellt.

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

Höherpulsige Gleichrichter

Eine unübliche Erweiterung stellen der 18-Puls- und 24-Puls-Gleichrichter dar.^[1] In beiden Fällen sind drei sekundärseitige Drehstromwicklungen nötig, die zusammen addiert jeweils um 20° bzw. 15° versetzte Drehspannungssysteme bilden. Die Beträge bzw. die sekundärseitigen Windungszahlen müssen dabei aufeinander abgestimmt sein. Wegen des höheren Schaltungsaufwands besitzen diese Formen nur eine untergeordnete Bedeutung.

Literatur

• Rudolf Busch: Elektrotechnik und Elektronik: für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker. 4. Auflage. Vieweg+Teubner, 2008, ISBN 978-383510248-4.

Einzelnachweise

1. ↑ Joachim Specovius: Grundkurs Leistungselektronik. 4. Auflage. Vieweg + Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1307-7, S. 174.