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Transformator für die Galvanotechnik

Bei Hochleistungs-Galvanikstromversorgungen gilt die Mehrpuls-Gleichrichtertechnologie in Kombination mit einem phasenverschiebenden Spartransformator als hocheffiziente und zuverlässige Lösung zur Oberschwingungsminderung.
Lösungsübersicht Harmonische Quellen Risiken durch Harmonische Lösungen zur Harmonischenunterdrückung Technisches Prinzip Technische Vorteile Anwendungsbereiche Fazit

Überblick über harmonische Probleme in Gleichrichtern für die Galvanotechnik

Galvanik-Stromversorgungen sind entscheidende elektrische Geräte in der Oberflächenveredelungsindustrie. Aufgrund ihrer hohen Betriebsleistung und langen Betriebszeiten sind ihre Auswirkungen auf das Stromnetz erheblich.

Herkömmliche Galvanik-Stromversorgungen erzeugen während des AC-DC-Umwandlungsprozesses oft eine große Menge an Oberschwingungsströmen, die das Stromversorgungssystem und die zugehörigen Geräte stark beeinträchtigen.

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der industriellen Automatisierung stellen Galvanik-Produktionslinien höhere Anforderungen an die Stromqualität.
Daher ist die effektive Kontrolle und Minderung der von Galvanik-Stromversorgungen erzeugten Oberschwingungen zu einem wichtigen Thema im betrieblichen Stromqualitätsmanagement geworden.

Produkt- oder Lösungsanfrage
Hauptquellen von Harmonics in Electroplating Power Supplies
Harmonics in Electroplating Power Supplies entstehen hauptsächlich im Gleichrichterbereich, einschließlich thyristorgesteuerter Phasenanschnitt-Gleichrichter und verzerrter Eingangströme in Schaltnetzteilen.
  • Durch thyristorgesteuerte Phasenanschnittgleichrichtung erzeugte Oberschwingungen
    Herkömmliche Stromversorgungen für die Galvanotechnik verwenden üblicherweise die Thyristor-Phasenanschnittsteuerung. Diese Technologie steuert die Ausgangsspannung durch Anpassung des Zündwinkels des Thyristors, entnimmt jedoch während des Betriebs nicht sinusförmigen Impulsstrom aus dem Stromnetz, was zu einer großen Anzahl niederfrequenter Oberschwingungen führt, wie z.B.: 5. Oberschwingung, 7. Oberschwingung, 11. Oberschwingung, 13. Oberschwingung. Diese Oberschwingungen verursachen eine starke Verzerrung der Stromnetzwellenform und beeinträchtigen somit den stabilen Betrieb des gesamten Stromverteilungssystems.
  • Oberschwingungen verursacht durch die Struktur des Schaltnetzteils
    In den letzten Jahren haben viele Galvanik-Stromversorgungen zur Verbesserung der Effizienz und Verkleinerung der Gerätegröße eine Schaltnetzteil-Struktur (Gleichrichter + IGBT-Wechselrichter) übernommen. Allerdings verwenden diese Systeme typischerweise Kondensator-Filterschaltungen im Eingangsbereich, was zu einer erheblichen Impulscharakteristik des Eingangsstroms führt, die auch einen hohen Oberschwingungsgehalt erzeugt.
Auswirkungen von Harmonischen auf Stromsysteme
Die von Galvanik-Stromversorgungen erzeugten Harmonischen beeinträchtigen nicht nur die Netzqualität, sondern können auch verschiedene Risiken für industrielle Produktionsprozesse verursachen.
  • 1

    Überhitzung der Ausrüstung und verkürzte Lebensdauer

    Oberwellenströme verursachen zusätzliche Verluste in Geräten wie Transformatoren, Kabeln und Motoren, was zu erhöhter Erwärmung der Geräte, beschleunigter Alterung der Isolierung und sogar zu Geräteschäden führt.
  • 2

    Störung des elektrischen Systems

    Oberschwingungen erzeugen hochfrequente elektromagnetische Störungen, die Kommunikationssysteme, automatisierte Steuerungssysteme und Präzisionselektronik in der Werkstatt beeinträchtigen. In schweren Fällen kann dies zu Fehlfunktionen oder Systemausfällen führen.
  • 3

    Verringerter Leistungsfaktor

    Oberschwingungen verringern den Gesamtleistungsfaktor des Systems. Wenn der Leistungsfaktor unter den Standard des Energieversorgungsunternehmens fällt, kann das Unternehmen gezwungen sein, zusätzliche Strafzahlungen für den Stromverbrauch zu leisten.
  • 4

    Energieverschwendung und Sicherheitsrisiken

    Oberwellenströme sind im Wesentlichen Blindleistung, die den Energieverbrauch des Systems erhöht und möglicherweise Transformatorenvibrationen, erhöhte Geräuschentwicklung und in extremen Fällen Überhitzung und Brandgefahr verursacht.
Lösungen zur Harmonischenunterdrückung bei Galvanik-Stromversorgungen
Derzeit umfassen gängige Maßnahmen zur Harmonischenreduzierung in der Industrie hauptsächlich die folgenden Methoden:
  • Passive Filter
    Passivfilter bestehen aus Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren. Sie absorbieren Oberschwingungen, indem sie einen niederohmigen Pfad für bestimmte Oberschwingungen bereitstellen.

    Vorteile

    • Einfache Struktur
    • Niedrige Kosten
    • Hohe Zuverlässigkeit

    Nachteile

    • Größere Abmessungen
    • Nur für Oberschwingungen fester Ordnung wirksam
    • Kann mit der Systemimpedanz resonieren
  • Aktive Leistungsfilter (APF)
    Aktive Leistungsfilter nutzen die Leistungselektronik, um Oberschwingungen in Echtzeit zu erkennen und Ausgleichsströme gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung zu erzeugen, um die Oberschwingungen zu unterdrücken.

    Vorteile

    • Starke dynamische Kompensationsfähigkeit
    • Filterwirkung kann über 90% erreichen

    Nachteile

    • Höhere Kosten
    • Kapazität durch Leistungsbauelemente begrenzt
    • Geeigneter für Anwendungen mit kleiner bis mittlerer Leistung
  • Mehrpuls-Gleichrichtertechnologie
    Die Mehrpuls-Gleichrichtertechnologie wandelt die Drehstromversorgung über einen Phasenschieber-Autotransformator in mehrere Spannungssätze mit unterschiedlichen Phasenwinkeln um, die dann jeweils mehreren Gleichrichterbrücken zugeführt werden. Die von verschiedenen Gleichrichterbrücken erzeugten Oberschwingungsströme heben sich im Transformator gegenseitig auf, wodurch die in das Stromnetz eingespeisten Oberschwingungsströme erheblich reduziert werden.

    Vorteile

    • Unterdrückt Oberschwingungen an der Gleichrichterquelle und bietet stabile Minderungsleistung
    • Ist nicht auf komplexe leistungselektronische Geräte angewiesen, was eine hohe Systemzuverlässigkeit gewährleistet
    • Verbessert den Leistungsfaktor des Systems und verringert das Risiko von Strafzahlungen für Strom
    • Geeignet für industrielle Hochleistungs-Stromversorgungssysteme mit Dauerbetrieb

    Nachteile

    • Höhere anfängliche Geräteinvestition
    • Größere Geräteabmessungen und -gewicht, die ausreichend Installationsplatz erfordern

Prinzip von Phasenschieber-Autotransformatoren und Mehrpulsgleichrichtung

Mehrpuls-Gleichrichterstruktur

Übliche Strukturen in Mehrpuls-Gleichrichtersystemen umfassen:

  • 12-Puls-Gleichrichtung
  • 18-Puls-Gleichrichtung
  • 24-Puls-Gleichrichtung

Am Beispiel eines 24-Puls-Gleichrichtungssystems erzeugt der phasenschiebende Spartransformator mehrere Sätze von Dreiphasenspannungen mit spezifischen Phasendifferenzen (typischerweise **15° Phasendifferenz**).
Diese Spannungen werden jeweils mehreren Gleichrichterbrücken zur Gleichrichtung zugeführt.

Prinzip der Oberwellenunterdrückung

Die von verschiedenen Gleichrichterbrücken erzeugten Oberwellenströme heben sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Phasen gegenseitig auf, wenn sie auf der Primärseite des Transformators mittels magnetomotorischer Kraft überlagert werden. Zum Beispiel:

  • 5. Oberwelle
  • 7. Oberwelle
  • 11. Oberwelle
  • 13. Oberwelle

Diese niedrigeren Oberwellen werden im System erheblich abgeschwächt, und was letztendlich in das Stromnetz gelangt, sind hauptsächlich höhere Oberwellen mit kleineren Amplituden (wie die 23. und 25. Oberwelle), wodurch die gesamte harmonische Verzerrungsrate des Systems erheblich reduziert wird.

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Technische Vorteile von Phasenverschiebungs-Spartransformatoren
Im Vergleich zu herkömmlichen Filterlösungen unterdrückt diese Methode Harmonische direkt an der Quelle und wird daher in großen industriellen Stromversorgungssystemen häufig eingesetzt.
  • Hervorragende Fähigkeit zur Unterdrückung von Oberschwingungen
    Durch den Einsatz der Mehrpuls-Gleichrichtertechnologie kann die gesamte harmonische Verzerrung des Stroms (THDi) des Systemeingangsstroms typischerweise auf 5 % bis 8 % begrenzt werden, was den Anforderungen der Stromqualitätsnormen entspricht.
  • Hohe Auslastung der Anlagenkapazität
    Autotransformatoren übertragen Leistung durch eine Kombination aus elektromagnetischer Kopplung und direkter Leitung. Im Vergleich zu herkömmlichen Trenntransformatoren können ihre Kapazitätsanforderungen um etwa **80 % oder mehr** reduziert werden, wodurch die Gerätegröße verringert und die Systemeffizienz verbessert wird.
  • Hohe strukturelle Zuverlässigkeit
    Diese Lösung besteht hauptsächlich aus Eisenkern, Wicklungen und Isolierstruktur, ohne komplexe leistungselektronische Komponenten. Daher bietet sie folgende Vorteile: hohe Überlastfähigkeit, stabiler Betrieb, einfache Wartung. Sie ist ideal für die kontinuierliche Hochleistungsbetriebsumgebung von Galvanikwerkstätten geeignet.
  • Verbesserung des Systemleistungsfaktors
    Durch die Reduzierung des Oberschwingungsgehalts wird der Gesamtleistungsfaktor des Systems erheblich verbessert, was dazu beiträgt, Strafzahlungen für den Leistungsfaktor zu vermeiden und die Stromkosten des Unternehmens zu senken.
Typische Anwendungsbereiche von Phasenverschiebungs-Spartransformatoren
Stromversorgungssysteme auf Basis von Multi-pulse rectification technology (phase-shifting autotransformer) werden bereits in zahlreichen Industriebereichen eingesetzt.
  • Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie
    Oberflächenbehandlung der Schlüsselkomponenten
  • Automobilherstellungsindustrie
    Galvanische Beschichtung von ABS-Systemen, Stoßdämpfern, Alufelgen usw.
  • Maschinen- und Anlagenbauindustrie
    Oberflächenverfestigung von Baumaschinen und Bergbauausrüstung
  • Stahl- und Schiffbauindustrie
    Kontinuierliche Galvanisierungsproduktionslinien und Herstellung großer Komponenten

Fazit

Die von Gleichrichtern für Galvanikanwendungen erzeugten Oberschwingungen stammen hauptsächlich aus der Gleichrichtungsstufe und sind ein wesentlicher Faktor, der die industrielle Stromqualität beeinflusst.

Durch den Einsatz von **Mehrpuls-Gleichrichtertechnologie und einem Phasenschieber-Autotransformator** kann eine aktive Oberschwingungsunterdrückung auf der Stromversorgungsseite erreicht werden. Die von verschiedenen Gleichrichterbrücken erzeugten Oberschwingungen heben sich im System gegenseitig auf, wodurch der in das Stromnetz eingespeiste Oberschwingungsstrom erheblich reduziert wird.

Diese Lösung bietet die folgenden Vorteile:

  • 1. Hocheffiziente Oberschwingungsminderung
  • 2. Hohe Zuverlässigkeit
  • 3. Hoher Leistungsfaktor
  • 4. Anwendbar in industriellen Hochleistungsszenarien

Daher ist in Hochleistungs-Gleichstromanwendungen wie Galvanik, Elektrolyse und Metallurgie die **Mehrpuls-Gleichrichterlösung mit Phasenschieber-Autotransformator** zu einem wichtigen technologischen Weg zur Verbesserung der Stromqualität und zur Erreichung einer grünen Produktion geworden.

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