05 Juillet 2016  |  Galvanoplastie
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 02/2016

Hauptsache günstig oder lieber optimal ?

Heinrich-Wilhelm Kämper

Klein, leicht, preiswert und effizient - elektronische Gleichrichter haben einen sehr guten Ruf. Doch sind sie wirklich immer die bessere Wahl gegenüber einem modernen Stellgleichrichter-Transformator? Viele Vorzüge dieser Bauweise sind über die Jahre in Vergessenheit geraten. Im Beitrag werden elektronische Gleichrichter kritisch hinterfragt.

Petits, légers et efficaces, les redresseurs électroniques jouissent d’une excellente réputation. Mais sont-ils toujours le meilleur choix par rapport à un transformateur redresseur moderne? De nombreux avantages de ce mode de construction sont tombés dans l’oubli au fil des ans. Cet article questionne de manière critique les redresseurs électroniques.

Elektronische Gleichrichter werden mit vielen Vorschusslorbeeren bedacht. Sie sind klein, kompakt und haben keinen mechanischen Verschleiss durch Stelleinrichtungen. Dazu sind sie noch schnell und einfach regelbar. Sie sind modern, relativ günstig und angeblich auch sehr energieeffizient. Haben elektronische Gleichrichter tatsächlich keine Nachteile? Doch, aber genau deren Auswirkung wird gerne unterschätzt.
 
Elektronische Gleichrichter sind kompakt und günstig im Invest, bringen aber auch bedenkenswerte Nachteile. (Bilder: Munk GmbH)
 
Elektronische Gleichrichter: keine Energiesparwunder
Wenn von elektronischen Gleichrichtern die Rede ist, sind typischerweise Schaltnetzteile gemeint. Die Eingangsspannung wird zerhackt und über einen Transformator umgesetzt. Durch eine im Vergleich zur Netzfrequenz viel höheren Frequenz kann der Transformator entsprechend kleiner ausfallen und das Gerät kompakter werden. Allerdings ist eine Glättung absolut notwendig, um die hochfrequente Restwelligkeit zu eliminieren.
Auch thyristorgesteuerte Gleichrichtergeräte gehören zu den elektronischen Gleichrichtern. Mit Thyristortechnik lassen sich auch hohe Gleichstromgüten mit Restwelligkeiten von unter 1% erreichen. Eine besondere Bauform des Thyristorgleichrichters ist der sekundärgestellte Thyristorsteller. Insbesondere bei Geräten mit gewünschter Umpolung ist diese Bauform besonders vorteilhaft, da ein schnelles und vor allem verschleissfreies Umpolen erreichbar ist. Wer schon einmal neben einem mechanischen Polwender in einer Entfettung gestanden hat, weiss insbesondere das lautlose Umpolen eines solchen Thyristorumpolers zu schätzen.
Entgegen der weit verbreiteten Meinung sind elektronische Gleichrichter allerdings keine Energiesparwunder. Nach seriösen Messungen von Gleichrichtergeräten der verschiedensten Techniken und auch verschiedener Hersteller konnte der Autor keine signifikanten Wirkungsgradunterschiede der Geräte untereinander feststellen – auch und gerade im Teillastbereich, eine Eigenschaft, die häufig beworben wird. Dies kann daran liegen, dass in der Praxis bei halber Nennspannung gemessen wurde. Wird ein solches Gerät bei halbem Nennstrom betrieben, können die Werte besser aussehen. Denn es ist der Ausgangsgleichstrom, der den Grossteil der Verluste verursacht.
Wichtig ist auch, dass stets Geräte der neusten Generation miteinander verglichen werden. Schliesslich ist es einleuchtend, dass beim Vergleich eines ölgekühlten Stelltrafogeräts aus den Sechziger- und Siebzigerjahren mit einem modernen elektronischen Gleichrichter das Ergebnis keine objektive Aussagekraft haben kann.
 
Was unbedingt bei elektronischen Gleichrichtern mit hohen Leistungen beachtet werden muss
Verzerrungsblindleistung, Netzverzerrungen, Netzrückwirkung – diese Begriffe tauchen spätestens dann auf, wenn es in einer Galvanik Probleme in der Netzversorgung gibt. Denn unsere Stromversorgungsnetze werden mit einer sinusförmigen Wechselspannung betrieben. Bei normalen, so genannten ohmschen Lasten (Heizungen, Glühlampen) folgt der Strom der Spannung. Das heisst, der Stromverlauf ist auch sinusförmig. Allenfalls folgt der Strom mit einem so genannten Phasenverschiebungswinkel phi der Spannung. Bekannt ist diese Phasenverschiebung unter dem Schlagwort cos phi. Bei Gleichrichtergeräten haben wir es aber mit nichtlinearen Lasten zu tun. Die Stromaufnahme folgt der sinusförmigen Spannung nicht mehr und erzeugt Oberwellen. Diese sind nicht nur unerwünscht, sie können Störungen im Netz und in der Anlage verursachen, zum Beispiel Überlastung/Überhitzung von Transformatoren oder Kondensatoren in Kompensationsanlagen oder Kabeln sowie Fehlauslösungen von Leistungsschaltern. Auch Drehfeldmotoren und Pumpen können überhitzen oder Sensoren beeinflusst werden.
Brisant dabei ist, dass viele Unternehmen derartige indirekte Folgen oft gar nicht ursächlich dem oder den Gleichrichtern zuordnen. Besonders akut ist diese Problematik bei Schaltnetzteilen. Diese nehmen nur dann Strom auf, wenn die Zwischenkreisspannung kleiner ist als die Netzspannung und das passiert nur in der Spitze der Sinuskurve. Werden viele Schaltnetzteile an einem Stromkreis betrieben, so addieren sich die Netzströme, und es kann bei hoher Belastung des vorgeschalteten Netztransformators sogar zu Spannungseinbrüchen des gesamten Versorgungsnetzes kommen. Prinzipiell erzeugen alle Gleichrichtergeräte Netzverzerrungen. Am besten beherrschbar sind dabei die Verzerrungen eines klassischen Stelltransformator-Gleichrichters. Dort treten nur die «normalen» sechspulsigen Rückwirkungen auf. Diese lassen sich durch einfache Mittel soweit reduzieren, dass sie keine störenden Einflüsse mehr haben. Wenn mehrere Geräte betrieben werden, kann durch geänderte Ausführung des Gleichrichtertransformators ein Phasenschwenk erzeugt werden, der aus der sechspulsigen Rückwirkung eine zwölfpulsige Rückwirkung macht, die noch einfacher zu beherrschen ist. Gleiches gilt für Thyristorgeräte, die nahe an der Nennspannung betrieben werden.
 
Moderne Stelltransformator-Gleichrichter können im Bereich Netzstabilität und Effizienz Vorteile bringen.
 
Energieaufwand für die Kühlung
Elektronische Gleichrichter sind in der Regel luft- oder wassergekühlt. Bei der Luftkühlung sollte die Luft frei von aggressiven Dämpfen und von Schmutz sein. Zudem sollte sie vor allem nicht so stark mit Feuchtigkeit gesättigt sein, dass die Geräte betauen. Von daher ist aufbereitete Frischluft über einen Lüftungskanal notwendig, oder das Gerät wird in einem separaten elektrischen Betriebsraum installiert. Auch die Wasserkühlung erfordert chemisch neutrales, schmutzfreies Kühlwasser, das so temperiert sein muss, dass es nicht zur Betauung kommt. Auch darf es im Standardfall nicht über 30 °C warm sein. Dieser energetische Aufwand für die Konditionierung der Kühlmedien oder die Unterbringung des Gerätes verringert den Gesamtwirkungsgrad der Anlage und verursacht nicht unerhebliche Betriebskosten. Wird zu sehr am Kühlmedium gespart, sind Defekte vorprogrammiert.
 
Robust, effizient, langlebig
Die klassischen Gleichrichtergeräte in ölgekühlter Bauweise mit Stelltrafo haben sich jahrzehntelang bewährt. Nicht selten gibt es Geräte, die länger als 30 Jahre störungsfrei arbeiten. Wenn sie nicht mit Selen als Gleichrichterpaket gebaut wurden, spricht nichts dagegen, sie weiter im Einsatz zu behalten. Wer Wert auf Energieeffizienz legt, sollte sicherlich überprüfen, ob energieeffiziente Schaltgruppen installiert sind. Denn früher wurden aus Kostengründen gerne Drehstrombrücken (B6) als Gleichrichterschaltung eingesetzt - eine der ineffizientesten Schaltgruppen dieser Art. Ein weiterer Aspekt bei elektronischen Gleichrichtergeräten ist die hohe Anzahl der Bauelemente, wodurch eine statistisch höhere Ausfallwahrscheinlichkeit gegeben ist.
 
Bei elektronischen Schaltnetzteilen entstehen Oberwellen, welche die Netzstabilität beinträchtigen können.
 
Fazit
Selbstverständlich haben elektronische Gleichrichter ihre Berechtigung und ihren Platz in der Galvanotechnik gefunden. Aber es gibt auch einige Aspekte, die oft unter den Teppich gekehrt werden, um sie im Vergleich zu Stelltransformatoren besser dastehen zu lassen. In diesem Zusammenhang lohnt sich für jede Anwendung eine objektive Analyse, ob tatsächlich ein elektronischer Gleichrichter die besten Eigenschaften aufweist oder doch eher ein moderner Stelltransformator. Hier sollte jeder, dem an einer optimalen Auslegung und Zuverlässigkeit seiner Anlage gelegen ist, nicht leichtgläubig auf das falsche Pferd setzen.
 
Dipl.-Ing. Heinrich-Wilhelm Kämper
Munk GmbH
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