Gleichrichter in der Galvanotechnik

Galvanotechnik funktioniert mit elektrischer Energie. Strom und Spannung im galvanischen Bad laufen gerichtet. Es handelt sich um eine sog. Gleichspannung, wie wir sie beispielsweise aus Batterien kennen. Aus dem Stromnetz kommt eine Wechselspannung. Diese muss zunächst gerichtet werden. Dies erfolgt was über Gleichrichter.

Ein Gleichrichter besteht zum einen aus einem Transformator, der die Spannung anpasst. Zum anderen besteht er aus Halbleiter-Bauelementen – z. B. Dioden –, die für die Gleichrichtung der Spannung sorgen. Ein gutes Schaubild findet ihr zum Beispiel unter https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0208071.htm

Dabei erzeugen die Dioden allerdings noch keine echte Gleichspannung, sondern zunächst nur eine gerichtete Spannung. Man spricht von einer sog. Restwelligkeit, dem verbleibenden Wechselspannungsanteil, welcher der Gleichspannung überlagert ist. Diese Restwelligkeit gibt der Hersteller in Prozent mit dem Gleichrichter an.

Steuerungstechnologien

Historisch war es der sog. Leonard-Satz, der mit einem Drehstrommotor und einem Gleichstromgenerator eine Gleichspannung erzeugt hat. Die Regelung erfolgt über die Drehzahl des Motors. Die Spannung wird mithilfe von Heizwiderständen geregelt, was zu großen Energieverlusten führte.

Darstellung eines Stelltransformators als Steuerung des Gleichrichters - © Munk
Darstellung eines Stelltransformators – © Munk

Seit Einzug der Halbleiter-Bauelemente kann man im Gleichrichter aus der Netz-Wechselspannung ohne mechanische Unterstützung Gleichspannung erzeugen. Es bleibt aber die oben beschriebene Restwelligkeit bestehen. In einfachen Geräten erfolgt die Steuerung mit Hilfe sog. Stelltrafos. Diese stellen eine mechanische Verstellung dar, mittels derer die Spannung verändert werden kann.

Thyristortechnik im Gleichrichter - © Munk
Thyristortechnik – © Munk

Eine Weiterentwicklung im Bereich der Halbleiter-Technik stellt der Thyristor dar. Durch entsprechend getaktete Phasenanschnitte regelt man Gleichspannungen ohne weitere mechanische Hilfseinrichtungen. Thyristoren erzeugen störende elektrische Oberwellen, die durch aufwändige Glättungsschaltungen mit Kondensatoren eliminiert werden müssen.

Baute man Dioden zunächst aus Selen-Halbleitern auf, hat man sie später durch Germanium- bzw. zuletzt Silizium ersetzt.

Bild eines modernen Schaltnetzteils für die Galvanotechnik - © Munk
Bild eines modernen Schaltnetzteils für die Galvanotechnik – © Munk

Zuletzt reihten sich elektronische Schaltnetzteile in die Typen der Gleichrichter ein. Allgemein gesagt wandeln Schaltnetzgeräte eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung um. Weiter sind diese Netzteile im Vergleich zu den klassischen Gleichrichtern meist kleiner und leichter.

Kühlung

Bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung fällt im Gleichrichter als Abfallprodukt immer auch mehr oder weniger stark Wärme an, die aus dem Prozess entfernt werden muss.

Ölgekühlter Gleichrichter in traditioneller Bauweise - © Munk
Ölgekühlter Gleichrichter in traditioneller Bauweise – © Munk

Klassisch erfolgt dies durch Eintauchen der wärmeerzeugenden Einheiten in ein Ölbad. Die vom Öl aufgenommene Wärme verteilt sich und durch ein Kühlrippensystem, welches sie an die Umgebungsluft abgibt. Ein Vorteil ist, dass das Öl alle eingetauchten Einrichtungen sehr wirksam vor Korrosion schützt. Ungünstig dagegen ist, dass bei einer Wartung oder Reparatur zunächst der Gleichrichtereinsatz aus dem Öl gezogen werden muss. Als Nachteil muss wohl die Baugröße gewertet werden. Die einzige Möglichkeit die Kühlleistung zu steigern besteht darin, die Kühlwanne zu vergrößern. Die so gekühlten Gleichrichter enthielten zur Steuerung prinzipiell Stelltransformatoren.

Eine weitere Möglichkeit, überschüssige Wärme zu entfernen, besteht über den Austausch der Umgebungsluft. Dies erfolgt beispielsweise über Lüftersysteme im Gehäuse des Geräts. Hierbei ist wichtig – und dies ist unter den meisten Umständen in Galvaniken ein Problem – dass die eingespeiste Umgebungs- bzw. Kühlluft nicht schädlich für die elektronischen Komponenten des Geräts sein darf. Es dürfen keine aggressiven Medien oder hohe Luftfeuchte eingebracht werden. Luftkühlung ist nur bis zu einer gewissen Abwärme, also Gleichrichter-Leistung einsetzbar, da die Größe der Kühlaggregate mit dem Volumen der Abwärme korreliert.

Die letzte und vielleicht auch neueste Lösung ist die Wasserkühlung des Gleichrichters. Das Kühlwasser oder -medium darf nicht aggressiv gegen die Kühlleitungen und -einrichtungen wirken und in keinem Fall in Kontakt mit stromführenden Elementen des Gleichrichters kommen. Dann aber ist eine hohe, aktive Kühlleistung realisierbar.

Gleichrichter stehen so nah wie möglich an der aktiven Zelle. Je größer der Abstand des Gleichrichters zum aktiven Bad, desto größer muss man den Leitungsquerschnitt wählen. Hierfür gilt folgende Formel:

Formel zur Prüfung des benötigten Leistungsquerschnitts mit dem Abstand des Gleichrichters zum aktiven Bad: U = (2 x / 56 A) * I - © Munk
Formel zur Prüfung des benötigten Leistungsquerschnitts – © Munk

Checkliste für die Gleichrichter-Konzipierung

  • Spannung / Strom / Leistung
  • Einspeise-Spannung (230 V / 400 V)
  • Kühlart
  • Aufstellungsort
  • Schnittstelle / Steuerung
  • Lage zum Aktivbad
  • Auskunft über Anschlussart (Kupferschienen oder Kabel)

Lukas Büscher

Technischer Vertrieb Munk GmbH, Hamm

Lukas Büscher studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Hochschule Hamm-Lippstadt mit dem Schwerpunkt Marketing & Vertrieb. Seit 2018 ist er bei der Munk GmbH im technischen Vertrieb beschäftigt. Seither ist er für die Beratung von maßgeschneiderten Stromversorgungen zuständig und betreut überwiegend das Kundenklientel der Munk GmbH im Osten Deutschlands.