AT528659B1

AT528659B1 - Regelbare Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse

Info

Publication number: AT528659B1
Application number: ATA51007/2024A
Authority: AT
Inventors: Rechberger Andreas
Original assignee: Andritz Ag Maschf
Priority date: 2024-12-18
Filing date: 2024-12-18
Publication date: 2026-04-15
Also published as: AT528659A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse, umfassend einen ersten Transformator (1) zur Transformation einer Eingangsspannung in eine Sekundärspannung wobei der Transformator (1) N > 1 Wicklungsanzapfungen (2) aufweist, und wobei ein erster Laststufenschalter (4) vorgesehen ist, der zur Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (2) des ersten Transformators (1) ausgebildet ist, sodass die Ausgangsspannung in N Stufen schaltbar ist, wobei der Regler (3) mit einem Amperemeter (9) zur Messung des Ausgangsstroms verbunden ist, und wobei ein zweiter Transformator (5) zur Transformation der Sekundärspannung in eine Ausgangsspannung mit einer Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen (6) vorgesehen ist, wobei ein mit dem Regler (3) verbundener zweiter Laststufenschalter (7) vorgesehen ist, wobei der erste Transformator (1) in Serie mit dem zweiten Transformator (5) geschaltet ist, wobei die Transformatoren (1, 5) auf getrennten Eisenkernen angeordnet sind, und wobei ein passiver Gleichrichter (8) zur Erzeugung eines Ausgangs- Gleichstroms und einer Ausgangs-Gleichspannung vorgesehen ist.

Description

Beschreibung

REGELBARE GLEICHRICHTERANORDNUNG FÜR DIE WASSERSTOFF-ELEKTROLYSE

[0001] Die Erfindung betrifft eine regelbare Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-ElektroIyse.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, insbesondere PEM (Proton Exchange Membrane) — Elektrolyse und AEL (Alkalische Elektrolyse), bekannt. Derartige Verfahren benötigen einen hohen und im Wesentlichen konstanten, jedoch von den Gegebenheiten der Produktion abhängigen Gleichstrom. Erforderlich sind dabei üblicherweise Gleichströme über 600 A bei einer Leistung von über 1 MW.

[0003] Zur Bereitstellung des Gleichstroms sind regelbare Gleichrichteranordnungen bekannt, die aus einer Eingangs-Wechselspannung eine Ausgangs-Gleichspannung erzeugen. Dazu werden in der Regel Gleichrichteranordnungen mit aktiv geregelten elektronischen Schaltungen, beispielsweise Schaltungen mit Thyristoren oder IGBTs und nachgeschalteten Filterelementen verwendet.

[0004] Um die bei der Umwandlung der Eingangs-Wechselspannung in die Ausgangs-Gleichspannung entstehenden Verluste zu reduzieren, ist es aus der WO WO2024/130276 A1 bekannt, eine Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse mit einem Transformator auszustatten, der mehrere Teilwicklungen aufweist, die mit unterschiedlichen Laststufenschaltern geschaltet werden. Durch Kaskadieren von Laststufenschaltern mit unterschiedlicher Anzahl an Windungen je Stufe kann eine Grob- und Feinregelung der Ausgangsspannung realisiert werden.

[0005] Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Aufbau des Transformators komplex und dessen Herstellung aufwändig ist. Es müssen mehrere, über Stufenschalter kaskadierte Wicklungen hergestellt werden, was im Fehlerfall zu einer komplizierten Fehlersuche und Fehlerbehebung führt. Ferner hat sich in der Praxis das Problem gezeigt, dass ein Lastausgleich und die exakte Auslöschung von Oberschwingungen bei Wicklungen, die auf ein und demselben Transformatorkern angeordnet sind, schwierig ist.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen vereinfachten Aufbau einer derartigen Gleichrichteranordnung zu schaffen, die einen Einsatz einfacher und bewährter Bauteile sowie eine einfache Fehlersuche und Fehlerbehebung, sowie eine einfache Korrektur von Schieflastsituationen ermöglicht.

[0007] Diese und andere Aufgaben werden durch eine Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1 gelöst.

[0008] Eine erfindungsgemäße Gleichrichteranordnung ist für die Wasserstoff-Elektrolyse ausgebildet und umfasst einen ersten Transformator zur Transformation einer Eingangsspannung U + in eine Sekundärspannung U+4‘. Der Transformator weist eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen auf. Es kann beispielsweise eine Windungszahl im Bereich von 1000 bis 1500 Windungen vorgesehen sein. Die Anzahl der Wicklungsanzapfungen N kann größer als 10, beispielsweise etwa 20 sein. Es können aber auch bis zu 35 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sein. Die Wicklungsanzapfungen können in einem Teilbereich der Transformatorwicklung vorgesehen sein, sodass beispielsweise von etwa 1000 Windungen nur etwa 200 Windungen angezapft sind.

[0009] Es ist ein mit einem Regler verbundener Laststufenschalter vorgesehen, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen des ersten Transformators ausgebildet ist. Der Regler kann somit über den Laststufenschalter die Sekundärspannung U+4‘ in N Stufen einstellen.

[0010] Erfindungsgemäß ist ein zweiter Transformator vorgesehen, der zur Transformation der Sekundärspannung U+4‘ in eine Ausgangsspannung U; mit einer Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen ausgebildet ist. Es ist ein mit dem Regler verbundener zweiter Laststufenschalter vorgesehen ist, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen des zweiten Transfor-

mators ausgeführt ist. Dieser zweite Transformator ist in Serie mit dem ersten Transformator geschaltet, sodass die Ausgangsspannung U; in N x M Stufen schaltbar ist.

[0011] Erfindungsgemäß sind der erste Transformator und der zweite Transformator auf getrennten Eisenkernen angeordnet. Vorzugsweise sind die beiden Transformatoren als separate Bauteile vorgesehen. Dies ermöglicht eine einfachere Erzeugung, Wartung und Reparatur der Transformatoren.

[0012] Am Ausgang des zweiten Transformators ist ein passiver Gleichrichter zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms Ipc und einer Ausgangs-Gleichspannung Upc vorgesehen. Der Regler kann mit einem Voltmeter und einem Amperemeter zur Messung der Ausgangsspannung Upc und des Ausgangsstroms Ipc verbunden sein, sodass er den geforderten Gleichstrom über eine Verstellung der beiden Laststufenschalter in den beiden Transformatoren erzeugen kann. Durch den Verzicht auf aktiv geregelte elektronische Schaltungen und Filterelementen können die elektrischen Verluste im Gleichrichter reduziert werden und es erfolgt eine effizientere Bereitstellung der elektrischen Energie.

[0013] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der erste Transformator eine Primärwicklung und eine galvanisch getrennte Sekundärwicklung aufweist, wobei Sekundärspannung U+‘ an der Sekundärwicklung abgegriffen und die Wicklungsanzapfungen an der Primärwicklung vorgesehen sind.

[0014] Erfindungsgemäß kann aber auch vorgesehen sein, dass der erste Transformator ein Spartransformator ist, wobei die Eingangsspannung U+1 und die Sekundärspannung U+1‘ an derselben Wicklung abgegriffen werden. Derartige Spartransformatoren sind auch als Autotransformatoren bekannt. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige und platzsparende Realisierung der Gleichrichteranordnung.

[0015] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ausgangsspannung U; über den ersten Laststufenschalter in groben Stufen und über den zweiten Laststufenschalter in feinen Stufen verstellbar ist.

[0016] Um eine derartige Grob- und Feineinstellung der Ausgangsspannung über die beiden Laststufenschalter zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die von den zwei Laststufenschaltern geschalteten Spannungsstufen in Bezug auf die Ausgangsspannung U; unterschiedlich hoch sind.

[0017] Beispielsweise kann der erste Transformator ein Transformationsverhältnis von U4 / U4‘ = 5 : 1 und einen primärseitiger Spannungsbereich von 0 — 30 kV aufweisen. Bei N = 10 gleichverteilten primärseitigen Wicklungsanzapfungen ergeben sich sekundärseitige Spannungsstufen des ersten Laststufenschalters von etwa AU +‘ <= 600 V. Der zweite Transformator kann beispielsweise ein Transformationsverhältnis von U+‘/U2 = 10: 1 und einen primärseitiger Spannungsbereich von 0 — 6 kV aufweisen. Bei M = 20 gleichverteilten primärseitigen Wicklungsanzapfungen des zweiten Transformators ergeben sich sekundärseitige Spannungsstufen des zweiten Laststufenschalters von etwa AU; <= 30 V. Damit sind 10 Grobstufen zu je <= 600 V und 20 Feinstufen zu je <= 30 V realisierbar. Sofern die Eingangsspannung U+4 voll anliegt, also die Wicklung des ersten Transformators nicht angezapft ist, wird eine Feineinstellung der Ausgangsspannung durch Spannungsstufen von AU; = 30 V erreicht.

[0018] Die Transformationsverhältnisse der beiden Transformatoren können gleich oder unterschiedlich sein. Auch die Windungszahlen der Wicklungen der beiden Transformatoren können gleich oder unterschiedlich sein. Auch die Anzahl der Wicklungsanzapfungen N, M der beiden Laststufenschalter kann gleich oder unterschiedlich sein.

[0019] Beispielsweise können die beiden Laststufenschalter eine identische Zahl von Wicklungsanzapfungen N = M aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Zahl der Wicklungsanzapfungen des ersten Laststufenschalters N größer oder kleiner ist als die Zahl der Wicklungsanzapfungen des zweiten Laststufenschalters M.

[0020] Die Anzahl der je Stufe von den Laststufenschaltern geschalteten Windungen kann eben-

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falls gleich oder unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der erste Laststufenschalter eine höhere Zahl von Windungen je Stufe umschalten als der zweite Laststufenschalter. Beispielsweise kann der erste Laststufenschalter 100 Windungen je Stufe schalten, und der zweite Laststufenschalter weniger als 10 Windungen, weniger als 5 Windungen, zwei Windungen oder nur 1 Windung je Stufe schalten.

[0021] Diese Ausführungen können auch kombiniert werden. Vorzugsweise ist die Gleichrichteranordnung derart ausgebildet, dass eine Umschaltung des ersten Laststufenschalters eine Änderung der Ausgangsspannung U; des zweiten Transformators in größeren Stufen bewirkt, als eine Umschaltung des zweiten Laststufenschalters. Beispielsweise kann die Änderung der Ausgangsspannung U; bei Umschaltung des ersten Laststufenschalters um einen Faktor 10, 20 oder 30 größer sein, als bei Umschaltung des zweiten Laststufenschalters.

[0022] Durch die Verwendung derartig kaskadierter Stufenschalter können sowohl der normale Regelbereich, als auch netzseitige stärkere Über- und Unterspannungen abgedeckt werden (+/10% der Eingangsspannung). Zudem kann die Stufenanpassung im Regelbereich sehr fein erfolgen, während die Grobstufen sehr schnell angefahren werden können, um größere Anpassungen vorzunehmen.

[0023] Die Anzahl und Aufteilung der Stufen auf Fein- und Grobstufen kann individuell an den Anwendungsbereich angepasst sein, wobei für die erfindungsgemäße Verwendung bei der Wasserstoff-Elektrolyse erfahrungsgemäß mehr als 125 Stufen erforderlich sind.

[0024] Vorzugsweise ist der Gleichrichter als passiver Dioden-Brückengleichrichter, ohne aktive Bauelemente wie Thyristoren, ausgebildet. Dies ermöglicht eine hohe Effizienz des Gleichrichters und Gesamtverluste von vorzugsweise unter 1,5%.

[0025] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die beiden separaten Transformatoren und der Gleichrichter mehrphasig, insbesondere zweiphasig oder dreiphasig, ausgebildet sind.

[0026] Die Konfiguration der Laststufenschalter je Transformator kann unterschiedlich sein. Beispielsweise können drei einphasige Geräte oder ein dreiphasiges Gerät vorgesehen sein. Auch andere Konfigurationen sind erfindungsgemäß vorgesehen.

[0027] Der Regler ist mit einem Amperemeter zur Messung des Ausgangsstroms Ipc und gegebenenfalls auch mit einem Voltmeter zur Messung der Ausgangsspannung Upce verbunden. Der Ausgangsstrom Ipc und die Ausgangsspannung Upec stellen dabei die zu erreichenden Zielwerte der Gleichrichteranordnung dar.

[0028] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass mehrere parallel geschaltete zweite Transformatoren und Gleichrichter vorgesehen sind, wobei die zweiten Transformatoren jeweils über separate Eisenkerne verfügen und jeweils über eigene zweite Laststufenschalter verfügen, die mit dem Regler verbunden sind. In diesem Fall ist der Regler vorzugsweise mit je einem Amperemeter zur Messung des Ausgangsstroms in den parallel geschalteten Brücken und gegebenenfalls auch mit je einem Voltmeter zur Messung der Ausgangsspannung in den parallel geschalteten Brücken verbunden.

[0029] Die zweiten Transformatoren können jeweils als Zweiwickler-Transformatoren oder als Mehrwickler-Transformatoren, insbesondere als Dreiwickler-Transformatoren mit einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen ausgebildet sein.

[0030] Die Ausgangsspannungen der zweiten Transformatoren können um einen Winkel Ag phasenverschoben sein.- Es kann für jeden der zweiten Transformatoren jeweils ein dedizierter Gleichrichter vorgesehen sein. Die zweiten Transformatoren und die zugeordneten Gleichrichter können einphasig oder mehrphasig, insbesondere dreiphasig, ausgebildet sein. Zur Erzielung einer reduzierten Welligkeit der Ausgangsspannung können die Transformatoren phasenverschoben ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Transformatoren zur Erzielung einer um einen Winkel von Aq@ phasenverschobenen Ausgangsspannung ausgebildet sind, wobei A gleich 60° gebrochen durch die Anzahl der zweiten Transformatoren ist. Beispielsweise kann eine 24-Puls-Schaltung mit vier zweiten Zweiwickler- Transformatoren und vier Gleichrichterbrü-

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cken realisiert werden.

[0031] Eine 48-Puls-Schaltung kann realisiert werden, indem vier zweite Transformatoren als Dreiwickler- Transformatoren mit einer Primär- und zwei Sekundärwicklungen ausgebildet sind, oder acht zweite Transformatoren als Zweiwickler-Transformatoren ausgebildet sind, wobei am Ausgang jeder Wicklung eine eigene Gleichrichterbrücke vorgesehen wird.

[0032] Bei einer derartigen Gleichrichteranordnung kann auf einfache Weise eine zusätzliche Lastausgleichsregelung implementiert werden, indem jeder Brückenstrom der Gleichrichterbrücken gemessen und an den Regler übermittelt wird, wobei der Regler die jeweiligen zweiten Stufensteller anpasst. Der Sollwert der erzeugten Gleichströme kann also durch Feinregelung der Stufensteller der zweiten Transformatoren gleichmäßig auf die einzelnen Gleichrichterbrücken aufgeteilt werden, sodass Netzrückwirkungen, insbesondere harmonische Oberschwingungen, und Rippel des DC-Stroms vermindert werden.

[0033] Entsprechend kann der Regler mit je einem Amperemeter zur Messung des Ausgangsstroms jedes Gleichrichters und gegebenenfalls auch mit je einem Voltmeter zur Messung der Ausgangsspannung jedes Gleichrichters verbunden sein.

[0034] Damit kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass der Regler in einem unterlagerten Regelkreis dafür sorgt, dass die elektrische Leistung oder der elektrische Strom in jeder Gleichrichterbrücke im Wesentlichen gleich sind, also Schieflasten ausgeglichen werden. In einem übergeordneten Regelkreis kann der Regler dafür sorgen, dass die Zielwerte der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms erreicht werden. Der Regler kann also dazu ausgebildet sein, in einem unterlagerten Regelkreis einen Schieflastausgleich zwischen den Brücken mit den zweiten Stufenstellern der zweiten Transformatoren und Gleichrichtern durchzuführen, und mit einem überlagerten Regelkreis den gewünschten Ausgangsstrom Ipc mit den ersten und zweiten Stufenstellern des ersten und zweiten Transformators einzustellen.

Erfindungsgemäß können auch mehrere parallelgeschaltete erste Transformatoren vorgesehen sein, die jeweils über separate Eisenkerne verfügen und jeweils über erste Laststufenschalter verfügen, die mit dem Regler verbunden sind.

[0035] Damit kann eine hohe Eingangsleistung auf mehrere erste Transformatoren aufgeteilt werden. Eine Schieflast kann dann auch primärseitig durch Einstellung der ersten Laststufenschalter durch den Regler ausgeglichen werden.

[0036] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Eingangs-Wechselspannung U+ eine Amplitude von über 10 kV, insbesondere etwa 20 kV bis 30 kV, und die Ausgangs-Gleichspannung UDC einen Nennwert von etwa 300 V bis etwa 2000 V, beispielsweise etwa 1200 V aufweist.

[0037] Der erste Transformator kann eine elektrische Nennleistung von über etwa 1 MVA, vorzugsweise über etwa 6 MVA, beispielsweise im Bereich von 15 MVA bis 30 MVA aufweisen. Der zweite Transformator kann eine elektrische Nennleistung aufweisen, die niedriger ist als jene des ersten Transformators, beispielsweise im Bereich von etwa 500 kVA bis etwa 10 MVA, in Abhängigkeit von der Anzahl der parallelen Transformatoren.

[0038] Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass zwei oder mehr zweite Transformatoren vorgesehen sind. Diese können als Zwei- oder Mehrwickler- Transformatoren ausgebildet sein. Die Ausgangsspannungen der zweiten Transformatoren oder deren Teilwicklungen können um einen Winkel Ag phasenverschoben sein, wobei für jeden der zweiten Transformatoren bzw. deren Teilwicklungen jeweils ein Gleichrichter zur Erzeugung des Ausgangs-Gleichstroms Ipc und der Ausgangs-Gleichspannung Upc vorgesehen ist.

[0039] Die Erfindung betrifft ferner ein System, umfassend mehrere parallelgeschaltete erfindungsgemäße Gleichrichteranordnungen wobei die Laststufenschalter jeder Gleichrichteranordnung mit einem zentralen Regler verbunden sind.

[0040] Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung zur Generierung eines Ausgangs-Gleichstroms IDC von mehr als etwa 600 A, vorzugsweise mehr als etwa 2 kA, bevorzugt mehr als etwa 20 kA bei einer Ausgangs-Gleichspannung

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im Bereich von etwa 300 V bis etwa 1500 V für die Wasserstoff-Elektrolyse, insbesondere die PEM-Elektrolyse oder Alkalische Elektrolyse.

[0041] Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert, welche exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen:

[0042] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;

[0043] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;

[0044] Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;

[0045] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit mehreren parallel geschalteten Gleichrichteranordnungen.

[0046] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse. Diese umfasst einen ersten Transformator 1 zur Transformation einer Eingangsspannung U+: in eine Sekundärspannung U+1‘, wobei der Transformator 1 N > 1 Wicklungsanzapfungen 2 aufweist. Es ist ein mit einem Regler 3 verbundener Laststufenschalter 4 vorgesehen, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 2 des ersten Transformators 1 ausgebildet ist, sodass die Ausgangsspannung U+‘ in N Stufen schaltbar ist. Der erste Transformator 1 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Primärwicklung und eine galvanisch davon getrennte Sekundärwicklung. An der Primärwicklung sind N = 9 Wicklungsanzapfungen 2 vorgesehen.

[0047] Es ist ein zweiter Transformator 5 auf einem separaten Eisenkern zur Transformation der Sekundärspannung U+4‘ in eine Ausgangsspannung U; mit einer Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen 6 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind M = 9 Wicklungsanzapfungen 6 vorgesehen. Es ist ein mit dem Regler 3 verbundener zweiter Laststufenschalter 7 vorgesehen, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 6 des zweiten Transformators 5 ausgeführt ist. Der erste Transformator 1 ist in Serie mit dem zweiten Transformator 5 geschaltet, sodass die Ausgangsspannung U; in N x M Stufen schaltbar ist.

[0048] Am Ausgang des zweiten Transformators 5 ist ein passiver Gleichrichter 8 zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms Iopc und einer Ausgangs-Gleichspannung Upc vorgesehen. Der Regler 3 ist über Datenleitungen mit einem Voltmeter 10 und einem Amperemeter 9 auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 8 verbunden. Der Gleichrichter 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einphasiger Dioden-Brückengleichrichter ausgebildet. Der Regler 3 erhält als Zielgröße einen gewünschten Ausgangs-Gleichstrom und stellt den Laststufenschalter 4 des Transformators 1 derart ein, dass dieser Wert am Ausgang des Gleichrichters 8 erreicht wird.

[0049] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Transformator 1 als Spartransformator ausgebildet. Dieser, auch als Autotransformator bezeichneter Transformator, besteht aus nur einer Spule, die zur Entnahme der Ausgangsspannung eine oder mehrere Anzapfungen hat. Primärund Sekundärseite sind damit in einer einzigen Spule vereint. Primärseitig weist der erste Transformator 1 wieder eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen auf, wobei ein mit einem Regler 3 verbundener Laststufenschalter 4 vorgesehen ist, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 2 des ersten Transformators 1 ausgebildet ist, sodass die Ausgangsspannung des ersten Transformators U+‘ in N Stufen schaltbar ist.

[0050] In Serie zum ersten Transformator 1 sind vier zweite Transformatoren 5, 5‘, 5“, 5‘ geschaltet. Die zweiten Transformatoren sind jeweils als separate Bauteile auf separaten Eisenkernen ausgebildet und verfügen jeweils über zweite Laststufenschalter (7, 7°, 7“, 7“), die mit dem Regler 3 verbunden sind.

In Serie zu jedem der zweiten Transformatoren 5, 5‘, 5“, 5“ sind passive Gleichrichter 8, 8‘, 8“,

8‘ angeordnet, gefolgt von Amperemetern 9, 9‘, 9“, 9‘* zur Messung des jeweiligen Ausgangsstroms in den einzelnen Brücken. Die vier zweiten Transformatoren 5, 5‘, 5“, 5“ und die vier Gleichrichter 8, 8‘, 8“, 8‘ sind in diesem Beispiel einphasig, aber um je 60° phasenverschoben. Daraus ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine 24-pulsige Gleichrichterschaltung. Zur Realisierung einer Grob- und Feinstufenschaltung schalten die zweiten Laststufenschalter 7, 7°, 7“, 7°“ einen geringeren Wert der Ausgangsspannung U>; je Stufe als der erste Laststufenschalter 4.

[0051] Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. Das Ausführungsbeispiel entspricht jenem aus Fig. 2, jedoch sind die zweiten Transformatoren 5, 5‘, 5“, 5‘ als phasenverschobene 3-Wickler- Transformatoren ausgebildet. Daraus ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine 48-pulsige Gleichrichterschaltung. Für jede der beiden sekundärseitigen Wicklungen sind jeweils zwei Gleichrichter 8, 8‘, 8“, 8‘ und jeweils zwei mit dem Regler 3 verbundene Amperemeter 9, 9‘, 9“, 9“ vorgesehen.

[0052] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems umfassend vier parallelgeschaltete erfindungsgemäße Gleichrichteranordnungen, wobei die ersten Laststufenschalter 4, 4‘, 4“, 4“ und die zweiten Laststufenschalter 7, 7°, 7“, 7‘ jeder Gleichrichteranordnung mit einem zentralen Regler 3 verbunden sind. Dies erlaubt auch einen primärseitigen Schieflastausgleich zwischen den vier Gleichrichterbrücken.

[0053] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern umfasst jegliche Gleichrichteranordnung im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.

BEZUGSZEICHENLISTE

1, 15, 1°, 1° Erster Transformator

2 Wicklungsanzapfungen des ersten Transformators 3 Regler

4, 4‘, 4“, 4‘“ Erster Laststufenschalter

5, 5‘, 5“, 5°“ Zweiter Transformator

6 Wicklungsanzapfungen des zweiten Transformators 7, 1,1, 1 Zweiter Laststufenschalter

8, 8‘, 8“, 8“ Gleichrichter

9, 9‘, 9“, 9“ Amperemeter

10, 10°, 10“, 10“ Voltmeter

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Claims

Patentansprüche

1. Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse, umfassend

a. einen ersten Transformator (1) zur Transformation einer Eingangsspannung U+ in eine Sekundärspannung U+‘, wobei

b. der Transformator (1) eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen (2) aufweist, und wobei

C. ein mit einem Regler (3) verbundener erster Laststufenschalter (4) vorgesehen ist, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (2) des ersten Transformators (1) ausgebildet ist, sodass die Ausgangsspannung U+‘ in N Stufen schaltbar ist, wobei der Regler (3) mit einem Amperemeter (9) zur Messung des Ausgangsstroms Ipc verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

d. ein zweiter Transformator (5) zur Transformation der Sekundärspannung U+1‘ in eine Ausgangsspannung Uz; mit einer Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen (6) vorgesehen ist, wobei

e. ein mit dem Regler (3) verbundener zweiter Laststufenschalter (7) vorgesehen ist, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (6) des zweiten Transformators (5) ausgeführt ist, wobei

f. der erste Transformator (1) in Serie mit dem zweiten Transformator (5) geschaltet ist, sodass die Ausgangsspannung U; in N x M Stufen schaltbar ist, wobei

g. der erste Transformator (1) und der zweite Transformator (5) auf getrennten Eisenkernen angeordnet sind, und wobei

h. am Ausgang des zweiten Transformators (5) ein passiver Gleichrichter (8) zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms Ipc und einer Ausgangs-Gleichspannung Upc vorgesehen ist.

2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transformator (1) eine Primärwicklung und eine galvanisch getrennte Sekundärwicklung aufweist, wobei die Wicklungsanzapfungen an der Primärwicklung vorgesehen sind.

3. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transformator (1) ein Spartransformator ist, wobei die Eingangsspannung U+1 und die Sekundärspannung U+‘ an derselben Wicklung abgegriffen werden.

4. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung U; über den ersten Laststufenschalter (4) in groben Stufen und über den zweiten Laststufenschalter (7) in feinen Stufen verstellbar ist.

5. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (8) als passiver Dioden-Brückengleichrichter ausgebildet ist.

6. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoren (1, 5) und der Gleichrichter (8) mehrphasig ausgebildet sind, wobei die Laststufenschalter (4, 7) mehrphasig, insbesondere dreiphasig sind, oder jeweils mehrere, insbesondere drei einphasige Laststufenschalter (4, 7) vorgesehen sind.

7. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (3) mit einem Voltmeter (10) zur Messung der Ausgangsspannung Upc verbunden ist.

8. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel geschaltete zweite Transformatoren (5, 5‘, 5“, 5“‘) und Gleichrichter (8, 8‘, 8“, 8‘) vorgesehen sind, wobei die zweiten Transformatoren (5, 5‘, 5‘, 5‘) jeweils über separate Eisenkerne verfügen und jeweils über zweite Laststufenschalter (7, 7‘, 7“, 7“) verfügen, die mit dem Regler (3) verbunden sind.

9. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die zweiten Transformatoren (5, 5‘, 5‘, 5‘) als Zweiwickler-Transformatoren oder als Mehrwickler- Transformatoren, insbesondere als Dreiwickler- Transformatoren mit einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen ausgebildet sind.

10. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (3) mit je einem Amperemeter (9, 9‘, 9“, 9“) zur Messung des Ausgangsstroms Ipc, Ipe‘, Ipe‘, Ioe‘ Jedes Gleichrichters (8, 8‘, 8“, 8‘“‘) und gegebenenfalls auch mit je einem Voltmeter (10, 10‘, 10“, 10“) zur Messung der Ausgangsspannung Upe, Upe‘, Upe“, Upe‘“ Jedes Gleichrichters (8, 8‘, 8“, 8‘) verbunden ist.

11. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (3) dazu ausgebildet ist, in einem unterlagerten Regelkreis einen Schieflastausgleich zwischen den zweiten Transformatoren (5, 5‘, 5“, 5‘) und Gleichrichtern (8, 8‘, 8“, 8“) durchzuführen, und in einem überlagerten Regelkreis den gewünschten Ausgangsstrom Ipc einzustellen.

12. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallelgeschaltete erste Transformatoren (1, 1‘, 1“, 1‘) vorgesehen sind, die jeweils über separate Eisenkerne verfügen und jeweils über erste Laststufenschalter (4, 4‘, 4‘, 4‘) verfügen, die mit dem Regler (3) verbunden sind.

13. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs-Wechselspannung U+ eine Amplitude von über 10 kV, insbesondere etwa 20 kV bis 30 kV, und die Ausgangs-Gleichspannung Upe einen Nennwert von etwa 300 V bis etwa 2000 V, beispielsweise etwa 1200 V aufweist.

14. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transformator (1) eine elektrische Nennleistung von über etwa 6 MVA, beispielsweise im Bereich von 15 MVA bis 30 MVA aufweist.

15. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr zweite Transformatoren (5, 5‘, 5‘, 5“°) vorgesehen sind, wobei die Ausgangsspannungen der Transformatoren (5, 5‘, 5“, 5‘) um einen Winkel Ag phasenverschoben sind und wobei für jeden der zweiten Transformatoren (5, 5‘, 5“, 5‘) jeweils ein Gleichrichter (8, 8‘, 8“, 8‘) zur Erzeugung des Ausgangs-Gleichstroms Ipc und der AusgangsGleichspannung Upce vorgesehen ist.

16. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transformator (5, 5‘, 5‘, 5‘) eine elektrische Nennleistung aufweist, die niedriger ist als jene des ersten Transformators (1), beispielsweise im Bereich von etwa 500 kVA bis etwa 10 MVA.

17. System, umfassend mehrere parallelgeschaltete Gleichrichteranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Laststufenschalter (4, 4‘, 4“, 4“‘, 7, 7‘, 7“, 7‘) und die Amperemeter (9, 9‘, 9“, 9“) Jeder Gleichrichteranordnung mit einem zentralen Regler (3) verbunden sind.

18. Verwendung einer Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder eines Systems nach Anspruch 17 zur Generierung eines Ausgangs-Gleichstroms Ipc von mehr als etwa 600 A, vorzugsweise mehr als etwa 2 kA, bevorzugt mehr als etwa 20 kA bei einer Ausgangs-Gleichspannung im Bereich von etwa 300 V bis etwa 1500 V für die WasserstoffElektrolyse, insbesondere die PEM-Elektrolyse oder Alkalische Elektrolyse.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen