WO2024130276A1 - Regelbare gleichrichteranordnung für die wasserstoff-elektrolyse - Google Patents

Regelbare gleichrichteranordnung für die wasserstoff-elektrolyse Download PDF

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WO2024130276A1
WO2024130276A1 PCT/AT2023/060380 AT2023060380W WO2024130276A1 WO 2024130276 A1 WO2024130276 A1 WO 2024130276A1 AT 2023060380 W AT2023060380 W AT 2023060380W WO 2024130276 A1 WO2024130276 A1 WO 2024130276A1
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Andreas Rechberger
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a controllable rectifier arrangement for hydrogen electrolysis.
  • controllable rectifier arrangements that generate a direct current output from an alternating current input voltage.
  • rectifier arrangements with actively controlled electronic circuits are used for this purpose, for example circuits with thyristors or IGBTs with or without DC/DC controllers and downstream filter elements.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved rectifier arrangement which is particularly suitable for providing a substantially constant direct current with low residual ripple, low network perturbations and low losses for hydrogen electrolysis.
  • a rectifier arrangement according to the invention for hydrogen electrolysis comprises a transformer with a primary winding for connecting an input alternating voltage and a secondary winding for providing an output alternating voltage, as well as a rectifier connected to the secondary winding for generating an output direct current IDC and an output direct voltage UDC.
  • the rectifier can be designed as a passive rectifier, in particular without actively controlled electronic circuits and filter elements.
  • the rectifier is preferably designed as a passive multi-pulse diode bridge rectifier, in particular in the form of a two-pulse bridge rectifier circuit.
  • a choke coil for smoothing the direct current can be arranged at the output of the rectifier.
  • winding taps are provided on the primary winding of the transformer, which make it possible to adjust the number of turns of the primary winding in N steps.
  • the number of turns of the primary winding can be in the range of 1000 to 1500 turns.
  • the number of winding taps N can be greater than 10, preferably around 20. However, up to 35 winding taps can also be provided.
  • the winding taps can be provided in a partial area of the primary winding, so that, for example, only around 200 turns of around 1000 turns are tapped.
  • An on-load tap changer connected to a regulator is provided, which is designed for uninterrupted switching of the winding taps.
  • the regulator can thus use the on-load tap changer to set the transformation ratio N1:N2 of the transformer, and thus the output voltage of the rectifier arrangement, in N steps.
  • the transformation ratio is defined as the ratio of the number of turns of the primary winding to the number of turns of the secondary winding of the transformer.
  • the regulator can be connected to a voltmeter and an ammeter to measure the output voltage and current so that it can generate the required direct current by adjusting the on-load tap changer in the transformer.
  • the advantage of the invention is that by dispensing with conventional rectifier arrangements with actively controlled electronic circuits and filter elements, electrical losses can be reduced and thus electrical energy can be provided more efficiently.
  • the rectifier arrangement enables coarse and fine adjustment.
  • the primary winding comprises a first partial winding and a second partial winding connected in series, wherein a number N > 1 winding taps are provided on the first partial winding and a number M > 1 winding taps are provided on the second partial winding.
  • the number of turns of the first and second partial windings can be the same or different.
  • two on-load tap-changers connected to the regulator are provided.
  • a first on-load tap-changer is designed for uninterrupted switching of the winding taps of the first partial winding
  • a second on-load tap-changer is designed for uninterrupted switching of the winding taps of the second partial winding.
  • the first partial winding is connected in series with the second partial winding via the second on-load tap-changer, so that the transformation ratio of the transformer can be switched in N x M steps.
  • the number of winding taps N and M can be the same or different.
  • the number of winding taps N and M can each be greater than 10, preferably around 20. However, up to 35 winding taps can also be provided in each case.
  • the on-load tap-changers switch a different number of turns per step.
  • the first on-load tap-changer can switch a higher number of turns per step than the second on-load tap-changer.
  • the first on-load tap-changer can thus effect a rough adjustment and the second on-load tap-changer a fine adjustment of the transformation ratio.
  • the on-load tap changers having an identical number of winding taps, but the number of turns in the first partial winding is higher than the number of turns in the second partial winding.
  • the transformation ratio can be adjusted via the on-load tap changers in N coarse steps and M fine steps.
  • the number of turns of the partial windings is identical, but the on-load tap-changers have a different number of winding taps.
  • the number of winding taps of the first on-load tap-changer N can be greater than the number of winding taps of the second on-load tap-changer M. This allows the transformation ratio to be set in M coarse steps and N fine steps.
  • the number and division of the stages into fine and coarse stages can be individually adapted to the area of application, whereby experience has shown that more than 125 stages are required for the use according to the invention in hydrogen electrolysis. Switching from one stage to the next stage under load can take up to several seconds, but this is not a problem for use in hydrogen electrolysis.
  • the transformer can be designed as a multi-phase, in particular a three-phase transformer.
  • a 3-phase voltage serves as the input voltage, with the primary windings connected in a star or delta configuration.
  • a number N > 1 winding taps are provided on each primary winding, and three on-load tap changers connected to the controller are provided, which are designed for uninterrupted switching of the winding taps.
  • the on-load tap changers can be designed essentially identically. Instead of several single-phase on-load tap changers, a multi-phase on-load tap changer can also be provided.
  • the secondary windings can also be connected in a star or delta configuration.
  • a multi-phase bridge rectifier in particular in the form of a six-pulse bridge circuit (B6U circuit) can be provided for generating an output DC voltage.
  • a regulator is provided which is connected to a voltmeter and an ammeter for measuring the output voltage and output current, so that it can generate the required direct current by adjusting the three on-load tap changers in the transformer.
  • a choke coil can again be arranged at the output of the bridge rectifier to smooth the direct current.
  • rough and fine adjustment of the transformation ratio can also be provided when using a three-phase transformer.
  • the primary windings can each comprise a first partial winding and a second partial winding, with a number N > 1 winding taps being provided on the first partial windings and a number M > 1 winding taps being provided on the second partial windings.
  • first load tap changers are provided for rough adjustment, which are connected to the controller and designed for uninterrupted switching of the winding taps of the first partial windings.
  • second on-load tap-changers are provided for fine adjustment. These are connected to the controller and are designed for uninterrupted switching of the winding taps of the second partial winding.
  • the first partial windings are connected in series with the second partial windings via the first on-load tap-changers, so that the transformation ratio of the transformer and thus the output DC voltage can again be adjusted in M x N steps.
  • two or more secondary winding arrangements can be provided, each comprising three secondary windings connected in a star or delta configuration.
  • the secondary winding arrangements can in particular be designed to generate output voltages that are phase-shifted by an angle Arp. This allows the use of several separate rectifiers for the phase-shifted output voltages, so that the output AC voltage has lower ripple and lower harmonic network perturbations.
  • the use of a choke coil to smooth the output DC current can possibly be dispensed with in this case.
  • the output voltages of the secondary winding arrangements are phase-shifted by a phase angle of Arp > 0°.
  • three, four, five or six secondary winding arrangements are provided. These can have secondary windings connected in a star configuration or in a delta configuration, which are connected with a phase shift Acp in such a way that the harmonics generated on the primary side are canceled out as well as possible.
  • a separate rectifier is provided for each secondary winding arrangement.
  • the rectifiers can be connected in series to generate the output DC voltage.
  • the rectifiers can also be connected in parallel to generate the output DC voltage.
  • the rectifiers can be designed as multi-phase diode bridge rectifiers, in particular as a six-pulse bridge circuit with 6 diodes (B6U circuit).
  • B6U circuit The number of B6U circuits can depend on the respective requirements for the quality of the output DC voltage and the output DC current.
  • phase-shifted secondary winding arrangements For a pulse number of 12, two phase-shifted secondary winding arrangements can be provided. For a pulse number of 18, three phase-shifted secondary winding arrangements can be provided.
  • phase-shifted secondary winding arrangements For a pulse number of 24, four phase-shifted secondary winding arrangements can be provided. For a pulse number of 30, five phase-shifted secondary winding arrangements can be provided. For a pulse number of 36, six phase-shifted secondary winding arrangements can be provided.
  • the secondary winding arrangements can each have a star configuration or a delta configuration, with corresponding phase shift Acp to cancel harmonic network feedback.
  • the input AC voltage can, for example, have an amplitude of over 10 kV, in particular about 20 kV - 30 kV.
  • the output DC voltage can, depending on the stack type and the number of electrolysis cells to be supplied, have a level of 300 V to 1500 V, for example about 625 V.
  • the adjustable range can be, for example, +/- 10%.
  • a coarse adjustment of +/- 10% and a fine adjustment of +/- 1% can also be provided, whereby in both cases a number M, N > 15 stages can be provided. In particular, it can be provided that around 20 - 40 turns per stage are switched for the coarse adjustment.
  • the on-load tap changer is designed to switch from one to ten turns per stage, in particular a single turn per stage.
  • the transformer can have a rated electrical output of approximately 6 MVA.
  • the rated output can be divided accordingly, so that, for example, three or four secondary winding arrangements with a rated output of approximately 2 MVA or 1.5 MVA are provided.
  • the rectifier arrangement comprises two or more transformers, wherein the output voltages of the transformers are phase-shifted by an angle Acp and wherein a dedicated rectifier is provided for each of the transformers to generate the output direct current IDC and the output direct voltage UDC.
  • the transformers and the associated rectifiers can be single-phase or multi-phase, in particular three-phase.
  • the transformers are designed with a phase shift. It can be provided that the transformers are designed to achieve an output voltage that is phase-shifted by an angle of Acp, where Acp is equal to 60° divided by the number of transformers.
  • a 24-pulse circuit can be implemented with four transformers, four dedicated rectifier bridges and two tap changers per transformer.
  • Such a rectifier arrangement can be used in particular for outputs of 10 MW to 50 MW, since the construction and transport of multi-pulse transformers of this size is difficult.
  • an additional load balancing control can be implemented in a simple manner by adjusting each bridge current of the rectifier bridges via the fine tap adjusters.
  • the setpoint of the direct currents generated can therefore be evenly distributed between the individual rectifier bridges by finely adjusting the tap adjusters of the partial windings of the transformer, so that network feedback and ripple are reduced.
  • the arrangement of balancing chokes can be avoided and the rectifier bridges can be manufactured more easily.
  • the invention further relates to the use of a rectifier arrangement according to the invention for generating an output direct current IDC of more than about 600 A, preferably more than about 2000 A at an output direct voltage in the range of about 300 V to about 1500 V for hydrogen electrolysis, in particular PEM electrolysis or alkaline electrolysis.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a rectifier arrangement according to the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a rectifier arrangement according to the invention
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a rectifier arrangement according to the invention
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a rectifier arrangement according to the invention
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of a rectifier arrangement according to the invention
  • Figs. 6a - 6b show further embodiments of a rectifier arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a rectifier arrangement according to the invention for hydrogen electrolysis.
  • This comprises a transformer 1 with a primary winding 2 for connecting an input alternating voltage Ui and a secondary winding 3 for providing an output alternating voltage U2, as well as a rectifier 4 connected to the secondary winding 3 for generating an output direct current IDC and an output direct voltage UDC.
  • a PEM stack (not shown) for generating hydrogen is connected to the output of the rectifier.
  • a number N 8 winding taps 5 are provided on the primary winding 2 of the transformer 1.
  • An on-load tap changer 6 connected to a controller 7 is provided, which is designed for uninterrupted switching of the winding taps 5, so that the transformation ratio of the transformer 1 can be switched in 8 steps via the controller 7.
  • the regulator 7 is connected via data lines to a voltmeter 14 and an ammeter 15 on the output side of the rectifier 4.
  • the rectifier 4 is designed as a single-phase diode bridge rectifier.
  • the controller 7 receives a desired output direct current as a target value and sets the load tap changer 6 on the primary side of the transformer 1 in such a way that this value is reached at the output of the rectifier 4.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a rectifier arrangement according to the invention.
  • a first on-load tap changer 12 is provided, which is connected to a controller 7 and is designed for uninterrupted switching of the winding taps 10 of the first partial winding 8.
  • a second on-load tap changer 13 is also provided, which is connected to the controller 7 and is designed for uninterrupted switching of the winding taps 11 of the second partial winding 9.
  • the controller 7 is connected to both on-load tap changers 12, 13 via data lines and can operate them.
  • the first partial winding 8 is connected in series with the second partial winding 9 via the second on-load tap changer 13.
  • the number of turns of the first partial winding 8 is identical to the number of turns of the second partial winding 9, so that the first on-load tap changer 12 switches fewer turns per step than the second on-load tap changer 13.
  • the second on-load tap changer 13 thus effects a coarse adjustment and the first on-load tap changer a fine adjustment of the transformation ratio Ui : U2.
  • the rectifier 4 is designed as a single-phase diode bridge rectifier.
  • the controller 7 is connected via data lines to a voltmeter 14 and an ammeter 15 on the output side of the rectifier 4.
  • the controller 7 receives a desired output DC voltage or a desired output DC current as a target value and sets the load tap changers 12, 13 on the primary side of the transformer 1 in such a way that these values are achieved at the output of the rectifier 4.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a rectifier arrangement according to the invention.
  • a three-phase transformer is used to transform a three-phase input alternating voltage U12, U23, U13 into a three-phase output alternating voltage Ui2', Il23', Ui3'.
  • the primary windings 2, 2', 2" and the secondary windings 3, 3', 3" are connected in a delta configuration.
  • a number N 8 winding taps 5, 5', 5" are provided on each primary winding 2, 2', 2".
  • the three secondary windings 3, 3', 3" are connected in a delta configuration and form a secondary winding arrangement 16.
  • the primary windings 2, 2', 2" and also the secondary windings 3, 3', 3" are connected in a star configuration.
  • the rectifier 4 is designed as a three-phase diode bridge rectifier.
  • the regulator 7 is in turn connected via data lines to a voltmeter 14 and an ammeter 15 on the output side of the rectifier 4.
  • the controller 7 receives a desired output DC voltage or a desired output DC current as a target value and adjusts the load tap changers 6, 6', 6" on the primary side of the transformer 1 such that these values are achieved at the output of the rectifier 4.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a rectifier arrangement according to the invention.
  • a three-phase transformer is used to transform a three-phase input AC voltage into a three-phase output AC voltage.
  • the primary windings 2, 2', 2" and the secondary windings 3, 3', 3" are connected in a delta configuration.
  • the primary windings 2, 2', 2" each comprise a first partial winding 8, 8', 8" and a second partial winding 9, 9', 9".
  • a number N 4 winding taps 10, 10', 10" are provided on the first partial windings 8, 8', 8".
  • a number M 8 winding taps 11, 1 T, 11" are provided on the second partial windings 9, 9', 9".
  • Each partial winding can itself be divided into several individual windings.
  • Three first on-load tap-changers 12, 12', 12" are provided, which are connected to the controller 7 via data lines and are designed for uninterrupted switching of the winding taps 10, 10', 10" of the first partial windings 8, 8', 8".
  • the three first on-load tap-changers 12, 12', 12" can also be implemented as a single three-phase on-load tap-changer.
  • three second on-load tap-changers 13, 13', 13" are provided, which are connected to the controller 7 via data lines and are designed for the uninterrupted switching of the winding taps 11, 11T, 11" of the second partial winding 9, 9', 9".
  • the three second on-load tap-changers 13, 13', 13" can also be implemented as a single three-phase on-load tap-changer.
  • the controller 7 can therefore set the transformation ratio of the transformer 1 in 32 steps, with the steps being of different sizes.
  • the values of N and M are greater than 15, in particular greater than 20, so that the controller 7 can adjust the transformation ratio of the transformer 1 in more than 225, in particular in more than 400 steps.
  • the primary windings 2, 2', 2" are connected in a delta configuration.
  • four secondary winding arrangements 16, 16', 16", 16'" are provided, each electrically phase-shifted by 15°.
  • the phase shifts are, for example, +22.5°, +7.5°, -7.5°, -22.5° relative to the primary side.
  • the secondary windings 3, 3', 3" of the first two secondary winding arrangements 16, 16' are connected in a delta configuration.
  • the secondary windings 3, 3', 3" of the third and fourth secondary winding arrangements 16", 16'" are connected in a star configuration.
  • Each of the four secondary winding arrangements 16, 16', 16", 16'" is connected to a rectifier 4, 4', 4", 4'".
  • the rectifiers 4, 4', 4", 4'" are designed as three-phase diode bridge rectifiers with six diodes each, resulting in a 24-pulse rectification of the input alternating voltage.
  • two, three, five or six secondary winding arrangements can be combined with a three-phase diode bridge rectifier each with six diodes, resulting in a 12-, 18-, 30- or 36-pulse rectification of the input AC voltage.
  • the transformer 1 has a rated electrical output of approximately 6 MVA, with an input voltage of approximately 30 kV.
  • the rated output is divided into approximately 1.5 MVA each.
  • the regulator 7 is in turn connected via data lines to a voltmeter 14 and an ammeter 15 on the output side of the rectifier 4.
  • the controller 7 receives a desired output direct voltage or a desired output direct current as a target value and adjusts the first on-load tap-changers 12, 12', 12" and the second on-load tap-changers 13, 13', 13" on the primary side of the transformer 1 such that the desired values are achieved at the output of the rectifier 4.
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of a rectifier arrangement according to the invention.
  • the embodiment corresponds to that of Fig. 4 with the difference that the secondary winding arrangement 16, 16', 16", 16'" are connected in parallel.
  • the voltage of the secondary winding arrangements is higher and a lower transformation ratio N1:N2 is required.
  • the secondary winding arrangements 16, 16', 16", 16'" are each designed with a phase offset of 15°.
  • the rectifiers 4, 4', 4", 4'” are again designed as three-phase diode bridge rectifiers with six diodes each, resulting in a 24-pulse rectification of the input AC voltage.
  • Inter-phase transformers (IPTs) with coils 17, 17', 17", 17'” are provided in the output lines to balance the direct currents supplied by the four parallel-connected, phase-shifted rectifiers before they are combined.
  • IPTs Inter-phase transformers
  • Fig. 6a shows a further embodiment of a rectifier arrangement according to the invention.
  • Each transformer 1, T is designed according to the embodiment in Figure 2 and comprises a primary winding 2 divided into two partial windings 8, 9 and correspondingly cascaded on-load tap changers 12, 13.
  • the output alternating voltages U2, U2 £ of the transformers 1, T are converted into a direct voltage by dedicated rectifiers 4, 4', whereby the rectifiers 4, 4' are in turn designed as passive bridge rectifiers.
  • a separate rectifier 4, 4' is provided for generating the output direct current IDC and the output direct voltage UDC.
  • a regulator ? is in turn connected via data lines to a voltmeter 14 and an ammeter 15 on the output side of the rectifiers 4, 4'.
  • Fig. 6b shows a further embodiment of a rectifier arrangement according to the invention, which essentially corresponds to the embodiment from Fig. 6a.
  • Each transformer 1, T, 1", T" is provided according to the embodiment in Figure 4 with a primary winding 2, 2', 2" divided into two partial windings 8, 8', 8", 9, 9', 9" and correspondingly cascaded on-load tap changers 12, 12', 12", 13, 13', 13".
  • the output alternating voltages of the transformers 1, T, 1", 1 '" are converted into a direct voltage by dedicated rectifiers 4, 4', 4", 4'", whereby the rectifiers 4, 4', 4", 4'" are in turn designed as passive bridge rectifiers.
  • a separate rectifier 4, 4', 4", 4'" is provided to generate the output direct current IDC and the output direct voltage UDC.
  • a regulator 7 is in turn connected via data lines to a voltmeter 14 and an ammeter 15 on the output side of the rectifiers 4, 4'.

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Abstract

Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse, umfassend einen Transformator (1 ) mit einer Primärwicklung (2) zum Anschluss einer Eingangs-Wechselspannung und einer Sekundärwicklung (3) zur Bereitstellung einer Ausgangs-Wechselspannung, sowie einen an der Sekundärwicklung (3) angeschlossenen Gleichrichter (4) zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms IDC und einer Ausgangs-Gleichspannung UDC, wobei an der Primärwicklung (2) des Transformators (1 ) eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen (5) vorgesehen sind, und ein mit einem Regler (7) verbundener Laststufenschalter (6) vorgesehen ist, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (5) ausgebildet ist, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators (1 ) über den Regler (7) in N Stufen schaltbar ist.

Description

Regelbare Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse
Die Erfindung betrifft eine regelbare Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff- Elektrolyse.
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.
Zur Bereitstellung des Gleichstroms sind regelbare Gleichrichteranordnungen bekannt, die aus einer Eingangs-Wechselspannung eine Ausgangs-Gleichspannung erzeugen. Dazu werden heutzutage Gleichrichteranordnungen mit aktiv geregelten elektronischen Schaltungen, beispielsweise Schaltungen mit Thyristoren oder IGBTs mit oder ohne DC/DC-Stellern und nachgeschalteten Filterelementen verwendet.
Derartige Gleichrichteranordnungen leiden jedoch unter dem Nachteil, dass bei der Umwandlung der Eingangs-Wechselspannung in die Ausgangs-Gleichspannung relativ hohe Verluste entstehen. In der Regel betragen die Gesamtverluste inklusive der Maßnahmen für die Sicherstellung der Spannungsqualität und Kühlung bis zu 4%, was aufgrund des hohen Energiebedarfs bei der Wasserstoff-Elektrolyse problematisch ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Gleichrichteranordnung zu schaffen, die insbesondere dafür geeignet ist, einen im Wesentlichen konstanten Gleichstrom mit geringer Restwelligkeit (Ripple), geringen Netzrückwirkungen und geringen Verlusten für die Wasserstoff-Elektrolyse bereitzustellen. Diese und andere Aufgaben werden durch eine Gleichrichteranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse, umfasst einen Transformator mit einer Primärwicklung zum Anschluss einer Eingangs- Wechselspannung und einer Sekundärwicklung zur Bereitstellung einer Ausgangs- Wechselspannung, sowie einen an der Sekundärwicklung angeschlossenen Gleichrichter zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms IDC und einer Ausgangs- Gleichspannung UDC. Der Gleichrichter kann dabei als passiver Gleichrichter, insbesondere ohne aktiv geregelte elektronische Schaltungen und Filterelemente ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Gleichrichter als passiver mehrpulsiger Dioden- Brückengleichrichter, insbesondere in Form einer Zweipuls-Brücken- Gleichrichterschaltung ausgebildet. Am Ausgang des Gleichrichters kann eine Drosselspule zur Glättung des Gleichstroms angeordnet sein.
An der Primärwicklung des Transformators sind mehrere Wicklungsanzapfungen vorgesehen, die es ermöglichen, die Windungszahl der Primärwicklung in N Stufen zu verstellen. Abhängig von der Eingangs-Wechselspannung und dem Transformationsverhältnis kann eine Windungszahl der Primärwicklung im Bereich von 1000 bis 1500 Windungen vorgesehen sein. Die Anzahl der Wicklungsanzapfungen N kann größer als 10, vorzugsweise etwa 20 sein. Es können aber auch bis zu 35 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sein. Die Wicklungsanzapfungen können in einem Teilbereich der Primärwicklung vorgesehen sein, sodass beispielsweise von etwa 1000 Windungen nur etwa 200 Windungen angezapft sind.
Es ist ein mit einem Regler verbundener Laststufenschalter vorgesehen, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen ausgebildet ist. Der Regler kann somit über den Laststufenschalter das Transformationsverhältnis N1 :N2 des Transformators, und somit die Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung, in N Stufen einstellen. Das Transformationsverhältnis ist dabei als Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung zur Windungszahl der Sekundärwicklung des Transformators definiert. Der Regler kann mit einem Voltmeter und einem Amperemeter zur Messung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms verbunden sein, sodass er den geforderten Gleichstrom über eine Verstellung des Laststufenschalters im Transformator erzeugen kann.
Der erfindungsgemäße Vorteil äußert sich darin, dass durch den Verzicht auf herkömmliche Gleichrichteranordnungen mit aktiv geregelten elektronischen Schaltungen und Filterelementen die elektrischen Verluste reduziert werden können und somit eine effizientere Bereitstellung der elektrischen Energie erfolgen kann.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Gleichrichteranordnung eine Grob- und Feineinstellung ermöglicht.
Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Primärwicklung eine erste Teilwicklung und eine in Serie geschaltete zweite Teilwicklung umfasst, wobei an der ersten Teilwicklung eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sind, und an der zweiten Teilwicklung eine Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sind. Die Windungszahl der ersten und zweiten Teilwicklung kann gleich oder unterschiedlich sein.
Bei dieser Ausführungsform sind zwei, mit dem Regler verbundene Laststufenschalter vorgesehen. Ein erster Laststufenschalter ist zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen der ersten Teilwicklung ausgeführt, und ein zweiter Laststufenschalter ist zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen der zweiten Teilwicklung ausgeführt. Die erste Teilwicklung ist dabei über den zweiten Laststufenschalter in Serie mit der zweiten Teilwicklung geschaltet, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators in N x M Stufen schaltbar ist. Die Anzahl der Wicklungsanzapfungen N und M kann gleich oder unterschiedlich sein. Die Anzahl der Wicklungsanzapfungen N und M kann jeweils größer als 10, vorzugsweise etwa 20 sein. Es können aber auch jeweils bis zu 35 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sein. Um eine Grob- und Feineinstellung des Transformationsverhältnisses zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die Laststufenschalter eine unterschiedliche Zahl von Windungen je Stufe umschalten. Beispielsweise kann der erste Laststufenschalter eine höhere Zahl von Windungen je Stufe umschalten als der zweite Laststufenschalter. Somit kann der erste Laststufenschalter eine Grobeinstellung und der zweite Laststufenschalter eine Feineinstellung des Transformationsverhältnisses bewirken.
Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, dass die Laststufenschalter eine identische Zahl von Wicklungsanzapfungen aufweisen, wobei aber die Windungszahl der ersten Teilwicklung höher ist als die Windungszahl der zweiten Teilwicklung. Dadurch wird erreicht, dass das Transformationsverhältnis über die Laststufenschalter in N groben Stufen und M feinen Stufen verstellbar ist. Beispielsweise lässt sich die Ausgangsspannung bei N = M = 19 in 361 Stufen einstellen, wobei aber die Stufen aufgrund der unterschiedlichen Windungszahl je Stufe der Grob- und Feineinstellung nicht gleich groß sind.
Andererseits kann auch vorgesehen sein, dass die Windungszahlen der Teilwicklungen identisch sind, jedoch die Laststufenschalter unterschiedlich viele Wicklungsanzapfungen aufweisen. Beispielsweise kann die Zahl der Wicklungsanzapfungen des ersten Laststufenschalters N größer als die Zahl der Wicklungsanzapfungen des zweiten Laststufenschalters M sein. Dadurch ist das Transformationsverhältnis in M groben Stufen und N feinen Stufen einstellbar.
Diese Ausführungen können auch kombiniert werden, wobei die Teilwicklungen unterschiedliche Windungszahlen aufweisen und die Laststufenschalter eine unterschiedliche Zahl an Wicklungsanzapfungen haben. Wesentlich für die Realisierung einer Grob- und Feineinstellung des Transformationsverhältnisses ist lediglich, dass die Zahl der geschalteten Windungen der Laststufenschalter für Grob- und Feineinstellung unterschiedlich ist. 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.
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. Das Umschalten von einer Stufe zur nächsten Stufe unter Last kann dabei bis zu mehreren Sekunden dauern, was jedoch für die Anwendung bei der Wasserstoff- Elektrolyse kein Problem darstellt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Transformator als mehrphasiger, insbesondere als dreiphasiger Transformator ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform dient als Eingangsspannung eine 3-phasige Spannung, wobei die Primärwicklungen in Stern- oder Dreieckskonfiguration geschaltet sind. An jeder Primärwicklung sind eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen vorgesehen, und es sind drei mit dem Regler verbundene Laststufenschalter vorgesehen, die zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen ausgebildet sind. Die Laststufenschalter können dabei im Wesentlichen identisch ausgebildet sein. Statt mehrerer einphasiger Laststufenschalter kann auch ein mehrphasiger Laststufenschalter vorgesehen sein.
Die Sekundärwicklungen können ebenfalls in Stern- oder Dreieckskonfiguration geschaltetet sein. Ferner kann in dieser Ausführungsform ein mehrphasiger Brückengleichrichter, insbesondere in Form einer Sechspuls-Bückenschaltung (B6U- Schaltung) zur Erzeugung einer Ausgangs-Gleichspannung vorgesehen sein.
Wiederum ist ein Regler vorgesehen, der mit einem Voltmeter und einem Amperemeter zur Messung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms verbunden ist, sodass er den geforderten Gleichstrom über eine Verstellung der drei Laststufenschalter im Transformator erzeugen kann. Am Ausgang des Brückengleichrichters kann wiederum eine Drosselspule zur Glättung des Gleichstroms angeordnet sein. Erfindungsgemäß kann auch bei einer Verwendung eines dreiphasigen Transformators eine Grob- und Feinjustierung des Transformationsverhältnisses vorgesehen sein. Dazu können die Primärwicklungen jeweils eine erste Teilwicklung und eine zweite Teilwicklung umfassen, wobei an den ersten Teilwicklungen jeweils eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sind, und an den zweiten Teilwicklungen jeweils eine Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen vorgesehen sind. In diesem Fall sind zur Grobeinstellung erste Laststufenschalter vorgesehen, die mit dem Regler verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen der ersten Teilwicklungen ausgebildet sind.
Zur Feinjustierung sind in diesem Fall zweite Laststufenschalter vorgesehen, die mit dem Regler verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen der zweiten Teilwicklung ausgebildet sind. Die ersten Teilwicklungen sind dabei über die ersten Laststufenschalter in Serie mit den zweiten Teilwicklungen geschaltet, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators und somit die Ausgangs-Gleichspannung wiederum in M x N Stufen einstellbar ist.
Um eine bessere Gleichrichtung der Ausgangsspannungen des Transformators zu erreichen und um die AC Netzrückwirkungen zu vermindern, kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sind, die jeweils drei in Stern- oder Dreieckskonfiguration geschaltete Sekundärwicklungen umfassen. Die Sekundärwicklungsanordnungen können insbesondere dazu ausgebildet sein, um einen Winkel Arp phasenverschobene Ausgangsspannungen zu erzeugen. Dies erlaubt die Anwendung mehrerer separater Gleichrichter für die phasenverschobenen Ausgangsspannungen, sodass die Ausgangs-Wechselspannung niedrigeren Ripple und niedrigere harmonische Netzrückwirkungen aufweist. Auf die Verwendung einer Drosselspule zur Glättung des Ausgangs-Gleichstroms kann in diesem Fall möglicherweise verzichtet werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ausgangsspannungen der Sekundärwicklungsanordnungen um einen Phasenwinkel von Arp > 0° phasenverschoben sind. Der Wert von Acp berechnet sich dabei aus Acp = 60° gebrochen durch die Anzahl der Sekundärwicklungsanordnungen. Bei vier Sekundärwicklungsanordnungen ist der Wert Acp somit etwa 15°.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass drei, vier, fünf oder sechs Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sind. Diese können in Sternkonfiguration oder in Dreieckskonfiguration geschaltete Sekundärwicklungen aufweisen, welche mit einer Phasenverschiebung Acp so verschalten werden, dass sich die auf der Primärseite erzeugten Oberschwingungen möglichst gut auslöschen.
Vorzugsweise ist für jede Sekundärwicklungsanordnung ein separater Gleichrichter vorgesehen. Die Gleichrichter können in Serienschaltung geschaltet sein, um die Ausgangs-Gleichspannung zu erzeugen. Die Gleichrichter können aber auch in Parallelschaltung geschaltet sein, um die Ausgangs-Gleichspannung zu erzeugen.
Die Gleichrichter können als mehrphasige Dioden-Brückengleichrichter, insbesondere als Sechspuls-Bückenschaltung mit 6 Dioden (B6U-Schaltung) ausgebildet sein. Die Anzahl der B6U-Schaltungen kann von den jeweiligen Anforderungen an die Qualität der Ausgangs-Gleichspannung und des Ausgangs-Gleichstroms abhängen.
Beispielsweise können zur Erreichung eines Ripple-Werts des Ausgangs-Gleichstroms von unter 1 ,2% vier B6U-Schaltungen vorgesehen sein, was eine effektive Pulszahl von 24 ergibt. In diesem Fall kann sich die Verwendung einer Drosselspule auf der Sekundärseite erübrigen.
Für eine Pulszahl von 12 können zwei phasenverschobene Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sein. Für eine Pulszahl von 18 können drei phasenverschobene Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sein.
Für eine Pulszahl von 24 können vier phasenverschobene Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sein. Für eine Pulszahl von 30 können fünf phasenverschobene Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sein. Für eine Pulszahl von 36 können sechs phasenverschobene Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sein. Die Sekundärwicklungsanordnungen können dabei jeweils eine Sternkonfiguration oder eine Dreieckskonfiguration aufweisen, mit entsprechender Phasenverschiebung Acp zur Auslöschung harmonischer Netzrückwirkungen.
Die Eingangs-Wechselspannung kann beispielsweise eine Amplitude von über 10 kV, insbesondere etwa 20 kV - 30 kV aufweisen. Die Ausgangs-Gleichspannung kann, abhängig vom Stack-Typ und der Anzahl der zu versorgenden Elektrolysezellen, eine Höhe von 300 V bis 1500 V, beispielsweise etwa 625V, haben.
Das Transformationsverhältnis kann beispielsweise um einen Nennwert von etwa N1 :N2 = 48 einstellbar sein. Selbstverständlich sind auch andere, insbesondere höhere Werte des Transformationsverhältnisses möglich. Beispielsweise kann zur Transformation einer Eingangs-Wechselspannung von etwa 30 kV auf eine Ausgangs- Wechselspannung von etwa 160 V ein Transformationsverhältnis von N1 :N2 = 190 vorgesehen sein. Der einstellbare Bereich kann beispielsweise +/- 10 % sein. Es kann auch eine Grobjustierung von +/- 10 % und eine Feinjustierung von +/- 1 % vorgesehen sein, wobei in beiden Fällen eine Zahl M, N > 15 Stufen vorgesehen sein kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass für die Grobjustierung etwa 20 - 40 Windungen je Stufe geschalten werden. Zur Ermöglichung einer Feinjustierung kann vorgesehen sein, dass der Laststufenschalter zur Umschaltung von ein bis zehn Windungen je Stufe, insbesondere einer einzigen Windung je Stufe ausgebildet ist.
Der Transformator kann, abhängig vom Elektrolyse-Stack, eine elektrische Nennleistung von etwa 6 MVA aufweisen. Bei der Aufteilung der Sekundärseite in mehrere Sekundärwicklungsanordnungen kann die Nennleistung entsprechend aufgeteilt werden, sodass beispielsweise drei oder vier Sekundärwicklungsanordnungen mit einer Nennleistung von jeweils etwa 2 MVA bzw. 1 ,5 MVA vorgesehen sind. Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Gleichrichteranordnung zwei oder mehr Transformatoren umfasst, wobei die Ausgangsspannungen der Transformatoren um einen Winkel Acp phasenverschoben sind und wobei für jeden der Transformatoren jeweils ein dedizierter Gleichrichter zur Erzeugung des Ausgangs- Gleichstroms IDC und der Ausgangs-Gleichspannung UDC vorgesehen ist. Die Transformatoren und die zugeordneten Gleichrichter können einphasig oder mehrphasig, insbesondere dreiphasig, ausgebildet sein.
Im Gegensatz zur Nutzung eines mehrpulsigen Transformators mit zwei oder mehr phasenverschobenen Sekundärwicklungsanordnungen erlaubt dies eine einfachere Konstruktion der Transformatoren. Je Transformator ist nur eine einzige Sekundärwicklungsanordnung erforderlich, die gegebenenfalls mit einer Primärwicklung und zumindest einer Teilwicklung zur Realisierung einer Grob- und Feinjustierung ausgebildet sein kann. Zur Erzielung einer reduzierten Welligkeit der Ausgangsspannung sind die Transformatoren phasenverschoben ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass die Transformatoren zur Erzielung einer um einen Winkel von Acp phasenverschobenen Ausgangsspannung ausgebildet sind, wobei Acp gleich 60° gebrochen durch die Anzahl der Transformatoren ist. Beispielsweise kann eine 24-Puls- Schaltung mit vier Transformatoren, vier dedizierten Gleichrichterbrücken und zwei Stufenstellern je Transformator realisiert werden.
Eine derartige Gleichrichteranordnung kann insbesondere bei Leistungen von 10 MW bis 50 MW zur Anwendung kommen, da der Bau und Transport von mehrpulsigen Transformatoren in dieser Größenordnung schwierig ist. Ferner kann auf einfache Weise eine zusätzliche Lastausgleichsregelung implementiert werden, indem jeder Brückenstrom der Gleichrichterbrücken über die Feinstufensteller angepasst wird. Der Sollwert der erzeugten Gleichströme kann also durch Feinregelung der Stufensteller der Teilwicklungen des Transformators gleichmäßig auf die einzelnen Gleichrichterbrücken aufgeteilt werden, sodass Netzrückwirkungen und Rippel vermindert werden. Die Anordnung von Ausgleichsdrossel kann vermieden werden, und die Gleichrichterbrücken können einfacher hergestellt werden.
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 2000 A bei einer Ausgangs- Gleichspannung im Bereich von etwa 300 V bis etwa 1500 V für die Wasserstoff- Elektrolyse, insbesondere die PEM-Elektrolyse oder Alkalische Elektrolyse. 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:
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;
Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung;
Figs. 6a - 6b zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse. Diese umfasst einen Transformator 1 mit einer Primärwicklung 2 zum Anschluss einer Eingangs- Wechselspannung Ui und einer Sekundärwicklung 3 zur Bereitstellung einer Ausgangs- Wechselspannung U2, sowie einen an der Sekundärwicklung 3 angeschlossenen Gleichrichter 4 zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms IDC und einer Ausgangs- Gleichspannung UDC. Am Ausgang des Gleichrichters ist ein (nicht dargestellter) PEM- Stack zur Erzeugung von Wasserstoff angeschlossen.
An der Primärwicklung 2 des Transformators 1 sind eine Zahl N = 8 Wicklungsanzapfungen 5 vorgesehen. Es ist ein mit einem Regler 7 verbundener Laststufenschalter 6 vorgesehen, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 5 ausgebildet ist, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators 1 über den Regler 7 in 8 Stufen schaltbar ist. Der Regler 7 ist über Datenleitungen mit einem Voltmeter 14 und einem Amperemeter 15 auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 verbunden.
Der Gleichrichter 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einphasiger Dioden- Brückengleichrichter ausgebildet. Der Regler 7 erhält als Zielgröße einen gewünschten Ausgangs-Gleichstrom und stellt den Laststufenschalter 6 an der Primärseite des Transformators 1 derart ein, dass dieser Wert am Ausgang des Gleichrichters 4 erreicht wird.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Primärwicklung 2 eine erste Teilwicklung 8 und eine zweite Teilwicklung 9, wobei an der ersten Teilwicklung 8 eine Zahl N = 8 Wicklungsanzapfungen 10 vorgesehen sind, und an der zweiten Teilwicklung 9 eine Zahl M = 6 Wicklungsanzapfungen 11 vorgesehen sind.
Es ist ein erster Laststufenschalter 12 vorgesehen ist, der mit einem Regler 7 verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 10 der ersten Teilwicklung 8 ausgeführt ist. Ferner ist ein zweiter Laststufenschalter 13 vorgesehen, der mit dem Regler 7 verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 11 der zweiten Teilwicklung 9 ausgeführt ist. Der Regler 7 ist über Datenleitungen mit beiden Laststufenschaltern 12, 13 verbunden und kann diese betätigen.
Die erste Teilwicklung 8 ist über den zweiten Laststufenschalter 13 in Serie mit der zweiten Teilwicklung 9 geschaltet. Dadurch sind die Teilwicklungen 8, 9 kaskadiert, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators 1 in 8 x 6 = 48 Stufen schaltbar ist. Die Anzahl der Windungen der ersten Teilwicklung 8 ist in diesem Beispiel identisch mit der Anzahl der Windungen der zweiten Teilwicklung 9, sodass der erste Laststufenschalter 12 weniger Windungen je Stufe schaltet als der zweite Laststufenschalter 13. Der zweite Laststufenschalter 13 bewirkt somit eine Grobeinstellung und der erste Laststufenschalter eine Feineinstellung des T ransformationsverhältnisses Ui : U2. Der Gleichrichter 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einphasiger Dioden- Brückengleichrichter ausgebildet. Der Regler 7 ist über Datenleitungen mit einem Voltmeter 14 und einem Amperemeter 15 auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 verbunden. Der Regler 7 erhält als Zielgröße eine gewünschte Ausgangs- Gleichspannung oder einen gewünschten Ausgangs-Gleichstrom und stellt die Laststufenschalter 12, 13 an der Primärseite des Transformators 1 derart ein, dass diese Werte am Ausgang des Gleichrichters 4 erreicht werden.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein dreiphasiger Transformator eingesetzt, um eine dreiphasige Eingangs-Wechselspannung U12, U23, U13 in eine dreiphasige Ausgangs-Wechselspannung Ui2‘, Il23‘, Ui3‘ zu transformieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Primärwicklungen 2, 2‘, 2“ und die Sekundärwicklungen 3, 3‘, 3“ in Dreieckskonfiguration geschaltet. Wiederum sind an jeder Primärwicklung 2, 2‘, 2“ eine Zahl N = 8 Wicklungsanzapfungen 5, 5‘, 5“ vorgesehen.
Drei mit dem Regler 7 verbundene Laststufenschalter 6, 6‘, 6“ sind zur unterbrechungsfreien Umschaltung dieser Wicklungsanzapfungen 5, 5‘, 5“ an der Primärseite des Transformators ausgebildet, sodass der Regler 7 das Transformationsverhältnis des Transformators Ui2:Ui2‘ = U23:U23‘ = Uis:Ui3‘ in N = 8 Stufen einstellen kann, wobei die Stufen unterschiedlich groß sind.
Die drei Sekundärwicklungen 3, 3‘, 3“ sind in Dreieckskonfiguration geschaltet und bilden eine Sekundärwicklungsanordnung 16. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Primärwicklungen 2, 2‘, 2“ und auch die Sekundärwicklungen 3, 3‘, 3“ in Sternkonfiguration geschaltet.
Der Gleichrichter 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als dreiphasiger Dioden- Brückengleichrichter ausgebildet. Der Regler 7 ist wiederum über Datenleitungen mit einem Voltmeter 14 und einem Amperemeter 15 auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 verbunden. Der Regler 7 erhält als Zielgröße eine gewünschte Ausgangs-Gleichspannung oder einen gewünschten Ausgangs-Gleichstrom und stellt die Laststufenschalter 6, 6‘, 6“ an der Primärseite des Transformators 1 derart ein, dass diese Werte am Ausgang des Gleichrichters 4 erreicht werden.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein dreiphasiger Transformator eingesetzt, um eine dreiphasige Eingangs-Wechselspannung in eine dreiphasige Ausgangs-Wechselspannung zu transformieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Primärwicklungen 2, 2‘, 2“ und die Sekundärwicklungen 3, 3‘, 3“ in Dreieckskonfiguration geschaltet.
Die Primärwicklungen 2, 2‘, 2“ umfassen jeweils eine erste Teilwicklung 8, 8‘, 8“ und eine zweite Teilwicklung 9, 9‘, 9“. An den ersten Teilwicklungen 8, 8‘, 8“ sind jeweils eine Zahl N = 4 Wicklungsanzapfungen 10, 10‘, 10“ vorgesehen. An den zweiten Teilwicklungen 9, 9‘, 9“ sind jeweils eine Zahl M = 8 Wicklungsanzapfungen 11 , 1 T, 11“ vorgesehen. Jede Teilwicklung kann selbst wiederum in mehrere Einzelwicklungen unterteilt sein.
Es sind drei erste Laststufenschalter 12, 12‘, 12“ vorgesehen, die mit dem Regler 7 über Datenleitungen verbunden sind und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 10, 10‘, 10“ der ersten Teilwicklungen 8, 8‘, 8“ ausgebildet sind. Die drei ersten Laststufenschalter 12, 12‘, 12“ können auch als einziger dreiphasiger Laststufenschalter realisiert sein.
Ferner sind drei zweite Laststufenschalter 13, 13‘, 13“ vorgesehen, die mit dem Regler 7 über Datenleitungen verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen 11 , 1 T, 11“ der zweiten Teilwicklung 9, 9‘, 9“ ausgebildet sind. Die drei zweiten Laststufenschalter 13, 13‘, 13“ können ebenfalls als einziger dreiphasiger Laststufenschalter realisiert sein. Die ersten Teilwicklungen 8, 8‘, 8“ sind über die ersten Laststufenschalter 12, 12‘, 12“ in Serie mit den zweiten Teilwicklungen 9, 9‘, 9“ geschaltet, sodass sich eine Kaskadierung der ersten und zweiten Teilwicklungen ergibt, und das Transformationsverhältnis des Transformators 1 in M x N = 8 x 4 = 32 Stufen schaltbar ist. Somit kann der Regler 7 das Transformationsverhältnis des Transformators 1 in 32 Stufen einstellen, wobei die Stufen unterschiedlich groß sind.
In nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sind die Werte von N und M größer als 15, insbesondere größer als 20, sodass der Regler 7 das Transformationsverhältnis des Transformators 1 in über 225, insbesondere in über 400 Stufen einstellen kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Primärwicklungen 2, 2‘, 2“ in Dreieckskonfiguration geschaltet. Auf der Sekundärseite sind vier um jeweils 15° elektrisch phasenversetzte Sekundärwicklungsanordnungen 16, 16‘, 16“, 16‘“ vorgesehen. Die Phasenverschiebungen betragen beispielsweise +22,5°, +7,5°, -7,5°, - 22,5° relativ zur Primärseite. Die Sekundärwicklungen 3, 3‘, 3“ der ersten beiden Sekundärwicklungsanordnungen 16, 16' sind in Dreieckskonfiguration geschaltet. Die Sekundärwicklungen 3, 3‘, 3“ der dritten und vierten Sekundärwicklungsanordnungen 16“, 16‘“ sind in Sternkonfiguration geschaltet.
Jede der vier Sekundärwicklungsanordnungen 16, 16‘, 16“, 16‘“ ist mit einem Gleichrichter 4, 4‘, 4“, 4‘“ verbunden. Die Gleichrichter 4, 4‘, 4“, 4‘“ sind in diesem Ausführungsbeispiel als dreiphasige Dioden-Brückengleichrichter mit je sechs Dioden ausgebildet, sodass sich eine 24-pulsige Gleichrichtung der Eingangs- Wechselspannung ergibt.
In nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können zwei, drei, fünf oder sechs Sekundärwicklungsanordnungen mit je einem dreiphasige Dioden- Brückengleichrichter mit je sechs Dioden kombiniert werden, sodass sich eine 12-, 18- 30- oder 36-pulsige Gleichrichtung der Eingangs-Wechselspannung ergibt. Der Transformator 1 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrische Nennleistung von etwa 6 MVA, bei einer Eingangsspannung von etwa 30 kV. Durch die Aufteilung der Sekundärseite in vier Sekundärwicklungsanordnungen 16, 16‘, 16“, 16‘“ wird die Nennleistung in jeweils etwa 1 ,5 MVA je aufgeteilt.
Der Regler 7 ist wiederum über Datenleitungen mit einem Voltmeter 14 und einem Amperemeter 15 auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 verbunden.
Der Regler 7 erhält als Zielgröße eine gewünschte Ausgangs-Gleichspannung oder einen gewünschten Ausgangs-Gleichstrom und stellt die ersten Laststufenschalter 12, 12‘, 12“ und die zweiten Laststufenschalter 13, 13‘, 13“ an der Primärseite des Transformators 1 derart ein, dass die gewünschten Werte am Ausgang des Gleichrichters 4 erreicht werden.
Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. Das Ausführungsbeispiel entspricht jenem aus Fig. 4 mit dem Unterschied, dass die Sekundärwicklungsanordnung 16, 16‘, 16“, 16‘“ parallel geschalten sind. Dadurch ist die Spannung der Sekundärwicklungsanordnungen höher, und es ist ein niedrigeres Transformationsverhältnis N1 :N2 erforderlich. Wiederum sind die Sekundärwicklungsanordnungen 16, 16‘, 16“, 16‘“ mit einem Phasenversatz von jeweils 15° ausgebildet. Die Gleichrichter 4, 4‘, 4“, 4‘“ sind wieder als dreiphasige Dioden-Brückengleichrichter mit je sechs Dioden ausgebildet, sodass sich eine 24- pulsige Gleichrichtung der Eingangs-Wechselspannung ergibt. In den Ausgangsleitungen sind Zwischenphasentransformatoren (Inter Phase Transformer, IPT) mit Spulen 17, 17‘, 17“, 17‘“ vorgesehen, um die von den vier parallel geschalteten, phasenverschobenen Gleichrichtern gelieferten Gleichströme auszugleichen, bevor sie zusammengeführt werden.
Fig. 6a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei einphasige Transformatoren 1 , T vorgesehen, deren Ausgangsspannungen um einen Winkel Acp = 30° phasenverschoben sind. Jeder Transformator 1 , T ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 ausgebildet und umfasst eine in zwei Teilwicklungen 8, 9 aufgeteilte Primärwicklung 2 und entsprechend kaskadierte Laststufenschalter 12, 13. Die Ausgangs- Wechselspannungen U2, U2£ der Transformatoren 1 , T werden durch dedizierte Gleichrichter 4, 4‘ in eine Gleichspannung umgewandelt, wobei die Gleichrichter 4, 4‘ wiederum als passive Brückengleichrichter ausgebildet sind. Für jeden der Transformatoren 1 , T ist ein separater Gleichrichter 4, 4‘ zur Erzeugung des Ausgangs- Gleichstroms IDC und der Ausgangs-Gleichspannung UDC vorgesehen. Ein Regler ? ist wiederum über Datenleitungen mit einem Voltmeter 14 und einem Amperemeter 15 auf der Ausgangsseite der Gleichrichter 4, 4‘ verbunden.
Fig. 6b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung, welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6a entspricht. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier mehrphasige Transformatoren 1 , T, 1“, T“ vorgesehen, deren Ausgangsspannungen um einen Winkel Acp = 15° phasenverschoben sind. Jeder Transformator 1 , T, 1“, T“ ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 mit einer in zwei Teilwicklungen 8, 8‘, 8“, 9, 9‘, 9“ aufgeteilten Primärwicklung 2, 2‘, 2“ und entsprechend kaskadierten Laststufenschaltern 12, 12‘, 12“, 13, 13‘, 13“ versehen. Die Ausgangs- Wechselspannungen der Transformatoren 1 , T, 1“, 1 ‘“ werden durch dedizierte Gleichrichter 4, 4‘, 4“, 4‘“ in eine Gleichspannung umgewandelt, wobei die Gleichrichter 4, 4‘, 4“, 4‘“ wiederum als passive Brückengleichrichter ausgebildet sind. Für jeden der Transformatoren 1 , T, 1 “, 1 ist ein separater Gleichrichter 4, 4‘, 4“, 4‘“ zur Erzeugung des Ausgangs-Gleichstroms IDC und der Ausgangs-Gleichspannung UDC vorgesehen. Ein Regler 7 ist wiederum über Datenleitungen mit einem Voltmeter 14 und einem Amperemeter 15 auf der Ausgangsseite der Gleichrichter 4, 4‘ verbunden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern umfasst jegliche Gleichrichteranordnung im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche. Bezugszeichenliste
1 , 1‘, 1“, 1‘“ Transformator
2, 2‘, 2“ Primärwicklung
3, 3‘, 3“ Sekundärwicklung
4, 4‘, 4“, 4- Gleichrichter
5, 5‘, 5“ Wicklungsanzapfungen der Primärwicklungen
6, 6‘, 6“ Laststufenschalter der Primärwicklungen
7 Regler
8, 8‘, 8“ Erste Teilwicklung
9, 9‘, 9“ Zweite Teilwicklung
10, 10‘, 10“ Wicklungsanzapfungen der ersten Teilwicklung
11 , 11‘, 11“ Wicklungsanzapfungen der zweiten Teilwicklung
12, 12‘, 12“ Laststufenschalter der ersten Teilwicklung
13, 13‘, 13“ Laststufenschalter der zweiten Teilwicklung
14 Voltmeter
15 Amperemeter
16, 16‘, 16“, 16‘“ Sekundärwicklungsanordnung
17, 17‘, 17“, 17‘“ Zwischenphasentransformatorspule

Claims

Patentansprüche
1. Gleichrichteranordnung für die Wasserstoff-Elektrolyse, umfassend a. einen Transformator (1 ) mit einer Primärwicklung (2) zum Anschluss einer Eingangs-Wechselspannung und einer Sekundärwicklung (3) zur Bereitstellung einer Ausgangs-Wechselspannung, sowie b. einen an der Sekundärwicklung (3) angeschlossenen Gleichrichter (4) zur Erzeugung eines Ausgangs-Gleichstroms IDC und einer Ausgangs- Gleichspannung UDC, dadurch gekennzeichnet, dass c. an der Primärwicklung (2) des Transformators (1 ) eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen (5) vorgesehen sind, und d. ein mit einem Regler (7) verbundener Laststufenschalter (6) vorgesehen ist, der zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (5) ausgebildet ist, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators (1 ) über den Regler (7) in N Stufen schaltbar ist.
2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass a. die Primärwicklung (2) eine erste Teilwicklung (8) und eine zweite Teilwicklung (9) umfasst, wobei b. an der ersten Teilwicklung (8) eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen (10) vorgesehen sind, und an der zweiten Teilwicklung (9) eine Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen (11 ) vorgesehen sind, wobei c. ein erster Laststufenschalter (12) vorgesehen ist, der mit einem Regler (7) verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (10) der ersten Teilwicklung (8) ausgeführt ist, und d. ein zweiter Laststufenschalter (13) vorgesehen ist, der mit einem Regler (7) verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (11 ) der zweiten Teilwicklung (9) ausgeführt ist, wobei e. die erste Teilwicklung (8) über den zweiten Laststufenschalter (13) in Serie mit der zweiten Teilwicklung (9) geschaltet ist, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators (1 ) in N x M Stufen schaltbar ist.
3. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der durch die Laststufenschalter (12, 13) geschalteten Windungen je Stufe unterschiedlich ist, sodass das Transformationsverhältnis über die Laststufenschalter (12, 13) in groben Stufen und in feinen Stufen verstellbar ist.
4. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (1 ) als mehrphasiger, insbesondere als dreiphasiger Transformator mit in Stern- oder Dreieckskonfiguration geschalteten Primärwicklungen (2, 2‘, 2“) und in Stern- oder Dreieckskonfiguration geschalteten Sekundärwicklungen (3, 3‘, 3“) ausgebildet ist, wobei an jeder Primärwicklung (2, 2‘, 2“) eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen (5, 5‘, 5“) vorgesehen sind, und ein mehrphasiger oder mehrere, vorzugsweise drei, mit dem Regler (7) verbundene einphasige Laststufenschalter (6, 6‘, 6“) vorgesehen sind, die zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (5, 5‘, 5“) ausgebildet sind.
5. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Primärwicklungen (2, 2‘, 2“) jeweils eine erste Teilwicklung (8, 8‘, 8“) und eine zweite Teilwicklung (9, 9‘, 9“) umfassen, wobei b. an den ersten Teilwicklungen (8, 8‘, 8“) jeweils eine Zahl N > 1 Wicklungsanzapfungen (10, 10‘, 10“) vorgesehen sind, und c. an den zweiten Teilwicklungen (9, 9‘, 9“) jeweils eine Zahl M > 1 Wicklungsanzapfungen (11 , 1 T, 11“) vorgesehen sind, wobei d. erste Laststufenschalter (12, 12‘, 12“) vorgesehen sind, die mit dem Regler (7) verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (10, 10‘, 10“) der ersten Teilwicklungen (8, 8‘, 8“) ausgebildet sind, und e. zweite Laststufenschalter (13, 13‘, 13“) vorgesehen sind, die mit dem Regler (7) verbunden und zur unterbrechungsfreien Umschaltung der Wicklungsanzapfungen (11 , 1 T, 11“) der zweiten Teilwicklung (9, 9‘, 9“) ausgebildet sind, wobei f. die ersten Teilwicklungen (8, 8‘, 8“) über die ersten Laststufenschalter (12, 12‘, 12“) in Serie mit den zweiten Teilwicklungen (9, 9‘, 9“) geschaltet sind, sodass das Transformationsverhältnis des Transformators (1 ) in M x N Stufen schaltbar ist.
6. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Sekundärwicklungsanordnungen (16, 16‘, 16“, 16‘“) umfassend jeweils drei in Stern- oder Dreieckskonfiguration mit Verschwenkung geschaltete Sekundärwicklungen (3, 3‘, 3“) vorgesehen sind, wobei die Sekundärwicklungsanordnungen (16, 16‘, 16“, 16‘“) dazu ausgebildet sind, um einen Winkel Acp phasenverschobene Ausgangsspannungen zu erzeugen.
7. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannungen der Sekundärwicklungsanordnungen (16, 16‘, 16“, 16‘“) um einen Winkel von Acp phasenverschoben sind, wobei Acp gleich 60° gebrochen durch die Anzahl der Sekundärwicklungsanordnungen (16, 16‘, 16“, 16‘“) ist.
8. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei, vier, fünf oder sechs Sekundärwicklungsanordnungen (16, 16‘, 16“, 16‘“) vorgesehen sind.
9. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Sekundärwicklungsanordnung (16, 16‘, 16“, 16‘“) ein separater Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) vorgesehen ist, wobei die Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) in Serienschaltung geschaltet sind.
10. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Sekundärwicklungsanordnung (16, 16‘, 16“, 16‘“) ein separater Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) vorgesehen ist, wobei die Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) in Parallelschaltung geschaltet sind.
11. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) als einphasige oder mehrphasige Dioden-Brückengleichrichter ausgebildet sind.
12. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (7) mit einem Amperemeter (15) des Ausgangsstroms IDC und gegebenenfalls mit einem Voltmeter (14) zur Messung der Ausgangsspannung UDC verbunden ist.
13. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs-Wechselspannung eine Amplitude von über 10 kV, insbesondere etwa 20 kV bis 30 kV, und die Ausgangs-Gleichspannung einen Nennwert von etwa 300 V bis etwa 1500 V, beispielsweise etwa 625V aufweist.
14. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationsverhältnis um einen Nennwert von zumindest etwa N1 :N2 = 48, insbesondere N1 :N2 = 190 einstellbar ist.
15. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (1 ) eine elektrische Nennleistung von über etwa 1 MVA, vorzugsweise über etwa 6 MVA aufweist.
16. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermöglichung einer Feinjustierung die Laststufenschalter (6, 12, 13) zur Umschaltung von weniger als zehn, weniger als 5, insbesondere einer einzigen Windung je Stufe ausgebildet sind.
17. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Transformatoren (1 , T, 1“, T“) vorgesehen sind, wobei die Ausgangsspannungen der Transformatoren (1 , T, 1“, T“) um einen Winkel Acp phasenverschoben sind und wobei für jeden der Transformatoren (1 , T, 1 “, 1 '“) jeweils ein Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) zur Erzeugung des Ausgangs- Gleichstroms IDC und der Ausgangs-Gleichspannung UDC vorgesehen ist.
18. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoren (1 , T, 1“, T“) und die Gleichrichter (4, 4‘, 4“, 4‘“) mehrphasig, insbesondere dreiphasig, ausgebildet sind.
19. Verwendung einer Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Generierung eines Ausgangs-Gleichstroms IDC von mehr als etwa 600 A, vorzugsweise mehr als etwa 2000 A bei einer Ausgangs-Gleichspannung im Bereich von etwa 300 V bis 1500 V für die Wasserstoff-Elektrolyse, insbesondere PEM-Elektrolyse oder Alkalische Elektrolyse.
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