Automatisierung Komponenten auf das DC-Netz vorbereiten

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Wird eine Fabrik mit Gleichstrom versorgt, müssen Stecker, Frequenzumrichter und Kabel dafür geeignet sein, weil ein DC-Netz andere Anforderungen stellt. Wir zeigen auf, was sich bei welchen Komponenten ändern wird.

• Gleichstrom ist zurück in die Fertigungsindustrie gekommen – durch Gleichrichter im Frequenzumrichter. Die Wandlungsverluste und viel mehr Energie lässt sich in einer DC-Fabrik sparen.

• Die Herausforderungen eines DC-Netzes sind unter anderem das Trennen unter Last sowie die Nutzung von Bremsenergie.

• Was auf die Verantwortlichen zukommt sind neue DC-Leitungen mit mehr Leistung bei gleichem Kupferanteil, sichere Stecker und Schalter sowie rückspeisefähige Wechselrichter.

Seit über 10 Jahren begleitet die Öko-Design-Richtlinie 2009/125/E die Motoren- und Antriebstechnikhersteller. Ihre Antriebe müssen immer höhere Wirkungsgrade erreichen, doch bis heute wurde weniger Energie eingespart in industriellen Prozesse als erwartet. Zudem wurde klar, dass mit dieser Norm den Energieverbrauch nur in bestimmten Betriebszuständen nachhaltig reduzieren kann. Konstruktive Veränderungen können die Effizienz kaum noch steigern, aber die Gleichstromversorgung bietet großes Potenzial für einen geringeren Energieverbrauch in der Industrie.

Ein erster Schritt für eine höhere Energieeffizienz war bereits die Betrachtung des ganzen Systems. In einer Gleichstromfabrik muss dieser Ansatz noch ausgedehnt werden, denn es gilt, eine Gesamtlösung mit allen beteiligten Komponenten zu entwickeln: Dazu zählen neben den Motoren und Frequenzumrichtern auch Leitungen, Steckdosen, Energiespeicher und -erzeuger sowie Versorgungsgeräte und Verbraucher.

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Veränderte Anforderungen an die Komponenten

Bisher basiert das Netz einer Fabrik auf Wechselstrom. Doch heute besitzen fast alle Geräte und Maschinen Halbleiter für integrierte Schaltungen – und diese benötigen Gleichspannung. Das gilt auch für Frequenzumrichter. Diese Geräte wandeln die Wechselspannung aus dem Netz intern in Gleichspannung, um sie dann wieder als Wechselspannung dem Motor zur Verfügung zu stellen. Der Einsatz von Frequenzumrichtern ist im Zuge der Diskussion um eine höhere Effizienz stetig gestiegen, doch das verschlechtert zunehmend die Netzqualität. In Deutschland ist man längere Netzunterbrechungen nicht gewohnt, das Stromnetz recht stabil. Doch gerade Kurzzeitunterbrechungen <1 s steigen. Filter minimieren bisher die Netzrückwirkungen oder die Unternehmen investieren in erweiterte Frequenzumrichter, die geringere Netzrückwirkungen ins Netz abgeben. Werden mehr und mehr Verbraucher in ein AC-Netz eingebunden, wird sich diese Situation verschärfen.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen AC-Systeme am Frequenzumrichter: Die freiwerdende Energie bei Anwendungen mit vielen Bremszyklen (zum Beispiel im Hochregallager oder Kran) kann nicht zurückgespeist werden, weil der Energiefluss nur in einer Richtung erfolgen kann. Diese Energie muss aufwendig in Wärme umgewandelt werden und wird nicht genutzt. In einem DC-Netz werden alle Motoren am Umrichter laufen und somit an die Last anpassbar sein. Über das Netz kann dann zwischen den einzelnen Antrieben und Systemen überschüssige Energie ausgetauscht werden. Da dann keine Asynchronmotoren mehr direkt am Netz laufen werden, lassen sich möglicherweise weitere Energiesparpotenziale erzielen.

Neben den Verbrauchern müssen aber auch Leitungen und Stecker die neuen Anforderungen für Gleichstromnetze erfüllen. Ein wichtiger Unterschied ist der fehlende Nulldurchgang, was zur Folge hat, dass beim Schalten und Trennen unter Last ein Lichtbogen entsteht. Um diese Gefahr zu bannen, müssen Systeme mit integrierter Lichtbogenunterdrückung entwickelt werden oder sichergestellt sein, dass Stecker und Steckdose im nichtgesteckten Zustand spannungsfrei sind. Zudem sind eindeutige Steckverbindungen erforderlich, die eine Verpolung der Kontakte ausschließen. Sollen DC-Netze breiter genutzt werden, müssen Verbindungen existieren, die gefahrlos unter Last gezogen werden können.

Lange Zeit nahm man zudem an, dass sich die gleichen Kabel für die Übertragung von Wechsel- und Gleichstrom eignen. Doch Untersuchungen lassen vermuten, dass das elektrische Feld einer Gleichspannung anders auf die Kunststoffisolierung einer Leitung wirkt und daher neue Isolierungen erforderlich sind.

Gleichstromversorgung

Mit Gleichstromnetz noch effizienter produzieren

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