Automatisierung Komponenten auf das DC-Netz vorbereiten

Autor Stefanie Michel

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.

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Werden Verbraucher wie beispielsweise Roboter in einem industriellen DC-Netz eingebunden, lässt sich sowohl Energie als auch Material einsparen.
Werden Verbraucher wie beispielsweise Roboter in einem industriellen DC-Netz eingebunden, lässt sich sowohl Energie als auch Material einsparen.
(Bild: ©xiaoliangge - stock.adobe.com)
  • 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.

Neue Systemkomponenten sorgen für mehr Leistung

Die veränderten Anforderungen in einem DC-Netz lassen sich heute noch nicht komplett erfüllen, weil an entsprechenden Produkten noch geforscht wird. Doch man hat das Potenzial erkannt und gerade über das Forschungsprojekt „DC-Industrie“ die Entwicklungen vorangetrieben.

In Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau hat beispielsweise der Kabelspezialist Lapp bereits ein Portfolio an Ölflex-Leitungen vorgestellt, die sich explizit für den Einsatz mit Gleichstrom eignen. Da sich in den Forschungsarbeiten herausgestellt hat, dass bestimmte Isolationsmaterialen weniger gut für dauerhafte DC-Anwendungen geeignet sind, wurden je nach Leitungssystem eine PVC-Isolation für die feste Verlegung ohne mechanische Belastung, eine Isolation mit Spezial-PVC für die feste Verlegung und den gelegentlich flexiblen Einsatz sowie eine TPE-Isolierung für die dauernde Bewegung in Energieführungsketten und linear bewegten Maschinenteilen entwickelt. Entfernt man den Mantel, ist ein sichtbarer Unterschied bei diesen Kabeln zu erkennen: die andere Farbcodierung der Adern in rot, weiß und grün-gelb, die der 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 entspricht.

Es wird sich allerdings nicht nur die Isolierung sondern auch das Kabel selbst ändern. Im Vergleich zum AC-Netz sind im Kabel weniger Adern zur Energieübertragung nötig – es entfallen je nach System ein oder zwei Leiter. So kann bei gleichem Kupfereinsatz der Leiterquerschnitt erhöht werden. Hinzu kommt, dass der vorhandene Leiterquerschnitt effizienter genutzt wird und Blindleistung entfällt. Insgesamt kann also entweder mehr Leistung übertragen werden oder man nutzt weniger Kupfer für die selbe Leistung.

Sichtbare Veränderungen werden auch Frequenzumrichter betreffen. Statt der klassischen Frequenzumrichter aus dem AC-Netz kommen rückspeisefähige Wechselrichter zum Einsatz, die die überschüssige Bremsenergie anderen Verbrauchern zur Verfügung stellen können. Bremswiderstände entfallen somit. Durch die erhöhte Zwischenkreisspannung auf DC 650 V erhöht sich die Ausgangsspannung, sodass auch eine höhere Ausgangsleistung geliefert wird. Einem DC-Netz ist eine zentrale DC-Einspeisung vorgeschaltet, in die sowohl Gleichrichter als auch Filter gegen harmonische Verzerrungen verlagert sind. Außerdem werden die Zwischenkreiskondensatoren entlastet und können somit kleiner ausgelegt werden. Schaltschrankgeräte

Energiesparpotenziale liegen über bisherigen Werten

Für die Motoren selbst sind die Unterschiede zunächst weniger deutlich. Da nur noch drehzahlgeregelte Antriebe eingesetzt werden können, steht den Motoren über den Wechselrichter allerdings eine höhere Spannung zur Verfügung, die sie nutzen können: So ist es möglich, bei gleicher Baugröße bis zu 20 % mehr Leistung zu erzeugen. Zukünftig ist es sinnvoll, neue Asynchronmotoren auf den Betrieb am Umrichter zu optimieren, um einen Betrieb oberhalb von 50 Hz zu ermöglichen. Das würde den Wirkungsgrad erhöhen und gleichzeitig Material einsparen.

Betrachtet man alleine die Komponenten, so bieten DC-Netze ein großes Einsparpotenzial beim Energieverbrauch und tragen damit zur CO2-Reduzierung bei. Der Kupferbedarf lässt sich für die Leitungen um bis zu 40 % senken und Lastspitzen werden durch Speicher reduziert, die sich günstig einbinden lassen. Durch die vereinfachten Umrichter lassen sich zusätzlich Systemkosten sparen. Auch Netzrückwirkungen durch Umrichter und zusätzliche Oberschwingungsfilter gehören der Vergangenheit angehören. Höhere Kosten können zunächst trotzdem entstehen, weil zum einen die DC-Versorgungstechnik installiert und zum anderen bei der Schutztechnik noch zu wenige Produkte verfügbar sind

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