Seit vielen Jahren sind im Bereich der industriellen Antriebstechnik herstellerspezifische räumlich konzentrierte DC-Verbünde Stand der Technik. Diese Systeme bestehen in der Regel aus einem Versorgungsmodul (AC/DC-Wandler) und mehreren angeschlossenen Antriebswechselrichtern. Durch die direkte Zwischenkreiskopplung der Wechselrichter ist Brems-Energie ohne zusätzlichen Aufwand nutzbar. Untersuchungen zeigen, dass auf diese Weise bei intermittierenden Bewegungsabläufen oder Hubanwendungen eine Energie-Einsparung von typischerweise bis zu 30 % erreichbar ist.

Obwohl fast alle industriellen Antriebe intern über einen DC-Zwischenkreis verfügen und auch nahezu jeder Hersteller von Antriebstechnik proprietäre DC-Verbünde anbietet, ist eine herstellerübergreifende Zwischenkreiskopplung bis dato nicht möglich. Der Grund hierfür ist, dass keine allgemein anerkannten Regeln existieren, wie sich Geräte – wie zum Beispiel Antriebswechselrichter – an ihren DC-Anschlüssen zu verhalten haben. 

Die Energieversorgung des DC-Netzes

Bild 1: Mögliche Versorger im DC-Netz und Erdungskonzepte: Ungesteuerter Gleichrichter am geerdeten AC-Netz (oben) und Active-Front-End am isolierten AC-Netz (unten).

© LTI Motion

Das DC-Netz beinhaltet ein oder mehrere Versorgungsgeräte, die das offene DC-Netz aus dem AC-Netz mit Leistung versorgen. Die Antriebswechselrichter sind in logische Lastzonen zusammengefasst und mit Hilfe von schnellen halbleiterbasierten Schutzschaltern mit dem Netz verbunden (Anm. d. Red.: Das Schutzkonzept wird in einem weiteren Teil der Artikelreihe im Detail erläutert). Der Anspruch des Systemkonzepts von DC-Industrie ist, dass sich damit sowohl kleine, räumlich konzentrierte DC-Verbünde umsetzen lassen, als auch große beziehungsweise räumlich ausgedehnte Anlagen.

Bei kleinen DC-Verbünden sind kostengünstige, ungesteuerte Gleichrichter (Bild 1, oben) einsetzbar, die wie üblich am geerdeten AC-Netz betrieben werden. Gilt es eine ganze Produktionshalle zu versorgen, so können der Stromfluss und die DC-Spannung mit geregelten Versorgern – sogenannten Active-Front-End-Stromrichtern – geregelt werden. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad wird für ein intelligentes Netzmanagement genutzt.

Ein AFE-Stromrichter erzeugt jedoch prinzipiell eine hochfrequente Gleichtaktspannung von den DC-Anschlüssen zum Sternpunkt des vorgelagerten AC-Netzes. Diese Gleichtaktverschiebung wird durch einen (auf der AC-Seite) vorgeschalteten Trenntransformator vermieden. Dieser ist ausgangsseitig nicht geerdet. Das Systemkonzept sieht für diesen Fall eine hochohmige und kapazitive Erdung des DC-Netzes – sprich ein sogenanntes ‚Quasi-IT-Netz‘ – vor (Bild 1, unten). Dieses Erdungskonzept liefert weitere Vorteile: Beispielsweise kann das DC-Netz beim Auftreten eines Erdfehlers für eine beschränkte Zeit weiterbetrieben werden. Auch der Parallelbetrieb mehrerer Einspeisegeräte ist problemlos möglich, sofern jedem Gerät eine unabhängige Sekundärwicklung zugeordnet ist. Bei der Versorgung eines großen DC-Netzes einer ganzen Werkshalle kann der ohnehin vorhandene Einspeisetransformator aus der Mittelspannung die Potenzialtrennung übernehmen; ein zusätzlicher Trenntransformator ist dann nicht nötig.

Leistungsregelung im DC-Netz

Bild 2: Leistungsregelung im DC-Netz mittels Kennlinien, die den einzuspeisenden Strom in Abhängigkeit der DC-Netzspannung definieren. Das dezentrale Regelkonzept ermöglicht die einfache Parallelschaltung von Versorgern und Energiespeichern.

© LTI Motion

DC-Industrie verfolgt einen dezentralen Ansatz, bei dem mittels Kennlinien abhängig von der aktuellen DC-Spannung Energie in das DC-Netz eingespeist wird. Somit hat das DC-Netz keine geregelte konstante Spannung, sondern vielmehr Spannungsbereiche, in denen die angeschlossenen Geräte ein definiertes Verhalten aufweisen müssen. Die Systemspannung kann sich während des Betriebs maximal im Spannungsbereich von 400 bis 800 V bewegen. Im Falle einer geregelten Gleichrichtung – etwa durch einen AFE-Stromrichter – wurde eine nominale Gleichspannung von 650 V festgelegt. Die Kennlinien zur Leistungsregelung sind in Bild 2 exemplarisch dargestellt. Sie definieren, welchen Strom die Versorgungsgeräte oder geregelten Energiespeicher in das DC-Netz einspeisen oder entnehmen. Die zentrale Zustandsgröße ist dabei die aktuelle Netzspannung. Dieser Regelungsansatz ermöglicht problemlos Mehrfacheinspeisung und Integration von Energie-Erzeugungs-Anlagen wie beispielsweise Photovoltaik.

Speisen die Antriebe bei Bremsvorgängen Leistung ins DC-Netz, steigt die Spannung an. Die in Bild 2 skizzierte Kennlinie für einen geregelten Energiespeicher stellt sicher, dass zuerst eine Speicherung des Speichers erfolgt, bevor Leistung in das AC-Netz zurückgespeist wird. Solch geregelte Energiespeicher können mit Superkondensatoren, Akkus oder Schwungradspeicher realisiert sein. Je nach Anwendung werden damit Leistungsspitzen reduziert oder ein Netzausfall überbrückt.

Das Thema EMV

Durch die potenzialgetrennte Einspeisung sowie die hochohmige und kapazitive Erdung lassen sich Potenzialsprünge des DC-Netzes gegenüber dem Erdpotenzial vermeiden. Die kapazitiven Umladeströme durch das Schalten der Antriebswechselrichter werden über die dort eingesetzten Y-Kondensatoren abgeleitet, gegebenenfalls erfolgt die Anbindung der Wechselrichter oder Mehrachssysteme an das DC-Netz über EMV-Filter. Die Energieverteilung im DC-Netz findet über ungeschirmte Leitungen oder Schienensysteme statt, da die Handhabung gegenüber einer AC-Lösung vergleichbar sein soll. Ab den Motorwechselrichtern ist das System konventionell aufgebaut. Die ersten Messungen an den im vorausgegangenen Beitrag beschriebenen Modellanwendungen (siehe Artikel „DC statt AC im Produktionsnetz“) des Projekts bestätigen, dass das DC-Netz die selbstgesteckten Ziele für leitungsgeführte Störaussendung mit ungeschirmten Leitungen erreicht.

Innerhalb des Projektes sind vier Modellanlagen mit einem DC-Netz ausgerüstet und werden derzeit erprobt. LTI Motion etwa hat hierbei ein 50-kW-Versorgungsgerät mit sinusförmigen Netzströmen für den Flaschen- und Palettenrundläufer bei der Firma KHS entwickelt. Es versorgt das DC-Netz mit zentraler und dezentraler Antriebstechnik von LTI Motion, Lenze, SEW-Eurodrive, Danfoss und Bauer. In der Modellanlage konnte das Systemkonzept insbesondere in Bezug auf den Energie-Austausch, die Leistungsregelung und die EMV bestätigt werden.

Einsparung von 40 % Kupfer

Auch im Bereich der Leitungen ist durch die Verbreitung von Gleichstrom viel in Bewegung – vor allem was die Versorgung von Antrieben betrifft. Weil künftig nur noch zwei stromführende Leiter nötig sind statt drei – wie bei Drehstrom, sinkt der Installationsaufwand. Schätzungen gehen von einer Ersparnis von bis zu 40 % Kupfer aus und damit von niedrigeren Kosten. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sich an den Leitungen nichts ändern muss, wenn sie für DC statt für AC zum Einsatz kommen sollen. – Eine Annahme, die jedoch bisher noch nicht untersucht wurde und daher keineswegs sicher ist. Als assoziierter Partner in DC-Industrie engagiert sich deshalb Lapp, um Fragen nach der Eignung bestimmter Leitungstypen nachzugehen beziehungsweise, um – sofern erforderlich – Leitungen zu entwickeln, die sich für den Betrieb mit DC eignen.

Bild 3: Mit dieser von Lapp entwickelten Hybridleitung soll untersucht werden, wie das zukünftige Ansteuerungskonzept für elektrische Antriebe leitungsseitig aufgebaut sein könnte. Sollte sich das Konzept im Projekt bewähren, werden derartige Leitungen zukünftig für diese Art der Vernetzung von Antriebs-systemen eingesetzt.

© Lapp

Grundsätzlich haben alle am Projekt beteiligten Partner vereinbart, sämtliche Funktionen in einer Hybridleitung zu vereinen, um die Komplexität so gering wie möglich zu halten. Mit der ‚Ölflex DC 100 Hybrid‘ hat Lapp bereits eine solche Leitung entwickelt und stellt diese dem Konsortium zur Verfügung (Bild 3). Die DC-Hybridleitung besteht aus folgenden Komponenten: Zwei Adern zur Leistungsübertragung plus ein Schutzleiter, eine Cat.6A-Datenleitung mit vier geschirmten Aderpaaren, zwei Adern für Safe Torque Off (STO) sowie ein Steuerpaar mit 24 V für die Bremse. Benötigt ein Unternehmen bestimmte Funktionen nicht, lässt es die betreffenden Adern ungenutzt oder schneidet sie ab. Ein erstes marktfähiges Produkt, das sich unmittelbar aus dem Projekt ergeben hat, ist die ‚Ölflex DC 100‘ mit drei Leistungsadern, die Lapp zur SPS 2018 vorgestellt hat. Die Steuerleitung lehnt sich im Aufbau an die bekannte ‚Ölflex Classic 100‘ für Wechselstrom an. Allerdings folgt die Farbcodierung der Adern der im Februar 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 für Gleichstromleitungen: rot, weiß und grüngelb. Die Isolation der Adern besteht aus Spezial-PVC, der Mantel ist aus PVC. Geeignet ist die Leitung für Gleichspannungen bis 0,9 kV (Leiter-Erde) beziehungsweise 1,8 kV (Leiter-Leiter).

Die Schutzmaßnahmen im Fehlerfall

Wie bei AC-Netzen können auch bei DC-Netzen unterschiedliche Fehlerfälle auftreten. Diese sind grundsätzlich beherrschbar und daher unkritisch. Allerdings unterscheiden sich die Schutzmaßnahmen bei einer offenen, dezentralen DC-Versorgung in manchen Punkten von denjenigen bei AC-Versorgung. Bei einem Kurzschluss entladen sich alle im DC-Netz vorhandenen Kapazitäten über die Fehlerstelle und es kommt zu hohen Stromspitzen. Diese fließen auch aus nicht defekten Geräten in die Fehlerstelle. Für ein offenes DC-Netz ist es wichtig, dass Geräte dadurch nicht kaputtgehen.

Bild 4: Darstellung von zwei Geräten im DC-Netz mit relevanten Bauteilen und möglichen Fehlerstellen: eingangsseitig, Geräte-intern und ausgangsseitig.

© Lenze

Bild 4 zeigt zwei Antriebssysteme, bestehend aus einem Antriebswechselrichter (Gerät 1 und Gerät 2) mit jeweils einem Motor. In der dargestellten Anordnung können Kurzschlüsse (SC: Short-Circuit) und Erdfehler (EF: Earth-Fault) an verschiedenen Stellen auftreten. Während bei AC-seitiger Erdung ein Erdfehler (EF1 oder EF2) immer zum Ausfall des DC-Netzes führt, ist bei der DC-seitigen Erdung (Quasi-IT) unabhängig von der Fehlerstelle ein Weiterbetrieb möglich. Hier haben weder +UDC, noch –UDC eine niederohmige Verbindung zum Erdpotenzial. Ein Abschalten des DC-Netzes ist somit erst bei einem zweiten Erdfehler nötig.

Bei dem Fehler SC3 handelt es sich um einen Kurzschluss an der Motorseite eines Wechselrichters. Die Verhältnisse unterscheiden sich hier prinzipiell nicht von AC-versorgten Geräten; in der Regel wird der Wechselrichter diesen Fehler selber erkennen und abschalten. Den Fehler EF3 – ein Erdfehler an der Motorseite eines Wechselrichters – erkennt in der Regel ebenfalls der Wechselrichter selber. Die Fehlerfälle SC1 und SC2 unterscheiden sich lediglich darin, dass bei SC2 das Gerät 1 defekt ist. Für das Gerät 2 sind die Auswirkungen von SC1 und SC2 identisch. In beiden Fehlerfällen wird sich die Lastzone durch ein Schutzorgan (DC-Abzweig) vom vorgelagerten DC-Netz trennen.

Während des Normalbetriebs sind die Zwischenkreiskondensatoren der Geräte 1 und 2 auf ihre Betriebsspannung aufgeladen. Tritt der Fehlerfall SC1 auf, wird die in den Zwischenkreisen gespeicherte Energie direkt über den Kurzschluss entladen. Im sich ergebenden Stromkreis befindliche ohmsche Anteile (Leitungsbeläge, ESR der Kondensatoren etc.) sowie parasitäre Induktivitäten (Leitungsbeläge, Streuanteil der Gleichtaktdrossel etc.) dämpfen hier die Stromanstiegsgeschwindigkeit und den impulsartigen Spitzenstrom. Messungen haben aber gezeigt, dass bei einem Gerät mit 1 kW Leistung mit einem Spitzenstrom von fast 1 kA zu rechnen ist, obwohl der nominelle Betriebsstrom unter 2 A liegt. Insbesondere die Kondensatoren werden durch den Pulsstrom erheblich belastet und müssen so ausgelegt sein, dass dieser Fall über die Lebensdauer ausreichend oft verkraftet wird.

Ein weiteres Problem entsteht durch die Induktivitäten im Kurzschlusskreis. Diese treiben nach Entladung der Kondensatoren den Strom weiter und führen die Energie wieder in den Zwischenkreis zurück (Schwingkreis). Dieser wird dadurch auf eine negative Spannung umgeladen. Die Freilauf-Dioden des Wechselrichters werden dann leitend und übernehmen den Strom abhängig von ihren Durchlass-Eigenschaften. Auch die Freilauf-Dioden müssen diesen Fehlerfall hinreichend oft aushalten.

Mechanisch gespeicherte Energie nicht vernachlässigen

Ist an den Wechselrichter eine fremd- oder permanenterregte Synchronmaschine angeschlossen, so speist auch diese mit ihrem Kurzschlussstrom über die Freilauf-Dioden des Wechselrichters in die Fehlerstelle. Die thermische Überlast­barkeit der Wechselrichter-Freilauf-Dioden ist also eine wichtige Anforderung an Antriebe in einem offenen DC-Netz. Mit Halbleiterherstellern durchgeführte Untersuchungen haben aber gezeigt, dass sich Antriebe so aufbauen lassen, dass die hier beschriebenen Fehlerfälle nicht zur Schädigung unbeteiligter anderer Geräte führen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Durch das im DC-Industrie Konsortium gemeinsam erarbeitete Systemkonzept besteht ein bidirektionaler energetischer Verbund zwischen allen einzelnen Geräten, wie zum Beispiel Wechselrichtern. Über die hierdurch mögliche, direkte Nutzung generatorischer Energie lässt sich insbesondere bei der Rekuperation dynamischer Antriebe über 10 % Energie einsparen. Zudem verringern sich die Verluste in den Zuleitungen: Einerseits dadurch, dass generell weniger Energie zur Anlage transportiert werden muss. Andererseits dadurch, dass im Vergleich zu AC bei größerer räumlicher Ausdehnung weniger Verluste entstehen. Weiterhin gleichen sich Lastspitzen mit steigender Anzahl von Antrieben in einem Verbund statistisch besser aus.

Autoren:
Frederic Blank ist Entwicklungsingenieur bei LTI Motion;
Werner Körner ist Leiter Vorentwicklung bei Lapp; 
Simon Puls ist Doktorand bei Lenze.

Im Rahmen einer mehrteiligen Artikelserie vertieft Computer & AUTOMATION einzelne Technologien, die für die Umsetzung des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) geförderten Projektes (Förderkennzeichen 03ET7558A bis N) essenziell sind:

• Schutz- und Schalttechnik / Lastzonenkonzept
• Planungs- und Auslegungstools / Energiemanagement