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Projekt 'DC-Industrie' - Teil 1: DC statt AC im Produktionsnetz

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Warum DC statt AC?

Energie-Austausch im DC-Netz Bildquelle: © DC-Industrie

Energie-Austausch im DC-Netz: Die Leistung kann direkt über das DC-Netz ausgetauscht werden. Im dargestellten Fall nimmt der mittlere Motor die Brems-Energie des oberen Motors auf.

Dass DC-Systeme in vielen Anwendungsbereichen auf dem Vormarsch sind, liegt an der Durchdringung mit Leistungselektronik, die Spannungen anpasst und Lastflüsse steuert. Intern werden für alle Funktionen der Elektronik unterschiedliche Gleichspannungen benötigt. Die versorgende AC-Spannung erhöht eigentlich den Aufwand für die Elektronik, weil Gleichrichter nötig sind und die pulsierende Leistung durch Speicherelemente auszugleichen ist. Die Umwandlung von Gleichspannungen untereinander gestaltet sich dagegen vergleichsweise simpel.

Struktur eines DC-Industrie-Netzes Bildquelle: © DC-Industrie

Struktur eines DC-Industrie-Netzes: Geräte am DC-Netz, die eine logische Einheit bilden, werden jeweils einer Lastzone zugeordnet – zum Beispiel eine Gruppe aus Antrieben, Einspeiser, Speicher, Energie-Erzeuger.

Bei Antrieben ist allerdings der Drehstrommotor effizienter, haltbarer und kostengünstiger als ein Gleichstrommotor. Drehstrom ist dabei jedoch nur noch für Netzmotoren erforderlich, die nicht in der Drehzahl geregelt werden müssen. Alle anderen lassen sich über Frequenzumrichter betreiben, die mit einem Gleichrichter zuerst eine Zwischenkreis-Gleichspannung erzeugen, bevor mit einem Wechselrichter daraus die variable Spannung für den Drehstrommotor erzeugt wird. Mit anderen Worten: Im Grunde haben Frequenzumrichter bereits ein internes DC-Netz!

Zwei Spannungsbänder für das DC-Netz Bildquelle: © DC-Industrie

Je nach Art der Einspeisung definiert DC-Industrie zwei Spannungsbänder: • 650 V: Passend zu geregelter Einspeisung und ungeregelter am 480-V(AC)-Netz (linkes Band) • 540 V: Passend zu ungeregelter Einspeisung am 400-V(AC)-Netz (rechtes Band).

Die Idee von DC-Industrie ist es nun, das DC-Netz auf alle Verbraucher eines Schaltschrankes, einer Maschine, einer Produktionszelle oder einer ganzen Produktionshalle auszuweiten. Wenn die DC-Spannung sich an den größten Lasten – sprich den in Produktionen dominanten 3x400/480-V-Umrichtern – orientiert, ergeben sich folgende Vorteile:

  • Energie kann direkt und ohne zwischengeschaltete Wandler zwischen Erzeugern und Verbrauchern ausgetauscht werden. Dieses ist bei AC-Geräten meist nicht möglich. Zusätzlich gestaltet sich die Lastflussregelung einfacher.
  • Der Installationsaufwand sinkt, da neben dem Schutzleiter lediglich zwei stromführende Leiter erforderlich sind statt der im Vergleich zu Drehstrom benötigten drei stromführenden Leiter. Weiterhin entfallen der induktive Spannungsabfall und die Blindleistung. Nutzt man das Isolationsvermögen bisheriger AC-Komponenten mit 3x400/480 V für DC aus, ist eine Einsparung von 40 % oder mehr Kupfer möglich. 
  • Die Einbindung von Speichern und solarer Energie-Erzeugung ist einfacher. Man benötigt lediglich einen DC/DC-Steller statt eines wesentlich aufwendigeren Wechselrichters. Dies spart nicht nur Kosten, auch die Dynamik und der Wirkungsgrad sind höher. 
  • Bei Ausfall des AC-Netzes kann das DC-Netz autark weiterlaufen, sofern ausreichend Speicher und sonstige Erzeuger vorhanden sind. Damit erhöht sich die Verfügbarkeit.
  • Die Umrichter werden einfacher, kleiner und effizienter. Sie bestehen lediglich aus dem sowieso vorhandenen motorseitigen Wechselrichter und zugeordneten Filtern für Schaltfunktion und EMV. Der Umrichter-betriebene Drehstrommotor ändert sich nicht. Ein DC/AC-Umrichter lässt sich viel leichter und kostengünstiger an oder in Motoren integrieren, wodurch ein Schub für die dezentrale Antriebstechnik erwartet wird.