Ende des 19. Jahrhunderts setzte sich die Wechselstromtechnologie (AC) im sogenannten Stromkrieg gegen die Gleichstromtechnologie (DC) durch. Ein ausschlaggebender Punkt für den Erfolg von AC bestand in der Verwendung des dynamoelektrischen Prinzips, das Wernher von Siemens in den 1860er Jahren entdeckt hatte: Der durch Erhitzung entstehende Wasserdampf treibt Turbinen an, die wiederum mit Wechselstromgeneratoren aus einer Drehbewegung elektrische Energie erzeugen. Dieses Prinzip kommt noch immer zum Beispiel in Kohle- oder Kernkraftwerken zum Einsatz. Ein weiterer Vorteil von AC ergibt sich aus der einfachen Transformation auf hohe Spannungen, um die Energie verlustarm über weite Strecken zu übertragen.

Verzicht auf verlustbehaftete AC-/DC-Wandlung

Gleichwohl erlangt Gleichstrom aktuell eine immer höhere Bedeutung. Denn die technologische Entwicklung der Leistungselektronik eröffnet jetzt die Möglichkeit, hocheffizienten Gleichstrom preisgünstig nutzbar zu machen. Beispielsweise lassen sich wesentliche elektronische Komponenten wie die in Computern und Steuerungen verbauten Transistoren nur mit DC betreiben. In der Industrie arbeiten viele Verbraucher durch Verwendung von Frequenzumrichtern an einem Gleichspannungszwischenkreis. In einem DC-Netz kann bei diesen Verbrauchern auf die verlustbehaftete AC-/DC-Wandlung verzichtet werden. Außerdem liefert eine nachhaltige Stromversorgung durch erneuerbare Energieträger – etwa Photovoltaik, Windenergie oder Brennstoffzellen – stets Gleichstrom.

Bild 1. Beispiel eines industriellen Gleichstromnetzes.

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Beim Einsatz der erzeugten elektrischen Energie unter Verzicht auf die Gleichrichtung von AC auf DC erhöht sich die Effizienz, und der Betreiber spart Kosten für Rohstoffe. So werden Transformatoren überflüssig. Ferner sinkt der Bedarf an Kupfer zur Herstellung von Leitungen, da geringere Leitungsquerschnitte für die übertragene Leistung notwendig sind. All das erweist sich als Vorteil, der den Gleichstrom in industriellen Produktionsanlagen wirtschaftlich werden lässt. Mit der Strategie »Empowering the All Electric Society« treibt Phoenix Contact die steigende Bedeutung der DC-Technologie mit entsprechenden Produkten und Systemlösungen voran. Auf diese Weise unterstützt das Unternehmen seine Kunden bei der Umsetzung einer nachhaltigen Energieversorgung ihrer Fertigungsstätten als zuverlässiger Partner und Lieferant von Systemlösungen.

Beherrschung des stehenden Lichtbogens

Bei der Gleichstromversorgung industrieller DC-Netze stellen die Schaltvorgänge eine besondere Herausforderung dar. Während bei AC ein möglicher Lichtbogen nach spätestens 10 ms beim Nulldurchgang des Stroms automatisch erlischt, entwickelt sich bei DC insbesondere beim Ausschalten ein stehender Lichtbogen, der beherrscht werden muss. Der DC-Leistungsschalter ‚Contactron ELR HDC‘ kombiniert moderne Halbleitertechnologie mit bewährten DC-Relais und schaltet lichtbogenfrei. Die Relais im Leistungspfad bieten im ausgeschalteten Zustand eine galvanische Trennung an beiden Polen. Der Contactron ELR HDC wird in Gleichstromnetzen überall dort genutzt, wo ein Energieaustausch zwischen Quellen, Lasten und dem Netz selbst erforderlich ist – an sogenannten DC-Abzweigen (Bild 1).

Bild 2. Das multifunktionale Schaltgerät Contactron ELR HDC vereint die Funktionen Schalten, Überwachen und Schützen in einem kompakten Gehäuse

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Dabei erfüllt das Gerät neben dem Schalten von bis zu 55 A bei bis zu 810 V weitere Aufgaben, die für den Betrieb eines DC-Netzes notwendig sind. So überwacht der Leistungsschalter im Betrieb die wichtigsten Parameter und stellt diese auch für die Betriebsdatenerfassung zur Verfügung. Weiterhin überwacht das Gerät Spannung und Strom während des Betriebs und verfügt im Fall von Überstrom über eine dreistufige Abschaltfunktion, bis hin zu sehr schnellen Abschaltzeiten bei Kurzschluss. Im Fall einer Unter- oder Überspannung im Eingang schaltet das Gerät ebenfalls ab.

Außerdem lädt der Leistungsschalter Kapazitäten im Ausgang auf die Eingangsspannung vor, sodass während des Einschaltens Stromspitzen vermieden werden (Bild 2).