Bild 5: Varianten des DC-Abzweigs für die Vorladung

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Die Vorladung des DC-Netzes mit seinen Lastzonen erfolgt in mehreren Ebenen gemäß Bild 4. Zuerst wird die 1. Ebene – die Einspeisegeräte und gegebenenfalls der Speicher – vorgeladen und damit das unbelastete DC-Netz. Alle Lastzonen sind dabei getrennt. Zeitlich versetzt dazu und von dem Spannungsanstieg der DC-Netzspannung mit einer Wartezeit angestoßen, wird die 2. Ebene mit den Lastzonen vorgeladen (DC-Bus / 1. Hierarchie-Ebene). Sollten unterhalb einer Lastzone weitere Lastzonen verbunden sein, erfolgt deren Vorladung (3. Ebene) wiederum zeitlich versetzt. Das gestaffelte Vorladen soll maximal zehn Sekunden pro Ebene benötigen.

Die in Bild 4 enthaltenen DC-Abzweige sind in Bild 5 vereinfacht dargestellt und enthalten optional – sofern zum Beispiel für Wartungszwecke nötig – einen zweipoligen Trennschalter, der auch als Handschalter ausgeführt sein kann. In den folgenden Betrachtungen wird er, wenn nicht anders angegeben, stets als bereits geschlossen angesehen. Zur Vorladung des nachfolgenden DC-Netzes oder der zugeordneten Lastzonen wird der Vorlade-Schalter SV geschlossen. Damit beginnt die Vorladung über den Widerstand RV. Sobald die Vorladung abgeschlossen ist, wird der Vorladewiderstand über den elektronischen Schalter SE überbrückt und anschließend SV geöffnet. Alternativ kann SE wie vorab beschrieben als Hybridschalter ausgeführt sein. Für die Vorladung im DC-Abzweig sind unterschiedliche Realisierungsvarianten (siehe Bild 5) möglich:

1. Vorladung über den Widerstad RV. Der Widerstand RV und das Gleichstromschütz SV sind dem Schalt- und Schutzgerät zugeordnet und werden vom diesem angesteuert. Alternativ kann die Vorladung über einen Tiefsetzsteller erfolgen. Vorteil dabei ist, dass weniger Verluste auftreten und sich auch sehr große Kapazitäten strombegrenzt laden lassen. Die Realisierung kann entweder
2. über einen zusätzlichen IGBT SV und die Drossel L V oder
3. unter Verwendung des ohnehin vorhandenen IGBTs SE1 und einer Kombination aus Drossel L V mit Überbrückungsschalter SÜ erfolgen.

Die Vorladung des DC-Netzes kann grundsätzlich von einer übergeordneten Steuerung vorgenommen werden. In diesem Fall bestimmt die Steuerung eine sinnvolle Einschaltreihenfolge der Schalter, und die einzelnen Vorlade- und Überbrückungs-Schalter der Lastzonen werden direkt angesteuert. Zu erwarten ist allerdings, dass es auch DC-Netze ohne überlagerte Steuerung geben wird. Deshalb sei im Folgenden ein autarkes Vorlade-Konzept beschrieben, bei dem die Logik im DC-Abzweig hinterlegt ist und das auch ohne Ansteuerungskommunikation mit dem Netzmanagement ablaufen kann. Eine solche Lösung stellt die Minimalfunktionalität dar und lässt sich durch das Netzmanagement erweitern oder ersetzen. Die internen Parameter und Zustandsgrößen im DC-Zweig werden Ethernet-basiert kommuniziert, um automatisierungsbedingte Entscheidungen zu treffen.

Bild 6: Vorlade-Sequenz einer unbelasteten Lastzone

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Das Vorlade-Konzept wird hier nur anhand der Variante a) erläutert. In den Lastzonen können aber auch die Varianten b) und c) verwendet werden. Statt dem einfachen Schließen von SV wird hier getaktet ein Strom in LV eingestellt. Beispielhaft in einer unbelasteten Lastzone nach einem Wartungseinsatz ist der Anschluss A des DC-Abzweigs mit dem Gleichstromnetz verbunden und der Anschluss B mit der Lastzone wie in Bild 6 dargestellt. Die Lastzone ist zu Beginn entladen und die Lasten sind nicht in Betrieb. Während des Ladevorgangs werden alle Kapazitäten der Komponenten gleichzeitig geladen.

Der DC-Abzweig wartet auf einen Spannungsanstieg des DC-Netzes (UA). Überschreitet diese Spannung UA den Wert U1, wird nach T1 der Vorlade-Vorgang mit S V = 1 gestartet. Wenn die Spannungsdifferenz UA–UB ≤ ΔU innerhalb von T2 unterschritten wird, schließt nach Ablauf der Zeit T2 der Schalter SE. Wird die Spannung ΔU nicht unterschritten oder tritt eine Übertemperatur von R V auf, bricht der Vorlade-Vorgang ab (SV = 0) und es wird ein Fehler ausgegeben. Bei erfolgreicher Vorladung öffnet der Schalter SV nach der Zeit T3.

Austauschbarkeit der Verbindungstechnik ein Muss

Für die zukünftige Konnektivität muss insbesondere die Austauschbarkeit der für DC-Industrie verwendeten Verbindungstechnik erfüllt sein (Definition laut IEC in IEV 581-24-03). Das heißt: Die Form, die Maße und die Funktion sowie die technischen Eigenschaften der Verbindungstechnik an den Antrieben, den Schaltgeräten, den Versorgungsgeräten sowie der Infrastrukturkomponenten einer Leistungs- und  Installationsklasse (hybrid oder reine DC-Power) aus verschiedenen Quellen müssen identisch sein. Mit anderen Worten: Ein Steckverbinder eines Herstellers A – egal ob frei konfektionierbar, mit vorkonfektionierten Leitungen oder im Gerät integriert – muss sich durch einen Steckverbinder des Herstellers B ersetzen lassen und dabei die Funktionalität der Gesamtverbindung in allen ihren technischen Eigenschaften (elektrisch, mechanisch und klimatisch) bestehen bleiben.

Insbesondere im Hinblick auf die Infrastruktur-Steckverbinder für Hybridleitungen sind die Projektpartner bestrebt, die Variantenvielfalt durch ein skalierbares bezie-hungsweise modulares Konzepte gering zu halten. Die Infrastruktur-Steckverbinder kommen dort zum Einsatz, wo Energie (Haupt- und Hilfsenergie), Ethernet-basierende Daten und Signale (etwa STO – Safe Torque Off / sicher abgeschaltetes Moment) außerhalb des Schaltschrankes oder an der Schaltschrankwand verteilt werden. Beispiele dafür sind Wanddurchführungen, Outlet (Verteilerbox), Wallbox (Ladesäule) und FieldBox.

Neben der Festlegung allgemeiner Verbindungsanforderungen ist für DC-Industrie das nicht autorisierte Trennen von Stecker und Buchse zu verhindern. Im Fall der einfachen Entriegelung (Stufe 1) wird das unbewusste Ziehen der Steckverbinder verhindert. Durch die erweiterte Entriegelung wird die bewusste Entriegelung per Hand (Stufe 2) oder mit einem Standardwerkzeug (Stufe 3) ermöglicht. Die Stufe 4 schließlich sieht eine nochmalige Erweiterung der Entriegelung zum Beispiel mittels eines Schlüssels oder eines Spezialwerkzeuges vor; oder es wird im Fall einer automatischen Verriegelung das Öffnen des Steckverbinders durch einen definierten Zustand autorisiert freigegeben.

Neben den in diesem Artikel vorgestellten DC-Abzweigen steht heute schon eine Vielzahl klassischer Schaltgeräte für DC-Anwendungen wie Schütze oder Lasttrennschalter am Markt zur Verfügung. Somit lassen sich bereits in naher Zukunft Fer-tigungsanlagen in der Industrie auf Basis eines DC-Netzes realisieren.

Autoren:
Dr. Hartwig Stammberger verantwortet den Bereich Technologie und Simulation von Energieverteilungskomponenten bei Eaton Industries;
Wolfgang Veit ist bei ABB Stotz-Kontakt verantwortlich für den Segmentsupport Industrie/Maschinenbau & Schaltanlagenbau.
Olaf Grünberg ist Technologieentwickler Elektronik und DC-Industrie-Koordinator bei Weidmüller Interface.