Anfang des letzten Jahrhunderts entbrannte der ‚Stromkrieg‘ zwischen Thomas Edison und George Westinghouse – letzterer hatte die Patente für den Drehstrommotor von Nikola Tesla erworben. Während Edison mit Vehemenz für ‚seinen‘ Gleichstrom kämpfte, war Westinghouse überzeugt, der Wechselstrom sei das Maß aller Dinge; letztlich setzte sich der Wechselstrom durch. Schließlich ließ er sich einfach in hohe Spannungen transformieren, so dass elektrische Energie mit geringen Verlusten über weite Strecken von der Erzeugung bis zum Verbraucher übertragbar war. Lokale Gleichstrom-Netze wurden dennoch über eine sehr lange Zeit weiter betrieben; die letzte Gleichstrom-Versorgung – in Frankfurt am Main – wurde erst 1959 endgültig eingestellt.

Am Fraunhofer IISB (Erlangen) wurde ein DC-Microgrid mit 380 V installiert: Verschiedene DC-Quellen speisen auf einen zweipoligen DC-Bus mit 380 V ein. Lasten sind etwa die LED-Beleuchtung und ein 24-V(DC)-Subnetz zur Speisung von Bürogeräten.

© B. Wunder, Fraunhofer IISB

Heute ist die Erzeugung von Gleichspannungen bis über 1 MV möglich. In China beispielsweise wurden inzwischen HGÜ-Strecken (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) mit Übertragungsspannungen bis ±800 kV in Betrieb genommen. Auch bei kleinen Energieverteilungsanlagen (sogenannten Microgrids) ist Gleichspannung inzwischen ein spannendes Thema. Denn: Bei Speisung mit regenerativen Energiequellen wie PV-Anlagen ermöglichen DC-Sys-teme die Reduzierung von Wandlungsverlusten um bis zu 5 % im Vergleich zu AC. Dies ist in Zeiten steigender Energiepreise ein starkes Argument. 

Im Rahmen des EU-Forschungsprojektes DCC+G entstand am Fraunhofer Institut IISB in Erlangen ein Testnetz, mit dem ein Teil des Bürogebäudes mit einer Gleichspannung von 380 V versorgt wird. Ein neues Gebäude am gleichen Institut, dessen Fertigstellung für Herbst 2018 geplant ist, wird komplett mit DC versorgt. Dabei speisen verschiedene DC-Quellen auf einen zweipoligen DC-Bus mit 380 V ein. Lasten sind beispielsweise die LED-Beleuchtung und ein 25-V(DC)-Subnetz zur Speisung der Bürogeräte wie Laptop und Drucker. Dadurch entfallen viele Einzelnetzteile, und auch eine gefährliche Berührspannung existiert nicht.

Schaltvorgänge bei ­Gleichspannung

Tabelle 1: Physikalische und technische Unterschiede von Wechselspannung und Gleichspannung.

© E-T-A

Werden Vor- und Nachteile von Gleichspannung und Wechselspannung nebeneinander gestellt, scheint die Wechselspannung zunächst tatsächlich mehr Vorteile zu besitzen. Aber: Durch die wachsende Nutzung regenerativer Energiequellen, die Gleichspannung erzeugen, gewinnen die niedrigeren Gesamtverluste im Niederspannungsnetz überproportional an Bedeutung. So rücken Ein- und Ausschaltvorgänge bei DC mehr und mehr in den Fokus.

Problemfeld Lichtbogen

Beim Öffnen eines mechanischen Kontaktsystems entsteht – abhängig von Spannung und Strom – ein sogenannter Schaltlichtbogen. Ergo sind bei mechanischen Schaltern im Fall höherer Gleichspannungen aufwendige Maßnahmen zur Löschung des Schaltlichtbogens notwendig, um die Schaltkammern vor thermischen Schäden zu schützen.

Oszillogramm eines Abschaltvorgangs für eine Gleichspannung von 375 V sowie eine Löschkammer. Die Kontakte öffnen etwa 4 ms nach Kurzschlusseintritt, die Lichtbogenspannung springt sofort auf die Lichtbogen-Mindestspannung von etwa 14 V.

© E-T-A

Der Schaltlichtbogen besteht aus Raumladungszonen – dem Kathoden- und Anodenfallraum – sowie der Lichtbogensäule. Bei der Lichtbogensäule handelt es sich um ein quasineutrales ‚thermisches Plasma‘ endlicher Leitfähigkeit, das Temperaturen von 1000 bis 30.000 K aufweist. Der Strom im Lichtbogen wird nahezu vollständig (circa 99 %) von Elektronen getragen. Über dem Schaltlichtbogen tritt ein Spannungsfall auf. Dieser setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen: dem Spannungsfall über den beiden Raumladungsgebieten an den Elekt­roden sowie dem Spannungsfall über der Lichtbogensäule. Bei kurzen Lichtbögen ist der bestimmende Anteil die Summe der Spannungsfälle über den Raumladungszonen, bei langen Lichtbögen überwiegt die Spannung der Lichtbogensäule.

Um stabil zu brennen, benötigt ein Lichtbogen eine Mindestspannung von ungefähr 14 V. Der Mindeststrom hängt vom Elektroden-Werkstoff ab und beträgt bei Kupfer und Silber etwa 0,4 A. Werden diese Werte unterschritten, verlischt der Lichtbogen selbstständig. Daher können Lichtbögen in Automobil-Bordnetzen mit Systemspannungen von 12 V nicht stabil brennen.

Grundsätzlich gilt, dass zum Löschen eines Gleichstromlichtbogens die Lichtbogen-Spannung höher sein muss als die treibende Quellspannung. Abhängig vom fließenden Strom und weiteren Parametern stellt sich die Mindestbrennspannung eines Lichtbogens in Niederspannungs-Schaltgeräten bei 15 bis 20 V ein. Dies wird ausgenutzt, indem der Lichtbogen in eine Löschkammer gezwungen und durch gegeneinander isolierte Metallplättchen in viele Einzelbögen aufgeteilt wird. Die dadurch erreichte Erhöhung der Brennspannung reicht zusammen mit Kühleffekten durch Ausgasungsprodukte und Einquetschen des Bogens aus, um diesen zu löschen. Um Quellspannungen bis etwa 400 V zu löschen, sind mindestens zwölf Löschbleche erforderlich. Dabei ist es irrelevant, ob es sich um Wechsel- oder Gleichspannung handelt. 

Wird bei Wechselspannung der Lichtbogen nicht in der ersten Halbwelle gelöscht, kann er nach dem Nulldurchgang wieder zünden, falls die Schalt­strecke nach dem Stromnulldurchgang nicht ausreichend entionisiert wird. Bei Gleichspannung muss der Strom möglichst schnell zu Null gezwungen werden. Dies wird durch Magnetfelder ­erreicht – stromerregt mittels Blasspulen oder durch zusätzliche Permanentmagnete. Die resultierende Magnetkraft auf den Bogen treibt den Schaltlichtbogen in die Löschkammer.

Elektronisch Schalten mit Halbleitern

Zum elektronischen Schalten kommen heute MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) zum Einsatz. Beide Typen von Leistungshalbleitern ermöglichen das Ein- und Ausschalten von Strömen auch außerhalb des Nulldurchgangs. Dies ist ein signifikanter Unterschied zu stromgesteuerten Thyristoren, die erst durch ein Nullwerden des Stroms vom leitenden in den nichtleitenden Zustand übergehen.

Allerdings gelten weder MOSFETs noch IGBTs als erste Wahl beim DC-Schalten. MOSFETs bieten niedrige Verluste im Ein-Zustand, verfügen jedoch über relativ niedrige Sperrs­pannungen. IGBTs bieten hingegen hohe Sperrspannungen, haben dafür aber einen höheren On-Widerstand. Wird die Chipfläche verdoppelt, reduzieren sich die Verluste im Ein-Zustand beim IGBT um 10 bis 20 %, während sich beim MOSFET 50 % erreichen lassen.

IGBTs gibt es heutzutage für Sperrspannungen von mehreren 1000 V. Kommerziell verfügbare MOSFETs mit verhältnismäßig niedrigen Verlusten hingegen weisen Sperrspannungen unterhalb von 1000 V auf. Zum Schutz vor systembedingten transienten Überspannungen sollte in DC-Netzen mit 380 V die Mindest-Sperrspannung der zum Schalten verwendeten Halbleiter 600 V betragen. Aus diesem Grund werden hier häufig IGBTs genutzt.

In Wechselrichtern werden Leistungshalbleiter sehr schnell ein- und ausgeschaltet, die Schaltfrequenzen reichen bis 200 kHz. Daher sind Verluste beim Schalten dort ausschlaggebend.

Werden Halbleiter hingegen wie ein mechanischer Schalter verwendet, so muss dieser ‚Aus‘ oder ‚Ein‘ schalten, den Nennstrom dauerhaft führen und bei Betriebsbedingungen im Aus-Zustand isolieren. Aus diesem Grund sind hier die Verluste im Ein-Zustand maßgebend.