Die Gleichstromfabrik

2	Potenziale einer industriellen Gleichstromversorgung

Timm Kuhlmann
Patrick Spanier
Martin Ehlich

2.1	Wandel vom AC-Netz zum DC-Netz

AC-Netze sind weltweit in allen Fabriken Stand der Technik. Dabei gibt es regional große Unterschiede, was Spannungshöhe, Frequenz und Erdungssysteme angeht. Deshalb werden heute AC-Geräte in der Regel für variable Eingangsspannungen und unterschiedliche Anschlussbedingungen entwickelt und qualifiziert.

Verbraucher in einem AC-Netz

Im Industriebereich sind dreiphasig gespeiste elektrische Antriebe mit DC-Zwischenkreis (400 V . . . 800 V) die „treibende“ Kraft in allen Maschinen und Anlagen. Sie verwenden über 70 % der elektrischen Energie in einer Fabrik und setzen diese in mechanische Bewegung um.

Eine heutige Fabrik mit typischen Verbundnetz-Teilnehmern ist in Bild 2.1 skizziert.

Die fabrikinterne AC-Verteilung wird in der Regel über einen eigenen zentralen Transformator am Netzanschlusspunkt gespeist. Wenn die Leistung nicht ausreicht oder aus Sicherheitsgründen Redundanz gefordert ist, können es auch mehrere solcher Einspeisepunkte sein. Die AC-Verteilung arbeitet 3-phasig. Einzelne Bereiche, Maschinen oder größere Einzelverbraucher können separat über Schütze zu- und abgeschaltet werden. Im Fehlerfall trennt ein Schutzschalter oder eine Sicherung diese energienutzenden Zonen vom AC-Netz. Diese Schalt- und Schutzelement sind als Vereinfachung in Bild 2.1 nicht dargestellt. Der Fokus liegt auf den typischen Verbraucher innerhalb dieser Zonen:

       direkt am AC-Netz angeschlossene Drehstrommotoren, z. B. in Pumpen, Lüftern, Klimageräten sowie zur Druckluft- und Hydraulikerzeugung

       komplette Bearbeitungsmaschinen und Roboter mit vielen individuell steuerbaren Achsen

       Positions-, Drehzahl- oder Drehmomentgesteuerte Einzelantriebe, die in allen Produktionslinien sowie in Förder- und Hubanwendungen zum Einsatz kommen

       Schweißkoffer für das Widerstandsschweißen in der Automobilindustrie; diese nutzen ebenfalls Umrichter mit DC-Zwischenkreis, um die Primärseite des Mittelfrequenz-Schweißtransformators anzusteuern

       passive Verbraucher, wie z. B. Heizungen für Wärmeöfen, Lötanlagen in der Elektronikfertigung oder Heizanwendungen für die Kunststoff- oder Kleberverarbeitung

       alle Arten von Automatisierungsgeräten, wie Maschinen- und Anlagensteuerungen, Kommunikationssysteme, Näherungsschalter, Lichtschranken etc. benötigen eine Gleichspannung von 24 V zur Versorgung der integrierten Elektronik; diese Hilfsspannungsversorgung wird über eine Vielzahl von separaten oder geräteintegrierten AC-Netzteilen bereitgestellt

       Steckdosen für ortsveränderliche Geräte, elektrische Werkzeuge für lokale Wartungs- oder Montagearbeiten oder Messgeräte; auch in den Schaltschränken werden oft 230 V Steckdosen vorgesehen

Rückspeisung in einem AC-Netz

Vom Prinzip her ist die Stromrichtung in der AC-Verteilung bidirektional, was auch in einigen Anwendungen genutzt wird. Allerdings können nur solche Verbraucher Energie zurückspeisen, bei denen im Prozess generatorische Energie anfällt. Diese Energie muss entsprechend gewandelt werden, damit sie synchron zur Frequenz des AC-Netzes abgegeben werden kann. Dies ist nur mit aktiv geregelten Eingangswechselrichtern möglich, welche ungleich aufwändiger und teurer sind als die meist eingesetzten unidirektionalen Diodengleichrichter. Eine Rückspeisung von Energie in ein AC-Netz wird daher nur dann eingesetzt, wenn eine deutliche Reduzierung der Energiekosten die Investition deckt.

Netzausfälle in einem AC-Netz

Bei einem Netzausfall wird der gesamte Produktionsprozess unmittelbar gestoppt. Dies ist sogar oft schon bei recht kurzen Unterbrechungen von weniger als einer Sekunde der Fall. Technisch gesehen gibt es die Möglichkeit, eine bestimmte Netzausfallzeit mit Hilfe von Batteriespeichern zu überbrücken. Die Kosten für Anschaffung, Installation, Wartung und Bauraum sind aber so hoch, dass solche Systeme in der Regel nur in sicherheitsrelevanten Bereichen wie Atomkraftwerken, Rechenzentren und Krankenhäusern zum Einsatz kommen.

Gründe für den Umstieg auf ein DC-Netz

Eine Analyse der industriellen Verbraucher zeigt, dass es in allen Anwendungsbereichen eine zunehmende Anzahl an Verbundteilnehmern gibt, welche die eingangsseitige AC-Spannung intern ohnehin in eine Gleichspannung umwandeln. Die Batteriespeicher zur Überbrückung von AC-Netzausfällen können nur mit Gleichspannung versorgt werden. Da ist der Gedanke naheliegend, diese Verbraucher direkt mit Gleichspannung zu versorgen.

Gleichzeitig gibt es immer mehr Energieerzeuger, welche einen Gleichstrom erzeugen, der über DC/DC-Wandler direkt in ein Gleichspannungsnetz eingespeist werden kann (Bild 2.2). Dazu gehören die am weitesten verbreiteten – da praktisch überall dezentral einsetzbar – regenerativen Technologien: Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen).

Bei Windrädern wird das rotatorisch erzeugte Drehspannungssystem zunächst mit Hilfe von elektronischen AC/DC-Wandlern in eine Gleichspannung umgewandelt, da die Generatoren zunächst eine Netz-asynchrone Wechselspannung erzeugen. Der heute erforderliche Wechselrichter (DC/AC-Wandler) kann für den Anschluss an ein DC-Netz durch einen vergleichsweise einfachen DC/DC-Wandler ersetzt werden. Damit kann lokal erzeugte Windenergie direkt in einem DC-Fabriknetz genutzt werden.

PV-Anlagen erzeugen prinzipbedingt eine Gleichspannung, deren Höhe von der Verschaltung der Solarmodule (Anzahl der seriell verbundenen Module in einem Strang) abhängt (Bild 2.3). Für die Nutzung in einem klassischen AC-Netz wird hier ebenfalls ein Wechselrichter benötigt, der den Strom netzsynchron und phasenrichtig einspeist. Der Anschluss einer PV-Anlage an ein DC-Netz ist einfacher umzusetzen.

Wegen der hohen Bedeutung und zahlenmäßigen Verbreitung drehzahlveränderlicher Antriebe mit DC-Zwischenkreis gibt es bereits seit langer Zeit Bestrebungen, einen Energieaustausch zumindest im lokalen Antriebsverbund herzustellen. Viele herstellerspezifische Lösungen ermöglichen dies für begrenzte, proprietäre Verbundsysteme schon heute, bieten aber keinen offenen, herstellerübergreifenden Standard für komplette Anlagen und Fabriken. Diese sogenannten Zwischenkreisverbünde nutzen schon alle Vorteile eines DC-Netzes im kleinen Maßstab. Die Hersteller und Anwender solcher Antriebsachsen wissen genau, dass bei einem dynamischen Mehrachssystem viel rekuperierte Energie entsteht und weiterverwendet werden kann. Die Einsparung jeweils eines Gleichrichters und eines Bremswiderstands pro Achse reduziert die Gerätekosten und den Bauraum.

Andere nicht industrielle Bereiche nutzen DC-Verteilnetze dort, wo die Kompatibilität oder die Anbindung an ein AC-Netz nicht notwendig ist. Dazu gehören beispielsweise Bordnetze von E-Fahrzeugen, aber auch bei Schiffen wird bereits auf DC-Technologie gesetzt. Auch die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wird teilweise an einem DC-Verteilnetz betrieben, wenn es über einzelne Ladesäulen hinausgeht, und damit die vielfache Wandlung von AC nach DC entfällt. Bei größeren Rechenzentren (Server-Farmen) ist es schon Stand der Technik, alle Einheiten über ein DC-Verteilnetz zu versorgen.

Die Idee eines offenen DC-Netzes

Der umfassende Gedanke besteht darin, alle bisher genannten Systeme, soweit sie in der Industrie vorkommen, durchgängig über ein gemeinsames, offenes, d. h. herstellerübergreifendes DC-Netz zu versorgen. Dieses industrielle DC-Netz soll von einzelnen Maschinen bis auf komplette Fabrikhallen (Gebäude) skalierbar sein, weil hierbei alle Vorteile der DC-Technologie genutzt werden können, ohne dass Änderungen im äußeren Zuleitungsbereich oder auf der Mittelspannungsebene erforderlich sind.

Durch den systembedingten direkten Energieaustausch zwischen motorischen und generatorischen Prozessen entsteht im DC-Netz ein selbstregulierender Energieausgleich. Aus dem AC-Netzanschluss kann so ausschließlich die Energie bezogen werden, die abzüglich eventueller integrierter erneuerbarer Energiequellen für die Umsetzung von Fertigungsprozessen benötigt wird. Hauptsächlich wird diese Energie in Bearbeitungs-, Verarbeitungs- und Förderprozessen umgesetzt. Idealerweise soll keine überflüssige Energie aus Bewegungsabläufen mehr an Bremswiderständen verheizt werden.

Ein offenes DC-Netz mit typischen und möglichen Netzteilnehmern ist in Bild 2.4 skizziert.

In der Gleichstromfabrik müssen die gleichen Prozesse und Bewegungsabläufe wie vorher erfüllt werden. Im Unterschied zum AC-Fabriknetz gibt es ein oder mehrere zentrale Versorgungsgeräte als AC/DC-Wandler, welche die energetische Verbindung zum „speisenden“ AC-Netz herstellen. Je nach Geräteausführung ist dieser Energiefluss unidirektional (reine Einspeisung z. B. über Diodengleichrichter) oder bidirektional (Ein- und...