DC DC Spannungswandler im industriellen Umfeld

Lesedauer – ca. 5 Minuten – DC/DC Spannungswandler im Gleichspannungsnetz der industriellen Produktion (DC Industry Grid) bieten eine Reihe von Vorteilen. In diesem Beitrag möchten wir Ihnen aufzeigen, welche Gründe für einen Umstieg auf Gleichstrom im industriellen Umfeld sprechen.

Ende des 19. Jahrhunderts kam es zwischen Tesla, Westinghouse und Edison zum sogenannten Stromkrieg. Aufgrund mehrerer entscheidender Vorteile konnte sich in diesem Konflikt Tesla und Westinghouse mit der Wechselstromtechnik durchsetzen, und eine lange währende Ära dieser Art von Energieversorgung begann. Jetzt fast 125 Jahre später fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie seit dem 1. Juli 2016 ein branchenübergreifendes Forschungsprojekt namens „DC-Industrie“. Ziel dieses Projektes ist eine Umstellung der Energieversorgung in der industriellen Produktion durch DC DC Spannungswandler auf Gleichstrom. Eine solche Umstellung betrifft nicht nur die Versorgungsnetze, sondern in gleichem Maße auch die Leistungselektronik in der Industrie. Im Folgenden werden sowohl die Vor- und Nachteile der beiden Versorgungsarten als auch die daraus resultierenden Konsequenzen für die Verbraucher analysiert.

Gründe für den Umstieg auf DC/DC Spannungswandler

Grundsätzlich muss bei der Wahl einer geeigneten Energieversorgung zwischen zwei separaten Anforderungen unterschieden werden. Die Energieübertragung vom Erzeuger zum Abnehmer und die Funktionsweise der Verbraucher. Um den Strom möglichst verlustarm über weite Wegstrecken transportieren zu können, sind hohe Spannungen notwendig. Eine wirtschaftliche Anpassung der Spannung war in der Vergangenheit nur mit Wechselspannung möglich. Der Energietransport mittels Wechselspannung führt aber in Abhängigkeit der Entfernung und der notwendigen Isolierung zu Verlusten. Diese Verluste beruhen auf den kapazitiven und induktiven Eigenschaften der Leitung, welche in Abhängigkeit der Wechselstromfrequenz und der Leitungslänge zu einem ständig auftretenden Blindstrom führen. Des Weiteren sind in Folge des sogenannten Skin-Effektes, bei dem sich aufgrund der hohen Frequenz die Ladungsträger vermehrt an der Oberfläche des Leiters bewegen, dickere Kabel als bei einer vergleichbaren DC-Übertragung notwendig, um dem Strom eine höhere Leiteroberfläche zur Verfügung stellen zu können.

Durch die Entwicklung von Hochleistungsthyristoren und IGBT‘s (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist die Umformung von hohen Wechselspannungen zu hohen Gleichspannungen und zurück in größerem Maßstab und somit eine effizientere Energieübertragung über HGÜ-Leitungen (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) möglich geworden. Vor einigen Jahren bezogen die Mehrzahl der Verbraucher wie Glühbirnen, Staubsauger sowie verschiedenste Werkzeuge und Maschinen ihre Energie aus Wechselstrom. Während ohmsche Verbraucher wie Glühlampen oder Heizungen mit beiden Stromarten betrieben werden können, wurden bereits früh Motortypen entwickelt die nahezu wartungsfrei und ohne Bürsten mechanische Energie direkt aus Wechselstrom erzeugen können, wie zum Beispiel der Asynchronmotor und der Reluktanzmotor. Andere Motortypen wie der Universalmotor, oder Einphasen-Reihenschlussmotor, benötigen zwar Bürsten, funktionieren aber sowohl mit gleich- als auch mit Wechselstrom.

Dies hat sich und wird sich mit der aktuell stattfindenden industriellen Revolution und dem Fortschritten in der Batterieentwicklung drastisch ändern. Lag der Gesamtwirkungsgrad der Versorgung mit elektrischer Energie früher bei etwa 65%, beträgt er heute nach aktuellen Schätzungen aufgrund des gesteigerten Bedarfs an Gleichspannung und der dadurch notwendigen Wandlung aus Wechselspannung nur noch etwa 56%. Kommt es im Zuge der Dezentralisierung der Energieeinspeisung in Kombination mit dem geänderten Verbraucherbedürfnissen nicht zu einem raschen Umstieg auf Gleichstrom, dürfte die Energiebilanz zukünftig noch deutlich schlechter werden.

DC DC Spannungswandler in der Gleichstromversorgung

Eine Hochvolt-Gleichstromversorgung bietet in der Industrie die wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeit einer redundant abgesicherten dezentralen Energieversorgung. Der Einsatz von Batteriespeicher zum Puffern von Lastspitzen und zur Überbrückung von Netzausfällen senkt die Energiekosten und die Dimensionierung der Versorgungsleitungen. Dieser Ansatz erfordert zur Realisierung verschiedene DCDC-Wandler. Um die Akkus der Energiespeicher aus dem Gleichstromnetz zu laden werden leistungsstarke geregelte DCDC-Wandler mit integriertem Ladeerhaltungsprogramm benötigt. Durch eine Vernetzung der beteiligten Leistungselektronik kann der Ladeprozess mit günstigem Nachtstrom oder zu Zeiten eines Energieüberangebotes erfolgen, was eine Entlastung der Energieinfrastruktur mit sich bringt.

Zur Versorgung von Computern und Servern sowie den Niedervoltbordnetzen von Fahrzeugen in Automobilwerken werden 12 VDC benötigt. Diese 12 VDC können von DCDC-Wandlern mit einem Weitbereichseingang, trotz evtl. schwankender HV-Batteriespannungen, mit hoher Stabilität und Genauigkeit zur Verfügung gestellt werden. Etwa 70% des industriellen Stromverbrauches entfallen auf die Versorgung von Elektromotoren. Diese Antriebe setzen zur Drehzahlregelung immer häufiger Frequenzumrichter mit einem eigenen Gleichspannungszwischenkreis ein. Durch den Einsatz eines zentralen DCDC-Wandlers, welcher mehrere Frequenzumrichter mit der notwendigen Zwischenkreisspannung versorgt, kann das Design der Frequenzumrichter deutlich vereinfacht werden. Dies verringert nicht nur die Anschaffungskosten, sondern steigert auch den Wirkungsgrad des Systems.

Fazit

Ob zukünftig der Gleichstrom den Wechselstrom komplett ersetzen wird, oder ob eine Koexistenz der beiden Varianten sinnvoll ist, kann erst nach der Lösung einiger technischer und wirtschaftlicher Fragen geklärt werden. Laut Gunther Koschnick, der Geschäftsführer vom ZVEI-Fachverband Automation, ist aber durch den Wegfall vieler Stromwandler bei Antrieben, Elektronik und Ladeinfrastruktur ein Energieeinsparpotential von etwa 10% möglich. Gleichzeitig können auf diese Weise die Versorgungsnetze stabiler und die Geräte kompakter und ausfallsicherer realisiert werden.