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 Werner 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 heute 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.
DC ist wieder im Rennen
Gleichwohl erlangt Gleichstrom aktuell wachsende Bedeutung. Denn die technologische Entwicklung der Leistungselektronik eröffnet die Möglichkeit, effizienten 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 die nachhaltige Stromversorgung durch erneuerbare Energieträger wie Photovoltaik, Windenergie oder Brennstoffzellen stets Gleichstrom. Auch Speicherbatterien geben in der Regel DC ab.
Beim Einsatz der elektrischen Energie unter Verzicht auf die Gleichrichtung von AC auf DC erhöht sich die Effizienz. Der Betreiber spart Kosten für Brennstoffe und Emissionen. Zudem werden Transformatoren überflüssig. Ferner sinkt der Bedarf an Kupfer, weil geringere Leitungsquerschnitte für die übertragene Leistung notwendig sind. All das erweist sich als Vorteil, der den Gleichstrom in der industriellen Produktion wirtschaftlich werden lässt.
All Electric Society rückt näher
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.
Bei der Gleichstromversorgung industrieller DC-Netze stellen die Schaltvorgänge eine besondere Herausforderung dar. Während bei AC ein möglicher Lichtbogen nach spätestens zehn Millisekunden beim Nulldurchgang des Stroms automatisch erlischt, entwickelt sich bei DC insbesondere beim Ausschalten ein stehender Lichtbogen, der beherrscht werden muss.
Stehende Lichtbogen beherrschen
Dafür gibt es eine Lösung: den DC-Leistungsschalter Contactron ELR HDC. Bei diesem Produkt hat sich Phoenix Contact für moderne Halbleitertechnologie entschieden, die in Kombination mit bewährten DC-Relais lichtbogenfrei schaltet und für hohe Lebensdauer sorgt.
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, Verbrauchern und dem Netz erforderlich ist – an sogenannten DC-Abzweigen.
Bis 810 Volt und 55 Ampere
Dabei erfüllt das Gerät neben dem Schalten von bis zu 55 Ampere bei bis zu 810 Volt weitere Aufgaben, die für den Betrieb eines DC-Netzes notwendig sind:
Einfache Installation
Zudem verfügt der Contactron ELR HDC über einen digitalen Ein- und Ausgang sowie eine Schnittstelle zur Einbindung in Netzwerkumgebungen. Anwender können die Geräteparameter bequem über das Netzwerk oder mit der Parametrierungssoftware Clipx Engineer von Phoenix Contact an ihre Anforderungen anpassen. Dazu schließen sie den Leistungsschalter per USB-C-Schnittstelle an ihr Notebook an und stellen die Geräteparameter gemäß ihrer Anwendung ein.
Leistungsfähigkeit bewiesen
Seine Leistungsfähigkeit hat der ELR HDC bereits unter Beweis gestellt. In Süddeutschland ansässige Automobilhersteller haben das Gerät genau geprüft und sich von seiner Effektivität überzeugt. Darüber hinaus ist der Leistungsschalter im neuen Gebäude G60 von Phoenix Contact in Blomberg verbaut. Das Gebäude dient unter anderem als Blaupause für die Produkte des Automatisierungsspezialisten, die die nächste industrielle Revolution in der Gleichstromwelt unterstützen.
Module der Baureihe Charx High Power erzeugen im G60 aus dem AC-Netz ein DC-Netz mit 650 Volt. Die bidirektionale Anbindung ermöglicht die Rückspeisung von überschüssiger Energie ins AC-Versorgungsnetz.
100 Kilowatt Photovoltaik eingebunden
An die Hauptstromverteilung der DC-Niederspannung ist eine Photovoltaikanlage mit Kilowatt Leistung angeschlossen, die Gleichstrom liefert. Die erforderliche DC-DC-Wandlung erfolgt einfach über Charx-Leistungsmodule im 19-Zoll-Format mit MPP-Tracking, da die Synchronisierung mit einem Wechselstromnetz nicht notwendig ist.
Die intelligente Vernetzung von Erzeugern und Verbrauchern mit einem Energiemanagementsystem (EMS) integriert die volatile Energieerzeugung des Solardachs unter Verwendung eines Batteriespeichers derart, dass der Energiezufluss aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz minimiert wird.
Zum Ausgleich länger andauernder Leistungsbedarfe in Gebäude 60 ist ein Batteriespeicher mit 240 Kilowattstunden eingebunden. Er wird zur Deckung von Lastspitzen genutzt und sorgt bei Unterbrechung des Stromnetzes für Stabilität und Versorgungssicherheit im gesamten Gleichstromnetz.
Batteriespeicher glättet Bedarf
Die bidirektionale Ankopplung von E-Ladesäulen in das DC-Grid (650 Volt) erlaubt den Energiefluss in zwei Richtungen: Fahrzeugbatterien werden geladen und kurzfristig ebenfalls als Energiespeicher genutzt. Kombiniert mit der intelligenten PLC next Control und einem Energiemanagementsystem trägt dies zur Abdeckung kurzfristig sehr hoher Lastspitzen und zur Netzqualität bei.
Intern versorgt das 650-Volt-DC-Netz Verbraucher in Festinstallation. Darüber hinaus werden über isolierende Umrichter Endstromkreise mit 400 Volt DC beliefert, zum Beispiel für die Beleuchtung und Anschlüsse für ortsveränderliche Geräte.
Netzteile für AC-Verbraucher
Aktuelle Wechselspannungsgeräte in der AC-Niederspannungsebene benötigen intern zur Versorgung von PCs, Bildschirmen und LED-Beleuchtungstechnik Netzteile mit Gleichrichtung und DC-Zwischenkreisen. Werden diese Geräte direkt aus einem Gleichstromnetz beliefert, kann ein Großteil des Gewichts und Volumens der Eingangskreise eingespart werden.
Mit der niedrigeren Spannung in den Endstromkreisen wird dem Personenschutz in Anlehnung an die DIN VDE 0100-410 Rechnung getragen. Die IT-Netze sind isolationsüberwacht und werden im Fehlerfall abgeschaltet.
Breite Palette von Anwendungen
Abgesehen von der Industrie und Gebäudetechnik finden sich weitere Anwendungsfelder des Contactron ELR HDC in Power-to-X-Anlagen, in Rechenzentren oder in der Informations- und Kommunikationstechnologie. Der Ausbau der Produktfamilie – zum Beispiel im Hinblick auf erweiterte Leistungsbereiche – ist Teil der mittelfristigen Planung.
Der Contactron ELR HDC punktet durch die Kombination von Schützen, Überwachen und Schalten bis über 40 Kilowatt sowie seine Kommunikationsfähigkeit in einem kompakten Gehäuse. Im Zusammenspiel mit der intuitiven Parametrierung erhalten die Anwender ein flexibel einsetzbares Werkzeug, um die nachhaltige Versorgung ihrer Produktionsstätten mit Gleichstrom sicherzustellen.
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Foto: Phoenix Contact
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Foto: Brandstetter Architekten
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