Gleichstrom erlangt aktuell eine immer höhere Bedeutung. Denn die technologische Entwicklung der Leistungselektronik eröffnet die Möglichkeit, hocheffizienten 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 eine nachhaltige Stromversorgung durch erneuerbare Energieträger – etwa Photovoltaik, Windenergie oder Brennstoffzellen – stets Gleichstrom. Beim Einsatz der erzeugten elektrischen Energie unter Verzicht auf die Gleichrichtung von AC auf DC erhöht sich die Effizienz, und der Betreiber spart Kosten für Rohstoffe. So werden Transformatoren überflüssig. Ferner sinkt der Bedarf an Kupfer zur Herstellung von Leitungen, weil geringere Leitungsquerschnitte für die übertragene Leistung notwendig sind. „All das erweist sich als Vorteil, der den Gleichstrom in industriellen Produktionsanlagen wirtschaftlich werden lässt“, erklärt Dr. Martin Wetter, Executive Vice President Innovation bei Phoenix Contact. Mit der Strategie ‚Empowering the All Electric Society‘ treibt Phoenix Contact die steigende Bedeutung der DC-Technologie mit entsprechenden Produkten und Systemlösungen voran.
Einsatz an DC-Abzweigen
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. Dafür gibt es bereits eine Lösung: der DC-Leistungsschalter Contactron ELR HDC. Bei diesem Produkt hat sich Phoenix Contact für eine moderne Halbleitertechnologie entschieden, die in Kombination mit bewährten DC-Relais lichtbogenfrei schaltet und so für eine 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 selbst erforderlich ist – an sogenannten DC-Abzweigen.
Dabei erfüllt das Gerät neben dem Schalten von bis zu 55 A bei bis zu 810 V weitere Aufgaben, die für den Betrieb eines DC-Netzes notwendig sind:
- Im Betrieb überwacht der Leistungsschalter die wichtigsten Parameter und stellt diese auch für die Betriebsdatenerfassung zur Verfügung.
- Überschreitet der Betriebsstrom den eingestellten Maximalwert, schaltet der ELR HDC zeitlich verzögert ab, bis hin zu einer sehr schnellen Kurzschlussabschaltung.
- Im Fall einer Unter- oder Überspannung im Eingang schaltet das Gerät ebenfalls ab.
- Der Leistungsschalter lädt Kapazitäten im Ausgang auf die Eingangsspannung vor, sodass während des Einschaltens Stromspitzen vermieden werden.
kompakten Gehäuse. – Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH
Einstellung der Geräteparameter über das Netzwerk
Zudem verfügt der Contactron ELR HDC über einen digitalen Ein-/Ausgang sowie eine Kommunikationsschnittstelle 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 einfach gemäß ihrer Anwendung ein.
Gleichstrom liefert. – Bild: Brandstetter Architekten
Seine Leistungsfähigkeit hat der ELR HDC schon unter Beweis gestellt. So haben in Süddeutschland ansässige Automobilhersteller das Gerät genau geprüft und sich von seiner Effektivität überzeugt. Darüber hinaus ist der Leistungsschalter im neuen Gebäude G60 von Phoenix Contact am Standort Blomberg verbaut. Das Gebäude dient unter anderem als Blaupause für die Produkte des Automatisierungsspezialisten, die die nächste industrielle Revolution in der Gleichstromwelt unterstützen. Abgesehen von der Industrie und Gebäudetechnik finden sich weitere Anwendungsfelder des Contactron ELR HDC in Power-to-X-Anlagen, Rechenzentren oder im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie. Der Ausbau der Produktfamilie – zum Beispiel im Hinblick auf erweiterte Leistungsbereiche – ist ebenso Teil der mittelfristigen Planung.
Der Contactron ELR HDC punktet durch die Kombination von Schützen, Überwachen und Schalten bis über 40 kW 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.
Das industrielle Gleichstromnetz des neuen Gebäudes G60 dient auch zur Erforschung der DC-Technologie. Module der Baureihe Charx High Power erzeugen aus dem AC-Netz das 650-V DC-Netz. Die bidirektionale Anbindung ermöglicht zudem die Rückspeisung von überschüssiger Energie der weiteren Einspeiser in das öffentliche Versorgungsnetz. An die DC-Niederspannungs-Hauptstromverteilung ist eine PV-Anlage mit 100kW Peak 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. Eine intelligente Vernetzung von Erzeugern und Verbrauchern mit einem Energiemanagementsystem (EMS) integriert die volatile PV-Energieerzeugung unter Verwendung eines Batteriespeichers derart, dass der Energiezufluss aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz minimiert wird.
Zum Ausgleich länger andauernder Leistungsbedarfe in Gebäude 60 ist ein 240kWh-Batteriespeicher eingebunden. Er kann zur Deckung von Lastspitzen genutzt werden und sorgt im Fall einer Unterbrechung des öffentlichen Netzes ferner für Stabilität und Versorgungssicherheit im gesamten Gleichstromnetz. Die bidirektionale Ankopplung von E-Ladesäulen in das 650V DC-Grid erlaubt den Energiefluss in zwei Richtungen: Fahrzeugbatterien können geladen und kurzfristig ebenfalls als Energiespeicher genutzt werden. Kombiniert mit der intelligenten PLCnext Control und einem EMS trägt dies zur Abdeckung kurzfristig sehr hohe Lastspitzen und zur Netzqualität bei. Intern versorgt das 650VDC-Netz Verbraucher in Festinstallation. Darüber hinaus werden über isolierende Umrichter Endstromkreise auf der Spannungsebene 400VDC beliefert, zum Beispiel für die Beleuchtung und Anschlüsse für ortsveränderliche Geräte.
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 ist dem Personenschutz in Anlehnung an die DIN/VDE0100-410 Rechnung getragen. Die IT-Netze sind isolationsüberwacht und werden im Fehlerfall abgeschaltet.
