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 K