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 inBild 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 inBild 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
Bild 2.1Topologie in einem industriellen AC-Fabriknetz
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.
Netzausfä
