Untersuchung DC-spezifischer Aspekte

Trotz der vielen Vorteile herrscht bei potenziellen Anwendern der DC-Technik häufig ein großes Misstrauen, da Anlagen in AC-Technik nicht nur über Jahrzehnte erprobt sind, sondern weil hierfür auch eine Vielzahl von Komponenten verfügbar sind. Mit dem Transferzentrum kann im Idealfall die Bewegungsführung der kompletten Anlage nachgebildet werden, und die Vorteile insbesondere im Bereich der Energieeinsparung werden direkt ersichtlich. Im Rahmen des Projektes DC-Industrie 2 sollen aber auch besondere DC-spezifische Aspekte untersucht werden.

Einer der wichtigsten Gründe, DC-Netze im industriellen Bereich einzusetzen, ist die Nutzung von Rekuperationsenergie, die beim Abbremsen von Antrieben freigesetzt wird. Durch die DC-Vernetzung kann diese Energie direkt von anderen Antrieben wiederverwendet werden, was bis zu 30% Energie sparen kann [1]. Durch die im Transferzentrum umgesetzte Vernetzung der Komponenten über Feldbusse und zusätzliche Geräte zur Leistungs- und Energiemessung können die Energieflüsse unterschiedlichster nachgebildeter Anlagen aufgezeigt und Energieeinsparmöglichkeiten direkt nachgewiesen werden.

Kurzschlüsse sind in DC-Netzen besonders schwer zu beherrschen, da im Unterschied zu AC der Kurzschlussstrom nicht aus dem vorgelagerten Versorgungsnetz, sondern aus allen Kondensatoren im DC-Netz in die Fehlerstelle fließt [7]. Durch diese schnelle Entladung der Kondensatoren können im Fehlerfall auch Geräte im DC-Netz in ihrer Funktion eingeschränkt werden, die keinen Kurzschluss aufweisen. Aus diesem Grund sind fehlerhafte Teilsegmente durch schnelle, halbleiterbasierte Schutzorgane möglichst rasch vom DC-Netz zu trennen [8]. Das Transferzentrum liefert die Möglichkeit, unter Laborbedingungen gezielt Fehler- szenarien auszuprobieren. Durch die Vielzahl von Wechselrichtern mit unterschiedlich großen DC-Kondensatoren und unterschiedlichen Leitungslängen ergeben sich genügend Freiheitsgrade, um untersuchen zu können, wie Schutzorgane eingestellt werden müssen, damit in möglichst vielen Fällen Selektivität gewährleistet ist.

DC-Netze enthalten im Unterschied zu AC-Netzen eine hohe Anzahl leistungselektronischer Wandler, die bedingt durch ihr schaltendes Verhalten dem DC-Netz pulsförmige Ströme entnehmen. Diese pulsförmigen Ströme werden zwar durch in den Geräten verbaute Kondensatoren abgeblockt, es kann aber insbesondere bei langen Leitungen und geringen DC-Kapazitäten zu Resonanzerscheinungen kommen. Hierbei bildet die Induktivität der DC-Leitung einen Schwingkreis mit dem im Gerät verbauten Kondensator. Regt das Schalten der Wechselrichter die Resonanzen an, so können Überspannungen und Ströme auftreten, die letztlich zur Schädigung der Komponenten führen. Messungen innerhalb des Projektes DC-Industrie haben gezeigt, dass bei der Verwendung von Elektrolytkondensatoren (aufgrund der parasitären Eigenschaften) in der Regel genügend Dämpfung vorhanden ist, sodass keine kritischen Betriebszustände auftreten können. Kritisch hingegen könnte der Betrieb von Wechselrichtern mit Folienkondensatoren geringer Kapazität an langen Versorgungsleitungen sein. Dieser Fall soll mit dem Transferzentrum gezielt untersucht werden, indem die Länge der DC-Versorgungsleitung sowie die Schaltfrequenz der angeschlossenen Antriebe aufeinander abgestimmt werden. Die Resonanzfrequenz des sich ergebenden Schwingkreises lässt sich mittels eines Netzimpedanzmessgeräts [5] bestimmen. Von besonderem Interesse ist, wie sich die Netzimpedanz und somit auch das Resonanzverhalten bei Variation der angeschlossenen Geräte verändert. Das Transferzentrum erlaubt nicht nur unterschiedliche Geräte für diese Untersuchung einzubinden, sondern auch die Varianz der Betriebspunkte der Geräte.