Roboterarme drehen sich, beschleunigen und bremsen ab vor silberglänzenden Karosserieteilen. Auf den ersten Blick sieht hier alles aus wie eine gewöhnliche Produktionslinie in der Automobilindustrie. Doch diese Anlage im Werk Dingolfing der BMW Group ist anders: Sie wird über ein DC-Netz versorgt.
Am Anfang war die Wechselstromversorgung
Im späten 19. Jahrhundert tobte der Stromkrieg zwischen Thomas Alva Edison (DC) und George Westinghouse (AC). Die Frage, die in diesem Wettstreit geklärt werden sollte, war wie die großflächige Versorgung von Stromnetzen in der Zukunft aussehen wird. Die Wechselspannung hat sich schlussendlich durchgesetzt. Einer der Gründe war, dass zu diesem Zeitpunkt AC-Spannung einfach hoch- und runtertransformiert werden konnte.
Die Vorteile des Gleichstroms
Trotz des Erfolgs der AC-Technik ist die DC-Technik nie in Vergessenheit geraten. Die technologische Entwicklung der Leistungselektronik bietet heute die Möglichkeit, hocheffizienten Gleichstrom preisgünstig nutzbar zu machen. DC-Netze bieten weitere Vorteile. Die meisten elektronischen Geräte wie PCs oder LED-Beleuchtungen arbeiten an Gleichspannung. Auch Elektroautos werden mit der Energie aus Batterien betrieben, die Energie in Form von Gleichstrom speichern. In der Industrie arbeiten viele Verbraucher mittels Frequenzumrichter an einem Gleichspannungszwischenkreis. Bei all diesen Verbrauchern kann in einem DC-Netz auf die verlustbehaftete AC/DC-Wandlung verzichtet werden. Ebenfalls lassen sich erneuerbare Energie wie die Photovoltaik oder Speichersysteme wie Brennstoffzellen deutlich effizienter in ein Gleichstromnetz einbinden. Durch eine intelligente Steuerung des Leistungsflusses und die Vernetzung der Sektoren aus Verbrauch und Erzeugung lässt sich eine hohe Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Versorgungssicherheit sicherstellen. Lösungen für diese Bereiche bietet Phoenix Contact.
Gleichstrom als Schlüsseltechnologie
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung in einer All Electric Society gilt es, erneuerbare Energien effizient zu nutzen sowie Energie- und Materialressourcen bestmöglich zu schonen. Beides bietet die Gleichstromtechnologie. Da weniger Leitungen und ein geringerer Leitungsquerschnitt notwendig sind, um die gleiche Leistung zu übertragen, sparen Gleichstromanwendungen Rohstoffe wie Kupfer ein. „All das sind Vorteile, die den Gleichstrom in industriellen Produktionsanlagen sehr wirtschaftlich werden lassen“, erklärt Dr. Martin Wetter, Executive Vice President Innovation bei Phoenix Contact. Das Familienunternehmen ist genauso wie die BMW Group Mitglied der Open Direct Current Alliance (ODCA) und engagiert sich schon seit Jahren für die Etablierung der Gleichstromtechnik.
Als im Jahr 2016 bei BMW der Startschuss fiel, um den Einsatz von Gleichstromtechnologie in einer Produktionszelle im Werk Dingolfing zu erforschen, konnte Phoenix Contact dank seines Lösungsportfolios schnell unterstützen. „Durch langjährige kooperative Zusammenarbeit steht Phoenix Contact dem Projektteam von BMW mit Produkten und Lösungen für die Planungs- und Projektierungsarbeiten zur Seite. Das bestehende und stetig wachsende DC-Produktportfolio wird gerne angenommen und durch praktische Anwendungen final optimiert“, berichtet Manfred Klotz, Industrie- und Key Account Manager Automotive bei Phoenix Contact.
Von der Theorie in die Praxis
Um eine Gleichstrom-Infrastruktur in einer Produktionsumgebung aufzubauen, muss zunächst das öffentliche AC-Netz in ein DC-Netz umgewandelt werden. Mit den Produkten aus dem Bereich High Power Systems (HPS) von Phoenix Contact gelingt dies denkbar einfach. Dass sich die Module zu einer Gesamtleistung von bis zu 1.5MW anpassen lassen, sorgt für eine hohe Flexibilität. Das Einsatzspektrum der HPS-Module ist darüber hinaus weitaus größer. Die Geräte im 19″-Format binden die verschiedenen DC-Teilnetze wie die PV-Anlage, Beleuchtung oder die DC-Ladeinfrastruktur an den übergeordneten DC-Bus an. Durch den weiten Ausgangsspannungsbereich von 30 bis 1000VDC ist es zudem möglich, das gesamte DC-Netz ‚langsam‘ hochzufahren. Die Leistungsparameter der Module sind über die PLC Next Plattform von Phoenix Contact einfach zu parametrieren. Dadurch sollen in Zukunft die einzelnen DC-Sektoren netzdienlich miteinander gekoppelt werden.
Stromversorgung und Leistungsschalter
Wird eine 24VDC Hilfsversorgungsspannung benötigt, können die DIN-Rail-Stromversorgungen Quint Power der 4. Generation eingesetzt werden. Sie überzeugen durch einen weiten DC-Eingangsbereich, welcher sich von 450 bis 900VDC erstreckt. In der Leistungsklasse von 240 bis 960W lassen sich die individuellen Lasten versorgen. Das Schalten und das Schützen sowie das Vorladen von DC-Sektoren an einer bestehenden DC-Infrastruktur sind technische Herausforderungen, für die Phoenix Contact heute schon die richtige Antwort hat. Der DC-Leistungsschalter Contactron ELR HDC ist genau für diese Anwendungen entwickelt worden. Er verfügt über eine Vorladefunktion, um insbesondere kapazitive Lasten auf eine gemeinsame Spannung zu heben und so Strom- und Spannungsspitzen während des Schaltvorgangs zu verhindern. Weiterhin überwacht das Gerät Spannung und Strom während des Betriebs und verfügt im Fall von Überstrom über eine dreistufige Abschaltfunktion, bis hin zu sehr schnellen Abschaltzeiten bei Kurzschluss. Der Bediener kann die wesentlichen Parameter bequem per USB-Schnittstelle einstellen. Außerdem bietet der Schalter Netzwerkfähigkeit mit einer IO-Link-Schnittstelle.
Ohne Lichtbogen im Gleichstromnetz
Ein entscheidender Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrom ist der Lichtbogen bei Trennvorgängen unter Last. Bei Wechselstromanwendungen oszillieren Strom und Spannung. Es kommt somit 100-mal in der Sekunde zu Nulldurchgängen mit Polumkehr. In Gleichstromanwendungen ist dies nicht der Fall, sodass ein möglicher Lichtbogen nicht automatisch gelöscht wird. In dieser Netzform sind die Schäden an Kontakten und Gehäusen größer und es besteht ein größeres Risiko für den Bediener. Der ArcZero-Stecker ist der einzige Stecker seiner Art, der den Gleichstromlichtbogen aktiv löscht. Er arbeitet nicht passiv z.B. mit Opferkontakten, sondern mittels einer aktiven intelligenten elektronischen Steuerung, was für eine hohe Anzahl Steckzyklen sorgt. Durch diesen einzigartigen technologischen Ansatz ist das häufige und sichere Stecken und Ziehen unter Last ohne Lichtbogen in Gleichstromnetzen möglich geworden.
Die Lösungen von Phoenix Contact sind auch im BMW-Werk in Dingolfing zu finden. Damit leistet die Blomberger Pionierarbeit für den Durchbruch von DC-Netzen. Der Weg geht jedoch noch weiter. Das neue G60-Gebäude in Blomberg soll weitere Weichen für die Zukunft stellen. Es ist die Blaupause für die Produkte von Phoenix Contact für die nächste industrielle Revolution in die Gleichstromwelt.
Gleichstromnetze als Erfolgsmodell
Schon nach 1,5 Jahren Testphase war allen Beteiligten klar, dass die Produktionsanlage in Dingolfing nicht wieder zurückgebaut wird, im Gegenteil: Gleichstromnetze lohnen sich. Die Energieeffizienz konnte im Vergleich zu Wechselstrom-Anlagen gesteigert werden. Der Energieverbrauch ließ sich etwa durch die Ausnutzung der Rekuperationsenergie innerhalb der Robotertestzelle um 8,8% reduzieren. „Um den Trend der DC-Technik weiter voranzutreiben, bedarf es neben innovativen Produkten einer einheitlichen und weltweiten Standardisierung. Dafür machen sich alle Beteiligten in der ODCA gemeinsam stark,“ sagt Dr. Martin Wetter, der sich aktiv im Vorstand der Organisation engagiert.
