SCHURTER AG ELECTRONIC COMPONENTS

Gleichstrom ersetzt zunehmend Wechselstrom, da dieser eine effizientere Energieversorgung bietet.

Bild: iStock, Akindo

Gleich- statt Wechselstrom Ohne Umwege versorgen

07.03.2019

Gleichstrom ersetzt in immer mehr Bereichen Wechselstrom. Das senkt Verluste durch Transformation, erhöht die Effizienz und reduziert die Störanfälligkeit der Stromversorgung. Eine wichtige Rolle spielen dabei DC-Gerätesteckverbinder.

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Gerätestecker mit einer Leistung von 250 VAC und 10 A, also für Geräteleistungen von bis zu 2.500 W, sind standardisiert nach IEC 60320 und in fast allen Belangen ausgereizt. Es existieren nur ein paar Ansätze für Verbesserungen und Zusatzfunktionen wie Schalter, Sicherungshalter, Auszugsicherungen oder Lichtleiter zur Statusanzeige.

Mit der zunehmenden Anzahl an Verbrauchern, die direkt mit Gleichspannung versorgt werden sollen, muss dieser klassische Ansatz aber vermehrt hinterfragt werden. Die Energieeffizienz ist mäßig. Transformationen und Umwandlungen verheizen einen nicht unbeträchtlichen Teil der Energie ohne den geringsten Nutzen.

Im Zeitalter der Energiewende, in welchem eine Abkehr von Kernkraft und fossilen Brennstoffen von Politik und Gesellschaft mehrheitlich gefordert wird, gerät eben diese Energieeffizienz verstärkt in den Fokus. Auf jedem elektrischen Haushaltsgerät prangt ein Label, wie effizient dieses mit Energie verfährt. Dasselbe Bild bietet sich bei Automobilen. Die Liste lässt sich beliebig erweitern. Die Zeiten des sorglosen Umgangs mit Energie sind vorbei. Im digitalen Zeitalter stehen Unmengen DC-betriebener Geräte im Einsatz. Die Palette erstreckt sich von der Unterhaltungselektronik über die Informationstechnologie, die Kommunikationstechnik oder zukünftig die Elektromobilität. Und das sind nur die Verbraucher.

Am anderen Ende der Energieversorgungskette etablieren sich Technologien wie Photovoltaik, Windparks oder Brennstoffzellen, die Gleichstrom erzeugen. Auch bei der Stromübertragung wirft DC ein wichtiges Argument in die Waagschale: die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Sie ermöglicht eine verlustarme Übertragung hoher Leistungen über große Distanzen. Wird Energie in Form von Gleichspannung erzeugt, übertragen und verbraucht, dann ist es nicht bloß unökologisch, sondern auch unökonomisch, einen Teil dieser Energie durch Transformation zu verlieren.

DC ist weniger störanfällig

Eine Vorreiterrolle in der konsequenten Nutzung von Gleichstrom nimmt die Informations- und Kommunikationstechnologie mit ihren Data Centers ein. Die Rechner in ihnen arbeiten mit Gleichstrom. Es ist deshalb sinnvoll, die gesamte Energiebereitstellung von Datenzentren auf Gleichstrom umzustellen; vom Netz bis zum Chip. Die DC-Architektur enthält deutlich weniger Komponenten als die Wechselstrom-Variante. Deshalb ist sie weniger störungsanfällig. Durch den Wegfall diverser Transformationen und Umwandlungen erhöht sich die Effizienz gemäß Berechnungen und Studien, etwa von ABB und Stulz, von der Einspeisung bis hin zum Server bereits um 10 Prozent. Bei den reinen Investitionen für die elektrische Infrastruktur wird eine Reduktion um 15 Prozent angenommen.

Energie sparen lässt sich aber nicht nur bei Datenzentren. Daneben bietet sich weitere Anwendungsfeldern an. Naheliegend sind etwa die komplette Gebäudetechnik und Smart- und Microgrids. Gerade Letztere sind durch die Möglichkeit eines autarken Betriebs auf eigene Stromerzeuger oder -speicher angewiesen, die auf Gleichstromtechnik beruhen. Beispiele für Microgrids sind zum Beispiel kritische Infrastrukturen, Krankenhäuser oder Blaulichtzentralen. Aber auch in Entwicklungsländern werden Microgrids eine zentrale Rolle einnehmen. Insbesondere in schwierig zu erschließenden Regionen. Sie bilden Energie-Inseln, die sich selbst mit erneuerbarer Energie versorgen.

Seit August 2015 existiert auf Seiten der Leistungsverteilung der Standard IEC TS 62735-1 für Stecksysteme bis 2,6 kW. Für höhere Leistungen bis 5,2 kW, welche nicht mehr unter Last (Lichtbogen) getrennt werden dürfen, wurde der Standard IEC TS 62735-2 im Dezember 2016 verabschiedet. Auch geräteseitig sind die Normierungen in vollem Gange. Einer Lösung auf der Netzseite wird bald eine auf der Seite der Geräte folgen.

Schurter ist seit Jahren an der Entwicklung des neuen IEC-Standards TS 62735 beteiligt. 2018 stellte das Unternehmen den der Norm IEC TS 62735-1 entsprechenden DC-Netzstecker GP21 für 400-VDC-Anwendungen vor. Zurzeit arbeiten die Entwickler der Firma an den geräteseitigen Pendants. Jonas Bachmann, Head Engineer für Inlets und Connectors bei Schurter, ist Mitglied im IEC-Normengremium. „400-VDC-Stecker können in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eine bedeutende Rolle spielen. In der Übergangsphase von der AC- zur DC-Versorgung wollen wir über eine mechanische Codierung eines AC/DC-kompatiblen Inlets die Akzeptanz erhöhen und die Verbreitung vorantreiben“, erklärt er.

Bei der Ausrüstung von IT-Infrastruktur, beispielsweise in einem Data Center, müssen sämtliche Geräte sicher betrieben werden. Entsprechend ist es bei einer Umstellung von AC zu DC wichtig, dass sich die verwendete Hardware sowohl mit 230 VAC wie auch 400 VDC betreiben lässt. Um sicherzustellen, dass die Versorgung im Gerät richtig abgegriffen wird, werden mechanisch codierte Stecksysteme vorbereitet, die die beiden Versorgungssysteme AC und DC sicher gewährleisten und ein Verpolen in jedem Fall verhindern.

Unterbrechen unter Last unterbinden

In den höheren Leistungsbereichen bis 5,2 kW muss außerdem ein Unterbrechen unter Last unterbunden werden. Die IEC 62735-2 beschreibt Komponenten mit einem automatischen oder mechanischen Interlocking. Entweder wird der Stromkreis bei Trennung unter Last frühzeitig, etwa durch einen Schalter, automatisch unterbrochen, oder ein mechanischer Schalter sorgt für die Ver- und Entriegelung und gleichzeitige Stromkreisschliessung respektive -trennung. Die gängigen Auszugsicherungen wie V-Lock, SecureLock und Verriegelungsbügel, die man von AC-Produkten nach IEC 60320 kennt, haben damit nur wenig gemeinsam.

In einem Data Center hängen sehr viele Geräte an der Stromversorgung. Aus diesem Grund müssen darüber hinaus auch die Lastverteilungen und Verteileinheiten bezüglich der angeschlossenen Lasten richtig dimensioniert werden. Das stellt sicher, dass sowohl die elektrische wie auch die thermische Belastung der Komponenten innerhalb der sicherheitstechnischen Grenzen liegt. Mittels Aktivitätsanzeigen und der Kenntnisse der thermischen Verhältnissen können so die Erfahrungen in die neuen AC/DC-Stecksysteme übernommen werden.

Bildergalerie

  • Der DC-Netzstecker GP21 von Schurter entspricht der Norm IEC TS 62735-1. Er ist für Anwendungen mit bis zu 400 VDC ausgelegt.

    Bild: Schurter

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