DC/AC en terug: wat zal de fabriek in de toekomst aandrijven?
Aflevering 3
Trend naar meer gelijkspanning in de industrie
Decennialang heeft de overgrote meerderheid van de mensen met wisselstroom (AC) geleefd. Maar sinds enkele jaren is de industrie steeds meer overgeschakeld op gelijkstroom (DC). De eerste bedrijven zijn hun productielijnen of robotcellen aan het ombouwen naar gelijkstroom. Waarom? Want gelijkspanning belooft economische voordelen, bespaart energie en maakt van de fabriek een prosumer, d.w.z. een energieproducent en -verbruiker.
Jochen Clemens van Danfoss Drives kent de gelijkstroomwereld goed, want veel schepen worden tegenwoordig al volledig van gelijkspanning voorzien. Hij worstelt in het dagelijks leven nog steeds met de vervuiling van de netten en past filtertechnologie toe in industriële installaties. Maar Prof. Dr Holger Borcherding van de OWL Hogeschool signaleert dat er al een oplossing voor dit probleem bestaat: De stabiliteit van het net neemt ook toe met het gebruik van gelijkspanning in de industrie. Waarom? U hoort de antwoorden in aflevering 3 van Torque – The Drive Podcast.
Het "DC grid" principe
Als er op podia en in vakkringen over gelijkstroomnetten (DC) in de industrie wordt gesproken, moet Jochen Clemens van Danfoss Drives altijd een beetje glimlachen. "De scheepsbouwers zijn de industrie al een paar stappen voor. Gelijkstroomnetten worden veel gebruikt in de scheepvaartsector," legt de ingenieur uit. Voor een deel worden gelijkstroomnetten echter nu al in de productie gebruikt: "Er zijn al robot- en servotoepassingen die met gelijkspanning worden gevoed," zegt Clemens.
"In de zogenaamde "Gemeenschappelijke gelijkstroomnetwerken" (Common DC-netten) maken alle apparaten gebruik van een gemeenschappelijk gelijkstroomnetwerk. Het klassieke wisselstroomnet (AC), generatoren of fotovoltaïsche systemen voorzien het van elektrische energie. AC/DC omvormers zettende wisselspanning om in gelijkspanning. Zo ontstaat een stabiel gelijkstroomnet met een constant spanningsniveau," legt Clemens uit. Het aantal aangesloten consumenten is willekeurig. DC/AC-omvormers voeden deelektrische machines. Daarnaast worden uit het gemeenschappelijke gelijkstroomnet zogenaamde micronetten gegenereerd, die op hun beurt verschillende netwerken aan boord vormen, bijvoorbeeld in marinesystemen.
Batterijsystemen kunnen ook worden opgeladen en ontladen via DC/DC-omvormers op het gelijkstroomnet. Zij slaan elektrische energie op en kunnen in noodgevallen noodgeneratoren vervangen. "Dit levert aanzienlijke besparingen op in installatieruimte – met andere woorden, meer ruimte – wat een zeer krachtig argument is op een schip," weet Clemens uit ervaring. Op deze wijze is een constante energie-uitwisseling en energierecuperatie via het gelijkstroomnet gewaarborgd, zodat remweerstanden of extra terugwinningseenheden kunnen worden weggelaten.
Stap voor stap naar meer gelijkspanning in de industrie
Stap voor stap ontdekt de industrie momenteel zelf deze voordelen van gelijkspanning. En de argumenten klinken overtuigend: met gelijkspanning vallen harmonische filters weg, neemt de vermogenskwaliteit toe, behoren klassieke gelijkrichters tot het verleden, kunnen omzettingsverliezen worden beperkt en worden aandrijfsystemen compacter. Ook de flexibiliteit bij het gebruik van DC-regelaars is enorm. "In de toekomst zullen we een eenvoudige energie-uitwisseling naar opslag beleven en zal de fabriek een prosumer worden," benadrukt Prof. Dr. Holger Borcherding van de TH OWL. Zijn visie: de fabriek onttrekt energie aan het externe wisselstroomnet, die één keer wordt omgezet. Intern maken de machines, motoren en opslageenheden gebruik van een DC-net. Dit leidt tot minder netstoringen en bespaart energie. Borcherding doet al jaren onderzoek naar dit onderwerp.
Het "frequentieregelaar"-principe
Gelijkspanning in de industrie, de zogenaamde DC-netten, worden meer en meer gebruikt. Een groot deel van de elektriciteitsvoorziening werkt echter nog steeds met klassieke wisselstroomnetten die via transformatoren verschillende spanningsniveaus leveren.
Motoren die een constante snelheid vereisen, kunnen rechtstreeks op het wisselstroomnet worden aangesloten. In zeer weinig gevallen is het echter zinvol een motor constant "op vol vermogen" te laten draaien; de meeste industriële toepassingen vereisen een snelheid die aan de situatie is aangepast. Hiervoor worden frequentieregelaars gebruikt. Uw voordeel: u past het motortoerental voortdurend aan de actuele vraag aan, wat uiteindelijk tot meer efficiëntie en energiebesparing leidt. De frequentieregelaar wordt gevoed door wisselspanning. Deze wordt eerst via een gelijkrichter omgezet in een gelijkspanning, die vervolgens via een nageschakelde omvormer wordt omgezet in een wisselspanning met variabele frequentie en spanning om de snelheid van een driefasenmotor elektronisch te wijzigen.
Als de draaistroommotor in de remmodus werkt, bijvoorbeeld in de daalmodus op een kraan, verandert de energiestroom. "Een frequentieomvormer met een klassieke gelijkrichter kan deze energie echter niet terugvoeren naar het net," zegt Jochen Clemens, "omdat de diodegelijkrichter de energie slechts in één richting laat stromen." Dit zou in de toekomst kunnen veranderen: Wanneer een motor afremt, kan de resulterende energie rechtstreeks in het gemeenschappelijke gelijkstroomnet worden gebruikt om een andere motor te versnellen. Bovendien, als de gelijkrichter in de frequentieomvormer niet meer nodig is, besparen de ontwerpers ruimte en komt de vermogenselektronica dichter bij de motor. Ook netstoringen veroorzaakt door omvormers en extra harmonische filters zouden tot het verleden kunnen gaan behoren.
Bovenaan de agenda: compensatie van harmonischen
Clemens is bijzonder vertrouwd met elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en filtertechnologie. "Motorsturing met inverters leidt tot steeds betere efficiëntie en prestaties van systemen in het klassieke wisselstroomnet. Meer en meer apparaten betekent echter ook meer storingen. Sleutelwoord: harmonischen. De kwaliteit van de netspanning neemt af als hiermee geen rekening wordt gehouden." Clemens en zijn collega’s vertrouwen daarom op filtertechnologie om de feedback van het net tot een minimum te beperken. "We slagen erin de netstroom van de gelijkrichter weer zo sinusoïdaal mogelijk te laten lopen. We redden het niet voor 100 procent, wat economisch ook niet logisch is, maar het is genoeg voor een goede kwaliteit van het net."
Naast de frequentieomvormers worden filtertechnieken gebruikt om de netfeedback tot een "gezond niveau" terug te brengen. Hier worden passieve en actieve filtertechnologieën gebruikt. Het is ook mogelijk om omvormers met verlengde frequentie te gebruiken, die door hun elektrische ontwerp van meet af aan een aanzienlijk lagere netterugkoppeling naar het elektriciteitsnet afgeven. Daartoe behoren omvormers met actieve front-end technologie, aandrijvingen met lage harmonische vervorming of omvormers met hogere pulsvoeding.
Borcherding voorspelt dat als er meer gelijkstroomtoepassingen komen, ook de netterugkoppeling zal afnemen. Hij is er zeker van: gelijkspanning zal ingeburgerd raken – in de e-auto en ook in de fabrieken. "Ik zal het meemaken in mijn beroepsleven," is de wetenschapper overtuigd. "Dit is geen werk van de eeuw. Over 20 jaar zal gelijkspanningsvoeding in de industriële sector aanwezig zijn met een hoger dubbelcijferig percentage".
Hiermee zijn we weer terug bij aflevering 7 van Torque – The Drive Podcast. Deze aflevering gaat over groene energie voor de industrie, on-grid en off-grid projecten, het in evenwicht brengen van piekbelastingen met opslag en informatie over de capaciteit van de huidige batterijopslag. Frequentieomvormers vormen de schakel tussen batterijopslag en het elektriciteitsnet. Dit maakt het tot het belangrijkste onderdeel van het hybridisatieproject, naast de opslag zelf. Luistert u mee?
