14 minute read
TERUG VAN NOOIT WEGGEWEEST
ACHTERGROND gelijkspanning
Gelijkspanning heeft nog lang niet afgedaan
Wisselstroommotoren wel verreweg het meest gebruikt
In de al decennia durende concurrentieslag tussen gelijkspanning en wisselspanning heeft de laatste het overwicht. Maar met het toenemend gebruik van elektronische apparaten en mobiele machines lijkt gelijkspanning bezig aan een comeback .
Ad Spijkers
Stichting Gelij kspanning Nederland is een kennis-en netwerkorganisatie rond het thema gelij kspanning. Enerzij ds informeert ze belangstellenden over wat gelij kspanning is en wat ze er mee kunnen. Dat gebeurt onder meer via webinars en op het Youtube-kanaal van de Stichting Gelij kspanning Nederland Anderzij ds probeert de stichting projecten aan te jagen waar gelij kspanning wordt toegepast, om uit het project resultaten te halen. Deze kan ze vervolgens weer presenteren op de evenementen en congressen die de stichting organiseert. Henny Lootens is de technicus in het driemans bestuur van de Stichting. "Ons werk varieert van desk
research tot het uitvoeren van projecten, zowel binnen als buiten gebouwen. Projecten betre en onder meer kookplaten, slimme domotica en e ciënter energiegebruik van onder meer straatverlichting, zonnepanelen en de verlichting in kassen. Zo hebben we onder meer bij gedragen aan het ombouwen van drie gebouwen op gelij kstroom. In het Circl-gebouw van ABN Amro in Amsterdam zij n balansventilatie en warmtepompen omgebouwd naar gelij kspanning. Op de Campus van TU Delft is in het Pulse-gebouw een AC- en DC-hybride elektrische installatie opgeleverd en in Blok 61 in Eindhoven-Strij p staan appartementen die deels op gelij kspanning draaien."
Waarom omschakelen van wisselspanning naar gelij kspanning? Lootens: "Belangrij ke redenen voor bedrij ven om over te stappen zij n fl exibiliteit en levensduur. Bij wisselspanning zij n spanning, stroomsterkte en frequentie onlosmakelij k met elkaar verbonden. Bij gelij kspanning kun je gemakkelij ker je net ontsluiten en het fl exibeler inrichten. Als je van AC naar DC gaat, wat nu in veel elektrische apparaten het geval is, bepaalt de elektrolytische condensator vaak de levensduur. Bij een DC/ DC-omzetter ontbreekt die condensator, zodat je in theorie een langere levensduur hebt. Veel mensen denken dat bedrij ven om redenen van e ciency overstappen op gelij kspanning, maar dat is meestal niet het doorslaggevende voordeel. De business case wordt gemaakt door alles er omheen: fl exibilisering, langere levensduur en bekabeling."
Spanningen, kabels en connectoren
Over wat voor spanningsniveaus praten we bij gelij kspanningsnetten? "Bij wisselspanning praten we in het algemeen over 230 V één fase en 400 V drie
In kassen dragen gelijkspanningsnetten bij aan verlaging van de operationele kosten.
fasen. In gelij kspanning praten we over 350 V en 700 V, niet toevallig ongeveer √2 maal de gangbare wisselspanningen. In industriële omgevingen met zware processen kan 1400 V (bij voorbeeld -700 V en + 700 V) worden toegepast, bij lichtere processen zie je -350 V en +350 V. Dan kun je de lichtere apparatuur aan de ene kant of de andere kant van de nul aansluiten. Voor sommige mensen mag gelij kspanning niet verder gaan dan 24 V; anderen gaan probleemloos naar 700 V of 1400 V voor industriële toepassingen. In de industrie is het een voordeel dat je gelij kspanning van twee kanten kunt voeden. Als onverhoopt aan één van beide zij den het net wordt verbroken, blij ft de spanning vanaf de andere kant gehandhaafd zodat niet de productie meteen stilvalt", zegt Lootens. In Duitsland werken sinds vorig jaar oktober 33 bedrij ven en vij f onderzoeksinstituten aan DC-Industrie 2. Dit project richt zich op de gelij kstroomvoorziening van een volledige productiehal; dit nadat DC-Industrie sinds 2016 onderzoek heeft gedaan naar de gelij kstroomvoorziening van een productiecel. Voor verschillende partners zij n in totaal zes modelfabrieken en overslagcentra gepland.
GELIJKSTROOMMOTOREN
Rotero in Woerden is een van de weinige aanbieders van industriële gelijkstroommotoren. Commercieel directeur Gerrit Minnée erkent dat in de lage vermogensklassen het aanbod groot is, met zowel borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) als DC-servomotoren. Maar als wat meer vermogen nodig is, zijn laagspannings gelijkstroommotoren niet zo dik gezaaid. Rotero biedt BLDC-motoren tot circa 700 W aan, voor de hogere vermogens (tot 4,4 kW op 48 VDC) motoren mét koolborstels. De aantallen motoren die het bedrijf levert voor zwaardere toepassingen zijn niet groot. Eventueel kan het bedrijf ook shunt-motoren tot 14,7 kW op 440 VDC, de vraag daarnaar is echter zeer gering. Minnée ziet voor gelijkstroommotoren vooral toepassingen in kleinere machines met batterijvoeding. Voorbeelden zijn transportvoertuigen voor de tuinbouw, stratenmakersgereedschap en dergelijke. Er lijkt een trend te zijn naar vervanging van kleine verbrandingsmotoren door gelijkstroommotoren; de vragen in deze richting komen steeds meer. In veel toepassingen betreft het intermitterend bedrijf, waardoor het aantal draaiuren per dag relatief laag is. Een markt in opkomst is de landbouw, waar men langzamerhand serieus op zoek gaat naar vervanging van de hydrauliek. Een voordeel van DC motoren is, dat ze geen terugkoppeling nodig hebben en dus geen regeling die problemen kan geven. In theorie hebben de motoren een hoog aanloopkoppel, maar dat wordt meestal beperkt door de maximale stroom die de aanloopregeling kan hebben. Verder is de dimensionering niet zo kritisch. De motor levert namelijk het koppel dat gevraagd wordt; wanneer er genoeg ampères voorhanden zijn, dan gaat het wel goed. Gelijkstroommotoren zijn wel drie tot vier keer zo duur als vergelijkbare wisselstroommotoren. Verder hebben ze meer onderhoud nodig dan AC-motoren. De borstels moeten, afhankelijk uiteraard van applicatie en gebruik, na circa 5000 uur worden vervangen. Vaak is het rendement vrij laag omdat een DC-motor altijd wordt berekend op 'worst case'. In de praktijk komt het werkpunt dan vrij ongunstig te liggen.
Rotero heeft BLDC-motoren tot circa 700 W en voor de hogere vermogens – tot 4,4 kW op 48 VDC) – gelijkstroommotoren mét koolborstels.
ACHTERGROND gelijkspanning
Aan de onderzijde van het vermogensspectrum worden in machines veel borstelloze gelijkstroommotoren gebruikt. (Faulhaber)
Hoe zit het met de aansluitingen? "Om dit moment zijn er nog geen standaard stekkers voor een stopcontact. Daar wordt in normcommissies wel aan gewerkt. Er is sprake van om alle apparaten die niet meer dan 100 W verbruiken, te voorzien van een USB-C connector en met USB-C stopcontacten te werken. Voor vermogens tussen 100 W en 3 kW moeten we nog wat verzinnen; het voordeel is dat we nu wereldwijd één stekker kunnen normaliseren. Boven 3 kW wordt de apparatuur bijna altijd via een vaste verbinding gevoed. Overigens gebruikt men in de industrie wel vergaand gestandaardiseerde connectoren of worden motoren via een starter of regelaar direct op het net aangesloten", aldus Lootens.
Straatverlichting
Hij gaat verder in op dat laatste. "Je kunt met gelijkspanning in kabels een hoger vermogen
DIGITALE DC-OMVORMERS
Toerentalregeling van gelijkstroommotoren gebeurde vroeger met schuifregelaars, potmeters en weerstanden, tegenwoordig is ook hier de (vermogens)elektronica prominent aanwezig. Een elektronische regelaar heeft minder verlies dan de traditionele middelen en kan sneller en nauwkeuriger regelen. Bovendien kun je een elektronische regelaar gemakkelijk op afstand aansturen. Sprint Electric uit Arundel (GB) is gespecialiseerd in gelijkstroomregelaars en past daarin de modernste technologie toe. De regelaars kunnen vanuit wisselspannings (één of drie fasen) worden gevoed. De omzetters worden in de productie en in tal van andere toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld in de draad-, staal-, rubber- en kunststofverwerking en in drukpersen. De op microchips gebaseerde programmeerbare controllers beschikken over tal van analoge en digitale inen uitgangen. Ankerspanning, toerenteller of encoderterugkoppeling zijn de mogelijke snelheidsfeedbackvariabelen voor de besturing. Distributeur in Nederland is Summit Automation in Woerden.
Sprint Electric brengt een hele serie gelijkstroomregelaars uit waarin de modernste technologie is toegepast. overbrengen dan met wisselspanning. In een concreet project met straatverlichting is de business case rondgekomen zonder subsidie omdat de infrastructuur, die al dertig tot veertig jaar in de grond ligt, met gelijkspanning nog zo'n periode mee kon. Dat scheelde het openbreken van de straat over een grote lengte en het leggen van nieuwe kabels. Je hebt met gelijkspanning ook niet te maken met kortsluitvermogens. Je werkt achter DC/DC-omzetters. Dat soort technische argumenten zijn een overweging om over te stappen op gelijkspanning." Er gaan stemmen op om straatlantaarns te gebruiken als aansluitpunt voor laadpalen voor elektrische auto's. Zou een gelijkspanningsnet daar op zijn berekend? Lootens: "De openbare laadpalen die we nu hebben, worden gevoed met wisselspanning. Maar een elektrische auto kan niet zomaar laden aan een openbare straatlantaarn op wisselspanning, behalve als daar bij de aanleg van het net rekening mee wordt gehouden. Op het moment dat je dat net op gelijkspanning zou bedrijven, kun je tien keer zoveel vermogen kwijt over de bestaande infrastructuur dan nu met wisselspanning. In Zoetermeer was er een concreet onderzoek. Daar is de infrastructuur al 'vermaasd' ingericht, maar wordt niet zo bedreven omdat dit bij wisselspanning voor problemen zorgt met selectiviteit."
Interferentie
Problemen die optreden in wisselspanningsnetten, zeker als daar vermogenselektronica op is aangesloten, zijn elektromagnetische interferentie en power quality. Ook op gelijkstroomnetten worden geschakelde voedingen, PLC's en elektronische toerentalregelingen aangesloten. Hoe zit het hier met EMC en power quality? Lootens: "In wisselspanningsnetten heb je dankzij alle vermogenselektronica geen zuivere sinus, met alle problemen van dien. Als je een gelijkspanning transformeert van het ene niveau naar het andere, gebeurt dat met hoogfrequent DC/ DC-omzetters, dus heb je altijd te maken met een rimpel. Als je die in bedwang houdt, heb je veel minder last van EMI dan bij wisselspanning met zijn 50 Hz draaggolf. In de industrie zie ik een voorzichtige trend om geen wissel- en draaistroom meer toe te passen in gebouwen. Niet alleen in machines – waar al veel met 24 VDC en 48 VDC wordt gewerkt – maar ook in het pand, om redenen van EMC en power quality." Vanaf nieuwbouw gelijkspanningsnetten aanleggen in plaats van wisselspanningsnetten is het gemakkelijkst. Toch? "De industrie is vrij conservatief en kiest voor dingen die ze kent. In een data center legt men liever redundante AC-netten om de beschikbaarheid te garanderen, dan dat er naar een enkel DC-net met meerdere voedingspunten wordt gekeken. De industrie heeft vooral oog voor het industrieel proces,
de rest bijzaak is. Je kunt wel praten over innovatie van het elektriciteitsnet, maar zolang het niet direct bijdraagt aan het industriële productieproces wordt het als niet relevant gezien."
Terugverdientijd
Hoe zit het met de terugverdientijd? "Het is altijd koedik kijken of je het terugverdient. Qua energetisch rendement is het verschil klein, een paar procent. Maar als je gelijkspanning gaat gebruiken in industriële omgevingen, ben je wel je problemen met power quality kwijt. Je kunt eenvoudiger het energieverbruik bewaken. Ook de levensduur van de complete lijn gaat er op vooruit. Machines kunnen problemen krijgen met de power quality als er LED-verlichting wordt geïnstalleerd. Eigenlijk moet je dan een gelijkspanningsnet aanleggen voor je verlichting. Dan heb je maar één keer met DC/ AC-omzetting te maken." Is er genoeg aanbod van apparatuur op gelijkspanning? Lootens: "Het aanbod in moderne gelijkspanningstechnologie is nog vrij beperkt en daardoor zijn de prijzen relatief hoog. De winst kan in heel andere posten zitten dan energiebesparing. Toen we begonnen in de glastuinbouw dachten we dat rendement de grootste winstpost zou zijn. Dat bleek uiteindelijk maar 2%. De grootste winst zat in het feit dat de drivers van de hogedruk natriumlampen veel langer mee gingen. De issues hier zijn het verstoren van de teelt en oogst en de hirinvstering in drivers." Zonnepanelen worden nu met een DC/AC-omzetter op het lichtnet (AC) aangesloten. Wil je dat op een gelijkspanningsnet aansluiten, dan zul je voorzieningen moeten treen om de vermogensverschillen bij verschillende weersomstandigheden te compenseren. Lootens: "De stroom wordt via een DC/AC-omzetter op het lichtnet gezet. Je moet er dan vooral voor zorgen dat de spanning in je net niet te hoog oploopt. Ook als je van de panelen naar een gelijkspanningsnet gaat, heb je omvormers en spanningsregelaars nodig. Je hebt altijd DC/DC-omzetters in je net, vandaar dat de eciency in de praktijk niet zoveel groter is dan bij een AC-net."
AC- of DC-motor?
In het verleden hebben we gezien dat gelijkstroommotoren werden vervangen door draaistroommotoren. Gaat dat veranderen? Lootens: "Ik zie niet gebeuren dat apparaten alleen gelijkspanningsmotoren gaan gebruiken. Borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) zijn voor bijvoorbeeld huishoudelijke apparaten te duur. In de onderste vermogensklassen van machines worden wel veel BLDC's gebruikt. Ook in bemande en onbemande elektrische voertuigen worden gelijkstroommotoren toegepast. Bij grotere vermogens worden vaak frequentiegestuurde draaistroommotoren ingebouwd waarvan de DC-bus op accu's is aangesloten. Als ik praat over wisselspanning praat ik over 50 Hz. Maar veel wisselspanningmotoren draaien op een variabele frequentie en vaak achter een frequentieregelaar, dus zijn het formeel gelijkspanningsapparaten. In tal van systemen zijn frequentieregelaars al via een 'common DC-bus' met elkaar verbonden. Door die bus op een gelijkstroomnet aan te sluiten, kan de AC/DC-trap vervallen. Dit scheelt een halve regelaar dus kosten en energie. Als de DC-bus wisselend wordt belast, bijvoorbeeld door aanlopen van motoren of terugvoeding naar het net, zorgen accu's voor een schone gelijkspanning. Het voordeel van een gelijkstroommotor was van oudsher dat je gemakkelijk zijn toerental kon aanpassen. Dat voordeel is verdwenen toen de frequentieregelaar opkwam. Je ziet dan ook in de praktijk dat we de gelijkstroommotor voornamelijk tegenkomen in de kleine vermogens of juist in de hele grote, bijvoorbeeld kraanaandrijvingen. Maar het heeft ook te maken met seriegroottes; wissel- en draaistroommotoren worden in grotere series gemaakt dan gelijkstroommotoren ", aldus Lootens.•
KOM IN CONTACT
De Stichting Gelijkspanning is te bereiken via www.dcfoundation.org. Via hun website is tegen achterlating van gegevens de pdf ‘Groot gelijk: de toekomst van gelijkspanning in Nederland’ uit 2014 te downloaden.
Voor speciale marktsegmenten zijn speciale gelijkspanningsmotoren leverbaar. Deze 130 kW tractiemotor is toegepast in de Seibu-Railway in Japan.
Encoder WDGR de incrementele redundantie
IIoT gateways, Protocol Converters, Remote Access, Cloud logging & dashboards, Data analyse
Anybus en EWON producten verbinden machines en systemen, bieden remote service met cloud monitoring, logging en alarmering. Koppeling van industriële en gebouw gebonden netwerken. Van Profinet, EthernetIP en CANopen tot Modbus, J1939 en KNX.
Het hoeft niet altijd SIL te zijn ... de incrementele redundante encoder WDGR.
U hoeft niet in alle gevallen dure SIL-gecerti ceerde componenten te gebruiken om veiligheidstaken uit te voeren. Met de WDGR, een redundante incrementele encoder met diverse sensortechnologie (optisch en magnetisch), kunt u tegen lage kosten het vereiste veiligheidsniveau bereiken.
Diversiteit - en toch perfect op elkaar afgestemd
Door het gebruik van onze reeds lang beproefde en speciaal ontwikkelde sensorsystemen richten wij ons op maximale betrouwbaarheid. Dit stelt ons in staat om niet alleen één redundante encoder te produceren, maar ook diverse redundante encoders die perfect op elkaar zijn afgestemd. Het basisidee achter deze aanpak is dat de verschillende sensorplatformen ook verschillend reageren op storingen van welke aard dan ook met verschillende gevoeligheden of ongevoeligheden en dus niet tegelijkertijd falen, zodat de achterliggende elektronica deze mogelijke storing op betrouwbare wijze kan detecteren.
Om niet-gecerti ceerde apparaten in uw veiligheidstoepassing te kunnen gebruiken, moet u een aantal zaken in acht nemen. De MTTFd-waarde speelt hierbij een grote rol. Wij bieden u deze waarde aan, net zoals wij u graag een veiligheidsexpert aanbevelen die u adviseert over open vragen en de berekening van het te behalen prestatieniveau.
Meer informatie? Lorentzstraat 31 3846 AV Harderwijk Tel: +31 (0)341 43 25 25 E-mail: info-nl@schmersal.com www.schmersal.nl
Duranmatic B.V. | Robijn 800 | 3316 KE Dordrecht T+31 (0)78 631 05 99 | info@duranmatic.nl
Intuïtief met groot bedieningsoppervlak. Serie 56 Universeel.
Combineert visuele en tactiele feedback met een groot bedieningsoppervlak en duidelijke lasergegraveerde symbolen. . . . . . . Visuele en tactiele feedback Groot bedieningsoppervlak Ruime kleurkeuze voor het frontraam Geringe inbouwdiepte (27 mm incl. M8 aansluiting) Lange levensduur (> 5 miljoen bedieningen) Standaard, ISO 7000 of klantspeci eke symbolen
www.eao.com/nl
