Projekt:DC-Netz

Aus Schaffenburg
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DC-Netz

Status: experimentell

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Beschreibung Power all the things! With DC!
Ansprechpartner Hendrik


Zentrale DC-Versorgung im Space

Eine der Zielsetzungen unseres Space ist es, auszutesten wie viel Energie man sparen kann. Einerseits ganz klassisch um unsere Energiekosten niedrig zu halten, andererseits auch um (neue) Wege in diesem Gebiet auszuprobieren. Im Bereich der Stromkosten sind immer wieder die Verluste von (Standby-)Netzteilen im Gespräch. Dabei geht es frei nach dem Motto "Kleinvieh macht auch Mist!" auch darum, dass viele elektrische und elektronische Geräte jeweils ein eigenes Netzteil haben das auch läuft während sie abgeschaltet sind. Dieses Netzteil erzeugt jedoch einen nicht unerheblichen Ruhestromverbrauch, der bundesweit hochgerechnet die Leistung mehrerer Kraftwerke benötigt.

Als eine Möglichkeit das zu umgehen, bieten sich zentrale DC-Versorgungen mit niedrigen Spannungen an, bei denen ein besonders effizientes Netzgerät viele kleine ersetzen kann. Als Variante dazu kann ein DC-Verteil-Netz bereit gestellt werden an dem "Unter-Netzgeräte" betrieben werden, die ihrerseits auch möglichst effzient sein sollten, um in der Summe die geringsten Verluste zu erzeugen. Solche Netze bieten jedoch noch andere Vorteile. Da die Spannung unter der Gefährdungsgrenze für Lebewesen liegen sollte, können Geräte direkt ohne besondere Schutz- oder Trennungsmaßnahmen versorgt werden. Ausserdem können Geräte einfacher abgesichert werden und deren Leistungsaufnahme gemessen und deren Funktion gesteuert werden.

Wenn man weiterhin alle haushaltsüblichen Elektrogeräte einmal genauer betrachtet, so arbeiten die weitaus meisten davon intern längst schon mit Gleichstrom. Hatte vor 100 Jahren der Wechselstrom noch eklatante Vorteile, so sind diese inzwischen durch die Fortschritte in der Elektronik hinfällig geworden. Im Gegenteil: Wechselstrom behindert inzwischen in vielen Bereichen den technischen Fortschritt. Da es abzusehen ist, dass in naher Zukunft DC-Netze in unseren Häusern Einzug halten werden, möchten wir hier im Space schon mal die Zukunft vorweg nehmen!


Ansprechpartner

Hendrik, Herbert.


Planung

Festlegung der DC-Netzspannung

Einige gebräuchliche Gleichspannungen

Spannung Art der Vebraucher Strom bei 10W/100W Bemerkung
1,2V Akkugeräte mit NiCd-Akkus 8,3A/83A Bis heute noch sehr oft als Spannungsversorgung für Kleingeräte verwendet, immer mehr durch Li-Io abgelöst
1,5V Batteriegeräte mit Primärbatterien 6,7A/67A Für mobile und festinstallierte Geräte mit geringer Leistung oft verwendet
3.3V Core-Spannungen Informations- Steuertechnik, z.B. ESP8266 3,0A/30,3A Trend zu immer kleineren Spannungen, nahezu jedes Elektronikgerät arbeitet damit (eine von mehreren Spannungen), teilweise hohe Ströme nötig
5V Kleingeräte, IO-Spannung Informationstechnik (z.B. USB-Clients, RasPis...) 2A/20A In vielen Geräten verwendet, oft an DC- oder USB-Buchse einspeisbar
12V Beleuchtung, Bordnetz PKW, IO-Spannungen Informationstechnik (z.B. externe Festplatten, Funktechnik) 0,83A/8,3A Viel verwendet (z. B. Halogenbeleuchtung), bei Geräten oft an DC-Buchsen einspeisbar
24V Industriesteuerungen, Bordnetz LKW, USVs, manche Kommunikationstechnik, nah an ~19V für Notebooks 0,42A/4,2A Im Haushaltsbereich eher unüblich
42V Zweites PKW-Bordnetz 0,24A/2,4A Sollte als zweite Bordnetzspannung standardisiert werden, kläglich gescheitert
48V Kommunikationstechnik, Mobilfunktechnik (LDMOS) PoE (IT), zweites Bordnetz PKW, Akku-Storages (Home) 0,21A/2,1A Im Haushaltsbereich ebenfalls nicht üblich, gibt "Bricks" um auf die niedrigeren Spannungen zu kommen
60V Telefon-Endgeräte 0,16A/1,6A heute eher exotisch

Bei der Bewertung der oben genannten Liste sind einige Punkte zu beachten, die vielleicht nicht soo offensichtlich sind:

  • Niedrige Spannungen bei hohen Strömen sind zwar für viele Systeme anwendbar, aber brauchen für gleiche Leistungen im Verhältnis die größten Ströme - und die ergeben im Verhältnis größere Leistungsverluste in den Leitungen oder erfordern wesentlich dickere, teuerere Leitungen.
  • Für den Spamnnungsbereich 48V (35-75V) gibts recht günstige Bricks aus der Kommunikationstechnik, die historisch mit -60V, modern eher -48V läuft (z.B. Mobilfunk-Basisstationen)

Kriterien für die Auswahl einer DC-Netzspannung

Grundsätzlich könnte man Gleichstromnetze in zwei Kategorien einteilen: kleine oder große Leistungen. Es ist durchaus sinnvoll unerschiedliche Spannungen für diese beiden Leistungsgruppen zu wählen. Hier wollen wir uns nur mit den kleinen bis mittleren Leistung beschäftigen, da sie den Großteil der verwendeten Geräte abdecken.

Für ein DC-Netz in Wohn-, Büro- oder Arbeitsräumen, dass diese Gerätesparte abdeckt, können folgende Kriterien gelten (bitte erweitern):

  • Sichere, potentialfreie Trennung vom Wechselstromnetz bei Verwendung eines zentralen Netzteils.
  • Möglichst hohe Spannung um Verluste in den Zuleitungen zu den Geräten auszuschließen.
  • Möglichst niedrige Spannung um Risken durch Stromunfälle auszuschließen.
  • Spannung sollte wenn möglich einem Standard entsprechen um vorhandene Infrastruktur zu nutzen.
  • Spannung nicht zu hoch, um Wandler für kleine Spannungen mit hohem Wirkungsgrad betreiben zu können (oder zweistufige Wandlung!?).
  • Bevorzugter Wandler-Typ: Step-Down, da gut erhältlich, preiswert und hoher Wirkungsgrag möglich.

Wir sollten uns auf Grund der obigen Kriterien auf eine Versorgungsnetzlage einigen und dann am Einsatzort auf niedrigere Spannungen umsetzen.

Festlegung der Netzspannung

Da sich obige Kriterien für die Wahl der Netzspannung teilweise widersprechen, müssen Kompromisse eingegangen werden.

Sicher ist, dass eine sehr niedrige Spannung nicht zweckmässig ist, da dann die Leitungsverluste zu hoch werden und eine Spannung über 60V zu hohe Berührspannungen aufweist (wird gefährlich!). Die weit verbreitete 12V-Versorgung (z. B. Beleuchtungen) hat zwar eine gewisse Gerätebasis aber aufgrund der erforderlichen dicken Zuleitungen ist sie nicht praktikabel. Sehr wohl könnten aber unter Umständen Teilnetze (über Wandler) mit 12V betrieben werden. Für die Hauptverteilerleitungen bietet sich jedoch eine möglichst hohe Spannung an. Für die Verlustleistung gilt P = I² * R. Um die Bedeutung zu verdeutlichen wird ein Netz mit 12V oder 60V bei 100W Leistung betrieben, die Zuleitung soll 2 mal 10m lang sein mit 1mm² (ca. 330mOhm). Bei 60V (1,66A) ergibt sich ein Leitungsverlust von 0,91W, bei 12V (8,33A) aber schon 22,9W, also 25 mal so viel. Um den gleichen geringen Verlust zu erreichen müsste die Zuleitung bei 12V also 25 mal so dick (25mm²) sein wie bei 60V. Der Unterschied zwischen 60V und 48V beträgt dagegen nur den Faktor 1,56.

Für die Verluste im DC-Netz sollten max. 1-2% angestrebt werden. Für einen Verteilerstrang im 48V-Netz mit beispielsweise 2 * 20m Länge und einem Querschnitt von 4mm² wäre also bei 1% Verlust eine Leistung von (I²*R*100=U*I) 141W. Das ist nicht gerade mörderisch viel, so dass es klar wird, dass eine möglichst hohe Spannung Bedingung ist. Wenn als Leitungsverlust jedoch 5% zugelassen würde, könnten über 700W entnommen werden. Die Leitungsquerschnitte sind in keinem Fall das Limit, hier wären wesentlich höhere Ströme zulässig.

Immer mehr werden Solaranlagen und Batteriespeicher für die Stromversorgung von Häusern verwendet. Bei den Speichern setzen sich Spannungen von 24V und 48V durch, die auch gleichzeitig die Versorgung des DC-Netzes übernehmen könnten. Aufgrund der obigen Überlegungen sollte dann aber 48V bevorzugt werden. In Anbetracht eines künftigen industriell standartisierten DC-Netzes wäre es natürlich gut, den zuküftigen Wert zu verwenden. Darüber lässt sich jedoch leider nur spekulieren.

Man könnte die Spannung aber auch auf die höchstmögliche für den Körper ungefährliche Spannung festsetzen um Leitungsverluste zu minimieren. Auch das wäre eine Option, weil z. B. auch bei 48V oder 24V so gut wie keine üblichen Verbraucher betrieben werden. Also sind immer POL-Wandler (Point of Load) erforderlich, die dann nahe am Verbraucher sitzen und für einen hohen Gesamtwirkungsgrad sorgen. Ohne die POL-Wandler ist ein DC-Netz ohnehin nicht realisierbar. Eine noch höhere Spannung ist sicher nicht sinnvoll, weil dafür erstens kaum Wandler zur Verfügung stehen bzw, zu teuer sind und zweitens die Spannung für den Menschen gefährlich wird!

Ein Argument könnte aber auch die zweite Bordspannung von 48V sein, die sich in modernen Fahrzeugen immer mehr durchsetzt. Wenn die Industrie sich auf 48V für ein DC-Netz festlegt, könnten alle dafür designten Geräte auch im Auto verwendet werden!

(weitere Argumente ausarbeiten)

Spannung muss noch festgelegt werden!


Komponenten des DC-Netzes

Zentrales Netzteil (Netzversorgung)

(wird noch erstellt)

Zentraler Verteiler

(wird noch erstellt)

Zwischenverteiler

(wird noch erstellt)

Mess- und Steuermodule

(wird noch erstellt)

Spannungswandler

(wird noch erstellt)

DC-Steckdosen

(wird noch erstellt)

Akkuspeicher

(wird noch erstellt, zweitrangig)

Photovoltaik

(wird noch erstellt, zweitrangig)

Verkabelung im Space

Testeinrichtungen

2 programmierbare 2-Quadranten-Netzteile (HP6632B, 0-20V/0-5A; HP6633B 0-50V/0-2A), 1 ("noch") nicht programmierbare Elektronische Last Zentro ELA 200 bei Hendrik können für Laborversuche an Wandlern und Batterien benutzt werden. Software zur Automatisierung bestimmter Tests entsteht gerade um die Wandler unter "vorhandenes Material" zu testen. Zu diesen Tests gehören u.a. die Wirkungsgradbestimmung von Wandlern bei realisierbaren Lastfällen sowie Kapazität und Innenwiderstand von Speicherbatterien.

Subnetz Funk

Im Rahmen der Notfunktauglichkeit der Amateurfunkstelle erhält diese ein isolierbares 12V-Subnetz. Dieses verfügt über eigene Speicherkapazitäten um Stromausfälle zu überbrücken. Versorgung nur für Funkgeräte und ggf. 1 Computer. Derzeit sind dafür 2 SLA Akkumulatoren a 17 Ah vorhanden.

Subnetz Tür

Um Mitgliedern Zutritt auch im Falle eines Stromausfalls zu ermöglichen erhält die Automatiktür ebenfalls ein 12V-Subnetz um zumindest kurze Ausfälle zu überbrücken.

Material

Vorhandenes Material

  • 1-2 Bricks 24V/9A auf 48V/3A: Ca. 83% Effizienz bei 1A Stromentnahme, Ruhestrom 75 mA bei 24V. (Hendrik)
  • Baugruppe mit 2 Bricks, 48V nach 12V und 48V nach 5V, jeweils 200W (Hendrik)
  • Kasten für Bleigelakku
  • Solarzellen könnten z. V. gestellt werden (Herbert)
  • 2 neue PKW-Akkus (12V) könnten z. V gestellt werden (Herbert)
  • Diverse 12V SLA Akkus
  • Schaltnetzteil 48V/4A (Test und ggf. Niederlast-NG), Hersteller ELTEK hat uns freundlicherweise Handbuch mit Belegung überlassen
  • eine umfangreiche Sammlung an Ideen für DC-Net hat sich über Jahre angesammelt (Herbert)

Benötigtes Material

Projekttagebuch

Date Name Was
30.10.2017 Hendi Wikiseite angelegt
31.10.2017 Herbert ergänzt und Punkte zugefügt
07.04.2018 Hendrik ELTEK-Netzgerät ausprobiert, Grundfunktionen OK