Diese Ausarbeitung stellt eine Dokumentation der Lehrveranstaltung "Hardware und Software in Leistungselektronischen Systemen" im Wintersemester 2019/2020 am Karlsruher Institut für Technologie dar. In diesem wurde ein Tiefsetzsteller entworfen, aufgebaut und in Betrieb genommen. Ziel ist eine Schaltung, die bei einer Eingangsspannung von 40 V bis zu einer Leistung von 50W einstellbare Ausgangsspannungen zwischen 10 und 36V liefert.
Dabei befasst sich die Ausarbeitung zunächst mit den zu entwerfenden Schaltungen und der Dimensionierung der notwendigen Bauteile. Die entworfene Schaltung wird dann in Matlab/Simulink simuliert und mit der Simulation ein Regler für die Schaltung entworfen und getestet. Für den Betrieb und die Regelung der Schaltung wird schließlich die nötige Software generiert und die Schaltung getestet und vermessen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Funktion des Tiefsetzstellers
2.2. Dimensionierung der Bauteile
3. Aufbau
4. Simulation
5. Regelung und Codegenerierung
5.1. Regelung
5.2. Codemodell
6. Messergebnisse
6.1. Wirkungsgrad
6.2. Thermisches Verhalten
6.3. Schaltverhalten der Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistoren (MOSFETs)
6.4. Regelverhalten
6.5. maximaler Spannungs- und Stromrippel
7. Fazit
Zielsetzung und Themenbereiche
Diese Arbeit dokumentiert den Entwurf, den Aufbau und die Inbetriebnahme eines Tiefsetzstellers im Rahmen des HSLS-Praktikums am Karlsruher Institut für Technologie, mit dem Ziel, eine Eingangsspannung von 40V in eine zwischen 10V und 36V einstellbare Ausgangsspannung bei einer Leistung von bis zu 50W zu wandeln.
- Dimensionierung leistungselektronischer Komponenten wie Drosseln und Kondensatoren.
- Simulation des Schaltungsentwurfs in Matlab/Simulink zur Analyse des Betriebsverhaltens.
- Entwicklung und Implementierung einer Kaskadenregelung für Strom und Spannung.
- Generierung von C-Code für den Einsatz auf einem Mikrocontroller.
- Experimentelle Validierung durch Messungen an der aufgebauten Hardware.
Auszug aus dem Buch
2.2. Dimensionierung der Bauteile
Man beginnt nun bei der Dimensionierung der Drossel. Dafur wird eine Formel, die die Induktivität mit dem maxialen Drosselstromrippel und den anderen Eckdaten unseres Tiefsetzstellers in Verbindung bringt, benötigt. Gleichung 2.1 s. [1, S.15] beschreibt den Zusammenhang von Spannung und Strom an der Drossel.
UL = L * dIL/dt (2.1)
Da zur Drosselauslegung der stationäre Zustand angenommen wird, also dass der Drosselstrom nach einer Taktperiode wieder der gleiche ist, gilt: 0 = ΔIL,ein + ΔIL,aus (2.2)
Da der Drosselstrom näherungsweise linaer verläuft, kann man die Gleichung 2.2 für TEin (hier gilt: UL = UE - UA) und TAus(hier gilt: UL = -UA) in 2.1 einsetzen und erhält: (UE - UA) * TEin = UA * TAus (2.3)
Mit dem Aussteuergrad a = TEin * fHL lässt sich 2.3 umformen zu a = UA/UE. Wenn man diesen Zusammenhang in 2.1 für TEin einsezt und nach der Induktivität L auflöst erhält man für die minimal benötigte Induktivität: Lmin = (UE * (a - a^2)) / (ΔIL,max * fHL) = 250 μH (2.4), wobei man ausnutzt, dass der Stromrippel maximal wird für a = 0.5.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Grundlagen der Stromrichter und die Einordnung des Tiefsetzstellers als Gleichspannungswandler.
2. Theoretische Grundlagen: Detaillierte theoretische Betrachtung der Funktionsweise des Tiefsetzstellers sowie Berechnung und Dimensionierung der benötigten elektrischen und thermischen Komponenten.
3. Aufbau: Beschreibung der hardwaretechnischen Umsetzung inklusive der verschiedenen Platinenkomponenten und der Anordnung des Leistungsteils.
4. Simulation: Vorstellung des in Matlab/Simulink erstellten Modells und Analyse des dynamischen Verhaltens unter Variation verschiedener Parameter.
5. Regelung und Codegenerierung: Erläuterung der Synthese der Kaskadenregelung sowie der automatischen Generierung des C-Codes für den Mikrocontroller.
6. Messergebnisse: Präsentation und Diskussion der experimentellen Ergebnisse bezüglich Wirkungsgrad, thermischem Verhalten und Regelgüte.
7. Fazit: Zusammenfassende Bewertung des Projekterfolgs und Ausblick auf mögliche Optimierungen bei einem zukünftigen Redesign.
Schlüsselwörter
Tiefsetzsteller, Leistungselektronik, Gleichspannungswandler, Kaskadenregelung, Matlab, Simulink, Codegenerierung, MOSFET, Dimensionierung, Wirkungsgrad, Stromrippel, Mikrocontroller, Regelungstechnik, Induktivität, Hardware.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Ausarbeitung befasst sich mit der Entwicklung, dem Aufbau und dem Betrieb eines elektronischen Tiefsetzstellers, der eine Eingangsspannung von 40V in eine variabel einstellbare Ausgangsspannung umwandelt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit deckt die theoretische Dimensionierung von Bauteilen, die Simulation in Simulink, das Design eines Kaskadenreglers und die praktische messtechnische Validierung der Hardware ab.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist die Realisierung einer stabil geregelten Schaltung, die eine Ausgangsspannung von 10V bis 36V bei einer Leistung von bis zu 50W liefert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine systematische Vorgehensweise gewählt, beginnend bei der theoretischen Schaltungsanalyse über numerische Simulationen in Matlab/Simulink bis hin zur praktischen messtechnischen Verifikation.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Auslegung der Komponenten (Spulen, Kondensatoren, Kühlung), die Modellbildung für die Regelung sowie die experimentelle Analyse der Wirkungsgrade und des Schaltverhaltens.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Schlagworte sind Tiefsetzsteller, Leistungselektronik, Kaskadenregelung und hardwarenahe Softwareentwicklung.
Warum wurde eine Bootstrapschaltung integriert?
Diese Schaltung ermöglicht die Ansteuerung beider MOSFETs in einer Halbbrücke mit nur einer Spannungsquelle, was Platz und Kosten bei der Hardwareimplementierung einspart.
Was ist der Zweck des Anti-Windup-Verfahrens?
Da die Stellgröße der Regler durch die Hardware begrenzt ist, verhindert das Anti-Windup, dass der Integralanteil des PI-Reglers bei Sättigung unkontrolliert ansteigt und das System verlangsamt.
- Arbeit zitieren
- Nick Lorenz (Autor:in), 2020, Entwurf, Aufbau und Betrieb eines Tiefsetzstellers. Eine Ausarbeitung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/540947
