diff --git a/.gitignore b/.gitignore index d64ab5d3da430fdc7de9fc941a733c922f900e84..79dfdce77ff99f80912991b4cb4f1fe40a75d0d2 100644 --- a/.gitignore +++ b/.gitignore @@ -8,4 +8,9 @@ Examples/* *.synctex.gz *.synctex(busy) *.toc -*.pdf \ No newline at end of file +*.pdf +*.lot +*.lof +*.blg +*.bbl +*.ini \ No newline at end of file diff --git a/Abkuerzungsverzeichnis.tex b/Abkuerzungsverzeichnis.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..0b62e4f9a8ebc8d359b33336167f0d79bdb34fcd --- /dev/null +++ b/Abkuerzungsverzeichnis.tex @@ -0,0 +1,13 @@ +\chapter*{Abkürzungsverzeichnis} +\addcontentsline{toc}{chapter}{Abkürzungsverzeichnis} +\begin{acronym}%[längstes Acronym] + \acro{SST}{Solid State Transformer} + \acro{IFEC}{International Future Energy Challenge} + \acro{TIW}{Triple Insulated Wire} + \acro{MOSFET}{Metal Oxide Semiconductor Field Effekt Transistor} + \acro{IC}{Integrated Circuit} + \acro{EDA}{Electronic Design Automation} +\end{acronym} +\acused{MOSFET}\acused{MOSFETs} +\acused{IC}\acused{ICs} +% https://strobelstefan.de/2021/07/25/latex-glossar-und-abkuerzungsverzeichnis-erstellen/ \ No newline at end of file diff --git a/Abschlussarbeit.tex b/Abschlussarbeit.tex index 30c4d1824583432d6a75692d9275b4b04beff722..0297e75973ca57afc158a8890a96bb96dd28be59 100644 --- a/Abschlussarbeit.tex +++ b/Abschlussarbeit.tex @@ -1,4 +1,4 @@ -\documentclass[11pt,a4paper,twoside,final]{book} +\documentclass[11pt,a4paper,oneside,final]{book} % \usepackage{ngerman} %Neue Rechtschreibung \usepackage{graphicx} %Graphiken einbinden @@ -18,6 +18,10 @@ \usepackage{siunitx} %Setzen von Einheiten %\sisetup{mode=text,range-phrase = {\text{~bis~}}} \usepackage{multicol} +\usepackage[printonlyused]{acronym} +\usepackage[nottoc]{tocbibind} +\usepackage{hhline} +%\usepackage{hyperref} \usepackage{tikz} %Ein umfangreiches Paket für Graphiken: Nur für Fans \usetikzlibrary{positioning} @@ -55,14 +59,16 @@ \pagestyle{fancyplain} \renewcommand{\chaptermark}[1]{\markboth{#1}{}} \renewcommand{\sectionmark}[1]{\markright{\thesection\ #1}} - \lhead[\fancyplain{}{\sl\thepage}]{\fancyplain{}{\sl\rightmark}} - \rhead[\fancyplain{}{\sl\leftmark}]{\fancyplain{}{\sl\thepage}} + \lhead[\fancyplain{}{}]{\fancyplain{}{}} + \rhead[\fancyplain{}{\sl\leftmark}]{\fancyplain{}{\sl\rightmark}} \lfoot{} - \cfoot{} + \cfoot{\thepage} \rfoot{} \setlength{\parindent}{0cm} +\bibliographystyle{plain} + %-------------------------------------------------------------------- % \renewcommand\maketitle{ @@ -132,9 +138,9 @@ Abgabedatum: && 24.02.2023 \includegraphics[width = \textwidth]{./Bilder/Silhouette_HSRT_045K.jpg} % -\newpage -\ -\thispagestyle{empty} +%\newpage +%\ +%\thispagestyle{empty} % \end{titlepage}} @@ -154,7 +160,7 @@ Abgabedatum: && 24.02.2023 \setcounter{errorcount}{1} -\title{Abschlussarbeit--Titel} +\title{Bachelorthesis--Entwicklung und Aufbau eines Weitbereichsnetzteils für einen Solid-State Transformer} %-------------------------------------------------------------------- @@ -165,9 +171,7 @@ Abgabedatum: && 24.02.2023 \setcounter{page}{1} -\tableofcontents - -\thispagestyle{empty} +%\thispagestyle{empty} \input{Kapitelübersicht} diff --git a/Anforderunganalyse.tex b/Anforderunganalyse.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..12ac06041cf7febeed4e2749b76cf5f7fda3da27 --- /dev/null +++ b/Anforderunganalyse.tex @@ -0,0 +1,324 @@ +\chapter{Anforderungen und Analyse}\label{chap:anforderungsanalyse} +% + +Anforderungsanalyse +Tabelle +Haupt + + +Neben +Isolation\\ + +\chapter{Auswahl der Technologie} + +Um eine Hilfspannung zu erzeugen gibt es mehrere Möglichkeiten. +In diesem Kapitel werden die praktikabelsten Möglichkeiten analysiert und miteinander abgewogen. + +Buck-Converter +Da die Isolation der Hilfspannung nur eine Neben(an)forderung ist kann ein simpler Buck-Converter eingesetzt werden. +Diese Möglichkeit wird in der Design Note [] genauer beschrieben. +Als Hauptsächlicher Kritikpunkt ergibt sich allerdings der zu geringe Wirkungsgrad von $\approx\SI{50}{\percent}$ bei höherer Leistung. +Dieser entsteht durch die sehr kurzen Einschaltzeiten bei hoher Eingangsspannung und die schlechten Eigenschaften der, in die Schaltregler integrierten, MOSFETs. + + +Flusswandler + + +Sperrwandler + + +CCM +Im kontinuierlichen Modus für die Primärinduktivität permanent Strom. +Das hat sowohl Schaltverluste bei Einschalten, als auch Leitverluste in der Induktivität zur Folge. + + +DCM +Im diskontunierlichen Modus wird die gesamte, im Speichertransformator gespeicherte, Energie bereits vor dem nächsten Einschaltvorgang auf der Sekundärseite abgerufen. +So entsteht eine dritte Phase in der weder Primär- noch Sekundärinduktivität keinen Strom führt. +Vereinfacht liegt nur $V_{Bulk}$ am Transistor an. +§Irgendwas Schaltverluste§ + +QR +Für die Erklärung des Quasi-Resonanten Modus muss die Vereinfachung aus §DCM§ aufgehoben werden. +Tatsächlich treten während eines Schaltzyklus auf der Primärseite zwei Oszillationen auf. +Die erste, schnelle Oszillation unmittelbar nach dem Ausschalten des Transistors entsteht durch die Leckinduktivität der Primärwicklung. +Die Energie der Leckinduktivität kann nicht über die Sekundärseite abgebaut werden, durch sie entsteht im Ausschaltmoment eine Spannungsspitze am Schalter. +Sie kann näherungsweise mit \SI{1}{\percent} der Primärinduktivität angenommen werden.(§lt. MasterSkript§) +Zusammen mit der Gate-Source-Kapazität des Transistors bildet sich ein Schwingkreis. +Die zweite, entscheidende Oszillation tritt nach vollständiger Entladung der Speicherinduktivität auf. +Bis zu diesem Moment lag eine, durch die Sekundärseite reflektierte, Spannung am Transistor an, die $C_{GS}$ über $V_{Bulk}$ aufgeladen hatte. +So bildet sich wieder ein Schwingkreis. Da die Speicherinduktivität entladen ist geht allerdings ihre gesamte Induktivität in die Resonanzfrequenz ein. +Die zweite Oszillation erfolgt deshalb erheblich langsamer als die erste. + +Der Quasi-Resonante Modus zeichnet sich nun dadurch aus, dass der Beginn des nächsten Schaltzyklus auf einen der Tiefpunkte der zweiten Oszillation vorgezogen wird. +So kann ein möglichst idealer Schaltzeitpunkt bei $<V_{Bulk}$ gewählt werden. +So verringern sich Schaltverluste, aber auch die elektromagnetischen Eigenschaften verbessert sich, da die Oszillation verkürzt oder ganz unterbunden wird. + +Anders als bei CCM oder DCM Regelungen deshalb variabel und umgekehrt proportional zu Last und (((Eingangsspannung))). + +Jeder QR-Regler hat eine höchst- und niedrigstmögliche Frequenz. +Wobei die höchst Mögliche bei Leerlauf und die niedrigst Mögliche bei Vollast auftritt. +%Das ist duch die Größe der zu übertragenden Energiemenge zu erklären: Bei gleicher Spannung muss bei größerer Last länger Strom fließen. naja + + + +Das vorliegende Kapitel beschreibt abweichend von den Äblicherweise hier erwarteten Inhalten einige Anforderungen an die Abschlussarbeit bezÄglich Umfang und Layout, Verwendung von Bildern und Tabellen, Verwendung von Gleichungen sowie Quellenangaben. +% +% +%------------------------------------------- +% +\section{Allgemeine Anforderungen an die Ausarbeitung}\label{sec:ausarbeitungallgemein} +% +% +Die Abschlussarbeit muss laut Studien-- und PrÄfungsordnung der StudiengÄnge Mechatronik die Kriterien an eine wissenschaftliche Arbeit erfÄllen und eine ,,ingenieurmÄÄige'' Vorgehensweise deutlich erkennen lassen. Die Ausarbeitung ist als Dokumentation fÄr die selbstÄndige Bearbeitung einer Aufgabenstellung aus dem Themengebiet der Mechatronik ein wichtiger Bestandteil der Abschlussarbeit und ein wesentlicher Faktor bei der Benotung. + +Dies gilt auch und insbesondere fÄr Abschlussarbeiten, die in der Industrie angefertigt werden. + + +% +Der {\em formale Aufbau der Arbeit} ist in der folgenden AufzÄhlung beschrieben. Abweichungen davon sollten mit dem {\em Erstbetreuer} abgestimmt werden. +% +\begin{enumerate} +% +\item Deckblatt (bei doppelseitigem Druck gefolgt von einer Leerseite) +\item ErklÄrung zur EigenstÄndigkeit (vgl.~Anmeldeformular) +\item Sperrvermerk bei Bedarf +\item Vorwort / Danksagung bei Bedarf +\item Kurzfassung in englisch gemÄÄ Absprache mit dem Betreuern +\item Inhaltsverzeichnis +\item Abbildungs--, Tabellen-- und AbkÄrzungsverzeichnis gemÄÄ Absprache mit den Betreuern +\item Inhalt der Arbeit in den einzelnen Kapiteln +\item Literaturverzeichnis +\item Anhang falls erforderlich +% +\end{enumerate} +% +%------------------------------------------- +% +\section{Umfang}\label{sec:umfang} +% +FÄr den Umfang einer Abschlussarbeit ist eine eindeutige Seitenangabe nicht sinnvoll, da diese durch Einstellungen des Seitenrandes, der ZeilenabstÄnde, eingefÄgte Leerzeilen oder ,,gÄnstig'' eingefÄgte SeitenumbrÄche, Bilder und Tabellen bei Bedarf aufgeblÄht werden kann. + +Der Umfang ergibt sich ganz natÄrlich aus dem Arbeitspensum +% +\begin{itemize} +% +\item bei einer Bachelorarbeit entsprechend 14 Leistungspunkten +\item bei einer Masterarbeit von 6 Monaten. +% +\end{itemize} +% +Eine vernÄnftige und saubere Dokumentation der Grundlagen der Arbeit, der Vorgehensweise bei der LÄsung der Aufgabenstellung sowie der erzielten Ergebnisse fÄhrt ganz natÄrlich zu einem Umfang, der der Arbeit gerecht wird. + +Gute Bachelorarbeiten liegen in der Regel im Bereich von ca.~50--60~Seiten, gute Masterarbeiten im Bereich von ca.~80--90~Seiten, jeweils ohne BerÄcksichtigung der AnhÄnge. + +Es ist im Sinne sowohl des Betreuers als auch des Kandidaten selbst, wenn die Arbeit nicht kÄnstlich durch unnÄtige Inhalte und Randinformationen um zusÄtzliche Seiten aufgeblÄht wird. Der Kandidat muss diese Seiten nÄmlich erstellen, der Betreuer muss sie lesen, ohne dass einer der beiden Beteiligten daraus einen Nutzen hÄtte. +% +%------------------------------------------- +% +\section{Layout}\label{sec:layout} +% +BezÄglich des Layouts kann der Kandidat sich am vorliegenden Dokument orientieren. +Entscheidend ist aber die Aussage des Erstbetreuers. + +Es erscheint sinnvoll, den Text in einer Serifenschrift (z.B.~Times) zu verfassen, da diese nachgewiesenermaÄen in lÄngeren FlieÄtexten leicher lesbar ist, als serifenlose Schriften wie Arial. + +FlieÄttext wird grundsÄtzlich als Blocksatz gesetzt. Dies ist der Standard bei \LaTeX, in anderen Textverarbeitungsprogrammen muss dies passend konfiguriert werden. + +Als SchriftgrÄÄe sollten 12pt gewÄhlt werden. +% +%------------------------------------------- +% +\section{Bilder}\label{sec:bilder} +% +FÄr Bilder gelten folgende Regeln: +% +\begin{itemize} +% +\item Jedes Bild hat eine Abbildungsunterschrift mit Nummer. +% +\item Auf jedes Bild wird im Text mit mindestens einem erklÄrenden Satz verwiesen. +% +\item Die Bildinhalte sollten graphisch sorgfÄltig aufbereitet sein. Insbesondere mÄssen die Schriften gut lesbar sein. Idealerweise haben im Bild verwendete Schriften die gleiche Schriftart und SchriftgrÄÄe wie die im Text verwendeten Schriften. +% +\end{itemize} +% +Ein Beispiel dazu ist in der Abbildung~\ref{fig:gmabgerollt} dargestellt. +% + + +Ein weiteres Beispiel in der Abbildung~\ref{fig:anschlussgm} zeigt eine weitere MÄglichkeit, auf einzelne Bildteile gezielt zu verweisen. Hier ist auch der erklÄrende Text zur Veranschaulichung angegeben. + +Das Beispiel veranschaulicht auch, dass Bild und erklÄrender Text sich nicht zwangslÄufig auf der gleichen Seite befinden mÄssen. Es ist zwar sinnvoll, dies nach MÄglichkeit zu tun, insbesondere bei vielen Bildern aber nicht immer machbar. + + +Bei der {\em Reihenschlussmaschine} (vgl.~Abbildung~\ref{fig:anschlussgmreihe}) sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet und werden von der gleichen Spannungsquelle mit der Spannung~$U$ versorgt. Aufgrund dieser Beschaltung ist der Ankerstrom~$I_A$ stets gleich dem Erregerstrom~$I_E$ und wird mit $I$ bezeichnet. Im Unterschied dazu werden bei der {\em Nebenschlussmaschine} aus der Abbildung~\ref{fig:anschlussgmneben} Anker-- und Erregerwicklung parallel mit der gleichen Spannung $U$ versorgt. Ankerstrom und Erregerstrom kÄnnen in bestimmten Grenzen unabhÄngig voneinander eingestellt werden. + +% +%------------------------------------------- +% +\section{Tabellen}\label{sec:tabellen} +% +FÄr grÄÄere Tabellen gelten bezÄglich Beschriftung, Verweis und Leserlichkeit die gleichen Regeln wie fÄr Bilder. + +Kleinere Tabellen im Umfang von 3--4 Zeilen, die inhaltlich direkt in den beschreibenden Text eingebunden sind, mÄssen keine Beschriftung erhalten. + +Immer wieder werden in Abschlussarbeiten Tabellen eingesetzt, die aus anderen Arbeiten kopiert wurden. Dies sollte vermieden werden, da solche Tabellen mit vertretbarem Aufwand in deutlich besserer QualitÄt im eigenen Dokument erzeugt werden kÄnnen. + +Wird in begrÄndeten AusnahmefÄllen doch die Tabelle als Bild in den Text eingefÄgt, sollte diese in der Bildunterschrift dennoch als Tabelle bezeichnet werden. +% +%------------------------------------------- +% +\section{Verwendung von Formelzeichen und Gleichungen}\label{sec:formeln} +% +In einer Abschlussarbeit sollten Gleichungen in der Regel abgesetzt dargestellt werden, da dies die Lesbarkeit erhÄht. Dies zeigt das folgende Beispiel im Vergleich: + +\paragraph{Gleichung im Text:} +% +FÄr eine sinusfÄrmige Wechselspannung +$U(t) = \hat U \sin \omega t$, +die einen Wechselstrom $\ldots$ + +\paragraph{Abgesetzte Gleichung:} +% +FÄr eine sinusfÄrmige Wechselspannung +% +\begin{align} +% +U(t) &= \hat U \sin \omega t\;, \label{eq:usinomegat} +% +\end{align} + +die einen Wechselstrom $\ldots$ + +Eine abgesetzte Gleichung bietet zudem die MÄglichkeit, auf diese Gleichung Äber die Gleichungsnummer zu verweisen. Dies geschieht in der folgenden Form: + +\bigskip + +In~\eqref{eq:usinomegat} wird die Zeitfunktion fÄr eine sinusfÄrmige Wechselspannung dargestellt. + +\bigskip + +Durch die Notation mit den Klammern, ist laut Konvention dieser Verweis als Verweis auf eine Gleichung gekennzeichnet. + +BezÄglich der Schriftart sollte die Standardeinstellung des Textverarbeitungssystems gewÄhlt werden. UnabhÄngig davon sollten Formelzeichen im Text und in Gleichungen einheitlich dargestellt werden. + +Wie das Beispiel in~\eqref{eq:usinomegat} zeigt, werden Formeln grundsÄtzlich in den Satz eingebettet und sind somit bei der Interpunktion zu berÄcksichtigen. +% +%---------------------------------------------------- +% +\subsubsection{Satz von Formelzeichen, Indizes und Einheiten} +% +Formelzeichen fÄr GrÄÄen werden nach der {\em DIN EN ISO 80000--1} kursiv gedruckt, unabhÄngig davon, ob Sie im Text oder in einer abgesetzten Formel stehen. Indizes, die eine Variable reprÄsentieren werden ebenfalls kursiv gestellt. Indizes, die Worte oder deren AbkÄrzungen sowie feste Zahlen reprÄsentieren, werden nicht kursiv gedruckt. Einheiten physikalischer Variablen werden grundsÄtzlich aufrecht gestellt. + +In \LaTeX~werden Variablen in der Mathematikumgebung grundsÄtzlich kursiv gestellt. Zahlen werden grundsÄtzlich aufrecht gestellt. Zu beachten ist, dass \LaTeX~im Mathematikmodus eigene AbstÄnde verwendet, was bei Einheiten und Texten dazu fÄhrt, dass diese ungÄnstig gesetzt werden, wie im folgenden Beispiel veranschaulicht: +% +\begin{align*} +% +f_{Motor} &= 50\;Hz\qquad & f_{Nenn}&=50\;Hz\;. +% +\end{align*} +% +Die normkonforme Darstellung sieht folgendermaÄen aus: +% +% +\begin{align*} +% +f_{\text{Motor}} &= \SI{50}{Hz}\qquad & f_{\text{Nenn}}&=\SI{50}{Hz}\;. +% +\end{align*} +% +FÄr die Multiplikation zweier Variablen gibt es folgende Varianten: +% +\begin{align} +% +&xy\;,\label{eq:xy}\\ +&x\,y\;,\label{eq:xspacey}\\ +&x\cdot y\; \qquad \text{oder}\label{eq:xcdoty}\\ +&x\times y\;.\label{eq:xtimesy} +% +\end{align} +% +Die Varianten~\eqref{eq:xy}--\eqref{eq:xcdoty} sind fÄr Multiplikationen von Skalaren sinnvoll. Die Variante~\eqref{eq:xcdoty} wird auch fÄr das Skalarprodukt von Vektoren verwendet. Die Variante~\eqref{eq:xtimesy} sollte nur fÄr das Vektorprodukt verwendet werden. + +Die Notation $x*y$ ist unschÄn und nach der {\em DIN EN ISO 80000--1} auch nicht vorgesehen. +% + +Mathematische Funktionen wie~$\sin$, $\cos$, $\min$, $\max$, \ldots\;, werden grundsÄtzlich aufrecht gesetzt. \LaTeX~bietet diese Funktionen als \LaTeX--Befehle an und setzt sie dann entsprechend. +% + +Formeln, auch abgesetzte Formeln sind grundsÄtzlich Bestandteil der SÄtze und werden bei der Interpunktion auch so berÄcksichtigt. Dies zeigen die obigen Beispiele. + +% +\paragraph{Einheiten} werden grundsÄtzlich als Text gesetzt. Dies gilt insbesondere auch in Formeln. Zwischen dem Wert der physikalischen GrÄÄe und der Einheit sollte ein kleiner Zwischenraum eingefÄgt werden. Ein Umbruch zwischen Wert und Einheit sollte vermieden werden. + +Zum Setzen von Einheiten bietet \LaTeX~das Paket~\texttt{siunitx} an, das das Setzen von Zahlen mit Einheiten erleichtert. +% +%------------------------------------------- +% +\section{Literaturangaben}\label{sec:literaturangaben} +% +Der Sinn von Literaturangaben ist +% +\begin{itemize} +% +\item zwischen eigenem und fremden geistigen Eigentum zu unterscheiden, d.h.~zu kennzeichnen, welche Inhalte und Ideen selbst im Rahmen der Arbeit entwickelt wurden und welche Inhalte und Ideen und Darstellungen wÄrtlich oder sinngemÄÄ aus anderen Quellen Äbernommen wurden, +% +\item anderen Lesern der Arbeit die MÄglichkeit zu geben, HintergrÄnden und weiter gehende Informationen nachlesen zu kÄnnen. +% +\end{itemize} +% +Quellenangaben werden in der Regel im Literaturverzeichnis gemacht. Sinnvolle Ausnahmen sind z.B.~Bildquellen, die je nach Anforderung des Urhebers des Bildes angegeben werden mÄssen. + +FÄr die Erstellung des Literaturverzeichnisses sollten die Standardwerkzeuge des jeweiligen Textverarbeitungssystems genutzt werden. Das Literaturverzeichnis des vorliegenden Dokuments zeigt beispielhaft ein Literaturverzeichnis mit Angaben zu BÄchern, ZeitschriftenbeitrÄgen, TagungsbeitrÄgen und Internetdokumenten. + +Um unterschiedliche Darstellungen fÄr das Literaturverzeichnis zu veranschaulichen, sind dabei auch unterschiedliche Formatierungen der Verweise dargestellt. In einer Arbeit sollte man sich fÄr eine der Varianten entscheiden und diese konsequent umsetzen. + +GrundsÄtzlich gilt, dass ein Buch, ein Zeitschriften-- oder Tagungsbeitrag Internetquellen vorzuziehen sind, da Internetquellen mÄglicherweise nicht dauerhaft verfÄgbar sind. + +\subsection{Bilder} + +Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel zu einer Quellenangabe fÄr ein Bild: +% +\begin{figure}[htb] + \centering + \includegraphics[width=0.40\textwidth]{./Bilder/SIEMENS_1LE1_Schnittbild.png} + \caption{Schnittbild durch eine Asynchronmaschine. \textsuperscript{\textcopyright} Siemens AG 2012, Alle Rechte vorbehalten.} + \label{fig:aufbauasm} +\end{figure} +% +Das Bild aus der Abbildung~\ref{fig:aufbauasm} wurde mit Zustimmung der Siemens AG aus deren Bilddatenbank entnommen. Dabei wurde gefordert, die in der Bildunterschrift dargestellte Quellenangabe einzufÄgen. An dieser Stelle entfÄllt der Literaturhinweis. + +Bei Abschlussarbeiten in der Industrie, bei denen von der betreuenden Firma mehrere Abbildungen zur VerfÄgung gestellt werden, ist es sinnvoll, an einer geeigneten Stelle im Text darauf zu verweisen, dass die Abbildungen mit den entsprechenden Abbildungsnummern von der Firma zur VerfÄgung gestellt wurden. Damit vermeidet man einen Äberschuss an gleichen Informationen und kennzeichnet trotzdem fremdes geistiges Eigentum. + +GrundsÄtzlich ist bei kopierten fremden Bildern die Zustimmung des Urhebers einzuholen. Insofern sollte dies nach MÄglichkeit vermieden werden. Ausnahmen sind Äffentlich zugÄngliche und entsprechend gekennzeichnete Bilder. + +Literaturverweise sind grundsÄtzlich Bestandteil des Satzes, auf den sie sich beziehen. + +% +%------- +% +\subsection{Fremdes Gedankengut im Text} + +Bei der Darstellung fremden Gedankenguts im Text gibt es zwei MÄglichkeiten: +% +\subsubsection{Zitat} +% +,,Der Rotor einer KurzschluÄlÄufer--ASM besteht aus den beiden Komponenten Kurz\-schluÄ--KÄfig und Eisenkern''~\cite{Schroder:2009}. + +MÄglicherweise muss das Zitat durch eine Auslassung oder eine ErgÄnzung verÄndert werden. Dies wird z.B.~folgendermaÄen durchgefÄhrt: +% + +,,Der Rotor einer KurzschluÄlÄufer--[Asynchronmaschine] besteht aus den [$\ldots $] Komponenten Kurz\-schluÄ-KÄfig und Eisenkern''~\cite{Schroder:2009}. + +Zur genaueren Kennzeichnung kann der Literaturhinweis auch genauer spezifiziert werden:~\cite[Abschnitt 5.2.2]{Schroder:2009}. Dies wird jedoch nicht von allen Textverarbeitungssystemen unterstÄtzt. + +\subsubsection{SinngemÄÄe Äbernahme} +% +Der Rotor einer Asynchronmaschine mit KurzschlusslÄufer enthÄlt einen sogenannten KurzschlusskÄfig und einen Eisenkern~\cite{Schroder:2009}. + +Bei lÄngeren Texten, z.B.~bei der Darstellung von Grundlagen ist es sinnvoll einmalig zu Beginn eines Abschnitts auf den Ursprung des Inhalts zu z.B.~ in der folgenden Art und Weise verweisen: + +Die folgende ErlÄuterung des Aufbaus der Asynchronmaschine orientiert sich an der in~\cite{Schroder:2009} gegebenen Darstellung. + + diff --git a/Bilder/Fertige Platine.jpg b/Bilder/Fertige Platine.jpg new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..e8493d58d54ceca009081aa2e657394e34459442 Binary files /dev/null and b/Bilder/Fertige Platine.jpg differ diff --git a/Bilder/QR-Frequenz.png b/Bilder/QR-Frequenz.png new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..e46a641e07b123a5494a080e9c399e90e448f660 Binary files /dev/null and b/Bilder/QR-Frequenz.png differ diff --git "a/Bilder/SST-\303\234bersicht.png" "b/Bilder/SST-\303\234bersicht.png" new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..ec3b513d5b6993a9ea7caeb3b464fd7600157704 Binary files /dev/null and "b/Bilder/SST-\303\234bersicht.png" differ diff --git a/Bilder/Sperrwandler.jpg b/Bilder/Sperrwandler.jpg new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..c93f309cc306a278986920a080237d3cca8e40e7 Binary files /dev/null and b/Bilder/Sperrwandler.jpg differ diff --git a/Bilder/VDCminPlot.png b/Bilder/VDCminPlot.png new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..9e0035a31c79c4f16992f5e6bf087007c1394b43 Binary files /dev/null and b/Bilder/VDCminPlot.png differ diff --git a/Bilder/Vbulk-balance.png b/Bilder/Vbulk-balance.png new file mode 100644 index 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seine Vorwärtsspannung $V_F$ einen möglichst geringen Wert aufweisen um Verluste zu vermeiden. +Der gewählte Gleichrichter 'MDB10S-HF' weißt mit $V_{RMS} = \SI{700}{\volt}$ und $V_F = \SI{0,8}{\volt}$ bei \SI{100}{\milli\ampere} +beide Eigenschaften auf. +% https://eu.mouser.com/datasheet/2/80/B05S_HF_Thru408783__B10S_HF_RevC-2504752.pdf + + +\subsection{Zwischenkreiskapazität}\label{sec:dim-Cbulk} + +\subsubsection{Auslegung der Kapazität} + +In \cite{Infineon-QR-Paper_2-9} wird Tabelle \ref{tab:Cbulk-empfehlung} zur Auslegung von $C_{Bulk}$ angegeben, +die als Ausgangspunkt dienen kann. + +\begin{table}[h] + \begin{center} + \begin{tabular}{|c|c|} + \hline + Effektivspannung $V_{AC}$ & Kapazität \\ + \hhline{|=|=|} + \SI{115}{\volt} & \SI{2}{\micro\farad} / \si{\watt} \\ + \hline + \SI{115}{\volt} & \SI{1}{\micro\farad} / \si{\watt} \\ + \hline + \SIrange{85}{265}{\volt} & \SIrange{2}{3}{\micro\farad} / \si{\watt} \\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Empfehlung für Zwischenkreiskapazität aus \cite{Infineon-QR-Paper_2-9}} + \label{tab:Cbulk-empfehlung} + \end{center} +\end{table} + +Die Spannweite der Zwischenkreisspannung $V_{DC}$ kann wie folgt berechnet werden. +Das Maximum $V_{DC,max}$ ergibt sich aus dem Spitzenwert der gleichgerichteten Netzspannung. + +\begin{equation} + V_{DC,max} = \sqrt{2} \cdot V_{AC,max} + \label{eq:V_DC,max} +\end{equation} + +Der Minimalwert der Zwischenkreisspannung $V_{DC,min}$ ist davon abhängig wie weit der Pufferkondensator $C_{Bulk}$ während einer Halbwelle entladen wird. +Umso größer $C_{Bulk}$ ist, umso stabiler ist $V_{DC}$ und umso weniger bricht die Spannung während des Entladens ein. +Ein entsprechender Verlauf ist in Abb. \ref{fig:V-Bulk} abgebildet. +$V_{DC,min}$ kann mit folgender Formel aus \cite{Infineon-QR-Paper_2-9} ermittelt werden. +Der Ladezyklus $d_{charge}$ kann dabei mit $0,2$ angenähert werden. +$P_{in,max}$ entspricht dem Quotienten aus maximaler Nutzleistung und erwartetem Wirkungsgrad. + +\begin{equation} + V_{DC,min} = \sqrt{2 \cdot V_{AC,min} ^ 2 - \frac{P_{in,max} \cdot (1 - d_{charge})}{C_{Bulk} \cdot f_{AC}}} + \label{eq:V_DC,min} +\end{equation} + +Anhand von (\ref{eq:eq:V_DC,min}) wird in Abb. \ref{fig:V-DCmin} die Minimalspannung in Abhängigkeit von $C_{Bulk}$ betrachtet. +Es ist zu erkennen, dass eine Erhöhung der Kapazität im niedrigen Bereich einen großen Effekt hat, +der ab einer gewissen Größe stark abnimmt. + +\begin{figure} + \begin{minipage}[c]{0.4\linewidth} + \includegraphics[width=\linewidth]{./Bilder/VBulk-minmax.png}\label{fig:V-Bulk} + \caption{Ermittlung von maximaler und minimaler Zwischenkreisspannung} + \end{minipage} + \hfill + \begin{minipage}[c]{0.4\linewidth} + \includegraphics[width=\linewidth]{./Bilder/VDCminPlot.png}\label{fig:V-DCmin} + \caption{Beispielhafter Verlauf von $V_{DC,min}$ in Abhängigkeit von $C_{Bulk}$} + \end{minipage} +\end{figure} + +Im Datenblatt des Schaltreglers ist eine detailliertere Gleichung angegeben um wahlweise +Spannungsminimum oder die benötigte Kapazität auszurechnen \cite[S.23]{UCC28730}. +Hier wird ein zusätzlicher Faktor $N_{HC}$ verwendet um ausfallende Halbwellen der Versorgungsspannung zu berücksichtigen. + +\begin{equation} + C_{Bulk} \geq \frac{2 P_{in,max} \cdot (0,25 + 0,5 N_{HC} + \frac{1}{2\pi} \cdot \arcsin(\frac{V_{DC,min}}{\sqrt{2} \cdot V_{AC,min}}))} + {(2 V_{AC,min}^2 - V_{DC,min}^2) \cdot f_{AC}} + \label{eq:dim-Cbulk} +\end{equation} + +Durch Ausprobieren beziehungsweise Plotten kann mit der Formel auch $V_{DC,min}$ für eine gegebene Kapazität ermittelt werden. +Für $V_{AC,min}$ und $f_{LINE}$ entsprechen \SI{400}{\volt}/\SI{50}{\hertz} aus Tabelle \ref{tab:anforderungen}. + +Aufgrund des Bestellstopps der Hochschule mussten die Bauteile bereits vor der exakten Auslegung der Schaltung bestellt werden. +Deshalb werden, im Vergleich zu Tabelle \ref{tab:Cbulk-empfehlung}, verhältnismäßig kleine Kondensatoren mit $C_Bulk = \SI{6,8}{\micro\farad}$ verwendet. +Wird $N_{HC}$ vernachlässigt, so ist die gewählte Kapazität +$C_{Bulk} = \SI{6,8}{\micro\farad}$ ausreichend um eine Mindestspannung von +$V_{DC,min} = \SI{90}{\volt}$ zu gewährleisten. +Da der \ac{SST} fest installiert werden soll ist diese Vereinfachung möglich. + +Es ist wichtig zu betonen, dass die Versorgungsspannung des Hilfsnetzteils mit steigender Last am \ac{SST} zusätzlich absinken wird. +Tests müssen zeigen ob ein stabiler Betrieb unter den entsprechenden Bedingungen möglich ist oder ob $C_{BULK}$ vergrößert werden muss. +Wie in Abb. \ref{fig:V-Bulk} zu sehen ist kann in diesem niedrigen Bereich schon eine kleine Erhöhung der Kapazität eine Verbesserung bringen. + +\subsubsection{Problematik der hohen Betriebsspannung}\label{ssec:problematikDerHohenSpannung} + +Da die die Zwischenkreisspannung mit $V_{DC,max} = \SI{565}{\volt}$ oberhalb der maximalen Betriebsspannung +gängiger Elektrolyt-Kondensatoren liegt müssen weitere Schritte ergriffen werden. +Um die Spannungsanforderung zu erfüllen können zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet werden. +Diese Anordnung hat allerdings eine Schwachstelle: + +Die Leckströme unterliegen einer großen Toleranz, die nicht genau angegeben werden kann. +Durch unterschiedliche Leckströme in den Kondensatoren kann es nun zu einem Ladungsungleichgewicht kommen. +Ist zum Beispiel der Leckstrom von C1 erheblich größer als der von C2, so sammelt sich in C2 mit der Zeit eine immer größere Ladung. +So steigt auch die Spannung über C2. +Kann die erhöhte Spannung das Ungleichgewicht der Leckströme nicht kompensieren, so steigt die Spannung über den zulässigen Bereich hinaus. +Hierdurch kommt es mindestens zu einer stark verkürzten Lebenszeit, im schlimmsten Fall aber zum Versagen des Kondensators. + +Um diesem Fall entgegen zu wirken gibt es zwei Möglichkeiten. +Zum einen kann über einen Spannungsteiler die Spannung am mittleren Knoten eingestellt werden. +Um ein sicheres Abfließen unausgeglichener Leckströme zu gewährleisten sollte durch den Spannungsteiler ein Mehrfaches des Leckstroms fließen. +Ebenfalls ist die Spannungsfestigkeit der Widerstände zu berücksichtigen. +Die andere Möglichkeit ist, die Spannungen der einzelnen Kondensatoren über Zenerdioden zu klemmen. +So kann sich zwischen den Kondensatoren zwar ein Ungleichgewicht aufbauen, dieses wird aber auf ein sicheres Niveau begrenzt. +Hierbei entstehen im Idealfall keine zusätzlichen Verluste, allerdings sind Zenerdioden kostenintensiver als Widerstände. +Die Toleranz der Zenerdioden ist zu beachten. + +An den gewählten $V_Z = \SI{180}{\volt}$ Zenerdioden entsteht im Worst-Case eine Verlustleistung von + +\begin{equation} + P_{Z,max} = I_{Leak,max} \cdot V_Z = \SI{81,6}{\micro\ampere} \cdot \SI{180}{\volt} \approx \SI{15}{\milli\watt} + \label{eq:verluste-zener} +\end{equation} + +Eine Betrachtung der Verluste bei Verwendung eines Spannungsteilers ist in \cite{AN2872-HVBuck} zu finden, die Verluste bei hoher Spannung liegen dort bei $\approx\SI{150}{\milli\watt}$. + + +\section{Speichertransformator} +\subsection{Elektrische Eigenschaften} + +In diesem Abschnitt wird nach den Vorgaben im Datenblatt \cite{UCC28730} des gewählten Schaltreglers 'UCC28730' vorgegangen. + +Zuerst wird hier der maximale Duty-Cycle $D_{MAX}$ berechnet. +Er wird durch den maximale Entmagnetisierungszyklus von $D_{MAGCC} = 0,432$ +und eine Halbwelle der Oszillation entsprechend \ref{ssec:grundlagen-qr} begrenzt. +Für deren Abschätzung wird eine Frequenz von $\SI{500}{\kilo\hertz}$ empfohlen, was einer Periodendauer von $t_R = \SI{2}{\micro\second}$. +Sie wird mit der maximalen Schaltfrequenz des Reglers von $f_{MAX} = \SI{83,3}{\kilo\hertz}$ normiert. + +\begin{equation} + D_{MAX} = 1 - D_{MAGCC} - (\frac{t_R}{2} \cdot f_{MAX}) = 0,485 + \label{eq:dim-Dmax} +\end{equation} + +Nun kann das Windungsverhältnis $N_{PS(ideal)}$ berechnet werden. +Für die Spannung der Sekundärwicklung wird die Summe aus +$V_{out}$, der regulären Ausgangsspannung (output constant voltage) und +$V_F$, der Vorwärtsspannung der Gleichrichterdiode. + +\begin{equation} + N_{PS(ideal)} = \frac{D_{MAX} \cdot V_{DC,min}}{D_{MAGCC} \cdot ( V_{out} + V_F)} + = § + \label{eq:NpsIdeal} +\end{equation} + +Aufgrund der internen Reglerstruktur des \acp{IC} wird der Spitzenstrom $I_{PP}$ über den +Stommesswiderstand $R_{CS}$ bestimmt. +Dieser begrenzt den Ausgangsstrom auf $I_{out,max}$. +Er wird über das Windungsverhältnis auf der Primärseite sichtbar und mit $R_{CS}$ gemessen. +Die abfallende Spannung wird intern mit $V_{CCR} = \SI{319}{\milli\volt}$ skaliert. +Der Faktor $\eta_{XFMR}$ ist der Gesamtwirkungsgrad des Tranformators, es werden $0,85$ angenommen. +Um die Ausgangsleistung trotz schlechterem Wirkungsgrad oder anderen Toleranzen nicht zu stark zu begrenzen +sollte $I_{out,max}$ etwas größer gewählt werden als der erforderliche Ausgangsstrom. +Hier sei $ I_{out,max} = \SI{600}{\milli\ampere}$ + +\begin{equation} + R_{CS} = \frac{V_{CCR} \cdot N_{PS}}{2 \cdot I_{out,max}} \cdot \sqrt{\eta_{XFMR}} + = § + \label{eq:r-cs} +\end{equation} + +Der maximale Spitzenstrom ergibt sich nun aus dem Schwellwert $V_{CST(max)} = \SI{740}{\milli\volt}$, +ab dem der Regler in die Strombegrenzung schaltet. + +\begin{equation} + I_{PP,max} = \frac{V_{CST(max)}}{R_{CS}} = § + \label{eq:i-pp-max} +\end{equation} + +Mit dem Spitzenstrom kann jetzt die Primärinduktivität $L_{Pri}$ festgelegt werden. + +\begin{equation} + L_{Pri} = \frac{2 \cdot (V_{out} + V_F) \cdot I_{out,max}} + {I_{PP,max} \cdot f_{MAX} \cdot \eta_{XFMR}} + = § + \label{eq:l-pri} +\end{equation} + +%Falsch Zur Spannungsregelung nutzt der UCC28730 die Hilfswicklung, +Die Hilfswicklung wird zur Spannungsversorgung des \acp{IC} genutzt. +Da sie gleichzeitig mit der Sekundärwicklung leitet kann hier das Wicklungs- mit dem Spannungsverhältnis berechnet werden. +Als benötigte Spannung wird $V_{VDD(off)} = \SI{7,7}{\volt}$, die Ausschaltschwelle des Reglers angesetzt. +Diese Spannung soll dann unterschritten werden, wenn in der Strombegrenzung die niedrigste erlaubte Ausgangsspannung auftritt. +Bei einer Ausgangsspannung von $V_{out,min} = \SI{10}{\volt}$ soll der Regler ausschalten. + +\begin{equation} + N_{AS} = \frac{V_{VDD(off)} + V_{FA}}{V_{out,min} + V_F} = \frac{\SI{7,7}{\volt} + \SI{0,5}{\volt}}{\SI{10}{\volt} + \SI{0,5}{\volt}} = 0,78 + \label{eq:n-as} +\end{equation} + +Bezüglich der elektrischen Größen kann nun noch die Strombelastung der einzelnen Windungen berechnet werden. +Die Auswahl der Drähte folgt in \ref{ssec:auswahl-der-wickeldraehte}. +Nach \cite[S.9]{Infineon-DCM-Paper_2-8} ergeben sich die folgenden Werte, $I_{Sek,Eff}$ wird vom Spitzenstrom der Primärseite abgeleitet. + +\begin{equation} + I_{Pri,Eff} = I_{PP,max} \cdot \sqrt{\frac{D_{MAX}}{3}} = \SI{199}{\milli\ampere} + \label{eq:Ipri-eff} +\end{equation} +\begin{equation} + \hat{I}_{Sek} = I_{PP,max} \cdot N_{PS,ideal} = \SI{3,22}{\ampere} + \label{eq:Isek-peak} +\end{equation} +\begin{equation} + I_{Sek,Eff} = \hat{I}_{Sek} \cdot \sqrt{\frac{1 - D_{MAX}}{3}} = \SI{1,33}{\ampere} + \label{eq:Isek-eff} +\end{equation} + +\subsection{Magnetische Eigenschaften} + +\subsubsection{Auswahl des Transformatorkerns} +Die Auswahl des Kerns hängt mit vielen Variablen zusammen und unterliegt daher fast zwangsläufig mehreren Iterationen. + +%\subsection{Größe} +Grundlegend muss die Ungleichung (\ref{eq:Bmax}) erfüllt sein um sicherzustellen, dass der Kern nicht sättigt, was eine Energieübertragung verhindern würde. + +\begin{equation} + N_{Pri} \ge \frac{L_{Pri} \cdot I_{PP,max}}{B_{max} \cdot A_e} + \ge + \label{eq:Bmax} +\end{equation} + +$A_e$ ist dabei von der Kerngröße abhängig, während $B_{max} \le \SI{300}{\milli\tesla}$ angenommen wird. +Die Windungen müssen dann im Windungsfenster des Kerns beziehungsweise des Wickelkörpers verlegt werden. +Hier zeigt sich die Komplexität der Auswahl: +Ein größerer Kern bietet mehr Platz wir Windungen, durch seinen größeren Querschnitt $A_e$ senkt er aber die Anzahl der benötigten Windungen insgesamt. +Zusätzlich wird die Suche nach einem guten Startpunkt dadurch erschwert, dass Tabellen und Programme von exakter, maschineller Fertigung ausgehen. +Die Wicklung von Hand benötigt mehr Platz, wodurch ein größeres Wicklungsfenster benötigt wird. + +So stellte sich der zuerst bestellte E16-Kern als viel zu klein heraus um die benötigten $\approx 105$ Windungen der Primärseite unterzubringen. +Die Software Frenetic, auf die in \ref{zuFrenetic} genauer eingegangen wird, wurde ein RM8-Kern empfohlen. +Dieser ist etwas größer als der E16-Kern, bietet aber durch seine runde Form eine bessere Ausgangsform für das Wickeln. +Die Auswahl wurde auch dadurch begünstigt, dass RM8-Kerne im Labor auf Lager waren und nicht während des Bestellstopps beschafft werden mussten. +Mit (\ref{eq:Bmax}) ergibt sich eine Mindestwicklungszahl von $N_{Pri,min} = 37$, erheblich weniger als mit dem kleineren E16-Kern. + +%\subsection{Material} +\subsubsection{Material und Luftspalt} +Ist die Form des Kerns ausgewählt, so kann ein Material gewählt werden. +Die verschiedenen Ferrite sind auf verschiedene Frequenzen ausgelegt, genauere Informationen bieten Tabellen und Datenblätter der Hersteller. +In diesem Fall kommt das Ferrit 'N49' zum Einsatz, auch weil es im Verfügbar ist. + +Im entsprechenden Datenblatt \cite{TDK-core} sind die $A_L$-Werte der verschiedenen Materialien zu finden. +Für manche Kerne sind vorgefertigte Luftspalte verfügbar, für sie ist ein gesonderter $A_L$-Wert angegeben. +Werksseitig eingefügte Luftspalte sind auf das mittlere Bein des Kerns begrenzt. +Dadurch kommt es zu weniger Streuung des B-Feldes, da die umliegenden Wicklungen dieses zusätzlich dämpfen. +Da kein Kern mit Luftspalt vorhanden ist muss dieser in \ref{ssec:einstellenDerInduktivitaet} improvisiert werden. + +Zunächst muss daher aus den Angaben im Datenblatt ein $A_L$-Wert abgeschätzt werden, mit dem die benötigte Windungszahl berechnet werden kann. +Bei einem Luftspalt von \SI{0,1}{\milli\meter} werden $A_L = \SI{400}{\nano\henry}$ angenommen. +Aus dem Erreichen der Primärinduktivität ergibt sich eine weitere Mindestwicklungszahl, +wobei mehr Windungen über die Vergrößerung des Luftspalts und entsprechend eine Reduktion von $A_L$ ausgeglichen werden können. + +\begin{equation} + L = A_L \cdot N^2 + \qquad + N_{Pri} \ge \sqrt{\frac{L_{Pri}}{A_L}} + \ge + \label{eq:A-L-Wert} +\end{equation} + + +\section{RCD-Clamp/Snubber} + + +\section{Spannungsmessung und Versorgung des Schaltreglers} + + +\section{Sekundärseite und Ausgangsfilter} \ No newline at end of file diff --git a/Einleitung.tex b/Einleitung.tex index b00e55d76ba3c365f87ede9355728a08f11a6757..a5de5b3e067f9d7f1f63974092ebc570a22f2893 100644 --- a/Einleitung.tex +++ b/Einleitung.tex @@ -1,84 +1,36 @@ \chapter{Einleitung}\label{kap:einleitung} % -Diese Arbeit findet im Rahmen der International Future Energy Challenge 2023 statt. -Das Ziel der Challenge ist es, einen Solid-State-Transformer (SST) zu entwickeln. %! -Dieser soll eine Leistung von bis zu \SI{600}{\watt} übertragen können und %! -Dafür wird ein LLC-Wandler mit Dual-Active-Halfbridge-Schaltung angewandt. - -Unabhängig von der Technologie des SST ist eine Hilfsspannungsversorgung wird für die Regelung und insbesondere Ansteuerung der MOSFETs benötigt. -Die Entwicklung dieser Hilfsspannungsversorgung (Auxilary Power Supply) wird in dieser Arbeit behandelt. -Die Herausforderung ergibt sich dabei insbesondere aus der hohen Betriebsspannung, wenn der SST zwischen zwei Außenleitern, also bei \SI{400}{\volt}, betrieben wird. - -Anforderungsanalyse -Tabelle -Haupt - - -Neben -Isolation - -Die Einleitung dient dazu, den Leser auf die Arbeit einzustimmen, die Aufgabenstellung in einer allgemein verständlichen Form kurz und knapp zu beschreiben und anschließend die Gliederung der Arbeit kurz zu motivieren und zu beschreiben, so dass der Leser weiß, was er in welchen Kapiteln lesen wird, bzw.~lesen kann. - -Die Einleitung sollte einen Umfang von anderthalb Seiten nach Möglichkeit nicht überschreiten. - -Hintergrund dafür ist, dass Einleitung und Zusammenfassung zusammen den Rahmen der Arbeit bilden. Dieser Rahmen muss derart verfasst sein, dass eine völlig unbeteiligte Person (z.B.~ein Abteilungsleiter in einem Unternehmen) innerhalb von höchstens 10~Minuten erfassen kann, -% -\begin{itemize} -\item in welchem Themengebiet sich die Arbeit bewegt, -\item was die prinzipielle Aufgabenstellung und -\item wie die prinzipielle Vorgehensweise war, -\item welche Ergebnisse erzielt wurden, -\item welche weitere Entwicklung noch möglich ist. -\end{itemize} - -Auswahl der Technologie - -Um eine Hilfspannung zu erzeugen gibt es mehrere Möglichkeiten. -In diesem Kapitel werden die praktikabelsten Möglichkeiten analysiert und miteinander abgewogen. - -Buck-Converter -Da die Isolation der Hilfspannung nur eine Neben(an)forderung ist kann ein simpler Buck-Converter eingesetzt werden. -Diese Möglichkeit wird in der Design Note [] genauer beschrieben. -Als Hauptsächlicher Kritikpunkt ergibt sich allerdings der zu geringe Wirkungsgrad von $\approx\SI{50}{\percent}$ bei höherer Leistung. -Dieser entsteht durch die sehr kurzen Einschaltzeiten bei hoher Eingangsspannung und die schlechten Eigenschaften der, in die Schaltregler integrierten, MOSFETs. - - -Flusswandler - - -Sperrwandler - - -CCM -Im kontinuierlichen Modus für die Primärinduktivität permanent Strom. -Das hat sowohl Schaltverluste bei Einschalten, als auch Leitverluste in der Induktivität zur Folge. - - -DCM -Im diskontunierlichen Modus wird die gesamte, im Speichertransformator gespeicherte, Energie bereits vor dem nächsten Einschaltvorgang auf der Sekundärseite abgerufen. -So entsteht eine dritte Phase in der weder Primär- noch Sekundärinduktivität keinen Strom führt. -Vereinfacht liegt nur $V_{Bulk}$ am Transistor an. -§Irgendwas Schaltverluste§ - -QR -Für die Erklärung des Quasi-Resonanten Modus muss die Vereinfachung aus §DCM§ aufgehoben werden. -Tatsächlich treten während eines Schaltzyklus auf der Primärseite zwei Oszillationen auf. -Die erste, schnelle Oszillation unmittelbar nach dem Ausschalten des Transistors entsteht durch die Leckinduktivität der Primärwicklung. -Die Energie der Leckinduktivität kann nicht über die Sekundärseite abgebaut werden, durch sie entsteht im Ausschaltmoment eine Spannungsspitze am Schalter. -Sie kann näherungsweise mit \SI{1}{\percent} der Primärinduktivität angenommen werden.(§lt. MasterSkript§) -Zusammen mit der Gate-Source-Kapazität des Transistors bildet sich ein Schwingkreis. -Die zweite, entscheidende Oszillation tritt nach vollständiger Entladung der Speicherinduktivität auf. -Bis zu diesem Moment lag eine, durch die Sekundärseite reflektierte, Spannung am Transistor an, die $C_{GS}$ über $V_{Bulk}$ aufgeladen hatte. -So bildet sich wieder ein Schwingkreis. Da die Speicherinduktivität entladen ist geht allerdings ihre gesamte Induktivität in die Resonanzfrequenz ein. -Die zweite Oszillation erfolgt deshalb erheblich langsamer als die erste. - -Der Quasi-Resonante Modus zeichnet sich nun dadurch aus, dass der Beginn des nächsten Schaltzyklus auf einen der Tiefpunkte der zweiten Oszillation vorgezogen wird. -So kann ein möglichst idealer Schaltzeitpunkt bei $<V_{Bulk}$ gewählt werden. -So verringern sich Schaltverluste, aber auch die elektromagnetischen Eigenschaften verbessert sich, da die Oszillation verkürzt oder ganz unterbunden wird. - -Anders als bei CCM oder DCM Regelungen deshalb variabel und umgekehrt proportional zu Last und (((Eingangsspannung))). - -Jeder QR-Regler hat eine höchst- und niedrigstmögliche Frequenz. -Wobei die höchst Mögliche bei Leerlauf und die niedrigst Mögliche bei Vollast auftritt. -%Das ist duch die Größe der zu übertragenden Energiemenge zu erklären: Bei gleicher Spannung muss bei größerer Last länger Strom fließen. naja - +Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Netzteil mit weitem Eingangsspannungsbereich erstellt werden. +Die Anforderungen dafür erwachsen aus der Teilnahme an der International Future Energy Challenge 2023. +Es soll ein \acf{SST}, also eine AC/AC-Stufe erstellt werden. +Auf die genauen Anforderungen wird in Abschnitt \ref{sec:anforderungen} eingegangen. +Das Team hat für die Teilnahme an der \acf{IFEC} das in Abb. \ref{fig:SST-Schema} dargestellte Schema entworfen. +Diese Arbeit befasst sich mit der Erstellung der unten links abgebildeten Hilfsspannungsversorgung. +Die Herausforderung ergibt sich insbesondere aus der hohen Betriebsspannung, +wenn der \ac{SST} zwischen zwei Außenleitern, also bei \SI{400}{\volt}, betrieben wird. + +\acp{SST} sind deshalb interessant, weil sie, über die vereinfachte Funktionalität im Wettbewerb hinaus, +bidirektional zwischen verschiedensten Netzen Leistung übertragen können. +Dabei bleibt die galvanische Trennung eines Transformators erhalten, +allerdings wird die Funktionalität durch den Einsatz von Leistungshalbleitern und einer Regelung erweitert: + +Durch den Einsatz von Halbleitern kann die Arbeitsfrequenz erhöht und damit Baugröße stark reduziert werden, +gleichzeitig kann so eine variable Ausgangsfrequenz beziehungsweise auch Ein- und Ausgabe von Gleichspannungen erreicht werden. + +Ein praktisches Beispiel für das Potential von \acp{SST} ist ein von ABB entwickeltes System, +das in einer Lok den schweren passiven Transformator eliminiert und Leistung vom Bahnnetz +direkt auf die Motoren überträgt \cite[Abschnitt~6.1]{Solid-state_transformers:_An_overview}. +Hier übernimmt der \ac{SST} die Rolle eines Frequenzumrichters, +während er gleichzeitig die hohe Netzspannung heruntertransformiert und galvanisch trennt. + +Ein weniger ambitioniertes Beispiel ist der Anschluss eines Batteriespeichers, Windrades oder einer Solaranlage an das lokale Netz. + +Da der \ac{SST} auch eine schnelle Regelung besitzt kann er zur lokal zur Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt werden um das Netz zu entlasten. + +\begin{figure}[h] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.8\linewidth]{./Bilder/SST-Übersicht.png} + \label{fig:SST-Schema} + \caption{Konzeptioneller Aufbau des umzusetzenden \acp{SST}} + \end{center} +\end{figure} diff --git "a/Erkl\303\244rungZurEigenstaendigkeit.tex" "b/Erkl\303\244rungZurEigenstaendigkeit.tex" new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..47dd1ef65566ef01870b80d4b40f5f61814bf76a --- /dev/null +++ "b/Erkl\303\244rungZurEigenstaendigkeit.tex" @@ -0,0 +1,2 @@ +\chapter*{Erklärung zur Eigenständigkeit} +§Vorlage?§ \ No newline at end of file diff --git a/Grundlagen.tex b/Grundlagen.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..09add7dadaea8bd7d8d4c9d2cd724e51b13175d4 --- /dev/null +++ b/Grundlagen.tex @@ -0,0 +1,135 @@ +\chapter{Grundlagen}\label{chap:grundlagen} +% Wie funktioniert ein Sperrwandler + +\section{Anforderungen}\label{sec:anforderungen} +Die Anforderungen in Tabelle \ref{tab:anforderungen} an die Schaltung sind aus dem Gesamtsystem des \ac{SST} abzuleiten. +Die Ausgangsspannung $U_{out} = \SI{15}{\volt}$ ist jene, die zur Ansteuerungen der \acsp{MOSFET} +beziehungsweise für deren DC/DC-Wandlern benötigt wird. +Die Ausgangsleistung $P_{out} = \SI{7,5}{\watt}$ ist jene, die die Schaltung maximal verbrauchen wird und ein kleiner Puffer. +Der Eingangsspannungsbereich entspricht dem im Request for Proposals §cite§ genannten, eingeschlossen der optionalen Erweiterung. +Der hohe geforderte Wirkungsgrad erwächst aus dem in §cite§ geforderten Gesamtwirkungsgrad von \SI{94}{\percent} bei \SI{300}{\watt}. +Von den zur Verfügung stehenden \SI{18}{\watt} nimmt Hilfsspannungsversorgung mit bis zu \SI{9}{\watt} die Hälfte ein. +Eine galvanische Trennung wäre für den Betrieb den \ac{SST} nicht zwangsläufig nötig, +erleichtert aber das Schaltungsdesign und gibt zusätzliche Sicherheit in der Spannungsfestigkeit. +Die Anforderungen an Preis und Bauraum stammen ebenfalls aus den Projektanforderungen. +Als Gesamtbudget stehen lediglich $200\$$ zur Verfügung. +Der Bauraum ist eine der wichtigsten Bewertungskriterien. +Im geplanten modularen Design ist sinnvoll, die Fläche auf die einer Halbbrücke zu begrenzen um sie mit diesen stapeln zu können. + +\begin{table}[h] + \begin{center} + \begin{tabular}{|l|l|} + \hline + Größe & Anforderung \\ + \hhline{|=|=|} + niedrigste Eingangspannung $V_{AC,min}$ & \SI{120}{\volt}/\SI{60}{\hertz} \\ + \hline + maximale Eingangspannung $V_{AC,max}$ & \SI{400}{\volt}/\SI{50}{\hertz} \\ + \hline + Ausgangsleistung $P_{out}$ & \SI{7,5}{\watt} \\ + \hline + Ausgangsspannung $U_{out}$ & \SI{15}{\watt} \\ + \hline + Wirkungsgrad $\eta$ & $\ge \SI{85}{\percent}$ bei \SI{230}{\volt}/\SI{50}{\hertz} \\ + \hline + Ausgangsspannungsripple $\Delta U_{out}$ & $\le \SI{1}{\percent} \cdot U_{out}$ \\ + \hline + galvanische Trennung & ja \\ + \hline + maximaler Bauraum (L x B x H) & $\qtyproduct[product-units = single]{50 x 50 x 25}{\milli\meter}$ \\ + \hline + Bauteilkosten bei 1000Stk. (ohne Platine) & \textless 15\euro \\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Anforderungen an das Netzteil} + \label{tab:anforderungen} + \end{center} +\end{table} + + +\section{Stand der Technik}\label{sec:stand-der-technik} +Auf dem Markt gibt es wenige Produkte, die den weiten Spannungsbereich +bei der geforderten Leistung abdecken. +Der Anwendungsbereich solcher Netzteile ist schlicht sehr begrenzt. +In den meisten Fällen und Geräten ist der Nulleiter verfügbar, mit über den das Netzteil betrieben werden kann. +Das begrenzt die benötigten Spannungsanforderungen und erlaubt die Verwendung von Komponenten mit integriertem Leistungsschalter. +?§§§Auf den Anschluss zwischen zwei Außenleitern muss nur dort zurückgeriffen werden, wo kein Nullleiter verfügbar ist. +Die Anwendung bei \SI{400}{\volt} für den \ac{SST} ist also nicht ungewöhnlich, da dieser langfristig auch direkt am Netz agieren soll. +Eine typische Stelle um vergleichbare Netzteile zu finden sind Drehstromzähler am Hausanschluss.§§§? + +Das Modell {RAC15-15SK/480} der Firma RECOM erfüllt die geforderten Anforderungen weitgehend \cite{Recom-Supply}. +Im Bezug auf seine Leistung ist es mit \SI{15}{\watt} erheblich überdimensioniert, der Wirkungsgrad ist aber höher als hier gefordert. +Allerdings liegt der Preis mit 18,71\texteuro\ bei Abnahme von 440 Stück oberhalb der geforderten 15\texteuro\ pro Baugruppe. + +Für die Teilnahme an der \ac{IFEC} dient dieses Netzteil als Rückfallebene, sollte diese Arbeit erfolglos verlaufen. +Um Kosten zu sparen ist es dennoch ratsam, diese Arbeit voran zu bringen und eine angepasste Lösung zu suchen. + + +\section{Auswahl der Topologie} +Während der Vorbereitungen auf diese Arbeit wurden verschiedene Lösungen untersucht. +Eine Vielversprechende bestand in einem Offline-Buck-Converter in Anlehnung an Application Note \cite{AN2872-HVBuck} +mit einem VIPer16L-Chip der Firma STMicroelectronics. +Der Vorteil dieser Schaltung besteht in ihrer Simplizität, ihre Auslegung ist nur wenig anspruchsvoller als die eines regulären Tiefsetzstellers. +Allerdings bestehen zwei gravierende Nachteile: +Zum einen kann keine galvanische Trennung von Ein- und Ausgang vorgenommen werden. +Zum Anderen ist nach \cite[Abschnitt~4.3]{AN2872-HVBuck} für höhere Spannungen nicht mit einem Wirkungsgrad oberhalb \SI{50}{\percent} zu rechnen. +Das ist unter anderem auf die minimalen Einschaltzeiten des integrierten Leistungsschalters zu begründen. + +\begin{equation} + T_{on,Buck} = \frac{U_{out}}{U_{in}} * T_{PWM} = \frac{\SI{15}{\volt}}{\SI{565}{\volt}} * \frac{1}{\SI{60}{\kilo\hertz}} = \SI{442}{\nano\second} + \label{eq:buck-Ton} +\end{equation} + +Schlussendlich wurde der Sperrwandler als Topologie festgelegt. +Er kann galvanisch trennen, sein Aufbau ist überschaubar und reguläre Schaltregler-\acsp{IC} sind weit verbreitet +Durch den Gebrauch eines Speichertransformators als Energiespeicher ist er zudem besonders gut für den weiten Spannungsbereich geeignet. +Im weiteren soll deshalb der Sperrwandler vertieft werden. + +\section{Sperrwandler Grundlagen}\label{sec:grundlagen-flyback} +§Zeichnung vereinfachter Schaltplan +\subsection{Gleichrichter} +Spannungsbelastung, Einfluss auf Zwischenkreisspannung, Leckstrom generell\\ + +Als Gleichrichter kommt typischerweise ein Vollbrückengleichrichter zum Einsatz. +Gegenüber einem Ein-Dioden-Gleichrichter bietet er den Vorteil, +dass für die Ladung des Zwischenkreises die doppelte Anzahl an Halbwellen zu Verfügung steht. +So wird die Frequenz der Eingangswechselspannung verdoppelt und entsprechend die Periode des Auf- und Entladens von $C_{Bulk}$ halbiert. +Ebenfalls ist die Spannungsbelastung reduziert, da nie mehr als die Zwischenkreisspannung, also $V_P = \sqrt{2} \cdot V_{AC,max}$ geblockt werden muss. +Beim Ein-Dioden-Gleichrichter addiert sich die negative Halbwelle auf die Zwischenkreisspannung. +Die einzelne Diode muss dann $V_{PP} = 2 \cdot \sqrt{V_{AC,max}}$ blocken, was wiederum eine Reihenschaltung aus zwei Dioden erfordern kann. + +\subsection{Zwischenkreiskapazität} + +Die Zwischenkreiskapazität $C_{Bulk}$ soll die gleichgerichtete Eingangsspannung so puffern, +dass der nachgelagerten Schaltung eine möglichst konstante Gleichspannung zur Verfügung steht. + +Elektrolytkondensatoren haben einen Leckstrom $I_{Leak}$, der von Plattenfläche, -Abstand und Betriebsspannung abhängig ist. +Seine Höhe wird von jedem Hersteller unterschiedlich angegeben. +Würth Elektronik gibt einen Maximalwert an \cite{Wuerth-Cap}, +während beispielsweise TDK in \cite{TDK-Cap} die Formel (\ref{eq:tdk-camp-I-leak}) für das Maximum angibt. + +\begin{equation} + I_{Leak} = \SI{0,03}{\micro\ampere} \cdot (\frac{C_{Rated}}{\si{\micro\farad}} \cdot \frac{V_{Rated}}{V}) + \SI{15}{\micro\ampere} + \label{eq:tdk-camp-I-leak} +\end{equation} + +Hier ist der Zusammenhang der Größen zu erkennen. +Die Kapazität $C_{Rated}$ steht über die Gleichung $C = \epsilon_0 \epsilon_r \cdot \frac{A}{d}$ +stellvertretend für die die physischen Dimensionen des Kondensators. +Aus der Addition von $\SI{15}{\micro\ampere}$ ist ebenfalls abzuleiten, +dass es sich hier um eine sichere Abschätzung des Maximums geht. +Eine genaue Bestimmung des Leckstroms im Vorhinein ist nicht durchzuführen, da dieser zusätzlich zur Spannung +auch über seine Lebensdauer zunimmt, die wiederum durch Rippelstrom, Spannungsbelastung und Temperatur beeinflusst wird. + + +\subsection{Speichertransformator} +Speichern/Übertragen von Energie, Reflexion der Spannungen + +\subsection{Snubberschaltung} +Grund, relevanz ab Spannung X + +\subsection{Quasi-Resonante Regelung} +Stromregelung, Frequenz + +\subsection{Gleichrichterdiode und Glättung} +Herabgesetzte Eingangsspannung, Frequenzgang von Kondensatoren \ No newline at end of file diff --git a/Inbetriebnahme-Messungen.tex b/Inbetriebnahme-Messungen.tex index 957d13c9059ce738d6e6203d66187473cf346911..7f5c45f1ec52ab6274b0cba09e6f441ff7c7b1b6 100644 --- a/Inbetriebnahme-Messungen.tex +++ b/Inbetriebnahme-Messungen.tex @@ -9,8 +9,7 @@ Zusätzlich wurde ein Plexiglaskasten eingesetzt um Berührungsschutz herzustell \begin{tabular}{|l|l|} \hline Verwendungszweck & Hersteller \& Modell \\ - \hline - \hline + \hhline{|=|=|} Spannungsmessungen & Metraline DM41 \\ \hline Strommessungen & Fluke 175 \\ @@ -23,10 +22,18 @@ Zusätzlich wurde ein Plexiglaskasten eingesetzt um Berührungsschutz herzustell \hline Differenzieller Tastkopf & Micsig DP10007 \\ \hline + Strommesszange & Tektronix TCP2020A \\ + \hline Elektronische Last & RND 320-KEL103 \\ \hline AC-Leistungsmessung & GW Instek GPM-8213 \\ \hline + Hochspannungstastkopf & Tektronix P5100A \\ + \hline + Oszilloskop & Agilent Technologies DSO5054A \\ + \hline + Differenzieller Tastkopf & Agilent Technologies N2790A\\ + \hline \end{tabular} \caption{Liste der benutzten Messgeräte} \label{tab:geraete} @@ -60,7 +67,7 @@ Damit war die Grundfunktion der Schaltung gegeben. An dieser Stelle ist auch die Erklärung für die hohe Einschaltspannung ersichtlich: Nach mehreren Iterationen des Trafowickelns ist der verlötete Spannungsteiler aus RS101 und RS102 nichtmehr korrekt eingestellt. -Nach dem Umlöten der beiden Widerstände auf die in \ref{ssec:Impl-Vsense} errechneten Werte +Nach dem Umlöten der beiden Widerstände auf die in \ref{ssec:dim-Vsense} errechneten Werte konnte der Betreib bei entsprechend niedrigerer Spannung aufgenommen werden, die Ausgangsspannung beträgt $\SI{15}{\volt}$. @@ -75,7 +82,7 @@ die Voltmeter müssen allerdings so nah wie möglich am Anschluss der Schaltung Abweichungen durch Leiterwiderstände vernachlässigen zu können. Die Messreihen wurden in 50V Schritten über den gesamten Lastbereich hinweg durchgeführt. -Sämtliche Messergebnisse sind in \ref{ap:wirkungsgrad-tabelle} zu finden, +Sämtliche Messergebnisse sind in Anhang \ref{ap:wirkungsgrad-tabelle} zu finden, Abb. \ref{fig:wirkungsgrad} zeigt den Verlauf in den wichtigsten Arbeitspunkten. Dabei wurde sowohl der Wirkungsgrad als $\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$ ermittelt, als auch die Differenz $\Delta P = P_{in} - P_{out}$. @@ -84,22 +91,98 @@ Denn $\Delta P$ beschreibt die Leistung, die als Verlust beziehungsweise Hitze i Steigt diese unerwartet auf ein zu hohes Niveau kann schnell eingegriffen werden. Dieser Fall trat während der gesamten Arbeiten nicht auf. +\section{Spannungsripple} + \section{Betrieb an Wechselstrom}\label{sec:inb-wechselstrom} Da der Trennstelltrafo keine integrierte Strombegrenzung besitzt muss der Spitzenwert von $\SI{325}{\volt}$ zuerst mit der DC-Versorgung angefahren werden. Zur Messung an Wechselspannung kam ein Leistungsmessgerät zum Einsatz, dass zusätzlich zu Effektivspannung und --Strom -auch den Leistungsfaktor $\lambda$ und die Wirkleistung erfassen kann. -Wie in \ref{sec:impl-acdc} erwartet fällt $\lambda$ mit $\approx 0,5$ sehr schlecht aus. +-Strom auch den Leistungsfaktor $\lambda$ und die Wirkleistung erfassen kann. +Wie in \ref{sec:dim-acdc} erwartet fällt $\lambda$ mit $\approx 0,5$ sehr schlecht aus. Die Begründung liegt in der pulsartigen Aufladung der Zwischenkreiskapazität, die nur während der Spitzen der Versorgungsspannung erfolgt. -Der Trenntrafo diente hier zusätzlich als Filter um andere, im Labor angeschlossene, Geräte nicht zu stören. +Der Trennstelltrafo dient hier zusätzlich als Filter um andere, im Labor angeschlossene, Geräte nicht zu stören. -\section{Spannungen über $\SI{325}{\volt}$}\label{sec:inb-hohe-spannung} -Im Labor ist kein Trenntransformator für Dreiphasenwechselstrom vorhanden ist -konnte dieser Arbeitspunkt nur mit der DC-Versorgung angefahren werden. +\section{Spannungen über \SI{325}{\volt}}\label{sec:inb-hohe-spannung} +Da im Labor kein Trennstelltransformator für Dreiphasenwechselstrom vorhanden ist +konnten diese Spannungen nur mit der DC-Versorgung getestet werden. Die Versorgungsspannung wurde wieder in $\SI{50}{\volt}$ Schritten erhöht und die Verlustleistung in verschiedenen Arbeitspunken erfasst. -Es ist zu erwarten, dass der erzielte Wirkungsgrad von maximal §XXXXXXX§percent im realen Betrieb nicht erreicht werden kann, -da die schwankende Zwischenkreispannung und die höheren Ströme im Gleichrichter den Wirkungsgrad drücken werden. +Es ist zu erwarten, dass der erzielte Wirkungsgrad von maximal \SI{80,5}{\percent} im realen Betrieb nicht erreicht werden kann, +da die schwankende Zwischenkreispannung und die entsprechenden höheren Spitzenströme den Wirkungsgrad drücken werden. + + + +\subsection{Zwischenkondenatorspannung} +Das, in \ref{ssec:problematikDerHohenSpannung} erwähnte, Spannungsungleichgewicht zwischen den Zwischenkreiskondensatoren $U_{Bulk'}$ wird jetzt relevant. +Sobald die Versorgungsspannung \SI{400}{\volt} überschreitet kann ein Kondensator überlastet werden. +Die Klemmung der Kondensatorspannungen wurden auf \SI{360}{\volt} festgelegt um das zu verhindern. +Die Funktion der Zenerdioden kann aber erst dann erkannt werden, wenn diese Spannung an einem Kondensator überschritten wird. +Die Messung von $U_{Bulk'}$ muss deshalb eng überwacht und sofort unterbrochen werden, falls eine Fehlfunktion der Klemmung erkannt wird. + +Zusätzlich zur Gefahr der Zerstörung der Bauteile unterliegt die Überwachung von $U_{Bulk'}$ einer massiven Einschränkung: +Der maximale Leckstrom der Elektrolytkondensatoren wurde vom Hersteller mit $I_{LEAK,max} = \SI{81,6}{\micro\ampere}$ angegeben\cite{Wuerth-Cap}. +Bei einer Spannung von $U_{Clamp} = \SI{360}{\volt}$ ergibt sich ein sehr hoher parasitärer Innenwiderstand des Kondensators. + +\begin{equation} + R_{Innen} = \frac{U_{Clamp}}{I_{LEAK,max}} = \SI{4,4}{\mega\ohm} + \label{eq:elko-Rinnen} +\end{equation} + +$R_{Innen}$ ist so groß, dass die Parallelschaltung eines einfachen Voltmeters zu einer massiven Verzerrung des auftretenden Stroms führen würde. +Mit \SI{10}{\mega\ohm} ist der Innenwiderstand des Metraline Multimeters nur um Faktor $2$ größer, so senkt es den resultieren Widerstand um \SI{25}{\percent}. +Um eine annähernd realitätsnahe Messung durchzuführen wurde ein Hochspannungstastkopf eingesetzt, der einen Innenwiderstand von \SI{40}{\mega\ohm} aufweist. +Somit kann der Einfluss auf die Schaltung auf den Faktor $10$ begrenzt werden. +Allerdings ist der Einfluss immernoch signifikant, der resultierende Strom liegt $\frac{1}{8} I_{LEAK,max}$ weit oberhalb der zu erwartenden Toleranz. + +\begin{equation} + I_{res} = \frac{U_{Clamp}}{R_{res}} = \SI{90}{\micro\ampere} +\end{equation} + +Dies wird auch in der Messung sichtbar. +Während sich die Kondensatoren bei niedrigeren Spannungen langsam umladen bleibt die Differenz der Spannungen ab einem gewissen Punkt gleich. +Die Zenerdioden begrenzen sie auf \SI{360}{\volt}, die Schutzschaltung erfüllt ihren Zweck. +Das zeigt Abb. \ref{fig:Vbulk-balance} zeigt $U_{Bulk}$ in grün und $U_{Bulk'}$ \SI{360}{\volt} tiefer in blau. + +\begin{figure}[h] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.8\linewidth]{./Bilder/Vbulk-balance.png} + \label{fig:Vbulk-balance} + \caption{Messung des Spannungsungleichgewichts} + \end{center} +\end{figure} + +Außer der Funktion der Klemmung kann durch diese Messung allerdings +keine konkrete Aussage über die Ausgleichsschaltung getroffen werden. +Weder kann das reale Spannungsungleichgewicht, noch die tatsächliche Differenz der Leckströme erfasst werden. + +Es lassen sich aber zwei grundlegendere Gedanken fassen. +Zum einen ist das Spannungsungleichgewicht von $\frac{2}{3}$ bei $U_Bulk = \SI{565}{\volt}$ recht groß +und die Spannungsbelastung eines Kondensators erheblich größer. +Dadurch wird die Lebensdauer asymmetrisch verkürzt, ein Kondensator wird früher ausfallend als nötig. +Eine niedrigere Klemmspannung von zum Beispiel \SI{300}{\volt} kann diesen Effekt verringern. +Zum anderen konnte gezeigt werden, dass ein paralleler Widerstand von \SI{40}{\mega\ohm} ausreicht um +die Toleranzen der Kondensatoren zu §übersteuern§. +Diese Alternative sollte in einer weiteren Iteration erneut betrachtet werden. + +\subsection{Wirksamkeit der Snubberschaltung} + +Abb. \ref{fig:Vmax-oszi} wurde im Betrieb mit $U_{Bulk} = \SI{565}{\volt}$ aufgenommen. +Dazu kamen der differenzielle Tastkopf und das Oszilloskop von Agilent zum Einsatz, +da dieser Tastkopf Messungen bis \SI{1000}{\volt} erlaubt. + +\begin{figure}[h] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.8\linewidth]{./Bilder/scope_0agil1.png} + \label{fig:Vmax-oszi} + \caption{\ac{MOSFET}-Spannung bei maximaler Zwischenkreisspannung} + \end{center} +\end{figure} + +Es ist zu erkennen, dass die schnelle Oszillation nach dem Ausschalten des \acp{MOSFET} +eine Amplitude von \SI{100}{\volt} nicht überschreitet. +Da die RCD-Clamp auf \SI{240}{\volt} ausgelegt wurde ist anzunehmen, +dass diese hier nicht in Effekt tritt. +Eher ist das geringe Überschwingen auf eine niedrige Streuinduktivität des Transformators zurückzuführen. - \ No newline at end of file +An der zweiten, langsamen Oszillation ist zusätzlich zu sehen, dass die quasi-resonante Regelung +die Schaltspannung um etwas weniger als \SI{50}{\volt} senken kann, was bei höheren Spannungen immer weniger ins Gewicht fällt. \ No newline at end of file diff --git "a/Kapitel\303\274bersicht.tex" "b/Kapitel\303\274bersicht.tex" index 69b8d6887c29ca9b7c6ce730bbcfc1ef07af749f..bda8639efa5220fcac07dc9540e92d0c78263d59 100644 --- "a/Kapitel\303\274bersicht.tex" +++ "b/Kapitel\303\274bersicht.tex" @@ -1,7 +1,24 @@ +\pagenumbering{Roman} +\input{ErklärungZurEigenstaendigkeit.tex} +%TODO englische Kurzfassung? +\tableofcontents +\listoffigures +\listoftables +\input{Nomenklatur.tex} +\input{Abkuerzungsverzeichnis.tex} + +\clearpage +\pagenumbering{arabic} + +\input{Einleitung.tex} +\input{Grundlagen.tex} +\input{Dimensionierung.tex} +%!Don't! \input{Implementierung-Bauteile.tex} +\input{Realisierung.tex} \input{Inbetriebnahme-Messungen.tex} -\input{Implementierung-Bauteile.tex} -\input{Einleitung} +\input{ZusammenfassungUndAusblick.tex} -\input{Literatur} +%\input{Literatur} +\bibliography{Literatur.bib} \appendix diff --git a/Literatur.bib b/Literatur.bib new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..12a6d0406a6767473a204b5ac2763467c7544b71 --- /dev/null +++ b/Literatur.bib @@ -0,0 +1,94 @@ +%\begin{thebibliography}{10} +% +% \bibitem{InternationalElectrotechnicalComission:VDE} +% {\sc {International Electrotechnical Comission}}: +% {\em International Electrotechnical Vocabulary --- Part 351: Control technology}, 2006. +% http://www.electropedia.org/ , +% Abrufdatum: 25.04.2013. + +@article{Solid-state_transformers:_An_overview, +author = {Shadfar, Hamed and Ghorbani Pashakolaei, Mehrdad and Akbari Foroud, Asghar}, +title = {Solid-state transformers: An overview of the concept, topology, and its applications in the smart grid}, +journal = {International Transactions on Electrical Energy Systems}, +volume = {31}, +number = {9}, +pages = {e12996}, +keywords = {conventional transformer, distributed generation, power electronic converter, smart grid, solid-state transformer}, +doi = {https://doi.org/10.1002/2050-7038.12996}, +url = {https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2050-7038.12996}, +eprint = {https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/2050-7038.12996}, +abstract = {Summary The development of power systems and the move to smart grid have increased the need for new technologies. In this regard, solid-state transformers have been proposed as a suitable alternative to conventional transformers. Solid-state transformers are among the equipment based on power electronic converters that in addition to better performance than conventional transformers provide a variety of other services. In this article, the concept and types of solid-state transformer topologies and configurations and their applications, especially in smart grid, are investigated. Studies show that the various characteristics of solid-state transformers have led to much consideration as potential transformers in smart grid applications, the integration of distributed generation sources, modern traction systems, and so on.}, +year = {2021} +} + +@online{UCC28730, + author = {Texas Instruments Incorporated}, + title = {{UCC28730 Datasheet}}, + year = 2019, + howpublished = {\url{https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28730.pdf}}, + urldate = {05.02.2023}, + note = {Abgerufen: 05.02.2023} +} + +@online{Wuerth-Cap, + author = {Würth Elektronik}, + title = {{860021375010 Datasheet}}, + year = 2014, + howpublished = {\url{https://www.we-online.com/components/products/datasheet/860021375010.pdf}}, + urldate = {09.02.2023}, + note = {Abgerufen: 09.02.2023} +} + +@online{AN4137-onsemi-Trafo, + author = {STMicroelectronics}, + title = {{AN4137 - Design Guidelines for Off-line Flyback Converters Using Fairchild Power Switch (FPS)}}, + year = 2003, + howpublished = {\url{https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-4137.pdf}}, + urldate = {16.01.2023}, + note = {Abgerufen: 16.01.2023} +} + +@online{AN2872-HVBuck, + author = {Hang-Seok Choi}, + editor = {{Fairchild Semiconductor Corporation}}, + title = {{AN2872 - Super wide-range buck converter based on the VIPer16}}, + year = 2009, + howpublished = {\url{https://www.st.com/resource/en/application_note/an2872-super-widerange-buck-converter-based-on-the-viper16-stmicroelectronics.pdf}}, + urldate = {16.12.2022}, + note = {Abgerufen: 16.12.2022} +} + +@online{Recom-Supply, + author = {RECOM Power GmbH}, + title = {{RAC15-15SK/480}}, + year = 2023, + howpublished = {\url{https://recom-power.com/en/products/ac-dc-power-supplies/ac-dc-pcb-mounted/rec-p-RAC15-15SK!s480.html}}, + urldate = {11.02.2023}, + note = {Abgerufen: 16.12.2022} +} + +@online{TDK-Cap, + author = {TDK Electronics AG}, + title = {{Datasheet Single-ended capacitors Series/Type: B43890}}, + year = 2019, + howpublished = {\url{https://product.tdk.com/system/files/dam/doc/product/capacitor/aluminum-electrolytic/single-ended/data_sheet/20/30/db/aec/b43890.pdf}}, + urldate = {10.02.2023}, + note = {Abgerufen: 10.02.2023} +} + + +@misc{Rub1, + author = {Rubino, Daniel}, + editor = {{Windows Phone Central}}, + title = {IE9 for Windows Phone 7: Adobe Flash, demos and development}, + url = {http://www.wpcentral.com/ie9-windows-phone-7-adobe-flash-demos-and-development-videos}, + lastchecked = {14.01.2013}, + originalyear = {18.02.2011} +} + +@misc{WinNT, + title = {{MS Windows NT} Kernel Description}, + author = {none}, + howpublished = {\url{http://web.archive.org/web/20080207010024/http://www.808multimedia.com/winnt/kernel.htm}}, + note = {Accessed: 2010-09-30} +} \ No newline at end of file diff --git a/Literatur.tex b/Literatur.tex deleted file mode 100644 index c5d06f86a7b93412eec7522ead9d40d7d9cac012..0000000000000000000000000000000000000000 --- a/Literatur.tex +++ /dev/null @@ -1,5 +0,0 @@ -\begin{thebibliography}{10} - - - -\end{thebibliography} diff --git a/Nomenklatur.tex b/Nomenklatur.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..e69de29bb2d1d6434b8b29ae775ad8c2e48c5391 diff --git a/Realisierung.tex b/Realisierung.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..3a8417789e95a44d2ead4bece6ffa533e0a314b9 --- /dev/null +++ b/Realisierung.tex @@ -0,0 +1,186 @@ +\chapter{Realisierung}\label{chap:realisierung} +% Was wurde wie physisch umgesetzt? +% Software, Schaltplan, Layout, Trafo, Löten, Kosten +\section{Schaltplan} + +\subsection{EDA-Software}\label{sec:eda} +%aus praktikum +Als \ac{EDA}-Software kommt KiCad zum Einsatz. +KiCad wurde gewählt, da es freie und quelloffene Software ist, +deren Betrieb keine Lizenz erfordert. +Sie enthält weniger fortgeschrittene Features, +ermöglicht so aber einen einfacheren Einstieg und +eine flachere Lernkurve als vergleichbare Programme. + +\subsection{Schaltplan} +Bezüglich des Schaltplans ist anzumerken, dass einige Werte, wie $R_{CS}$ und $R_{LC}$ bereits +festgelegt wurden bevor alle Details über die Schaltung bekannt waren. +Eine Nachbeschaffung der Bauteile korrekten Bauteile war zum Zeitpunkt der Korrektur +nichtmehr möglich wodurch es Abweichungen zwischen Kapitel \ref{chap:dimensionierung} Dimensionierung und Schaltplan gibt. +Die Angaben in \ref{chap:dimensionierung} entsprechen in diesem Fall den korrekten Werten. +Der Aufbau und die Inbetriebnahme werden mit den im Schaltplan abgebildeten Bauteilen durchgeführt. + +Anmerkungen zum Schaltplan, der in In Anhang unter \ref{ap:Schaltplan} zu finden ist. + +\section{Layout} + + +\section{Aufbau}%/Löten + + +\section{Speichertransformator}\label{sec:impl-trafo} + +\subsection{Auswahl der Wickeldrähte}\label{ssec:auswahl-der-wickeldraehte} + +Anhand einer Stromdichte, die in \cite[Abschnitt~2.8]{AN4137-onsemi-Trafo} mit $J = \SI{5}{\frac{\ampere}{\milli\meter\squared}}$ +empfohlen wird kann zunächst der mindestens benötigte Leiterquerschnitt bestimmt werden. +Aus diesem wiederum ergibt sich der Durchmesser $d$ der Wickeldrähte. +Die Höhe von $J$ ist ein Kompromiss aus Baugröße, Leiterverlusten, Verlusten durch Skin-Effekt und Kosten. + +\begin{equation} + A_{Pri} = \frac{I_{Pri,Eff}}{J} + \qquad + A_{Sek} = \frac{I_{Sek,Eff}}{J} + \label{eq:leiterquerschnitt} +\end{equation} + +\begin{equation} + d_{Pri} = \sqrt{4\frac{A_{Pri}}{\pi}} = \SI{0,225}{\milli\meter} +\end{equation} + +\begin{equation} + d_{Sek} = \sqrt{4\frac{A_{Sek}}{\pi}} = \SI{0,583}{\milli\meter} +\end{equation} + +Fällt der Querschnitt, wie bei der Sekundärwicklung, recht groß aus, +so kann auch über die Parallelschaltung mehrerer Wicklungen nachgedacht werden. + +\begin{equation} + d_{Sek,n} = \sqrt{4 \frac{\frac{1}{n} A_{Sek}}{\pi}} + \qquad + d_{Sek,2} = \sqrt{4 \frac{\frac{1}{2} A_{Sek}}{\pi}} = \SI{0,412}{\milli\meter} + \label{eq:d-sek-multi} +\end{equation} + +Mit $n = 2$ Wicklungen ergibt sich ein Querschnitt, von $d_{Sek} \approx \SI{0,4}{\milli\meter}$, +der in der Werkstatt verfügbar ist. + +Um die Sekundärseite sicher von der Primärseite zu isolieren kann Isolationsband eingesetzt werden. +Gerade bei handgewickelten Prototypen eignet sich aber \ac{TIW}. +Dieser hat den Vorteil, dass Unachtsamkeiten beim Wickeln, +aber auch die Nähe zum als leitfähig angenommenen Kern die Isolation nicht gefährden. +In der Werkstatt sind \acp{TIW} lediglich mit Leiterdurchmesser $\SI{0,2}{\milli\meter}$ und $\SI{0,25}{\milli\meter}$ vorhanden. +Es ist anzumerken, dass der Außendurchmesser der \acp{TIW} bei diesem Durchmesser dem Doppelten des Leiterdurchmessers entspricht. +Versucht man die Sekundärseite mit diesen Drähten auszuführen, so ergibt sich mit (\ref{eq:d-sek-multi}), +dass $n=5$ parallele Windungen nötig wären um $J \approx \SI{5}{\frac{\ampere}{\milli\meter\squared}}$ herzustellen. +Deshalb wurde nicht die Sekundärseite, sondern die Primärseite, also Primär- und Hilfswicklung, mit \ac{TIW} ausgeführt. +Das hat Konsequenzen für die Isolationsabstände zwischen Kern und Bauteilen, da der Kern jetzt zur Sekundärseite gezählt werden muss. +Für diese Arbeit soll die Isolation aber ausreichend sein. +Die gewählten Drähte sind in Tabelle \ref{tab:trafo-wicklungen} aufgelistet. + +\subsection{Wickeln} +Während der Einweisung gab der Werkstattmeister Herr Rall den wertvollen Tipp: +\begin{quote} + Dimensionieren Sie ihre Primärwicklung lieber so über, dass Sie den gesamten Wickelkörper gleichmäßig ausfüllen, + so bekommen Sie eine saubere Fläche für die weiteren Wicklungen. +\end{quote} + +Entsprechend wurde während des Wickelns der innenliegenden Primärwicklung die Windungszahl so lange erhöht, +bis der Draht sauber auf den entsprechenden Pin gelegt werden konnte. +Aufgrund der Dicke des Wickeldrahtes konnte die Mindestwicklungszahl von §höhereMindestWindungszahl§ nicht in der zweiten Lage erreicht werden. +Deshalb wurden eine dritte und eine vierte Lage ausgeführt, die die Wicklungszahl schlussendlich auf $N_{Pri} = 74$ erhöhten. +Die Sekundär- und Hilfswindungszahlen wurden entsprechend den Verhältnissen angepasst. +Eine Auflistung der Windungszahlen und verwendeten Drähte ist in Tabelle \ref{tab:trafo-wicklungen} zu finden. + +Zum Wickeln kam die Wickelmaschine der Elektrowerkstatt zum Einsatz. +Diese ist mit einem Umdrehungszähler ausgestattet, dass sich während der Bedienung +aus das saubere Führen der Drähte konzentirert werden kann. + +\subsection{Einstellen der Induktivität}\label{ssec:einstellenDerInduktivitaet} + +Sobald die Primärwicklung erfolgt ist kann mit einem LCR-Meter die Primärinduktivität gemessen und eingestellt werden. +Dies erfolgt über die Vergrößerung des Luftspaltes, was zu einer Verringerung der Induktivität führt. +Die, jetzt überdimensionerte, Primärwicklungszahl resultiert über den quadratischen Zusammenhang aus +Gleichung (\ref{eq:A-L-Wert}) in einer stark erhöhten Induktivität. +Deshalb muss der Luftspalt deutlich vergrößert werden um diese auf den gewünschten Wert von §LPri§ einzustellen. +Das erfolgt durch das Einfügen spezieller Abstandsfolien oder durch Papierblätter, die ungefähr $\SI{0,1}{\milli\meter}$ dick sind. +So werden die Kernhälften auseinander gehalten. +Der so entstehende Luftspalt bildet sich aber nicht nur unter den zentralen Bein, sondern tritt an allen Beinen, also drei Mal auf. +In diesem Fall konnte die Induktivität mit zwei Blättern auf jeder Seite und anschließendes zusammenpressen mit den Halteklammern des Kerns +auf $L_{Pri} = \SI{1,22}{\milli\henry}$ eingestellt werden, was einer Abweichung um $\SI{3}{\percent}$ entspricht. +Der Luftspalt ist mit $\approx \SI{0,6}{\milli\meter}$ allerdings erheblich größer als es für die Funktion nötig wäre. +Das kann zu verschiedenen negativen Effekten, wie dem Streuen des Magnetfelds in Schaltung und Umgebung +oder erhöhten Kernverlusten führen. +In einer weiteren Iteration könnte versucht werden die dritte und vierte Lage der Primärwicklung zu eliminieren. + +\begin{table}[h] + \begin{center} + \begin{tabular}{|l|c|r|c|} + \hline + Wicklung & Windungen & Durchmesser & Isolation \\ + \hhline{|=|=|=|=|} + Primär & 74 & \SI{0,25}{\milli\meter} & \acs{TIW} \\ + \hline + Sekundär & 11 & 2 $\cdot$ \SI{0,40}{\milli\meter} & Lack \\ + \hline + Auxiliar & 14 & \SI{0,20}{\milli\meter} & \acs{TIW} \\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Windungszahlen des gewickelten Transformators} + \label{tab:trafo-wicklungen} + \end{center} +\end{table} + + +\section{Kostenkalkulation} + +Die Bauteilkosten belaufen sich auf 8,07\texteuro\ und sind in Tabelle \ref{tab:bauteilkosten} +genauer aufgeschlüsselt. +Dabei sind auch Bauteile enthalten, die während der ersten Inbetriebnahme nicht zum Einsatz kommen, +wie der Wake-Up-\ac{IC} U101 oder C117. +Die einzelnen Preise wurden am 15.12.2023 abgerufen. + +Der Preis der Platine, der in den Anforderungen ausgeschlossen wurde, ist schwierig zu erfassen. +Die Kosten hängen neben der Größe auch maßgeblich vom Finish der Löt-Oberflächen ab. +1000~Platinen mit den Maßen $\qtyproduct[product-units = single]{68 x 52}{\milli\meter}$ +bietet der Hersteller Eurocircuits ab einem Stückpreis von 1,37\texteuro\ an. + + +\begin{table}[h] + \centering + \begin{tabular}{|l|l r|c|c|c|} + \hline + Bezeichnung & Bauteil & ~ & Anzahl & Einzelpreis & Gesamtpreis \\ + \hhline{|=|==|=|=|=|} + C101 & Kondensator &\SI{100}{\nano\farad} & 1 & 0,007 & 0,007 \\ \hline + C102, C104, C112 & Kondensator &\SI{10}{\micro\farad} & 3 & 0,037 & 0,111 \\ \hline + C103, C105 & Kondensator &\SI{150}{\micro\farad} & 2 & 0,137 & 0,274 \\ \hline + C106 & Kondensator &\SI{330}{\pico\farad} & 1 & 0,036 & 0,036 \\ \hline + C107, C109 & Kondensator &\SI{6,8}{\micro\farad} & 2 & 0,323 & 0,646 \\ \hline + C110 & Kondensator &\SI{9,1}{\pico\farad} & 1 & 0,019 & 0,019 \\ \hline + C111 & Kondensator &\SI{330}{\nano\farad} & 1 & 0,013 & 0,013 \\ \hline + C117 & Kondensator &\SI{100}{\nano\farad} & 1 & 1,260 & 1,260 \\ \hline + D101, D103, D107, D108 & Zenerdiode &\SI{180}{\volt} & 4 & 0,135 & 0,54 \\ \hline + D102 & Gleichrichterdiode &\SI{1000}{\volt} & 1 & 0,077 & 0,077 \\ \hline + D104, D109 & Schottkydiode &\SI{100}{\volt} & 2 & 0,112 & 0,224 \\ \hline + D106 & Brückengleichrichter &\SI{1000}{\volt} & 1 & 0,121 & 0,121 \\ \hline + L101 & Induktivität &\SI{4,7}{\micro\henry} & 1 & 0,108 & 0,108 \\ \hline + Q101 & \ac{MOSFET} &\SI{950}{\volt} & 1 & 0,948 & 0,948 \\ \hline + R101 & Widerstand &\SI{680}{\ohm} & 1 & 0,006 & 0,006 \\ \hline + R102, R103 & Widerstand &\SI{360}{\kilo\ohm} & 2 & 0,007 & 0,014 \\ \hline + R105 & Widerstand &\SI{100}{\kilo\ohm} & 1 & 0,007 & 0,007 \\ \hline + R107 & Widerstand &\SI{5,1}{\ohm} & 1 & 0,013 & 0,013 \\ \hline + R108 & Widerstand &\SI{2,2}{\kilo\ohm} & 1 & 0,007 & 0,007 \\ \hline + R110 & Widerstand &\SI{1,96}{\ohm} & 1 & 0,015 & 0,015 \\ \hline + RS101 & Widerstand &\SI{68}{\kilo\ohm} & 1 & 0,007 & 0,007 \\ \hline + RS102 & Widerstand &\SI{18}{\kilo\ohm} & 1 & 0,007 & 0,007 \\ \hline + T101 & Transformator & ~ & 1 & 2,600 & 2,600 \\ \hline + U101 & Wake-Up-\ac{IC} & ~ & 1 & 0,272 & 0,272 \\ \hline + U102 & Schaltregler \ac{IC} & ~ & 1 & 0,737 & 0,737 \\ + \hhline{|=|==|=|=|=|} + ~ & ~ & ~ & ~ & \textbf{Summe:} & \textbf{8,069} \\ \hline + \end{tabular} + \caption{Bauteilkosten bei Abnahme von 1000 Stück in \texteuro} + \label{tab:bauteilkosten} +\end{table} + diff --git a/ZusammenfassungUndAusblick.tex b/ZusammenfassungUndAusblick.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..3d7ed1e7006e2522856848893be3714f71f630eb --- /dev/null +++ b/ZusammenfassungUndAusblick.tex @@ -0,0 +1 @@ +\chapter{Zusammenfassung und Ausblick}\label{chap:zusammenfassung-ausblick} \ No newline at end of file