23

การออกแบบวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนไฟฟากระแสตรงทใชซปเปอรคาปาซเตอร เปนแหลงเกบพลงงาน Design of an AC/DC Converter with using Supercapacitors as Energy Storage พสทธ วสทธเมธกร1* และวบลย ชนแขก2 1 ภาควชาวศวกรรมระบบวดคมและเมคคาทรอนกส คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยมหานคร 140 ถ.เชอมสมพนธ แขวงกระทมราย เขตหนองจอก กรงเทพฯ 2ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ *ผรบผดชอบบทความ: pisit@mut.ac.th โทรศพท 02-988-3666 บทคดยอ บทความนนาเสนอการออกแบบวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงทมคาตวประกอบกาลงสงทมการใชซปเปอรคาปาซเตอรเปนแหลงเกบพลงงาน ระบบทนาเสนอประกอบดวยวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงแบบชกและมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางตอระหวางเอาตพตของระบบและซปเปอรคาปาซเตอรเพอทาหนาทสงผานพลงงานไฟฟาระหวางเอาตพตระบบและซปเปอรคาปาซเตอร ในโมดปกตโหลดไดรบพลงงานจากแหลงจายไฟสลบโดยผานวงจรแปลงผนไฟฟากระแสลบเปนกระแสตรงและวงจรแปลงผนไฟตรงเปนไฟตรงถกควบคมใหชารจซปเปอรคาปาซเตอร สาหรบสภาวะทแหลงจายไฟสลบเกดขดของ วงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางจะถกควบคมใหสงผานพลงงานจากซปเปอรคาปาซเตอรไปทโหลด เพอตรวจสอบหลกการ ระบบทนาเสนอไดทดสอบระบบตนแบบทแรงดนเอาตพตวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงมคาเทากบ 48 V ทกาลงเอาตพต 250 W และซปเปอรคาปาซเตอรขนาดแรงดน 25 V ความจ 10 F ถกใชเปนแหลงเกบพลงงาน จากผลการทดสอบคาตวประกอบกาลงดานอนพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงมคาประมาณ 0.99 และเวลาในการจายพลงงานสารองเทากบ 7 วนาททโหลดดานออกเทากบ 100 W คาสาคญ ซปเปอรคาปาซเตอร วงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรง วงจรแปลงผนไฟตรงเปนไฟตรงแบบสองทศทาง , 10.14456/rmutlengj.2016.4 Abstract This paper presents a design of a high power factor AC/DC converter with using supercapacitors as energy storage. The proposed system consists of a cuk topology based AC/DC power converter and a bidirectional DC/DC converter which is connected between the AC/DC converter and supercapacitors for transferring electrical energy between the system output and supercapacitors. In normal mode, load is energized by the AC line via the AC/DC converter and the DC/DC converter is controlled to charge supercapacitors. In the case of the AC line faults, the bidirectional DC/DC converter is controlled to transfer energy from supercapacitors to load. To verify the proposed system concept, the AC/DC converter and the bidirectional DC/DC converter were built and 25V/10F supercapacitors are used as energy storage. The output voltage of the AC/DC converter is 48 V at 250 W output power. From the experimental results, the input power factor of the AC/DC converter is about 0.99 and the backup time is 7s for 100 W of output power. Keywords: Supercapacitors, AC/DC converter, Bidirectional DC/DC converter 1. บทนา

ในโรงงานอตสาหกรรมมการใชงานอปกรณควบคมและระบบเครองมอวดกนอยางแพรหลายในกระบวนการผลต ซงอปกรณเหลานมกจะทางานดวยแหลงจายไฟตรงทมาจากแหลงจายไฟแบบสวตชชง ดวยเหตผลทแหลงจายไฟแบบสวตชชงมประสทธภาพสงกวาแหลงจายไฟตรงแบบเชงเสนและยงสามารถทางานทแรงดนอนพตในยานกวาง อยางไรกตามอาจเกดกรณทแรงดนไฟสลบมคาลดลงตาเกนกวาทแหลงจายไฟ

แบบสวตชช งจะทางานได ซงจะสงผลตอการทางานของอปกรณในระบบควบคมและเครองมอวดได วธแกปญหาอาจทาโดยออกแบบแหลงจายไฟแบบสวตชช งสามารถทางานในยานแรงดนอนพตทกวางขน [1] และถงแมแหลงจายไฟแบบสวตชชงจะสามารถทางานในยานแรงดนอนพตทกวางแตกไมสามารถแกปญหาในกรณแรงดนไฟสลบหายไปได อกแนวทางหนงของการแกปญหานคอการใชแหลงจายไฟแบบตอเนอง [2] (Uninterruptible- Power Supply: UPS) ซงนยมใชกนอยาง

24

รปท 1 โครงสรางระบบทนาเสนอ

กวางขวางในระบบสอสารและคอมพวเตอรโดยภายในแหลงจายไฟแบบตอเนองนจะมแบตเตอรเปนแหลงเกบพลงงานสารองและพลงงานสารองในแบตเตอรจะถกจายไปยงโหลดเมอแหลงจายไฟสลบเกดขดของ โครงสรางของแหลงจายไฟแบบตอเนองจะมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบทบแรงดนเพอเพมขนาดแรงดนใหสงขนใชเปนอนพตใหกบวงจรอน เวอรเตอรททาหนาทแปลงแรงดนไฟตรงใหเปนแรงดนไฟฟากระแสสลบเพอจายใหโหลด อยางไรกตามโครงสรางของแหลงจายไฟแบบตอเนองดงกลาวอาจไมเหมาะสมกบโหลดกรณทตองการแรงดนไฟตรงในการทางาน เพราะทายทสดกตองมวงจรแปลงแรงดนไฟฟากระแสสลบใหเปนแรงดนไฟตรงทมขนาดแรงดนตาเหมาะกบโหลดดวย ซงทาใหเกดกาลงสญเสยในภาคตางๆของวงจรแปลงผนไฟฟาทมในระบบ

ปจจบนมการนาซปเปอรคาปาซเตอรมาประยกตใชอยางแพรหลาย โดยเฉพาะใชเกบพลงงานสารองเนองจากซปเปอรคาปาซเตอรมขอดเมอเปรยบเทยบกบแบตเตอร [ 3] ไดแก มความหนาแนนกาลงสงกวา, อายใชงานยาวนานกวา, ไมมการบารงรกษาและงายในการชารจประจ เปนตน อยางไรกตามแบตเตอรมความหนาแนนของพลงงานมากกวาซปเปอรคาปาซเตอร ทาใหการใชซปเปอรคาปาซเตอรไมเหมาะกบระบบไฟฟาสารองทตองมระยะเวลาสารองนาน ๆ

ดงนนในทนจงนาเสนอการออกแบบวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงทมการเกบพลงงานสารองโดยใชซปเปอรคาปาซเตอร ซงมการนา เสนอรายละเอยดในสวน

ตางๆ ระบบทนา เสนอในภาพรวมและวงจรภาคกาลง , รายละเอยดตวควบคมระบบ, ผลการทดสอบและบทสรป 2. ทฤษฎและวธการดาเนนงานวจย 2.1. โครงสรางระบบ

ระบบทนาเสนอมโครงสรางดงรปท 1 โดยภาคกาลงประกอบดวยวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรง (AC/DC Converter) และวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนก ร ะ แ ส ต ร งแ บ บ ส อ งท ศท า ง (Bidirectional DC/DC Converter) โด ยด านเ อา ตพต ขอ งว งจร แป ลงผ นไฟฟ ากระแสสลบเปนกระแสตรงจะตอกบโหลดของระบบและตอเขากบวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบ บสองทศทางทอกดานหนงตอเขากบซปเปอรคาปาซเตอรในสวนขอ งกา ร ค วบ ค มกา ร ท าง า นข อ งระบ บ ทง ห มดจ ะใชไมโครคอนโทรลเลอรในการควบคม การทางานของระบบแบงออกเปน 2 สภาวะคอ โมดปกตและโมดจายพลงงานสารองใหโหลด โมดปกตวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงถกควบคมใหแรงดนเอาตพตมคาเทากบ 48V เพอจายโหลดและชารจประจซปเปอรคาปาซเตอรโดยใชวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทาง การควบคมกระแสในวงจรแปลงผนกาลงทงหมด จะใชตวควบคมกระแสแบบฮสเตอรรซส คา คาสงกระแส ไดจากการประมวลผลของไมโครคอนโทรลเลอร การทางานของระบบในโมดปกตเปนสภาวะ

SW2 SW3

HC3

vOiCO

CO Load

kSW1

iL1

HC1

HC2

vAC

Microcontroller

vacvOiload vSC

iref

iL1ref

DIR

EN

iS

AC/DC

Converter

Bidirectional

DC/DC ConvertervSC

iSC

iSC

iSC

iBDC

iBDC

iL1

vac

k

vO

iSC

iLoad

25

รปท 2 ไดอะแกรมระบบเมอทางานในโมดปกตมแหลงจายไฟสลบเปนแหลงพลงงาน

ทแหลงจายไฟสลบทางานไดปกตซงกรณน วงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงจะถกควบคมใหจายพลงงานใหโหลดและชารจซปเปอรคาปาซเตอร ไดอะแกรมการทางานในโมดนแสดงดงรปท 2 การควบคมวงจรแปลงผนทงสองจะแยกจากกนอยางอสระ โดยมลปควบคมการชารจซปเปอรคาปาซเตอรดวยการควบคมคากระแสทไหลผานใหมคาคงทและแรงดนตองไมเกนคาพกดของซปเปอรคาปาซเตอร คาสงกระแสซปเปอรคาปาซเตอร SCrefi ในงานวจยนกาหนดใหมคาเทากบ 1 A

และการชารจจะสนสดเมอแรงดนทซปเปอรคาปาซเตอรมคาตากวาคาพกดแรงดนของซปเปอรคาปาซ เตอรประมาณ 1-2 V เพอปองกนการเกดแรงดนเกนในซปเปอรคาปาซเตอรซงเปนเหตใหอายการใชงานสน การควบคมกระแสชารจซปเปอรคาปาซเตอรจะใชตวควบคมแบบพไอโดยสญญาณควบคมจากตวควบคมกระแสนจะถกใชเปนคาสงกระแส refi ของวงจรแปลง

ผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางดานทตอกบโหลดของระบบ ซงคาสงกระแสนจะถกจากดไมใหเกน 0.5 A นนคอกาลงไฟฟาจากบสไฟตรงทจะมาชารจซปเปอรคาปาซเตอรจะตองมคาไมเกน 24 W (คานวณจาก 0.5 A x 48 V) สวนวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงกจะใชวธการควบคมลปนอกทเปนแรงดนเอาตพตและลปในมการควบคมกระแสดานอนพตของวงจร สาหรบคาสงกระแสทเปนเอาตพตของตวควบคมแรงดนจะถกนามาคณดวยสญญาณขนาดหนง

หนวยของแรงดนไฟสลบทผานวงจรเรยงกระแสแบบเตมคลน เพอนาไปควบคมใหกระแสดานอนพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงเปนรปคลนไซนท มมมเฟสตรงกบแรงดนไฟสลบทาใหคาตวประกอบกาลงของวงจรมคาใกลเคยงหนง นอกจากนนยงมสวนของการตรวจวดกระแสโหลด เพอนามาคานวณคาขนาดกระแสดานอนพตทตองการของวงจรแปลงผน ไฟฟากระแสสลบเปนไฟตรงตามหลกการสมดลกาลงไฟฟา หรอในมมมองของทฤษฎระบบควบคมคอการควบคมแบบปอนไปหนา (feedforward control) รปท 3 เปนไดอะแกรมระบบททางานในโมดจายพลงงานสารองใหกบโหลดซงระบบจะทางานในโมดนเมอแรงดนไฟสลบเกดขดของหรอเกดแรงดนตกจนไมสามารถจายพลงงานได จงไมมการควบคมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงแตจะมเฉพาะสวนการควบคมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงเพอจายพลงงานใหโหลดโดยซปเปอรคาปาซเตอรเปนแหลงจายแรงดนของระบบ โมดจายพลงงานสารองน สญญาณ DIR ถกกาหนดใหมคาเทากบ ‘1’ เพอควบคมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงสงผานพลงงานใหโหลด จากไดอะแกรมในรปท 3 สญญาณเอาตพตตวควบคมแรงดนทโหลดถกใชเปนคาสงกระแสของตวควบคมกระแส HC3 เพอควบคมกระแสของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรง -เปนกระแสตรงดานทตอกบซปเปอรคาปาซเตอรสวนรายละเอยดของวงจรภาคกาลงจะไดอธบายดงในหวขอท 2.2

SW2 SW3

HC3

vOiCO

CO Load

kPW1

iL1

HC1

HC2

vAC

iload vSC

iref

iL1ref

DIR=1

EN

iS

AC/DC

Converter

Bidirectional

DC/DC ConvertervSC

iSC

iSC

iSC

iBDC

iBDC

iL1

vac

k

vO

vOref

vO

ac

LoadO

v

iv

ˆ

2

iSC

iSCref

vac

Microcontroller

iLoad

26

รปท 3 ไดอะแกรมระบบเมอทางานในโมดการจายพลงงานสารองใหกบโหลด 2.2. วงจรภาคก าลง

วงจรภาคกาลงของระบบประกอบดวยวงจรแปลงผน-ไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงแบบชกทมการแยกโดดทางไฟฟาระหวางอนพตและเอาตพตดวยหมอแปลงความถสงดงแสดงในรปท 4 ซงหลกการทางานและการออกแบบเพอเลอกคาอปกรณของวงจรมการนา เสนอในงานวจย [4] สวนวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางในทน เลอกวงจรชกดงแสดงในรปท 5 ซงมการนา เสนอในงานวจย [5] โดยวงจรนจะมโมดการทางานสองโมดคอ โมดการชารจซปเปอรคาปาซเตอรดวยพลงงานจากบสไฟตรง ซงลกษณะวงจรแสดงดงในรปท 6 สวตชกาลง SW3 จะถกควบคมสวนสวตชกาลง SW2 จะถกสงงานใหหยดนากระแสตลอดเวลาและไดโอด D2 กจะไมนากระแสดวยซงเทยบไดกบวงจรแปลงผนกาลงชนดชกแบบพนฐาน โมดนแรงดนอนพตคอบสไฟตรงท เปนเอาตพตของระบบท มโหลดตอยและเอาตพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางกคอซปเปอรคาปาซเตอรทตองการชารจนนเอง

สาหรบการทางานอกโมดหนงของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางกคอโมดการจายพลงงานสารองดงแสดงในรปท 7 โมดนจะมการควบคมสวตชกาลง SW2 ซงจะสลบกนนากระแสกบไดโอด D3 สวนสวตชกาลง SW3 จะถกสงงานใหหยดนากระแสตลอดเวลาและไดโอด D2 กจะไมนากระแสเชนกน นน คอเทยบกบวงจร

แปลงผนชนดชกพนฐานแรงดนอนพตของวงจรกคอแรงดนทซปเปอรคาปาซเตอรสวนเอาตพตกคอแรงดนทโหลด ดงนนการควบคมสวตชกาลง SW3 จะเปนการควบคมกาลงงานจากซปเปอรคาปาซเตอรทจายใหกบโหลด โดยโมดนจะมลปนอกเปนการควบคมแรงดนโหลดใหมคาเทากบ 48 V

รปท 4 วงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรง

รปท 5 วงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงสองทศทางแบบชก

เนองจากวาวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางทางานในสองโมดทตางกนดงนนจงเลอกโมดใดโมดหนงของการทางานมาใชเปนเ งอนไขในการ

SW2 SW3

HC3

vOiCO

CO Load

iLoad

HC2

iref

DIR=0

EN

AC/DC

Converter

Bidirectional

DC/DC ConvertervSC

iSC

iSC

iSC

iBDC

iBDC

k

vO

vOref

vO

Microcontroller

2Li

+

-Ov

Loadi

OC OR

Si

ACv

1Li C1 C2

1 : n

L1 L2

gv SW1D11Li

+

-SCv

SCi

SCCSCR

CC

LBus LSC

SW2

D3

iBDC

+

-Ov D2

SW3

27

ออกแบบคาของตวเหนยวนา SCL และ BusL ในทนคานงถงกรณโมดจายพลงงานสารองในซปเปอรคาปาซเตอรไปใหโหลดเปนหลกเพราะมการยกระดบแรงดนใหสงขน

รปท 6 วงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงขณะทางานในโมดการชารจประจซปเปอรคาปาซเตอร

รปท 7 วงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงขณะทางานในโมดการจายพลงงานสารองใหกบโหลด

เนองจากวงจรแปลงผนแบบชกจะทางานแบบทบแรงดนและขณะททางานคาแรงดนของซปเปอรคาปาซเตอรจะมคาลดลงเรอยๆ ดงนนคาแรงดนอนพตของวงจรในโมดจายพลงงานสารองนจงใชคาแรงดนทซปเปอรคาปาซเตอรทเปนคาระหวางคาสงสดและตาสดมาใชออกแบบซงมเทากบ 15 V สาหรบสมการทใชออกแบบคาตวเหนยวนาทงสองจะไดจากสมการของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงชนดชกแบบพนฐานดงสมการท (1) - (3)

SCO

O

vv

vD

(1)

BDCSW

SCBus

If

DvL

(2)

SCSW

SCSC

If

DvL

(3)

เมอ Ov คอ คาแรงดนเอาตพต (V)

SCv คอ คาแรงดนทซปเปอรคาปาซเตอร (V)

SWf คอ ความถในการสวตช (Hz)

BDCI คอ คารปเปลกระแสทโหลด (A)

SCI คอ คารปเปลกระแสทซปเปอรคาปาซเตอร (A) 3. ลปการควบคมและการตรวจจบแรงดนไฟสลบ

ในสวนของตวควบคมระบบทงหมดจะทางานบนไมโครคอนโทรลเลอร dsPIC30F4011 ซงควบคมทงในสวนของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงและวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทาง ถงแมตวประมวลผลทใชจะมความสามารถในการทางานและประมวลผลดวยความเรวสงกตาม เพอใหงายในการสรางและทดสอบแนวคดในเบองตนการควบคมกระแสของวงจรแปลงผนทงสองวงจรจงเลอกใชวงจรแบบแอนะลอกแทน 3.1. การควบคมแรงดนเอาตพตโมดปกต

ใน สว นข อ งก าร ค วบ คมวงจ รแ ปล งผน ไฟฟ ากระแสสลบเปนกระแสตรงลปการควบคมแรงดนเอาตพตทโหลดอาจเขยนเปนไดอะแกรมดงรปท 8 โดยตวแปรตางๆคอ

รปท 8 ลปควบคมแรงดนเอาตพตทโหลดในโมดปกต

k คอ อตราการลดทอนแรงดนเอาตพต (1/12) )(sGC คอ ตวควบคมแรงดนเอาตพต

1Li~ˆ คอ คายอดของคาสงกระแสตวเหนยวนาดาน

อนพตวงจร

2Li~ˆ คอ คายอดของคาสงกระแสตวเหนยวนาดาน

เอาตพตวงจร

Orefv~ คอ คาคาสงแรงดนเอาตพต

Ov~

คอ คาแรงดนเอาตพต

OV คอ คาแรงดนเอาตพตวงจรทสภาวะคงตว (48 V)

acV คอ แรงดนเรยงกระแสทอนพตทสภาวะคงตว (220 V)

และเขยนฟงกชนถายโอนของระบบควบคมแรงดนเอาตพตจากรปท 8 ไดดงสมการท (4)

+

-SCv

SCi

SCCSCR

CC

LBus LSC

SW2

D3

iBDC

+

-Ov D2

SW3

+

-SCv

SCi

SCCSCR

CC

LBus LSC

SW2

D3

iBDC

+

-Ov D2

SW3

O

ac

V

V

2 1sCR

R

OO

O

Ov~Orefv~ +

-2

~ˆLi1

~ˆLi

PI Controller

)(sGC

k

28

PC

PC

Oref

O

GGk

GG

sv

sv

1)(~)(~

(4)

โดย )(sGC เปนตวควบคมชนดพไอดงในสมการท (5)

s

KKsG IPC )( (5)

จากการออกแบบในโดเมนความถได คณสมบตสวน

ควบคมแรงดนเอาตพตโมดปกตดงในตารางท 1 โดยอตราการสมของตวควบคมพไอบนไมโครคอนโทรลเลอรมคาเทากบ 200 s ตารางท 1 พารามเตอรลปควบคมแรงดนเอาตพตโมดปกต

พารามเตอร

คาพารามเตอรตวควบคมพไอ 6.3PK

7.123IK อตราขยายสวนตรวจจบแรงดนเอาตพต 1/12

คามมเผอเฟสของระบบทชดเชยแลว 70

คาความถตดขามของระบบทชดเชยแลว 15 Hz

3.2. การควบคมการชารจซปเปอรคาปาซเตอร

จากหลกการสมดลกาลงไฟฟาดานอนพตและเอาตพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทางขณะทางานเพอชารจซปเปอรคาปาซเตอรจะเขยนสมการไดดงสมการท (6)

SCSCBDCO iviv (6)

ในการชารจซปเปอรคาปาซเตอรจะควบคมกระแส

ชารจใหมคาคงทซงทาใหคาแรงดนของซปเปอรคาปาซเตอร

SCv คอยๆเพมขนแบบเชงเสนและการชารจจะยตลงเมอแรงดนตกครอมซปเปอรคาปาซเตอรมคาตามตองการแตตากวาคาพกดทระบในคมอของซปเปอรคาปาซเตอร จากวงจรทนาเสนอจะมลปการควบคมกระแสตวเหนยวนาทางดานบส

ไฟตรง BDCi ดงนนจากสมการท (6) หากกาหนดกระแส

ชารจซปเปอรคาปาซเตอรเปน fSCi Re จะไดคาสงกระแส

ตวเหนยวนาบสไฟตรง refi ดงสมการท (7)

fSC

O

SCref i

v

vi Re (7)

อยางไรกตามสมการท (7) ไมไดพจารณาคากาลงสญเสยในวงจร ดงนนเพอใหเกดกระแสชารจซปเปอรคาปาซเตอรตามคาคาสง fSCi Re จงใชตวควบคมแบบพไอมาเปน

ตวควบคมลปนอกเพอใหมคาผดพลาดเปนศนยทสภาวะคงตวแทนการคานวณคาสงกระแสดวยสมการท (7) โดยไดอะแกรมการควบคมกระแสชารจซปเปอรคาปาซเตอรแสดงดงรปท 9 และหากสมมตวาควบคมกระแสไดผลดจนคาสง

กระแส refi และคากระแส BDCi มคา เทากนดงนนตอน

เรมตนกระแสทผานซปเปอรคาปาซเตอร SCi มคาเปนศนย

และคาคาสงกระแส refi จะมคาเทากบคากระแส fSCi Re คณ

ดวยอตราขยายเทอมสดสวนของตวควบคมแบบพไอ ถาหากคาอตราขยายเทอมสดสวนมคาสงเกนไปจะทาใหคาสงกระแส

refi มคาสงในตอนเรมตนของการชารจ ดงนนจงกาหนด

พารามเตอรตวควบคมพไอในเทอมสดสวนสาหรบการชารจซปเปอรคาปาซเตอรนมคาเพยง 0.05 และมอตราขยายเทอมอนทกรล 0.0122 ดวยอตราสม 200 s

รปท 9 ลปการควบคมกระแสชารจประจซปเปอรคาปาซเตอร

รปท 10 ลปควบคมแรงดนเอาตพตในโมดจายพลงงานสารองใหกบโหลด เมอ

SCV คอคาแรงดนของซปเปอรคาปาซเตอรทจดทางานโดย ในทนกาหนดเปน 20 V

OV คอคาแรงดนเอาตพตทบสไฟตรงมคาเทากบ 48 V

OR คอคาโหลดทพกด

-

+ +

-

Gate Drive

fBDCi Re

BDCiSCi

fSCi Re2SW

Hysteresis ControllerPI Controller

fOv Re

1sRC

R

V

V

OO

O

O

SC

-

+Ov

~

k

SCrefI

)(sGCD )(sGPD

29

OC คอคาตวเกบประจทขนานกบโหลดเพอกรองแรงดน

PDG คอตวควบคมแรงดนในโมดจายพลงงานสารอง

การออกแบบตวควบคมแรงดนในโมดน เลอกความถตดขามเทากบ 50 Hz และคามมเผอเฟสเทากบ 70 องศา

3.3. การควบคมแรงดนเอาตพตโมดการจายพลงงานส ารอง การควบคมแรงดนเอาตพตในโมดจายพลงงานสารองเปนการควบคมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทาง อาศยหลกการวเคราะหสญญาณขนาดเลกเขยนฟงกชนถายโอนของลปควบคมแรงดนเอาตพตในโมดจายพลงงานสารองไดดงรปท 10 โดยเอาตพตตวควบคมแรงดนในโมดนจะเปนคาคาสงกระแส SCrefi และฟงกชนถายโอน

ระบบควบคมวงปดแสดงดงสมการท (8)

PDCD

PDCD

Oref

O

GGk

GG

sv

sv

1)(~)(~

(8)

3.4. การตรวจจบแรงดนไฟสลบ

รปท 11 เปนสวนตรวจจบแรงดนชวขณะและจดผานศนยของแหลงจายไฟสลบ ZCD โดยสวนของ ZCD จะใหสญญาณเพออน เตอรรพตไมโครคอนโทรลเลอรทกๆ 10 ms ซงเปนจดอางองในการอานคาแรงดนไฟสลบมาตรวจสอบวามความผดปกตหรอไมเพอใชตดสนใจในการเปลยนโมดการทางานของระบบ โดยงานวจยนอาศยสงทมอยแลวในสวนควบคมวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงนนคอการตรวจจบจดผานศนยของแรงดนไฟสลบดานอนพตวงจรและใหมการอานคาชวขณะของแรงดนอนพต ถาแรงดนมคาตากวา 20% ของคาปกต (220 Vrms) จะถอวาเกดการหายไปของแรงดนไฟสลบ

รปท 11 สวนตรวจจบแรงดนไฟสลบ 4. ผลการทดสอบ

การทดสอบแนวคดทเสนอทาโดยสรางวงจรแปลงผนกาลงไฟฟาทงสองวงจรและมคณสมบตดงตารางท 2 และตารางท 3 และเขยนโปรแกรมควบคมระบบ

ตารางท 2 คณสมบตวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรง

แรงดนไฟสลบดานอนพต 220 Vrms, 50 Hz

แรงดนเอาตพต 48 V

คาพกดกาลงของวงจร 250 W

คาตวเกบประจทเอาตพต (OC ) 23,600 F

คาตวเกบประจในวงจรแปลงผนชนดชก 21,CC 0.68 F

คาตวเหนยวนาดานอนพต 1L 5 mH

คาตวเหนยวนาดานเอาตพต 2L 1 mH

ตารางท 3 คณสมบตวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสองทศทาง

ความจซปเปอรคาปาซเตอร (100 F อนกรมกน10 ตว) 10 F

พกดแรงดนของซปเปอรคาปาซเตอร 25 V

คาพกดกาลงของวงจร 200 W

คาตวเกบประจในวงจรแปลงผนชนดชก CC 2.2 F

คาตวเหนยวนาดานทตอกบซปเปอรคาปาซเตอร

SCL 0.626 mH

คาตวเหนยวนาดานทตอกบ

บสไฟตรง BusL 1.56 mH

4.1 การทดสอบระบบโมดปกต

การทดสอบในโมดนจะดการทางานของวงจรแปลงผน-ไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงโดยจากรปท 12 เปนผลทดสอบเ มอเปลยนโหลด 100W เปน 200W เพอ ดผลตอบสนองการควบคมแรงดนเอาตพต โดยการวดแรงดนเอาตพตนนจะปรบออสซลโลสโคปในโมดเอซคปปลงเพอดเฉพาะคารปเปลแรงดนเทานน จากผลการทดสอบพบวาการกระเพอมของแรงดนมคาเลกนอยแมมการเปลยนโหลดแบบทนทกตาม ซงเปนผลจากการควบคมแบบปอนไปหนาในลปควบคมแรงดนเอาตพต รปท 13 เปนแรงดนไฟสลบและกระแสดานอนพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงทสภาวะคงตวเพอใหเหนวามคาตวประกอบกาลงทใกลเคยงหนงโดยสงเกตจากรปคลนกระแสทมเฟสตามรปคลนแรงดนไฟสลบและอานคาจากเครองมอวดไดคาตวประกอบกาลงเทากบ 0.99 ทพกดโหลด

ZCD

Microcontroller

An0

INT0

Vac

Rectifier

A/D

30

รปท 12 ผลตอบสนองการควบคมแรงดนเอาตพตในโมดปกตเมอมการเปลยนโหลดแบบทนท

รปท 13 แรงดนและกระแสดานอนพตวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรง

รปท 14 แรงดนและกระแสทซปเปอรคาปาซเตอรและแรงดนเอาตพตทโหลดขณะเรมมการชารจประจ

รปท 15 แรงดนและกระแสทซปเปอรคาปาซเตอรและแรงดนทโหลดขณะจายพลงงานสารองใหโหลด 100W

รปท 16 แรงดนและกระแสทซปเปอรคาปาซเตอรและแรงดนทโหลดขณะจายพลงงานสารองใหโหลด 135W

รปท 17 ภาพขยายเมอระบบเปลยนไปทางานโมดจายพลงงานสารองขณะมโหลด 100W โดยการวดแรงดนเอาตพตในแบบเอซคปปลงเพอสงเกตดการกระเพอม

สวนการชารจซปเปอรคาปาซเตอรจะชารจทนทถาระบบทางานในโมดปกตและแรงดนทซปเปอรคาปาซเตอรมคาตากวาคาพกดแรงดน จากรปท 14 ซปเปอรคาปาซเตอรจะถกชารจดวยกระแสคงทประมาณ 1 A โดยการเขาสสภาวะคงตวของกระแสหลงเรมชารจประจอยทประมาณ 1 วนาทโดยเหตผลทใหทางานชาเพราะแรงดนซปเปอรคาปาซเตอรไมไดเปลยนแปลงอยางรวดเรวและคากระแสชารจก มคาตา สาหรบการบนทกผลการชารจบนจอภาพของออสซลโลสโคปนนไมสามารถทาไดใชเวลานานกวา 80ms 4.2 การทดสอบระบบโมดจายพลงงานส ารอง

โมดนจะทดสอบโดยจาลองสถานการณใหแรงดนไฟสลบหายไปแลวระบบจะเรมทางานในโมดจายพลงงานสารองแลววดแรงดน, กระแสทซปเปอรคาปาซเตอร, แรงดนทโหลดและกระแสทจายออกจากวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทโหลดขนาด 100W และ 135W ไดผลการทดสอบดงรปท 15 และรปท 16 ตามลาดบ ซงสงเกตไดวาท โหลด 100W ระยะเวลาจายพลงงานทสารองประมาณ 7 วนาทโดยทแรงดนโหลดมคาคงท 48V กรณโหลด135W เวลาสารองพลงงานมคาเพยง 3 วนาท และในรปท 17 เปนภาพขยายเพอดแรงดนเอาตพตขณะเปลยนโมดการทางานทโหลด 100W ซง

31

พบวาแรงดนลดลงประมาณ 1.2V และใชเวลาประมาณ 30 ms ในการกลบเขาสสภาวะคงตวทแรงดน 48V 5. สรป

ผลการทดสอบระบบทสรางขนกรณโมดปกตวงจรแปลงผนไฟฟากระแสสลบเปนกระแสตรงสามารถทางานไดเปนอยางดทงในสภาวะทมการเปลยนโหลดแบบทนทและทสภาวะคงตว โดยมคาตวประกอบกาลงท โหลดเตมพกดเทากบ 0.99 สวนโมดจายพลงงานสารองจะมระยะเวลาในการจายพลงงานสารองทนอยไปซงอาจเกดจากแรงดนทซปเปอรคาปาซเตอรลดลงจนอาจมคาตาเกนกวาทวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงจะสามารถทบระดบแรงดนใหสงขน ได แตกอาจแกปญหาดวยการเพมคาความจหรอแรงดนพกดของซปเปอรคาปาซเตอรใหสงขน สาหรบแรงดนเอาตพตเมอมการเปลยนโมดการทางานจากแหลงจายไฟสลบมาใชซปเปอรคาปาซเตอรเปนแหลงพลงงานพบวาเกดแรงดนพงตาเพยง 1.2V และกลบเขาสสภาวะคงตวดวยเวลา 30ms ซงเรวพอกบการใชเปนแหลงพลงงานสารอง สาหรบการเปรยบเทยบความคมคากบการใชงานแบตเตอรชนดใหมๆ การใชงานซปเปอรคาปาซเตอรมขอไดเปรยบเรองของอายการใชงานทยาวนานกวาและวธการชารจทงายกวา 6. เอกสารอางอง

[1] Yang L.S., Liang T.J. and Chen, J.F. (2007). Analysis and Design of a Single-Phase Buck-Boost Power Factor-Correction Circuit for Universal Input Voltage, Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society 2007 , Taipei, Taiwan.

[2] Talapko, D. (2012). Telecom Datacenter Power Infrastructure Avilability Comparison of DC and AC UPS, The 34th IEEE International Telecom- munications Energy Conference (INTELEC) 2012, Scottsdale, AS, USA.

[3] Gualous, H., Louahlia, H. and Gallay, R. (2011). Supercapacitor Characterization and Thermal Modelling with Reversible and Irreversible Heat Effect, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.26, no.11, November 2011, pp. 3402-3409.

[4] Spiazzi, G. and Mattavelli, P. (1994). Design Criteria for Power Factor Preregulators Based

on Sepic and Cuk Converters in Continuous Conduction Mode. The IEEE Industry Applications Society Annual Meeting 1994.

[5] Aboulnaga, A.A. and Emadi, A. (2004). Performance Evaluation of the Isolated Bidirectional Cuk Converter with Integrated Magnetics, The IEEE Annual Conference in Power Electronics Specialists Conference 2004, Aachen, Germany.