มหาวทยาลยศรปทม

รายงานการวจย

เรอง

คอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ ACTIVE POWER FACTOR CORRECTION CONVERTER

วรพงษ ไพรนทร

งานวจยน ไดรบทนอดหนนการวจยจากมหาวทยาลยศรปทม ปการศกษา 2552

กตตกรรมประกาศ

คณะผจดทางานวจยนตองขอขอบคณทางทานอาจารย ผชวยศาสตราจารย ดร. กตตพนธ

เตชะกตตโรจน หวหนาภาควชาเมคคาทรอนกส คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยอสสมชญ ซงในฐานะผทรงคณวฒ ทในคาแนะนาในเรองตางๆ เกยวกบงานวจยน ใหลลวงไปไดด วยด พรอมกนนทางคณะจดทาอยากจะขอขอบพระคณ อาจารย ดร . นมต บญภรมย หวหนาสาขาวชาวศวกรรมไฟฟาทใหโอกาสในการทาวจยครงน และใหคาปรกษาเกยวกบชนงานดนเปนอยางด

ผวจย มถนายน 2554

หวขอวจย : คอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ ผวจย : นายวรพงษ ไพรนทร หนวยงาน : สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยศรปทม ปทพมพ : พ.ศ. 2554 ___________________________________________________

บทคดยอ

การวจยนมเนอหางานทเก ยวของกบการออกแบบ การจาลองการทางานโดยคอมพวเตอร การวเคราะหหาประสทธภาพของคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ ขนาดกาลง 100 วตต มการควบคม พดบเบลยเอม แบบบซคอนเวอรเตอร แบบอนาลอค ณ. ระดบกระแสอนพททแตกตางกน ทงนการออก แบบตวควบคมแบบ พ ไอ เพอรกษาระดบแรงดนเอาทพทขนาด 400 โวลท

คอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ มการทดสอบโดยใชการจาลองการทางานดวยคอมพวเตอรโดยโปรแกรม MATLAB ทงนตวประมวลผลสญญาณหรอตวควบคม จะทาการเขยนโปรแกรมผานทางภาษาซ โดย การทดสอบประสทธภาพของระบบจะทาการทดสอบทงลปเปดและลปปด ทคา KI และ KP ทแตกตางกน ทงนเพอใหสอดคลองกบความสามารถของ ระบบ

คาสาคญ : ตวแกไขตวประกอบกาลง

Research Title : Active Power Factor Correction Converter Name of Researcher : Mr. Worapong Pairindra Name of Institution : Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering,

Sripatum University Year of Publication : B.E. 2554 _____________________________________________________________________

ABSTRACT

The research deals with the design, simulation, implementation and performance

analysis of an Active Power Factor Correction Converter (APFC) rated for 100W. The

single phase Boost converter of the DC power supply is controlled employing a PWM

controller in the digital processor. A discrete type PI controller is used to regulate the

output dc voltage at 400V.

The APFC is simulated using MATLAB and has been successfully implemented.

The control software for the controller is written in C language. A detailed performance

analysis of the implemented Active Power Factor Correction converter is carried out

under closed loop operating conditions and with different values of KP and Ki of the

controller.

Keyword : Active Power Factor Correction (APFC)

สารบญ บทท หนา 1 บทนา .................................................................................................................................................. 1

1.1 ความสาคญของปญหา .................................................................................................................. 1 1.2 วตถประสงคของการวจย.............................................................................................................. 1

1.2.1 ตวประมวลผลสญญาณแบบอนาลอค ................................................................................... 2 1.2.2 คอนเวอรเตอรทใชในการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟ ............................................ 2

1.3 วรรณกรรมทเกยวของ .................................................................................................................. 2 1.4 สรปบทวจย................................................................................................................................... 3

2 ความรพนฐานเกยวกบคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ ............................. 4 2.1 การแกไขตวประกอบกาลงแบบทวไป .......................................................................................... 4 2.2 นยามของตวประกอบกาลงและ THD .......................................................................................... 5 2.3 การแกไขตวประกอบกาลง ........................................................................................................... 8

2.3.1 สมดลพลงงานในวงจรการแกไขตวประกอบกาลง ............................................................... 8 2.3.2 ตวแกไขตวประกอบกาลงไฟฟาแบบพาสซพ ..................................................................... 10 2.3.3 รปแบบวงจรพนฐานทใชงานกบการแกไขตวประกอบกาลง .............................................. 12

2.4 บทสรป ....................................................................................................................................... 18 3 การออกแบบคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวปร ะกอบกาลงแบบแอคทฟ .......................................... 19

3.1 การออกแบบวงจรเรยงกระแสดานเขา........................................................................................ 20 3.1.1 การหาคากระแสอนพทและขนาดของไดโอด ..................................................................... 20 3.1.2 การหาคาตวเกบประจความถสง .......................................................................................... 21

3.2 วงจรแปลผนระดบแรงดนกระแสตรงแบบบสต (DC to DC Boost Converter) ......................... 22 3.2.1 การหาคาของตวเหนยวนาอนพท ........................................................................................ 22 3.2.2 การออกแบบตวเกบประจเอาทพท ...................................................................................... 23 3.2.3 การเลอกใชบสตไดโอด (Boost diode)................................................................................ 23 3.2.4 การเลอกใช บสตมอสเฟต (Boost MOSFET) ..................................................................... 23 3.2.5 การเลอกใชไดโอดเรยงกระแสดานหนา (Input Rectifier Diode) ....................................... 24

4 การทดสอบและเกบผล ...................................................................................................................... 26 4.1 ภาพรวมของการทดสอบและการเกบผล .................................................................................... 26

สารบญ (ตอ) บทท หนา

4.2 ผลการทดสอบดวยอปกรณจรง .................................................................................................. 26 4.2.1 ผลของกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดนอนพททมการควบคม .................................... 27

4.3 ผลของการจาลองดวยโปรแกรมคอมพวเตอร............................................................................. 30 4.3.1 รปสญญาณของกระแสอนพทเปรยบเทยบกบการวด THD ................................................ 31

5 สรป อภปรายผล และขอเสนอแนะ ................................................................................................... 32 5.1 บทสรปโดยรวม.......................................................................................................................... 32 5.2 ขอเสนอแนะ ............................................................................................................................... 32

บรรณานกรม......................................................................................................................................... 34 ภาคผนวก .............................................................................................................................................. 36

ภาคผนวก ก ...................................................................................................................................... 37 ภาคผนวก ข ...................................................................................................................................... 39 ภาคผนวก ค ...................................................................................................................................... 42

ประวตยอผวจย ...................................................................................................................................... 44

สารบญภาพประกอบ ภาพประกอบท หนา ภาพประกอบท 2-1 (a) โหลดทไมมความเปนเชงเสน (b) กระแสและแรงดนเกดจากโหลดทไมเปนเชง เสน .......................................................................................................................................................... 5 ภาพประกอบท 2-2 รปแบบสญญาณของระบบทม PF ตา ...................................................................... 7 ภาพประกอบท 2-3 AC to DC คอนเวอรเตอรทมการตอ PFC ................................................................ 8 ภาพประกอบท 2-4 สมดลพลงงานในตวแกไขตวประกอบกาลง ........................................................... 9 ภาพประกอบท 2-5 PFC แบบตวเหนยวนาและตวเกบประจ ................................................................ 10 ภาพประกอบท 2-6 ตวแกไขตวประกอบกาลงแบบตวเหนยวนา ......................................................... 11 ภาพประกอบท 2-7 วงจรกรองความถตาผานแบบตวเหนยวนา ............................................................ 12 ภาพประกอบท 2-8 (a) ตวแกไขแบบบก (b) แบบจาลอง PWM สวทชง สาหรบตวแกไขแบบบก ....... 14 ภาพประกอบท 2-9 (a) ตวแกไขแบบบสต (b) แบบจาลอง PWM สวทชง สาหรบตวแกไขแบบบสต . 15 ภาพประกอบท 2-10 (a) ตวแกไขแบบ บก-บสต (b) แบบจาลอง PWM สวทชง สาหรบตวแกไขแบบ บก-บสต ................................................................................................................................................ 16 ภาพประกอบท 2-11 ตวแกไขแบบ Fourth-0rder (a) ตวแกไขแบบ Cuk (b) ตวแกไขแบบ Sepic (c) ตวแกไขแบบ Zeta ..................................................................................................................................... 17 ภาพประกอบท 3-1 Boost PFC ทใชตวควบคมแบบอนาลอค............................................................... 19 ภาพประกอบท 3-2 วงจรเรยงกระแสดานอนพทของแหลงจายไฟแบบสวทชง .................................... 20 ภาพประกอบท 3-3 ผลของการตอวงจรสนบเบอร ................................................................................ 24 ภาพประกอบท 4-1 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 110 โวลต ...................... 27 ภาพประกอบท 4-2 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 140 โวลต ...................... 27 ภาพประกอบท 4-3 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 160 โวลต ...................... 28 ภาพประกอบท 4-4 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 180 โวลต ...................... 28 ภาพประกอบท 4-5 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 200 โวลต ...................... 29 ภาพประกอบท 4-6 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 220 โวลต ...................... 29 ภาพประกอบท 4-7 วงจรคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟโดยจาลองดวย MATLAB.............................................................................................................................................. 30 ภาพประกอบท 4-8 คา THD ทไดจากการวดสญญาณกระแสอนพท .................................................... 31 ภาพประกอบท 4-9 ฮารโมนกสในลาดบตางๆ ทไดจากการวดสญญาณกระแสอนพท ........................ 31

บทท 1

บทนา

1.1 ความสาคญของปญหา

แหลงกาเนดไฟฟากระแสตรงนนมใชงานอยางแพรหลายในทกรปแบบ เชนอปกรณสอสาร

คอมพวเตอร หรอแมกระทงอปกรณเครองใชไฟฟาภายในบาน ซงนบวนทจะขยายรปแบบการใชออก อยางกวางขวาง ทงนรปแบบการแปลงสญญาณไฟฟาทมการใชงานพนฐานทแรงดนระดบ 220 โวลท 50 เฮรตซ ไปเปนแรงดนกระแสตรงทระดบแรงดนตางๆนนม รปแบบของคอนเวอร เตอรตางๆ ใหสามารถเลอกใชงานตามระดบกาลงไฟฟาทกาหนด ปญหาหลกของแหลงจายไฟฟากระแสตรงทใชรปแบบของคอนเวอรเตอรตางๆ กคอยงตองใช หลกการแปลงแรงดนกระแสสลบเปนกระแสตรงผานทางบรดจไดโอด และใชวงจรกรองกระแสทางดานทาย ซงหลกการดงกลาวกอใหเกดรปแบบขอ งกระแสดานเขาทผดเพยนจากรปสญญาณพนฐานทความถ 50 เฮรตซ ผลดงกลาวทาใหเกดความสญเสยในระบบปอนเขา

เนองจากการขยายตวในการใชงานคอนเวอรเตอรแบบสวทชงในบานหรอการใชงานในโรงงานอตสาหกรรม จงมการใชมาตรฐานรองรบในตางประเทศ (ประเทศในเขตยโรป) อยางเชน IEC 61000-3-2 ซงจะกลาวถงมาตรฐานกรณความผดเพยนของกระแส มการจากดอปกรณไฟฟาทไมได มาตรฐานดงกลาว ซงแนวโนมในอนาคตอาจมการใช มาตรการเดยวกนกาหนดทศทางการใชพลงงาน ไฟฟาในประเทศไทย

ในประเดนของการปรบปรงในเรองการสญเสยพลงงานทนอยลง การนาเสนอนนจะทาการลดการสญเสยของพลงงานทางดานไฟฟาทอยในระดบการวจย กลาวคอ การปรบรปแบบสญญาณของ กระแสดานเขาใหมรปแบบทมคาใกลเคยงสญญาณแรงดนดานเขา ทงนในอปกรณหรอแหลงจายไฟ กระแสตรงจะมโดยทวไปทไมมการแกไขตวประก อบกาลง จะมคาประมาณ 0.55-0.65 ซงจะแตกตางกบงานวจยทจะพฒนาตวประกอบกาลงอยในระดบ 0.99

1.2 วตถประสงคของการวจย

งานวจยนจะม วตถประสงคในการออกแบบทดสอบ คอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟโดยใช การจาลองการทางานของระบบดวยคอม พวเตอร และสรางอปกรณจรง ทงน การทดสอบจะทาการเปรยบเทยบคาทไดจากการจาลองการทางานดวยคอมพวเตอรและผลทไดจากการ

ทดสอบอปกรณจรงกบมาตรฐานของ IEC 61000-3-2 สวนตอไปคอ การศกษาผลของการปรบระดบ กาลงทางไฟฟาเอาทพท ซงจะสงผลกระทบตอคาความผดเ พยนของกระแสพนฐาน การออกแบบและสรางคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟ จรงนน จะทาการควบคมผานทางตวประมวลสญญาณ อนาลอค ทมการควบคมแบบลปปด สองลปโดยการปรบแกไขในโปรแกรมคอมพวเตอรทตอผานชองทางอนกรม

1.2.1 ตวประมวลผลสญญาณแบบอนาลอค

การออกแบบคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟ นนจะประกอบดวยกน หลายๆสวน ซงมการทางานรวมกน โดยมตวควบคมหรอตวประมวลสญญาณคอ MC33262 เปนตวควบคมตวสวตซทงนเนองจากงานวจยไดเลอกใชงานตวสวทชงของบรษท IR โดยใชรหสของตวสวตซคอ มอสเฟส IRFP 460 จงจาเปนทตองมชดขบใหแกตว สวทชง นดวย การออกแบบสวตซนนน จะตองคานงถงการเขากนไดของสญญาณทจะนาไปควบคม รวมถง ความปลอดภยของตวควบคมดวย ดงนนการแยกอสระทางไฟฟาจงตองมการคานงถงดวย ในทน นนชดขบจะมการรวมกนเปนแผนเดยวท มการจายไฟฟา 220 โวลท 50 เฮรตซ

1.2.2 คอนเวอรเตอรทใชในการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟ

การพฒนาคอนเวอรเตอรทเหมาะสมกบการใชงานในงานวจยนนนมสาคญมากเนองจาก บาง คอนเวอรเตอรไมสามารถทจะใชระบบคว บคมมาปรบแกไขตวประกอบกาลงได ดงนน ท างผวจยจงเลอกคอนเตอรเวอรจาพวกนนกคอ บสตคอนเวอรเตอร และ พช-พล คอนเวอรเตอร มาทาการทดสอบเพอปรบแกไขตวประกอบกาลง ทงนระดบกาลงททางผวจยเลอกจะอยในระดบ 200 วตต ซงเปนชวงรอยตอระห วาง บสต คอนเวอรเตอร ทมระดบกาลงขนาด 100-150 วตต ขอดคองายตอการออกแบบและสราง แตมอนตรายเรอง การแยกกนทางไฟฟา เพราะไมมหมอแปลง สวน พช-พล คอนเวอรเตอร ทมระดบกาลงขนาด 100-1000 วตต ซงสงขนกวาแบบกอนหนา แตมความซบซอนมากข นเนองจากมการแยกทางไฟฟาผานทางหมอแปลง แตการแยกทางไฟฟาจะเปนการปองกนทดขน ซงทางผวจยจะทาการทดสอบทงสองแบบ และหาขอไดเปรยบเสยเปรยบทงสองแบบนในบทท 4

1.3 วรรณกรรมทเกยวของ

การออกแบบแหลงจายไฟฟากระแสตรงทมใชงานอยในชวตประ จาวนเรานน อยางเชน คอมพวเตอร ไดถกพฒนาใหมความสามารถ หรอประสทธภาพทสงขนในขณะทมนาหนกเบาลงแล

2

3

ราคาทถกลงดวยนน จากปญหาหลกของการออกแบบแหลงจายไฟแบบเกาทไมไดไดมการแกไขตว ประกอบกาลงนนมผล ตอการสญเสยของระบบไฟฟามาก กล าวคอถาไมมการแกไขตวประกอบกาลง จะมตวประกอบกาลงประมาณ 0.55-0.65 และ ถาใชการแกตวประกอบกาลงแบบ Passive กจะไดตวประกอบกาลงอยราว 0.7-0.8 ดงนนในงานวจยของ [1][2] จะนามาสการปรบรปแบบสญญาณดานเขาเพอใหมรปแบบสญญาณคลายกบแรงดนดานเขา น นหมายความวาตวประกอบกาลงจะมคาใกลเคยง 1 หรอจากงาน [1][2] อยท 0.99

หลงจากทมการปรบสญญาณไดแลวนนยงมความพยายามทจะลดตนทนในการสรางแหลงจายไฟนนดวยการใชตวประมวลสญญาณทราคาถกลง อยางในตวอยางงานวจย [3] ไดมความพยายามทจะลดการใชงานตวประมวลสญญาณทมราคาแพง จาพวกชป DSP

พรอมกนนในงานวจยททางผวจย สนใจมากทสดคอการเปรยบเทยบราคาตวประมวลผล สญญาณแบบตางๆ ของแหลงจายไฟมการแกไขตวประกอบกาลง เพอเปนแนวทางในการผลตเชง พาณชย ในมาตรฐานของ IEC 61000-3-2

1.4 สรปบทวจย

บทท 2 จะนาเสนอทฤษฏทเกยวของกบแหลงจายแบบสวทชงทมลกษณะการเสรมแรงดน ประกอบดวย วงจร บสตคอนเวอรเตอร และ พช-พล คอนเวอรเตอร การออกแบบหมอแปลงความถสง วงจรกรองกระแสความถสง สาหรบคอนเวอรเตอรทมการเพมระดบแรงดน , ตวประมวลสญญาณทางอนาลอค และการควบคมคอนเวอรเตอรแบบอนาลอค ทมการออกแบบระบบควบคมการปอนกลบของลปแรงดนและลปกระแส บทท 3 จะกลาวถงการออกแบบอปกรณจรงในสวนตางของโครงสราง แหลงจายไฟฟา แบบสวตซง ทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ รวมถงการออกแบบวงจรควบคมแบบอนาลอค บทท 4 จะเปนผลการทดสอบทเกยวของกบการตอบสนองทกาลงทางไฟฟา ระดบตางๆ พรอมทงแสดงคาตวแปรทมผลกระทบกบการตอบสนองของ สวนตางของโคร งสราง แหลงจายไฟฟา แบบสวทชงท มการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอค ทฟ บทท 5 คอบทสรปของการทางานในงานวจยทงหมด รวมถงการ เสนอขอคดเหนในการปรบปรงโครงงานนใหมประสทธภาพมากขน

บทท 2

ความรพนฐานเกยวกบคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ

อปกรณเครองใชทางไฟฟาทตอกบแหลงจายไฟฟาโดยตรงมผล กรทบตอระบบหลก โดยรวม ในระบบทมโหลดทางไฟฟาประเภทตวตานทานทใหความรอนหรอแสงสวางจะมลกษณะเชงเสนตอ ระบบของแหลงจาย แตในกรณทโหลดมลกษณะทมการตอกบแหลงจายประเภทสวทชง จะมลกษณะท มการรบกวนระบบแหลงจายของการไฟฟา ททาใหเกดกระแส ฮารโมนกส ทงน ในกรณทมการตอเขาระบบของแหลงจายจานวน มากจะสงผลตอ ระบบโดยรวมของการไฟฟาฯ ซงจะทาใหตองมการออกแบบใหมการจายกาลงทางไฟฟามากขน รวมถงระบบสายสงทมขนาดใหญขน

2.1 การแกไขตวประกอบกาลงแบบทวไป

การแกไขตวประกอบกาลงนน ขนอยกบตาแหนงข องวงจรแกไขตวประกอบกาลง สามารถ แยกออกเปนสองกรณ อนดบแรกคอการแกไขตวประกอบกาลงทอนพท และการแกไขตวประกอบ กาลงทเอาทพท แบบแรกมการปรบแกไขตวประกอบกาลงดานหนาเพอปรบแกไขใหระบบ เมอม โหลดทไมเชงเ สนเขามาประกอบ อยางเชน บลลาส จะมการใสตวแกไขตวประกอบกาลงระหวางโหลด กบระบบไฟฟา เมอเกดกรณเชนนจะเรยกวาการแกไขทเอาทพท ทงนขนอยกบการเลอกใชตวแกไขตวประกอบกาลง และสามารถแยกกรณการแกไขเปนสอง ทางคอ การแกไขตวประกอบกาลงแบบพาสซฟ และ แบบทสองคอ แบบแอ คทฟ ในการแกไขแบบแรกจะมการใชสวนประกอบของตวรแอคทฟพนฐาน อยางเชน ตวตานทาน ตวเหนยวนา และตวเกบประจ เพอแกไขตวประกอบกาลงระหวางแรงดนกบกระแสทจายใหกบโหลด ทมคาตวประกอบกาลงทตา ซ นามาดวยการปรบแกไขตวประกอบกาลงแบบ แอคทฟ การปรบแกไขต วประกอบกาลงแบบ แอคทฟโดยทวไปจะใชหลกการการชดเชย การผดเพยนของกระแสอนพท โดยทนาวงจรสวทชงตางๆมาใชงาน นนกหมายถงระบบทมความซบซอนมากขน กวาแบบวงจรพาสซฟ ดวยเทคโนโลยทมการใช ไอซ ทาใหมการใชงานทงายขน ขนาดทเลกลง และม ราคาทถกลงตามไปดวย ซงจากการใชงานแหลงจายไฟฟาแบบสวทชงทจะนาเสนอนน ความสามารถ ในการปรบปรงคณภาพของตวประกอบกาลงอาจไปได ถง 0.99 และ THD มคานอยกวา 5% ซงความถในการสวทชงสามารถใชไดแบบความถตาหรอสงไดตามความเหมาะสม

2.2 นยามของตวประกอบกาลงและ THD

ตวประกอบเปนสงสาคญในระบบ เลกทรอนกสกาลง เพราะเนองจากเปนการวดกาลงจรงทใชจายในระบบไฟฟา และเปนการวด การผดเพยน ในระบบแรงดนและกระแสไฟฟา และการเลอนเฟสของแรงดนกบกระแส ตามสมการ 2.1 จะนยามกาลงไฟฟา และกาลงปรากฏ เฉลยทแหลงจ าย

werApparentPo

AveragealPowerPFrPowerFacto

)(Re)( (2.1)

ซงกาลงปรากฏ ถกนยามวาเปนผลคณของแรงดนกบกระแส

ในระบบทมความเชงเสน โหลดจะดงกรแสและแรงดนทมลกษณะสญญาณเปนรปซายน ตวประกอบกาลงจะถกคดใหอยในรปของมมทเกดขนระหวางกระแสและแรงดน จะไดดงสมการท (2.2)

coscos

,,

,, rmssrmss

rmssrmss

VI

VIPF (2.2)

ซง Irms และ Vrms คอคา rms ของกระแสและแรงดนในระบบตามลาดบ มม จะเกดขนจาก

การเลอนเฟส ดงนน ในระบบไฟฟา ตวประกอบกาลงจะคดอยในรปแบบของ Cosine ของมมทเกดขน ระหวางแรงดนกบกร ะแส แตในระบบอเลกทรอนกสกาลง ในกรณทมระบบทไมมความเปนเชงเสน อยางเชนแหลงจายไฟฟาแบบ สวทชงเขามาเกยวของแลวนนการจะใชมมเขามาคดอยางเดยวจงไมใชสง ทถกตองอกตอไป ในภาพประกอบท 2-1 แสดงถงระบบทไมมความเปนเชงเสนปรากฏขนท โหลด

ภาพประกอบท 2-1 (a) โหลดทไมมความเปนเชงเสน (b) กระแสและแรงดนเกดจากโหลดทไมเปนเชง

เสน

5

การคานวณตวประกอบกาลงจงเปนสงทซบซอนมากขนตามไปดวย ถาเปรยบเทยบกบกรณทมสญญาณลกษณะเปนซายน ซงถาแรงดนและกระแสถกลดทอนสญญาณแลวนน ในสมการท 2.3 และ 2.4 นาเสนอในสวนของการใช สมการ Fourier เขามานาเสนอในสวนของกระแสและแรงดนในระบบ ตามลาดบ

(2.3) )sin()sin(

)sin()(

211

1

innsn

isDC

innsn

DCs

tnItnII

tnIIti

)sin()sin(

)sin()(

211

1

nvnsn

vsDC

vnnsn

DCs

tnItnVV

tnVVtv

(2.4)

ประยกตนยามของสมการตวประกอบกาลงใน (2.1) ไปในสมการผดเพยน ของกระแสและ

แรงดนขางตน จะไดสมการของตวประกอบกาลงเปน

rmssn

n

rmssn

n

nrmssnrmssnn

rmssrmss

nrmssnrmssnn

VI

VI

VI

VIPF

,2

1

,2

1

,,1

,,

,,1

coscos

(2.5)

ซง Vsn,rms Isn,rms คอคา rms ของลาดบกระแสและแรงดนฮารโมนกสท nth ตามลาดบ และ nth คอมมเลอนเฟสของกระแสและแรงดนลาดบท nth เนองจากสวนใหญแล ว ระบบของอเลกทรอนกสกาลงจะรบ แหลงจายแรงดนทมคาคงท ทงน แลวเราสามารถทจะสมมตใหแรงดนนนมรปสญญาณทมลกษณะเปนซายนได ดงสมการ (2.6)

tVtv ss sin)( (2.6) )sin()( usoidalnondistortedtis (2.7) สมการของตวประกอบกาลงจะอธบายไดดงสมการดานลาง ( 2.8)

6

dispdistrmss

rmss kkI

IPF cos

,

,1 (2.8)

โดยท มมระหวางแรงดน Vs(t) กบกระแส Fundamental Is(t) 1 : คา rms ของสวนประกอบ Fundamental ในกระแสอนพท Is1,rms : ผลรวมของคา rms ในกระแสอนพท Is,rms :

kdist = Is1,rms/Is,rms : Distortion factor kdisp = cos 1 : Displacement factor ตวแปรทสาคญอกตวคอตววดเปอรเซนตการผดเพยน กคอ Total Harmonic Distortion ของกระแสซงอาจอธบายไดดวยสมการดานลาง

11

2,1

22

,2

distrmss

n

rmssn

i kI

ITHD (2.9)

ในแหลงจายไฟฟากระแสตรงแบบสวทชง (SMPS) แบบเดมนน จะมการใชวงจรเรยงกระแสทประกอบดวยตวเกบประจ ซงสงผลใหเกดแรงดนตกครอมตวเกบประจ Vc และกระแสทมลกษณะเปน พลสเกดขนทกระแสอนพท สงเกตจาก ภาพประกอบท 2-2 แลวนนการเปรยบเทยบ แรงดนอนพททเปปนรปซายนแลวจะทาใหคาของ THDi มคาสงถง 70% และคา PF จะมคาตากวา 0.67

ภาพประกอบท 2-2 รปแบบสญญาณของระบบทม PF ตา

7

จากสมการท 2.8 และ 2.9 จะสงเกตไดวา PF และ THD จะมความสมพนธกบ Distortion และ Displacement factors ดงนนการปรบปรงตวประกอบกาลง PF และ ตวแกไขตวประกอบกาลง PFC เปนการลดฮารโมนกสนนเอง

2.3 การแกไขตวประกอบกาลง

2.3.1 สมดลพลงงาน ในวงจรการแกไขตวประกอบกาลง

ในภาพประกอบท 2-3 แสดงถงภาพโดยรวมของการแปลงแรงดนกระแสสลบใหเปนแรงดนกระแสตรงทมการตอ PFC ถาให il(t) และ Vl(t) เปนกระแสอนพท และแรงดนอนพท ตามลาดบถากรณท PFC เปนไปดงอดมคตแลวนน PF ตองเทากบ 1

tVtv llml sin)( (2.10a)

tIti llml sin)( (2.10b)

ภาพประกอบท 2-3 AC to DC คอนเวอรเตอรทมการตอ PFC ซง Vlm และI lm คอ แรงดนและกระแสสงสดของกระแสและแรงดนอนพท ตามลาดบ และ l คอมมในเชงความถ คากาลงอนพทแบบ instantaneous จะไดดงสมการดานลาง

)2cos1(sin)( 2 tPtIVtp linllmlmin (2.11)

และซง Pin=1/2VlmIlm คอคาเฉลยของกาลงอนพท จากสมการ 2.11 คากาลงอนพทแบบ instantaneous ไมไดประกอบดวยคากาลงไฟฟาจรงอยาง เดยว แตสวนประกอบของ Pin จะมยงมสวนของกระแสสลบทอยในรปของความถ 2 l แสดงในภาพประกอบท 2-4 ดงนน หนาทของวงจร PFC

8

คอการดาเนนการจดการกบพลงงานทเกนของกาลงอนพท (รปของพนทสวน I) เมอกาลง อนพท pin(t) มคามากกวา Pin(=Po) และจดการปลอยพลงงานเมอ pin(t) ตากวา Pin(=Po) เพอชดเชยในสวนของพนท II กาลงสวนเกนสามารถหาไดจากสมการ

)2sin1(2

)( tP

tw ll

oex

(2.12)

ณ เวลา t=3Tl/8 จะเปนชวงทพลงงานสวนเกนแตะของสงสด ซงจะไดดง สมการ

l

oex

Pw

max, (2.13)

ภาพประกอบท 2-4 สมดลพลงงานในตวแกไขตวประกอบกาลง พลงงานสวนเกนจะถกเกบไวในโหลดตวเหนยวนาและตว เกบประจในวงจร PFC นนเอง

9

2.3.2 ตวแกไขตวประกอบกาลงไฟฟาแบบพาสซพ ตวแกไขตวประกอบกาลงไฟฟาแบบพาสซพถกใชในการแกไขตวประกอบ

กาล งไฟฟาของระบบไฟฟาทมขนาดใหญเพราะเนองจากความนาเชอถอและความสามารถรบมอทางดานขนาดของกาลงไฟฟาทมระดบส ง โดยทวไปแลว ตวเกบประและตวเหนยวนาทมการตอ อนกรมกนจะถกใชในการแกไขหรอกรองฮารโมนกสในระบบอตสาหกรรม อยางเชนโรงหลอม หรอ โรงงานรดเหลกเปนตน ในภาพประกอบท 2-5 เปนการแสดงการตอชดของตวแกฮารโมนกสทเรยกวา Static Var Compensator ทง นการตอในแตละกงนนจะมคาของตวเกบประจเกดขนในระบบ ซงการตอ แบบนทาใหระบบไดรบการชดเชย VAR ดวย ในสวนของทางดานอเลคทรอนกสกาลงจะมชด Thyristor ททาการควบคมใหเกดการ ชดเชย VAR แบบ Optimize ทงน PF ของระบบจะไดรบการปรบใหอยในจดท เหมาะสมจากการปรบจน

ภาพประกอบท 2-5 PFC แบบตวเหนยวนาและตวเกบประจ การออกแบบการปรบจนดวยอเลกทรอนกสกาล งนมขอเสยของการทระบบทม อมพแดนซ และ ฮารโมนกส ไมเหมาะสม ทงนรวมถงเรองของอปกรณ ทมขนาดใหญและสวนประกอบทม ราคาทสง สาหรบการใชงานขนาดกาลงท ไมเกน 10 kW นนการใชงานแบบปรบจนโดยชดอเลกทรอนกสกาลง อาจจะไมใชหนทางเลอกทดนก สวนใหญแลว การออกแบบตวแกไขตวประกอบกาลงแบบ off line passive จะใชตวเหนยวนาดงภาพท 2-6 ขนอยกบ ขนาดของตวเหนยวนาทใช ซงวงจรดงกลาวแกไขไดสงสดคอ PF ท 90%

2

1 )/075.0(1

9.0

KPF

(2.14)

10

ภาพประกอบท 2-6 ตวแกไขตวประกอบกาลงแบบตวเหนยวนา ซง

R

lK

1 (2.15)

ตวแกไขตวประกอบกาลงอยางงายทเป นวงจรกรองความถตาผาน ทแสดงในภาพ 2.7 จะไดสมการถายโอน ทอยในรปแบบของอนพทอมพแดนซ ดงสมการดานลาง

1/

1)(

2

RsLLCssH (2.16)

1

1/)(

2

sRC

RsLLCsRsZin (2.17)

จากสมการขางบนจะสงเกตไดวาวงจรกรองมความถอนพททมระดบตา (50Hz) เพราะฉะนนแลวคาตว เหนยวนาและตวเกบประจจะตองมขนาดทใหญมาก จากเหตดงกลาวจงสรปเปนหวขอไดวา ขอเสยของ การออกแบบและสรางดวยการใชอปกรณแบบ พาสซพ นน

- การปรบปรงตวประกอบกาลง จะสามารถปรบแกตวประกอบกาลงไดไมเกน 0.9 - THD มคาสง - มขนาดใหญและหนก - ไมสามารถปรบระดบแรงด นเอาทพท - คอนขางจะมความออนไหวตอคาตวแปรตางๆของวงจร - การออกแบบใหมคา optimize คอนขางลาบาก

11

ภาพประกอบท 2-7 วงจรกรองความถตาผานแบบตวเหนยวนา

2.3.3 รปแบบวงจรพนฐานทใชงานกบการแกไขตวประกอบกาลง

ในปจจบนการใชเทคนกการสวทชงนน ว งจรและวธการหลายๆอยางไดถกพฒนาเพอทจะให

เกดการ รองรบตามมาตรฐานทกาหนด (IEC6100-3-2, IEEE Std.) การสวทชงดวยความถสงถกนามาใชในการควบคมรปแบบสญญาณของกระแสอนพทใหมลกษณะเปนตามทกาหนด คอนเวอรเตอรทถกใชงานในการออกแบบตวแกไขตวประกอบกา ลงจะแบงออกเปน 6 ชนดไดแก

- ตวแกไขแบบ บก - ตวแกไขแบบ บสต - ตวแกไขแบบ บก-บสต - ตวแกไขแบบ Cuk - ตวแกไขแบบ Sepic - ตวแกไขแบบ Zeta

12

2.3.3.1 ตวแกไขแบบบก

ในภาพประกอบท 2-8 แสดงถงตวแกไขตว ประกอบกาลงแบบ บกโดยการใชเทคนก

PWM ทงน สามารถสรางแบบจาลองเปนวงจรเสมอนดงรปภาพท 2-8 จากวงจรเสมอนนจะชใหเหนได จากสมการดานลาง

1/)(

2

RsLLCs

dsH (2.18)

1

1/)(

2

2

sRC

RsLLCs

d

RsZ in (2.19)

การเปรยบเทยบการแกไขตวประกอบกาลงไฟฟา ของวงจรสวทชง ความถสงแบบตางๆ นน ตว

แกไขแบบบกจะสามารถจากด inrush current ไดดกวาแบบอน เนองจากตวสวทชงตอแบบอนกรมกบ อนพท ขอดเกยวกบคอนเวอรเตอรดงกลาว การปองกนการลดวงจร การปองกนแรงดนดานอนพทเกน ขอไดเปรยบอกอยางของการใชคอนเวอรเตอรชนดนกคอ แรงดนดานเอาท พทมกจะมคานอยวาแรงดน ดานอนพท ซงสวน ใหญเปนทตองการ อาจจะแบงแยก และสรปการใชงานของ ตวแกไขแบบบก ไดดงน

- เมอเกดกรณทแรงดนเอาทพทมคามากกวาแรงดนอนพท คอนเวอรเตอรจะไมดงกระแสเขา จากระบบ ทาใหกระแสไหลเขามรปแบบใกลเคยงกบแรง ดนอนพท

- กระแสอนพทมลกษณะไมตอเนอง ทาให EMI มคาสง - ความเครยดของกระแสมคาสงในตวสวทชง - ตวสวทชงตองมตวขบทมลกษณะแยกทางไฟฟา

13

ภาพประกอบท 2-8 (a) ตวแกไขแบบบก (b) แบบจาลอง PWM สวทชง สาหรบ ตวแกไขแบบบก

2.3.3.2 ตวแกไขแบบบสต

ตวแกไขแบบบสต และแบบจาลองวงจรสวทชงเสมอน ทแสดงในภาพท 2-9 a และ b นน สมการถายโอนและอนพทอมพแดนซสามารถเขยนสมการไดดงน

1/)'/()'/(

'/1)(

222

RdLsCdLs

dsH (2.20)

1

1/)'/()'/(')(

2222

sRC

RdLsCdLsRdsZin (2.21)

ซง d’=1-d ความแตกตางจากกรณของ ตวแกไขแบบบก ในสวน ตวแกไขแบบบสต นนมสงทนาสนใจคอ ตวเหนยวนาเสมอนจะถกควบคมโดยอตราสวน duty cycle ของการสวทชง ผลลพธนนแสดง ออกมาในลกษณะขนาดและเฟสของอมพแดนซและทงขนาดของแรงดนกระแสตรง กบสมการถายโอนถก ควบคมโดยอตราสวน duty cycle เชน กน ขอไดเปรยบของ ตวแกไขแบบบสต นนมการสงผลกระทบ

14

ทางดาน EMI นอยถาเทยบกบคอนเวอ รเตอรชนดอนๆ สามารถสรปภาพโดยรวมของ ตวแกไขแบบบสต ไดคอ

- แรงดนเอาทพทมคามากกวาแรงดน อนพทสงสด - ไมสามารถทจะจากดกระแส inrush และ การปองกนแรงดนเกนได

ภาพประกอบท 2-9 (a) ตวแกไขแบบบสต (b) แบบจาลอง PWM สวทชง สาหรบ ตวแกไขแบบบสต

2.3.3.3 ตวแกไขแบบ บก-บสต

ตวแกไขแบบ บก-บสต และรปแบบการจาลองวงจร แสดงในภาพท 2-10a และ

ซงมสมการถายโอนของอนพทอมพแดนซดงน

15

ภาพประกอบท 2-10 (a) ตวแกไขแบบ บก-บสต (b) แบบจาลอง PWM สวทชง สาหรบ ตวแกไข

แบบ บก-บสต

1/)'/()'/(

'/)(

222

RdLsCdLs

ddsH (2.22)

1

1/)'/()'/(')(

2222

sRC

RdLsCdLsR

d

dsZin (2.23)

ตวแกไขแบบ บก-บสต รวมสวนของขอไดเปรยบของทง ตวแกไขแบบบก และ ตวแกไขแบบบสต เขาดวยกน ในกรณ บก เองนนจะมความสามารถในการปองกนวงจรและทาการลดระดบแรงดนเอาทพทได และในสวนของ ตวแกไขแบบบสต นนจะทาการควบคมรปแบบ ของกระแสอนพทและแรงดนเอาทพทได คอนเวอรเตอรชนดนยงมขอเสยเปรยบอกเชนกน ดงหวขอดานลาง

- กระแสอนพทมลกษณะไมตอเนอง สงผลกระทบตอการแพรของ EMI - ความเครยดของกระแสทตวสวทชงมคาสง - ขดขบตวสวทชงกาลงตองการการแยกทางไฟฟา - ขวของแรงดนเอาทพทมลกษณะกลบทศทาง -

16

2.3.3.3 ตวแกไข Cuk, Sepic and Zeta

ขอแตกตางจากคอนเวอรเตอรทกลาวถงขางตนน น ในสวนของ Cuk, Sepic และ Zeta จะมรปแบบของสวทชงคอนเวอรเตอร แบบลาดบท 4 วงจรจะมลกษณะตามรปภาพท 2.11a, b และ c ตามลาดบ สวนประกอบของตวเกบพลงงานจะแบงออกเปน 4 สวนซงใชในการปรบปรงตวประกอบกาลง ฮารโมนกสอนดบทสองของแรงดนระลอกคล นมคานอยกวาแบบ บก บสต และ บก-บสต ทงนคอนเวอรเตอร ทงสามนยงสามารถทจะปองกนการใชกาลงไฟฟาเกน แตขอดอย เกยวกบการตองเพมจานวนอปกรณในวงจรมากข นและผลของความเครยดในกระแสทเปนสงท ไมพงประสงค

ภาพประกอบท 2-11 ตวแกไขแ บบ Fourth-0rder (a) ตวแกไขแบบ Cuk (b) ตวแกไขแบบ Sepic (c) ตวแกไขแบบ Zeta

17

18

2.4 บทสรป

แหลงจายไฟแบบสวทชงความถสงถกนามาใชในการลดการสญเสยกาลงไฟฟา นาหนกแล ะขนาดทมสวนเกยวของในการแปลงแรงดนกระแสสลบเปนแรงดนกระแสตรงแตการใชงานแหล งจายไฟฟากระแสตรงดงกลาวกบสงผลเสยตออนพทโดยตรง โดยเฉพาะเกยวกบเรอง ตวประกอบ กาลงไฟฟา (PF) และ Total Harmonic Distortion (THD) โดยทฮารโมนกสเหลานจะถกปรบแกไขโดย วธของการแกไขตวประกอบกาลง (PFC) กบแหลงจายไฟฟาแบบสวทชง ในบทนได ใหแนวคดเกยวก บการใชเทคนคของการแกตวประกอบกาลงโดยใชการสวทชงทความถสง รวมถงความหมายของตว ประกอบ (PF) กาลงกบ THD

บทท 3

การออกแบบคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ

หลกการออกแบบทวไปของวงจรคอนเวอรเตอรทมแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟ

ภาพประกอบท 3-1 Boost PFC ทใชตวควบคมแบบอนาลอค สวนประกอบหลกของ วงจรคอนเวอเตอรทมแกไขตวประกอบกาลงแบบแอกทฟ สามารถแยกออกเปน 3 สวนหลกแบงออกเปน - วงจรเรยงกระแส (Rectifier circuit) - วงจรแปลผนระดบแรงดนกระแสตรงแบบบสต (DC to DC Boost Converter) - ชดควบคมดวยตวประมวลสญญาณแบบอนาลอค

3.1 การออกแบบวงจรเรยงกระแสดานเขา

การออกแบบแหลงจายหลกใหกบชดอนเวอรเตอรนนมความสาคญมากกบ แหลงจายไฟ สวทชง เนองจาก ถาการออกแบบทไมเหมาะ สมนนจะทาให แหลงจายไฟ สวทชง ทางานผดพลาดทงระบบ รวมถงการเลอกใชอปกรณทเหมาะเชนกน อยางเชน ตวเกบประจทใชงานตองมคามากพอหรอมคา ESR ทนอยขนอยกบความเหมาะสมของ แตละระบบ อยางทกลาวขางตน

AC Input220 Vrms 50 Hz

DC Output310 VdcD1

D2

D4

D3

C R

ภาพประกอบท 3-2 วงจรเรยงกระแสดานอนพทของแหลงจายไฟแบบ สวทชง 3.1.1 การหาคากระแสอนพทและขนาดของไดโอด กาหนดใหแรงดนอนพท เทากบ 90-270 โวลท (rms) ความถ 47-63 เฮรตซ เอาทพทสงสดทกาหนดไวคอขนาด 100 วตต ใหประสทธภาพของระบบเปนขนาด 90 เปอรเซนต เราจะสามารถหา กาลงไฟฟาอนพทไดดงน กาลงไฟฟาอนพทจะหาไดจากสมการ

WP

Pout

in 1129.0

100(max)

(max)

(3.1)

กระแสอนพทจะไดดงสมการ

AV

PI

rmsin

in

rmsin 24.190

112

min)(

(max)

max)( (3.2)

20

กระแสอนพทสงสดจะไดดงสมการ

AII rmsinpkin 76.1224.1max)(max)( (3.3) กระแสเฉลยสงสดจะไดดงสมการ

AI

I pkin

avgin 12.176.122 max)(

max)(

(3.4)

3.1.2 การหาคาตวเกบประจความถสง การออกแบบตวเกบประจความถสงดานเขาสา มารถออกแบบไดโดยใชสมการ

min)(

max)(

2 rmsins

rmsinIin Vrf

IKC

L

(3.5)

โดยท (factorripplecurrentInductorK

LI ___ ออกแบบท 20%) (ripplevoltageimumr __max ออกแบบท 5%) kHzfrequencyswitchingf s 115_

min)(

max)(

2 rmsins

rmsinIin Vrf

IKC

L

9005.01150002

24.12.0

inC

Cin = 76.3 nF

ดงนนจงเลอกทจะใชงานตวเกบประจท 86 nF 450 โวลท

21

3.2 วงจรแปลผนระดบแรงดนกระแสตรงแบบบสต (DC to DC Boost Converter)

3.2.1 การหาคาของตวเหนยวนาอนพท การหาคาของตวเหนยวนาตองพจารณาโดยระดบของกระแสรปเปลทอาจคลาดเคลอน

VVV rmsinpkin 1272902 min)(min)( (3.6) คา Duty cycle สงสดของตวสวทชงหาไดจาก

6825.0400

12711 min)(

o

pkinpk V

VD (3.7)

กระแสรปเปลของตวเหนยวนา คดท 20% ของกระแสตวเหนยวนา AII pkinL 352.076.12.02.0 max)( (3.8) กระแสสงสดทตวเหนยวจะเปนไปดงสมการ

AI

II LpkinpkL 936.1

2

352.076.1

2max)(max)(

(3.9)

ตวเหนยวนาหาไดจากสมการ

mHIf

DVL

Ls

pkpkin 9718.1352.0115000

6825.0127min)(

(3.10)

การออกแบบตวเหนยวนาทใชคาจรงขนาด 2.2 mH จงจะเหมาะสมกบระบบ

22

3.2.2 การออกแบบตวเกบประจเอาทพท

คาของตวเกบประจทเอาทพทนนมผลโดยตรงกบ Hold up time และ แรงดนรปเปล ในการออกแบบนนน จดสาคญของการเลอกขนาดของตวเกบประจจะอยทขนาดของรปเปลทแรงดนเอาทพท จะหาไดจากสมการ

Vf

V

P

Cr

o

o

out

2

ซง fr กคอความถทไดจากวงจรเรยงกระแส ของสญญาณซายน (ออกแบบทความถ 100 Hz) และ คอคา peak to peak รปเปลของ แรงดนเอาทพท

V

HCout

3340003.01002

400/100(min)

(3.11)

เลอกใชงานตวเกบประจท 33 uF ทแรงดนทระดบ 450 โวลท 3.2.3 การเลอกใชบสตไดโอด (Boost diode)

การออกแบบไดโอดตามทไดระบไวใน Datasheet ของบรษท International Rectifier มลกษณะเปนไดโอดทตอบสนองความถสง มระดบแรงดนพกดอยท 600 โวลท ทงนจงเลอกใช 15ETH06 15A, 600V เปน boost diode แบบ ultra fast recovery 3.2.4 การเลอกใช บสตมอสเฟต (Boost MOSFET) ตวสวทชงทใชสาหรบวงจรเพมระดบแรงดนนนมความเครยดสง และแรงดน พกดมสวนสาคญ ในการออกแบบ เพอใหเกดความเหมาะสมของระบบ การเลอกใชพกดของ MOFET ขนอยกบระดบ แรงดนดานทาย และสวนประกอบของแรงดนรปเปลทจะตองนามาพจารณา ซงทงนกระแสดานทายจะ เปนตวกาหนด ความสามารถไของตวสวทชงนนๆ ในการออกแบบของระบบททาการวจยนไดทาการ เลอก MOSFET ของบรษท International Rectifier เบอร IRFP450 ทมพกดแรงดนขนาด 500 โวลท กระแสพกดอยท 16 แอมป RDSON อยท 0.03 โอหม โดยการจะใช Snubber ชวยในการลดพลงงานสญเสยในตวสวทชงนดวย

23

3.2.4.1 วงจรสนบเบอร (Snubbers)

เปนสวนทเพมเตมเขามาในวงจรคอนเวอรเตอรเพอลดกาลงงานสญเสยและปองกนการเสยหาย ของสวทชง กาลง อาจ แบงได 2 ลกษณะ วงจรสนบเบอรชวงหยดนากระแส และวงจรสนบเบอรปองกน แรงดนเกน

วงจรสนบเบอรชวงหยดนากระแส

การใสวงจรสนบเบอรเขาไปในสวนนกเพอลดการเกดกาลงงานสญเสย ซงจะควบคมแรงดนท ตกครอม Drain และ Source ใหเพมชนอยางชาๆ จนกระทงกระ แสทไหลผานตวสวตชกาลงนนลดลง ไดทนกน ลกษณะการตอวงจรเปนดงภาพประกอบท 3-3

D

D

C

R

V,Icurve

V,Icurve

IDS

IDS

V DS

V DS

ภาพประกอบท 3-3 ผลของการตอวงจรสนบเบอร 3.2.5 การเลอกใชไดโอดเรยงกระแสดานหนา (Input Rectifier Diode) แรงดนสงสดทปรากฏระหวางอนพ ททตาแหนงของ Bridge diode นนมระดบแรงดนท ตองคานงถงโดยใชสมการดานลางเปนตวคานวณ

VVV rmsinpkin 38222702 max)(max)( (3.12)

โดยทกระแสสงสดทตวเหนยวนาจะมคาเทากบ

24

AI

II LpkinpkL 936.1

2

352.076.1

2max)(max)(

และกระแสเฉลยสงสดทตวไดโอดรบภาระคอ

AI

I pkin

avgin 12.176.122 max)(

max)(

การเลอกใชงานของอนพทไดโอดทเหมาะสมคอ 1N4007 ทมการทน Peak reverse bias ในระดบ 1000 โวลท และกระแสสงสดท 30 แอมป

25

บทท 4

การทดสอบและเกบผล

4.1 ภาพรวมของการทดสอบและการเกบผล

การทดสอบระบบของคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ ทเราจะกลาวถงบทนจะมเนอหาทเกยวของกบการออกแบบในบทททผานมา กลาวคอ การทดสอบและการเกบ ผลนนจะสามารถแบงออกเปนสองสวน คอ สวนของการทดสอบดวยอปกรณจรงทไดจากการออกแบบ และ สวนทสองคอ สวนทไดจากการจาลองการ ทางานของระบบดวยคอมพวเตอร ระบบแหลงจายไฟ แบบสวทชง การเกบคาของผลทดสอบมความสาคญอยางมากตอการประเมนผล วเคราะห และทาการ สรป ในการทาของงานวจยน นเปนอยางยง เนอหาของสวนประกอบในการทดสอบจะทาการแบงแยกไดเปน 2 สวน ดงน - ผลการทดสอบดวยอปกรณจรง - ผลของการจาลองดวยโปรแกรมคอมพวเตอร

4.2 ผลการทดสอบดวยอปกรณจรง

การออกแบบทผานมานนเนนพนฐานของการประยกตทฤษฏตางๆมาอยในรปแบบของ อปกรณจรง อยางเชนการออกแบบระบบทเหมาะสมในการควบคมหรอเลอกชนสวนตางใหถกตอง การทดสอบผลตางๆของคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ นนนจะประกอบดวยการทดลองทเปนโหลดความตานทาน โดยแยกการทดสอบระดบของอนพททแตกตางกน คอ

- สญญาณกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดน อนพทระดบ 110 โวลต rms - สญญาณกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดน อนพทระดบ 140 โวลต rms - สญญาณกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดน อนพทระดบ 160 โวลต rms - สญญาณกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดน อนพทระดบ 180 โวลต rms - สญญาณกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดน อนพทระดบ 200 โวลต rms - สญญาณกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดน อนพทระดบ 220 โวลต rms

โดยทผลการทดลองจะทาการเปรยบเทยบสญญาณทไมมการควบคมรปแบบกระแสกบการใชการ ควบคมกระแสอนพท

4.2.1 ผลของกระแสอนพทเปรยบเทยบกบแรงดนอนพททมการควบคม

ภาพประกอบท 4-1 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 110 โวลต

ภาพประกอบท 4-2 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 140 โวลต

27

ภาพประกอบท 4-3 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 160 โวลต

ภาพประกอบท 4-4 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 180 โวลต

28

ภาพประกอบท 4-5 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 200 โวลต

ภาพประกอบท 4-6 กระแสอนพททมการควบคมเปรยบเทยบแรงดนอนพท 220 โวลต

29

4.3 ผลของการจาลองดวยโปรแกรมคอมพวเตอร

การออกแบบโดยใชโปรแกรมคอมพวเตอรเขาจาลองการทางานของระบบนน มประโยชนอยางมาก เนองจากโปรแกรมรนใหม มความชาญฉลาดในการวเค ราะหทใกลเคยงกบระบบจรงมาก ในการทดลองนไดเลอกใชโปรแกรม Simulink ขนมาใชงาน ซงโปรแกรมน จะเปนโปรแกรมทเพมมาจาก โปรแกรม MATLAB โปรแกรมนใชวเค ราะหหาเสถยรภาพของระบบและสามารถปรบคาตวแ ปรตางๆไดอยาง งายดาย โดยการใชงานคาตวแปรตางๆ เราสามารถหาผลตอบสนองของระบบไดดงน

Continuous

Vsv

+-

V2v+

-

V1

Scope1

ScopeR=1000ohm

R=0.1ohm

gm

ds

M1

L=0.01Hi+-

Ia i+ -

I1 2A

B

+

-

Full Bridge Rectifier1

Diode

current

v sense

v oltage

PWM

Controller

C=330uF

|u|

Abs

Ia

ภาพประกอบท 4-7 วงจรคอนเวอรเตอรทมการแกไขตวประกอบกาลงแบบแอคทฟ โดยจาลอง

ดวย MATLAB

30

31

4.3.1 รปสญญาณของกระแสอนพทเปรยบเทยบกบการวด THD

0.38 0.385 0.39 0.395-2

-1

0

1

2

Time (s)

FFT window: 1 of 20 cycles of selected signal

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 1.615 , THD= 5.01%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

ภาพประกอบท 4-8 คา THD ทไดจากการวดสญญาณกระแสอนพท

0.38 0.385 0.39 0.395-2

-1

0

1

2

Time (s)

FFT window: 1 of 20 cycles of selected signal

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

1

2

3

4

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 1.615 , THD= 5.01%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

ภาพประกอบท 4-9 ฮารโมนกสในลาดบตางๆ ทไดจากการวดสญญาณกระแสอนพท

บทท 5

สรป อภปรายผล และขอเสนอแนะ

5.1 บทสรปโดยรวม

การทดสอบวงจรทประกอบขนมานนจะมปญหาหลกอยทการพนขดลวดใหไดคาตว เหนยวนาทตองการ พรอมทงอปสรรคในการออกแบบหรอประกอบตวเหนยวนาททาใหเกดคาสญญาณรบกวน นอยทสด ขบวนการทดสอบเรมจากการออกแบบสรางแผนปรนทโดยการใชโปรแกรมคอมพวเตอร กาหนดขนาดตางๆของตวอปกรณ หลงจากนนทาการประกอบอปกรณ เพอใหพรอมในการทด สอบกบตวประมวลสญญาณทางอนาลอค หลงจากการออกแบบและสรางคอนเวอรเตอรเปนทเรยบรอยแลวนน จงใชตวประมวลสญญาณทางอนาลอคเขามาเพอควบคมของสญญาณโดยแบงออกเปน 1.) ควบคมสญญาณแรงดนดานทาย 2.) ควบคมลกษณะสญญาณของกระแสดานเขาใหเปนไปตามทกาหนด ทงนจะมการใชตวควบคม แบบ พ ไอ 2 วงรอบโดยท ตวควบคม พ ไอ วงรอบนอกจะควบคมระดบแรงดนไวท 400 โวลท สวนตวควบคม พ ไอ วงรอบในจะควบคมสญญาณกระแสใหเปนรปสญญาณซายน การทดสอบและเกบผลเปนไปตามบทท 4 ซงสงเกตวาแตละระดบของแรงดนอนพท กระแสอนพทยงคงรกษาคณสใบตความเปนซายนไวไดซงแตกตางจากคอนเวอรเตอรทไมมการปรบแกไขตวแระกอบกาลงแบบแอคทฟ สวนการจาลองการทางานดวยคอมพวเตอรนนจะมความสาคญมากตองานทไดทดลอง เนองจากสามารถทปรบแตคา Kp และ Ki เพอดแนวโนมของระบบ สรปไดวา การควบคมแรงดนดานทาย ระบบดงกลาวไมมความ จาเปนทตองตอบสนองไว เทา กบตวควบคมกระแสอนพท เพราะวาสญญาณซายนอางองปรบเปลยน ตลอดเวลา ระบบจงตองมการตอบสนองทมความไวในระดบหนง

5.2 ขอเสนอแนะ

สาหรบการทดสอบคอนเวอรเตอรทมการแกไขตว ประกอบกาลงแบบแอคทฟ นนนจะสาเรจ ดวยด แตทงนยงมการ สงเกตวา มหลายอยางทจะตองทาการปรบปรง เพอใหมประสทธทด ขน จากการ ทดสอบทผานมานน สามารถแยกออกเปนรายละเอยดยอยไดดงน 5.3.1 การพฒนาในสวนของชดขบวงจรมอสเฟสใหมคณภาพขนโด ยการปรบปรงขนาดและปรบเปลยนชนสวนอปกรณ เพอใหสามารถใชงานในเชงพาณชยได

33

5.3.2 การควบคมในระบบการปอนกลบ อาจใชวธการชดเชยดวยตวควบคมแบบตางๆทอยางเชน PID or Fuzzy logic ซงจะเปนการชวยเพมประสทธภาพใหสงขน

บรรณานกรม

35

บรรณานกรม

Aphiratsakun N., Bhaganagarapu R. S., Techakittiroj K. 2005. “Implementation of Single

Phase Unipolar Inverter Using DSP TMS320F241.” AU Journal. 8,4(April

2005):191-195.

Aphiratsakun N. 2004. “Effect of Sampling Time, Switching Frequency and Output

Quantization Step on Vector Controlled Cage Motor.” Master’s Thesis,

Assumption University.

Katsuhiko Ogata. 1987. Discrete-Time Control Systems. Englewood Cliffs, N.J:

Prentice-Hall.

Katsuhiko Ogata. 1997. Modern Control Engineering. Upper Saddle River, N.J.:

Prentice-Hall.

Mohan Ned, Underland M.Tore, Robbinsons P. William. 2003. Power Electronics

Converter, Applications and Design. 3rd ed. New York : John Wiley & Sons,

Inc.

Rashid H. Mohammad. 1993. Power Electronics circuit, device and applications.

Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall.

Techakittiroj K., Aphiratsakun N., Three-vithayanon W, Nyun S.2003. ”TMS320F241

DSP board for power electronics applications.” AU Journal. 6,4(April

2003):168-172

ภาคผนวก

ภาคผนวก ก

AREA PRODUCT OF FERRITE CORE

37

ภาคผนวก ก

AREA PRODUCT OF FERRITE CORE

Cores without airgap

Mean length

per turn le

(mm)

Mean magnetic length

lm

(mm)

Core cross

section area

Ac*100

(mm2)

Window area

Aw*100

(mm2)

Area product Ap*104

(mm4)

e LA

(nH/turn2)

P18/11 35.6 26 0.43 0.266 0.114 1480 3122

P26/16 52 37.5 0.94 0.53 0.498 1670 5247

P30/19 60 45.2 1.36 0.747 1.016 1760 6703

P36/22 73 53.2 2.01 1.01 2.010 2030 9500

P42/29 86 68.6 2.64 1.81 4.778 2120 10250

P66/56 130 123 7.15 5.18 37.03

E20/10/5 38 42.8 0.31 0.478 0.149 1770 1624

E25/9/6 51.2 48.8 0.40 0.78 0.312 1840 1895

E25/13/7 52 57.5 0.55 0.87 0.478 1900 2285

E30/15/7 56 66.9 0.597 1.19 0.71

E36/18/11 70.6 78 1.31 1.41 1.847 2000 4200

E42/21/9 77.6 108.5 1.07 2.56 2.739 2100 2613

E42/21/15 93 97.2 1.82 2.56 4.659 2030 4778

E42/21/20 99 98 2.35 2.56 6.016 2058 6231

E65/32/13 150 146.3 2.66 5.37 14.284 2115 4833

L.UMANAND and S.R. BHAT, “Design of Magnetic Components for Switch Mode

Power Converters”, Wiley Eastern Limited, 1992.

38

ภาคผนวก ข

STANDARD WIRE GAUGE DATA

39

ภาคผนวก ข STANDARD WIRE GAUGE DATA

SWG Diameter with

Enamel (mm)

Area of bare

Conductor

(mm2)

R/Km@20C

(Ohm)

Weight

(Kg/Km)

45 0.086 0.003973 4340 0.0369

44 0.097 0.005189 3323 0.0481

43 0.109 0.006567 2626 0.0610

42 0.119 0.008107 2127 0.0750

41 0.132 0.009810 1758 0.0908

40 0.142 0.011675 1477 0.1079

39 0.152 0.013700 1258 0.1262

38 0.175 0.018240 945.2 0.1679

37 0.198 0.023430 735.9 0.2202

36 0.218 0.029270 589.1 0.2686

35 0.241 0.035750 482.2 0.3281

34 0.264 0.04289 402.0 0.3932

33 0.287 0.05067 340.3 0.4650

32 0.307 0.05910 291.7 0.5408

31 0.330 0.06818 252.9 0.6245

30 0.351 0.07791 221.3 0.7121

29 0.384 0.09372 184.0 0.8559

28 0.417 0.11100 155.3 1.0140

27 0.462 0.13630 126.5 1.2450

26 0.505 0.16420 105.0 1.4990

25 0.561 0.20270 85.1 1.8510

24 0.612 0.24520 70.3 2.2330

23 0.665 0.29190 59.1 2.6550

22 0.770 0.39730 43.4 3.6070

21 0.874 0.51890 33.2 4.7020

40

SWG Diameter with

Enamel (mm)

Area of bare

Conductor

(mm2)

R/Km@20C

(Ohm)

Weight

(Kg/Km)

20 0.978 0.65670 26.3 5.9390

19 1.082 0.81070 21.3 7.3240

18 1.293 1.16700 14.8 10.5370

17 1.501 1.58900 10.8 14.3130

16 1.709 2.07500 8.3 18.6780

15 1.920 2.62700 6.6 23.6400

14 2.129 3.24300 5.3 29.1500

13 2.441 4.28900 4.0 38.5600

12 2.756 5.48000 3.1 49.2200

11 3.068 6.81800 2.5 61.0000

10 3.383 8.30200 2.1 74.0000

9 3.800 10.5100 1.6 94.0000

8 4.219 12.9700 1.3 116.0000

L.UMANAND and S.R. BHAT, “Design of Magnetic Components for Switch Mode

Power Converters”, Wiley Eastern Limited, 1992.

41

ภาคผนวก ค

ACTIVE POWER FACTOR CORRECTION COMPONENTS

42

ภาคผนวก ค

ACTIVE POWER FACTOR CORRECTION COMPONENTS

1. Switching Device : IRFP450

2. Opto-coupler: TLP250

3. Analog Signal Controller: MC33262

4. Voltage Isolator: AD202JN

5. Transformer Ferrite Core: EE36/18/11

43

44

ประวตยอผวจย

ชอ นายวรพงษ ไพรนทร วน เดอน ปเกด 8 มกราคม 2516 สถานทอยปจจบน 30/41 ซ. ชนเขต 2/3 ถ. งามวงศวาน แขวง ทงสองหอง เขต หลกส

กทม 10210 ตาแหนงหนาทการงานปจจบน อาจารยประจา สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยศรปทม ประวตการศกษา พ.ศ. 2540 วศ.บ. (ไฟฟากาลง ) มหาวทยาลยศรปทม

พ.ศ. 2550 M.Eng (Power Electronics) Assumption University