SUT7-711-57-12-59

รายงานการวจย

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตในระบบ

พลงงานทดแทน

(Power Converters with High Voltage Gain for Applications in

Renewable Energy Systems)

ไดรบทนอดหนนการวจยจาก

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ผลงานวจยเปนความรบผดชอบของหวหนาโครงการวจยแตเพยงผเดยว

SUT7-711-57-12-59

รายงานการวจย

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตในระบบ

พลงงานทดแทน

(Power Converters with High Voltage Gain for Applications in

Renewable Energy Systems)

หวหนาโครงการวจย ผชวยศาสตราจารย ดร.สดารตน ขวญออน

กลมวจยอเลกทรอนกสก าลง พลงงาน เครองจกรกล และการควบคม สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ไดรบทนอดหนนการวจยจากมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ปงบประมาณ พ.ศ. 2557

ผลงานวจยเปนความรบผดชอบของหวหนาโครงการวจยแตเพยงผเดยว มถนายน 2560

ก

บทคดยอ รายงานวจยนไดน าเสนอโครงสรางใหมของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบเพมระดบแรงดนซงสงประมาณ 20 เทา ส าหรบระบบพลงงานทดแทนทมแหลงจายแรงดนต า โดยวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขนจะท าหนาทเพมแรงดนอนพตจากระบบแหลงจายแรงดนต า ใหไดแรงดนเอาตพตมคาคงท ท 400 Vdc ส าหรบท าหนาทเปนแหลงจายก าลงไฟฟาใหกบโหลดไฟฟากระแสตรงทตองการแรงดนสงหรอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสสลบแบบหนงเฟสส าหรบโหลดไฟฟากระแสสลบ โดยวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขนจะใชสวตชก าลงเพยงตวเดยว เพอลดก าลงงานไฟฟาสญเสยทเกดจากการใชสวตชก าลงหลายตว รวมถงงายตอการควบคมแรงดนเอาตพต ท งนระบบแหลงจายแรงดนต าจะมแรงดนอนพตประมาณ 20 Vdc โดยแรงดนเอาตพตจะถกควบคมระดบแรงดนใหคงท ท 400 Vdc ดวยตวควบคมชนดพไอ ทงนไดน าเสนอหลกการท างานของวงจรวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน การออกแบบคาพารามเตอรของวงจร การประเมนประสทธภาพ และการออกแบบตวควบคมชนดพไอส าหรบใชควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรทพฒนาขน ท าการจ าลองสถานการณเพอแสดงสมรรถนะของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน จากนนท าการสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ผลการจ าลองสถานการณและผลทดสอบยนยนประสทธผลของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนทสามารถเพมระดบแรงดนไฟฟาไดสงถง 20 เทา ส าหรบระบบพลงงานทดแทน

ข

Abstract

This research proposes a new topology of a high step-up boost converter with a

high voltage conversion ratio, approximately 20, for renewable energy systems with

low-voltage sources. The developed converter can boost up the low input voltage to the

high output voltage level of approximate 400 Vdc, which acts as a dc power supply

feeding a high voltage DC load or a single-phase inverter for the AC load. The proposed

converter employs only a single power switch instead of using several switches,

providing the decrease in power loss and the simple control strategy to obtain the

constant output voltage. The proposed converter can step up the low input voltage, about

20 Vdc, to the high output voltage of approximately 400 Vdc by using the PI controller.

In this research, the proposed converter configuration is presented and the operation

principle of the proposal converter is analyzed. The converter parameters are designed.

The converter efficiency is evaluated. Also, the control strategy for the proposed

converter is described. The simulation results are presented to show the performance of

the proposed converter. In addition, the laboratory phototype of the proposed converter

is implemented for the experimental testing. Simulation and experimental results

confirm the effectiveness of the proposed converter to achieve the high voltage

conversion ratio, approximately 20, for renewable energy systems.

ค

กตตกรรมประกาศ

โครงการวจย เรอง วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน สามารถส าเรจลลวงไปดวยด ทงนตองขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ทใหทนสนบสนนการท าวจยน นอกจากนผวจยตองขอขอบคณนายอรรณพ นาคปน ทเปนผชวยวจย และด าเนนการสรางชดทดสอบ ดวยความทมเท และการเอาใจใสอยางยง สดทายผวจยขอขอบคณพนกงานศนยเครองมอวทยาศาสตรและเทคโนโลย อาคารเครองมอ 3 และอาคารเครองมอ 5 ทกทานทใหความสะดวกในการใชเครองมอ

สดารตน ขวญออน มถนายน 2560

ง

สารบญ

หนา บทคดยอ (ภาษาไทย) ก บทคดยอ (ภาษาองกฤษ) ข กตตกรรมประกาศ ค สารบญ ง บทท 1 บทน า ................................................................................................................................... 1

1.1 ความส าคญและทมาของปญหาทท าการวจย ............................................................. 1

1.2 วตถประสงคของโครงการวจย .................................................................................. 3

1.3 ขอบเขตของโครงการวจย .......................................................................................... 4

1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ เชน การเผยแพรในวารสาร จดสทธบตร ฯลฯ

และหนวยงานทน าผลการวจยไปใชประโยชน ......................................................... 4

1.5 การจดรปเลมรายงานวจย .......................................................................................... 5

บทท 2 การส ารวจปรทศนวรรณกรรมทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทม

อตราขยายแรงดนสง ............................................................................................................ 7

2.1 บทน า ......................................................................................................................... 7

2.2 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ......... 7

2.3 ปรทศนวรรณกรรมทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทม

อตราขยายแรงดนสง ............................................................................................... 14

2.4 สรป ......................................................................................................................... 17

บทท 3 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงท

พฒนาขน ........................................................................................................................... 18

3.1 บทน า ....................................................................................................................... 18

จ

3.2 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตช

เดยวทพฒนาขน ...................................................................................................... 18

3.3 หลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง

แบบสวตชเดยวทพฒนาขน ..................................................................................... 19

3.3.1 ชวงทสวตชก าลง S น ากระแส ................................................................... 21 3.3.2 ชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส ............................................................ 25 3.3.3 อตราขยายแรงดน และความเครยดแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาท

พฒนาขน ................................................................................................... 31 3.3.4 ประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน 34

3.4 การออกแบบคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน ................... 37 3.4.1 การออกแบบคาพารามเตอรของตวเหนยวน า ............................................ 37 3.4.2 การออกแบบคาพารามเตอรของตวเหนยวเกบประจ ................................. 39 3.5 ผลการจ าลองสถานการณ ........................................................................................ 43 3.5.1 อตราขยายแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน ..................... 43 3.5.2 การกระเพอมของกระแสและแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาท

พฒนาขน ................................................................................................... 46 3.6 สรป ..... ................................................................................................................... 50 บทท 4 การควบคมวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ........................................... 51 4.1 บทน า ....................................................................................................................... 51 4.2 การออกแบบตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน ............ 52 4.2.1 การออกแบบตวควบคมพไอลปแรงดน (Voltage Controller Loop) .......... 53 4.2.2 การออกแบบตวควบคมพไอลปลปกระแส (Current Controller Loop) ..... 55 4.3 ผลการจ าลองสถานการณ ........................................................................................ 60 4.4 สรป ......................................................................................................................... 67 บทท 5 การสรางชดทดสอบ ........................................................................................................... 68 5.1 บทน า ....................................................................................................................... 68 5.2 โครงสรางของชดทดสอบ ....................................................................................... 68 5.3 แหลงจายไฟฟากระแสตรง ...................................................................................... 70

ฉ

5.4 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน .................................................... 72 5.5 วงจรตรวจจบสญญาณ ............................................................................................. 75 5.5.1 ตวตรวจจบกระแส ..................................................................................... 75 5.5.2 ตวตรวจจบแรงดน ..................................................................................... 77 5.6 วงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณ ................................................................. 80 5.7 การควบคมแรงดนเอาตพต ...................................................................................... 81 5.7.1 การโปรแกรมดวยบอรดไมโครคอนโทรลเลอร

DSP รน eZdspTMF28335 ........................................................................... 82 5.8 สรป ......................................................................................................................... 84 บทท 6 ผลการทดสอบ ................................................................................................................... 85 6.1 บทน า ....................................................................................................................... 85 6.2 การทดสอบชดทดสอบทสรางขน............................................................................ 85 6.3 ผลทดสอบชดทดสอบกรณไมมตวควบคม.............................................................. 86 6.4 ผลทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม 98

6.5 สรป 106

บทท 7 สรป .................................................................................................................................. 107 7.1 สรป ....................................................................................................................... 107 รายการอางอง ............................................................................................................................... 109 ประวตผเขยน ............................................................................................................................... 114 ภาคผนวก ............................................................................................................................... 115

1

บทท 1 บทน า

1.1 ความส าคญและทมาของปญหาทท าการวจย

ปจจบนความตองการใชพลงงานเพอการพฒนาประเทศไทยมแนวโนมเพมสงขน ในขณะ

ททรพยากรธรรมชาตในประเทศทสามารถน ามาผลตเปนพลงงาน เชน น ามน กาซธรรมชาต และ

ถานหน มปรมาณลดลง ซงอาจหมดสนในทสด ท าใหตองมการน าเขาพลงงานจากตางประเทศ

จ านวนมากเพอเพยงพอกบความตองการใชพลงงานทเพมสงขน ซงสงผลโดยตรงตอสภาวะ

เศรษฐกจของชาตและคณภาพชวตของประชาชน ดงนนจงมความจ าเปนอยางยงในการแสวงหา

แนวทางเพอแกปญหาการขาดแคลนพลงงานในอนาคต ซงอาจท าไดโดยสงเสรมใหมการพฒนา

ดานพลงงานทดแทน (Renewable Energy) เชน พลงงานแสงอาทตย (solar energy) พลงงานลม

(wind energy) พลงงานเซลลเชอเพลง (fuel cell energy) และพลงงานชวมวล (biomass energy)

เปนตน เพอสามารถน าพลงงานดงกลาวมาใชไดอยางมประสทธภาพ นอกจากนยงคงจ าเปนตอง

รณรงคใหประชาชนรวมใจใชพลงงานทเหลออยอยางประหยดควบคกนดวย

เนองจากประเทศไทยตงอยบรเวณเสนศนยสตรกรอปกบลกษณะทางภมประเทศและ

ภมอากาศ ท าใหไดรบพลงงานแสงอาทตยในแตละวนอยในเกณฑคอนขางสง รวมทงพลงงาน

แสงอาทตยเปนพลงงานทสะอาด (clean energy) ไมสรางมลภาวะใหกบสภาพแวดลอม อกทงเปน

พลงงานทดแทนประเภทหมนเวยนทใชแลวเกดขนใหมไดตามธรรมชาต ดงน นการพฒนา

เทคโนโลยดานพลงงานแสงอาทตยจงเปนอกแนวทางหนงทเหมาะสมเพอใชเปนพลงงานทดแทน

ในการผลตกระแสไฟฟาส าหรบใชในประเทศอยางย งยน

รปท 1.1 แสดงแผนภาพการผลตกระแสไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตยเพอจายโหลด

กระแสตรงและโหลดกระแสสลบ โดยทแผง Photovoltaic (PV) module ซงสรางมาจากสารกง

ตวน า จะรบพลงงานจากแสงอาทตยเพอเปลยนเปนพลงงานไฟฟากระแสตรง แตเนองจากเอาตพต

ทไดในแตละ module มคาไมมากนกเพยงประมาณ 16 Vdc ในชวงเวลาทแสงอาทตยสองมายงแผง

PV module อยางเตมท [1] ดวยเหตนจงจ าเปนตองน า PV modules จ านวนมากมาตออนกรมกนเพอ

2

เพมระดบแรงดนเอาตพตกระแสตรงใหสงขน [2] จากนนวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรง

เปนกระแสตรง (DC-DC converter) จะเพมระดบแรงดนกระแสตรงอกครงและควบคมใหคงท

ประมาณ 350 Vdc [3] และเปนอนพตใหกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปน

กระแสสลบ (DC-AC inverter) เพอผลตไฟฟาแรงดนกระแสสลบ โดยวงจรกรองเอาตพต (Output

filter) จะท าหนาทกรองสญญาณความถสงอนเนองมาจากการสวตซของวงจรอนเวอรเตอร ได

แรงดนกระแสสลบ 220 Vrms, 50 Hz เพอเชอมตอเขาระบบสงจายไฟฟาของการไฟฟา (Grid-

connected system) และพรอมจายก าลงงานใหกบโหลดกระแสสลบ หรออาจน าแรงดนกระแสสลบ

ทไดจากอนเวอรเตอรไปใชในลกษณะระบบอสระ (PV stand-alone system) เพอใชในภาค

ครวเรอนหรอชนบททหางไกลจากระบบจ าหนายไฟฟาของการไฟฟา นอกจากนพลงงานทไดจาก

แสงอาทตยสามารถใชประจแบตเตอรเพอจายก าลงไฟฟาใหกบโหลดกระแสตรง รวมทงเพอใชเปน

แหลงจายไฟฟาส ารอง [4]

PV Modules

DC-DC Converter

DC-AC Inverter

Output Filter

Grid Connection

ChargerBattery System

DC Load

AC Load

รปท 1.1 การผลตกระแสไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตย

เนองจากตองน า PV modules จ านวนมากมาตออนกรมกนเพอเพมระดบแรงดนเอาตพตกระแสตรงกอนเขาสวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรง ท าใหตองจดหาพนทบรเวณกวางใหญมากส าหรบตดตงแผง PV modules ในการรบพลงงานแสงอาทตยไดอยางเหมาะสม และตองใชสารกงตวน าปรมาณมากในการผลตแผง PV modules จ านวนมากดงกลาว รวมถงการดแลรกษาทเพมขนดวย ดงน นในงานวจยนจงมงเนนการพฒนาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง (high step-up boost converter) เพอสามารถขยายระดบแรงดนเอาตพตกระแสตรงไดสงถง 400 Vdc เมอระดบแรงดนอนพตกระแสตรงทไดจากแผง PV modules มคานอยประมาณ 20-50 Vdc ทงนเพอเพมประสทธผลในการน าพลงงานแสงอาทตยมาใชประโยชนดานพลงงานทดแทนในประเทศไทยอยางย งยน รวมทงลด

3

ปรมาณการใชแผง PV modules และพนทในการตดตงแผงดงกลาว โครงการวจยนจะน าเสนอการออกแบบและวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราการขยายแรงดนสงและมประสทธภาพ เพอประยกตในระบบพลงงานแสงอาทตย เมอแรงดนเอาตพตกระแสตรงทไดจากแผง PV modules มคาไมสงนก และแรงดนเอาตพตดงกลาวแปรเปลยนคาได ซงขนอยกบความเขมของรงสดวงอาทตยทตกกระทบมายงแผง PV modules ทงนจะใชการจ าลองสถานการณดวยคอมพวเตอรเขาชวยในการออกแบบและวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง จากนนเมอไดวงจรทเหมาะสมแลวจะท าการสรางและทดสอบจรงในหองปฏบตการ เพอแสดงประสทธผลของวงจรดงกลาวส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน โดยโครงสรางของระบบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน แสดงไดดงรป 1.2

Renewable Energy

SystemsDC/DC

Load

DC/AC

Low voltage

About 20 V

High Step-Up

Boost Converter

400V DC Bus

For applications

Inverter

PI Controller

Closed Loop

Controller

Load

รปท 1.2 โครงสรางของระบบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน

1.2 วตถประสงคของโครงการวจย 1.2.1 เพอศกษาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงในรปแบบ

ตางๆ ท าใหทราบขอเดนขอดอยของวงจรตางๆ เหลานน ซงเหมาะส าหรบประยกตในระบบทแตกตางกน

1.2.2 เพอหาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ซงเหมาะส าหรบประยกตในระบบพลงงานแสงอาทตย

4

1.2.3 เพอศกษาการควบคมการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง เมอแรงดนอนพตกระแสตรงของวงจรมคานอยและไมคงท

1.2.4 เพอสรางชดท าสอบ ส าหรบแสดงประสทธผลของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง

1.2.5 เพอสรางองคความรใหมในการออกแบบ วเคราะห และควบคมการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทนในรปแบบอนๆ เชน พลงงานเซลลเชอเพลง พลงงานลม พลงงานชวมวล หรออาจเปนระบบพลงงานทดแทนแบบผสมผสาน (Hybrid Renewable Energy System)

1.3 ขอบเขตของโครงการวจย 1.3.1 ระบบพลงงานทดแทนทใชในโครงการวจยคอระบบพลงงานแสงอาทตย โดยจะ

ใชแหลงจายกระแสตรง (DC power supply) ทปรบคาไดแทนแรงดนเอาตพตทไดจากแผง PV modules

1.3.2 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน จะพจารณาเพยงสวนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงเทานน

1.3.3 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงจะถกออกแบบเพอท าการเพมแรงดนกระแสตรงจาก 20-50 Vdc เปน 400 Vdc

1.3.4 ประสทธผลของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทน าเสนอ จะถกแสดงโดยผลการจ าลองสถานการณของระบบดวยคอมพวเตอรโดยใชโปรแกรม MATLAB และผลการทดลองในหองปฏบตการทไดจากการสรางชดทดสอบจรง

1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ เชน การเผยแพรในวารสาร จดสทธบตร ฯลฯ และหนวยงานทน าผลการวจยไปใชประโยชน 1.4.1 ไดองคความรดานการออกแบบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปน

กระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน

5

1.4.2 ไดองคความรดานการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง โดยศกษาจากการจ าลองสถานการณของระบบดวยโปรแกรมคอมพวเตอร

1.4.3 ไดองคความรดานการควบคมการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง โดยใชบอรดดเอสพคอนโทรลเลอร เมอแรงดนอนพตกระแสตรงมคานอยและแปรเปลยนคาได

1.4.4 ไดตนแบบชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน

1.4.5 ไดบทความวจย เผยแพรระดบชาต และ/หรอ นานาชาต 1.4.6 ผลทไดจากการวจย สามารถน าไปสอนนกศกษาวศวกรรมไฟฟาทงระดบปรญญา

ตรและปรญญาโท เพอเปนแนวทางส าหรบการวจยในอนาคตตอไป

1.5 การจดรปเลมรายงานวจย รายงานวจยนประกอบไปดวย 7 บท ซงในแตละบทไดมการน าเสนอเนอหาดงตอไปน บทท 1 เปนบทน ากลาวถงความส าคญของปญหา วตถประสงค ขอบเขตของงานวจย และประโยชนทจะไดรบจากงานวจย บทท 2 น าเสนอโครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงในรปแบบตางๆ รวมทงการส ารวจปรทศนวรรณกรรมบทความทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบระบบพลงงานแสงอาทตย บทท 3 กลาวถงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน รวมถงวเคราะหหลกการท างานของวงจรดงกลาว แสดงการเปรยบเทยบอตราขยายแรงดนทไดจากวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขนกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบตาง ๆ และออกแบบคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน แสดงผลการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน เพอยนยนวาสามารถเพมอตราขยายแรงดนทสงถงประมาณ 20 เทา บทท 4 อธบายหลกการออกแบบตวควบคมชนดพไอ ส าหรบควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ซงประกอบไปดวยการออกแบบตวควบคมของลปแรงดน การออกแบบตวควบคมของลปกระแส และผลการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนเมอตองการแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc ภายใตการท างานในสภาวะตาง ๆ

6

บทท 5 กลาวถงการสรางชดทดสอบ แบงเปน สวนของแหลงจายก าลงไฟฟาทปอนใหกบระบบ วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ตวตรวจจบแรงดนเอาตพตและตวตรวจจบกระแสอนพต การควบคมแรงดนเอาตพต รวมถงวงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณ จากนนจงน ามาใชงานรวมกนเพอหาประสทธผลของชดทดสอบทสรางขน บทท 6 กลาวถงผลการทดสอบชดทดสอบ ผลการทดสอบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนขณะไมมตวควบคม ผลการทดสอบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนทมตวควบคม และท าการเปรยบเทยบผลการทดสอบกบผลการจ าลองสถานการณภายใตจดท างานเดยวกน บทท 7 บทสรป

7

บทท 2 การส ารวจปรทศนวรรณกรรมทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟา

กระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง

2.1 กลาวน า

งานวจยนเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน เชน ระบบพลงงานแสงอาทตย ซงไดมการคนควาวจยและพฒนาอยางตอเนองจากอดตจนถงปจจบน ดงนนในบทน จงเปนการน าเสนอโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงในรปแบบตาง ๆ รวมทงด าเนนการส ารวจปรทศนวรรณกรรมทมปรากฏในอดต ซงเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง เพอศกษาขอเดนและขอดอยของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงในโครงสรางรปแบบตาง ๆ และใชเปนแนวทางในการพฒนาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบงานวจยน

2.2 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรง (DC-DC converter) ทใชใน

ระบบพลงงานแสงอาทตย ท าหนาทเพมระดบแรงดนกระแสตรงและควบคมใหคงทเพอใชเปนแรงดนอนพตใหกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสสลบ (DC-AC inverter) รปท 2.1 แสดงแผนภาพการเชอมตอพลงงานจากแผง PV modules เขากบกรด (Grid) เพอจายโหลดกระแสสลบ [5] โดยน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงมาตออนกรมกน เพอเพมระดบแรงดนอนพตท DC Bus ส าหรบวงจรอนเวอรเตอร เนองจากวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงมคาอตราขยายแรงดนไมสง ท าใหตองใชวงจรดงกลาวจ านวนหลายชดมาตออนกรมกน รวมท งตองใชแผง PV Modules จ านวนมากเพอเปลยนพลงงานแสงอาทตยเปนพลงงานไฟฟาทเพยงพอส าหรบผลตแรงดนไฟฟากระแสสลบเพอเชอมตอกบกรด

8

PV Modules

DC-DC #1

PV Modules

DC-DC #2

PV Modules

DC-DC #n

DC-AC Inverter

Grid

DC-Bus

รปท 2.1 การเชอมตอพลงงานจากแผง PV modules เขากบระบบกรด

โครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงสามารถแบงไดเปน 2 ประเภทคอ แบบแยกกราวด (isolated type) และแบบไมแยกกราวด (non-isolated type) โดยแบบแรกจ าเปนตองใชหมอแปลงกลปวานก (galvanic Transformer) เพอแยกกราวดระหวางดานแรงดนต าและแรงดนสง โดยหมอแปลงดงกลาวจะมอตราสวนการพนขดลวดสง (large turn ratio) ซงความเหนยวน ารวไหล (leakage inductance) และตวเกบประจแอบแฝง (parasitic capacitance) ทเกดขนในขดลวดทตยภมของหมอแปลงจะสงผลใหเกดการพงเกน (Spike) ของแรงดนและกระแสในวงจร ท าใหสมรรถนะของระบบลดลง รวมทงท าใหวงจรไดรบความเสยหาย [6] ในขณะทแบบไมแยกกราวดไมตองใชหมอแปลงท าใหมประสทธภาพการท างานสงกวาแบบแยกกราวด [7] รปท 2.2 แสดงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบไมแยกกราวด (non-isolated boost DC-DC converter) ทตอเชอมกบแผง PV modules โดยทแรงดนอนพต (Vin) ของวงจรไดจากแผง PV Modules ในขณะทแรงดนเอาตพต (Vout) คอแรงดนทตกครอมตวเกบประจ

PV Modules

DC-link

รปท 2.2 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบไมแยกกราวด

อตราขยายแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงดงแสดงในรปท 2.2 พจารณาไดจากสมการท (2.1) [6]

9

DV

V

in

out

1

1

(2.1)

โดยท D คอ duty cycle ของสวตซ

เมอพจารณาสมการท (2.1) จะเหนไดวาคาแรงดนเอาตพต Vout ขนอยกบการปรบคา D โดยแรงดนเอาตพตจะเพมขนเมอคา D เพมขน ทงนการใหวงจรคอนเวอรเตอรท างานทคา D สงๆ จะสงผลกระทบตอการตอบสนองทางพลวตของระบบทมตอโหลด [8] และท าใหประสทธภาพของวงจรลดลง [6] เนองจากกระแสกระเพอม (current ripple) ทไหลในอปกรณอเลกทรอนกสจะท าใหเกดก าลงไฟฟาสญเสยในชวงน ากระแส (conduction loss) สง รวมถงก าลงไฟฟาสญเสยในชวงสวตซ (switching loss) และชวงฟนตวยอนกลบ (reverse-recovery loss) จะมคาสงดวย [9]

จากขอจ ากดดานอตราขยายแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบดงเดมดงแสดงในรปท 2.2 ไดมการปรบปรงโครงสรางของวงจรเพอใหสามารถเพมระดบของแรงดนเอาตพตไดสงขน โดยรปท 2.3 แสดงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงอนเทอรลฟแบบสองเฟส (two-phase interleaved boost converter) เปนการน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมสองวงจรมาตอขนานกน ซงชวยเพมระดบก าลงไฟฟา ลดการกระเพอมของกระแส และลดขนาดของตวเหนยวน าและตวเกบประจ [10]

Vin S2 Co Ro

Do1

Vout

S1

L2 Do2

L1

รปท 2.3 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงอนเทอรลฟแบบสองเฟส

10

รปท 2.4 แสดงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบสามระดบ (three-level boost converter) [11] ซงสามารถเพมอตราขยายแรงดนไดสองเทา นอกจากนการน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบด งเดมหลายๆ วงจรมาตออนกรมกน ซงเรยกวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบแคสเคด (cascade boost converter) [12] ยงสามารถชวยเพมอตราขยายแรงดนใหสงขนได รวมทงชวยลดการกระเพอมของกระแสทไหลผานอปกรณอเลกทรอนกสตางๆ โดยรปท 2.5 แสดงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบแคสเคดสองขน

Vin

S2 Co2

Ro

Do1 Vout

S1

L1

Do2

Co1

รปท 2.4 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบสามระดบ

VinRo

Do1

S1

L1

Co1

Do2

S2

L2

Co2

Voutstage 1 stage 2

รปท 2.5 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบแคสเคดสองขน

นอกจากนยงมวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงในโครงสรางแบบอน ๆ เชน วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบดอลแอกทฟแคลมพ (active-clamp dual-boost converter) [13] และวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบฟลบรดจแอกทฟแคลมพ (active-clamp full-bridge boost converter) [14] ซงวงจรเหลานจะใชหมอแปลงไฟฟาเพอแยกกราวด โดยอตราขยายแรงดนของวงจรจะขนอยกบอตราสวนจ านวนรอบของขดลวดทพนในหมอแปลง

11

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบไมแยกกราวด แบงตามโครงสรางของวงจรไดหลากหลายรปแบบดงตอไปน

1. วงจรแปลงผนก ำลงไฟฟำแบบใชตวเหนยวน ำคควบ (coupled Inductor) [15] โดยตวเหนยวน าคควบจะท าหนาทเสมอนหมอแปลงไฟฟาเพอเพมอตราขยายแรงดนใหสงขน ทงนตวเหนยวน าคควบประกอบดวยขดลวดสองชด ซงการขยายแรงดนจะขนอยกบจ านวนรอบของขดลวดทออกแบบอยางเหมาะสม รปท 2.6 แสดงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทใชตวเหนยวน าคควบ รปท 2.7 เปนการน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบฟลายแบค (flyback converter) มาใชงานรวมกบตวเหนยวน าคควบเพอเพมระดบแรงดนเอาตพตกระแสตรงใหสงขน [16]

Vin

S

Cc

Co Ro

Dc Do*n1 *n2 Vout

รปท 2.6 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาใชตวเหนยวน าคควบ

Vin

SCo1

RoDo1*n1

*n2

Vout

Do2 Co2

รปท 2.7 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบฟลายแบครวมกบตวเหนยวน าคควบ

2. วงจรแปลงผนก ำลงไฟฟำแบบใชตวเกบประจสวตซ (switched capacitor) [17]-[18] ตวเกบประจจะท าหนาทเปนเสมอนอกหนงแหลงจายแรงดนไฟฟา เพอเพมระดบแรงดนเอาตพตใหสงขน รปท 2.8 แสดงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทใชตวเกบประจสวตซ ซงตออนกรมกน n ชด เพอเพมอตราขยายแรงดนเอาตพต โดยตวเกบประจสวตซในแตละชด

12

ประกอบดวยตวเกบประจ ไดโอด และอปกรณสวตซสองตว จะเหนไดวาไมมตวเหนยวน าหรอหมอแปลงไฟฟาตอรวมในวงจรดงกลาว ท าใหขนาดและน าหนกของวงจรลดลง

Vin

D1 D2 DnS1a

S1b

S2a

S2b

S2n

S2n

C1 C2 Cn

Co

Do

Ro

switched capacitor

รปท 2.8 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาใชตวเกบประจสวตซ

นอกจากนวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบทใชตวเกบประจสวตซยงสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตโดยการน าตวเกบประจสวตซแตละชดมาตออนกรมรวมกบการตอขนานกน ดงแสดงในรปท 2.9 ซงเปนโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบหลายระดบ (multi-level boost converter)

VinCin

V1

V2

V3

Vout

รปท 2.9 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบหลายระดบรวมกบตวเกบประจสวตซ

13

3. วงจรแปลงผนก ำลงไฟฟำแบบใชตวเหนยวน ำและตวเกบประจสวตซ (Inductor and switched capacitor) [19] เปนการผสมผสานระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบใชตวเกบประจสวตซรวมกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบคก (Cuk converter) เพอท าใหอตราขยายสงขน ดงแสดงโครงสรางวงจรในรปท 2.10 ซงประกอบดวยตวเหนยวสองตวเพอลดการกระเพอมของกระแสทางดานอนพตและทางดานเอาตพต โดยตวเกบประจสวตซ n ชดจะแทรกอยในวงจรคก เพอเพมระดบแรงดนเอาตพต

Vin

Lin

Lout

Co Ro

Vout

Do

D1

D2

D3

C1

C2

C3

Dc1

Dc2

S3S2S1

รปท 2.10 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบใชตวเหนยวน าและตวเกบประจสวตซ

4. วงจรแปลงผนก ำลงไฟฟำแบบใชตวเหนยวน ำคควบและตวเกบประจสวตซ (coupled inductor and switched capacitor) [20] เปนการผสมผสานระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบทใชตวเหนยวน าคควบและแบบใชตวเกบประจสวตซ เพอเพมอตราขยายแรงดนและประสทธภาพของวงจร โครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบนแสดงไดดงรปท 2.11

Vin

SCc

Co Ro

Dc1

Do*n1

*n2

Vout

Dc2

C1

รปท 2.11 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบใชตวเหนยวน าตวคควบและตวเกบประจสวตซ

14

2.3 ปรทศนวรรณกรรมทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง

ผวจยไดด าเนนการคนควาเกยวกบองคความรทจ าเปนจากงานวจยในอดต ซงมรายละเอยดดงตารางท 2.1 ดงน

ตารางท 2.1 ผลงานวจยทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงอตราขยายแรงดนสง

ปทพมพ (ล าดบเอกสารอางอง)

คณะผวจย องคความรทไดจากบทความ

2002 [23]

G. R. Walker and P. C. Sernia

บทความนน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบดงเดมมาตออนกรมกน เพอขยายแรงดนอนพตทไดจากแผงพวใหสงขน

2003 [24]

L. C. Franco, L. L. Pfitcher, and R. Gules

บทความนน าเสนอโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง โดยน าวงจรทวแรงดนแบบหลายเฟส (multiphase voltage multiplier) มาตอขนานกนเ พอเพมระดบแรงดนเอาตพต

2005 [25]

S.V. G. Oliveira, and I. Barbi

บทความ นน า เสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบสามเฟส โดยใชหมอแปลงไฟฟาความถสงแบบสามเฟสเขารวมเพอเพมระดบแรงดนเอาตพต และลดการกระเพอมของกระแส

2005 [26]

M. Prudente, L.L. Pfitscher and R. Gules

บทความนน าเสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบเซลลคณแรงดน ซงชดคณแรงดนทเพมขนในวงจรแบบด งเดมจะท าใหสามารถเพมแรงดนจากวงจรด งเดมไดเปนสองเทาของวงจรดงเดม

2006 [27]

H. Broeck, and I. Tezcan บทความ นน า เสนอโครงสร างวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดอลอนเทอรลฟ (dual interleaved boost converter) เ พ อ ใ ช ในระบบ ท มแรงดนอนพตต า

2007 [28]

S.V. Araujo, P. Zacharia, B. Sahan, R. P. Torrico, and F. Antunes

บทความนท าการวเคราะหวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบกระแสตรงเปนกระแสตรงในรปแบบตางๆ ทง

15

แบบแยกกราวดและไมแยกกราวดเพอใชเชอมตอกบแผง PV modules

2008 [29]

R-J. Wai, W-H. Wang, and C-Y. Lin

บทความนใชวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบทใชตวเหนยวน าคควบ เพอเพมระดบแรงดนเอาตพตใหสงขน เปนการชวยลดจ านวนแผง PV modules ทตองน ามาตออนกรมกนเปนจ านวนมาก

2008 [30]

B. Axelrod, Y. Berkovich, and A. Ioinovici

บทความนรวบรวมโครงสรางของวงจรทใชตวเกบประจและตวเหนยวน าสวตซส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทไมใชหมอแปลง เปนการรวบรวมวธการเพมอตราขยายแรงดนในรปแบบตาง ๆ

2008 [31]

M. Prudente, L.L. Pfitscher, R. Gules G.Emmendoerfer, and E.F. Romaneli

บทความนน าเสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบเซลลคณแรงดน ซงชดคณแรงดนทเพมขนในวงจรแบบด งเดมจะท าใหสามารถเพมแรงดนไดสองเทาของวงจรดงเดม

2009 [32]

J-M. Kwon, B-H. Kwon, and K-H, Nam

บทความ นน า เสนอโครงสร างวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง โดยใชการท างานรวมกนของวงจรเรยงกระแสรโซแนนซอนกรมแบบดอล ( dual series resonant rectifier circuit) และวงจรแคลมพแบบแอกทฟ (active clamp circuit)

2011 [33]

J-H. Lee, J-H. Park, and J. H. Jeon

บทความนน าเสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาชนดฟอรเว รดฟลายแบคแบบตออนกรม (series-connected forward-flyback converter) เพอเพมอตราขยายแรงดนใหสงขน

2011 [34]

G. Siazzi, P. Mattavelli, and A. Costabeber

บทความนน าเสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบฟลายแบครวมกบวงจรแอกทฟแคลมพและวงจรทวแรงดนเพอเพมระดบแรงดนเอาตพตใหสงขนมากๆ

2011 [35]

W. Li, and X. He บทความนรวบรวมวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบไมแยกกราวดเพอเชอมตอกบแผง PV Modules เปนการรวบรวมวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบตาง ๆ เมอตองการใชงานรวมกบแผง PV Modules

16

2012 [36]

K-J. Lee, B-G. Park, R-Y. Kim, and D-S. Hyun

บทความนน าเสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทใชตวเหนยวน าสองตวรวมกบตวเหนยวน ารโซแนนซ เพอเพมอตราขยายแรงดน

2012 [37]

Y. Park, B. Jung and S. Choi

บทความนน าเสนอวธการสวตซในชวงแรงดนและกระแสเปนศนย ส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาแบบรโซแนนซทมอตราขยายแรงดนสง เพอเพมประสทธภาพของวงจรดงกลาว

2013 [38]

S. M. Chen, T. J. Liang, L. S. Yang, and J. F. Chen

บทความนน าเสนอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงอตราขยายแรงดนสงโดยใชการเพมแรงดนจากตวเกบประจเขาชวย ท าใหไดอตราขยายแรงดนสงขนและลดการกระเพอมของกระแส อกทงยงงายตอการควบคม

2015 [39]

M. S. S. Andrade, L. Schuch, and M. L. S. Martins

บทความนน าเสนอการออกแบบและวเคราะหวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงอตราขยายแรงดนสงบรณาการแบบก าลงสองเซตา (Quadratic-Boost-Zeta) เ ปนการว เ คร าะ หหาค าความเครยดแรงดนและกระแสทตกครอมอปกรณอเลกทรอนกสในวงจร

จากตารางท 2.1 พบวา วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทสามารถเพมอตราขยายแรงดนไดสงนนมหลากหลายวธ เชน การน าชดเซลลคณแรงดนมาตอผสมผสานกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ซงชดเซลลคณแรงดนทเพมเขาไปในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงจะท าใหสามารถเพมแรงดนไดเปนสองเทา การใชตวเหนยวน าคควบและตวเกบประจสวตชเพมเขาในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง เปนอกหนงวธทสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตไดสงเนองจากตวเกบประจสวตชทเพมเขาไป รวมถงการใชหมอแปลงเพอเพมแรงดน จะท าการปรบแทปของหมอแปลงเพอเพมแรงดนเอาตพตโดยตรง เปนตน ซงในแตละวธกมจดเดนทแตกตางกน ซงในโครงงานวจยน ผวจ ยจะมงเนนทอตราขยายแรงดนของวงจร และจ านวนอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรเปนส าคญ

17

2.4 สรป

เนอหาในบทน ไดน าเสนอการปรทศนวรรณกรรมบทความทเกยวของกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบระบบพลงงานแสงอาทตย ซงเปนประโยชนและเปนพนฐานทส าคญอยางยงในการพฒนาโครงสรางใหมส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายสงส าหรบประยกตในระบบพลงงานทดแทน โดยจะไดกลาวถงรายละเอยดของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนในบทท 3 ท งนในบทนไดท าการศกษาขอเดน ขอดอย ของโครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง ในรปแบบตาง ๆ ดงทมปรากฏในงานวจยในอดต

18

บทท 3 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง

ทพฒนาขน

3.1 บทน า จากการศกษางานวจยทเกยวกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงในบททผานมา พบวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบทใชสวตชตวเดยวถอเปนทางเลอกทนาสนใจ เนองจากชวยลดความซบซอนในการควบคมการท างานของสวตชในวงจร ชวยลดก าลงงานสญเสยทเกดจากการสวตช และลดความซบซอนในการสรางชดทดสอบ ดงนนเพอพฒนาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทตองการอตราขยายแรงดนสงประมาณ 20 เทา ส าหรบประยกตใชงานกบระบบพลงงานทดแทน ซงมคาแรงดนอนพตประมาณ 20 Vdc โดยโครงสรางของวงจรจะประกอบดวยสวตชก าลงเพยงตวเดยวเทานน เนอหาในบทนจะกลาวถงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน การวเคราะหหลกการท างาน การออกแบบคาพารามเตอรของวงจร ไดแก ตวเหนยวน าและตวเกบประจ ท าการประเมนประสทธภาพ รวมทงยงน าเสนอการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

3.2 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน

เนองจากวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ไมสามารถเพมระดบแรงดนไดสงมากพอในกรณทโหลดตองการแรงดนเอาตพตสงทประมาณ 400 Vdc เมอมแรงดนอนพตคอนขางต า ดงนนตองอาศยวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบตาง ๆ จากงานวจยในอดต เชน วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสแบบเซลลคณแรงดน มาประยกตเพอพฒนาโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง เพอใชงานกบระบบพลงงานทดแทนทมแรงดนอนพตต าประมาณ 20 Vdc ทตองการเพมแรงดนเอาตพตใหสงถง 400 Vdc โดยในหวขอนจะน าเสนอโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน ดงแสดงดงรปท 3.1 ซงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขนนนประกอบดวยอปกรณอเลกทรอนกส

19

ก าลงจ านวน 12 ตว คอ สวตชก าลง (S) ตวเหนยวน า (L1 , L2) ตวเกบประจ (C1 , C2 , C3 , CO) และไดโอดก าลง (D1 , D2 , D3 , D4 , DO)

1Li 2Li

OVS R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C 3C

2D 3D1D

4D

รปท 3.1 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

โครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน เปนการผสมผสานกน ระหวาง วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง (Conventional Quadratic Boost Converter) และวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทแบบเซลลคณแรงดน (Voltage Multiplier Cell Boost Converter) ซงวงจรท งสองมขอดคอ วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสองเปนการน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมมาตอเรยงกนสองวงจร ท าใหวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสองสามารถเพมแรงดนไดสงขนอกระดบหนง สวนวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดนสามารถเพมระดบแรงดนสงถงสองเทาเมอเปรยบเทยบกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ดงนนวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจงเปนการผสมผสานขอดของแตละวงจร เพอใหสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตไดมากกวาแรงดนอนพตประมาณ 20 เทา โดยวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจะใชสวตชในการท างานเพยงตวเดยว ทงนหลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจะน าเสนอในหวขอถดไป

3.3 หลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน

โครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน เปนการน าวงจรสองวงจรมาผสมผสานใชงานรวมกน ประกอบดวย วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง และวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณ

20

แรงดน โดยใชเพยงสวตชก าลงตวเดยวในการท างาน ทงนวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสองท างานเสมอนวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมสองวงจรมาตอเรยงกน ท าใหสามารถเพมอตราขยายแรงดนไดสงขน และลดก าลงไฟฟาสญเสยทเกดจากการท างานของสวตชก าลงสองตว โครงสรางของวงจรแสดงไดดงรป 3.2

inV

1L2L

OD

1D

OVOC R1C

2D

S

Conventional Quadratic Boost converter

รปท 3.2 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน เปนการน าชด ทเรยกวา ชดเซลลคณแรงดน เขามาเพมในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ซงท าใหสามารถเพมระดบแรงดนไดจากวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมไดถงสองเทา โครงสรางวงจรดงกลาวแสดงดงรปท 3.3

inV

1L

S

1C

2C

1D 2DOD

OC OV R

Voltage multiplier cell

รปท 3.3 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน

การวเคราะหหลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน จะอาศยแนวทางการพจารณาหลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสองและวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบเซลลคณแรงดน เพอเปนแนวทางไปสการวเคราะหหลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟา

21

กระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ซงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนแสดงดงรปท 3.4 ประกอบดวย สวตชก าลง (S) ตวเหนยวน า (L1 , L2) ตวเกบประจ (C1 , C2 , C3 , CO) และไดโอดก าลง (D1 , D2 , D3 , D4 , DO)

1Li 2Li

OVS R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C3C

2D 3D1D

4DVoltage multiplier cell

Quadratic Boost converter

รปท 3.4 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน

โดยหลกการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบสวตชเดยวทพฒนาขน สามารถแบงการท างานได 2 โหมด คอ โหมดสวตชก าลงน ากระแส และโหมดสวตชก าลงหยดน ากระแส ดงน

3.3.1 ชวงทสวตชก าลง S น ากระแส พจารณาการท างานของวงจรในชวงทสวตชก าลง S น ากระแส แสดงไดดงรปท 3.5 พบวาชวงทสวตชก าลง S น ากระแส ตวเกบประจ C1 จะอดประจเพอเกบสะสมพลงงาน สวนตวเกบประจ C2 , C3 และ CO จะคายประจท าหนาทเสมอนกบแหลงจายแรงดน ซงพฤตกรรมการท างานของตวเกบประจดงกลาวจะสงผลตอลกษณะการท างานของไดโอด สงเกตเหนวาไดโอด D2 และ D4 สามารถน ากระแสไดเนองจากไดโอด D4 ไดรบการไบอสตรงจากแหลงจายแรงดนอนพตเพอน ากระแสเขาสสวตชก าลง S และไดโอด D2 ไดรบการไบอสตรงจากการคายประจของตวเกบประจ C2 เพออดประจใหกบตวเกบประจ C1 ทเกบสะสมพลงงาน ในขณะทไดโอด D1 , D3 และ DO ไมสามารถน ากระแส เนองจากไดโอด D1 ไดรบการไบอสยอนกลบจากการคายประจของตวเกบประจ C2 ท าใหมแรงดนทขวแอโนดมคานอยกวาขวแคโทด (Vin<VC2) สวนไดโอด D3 ไดรบการไบอสยอนกลบจากการคายประจของตวเกบประจ C3 ซงท าใหมแรงดนทขวแอโนดมคานอยกวาขวแคโทด (VC2<VC3) และในลกษณะเดยวกนไดโอด DO ไดรบการไบอสยอนกลบจากตวเกบประจ CO ทคายประจ และท าใหมแรงดนทขวแอโนดมคานอยกวาขวแคโทด (VC3<VO) ดงนนในชวงท

22

สวตชก าลง S น ากระแส จงมกระแสไหลผานอปกรณอเลกทรอนกสก าลง คอ ตวเหนยวน า L1 , L2 ไดโอด D2 , D4 สวตชก าลง S ตวเกบประจ C1 , C2 , C3 , CO และโหลดตวตานทาน R โดยในชวงเวลานตวเกบประจ C2 จะคายประจผานไดโอด D2 เพออดประจใหตวเกบประจ C1 จนกระทงตวเกบประจทงสองมคาแรงดนตกครอมเทากน (VC1=VC2) สวนตวเกบประจ C3 ซงท าหนาทเสมอนแหลงจายแรงดนอกหนงแหลงจายในวงจรจะคายพลงงานทกกเกบไวผานตวเหนยวน า L2 สวนตวเกบประจ CO จะคายพลงงานไปยงโหลดตวตานทาน R

1Li 2Li

OVS ROC

2L1L

inV

1C

2C 3C

2D

4D

1D 3DOD

1CV

2CV 3CV

Oi

รปท 3.5 การท างานของวงจรในชวงทสวตชก าลงน ากระแส

พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ในชวงทสวตชก าลง S น ากระแส โดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (KVL) และกระแสของเคอรชอฟฟ (KCL) ตามล าดบดงน

กฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (KVL) : ในชวงทสวตชก าลง S น ากระแส สามารถพจารณากฎแรงดนเคอรชอฟฟของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนออกเปน 3 ลปการท างาน ดงแสดงดงรปท 3.6

1Li 2Li

OVS ROC

2L1L

inV

1C

2C 3C

2D

4D

1CV

3CV

1LV 2LV

2CV 1 2 3

Oi

รปท 3.6 ใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟพจารณาการท างานของวงจร ขณะทสวตชก าลงน ากระแส

23

พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนโดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟดงรปท 3.6 ในลป 1 และลป 2 สามารถหาความสมพนธของแรงดนทตกครอมตวเหนยวน า L1 และ L2 สวนลป 3 หาความสมพนธของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 และ C2 ในชวงทสวตชก าลง S น ากระแส แสดงไดดงน

ลป 1 ; 01 Lin VV

inL V

dt

diL 1

1

1

1

L

V

dt

di inL

(3.1)

ลป 2 ; 023 LC VV

32

2 CL V

dt

diL

2

32

L

V

dt

di CL

(3.2)

ลป 3 ; 012 CC VV 21 CC VV (3.3)

พจารณาชวงทสวตชก าลง S น ากระแส dt=DT โดยท D คอ คาวฏจกรหนาท และ T คอ คาบของการสวตช จะไดความสมพนธดงน

1

11

L

V

DT

i

t

i inLL

(3.4)

2

322

L

V

DT

i

t

i CLL

(3.5)

จะไดการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 และ L2 ดงน

1

,1L

DTVi in

onL

(3.6)

2

3

,2L

DTVi C

onL

(3.7)

โดยท onLi ,1 และ onLi ,2 คอ การกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 และ L2 เมอสวตชก าลง S น ากระแส ตามล าดบ

24

กฎกระแสของเคอรชอฟฟ (KCL) : ในชวงทสวตชก าลง S น ากระแส สามารถพจารณากฎกระแสของเคอรชอฟฟของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนออกเปน 3 จดการท างาน ดงแสดงดงรปท 3.7

1Li 2Li

OVS ROC

2L1L

inV

1C

2C3C

2D

4D

1CV

3CV

1LV 2LV

2CV

1

3

3Ci

1Ci

22Ci

Oi

4Di

รปท 3.7 ใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟพจารณาการท างานของวงจร ขณะทสวตชก าลงน ากระแส

พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนในชวงทสวตชก าลง S น ากระแสโดยใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟ ดงรปท 3.7 ทโนด 1, โนด 2 และโนด 3 สามารถหาความสมพนธของกระแสทไหลผานตวเกบประจ C1 , C2 และ C3 ตามล าดบ ไดดงน

โนด 1 ; 141 CDL iii

14

11 LD

C iidt

dvC

1

141

C

ii

dt

dv LDC

(3.8)

โนด 2 ; 12 CC ii โดยท 141 LDC iii

142

2 LDC ii

dt

dvC

2

142

C

ii

dt

dv LDC

(3.9)

โนด 3 ; 32 CL ii

23

3 LC i

dt

dvC

3

23

C

i

dt

dv LC

(3.10)

25

จะไดการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 และ C3 ดงน

DT

C

iiV LD

onC

1

14,1

(3.11)

DT

C

iiV LD

onC

2

14,2

(3.12)

DT

C

iV L

onC

3

2

,3

(3.13)

โดยท onCV ,1 , onCV ,2 และ onCV ,3 คอ การกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 และ C3 เมอสวตชก าลง S น ากระแส ตามล าดบ 3.3.2 ชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส พจารณาการท างานของวงจรในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส แสดงไดดงรปท 3.8 พบวาชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส ตวเกบประจ C2 , C3 และ CO จะอดประจเพอเกบสะสมพลงงาน สวนตวเกบประจ C1 จะคายประจท าหนาทเสมอนกบแหลงจายแรงดน สงผลใหไดโอดมลกษณะการท างานดงน ไดโอด D1 , D3 และ DO สามารถน ากระแสไดเนองจากไดโอดทงสามไดรบการไบอสตรง โดยไดโอด D1 ไดรบการไบอสตรงจากแหลงจายแรงดนอนพต เพออดประจใหตวเกบประจ C2 สวนไดโอด D3 ไดรบการไบอสตรงจากการคายประจของตวเกบประจ C1 เพออดประจใหตวเกบประจ C3 และไดโอด DO ไดรบการไบอสตรงจากการคายประจของตวเกบประจ C1 เชนกนส าหรบอดประจใหตวเกบประจ CO สวนไดโอดทไมน ากระแส คอ ไดโอด D2 ซงไดรบการไบอสยอนกลบจากการคายประจของตวเกบประจ C1 ท าใหแรงดนทขวแอโนดมคานอยกวาแรงดนทขวแคโทด (VC2<VC1) และไดโอด D4 ไมน ากระแสเนองจากชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส แรงดนทขวแอโนดของไดโอด D4 มคานอยกวาแรงดนทขวแคโทด (Vin<VO) ท าใหไดโอด D4 ไมท างาน ดงนนในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส จงมกระแสไหลผานอปกรณอเลกทรอนกสก าลงดงน ตวเหนยวน า L1 , L2 ไดโอด D1 , D3 , DO ตวเกบประจ C1 , C2 , C3 , CO และโหลดตวตานทาน R ซงชวงเวลานตวเกบประจ C2 จะไดรบการอดประจจากแหลงจายแรงดนอนพตผานไดโอด D1 สวนตวเกบประจ C1 จะคายพลงงานทกกเกบไวผานทางไดโอด D3 เพออดประจใหตวเกบประจ C3 ซงตวเกบประจ C3 ท าหนาทเสมอนแหลงจายแรงดนอกหนงแหลงจายในวงจร สวนตวเกบประจ CO จะไดรบการอดประจจากตวเกบประจ C1 ผานทางไดโอด D3 และ DO กอนไหลผานไปยงโหลดตวตานทาน R

26

1Li 2Li

OVS R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C 3C

2D 3D1D

4D

Oi

รปท 3.8 การท างานของวงจรในชวงทสวตชก าลงหยดน ากระแส

พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส โดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (KVL) และกระแสของเคอรชอฟฟ (KCL) ตามล าดบดงน

กฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (KVL) : ในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส สามารถพจารณากฎแรงดนเคอรชอฟฟของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนออกเปน 3 ลปการท างาน ดงแสดงดงรปท 3.9

1Li 2Li

OV ROC

2L1L

inV

1C

3C

3D1CV

3CV

1LV 2LV

3 2

OD

2C2CV 1

1D

Oi

รปท 3.9 ใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ ขณะทสวตชก าลงหยดน ากระแส

พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนโดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟดงรปท 3.9 ในลป 1 และลป 2 สามารถหาความสมพนธของแรงดนทตกครอมตวเหนยวน า L1 และ L2 สวนลป 3 หาความสมพนธของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 และ C3 ในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส แสดงไดดงน

ลป 1 ; 021 CLin VVV

21

1 CinL VV

dt

diL

27

1

21

L

VV

dt

di CinL

(3.14)

ลป 2 ; 023 OLC VVV

OCL VV

dt

diL 3

22

2

32

L

VV

dt

di OCL

(3.15)

ลป 3 ; 0321 CCC VVV 321 CCC VVV (3.16)

ขณะทสวตชก าลงหยดน ากระแส dt=(1-D)T การกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 และ L2 มคาคงท จะไดความสมพนธในสถานะอยตวดงน

1

211

1 L

VV

TD

i

t

i CinLL

(3.17)

2

322

1 L

VV

TD

i

t

i OCLL

(3.18)

จะไดการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 และ L2 ดงน

TD

L

VVi Cin

offL

11

2

,1

(3.19)

TD

L

VVi OC

offL

12

3

,2

(3.20)

โดยท offLi ,1 และ offLi ,2 คอ การกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 และ L2 เมอสวตชก าลง S หยดน ากระแส ตามล าดบ

กฎกระแสของเคอรชอฟฟ (KCL) : ในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส สามารถพจารณากฎกระแสของเคอรชอฟฟของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนออกเปน 2 จดการท างาน ดงแสดงดงรปท 3.10

28

1Li 2Li

OV ROC

2L1L

inV

1C

3C

3D

1CV

3CV

1LV 2LV

2

3Ci

1Ci

1

OD

2C2CV

2Ci1D

Oi

รปท 3.10 ใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟ ขณะทสวตชก าลงหยดน ากระแส

พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแสโดยใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟ ดงรปท 3.10 โดยทโนด 1 สามารถหาความสมพนธของกระแสทไหลผานตวเกบประจ C1 , C2 และโนด 2 สามารถหาความสมพนธของกระแสทไหลผานตวเกบประจ C3 แสดงไดดงน

หาความสมพนธของกระแสทไหลผานตวเกบประจ C1

โนด 1 ; 211 CCL iii

211

1 CLC ii

dt

dvC

1

211

C

ii

dt

dv CLC

(3.21)

หาความสมพนธของกระแสทไหลผานตวเกบประจ C2

โนด 1 ; 112 CLC iii

112

2 CLC ii

dt

dvC

2

112

C

ii

dt

dv CLC

(3.22)

หาความสมพนธของกระแสทไหลผานตวเกบประจ C3

โนด 2 ; 321 CLC iii

213

3 LCC ii

dt

dvC

3

213

C

ii

dt

dv LCC

(3.23)

29

จะไดการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 และ C3 ดงน

TD

C

iiV CL

offC

11

21

,1

(3.24)

TD

C

iiV CL

offC

12

11

,2

(3.25)

TD

C

iiV LC

offC

13

21

,3

(3.26)

โดยท offCV ,1 , offCV ,2 และ offCV ,3 คอ การกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 และ C3 เมอสวตชก าลง S หยดน ากระแส ตามล าดบ

t

t

DT

T

t

t

t

1Li

2Li

1LV

2LV

1CV

2CV

3CV

t

t

1L

Vin

1

2

L

VV Cin

2

3

L

VC

2

3

L

VV OC

inV

3CV

OC VV 3

2Cin VV

1

14

C

ii LD

3

2

C

iL

1

21

C

ii CL

2

11

C

ii CL

3

21

C

ii LC

2

14

C

ii LD

รปท 3.11 รปคลนสญญาณกระแส และแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน

30

จากการพจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน โดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (KVL) ในชวงทสวตชก าลง S น ากระแส และในชวงทสวตชก าลง S หยดน ากระแส จงไดความสมพนธของกระแสทไหลผาน และแรงดนทตกครอมตวเหนยวน า L1 , L2 แรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 , C3 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน แสดงดงรปท 3.11 พจารณาแรงดนทตกครอมเหนยวน า L1 และ L2 ในสภาวะคงตว ดงความสมพนธในรปท 3.11 เพอหาอตราขยายของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ดงน

01; 21 TDVVDTVL Cinin (3.27)

01; 332 TDVVDTVL OCC (3.28)

จากความสมพนธของแรงดนตกครอมตวเกบประจ C1 และ C2 มคาเทากน ดงสมการ (3.3) ท าใหสมการ (3.27) จะไดความสมพนธของแรงดนตกครอมตวเกบประจ C1,2 กบแรงดนอนพต แสดงไดดงน

02,12,1 DVVDVVDV CCininin

0)1( 2,1 Cin VDV

D

VV in

C

1

2,1 (3.29)

ท าใหความสมพนธของแรงดนตกครอมตวเกบประจ C3 กบตวเกบประจ C1 , C2 ดงสมการ (3.16) มคาแสดงไดดงน

2

32,1

CC

VV

(3.30)

สามารถหาอตราขยายแรงดน (M) ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ไดจาก (3.28)

0333 DVVDVVDV OOCCC

0)1(3 OC VDV

โดยท D

VVV in

CC

1

22 2,13

31

Oin VDD

V)1(

12

21

2

DV

VM

in

O

(3.31)

3.3.3 อตราขยายแรงดนและความเครยดแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน

จากการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนดงเสนอในขางตน รวมถงการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง และวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน หลงจากวเคราะหการท างานของทงสามวงจรแลว ไดพจารณาเปรยบเทยบสมรรถนะในการขยายแรงดนของแตละวงจร เพอแสดงใหเหนวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมสมรรถนะในการขยายแรงดนไดมากกวาทงสองวงจรทน ามาเปรยบเทยบ เนองจากวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนเปนวงจรทเกดจากการผสมผสานระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสองกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน อกทงยงพจารณาเปรยบเทยบความเครยดแรงดนทตกครอมตวอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรของทงสามวงจร พบวาความเครยดแรงดนทเกดขนกบอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน คอความเครยดแรงดนทเกดขนกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสองและวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดนผสมผสานกน ซงสามารถสรปแสดงไดดงตารางท 3.1 โดยอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทมความเครยดแรงดนตกครอม คอ ไดโอดก าลง สวตชก าลง และตวเกบประจ

ท าการเปรยบเทยบอตราขยายแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทงสามวงจร โดยทงสามวงจรจะใชคาพารามเตอรภายในวงจรเหมอนกนทงหมด ซงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนทใชในการจ าลองสถานการณเพอหาอตราขยายแรงดนแสดงดงรปท 3.12 และคาพารามเตอรทใชส าหรบจ าลองสถานการณ แสดงดงตารางท 3.2

32

ตารางท 3.1 อตราขยายแรงดน และความเครยดแรงดนทตกครอมอปกรณก าลงตาง ๆ

สญลกษณ วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณ

แรงดน

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง

M

21

2

D

D1

2

21

1

D

VS VO

2

OV

VO

VD1

21 OV

D

2

OV

OVD1

VD2

21 OV

D

2

OV

-

VD3

21 OV

D - -

VD4 VO

- VO

VDO VO

VO

OVD1

VC1

21 OV

D

2

OV

OVD1

VC2

21 OV

D

2

OV

-

VC3

OVD1 - -

VCO VO

VO VO

33

1Li 2Li

OVS

OD

2D 3D1D

4D

dcV20

mH15

F100

F100 F150

100

F100

mH15Oi

รปท 3.12 คาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

ตารางท 3.2 คาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบตาง ๆ

พารามเตอร วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง

Vin 20 Vdc

fsw 20 kHz

L1 15 mH 15 mH 15 mH L2

15 mH - 15 mH

C1 100 µF 100 µF 100 µF

C2 100 µF 100 µF -

C3 150 µF - -

CO 100 µF 100 µF 100 µF

R 100 Ω 100 Ω 100 Ω

34

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

20

50

100

150

200

in

out

V

VM

)(Dcycleduty

รปท 3.13 อตราขยายแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพจารณา

พจารณาอตราขยายแรงดนดงรปท 3.13 พบวาทคาวฏจกรหนาทประมาณ 0.684 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมอตราขยายแรงดนเปน 20 เทา ในขณะทวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน และวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบก าลงสอง ทมขอจ ากดเรองอตราขยายแรงดนในแตละวงจร ท าใหวงจรทงสามวงจรตองท างานทคาวฏจกรหนาททสงมากจงจะท าใหไดอตราขยายแรงดนเปน 20 เทา แสดงใหเหนวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนชวยเพมความสามารถในการขยายแรงดน ท าใหวงจรสามารถเพมระดบแรงดนไดสงขน โดยวงจรท างานทคาวฏจกรหนาทไมสงมาก

3.3.4 ประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ท าการจ าลองผลสถานการณเพอประเมนประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน สามารถพจารณาประสทธภาพไดดงสมการ (3.32) เมอพจารณาประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงท งสแบบเปรยบเทยบกนทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ โดยใชคาพารามเตอรภายในวงจรเหมอนกนทงหมด ซงคาพารามเตอรแสดงดงตารางท 3.2 จะพบวาทจดการท างานทคาวฏจกรหนาท 0.684 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมคาประสทธภาพอยในเกณฑทนาพอใจคออยทประมาณ 90.3 % และเมอคาวฏจกรหนาทเพมสงขน ประสทธภาพของวงจรแปลงผน

35

ก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจะลดลง ซงอาจเกดจากชวงเวลาทสวตชก าลงท างานทคาวฏจกรหนาทสง ๆ ประกอบกบจ านวนอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทมากกวาวงจรอน ๆ จงสงผลใหวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมก าลงไฟฟาสญเสยเพมสงขน ประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจงคอนขางต าเมอวงจรท างานทคาวฏจกรหนาทสง ๆ การเปรยบเทยบประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบตาง ๆ แสดงดงรปท 3.14

%100%100

1

inL

OO

in

out

Vi

Vi

P

P

(3.32)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

20

40

60

80

100

)(Dcycleduty

in

out

P

P

รปท 3.14 ประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

จากน นท าการจ าลองผลสถานการณเพอประเมนประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนทคาก าลงงานเอาตพตตาง ๆ โดยท าการปรบเปลยนโหลดตวตานทานเพอใหไดคาก าลงงานเอาตพตตามตองการ แสดงไดดงรป 3.15 พบวาเมอท าการลดคาโหลดตวตานทานลง ซงสงผลใหก าลงงานเอาตพตเพมขน ประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทกวงจรจะเพมสงขนทคาก าลงงานเอาตพตสง ๆ แตเนองจากจ านวนอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยาย

36

แรงดนสงทพฒนาขนทมมากกวาวงจรอน ๆ สงผลท าใหมก าลงไฟฟาสญเสยในวงจรสง ท าใหประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมคานอยกวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบอน ๆ

หลงจากการประเมนสมรรถนะของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนในดานตาง ๆ วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนแสดงใหเหนถงสมรรถนะดานอตราขยายแรงดนทสงถง 20 เทา อกทงประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนยงอยในเกณฑทนาพอใจ เพอแสดงใหเหนสมรรถนะโดยรวมของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน สามารถสรปไดดงตารางท 3.3 ซงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมความสามารถในการเพมระดบแรงดนไดสงมากกวา 20 เทา และประสทธภาพของวงจรอยท 90.3 %

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

)(Wpower

in

out

P

P

รปท 3.15 ประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทคาก าลงงานเอาตพตตาง ๆ

37

ตารางท 3.3 การเปรยบเทยบอตราขยายแรงดน จ านวนอปกรณอเลกทรอนกสภายในวงจร และประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงแบบตาง ๆ

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสง

ก าหนดคาวฏจกรหนาท 0.7 จ านวน

อปกรณ (ตว) อตราขยายแรงดน

(เทา) แรงดนเอาตพต

(V) คาประสทธภาพ

(%) แบบดงเดม 4 3.33 66.6 97.7 ก าลงสอง 8 11.11 222.2 85 แบบเซลลคณแรงดน 8 6.67 133.4 96.2 ทพฒนาขน 12 22.22 444.4 90.3

3.4 การออกแบบคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน การออกแบบคาพารามเตอรส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน เปนการหาขนาดของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรทเหมาะสม เพอชวยลดการกระเพอมของกระแสอนพต และการกระเพอมของแรงดนในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน เนองจากการกระเพอมของกระแส และแรงดนจะสงผลถงประสทธภาพของวงจร โดยการออกแบบคาพารามเตอร ประกอบดวย ตวเหนยวน า L1 , L2 และตวเกบประจ C1 , C2 , C3 , CO เพอใหเขาใจหลกการออกแบบเพอเลอกคาพารามเตอรส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน จะแบงเปน 2 สวน คอ การออกแบบคาพารามเตอรตวเหนยวน า L1 , L2 และการออกแบบคาพารามเตอรตวเกบประจ C1 , C2 , C3 , CO ซงการออกแบบนนมขอก าหนดขอบเขตการกระเพอมของกระแสอนพต และการกระเพอมของแรงดน การออกแบบคาพารามเตอรแสดงไดตามล าดบดงน 3.4.1 การออกแบบคาพารามเตอรของตวเหนยวน า การออกแบบคาพารามเตอรตวเหนยวน าส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน มผลตอการกระเพอมของกระแสอนพตเปนอยางมาก ดงนนการออกแบบคาพารามเตอรตวเหนยวน าส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจงเปนสงจ าเปน โดยท าการออกแบบคาพารามเตอรส าหรบตวเหนยวน า L1 , L2

38

กำรออกแบบเลอกพำรำมเตอรของตวเหนยวน ำ L1 : การออกแบบตวเหนยวน า L1 พจารณาจากกระแส iL1 ทไหลผานตวเหนยวน า L1 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ในชวงเวลาทสวตชก าลง S น ากระแสแสดงดงรปท 3.16 จะไดสมการความสมพนธของชวงเวลาการท างาน และคาตวเหนยวน า L1 ดงน

in

Lon

V

iLt 1

1

(3.33)

1Li

t

ont

1L

V in

1

2

L

VV Cin

offt

2i

1i1Li

รปท 3.16 กระแส iL1 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

จะไดคาพารามเตอรตวเหนยวน า L1 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนดงน

1

1

Lsw

in

if

DVL

(3.34)

โดยท 1Li คอ คาการกระเพอมของกระแส iL1 ทยอมรบได

กำรออกแบบเลอกพำรำมเตอรของตวเหนยวน ำ L2 : การออกแบบตวเหนยวน า L2 พจารณาเชนเดยวกบการออกแบบคาพารามเตอรตวเหนยวน า L1 จากกระแส iL2 ทไหลผานตวเหนยวน า L2 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ในชวงเวลาทสวตชก าลง S น ากระแสแสดงดงรปท 3.17 จะไดสมการความสมพนธของชวงเวลาการท างาน และคาตวเหนยวน า L2 ดงน

3

22

C

Lon

V

iLt

(3.35)

39

2Li

t

2

3

L

VC

2

3

L

VV OC

2i

1i2Li

ont offt

รปท 3.17 กระแส iL2 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

จะไดคาพารามเตอรตวเหนยวน า L2 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนดงน

2

32

Lsw

C

if

DVL

(3.36)

โดยท 2Li คอ คาการกระเพอมของกระแส iL2 ทยอมรบได 3.4.2 การออกแบบคาพารามเตอรของตวเกบประจ การออกแบบคาพารามเตอรตวเกบประจส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน มผลตอการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ ซงหากแรงดนมการกระเพอมสงจะสงผลใหตวเกบประจเสยหายได ดงน นการออกแบบคาพารามเตอรตวเกบประจส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขนจงเปนสงจ าเปน โดยท าการออกแบบคาพารามเตอรส าหรบตวเกบประจ C1 , C2 , C3 และ CO

กำรออกแบบเลอกพำรำมเตอรของตวเกบประจ C1 และ C2 : วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนมคาตวเกบประจ C1 และ C2 เทากน การออกแบบตวเกบประจ C1 และ C2 จะพจารณาโดยอาศยก าลงไฟฟาเอาตพตสงสด (PO,max) คาพารามเตอรทไดจากการออกแบบจะเปนคาตวเกบประจ C1 และ C2 นอยทสดทสามารถน ามาใชได

swC

O

fV

PC

2

1

max,

2,1

(3.37)

40

กำรออกแบบเลอกพำรำมเตอรของตวเกบประจ C3 : การออกแบบตวเกบประจ C3 จะพจารณาชวงสวตซก าลง S น ากระแส แสดงดงรป 3.18 สงเกตไดวาท node 3 ตวเกบประจ C3 จะจายกระแสผานตวเหนยวน า L2 (iC3 = iL2) กอนไหลผานสวตชก าลง S

1Li 2Li

OVS ROC

2L1L

inV

1C

2C3C

2D

4D

1CV

3CV

1LV 2LV

2CV

1

3

3Ci

1Ci

22Ci

Oi

COi

4

รปท 3.18 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ขณะทสวตชก าลงน ากระแส

เมอพจารณากระแส iC3 ในชวงสวตชก าลง S น ากระแส (0-ton) เทานน เพอท าการหาคาของตวเกบประจ C3

dti

CtVV

ont

LCC 0

2

3

33

1)0(

3

2

3C

tiV onL

C

2

33

L

Con

i

VCt

(3.38)

จะไดคาพารามเตอรส าหรบตวเกบประจ C3 ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนดงน

3

23

Csw

L

Vf

DiC

(3.39)

โดยท 3CV คอ คาการกระเพอมของแรงดน VC3 ทยอมรบได

กำรออกแบบเลอกพำรำมเตอรของตวเกบประจ CO : การออกแบบตวเกบประจ CO จะพจารณาเชนเดยวกบการออกแบบคาพารามเตอรของตวเกบประจ C3 คอพจารณาชวงสวตซก าลง S น ากระแส แสดงดงรปท 3.18 ในขางตนท node 4 พบวา

41

ตวเกบประจ CO จะจายกระแสใหกบโหลดตวตานทาน R (iCO = iO) จะไดความสมพนธของชวงเวลาการท างาน และคาตวเกบประจ CO ดงน

O

OOon

i

VCt

(3.40)

จะไดคาพารามเตอรส าหรบตวเกบประจ CO ของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนดงน

Osw

O

OVf

DiC

(3.41)

โดยท OV คอ คาการกระเพอมของแรงดน VO ทยอมรบได

ส าหรบการออกแบบเลอกคาพารามเตอรภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน คาทน ามาใชในการค านวณเพอเลอกคาพารามเตอรจะถกก าหนดขน ดงตารางท 3.4 ตารางท 3.4 การก าหนดคาเพอค านวณเลอกพารามเตอรภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแส

ตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ก าหนดคาทใชในการค านวณเลอกพารามเตอร

R 500 Ω fsw 20 kHz D 0.7

PO,max 394.3 W

Vin 20 V iL1 19.71 A

VC1 66.7 V iL2 2.96 A

VC3 133.3 V iO 0.888 A 3CV 1 V 1Li 0.1971 A

COV 1 V 2Li 0.444 A

การออกแบบคาพารามเตอรตวเหนยวน า L1 พจารณาไดจาก (3.34) ดงน

1

1

Lsw

in

if

DVL

42

1 3

20 0.73.551

20 10 0.1971L mH

และการออกแบบคาพารามเตอรตวเหนยวน า L2 พจารณาไดจาก (3.36) ดงน

2

32

Lsw

C

if

DVL

2 3

133.3 0.710.508

20 10 0.444L mH

การออกแบบคาพารามเตอรตวเกบประจ C1 และ C2 พจารณาไดจาก (3.37) ดงน

swC

O

fV

PC

2

1

max,

2,1

2

1,2 2 2 3

1

394.34.431

66.7 20 10

O

C sw

V

RC F

V f

การออกแบบคาพารามเตอรตวเกบประจ C3 พจารณาไดจาก (3.39) ดงน

2

3 3

3

2.96 0.7103.6

20 10 1

L

sw C

i DC F

f V

การออกแบบคาพารามเตอรตวเกบประจ CO พจารณาไดจาก (3.41) ดงน

3

0.888 0.731.08

20 10 1

OO

sw O

i DC F

f V

จากการออกแบบเลอกคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนทน าเสนอในขางตนเปนการประมาณคาพารามเตอร ดงนนจงสามารถเลอกคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสใหเหมาะสมและสอดคลองกบการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน แสดงคาพารามเตอรทเลอกใชดงรปท 3.19

43

1Li 2Li

OVS

OD

2D 3D1D

4D

dcV20

mH4 mH11

F100

F100 F150F40

500

รปท 3.19 พารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

3.5 ผลการจ าลองสถานการณ

จากการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน จะด าเนนการจ าลองสถานการณเพอตรวจสอบคาพารามเตอรทไดออกแบบมา วามคาเหมาะสมกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน โดยก าหนดแรงดนอนพตเปน 20 Vdc และคาพารามเตอรทเลอกใชแสดงไวในรปท 3.19 ท าการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนโดยก าหนดคาวฏจกรหนาทเปน 0.3, 0.5 และ 0.7 เพอตรวจสอบความสมพนธของอตราขยายแรงดนในวงจรทไดวเคราะหขางตน จากนนท าการเปรยบเทยบระหวางผลการค านวณจากการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนกบผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน เพอยนยนวาคาทท าการเปรยบเทยบนนมความใกลเคยงสอดคลองกน 3.5.1 อตราขยายแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน จากการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน ไดความสมพนธของอตราขยายแรงดน ดงสมการท (3.42) จากนนท าการเปรยบเทยบผลการค านวณจากการวเคราะหการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนกบผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน แสดงไดดงตารางท 3.5 พบวาคาอตราขยายแรงดน (M) คาแรงดนเอาตพต (VO) ทไดจากการค านวณดงสมการทวเคราะหไวขางตน และคาทไดจากการจ าลองสถานการณดวยคอมพวเตอรโดยใชโปรแกรม MATLAB Simulink นนมความใกลเคยงสอดคลองกน รปท 3.20 เปนผลการจ าลองสถานการณแสดงคาอตราขยายแรงดน ณ จดท างานท

44

คาวฏจกรหนาทตาง ๆ เปรยบเทยบกบผลจากการค านวณดวยสมการ 3.42 พบวาคาจากผลการจ าลองสถานการณและผลจากการค านวณมคาใกลเคยงกนมาก

21

2

DV

VM

in

O

(3.42)

ตารางท 3.5 ผลการค านวณอตราขยายแรงดนและผลอตราขยายแรงดนจากการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน

ผลจากการค านวณ ผลการจ าลองสถานการณ

พารามเตอร คาวฏจกรหนาท

พารามเตอร คาวฏจกรหนาท

0.3 0.5 0.7 0.3 0.5 0.7

M 4.08 8 22.22 M 4.08 8 22.08

VO 81.6 V 160 V 444.4 V VO 81.6 V 159.8 V 441.5 V

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

10

20

30

40

50

in

out

V

VM

)(Dcycleduty

0.698 0.699 0.7 0.701 0.70222

22.1

22.2

22.3

22.4

รปท 3.20 อตราขยายแรงดนระหวางผลจากการค านวณกบผลการจ าลองสถานการณ

ท าการจ าลองสถานการณเพอหาคาแรงดนเอาตพต ณ จดท างานทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ ผลการจ าลองสถานการณแสดงไดดงรปท 3.21 พบวาทคาวฏจกรหนาท 0.3 แรงดนเอาตพตมคาเปน 81.6 V จากนนเพมคาวฏจกรหนาทเปน 0.5 แรงดนเอาตพตเพมเปน 159.8 V และเมอเพมคาวฏจกรหนาทเปน 0.7 ไดแรงดนเอาตพตเปน 441.5 V ดงนนเมอท าการเพมคาวฏจกรหนาทใหสงขน

45

แรงดนเอาตพตจะเพมสงขนตามไปดวย ซงผลการจ าลองสถานการณเปนไปตามสมการอตราขยายแรงดน ดงสมการ 3.42

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

100

200

300

400

500

600

Time (s)

)(VVO

VVD O 6.81,3.0

VVD O 8.159,5.0

VVD O 5.441,7.0

รปท 3.21 ผลการจ าลองสถานการณแสดงคาแรงดนเอาตพต ณ จดท างานทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ

เมอพจารณาคาแรงดนเอาตพตทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ แลวท าการตรวจสอบคากระแสอนพต (iin) โดยกระแสอนพตจะมคาเทากบกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 (iin = iL1) ซงเมอท าการเพมคาวฏจกรหนาทใหสงขนกระแสอนพตจะเพมขนตามไปดวย ซงรปท 3.22 เปนผลการจ าลองสถานการณแสดงคากระแสอนพต ณ จดท างานทคาวฏจกรหนาทตางๆ จากการจ าลองสถานการณพบวาทคาวฏจกรหนาท 0.3 มกระแสอนพตเปน 0.92 A เมอเพมคาวฏจกรหนาทเปน 0.5 กระแสอนพตจะมคาเพมเปน 3.67 A และเมอเพมคาวฏจกรหนาทเปน 0.7 กระแสอนพตจะเพมสงขนเปน 26.97 A ดงนนเมอคาวฏจกรหนาทเพมสงขนกระแสอนพตจะเพมสงขนเชนเดยวกบแรงดนเอาตพต ซงเปนไปตามความสมพนธของก าลงงานไฟฟาอนพตและก าลงงานไฟฟาเอาตพตคอ เมอคาวฏจกรหนาทสงขนคาแรงดนเอาตพตจะสงขนตามในขณะทโหลดตวตานทานคงท ซงแรงดนเอาตพตทเพมสงขนท าใหก าลงงานไฟฟาเอาตพตเพมขนตามไปดวย ในลกษณะเดยวกนคอเมอก าลงงานไฟฟาเอาตพตเพมขน ก าลงงานไฟฟาอนพตตองเพมสงขนดวย ซงเมอแรงดนอนพตมคาคงท ในขณะทก าลงงานไฟฟาอนพตตองเพมสงขน ท าใหกระแสอนพตตองเพมสงขนแทน จงสามารถสรปไดวากระแสอนพตจะเพมขนตามคาวฏจกรหนาททเพมขนนนเอง ทงนในสภาวะคงตว ณ จดท างานทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ กระแสอนพตทไหลผานตวเหนยวน า L1 มการน ากระแสแบบตอเนอง ซงถอวาวงจรทพฒนาขนท างานภายใตโหมดน ากระแสตอเนอง (CCM)

46

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

10

20

30

40

50

60

Time (s)

)(Aiin

AiD in 92.0,3.0

AiD in 67.3,5.0

AiD in 97.26,7.0

รปท 3.22 ผลการจ าลองสถานการณแสดงคากระแสอนพต ณ จดท างานทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ 3.5.2 การกระเพอมของกระแสและแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน จากผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนโดยใชคาพารามเตอรจากการออกแบบเลอก แสดงดงรปท 3.19 เพอพจารณาคาการกระเพอมของกระแส และการกระเพอมของแรงดนทไดจากการออกแบบเลอกคาพารามเตอรในหวขอ 3.4 เปรยบเทยบกบคาจากผลการจ าลองสถานการณ เพอตรวจสอบวาการออกแบบเลอกคาพารามเตอรนนเปนไปตามขอก าหนดหรอไม โดยจะพจารณาจากการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 และ L2 รวมถงแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C1 , C2 , C3 และ CO โดยสามารถสรปผลการตรวจสอบการกระเพอมของกระแสและแรงดนไดดงตารางท 3.6 พบวาเมอน าคาพารามเตอรทไดออกแบบไวไปท าการจ าลองสถานการณ คาการกระเพอมของกระแส และแรงดนทไดนนอยภายใตขอก าหนดทไดออกแบบไว

รปท 3.23 แสดงผลการจ าลองสถานการณกระแสทไหลผานตวเหนยวน าและแรงดนทตกครอมตวเกบประจ ในขณะทรปท 3.24 แสดงผลการจ าลองสถานการณการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า และการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ พบวาการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า และการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ มความสอดคลองภายใตเงอนไขในการออกแบบคาพารามเตอร คอ

47

ตารางท 3.6 ผลการเปรยบเทยบคาการกระเพอมของกระแส และแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจากการจ าลองสถานการณ

พารามเตอร คาเฉลย คาการกระเพอมท

ก าหนดใช ในการออกแบบ

คาการกระเพอมจาก ผลการจ าลองสถานการณ

(max-min)

iL1 26.97 A 1 % = 0.2697 A 27.05 – 26.89 = 0.16 A

iL2 4.1 A 15 % = 0.615 A 4.29 – 3.88 = 0.41 A

VC1 66.5 V - 67.1 – 65.09 = 2.01 V

VC2 66 V - 67.66 – 65.68 = 1.98 V

VC3 132.3 V 0.75 % = 1 V 132.77 – 131.83 = 0.94 V

VO 441 V 0.23 % = 1 V 441.5 – 440.5 = 1 V

ตวเหนยวน า L1 : การออกแบบเลอกคาตวเหนยวน ามการก าหนดคาการกระเพอมของกระแสทไหล

ผานตวเหนยวน า L1 ตองไมเกน 1% ของกระแส iL1 ทงหมด โดยเลอกตวเหนยวน าขนาด 4 mH ซงผลการจ าลองสถานการณพบวาคากระแส iL1 ทไหลผานตวเหนยวน า L1 มการกระเพอมอยท 0.16 A คดเปน 0.59% ของกระแส iL1

ตวเหนยวน า L2 : การออกแบบเลอกคาตวเหนยวน ามการก าหนดคาการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L2 ตองไมเกน 15% % ของกระแส iL2 ท งหมด โดยเลอกตวเหนยวน าขนาด 11 mH ซงผลการจ าลองสถานการณพบวาคากระแส iL2 ทไหลผานตวเหนยวน า L2 มการกระเพอมอยท 0.56 A คดเปน 0.67% ของกระแส iL2

ตวเกบประจ C1 , C2: การออกแบบเลอกคาตวเกบประจจาก (3.37) เลอกตวเกบประจทงสองใหมขนาดเทากนท 100 µF โดยการเลอกคาพารามเตอรนนก าหนดใหสอดคลองกบตวเกบประจ C3 ดวย จากผลการจ าลองสถานการณดงรป 3.24 พบวาเกดการกระเพอมของแรงดนตกครอมตวเกบประจทงสองตวประมาณ 2V ซงเปนผลทยอมรบได

ตวเกบประจ C3 : การออกแบบเลอกคาตวเกบประจจาก (3.39) เลอกตวเกบประจใหมขนาด 150 µF ก าหนดคาการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C3 ตองไมเกน 1V จากผลการจ าลองสถานการณดงรป 3.24 พบวาเกดการกระเพอมของแรงดนตกครอมตวเกบประจ C3 อยทประมาณ 0.94V ซงอยภายใตของก าหนด คอไมเกน 1V

48

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

20

40

60

80

100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

50

100

150

200

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

200

400

600

800

Time (s)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

20

40

60

80

100

)(1 AiL

)(2 AiL

)(1 VVC

)(2 VVC

)(3 VVC

)(VVCO

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

20

40

60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2

4

6

8

10

รปท 3.23 กระแสทไหลผานตวเหนยวน าและแรงดนทตกครอมตวเกบประจ

49

0.5000 0.50005 0.500165

66

67

68

0.5000 0.50005 0.500165

66

67

68

0.5000 0.50005 0.5001131.8

132.3

132.8

0.5000 0.50005 0.5001440.45

441

441.55

Time (s)

)(1 AiL

)(2 AiL

)(1 VVC

)(2 VVC

)(3 VVC

)(VVCO

0.5000 0.50005 0.50013.8

4

4.2

4.4

0.5000 0.50005 0.500126.85

26.95

27.05

27.15

รปท 3.24 การกระเพอมของกระแสและแรงดน

50

ตวเกบประจ CO : การออกแบบเลอกคาตวเกบประจจาก (3.41) เลอกตวเกบประจใหมขนาด 40 µF ก าหนดคาการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ CO ตองไมเกน 1V จากผลการจ าลองสถานการณดงรป 3.24 พบวาเกดการกระเพอมของแรงดนตกครอมตวเกบประจ CO อยทประมาณ 1V ซงอยภายใตของก าหนด คอไมเกน 1V

จากผลการจ าลองสถานการณการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน า และการกระเพอมของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ ภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน พบวาคาพารามเตอรทไดรบการออกแบบเลอกนนมคาสอดคลองกบผลการจ าลองสถานการณภายใตขอก าหนดเงอนไขในการออกแบบ ซงคาพารามเตอรทออกแบบเลอกนจะถกน าไปพจารณาเพอเลอกคาพารามเตอรทเหมาะสมส าหรบน าไปประยกตสรางชดทดสอบจรงตอไป

3.6 สรป เนอหาในบทน ไดกลาวถงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน โดยมอตราขยายแรงดนประมาณ 20 เทา ซงไดน าเสนอโครงสรางของวงจร การวเคราะหหลกการท างานของวงจร และการออกแบบเลอกคาพารามเตอรตวเหนยวน าและตวเกบประจภายในวงจร รวมทงประเมนประสทธภาพของวงจร จากผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน แสดงใหเหนวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตใหสงถง 20 เทา ทงนจะสงเกตวากระแสอนพต และแรงดนเอาตพตทไดจากผลการจ าลองสถานการณ ในชวงสภาวะชวครจะมการพงเกนของกระแสอนพต และแรงดนเอาตพตสงคอนขางมากกอนการเขาสสภาวะคงตว ซงการพงเกนนอาจสงผลท าใหอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรเกดความเสยหาย ดงนนการออกแบบตวควบคมเพอควบคมแรงดนเอาตพตใหคงทท 400 Vdc และใหมการพงเกนของกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตเพยงเลกนอยจงเปนสงส าคญ โดยรายละเอยดของการออกแบบตวควบคมส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขนจะน าเสนอในบทถดไป

51

บทท 4 การควบคมวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

4.1 บทน า

จากบททผานมาไดน าเสนอ การวเคราะหหลกการท างาน และออกแบบเลอกคาพารามเตอรส าหรบตวเกบประจและตวเหนยวน าภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน รวมถงการจ าลองสถานการณเมอสวตชท างานทคาวฎจกรหนาทตาง ๆ ซงเปนการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนขณะไมมตวควบคม โดยมแรงดนอนพตเปน 20 Vdc ซงทคาวฎจกรหนาท 0.7 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตไดสงถง 441 Vdc เปนอตราขยายแรงดนประมาณ 22 เทา ทงนงานวจยนตองการวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc เพอท าหนาทเสมอนแรงดนกระแสตรงเชอมตอ (DC-link voltage) ใหกบอนเวอรเตอรหนงเฟสทตองการแรงดนกระแสตรงทมคาคงท ดงนนจงตองมการควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท และจากการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนขณะไมมตวควบคมในบททผานมา กระแสอนพต และแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนจะมการพงเกนเกดขนในสภาวะชวคร ซงการพงเกนของกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตทเกดขนอยในระดบทสงเมอเทยบกบกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตในสภาวะคงตว ในกรณทน าวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนไปสรางชดทดสอบอาจเกดความเสยหายตออปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในชดทดสอบ เนองจากการพงเกนของกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตทเกดขน จงจ าเปนตองท าการควบคมกระแสอนพต และแรงดนเอาตพตไมใหมการพงเกนสงเกดขนดวย โดยเนอหาในบทนจะน าเสนอการออกแบบตวควบคมพไอส าหรบควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนใหคงท หลกการออกแบบคาพารามเตอรของตวควบคมพไอ ผลการจ าลองสถานการณการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนในสภาวะแรงดนอนพตมการเปลยนแปลง และสภาวะโหลดตวตานทานมการเปลยนแปลง เพอตรวจสอบสมรรถนะของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอท างานรวมกบตวควบคมพไอ รายละเอยดจะน าเสนอดงตอไปน

52

4.2 การออกแบบตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน

โครงสรางการควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนดวยตวควบคมพไอ แสดงดงรปท 4.1 เปนการควบคมการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนใหไดคาแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc จากระบบพลงงานทดแทนทเปนเสมอนแหลงจายแรงดนต า โดยแรงดนอนพตประมาณ 20 Vdc การออกแบบตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนนน จะสรางตวควบคมพไอส าหรบลปแรงดนและลปกระแส เพอใหไดสญญาณควบคมส าหรบเปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยม (sawtooth) ทมความถเทากบความถของสวตชก าลง ซงสญญาณพลสทไดจากการเปรยบเทยบจะถกสงไปยงสวตชก าลงเพอสงใหสวตชก าลงท างานดวยคาวฏจกรหนาท (D) ทเหมาะสม ส าหรบการออกแบบตวควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน จะท าการออกแบบตวควบคมพไออยางงาย โดยอาศยแนวทางการออกแบบทไดจากวธการออกแบบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมเปนพนฐาน ดงนนหวขอน จะน าเสนอการออกแบบตวควบคมพไอจากโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ส าหรบการออกแบบตวควบคมพไอจะแบงเปน 2 สวน คอ การออกแบบตวควบคมลปแรงดน และการออกแบบตวควบคมลปกระแส สามารถแสดงไดดงตอไปน

PI Controller PI Controller

Vref = 400 ViL1

Comparator

Current Loop Voltage Loopsawtooth

Low-voltagesource systems

A proposed high step-up boost converter

DC load

Switching Signal

20 Vdc 400 Vdc

รปท 4.1 โครงสรางการควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

53

4.2.1 การออกแบบตวควบคมพไอลปแรงดน (Voltage Controller Loop) การออกแบบตวควบคมพไอในลปแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ไดอาศยการออกแบบตวควบคมพไอในลปแรงดนของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมเปนพนฐาน ทงนจะใชการเทยบเคยงโครงสรางของวงจรระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม เพอพจารณาเทยบเคยงพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทส าคญส าหรบใชในการออกแบบตวควบคมพไอในลปแรงดน การเทยบเคยงโครงสรางของวงจรระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม แสดงดงรปท 4.2

1Li

S R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C 3C

2D 3D1D

4D

Ci

S RinV

Ci

D 1

1

OC

Oi1L

1Li

OV

OV

รปท 4.2 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเทยบเคยงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ส าหรบออกแบบตวควบคมพไอลปแรงดน

พจารณาโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเทยบเคยงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม โดยใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟ (KCL) พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม จะไดความสมพนธดงน

)()()(1 tititi OCL

R

tVtitd

dt

tdvC O

LO

O

)()())(1(

)(1

(4.1)

จาก (4.1) พจารณาคาวฎจกรหนาทเปนศนย

54

R

tVti

dt

tdvC O

LO

O

)()(

)(1

(4.2)

จาก (4.2) ท าการแปลงลาปลาซไดดงน

R

sVsIssVC O

LOO

)()()( 1

(4.3)

ด าเนนการหาฟงกชนถายโอน จะไดพลานตส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ในสวนของการควบคมแรงดน (4.4) สงเกตวาตวเกบประจ CO และโหลดตวตานทาน R เปนพารามเตอรทมนยส าคญสงผลตอการควบคมแรงดนเอาตพตของวงจร

1)(

)(

1

sRC

R

sI

sV

OL

O

(4.4)

จากสมการตวควบคมพไอทอยในรปฟงกชนถายโอน (4.5) จะไดแผนภาพการควบคมแรงดนดวยตวควบคมพไอ แสดงดงรปท 4.3

s

KKsG IV

PVCV )( (4.5)

1sRC

R

Os

KK IV

PV

PI controller Plant

)(~

sVdc)(sVref

)(1 sIL )(sVO

รปท 4.3 แผนภาพการควบคมลปแรงดนดวยตวควบคมพไอ

จากแผนภาพทแสดงดงรปท 4.3 ท าการหาฟงกชนถายโอนวงปด เพอน าไปออกแบบคาพารามเตอรส าหรบตวควบคมพไอในลปแรงดน

11

1

)(

)(

sRC

R

s

KsK

sRC

R

s

KsK

sV

sV

O

IVPV

O

IVPV

ref

O

(4.6)

55

O

IV

O

PV

IVPV

ref

O

RC

RKs

RC

RKs

RKRsK

sV

sV

1)(

)(

2

(4.7)

การออกแบบคาพารามเตอร KPV และ KIV ของตวควบคมพไอส าหรบลปแรงดน จะอาศยการเทยบสมประสทธระหวางพจนพหนามลกษณะเฉพาะของฟงกชนถายโอนวงปดในสมการท (4.7) กบพจนพหนามลกษณะเฉพาะของฟงกชนถายโอนอนดบสองมาตรฐานในสมการท (4.8)

22

2

2)(

nn

n

sssG

(4.8)

โดยคาความถธรรมชาต มคาเทากบ RCn

1

rad/s 4 และคาอตราการหนวง 1

เพอใหการตอบสนองของระบบเปนแบบหนวงวกฤต (critically damped response) ส าหรบการออกแบบใหการตอบสนองของระบบเปนแบบหนวงวกฤตเพอใหผลตอบสนองของระบบไมมการพงเกนเกดขน ซงการพงเกนของแรงดนอาจสงผลท าใหอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรเกดความเสยหายไดในกรณน าไปทดสอบกบชดทดสอบ ความสมพนธในการหาคาพารามเตอรส าหรบตวควบคมพไอทใชในการควบคมลปแรงดนดงสมการ (4.9) และ (4.10)

RCK OnPV

12

(4.9)

OnIV CK 2 (4.10) 4.2.2 การออกแบบตวควบคมพไอลปกระแส (Current Controller Loop) การออกแบบตวควบคมพไอในลปกระแสของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแส

ตรงทพฒนาขน จะท าการออกแบบคลายกบการออกแบบตวควบคมพไอในลปแรงดน คอท าการ

เทยบเคยงโครงสรางของวงจรระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนกบวงจร

แปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบด งเดม เพอพจารณาเทยบเคยงพารามเตอรของอปกรณ

อเลกทรอนกสก าลงทส าคญส าหรบใชในการออกแบบตวควบคมพไอในลปกระแส ซงการ

เทยบเคยงโครงสรางของวงจรระหวางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนกบวงจร

แปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม แสดงดงรปท 4.4

56

1Li

S R

OD

OC

2L

1L

inV

1C

2C 3C

2D 3D1D

4D

Ci

S RinV

Ci

D

OC

1

1

1L1Li

OV

OV

รปท 4.4 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเทยบเคยงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ส าหรบออกแบบตวควบคมพไอลปกระแส

พจารณาโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเทยบเคยงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม โดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (KVL) พจารณาการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม จะไดความสมพนธดงน

)()())(1()( 1 tVtVtdtV LOin

)())(1()(

)(11 tVtdtV

dt

tdiL Oin

L (4.11)

พจารณาคาวฎจกรหนาทเปนศนย จะได (4.12)

)()(

)(11 tVtV

dt

tdiL Oin

L (4.12)

จาก (4.12) ท าการแปลงลาปลาซไดดงน

)()()(11 sVsVssIL OinL (4.13)

จากสมการ (4.13) ด าเนนการหาฟงกชนถายโอน จะไดพลานตส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ในสวนของการควบคมกระแส ดงสมการ (4.14)

57

sLsVsV

sI

Oin

L

1

1 1

)()(

)(

(4.14)

จากสมการตวควบคมพไอทอยในรปฟงกชนถายโอน (4.15) จะไดแผนภาพการควบคมกระแสดวยตวควบคมพไอ แสดงดงรปท 4.5

s

KKsG IC

PCCC )( (4.15)

sL1

1

s

KK IC

PC

PI controller Plant

)(~

sIr)(sIr )(sVin )(1 sIL

)(sVO

รปท 4.5 แผนภาพการควบคมลปกระแสดวยตวควบคมพไอ

จากแผนภาพทแสดงดงรปท 4.5 ท าการหาฟงกชนถายโอนวงปด เพอน าไปออกแบบคาพารามเตอรส าหรบตวควบคมพไอในลปกระแส

sLV

s

KsK

sLV

s

KsK

sI

sI

inICPC

inICPC

r

L

1

11

11

1

)(

)(

(4.16)

11

2

1

)(

)(

L

VKs

L

VKs

VKsVK

sI

sI

in

IC

in

PC

inICinPC

r

L

(4.17)

การออกแบบคาพารามเตอร KPC และ KIC ของตวควบคมพไอส าหรบลปกระแส จะอาศยการเทยบสมประสทธเชนเดยวกบลปแรงดน โดนจะเทยบสมประสทธระหวางพจนพหนามลกษณะเฉพาะของฟงกชนถายโอนวงปด (4.17) กบพจนพหนามลกษณะเฉพาะของฟงกชนถายโอนอนดบสองมาตรฐาน (4.18)

22

2

2)(

nini

n

sssG

(4.18)

58

คาความถธรรมชาตของลปกระแส โดยปกตลปกระแสจะมความเรวมากกวาลปแรงดนประมาณ 4 เทา เพอใหลปกระแสไดค านวณคาผลตอบสนองของระบบในสภาวะคงตวกอนจะเขาลปการค านวณใหม ซงคาความถธรรมชาตของลปกระแส มคาเทากบ ωni=Nωn rad/s โดยคา N คอจ านวนเทาของความถธรรมชาตทลปกระแสท างานตางจากลปแรงดน จากนนท าการเลอกคา N ทเหมาะสม โดยการเลอกคา N จะสงผลตอคาความผดพลาดทเกดขนกบผลตอบสนองของระบบ ดงนนจะเลอกใช N เทากบ 100 ซงทคา N ดงกลาวคาความผดพลาดทเกดขนกบผลตอบสนองของระบบจะอยในเกณฑทเหมาะสม สวนคาอตราการหนวงเลอกใช 1 ท าใหผลตอบสนองของระบบเปนแบบหนวงวกฤต (critically damped response) เ ชนเดยวกบลปแรงดนเพอไมใหผลตอบสนองของระบบมการพงเกนเกดขน ซงการพงเกนของกระแสอาจสงผลท าใหอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรเชนกน ความสมพนธในการหาคาพารามเตอรส าหรบตวควบคมพไอทใชในการควบคมลปกระแสดงสมการ (4.19) และ (4.20)

in

niPC

V

LK 12

(4.19)

in

niIC

V

LK 1

2

(4.20)

จากการออกแบบคาพารามเตอรของตวควบคมพไอทงลปแรงดน และลปกระแสของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบด งเดม สามารถน าตวควบคมพไอทท าการออกแบบมาประยกตใชกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยโครงสรางภาพรวมของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอประยกตใชตวควบคมพไอแสดงดงรปท 4.6 ซงคาพารามเตอรทมนยส าคญทถกน ามาใชในการออกแบบคาพารามเตอรของตวควบคมพไอ คอ ตวเหนยวน า L1 ตวเกบประจ CO และโหลดตวตานทาน R เชนเดยวกบการออกแบบตวควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม

59

1Li

S R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C3C

2D 3D1D

4D

PI Controller PI Controller

Comparator Current Loop Voltage Loop

sawtooth1Li

OV

Switching Signal

refV

รปท 4.6 โครงสรางการจ าลองสถานการณการควบคมพไอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

จากการออกแบบคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนดงทน าเสนอไวในบทท 3 ทงนจะมการปรบเปลยนคาพารามเตอรใหสอดคลองกบคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชในการสรางชดทดสอบ ดงนนคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชในค านวณเพอออกแบบตวควบคมพไอ แสดงดงตารางท 4.1 โดยคาพารามเตอรทมการปรบเปลยน คอ ตวเหนยวน า L1, L2 ตวเกบประจ CO และโหลดตวตานทาน R

ตารางท 4.1 คาพารามเตอรส าหรบออกแบบตวควบคมพไอ สญลกษณ พารามเตอร ขนาด

Vin แรงดนอนพต 20 V

L1 , L2 ตวเหนยวน า 15 mH

C1 , C2 , CO ตวเกบประจ 100 µF

C3 ตวเกบประจ 150 µF

R โหลดตวตานทาน 320 Ω

fsw ความถสวตช 20 kHz

60

หลงจากไดคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชส าหรบค านวณเพอออกแบบตวควบคมพไอแลว ท าการค านวณเพอหาคาตวควบคมพไอทงลปแรงดน และลปกระแส โดยคาพารามเตอรของตวควบคมพไอทงลปแรงดน และลปกระแส แสดงดงตารางท 4.2 จากนนท าการจ าลองสถานการณเพอตรวจสอบผลตอบสนองของระบบ ซงจะน าเสนอในหวขอถดไป

ตารางท 4.2 คาพารามเตอรตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

สญลกษณ คาพารามเตอร ωn 31.25 KPV 0.003125 KIV 0.09766

ωni 3125 KPC 4.6875 KIC 7327.22

4.3 ผลการจ าลองสถานการณ ท าการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอมตวควบคมพไอ เพอพจารณาสมรรถนะของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอใชรวมกบตวควบคมพไอ โดยใหแรงดนอนพตเปน 20 Vdc และแรงดนเอาตพตเปน 400 Vdc เพอตรวจสอบวาตวควบคมพไอทไดออกแบบมานนสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ไดหรอไม ทงนคาพารามเตอรทใชในการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน และคาพารามเตอรของตวควบคมพไอ แสดงดงตารางท 4.1 และ 4.2 ผลการจ าลองสถานการณแสดงไดดงรปท 4.7 จากผลการจ าลองสถานการณพบวาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนสามารถเพมระดบแรงดนจากแรงดนอนพต 20 Vdc ใหไดแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc เมอถกควบคมดวยตวควบคมพไอทไดออกแบบมา สงเกตวาในชวงเวลาสถานะชวงครไมมการพงเกนของทงกระแสอนพตและแรงดนเอาตพต ซงเปนไปตามขอก าหนดทใชในการออกแบบตวควบคมพไอ โดยกระแสอนพต iL1 อยทประมาณ 35 A และแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc ทสถานะอยตว

61

)(1 AiL

)(VVO

0 5 10 150

10

20

30

40

0 5 10 150

100

200

300

400

500

Time (s)

รปท 4.7 ผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน รวมกบตวควบคมพไอ

0 8 16 24 320

10

20

30

40

0 8 16 24 320

100

200

300

400

500

Time (s)

)(1 AiL

)(VVO

)(VVref

0 8 16 24 320

100

200

300

400

500

รปท 4.8 ผลการจ าลองสถานการณเมอมการเปลยนแปลงแรงดนเอาตพตอางอง

62

จากนนท าการเปลยนแปลงคาแรงดนเอาตพตอางอง (Vref) เพอตรวจสอบตวควบคมพไอทไดออกแบบมานนยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหไดตามตองการ ผลการจ าลองสถานการณแสดงไดดงรปท 4.8

จากผลการจ าลองสถานการณเมอมการเปลยนแปลงแรงดนเอาตพตอางอง ดงรปท 4.8 สงเกตวาวนาท ท 8 และ 16 ก าหนดใหแรงดนเอาตพตอางองลดลงทละ 100 Vdc หลงจากนนในวนาท ท 24 ท าการเพมแรงดนเอาตพตอางองเปน 400 Vdc ผลจากการจ าลองสถานการณไดยนยนวาตวควบคมพไอทไดท าการออกแบบอยางงาย โดยอาศยแนวทางการออกแบบตวควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมเปนพนฐาน ตวควบคมพไอทออกแบบสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงทไดตามตองการ อกทงยงไมมการพงเกนของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพตเกดขนตามขอก าหนดทใชในการออกแบบตวควบคมดวย สวนกระแสอนพต iL1 นนมการเปลยนแปลงตามแรงดนเอาตพตอางอง ซงเปนไปตามความสมพนธของก าลงไฟฟาอนพตและก าลงไฟฟาเอาตพต

จากผลการจ าลองสถานการณของวงจรเมอไดรบแรงดนอนพต 20 Vdc เพอเปนการยนยนความสามารถของตวควบคมพไอทไดออกแบบมา จะท าการปรบเปลยนคาแรงดนอนพตใหมการเปลยนแปลงในชวง 20-40 Vdc โดยก าหนดคาแรงดนอนพตเรมตนท 20 Vdc จากนนท าการเพมระดบแรงดนอนพตครงละ 10 Vdc ในวนาทท 8 และ 16 จากนนก าหนดใหแรงดนอนพตลดลง 20 Vdc ในวนาทท 24 ผลการจ าลองสถานการณแสดงไดดงรปท 4.9 พบวาเมอมการเปลยนแปลงของคาแรงดนอนพต วงจรควบคมพไอยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได ซงชวงเวลาทแรงดนอนพตเพมขน แรงดนเอาตพตจะเกดการพงเกน เนองจากไดรบแรงดนอนพตเพมขน กอนจะเขาสสภาวะคงตว และเกดแรงดนตกในชวงเวลาทระดบแรงดนอนพตลดลงกอนจะเขาสสภาวะคงตว สวนการะแสอนพต iL1 ทไหลผานตวเหนยวน า L1 จะเปลยนแปลงตามคาแรงดนอนพต คอ เมอแรงดนอนพตต าคากระแสอนพตจะสง และเมอแรงดนอนพตสงคากระแสอนพตจะต า ตามความสมพนธของก าลงไฟฟาอนพตและก าลงไฟฟาเอาตพต

63

)(1 AiL

)(VVO

)(VVin

0 8 16 24 320

20

40

60

0 8 16 24 320

10

20

30

40

0 8 16 24 320

200

400

600

Time (s)

รปท 4.9 ผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนรวมกบ ตวควบคมพไอ เมอคาแรงดนอนพตมการเปลยนแปลง

นอกจากการปรบเปลยนคาแรงดนอนพตแลว การตรวจสอบสมรรถนะการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอท างานรวมกบตวควบคมพไอยงสามารถท าไดโดยการปรบเปลยนคาโหลดตวตานทาน ซงเมอโหลดตวตานทานมการเปลยนแปลงคาก าลงไฟฟาเอาตพตกมการเปลยนแปลงตามไปดวย โดยการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนใหแรงดนอนพตเปน 20 Vdc ก าหนดใหโหลดตวตานทานเรมตนท 2000 Ω จากนนก าหนดใหโหลดตวตานทานลดลงครงละ 500 Ω ทก ๆ 8 วนาท จนกระทง โหลดตวตานทานอยท 500 Ω ผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนแสดงไดดงรปท 4.10 พบวาเมอโหลดตวตานทานลดลงวงจรควบคมพไอยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได และชวงเวลาทโหลดตวตานทานลดลง จะเกดแรงดนตกในชวงเวลาทมการเปลยนแปลงโหลดตวตานทาน สวนกระแสอนพต iL1 ทไหลผานตวเหนยวน า L1 จะเพมขนเมอโหลดตวตานทานมคาลดลง ซงเปนไปตามความสมพนธของก าลงไฟฟาอนพตและก าลงไฟฟาเอาตพต

64

)(1 AiL

)(VVO

)(R

0 8 16 24 320

200

400

600

Time (s)

0 8 16 24 320

10

20

30

0 8 16 24 320

500

1000

1500

2000

2500

รปท 4.10 ผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนรวมกบตวควบคมพไอ เมอโหลดตวตานทานมการเปลยนแปลง

จากนนท าการปรบเปลยนคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนใหมคาลดลงและเพมขน เพอเปนการยนยนสมรรถนะของตวควบคมพไอทออกแบบส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทปรบเปลยนแสดงดงตารางท 4.3 เปนการลดและเพมขนาดคาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลง 30 % ซงการลดและเพมขนาดของคาพารามเตอร 30 % นน คาพารามเตอรถกปรบเปลยนใหนอยลงหรอเพมขนาดขนอยางชดเจน จากนนท าการจ าลองสถานการณเพอยนยนสมรรถนะของตวควบคมพไอทไดออกแบบ โดยใชคาพารามเตอรของตวควบคมพไอชดเดม ดงตาราง 4.2 เพอสงเกตวาเมอคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนมการเปลยนแปลง ตวควบคมพไอทไดท าการออกแบบยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงทตามตองการไดหรอไม

65

ตารางท 4.3 คาพารามเตอรของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทมการปรบเปลยน สญลกษณ พารามเตอร ขนาด (100%) ขนาดลดลง (30%) ขนาดเพมขน (30%)

Vin แรงดนอนพต 20 V

L1 , L2 ตวเหนยวน า 15 mH 10.5 mH 19.5 mH

C1 , C2 , CO ตวเกบประจ 100 µF 70 µF 130 µF

C3 ตวเกบประจ 150 µF 105 µF 195 µF

R โหลดตวตานทาน 320 Ω

fsw ความถสวตช 20 kHz

จากนนท าการจ าลองสถานการณ โดยคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนยงไมมการเปลยนแปลง ซงก าหนดใหแรงดนอนพตเปน 20 Vdc และก าหนดแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc ผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน แสดงไดดงรปท 4.11 พบวาตวควบคมพไอทไดออกแบบสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได สวนกระแสอนพต iL1 มคาประมาณ 34.87 A

)(1 AiL

)(VVO

0 5 10 150

100

200

300

400

500

Time (s)

0 5 10 150

10

20

30

40

14.5001 14.5002 14.500234.82

34.84

34.86

34.88

34.9

14.5001 14.50015 14.5002399.5

399.75

400

400.25

400.5

รปท 4.11 ผลการจ าลองสถานการณเมอขนาดของพารามเตอรยงไมมการเปลยนแปลง

66

จากนนท าการจ าลองสถานการณ โดยลดคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนลง 30 % ทงนก าหนดใหแรงดนอนพตเปน 20 Vdc และก าหนดแรงดนเอาตพตคงท ท 400 Vdc ผลการจ าลองสถานการณเมอลดขนาดพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนลง 30% แสดงไดดงรปท 4.12 พบวาเมอคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนมการเปลยนแปลงตวควบคมพไอยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได สวนกระแสอนพต iL1 มคาประมาณ 34.86 A ซงทงกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตมการเปลยนแปลงคอ มการกระเพอมของทงกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตเพมมากขน เนองจากขนาดของคาพารามเตอรมขนาดลดลงนนเอง

0 5 10 150

10

20

30

40

0 5 10 150

100

200

300

400

500

Time (s)

)(1 AiL

)(VVO

14.5001 14.50015 14.5002399.5

399.75

400

400.25

400.5

14.5001 14.50015 14.500234.82

34.84

34.86

34.88

34.9

รปท 4.12 ผลการจ าลองสถานการณเมอลดขนาดของพารามเตอรลง 30 %

จากนนท าการจ าลองสถานการณ เชนเดยวกบกรณกอนหนาน ผลการจ าลองสถานการณเมอเพมขนาดพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนใหสงขน 30% แสดงไดดงรปท 4.13 พบวาเมอคาพารามเตอรของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนมการเปลยนแปลงตวควบคมพไอยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได และกระแสอนพต iL1 มคาประมาณ 34.87 A ซงคากระแสอนพตทงสามกรณมคาใกลเคยงกนมาก โดยทงกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตมการเปลยนแปลงสลบกบกรณกอนหนานคอ มการกระเพอมของทงกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตลดลง เนองจากขนาดของคาพารามเตอรมขนาดเพมขน ทงนการลดหรอเพมขนาดของพารามเตอรภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ตว

67

ควบคมพไอทไดท าการออกแบบอยางงาย โดยอางองการออกแบบตวควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมเปนพนฐาน สามารถน ามาประยกตใชงานเพอควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนไดอยางมประสทธผล

0 5 10 150

10

20

30

40

0 5 10 150

100

200

300

400

500

Time (s)

)(1 AiL

)(VVO

14.5001 14.50015 14.5002399.5

399.75

400

400.25

400.5

14.5001 14.50015 14.500234.82

34.84

34.86

34.88

34.9

รปท 4.13 ผลการจ าลองสถานการณเมอเพมขนาดของพารามเตอรขน 30 %

4.4 สรป ในบทนไดน าเสนอการออกแบบตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ซงไดอาศยหลกการออกแบบตวควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบด งเดมเปนพนฐาน เพอตรวจสอบถงสมรรถนะการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอใชงานรวมกบตวควบคมพไอทท าการออกแบบ ใชการจ าลองสถานการณในสภาวะตาง ๆ เชน เมอคาแรงดนอนพตมการเปลยนแปลง โหลดตวตานทานเกดการเปลยนแปลง และคาพารามเตอรภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนมการเปลยนแปลง ผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวาการท างานของตวควบคมพไอทไดท าการออกแบบมานน สามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได แมวงจรมการเปลยนแปลงตามสภาวะตาง ๆ การท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนรวมกบตวควบคมพไอนนยงสามารถท าตามเงอนไขได คอควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc

บทท 5 การสรางชดทดสอบ

5.1 บทน า จากบทท 3 และบทท 4 ไดน าเสนอการวเคราะหหลกการท างาน และการออกแบบตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน รวมถงผลการจ าลองสถานการณการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนในสภาวะตาง ๆ เพอยนยนสมรรถนะของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนทสามารถเพมอตราขยายแรงดนไดสง 20 เทา รวมถงผลการจ าลองสถานการณเมอควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ท าใหสามารถยนยนไดวาพารามเตอรของตวควบคมพไอทไดออกแบบน นสามารถน าไปประยกตใชงานเพอควบคมแรงดนเอาตพตใหคงทได ดงนนในบทนจะน าเสนอการสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนส าหรบใชยนยนผลการทดสอบวามความสอดคลองใกลเคยงกบผลการจ าลองสถานการณของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยเนอหาในบทนประกอบดวย การสรางแหลงจายก าลงไฟฟาทปอนใหกบระบบ วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ตวตรวจจบกระแสอนพตรวมไปถงตวตรวจจบแรงดนเอาตพต วงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณ และการควบคมแรงดนเอาตพต

5.2 โครงสรางของชดทดสอบ โครงสรางของชดทดสอบทสรางขนสามารถแบงไดดงน สวนท 1 เปนแหลงจายก าลงไฟฟาทปอนใหกบระบบ สวนท 2 คอวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ในสวนท 3 คอตวตรวจจบ ซงมตวตรวจจบกระแสอนพต iL1 ทไหลผานตวเหนยวน า L1 และตวตรวจจบแรงดนเอาตพต VO ทตกครอมโหลดตวตานทาน R สวนท 4 เปนวงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณ และสวนท 5 เปนการควบคมแรงดนเอาตพต ซงตวควบคมทใชเปนตวควบคมพไอ ท าการประมวลผลเพอควบคมแรงดนเอาตพตผานบอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 ซงโครงสรางของชดทดสอบทสรางขนแบงเปน 5 สวนทส าคญ แสดงไดดงรปท 5.1

69

S R

OD

OC

2L1L1C

2C3C

2D3D

1D

4D

1Li OV

refV

sensor

filterC

Bridge Rectifier

Variac1 phase

Controller

optocoupler

1 2

34

5

1Li

OV

รปท 5.1 โครงสรางของชดทดสอบทใชในงานวจย

ส าหรบชดทดสอบจรงทสรางขนแสดงไดดงรปท 5.2 ส าหรบรายละเอยดในการสรางชดทดสอบ ไดน าเสนอในหวขอตาง ๆ ดงน

15

3

2

4

1.

2.

3.

4.

5. eZdspTM F28335

รปท 5.2 ชดทดสอบจรงของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

70

5.3 แหลงจายไฟฟากระแสตรง ส าหรบการทดสอบชดทดสอบนน แหลงจายไฟฟากระแสตรงทพรอมใชงานนนมขอจ ากดเรองพกดของกระแสทต า ซงสามารถจายกระแสไดไมเกน 6 A ท าใหความสามารถในการก าลงไฟฟาไมสงมาก จงจ าเปนตองสรางแหลงจายไฟฟากระแสตรงทมความสามารถในจายก าลงงานไฟฟาทสงขนเพอปอนใหกบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยการออกแบบเพอสรางแหลงจายไฟฟากระแสตรง แสดงดงรปท 5.3 ประกอบดวย หมอแปลงปรบแรงดนหนงเฟสทจายไฟฟากระแสสลบผานวงจรเรยงกระแสแบบบรดจหนงเฟสเพอท าการแปลงไฟฟากระแสสลบใหเปนไฟฟากระแสตรงกอนจะน าไปใชงานเปนแหลงจายไฟฟากระแสตรงทมแรงดนต า

filterC

Bridge Rectifier

Variac1 phase

dcV

รปท 5.3 วงจรแหลงจายไฟฟากระแสตรง

งานวจยน เลอกใชหมอแปลงปรบแรงดนหนงเฟส (variac) พกดแรงดนอยในชวง 0 - 250 Vrms พกดกระแส 10 A เปนแหลงจายก าลงไฟฟากระแสสลบใหกบระบบ แสดงไดดงรปท 5.4

รปท 5.4 หมอแปลงปรบแรงดนหนงเฟส

71

โดยวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเปนวงจรทพฒนาขนมาส าหรบระบบทมแหลงจายแรงดนต า ประมาณ 20 Vdc จงเลอกใชวงจรเรยงกระแสแบบบรดจสามเฟส 36MT160 ทมอยในหองปฏบตการแลวน ามาประยกตใชเปนแบบเฟสเดยวตอกบหมอแปลงปรบแรงดนหนงเฟส ซงมคาพกดทสามารถรองรบการใชงานได ดงนนในงานวจยนจงเลอกใชมอดลเรยงกระแสแบบบรดจสามเฟส มพกดแรงดนไฟฟา 1600 V และพกดกระแส 35 A แสดงไดดงรปท 5.5

รปท 5.5 มอดลของวงจรเรยงกระแสแบบบรดจสามเฟส 36MT160

หลงจากไดแรงดนไฟฟากระแสตรงผานวงจรเรยงกระแสแบบบรดจสามเฟสทประยกตใชเปนแบบเฟสเดยวแลว ตอมาใชตวเกบประจกรองแรงดนไฟฟาเพอใหไดแรงดนไฟฟาทมการกระเพอมไมสงมากและใกลเคยงแรงดนไฟฟากระแสตรง โดยเลอกใชตวเกบประจทมคาพกด 400 Vdc , 2200µF แสดงไดดงรปท 5.6

รปท 5.6 ตวเกบประจทใชกรองแรงดนไฟฟากระแสตรง

72

5.4 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน การสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเพอใชส าหรบทดสอบสมรรถนะการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยการออกแบบอปกรณอเลกทรอนกสก าลงตาง ๆ ภายในวงจร ไดน าเสนอไวแลวในบทท 3 ซงโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน แสดงไดดงรปท 5.7 ประกอบดวย ตวเหนยวน า L1, L2 ตวเกบประจ C1, C2, C3, CO ไดโอดก าลง D1, D2, D3, D4, DO สวตชก าลง S และโหลดตวตานทาน R

1Li

S R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C 3C

2D 3D1D

4D

รปท 5.7 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

ส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนจะใชอปกรณสวตชก าลงทเปนลกษณะมอดล ซงจะค านงถงพกดของกระแสและแรงดนไฟฟาเปนส าคญ โดยคาพกดของกระแสทไหลผานอปกรณสวตชมคาเทากบ 10 A และคาพกดของแรงดนไฟฟาทตกครอมอปกรณสวตชมคาเทากบ 400 V ดงนนในงานวจยนจงเลอกใชมอดลของมอสเฟต IXFX80N60P3 เปนมอสเฟตทมพกดแรงดนไฟฟาเทากบ 600 V และคาพกดกระแสเทากบ 80 A มอดลของมอสเฟตดงกลาวแสดงดงรปท 5.8

S

G

D

รปท 5.8 มอดลของมอสเฟตส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

73

การเลอกตวเหนยวน า L1 และ L2 ตองค านงถงคาการกระเพอมของกระแส โดยการออกแบบคาพารามเตอรของตวเหนยวน า L1 และ L2 ไดน าเสนอไวแลวในบทท 3 ซงตวเหนยวน าทงสองทใชจะใชตวเหนยวน าทมคาเทากนคอ 15 mH ทมอยในหองปฏบตการเพอลดรายจายในการซอตวเหนยวน าทมราคาคอนขางสง ทงนไดท าการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอท าการเปลยนคาตวเหนยวน าทงสองเปน 15 mH ปรากฏวาการกระเพอมของกระแสทไหลผานตวเหนยวน าทงสองมคาลดลง ตวเหนยวน าทใชแสดงดงรปท 5.9 โดยมขนาด 15 mH พกดกระแส 10 A พกดแรงดน 500 V

รปท 5.9 ตวเหนยวน าส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

ส าหรบการเลอกตวเกบประจ C1, C2, C3 และ CO ไดท าการออกแบบคาพารามเตอรของตวเกบประจตวตาง ๆ ซงน าเสนอไวแลวในบทท 3 เชนกน โดยมการเปลยนขนาดของตวเกบประจใหมขนาดความใกลเคยงกบตวเกบประจทมขายทวไป ซงตวเกบประจ C1, C2 ทใชมคาเทากนทพกด 100 µF, 400 V สวนตวเกบประจ C3 ใชทพกด 150 µF, 400 V และตวเกบประจ CO เลอกใชทพกด 100 µF, 450 V ทงนไดท าการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเมอเปลยนคาตวเกบประจตามทระบไว ซงวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนสามารถท างานไดตามปกต ตวเกบประจตาง ๆ ทใช แสดงดงรปท 5.10

รปท 5.10 ตวเกบประจตาง ๆ ส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

74

การเลอกไดโอดก าลง D1, D2, D3, D4 และ DO นนในชดทดสอบจะใชไดโอดก าลงเบอรเดยวกนทงหมด ไดโอดก าลงทเลอกใชเบอร RURP3060 มคาพกดกระแส 30 A และพกดแรงดน 600 V เปนไดโอดก าลงทมการฟนฟยอนกลบเรวมาก (Ultrafast Diode) โดยเวลาฟนตวยอนกลบ (reverse recovery time) อยท 60 ns ชวยใหมกระแสไฟฟาไหลยอนกลบทเกดขนในชวงทายของการไบอสตรงเพยงระยะเวลาสน ๆ ซงไดโอดก าลงเบอรดงกลาวนนมคณสมบตเพยงพอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ไดโอดก าลงทใชส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน แสดงดงรปท 5.11

รปท 5.11 ไดโอดก าลงทใชส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

สวนสดทายของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนคอ โหลดตวตานทาน ซงงานวจยนจะใชคาโหลดตวตานทานทอยในชวง 2500 - 2000 Ω เพอก าหนดใหกระแสอนพตมคาไมเกน 10 A เนองจากหมอแปลงปรบแรงดนหนงเฟส (variac) มคาพกดการจายกระแสสงสดท 10 A ดงนนจงเลอกใชคาโหลดตวตานทานดงกลาว โดยโหลดตวตานทานแสดงดงรปท 5.12

รปท 5.12 โหลดตวตานทานส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน

โดยอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเพอใชส าหรบทดสอบสมรรถนะการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน สามารถสรปเบอร ขนาดและพกดของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชสรางชดทดสอบ ดงตารางท 5.1

75

ตารางท 5.1 เบอร ขนาดและพกดของอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชสรางชดทดสอบ

อปกรณ สญลกษณ เบอร ขนาด พกด

มอสเฟต S IXFX80N60P3 - 80 A, 600 V

ตวเหนยวน า L1 , L2 - 15 mH 10 A, 500 V

ตวเกบประจ C1 , C2, - 100 µF 400 V

ตวเกบประจ C3 - 150 µF 400 V

ตวเกบประจ CO - 100 µF 450 V

ไดโอด D1, D2, D3, D4 , DO RURP3060 - 30 A,600 V

โหลดตวตานทาน R - 2000 - 2500 Ω 120 W

5.5 วงจรตรวจจบสญญาณ วงจรตรวจจบสญญาณสรางขนส าหรบตรวจจบสญญาณซงจะถกสงไปประมวลผลยงชดควบคมเพอสรางสญญาณพลสส าหรบควบคมการท างานของสวตชก าลง โดยในงานวจยนใชตวตรวจจบสญญาณ 2 ตว คอ ตวตรวจจบกระแสอนพต iL1 ทไหลผานตวเหนยวน า L1 และตวตรวจจบแรงดนเอาตพต VO

5.5.1 ตวตรวจจบกระแส ตวตรวจจบกระแสทไหลผานตวเหนยวน า L1 เลอกใชตวตรวจจบกระแสเบอร HX 15-P มพกดการวดกระแส 15 A โดยงานวจยนใชกระแสอนพตไมเกน 10 A ซงตวตรวจจบกระแสทเลอกใชมความสามารถเพยงพอ โครงสรางตวตรวจจบกระแสเบอร HX 15-P แสดงไดดงรปท 5.13

1234

5

6HX 15-P

-15 V0 V

+15 VOutput

Input current (+)

Input current (-)

รปท 5.13 โครงสรางตวตรวจจบกระแสเบอร HX 15-P

76

การปรบเทยบตวตรวจจบกระแสนน ท าการสรางวงจรไฟฟาขนมาแสดงดงรปท 5.14 เพอหาความสมพนธของกระแส Iin ทไหลผานตวตรวจจบกระแส โดยวดแรงดนไฟฟาทไดจากตวตรวจจบกระแส VO(sensor) เพอน าไปสรางเปนสมการเสนตรงตอไป

currentsensor

inV RinI

)(sensorOV

รปท 5.14 วงจรทดสอบเพอสรางหาความสมพนธสมการเสนตรงของตวตรวจจบกระแส

ตารางท 5.2 ตารางการทดสอบวงจรตวตรวจจบกระแสไฟฟา Iin (A) VO(sensor) (V)

ครงท 1 ครงท 2 ครงท 3 เฉลย ครงท 1 ครงท 2 ครงท 3 เฉลย 0 0 0 0 0 0 0 0

0.489 0.501 0.522 0.504 0.129 0.132 0.138 0.133 0.975 0.996 1.033 1.001 0.258 0.264 0.274 0.265

1.469 1.530 1.517 1.505 0.390 0.406 0.403 0.400

1.989 2.077 2.036 2.034 0.529 0.552 0.541 0.541 2.551 2.544 2.488 2.527 0.678 0.676 0.662 0.672

2.977 3.084 3.069 3.043 0.792 0.820 0.816 0.809 3.552 3.517 3.522 3.530 0.945 0.936 0.937 0.939

4.011 3.899 4.102 4.004 1.067 1.037 1.092 1.065 4.561 4.517 4.529 4.536 1.214 1.202 1.205 1.207

5.088 5.023 5.062 5.058 1.354 1.337 1.347 1.346

5.571 5.489 5.496 5.519 1.483 1.461 1.463 1.469 6.024 5.955 5.987 5.989 1.604 1.585 1.594 1.594

6.518 6.570 6.512 6.533 1.735 1.749 1.734 1.739 7.029 7.098 7.056 7.061 1.871 1.889 1.878 1.879

7.480 7.523 7.561 7.521 1.991 2.003 2.013 2.002

8.090 7.960 8.054 8.035 2.154 2.119 2.144 2.139 8.515 8.569 8.449 8.511 2.267 2.282 2.250 2.266

9.112 8.996 9.005 9.038 2.426 2.395 2.398 2.406

77

ขนตอนการทดสอบนน ท าการปรบแรงดนอนพต Vin เพอใหกระแสทไหลในวงจรเพมขน โดยก าหนดโหลดตวตานทานเปน 20 Ω ซงผลการทดสอบแสดงไดดงตารางท 5.2 จากตารางท 5.2 สามารถน ามาสรางกราฟความสมพนธระหวางกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตของตวตรวจจบ แสดงไดดงรปท 5.15

Iin (A)

VO(sensor) (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

รปท 5.15 กราฟแสดงความสมพนธระหวางกระแสอนพตกบแรงดนเอาตพตของตวตรวจจบ

จากรปท 5.15 สามารถหาสมการเสนตรงของความสมพนธระหวางกระแสอนพตกบแรงดนเอาตพตของตวตรวจจบ แสดงไดดงน

Iin=3.7536 VO(sensor) + 0.0049 (5.1) 5.5.2 ตวตรวจจบแรงดน ส าหรบตวตรวจจบแรงดนเอาตพต เลอกใชตวตรวจจบแรงดนเบอร LV 25-P มพกดแรงดน 500 V โดยงานวจยนมแรงดนเอาตพตประมาณ 400 V ซงตวตรวจจบแรงดนดงกลาวมความคณสมบตเพยงพอในการตรวจจบแรงดน ทอยในชวง 0 – 500 V โครงสรางตวตรวจจบแรงดนเบอร LV 25-P แสดงไดดงรปท 5.16

78

LV 25-P

-15 V+15 V

Input

M + -

+HT -HT

GND Vo

+-

voltage(+)

Inputvoltage

(-)

Rm

R1

รปท 5.16 โครงสรางตวตรวจจบแรงดนเบอร LV 25-P

จากนนท าการออกแบบคา R1 ซงอยทางดานอนพต เพอไมใหกระแสทางดานอนพตไหลเกน 10 mA เมอพจารณาแรงดนอนพตเทากบ 500 V การออกแบบ R1 ดงสมการ (5.2)

k

A

VR 50

1010

5001

3 (5.2)

สวนการออกแบบคา Rm ซงอยทางดานเอาตพต เพอปรบแรงดนของสญญาณอนาลอกทจะเขาบอรดไมโครคอนโทรลเลอร ใหมคาไมเกน 3 V โดยกระแสทางดานเอาตพตมคา 25 mA การออกแบบ Rm ดงสมการ (5.3)

120

1025

33 A

VRm

(5.3)

ส าหรบการใชงานตวตรวจจบแรงดนนนท าเชนเดยวกบตวตรวจจบกระแส คอสรางวงจรไฟฟาขนมาแสดงดงรปท 5.17 เพอหาความสมพนธของแรงดนอนพต Vin กบแรงดนไฟฟาทวดไดจากตวตรวจจบกระแส VO(sensor) เพอน าไปสรางเปนสมการเสนตรง

voltagesensorinV

)(sensorOVR

รปท 5.17 วงจรทดสอบเพอสรางความสมพนธสมการเสนตรงของตวตรวจจบแรงดน

79

ข นตอนการทดสอบน น ท าการปรบแรงดนอนพต Vin จาก 30 V - 500 V เพอหาความสมพนธของแรงดนไฟฟาทไดจากตวตรวจจบแรงดนไฟฟา ซงผลการทดสอบแสดงไดดงตารางท 5.3

ตารางท 5.3 ตารางการทดสอบวงจรตวตรวจจบแรงดนไฟฟา Vin (V) VO(sensor) (V)

ครงท 1 ครงท 2 ครงท 3 เฉลย ครงท 1 ครงท 2 ครงท 3 เฉลย 0 0 0 0 0 0 0 0

32.41 29.87 31.14 31.14 0.191 0.176 0.184 0.184 60.56 60.77 60.12 60.48 0.355 0.356 0.352 0.354 89.68 89.90 90.32 89.97 0.525 0.526 0.528 0.526 120.34 120.59 119.89 120.27 0.703 0.705 0.700 0.703 150.71 150.87 150.23 150.60 0.880 0.881 0.877 0.879 180.34 180.80 181.31 180.82 1.052 1.055 1.058 1.055 208.97 209.91 210.24 209.71 1.219 1.225 1.227 1.224 240.24 240.45 239.89 240.19 1.401 1.403 1.399 1.401 270.68 270.89 270.86 270.81 1.579 1.580 1.580 1.580 299.55 299.89 300.05 299.83 1.747 1.749 1.750 1.748 330.12 330.58 330.98 330.56 1.925 1.927 1.930 1.927 360.89 359.79 360.65 360.44 2.104 2.097 2.103 2.101 390.19 390.17 390.70 390.35 2.275 2.274 2.278 2.276 420.20 420.34 419.98 420.17 2.449 2.450 2.448 2.449 450.78 450.89 450.14 450.60 2.627 2.628 2.624 2.626 480.53 480.39 479.91 480.27 2.801 2.800 2.797 2.799 498.98 499.11 499.87 499.32 2.908 2.908 2.913 2.910

จากตารางท 5.3 สามารถน ามาสรางกราฟความสมพนธระหวางแรงดนอนพตและแรงดนเอาตพตของตวตรวจจบ แสดงไดดงรปท 5.18

80

Vin (V)

VO(sensor) (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

รปท 5.18 กราฟแสดงความสมพนธระหวางแรงดนอนพตกบแรงดนเอาตพตของตวตรวจจบ

จากรปท 5.18 สามารถหาสมการเสนตรงของความสมพนธระหวางแรงดนอนพตกบแรงดนเอาตพตของตวตรวจจบ แสดงไดดงน

Vin=171.715 VO(sensor) – 0.3876 (5.4)

5.6 วงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณ วงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณเปนวงจรทสรางขนเพอขยายสญญาณแรงดนเอาตพตจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอร และแยกกราวดฝงแรงดนต ากบฝงแรงดนสงออกจากกน เพอปองกนความเสยหายทอาจเกดขนกบวงจรควบคมขณะสงสญญาณขบขาเกตของสวตชก าลงใหกบวงจรก าลง หลงจากได รบสญญาณ PWM ท ไดจากการประมวลผลของบอ รดไมโครคอนโทรลเลอรส าหรบใชในการควบคมการท างานของสวตชก าลงเพอใหไดแรงดนเอาตพตตามตองการ จะตดปญหาทท าใหสวตชก าลงไมท างานคอ แรงดน เอาตพตของบอรดไมโครคอนโทรลเลอรมคาแรงดนต าไมเพยงพอในการขบขาเกตของสวตชก าลงใหท างาน ดงนนจงจ าเปนตองมวงจรทสามารถขยายสญญาณแรงดนเอาตพตจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอรเพอใหสวตชก าลงในวงจรสามารถท างานได

81

วงจรแยกโดดแบบขยายสญญาณใชไอซออปโตเบอร PC923L เปนวงจรแยกโดดทมการขยายสญญาณในตววงจร โดยในงานวจยนสวตชก าลงทเลอกใชตองการสญญาณขนาด 13 V เพอขบใหขาเกตของสวตชก าลงท างาน โครงสรางของไอซออปโตเบอร PC923L แสดงดงรปท 5.19 ส าหรบการใชงานวงจรแยกโดดแบบขยายสญญาณ ตอวงจรตามรปท 5.20

รปท 5.19 โครงสรางของไอซออปโตเบอร PC923L

Inte

rface

Tr1

Tr2

1

2

3

4 5

6

7

8

Vcc GND OUTPUTGND PWM(Controller)

Microcontroller Power

PC923L

100 Ω

47 Ω

รปท 5.20 การตอวงจรของวงจรแยกโดดแบบขยายสญญาณ

5.7 การควบคมแรงดนเอาตพต ส าหรบการควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ในงานวจย นจะใชตวควบคมพ ไอโดย เ ลอกใชบอ รดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 ส าหรบค านวณประมวลผลเพอสรางสญญาณ PWM ทใชในการควบคมแรงดนเอาตพต บอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 แสดงไดดงรปท 5.21

82

รปท 5.21 บอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335

5.7.1 การโปรแกรมดวยบอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 การเขยนโคดโปรแกรมส าหรบควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟาทพฒนาขน อาศยบอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 ใชภาษาซในการเขยนโคดโปรแกรม การเขยนโปรแกรมสามารถแสดงเปนบลอกไดอะแกรม ดงรปท 5.22

DSP

DSP

CPU Timer

EVA (PWM)

ADC

ADC

PWM

PWM

รปท 5.22 ไดอะแกรมการเขยนโปรแกรมของตวควบคม

83

จากไดอะแกรมล าดบขนตอนการท างานของโปรแกรมภาษาซในรปท 5.22 จะอธบายการเขยนโปรแกรมเพยงสวนทส าคญเทานน เนองจากโปรแกรมบางอยางเปนเพยงคาเรมตนของการประกาศใชฟงกชน

โปรแกรมภาษาซส าหรบอานคาและค านวณคาดจตอลทไดจากการแปลง ADC ของแรงดนเอาตพต VO และกระแสอนพต iL1 แสดงการเขยนโปรแกรมไดดงน

Vadc_a0 = AdcMirror.ADCRESULT0; // อานคาดจตอลทไดจากการแปลง ADC ของแรงดน Iadc_a1 = AdcMirror.ADCRESULT1; // อานคาดจตอลทไดจากการแปลง ADC ของกระแส V_dc = 171.715*(Vadc_a0*0.000732601)-0.3876; // ค านวณแรงดนในรปสญญาณดจตอล I_dc = 3.7536*(Iadc_a1*0.000732601)+0.0049; // ค านวณกระแสในรปสญญาณดจตอล

จากนนน าคาแรงดนและกระแสทถกแปลงใหเปนสญญาณดจตอลไปค านวณเพอหาตวควบคมพไอในลปแรงดนและกระแส สามารถเขยนโปรแกรมแสดงดงน

// PI controller for voltage loop // errorv = Vref-V_dc; // ค านวณคาความผดพลาดของแรงดน Upv=0.003125*errorv; // ค านวณคา Upv จากตวควบคมแบบพไอ Uiv=0.09766*Ts*errorv + Uiv_1; // ค านวณคา Uiv จากตวควบคมแบบพไอ UV=Upv+Uiv; // เอาตพตของลปแรงดน ส าหรบเปนอนพตของลปกระแส Uiv_1=Uiv; // คา Uiv_1 ส าหรบใชค านวณ Uiv ในรอบใหม

// PI controller for current loop // errori = UV-I_dc; // ค านวณคาความผดพลาดของกระแส Upc=4.6875*errori; // ค านวณคา Upc จากตวควบคมแบบพไอ Uic=7327.22*Ts*errori + Uic_1; // ค านวณคา Uic จากตวควบคมแบบพไอ UC=Upc+Uic; // เอาตพตของลปกระแส ส าหรบเปนสญญาณอางองในการ เปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยม Uic_1=Uic; // คา Uic_1 ส าหรบใชค านวณ Uic ในรอบใหม

หลงจากไดสญญาณอางองจากตวควบคมพไอ ตอมาน าสญญาณอางองนนไปเปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยมจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอร จะไดสญญาณ PWM ส าหรบสงใหสวตชก าลงท างาน สามารถเขยนโปรแกรมแสดงดงน

84

U_ref_P = (-UC*1.831)+3750; // เปลยนคา U_ref_P ส าหรบเปรยบเทยบเพอสรางสญญาณ PWM if(U_ref_P<=750)U_ref_P=750;; // เปรยบเทยบสญญาณอางองเพอสรางสญญาณ PWM โดย ก าหนดใหคาวฎจกรหนาทมคาไมเกน 0.8 EPwm2Regs.CMPA.half.CMPA = U_ref_P; // อพเดท ePWM2A, ePWM2B เพอสงสญญาณ PWM ออกจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอร

5.8 สรป เนอหาในบทท 5 น าเสนอการสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน เรมตงแตการสรางแหลงจายไฟฟากระแสตรง การเลอกอปกรณอเลกทรอนกสส าหรบสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน การเลอกและใชงานตวตรวจจบทงกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตรวมถงการสรางตวควบคมพไอเพอสรางสญญาณ PWM จากบอรดไมโครคอนโทรลเลอร และสรางวงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณเพอขยายสญญาณจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอร ในบทท 6 จะน าเสนอการเปรยบเทยบระหวางผลจากชดทดสอบกบผลการจ าลองสถานการณ ณ จดท างานตาง ๆ

บทท 6 ผลการทดสอบ

6.1 บทน า จากบททผานมาไดน าเสนอการสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน เรมตงแตการสรางแหลงจายก าลงไฟฟาทปอนใหกบระบบ การเลอกอปกรณอเลกทรอนกสก าลงทใชสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน การเลอกตวตรวจจบกระแสอนพตและตวตรวจจบแรงดนเอาตพต การสรางและใชงานวงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณเพอขยายสญญาณทออกจากบอรดไมโครคอนโทรเลอร รวมถงการควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc โดยใชตวควบคมจากการออกแบบตวควบคมพไออยางงาย และเพอยนยนประสทธผลของชดทดสอบทสรางขน ในบทท 6 น จะน าเสนอผลการจ าลองสถานการณเปรยบเทยบกบผลการทดสอบจากชดทดสอบทสรางขน ณ จดการท างานตาง ๆ โดยแบงเปน 2 กรณ ดงน การทดสอบชดทดสอบขณะทไมมตวควบคม และการทดสอบชดทดสอบขณะใชตวควบคมพไอเพอควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ท งนการเปรยบเทยบผลการจ าลองสถานการณกบผลการทดสอบจากชดทดสอบ จะท าการเปรยบเทยบภายใตสภาวะการท างาน ณ จดท างานเดยวกน ผลการทดสอบชดทดสอบ ณ จดการท างานตาง ๆ มรายละเอยดดงตอไปน

6.2 การทดสอบชดทดสอบทสรางขน การทดสอบชดทดสอบทสรางขนนนจะท าการทดสอบแบงเปน 2 กรณ คอ กรณแรกชดทดสอบท างานโดยไมมตวควบคม ซงทดสอบโดยการปรบเปลยนคาวฏจกรหนาท เพอสงเกตผลตอบสนองทไดจากชดทดสอบเมอชดทดสอบท างานทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ และกรณทสองชดทดสอบท างานรวมกบตวควบคมพไอ เพอควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ซงตวควบคมพไอทไดท าการออกแบบอยางงายแสดงใหเหนถงสมรรถนะในท างานรวมกบชดทดสอบจรงไดอยางมประสทธผล อกทงยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตตามตองการได ส าหรบการทดสอบชดสอบทสรางขน แสดงไดดงรปท 6.1 ซงผลจากชดทดสอบทงสองกรณจะถกน ามาเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณทสภาวะการท างาน ณ จดท างานเดยวกน ทงนการทดสอบชดทดสอบขณะไมมตวควบคม และขณะมตวควบคม สามารถแสดงรายละเอยด ไดดงตอไปน

86

รปท 6.1 การทดสอบชดทดสอบทสรางขน

6.3 ผลทดสอบชดทดสอบกรณไมมตวควบคม การทดสอบชดทดสอบกรณไมมตวควบคม จะใชบอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 เพอสรางสญญาณพลสทคาวฏจกรหนาทตาง ๆ ตามตองการ โดยสญญาณพลสทสรางขนดวยบอรดไมโครคอนโทรลเลอรแสดงดงรปท 6.2 ซงรปดงกลาวแสดงสญญาณพลสทคาวฏจกรหนาท 0.3, 0.5 และ 0.7 ทความถ 20 kHz สญญาณพลสดงกลาวเปนสญญาณทผานวงจรขยายแรงดนแบบแยกโดดสญญาณแลว ท าใหสญญาณมขนาด 13 V เพอขบขาเกตของสวตชก าลงภายในชดทดสอบ ท งนผลการทดสอบชดทดสอบและผลการจ าลองสถานการณเพอเปรยบเทยบผลการตอบสนองของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต จะใชคาพารามเตอรเหมอนกนทงหมด คาพารามเตอรทใชแสดงดงตารางท 6.1 จากนนท าการเปรยบเทยบประสทธภาพของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนระหวางผลจากชดทดสอบและผลการจ าลองสถานการณ นอกจากนไดน าผลการค านวณจากการวเคราะหการท างานของวงจรมาเปรยบเทยบดวย โดยสมการทใชค านวณหาแรงดนเอาตพต และกระแสอนพต แสดงไดดงสมการ (6.1) และ (6.2) ตามล าดบ

21

2

D

VV in

O

(6.1)

จากสมการหาประสทธภาพของวงจร outin PP สามารถหากระแสอนพตไดดงน

in

OL

VR

Vi

2

1

(6.2)

87

D = 0.3

D = 0.5

D = 0.7

T = 50µs f = 1/50µs = 20 kHz

T = 50µs f = 1/50µs = 20 kHz

T = 50µs f = 1/50µs = 20 kHz

13 V

13 V

13 V

รปท 6.2 สญญาณพลสทคาวฏจกรหนาท 0.3, 0.5 และ 0.7

ตารางท 6.1 คาพารามเตอรส าหรบชดทดสอบและการจ าลองสถานการณ สญลกษณ พารามเตอร ขนาด

Vin แรงดนอนพต 20 V

L1 , L2 ตวเหนยวน า 15 mH

C1 , C2 , CO ตวเกบประจ 100 µF

C3 ตวเกบประจ 150 µF

R โหลดตวตานทาน 500 Ω

fsw ความถสวตช 20 kHz

88

การทดสอบชดทดสอบกรณไมมตวควบคม แสดงไดดงรปท 6.3

S R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C3C

2D3D1D

4D

eZdspTMF28335

1Li

Microcontroller

OV

รปท 6.3 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน กรณไมมตวควบคม

การทดสอบชดทดสอบกรณไมมตวควบคม จะท าการทดสอบเรมตงแตกรณทชดทดสอบยงไมไดรบสญญาณพลส จากนนจายสญญาณพลสใหชดทดสอบท างานทคาวฏจกรหนาท 0.25 ผลการทดสอบชดทดสอบ แสดงไดดงรปท 6.4 พบวาชวงเวลาทชดทดสอบยงไมรบสญญาณพลสชดทดสอบจะเปรยบเสมอนโหลดตวตานทานดงนนแรงดนเอาตพตทตกครอมจะมขนาดใกลเคยงกบแรงดนอนพต คอประมาณ 20 V และเมอชดทดสอบเรมท างานจะไมมการพงเกนของแรงดนเอาตพตในสภาวะชวคร ในขณะทสภาวะคงตวมแรงดนเอาตพตประมาณ 67.6 V กระแสอนพตทสภาวะชวครมการพงเกนไปท 3 A กอนจะเขาสสภาวะคงตว โดยกระแสอนพตทสภาวะคงตวมคาประมาณ 0.55 A จากนนขยายรปสญญาณของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต แสดงไดดงรปท 6.5 จากรปจะสงเกตเหนวาชวงเวลาทกระแสอนพตไหลผานตวเหนยวน า L1 มชวงเวลาทสวตชก าลงท างาน (DT) ประมาณ 25% ของชวงเวลาทงหมด (T) โดยพฤตกรรมการท างานของสวตชก าลงตรงกบคาวฏจกรหนาท ทก าหนดไวขางตนนนเอง

89

Vo = 67.6 V

iin = 0.55 A

Vo = 20.0 V

Switch off D = 0.25

iin = 0.07 A

รปท 6.4 ผลการทดสอบชดทดสอบทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0 เปน 0.25

Vo

iinDT

T

25%

รปท 6.5 สญญาณแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต ทคาวฏจกรหนาท 0.25

ท าการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยใชคาพารามเตอรของวงจรดงตารางท 6.1 ผลการจ าลองสถานการณของวงจร แสดงดงรปท 6.6 พบวาชวงแรกวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนยงไมไดรบสญญาณพลส วงจรจะเปรยบเสมอนโหลดตวตานทาน ดงนนแรงดนเอาตพตทตกครอมจะมขนาดเทากบแรงดนอนพต คอประมาณ 20 V จากนนจายสญญาณพลสใหวงจรท างานทคาวฏจกรหนาท 0.25 พบวาแรงดนเอาตพตมการพงเกนในสภาวะชวครกอนเขาสสภาวะคงตว ซงทสภาวะคงตวแรงดนเอาตพตมคาประมาณ 73.0 V

90

รปท 6.7 แสดงคากระแสอนพต พบวากระแสอนพตมการพงเกนของกระแสในสภาวะชวครกอนเขาสสภาวะคงตวเชนเดยวกบแรงดนเอาตพต โดยกระแสอนพตทสภาวะคงตวมคาประมาณ 0.71 A ซงผลจากชดทดสอบและผลจากการจ าลองสถานการณมแนวโนมใกลเคยงกน

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.80

20

40

60

80

100

120

140

Time (s)

Vo (

V)

D = 0 D = 0.25

Vo = 73.0 V

Vo = 20 V

รปท 6.6 ผลการจ าลองสถานการณแรงดนเอาตพต ทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0 เปน 0.25

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Time (s)

Iin (

A)

iin = 0.71 A

1.703 1.70305 1.70310.68

0.7

0.72

0.74

D = 0 D = 0.25

iin = 0.11 A

รปท 6.7 ผลการจ าลองสถานการณกระแสอนพต ทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0 เปน 0.25

91

จากนนท าการทดสอบชดทดสอบ โดยเพมคาวฏจกรหนาทจาก 0.35 เปน 0.40 ซงรปท 6.8 แสดงผลของชดทดสอบทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.35 เปน 0.40 ซงสงเกตวาเมอคาวฏจกรหนาทเพมขนแรงดนเอาตพตจะเพมขน โดยแรงดนเอาตพตทสภาวะคงตวมคาประมาณ 106.2 V สวนคากระแสอนพตเมอคาวฏจกรหนาทเพมขน จะเกดการพงเกนของกระแสเกดขนเลกนอยกอนเขาสสภาวะคงตว กระแสอนพตในสภาวะคงตวมคาประมาณ 1.38 A จากนนท าการขยายรปสญญาณเพอสงเกตการกระเพอมของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต แสดงดงรป 6.9 พบวาชวงเวลาทกระแสอนพตไหลผานตวเหนยวน า L1 มชวงเวลาทสวตชก าลงท างาน ประมาณ 40% ซงพฤตกรรมการท างานของสวตชก าลงดงกลาว ตรงกบคาวฏจกรหนาท ทก าหนดไวขางตน คอ 0.40

Vo = 106.2 V

iin = 1.38 Aiin = 1.01 A

Vo = 92.2 V

D = 0.35 D = 0.40

รปท 6.8 ผลการทดสอบชดทดสอบทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.35 เปน 0.40

Vo

iin

DTT

40 %

รปท 6.9 สญญาณแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต ทคาวฏจกรหนาท 0.40

92

ผลการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยเพมคาวฏจกรหนาทจาก 0.35 เปน 0.40 แสดงไดดงรปท 6.10 จะพบวาในสภาวะชวครมการพงเกนของแรงดนเอาตพตเกดขนเลกนอยกอนเขาสสภาวะคงตว ซงทสภาวะคงตวแรงดนเอาตพตมคาประมาณ 111.0 V สวนกระแสอนพต แสดงดงรปท 6.11 สงเกตเหนวาเมอคาวฏจกรหนาทเพมขน กระแสอนพตจะมการพงเกนเกดขนในสภาวะชวครกอนเขาสสภาวะคงตวเชนเดยวกบแรงดนเอาตพต โดยกระแสอนพตทสภาวะคงตวมคาประมาณ 1.75 A ซงผลจากชดทดสอบและผลจากการจ าลองสถานการณทมแนวโนมใกลเคยงกน

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.80

20

40

60

80

100

120

140

Time (s)

Vo (

V)

Vo = 111.0 V

D = 0.35 D = 0.40

Vo = 97.6 V

รปท 6.10 ผลการจ าลองสถานการณแรงดนเอาตพต ทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.35 เปน 0.40

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-4

-2

0

2

4

6

8

10

Time (s)

Iin (

A)

iin = 1.75 A

1.703 1.7031 1.70311.72

1.74

1.76

1.78

D = 0.35 D = 0.40

iin = 1.35 A

รปท 6.11 ผลการจ าลองสถานการณกระแสอนพต ทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.35 เปน 0.40

93

เ มอท าการทดสอบชดทดสอบ โดยเพมคาว ฏจกรหนาทจาก 0.45 เปน 0.50 พบวาผลตอบสนองของแรงดนเอาตพตทสภาวะคงตวมคาประมาณ 140.5 V แสดงดงรปท 6.12 สวนคากระแสอนพตจะเกดการพงเกนของกระแสเกดขนเลกนอยกอนเขาสสภาวะคงตว โดยกระแสอนพตในสภาวะคงตวมคาประมาณ 2.78 A ท าการขยายรปสญญาณของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต เพอสงเกตการกระเพอมของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต แสดงไดดงรป 6.13 สงเกตเหนวาชวงเวลาทกระแสอนพตไหลผานตวเหนยวน า L1 มชวงเวลาทสวตชก าลงท างาน ประมาณ 50% ซงชวงเวลาการท างานของสวตชก าลงมคาใกลเคยงกบคาวฏจกรหนาท คอ 0.50 เชนเดยวกน

Vo = 140.5 V

iin = 2.78 A

D = 0.45 D = 0.50

Vo = 125.3 V

iin = 1.96 A

รปท 6.12 ผลการทดสอบชดทดสอบทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.45 เปน 0.50

Vo

iinDT

T

50 %

รปท 6.13 สญญาณแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต ทคาวฏจกรหนาท 0.50

94

ท าการจ าลองสถานการณวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน โดยเพมคาวฏจกรหนาทจาก 0.45 เปน 0.50 ผลตอบสนองของแรงดนเอาตพต แสดงไดดงรปท 6.14 พบวาแรงดนเอาตพตทสภาวะชวครมการพงเกนเกดขนกอนเขาสสภาวะคงตว ซงทสภาวะคงตวแรงดนเอาตพตมคาประมาณ 159.7 V สวนผลตอบสนองของกระแสอนพต แสดงดงรปท 6.15 สงเกตเหนวากระแสอนพตจะมการพงเกนเกดขนในสภาวะชวครเชนกนกอนจะเขาสสภาวะคงตว โดยกระแสอนพตทสภาวะคงตวมคาประมาณ 3.67 A ซงผลจากชดทดสอบและผลจากการจ าลองสถานการณยงมแนวโนมใกลเคยงกน

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.80

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Time (s)

Vo (

V)

Vo = 159.7 V

D = 0.45 D = 0.50

Vo = 136.8 V

รปท 6.14 ผลการจ าลองสถานการณแรงดนเอาตพต ทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.45 เปน 0.50

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-4

-2

0

2

4

6

8

10

Time (s)

Iin (

A)

iin = 3.67 A

1.703 1.7031 1.70313.64

3.68

3.72

D = 0.45 D = 0.50

iin = 2.69 A

รปท 6.15 ผลการจ าลองสถานการณกระแสอนพต ทคาวฏจกรหนาทเพมจาก 0.45 เปน 0.50

95

จากนนท าการเปรยบเทยบคาแรงดนเอาตพต ระหวางผลการค านวณแรงดนเอาตพตดงสมการ (6.1) ผลการจ าลองสถานการณและผลการทดสอบ แสดงไดดงตารางท 6.2 และท าการพลอตกราฟเปรยบเทยบ แสดงไดดงรปท 6.16 พบวาผลทไดจากการทดสอบ ผลจากการจ าลองสถานการณ และจากผลการค านวณตามทฤษฎมความใกลเคยงกน

ตารางท 6.2 การเปรยบเทยบคาแรงดนเอาตพต ระหวางผลจากการค านวณ ผลการจ าลองสถานการณและผลการทดสอบ

คาวฏจกรหนาท (D) แรงดนเอาตพต (V)

ผลจากการค านวณ ผลการจ าลองสถานการณ

ผลการทดสอบ

0.25 71.1 73.0 67.6 0.30 81.6 81.5 81.6 0.35 94.7 97.6 92.2 0.40 111.1 111.0 106.2 0.45 132.2 136.8 125.3 0.50 160.0 159.7 140.5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

20

40

60

80

100

120

140

160

Duty cycle (D)

Vo (

V)

รปท 6.16 การเปรยบเทยบคาแรงดนเอาตพต ระหวางผลจากการค านวณผลการจ าลองสถานการณและผลการทดสอบ

96

ส าหรบการเปรยบเทยบคากระแสอนพตและคาประสทธภาพ แสดงไดดงตารางท 6.3 พบวาผลตอบสนองของกระแสอนพตทไดจากชดทดสอบเปนโหมดการท างานแบบตอเนอง (CCM) และเมอสงเกตผลของชดทดสอบทคาวฏจกรหนาทสงขนกระแสอนพตจะมความคลาดเคลอนเพมขนเมอเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณ ซงอาจเกดจากคาพารามเตอรทมคาไมเปนอดมคต ในสวนของการวดก าลงงานอนพตและก าลงงานเอาตพตเพอหาประสทธภาพของชดทดสอบ พบวาคาประสทธภาพของชดทดสอบมากกวาคาประสทธภาพของผลการจ าลองสถานการณ ซงอาจเกดจากการคลาดเคลอนของกระแสอนพตและแรงดนเอาตพตของชดทดสอบ แตเมอคาวฏจกรการท างานสงขน ประสทธภาพของผลการทดสอบและผลการจ าลองสถานการณจะมแนวโนมลดลงเชนเดยวกน ท าการพลอตกราฟเปรยบเทยบกระแสอนพต แสดงดงรปท 6.17 จากรปจะสงเกตเหนการเพมขนของกระแสอนพตจากชดทดสอบเมอคาวฏจกรหนาทเพมสงขน ซงมแนวโนมการเพมขนคลายกบผลจากการค านวณกระแสอนพตดงสมการ (6.2) และผลการจ าลองสถานการณ สวนคาประสทธภาพท าการพลอตกราฟเปรยบเทยบ แสดงดงรปท 6.18 พบวาเมอคาวฏจกรหนาทสงขนจะมก าลงงานสญเสยมากขน ท าใหผลจากการจ าลองสถานการณและผลจากการทดสอบทคาวฏจกรหนาทสงขน ประสทธภาพจะคอย ๆ ลดลง ซงผลจากการจ าลองสถานการณและผลจากชดทดสอบมแนวโนมไปในทศทางเดยวกน

ตารางท 6.3 การเปรยบเทยบคากระแสอนพตและประสทธภาพ ระหวางผลจากการค านวณ ผลการจ าลองสถานการณและผลการทดสอบ

คาวฏจกรหนาท (D)

กระแสอนพต (A) ประสทธภาพ (%) ผลจากการค านวณ

ผลการจ าลองสถานการณ

ผลการทดสอบ ผลการจ าลองสถานการณ

ผลการทดสอบ

0.25 0.51 0.71 0.55 74.03 82.05 0.30 0.67 0.92 0.77 72.39 81.62 0.35 0.90 1.35 1.01 70.56 80.42 0.40 1.23 1.75 1.38 70.40 78.21 0.45 1.75 2.69 1.96 69.57 75.81 0.50 2.56 3.67 2.78 69.87 72.31

97

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Duty cycle (D)

Iin (

A)

รปท 6.17 การเปรยบเทยบคากระแสอนพต ระหวางผลจากการค านวณ ผลการจ าลองสถานการณและผลการทดสอบ

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.550

55

60

65

70

75

80

85

90

Duty cycle (D)

Eff

icie

ncy (

%)

รปท 6.18 การเปรยบเทยบคาประสทธภาพ ระหวางผลการจ าลองสถานการณและผลการทดสอบ

98

6.4 ผลทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม การทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม เพอควบคมแรงดนเอาตพตอางอง (Vref) ใหมคาคงทตามตองการ โดยใชตวควบคมแบบพไอทไดออกแบบอยางงายดงทน าเสนอไวในบทท 4ส าหรบการควบคมแรงดนเอาตพตของชดทดสอบนใชตวควบคมพไอโดยเลอกใชบอรดไมโครคอนโทรลเลอร DSP รน eZdspTMF28335 ส าหรบค านวณประมวลผลเพอสรางสญญาณ PWM เพอใชในการควบคมแรงดนเอาตพต ซงการเขยนโคดโปรแกรมส าหรบควบคมแรงดนเอาตพตของชดทดสอบใชภาษาซในการเขยนโคดโปรแกรม ทงนผลการทดสอบชดทดสอบและผลการจ าลองสถานการณเพอเปรยบเทยบผลการตอบสนองของแรงดนเอาตพตและกระแสอนพต จะใชคาพารามเตอรเหมอนกนทงหมด คาพารามเตอรทใชแสดงดงตารางท 6.4 ซงผลการทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคมท าใหมนใจไดวาตวควบคมพไอทท าการออกแบบอยางงายสามารถใชไดกบชดทดสอบจรงไดอยางมประสทธผล

ตารางท 6.4 คาพารามเตอรส าหรบชดทดสอบและการจ าลองสถานการณ สญลกษณ พารามเตอร ขนาด

Vin แรงดนอนพต 20 V

L1 , L2 ตวเหนยวน า 15 mH

C1 , C2 , CO ตวเกบประจ 100 µF

C3 ตวเกบประจ 150 µF

R โหลดตวตานทาน 2000 Ω

fsw ความถสวตช 20 kHz

โดยการทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม แสดงไดดงรปท 6.19 การทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม จะท าการทดสอบโดยปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางอง (Vref) เพมขน ครงละ 50 Vdc เรมจาก 0 Vdc ถง 400 Vdc เนองจากเมอแรงดนเอาตพตอางองเพมขน แรงดนอนพตทออกจากชดแหลงจายไฟฟากระแสตรงทสรางขนจะมการกระเพอมของแรงดนอนพตเพมสงขน สงผลใหแรงดนอนพตมคาลดลง ท าใหผวจยตองปรบแรงดนอนพตใหคงไวท 20 Vdc ตลอดชวงเวลาทท าการทดสอบ ดงนนการทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม จะท าการทดสอบโดยการเพมแรงดนเอาตพตอางองเพมขน ครงละ 50 Vdc จนกระทงถง 400 Vdc

99

1Li

S R

OD

OC

2L1L

inV

1C

2C3C

2D 3D1D

4D

Comparator

Current Loop Voltage Loop

sawtooth

OV

PI Controller

1Li

PI Controller

refV

eZdspTMF28335Microcontroller

รปท 6.19 โครงสรางวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน กรณมตวควบคม

จากนนท าการทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคม โดยปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางองเพมขน จาก 150 Vdc ไปเปน 200 Vdc ผลการทดสอบชดทดสอบ แสดงไดดงรป 6.20 พบวาตวควบคมพไอทไดออกแบบอยางงายสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 150 Vdc เปน 200 Vdc ไดอยางมประสทธผล และกระแสอนพตจะเพมสงขนเมอแรงดนเอาตพตอางองเพมขน จากนนท าการเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณ ดงรป 6.21 ซงผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวาตวควบคมพไอทไดออกแบบอยางงายสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 150 Vdc เปน 200 Vdc ได โดยกระแสอนพตมแนวโนมเพมขน เชนเดยวกบผลจากชดทดสอบ ทงนผลตอบสนองของแรงดนเอาตพตทงจากการทดสอบชดทดสอบและจากการจ าลองสถานการณ แรงดนเอาตพตไมมการพงเกนเกดขนในสภาวะชวคร ซงเปนไปตามขอก าหนดในการออกแบบตวควบคม

100

Vo = 150 VVo = 200 V

iin = 0.74 Aiin = 1.41 A

รปท 6.20 ผลการทดสอบชดทดสอบกรณควบคมแรงดนเอาตพต 150 Vdc เปน 200 Vdc

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12100

150

200

250

300

Vo (

V)

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 120

1

2

3

4

Time (s)

Iin (

A)

Vo = 150 VVo = 200 V

iin = 1.51 Aiin = 2.74 A

รปท 6.21 ผลการจ าลองสถานการณกรณควบคมแรงดนเอาตพต 150 Vdc เปน 200 Vdc

ตอมาท าการทดสอบชดทดสอบ โดยปรบเปลยนแรงดนเอาตพตจากอางองจาก 350 Vdc เพมขนเปน 400 Vdc ผลการทดสอบชดทดสอบ แสดงไดดงรป 6.22 พบวาตวควบคมพไอยงสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 350 Vdc เปน 400 Vdc ได และไมมการพงเกนของแรงดนเอาตพตเกดขน ซงเปนไปตามขอก าหนดเบองตนในการออกแบบเพอปองกนชดทดสอบทอาจเกดการเสยหายเนองจากการพงของแรงดนเกน จากนนท าการเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณ ดงรป 6.23 ผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวาตวควบคมพไอทไดออกแบบอยางงายสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 350 Vdc เปน 400 Vdc ได และไมมการพงเกนของแรงดนเอาตพตเชนเดยวกน ซงท งตอบสนองของแรงดนเอาตพตจากชดทดสอบและจากการจ าลองสถานการณมแนวโนมสอดคลองใกลเคยงกน

101

Vo = 350 V Vo = 400 V

รปท 6.22 ผลการทดสอบชดทดสอบกรณควบคมแรงดนเอาตพต 350 Vdc เปน 400 Vdc

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Time (s)

Vo (

V)

Vo = 350 VVo = 400 V

รปท 6.23 ผลการจ าลองสถานการณกรณควบคมแรงดนเอาตพต 350 Vdc เปน 400 Vdc

จากผลการทดสอบชดทดสอบทน าเสนอในขางตน ถอเปนการยนยนสมรรถนะในการเพมอตราขยายแรงดนของชดทดสอบทสรางขน ซงชดทดสอบดงกลาวสามารถเพมอตราขยายแรงดนไดสง 20 เทา จากนนท าการทดสอบชดทดสอบเพอตรวจสอบตวควบคมพไอกรณปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางองลดลง โดยท าการปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางองลดลงจาก 250 Vdc เปน 200 Vdc ผลการทดสอบชดทดสอบ แสดงไดดงรป 6.24 พบวาตวควบคมพไอสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 250 Vdc เปน 200 Vdc ได และท าการเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณ ดงรป 6.25 ซงผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวาตวควบคมพไอสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 250 Vdc เปน 200 Vdc ไดเชนเดยวกบผลจากชดทดสอบ

102

VO = 250 VVO = 200 V

รปท 6.24 ผลการทดสอบชดทดสอบกรณควบคมแรงดนเอาตพต 250 Vdc เปน 200 Vdc

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Time (s)

Vo (

V)

Vo = 250 VVo = 200 V

รปท 6.25 ผลการจ าลองสถานการณกรณควบคมแรงดนเอาตพต 250 Vdc เปน 200 Vdc

ตอมาท าการทดสอบชดทดสอบเพอตรวจสอบตวควบคมพไอกรณปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางองลดลงเชนกน โดยท าการปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางองจาก 150 Vdc ลดลงเปน 100 Vdc ผลการทดสอบชดทดสอบ แสดงไดดงรป 6.26 พบวาตวควบคมพไอทออกแบบสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 150 Vdc เปน 100 Vdc ได จากนนท าการเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณ ดงรป 6.27 ซงผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวาตวควบคมพไอสามารถควบคมแรงดนเอาตพตจาก 150 Vdc เปน 100 Vdc ไดเชนกน ทงนผลตอบสนองของแรงดนเอาตพตในกรณทปรบเปลยนแรงดนเอาตพตอางองลดลงทงจากชดทดสอบและจากการจ าลองสถานการณมแนวโนมไปในทศทางเดยวกน

103

VO = 100 VVO = 150 V

รปท 6.26 ผลการทดสอบชดทดสอบกรณควบคมแรงดนเอาตพต 150 Vdc เปน 100 Vdc

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Time (s)

Vo (

V)

Vo = 150 VVo = 100 V

รปท 6.27 ผลการจ าลองสถานการณกรณควบคมแรงดนเอาตพต 150 Vdc เปน 100 Vdc

เพอตรวจสอบสมรถนะของตวควบคมพไอทออกแบบ ท าการทดสอบชดทดสอบ โดย

ก าหนดแรงดนเอาตพตคงท ท 200 Vdc โดยมแรงดนอนพตเรมตนเปน 20 Vdc จากนนท าการเพม

แรงดนอนพตเปน 40 Vdc ผลตอบสนองของแรงดนเอาตพตจากชดทดสอบ แสดงดง รปท 6.28

พบวาการเพมแรงดนอนพตจาก 20 Vdc เปน 40 Vdc ตวควบคมพไอทออกแบบยงสามารถระดบ

แรงดนเอาตพตใหคงท ท 200 Vdc ได จากนนท าการจ าลองผลสถานการณภายใตขอก าหนดเดยวกน

ผลการจ าลองสถานการณ แสดงไดดงรป 6.29 พบวาทคาแรงดนเอาตพตคงท ท 200 Vdc เมอท าการ

เปลยนคาแรงดนอนพตในวนาทท 3 จากแรงดนอนพต 20 Vdc ใหเพมขนเปน 40 Vdc ตวควบคม

104

ยงคงรกษาระดบแรงดนเอาตพตใหอยท 200 Vdc ไดเชนกน ซงผลตอบสนองของแรงดนเอาตพต

จากชดทดสอบและการจ าลองสถานการณมคาสอดคลองใกลเคยงกน จงสามารถสรปไดวาตว

ควบคมพไอทไดออกแบบสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงทไดอยางมประสทธผล แมแรงดน

อนพตมการเปลยนแปลง

Vo = 200 V

Vin= 20 V Vin = 40 V

รปท 6.28 ผลการทดสอบการตอบสนองของแรงดนเอาตพตเมอคาแรงดนอนพตมการเปลยนแปลง

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Time (s)

Vo (

V)

Vin = 20 V Vin = 40 V

Vo = 200 V

รปท 6.29 ผลการจ าลองสถานการณการตอบสนองของแรงดนเอาตพตเมอคาแรงดนอนพตมการ

เปลยนแปลง

105

ตอมาท าการตรวจสอบสมรถนะของตวควบคมพไอทออกแบบอกวธ คอ การเปลยนแปลง

คาโหลดตวตานทาน ซงท าการทดสอบชดทดสอบ โดยก าหนดแรงดนเอาตพตคงท ท 200 Vdc

แรงดนอนพตเปน 20 Vdc และคาโหลดตวตานทานเรมตนเปน 2500 Ω จากนนคอย ๆ ลดคาโหลด

ตวตานทานจาก 2500 Ω ใหเหลอเพยง 2000 Ω ผลการตอบสนองของแรงดนเอาตพตของชดทดสอบ

แสดงดงรปท 6.30 พบวาการเปลยนแปลงคาโหลดตวตานทานจาก 2500 Ω เปน 2000 Ω ตวควบคม

พไอทออกแบบยงสามารถรกษาระดบแรงดนเอาตพตใหคงท ท 200 Vdc ไดเชนเดม จากนนท าการ

จ าลองผลสถานการณภายใตขอก าหนดเดยวกน ผลการจ าลองสถานการณ แสดงไดดงรป 6.31

พบวาเมอท าการเปลยนแปลงคาโหลดตวตานทานในวนาทท 2.5 จากโหลดตวตานทาน 2500 Ω ให

ลดลงเหลอ 2000 Ω ตวควบคมกยงสามารถรกษาระดบแรงดนเอาตพตใหคงท ท 200 Vdc ได

เชนเดยวกน ซงผลตอบสนองของแรงดนเอาตพตจากชดทดสอบและการจ าลองสถานการณมความ

สอดคลองใกลเคยงกน จงสามารถสรปไดวาตวควบคมพไอทไดออกแบบสามารถควบคมแรงดน

เอาตพตใหคงทไดอยางมประสทธผล แมคาโหลดตวตานทานจะมการเปลยนแปลง

R = 2000 Ω

Vo = 200 V

R = 2500 Ω

รปท 6.30 ผลการทดสอบการตอบสนองของแรงดนเอาตพตเมอโหลดตวตานทานมการเปลยนแปลง

106

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Time (s)

Vo (

V)

R = 2000 Ω

Vo = 200 V

R = 2500 Ω

รปท 6.31 ผลการจ าลองสถานการณการตอบสนองของแรงดนเอาตพตเมอโหลดตวตานทานมการเปลยนแปลง

6.5 สรป บทนไดน าเสนอผลการทดสอบชดทดสอบทสรางขน ซงแสดงผลการทดสอบเปรยบเทยบกบผลการจ าลองสถานการณ ในสภาวะการท างานภายใตจดการท างานเดยวกน โดยเปรยบเทยบทงกรณทชดทดสอบไมมตวควบคมและในกรณทชดทดสอบมตวควบคม ซงผลการทดสอบชดทดสอบและผลการจ าลองสถานการณมแนวโนมไปในทศทางเดยวกน โดยผลการทดสอบชดทดสอบกรณทมตวควบคมพไอทไดท าการออกแบบอยางงายแสดงใหเหนถงสมรรถนะในการควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc เมอแหลงจายแรงดนอนพตมคาเปน 20 Vdc จากนนท าการทดสอบสมรรถนะของตวควบคมพไอโดยการเปลยนแปลงคาแรงดนอนพตและเปลยนแปลงคาโหลดตวตานทาน ซงผลจากการทดสอบตวควบคมพไอทไดออกแบบนนยงสามารถท าการควบคมแรงดนเอาตพตตามขอก าหนดไดอยางมประสทธผล และเมอเปรยบเทยบผลการทดสอบชดทดสอบกรณมตวควบคมกบผลการจ าลองสถานการณพบวา ผลตอบสนองของแรงดนเอาตพตทงสองกรณมความสอดคลองใกลเคยงกนมาก จงสามารถสรปไดวาตวควบคมพไอทไดออกแบบอยางงายสามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได และชดทดสอบทสรางขนยงแสดงใหเหนถงสมรรถนะในการขยายแรงดนไดสงถง 20 เทา

บทท 7 บทสรป

7.1 สรป งานวจยนไดท าการพฒนาวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสวตชเดยวทมอตราขยายแรงดนสงส าหรบประยกตใชงานกบระบบพลงงานทดแทน ซงมแรงดนคอนขางต า โดยโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบสวตชเดยวทมอตราขยายแรงดนสงทพฒนาขน เปนการผสมผสานโครงสรางของวงจรทส าคญสองวงจรคอ วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงก าลงสอง (Conventional Quadratic Boost Converter) และวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบเซลลคณแรงดน (Voltage Multiplier Cell Boost Converter) โดยการผสมผสานโครงสรางของวงจรทงสองนน ท าใหสามารถเพมระดบแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนใหสงมากกวา 20 เทาภายใตการท างานของสวตชก าลงเพยงตวเดยว ซงการเลอกใชสวตชก าลงตวเดยว จะชวยลดความซบซอนในการควบคมการท างานของวงจร และลดก าลงงานสญเสยทเกดจากการท างานของสวตชก าลงหลายตว รายละเอยดของโครงสราง หลกการท างาน รวมถงการออกแบบคาพารามเตอรภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน และผลการจ าลองสถานการณทคาวฎจกรหนาทตาง ๆ ไดน าเสนอไวในบทท 3 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนนน สามารถเพมระดบแรงดนไดสงมากกวา 20 เทา ส าหรบประยกตใชกบโหลดกระแสตรงทตองการแรงดนสง หรอตอเขากบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสสลบแบบหนงเฟสเพอใชงานกบโหลดไฟฟากระแสสลบ ซงแรงดนเอาตพตทน าไปใชงานนนตองเปนแรงดนเอาตพตทมคาคงท จงจ าเปนตองท าการควบคมการท างานของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนเพอใหแรงดนเอาตพตมคาคงท การควบคมแรงดนเอาตพตนนใชตวควบคมพไอส าหรบควบคมแรงดนเอาตพตของวงจรใหคงท ท 400 Vdc โดยอาศยหลกการออกแบบตวควบคมพไอของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงแบบดงเดมเปนพนฐาน จากนนจ าลองสถานการณในสภาวะตาง ๆ เชน เมอคาแรงดนอนพตมการเปลยนแปลง โหลดตวตานทานเกดการเปลยนแปลง และคาพารามเตอรภายในวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนมการเปลยนแปลง เปนตน ดงแสดงผลการจ าลองสถานการณไวในบทท 4 ซงผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวาการท างานของตวควบคมพไอทไดท าการออกแบบมานน สามารถควบคมแรงดนเอาตพตใหคงท ท 400 Vdc ได

108

จากการพฒนาโครงสรางของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทมการเพมคาแรงดนสง รวมถงการออกแบบตวควบคมพไอส าหรบวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน ตอมาเปนการสรางชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนดงแสดงไวในบทท 5 เปนการแสดงอปกรณอเลกทรอนกสก าลงตาง ๆ ทใชส าหรบสรางชดทดสอบ ผลการทดสอบชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขน เพอยนยนสมรรถนะการท างานของชดทดสอบทสรางขน โดยท าการเปรยบเทยบผลการทดสอบชดทดสอบกบผลการจ าลองสถานการณดวยโปรแกรม MATLAB Simulink ในสภาวะการท างานตาง ๆ ทมจดการท างานเดยวกน ซงการเปรยบเทยบผลการทดสอบชดทดสอบกบผลการจ าลองสถานการณแสดงไวในบทท 6 แสดงใหเหนถงสมรรถนะของชดทดสอบทสรางขนวามผลการทดสอบสอดคลองกบผลการจ าลองสถานการณ และชดทดสอบของวงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงทพฒนาขนสามารถเพมระดบแรงดนไดสง 20 เทา

รายการอางอง

[1] A. W. N. Husna, S. F. Siraj, and M. Z. Muin, “Modelling of DC-DC Converter for Solar

Energy Applications,” in Proc. IEEE Computer and Informatics, 2012, pp. 125-129.

[2] T. Shimizu, K. Wada, and N. Nakamura, “Flyback-Type Single-Phase Utility Interactive

Inverter with Power Pulsation Decoupling on the DC Input for AC Photovoltaic Module

System,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 5, January 2006, pp. 1264-1272.

[3] J-S. Yoo, J-Y. Choi, M-K. Yang and W-Y. Choi, “Dual Active-Clamped Step-Up DC-DC

Converter with Reduced Voltage Stress for Low-DC Renewable Sources,” in Proc. IEEE

Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2012, pp. 1303-1306.

[4] F. Locment, M. Sechilariu, and I. Houssamo, “DC Load and Batteries Control Limitations

for Photovoltaic Systems; Experiment Validation,” IEEE Trans. Power Electron. , vol. 27,

no. 9, September 2012, pp. 4030-4038.

[5] C. Zhang, Z. Zhang, M. Chen and Z. Qian, “An Impromved Variable Step-Size Maximum

Power Point Tracking (MPPT) Based On Extremum Seeking Control (ESC) in Grid-

Connected Photovoltaic Micro-Converter System,” in Proc IEEE Industrial Electronics,

2012, pp. 1765-1770.

[6] L-W. Zhou, B-X. Zhu and Q-M. Luo, “High Step-Up Converter with Capacity of Multiple

Input,” IET Power Electron., vol. 5, no. 5, 2012, pp. 524-531.

[7] J-P. Lee, B-D. Min, D-W. Yoo, T-J. Kim, and J-Y. Yoo, “A New Topology for PV DC/DC

Converter with High Efficiency under Wide Load Range,” in Proc European Power

Electronics and Applications, 2007, pp. 1-6.

[8] Y. Park, B. Jung, and S. Choi, “Nonisolated ZVZCS Resonant PWM DC-DC Converter for

High Step-Up and High-Power Applications,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 8,

August 2012, pp. 3568-3575.

110

[9] W. Li and X. He, “Review of Nonisolated High-Step-Up DC/DC Converters in Photovoltaic

Grid-Connected Applications,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 4, April 2011, pp.

1239-1250.

[10] K. I. Hwu and Y. T. Yau, “An Interleaved AC-D Converter Based on Current Tracking,”

IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 5, May 2009, pp. 1456-1463.

[11] B. R. Lin, H. H. Lu, and Y. L. Hou, “Single-Phase Power Factor Correction Circuit with

Three-Level Boost Converter,” in Proc. IEEE Industrial Electronics 1999, pp. 445-450.

[12] S. Vighetti, J-P. Ferrieux, and Y. Lembeye, “Optimization and Design of a Cascade DC/DC

Converter Devoted to Grid- Connected Photovoltaic Systems,” IEEE Trans. Power

Electrons., vol. 27, no. 4, April 2014, pp. 2018-2027.

[13] J. M. Kwon and B. H. Won, “High Step-Up Active-Clamp Converter with Input-Current

Doubler and Ouput-Voltage Doubler for Fuel Cell Power Systems,” IEEE Trans. Power

Electron., vol. 24, no. 1, January 2009, pp. 108-115.

[14] L. Zhu, “A Novel Soft-Commutating Isolated Boost Full-Bridge ZVS- PWM DC-DC

Converter for Bidirectional High Power Applications,” IEEE Trans. Power Electron. , vol.

21, no. 2, March 2006, pp. 422-429.

[15] Q. Zhao, and F. C. Lee, “High-Efficiency, High Step-Up DC-DC Converters,” IEEE Trans.

Power Electron., vol. 18, no. 1, January 2003, pp. 65-73.

[16] T. F. Wu, Y. S. Lai, J. C. Hung, and Y. M. Chen, “Boost Converter with Coupled Inductors

and Buck-Boost Type of Active Clamp,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 1, January

2008, pp. 154-162.

[17] H. S. Chung, A. Ioinovice, and W. L. Cheung, “Generalized Structure of Bi-Directional

Switched-Capacitor DC/DC Converters,” IEEE Trans. Circuits and Syst. , vol. 50, no. 6,

June 2003, pp. 743-753.

111

[18] F. Peng, F. Zhang, and Z. Qian, “A magnetic- less DC-DC Converter for Dual Voltage

Automotive Systems,” IEEE Trans. Indust. Applic. , vol. 39, no. 2, March-April 2003, pp.

511-518.

[19] R. D. Middlebrook, “Tranformerless DC-to-DC Converters with Large Conversion Ratios,”

IEEE Trans. Power Electron., vol. 3, no. 4, October 1988, pp. 484-488.

[20] R. J. Wai, and R. Y. Duan, “High-Efficiency Power Conversion for Low Power Fuel Cell

Generation System,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 4, July 2005, pp. 847-856.

[21] R. Gules, L. L. Pfitscher, and L. C. Franco, “An Interleaved Boost DC-DC Converter with

Large Conversion Ratio,” in Proc. IEEE Industrial Electronics, 2003, pp. 411-416.

[22] G. A. L. Henn, R. N. A. L. Silva, P. P. Prace, L. H. C. Barreto, and D. S. Oliveira,

“Interleaved-Boost Converter with high Voltage Gain,” IEEE Trans. Power Electron. , vol.

25, no. 11, November 2010, pp. 2753-2761.

[23] G. R. Walker and P. C. Sernia, “Cascade DC-DC Converter Connection of Photovoltaic

Modules,” in Proc. IEEE Power Electronic Specialists 2002, pp. 24-29.

[24] L. C. Franco, L. L. Pfitscher, and R. Gules, “A New High Static Gain Nonisolated DC-DC

Converter,” in Proc. IEEE Power Electronics Specialists 2003, pp. 1367-1372.

[25] S. V. G. Oliveira, and I. Barbi, “ A Three-Phase Step-Up DC-DC Converter with a Three-

Phase High Frequency Transformer,” in Proc. Industrial Electronics 2005, pp. 571-576.

[26] M. Prudente, L.L. Pfitscher and R. Gules (2005) “A boost converter with Voltage multiplier

cells” in Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 2716-2721.

[27] H. Broeck, and I. Tezcan, “ 1KW Dual Interleaved Boost Converter for Low Voltage

Applications,” in Proc. IEEE Power Electronics and Motion Control 2006, pp. 1-5.

[28] S. V. Araujo, P. Zacharias, B. Sahan, R. P. Torrico, and F. Antunes, “Analysis and

Proposition of a PV Module Integrated Converter with High Voltage Gain Capability in a

Non-Isolated Topology,” in Proc. Power Electronics 2007, pp. 511-517.

112

[29] R- J. Wai, W-H. Wang and C-Y. Lin, “High- Performance Stand-Alone Photovoltaic

Generation System,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 1, January 2008, pp. 240-250.

[30] B. Axelrod, Y. Berkovich, and A. Ioinovici (2008) “Switched-Capacitor/Switched-Inductor

Structures for Getting Transformerless Hybrid DC– DC PWM Converters” in Proc.

IEEE Circuits and Systems I: Regular Papers, pp. 687 – 696.

[31] M. Prudente, L. L. Pfitscher, G. Emmendoerfer, E. F. Romaneli, and R. Gules (2008)

“Voltage Multiplier Cells Applied to Non- Isolated DC–DC Converters” in Proc. IEEE

Power Electronics, pp. 871-877.

[32] J-M. Kwon, B-H. Kwon, and K-H. Nam, “High-Efficiency Module-Integrated Photovoltaic

Power Conditioning System,” IEE Power Electron 2009, pp. 410-420.

[33] J-H. Lee, J-H. Park, and J. H. Jeon, “Series-Connected Forward-Flyback Converter for

High-Step-Up Power Conversion,” IEEE Power Electron., vol. 26, no. 12, December 2011,

pp. 3629-2641.

[34] G. Spiazzi, P. Mattavelli, and A. Costabeber, “High Step-Up Ratio Flyback Converter with

Active Clamp and Voltage Multiplier,” IEEE Power Electron. , vol. 26, no. 11, November

2011, pp. 3205-3214.

[35] W. Li, and X. He (2011) “Review of Nonisolated High-Step-Up DC/DC Converters in

Photovoltaic Grid-Connected Applications,” in Proc. IEEE Industrial Electronics, pp.

1239-1250.

[36] K-J. Lee, B-G. Park, R-Y. Kim and D-S. Hyun, “Nonisolated ZVT Two-Inductor for High

Step-Up Applications,” IEEE Power Electron., vol. 27, no. 4, April 2012, pp. 1966-1973.

[37] Y. Park, B. Jung and S. Choi, “Nonisolated ZVZCS Resonant PWM DC-DC Converter for

High Step-Up and High-Power Applications,” IEEE Power Electron., vol. 27, no. 8, August

2012, pp. 3568-3575.

113

[38] S. M. Chen, T. J. Liang, L. S. Yang, and J. F. Chen (2013) “A Boost Converter With

Capacitor Multiplier and Coupled Inductor for AC Module Applications” in Proc. IEEE

Transactions on Industrial Electronics, pp. 1503-1511.

[39] M.S.S.Andrade, L. Schuch, and M. L. S. Martins (2015) , “Very high voltage step-up

integrated Quadratic-Boost-Zeta converter” in Proc. IEEE International Symposium on

Industrial Electronics (ISIE), pp. 422-427.

114

ประวตผเขยน

ดร.สดารตน ขวญออน ส าเรจการศกษาในระดบปรญญาตร และปรญญาโท ทางดานวศวกรรมไฟฟา จากมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร จงหวดนครราชสมา ในป พ.ศ. 2545 และ 2548 ตามล าดบ จากน นส าเ รจการศกษาในระดบปรญญาเอก ทางดาน Electrical and Electronic Engineering จาก The University of Nottingham ประเทศองกฤษ ในป พ.ศ. 2554 ปจจบนด ารงต าแหนงผชวยศาสตราจารย ประจ าสาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ส านกวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร มความช านาญทางดาน อเลกทรอนกสก าลง วงจรแปลงผนก าลงไฟฟา การขบเคลอนเครองจกรกล ระบบทมความคงทนตอความผดพรอง วธการตรวจจบความผดพรอง และการประยกตทางดานปญญาประดษฐ

115

ภาคผนวก บทความทไดรบตพมพเผยแพรจากโครงการวจย

1. A. Nakpin and S. Khwan-on, “A high step-up single- switch boost converter for low-voltage source systems,” The 37th Electrical Engineering Conference (EECON37) 2014, pp. 377-380.

2. A. Nakpin and S. Khwan-on, “A High Step-Up Single-Switch Boost Converter with Controlled Output Voltage,” The 38th Electrical Engineering Conference (EECON38) 2015, pp. 429-435

3. Annop Nakpin and Sudarat Khwan-on, “A Novel High Step-Up DC-DC Converter for Photovoltaic Applications,” Procedia Computer Science, 86, 409-412, 2016.

4. จดลขสทธโปรแกรมคอมพวเตอรวงจรทบระดบแรงดนแบบสวตชเดยวอตราขายายแรงดนสงส าหรบระบบทมแหลงจายแรงดนต า เลขทค าขอ 351043 วนทรบรอง วนท 7 กมภาพนธ 2560