南台科技大学电机工程研究所

1、以DSP為基礎之具能源回收數位式三相電子負載模擬器之研製Design and Implementation of a DSP Based Digital Three-Phase Electronic Load Emulator with Energy Recycling研究生：謝佑定指導教授：蔡明村 博士南台科技大學電機工程研究所1大綱研究動機與目的文獻回顧系統架構理論分析控制器數位化之實現軟體設計實驗結果結論與未來展望參考文獻南台科技大學電機工程研究所2研究動機與目的(一) 電力電子產品出廠前，通常都會做燒機測試。傳統的測試方法是利用被動式負載，將大量的電力流經待測產品後即在負載上消耗掉，這

2、種浪費能源的測試方法顯然極待改進。 為了改善傳統方法之缺失，國內外也有些方法被提出，這些方法或為以電壓控制模式進行能量傳送，或為以電流控制模式傳送能量，而且這些方法大多針對直流電源供應器、不斷電電源供應系統等作設計，較少有其他型式負載之考慮。 南台科技大學電機工程研究所3研究動機與目的(二) 本文將以能量回收為基礎，實現三相交流電子式負載，並以DSP TMS320LF2407A作為系統之控制器，透過數位系統軟體上的彈性，模擬電阻性、電感性、電容性等負載，並同樣僅利用傳統的電力電子技術，將測試能源回送到電源側以重複使用。不僅降低測試空間，亦降低散熱所需的空調電力支出。 南台科技大學電機工程研究所

3、4文獻回顧 Meng-Tueh Chang, Jiann-Yow Lin, Shih-Liang Jung, Ying-Yu Tzou, “ Design and Implementation of a Real-Time Lossless Dynamic Electronic Load Simulator,” IEEE PESC Conf. Rec., Vol. 1, pp.734-739, June 1997. 內容： 提出新的動態電子負載模擬器，具有取代原有RLC負載元件以節省空間、減少消耗負載冷卻裝置、電子負載模擬器吸收之能源回送市電等特點。其主架構由三個部份組成，一為功率回收裝置，具

4、雙向功率潮流之整流器，可適當調整直流鏈電壓並操作於單位功因；二為負載模型控制器，由電源裝置取得模擬負載之電流波形，由DSP TMS320C14計算產生模擬負載電流命令；三為電流控制電壓源轉換器，依據負載模型控制器產生之電流命令，使轉換器輸入電流高速追蹤電流命令之性能，為其動態電子負載模擬器系統核心。南台科技大學電機工程研究所5系統架構圖一 具能源回收之數位式三相交 流電子式負載系統架構圖前級轉換器後級轉換器數位控制核心人機控制介面DC 220VTurn off電感性負載功率因數0.6南台科技大學電機工程研究所6理論分析三相昇壓型交/直流轉換器數學模型三相昇壓型交/直流轉換器控制法電壓控制法電流

5、控制法南台科技大學電機工程研究所7三相昇壓型交/直流轉換器數學模型 (一)根據克希荷夫電壓定律 ( KVL ) 與克希荷夫電流定律 ( KCL ) ，可得系統動態方程式，如(1)式至(4)式 圖二 三相昇壓型交/直流轉換器南台科技大學電機工程研究所8三相昇壓型交/直流轉換器數學模型 (二)利用狀態空間平均法 ( State-Space Averaging Method )，如下式之數學模型表示之。 將(1)式至(4)式代入(5)式以狀態空間平均法表示，如(6)式南台科技大學電機工程研究所9電壓控制法設三相昇壓型交/直流轉換器輸入電壓為三相交流電源且輸入電流為三相穩態平衡電流，故可視為三個單相交

6、流電源所組成之三相交流電源，圖三即為圖二之R相簡化後之單相等效電路。由於 ，在此將 忽略。 令其中根據(7)式，將其表示成電路結構，如圖四所示，即為電壓控制法之示意圖。由圖四可規範出功率潮流之方程式，如(10)式與(11)式其中 圖三 三相昇壓型交/直流轉換器R相之單相等效電路 圖四 電壓控制法之示意圖 南台科技大學電機工程研究所10電流控制法根據圖五可規範實、虛功率表示式，如(13)式與(14)式 由圖六可得 又圖五 電流控制法之示意圖 圖六 電壓與電流關係向量之示意圖 南台科技大學電機工程研究所11控制器數位化之實現前級轉換器電流迴路後級轉換器電流迴路後級轉換器電壓迴路南台科技大學電機工程

7、研究所12控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(一)圖七 三相交流電子負載模擬器之前級三相交/直流轉 換器電流控制迴路控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所13控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(二)利用Bilinear轉換式 (24)式代入(23)式，將(23)式之s-domain之轉移函數轉換至z-domain表示之，如(25)式 南台科技大學電機工程研究所14控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(三)將(25)式之z-domain轉移函數以差分方程式表示之，即為前級轉換器電流控制器數位程式之數學表示式，如 (26)式至(28)式圖八 三相交流電子負載模擬器之前級三相交/直流轉 換

8、器電流控制迴路數位控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所15控制器數位化之實現-後級轉換器電流迴路(一)圖九 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流轉 換器電流控制迴路控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所16控制器數位化之實現-後級轉換器電流迴路(二)利用Bilinear轉換，將(29)式之s-domain之轉移函數轉換至z-domain表示之，如(30)式 南台科技大學電機工程研究所17控制器數位化之實現-後級轉換器電流迴路(三)將(30)式之z-domain轉移函數以差分方程式表示之，即為後級轉換器電流控制器數位程式之數學表示式，如 (31)式至(33)式圖十 三相交流電子負載模擬器之

9、後級三相直/交流轉 換器電流控制迴路數位控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所18控制器數位化之實現-後級轉換器電壓迴路(一)利用Bilinear轉換，將(36)式之s-domain之轉移函數轉換至z-domain表示之，如(37)式圖十一 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流 轉換器電壓控制迴路控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所19控制器數位化之實現-後級轉換器電壓迴路(二)將(37)式之z-domain轉移函數以差分方程式表示之，即為後級轉換器電壓控制器數位程式之數學表示式，如 (38)式圖十二 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流 轉換器電壓控制迴路數位控制方塊圖 南台科技大

10、學電機工程研究所20軟體設計DSP TMS320LF2407A簡介模擬負載之實現Visual Basic之人機操作介面之控制畫面程式流程圖南台科技大學電機工程研究所21軟體設計-DSP TMS320LF2407A簡介工作電壓3.3V，執行速度40MIPS，定點式運算內部記憶體包含32K*16-Bit之程式記憶體、544*16-Bit之雙存取記憶體、2K*16-Bit之單存取記體外部記憶體包含512*16-Bit之Boot ROM、64K*16-Bit外部擴充資料記體體、64K*16-Bit外部擴充程式記體體、64K*16-Bit外部擴充I/O記體體 事件管理可規劃四個通用計時器、十六組脈波寬度

11、調變 ( PWM )、六組計時比較器輸出、四組捕捉輸入類比/數位轉換模組可轉換0V到3.3V之訊號，其解析度為10-Bit，由兩組八通道所組成可藉由串聯排序模式，將兩組八個通道串聯，一次轉換最多達十六個通道。SCI之傳輸模組，傳輸方式為非同步串列傳輸。 南台科技大學電機工程研究所22軟體設計-模擬負載之實現(一)實現方式建立126個空白資料記憶體位址三相電壓相位分別存於126個空白資料記憶體位址依據功率因數大小，推估三相電壓相位之角度南台科技大學電機工程研究所23軟體設計-Visual Basic之人機操作介面之控制畫面 訊息顯示測試負載類型測試負載操作型態測試負載類型圖十三 Visual B

12、asic之人機操作介面之控制畫面 南台科技大學電機工程研究所24軟體設計-DSP數位控制程式流程圖(一)圖十四 DSP數位控制程式流程圖(一) 南台科技大學電機工程研究所25軟體設計-DSP數位控制程式流程圖(二)圖十五 DSP數位控制程式流程圖(二) 南台科技大學電機工程研究所26軟體設計-DSP數位控制程式流程圖(三)圖十六 DSP數位控制程式流程圖(三) 南台科技大學電機工程研究所27軟體設計-Visual Basic程式流程圖圖十七 Visual Basic程式流程圖南台科技大學電機工程研究所28實驗結果後級轉換器單獨操作(PFC)實測模擬電阻性負載實測模擬電感性負載之功因0.8實測模

13、擬電感性負載之功因0.6實測模擬電容性負載之功因0.8實測模擬電容性負載之功因0.6南台科技大學電機工程研究所29實驗結果-後級轉換器單獨操作(PFC) vRniRvRn : 50V/div , 5mS/diviR : 10A/div , 5mS/divvRniRvRn : 50V/div , 5mS/diviR : 10A/div , 5mS/div(a)(b)圖十八 後級轉換器單獨操作 (a)實測550W之市電之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸入線電流iR波形 (b)實測1100W之市電之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸入線電流iR波形南台科技大學電機工程研究所30實驗結果-實測模擬電阻性負載

14、 (一)vRniAvRn : 50V/div , 5mS/diviA : 10A/div , 5mS/divvRn-iRvRn : 50V/div , 5mS/div-iR : 10A/div , 5mS/div(a)(b)(d)(c)圖十九 測試模擬電阻性負載 (a) 1500W實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500W實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形 (c)模擬電阻性負載測試各負載大小之前級轉換器輸入線電流iA總諧波失真 (d)電阻性負載測試各負載大小之後級轉換器輸出線電流iR總諧波失真 南台科技大學電機工程研究所31實驗結果-實測模擬電阻

15、性負載 (二)Vdc-iRVdc : 100V/div , 50mS/div-iR : 10A/div , 50mS/div圖二十 模擬電阻性負載由無載瞬間增載至半載750W暫態實測之直流電壓Vdc與後級轉換器輸出線電流iR波形 圖二十一 模擬電阻性負載測試各負載大小之效率 南台科技大學電機工程研究所32實驗結果-實測模擬電感性負載之功因0.8vRniAvRn : 50V/div , 5mS/diviA : 10A/div , 5mS/divvRn-iRvRn : 50V/div , 5mS/div-iR : 10A/div , 5mS/div(a)(b)圖二十二 測試模擬電感性負載功因0.8

16、 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形南台科技大學電機工程研究所33實驗結果-實測模擬電感性負載之功因0.6vRniAvRn : 50V/div , 5mS/diviA : 10A/div , 5mS/divvRn-iRvRn : 50V/div , 5mS/div-iR : 10A/div , 5mS/div(a)(b)圖二十三 測試模擬電感性負載功因0.6 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換

17、器輸出線電流iR波形南台科技大學電機工程研究所34實驗結果-實測模擬電容性負載之功因0.8vRniAvRn : 50V/div , 5mS/diviA : 10A/div , 5mS/divvRn-iRvRn : 50V/div , 5mS/div-iR : 10A/div , 5mS/div(a)(b)圖二十四 測試模擬電容性負載功因0.8 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形南台科技大學電機工程研究所35實驗結果-實測模擬電容性負載之功因0.6vRniAvRn : 50V/div

18、, 5mS/diviA : 10A/div , 5mS/divvRn-iRvRn : 50V/div , 5mS/div-iR : 10A/div , 5mS/div(a)(b)圖二十五 測試模擬電容性負載功因0.6 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形南台科技大學電機工程研究所36結論與未來展望本文以DSP TMS320LF2407A單一晶片實現一具能量回收數位式三相交流電子式負載模擬器 較佳設計空間硬體電路體積較小利用簡單測試平台，實現人機控制之應用未來展望測試負載類型加入整流性負

19、載d-g軸控制並採用空間向量脈寬調變(SVPWM)切換南台科技大學電機工程研究所37參考文獻(一)Suresh Gupta, Load bank elimination for UPS testing, IEEE IAS Conference Record, pp. 1040-1043, 1990.C. L. Chu, C. L. Huang and J. F. Chen, A study on the test UPS by energy feedback method, IEEE ISCAS, PP. 3015-3018, 1991.E. A. Vendrusculo and J. A.

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25、dley, K. M, “Steady-State and dynamic study of onecycle-controlled three-phase power-factor correction,” IEEE. Trans. on Ind. Electronics, Vol 52, pp. 355-362, April 2005南台科技大學電機工程研究所38參考文獻(一)陳江男，“定頻控制之三相昇壓型交流對直流轉換器之研究”，國立成功大學碩士論文，民國九十一年六月。江錫津，“應用空間向量脈寬調變技術之數位式高功因單相/三相電力轉換器”，國立雲林科技大學，民國九十二年六月。楊杰儒，“以

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