南台科技大学电机工程研究所

南台科技大學電機工程研究所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DesignandImplementationofaDSPBasedDigitalThree-PhaseElectronicLoadEmulatorwithEnergyRecycling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2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3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4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DSPTMS320LF2407A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5文獻回顧•Meng-TuehChang,Jiann-YowLin,Shih-LiangJung,Ying-YuTzou,“DesignandImplementationofaReal-TimeLosslessDynamicElectronicLoadSimulator,”IEEEPESCConf.Rec.,Vol.1,pp.734-739,June1997.•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DSPTMS320C14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6LfRfLfRfLfRfiAiBiCvRnvSnvTnniloadLfRfLfRfLfRfiRiSiT2Cdc2Cdc0Y-YvABvBCvCAvRSvSTvTRDigitalController(TITMS320LF2407A)LineVoltagetoPhaseVoltageConvertionCircuitvABvBCvCAvAvBLineVoltagetoPhaseVoltageConvertionCircuitvRSvSTvTRvRvS+Vdc-iBiAVdciRiSGateDriverGateDriverTransformerVisualBasictestingsystemSCIRXDSA-SB-SC-SA+SB+SC+SA-SB-SC-SA+SB+SC+SR-SS-ST-SR+SS+ST+SR-SS-ST-SR+SS+ST+RS-232RS-485SCITXDio系統架構vRnvRn,iAtiAvRnvRn,iRtiR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DC220VvRnvRn,iRtiR電感性負載功率因數0.6南台科技大學電機工程研究所7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–電流控制法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(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iloadLfRfLfRfLfRfiRiSiTvRnvSnvTnn2Cdc2CdcRload0RSSSTSTSSSRSio(4)(3)2(2)2(1)2*3*2*1*3*2*1loadTSRloadodcdcondcTfTfTnondcSfSfSnondcRfRfRnidididiiidtdVCvVddtdiLiRvvVddtdiLiRvvVddtdiLiRv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9三相昇壓型交/直流轉換器數學模型(二)•利用狀態空間平均法(State-SpaceAveragingMethod)，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(5)BUAXX(6)10000100001000011612100612100612100*3*2*131**331**231**1dcTnSnRnfffdcTSRloaddcdcdcdckkfffkkfffkkfffdcTSRVvvvLLLViiiRCCdCdCdddLLRddLLRddLLRdtdVdtdidtdidtdi南台科技大學電機工程研究所10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LfiRvRn2Cdc2CdcRload0RS*1d+vL-+vR0-LfvRn+vL-+vR0-ffLjRfR(7)0RLRnvvv(9)612(8)31**10kkdcdcRRfLdVVdvdtdiLv(11)cos(10)sin020fRRnfRnfRRnLvvLvQLvvP(12)0RRnvv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11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+vL-LfvRn+vR0-iRiRsinψψψδVLvRniRvR0iRcosψωLfiRcosψωLfiRsinψ(14)sin(13)cosRRnRRnivQivP(16)cos(15)cossin020fRRnRnRRfRnLvvvQviLv(18)sin(17)sincos00fRRnRRfLvvPviL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12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研究所13控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(一)vBm(phase)KPWMi*(peak)iB*GBcifbiB+-GBcivBm-v0msLf+Rf1Planti*(peak)KPWMvCm(phase)iC*GCcifbiC+-GCcivCm-v0msLf+Rf1Planti*(peak)KPWMvAm(phase)iA*GAcifbiA+-GAcivAm-v0msLf+Rf1PlantLBFLBFLBF)kHz(92.15,(s)1099.921(22)11099.9111(21)39.0)(13.0),(2.3(20)13.01020.311(V)6(V),220(19)33.1823633633ppppAcifbffffCdcCdcPWMffssLBFGRmHLsRsLEVEVK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14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)kHz(61.5,(s)1084.221)Hz(86.146,(s)1008.121(Hz)98.300,(s)1029.52166.12(23)11011.11008.366.121069.6)1)(1()1(2522131114113283211ppppppzzzppzCciBciAciffffffKssssssKGGG(24))11(2zzTs(25)25.064.0141.371.012.42121,,,zzzzGGGdigCcidigBcidigAci南台科技大學電機工程研究所15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)2(41.3)1(71.0(28))(12.4)2(25.0)1(64.0)()2(41.3)1(71.0(27))(12.4)2(25.0)1(64.0)()2(41.3)1(71.0(26))(12.4)2(25.0)1(64.0)(,,,,,,,,,,,,,,,,,,nEnEnEnYnYnYnEnEnEnYnYnYnEnEnEnYnYnYdigCcidigCcidigCcidigCcidigCcidigCcidigBcidigBcidigBcidigBcidigBcidigBcidigAcidigAcidigAcidigAcidigAcidigAci10.02kHzi,dig*(peak)vAm,dig(phase)iA,dig*iA,dig+-GAci,dig+-+-PWM_A10.02kHz10.02kHzi,dig*(peak)10.02kHzvBm,dig(phase)i,dig*(peak)10.02kHzvCm,dig(phase)iB,digGBci,digPWM_B10.02kHziC,digGCci,digPWM_CiB,dig*iC,dig*10.02kHz10.02kHz10.02kHz圖八三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數位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(一))kHz(92.15,(s)1099.92111099.911139.0)(13.0),(2.313.01020.311(V)6(V),22033.1823633633ppppAcifbffffCdcCdcPWMffssLBFGRmHLsRsLEVEVKi*(peak)KPWMvRn(phase)iR*GRcifbiR+-GRcivRn-v0nsLf+Rf1PlantKPWMvTn(phase)i*(peak)iT*GTcifbiT+-GTcivTn-v0nsLf+Rf1PlantvSn(phase)KPWMi*(peak)iS*GScifbiS+-GScivSn-v0nsLf+Rf1PlantLBFLBFLBF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17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)