ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ natavut polchatin viriya phichetjamroen ·...

8
การวิเคราะหวงจรเอซีชอปเปอรโดยมีวงจรสนับเบอรทํางานในระหวางการเปลี่ยนโหมด Analysis of an AC Chopper with RC-snubber Circuit operation during Mode Transition ณัฐวุฒิ พลชะติน วิริยะ พิเชฐจําเริญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen บทคัดยอ บทความวิจัยนี้ไดนําเสนอหลักการทํางานของเอซีชอปเปอรสวิตชิ่งที่ความถี่สูง โดยมีชุด RC สนับเบอรอนุกรมตอขนานกับสวิตชิ่งตัดตอแตละตัวเพื่อจํากัดแรงดันสไปคใหอยูในระดับแรงดันพิกัดของ สวิตชแตละตัว แรงดันเอซีที่ถูกสับใหมีลักษณะเปนพัลสกวางเทาๆกัน โดยสามารถปรับความกวางพัลสได นี้จะถูกนํามาวิเคราะหโดยอนุกรมฟูเรียรเพื่อหาองคประกอบของแรงดันหลักมูลและแรงดันฮารโมนิกส ตางๆ แรงดันคลื่นไซนที่ถูกสับซึ่งประกอบดวยองคประกอบของแรงดันเหลานี้ยังจะนําไปปอนใหกับวงจร LC ฟลเตอรเพื่อปลอยผานเฉพาะองคประกอบความถี่ต่ํา 50 เฮิรตซนี้ไปยังดานเอาตพุต ในขณะเดียวกันก็จะ กําจัดองคประกอบฮารโมนิกสในสวนที่เหลือทั้งหมดโดยเริ่มตั้งแตฮารโมนิกสลําดับต่ําสุดตัวแรก คือลําดับ ที399 ซึ่งผลปรากฏวาวงจรสนับเบอร RC สามารถทํางานรวมกับวงจรเอซีชอปเปอรไดเปนอยางดีและ วงจรรวมทั้งหมดสามารถทํางานไดเปนผลสําเร็จ โดยจะไดคลื่นแรงดันไซน 50 เฮิรตซทางดานเอาตพุตและ คลื่นแรงดันไซนนี้จะสามารถปรับระดับแรงดันไดจาก 0-200V ภายใตโหลดสูงสุดที่ใชในการทดสอบ เทากับ 500 วัตต Abstract This paper presents an operating principle of a high switching frequency ac chopper with a series combination of RC-snubber components connected in parallel to each power switching device in order to limit the voltage spike to the rated voltage level of each device. The equal-pulse ac chopped voltage with variable pulse-width ratio will be analyzed into various harmonic and fundamental voltage components by Fourier analysis. The ac chopped voltage containing all these voltage components will be further applied to the LC-filtering circuit to low-pass only the 50 Hz component to the output-side, while eliminating the remaining part of all the harmonics components starting from the first lowest harmonic orders of 399. As a result, the snubber circuit can co-operate very well with the ac chopper circuit and the whole circuit can operate successfully with a 50 Hz sinusoidal voltage obtained on the output-side. The sinusoidal voltage is variable from 0-200 V under a maximum test load of 500 W. Keywords : ac chopper, duty-cycle, LC-filter, 50 Hz , 20 kHz Email : [email protected] , [email protected] --------------------------------------------------------------------- ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา คณะวิศวกรรมศาสตร สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคุณทหารลาดกระบัง . ฉลองกรุง เขตลาดกระบัง กรุงเทพฯ 10520 โทร. 02-7373000 ตอ 3516

Upload: others

Post on 09-Mar-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

การวิเคราะหวงจรเอซีชอปเปอรโดยมีวงจรสนับเบอรทํางานในระหวางการเปลี่ยนโหมด Analysis of an AC Chopper with RC-snubber Circuit operation during Mode Transition

ณัฐวุฒิ พลชะติน วิริยะ พิเชฐจําเริญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen

บทคัดยอ

บทความวิจัยนี้ไดนําเสนอหลักการทํางานของเอซีชอปเปอรสวิตช่ิงท่ีความถ่ีสูง โดยมีชุด RC สนับเบอรอนุกรมตอขนานกับสวิตช่ิงตัดตอแตละตัวเพ่ือจํากัดแรงดันสไปคใหอยูในระดับแรงดันพิกัดของสวิตชแตละตัว แรงดันเอซีท่ีถูกสับใหมีลักษณะเปนพัลสกวางเทาๆกัน โดยสามารถปรับความกวางพัลสไดนี้จะถูกนํามาวิเคราะหโดยอนุกรมฟูเรียรเพื่อหาองคประกอบของแรงดันหลักมูลและแรงดันฮารโมนิกสตางๆ แรงดันคล่ืนไซนท่ีถูกสับซ่ึงประกอบดวยองคประกอบของแรงดันเหลานี้ยังจะนําไปปอนใหกบัวงจร LC ฟลเตอรเพื่อปลอยผานเฉพาะองคประกอบความถ่ีต่ํา 50 เฮิรตซนี้ไปยังดานเอาตพุต ในขณะเดยีวกนักจ็ะกําจัดองคประกอบฮารโมนิกสในสวนท่ีเหลือท้ังหมดโดยเร่ิมต้ังแตฮารโมนิกสลําดับตํ่าสุดตัวแรก คือลําดับท่ี 399 ซ่ึงผลปรากฏวาวงจรสนับเบอร RC สามารถทํางานรวมกับวงจรเอซีชอปเปอรไดเปนอยางดีและวงจรรวมทั้งหมดสามารถทํางานไดเปนผลสําเร็จ โดยจะไดคล่ืนแรงดันไซน 50 เฮิรตซทางดานเอาตพุตและคล่ืนแรงดันไซนนี้จะสามารถปรับระดับแรงดันไดจาก 0-200V ภายใตโหลดสูงสุดท่ีใชในการทดสอบเทากับ 500 วัตต

Abstract

This paper presents an operating principle of a high switching frequency ac chopper with a series combination of RC-snubber components connected in parallel to each power switching device in order to limit the voltage spike to the rated voltage level of each device. The equal-pulse ac chopped voltage with variable pulse-width ratio will be analyzed into various harmonic and fundamental voltage components by Fourier analysis. The ac chopped voltage containing all these voltage components will be further applied to the LC-filtering circuit to low-pass only the 50 Hz component to the output-side, while eliminating the remaining part of all the harmonics components starting from the first lowest harmonic orders of 399. As a result, the snubber circuit can co-operate very well with the ac chopper circuit and the whole circuit can operate successfully with a 50 Hz sinusoidal voltage obtained on the output-side. The sinusoidal voltage is variable from 0-200 V under a maximum test load of 500 W. Keywords : ac chopper, duty-cycle, LC-filter, 50 Hz , 20 kHz

Email : [email protected] , [email protected] ---------------------------------------------------------------------

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา คณะวิศวกรรมศาสตร สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคณุทหารลาดกระบัง ถ. ฉลองกรุง เขตลาดกระบัง กรุงเทพฯ 10520 โทร. 02-7373000 ตอ 3516

Page 2: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

1.บทนํา ในงานที่ตองการแรงดันท่ีมีลักษณะคลื่นไซนความถ่ี 50Hz ท่ีสามารถปรับขนาดแรงดันไดอยางตอเน่ืองใน

ยานกวาง ต้ังแตระดับแรงดันศูนยจนถึงระดับสูงสุด 200V สามารถทําไดโดยการนําเอาแรงดันไซนการไฟฟา

50Hz มาผานวงจรเอซีชอปเปอรดังรูปท่ี 1 ซึ่งทํางานท่ีความถ่ีสวิตชิ่งในระดับ 20kHz พรอมกับผานวงจร LC

ฟลเตอรท่ีมีขนาดเล็ก ซึ่งในงานวิจัยน้ี ไดทําการวิเคราะหวงจรเอซีชอปเปอรอยางเปนข้ันตอน ต้ังแตการวิเคราะห

หลักการทํางานของวงจรในแตละโหมดการทํางาน จากน้ันไดนําคล่ืนไซนท่ีถูกชอปดวยความถ่ีสูง 20kHz มา

ทําการคํานวณทางคณิตศาสตร เพื่อหาองคประกอบฮารโมนิกสท่ีมีปะปนในตัวคล่ืนเอซีชอป องคประกอบท่ีไดน้ี

สามารถนําขอมูลไปออกแบบเพื่อกําหนดคา LC ในวงจรฟลเตอรได ผลปรากฎวา LC ท่ีใชในการออกแบบมี

ขนาดเล็กและสามารถปลอยผานคลื่นไซน 50Hz ออกไปยังเอาตพุตไดเกือบหมดในขณะที่องคประกอบฮาร-

โมนิกสในลําดับตํ่าสุดท่ี 400 จะถูกกรองท้ิงไดเกือบหมดผลปรากฏวาแรงดันเอาตพุตมีลักษณะคล่ืน50Hz

ใกลเคียงไซนมาก พรอมท้ังสามารถปรับขนาดของแรงดัน RMS น้ีไดต้ังแต 0 V ถึง 200 V

รูปท่ี 1 วงจรเอซีชอปเปอรรูปท่ี รูปท่ี 2 ลักษณะสัญญาณขับเกทและคล่ืนอินพุตเอาตพุต[2]

โหมดการทํางานของวงจรเอซี-ชอปเปอรที่มี RC สนับเบอรตออยู 2. เมื่อปอนสัญญาณกระตุนเกทในรูปท่ี 2 ใหกับสวติชในวงจรรูปท่ี 1 ซึ่งมีแรงดันไซนการไฟฟา เปน

อินพุตก็จะไดลักษณะของคลื่นแรงดัน และกระแส ดานเอาทพุทดังในรูปท่ี 2 ซึ่งรายละเอยีดการทํางาน

ของวงจรสามารถพิจารณาไดดังตอไปน้ี

sv

swov , swoi ,

รูปท่ี 3 การทํางานของสวิตชและไดโอดของแตละโหมด

Page 3: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

2.1 โหมดเพาเวอร (Powering Mode) เปนโหมดที่จายกําลังไฟฟาออกจากแหลงจายไซนการไฟฟา 50 Hz ไปยังโหลดในชวงท่ีแรงดันและ

กระแสเอาตพุตเปนบวกในครึ่งไซเคิลบวกของแรงดันไซนการไฟฟา 50 Hz ดังวงจรรูปท่ี 3 (1) หรือในชวงแรงดัน

และกระแสเอาตพุตเปนลบในคร่ึงไซเคิลลบของแรงดันไซนการไฟฟา 50 Hz ดังวงจรรูปท่ี 3 (1/) 2.2 โหมดเพาเวอร-ฟรีวิล สนับเบอร (Power-Freewheeling Snubber Mode) เปนโหมดท่ีวงจรสนับเบอรทําหนาท่ีใหกระแสผานสวิตชท่ีมีการลดลงอยางทันทีทันใดในจังหวะขณะ

OFF ใหมีการลดลงอยางชาๆโดยใหไหลผานวงจร RC สนับเบอร ในคร่ึงไซเคิลบวก CS1 จะเก็บประจุใน

ขณะเดียวกัน CS4 ก็จะคายประจุดังวงจรในรูปท่ี 3(2) หรือในคร่ึงไซเคิลลบ CS2 จะเก็บประจุในขณะเดียวกัน CS3

ก็จะคายประจดัุงวงจรในรูปท่ี 3(2/)

2.3 โหมดฟรีวีล ( Freewheeling Mode ) เปนโหมดที่วงจรไมไดรับกําลังไฟฟาจากแหลงจายการไฟฟา50 Hz แตใหกําลังไฟฟาท่ีอยูใน Lfilter จาย

กําลังไฟฟาคืนใหโหลดในขณะท่ีแรงดันเอาตพุตเปนศูนยและกระแสเอาตพุตเปนบวกซึ่งเกิดในชวงคร่ึงไซเคิลบวก

ของแรงดันไซนการไฟฟา50 Hz ดังวงจรรูปท่ี 3(c) หรือในชวงแรงดันเอาตพุตเปนศูนยและกระแสเอาตพุตเปนลบ

ซึ่งเกิดในชวงคร่ึงไซเคิลลบของแรงดันไซนการไฟฟา 50 Hz ดังวงจรรูปท่ี 3(d)

2.4 โหมดฟรีวีล-เพาเวอร สนับเบอร (Freewheel-Powering Snubber Mode) เปนโหมดที่วงจรสนับเบอรทําหนาท่ีใหกระแสผานสวิตชท่ีมีการเพิ่มขึ้นอยางทันทีทันใดในจังหวะขณะ

ON ใหมีการเพิ่มขึ้นอยางชาๆโดยใหไหลผานวงจร RC สนับเบอร ในคร่ึงไซเคิลบวก CS4 จะเก็บประจุใน

ขณะเดียวกัน CS1 ก็จะคายประจุดังวงจรในรูปท่ี 3(4) หรือในครึ่งไซเคิลลบ CS3 จะเก็บประจุในขณะเดียวกัน CS2

ก็จะคายประจุดังวงจรในรูปท่ี 3(4/) 2.5 โหมดรีเจน ( Regenerative Mode ) เปนโหมดที่แหลงจายไซนการไฟฟา 50 Hz รับกําลังไฟฟาคืนจากโหลดในชวงท่ีแรงดันเอาตพุตเปน

ลบและกระเอาตพุตเปนบวกในบริเวณคร่ึงไซเคิลลบของแรงดันแหลงจาย ดังวงจรรูปท่ี 3(6) หรือในชวงแรงดัน

เอาทพุทเปนบวกและกระแสเอาทตพุตเปนลบในบริเวณคร่ึงไซเคิลบวกของแรงดันแหลงจายดังวงจรรูปท่ี 3(6/)

3 สนับเบอร 3.1การคํานวณหาคาคาปาซิแตนซของสนับเบอร

รูปท่ี 4 การแบงกระแส IO เปน IS และ IC

จากรูปท่ี 4 (a) จะเห็นไดวากระแสมีทิศทางการไหลทางเดียวตลอด เมื่อสวติชทํางานในลักษณะตัด

ตอวงจรจะทําใหกระแสเกิดการหยุดไหลในทันทีทันใด จงึทําใหเกิดแรงดันสไปคจากการที่กระแสเปล่ียนแปลง

Page 4: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

ทันทีทันใด อันเปนผลมาจากคา L ในแหลงจาย ดังน้ันจึงตองสรางเสนทางการไหลใหมใหกับกระแสโดยดังใน

รูปท่ี4(b) เมือ่สวิตชจากออกแลวกระแส (IO) ก็ยังไหลไปในทิศทางเดิมแลวคอยๆลดลง ดังในรูปท่ี 4(c) จะเห็นได

วามีทางใหกระแสไหลไดสองทางโดยการใสวงจร RSCS สนับเบอรเพิ่มเขาไปในวงจร จากน้ันจึงตองหาคาของ

RSCS สนับเบอรท่ีใสเขาไป โดยเร่ิมจากการคํานวณหาท่ีมาของสมการหาคา CS ของสนับเบอร จากลักษณะการ

แบงกระการแบงกระแส IO เปน IS และ IC จากรูปท่ี 4(c) เมื่อแรงดันท่ีตกครอม CS มีคาเทากับแรงดันแหลงจาย

กระแสท่ีไหลผาน CS จะหยุดไหลดังน้ัน VC เทากับ VS จะไดดังในสมการที่(1)

∫=ft

CS

S dtiCIv

0

(1)

∫=ft

fo

SS dt

ttI

CIv

0

จาก (2) ttI

vf

oS =

จะไดสมการ CS ดังน้ี (3) f

foS v

tIC

2=

แทนคากระแสแรงดันอินพุตและเวลาในการหยุดนํากระแสของสวิตช ลงในสมการท่ี (3)

V

ACs 3112103.015 6

×××

=−

nF2.7= 3.2การคํานวณหาคาความตานทานของสนับเบอร ในรูปท่ี 5 ชวงเวลาท่ีสวิตชนํากระแส (tON) จะตองมากพอท่ีจะใหตัวเก็บประจ(ุC) สนับเบอรคายประจุได

หมดกอนท่ีสวิตชจะหยุดนํากระแสในคร่ึงตอไปซึ่งโดยท่ัวไปแลวเวลาท่ีใชในการคายประจุจะมีคาประมาณ 5 τ

หาคาRS ไดจากสมการ (4)

o

dS I

VR

×=

2.0 (4)

ทําการแทนคาของตัวแปรลงในสมการท่ี (4)

AVRS 152.0

311×

= รูปท่ี 5 ชวงเวลาท่ีสวิตชตอวงจร จะไดคา RS เทากับ103 Ω

ExperimentVCS1

VS1

V

ICS1Experiment

CS1

ExperimentVCS1

VRS1

Experiment

VS2

VCS2

Experiment

VCS2

ICS2

Experiment

VCS2

VRS2

รูปท่ี 6 แรงดันและกระแสสนับเบอรของสวิตช S1 รูปท่ี 7 แรงดันและกระแสสนับเบอรของสวติช S2

Page 5: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

4. การวิเคราะหหาสมการและคลื่นแรงดันเอาตพุต การวิเคราะหหาสมการแรงดันเอาตพุต[2] 4.1

แรงดันเอาตพุตของเอซีชอปเปอร ท่ียังไมผานวงจรฟลเตอร ดังในรูปท่ี 2 สามารถแทนดวยคล่ืน

ท่ีเกิดจากการนําเอาคล่ืนแรงดันไซนการไฟฟา 50 Hz ซึ่งเปนอินพุทของวงจรเอซีซอปเปอรคูณดวยสวิตชิ่งฟงชั่นท่ี

มีลักษณะเปนคล่ืน EPWM ท่ีมีความสูงเทากับ 1 และสามารถปรับคาดิวต้ีไซเคิล (D) ไดจาก 0 - 1 โดย

กําหนดใหเปน แนวคิดดังกลาวน้ีสามารถแสดงไดดังรูปท่ี 8

SWOv ,

)( tS Sω

รูปท่ี 8 การนําสวิตชิ่งฟงกชั่นคูณกับแรงดันอินพุตแรงดันคล่ืนไซน การไฟฟา50 Hz มีคาดังสมการ(5)

)cos(2)( tVtv ss ω= (5)

โดยท่ี คือคา rms ของแรงดันไซน 50 Hzในการคํานวณหาสมการของแรงดันเอาตพุต ท่ีเกิดจากผลคูณ

ระหวางแรงดันไซน 50 Hz กับสวิตชิ่งฟงกชัน่ความถี่สูง กอนอื่นจะตองทําการวิเคราะหหาสมการ

ของสวิตชิ่งฟงชั่น ในรูปท่ี 8 จากน้ันจึงนําไปคูณกับแรงดันไซนในสมการ (5) ซึ่งสามารถทําไดโดยการ

วิเคราะหอนุกรมฟูเรียรของ ดังสมการ (6)

SV swov ,

)( tvs ω )( tS Sω

)( tS Sω

)( tS Sω

(6) [∑

=

++=1

0 sincos)(k

snsns tkbtkaatS ωωω ]

เมื่อหาคาสัมประสิทธ ao, an และ baของอนุกรมฟูเรียรแลวแทนในสมการที่ (6) จะไดสมการของสวิตชิ่งฟงชั่นดังน้ี

∑∞

=

+=1

)cos()sin(2)(k

ss tkkkDDtS ωπ

πω ∑∞

=

+1

)0(k

stsimkω (7)

โดยท่ี s คือความถี่เชิงมุมของสวิตชิ่งฟงชั่น และ k คือลําดับฮารโมนิกสของสวิตชิ่งฟงชั่น =1,2,3… ω )( tS Sω

นําสมการ73)ของสวิตชิ่งฟงชัน่คูณกับสมการของแรงดันไซนการไฟฟา50 Hzจะได ดังสมการท่ี(8) SWOV ,

)()()(, tStvtv ssswo ω=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+= ∑

=1

)cos()sin(2)cos(2k

ss tkkkDDtV ωπ

πω (8)

สมการที่(8)เมือ่เขียนใหมจะไดดังสมการ (9)

(9) [∑∞

=

±+=1

,, )(cos2)cos(2)(k

sswkosswo tkVtVDtv ωωω ]

โดยท่ี Vo,swk คือคาrmsขององคประกอบฮารโมนิกสลําดับท่ี k ซึ่งมีคาเปน

ππ kkDVV sswko /)sin(, = (10)

4.2 การวิเคราะหหาคลื่นแรงดันเอาตพุต แรงดันไซนความถ่ีตํ่าจากไลนการไฟฟา 50 Hz ในรูปท่ี 9(a) เมือ่ปอนเปนอินพตุใหกับวงจรเอซีชอปเปอร

จะไดแรงดันเอาตพุต ซึ่งมีคาดังสมการ (9) จะประกอบดวยความถ่ีตํ่า 50 Hz รวมอยูกบัความถีสู่ง

ซึ่งแสดงลักษณะคลื่นพรอมรายระเอียดไดดังรูปท่ี 9(b) หรือ 9(c) และเมื่อนําคล่ืน ผานswov ,

HzkHzk 50)20( ±× swov ,

Page 6: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

วงจร LC ฟลเตอรองคประกอบความถ่ีสูงของ จะถกูกรองท้ิงเหลือแตแรงดันเอาตพุตท่ีมีองคประกอบ

ความถ่ีตํ่า 50 Hz เทาน้ันซึ่งเปนคล่ืนไซนท่ีสามารถปรับแอมปลิจูดไดโดยการปรับคาดิวต้ีไซเคิล(D)ท่ีมีลักษณะ

คล่ืนจากการจาํลองและการทดลองดังรูปท่ี 9(d) [1]

swov ,

รูปท่ี 9 รูปคล่ืนการซิมูเลตกับการทดลอง

องคประกอบฮารโมนิกสของคล่ืน ในรูป 9(b)ในทางทฤษฎีน้ันสามารถคํานวณไดจากสมการท่ี (9)

ซึ่งเมื่อปอนคาคํานวณและแสดงในรูปสเปคตรัมจะไดองคประกอบฮารโมนิกสของคล่ืนท่ีคาดิวต้ีไซเคิลDตาง ๆ

ดัง รูปท่ี 10 ซึ่งใหคาใกลเคียงกับผลการทดลอง

swov ,

รูปท่ี 10 องคประกอบฮารโมนิกสของแรงดันเอาตพุต ท่ีคาเปอรเซ็นตดิวต้ีไซเคิล (D) ตางๆ [1] swov ,

เพื่อแสดงใหเห็นอยางชัดเจนวาเมื่อนํา ผานวงจร LC ฟลเตอรแลวจะไดแรงดันเอาตพุต เปน

คล่ืนไซนท่ีไมมีองคประกอบฮารโมนิกส ความถ่ีสูงปะปนอยูดวย สามารถแสดงการเปรียบเทียบอัตราสวนของ

แรงดันความถี่ตํ่าและความถ่ีสูงท่ีสามารถผานวงจร LC ฟลเตอรไปยังเอาตพุตได โดยเปรียบเทียบระหวางแรงดัน

ฟนดาเมนทอล 50 Hz และแรงดันฮารโมนิกส 20 kHz ซึ่งใชขอมูลจากสเปคตรัมในรูปท่ี 10 ผลการเปรียบเทียบ

ดังกลาวไดรวบรวมไวในตารางท่ี 1 จะเห็นไดอยางชัดเจนวาแรงดันความถี่ตํ่า จะสามารถผานวงจรฟลเตอรไปยัง

เอาตพุตไดเกือบท้ัง หมดในขณะท่ีแรงดันความถี่สูง จะผานวงจรฟลเตอรไปยังเอาตพุตไดนอยมากซึ่งไดแสดงดัง

ในสมการ (11)ละ(12)

swov ,

Page 7: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

HzOHzO VVL

CC 50,50, 111×=⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ + ωωω

C

ω 1... ⟨⟨ [2] (11)

kHzOkHzO VVL

CC 20,20, 011×=⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ + ωωω

C

ω 1... ⟩⟩ [2] (12)

ตารางท่ี 1 เปรียบเทียบการกรองแรงดันท่ีมีความถ่ีต้ังแต20 kHz กับ50 Hz

ดังน้ันเมื่อพิจารณาจากสมการท่ี (5) จะพบวาเมือ่ ผานวงจรฟลเตอรกรององคประกอบความถี่สูงท้ิงไดท้ัง

หมดแลวจะไดคา rms ของแรงดันเอาตพุตท่ีมีคาแปรผันตามคาดิวต้ีไซเคิล D ดังสมการ (13) swov ,

SHzO DVV =50, (13)

คา rms ของแรงดันเอาทพุท หาไดจากสมการท่ี (14) swov ,

...23

22

2150,

2, ++++= HHHHzOSWO VVVVV (14)

โดยท่ี คือคา rms ของฮารโมนิกส HkV

...23

22

21 +++= HHHH VVVV (15)

และสามารถคํานวณหาคา %THD ของคล่ืนแรงดันเอาตพุตไดจากสมการ (16)

100%50,0

×=Hz

HV V

VTHD (16)

เมื่อนําสเปคตรัมในรูปท่ี 10 มาพิจารณารวมกับสมการ (13),(15)และ(16)สามารถนํามาเขียนเสนกราฟเทียบกับ

คาดิวต้ีไซเคิลจาก 0-100% สามารถเขียนกราฟไดดังรูปท่ี 11 และเมือ่พจิารณาจากสมการ (13),(14) พรอม

คาจากการทดลองสามารถเขียนเสนกราฟไดดังรูปท่ี 12

รูปท่ี 11 ความสัมพันธระหวางคา THD ของ VO,SW รูปท่ี 12 ความสัมพันธระหวางคา rms ของ

และVO,50 Hzกับคาดิวต้ีไซเคิล (D) ตางๆ VO,SW ,VO,50 Hz และคาดิวต้ีไซเคิล (D)

Page 8: ณัฐว ุฒิ ยะ ิญ Natavut Polchatin Viriya Phichetjamroen · การวิเคราะหวงจรเอซ ีชอปเปอร โดยมีวงจรสน

5. กําลังไฟฟาดานอินพุต Pin เอาตพุต Po และประสทิธิภาพ η

กําลังไฟฟาท้ังดานอนิพุตและเอาตพุตสามารถคํานวณไดจากสมการท่ี (17)

(17) ∑∞

=

=1

cosn

nnnIVP θ

และ คือคาrmsของแรงดันและกระแสท่ีไหลผานจุดท่ีตองการหากําลังไฟฟาอันดับฮารโมนิกสท่ี n ใดๆ nV nI

คือมุมเฟสของกระแส ท่ีลาหลังไปจากแรงดัน nθ nI nV

โดยไดแสดงคากําลังไฟฟาอินพุตและเอาตพุตเปรียบเทียบกับคาดิวต้ีไซเคิลดังกราฟในรูปท่ี 13 และ

สามารถหาประสิทธิภาพของวงจรเอซีชอปเปอรไดดังกราฟในรูปท่ี 14

η

รูปท่ี 13 การเปรียบเทียบกําลังไฟฟาอนิพุต รูปท่ี 14 ความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพกับคา

เอาตพุตกับคาดิวต้ีไซเคิล ดิวต้ีไซเคิล

สรุป 6.1. สามารถสรางแรงดันคล่ืนไซนท่ีมีลักษณะเปนพัลสความถ่ีสูงในระดับ 20 kHz ท่ีสามารถปรับคาดิวต้ีไซเคิลได

จาก 0-1 เพื่อปรับคาRMSแรงดันของเอาตพุต ในยาน 0-200V พรอมเขาใจหลักการทํางานไดอยางชัดเจน

2. คล่ืนไซนท่ีสรางขึ้น จะมีฮารโมนิกสปะปนมากับคล่ืนไซน 50 Hz ท่ีตองการทางดานเอาทพุทโดยจะมีคา

THDV มากในชวงดิวต้ีไซเคิลตํ่าและจะท่ีมีคา THDV ตํ่าในชวงดิวต้ีไซเคิลมาก

3. สามารถวิเคราะหและคํานวณวงจร RC สนับเบอรท่ีใชในวงจรเอซีชอปเปอร เพือ่ลดทอนแรงดันสไปคท่ีเกิดจาก

การ ON-OFF ของอุปกรณสวติชผานอินดักแตนซ LS ของแหลงจาย ทําใหวงจรสามารถทํางานไดเปนปกติโดยไม

เกิดความเสียหายจากแรงดันสไปคดังกลาว

4. ในวงจรเอซีชอปเปอรท่ีมีการออกแบบ LC ฟลเตอรท่ีดีจะตองสามารถกําจัดฮารโมนิกสลําดับตํ่าสุดไดถึง

ลําดับท่ี 399 สําหรับระดับความถี่สวิตชิ่งเทากับ 20 kHz ซึ่งในกรณีน้ี LC ฟลเตอรจะมีขนาดเล็กและสามารถ

ปลอยผานแรงดันความถี่ 50 Hz ออกเอาทพุทไดเกือบท้ังหมดในขณะเดียวกันก็สามารถดักจับแรงดันความถี่20-

kHzไมใหออกเอาตพุตไดเกือบท้ังหมด

เอกสารอางอิง [1] Yo Hongxiang, Lin Min and Ji Yanchao “An advanced harmonic elimination PWM

technique for AC choppers” IEEE Power Electronics Specialists Confererce., Aachen, Germany,

Vol.1, 20-25 June 2004, pp. 161-165.

[2] J.-H. Kim and B.-H. Kwon “Three-phase ideal phase shifter using AC choppers” IEE Proc.-Electr.

Power Appl., Vol. 147, No. 4, July 2000, pp. 329-335.