pwm report

01026301 การทดลองทางวศวกรรมไฟฟากาลง

การทดลองเร�อง สญญาณพดบบลวเอมสาหรบอนเวอรเตอรเฟสเดยว

ผทาการทดลอง 1. นายวรานนท

2. นายวรนทรปยะ

3. นางสาววรษฐา

4. นางสาววลยลกษณ

วนท�ทาการทดลอง วนพฤหสบดท� 9 มถนายน พ

วตถประสงค

1. ศกษาคณลกษณะเฉพาะของสญญาณ

2. ศกษาความสมพนธระหวางคาดชนการมอดดเลท กบ แรงดนเอาทพท และคาความผดเพ3ยน

3. สามารถประยกตใชเคร�องมอวด และโปรแกรมคอมพวเตอรเพ�อวเคราะหแรงดนฮารมอน

4. สามารถนาความรท�ไดไปออกแบบและประยกตใชงานอนเวอรเตอรเฟสเดยวไดถกตอง

อปกรณท�ใช

1. ชดกาเนดสญญาณ 1 ชด

2. Digital Oscilloscope DL 1620 1

3. Handy Drive สาหรบเกบขอมล

4. สายตอวงจร

ทฤษฎพ3นฐาน

1. คาดชนการมอดดเลท (Modulation index)

ตอ แอมปลจดของสญญาณพาหา

�

PWM signals for a single phase in

การทดลองทางวศวกรรมไฟฟากาลง 1 (Electrical Power Engineering Laboratory I)

สญญาณพดบบลวเอมสาหรบอนเวอรเตอรเฟสเดยว (PWM signals for a single phase inverter)

ทองถาวรวงษ รหสนกศกษา 52011057 กล

ชนเมธถรพทธZ รหสนกศกษา 52011065 กลม

เอ3อสขกล รหสนกศกษา 52011070 กลม

พนสเพญเจรญ รหสนกศกษา 52011075 กลม

มถนายน พ.ศ. 2554 เวลา 13.00-15.00 น.

ศกษาคณลกษณะเฉพาะของสญญาณ PWM ท�ใชอนเวอรเตอรเฟสเดยว

ศกษาความสมพนธระหวางคาดชนการมอดดเลท กบ แรงดนเอาทพท และคาความผดเพ3ยน

สามารถประยกตใชเคร�องมอวด และโปรแกรมคอมพวเตอรเพ�อวเคราะหแรงดนฮารมอน

สามารถนาความรท�ไดไปออกแบบและประยกตใชงานอนเวอรเตอรเฟสเดยวไดถกตอง

Digital Oscilloscope DL 1620 1 ตว

สาหรบเกบขอมล

วงจรสราง PWM อยางงาย

(Modulation index) คอ อตราสวนของแอมปลจดของสญญาณมอดดเลท

แอมปลจดของสญญาณพาหา (รปคล�นสามเหล�ยม)

��

single phase inverter Group 34 1

1 (Electrical Power Engineering Laboratory I)

(PWM signals for a single phase inverter)

กลม 34

กลม 34

กลม 34

กลม 34

ศกษาความสมพนธระหวางคาดชนการมอดดเลท กบ แรงดนเอาทพท และคาความผดเพ3ยน

สามารถประยกตใชเคร�องมอวด และโปรแกรมคอมพวเตอรเพ�อวเคราะหแรงดนฮารมอนกส

สามารถนาความรท�ไดไปออกแบบและประยกตใชงานอนเวอรเตอรเฟสเดยวไดถกตอง

คอ อตราสวนของแอมปลจดของสญญาณมอดดเลท (รปคล�นไซน)

2. อตราสวนความถ�การมอดดเลท

ตอ ความถ�ของสญญาณมอดดเลท

�

Bipolar PWM

Unipolar PWM

โดยท�ท3งสองตวแปรน3จะสงผลถงคณลกษณะของสญญาณ

frequency output voltage, V1) คาความผดเพ3ยนของแรงดนเอาทพท


อตราสวนความถ�การมอดดเลท (Modulation Frequency) คอ อตราสวนของความถ�สญญาณพาหะ

ตอ ความถ�ของสญญาณมอดดเลท (รปคล�นไซน)

��

โดยท�ท3งสองตวแปรน3จะสงผลถงคณลกษณะของสญญาณ PWM เอาทพท เชน แรงดนท�ความถ�หลก

คาความผดเพ3ยนของแรงดนเอาทพท (Total harmonic distortion o

�� ∑ !",$%&'()"*(

!+,$%&


คอ อตราสวนของความถ�สญญาณพาหะ (รปคล�นสามเหล�ยม)

เอาทพท เชน แรงดนท�ความถ�หลก (Fundamental

(Total harmonic distortion of output voltage, THDV)

PWM signals for a single phase inverter Group 34 3

Code M-File ใชในโปรแกรม MATLAB เพ�อคานวณหาคา V1 และ THDV

close all ; xfile_in = input ( 'Variable ? = ' ); plot(xfile_in) xlim([0 length(xfile_in)]); trace = input ( 'What is trace of signal ? [1=Blue ,2=Green, 3=red] = ' ); n_cycle = input ( 'How many cycle in graph ? = ' ); funda = input ( 'Fundamental frequency ? [Hz] = ' ); one_cycle = length(xfile_in)/n_cycle; %max_har = (one_cycle*funda/2000)-1 f_max = input ( 'Max harmonic frequency ? [kHz] = ' ); for x_count = 1:one_cycle x_axis(x_count) = (x_count/one_cycle)/funda; end k_max = (f_max*1000)/funda; for x_count = 1:k_max x_fs(x_count) = (x_count/k_max)*f_max; end xfile = xfile_in(1:one_cycle,trace); format bank ; result_fft = abs(fft(xfile)/(one_cycle/2)); %FFT Vthd = result_fft(2:(k_max+1)); %ajust order V1=a(1)(deleted DC) Vthd_per = Vthd.*100./Vthd(1); %change to percentage Only_THD = Vthd_per(2:k_max); %harmonic only V1_rms = Vthd(1)/sqrt(2) %Show Voltage Fundamental THD = sqrt(sum(Only_THD.^2)) %Show Voltage Harmonic in percentage format %Display Voltage Input figure(2) subplot(2,1,1); plot (x_axis,xfile); ylabel( 'Line Voltage (V)' ); xlabel( 'Time' ); subplot(2,1,2); plot (x_fs,Vthd_per); xlabel( 'Frequency (kHz)' ); ylabel( 'Spectra Harmonic (%)' );


ข3นตอนการทดลอง

ตอนท� 1 Bipolar PWM

1. นาชดกาเนดสญญาณ (Waveform generator) มาทดสอบ และนาสายตอวงจรมาตอ เพ�อท�จะทาการวด โดยใหใช

ชองสญญาณเอาทพทแบบ Bipolar PWM

2. ใน Digital oscilloscope วดสญญาณ โดยใช Ch1 วดสญญาณสามเหล�ยม และ Ch2 วดสญญาณไซน ตรวจสอบวา คา

Volt/Div ของท3งสอง channel มคา Volt/Div เทากนท� 5 Volt/Div

3. ทาการต3งความถ�ของสญญาณสามเหล�ยมท� 2 kHz และความถ�ของสญญาณไซนท� 50 Hz

4. ทาการปรบคา ma ตามตาราง โดยการปรบคาแอมปลจดของสญญาณไซน โดยเร�มท� ma = 0.2-2.5

5. Save ขอมลลง Handy Drive เพ�อนาไปคานวณ V1 และ THDV โดยใชโปรแกรม MATLAB

6. บนทกคา V1 และ THDV ท�คา ma ตางๆ ตามตารางท� 1

7. วาดกราฟแสดงความสมพนธระหวาง ma กบ V1 และ THDV

8. เปล�ยนความถ�ของสญญาณสามเหล�ยมเปน 5 kHz แลวทาตามขอ 4-7

ตอนท� 2 Unipolar PWM

1. นาชดกาเนดสญญาณ (Waveform generator) มาทดสอบ และนาสายตอวงจรมาตอ เพ�อท�จะทาการวด โดยใหใช

ชองสญญาณเอาทพทแบบ Unipolar PWM

2. ทาตามข3นตอนในตอนท� 1 จากขอ 2-8 โดยใชตารางท� 2 บนทกผลการทดลอง


ตารางท� 1 Bipolar PWM

2 kHz

Switching Frequency

5 kHz

Switching Frequency

ma V1 THDV V1 THDV

0.2 1.83 752.13 12.72 49.99

0.4 4.00 331.26 12.62 52.15

0.6 6.24 198.17 12.22 59.09

0.8 8.15 137.49 11.56 70.42

1.0 9.96 97.07 10.64 86.46

1.5 11.65 67.18 6.87 175.88

2.5 12.43 53.40 4.97 310.98

ตารางท� 2 Unipolar PWM

2 kHz

Switching Frequency

5 kHz

Switching Frequency

ma V1 THDV V1 THDV

0.2 0.41 217.18 2.73 44.08

0.4 0.82 149.36 2.71 37.69

0.6 1.28 99.62 2.63 35.40

0.8 1.73 70.23 2.49 37.73

1.0 2.11 48.33 2.30 45.30

1.5 2.42 35.87 1.51 88.32

2.5 2.56 36.75 0.94 135.94


รปภาพประกอบการทดลอง

Bipolar PWM

-2 kHz

=> ma = 0.6

วจารณรปภาพ :: จากรปภาพของสเปกตรมของ Bipolar PWM ท�มความถ� Switching = 2 kHz จะพบวาความถ�ฮารมอนก

กลมแรกท�เกดข3นของรปสเปกตรม เกดท�ความถ�ประมาณ 2 kHz โดยเม�อคาดชนการมอดดเลท ( ma) เพ�มข3น ขนาดของความถ�

ฮารมอนกจะมขนาดเลกลงในแตละกลมความถ�ฮารมอนก

-5 kHz

=> ma = 1.0

วจารณรปภาพ :: จากรปภาพของสเปกตรมของ Bipolar PWM ท�มความถ� Switching = 5 kHz จะพบวาความถ�ฮารมอนก

กลมแรกท�เกดข3นของรปสเปกตรม เกดท�ความถ�ประมาณ 5 kHz โดยเม�อคาดชนการมอดดเลท ( ma) เพ�มข3น ขนาดของความถ�

ฮารมอนกจะเพ�มข3นในแตละกลมความถ�ฮารมอนก


Unipolar PWM

-2 kHz

=> ma = 0.6

วจารณรปภาพ :: จากรปภาพของสเปกตรมของ Unipolar PWM ท�มความถ� Switching = 2 kHz จะพบวาความถ�ฮารมอนก

กลมแรกท�เกดข3นของรปสเปกตรม เกดท�ความถ�ประมาณ 4 kHz ซ�งพบวามคาเปน 2 เทาของความถ�ฮารมอนกของ Bipolar PWM ท�ม

ความถ� Switching = 2 kHz โดยเม�อคาดชนการมอดดเลท ( ma) เพ�มข3น ขนาดของความถ�ฮารมอนกจะมขนาดเลกลงในแตละกลม

ความถ�ฮารมอนก

-5 kHz

=> ma = 1.0

วจารณรปภาพ :: จากรปภาพของสเปกตรมของ Unipolar PWM ท�มความถ� Switching = 5 kHz จะพบวาความถ�ฮารมอนก

กลมแรกท�เกดข3นของรปสเปกตรม เกดท�ความถ�ประมาณ 10 kHz ซ�งพบวามคาเปน 2 เทาของความถ�ฮารมอนกของ Bipolar PWM ท�ม

ความถ� Switching = 5 kHz โดยเม�อคาดชนการมอดดเลท ( ma) เพ�มข3น ขนาดของความถ�ฮารมอนกจะเพ�มข3นในแตละกลมความถ�

ฮารมอนก

คาถามทายการทดลอง

1. เม�อเปล�ยน ma จะสงผลอยางไรกบแรงดนเอาทพท

ตอบ -กรณ Bipolar PWM

Switching Frequency = 2 kHz

เม�อเปล�ยน ma ใหมคาเพ�มมากข3น จะพบวา แรงดน

ของแรงดนเอาทพท THDV น3น มคาลดลง


เม�อเปล�ยน ma ใหมคาเพ�มมากข3น จะพบวา แรงดนเอาทพท

ของแรงดนเอาทพท THDV น3น มคาเพ�มมากข3น

-กรณ Unipolar PWM



ของแรงดนเอาทพท THDV น3น มคาลดลง



ของแรงดนเอาทพท THDV น3น มคาเพ�มมากข3น

2. เปรยบเทยบ สญญาณ Bipolar PWM

ตอบ

สญญาณ Bipolar PWM

คา ma จะแปรคาอยระหวาง 0

ถาคา ma มากกวา 1 จะเกดการ

ระหวางแรงดนมลฐานและดชนการมอดดเลทไมเปนเชงเสน ถาเพ�มคา

Square Wave ซ�งจะทาใหคายตลต3แฟคเตอรสง ซ�งจะทาใหคาแรงดนมลฐานสงตามไปดวย


จะสงผลอยางไรกบแรงดนเอาทพท V1 และ THDV


ใหมคาเพ�มมากข3น จะพบวา แรงดนเอาทพท V1 น3น มคาเพ�มมากข3น สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น3น มคาลดลง


ใหมคาเพ�มมากข3น จะพบวา แรงดนเอาทพท V1 น3น มคาลดลง สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น มคาเพ�มมากข3น


ใหมคาเพ�มมากข3น จะพบวา แรงดนเอาทพท V1 น3น มคาเพ�มมากข3น สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น3น มคาลดลง


ใหมคาเพ�มมากข3น จะพบวา แรงดนเอาทพท V1 น3น มคาลดลง สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น3น มคาเพ�มมากข3น

Bipolar PWM ท� ma = 2.5 กบ สญญาณ Square wave

Bipolar PWM ท� ma = 2.5 มลกษณะคลายกบสญญาณ Square wave

0 และ 1 และความสมพนธระหวางแรงดนมอดดเลท และเอาทพตจะเปนแบบเชงเสน ซ�ง

จะเกดการ "Over Modulation" ซ�งเปนผลทาใหเกดการหายไปของจานวนพลส ทาใ

ระหวางแรงดนมลฐานและดชนการมอดดเลทไมเปนเชงเสน ถาเพ�มคา ma มากๆ ในท�สดจานวนพลสจะลดลงจนกลายเปน

ซ�งจะทาใหคายตลต3แฟคเตอรสง ซ�งจะทาใหคาแรงดนมลฐานสงตามไปดวย

สญญาณ Bipolar PWM ท� ma = 2.5


น3น มคาเพ�มมากข3น สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น3น มคาลดลง สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น3น มคาเพ�มมากข3น สวนคาความผดเพ3ยนรวม

น3น มคาลดลง สวนคาความผดเพ3ยนรวม

Square wave เน�องมาจาก ในทางอดมคต

และเอาทพตจะเปนแบบเชงเสน ซ�ง

ซ�งเปนผลทาใหเกดการหายไปของจานวนพลส ทาใหความสมพนธ

มากๆ ในท�สดจานวนพลสจะลดลงจนกลายเปน


3. อธบายผลของ THDV เม�อความถ� Switch เปล�ยน

ตอบ -Bipolar PWM, Unipolar PWM ท#ความถ# Switching = 2 kHz

เม�อความถ� Switching มคาเพ�มข3นจาก 2 kHz – 5 kHz สามารถสงเกตไดวา

-คา V1จะมคาเพ�มข3นตามคาของดชนการมอดดเลท (ma) และคา THDV จะมคาลดลง ซ�งจะไดความสมพนธคอ

m-αV+α 1THD4

-Bipolar PWM, Unipolar PWM ท#ความถ# Switching = 5 kHz

\ -คา V1 จะมคาลดลงตามคาของดชนการมอดดเลท (ma) และคา THDV จะมคาเพ�มข3น ซ�งจะไดความสมพนธคอ

m-αTHD4α 1V+

4. ถานาสญญาณ PWM น3ไปใชในงานขบเคล�อนมอเตอรเหน�ยวนา (Induction motor Drives) เราควรจะปรบคา ma อยางไร

เม�อความถ�หลกของแรงดนเอาทพทเปล�ยนจาก 0-100 Hz

ตอบ เม�อนาสญญาณ PWM ไปใชงานในการขบเคล�อนมอเตอรเหน�ยวนา เราควรจะปรบคาดชนการมอดดเลท ma ใหม

ความสมพนธกบคาแรงดนเอาทพท เพ�อใหอตราสวนระหวาง แรงดนตอความถ�คงท� จะสามารถพบไดวา เม�อความถ�สงข3น

จะมผลกบกาลงงาน และความเรวรอบของมอเตอรจะเพ�มข3นตามความถ� และการปรบดชนการมอดดเลทเปนการเพ�มขนาด

แรงดนท�มอเตอรมผลใหความเรวรอบ และกาลงงานท�มอเตอรเพ�มข3น

สรปผลการทดลอง

การทดลองเร�องสญญาณพดบบลวเอมสาหรบอนเวอรเตอรเฟสเดยว เปนการทดลองเพ�อศกษาคณลกษณะเฉพาะของ

สญญาณ PWM ท�ใชในอนเวอรเตอรเฟสเดยว ซ�งกคอ สญญาณ Bipolar PWM และสญญาณ Unipolar PWM โดยสามารถนาคา

ท�ไดมาหาความสมพนธตางๆ ไดแก ดชนการมอดดเลท อตราสวนความถ�การมอดดเลท จากสมการ แรงดนเอาทพท และ

คาความผดเพ3ยน โดยใชโปรแกรม MATLAB ในการคานวณ

การทดลองตอนท� 1 สญญาณ Bipolar PWM

-ทาการทดลองท�ความถ� Switching = 2 kHz เม�อเปล�ยนคาดชนการมอดดเลท (ma) ใหมคาเพ�มมากข3นจาก 0.2-2.5

บนทกผลแลวนามาคานวณโดยใชโปรแกรม MATLAB จะสามารถไดคาแรงดนเอาทพท (V1) คาท�ไดมแนวโนมเพ�มข3น

และคาความผดเพ3ยน (THDV) คาท�ไดมแนวโนมลดลง โดยเม�อดสเปกตรมของความถ�ฮารมอนก พบวา ความถ�ฮารมอนก

กลมแรกมคาประมาณ 2 kHz ซ�งทาใหเราสามารถออกแบบวงจรกรองความถ�ฮารมอนกออกไปไดโดยทาการออกแบบ

วงจรกรองความถ�ใหมคาใกลเคยงกบคาความถ�ฮารมอนกกลมแรกน3 ทาใหสามารถลดคาความสญเสยท�จะเกดข3นได


-เปล�ยนความถ� Switching เปน 5 kHz เม�อเปล�ยนคาดชนการมอดดเลท (ma) ใหมคาเพ�มมากข3นจาก 0.2-2.5

บนทกผลแลวนามาคานวณโดยใชโปรแกรม MATLAB จะสามารถไดคาแรงดนเอาทพท (V1) คาท�ไดมแนวโนมลดลงและ

คาความผดเพ3ยน (THDV) คาท�ไดมแนวโนมเพ�มข3นโดยเม�อดสเปกตรมของความถ�ฮารมอนก พบวา ความถ�ฮารมอนก



การทดลองตอนท� 2 สญญาณ Unipolar PWM

-ทาการทดลองท�ความถ� Switching = 2 kHz เม�อเปล�ยนคาดชนการมอดดเลท (ma) ใหมคาเพ�มมากข3นจาก 0.2-2.5

บนทกผลแลวนามาคานวณโดยใชโปรแกรม MATLAB จะสามารถไดคาแรงดนเอาทพท (V1) คาท�ไดมแนวโนมเพ�มข3น

และคาความผดเพ3ยน (THDV) คาท�ไดมแนวโนมลดลง โดยเม�อดสเปกตรมของความถ�ฮารมอนก พบวา ความถ�ฮารมอนก



-เปล�ยนความถ� Switching เปน 5 kHz เม�อเปล�ยนคาดชนการมอดดเลท (ma) ใหมคาเพ�มมากข3นจาก 0.2-2.5

บนทกผลแลวนามาคานวณโดยใชโปรแกรม MATLAB จะสามารถไดคาแรงดนเอาทพท (V1) คาท�ไดมแนวโนมลดลงและ

คาความผดเพ3ยน (THDV) คาท�ไดมแนวโนมเพ�มข3น โดยเม�อดสเปกตรมของความถ�ฮารมอนก พบวา ความถ�ฮารมอนก



วจารณผลการทดลอง

จากการทดลองมคาความคลาดเคล�อนเกดข3น เน�องมาจากการท�ผทาการทดลองปรบแอมปลจดของสญญาณไมตรงคาท�

ตองการ เพราะคาท�ปรบไดคอนขางไมคงท� ผทาการทดลองจงใชคาประมาณท�ใกลเคยงคาท�ตองการแทน ทาใหผลการทดลองท�ไดน3น

จะมความคลาดเคล�อนเลกนอย จะเหนไดจาก กราฟสเปกตรมของความถ�ฮารมอนกของแตละสญญาณ

-สญญาณ Bipolar PWM ท�ความถ� Switch = 2 kHz จะตองไดสเปกตรมท�มคาความถ�ฮารมอนกเทากบ 2 kHz

-สญญาณ Bipolar PWM ท�ความถ� Switch = 5 kHz จะตองไดสเปกตรมท�มคาความถ�ฮารมอนกเทากบ 5 kHz

-สญญาณ Unipolar PWM ท�ความถ� Switch = 2 kHz จะตองไดสเปกตรมท�มคาความถ�ฮารมอนกเทากบ 4 kHz

-สญญาณ Unipolar PWM ท�ความถ� Switch = 5 kHz จะตองไดสเปกตรมท�มคาความถ�ฮารมอนกเทากบ 10 kHz

ซ�งจากการทดลองท�ไดพบวากลมของความถ�ฮารมอนกกลมแรกน3นมคาใกลเคยงกบตวเลขดงกลาว ซ�งถอวาเปนท�ยอมรบได

ท�จะใชคาประมาณในการทดลอง

เอกสารอางอง

เอกสารประกอบการทดลองทางวศวกรรมไฟฟากาลง 1

http://www.tgipmt.com/technology/electrical/15

www.ee.mut.ac.th/home/prasoot/final.../บทท�5%20final(1).doc

pwm report

Documents