การศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร

THE INVESTIGATION IN HYBRID DC ENERGY CONTROL OF FUEL CELL AND BATTERY

ประเสรฐ สารการ PRASERT SARAKARN

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟา

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

พ.ศ. 2553

การศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร

ประเสรฐ สารการ

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟา

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

พ.ศ. 2553

THE INVESTIGATION IN HYBRID DC ENERGY CONTROL OF FUEL CELL AND BATTERY

PRASERT SARAKARN

A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF ENGINEERING

IN ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING

RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI 2010

วทยานพนธฉบบนเปนงานวจยทเกดจากการคนควาและวจยขณะทขาพเจาศกษาอยในคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ดงนนงานวจยในวทยานพนธฉบบนถอเปนลขสทธของมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบรและขอความตางๆในวทยานพนธฉบบน ขาพเจาขอรบรองวาไมมการคดลอกหรอนางานวจยของผอนมานาเสนอในชอของขาพเจา

นายประเสรฐ สารการ COPYRIGHT © 2010 ลขสทธ พ.ศ. 2553 FACUTY OF ENGINEERING คณะวศวกรรมศาสตร RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ก

หวขอวทยานพนธ การศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร นกศกษา นายประเสรฐ สารการ รหสประจาตว 115070402010-8 ปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขา วศวกรรมไฟฟา แขนงวศวกรรมไฟฟากาลง ปการศกษา 2552 อาจารยผควบคมวทยานพนธ ดร. วนชย ทรพยสงห ผชวยศาสตราจารย ดร. ปฏพทธ ทวนทอง

บทคดยอ

วทยานพนธนนาเสนอการศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร โดยกาหนดใหเซลลเชอเพลงเปนแหลงจายหลกตอเขาบสไฟตรง ผานบสตคอนเวอรเตอรแบบ 4 เฟส แบตเตอรเปนแหลงจายเสรมตอผานคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง (2-Quadrant) เปนการเพมไดนามกสขณะโหลดตองการกาลงงานสง ๆ และเปนอปกรณเกบกาลงงานไฟฟา เทคนคการจดการกาลงงานจากแหลงจายหลกและแหลงจายเสรมบนบสไฟตรง จะกาหนดการทางานของโหลดไวเปน 3 สภาวะ บรหารกาลงงานโดย พ-ไอ คอนโทรล ชนดหลายลป (คาสเคด คอนโทรล) งานวจยนใชเซลลเชอเพลงชนด PEMFC พกด 1.2 กโลวตต, 26 โวลต, 46 แอมแปรแบตเตอรชนดตะกว-กรด ขนาด 12 โวลต, 12 แอมแปรชวโมง จานวน 6 ลก ตวประมวลผลทางคณตศาสตรใช dSPACE DS1104 ภาคคอนเวอรเตอรใชมอสเฟตเปนสวทช ความถการสวทชท 25 กโลเฮรท พกดแรงดนบนบสไฟตรงท 60 โวลต ผลการทดสอบแสดงใหเหนสมรรถนะของแหลงจายไฟทนาเสนอ สามารถตอบสนองในการทางานทง 3 สภาวะตามเงอนไขทตองการทกประการ จายกาลงงานใหโหลดขณะทโหลดตองการกาลงงานสงสดไดภายใน 4-10 วนาท ในขณะทแรงดนของบสไฟตรงจะคงทตลอดเวลา อยางไรกตามระบบนยงไมสามารถทางานไดดกบโหลดทตองการความเรวสง ๆ อนเนองมาจากธรรมชาตของแบตเตอรทนามาใชในวทยานพนธน คาสาคญ : แหลงจายไฟตรงแบบผสม, เซลลเชอเพลง, แบตเตอร, คอนเวอรเตอร

ข

Thesis Title: THE INVESTIGATION IN HYBRID DC ENERGY CONTROL OF FUEL CELL AND BATTERY

Student Name: Mr. Prasert Sarakarn Student ID: 115070402010-8 Degree Award: Master of Engineering Study Program: Electrical Engineering (Electrical Power Engineering) Academic Year: 2010 Thesis Advisor/s: Dr. Wanchai Subsingha Assistant Professor Dr. Phatiphat Thounthong

ABSTRACT

The thesis this presents the investigation in hybrid dc energy control of fuel cell and battery. The fuel cell is connected to a dc bus by 4-phase boost converter, and battery is auxiliary sources connected by 2-quadrant converter for supplying transient energy demand and peak. To manage the energy exchanges between the dc bus, the main source and the storage device, three operating modes. The control strategy is a PI-Control (Cascade control type). This thesis with PEMFC 1.2 kW, 26 V, 46A and 12 V, 12Ah lead-acid battery 6 unit. The numerical calculation in dSPACE DS1104, MOSFET modules are used as switches in the converter with the switching frequency of 25 kHz. With the dc bus rating of 60 V The experimental result is show dc sources performance for three operating modes. The initial state is zero for the power discharge to load, the load starts to maximum power with in 4-10 s, during time voltage at dc bus is steady state. Nevertheless, the proposed system cannot operate satisfy at high speed due to battery nature in this thesis. Keywords: Hybrid DC Sources, Fuel Cell, Battery, Converter

ค

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธเลมนสาเรจลลวงไดดวยความกรณาของอาจารย ดร. วนชย ทรพยสงห อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก และผชวยศาสตราจารย ดร. ปฏพทธ ทวนทอง อาจารยทปรกษารวม ทไดใหโอกาสและใหความรแกผจดทา ขอบพระคณเจาหนาทประจาศนยนวตกรรมเทคโนโลยไทย-ฝรงเศส ภาควชาครศาสตรไฟฟา คณะครศาสตรอตสาหกรรม มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ ทไดใหความกรณาใชเครองมอ อปกรณ คาแนะนา ตลอดจนความสะดวกในการทาวจย ขอบพระคณผบรหารบรษท อาควา นชฮารา คอรปอเรชน จากด ทใหโอกาสทางการศกษาตงแตเรมตนจนสนสดกระบวนการ ทายสดนขอขอบพระคณ คณแม คณพอ ทใหชวต ความแกรง ความกลา และการอบรมสงสอนใหผทาวจยมความอดทนตอสกบอปสรรคทเกดขน ขอบคณภรรยาและบตรทใหกาลงใจจนสามารถจดทาวทยานพนธไดสาเรจดวยด ประโยชนอนใดกตามทเกดขนจากวทยานพนธเลมน ขาพเจาขอมอบเปนกศลใหกบทกทานทกลาวมาแลวขางตนขอใหมความสข ความเจรญ สบเนองตลอดไป ประเสรฐ สารการ 6 มนาคม 2553

ง

สารบญ

หนา บทคดยอภาษาไทย ก บทคดยอภาษาองกฤษ ข กตตกรรมประกาศ ค สารบญ ง สารบญตาราง ฉ สารบญรป ช บทท 1 บทนา 1 1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา 1 1.2 วตถประสงคของวทยานพนธ 2 1.3 ขอบเขตของวทยานพนธ 2 1.4 ขนตอนและวธการดาเนนการของวทยานพนธ 2 1.5 ประโยชนของวทยานพนธ 3 1.6 คาสาคญของงานวจย 3 บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 4 2.1 เซลลเชอเพลง 4 2.2 แบตเตอร 12 2.3 คอนเวอรเตอร 14 2.4 วงจรทบแรงดนแบบขนานหลายเฟส 25 2.5 เทคนคการอนเตอรลฟ (Interleaved Technique) 25 2.6 การควบคมกระแสในลปปดของวงจรคอนเวอรเตอรแบบขนานหลายเฟส 26 2.7 การออกแบบวงจรกาลงของคอนเวอรเตอรไฟฟากระแสตรง 28 2.8 ตวควบคมอตโนมต 45 2.9 ทฤษฏพนฐานเกยวกบการมอดเลตแบบปรบความกวางพลส 49 บทท 3 ขนตอนและวธการดาเนนการ 51 3.1 การศกษาขอมล 53 3.2 การออกแบบวงจรคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงแบบขนาน 4 เฟส 53 3.3 การออกแบบวงจรคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง 66

จ

สารบญ (ตอ)

หนา 3.4 การออกแบบสวนควบคมการผสมผสานกาลงงาน 80 3.5 การออกแบบสวนจดการกาลงงานบน DC Bus 83 3.6 การพยากรณคา Kp และ Ki โดยใช SISOTOOL จาก MATLAB/Simulink 88 บทท 4 การทดสอบ 4.1 วตถประสงคของการทดสอบ 92 4.2 เครองมอวดและอปกรณทใชในการประลอง 97 4.3 ลาดบขนการทดลอง

ผลการทดสอบทโหลด 350 วตต 103 ผลการทดสอบทโหลด 500 วตต 103 ผลการทดสอบไดนามกสของแบตเตอร 106

บทท 5 สรปผลงานวจยและขอเสนอแนะ 109เอกสารอางอง 111ภาคผนวก

ก. ลายวงจรพมพ การวางตาแหนง และผลการทดสอบบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟส 113 ข. ลายวงจรพมพ การวางตาแหนง และผลการทดสอบ2-Quadrant คอนเวอรเตอร 131 ค. สวนประกอบการทดลองและขอมลทางเทคนคของอปกรณทสาคญ 140 ง. ผลงานวจยตพมพเผยแพร 149ประวตผเขยน 162

ฉ

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2.1 การเปรยบเทยบวงจรแมเหลกไฟฟาและแมเหลกถาวร 30 2.2 ขอมลลวดทองแดง 38 3.1 พารามเตอรทใชในการประลอง 92 4.1 ขอกาหนดทางไฟฟาของคอนเวอรเตอรขนานกน 4 เฟส 95 4.2 ผลตอบสนองการประลองวงจรคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส 95 4.3 ผลประลองการจายกาลงงานจากแบตเตอรไปยงระบบ 97 4.4 ผลตอบสนองการประลองเมอรบกาลงงานจากระบบสแบตเตอร 100

ช

สารบญรป

รปท หนา 2.1 โครงสรางภายในของเซลลเชอเพลง 1 เซลล 6 2.2 ตนแบบเซลลเชอเพลง PEMFC พกด 2 kW, 300 A, 7 V 6 2.3 ชดเซลลเชอเพลง 7 2.4 คาตาง ๆ ทเกดขนกบเซลลเชอเพลง PEMFC จานวน 1 เซลล 8 2.5 แบบจาลองความตานทานของเซลลเชอเพลง 9 2.6 การทดลองสเตปโหลดใหเพมมากขนเพอศกษาผลกระทบทเกดขนกบเซลลเชอเพลง 10 2.7 การแกปญหาการเกดการกระหายเชอเพลง 10 2.8 การควบคมอตราการไหลกระแสของเซลลเชอเพลง เมอจะประยกตใชงานจรง 11 2.9 โครงสรางของเซลลแบบตะกว-กรด 12 2.10 ปฏกรยาทางเคมของแบตเตอรแบบตะกว-กรด (Lead-Acid Battery) 13 2.11 อตราการประจและคายประจของแบตเตอร 14 2.12 วงจรสมมลของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง 15 2.13 วงจรการทางานของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง 15 2.14 สญญาณตาง ๆ ของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง 16 2.15 วงจรสมมลของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง 21 2.16 วงจรการทางานของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง 21 2.17 สญญาณตาง ๆ ของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง 22 2.18 วงจรทบแรงดนแบบหลายเฟส (Multiphase Interleaved Boost Converter) 25 2.19 การควบคมกระแสแบบลปปดของวงจรคอนเวอรเตอร 4 เฟส 27 2.20 วงจรแมเหลกพนฐาน 28 2.21 ฮสเตอรซสลป 29 2.22 วงจรแมเหลกไฟฟาและวงจรเทยบเคยง 30 2.23 ลกษณะของแกนเฟอรไรตแบบตาง ๆ 32 2.24 เสนโคงฮสเตอรรซสของแกนเฟอรไรต 33 2.25 คาการสญเสยในแกนเฟอรไรตของเนอสารชนด 6H20 7H20 และ 7H10 33 2.26 ลกษณะของกระแสและแรงดนตกครอมเพาเวอรมอสเฟตเมอเรมและหยดนากระแส 41 2.27 ตวเกบประจแฝงทตออยทขาตาง ๆ ภายในตวเพาเวอรมอสเฟต 42 2.28 ตวอยางของ Gate Charge Chart 42 2.29 ลกษณะการชารจประจทขาเกตตามเวลาทมผลตอการนาและหยดนากระแส 43

ซ

สารบญรป(ตอ)

รปท หนา 2.30 กราฟพกด FBSOA ของเพาเวอรมอสเฟตเบอร IRFP250N 44 2.31 ไดอะแกรมของตวควบคมแบบพไอ 46 2.32 ผลตอบสนองตอฟงกชนขนบนไดของตวควบคมแบบพไอ 46 2.33 วงจรควบคมแบบพไอ 46 2.34 วงจรควบคมแบบพไอปรบคาอสระตอกน 48 2.35 สญลกษณของสญญาณ PWM 49 2.36 การเปรยบเทยบสญญาณสามเหลยมกบไซน 50 3.1 แผนภมกระบวนการวจย 51 3.2 ผงโครงสรางการผสมผสานพลงงาน 53 3.3 วงจรทบแรงดนแบบขนาน 4 เฟส 54 3.4 วงจรตรวจจบกระแส 58 3.5 วงจรขบนาเกตโดยใชไอซเบอร TLP250 59 3.6 วงจรสรางสญญาณพลลอางอง 61 3.7 วงจรโมโนสเตเบล มลตไวเบรเตอรใชไอซ SN74LS123 62 3.8 วงจรสรางสญญาณสามเหลยม 63 3.9 วงจรมอดเลตตามความกวางของสญญาณพลส (PWM) 64 3.10 วงจรควบคมแบบพไอ สาหรบบสตคอนเวอรเตอร 65 3.11 สวนประกอบวงจรคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 66 3.12 วงจรคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 2 เฟส 67 3.13 การปอนกลบของกระแส 1 เฟส 70 3.14 วงจรตรวจจบกระแส 1 เฟส 71 3.15 วงจรเดดไทม (Dead Time Circuit) 72 3.16 เดดไทมของการขบมอสเฟต 72 3.17 วงจรขบนาเกตโดยใชไอซเบอร TLP 250 73 3.18 วงจรกาเนดสญญาณพลสวดตมอดเลชน 74 3.19 วงจรกาเนดสญญาณนาฬกา 25 kHz 75 3.20 วงจรโมโนสเตเบล 76 3.21 การตอวงจรเหลอมเฟส 180 องศา 77 3.22 วงจรกาเนดสญญาณฟนเลอย 77

ฌ

สารบญรป(ตอ)

รปท หนา 3.23 วงจรควบคมแบบพไอ สาหรบคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 79 3.24 บลอกไดอะแกรมระบบจดการการผสมผสานกาลงงาน 80 3.25 ระบบจดการดานกาลงงานของเซลลเชอเพลง แบตเตอร และโหลด 81 3.26 สภาวะอดประจ (Charge Mode) 82 3.27 สภาวะคายประจ (Discharge Mode) 82 3.28 สภาวะคนกลบ (Recovery Mode) 83 3.29 วงจรสมมลของแหลงจาย 83 3.30 การบาลานซโหลด 84 3.31 บลอกไดอะแกรม DC Bus Voltage Control Loop 85 3.32 บลอกไดอะแกรม Battery Charge Loop 86 3.33 โครงสรางระบบควบคมรวมการผสมผสาน 92 4.1 หองปฏบตการทดสอบแหลงจายไฟแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร 93 4.2 วงจรทดสอบการสงถายพลงงานสาหรบบสตคอนเวอรเตอร 94 4.3 กระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาทมการขนานกน 4 เฟส ทกระแสดานเขา 10 A 96 4.4 กระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาเมอเปลยนแปลงภาระทกระแสดานเขา 1 A 96 ไปท 3 A 4.5 วงจรทดสอบการสงถายพลงงานสาหรบคอนเวอรเตอรชนด 2 Quadrant 97 4.6 ความสมพนธของกระแส ILactive กบ ILREF 98 4.7 ประสทธภารของคอนเวอรเตอรเมอจายพลงงานจากแบตเตอรไปยงระบบ 99 4.8 สถานะกระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาขณะจายกาลงงานจากแบตไปสระบบ 99 4.9 ผลการตอบสนองของคอนเวอรเตอรตอคาสงในโหมดจายกระแสกลบเขาแบตเตอร 100 4.10 ประสทธภาพของคอนเวอรเตอรในการสงถายพลงงานจากระบบไปแบตเตอร 101 4.11 การตอบสนองของวงจรทคาสงใหจายกระแสเขาแบตเตอร 3.75 A 101 4.12 วงจรประลองแหลงจายแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร 102 4.13 การตดตงชดแบตเตอร 102 4.14 ผลตอบสนองของแหลงจายทโหลดขนาด 350 วตต 104 4.15 ผลตอบสนองของแหลงจายทโหลดขนาด 500 วตต 105 4.16 ลกษณะไดนามกสของโหลดและแบตเตอร ทโหลด 350 วตต 106 4.17 ลกษณะไดนามกสของโหลดและแบตเตอร ทโหลด 500 วตต 107

ญ

สารบญรป(ตอ)

รปท หนา ก.1 วงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟสภาคกาลงสวนท 1 114 ก.2 การวางอปกรณของวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 1 115 ก.3 ลายวงจรพมพของวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 1 116 ก.4 วงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟสภาคกาลงสวนท 2 117 ก.5 การวางอปกรณวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 2 118 ก.6 ลายวงจรพมพของวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 2 118 ก.7 วงจร Gate Drive 119 ก.8 การวางอปกรณของวงจร Gate Drive 120 ก.9 ลายวงจรพมพของวงจร Gate Drive 120 ก.10 วงจร PI Control 121 ก.11 การวางอปกรณของวงจร PI Control 122 ก.12 ลายวงจรพมพของวงจร PI Control 122 ก.13 วงจร PWM 123 ก.14 การวางอปกรณของวงจร PWM 124 ก.15 ลายวงจรพมพของวงจร PWM 124 ก.16 วงจรแหลงจายไฟดซ 24 V 125 ก.17 การวางอปกรณของวงจรแหลงจายไฟดซ 24 V 126 ก.18 ลายวงจรพมพของวงจรแหลงจายไฟดซ 24 V 126 ก.19 ดานหนากลองของบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส 127 ก.20 ดานหลงกลองบรรจบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส 128 ก.21 ดานในภาควงจรกาลง 128 ก.22 ดานในภาควงจรควบคม PI 4 สญญาณ 129 ก.23 ดานในภาควงจรควบคม ชดสราง PWM 4 สญญาณ 129 ก.24 ดานในภาควงจรควบคม ชดสราง Gate Drive 4 สญญาณ 130 ก.25 ชดแหลงจายไฟสาหรบวงจร 130 ข.1 วงจร Dead Time และวงจรขบเกตแผนท 1/2 132 ข.2 วงจร Dead Time และวงจรขบเกตแผนท 2/2 133 ข.3 การวางตาแหนงอปกรณในวงจร Dead Time และวงจรขบเกต 134 ข.4 ลายวงจรพมพดานบน ขนาดเทาของจรง 134

ฎ

สารบญรป(ตอ)

รปท หนา ข.5 วงจรภาคกาลงของ 2-Quadrant Converter 135 ข.6 ลายวงจรพมพดานลาง ขนาดเทาของจรง (มมมองจากดานลาง) 136 ข.7 การจดวางอปกรณของวงจรภาคกาลง 136 ข.8 ลายวงจรพมพของวงจรภาคกาลง 137 ข.9 ภาพดานหนากลองบรรจคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 138 ข.10 ภาพหลงหนากลองบรรจคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 138 ข.11 การจดวางวงจรภายในเครอง 139 ค.1 การตอบสไฟตรง 141 ค.2 การตอภาคอนพท dSPACE สาหรบใชงาน 147 ค.3 Control Desk ทใชในการทดลอง Lab 148 ค.4 อปกรณในวนประลอง ณ ศนยนวตกรรมไทย-ฝรงเศส 148 มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ

บทท 1 บทนา

1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา ประเทศไทยยงมความจาเปนตองพฒนาเพอใหเจรญและกาวหนาทนโลก พลงงานโดยเฉพาะ พลงงานไฟฟาเปนปจจยสาคญในการขบเคลอนคดเปน 54 % ของพลงงานทกชนดทใชในประเทศ จงมการเรงผลตกาลงไฟฟาเพอรองรบกบความตองการ แตดวยขอจากดบางประการทาใหไมสามารถขยายอตราการผลตกาลงไฟฟาไดทน จงตองซอพลงงานไฟฟาจากตางประเทศเพมเตม ในสวนทผลตไดเองตองจดหาพลงงานชนดอนมาเปนเชอเพลงในการผลตกระแสไฟฟา เชน ถานหน นามน กาซธรรมชาต แตเพราะเชอเพลงตาง ๆ ทนามาใชผลตกระแสไฟฟานบวนจะมปรมาณลดลงซงคาดวาจะตองหมดไปในอนาคตอนใกล จงเกดสภาวะความผนผวนของราคาโดยมทศทางไปในแนวทางทสงขนตามสถานการณทางเศรษฐกจและการเมองของโลก แมกาลงไฟฟาบางสวนทผลตไดจากพลงงานนา ซงเปนพลงงานหมนเวยนตนทนตาแตมสดสวนทนอย แหลงนาทสามารถจะพฒนาเพอผลตกระแสไฟฟาไดมนอยลงและตองประสบปญหาการคดคานขององคกรกลมตาง ๆ อกดวย ดงนน จงมความพยายามทจะคดคนแหลงพลงงานใหม ๆ ทไมกระทบตอสงแวดลอม ประหยดและไมมวนหมดสน ซงบางชนดนามาใชบางแลว เชน ผลของนาขน-นาลง คลน(ทะเล) ความรอนจากมหาสมทร แสงอาทตย ลม และความรอนใตพภพ เปนตน แตยงมขอจากดในการพฒนา เพราะมราคาแพง ใชเวลาของโครงการนาน ทงปญหาการถกตอตานจากชมชน เชนกรณโรงไฟฟาพลงงานนวเคลยร จงมการคดคนและพบวา เซลลเชอเพลง (Fuel Cell) เปนเซลลทางดานไฟฟาเคมทสามารถเปลยนแปลงพลงงานเคมใหเปนกระแสไฟฟาไดโดยตรง โดยไมตองมกระบวนการเผาไหมทกอใหเกดมลพษทางอากาศ ไมมการจดระเบด และไมมการเคลอนไหวของอปกรณ เชอเพลงทใชในการทาปฏกรยา คอ กาซไฮโดรเจน และกาซออกซเจน โดยหลกการเซลลเชอเพลงจะทางานคลายกบแบตเตอรแตแตกตางกน คอ กาลงงานของเซลลเชอเพลงจะไมลดลงและไมตองมการประจไฟใหม เซลลเชอเพลงจะใหกระแสไฟฟาและนาตราบเทาทยงมเชอเพลงและออกซเจนใหกบเซลลเชอเพลง แตดวยขอจากดบางประการยงไมสามารถใชเซลลเชอเพลงไดเพยงลาพง ตองมการใชรวมกบแหลงกาลงงานอนทมความสามารถเปนอปกรณเกบกาลงงานสวนเกนได เชน แบตเตอร, ซปเปอรคาปาซเตอร เปนตน ถงกระนนกตามทงเซลลเชอเพลงและแบตเตอรจะกาเนดไฟฟากระแสตรงทมขนาดของแรงดนตา ดงนนจงตองใชวงจรคอนเวอรเตอรเพอปรบขนาดแรงดนไฟฟาใหไดทงปรมาณและความคงทตามความตองการใชงาน

2

ดงทกลาวมาทงหมดจงเปนเหตจงใจในการทาวทยานพนธเลมน โดยวทยานพนธนจะแสดงใหเหนถงการนาสงประดษฐทางเทคโนโลยซงเคยมผคนควาวจยมาแลวอยางกวางขวางคอเซลลเชอเพลง และแบตเตอร มาเปนแหลงกาเนดพลงงานโดยผานวงจรคอนเวอรเตอร โดยกาหนดเงอนไขการนาพลงงานจากแหลงกาเนดพลงงานทงสองมาใช ทงนจะเปนการนาเสนอใหเหนถงการออกแบบและการสรางชนงาน การสรางเงอนไขการควบคมแหลงพลงงานทงสอง เพอใหเกดความสมพนธกบความตองการกาลงงานของโหลด

1.2 วตถประสงคของวทยานพนธ วทยานพนธนจะเปนการศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร พกดแรงดนขาออกท 60 V

1.3 ขอบเขตของวทยานพนธ 1.3.1 ออกแบบและสรางบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส สาหรบเซลลเชอเพลง พกด 1.2 kW 1.3.2 ออกแบบและสรางคอนเวอรเตอรสองทศทางสาหรบแบตเตอร พกด 600 W 1.3.3 จดสรางบสไฟฟากระแสตรงขนาด 60 V, 1.2 kW โดยกาหนดใหแรงดนตกขณะจาย โหลดไดไมเกน 10 % 1.3.4 ออกแบบระบบควบคมการผสมผสานพลงงานจากทงสองแหลง

1.4 ขนตอนและวธการดาเนนการของวทยานพนธ 1.4.1 ศกษาหลกการและความรพนฐานของเซลลเชอเพลง, แบตเตอร 1.4.2 ศกษาวงจรแปลงผนแรงดนไฟฟา (Converter)

1.4.3 ศกษาระบบควบคมแบบ PI Control ชนด Cascade Control 1.4.4 ศกษาระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสตรง 1.4.5 ศกษาระบบโครงสรางและระบบตนกาลงของรถไฟฟา 1.4.6 ศกษาตวประมวลผลทางคณตศาสตร dSPACE DS1104 1.4.7 ออกแบบและสรางบสตคอนเวอรเตอรแบบ 4 เฟสสาหรบเซลลเชอเพลงพกด 1.2 kW 1.4.8 ออกแบบและสรางคอนเวอรเตอรสองทศทางสาหรบแบตเตอร พกด 600 W 1.4.9 ออกแบบและสรางบสไฟฟากระแสตรงขนาด 60 V พกด 1.2 kW 1.4.10 เขยนโปรแกรมควบคมบน MATLAB/Simulink และทาการทดสอบ

3

1.4.11 เกบขอมล สรปผลการทดลองและปญหาทเกดขน

1.5 ประโยชนของวทยานพนธ 1.5.1 มความเขาใจในสวนประกอบของการผสมผสานแหลงพลงงานหลาย ๆ แบบ เพอเปน

ประโยชนในการพฒนาแหลงพลงงานทางเลอกชนดใหม 1.5.2 สามารถนาความรและผลงานออกแบบทไดจดทา เปนแหลงพลงงานใหกบรถไฟฟา

หรอประยกตเพอใชกบงานอน ๆ ทมความตองการใชแรงดนไฟตรงขนาด 60 V

1.6 คาสาคญของการวจย Hybrid DC Sources การผสมผสานสงใด ๆ ตงแตสองสงขนไป Fuel Cell สงประดษฐทางเทคโนโลย ทมความสามารถใชสภาวะการเปลยนแปลง ทางพลงงานเคมใหเปนพลงงานไฟฟา Battery อปกรณทมหนาทจายและจดเกบกาลงงานไฟฟากระแสตรง Converter วงจรแปลงผนแรงดนไฟฟาทมหนาทแปลงไฟฟากระแสตรงใหเปน กระแสตรง หรอแปลงไฟฟากระแสตรงใหเปนกระแสสลบ

บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ

ในการจดทาวทยานพนธเรอง “การศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร” จาเปนตองศกษาทฤษฎทเกยวของดงตอไปน

2.1 เซลลเชอเพลง 2.2 แบตเตอร

2.3 คอนเวอรเตอร 2.3.1 คอนเวอรเตอรแบบทบแรงดนไฟฟากระแสตรง (Boost Converter) 2.3.2 คอนเวอรเตอรแบบทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง (Buck Converter) 2.4 วงจรทบแรงดนขนานกนหลายเฟส 2.5 เทคนคการอนเตอรลฟ (Interleaved Technique) 2.6 การควบคมกระแสในลปปดของวงจรคอนเวอรเตอรแบบขนานหลายเฟส 2.7 การออกแบบวงจรกาลงของคอนเวอรเตอรไฟฟากระแสตรง 2.8 ตวควบคมอตโนมต (Automatic Controllers) 2.9 ทฤษฏพนฐานเกยวกบการมอดเลตแบบปรบความกวางพลส

2.1 เซลลเชอเพลง (Fuel Cell) [5] ปญหาเรองการขาดแคลนพลงงานและมลพษทเกดจากการใชพลงงานไมวาจะเปนการใชนามนเชอเพลง, กาซ NGV, กาซ LPG ทเรมมปญหามากขนทกวน จงมการพยายามพฒนาแหลงพลงงานทางเลอกใหม และทกาลงเปนทสนใจในขณะนคอ พลงงานลม (Wind Turbine), พลงงานจากเซลลแสงอาทตย (Solar Cell) และพลงงานทไดมาจากเซลลเชอเพลง (Fuel Cell) ซงแหลงพลงงานเหลานลวนใหพลงงานไฟฟาออกมา แตกระบวนการทจะทาใหเกดพลงงานไฟฟาจะแตกตางกนออกไป เซลลเชอเพลงเปนแหลงผลตพลงงานไฟฟาชนดหนงทไดจากการเปลยนพลงงานเคมเปนพลงงานไฟฟา การเกดปฏกรยาไฟฟาเคมเปนพลงงานสะอาดไมเกดควนพษจากการเผาไหม จงปราศจากมลพษทเปนอนตรายตอสงมชวต แหลงพลงงานทใชเปนเชอเพลงหลกของเซลลเชอเพลงมาจาก กาซไฮโดรเจน (Hydrogen) ทาปฏกรยารวมกบกาซออกซเจน (Oxygen) ในรปของอากาศ ปฏกรยานเรยกวา ปฏกรยาไฟฟาเคม (Electrochemically) ผลลพธทไดจากปฏกรยานคอ ไฟฟากระแสตรงทมแรงดนตา ความรอน และนา ไฟฟาทไดจากเซลลเชอเพลงสามารถนาไปใชกบโหลดทางไฟฟาไดหลากหลายเชน ระบบขบเคลอนรถยนต โดยนาไปขบมอเตอรไฟฟา เพอทาใหรถยนตเคลอนทไปได

5

แทนการใชเครองยนตทใชนามนเชอเพลง ระบบไฟฟาภายในอาคารผสมกบการใชไฟฟาจากแหลงอนๆ เชนจากกงหนลม เซลลแสงอาทตย เปนตน 2.1.1 หลกการทางานของเซลลเชอเพลง เซลลเชอเพลงสามารถใหพลงงานไฟฟาออกมาโดยอาศยการเปลยนพลงงานเคมเปนพลงงานไฟฟา (Electrochemically) เชอเพลงทใชสาหรบการเกดปฏกรยาเคมทเซลลเชอเพลงตองการคอ กาซไฮโดรเจน (Hydrogen) และกาซออกซเจน (Oxygen) ทาปฏกรยาทมชอเรยกวาปฏกรยา ออกซเดชน (Oxidation) สามารถเขยนไดเปนสมการคอ

−+ +→ eHH 222 Anode: (2.1)

OHOeH 222122 →++ −+ Cathode: (2.2)

ทขวแอโนด (Anode) จะมศกดไฟฟาเปนบวก เกดจากไฮโดรเจน 2 อะตอมมประจเปนบวกรวมกบอเลกตรอน 2 ตวทมประจเปนลบ และทขวแคโทด (Cathode) มศกดไฟฟาเปนบวก เกดจากไฮโดรเจน 2 อะตอมทมประจเปนบวกรวมกบอเลกตรอน 2 ตวทมประจเปนลบแลวรวมกบออกซเจนครงอะตอม ในสวนนจะเกดนาขนมาหนงโมล จากโครงสรางของเซลลเชอเพลงจะเหนวาภายในโครงสรางถกแยกออกเปนสองสวนโดยทมแผนเมมเบรน (Membrane) คนอยตรงกลางมความหนาเพยง 20-200 mμ ตรงสวนนเมมเบรนจะถกออกแบบใหอเลกตรอน (Electrons) สามารถวงผานไดสะดวก ดงนนอเลกตรอนจะวงออกจากขว แอโนด (Anode) ไปยงโหลดทางไฟฟาและกลบเขามาทขว แคโทด (Cathode) อกครงเปนการครบวงจรทางไฟฟา เมอรวมผลทไดจากเซลลเชอเพลงจะประกอบไปดวย นา ความรอน และพลงงานไฟฟาเขยนเปนสมการไดคอ

ElectricalHeatOHOH ++→+ 222 21 Energy (2.3)

2.1.2 โครงสรางของเซลลเชอเพลงชนด PEMFC เซลลเชอเพลงทถกคดคนและพฒนาขนมามดวยกนหลายชนดซงแตละชนดจะมความแตกตางกนออกไปจากรปท 2.1 เปนโครงสรางของเซลลเชอเพลงแบบ PEMFC เพยงหนงเซลล จากรปจะเปนการจาลองแบบ 3 มต เมอทาการพจารณาในแนวแกนนอน กาซจะถกสงเขาไปในเซลลเชอเพลงตามทอตวนาแบบค (Bipolar Plate) ซงมความหนาประมาณ 1-10 mm ละอองนาจะถกรวมเขากบกาซในสวนของชนเมมเบรน (Membrane) ชนการแพรกระจาย (Diffusion Layer) ซงม

6

ความหนา 100-500 um แตหากจะใหไดผลดทสดควรใหมความหนาเพยงแค 5-50 um ชนทกลาวมานเรยกวา “อเลกโทรด (Electrode)”

รปท 2.1 โครงสรางภายในของเซลลเชอเพลง 1 เซลล

ในทางทฤษฎแลวเซลลเชอเพลงหนงเซลลจะใหแรงดนไฟฟาขนาด 1.299 V ในสภาวะไมมภาระไฟฟา (No Load) ถาหากมการตอภาระไฟฟาเตมพกด (Rated Current) จะทาใหแรงดนไฟฟาจะลดลงเหลอ 0.6 - 0.7 V ตอเซลล ผลทไดนมาจากการทดลองจรงจากชดเซลลเชอเพลงดงรปท 2.2 เพอหาคาความแตกตางของเซลลเชอเพลงเมอมการตอภาระและไมตอภาระทางไฟฟา

รปท 2.2 ตนแบบของเซลลเชอเพลง PEMFC ทใชทาการทดลองมพกด 2kW, 300A, 7V ออกแบบและพฒนาโดย French Atomic Energy Center (CEA) โครงสรางของเซลลเชอเพลงประกอบดวยแผนเพลตเรยงซอนกนหลายๆชน ตามรปท 2.3 แผนเพลตแตละแผนจะถกออกแบบโดยมขอกาหนดคอ นาหนกเบา แขงแรง กาซสามารถซมผานไดสะดวก เปนตวนาใหอเลกตรอนวงผานไดสะดวก โดยจะใชกราไฟต (Graphite) หรอวสดอนๆทมคณสมบตเทยบเทา สงแรกทตองคานงถงคอการไหลผานของกาซ ในสวนของแผนเพลตในแตละ

7

แผนจะมชองสาหรบกาซเขาและออก และจะตองมชองทางเดนสาหรบการระบายความรอนดวยนาใหสามารถระบายความรอนไดในทก ๆ จดของแผนเพลต นาทใชระบายความรอนนจะไหลออกอกทางทเรยกวา “แคโทด (Cathode)” เนองจากขณะทางานตวเซลลเชอเพลงนจะมความรอนเกดขนจาเปนทจะตองมการระบายความรอนเพอทาใหเซลลเชอเพลงทางานในจดทเหมาะสมทสด

รปท 2.3 ชดเซลลเชอเพลง 2.1.3 ระบบทางานของเซลลเชอเพลง (PEM Fuel Cell System) เซลลเชอเพลงตองการกาซไฮโดรเจนเปนเชอเพลง เพอทาปฏกรยากบออกซเจนทอยในรปของอากาศ เพอใหไดพลงงานไฟฟาออกมา ขณะเดยวกนกเกดความรอนขนทตวเซลลเชอเพลง จงมระบบระบายความรอนเขามาแกปญหาน ในสวนของกาซจาเปนตองมการควบคมความดนและการไหลดวยตวเลคกเรท (Regulate) ดงนนทงสองสวนจงตองมการควบคม โดยแยกออกเปน - การสงจายเชอเพลง (Fuel Delivery System) - การควบคมออกซเจน (Air System) - การระบายความรอน (Stack Cooling System) - การควบคมความชนสมพทธ (Humidification System)

8

2.1.4 แบบจาลองทางสถตของเซลลเชอเพลง (Static Model of Fuel Cell) จากงานวจย [13] ไดทาการศกษาแบบจาลองทางคณตศาสตรของเซลลเชอเพลงและไดสรปออกมาเปน ผลรวม 4 เทอมของสมการแลวนาไปเขยนเปนกราฟไดดงรปท 2.4

444 8444 764484476

44 844 76 ionlossConcentrat

L

nFC

Ohmicloss

nFCm

lossActivation

O

nFCrevFC i

iIBiIRi

iIAEV ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−++−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−= 1log.).(log. (2.4)

เมอ revE คอแรงดนไฟฟาทเซลลเชอเพลงผลตได มคาเทากบ revE = CellnE * Celln คอจานวนเซลลทนามาตอลาดบกน FCI คอกระแสทเซลลเชอเพลงผลตได

Oi คอจดทเสนกราฟเรมมสโลป

Li คอการกาหนดขอบเขตของกระแส B คอคาคงทมคา 1.19 V

ni คอกระแสของแตเซลล

MR คาความตานทานของแผนเมมเบรน คานไดมาจากการคานวณและผลทดลองจากหองทดลอง

รปท 2.4 คาตางๆทเกดขนกบเซลลเชอเพลง PEMFC จานวน 1 เซลล

คาทไดจากการทดลองหาพารามเตอร เพอนาไปใชคานวณ ไดแก

revE = 27.1 V (ทอณหภม 55 องศาเซลเซยส จานวน 23 เซลล) A = 1.35 V

Oi = 6.54 mA

9

MR = 0.045 Ω B = 1.19 V

Li = 100 A

ni = 230 mA

2.1.5 แบบจาลองความตานทานของเซลลเชอเพลง (Impedance Model of PEMFC) ในการทดลองเกยวกบเซลลเชอเพลงนจะตองมการคานวณเพอหาคาตาง ๆก อนทจะทาการทดลองจรง โมเดลของเซลลเชอเพลงทสมบรณดงในรปท 2.4 ประกอบไปดวย คาของความตานทาน และคาของตวเกบประจ

รปท 2.5 แบบจาลองความตานทานของเซลลเชอเพลง เมอมองถงพลงงานไฟฟาทไดจากเซลลเชอเพลงจะพบวาพลงงานไฟฟาทออกมานน มแรงดนระดบตาไมเหมาะทจะนาไปใชงาน จงตองมการแปลงผนแรงดนไฟฟาใหเปนแรงดนรปแบบอนๆเชน แปลงจากไฟฟากระแสตรงใหเปนไฟฟากระแสตรงทมขนาดแรงดนทสงขนมชอเรยกวา “ดซ-ดซ คอนเวอรเตอร (DC-DC Converter)” หรอ วงจรแปลงไฟฟากระแสตรงเปนไฟฟากระแสสลบ เรยกวา “อนเวอรเตอร (Inverter)” วธการแปลงผนแรงดนไฟฟาจะตองอยภายใตเงอนไขคอ พลงงานและประสทธภาพทไดจากเซลลเชอเพลงจะตองมากทสด เพอผลลพธทไดจะมคามากทสด ซงสงเหลานกมผลมาจากเทอรโมไดนามกส, พลงงานทอเลกโทรด, การปอนเชอเพลง ดงนนสงเหลานจะมผลมาจากวสด อปกรณ ทนามาใชทาชดโมดลเซลลเชอเพลง (Fuel Cell Stack) ซงสงตางๆเหลานจะมผลตอประสทธภาพการทางานของเซลลเชอเพลง โดยยงเปนเรองทกาลงเปนทสนใจ มการศกษาและพฒนากนอยางแพรหลายในปจจบน ในการทดสอบคณสมบตของเซลลเชอเพลง [8] โดยใชเซลลเชอเพลงชนด PEMFC ของ Ballard พกด 500 วตต ไดแสดงผลการทดสอบของเซลลเชอเพลง กลาวคอ ขณะทเซลลเชอเพลง

10

ทางานตามปกตไดทาการเปลยนแปลงภาระทางไฟฟาใหมากขนแบบทนททนใดเพอดผลตอบสนองของปฏกรยาทางเคม และแสดงผลไดตามรปท 2.6

รปท 2.6 การทดลองสเตปโหลดใหเพมมากขนเพอศกษาผลกระทบทเกดขนกบเซลลเชอเพลง

จากรปแสดงใหเหนวาเมอมการจายกระแสแบบทนททนใด ไฮโดรเจนจะมการไหลตามการเปลยนแปลงของกระแส แตออกซเจนจะมคาความเฉอย ทาใหออกซเจนไหลไมทนตามไฮโดรเจน ซงในจดนทาใหเซลลเชอเพลงมการตอบสนองชวขณะทชา (Transient) ทาใหพลงงานขาออกตกลงชวขณะ เรยกชวงเวลานวา “การกระหายเชอเพลง (Fuel Cell Starvation Phenomenon)” ดงนนวธการแกปญหาทเกดขนคอ ตองมการกาหนดคาเวลาในการหนวงของสญญาณคาสงเพอทาใหเกดเปนสโลปดงรปท 2.7

รปท 2.7 การแกปญหาการเกด การกระหายเชอเพลง

11

จากรปแสดงใหเหนทงแรงดน กระแสไฟฟา ไฮโดรเจน และ ออกซเจน โดยมเสนกราฟทสอดคลองกน ชวงเวลาทเกดการกระหายเชอเพลงเปนจะอนตรายตอชดเซลลเชอเพลง ดงนนวธแกทเหมาะสมกคอ ตองมการควบคมคาสงในการจายกระแสไฟฟาของเซลลเชอเพลง ใหมชวงเวลาในการเปลยนแปลงหรอสโลป การใชงานเซลลเชอเพลงจงตองมสวนควบคมอตราการเปลยนแปลงกระแสดงเชนรปท 2.8

รปท 2.8 การควบคมอตราการไหลกระแสของเซลลเชอเพลง เมอประยกตใชงานจรง

เมอพจารณาสวนของ FC Current Slope Limitation เปนการกาหนดคาเวลาในการเปลยนแปลงของสญญาณคาสงเพอทาใหเกดสโลปกอนทจะไปเขาชดคอนโทรลเลอรตอไปจากพฤตกรรมของภาระไฟฟาจะมชวงเวลาของการใชพลงงานไฟฟา แบงออกเปนสองชวงคอ

- ชวงของการออกตว (Acceleration) - ชวงหลงของการออกตว (Deceleration)

เมอมองในชวงการเรมตนทางาน ภาระทางไฟฟามความตองการพลงงานทมากกวาปกตในเวลาสน ๆ เชนในระบบขบเคลอนรถยนตขณะออกตว แตในชวงหลงของการออกตวคอชวงสภาวะคงตว ภาระทางไฟฟาจะมความตองการพลงงานไฟฟาทเปนปกต จากทงสองกรณนจะเหนวาเซลลเชอเพลงจะไมสามารถจายกระแสไฟฟาไดอยางสมาเสมอ ดงนนจะตองมแหลงพลงงานอนเขามาชวยแกปญหาน เชน แบตเตอร ซปเปอรคาปาซเตอร เรยกวา “ระบบพลงงานรวม (Hybrid Source System)” หลกการของระบบพลงงานรวม คอจะสามารถจายพลงงานออกมาไดอยางรวดเรวเพอชดเชยชวงทภาระไฟฟาตองการพลงงานไฟฟามากกวาปกตซงเซลลเชอเพลงไมสามารถจายออกมาไดทน และดวยตวของเซลลเชอเพลงเองทผลตแรงดนไฟฟาทตายงไมเหมาะกบการใชงาน ดงนนจะตอง

12

มการทาใหแรงดนของเซลลเชอเพลงมขนาดทสงขนกอนทจะตอขนานเขากบบสไฟตรง (DC Bus) เพอนาไปใชงาน 2.2 แบตเตอร (Battery) [6] แบตเตอรแบงออกเปน 2 ชนด ไดแก 2.2.1 แบตเตอรชนดปฐมภม (Primary Battery) เปนชนดทใชไฟหมดแลวจะหมดสภาพไปไมสามารถนากลบมาชารจประจใหมได 2.2.2 แบตเตอรชนดทตยภม (Secondary Battery) หรอแบบทชารจไฟได เมอใชไฟจนหมด สามารถนาแบตเตอรมาชารจประจเพอนากลบไปใชงานไดใหมอกหลายครง โดยทวไปแบตเตอรมหลายชนดแตงานวจยนจะขอกลาวถงแบตเตอรชนดตะกว-กรด (Lead-Acid Battery) โครงสรางของแบตเตอรตะกว-กรด แสดงดงรปท 2.8 จะประกอบดวยแผนแคโทดและแผนแอโนดวางสลบกน โดยแชอยในอเลกทรอไลตททาจากสารละลายกรดกามะถน แผนเพลทจะวางสลบกนเพอจะไดมพนทผวสมผสกบอเลกทรอไลตมากทสด ในขณะทตองรกษาปรมาตรใหนอยทสดเทาทจะทาได การทมผวสมผสระหวางแผนอเลกโทดและอเลกทรอไลตมากเทาไร ปฏกรยาทางเคมทเกดขนจะมากขนตามไปดวย นอกจากนความตานทานภายในแบตเตอรจะยงมคานอยลง วธทจะเพมผวสมผสสามารถทาไดโดยการใชแผนเพลทบางๆ คนดวยฉนวนแบบมรพรน อเลกโทรดทเปนแอโนดจะสรางขนมาจากตะกวบรสทธ สวนแคโทดจะสรางจากสวนผสมของตะกวและตะกวเปอรออกไซด ในขณะทแบตเตอรคายประจใหกระแสไฟฟาออกมา อะตอมของตะกวจากแผนแอโนดจะแตกตวเปนไอออนทมประจบวกเขาไปอยในอเลกทรอไลตทาใหอเลกตรอนไหลออกสวงจรภายนอก ซงเปนหลกการของกระแสไฟฟา

รปท 2.9 โครงสรางของเซลแบบตะกว-กรด

13

ปฏกรยาเคมทเกดขนภายในแบตเตอรจะแสดงไดดงน CHARGE DISCHARGE OHPbSOSOHPbPbO 24422 222 +⇔++ ปฏกรยาทางเคมในสภาวะอดประจ (Charging) และคายประจ (Discharging) ไดดงรปท 2.10

ก. การคายประจของแบตเตอร ( Discharging)

ข. การอดประจของแบตเตอร (Charging) รปท 2.10 ปฏกรยาทางเคมของแบตเตอรแบบตะกว-กรด ( Lead-Acid Battery)

คณสมบตของแบตเตอรชนดน เมอคายประจ (Discharge) จะทาใหแรงเคลอนไฟฟาทขวลดลงดวยอตราทขนอยกบการจายกระแสไฟฟา โดยความสามารถจายกาลงงานของแบตเตอรเปนแอมปชวโมง (Ah) ซงกาหนดใหแบตเตอรจายกระแสไฟฟาออกไปคงทเปนเวลา 10 ชวโมงกอนทแรงเคลอนไฟฟาทขวจะลดลงถงจดตาสดทกาหนด ( ประมาณ 1.6 - 1.8 โวลตตอเซลล ) ซงแสดงใหเหนในกราฟ A ของรปท 2.11 สวนกราฟ B เปนการเปลยนแปลงของแรงเคลอนไฟฟาเปน 2.5 เทา

14

ของอตราปกต ซงเปนอตราการจายกระแสทสงมาก ทาใหแรงเคลอนไฟฟาทขวลดลงถงจดทกาหนดเรวขน กราฟ C แสดงการประจแบตเตอรอยางรนแรง โดยแรงเคลอนไฟฟาจะเพมขนจาก 2 โวลตตอเซลลไปจนถงคาสงสดทกาหนด (2.6-2.7 โวลตตอเซลล) แสดงวาแบตเตอรไดรบการประจเตมแลว

รปท 2.11 อตราการประจและคายประจของแบตเตอร

2.3 คอนเวอรเตอร [1] 2.3.1 คอนเวอรเตอรแบบทบแรงดนไฟฟากระแสตรง (Boost Converter) คอนเวอรเตอรแบบทบแรงดนไฟฟากระแสตรงเปนสวทชงชนดหนงททางานไดโดยใชอปกรณอเลกทรอนกสและอปกรณความถสงทาการปรบเปลยนระดบแรงดนเอาตพต ใหสงกวาระดบแรงดนอนพต โดยอาศยคณสมบตของตวเหนยวนาความถสงในการเกบและคายพลงงาน การทาใหระดบแรงดนเอาตพตสงกวาระดบแรงดนอนพตจงเรยกวา “สเตปอพคอนเวอรเตอร (Step - up Converter)” จะประกอบไปดวย 2 สวนหลกคอ สวนของวงจรกาลง ประกอบดวย ตวเหนยวนาความถสง ตวเกบประจดานเอาตพต ไดโอดกาลงทาหนาทสวทช อกสวนคอวงจรกรองแรงดน เปนวงจรทาหนาทควบคมการทางานของคอนเวอรเตอร เพอรกษาระดบแรงดนเอาตพตใหคงท วงจรสมมลของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงแสดงดงรปท 2.12 การทางานของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงแสดงดงรปท 2.13 และการวเคราะหคาจะไดสญญาณตาง ๆ ดงปรากฏในรปท 2.14

15

รปท 2.12 วงจรสมมลของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง

ก) โหมดท 1 สวทชปด

ข) โหมดท 2 สวทชเปด

รปท 2.13 วงจรการทางานของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง เมอ D คอ วฏจกรงาน (Duty Cycle) T คอ คาบเวลาการทางานของวฏจกรงาน

16

t

SV

1offQ 1onQ 1offQ1onQ

ont offt

AVGV

T

DSI

t

LI

LI

t

CI

t

AVGI

รปท 2.14 สญญาณตาง ๆ ของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง

17

2.3.1.1 วเคราะหเมอสวทชปด โหมด 1 (0 < ont t≤ ) มอสเฟต 1Q ทางานสวทชปด ( 0)t = กระแสอนพตไหลผานมอสเฟต 1Q และตวเหนยวนาทาใหกระแสของตวเหนยวนาเพมขนจาก 1I ท 0t t= เปน 2I ท

1t t= โดยไดโอด MD จะถกไบอสกลบ ตวเกบประจจะดสชารจประจใหแกโหลดในชวงเวลา0< ont t≤ คาแรงดนอนพตมคาเทากบแรงดนตกครอมตวเหนยวนาดงสมการท (2.5)

ononLS t

ILt

IILVV Δ=

−== 12 (2.5)

สมการทจะหาคาเวลาในชวงทเพาเวอรมอสเฟต Turn ON ไดจากสมการท (2.6)

S

on VILt Δ

= (2.6)

พลงงานทสะสมในตวเหนยวนาสามารถหาไดจากสมการท (2.7)

( ) 222

21

21

onS tVL

ILE =Δ= (2.7)

2.3.1.2 วเคราะหเมอสวทชเปด โหมด 2 (0 < ont t≤ ) มอสเฟต 1Q ทางานสวทชเปด 1( )t t= แรงดนเหนยวนายอนกลบของตวเหนยวนาซงตออนกรมอยกบแรงดนอนพต ทาใหเอาตพตมคามากขนจนทาให MD ทางาน กระแสอนพตไหลผานตวเหนยวนา ประกอบดวยกระแสอนพต ( )SI และกระแสของตวเหนยวนา ( )LI ซงกระแสของตวเหนยวนาเกดจากพลงงานสะสมในตวเหนยวนา ขณะทมอสเฟต 1Q

ทางาน) ผานไดโอด MD จายใหกบโหลดและชารจประจใหแกตวเกบประจเปนผลให LI ตกลงในชวงเวลา 2t

offSO t

IILVV 12 −=− (2.8)

หรอ off

SO tILVV Δ

=− (2.9)

สามารถทจะหาคาเวลาในชวงทเพาเวอรมอสเฟต Turn OFF ไดจากสมการท (2.10)

18

SOoff VV

ILt−Δ

= (2.10)

การเปลยนแปลงของกระแสของตวเหนยวนาระหวางคากระแส พค-ท-พค (Peak - to - Peak)

คอ กระแสกระเพอมเมอพจารณาทสภาวะคงทโดยใหชวงเวลา ont และ offt จากสมการท (2.11) มคาเทากน คานวณหากระแสกระเพอมไดดงน

( )O S offS on V V tV tIL L

−Δ = = (2.11)

แทนคา ont DT= และ (1 )offt DT= − ลงในสมการท (2.11)

( )( ) ( ) ( )TDVTDVTDVVDTV SOSOS −−−=−−= 111 (2.12)

จากสมการท (2.12) เมอทาใหอยในรปอยางงายได

( ) DTVTVTDVDTV SSOS +−−= 1 (2.13) หรอ

( )DVV OS −= 1 (2.14) ดงนนแรงดนเอาตพตเฉลยจากวงจรทบแรงดนจะไดดงสมการท (2.15)

D

VV SO −=

1 (2.15)

สมการท (2.14) แสดงถงแรงดนเอาตพต ถาสวทชเปดตลอดเวลาและ D มคาเปนศนยแรงดนเอาตพตจะมคาเหมอนกบแรงดนอนพต ขณะทวฏจกรงาน (Duty Cycle) มคาเพมขน ตวสวนในสมการท (2.11) จะมขนาดเลกลงและเอาตพตจะมคาแรงดนมากกวาอนพต แรงดนเอาตพตจะมคาเปลยนแปลงตามแรงดนอนพตและคาวฏจกรงาน ขณะวฏจกรงานมคาเขาใกล 1 แรงดนเอาตพตจะมคาเขาใกลอนนต (Infinity) หากพจารณาคากาลงไฟฟาดานอนพตเทากบดานเอาตพตจะไดวา

19

OOSS IVIV η=

outin PP η= แทนคาแรงดนเอาตพตในสมการท (2.16)

1

S OS S

V IV ID

=−

(2.16)

ฉะนนกระแสอนพตเฉลยจะได

D

II O

S −=

1

สวทชงเพาเวอรซบพลายจะทางานในรปของคาบเวลา ในหนงคาบเวลาจะประกอบไปดวยชวงเวลา และ ดงนนคาของคาบเวลาจะได

( )( )SOS

O

SOSoffon VVV

VILVVIL

VILtt

fT

−Δ

+−Δ

+Δ

=+==1 (2.17)

เมอจดรปสมการท (2.16) ใหมจะไดคากระแสกระเพอมของตวเหนยวนาดงสมการท (2.18)

( ) ( )[ ]O

OSS

S

SOS

fLVVDVV

LVTVVV

I−−

=−

=Δ1/ (2.18)

และจะไดคาตวเหนยวนาทใชในวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง ดงสมการท (2.19)

IfDV

L S

Δ= (2.19)

2.3.1.3 แรงดนกระเพอมดานเอาตพต (Output Voltage Ripple) การทางานของวงจรทบแรงดน จะตองไดแรงดนเอาตพตสงกวาแรงดนดานอนพต ถาไมเปนเชนนนแสดงวาตวเหนยวนาไมคายพลงงานเสรมแรงดนดานอนพต เมอมอสเฟต Turn ON แรงดนเอาตพตจะไดจากการคายประจของตวเกบประจเพยงอยางเดยว เพราะฉะนนขนาดของตวเกบประจจะขนอยขนาดของแรงดนเอาตพตและโหมดการทางาน จงจาเปนตองใหขนาดของตวเกบประจ

ont offt

20

มขนาดใหญ เพอทจะใหขนาดของแรงดนกระเพอมทางดานเอาตพตมขนาดลดลงตวเกบประจจะคายพลงงานใหเอาตพตในชวงเวลาทมอสเฟต Turn ON โดยหาคาตวเกบประจไดจากคากระแสเอาตพตในชวงเวลาดงกลาว

( )CtI

dtIC

VVV onOt

tOCCC

on

off

==−=Δ ∫10 (2.20)

หากพจารณาจากชวงเวลา ในคอนเวอรเตอรจะมความถในการสวทชเมอพจารณาใหอยใน

เทอมของเอาตพตซงจะไดจากสมการท (2.20) โดยพจารณาความถดวยจะได

on

SSSO tT

VDTTTV

DV

V−

=−

=−

=1

หรอ O

Son V

TVtT =−

คาเวลาในชวง จะได

O

SO

O

Son fV

VVV

TVTt

−=−= (2.21)

แทนคา ont ลงในสมการท (2.21) จะได

( ) ( )

( )DfCVVVI

fCVVVI

VS

SOO

O

SOOC −

−=

−=Δ

1/ (2.22)

จากสมการท (2.22) เขยนใหอยในรปอยางงายจะได

( ) ( )[ ]

( ) fCDI

DfCVDDVVVI

V O

S

SSOOC =

−−+−

=Δ1/

1/ (2.23)

ดงนน

OC VV Δ=Δ (2.24) ตวเกบประจทางดานเอาตพตของวงจรทบแรงดนจะหาไดจากสมการท (2.25)

ont

ont

21

O

O

VfDI

CΔ

= (2.25)

2.3.2 คอนเวอรเตอรแบบทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง (Buck Converter) หลกการทางานของวงจรบกคอนเวอรเตอร เปนการออกแบบเพอใหแรงดนไฟฟาดานเอาตพตมปรมาณตากวาดานอนพต และมปรมาณแรงดนตามทตองการ โดยเรมตนจากเงอนไขทวาแรงดนไฟฟาเฉลยทตกครอมตวเหนยวนาในคาบเวลามคาเทากบศนย จากนนสามารถหากระแสทไหลผานตวเหนยวนาได การวเคราะหการทางานของสวทชในแตละโหมด จะตองวเคราะหในสภาวะอยตว วงจรสมมลของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง แสดงดงรปท 2.15 และวงจรการทางานของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง แสดงดงรปท 2.16

รปท 2.15 วงจรสมมลของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง

ก. โหมดท 1 สวทชปด

ข. โหมดท 2 สวทชเปด รปท 2.16 วงจรการทางานของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง

22

รปท 2.17 สญญาณตางๆ ของวงจรทอนแรงดนไฟฟากระแสตรง

23

2.3.2.1 วเคราะหเมอสวทชปด จากรปท 2.15 ก. เปนการทางานโหมดท 1 จะไดสญญาณตางๆ ดงปรากฏในรปท 2.15 (0 < ont t≤ ) มอสเฟต 1Q ทางานสวทชปด ( 0)t = กระแสอนพตไหลผาน 1Q และตวเหนยวนา ทาใหกระแสของตวเหนยวนาเพมขนจาก 1I ท 0t = เปนเวลา 2I ท 1t t= โดยกระแสทไหลผานตวเหนยวนา จะเทากบกระแสทไหลผาน R และแรงดนทแหลงจายจะเทากบแรงดนตกครอมตวเหนยวนาบวกกบแรงดนทตกครอม R ดงสมการท ( 2.26)

OLS VVV += (2.26)

หรอ OSL VVV −=

แต dtd

LV iLL =

จะได OSt

iL VVdd

L −=

L

VVdd OS

t

iL −= (2.27)

dt ในกรณอยในชวงเวลานากระแส คอ DTdt =

DTL

VV OSoniL ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=Δ , (2.28)

2.3.2.2 วเคราะหเมอสวทชเปด จากรปท 2.14 ข. เปนการทางานโหมด 2 จะไดสญญาณตางๆ ดงปรากฏในรปท

2.6 ( 1t < offt t≤ ) มอสเฟต 1Q ทางานสวทชเปด 1( )t t= แรงดนเหนยวนายอนกลบของตวเหนยวนา ซงตออนกรมอยกบตวตานทาน R ทาใหเอาตพตมคามากขนจนทาให MD ทางานจงทาใหตวเหนยวนาคายพลงงานออกมาเปรยบเสมอนเปนแหลงจายตวหนง ทาใหมกระแสไหลผานตวตานทาน ดงสมการท 2.29

OLD VVV += (2.29)

24

แต VD = 0V จะได 0=+ OL VV OL VV −=

dtd

LVV iLOL =−=

LV

tdtd

L OoffiLiL −=

Δ

Δ= , (2.30)

dt ในกรณ อยในชวงเวลาหยดนากระแส คอ ( )TDdt −= 1 สามารถจดรปสมการใหมไดดงสมการท (2.31)

( )TDL

VOoffiL −⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=Δ 1, (2.31)

แทนคา ont DT= และ (1 )offt DT= − ลงในสมการท (2.31) จะได

0,, =Δ+Δ offiLoniL

( ) 01 =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

TDLV

DTL

VV OOS

( ) 01 =−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

TDL

VL

VV OOS

( ) ( )( ) 01 =−−− DVDVV OOS ( ) 01 =−−− DVDVDV OOS 0=+−− DVVDVDV OOOS

0=− OS VDV

25

OS VDV =

DVV

S

O = (2.32)

2.4 วงจรทบแรงดนแบบขนานหลายเฟส ขอดของวงจรทบแรงดน (Boost Converter) คออปกรณตอใชงานรวมมจานวนนอย และทางานในโหมดกระแสตอเนอง (Continues Mode) การสญเสยในอปกรณจงนอยแตการทางานของวงจรทบแรงดนเพยงเฟสเดยวยงมขอดอยคอ - การออกแบบตวเหนยวนาและขนาดของแกนเฟอรไรต ยงมขนาดใหญ - กระแสกระเพอม (High FC Ripple Current) ทตวเซลลเชอเพลงยงสงซงจะสงผลทาใหอายการใชงานของเซลลเชอเพลงสนลง

VFC 1S

1D

1L

LOAD1Si

1Li

1VGS

1Di BusCiLoadi

BusC

BusVFCi

2S

2D

2L

2Si2Li

2VGS

2Di

3S

3L

3Si1Li

3VGS

3Di

4S

4L

4Si4Li

4VGS

4Di

3D

4D

DC Bus1Module

2Module

3Module

4Module

รปท 2.18 วงจรทบแรงดบแบบหลายเฟส (Multiphase Interleaved Boost Converter)

2.5 เทคนคการอนเตอรลฟ (Interleaved Technique) การนาวงจรทบแรงดนมาตอขนานกนหลาย ๆ เฟสเพอแกปญหาดงทกลาวมาขางตนดงจะเหนไดจากรปท 2.18 ซงเปนการนาวงจรทบแรงดนมาตอขนานกน จนถง N ตว วธการนเปนการเพมความสามารถในการจายกระแสทางดานเอาทพตใหมากขน มขอดคอสามารถลดกระแสกระเพอม

26

ทางดานอนพต มชอเรยกวา “เทคนคการอนเตอรรฟส (Interleaved Techniques)” วธการขนานวงจรทบแรงดนจะมการแยกการสวทชของสวทชแตละตวใหมมมตางกนเพอทสวทชจะไดไมทางานพรอมกนสามารถคานวณไดจากสตร

มมในการสวทช = Nπ2 (องศา)

เมอ N คอจานวนของวงจรทบแรงดนทนามาตอขนานกน จากสตรการหามมในการสวทชจะเหนวาเมอมจานวนวงจรตอขนานมากขนจาทาใหมมจดเรมตนในการสวทชจะนอยลง เมอมสวทชทนากระแสมากขนการกระเพอมของกระแสจะนอยลงและกระแสจะไหลผานสวทชทกตวทตออยในวงจร ดงนนกระแสรวมทางดานเอาทพตจะมากกวาวงจรทบแรงดนปกตทวไปและกระแสกระเพอมยงนอยลงดวย นอกจากนวงจรทบแรงดนแบบหลายเฟสยงมขอดคอ - ตวเกบประจและตวเหนยวนามขนาดเลกและจานวนนอยลง - กระแสกระเพอม (Ripple Current) ทางดานอนพตและเอาทพตนอยลง - ชดวงจรคอนเวอรเตอรทมการขนานวงจรทบแรงดนเปนการเพมความเชอมนของระบบ (Reliability) ใหเพมมากขนและยงเปนการเพมความสามารถในการจายพลงงานของวงจรคอนเวอรเตอรใหมากขนโดยทไมตองมการขนานตวอปกรณเขาไปในวงจร - เมออปกรณแตละวงจรนามาตอขนานรวมกน กระแสทไหลผานอปกรณแตละวงจรจะลดลง ความรอนทเกดขนจงนอย จงไมมปญหาในการระบายความรอนของตวอปกรณ - อปกรณอเลกทรอนกสกาลงแตของละวงจรจะชวยในการจายกระแสรวม ทาใหสามารถลดคณสมบตการทนกระแสของอปกรณอเลกทรอนกสกาลงแตละตวลงได

2.6 การควบคมกระแสในลปปดของวงจรคอนเวอรเตอรแบบขนานหลายเฟส วงจรภาคควบคมทาหนาทควบคมการทางานของวงจรทบแรงดนเพอใหวงจรทบแรงดนสามารถรกษาระดบการจายกระแสใหคงทเปนไปตามสญญาณคาสง รปท 2.19 จะเหนวาลปกระแสจะมจานวน 4 เฟส แตสญญาณคาสง ( FCREFi ) จะมเพยงสญญาณเดยว ดงนนทกลปไดสญญาณคาสงทเหมอนกนแตสญญาณจะถกหารลงตามจานวนวงจรทตอขนาน 4 ตว ซงโครงงานนสามารถสงสญญาณคาสงกระแสไดตงแต 0-46 A ถาสงสญญาณคาสง 46 A ซงจะถกหาร 4 ดงนนแตละเฟสจะทางานเฟสละ 11.5 A

27

1L Meai

14

1Li

2L Meai

2Li

3L Meai

3Li

4L Meai

4Li

FCREFi LREFi

รปท 2.19 การควบคมกระแสแบบลปปดของวงจรคอนเวอรเตอร 4 เฟส

งานวจยนไดมการควบคมแบบ ควบคมลปปดกระแส คอการนากระแสทไหลในแตละเฟสมาคานวณ สาหรบงานวทยานพนธนเลอกวดกระแสทไหลผานตวเหนยวนาเพราะสามารถนาไปคลองผานอปกรณวดกระแสไดงาย กระแสแตละสาขาจะถกวดดวยเซนเซอรวดกระแส (Hall Current) แตเซนเซอรวดกระแส MeaLi 1

นจะสงสญญาณเอาทพตออกมาเปนกระแส ดงนนจะตองมการเปลยนกระแสเปนแรงดนโดยใชวงจรบฟเฟอร (Buffer) จากนนจะนาแรงดนทวดไดไปผานวงจรฟลเตอร แบบออรเดอรท 1 (First Order Filter) เพอทจะกรองสญญาณรบกวน (Harmonic) อนเนองมาจากการสวทชทความถสงของวงจรกาลง เปนวธลดการผดพลาดในการคานวณ ตอจากนนเขาวงจรเปรยบเทยบ (Comparator) เพอหาคาผดพลาด (Error) เมอไดคาผลลพธกจะถกสงเขาวงจรควบคมบรณาการรวมหนวย แบบ พ-ไอ (PI Controller) เพอทาการชดเชยคาผดพลาดทเกดขนเพอนาไปเปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยมอางองจะไดผลลพธออกมาคอได พดบบวเอม (PWM) มคา T-on ตางกนกอนทจะนาไปขบขาเกตของมอตเฟสจะตองผานวงจรขบเกตเพอทาการแยกกราวดระหวางวงจรควบคมกบกราวดวงจรกาลงใหออกจากกนและยกระดบสญญาณใหสงมากขนเพอทจะสงใหมอตเฟสทางานไดมอสเฟตแตละตวจะทางานตางเฟสกน 90 องศา ซงทกลาวมาเปนการอธบายการทางานเพยงเฟสเดยวซง 4 เฟสกทางานเหมอนกนทกตวแตแยกกนทางานโดยอสระจากกนดงทแสดงในรปท 2.19

28

2.7 การออกแบบวงจรกาลงของคอนเวอรเตอรไฟฟากระแสตรง 2.7.1 ตวเหนยวนา (Inductor) ตวเหนยวนาเปนอปกรณททางานโดยอาศยคณสมบตทางแมเหลกไฟฟา การทจะเขาใจ การออกแบบตวเหนยวนาจะตองทาความเขาใจเกยวกบ ทฤษฎทางแมเหลกไฟฟา โดยตวเหนยวนามหนาทสาคญมากในการเกบพลงงานและคายพลงงานในคอนเวอรเตอรแบบทบแรงดนไฟฟากระแสตรง 2.7.1.1 แมเหลกไฟฟาพนฐาน ในทฤษฎของแมเหลกไฟฟากฎพนฐานทางแมเหลกไฟฟาพจารณาจากการจายกระแสไฟฟาเขาไปในขดลวดโดยมตวแปร 2 ตวทเกยวกบสนามแมเหลก ตวแปรแรก ไดแก ความเขมของสนามแมเหลก (Field Intensity Vector) ใชตวยอ คอ H มหนวยเปน /L m ตามกฎของแอมแปรทกาหนด

NiHlm = (2.33) ตวแปรทสอง ไดแก ความหนาแนนของสนามแมเหลก (Flux Density) ใชตวยอB มหนวยเปนเทสลา (Tesla) จากกฎของฟาราเดย

( )dtd

dtdN

dtBSdNV λ

=Φ

== (2.34)

+

−

V

I

H

N S

ml

φ

รปท 2.20 วงจรแมเหลกพนฐาน

29

เมอ N คอ จานวนรอบ φ คอ ฟลกซ

λ คอ ฟลกซเชอมโยง (Flux Linkage)

ml คอ ความยาวเฉลยของทางแมเหลก I คอ กระแสทไหลในวงจรแมเหลก S คอ พนทหนาตด

กฎพนฐานของสารแมเหลกทใชทางแมเหลกจะใหความสมพนธระหวางความเขม สารแมเหลก H กบความหนาแนนฟลกซ B โดยทวไป ( )HfB = เปนฟงกชนไมเปนเชงเสนและมฮสเตอรซสลป ดงแสดงในรปท 2.21

B

sB

rB

rB−

sB−

cHcH−H

รปท 2.21 ฮสเตอรซสลป

เมอ SB คอ ความหนาแนนฟลกซอมตว

rB คอ ความหนาแนนฟลกซตกคาง

CH คอ ความเขมสนามแมเหลกหกลาง ความสมพนธระหวาง B และ H คอ ชวงทเปนเชงเสน r oB H Hμ μ μ= = เมอ μ คอ สภาพซมซบได 1( )Hm− rμ คอ สภาพซมซบไดของวสด oμ คอ สภาพซมซบไดของอากาศ มคาเทากบ 7 14 10 Hmπ − −× เมอจายกระแส ( )I ไหลผานขดลวดจานวน N รอบ จะทาใหเกดแรงเคลอนแมเหลกขนมา (Magneto motive force, mmf)

NImmf = (2.35)

30

โดยท mmf จะทาใหเกด H ขนมาโดยท H กคอ mmf ตอหนงหนวยความยาวของ Magnetic Path นนคอ

mm l

NIl

mmfH == (2.36)

สามารถเขยนวงจรแมเหลกไฟฟา (Magnetic Circuit) แทนดวยวงจรไฟฟา (Electric Circuit) และคาเทยบเคยงดงรปท 2.22 และตารางท 2.1 ตามลาดบ

mm

lSμ

ℜ =

glG

oSμℜ =

ก) วงจรแมเหลกไฟฟา ข) วงจรเทยบเคยง (เมอ mℜ << Gℜ )

รปท 2.22 วงจรแมเหลกไฟฟาและวงจรเทยบเคยง ตารางท 2.1 การเปรยบเทยบวงจรแมเหลกไฟฟาและวงจรไฟฟา

วงจรแมเหลกไฟฟา (Magnetic Circuit) วงจรไฟฟา (Electric Circuit) Current ( )I Flux ( )φ Emf ( )V mmf ( )F

Resistance ( )R Reluctance ( )ℜ Conductance ( )G Permence ( )P

คา Reluctance ( )ℜ ของวงจรแมเหลกไฟฟาหาไดจาก

Sμ

1=ℜ

31

และสวนกลบของ ℜ

lSP μ

=ℜ

=1

คาความเหนยวนา (Inductance) สามารถหาคาไดดงน

l

SNPNR

NI

NI

L μφλ 22

2

===== (2.37)

วงจรแมเหลกไฟฟาเมอม Air Gap

( )NIPPNImg

mg

+=ℜ+ℜ

=φ (2.38)

( ) INPPN Mg

2+=φ

mℜ คอ Reluctance ของแกนเหลก

ในทางปฏบตนน mℜ << gℜ ดงนนจะหาคาความเหนยวนา (Inductance) ไดจาก

g

Og l

SNPNL μ22 == (2.39)

2.7.1.2 แกนเฟอรไรต (Ferrite Core) เฟอรไรตเปนวสดประเภทเฟอรโรแมกเนตก (Ferromagnetic Material) การเหนยวนาแมเหลกบนแกนเฟอรไรต จะมผลทาใหเกดการเหนยวนาฟลกซแมเหลกสงกวาการเหนยวนาทเกดขนบนแกนอากาศมาก แกนเฟอรไรตมคาอมตวฟลกซแมเหลกคอนขางสง ประมาณในชวง 3,000–6,000 เกาส และเกดการสญเสยในตวแกนเฟอรไรตตาทความถสง ดงนนตวเหนยวนาในวงจรสวทชงจงนยมใชแกนเฟอรไรตมากทสด เฟอรไรตทนามาใชทาแกนของตวเหนยวนาสวทชงจะมรปรางแตกตางกนออกไปขนอยกบการใชงานและมาตรฐานในการออกแบบ สารแมเหลกทใชทาแกนแมเหลกมกจะเปนอลลอยของเหลก สารทนยมใชทความถตา (< 1 kHz) ไดแก เหลกผสมซลกอนเจอจาง (Si < 1%) ซงมความหนาแนนฟลกซอมตวคาสงแตจะมการสญเสยมาก ถาสวนผสมซลกอนมมากขนกมกจะเปนชนด Grain Oriented การสญเสยจะนอยลงแตราคากจะแพง นอกจากจะผสมซลคอนแลวยงมสารแมเหลกทผสมสารอน ๆ เชน โคบอลต นกเกล โมลบนม เปนตน ซงทางานไดถงความถประมาณ 20 kHz แตมราคาแพงกวาเหลกผสมซลกอนมาก

32

เฟอรไรตเปนเซรามคประกอบไปดวยออกไซดของเหลก สงกะส แมงกานส หรอนกเกลเฟอรไรตชนด MnZn มความหนาแนนฟลกซแมเหลกสงกวาชนด NiZn แตทางานไดถงความถประมาณ 1 MHz ซงตากวาชนด NiZn ซงทางานไดถง 1 MHz เฟอรไรตมหลากหลายชนดตามแตละสตรผสมและมเลขรหสตาง ๆ เชน 6H20 7H10 และ 3C6 เปนตน แกนเฟอรไรตสาหรบแหลงจายไฟสวทชงโดยทวไปจะถกผลตออกมาทขนาดและรปทรง ตาง ๆ ตามมาตรฐานเดยวกนดงรปท 2.23 เชน แกนแบบ EI EE EER หรอแกนแบบ POT เปนตนปกตผผลตจะทาแกนเฟอรไรตออกมาในลกษณะการประกบคกน เพอความสะดวกในการประกอบเขากบบอบบน การประกบแกนเฟอรไรตบนบอบบนนนจะทาใหทางเดนของฟลกซแมเหลก ทเกดขนในแกนเฟอรไรตมลกษณะเปนวงบรรจบได

รปท 2.23 ลกษณะของแกนเฟอรไรตแบบตาง ๆ

ก) ลกษณะสมบตของเนอสารทใชทาแกนเฟอรไรต ชนดของเนอสารแกนเฟอรไรตทแตกตางกนจะใหคณสมบตทางแมเหลกของแกน เฟอรไรตทแตกตางกนดวย ถงแมจะมขนาดเทากนทกประการกตาม ในแผนขอมลเนอสารทใหมากบแกนเฟอรไรตนน จะตองมรายละเอยดคณสมบตของเนอสารแสดงไวเสมอขอมลทสาคญควร ทาความเขาใจและศกษาไวคอ เสนโคงฮสเตอรซส (Hysteresis Curve) และคาการสญเสยของแกนเฟอรไรต (Core Loss) เสนโคงฮสเตอรซสจะแสดงความสมพนธระหวางคาความหนาแนนฟลกซแมเหลก (B) ทเกดขนในแกนเฟอรไรตกบความเขมของสนามแมเหลก (H) ทเกดจากการเหนยวนาของขดลวด ทพนบนแกนเฟอรไรต รปท 2.24 จะแสดงเสนโคงฮสเตอรซสของแกนเฟอรไรตจากรปจะเหนไดวาคาความหนาแนนฟลกซแมเหลกจะมคามากขน เมอความเขมของสนามแมเหลกมคาเพมจนถงจดหนงซงคาความหนาแนนฟลกซแมเหลกมคาเพมขนนอยมาก แมวาจะมการเพมขนของความเขมของสนามแมเหลกแลวกตาม จากจดดงกลาวจะเหนวาแกนเรมมการอมตวของฟลกซแมเหลก โดยปกตผผลตจะแสดงกราฟของเสนโคงฮสเตอรซสเพยงครงเดยวเนองจากอกครงหนงของเสนโคงฮสเตอรซสจะมลกษณะเหมอนกนทกประการเพยงแตจะมลกษณะกลบทศทางกนเทานนดงนนการใชงานของแกนเฟอรไรตในตวเหนยวจงควรกาหนดคาความหนาแนน

33

ฟลกซแมเหลกทเกดขนในแกนขณะทางานมคาไมเกนครงหนงของคาความหนาแนนฟลกซแมเหลกสงสดกอนอมตวของแกนเฟอรไรตเพอความปลอดภย

รปท 2.24 เสนโคงฮสเตอรรซสของแกนเฟอรไรต

ข) คาการสญเสยในแกนเฟอรไรต (Core Loss) การสญเสยทเกดขนในแกนเฟอรไรต จะทาใหแกนเฟอรไรตรอน ซงมสาเหตหลก 2 ประการ คอ การสญเสยทเกดจากลกษณะฮสเตอรรซสของแกน (Hysteresis Loss) และการสญเสยจากการเกดกระแสไหลวนในแกนเฟอรไรต (Eddy Current Loss) ทความถ 100 kHz การสญเสยจากการเกดกระแสไหลวนในแกนจะมคานอยสาหรบแกนทมขนาดใหญไมมากนก ดงนนการสญเสยทกอใหเกดความรอนในแกนอาจพจารณาไดจากการสญเสยทางฮสเตอรรซส ของแกนเพยงอยางเดยวตวอยางกราฟแสดงคาการสญเสยทเกดขนในแกนเฟอรไรตแสดงไวใน รปท 2.25 ปกต คากาลงสญเสยจะถกระบไวเปนกโลวตตตอหนงลกบาศกเมตร 3( / )kW m และมคาขนกบคาความหนาแนนฟลกซแมเหลก ความถในการใชงานรวมถงอณหภมขณะใชงานของแกนเฟอรไรต

รปท 2.25 คาการสญเสยในแกนเฟอรไรตของเนอสารชนด 6H20 7H20 และ 7H10

34

2.7.1.3 บอบบน (Bobbin) บอบบนหรอแบบรองพน ปกตทาจากพลาสตก ชนดทนความรอนไดสง และไมตดไฟ บอบบนจะชวยใหการพนขดลวดบนแกนเฟอรไรตสะดวกขนและปองกนปญหาการลดวงจรระหวางขดลวดและแกนเฟอรไรต บอบบนมขนาดมาตรฐานตามมาตรฐานแกนเฟอรไรต บอบบนสวนใหญจะถกออกแบบใหมขาพกลวดทองแดง เพอความสะดวกในการพนขดลวดและการบดกรตดกบแผน PCB 2.7.1.4 ลวดทองแดงอาบนายา (Enamelled Copper Wire) การพนขดลวดของตวเหนยวนาสวทชง ปกตจะใชลวดทองแดงอาบนายาพนบนแกนบอบบนเพอใหไดจานวนรอบตามตองการ ขนาดของขดลวดทองแดงทจะใชพนนนขนอยกบกระแสทไหลผานขดลวด ความถ และผลขางเคยงอน ๆ 2.7.1.5 เทปฉนวน (Insulation Tape) เทปฉนวนใชพนสาหรบเปนตวรอง ระหวางชนของขดลวดในตวเหนยวนาสวทชง และมความสาคญในการเปนฉนวนปองกนความเสยหายของขดลวด และทาใหขดลวดมความแขงแรง วสดทใชทาเทปฉนวนอาจเปนพวกไมลาร (Mylar) หรอโพลเอสเตอร (Polyester) ทมความหนาอยในชวง 0.05 - 0.1 มลลเมตรการเลอกใชจะขนอยกบการออกแบบความปลอดภย ทตองการจากตวเหนยวนาสวทชงเปนหลก 2.7.2 การออกแบบตวเหนยวนา (Inductor) 2.7.2.1 ขอกาหนดในการออกแบบตวเหนยวนาสวทชง 1. ขนาดและรปรางรวมทงความถของกระแสและแรงดน 2. กาลงสญเสย ประสทธภาพหรออณหภมทเพมขน 3. คณสมบตทางไฟฟาและเชงกลอน 2.7.2.2 ขดจากดในการออกแบบตวเหนยวนาสวทชง 1. ความหนาแนนสนามแมเหลกอมตวของแกนเหลก 2. กาลงงานสญเสยในลวดทองแดงหรอแกนเหลก 3. คณสมบตอน ๆ เชน Permeability (μ ) เปนตน โดยมสมการของการออกแบบดงน จากขดจากดของแกนเหลก (Saturation or Core loss)

SN

LISNS

B peak=== maxmaxmax

λφ (2.40)

35

เมอ maxB คอ ความหนาแนนสงสดของสนแรงแมเหลก พจารณาท 0.1 – 0.6 (เทสลา: T)

maxφ คอ เสนแรงแมเหลก (เวเบอร: Wb) S คอ พนทหนาตดของแกนแมเหลก (ตารางมลลเมตร: 2m ) N คอ จานวนรอบของลวดทพนรอบแกน maxλ คอ เสนแรงแมเหลกทเกยวคลองขดลวดทงหมด L คอ คาความเหนยวนา (เฮนร: H) peakI คอ คากระแสสงสดทไหลผานตวเหนยวนา (แอมแปร: A)

จากขดจากดของลวดทองแดง โดยคานงถงความสญเสย (Cupper Loss: cuP )

RIR rmscu2= (2.41)

เมอ cuP คอ คาความสญเสยในขดลวด (วตต: W)

rmsI คอ คากระแสเฉลยทไหลผานขดลวด (แอมแปร: R คอ คาความตานทานทางไฟฟา (โอหม:Ω )

เมอ R หาไดจาก

wA

lR = (2.42)

เมอ ρ คอ คาความตานทานจาเพาะสาหรบทองแดงมคา 1.724×10-8 m/Ω

l คอ ความยาวของลวดตวนา (เมตร: m ) wA คอ พนทหนาตดของขดลวด (ตารางมลลเมตร: 2m ) 2.7.3 การเลอกหรอกาหนดขนาดแกนเหลกโดยใชวธการคานวณแบบ PA (Area Approach)

วธน เปนการออกแบบทใชคา riseT ซงอาศยความหนาแนนของกระแสของลวดตวนา 2( 100 1000 / )J A cm= − โดยคานวณหาขนาดของแกนเหลกดงน

SB

LIN peak

max

= (2.43)

wrms NA

JNIkW == (2.44)

36

แทนคา N จะได

JSBILI

kW rmspeak

max

=

เพราะฉะนนจะไดวา JkBILI

WSA rmspeakp

max

== (2.45)

เมอ L คอ คาความเหนยวนาทตองการนามาออกแบบ (H) peakI คอ คากระแสสงสดทไหลผานตวเหนยวนา (A) rmsI คอ คากระแสเฉลยทไหลผานตวเหนยวนา (A) k คอ ขดจากดของชองหนาตางมคาระหวาง 0.3-0.9 W คอ พนทหนาตางทใชพนขดลวด ( 2mm )

2.7.3.1 ขนตอนการออกแบบตวเหนยวนา ขนตอนท 1 กาหนดความหนาแนนของกระแส ( J ) ในชวง 22.5 10 /A mm− ซงขนอยกบการระบายความรอนกาหนดคา k อยในชวง 0.3 - 0.6 ขนอยกบความหนาแนนของฉนวนทหมลวดและพนทชองวางระหวางลวด

หาคา IΔ โดยท max2( )I I IΔ = − หาคา BΔ โดยท maxB I BΔ = Δ ×Δ (สาหรบแกนเฟอรไรต max 0.3B TΔ = )

หาคา maxB โดยท max max 2BB B Δ

= Δ −

ขนตอนท 2 คานวณหา PA จากสมการท (2.35)

JKBILI

A rmspeakp

max

= (2.46)

โดยท L มหนวยเปน Henry, I มหนวยเปน Ampere, B มหนวยเปน Tesla, J มหนวยเปน

2/A m และ PA มหนวยเปน 3mm หรอ 4mm (ตามขนาดของแกน)

37

ขนตอนท 3 เลอกขนาดของแกนเหลกทม PA ใกลเคยงกบคา PA ทไดจากการคานวณในขนตอนท 2 ขนตอนท 4 คานวณจานวนรอบของขดลวดจากสมการท (2.43)

SB

LIN peak

max

= (2.47)

เมอ S มหนวยเปน 2mm ขนตอนท 5 คานวณหาพนทหนาตดของขดลวดจากสมการน

J

IA rmsw = (2.48)

คานวณหาเสนผานศนยกลางของขดลวดไดจาก

π

wAd 4= (2.49)

เลอกใชลวดทมเสนผานศนยกลางใกลเคยงกบคา d ทคานวณได

ขนตอนท 6 ทดสอบวาสามารถพนขดลวดลงใน W ไดหรอไม จากสมการ

W = (N × พนทหนาตดขดลวดทใชจรง) / k ขนตอนท 7 คานวณหาคาความกวางของ Air Gap ( gl ) ไดจากสมการ

L

SNl Og 2

2μ= (2.50)

38

เมอพนขดลวดเสรจแลวทาการวดคา L ทไดวาตรงตามตองการหรอไม ถาไมไดตามตองการใหปรบขนาดความกวางของ Air Gap จนกระทงไดคา L ตามตองการ ตารางท 2.2 ขอมลลวดทองแดง

หมายเลข AWG

เสนผานศนยกลาง (mm)

ความตานทาน o(75 )Ω/km

นาหนก

kg/km

จานวนรอบตอcm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

30

8.25 7.35 6.54 5.83 5.19 4.62 4.12 3.67 3.26 2.91 2.59 2.31 2.05 1.83 1.63 1.45 1.29 1.15 1.02

0.912 0.812 0.732 0.644 0.573 0.511 0.455 0.405 0.361 0.321 0.286 0.255

0.392 0.494 0.624 0.786 0.991 1.25 1.58 1.99 2.51 3.16 3.99 5.03 6.34 7.99 10.1 12.7 16.0 20.2 25.5 32.1 40.5 51.1 64.4 81.2 102 129 163 205 259 327 421

457 377 299 237 188 149 118 93.8 74.4 59.0 46.8 37.1 29.4 23.3 18.5 14.7 11.6 9.23 7.32 5.8 4.6

3.65 2.3

2.89 1.82 1.44 1.15 1.1

1.39 1.75 2.21

14 17 22 27 34 40 51 63 79 98

123 153 192 237 293 364 454 575 710 871 1090

39

2.7.4 การเลอกตวเกบประจในวงจรกาลงของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง ในวงจรกาลงของวงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงตวเกบประจกาลงมหนาท เกบพลงงานในรปประจไฟฟาและทาการจายแรงดนออกใหกบเอาตพตหรอคายประจไฟฟาเมอมอสเฟตอยในชวงเวลา Turn On และเกบประจเมออยในชวงเวลา Turn Off โดยจะตองเลอกตวเกบประจทสามารถทนแรงดนไดเทากบแรงดนทางดานเอาตพต หากเลอกตวเกบประจทมขนาดใหญจะชวยในสวนของการลดแรงดนกระเพอมทางดานเอาตพต การเลอกขนาดของตวเกบประจจะพจารณาไดจากสมการ (2.51) ทงนจะสมพนธกบคาแรงดนกระเพอมทางเอาตพต ( OVΔ ), กระแสเอาตพต ( OI ), คาดวตไซเคลสงสด และความถในการสบสวทชของคอนเวอรเตอร ( sf )

( )

O

O

VfDI

CΔ

= maxmax (2.51)

เมอ (max)OI คอ กระแสสงสดทางดานเอาตพต (max)D คอ ดวตไซเคลสงสด ดงนนจากสมการทกลาวมาแลวขางตน จงหาคาความตานทานสมมลอนกรมของตวเกบประจ (Equivalent Series Resistance: ESR) หาไดจาก

( )

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ Δ+

−

Δ≤

21 max

max LO

O

ID

IVESR (2.52)

2.7.5 เพาเวอรมอสเฟต (POWER MOSFET) อปกรณททาหนาทเปนสวทชง มอสเฟตหรอท รจกกนในนามเพาเวอรมอสเฟตสามารถทางานไดด ทความถ สง ตงแต 20 kHz ไปจนถงประมาณ 200-400 kHz เวลาในการเปลยนสถานะคอนขางสน และการพฒนาในปจจบนมแนวโนมจะทาใหเพาเวอรมอสเฟตทางานไดทความถสงขนไปอก ซงจะเปนผลดในการลดขนาดของคอนเวอรเตอร ในสวนวงจรขบของเพาเวอรมอสเฟตนนสามารถทาไดงาย เพาเวอรมอสเฟตจงเขามาแทนทไบโพลารเพาเวอรทรานซสเตอรไดอยางรวดเรวในระบบสวทชชงเพาเวอรซบพลาย

40

2.7.5.1 กาลงสญเสยในรปความรอนของเพาเวอรมอสเฟต กาลงงานสญเสยท เกดขนในเพาเวอรมอสเฟตขณะทางาน จะเปนไปได 2 ลกษณะคอกาลงงานสญเสยขณะเปลยนสถานะและกาลงงานสญเสยขณะนากระแส เพาเวอรมอสเฟตจะมชวงเวลาเรมนากระแส และชวงเวลาเรมหยดนากระแสสนมากเพราะตามโครงสรางของเพาเวอรมอสเฟตจะไมมการสะสมประจเกดขน อยางไรกตามเพาเวอรมอสเฟตจะมคาความตานทานขณะนากระแสคอนขางสง การสญเสยกาลงขณะนากระแสจงสงกวาไบโพลารเพาเวอรทรานซสเตอร ถงแมวาชวงเวลาเรมนากระแสและหยดนากระแสของเพาเวอร มอสเฟตจะคอนขางสนแตโดยทวไปเพาเวอรมอสเฟตมกใชงานทความถสง การคดคากาลงงานสญเสยขณะทางานจาเปนตองนาคากาลงงานสญเสยขณะเปลยนสถานะมาคดดวย และเนองจากชวงเวลาเรมหยดนากระแส (Turn Off Time) กบชวงเวลาเรมนากระแส (Turn On Time)ของเพาเวอรมอสเฟตมคาใกลเคยงกนจงตองนามาคดทงสองชวงเวลาดงนนกาลงงานสญเสยเพาเวอรมอสเฟตขณะทางาน DP จะมคาเทากบ ( ) ( ) CoffSWonSWD PPPP ++=

( )( )

TtVI

P rinonPKonSW

5.0=

( )( )

TtVI

P finonPKoffSW

5.0=

jDSrmsDC TRIP ×= ,

2 (2.52) เมอ ( )SW onP คอ กาลงงานสญเสยขณะเรมนากระแสของเพาเวอรมอสเฟต ( )SW offP คอ กาลงงานสญเสยขณะเรมหยดนากระแส CP คอ กาลงงานสญเสยขณะนากระแสของเพาเวอรมอสเฟต ( )PK onI คอ คากระแสสงสดขณะเรมนากระแส DrmsI คอ คากระแส rms DSR คอ คาความตานทานระหวางเดรนกบซอรส ( )jT คอ อณหภมรอยตอสงสดขณะทางานของเพาเวอรมอสเฟต rt คอ ชวงเวลาเรมนากระแสของเพาเวอรมอสเฟต ft คอ ชวงเวลาเรมหยดนากระแสของเพาเวอรมอสเฟต

41

VGS

VDS

IDS

t0 t1 t2 t3

รปท 2.26 ลกษณะของกระแสและแรงดนตกครอมเพาเวอรมอสเฟตเมอเรมนากระแสและเรม หยดนากระแส 2.7.5.2 เงอนไขของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟต การขบเพาเวอรมอสเฟตใหนากระแสนนแตกตางจากการขบกระแสไบแอส ในไบโพลารเพาเวอรทรานซสเตอร เนองจากมเงอนไขในการไบแอสแตกตางกน สาหรบไบโพลารเพาเวอรทรานซสเตอรกระแสจะไหลผานคอลเลกเตอรและอมตเตอรไดกตอเมอมกระแสไบแอสไหลผานทเบสและอมตเตอร แตเพาเวอรมอสเฟตจะมกระแสไหลผานเดรนและซอรสไดกตอเมอ แรงดนตกครอมทขาเกตและซอรสมคาอยางตาเทากบคาแรงดนขดเรม (Threshold Voltage) ของเพาเวอรมอสเฟต แตใชกระแสตาในการขบเพาเวอรมอสเฟตใหนากระแสจงทางาย และยงยากนอยกวาไบโพลารเพาเวอรทรานซสเตอร อยางไรกตามเพอใหเพาเวอรมอสเฟตทางานไดอยางมประสทธภาพสงสด จงจาเปนตองศกษาเงอนไขตางๆ สาหรบการบงคบใหเพาเวอรมอสเฟตนากระแสเปนอนดบแรกเสยกอน 2.7.5.3 คาความจไฟฟาทางดานอนพต (Input Capacitance) เนองจากลกษณะโครงสรางภายในตวเพาเวอรมอสเฟตเหมอนมตวเกบประจตออยรอบๆ ขาตางๆ ของเพาเวอรมอสเฟตดงรปท 2.18 ตวเกบประจเหลาน บงคบใหเพาเวอรมอสเฟตตองชารจประจเขาไปทตวเกบประจเสยกอน เพอใหแรงดนตกครอมทขาเกต GSV มคาเพมขนจนถงคาแรงดนขดเรม เพาเวอรมอสเฟตจงเรมนากระแส ในทางกลบกนการหยดนากระแสของเพาเวอรมอสเฟต จะตองทาใหตวเกบประจทาการคายประจออกไปจนแรงดนทตกครอมทขาเกต GSV มคาลดลงตากวาคาแรงดนขดเรม เพาเวอรมอสเฟตจงหยดนากระแส โดยทวไปแลวคาความจของตวเกบ

42

ประจในตวเพาเวอรมอสเฟตนเองจะเปนตวกาหนดความเรวในการเปลยนสถานะของเพาเวอรมอสเฟต

รปท 2.27 ตวเกบประจแฝงทตออยทขาตางๆ ภายในตวเพาเวอรมอสเฟต 2.7.5.4 การกาหนดเวลาในการเปลยนสถานะ ปกตแลวผผลตมกจะใหกราฟของคาแรงดน GSV ทเพมขนในขณะทคาประจสะสมทขาเกตเพมขนหรอทเรยกวา Gate Charge Chart มาในคมอมอสเฟตดวย กราฟนมประโยชนมาก ในการคานวณคากระแสไบแอสเกต และเวลาในการเปลยนสถานะของเพาเวอรมอสเฟต

รปท 2.28 ตวอยางของ Gate Charge Chart

เมอเพาเวอรมอสเฟตเรมชารจประจทขาเกตจนกระทงพนชวงเวลาหนวงกอนเรมนากระแสเมอแรงดนทขาเกตมากกวา แรงดนขดเรม ( ( )GS thV ) จงเรมมกระแสไหลผานเดรนและซอรสทเวลา 0t ของแรงดนจะยงไมลดลงจนกวาจะผานเวลาเทากบ t1 แรงดนตกครอมเดรนและซอรส DSV จงมคา

43

ลดลงอยางรวดเรวจากคาแรงดน ทประมาณ 90 เปอรเซนตจนเหลอเพยง 10 เปอรเซนตของคาแรงดนตกครอม DSV สงสด เพาเวอรมอสเฟตจะนากระแสไดอยางเตมทในชวงเวลาเรมนากระแส 1t ถง 2t นเอง และแรงดนทตกครอมขาเกต GSV จะคงทจนกวาเพาเวอรมอสเฟตจะสามารถนากระแสไดอยางเตมท ดงแสดงในรปท 2.28 ในชวงเวลาสะสมประจสวนเกน คาความตานทานระหวางเดรนและซอรส จะมคาลดลงไดเรอยๆ หากมการสะสมประจตอไป ในชวงเวลา 1t ถง 2t แตประจสะสมทเพมขนจะทาใหเกดการหนวงขณะเรมหยดนากระแส เนองจากเพาเวอรมอสเฟตจะตองใชเวลามากในการคายประจสวนเกนทงไป ดงนนการขบเพาเวอรมอสเฟตทขาเกตดวยแรงดนสงเกนความจาเปนจะทาใหชวงเวลาเรมหยดนากระแสเพมขน ซงเปนผลเสย

รปท 2.29 ลกษณะการชารจประจทขาเกตตามเวลาทมผลตอการเรมนากระแสและผลเมอเรมหยด นากระแสของเพาเวอรมอสเฟต เนองจากเพาเวอรมอสเฟตไมเกดประจสะสมขนขณะนากระแส การหยดนากระแสของเพาเวอรมอสเฟตจงทาไดงายๆ ดวยการคายประจทขาเกตทงไปเชนเดยวกบขณะเรมนากระแส และถาขนาดกระแสเพอชารจประจและคายประจมคาเทากน ชวงเวลาเรมนากระแสและชวงเวลาเรมหยดนากระแสจะมคาเทากนดวยยกเวนหากมประจสะสมมากในชวงเวลา 2t ถง 3t การหยดนากระแสจะมชวงเวลาหนวงเพมขน เนองจากตองใชเวลาสวนหนงในการคายประจสวนเกนทงไป จากรปท 2.29 เพาเวอรมอสเฟตแตละเบอร จะนามาหาคาชวงเวลาเรมนากระแส rt และชวงเวลาเรมหยดนากระแส

ft ไดจาก

G

G

IQt =

เมอ QG คอ คาประจทไดจากกราฟ มหนวยเปน คลอมบ

44

IG คอ คากระแสทใชชารจประจทคากระแสคงท มหนวยเปน แอมป กราฟ Gate Charge Chart ทไดจากคมอ ปกตในการวดผผลตจะกาหนดใหกระแสเกต GI สาหรบชารจประจคาคงทในการใชงานจรงแลววงจรขบเพาเวอรมอสเฟตอาจใหคา GI ไมคงท จงจาเปนตองใชขอมลทนอกเหนอจากขอมลใน Gate Charge Chart จะเหนไดวาการขบเพาเวอรมอสเฟตใหนากระแสไดนน จะตองมการชารจประจและคายประจทขาเกต วงจรขบเพาเวอรมอสเฟตจะตองมลกษณะของการจายและรบกระแส (Source and Sink) ไดทประมาณ 200 ถง 400 มลลแอมปดวยและตองใหแรงดนทขาเกต GSV มคามากพอจะระบไวในคมอแตละเบอร เพอทเพาเวอรมอสเฟตจะทางานไดอยางเตมทดวย 2.7.5.5 ขอพจารณาในการเลอกใชงานเพาเวอรมอสเฟต คาความตานทานระหวางเดรนและซอรสขณะนากระแส ( )DS onR จะมคาเพมขน เมออณหภมเพมขนทาใหกระแสทไหลผานมคานอยลง เพาเวอรมอสเฟตจงมพกดความปลอดภย ในกราฟ FBSOA กวาง อตราทนกาลงสญเสยสงสดจะถกจากดดวยคาความรอนทเกดขนทรอยตอภายในตว 2.7.5.6 พกดความปลอดภย FBSOA ขดจากดกาลงความปลอดภย FBSOA ของเพาเวอรมอสเฟตตองพจารณา 4 สวนดงน 1. ขดจากดแรงดนตกครอมเดรนและซอรสสงสดทสามารถทนได ( (max)DSV ) 2. กระแสเดรน DI สงสดทสามารถไหลผานไดและไมทาใหโครงสราง ภายในเสยหาย 3. ขดจากดเนองจากความตานทานขณะนากระแส ( ( )DS on LimitR ) 4. ขดจากดการระบายความรอนของตวถง (Package Limit)

รปท 2.30 พกด FBSOA ของเพาเวอรมอสเฟตเบอร IRFP250N

45

2.7.6 ไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว (Ultra Fast and Hyper Fast Diode) ไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว (Ultra Fast and Hyper Fast Diode) เหมาะสาหรบงานทมความถสงมาก การทางานจงตองการใหไดโอดทนากระแสอย เปลยนสภาวะหยดนากระแสอยางรวดเรวขณะทไดโอดนากระแสจะมประจไฟฟาทรอยตอของสารพและเอนเหมอนตวเกบประจและเมอมแรงดนไบอสยอนกลบอยางทนททนใด จะมกระแสไหลยอนกลบผานไดโอดในเวลาชวขณะหนง ชวงเวลานเรยกวาชวงเวลาในการฟนตวยอนกลบ (Reverse Recovery Time) ซงไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว Ultra Fast Diode มชวงเวลาในการฟนตวยอนกลบประมาณ 100 ถง 75 นาโนวนาท สวนไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว Hyper Fast Diode มชวงเวลาในการฟนตวยอนกลบมคานอยกวา 55 นาโนวนาท การทางานของไดโอดนนมขดจากด ทงทางดานกระแสและแรงดน สามารถหารายละเอยดของขอมลไดจากบรษทผผลต

2.8 ตวควบคมอตโนมต (Automatic Controllers) ตวควบคมอตโนมตมหนาทเปรยบเทยบสญญาณทางออกของระบบ กบคาทตองการควบคม หรอคาทใชอางอง ผลของการเปรยบเทยบไดคาทเบยงเบนหรอคาผดพลาด ตวควบคมอตโนมตนจะนาสญญาณทเบยงเบนไปสรางสญญาณเพอควบคมใหระบบลดคาผดพลาดเหลานนจนกลายเปนศนยหรอนอยทสดเทาทตวควบคมจะสามารถทาได ในงานวจยนจะใชตวควบคมแบบ พไอ (PI-Controller) ในการควบคมระดบกระแสทไหลจากแบตเตอรใหคงท ตวควบคมแบบพไอ เปนการนาขอดของการควบคมแบบพ มารวมกบขอดของตวควบคมแบบไอ ภาคควบคมแบบพไอ (PI – Controller)

ตวควบคมแบบพไอน เปนการนาเอาคณสมบตของตวควบคมแบบพ กบตวควบคมแบบไอ มารวมกน ดงนนสญญาณทออกจากตวควบคมชนดนคอ สญญาณทางออก = สญญาณทางออกแบบพ + สญญาณทางออกแบบไอ

( ) ( ) dtVT

sVGsVt

ini

inpout ∫+⋅=0

1 (2.53)

แปลงลาปลาซได

( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⋅=

sTsVGsV

rinpout

11 (2.54)

เมอ iPr TGT .=

46

จากสมการท (2.54) เขยนเปนฟงกชนโอนยาย ไดดงสมการ (2.55)

( ) ( )( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅==

sTG

sVsVsF

rp

in

out 11 (2.55)

คาของ PG และ rT สามารถเปลยนแปลงคาได การปรบคา rT มผลตอการกระทาการควบคมแบบไอ แตถาปรบคาความไวของสดสวน PG จะมผลทงการกระทาการควบคมแบบพและการกระทาการควบคมแบบไอ สวนกลบของ rT เรยกวา “อตราสวนจดใหม” อตราสวนจดใหมเปนจานวนครงตอนาททการควบคมแบบพ เรมตนใหม จากสมการท (2.55) นามาเขยนเปนภาพบลอกและแสดงผลตอบสนองตอฟงกชนขนบนไดไดดงรปท 2.31 และ 2.32

)11.(sT

Gr

P +( )RV S ( )inV S ( )outV S

รปท 2.31 ไดอะแกรมของตวควบคมแบบพไอ

iTrT

( )inV t ( )outV t

( )inV t

. ( )P inG V t

รปท 2.32 ผลตอบสนองตอฟงกชนขนบนไดของตวควบคมแบบพไอ จากบลอกไดอะแกรมสามารถสรางเปนวงจรอเลกทรอนกสได ดงรปท 2.33

C

1R

2I

1I

2R

outV

47

รปท 2.33 วงจรควบคมแบบพไอ

จากวงจรในรปท 2.33 พจารณาทขาอนเวอรตง (Inverting) ได 21 II −=

( ) ( )tIRtVin 11 ⋅=

)(. 21 tIR−=

( ) ( ) ( )( )tVRtItV Cout +⋅−= 22

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅−= ∫

t

dtIC

RtI0

2221

( ) ( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+⋅−=11

2

RCtV

RRtV in

in

( )

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

CR

RtVin 1

21

เขยนเปนฟงกชนโอนยายไดดงน

( ) ( )( ) ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +−==

CsR

RsVsVsF

in

out 112

2

(2.56)

⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

CsRRR

21

2 11

)11()(

sTGsF

rP +−= (2.57)

เมอ 1

2

RRGP =

CRTr .2= ; Reset Time CRTi .1= ; Integrating Time

48

สรป การควบคมแบบพรวมกบแบบไอ (PI – Controller) นนาคณสมบตของการควบคมทงสองมารวมกน การควบคมมการตอบสนองทเรว และระบบมความแมนยาผดพลาดนอยทสดทสภาวะคงตว จากวงจรในรปท 2.34 เมอปรบคา 2R ทาใหอตราขยาย PG และเวลาอตราสวนจดใหม rT เปลยนการปรบคาควบคมแบบพกบไอนนไมเปนอสระตอกนดงนนวงจรในรปท 2.34 เปนการแกปญหาดงกลาว

inV1R

+

-

2I

1I

2R

C

R+

-4I

3R3I

outVV

V

รปท 2.34 วงจรควบคมแบบพไอปรบคาอสระตอกน

จากวงจรในรปท 2.34 สามารถแปลงลาปลาซไดโดย

)()( 21 sIsI =

( ) ( )21 RsV

RsVin −=

( ) ( )sVRRsV in

1

2−= (2.58)

)()( 43 sIsI =

( ) ( ) ( )( )sVsVCsR

sVout −=

3

( ) ( ) ( )sVCsR

CsRsV out3

3

1+= (2.59)

สมการท (2.58) เทากบ สมการท (2.59)

49

( ) ( ) ( )sVCsR

CsRsVRR

ousin3

3

1

2

1+=−

( ) ( )( ) ( )sV

CsRRR

sVsVsF out

in

out⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−==

31

2 11 (2.60)

เปรยบเทยบสมประสทธ

1

2

RRGP =

CRTr 3= สรป วงจรควบคมแบบพไอในรปท 2.34 มขอดกวาวงจรควบคมแบบพไอในรปท 2.35 ตรงทสามารถปรบคาพและไอไดอสระตอกน สามารถปรบคาตวควบคมพไดจาก 2R และปรบคาตวควบคมไอไดจาก 3R

2.9 ทฤษฎพนฐานเกยวกบการมอดเลตแบบปรบความกวางพลส (PWM) การมอดเลตความกวางพลส (Pulse Width - Modulation ; PWM) คอ การแปลงคาแอมปลจดของสญญาณใหอยในรปของความกวางพลส โดยถาสญญาณมแอมปลจดคาความกวางพลสกจะแคบ ถาสญญาณแอมปลจดสงความกวางพลสกจะกวาง คาแอมปลจดทนามาแปลงเปนความกวางพลสนจะไดมาจากการแซมปลง (Sampling) สญญาณ แลวนาคาทแซมปลงไดนไปสรางพลสทมแอมปลจดคงท แตความกวางแปรผนตรงกบขนาดสญญาณทถกแซมปลง ดงนนถาสญญาณอนพตถกแซมปลง n ครงตอไซเคลกจะไดสญญาณพลสออกมา n ลกตอไซเคล ลกษณะสญญาณ PWM แสดงในรปท 2.35

รปท 2.35 สญลกษณของสญญาณ PWM

50

จากรปท 2.35 (a) เปนการสรางสญญาณ PWM จากสญญาณอนพตทเปนรปคลนสเหลยม ซงไมแสดงใหเหนลกษณะของสญญาณอนพตในรปน) เนองจากสญญาณรปคลนสเหลยมมแอมปลจดคงท ดงนนรปคลน PWM ทไดจะมความกวางพลสคงท จากรปมพลสใน 1 ไซเคล แสดงวามการแซมปลง 8 ครงใน 1 ไซเคลนนเองจากรปท 2.35 (b) เปนการสรางพลส PWM จากรปคลนไซน ซงแสดงในภาพดวยเสนประจะเหนไดวามคาแอมปลจดตา ๆ พลสจะแคบ ทแอมปลจดสง ๆ พลสจะกวาง ทาให PWM ของรปคลนมลกษณะทเรมจากพลสแคบๆกอนแลวคอยๆ กวางขนเรอยๆ จนถงจดพค (Peek) ของพลสรปคลนไซนจะกวางทสดแลว จะคอย ๆ ลดความกวางลงเรอย ๆ จนเปนศนยแลวจงเรมกลบคาเปนลบ โดยรปคลนในชวงบวกและลบจะสมมาตรซงกนและกน จะนาหลกการพนฐาน (PWM) มาใชโดยการนาเอาสญญาณ 2 สญญาณมาเปรยบเทยบกน (Comparator) แลวนาสญญาณทไดจากการเปรยบเทยบไปสบสวทชควบคมโหลดจะนาสญญาณสามเหลยมและสญญาณไซนมาเปรยบเทยบกน

รปท 2.36 การเปรยบเทยบสญญาณสามเหลยมกบไซน

ในการควบคมระดบแรงดนใหคงทของแหลงจายไฟสวทชง ซงโดยทวไปจะใชเทคนคการควบคมความกวางของพลส (PWM) ซงเปนการควบคมโดยการเปลยนแปลงชวงเวลาทอปกรณสวทชงอเลกทรอนกส เชน ทรานซสเตอร, มอสเฟต, ไอจบท หรออนๆ เปนผลใหเกดการควบคมแรงดนทเอาตพตใหไดคาตามทตองการ ซงขอดของการควบคมแรงดนแบบ PWM คอสามารถรกษาระดบแรงดนใหมความคงทสงเพราะมการปอนกลบระดบแรงดนจากเอาตพตมาใชในการควบคมดวย รวมทงทาใหเกดการสญเสยกาลงงานในการควบคมแรงดนตา สงผลใหมเสถยรภาพตอการเปลยนแปลงของอณหภมตอการใชงานสง จากการศกษาทฤษฏทเกยวขางตนตลอดจนหลกการทจะนามาใชในงานวจย ทาใหเกดแนวคดในการดาเนนการเพอนาเอาเซลลเชอเพลงและแบตเตอรมาผสมผสานเพอใหเกดเปนแหลงจายไฟตรงขนาดแรงดน 60 โวลต แตจากทกลาวมาขางตน แรงดนจากเซลลเชอเพลงและแบตเตอรเปนแรงดน

51

ขนาดตา จงตองทาการทบแรงดนเมอจายเขาระบบและทอนแรงดนเมอแรงดนจากระบบเขาหาแบตเตอร ดงจะมขนตอนการดาเนนการตามทจะกลาวในบทตอไป

บทท 3 ขนตอนและวธการดาเนนการ

ขนตอนการดาเนนการ ขนตอนงานวจย การศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร สามารถแสดงเปนแผนภมกระบวนการวจยไดดงรปท 3.1

52

รปท 3.1 แผนภมกระบวนการวจย

53

3.1 การศกษาขอมล การดาเนนการจดทาวทยานพนธเรอง การศกษาระบบควบคมพลงงานไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร ผจดทาไดนาทฤษฎและความรในหลาย ๆ เรองมาใชรวมกนโดยเขยนเปนผงโครงสรางงานวจยไดดงรปท 3.2

รปท 3.2 ผงโครงสรางการผสมผสานพลงงาน

3.2 การออกแบบวงจรคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงแบบขนาน 4 เฟส วงจรกาลงของคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงประกอบไปดวยอปกรณทสาคญ คอ

ตวเหนยวนาความถสง (L), อปกรณททาหนาทสวทช และตวเกบประจทางดานเอาตพต วงจรกาลงตองมความสามารถทางานไดปกตทขนาดพกดกระแสและแรงดนทใชงาน โดยกาหนดใหความถทใชในงานวจยมคา 25 kHz ซงเปนความถในการสวทชของอปกรณสวทช แตเนองจากแรงดนเอาตพตทไดจากวงจรคอนเวอรเตอรแบบทบแรงดนยงมสวนของแรงดนกระเพอม ดงนนจงตองออกแบบใหมวงจรกรองแรงดน (Filter) เพอลดแรงดนกระเพอม จากรปท 3.3 เปนสวนของวงจรบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส มเพาเวอรมอสเฟสทาหนาทเปนสวทช การทางานของสวทชกาหนดใหสวทช 1S ทางานท 0 องศา สวทช 2S ทางานท 180 องศา สวทช 3S ทางานท 90 องศา สวนสวทช 4S ทางานท 270 องศา รบคาสงสวทชมาจากวงจรขบเกตซงจะตอเขาทจด 1GSV ถง 4GSV ในการออกแบบวงจรกาลงมสวนประกอบทจะแสดงใหเหนดงน - การคานวณหาคาตวเหนยวนาความถสง - การเลอกอปกรณในการสวทช

54

- การเลอกไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว - การคานวณหาคาตวเกบประจทางดานเอาตพต

รปท 3.3 วงจรทบแรงดนแบบขนาน 4 เฟส

3.2.1 การคานวณหาคาตวเหนยวนาความถสง (L) ในวงจรคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง ตวเหนยวนาเปนอปกรณสาคญมหนาทเกบและคายกาลงงานซงเปนผลใหระดบแรงดนทางดานเอาตพตมคาสงกวาระดบแรงดนทางดานอนพต การคานวณหาคาตวเหนยวนา [1] หาไดจาก

SL

FC

fIDVL⋅Δ⋅

= (3.1)

เมอ L คอ คาตวเหนยวนา FCV คอ แรงดนดานอนพตมคา 26 V

fs คอ ความถสวทชงทใชในวงจร มคา 25 kHz ILΔ คอ กระแสกระเพอมทางอนพต กาหนดใหมคา 1.5 A (13% ของกระแสอนพต)

D คอ วฏจกรงาน (Duty Cycle) หาไดจาก

57.0602611 =−=−=

Bus

FC

VV

D

VBus คอ แรงดนดานเอาตพต มคา 60 V

55

แทนคาเพอหาคาตวเหนยวนา

HkHzA

VL μ395255.1

56.026=

××

=

เลอกแกนของขดลวดเปนชนดแกนเฟอรไรต เพราะมคาสญเสยตาเมอทางานทความถสง การคานวณขนาดใชวธการคานวณแบบ PA (Area Approach) เปนการออกแบบทใชคา riseT ซงอยในรปความหนาแนนกระแสของลวดตวนา (J=100-1000A/cm2) โดยคานวณหาขนาดของแกนเหลกดงน ขนตอนท 1 จากขดจากดและขอกาหนดในการคานวณหาคา PA ในสมการท 2.16 ในบทท 2 กาหนดคาตาง ๆ ดงน 2 6 24 / 4 10 / , 0.65,J A mm A m k= = × = กระแสเอาตพต ( rmsI ) = 11.5 A, กระแสเอาตพตสงสด ( peakI ) = 12.25 A, ( )2 peak rmsI I IΔ = − = 1.5 A และB = 0.5μT

แทนคา

36

6

max

4280465.01045.0

5.1125.1210395 mmJKBILI

A rmspeakP =

××××××

==−

ขนตอนท 2 เลอกขนาดของแกนเฟอรไรตทมคา PA มากกวาทไดคานวณจากขนตอนท 1โดยวทยานพนธนเลอกใชแกนเฟอรไรตเบอร EE55/55/21 ซงมคาเกยวพน ดงน 3 243700 , 379 ,P wA mm A mm= = 2354S mm= คาตวแปรจาก Data sheet ของแกนเฟอรไรตเมอเทยบกบตวแปรจากสตร

PA คอ Effective core Volume (Ve) มหนวยเปน 3mm หรอ 4mm (ตามขนาดของแกน)

wA คอ Cross-sectional winding area of core (Acw) มหนวยเปน 2mm S คอ Effective cross-sectional area (Ae) มหนวยเปน 2mm

ขนตอนท 3 คานวณหาจานวนรอบของขดลวดตวเหนยวนาโดยกาหนดให L=395 μH, Ipeak = 12.25 A, Bmax = 0.5 μT, S = 354 mm2 แทนคาเพอหาจานวนรอบของขดลวดตวเหนยวนา

27354105.0

25.12103956

6

max

=××××

== −

−

SBLI

N peak รอบ

ขนตอนท 4 คานวณหาขนาดของลวดตวนา ( wA )

56

2

2 87.2/4

5.11 mmmmA

AJ

IA rmsw ===

ขนตอนท 5 เลอกเบอรลวดทองแดงใหม wA ใหญกวา wA ทไดจากการคานวณจากขนตอนท 4

โดยคานวณเสนผาศนยกลางของขดลวดไดจาก

mmmmAd w 91.187.244 2

=×

==ππ

จากตารางท 2.2 ในบทท 2 เลอกขดลวดเบอร 12 AWG มเสนผานศนยกลาง 2.05 mm มากกวา

ทไดคานวณไวเนองจากเสนผาศนยกลางมผลตอการไหลของกระแสในขดลวดถาคานอยกวาทคานวณไดกระแสจะไหลไดไมถงทตองการ ขนตอนท 6 คานวณหาพนทหนาตดของลวดทใชงานจรงกบแกนเฟอรไรต

( ) 222

3.34

05.24

mmmmdAw ===ππ

213765.0

3.327 mmk

ANW w =×

=×

=

W ทใชไดตองมคา 2397 mm≤

ขนตอนท 7 คานวณหาคาความกวางของ Air Gab ( gl )

mmL

SNlg 004102.0103952

10354271042 6

62720 =

××××××

== −

−−πμ

สรป วงจรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง ใชแกนเฟอรไรต EE55/55/21 ลวดเบอร 12 AWG จานวนรอบทพน 27 รอบ ความกวาง Air Gap มขนาด 0.004102 mm 3.2.2 การเลอกอปกรณสวทชง อปกรณสวทชในวงจรคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง จะตองเปนอปกรณททางานไดดทความถสง เวลาในการเปลยนสถานะคอนขางสน ในงานวจยนเลอกใชเพาเวอรมอสเฟตทาหนาทเปนอปกรณสวทช เพราะนอกจากสามารถทางานทความถสงตงแต 20 kHz ถง 400 kHz แลว

57

เวลาในการสบสวทชอยในชวงนาโนวนาท และวงจรขบเพาเวอรมอสเฟตสามารถทาไดงายเพราะควบคมดวยแรงดนและกระแสอนพตคาตา ๆ โดยเลอกใชเพาเวอรมอสเฟต เบอรIRFP264 ของบรษท International Rectifier ซงมคณลกษณะสมบตตาง ๆ ทสาคญดงน ความตานทานระหวางขาเดรนและซอรสขณะนากระแส ( ) 0.075DS onR = Ω ทนแรงดนตกครอมระหวางขาเดรนและขาซอรส ( DSV ) ได 250 V กระแสเดรน ( DI ) สงสดทสามารถไหลผานได 38 A เวลาคนสภาพของเพาเวอรมอสเฟต

620rrt ns= 3.2.3 การเลอกไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว (Ultra Fast and Hyper Fast Diode) งานวจยนเลอกใชไดโอดชนดกลบคนสภาวะใหมไดเรว (Ultra Fast and Hyper Fast Diode) เหมาะสาหรบงานทมความถสงมาก การทางานตองการใหไดโอดทนากระแสอยเปลยนสภาวะเปนหยดนากระแสอยางรวดเรว มชวงเวลาในการฟนตวยอนกลบประมาณ 100 ns ถง 75 ns จะพจารณากระแสสงสดทไหลผานไดโอดไดจาก

AD

II peadrms 47.11325.125.12707.012

1=××=××= (3.2)

ไดโอดสาหรบเรยงกระแสดานเอาตพตจะตองสามารถทนกระแสสงสดขณะนากระแส ได งานวจยนเลอกใชไดโอด เบอร MUR3020PT ซงทนกระแสได 30 A 3.2.4 การคานวณหาคาตวเกบประจดานเอาตพต วงจรกาลงของคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรง ตวเกบประจดานเอาตพตมหนาทในการเกบพลงงานในรปของประจไฟฟาและทาการจายแรงดนออกใหกบเอาตพตหรอภาระ (Load) หรอคายประจไฟฟาเมออปกรณสวทช Turn On และทาการเกบประจเมออปกรณสวทช Turn Off ดงนนจาเปนตองเลอกตวเกบประจทสามารถทนแรงดนไดเทาหรอมากกวาแรงดนเอาตพต หากเลอกตวเกบประจทมขนาดใหญจะมสวนชวยในการลดแรงดนกระเพอมทางดานเอาตพต โดยคานวณหาคาตวเกบประจไดจาก

( ) ( ) FkHzfsVV

DPCBusBus

FCBus μη 2.91

25416057.0120080

4=

×××××

=⋅Δ⋅⋅⋅

= (3.3)

เมอ CBus คอ คาตวเกบประจทางดานเอาตพต

VBus คอ แรงดนเอาตพต มคา 60 V

PFC คอ กาลงไฟฟาของเซลลเชอเพลง

D คอ วฏจกรงาน (Duty Cycle) มคา 0.57

58

fs คอ ความถสวทชงทใชในวงจร มคา 25 kHz VBusΔ คอ แรงดนกระเพอมทางดานเอาตพตกาหนดใหมคา 1V (ประมาณ 1.5 % ของ

แรงดนเอาตพต) η คอ ประสทธภาพ 80 % งานวจยนเลอกใชตวเกบประจดานแรงดนเอาตพตขนาด 470 μF 100 V 3.2.5 วงจรตรวจจบกระแสทไหลผานตวเหนยวนา

V+

V-

U1A+

-

V+

V-

V+

V-

U1B+

-

R1100Ω

R266Ω

R320kΩ

R420kΩC1

0.1µF

C20.1µF

C30.003µF

TL082 VsenserIsenser

Hall Current

รปท 3.4 วงจรตรวจจบกระแส

การตรวจจบกระแสเปนสงสาคญในการควบคมวงจรคอนเวอรเตอรแบบลปปด วงจรควบคมแบบพไอทเลอกใชจะแยกอสระออกจากกน ดงนนวงจรตรวจจบกจะตองม 4 ชด อปกรณททาหนาทตรวจจบกระแสคอ ฮอรเคอรเลนทเซนเซอร (Hall Current Sensor) เบอร LA55-P ของบรษท LEM ซงม Conversion Ratio 1:1000 แบบใชลวดตวนาคลองผาน สญญาณเอาตพตเปนกระแสมอตราสวน 50 A = 50 mA การนาสญญาณเอาตพตทวดไดไปใชงานจะตองมวงจรเปลยนกระแสเปนแรงดน ตามรปท 3.4 วงจรจะใชหลกการของวงจรแบงแรงดน (Voltage Divider) คานวณหา R1 และ R2 ไดจากสมการ 3.4

sensor

refdiv I

UR = (3.4)

เนองจากกระแสทเซนเซอรเมอมกระแสไหลผานเตมพกด (Rated Current) เทากบ 46 mA จากการคลองกระแสทตวเหนยวนาของ Hall Current จานวน 1 รอบจะไดกระแสเทากบ 11.5 mA ทสญญาณแรงดนอางอง (Uref) เทากบ 10 V จงไดคลองกระแสทตวเหนยวนาของ Hall Current จานวน 4 รอบซงจะทาใหไดคากระแสทางดานเอาตพตของเซนเซอรสงสดเพมขน 4 เทา และกาหนดกระแสไหลผานเตมพกด (Rated Current) เทากบ 60 mA ดงนน

59

Ω== 1666010

mAVRdiv

เมอ sensorI คอ กระแสทเซนเซอรสามารถวดไดเมอมกระแสไหลผานเตมพกด (Rated Current) refU คอ แรงดนทเหมาะสมในการนามาเขาวงจรซมมง (Comparator) divR คอ คาความตานทานสาหรบแบงแรงดน (Voltage Divider) เมอกระแสทไหลผาน 1 2,R R ถกเปลยนเปนแรงดนกจะเขาออปแอมป U1A และ U1B ตามลาดบ กจะเขาวงจรซมมง (Comparator) เพอหาคาผดพลาด เมอเทยบกบ สญญาณอางอง ( FCREFi ) ผลลพธทไดนจะถกนาไปเขาวงจรควบคม พ-ไอ (P-I Controller) เพอทาการชดเชยคาผดพลาดทเกดขน แลวกเขาสวงจรสรางสญญาณ PWM ตอไป 3.2.5 วงจรขบนาเกตดวยไอซ TLP250 สญญาณทผานการมอดเลตตามความกวางของพลลมลกษณะเปนสญญาณพลสสเหลยมสญญาณนถกสงไปยงวงจรสรางสญญาณขบนาเกต ดวยไอซสรางสญญาณขบนาเกต เบอร TLP250เพอควบคมการทางานของมอสเฟต วงจรสรางสญญาณขบนาเกตแสดงดงรปท 3.5 จากวงจรสญญาณดานเขาเปนสญญาณทถกสงมาจากวงจรมอดเลตตามความกวางของพลสมขนาดแรงดน 0 V ถง 5 V สญญาณนถกสงเขาไปไบอสให LED ใน TLP250 นากระแส โดยม ความตานทาน R1 ทาหนาทจากดกระแสในการไบอสและใชไอซบฟเฟอร 74LS07 เปนตวปองกนไฟ 5 V ทจะเกดการไหลยอนกลบของแรงดนเขาไปในวงจรมอดเลตตามความกวางของสญญาณพลส (PWM) เมอ LED นากระแส ทาใหทรานซสเตอรชนด NPN ทางดานเอาตพตของ TLP250 นากระแส แรงดนทขา 7 ของ TLP250 เทยบกบกราวดเทากบ 15 V และแรงดนท GSV ของมอสเฟตเทากบ 15 V กบ 0 V เมอแรงดน GSV มคาเปนบวกสามารถทาใหมอสเฟตนากระแสได สวนในกรณทแรงดนอนพตนอยกวา 0.7 V LED ภายใน TLP250 หยดนากระแสสงผลใหทรานซสเตอรชนด NPN ทางดานเอาตพตของ TLP250 หยดนากระแสเชนเดยวกน แตทรานซสเตอรชนด PNP จะนากระแสแทนสงผลใหทสภาวะนแรงดนทขา 7 ของ TLP250 เทยบกบกราวดมคาประมาณ 0 V เมอแรงดนท GSV มคาเปน0 V กจะทาใหมอสเฟตหยดนากระแสได

รปท 3.5 วงจรขบนาเกตโดยใชไอซเบอร TLP250

60

3.2.6 การออกแบบวงจรควบคม วงจรภาคควบคมทาหนาทควบคมการทางานของวงจรคอนเวอรเตอรทบแรงดนเพอใหวงจรคอนเวอรเตอรทบแรงดนสามารถรกษาระดบการจายกระแสใหคงทเปนไปตามสญญาณคาสง รปท 3.6 จะเหนวาลปกระแสจะมจานวน 4 เฟส แตสญญาณคาสง ( FCREFi ) จะมเพยงสญญาณเดยว ดงนนทกลปไดสญญาณคาสงทเหมอนกนแตสญญาณจะถกหารลงตามจานวนวงจรทตอขนาน 4 ตว ซงงานวจยนสามารถสงสญญาณคาสงกระแสไดตงแต 0-46 A ถาสงสญญาณคาสง 46 A จะถกหาร 4 ดงนนแตละเฟสจะทางานเฟสละ 11.5 A รปท 3.6 กาหนดใหมการควบคมลปปดกระแสคอจะมการนากระแสทไหลในแตละเฟสมาคานวณ โดยจะเลอกวดกระแสทไหลผานตวเหนยวนาเพราะสามารถนาไปคลองผานอปกรณวดกระแสไดงาย กระแสแตละสาขาจะถกวดดวยเซนเซอรวดกระแส (Hall Current) แตเซนเซอรวดกระแส

1L meai นจะสงสญญาณเอาทพตออกมาเปนกระแส ดงนนจะตองมการเปลยนกระแสเปนแรงดนโดยใชวงจรบฟเฟอร (Buffer) จากนนจะนาแรงดนทวดไดไปผานวงจรฟลเตอรแบบออรเดอรท 1 (First Order Filter) เพอทจะกรองสญญาณรบกวนจากฮารมอนกสอนเนองมาจากการสวทชทความถสงของวงจรกาลง เปนวธลดความผดพลาดในการคานวณ ตอจากนนเขาวงจรซมมง (Comparator) เพอหาคา Error เมอไดคาผลลพธกจะถกสงเขาวงจรควบคมบรณาการรวมหนวย แบบ พ-ไอ (PI Controller) เพอทาการชดเชยคาผดพลาดทเกดขนเพอนาไปเปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยมอางองจะไดผลลพธออกมาคอได PWM มคา T-on ตางกน กอนทจะนาไปขบขาเกตของมอตเฟสจะตองผานวงจรขบเกตเพอทาการแยกกราวดระหวางวงจรควบคมกบกราวดวงจรกาลงใหออกจากกนและยกระดบสญญาณใหสงมากขนเพอทจะสงใหมอตเฟสทางานได มอสเฟตแตละตวจะทางานตางเฟสกน 90 องศา ในวงจรควบคมกระแสแบบลปปดตามรปท 2.19 จะประกอบไปดวยการออกแบบสวนตางๆ ดงน - วงจรสรางกระแสอางอง - วงจรสรางสญญาณพลสอางอง - วงจรควบคมการเลอนเฟส - วงจรสรางสญญาณสามเหลยม - วงจรมอดเลตตามความกวางของสญญาณพลล (PWM) - วงจรควบคมกระแสแบบพไอ (PI-Controller) การควบคมกระแสทใชในโครงงานนควบคมดวยชด dSPACE รน DS1104 ผานทางชดควบคมทสามารถปรบเปลยนไดจากการเขยนโปรแกรมจาลองการทางานบนเครองคอมพวเตอรดวยโปรแกรม MATLAB/Simulink รวมกบ Control Desk Software

61

3.2.7 วงจรสรางสญญาณพลสอางอง ในการออกแบบวงจรมอดเลตตามความกวางของพลซ สญญาณพาหะทใชในการมอดเลตเปนสญญาณสามเหลยม โดยกอนทจะไดสญญาณสามเหลยม งานวจยนทาการสรางสญญาณพลลโดยใชไอซเบอร NE555 สาหรบสรางสญญาณพลลทมความถ 50 kHz กาหนดความถไดจากคา R และ C ดงทไดแสดงในวงจร แลวสงสญญาณนาฬกาความถ 50 kHz จากจด A เขาไปยงไอซเบอร SN74HC76 ซงเปนไอซทาหนาทหารความถของสญญาณนาฬกาโดยใช Toggle Flip-Flop เปนวงจรหาร 2 ทสรางจากฟลปฟลอปชนด JK แลวสงสญญาณนาฬกาความถ 25 kHz ออกมา สญญาณพลลจะถกแบงเปน 2 สวนโดยไอซสวนท 1 จะทาหนาท Active High ทขอบขาขน ไอซสวนท 2 จะทาหนาท Active High ทขอบขาลงแลวสงสญญาณไปทไอซเบอร SN74HC08 ซงเปนไอซ NAND Gate ทาหนาทเปรยบเทยบสญญาณนาฬกาความถ 50 kHz กบสญญาณนาฬกาความถ 25 kHz ดงนนหลงจากผานไอซเบอร SN74HC08 เอาตพตจากจด B และจด C ทงสองตวกจะไดสญญาณพลล 2 สญญาณทเหลอมเฟสกน 180 องศา ดงนนสญญาณพลสนจะเปนสญญาณหลกทใชในการสรางสญญาณสามเหลยม

Q

Q

รปท 3.6 วงจรสรางสญญาณพลลอางอง

จากคมอการใชงานของไอซเบอร LM555/NE555/SA555 บรษท Fairchild Semiconductor สามารถหาความถทวงจรในรปท 3.6 กาเนดออกมาไดจากสมการ (3.5)

( )( ) 11 244.1

CRRf

A+= (3.5)

เมอ RA=R2+R3

62

เมอตองการความถ 50 kHz เลอกคา R1= 1kΩ และ C1= 0.001μF สามารถคานวณหาคาความตานทาน R2 และ R3 ไดดงน

( ) FRHz

A63

3

10001.0210144.11050 −××+Ω×

=×

2/101105010001.0

44.1 336 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Ω×−

×××= − HzF

RA

13.9AR k= Ω

3.2.8 วงจรควบคมการเลอนเฟส

รปท 3.7 วงจรโมโนสเตเบล มลตไวเบรเตอรใชไอซ SN74LS123

คอนเวอรเตอรมการสวทชทเหลอมเฟสกน 90 องศา จากนนจะผานไอซเบอร 74LS123 เพอทาใหสญญาณพลลทไดมการเหลอมเฟสกน 90 องศาเชนกน ไอซเบอร 74LS123 เปนวงจรหนวงเวลาชนดโมโนสเตเบล มลตไวเบรเตอร (Monostable Multivibrator) จานวน 2 ชด การทางานจะขนอยกบการเปลยนแปลงของสญญาณขาเขา โดยสญญาณเอาทพตทไดจากไอซเบอร SN74LS123 ทงสองตวนกจะไดสญญาณพลลจานวน 4 พลลทมการเหลอมเฟสกน 90 องศา ดงรปท 3.7 การคานวณคาบเวลาของวงจรโมโนสเตเบล 74LS123 เพอทรกขา B ของทรานซสเตอรเบอร 2N2222 ซงมเวลา Rise Time 25ns ดงนนจงตองการคาเวลาการทางานของโมโนสเตเบล อยางนอย 25 ns จงเลอกเวลาทางานของโมโนสเตเบลไวท 1μs โดยใชวงจรน 4 วงจรสาหรบ 4 เฟสแตมคาใชงานเทากน

รปท 3.7 จากจด D เปนอนพตรบสญญาณ 25 kHz จากวงจรสรางสญญาณพลลอางองสวนจด E เปนเอาตพตทแตละเฟสไดมการเหลอมเฟส 90 องศา เพอไปควบคมการทางานทรานซสเตอรของวงจรสรางสญญาณสามเหลยมตอไป

63

ในการคานวณคาเวลาของโมโนสเตเบล ( )wt จากคมอใชงานไอซเบอร TC74HC123AP สามารถคานวณไดจากสมการ (3.6)

65CRtw = (3.6)

เมอ wt คอ ความกวางพลสของวงจรโมโนสเตเบลทตองการ คอ 1μs เลอกคาตวเกบประจ C6 = 100 pF แทนคาลงในสมการท (3.6) เพอหา R5 ซงเทากบ Ωk10 3.2.9 วงจรสรางสญญาณสามเหลยม ในการออกแบบมอดเลตตามความกวางของพลล สญญาณพาหะทใชในการมอดเลต สญญาณสามเหลยมหลงจากทไดสญญาณพลลทมการกาหนดใหมความตางเฟสกนเฟสละ 90 องศา และใชหลกการของการเกบและคายประจของตวเกบประจทเกดจากการเปดปดสวทชทรานซสเตอรเบอร 2N2222 เพอทาใหเกดสญญาณสามเหลยม วงจรกาเนดสญญาณฟนเลอยคอสวนททาหนาทเปลยนสญญาณพลสเปนสญญาณฟนเลอย โดยใชทรานซสเตอรเบอร 2N2222 และวงจร RC จานวน 4 วงจรสาหรบ 4 เฟสทางานหางกน 90 องศาทางไฟฟา

รปท 3.8 วงจรสรางสญญาณสามเหลยม

จากรปท 3.8 เพอใหงายแกการคานวณ กาหนด RL= R9+R11 ในงานวจยนตองการสญญาณฟนเลอยความถ 25 kHz ซงมคาบเวลา 40 μs และจดสงสดของสญญาณฟนเลอย 5 V เลอกใชตวเกบประจ C10 มคา 0.05 μF เราสามารถคานวณหาคา RL ไดจากสมการ (3.7)

( ) 10/ CRtCODDDDO

LeVVVV −−−= (3.7)

เมอ VO คอ ความแรงของสญญาณฟนเลอย ณ เวลาทตองการ VDD คอ แรงดนไฟเลยงทปอนใหวงจร

64

VCO คอ แรงดนคางทตวเกบประจกอนประจมคาเทากบ VCEsat ของทรานซสเตอร 0.3 V t คอ คาบเวลาของสญญาณฟนเลอย ดงนน RL = 2.1 kΩ

ในการใชงานจรงอาจมคาผดพลาดทเกดจากอปกรณได ดงนนเราจงเลอกใชงานคา RL เปนตว

ตานทานปรบคาได RL=R9+R11 เราจงเลอกใชงานคา R9=1 kΩ ตออนกรมกบตวตานทานปรบคา R11 คา 10kΩ

3.2.10 วงจรมอดเลตตามความกวางของสญญาณพลล (PWM) วงจรมอดเลตทาหนาทมอดเลตสญญาณทไดจากตวควบคมในลปปดของกระแส

กบสญญาณพาหะทเปนสญญาณสามเหลยมวงจรมอดเลตตามความกวางของสญญาณพลส แสดงดงรปท 3.9

+H

IJ

command1

SawtoothPWM

V+

R11kΩ

V-C1

0.1µF

C20.1µF

DC15 V

รปท 3.9 วงจรมอดเลตตามความกวางของสญญาณพลส (PWM)

3.2.11 วงจรควบคมกระแสแบบพไอ (PI-Controller) วงจรควบคมกระแสเปนวงจรททาหนาทควบคมใหระดบการจายกระแสคงทถงแมวาโหลดทางไฟฟาจะมการเพมขนโดยวงจรนจะใชวงจรเปรยบเทยบ (Comparator) โดยใชออปแอมปเบอร TL082 ตอเปนแบบ Adder มอตราขยายเทากบ 1 สญญาณทไดจากจดนคอสญญาณความผดพลาดของแรงดน ( errU ) และถกสงตอไปยงวงจรควบคมตอไป งานวจยเลอกใชตวควบคมแบบพไอสมการตวควบคมกระแสแสดงในสมการ (3.8)

( )( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

sTK

sVsV

ip

err

command 111

1 (3.8)

เมอ ( )sVcommand1 คอ แรงดนเอาตพตของตวควบคมแบบ PI ( )sVerr1 คอ แรงดนผลตางของ Vctrl-Vactive1

65

โดยทอตราขยายของ PK หาไดจากสมการ 3.9

8

109

RRRK p

+= (3.9)

ในการออกแบบกาหนดใหคาความตานทาน 9 100R = Ω , 10 3.4R k= Ω และ 8 20R k= Ω ดงนน

175.0=pK

และคาเวลาหาไดจากสมการ

( ) 81211 CRRTi += (3.10) ในการออกแบบกาหนดใหคาความตานทาน 11 31.4R k= Ω , 12 20R k= Ω และตวเกบประจ

2 0.01C Fμ= ดงนน 541.0=iT

รปท 3.10 วงจรควบคมแบบพไอ สาหรบบสตคอนเวอรเตอร

วงจรควบคม PI เปนวงจรททาหนาทในการควบคมใหระดบการจายกระแสใหคงทถงแมวาโหลดทางเอาตพตจะมการเปลยนแปลง ดงรปท 3.10 จดตออนพต CtrlV เปนจดรบสญญาณคาสงจาก dSPACE เพอควบคมการจายกระแสของวงจรทบแรงดนทงหมด จดตออนพต senserV เปนจดรบการปอนกลบของคากระแสจาก Hall Sensor กระแสทไดแปลงเปนแรงดนแลว สวน U2B เปนวงจรรวมสญญาณ (Comparator) ระหวางสญญาณคาสง CtrlV กบสญญาณ senserV เพอหาคาผดพลาด (Error) เมอไดคาผลลพธกจะถกสงเขาวงจรควบคมบรณาการรวมหนวย แบบ PI-Controller โดยทกลาวมาเปนเพยงการทางานของวงจร PI เพยง 1 วงจรจากจานวน 4 วงจร

66

3.3 การออกแบบวงจรคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง สาหรบการออกแบบวงจรคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง เนอหาและวธการคานวณในสวนนบางสวนคลายคลงกบหวขอท 3.2 จงจะมบางสวนทไมขอกลาวถง หลกการทางานของวงจรคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง ผทาการวจยไดวางไวเปนหลกเกณฑคอ - เมอแหลงจายทาหนาทเปนแหลงจายกาลงงานใหกบโหลด วงจรคอนเวอรเตอรจะทางานเปนลกษณะ วงจรทบแรงดน (Boost Converter) - เมอแหลงจายทาหนาทเปนอปกรณเกบกาลงงานทไหลยอนกลบมาจากโหลด วงจรคอนเวอรเตอรจะทางานเปนลกษณะ วงจรทอนแรงดน (Buck Converter) องคประกอบสาหรบการออกแบบวงจรคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง สามารถเขยนเปนไดอะแกรมไดดงน

ctrlVBusi2

รปท 3.11 สวนประกอบคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง

จากรปท 3.11 จะแบงการทางานออกเปนสองสวน ไดแก - สวนของตวควบคมกระแส ทาหนาทรบคาสงจากภายนอกแลวบงคบใหภาคกาลงทางานใหไดคาสงตามทไดรบมา โดยจะมตวตรวจจบกระแสทไหลผานภาคกาลงกลบมาเปรยบเทยบกบคาสงทไดรบมา จะตองมคาใกลเคยงกนมากทสด - สวนของภาควงจรกาลง ทาหนาทสวทชตามสญญาณ PWM ทไดรบมาจากภาคควบคม กระแสทไหลจะมากหรอนอยขนอยกบความกวางพลสทสงมา ถาความกวางพลสทสงมามความกวางนอย กระแสทไหลในภาคกาลงจะนอยแตถาความกวางพลสทสงมากวางมาก วงจรภาคกาลงกจะนากระแสมากไปดวย

67

รปท 3.12 วงจรคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 2 เฟส

จากรปท 3.12 เปนสวนของวงจรคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง 2 เฟส มเพาเวอรมอสเฟตทาหนาทเปนสวทช รบคาสงการสวทชมาจากตวขบเกตตอเขาทจด GD1 ถง GD4 ในวงจรกาลงจะประกอบไปดวยการออกแบบสวนตางๆ ดงน - การคานวณหาคาตวเหนยวนาความถสง - การเลอกอปกรณสวทชง - การคานวณหาคาตวเกบประจทางดานเอาตพต 3.3.1 การคานวณหาคาตวเหนยวนาความถสง อยางททราบตวเหนยวนาเปนอปกรณทสาคญ มหนาทเกบและคายกาลงงานเปนผลใหระดบแรงดนทางเอาตพตมคาสงกวาระดบแรงดนทอนพตการคานวณหาคาของตวเหนยวนาสามารถหาไดจากสมการ

( )f

RDDL2

1 2

min−

= (3.11)

เมอ minL คอ คาตวเหนยวนาตาสดทสามารถใชงานไดในวงจร f คอ ความถสวทชงทใชในวงจร มคา 25 kHz R คอ คาความตานทานโหลดของวงจรหาไดจาก

min

2

O

Bus

PVR = (3.12)

68

เมอ busV คอ แรงดนดานขาออกของวงจรทตองการมคา 60V minPo คอ กาลงทางดานเอาตพตทใหประสทธภาพตาสดหาไดจากสมการท (3.13)

max

minmin

i

O

PP

=η (3.13)

minη คอ ประสทธภาพตาสดของวงจรทตองการกาหนดไวท 80 เปอรเซนต maxPi คอ กาลงทางดานอนพตทใหประสทธภาพสงสด หาไดจากสมการท (3.14)

maxmaxmax BatBati iVP = (3.14)

maxBatV คอ แรงดนของแบตเตอรสงสด คอ 24V maxBati คอ กระแสของแบตเตอรสงสด คอ 20A แทนคาลงในสมการท (3.14) WPi 4802024

max=×=

แทนคา maxiP ลงในสมการท (3.13) เพอหา minOP

maxmin min iO PP η=

WPO 38448010080

min=×=

แทนคา minOP ลงในสมการท (3.12)

Ω=== 357.93846022

minO

Bus

PVR

จากสมการท (3.1) D คอ วฏจกรงาน (Duty Cycle) หาไดจาก

6.0602411 =−=−=

Bus

Bat

VVD

แทนคาลงในสมการท (3.11) เพอหาคาตวเหนยวนา

( ) HkHz

L μ18252

375.96.016.0 2

min =×

×−=

ดงนนเมอ L=18 μH, Ipeak = 10 A, Bmax = 0.025 μT, S = 354 mm2(พนทของแกน EE55) จะหาจานวนรอบของขดลวดตวนาไดจาก

33.2035410025.0

1010186

6

max

=××××

== −

−

SBLI

N peak รอบ

69

3.3.2 การเลอกอปกรณสวทชง จากเหตผลทเคยกลาวมาจงไดเลอกใชเพาเวอรมอสเฟต เบอร IRFP264 ของบรษท International Rectifier มคณลกษณะสมบตตาง ๆ ทสาคญดงน ความตานทานระหวางขาเดรนและซอรส ขณะนากระแส ( ) 0.075DS onR = Ω แรงดนตกครอมระหวางขาเดรนและขาซอรส ( DSV ) ททนได 250V กระแสเดรน ( DI ) สงสดทสามารถไหลผานได 38A เวลาคนสภาพของเพาเวอรมอสเฟต

620rrt ns= 3.3.3 การคานวณหาคาตวเกบประจดานเอาตพต ในวงจรคอนเวอรเตอร 2 ทศทางจะหาคาตวเกบประจดานเอาตพตของวงจรไดจากสมการท (3.15)

RCfD

VV

Bus

Bus =Δ (3.15)

เมอ Bus

Bus

VVΔ คอ คา Ripple Factor กาหนดใหมคา 1 เปอรเซนต

BusVΔ คอ แรงดนกระเพอมทางดานเอาตพต BusV คอ แรงดนเอาตพต มคา 60V C คอ คาตวเกบประจทางดานเอาตพต

D คอ วฏจกรงาน (Duty Cycle) = 0.6 R คอ คาความตานทานโหลดของวงจร f คอ ความถสวทชงทใชในวงจร มคา 25 kHz แทนคาในสมการท 3.15 เพอหา BusVΔ

01.060

=Δ BusV

ดงนน VVBus 6.06001.0 =×=Δ หาคาตวเกบประจทางดานเอาตพต

F

VVRf

DC

Bus

Busμ256

01.01025375.96.0

3 =×××

=Δ⋅

=

ดงนนควรเลอกขนาดตวเกบประจทางดานเอาตพตของวงจรทมคาสงกวา 256µF และแรงดนททนไดตองไมตากวาแรงดนเอาตพตท 60V

70

3.3.3 วงจรตรวจจบกระแส (Current Sensor) ทาหนาทตรวจวดกระแสทไหลผานขดลวดเพอใหวงจรคอนเวอรเตอรทางานแบบลปปดของกระแส วงจรตรวจจบนม 2 วงจรสาหรบ 2 เฟสการออกแบบเหมอนกน กาหนดใชตวตรวจจบกระแสแบบฮอลลเซนเซอร (Hall Sensor) เบอร LA55-P ของบรษท LEM เชนเดม การออกแบบคอนเวอรเตอร 2 ทศทางกาหนดใหสามารถจายกระแสไฟฟาไดตงแต -5.8A ถง 20A กระแสสวนทมคาลบ คอ การทางานของคอนเวอรเตอรโหมดจายกระแสชารจเขาแบตเตอร (Buck Converter) พกดการชารจสงสดนกาหนดจากความสามารถในการชารจของแบตเตอรทใชในงานวจย ขนาด 24V 5.8Ah และสวนทกระแสไฟฟาทมคาบวก คอ การทางานของคอนเวอรเตอรโหมดจายกระแสออกจากแบตเตอร (Boost Converter) สงสด 20A เซนเซอรจะทาหนาทเปลยนกระแสทไหลผานคอนเวอรเตอรใหเปนแรงดนเพอสงใหกบวงจรควบคมแบบ PI เปรยบเทยบกบแรงดนคาสง Vctrlทไดรบมาจาก dSPACE วามคาเทากนแลวหรอยง ถากระแสทไหลในคอนเวอรเตอร (iL) ยงนอยกวาคาสงทรบจาก Vctrl สวนควบคมแบบ PI จะปรบ PWM เพมขนจนกวา iL มคาเทากบคาสงทรบจาก Vctrl การปอนกลบของกระแสแสดงดงรปท 3.13

2 8ctrlV Vto V= − 2Busi

2 8activeV Vto V= −

รปท 3.13 การปอนกลบของกระแส 1 เฟส

การออกแบบ สามารถควบคมการจายกระแสจากแบตเตอรไดโดยปอนแรงดนคาสง Vctrl เพอควบคม iL1 เพอออกแบบใหวงจรทง 2 เฟสมการจายกระแสเทากน ดงนนในแตละเฟส วงจรตองจายกระแสทจด iL ได -2.9A ถง 10A โดยทจดรบคาสงของคอนเวอรเตอรทง 2 เฟสนน ตอขนานกนอย เมอปอนคาสงเขามา วงจรแตละเฟสจะจายกระแสเทากน โดย Vctrl ทรบมาไดรบการออกแบบมาใหมคาอยในชวง -2V ถง 8V ดงนนการจะดวากระแสทไหลจากแบตเตอร iL เทากบกระแสทตองการใหไหลหรอไมกสามารถดจากแรงดนคาสง Vctrl เปรยบเทยบกบผลการวด ทไดจากเซนเซอรหรอไม แตเมอเอาตพตของเซนเซอรทใชเปนกระแส จงตองแปลงคากระแสใหเปนแรงดน โดยตอตวตานทานเขาไปดงรปท 3.14

71

รปท 3.14 วงจรตรวจจบกระแส 1 เฟส

จากรปท 3.14 จดตออนพต GD1 และ GD2 เปนสวนของสญญาณขบเกตทไดรบจากวงจรขบเกต สวนจดตอเอาตพต Vactive1 เปนสวนของแรงดนปอนกลบทแปลงจากกระแสทเซนเซอรตรวจจบไดเพอปอนเขาวงจรเปรยบเทยบในวงจรควบคมแบบ PI กระแสทไหลในแตละเฟสมคาสงสด 10A จะไดกระแสเอาตพตของเซนเซอร 10mA แตเพอใหไดความละเอยดในการวดสงขนจงพนลวดตวนาทจดวด iL ผานเซนเซอร 4 รอบ ซงจะทาใหไดคากระแสทางดานเอาตพตของเซนเซอรสงสดเพมขน 4 เทา เปน 40mA ดวย เลอกคา R1 เพอเปลยนกระแสเปนแรงดนไดจาก

max

max1

Lmea

active

iVR = (3.16)

เมอ maxactiveV คอ แรงดนสงสดทผานการแปลงจากกระแสจากเซนเซอรคอ 8V maxLmeai คอ กระแสสงสดทวดไดจากเซนเซอร คอ 40mA แทนคาลงสมการท 3.7

Ω== 20040

81 mA

VR

3.3.4 วงจรเดดไทม (Dead Time Circuit) วงจรดงรปท 3.15 ทาหนาทในการหนวงสญญาณคาสงสวทช เพอปองกนไมใหชดสวทชทง 2 ตวในแตละเฟสทางานพรอมกน โดยสญญาณคาสงสวทชจะถกหนวงดวยตวตานทาน และตวเกบประจในขอบขาขน เพอปองกนไมใหเกดการลดวงจรของสวทชทง 2 ชด และเมอสญญาณอนพตเปน High หลงจากผานนอตเกตกจะกลายเปน Low ตวเกบประจซงมแรงดนสงอยจะคายประจผานตวตานทาน เมอระดบแรงดนทตวเกบประจตาถงระดบทนอตเกตมองเปน Low

72

สญญาณเอาตพตเปน High ชวงนจะไมมการหนวงเวลา เพราะกระแสไหลผานไดโอดมาชารจตวเกบประจแลวเตมทนท ทาใหเอาตพตของนอตเกตอกตวเปน Low การปรบคาความตานทานจะทาใหระยะการหนวงเวลาเปลยนไป ลกษณะการหนวงของ Dead Time แสดงดงรปท 3.16

รปท 3.15 วงจรเดดไทม (Dead Time Circuit) V

t

t

t

td1

td2

PWM1

DT2

DT1

รปท 3.16 เดดไทมของการขบมอสเฟต

จากรปท 3.15 เปนวงจรเดดไทม จดตอ PWM1 เปนจดรบสญญาณทไดจากวงจรกาเนดสญญาณ PWM สวนทางดานเอาตพตจดตอ DT1 และ DT2 เปนสวนทไดถกกาหนดเดดไทมแลวเพอสงตอไปยงวงจรขบเกตตอไป ขอมลของไอซนอตเกตเบอร 74LS14 ทใชในวงจรเดดไทมสญญาณอนพตททาใหเอาตพตเปนลอจก 1 คอ แรงดนอนพต 1.6V เพาเวอรมอสเฟตทใชมเวลาในการคนสภาพ (trr) = 620nS คดเวลาทอกตวหนงทางานไดเตมทและอกตวหนงหยดทางานสนทควรหนวงเวลาทงหมด 2trr ดงนน

73

เวลาหนวงมคา 620ns x 2 = 1,240ns หรอ1.24µs จงกาหนดเวลาหนวงประมาณ 2µs เลอกใชคา C5 = 3 nF คานวณหาคา R2 ไดจาก ( )522 /

5 1 CRtCCC

deVV −−= (3.17)

เมอ 5CV คอ แรงดนทตกครอม C5 ททาใหอนพตเปนสถานะ high คอ 1.6V CCV คอ แรงดนไฟเลยงวงจรมคา 5V แทนคาลงในสมการท 3.17 จะไดคา R2=1.74 Ωk และทาใหคาเดดไทม = 2.31μS 3.3.5 วงจรขบนาเกตดวยไอซ TLP250 สาหรบวงจรขบนาเกตดวยไอซ TLP250 จะเปนการออกแบบลกษณะเดยวกบวงจรคอนเวอรเตอรแบบทบแรงดนไฟฟาทกประการ จงจะไมแสดงวธการคานวณซา

รปท 3.19 วงจรขบนาเกตโดยใชไอซเบอร TLP250

3.3.6 วงจรกาเนดพลสวดตมอดเลชน เปนสวนททาหนาทกาเนดสญญาณฟนเลอยเพอนาไปเปรยบเทยบกบสญญาณจากวงจรควบคมแบบ PI ผลลพธทไดจากวงจรเปรยบเทยบนจะไดเปนสญญาณพลสวดตนาไปควบคมการสวทชของเพาเวอรมอสเฟตตอไป

74

รปท 3.18 วงจรกาเนดสญญาณพลสวดตมอดเลชน

จากรปท 3.18 จดเชอมตอสญญาณอนพตของวงจร Vcommand1 และ Vcommand2 เปนจดรบสญญาณทไดจากตวควบคมกระแสแบบ PI เพอนามาเปรยบเทยบกบสญญาณทไดจากวงจรกาเนดสญญาณฟนเลอยความถ 25 kHz ซงจะทาใหไดเอาตพตทจด PWM1 และ PWM2 เปนสญญาณพลสวดตมอดเลชนสงไปยงวงจรเดดไทมตอไป

สวนของวงจรกาเนดสญญาณพลสวดตมอดเลชนแบงออกเปน 4 สวนคอ วงจรกาเนดสญญาณนาฬกา 25 kHz, วงจรเหลอมเฟส 180 องศา, วงจรกาเนดสญญาณฟนเลอย และวงจรกาเนดสญญาณ PWM แตละสวนมการออกแบบดงตอไปน 3.3.7 วงจรกาเนดสญญาณนาฬกา 25kHz ทาหนาทกาเนดสญญาณพลสความถ 25 kHz ซงเปนความถเดยวกนกบทใชในการสวทช ของคอนเวอรเตอร สงตอไปยงวงจรภาคตอๆ ไปเพอกาเนดสญญาณ PWM ในทสด สวนของวงจรกาเนดสญญาณนาฬกา 25 kHz แสดงดงรปท 3.20

75

รปท 3.19 วงจรกาเนดสญญาณนาฬกา 25 kHz

จากคมอการใชงานไอซเบอร LM555/NE555/SA555 ของบรษท Fairchild Semiconductor สามารถหาความถทวงจรในรปท 3.19 กาเนดออกมาไดจาก

( )( ) 1311 244.1

CRRf

A+=

เมอ A 12 13R =R +R ความถทตองการคอ 25 kHz เลอกคา R11=1kΩ และ C13 = 0.001µF สามารถคานวณหาคา ความตานทาน RA ไดดงน

( ) 633

10001.0210144.11025 −××+×

=×AR

2

101102510001.0

44.1 336 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ×−

×××=−

AR

Ω= kRA 3.28

ในการใชงานจรงจะเลอก RA เปนแบบปรบคาไดเพอปองกนความผดพลาด โดยตวตานทานปรบคา R13 = 20kΩ รวมกบตวตานทานคาคงท R12 = 20kΩ ทาใหวงจรนสามารถปรบความถไดตงแต 17.78 kHz ถง 35.12 kHz มคาวฏจกรงาน (D) = 0.5 เพอปรบใหไดความถในการปฏบตจรงใกลเคยงความถ 25 kHz ทสด

76

3.3.8 วงจรเหลอมเฟส 180 องศา ทาหนาทแยกสญญาณนาฬกา 25kHz ออกเปน 2 ชด แตละชดจะเหลอมเฟสกน 180 องศา และทาหนาทเปนวงจรโมโนสเตเบลสงสญญาณไปยงวงจรกาเนดสญญาณฟนเลอย การออกแบบใชไอซโมโนสเตเบลแบบทรกซา (Retrigable Monostable Multivibrator) เบอร 74LS123 เชนเดม การออกแบบความกวางพลสทตองการจากวงจรคอ 1µs กาหนดจาก Rise Time ของทรานซสเตอรเบอร 2N2222 ทใชในวงจรกาเนดสญญาณฟนเลอย ซงมเวลา Rise Time = 25nS

รปท 3.20 วงจรโมโนสเตเบล

จดตอสญญาณอนพต 25 kHz รบสญญาณนาฬกาจากวงจรกาเนดสญญาณนาฬกา 25 kHz สวนจด Vshifted1 เปนเอาตพตแตละเฟสทไดรบการเหลอมเฟสแลวสงไปยงวงจรกาเนดสญญาณฟนเลอยตอไป จากรปท 3.20 ในการคานวณคาเวลาของโมโนสเตเบล (tw) ของไอซเบอร TC74LS123AP สามารถคานวณไดจาก

15 16R Ctw = ดงนน

Ω=××

= −

−

kR 1010100

10112

6

15

วงจรโมโนสเตเบลตองการใช 2 ชดสาหรบวงจรคอนเวอรเตอร 2 เฟส โดยทง 2 เฟส จะตองเหลอมเฟสกน 180 องศา ในการตอสญญาณอนพตใหกบวงจรเหลอมเฟสทง 2 ชดจงมความตางกนเลกนอยเพอใหเกดการเหลอมเฟส ลกษณะการตอวงจรแสดงดงรปท 3.22

77

Vcc

CLR

Vcc

Rx/Cx

Cx

BA

QU2A

74LS123

Vcc

CLR

Rx/Cx

Cx

BA

QU2B

74LS123

R1510kΩ

R1610kΩ

C16100pF

C17100pF

Vcc

Vshifted1

25kHz

Vshifted2

Vcc

รปท 3.21 การตอวงจรเหลอมเฟส 180 องศา

จากรปท 3.21 วงจรโมโนสเตเบลชดบนปอนสญญาณนาฬกา 25kHz เขาขา B สวนขา A ใหลอจก “0” ทาใหวงจรนกาเนดสญญาณพลส ทจด Vshifted1 เมอไดรบสญญาณนาฬกาชวงขอบขาขน สวนวงจรโมโนสเตเบลชดลางปอนสญญาณนาฬกา 25kHz เขาทขา A สวนขา B ปอนลอจก “1” ดงนนวงจรชดนจะกาเนดสญญาณพลสทเอาตพต Vshitfed2 เมอไดรบสญญาณชวงขอบขาลงของสญญาณนาฬกา เมอสญญาณนาฬกาทไดจากวงจรกาเนดสญญาณนาฬกามคาวฏจกรงาน (D) = 0.5 ดงนนสญญาณทจด Vshifted1 และจด Vshitfed2 เหลอมเฟสกน 180 องศา 3.3.9 วงจรกาเนดสญญาณฟนเลอย

ทาหนาทเปลยนสญญาณพลสจากวงจรเหลอมเฟส 180 องศาเปนสญญาณฟนเลอย โดยใชทรานซสเตอรเบอร 2N2222 และวงจร RC ลกษณะวงจรแสดงดงรปท 3.22

รปท 3.22 วงจรกาเนดสญญาณฟนเลอย

78

จากรปท 3.23 กาหนด RL=R19+R21 ฟนเลอยมความถ 25 kHz ซงไดจากวงจรโมโนสเตเบล มคาบเวลา 40µs และจดสงสดของสญญาณฟนเลอยมคา 5V เลอกใชตวเกบประจ C20 มคา 0.05µF เราสามารถคานวณหาคา RL ไดโดย

( ) 20/

022CRt

CDDDDOLeVVVV −−−=

ดงนน Ω== keRL 1.247.1log

log800

ในการใชงานจะเลอกใช RL ปรบคาได เพอปองกนความผดพลาดโดยใหคา RL ครอบคลม 2.1kΩ จงเลอกใชงาน R19 = 1kΩ ตออนกรมกบตวตานทานปรบคา R21 = 10kΩ เพอใหสามารถปรบสญญาณฟนเลอยใหไดตามทตองการมากทสด 3.3.10 การออกแบบตวควบคม (PI-Controller) วงจรควบคมกระแสเปนวงจรททาหนาทควบคมใหระดบการจายกระแสคงทถงแมวาภาระโหลดจะมการเปลยนแปลง การจดวงจรควบคมแสดงดงรปท 3.18 จดตออนพต Vctrl เปนจดรบสญญาณคาสงจาก dSPACE เพอควบคมการจายกระแสของวงจรคอนเวอรเตอรทงหมด จดตออนพต Vactive1 เปนจดตอรบการปอนกลบคากระแสจากเซนเซอรกระแสทไดรบการแปลงใหเปนแรงดนแลว จากวงจรตรวจจบกระแส และจดตอเอาตพต Vcommand1 เปนจดตอสญญาณออกจากตวควบคมไปใหวงจรกาเนดสญญาณ PWM เพอควบคมการสวทชตอไปออปแอมป U1A และ U2A จดเปนวงจรกนชนเพอปองกนไมใหวงจรดงกระแสทจด Vactive1 และ Vctrl ซงอาจทาใหแรงดนทง 2 จดลดลง จนการทางานของคอนเวอรเตอรผดพลาดได U1B จดเปนวงจรกรองแรงดนเพอกรองแรงดน Vactive1 จากเซนเซอรกระแสใหมความเรยบมากทสด เนองจากสญญาณทไดจากเซนเซอรกระแสยงมการกระเพอมตามลกษณะของ iL สวน U2B จดเปนวงจรรวมสญญาณระหวางสญญาณคาสง Vctrl กบสญญาณ Vactive1 แตเนองจาก Vactive1 ถกกลบเฟสสญญาณจาก U1B เพราะตองการการปอนกลบคากระแสแบบลบ ทาใหเอาตพตทจด Verr1 เปนผลตางของ Vctrl-Vactive1 สงตอไปยงตวควบคมกระแสแบบ PI

79

รปท 3.23 วงจรควบคมแบบพไอ สาหรบคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง

สาหรบขนตอนนผจดทาวทยานพนธกาหนดใหคา Kp ของ P-Controller = 0.285 และคา Ti ของ I-Controller = 2.085mS ในรปท 3.23 ทาใหไดการตอบสนองตอคาสง Vctrl ไดในเวลาทตองการ ดงนนเราสามารถคานวณหาคาอปกรณตางๆ ไดดงน จากสมการโอนยายของวงจรควบคมแบบ PI แบบอสระตอกน

( )( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

sTK

sVsV

ip

err

command 111

1

เมอ ( )sVcommand1 คอ แรงดนเอาตพตของตวควบคมแบบ PI ( )sVerr1 คอ แรงดนผลตางของ Vctrl-Vactive1 โดยทอตราขยายของ Kp หาไดจาก

32

3433

RRRKP

+=

ในการออกแบบเลอกคาความตานทาน R32 = 20kΩ และ R33 = 100Ω หาคา R34 โดยแทนคา

ลงในสมการ ดงนน Ω=Ω−Ω×= kkR 6.510020285.034

เชนเดยวกนเพอลดความผดพลาดจงเลอกใช R34 เปนตวตานทานปรบคาทสามารถปรบคา ครอบคลมคาความตานทาน 5.6kΩ เพอปรบใหไดคาทใกลเคยงทสด โดยเลอกใชตวตานทานปรบคา 50kΩ

ในสวนของ I-Controller คานวณหาคาอปกรณไดจากสมการ

80

( ) 313635 CRRTi +=

การออกแบบเลอกใชคาความตานทาน R36 = 20kΩ และคาของตวเกบประจ C31 = 0.05µF

คานวณหาคา R35 โดยแทนคาลงในสมการ

Ω=Ω−= kkF

mSR 7.212005.0

085.235 μ

3.4 การออกแบบสวนควบคมการผสมผสานกาลงงาน แนวคดการออกแบบ จากคณสมบตของเซลลเชอเพลงทมการตอบสนองในการจายกาลงงานใหกบโหลดไดชา จงจาเปนทจะตองเพมแหลงจายกาลงงานเพอชวยปอนกาลงงานใหกบโหลดไดอยางรวดเรว โดยแหลงจายทตองเสรมเขาไป จะตองมราคาถก จายกาลงงานไดเรว และสามารถเปนอปกรณเกบกาลงงานได ซงคณสมบตดงกลาว วทยานพนธนจงเลอกใช แบตเตอร เปนแหลงจายกาลงงานเสรม ในรปท 3.24 จะเปนการแสดงใหเหนถงแนวคดการจดการในการผสมผสานพลงงานของแหลงจายหลกและแหลงจายเสรม

รปท 3.25 บลอกไดอะแกรมระบบจดการการผสมผสานกาลงงาน

81

และจากบลอกไดอะแกรมการทางาน สามารถเขยนเปนกราฟดานกาลงงานเพอแสดงความสมพนธไดดงรปท 3.25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Load

Pow

er

LOAD POWER CONCEPT

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Fuel

Cel

l Pow

er

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Time ( t1 - t11)

Bat

tey

Pow

er

รปท 3.25 ระบบจดการดานกาลงงานของเซลลเชอเพลง แบตเตอร และโหลด

82

จากแนวคดการจดการกาลงงานระหวางกาลงงานจากเซลลเชอเพลง กาลงงานจากแบตเตอร และกาลงงานท DC Bus วทยานพนธเลมนวางเงอนไขการจดการกาลงงานไวเปน 3 สภาวะ ประกอบไปดวย 3.4.1 สภาวะอดประจ (Charge Mode) เปนสภาวะทโหลดรบกาลงงานจากเซลลเชอเพลงเพยงแหลงเดยว โดยสภาวะนเซลลเชอเพลงสามารถจายกาลงงานไปยงแบตเตอร เพอใหแบตเตอรเกบกาลงงานหากแบตเตอรมกาลงงานตา ตามรปท 3.26 (อางถงรปท 3.25 : t1-t2 และ t4-t8)

รปท 3.26 สภาวะอดประจ (Charge Mode)

3.4.2 สภาวะคายประจ (Discharge Mode) เปนสภาวะทโหลดมความตองการกาลงงานสง ๆ เซลลเชอเพลงและแบตเตอรจะจายกาลงงานออกไปพรอมกน ตามรปท 3.27 (อางถงรปท 3.25 : t2-t4)

รปท 3.27 สภาวะคายประจ (Discharge Mode)

3.4.3 สภาวะคนกลบ (Recovery Mode) เปนสภาวะทโหลดไมตองการกาลงงานจากเซลลเชอเพลงหรอแบตเตอร แตโหลด (มอเตอร) ยงเคลอนทไปขางหนาไดจงเกดสภาพกาลงงานไหลยอนกลบ (Regeneration) แบตเตอรจงประจกาลงงานสวนนเกบไว ตามรปท 3.28 (อางถงรปท 3.25 : t8-t10)

83

รปท 3.28 สภาวะคนกลบ (Recovery Mode)

3.5 การออกแบบสวนจดการกาลงงานบน DC Bus ในสวนนจะเปนการออกแบบสวนควบคม เพอการนาเอากาลงงานจากแหลงจายหลก (เซลลเชอเพลง) และแหลงจายเสรม (แบตเตอร) มาใชรวมกนภายใตเงอนไขทกาหนด ทงนเพอใหเกดความมเสถยรภาพของกาลงงานบน DC Bus

รปท 3.29 วงจรสมมลของแหลงจาย

จากรปท 3.29 จะกาหนดให

• กาลงงานทออกจากแหลงจายกาหนดใหมเครองหมาย +

• กาลงงานทไหลยอนเขาแหลงจายกาหนดใหมเครองหมาย –

• CBus คอตวเกบประจดานแรงดนขาออกของวงจรทงหมด ในวทยานพนธน FCBus μ180,12=

84

3.5.1 การบาลานซโหลดของแรงดน VBus

VBUS60 V

t0 t1 t2 t3 t4

รปท 3.30 การบาลานซโหลด

จากรปท 3.30 แสดงใหเหนถงลกษณะการตอบสนองของแรงดนบนบสไฟตรง ในสภาวะทไมมโหลด, สภาวะทจายโหลด และสภาวะทหยดการจายโหลด

คาบเวลา t0-t1 เปนชวงเวลาทแรงดน VBus สมดล จะไดความสมพนธของกาลง คอ BatFCLoad PPP += คาบเวลา t1-t2 เปนชวงเวลาทโหลดตองการกาลงงาน แรงดนบน DC Bus ตกชวงเวลานแบตเตอรจะทางานในสภาวะ Discharge Mode จะไดความสมพนธของกาลงคอ BatFCLoad PPP +⟩ คาบเวลา t3-t4 เปนชวงเวลาทโหลดไมตองการกาลงงาน จงเกดกาลงงานสวนเกน หรอกาลงงานยอนกลบ ไหลยอนกบไปยงตวเกบกาลงงาน จะแสดงความสมพนธของกาลงจาก BatFCLoad PPP +⟨

85

3.5.2 การออกแบบ DC Bus Voltage Control Loop เปนการออกแบบสวนควบคมเพอใหแบตเตอรจายกาลงงาน (Discharge Mode) ใหโหลดขณะทโหลดตองการกาลงงานสง ๆ (เชนขณะมอเตอรออกตว หรอเรงความเรว) เหตผลทใหแบตเตอรเปนตวจายกาลงงานเพราะแบตเตอรจะมไดนามกสสงกวาเซลลเชอเพลง

รปท 3.31 บลอกไดอะแกรม DC Bus Voltage Control Loop

จากรปท 3.31 เปนบลอกไดอะแกรม DC Bus Voltage Control Loop เปนการนา VBusREF แปลงใหอยในรปพลงงาน “Voltage-to-Energy Transformation” เพอเปนการงายและไดความถกตองในการควบคม เมอแปลงสญญาณแลวจะได EBusREF เขาวงจรเปรยบเทยบแรงดนกบแรงดน VBusMEA ทถกแปลงรปและผานการ Filter มาแลว แลวจงเขาส PI Control เพอชดเชยกาลงงานผลลพททไดจะเปน PBatREF หลงจากนนจงเขาวงจรหารเพอแปลงกาลงงานใหเปนกระแสโดยจะถกจากดคาใหอยระหวาง IBatMAX และ IBatMIN สดทายสญญาณขาออกทไดคอ IBatREF ในการทดลองกาหนดคณสมบตของแบตเตอรทนามาใชคอ 12 V, 12Ah จานวน 6 ลก เมอนามาตอรวมกนจะได VBat = 24 V IBat = 36 A ดงนน เมอ IBatMAX = Q2 = 72 A การออกแบบลมตกระแสไวท 50 A

IBatMIN = 10Q

− = -3.6 A

หมายเหต เครองหมาย – ของ IBatMIN คอการกาหนดใหแบตเตอรเรมทางานในสภาวะ Charge Mode สาหรบคา KBat จะใชการปรบแบบสมคา โดยคาทเหมาะสมทสดอยท 3.6

86

การแปลงแรงดนใหอยในรปของพลงงานจะไดจากสมการ

2

21

BusBusBus VCE ⋅⋅=

ดงนน Bus

Bus CEV 2

=

โดย E คอ Energy มหนวยเปน วตตชวโมง (wh) ดงนนเมอตองการหาคา กาลงงานบนบสกจะหากลบไดจากสมการ

dt

dEP BusBus =

ในการออกแบบกาหนดใหมการ Filter เพอทาหนาทกรองสญญาณรบกวนอนเนองมากจากการสวทชของอปกรณสวทชง ในภาคกาลงของคอนเวอรเตอร เปน Filter ชนด Low Pass Filter (First Order Filter) 3.5.3 การออกแบบ Battery Charge Loop สวนควบคมนจะทาหนาท ควบคมกาลงงานทไหลยอนกลบไปสแบตเตอร โดยแบตเตอรจะทางานในสภาวะ Charge Mode ซงกาลงงานทไหลยอนกลบนเกดจากการทโหลดตองการกาลงงานนอยลง หรอในสภาวะทแบตเตอรมกาลงงานตาเนองจากผานการทางานในสภาวะ Discharge Mode มา โดยกาลงงานนจะไดจากเซลลเชอเพลง

รปท 3.32 บลอกไดอะแกรม Battery Charge Loop

87

จากบลอกไดอะแกรม Battery Charge Loop จะทางานโดยแรงดน VBatMEA เปรยบเทยบกบแรงดน VBatREF แลวจงชดเชยสญญาณดวย P Control ลมตคากระแสใหอยระหวาง 10 ถง -30 A จะไดสญญาณ IBatREF เพอเขาสวงจรเปรยบเทยบอกครงกบ IBatMEA ทผานการอนเวอรและวงจร Filter มาแลว สญญาณทไดจะเขาส P Control สวนนจะไดสญญาณ PFCREF โดยมการลมตคากาลงท Power Rate ของเซลลเชอเพลงท 1.2 kW ถง 0 โดยกาลงงานจากเซลลเชอเพลงจะถกกาหนดคาความชนไว เพอควบคมไมใหเซลลเชอเพลงจายกาลงงานเรวเกนไป สดทายเขาสวงจรแปลงกาลงงานเพอใหกลายเปนสญญาณกระแส IFCREF ทงนจะถกจากดใหมคาอยท Current Rate ของเซลลเชอเพลง 46-0 A การกาหนดคา P-Control สาหรบการออกแบบ P-Control ทงสองสวน (คา KvB และ KiB) การออกแบบนจะใชการทดลองสมใสคา KvB และคา KiB ลงไป เชคดผลของสญญาณทไดและทาการปรบแตงใหเอาทพทมรปรางตามทตองการ หลงจากปรบแตงแลวจะไดคา KvB = 10 KiB = 20 การควบคมความชนเอาทพทของเซลลเชอเพลง (Dynamic Response Control) การควบคมความชนจะใชการควบคมเปนสมการ ชนด Second Order [8], [11] โดยแสดงไดตามสมการ

12

2

+⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

SS

KT

nn

s

ωξ

ω

ทงน K = Gain มคา = 1 ξ = Damping Factor = 1 (Critical damp) nω = Natural Frequency = 0.4 1−⋅ srad 3.6 การพยากรณคา Kp และ Ti โดยใช SISOTOOL ใน MATLAB/Simulink สาหรบการออกแบบในวทยานพนธน จะใชการพยากรณคา Kp และ Ti จาก SISOTOOL เปนคาเรมตน เพอความสะดวก โดยมลาดบการดาเนนการคอ

88

ทงนเปนททราบวา การปรบ Phase Magin ทเหมาะสมจะมมมอยระหวาง 45-60 องศา

1. กาหนดคาพารามเตอรใน M-File >>Bus=tf([1],[1e-3 1 0]);

2. กาหนดคา Graphical Tuning ใช Plot 1 แบบ Open Loop, Plot Type = Open-Loop Bode

89

3. กาหนด Plot Type 1 เปนแบบ Step

4. ทาการปรบ Phase Magin (P.M.) ใหอยระหวาง 45-60 องศา ปรบใหกราฟสมมาตรมากทสด

90

5. ตรวจสอบ Step Response ให Over Shoot เลกนอย

5. จากวธการพยากรณ ทาใหไดคาพารามเตอร คอ Kp = 310.29 Ti = 0.01s

และจากความสมพนธ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=+TiS

TiSKpSKiKp 1

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

TiSK 11

91

TiSKK +=

ดงนน TiKKi =

Ki = 31029 ผลจากการนาเอาทฤษฎในบทท 2 มาทาการออกแบบและจดสรางชนงานเพอจะนาไปใชในบทท 4 ตอไป สามารถแสดงไดดงตอไปน 1. บสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส ซงมคณสมบตและรายละเอยดดงน - แรงดนขาเขา 26 V - แรงดนขาออก 60 V - อปกรณสวทชงเปน MOSFET เบอร IRFP264 ความถในการสวทชเทากบ 25 kHz - วงจรควบคมการสวทชเปนอนาลอก ควบคมความถกตองดวย PI-Control 2. คอนเวอรเตอรแบบสองทศทาง - เมอทาหนาทเปน Boost Converter แรงดนขาเขา 24-26 V แรงดนขาออก 60 V - เมอทาหนาทเปน Buck Converter แรงดนขาเขา 60 V แรงดนกลบสแบตเตอร 24-26 V - อปกรณสวทชงเปน MOSFET เบอร IRFP264 ความถในการสวทชเทากบ 25 kHz - วงจรควบคมการสวทชเปนอนาลอก ควบคมความถกตองดวย PI-Control 3. สวนควบคมการผสมผสานกาลงงาน สวนนจะเปนการออกแบบการจดการกาลงงานจากแหลงจายหลกและแหลงจายเสรม จะทาการออกแบบโดยใช MATLAB/Simulink เขยน และประมวลผลทางคณตศาสตรโดย dSPACE DS1104 เมอนาการออกแบบระบบควบคมทงหมดมารวมกน จะแสดงไดดงรปท 3.33 สวนพารามเตอรทใชในการควบคมทงหมด แสดงไดตามตารางท 3.1

92

VBus

รปท 3.33 โครงสรางระบบควบคมรวมการผสมผสาน

ตาราง 3.1 พารามเตอรทใชในการประลอง VBusREF 60 V

CBus 12,180 Fμ PFCMax 1200 w PFCMin 0 w IFCMax 46 A IFCMin 0 A VBat 24 V IBat 36 A D 0.57

KvB 10 KiB 20 Ki 31029 Kp 310.29 Ti 0.01 S

ξ 1

nω 0.4 1−⋅ srad

บทท 4 การทดสอบ

4.1 วตถประสงคของการทดสอบ เพอศกษาพฤตกรรมของแหลงจายไฟตรงทไดออกแบบ โดยทาการทดสอบในสภาวะทมโหลดเพอใหสามารถนาพารามเตอรตาง ๆ ทวดผลไดมาวเคราะหการทางานของระบบทนาเสนอ

รปท 4.1 หองปฏบตการทดสอบแหลงจายไฟแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร

4.2 เครองมอวดและอปกรณทใชในการประลอง 1. เซลลเชอเพลงชนด PEMFC “Heliocentris and Ballard Power System” Nexa® Power Module Model: 310-002702 Power Rated net power 1200 W DC Voltage range 22…50 V Rated voltage 26 V Rated current 46 A

94

Fuel Purity ≥ 99.99 % H2 (vol) Pressure 0.7…17 (10…250) bar (PSIG) Consumption ≤ 18.5 SLPM Emissions Water ≤ 870 mL/hr Noise ≤ 72 dBA @ 1 m Physical L x W x H 56 x 25 x 33 cm Weight 13 kg 2. แบตเตอรชนดตะกว-กรด 12 V, 12 Ah ยหอ FB 12N12A-4A-1 จานวน 6 ลก 3. บสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส แรงดนขาเขา 24-26 V แรงดนขาออก 60 V 4. คอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง 2 เฟส 24-60 V 5. ความตานทานปรบคาไดชนดกาลงสงขนาด 42Ω 6. เครองประมวลผล dSPACE DS1104 7. ดจตอลออสซลโลสโคป Agilent 54624A จานวน 2 เครอง 8. Current Probe (Probe วดกระแส) 9. Differential Probe (Probe วดแรงดน) 10. โวลตมเตอร

4.3 ลาดบขนการประลอง 4.3.1. การทดลองบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส การทดสอบในสวนนเปนการทดสอบความสามารถและประสทธภาพการสงถายพลงงานจากเซลลเชอเพลงผานบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟสไปยงระบบ เพอตรวจสอบผลเปนไปตามวตถประสงคทตงไวหรอไม

รปท 4.2 วงจรทดสอบการสงถายพลงงานสาหรบบสตคอนเวอรเตอร

95

ตารางท 4.1 ขอกาหนดทางไฟฟาของคอนเวอรเตอรขนานกน 4 เฟส

รายการ/สญลกษณ ปรมาณ แรงดนดานเขา( FCV ) 26V แรงดนดานออก( BusV ) 60V กระแสดานเขาจากเซลลเชอเพลง( FCI ) 46A กาลงไฟฟาดานออก( outP ) 960≥ kW

ตารางท 4.2 ผลตอบสนองการประลองวงจรคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส

ILREF(A) IOut(A) VBus(V) POut(W) ILmea(A) VFC (V) Pin(W) η(%)

4 1.8 60 102.6 4 26.5 106 96

8 3.2 60 192 8 26.2 208.8 92

12 5 60 300 12 26.1 314.4 95

16 6.5 60 390 16 25.9 414.4 94

20 8 60 480 20 25.7 514 93

24 9 60 540 24 25.4 609.6 88

28 10.5 60 630 28 25.2 705.6 89

32 12.5 60 750 32.5 24.8 806 93

36 14 60 840 37 24.5 906.5 92

46 16.5 60 990 47 23.5 1104.5 89

96

รปท 4.3 กระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาทมการขนานกน 4 เฟส ทกระแสดานเขา 40 A

การทดสอบทสภาวะชวคร การทดลองนน เปนการทดสอบขณะททางานตามปกตและมการเปลยนแปลงภาระอยางทนททนใด เพอศกษาลกษณะการตอบสนองของระบบทมผลจากการเปลยนแปลงภาระทางไฟฟา โดยสงสญญาณกระแสอางองจาก 4 A ไปท 12 A แบบทนททนใด

รปท 4.4 กระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาเมอเปลยนแปลงภาระ

ทกระแสดานเขา 1 A ไปท 3 A

97

จากผลการทดสอบเมอเปลยนแปลงภาระของวงจรพบวาแรงดนเอาทพตจะยงคงท ท 60V ถงแมจะมการเปลยนแปลงภาระจาก 4 A ไปท 12 A วงจรคอนเวอรเตอรสามารถแบงจายกระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาแตละตวไดเทากนท 1 A ไปท 3 A ตอวงจร จากการทดสอบประสทธภาพพบวาประสทธภาพของวงจรทบแรงดนขนานกน 4 เฟส มประสทธภาพระหวาง 80-95% 4.3.2 การทดลองคอนเวอรเตอรแบบสองทศทาง (2-Quadrant Converter) การทดสอบในสวนนเปนการทดสอบความสามารถและประสทธภาพการสงถายพลงงานจากแบตเตอรผานคอนเวอรเตอรแบบสองทศทาง (2-Quadrant) ไปยงระบบ และการสงถายพลงงานจากระบบกลบเขาไปยงแบตเตอร 4.3.2.1 การประลองเพอหาประสทธภาพเมอรบกาลงงานจากระบบสแบตเตอร

รปท 4.5 วงจรทดสอบการสงถายพลงงานสาหรบคอนเวอรเตอรชนด 2 Quadrant

ตารางท 4.3 ผลประลองการจายกาลงงานจากแบตเตอรไปยงระบบ

Vctrl(V) ILREF(A) ILactive(A) Vbat(V) PI(W) IO(A) Vbus(V) PO(W) η(%) 1 2.5 2.5 19.2 48 0.6 60 36 75 2 5 5 18.8 94 1.2 60 72 76.60 3 7.5 7.5 18.4 138 1.9 60 114 82.61 4 10 10 17.8 178 2.5 60 150 84.27 5 12.5 12 17.5 210 2.95 60 177 82.86 6 15 15 17 255 3.58 60 214.8 80 7 17.5 17.7 17.3 306.21 4.3 60 258 80.34 8 20 20 16.5 330 4.65 60 279 80

98

กระแส ILREF คอ กระแสทคอนเวอรเตอรตองจายเมอไดรบคาสง Vctrl หาไดจาก

208LREF ctrlI V=

การควบคมไดของคอนเวอรเตอร

0

10

20

30

0 5 10 15 20 25

ILactive(A)

ILRE

F(A)

รปท 4.6 ความสมพนธของกระแส ILactive กบ ILREF

การควบคมไดของคอนเวอรเตอรทกลาวถงนคอ การทคอนเวอรเตอรสามารถจายกระแส ILactive ออกจากแบตเตอรไดเทากบ ILREF เมอดจากผลการทดสอบในตารางท ข.1 เหนไดวา คอนเวอรเตอรไมไดจายกระแส ILactive เทากบ ILREF ถกตอง 100 เปอรเซนต ในวทยานพนธนกาหนดคาผดพลาดไมเกน 5 % โดยหาคาผดพลาดไดจาก

100LREF LactiveErr

Lactive

I III−

=

จากผลการทดสอบ จดทพบความผดพลาดสงสดคอทคาสง ILREF มคา 12.5A นามาคานวณ หาคาความผดพลาดจะไดผลคอ

12 12.5100 4.17%12ErrI −

= =

99

จากตารางท 4.3 เขยนเปนกราฟแสดงประสทธภาพของคอนเวอรเตอรในการสงถายพลงงานจากแบตเตอรไปยงระบบได ดงรปท 4.7

ประสทธภาพ(%)

74767880828486

0 5 10 15 20 25

ILREF(A)

ประส

ทธภาพ(

%)

รปท 4.7 ประสทธภาพของคอนเวอรเตอรเมอจายพลงงานออกจากแบตเตอรไปยงระบบ

รปท 4.8 ลกษณะกระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนาขณะจายกาลงงานจากแบตเตอรไปสระบบ

100

4.3.2.2 การประลองเพอหาประสทธภาพเมอรบกาลงงานจากระบบสแบตเตอร ตารางท 4.4 ผลตอบสนองการประลองเมอรบกาลงงานจากระบบสแบตเตอร

Vctrl(V) ILREF(A) ILactive(A) Vbat(V) PO(W) IO(A) Vbus(V) PI(W) η(%)

-0.5 -1.25 -1.2 19.5 -23.4 -1.25 50 -62.5 37.44

-1 -2.5 -2.5 19.7 -49.25 -1.3 48.2 -62.66 78.60

-1.5 -3.75 -3.8 20 -76 -2 44.7 -89.4 85.01

-2 -5 -5.1 20.2 -103.02 -3.1 37 -114.7 89.82 การควบคมไดของคอนเวอรเตอรจากการทดสอบการสงถายพลงงานจากระบบไปยงแบตเตอร เขยนเปนกราฟแสดงความสมพนธระหวางกระแสคาสง ILREF กบกระแสทไหลจรงในวงจร ILactive ไดดงรปท 4.9

การควบคมไดของคอนเวอรเตอร

-6

-4

-2

0

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0

ILactive(A)

ILRE

F(A)

รปท 4.9 ผลการตอบสนองของคอนเวอรเตอรตอคาสงในโหมดจายกระแสกลบเขาแบตเตอร

101

จากผลการทดสอบ จดทพบความผดพลาดสงสดคอทคาสง ILREF มคา -5A คานวณหา คาความผดพลาดไดคอ

5 5.1 100 1.96%5.1ErrI −

= × =

ประสทธภาพ(%)

020406080

100

-1.25 -2.5 -3.75 -5

ILREF(A)

ประส

ทธภาพ(

%)

รปท 4.10 ประสทธภาพของคอนเวอรเตอรในการสงถายพลงงานจากระบบไปแบตเตอร

รปท 4.11 การตอบสนองของวงจรทคาสงใหจายกระแสกลบเขาแบตเตอร 3.75A

102

4.3.3 การทดลองระบบควบคมการผสมผสานพลงงาน สาหรบการทดลองในสวนนจะเปนการนาความรจากทฤษฏทเกยวของรวมถงสวนทไดทาการออกแบบมาทดสอบรวมกนทงหมด ทงนมวตถประสงคการทดสอบเพอตรวจวดประสทธภาพและประสทธผลของกาลงงานจากแหลงจายไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร 4.3.3.1 ตดตงวงจรประลองตามรปท 4.12 โดยกาหนดใหเซลลเชอเพลงเปนแหลงจายหลกตอผานวงจรบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส สวนแบตเตอรจะตอผานวงจรคอนเวอรเตอรสองทศทาง (2-Quadrant)

รปท 4.12 วงจรประลองแหลงจายแบบผสมดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอร 4.3.3.2 ตดตงแบตเตอรตามรปท 4.13

รปท 4.13 การตดตงชดแบตเตอร

หมายเหต สาหรบแบตเตอรทนามาใชประลอง จะตองมประจเตมทกลก

103

4.3.3.3 ตดตงออสซลโลสโคป เพอทาการวดดงน เครองท 1 Ch.1 วด VBus Ch.2 วด ILoad Ch.3 วด VBat

Ch.4 วด IBat เครองท 2 Ch.1 วด VFC Ch.2 วด IFC 4.3.3.4 การประลองครงท 1 โหลดขนาด 350 วตต จากรปท 4.14 ชวงเวลา 0-10 S ซงยงไมมโหลด แรงดนท DC Bus จะอยท 60 V แรงดนเซลลเชอเพลงท 40 V (เปนปกตในสภาวะทไมมโหลด) และจะจายประจใหกบแบตเตอรเลกนอยประมาณ -0.5 A

• ชวงเวลา 10-20 S เปนชวงเวลาทจายโหลดใหกบแหลงจาย จะเหนวา แรงดนของเซลลเชอเพลงจะตกลงมาเลกนอย ชวงเวลานแบตเตอรจะเปนตวจายกาลงงาน (Discharge Mode) ใหกบโหลดอยางทนททาใหกระแสของแบตเตอรขนไปถง 16.5 A สวนเซลลเชอเพลงจายกระแส อยางชา ๆ และเมอเซลลเชอเพลงจายกระแสไดสงขนแบตเตอรจะลดอตราการจายลง

• ชวงเวลา 20-30 S เปนชวงเวลาทโหลดคงท ทงแบตเตอรและเซลลเชอเพลงจะจายกาลงงานรวมกน

• ชวงเวลา 60-70 S หยดจายโหลด แบตเตอรหยดจายกระแสทนท กระแสของแบตเตอรตกลงไปถงประมาณ -7A เวลานเซลลเชอเพลงทหยดจายกระแสไฟฟาใหกบโหลด จะจายกระแสไฟฟาใหกบแบตเตอรแทนอยางชา ๆ แบตเตอรจะทาหนาทเกบประจ (Charge Mode)

• ชวงเวลา 70 S เปนตนไป เปนชวงเวลาทแบตเตอรเกบประจเตม จะกลบสสภาพเรมตนใหมอกครง

4.3.3.5 การประลองครงท 2 โหลดขนาด 500 วตต จากรปท 4.15 ผลตอบสนองเมอจ ายโหลดขนาด 500 วตตใหกบวงจรจ ายไฟ ผลตอบสนองจะเปนไปในทศทางเดยวกบการประลองครงท 1 แตจะเหนวาขณะสภาวะมโหลดแบตเตอรจะจายกาลงงานไดทนทสงถงประมาณ 25 A

104

0

10

20

30

40

50

60V

olta

ge [V

]

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Cur

rent

[A]

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Pow

er [W

]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Time [S]

Fuel Cell

DC Bus

Battery

Battery

Fuel Cell

Load

LoadFuel Cell

Battery

รปท 4.14 ผลตอบสนองแรงดน กระแส และกาลงงานของแหลงจายทโหลดขนาด 350 วตต

105

0

10

20

30

40

50

60V

olta

ge [V

]

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Cur

rent

[A]

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

Pow

er [W

]

รปท 4.15 ผลตอบสนองแรงดน กระแส และกาลงงานของแหลงจายทโหลดขนาด 500 วตต

106

0

10

20

30

40

50

60

70Vo

ltage

[V]

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Pow

er [W

]

20 40 600 80 100 120 140 160 180 200

Time [mS]

60 V 60 V

24

25 V

DC Bus Voltage

25 V

58.43 V

Battery Voltage

Load Power 226 W

Battery Power 200 W

รปท 4.16 ผลตอบสนองของแหลงจายขณะสตารทโหลดเมอควบคมโหลดท 230 วตต

จากรปท 4.16 แสดงใหเหนถงความเรวของแบตเตอรในการตอบสนองกาลงงานใหกบโหลด (Dynamic) ขณะทควบคมกาลงของโหลดใหอยทประมาณ 230 วตต เมอมองผลดานแรงดนบนบสไฟตรงขณะทไมมโหลด แรงดนจะอยท 60 V เมอจายโหลดแรงดนจะตกลงชวขณะ โดยตกลงไปอยท 58.43 V คดเปนเปอรเซนตเทากบ 2.61 % เมอดผลการตอบสนองดานความเรวในการจายกาลงงาน จะพบวาแบตเตอรทกาหนดใหเปนแหลงจายกาลงงานขณะทจายโหลด จะจายกาลงงานไดชากวาความตองการของโหลดประมาณ 4 มลลวนาท

107

20 40 600 80 100 120 140 160 180 200

Time [mS]

60 V 60 V

25 V

Load Power 346 W

0

10

20

30

40

50

60

70

Volta

ge [V

]

-100

0

100

200

300

400

500

600

Pow

er [W

]

26

DC Bus Voltage

58.08 V

25 VBattery Voltage

Battery Power 379 W

รปท 4.17 ผลตอบสนองของแหลงจายขณะสตารทโหลดเมอควบคมโหลดท 350 วตต

จากรปท 4.17 แสดงใหเหนถงความเรวของแบตเตอรในการตอบสนองกาลงงานใหกบโหลด (Dynamic) ขณะทควบคมกาลงของโหลดใหอยทประมาณ 350 วตต เมอมองผลดานแรงดนบนบสไฟตรงขณะทไมมโหลด แรงดนจะอยท 60 V เมอจายโหลดแรงดนจะตกลงชวขณะ โดยตกลงไปอยท 58.08 V คดเปนเปอรเซนตเทากบ 3.20 % เมอดผลการตอบสนองดานความเรวในการจายกาลงงาน จะพบวาแบตเตอรทกาหนดใหเปนแหลงจายกาลงงานขณะทจายโหลด จะจายกาลงงานไดชากวาความตองการของโหลดประมาณ 6 มลลวนาท

108

4.4 ขอสงเกตจากการทดลอง จากการทดสอบแหลงจายไฟตรงทไดรบการออกแบบไว พบวา 1. แรงดนบนบสไฟตรง (DC Bus) คอนขางเรยบและสมาเสมอแมจะอยในสภาวะจายโหลด โดยแรงดนจะตกลงขณะจายโหลดท 2.61 % และ 3.20 % ตามลาดบ (เปาหมายใหแรงดนบนบสไฟตรงตกไดไมเกน 10 %) โดยแรงดนตกระดบนไมสงผลใด ๆ ตอโหลด ทาใหเหนถงเสถยรภาพของแหลงจายและระบบควบคมการจายกาลงงาน ทมประสทธภาพดพอสมควร 2. ขณะโหลดตองการกาลงงาน 350 วตต เซลลเชอเพลงซงเปนแหลงจายหลกจายกาลงงานใหประมาณ 280-300 วตต สวนแบตเตอรซงเปนแหลงจายเสรมจายกาลงงานใหกบโหลดประมาณ 80-90 วตต 3. ขณะทโหลดตองการกาลงงาน 500 วตต เซลลเชอเพลงจายกาลงงานประมาณ 300 วตต สวนแบตเตอรจายกาลงงานประมาณ 220 วตต 4. เมอสงเกตลกษณะไดนามกสจากรปท 4.16 และ 4.17 จะพบวาแบตเตอรจายกาลงงานไดชาเมอเทยบกบความตองการกาลงงานของโหลด โดยชากวา 4-6 มลลวนาท จงมความจาเปนตองทาการศกษา และหาอปกรณททาหนาทไดเชนเดยวกบแบตเตอรแตมความไวในการจายกาลงงานไดเรวกวามาใชงาน เชน ซปเปอรคาปาซเตอร เปนตน

บทท 5 สรปผลการวจยและขอเสนอแนะ

วทยานพนธนไดออกแบบ สราง และทดสอบ วงจรบสตคอนเวอรเตอรทบแรงดนไฟฟากระแสตรงแบบขนาน 4 เฟส, วงจรบสตคอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง และสวนควบคมการผสมผสานกาลงงานโดยใช พ-ไอ คอนโทรล การควบคมจะเปนแบบอนาลอกทงหมด โดยมตวประมวลผลทางคณตศาสตร คอ dSPACE DS1104 มแหลงกาลงงานหลกคอเซลลเชอเพลง ชนด PEMFC พกด 1.2 kW, 26 V, 46 A แหลงจายกาลงงานเสรมจากแบตเตอรชนดตะกว-กรด ขนาด 12 V, 12 Ah จานวน 6 ลก (พกดรวม 24 V, 36 Ah) สวนคอนเวอรเตอรจะใช MOSFET เปนสวทช ความถการสวทชท 25 kHz พกดแรงดนท DC Bus 60 V และใชความตานทานปรบคาไดชนดกาลงสงขนาด 42 Ω เปนโหลดในการทดสอบ ผลการทดสอบแสดงใหเหนถงสมรรถนะของแหลงจายไฟฟาแบบผสมผสานดวยเซลลเชอเพลง และแบตเตอรชนดตะกว-กรด ทนาเสนอ สามารถตอบสนองวตถประสงคในการทางานทง 3 สภาวะตามเงอนไขทตองการทกประการ เมอจายกาลงไฟฟาใหกบโหลดจะสามารถตอบสนองไดภายในเวลา 4-10 วนาท โดยยงสามารถรกษาระดบแรงดนบนบสไฟตรงใหสมาเสมอไดอยางด ขอดของระบบ 1. ระบบทออกแบบมการใชอปกรณพนฐานทวไป หาซอไดงาย (ยกเวนภาค Power Supply) ราคาไมแพง เหมาะสาหรบเปนตนแบบงานวจย 2. การเลอกใชวงจรบสตคอนเวอรเตอรชนดขนาด 4 เฟสเปนการกาหนดใหอตราการไหลของกระแสไฟฟาผานขดลวดตวนาลดลง ทาใหสามารถลดขนาดขดลวดตวนา, ไดโอด, คาปาซเตอร และอปกรณสวตช (MOSFET) รวมถงการลดความรอนทเกดขนจากการทางานของอปกรณตาง ๆลง 3. ระบบควบคมไมมความซบซอน ออกแบบงาย ไดผลสาเรจตามความตองการเปนอยางด ขอบกพรองของระบบ 1. ทางดานฮารดแวร 1.1 ในชวงทดสอบ ชวงเรมตนของการทบแรงดนวงจรทบแรงดนจะมการดงกระแสทสงมาก อาจจะทาใหเพาเวอรมอสเฟตและตวเกบประจเกดความเสยหายได แกไขโดยนาคาความตานทาน 50 kΩ ตอครอมขาเกตและขาซอรสของเพาเวอรมอสเฟต เพอลดกระแสทไหลผานเพาเวอรมอสเฟตในชวงเรมตนของการทบแรงดน

110

1.2 ภาค Power Supply สาหรบใชเลยงวงจรสวนตาง ๆ มสญญาณรบกวนคอนขางสงอนเนองมาจากปญหาดานคณภาพ แกไขโดยการใชวงจร Power Supply ทมคณภาพสงแตคอนขางทจะมราคาแพง และตองสงจากตางประเทศ 2. ดานสมรรถนะของกาลงงานทได ถงแมวาผลทไดจากการทดสอบในวทยานพนธนจะเปนทนาพงพอใจ เพราะแหลงจายสามารถตอบสนองความตองการกาลงงานของโหลดไดอยางรวดเรว แตอาจจะยงชาอยเมอนาไปใชงานจรง เพราะเซลลเชอเพลงจะมไดนามกสตา แมจะมการแกปญหาหรอขอจากดนโดยการใชแบตเตอรเปนแหลงกาลงงานเสรมขณะทโหลดสตารท แตแบตเตอรยงไมเรวทสดอนเนองมาจากธรรมชาตของแบตเตอร การแกปญหาเมอจะนาไปประยกตใชกบงานจรงจะตองพจารณาอปกรณอน ๆ ทมความสามารถทาหนาทเปนแหลงจายเสรมและเปนอปกรณเกบสารองกาลงงานสวนเกดได เชน ซปเปอรคาปาซเตอร เปนตน ขอเสนอแนะสาหรบการพฒนา ในสวนควบคมการจดการกาลงงานของแหลงจายหลกและแหลงจายเสรมในวทยานพนธเลมน เปนการเขยนโปรแกรมเพอควบคมการทางานโดยใช MATLAB/Simulink จงควรจะพฒนาจดทาเปนคอนโทรลยนต เพอใหเกดความสมบรณและตอบสนองการทางานไดอยางครบถวน

เอกสารอางอง

[1] รศ. ดร. วระเชษฐ ขนเงน. วฒพล ธราธรเศรษฐ. “อเลกทรอนกสกาลง” หจก. ว.เจ. พรนตง, 2547.

[2] สมบรณ มาลานนท. สมคด วรยประสทธชย , “แหลงจายไฟแบบสวตชง” หจก. สานกพมพ ฟสกสเซนเตอร

[3] สวฒน ดน. “เทคนคและการออกแบบสวตชงเพาเวอรซบพลาย” ฝายวจยและ พฒนาบรษท เอนเทลไทย จากด , 2537

[4] อาทตยา ขนานแขง. “การออกแบบวงจรแปลงผนแบบอนเตอรลฟ-ดอล-บสต เพอ ประยกตใชกบเซลลเชอเพลง” ภาควชาวศวกรรมไฟฟา บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ, 2550

[5] EG&G Technical Services, Inc. “Fuel Cell Handbook (Seventh Edition)” November 2004.

[6] http://www.carbatt.com/index.php?lay=show&ac=article&Id=374164 “โครงสราง แบตเตอร กรด-ตะกว”

[7] R. Krishnan “ELECTRIC MOTOR DRIVES Modeling, Analysis, and Control” Virginia Tech, Blacksburg, VA ISBN 0-13-091014-7

[8] Phatiphat Thounthong, Bernard Davat “Fuel Cell Energy Source for Electric Vehicle Applications” Nova Science Publishers, Inc. Newyork ISBN 978-1- 60456-595-5 (softeover)

[9] P. Thounthong and P.Sethkul “Fuel cell Power Generator” EECON-29, pp. 309- 312, Nov 2006

[10] P. Thounthong “Fuel Cell/Battery Powered Electric Vehicle System” EECON-29, pp.361-364, Nov 2006

[11] P. Thounthong, S. Raël and B. Davat, “Test Bench of a PEM Fuel Cell with Low Voltage Static Converter,” J. Power Sources, vol.153, pp. 145-150, Jan. 23, 2006

[12] P. Thounthong, S. Raël and B. Davat, “A PEM Fuel Cell Converter for Automotive Electrical System” EECON-27 pp.481-484, Sep 2004

112

[13] P. Thounthong, S. Raël and B. Davat “Control Strategy of Fuel Cell and Supercapacitors Association for a Distributed Generation System” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, Dec 2007

ภาคผนวก ก ลายวงจรพมพและตาแหนงการวางอปกรณบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟส

114

12

34

ABCD

43

21

D C B ATi

tle

Num

ber

Revis

ion

Size A4 Date:

5-M

ar-2

009

Shee

t o

f Fil

e:G:

\cop

y pr

otel

bord

pow

er\L

\MyD

esign

2\MyD

esig

n2.dd

bDr

awn B

y:

+VCC

-VCC

C2

0.01C1 0.0

1GN

D

+VCC

-VCC

C4

0.01C3 0.0

1GN

D

+VCC

-VCC

C6

0.01C5 0.0

1GN

D

+VCC

-VCC

C8

0.01

C7 0.01

GND

M1

M2

M3

M4

RLA1

+

RLA1

-

RLA2

+

RLA2

-

RLA3

+

RLA3

-

12

I1

12

I2

12

I3

12

I4

M1

M2

M3

M4

1 2 3

Vcc1

+VCC

-VCC

GND

CS1

CS4

CS2

CS3

RLA4

+

RLA4

-

1234

BUS

CON4

OUT 2

IN 1

L_1

OUT 2

IN 1

L_2

OUT 2

IN 1

L_3

OUT 2

IN 1

L_4

C16

4.7u

C15

4.7u

C14

4.7u

C13

4.7u

C12

4.7u

C11

4.7u

C9 4.7u

C10

4.7u

11

22

33

H1 3-PI

N

11

22

33

H2 3-PI

N

11

22

33

H3 3-PI

N

11

22

33

H4 3-PI

N

รปท ก.1

วงจรท

บแรงดน

แบบ

4 เฟส

ภาคกาลงสว

นท 1

115

รปท ก.2 การวางอปกรณของวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 1

116

รปท ก.3 ลายวงจรพมพของวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 1

117

12

34

ABCD

43

21

D C B ATi

tle

Num

ber

Revis

ion

Size A4 Date:

5-M

ar-2

009

Shee

t o

f Fil

e:G:

\cop

y pr

otel

bord

pow

er\sw

ith\sw

ith\M

yDes

ign2

\MyD

esig

n2.dd

bDr

awn B

y:

G

D S

Q1

G

D S

Q2

R1 50k

R2 50k

1234

BUSL

1

1234

BUSL

2

1 2 3 4

BUSo

ut +

1 2

GateL

1

1 2

GateL

2

1 2 3

VGate

1

1 2 3

VGate

2

G

D S

Q3

G

D S

Q4

R3 50k

R4 50k

1234

BUSL

3

1234

BUSL

4

1234

BUS -

1 2

GateL

3

1 2

GateL

4

1 2 3

VGate

3

1 2 3

VGate

4

C1C2

C3C4

D2 DUE

D1 DUE

รปท ก.4

วงจรท

บแรงดน

แบบ

4 เฟส

ภาคกาลงสว

นท 2

118

รปท ก.5 การวางอปกรณวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 2

รปท ก.6 ลายวงจรพมพของวงจรทบแรงดนแบบ 4 เฟส ภาคกาลงสวนท 2

119

12

34

ABCD

43

21

D C B ATit

le

Num

ber

Revis

ionSiz

e A4 Date:

5-Mar

-2009

Sh

eet

of

File:

G:\P

ROTE

L PR

OJEC

T2 C

OPY\

Curr

entC

ont.D

dbDr

awn B

y:

AGND

Jum

1BN

C

NC1

A2

K3

NC4

Vdd

8

Vo7

Vo6

Vss

5

Opto1

TLP2

50

12

IC3A

74LS

07

RG2A

1K

RG1A

10K

VCC

56

IC3C

74LS

07

98

IC3D

74LS

07

1 2

J5 CON2

CS4

0.01u

Vdd2

AGND

2

RG3A

50

RG4A

50K

AGND

2

1 2

vGS1

CON2

+CG

2A4.7

CG3A

0.1u

AGND

2

Vdd2

G1

NC1

A2

K3

NC4

Vdd

8

Vo7

Vo6

Vss

5

Opto3

TLP2

50

1110

IC3E

74LS

07

RG10

C1K

RG9C

10K

VCC

RG11

C 50

RG12

C50

K

AGND

2

1 2vGS3

CON2

G3

MO

SFET

Gat

e Dri

ves

P. T

HOU

NTHO

NG

+

CG1A4.7

u

+

CG7C

4.7

CD3

4.7CD

40.0

1uF

VCC

NC1

A2

K3

NC4

Vdd

8

Vo7

Vo6

Vss

5

Opto2

TLP2

50

34

IC3B

74LS

07

RG6B

1K

RG5B

10K

VCC

RG7B

50

RG8B

50K

AGND

2

1 2

vGS2

CON2

+CG

5B4.7

CG6B

0.1u

AGND

2

Vdd2

G2

NC1

A2

K3

NC4

Vdd

8

Vo7

Vo6

Vss

5

Opto4

TLP2

50

1312

IC3F

74LS

07

RG14

D1K

RG13

D10

K

VCC

RG15

D 50

RG16

D50

K

AGND

2

1 2vGS4

CON2

G4

+

CG4B

4.7

+

CG10

D4.7

+CG

8C4.7

CG9C

0.1u

AGND

2

Vdd2

+CG

11D

4.7CG

12D

0.1u

AGND

2

Vdd2

Gate1

Gate2

Gate3

Gate4

Gate1

Gate2

Gate3

Gate4

1 2

vGAT

E4

CON21 2

vGAT

E2

CON2 1 2

vGAT

E3

CON21 2

vGAT

E1

CON2

AGND

AGND

AGND

AGND

12

Vcc

CON2

VCC

รปท ก.7

วงจร G

ate D

rive

120

รปท ก.8 การวางอปกรณของวงจรGate Drive

รปท ก.9 ลายวงจรพมพของวงจรGate Drive

121

12

34

ABCD

43

21

D C B ATit

le

Numb

erRe

visio

nSiz

e A4 Date:

5-Mar-

2009

Sh

eet

of

File:

G:\Ã

ÇÁ pc

b proj

ect\P

I and

Sawt

ooth\

Curre

ntCon

t.DdbDr

awn B

y:

1 2

J6 CON2

RC1

?

RC2

?

RC3

20K

RC4 5K

321

84 OPC2

A

TL08

2

Vdd

Vss

CC5C

?u

TP1C

BNC

AGND

AGND

AGND

567

OPC2

B

TL08

2AG

ND32

1

84

OPC3

A

TL08

2

Vdd

Vss

RC5

20K

TP2C

BNC

AGND

RC7

20K

RC6

20K

CC3C

0.1u AG

ND

CC4C

0.1u

AGND

CC7C

0.1u

AGND

CC6C

0.1u AG

ND

iFC_R

EF3

567

OPC3

B

TL08

2

RC8

20K

RC9

100

iFC_M

ea3

iFC3

AGNDRA_A

dj1C 50K

AGND

567

OPC1

B

TL08

2

RC10

20K

AGND

AGND

RA_A

dj2C

50K

CC8C

?u

TP3C

BNC

vCom

3

CS2

0.01u

AGND

Vdd

CS3

0.01u

Vss

1 2

J8 CON2

RD1

?

RD2

?

RD3

20K

RD4 5K

321

84 OPD2

A

TL08

2

Vdd

Vss

CC5D

?u

TP1D

BNC

AGND

AGND

AGND

567

OPD2

B

TL08

2AG

ND32

1

84

OPD3

A

TL08

2

Vdd

Vss

RD5

20K

TP2D

BNC

AGND

RD7

20K

RD6

20K

CC3D

0.1u AG

ND

CC4D

0.1u

AGND

CC7D

0.1u

AGND

CC6D

0.1u AG

ND

iFC_R

EF4

567

OPD3

B

TL08

2

RD8

20K

RD9

100

iFC_M

ea4

iFC4

AGNDRA_A

dj1D 50K

AGND

567

OPD1

B

TL08

2

RD10

20K

AGND

AGND

RA_A

dj2D

50K

CC8D

?u

TP3D

BNCvC

om4

321

84

OPC1

A

TL08

2

Vdd

Vss

iFC_R

EF3

CC2C

0.1u

CC1C

0.1u

AGND

AGND

321

84

OPD1

A

TL08

2

Vdd

Vss

iFC_R

EF4

CC2D

0.1u

CC1D

0.1u

AGND

AGND

1 2

J7 CON2

iREF1

iREF

1

NET

AGND

1 2

J9 CON2

1 2 3

VCCP

I

CON3

AGND

รปท ก.1

0 วงจร

PI C

ontro

l

122

รปท ก.11 การวางอปกรณของวงจร PI Control

รปท ก.12 ลายวงจรพมพของวงจร PI Control

123

12

34

ABCD

43

21

D C B ATit

le

Numb

erRe

visio

nSiz

e A4 Date:

5-Mar-

2009

Sh

eet

of

File:

G:\Ã

ÇÁ pc

b proj

ect\P

I and

Sawt

ooth\

Curre

ntCon

t.DdbDr

awn B

y:

TRIG

2

Q3

R4

CVolt

5TH

R6

DIS

7

VCC8 GND 1

IC1

NE55

5

A1

B2

CLR

3

Cext

14

Rext/

Cext

15

Q13

Q4

IC4A

SN74

LS12

3

Q32N

2222

VCC

CT1

4.7uF

CC1

0.1uF

C1 1nF

R3 2K

R1 1K

VCC

R2 0K

Radj

120

K

CC8

0.1uF

VCC

RSD1

D

10K

C5D

?uF

A9

B10

CLR

11

Cext

6

Rext/

Cext

7

Q5

Q12

IC4B

SN74

LS12

3

VCC

RSC1

C

10K

C4C

?uF

RSC2

C

500

AGND

RSC3

C

1KVd

d

C8C

1uF

Sawt

ooth3

Q42N

2222

RSD2

D

500

AGND

RSD3

D 1KVd

d

C9D

1uF

Sawt

ooth4

Radj4

C10

K

Radj5

D10

K

CT5D 4.7

uF

AGND

CT4C 4.7

uF

AGND

4-Ph

ase S

awto

oth

Gene

rato

r

1 2 3

T1A

CON3

1 2 3

T1B

CON3

PRE

2

J4

CLK

1

K16

CLR

3

Q15

Q14

TTL2

ASN

74HC

76

1 23

TTL1

A

SN74

HC08

4 56

TTL1

B

SN74

HC08

VCC

50kH

z

50kH

z

50kH

z

A B

9 108

TTL1

C

SN74

HC08

12 1311

TTL1

D

SN74

HC08

PRE

7

J9

CLK

6

K12

CLR

8

Q11

Q10

TTL2

BSN

74HC

76

VCC

A1

B2

CLR

3

Cext

14

Rext/

Cext

15

Q13

Q4

IC2A

SN74

LS12

3

Q12N

2222

CC6

0.1uF

VCC

RSB1

B

10K

C3B

?uF

A9

B10

CLR

11

Cext

6

Rext/

Cext

7

Q5

Q12

IC2B

SN74

LS12

3

VCC

RSA1

A

10K

C2A

?uF

RSA2

A

500

AGND

RSA3

A

1KVd

d

C10A

1uF

Sawt

ooth1

Q22N

2222

RSB2

B

500

AGND

RSB3

B 1KVd

d

C7B

1uF

Sawt

ooth2

Radj

2A10

K

Radj3

B10

K

CT3B 4.7

uF

AGND

CT2A 4.7

uF

AGND

VCC

CC7

0.1uF

VCC

A A

B B

TP1T

BNC

TP2TA

BNC

AGND

TP4TC

BNC

AGND

TP3TB

BNC

AGND

TP5TD

BNC

AGND

Sawt

ooth1

Sawt

ooth2

Sawt

ooth3

Sawt

ooth4

CT9

4.7uF

VCC

รปท ก.1

3 วงจร

PWM

124

รปท ก.14 การวางอปกรณของวงจร PWM

รปท ก.15 ลายวงจรพมพของวงจร PWM

125

12

34

ABCD

43

21

D C B ATit

le

Num

ber

Revis

ion

Size A4 Date:

5-Mar-

2009

Sh

eet

of

File:

G:\P

rotel

proje

ct1\M

yDesi

gn1.d

dbDr

awn B

y:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

opto

1

PT45

04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

opto

2

PT45

04

C7 0.1uF

C8 0.1uF

C9 0.1uF

12

VGS1

CON2

1 2

VGS4

CON2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

opto

3

PT45

02

1 2 3

VGS2

CON3

1 2 3

VGS3

CON3

1 2

VGS5

CON2

C3 2.2uF

C2 2.2uF

C1 2.2uF

C5 4.7uF

C4 4.7uF

C6 4.7uF

1 2 3

VGS6

CON3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

opto4

PT45

04

CG1

2.2uF

12vgat

e

CON2

CG2

4.7uF

CG3

0.1uF

รปท ก.1

6 วงจรแห

ลงจายไฟด

ซ 24

V

126

รปท ก.7 การวางอปกรณของวงจรแหลงจายไฟดซ 24 V

รปท ก.18 ลายวงจรพมพของวงจรแหลงจายไฟดซ 24 V

127

การจดวางตาแหนงของอปกรณตางๆ ดานหนาของเครองตามรปท ก.19 1. สวตชแหลงจายไฟ 24 V 2. หลอด LED แสดงแหลงจายไฟ 24 V 3. เบรกเกอร 50A ของชดคอนเวอรเตอร 4. บเอนซสาหรบรบสญญาณแรงดนอางองภายนอก 5. บเอนซสาหรบวดสญญาณกระแสจากตวเหนยวนาตวท 1 6. บเอนซสาหรบวดสญญาณกระแสจากตวเหนยวนาตวท 2 7. บเอนซสาหรบวดสญญาณกระแสจากตวเหนยวนาตวท 3 8. บเอนซสาหรบวดสญญาณกระแสจากตวเหนยวนาตวท 4

รปท ก.19 ดานหนากลองบรรจบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส

อปกรณดานหลงของเครองจดตางๆ ถกจดวางไวตามตาแหนงทปรากฏในรปท ก.20 1. ไฟเลยงวงจร 24 โวลต ดซ 2. ไฟเลยงพดลม 220 โวลต เอซ 3. 220 โวลต เอาตพต 4. ดซบสอนพตบวก 5. ดซบสอนพตลบ 6. ดซบสเอาตพตบวก 7. ดซบสเอาตพตลบ

128

รปท ก.20 ดานหลงกลองบรรจบสตคอนเวอรเตอรแบบขนาน 4 เฟส

สวนตาง ๆ ของวงจรภายในเครอง

รปท ก.21 ดานในภาควงจรกาลง

129

รปท ก.22 ดานในภาควงจรควบคม PI 4 สญญาณ

รปท ก.23 ดานในภาควงจรควบคม ชดสราง PWM 4 สญญาณ

130

รปท ก.24 ดานในภาควงจรควบคม ชดสรางGate Drive 4 สญญาณ

รปท ก.25 ชดแหลงจายไฟสาหรบวงจร

ภาคผนวก ข ลายวงจรพมพ การวางตาแหนง คอนเวอรเตอรแบบ 2 ทศทาง

132

Title

Siz

eD

ocum

en

t N

um

ber

Rev

Da

te:

Sh

eet

of

<D

oc>

<R

ev

Co

de>

<Title

>

A

11

Monday

, M

arc

h 0

9,

2009

J1

<P

WM

1

1 2

J2

Jum

per

12

R1

10

k

U1A

74

LS

14

12

R2

5k

VD

D1

DG

ND

2

R3

500

U1E

74L

S14

11

10

U1B

74LS

14

34

U1F

74L

S14

13

12

C1

3nF

DG

ND

2

C10

0.1

uC

MA

X

C11

4.7

u

DG

ND

2

DG

ND

2R

4

2k

C2

3nF

R6

50

D1

D1

N4148

D2

D1N

4148

R7

50

U1C

74LS

14

56

U1D

74L

S14

98

U2A

74LS

08

1 23

J8

GD

11 2

J3

Dis

able

SW

123

J15

VD

D1

1 2

VC

C

DG

ND

2

J20

VD

D2

1 2

J21

VD

D3

1 2

J22

VD

D4

1 2

VD

D1

DG

ND

1

DG

ND

3

DG

ND

4

J4

VC

C1 2

VD

D2

C12

0.1

uC

MA

X

C13

4.7

u

VD

D2

R8

50

R9

50

J9

GD

21 2

VC

C

J10

TLP

25

0N

12345678

VD

D3

C14

1n

CM

AXV

CC

R10

1k

C3

0.1

u

VD

D4

C4

4.7

uC

MA

X

J5

Dis

ab

le S

W

123

VC

C

U2B

74L

S08

4 56

U3A

74LS

07

12

U3B

74LS

07

34

J6

TLP

25

0N

12345678

C5

1n

CM

AXV

CC

R5

1k

GN

DG

ND

GN

D

GN

DG

ND

GN

D

GN

D

DG

ND

1

GN

D

GN

D

GN

D

DG

ND

1

GN

D

DG

ND

1D

GN

D1

GN

D

รปท ข.

1 วงจร D

ead T

ime แ

ละวงจรขบ

เกตแ

ผนท

1/2

133

GN

DG

ND

GN

D

GN

DG

ND

GN

DDG

ND

3

U4E

74LS

14

1110

GN

D

U4F

74LS

14

1312

GN

DU

3E

7407

1110

GN

D

U3F

7407

1312

GN

D

GN

DDG

ND

4

DG

ND

3

DG

ND

3

DG

ND

3

DG

ND

4D

GN

D4

DG

ND

4

Title

Siz

eD

ocum

ent

Num

ber

Rev

Dat

e:S

heet

of

<Doc

><R

evC

ode>

<Titl

e>

A

11

Mon

day

, M

arch

09,

200

9

J11

<PW

M2

1 2

J12

Jum

per

12

R11

10k

U4A

74LS

14

12

R12

5k

VD

D3

R13

500

U4B

74LS

14

34

C15

3nF

C16

0.1u

CM

AX

C17

4.7u

R14

2k

C18

3nF

R15

50

D3

D1N

4148

D4

D1N

4148

R16

50

U4C

74LS

14

56

U4D

74LS

14

98

U2C

74LS

08

9 108

J13

GD

31 2

J14

Dis

able

SW

123

VC

C

VD

D4

C19

0.1u

CM

AX

C20

4.7u

R17

50 R18

50

J16

GD

41 2

J17

TLP

250N

12345678

C21

1nC

MA

XVC

C

R19

1k

VC

C

J18

Dis

able

SW

123

U2D

74LS

08

12 1311

U3C

74LS

07

56

U3D

74LS

079

8

J19

TLP

250N

12345678

C24

1nC

MA

XVC

C

R20

1k

รปท ข.

2 วงจร D

ead T

ime แ

ละวงจรขบ

เกตแ

ผนท

2/2

134

รปท ข.3 การวางตาแหนงอปกรณในวงจร Dead Time และวงจรขบเกต

รปท ข.4 ลายวงจรพมพดานบน ขนาดเทาของจรง

135

Title

Siz

eD

ocum

ent

Num

ber

Rev

Dat

e:S

heet

of

<Doc

><R

evC

ode>

Pow

erA

11

Thur

sday

, F

ebru

ary

19,

200

9

M1

IRF

P46

2

M3

IRF

P46

2

M2

IRF

P46

2

M4

IRF

P46

2

GD

3H

EA

DE

R 2

1 2

GD

2

HE

AD

ER

21 2

GD

1H

EA

DE

R 2

1 2

GD

4

HE

AD

ER

2

12

J3H

EA

DE

R 5

12345

J14

Out

_Bus

123J1

5G

DS

1 2 3

I_se

nsor

1H

EA

DE

R 3

123

C9

0.1u

I_S

enso

r2H

EA

DE

R 3

123

I_S

enso

r_O

ut1

HE

AD

ER

2

1 2

I_S

enso

r_O

ut2

HE

AD

ER

212

J4

Vol

tage

_SS

12345

C3

0.1u

R2

1k

V_S

enso

red1

HE

AD

ER

2

1 2

+

++

+

R4

50k

R5

50k

J16

GD

S

1 2 3

R6

50k

R7

50k

J17

HE

AD

ER

5

12345

J11

Inpu

t_B

us1 2 3 4

R1

1k

R8

?k

R9 ?k

J10

HE

AD

ER

3

123

V_S

enso

red2

HE

AD

ER

2

12

C12

0.1u

R10

?k

C4

0.1u

R11

?k

I_B

us1

HE

AD

ER

3

123

J12

SW

_bus

21 2 3

C10

4.7u

C11

4.7u

C13

4.7u

J9

HE

AD

ER

3123

C14

4.7u

รปท ข.

5 วงจรภาคก

าลงของ

2-Qu

adran

t Con

verte

r

136

รปท ข.6 ลายวงจรพมพดานลาง ขนาดเทาของจรง (มมมองจากดานลาง)

รปท ข.7 การจดวางอปกรณของวงจรภาคกาลง

137

รปท ข.8 ลายวงจรพมพของวงจรภาคกาลง

กลองของคอนเวอรเตอรใชกลองเหลกเอนกประสงคขนาด 430 × 280 × 180มลลเมตร ดานหนาตดตงอปกรณดงน

1. สวตชจายไฟหลก 24VDC สาหรบเลยงวงจรควบคมของเครอง 2. หลอดแอลอดแสดงสถานการณทางานของไฟฟาหลก 24VDC ในระบบควบคม 3. เบรกเกอรสาหรบปองกนกระแสไฟฟาทจายผานเครองไมใหเกน 20A 4. ขวตอแบบ BNC สาหรบรบสญญาณคาสงควบคมการทางาน “iLREF” 5. ขวตอแบบ BNC สาหรบสงสญญาณระดบแรงดนของแบตเตอร “VBat” 6. ขวตอแบบ BNC สาหรบสงสญญาณระดบแรงดนของเอาตพต “VBus” 7. ขวตอแบบ BNC สาหรบสงสญญาณระดบกระแสของขดลวดเฟสท 1 “iL1Mea” 8. ขวตอแบบ BNC สาหรบสงสญญาณระดบกระแสของขดลวดเฟสท 2 “iL2Mea”

138

รปท ข.9 ภาพดานหนากลองบรรจคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง

ดานหลงของเครองเปนสวนเชอมตอตางๆ ซงมรายละเอยดดงตอไปน

1. จดเชอมตออนพต แบตเตอรขนาด 24V ขวแรงดนบวก(+) 2. จดเชอมตออนพต แบตเตอรขนาด 24V ขวแรงดนลบ(-) 3. จดเชอมตอเอาตพต ขนาด 60VDC ขวแรงดนบวก(+) 4. จดเชอมตอเอาตพต ขนาด 60VDC ขวแรงดนลบ(-) 5. จดเชอมตออนพต ขนาด 220VAC เพอขบพดลมระบายอากาศ 6. จดเชอมตอเอาตพต ขนาด 220VAC 7. จดเชอมตออนพต ขนาด 24VDC เพอควบคมการทางานของระบบควบคม

อปกรณดานหลงของเครองจดตางๆ ถกจดวางไวตามตาแหนงทปรากฏในรปท ข.10

รปท ข.10 ภาพดานหนากลองบรรจคอนเวอรเตอร 2 ทศทาง

139

สวนประกอบของวงจรตาง ๆ ภายในเครอง

รปท ข.11 การจดวางวงจรภายในเครอง

ภาคผนวก ค สวนประกอบการทดลองและขอมลทางเทคนคของอปกรณทสาคญ

141

iLoad

+

-VBus

+

-

R1

SW1

SW2

L1

L2

S1 S2C1Fuel Cell

Modules

iFC

vFC

C1= 470µFx4iL1

iL2

Fuel Cell Converter

L3

L4

iL3

iL4

D1

D2

D3

D4

S3 S4

-

+ R1

SW1

SW2

L1

L2

S1

S2

C1

Battery Module

iBat

vBat C1 = 3900µFiL1

iL2

Battery Converter

S3

S4

รปท ค.1 การตอบสไฟตรง

142

143

144

145

146

147

ADCH1

ADCH5

ADCH6

DACH1

DACH2

Ibat

Vbat

Vbus

IFCREF

IbatREF

รปท ค.2 การตอภาคอนพท dSPACE สาหรบใชงาน

148

รปท ค.3 Control Desk ทใชในการทดลอง Lab

รปท ค.4 อปกรณในวนประลอง ณ ศนยนวตกรรมไทย-ฝรงเศส มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ

ภาคผนวก ง ผลงานวจยตพมพเผยแพร

150

151

บสตคอนเวอรเตอรแบบ 4 เฟส สาหรบประยกตใชกบเซลลเชอเพลง 4 - Phase Boost Converter for Fuel Cell Application

ประเสรฐ สารการ1, วนชย ทรพยสงห 1, ปฏพทธ ทวนทอง 2

1ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ต.คลองหก อ.ธญบร จ.ปทมธาน 12110

2ฝายเทคโนโลยไฟฟาและอเลกทรอนกส ศนยนวตกรรมเทคโนโลยไทย-ฝรงเศส มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ 1518 ถนนพบลสงคราม บางซอ กรงเทพฯ 10800

บทคดยอ เซลล เชอ เพลงมความเหมาะสมในการท จะพจารณาเปนแหลงกาเนดพลงงานทางเลอกใหม สามารถประยกตใชกบงานไดอยางกวางขวาง บทความนนาเสนอหลกการพนฐาน , การควบคมและคณสมบตของเซลลเชอเพลงชนด PEM ซงจะตอรวมกบวงจรคอนเวอรเตอร (วงจรแปลงผนแรงดนไฟฟา) โดยคอนเวอรเตอรทนาเสนอจะเปนแบบบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟส เพอแปลงแรงดนไฟฟาของเซลลเชอเพลง (26 V) ใหเปนแรงดนไฟฟามาตรฐาน (60 V) เซลลเชอเพลงทนามาใชเปนชนด PEM พกด 1.2 kW, 26 V, 46 A ผลทไดแสดงใหเหนถงสมรรถนะ, เสถยรภาพ ของคอนเวอรเตอรทใชกบเซลลเชอเพลง คาสาคญ: เซลลเชอเพลง, วงจรแปลงผนแรงดนไฟฟา

ABSTRACT Fuel cells are versatile, renewable energy sources that can be used in a wide range of applications. This paper presents the basic principle, control system and characteristics of a PEM fuel cell connecting with converter. This paper is present boost convertor 4-phase, which enables to adapt the rated voltage (26 V) to the standard voltage (60). With PEM fuel cell 1.2 kW, 26 V, 46 A the result is show performance, steady form fuel cell converter. Key words: Fuel Cell, Converter

1. บทนา เซลลเชอเพลง (Fuel cell = FC) ถกคดคนและประดษฐขนครงแรกในป พ.ศ. 2382 (ค.ศ. 1839) โดย เซอรวลเลยม โรเบรต โกรฟ (Sir. William Robert Grove) โดยการผสมไฮโดรเจนและออกซเจนดวยวธทเหมาะจงไดพลงงานไฟฟา เซลลเชอเพลงจงเปนสงประดษฐทสามารถเปลยนพลงงานจากการเปลยนแปลงทางเคมใหกลายเปนกระแสไฟฟา (Electrochemical Energy Conversion Device) มผลพลอยไดคอ นา (H2O) และความรอน ในกระบวนการนจะไดกระแสไฟฟาโดยตรง โดยไมตองผานกระบวนการเผาไหมทาใหไมกอมลภาวะทางอากาศ (CO2) มประสทธภาพสงกวาเครองยนตชนดสนดาป 1 – 3 เทา โดยขนอยกบชนดของเซลลเชอเพลงและเชอเพลงทใชกบเซลลเชอเพลง [1] บทความน

เลอกใชเซลลเชอเพลงแบบเมมเบรนแลกเปลยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane fuel cell “PEMFC”) เปนเซลลเชอเพลงทใชสารพาประจ (Electrolyte) ในรปแบบแผนโพลเมอรบาง มขอดคอทางานในสภาวะอณหภมตาประมาณ 80 C นาหนกเบา มประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาสง ใหพลงงานไฟฟากระแสตรงไดตงแตชวง 50 – 250 กโลวตต [2] แตมขอเสยคอ ตองใชเชอเพลงทมความบรสทธสงโลหะแพลทนมทเปนสารเรงปฏกรยา(Catalyst) และแผนเมมเบรน แลกเปลยนโปรตอนมราคาแพง

รปท 1 การใชเซลลเชอเพลงผสมผสานกบแหลงพลงงานอน

แตเซลลเชอเพลงเปนแหลงจายกาลงงานอยางเดยวไมสามารถเปนอปกรณ เกบก าลงงานได เมอน าไปประยกตใชกบงาน เชนการประยกตใชกบรถไฟฟาจงตองมการผสมผสาน (Hybrid) กบแหลงจายทมความสามารถจายและเกบกาลงงาน (Bi-directional) ได[3] ตามรปท 1

2. เซลลเชอเพลง (Fuel Cell) 2.1 หลกการพนฐาน องคประกอบพนฐานของเซลลเชอเพลงชนด PEM ทสาคญม 4 สวนคอ ขวแอโนด, ขวแคโทด, สารพาประจ (Electrolyte) และสารเรงปฏกรยา (Catalyst)[2] ตามรปท 2 เมออดไฮโดรเจน ดวยความดนเขาไปดานขวแอโนด ไฮโดรเจนจะเคลอนทดวยความเรวเขาไปกระทบกบตวเรงปฏกรยา (Catalyst) ทาใหเกดปฏกรยาแตกตวออกเปนโปรตอน (H+) และอเลกตรอน (e_) อเลกตรอน(e_) จะไมสามารถผานสารพาประจ (Electrolyte) ไปไดจงถกสงออกไปสวงจรภายนอก (Electric Load) และกลบเขาไปทขวแคโทดอกครง การไหลของอเลกตรอน(e_) คอหลกการของไฟฟากระแสตรง (Direct Current) สวนโปรตอน (H+) จะผานสารพา

152

ประจ (Electrolyte) เพอไปยงขวแคโทด ปฏกรยาเคมทเกดขนทขวแอโนด สามารถเขยนเปนความสมพนธไดดงน H2

−+ +→ eH 22 (1) ในเวลาเดยวกนดานขวแคโทดของเซลลเชอเพลงกจะมการอดออกซเจนเขาไปบร เวณทขวแคโถด จงมการรวมตวกนของอ เลกตรอน(e_) โปรตอน (H+) และออกซเจน ผลทไดคอ นา (H2O) ปฏกรยาดงกลาวเขยนเปนความสมพนธได OHeHO 22 22

21

→++ −+ (2)

ผลของปฏกรยาระหวางขวอาโนดและขวแคโทดทงหมดแสดงไดเปน

EnergyElectricalHeatOHOH ++→+ 222 21 (3)

การคานวณหาคาแรงดนขาออก (Thermodynamic output voltage “E”) ของเซลลเชอเพลงแตละ Cells คานวณไดจาก Gibb’s free energy change

GΔ (237 kJ/mol) [3] ทอณหภมทางานมาตรฐาน (25 C)

VnFGE 23.1=Δ

−= (4)

โดย F = คาคงทของ Faraday (96,485 Coulombs) และ n = จานวนอเลกตรอน (2 อเลกตรอน) คา 1.23 V ดงกลาว เปนไปตามทฤษฎ แตความเปนจรงเมอทาการวดคาแรงดน จากเซลลเชอเพลงเพยง 1 Cell ขณะทาปฏกรยาโดยไมมภาระ (no-load) จะวดคาแรงดนไฟฟาไดระหวาง 0.5 – 0.8 V เปนเพราะแรงดนบางสวนเกดการสญเสยภายในของเซลลเชอเพลงเอง การนาไปใชงานจาเปนตองใช Cell หลาย ๆ Cell ทาการตออนกรมกน (FC Stack) จนไดระดบแรงดนไฟฟาตามทตองการ

2e-2e-Oxygen

Unreacted O2

Water (H2O)

Catho

de

Anod

e

H2

Unreacted H2

Hydrogen

(Electrons)

Catalyst

SolidPolymer

Electrolyte

2H+(Protrons)

Electric Load

½O2

รปท 2 เซลลเชอเพลงชนด PEM (PEM Fuel Cell)

2.2 ระบบควบคมการทางานเซลลเชอเพลง จากรปท 3 แสดงใหเหนถงโครงสรางการควบคมเซลลเชอเพลงอยางงาย ๆ โดยแรงดนทไดจากเซลลเชอเพลงเมอยงไมมโหลดจะประมาณ 37.6 V (จานวน 47 Cell ทอณหภม 60 °C) 3. คอนเวอรเตอรสาหรบเซลลเชอเพลง 3.1 คอนเวอรเตอร (Converter) วงจรคอนเวอรเตอรทจะใชรวมกบเซลลเชอเพลงเปนชนดบสตคอนเวอรเตอร (Boost Converter) ทาหนาทแปลงแรงดนขาออกของเซลลเชอเพลงใหมระดบสงขน เหมาะสมกบความตองการใชงานเพอลดจานวน Cells ของเซลลเชอเพลงทมราคาแพงลง [4] บสตคอนเวอรเตอรท

รปท 3 โครงสรางการควบคมการทางานแบบงาย ๆ ของเซลลเชอเพลง ใชแปลงแรงดนไฟฟาในบทความน เปนบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟส ตามรปท 4 เพอปรบแรงดนไฟฟาจาก 26 VDC เปน 60 VDC ทพกดกาลง 1.2 กโลวตต เนองจากแรงดน 60 VDC จะประยกตใชกบงานไดหลายประเภท เหตผลในการนาเสนอบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟส ของบทความน เพอตองการลดขนาดของขดลวดตวนา (L) ใหมขนาดเลกลงซงจะทาใหคอนเวอรเตอรมขนาดเลกและงายตอการตดตงใชงาน โดยท

4321 LLLLFC iiiii +++= (5)

และเปนการลดผลกระทบของขดลวดตวนาตอความถสงอนเปนผลใหคา Ripple ของเอาทพทมระดบตาลงกวาปกต ทาใหวงจรกรองแรงดนมขนาดเลกลงตาม เปนการลดขนาดของคาปาซเตอรและไดโอด

3.2 การออกแบบวงจรบสตคอนเวอรเตอร วงจรบสตคอนเวอร เตอร คอวงจรทมคณสมบต เพมระดบแรงดนไฟฟาดานขาออกใหสงกวาแรงดนไฟฟาขาเขา การคานวณหาคาพกดของอปกรณของวงจร หาไดจากกฎของเคอรชอฟฟ [5] ดงน

ininin IVP ⋅= (6)

η⋅= inout PP (7)

outoutout VPI /= (8)

โดยท Pin, Vin และ Iin คอคาพกดกาลง, แรงดน และกระแสตามลาดบของเซลลเชอเพลง (ตามคมอ), Pout คอคาพกดกาลงขาออกทไดจากบสตคอนเวอรเตอร, η คอประสทธภาพทตองการจากระบบ และ Vout, Iout คอพกดแรงดนและกระแสขาออกจากบสตคอนเวอรตอร คาวฏจกรงาน (Duty Cycle =D) หาไดจาก ( )outin VVD /1−= (9)

เมอทราบคาวฏจกรงาน (D) จะหาคาของกระแสสวตชง (IS,rms) ไดจาก DII inrmsS =,

(10)

การเลอกใชไดโอดนอกจากจะกรองแรงดนแลวจะตองสามารถปองกนแรงดนไหลยอนกลบไดดวย โดยหาขนาดของไดโอดไดจาก DII inrmsD −= 1,

(11)

ขนาดของคาปาซเตอรคานวณไดจาก

fV

DICout

outBus ⋅Δ

⋅= (12)

โดย outVΔ คออตราระลอกคลนของแรงดนไฟฟาดานขาออก

153

fI

DVLL

in

⋅Δ⋅

= (13)

โดย LIΔ คออตราการเปลยนแปลงของกระแสไฟฟาในตวเหนยวนาขณะสวตชนากระแส การออกแบบวงจรบสตคอนเวอร เตอร มขอกาหนดในการออกแบบวงจรดงน พกดแรงดนและกระแสของเซลลเชอเพลงเทากบ 26 V, 46 A (พกดกาลง 1.2 kW) แรงดนขาออก 60 VDC ความถสวตชง (Fs) 25 kHz ประสทธภาพของวงจร ( )η เทากบ 90 % outVΔ และ LIΔ

กาหนดท 2% และ 12 % ดงนนจาก (6) - (13) จะสามารถคานวณหาคาพกดของอปกรณทเกยวของเพอใชงานได คอ วฏจกรงาน (D) เทากบ 0.57, CBus ขนาด 681.8 μF ขดลวดตวนา L1, L2, L3, L4 ขนาด 214.8 μH, สวตช S1, S2, S3, S4 ใชมอสเฟต IRFP264N (250 V, 38 A) และควบคมการทางานของสวตชแตละตวกาหนดใหทางานเหลอมเฟสกนท 90 องศา ไดโอด D1, D2, D3, D4 ใช RuRG3020 (200 V, 30 A)

รปท 4 วงจรบสตคอนเวอรเตอรแบบ 4 เฟส (Fuel Cell Converter)

3.3 วงจรควบคมกระแสแบบลปปดของคอนเวอรเตอร 4 เฟส จะเปนการควบคมกระแสแบบลปปด โดยนากระแสทไหล ขดลวดเหนยวนา (iLMea) มาแปลงเปนแรงดนโดยใชวงจร Buffer นาแรงดนผานวงจร First order filter เพอลดการรบกวนจาก Harmonicsเนองมาจากการสวตชทความถสงของวงจรกาลง จากนนเขาวงจร Summing เพอหาคา Error เมอไดคาผลลพธกจะถกสงเขาวงจร P-I Controller เพอทาการชดเชยคาผดพลาดทเกดขนเพอนาไปเปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยมอางองจะไดผลลพธออกมาคอได PWM แตมคา Ton ตางกน ทางานเหมอนกนทง 4 เฟสแตจะเหลอมกนท 90 องศา

รปท 5 การควบคมกระแสแบบลปปดของวงจรคอนเวอรเตอร 4 เฟส

4. การทดลองและผลทได การทดลองจะใช PEMFC “Heliocentris and Ballard Power

System” Nexa® Power Module ผลตโดยบรษท Heliocentris Energiesysteme GmbH, Module 1.2 kW, 26 V, 46 A (47 cells), ใหวงจรบสตคอนเวอรเตอรชนด 4 เฟส เปนตวแปลงผนแรงดนไฟฟา ทงนการควบคมเปนแบบ Rail-Time ประมวลผลทางคณตศาสตรดวย dSPACE DS1104, ตวตานทานปรบคาไดกาลงสง ขนาด 42 โอหม (ใชเปนโหลดของระบบ) และใช ControlDesk รบและควบคมพารามเตอร การประลองจะทาการตอแรงดนขาออกของเซลลเชอเพลงเขากบวงจรบสตคอนเวอรเตอรแบบ 4 เฟส ตอเครองจาลองโหลด (ความตานทานปรบคาได) ดานขาออกและเครองมอวดตามรปท 6

รปท 6 วงจรประลองเซลลเชอเพลง

ตารางท 1 คาความสมพนธระหวาง iFC, vFC, iBus, vBus และคาประสทธภาพของระบบ

iLRef (A)

iin(iFC) (A)

vin(vFC)

(V) iBus (A)

vBus (V)

ประสทธภาพ (%)

5 5.2 26.5 2.4 60 95.69 10 10 26.2 4 60 91.60 15 15.4 25.8 6 60 90.60 20 21 25.4 8 60 89.98 25 27 25.2 10 60 88.18 30 31 24.5 11.5 60 90.84 35 36 24.1 13.2 60 91.28 40 41 23.7 14.2 60 87.68 45 46 23.5 15.4 60 85.47

เรมตนการประลองเพอตรวจสอบเสถยรภาพและการทางานของวงจรบสตคอนเวอรเตอรโดยการกาหนดคาของกระแสเปรยบเทยบ (iLRef) เรมตนใหเทากบ 5 A ปอนคากระแสเปรยบเทยบผาน ControlDesk เพอนาไปประมวลผลโดย dSPACE เพอผานไปยงสวนควบคมเชอเพลงของเซลลเชอเพลง โดยการประลองในบทความนเปนการปอนคากระแสเปรยบเทยบในลกษณะ Manual ปรบความตานทานของเครองจาลองโหลดทนามาตอเปนโหลดใหกระแสขาเขา (iin) หรอ iFC ใกลเคยงกบกระแสเปรยบเทยบโดยตองควบคมแรงดนขาออก (vBus ) ใหคงทท 60 VDC ตลอดเวลา บนทกคาความสมพนธของ iFC, vFC, iBus, vBus ลงยงตารางท 1 ทาการประลองซาโดยการเปลยนแปลงคากระแสเปรยบเทยบ (iLRef) ใหเทากบ 10, 15, 20. 25, 30, 35, 40 และ 45 A ตามลาดบ บนทกคา

154

ความสมพนธลงยงตารางท 1 เชนเดม นาคาทไดจากการบนทกจดทาเปนกราฟเปรยบเทยบโดยแสดงผลไดตามรปท 8

รปท 7 กระแสทไหลผานขดลวดตวนา (L) และกระแสขาเขา (iFC)

รปท 7 แสดงใหเหนถงลกษณะกระแสไฟฟาทไหลผานขดลวดตวนา (L) แตละขด โดยเมอกาหนดคา iLRef = 20 A วดกระแสขาเขา (iFC) ได = 21 A วดกระแสทไหลผานขดลวดตวนาได IL1=IL2=IL3=IL4 = 5.25 A กระแสทไหลผานขดลวดตวนา (L) รปรางเหมอนกนแตเหลอมเฟสกน 90 องศา ขณะทกระแสขาออก (iBus) วดได = 8 A

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

กระแสอางอง iLRef [A]

แรงดน

[V]

VFC Iin VBUSIbus ประสทธภาพ

รปท 8 กราฟแรงดนของ VFC, เมอกระแส IFC, VBus, IBus และประสทธภาพ

ของระบบในแตละสภาวะโหลด ทงนจะพบวาแรงดนของเซลลเชอเพลงขณะทไมมโหลดจะเทากบ 37.6 V และจะลดลงตาลงเมอกระแส IFC สงขน และตาสดท 23.5 V เมอกระแส IFC เทาพกด แตแรงดนขาออกจะคงท ท 60 VDC ตามวตถประสงคทกาหนดไวแตเรมตน

5.สรปผลและเสนอแนะ ในบทความนไดกลาวถง หลกการทางานพนฐาน, วงจรควบคมการทางานของเซลลเชอเพลง, การออกแบบวงจรแปลงผนแรงดนไฟฟาแบบบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟสทเปนวตถประสงคหลกของการนาเสนอบทความ รวมถงโครงสรางการควบคมทเหมาะสมและงาย ผลจากการ

นาเสนอแสดงใหเหนถงสมรรถนะและเสถยรภาพของเซลลเชอเพลงทใชงานรวมกบบสตคอนเวอรเตอร 4 เฟส ผลการศกษาในบทความยงแสดงใหเหนวาการนาเซลลเชอเพลงไปประยกตใชกบงานอนไมใชเ รองยาก เชนนาไปเปนแหลงจายไฟฟาสาธารณะ เพยงแตขยายขนาดใหใหญขน หรอการนาไปใชกบรถไฟฟา กเพยงแตผสมผสาน (Hybrid) กบแหลงกาลงงานอนกจะประสบผลตามทกาหนดไว แตสวนสาคญยงทนาเสนอใหเหนคอการควบคมแรงดนขาออกของคอนเวอรเตอรจะมคาคงทสมาเสมอตลอดยานการทางานและใหกระแสขาออกตอเนองตามความตองการของโหลด มประสทธภาพของระบบอยระหวาง 85 – 95 % ซงกเพยงพอตอความตองการ

อางอง [1] EG&G Technical Services, Inc. “Fuel Cell Handbook (Seventh Edition)” November 2004. [2] P. Thounthong and P.Sethkul “Fuel cell Power Generator” EECON-29, pp. 309-312, Nov 2006 [3] P. Thounthong “Fuel Cell/Battery Powered Electric Vehicle System” EECON-29, pp.361-364, Nov 2006 [4] P. Thounthong, S. Raël and B. Davat, “Test Bench of a PEM Fuel Cell with Low Voltage Static Converter,” J. Power Sources, vol.153, pp. 145-150, Jan. 23, 2006 [5] รศ. ดร. วระเชษฐ ขนเงน และวฒพล ธาราธรเศรษฐ “อเลกทรอ นกสกาลง” คณะวศวกรรมศาสตร สถาบนเทคโนโลยพระจอม เกลาเจาคณทหารลาดกระบง ISBN 974-92440-9-5

ประเสรฐ สารการ สาเรจการศกษาปรญญาตร จากมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล เชยงใหม กาลงศกษาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต (ไฟฟากาลง) มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล ธญบร สนใจงานวจยเกยวกบเซลลเชอเพลงและพลงงานทดแทน (พลงงานทางเลอก) วนช ย ทรพยส งห ส า เ ร จการศกษา คอ .บ .(วศวกรรมไฟฟา) และ วศ.ม.(วศวกรรมไฟฟา) จากมหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ Ph.D. (Electrical Engineering), UNN, Newcastle, England, ปจจบนเปนอาจารยหวหนา

ภาควชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ปฏพทธ ทวนทอง สาเรจการศกษาปรญญาตรและโท (วศวกรรมไฟฟา) จากมหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ, Ph.D. จาก Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) Nancy, France. ปจจบนเปนอาจารยหวหนาภาคคร

ศาสตรไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ

155

156

157

การประชมวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทยครงท 5 29 เมษายน – 1 พฤษภาคม 2552 มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก

แหลงจายไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลงและแบตเตอรตะกว-กรด สาหรบประยกตใชในรถไฟฟา

Fuel Cell / Lead-Acid Battery Hybrid DC Sources for Electric Vehicle Application

ประเสรฐ สารการ, วนชย ทรพยสงห 1, ปฏพทธ ทวนทอง 2 1ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ต.คลองหก อ.ธญบร จ.ปทมธาน 12110 2ฝายเทคโนโลยไฟฟาและอเลกทรอนกส ศนยนวตกรรมเทคโนโลยไทย-ฝรงเศส

สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ 1518 ถนนพบลสงคราม บางซอ กรงเทพฯ 10800

บทคดยอ บทความนเปนการนาเสนอแหลงจายไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลงและแบตเตอรตะกว-กรด สาหรบประยกตใชกบรถไฟฟา กาหนดใหพกดแรงดนขาออกท 60 VDC เซลลเชอเพลงเปนแหลงจายหลกตอเขา DC Bus ผานบธคอนเวอรเตอรแบบ 2 เฟส แบตเตอรเปนแหลงจายเสรมตอตรงเขา DC Bus เพอเพมไดนามกสและเปนอปกรณเกบกาลงงานไฟฟา บทความจะแสดงใหเหนถง การนากาลงงานไฟฟาจากแหลงจายจายใหกบมอเตอรกระแสตรง, สภาวะ State-of-charge ของแบตเตอร การทดลองจะใชเซลลเชอเพลงชนด PEM fuel cell พกด 1.2 kW, 26 V, 46 A แบตเตอรชนดตะกว-กรด ขนาด 12V, 11Ah (5 ลก) ใช dSPACE DS1104 ประมวลผลทางคณตศาสตร ผลทไดรบจะเปนแหลงจายไฟตรงพรอมเงอนไขการควบคม นาไปประยกตใชกบรถไฟฟาไดตามวตถประสงค คาสาคญ: การผสมผสาน, เซลลเชอเพลง, แบตเตอร, รถไฟฟา, สภาวะประจ ABSTRACT This paper studies a fuel cell / Lead-Acid battery hybrid 60 VDC Sources for electric vehicle application. The fuel cell is connected to a DC Bus by a 2-phase boost converter, and the battery bank is directly connected to the DC Bus for dynamic boost-up and energy storage device. It presents a control strategy used to control power from the fuel cell, power to the motor, and state-of-charge of the battery. Experimental results with a 1.2 kW, 26 V, 46A PEM fuel cell and 12 V, 11Ah lead-acid battery (5 piece.). The numerical calculation in dSPACE DS1104 point out that the fuel cell/Lead-Acid battery hybrid source can effectively function to meet the electric vehicle demand. Key words: hybrid, Fuel Cell, Battery, electric vehicle, state-of-charge 1. บทนา เซลลเชอเพลง (Fuel Cell) เปนประดษฐกรรมทางเทคโนโลยทไดรบการยอมรบและเปนความคาดหวงในอนาคตทจะใหเปนแหลงผลตพลงงานชนดใหมเพอตอบสนองความตองการ นบตงแตพบวา

เซลลเชอเพลง มความสามารถในการเปลยนพลงงานจากการเปลยนแปลงทางเคมใหเปนกระแสไฟฟาโดยปราศจากมลภาวะ (CO2) มคาประสทธภาพการผลตกระแสไฟฟาเกอบ 60 % ซงเกอบจะประมาณ 3 เทาของคาประสทธภาพของเครองยนตทใชกระบวนการสนดาปภายใน [1] เซลลเชอเพลงมหลายประเภทขนอยกบชนดของสารละลายตวนาไฟฟา (Electrolyte) แตละประเภทมประสทธภาพแตกตางกนไป ประเภททนามาใชในบทความนเปนชนด Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) [2] เพราะมคณสมบตทเหมาะสม นาไปใชเปนแหลงจายกาลงงานหลกเพอประยกตใชกบรถไฟฟาได ทางานทอณหภมตา ใหความหนาแนนกาลงไฟฟาและประสทธภาพสง การควบคมการจายเชอเพลงงาย (รปท 1)

รปท 1. โครงสรางการควบคมเชลลเชอเพลง อยางไรกตามการใชงานเซลลเชอเพลงโดยลาพง จะยงมขอจากดอย คอ

• เซลลเชอเพลงไมสามารถทางานไดทงสภาวะจายและรบกาลงงานไฟฟา (Bidirectional energy or current) เหตนเราจงไมสามารถละเลยไดเพราะระบบของรถไฟฟาเมอเกดสภาวะเบรกหรอชะลอจะมกาลงไฟฟาไหลยอนกลบ (Regeneration)

• ตองอนเครอง 5 - 10 นาททกครงกอนใชงาน

• เซลลเชอเพลงยงไมเปนทแพรหลาย จงยงมราคาแพง สวนใหญมใชในขอบเขตงานคนควาวจย [3]

จากขอดอยของเซลลเชอเพลง เมอนามาประยกตใชกบรถไฟฟาตองเขาใจวาระบบขบเคลอนของรถไฟฟาเปนระบบทมความตองการ

158

การประชมวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทยครงท 5 29 เมษายน – 1 พฤษภาคม 2552 มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก

รปท 4. เงอนไขการการควบคมแหลงจายแบบผสมผสาน แหลงจายกาลงไฟฟาทสงๆในชวงเวลาสนๆโดยเฉพาะชวงเวลาการเรมเคลอนทและการลดความเรวของรถ (รถไฟฟาจะใชกาลงงานไฟฟา ขณะเรมเคลอนทหรอลดความเรวมากเปนสองเทาเมอเทยบกบขณะขบเคลอนปกต) [4] การนาเอาอปกรณทมความสามารถเปนแหลงเกบกาลงงานไฟฟามาใชงานกเพอเพมความหนาแนนของกาลงไฟฟาอปกรณทมคณสมบตเหมาะสมและนามาใชในบทความนคอ แบตเตอรตะกว-กรด (รปท 2 และรปท 3) บทความน เปนการนาเสนอวธการนาเอาแหลงจายกาลงงานไฟฟาหลก (เซลลเชอเพลง: PEMFC) และอปกรณเกบกาลงงานไฟฟา (แบตเตอร) มาผสมผสานเพอใหเกดเปนแหลงจายไฟตรงแรงดนขาออกท 60 VDC โดยเสนอการหลกการและเงอนไขการควบคมอยางเปนลาดบในสวนท 2 สวนผลการทดสอบจะแสดงไวในสวนท 3

รปท 2. การผสมเซลลเชอเพลงและแบตเตอรเพอเปนแหลงจายไฟตรง

รปท 3. ลกษณะกาลงงานทเปนเงอนไขการผสมผสาน

2. แหลงจายไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลงและแบตเตอร 2.1 ลกษณะสมบตทางไฟฟา แรงดนของเซลลเชอเพลง (VFC) จะมคาสงสดเมอไมมกระแสไหล แรงดนจะเรมลดลงเมอกระแสเพมขน ทงนสวนหนงเกดการสญเสยใน Stack และความตานทานภายในของเซลลเชอเพลง ทกระแสพกด (iFCRated) แรงดนจะลดลงเหลอครงหนงเทยบกบสภาวะไรโหลด [5] สวนคณสมบตของแบตเตอร โดยพจารณาความสมพนธของแรงดนขณะดสชารจเทยบกบเวลา (Battery Voltage Curve) จะพบวาขณะเรมดสชารจ แรงดนทขวแบตเตอรจะลดลงอยางรวดเรวจนเปนศนย ซงเกดจากคาความจและความตานทานภายในของแบตเตอร จงแกไขจดออนนดวยการนาแบตเตอรหลาย ๆ ลกตอรวมกนทเรยกวา Battery Bank เพอใชเปนอปกรณจดเกบกาลงงานไฟฟา การนาเสนอเงอนไขการควบคมแหลงจายแบบผสมผสานของเซลลเชอเพลงและแบตเตอร (รปท 4) เปนการนาเสนอโดยการตอเซลลเชอเพลงเขากบ DC Bus ผานบธคอนเวอรเตอรแบบ 2 เฟส (รปท 5) สวนแบตเตอรจะตอตรงเขากบ DC Bus

Fuel Cell

L2

L1iFC(t)

iL2(t) D2

D1iL1(t)

S1 S2vFC(t)ZFC iS1(t) iS2(t)

DC Bus

V Bus(t)C1 +

+

-

iC(t)

รปท 5. บธคอนเวอรเตอรแบบ 2 เฟส (Fuel Cell Converter) 2.2 การควบคมสภาวะของเซลลเชอเพลง เมอเซลลเชอเพลงถกสงทางาน Fuel Cell Controller จะทาหนาทควบคมการไหลของเชอเพลง (ไฮโดรเจน) เพอใหกระแสไฟฟาทไดจากเซลลเชอเพลงสอดคลองกบกระแสเปรยบเทยบ iFCREF ตามเงอนไขการควบคม (Hybrid control algorithm) เหตทตองควบคมเชอเพลง เพอใหเกดความสมดลกนระหวางกระแสไฟฟาทไดจากการทาปฏกรยาในเซลลเชอเพลงกบกระแสไฟฟาใชงาน ดงนน ลปในของลปควบคม จะควบคมกระแสของเซลลเชอเพลงและกาลงงานไฟฟาท

159

การประชมวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทยครงท 5

29 เมษายน – 1 พฤษภาคม 2552 มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก จายไปยง DC Bus โดยอางองจากกระแสเปรยบเทยบ iFCREM ทสรางขน (ตามรปท 4) [5] 2.3 เงอนไขการควบคม กาลงงานทปรากฏบน DC Bus ไดจากการผสมผสานกาลงงานระหวางแหลงจายหลกและอปกรณเกบกาลงงาน การควบคมและจดการ จะแบงสภาวะออกเปน 3 โหมด (รปท 3)

• Charge Mode เปนสภาวะทแหลงจายหลก จายกาลงงานไฟฟาใหกบอปกรณเกบกาลงงาน และ/หรอจายใหกบ โหลด (t2 – t4)

• Discharge Mode เปนสภาวะทแหลงจายหลกและอปกรณเกบกาลงงานรวมกนจายกาลงงานไฟฟาใหกบโหลด (t1 – t2)

• Recovery Mode เปนสภาวะทโหลดจายกาลงงานกลบคนใหอปกรณเกบกาลงงานไฟฟา (t4 – t5)

แบตเตอรตะกว-กรด เพราะมขอดดานหางายและราคาถก นามาตอเขากบ DC Bus ไดโดยตรงเพอใหจายกาลงงานไฟฟาเสรมในบางชวง เชนขณะทมอเตอรเรมหมนหรอเมอขณะลดความเรว เนองจากเซลลเชอเพลงจะมไดนามกสตากวาแบตเตอร (แตเซลลเชอเพลงสามารถเปนแหลงจายใหกบแบตเตอรเพอใหแบตเตอรเกบพลงงานไฟฟาสารอง ไวใชตามเงอนไขได) บทความนเลอกใชการควบคมแบบคาสแคด (Cascade Control) ชนด 3 ลป ลปนอกจะควบคมสภาวะ State-of-charge (SOC) ของแบตเตอร โดยจะใช SOCREF เปนสญญาณอางองเพอเปรยบเทยบใหกบ SOC และใชกระแสอางอง iBatREF ควบคมการเปลยนแปลงของกระแสเอาทพทจากแบตเตอรเพอใหไดคาตามตองการ ลปกลางเปนลปควบคมกระแสของแบตเตอร โดยนา iBatREF จากลปนอกมาเปนสญญาณเปรยบเทยบและใช iFCREF เปนตวควบคมการเปลยนแปลงของกระแสเอาทพทของเซลลเชอเพลง สวนลปในสดทาหนาทควบคมกระแสของเซลลเชอเพลง

2.3.1 ลปควบคมสภาวะ State-of-charge ของแบตเตอร คา SOC สามารถประมาณการไดจาก

( )dttiQ

SOCtSOCt

tBat

Bat∫+=0

1)( 0 (1)

เมอ SOC0 หาไดจาก SOC [%] ของแบตเตอรทเวลา t0 และ BatQ คอ

คาความจของแบตเตอร (Ah) เพอเปนการงายการชารจของแบตเตอรจ ะ มค ากระแสคงท (กระแสส ง สด IBatMax จะอยประมาณ 52 BatBat QQ − ) เมอ SOC แตกตางจาก SOCREF [7] กระแส

จะลดลงเมอ SOC ใกลเคยงกบ SOCREF และจะมคาเปนศนยเมอ SOC เทากบ SOCREF (รปท 6) สงสาคญทตองคานงในการประยกตใชในงานรถไฟฟาจะตองตรวจสอบสภาพของแบตเตอรและเปลยนทนทเมอแบตเตอรเกาหรอเสอมสภาพ [6]

รปท 6. สภาวะการชารจประจของแบตเตอร

ในการวเคราะห SOC จะใช P-Controller โดยจะสรางกระแสชารจของแบตเตอร iBatChar แตกระแสชารจจะถกควบคมปรมาณโดย iBatMax ทงนคา P-Control gain (GSOC) สามารถหาไดจาก

SOC

IG BatMaxSOC Δ

= (2)

เมอ SOCΔ หาไดจากเอกสารคมอแบตเตอร

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Δ

−×=

)()()(,1min)()(

tVtVtVtiti

Bus

BusBusMaxBatCharBatREF

(3)

เมอ VBusMax หาไดจากคาสงสดของแรงดน DC Bus สวน

BusVΔ หา

ไดจากเอกสารคมอของแบตเตอร 2.3.2 ลปควบคมกระแสแบตเตอร ลปควบคมกระแสของแบตเตอรจะรบ iBatREF จากลปกาหนดคา SOC P-Controller จะผลต iFCREF โดยควบคมระดบใหอยระหวางคากระแสสงสด IFCMax (ตามคาพกดกระแสเซลลเชอเพลง) และคา กระแสตาสด IFCMin (กาหนดไวท 0 A) กาหนดคาความชนสงสดของ GSL มหนวยเปนแอมปตอวนาท เมอนาเอาลปควบคมกระแสของแบตเตอรมาทาการ Transfer Function แบบลปเปดกจะเขยนเปนรปใหม (ไมคานงคาสญเสย) ไดคอ )()()()()( tptitvtitv LBatBusFCFC +⋅=⋅ (4)

ถามการเปลยนแปลงกาลงงานของโหลดจะพจารณาหาคาไดจากสมการ (4) จะไดเปน

)(~)(~ tiVVti Bat

FC

BusFC = (5)

เมอ VBus และ VFC คอคาของ DC Bus และแรงดนของเซลลเชอเพลงตามลาดบ เชนเดยวกนจากการทา Transfer Function ลปเปดจะสามารถหาคาอตราขยาย ทจะใชงานไดดงน

1)(~)(~

)(~)(~

+⋅⋅=

−

sTG

VVG

sisi

Bat

filter

Bat

Bus

sisi

FCcontrollerP

iBatOLBatREF

BatMea

FCBat

(6)

160

การประชมวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทยครงท 5 29 เมษายน – 1 พฤษภาคม 2552 มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก

สวนสาเหตทตองมสวนควบคมการกรองความถตา (First-order low pass filter) (6) กเพอลดสญญาณรบกวนอนเกดจากสภาวะ สวตชงในวงจรคอนเวอรเตอร 3. ผลการทดลอง ผลการทดลองจากหองทดสอบ (รปท 7) โดยเปนการยอสวนลงเพอใหเหมาะสม อปกรณจดเกบกาลงงานไฟฟาจะเปนแบตเตอรชนดตะกว-กรด 12V, 11 Ah ตออนกรมกน 5 ลก (55 Ah ตามคมอ) เซลลเชอเพลง PEMFC “Heliocentris and Ballard Power System”Nexa® Power Module 1.2 kW, 26 V, 46 A, ผลตโดยบรษท Heliocentris Energiesysteme GmbH

รปท 7. หองทดสอบระบบการผสมผสานแหลงพลงงาน

คาพารามเตอรทสมพนธกนของ ลปแบตเตอร SOC และลปกาหนดกระแสแบตเตอร จะแสดงรายละเอยดในตารางท 1 และ 2 ตามลาดบ คาความชน (GSL) ของกระแสของเซลลเชอเพลงจะกาหนดใหอยท 4 A/s (เปนคาตามประสบการณ) ลปควบคมกระแสของแบตเตอรจะใชการควบคมแบบ Rail-Time โดยการใช dSPACE ความถสวตชงท 25 kHz และใช ControlDesk เปนตวควบคมพารามเตอร

ตารางท 1. คาความสมพนธของตวแปรตาง ๆ ของแบตเตอร SOC

REFSOC BatQ BatMaxI SOCΔ BusMaxV BusVΔ

SOCG

100 % 11 Ah 6.6 A 1.5 % 61 V 2 V 3 ตารางท 2. คาความสมพนธตวแปรตาง ๆ ของกระแสแบตเตอร

GSL IFCMax IFCMin GiBat GBat TBat 4 A/s 46 A 0 A 30 1 31.8

จากการทดลองในหองทดสอบ จาลองการทางานเหมอนจรงทกประการโดยการตอแอกทฟโหลดเขากบ DC Bus โหลดทใชจะเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรง ในรปท 8 จะแสดงใหเหนรปคลนตางๆ ทวดผลไดขณะมอเตอรถกขบเคลอน ประกอบไปดวย แรงดนของ DC Bus แรงดนของเซลลเชอเพลง ความเรวรอบของมอเตอร กาลงงาน

ของเซลลเชอเพลง แบตเตอรและโหลด (มอเตอร) กระแสของเซลลเชอเพลง แบตเตอรและโหลด (มอเตอร) และสดทายจะเปนสภาวะState-of-charge ของแบตเตอร ขณะทมอเตอรยงไมทางานรปคลนจะแสดงคากาลงงานของเซลลเชอเพลง แบตเตอร และSOC อยท 100% มอเตอรเรมหมนจนถงความเรวรอบสงสด 1,500 รอบ/นาท ใชเวลา 4 Sec ทงนจะสงเกตไดวา

• แบตเตอรสามารถจายกาลงงานไดถง 1800-W ตามความตองการของโหลด (มอเตอร) ขณะเรมเรงความเรว

• กระแสของเซลลเชอเพลงจะมอตราความชนท 4A/s และจายกระแสไดในระดบสงสดท 46 A

• ขณะเดยวกนกระแสของแบตเตอรทมคาลดลง (negative) ขณะทมอเตอรเพมความเรว จะเรมมคาเพมขนอยางชา ๆ จนมคาอยท -10 A เพราะสภาวะคงทของกาลงโหลด (ราวๆ 1000 W) ซงตาแหนงนจะเปนตาแหนงทเซลลเชอเพลงจายกาลงงานไดสงสด (ประมาณ 1000 W) หลงจากชวงเวลา t = 56 s มอเตอรจะลดความเรวจนหยด

นง จดนกาลงงานของโหลดจะสงสดประมาณท -600 W ดงนนจดนจงเปนตาแหนงทตาสดทแบตเตอรจะตองเรมทาการ Charged พลงงานโดยจะรบพลงงานจากเซลลเชอเพลงและมอเตอร ผาน DC Bus สดทายเมอ แบตเตอร SOC อยท 98% ท t = 106 s กระแสชารจของแบตเตอรจะลดลงอยางอตโนมต เพราะวา SOCΔ = 1.5% และ

SOCG = 3 กระแสของเซลลเชอเพลงจะลดเชนกน และจะมคาเปนศนย

เมออยในสภาวะ 100% SOC

รปท 8. ผลตอบสนองของกระแส, แรงดน, ความเรวรอบ, กาลง

ของโหลด

161

การประชมวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทยครงท 5

29 เมษายน – 1 พฤษภาคม 2552 มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก

4.สรปผล บทความน เปนการนาเสนอรายละเอยดถงวธการ การผสมผสานเซลลเชอเพลงและแบตเตอรโดยกาหนดเงอนไขใหเซลลเชอเพลงเปนแหลงจายพลงงานใหกบโหลด แบตเตอรจะเปนตวเกบประจเมอเซลลเชอเพลงจายกาลงงานเกนความตองการ เปนวธทงายเหมาะกบการนาไปเปนแหลงกาลงงานแบบผสมผสานเพอจายใหกบเครองจกร(รถไฟฟา) โดยผลทไดยงไมพบปญหาหรอขอดอยใด ๆการ ทดลองจะใชแบตเตอร 12 V, 11Ah 5 ลกตออนกรมกน เซลลเชอเพลงแบบ PEMFC 1.2 kW โหลดจะเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรงตอเขาท DC Bus ผลการทดลองทไดจะเปนการบนทกผลในขณะทมอเตอรขบเคลอน ผลทไดมความสอดคลองกบวตถประสงคเปนอยางดยง อางอง [1] M. Granovskii, I. Dincer, and M. A. Rosen, “Environmental and economic aspects of hydrogen production and utilization in fuel cell vehicle,” J. Power Sources, vol. 157, pp. 411-412,June 19,2006 [2] T. Gilchrist, “Fuel cells to the fore [electric vehicles] IEEE Spectrum, vol.35 pp. 35-40, Nov.1998 [3] P. Thounthong “Fuel Cell/Battery Powered Electric Vehicle System” EECON-29, pp.361-364, Nov 2006 [4] K. J. Kelly and A. Rajagopalan, “Benchmarking of OEM Hybrid Electric Vehicles at NREL: MilestoneReport,” U.S. Department of Energy (DOE),Contract No. DE-AC36-99- GO10337, Aug. 2001. [5] P. Thounthong, S. Raël and B. Davat, “Control of fuel cell/supercapacitors hybrid power sources,” in Proc. 2005 IEEE-IECON05, North Carolina-USA,Nov. 6-10, 2005, pp. 768-773. [6] E. Meissner and G. Richter, “Battery monitoring and electrical energy management: precondition for future vehicle electric power systems,” J. Power Sources, vol. 116, pp. 79-98, July 2003.

ประเสรฐ สารการ สาเรจการศกษาปรญญาตร จากมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล เชยงใหม ศกษาในระดบวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต (ไฟฟากาลง ) มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล ธญบร ปจจบนทางานอย

ท บจก . อาควา น ช ฮ า ร า คอร ปอร เ ร ช น อ .นครหลวง จ .พระนครศรอยธยา ตาแหนงผชวยผจดการโรงงาน

วนชย ทรพยสงห สาเรจการศกษา คอ.บ.(วศวกรรมไฟฟา) จากสถาบนเทคโนโลยพระจ อ ม เ ก ล า พ ร ะ น ค ร เ ห น อ ป . บ ณฑ ต ( ว ศ ว ก ร ร ม ไ ฟ ฟ า ) จ า ก จ ฬ า ล ง ก รณมหาวทยาลย วศ.ม.(วศวกรรมไฟฟา) สถาบน

เทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ Ph.D (Electrical Engineering), UNN, Newcastle, England, ปจจบนเปนอาจารยประจาภาควชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ปฏพทธ ทวนทอง สาเรจการศกษาปรญญาตรและ โท (ว ศวกรรมไฟฟ า ) จากสถาบ นเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ, Ph.D. จาก Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) Nancy, France. ปจจบนเปน

อาจารยภาคครศาสตรไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ

ประวตผเขยน ชอ – นามสกล นายประเสรฐ สารการ วน เดอน ปเกด 23 ตลาคม 2507 ทอย 329/24 หมบานจรญรตนเดอะซต ถ.เทศบาล 2 ต.ปากเพรยว อ.เมอง จ.สระบร 18000 ประวตการศกษา สาเรจการศกษาระดบปรญญาตร สาขาวศวกรรมอลกทรอนกส สถาบนเทคโนโลยราชมงคล วทยาเขตภาคพายพ ป 2531 ประวตการทางาน พ.ศ. 2531-2540 หวหนาฝายซอมบารงไฟฟา บจก. สหโมเสคอตสาหกรรม พ.ศ. 2540-2545 ผจดการฝายผลตและซอมบารง บจก. สยามปนขาว พ.ศ. 2545-2546 ผจดการฝายผลต หจก. ไบโอเคม โปรดกซ พ.ศ. 2546-2551 ผจดการโรงงาน บจก. สยามผลตภณฑปนขาว พ.ศ. 2551- ปจจบน ผจดการฝายผลต บจก. อาควา นชฮารา คอรปอเรชน ผลงานวจยตพมพ 1. แหลงจายไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลงและแบตเตอร สาหรบประยกตใชกบรถไฟฟา “Fuel Cell/Battery Hybrid DC Sources for Electric Vehicle Application” 1st Electrical Engineering Network 2008 (EENET 2008) 19-21 พฤศจกายน 2551 มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล 2. แหลงจายไฟตรงแบบผสมดวยเซลลเชอเพลงและแบตเตอรตะกว-กรด สาหรบประยกตใชในรถไฟฟา “Fuel Cell/Lead-Acid Battery Hybrid DC Sources for Electric Vehicle Application” การประชมเชงวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทย ครงท 5 (E-NETT5-2009) 29 เมษายน – 1 พฤษภาคม 2552 มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก 3. บสตคอนเวอรเตอรแบบ 4 เฟส สาหรบประยกตใชกบเซลลเชอเพลง “4 - Phase Boost Converter for Fuel Cell Application” EECON32 28-30 ตลาคม 2552 มหาวทยาลยมหดล 4. 4-Phase Interleaved Technique Boost Converter for Fuel Cells Application การประชมเชงวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทย ครงท 6 (E-NETT6-2010) 5-7 พฤษภาคม 2553 โรงแรมฮอลเดย อนน รสอรท รเจนท บช ชะอา เพชรบร มหาวทยาลยศรนครนทวโรฒ (Acceptance)