power electronic

รายวชา อเลกทรอนกสกาลง (EE370) สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ โครงการสงเสรมการผลตเอกสารชดการเรยนทเปนการสรปเนอหาในรปสออเลกทรอนกส

1

บทเรยนวชา อเลกทรอนกสกาลง (Power Electronics) EE370

1. แนะนาเบองตนและการประยกตใชงาน 2. การออกแบบชดทดลองสวตซชง (Switching Power Pole) 3. ดซทดซ คอนเวอรเตอร และแบบจาลองไดนามก 4. การควบคมปอนกลบของวงจรดซ ท ดซ คอนเวอรเตอร 5. วงจรเรยงกระแสดวยไดโอด 6. วงจรแกไขคาตวประกอบกาลง (PFC) 7. วงจรแมเหลก 8. สวตซชงเพาเวอรซพพลาย 9. การออกแบบขดลวดเหนยวนาและหมอแปลงสวตซชง 10. ซอฟทสวตซชงและการประยกตใชงาน 11. คอนเวอรเตอรสาหรบการขบเคลอนมอเตอรไฟฟา 12. ไทรสเตอรคอนเวอรเตอร 13. ประโยชนของอเลกทรอนกสกาลง

บทท 1 อเลกทรอนกสกาลงและการขบเคลอน

1.1 แนะนาวงจรอเลกทรอนกสกาลงและการขบเคลอน 1.2 การประยกตและกฏของอเลกทรอนกสกาลง 1.3 พลงงานและสงแวดลอม 1.4 ความตองการประสทธภาพสง และ พกดกาลงสง 1.5 โครงสรางของการเชอมตออเลกทรอนกสกาลง 1.6 คอนเวอรเตอรดานโหลดแบบสวตซโหมด 1.7 ปจจบนและอนาคตของอเลกทรอนกสกาลง



2

บทบาทของอเลกทรอนกสกาลง (Role of power Electronics)

รปท1.1 อเลกทรอนกสกาลงเชอมโยงระหวางแหลงจายและโหลด

อเลกทรอนกสกาลงทาหนาทเชอมโยงเพอสงผานกาลงไฟฟาจากแหลงจายสโหลดโดยแปลงผนแรงดนและกระแสจากแหลงหนงสแหลงอนๆ ในขณะเดยวกนกอาจจะมการสงกาลงไฟฟากลบจากโหลดกลบสแหลงจาย ตวควบคม (Controller) ในรปท 1 จะเปนตวจดการควบคมกระบวนการสงผานแรงดนและกระแส เพอใหเกดประสทธภาพและพกดสงสด ประสทธภาพของเทคโนโลยขาวสาร(Powering the information technology)

รปท 1.2 การรกษาแรงดนระดบแรงดนตาของ เพาเวอรซพพลาย

Power ElectronicInterface

Converter

Controller

Source Load

PowerConverter

Controller

inV oV

,o refV

Φ Γa

à

Utility

Φ Γ24V dc Φ Γ5V dc

Φ Γ3.3V dc

Φ Γ0.5V dc

Φ Γb



3

คอนเวอรเตอรแบบบส (Boost Converters)

รปท 1.3 ตวอยางวงจรคอนเวอรเตอรแบบบสสาหรบยกระดบแรงดนจากแบตเตอร

การขบเคลอนแบบปรบความเรว (Adjustable Speed Drives)

รปท 1.4 บลอกไดอะแกรมของการขบเคลอนแบบปรบความเรว

Γ Η1.5BatteryCell V

Γ Η9V dc

ϑ

Λ

DC DCConverter

Λ

ElectricDrive

Γ Η

Electric Source

Utility

fixedform

Γ Η

PowerProcessingUnit PPU

adjustable

form

Motor

/speedposition

Sensors

Controller

Γ Η/input commandspeed position

Power

Signal

Load



4

การเหนยวนาความรอน (Induction Heat)

รปท 1.5 อเลกทรอนกสกาลงสาหรบเหนยวนาความรอน

การเชอมไฟฟา (Electric Welding)

รปท 1.6 อเลกทรอนกสกาลงสาหรบเชอมไฟฟา

Utility

PowerElectronicsInterface

HighFrequencyAC

Utility


DC



5

พลงงานและสงแวดลอม : อตราการใชพลงงาน (Energy and the Environment : The Percentage Energy Consumption)

รปท 1.7 เปอรเซนตการใชไฟฟาใน สหรฐอเมรกาแบงตามประเภทของโหลด

บทบาทของการปรบความเรวขบเคลอนในระบบปม (Role of adjustable speed drives in pump-driven systems)

รปท 1.8 การปรบตามความเรวขบเคลอนมอเตอรในระบบปม

19%Lighting

14%IT

16%HVAC 15%Motors

Utility Γ Η

AdjustableSpeed Drive

ASD

Pump

Outlet

Inlet



6

หลอดฟลออเรสเซนต (Compact Fluorescent Lamps)

รปท 1.9 อเลกทรอนกสกาลงสาหรบหลอดฟลออเรสเซนต

ระบบขนสง (Transportion)

รปท 1.10 รถไฟฟา

� ลดการใชนามนทาใหมลพษลดลง � ใชพลงงานทดแทน � มประสทธภาพสง

Utility


CFL



7

พลงงานทดแทน (Renewable Energy) ระบบพลงงานแสงอาทตย (Photovoltaic)

รปท 1.11 ระบบพลงงานแสงอาทตย

ระบบพลงงานลม (Wind-Electric System)

รปท 1.12 ระบบพลงงานลม

Utility


DC Input

Utility

GeneratorandPower Electronics



8

ระบบแหลงจายไฟสารอง (Uninterruptible Power Supplies)

รปท 1.13 ระบบแหลงจายไฟสารอง (UPS)

ยทธศาสตรทางอากาศและการทหาร (Strategic Space and Defense Applications)

Utility

UninterruptiblePower Supply

CriticalLoad



9

ความตองการประสทธภาพสงและความหนาแนนกาลงสง (Need for high efficiency and high power density)

(1.1)1

po p po lossp po loss

♦♦

♦[ [

Ι Κ

รปท 1.14 กราฟกาลงงานเอาทพทตอประสทธภาพ

สรปบทบาทของอเลกทรอนกสกาลง (Summarizing the role of power electronics)

รปท 1.15 บลอกไดอะแกรมของการเชอมโยงดวยอเลกทรอนกสกาลง

Utility


Output to LoadAdjustable DCSinusoidal ACHigh frequency AC

Κ

Κ

Κ Κ

Pow

erRa

ting

0.8 0.84 0.88 0.92 0.960

100

200

300

400

500

200lossPower W[

10lossPower W[

Efficiency



10

โครงสรางของการเชอมโยงดวยอเลกทรอนกสกาลง (Structure of Power Electronics Interface)

รปท 1.16 แรงดนเชอมโยงของระบบอเลกทรอนกสกาลงเชอมตอสองคอนเวอรเตอร

1. การเชอมโยงดวยอเลกทรอนกสกาลง � แหลงจายเดยว � เชอมตอของสองคอนเวอรเตอร � คงทนตอการสะดดชวขณะของกาลงงาน

2. การเชอมโยงดวยกระแส 3. เมทรกซคอนเวอรเตอร

คอนเวอรเตอรดานโหลดแบบสวตชโหมด (Switch-Mode Load-Side Converter) กลม1 ปรบแรงดนไฟตรงหรอแรงดนไฟสลบทมการสวตชความเรวตา

� มอเตอรไฟฟากระแสตรง และกระแสสลบ � แหลงจายไฟฟาฉกเฉน � รกษาระดบแรงดนไฟฟา โดยไมมการแยกทางไฟฟา

กลม2 แรงดนไฟสลบทมการสวตชความถสง � หลอดฟลออเรสเซนต � ขดลวดความรอนเหนยวนา � สวตชชงเพาเวอรซพพลายแบบแยกทางไฟฟา

Utility

1CONV 2CONV

Load

Ι

Κ

Controller



11

การแปลงผนแบบสวตซชง : การสรางบลอกสวตซเพาเวอรโพล

รปท 1.17 การสรางบลอกสวตซชงเพาเวอรโพลในคอนเวอรเตอร สวตซชงเพาเวอรโพลดวยพลซวทมอดดเลชน

รปท 1.18 PWM ของสวตซชงเพาเวอรโพล

/ (1.2)

0 1 (1.3)

d T TA up sTupv V d V dA in A in ATs

� �∴ � ��

∴ ∴ ℜ ℜ

Γ Ηa

Vin

ϑ

Λ

0∴Aq lor

vAΛ

ϑ

idA

vA

0t

vA

0t

Γ Ηb

d TA siA

1

TupTs

Vin

AV

inV

ϑ

Λ

Aq

Av

Λ

ϑ

Γ Ηa

Av

0t

Γ Ηb



12

สวตซชงเพาเวอรโพลในบคดซทดซ คอนเวอรเตอร : ตวอยาง

รปท 1.19 สวตซชงเพาเวอรโพลในบคดซทดซ คอนเวอรเตอร

0 (1.4)V v d V V VAo A in o in∴ ∴ ℜ

vA

t

vA

t

t

Vin

ϑ

Λ

iin

ϑ

Λ

vAΛ

ϑ

Vo

qAΓ Ηa

1

d TA ATs

t

Vin

iL

0

0

0

iin

0

Γ Ηb

iL



13

ทรานซสเตอรและไดโอดในรปของสวตซชงเพาเวอรโพล (บคคอนเวอรเตอร)

รปท 1.20 ทรานซสเตอรและไดโอดในรปของสวตซชงเพาเวอรโพล (บคคอนเวอรเตอร)

ปจจบนและความกาวหนาขนตอไป

� อปกรณสามารถรองรบแรงดนในระดบ KVs และกระแสในระดบ KAs � เทคโนโลย ASICs � DSPs � ไมโครคอนโทลเลอร (Micro-controllers) � Integrated and intelligent power modules � การหบหอ (Packaging) � โซลทสเตทบน SIC � ตวเกบประจแบบจพลงงานสง

Vin

ϑ

Λ

iL

Vo

ϑ

Λ

Γ Ηa

VinΛ

ϑ

1qA ∴

iLϑ

Λ

Vo

Γ Ηb

0qA ∴

Vin

ϑ

Λ

iL

Voϑ

Λ

Γ ΗC



14

บทท 2 การออกแบบสวตซชงเพาเวอรโพล

2.1 ทรานซสเตอรกาลงและไดโอดกาลง 2.2 การเลอกทรานซสเตอรกาลง 2.3 การเลอกไดโอดกาลง 2.4 ลกษณะสมบตการสวตซและกาลงสญเสยในเพาเวอรโพล 2.5 ลกษณะสวตซและไดโอดทางอดมคต 2.6 ขอพจารณาในการออกแบบ 2.7 ไอซควบคม PWM

ทรานซสเตอรกาลงและไดโอดกาลง

� พกดแรงดน � พกดกระแส � ความเรวสวตซ � แรงดนสภาวะนากระแส

การเลอกทรานซสเตอรกาลง

� มอสเฟต � ไอจบท � ไอจซท � จทโอ

IGCT IGBT MOSFET

Φ Γa

Thyristor

IGBTIGCT

MOSFET

Switching Frequency Φ ΓHz

Φ Γb

110 210 310 410

210

410

610

810

Thyr

isto

r

Powe

r(VA

)



15

มอสเฟต

รปท 2.1 มอสเฟต (a) สญลกษณ (b) ลกษณะสมบต (c) ทรานเฟอรฟงกชน

Γ Η2.5 2.7 (2.1)toR VDSSDS on ′

ไอจบท

รปท 2.2 ไอจบท (a) สญลกษณ (b) ลกษณะสมบต กระแสตอแรงดน (I-V)

DDi

ϑ

Λ

DSV

Λ

ϑ

GSV

G

S

Γ Ηa

0

Di Γ Η 1/DS onR slope∴

11GSV V∴

9V7V5V

Γ Η GS GS thV Vℜ

Γ ΗbΓ Η GS thV Γ Η

oGS IV GSV

oI

Di

0

Γ Ηc

C

G

E

Ciϑ

ϑ

ΛΛ

CEV

GEV

Γ Ηa

Ci

CEV

GEV

Γ Ηb



16

แนวโนมราคาสารกงตวนากาลง

การคานวณกาลงสญเสยในมอสเฟตสมมตใหไอโอดอดมคต

Γ Η2 : (2.2)

1: (2.3), ,2

Conduction Loss P dR Icond oDS on

Switching Losses P V I t t fsw in o c on c off s

∴

� �∴ ϑ� ��

0

0.7

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1990 1995 2000 2005

Pr ( / ) 1200 icing USD A V IGBTs

/USD A

,t t tc on ri fv∴ ϑ

,t t tc off rv fi∴ ϑ



17

รปท 2.7 กาลงสญเสยสวตซในมอสเฟต วงจรขบเกตทมการปองกนการผดพลาด

รปท 2.8 ไดอะแกรมหนาทของวงจรขบเกต

inV

DSv

Di

rit fvt

,c ont

oIDSv

inV

Di

rvt fit

,c offt

t

swpin oV I

,c ont

swpin oV I

,c offtt

CCV

cv

12extV V∴

S



18

ขอกาหนดในการออกแบบ � ความถสวตซ � เลอกทรานซสเตอรและไดโอด � อปกรณแมเหลก � การเลอกตวเกบประจ

รปท 2.9 ตวตานทานและตวเหนยวนาแฝงในตวเกบประจ

การออกแบบเกยวกบความรอน

(2.5)T T R R R Pj a jc cs sa diss″ ″ ″

� �∴ ϑ ϑ ϑ� ��

รปท 2.10 การออกแบบเกยวกบความรอน (a) สารกงตวนาแบบฮทซงค (b) วงจรสมมลยทางไฟฟา

C ESL ESR



19

รปท 2.11 สญญาณเอาทพทสวตซชงในรปของทรานซสเตอรสวตซชงฟงกชน (eq)

ไอซควบคม PWM

รปท 1.12 รปคลนของไอซ PWM

Ψ ΖΨ Ζ

� (2.6)

v tcd tVr

ν

sizeHeatsink

Magnetics and

capacitors

sf

0

Ψ Ζq t

t

t0

Ψ Ζcv trV

rV

sdT

sT



20

การฟนตวยอนกลบของไอโอดและกาลงสญเสย

Φ Γ : 1 (2.7),1 : (2.8), ,2

Diode Forward Loss P d V Idiode F FM o

Diode Swiching Loss P I t V fdiode sw RRM b d neg s

∴ Λ

� �∴ � ��

คณลกษณะฟนตวยอนกลบของไดโอด

รปท 2A-1 คณลกษณะฟนตวยอนกลบของไอโอด

rrt

at bt0

RRMI rrQ

t

FMV 0

0t

,d negV



21

บทท 3 สวตซชงดซทดซคอนเวอรเตอร, การวเคราะห, การเลอกและการออกแบบ

3.1 ดซทดซ คอนเวอรเตอร 3.2 สวตชชงเพาเวอรโพลในโหมดแรงดนไฟตรงคงตว 3.3 สมมตฐานอยางงาย 3.4 การควบคมพนฐานอยางงาย 3.5 การวเคราะหบคคอนเวอรเตอรในสภาวะแรงดนไฟตรงคงตว 3.6 การวเคราะหบสคอนเวอรเตอรในสภาวะแรงดนไฟตรงคงตว 3.7 การวเคราะห บค-บสคอนเวอรเตอรในสภาวะแรงดนไฟตรงคงตว 3.8 วธการเลอก 3.9 การออกแบบในสภาวะเลวรายทสด 3.10 บคคอนเวอรเตอรแรงดนตาแบบซงโครนสเรกตฟาย

3.11 อนเตอลฟคอนเวอรเตอร 3.12 การควบคมดซทดซคอนเวอรเตอรโดยพลซวทชมอดดเลชน

3.13 การแสดงคาเฉลยไดนามกของคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสตอเนอง 3.14 สวตชเพาเวอรโพลสองทศทาง 3.15 โหมดไมตอเนองและตอเนอง



22

สวตซชงโหมดดซเพาเวอรซพพลายแบบคงคา

รปท 3.1 สวตซชงโหมดดซเพาเวอรซพพลายแบบคงคา

สรางบลอกดซทดซคอนเวอรเตอรดวยสวตซชงเพาเวอรโพล

รปท 3.2 สรางบลอกดซทดซคอนเวอรเตอรดวยสวตซชงเพาเวอรโพล

log

dc dcconvertertopo y

⊥

controller,o refV

inV oV ,in oV V

,in oI I

Ψ Ζa Ψ Ζb

∴

⊥

inV

q

Li

∴ ⊥Lv

Ψ Ζa

Lv

0

A

sDT

sT B

t

Li

0tΨ Ζb



23



24

การวเคราะหบคคอนเวอรเตอรในสภาวะคงตว

รปท 3.3 บคดซทดซคอนเวอรเตอร

iin

ϑ

Λ

Vin

Li

ϑ Λ

Λ Λ

ϑ ϑLv

Av CioI

oV

ϑ

ϑ

ϑϑ

Λ

Λ

Λ

Λ

Vin

Li

AvLv Ci oI

oV

q

1q ∴ L in ov V V∴ Λ

Γ Ηa

Γ Ηb

Vin

0q ∴

Av

L ov V∴ Λ

oV

0Av ∴

Λ

Λ

Λ

Λ

ϑ

ϑϑ ϑ

Li

Γ Ηc

0Li

L oI I∴

0ini

inI

t

t

q 1

0sDT

sT

0Av

inV A oV V∴

0Lv

A Γ Ηin oV VΛ

Γ ΗoVΛB

,L ripplei0

Liχ

t

t

t

t

Γ Ηd



25

Pspice Modeling

การวเคราะหบสคอนเวอรเตอรในสภาวะคงตว

รปท 3.4 บสดซทดซคอนเวอรเตอร

ϑ

ϑϑ

Λ

Λ

Λ

CoVLv

Li

inV

q p

Γ Ηa Γ Ηb

ϑ

ϑ

ϑ

Λ

Λ

Λ

C oVLv

Li

inV

q p



26

บสคอนเวอรเตอร การควบคมและรปคลน

Γ Η

Γ Η

1 (3.10)1

1 (3.11)

Vo V Vo inV Din

V V Vin o ini DT D TL s sL LV I V Iin in o o

∴ ]Λ

Λ

χ ∴ ∴ Λ

∴

Γ Η Γ Η

(3.12)

1 (3.13)1 1

,

V I Vo o oI I IL in oV D D Rini t i t i IC diode ripple diode O

∴ ∴ ∴ ∴Λ Λ

∴ Λ� (3.14)



27

รปท 3.5 บสคอนเวอรเตอร การควบคมและรปคลน

ϑ

ϑϑ

Λ

Λ

Λ

CoV

L inv V∴

LiinV

1q ∴

0Av ∴

Γ Ηa

q 1

0sDT

sT

0Av

oV A inV V∴

0Lv A

inV

Γ Ηo inV VΛ Λ

B

,L ripplei0

Liχ

t

t

t

t

ϑ

ϑϑ

Λ

Λ

Λ

CoV

L inv V∴

Li

inV

1q ∴

0Av ∴

Γ Ηb

Γ Η1 sD TΛ

0diodei

Γ Ηdiode oI I∴

0ci

t

t

0Li

L oI I∴

t

Γ Ηc



28

บสคอนเวอรเตอร : อตราถายโอนแรงดน

รปท 3.6 บสคอนเวอรเตอร : อตราถายโอนแรงดน

0LI

0

in

VV

1

11 DΛ

CCM,L critIDMC



29

วเคราะหบค-บส คอนเวอรเตอรในสภาวะไฟตรงคงตว

รปท 3.7 บค-บสดซทดซ คอนเวอรเตอร

Av

Lv

q diodei

ALi

oVoI

Γ Ηa

ϑ

Λ

Λ

Λ

ΛΛ

Λ

ϑ

ϑ

inV LvLi

Av

oI

oV

Γ Ηb

ϑ

Λ

Λ

Λ

ϑ

ϑ

ϑ

Λ

Λ

ϑ



30

บค-บส คอนเวอรเตอร : การควบคมและรปคลน

รปท 3.8 บค-บสคอนเวอรเตอร : การควบคมและรปคลน

inV

A in ov V V∴ ϑ

LioI

oV

Γ Ηa

iniL inv V∴

Γ Η Γ Η,C diode ripplei t i t_

t0

Ci t0

diodei Γ Ηdiode oi I∴

t0

Li

Li

t0

,Li rippleLiχ

t0

Lv AinV

oVΛ B

t0

Av Γ Ηin oV VϑA oV V∴

t0

q

DTaTa

Γ Η1 D TaΛ

Λ

ϑ ϑ

ϑ

ϑΛ

Λ

Λ

inV

0Av ∴

Li

oI

oV

Γ Ηb

iniL ov V∴ Λ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

Λ

Λ

Λ

Λ

Γ Ηc



31

บค-บส คอนเวอรเตอร : อตราถายโอนแรงดน

รปท 3.9 บค-บส คอนเวอรเตอร : อตราถายโอนแรงดน โครงสรางบค-บสแบบอน ๆ

� ซฟค (SEPIC) คอนเวอรเตอร � ชค (Cuk) คอนเวอรเตอร

0LI

0

in

VV

1

11 DΛ

CCM,L critIDMC



32

ซฟค คอนเวอรเตอร (Sepic Converter)

รปท 3.10 ซฟคคอนเวอรเตอร

Γ Η1 1

oin o

in

V DDV D VV D

∴ Λ ∴

Λ

ชคคอนเวอรเตอร (Cuk Converter)

รปท 3.11 ชคคอนเวอรเตอร

Γ Η1 (3.15)1 1

in oo in

o in

I VD DDI D II D V D

∴ Λ ∴ ∴

Λ Λ

Γ Ηb inV oV

1q ∴

Cv

inV oV

0q ∴

Cv

Γ Ηcinioi ini oi

inV

oi

oVΓ Ηa

q

Li Cv

1L C 2Lϑ

ϑ

ϑΛ

Λ

Λ

inV

diodei

oVΓ Ηa

Γ Ηb

q

Li Cv

2Lv2Li

inV oV

1q ∴

Cv

2Lv

2L Cv v∴

inV oV

0q ∴

Cv

2Lv

2Lv Vo∴ Λ

Γ Ηcϑ

ϑ

ϑ

ϑ

Λ

Λ

Λ

Λ



33

แนวการเลอกใชคอนเวอรเตอร (Topology Selecfion)

Criterion Buck Boost Buck BoostΛ Transistor V inV oV Γ Ηin oV Vϑ Transistor I oI inI in oI Iϑ

rmsI Transistor oDI inDI Γ Ηin oD I Iϑ Transistor oDI inDI Γ Ηin oD I Iϑ avgI

Diode Γ Η1 oD IΛ Γ Η1 inD IΛ Γ ΗΓ Η1 in oD I IΛ ϑ LI oI inI in oI Iϑ

Effect of L on C significant little little Pulsating Current input output both

บคคอนเวอรเตอรแรงดนตาแบบซงโครนสเรกตฟาย (Synchronous – Rectified Buck Converter For Very Low OutPut Power )

รปท 3.12 บคคอนเวอรเตอร ซงโครนสเรกตฟาย

t0

Li

LI

0

AvinV

0t ∴

t

SDTST

qϑ qΛ

t0

Γ Ηb

oV

Γ Ηa

Li

inV

qΛ

qϑ

AvT Λ

T ϑ



34

อนเตอรลฟคอนเวอรเตอร (Interleaving of Converter)

รปท 3.13 อนเตอรลฟคอนเวอรเตอร

การควบคม ดซทดซคอนเวอรเตอรโดยพลซวทชมอดดเลชน (Regulation of DC-DC Converter By PWM)

รปท 3.14 การควบคมแรงดนเอาทพตดวย PWM

Ψ ΖΨ Ζ

(3.16)ˆc

r

v td t

Vν

2q

1Li

oV

2Li

1q

inV

Ψ Ζa

∴

⊥

∴

⊥

0

2q

2Tst

Ψ Ζb

1q

0 t

dc dcconvertertopology

⊥

inV

controller,o refV

oV

Ψ Ζa 0

Ψ Ζq t

tΨ Ζb

t0

Ψ Ζcv trV

rV

sdT

sT



35

การแสดงคาเฉลยไดนามกของคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสตอเนอง (Dynamic Average Representation of Converter in CCM)

รปท 3.15 แบบจาลองเฉลยไดนามกของสวตชชงเพาเวอรโพล

Φ Γ Φ Γ Φ Γ

Φ Γ Φ Γ Φ Γ

(3.17)

(3.18)cp vp cp vp

vp o vp cp

V DV v t d t v t

I DI i t d t i t

ν ν

ν ν

สามคอนเวอรเตอรในรปของแบบจาลองเฉลยไดนามก (Average Dynamic Models of Three Converter)

รปท 3.16 สามคอนเวอรเตอรในรปของแบบจาลองเฉลยไดนามก

Φ Γq t

cpi

Φ Γa

cpv

vpv

vpi

Φ Γcv t

Φ Γrv t

cpv

cpi

vpi

vpv

Φ Γ1: d t

Φ Γc1

rvΦ Γcv t

Ι

ΚΙ

Κ

Κ Κ

Ι

Ι

cpV

cpI

vpI

vpV

1: D

Φ Γb

Ι

Ι

Κ Κ

oV

q

inV

Li

P

inVov

Li

PΦ ΓΦ Γ1: 1 d tΚ

Ι

Κ

Ι

Κ

oV

inV

q

Li

A

Φ Γ1: d t

oV

Li inV

Ι

Κ

Ι

Κ

Li

Φ ΓaLv

oV

inV

q

ov

inV

Φ Γ1: d t

Li

Φ Γb

Ι

Ι ΙΚ

Κ

Κ

Ι

Κ

Ι

Κ



36

Pspice Modeling

สวตชซงเพาเวอรโพลแบบสองทศทาง (BI-Directional Switching Power – Pole)

รปท 3.17 การไหลของไฟฟาแบบสองทศทางของสวตชซงเพาเวอรโพล

¬

Buck Boost

inV

ϑ

Λ

Li

qΓ Η1q qΛ

∴ Λ

Buck

inV

ϑ

Λ

1q ∴

1 0q or∴

0q ∴

Boost

inV

ϑ

Λ

1 0q orΛ

∴

1qΛ

∴

0qΛ

∴

Γ Ηa Γ Η Lb i positive∴Γ Η Lc i negative∴



37

แบบจาลองเฉลยไดนามกของสวตชซงเพาเวอรโพลแบบกาลงไฟฟาไหลสองทศทาง (Average Dynamic Model of the Switching Power-Pole With BI- directional Power flow)

รปท 3.18 แบบจาลองเฉลยไดนามกของสวตชซงเพาเวอรโพลแบบกาลงไฟฟาไหลสองทศทาง

โหมดไมตอเนองและตอเนอง (DCM, CCM) (Discontinuous-Conduction Mode (DCM))

รปท 3.19 กระแสขดลวดเหนยวนาทโหลดตางๆเมอดวตไซเคลคงท

¬

Buck Boost

inV

Ι

Κ

Li

qΦ Γ1q qΚ

[ Κ

Φ ΓaΦ Γb

Li

inV

1: d

êΚ

Ι

0t

,L criti2Li1Li

,L criti2Li

1LiLi



38

กระแสขดลวดเหนยวนาวกฤต (Critical Inductor Current)

รปท 3.20 รปคลนทงสามคอนเวอรเตอรทขอบเขต CCM / DCM

Γ Η, ,

, , , ,

1 (3.19)2

(3.20)2

inL crit Buck

s

inL crit Boost L crit Buck Boost

s

VI D D

LfV

I I DLfΛ

∴ Λ

∴ ∴

0

Li

t

Γ Ηa 0

Av

t0

Li

in oV VΛ

sDT Γ Η1 sD TΛ

sT

0

Li

t

Γ Ηb 0

Av

t0

Li

oV

sDT Γ Η1 sD TΛ

sT

0

Li

t

Γ Ηc 0

Av

t0

Li

in oV Vϑ

sDT Γ Η1 sD TΛ

sT



39

บคคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM) (Buck Converter in DCM)

รปท 3A-1 บคคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM)

บสคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM) (Boost Converter in DCM)

รปท 3A-2 บสคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM)

0 LI

0

in

VV

1

D

CCM,L critIDMC

0

Li

Γ Ηa

0

Av

s

tT

0

Li

inV

D ,1offD

1

,2offD

oV

s

tT

Γ Ηb

1

0

Li

Γ Ηa

0

Av

s

tT

0

Li

inV

D,1offD

1

,2offD

oV

s

tT

0LI

0

in

VV

1

11 DΛ

CCM,L critIDMC

Γ Ηb



40

บค-บส คอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM) (Buck-Boost Converter in DCM)

รปท 3A-3 บค-บส คอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM)

แสดงคาเฉลยของดซทดซคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM) (Average Representation Of DC-DC Converter In DCM) แหลงจายไมอสระในบค-บส,บคคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (DCM) (Dependent Sources in Buck And Buck-Boost Converters In DCM)

รปท 3A-4 แบบจาลองเฉลยไดนามกสาหรบบค และบค-บส คอนเวอรเตอร

0

Li

Φ Γa

0

Av

s

tT

0

Li

in oV VΙ

D,1offD

1

,2offD

oV

s

tT

0LI

0

in

VV

1

11 DΚ

CCM,L critIDMC

Φ Γb

Φ Γ1: d t

+-kv

ki cpvvpv

cpivpi

Ι

Κ

Ι

Κ



41

Γ Η,

,

21 (3.21)

21 (

s Lk Buck o

in o

s Lk Buck Boost o

in

Lf iv v

V v d

Lf iv v

V dΛ

� �∴ Λ� �

Λ� �

∴ Λ� � �

Γ Η2

,

2

,

3.22)

(3.23)2

(3.24)2

k Buck in o L

k Buck Boost in L

di V v diLf

di V diLfΛ

∴ Λ Λ

∴ Λ

แหลงจายไมอสระในบคคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไมตอเนอง (Dependent Sources in Boost Converter DCM)

รปท 3A-5 แบบจาลองเฉลยไดนามกของบค-บสคอนเวอรเตอร

Ψ Ζ,

2

,

21 (3.25)

(3.26)2

s Lk Boost in o

in

k Boost in Ls

Lf iv V v

V d

di V diLf

� �ν ⊥ ⊥� ��

ν ⊥

Ψ Ζ1 :1d⊥

+ -

kv

kicpvvpv

cpi vpi

∴

⊥

∴

⊥



42

บทท4 การออกแบบตวควบคมปอนกลบสาหรบสวตชซงโหมดเพาเวอรซพพลาย (Designing Feedback Controllers in Switch-Mode DC Power Supplies)

1. วตถประสงคของการควบคมปอนกลบ 2. ทบทวนทฤษฎการควบคมแบบเชงเสน 3. การทาเปนเชงเสนของบลอกไดอะแกรมแตละสวน 4. การออกแบบตวควบคมปอนกลบโหมดแรงดน 5. การควบคมโหมดกระแสสงสด 6. การออกแบบตวควบคมในโหมดกระแสไมตอเนอง

วตถประสงคของการควบคมแบบปอนกลบ (Objectives of Feedback Control)

รปท 4.1 เพาเวอรซพลายแบบคงคา

- คาผดพลาดคงตวเปนศนย (Zero steady stage error) - มผลตอบสนองเรว (Fast response) - โอเวอรชทตา (Low overshoot) - ความไวตอสญญาณรบกวนตา (Low noise susceptibility)

DC DCConverter

⊥

inV

Controller,o refV

oV



43

ขนตอนการออกตวควบคมแบบปอนกลบ (The Steps in Designing the Feedback Controller)

- การทาใหเปนเชงเสนทบรเวณจดทางานคาสภาวะคงตว (Linearization) - ออกแบบตวควบคมแบบเชงเสน - ประเมนสมรรถณะของผลตอบสนองของระบบดวยการจาลองการทางาน

ทบทวนทฤษฎ การควบคมแบบเชงเสน (Review of Linear Control Theory)

รปท 4.2 การควบคมแบบปอนกลบ

การแทนดวยสญญาณขนาดเลก (Small Signal Representation)

รปท 4.2 ระบบควบคมดวยแบบจาลองขนาดเลก

�Ι

Κ

oV Η

ControllerController Pulse WidthModulation

cv d Power Stageand Load

ov

FBk

PWM ICΚ

�Ι

Κ

Φ Γ 0oV sΗ

[�

ControllerController Pulse WidthModulation

Φ Γcv s� Φ Γd s�Power Stageand Load

Φ Γov s�

FBk

Φ ΓcG s

B

Φ ΓPWMG s Φ ΓPsG s

A



44

ลปทรานเฟอรฟงกชน (Loop Transfer Function)

เฟสมาจน

การทาเปนเชงเสนของบลอกทรานเฟอรฟงกชนตางๆ (Linearization of Various Transfer Function Block)

รปท 4.5 รปคลน PWM



45

การทาเปนเชงเสนสวนวงจรกาลงดซทดซคอนเวอรเตอรในโหมดกระแสไหลตอเนอง (CCM) ( Linearizing the Power Stage of DC – DC Converters in CCM )

รปท 4.6 การทาเปนเชงเสนของสวตชชงเพาเวอรโพล

การทาเปนเชงเสนของคอนเวอรเตอรแบบใชสวตชตวเดยว (Linearizing Single – Switch Converters)



46

รปท 4.7 การทาเปนเชงเสนของคอนเวอรเตอรแบบใชสวตชตวเดยว

วงจรสมมลสญญาณขนาดเลกสาหรบบค,บส และบค – บส คอนเวอรเตอร (Small Signal Equivalent Circuit for Buck,Boost and Buck – Boost Converters )

รปท 4.8 วงจรสมมลสญญาณขนาดเลกสาหรบบค,บส และบค – บส คอนเวอรเตอร

Buck

Buck BoostΚ

Boost

Ι

Κ

Ι

Κ

Φ Γ1: d t

vpiLi

vpvΙ

Κ

ovr

cpvΙ

Κ

inV

Ι

Κ

Ι

Κ

Φ ΓΦ Γ1 :1d tΚ

vpv

Ι

Κ

ovr

cpvΙ

Κ

inV

Li

Ι

Κ

Ι

Κ

Φ Γ1:d t

vpi

Li

vpvΙ

Κ

ovr

cpv

Ι

Κ

inV

Φ Γa

1: D

Li�

Ι

Κ

ov�

+-

LdI�

indV�

Φ Γ1 :1DΚ

Ι

Κ

ov

Li

+-

0inv [�

0inv [�

indV�

LdI�

Ι

Κ

Ι

Κ

1: D

vpv

Ι

Κ

ovcpv

0inv [�

+-

LdI�

Φ Γind V VoΙ� Li�

Φ Γb

Ι Ι

Κ

Κ

ov�

eL

eqv�

1sC

rR

Φ Γ21

e

e

L LLLD

[

[

Κ



47

ตวอยาง 4.2 บคคอนเวอรเตอรมคาพารามเตอรดงน 100L uH∴ , 697C uF∴ ,

0.1r ∴ ϖ , 100f kHz∴ , 30inV V∴ และ 36oP W∴ ควบคมในโหมดกระแสตอเนอง ดวตไซเคลปรบเพอคาคงทแรงดนท Γ ΗoV เทากบ12V หาแกนและเฟสของสวนกาลง Φ ΓpsG ในชวงความถตงแต 1kHz ถง 100kHz

C3100uF

IC =

V20.75V

8.000V

0V

R61m

Vd2

8VV3

{k}

Nvp=1

Buck & Buck-BoostAVG_2PORT1

VP1 CP1

com

mon

Ncpk

VL2

{RLoad}

7.313V

D4

1.000V

7.313V

V41V

750.0mV

L3

{L}IC =

7.314V

AVERAGEDCircuitRepresentation

vout_avg

PARAMETERS:L = 5uHfs = 100kHzk = {2*{L}*{fs}}RLoad = 4.0

0



48

รปท 4.10 The gain and the Phase of the power stage

การออกแบบตวควบคมปอนกลบโหมดแรงดน (Feedback Control desin in Voltage-mode Control) ตวอยาง 4.3 การออกแบบตวควบคมสาหรบบคคอนเวอรเตอรอธบายตามตวอยางท 4.2 โดยพลซวดมอดเลชนไอซในตวอยางท 4.1 แรงดนเอาพทถกปอนกลบดวยอตราลดทอน 0.2FBk ν คาผดพลาดสดทายทตองการคอศนยและเฟสมารจน60⟨ ทความถหกมม

1. ความถหกมม Ψ ΖCf ของระบบเปดตองมคาสงเทาทจะเปนไปไดเพอผลตอบสนองทเรวในระบบปด

2. มมเฟสของทรานเฟอรฟงกชนควรจะมเฟสมารจน60⟨ ทความถหกมมเพอใหผลตอบสนองระบบปดเขาสคาทตงไวโดยเรวปราศจากการออสซลเลท

3. มมเฟสของทรานเฟอรฟงกชนตองไมตากวา 180∈Κ ทความถตากวาความถหกมม



49

รปท4.11 โบดพลอต Γ ΗCG s ในสมการ 4.18 ขนท1เลอกความถหกมม (Crossover frequency)เลอกความถหกมม Ψ ΖCf ทถดไปจากความถรโซแนนซ

Γ ΗΓ Η1 2 LC± ในตวอยางมคาประมาณ 600Hz ดงนนเลอกคาความถ Ψ ΖCf ท 1kHz ซงรบรองไดวามมเฟสของลปยงมคามากวา 180∈

Κ ททก ๆ ความถ ขนท2 คานวณมมเฟสบสทตองการ เมอตองการเฟสมารจน PM♣ ท 60⟨ มมเฟสบส Γ Ηboost♣ ทตองการทความถหกมมสามารถคานวณไดดงตอไปน

Φ Γ Φ Γ Φ Γ

Φ Γ

Φ Γ

(4.19)

180 (4.20)

90

L PS Cfc fc fc

L PMfc

C boostfc

G s G s G s

G s

G s

♣

♣

∉

∉

∴ ϑ

∴ Λ ϑ

∴ Λ ϑ (4.21)

แทนสมการ 4.20 และ 4.21 แทนใน 4.19



50

ในรปท4.10 เมอแทนในสมการ 4.22 จะไดเฟสบสทตองการเทากบ ขนท 3 คานวณคาเกนควบคมทความถหกมมจากสมการ 4.2 ทความถ

ในรป 4.10 ท ดงนนในสมการ 4.23 ใชเกนของบลอก PWM คานวณตามตวอยาง 4.1

รปท 4.3 ระบบควบคมแทนดวยสญญาณขนาดเลก



51

สรางวงจรควบคมดวยออปแอมป (Implementation of the controller by an op-amp)

รปท 4.3 สรางวงจรควบคมดวยออปแอมป

cvϑ

Λ

ovΙ

ov1R

2R 1C

2C

3C3R



52

ในคาตามตวอยางเมอ 1cf kHz∴ , 108boost♣ ∉∴ และ Γ Η 0.5263

C fcG s ∴ จะสามารถคานวณ

3.078boostk [ ในสมการท4.27 ถง4.30 3.24zf Hz∴ , 3078pf Hz∴ และ 349.1ck ∴ เมอสรางดวยออปแอมป เลอกคาอปกรณทตอดงนคอ 1 100R k∴ ϖ จากสมการ4.30 , 2 3.0C nF∴ ,

1 25.6C nF∴ , 2 11.8R k∴ ϖ และ 3 4.4C nF∴ จาลองการทางานวงจรควบคมบคคอนเวอรเตอรดวยโหมดแรงดน

1+s/1.85E4

1+s/5.4E5

error

0

0.9

0.1

R110m

0.34

Nvp=1

TWO_PORT1

VP1 CP1

com

mon

Ncp

vo

C12000uFIC = 4V

V4

TD = 200usV2 = 4.05VV1 = 4V

L1

5uHIC = 20A

vref

0

V18V

3.16E5

IC = 1.47V

R2

200m

รปท 4.13 จาลองการทางานวงจรควบคมบคคอนเวอรเตอรดวยโหมดแรงดน

รปท 4.14 ผลตอบสนองตอการเปลยนแปลงโหลดแบบขนบนได



53

การควบคมโหมดกระแสสงสด (Peak-Current Mode Control) -การควบคมกระแสสงสด (Peak-Current Mode Control) -การควบคมกระแสเฉลย (Average-Current Mode Control)

รปท 4.14 การควบคมโหมดกระแสสงสด

รปท 4.16 การควบคมโหมดกระแสสงสดดวยการชดเชยสโลป ตวอยาง 4.4 จากตวอยางเมอตองการออกแบบตวควบคมกระแสสงสดสาหรบบคบสคอนเวอรเตอร โดยมพารามเตอรและเงอนไขการควบคมดงน

100L uH∴ , 697C uF∴ , 0.01r ∴ ϖ , 100sf kHz∴ , 30inV V∴ กาลงไฟฟาเอาพท Φ Γ 18oP W∴

ในโหมดระแสตอเนองและดวตไซเคล Γ ΗD ถกปรบใหคงคาแรงดนเอาพท 12oV V∴ เฟสมารจนสาหรบลปแรงดนคอ 60∉ และเกนของสวนปอนกลบเทากบหนง Γ Η1FBk ∴

ϑ

Λ

Livpv

Q S

R

Clock

Λϑ Controller Λ

ϑ

Λϑ

ϑ

Λ

ovϑ

Λ

inV

cpv

vpi

ciLiΙ

ovΙ

SlopeCompensation

Flip flopΛ Comparator



54

รปท 4.17 วงจรบค-บสคอนเวอรเตอรจาลองการทางานดวย Pspice

รปท 4.18 ผลตอบสนองทางความถของ o Lv i��



55

จากรปท 4.18 มมเฟสของทรานเฟอรฟงชนกสวนกาลงประมาณ 90∈ท ความถ1kHz ความถหกมมถกเลอกท 5sf kHz[ จากคณสมบตของวงจรบค-บสคอนเวอรเตอรทมซโรดานขวาระนาบเชงซอน (Right-half-plane-zero)RHP ในโหมดระแสตอเนอง (CCM) ดงนนความถหกมมจะถกเลอกใหตากวาความถ RHP



56

รปท 4.19 สรางตวควบคมตามสมการ 4.32 ดวยออปแอมป

cvϑ

Λ

ovΙ

ov1R

2R 1C

2C



57

table_in

COMPHYS_HF1

IC_SW = -11VVHYS = 1V

IN OUT

0

V18V

In Out-1 10.0

-0.005 10.00 0

1 0

TABLE

4v 0v

L1

5uHIC = 23A

0

R2

200m

R3

10m

R110m

+

S2 1m

V6

PER = 10usV2 = -10V

iL

+ -

H1

HNOM C12000uFIC = 5V

iL

0

V730A

table_out

0

V8

TR = 10us-2nsV2 = 5

D3

vo

0 รปท 4.20 จาลองการทางานของระบบดวยการควบคมโหมกกระแสสงสด

รปท 4.21 โหมดควบคมกระแสสงสด : รปคลนแรงดนเอาทพท



58

บทท 5 วงจรเรยงกระแสดวยไดโอด (Rectification of Utility input using diode rectifiers) 5.1 บทนา 5.2 ความผดเพยนและคาตวประกอบกาลง (Power factor) 5.3 การแบงของวงจรสวนหนาทางอเลกทรอนกสกาลง 5.4 ไอโอดเรยงกระแส : เปนวงจรสวนหนา 5.5 การปองกนกระแสพงในชวงเรมตน 5.6 วงจรสวนหนาทสงผานพลงงานไดสองทศทาง

รปท 5.1 บลอกไดอะแกรมของระบบอเลกทรอนกสกาลง

โหลดแบบเชงเสนและไมเชงเสน (Linear and Nonlinear Loads)

โหลดเชงเสน (Linear Load)

sv

si

sV

sI

( )a ( )b

ƒ

Controller

Source Load

Converter



59

รปท 5.2 เฟสเซอรกระแสและแรงดนในวงจร R-L

cos (5.1)

cos

s s

s s

P V IPPF

V I

♣

♣

∴

∴ ∴ (5.2)

(5.3)ss

PIV PF

∴

i

โหลดไมเชงเสน (Nonlinear Load)

รปท 5.3 กระแสถกดงโดยวงจรเรยงกระแสดวยไดโอด

1

1

12

: % 100

: cos

( )1

distortion

s

s

s

ITotal Harmonic Distortion THDI

Displacement Power Factor DPFI DPFPF DPFI THD

♣

∴

∴

∴ ∴

ϑ

� โหลดทไมเปนเชงเสนจะทาใหคาตวประกอบกาลงลดลง

0 t

1T

( )a

sv

si1si

0 t

1( )distortion s si i i[ Κ

( )b



60

รปท 5.4 จากตวอยางท 5.1 เมอไอโอดไมเปนเชงเสน

(Harmonic Currents Lower Power Factor)

� อตราสวนของตวประกอบกาลงจรงตอคาตวประกอบกาลงกระจดเมอคา THD เพม

( )a

( )b

( )c

si

IΚ

I

1T

t

t

t

1si4 /I °

0

0

0

distortioni I

IΚ

0

0.7

0.4

0.5

0.6

0.9

0.8

1

50 300100 250150 200

PFDPF

%THD



61

แนวทางของฮารมอนกส (Harmonic Guidelines)

1. IEEE-519 2. จากดกระแสฮารโมนกสทถกจายแกโหลดทขนาดตาง ๆ

1

(5.4)sc

s

iSCR

i∴

เมอ SCI คอ กระแสลดวงจรและ 1SI คอกระแสหลก 3. ความสมพนธขนาดของกระแสทโหลดโดยมพนฐานบนอตราลดวงจร (SCR) กระแสลดวงจร (Short-Circuit Current : SCI )

รปท 5.6 (a) แหลงจายใชงาน

(b) กระแสลดวงจร

/ 1I ISC 11h [ 11 17hℜ ℜ 17 23hℜ ℜ 23 35hℜ ℜ 35 hℜ(%)

TotalHarmonicDistortion

20[

20 50Λ

50 100Λ

100 1000Λ

1000]

4.0

7.010.0

12.015.0

2.0

3.54.5

5.57.0

1.5

2.54.05.06.0

6.0

1.01.52.02.5

0.30.5

0.71.01.4

5.08.0

12.015.020.0

Odd Harmonic Order h

sV

sZ

( )a

sV

sZ scI

( )b



62

ชนดของวงจรสวนหนาของระบบขบเคลอน (Types of Electric Drive Front-Ends)

รปท 5.7 วงจรอเลกทรอนกสกาลงสวนหนา

� วงจรเรยงกระแสดวยไดโอด � วงจรสวตซโหมดคอนเวอรเตอร � วงจรไทรสเตอรคอนเวอรเตอร

วงจรเรยงกระแสแบบหนงเฟส (Single-Phase, Diode-Bridge Rectifier)

รปท 5.8 วงไดโอดเรยงกระแสแบบฟลบรดจ

� กาลงไฟฟาสงถงหลกกโลวตต � กระแสดงจากแหลงจายเฉพาะชวงสน ๆ ทแรงดนชวขณะทแหลงจายมากกวาแรงดนทตวเกบประจ

( )a ( )b ( )c

sv sL

si

sR

1 2

34

dri di

dv dCeR q



63

Peak-Charging Circuit

รปท 5.9 รปคลนกระแสและแรงดนในวงจรเรยงกระแสดวยไดโอด

� กระแสจะมลกษณะใกลเคยงสเหลยมมากขนเมอ SL มากขน

D2

Rload

20.0

Rd

10m

Vs Cd

1000uFIC = 150V

Ld

1uH

Ls

{Ls_Value}

D4

PARAMETERS:Ls_Value = 1mH

D1Rs

10m

0

D3

0

dri

1t 2t 3t

sv

dv

dri

sisi

t÷



64

วงจรเรยงกระแสดวยไดโอดสามเฟส (Three-Phase, Diode-Bridge Rectifier)

รปท 5.11 วงจรเรยงกระแสดวยไดโอดสามเฟส

1 3

64

dri

dv dCeR q

avsL

bvsL

5

2

bvsL

( )a

avsL

bv

13

5

4

6

2

sL

cvsL

driP

N

ai

( )b



65

แรงดนและกระแสเมอปราศจาก dC (Voltage and Current Without dC )

รปท 5.12 รปคลนในวงจรเรยงกระแสสามเฟส ( dri คงท)

� pv ตองมคาเปนบวกตลอดชวงการนากระแส � Nv ตองมคาเปนลบตลอดชวงการนากระแส � เมอไมม dC กระแสเฟสจะไหลตลอดชวง 120∈

Cd

500uF

IC = 280V

Rload

16.5

D1

1m

D3 D5 5m

1m

D4 D2

0

0.1mH

0.5mH

Va 0.1mH

D6

1m

0.1mH

VcVb

2 LLV

dV

Φ Γb

120�

60�

0

ai

t•

bi

ci

t•

Φ Γc

av bv cv

pv0 t

Φ ΓaNv



66

การหลกเลยงกระแสพง (Avoiding Large Inrush Currents)

รปท 5.14 การหลกเลยงกระแสพง

� ตวตานทานจากดกระแสพงชวงเรมตน � ตวตานทานถกสวตซออกเมอเรมทางาน

Φ Γa Φ Γb



67

บทท 6 วงจรแกไขตวประกอบกาลงและการออกแบบสวนควบคมปอนกลบ (Power-factor-Correction (PFC) Circuits and Designing the Feedback Controller)

6.1 บทนา 6.2 วงจรแกไขตวประกอบกาลงเฟสเดยว (PFC) 6.3 สวนควบคม PFC 6.4 การออกแบบสวนควบคมกระแสวงใน 6.5 การออกแบบสวนควบคมแรงดนดานเอาทพท 6.6 ตวอยางวงจรแกไขคาตวประกอบกาลง 6.7 ผลจาลองการทางาน 6.8 สวนปอนไปขางหนาของแรงดนอนพท

การสรางวงจรแกไขตวประกอบกาลง (PFC)

� มพนฐานบนวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรเพอรกษารปรางของกระแสอนพท

�d sV V] (6.1)

รปท 6.1 วงจรแกไขคาตวประกอบกาลงและรปคลน

svsL

si 1 2

34

dC R dV

di

sV

Φ Γq t

Φ Γa

0

sv

Li�

LI

siΦ Γb



68

Γ Η

Γ Η� Γ Η

11

1

o

s

s

o

Vv d t

V sin td t

V÷

∴

Λ

{ ∴ Λ

(6.2)

รปท 6.2 แบบจาลองเฉลยและรปคลน

รปท 6.3 กระแสในภาคเอาทพท

0

sv

Li�

LI

Γ Ηb

dV

1

0

Γ Ηd t

t

t1t

sv

Γ ΗLi tΛ

dL

Γ Η1 dΛ 1

Γ Ηdi tΛ

dC

rRdv

Γ Ηa

diΛ

2di dI

dv



69

สวนควบคมของวงจรแกไขคาตวประกอบกาลง (Control of PFCs)

รปท 6.4 สวนควบคมของวงจรแกไขคาตวประกอบกาลง

VoltageController

CurrentController

PowerStage

Φ Γcv tΦ Γq t d

v

Li

Φ Γ*

Li t^*

LI

rv



70

การออกแบบวงปดกระแสแบบคาเฉลย (Designing Inner Average-Current-Control Loop)

รปท 6.5 สวนควบคมกระแสในวงจรแกไขคาตวประกอบกาลง

CurrentController

PWMIC

PowerStage

Φ Γa

Li

dvΦ Γd tΦ Γcv t

Φ Γ*Li t

θ

CurrentController

PWMIC

PowerStage

Φ ΓiG s ^1

rVin

d

VsL

Φ Γd s�

Φ ΓLi s�

Φ Γ*

Li S�

Φ Γb

Φ Γcv s�



71

การออกแบบลปแรงดน (Designing the Outer Voltage Loop)

รปท 6.6 สวนควบคมแรงดน



72

ตวอยางการออกแบบวงจรแกไขคาตวประกอบกาลงแบบเฟสเดยว (Example of Single-Phase PFC System)

ตารางท 6.1 คาพารามเตอร

การออกแบบลปกระแส (Design of the Current Loop)

การออกแบบลปแรงดน (Designing the Outer Voltage Loop)

, , s rmsNominal input ac source voltage V ,Line frequency f

, dOutput voltage V Maximum Power Output , sSwitching frequency f

,Output Filter capacitor r, dInduction L

,Full Load Equivalant Resistance RΚ

120V60Hz

Φ Γ250V dc250W

100kHz220 F↑100mυ

250υ



73

ในตวอยางนทโหลดเตมพกด (Full Load) ทรานเฟอรฟงกชนระบบตามสมการท 6.15 มโพลทความถ 18.18 /rad s (2.89 ) Hz กระแส � 2.946LI A∴ ทโหลดเตมพกดและสมการ 6.8 แรงดน �

2dV = 6.029 V จากการสรปในหวขอทผานมานน ฮารโมนกสอนดบสองถกจากดอยท 1.5 % ของ LI� ซงกคอ � 0.442LI A[ เมอใชคาเหลานแลวจากสมการ 6.17-6.18 คาพารามเตอรตางๆ ในทรานเฟอรฟงกชนของตวควบคมแรงดนตามสมการ 6.16 จะมคาดงน 0.0722Vk ∴ และ

Γ Η76.634 / 12.2cv rad s Hz÷ ∴

Γ Η (6.19)1

vv

cv

kG s

s÷∴

ϑ

รปท 6.7 วงจรออปแอมปสาหรบทรานเฟอรฟงกชน Φ ΓvG s

1

2

1

100 7.2 1.8

R kR kC F↑

∴ υ

∴ υ

∴

1R

1R

1R 2R

1C

out

in



74

R4125.0

Nvp=1

TWO_PORT1

VP1CP1

com

mon

Ncp

R6

125.0

abs(sin(376.99*time))

iL

Vo

C22200uF

IC = 250V1-V(%IN)

+ -

H1

HNOM

k1+s/wp

FIRST_ORDER_SUBCKT1

k = 0.72wp = 78.92

L2

0.2mH

U3

TOPEN = 100ms

12

R1

10m

170*abs(sin(376.99*time))

0

0

V5250

0.99

0.01

-+

+-

E1

ENOM

iL

0

D3

R3100m

k*(1+s/wz)s*(1+s/wp)

TYPE_TWO_SUBCKT1

wz = 1.68E4k = 843.52

wp = 2.34E5



75

สวนปอนไปขางหนาของแรงดนอนพท (Feeedforward of the input voltage)

รปท 6.10 สวนปอนไปขางหนาของแรงดนอนพท

VoltageController

*

dV

^

^

,

s

s nom

V

V

N^*

LI

sin t÷

⋅ CurrentController

Γ Ηcv t

rv

Γ Ηq t

Li

dvΓ Η*

Li t



76

บทท 7 วงจรแมเหลกไฟฟา (Magnetic Circuit) 7.1 กระแสตอรอบและฟลกซ 7.2 ขดลวดเหนยวนา (L) 7.3 กฏของฟาราเดย 7.4 ฟลกซรวและคาเหนยวนาแมาเหลก 7.5 หมอแปลง กระแสตอรอบและฟลกซ (Ampere-Turns and Flux)

รปท 7.1 โครงสรางแมเหลกเมอมชองอากาศ

i m g♣ ♣ ♣∴ ∴

W d

gl



77

คาเหนยวนา (Inductance)

(7.5)m m mN L i↑ ♣∴ ∴

รปท 7.2 ขดลวดเหนยวนา พลงงานสะสมในรปของสนามแมเหลก (Energy Storage due to Magnetic Filds)

ζ |2

23

1 (7.6)21 / (7.7)2

mW L i J

Bw J m→

∴

� �∴ � �

(Faraday’s law : Induced voltage in a coil due to time-rate of change of flux linkage)

รปท 7.3 ขวแรงดนและทศทางของฟลกซและกระแส

mτmA

m{

i

N

6 7a

6 7 6 7 6 7 m mm

NAl N

m m m mi H B{

τ ζ

�ℜ⌡ �

ℜ ℜ ℜ �⊂⊂⊂… ⊂⊂⊂… ⊂⊂⊂… ⊂⊂⊂…i

2

mm

m m

NL

A{

Κ�

6 7b

6 7tτ

N

6 7i t

6 7e t



78

Γ Η Γ ΗΓ Η

Γ Η

Γ Η Γ Η Γ Η1

0

(7.8)

10 (7.9)

d de t t N tdt d t

t e dN

↑ ♣

♣ ♣ ∝ ∝

∴ ∴

∴ ϑ � i

ฟลกซรวและฟลกซแมเหลก (Leakage and Magnetizing Inductances)

รปท 7.4 (a) ฟลกซแมเหลกและฟลกรว (b) วงจรแมเหลกเทยบเคยง

รปท 7.5 (a) แทนดวยวงจร (b) ฟลกซรวแยกจากแกน

i i

e e

( )a

mτ

1τ

( )b

mτ( )i t

( )i t1diLdt

( )e t ( )e t( )me t

1L

mL ( )v t ( )me t

( )a ( )b



79

หมอแปลง (Transformers)

รปท 7.6 หมอแปลงเมอมขดลวดพนรอบแกน

m♣

1N

2N

3N

1i

2i

3i

1e

2e

3e



80

บทท 8 แหลงจายไฟตรงแบบสวตซชง (Switch-Mode DC Power Supplies) 8.1 วเคราะหแหลงจายไฟตรงแบบสวตซชง 8.2 การแยกทางไฟฟา 8.3 การแบงประเภทของแหลงจาย 8.4 ฟายแบคคอนเวอรเตอร 8.5 ฟอรเวรดคอนเวอรเตอร 8.6 ฟลบรดจคอนเวอรเตอร 8.7 ฮารฟบรจดและพชพลคอนเวอรเตอร 8.8 ขอพจารณาทางปฎบต แหลงจายไฟตรงแบบสวตซชง (Switch-Mode DC Power Supplies)

รปท 8.1 บลอกไดอะแกรมของแหลงจายไฟตรงแบบสวตซชง

� ตองการการแยกทางไฟฟา

dc to HF ac

transformerHF

Feedbackcontroller

inputrectifier

inV

60Hzac

log

topo y to convertdc to dc with isolation

0

OutputV

*0V



81

การแบงประเภท � ฟลายแบคคอนเวอรเตอรมพนฐานจากบค-บสคอนเวอรเตอร � ฟอรเวรด คอนเวอรเตอรมพนฐานจากวงจรบคคอนเวอรเตอร � ฟลบรดจและฮารฟบรดจคอนเวอรเตอรมพนฐานจากบคคอนเวอรเตอร

ฟลายแบคคอนเวอรเตอร (Flyback Converters)

รปท 8.2 บค-บส และฟลายแบคคอนเวอรเตอร

Λ

ϑ

Γ Ηa

oV

ϑ

Λ

Li inVΛ

ϑ

Γ Ηb

ϑ

Λ

LiinV

Λ

ϑ

inV

ini outi

oV

oVϑ

Λ

Γ Ηc



82

รปท 8.3 รปคลนฟลายแบคคอนเวอรเตอร

V20.4V

D2

C2

1n

R3

1meg0

V132V

+

S1 1m

C1100uFIC = 4.15V

TX1

COUPLING = 0.999L1_VALUE = 30uHL2_VALUE = 1.875uH

R21.0

0

R4

100.0PWM_SAW1

fs = 200kHz

1 2c s



83

ฟอรเวรดคอนเวอรเตอร (Forward Converters)

รปท 8.4 บคและฟอรเวรดคอนเวอรเตอร

รปท 8.5 การควบคมฟอรเวรดคอนเวอรเตอร

2

1

(8.2)o mN

V DVN

� �∴ � ��

Λ

ϑ

ϑ

Λ

oVinV Λ

ϑ

inV

Γ Ηq t

1N

3N

2N

3D1D

2D Avϑ

Λ

Li

Λ

ϑ

oV

Γ Ηq t

Li

Γ Ηa Γ Ηb

Γ Η2 / 2 inN N V

Γ Η2 / 2 inN N DV

sDTsT

t

Av



84

รปท 8.6 ฟลกซของฟอรเวรด คอนเวอรเตอร

D4

D3

V20.4V

V150V

R3

1meg

L2

7.5uHIC = 3A C1100uF

IC = 4.15V

0

0

D2

+

S1 1m

o

o

o

XFRM_3W1

R21.0

R5

100k

PWM_SAW1

fs = 200kHz

1 2c s

D5

sDT

sT

demagT

0

m♣

t



85

ฟอรเวรดคอนเวอรเตอรแบบสวตซสองตว (Two-Switch Forward Converters)

รปท 8.7 ฟอรเวรดคอนเวอรเตอรแบบสวตซสองตว

ฟลบรดจคอนเวอรเตอร (Full-Bridge Converters)

รปท 8.8 ฟลบรดจคอนเวอรเตอร

รปท 8.9 รปคลนฟลบรดจคอนเวอรเตอร

Λ

ϑ

inV

1T

2T1D

2D0D

FD

Li

( )q t

inVΛ

ϑ

Li

Λ

ϑ

Λ

ϑ

1T

4T

3T

2TΛ

ϑ

1v

1N

2N

2N

1D

2D

Av0V

sDT sDT

0

1v inV

( )inVΛt

sT



86

� Pulse-Width Modulated (PWM), and � Phase-Shift Modulated (PSM)

การควบคมพสซวทมอดดเลชน (PWM Control)

รปท 8.10 พสซวทมอดดเลชนไอซ และสญญาณควบคมทรานซสเตอร

รปท 8.11 วงจรยอยฟลบรดจ

cv

rv

1 2 to T and T

3 4 to T and T

rv

0cv

1 2,T Ton

3 4,T Ton

1 2,T Ton

alloff

alloff

alloff

( )b

( )a

Li

Λ

ϑ

Λ

ϑ

Λ

ϑ

2v 0Av ∴

0V

Li

Λ

ϑ

Λ

ϑ

1N

2N

2N

1D

2D

Avϑ

1v

Λ

1i

0V

2

1in

N VN

Λ

ϑ

2vℑΛ

ϑ

1vLi

/ 2Li

/ 2Li

( )a ( )b



87

รปท 8.12 รปคลนฟลบรดจ คอนเวอรเตอร

2

1

2 (8.3)o

m

V ND

V N� �

∴ � ��

0

1v

1 2,T T

3 4,T T

sDT

/ 2sT

sT

t

sv

0

2

1in

N VN

20

1

2A inNV V DVN

∴ ∴

t



88

ฮารฟบรดจ และพชพล คอนเวอรเตอร (Half-Bridge and Push-Pull Converters)

รปท 8.13 ฮารฟบรดจ และพชพล คอนเวอรเตอร

inVΛ

ϑ

Li

Λ

ϑ

Λ

ϑ2inV 1T

2TΛ

ϑ

1v

1N

2N

2N

1D

2D

Av0V

Λ

ϑ

Λ

ϑ

2inV

Li

1T 2TinVΛ

ϑ

Λ

ϑ

Av

( )a

( )b



89

บทท 9 การออกแบบขดลวดและหมอแปลงความถสง (Design of High-Frequency Inductors and Transfomers) 9.1 บทนา 9.2 การออกแบบแมเหลกไฟฟาเบองตน 9.3 โครงสรางขดลวดและหมอแปลงไฟฟา 9.4 วธผลคณพนท 9.5 ตวอยางการออกแบบตวเหนยวนา 9.6 ตวอยางการออกแบบหมอแปลงสาหรบฟอรเวรดคอนเวอรเตอร 9.7 ขอพจารณาทางความรอน พนฐานของการออกแบบแมเหลกไฟฟา (Basics of Magnetic Design)

� ความหนาแนนฟลกซสงสง ( maxB ) ในแกนแมเหลกถกจากดดวยความสญเสยของแกน � ความเขมกระแสสงสง ( maxJ ) ในขดลวดตวนาถกจากดดวยเงอนไขการสญเสย

โครงสรางของขดลวดเหนยวนาและหมอแปลง (Inductor and Transformer Construction)

รปท 9.1 ภาพตดขวาง

coreA

windowA

condA

coreA

windowA

♣

( )a ( )b



90

วธผลคณพนท (Area-Product Method) พนแกนใชงาน

พนทแกนตดขวาง

รปท 9.2 รปคลนในหมอแปลงสาหรบฟอรเวรดคอนเวอรเตอร



91

Core Area-Product p core windowA A A∴ (9.8)

ตวเหนยวนา : rmsp

w max max

LIIAk J B

[

�

(9.9)

หมอแปลง : ,cond y y rmsp

w max max s

k V IA

k J B f∑

= (9.10)

การออกแบบ

ตวเหนยวนา : 22

0g

0

g coreg

max core g core

l N ALI NN L lB A A L

µ

µ= ℜ =

ℜ

�

� � (9.11)

หมอแปลง : cond yy

core s max

k VN

A f B= (9.12)

ตวอยางการออกแบบขดลวดเหนยวนา

ในตวอยางนจะพดถงการออกแบบขดลวดเหนยวนาทมคาเทากบ 100 H↑ กระแสทไหลผานขดลวดเหนยวนามากทสดตามรปท 9.3 เมอกระแสเฉลย Φ Γ 5I A[ และกระแสกระเพอม 0.75I Aβ [ ทความถสวตซชง Φ Γ 100sf kHz[ , สมมตใหคาสงสดของความหนาแนนฟลกซ Φ ΓmaxB และความหนาแนนกระแส Φ ΓmaxJ เทากบ 0.25T และ 26.0 /A mm ตามลาดบ (แตสาหรบแกนขนาดใหญจะอยในชวง 23 4 /A mmΚ ) สาหรบคาแฟคเตอร Φ Γ 0.5wk [

รปท 9.3 รปคลนกระแสตวเหนยวนา

Li

I

t

Iβ



92

จากแคตตาลอกของแมเหลก [2] เลอกใชชนดวสดชนด P ซงมความหนาแนนฟลกซอมตว

0.5T และเหมาะสมสาหรบใชในความถสวตซชงท 100kHz แกนแบบพอตขนาด 16 16 ดงแสดงในรปท 9.4 โดยใชในชดทดลองมพนทของแกน Φ Γ 293.1coreA mm[ และพนทหนาตาง Γ Η 239windowA mm∴ ดงนนเมอเลอกใชแกนนจะมผลคณของพนท 293.1 39 3631pA mm[ [

รปท 9.4 แกนแบบพอตตดตงแบบปลกอน



93

ตวอยางการออกแบบหมอแปลงสาหรบฟอรเวรดคอนเวอรเตอร ขอกาหนดและพารามเตอรสาหรบการออกแบบหมอแปลงในฟอรเวรดคอนเวอรเตอรมดงน ความถสวตซชง Φ Γ 100sf kHz[ และ 1 2 3 30V V V V[ [ [ สมมตใหคา rms ของกระแสในแตละขดมคา 2.5A เลอกคา สาหรบออกแบบ 0.25maxB T[ และ 25 /maxJ A mm[ 0.5wk [ 0.5convk [

� 2, 1800y rms y

y

kconvA V I mmp k f B Jw s max max[ [�

สาหรบแกนพอต ψ {22 13 2 , 263.9 ,coreA mm[ 229.2 ,windowA mm[ ดงนน

41866pA mm[

1, 2,1

2.5 0.55

rmscond

max

IA mm

J[ [ [

เมอใชขดลวดมาตรฐาน 25AWG แตละขดลวดมพนทตดขวาง 20.16mm

Γ Η Γ Η1 6 3

0.5 30 1063.9 10 100 10 0.25

N⊥

∑

ν

∑ ∑ ∑ ∑

� 1 2 3 10N N Nν ν ν



94

บทท 10 ซอฟทสวตซสาหรบดซทดซ คอนเวอรเตอร ประยกตใชงานกบขดลวดเหนยวนา และหลอดฟลออเรสเซนต (Soft-Switching in DC-DC Converters and Converters for Induction Heating and compact Fluorescent Lamps) 10.1 บทนา

10.2 ฮารดสวตซชงในสวตซชงเพาเวอรโพล 10.3 ซอฟทสวตซชงในสวตซชงเพาเวอรโพล 10.4 อนเวอรเตอรสาหรบขดลวดเหนยวนาความรอนและหลอดฟลออเรสเซนต

ฮารดสวตชชงในสวตชชงเพาเวอรโพล (Hard-Switching in Switching Power-Poles)

รปท 10.1 ฮารดสวตชชงในเพาเวอรโพล

ซอฟทสวตชชงในเพาเวอรโพล (Soft-Switching in Switching Power-Pole) สามารถแบงไดคอ

- ZVS (zero voltage switching) - ZCS (zero current switching)

Ι

Κ

inVGGv GGR Ι

Κ

DSvDi

oI

Φ Γa

inV

DSv

Di

rit fvt

,c ont

oIDSv

inV

Di

rvt fit

,c offt

t

swpin oV I

,c ont

swpin oV I

,c offtt

Φ Γb



95

- Zero Voltage Switching (ZVS)

รปท 10.2 ZVS ในมอสเฟต ซงโครนสเรกตฟาย บคคอนเวอรเตอร (Synchronous Buck Converter With ZVS)

รปท 10.3 ซงโครนสเรกตฟาย บคคอนเวอรเตอร

รปท 10.4 ซงโครนสเรกตฟาย บคคอนเวอรเตอร (ZVS)

Γ Ηa Γ Ηb



96

C4

5nF

GA2

GA2

D2

GA1

C5

5nF

PARAMETERS:

PulseWidth = 4.5us

Period = 10us

TDLY1 = 5.5us

TDLY2 = 0.5us

R6

10.0

V8

TD = {TDLY2}

0

L1

20uHIC = 2A

D3

GA1

V7

TD = {TDLY1}

0

0

V121V

C21000uFIC = 10V



97

เลอนเฟสมอดดเลชนดซทดซ คอนเวอรเตอร

รปท 10.6 มอดดเลชนแบบเลอนเฟสดซทดซคอนเวอรเตอร

ϑ

Λ

inV

AT ϑ

AT Λ

Γ Ηa

ADϑ

ADΛ

BT Λ

BDΛ

BT ϑ

BDϑ

AABi

ϑ

Λ

ABv

Av

Bv

ABv

ABi

t

t

t

t

t

Γ Ηb



98

การใชงาน คอนเวอรเตอรแบบผสม (Hybrid Converter)

รปท 10.7A การใชงานคอนเวอรเตอรแบบผสมทใหประสทธภาพสง



99

บทท 11 การขบเคลอนมอเตอรไฟฟา (Electric Motor Drives) 11.1 บทนา 11.2 ความตองการทางกล 11. 3 แนะนาการขบเคลอนมอเตอรไฟฟา และการควบคม 11.4 มอเตอรไฟฟากระตรง 11.5 มอเตอรไฟฟากระแสสลบแบบแมเหลกถาวร 11.6 มอเตอรเหนยวนา 11.7 สรป

ElectricDrive

Φ Γ

Electric Source

Utility

fixedform

Φ Γ

PowerProcessingUnit PPU

adjustable

form

Motor

/speedposition

Sensors

Controller

Φ Γ

/

input commandspeed position

Load

รปท 11.1 บลอกไดอะแกรมของระบบขบเคลอนไฟฟา



100

ความตองการทางระบบจกรกล (Mechanical System Requirements) ระบบโหลดมอเตอรแบบหมน (Rotational Motor-Load Systems)

Motor emTm÷ Load

LT

Γ Ηa

ζ | ζ |ζ |mNNfrT

m ∴

∴

�emT

LT

ϑ

Λ

JTeqJ1

� �m″m÷′

Γ Ηb รปท 11.2 มอเตอรและโหลดทอรกทมการเชอมโยงทางกล

Γ Η Γ Η Γ Η

Γ Η Γ Η Γ Η

mTp

dt

mmtm

dt

mtm

eqJJT

÷

∝∝÷″″

∝∝′÷÷

′

∴

�ϑ∴

�ϑ∴

∴

00

00



101

มอเตอรกระแสตรง (DC Motors)

รปท 11.9 มอเตอรกระแสตรง



102

บทท 12 การสงเคราะหระบบไฟตรงและไฟสลบความถตาสาหรบระบบขบเคลอนไฟฟาและแหลงจายไฟสารอง (UPS) (Synthesis of DC and low-frequency Sinusoid AC Voltages for Motor Drives and UPS) 12.1 บทนา 12.2 การสรางบลอกไดอะแกรมสวตซชงเพาเวอร 12.3 ระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระสตรง 12.4 ระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบ 12.5 แหลงจายไฟแรงดนแบบสงผานกาลงไฟฟาสองทศทาง 12.6 แหลงจายไฟสารอง

รปท 12.1 ระบบแรงดนเชอมโยง

รปท 12.2 คอนเวอรเตอรสาหรบระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสตรง และกระแสสลบ

Utility

1CONV 2CONV

Load

Ι

Κ

Controller

dc motor

oi

Ι

Κ

ae

Ι

Κ

ov

B

A

Κ

Ι

dV

Φ Γa

B

A

Κ

Ι

dV

C

Av

Bv

Cv

Ai

n

ac motor

Φ Γb



103

การสรางบลอกไดอะแกรมของสวตชชงเพาเวอรโพล (Switching Power – Pole as the Building Block)

รปท 12.3 สวตชชงเพาเวอรโพลแบบสองทศทาง พลซวทมอดเลชนสาหรบสวตชเพาเวอรเพาเวอรโพลแบบสองทศทาง (Pulse – Width – Modolation (PWM) of the Bi – Directtional Swithch Power – Pole )

รปท 12.4 ปรบดวตไซเคลทบรเวณรอบ 0.5 โดยปรบ ANv รอบๆ

2dV

A

Λ

ϑ

dV

Aq N

ANv

dAi

Ai

Λ

ϑ

Γ Ηa

Buck Boost

dV

ϑ

Λ

Ai

q qΛ

ϑ

Λ

ANv

Γ Ηb Γ Ηc

AidAi

dV

1: Ad

Λ

ϑ

ANv

AidAi

dV

1: Ad

,c Av

Λ Λ

ϑ

ϑ

Γ Ηa

Aq Ad

12

t

ANv

t

2dV

0

Γ Ηb

Aq

0

ANvAq



104

รปท 12.5 สวตชชงเพาเวอรโพล และรปคลนแรงดน, กระแส

dAi

AdV

ϑ

Λ

ANvΛ

ϑ

Ai

Γ ΗAq t

Γ Η,c Av t

Γ Ηtriv t

Γ Ηa

^

triV Γ Ηtriv t ,c Av

t0

sT

Γ ΗAq t

Γ ΗAd t

t0

0Γ ΗAd t T

sT

0

Ai

tΓ Ηb

Γ ΗANv t

ANvΛ

t0



105

รปท 12.6 พลซวทมอดดเลชนเพาเวอรโพลในรปคาเฉลย

ฮารมอนกส aV และ dAi ในรปคลน PWM (Harmonics in the PWM Wavefroms aV and dAi )

รปท 12.7 ฮารมอนกสสวตชชงเพาเวอรโพล



106

ระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC-Motor Dives)

รปท 12.8 ระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบสจตภาค

Γ Η Γ Η�

Γ Η

Γ Η Γ Η�

Γ Η

Γ Η Γ Η Γ Η��

Γ Η

0.5 0.5 (12.4)

0.5 0.5 (12.5)

AN

BN

o AN BN

tri

dA d d c

tri

dB d d c

tri

dc

Vv t d t V V v t

VV

v t d t V V v tV

Vv t v t v t v t

V

∴ ∴ ϑ

∴ ∴ Λ

∴ Λ ∴ (12.6)

Γ Η Γ Η Γ Η Γ Η Γ Η

Γ Η Γ Η

Γ ΗΓ Η

�Γ Η

(12.7)

(12.8)

d dA dB A B

d

tri

A B

A B o

co

i t i i d t i t d t i t

i i t i t

V ti t i t

V

∴ ϑ ∴ ϑ ϑ

∴ Λ ∴

∴ (12.9)

Γ Ηa

dc motor

oi

ϑ

Λ

ae

ϑ

Λ

ov

B

A

Λ

ϑ

dV

Γ Ηb

0i

0v



107

รปท 12.9 คอนเวอรเตอรสาหรบระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสตรง

oi

ae

Ι

Κ

ov

B

AΚ

Ι

dV

( )Aq t

( )Bq t

Bi

dBiAidAi

di

N

( )a

dAi

dV

Κ

Ι

Φ ΓAd t

�

�

DC Motor

( )BNv t

Ι

Κ

dBi

0i

( )ANv t

Ι

Κ0 ( )v t

Ι

Ι

Ι

Ι

, ( )c Av t

12

12

1Κ( )cv t

, ( )c Bv t

�

12 tr iV

�

12 tr iV

( )b

Φ ΓBd t

,c Av

0

,c Bv

triv

t

( )Aq t

0 t

0 t

( )Bq t

0 t

0 t0 ( )i t

0 t

( )dAi t dAi

0 t

0 t( )dBi t

dBi

( )di t d dA dBi i i[ Ι

( )c



108

การขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบ (AC-Motor Drives)

รปท 12.10 คอนเวอรเตอรสาหรบระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบและแหลงจายสารอง

Φ Γ �

Φ Γ � Φ Γ

Φ Γ �

, 1

, 1

,

(12.10)

120 (12.11)

cc A

cc B

cc C

v t V sin t

v t V sin t

v t V

•

•

[

[ Κ ∈

[ Φ Γ1 240 (12.12)sin t• Κ ∈

Φ Γ�

�

Φ Γ� Φ Γ

�

Φ Γ�

1

1

0.5 (12.13)

1200.5 (12.14)

0.5

cA

tri

cB

tri

cC

V sin td tV

V sin td t

VV s

d t

•

•

[ Ι

Κ ∈[ Ι

[ ΙΦ Γ�

1 240 (12.15)

tri

in t

V

• Κ ∈

B

A

Κ

Ι

dV

C

Av

Bv

Ai

n

Φ ΓAd t Φ ΓBd t Φ ΓCd t

Φ Γb

Φ Γ,c Av t

Φ Γ,c Bv t

Φ Γ,c Cv t

Φ Γtriv t

Ai

Bi

Ci

di

Φ Γa

di

AB

C

ac moter

��

dV

Ι

Κ



109

รปท 12.12 Duty -Ratioและคาเฉลยแรงดนเอาทพทในเพาเวอรโพล

Γ Η�

�

Γ Η�

� Γ Η

Γ Η�

1

1

0.5 (12.16)

0.5 120 (12.17)

0.5

dAN c

tri

dBN c

tri

dCN

tr

Vv t V sin t

VV

v t V sin tVV

v tV

÷

÷

� �∴ � ��

� �∴ Λ� ��

∴

�

� Γ Η

��

�

1 240 (12.18)

(12.19)2

ci

c d

tri

V sin t

VVVV

÷

� �Λ� �

� �

� �∴ � ��

�

0

0.5

Ad CdBd

t

t0

2dV

ANv CNvBNv

0

,c Av ,c Bv ,c Cv

t



110

รปท 12.11 รปคลนสวตซชงในคอนเวอรเตอรแบบสามเฟส

va

GC2

D8

V15

D6

0

GA2

+

1m

GA1

vb

0

+

S4 1m

D9

0

GB1V14

+

S2 1m

GB2

vc

R1

2.0

+

S6 1m

GA1

R3

2.0

V13

L2

10mH

IC = -7.07AV1

313.97V

D11+

S7

R4

2.0

GC2

vneutral

L1

10mH

IC = -7.07A

GA2

+

1m

D7

D10

0

L3

10mH

IC = 14.14A

V6

GC1

V5

PWM_TRI_3PH_SUBCKT1

fs = 1kHz

GB1GB2GC1GC2

vcA

vcB

vcC

GA1GA2

GB2

GC1GB1

V7



111

โครงสรางแรงดนเชอมโยงสาหรบสงผานกาลงไฟฟาสองทศทาง (Voltage – Link Structure with Bi – Directional Power Flow)

Φ Γai tΦ Γav tΙ Κ

Ι

Κ

dV

Φ ΓAi tΦ ΓAe t

Ι Κ

nΦ Γa

AC motor

Rectifier P motoringmode

regenerativebraking mode

Φ Γsav tΙ

Ι

Ι Κ

Κ

Κ

Φ Γai t

sL

c b a

cdbd ad

dVA B C

AdBd Cd

ac moter��

Φ ΓAi t Φ ΓAe t

neqL( )b

Ι

Κ

1saV 1aVΙ

Κ

1ai

sL

( )cΙ

Κ

Ι

Κ

AE

1AieqL

1AnVsinusodal



112

1

1

11

1

(12.20)

sa aa

s s

AAnA

eq

V VIJ L

V EIJ L

÷

÷

Λ

∴

Λ

∴ (12.21)

รปท 12.13 โครงสรางแรงดนเชอมโยงสาหรบสงผานกาลงไฟฟาสองทศทาง

แหลงจายไฟฟาสารอง (Uninterruptible Power Supplies (UPS))

รปท 12.14 บลอกไดอะแกรมของแหลงจายไฟฟาสารอง

รปท 12.15 แหลงจายไฟฟาสารองเฟสเดยว

Φ Γ �

Φ Γ � Φ Γ �

1

, 1 1

(12.22)

180 (12.23)C c

c B c c

v t V sin t

v t V sin t V sin t

⊇

⊇ ⊇

ν

ν ⊥ ⟨ ν ⊥

Rectifier Inverter FilterCriticalLoad

EnergyStorage

CriticalLoad

∴

⊥

dV

di

AqBq

Ai

Bi

∴

⊥ov

( )a

∴

⊥

dV∴

⊥

0v

Ai

BiBdAd

di

CriticalLoad

( )b



113

บทท 13 การออกแบบระบบควบคมปอนกลบสาหรบระบบขบเคลอนไฟฟา (Designing Feedback Controllers for Motor Drive)

13.1 บทนา 13.2 วตถประสงคของการควบคม 13.3 โครงสรางควบคมแบบลาดบขน 13.4 ขนตอนในการออกแบบตวควบคมปอนกลบ 13.5 แบบจาลองสญญาณขนาดเลกของระบบ 13.6 การออกแบบตวควบคม 13.7 ตวอยางของการออกแบบตวควบคม

วตถประสงคของการควบคมปอนกลบ (Feedback Control Objectives)

การควบคมปอนกลบ (Feedback Control) - ตองการใหระบบคงทนตอสญญาณรบกวน และการเปลยนแปลงของพารามเตอร

วตถประสงคของการควบคม (Control Objectives) - มคาผดพลาดสภาวะคงตวเปนศนย - มผลตอบสนองทางไดนามกทเรว และโอเวอรชตตา

θΙ

Κ

( )desiredreference

signal

error erroramplifier

PPU

ElectricMachine

MechLoad

output

measured output signal

ElectricSystem

��

MachanicalSystem

��

θ

Controller Plant

( )cG s ( )pG s( )E s

Ι

Κ

*( )X s ( )X s



114

- เกนมารจน ( Gian Margin ) - เฟสมารจน ( Phase Margin ) มากกวา 45∉ ทนยมคอ 60∉ การควบคมลาดบขน (Cascaded Control)

- ลปทอรก : เรวทสด - ลปความเรว : ชา - ลปตาแหนง : ชาทสด

ϑ

Λ

ϑ

Λ

ϑ

Λ

Positioncontroller

Position*Position

*speed

speed

Speedcontroller

*torque

( )torque current

Torquecontroller

ElectricalSystem

MechSystem

1s

torque speed



115

ขนตอนในการออกแบบตวควบคม (Steps in Designing the Controller)

- สมมตใหระบบเชงเสนทสภาวะคงตวรอบๆจดทางาน ( operating point ) จากนนออกแบบตวควบคมดวยทฤษฎควบคมแบบเชงเสน

- จาลองระบบดวยเงอนไขแบบจาลองสญญาณขนาดใหญ ในระบบแบบจาลองสญญาณขนาดเลก

- ระบบมสภาวะคงตวทจดทางาน - แบนดวทสงสดตองนอยกวาอนดบสาคญทตาทสดของความถสวตช - ละเลยองคประกอบของความถสวตช

ตวควบคมพไอ (PI Controller)

Φ Γ

Φ Γ1 (13.4)

/c i i

pi p

v s k k skE s s s k k

� �[ Ι [ Ι� ��

� �

� ในระบบควบคมทอรกและความเรว ตวควบคมแบบไอทาใหคาความผดพลาดสภาวะ

คงตวลดลง

Φ Γ*X s

Φ ΓE sΙ

Κ

pkΦ Γ,c pv s

Φ Γ,c pv sik

s

Ι

Ι Φ Γcontrolv s

Φ ΓcG s

��

Φ ΓpG

s

��

Φ ΓX s



116

การออกแบบตวควบคม (Controller Design) ลาดบขน (Procedure)

� ออกแบบลปทอรกเปนลาดบแรก � ออกแบบลปความเรวโดยสมมตใหลปทอรกอดมคต � ออกแบบลปตาแหนง (ชาทสด) โดยสมมตใหลปความเรวอดมคต

การออกแบลปทอรก (กระแส) (Design of the Torque (Current) Loop ) การเลอกคาพารามเตอร (Selecting Parameters) - เลอกคาศนยของพไอเพอกาจดโพลของมอเตอร - เลอก ilk เพอใหไดคาความถหกมม 1, CIk OL ÷∴ การออกแบบลปความเรว (Design of the Speed Loop)

� สมมตใหลปความเรวอดมคต � คาเกนตองเพยงพอสาหรบตวอนทรกรล



117

บทท 14 ไทรสเตอรคอนเวอรเตอร ( Thyristor Converters )

14.4 บทนา 14.2 ไทรสเตอร ( SCRs ) 14.3 ไทรสเตอรควบคมคอนเวอรเตอรแบบเฟสเดยว 14.4 ไทรสเตอรคอนเวอรเตอรควบคมแบบสามเฟสเตมคลน 14.5 ระบบเชอมโยงกระแส

ไทรสเตอร ( Thyristors ( SCRs )

รปท 4.1 ไทรสเตอร

รปท 14.2 วงจรไทรสเตอรแบบงาย

ϑ

Λ

sv

si

dv

ϑ

Λ

Γ Ηa

( )a

A

G

K

PN

A

K

NP

P

1pn2pn3pn( )b



118

ไทรสเตอรคอนเวอรเตอรควบคมแบบเฟสเดยว (Single – Phase,Phase – Controlled Thyristor Converters )

รปท 14.3 ไทรสเตอรคอนเวอรเตอรเฟสเดยวแบบเตมคลน

รปท 14.5 ผลของมมลาหลง′

svsL

si 1

2

3

4

di

dv

Γ Ηa

1

2

3

4

dvsv

sidi

Γ Ηb

Rectifier

dI

Γ Ηb

dV

d dP V I∴ ∴ ϑ

d dP V I∴ ∴ Λ

Inverter

0 ′

Γ Ηa

90�

dV

150� 180�



119

ผลของ sL ตอกระแสสลบคอมมเตชน (The Effect of sL on Current Commutation)

รปท 14.6 ผลของ sL ตอกระแสคอมมเตชน

vs

Gp1

AGK

+ -

Ls1

0.2mH2k

Gp4

0

2

AGK

Rs

1m

-1vs

0

Gp3

-+

+-

E1

ENOM

control voltage

vs

3

4

c

Gp3

RLoad5.0

Gp4

Gp1

AGK

c

cTHY_TRIG_SUBCKT1

f = 60C PV

Gp2

THY_TRIG_SUBCKT2

f = 60C PV

0.25

-+

+-

E2

ENOM

0

0

Gp2

0

+ -

Ls2

1mH10k

Gp1

Vs

1

+ - Ld20mH200k

Gp4

AGK

1

2

3

4

dvsv

1i

dI

Γ Ηa

2i

3i

4i

sLsi



120

ไทรสเตอรคอนเวอรเตอรฟลบรดจชนดสามเฟส (Three – Phase,Full - Bridge Thyristor Converters )

รปท 14.7 ไทรสเตอรคอนเวอรเตอรฟลบรดจชนดสามเฟส

1 3

64

di

avai

bvsL

5

2

bv

Γ Ηa

av 13

5

4

6

2

dI

N

aiP

dv

Γ Ηb



121

บทท 15 การประยกตใชงานของอเลกทรอนกสกาลง (Utility Application of Power Electronics)

15.1 บทนา 15.2 อปกรณสารกงตวนา และความสามารถของอปกรณ 15.3 ประเภทของระบบอเลกทรอนกสกาลง 15.4 การประยกตใชงาน DG 15.5 โหลดของอเลกทรอนกสกาลง 15.6 ประสทธภาพของกาลงไฟฟา 15.7 การประยกตใชงานระบบสงกาลง

∏Distributed Generation (DG) - แหลงพลงงานใหม ( Renewable Resources ) เชน ลม ( Wind ) แสงอาทตย

( Photovoltaic ) ∏ โหลดของอเลกทรอนกสกาลง (Power Electronic Load )

- การปรบความเรวระบบขบเคลอน ( Adjustable Speed Drives ) ∏ การแกไขประสทธภาพกาลงไฟฟา (Power Quality Solution )

- Dual Feeder - แหลงจายไฟฟาสารอง ( UPS ) - Dymamic Voltage Restorers

∏ ระบบสงกาลง และกระจาย - แรงดนสง DC ( HVDC ) และ แสง ( HVDC ) - Flexible AC Transmission ( FACTS ) � การชดเชยแบบขนาด ( Shunt Compensation ) � การชดเชยแบบอนกรม ( Seris Compensation ) � ระบบควบคมเฟส และการควบคมการไหลของพลงงาน ( Static Phase Angle Control and

Unified Power Flow Controllers )



122

ความสามารถของอปกรณสารกงตวนากาลงแตละชนด (Power Semiconductor Device and their Capabilities)

รปท 15.1 อปกรณสารกงตวนากาลง ประเภทของระบบอเลกทรอนกสกาลง (Categorizing Power Electronic System) สวตชโซลดสเตท (Solid - State Switches)

รปท 15.2 การใชไทรสเตอรตอ back to back เปน Solid - State Switch

IGCT IGBT MOSFET

Φ Γa

Thyristor

IGBTIGCT

MOSFET

Switching Frequency Φ ΓHz

Φ Γb

110 210 310 410

210

410

610

810

Thyr

isto

r

Pow

er(V

A)



123

คอนเวอรเตอรในการเชอมตอ (Converters as an Interface)

รปท 15.3 การเชอมตออเลกทรอนกสกาลง

ระบบเชอมโยงดวยแรงดน (Voltage – Link Systems)

รปท 15.4 บลอกไดอะแกรมของระบบเชอมโยงแรงดน

ระบบเชอมโยงดวยกระแส (Current – Link Systems)

รปท 15.5 บลอกไดอะแกรมของระบบเชอมโยงกระแส

Controller

Source Load

Converter

ϑ

Λ1AC 2AC

1AC 2AC



124

การประยกตใชงาน (Distributed Generation (DG))

รปท 15.6 Distributed Generation (DG) Systems

Control Center

Central PowerStation

( )

Combined Heat and PowerPlant CHP

FactoryCommercial BuildingHouseApartment Buileing

Ι

Ι

Ι

Ι

Fuel CellSmart HousePerformance Building

Ι

Ι

Solar Power PlantsCHP House

Wind Power PlantVillageCommercial

Building

Ι

Ι

Micro TurbineHospitalCommercial

Building

Λ

Ι

Ι



125

ระบบไฟฟาแรงลม (Wind – Electric Systems)

รปท 15.7 Doubly – Fed ในเครองกาเนดเหนยวนาสาหรบระบบไฟฟาแรงลม

ระบบไฟฟาแสงอาทตย (Photovoltaic (PV) Systems)

รปท 15.8 ระบบไฟฟาแสงอาทตย

WindTurbine AC

DC AC

DC

Generator sideConverter

Λ Grid sideConverter

Λ

Wound rotorInduction Generator

IsolatedDC DCConverter

Λ

PWMConverter

1Untility↔.

Max Powerpoint Tracker

Λ



126

ระบบเซลลเชอเพลง (Fuel Cell Systems)

ระบบการเกบพลงงาน (Energy Storage Systems)

รปท 15.9 ระบบ Flywheel

AC

DC AC

DC

Machine sideConverter

Λ Grid sideConverter

Λ

Flywheel



127

โหลดของอเลกทรอนกสกาลง (Power Electronic Loads)

รปท 15.10 ระบบปรบความเรวขบเคลอนทางไฟฟา

การปรบปรงประสทธภาพกาลงไฟฟา (Power Quality Solutions) Dual Feeders

รปท 15.11 Dual Feeders

Uninterruptible Power Supplies

รปท 15.12 แหลงจายไฟสารอง (UPS)

Utility

Rectifier

Switch modeConverter

Κ

Motor

Controller

1Feeder

2Feeder

Load

Rectifier

EnergyStorage

Inverter FilterCriticalLoad



128

Dynamic Voltage Restorers

รปท 15.13 Dynamic Voltage Restorers

Transmission and Distribution (T&D) applications) High Voltage DC (HVDC) Transmission

รปท 15.14 บลอกไดอะแกรมของระบบ HVDC

Medium Voltage DC (MVDC)

รปท 15.15 บลอกไดอะแกรมของระบบ Medium Voltage DC Transmission

Power ElectronicInterface

Loadsvϑ

Λ

injv ϑΛ

1AC 2AC

ϑ

Λ

1AC 2AC



129

Flexible AC Transmission Systems (FACTS)

รปท 15.16 Power Flow on a transmission line

1 2E EP sinX

∞∴

Shunt – Connected Device to Control the Bus Voltage Magnitude

รปท 15.17 Shunt – Connected Device for Voltage Control

Series – Connected Device to Control the Effective Series Reactance

รปท 15.18 Thyristor – Controlled Series Capacitor

1AC 2AC

jX1 0E � 2E •�⊥

Ψ Ζb

Utility

Ψ Ζc

jX

STATCOM

Ψ Ζa



130

Unified Power Flow Controller (UPFC)

1. การควบขนาดของแรงดน ( E )

2. การเปลยนคารแอคแตนซ ( X ) ของสายสง หรอ

3. การเปลยนของมม Power angle Γ Η∞

รปท 15.19 UPFC

ϑ

Λ

1E

ShuntConverter

2, 2P Q

I

1, 1P Q

SeriesConverter

3E ϑΛ

12

Sub StationΛ

2E

Γ Ηa

1 3 2E E Eϑ ∴

2E

1E 3E

Γ Ηb

power electronic

Documents