南台科技大学电机工程所

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/2/8,#,以DSP為基礎之具能源回收數位式三相電子負載模擬器之研製,Design and Implementation of a DSP Based Digital Three-Phase Electronic Load,Emulator,with Energy Recycling,研究生,：,謝佑定,指導教授,：,蔡明村 博士,南台科技大學電機工程研究所,1,大綱,研究動機與目的,文獻回顧,系統架構,理論分析,控制器數位化之實現,軟體設計,實驗結果,結論與未來展望,參考文獻,南台科技大學電機工程研究所,2,研究動機與目的(一),電力電子產品出廠前，通常都會做燒機測試。傳統的測試方法是利用被動式負載，將大量的電力流經待測產品後即在負載上消耗掉，這種浪費能源的測試方法顯然極待改進。,為了改善傳統方法之缺失，國內外也有些方法被提出，這些方法或為以電壓控制模式進行能量傳送，或為以電流控制模式傳送能量，而且這些方法大多針對直流電源供應器、不斷電電源供應系統等作設計，較少有其他型式負載之考慮。,南台科技大學電機工程研究所,3,研究動機與目的(二),本文將以能量回收為基礎，實現三相交流電子式負載，並以DSP TMS320LF2407A作為系統之控制器，透過數位系統軟體上的彈性，模擬電阻性、電感性、電容性等負載，並同樣僅利用傳統的電力電子技術，將測試能源回送到電源側以重複使用。不僅降低測試空間，亦降低散熱所需的空調電力支出。,南台科技大學電機工程研究所,4,文獻回顧,Meng-Tueh Chang,Jiann-Yow Lin,Shih-Liang Jung,Ying-Yu Tzou,“Design and Implementation of a Real-Time Lossless Dynamic Electronic Load Simulator,”,IEEE PESC Conf.Rec.,Vol.1,pp.734-739,June 1997.,內容：,提出新的動態電子負載模擬器，具有取代原有RLC負載元件以節省空間、減少消耗負載冷卻裝置、電子負載模擬器吸收之能源回送市電等特點。其主架構由三個部份組成，一為功率回收裝置，具雙向功率潮流之整流器，可適當調整直流鏈電壓並操作於單位功因；二為負載模型控制器，由電源裝置取得模擬負載之電流波形，由DSP TMS320C14計算產生模擬負載電流命令；三為電流控制電壓源轉換器，依據負載模型控制器產生之電流命令，使轉換器輸入電流高速追蹤電流命令之性能，為其動態電子負載模擬器系統核心。,南台科技大學電機工程研究所,5,系統架構,圖一 具能源回收之數位式三相交,流電子式負載系統架構圖,前級轉換器,後級轉換器,數位控制核心,人機控制介面,DC 220V,Turn off,電感性負載功率因數0.6,南台科技大學電機工程研究所,6,理論分析,三相昇壓型交/直流轉換器數學模型,三相昇壓型交/直流轉換器控制法,電壓控制法,電流控制法,南台科技大學電機工程研究所,7,三相昇壓型交/直流轉換器數學模型(一),根據克希荷夫電壓定律(KVL)與克希荷夫電流定律(KCL)，可得系統動態方程式，如(1)式至(4)式,圖二 三相昇壓型交/直流轉換器,南台科技大學電機工程研究所,8,三相昇壓型交/直流轉換器數學模型(二),利用狀態空間平均法(State-Space Averaging Method)，如下式之數學模型表示之。,將(1)式至(4)式代入(5)式以,狀態空間平均法表示，如(6)式,南台科技大學電機工程研究所,9,電壓控制法,設三相昇壓型交/直流轉換器輸入電壓為三相交流電源且輸入電流為三相穩態平衡電流，故可視為三個單相交流電源所組成之三相交流電源，圖三即為圖二之R相簡化後之單相等效電路。由於 ，在此將 忽略。,令,其中,根據(7)式，將其表示成電路結構，如圖四所示，即為電壓控制法之示意圖。由圖四可規範出功率潮流之方程式，如(10)式與(11)式,其中,圖三 三相昇壓型交/直流轉換器R相之單相等效電路,圖四 電壓控制法之示意圖,南台科技大學電機工程研究所,10,電流,控,控制,法,法,根據,圖,圖五,可,可規,範,範實,、,、虛,功,功率,表,表示,式,式，,如,如(13)式,與,與(14)式,由圖,六,六可,得,得,又,圖五,電,電流,控,控制,法,法之,示,示意,圖,圖,圖六,電,電壓,與,與電,流,流關,係,係向,量,量之,示,示意,圖,圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,11,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現,前級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路,後級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路,後級,轉,轉換,器,器電,壓,壓迴,路,路,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,12,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,前,前級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路(,一,一),圖七,三,三相,交,交流,電,電子,負,負載,模,模擬,器,器之,前,前級,三,三相,交,交/,直,直流,轉,轉,換器,電,電流,控,控制,迴,迴路,控,控制,方,方塊,圖,圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,13,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,前,前級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路(,二,二),利用Bilinear,轉,轉換,式,式(24),式,式代,入,入(23)式,，,，將(23),式,式之s-domain,之,之轉,移,移函,數,數轉,換,換至z-domain,表,表示,之,之，,如,如(25)式,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,14,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,前,前級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路(,三,三),將(25)式,之,之z-domain轉,移,移函,數,數以,差,差分,方,方程,式,式表,示,示之,，,，即,為,為前,級,級轉,換,換器,電,電流,控,控制,器,器數,位,位程,式,式之,數,數學,表,表示,式,式，,如,如(26),式,式至(28),式,式,圖八,三,三相,交,交流,電,電子,負,負載,模,模擬,器,器之,前,前級,三,三相,交,交/,直,直流,轉,轉,換器,電,電流,控,控制,迴,迴路,數,數位,控,控制,方,方塊,圖,圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,15,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,後,後級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路(,一,一),圖九,三,三相,交,交流,電,電子,負,負載,模,模擬,器,器之,後,後級,三,三相,直,直/,交,交流,轉,轉,換器,電,電流,控,控制,迴,迴路,控,控制,方,方塊,圖,圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,16,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,後,後級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路(,二,二),利用Bilinear,轉,轉換,，,，將(29),式,式之s-domain,之,之轉,移,移函,數,數轉,換,換至z-domain,表,表示,之,之，,如,如(30)式,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,17,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,後,後級,轉,轉換,器,器電,流,流迴,路,路(,三,三),將(30)式,之,之z-domain轉,移,移函,數,數以,差,差分,方,方程,式,式表,示,示之,，,，即,為,為後,級,級轉,換,換器,電,電流,控,控制,器,器數,位,位程,式,式之,數,數學,表,表示,式,式，,如,如(31),式,式至(33),式,式,圖十,三,三相,交,交流,電,電子,負,負載,模,模擬,器,器之,後,後級,三,三相,直,直/,交,交流,轉,轉,換器,電,電流,控,控制,迴,迴路,數,數位,控,控制,方,方塊,圖,圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,18,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,後,後級,轉,轉換,器,器電,壓,壓迴,路,路(,一,一),利用Bilinear,轉,轉換,，,，將(36),式,式之s-domain,之,之轉,移,移函,數,數轉,換,換至z-domain,表,表示,之,之，,如,如(37)式,圖十,一,一,三,三,相,相交,流,流電,子,子負,載,載模,擬,擬器,之,之後,級,級三,相,相直/交,流,流,轉換,器,器電,壓,壓控,制,制迴,路,路控,制,制方,塊,塊圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,19,控制,器,器數,位,位化,之,之實,現,現-,後,後級,轉,轉換,器,器電,壓,壓迴,路,路(,二,二),將(37)式,之,之z-domain轉,移,移函,數,數以,差,差分,方,方程,式,式表,示,示之,，,，即,為,為後,級,級轉,換,換器,電,電壓,控,控制,器,器數,位,位程,式,式之,數,數學,表,表示,式,式，,如,如(38),式,式,圖十,二,二,三,三,相,相交,流,流電,子,子負,載,載模,擬,擬器,之,之後,級,級三,相,相直/交,流,流,轉換,器,器電,壓,壓控,制,制迴,路,路數,位,位控,制,制方,塊,塊圖,南台,科,科技,大,大學,電,電機,工,工程,研,研究,所,所,20,軟體,設,設計,DSPTMS320LF2407A簡,介,介,模擬,負,負載,之,之實,現,現,VisualBasic,之,之人機,操,操作介,面,面之控,制,制畫面,程式流,程,程圖,南台科,技,技大學,電,電機工,程,程研究,所,所,21,軟體設,計,計-DSPTMS320LF2407A簡介,工作電,壓,壓3.3V，,執,執行速,度,度40MIPS，定,點,點式運,算,算,內部記,憶,憶體包,含,含32K*16-Bit之,程,程式記,憶,憶體、544*16-Bit之雙,存,存取記,憶,憶體、2K*16-Bit,之,之單存,取,取記體,外部記,憶,憶體包,含,含512*16-Bit之Boot ROM、64K*16-Bit外部,擴,擴充資,料,料記體,體,體、64K*16-Bit,外,外部擴,充,充程式,記,記體體,、,、64K*16-Bit外,部,部擴充I/O,記,記體體,事件管,理,理可規,劃,劃四個,通,通用計,時,時器、,十,十六組,脈,脈波寬,度,度調變(PWM)、,六,六組計,時,時比較,器,器輸出,、,、四組,捕,捕捉輸,入,入,類比/,數,數位轉,換,換模組,可,可轉換0V到3.3V之訊,號,號，其,解,解析度,為,為10-Bit，由,兩,兩組八,通,通道所,組,組成可,藉,藉由串,聯,聯排序,模,模式，,將,將兩組,八,八個通,道,道串聯,，,，一次,轉,轉換最,多,多達十,六,六個通,道,道。,SCI,之,之傳輸,模,模組，,傳,傳輸方,式,式為非,同,同步串,列,列傳輸,。,。,南台科,技,技大學,電,電機工,程,程研究,所,所,22,軟體設,計,計-模,擬,擬負載,之,之實現(一),實現方,式,式,建立126個,空,空白資,料,料記憶,體,體位址,三相電,壓,壓相位,分,分別存,於,於126個空,白,白資料,記,記憶體,位,位址,依據功,率,率因數,大,大小，,推,推估三,相,相電壓,相,相位之,角,角度,南台科,技,技大學,電,電機工,程,程研究,所,所,23,軟體設,計,計-VisualBasic之,人,人機操,作,作介面,之,之控制,畫,畫面,訊息顯,示,示,測試負,載,載類型,測試負,載,載操作,型,型態,測試負,載,載類型,圖十三Visual Basic之人,機,機操作,介,介面之,控,控制畫,面,面,南台科,技,技大學,電,電機工,程,程研究,所,所,24,軟體設,計,計