Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)