第四章 電流控制模擬
4.3 三相電流控制模擬結果比較
不同的三相電流控制方式其各有不同的優缺點，本節將比較於本文中所提的三種三 相電流控制在不同轉速下其開關切換次數及總電流諧波失真THD 。三相反流器總共有i 六個IGBT 開關，首先我們先定義開關切換。當開關由 on 變至 off 或由 off 至 on 此時我 們計開關切換次數為一次，而三相反流器六個開關切換次數量之總和我們便定為三相電 流控制開關切換次數，單位為次數/秒。下表 4.5 為在模擬 SPWM、MDFQM、MDFQCC 三種三相電流控制方式在兩組負載切換下，分別位於穩態轉速500rpm、1000rpm、
rpm
1500 、2000rpm、2500rpm與3000rpm開關切換次數一欄表。
表4.5 三相電流控制開關切換次數比較表
Switching numbers(RL 100) Switching numbers(RL 50)
PI-SPWM (times/sec)
PI-MDFQM (times/sec)
MDFQCC (times/sec)
PI-SPWM (times/sec)
PI-MDFQM (times/sec)
MDFQCC (times/sec)
500rpm 30000 21280 22467 30000 22360 22987 1000rpm 30000 22396 23516 30000 22763 23802 1500rpm 30000 23400 24132 30000 23842 24274 2000rpm 30000 23360 24498 30000 24067 24965 2500rpm 30000 24056 25362 30000 24536 25061 3000rpm 30000 24170 25482 30000 25108 25846
經由上表4.5，開關切換次數由大排至小依序為 SPWM>MDFQCC>MDFQM。在開 關切換損失上以MDFQM 最小，SPWM 來的最大，應證了 2.2 節介紹 MDFQM 開關次 數較少達到節能目的，而MDFQCC 在此表中看其優勢為開關次數少於 SPWM 但卻略多 於MDFQM。
除了開關次數比較之外，另一個比較重點在於總電流諧波失真(THD )，及權重總i 電流諧波失真(WTHD )。我們從i 4.1 節的式子(4.1)及式子(4.2)計算出兩組負載RL在不同 轉速下的三相電流控制對應的(權重)總電流諧波失真。我們經由公式計算可整理出三相
Current Control speed
電流控制電流失真比較表，如下表4.6 及表 4.7。
表4.6 三相電流控制總電流諧波失真比較表
i(%)
THD (RL 100) (%)THDi (RL 50)
PI-SPWMPI-MDFQM MDFQCC PI-SPWM PI-MDFQM MDFQCC
500rpm 16.07 41.62 180.76 13.08 33.80 139.90 1000rpm 14.04 36.42 128.67 12.43 32.24 113.90 1500rpm 12.7 24.57 85.81 11.04 24.57 74.59 2000rpm 11.83 18.27 64.70 10.78 18.27 58.95 2500rpm 11.08 15.60 50.99 9.24 15.6 42.52 3000rpm 10.39 13.507 44.25 7.65 10.02 32.58
表4.7 三相電流控制總權重電流諧波失真比較表
i(%)
WTHD (RL 100) (%)WTHDi (RL 50)
PI-SPWM PI-MDFQM MDFQCC PI-SPWM PI-MDFQM MDFQCC
500rpm 0.3936 3.5645 4.2781 0.26 2.371 2.2872 1000rpm 0.3127 2.8272 3.9272 0.1754 1.585 1.9027 1500rpm 0.2345 2.1272 2.552 0.1345 1.22 1.4636 2000rpm 0.1536 1.4181 1.702 0.0927 0.841 1.009 2500rpm 0.1018 0.918 1.1018 0.0881 0.796 0.9532 3000rpm 0.096 0.8727 1.0563 0.0863 0.6536 0.8572
Current Control speed
Current Control speed
在此我們另外觀察輸出功率對電流基本波大小的關係，下表4.8 即為馬達功率PM與 發電機負載電阻功率P 關係比較表，藉此觀察輸送功率與負載功率的轉換效率。 G
表4.8 三相電流控制馬達與發電機功率轉換效率比較表
L 100
R RL 50
PI-SPWM
M G
P P
PI-MDFQM
M G
P P
MDFQCC
M G
P P
SPWM
M G
P P
MDFQM
M G
P P
MDFQCC
M G
P P
500rpm 93.7 94.1 99.7 93.6 93.5 99.4 1000rpm 93.4 93.8 99.2 93.1 93.4 99.1 1500rpm 93.1 93.4 98.9 92.4 92.8 98.7 2000rpm 92.8 92.9 98.4 91.9 92.1 97.8 2500rpm 92.6 92.5 98.2 91.2 91.7 96.3 3000rpm 91.7 92.2 97.9 90.7 91.2 95.9
依據表4.5、表 4.6、4.7 和表 4.8 可畫出下圖 4.21 至圖 4.24 在不同轉速下對應的曲 線圖。MDFQM 在開關切換次數減少下其總電流諧波失真與 SPWM 相比並無明太大的 增長差距，因此若以開關次數及電流諧波表現來說MDFQM 為一個不錯的折衷選擇。曲 線圖4.22 為各種三相電流控制在不同轉速下所對應的總電流諧波失真，依照大小排序下 來總電流諧波失真 MDFQCC>MDFQM>SPWM。接著觀察圖 4.23 可發現 MDFQCC 的 權重總電壓諧波失真略高於MDFQM，其原因在於 MDFQCC 在低頻率上的諧波大小高 於MDFQM，而又因低次諧波依照式子(4.2)可知其所佔權重比較高，故造成此兩種電流 控制權重總電壓諧波失真有差異存在。
若以資源使用大小來說MDFQCC 為最省資源空間的一種三相電流控制方式，電流 追隨亦會因無 PI 控制器而達到良好的相位追隨。因此在同樣的轉速下，因輸出至負載 MDFQCC 相位追隨較佳，故驅動端馬達所需輸入功率較另外 Current
Control speed
兩種電流控制來的小，使得三相反流器不需因為電流相位落後輸出額外的功率使馬達轉 至我們所要求的轉速。若以圖4.24 來解釋，由圖可看出三相反流器數出的功率傳輸至負 載馬達電阻的轉換效率上，MDFQCC 在每個轉速下相較於另外兩種三相電流控制有較 高的值。
而若我們更深入看總電流諧波失真的數值分布及電流波形圖可以發現在轉速較高 的時候，MDFQM 的總電流諧波失真會較小，且電流漣波亦會較小。產生此現象的原因 在於當轉速較高的時候，其電流命令在 d-q 平面相對比較大，而 MDFQM 又只以 7 個 base vector 去逼近最小的誤差。因此當電流命令較大的時候其與 base vector 差距亦比較 小，使得電流漣波與總電流諧波失真均較低轉速時低。
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm 21000
22000 23000 24000 25000 26000 27000 28000 29000 30000 31000
) (times/sec
numbers
switching
(a)
MDFQCC
MDFQM
-PI SPWM
-PI
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm 21000
22000 23000 24000 25000 26000 27000 28000 29000 30000 31000(times/sec)
numbers
switching
(b)
MDFQCC
MDFQM
-PI
SPWM
-PI
圖4.21 三相電流控制總開關切換次數曲線圖(a) RL 100 (b) RL 50
i
% THD
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm
(a) MDFQCC
MDFQM
-PI
SPWM
-PI
i
% THD
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm
(b) MDFQCC
MDFQM
-PI SPWM
-PI
圖4.22 三相電流控制總電流諧波失真曲線圖(a) RL 100 (b) RL 50
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm
(a)
0
5 . 0
1 5 . 1
2 5 . 2
3 5 . 3
4 5 . 4
MDFQCC MDFQM
-PI SPWM
-PI
i
% WTHD
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm
(b)
0
5 . 0
1 5 . 1
2 5 . 2
3 WTHD
i%
MDFQCC MDFQM
-PI
SPWM
-PI
圖4.23 三相電流控制權重總電流諧波失真曲線圖(a) RL 100 (b) RL 50
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm
91 92 93 94 95 96 97 98 99 100
P (%) P
M G
MDFQCC MDFQM
-PI
SPWM
-PI
rpm
500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm
(b) 91
92 93 94 95 96 97 98 99 100
90 P (%) P
M G
MDFQCC MDFQM
-PI
SPWM
-PI
圖4.24 三相電流控制馬達與發電機功率轉換效率曲線圖(a) RL 100 (b) RL 50