第五章 系統模擬與實驗結果
5.2.4 整合式壓縮機驅動器之模擬與實測結果探討
由第二章圖 2.3 之馬達輸出功率與馬達轉速關係可知，馬達輸出功率與馬達運轉速 度成正相關，在額定輸出功率時，馬達轉速達 3000rpm 時，VOPFC 之輸出電流為最高 1.67 A，隨著輸出功率下降，其馬達運轉速度亦同步下降，此時可透過修正 VOPFC 之 直流電壓及後級變頻器之開關切換頻率，在維持固定的電感電流漣波下，可減少開關 切換損失。
本論文提出的整合式壓縮機驅動器之系統架構如圖 5.21，在此系統架構下，可透 過前級 VOPFC 修正系統之功率因數，改善輸入電流諧波，避免電網污染並提供穩定直 流電壓給後級變頻器。後即變頻器本身搭配 VOPFC 之可變電壓特性，可同時執行 PWM 及 PAM 控制策略，達到系統高功因、高效率的目的。
倘若系統操作在定轉速、定負載時，系統可切換為 PAM 控制策略，用最低的開關 切換頻率驅動馬達，達到效率最佳化。但若系統需要進行變速度操作時，如馬達加 速…，變頻器會變換為 PWM 模式，根據圖 4.19 之建表，控制馬達轉速及 VOPFC 輸 出直流電壓，以達到較佳的動態響應。
VOPFC Inverter
Current Controller
Speed Controller Current
Controller
Voltage Controller 110VAC
PWM/PAM Select
PWM Mode PAM Mode
Speed: 1000rpm~2000rpm Speed: 1000rpm~500rpm
Vdc=50V~300V PMSM
Hall Sensors
圖 5.21 整合式VOPFC馬達驅動器之系統方塊圖及馬達操作模式
由圖 5.22 中所示，當 VOPFC 系統啟動後，其輸出電壓隨著命令逐漸上升，在達 到啟動電壓時，後級變頻器始驅動馬達開始運轉，並逐漸加速，最後穩定並持續運轉 在指定轉速。整個變電壓及馬達變速度過程中，系統皆維持良好的功率因數及電流總 諧波失真。
0.0K -0.50K 0.50K 1.00K 1.50K 2.00K
S2.speed_ref S2.speed
S2.Ia 10.00
5.00 0.0 -5.00 -10.00
0.0 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00
S1.Vo S1.V_ref
0.0 -5.00 -10.00 5.00 10.00
S1.Vac/31 I(S1.EMI_Lin)
0.20 0.40 0.60
Time (s) 0.0
0.25 0.50 0.75 1.00
S1.THD_current S1.VAPF1_PF
圖 5.22 整合式VOPFC之馬達驅動器啟動波形，圖中波形由上至下分別為馬達轉速、
馬達相電流、VOPFC輸出直流電壓、VOPFC輸入電流及系統之PF及THD
系統在步階變電壓命令操作下，仍然具有良好地響應，根據系統輸出的功率及直 流鏈電壓並聯電容值大小可分析系統最大上升斜率及下降斜率，並達到穩定的追隨操 作。圖 5.23，系統自啟動後穩定在 200V，此時輸出功率為 330W，變電壓操作下，在 50ms 時間內，提高電壓到 300V，負載功率到達 500W，系統功率因數 0.99，電流總諧 波失真比為 8%。
由前章最後一小節所分析之功率補償控制器，可有效降低馬達在變速度切換下造 成VOPFC直流電壓之抖動，提供更佳的供電品質。由圖5.24所示，當VOPFC輸出200 V 穩定電壓下，馬達轉速由零啟動後到2000 rpm維持定轉速，此時VOPFC之負載電流瞬 間切換為輕載，圖5.24(a)之波形可見到電壓瞬間抖動，產生35 V之電壓差，而後逐漸 回復平穩。然而加入功率補償控制器後，如圖5.24(b)，VOPFC能根據輸出電流快速響
應，輸出電壓因輸出電流造成的電壓抖動漣波降低，系統穩定時間減少，提供更穩定
S3.VCL+2000 S3.VCL2
0.0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
Time (s) 0.0
2.50 5.007.50 10.00
圖 5.23 輸出電壓200V~300V，最大輸出負載500W
0.0K 0.50K 1.00K 1.50K 2.00K
S2.speed_ref S2.speed
0.0
倘若馬達已達穩定速度運轉，可藉由降低直流鏈電壓，即可穩定操作馬達轉速，
同時降低 PWM 開關的切換次數，即為 PAM 控制模式。如圖 5.22。由圖中可見輸入電 壓由額定電壓 300 伏特逐步下降至 75 伏特，馬達轉速成等比例變化，而系統的功率因 數(Power Factor)仍維持在一個合理範圍。
speed
vo
IL
Iin
PF
THD speed
vo
IL
Iin
PF
THD speed
vo
IL
Iin
PF
THD speed
vo
IL
Iin
PF
THD
圖 5.25 輸出電壓由300 V至100 V，馬達藉由PAM調變方式控制轉速
第 六 章 結論與建議
6.1 結論
本論文提出透過可變輸出功因修正器(VOPFC)與傳統變頻器結合的架構作 為一般家電產品用途之壓縮機驅動器，可以同時達到功因修正及效率最佳化的目 的。本論文中採用串聯式升降壓(Cascade buck-boost)電路，透過雙迴路之控制器 實現VOPFC。後級變頻器根據馬達轉速及工作模式，決定利用脈寬調變法(PWM) 或是脈波振幅調變法(PAM)驅動永磁式無刷直流馬達。
串聯式升降壓功率轉換器具有廣範圍輸出電壓之特點，其輸出電壓可低於輸 入電壓且穩定在75 V，亦可高於輸入電壓達到300 V。以此輸出直流電壓供應變 頻器，可讓壓縮機馬達保有高速運轉的能力，但在系統待機且馬達維持低轉速 時，可降低VOPFC之輸出電壓，使得變頻器能夠以最低之開關頻率驅動馬達，
降低開關切換損失及電流漣波，達到變頻器效率最佳化的目的。透過前級VOPFC 與後級變頻器之整合，可實現一具有高效能、高功因之家電用變頻壓縮機驅動器。
此種具有輸出電壓變化功能的PFC轉換器(VOPFC)，透過整合後級變流器，
可進行變磁滯控制的PAM/PWM雙級轉換器，文中應用在馬達驅動器時，在需要 進行速度變換的狀態下，利用固定大電壓輸出，配合驅動器的速度閉迴路控制進 行PWM轉換控制，可具有較高的速度響應，等系統運作穩定並開始進行等速度 運轉下，切換系統工作模式，改為PAM轉換器模式，可變輸出PFC微調輸出電壓，
使得直流鏈輸出電壓恰好為馬達運轉速度下所需的直流電壓值，驅動器開關切換
次數降到最低，僅需維持換相所需開關頻率，達到降低開關切換損失，提高系統 運作效率，此架構可同時達到功率因數修正與效率提升的雙重目標。
本文所提出的方法透過模擬驗證可行，透過可變輸出功率因數修正電路，可 配合規範改善系統功因，最適合使用於家用電器產品之中，例如：冷氣機、冰箱…
等壓縮機，除了可進行變速控制，同時可在穩定運轉時將開關次數降到最低，避 免多餘開關切換損失。