模擬 模擬驗證 驗證 驗證 驗證
在此利用來模擬的軟體為 PowerSIM，這套軟體廣泛的使用在電力電子領域的研究 中。由於其簡單的操作介面，以及模擬快速的特性，使得使用者更利於在繁複的驗證中 ， 更快速的取得需要的資訊。
另外 PowerSIM 廣受電力電子領域研究所使用的原因，莫過於其內部的馬達驅動零 件庫相當豐富，以及很強的控制系統模擬能力，在頻率響應的分析方便，另外它可以和 C/C++程式做連結也是其中一個相當重要的原因。以下簡單介紹 PowerSIM 這套軟體。
在 PowerSIM 中有提供五種功能模組供使用者使用，分別為供給馬達驅動系統使用 的馬達驅動模組、設計數位控制系統的數位控制模組、提供 Matlab/Simulink 共同模擬的 Simulink 耦合模組、提供 MagCoupler 共同模擬的 JMAG 耦合模組及計算功率開關熱損 失與溫度變化的熱分析模組，可以利用圖 4.1 簡單描述此五種功能模組[32]。
圖 4.1 PowerSIM 功能模組概圖
在馬達驅動模組中，由於電動機模型與控制迴路相當複雜，因此對於馬達驅動系統 設計與分析工作具有高度的挑戰性，利用 PowerSIM 的馬達驅動模組中的電動機模型與 負載模型可以使複雜的分析工作簡化，此外豐富的零件庫可以使馬達驅動的模擬系統迅 速的建立。在 PowerSIM 中馬達驅動模組包括：直流電動機、三項鼠籠式與轉子繞線式
感應電動機、永磁與外激式同步電動機、無刷直流電動機、切換式磁阻電動機、定力矩 ， 定功率及一般常用機械負載、速率與力矩感測器及換速齒輪箱。
在數位控制模組中，不同於類比控制器，數位控制器的設計上，取樣頻率的影響、
取樣延遲、量化誤差、以及類比數位轉換上的誤差都必須考慮，因此利用數位控制模組 ， 可以確認控制器的效能跟穩定度、研究取樣頻率對於系統效能的影響以及類比決定數位 轉換器的解析度需求，對於數位控制器的設計有很大的幫助。在 PowerSIM 中數位控制 模組包括：零階維持、單位延遲、Z 域轉移函數方塊、數位 FIR 與 IIR 濾波器、量化方 塊、數位積分與微分控制器及環型緩衝器。
PSIM 正因為強大的計算能力以及豐富的資料庫內容，對於本論文在電路以及控制器 驗證上有很大的幫助，以下的模擬也將大量的使用 PSIM 來做各種情況的模擬。
4.14.14.14.1 模擬電路及元件參數模擬電路及元件參數模擬電路及元件參數模擬電路及元件參數
表 4.1 模擬參數
Input line voltage(peak)
ˆs 155 (110 rms)
V = V V
Voltage command Vd∗=300V Rated output power P=700W
Input line frequency f =50Hz Smoothing capacitance Cd =1880uF
Boost inductance L=4mH ESR of boost inductance r =L 0.25Ω
Conduction voltage VF =3.68V
Carrier frequency ftri=10kHz
在此利用 PSIM 所實現的模擬電路為圖 4.2 所示，其中包含了多相升壓型主電路、一 個 PI 控制器、PWM 模組，以及無電流感測控制迴路，而無電流感測控制迴路中有兩個 補償迴路，一個為補償電感內阻的迴路一個為補償總導通壓降的迴路。而在圖 4.2 中模 擬的電路為實現圖 3.6 的控制迴路。
而圖 4.2 中的參數由表 4.1 列出，其中電感值指的是獨立各相的電感值，感值為 4mH，
電感內阻亦指的是獨立各相的電感內阻值，阻值為0.25Ω。電路是操作在入電 110 有效 值、50Hz，輸出電壓透過控制穩定在 300V，最大額定功率為 700W，輸出濾波電容為 1880uF，總迴路導通壓降近似為 3.68V。
圖 4.2 PSIM 模擬電路圖
4.24.24.24.2 無電流感測控制實現於多相升壓型電路無電流感測控制實現於多相升壓型電路無電流感測控制實現於多相升壓型電路無電流感測控制實現於多相升壓型電路
這裡利用電腦模擬來驗證多相升壓型電路電路，在無電流感測控制器實現上的表現，
下表列出了模擬所使用的參數，其中針對了一相的升壓型電路及兩相的多相升壓型電路 去做模擬，模擬穩態下兩種電路的表現以及兩相升壓型電路在負載變動為 30%~100%及 66%~100%的切載暫態響應。另外也模擬了兩種電路在負載 200W~700W 範圍下穩態的 輸入電流波形，並加以整理。
-1 0 A 0 1 0 0 V 0 1 0 A
iL
2 9 5 V 3 0 0 V 3 0 5 V
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0
圖 4.3 一相電路額定穩態波形
-1 0 A 0 1 0 0 V
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 2 9 5 V 3 0 0 V 3 0 5 V
0 1 0 A
8A 6A 4A 2A
0
圖 4.4 兩相電路額定穩態波形
以下為利用無電流感測控制迴路，控制兩相升壓型電路，模擬在不同負載從 700W 到 200W 的穩態輸入電流波形。另外將各電流的諧波成份整理在表 4.2 中。
0 1 5 0 V
-1 0 A
(a) (b)
0 1 5 0 V
-1 0 A
(c) (d)
-1 0 A 0 1 5 0V
(e) (f)
圖 4.5 不同瓦數下之穩態輸入電流波形
(a)700W；(b)600W；(c)500W；(d)400W；(e)300W；(f)200W。
0 1 5 0V
-1 0 A
0 1 5 0 V
-1 0 A
0 1 5 0 V
-1 0 A
表 4.2 負載 200W~700W 諧波數值整理 控制的暫態響應，模擬了負載由 30%~100%的變化以及 66.6%~100%的變化，其中圖 4.6(a)為模擬負載由193Ω(66.6%)經過切載變為128.6Ω(100%)，由圖 4.6(a)可以觀察到電 流最大值從 6.6A 變化到 10A，並且輸出電壓經過大約十個週期即可穩定。圖 4.6(b)則為 模擬負載由428.6Ω(30%)切載到128.6Ω(100%)的變化，電流最大值從 3A 變化到 10A，
並且輸出電壓同樣的經過大約十個週期亦穩定。
諧波次數 200W 300W 400W 500W 600W 700W 1-基本波
(單位安培) 2.663 3.997 5.334 6.671 8.01 9.354 3 0.158 0.332 0.434 0.516 0.583 0.648 5 0.094 0.087 0.127 0.154 0.173 0.187 7 0.029 0.033 0.071 0.098 0.114 0.128 9 0.019 0.016 0.035 0.061 0.08 0.092 11 0.009 0.02 0.013 0.038 0.055 0.067 13 0.008 0.019 0.003 0.021 0.038 0.05 15 0.012 0.014 0.01 0.008 0.024 0.036 17 0.005 0.006 0.013 0.001 0.014 0.026 19 0.005 0.001 0.013 0.006 0.007 0.017
i(%)
THD 11.45 10.16 9.61 8.89 8.23 7.72
40ms -1 0 A
0 1 0 0 V
2 9 6V 2 9 8 V 3 0 0V 3 0 2V
(a)
-1 0 A 0 1 0 0V
2 9 4V 2 9 6V 2 9 8V 3 0 0V 3 0 2V
(b)
圖 4.6 兩相式升壓型電路電路模擬切載波形 (a)切載範圍 66.6%~100%；(b)切載範圍 30%~100%。
4.34.34.34.3 簡化補償迴路之無電流感測控制迴路簡化補償迴路之無電流感測控制迴路簡化補償迴路之無電流感測控制迴路簡化補償迴路之無電流感測控制迴路
表 4.3 負載 200W~700W 下之電流諧波數值整理
將表 4.2 與表 4.3 所整理出的諧波數值，利用第一章所述的諧波規範 IEC/EN 61000-3-2 來作下述的比較。其中由於 A 類及 D 類的應用規範較廣，也較符合本論文的應用領域，
因此就取其 IEC/EN 61000-3-2 中的 A 類以及 D 類規範內容來和表 4.2 及 4.3 的內容作比 較。並由表 4.4~表 4.8 整理，其中利用下標註記的為違反了 D 類的規範，而利用*星號 標記的表示 A 類及 D 類都不滿足。
諧波次數 200W 300W 400W 500W 600W 700W 1-基本波
(單位安培) 2.729 4.215 5.661 7.077 8.472 9.857 3 0.767 1.363 1.821 2.218 2.573 2.899 5 0.169 0.182 0.201 0.289 0.411 0.54 7 0.065 0.198 0.256 0.264 0.249 0.215 9 0.063 0.04 0.101 0.174 0.229 0.266 11 0.016 0.082 0.073 0.037 0.05 0.1 13 0.033 0.02 0.074 0.095 0.087 0.063 15 0.008 0.043 0.014 0.046 0.08 0.098 17 0.02 0.02 0.047 0.03 0.012 0.044 19 0.008 0.023 0.021 0.047 0.046 0.028
i(%)
THD 30.28 33.5 33.03 32.1 31.13 30.21
表 4.4 輸出功率 200W 下諧波電流與 A 類及 D 類規範的比較
表 4.5 輸出功率 300W 下諧波電流與 A 類及 D 類規範的比較
表 4.6 輸出功率 400W 下諧波電流與 A 類及 D 類規範的比較
表 4.7 輸出功率 500W 下諧波電流與 A 類及 D 類規範的比較
諧波次數 3 5 7 9 11 13 15 17 19
A 類規範(A) 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.132 0.118 D 類規範(A) 0.68 0.38 0.2 0.1 0.07 0.059 0.051 0.045 0.041 圖 4.5(f) 0.158 0.094 0.029 0.019 0.009 0.008 0.012 0.005 0.005 圖 4.7(f) 0.767 0.169 0.065 0.063 0.016 0.033 0.008 0.02 0.008
諧波次數 3 5 7 9 11 13 15 17 19
A 類規範(A) 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.132 0.118 D 類規範(A) 1.02 0.57 0.3 0.15 0.105 0.089 0.077 0.068 0.061 圖 4.5(e) 0.332 0.087 0.033 0.016 0.02 0.019 0.014 0.006 0.001 圖 4.7(e) 1.363 0.182 0.198 0.04 0.082 0.02 0.043 0.02 0.023
諧波次數 3 5 7 9 11 13 15 17 19
A 類規範(A) 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.132 0.118 D 類規範(A) 1.36 0.76 0.4 0.2 0.14 0.118 0.103 0.091 0.081 圖 4.5(d) 0.434 0.127 0.071 0.035 0.013 0.003 0.01 0.013 0.013 圖 4.7(d) 1.821 0.201 0.256 0.101 0.073 0.074 0.014 0.047 0.021
諧波次數 3 5 7 9 11 13 15 17 19
A 類規範(A) 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.132 0.118 D 類規範(A) 1.7 0.95 0.5 0.25 0.175 0.148 0.128 0.113 0.101 圖 4.5(c) 0.516 0.154 0.098 0.061 0.038 0.021 0.008 0.001 0.006 圖 4.7(c) 2.218 0.289 0.264 0.174 0.037 0.095 0.046 0.03 0.047
表 4.8 輸出功率 600W 下諧波電流與 A 類及 D 類規範的比較
表 4.9 輸出功率 700W 下諧波電流與 A 類及 D 類規範的比較
從上述整理的表格中可以發現，在簡化補償迴路的控制器中，對於 D 類的規範大多 不能滿足。而到高瓦數輸出功率的應用，簡化補償迴路的控制器對於 A 類的規範，三次 諧波也變的不能滿足規範的內容。
之後在實作中，會就上述所對應的不同輸出功率應用以及控制器的簡化與否做對應 的實作驗證。
諧波次數 3 5 7 9 11 13 15 17 19
A 類規範(A) 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.132 0.118 D 類規範(A) 2.04 1.14 0.6 0.3 0.21 0.178 0.154 0.136 0.122 圖 4.5(b) 0.583 0.173 0.114 0.08 0.055 0.038 0.024 0.014 0.007 圖 4.7(b) *2.573 0.411 0.249 0.229 0.05 0.087 0.08 0.012 0.046
諧波次數 3 5 7 9 11 13 15 17 19
A 類規範(A) 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.132 0.118 圖 4.5(a) 0.648 0.187 0.128 0.092 0.067 0.05 0.036 0.026 0.017 圖 4.7(a) *2.899 0.54 0.215 0.266 0.1 0.063 0.098 0.044 0.028
4.44.44.44.4 相數減少相數減少相數減少相數減少
以下模擬兩相升壓型電路在操作的過程中，由兩相變一相。觀察此時的輸出電壓以 及輸入電流的暫態變化，模擬的環境為在輸出功率為 200W 及 300W 下作模擬。此一目 的為測試在低負載應用時，在實作中若將相數減少，此時的電壓電流的暫態變化將會是 如何，給予實作一個參考的依據。在此所模擬的相數減少波形，在圖 4.10 及圖 4.11 中 為額外附加一個相數變化調節器，控制器會偵測相數減少的時刻，此時的位移角會適當 的躍升一個倍率，至切換後之相數所應當對應的位移角數值，而透過此機制可以使相數 減少的過程中，暫態響應變好，而較快到達穩態。
圖 4.8 及圖 4.9 為未加此相數變化調節器，在 200W 及 300W 輸出功率下的相數減少 波形，由圖中可以發現，切換的時機都在零交越點的時刻，而在切換當下電感電流一向 降為零，但另一相並沒有馬上提升，而是過了幾個週期後才慢慢提升至穩態值，也因此 導致輸出電壓也有不小的變動。而 300W 的變動又比 200W 的變動來的劇烈。
圖 4.10 及圖 4.11 為透過相數變化調節器，在 200W 及 300W 輸出功率下的相數減少 波形，由圖中可以發現，系統很快就達到穩態並且輸入電流及輸出電壓的擾動也相當細 微。
2 9 6 V 2 9 8 V 3 0 0 V 3 0 2 V 0
5A iL,1
0 5A -1 0 A 0 1 5 0 V
x 1 0
0
θ
圖 4.8 輸出功率 200W 下相數減少之模擬波形
2 9 6 V 2 9 8 V 3 0 0 V 3 0 2 V -1 0 A 0 1 5 0 V
0 5A
0 5A
0
θ
圖 4.9 輸出功率 300W 下相數減少之模擬波形
-1 0 A 0 1 5 0 V
0 5A
,1
iL
0 5A
L,2
i
2 9 8 V 2 9 9 V 3 0 0 V 3 0 1 V 3 0 2V
Vd
0
θ
圖 4.10 透過相數變化調節器之輸出功率 200W 下相數減少之模擬波形
2 9 8 V 2 9 9 V 3 0 0 V 3 0 1V 3 0 2V
Vd
-1 0 A 0 1 5 0 V
0 5A
0 5A
0
θ
圖 4.11 透過相數變化調節器之輸出功率 300W 下相數減少之模擬波形
4.54.54.54.5 相數為相數為相數為相數為 3333 之電路模擬之電路模擬之電路模擬之電路模擬
多相電路除了上述的兩相升壓型電路外，以下模擬了多相升壓型電路在 N=3的狀 態，觀察其輸入電流穩態波形表現是否有達到預期的漣波消除的功效。
圖 4.12 為模擬相數為 3 之電路在穩態下的輸入電流波形、輸出電壓波形，由圖可知，
輸出電壓穩定的在 300V 振盪，幅度約為 298V~302V。觀察此時的開關控制訊號，由圖 4.3、圖 4.4 以及圖 4.12 可以發現控制訊號vcont i, ，在相同的輸出功率(額定功率)下隨相數 增加而減少。這是因為在相同的輸出功率下，所對應的平均位移角訊號相同，但隨相數 增加，各相所分配的位移角訊號下降導致vcont i, 下降，因此控制器的vcont訊號，也就越來
越被vcont,θ所主導。
觀察圖 4.12 的輸入電流，可以發現和兩相電路有些許的不同，在漣波消除的部份可 以發現有兩處漣波近乎為零，在責任週期為 0.33 和 0.66 的部份，而模擬的總諧波失真 因數也較兩相電路為低，由兩相電路的 7.82%變為 6.92%。
2 9 5 V 3 0 0 V 3 0 5 V
0 1 0 A 8A 6A 4A 2A
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -1 0 A 0 1 0 0 V
圖 4.12 相數等於 3 之電路額定穩態波形