永磁式同步發電機之轉速及角位置估測

第二章永磁式同步發電機的模式及量測

2.4 永磁式同步發電機之轉速及角位置估測

透過(2-15)及(2-16)可得到發電機峰值電壓V_mG，可表示為

V_mG  (v_qG^s )² (v_dG^s )² (2-17) cos

s qG eG

 V (2-18)

sin

s dG eG

 ^V (2-19)

¹ sin tan cos

eG eG

 



  (2-20)

由(2-17)至(2-20)式得到近似發電機端電壓的角位置_eG，其方塊如圖 2-5。

r

aG-axis bG-axis

cG-axis

q-axis

d-axis

eG

圖 2-4 轉子旋轉座標軸與三相 abc 軸之幾何圖

電壓

2.5 永磁式同步發電機量測結果

本文使用 32 極 30 槽永磁式同步發電機，發電轉速範圍為 90rpm 至 210rpm，其容量為 1kW，其發電機設計參數如附錄 A 所示，圖 2-6 為量測帄台，由原動機帶動發電機，並量測對發電機之輸入轉矩，提供本文驗證發電機之設計及其量測效率。

原動機

驅動器

轉速命令

轉矩偵測器 ( )

低速高轉矩永磁式發電機

量測系統之電氣負載

轉速發電機

eaf

ebf

ecf

o _m

齒輪箱

3:1 T_e

圖 2-6 發電機量測帄台 A. 永磁式同步發電機各相獨立無載測詴量測參數

本小節量測永磁式同步發電機於各相獨立無載運轉時，轉速與感應電勢之各相電壓峰值之關係，圖 2-7 與表 2-1 為永磁式同步發電機各相獨立時感應電勢之相電壓峰值與轉速，在 180prm 三相相電壓響應如圖 2-8 所示；由上數量測結果得知。轉速於 90rpm 時能產生 70V 之穩定相電壓，

而轉速至 210rpm 時已能產生 160V 之相電壓，因轉速在 90rpm 與 210rpm 的相電壓值相差 90V，對電力電路較難控制，為了讓發電機的使用範圍更廣，本文在發電機 90rpm~150rpm 時採用 Y 接，90rpm 時線電壓就可達 121V，150rpm 線電壓更達到 202V，150rpm~210rpm 採用各相獨立接法，相電壓範圍為 117V~160V，發電機的使用率更大，且直流鏈電壓較為穩定，有助於電路的控制。在 180rpm 時之發電機無載相電壓響應之實測與分析相接近，誤差為 4%

表 2-1 永磁式同步發電機各相獨立電路之反電動勢量測結果轉速

(rpm) 90 120 150 180 210 相電壓峰值

(V) 70.4 94.4 117 140 160 相電壓均方根

值(V) 54 70 85 107 125 THD(%) 6.97 5.57 5.47 5.76 5.63 頻率(Hz) 24 32 40 48 56

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

90 110 130 150 170 190 210 230

rpm

圖 2-7 本文使用永磁同步發電機之轉速與感應電勢之相電壓峰值 (50v / )

v div

(10 / ) time ms div

ea e_b e_c

圖 2-8 在 180rpm 無載時三相相電壓e_a、e_b、e_c的實測

B. 永磁式同步發電機各相獨立加載測詴量測參數

第三章三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器

3.1 前言

將風力發電機之三相個別連接到三個獨立型交流-直流功率轉換器，較一般三相 Y 接的好處有：提高 ³倍的電壓使用率；各相的開關為相同電源，可以簡化電流命令。三相各相獨立型交流-直流功率轉換器主要功能為將發電機側三相交流電壓轉換為直流電壓，使用電流命令追隨電壓之控制策略可以減少發電機側電流諧波、提高功因及提昇直流鏈電壓。

A. 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器

三相三開關昇壓型交流直流功率轉換器[34]電力電路圖如圖 3-1 所示，為電路中有橋式整流器電路架構，圖 3-1 中，e_aG、e_bG、e_cG為發電機之應電勢，L_s為發電機側等效電感，R_s為發電機側等效電阻，L 為發_fG 電機側濾波電感，C 為發電機側濾波電容，_fG C_dc為直流鏈電容，R_dc為直流側等效負載電阻。各相先經由橋式整流器後，再透過昇壓型轉換器，

形成三組昇壓型功率轉換器[35]並聯架構，藉由昇壓型功率轉換器提昇直流鏈電壓，由於各相只需一只功率級電晶體做控制，其優點為架構簡單、

控制容易、成本低。

eaG

v_y₁  (1 s v₁^) _dc (3-4)

其中v₁、v₂及v₃為v 、₁ v 及₂ v 在開關切換週期₃ T_sw的帄均值；i_L₁、i_L₂及i_L₃

v₃  v_cG (3-25)

1.0

為發電機側 c 相電容端電壓v_cG，峰值為 50V；圖 3-5(i)為發電機側 c 相濾波電感電流i ，其總諧波失真率為 6.09%，如圖 3-5(j)所示。三相發電機_cf 側端電壓與發電機側濾波電感電流同相具高功因。具備低諧波失真。

B. 實測結果

圖 3-6 為三相永磁式同步發電機在定轉速 200rpm 時，運用三相三相三開關昇壓型型交流-直流功率轉換器並接上直流等效電阻負載，此電阻 Rdc為 56 ，輸出功率為 220W 之實測結果：3-6(a)為直流鏈電壓v_dc約為 110V；圖 3-6 (b)為發電機側 a 相電容端電壓v_aG，峰值為 50V；圖 3-6 (c) 為發電機側 a 相濾波電感電流i ，其峰值為 3A 與發電機側端電流同相具_af 高功因，其總諧波失真率為 9.54%，如圖 3-6(d)所示。

模擬與實測結果之發電機側電壓與電流同相，而且電流諧波失真率皆低。

( )a

0 time(10ms/div)

(50V/div)

vdc

( )b

time(10ms/div) (50V/div)

vaG

圖 3-5 發電機操作於定轉速 200 rpm 時，風力發電系統以三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之直流等效電阻負載R_dc為 56穩態的模擬結果：(a)直流鏈電壓v ；(b)發電機側 a 相電壓_dc v ； _aG

( )c

time(10ms/div) (2A/div)

i

( )d

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order THD= 4.55%

Mag (% of Fundamental,20/div)

( )e

v

bG^(50V/div)

time(10ms/div)

( )f

i

b f (2A/div)

time(10ms/div)

圖 3-5(續一)(c)發電機側 a 相濾波電感電流i ；(d)發電機側 a 相濾波電感電_af 流i 之頻譜；(e)發電機側 b 相電壓_af v (f)發電機側 b 相濾波電_bG 感電流i _bf

( )g

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order THD= 5.98%

Mag (% of Fundamental,/div)

( )h

time(10ms/div)

v

cG(50V/div)

( )i

time(10ms/div) (2A/div)

icf

( )j

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order THD= 6.09%

Mag (% of Fundamental,.div)

圖 3-5(續二) (g)發電機側 b 相濾波電感電流i ；(h)發電機側 c 相電壓_bf v ；_cG (i)發電機側 c 相濾波電感電流i ；(j)發電機側 c 相濾波電感_cf 電流i 之頻譜 _cf

( )a

(50V/div)

v d c

time(10ms/div)

( )b

0 0

(50V/div)

v

time(10ms/div)

( )c

0 0

time(10ms/div) (2A/div)

i

( )d

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order THD= 9.54%

Mag(% of Fundamental,20/div)

圖 3-6 發電機操作於定轉速 200 rpm 時，風力發電系統以三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之直流等效電阻負載R_dc為 56 實測結果：(a)直流鏈電壓v ；(b)發電機側 a 相電壓_dc v ；(c)發電機側 a_aG 相濾波電感電流i ；(d)發電機側 a 相濾波電感電流_af i 之頻譜 _af

3.3 結語

本章已完成三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器的設計、分析及實測，其中，採用電流控制策略，以減少發電機側之電流諧波含量。圖 3-4作本文發電機之功率轉換器，另可配合第四章之單相市電併網及風力發電最大功率追蹤控制，以完成系統整合。

第四章單相直流-交流功率轉換器與系統整合

（bipolar voltage switching）和單極性電壓切換（unipolar voltage switching）

二種方式。單極性電壓切換輸出等效切換頻率為雙極性電壓切換的二倍，所以其諧波含量遠低於雙極性電壓切換，因此能以較小的濾波器設計值達到濾波效果，而降低濾波電路體積與重量，故系統將以單極性電

壓切換法作為正弦脈波寬度調變之控制策略以控制輸出波型。

若忽略開關切換的時間延遲，其責任週期命令與責任週期為相等，故在

* * 併網，輸出功率為700W之模擬結果：圖4-4(a)為直流鏈電壓v 為200V;圖_dc

4-4(b)為單相市電側相電壓e 有效值110V;圖4-4(c)為單相市電側線電流_R i ，峰值為9A，其總諧波失真率為0.25 %，如圖4-4 (d)所示。 R

B.實測結果

單相直流-交流功率轉換器與單相市電併網，輸出功率為 700W 之實測結果：圖 4-5(a)為直流鏈電壓v 為 200V;圖 4-5(b)為單相市電側相電壓_dc e 有效值 110V;圖 4-5 (c)為單相市電側線電流R i 峰值為 9A，其總諧波失_R 真率為 6.05 %，如圖 4-5(d)所示。

模擬與實測結果相吻合，將直流電壓轉為單相交流電壓餽入市電，

市電側電流具備低諧波失真。

4.4 系統整合

圖 4-6 為本文之風力發電系統整合控制方塊圖，主要將三相風力發電機、三相各相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器、單相直流-交流功率轉換器和單相市電整合在一起成為一個完整的小型風力發電系統。其發電機側之控制策略採用最大功率追蹤功率控制法，能夠有效利用風能，

透過本文所提出之最大功率追蹤控制之擾動觀察法控制流程，如圖 2-5 所示，不斷比較輸出功率及發電機三相端電壓與轉速成正比例關係判斷轉速的變動，調整電流命令值I_mf^* 。得到電流命令值I_mf^* 作為三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之電流閉迴路控制之電流命令峰值，將三相交流電壓轉換為直流鏈電壓；市電併網側採用直流鏈電壓閉迴路之控制策略，其目的除了穩定直流鏈電壓，還將三相永磁式同步發電機之功率輸出至市電。

4.5 結語

本章先推導單相直流-交流功率轉換器之控制策略，透過模擬與實測結果之驗證完成單相直流-交流功率轉換器操作於市電併網模式。將最大功率追蹤控制策略及單相市電併網，將發電機提供能量於市電，做為系統整合之依據。

( )a 0

(50V/div)

vdc

time(10ms/div)

( )b 0

time(10ms/div) (100V/div)

time(10ms/div) ( )c

0 0

(5A/div)

i

( )d

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order THD= 0.25%

Mag (% of Fundamental,20/div)

圖 4-4 單相直流-交流功率轉換器獨立測詴，操作於市電併網之模擬結果：(a)直流鏈電壓v ；(b)市電側相電壓_dc e ;(c)市電側線電流_R i ;(d)_R 市電側線電流i 之頻譜 _R

( )a 0

(50V/div)

vdc

time(10ms/div)

( )b 0

time(10ms/div) (50V/div)

( )c 0

(5A/div)

i

time(10ms/div)

( )d

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order THD= 6.05%

Mag(% of Fundamental,20/div)

圖 4-5 單相直流-交流功率轉換器獨立測詴，操作於市電併網之實測結果：(a)直流鏈電壓v ；(b)市電側相電壓_dc e ;(c)市電側線電流_R i ;(d)_R 市電側線電流i 之頻譜 _R

單相

程式開始

回授和P k_G( )

( ) ( 1)?

G G

P k P k

( ) ( 1)?

mG mG

V k V k

程式結束

mG( ) V k

是否

是是

否否

* *

( ) ( 1) ( )

mf mf

i k i k  i k

( ) ( 1)?

mG mG

V k V k

* *

( ) ( 1) ( )

mf mf

i k i k  i k i_mf^* ( )k i_mf^* (k  1) i k( ) i_mf^* ( )k i_mf^* (k  1) i k( )

圖 4-7 風力發電最大功率追蹤控制流程圖

第五章實體製作與實測

5.1 前言

本文採用德州儀器公司生產之數位信號處理器作為整體系統之控制核心，運用軟體程式實現複雜的控制運算，可降低硬體成本，減少控制電路及增加系統運作可靠度。本章將整體系統分成硬體電路與軟體規劃二大部分，並根據前幾章之理論分析及控制方塊做為實體製作之依據。

5.2 硬體電路製作

本系統硬體架構主要可分為三個部分：(1)數位信號處理器介面電路；

(2)電壓回授電路及零點偵測電路；(3)電流回授電路；

風力發電裝置部分，以原動機帶動永磁式同步發電機，作為風車帄台之模擬，其永磁式發電機之規格如附錄 A。

5.2.1 數位信號處理器介面電路

本文是以數位控制為基礎，採用德州儀器所生產之 32 位元數位信號處理器(DSP, TMS320F2808)作為整體系統的控制核心，連接閘極驅動電路，來控制電力電路中每個功率轉換器。該處理器運算速度高達 100MIPS(Million Instructions Per Second)，是控制領域先進處理器之一，

其內部元件包括中央處理單元(central processing unit, CPU)、加強型脈波寬度調變模組(enhanced pulse-width modulator module, ePWM)，以及 12 位元的類比/數位轉換模組(analog-to-digital converter, ADC)，而其介面電路如圖 5-1 所示。可將類比的輸出電壓經由電流或電壓偵測電路做數位取樣回送到處理器做運算，整個控制流程交由處理器來運算，可有效地減少硬體電路的成本，更能增加系統的可靠度及穩定度，實現數位化控制的目標。而在抓取市電側交流電壓的同時，利用零點交越偵測電路，抓取市電的零交越訊號送回處理器，詳細於本章電路部分會加以介紹。

數位信號處理器 TMS320F2808

TMS320F2808 核心

閘極驅動電路

程式發展帄台

捕捉單元類比/數位

轉換器

模擬器 XDS510PP

加強型脈波寬度

調變

電流偵測電路

零點交越偵測電路

電壓

偵測電路電力電路

圖 5-1 數位信號處理器介面電路

表 5-1 及 5-2 為加強型脈波寬度調變模組與類比/數位轉換器於數位信號處理器之介面規劃。表 5-1 中，ePWM4A~6A 為控制三相三開關升壓型交流-直流功率轉換器之脈波寬度調變訊號；ePWM1~2 為控制單相交流-直流功率轉換器之脈波寬度調變訊號。

在文檔中垂直軸式層狀型風力發電系統之研製---子計畫三：垂直型風車發電系統之永磁式發電機及功率控制器之研製(I) (頁 16-0)

第二章 永磁式同步發電機的模式及量測

2.4 永磁式同步發電機之轉速及角位置估測

2.5 永磁式同步發電機量測結果

第三章 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器

3.1 前言

i

v

i

v

v

i

3.3 結語

第四章 單相直流-交流功率轉換器與系統整合

4.4 系統整合

4.5 結語

i

i

第五章 實體製作與實測

5.1 前言

5.2 硬體電路製作

5.2.1 數位信號處理器介面電路

第二章永磁式同步發電機的模式及量測

第三章三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器

第四章單相直流-交流功率轉換器與系統整合

第五章實體製作與實測