磁滯電流控制與 MDFQCC 比較

授電流差值。我們可以回過頭看上一節的 MDFQCC，在式子(3.7)及式子(3.8)可以發現 若MDFQCC 定值矩陣設定如下(3.13)式。

則 MDFQCC 開關切換的運算標準為當下電流命令與上一個開關切換週期電流差 值。因此若我們討論特定磁滯，其可容忍區間為0，且開關切換的變標準改為此次電流 命令與上一個開關切換電流週期差值。則此特定的磁滯電流控制其開關判斷標準與 MDFQCC 在定值矩陣為式子(3.13)的情況下雷同。我們更加進一步探討，可以發現到雖 然特定磁滯電流控制每相開關狀態判斷是獨立，而MDFQCC 判斷開關狀態是三相電流 綜合判斷，但其判斷開關切換的標準在其定值矩陣為式子(3.13)下，MDFQCC 與特定磁 滯架構均同樣是取此次電流命令與上一個開關切換電流週期差值。而又因為系統三相平 誤差集合元素第一行的情況下，代入特定的磁滯系統與指定的 MDFQCC。特定的磁滯 系統其開關狀態輸出為G_a^ 1、G_b^ 0、G_c^ 0，而MDFQCC 經由其演算架構則其開 關狀態輸出為G_a^ 1、G_b^ 0、G_c^ 0。若我們依序把式子(3.14)中所有組合代入 MDFQCC 與特定磁滯控制裡，可發現兩種三相直交流調變其開關狀態輸出完全相同，

這個情況說明了三相電流磁滯控制是MDFQCC 的一個特例。

第四章

電流控制模擬

4.1 併網型轉換器之電流控制

模擬首先採取固定三相匯流排負載模擬，而負載端上的電壓為線電壓220V_rms，頻 率為50Hz的三相平衡電壓源，其餘詳細電流控制參數如下表4.1 所示。模擬採用定電流 命令控制，命令大小為10A^peak及20A^peak兩種狀況，而頻率為50Hz之弦波電流命令。下 圖4.1 為模擬架構圖，經由三相電流控制使三相反流器輸出電流至負載系統，而三相電 流控制採用本論文中所提之三種電流控制，且SPWM 之三角波頻率為 f 與 MDFQM 和_tri MDFQCC 的運算頻率為f 。 _s

Three Phase VSI

Current Command

Load System

400 n

P

^S

表4.1 併網型轉換控制參數

直流鏈電壓V _{dc 400V}

運算頻率 f _{s 40kHz}

三角波頻率 f _{tri 5kHz}

鎖死時間dead time 3s

電流迴路增益常數k _{p 0.32}

電流迴路積分常數k _i 40/sec 負載電壓(line to line) 220Vrms

操作頻率(基頻) 50Hz

連接線端等效電阻 0.5Ω

連接線端等效電感 1mH

下圖4.2 至圖 4.4 為三組定電流命令下，SPWM、MDFQM、MDFQCC 三種三相電 流控制其a 相電流波形與電流命令波形圖，而圖右上角功率代表三相反流器輸出至併聯 網路的功率P 。經由模擬波形我們可以看到，電流波形以 SPWM 的漣波最小 MDFQM_s 其次，而MDFQCC 的電流漣波最大，藉由模擬我們可以驗證本論文第三章所說的三相 電流控制輸出電壓頻譜所照成電流漣波的影響關係。而下圖4.5 至圖 4.7 為電流波形頻 譜分析圖，我們藉由觀察頻譜去應證漣波差異的原因。

ia

*a

i

ms 10

A 5

(a)

W P_s 2547.2

ia

*

ia

ms 10

A 5

(b)

W P_s 2538.6

ia

*

ia

ms 10

A 5

(c)

W P_s 2540.8

圖4.2 併網型定電流控制(電流命令 10A )之電流波形圖

ia

*a

i

ms 10

A 5

(a)

W P_s 5216.35

ia

*

ia

ms 10

A 5

(b)

W P_s 5208.6

ia

*

ia

ms 10

A 5

(c)

W P_s 5222.9

圖4.3 併網型定電流控制(電流命令 20Apeak)之電流波形圖

A 10

(a) ia

*

ia

W P_s 8023.6

ms 10 A

10

(b) ia

*

ia

W P_s8019.4

ms 10 A

10

(c) ia

*

ia

W P_s 8038.6

圖4.4 併網型定電流控制(電流命令 30A )之電流波形圖

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(a)

104

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(b)

104

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(c)

104

圖4.5 併網型定電流控制(電流命令 10Apeak)之電流頻譜圖

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(a)

104

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(b)

104

19.4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ) (A

101 10² 10³ 10^{4 (Hz)}

18.47

(c)

圖4.6 併網型定電流控制(電流命令 20A )之電流頻譜圖

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(a)

104

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 ) (A

101 10² 10³ (Hz)

(b)

104

29.1

101 10² 10³ 10⁴ (Hz)

(c) 0

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 ) (A

圖4.7 併網型定電流控制(電流命令 30Apeak)之電流頻譜圖

由上列電流頻譜圖可知，以 SPWM 為主的電流控制在諧波分布上紙特定分布於整 數倍三角波頻率附近，而MDFQM 與 MDFQCC 的諧波大部份分布於運算頻率之前，且 MDFQCC 的諧波能量又大於 MDFQM。我們亦可從頻譜分析圖上發覺在基本波上 MDFQCC 的大小在同樣命令下均為最小值，主要原因來自於 MDFQCC 沒有 PI 型控制

表4.2 併網型三相電流控制比較表

Current Control PI-SPWM PI-MDFQM MDFQCC

Current Command Amplitude 10A 20A 30A 10A 20A 30A 10A 20A 30A Switching numbers

(times/sec) 30000 30000 30000 24000 24148 24635 24562 24903 24998

THD (%) i 1.6 0.94 0.72 2.08 1.22 1.01 7.20 4.03 2.83

WTHD (%) i 12.6m 5.6m 2.8m 101.3m 51.8m 37.1m 123.7m 65.8m 44.8m

ˆi (A) 1 9.628 19.66 24.99 9.77 19.4 29.1 8.54 18.47 27.7

MDFQM 次之，最後為 MDFQCC。但若以開關切換次數的表現來說，以 MDFQM 最佳，

MDFQCC 次之而最後為 SPWM。而在此一提，本表格特別顯示出輸送功率，其目的在 於能夠顯示出 MDFQCC 的優點。由表格我們可以看到 MDFQCC 因為有較佳的相位追

4.2 交流馬達電流控制

4.2.1 三相電流控制

接著模擬負載平台為馬達，此模擬閉迴路控制模擬包含了外閉轉速迴路控制及內閉 電流迴路控制，在不同的調變下應用於馬達控制。模擬分為三種三相電流控制分，分別 為PI-SPWM、PI-MDFQM、MDFQCC 其模擬控制架構如下圖 4.8 所示。

PM PG

圖4.8 三相馬達控制模擬架構圖

馬達及控制參數部份，如表4.3 為反流器與控制參數，而表 4.4 為驅動端馬達與發 電端馬達參數。而SPWM 三角波頻率如表 4.3 所示，但 MDFQM 與 MDFQCC 沒有三角 波，因此取而代之的是運算頻率 f_s nf_tri，其運算頻率設定為三角波的n倍。至於馬達 參數方面設定驅動端馬達及發電端馬達參數相等。

在模擬上雖然不會有三相反流器因為上下臂同時導通而造成電流瞬間上升，導致三 相開關損毀的情況發生。但在實際上我們必須加入防鎖死時間dead time，以防止開關損

表4.3 反流器參數與控制參數

直流鏈電壓V_{dc 270V}

運算頻率 f_{s 40kHz}

三角波頻率 f_{tri 5kHz}

鎖死時間dead time 3s 電流迴路增益常數k_p 0.001165

電流迴路積分常數k_{i 2.619/sec}

轉速迴路增益常數k_{pr 0.02}

轉速迴路增益常數k_ir 8000/sec

表4.4 馬達參數

定子電阻R 1.6676

定子電感L 5.9388mH

定子互感M -0.69m

感應電動勢電壓常數(line-to-line) 37.1 V_pk/krpm

馬達極數 4

發電端馬達負載電阻R_L(Y 接) (100/50 )per phase

模擬主要著眼於馬達穩態，分別在不同的穩態轉速下記錄其電流波形。在模擬中我 們區分6 個轉速分別為500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm與3000rpm。 利用外轉速閉迴路控制產生電流命令，接著再經由內電流閉迴路控制產生電壓命令與回 授電流輸入至三相電流控制產生開關訊號。而回授取樣則是依照第三章所描述取回授電 流平均值。在此一提，電流迴路增益常數k 與電流迴路積分常數_p k 的設定原則為必需使_i 得PI 控制器的截止頻率小於 0.5 f 且_tri PI 型控制器輸出訊號之斜率小於 4 f ，因此由公_tri 式k_p (f_triL)/2與k_p (f_triR)/2可得各自適當的參數。

在此模擬MDFQM 的誤差定義採用第二章所提之範例一，義即誤差定義如下(4.4)

rpm ω_r500

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r500

(d) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r500

(b) 10ms

A 1

ia a*

i

rpm ω_r500

(e) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r500

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r500

(f) 10ms

A 1

ia

*a

i

圖4.9 三相電流控制於轉速500rpm電流波形圖



 100

RL , (a)PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制



L  50

R , (d) PI-SPWM 控制 (e) PI-MDFQM 控制 (f)MDFQCC 控制

rpm ω_r1000

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1000

ms 10

A 1

ia a*

i

(d)

rpm ω_r1000

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1000

ms 10

A 1

ia

*a

i

(e)

rpm ω_r1000

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1000

ms 10

A 1

ia

*a

i

(f)

圖4.10 三相電流控制於轉速1000rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制



L  50

R , (d) PI-SPWM 控制 (e) PI-MDFQM 控制 (f)MDFQCC 控制

rpm ω_r1500

(a) 10ms

A 1

ia a*

i

rpm ω_r1500

ms 10

A 1

ia

*a

i

(d)

rpm ω_r1500

(b) 10ms

A 1

ia a*

i

rpm ω_r1500

ms 10

A 1

ia a*

i

(e)

rpm ω_r1500

(c) 10ms

A 1

ia a*

i

rpm ω_r1500

ms 10

A 1

ia

*a

i

(f)

圖4.11 三相電流控制於轉速1500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制



L  50

R , (d) PI-SPWM 控制 (e) PI-MDFQM 控制 (f)MDFQCC 控制

rpm ω_r2000

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2000

ms 10

A 1

ia

*a

i

(d)

rpm ω_r2000

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2000

ms 10

A 1

ia a*

i

(e)

rpm ω_r2000

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2000

ms 10

A 1

ia

*a

i

(f)

圖4.12 三相電流控制於轉速2000rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制



L  50

R , (d) PI-SPWM 控制 (e) PI-MDFQM 控制 (f)MDFQCC 控制

rpm ω_r2500

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2500

ms 10

A 1

ia a*

i

(d)

rpm ω_r2500

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2500

ms 10

A 1

ia

*a

i

(e)

rpm ω_r2500

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2500

ms 10

A 1

ia a*

i

(f)

圖4.13 三相電流控制於轉速2500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制



L  50

R , (d) PI-SPWM 控制 (e) PI-MDFQM 控制 (f)MDFQCC 控制

rpm ω_r3000

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r3000

ms 10

A 1

ia a*

i

(d)

rpm ω_r3000

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r3000

ms 10

A 1

ia

*a

i

(e)

rpm ω_r3000

(c) 10ms

A 1

ia a*

i

rpm ω_r3000

ms 10

A 1

ia

*a

i

(f)

圖4.14 三相電流控制於轉速3000rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制



L  50

R , (d) PI-SPWM 控制 (e) PI-MDFQM 控制 (f)MDFQCC 控制

經由模擬可發現SPWM 與 MDFQM 電流追隨電流命令在振幅方面些微追隨不到，

而且在相位方面因為電流控制器為單純PI 控制器所以電流追隨命令會有些許的相位落 後。由上面6 張的模擬圖可知 MDFQM 電流漣波比 SPWM 來的大，而造成此現象的原 因可由第二章輸出電壓頻譜加以解釋。

MDFQCC 之三相電流控制，其控制結構與之前所提之 MDFQM 與 SPWM 在模擬 上的差別在於無PI 型控制器。其三相直交流調變是以電流為基礎，而的三相直交流調 變MDFQM 與 SPWM 是以電壓為基礎，所以在本質上的差異造成 MDFQCC 無需 PI 型 控制器。由上電流波形圖亦可以發現，若忽略掉電流漣波的影響，則MDFQCC 在電流 命令的相位上及大小上電流追隨的較佳。但其電流漣波也是三種三相電流控制裡最大 的，造成馬達於穩態運作時的震動及噪音相較於SPWM 與 MDFQM 來說會有較大的震 動及噪音。

4.2.2 三相電流控制電流頻譜圖

由上一節模擬出的電流波形，經由傅立葉轉換可得電流在頻率域上的頻率分部大 小。在不同的轉數下電流基本波均會有所不同，並把基本波以外的頻率稱之為諧波。下 圖4.15 至圖 4.20 為馬達在不同轉數下，其電流的頻譜分析。與上節相同，每張圖均為 兩組不同馬達負載R_L下，三種不同三相電流控制下其穩態轉速的電流波形頻譜，並彼 此互相做比較。

首先由 SPWM 的電流頻譜途可發現，其諧波成分最主要集中於整數倍三角波頻率 (5kHz整數倍)附近，而低次諧波成分大小非常小可視為忽略。而 MDFQM 在諧波分布上 比較均勻，其主要諧波並無座落於任何單一頻率上。至於MDFQCC 在低頻成份上均有 諧波，且在運算頻率(即開關切換頻率)之前，且其電流頻譜某特定頻率附近有集中且量 直不小的諧波存在。而不同的三相電流控制，其電流頻頻譜上的差異會造成電流漣波、

權重總電壓失真(WTHD_i)和總電壓諧波失真(THD_i)大小及數值有所不同。

首先討論電流漣波部份，我們可以發現電流漣波受到低次諧波的影響較大，原因為 馬達對於低頻電壓諧波有較敏感的反應，其影響的權重比大於高頻電壓諧波。此即意味 高頻電壓諧波對於馬達的電流漣波大小影響較小，因此若在低頻上有著電壓諧波存在，

則時間軸上的電流波形的漣波就會比較大。我們可以觀看三種三相電流控制下的電流頻 譜可以發現，SPWM 的電流頻譜分布如第二章所提，電壓諧波均集中於較高頻率的位置 上且其大小均不是很大，並經由負載電路產生出電流後可濾除(衰減)掉其低頻成份，故 以 SPWM 做三相電流控制下其漣波最小。再者為 MDFQM，在第二章中提到其壓頻譜 圖亦有著低頻電壓諧波，但其諧波大小在一定的量值以內，故其電流漣波還在可接受範 圍。最後觀看MDFQCC 控制下電流諧波為三種三相電流控制下最大的，造成此原因的 問題在於電流為連續的函數，電流來自於電感電壓的儲能。而MDFQCC 是以電流做直 接控制，在每個運算週期MDFQCC 以電流誤差作為基礎，以控制相電壓進而影響電流 誤差。這樣的機制使得電流補償過於激烈，因而使得電流存在著不小的電流漣波。另外 我們亦可發現同樣轉速下 MDFQCC 的基本波大小較小。其原因為 MDFQCC 在同樣轉

則時間軸上的電流波形的漣波就會比較大。我們可以觀看三種三相電流控制下的電流頻 譜可以發現，SPWM 的電流頻譜分布如第二章所提，電壓諧波均集中於較高頻率的位置 上且其大小均不是很大，並經由負載電路產生出電流後可濾除(衰減)掉其低頻成份，故 以 SPWM 做三相電流控制下其漣波最小。再者為 MDFQM，在第二章中提到其壓頻譜 圖亦有著低頻電壓諧波，但其諧波大小在一定的量值以內，故其電流漣波還在可接受範 圍。最後觀看MDFQCC 控制下電流諧波為三種三相電流控制下最大的，造成此原因的 問題在於電流為連續的函數，電流來自於電感電壓的儲能。而MDFQCC 是以電流做直 接控制，在每個運算週期MDFQCC 以電流誤差作為基礎，以控制相電壓進而影響電流 誤差。這樣的機制使得電流補償過於激烈，因而使得電流存在著不小的電流漣波。另外 我們亦可發現同樣轉速下 MDFQCC 的基本波大小較小。其原因為 MDFQCC 在同樣轉

在文檔中 多維度回授量化調變於三相電流控制之應用研究 (頁 100-0)