第五章 系統模擬與實驗結果
5.2.1 VOPFC模擬實驗波形
由第二章之操作原理簡介，及第四章之控制器設計討論，可循序設計完成串聯式 升/降壓轉換器，使其輸出穩定直流電壓提供後級變頻器驅動無刷直流馬達。根據 VOPFC之系統特性，在額定功率500 W下，功率轉換器可修正功率因數達99%以上，且 輸出電壓可調範圍為75 V至300 V。系統工作狀態分為兩種，一種為當輸出電壓大於輸 入電壓之峰值，系統持續操作在升壓模式下，如圖5.4所示，此時輸出電壓為300 V，輸 出功率為滿載，輸出電壓漣波僅為2%。另一種工作狀態為輸出電壓小於輸入電壓峰值 時，其系統會交替操作在升壓或是降壓模式。如圖5.5所示，此時輸出電壓100 V，輸出 功率為200 W，此時輸出電壓漣波約為10%。雖然系統操作模式在升壓及降壓間變換，
但因為使用前饋補償控制器，系統具有良好的暫態及穩態響應。
I(La) S3.Iref/100 Vac
650.00 660.00 670.00 680.00
Time (ms) 296.00
output
voltage ΔV=2%
Current controller
650.00 660.00 670.00 680.00
Tim e (m s )
0.0
330.00 340.00 350.00 360.00
Time (ms) 80.00
Output Voltage
330.00 340.00 350.00 360.00
Time (ms) 80.00
I(La) S3.Iref/100
Iin
Output Voltage
340.00 345.00 350.00 355.00
Time (ms) 0.0
Vref Vin
Inductance current
Current controller output
圖 5.5 VOPFC操作buck-boost模式下之模擬波形圖，輸出電壓100 V，輸出功率200 W 下 (a) 輸入電壓，輸出電流及輸出電壓 (b) 電感電流、電流控制器輸出訊號、開關
0.0
375.00 380.00 385.00 390.00 395.00 400.00
Time (ms) 0.0
0.501.00 1.50
444.00 448.00 452.00 456.00 460.00
Time (ms) 0.0
PF=0.892 PF=0.9
THD=7.94% THD=9.6%
(a) (b)
Time (ms) Time (ms)
0.0
375.00 380.00 385.00 390.00 395.00 400.00
Time (ms) 0.0
375.00 380.00 385.00 390.00 395.00 400.00
Time (ms) 0.0
PF=0.932 PF=0.93
THD=15.8% THD=14.4%
i
I_ref I_f_test
80.00
ef Vo_f V_r
0.125 0.15 0.175 0.20 0.225 0.25
Time (s)
Vref Vo Iref IL_f
ts=80ms
ef Vo_f V_r
0.125 0.15 0.175 0.20 0.225 0.25
Time (s)
Vref Vo Iref IL_f
ts=80ms
圖 5.7 變電壓控制模擬波形，輸出電壓命令由135V切換到90V，穩定時間ts為80 ms
-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 80
90 100 110 120 130 140 150
vref vo(sim) vo(lab)
-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2
80 90 100 110 120 130 140
Vref Vo(sim) Vo(lab)
90V
135V
135V
90V ts=80ms
ts=80ms
(a) (b)
圖 5.8 變電壓控制之模擬與實驗波形比較，其中綠線為模擬波形，紅線為實驗波形 (a) 輸出電壓命令由90 V切換到135 V，(b) 輸出電壓命令由135 V切換到90 V
由於 VOPFC 能夠針對命令提供不同電壓，令整個驅動器具有極大的操作彈性，但 為了確保系統的工作特性，針對不同電壓輸出下，比較由低輸出功率到高輸出功率系 統之功率因數(PF)及總諧波失真比(THD)，其波形分別如圖 5.10 及 5.11 所示。分析其 比較關係圖，隨著輸出功率增大，其功率因數及總諧波失真比皆有越來越好的趨勢；
而在低功率輸出時，低電壓具有較佳的電流總諧波失真比，其原因是因為 VOPFC 電流 操作在非連續導通之比例較低，所以電流可以維持線性化。
100 150 200 250 300 350 400 450 500
0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1
V dc 100 V dc 200 V dc 300
PF(%)
Po(W)
圖 5.9 在各固定輸出電壓下，輸出功率由輕載到滿載(20% Æ 100%)與功率因數之關係 圖，其中輸出電壓分別為100 V、200 V、300 V
5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 0
2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6
V d c 1 0 0 V d c 2 0 0 V d c 3 0 0 V d c 7 5
THD(%)
Po(W) Vdc lower
Vdc higher
圖 5.10 在各固定輸出電壓下，輸出功率由輕載到滿載(20% Æ 100%)與輸入電流總諧 波失真比(THD)之關係圖，其中輸出電壓分別為75 V、100 V、200 V、300 V
圖 5.9(a)、圖 5.9(b)為系統切載測試之模擬與實驗比較圖，由圖中可知模擬與實驗 具有一致性，系統在數位控制器的執行下，其電壓閉迴路達到與模擬結果一致的結 果。在系統的切載下，不論是由輕載切至重載，或是由重載切至重載，其系統穩定時 間約為 80 ms，電壓回復平穩並維持在電壓命令 100 V，此時電壓漣波量為 10 V。
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
圖 5.11 系統切載：(a)高載切換到輕載(300WÆ200W)，電壓漣波約10V，穩定時間 80 ms，(b)輕載切換到高載(200WÆ300W)，電壓漣波約12V，穩定時間
s =
t ts =80
ms，圖中之波形分別為負載電流、輸出電壓及電感電流
當輸出電壓小於輸入電壓峰值時，系統操作在 buck-boost 模式，反之持續操作在 升壓模式，圖 5.12 為輸出電壓 140V 時之實驗波形，觀察圖 5.12(a)，可見到 VOPFC
DBcuk
DBoost Vo Vin
(a)
2A
5A
Buck Buck (b)
I
refI
L_fVin
Buck Boost Buck
(c)
圖 5.12 系統操作在buck-boost模式之實驗波形，此時輸出電壓為140 V，輸出功率200 W，(a)分別為輸入及輸出電壓，開關SBuck及及SBoost之驅動訊號，(b)VOPFC之電感電流 及輸入線電流(c) 由監控軟體觀測DSP訊號，分別為電感電流命令及回授之電感電流、
輸入電壓
Iin IL
Iin
Vac
300W 176V
300W 176V
2A
5A
5A
100V
(a)
Vin
IL_ref
IL_f
(b)
圖 5.13 系統操作在Boost模式之實驗波形，(a)上圖波形為電感電流及輸入電流，下圖 波形為輸入電壓及輸入電流，(b)為內部數位控制器訊號，分別為電感電流命令、回授
電流信號及輸入電壓信號。此時THD=5.2%，PF=0.97，工作效率η =0.94
如圖 5.14 所示，為功率量測計之操作電路，透過 WT-210 功率計分別量測 VOPFC 之輸入及輸出功率，而後計算出整體 VOPFC 工作效率。其量測電壓範圍分別自 85
模擬結果一致，隨著功率逐漸提升下其 THD 越來越低，PF 越來越高，而系統之操作 效率則幾乎維持在 94%上下。
WT-210 WT-210
current coil
voltage coil
V
+V
-R
LL
iR
圖 5.14 WT-210功率計量測接線圖
表 5.1 VOPFC不同輸出電壓下其工作效率比
Vdc Pin Po Eff THD PF 86 78.2 73.4 0.91 20 0.58 100 105 99 0.91 18.8 0.66 120 153 144 0.94 14.6 0.79 138 200.6 190 0.95 13.2 0.86 150 254 239 0.94 11.3 0.9 200 432 402 0.93 5.0 0.98 250 335 312 0.93 5.7 0.99 300 487 458 0.94 5.7 0.99