以DSP為基礎之具能源回收數位式三相電子負載模擬器之研製 Design and Implementation of a DSP Based Digital Three-Phase Electronic Load Emulator with Energy Recycling 研究生：謝佑定 指導教授：蔡明村 博士 南台科技大學電機工程研究所

研究動機與目的 文獻回顧 系統架構 理論分析 控制器數位化之實現 軟體設計 實驗結果 結論與未來展望 參考文獻 大綱 南台科技大學電機工程研究所

研究動機與目的(一) 電力電子產品出廠前，通常都會做燒機測試。傳統的測試方法是利用被動式負載，將大量的電力流經待測產品後即在負載上消耗掉，這種浪費能源的測試方法顯然極待改進。 為了改善傳統方法之缺失，國內外也有些方法被提出，這些方法或為以電壓控制模式進行能量傳送，或為以電流控制模式傳送能量，而且這些方法大多針對直流電源供應器、不斷電電源供應系統等作設計，較少有其他型式負載之考慮。 南台科技大學電機工程研究所

研究動機與目的(二) 本文將以能量回收為基礎，實現三相交流電子式負載，並以DSP TMS320LF2407A作為系統之控制器，透過數位系統軟體上的彈性，模擬電阻性、電感性、電容性等負載，並同樣僅利用傳統的電力電子技術，將測試能源回送到電源側以重複使用。不僅降低測試空間，亦降低散熱所需的空調電力支出。 南台科技大學電機工程研究所

文獻回顧 Meng-Tueh Chang, Jiann-Yow Lin, Shih-Liang Jung, Ying-Yu Tzou, “ Design and Implementation of a Real-Time Lossless Dynamic Electronic Load Simulator,” IEEE PESC Conf. Rec., Vol. 1, pp. 734-739, June 1997. 內容： 提出新的動態電子負載模擬器，具有取代原有RLC負載元件以節省空間、減少消耗負載冷卻裝置、電子負載模擬器吸收之能源回送市電等特點。其主架構由三個部份組成，一為功率回收裝置，具雙向功率潮流之整流器，可適當調整直流鏈電壓並操作於單位功因；二為負載模型控制器，由電源裝置取得模擬負載之電流波形，由DSP TMS320C14計算產生模擬負載電流命令；三為電流控制電壓源轉換器，依據負載模型控制器產生之電流命令，使轉換器輸入電流高速追蹤電流命令之性能，為其動態電子負載模擬器系統核心。 南台科技大學電機工程研究所

系統架構 前級轉換器 後級轉換器 Turn off DC 220V 數位控制核心 人機控制介面 電感性負載功率因數0.6 圖一 具能源回收之數位式三相交 流電子式負載系統架構圖 南台科技大學電機工程研究所

理論分析 三相昇壓型交/直流轉換器數學模型 三相昇壓型交/直流轉換器控制法 電壓控制法 電流控制法 南台科技大學電機工程研究所

三相昇壓型交/直流轉換器數學模型 (一) 根據克希荷夫電壓定律 ( KVL ) 與克希荷夫電流定律 ( KCL ) ，可得系統動態方程式，如(1)式至(4)式 圖二 三相昇壓型交/直流轉換器 南台科技大學電機工程研究所

三相昇壓型交/直流轉換器數學模型 (二) 利用狀態空間平均法 ( State-Space Averaging Method )，如下式之數學模型表示之。 將(1)式至(4)式代入(5)式以狀態空間平均法表示，如(6)式 南台科技大學電機工程研究所

圖三 三相昇壓型交/直流轉換器R相之單相等效電路 電壓控制法 設三相昇壓型交/直流轉換器輸入電壓為三相交流電源且輸入電流為三相穩態平衡電流，故可視為三個單相交流電源所組成之三相交流電源，圖三即為圖二之R相簡化後之單相等效電路。由於 ，在此將 忽略。 令 其中 根據(7)式，將其表示成電路結構，如圖四所示，即為電壓控制法之示意圖。由圖四可規範出功率潮流之方程式，如(10)式與(11)式 圖三 三相昇壓型交/直流轉換器R相之單相等效電路 圖四 電壓控制法之示意圖 南台科技大學電機工程研究所

電流控制法 根據圖五可規範實、虛功率表示式，如(13)式與(14)式 由圖六可得 又 南台科技大學電機工程研究所 圖五 電流控制法之示意圖 圖五 電流控制法之示意圖 圖六 電壓與電流關係向量之示意圖 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現 前級轉換器電流迴路 後級轉換器電流迴路 後級轉換器電壓迴路 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(一) 圖七 三相交流電子負載模擬器之前級三相交/直流轉 換器電流控制迴路控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(二) 利用Bilinear轉換式 (24)式代入(23)式，將(23)式之s-domain之轉移函數轉換至z-domain表示之，如(25)式 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-前級轉換器電流迴路(三) 將(25)式之z-domain轉移函數以差分方程式表示之，即為前級轉換器電流控制器數位程式之數學表示式，如 (26)式至(28)式 圖八 三相交流電子負載模擬器之前級三相交/直流轉 換器電流控制迴路數位控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-後級轉換器電流迴路(一) 圖九 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流轉 換器電流控制迴路控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-後級轉換器電流迴路(二) 利用Bilinear轉換，將(29)式之s-domain之轉移函數轉換至z-domain表示之，如(30)式 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-後級轉換器電流迴路(三) 將(30)式之z-domain轉移函數以差分方程式表示之，即為後級轉換器電流控制器數位程式之數學表示式，如 (31)式至(33)式 圖十 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流轉 換器電流控制迴路數位控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-後級轉換器電壓迴路(一) 利用Bilinear轉換，將(36)式之s-domain之轉移函數轉換至z-domain表示之，如(37)式 圖十一 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流 轉換器電壓控制迴路控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所

控制器數位化之實現-後級轉換器電壓迴路(二) 將(37)式之z-domain轉移函數以差分方程式表示之，即為後級轉換器電壓控制器數位程式之數學表示式，如 (38)式 圖十二 三相交流電子負載模擬器之後級三相直/交流 轉換器電壓控制迴路數位控制方塊圖 南台科技大學電機工程研究所

Visual Basic之人機操作介面之控制畫面 程式流程圖 軟體設計 DSP TMS320LF2407A簡介 模擬負載之實現 Visual Basic之人機操作介面之控制畫面 程式流程圖 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-DSP TMS320LF2407A簡介 工作電壓3.3V，執行速度40MIPS，定點式運算 內部記憶體包含32K*16-Bit之程式記憶體、544*16-Bit之雙存取記憶體、2K*16-Bit之單存取記體 外部記憶體包含512*16-Bit之Boot ROM、64K*16-Bit外部擴充資料記體體、64K*16-Bit外部擴充程式記體體、64K*16-Bit外部擴充I/O記體體 事件管理可規劃四個通用計時器、十六組脈波寬度調變 ( PWM )、六組計時比較器輸出、四組捕捉輸入 類比/數位轉換模組可轉換0V到3.3V之訊號，其解析度為10-Bit，由兩組八通道所組成可藉由串聯排序模式，將兩組八個通道串聯，一次轉換最多達十六個通道。 SCI之傳輸模組，傳輸方式為非同步串列傳輸。 南台科技大學電機工程研究所

實現方式 軟體設計-模擬負載之實現(一) 建立126個空白資料記憶體位址 三相電壓相位分別存於126個空白資料記憶體位址 依據功率因數大小，推估三相電壓相位之角度 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-Visual Basic之人機操作介面之控制畫面 訊息顯示 測試負載類型 測試負載類型 測試負載操作型態 圖十三 Visual Basic之人機操作介面之控制畫面 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-DSP數位控制程式流程圖(一) 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-DSP數位控制程式流程圖(二) 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-DSP數位控制程式流程圖(三) 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-Visual Basic程式流程圖 南台科技大學電機工程研究所

後級轉換器單獨操作(PFC) 實測模擬電阻性負載 實測模擬電感性負載之功因0.8 實測模擬電感性負載之功因0.6 實驗結果 後級轉換器單獨操作(PFC) 實測模擬電阻性負載 實測模擬電感性負載之功因0.8 實測模擬電感性負載之功因0.6 實測模擬電容性負載之功因0.8 實測模擬電容性負載之功因0.6 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-後級轉換器單獨操作(PFC) iR vRn vRn iR vRn : 50V/div , 5mS/div iR : 10A/div , 5mS/div vRn : 50V/div , 5mS/div iR : 10A/div , 5mS/div (a) (b) 圖十八 後級轉換器單獨操作 (a)實測550W之市電之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸入線電流iR波形 (b)實測1100W之市電之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸入線電流iR波形 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-實測模擬電阻性負載 (一) iA -iR vRn vRn vRn : 50V/div , 5mS/div iA : 10A/div , 5mS/div vRn : 50V/div , 5mS/div -iR : 10A/div , 5mS/div (a) (b) (c) (d) 圖十九 測試模擬電阻性負載 (a) 1500W實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500W實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形 (c)模擬電阻性負載測試各負載大小之前級轉換器輸入線電流iA總諧波失真 (d)電阻性負載測試各負載大小之後級轉換器輸出線電流iR總諧波失真 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-實測模擬電阻性負載 (二) Vdc -iR Vdc : 100V/div , 50mS/div 圖二十一 模擬電阻性負載測試各負載大小之效率 Vdc : 100V/div , 50mS/div -iR : 10A/div , 50mS/div 圖二十 模擬電阻性負載由無載瞬間增載至半載750W暫態實測之直流電壓Vdc與後級轉換器輸出線電流iR波形 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-實測模擬電感性負載之功因0.8 iA vRn vRn -iR vRn : 50V/div , 5mS/div iA : 10A/div , 5mS/div vRn : 50V/div , 5mS/div -iR : 10A/div , 5mS/div (a) (b) 圖二十二 測試模擬電感性負載功因0.8 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-實測模擬電感性負載之功因0.6 iA vRn vRn -iR vRn : 50V/div , 5mS/div iA : 10A/div , 5mS/div vRn : 50V/div , 5mS/div -iR : 10A/div , 5mS/div (a) (b) 圖二十三 測試模擬電感性負載功因0.6 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-實測模擬電容性負載之功因0.8 iA vRn vRn -iR vRn : 50V/div , 5mS/div iA : 10A/div , 5mS/div vRn : 50V/div , 5mS/div -iR : 10A/div , 5mS/div (a) (b) 圖二十四 測試模擬電容性負載功因0.8 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形 南台科技大學電機工程研究所

實驗結果-實測模擬電容性負載之功因0.6 iA vRn vRn -iR vRn : 50V/div , 5mS/div iA : 10A/div , 5mS/div vRn : 50V/div , 5mS/div -iR : 10A/div , 5mS/div (a) (b) 圖二十五 測試模擬電容性負載功因0.6 (a) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與前級轉換器輸入線電流iA波形 (b) 1500VA實測之輸入相電壓vRn與後級轉換器輸出線電流iR波形 南台科技大學電機工程研究所

結論與未來展望 未來展望 本文以DSP TMS320LF2407A單一晶片實現一具能量回收數位式三相交流電子式負載模擬器 較佳設計空間 硬體電路體積較小 利用簡單測試平台，實現人機控制之應用 未來展望 測試負載類型加入整流性負載 d-g軸控制並採用空間向量脈寬調變(SVPWM)切換 南台科技大學電機工程研究所

參考文獻(一) 南台科技大學電機工程研究所 Suresh Gupta, "Load bank elimination for UPS testing", IEEE IAS Conference Record, pp. 1040-1043, 1990. C. L. Chu, C. L. Huang and J. F. Chen, "A study on the test UPS by energy feedback method", IEEE ISCAS, PP. 3015-3018, 1991. E. A. Vendrusculo and J. A. Pomilio, "High-Efficiency regenerative Electronic load using capacitive idling converter for power source testing”, IEEE PESC’96 , pp. 969-974, 1996. C. A. Ayres and I. Barbi, " A Family of converters for UPS production burn-in energy recovery", IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 12, No. 4, pp. 615-622, 1997. R. Wu, S. B. Dewan, and G. R. Selmon, "Analysis of an ac-to-dc voltage source converter using PWM with phase and amplitude control", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 27, No. 2, pp. 355-364, 1991. C. E. Lin, M. T. Tsai, W. I. Tsai, C. L. Huang, 1997," Consumption Power Feedback Unit for Power Electronics Burn-in Test," IEEE. Trans .on Ind. Electronics, Vol. 44, No. 2, pp. 157-166, April, 1997. Meng-Yueh Chang, Jiann-Yow Lin, Ying-Yu Tzou, “DSP-based fully digital control of a AC/DC converter with a nonlinear digital current mode control,” IEEE PESC Conf. Rec., Vol. 2, pp. 1702-1708, June 1996. Meng-Tueh Chang, Jiann-Yow Lin, Shih-Liang Jung, Ying-Yu Tzou, “ Design and Implementation of a Real-Time Lossless Dynamic Electronic Load Simulator,” IEEE PESC Conf. Rec., Vol. 1, pp. 734-739, June 1997. Bhim Singh, Mwthy, Sushma Gupta, “ An Improved Electronic Load Controller for Self-Excited Induction Generator in Micro-Hydel Applications,” IEEE Trans. on Industrial Electronics Society, Vol. 3, pp. 2741-2476, Nov. 2003. Yimin Jiang, Hengchun Mao, Lee F.C., Borojevic D, “Simple high performance three-phase boost rectifiers,” IEEE PESC Conf. Rec., Vol. 2, pp. 1158-1163, June 1994. Guozhu Chen, Smedley, K. M, “Steady-State and dynamic study of onecycle-controlled three-phase power-factor correction,” IEEE. Trans. on Ind. Electronics, Vol 52, pp. 355-362, April 2005 南台科技大學電機工程研究所

參考文獻(一) 南台科技大學電機工程研究所 陳江男，“定頻控制之三相昇壓型交流對直流轉換器之研究”，國立成功大學碩士論文，民國九十一年六月。 江錫津，“應用空間向量脈寬調變技術之數位式高功因單相/三相電力轉換器”，國立雲林科技大學，民國九十二年六月。 楊杰儒，“以DSP為基礎之三相昇壓型整流器研製”，國立成功大學碩士論文，民國九十四年六月。 Ming-Tsung Tsai; Tsai, C, “Energy recycling for electrical AC power source burn-in test,” IEEE. Trans. on Ind. Electronics, Vol 47, pp. 974-976, Aug 2000 M. T. Tsai, “Comparative investigation of the energy recycler for power electronics burn-in test,” IEE Proc.-Electr. Appl., Vol. 147, No. 3, May 2000. Ming Tsung Tsai, Chia Hung Liu, “Design and implementation of a cost-effective quasi line-interactive UPS with novel topology,” IEEE. Trans. on Power Electronic, Vol 18, pp. 1002-1011, July 2003 M. T. Tsai, T. J. Cheng, Charles Tsai, “ High-Efficiency Energy Recycling System for AC Power Source Burn-In Test,” IEEE. International Conf. on PEDS, Vol 1, pp. 291-296, July 1999 “Implementing Triple Conversion Single-Phase On-line UPS using TMS320C240”, Texas Instruments, Sep. 1999. 白中和，RS-232C介面技術應用，pp. 9-20，全華科技圖書公司，民國78年 范逸之，陳立元，賴俊明，Visual Basic與RS 232串列通訊控制，pp. 1-10，文魁資訊股份有限公司，民國88年 王中玉，“工業網路詢問機制之研究”，輔仁大學碩士論文，民國九十四年一月。 Texas Instruments Inc., “SN75176B DIFFERENTIAL BUS TRANSCEIVERS”, Apr. 2003 Texas Instruments Inc., “TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals”, Dec. 2001 范逸之，Visual Basic與分散式監控系統，pp. 1-61，文魁資訊股份有限公司，民國90年 洪錦魁，Visual Basic 6.0，文魁資訊股份有限公司，民國90年 南台科技大學電機工程研究所

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軟體設計-模擬負載之實現(二) 圖二十六 模擬負載之電壓相位之資料記憶體搬移示意圖 南台科技大學電機工程研究所

軟體設計-模擬負載之實現(三) 以電感性負載功率因數0.60為例 依據功率因數大小所對應角度，找尋該角度 所指向之DMA，即可得在此功因之電流命令 相位 故 圖二十七 電感性負載功率因數0.6 之電壓電流波形示意圖 南台科技大學電機工程研究所