Project Report No. EE2002-29

High effective AC –line Stabilization Power source for home

Mr. Thawatchai Sinpai ID 421732-0 Mr. Wirat Sudram ID 421861-0

This is the report of fourth year project assignment submitted in partial fulfillment of the requirement for

the Degree Bachelor of Engineering

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering Khon Kaen University

2002

รายงานโครงการหมายเลข EE2002-29

เครองปรบแรงดนไฟฟ าในบ านให คงทและมประสทธภาพสง

นาย ธวตชย สนภย เลขประจาตว 421732-0 นาย วรตน สดรมย เลขประจาตว 421861-0

รายงานนเป นรายงาน งานโครงการของนกศกษาชนป ท 4 ซงเสนอเป นสวนหนงในหลกสตรวศวกรรรมศาสตร บณฑต

ภาควชาวศวกรรมไฟฟ า คณะวศวกรรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแก น

พ.ศ. 2545

ใบประเมนผลงานโครงการ

เครองปรบแรงดนไฟฟาในบ านใหคงทและมประสทธภาพสง

High effective AC –line Stabilization Power source for home

โดย นาย ธวตชย สนภย เลขประจาตว 421732-0 นาย วรตน สดรมย เลขประจาตว 421861-0

อาจารย ทปรกษา

....................................................... (อาจารย ดร. กฤษ เฉยไสย)

อาจารย ผรวมประเมนผล

......................................................

( ผศ. ดร. สมฤทธ หงสะสตร)

................................................... (อาจารย ดร. ชยภฏ วรรธะสาร)

ประเมนผล ณ วนท 12 กมภาพนธ พ.ศ. 2546

กตตกรรมประกาศ

โครงการเรอง Hight-effective AC-line Stabilization Power Source for

home สามารถสาเรจไปได ด วยด ผจดทาขอขอบคณ อาจารย ดร.กฤษ เฉยไสย ซงให คาปรกษาและคาแนะนาอนเป นประโยชน ต อโครงงานน และยงเออเฟ อเครองมออปกรณ ทไม สามารถจดหาได ทเป นประโยชน และเกยวข องกบโครงการ

ขอขอบคณ เจ าหน าทภาควชาวศวกรรมไฟฟ าทกท าน ทอานวยความสะดวกในการยม และเบกจ ายอปกรณ ต างๆ มา ณ ทนด วย

นายธวชชย สนภย นายวรตน สดรมย

บทคดย อ โครงงานนเป นการศกษา ออกแบบ และสร างเครอง AC-line Stabilizer ซงจะใช หลกการควบคมแรงดนโดยใช AC to DC Converter เปลยนแรงดนไฟฟ ากระแสตรงเป นกระแสสลบ แล วใช Condensor ทมค าสงเป น Power Buffer ในเวลาทแรงดนตกลงมากๆ แล วเปลยนแรงดนไฟฟ ากระแสตรงเป นกระแสสลบโดย Inverter ในส วนของการทา Inverter นน ในการสร างสญญาณ Sine Wave Reference Voltage จะใช EPROM ในการสร างเพอให เกดความเพยนตา สาหรบผลทได นน ซงจะได output voltage 220 Vrms และจายโหลด ได ไมเกน 5 แอมป

Abstract

This Project was estrabhished with objective to study and design construct the AC-line stabilizer. Use AC to DC converter and High Capacity Condenser to make power DC Voltage stable and inverse DC to AC by High Frequency Inverter. The sine-wave reference voltage has been generated by EPROM to make actual sine-wave with low distortion.

The AC-line stabilizer can supply load 220 Vrms, 5 A.

สารบญ

หน า กตตกรรมประกาศ ก บทคดย อภาษาไทย ข บทคดย อภาษาองกฤษ ค สารบญ ง สารบญรป ฉ บทท 1 Introduction

1.1 หลกการและเหตผล 1 1.2 ขอบข ายของงาน 1 1.3 ผลทคาดว าจะได รบ 2

บทท 2 ทฤษฎ

Single-Phase Full Bridge Inverter 3 2.1 PWM with Bipolar Voltage Switching 4 2.2 PWM with Unipolar Voltage Switching 4

บทท 3 การออกแบบ 3.1 Pulse Width Modulation 7 3.2 การออกแบบสญญาณ Sine Wave 8

3.2.1 การสร างสญญาณนาฬกา(clock) 10 3.2.2 การสร างวงจร Digital to Analog Converter (DAC) 11

3.3 การสร างสญญาณคลนสามเหลยม (Triangular Wave) 12 3.4 Dead Time Circuit 13 3.5 MOSFET Driver 14 3.6 การกรองความถตา (Low Pass filte) 15

บทท 4 ผลการทดสอบ 4.1 Control Circuit

4.1.1 วงจรสญญาณคลน Sine 17 4.1.2 วงจรสญญาณคลนสามเหลยม 18 4.1.3 PWM Signal 19 4.1.4 Dead Time Circuit 19 4.1.5 Driver Circuit 20

4.2 Main Circuit 21

รปแสดงส วนประกอบต าง ๆ ของเครองปรบแรงดนไฟฟ าในบ านให คงท และมประสทธภาพสง 26

บทท 5 สรปผลการทาโครงงาน 5.1 ผลการทาโครงงาน 31 5.2 ป ญหาทเกดขนและข อเสนอแนะ 32 5.3 แนวทางการพฒนาต อ 32

บรรณานกรม ภาคผนวก

สารบญรปภาพ หน า รปท 1.1 Block Diagram การทา AC-Stabilizer 1 รปท 2.1 Block Diagram Inverter Circuit 3 รปท 2.2 Single – Phase full bridge inverter 3 รปท 2.3 PWM with Bipolar Voltage Switching 4 รปท 2.4 สเปกตรม 4 รปท 2.5 รปคลนสามเหลยมและรปไซน นามาตดกนเพอให เกดสญญาณ PWM 5 รปท 2.6 PWM with Unipolar Voltage Switching วธท 1 5 รปท 2.7 สเปกตรม 5 รปท 2.8 PWM with Unipolar Voltage Switching วธท 2 6 รปท 2.9 สเปกตรม 6

รปท 3.1 PWM signal 7 รปท 3.2 การสร างสญญาณ sine-wave 10 รปท 3.3 สญญาณนาฬกา 10 รปท 3.4 R-2R ladder 11 รปท 3.5 Triangular Wave Circuit 12 รปท 3.6 Dead Time Circuit 13 รปท 3.7 วงจรภายใน TLP250 MOSFET Driver 14 รปท 3.8 การต อใช งานของ TLP250 14 รปท 3.9 Low Pass Filter 15 รปท 3.10 วงจรรวม Inverter 16 รปท 4.1 สญญาณรปคลนไซด จาก EPROM และผ าน filter แล ว 17 รปท 4.2 สญญาณรปคลนไซด เมอผ าน Gain Vp-p 13.12 v 18 รปท 4.3 สญญาณคลนสามเหลยมความถ 20 kHz Vp-p 15.67 v 18 รปท 4.4 สญญาณ PWM modulation ratio 0.83 19 รปท 4.5 สญญาณแสดง Dead Time ซงวดได 2 µs 19 รปท 4.6 แสดงสญญาณ ช อง 1ก อนเข า Driver circuitช องท2 หลงจากทผ าน Driver circuit ซงจะเกดการกลบเฟสของสญญาณ 20 รปท 4.7 แสดงสญญาณจาก Driver ไปขบ MOSFETS ทขา Gat e 20 รปท 4.8 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 60 V 21 รปท 4.9 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 30 V 21 รปท 4.10 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 60 V 22 รปท 4.11 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 120 V 22 รปท 4.12 สญญาณ Output จาก Inverter PWM ขณะจ าย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 260 V 23 รปท 4.13 สญญาณ Output จาก Inverter PWM ขณะจ าย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 311 V 23 รปท 4.14 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะจ าย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 100 V 24 รปท 4.15 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะจ าย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC link 250 V 24

รปท 4.16 สญญาณ Output จาก Inverter ผ าน Filter ขณะจ าย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน Input DC 311 V 25 รปท 4.17 วงจรสญญาณสญญาณ Sine Wave 26 รปท 4.18 วงจรสญญาณคลนสามเหลยมและ comparator 26 รปท 4.19 Dead Time Circuit 27 รปท 4.20 MOSFET Driver 27 รปท 4.21 MOSFET 28 รปท 4.22 Low Pass filter 28 รปท 4.23 High Capacity Condenser 29 รปท 4.24 Power Supply Circuit 29 รปท 4.25 วงจรรวม AC-line Stabilizer 30

บทท 1 Introduction

การตกของแรงดนไฟฟาขณะท Load ยงตองการกาลงงานเทาเดม Load จงตองการกระแสมาชดเชยแรงดนทตกมากขน ซงถาแรงดนไฟฟาตกมากๆ กระแสท load ตองการมาชดเชยสงเกน กระแส rated ของอปกรณไฟฟานน จะทาใหอปกรณไฟฟานนเกดความเสยหายได

ดงนนการควบคมแรงดนไฟฟาไหคงทและมประสทธภาพสงจงมความสาคญมากเพอลดความเสยง ตอการเกดความเสยหายตออปกรณไฟฟาทใชในบาน

รปท 1.1 Block diagram การทา AC-Stabilizer

การควบคมแรงดนจะใช AC to DC converter เปลยนแรงดนไฟฟากระแสสลบเปนไฟฟากระแสตรง แลวใช

Condenser ทมคาสงเปน power buffer ในเวลาท Input Voltage ตกลงมาก ๆ แลวเปลยนไฟฟากระแสตรงไปเปนไฟฟากระแสสลบ โดยใช inverter แลวควบคม output phase กบ input phase ใหตรงกน วตถประสงค

ออกแบบและสรางเครองปรบแรงดนไฟฟาในบานใหคงทและมประสทธภาพ ศกษาวงจรอเลกทรอนกสกาลง (power electronics) ในการควบคมไฟฟา ศกษาการใชงานเทคโนโลยไมโครอเลกทรอนกสและดจตอล (Electronics and Digital Technology) ใน

การควบคมวงจรอเลกทรอนกสกาลง ขอบขายของงาน

ออกแบบ สรางวงจร Inverter และ converter เรยนรการใชงาน EPROM และ Pulse Width Modulation (PWM) ทดสอบการทางานและประสทธภาพของเครองปรบแรงดนไฟฟาภายในบานใหคงทและมประสทธภาพ

ผลทคาดวาจะไดรบ

1. เครองปรบแรงดนไฟฟาภายในบานใหคงทและมประสทธภาพ 2. ไดเรยนรการใชงานอเลกทรอนกสกาลง วงจร Inverter และ converter 3. ไดเรยนรหลกการ power buffer 4. ไดเรยนรหลกการทา Pulse Width Modulation (PWM)

AC DC

condenser

DC AC

5. ไดเรยนรการใชงานของ ROM 6. สามารถประยกตใชงาน power electronics ในการออกแบบและสรางวงจรอยางอนได

บทท 2

ทฤษฎ

การทา Inverter กเพอทจะแปลงไฟฟากระแสตรงไปเปนกระแสสลบทมความถตามตองการ ซงในโครงงานน จะใชการทา Inverter แบบ Single- phase full bridge Inverter เพอให Voltage Drop ตา สวนประกอบของวงจรจะ

ประกอบดวยสวน Control circuit เพอควบคมการ switching ของ MOSFET , full bridge Inverter และ low-pass filter

รปท 2.1 Block Diagram Inverter Circuit

PWM signal เปนสญญาณทใชในการ switching ของ MOSFET ซงจะตองม Deadtime circuit เพอปองกนการ ON พรอมกนของ MOSFET คทขนานกนอย สวน driver circuit จะเปนวงจรขบกระแสของ MOSFET และไว decoupling ระบบดวย เมอผาน full-bridge Inverter จะไดไฟฟากระแสสลบทประกอบดวยองคประกอบของความถทมากกวา 50 Hz อยจงตองกรองออกดวย Low pass filter กอนออกไปยงโหลด

Single-Phase full bridge Inverter Single Phase full bridge Inverter นน แบงออกเปน 2 แบบคอ 1. PWM with Bipolar Voltage Switching

2. PWM with Unipolar Voltage Switching

รปท 2.2 Single-Phase full bridge Inverter 2.1 PWM with Bipolar Voltage Switching

จากรปแสดงการ Switching แบบ bipolar คอ การทาใหค switch M1,M2 จะ ตดตอวงจรพรอมกน ประกอบกบค M3,M4 ท switch พรอมกน ซงจะไดสญญาณ PWM ดงรปท 2.3

Dead PWM Driver time

Full bridge

Low pass Filter

Vs/2

Vs/2

±

±O A B

รปท 2.3 PWM with Bipolar Voltage Switching

รปท 2.4 สเปกตรม

ซงจะเหนวาการ switching แบบ Bipolar Voltage Switching จะม spectrum อยท (mBBBBBBBf BBBBBBB±k)*fBBBBBBBa

เหมอนแบบ Half- Bridge แต Amplitude ของ output (Vo) จะเปน 2 เทา ของแบบ Half -Bridge 2.2 PWM with Unipolar Voltage Switching

เปนการ switch แรงดนระหวางคาบวกกบคาศนยเปนระยะเวลาครงคาบแลวจง switch แรงดนคาลบกบคาศนย ในครงคาบถดไป การ switch แรงดนแบบ ขวเดยวทาได 2 วธคอ 2.2.1 โดยการ switching ของ M1 และ M4 เกดจากสญญาณ sine wave o

องศา เปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยม แตการ switch ของ M3 และ M4 เปนสญญาณ sine wave ทกลบ phase ไป 180 องศา เปรยบเทยบกบสญญาณสามเหลยม ซงจะเหนไดวา M1 และ M3 เปนอสระตอกน โดยจะม harmonic เรมตนท (2mBBBBBBBf BBBBBBB±k)*fBBBBBBBaBBBBBBB

รปท 2.5 รปคลนสามเหลยมและรปไซน นามาตดกนเพอใหเกดสญญาณ PWM

รปท 2.6 PWM with Unipolar Voltage Switching วธท 1

รปท 2.7 สเปกตรม 2.2.2 การ switch แบบท 2 มวธการดงน คอ ในครงวฏจกรบวก คอให M2ตอ อย

ตลอดเวลา สวน M1 และ M4 จะทางานแบบคประกบ ซงขอดของการ switch วธน คอ switch ททางานทความถสงมเพยง 2 switch คอ M1 และ M4 สวน M2 และ M3 จะ switch ทความถตา คอ 50 Hz โดยจะสญเสยพลงงานใน switching ตา โดยจะม Harmonic เรมตน

VBBB

AO

VBBBB

O

VBBBOUT

PUT

อยท (mBBBBBBBf BBBBBBB±k)*fBBBBBBBaBBBBBBB รปท 2.8 PWM with Unipolar Voltage Switching วธท 2

รปท 2.9 สเปกตรม

บทท3

การออกแบบวงจร

3.1 Pulse Width Modulation (PWM)

การทาสญญาณ PWM นนจะใชการนาสญญาณ sine wave ความถ 50 Hz เปรยบเทยบกบ สญญาณคลนสามเหลยม (Triangular wave ) ทความถ 20 kHz เมอผาน comparator หรอ operation amplifier กจะไดสญญาณ pulse ทม pulse width เปลยนแปลงตามระดบสญญาณ sine wave และมความถตามสญญาณคลนสามเหลยม การเลอกใชสญญาณคลนสามเหลยม 20 kHz กเพอทจะสามารถกรองเอาความถทสงออกไดงายเมอผาน Low-pass filter รปท 3.9 จะแสดงการทาสญญาณ PWM(แบบUnipolar Voltage Switching) ซงจะถกแบงออกเปนสองชดโดยชดแรก จะนาสญญาณ คลนสามเหลยมมา modulate กบ สญญาณคลนไซด 50 Hz สวนอกชดจะไดจากการนาสญญาณคลนไซด 50 Hz modulate กบ ground ทเลอกวธนเนองจะมการศนยเสยพลงงานในการ Switching นอยกวาวธอน

-

++OP1A741A

Triangular

Sine wave

VS2150

VS1 -15 0

-

+ +OP1 uA741A

Sine wave

VS215.0

VS1 -15.0

PWM1 PWM2

รปท 3.1 PWM signal 3.2 การออกแบบสญญาณ sine wave

ขนตอนแรกจะเกบขอมลของคา sine wave 1 ลกคลนทถก sampling ดวยความถตาม Address ทตองการ คอ 4096 ตาแหนง แลวจะแปลงคาทไดเปนเลขฐาน 16 เกบคาใน EPROM เบอร 27C256HG –70 เรมตนในการทางาน สามารถพจารณาจากไดจาก รปท 3.2 เรมตน counter จะรบสญญาณ clock จากวงจรสราง clock ซงจะใช IC counter 4 bit dual 2 ตว แตจะใชแค 12 bit เพราะเกบขอมลทงหมด 4096 อางขา Address A0-A11 ของ EPROM ซงถาตองการ output ออกมาจาก EPROM 50Hzจะตองใชความถของ Clock ไนการอาง Address ของ EPROM คอ 819.2 kHz โดย counter จะชตาแหนงขอมลทมอยใน EPROM ไปเรอย ตงแตตาแหนง 0000H ไปจนถง 1000H โดย EPROM เมอไดรบสญญาณอาง Address จาก counter กจะสงขอมลออก output Q1-Q8 ออกไปยง IC latch ซงจะทาหนาทปองกนความผดพลาดจากการอาง Address ไมพรอมกน เมอขอมลออกจาก IC latch จะผาน Digital to Analog Converter (DAC) ซงจะได output ออกมาเปนลบ จงตองทาการ offset ใหสญญาณทไดเปนคลนไซดทมทงครงบวกและครงลบ การคานวณหาคาของ sine wave ทเกบในแตละตาแหนง และทาการแปลงเปนเลขฐาน 16 ทาไดโดยการเขยน program ใน MATLAB ดงตอไปน

col=0; T = 0.02/4096; fprintf('\tdb\t'); for t=0:T:0.02

s=127*(1+sin(2*pi*50*t)); s1=round(s);

col=col+1; if col <=7 fprintf('%03Xh, ',s1); end if col >=8; fprintf('%03Xh ',s1); fprintf('\n'); col=0;

T

Time (s)0.00 20.00m 40.00m 60.00m

Voltage(V)

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00T

Time (s)0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m

Vol

tage

(V)

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

fprintf('\tdb\t'); end

end จากนนนาผลทไดไปเกบใน notepad แลวแกไขโดยเพม ORG 0000h ทบรรทดแรกกอนขอมลทได และ end บรรทดสดทายของขอมล ผลทไดจากการ รน Program ขางบนและแกไขแลว โดยแสดงตวอยางขอมล 256 ตาแหนง ORG 0000h db 07Fh, 082h, 085h, 088h, 08Bh, 08Fh, 092h, 095h db 098h, 09Bh, 09Eh, 0A1h, 0A4h, 0A7h, 0AAh, 0ADh db 0B0h, 0B2h, 0B5h, 0B8h, 0BBh, 0BEh, 0C0h, 0C3h db 0C6h, 0C8h, 0CBh, 0CDh, 0D0h, 0D2h, 0D4h, 0D7h db 0D9h, 0DBh, 0DDh, 0DFh, 0E1h, 0E3h, 0E5h, 0E7h db 0E9h, 0EAh, 0ECh, 0EEh, 0EFh, 0F0h, 0F2h, 0F3h db 0F4h, 0F5h, 0F7h, 0F8h, 0F9h, 0F9h, 0FAh, 0FBh db 0FCh, 0FCh, 0FDh, 0FDh, 0FDh, 0FEh, 0FEh, 0FEh db 0FEh, 0FEh, 0FEh, 0FEh, 0FDh, 0FDh, 0FDh, 0FCh db 0FCh, 0FBh, 0FAh, 0F9h, 0F9h, 0F8h, 0F7h, 0F5h db 0F4h, 0F3h, 0F2h, 0F0h, 0EFh, 0EEh, 0ECh, 0EAh db 0E9h, 0E7h, 0E5h, 0E3h, 0E1h, 0DFh, 0DDh, 0DBh db 0D9h, 0D7h, 0D4h, 0D2h, 0D0h, 0CDh, 0CBh, 0C8h db 0C6h, 0C3h, 0C0h, 0BEh, 0BBh, 0B8h, 0B5h, 0B2h db 0B0h, 0ADh, 0AAh, 0A7h, 0A4h, 0A1h, 09Eh, 09Bh db 098h, 095h, 092h, 08Fh, 08Bh, 088h, 085h, 082h db 07Fh, 07Ch, 079h, 076h, 073h, 06Fh, 06Ch, 069h db 066h, 063h, 060h, 05Dh, 05Ah, 057h, 054h, 051h db 04Eh, 04Ch, 049h, 046h, 043h, 040h, 03Eh, 03Bh db 038h, 036h, 033h, 031h, 02Eh, 02Ch, 02Ah, 027h db 025h, 023h, 021h, 01Fh, 01Dh, 01Bh, 019h, 017h db 015h, 014h, 012h, 010h, 00Fh, 00Eh, 00Ch, 00Bh db 00Ah, 009h, 007h, 006h, 005h, 005h, 004h, 003h db 002h, 002h, 001h, 001h, 001h, 000h, 000h, 000h db 000h, 000h, 000h, 000h, 001h, 001h, 001h, 002h db 002h, 003h, 004h, 005h, 005h, 006h, 007h, 009h db 00Ah, 00Bh, 00Ch, 00Eh, 00Fh, 010h, 012h, 014h db 015h, 017h, 019h, 01Bh, 01Dh, 01Fh, 021h, 023h db 025h, 027h, 02Ah, 02Ch, 02Eh, 031h, 033h, 036h db 038h, 03Bh, 03Eh, 040h, 043h, 046h, 049h, 04Ch db 04Eh, 051h, 054h, 057h, 05Ah, 05Dh, 060h, 063h db 066h, 069h, 06Ch, 06Fh, 073h, 076h, 079h, 07Ch END ซงคาทไดนจะนาไป Save เปนนามสกล .ASM แลวใช sxa51 RUN โปรแกรมจะสรางไฟลนามสกล .HEX ใหแลวนาไฟลขอมลนามสกล .HEX ไปทาการ Program ลงใน EPROM

รปท 3.2 การสรางสญญาณ sine wave

3.2.1 การสรางสญญาณนาฬกา (clock) การสรางสญญาณนาฬกาจะใชหลกการ การ Discharge ของ C กบ การเปลยนแปลงคาของ logic ของ Schmidt Trigger ทมการเปลยนแปลง output ทนททนใด เมอถงระดบของการรบรวาเปน logic ใด ซงจะใช IC เบอร 74HC14

รปท 3.3 สญญาณนาฬกา

การคานวณหาคาความถสญญาณนาฬกา

OUTPUT

สตรการคานวณ

เลอก ตวตานทานปรบคาได 4.7 kΩ ในการสรางสญญาณนาฬกา เพอทจะสามารถปรบความถของสญญาณคลนไซดเพอใหได 50 Hz ไดเมอเกดขอผดพลาดจาก time delay

3.2.2 การสรางวงจร Digital To Analog Converter (DAC) การสรางวงจร DAC จะใชการทาแบบ R-2R ladder network เนองจากสญญาณ Digital ทไดออกมาเปน 8 bit การคานวณหา output ทออกมาเปน Analog หาไดจากสตร

เมอ B เปนเลข Decimal ทแปลงจาก เลขฐานสองแลว ถาใชคา Voltage reference เปน + 5 Voltage output สงสดมคาเทากบ

R12.0k

R12.0k

R1 1.0kR12.0k

R12.0k

R12.0k

R1 1.0k R1 1.0k R1 1.0kR1 1.0kR1 2.0k R1 1.0kR12.0k

R12.0k

R1 1.0kR22.0k

R3 2.0k

-

+ +OP1 !OPAMP

B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

รปท 3.4 R-2R Ladder

เนองจากคา Voltage Output ทไดนนตดลบ ดงนนจงตองทาการ Offset Voltage ขน เพอใหไดคาทเปน สญญาณ sine wave ทมทงครงบวกและลบ โดยตวตานทานปรบคาไดทขาบวกของ Op-am โดยมแหลง UUUUUUU+ UUUUUUU15 ตออยทดานบนและดานลางของตวตานทานปรบคา

BV

BV

V refrefOUT 12827 −=

−=

1220.7 R f 150 c เลอก

RC.

f

Ω=ρ=

=21

V. )( VOUT 960992552

57 −=−

=

3.3 การสรางสญญาณคลนสามเหลยม (Triangular wave)

R139 0k

R22 2k

R32 2k

C1100 0

-

++

OP1!OPAMP

-

++OP2A741A Vout

T

T i m e ( s )0 . 0 0 2 . 0 0 m 4 . 0 0 m 6 . 0 0 m

Vol

tage

(V)

- 2 . 0 0

- 1 . 0 0

0 . 0 0

1 . 0 0

2 . 0 0

รปท 3.5 Triangular wave circuit

สตรการคานวณ

จะได

3.4 Dead Time Circuit เนองจากการ ON-OFF ของ MOSFET ไมไดเกดขนทนททนใด การนา สญญาณ PWM ทไดมาขบโดยตรง จะทาใหเกดการ ON ท Overlap กน

ดงนนจงตองสรางสญญาณทเกดการ Shift phase และสราง dead time ระหวางสญญาณดวย เพอทจะให MOSFET ON-OFF สลบกนจรง ๆ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

3

2

1 RR

CR41f

f.C,kR,k.RR µ=Ω=Ω== 103922 231 เลอก

kHz.k.k

k.fx.xf

12022

3922104

1

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

ΩΩ

Ωµ=

รปท 3.6 Dead Time Circuit จากรปกราฟ 2.9 แสดงการทางานของ dead time circuit อธบายผลตามรปกราฟไดดงนคอขณะทตาแหนง A ม logic เปน “0” Voltage ทตกครอม Vc1 จะม logic เปน “1” output B จะมคาเปน logic “0” และเมอ A ม logic เปน “1” Vc1 จะคอย ๆ ลดลงตามการ discharge ของตวเกบประจ จนกระทงถงระดบ Voltage ทรบรวาเปน logic “0” output B จงจะมคา logic “1” ขณะทตาแหนง A’ ม logic เปน “0” Voltage ทตกครอม Vc2 จะม logic เปน “0” output B’ จะมคาเปน logic “1” และเมอ A’ ม logic เปน “1” Vc2 จะม logic เปน “0” output B’ จะมคาเปน logic “0”และเมอตาแหนง A’ ม logic เปน “0” ” Vc2 จะคอย ๆ ลดลงตามการ discharge ของตวเกบประจ จนกระทงถงระดบ Voltage ทรบรวาเปน logic “0” output B’ จงจะมคา logic “1” ดงนนจากกราฟจะเหนวากราฟของ output B และ output B’ จะมคาไมเปน 1พรอมกน

3.5 MOSFET Driver MOSFET Driver เปนสวนทขยายสญญาณเพอทจะไปควบคมการ ON-OFF ของ MOSFET ประกอบดวย 2 สวน คอ Opto Isolator กบ สวนทเปน current boost Opto Isolator มหนาทแยกไฟแรงสงกบไฟแรงตา โดยใชแสงเปนตวกลางในการเชอมระบบ โดยใชแสงทไดไปขบในสวนของ current boost เพอขยายกระกระแสใหมากขน

U1

U3 D1 1N4001

R1 4.7k

C1

470.

0p

U4

D2 1N4001

C2

470.

0p

U5

R2 4.7k

T

Time (s)0.00 10.00u 20.00u 30.00u 40.00u 50.00u

OSC

1_C

h1

0.00

4.00

OSC

1_C

h2

0.00

4.00

OSC

2_C

h1

0.00

4.00

OSC

2_C

h2

0.00

4.00

VC

2

VC

1

Output

Output

Output

Output

VC

VC

PWM

A

A’

ในสวนของ Driver นนจะใช IC TLP250 เปน Mosfet Driver ซงสามารถพจารณา การทางานของ TLP250 ไดจากวงจรภายในดงรปท 2.10

รปท 3.7 วงจรภายใน TLP250 Mosfet Driver

รปท 3.8 การตอใชงาน ของ TLP 250

3.6 การกรองความถตา (Low –pass filter) ไฟฟากระแสสลบทไดหลงจากผาน full Bridge Inverter นน จะมความถทสงกวา 50Hz ปนอยจงตองทาการกรองออกดวย ซงจะใชวงจรกรองความถ แบบ LC filter การหาคา L และ C นนจะคานวณจาก

LCf

π=

21

0

รปท 3.9 Low-pass Filter

การเลอก LC ทใช. จาก

ตองการ fBBBBBBBo BBBBBBB ท 2 kHz ดงนน เลอก C 9.9 uF จะได L = 0.64 mH

บทท 4

ผลการทดสอบ

ในสวนของผลการทดสอบ จะแบงออกเปน 2 สวน คอ ชด Control และ Main Circuit ซงจะทาการทดสอบ โดย เปลยนคาของแรงดนเขาไปเรอย จาก Low Voltage ไปยงแรงดน High Voltage ทตองการ คอ แรงดน D.C. 311 Volts

4.1 Control Circuits 4.1.1 วงจรสรางสญญาณคลนไซด

LCf

π=

21

0

รปท 4.1 สญญาณรปคลน sine จาก EPROM และผาน filter แลว

รปท 4.2 สญญาณรปคลน sine เมอผาน Gain Vp-p = 13.12 V

4.1.2 สญญาณคลนสามเหลยม

รปท 4.3 สญญาณคลนสามเหลยม ความถ 20 kHz Vp-p 15.76 V

4.1.3 PWM Signal

รปท 4.4 สญญาณ PWM modulation ratio = 0.83

โดยสญญาณ PWM ทไดเกดจากสญญาณรปคลน sinewave ความถ 50Hz Vp-p = 13.12 compare กบสญญาณคลนสามเหลยม ความถ 20 kHz Vp-p 15.76 V

4.1.4 Dead Time Circuits

รปท 4.5 แสดง Dead Time ซงสามารถวดได 2 µs 4.1.5 Driver Circuit

รปท 4.6 แสดงสญญาณ ชอง 1กอนเขา Driver circuit ชองท2 หลงจากทผาน Driver circuit ซงจะเกดการกลบเฟสของสญญาณ

3

รปท 4.7 แสดงสญญาณจากDriverไปขบ MOSFETS ทขา Gate ชองท1 ไปขบ MOSFETS ทขา Gate ของ MOSFETS ตวบน ชองท2 ไปขบ MOSFETS ทขา Gate ของ MOSFETS ตวลาง ซงม Dead Time อยท 2 µs

4.2 MAIN CIRCUITS

รปท4.8 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 60 V

ในรปท 4.8 ใชชด control MOSFETS 2 ความถตามทฤษฎในบทท 2 (PWM with Unipolar

Voltage Switching)คอ ความถ 50 Hz และ 20 kHz เกดการเพยนของสญญาณ Sinewave ดงรป ซงการแกไขทาไดโดยทาการ ทาชดควบคม MOSFETS ทความถเดยวกนทง 2 ชด แบบ Bipolar Voltage Switching ท 20 kHz ซงไดผลการทดลองดงตอไปน

รปท 4.9 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 30 V

รปท 4.10 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 60 V

รปท 4.11 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะ No load ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 120

รปท 4.12 สญญาณ Output จาก Inverter PWM ขณะจาย load 250W

ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 260 ชองท 1 แสดงแรงดนสญญาณ PWM ชองท 2 แสดงกระแสทจาย LOAD

รปท 4.13 สญญาณ Output จาก Inverter PWM ขณะจาย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 311 ชองท 1 แสดงแรงดนสญญาณ PWM ชองท 2 แสดงกระแสทจาย LOAD

รปท 4.14 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะจาย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 100V ชองท1 แสดงแรงดนสญญาณ SINEWAVE

ชองท 2 แสดงกระแสทจาย LOAD

รปท 4.15 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะจาย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 250V ชองท1 แสดงแรงดนสญญาณ SINEWAVE ชองท 2 แสดงกระแสทจาย LOAD

รปท 4.16 สญญาณ Output จาก Inverter ผาน Filter ขณะจาย load 250 W ทความถ 50 Hz แรงดน DC Link 311V ชองท 1 แสดงแรงดนสญญาณ SINEWAVE

ชองท 2 แสดงกระแสทจาย LOAD

รปท 4.17 วงจรสญญาณ Sine Wave

รปท 4.18 วงจรสญญาณคลนสามเหลยม และ comparator

รปท 4.19 Dead Time Circuit

รปท 4.20 MOSFET Driver

รปท

รปท 4.21 MOSFET

รปท 4.22 Low Pass filter

รปท 4.23 High Capacitive condenser 2200 uf 350 V

.

รปท 4.24 Power Supply Circuit

รปท 4.25 วงจรรวม AC-line Stabilizer

บทท 5 สรปผลการทาโครงงาน

5.1 ผลการทาโครงงาน จากการสรางเครองปรบแรงดนไฟฟาภายในบานใหคงทและมประสทธภาพสง ในสวนของการทดสอบวงจรสวนตางๆใหผลดงน

- ในสวนของการสรางสญญาณ sine wave นน ผลทไดจากการสรางสญญาณ โดยใช EPROM จะไดสญญาณทออกมาม distortion และ Harmonic ตา และสามารถปรบ offset และ Amplitude ได

- สญญาณคลนสามเหลยมทสรางไดนน สามารถปรบความถ และ Amplitude ได - วงจร Dead Time ทออกแบบไวท 2 µs นน สามารถปองกนใหไมเกดการ ON Overlap ของ

MOSFET ไดจรง ทแรงดนสง - Driver Circuits IC TLP250 เปน optoisolator และ driver ในตว ซงสามารถจายกระแส

ใหกบ MOSFET ไดเพยงพอ - ชด control สามารถควบคมให Single Phase full Bridge Inverter ทางานและจาย โหลด ไดท

แรงดน 220 Vrms - วงจร Filter ทออกแบบสามารถกรอง เอาสญญาณ sinewave 50Hz ออกมาได - condenser ทใสนน สามารถรกษาระดบแรงดนไวได เมอเกดแรงดนตกในชวงระยะเวลาหนง ซงระยะเวลาดงกลาว

ขนอยกบขนาดของโหลด หากโหลดมขนาดเลกกรกษาไวไดนาน แตถาโหลดใหญกจะรกษาแรงดนไวไดนอยกวา - ในสวนของ Supply ทจายใหกบ Driver ทตองแยกจายถง 3 ชดนนเนองจากวา MOSFET ชดดานบน

และดานลาง มการ ON-OFF สลบกน

5.2 ปญหาทเกดขนและขอเสนอแนะ ปญหาทเกดขนในการทาโครงงานนน ในชดสรางสญญาณคลนไซด จะเกดการเพยนของสญญาณ ซงเกดจากระดบแรงดน logic ทไมคงท ซงแกไขโดยการใส condenser เพอรกษาระดบแรงดน Vcc ของ IC ทใชในวงจร และใช Capacitor ตวเลก ๆ เพอปองกนการ Oscillate -การใช R-port ในการปรบคา Amplitude offset และ frequency เพอใหไดความละเอยดและความแนนอนตามตองการไดยาก -ในการทดสอบ จะตองระวงในเรอง ลาดบในการ ON switch ซงจะตองเรมจากการ ON ชด control กอนทจะ RUN ชด MAIN เพอปองกน MOSFET ไมใหเสยหาย

-สาหรบการปองกน วงจรนน จะตองมการ protect ทงทางดาน input และ output ดวย อปกรณทใชในการปลดวงจรนน ควรจะมความเรวในการปลดวงจรสง

5.3 แนวทางการพฒนาตอ

เครองปรบแรงดนไฟฟา ทสรางขนน ในการทดสอบนนสามารถจาย กระแสไดประมาณ 5 แอมป หากตองการจายโหลดใหไดมากขน ควรจะเพมขนาดความสามารถในการจายกระแสของ MOSFET ใหสงขน และเปลยนชด converter เปนแบบ switching full bridge

เอกสารอางอง

โคทม อารยา, อเลกทรอนกสกาลง 2, 2544,กรงเทพมหานคร:ซเอดยเคชน. สมบรณ มาลานนท และคณะ, แหลงจายไฟแบบสวตชง (Switching Power Supply), กรงเทพมหานคร:ฟสกสเซนเตอร.

Ned Mohan and Tore M. Underland and William P. Robbins ,Power Electronic,1995, 2P

ndP

edition ,John Wiley&Sons,Inc. Robert L. Boylestaul and Louis Nashlsky, 1972, Electronic Device and Circuit Theory,7P

thP

edition ,New Jersy: Practice Hall,Inc. Ronald J. Tocci and Neal S. Widmer,1995, Digital System Principle and Aplication,New

Jersy : Practice Hall,Inc.