新型三相交流穩壓器之設計與實現

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楊宗松(Sung-Tzung Yang) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

新型三相交流穩壓器之設計與實現
(Design and Implementation of a Novel Three-Phase for Automatic Voltage Regulator)

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摘要(中)

三相交流穩壓器具有穩定電源之功能，故電源品質的穩定是一個重要的課題。本論文應用一種新型相移脈波寬度調變的切換控制方式，並實現應用在Y-Y三相四線式架構之交流穩壓器上，以提高三相交流穩壓器之輸出功率。此系統包含三組電壓極性可逆之交流截波器、交流穩壓器主控電路板與串聯補償變壓器，並配合其切換方式，只需簡單地控制開關切換的責任週期，就可以得到與輸入市電同極性或反極性的電壓，進而補償或抑制市電的變動。並使用快速輸出電壓偵測、定點式數位訊號控制器（dsPIC30F2010）來實現控制法則，以提高本系統的可靠度、系統響應、效率、功率因素與降低成本。經實驗證明，本系統可以達到快速穩壓之預期目標。

摘要(英)

Three-phase ac voltage regulator is capable of providing regulated power source, and one of the important issues of it is to stabilize the power quality. In this paper, a novel switching strategy called phase-shift pulse width modulation is applied to the three-phase four-wire ac voltage regulator（AVR）which utilizes a YY connection for the purpose of enhancing output power rating. The system is made up of three ac choppers with reversible voltage, AVR motherboards and transformers for series voltage compensation. The switching strategy is to match up the components of the system as mentioned above such that the compensation voltage with the same or opposite polarity for the input utility voltage can be simply obtained by controlling the duty cycle of power devices. Consequently, variations of the output voltage would be compensated or restrained. The fast sensing technique is adopted toward output voltage and the control law is implemented through the fixed-point digital signal microcontroller（DSM）（dsPIC30F2010）. The system is able to improve reliability, response, efficiency, power factor and reduce cost. It is shown via the experimental results that the system achieves the expected goal of fast voltage regulation.

關鍵字(中)

★ 數位訊號微控制器
★ 交流截波器
★ 交流穩壓器
★ 相移脈波寬度調變

關鍵字(英)

★ AC chopper
★ digital signal microcontroller
★ phase-shift pulse width modulation
★ ac voltage regulator

論文目次

中文摘要 I
目錄II
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章緒論 01
1.1 研究背景 01
1.2 電壓異常之原因與種類 04
1.3 解決電壓異常方法 06
1.3.1不斷電電源供應系統(UPS) 07
1.3.2 傳統交流穩壓器(AVR) 08
1.4 三相交流穩壓器之文獻探討 14
1.5 三相交流穩壓器之連接 16
1.6本論文之交流穩壓器 17
1.7論文內容大綱 18
第二章新型三相高功率交流穩壓器系統原理 19
2.1 系統簡介 19
2.2 系統方塊分析 20
2.2.1 低頻串聯補償變壓器之設計 21
2.2.2 穩壓率之推導 21
2.2.3 交流截波器 23
2.2.4 換流器輸出濾波器之設計 25
2.2.5 數位訊號微處理器 25
2.3 新型相移式全橋交流電壓轉換器 26
2.3.1 極性可逆全橋相移電壓轉換器之分析 27
2.3.2 轉換器特性 31
2.4 系統架構實現 32
第三章新型三相高功率交流穩壓器硬體電路設計分析 37
3.1 前言 37
3.2 硬體架構 37
3.2.1 感測及運算控制模組 39
3.2.2 功率級模組 40
3.2.3 電壓電流顯示及警示保護模組 40
3.2.4 電源供應模組 41
3.3 感測及運算控制模組電路分析 42
3.3.1 前言 42
3.3.2 數位訊號微控制器 42
3.3.3 驅動級電路 43
3.3.4 快速輸出電壓偵測電路 43
3.3.5 輸出電流感測電路 45
3.3.6 啟動保護控制電路 46
3.3.7 零點偵測電路 46
3.4 功率級模組電路分析 47
3.4.1 AC截波器 47
3.4.2 二階LC濾波器電路 47
3.4.3 繼電器保護電路 47
3.5 電壓電流顯示及警示保護模組電路分析 48
3.5.1 LED顯示電路 48
3.5.2 LCD顯示電路 49
3.5.3 功能切換電路 49
3.5.4異常狀態顯示電路 49
3.6 電源供應模組電路分析 49
3.6.1 電源保護 49
3.6.2 EMI濾波器電路 50
3.6.3 AC/DC整流電路 50
3.6.4 獨立驅動器之穩定電源電路 50
3.6.5線性穩定電源電路 51
3.7 控制器設計 52
3.7.1系統規格與模型建立 52
3.7.2電壓補償等效電路推導 53
3.7.3控制器設計與模擬 55
3.7.4控制器設計與實驗 57
第四章實驗結果 59
4.1 實驗硬體架構 59
4.1.1 驅動級電路 60
4.1.2 功率級電路 61
4.1.3傳統電壓峰值與快速電壓偵測器實驗 64
4.2 輸入電源異常實驗 66
4.2.1 市電長期異常實驗結果 67
4.2.2 市電短期異常實驗結果 68
4.3 負載實驗 70
4.4 系統效率與功率因數實驗 75
第五章結論與未來研究方向 77
5.1 結論 77
5.2 未來研究方向 78
參考文獻 79
附錄 82
作者簡介 87
圖目錄
圖1.1 電壓驟降幅度與故障點距離的關係 02
圖1.2 傳統UPS系統架構 08
圖1.3 抽頭變化式交流穩壓器 09
圖1.4 伺服式交流穩壓器 10
圖1.5 磁飽和式交流穩壓器 11
圖1.6 相位控制式交流穩壓器 12
圖1.7 線性補償交流穩壓器 13
圖1.8 單相系統架構圖 14
圖1.9 三相Y-Y連接系統架構圖 14
圖1.10 Y-Y三相兩臂中性點鉗位交流穩壓器 15
圖1.11 新型三相高功率交流穩壓器系統拓撲 18
圖2.1 系統方塊 19
圖2.2 單相穩壓系統拓撲 20
圖2.3(a)市電輸入端當功率級輸入源 22
圖2.3(b)負載輸出當功率級輸入源 22
圖2.4 交流截波器示意圖 23
圖2.5 極性可逆全橋相移電壓轉換器 27
圖2.6 直流降壓型轉換器 27
圖2.7 新型相移切換方式示意波形 28
圖2.8 功率開關切換等效電路圖 30
圖2.9 輸入/輸出電壓對應工作週期關係 32
圖2.10 單相系統電路圖 33
圖2.11 各級電壓示意波形圖 35
圖3.1 新型三相高功率交流穩壓器系統硬體架構圖 38
圖3.2 感測與運算控制模組架構圖 39
圖3.3 功率級模組架構圖 40
圖3.4 電壓電流顯示、過載警示模組架構圖 41
圖3.5 電源供應模組架構圖 42
圖3.6 驅動級電路架構 43
圖3.7 傳統電壓峰值偵測器 43
圖3.8 AD734硬體接腳圖 44
圖3.9 快速輸出電壓偵測電路圖 45
圖3.10 輸出電流感測電路硬體架構圖 45
圖3.11 輸出電流感測電路圖 46
圖3.12 零點偵測器示意圖 46
圖3.13 二階LC濾波器電路圖 47
圖3.14 LED顯示電路架構圖 48
圖3.15 電源保護、EMI濾波電路 49
圖3.16 獨立驅動穩定電源電路 51
圖3.17 線性穩定電源電路 52
圖3.18 電壓補償電路圖 53
圖3.19 等效電壓補償電路圖 55
圖3.20 開迴路模擬系統方塊 55
圖3.21 系統開迴路步階響應圖 56
圖3.22 控制系統方塊圖 57
圖4.1 系統實驗拓撲 59
圖4.2 驅動級電路 60
圖4.3 經隔離放大後之開關驅動訊號 61
圖4.4 功率級電路圖 61
圖4.5 功率級波形圖 62
圖4.6 功率級輸出倍頻波形 63
圖4.7 傳統電壓峰值偵測器暫態波形圖 64
圖4.8 快速電壓峰值偵測器暫態波形圖 66
圖4.9 模擬市電異常實驗示意圖 66
圖4.10 長期異常實驗結果 68
圖4.11 短期異常實驗結果 69
圖4.12 負載實驗示意圖 70
圖4.13 1.5kW電阻性負載實驗結果 71
圖4.14 8.6kW電阻性負載實驗結果 73
圖4.15 16kW電阻性負載實驗結果 74
圖4.16效率與負載變化關係圖 76
圖4.17 輸入功因與負載變化關係圖 76
附錄二
圖B.1 新型三相交流穩壓器之正視圖 85
圖B.2 新型三相交流穩壓器之側視圖 85
圖B.3 三相交流負載箱 86
圖B.4 三相交流電源供應器 86
表目錄
表1.1 83至87年間新竹科學園區電源輸入端異常事件統計 02
表1.2 以持續時間定義電壓異常型式 05
表1.3 常見電壓異常種類 05
表2.1 工作週期對應系統狀態 36
表3.1 交流穩壓器系統規格 52
表3.2 PID值計算表 57
表3.3 控制器參數試驗係數表 58
表4.1 三相輸入端功率 75
表4.2 三相輸出端功率 75
附錄一
表A.1 dsPIC30F系列的週邊界面 82
表A.2 Microchip dsPIC VS. TI DSP比較 83
附錄二
表B.1 新型三相交流穩壓器系統規格表 84

參考文獻

參考文獻
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[30] 洪敬恆，”新型相移脈波寬度調變交流穩壓器之研製”，國立中央大學電機所碩士論文，民國93年7月。
[31] 江炫樟編譯，”電力電子學”，全華科技圖書。

指導教授

徐國鎧(Kuo-Kai Shyu)

審核日期

2005-7-4

推文