1 สูตรและวิธีทำตัวแปลง DC-DC
บัค Vo = D·Vin
บูสต์ Vo = Vin /(1 − D)
บัค-บูสต์แบบกลับขั้ว |Vo | = Vin ·D/(1 − D)
สมดุลกำลังในอุดมคติ Vin Iin = Vo Io
ริปเปิลของตัวเหนี่ยวนำ ΔIL = VL,on ·D/(L·f); buck Vin − Vo , boost and buck-boost Vin
กระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำ บัค Io ; บูสต์และบัค-บูสต์ Io /(1 − D)
ริปเปิลเอาต์พุต บัค ΔIL /(8fC); บูสต์และบัค-บูสต์ Io ·D/(fC)
ขอบเขต CCM บัค (1 − D)R/(2f); บูสต์ D(1 − D)²R/(2f); บัค-บูสต์ (1 − D)²R/(2f) วิธีการ ระบุตัวแปลง (บัค บูสต์ หรือบัค-บูสต์) และดิวตี้ไซเคิล D จากอัตราส่วนแรงดัน ใช้สมดุลโวลต์-วินาทีของตัวเหนี่ยวนำ: แรงดันเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำตลอดหนึ่งคาบเป็นศูนย์ หาแรงดันตัวเหนี่ยวนำขณะสวิตช์เปิด แล้วหา ΔIL = VL ·D/(L·f) สำหรับริปเปิลเอาต์พุต ให้หาประจุที่ไหลเข้าและออกจากตัวเก็บประจุ สำหรับขอบเขต CCM ให้ตั้งกระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ ΔIL /2 มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
วงจรอาร์เมเจอร์ V = E + Ia Ra
แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านและแรงบิด E = k·ω, T = k·Ia
อัตราเร็ว ω = 2π·n/60, ω = (V − Ia Ra )/k
ความเร็วขณะไม่มีโหลดและแรงบิดสตอลล์ ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
กำลัง Pin = V·Ia , Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
การเริ่มเดิน Istart = V/(Ra + Rst )
การควบคุมความเร็ว SR = (n0 − nFL )/nFL
กำลังที่พัฒนาสูงสุด Pmax = V²/(4Ra )
ไดรฟ์ช็อปเปอร์ Va = D·Vdc วิธีการ วาดวงจรอาร์เมเจอร์: แหล่งจ่าย V ความต้านทาน Ra และแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน E อนุกรมกัน ใช้ V = E + Ia ·Ra เชื่อมแรงดัน กระแส และแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน ใช้ E = k·ω สำหรับความเร็ว และ T = k·Ia สำหรับแรงบิด โดย ω = 2π·n/60 สำหรับกำลังและประสิทธิภาพ เริ่มจาก V·Ia ลบการสูญเสียในทองแดง Ia ²·Ra แล้วลบการสูญเสียจากการหมุน กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง
กำลังจริง P = V·I·cos φ
กำลังรีแอกทีฟ Q = V·I·sin φ
กำลังปรากฏ S = V·I = √(P² + Q²)
ตัวประกอบกำลัง pf = cos φ = P/S
ตัวเก็บประจุแก้ตัวประกอบกำลัง QC = P(tan φ1 − tan φ2 ), C = QC /(ωV²) กำลังไฟฟ้าสามเฟส
การต่อแบบ Y VL = √3·Vph , IL = Iph
การต่อแบบ Δ VL = Vph , IL = √3·Iph
กำลังจริงรวม P = √3·VL ·IL ·cos φ = 3·Iph ²·R
กำลังปรากฏและกำลังรีแอกทีฟ S = √3·VL ·IL , Q = P·tan φ
ตัวเก็บประจุแก้ตัวประกอบกำลัง QC = P(tan φ1 − tan φ2 ), C = QC /(3ωV²)
แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุแต่ละตัว Δ: VL Y: VL /√3
กำลังป้อนเข้ามอเตอร์ Pin = Pout /η 2 โจทย์ฝึก1. ตัวแปลง DC-DC ปานกลาง
ตัวแปลงบัคในอุดมคติแปลง 15 V เป็น 9 V ที่ความถี่สวิตชิง 20 kHz จงหาค่าความเหนี่ยวนำ L ที่ทำให้กระแสริปเปิลยอดถึงยอดของตัวเหนี่ยวนำเป็น 1 A
Vin = 15 V Vo = 9 V f = 20 kHz ΔIL = 1 A
L =
2. ตัวแปลง DC-DC ยาก
ตัวแปลงบัคแปลง 15 V เป็น 10.5 V ที่ 50 kHz โดย L = 220 µH จงหากระแสโหลดต่ำสุด Io,min ที่ยังคงอยู่ในโหมดนำกระแสต่อเนื่อง
Vin = 15 V Vo = 10.5 V f = 50 kHz L = 220 µH
Io,min =
3. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ปานกลาง
+ − 24 V Ra = 0.4 Ω Ia = 4 A M + − E ω T มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงดึงกระแส 4 A จากแหล่งจ่าย 24 V ความต้านทานอาร์เมเจอร์ของมันคือ 0.4 Ω และการสูญเสียจากการหมุน (แรงเสียดทาน ลม และเหล็ก) คือ 4 W จงหาประสิทธิภาพ η
V = 24 V Ia = 4 A Ra = 0.4 Ω Prot = 4 W
η =
4. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ยาก
+ − 48 V Rs = ? Ra = 1.2 Ω M + − E n = 500 rpm T = 2.4 N·m มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (k = 0.6 V·s/rad, Ra = 1.2 Ω) บนแหล่งจ่ายคงที่ 48 V ขับโหลด 2.4 N·m จงหาความต้านทานอนุกรม Rs ที่ทำให้มันช้าลงเหลือ 500 rpm
V = 48 V k = 0.6 V·s/rad Ra = 1.2 Ω T = 2.4 N·m n = 500 rpm
Rs =
5. กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง ปานกลาง
โหลดที่มีอิมพีแดนซ์ Z = 20 + j15 Ω ต่อกับแหล่งจ่ายเฟสเดียว 120 V (rms) จงหากำลังจริง P ที่มันดูดกลืน
V = 120 V Z = 20 + j15 Ω
P =
6. กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง ยาก
50 V 60 Hz Rs = 4 Ω Xs = j15 Ω ZL = ? แหล่งกำเนิด 50 V (rms) 60 Hz มีอิมพีแดนซ์ภายใน Zs = 4 + j15 Ω เลือกอิมพีแดนซ์โหลด ZL ได้อย่างอิสระ โหลดสำหรับกำลังสูงสุดสร้างจากตัวต้านทานอนุกรมกับตัวเก็บประจุ จงหาความจุ C
Vs = 50 V (rms) f = 60 Hz Zs = 4 + j15 Ω
C =
7. กำลังไฟฟ้าสามเฟส ปานกลาง
A B C VL = 480 V IL = ? M 7.5 kW, η = 95% cos φ = 0.86 มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสให้กำลังกลขาออก 7.5 kW ที่โหลดเต็มพิกัด ที่โหลดนี้ประสิทธิภาพ 95% และตัวประกอบกำลัง 0.86 ล้าหลัง แหล่งจ่ายมีแรงดันสาย–สาย 480 V หากระแสสาย IL
Pout = 7.5 kW η = 95% cos φ = 0.86 VL = 480 V
IL =
8. กำลังไฟฟ้าสามเฟส ยาก
P = 200 kW φ1 S1 Q2 QC
โหลดสามเฟสสมดุลใช้กำลัง 200 kW ที่ตัวประกอบกำลัง 0.78 ล้าหลัง จากแหล่งจ่าย 690 V (สาย–สาย) 60 Hz ชุดตัวเก็บประจุสามเฟสที่ต่อขนานกับโหลดต้องเพิ่มตัวประกอบกำลังรวมเป็น 0.98 ล้าหลัง กำลังจริงคงเดิม ตัวเก็บประจุต่อแบบ Y หาความจุ Cph ของตัวเก็บประจุแต่ละตัวใน µF
P = 200 kW pf1 = 0.78 pf2 = 0.98 VL = 690 V f = 60 Hz
Cph =
3 สารละลาย1. ตัวแปลง DC-DC
คำตอบ: L = 180 µH
ตัวแปลง DC-DC: สวิตช์ S เปิดในสัดส่วน D ของแต่ละคาบ T = 1/f ในสถานะคงตัว แรงดันเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำเป็นศูนย์ (สมดุลโวลต์-วินาที) ซึ่งให้อัตราส่วนการแปลงในอุดมคติในโหมดนำกระแสต่อเนื่อง: บัค Vo = D·Vin , บูสต์ Vo = Vin /(1 − D), บัค-บูสต์แบบกลับขั้ว |Vo | = Vin ·D/(1 − D) ตัวแปลงในอุดมคติรักษากำลังไว้: Vin ·Iin = Vo ·Io ขณะ S เปิด กระแสตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น ΔIL = VL ·D·T/L โดย VL = Vin − Vo สำหรับบัค และ Vin สำหรับบูสต์และบัค-บูสต์ ริปเปิลเอาต์พุตคือ ΔVo = ΔIL /(8fC) สำหรับบัค และ Io ·D/(fC) สำหรับบูสต์และบัค-บูสต์ กระแสตัวเหนี่ยวนำเพียงแตะศูนย์ (ขอบเขต CCM) เมื่อกระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ ΔIL /2
ความเหนี่ยวนำ L = 6·0.6/(1·20·10³) = 180 µH
2. ตัวแปลง DC-DC
คำตอบ: Io,min = 0.1432 A
ตัวแปลง DC-DC: สวิตช์ S เปิดในสัดส่วน D ของแต่ละคาบ T = 1/f ในสถานะคงตัว แรงดันเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำเป็นศูนย์ (สมดุลโวลต์-วินาที) ซึ่งให้อัตราส่วนการแปลงในอุดมคติในโหมดนำกระแสต่อเนื่อง: บัค Vo = D·Vin , บูสต์ Vo = Vin /(1 − D), บัค-บูสต์แบบกลับขั้ว |Vo | = Vin ·D/(1 − D) ตัวแปลงในอุดมคติรักษากำลังไว้: Vin ·Iin = Vo ·Io ขณะ S เปิด กระแสตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น ΔIL = VL ·D·T/L โดย VL = Vin − Vo สำหรับบัค และ Vin สำหรับบูสต์และบัค-บูสต์ ริปเปิลเอาต์พุตคือ ΔVo = ΔIL /(8fC) สำหรับบัค และ Io ·D/(fC) สำหรับบูสต์และบัค-บูสต์ กระแสตัวเหนี่ยวนำเพียงแตะศูนย์ (ขอบเขต CCM) เมื่อกระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ ΔIL /2
กระแสริปเปิล ΔIL = 10.5·0.3/(220·10⁻⁶·50·10³) = 0.2864 A
กระแสโหลดที่ขอบเขต Io,min = ΔIL /2 = 0.1432 A
ต่ำกว่ากระแสนี้ ตัวแปลงจะเข้าสู่โหมดนำกระแสไม่ต่อเนื่อง และ Vo จะสูงกว่า D·Vin
3. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
คำตอบ: η = 89.17 %
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง: อาร์เมเจอร์คือความต้านทาน Ra อนุกรมกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน E ดังนั้น V = E + Ia ·Ra แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านเพิ่มตามความเร็ว E = k·ω และแรงบิดเพิ่มตามกระแส T = k·Ia โดยใช้ค่าคงที่มอเตอร์ k ตัวเดียวกัน (V·s/rad = N·m/A) ในหน่วย SI แปลงความเร็วด้วย ω = 2π·n/60 กำลังที่พัฒนาขึ้นคือ E·Ia = T·ω กำลังอินพุตคือ V·Ia และส่วนต่างคือการสูญเสียในทองแดง Ia ²Ra กับการสูญเสียจากการหมุน ความเร็วลดลงเป็นเส้นตรงตามแรงบิด ω = V/k − Ra ·T/k² จากความเร็วขณะไม่มีโหลด V/k ลงไปเป็นศูนย์ที่แรงบิดสตอลล์ k·V/Ra เมื่อหยุดนิ่ง E = 0 ดังนั้นกระแสเริ่มเดิน V/Ra จึงมีค่ามาก เว้นแต่ใช้ตัวต้านทานจำกัด
กำลัง Pin = 24·4 = 96 W
Pdev = 22.4·4 = 89.6 W
Pout = 89.6 − 4 = 85.6 W
ประสิทธิภาพ η = 85.6/96·100 = 89.17 %
4. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
คำตอบ: Rs = 2.946 Ω
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง: อาร์เมเจอร์คือความต้านทาน Ra อนุกรมกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน E ดังนั้น V = E + Ia ·Ra แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านเพิ่มตามความเร็ว E = k·ω และแรงบิดเพิ่มตามกระแส T = k·Ia โดยใช้ค่าคงที่มอเตอร์ k ตัวเดียวกัน (V·s/rad = N·m/A) ในหน่วย SI แปลงความเร็วด้วย ω = 2π·n/60 กำลังที่พัฒนาขึ้นคือ E·Ia = T·ω กำลังอินพุตคือ V·Ia และส่วนต่างคือการสูญเสียในทองแดง Ia ²Ra กับการสูญเสียจากการหมุน ความเร็วลดลงเป็นเส้นตรงตามแรงบิด ω = V/k − Ra ·T/k² จากความเร็วขณะไม่มีโหลด V/k ลงไปเป็นศูนย์ที่แรงบิดสตอลล์ k·V/Ra เมื่อหยุดนิ่ง E = 0 ดังนั้นกระแสเริ่มเดิน V/Ra จึงมีค่ามาก เว้นแต่ใช้ตัวต้านทานจำกัด
กระแสและแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน Ia = 2.4/0.6 = 4 A
E = 0.6·52.36 = 31.42 V
ความต้านทานอนุกรม Ra + Rs = (48 − 31.42)/4 = 4.146 Ω
Rs = 2.946 Ω
ตัวต้านทานสิ้นเปลืองกำลัง 47.14 W ส่วนช็อปเปอร์ควบคุมความเร็วด้วยการสูญเสียที่น้อยกว่ามาก
5. กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง
คำตอบ: P = 460.8 W
กำลังไฟฟ้ากระแสสลับ: กำลังปรากฏ S = V·I (VA) แยกเป็นกำลังจริง P = S·cos φ (W) ซึ่งทำงานที่เป็นประโยชน์ และกำลังรีแอกทีฟ Q = S·sin φ (var) ซึ่งเคลื่อนไปมาระหว่างแหล่งจ่ายกับโหลด ตัวประกอบกำลังคือ cos φ ตัวเก็บประจุที่ต่อขนานจ่ายกำลังรีแอกทีฟในพื้นที่ กระแสในสายจึงลดลงสำหรับกำลังจริงเท่าเดิม
กระแส |Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4.8 A
กำลังจริง P = I²·R = 4.8²·20 = 460.8 W
6. กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง
คำตอบ: C = 176.8 µF
กำลังไฟฟ้ากระแสสลับ: กำลังปรากฏ S = V·I (VA) แยกเป็นกำลังจริง P = S·cos φ (W) ซึ่งทำงานที่เป็นประโยชน์ และกำลังรีแอกทีฟ Q = S·sin φ (var) ซึ่งเคลื่อนไปมาระหว่างแหล่งจ่ายกับโหลด ตัวประกอบกำลังคือ cos φ ตัวเก็บประจุที่ต่อขนานจ่ายกำลังรีแอกทีฟในพื้นที่ กระแสในสายจึงลดลงสำหรับกำลังจริงเท่าเดิม
การจับคู่สังยุค รีแอกแตนซ์ของโหลดหักล้างรีแอกแตนซ์ของแหล่งกำเนิด และความต้านทานโหลดเท่ากับความต้านทานแหล่งกำเนิด
ความจุไฟฟ้า XC = 15 Ω → C = 1/(2π·60·15) = 176.8 µF
7. กำลังไฟฟ้าสามเฟส
คำตอบ: IL = 11.04 A
ระบบสามเฟสสมดุล: ในการต่อแบบ Y (สตาร์) แรงดันสาย–สายเท่ากับ √3 เท่าของแรงดันเฟส VL = √3·Vph และกระแสสายเท่ากับกระแสเฟส ในการต่อแบบ Δ (เดลตา) แรงดันสาย–สายเท่ากับแรงดันเฟส และกระแสสายเป็น √3 เท่าของกระแสเฟส IL = √3·Iph กำลังรวมเป็นสามเท่าของกำลังหนึ่งเฟส: P = 3·Vph ·Iph ·cos φ = √3·VL ·IL ·cos φ
กำลังไฟฟ้าขาเข้า Pin = Pout /η = 7.5/0.95 = 7.895 kW
กระแสในสาย IL = Pin /(√3·VL ·cos φ) = 7895/(√3·480·0.86) = 11.04 A
8. กำลังไฟฟ้าสามเฟส
คำตอบ: Cph = 667.7 µF
ระบบสามเฟสสมดุล: ในการต่อแบบ Y (สตาร์) แรงดันสาย–สายเท่ากับ √3 เท่าของแรงดันเฟส VL = √3·Vph และกระแสสายเท่ากับกระแสเฟส ในการต่อแบบ Δ (เดลตา) แรงดันสาย–สายเท่ากับแรงดันเฟส และกระแสสายเป็น √3 เท่าของกระแสเฟส IL = √3·Iph กำลังรวมเป็นสามเท่าของกำลังหนึ่งเฟส: P = 3·Vph ·Iph ·cos φ = √3·VL ·IL ·cos φ การปรับปรุงตัวประกอบกำลัง: ตัวเก็บประจุจ่ายกำลังรีแอกทีฟในพื้นที่ QC = P·(tan φ1 − tan φ2 ) ตัวเก็บประจุทั้งสามตัวจ่ายตัวละ QC /3 = V²·ω·C โดย V คือแรงดันคร่อมตัวเก็บประจุตัวนั้น: VL ในชุดแบบ Δ, VL /√3 ในชุดแบบ Y
กำลังรีแอกทีฟก่อนและหลัง กำลังจริงไม่เปลี่ยน ตัวประกอบกำลังแต่ละค่าจึงกำหนดกำลังรีแอกทีฟ: Q = P·tan φ
Q1 = 200·tan(acos 0.78) = 200·0.8023 = 160.5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.98) = 200·0.2031 = 40.61 kvar
กำลังรีแอกทีฟจากตัวเก็บประจุ QC = Q1 − Q2 = 119.8 kvar
ความจุต่อเฟส ในชุดแบบ Y ตัวเก็บประจุแต่ละตัวต่อระหว่างสายกับจุดสตาร์
V = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC /3)/(ω·V²) = 39948/(377·398.4²) = 667.7 µF