國立聯合大學電資學院 金腦獎參賽作品 主題名稱太陽能驅動交流日光燈轉換器之製作 參賽者 : 四技電機四甲吳任政 9621210 陳進彥 9621214 指導教授 : 林志鴻博士
摘要 本專題為研製太陽光電能獨立型系統之直流 / 交流轉換器 研究內容為將太陽光電能所收集之直流電源充電於鉛酸蓄電池, 再使用直流 / 交流轉換器, 將直流電源轉換成交流電源輸出, 最後供應於交流負載 由於太陽光源不穩定, 因此本專題先以直流電源供應器來代替太陽能板提供輸入電源, 測試系統功能 其中, 製作直流 / 交流轉換器電路包含 : 推挽式轉換器 SPWM 產生電路 Lockout-time 電路 隔離驅動電路 獨立電源 - 返馳式電路 濾波電路 全橋式開關, 將以上電路相互配合, 即可完成將直流電源轉換至交流電源 (AC 110V 60Hz), 驅動交流負載, 使其動作 I
目錄 摘要...I 目錄...II 圖目錄...IV 第一章緒論...1 1-1 研究背景...1 1-2 研究動機...1 1-3 研究目的...1 第二章文獻探討...2 2-1 太陽光電能獨立型系統...2 2-2 太陽光電池...2 2-3 鉛酸蓄電池...3 2-4 直流 / 交流轉換器介紹...3 第三章研究流程...4 第四章研究內容...5 4-1 直流 / 交流轉換器...5 4-2 第一級電路 _ 推挽式轉換器...6 4-3 第二級電路 _ SPWM 產生電路 Lockout-time 電路 隔離驅動電路 獨立電源 - 返馳式電路 橋式整流電路 全橋式開關 濾波電路..7 4-3-1 正弦式脈衝寬度調變...7 4-3-2 Lockout-time 電路...8 4-3-3 隔離驅動電路...9 4-3-4 獨立電源 - 返馳式電路...10 4-3-5 橋式整流電路 全橋式開關 濾波電路...12 第五章實驗結果...13 5-1 推挽式轉換器實驗波形圖...13 5-2 正弦波 三角波產生電路以及 SPWM 實驗波形圖...14 II
5-3 Lockout-time 電路實驗波形圖...15 5-4 隔離驅動電路實驗波形圖...15 5-5 返馳式電路實驗波形圖...16 5-6 Inverter 輸出波形...16 5-7 各實作電路整合後之總實作電路照片圖...17 5-8 驅動交流日光燈之實作照片圖...17 第六章結論與建議...18 參考文獻...19 III
圖目錄 圖 2-1 太陽光電能獨立型系統...2 圖 2-2 鉛酸蓄電池...3 圖 4-1 直流 / 交流轉換器第一級電路 ( 推挽式轉換器 )...5 圖 4-2 直流 / 交流轉換器第二級電路...5 圖 4-3 推挽式轉換器之實作電路照片圖...6 圖 4-4 SPWM Lockout-time 電路以及隔離驅動電路之實作電路照片圖...7 圖 4-5 正弦式脈衝寬度調變...7 圖 4-6 正弦波產生電路...8 圖 4-7 三角波產生電路...8 圖 4-8 Lockout-time 電路...8 圖 4-9 TLP250 隔離驅動電路...9 圖 4-10 返馳式電路之實作電路照片圖...10 圖 4-11 返馳式電路...11 圖 4-12 觸發信號之電路...11 圖 4-13 橋式整流電路 全橋式開關 LC 濾波電路之實作電路照片圖...12 圖 5-1 IC_7400 產生互補式方波波形圖...13 圖 5-2 變壓器輸出的交流方波波形圖...13 圖 5-3 交流方波經橋式整流後的直流電壓...13 圖 5-4 正弦波產生電路之輸出波形圖...14 圖 5-5 三角波產生電路之輸出波形圖...14 圖 5-6 正弦波與三角波比較後的 SPWM...14 圖 5-7 SPWM 展開圖...14 圖 5-8 Lockout-time 電路之輸出波形圖...15 圖 5-9 隔離驅動電路接於 TA+ & TA- 之 VGS 波形比較圖 -1...15 圖 5-10 隔離驅動電路接於 TA+ & TA- 之 VGS 波形比較圖 -2...15 圖 5-11 返馳式電路 4 組輸出電壓波形圖...16 IV
圖 5-12 未經 LC 濾波後的輸出波形...16 圖 5-13 經 LC 濾波後的輸出波形...16 圖 5-14 各實作電路整合後之總實作電路照片圖...17 圖 5-15 驅動交流日光燈之實作照片圖...17 V
第一章緒論 1-1 研究背景自從 1973 年第一次石油危機發生, 世界各國警覺到石化能源的獨佔性及有限性 因此, 積極開發太陽能源應用科技, 期以太陽能源應用之技術減低對石化能源的依賴性 時至今日, 利用太陽能源化解石油危機的功能並未真正發生 因此, 綠色能源是二十一世紀人類所必要面臨能源 環境問題的新課題, 且各種替代能源的開發亦勢不可擋 其中, 包括太陽能之再生能源技術之開發利用, 再度成為各國極力發展的課題 太陽能在先天上也有它的缺點 : (1) 能量密度低, 它是 稀薄的 能源, 需要廣闊面積才能收集到足夠人類使用的能量 (2) 太陽能是 間歇性 的能源, 無法連續不斷地供應, 且隨日夜 季節 氣候而變化, 應用不易 因此, 太陽能必須加以儲存, 供夜晚或多雲日子期間使用, 有時需配合它種輔助之能源設備 1-2 研究動機太陽光電能是乾淨無污染且隨處可得的能源, 而且是取之不盡 用之不竭, 因此該如何運用太陽光電能, 將是一個相當重要的課題 因此, 如何將收集來的太陽光電能 ( 直流電壓 ), 轉換成如同市電的交流電壓, 驅動交流負載, 是我們想要學習的知識和技能 1-3 研究目的本專題主要研製太陽光電能獨立型系統之直流 / 交流轉換器, 以實作硬體電路來實現 利用各種電路的特性加以組合, 來達到將直流電壓轉換成交流電壓 (AC 110V 60Hz), 提供於交流負載 1
第二章文獻探討 2-1 太陽光電能獨立型系統 太陽光產生的電力經由控制電路, 儲存到聯結蓄電池組內, 再經由直流 / 交流轉換器 (DC/AC Inverter), 將蓄電池內的直流電轉變為交流電, 供電器使用 白天可將太陽光電能儲存到蓄電池組裡, 當晚上或太陽光電能不足時, 即可由蓄電池來提供電力, 維持負載持續運作 獨立型系統的好處在於不會影響其他系統, 同時也不受其他系統所影響, 適合用於山中小屋或偏遠地區, 市電無法到達的地方 但此系統的缺點在於蓄電池成本較高, 也必須每隔一段時間保養並檢測功能是否正常, 維護上比較麻煩 圖 2-1 太陽光電能獨立型系統 2-2 太陽光電池在整個太陽光電能供應電系統中, 太陽光電池是最基本且最重要的部份, 並且必須根據應用場合, 慎選適當的太陽光電池 在眾多的太陽光電池中較普遍且實用的有單晶矽 多晶矽 非晶矽, 此三種太陽光電池都有其優缺點, 必須慎選其適用的場合 2
2-3 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池, 又稱鉛蓄電池, 是蓄電池的一種 電極主要由鉛製成, 電解液是硫酸溶液的一種蓄電池 本專題中所使用之電池規格為兩顆 6V/4.5AH 以及兩顆 6V/4AH 串聯所組合, 總容量為 24V/4AH 電池 圖 2-2 鉛酸蓄電池 2-4 直流 / 交流轉換器介紹直 / 交流轉換器, 顧名思義就是輸入直流電源, 經由轉換器內部電路之運作, 最終轉換成交流電源輸出, 爾後可提供於下一級電路或負載使用 於本專題, 其轉換器內部電路有運用到推挽式轉換器 SPWM 產生電路 Lockout-time 電路 隔離驅動電路 獨立電源 - 返馳式電路 濾波電路以及全橋式開關 ( 使用 MOSFET-IRFP250) 3
第三章研究流程 本專題之研究流程為 : Step1 構想硬體架構 : 構想能利用哪些電路以及方式來達到將直流電源轉成交流電源 Setp2 尋找電路 : 尋找教科書以及網路上的資料 Setp3 模擬電路 : 將參考電路給於模擬測試, 並觀察是否能運用於實作電路中 Setp4 實作硬體電路 : 接硬體電路, 並且測試電路功能 Setp5 實作硬體電路之改善 : 改善電路產生的波形與電壓大小 Setp6 實驗結果 : 電路整合, 量測各地方波形圖, 並且測試是否能驅動交流 負載 Setp7 實驗結果之改善 : 改善輸出之正弦波的波形與電壓大小 Setp8 完成專題 : 能確實驅動負交流載, 使其動作 4
第四章研究內容 4-1 直流 / 交流轉換器直流 / 交流轉換器 (DC/AC Inverter) 包含兩級電路, 第一級為推挽式轉換器, 圖 4-1 所示, 其目的為將輸入之直流電壓轉換成輸出為交流方波 (AC 110V 60Hz), 之後可使用 LC 濾波器, 再接於負載 但是, 因為交流方波頻率為 60Hz, 經由 LC 濾波後之正弦波其諧波成分太高, 會導致負載受損 因此, 再搭配第二級電路, 圖 4-2 所示, 改善最終的輸出正弦波之諧波成分, 使其大幅降低, 並驅動負載 圖 4-1 直流 / 交流轉換器第一級電路 ( 推挽式轉換器 ) 圖 4-2 直流 / 交流轉換器第二級電路 5
4-2 第一級電路 _ 推挽式轉換器 圖 4-3 推挽式轉換器之實作電路照片圖 圖 4-3 所示, 為推挽式轉換器實作電路, 利用 IC_7400 搭配元件來產生互補式的方波 (60Hz), 驅動功率電晶體 2N3055 開關 由於 IC 輸出電流偏低, 不足以推動 2N3055, 因此使用 2SD880( 有較高的 β 值 ) 與 2N3055 搭配, 其接法為達靈頓, 目的在於放大電流, 如此一來就有足夠的電流來推動功率電晶體 利用互補式方波推動開關, 將輸入直流電壓 (DC 18V) 經由具中間抽頭的變壓器轉換成交流方波 (AC 110V 60Hz) 輸出 因為此交流方波經過 LC 濾波後, 其正弦波的諧波成分太高, 不適合提供負載 因此, 直接將交流方波整流成約 DC 156V, 來當第二級電路之主電源 6
4-3 第二級電路 _ SPWM 產生電路 Lockout-time 電路 隔離驅動電路 獨立電源-返馳式電路 橋式整流電路 全橋式開關 濾波電路 圖 4-4 SPWM Lockout-time 電路以及隔離驅動電路之實作電路照片圖 4-3-1 正弦式脈衝寬度調變 Inverter 的調變方式有很多種 其中最常見的是正弦式脈衝寬度調變 (SPWM) 此種調變技術於本專題是使用類比電路來實現 正弦脈衝調變技術是由 一個正弦波(又稱調變波) 與一個三角波(又稱載波)比較所產生 圖 4-5 所示 正弦波產生電路和三角波產生電路於圖 4-6 圖 4-7 所示 三角波之頻率為 fs 決定 Inverter 開關之切換頻率 本專題採用 fs=15khz 正弦波之基頻為 f1 決定 Inverter 之輸出波形的頻率 本專題採用 f1=60hz 圖 4-5 正弦式脈衝寬度調變 7
圖 4-6 正弦波產生電路 圖 4-7 三角波產生電路 4-3-2 Lockout-time 電路 Lockout-time 電路也稱 Dead-time 電路或 Delay-time 電路, 其目的在於延遲作用 ( 互鎖作用 ) 為了避免全橋式開關上臂和下臂同時導通的情形發生, 因此必須做一個延遲的處理, 使其有 5us 以上的空間時間為 OFF, 不至於上下臂同時導通 此電路是藉著 IC_4049 搭配電阻 電容及二極體所構成 其原理在於改變充放電的時間, 來達到一個延遲的效果, 圖 4-8 所示 若要改變充放電的時間, 調整電阻值即可 圖 4-8 Lockout-time 電路 8
4-3-3 隔離驅動電路隔離驅動電路是使用 TLP250 光耦合器, 搭配一些元件與獨立電源, 圖 4-9 所示 電路中的獨立電源, 採用返馳式電路所提供之獨立電源 於圖 4-9 中,C 端 D 端為獨立電源所接之端點 隔離驅動電路有三大功能 : (1) 放大功能 : 將經過 Lockout-time 電路的 SPWM 加以放大, 藉此提高控制電路的驅動能力, 並能順利推動切換開關, 使之正常動作 (2) 隔離功能 : 能夠將控制電路與驅動電路隔離開來, 以避免切換開關在做切換動作時產生的雜訊干擾了控制電路中的控制信號 另一方面則可以將大電壓與小電壓隔開, 以防止大電壓回燒至小電壓, 損毀整個供電系統 (3) 放電功能 : 利用基納二極體的穩壓電壓 3V, 將切換開關之所累積的電荷抽進來, 使其 有一路徑放電, 以減短截止轉態之時間, 減低切換損失 圖 4-9 TLP250 隔離驅動電路 9
4-3-4 獨立電源 - 返馳式電路返馳式電路具有變壓器, 因此是利用它有隔離的效果, 能夠提供隔離驅動電路獨立電源, 如圖 4-11 所示 圖 4-10 為實作 1 輸入 2 輸出之獨立電源, 總共有 4 組輸出獨立電源 圖 4-10 返馳式電路之實作電路照片圖 10
圖 4-11 返馳式電路 觸發信號使用 NE555 電路, 再配合 Lockout-time 電路的特性, 成為足夠觸 發開關的觸發信號, 並且能夠藉由調整 Lockout-time 特性電路中的電阻值來達 到改變輸出觸發信號之 Duty, 如圖 4-12 所示 圖 4-12 觸發信號之電路 11
4-3-5 橋式整流電路 全橋式開關 濾波電路 (1) 橋式整流電路 : 使用橋式整流器, 再搭配電容與電阻, 目的在於將第一級電路之輸出交流方波整流成直流電壓, 作為第二級電路的主電源 (2) 全橋式開關 : 開關元件使用 MOSFET-IRFP250, 最大可承受 200V,33A (3) 濾波電路 : 輸出濾波電路是以電感器 L f 及電容器 C f 所組成的二階低通濾波電路, 圖 4-13 所示, 其主要目的是將 Inverter 之輸出電壓 ( 電流 ) 的高頻諧波濾除 就濾波的觀點來看, 調變頻率愈高濾波效果愈好, 然而相對的系統之動態調節能力會降低 因此, 適當地選擇濾波電感的感值和濾波電容的容值是相當重要的 為了濾除切換頻率所產生之高頻雜訊, 一般 L f 及 C f 之諧振頻率大多設計在小於系統切換頻率十分之ㄧ, 且其截止頻率至少需大於十倍之基本波頻率, 如 (4-1) 式所示 ( 4-1 ) 圖 4-13 橋式整流電路 全橋式開關 LC 濾波電路之實作電路照片圖 12
第五章實驗結果 5-1 推挽式轉換器實驗波形圖 圖 5-1 IC_7400 產生互補式方波波形圖圖 5-2 變壓器輸出的交流方波波形圖 圖 5-3 交流方波經橋式整流後的直流電壓 13
5-2 正弦波 三角波產生電路以及 SPWM 實驗波形圖 圖 5-4 正弦波產生電路之輸出波形圖 圖 5-5 三角波產生電路之輸出波形圖 圖 5-6 正弦波與三角波比較後的 SPWM 圖 5-7 SPWM 展開圖 14
5-3 Lockout-time 電路實驗波形圖 因為圖 4-8 電路接法為輸出 TA+ TA- 會與實際要使用的波形相反, 所以圖 5-8 的波形圖才會看似有同時導通情形, 因此接於後端隔離驅動電路時, 應給於反接 圖 5-8 Lockout-time 電路之輸出波形圖 ( 相差 5us 以上 ) 5-4 隔離驅動電路實驗波形圖 圖 5-9 隔離驅動電路接於 TA+ & TA- 圖 5-10 隔離驅動電路接於 TA+ & TA- 之 VGS 波形比較圖 -1 之 VGS 波形比較圖 -2 15
5-5 返馳式電路實驗波形圖 圖 5-11 返馳式電路 4 組輸出電壓波形圖 5-6 Inverter 輸出波形 圖 5-12 未經 LC 濾波後的輸出波形 圖 5-13 經 LC 濾波後的輸出波形 16
5-7 各實作電路整合後之總實作電路照片圖 圖 5-14 各實作電路整合後之總實作電路照片圖 5-8 驅動交流日光燈之實作照片圖 圖 5-15 驅動交流日光燈之實作照片圖 17
第六章結論與建議 太陽光電能的應用日趨廣泛, 其太陽光電能轉換器是主要核心, 若沒有轉換器, 太陽光電能也是英雄無用武之地 總結以上, 本專題就是製作將其直流電源轉換成交流電源, 並驅動交流負載, 使其動作, 即為完成本專題 本專題是屬於開迴路製作, 因此於實際上不切實用, 若要真正的運用於生活上, 則內部電路必須全部設計成閉迴路系統, 讓系統自動調節所需的電壓 電流, 以穩定系統 於未來, 可將電路其設計成閉迴路控制, 切換開關的零電壓 零電流切換, 提高整體效率, 並且亦可搭配最大功率追蹤法 (MPPT) 技術, 能增加輸出功率約 10% ~30% 太陽光電能轉換器所涵蓋的專業知識甚廣, 若要有好的功能, 必需要有更好的專業知識和技術, 這也是未來繼續努力鑽研的研究! 18
參考文獻 [1] Mohan. Undeland. Robbins 原著, 江炫樟編譯, 電力電子學, 全華科技 圖書股份有限公司印行 [2] 吳財福 陳裕愷 張健軒編著, 太陽光電能供電與照明系統第二版, 全華 科技圖書股份有限公司印行 [3] 陳俊榮, 南台科大, 電機碩士論文, 太陽光電能量轉換系統之研製 [4] 陳瓊興編著, 電子學實驗 ( 上 ), 電子學實驗 ( 下 ), 全華科技圖書股份有限 公司印行 [5] 參考波形產生電路之網址 http://www.play-hookey.com/analog/triangle_waveform_generator.html [6] 蔡國隆老師, 教學講義, 再生能源轉換器之應用技術, 耀能科技股份有限公 司 [7] 喬治查爾斯電子電路網 19