Simple PWM AC Chopper Control by Using Arduino UNO

สำหรับโครงงานนี้เป็นการควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ (AC-AC Converters) อีกแบบหนึ่ง ในลักษณะของ AC Chopper หรือเรียก Phase Angle Controlled (PAC) โดยมีรูปแบบการทำงานที่ไม่ซับซ้อนมากนัก ด้วยการใช้เพาเวอร์บริดจ์ไดโอดร่วมกับสวิตช์กำลัง เช่น เพาเวอร์ไอจีบีทีและเพาเวอร์มอสเฟต และการควบคุมปริมาณการจ่ายกำลังไฟฟ้าจากอุปกรณ์ดังกล่าวจะใช้สัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลชั่นเป็นตัวกำหนด ซึ่งสามารถเลือกใช้วงจรกำเนิดได้หลายลักษณะตามที่ออกแบบต้องการ ทั้งนี้ตัวโครงงานที่นำเสนอนี้จะเป็นต้นแบบขนาดเล็กเพื่อให้เข้าใจการทำงานเบื้องต้นและใช้บอร์ดควบคุม Arduino UNO ในการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลชั่นและตรวจจับกระแสที่เกิดขึ้นนั้นเอง

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบโครงงานและการวางเลย์เอาต์อุปกรณ์ขับกำลังบนแผ่นฮีตซิ้งเพื่อยึดเข้าด้วยกัน

รูปที่ 3 และรูปที่ 4 แสดงการยึดเพาเวอร์ไอจีบีทีเข้ากับแผ่นฮีตซิ้งระบายความร้อนและการบัดกรีขาเข้ากับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) โดยให้แผ่ยวงจรพิมพ์วางเป็นแนวตั้ง

รูปที่ 5 และรูปที่ 6 แสดงการประกอบโครงงานเสร็จแล้ว จากนั้นทดลองการทำงานของตัวออปโต้คัปเปิ้ล (TLP250) ด้วยการจ่ายไฟเลี้ยงที่ประมาณ 15VDC สำหรับสร้างสัญญาณขับให้กับตัวเพาเวอร์ไอจีบีที โดยในส่วนของวงจรนี้จะมีแอลอีดีแสดงผลให้ทราบเมื่อได้รับไฟเลี้ยงแล้ว

รูปที่ 7 เป็นการทดลองการทำงานของตัววงจรด้วยการจ่ายแรงดันให้กับออปโต้คัปเปิ้ลเท่ากับ 5VDC เพื่อจำลองในลักษณะของสัญญาณ TTL เพื่อสังเกตการทำงานให้เป็นไปอย่างถูกต้อง

รูปที่ 8 และรูปที่ 9 ลักษณะการประกอบไอจีบีทีและไดโอดบริดจ์เสร็จเรียบร้อย รวมทั้งการเชื่อมต่อสายไฟสำหรับควบคุมการทำงานรวมทั้งรับไฟเลี้ยงแรงดันสูง 220VAC ทางด้านอินพุตและเอาต์พุตด้วยเช่นกัน

ในรูปที่ 11 เป็นการใช้หม้อแปลงตรวจจับกระแสเพิ่มเติม (Current Transformer : CT) เพื่อให้สามารถควบคุมปริมาณกระแสที่ไหลผ่านวงจรได้ตามที่กำหนด ทั้งนี้การควบคุมปริมาณกระแสจะเป็นการกำหนดโดยการเปลี่ยนค่าในตัวโปรแกรมเท่านั้น

/*
 *Project PWM AC Chopper Control by Using Arduino UNO
       MCU : Arduino UNO
       Fsw PWM :  15kHz
       Power SW : IGBT 
       AC Power control : 100W (COP)
       Dev by : www.electronicsdna.com
       Date : 26-11-2022 (V.0)
 */

#include <PWM.h>

int32_t frequency = 15000; //frequency (in Hz)
int PWM = 0;
int AdjPWM = 0;
int Is = 0; 

void setup()
{
  //initialize all timers except for 0, to save time keeping functions
  InitTimersSafe(); 
  Serial.begin(9600); 
  //sets the frequency for the specified pin
  bool success = SetPinFrequencySafe(3, frequency);
  
  //if the pin frequency was set successfully, turn pin 3 on
  if(success) {
    pinMode(3, OUTPUT); 
  }
} 

void loop()
{
  Serial.print(" VAdj  ");
  AdjPWM = analogRead(A0);  
  PWM = (AdjPWM/4) ;
  Serial.print(PWM);
  pwmWrite(3,PWM);
   
  Serial.print(", Is  ");
  Is = analogRead(A1); 
  Serial.println(Is); 
  delay(100);      
}

Download Arduino Library ——> PWM.h

รูปที่ 13 และรูปที่ 14 เป็นการทดลองที่ 1 โดยการปรับค่าดิวตี้ไซเกิลประมาณ 30% สำหรับสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลชั่น จากนั้นสังเกตความสว่างของหลอดไฟ (หลอดไฟขนาด100 วัตต์) ที่นำมาต่อเป็นโหลด (RL) และใช้ดิจิตอลมัลติมิเตอร์วัดแรงดันที่ตกคร่อมหลอดไฟและค่าที่ได้ประมาณ 57.1VAC

รูปที่ 15 และรูปที่ 16 เป็นการทดลองที่ 2 ด้วยการปรับค่าดิวตี้ไซเกิลเพิ่มขึ้นประมาณ 50% จากนั้นสังเกตความสว่างของหลอดไฟและค่าที่อ่านได้จากดิจิตอลมัลติมิเตอร์ โดยค่าแรงดันที่ตกคร่อมหลอดไฟที่ได้ประมาณ 104.6VAC

สำหรับในรูปที่ 17 และรูปที่ 18 เป็นการทดลองที่ 3 เช่นเดียวกับการทดลองที่ 1 และ 2 ปรับค่าดิวตี้ไซเกิลเพิ่มขึ้นประมาณ 80% จากนั้นสังเกตความสว่างของหลอดไฟและค่าที่อ่านได้จากดิจิตอลมัลติมิเตอร์ โดยค่าแรงดันที่ตกคร่อมหลอดไฟที่ได้ประมาณ 155.9VAC

ในรูปที่ 19 และรูปที่ 20 การทดลองที่ 4 ทดลองปรับค่าดิวตี้ไซเกิลไปที่่ 100% ซึ่งผลที่ได้จะทำให้การจ่ายกำลังไฟฟ้าระหว่างอินพุตและเอาต์พุตใกล้เคียงกัน โดยค่าแรงดันเอาต์พุตที่วัดค่าได้เท่ากับ 219VAC และสังเกตความสว่างของหลอดไฟจะเหมือนการใช้งานปกติทั่วไป

สำหรับโครงงานการควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ (AC-AC Converters) แบบใช้วิธีไดโอด 4 ตัวฟูลเวฟร่วมกับสวิตช์กำลัง เป็นวงจรขนาดเล็กเพื่อเรียนรู้การทำงานของวงจรคอนเวอร์เตอร์ในรูปแบบไฟฟ้ากระแสสลับในอีกลักษณะหนึ่ง ซึ่งจากการทดลองการทำงานที่นำเสนอนี้ตัววงจรสามารถใช้งานได้ดีและความร้อนที่เกิดขึ้นกับอุปกรณ์ขับกำลังไม่สูงมากนัก ซึ่งผู้อ่านสามารถนำไปประยุกต์สำหรับใช้งานต่างๆ ตามที่ต้องการครับ.

Reference

1. http://www.ijeert.org/pdf/v2-i1/7.pdf
2. https://www.researchgate.net/publication/266462950_Implementation_of_SHE-PWM_Switching_Method_for_ACAC_Converters
3. https://forum.arduino.cc/t/controlling-two-ac-devices-device-turning-on-incorrectly/489445
4. https://www.semanticscholar.org/paper/Soft-starting-control-of-single-phase-induction-PWM-Thanyaphirak-Kinnares/a2a23048fd6103a3b5e7a27afdbbbf8d4f52704f
5. https://odayahmeduot.files.wordpress.com/2015/12/lecture-09.pdf
6. https://aws1.discourse-cdn.com/arduino/original/3X/2/7/270f10a77eeb22672edecc4138e2be9f3033a248.pdf
7. https://www.brainkart.com/article/AC-to-AC-Converters_12591/