EVİRİCİLERDE YUMUŞAK GEÇİŞ TEKNİKLERİNİN İNCELENMESİ, MTBF ANALİZİ VE HARMONİKLERİN AZALTILMASINDA KULLANILAN YÖNTEMLER

Transkript

1 VİRİCİLRD YUMUŞAK GÇİŞ TKNİKLRİNİN İNCLNMSİ, MTBF ANALİZİ V HARMONİKLRİN AZALTILMASINDA KULLANILAN YÖNTMLR Mustafa Nil 1, Murat Demir 2, Metin Nil 3, Bekir Çakır 4 1 lektrik-lektronik Müh. Bölümü Celal Bayar Üniversitesi MANİSA mustafanil@hotmail.com 2 muratdmr@windowslive.com 3 Ar-Ge Bölümü Vestel -Manisa metin.nil@vestel.com.tr 4 lektrik Müh. Bölümü Kocaeli Üniversitesi bcakir@kocaeli.edu.tr ÖZT Bu çalışmada, anahtarlama kayıplarının yok edilmesi amacıyla geliştirilen yumuşak geçiş teknikleri 1-fazlı h-köprü eviriciler için incelenmektedir. Bu amaçla Orcad 10.5 programında sistemin simülasyonu her bir yumuşak anahtarlama tekniği için (ZCT Sıfır Akım Geçişi, ZVT-Sıfır Gerilim Geçişi, ZCZVT-Sıfır Akım Sıfır Gerilim Geçişi) için ayrı ayrı gerçekleştirilerek karşılaştırması yapılmıştır. Ayrıca bu yumuşak anahtarlama tekniklerinden ZCZVT tekniği uygulanarak oluşturulan evirici devresi için Relex programı yardımıyla güvenirlik analizi gerçekleştirilerek sonuçlar irdelenmektedir. PWM yöntemi ve yumuşak anahtarlama teknikleri bu eviricilerde de kullanılmaktadır. Yardımcı hücre; evirici anahtarlarının yumuşak geçişini sağlamak amacıyla sadece anahtarlama geçiş periyotlarında çalıştırılmaktadır. Yumuşak anahtarlı yüksek frekanslı klasik PWM' li evirici Şekil 1 de verildiği gibidir: Anahtar Kelimeler : PWM, anahtarlama kaybı, yumuşak anahtarlama, ZCT, ZVT, ZCZVT, MTBF, güvenilirlik analizi 1. GİRİŞ Gün geçtikçe artan elektrik enerjisi ihtiyacı nedeniyle azalan fosil yakıtlara alternatif olan ve çevreye karşı daha duyarlı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönelik araştırmalar artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından en bilinenlerinden olan rüzgar ve güneş enerjisi sistemlerinde elde edilen gerilim doğru gerilimdir. lde edilen doğru gerilimin şebekeye bağlanabilmesi ve alternatif yükler için de kullanılabilmesi için alternatif gerilime dönüştürülmesi gerekir. Bu amaçla eviricilerden yararlanılır. viriciler doğru gerilimi alternatif gerilime içinde bulundurduğu güç elektroniği yarı iletken anahtarlama elemanlarının anahtarlanması ile çeviren yapılardır. Anahtarlama elemanlarında anahtarlama nedeniyle oluşan kayıplar frekansın artmasıyla artar. Bir diğer olumsuzluk ise anahtarlamada oluşan yüksek dv/dt ve di/dt den dolayı meydana gelen elektromagnetik girişimler (MG)' dir. Tüm bu nedenlerle anahtarlama kayıplarının azaltılması gerekir. Bu amaçla çeşitli yumuşak anahtarlama teknikleri tasarlanmıştır. viricilerde yumuşak anahtarlama teknikleri yük rezonanslı, hat rezonanslı ve rezonans geçişli devrelere uygulanır. Yük rezonanslı eviricilerde rezonans hücresi yük tarafına seri, paralel ya da seri-paralel bağlanır. Sabit yüklü uygulamalarda görülür. ZVS(Sıfır Gerilimde Anahtarlama) ve ZCS (Sıfır Akımda Anahtarlama) durumları evirici köprüsündeki anahtarlar için yapılır. Çalışmanın rezonans kısmı anahtarlama periyodunda görülür. Hat rezonanslı eviricilerde rezonans hücresi DC besleme ve evirici köprüsü arasına bağlanır. Giriş hattı güç elemanın anahtarlama durumuna göre salınım yapar. Rezonans geçişli eviricilerde giriş hat gerilimi gerilim ara devreli (VSI) ya da akım ara (CSI) devrelidir. 30 Şekil 1: Tek fazlı yardımcı komütasyon hücreli evirici Komütasyon hücresi aşırı akım ve gerilim salınımlarının ( di/dt ve dv/dt ) azalmasına katkı sağlar. Oluşan rezonansla elektromagnetik girişimin etkisi düşerken anahtarlama stresleri en az seviyeye indirgenir. ZVS li kısmi rezonanslı eviricinin en büyük dezavantajı akım stresleri; ZCS li kısmi rezonanslı eviricide ise düşük akım oranlarına karşın yüksek gerilim oranlarına sahip olmasıydı. Rezonans bastırma temelli eviricilerde ana anahtarlar GTO veya IGBT gibi kendinden sönümlü anahtarlarla ZVS de, yardımcı anahtarlar ise ZCS de çalışmaktadır. Yardımcı rezonans komütasyonlu kutuplu evirici (ARCPI) ile hedef; rezonans endüktansının ana güç hattından uzaklaşmasıdır. Rezonans geçişli eviricilerin temelinde ise (ZVT, ZCT, ZCZVT eviricileri) ARCPI yer almaktadır. [1] 2. YUMUŞAK GÇİŞLİ (ZCT, ZVT, ZCZVT) VİRİCİLRİN İNCLNMSİ 2.1. Yumuşak Geçişli ZVT viriciler ZVT' li rezonans geçişli eviricilerin en önemlilerinden bir tanesi Şekil 2 de belirtilen ZVT eviricisidir. ZVT eviricilerin çalışma topolojisinde, ana anahtarlar sıfır gerilimde yardımcı anahtarlar ise sıfır akımda anahtarlanır. Yardımcı rezonans hücresi yük akımına bağlı olmadığı anlarda kondansatörlerin dolma boşalma zamanlarında

2 etkili olur. Ana anahtar için IGBT kullanılarak kesimdeki yüksek anahtarlama kayıpları azaltılır. [1] C F1 S 1 D 1 S A2 S A1 C R1 L R i 0 C F2 D A2 D A1 S 2 D 2 C R2 Şekil 2: Yumuşak geçişli ZVT evirici [1] Yardımcı rezonans hücresinde değişiklikler yapılarak yeni rezonans hücresi oluşturmak mümkündür. Transformatörün gerilim oranından ötürü akım aşırı dalgalanmayabilir. Yardımcı anahtarlar sıfır akım durumu dışında kesimdedir ve transformatörün yapısından ötürü komütasyon süresi sınırlanır. Tek fazlı ZVT li eviricilerde kublajlı endüktanslar oldukça kullanılmaktadır. [1] Aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisinin ana anahtar akım gerilim ilişkisinin simülasyonu Şekil 3 te verilmiştir. Şekil 3: Aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisi [2], ana anahtar akım gerilim ilişkisi 2.2. Yumuşak Geçişli ZCT viriciler Bu eviricilerde yardımcı rezonans hücresi yük akımı varken komütasyona geçirilir. Ana anahtarlar ZCS altında çalıştırılır. Yumuşak geçişli ZCT evirici Şekil 4 de verilmektedir. Bu eviricilerde tüm anahtarların komütasyonu sıfır akımda gerçekleştirilir. [1] S 1 D 1 S A2 D A2 C R L R i 0 S 2 D 2 S A1 D A1 Şekil 4: Yumuşak geçişli ZCT evirici [1] Anahtarlama stratejisine bağlı olarak bu devre farklı şekillerde çalıştırılabilir. ZCT ve ZC-NZVT bunlardan ikisidir. ZCT eviricilerinde ana anahtarlar iletimdeyken ortaya çıkan gerilim, iletim kapasitif kayıpları olarak bilinir. Ana diyodun ters toparlanma kayıpları ile ilgili problem istenilen seviyede değildir. Yardımcı anahtarlar çıkış gerilim seviyesine ulaştığı anda, ana anahtarlar o anda hemen iletime girmelidir. Buradan çıkış akımının anlık değerine bağlı olduğu sonucu ortaya çıkar, bu da daha karmaşık bir devreyi gerektirir. [1] Yumuşak geçişli ZCT eviricinin ana anahtar akım gerilim ilişkisinin simülasyonu Şekil 5 te verilmiştir. 31

3 gerilimde iletime girdiğinde ise elemanların kapasitif etkisini önemli ölçüde azaltır. [1] C F1 S 1 D 1 S A2 S A1 L R2 L R1 i 0 D A2 D A1 C F2 S 2 D 2 C R2 C R1 Şekil 6: Yumuşak geçişli ZCZVT evirici [1] Akım ve gerilim değişimlerinin kontrol edilmesinden dolayı ana diyodun ters toparlanma etkisi en az seviyededir ve MI azaltılmaktadır. Yardımcı devrenin süresi çıkış akımının anlık değerinde etkili değildir. MOSFT, IGBT ve MCT gibi güç elemanlarıyla ZCZVT komütasyonunu gerçekleştirmek mümkündür. [1] Şekil 5: ZCT virici devresi [3] ve ana anahtar akım gerilim ilişkisi 2.3. Yumuşak Geçişli ZCZVT viriciler Yumuşak geçişli ZCZVT evirici Şekil 6 da verilmektedir. Bu topolojide ana anahtarlar devrenin çalışma yapısına uygun olarak iletim ve kesime girerler. Yardımcı devre sadece komütasyon sırasında devrededir ve çıkış akımını üzerine alır, ayrıca ana anahtarların ve diyotların yumuşak anahtarlaması sırasında çalışır. Ana anahtarlar sıfır akımda kesime girdiğinden, devredeki parazitik endüktansın olumsuzluk etkisini önemli ölçüde azaltır ve sıfır Tetikleme İşaretleri Sarı : V S1 Yeşil : V SA1 Kırmızı : V S3 Mavi : V SA2 L R1 Yardımcı ndüktans Akımı Koyu Sarı : I LR1 32

4 C R1 Yardımcı Kondansatör Gerilimi Açık Mavi : V CR1 t 1, t 2,..., t 15, t 0 Şekil 7: ZCZVT virici devresi [4] ve simülasyonu Şekil 7 deki devrenin karakteristik empedansı Z ; Z = dır.(k=i pk /I 0 ) [4] (1) 2. ki o Z: Karakteristik mpedansı : Uygulanan Gerilim k: Parazitik kayıplara karşılık gelen katsayı I 0 : Çıkış Akımı I pk: C R2 kapasitesinin akımının tepe değeri w: Rezonans frekansı ise ; w di dt 1 2. a. Sin 2k I = ' dır. [5] (2) 0 pk Açık Yeşil : S 1 Anahtarı Tetikleme İşareti Mor : S A1 Anahtarı Tetikleme İşareti Sarı : S A2 Anahtarı Tetikleme İşareti Mavi : S 2 Anahtarı Tetikleme İşareti Açık Mavi : C R1 Rezonans Kapasite Gerilimi (1/10 ölçekli gösterilmiştir) Şekil 8: Ortak hava aralıklı ZCZVT eviricisinin devresi ve simülasyonu [6] 3. YUMUŞAK GÇİŞLİ 1-FAZLI ZCZVT VİRİCİD GÜVNİLİRLİK ANALİZİ Güvenilirlik; Bir cihazın, bir ekipmanın veya bir sistemin belirli koşullar altında, fonksiyonlarını yerine getirebilme olasılığı olarak tanımlanır. Güvenilirlik mühendisliği ise; istatistik, matematik ve mühendisliğin kullanıldığı bir disiplindir. viricinin tasarım aşamasında gerçekleştirildiği güvenilirlik testleri ile hata durumlarını simüle etmek ve bu hata durumlarının oluşmasına engel olmak; analizleri ile tasarım kalite seviyesini artırmak temel amaç olacaktır. ZCVT Darbe Genişlik Modülasyonlu eviricilerde güvenilirlik testlerine başlamadan önce test planının çıkarılması gereklidir. Test planı iki seviyede yapılır: 3.1. lektronik Kart Seviyesi Testleri İşaret Bütünlüğü, Akım Gerilim Stres, Sıcaklık Stres, HALT (Highly Accelareted Life Test), SD(lektro Statik Boşalım), MC/MI, MTBF (Mean Time Between Failure) Hesaplaması testleridir Sistem veya Ürün Seviyesi Testleri Çevresel Testler: Yüksek/Düşük Sıcaklık Çalışma, Yüksek/Düşük Sıcaklık Depolama, Yüksek/Düşük Nem Çalışma, Yüksek/Düşük Nem Depolama, Sıcaklık Çevrim, Ani Isıl Değişim Testleridir. Mekanik Testler: Yol Durumu Simülasyon (lektro Dinamik Titreşim ) ve Serbest Düşme Testleridir. lektriksel Testler: Heat-run ömür, Şebeke Bozulmaları, lektriksel Performans Testleridir. Akustik Testler : SPL(Sound Pressure Level) Testi MC/MI : Radieted mission, Conducted mission, Harmonic&Flicker Testleridir.

5 Yukarıdaki testlerden başarı ile sonuçlanmış evirici, tasarım doğrulaması gerçekleşmiş güvenilir bir ürün olarak adlandırılır. [7] Yumuşak anahtarlamalı tek fazlı evirici devresinin güvenilirlik analizi Mil-Std-217F standardına göre Parts Count yöntemine göre yapılmıştır. Bu analize göre sistemi oluşturan tüm bileşenlerin hata oranlarının seri olarak toplanmasıyla bulunur. Güvenilirlik mühendisliğinde güvenilirlik programları önemli rol oynar [8]. Yapılan analizler, Relex firmasının geliştirdiği yazılım kullanılarak gerçekleştirilecektir. Bu yazılımın en önemli özelliği farklı çalışma koşullarına göre Mil-Std-217F de yer alan bileşenlerin hata oranlarını seri olarak hesaplayabilmesidir. İlgili ölçüm parametreleri yazılımdaki veri tabanına girilerek standarda uygun olarak kolayca hesaplanabilmesine izin vermektedir. Bu yazılımın ana kullanıcıları, NASA, askeri kuvvetler (Kara, Hava, Deniz), uçak motoru üreten şirketler, otomotiv firmaları, telekom şirketleri vs dir. Sektörde bu yazılım ile gerçekleştirilen hesaplama standart hale gelmiştir. [9] Ortak hava aralıklı yumuşak anahtarlamalı tek fazlı eviricinin toplam hata ana ve alt blok diagramları Şekil 9 ve Şekil 10 da verilmiştir. 4. HARMONİKLRİN AZALTILMASINDA KULLANILAN YÖNTMLR viricilerin çalışması sırasında meydana gelen olumsuzluklardan biri de oluşan harmoniklerdir. Doğrusal olmayan yükler şebekede harmoniklere neden olurlar. Bu harmonikleri yok etmek için pasif ve aktif olmak üzere güç filtreleri kullanılmaktadır. Pasif filtreler, endüktans, kapasite ve omik direnç gibi pasif elemanlardan meydana gelir. Kaynak ile yük arasına konularak temel frekans dışındaki harmonik bileşenleri yok ederler. Pasif filtrede amaç, yok edilmek istenen harmonik bileşene ait frekans değerinde L ve C elemanlarının rezonansa gelmesini sağlamaktır. Pasif filtreler devreye seri veya paralel olarak bağlanırlar. [13],[14] Aktif güç filtresinin çalışması, sisteme doğrusal olmayan yüklerin neden olduğu harmoniklerle aynı genlikte fakat ters fazda bir akım enjekte edilmesi prensibine dayanır. Güç elektroniği elemanları kullanılarak gerçekleştirilir. Aktif güç filtresi, dönüştürücü, akım kontrol devresi ve harmonik belirleme bloğu olmak üzere üç kısımdan oluşur. [12],[13] 5. SONUÇLAR Şekil 9: Ortak Hava Aralıklı Yumuşak Anahtarlamalı Tek Fazlı viricinin Toplam Hata Ana Blok Diagramları [9] Şekil 10: Ortak Hava Aralıklı Yumuşak Anahtarlamalı Tek Fazlı viricinin Toplam Hata Alt Blok Diagramları [9] Sistemin toplam hata oranı; λ = sis λ1 λ2 λ3 λ4 ( 3 ) Sistemin ortalama hatasız çalışma süresi (MTBF): MTBF 1 λ = ( 4 ) sis Ortak hava aralıklı yumuşak anahtarlamalı evirici devresi 4 ana bölümden oluşmaktadır ve sistemin toplam hata oranı sistemi oluşturan modüllerinin hata oranlarının seri olarak toplanması ile bulunacaktır. [9] Rezonans bastırma temelli eviricinin farklı yumuşak anahtarlamalı eviricilerde kullanılabileceği fikri [10]; yumuşak geçişli ZCZVT eviricisinde yardımcı rezonans hücresinde yapılan ortak hava aralıklı endüktanslardan oluşan bir düzenekle de görülmüştür. Yapılan aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisi simulasyonu ile ZCT simulasyonunun her ikisinde de anahtarlama kayıplarının olduğu görülmüştür. ZVT eviricisinin anlık akım yükselme değeri simulasyonda daha yüksek gözlemlenmiştir. Ortak hava aralıklı ile bağımsız endüktanslı ZCZVT eviricilerinin simulasyon bazında C R1 rezonans kapasite gerilimlerinin örtüştüğü görülmüştür. Ortak hava aralıklı ZCZVT li rezonans geçişli tek fazlı bastırma hücreli eviricinin güvenilirlik analizleri Relex programı kullanılarak yapılmıştır. Programın benzetiminde IGBT lere ve 2117 sürücü entegrelerine göre, devrenin ideal şartlarda, T=25º C derecede 24 saat aralıksız çalışması durumunda MTBF: 8070,77 saat sonucu elde edilmiştir. Yıla dönüştürüldüğünde, 0,92 yıl sonucu ortaya çıkmıştır. ğer günde 8 saat çalışması halinde; 2,76 yıl sorunsuz çalışacağı tahmini hesaplanmıştır.[11] Bu değerlere uygun garantinin verilmesi doğru olacaktır. ZCZVT darbe genişlik modülasyonlu eviricilerin elektronik kart seviyesi ve entegre olmuş ürün seviyesinde gerçekleştirilecek güvenilirlik testleri ile tasarım kalitesi artırılarak yüksek güvenilirlik seviyesinde ticari olarak üretilmesi mümkündür. [15] 6. KAYNAKLAR [1] C.M.O.Stein, H.A.Grundling, H.Pinheiro, J.R. PinHeiro, and H.L.Hey Analysis and Comparison of Soft-Transition Inverters, pp , I-2003 [2] J.R.PinHeiro,H.L.Hey, An active auxiliary commutation circuit for inverters, pp , I Power lectronics Specialists Conference-2001 [3] H. Mao, F. C. Lee, X. Zhou, and D. Boroyevich, Improved Zero-current-transition Converters for High Power Application,, pp , I-IAS Annu. Meet [4] C.M.O.Stein, H.L.Hey, J.R.PinHeiro, H.Pinheir and H.A.Grundling Analysis, Design and Implemantation of a New ZCZVT Commutation Cell for PWM DC-AC Converters, pp , I

6 [5] C.M.O.Stein, H.A.Grundling, H.Pinheiro, J.R.PinHeiro, and H.L.Hey Zero-Current and Zero-Voltage Soft-Transition Commutation Cell for PWM Inverters, pp , I-2004 [6] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Cakir, M.Demir Comparative Switching Characteristics of the ZCZVT PWM Inverters and Reliability Analysis, pp IR:International Review of lectrical ngineering [7] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Çakır, Rezonans Bastırma Temelli Yumuşak Anahtarlamalı viricilerin Anahtarlama Karakteristiklerinde Veriminin Arttırılması ve Güvenilirlik Yöntemleri, , LCO BURSA [8] Houtermans, M., Al-Ghumgham, M., Capelle, T.V., Reliability ngineering & Data Collection to Improve Plant Safety & Availability, 42-42, I- Second International Conference on Systems [9] Mustafa Nil, viricilerde Yeni Bir Yumuşak Anahtarlama Devresinin Tasarımı, Gerçekleştirilmesi ve Analizi, Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri nstitüsü, Kocaeli,2009. [10] C.C.Chan, K.T.Chau, D.T.W.Chan, J.Yao,J.S. Lai,Y.Li Switching characteristics and efficiency improvement with auxiliary resonant snubber based soft-switching inverters, pp , I 1998 [11] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Cakir MTBF Analysis in OM Company: Applications to ZCZVT PWM Soft-Transition Inverters, pp , IC 2010 [12] Gonzalez,D.A. and Mc Call, J.C. Design of Filters to Reduce Harmoniz Distribution in Industrial Power Systems, IA-23, No 3: pp , I Transactions on Power Industry Applications, 1987 [13] Bilge, M., Güç Sistemlerinde Harmoniklerin Pasif Filtrelerle leminasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçüİmam Üniversitesi Fen Bilimleri nstitüsü, Kahramanmaraş, 12-19, (2008). [14] Adak, S., nerji Sistemlerinde Harmoniklerin Azaltılması, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri nstitüsü, İstanbul, (2003). [15] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Çakır, ZCZVT Darbe Genişlik Modülasyonlu viricilerde Yumuşak Anahtarlama Karakteristikleri ve Güvenilirlik Yöntemleri, , LCO BURSA 35