THIPWM ile Kontrol Edilen 3 Fazlı Gerilim Beslemeli İnverterin Matlab/Simulink ile Modellenmesi ve DSP Kontrolör ile Uygulamasının Gerçekleştirilmesi

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (ATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye THPWM ile Kontrol Edilen 3 Fazlı Gerilim Beslemeli İnverterin Matlab/Simulink ile Modellenmesi ve DSP Kontrolör ile Uygulamasının Gerçekleştirilmesi Model with Matlab/Simulink and Application with DSP Controller o Three Phase Voltage Source nverter Controlled with THPWM Mehmet YUMURTAC a, *, Seçil VARBAK NEŞE a, Seydi Vakkas ÜSTÜN b ve Yüksel OĞUZ a a Ayon Kocatepe Üniversitesi, Ayon, Türkiye b Adıyaman Üniversitesi, Adıyaman, Türkiye E-posta: E-posta: mehmetyumurtaci@aku.edu.tr, secilvarbak@aku.edu.tr, svustun@adiyaman.edu.tr, yukseloguz@aku.edu.tr Özet Bu çalışmada, motor kontrolü amacıyla geliştirilmiş olan Dijital İşaret İşlemeli (DSP) kontrolörlerden dspc30f2010 mikro kontrolörü kullanılarak açık çevrim gerilim beslemeli bir inverterin Üçüncü Harmonik Enjeksiyonlu Darbe Genişlik Modülasyonu (Third Harmonic njection Pulse Width Modulation) (THPWM) tekniğiyle kontrolü yapıldı ve sistem modeli Matlab/Simulink programında gerçekleştirildi. Güç analizörü ile asenkron motor girişindeki akım harmonikleri ve akımın dalga şekli ile ilgili ölçümler yapıldı. Elde edilen sonuçlar uygulama ile simülasyon sonuçlarının birbirlerini desteklediğini göstermiştir. THPWM tekniği, Sinüsoidal Darbe Genişlik Modülasyonuna (Sinusoidal Pulse Width Modulation) (SPWM) göre çıkış gerilimi daha yüksek ve Toplam Harmonik Distorsiyon (THD) değeri daha düşük olan bir PWM tekniğidir. Çıkış gerilimindeki artıştan dolayı aynı güç değeri için düşük akım seviyesine göre motor kontrol sistemi dizayn edilir. Akımdaki bu azalma iletim kayıplarında da azalmaya sebep olacaktır. Anahtar kelimeler: THPWM, Harmonik, Gerilim Beslemeli İnverter, Matlab/Simulink Abstract n this paper, control o open loop voltage sourced inverter with Third Harmonic njection Pulse Width Modulation (THPWM) technique is made using dspc30f2010 microcontroller that one o DSP controller developed or motor control purpose and system model is implemented in Matlab/Simulink program. Measurements concerned with input current harmonics o motor and waveorm o current were made with power analyzer. Obtained results showed that results o simulation and experiments support each other. THPWM technique is a Pulse Width Modulation (PWM) technique which has higher output voltage than Sinusoidal PWM (SPWM) and has low Total Harmonic Distortion (THD) value. Motor control system is designed according to low current level or same power value because o increment at output voltage. This decrease at current will cause to decrease in transmission losses. Keywords: THPWM, Harmonic, Voltage Source nverter, Matlab/Simulink İnverterin görevi, DC giriş gerilimini; simetrik, istenilen genlikte ve rekansta AC gerilime dönüştürmektir. DC giriş gerilimi sabit ve ayarlanamaz ise, inverter kazancının ayarlanmasıyla değişken çıkış gerilimi elde edilebilmekte, bu genelde inverterin PWM ile kontrolüyle sağlanmaktadır. PWM tekniği ve stratejileri sinüsoidal çıkış gerilimi elde etmek için 1970 lerden beri yoğun bir araştırma konusudur. İnverterin çıkışındaki harmonik içerik PWM kullanılarak azaltılabilir [1]. Senkron ve asenkron makinaların her ikisi içinde, harmoniklerin ana problemi demir ve bakır kayıplarının artması, harmoniklerin sebep olduğu yüksek akımdan dolayı ısınma ve verimin düşmesidir. Harmonikler motor momentinde salınımlara neden olabileceği gibi, yüksek akım bu makinalarda, yüksek ses seviyesine sebep olabilir [2]. PWM tekniğindeki temel yaklaşım bir reerans sinyal ile taşıyıcı sinyalin karşılaştırılmasıdır. Reerans sinyalin taşıyıcı sinyalden büyük olduğu durumlarda çıkış sinyali poziti değer alırken reerans sinyalin taşıyıcı sinyalden küçük olduğu durumlarda çıkış sinyali negati değer alır. Sinyallerin kesişim noktaları yarı iletken güç elektroniği anahtarlama elemanlarının komütasyon zamanını göstermektedir [3]. PWM tekniğinin kullanılmasının amacı inverterin çıkışındaki THD seviyesini azaltmak, istenilen harmonikleri yok etmek, iltreleme gereksinimini en aza indirmek, geriliminin genliğini arttırmak ve anahtarlama kayıplarını en aza indirmektir [4,5]. PWM tekniği; gerilim beslemeli inverterler de, AC motor sürücü uygulamalarında, DC şebekenin kontrollü doğrultucu uygulamalarında ve AC güç dönüşümünde yaygın olarak kullanılmaktadır. Birçok gerilim kaynaklı inverter sürücülerinde; sabit anahtarlama rekansı, düşük akım dalgalanması ve iyi harmonik spektrum karakteristiklerinden dolayı taşıyıcı tabanlı PWM metotları tercih edilir[6]. Taşıyıcı tabanlı metotlar için üçgen kesişim tekniği ve doğrudan dijital metot olmak üzere genellikle iki uygulama tekniği kullanılır. Üçgen kesişim tekniğinde PWM sinyali oluşturmak için bir reerans sinyal ile üçgen sinyal karşılaştırılır. Doğrudan dijital metot ta ise uzay vektör modülasyonunda her bir örnekleme peryodu için doluluk boşluk oranı hesaplanır [7]. 1. Giriş ATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 2. PWM Tekniği PWM tekniğinin temel prensibi kısaca yarı iletken anahtarlama elemanlarının on/o kontrolü olarak tanımlanabilir. Aynı genlikte ve arklı genişlikteki bir dizi darbe, sinüsoidal dalgayı veya istenilen diğer dalga şekillerini elde etmek için çıkış portunda üretilir. Çıkış dalga şeklinin doluluk boşluk oranı belirli kurallar yoluyla ayarlanır [8]. Denklem 2 de M modülasyon indeksini, V c kontrol sinyalini ve V t taşıyıcı sinyali göstermektedir. İnverterdeki toplam harmonik distorsiyonunu azaltmak için bir yarı periyottaki darbe sayısını arttırmak gerekmektedir. Bir yarı periyottaki darbe sayısı, yok edilmek istenilen harmoniklere göre kararlaştırılabilir. Bu sayı sınırlı tutulmak zorundadır. Çünkü makine kayıplarını azaltmakla sağlanan verim inverterde oluşan komutasyon kayıpları nedeniyle düşecektir. Son yıllarda geliştirilen anahtarlama kayıpları düşük ve hızları yüksek olan anahtarlama elemanları ve yeni PWM teknikleri ile inverterlerde ortaya çıkan problemler büyük ölçüde giderilmekte ve bununla birlikte verimi de yükseltilmektedir. Şekil 1. İki seviyeli taşıyıcı tabanlı PWM. PWM tekniği taşıyıcı sinyal ile kontrol sinyalinin karşılaştırılmasına dayanır. Şekil 1 de görüldüğü gibi kontrol sinyali taşıyıcı sinyalinden büyükse (Vc>Vt) çıkış +Vi, kontrol sinyali taşıyıcı sinyalden küçükse (Vc<Vt) çıkış Vi olur. Sinyallerin kesim noktaları yarı iletken anahtarlama elemanlarının komütasyon zamanını gösterir. PWM tekniğinde iki çalışma modu vardır. Bunlar doğrusal mod ve doğrusal olmayan moddur. Doğrusal modda, kontrol sinyalinin genliği taşıyıcı sinyalin genliğine eşit veya küçüktür. Şekil 1 doğrusal modda ki bir PWM şeklini göstermektedir. Doğrusal olmayan modda, kontrol sinyalinin genliği taşıyıcı sinyalin genliğinden büyüktür. Verim %100 ün altına düşer ve aşırı modülasyon oluşur. Çıkış anahtarlama dalga şekillerinin THD si artar [4]. Kontrol sinyalinin genliğinin yükseltilip azaltılmasıyla, çıkışta elde edilen PWM işaretinin darbe genişliklerinin değişmesi nedeniyle, temel bileşeninin genliğinde değişme sağlanır ve çıkış gerilimi ayarlanabilir. Çıkış rekansı, kontrol sinyalinin rekansıyla aynıdır. Üçgen işaretin rekansı, periyot başına yarı iletkenlerin anahtarlama sayısını belirlemektedir. İnverter çıkış geriliminin ayarlanmasında etkin olan iki büyüklük vardır. m Denklem 1 de c = (1) V 1 c M = (2) V t m rekans modülasyon oranını, taşıyıcı rekansı ve 1 temel rekansı göstermektedir. c Şekil 2. Sinüsoidal sinyale 3. harmonik enjeksiyonundan elde edilen kontrol sinyali (a), kontrol sinyalinin taşıyıcı sinyalle karşılaştırılması (b), elde edilen THPWM (c) 2.1 THPWM Tekniği PWM kazancını arttırmanın bir metodu üçüncü harmonik enjekte etmektir. THPWM tekniği temel dalga olan sinüs dalgasının üzerine üçüncü harmoniğin eklenmesiyle oluşan kontrol sinyalinin testere ormundaki taşıyıcı sinyalle karşılaştırılmasından elde edilir. Şekil 2 a da sinüsoidal sinyale belirli oranda 3. harmoniğin enjekte edilmesiyle elde edilen kontrol sinyali gösterilmektedir. Şekil 2 b de elde edilen kontrol sinyali ile taşıyıcı sinyalin karşılaştırılması yapılmakta ve Şekil 2 c de elde edilen THPWM dalga şekli görülmektedir. SPWM e göre %15 kazancı daha azladır. THPWM in reerans dalga şekli denklem (3) teki gibi tanımlanmaktadır [9]. ω t) = 1.15M sin( ω t) M sin(3ω t) 0 ω t 2π (3) (

3 Sadece %78,5 verime sahip olan SPWM, üçüncü harmonik enjeksiyonu ile kazancı %90,7 lere yükselir [7]. 3. Sistemin Tanıtılması 3.1 Deneysel Çalışma Kontrol devresinin sürücü olarak kullandığı güç devresi, Akıllı Güç Modülü (ntelligent Power Module) (PM) ile yapılan inverterin ve asenkron motorun sürülmesini sağlamış olup, prensip şeması Şekil 5 te verilmiştir. PM aşırı akım, kısa devre ve aşırı sıcaklığa karşı kendini koruyacak şekilde tasarlanmıştır. Bu durumlarla karşılaşıldığında kontrol sinyali ne olursa olsun PM durmakta ve dışarıya hata sinyali göndermektedir. PM içerisindeki her bir GBT e HP4504 gibi bu amaçla üretilmiş olan opto sürücü üzerinden kontrol işareti verilmektedir. Kullanılan PM ile 15kHz gibi yüksek anahtarlama bölgesinde çalışabilmektedir [11]. Çizelge 1 de kullanılan asenkron motorun parametreleri verilmektedir. Çizelge 1. Asenkron motorun parametreleri [12] Şekil 3. Kontrol devresinin blok diyagramı. PWM kontrol tekniklerini içeren uygulama devresinin blok diyagramı Şekil 3 te gösterilmektedir. EasydsPC2 DSP kartı hem programlama hem de kontrol amaçlı kullanılmıştır ve USB aracılığıyla bilgisayara bağlanmaktadır. Şekil 4. Gerilim beslemeli köprü inverter Gerilim beslemeli inverterler, bir yanda DC gerilimi alır ve diğer yanda AC gerilime dönüştürür (Şekil 4). AC gerilim ve rekans uygulamaya bağlı olarak sabit veya değişken olabilir. Gerilim beslemeli inverterin girişinde sabit gerilim kaynağı vardır. Kaynak sabit değilse büyük değerli bir kapasitör girişe bağlanabilir. İnverter çıkışı tek azlı veya çok azlı olabilir [10]. Parametre Parametre Değeri Stator direnci (R s) 10,0105 (Ω) Rotor direnci (R r) 11,9358 (Ω) Stator endüktansı (L s) 0,0767 (H) Rotor endüktansı (L r) 0,0767 (H) Mıknatıslanma endüktansı (L m) 1,6041 (H) Atalet momenti (J) 0,0165 (kgm 2 ) Kutup sayısı (2p) 1 Hat gerilimi (U) 380 (V) Güç (P) 550 (W) Hat akımı () 1,34 (A) Güç katsayısı (Cosϕ ) 0,84 Rotor devri (nr) Frekansı () 2780 (1/min) 50 (Hz) Bir GBT in devreden çıkıp onun tümleyeninin devreye girmesi için gerekli olan ölü zaman değeri 5 µ s olarak belirlenmiştir. THPWM oluşturmak için gerekli olan yazılım C programlama dilinde MPLAB DE ortamında geliştirilmiştir. Bu programın derlenmesiyle elde edilen hex dosyası mikroelektronika-dspicflash programı aracılığı ile USB den DSP mikroişlemcisine yüklenerek çalıştırılmıştır. 3.2 Simülasyon Gerilim beslemeli inverterin prensip şeması doğrultusunda sistemin simülasyonu Matlab/Simulink programında SimPowerSystems toolbax ı içerisindeki elemanların kullanılmasıyla Şekil 6 daki gibi gerçekleştirilmiştir. Şekil 6. Deneysel sistemin Simulink modeli 4. Simülasyon ve Deneysel Çalışma Sonuçları Şekil 5. Asenkron motorun gerilim beslemeli AC sürme devresi prensip şeması. THPWM tekniğinin kullanıldığı açık çevrim kontrollü gerilim beslemeli inverterle yüksüz durumda bir asenkron motor çalıştırılmıştır.

4 (a) (a) (b) Şekil 6. M=0,9, m=175 için deneysel çalışma (a) ve simülasyon (b) ile elde edilen inverter çıkış akımı dalga şekli Simülasyon ve deneysel çalışma sonuçlarına göre inverter çıkışına bağlı olan asenkron motorun bir azından çekilen akımın dalga şekli ve genliği Şekil 6 da gösterilmektedir. THD i akım harmoniklerini sınırlandırmak için kullanılır, temel bileşen hariç tüm harmonik bileşenlerinin vektörel toplamının eekti değere bölünmesiyle bulunur. THD n= n = (4) Simülasyon ve deneysel çalışma sonuçlarına göre inverter çıkış akımı harmonik spektrumu Şekil 7 de gösterilmektedir. Deneysel çalışma ve Simülasyon sonuçlarından da görüldüğü gibi inverter çıkış akım dalga şekli sinüs ormunda ve THD İ aktörü akım harmonikleri sınır değeri olan % 5 in çok altındadır. (b) Şekil 7. M=0,9, m =175 için deneysel çalışma (a) ve simülasyon (b) ile elde edilen inverter çıkış akım 5.Sonuçlar harmoniklerinin spektrumu Asenkron motorlar, sürme devrelerindeki yarı iletken anahtarlama güç elemanlarından dolayı birer harmonik kaynağıdır. İnverterin ürettiği harmonikler kaçınılmaz olduğundan bunların optimizasyonu yoluna gidilmiştir. Bu amaçla, kullanılan yarı iletken güç anahtarlama elemanlarının daha hızlı ve anahtarlama kayıpları az olanları tercih edilirken, inverterlerde kullanılan PWM teknikleri de geliştirilmektedir. PWM kazancını arttırmanın bir metodu üçüncü harmonik enjekte etmektir. Bu teknik sinüs dalgaya yine sinüs ormundaki üçüncü harmonik bileşenin eklenmesiyle elde edilir. THPWM tekniği, Uzay Vektör PWM (Space Vector PWM) (SVPWM) tekniğinin hesaplama yoğunluğuna gerek kalmadan aynı özellikleri göstermektedir. THPWM tekniği geniş lineer modülasyon aralığına sahiptir. İnverter çıkış gerilimi SPWM in çıkış geriliminden yaklaşık %15 daha azladır, dolayısıyla DC bara geriliminin daha verimli kullanılmasını sağlar ve THD değeri daha düşüktür. Çıkış gerilimi daha yüksek olduğundan aynı güç değeri için daha az akım çekilir ve bu da kullanılan anahtarlama elemanlarının akım değerlerinin daha düşük seçilmesini ve anahtarlama kayıplarının azalmasını sağlar.

5 Kaynaklar [1] Jeevananthan, S., Nandhakumar, R., Dananjayan, P., nverted Sine Carrier or Fundamental Fortiication in PWM nverters and FPGA Based mplementations, Serbian Journal o Electrical Engineering, Vol.4, No.2,2007. [2] Dugan, R.C., McGranchan, M.F., Beay, H.W., Electrical Power Systems Quality, McGraw Hill Companies, nc [3] Karanun, K, Khan-ngern, W., Nitta, S., The Characteristics o Conducted EM Emission on PWM nverters with Various PWM Patterns, EEE, [4] Zhou, K., Wang, D., Relationship between Space- Vector Modulation and Three-Phase Carrier-based PWM: A Compherensive analysis, EEE Transactions on ndustrial Electronics, Vol.49, No.1, pp , [5] Jeevananthan, S., Dananjayan, P., Venkatesan, S., A Novel Modiied Carrier PWM Switching Strategy or Single-Phase Full-Bridge nverter, ranian Journal o Electrical and Computer Engineering, Vol.4 No.2, [6] Hava, A.M., Kerkman, R.J., Lipo, T.A., Simple Analytical and Graphical Methods or Carrier-Based PWM-VS Drives, [7] Sundvall, J., Varens, M.C.P., Oeigsson, T., Swierczynski, M., Dynamic Control o an Electrical Truck Motor, Alborg University, nstitute o Energy Technology, [8] nineon Technologies AG, Dierent PWM Waveorms Generation or 3-Phase AC nduction Motor with XC164CS, Application Note, V1.0, July [9] Massoud, A.M., Finney, S.J., Williams, B.W.,Control Techniques or Multilevel Voltage Source nverters,2003. [10] Kose, B. K., Modern Power Electronics and AC Drivers, Prentice-Hall PTR, America, [11] Üstün, S. V.,Asenkron Motorun DSP (Sayısal İşaret İşlemci) Temelli Kontrolünde Yapay Sinir Ağları ve Genetik Algoritmalar Kullanılarak P Katsayılarının Optimizasyonu, Doktora Tezi, Yıldız teknik Ünivesitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,2001. [12] Wang, J., Kang, L., Cao, B., Neural Network PD Control o a Distributed Power Generation System Based on Renewable Energy, Journal o Applied Science, vol.5, pp , 2005.