Asimetrik Çok Seviyeli Eviricilerin İncelenmesi A Review on Asymmetric Multi-Level Inverters

Transkript

1 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Syf 9-35, Haziran 01 Çok Seviyeli Eviricilerin İncelenmesi A Review on Çok Asymmetric Seviyeli Eviricilerin Multi-Lel İncelenmesi Inrters A Review on Asymmetric Multi-Lel Inrters İlhami ÇOLAK 1, Ersan KABALCI, Gökhan KEVE 3 İlhami ÇOLAK 1, Ersan KABALCI, Gökhan KEVE 3 Kalıcı Mıknatıslı 1 Elektrik-Elektronik Senkron Mühendisliği Motorların Bölümü, Dorudan Teknoloji Fakültesi Sürülü Beyaz 1 Elektrik-Elektronik Eya Uygulamalarında Mühendisliği Gazi Ünirsitesi Bölümü, Kullanımı Teknoloji Fakültesi icolak@gazi.edu.tr Gazi Ünirsitesi Permanent icolak@gazi.edu.tr Elektrik-Elektronik Magnet Synchronous Mühendisliği Bölümü, Motors Mühendislik-Mimarlık Used in Direct-Dri Fakültesi Home Appliance evşehir Ünirsitesi Applications Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi kabalci@nevsehir.edu.tr evşehir Ünirsitesi Metin AYDI 1,3, Hacı Ouzhan kabalci@nevsehir.edu.tr Bektaş OCAK Veli Meslek, Günsu Yüksekokulu Çırpanlı ALBA 3 3 Hacı Bektaş evşehir Veli Ünirsitesi Meslek Yüksekokulu Kalıcı Mıknatıslı 1 Mekatronik Senkron gokhanken@nevsehir.edu.tr evşehir Mühendislii Motorların Ünirsitesi Böl. Dorudan Sürülü Özet Beyaz Kocaeli Eya Ünirsitesi, Uygulamalarında gokhanken@nevsehir.edu.tr Umuttepe, Kocaeli Kullanımı Metin.aydin@kocaeli.edu.tr 1. Giriş çok Permanent seviyeli eviriciler, Özet Magnet çok seviyeli Synchronous evirici () Motors Çok seviyeli Used eviriciler in Direct-Dri () 1. Giriş topolojileri içerisinde daha fazla üzerine yapılan çalışmalar, ilk çok seviyeli eviriciler, çok Home Ar-Ge gerilim Böl., seviyeli evirici Appliance seviyeleri MDS Motor () Applications olarak Tasarım abae Ltd. Çok seviyeli eviriciler tarafından () 1981 yılında üzerine iki yapılan seviyeli çalışmalar, ötr okta ilk topolojileri üretmelerinden içerisinde dolayı hızla daha gelişmektedir. fazla KOU gerilim Teknopark, seviyeleri çok Baiskele, Kenetlemeli olarak Kocaeli abae (K) tarafından eviriciler 1981 yılında ile başlamıştır. iki seviyeli abae nin ötr okta bu üretmelerinden seviyeli eviriciler, dolayı istenilen hızla çıkış seviyelerini üretmek için çalışmasına bağlı olarak araştırmacılar topolojileri simetrik çok seviyeli eviricilerdeki Metin gelişmektedir. AYDI gibi aynı 1, oguzhan@mdsmotor.com sayıda, Ouzhan fakat farklı OCAK çok, Günsu Kenetlemeli kontrol tekniklerine Çırpanlı (K) ALBA eviriciler yoğun ilgi 3 ile başlamıştır. abae nin bu seviyeli eviriciler, istenilen çıkış seviyelerini üretmek için çalışmasına bağlı olarak araştırmacılar göstermişlerdir. Günümüzde topolojileri en oranlardaki simetrik çok seviyeli DA kaynaklara eviricilerdeki ihtiyaç gibi aynı duyar. Bugüne kadar birçok araştırma yapılmasına rağmen, literatürde 1 sayıda fakat 3 Ar-Ge farklı Merkezi çok kontrol kullanılan tekniklerine yoğun yapıları, ilgi göstermişlerdir. Şekil 1 de görülen, Günümüzde Diyot en Mekatronik Mühendislii Kenetlemeli Böl. oranlardaki DA kaynaklara ihtiyaç duyar. (DK), Kondansatör Kenetlemeli (KK) Kaskad eviricileri tamamen inceleyen bir çalışma ARÇELK Bugüne görülmemektedir. A.., kadar Tuzla, çok H-Köprü stanbul kullanılan yapıları, Şekil 1 de görülen, Diyot birçok araştırma yapılmasına rağmen, Kocaeli literatürde Ünirsitesi, Umuttepe, Kenetlemeli Kocaeli (KHK) yapılarıdır. lerin kullanımının yaygın Bu çalışmada, çok seviyeli eviricilerin gunsu.albas@arcelik.com (DK), Kondansatör Kenetlemeli (KK) Kaskad eviricileri tamamen inceleyen bir çalışma görülmemektedir. Metin.aydin@kocaeli.edu.tr yapıları olmasın H-Köprü sağlayan (KHK) avantajları yapılarıdır. şunlardır; lerin kullanımının yaygın kontrol Bu çalışmada, teknikleri çok seviyeli eviricilerin Çalışmada yapıları kontrol teknikleri kaskad hibrit younluklarının olmasın sağlayan moment/aırlık avantajları şunlardır; oranlarının fazla olması Özet çok Çalışmada Ar-Ge seviyeli Böl., eviriciler MDS Motor Çıkışta elde edilen düşük dv/dt oranı, nedeniyle Tasarım tercih Ltd. edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle yeni topolojiler incelenmektedir. Bununla birlikte; Sinüzoidal Hat gerilim akımındaki harmonik bileşenlerin Darbe Bu çalımada kaskad Genişlik dorudan hibrit Modülasyonu sürü (DS) (SDGM), beyaz çok KOU seviyeli eya Teknopark, uygulaması eviriciler Uzay Vektör Baiskele, günümüzde Kocaeli Çıkışta robotlu elde edilen otomasyonlarda düşük dv/dt kullanılan oranı, servomotorlarda, Hat savunma gerilim beyaz akımındaki eya sektörlerinde, harmonik elektrikli bileşenlerin yeni azaltılması. Modülasyonu için topolojiler kalıcı ya incelenmektedir. (UVM), sürekli Seçmeli mıknatıslı Bununla Harmonik bir birlikte; motor Elemeli oguzhan@mdsmotor.com tasarımı Sinüzoidal Darbe Darbe gerçekletirilmitir. Genişlik Farklı Modülasyonu oluk sayısı-kutup (SDGM), sayısı Uzay seçenekleri Vektör taıtlarda, havacılık lerde azaltılması. anahtarlama uzay uygulamalarında, elemanları bu üzerindeki tip motorlara gerilim Genişlik Modülasyonu Modülasyonu (SHE-DGM) gibi klasik kontrol incelenmi, uygun (UVM), kombinasyon Seçmeli belirlenmi, Harmonik rilen Elemeli tasarım baskısının azalmasına bağlı olarak azalan ortak mod yöntemlerine ek olarak eviricilerin kontrolünde 3 Darbe sıkça rastlamak lerde mümkündür. anahtarlama Bir uygulama elemanları için üzerindeki uygun sürekli Ar-Ge son Merkezi gerilim Genişlik kriterleri dorultusunda Modülasyonu motor (SHE-DGM) elektromanyetik, gibi klasik termal kontrol mıknatıslı gerilimi baskısının motoru sağlaması seçerken azalmasına yada [1-3]. bağlı tasarlarken olarak uygulamanın azalan ortak mod yöntemlerine dönemde yaygın olarak kullanılan en yakın üç ktör tekniği yapısal analizleri ek olarak gerçekletirilerek eviricilerin motor ARÇELK kontrolünde tasarımı A.., son Tuzla, moment-hız stanbul gerilimi moment-güç sağlaması [1-3]. gibi karakteristii sürekli (EYÜV) dönemde sonlandırılmı de yaygın bu çalışmada motor olarak prototip kullanılan aamasına en yakın getirilmitir. üç ktör gunsu.albas@arcelik.com tekniği mıknatıslı Şekil 1 de motorun rilen rotor gerilim yapısını kaynaklı belirleyici evirici unsurdur. topolojileri üç htar (EYÜV) de kelimeler: bu çalışmada çok seviyeli evirici, kaskad Örnein, Şekil seviyelidir. motorun 1 de Çıkış rilen özellikle seviyesi gerilim geni arttıkça, kaynaklı bir sabit bu seviyeyi güç evirici bölgesinde elde topolojileri etmek için üç eviriciler, htar kelimeler: hibrit eviriciler, Dorudan uzay ktör çok seviyeli diyagramı, evirici, SDGM. kaskad kullanılan anahtarlama elemanı sayısı da artmaktadır. Bu Özet Sürü, Kalıcı Mıknatıslı çalıacaı younluklarının seviyelidir. uygulamalar moment/aırlık Çıkış seviyesi için dâhili arttıkça, mıknatıslı oranlarının bu seviyeyi motorlar fazla olması elde tercih etmek için eviriciler, Motor, PM hibrit Motor, eviriciler, Sonlu Elemanlar uzay ktör lizi diyagramı, SDGM. edilir. nedeniyle durum, Çok yüksek tercih maliyeti edilmeye hızlı uygulamalarda anahtarlama balanmılardır kayıplarını ise yüzeyden [1-3]. artırmakta mıknatıslı Özellikle kullanılan anahtarlama elemanı sayısı da artmaktadır. daha Bu Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması motorlar günümüzde karmaşık tasarım robotlu anahtarlama avantajları otomasyonlarda algoritmaları nedeni kullanılan gerektirmektedir. ile daha servomotorlarda, seviyesindeki savunma Benzer artışa beyaz rağmen ekilde eya üretim anahtarlama sektörlerinde, maliyeti elemanının elektrikli az sabit sık durum, maliyeti anahtarlama kayıplarını artırmakta Çıkış daha için kalıcı ya sürekli Abstract mıknatıslı bir motor tasarımı kullanılmaktadır. The multilel Abstract karmaşık anahtarlama algoritmaları gerektirmektedir. Çıkış This gerçekletirilmitir. paper talks about Farklı a permanent oluk sayısı-kutup inrters magnet (s) sayısı motor seçenekleri design are rapidly for kontrolün taıtlarda, kalmasını havacılık basit sağlayacak olması uzay önemli uygulamalarında, birçok bir çalışma unsur yapılmaktadır. bu ise tip motorlara yüzeyden seviyesindeki artışa rağmen anahtarlama elemanının Kaskad sabit emerging The direct-dri incelenmi, branches uygun home appliance kombinasyon multilel of conntional applications. belirlenmi, inrters s (s) Within due rilen to the are generating tasarım study, mıknatıslı sıkça rapidly ler, rastlamak motorlar, Şekil mümkündür. 1 deki hatta yüzük topolojilerden Bir uygulama ekilli mıknatıslar için aynı uygun tipte iyi sürekli olanların bir kalmasını sağlayacak birçok çalışma yapılmaktadır. Kaskad seri increased emerging various kriterleri slot dorultusunda branches voltage and pole lels. of number motor conntional The combinations elektromanyetik, s are due s instigated termal to require generating the seçimdir. mıknatıslı bir ler, şekilde motoru Şekil bağlanması seçerken 1 deki topolojilerden ile yada oluşturulur. tasarlarken aynı Geliştirilen uygulamanın tipte olanların bu kaskad seri same increased and yapısal appropriate quantity analizleri voltage of combination DC lels. voltage gerçekletirilerek The is supply found. Motor with motor conntional electromagnetic tasarımı s require s moment-hız the topolojilerde, moment-güç bir şekilde bağlanması anahtarlama gibi ile oluşturulur. elemanlarının karakteristii sürekli Geliştirilen sayısı bu kaskad çıkış same to design, sonlandırılmı generate quantity thermal of and desired motor DC structural prototip voltage output analyses aamasına supply lels with owing are getirilmitir. all conntional to completed be configured for Kalıcı mıknatıslı s seviyesinden mıknatıslı motorun topolojilerde, daha rotor motorlar anahtarlama fazla yapısını artış rotor elemanlarının göstermektedir. belirleyici yapılarına unsurdur. göre sayısı Bu şekilde çıkış with gin to generate proportional design specifications the desired valued and output DC the lels supplies. motor prototype owing Inrsely work to be configured to being is sınıflandırılabildikleri Örnein, motorun özellikle seviyesinden kaskat bağlantılı gibi yaygın geni daha fazla ler, olarak bir sabit artış göstermektedir. simetrik besleme güç akımı bölgesinde evirici dalga Bu şekilde olarak widely started. htar with proportional studies, kelimeler: any Dorudan valued comprehensi Sürü, Kalıcı DC supplies. Inrsely review Mıknatıslı ekline çalıacaı göre uygulamalar sınıflandırılırlar. için dâhili mıknatıslı Fırçasız motorlar DC Motor tercih to to being cor tanımlanmaktadır. kaskat bağlantılı ler, eviricilerde simetrik her kaskad evirici hücrenin olarak Motor, PM Motor, widely studies, s Sonlu any is not Elemanlar comprehensi proposed lizi (Brushless edilir. Çok DC yüksek Motor hızlı uygulamalarda BLDC Motor) ise olarak yüzeyden bilinen mıknatıslı motorlar in the review literature. to cor This tanımlanmaktadır. giriş gerilimi eşittir. Giriş eviricilerde gerilimlerinin her kaskad orantılı hücrenin DA paper Keywords: introduces Direct-Dri, s and is compares not Abstract Permanent proposed the Magnet Motor, in the literature. s PM literatürde motorlar besleme tasarım akımı avantajları trapezoidal nedeni dalga ile eklinde daha olan sık This in giriş kaynaklarla gerilimi sağlandığı eşittir. çok Giriş seviyeli gerilimlerinin topolojiler orantılı ise DA terms Motor, paper of Finite introduces topology Element and lysis. motorlardır. kullanılmaktadır. Fırçasız Benzer AC motor ekilde (Brushless üretim AC maliyeti Motor az and control compares the in order to s provide in kaynaklarla evirici topolojileri sağlandığı olarak çok tanımlanmaktadır seviyeli topolojiler [4-8]. ise terms further This paper of topology understanding. talks about a permanent and control The innovati magnet motor in order design for kontrolün basit olması önemli bir unsur ise yüzeyden to provide evirici topolojileri olarak tanımlanmaktadır [4-8]. topologies direct-dri further understanding. are home also appliance considered applications. The besides innovati cascaded Within the and study, mıknatıslı motorlar, hatta yüzük ekilli mıknatıslar iyi bir 1. Giri hybrid eviricilerde, anahtarlama elemanı sayısı simetrik various slot topologies are pole also topologies number combinations considered in besides the paper. are cascaded Furthermore, instigated seçimdir. Radyel and hybrid the eviricilere eviricilerde, göre sabit kalırken anahtarlama giriş gerilim elemanı oranlarına sayısı simetrik bağlı and appropriate Akılı Sürekli combination Mıknatıslı is (RASM) found. Motor motorlar electromagnetic günümüzde nol birçok control topologies are in the analysed paper. Furthermore, in addition the to olarak eviricilere çıkış göre seviyeleri sabit kalırken arttırılabilir. giriş Bu gerilim çalışmada oranlarına design, thermal uygulamada and structural sıklıkla analyses kullanılmaktadır. are all completed dfeb for Kalıcı mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre bağlı conntional nol (eodymium control control schemes. are analysed The nearest in addition three ctor to olarak çıkış devre seviyeleri yapıları arttırılabilir. kontrol Bu teknikleri çalışmada açısından gin design specifications Iron Boron) and the SmCo motor (Samarium prototype work Cobalt) is sınıflandırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga technique conntional mıknatısların which is control widely used schemes. is also The analysed nearest in three the paper. ctor simetrik eviricilerle devre yapıları karşılaştırılmıştır. kontrol teknikleri ormal açısından started li yılların baında kefinin ardından ekline göre de sınıflandırılırlar. Fırçasız DC Motor Keywords: technique Sürekli (ya which Asymmetrical Sabit) is widely Mıknatıslı used multilel is also (SM) analysed inrter, motorlar in the birçok cascaded paper. (Brushless simetrik eviricilerdeki DC Motor eviricilerle gelişmeler BLDC karşılaştırılmıştır. Motor) önerilen olarak bilinen farklı ormal motorlar inrters, uygulamada Keywords: hybrid asenkron, Direct-Dri, Asymmetrical inrters, DC Permanent space klasik multilel ctor senkron Magnet diagram, inrter, motorların Motor, SPWM. cascaded yerini PM literatürde çalışmaları (a) eviricilerdeki besleme ikinci gelişmeler akımı bölümde (b) trapezoidal önerilen yer dalga anlatılmaktadır. farklı eklinde (c) olan Üçüncü inrters, hızlıca Motor, Finite almaya hybrid Element balamıtır. inrters, lysis. Bu space motorlar, ctor diagram, asenkron SPWM. yada DC ekil motorlardır. çalışmaları 1: Farklı Fırçasız sürekli ikinci AC mıknatıslı motor bölümde (Brushless motor yer yapıları: anlatılmaktadır. AC Motor (a) yüzey Üçüncü motorların kullanılamayacaı özel uygulamalar bata olmak mıknatıslı, (b) dahili mıknatıslı (c) dı rotorlu yüzey üzere çok sayıda uygulamada, 1. Giri rimlerinin yüksek olması, mıknatıslı motorlar hacimlerinin aırlıklarının düük olması, moment Radyel Akılı Sürekli Mıknatıslı (RASM) motorlar günümüzde 9 birçok uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. dfeb (eodymium Iron Boron) SmCo (Samarium Cobalt) mıknatısların 1980 li yılların baında kefinin ardından

2 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Haziran 01 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası bölümde gelişen kontrol tekniklerinden en yakın üç ktör (EYÜV) faz kaydırmalı kontrol teknikleri ile geleneksel olarak kullanılan Uzay Vektör Modülasyonu (UVM), Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyonu (SDGM) Seçmeli Harmonik Elemeli Darbe Genişlik Modülasyonu (SHE-DGM) tekniklerine değinilmiştir. simetrik n 1, VDA kv, k 1,,.., n (1) n1 k1 binary 1 VDA V /, k 1,,..., n () n 3 V k 1 V /3, k 1, n (3) trinary dc,..., Vdc/ Burada, Vdc C1 C -Vdc/ D1 D (a) S 1 S 1 Vo VDC S 11 S 1 (c) Vo = Çıkış gerilim seviyesini, n= sayısını, k= Tam sayıyı ifade etmektedir. Şekil de ikili (binary) beslemeli bir AKE Şekil 3 de ise üçlü (trinary) beslemeli bir AKE görülmektedir. Buradaki ikili üçlü kavramları, evirici girişindeki DA kaynakların birbirine olan oranlarını ifade etmekle birlikte standart uygulama topolojilerini tanımlamaktadır. Vdc/ Vdc C C1 S Vo S 11 S 1 1 C -Vdc/ (b) S 1 Şekil 1: yapıları, (a) DK, (b) KK, (c) KHK. evirici yapıları evirici topolojilerinin temel özelliği girişindeki DA kaynakların farklı seviyelerde olmasıdır. Farklı oranda DA giriş geriliminin uygulanması, özellikle fotovoltaik paneller yakıt hücreleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması açısından önemlidir [6]. Seri kaskad hücreler şeklinde gerçekleştirilen bu devreler, DA kaynak seviyeleri açısından simetrik evirici yapılarından farklıdır. Bununla birlikte evirici topolojileri; kaskad evirici (AKE) hibrit evirici (AHE) olmak üzere iki farklı grupta incelenir [3,9-19]. Bu topolojilere ek olarak, geliştirilen bazı farklı evirici topolojileri de bulunmaktadır [4,5,8,0-3]. Geniş bir kullanım alanı olan bu eviricilerin avantajlarına rağmen, kullanılan DA kaynakların yardımcı anahtarlama elemanların ömrünün kısa olması bu yapılarda kapasitörlerin şarj kontrol tekniklerindeki bazı problemler dezavantaj oluşturmaktadır [6,1,17]. Çıkış gerilim seviyesi AKE AHE topolojilerinin her ikisinde de Eşitlik Eşitlik 3 ile hesaplanır. Eşitlik 1 de ise simetrik evirici çıkış gerilim seviyesinin hesaplaması görülmektedir. evirici yapılarda çıkış gerilim seviyesi birbirine eşit kaynak gerilimlerin sayısına bağlıdır. yapılar ise DC gerilim seviyelerine göre, ikili (binary) üçlü (trinary) olarak sırasıyla Eşitlik Eşitlik 3 de tanımlanmıştır. İkili eviricilerde DC kaynak ikinin kuvti olarak hesaplanırken üçlü evirici devresinde üçün kuvti olarak hesaplanmaktadır. S 1 S S 3 S 4 Şekil : Yedi seviyeli ikili (binary) AKE yapısı İkili AKE de girişteki DA kaynak oranları V 1 =1, V =1/, V 3 =1/4, V 4 =1/8, V 5 =1/16,,V n =1/ n şeklinde olmalıdır. Üçlü AK- yapısında da ise DC kaynak değerleri V 1 =1, V =1/3, V 3 =1/9, V 4 =1/7, V 5 =1/81,,V n =1/3 n oranlarında olmalıdır [8,10,1,15]. eviricilerle ilgili önemli parametreler Tablo 1 de karşılaştırılmıştır. Tablodaki terimi, çıkış gerilim seviyesini, n terimi ise kaskad bağlı hücre sayısını tanımlamaktadır. Tablodan da görüleceği gibi eviricilerde çıkış gerilimi üstel olarak artarken anahtarlama elemanı sayısı sabit kalmaktadır.,max ifadesi ile çıkış geriliminin bir alternansının tepe değeri ifade edilmektedir. Tablo 1: parametrelerinin karşılaştırılması İkili Üçlü n+1 n n DC Kaynak htar Sayısı Vo,max [p.u.] n n -1 (3 n -1)/ 30

3 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Syf 9-35, Haziran 01 S 11 S 1 karmaşıklığın azaltılmasını sağlamıştır. Buna ek olarak, her kondansatör için fazladan kontrol ihtiyacını da ortadan kaldırdığını ifade edilmektedir. VDA/ C 1 S 3 S 1 S VDA Vdc/4 C 3 S3 S3 S S 3 S 4 C VDA/ -n V 3 DC n S m1 S m S m3 S m4 Şekil 3: n seviyeli üçlü (trinary) AKE yapısı Tablo 1 deki bağıntıları kullanarak gerçekleştirilecek farklı şekillerdeki yapılarının çıkış gerilim seviyelerine ait örneklemeler Tablo de gösterilmiştir. Tablo den de görüldüğü gibi eviriciler çıkış seviyesi açısından simetrik eviricilere göre üstündür. evirici topolojileri arasında yapılacak bir karşılaştırmada ise giriş gerilimlerinin durumuna göre üçlü sistemde, çıkış gerilim seviyeleri artan kaynak sayısı ile daha fazla dv/dt oranı sağlamaktadır. Tablo : lerde çıkış gerilim seviyelerinin karşılaştırılması Çıkış Gerilim Seviyesi Kaynak Sayısı İkili Üçlü Şekil 4: İkili evirici.1. kaskad eviriciler (AKE) Şekil Şekil 3 te görülen AKE topolojilerinde giriş gerilim seviyeleri birbirinden farklı ikinin ya üçün katı olarak artmaktadır. Giriş gerilim seviyelerindeki bu farklılıktan dolayı, giriş gerilimin yüksek olduğu hücreler yüksek gerilim hücresi, düşük olduğu hücreler ise düşük gerilim hücresi olarak adlandırılmaktadırlar. Bunun yanı sıra, iki farklı seviyeyi üreten anahtarlama işaretleri de birbirinden farklı olmak zorundadır [1-5,33]. Yüksek gerilim düşük gerilim hücrelerine uygulanan anahtarlama işaretlerinin frekansı, DA besleme seviyeleri ile ters orantılı olarak düzenlenmektedir. Yüksek gerilim hücresine düşük anahtarlama frekansı, düşük gerilim hücresine ise yüksek anahtarlama frekansı uygulanır. Şekil 5 te ikili yapıdaki AKE devresine ait çıkış gerilim seviyeleri görülmektedir V a V b V O Yeni evirici topolojileri içerisinde yaygın olarak kullanılan bir örnek Şekil 4 te görülmektedir. Bu yapı Gonsales vd. tarafından [4,5] üç anahtarlama fonksiyonuna karşılık 5 seviyeli çıkış gerilimi üretmesinden dolayı önerilmektedir. Bu topoloji, temelde KK yapısında kondansatörlerin şarj kontrol tekniğine dayanır. hücre S 1 anahtarı ile kontrol edilen yüksek gerilim değeri olan hücredir. Düşük gerilim hücreleri S S 3 anahtarlarıyla kontrol edilen yardımcı hücreler olarak tanımlanırlar. Bu yapı kenetleme diyotlarını kaldırarak yüksek gerilim kısmındaki 3 Şekil 5: AKE giriş gerilimi, anahtarlama işaretleri çıkış gerilim seviyeleri 31

4 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Haziran 01 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Şekil deki topoloji esas alınarak açıklanacak olursa V a ekseni ana hücrenin çıkış gerilim dalga şeklini, V b ekseni yardımcı hücrenin çıkış gerilim dalga şeklini ifade etmektedir. ise her iki hücre arasındaki toplam çıkış dalga şekli ya da V ab hat gerilimi olarak ifade edilebilir. Şekil de görülen ikili yapıda iki hücreden oluşan yedi seviyeli AKE topolojisinde giriş gerilim değerleri; / iken çıkış geriliminin seviyeleri; +3 /, +, + /, 0, - /, -, -3 / genliklerinde olmaktadır. Eğer bu devrede üçlü yapı kullanılmış giriş değerleri /3 şeklinde uygulanmış olsaydı çıkış gerilim değerleri; +4 /3, +, + /3, + /3, 0, - /3, - /3, -, - 4 /3 seviyelerinde olacak evirici 9 seviyeli çıkış gerilimi üretecektir... hibrit eviriciler (AHE) AHE ler, temelde kaskadlara benzemektedir. Hibrit topolojide DA kaynakların oranlarına ek olarak kaskad devrelerde kullanılan anahtarlama elemanları farklı özelliktedir. Uygulanacak anahtarlama frekansları, yüksek gerilim hücresinde GTO gibi yüksek güçlü anahtarlama elemanları, düşük gerilim hücresinde ise IGBT ya da MOSFET gibi GTO ya göre daha yüksek frekansta çalışan anahtarlama elemanları kullanılmasını gerektirmektedir. Şekil 6 da iki hücreden oluşan yedi seviyeli AHE devresi görülmektedir. Bu topoloji, kaskad topoloji ile karşılaştırıldığında çıkış gerilim seviyeleri kontrol yöntemleri yönünden benzer özellikler göstermekle birlikte yüksek gerilim yüksek güç uygulamalarında ön plana çıkmaktadır [1-5,33]. güç 1 p.u. iken ilk yardımcı hücredeki güç oranı 1/3 p.u. olacaktır. Eviricinin eşit olmayan güç üretim özelliğinden dolayı üretilen anahtarlama sinyali her hücre için farklı frekanstadır. Literatürde eviricilerin kontrolü için çeşitli Darbe Genişlik Modülasyonları (DGM) kontrol tekniği olarak önerilmektedir. Eviriciye uygulanan anahtarlama işaretlerinin temel frekans yüksek frekans özelliklerine göre sınıflandırılması Şekil 7 de rilmiştir [3,1,5-7]. Çok seviyeli ya da eviricilerin kontrolünde yaygın olarak kullanılan uzay ktör modülasyonu (UVM), seçmeli harmonik elemeli DGM (SHE-DGM) sinüsoidal DGM (SDGM) geleneksel kontrol teknikleri olarak bilinmektedir [,6,7]. Bu geleneksel kontrol tekniklerinin tamamı Çolak vd. tarafından [3] numaralı kaynakta detaylı olarak Bu tekniklerin yanı sıra eviricilerin riminin arttırılması, toplam harmonik bozulumunun (THB) anahtarlama kayıplarının en aza indirilmesi için geliştirilmiş olan yeni teknikler de bulunmaktadır [1,8-31]. UVM Temel htarlama Frekansı Çok Seviyeli Evirici Kontrol Teknikleri Yüksek htarlama Frekansı SHE-DGM UVM SHE-DGM SDGM Şekil 7: kontrol teknikleri S 11 S 1 Son yıllarda geliştirilen bu modülasyon tekniklerinde UVM ye yönelik iyileştirme çalışmaları öne çıkmaktadır. Bu çalışmalar içerisinde yoğun olarak araşturulan UVM tekniği Şekil 8 deki diyagramla ifade edilmektedir. Buna ek olarak çok taşıyıcılı SDGM şemaları da yoğun olarak çalışılmaktadır. EYÜV modülasyonu temelde UVM modülasyonunun geliştirilmiş şeklidir. Bu modülasyon türünde de anahtarlama durumları altıgen bir yapının içerisinde görülmektedir (Şekil 8). S 1 S (-11-1). Sektör (01-1) (11-1) S 3 S 4 3. Sektör (-110) (010) (00-1) (-10-1) (110) 1. Sektör (10-1) Şekil 6: İki li AHE yapısı (-111) (011) (-100) (000) (111) (100) (0-1-1) (1-1-1) (-1-1-1) 3. Kontrol teknikleri Kaskad hibrit eviricilerin ortak özellikleri ana yardımcı hücreler arasındaki güç paylaşımıdır. evirici yapısındaki ana hücre yüksek güçte işlem yaparken, yardımcı hücre ana hücreye bağlı olarak düşük güç üretimi gerçekleştirir [6,9,19,0]. Bu işlem durumu üretilen güce ters orantılı olacak şekilde farklı anahtarlama frekansı kullanımı gerektirir [8,4]. Şekil 3 te artan yardımcı hücrelerin sayısının bulunduğu AKE yapısı gösterilmiştir. Asıl hücrede üretilen (001) (101) (-1-10) (0-10) (-101) (1-10) 6. Sektör 4. Sektör (-1-11) (0-11) (1-11) 5. Sektör Şekil 8: EYÜV modülasyonu anahtar durumları 3

5 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Syf 9-35, Haziran 01 EYÜV modülasyonunun UVM den ayrılan tarafı ise anahtarlama için kullanılacak en uygun durumunun ktör diyagramı içerisinden seçilmesidir. Şekil 9 da ktör uzayında seçilen bir üçgen görülmektedir. Bu kontrol yönteminde DGM de çıkış gerilim ktörünün değerini hesaplamak için öncelikli olarak seçilen bölgeye ait üçgenlerin durumları çıkarılır. Üçgenlerin bulunduğu durumlar hesaplanan DGM periyotları Tablo 3 te Bu periyot hesaplaması yapıldıktan sonra gerilim ktörleri herhangi bir sıra ile uygulanırlar. Eğer istenirse bu periyot birçok alt aralığa bölünerek de anahtarlama elemanlarına uygulanabilir [34]. (000) (111) (-1-1-1) 4. Üçgen 1. Üçgen 3.Üçgen (11-1) Vref (10-1). Üçgen Şekil 9: EYÜV modülasyonu 1. Sektör Tablo 3 de görülen hesaplamalardaki θ açısı referans geriliminin oluşturduğu açıdır. Buradaki hesaplamalarda kullanılan modülasyon indeksinin hesaplaması ifadelerin tanımı ise şu şekildedir; Tablo 3: EYÜV modülasyonunda periyot uzunluğu hesabı Bölge EYÜV EYÜV periyot uzunluğu t0 T1 Mi sin Üçgen 100 t1 MT i sin t MT i sin t1 T1 Mi sin Üçgen 10-1 t3 MT i sin t4 TMi sin t1 T1 Mi sin Üçgen 110 t T1 Mi sin t3 TMi sin t T1 Mi sin Üçgen 10-1 t3 MT i sin t5 T Mi sin 1 Burada, Vm M i (4) V 3 M i : Modülasyon indeksini, V DA : DA hat gerilimini, V m : Referans gerilim ktörünün genliğini ifade etmektedir. Tablodaki terimler ise; DA T: DGM periyodu θ : Referans gerilim ktörü ile en yakın tam gerilim ktörünün arasındaki açıyı, t 0 : (000, 111, ) sıfır gerilim ktörlerinin toplam periyot t 1 : (100, 0-1-1) küçük gerilim ktörlerinin toplam periyot t : (110, 00-1) küçük gerilim ktörlerinin toplam periyot t 3 : (10-1) küçük gerilim ktörlerinin toplam periyot t 4 : (1-1-1) küçük gerilim ktörlerinin toplam periyot t 5 : (00-1) küçük gerilim ktörlerinin toplam periyot uzunluğunu ifade etmektedir. eviricilerde kullanılan SDGM kontrol tekniği ise temel frekans anahtarlama kayıplarının azaltılmasını gerçekleştirmektedir. Çok taşıyıcılı SDGM kontrol tekniği, lerin performanslarını artırmak için uygulanmaktadır taşıyıcı sinyalin dikey ya yatay olarak düzenlenmesine göre sınıflandırılmıştır. Dikey çok taşıyıcılı SDGM tekniği faz yer değiştirmeli, karşılıklı faz yer değiştirmeli alternatif karşılıklı faz yer değiştirmeli olarak sınıflandırılabilir. Yatay düzenleme ise faz kaydırmalı SDGM tekniği olarak bilinir. SDGM tekniklerinin içerisinde düşük anahtarlama kayıpları düşük toplam harmonik bozulma oranı sebebiyle en yaygın kullanılanlar faz yer değiştirmeli faz kaydırmalı SDGM teknikleridir [3,,3]. Taşıyıcı modüle edici sinyalin üretim karşılaştırması Şekil 10 da gösterilmektedir. mi (a) t mi (b) Şekil 10: Çok taşıyıcılı SDGM kontrol yapısı a)faz yer değiştirmeli b)faz kaydırmalı t 33

6 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Haziran 01 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası 4. Sonuçlar Bu çalışma, çok seviyeli eviriciler konusunda temel bilgi düzeyine sahip araştırmacılar için çok seviyeli eviricilerin tanıtılmasını amaçlamaktadır. Çalışmada evirici topolojileri kontrol teknikleri üzerine literatür taraması sunulmaktadır. topolojiler daha az anahtarlama elemanı kullanarak daha fazla dv/dt oranı elde edilmesini sağlamaktadır. topolojilerin bahsedilen avantajlarından dolayı yoğun olarak araştırılmasına rağmen, topolojik yapılar anahtarlama teknikleri konusunda inceleme çalışmalarının eksikliği görülmektedir. evirici topolojileri kaskad ya hibrit olarak, aynı ya farklı anahtarlama elemanlarının oluşturduğu evirici hücrelerinin seri bağlanmasından oluşmaktadır. evirici hücrelerinde farklı anahtarlama elemanlarının kullanıldığı hibrit topolojilerin, hücrelerde güç paylaşımı yoluyla anahtarlama elemanlarının kullanım süresini arttırdığı görülmektedir. Bunun yanı sıra, hibrit topolojiler kaskad topolojilere göre daha yüksek gerilim akım değerlerinde çalışmaktadır. Bu özelliğinden dolayı anahtarlama kayıpları THB oranlarının daha düşük olduğu da literatür taramasından anlaşılmaktadır. eviricilerin kontrolünde kullanılan en yaygın teknikler ise UVM SDGM gibi genel kontrol teknikleri bunların analitik hesaplamaları azaltmak için tasarlanan türevleri olarak özetlenebilir. UVM tekniğinin geliştirilmesi ile oluşturulan EYÜV kontrolü ile ön hesaplama anahtarlama ktör sayılarının azaltılması sağlanmaktadır. Eviricinin anahtarlama kayıplarını azaltmak için SDGM tekniğinde taşıyıcı sayısının arttırıldığı görülmektedir. 5. Kaynaklar [1] Rodriguez J., Lai J., Peng F. Z., Multilel inrters: a sury of topologies, controls, and applications, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.49, no.4, pp , Aug 00 [] Malinowski M., Gopakumar K., Rodriguez J., Pe rez, M.A., A Sury on Cascaded Multilel Inrters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, no.7, pp , July 010 [3] Colak I., Kabalci E., Bayindir R., Review of multilel voltage source inrter topologies and control schemes, Energy Conrsion and Management, Volume 5, pp , Issue, February 011. [4] Gonzalez S.A., Valla M.I., Christiansen C.F., lysis of a Cascade Asymmetric Topology for Multilel Conrters, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp , 4-7 June 007. [5] Gonzalez S.A., Valla M.I., Christiansen C.F., Fi-lel cascade asymmetric multilel conrter, IET Power Electronics, vol.3, no.1, pp.10-18, January 010. [6] Babaei E., Moeinian M. S., Asymmetric cascaded multilel inrter with charge balance control of a low resolution symmetric subsystem, Energy Conrsion and Management, vol 51, no. 11, pp. 7-78, omber 010. [7] Lu S., Mariethoz S., Corzine K.A., Asymmetrical Cascade Multilel Conrters With oninteger or Dynamically Changing DC Voltage Ratios: Concepts and Modulation Techniques, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, no.7, pp , July 010. [8] Babaei E., Hosseini S. H., ew cascaded multilel inrter topology with minimum number of switches, Energy Conrsion and Management, vol. 50, no 11, pp , omber 009. [9] ami A., Zare F., Ledwich G., Ghosh A., Blaabjerg F., "Comparison between symmetrical and single phase multilel inrter with diode-clamped topology", Power Electronics Specialists Conference, PESC 008, pp.91-96, June 008. [10] Rodriguez J., Bernet S., Bin Wu, Pontt J.O., Kouro S., "Multilel Voltage-Source-Conrter Topologies for Industrial Medium-Voltage Dris", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.54, no.6, pp , Dec [11] Bendre A., Krstic S., Vander Meer J., Venkataramanan G., "Comparati evaluation of modulation algorithms for neutral-point-clamped conrters", IEEE Transactions on Industry Applications, vol.41, no., pp , March-April 005. [1] Babaei E., Hosseini S.H., Gharehpetian G.B., Tarafdar Haque M., Sabahi M., Reduction of dc voltage sources and switches in multilel conrters using a nol topology, Electric Power Systems Research, vol. 77, no. 8, pp , June 007. [13] Barriuso P., Dixon J., Flores P., Moran L., "Fault- Tolerant Reconfiguration System for Asymmetric Multilel Conrters Using Bidirectional Power Switches", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.56, no.4, pp , April 009. [14] Zhang Y., Sun L., "An Efficient Control Strategy for a Fi-Lel Inrter Comprising Flying-Capacitor Asymmetric H-Bridge", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.9, pp , Sept [15] Corzine K.A., Wielebski M.W., Peng F., Wang J., "Control of cascaded multi-lel inrters", IEEE International Electric Machines and Dris Conference, vol.3, no., pp vol.3, 1-4 June 003. [16] Sujanarko B, Ashari M., Purnomo M. H., Unirsal Algorithm Control for Asymmetric Cascaded Multilel Inrter, International Journal of Computer Applications vol. 10, no. 6, pp , omber 010. [17] Ruderman A., Schlosberg S., "A hybrid asymmetric cascaded multilel inrter comprising high resolution and symmetric low resolution parts", IEEE 5th Conntion of Electrical and Electronics Engineers in Israel, pp.01-05, 3-5 Dec [18] Gonzalez S.A., Valla M.I., Christiansen C.F., "Design of a DSTATCOM using a 5-lel cascade asymmetric multilel conrter", 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, pp , 3-5 ov [19] Soto-Sanchez D., Green T.C., "Control of a modular multilel conrter-based HVDC transmission system", 14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 011), pp.1-10, Aug Sept [0] Boora A.A., ami A., Zare F., Ghosh A., Blaabjerg F., "Voltage-Sharing Conrter to Supply Single-Phase Asymmetrical Four-Lel Diode-Clamped Inrter With High Power Factor Loads, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.5, no.10, pp , Oct [1] ami A., Zare F., Ghosh A., Blaabjerg F., "A Hybrid Cascade Conrter Topology With Series-Connected 34

7 EMO Bilimsel Dergi, Cilt, Sayı 3, Syf 9-35, Haziran 01 Symmetrical and Asymmetrical Diode-Clamped H- Bridge Cells", IEEE Transactions on Power Electronics, vol.6, no.1, pp.51-65, Jan [] Colak I., Bayindir R., Kabalci E., "Design and analysis of a 7-lel cascaded multilel inrter with dual SDCSs", International Symposium on Power Electronics Electrical Dris Automation and Motion (SPEEDAM), pp , June 010. [3] Ludois D.C., Reed J.K., Venkataramanan G., "Hierarchical Control of Bridge-of-Bridge Multilel Power Conrters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, no.8, pp , Aug [4] Khoucha F., Lagoun M.S., Kheloui A., El Hachemi Benbouzid M., "A Comparison of Symmetrical and Asymmetrical Three-Phase H-Bridge Multilel Inrter for DTC Induction Motor Dris", IEEE Transactions on Energy Conrsion, vol.6, no.1, pp.64-7, March 011. [5] aderi R., Rahmati A., Phase-shifted carrier PWM technique for general cascaded inrters, IEEE Trans. Power Electron., vol. 3, no. 3,pp , May 008. [6] Rodriguez J., Moran L., Correa P., Silva C., A ctor control technique for medium-voltage multilel inrters, IEEE Trans. Power Electron., vol. 49, no. 4, pp , Aug. 00. [7] Dahidah M. S. A., Agelidis V. G., Selecti harmonic elimination PWM control for cascaded multilel voltage source conrters: A generalized formula, IEEE Trans. Power Electron., vol. 3, no. 4, pp ,Jul [8] Du Z., Tolbert L.M., Ozpineci B., Chiasson J.., Fundamental frequency switching strategies of a senlel hybrid cascaded H-bridge multilel inrter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 4, no. 1, pp. 5 33, Jan [9] Pereda J., Dixon J., "High-Frequency Link: A Solution for Using Only One DC Source in Asymmetric Cascaded Multilel Inrters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.9, pp , Sept [30] Dixon J., Pereda J., Castillo C., Bosch S., "Asymmetrical Multilel Inrter for Traction Dris Using Only One DC Supply", IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol.59, no.8, pp , Oct [31] Babu..V.S., Rao D.A., Fernandes B.G., "Asymmetrical DC link voltage balance of a cascaded two lel inrter based STATCOM", TECO 010 IEEE Region 10 Conference, pp , 1-4 ov [3] Zambra D.A.B., Rech C., Pinheiro J.R., "Comparison of eutral-point-clamped, Symmetrical, and Hybrid Asymmetrical Multilel Inrters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, no.7, pp , July 010. [33] Sun X., Yun Z., "Hybrid Control Strategy for a ol Asymmetrical Multilel Inrter", International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application (ISDEA), pp , Oct [34] Üstüntepe B., A ol Two-Parameter Modulation and eutral Point Potential Control Method for the Three- Lel eutral Point Clamped Inrter, MSc. Thesis,The Graduate School of atural And Applied Scıences of Middle East Technıcal Unirsity, December