PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİ İÇİN DSP TABANLI DENETİM ALGORİTMASININ OTOMATİK GÖMÜLÜ KOD ÜRETİMİ İLE HIZLI PROTOTİPLENDİRİLMESİ

Transkript

1 PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİ İÇİN DSP TABANLI DENETİM ALGORİTMASININ OTOMATİK GÖMÜLÜ KOD ÜRETİMİ İLE HIZLI PROTOTİPLENDİRİLMESİ Metn KESLER 1 Mehmet UÇAR Engn ÖZDEMİR 3 1,,3 Elektrk Eğtm Bölümü Teknk Eğtm Fakültes Kocael Ünerstes, 41380, Umuttepe, Kocael 1 e-posta: metnkesler@kou.edu.tr e-posta: mucar@kou.edu.tr 3 e-posta: eozdemr@kou.edu.tr Anahtar sözcükler: Paralel Aktf Güç Fltres, Otomatk gömülü kod üretm, Sayısal İşaret İşlemc (DSP) ABSTRACT In ths paper, a rapd prototypng of shunt Acte Power Flter (APF) control algorthm, whch noles the desgn of Dgtal Sgnal Processor (DSP)based control method usng Matlab/Smulnk blocksets, automated model based real-tme embedded code generaton and downloadng of executable code to the TMS30F81 DSP board s presented. The Matlab/Smulnk based deelopment platform ntegrated wth the DSP prodes a useful deelopment tool for desgn erfcaton of DSP algorthms. Expermental results show that the code deeloped usng the rapd prototypng of the shunt APF control strategy s hghly effcent and the deelopment cycle tme s greatly reduced, resultng n lower deelopment cost. 1. GİRİŞ Modern güç elektronğ sstemlernn gderek gelşmes e hızla artan uygulama alanları nedenyle şebekelerde e letm hatlarında reaktf gücün çeklmesne, harmonklern üretlmesne e dolayısıyla enerj kaltesnn düşmesne sebep olmaktadır. Bu sstemler tarafından oluşturulan reaktf güç e harmonkler, elektromanyetk chazlarda ısınmaya, mekank chazlarda ttreşml e gürültülü çalışmaya, şebekede güç faktörünün azalmasına, aşırı nötr akımlarına e nötr letken problemlerne sebep olmaktadır. Güç sstemlernde elektrk enerjsnn ermllğn e yükün güç kaltesn artırmak, harmonk akımları yok etmek amacıyla pasf LC fltreler yaygın br şeklde kullanılmaktadır. Fakat pasf LC fltrelern, kaynak empedansına bağımlı olması, rezonans problemler gb bazı dezaantajları bulunmaktadır. Bu problemler yok etmek çn Aktf Güç Fltreler (AGF) gelştrlmektedr [1-]. AGF lern gerçek zamanlı denetm algortmaları sıklıkla DSP gb özel şlemcler le gerçekleştrlmektedr. DSP tabanlı denetm stratejler gelştrmek çn, kullanılacak olan DSP nn ç mmarsn, tasarım e gömülü kod üretme ölçütlern yeterl seyede blmek gerekmektedr. Ayrıca, farklı DSP lere at farklı programlama dllern öğrenmek, karmaşıklığın dereces arttıkça uygulama gelştrmek, uygulama yazılımda optmzasyon yapmak, hata ayıklamak zahmetl e uzun zaman almaktadır. Yen DSP algortmalarının test e yen uygulamalar çn tasarım çermnn kısaltılması hızlı gelştrme araçları le mümkün olmaktadır [3]. Hızlı prototplemenn klt noktası, otomatk kod üretmdr. Otomatk kod üretm, algortma kodlamasını otomatk olarak üretmey çermekte, hedef DSP kartına kodlamayı, derlemey, bağlamayı e yüklemey kapsamaktadır. Bu otomasyon, tasarım değşklklernn blok dyagram yoluyla doğrudan yapılablmesne zn ermekte e sanyeler çersnde yen testler çn hazır olmaktadır [4]. Bu çalışmada, paralel AGF denetm algortmasının hızlı prototplendrlmes çn Matlab/Smulnk [5] ortamında Embedded Target for TIC000 DSP [6] e Real Tme Workshop (RTW) [7] alt yazılımları kullanılarak DSP kodlarının üretm otomatk olarak gerçekleştrlmektedr. Otomatk üretlen kodlar TI CCS000 (Code Composer Studo 000) yazılım gelştrme ortamında derlenerek F81 ezdsp kartına yüklenmektedr. Deneysel sonuçlara göre, paralel

2 AGF denetm teknğnn hızlı prototplendrlmes çn otomatk olarak üretlen kodlar oldukça ermldr e uygulama gelştrme çerm süres oldukça kısalmaktadır.. PARALEL AGF DENETİM ALGORİTMASI Şekl 1 de görüldüğü gb paralel AGF, doğrusal olmayan yüke paralel bağlanmış akım kaynağı olarak çalışmaktadır e akım denetm sağlayablmek çn DA tarafına br kondansatör bağlanmış Gerlm Kaynaklı Erc (GKE) deresnden meydana gelmektedr. 3 AC Kaynak S R S L S C R C R L L C L L L Doğrusal-olmayan Yük Aktf Güç Güç Fltres C Z yük Şekl 1. Paralel AGF temel çalışma prensb. Paralel AGF nn temel fonksyonu yükün harmonklern fltreleyp, reaktf güç htyacını karşılayarak şebekeden snüzodal akımlar çeklmesn sağlamaktır. Şekl e (1) eştlğnden görüldüğü gb paralel AGF, doğrusal olmayan yükün çektğ harmonk e reaktf akımlara eşt genlkte e ters fazda akım üretecek şeklde kontrol edlmektedr. S = L+ C (1) L [A] C [A] Bu çalışmada kullanılan 3-fazlı kaynak gerlmler e yük akımları dengeldr. Sa α 1-1/ -1/ = Sb () 3 0 3/ - 3 / Sc α 1-1/ -1/ = 3 0 3/ - 3 / La Lb Lc (3) Yükün anlık gerçek e sanal güç bleşenler, yük akımlarının e faz-nötr gerlmlernn α- koordnatlarındak karşılıklarıyla (4) eştlğnde görülmektedr. p α = q α α (4) Anlık gerçek e sanal güç AA e DA bleşenler çermektedr e aşağıdak gb fade edlmektedr. p p + p = q q + q (5) Aynı zamanda hem harmonk hem de reaktf güç kompanzasyonu yapmak çn sanal gücün DA e AA bleşenler le gerçek gücün AA bleşen kullanılarak (6) eştlğndek gb referans akımlar hesaplanmaktadır. Bu eştlktek p gücü, paralel kayıp AGF nn GKE kayıplarını karşılamak amacıyla kullanılmaktadır. Cα C = α 1 + α - -p + p α -q kayıp (6) cα * e c *, α- koordnatlarında yükün harmonk e reaktf akımlarına karşılık gelen e AGF nn üretmes gereken referans akımlardır. Bu akımlar 3-fazlı ssteme (7) eştlğ kullanılarak çerlmektedr. S [A] t[s] Ca Cb Cc = 3 1-1/ -1/ - 0 3/ 3/ Cα C (7) Şekl. Doğrusal olmayan yük, fltre e kaynak akımı dalga şekller. Bu çalışmada, paralel AGF denetm çn anlık güç teors (p-q teors) tabanlı denetm teknğ kullanılmaktadır. Bu teor, () e (3) eştlğnde görüldüğü gb a-b-c koordnatlarındak 3-fazlı akım e gerlmlern, α- koordnatlarına cebrk dönüşümünden e sonrasında anlık güç bleşenlernn hesaplanmasından oluşmaktadır [8]. Böylece, 3-fazlı güç sstemnde yükün ürettğ harmonk e reaktf akımları yok edecek * ca, * cb e * cb kompanzasyon referans akımları elde edlmektedr. Anahtarlama snyallernn üretm, paralel AGF hat akımlarının anlık denetm le sağlanmaktadır. Paralel AGF hat akımları ölçülerek, denetm algortması tarafından üretlen referans akımlar le karşılaştırılmakta e hsterezs bant akım denetleyc le anahtarlama snyaller elde edlmektedr.

3 3. MODEL TABANLI OTOMATİK GÖMÜLÜ KOD ÜRETİMİ Bu çalışmada, Matlab/Smulnk Embedded Target e Real Tme Workshop yazılımı le model tabanlı otomatk gömülü kod üretm e DSP le paralel AGF denetm yapılarak çalışmanın ermllğ e getrdğ kolaylıklar ncelenmektedr. Matlab/Smulnk, denetm algortmalarının blok dyagramlarla gösterleblen benzetm çn model tabanlı br gelştrme ortamıdır. Blok dyagramlarla erlen DSP algortmaları, Real Tme Workshop (RTW), Lnk for Code Composer Studo Deelopment Tools e Embedded Target for TIC000 DSP alt yazılımları le Şekl 3 de görüldüğü gb hedef DSP şlemcler çn makne dlne (assembly) çermekte e gerçek zamanda (real tme) uygulanması e tasarım doğrulaması çok hızlı br şeklde yapılablmektedr. Blgsayar Matlab DSP Emulator Smulnk Fxed-Pont Blocks Real-Tme Workshop Derleme TI C000 Code Composer Studo ezdsp F81 DSP programı Sstem Model IQMath Kütüphanes C- kodu Eşzamanlı smülasyon e zleme Şekl 3. Matlab/Smulnk üzernden otomatk gömülü kod üretm akış dyagramı. Matlab/Smulnk ortamında otomatk gömülü kod üretmek amacıyla, Embedded Target for TI C000 DSP araç kutusundak C8x DMC kütüphanesnden Clarke dönüşüm bloğu, C8x IQmath kütüphanesnden artmetk şlem e matematksel fonksyon blokları, Smulnk, Smulnk Fxed Pont e Sgnal Processng Blockset kütüphanes kullanılarak paralel AGF denetm algortması oluşturulmaktadır. Bu Smulnk modele, C800 DSP Core Support kütüphanesnden C8x ADC e C8x PWM blokları eklenerek F81 DSP analog grşler le PWM çıkışları seçlmekte e C000 Target Preferences kütüphanesnden F81 ezdsp bloğu eklenerek DSP konfgürasyon ayarları yapılmaktadır. Oluşturulan smulnk modelde normal matematksel fonksyon blokları yerne IQmath fonksyonları kullanılmıştır. IQmath, sabt noktalı (fxed pont) şlemcler çn gelştrlmş e kayan noktalı (floatng pont) şlemcler kadar hassas matematksel şlem performansı sağlayan, maksmum kod optmzasyonu yapılmış algortmalardır [9]. Şekl 4 de paralel APF nn model tabanlı gömülü kod üretm blok dyagramı görülmektedr. Şekl 5 de paralel AGF nn Matlab/Smulnk ortamında IQmath blokları kullanılarak oluşturulan model tabanlı denetm blok dyagramı görülmektedr. RTW (Real Tme Workshop), Smulnk ortamında oluşturulan paralel AGF nn grafksel blok dyagramından C kodlarını otomatk olarak üretmektedr. Bu kodlar TI CCS000 (Code Composer Studo 000) DSP yazılım gelştrme ortamına aktarılarak dğer destek dosyalarıyla brlkte derlenmekte e blgsayarın paralel portuna bağlı F81 DSP nn üzerndek emülatör aracılığı le yüklenmektedr. Böylece, Matlab/Smulnk ortamında oluşturulan paralel AGF nn model tabanlı denetm blok dyagram gerçek zamanlı snyal şlemne tab tutulmak üzere DSP ortamında gerçek zamanlı olarak aktarılması e uygulanması mümkün olmaktadır. Tüm tasarım şlem tam otomatk, esnek e oldukça kolay br şeklde yapılablmektedr. Ayrıca, herhang br programlama dl çne grmeden DSP bloğu e tasarım parametreler gerçek zamanda değştrleblmektedr. Grafksel blok dyagramların kullanımı, DSP üzernden denetlenen sstem tasarımını, prototplendrlmesn e modfkasyonunu oldukça kolaylaştırmaktadır. C81x Vab Vab-saret Vab Vab-saret C81x Iab Iab A ADC Iab-saret Iab-saret PWM_ABC CL ICabc ICabc ADC C8x ADC ICabc -saret Vdc ICabc-saret Vdc Paralel AGF PWM C8x PWM F81 ezdsp Şekl 4. Paralel AGF nn model tabanlı gömülü kod üretm blok dyagramı.

4 Şekl 5. Paralel AGF model tabanlı denetm algortması blok dyagramı. 4. DENEYSEL SONUÇLAR Bu çalışmada, F81 ezdsp üzernde paralel AGF nn gerçek zamanlı denetm algortmasını gerçekleştrmek çn Matlab/Smulnk tabanlı otomatk olarak üretlen gömülü kodların performansını test etmek amacıyla br laboratuar prototp hazırlanmıştır. Paralel AGF laboratuar prototpnde kullanılan TMS30F81 DSP, 150 MIPS şlem hızı, 36 kb dahl RAM, kb OTP ROM, 56 kb flash, 1 kanal PWM, 1-bt 16 kanal ADC, 18 kb harc SRAM e paralel port JTAG arayüz özellklerne sahptr [10]. Şekl 6 da 3- fazlı paralel AGF deneysel sstem test deres görülmektedr. Bu çalışmada, doğrusal olmayan yük olarak omk-endüktf yüklü 3-fazlı denetmsz doğrultucu kullanılmaktadır. Kaynak gerlmler ( Sa, Sb ) gerlm transformatörler le yük akımları ( La, Lb ) e fltre akımları ( Ca, Cb ) Hall-Effect prensb le çalışan LEM akım sensörler le e GKE nn DA hat gerlm AD10 zolasyon yükseltec kullanılarak ölçülmektedr. Uygulamada 3- fazlı sstem dengel olduğu çn c fazı kaynak gerlm e yük akımı ölçülmemştr. Bu akım e gerlm snyaller, kalbrasyon e DSP gelştrme kartının analog grşler çn uygun hale getrlmek üzere ölçüm arayüz kartına gönderlmektedr. F81 DSP kartı analog grşlerne uygulanan snyaller le paralel AGF nn gerçek zamanlı denetm algortmasını yürüterek hsterezs bant akım denetleyc le anahtarlama snyaller üretmektedr. S LS ω ω Sa La HE LL 3-FAZLI DOĞRUSAL OLMAYAN YÜK 3-fazlı AC Kaynak Ca HE- Hall-Effect Akım Sensörü Sa Sb LC La Lb Ön-Şarj Drençler PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİ Hızlı Sgortalar HE C İzolasyon Yükseltec Ca Cb VDC Yük Akımları (La Lb) AGF Akımları (Ca Cb) IGBT SÜRÜCÜ KARTI Faz Gerlmler (Sa Sb) AKIM-GERİLİM ÖLÇÜM ARAYÜZ KARTI ezdsp DSP GELİŞTİRME CARD TMS30F81 KARTI EzDSP DC GERİLİM ÖLÇÜM KARTI PC Şekl 6. 3-fazlı paralel AGF deneysel sstem test deres.

5 Paralel AGF denetm algortması çn otomatk olarak üretlen kodlar F81 ezdsp kartına yüklenerek deneysel çalışma sonuçları elde edlmektedr. Şekl 7 de fltreleme önces kaynak akım e gerlm dalga şekller görülmektedr. 6. SONUÇ Bu çalışmada, 3-fazlı paralel AGF çn DSP tabanlı denetm algortmasının Matlab/Smulnk üzernden otomatk gömülü kod üretm le hızlı prototplendrlmes gerçekleştrlmştr. Matlab e Smulnk n otomatk e erml kod üretm şlem le uygulama tasarım çermn oldukça kısaltmaktadır. Sa Sa Paralel AGF denetm algortmasının Smulnk blok dyagramından otomatk C kod üretm şlem, gerçek zamanlı şletmn oluşturulması, derleme, bağlama e gerçek zamanlı DSP kodunu yükleme tümüyle otomatktr. Deneysel sonuçlara göre, paralel AGF nn denetm algortmasının hızlı prototplemes çn üretlen kodlar oldukça ermldr, uygulama gelştrme çerm süres oldukça azalmakta e daha düşük gelştrme malyet sağlamaktadır. Şekl 7. Fltreleme önces kaynak akım e gerlm dalga şekller ( Sa =100V/d, Sa =0A/d). Şekl 8 de paralel AGF dereye alındıktan sonra kaynak akım e gerlm dalga şekller görülmektedr. Kompanzasyondan sonra kaynak akımları harmonkler fltrelenerek snüzodal olmakta e kaynak gerlmyle aynı faza getrlerek reaktf güç kompanzasyonu şlem başarıyla yapılmaktadır. 3-fazlı paralel AGF deneysel sstemnn parametreler Tablo 1 de görülmektedr. Sa Sa Şekl 8. Fltreleme sonrası kaynak akım e gerlm dalga şekller ( Sa =100V/d, Sa =0A/d). Tablo 1. 3-fazlı paralel AGF deneysel sstem parametreler. Gerlm (V S ) 380 V/Faz-Faz Kaynak Frekans (f) 50 Hz DC Gerlm (V DC ) 750 V DC Kondansatör (C DC ) 1000 μf AGF Ort. Anahtar. Frek. (f S ) 9 Khz Fltre (R F, L F ) 0.1 Ω, 3.75 mh Fltre (R L, L L ) 1 Ω, 0.45 mh Yük Güç 10 kw TEŞEKKÜR Bu çalışma, 105E18-HD-08 nolu TÜBİTAK Hızlı Destek Projes kapsamında desteklenmektedr. KAYNAKLAR [1] Akag H., Kanazawa Y., Nabae A., Instantaneous Reacte Power Compensators Comprsng Swtchng Deces wthout Energy Storage Elements, IEEE TRANS. IND. APPL., Vol. IA-0, pp , [] B. Sngh, K. Al-Haddad and A. A. Chandra, A reew of acte power flters for power qualty mproement, IEEE TRANS. INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 46, pp. 1-1, Oct [3] K. Karnofsky, Speedng DSP algorthm Desgn, IEEE SPECTRUM, July [4] K.H. Hong et al. An ntegrated enronment for rapd prototypng of DSP Algorthms usng Matlab and Texas nstruments TMS30C30 MICROPROC. AND MICROSYSTEMS, Vol. 4, pp , 000. [5] Smulnk, Smulaton and Model-Based Desgn: User s Gude, Verson 6. [6] Embedded Target for the TI TMS30C000 DSP Platform for Use wth Real-Tme Workshop User s Gude, Verson 6. [7] Real-Tme Workshop, for use wth Smulnk: User s Gude, Verson 6. [8] Afonso J., d., Acte Flters wth Control Based on the p-q Theory, IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY NEWSLETTER, Vol. 47, No. 3, pp. 5-11, 000. [9] IQ Math on the Texas Instruments TMS30C8x DSP, Lterature Number: SPRC087, 004. [10] TMS30F81 Data Manual, Lterature Number: SPRS174L, 004.