T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DİSTORSİYONLU GİRİŞ GERİLİMLERİNDE UVM KONTROLLÜ MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN PERFORMANSININ İYİLEŞTİRİLMESİ Hulus KARACA DOKTORA TEZİ Elektrk-Elektronk Mühendslğ Anablm Dalı Eylül-010 KONYA Her Hakkı Saklıdır

2

3 TEZ BİLDİRİMİ Bu tezdek bütün blglern etk davranış ve akademk kurallar çerçevesnde elde edldğn ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana at olmayan her türlü fade ve blgnn kaynağına eksksz atıf yapıldığını bldrrm. DECLARATION PAGE I hereby declare that all nformaton n ths document has been obtaned and presented n accordance wth academc rules and ethcal conduct. I also declare that, as requred by these rules and conduct, I have fully cted and referenced all materal and results that are not orgnal to ths work. Hulus KARACA Tarh: 9 / 09 / 010

4 ÖZET DOKTORA TEZİ DİSTORSİYONLU GİRİŞ GERİLİMLERİNDE UVM KONTROLLÜ MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN PERFORMANSININ İYİLEŞTİRİLMESİ Hulus KARACA Selçuk Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Elektrk-Elektronk Mühendslğ Anablm Dalı Danışman: Doç. Dr. Ramazan AKKAYA 010, 151 Sayfa Jür Doç. Dr. Ramazan AKKAYA Prof. Dr. Saadetdn HERDEM Doç. Dr. Seyd Vakkas ÜSTÜN Yrd. Doç. Dr. Mehmet ÇUNKAŞ Yrd. Doç. Dr. Ömer AYDOĞDU Elektrk gücünün farklı formlara dönüştürülmes, güç elektronğnn en öneml konusudur. Dönüştürme şlemlernn en önemllernden brs AC-AC dönüştürücüler tarafından gerçekleştrlen güç dönüşümüdür. Bu dönüştürücülerde genellkle sabt genlk ve frekanslı AC gerlm, önce DC gerlme daha sonra tekrar farklı frekans ve genlkl AC gerlme dönüştürülmektedr. Son yıllarda, geleneksel AC-AC güç dönüştürücülernn yern almaya aday olan ve doğrudan AC-AC güç dönüşümü yapablen matrs dönüştürücüler üzerne yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu teknoloj, geleneksel nverter temell dönüştürücülerde kullanılan reaktf enerj depolama elemanlarına (büyük boyutlu C ve L) olan htyacı ortadan kaldırdığından küçük boyutlu dönüştürücüler tasarlanablmektedr. Ayrıca k yönlü anahtarlar kullanılmasından dolayı şebekeye enerj ger dönüşümü yapılablmektedr. Matrs dönüştürücünün dğer öneml özellkler se, grş ve çıkış akımlarının snüzodal olması, yükten bağımsız br şeklde güç faktörünün ayarlanablmes ve dört bölgel çalışmaya zn vermesdr. Ancak bu özellklernn yanında matrs dönüştürücüler, AC-DC-AC dönüştürücülere göre daha çok güç anahtarına htyaç duyması, karmaşık anahtarlama yapısına sahp olması, maksmum çıkış gerlmnn grş gerlmnn %86,6 sı le sınırlı olması ve şebeke tarafındak herhang br bozukluğun doğrudan çıkışa yansıması gb dezavantajlara sahptr. Bu tez çalışmasında, öncelkle matrs dönüştürücünün yukarıda bahsedlen dezavantajlarının üstesnden geleblmek çn Uzay Vektör Modülasyonu (UVM) metoduyla kontrol edlen br matrs dönüştürücünün smülasyonu yapılmış ve daha sonra sabt genlk ve frekanslı üç fazlı şebekeden değşken genlk ve frekansta üç fazlı AC çıkış gerlmler elde etmek çn TMS0F81 sayısal şaret şlemcs kullanılarak UVM metoduyla kontrol edlen br matrs dönüştürücü pratk olarak gerçekleştrlmştr. v

5 Bu dönüştürücünün smülasyon ve deneysel sonuçlarının uyum çnde olduğu görülmüştür. Ayrıca grş gerlmndek bozukluğun çıkışa yansımasını azaltmak ve sstemn çıkış performansını yleştrmek çn k adet yen kompanzasyon metodu önerlmştr. Bunların lk, bulanık mantık kontrolör temell ger beslemel kompanzasyon metodu; dğer se, lteratürde adı geçen ler beslemel kompanzasyon metodu le önerdğmz bulanık mantık temell kompanzasyon metodunun brlkte kullanıldığı hbrd kompanzasyon metodudur. Önerlen kompanzasyon metotlarının etknlğn göstermek çn 100 Hz e kadar tüm çıkış frekanslarında matrs dönüştürücünün çıkış akımının toplam harmonk dstorsyonları (THD) ölçülmüş ve elde edlen sonuçlar, kompanzasyonsuz ve ler beslemel kompanzasyon metotlarının sonuçları le karşılaştırılmıştır. Önerlen metotların dstorsyonlu grş gerlm koşulları altında, matrs dönüştürücünün çıkış akımında meydana gelen harmonkler öneml ölçüde azalttığı ve sstemn çıkış performansını yleştrdğ gerçekleştrlen smülasyon çalışmalarıyla doğrulanmıştır. Anahtar Kelmeler: Matrs dönüştürücü, uzay vektör modülasyonu (UVM), dstorsyonlu grş gerlmler, sayısal şaret şlemc (DSP), AC-AC dönüştürücü, bulanık mantık kontrolör. v

6 ABSTRACT Ph.D THESIS PERFORMANCE IMPROVEMENT OF MATRIX CONVERTER CONTROLLED WITH SVM ON THE DISTORTED INPUT VOLTAGES Hulus KARACA THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY DOCTOR OF PHILOSOPHY IN ELECTRICAL&ELECTRONICS ENGINEERING Advsor: Assoc. Prof. Dr. Ramazan AKKAYA 010, 151 Pages Jury Assoc. Prof. Dr. Ramazan AKKAYA Prof. Dr. Saadetdn HERDEM Assoc. Prof. Dr. Seyd Vakkas ÜSTÜN Asst. Prof. Dr. Mehmet ÇUNKAŞ Asst. Prof. Dr. Ömer AYDOĞDU Convertng electrc power to dfferent forms s the most mportant topc n power electroncs. One of the most sgnfcant converson processes s power converson performed by AC-AC converters. In AC AC power converters, frstly, AC voltage wth constant ampltude and frequency s usually converted to DC voltage, and then back to AC voltage havng dfferent ampltude and frequency. In recent years, a large number of studes have focused on the matrx converter whch s a canddate to replace the conventonal AC-AC power converters and can drectly perform power converson. Because ths technology elmnates need for reactve energy storage components (large sze capactors and nductors) used n the nverter based converters, the compact converters can be desgned. In addton, the energy regeneraton can be done to the mans thanks to bdrectonal power swtches. The other attractve features of the matrx converters are that they have snusodal nput and output currents, they have adjustable power factor ndependent of load, and they are able to operate n fourquadrant. Besdes these advantages, the matrx converters have some dsadvantages such as needng more power swtches than AC-DC-AC converters, havng complex swtchng pattern, lmtng the ampltude of maxmum output voltage to 86.6% of nput voltage, and drectly reflectng any dstorton on mans to output. In ths thess, to overcome these dsadvantages of matrx converter, frstly some smulatons of matrx converter controlled wth space vector modulaton (SVM) method have been performed. Afterwards expermental setup has been mplemented usng TMS0F81 dgtal sgnal processor to obtan three phase output voltages from three phase supply wth constant ampltude and frequency. Smulaton and expermental results of ths converter have been found to be n complance wth each other. v

7 Furthermore, two dfferent compensaton methods have been proposed n order to reduce the effect of dstorted nput voltage on output sde and mprove the output performance of the system. The frst method s fuzzy logc controller based feedback compensaton method. The latter s a hybrd method of the proposed method and the feed-forward compensaton researched n the lterature. To demonstrate effectveness of proposed compensaton methods, total harmonc dstorton of output current of matrx converter for all frequences up to 100 Hz has been calculated, and obtaned results from proposed compensaton methods have been compared wth results of uncompensated method and feed-forward compensaton method. The mplemented smulatons proved that proposed methods can consderably reduce harmonc contents on output current of matrx converter and mprove the output performance of the system under dstorted nput voltage condtons. Keywords: Matrx converter, space vector modulaton (SVM), dstorted nput voltages, dgtal sgnal processor (DSP), AC-AC converter, fuzzy logc controller. v

8 ÖNSÖZ Bu tezn hazırlanmasının her aşamasında çalışmalarımı büyük br ttzlkle yönlendren danışmanım Doç. Dr. Ramazan AKKAYA ya, tez zleme komtes üyeler Prof. Dr. Saadetdn HERDEM e ve Yrd. Doç. Dr. Mehmet ÇUNKAŞ a, blg ve tecrübelernden yararlandığım bölümümüz değerl öğretm elemanlarına ve özellkle yardımlarını esrgemeyen Arş. Gör. Sabr ALTUNKAYA ya teşekkürlerm sunarım. Ayrıca çalışmalarıma madd destek sağladığından Selçuk Ünverstes Blmsel Araştırma Projeler Koordnatörlüğü ne teşekkür ederm. Çalışmalarım boyunca gösterdğ sabır ve anlayıştan dolayı eşme, madd ve manev her türlü destekleryle yanımda olan aleme teşekkürü borç blrm. Hulus KARACA KONYA-010 v

9 İÇİNDEKİLER ÖZET... v ABSTRACT.. v ÖNSÖZ... v İÇİNDEKİLER... SİMGELER VE KISALTMALAR... x x 1. GİRİŞ Tezn Amacı ve Önem Tezn Organzasyonu KAYNAK ARAŞTIRMASI 9. MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Matrs Dönüştürücünün Temeller Matrs Dönüştürücünün Matematksel Model Matrs Dönüştürücüde Kullanılan Anahtarlar Ayrık yarıletkenlerle gerçekleştrlen anahtarlar Tümleşk güç modüller.1.. Matrs Dönüştürücüde Akım Komütasyonu Matrs Dönüştürücü Grş Fltres Matrs Dönüştürücü Koruma Problemler MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜ KONTROL TEKNİKLERİ Venturn Modülasyon Metodu Venturn Modülasyon Metodunun Temel Prensb Anahtarların İletm Oranları Modülasyon Fonksyonları Üç Fazlı Referans Gerlmler Modülasyon Matrsnn Türetlmes Uzay Vektör Modülasyon (UVM) Metodu Matrs Dönüştürücüdek Üç Fazlı Değşkenlern Uzay Vektörleryle Temsl Edlmes Anahtarlama Vektörlernn Seçlmes ve Sınıflandırılması 4... Anahtarların letm sürelernn hesaplanması MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜ SİSTEMİNİN TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Sayısal İşaret İşlemc Kartı Ölü Zaman Ekleme Devres x

10 5.. Sıfır Geçş Algılama Devres IGBT Sürücü Devres Kısa Devre ve Aşırı Akım Koruma Devres Matrs Dönüştürücü Güç Devres UVM KONTROLLÜ MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN SİMÜLASYON VE DENEYSEL SONUÇLARI DİSTORSİYONLU GİRİŞ GERİLİMLERİNDE MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN PERFORMANSININ İYİLEŞTİRİLMESİ UVM Metoduyla Kontrol Edlen Matrs Dönüştürücünün Performans Analz İdeal Grş Gerlmlernde Matrs Dönüştürücünün Kontrolü Dstorsyonlu Grş Gerlmlernde Kompanzasyon Kullanılmadan Matrs Dönüştürücünün Kontrolü Dstorsyonlu Grş Gerlmlernde İler Besleme Kompanzasyon Sstem Kullanılarak Matrs Dönüştürücünün Kontrolü Dstorsyonlu Grş Gerlmlernde Bulanık Mantık Kontrolörlü Kompanzasyon Sstem Kullanılarak Matrs Dönüştürücünün Kontrolü Dstorsyonlu Grş Gerlmlernde Hbrd Kompanzasyon Sstem Kullanılarak Matrs Dönüştürücünün Kontrolü Kompanzasyon Sstemlernn Karşılaştırılması SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR. 145 ÖZGEÇMİŞ. 150 x

11 SİMGELER VE KISALTMALAR Smgeler A : Anlık transfer matrs A T : Anlık transfer matrsnn transpozes α : Grş fazlar arası gerlmlernn uzay vektöründek faz açısı α o : Çıkış fazlar arası gerlmlernn uzay vektöründek faz açısı β : Grş hat akımlarının uzay vektöründek faz açısı β o : Çıkış hat akımlarının uzay vektöründek faz açısı f : Grş frekansı f o : Çıkış frekansı f s : Anahtarlama frekansı I a, I b, I c : Matrs dönüştürücünün çıkış faz akımları I A, I B, I C : Matrs dönüştürücünün grş faz akımları I : Grş akımı I o : Çıkış akımı : Grş akım vektörü o : Çıkış akım vektörü M () t : Düşük frekanslı transfer matrs S Ab : Brnc grş fazı le knc çıkış fazı arasındak çft yönlü anahtar S Kj : Matrs dönüştürücünün anahtarları q : Gerlm transfer oranı q m : Maksmum gerlm transfer oranı t Kj : Anahtarların letm süres T s : Anahtarlama peryodu V a, V b, V c : Matrs dönüştürücünün çıkış faz gerlmler V A, V B, V C : Matrs dönüştürücünün grş faz gerlmler v : Grş gerlm vektörü v o : Çıkış gerlm vektörü v : Grş gerlm V m : Grş gerlmnn maksmum genlğ v jn : Grşn nötr noktasına göre çıkış faz gerlm v o : Çıkış gerlm V om : Çıkış gerlmnn maksmum genlğ ω : Grşn açısal frekansı ω : Çıkışın açısal frekansı 0 Kısaltmalar AC DC DSP : Alternatf akım : Doğru akım : Sayısal şaret şlemc x

12 FPGA IGBT I/O MCT MOSFET OGVM PWM PWM-VSI THD UVM VM : Alan Programlamalı Kapı Dzler : İzole kapılı bpolar transstör : Grş-Çıkış : MOS kontrollü trstör : Metal okst yarı letkenl FET : Optmum genlkl Venturn modülasyonu : Darbe genşlk modülasyonu : Darbe genşlk modülasyonlu gerlm beslemel nverter : Toplam harmonk dstorsyonu : Uzay vektör modülasyonu : Venturn modülasyonu x

13 1 1. GİRİŞ Elektrk enerjsnn kontrol edlmes ve farklı formlara dönüştürülmes elektrk mühendslğndek en öneml şlemlerden brsdr. Güç elektronğ dönüştürücülernde ve özellkle de yarı letken güç elemanlarındak hızlı gelşmelerle brlkte elektrk enerjsnn kontrolünde de büyük lerlemeler sağlanmıştır. Sanayde yaygın şeklde kullanılan maknelern başında gelen üç fazlı alternatf akım motorlarının değşken hız gereksnmler çn değşken frekans ve değşken genlkl alternatf akım kaynakları gerekmektedr. Bu htyacı karşılamak çn se genellkle, değşken genlk ve frekanslı gerlmler üreteblen darbe genşlk modülasyonlu gerlm beslemel nverterler (PWM-VSI) kullanılmaktadır. Br dyotlu köprü doğrultucu veya PWM aktf doğrultucu tarafından beslenen bu nverterler, br DC güce htyaç duymaktadırlar. DC ara devre vasıtasıyla güç dönüşümüne dayandığından dolayı bu tp yapılara dolaylı güç dönüştürücüler adı verlmektedr. Dolaylı güç dönüştürücüler, AC den AC ye güç dönüşümünü gerçekleştrmek çn önce AC y br doğrultucu le DC ye çevrr, sonra DC y tekrar farklı frekans ve genlğe sahp AC ye çevrrler (Tolyat ve Campbell 004). Bu tp dönüştürücülern blok şeması Şekl 1.1a da görülmektedr. Üç Fazlı Kaynak AC DC DC AC Üç Fazlı Yük (a) Üç Fazlı Kaynak AC AC Üç Fazlı Yük (b) Şekl 1.1. AC-AC güç dönüşüm prenspler a) Dolaylı güç dönüşümü b) Doğrudan güç dönüşümü

14 Dolaylı güç dönüşümüne alternatf se, doğrudan güç dönüşümü yapablen doğal komütasyonlu frekans dönüştürücüler (cycloconverter) veya zorlamalı komütasyonlu frekans dönüştürücülerdr. Bu frekans dönüştürücülern her ks de doğrudan AC-AC güç dönüşümünü gerçekleştrebldkler çn DC ara devreye htyaç duymamaktadırlar. Trstörlü doğal komütasyonlu doğrudan frekans dönüştürücüler, çoğunlukla Mega-Watt sevyesndek güç uygulamalarında terch edlr. Ancak, trstörlern kesme sokulması kontrol edlemedğnden sstemn çıkış frekansı, grş frekansının yarısıyla sınırlı kalmaktadır (Tolyat ve Campbell 004). Kontrollü br şeklde letmden çıkarılablme yeteneğne sahp yarıletken anahtarların kullanılması durumunda zorlamalı komütasyonlu doğrudan frekans dönüştürücünün çıkış frekansı çn herhang br sınırlama yoktur. Zorlamalı komütasyonlu doğrudan frekans dönüştürücünün br dğer adı da matrs dönüştürücü dür. Burada kullanılan yarıletken güç anahtarları, IGBT, MOSFET veya MCT olablr. Bu matrs dönüştürücü fkr lk kez Gyugh ve Pelly tarafından 1976 da ortaya atıldığından ber, k yönlü güç akışını kontrol edeblmes ve DC hattına htyaç duymaması sebebyle matrs dönüştürücüler artan şeklde lg çekmektedr (Gyugh ve Pelly 1976). Bununla brlkte, matrs dönüştürücülerdek gerçek gelşme, Venturn ve Alesna tarafından 1980 de yayınlanan makalelerle başlamıştır (Venturn 1980, Venturn ve Alesna 1980). Dünyadak güç mühendsler, dolaylı güç dönüştürücü sstemlerne br alternatf olarak yoğun br şeklde matrs dönüştürücüler hakkında araştırma yapmaktadırlar. Matrs dönüştürücü, m-fazlı kaynağı n-fazlı yüke doğrudan bağlayan mxn matrs şeklnde yerleştrlmş kontrollü yarı letken anahtarlar dzsnden meydana gelmektedr. Şu ank matrs dönüştürücü araştırmalarının pek çoğu dokuz adet k yönlü anahtar kullanılan üç faz-üç faz dönüştürücüler üzerne odaklanmıştır. Çünkü bu üç faz-üç faz matrs dönüştürücü devres, doğrudan nverterl standart asenkron motor sürücüsünün yerne kullanılablmektedr. Üç fazlı asenkron motorun hızını kontrol etmek çn br kontrol sstemnn aşağıdak özellklere sahp olması gerekmektedr: Üretlen çıkış gerlmnn (örn; motor uç gerlm) genlğ ve frekansı bağımsız br şeklde kontrol edleblmel

15 Grş güç faktörü yükten bağımsız şeklde ayarlanablmel Dört bölgel çalışma yeteneğne sahp olmalı Çıkış gerlmnn grş gerlmne oranı mümkün olduğu kadar büyük olmalı Düşük derecel çıkış gerlm harmonkler ve anahtarlama kayıpları tatmn edc şeklde az olmalı. Verml olmalı Küçük boyutlu olmalıdır. Br kontrol sstemnn sahp olması beklenen yukarıdak özellklern tamamı, matrs dönüştürücüler kullanılarak karşılanableceğnden, bu güç dönüştürücü sstemnn gelecekte çok daha popüler olması hç şaşırtıcı olmayacaktır. Matrs dönüştürücü doğrudan AC den AC ye güç dönüşümü yapablen anahtarlamalı tp br dönüştürücüdür. Grş fazlarını doğrudan çıkış fazlarına bağlayan matrs şeklnde yerleştrlmş kontrollü k-yönlü anahtarlar dzsnden oluşmaktadır. Özellkle asenkron motor sürücüler, asker uygulamalar ve rüzgar enerjs dönüşümü uygulamalarında matrs dönüştürücülere büyük lg duyulmaktadır. Dğer güç dönüştürücülerle karşılaştırıldığında matrs dönüştürücüler aşağıdak üstün özellklere sahptr. AC-AC güç dönüşümler çn tam br slkon çözüm sunmaktadır. DC ara devreye sahp dönüştürücülern aksne matrs dönüştürücüler, br DC ara devre enerj depolama katına sahp değldr. Matrs dönüştürücüler doğru akım hattı çn hacml ve kolay arızalanan elektroltk kapastörler gb büyük enerj depolayan elemanlar çermedğnden, dayanıklılık ve küçük boyut gerektren uygulamalar çn vazgeçlmez br dönüştürücü olmaya adaydır. Grş güç faktörü kontrol edleblmektedr. Yükün güç faktörü ster kapastf sterse endüktf olsun matrs dönüştürücünün şebekeden brm grş güç faktöründe akım çekmes sağlanablmektedr. Faydalı frenleme yapılablmektedr. Matrs dönüştürücü yapısı gereğ k yönlü güç akışını sağlayan doğal br yeteneğe sahptr. Bu özellk, asansörler, vnçler ve hbrd elektrk araçları gb sık sık faydalı frenleme gerektren uygulamalar çn çok önemldr.

16 4 Çıkış frekansı kontrol edleblmektedr. Matrs dönüştürücünün çıkış frekansı, hem grş frekansından küçük hem de büyük değerlere ayarlanablmektedr. Frekans dönüştürücülere göre matrs dönüştürücünün en öneml üstünlüğü bu özellğdr. Şebekeden düşük harmonkl grş akımı çekleblmektedr. Tüm bu üstün özellklerne rağmen matrs dönüştürücünün endüstryel uygulamalarda hala terch edlmemesnn bazı sebepler vardır. Bunlar, Matrs dönüştürücünün çıkış gerlmnn genlğ, grş gerlmnn genlğnn maksmum / s le sınırlıdır. Yüksek gerlm gerektren uygulamalarda yükseltc br transformatör kullanılması gerekeblr. AC-DC-AC güç dönüştürücüsüne oranla çok sayıda güç elektronğ elemanı ve sürücüsü kullanılmaktadır. Matrs dönüştürücü güç devres çn on sekz adet yarı letken güç anahtarı ve on sekz hızlı dyottan oluşan dokuz adet k yönlü anahtar gerekmektedr. Daha fazla güç elektronğ malzemes, genellkle tüm sstem çn daha fazla malyet ve daha az güvenlrlk anlamına gelmektedr. Hızlı ver şleyen şlemcler ve karmaşık br kontrol algortmasına htyaç duyulmaktadır. Matrs dönüştürücünün doğru şeklde çalışması, karmaşık modülasyon ve kontrol algortmalarını gerçekleştrmek çn hızlı hesaplama yeteneğne bağlıdır. Güç kaynağı, herhang br DC ara hat olmaksızın doğrudan yüke bağlandığı çn şebeke tarafındak bozukluk veya harmonkler matrs dönüştürücünün çıkışını etklemektedr. Grş tarafında br fltre kullanılması gerekmektedr. İk yönlü anahtarların komütasyon problemler, malzemelern hasar görmesne neden olablmektedr. Matrs dönüştürücünün korunması şu ana kadar tamamen çözülememş olan öneml br konudur. Zorlamalı komütasyonlu frekans dönüştürücüler çn matrs dönüştürücü sm, lk kez 1980 de Venturn tarafından ortaya atılmıştır (Venturn 1980). Yazarlar matrs dönüştürücünün düşük frekans davranışlarını tanımlamak çn br

17 5 matematksel model gelştrmşlerdr. Grş tarafındak gerlm ve akım le çıkış tarafındak gerlm ve akım arasındak lşky tanımlamak çn modülasyon matrs fadesn kullanmışlardır. Bu modülasyon metodu, Venturn modülasyon (VM) metodu veya doğrudan transfer fonksyonu yaklaşımı olarak blnmektedr (Wheeler ve ark. 00, Karaca ve Akkaya 006, Karaca ve Akkaya 008). Bu metotta çıkış gerlmler, grş gerlmler le modülasyon matrsnn çarpılmasıyla elde edlmektedr. İlk VM metodunda elde edleblecek çıkış gerlmnn maksmum genlğ, grş gerlm genlğnn maksmum %50 s le sınırlıdır. Daha sonra 1989 da Venturn tarafından optmum genlkl VM (OGVM) metodu ortaya atılmıştır. OGVM metodunda, çıkış gerlmnn maksmum genlğn grş gerlmnn %86,6 sına yükseltmek çn stenen çıkış gerlmlerne, grş gerlmlernn üçüncü harmonkler eklenr, çıkış gerlmlernn üçüncü harmonkler de çıkartılır (Alesna ve Venturn 1989). 198 de Rodrguez tarafından hayal doğru akım hattına dayanan farklı br kontrol teknğ sunulmuştur (Rodrguez 198). Bu metotta her br çıkış hattı darbe genşlk modülasyon teknğ kullanılarak en poztf ve en negatf grş hatları arasında anahtarlanmaktadır. Bu metoda dolaylı transfer fonksyonu yaklaşımı adı verlmektedr. Braun ve Hasse (198) ve Kastner ve Rodrguez (1985) matrs dönüştürücünün kontrol ve analznde uzay vektörlern kullanımını tanıtmıştır. Huber (1989), UVM metodunun prensplern deneysel olarak matrs dönüştürücü modülasyon problemne uyguladı ve daha sonrak yıllarda bu konuda brkaç makale daha yayınladı (Huber ve Borojevc 1989, 1995, Huber ve ark. 1989, 1990, 199, 199). Günümüzde matrs dönüştürücü üzerne araştırmalar genellkle, komütasyon stratejsnn güvenl br şeklde gerçekleştrlmes (Youm ve Kwon 1999), koruma problem (Nelsen ve ark. 1997, Mahlen ve Braun 000), k yönlü anahtarların üretlmes ve paketlenmes (Chang ve ark. 1999, Klumpner ve ark. 000), grş fltre tasarımı (Wheeler ve ark. 1994, Klumpner ve ark. 000) ve dstorsyonlu grş gerlm koşulları altında çalışması (Karaca ve ark. 008, Karaca ve Akkaya 009) üzernde yoğunlaşmıştır.

18 Tezn Amacı ve Önem Matrs dönüştürücüler, m-fazlı kaynağı n-fazlı yüke doğrudan bağlayan matrs şeklnde yerleştrlmş kontrollü ve k-yönlü yarı letken anahtarlar le gerçekleştrlen güç dönüştürücülerdr. Matrs dönüştürücülern temel görev, AC grş gerlmn, doğrudan genlğ ve frekansı değştrleblen AC çıkış gerlmne dönüştürmektr. Matrs dönüştürücülerdek en temel problemler, kontrolünün ve akım komütasyonunun zor, gerlm transfer oranının sınırlı olması ve çıkış gerlmnn grş gerlmndek bozulmalardan etklenmesdr. Bu tez çalışmasında, Uzay Vektör Modülasyon (UVM) metoduyla kontrol edlen br matrs dönüştürücü modellenerek smülasyonları yapılacak ve pratk olarak gerçekleştrlecektr. UVM kontrollü üç fazlı br matrs dönüştürücünün performansını yleştrmek ve aşağıdak problemlern üstesnden gelmek çn yen br kontrol algortmasının gelştrlmes amaçlanmaktadır. Matrs dönüştürücülerde kullanılan tam kontrollü k-yönlü anahtarların eş zamanlı komütasyonunu gerçekleştrmek çok zordur. Çünkü komütasyon esnasında güç yarı letkenlernn hasar görmesne neden olan aşırı akım veya aşırı gerlmler oluşablmektedr. Bu problem, anahtarların güvenl çalışmasını sağlayan yen komütasyon stratejlernn gelştrlmesn gerektrmektedr. Çalışmanın amaçlarından br, bu komütasyonların güvenl şeklde gerçekleştrlmesn sağlamaktır. Matrs dönüştürücülerde elde edleblecek maksmum gerlm transfer oranı %86,6 dır. Bu çalışmada bu değern elde edlmes amaçlanmaktadır. Matrs dönüştürücülern grşndek AC şebekede oluşan herhang br bozukluk doğrudan çıkışında da görülmektedr. Şebeke tarafındak bozuklukların çıkışa yansıması engellenerek matrs dönüştürücünün çıkış performansı artırılablr. Bu tez çalışmasında UVM metoduyla kontrol edlen matrs dönüştürücünün çıkış performansını artırmak çn yen br kompanzasyon teknğnn matematksel olarak modellenmes, Matlab&Smulnk programı kullanılarak dönüştürücünün smülasyonunun gerçekleştrlmes ve sstemn pratk olarak uygulanması amaçlanmaktadır.

19 7 Matrs dönüştürücülern nverterlere göre pek çok üstün özellk sunmasına rağmen sanayde hala nverterlern terch edlmesnn sebeb, matrs dönüştürücülern kontrolünün çok karmaşık ve zor olmasıdır. Ancak matrs dönüştürücünün kontrolünün üstesnden gelmek, matrs dönüştürücü sstemnn üç fazlı AC-AC güç dönüşümü gerektren yerlerde özellkle de endüstrde tüketlen elektrk enerjsnn yaklaşık %60-70 n kullanan AC motorların kontrolünde kullanılmasına yol açacaktır. Ayrıca gelecekte daha da yaygınlaşacak olan rüzgar enerj sstemlernn, üstün frekans ve genlk kontrolü yapablmes nedenyle matrs dönüştürücüler çn öneml br uygulama alanı olması beklenmektedr. 1.. Tezn Organzasyonu Tezn brnc bölümünde, AC-DC-AC güç dönüştürücüler le AC-AC güç dönüştürücülernn karşılaştırılması ve matrs dönüştürücülern kısa br tarhçes sunulmuştur. Ayrıca tezn amacı ve önem le tezn organzasyonu bu bölümde verlmştr. İknc bölümde, yayınlandığı tarh sırasına göre matrs dönüştürücülern Venturn ve UVM metotlarıyla kontrolünü çeren çalışmalar ve özellkle dstorsyonlu grş gerlm koşulları altında matrs dönüştürücünün kontrolü hakkındak çalışmalar ncelenmştr. Üçüncü bölümde, matrs dönüştürücünün temeller ve matematksel modelnn yanında matrs dönüştürücüde kullanılan yarı letken anahtar yapıları, akım komütasyonu ve matrs dönüştürücülerde karşılaşılan koruma problemler ele alınmıştır. Dördüncü bölümde, matrs dönüştürücünün kontrolünde kullanılan Venturn ve UVM metotları verlmştr. Ayrıca UVM metoduyla kontrol edlen matrs dönüştürücüde, anahtarlama vektörlernn seçlmes ve sınıflandırılması, anahtarların letm sürelernn hesaplanması ve anahtarların letme grme sırasının bulunması ayrıntılı br şeklde ncelenmştr. Beşnc bölümde, UVM metoduyla kontrol edlen matrs dönüştürücünün deneysel gerçekleştrlmes çn kullanılan devreler anlatılmıştır. Öncelkle matrs

20 8 dönüştürücünün tüm kontrolünün gerçekleştrldğ DSP kartı hakkında blg verlmştr. Daha sonra tasarlanan ölü zaman ekleme devres, sıfır geçş algılama devres, IGBT sürücü devres, aşırı akım ve kısa devre koruma devres, matrs dönüştürücü güç devres ve koruma devreler anlatılmıştır. Altıncı bölümde, UVM metoduyla kontrol edlen matrs dönüştürücünün deneysel ve smülasyon sonuçlarına yer verlmştr. Bunun çn öncelkle Matlab&Smulnk ortamında sstemn model oluşturulmuştur. Daha sonra, farklı çıkış frekanslarına göre elde edlen smülasyon ve deneysel sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Yednc bölümde, dstorsyonlu grş gerlmlernn bozucu etklernn yok edlmes konusu ncelenmştr. Öncelkle deal grş gerlmlernde ve dstorsyonlu grş gerlmlernde herhang br kompanzasyon teknğ kullanılmadan matrs dönüştürücünün kontrolü ele alınmış ve smülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Daha sonra dstorsyonlu grş gerlmlernde matrs dönüştürücünün çıkış performansını yleştrmek çn ler besleme kompanzasyon teknğ, bulanık mantık kontrolör temell yen br ger besleme teknğ ve bulanık mantık kontrolör temell kompanzasyon sstem le ler besleme kompanzasyon sstemnn brleşmnden oluşan br hbrd sstem model önerlmş ve smülasyon sonuçları verlmştr. Sekznc bölümde se, tez çalışmasında elde edlen sonuçlar tartışılmış ve gelecekte matrs dönüştürücü hakkında çalışma yapacak araştırmacılara önerler sunulmuştur.

21 9. KAYNAK ARAŞTIRMASI Bu bölümde öncelkle, matrs dönüştürücülern Venturn (doğrudan transfer fonksyonu yaklaşımı) ve UVM metotlarıyla kontrolünü çeren çalışmalar ve özellkle dstorsyonlu grş gerlm koşulları altında matrs dönüştürücünün kontrolü hakkındak çalışmalar ncelenmştr. Alberto Alesna ve Marco G.B. Venturn, 1989, yaptıkları çalışmada Darbe Genşlk Modülasyonlu (PWM) doğrudan AC-AC dönüştürücüler çn maksmum genlk transfer oranını bulmuşlar ve gerçek sınır olarak, V o = 0,866.V g değern elde etmşlerdr. Çalışmalarında maksmum çıkış genlk yeteneğne sahp orjnal br dönüştürücü kontrol algortmasını tartışmışlar ve bazı lgnç yen özellkler göstermşlerdr. Sonuç olarak, ger besleme teknklernn kullanımı le AC-AC dönüştürücünün kontrolünü gerçekleştrmenn mümkün olduğunu düşünmüşler ve matrs dönüştürücüler çn ger besleme temell br kontrol algortması önermşlerdr. L. Zhang, C. Watthanasarn, W. Shepherd, 001, doğrudan AC-AC matrs dönüştürücüler çn özgün br PWM teknğ sunmuşlardır. Gelştrdkler algortma, Venturn metoduyla aynı mantığa dayanmakta ve ölçülen grş gerlmlern dkkate almaktadır. Yazarlar, gelştrdkler teknkle, grş gerlmlernde br dengeszlk olduğunda ble dengel çıkış gerlmler üretmşlerdr. DSP temell sstem kullanılarak gerçekleştrlen bu kontrol teknğn, 1 HP lk asenkron motoru süren br matrs dönüştürücüye uygulamışlar ve deneylerden elde edlen akım ve gerlm dalga şekllern vermşlerdr. Sedat Sünter, Hüseyn Altun ve Jon C. Clare, 00, grş gerlm değşmlernn etklern telaf etmek çn br kontrol teknğn sunmuşlardır. Geleneksel algortmalar, anahtarlama snyallern üretrken grş gerlm hakkında varsayımlar yaptığı çn grş gerlmndek değşmler telaf edemezler. Yaptıkları bu çalışmada, smülasyon ve deneysel sonuçlar sunarak önerlen kontrol algortmasının performansını kanıtlamışlardır.

22 10 P. Wheeler, J. Rodrquez, J. Clare, L. Emprngham ve A. Wensten, 00, yaptıkları çalışmada kısa br tarhsel ncelemeyle bu dönüştürücünün gelşmesnde en gelşmş bakış açısını sunmuşlardır. Makalenn büyük br kısmını son zamanlarda gelştrlen kontrol stratejlernn ve en öneml modülasyon teknklernn tartışılmasına ayırmışlar ve komütasyon problemn çözmek çn gelştrlen modern metotları sunmaya özel br önem vermşlerdr. Ayrıca tek br modülde brleştrlen güç yarı letken anahtarlarının bazı yen yapılarını sunmuşlardır. Sonuç olarak yaptıkları bu çalışmada, aşırı gerlm koruması, fltrelern kullanımı gb bu teknolojnn pratk uygulamaları le lgl bazı konuları ele almışlardır. Hüseyn Altun ve Sedat Sünter, 00, yaptıkları bu çalışmada, üç fazlı matrs dönüştürücü, asenkron motor, alan yönlendrme kontrolörü ve güç kaynağından oluşan br Smulnk model sunmuşlardır. Burada bastleştrlmş br Venturn modülasyon algortması kullanmışlardır. Bu algortmayla yükün yer değştrme faktöründen bağımsız olarak grşte brm yer değştrme faktörü elde etmşlerdr. Dönüştürücünün hem grş hem de çıkış tarafı çn smülasyon sonuçları sunmuşlar ve brm grş yer değştrme faktörlü yüksek performanslı matrs dönüştürücü le br asenkron motorun beslenebleceğn kanıtlamışlardır. Ka Sun, Danng Zhou, Lpe Huang ve Kouk Matsuse, 004, yaptıkları bu çalışmada, snüzodal olmayan ve kısa sürel gerlm çöküntüler gb anormal grş gerlm koşulları altında matrs dönüştürücülü sürücünün davranışlarını ncelemşlerdr. Matrs dönüştürücünün çıkış performansını gelştrmek çn çıkış akımının kapalı çevrm kontrolüne dayanan br ger besleme telaf metodu önermşlerdr. Ayrıca anormal grş gerlmlernde asenkron motorun sürücü performansını sağlamak ve matrs dönüştürücünün çıkış gerlmlern telaf etmek çn grş gerlmnn anlık değerlern ölçerek br ler besleme telaf metodu gelştrmşlerdr. Önerlen bu k telaf metodunun etknlğ ve uygulanablrlğn sayısal smülasyonlar ve deneysel testler vasıtasıyla kanıtlamışlardır. J. Rodrguez, E. Slva, F. Blaabjerg, P. Wheeler, J. Clare, J. Pontt, 005, yaptıkları bu çalışmada matrs dönüştürücünün çalışma prensplern analz etmşlerdr. Grş fltresn de çeren güç devresn temsl eden bast br model

23 11 önermşlerdr. Güç yarı letkenlern deal k yönlü anahtarlar olarak modellemşler ve matrs dönüştürücüyü doğrudan transfer fonksyonu yaklaşımı kullanarak kontrol etmşlerdr. İk anahtar arasındak komütasyon problemn ve aşırı gerlm üretmn açıklamışlardır. Yazarlar ayrıca anahtarların güvenl komütasyonunu sağlayan br yumuşak anahtarlamalı komütasyon metodundan bahsetmşlerdr. Hulus Karaca ve Ramazan Akkaya, 006, üç faz üç faz matrs dönüştürücü çn br PSIM model gelştrmşler ve matematksel olarak matrs dönüştürücünün analzn gerçekleştrmşlerdr. Küçük br grş fltresne sahp güç model önermşlerdr. Bu fltre, grş akımında meydana gelecek anahtarlama frekansı cvarındak harmonkler sönümlemektedr. Matrs dönüştürücünün kontrolünde se optmum genlkl doğrudan transfer fonksyonu yaklaşımını kullanılmıştır. Çeştl çalışma koşullarında modelden elde edlen smülasyon sonuçları sunulmuştur. Sonuç olarak, matrs dönüştürücü pratk olarak gerçekleştrlrken tasarlanan PSIM modelnden güvenl br şeklde faydalanılableceğ kanıtlanmıştır. Sandeep Bala ve Gr Venkataramanan, 006, snüzodal olmayan akı dağılımlı br fırçasız DC motoru sürmek çn RB-IGBT l (ters bloklamalı zole kapılı bpolar transstör) br matrs dönüştürücü kullanım metodunu sunmuşlardır. Sstemn çıkış akımı dkdörtgen, grş akımı se snüzodaldr. RB-IGBT modüllern, motor akımları çn gerekl olan serbest geçş yolları sağlamak çn kullanmışlardır. Yazarlar yaptıkları çalışmada, seçlen tasarım konusunu tartışmanın yanında uygun br taşıyıcı temell modülasyon stratejs sunmuşlar ve hem smülasyon hem de deneysel sonuçları vererek sstemn avantaj ve dezavantajlarını belrlemşlerdr. D. F. Chen ve K. C. Yao, 006, yaptıkları çalışmada, dengesz koşullar altında grş akımının harmonk çerklern yok etmek çn br matrs dönüştürücüde yen br anahtarlama stratejs kullanmışlardır. Bu kontrol stratejsnde, grş gerlmler ve motor hızının poztf ve negatf anahtarlama bleşenlerne dayalı olarak sanal DC hat gerlmn değştrmşlerdr. Bu stratejy kullanarak çıkış akım dalgalılığını azaltmışlar ve grş akım harmonklern yok etmşlerdr. Böylece güç kaltesn yleştrmşlerdr. Ayrıca PMSM sürücü sstemnn pozsyon cevabını gelştrmek

24 1 çn non-lneer adaptf kontrolör önermşlerdr. Önerlen teork analz, brkaç deneysel sonuçla kanıtlamışlardır. Chrstan Clumpner, Frede Blaabjerg, Ion Boldea ve Peter Nelsen, 006, matrs dönüştürücüler çn ndrekt modülasyon model temell yen br modülasyon metodu sunmuşlardır. Önerlen modülasyon metodunda, doğrultucu katında grş akım vektörünün açı hatasına göre tek br akım vektörü seçlrken, nverter katında mnmum akı hatası elde etmek çn anahtarlama peryodu boyunca sadece br aktf vektör ve br sıfır vektörün bleşmn kullanmışlardır. Böylece anahtarlama sayısını azaltmışlardır. Ayrıca grş akımlarını ölçmeden, ölçülen çıkış akımlarına ters dönüşüm uygulayarak grş akım vektörünün kapalı çevrm kontrolünü de yapmışlardır. Hassan Nkkhajoe, Ahmadreza Tabesh ve Reza Iravan, 006, br matrs dönüştürücünün dnamk br modeln gelştrmek çn sstematk br yaklaşım sunmaktadır. Bu çalışmada, matrs dönüştürücü le şebeke dağıtım sstem ve yüksek hızlı mkro türbn jeneratör gb farklı gerlm veya frekanslı k adet üç fazlı AC sstem brbrne bağlamışlardır. Kontrolörün gelştrlen modelnn ve performansının doğruluğu, PSCAD/EMTDC yazılımından elde edlen sonuçlarla, çalışma sonuçlarının karşılaştırılmasına dayanılarak değerlendrlmştr. Danng Zhou, Zhchao Lu, Lpe Huang, Kouk Matsuse, Kyoak Sasagava, 007, yaptıkları bu çalışmada matrs dönüştürücülerde kullanılan RB-IGBT çn özgün br sürme ve koruma devres önermşlerdr. İletme ve kesme grme geçşlern azaltmak çn sürme devresnde kullanılacak dnamk br akım kaynağını tanıtmışlar ve kolektör akımının d/dt sn ve kolektör-emtör gerlmnn dv/dt sn sınırlandırmışlardır. Sonuç olarak önerlen sürme ve koruma devresyle matrs dönüştürücü çalışmasında güvenl br komütasyon gerçekleştrmşlerdr. Ikuya Sato, Jun-ch Itoh, ve ark., 007, yaptıkları çalışmada grş gerlm bozulmalarını telaf etmek çn anlık etkn güç kontrolü (IEPC) metodunu önermşlerdr. Bu metotta grş akımı kontrol edlerek anlık etkn güç sabt tutulmaktadır. Yazarlar bu makalede lk olarak IEPC metodunu teork olarak

25 1 açıklamışlar, sonra IEPC l sstemn br modeln gelştrmşler ve sstemn kararlılık analzn yapmışlardır. Daha sonra analz sonuçlarına dayanarak IEPC l sstem çn br kararlılık kontrol metodu önermşlerdr. Önerlen metodun geçerllğn smülasyon ve deneylerle kanıtlamışlardır. Sonuç olarak anlık güç keslmesnden sonra sstemn tekrar çalışma performansını tartışmışlardır. IEPC, grş gerlmnn faz açısını tespt etmek çn faz kltleme çevrmne htyaç duymadığından tekrar çalışması çok hızlı olmaktadır. Matt Jussla eve Hekk Tuusa, 007, uzay vektör modülasyonlu üç fazlı dolaylı matrs dönüştürücüdek (IMC) smetrk gerlm harmonklernn etklern ncelemşlerdr. Bozulmuş kaynak gerlml pratk ve smülasyon sonuçlarını saf snüzodal kaynak gerlml sonuçlarla karşılaştırmışlardır. Smülasyon ve pratk ölçümler kullanılarak IMC nn dört temel kontrol metodunu (1- ölçümsüz açık çevrm kontrol, - ölçülen kaynak gerlmler kullanılarak modülasyon ndeksnn hesaplanması, - çıkış akımlarının kapalı çevrm kontrolü, 4- kaynak gerlm ölçülerek kapalı çevrm çıkış akım kontrolü) test etmşlerdr. Hulus Karaca, Ramazan Akkaya ve Hüseyn Doğan, 008, yaptıkları çalışmada dstorsyonlu grş gerlm koşulları altında matrs dönüştürücünün kontrolünü gerçekleştrmşler ve çıkış akımlarının bu grş gerlmlernden etklenmesn önlemek çn bulanık mantık temell orjnal br kompanzasyon metodu önermşlerdr. Bu metot çıkış akımlarının kapalı çevrm kontrolüne dayanmaktadır. Önerlen metodun etknlğn kanıtlamak çn çok çarpıcı smülasyon sonuçları sunmuşlardır. Hulus Karaca ve Ramazan Akkaya, 009, optmum genlkl Venturn metodu le kontrol edlen br matrs dönüştürücünün davranışını analz etmşler ve grş gerlmlerndek herhang br bozukluğun veya dengeszlğn dönüştürücünün çıkışına yansımasını önleyen PI kontrolör temell br kompanzasyon metodunu önermşlerdr. Önerlen metot, çıkış akımlarının kapalı çevrm kontrolüne dayandığından yük tarafının harmonk çerğn azaltmanın yanında yük akımının kararlı br kontrolünü de sağlamaktadır.

26 14 Vnod Kumar, R. R. Josh ve R. C. Bansal, 009, dört kollu yen br matrs dönüştürücü ve br rüzgâr enerj dönüşüm şemasını önermşlerdr. Bu sstemde matrs dönüştürücüyü asenkron jeneratör le şebeke arasında br arabrm olarak kullanmışlardır. Jeneratör sstem, vektör kontrollü bulanık mantık kontrolöre sahptr. Bulanık mantık kontrolör, maksmum güç elde etmek çn rüzgâr hızı le açısal frekansı zlemekte ve küçük yüklerde verm artırmak çn maknenn akısını programlamaktadır. Sonuç olarak, bu kontrol sstemnn smülasyon sonuçları sunulmuştur. P. Zanchetta, P. Wheeler, L. Emprngham ve J. Clare, 009, üç fazlı br güç kaynağı elde etmek çn br matrs dönüştürücü ve değşken hızlı dzel jeneratörü brlkte kullanmışlardır. Jeneratörün sürekl mıknatıslı alternatöründen değşken gerlm ve frekans grş sağlanırken matrs dönüştürücü, harmonk ve geçc cevap gereksnmlern karşılamak çn tasarlanmıştır. Bu durum jeneratörün kararlı güç vermesn sağlamıştır. Bu çalışmada off-lne br güç kaynağı olarak 10 kw lık deneysel br prototp tasarlanmış, gerçekleştrlmş ve test edlmştr. D. Casade, G. Serra, A. Tan ve L. Zar, 009, yaptıkları bu çalışmada endüktf yükler besleyen uzay vektör modülasyon metodu le kontrol edlen br matrs dönüştürücünün akım kaltesn artırmayı hedeflemşlerdr. Gerçekleştrlen analzn sonucu olarak, mnmum yük akımı dalgalılığı sağlayan anahtarlama model çn sıfır vektörlern optmal kullanımının belrlenmesnn gerekllğ ortaya çıkmıştır. Anahtarlama modelnn optmzasyonu, akımın dalgalılığını gösteren α-β eksenndek şekln grafksel analzne dayanmaktadır. Bu çalışmada sonuç olarak, önerlen stratejnn akım dalgalılığının geleneksel UVM metodununknden daha düşük olduğu smülasyon ve deneysel sonuçlarla kanıtlamıştır. C. Ortega, A. Aras ve ark., 010, br sürekl mıknatıslı senkron motoru sürmek çn doğrudan moment kontrolü kullanıldığı zaman ortaya çıkan moment dalgalılığını azaltmak çn farklı genlkl grş gerlmlernde matrs dönüştürücünün kullanımını ncelemşlerdr. Dönen vektörler kullanmadan matrs dönüştürücüler

27 15 çn grş gerlm vektörlernden faydalanılarak, moment hatasına göre seçlen yen br başvuru tablosu gelştrmşlerdr. Böylece, çıkış akımı toplam harmonk dstorsyonu ve elektromanyetk moment dalgalılığında br mktar azalma elde etmşlerdr.

28 16. MATRİS DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Bu bölümde, üç faz üç faz matrs dönüştürücünün çalışması, kullanılan güç anahtarları ve grş fltresnn genel br tanımlanmasının yanında karşılaşılacak komütasyon ve koruma problemlernn üstesnden gelmek çn kullanılan bazı teknkler ele alınmıştır..1. Matrs Dönüştürücünün Temeller Matrs dönüştürücü, Şekl.1 dek gb m-fazlı AC grş gerlmlern doğrudan n-fazlı AC çıkış gerlmlerne dönüştüren br güç dönüştürücüsüdür. Teork açıdan grş faz sayısı (m) en az üç olmakla brlkte çıkış faz sayısı (n) brden sonsuza kadar herhang br sayıda olablr. Bununla brlkte, anahtarları x şeklnde yerleştrlmş br matrs dönüştürücü pratk açıdan en öneml güç dönüştürücüsüdür. Çünkü bu dönüştürücü, üç fazlı br kaynağı tamamen slkon anahtarlar üzernden üç fazlı yüke (genellkle br asenkron motora) doğrudan bağlamaktadır. A Grş hatları B C D E... a b c d e f... Çıkış hatları Şekl.1. Genelleştrlmş matrs dönüştürücü Matrs dönüştürücüler, geleneksel doğrultucu nverter tp güç frekans dönüştürücülere göre bazı üstün özellklere sahptr. Bu dönüştürücüler, mnmum yüksek derecel harmonğe sahp snüzodal grş ve çıkış akımı sağlamakta olup k

29 17 yönlü doğal enerj akışı yeteneğne sahptr ve grş güç faktörü kontrol edleblmektedr. Ayrıca, dönüştürücü sstemnn ömrünü sınırlayan ve çok fazla yer kaplayan DC hat kapastörlerne htyaç duymadan çok küçük br enerj depolama gereksm vardır. Bunların yanında, matrs dönüştürücüler bazı dezavantajlara da sahptr. Dönüştürücünün maksmum grş çıkış gerlm transfer oranı, snüzodal grş ve çıkış dalga şekller çn %86,6 le sınırlıdır. Dolaylı frekans dönüştürücülere oranla daha fazla yarıletken eleman gerektrmektedr. İk yönlü çalışablen tek br anahtar olmadığından, güç anahtarı tek yönlü ayrık elemanlar kullanılarak tasarlanmaktadır. Ayrıca, dönüştürücünün çıkışı, grş gerlmndek bozukluğa karşı duyarlıdır. Tpk br üç faz üç faz matrs dönüştürücü sstem Şekl. de verlmştr. Görüldüğü gb sstem üç fazlı br AC gerlm kaynağı, üç fazlı küçük br grş fltres, her br k IGBT ve k hızlı dyottan oluşan dokuz adet k yönlü güç anahtarı, br gerlm kenetleme (clamp) devres ve üç fazlı br yükten meydana gelmektedr. Görüldüğü gb matrs dönüştürücünün güç devres oldukça basttr. Ancak, şeklde gösterlmeyen güç anahtarı sürücüler, kontrol devreler ve kontrol metotları oldukça karmaşık br yapıya sahptr. Üç fazlı kaynak N Grş fltres L I A I B I C Matrs dönüştürücü S Aa S Ba S Ca S Ab S Ac S Bb S Bc S Cb S Cc I a I b I c Üç fazlı AC Yük C Kenetleme devres Şekl.. Üç faz üç faz matrs dönüştürücü sstem

30 18 Matrs dönüştürücüler yapısı gereğ anahtarlar letmden çıkarıldığında akımın akacağı serbest geçş yollarına sahp değldr. Akım taşıyan endüktf br yük açık devre yapıldığında anahtarlara hasar verecek aşırı gerlmler meydana geleblmektedr. Bu yüzden anahtarların aşırı gerlmlere karşı korunması çn ssteme br gerlm kenetleme devres eklenmektedr. Sstemn kaynak tarafındak akım harmonklern azaltmak çn br grş fltres kullanılmaktadır. Ayrıca çıkış gerlmn düzeltmek çn br çıkış fltres eklenmes de gerekeblr. Asenkron maknenn kends br alçak geçren fltre gb davrandığından pratk uygulamalarda ayrıca br çıkış fltres kullanılmasına gerek yoktur Matrs Dönüştürücünün Matematksel Model Matrs dönüştürücüde çıkış gerlmnn br fazı, üç fazlı grş gerlm dalgalarının uygun parçaları brleştrlerek elde edlmektedr. Grş katının K fazını yükün j fazına bağlayan ya da ayıran her br anahtar aşağıdak gb anahtarlama fonksyonu le fade edlmektedr (Rodrguez ve ark. 005). S 0 SKj anahtarı açk (t) = K = {A,B,C}, j {a,b,c} (.1) 1 SKj anahtarı kapalı Kj = Matrs dönüştürücünün çıkış gerlmler ( v jn ), bu anahtarların uygun br kombnasyona göre anahtarlanmasıyla elde edlmektedr. Matrs dönüştürücü kontrol edlrken her zaman Şekl. te görüldüğü gb aşağıdak k kurala uygun hareket etmek gerekmektedr. Matrs dönüştürücü br gerlm kaynağı tarafından beslendğnden kısa devreler önlemek çn herhang k grş fazı asla aynı çıkış fazına bağlanmamalıdır. Matrs dönüştürücüde endüktf yük akımının akacağı br serbest geçş yolu bulunmadığından aşırı gerlmlern oluşmasını engellemek amacıyla br çıkış fazı tamamen açık devre edlmemeldr. Her k durumda Şekl. te görülmektedr.

31 19 L L C C (a) Yük (b) Yük Şekl.. Matrs dönüştürücü kontrol kuralları a) grş fazı kısa devre edlmemel b) çıkış fazı açık devre edlmemel Yukarıda bahsedlen k kısıtlama matematksel olarak aşağıdak denklem le fade edleblr. K= A,B,C SKa (t) = SKb (t) = SKc (t) = 1 K= A,B,C K= A,B,C (.) Bu kurallara göre, üç faz üç faz br matrs dönüştürücüde 9 = 51 adet olası anahtarlama kombnasyonu oluşmakta ancak bunların arasından matrs dönüştürücünün kontrolünde kullanılmak üzere sadece 7 farklı anahtarlama durumuna müsaade edlmektedr (Karaca ve Akkaya 009). Kaynağın nötr noktasına göre sırasıyla yük ve kaynak gerlmler denklem (.) ve (.4), grş ve çıkış akımları da denklem (.5) ve (.6) dak vektörlerle fade edleblr. v an (t) v o = v jn (t) = v bn (t) (.) v (t) cn v AN (t) v = v KN (t) = v BN (t) (.4) v (t) CN

32 0 A (t) I = K (t) = B (t) (.5) (t) C a (t) I o = j(t) = b (t) (.6) (t) c Matrs dönüştürücünün modülasyon stratejsn gerçekleştrmek çn br matematksel modeln gelştrlmes gerekmektedr. Matrs şeklnde dzlmş dokuz adet k yönlü anahtara Krchhoff un gerlm kanunu uygulanarak üretlen yük gerlmler anahtarlama fonksyonlarına bağlı olarak denklem (.7) le fade edleblr. van (t) S Aa (t) SBa (t) SCa (t) v bn (t) SAb (t) SBb (t) SCb (t) = vcn (t) S Ac (t) SBc (t) SCc (t) v A o v AN (t) v BN (t) v CN (t) v (.7) Burada A, anlık transfer matrsdr. Buna göre, çıkış gerlm denklem (.8) dek eştlkle fade edleblr. v o = A. v (.8) Aynı şeklde anahtarlara Krchhoff un akım kanunu uygulanarak, grş ve çıkış akımları arasındak lşk, matematksel olarak denklem (.9) le fade edleblr. A (t) S Aa (t) SAb (t) SAc (t) B (t) SBa (t) SBb (t) SBc (t) = C (t) S Ca (t) SCb (t) SCc (t) T A a (t) b (t) c (t) o (.9)

33 1 A T, anlık transfer matrsnn transpozes olmak üzere akım fades aşağıdak gb bastleştrleblr. T = A. o (.10) Denklem (.8) ve (.10) grş ve çıkış büyüklükler arasındak anlık lşky tanımlamaktadır. Modülasyon kuralları türetlrken kullanılan anahtarlama modeln de göz ardı etmemek gerekr. Matrs dönüştürücülerde, genellkle Şekl.4 dek anahtarlama modelne benzer br yapı kullanılmaktadır. S Aa =1 S Ba =1 S Ca =1 Çıkış fazı a S Ab =1 S Bb =1 S Cb =1 Çıkış fazı b S Ac =1 S Bc =1 S Cc =1 T s (anahtarlama peryodu) Çıkış fazı c Şekl.4. Matrs dönüştürücü anahtarlama model İk yönlü güç anahtarlarının yüksek anahtarlama frekansında çalıştığı düşünülürse, anahtarlama fonksyonlarına göre anahtarların letm oranları ayarlanarak değşken genlk ve frekansa sahp düşük frekanslı çıkış gerlmler elde edleblr. S Kj anahtarının letmde olduğu süre t Kj ve örnekleme süres T s olarak fade edlrse, S Kj anahtarının letm oranı denklem (.11) dek gb tanımlanablr. t Kj m Kj (t) = (.11) T s

34 Burada 0 m Kj 1 dr. Anahtarlama oranına bağlı olarak üç fazlı matrs dönüştürücü çn düşük frekanslı transfer matrs M ( t), aşağıdak gb yazılablr. () M t m = m m Aa Ab Ac (t) (t) (t) m m m Ba Bb Bc (t) (t) (t) m m m Ca Cb Cc (t) (t) (t) (.1) İdeal grş gerlm koşulları altında matrs dönüştürücünün grş tarafının, üç fazlı snüzodal grş gerlmlerne sahp olduğu kabul edlrse, grş gerlmler aşağıdak gb verlr. cos(ω t) sk = VsKm cos(ω t + π/) (.1) cos(ω t + 4π/) [ v (t)] Buna göre her br çıkış faz gerlmnn düşük frekans bleşenler çn denklem (.14) ve her br grş faz akımının düşük frekanslı bleşenler çn se denklem (.15) yazılablr. v jn (t) = M(t).v K (t) (.14) T K (t) = M(t). j(t) (.15).1. Matrs Dönüştürücüde Kullanılan Anahtarlar Matrs dönüştürücü her k yönde de akımı leteblen ve gerlm bloklayablen k yönlü anahtarlar gerektrmektedr. Günümüzde bu şlev yerne getren k yönlü br anahtar mevcut olmadığından matrs dönüştürücü anahtarları, dyotlar ve IGBT gb tek yönlü anahtarların çeştl bağlantı kombnasyonları kullanılarak gerçekleştrleblr (Wheeler ve ark. 00).

35 .1..1 Ayrık yarıletkenlerle gerçekleştrlen anahtarlar Şekl.5 de ayrık yarıletkenlerle gerçekleştrlen ve matrs dönüştürücüde en fazla terch edlen k yönlü çeştl anahtar yapıları görülmektedr. a) NPT-IGBT l anahtar b) Köprü dyotlu anahtar E c) Ortak emtörlü anahtar C d) Ortak kollektörlü anahtar Şekl.5. Matrs dönüştürücüde kullanılan anahtarlar a. NPT-IGBT l İk Yönlü Anahtar Bu anahtar yapısı, ters-ser bağlı dyota htyaç duymadan gerlm ters yönde bloklayablen k adet NPT-IGBT nn (non-punch through IGBT) Şekl.5a da görüldüğü gb ters paralel şeklde bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Akım sadece br anahtar üzernden geçtğnden, bu yapıda letm kayıpları dğer yapılara göre daha küçük olmaktadır. Ancak uygulamalarda en çok terch edlen anahtar olmamasının sebeb gerlm bloklama yeteneğnn sınırlı olmasıdır. b. Köprü Dyotlu İk Yönlü Anahtar Matrs dönüştürücünün lk gelşm dönemlernde Şekl.5b de görülen köprü dyotlu k yönlü anahtarlar kullanılmıştır. Bu anahtar hücresnn en öneml avantajı akımın sadece tek br IGBT tarafından taşınmasıdır. Böylece, her br hücre çn sadece br kapı sürücüsü yeterl olmaktadır. Ancak her letm yolunda üç adet eleman

36 4 bulunmasından dolayı eleman kayıpları dğer anahtar düzeneklerne göre daha yüksektr. Ayrıca anahtar hücres vasıtasıyla akımın yönü kontrol edlememektedr. Çoğu komütasyon teknkler br hücredek her br IGBT nn bağımsız olarak kontrolüne dayandığından, bu durum köprü dyotlu anahtar çn br dezavantaj oluşturmaktadır (Tolyat ve Campbell 004). c. Ortak Emtörlü İk Yönlü Anahtar Ortak emtörlü k yönlü anahtar hücres Şekl.5c de görüldüğü gb k hızlı dyot ve ters paralel bağlı k IGBT den oluşmaktadır. Bu yapıdak dyotlar, hücreye ters gerlm bloklama yeteneğ sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Bu anahtar düzeneğ le akımın yönü bağımsız br şeklde kontrol edleblmektedr. Ayrıca herhang br anda akım sadece k eleman üzernden geçtğnden, letm kayıpları da köprü dyotlu anahtara göre daha az olmaktadır. Bu anahtarın dezavantajı se, her hücrenn kapı sürücüler çn zolel güç kaynakları gerektrmesdr (Wheeler ve ark. 00). d. Ortak Kollektörlü İk Yönlü Anahtar Ortak kollektörlü k yönlü anahtar hücres Şekl.5d de görülmektedr. İletm kayıpları ortak emtörlü yapıdak le aynı değerdedr. Ortak kollektörlü anahtarın ortak emtörlüye göre avantajı, üç faz üç faz matrs dönüştürücüde kapı sürme snyallern beslemek çn sadece altı adet zolel güç kaynağının yeterl olmasıdır. Çünkü kullanılan 18 adet IGBT çersnden üçer adednn emtörü aynı grş fazına ve üçer aded de aynı çıkış fazına bağlanmaktadır. Ancak komütasyon hücreler arasındak endüktans, problemlere neden olduğundan bu anahtar düzeneğnn pratk uygulamalarda kullanılması zordur. Bu yüzden k yönlü anahtar hücres oluşturulurken genellkle ortak emtörlü düzenek terch edlmektedr (Wheeler ve ark. 001). Hem ortak kolektörlü hem de ortak emtörlü anahtar düzeneğ IGBT ler arasındak ortak nokta bağlantısı olmadan da kullanılablr. Ancak bu ortak bağlantı, anahtarlama esnasındak geçc durumda bazı faydalar sağlamaktadır. Ayrıca ortak

37 5 emtörlü anahtar hücresndek ortak bağlantı, hücredek k IGBT ye aynı kontrol snyalnn uygulanmasını, tek br kapı sürücüsünün yeterl olmasını ve sürücüyü beslemek çn tek br zolel güç kaynağı kullanılmasını sağlar Tümleşk güç modüller Ortak emtörlü veya ortak kollektörlü k yönlü anahtar hücresnn ayrık elemanlar kullanılarak yapılması mümkündür. Ancak matrs dönüştürücüdek hücrelern sadece brsnn, brkaçının veya tamamının tek br modül olarak kullanılması, dönüştürücü boyutunun daha da küçülmesn ve kullanımının daha da kolaylaşmasını sağlamaktadır. Bu amaçla tcar olarak pyasa sürülmüş üç çeşt modül vardır. Bunlardan lk, matrs dönüştürücünün sadece br anahtar hücresn oluşturan güç modülüdür. Şekl.6 da görülen Dynex frmasının ürettğ 1700 V ve 400 A lk modül ve Şekl.7 de görülen Semkron frmasının ürettğ 600 V ve 80 A lık modül bu yapıya örnek olarak verleblr. Her k modülde ortak emtörlü k yönlü anahtar yapısındadır. Bu tezn deneysel olarak gerçekleştrlmesnde Semkron frmasının güç modülü SK80GM06 terch edlmştr. Şekl.6. Dynex frmasının k yönlü anahtar modülü (DIM400PBM17-A000)