Taner Göktaş 1,Ertan Murat 2

Transkript

1 YÜKSEK GÜÇÜ, BİRİM GÜÇ FAKTÖRÜ YÜKSETİCİ TİP KONERTÖRÜN KAYMA MOD KONTROÜ Taner Göktaş,Ertan Murat Osmancık Ömer Derere MYO Hitit Üniversitesi ASER Teknooji Teknokent, ODTÜ ÖZET Enerji verimiiği; ünyanın artan enerji taebi karşısına yeteri omayan enerji kaynakarına yaşanan arboğazan oayı, her geçen gün önemi gierek artan bir kavramır. Enerji verimiiğ güç eektroniği uyguamaarına en teme bieşeni oan güç kaitesi oukça günce bir konuur. Bu makaee; üşük maiyeti yüksek güçte DA-DA yüksetici güç faktörü üzetmei konvertörün tasarım ve benzetim anaizeri verimiştir. Düşük maiyeti ve yüksek performansı güç faktörü enetimi yükseten konvertörün çaışma mo seçimi gerekçeeri ie sunumuştur. Son oarak kayma mo kontroü yüksetici tip konvektöre anık yük eğişimi iç, konvertör çıkış geriimi ie giriş akım eğereri gözenmiştir. Anahtar Keimeer:Yüksetici Konvertör,Kayma Mo Kontro. GİRİŞ Eskien DA-DA konvertörer kontroüne küçük sya moei baz aan frekans cevabı veya eş eğrier gibi metotar kuanıırı.[5]küçük sya moei eer bir yakaşım oup beiri çaışma araığına geçeri omaktaır. Bu yüzen konvertörer çaışma noktası ışına gereki yük ve frekans cevabını karşıayamazar. Kayma mo kontro işte bu tip probemeri giermek iç kuanıan noneer kontro teknikeren biriir. Eektrik sistemere güç faktörü gerçek gücün (P), görünür güce oranı oarak tanımanır. Başka bir eyişe akım ve geriim aga şekieri arasınaki açının kosüsüür.[] Düşük güç faktörü saece görünen giriş akımının eğeri arttırmaka kamaz bunun yanına akım kapasitesi iç öeiğimiz fiyatı a artırır. Birçok hesapamaara AC kaynak empeansı sıfır ve geriim aga şeki süsoia kabu eiir. Gerçekte kaynakta üşükte osa bir empeans varır. Süs omayan akımar, geriim aga şeke etki eerek geriim süzoia şeki bozar ve geriim kaynağına bağanacak iğer cihazar iç sorun yaratabiir. Düşük güç faktörü ie igii oan yüksek giriş akımarı ve özeike yüksek bozumaan ve yüksek frekansı harmonikeren oayı ouşacak sorunarı eeme eecek fitreer tasarımı çok zor ve pahaıır.. YÜKSETEN KONERTÖR Yükseten konvertör; çıkış geriimi, giriş geriime göre aha yüksek oan bir DA-DA güç eektroniği topoojisiir. Ana uyguama aanarı regüei c güç kaynakarına ve.a. motorarın regeneratif frenemese kuanıır. Konvertör, S anahtar açık iken üktans üzere enerji epoayıp, S anahtarı kapaı iken üktans üzere epoanan enerj aha büyük boost çıkış geriim barasına iyot üzeren boşaması prensibi ie çaışır. Konvertörün uyguamaaki kuanım amacı, tek fazı engesiz şebekeen, regüei DA bara ouşturmaktır.[]süreki uruma çıkış kapasites sabit geriim sağayacak kaar büyük oması gerekmekteir. Gerçek Güç. I.cosθ PF cosθ () Görünür Güç. I Güç eektroniği anahtarama evreeri aga şekieri iç; ana bieşen ışına, harmonik iave etmesi neeni ie farkı bir güç faktörü tanımı yapımıştır. Akım ie geriim ana bieşeneri arasınaki açının kosüsüne yer eğiştirme faktörü enir. I Giris güc faktoru cosθ () I Güç faktörü üzetimes amacı giriş akım istorsiyonunu mimize etmek ve akım ie geriimi aynı faza tutmaya çaışmaktır. Eğer güç faktörü eğise akım aga şeki geriim aga şeki takip eemez, güç eektroniği evreere aga şekieri ana bieşene beraber harmoniker ihtiva eerek güç kayıparına neen oarak sistem verimi oumsuz etkier. Şeki: Yükseten konvertör evre şeması Bu tip konvertöre güç faktörü enetimi tasarım heefenmiştir. Böyeike güç faktörü büyüüğü orana, beseme trafosu üzereki harmonik yükü azatıarak, trafonun aşırı ısınmasını engeenmeye çaışımıştır. Bu konvertör farkı çaışma moarına sahiptir. Özeike sistem parametreer ve çaışma frekansının seçime uygun çaışma mou önemi ro oynamaktaır. Şeki 3 te yüksetici tip konvertörün farkı çaışma moarı gösterimiştir. 73

2 Yüksetici konvertör tasarımına önceiki oan anahtarama frekansı ve akım tepe eğer seçimiir. İstenien çıkış geriimi sağaması iç güç anahtararının görev periyotarı hesapanır. Süreki uruma üktans üzereki geriim üşümünün her periyotta sıfır oması gerekmekteir. Şeki 3: Yükseten konvertörün farkı çaışma moarı (a) Süreksiz akım mo (b) Eşik akım mo (c) Süreki akım mo Süreki moa yükseten konvertörün anahtarı üktans akımı sıfıra üşmeen tekrar anahtaranır. Bu yüzen üktanstaki akım asa sıfıra üşmez ve bunan oayı akımaki agaanma süreksiz moa göre aha azır. Sonuçta aha az güç kayıparı ouşur. Akım agaanmaarının aha az oması aha az üktans çekirek kayıparı emektir. Daha az akım agaanması aha küçük EMI fitreeri gerektirir. Fakat yükseten iyotu ietimeyken anahtarama yapıığınan kayıparı mimize etmek iç hızı üzemei iyotara ihtiyaç uyuur.[4] Konvertör süreksiz mo çaışmaa üktans akımı sıfıra üştüğüne yükseten konvertörün anahtarı ietime girer. İnüktans akımı bei bir referans aga formuna uaştığına tekrar kesime girer. Bu çaışma şeke bir öü böge ouşur. Bu teknikte giriş akım aga şeki giriş geriimi takip eer ve güç faktörünün üzemesi sağanır. Şeki 4 te S anahtarının ietim ve kesim urumuna göre evren urumu görümekteir. Anahtar ietime ouğu zaman üktans akımı; i t eğimiye artış gösterir. Şeki 4: Yükseten konvertörün farkı çaışma moarı (a) Anahtar ietimeyken (b) Anahtar kesimeyken Aynı zamana bu araıkta iyot ters poarığınan kesimeir. Önceen şarj omuş konansatör yüke akım sağar. Konansatör akımının yönü negatiftir. İnüktans üzereki geriim ir. Anahtar kesimeyken; baştaki akımın sonaki akıma aynı oması iç üktans akımının azaması gerekir. İnüktans akımının azaması iç o> oması gerekir. İnüktans akımı i t eğimiye azaır.[3] Şeki 5: Süreki akım mouna ve I grafikeri ( ). t. t + (3) on o off T o s (4) T D off I I + I c ve I c I I (5) ( I m + I max ) I.( ) (6) Konvertör; üktans ie yarı ietken anahtarar IGBT ere ait eektrikse ve terma eğereri göz önüne tutuacak şekie tasaranmıştır. İnüktans eğer hesapanması iç eşik koşuunan yararanıır. I.( ) T I. T (7) I. T (8).( ). T (9). I o Yukarıaki eşitikeren yararanıarak yükseten konvertörün urum enkemi aşağıa verimiştir. t / C / I c / /.. u+. / RC + C I / C () Buraa; u, kontro girişi oup anahtar ietimeyken, kesimeyken omaktaır. 3. KAYMA MOD KONTRO Değişken yapıı sistemere kayma mo kontro sistem önemi avantajarınan biri, sistem parametreeren bağımsız oarak cevap sağamasıır. Bu kontro tekniği kararıık, geniş çaışma araığı, iyi amik cevabı ve basit uyguanması sebebiye kasik kontroe göre birçok avantaja sahiptir. Kayma mo kontroe ik oarak sistem avranışının istenen avranışa oğru itimesi sağanır. Daha sonra istenen avranışa erişiiğe bu urumun evam ettiriebimesi iç gereki girişer hesapanır(kayma mou).kayma yüzeyi tanımayan fonksiyon anahtarama fonksiyonu oarak aanırımaktaır. Kayma yüzey seçimi kayma mou kontroörer performansına önemi ro oynamaktaır. Sistem enetim kuraı; Böge: Böge : ( x + cx ) < u ( x + cx ) > u + 74

3 c sistem özeğeri oan q an aha küçüktür. Anahtarama sınırı x ve x + cx araığınaır. Sistem yapısı anahtarama sınırarı tarafınan tanımanan (P) bögesi etrafına eğişir. Buraan çıkartıacak ik sonuç (P) anahtarama yüzeye gemeen önce enetim kuraı (P) nın anahtarama yüzeyi x + cx oarak kamasını sağamasıır. Bu urum şeki 6 a açıkanmıştır. Şeki 9 a çıkış geriimi referans geriim ie karşıaştırıarak bir PI kontroören geçirimekteir. PI kontroörünün hata çıkışı öçüen üktans akımı ie karşıaştırıarak kayma mo kontroören geçirimekte ve istenen görev periyou hesapanmaktaır. Beseme trafosu ie konvertör arasına buunan hat fitresi koayık iç şekie verimemiş omasına rağmen önemi bir tasarım bieşeniir. Bu tip bir kontroör yapısı kaskat kontroör oarak biip geriim kontroü kasik metota yapımakta akım kontroü ise kayma mo kontro ie yapımaktaır. Anahtarama fonksiyonu S I I oarak seçimiştir. Böyece üktans akımı referans akımı takip etmesi sağanmıştır. U Sign S () ( ( )) Anahtarama işareti ise u eğişeniir. u eğişken ya a omasına göre anahtarama yapımaktaır. 4. BENZETİM SONUÇARI Şeki6: Değişken yapıı sistemere kayma mo kontroü Bu kontro yönteme teme amaç, hatayı anahtarama yüzeyi veya kayma yüzeye itmek ve bu yüzeye tutmaktır. Bu uruma sistem kayma mounaır ve ış bozucu etkieren etkienmez. 3.. Kayma mo kontroünün yükseten konvertöre uyguanması Şeki7: Sistem gene yapısı Şeki 7 e sistem gene yapısı ceenirse tek fazı şebekeen aınan geriim oğrutuarak yüksetici tip konvertöre uyguanmaktaır. Bunun sonucuna çıkışta regüei bir c çıkış ee eimekteir. Yüksetici tip konvertöre giriş akımı şekienebiir ouğunan oayı konvertör kayma mo kontroe çaıştırıabiir. Şeki 8 bize DA-DA konvertörere nası kayma mo kontroünün uyguanığını göstermekteir. Şeki 8: DA-DA konvertörere kaskat kontro yapısı İ referans akım veya istenen akım eğeriir. İ, giriş geriimi ie aynı aga şeke sahiptir. İ n büyüküğü giriş geriimeki agaanmaar ve yükteki eğişimere rağmen istenen çıkış geriimi sağamaya yetecek kaar omaıır. Şeki 9: Güç faktörü evres kayma mo ie kontroü Bütün benzetim sonuçarı Matab/Simuk ortamına yapımıştır. Benzetime oğrutucua kuanıan iyotarın snubber kapasitesi ve irenci mevcuttur. Benzetim parametreeri tabo e gösterimekteir. Beiri güç iç beirenen anahtarama frekansına çaışabiecek yüksek frekans üktans nüves tearik eiebiiriği göz önüne tutumaıır. Bu çaışma yapıırken akım tepe eğeri tasarımın teme kriteriir. Giriş Geriimi Konvertör üktansı() Çıkış Kapasitesi(C) İstenen Çıkış Geriimi Yük Doğrutucu Snubber Direnci / Kapasitesi Tabo : Benzetim parametreeri 3 AC / 5 µh 35 µ F 56 DC Hz kw kω / 5nF PI parametreeri Kp. ve Ki oarak seçimiştir. Benzetim sonuçarına, başangıç kaynak akımının yüksekiği, önşarj onanım agoritmasının gerekiiği vurguamak üzere biçi oarak verimiştir. Konvertör çıkış üzetme kapasitesi şarj eiikten sonra, sistem çaışmasının gerekiiği aşikarır. Aksi hae yarı ietken güç anahtarına kaıcı hasar meyana geecektir[]. 75

4 7 6 uyguanan kontro agoritmasının bir sonucuur. Şeki e konvertörün süreksiz akım mouna çaıştığı net bir biçime görümekteir Çıkış Geriimi () 4 3 Giriş Geriimi/Akımı İnüktans akımı(a) Şeki : Çıkış geriimi Giriş Akımı(A) Şeki 3: Şebeke geriimi ve akımı(birim güç faktörü) Şeki : İnüktans akımı(süreksiz akım mou) Şeki 4: kw ık yük evreye aınıp çıkartıığına yükseten konvertör giriş akımı Çıkış Geriimi () Şeki : kw ık yük evreye aınıp çıkartıığına yükseten konvertör çıkış geriimi Konvertör tasarımına güveniiriği artırmak üzere; mimum görev periyot eğer, güç anahtarının tam açma yapmasını garantieyecek şekie µ sn civarına güvenik sahası bırakması tavsiye eiir. Şeki ceeniğe konvertör çıkış geriim hızı bir şekie istenen eğere uaştığı görümekteir. Bu urum Şeki e tasaranan konvertörün anık yük eğişimi atına performansını test etmek üzere, yük atıp yük ama eneyi yapımıştır. Benzetime iave kw ık yük bir anahtar aracıığı ie evreye aınıp sonra tekrar evreen çıkartımıştır. Yük arttırıığına bekeniği üzere yük akımı ve çıkış geriim agaanması artmıştır. Tekrar yük evreen çıkartıığına konvertör yükü üzere amış ve nereeyse zaman gecikmesi omayacak şekie çaışmasına evam etmiştir. 5. SONUÇAR Güç faktörü ve güç kaitesi her geçen gün önem kazanan enerji parametreerenir. Performans ve verimi yüksek, eektromanyetik gürütü seviyesi üşük konvertör tasarımarı, ucuz maiyet çözümeri ie estekenmeiir. Tasarımcıarın performans ve maiyet arasına yapacakarı tercih iç konvertör çaışma mou büyük önem taşır. Bu çaışmaa, süreksiz moa çaışan güç faktörü enetimi kayma mo eneteyici tabanı yüksek güç faktörü yükseten konvertör tasarım ve benzetimi verimiştir. Konvertör tasarımına ucuz maiyet önemi sistem süreni omuştur. Denetim çevrime saece çıkış geriimi ve 76

5 üktans akımı bigise ihtiyaç uyan üşük maiyeti ve yüksek performansı konvertör tasarımı sayese tasarım istereri karşıanmıştır. Böyesi yüksek güçte bir konvertörün anık yük eğişimi atına gözenen eğişkeneri tatmkar buunmuştur. Büyük hacimi kw gücüne bir trafo ve oğrutucu tarafınan besenen yük yere, karşıaştırıamayacak erecee üşük hacim ve maiyette, yüksek performansı şebekeye gürütü vermeyen güç faktörü enetimi kapaı çevrim bir konvertör ie yük besenmiştir. Yüksek frekansta çaışarak üşük hacime yüksek enerji epoama özeikeren oayı, büyük hacimi trafoarın kuanımını bertaraf eimiştir. Konvertörün kontroüne kuanıan kayma mo kontro tekniğ kasik yöntem oan PI kontroe göre çok aha performansı çaıştığı saptanmıştır. Özeike üktans akımının kontroü ve birim güç faktörü açısınan kayma mo tekniğ kuanımasının kaçınımaz ouğu bir gerçektir. Böyesi yüksetici konvertörer eektriki tren, eektriki arabaar ve güneş ie rüzgâr enerjisi gibi aternatif enerji kaynakı güç evreere kuanımı, sisteme getiriği avantajar neeni ie her geçen gün artmaktaır. 6. KAYNAKAR [] Murat, E., Sef Commissg an One Paremeter Ientification of Inuction Motors, MSc Thesis, Department of Eectrica-Eectronic Engeerg, METU,. [] Murat, E., Güç Faktörü Denetimi Faz Kaymaı Parae DA-DA Yükseten Konvertör Tabanı Enerji Beseme Sistem Eektriki Trenere Uyguanması, EECO 8, Bursa, 8. [3] Mohan, N., Unean, M., Robbs, P., Power Eectronics:Converters,Appications an Design, 3. [4] Spiazzi, G., Tenti, P., Rossetto,., Contro Techniques For Power Factor Correction Converters Department of Eectrica Engeerg,University of Paova, Itay,994 [5] Guo,.,John Y.,Nems R., Digita Impementation of Sig Moe Fuzzy Controers for Boost Converters pp.44, IEEE 6 77