DSP TABANLI PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİNİN TASARIMI VE UYGULANMASI

Transkript

1 DSP TABANLI PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİNİN TASARIMI VE UYGULANMASI Mehmet UÇAR 1 Metn KESLER Engn ÖZDEMİR 3 1,,3 Elektrk Eğtm Bölümü Teknk Eğtm Fakültes Kocael Ünerstes, 41380, Umuttepe, Kocael 1 e-posta: mucar@kou.edu.tr e-posta: metnkesler@kou.edu.tr 3 e-posta: eozdemr@kou.edu.tr Anahtar sözcükler: Paralel Aktf Güç Fltres, Anlık Güç Teors, Sayısal İşaret İşlemc (DSP) ABSTRACT In ths study, desgn and mplementaton of TMS30F81 DSP based shunt Acte Power Flter (APF) s realzed and smulated usng PSIM software. The nstantaneous reacte power theory based control technque s mplemented usng C programmng language n TIs C000 Code Composer Studo (CCS) Integrated Deelopment Enronment (IDE). A three-phase oltage source nerter brdge wth a dc bus capactor s used as an APF. Three hysteress band current controllers are employed to dere swtchng sgnals to the shunt APF. A threephase half controlled rectfer wth resste-nducte loadng s employed as a non-lnear load. Expermental prototype of the three-phase APF was buld and tested n the laboratory. Smulaton and expermental results are also presented n the paper. 1. GİRİŞ Son yıllarda, modern güç elektronğ chazlarının kullanımı hızla artmaktadır. Doğrusal olmayan bu tp yükler akımın dalga şeklnn bozulmasına dolayısıyla harmonklern üretlmesne yol açmakta e elektrk şebekesn krletmektedr. Harmonkler, şebekede düşük güç faktörüne, elektromanyetk chazlarda ısınmaya, mekank chazlarda ttreşml e gürültülü çalışmaya, ermn düşmesne e kayıplara neden olmaktadır. Geleneksel pasf LC fltreler, harmonk akımları fltrelemek e güç kondansatörler yükün güç faktörünü artırmak amacıyla oldukça yaygın br şeklde kullanılmaktadır. Fakat pasf fltreler, büyük fzksel boyutları, ayar problemler e ser/paralel rezonans gb br çok dezaantajlara sahptr. Bu çalışmada, doğrusal olmayan yüklerde harmonk akımların fltrelenmes e reaktf güç kompanzasyonu çn paralel Aktf Güç Fltres (AGF) önerlmektedr [1-4]. Bu çalışmada, paralel AGF denetm sstemnn PSIM yazılımı le smülasyonu yapılmakta e TMS30F81 DSP kullanılarak laboratuar prototp gerçekleştrlmektedr. Gelştrlen paralel AGF de anlık güç teors tabanlı denetm algortması e hsterezs bant anahtarlama teknğ uygulanmaktadır.. PARALEL AGF VE DENETİM STRATEJİSİ Paralel AGF, Şekl 1 de görüldüğü gb doğrusal olmayan yüke paralel bağlanmış akım kaynağı olarak çalışmaktadır e akım denetm sağlayablmek çn br DA kondansatörü le Gerlm Kaynaklı Erc (GKE) deresnden oluşmaktadır. Paralel AGF nn temel fonksyonu yükün harmonklern fltreleyerek e reaktf güç htyacını karşılayarak şebekeden snüzodal akımlar çeklmesn sağlamaktır. Paralel AGF, doğrusal olmayan yükün çektğ harmonk e reaktf akımlara eşt genlkte e ters fazda akım üretecek şeklde kontrol edlmektedr. Böylece kaynak akımı snüzodal olmakta e kaynak gerlmyle aynı faza getrlmektedr. 3 S AC Kaynak S R S L S C R C L C L R L L L Z Yük Doğrusal-olmayan Yük C dc V dc Shunt Acte Power Flter Şekl 1. Paralel AGF temel çalışma prensb.

2 Bu çalışmada, paralel AGF nn gerçek zamanlı denetm çn anlık güç teors (p-q teors) tabanlı denetm algortması kullanılmaktadır. p-q teors, (1) e () eştlğnde görüldüğü gb a-b-c koordnatlarındak üç fazlı akım e gerlmlern, α- koordnatlarına cebrk dönüşümünden (Clarke dönüşümü) e sonrasında anlık güç bleşenlernn hesaplanmasından oluşmaktadır [5-6]. Bu çalışmada kullanılan 3-fazlı kaynak gerlmler e yük akımları dengeldr. Sa α 1-1/ -1/ = Sb 3 0 3/ - 3 / Sc La α 1-1/ -1/ = Lb 3 0 3/ - 3 / Lc (1) () Yükün anlık gerçek e sanal güç bleşenler, yük akımlarının e faz-nötr gerlmlernn α- koordnatlarındak karşılıklarıyla (3) eştlğnde görülmektedr. p α = q α α (3) Anlık gerçek e sanal güç AA e DA bleşenler çermektedr e aşağıdak eştlktek gb fade edlmektedr. p e q nun DA bleşenler ( p e q ), yük akımının poztf sıralı bleşennden, AA bleşenler ( p e q ), yük akımının harmonk e negatf sıralı bleşenlernden oluşmaktadır [6]. p p + p = q q + q (4) Aynı zamanda hem harmonk hem de reaktf güç kompanzasyonu yapmak amacıyla sanal gücün DA e AA bleşenler le gerçek gücün AA bleşen seçlerek (5) eştlğndek gb referans akımlar hesaplanmaktadır. Bu eştlktek p gücü, paralel kayıp AGF nn GKE kayıplarını karşılamak çn kullanılmaktadır. Cα C = α 1 + α - -p + p α -q kayıp (5) cα * e c *, α- koordnatlarında yükün harmonk e reaktf akımlarına karşılık gelen e paralel AGF nn üretmes gereken akımlardır. Bu akımlar 3-fazlı ssteme (6) eştlğ kullanılarak çerlmektedr. Böylece, 3-fazlı güç sstemnde yükün ürettğ harmonk e reaktf akımları yok edecek ca * cb * e cb * referans akımları elde edlmektedr. Ca Cb Cc = 3 1-1/ -1/ 0 3/ - 3/ Cα C (6) Anahtarlama snyallernn üretm paralel AGF hat akımlarının anlık denetm le başarılmaktadır. Paralel AGF hat akımları ölçülerek, denetm algortması tarafından üretlen referans akımlar le karşılaştırılmakta e hsterezs bant akım denetleyc le anahtarlama snyaller elde edlmektedr. Hsterezs-bant akım denetm, mnmum donanım e yazılım le hızlı e bast br denetm metodudur fakat değşken anahtarlama frekansı öneml dezaantajıdır [7]. 3. PARALEL AGF TASARIMI VE UYGULANMASI Bu çalışmada, p-q teors tabanlı denetm teknğ kullanılarak 3-fazlı paralel AGF nn tasarımı e uygulaması yapılmıştır. Doğrusal olmayan yük olarak, R-L yüklü 3-fazlı yarı denetml trstörlü doğrultucu kullanılmıştır. Şekl de 10kVA paralel AGF laboratuar prototpnn test deres görülmektedr. Paralel AGF nn p-q teors tabanlı denetm algortması, F81 ezdsp kartı üzernde TI C000 Code Composer Studo (CCS) gelştrme ortamında C programlama dl kullanılarak uygulanmıştır. Ayrıca denetm algortmasındak matematksel şlemlerde, sabt noktalı (fxed pont) şlemcler çn gelştrlmş e kayan noktalı (floatng pont) şlemcler kadar hassas matematksel şlem performansı sağlayan, maksmum kod optmzasyonu yapılmış IQmath algortmaları kullanılmıştır [8]. TMS30F81 DSP, 150 MIPS şlem hızı, 36 kb dahl RAM, kb OTP ROM, 56 kb flash, 16 kanal PWM, 1-bt 16 kanal ADC, 18 kb harc SRAM e paralel port JTAG arayüz özellklerne sahptr [9]. Paralel AGF deneysel sstemnde kaynak gerlmler ( Sa, Sb ) gerlm transformatörler (PT) le yük akımları ( La, Lb ) e fltre akımları ( Ca, Cb ) Hall-Effect prensb le çalışan LEM akım sensörler (CS) le ölçülmektedr. Uygulamada, 3-fazlı kaynak e yük dengel olduğu çn c fazı kaynak gerlm e yük akımı ölçülmemştr. GKE nn DA hat gerlmnn ölçümü çn AD10 zolasyon yükseltec kullanılmıştır. Bu akım e gerlm snyaller, kalbrasyon e DSP gelştrme kartının analog grşler çn uygun hale getrlmek üzere ölçüm arayüz kartına gönderlmektedr. Analog grşlerne uygulanan snyaller le F81 DSP, paralel AGF nn gerçek zamanlı denetm algortmasını yürüterek hsterezs bant akım denetleyc le Darbe Genşlk Modülasyonlu (DGM) anahtarlama snyaller üretmektedr.

3 S RS LS Sa R La L L L 0 CS R dc AC Kaynak 380V, 50Hz PT Sa Sb Ca Cb CS Ca RC La Lb 3-Fazlı Yarı Denetml Doğrultucu L dc LC CS- Hall-Effect Akım Sensörü PT-Gerlm Transformatörü Ön-Şarj Drençler Q AH Paralel Aktf Güç Fltres Q BH Q CH A B C DC V dc Yarı letken Hızlı Sgorta QAL QBL QCL C İzolasyon Yükseltec IGBT Sürücü Kartı Yük Akımları (La, Lb) Fltre Akımları (Ca, Cb) Kaynak Gerlmler (Sa, Sb) Akım-Gerlm Ölçüm Arayüz Kartı DSP Kartı TMS30F81 ezdsp Paralel Port Kablosu DC Gerlm Ölçüm Arayüz Kartı PC TI C000 CCS Yazılımı (derleme, bağlama e assemble) Şekl. 3-fazlı paralel AGF laboratuar prototp test deres. Bu DGM snyaller le IGBT lern sürülmes çn CONCEPT 6SD106EI IGBT sürücü modülü kullanılmıştır. Bu sürücü, DSP ye uygulanan tüm DGM snyallernn elektrksel zolasyonunu sağlamakta e her br IGBT çn kısa dere e aşırı akım koruma fonksyonlarına sahptr. Laboratuar prototpnde kullanılan ön şarj drençler le paralel AGF nn sürekl hale yumuşak geçş sağlanmaktadır. IGBT elemanları denetm sstem olumsuzluklarına karşı yarı letken hızlı sgortalar le korunmaktadır. Paralel AGF nn PSIM de p-q teors tabanlı denetm blok dyagramı Şekl 4 de görülmektedr. Bu, p-q dönüşüm, yüksek geçren fltre (HPF), DA gerlm düzenleyc çn oransal-ntegral (PI) denetleyc, referans akım hesabı e hsterezs bant akım denetleycden oluşmaktadır. İlgl matematksel eştlk numaraları blok dyagram üzernde erlmektedr. 4. SİMÜLASYON SONUÇLARI Şekl 3 de paralel AGF sstemnn PSIM smülasyon model görülmektedr. (1) (3) (5) (6) () Şekl 4. Paralel AGF PSIM denetm blok dyagramı Şekl 3. Paralel AGF sstemnn PSIM smülasyon model. Şekl 5 de 3-fazlı yarı denetml doğrultucu yükünün α=15 tetkleme açısında, paralel AGF sstemnn sürekl haldek kaynak gerlmler, yük akımları, fltrelenmş kaynak akımları e fltre akımları smülasyon sonuçları görülmektedr. Paralel AGF dereye alındıktan sonra 3-faz kaynak akımları dengel e snüzodal olmaktadır. Şekl 6 da 0.4. s de trstörlern tetkleme açısı α=15 den α=45 ye değştrlerek paralel AGF sstemnn geçc hal ceabı gösterlmektedr. Şekl 6 dak yük e kaynak akımı dalga şekllernn daha açık görülmes amacıyla 7 kat

4 büyütülmüştür. Kaynak akımı yaklaşık 1 peryotta dengeye oturmaktadır. Aynı zamanda, kaynak akımı kaynak gerlm le aynı faza getrlerek reaktf güç kompanzasyonunun başarıyla yapıldığı görülmektedr. Sa La Şekl 7. Kaynak gerlm e yük akımı dalga şekller [ Sa (00V/d); La (0A/d)]. Şekl 5. Sürekl hal durumunda PSIM smülasyon sonuçları. Sa Sa Şekl 8. Kaynak gerlm e akımı dalga şekller [ Sa (00V/d); Sa, (0A/d)]. La Şekl 6. Geçc hal durumunda PSIM smülasyon sonuçları. 5. DENEYSEL SONUÇLAR Paralel AGF nn reaktf güç kompanzasyonu e akım harmonklern fltreleme performansını göstermek amacıyla RL yüklü 3-fazlı yarı denetml trstörlü doğrultucu kullanılmaktadır. Trstörlern tetkleme açısı α=15 dr. Şekl 7 de kaynak gerlm e yük akımı dalga şekller görülmektedr. Paralel AGF dereye alındıktan sonra kaynak gerlm e akımı dalga şekller Şekl 8 de, yük e fltre akımı dalga şekller Şekl 9 da gösterlmektedr. Kompanzasyondan sonra kaynak akımları snüzodal olmakta e kaynak gerlmyle aynı faza getrlmektedr. Böylece gerçekleştrlen paralel AGF deneysel sstemyle hem harmonk fltreleme hem de reaktf güç kompanzasyonu şlemnn başarıyla yapıldığı görülmektedr. Şekl 10 da paralel AGF laboratuar prototpnn fotoğrafı görülmektedr. Tablo 1 de 3-fazlı paralel AGF deneysel sstemnn parametreler erlmektedr. Ca Şekl 9. Yük e fltre akımı dalga şekller [ La, Ca (0A/d)]. Şekl 10. Paralel AGF laboratuar prototp fotoğrafı.

5 Tablo 1. 3-fazlı paralel AGF deneysel sstem parametreler. Kaynak Parametreler Kaynak gerlm V Sabc 0 V rms Kaynak frekansı f S 50 Hz AGF Parametreler DC bara gerlm V dc 750 V DC taraf kapastans C dc 1100 µf AC taraf endüktans L C 3.75 mh Ort. anahtarlama frekansı f Sw 10 khz Yük Parametreler AC taraf endüktans L Lac 1 mh DC taraf drenç R Ldc 18 Ω, DC taraf endüktans L Ldc 85 mh 6. SONUÇ Bu çalışmada, 3-fazlı paralel AGF nn TMS30F81 DSP tabanlı tasarımı e uygulaması gerçekleştrlmştr. Paralel AGF nn gerçek zamanlı denetmnde anlık güç teors kullanılmıştır e akım denetm DSP üzernde hsterezs bant akım denetleyc le yapılmıştır. Doğrusal olmayan yük olarak omk-endüktf yüklü 3-fazlı yarı denetml br trstörlü köprü doğrultucu kullanılmıştır. Paralel AGF denetm algortması F81 ezdsp kartı üzernde TI C000 Code Composer Studo ortamında C programlama dl kullanılarak uygulanmıştır. Deneysel test sonuçlarına göre paralel AGF, doğrusal olmayan yükün reaktf güç kompanzasyonu e harmonklernn fltrelenmes açısından oldukça yeterl bulunmuştur. TEŞEKKÜR Bu çalışma, 105E18-HD-08 sayılı TÜBİTAK Hızlı Destek Projes le desteklenmektedr. Yazarlar, bu çalışmada kullanılan PSIM yazılımının ücretsz lsans desteğ çn POWERSYS frmasına teşekkür etmektedr. 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] M.E. Habrouk, M.K. Darwsh, P. Mehta, Acte power flters: a reew, IEE PROCEEDINGS ELECTRICAL POWER APPLICATIONS, Vol. 147, No.5, pp , Sep [4] A. Emad, A. Nasr and S. B. Bekaro, Unnterruptble Power Supples and Acte Flters. New York: CRC Pres, pp , 005. [5] Afonso J., d., Acte Flters wth Control Based on the p-q Theory, IEEE IND. ELECTRONICS SOCIETY NEWSLETTER, Vol. 47, No. 3, pp. 5-11, 000. [6] F. Z. Peng and J. S. La, Generalzed nstantaneous reacte power theory for threephase power systems, IEEE TRANS. INSTRUM. MEAS., Vol. 45, Feb. pp , [7] L. Malesan, P. Mattaell and Paolo Tomasn, Hgh-performance hysteress modulaton technque for acte flters, IEEE TRANS. POWER ELECTRONICS, Vol. 1, No. 5, pp , September [8] IQ Math on the Texas Instruments TMS30C8x DSP, Lterature Number: SPRC087, 004. [9] TMS30F81 Data Manual, Lterature Number: SPRS174L, 004.