Akım Kontrollü Gerilim Kaynaklı Evirici İle Sürülen RL Yükü Üzerindeki Akım Harmoniklerinin İncelenmesi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 011, Elazığ, Turkey Akım Kontrollü Gerilim Kaynaklı Evirici İle Sürülen RL Yükü Üzerindeki Akım Harmoniklerinin İncelenmesi Ş. Demirbaş 1 ve H. Fidanboy 1 Gazi Üniversitesi, Ankara/Türkiye, demirbas@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, Ankara/Türkiye, hikmetfidanboy@gazi.edu.tr Investigation of Current Harmonics on RL Load Driven by Current Controlled oltage Source Inverter Abstract Current controlled voltage source inverters (SIs) are widely used in the applications such as motor drives, power factor correction, active filters, wind turbines, solar power system, direct and alternating current energy transmissions. Since SIs produce harmonics, they cause distortions at utility waveform. Therefore it is necessary to well analyzing of these type equipments and decreasing harmonics. In this study, simulation of the sinusoidal PWM and hysteresis band current control PWM methods which commonly used in controlling SI, have been realized and harmonic analysis on three phase RL load in different switching and band widths has been implemented by using Matlab/Simulink program. Keywords Sinusoidal PWM, Hysteresis Band Current Control PWM, oltage Source Inverter, Harmonic Analysis G I. GİRİŞ ünümüzde akım kontrollü gerilim kaynaklı eviriciler (GKE), motor sürücüleri, reaktif güç kompanzasyonu, aktif filtreler, rüzgâr türbinleri, güneş enerjili sistemler doğru ve alternatif akım enerji iletimi gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Sistemin kararlı çalışma durumda kayıplarının az olması ve sistem performansının yüksek olması için GKE nin harmoniklerinin düşük olması ve anahtarlama hızının yüksek olması istenmektedir[1]. Güç elektroniği anahtarlama elemanlarında anahtarlama hızlarının artmış olması, yüksek anahtarlama frekansı isteyen denetim tekniklerinin kullanılmasını ve tahrik sisteminin performansının arttırılmasını mümkün kılmıştır[]. GKE lerde modülasyon tekniği olarak genellikle darbe genişlik modülasyonu (DGM) kullanılmaktadır[3]. Değişik DGM teknikleri kullanılarak GKE lerin harmonikleri azaltılabilmekte ve performansları artırılabilmektedir. Darbe genişlik modülasyonu tekniklerinde en iyi bilinen ve endüstride yaygın bir şekilde kullanılanı sinüsoidal darbe genişlik modülasyonudur[4]. Bu yöntemde referans sinüsoidal sinyal ile taşıyıcı üçgen sinyal karşılaştırılarak darbe genişlik modülasyonu elde edilmektedir. GKE lerde kullanılan diğer bir yöntemde Histeresiz Band Akım Kontrolüdür. Bu yöntemde gerçek akımın, referans akıma bağlı olarak belirlenen alt ve üst band genişliği içerisinde kontrolü sağlanmaktadır. 30 Günümüzde akım kontrollü GKE performansının iyileştirilmesi ve akım harmoniklerinin azaltılması yönünde çalışmalar devam etmektedir. Mohsani vektör temelli bir histerisiz band akım kontrol yöntemi ile evirici anahtarlama frekansını azaltarak, akım dalga şeklindeki salınımları azaltmayı hedeflemiştir[5]. Lam bir fazlı eviricilerde kullanılan akım kontrol yöntemlerinin analizi için bir simülasyon programı gerçekleştirmiştir[6]. Kazmierkowski GKE lerde kullanılan akım kontrol yöntemleri hakkında kapsamlı bir araştırma yapmıştır[7]. Bu çalışmada değişik akım kontrol tekniklerinin GKE nin akım harmonikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla GKE denetiminde yaygın olarak kullanılan sinüsoidal darbe genişlik modülasyonu (SDGM) ve histerisiz band akım kontrol yöntemlerinin MATLAB/SIMULINK programı ile benzetimi gerçekleştirilmiştir. Benzetimde yük modeli olarak 00 luk DA bara gerilimi altında, 10Ω-10mH lik üç fazlı bir endüktif karakteristikli yük kullanılmıştır. Çalışmanın sonucunda GKE çıkışındaki akım dalga şekli ile akım harmoniklerinin analizi yapılmıştır. II. ÜÇ-FAZLI GERİLİM KAYNAKLI EİRİCİ Üç-fazlı gerilim kaynaklı evirici (GKE) sabit DA gerilimi üç fazlı değişken frekanslı AA gerilime çevirmek için kullanılır. Bu amaçla altı yarıiletken güç anahtarı aktif/pasif şeklinde çalışırlar. Şekil 1 de üç-fazlı gerilim kaynaklı bir eviriciyi gösterilmektedir. GKE de sekiz ayrı anahtarlama durumu olmaktadır. Anahtarlama durumları ve yüke uygulanan gerilimlerin miktarı Tablo 1 de verilmiştir. Şekil 1 de gösterilen üst seviye anahtarları T1, T veya T3 aktif iken Tablo 1 deki a, b veya c 1 dir. Alt seviye anahtarları T4, T5 veya T6 aktif iken a, b veya c 0 dır. Tablo 1 de GKE nin sekiz ayrı durumun olduğu ancak bu durumların sadece altısının aktif olduğu gözükmektedir. İki durumda da yüke uygulanan gerilim sıfırdır. Denklem 1 ile yüke uygulanan üç-fazlı gerilimin miktarı hesaplanabilmektedir. an bn cn a b c (1)

2 Ş. Demirbaş, H. Fidanboy GKE lerin anahtarlama sinyalleri DGM ları yardımı ile yapılmaktadır. an, bn, cn değerleri RL yükün her fazı üzerine düşen faz-nötr gerilimleridir. Eviricinin kısa devre durumuna düşmemesi için bu sinyallerden biri aktif (1) durumunda iken diğeri pasif (0) durumunda olmalıdır. Böylece eviricinin her bir kolundaki anahtar çiftlerinin birlikte iletime geçmesi engellenmiş olur. Şekil 3 de gösterilen çıkış gerilimi için aynı faz kolundaki iki anahtarlama elemanı aynı anda iletimde olamaz[8]. Aynı anda iletimde olması durumunda kaynağı kısa devre olur. Şekil 1: Üç fazlı gerilim kaynaklı evirici blok şeması Tablo 1: Anahtarlama durumlarına bağlı GKE nin faz gerilimleri Anahtar Durumu a b c an bn cn /3 - /3 / /3 /3 - / /3 /3 / /3 - /3 - / /3 - /3 / /3 /3 - / III. SİNÜSOİDAL DGM (SDGM) Sinüsoidal darbe genişlik modülasyonunda sinyalin iletim ve kesim durumları sinüs dalgası (modülasyon dalgası) ile yüksek frekanslı üçgen dalganın (taşıyıcı dalga) karşılaştırılması ile belirlenir. Her yarı periyottaki darbelerin sayısı taşıyıcı frekansına bağlıdır. Şekil de üç faz anahtarlama sinyallerinin üretildiği SDGM nun SIMULINK diyagramı verilmiştir. Şekilde yüksek frekanslı üçgen dalga, birbirinden 10 faz farklı 3 faz sinüs sinyalleri ile karşılaştırılarak üç faz anahtarlama sinyalleri üretilmektedir. Şekil 3 de T1 ve T4 anahtarları için gerekli DGM sinyalleri gösterilmektedir. Burada SinA, SinB, SinC kontrol sinyallerinden SinA ile üçgen sinyalin karşılaştırılması sonucu üretilen, sadece üç fazlı tam dalga eviricinin bir kolu için gerekli olan DGM1 ve DGM4 sinyalleri gösterilmiştir. Burada DGM4 sinyali DGM1 sinyali terslenerek elde edilir. Şekil : Sinüsoidal DGM sinyallerinin blok şeması Şekil 3:DGM1 ve DGM4 sinyallerinin elde edilişi SDGM de modülasyon sinyalinin frekansı çıkış geriliminin frekansını belirler. Modülasyon sinyalinin tepe değeri ise modülasyon indeksini (m a ) belirler ve çıkış geriliminin efektif değerini kontrol eder. Modülasyon indeksinin değeri denklem ile belirlenmekte ve sinüsoidal referans sinyalin genlik değerinin üçgen taşıyıcı sinyalin genliğine oranı olarak tanımlanır. 31

3 Akım Kontrollü Gerilim Kaynaklı Evirici İle Sürülen RL Yükü Üzerindeki Akım sin ma () üçgen Modülasyon indeksinin değiştirilmesi çıkış geriliminin efektif değerini değiştirmeyi ve büyük ölçüde distorsiyon faktörünün iyileştirilmesini sağlar. Bununla birlikte çıkış gerilimi istenmeyen kayıplara neden olan harmonikleri içerir[8]. SDGM'nin ürettiği anahtarlama sinyalleri sonucunda, DA/AA eviricinin çıkışında elde edilen periyodik dalga şekli 0 (t), Denklem 3 de belirtilen üç önemli terimi içerir. Denklem 3 ün birinci bileşeni, DA besleme gerilimi,, ve modülasyon indeksi, m a, ile doğru orantılı olarak belirlenen temel bileşendir. ma 0( t) j k 1 0 k 1 l1 cos( wrt) kma sin k coskwct j n km k a sin k 1 coskwct lwrt Burada yer alan parametreler; m a = genlik modülasyon oranı, = DA besleme gerilimi, ω r = sinüsoidal referans frekansı, ω c = üçgen taşıyıcı frekansı, J 0, J n = birinci dereceden Bessel fonksiyonudur. Denklem 3 ün ikinci bileşeni taşıyıcı frekansta yer alan harmoniklerin genlik değerini ve taşıyıcı frekansın katlarını göstermektedir. Bu eşitlik aynı zamanda taşıyıcı frekansın çift katlarında harmonik bulunmadığını da ifade etmektedir. Denklemin son parçası ise, taşıyıcı frekansın bütün katlarında yer alan yan bant harmoniklerinin genlik değerini vermektedir. Denklem 4 de verilen I 0(t) değeri evirici çıkışındaki akımı vermektedir. (3) d AB BC CA m a 1 (6) eşitliği ile elde edilir. Bu eşitliklerden, lineer çalışma aralığında hat gerilimi evirici bara geriliminin 0,86 katı kadar olurken, aşırı modülasyon bölgesinde hat gerilimi evirici bara geriliminin 0,86 ile 1,09 katı arasında olmaktadır[9]. I. HİSTERESİZ BAND AKIM KONTROL DGM (HBAK DGM) Histeresiz band DGM, gerilim kontrollü eviricinin çıkış akımından bir akım örneği alınır ve bu akım referans akıma bağlı olarak belirlenen band içerisinde kontrol edilerek DGM sinyalleri elde edilir. Yani bu tip DGM de bir akım geri beslemesi yapılmaktadır. Eğer gerçek akım, referans akım değerinden daha büyükse eviricinin üstteki anahtarlama elemanı iletimden çıkarılarak alttaki anahtarlama elemanı iletime sokulur. Böylece yük akımının azalması sağlanmış olur. Eğer gerçek akım, referans akım değerinden daha küçükse eviricinin alttaki anahtarlama elemanı iletimden çıkarılarak üstteki anahtarlama elemanı iletime sokulur. Böylece yük akımının artırılması sağlanmış olur. Bu yöntemde histeresiz bandın genişliği ne kadar dar seçilirse gerçek akım referans akıma daha fazla yaklaşmış olur. Şekil 4 de HBAK DGM sinyallerinin Matlab/Simulink te elde edilişi gösterilmektedir. Burada gerçek akımlar Sina, Sinb, Sinc referans akımlar Sina*, Sinb*, Sinc* ile karşılaştırılmış daha sonra HisBand bloğundan geçirilerek evirici için gerekli DGM sinyalleri elde edilmiştir. Şekil 5 de ise DGM sinyallerinin elde ediliş biçimi gösterilmektedir. mai I 0( t) I j I k 1 k 1 l1 cos( wrt) 0 kma sin k coskwct j n km k a sin k 1 coskwct lwrt Denklem 4 te yer alan parametrelerde Denklem 3 teki parametrelerle aynı olup I, DA kaynağın akımıdır. Modülasyon indeksinin 1 den küçük olduğu lineer çalışma aralığında eviricinin çıkış hat gerilimi, (4) 3 AB BC CA ma d 0 m a 1 (5) eşitliği ile ve aşırı modülasyon aşamasında ise, Şekil 4: HBAK DGM sinyallerinin blok şeması 3

4 Ş. Demirbaş, H. Fidanboy Şekil 5: HBAK DGM sinyallerinin elde edilişi Bu yöntemle akım kontrolü yapılmak istenirse, üç fazlı eviricinin çıkış akımlarından herhangi ikisinin bilinmesi yeterlidir[10]. Bu yöntemde yüksek anahtarlama frekansının kullanılması akımın histeresiz band limitlerinin aşmasını azaltır[11]. Daha çok yüksek güçlü makinalar için tercih edilirler. Bu kontrol tekniği lineer olmayan yükler için yeterince hızlıdır. En büyük dezavantajı ise frekans kontrolünün yapılamamasıdır. Bu yöntemde DGM frekansı sabit olmadığından yük akımında uygun olmayan harmonik akımları oluşmaktadır[1]. b) m a =0.8, f sin =50 Hz ve f üçgen =10 khz. BENZETİM ÇALIŞMALARI Benzetim çalışmalarında, yük modeli olarak 00 luk DA bara gerilimi altında, 10Ω-10mH lik üç fazlı bir endüktif karakteristikli yük kullanılmıştır. Şekil 6 da SDGM kullanılarak farklı anahtarlama frekanslarında sürülen eviricinin RL yükü altında evirici çıkış akımı ve harmonikleri görülmektedir. Benzetim çalışmaları sırasında modülasyon oranları 0.8 de, sinüs sinyallerinin frekansları 50 Hz de sabit tutulmuş üçgen dalganın frekansları ise 1 khz, 10kHz ve 0 khz olarak değiştirilmiştir. FFT analizleri akım sinyalinin 5 saykılı üzerinden elde edilmiştir. c) m a =0.8, f sin =50 Hz ve f üçgen =0 khz Şekil 6: SDGM kullanıldığında evirici çıkış akım harmonikleri a) m a =0.8, f sin =50 Hz ve f üçgen =1 khz Üçgen dalganın frekansı artırıldığında evirici çıkış akımındaki toplam harmonik bozulum (THD) değerlerinin azaldığı Şekil 6.a,b,c de görünmektedir. Şekil 7 de HBAK DGM kullanılarak farklı band genişliği (Δi) ile sürülen eviricinin RL yükü altında evirici çıkış akımı ve harmonikleri görülmektedir. Bu benzetim çalışmasında referans akım sinyallerinin frekansları 50 Hz de sabit tutulmuş ve bu referans sinyallere göre belirlenen band genişlikleri (Δi) 33

5 Akım Kontrollü Gerilim Kaynaklı Evirici İle Sürülen RL Yükü Üzerindeki Akım değiştirilerek evirici çıkış akımı üzerindeki harmoniklerin etkisi gözlemlenmiştir. FFT analizleri akım sinyalinin 5 saykılı üzerinden elde edilmiştir. c) Δi= ve f=50 Hz Şekil 7: HBAK DGM kullanıldığında evirici çıkış akım harmonikleri a) Δi=0.00 ve f=50 Hz b) Δi=0.000 ve f=50 Hz Şekil 7.a,b,c de histeresiz band genişliği (Δi) değeri belirli bir değere kadar azaltıldığında THD değeri azalmakta, bu değerden daha küçük bir değer seçildiğinde ise THD değerinde bir değişme olmamaktadır. Bu yöntemde SDGM ile sürülen eviriciye göre daha az harmonik bileşeni oluşmasına rağmen THD değeri daha fazla olmaktadır. I. SONUÇLAR Sinüsoidal DGM ile yapılan çalışmalarda benzetim sonuçları incelendiğinde, aynı değerlerdeki RL yükü için modülasyon genliği oranı 0.8 de ve sinüs sinyalinin frekansı 50 Hz de sabit tutularak anahtarlama (üçgen sinyal) frekansı değiştirildiğinde evirici çıkışındaki RL yükü üzerinde oluşan akım harmoniklerinin değiştiği görülmüştür. Sinüsoidal DGM ile yapılan çalışmalarda anahtarlama frekansı artırıldığı zaman yük akımının THD değerinin azaldığı görülmüştür. Histeresiz band akım kontrol DGM ile yapılan çalışmalarda ise benzetim sonuçları incelendiğinde, aynı değerdeki RL yükü için 50 Hz deki referans akım için seçilen band genişlikleri değiştirildiğinde yükün akım harmoniklerinin band aralığı genişken THD değerinin fazla olduğu, band aralığı belirli bir değere kadar dar iken THD değerinin az olduğu bu değerin altında ise THD değerinin değişmediği görülmüştür. Her iki yöntemde karşılaştırıldığında, histeresiz band akım kontrol DGM yönteminde oluşan harmonik sayısının az olduğu buna karşılık akım THD değerinin SDGM yönteminden yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bunun yanında uygulanabilirlik açısından düşünüldüğünde HBAK DGM yönteminin SDGM yöntemine göre daha karmaşık olduğu söylenebilir. 34

6 Ş. Demirbaş, H. Fidanboy TEŞEKKÜR Yazarlar, bu çalışmaya proje kapsamında 41/ nolu proje ile destek veren Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi ne teşekkür ederler. KAYNAKLAR [1] M.P. Kazmierkowski ve L. Malesani, Microprocessor-based novel current regulator for vsı-pwm inverters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 199. [] S. Özçıra, Sabit mıknatıslı senkron motorun kontrol yöntemleri ve endüstriyel uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, 007. [3] G. Bal, M.C. Özgenel ve Ş. Demirbaş, SPWM evirici ile sürülen vektör denetimli kalıcı mıknatıslı senkron motorun dinamik analizi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 5, No 3, , 010. [4] K. Yurtbaşı, Bir fazlı sinüsoidal pwm köprü inverter uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, 007. [5] M. Mohseni ve S. M. İslam, A new vector-based hysteresis current control scheme for three-phase pwm voltage-source inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 5, no. 9, pp , September 010. [6] E. Lam, L.J. Borle ve H.H.C. Iu, Simulation-based analysis of current control methods for voltage source inverters with practical considerations, IEEE, 008. [7] M.P. Kazmierkowski ve L. Malesani, Current Control Techniques for Three-Phase oltage-source PWM Converters: A Survey, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 45, no. 5, pp , October [8] H. Sakarya, Sürekli mıknatıslı senkron motorlar için alan yönlendirmeli sürücü düzeneği tasarımı ve uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, 009. [9] İ. Çolak ve E. Kabalcı, Çok seviyeli eviricilerin kontrol yöntemleri, Tübav Bilim Dergisi Cilt 1, Sayı, Sayfa 45-54, 008. [10] A. Kırçay, IGBT lerle tasarlanan PWM li bir invertör ile üç fazlı asenkron motorun hız kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, 001. [11] K.H. Anwar, Gerilim beslemeli ve akım beslemeli üç fazlı şönt aktif güç filtresinin karşılaştırması ve simülasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, 009. [1] B.K. Bose, Modern power electronics and AC drives, Prentice-hall Sayfa 39,