5-Seviyeli KaskatEviricili Elektronik Balast Devresinin MATLAB/Simulink Benzetimi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 211, Elazığ, Turkey 5-Seviyeli KaskatEviricili Elektronik Balast Devresinin MATLAB/Simulink Benzetimi Ü. Budak 1 ands. Tuncer 2 1 University of Firat, Elazig/Turkey, [email protected] 2 University of Firat, Elazig/Turkey, [email protected] MATLAB/Simulink Simulation of Electronic Ballast Circuit With 5-Level Cascade Inverter Abstract Use of the fluorescent lamps has been gradually increased when compared with incandescent lamps. Until now, magnetic ballast and electronic ballast with two-level inverter have been used to drive fluorescent lamps. In this paper, an electronic ballast circuit with single-phase 5- level cascade multilevel inverter is proposed to drive fluorescent lamps. For control of the inverter, Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) technique is used. Simulation studies are carried out by means of MATLAB/Simulink environment for 5Hz and 32 khz operating frequencies. The results show that the lamp current with low harmonic distortion is obtained by proposed electronic ballast without power factor conditioner. Keywords Electronic Ballast, Sinusoidal PWM technique, Fluorescent lamp, Total Harmonic Distortion (THD) E I. GİİŞ NEJİ kaynaklarının tüketilir olması, insanları yeni enerji kaynaklarını bulmaya ve/veya eldeki rezervleri tasarruflu kullanmaya zorlamaktadır. Elektrik enerjisinin en çok kullanıldığı alanlardan biri aydınlatmadır. Okul, büro ve işyerlerinin aydınlatılmasında floresan lambaların kullanılması, bu lambalarda nasıl enerji tasarrufu yapılabileceğini gündeme getirmiş ve bu konuda çalışmalar yapılmıştır. [1,2]. Tüm elektrik deşarj lambalarında olduğu gibi floresan lambada da ateşleme ve deşarj akımını uygun olarak kontrol etmek için bir balast gerekmektedir. Optimum çalışma ve uzun lamba ömrü için, balastın yeterli seviyede açık devre gerilimi sağlaması, hızlı ark geçişi ve normal çalışma içinde düşük akım sıçraması oldukça önemlidir. Balast seçimi hem manyetik hem de elektronik olabilmektedir. Hem manyetik hem de elektronik balastın kendine özgü sahip oldukları avantaj ve dezavantajlar vardır. Geleneksel manyetik balast 5Hz veya 6Hz ana güç frekansında çalıştırılmaktadır. Balast sisteminin yapısı basittir, sağlamdır ve güvenilirdir. 4 yılı aşkın süredir var olmasına karşın düşük güç regülasyon yeteneği ve yüksek güç kayıpları (demir ve bakır kayıpları) gibi bazı kısıtlamalara sahiptirler [3]. Son yıllarda elektronik balastlar manyetik balastların yerini almaya başlamıştır. Ekonomik olması nedeniyle yaygın olarak kullanılan floresan lambalarda manyetik balast yerine elektronik balast kullanımı sonucu %1-2 kadar enerji verimliliği sağlanmaktadır. sayısının çok olduğu yerlerde, bu tasarruf küçümsenemeyecek kadar büyük olmaktadır. Elektronik balastın kullanılması durumunda [2]; lambanın ve tüm aydınlatma sisteminin etkinlik faktörü artar, uğultu ve vızıltı gibi gürültüler olmaz, ısı kayıpları azalır ve startersiz olması nedeniyle 15V tan daha düşük gerilimlerde dahi lambanın ateşlenmesi sağlanabilmektedir. Bütün bu avantajlarından dolayı, bazı devletler elektronik balastların kullanımını teşvik etmek için yasal düzenlemeler yapma yoluna gitmektedirler. Elektronik balastların kullanımında yukarıda belirtilen üstünlüklerin yanında yüksek oranda harmonik üretmesi gibi sakıncaları da bulunmaktadır. Floresan lambaların yüksek frekanslarda çalıştırılmasının birçok yararı vardır. Bu frekanslarda kırpışma fark edilemeyecek seviyelere düşmektedir. Aynı giriş gücü için yüksek frekansta lambanın lümen çıkışı 5Hz lik çalışmadan daha fazladır. Aynı zamanda frekansın artırılması ile başlatma gerilimleri azalacaktır. Ayrıca yüksek frekanslarda endüktans ve kapasitörler hem değer hem de boyut olarak daha küçük olmaktadırlar. Elektronik balastlar temel olarak yük rezonans devreli bir evirici katından oluşmaktadır. Eviricinin çıkış gerilimi ve frekansı birbirinden bağımsız olarak ayarlanmaktadır. Çıkış gücü ya değişken giriş gerilimi yada çalışma frekansının ayarlanması ile denetlenmektedir. Son yıllarda elektronik balast tasarımına ilişkin çalışmalar hız kazanmıştır. Maamoun [5], 2 adet 36W floresan lambayı sürmek için yüksek güç faktörlü ve düşük harmonikli elektronik balast tasarlamıştır. Bu çalışmada, güç faktörü düzeltme katı; lambanın akım ve gerilim dalga şekli için, alçak geçiren filtre ise; hem harmonik bozulmalarını hem de elektromanyetik girişim etkilerini azaltmak için kullanmıştır. [6] da, D tipi paralel rezonans eviricili elektronik balast tasarlanarak güç faktörü.96 dan daha büyük değere ulaştırılmıştır. Ekbote ve Zinger [7], yarım köprü rezonansdönüştürücülü elektronik balast tasarlamıştır. Burada, anahtar kayıplarını azaltmak için E tipi evirici kullanılmıştır. [8] de tek seviyeli ve tek anahtarlı elektronik balast topolojisi sunulmuştur. Yüksek güç faktörü sağlamak için Buck-Boost dönüştürücü kullanılarak güç faktörü.995 e ve verim %83.4 e çıkartılmıştır. Ayrıca bu sayede düşük maliyet ve kompakt yapı sağlanmıştır. Bu makalede, T8 36W floresan lambayı sürmek için tekfazlı 5-seviyeli kaskat evirici içeren bir elektronik balast devresi önerilmiştir. Evirici devresindeki güç anahtarları için 365

2 Ü. Budak, S. Tuncer anahtarlama işaretleri Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyon (SDGM) tekniğine [9] göre üretilmiştir. MATLAB/Simulink ortamında yapılan benzetimlerde, önerilen balast devresi üzerinden beslenen floresan lambanın akım ve gerilimler dalga şekillerinin oldukça düşük harmonik içeriklere sahip olduğu görülmüştür. Makalenin organizasyonu şu şekildedir. İkinci bölümde, floresan lambanın modeli tanıtılmıştır. Üçüncü bölümde, önerilen elektronik balast devresi üzerinden beslenen T8 36W floresan lambanın benzetim sonuçları verilmiştir. Makalenin sonuç bölümü ise dördüncü bölümde yer almaktadır. II. FLOESAN LAMBA MODELİ Matematiksel modelleme gerçek bir fiziksel sistemin daha iyi anlaşılması için kullanılır. Sistemin tanıtımı matematiksel denklemler ile gerçekleştirilir. Floresan lambaların modellemesi fiziksel sistemin modellemesi için tipik bir örnektir. Floresan lambanın dinamik modeli, yüksek yoğunluklu deşarj (HID) lambanın dinamik modeline benzer bir yapıya sahiptir ve benzer bazı fiziksel kurallara dayanmaktadır [1]. Bir deşarj lambasına sağlanan güç olarak da tanımlanan enerji denge denklemi durumu elektrotlarda ve deşarj lambasının içinde yayılmaktadır. Burada lambanın ateşlenmesi ısı iletim, aktarım, radyasyon ve difüzyon tarafından sağlanmaktadır. Genelde aktarım ve difüzyon kayıpları ihmal edilebilir [11]. akımı i, lamba direnci de kabul edildiğinde, deşarj lambasının giriş gücüp lamba =i 2 olur ve etkin olarak enerji denge denklemi aşağıdaki formülle ifade edilir: dt e dt = c 1 i2 P ısı P rad (1) Burada, T e elektron sıcaklığı, c 1 değiştirilebilir model sabiti, P lamba lambanın giriş gücü, P ısı toplam ısı iletim kaybı ve P rad ise radyasyon kaybını temsil etmektedir. arkı yerel ısıl dengede ve radyasyon ise gözle görülür biçimde zayıf olduğu farz edilir. Boltzman yasasında tanımlandığı gibi toplam radyasyon kayıpları, her bir spektral çizginin toplamı olarak söylenebilir. [11] de, bu kayıp aşağıdaki basit denklemle tanımlanmıştır: P rad = c 2 exp( qc 3 /kt e ) (2) T g = T a + c 5 i 2 (4) Burada, c 5 model sabiti, T a ortam sıcaklığıdır. direnci ise yaklaşık olarak denklem (5) yardımıyla elde edilir: = c 6 T e 3/4 exp (qc 7 /2kT e ) (5) Burada, c 6 ve c 7 model sabitleridir. Kirchoff un gerilimler kanunu yardımıyla balast devresinin eşitliğinden lamba akımı kolayca bulunabilir: V t = c 8 L di dt + i + r + V ele (6) Burada, V(t) AC güç kaynağı gerilimi, L balast endüktansı, r balast direnci, V ele elektrot gerilimi ve c 8 model sabitidir. Floresan lamba HID lambadan daha uzundur ve elektrot voltaj düşümünün etkisi HID lambalarındaki kadar kritik değildir. Böylece elektrot gerilimi sabit 1V olarak kabul edilebilir [1,13]. Hem geleneksel iki-seviyeli eviricilerde hem de çok seviyeli eviricilerde, çıkıştaki AC gerilimin genlik ve frekansının ayarlanabilmesi yanında çıkış dalga şeklinin sinüse yaklaştırılması amaçlanır. Ancak pratikte kullanılan eviricilerin çıkış dalga şekilleri kare veya yaklaşık kare dalga olup bu dalga şekilleri oldukça yüksek oranda harmoniğe sahiptir. Devre topolojileri nedeniyle çok seviyeli eviriciler iki seviyeli eviricilere göre; çıkış geriliminin ve akımının harmonik spektrumu, verim ve güç faktörü açısından daha iyi bir performansa sahiptirler [9]. Şekil 1 da şebeke frekansı için manyetik balastlı lamba devresi ve Şekil 1 de 32kHz lik kare dalga gerilim ile çalışan elektronik balastlı lamba devresi verilmiştir. akımındaki harmonikleri azaltmak amacıyla SDGM tekniği ile denetlenen tek-fazlı 5-seviyeli evirici yardımıyla sürülen elektronik balastlı lamba devresi ise Şekil 1 de verilmektedir. L AC 5Hz r V ele L r C s 32 KHz Kare Dalga C p V ele Burada, c 2 ve c 3 model sabitleri, q elektron şarj sabiti, k ise Boltzmann sabitidir. Isı iletim kaybı elektron enerjisi ile orantılı doğrusal bir fonksiyondur. Isı iletim kaybı [12]: L r C s P ısı = c 4 (T e T g ) (3) denklemi ile elde edilir. Burada c 4 model sabiti ve T g gaz (ya da tüp) sıcaklığını verir. Floresan lambalar için gaz sıcaklığı yaklaşık olarak 35 o K civarındadır [9,12]. Gaz sıcaklığı; lambanın giriş gücünün bir fonksiyonudur ve aşağıdaki formül ile ifade edilmektedir [12]: 32 KHz 5 seviyeli Tek faz inverter C p V ele Şekil 1: Floresan lamba bağlantı şeması. 5 Hz lik sürücü devresi, 32 khhz lik kare dalga sürücü devresi, 32 khz lik 5-seviyeli sürücü devresi. 366

3 5-Seviyeli KaskatEviriciliElektronikBalastDevresinin MATLAB/Simulink Benzetimi III. BENZETİM SONUÇLAI Bu bölümde MATLAB/Simulink blokları kullanılarak yapılan benzetim çalışmaları yer almaktadır. Benzetimlerde ilk olarak floresan lamba, geleneksel bir 5Hz lik manyetik balast devresi üzerinden sürülerek elde edilen dalga şekilleri harmonik analizleri ile birlikte verilmiştir. Daha sonra, manyetik balat yerine 32kHz lik kare dalga çıkış gerilimi sağlayan bir iki-seviyeli evirici üzerinden lamba beslenerek lambanın çektiği akım ve lamba üzerindeki gerilimin değişimleri incelenmiştir. Ardından, tek fazlı 5-seviyeli kaskadeviricili elektronik balast devresi ele alınarak benzetimler yapılmış ve elde edilen sonuçlar verilmiştir. Bölüm 2 de modellenen floresan lambanın T8 36W lık bir lamba için model sabitleri Tablo 1. de verilmiştir [14]. Şekil 2 de ise bu lambanın MATLAB/Simulink modeli görülmektedir. Tablo 1: T8 36W floresan lamba için model sabitleri. c 1 c 2 c 3 c 4 c 5 c 6 c 7 c Şekil 2: T8 36W floresan lambanın MATLAB/Simulink modeli. Çok seviyeli SDGM tekniğine göre üretilen işaretler ile sürülen tek-fazlı 5-seviyeli kaskadeviricili elektronik balast devresinin MATLAB/Simulink modeli Şekil 3 de görülmektedir. Burada, birbirine seri bağlı iki adet H-köprü evirici ile 5-seviyeli dalga şekli elde edilmektedir. Her bir köprünün giriş gerilimleri birbirinden yalıtımlı ve 15Vdeğerindedir. MATLAB/Simulink ortamında yapılan benzetimlerde evirici devresi için IGBT anahtar modeli kullanılmıştır. Yapılan benzetimlerde DGM li işaret üretiminde eviricinin aynı kolu üzerindeki güç anahtarları için gerekli olan ölü-zaman süreleri dikkate alınmamıştır. Şekil 3: 5-seviyeli kaskadeviricili elektronik balast devresinin MATLAB/Simulink modeli. 367

4 Ü. Budak, S. Tuncer Benzetim çalışmalarında; Şekil 1 da verilen manyetik balastlı lamba devresi için L=1.31H ve r=64.6ω, Şekil 1 deki 32kHz de çalışan iki-seviyeli kare dalga ve Şekil 1 de verilen 5-seviyeli eviricili elektronik balastlı lambadevresi için ise Ls=2.5mH, Cs=1µF, Cp=9.4nF ve r=5.5ω değerleri kullanılmıştır [14]. Bu üç durum için T8 36W floresan lambanın gerilimi, akımı ve lamba akımının harmonik spektrumunu gösteren benzetim sonuçları Şekil 4-6 da verilmiştir. Benzetim sonuçlarından görüleceği üzere, 5- seviyeli kaskadeviricili elektronik balast devresi en düşük THB li lamba akımını çekmektedir. Şekil 7 de ise 5Hz lik manyetik balastlı devre ve 5-seviyeli eviricili elektronik balastlı devre ile sürülen tam güçteki lambanın akım-gerilim karakteristikleri verilmiştir. Şekil 7 dan görüleceği üzere T8 36W floresan lamba, histeresis çevrimli doğrusal olmayan bir direnç karakteristiği sergilerken, Şekil 7 de ise lamba orijinden geçen bir yaklaşık bir düz doğru olan direnç özelliğindedir. Şekil 7, T8 36W floresan lambanın önerilen elektronik balast devresi ile sürüldüğünde yaklaşık 3Ω luk sabit bir direnç ile modellenebileceğini göstermektedir şekilleri: lamba gerilimi, lamba akımı, lamba akımının harmonik spektrumu x x Şekil 5: Tam güçteki lambanın 32 khz 2-seviyeli eviricili devre için dalga şekilleri: lamba gerilimi, lamba akımı, lamba akımının harmonik spektrumu x 1-3 Şekil 4: Tam güçteki lambanın 5 Hz lik şebeke frekansı için dalga 368

5 5-Seviyeli KaskatEviriciliElektronikBalastDevresinin MATLAB/Simulink Benzetimi x 1-3 Şekil 6: Tam güçteki lambanın 32 khz 5-seviyeli eviricili devre için dalga şekilleri: lamba gerilimi, lamba akımı, lamba akımının harmonik spektrumu IV. SONUÇ Floresan lambalar, yüksek frekanslarda çalıştırılarak yüksek güç faktörü, düşük seviyeli harmonik bozulma ve kırpışmanın yok edilmesi sağlanarak aydınlatma sistemlerinin kalitesi artırılmaktadır. Bu çalışmada, önerilen balast devresi ile sinüzoidal forma yakın çıkış gerilimleri üretilerek bir T8 36W floresan lamba sürülmüştür. MATLAB/Simulink ortamında yapılan benzetimlerde, önerilen balast devresi üzerinden beslenen floresan lambanın akım ve gerilimler dalga şekillerinin diğer balast devrelerine kıyasla oldukça düşük harmonik içeriklere sahip olduğu görülmüştür. Aydınlatma sistemlerinde floresan lambalarının yaygın kullanımı ve enerji tasarrufunun önemi dikkate alındığında, önerilen yaklaşım ticari yüksek frekanslı elektronik balast devrelerinin tasarımında kullanılacağı düşünülmektedir. KAYNAKLA [1] A.O. Çakıroğlu, KompaktFlüoresanlarınOluşturduklarıHarmoniklerinŞebekeÜze rineetkilerininincelenmesi, YüksekLisansTezi, GebzeİleriteknolojiEnstitüsü, 27. [2] A. Çelik, FlüorasanlarınEnerjiTasarrufuAçısındanİncelenmesi, ElektrikMühendisliğiDergisi, Sayı 426, Sayfa 67-72, 26. [3] S. Y.. Hui, W. Yan, H. Chung, P.W. Tam and G. Ho, EnergyEfficiencyComparison of DimmableElectromagnetic and Electronic Ballast Systems, IEEE Industry Applications Conf., Vol. 4, pp , 25. [4] S. Börekçive S. Öncü, Akım BeslemeliKendindenTetiklemeli Push Pull EviriciliElektronikBalastTasarımı, GaziÜniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 24, No 1, Sayfa 1-6, 29. [5] A. Maamoun, An Electronic Ballast with Power Factor Correction for Fluorescent Lamps, IEEE Conf. on Electrical and Computer Engineering, pp , 2 [6] M. K. Kazimierczuk and W. Szaraniec, Electronic Ballast for Fluorescent Lamps, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 8, pp , [7] A. Ekbote and D. S. Zinger, Comparison of E and Half Bridge Inverters for Use in Electronic Ballasts, IEEE Industry Applications Conf., pp , 26. [8] J. C. W. Lam and P. K. Jain, A Novel High-Power-Factor Single- Switch Electronic Ballast, IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 46, pp , 21. [9] S. Tuncer, ÇokSeviyeliEviricilerdeTaşıyıcıDalgaŞekliDeğişimlerininÇıkışGerilim iüzerineetkilerininincelenmesi, GaziÜniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 24, No 4, Sayfa , 29. [1] W. Yan, E. Tam and S. Y.. Hui, A Versalite Semi-EmpiricalPSpice Fluorescent Lamp Model, IEEE Power ElectronicsSpecialistsConf., pp. 1-7, 26,. [11] W. Yan, S. Y.. Hui, H. Chung and X. H. Cao, GeneticAlgorithmOptimised High-Intensity-DischargeLamp Model, ElectronicLetter, Vol. 38, pp , 22. [12] D. Y. Lin, W. Yan, S. Hui and Y. X. Qin, An Improved Semitheoretical Fluorescent Lamp Model for Dimmable Applications, APEC 29, pp , 29. [13] W. Yan, E. Tam and S. Y. Hui, A Semi-Theoretical Fluorescent Lamp Model for Time-Domain Transient and Steady-State Simulations, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 22, pp , 27. [14] D. Lin, W. Yan and S. Y.. Hui, Modeling of Dimmable Fluorescent LampIncluding the Tube TemperatureEffects, IEEE Trans. on IndustrialElectronics, pp. 1-8, 21. Şekil 7: Tam güçteki lambanın akım-gerilim (I-V) karakteristiği: 5 Hz lik manyetik balastlı devre, 5-seviyeli eviricili elektronik balastlı devre 369