Anahtarlama Modlu DA-AA Evirici

Transkript

1 Anahtarlama Modlu DA-AA Evirici Giriş Anahtarlama modlu eviricilerde temel kavramlar Bir fazlı eviriciler Üç fazlı eviriciler Ölü zamanın PWM eviricinin çıkış gerilimine etkisi Diğer evirici anahtarlama yöntemleri Doğrultucu modlu çalışma Not :Evriciler, AA motor sürücüleri ve kesintisiz güç kaynaklarında kullanılan güç dönüştürücüleridir. 8-1

2 AA motor sürücüleri ve kesintisiz güç kaynaklarında kullanılırlar, Bu nedenle genliği ve frekansı kontrol edilebilen bir gerilim üretmelidirler, Eviriciler, A) Girişinde doğru gerilim kaynağı bulunan Gerilim Kaynaklı Evirici (VSI) B) Girişinde doğru akım kaynağı bulunan Akım Kaynaklı Evirici olmak üzere iki gruba ayrılabilirler CSI lar genellikle büyük güçü AA motor sürücülerinde kullanılırlar. 8-2

3 VSI lar üç sınıfa ayrılırlar: a) Kare Dalga Eviriciler (Çıkış geriliminin genliği ancak besleme gerilimi ile kontrol edilebilir. Çıkış gerilimi kare dalga biçimindedir) b) Sinüs Benzetimli (Kısmi Kare Dalga) Eviriciler (Çıkış geriliminin genlik ve frekansı ayarlanabilir. Sadece bir fazlı olarak uygulanabilmektedir.) c) PWM (Darbe Genişlik Modülasyonlu) Eviriciler (Çıkış geriliminin hem frekansı hem de genliği kontrol edilebilir. Çıkış geriliminin dalga şekli sinüse yakındır.) 8-3

4 Anahtarlama Modlu DA-AA Evirici Güç akışının tek yönlü olduğu bir motor sürücüsünün blok diyagramı 8-4

5 Anahtarlama Modlu DA-AA Evirici Güç akışının iki yönlü olduğu bir motor sürücüsünün blok diyagramı 8-5

6 Şekil 8.1 deki evirici enerjinin iki yönde akmasına imkan tanıyan bir eviricidir. Motor frenlenirken yükte biriken kinetik enerji geri kazanılır ve DA tarafa aktarılır ve kondansatöre paralel bağlı direnç üzerinde harcanır. Eğer DA tarafa aktarılan gücün kaynağa dönmesi isteniyorsa doğrultucu olarak akımın iki yönde akmasına imkan veren bir devre seçilmelidir. Bu ters paralel bağlı kontrollü/kontrolsüz doğrultucu kullanarak veya anahtarlamalı doğrultucu kullanarak mümkün olur (Şekil 8.2). 8-6

7 Anahtarlama Modlu DA-AA Evirici Endüktif yüklü bir eviricinin dört çeyrek çalışması 8-7

8 Anahtarlamalı Modlu DC-AC Eviricinin Tek Kolu 0 noktası hayali orta noktadır 8-8

9 Kare Dalga Çalışma Harmonikler temel bileşenin katları olan frekanslarda oluşmaktadır. 8-9

10 Faz Kaydırmalı Çıkış Kontrolü Faz kaydırma yönteminde α açısının kontrolü ile çıkış gerilimi kontrol edilebilir. 8-10

11 Altı Adımlı Evirici (Six Step Inverter) Altı Adımlı Üç Fazlı Gerilim Kaynaklı Evirici Fig. 1 Üç fazlı gerilim kaynaklı evirici 8-11

12 Altı Adımlı Evirici (Six Step Inverter) Gate sinyalleri, anahtarlama sıralaması ve faz nötr gerilimleri Fig. 2 Altı adımlı gerilim kaynaklı eviricinin gate sinyalleri anahtarlama sıralaması, faz-nötr gerilimleri 8-12

13 Faz-faz (Hat) gerilimleri (V ab, V bc, V ca ) ve faz-nötr gerilimleri (V an, V bn, V cn ) Faz-nötr gerilimleri Altı Adımlı Evirici (Six Step Inverter) V ab = V an - V bn V bc = V bn - V cn V ca = V cn - V an Faz-faz gerilimleri V an = 2/3V an - 1/3V bn - 1/3V cn V bn = -1/3V an + 2/3V bn - 1/3V cn V cn = -1/3V an - 1/3V bn + 2/3V cn Fig. 4 Altı adımlı gerilim kaynaklı eviricinin faz-nötr ve faz-faz gerilimleri 8-13

14 Altı Adımlı Evirici (Six Step Inverter) Faz-faz gerilimlerinin genliği (V ab, V bc, V ca ) Temel frekans bileşeni (V ab ) 1 (V ab ) 1 (rms) = π V dc 2 = π 6 V dc 0.78V dc Harmonik bileşenleri (V ab ) h : harmonik bileşenlerin genlikleri harmonik derecesi ile birlikte düşer (Vab ) h 0.78 (rms) = V h dc h = 6n ± 1 (n = 1, 2, 3,...) 8-14

15 Altı Adımlı Evirici (Six Step Inverter) Altı adımlı gerilim kaynaklı evirici karakteristiği Faz-nötr gerilimin dalga şeklinde altı adım bulunduğu için Altı Adımlı Evirici olarak adlandırılır. Üç ve üçün katı olan harmonikler faz-nötr ve faz-faz gerilimlerinde ve bunun sonucu olarak da akımlarda bulunmaz. Üç fazlı eviricinin çıkış gerilim seviyesi ancak DA gerilim seviyesi (V dc ) değiştirilerek kontrol edilebilir. 8-15

16 Anahtarlamalı Modlu DC-AC Eviricinin Tek Kolu 0 noktası hayali orta noktadır 8-16

17 PWM ile Sinüsoidal Çıkışın Üretilmesi Modülasyon Genliği: m a = Vˆ Vˆ kontrol üçgen Frekans Modülasyonu: m f = f s f

18 v kontrol < v üçgen T A iletimde ve 1 v A 0 = V d 2 v kontrol > v üçgen T A+ iletimde ve 1 v A 0 = V d 2 Evirici çıkış gerilimi; v ˆ kontrol V üçgen için vkontrol Vd v A0 = = v 2 üçgen m a Vd 2 Evirici çıkış geriliminin temel bilişeni ; ( ˆ ) V = m A0 1 a Vd

19 Anahtarlama Sürecinin Detayları Kontrol gerilimi anahtarlama sürecinde sabit kabul edilebilir (f tri >>f control olduğundan) 8-19

20 DA-AA Evirici Çıkış Gerilimindeki Harmonikler Taşıyıcı sinyalin frekansı ve onun katları olan frekanslarda harmonik bileşenler görülmektedir. 8-20

21 Aşırı modülasyon (modülasyon üstü çalışma) nedeniyle oluşan harmonikler Temel frekans bileşenin katları olan frekanslarda harmonik bileşenler oluşmaktadır. 8-21

22 Modülasyon oranına (genliğine) bağlı olarak çıkış geriliminin temel bileşeni Doğrusal ve modülasyon üstü çalışma bölgeleri görülmektedir ( m a arttırılmaya devam edildiğinde PWM sona erer ve çıkış gerilimi kare dalga şeklini alır) 8-22

23 Yarım Köprü (Half Bridge) Evirici Kondansatör orta noktayı meydana getirmektedir. 8-23

24 Bir Fazlı Köprü Tipi (Full-Bridge) DA-AA Evirici İki koldan oluşmaktadır 8-24

25 Çıkış Geriliminin PWM ile Üretilmesi Kesik çizgi ile istenilen çıkış gerilimi ve temel frekans bileşeni gösterilmektedir. 8-25

26 Analysis assuming Fictitious Filters Küçük kurgusal filtreler anahtarlama frekansına bağlı ripılları yok eder. 8-26

27 DA Akımı İki Yönlü (Bi-Polar) Gerilim Anahtarlamalı 8-27

28 Çıkış Dalgaşekilleri: Tek kutuplu (Unipolar) Gerilim Anahtarlamalı Anahtarlama frekansı civarındaki harmonik bileşenler yok edilmiştir. 8-28

29 Bir Fazlı Evirici DA Akımı Tek Yönlü (Uni-polar) gerilim anahtarlamalı 8-29

30 Doğrusallaştırılmış Bir Fazlı Eviricinin Matematiksel Modeli Eviricinin matematiksel modeli çıkartılırken ilk önce anahtarların durumları tespit edilmelidir. Anahtarların açık veya kapalı olmasına göre şekillenen gerilimin L-C filtreden geçirilmesiyle yük gerilimi elde edilmektedir. 8-30

31 Doğrusallaştırılmış Bir Fazlı Eviricinin Matematiksel Modeli Evirici çıkış geriliminin genliği sinüs (kontrol) sinyalinin genliği kontrol edilerek ayarlanabilir. Sinüs ve üçgen sinyallerinin tepe değerlerinin oranı olarak tanımlanan modülasyon indeksi: S yerine zamana bağlı olan görev oranı dc değişkeni tanımlanabilir. 8-31

32 Doğrusallaştırılmış Bir Fazlı Eviricinin Matematiksel Modeli s yerine dc yazılırsa eviricinin zamana bağlı modeli elde edilebilir: V Burada da M = modülasyon kazancı olarak tanımlanabilir. Böylece evirici U üçgen devresi kontrollü gerilim kaynağı olarak gösterilebilir. 8-32

33 Doğrusallaştırılmış Bir Fazlı Eviricinin Matematiksel Modeli Şekilde gösterilen model için aşağıdaki durum denklemleri yazılabilir: 8-33

34 Doğrusallaştırılmış Bir Fazlı Eviricinin Matematiksel Modeli 8-34

35 Doğrusallaştırılmış Bir Fazlı Eviricinin Matematiksel Modeli Yukarıdaki eşitliklere laplace dönüşümü uygulanarak Şekildeki blok diyagram elde edilebilir: 1 R R y V M = U da üçgen 1 Ls 1 Cs 8-35

36 Bir Fazlı Eviricinin Çıkışındaki Salınımlar (Ripple) Temel frekansta analizi 8-36

37 Kare Dalga ve PWM Çalışma PWM yöntemi ile ripple akım değeri önemli miktarda azaltılmıştır. 8-37

38 Push-Pull Evirici Kare dalga çalışma kullanılarak düşük gerilimden yüksek gerilim elde edilir. 8-38

39 Üç Fazlı Eviriciler Üç evirici kolu vardır (kondansatör orta noktası hayalidir) 8-39

40 Üç fazlı PWM Dalga Şekilleri 8-40

41 Üç Fazlı Evirici Harmonikleri 8-41

42 Üç Fazlı Evirici Çıkışı Doğrusal ve modülasyon üstü çalışma aralıkları 8-42

43 Üç Fazlı Eviriciler-Kare Dalga Modu Harmonikler temel frekans bileşenin katları frekanslarda oluşmaktadır. 8-43

44 Three-Phase Inverter: Fundamental Frequency Temel frekansta analiz fazörler kullanılarak yapılabilir. 8-44

45 Kare Dalga ve PWM Çalışma PWM çalışma çok daha küçük ripıl akımlarına neden olur. 8-45

46 Üç Fazlı Eviricilerde DA Akımı Akım DA bileşen ve anahtarlama frekansına bağlı harmonikler içerir. 8-46

47 Kare Dalga Çalışma iletimdeki elemanlar görülmektedir 8-47

48 PWM Çalışma iletimdeki elemanlar görülmektedir 8-48

49 Short-Circuit States in PWM Operation üst gruptaki veya alt gruptaki anahtarlar aynı anda iletime geçerse yük uçları kısa devre olur 8-49

50 Ölü Zamanın Etkisi Doğrusallığın bozulmasına neden olur 8-50

51 Ölü Zamanın Etkisi Akım yön değiştirdiğinde gerilim sıçrar 8-51

52 Ölü Zamanın Etkisi Çıkış gerilimine etkisi 8-52

53 Eviricilerde Diğer Anahtarlama Yöntemleri Kare Dalga Anahtarlama Programlanmış Harmonik Yok Etme Yöntemi Akım Kontrollü Modülasyon a) Tolerans Bant (Histerezis Bant) Kontrolü b) Sabit Frekans Kontrolü 8-53

54 Programlanmış Harmonik Yok Etme Yöntemi α açısı istenilen çıkış gerilimine göre belirlenir 8-54

55 Tolerans Bant (Histerzis Bant) Kontrolü Anahtarlama frekansı değişkendir 8-55

56 Sabit Frekanslı Çalışma dq analizi kullanılarak daha iyi kontrol mümkündür 8-56

57 Evirici Modundan Doğrultucu Moduna Geçiş Temel frekans bileşeni temel alınarak analiz yapılabilir 8-57

58 DA-AA Eviricilerin Özeti Blok diyagram olarak fonksiyonel gösterimi 8-58