UZAY VEKTÖR DARBE GENİŞLİK MODÜLASYON TEKNİĞİ KULLANAN DİYOT KENETLEMELİ ÇOK SEVİYELİ EVİRİCİNİN MODELLENMESİ

Transkript

1 UZY VEKTÖR DRE GENİŞLİK MODÜLSYON TEKNİĞİ KULLNN DİYOT KENETLEMELİ ÇOK SEVİYELİ EVİRİİNİN MODELLENMESİ yşe Kocalmış ilhan, Sedat Sünter 2,2 Elektrik-Elektronik Mühendisliği ölümü Fırat Üniversitesi ÖZET u çalışmada, uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği (UVDGM) kullanan diyot kenetlemeli üç seviyeli eviricinin (NP)modellenmesi ve benzetimi gerçekleştirilmiştir. Önerilen algoritma iki seviyeli algoritmadan yararlanılarak elde edilmiş ve çok seviyeli eviricilerin tümüne uygulanabilir özelliktedir. u çalışmada, UVDGM kullanan diyot kenetlemeli çok seviyeli eviricinin benzetim sonuçları değişik çalışma şartları altında pasif R-L yükü için elde edilmiştir. nahtar Kelimeler: NP, Çok Seviyeli Evirici, UVDGM.. GİRİŞ Günümüzde, güç elektroniği elemanları üzerinde yapılan çalışmalar güç elektroniği sistemlerinin gelişmesine yardımcı olmuştur. u çalışmalar ile değişik devre yapıları ortaya çıkmıştır. u devre yapılarından biri de çok seviyeli evirici olarak adlandırılan güç elektroniği devreleridir []. Yüksek güç uygulamalarında çalışıldığında, bu duruma uygun güç elektroniği elemanlarının kullanılması gerekmektedir. ncak bu kullanım, anahtar üzerindeki akım ve/veya gerilim streslerinin yükseltilmesini gerektirdiğinden oldukça sınırlıdır. u durumda, güç yarı iletkenlerinin maksimum güç seviyeleri için önemli bir sorun oluşturmaktadır. u devre yapıları için kullanılan çözüm yöntemi ise; seri bağlı yarı iletken elemanlar ile yüksek gerilimlerin elemanlara paylaştırılmasını sağlamaktadır. una rağmen birbirine zincir şeklinde seri bağlı elemanlar arasında da gerilim paylaşımı problemleri ortaya çıkar. Elemanlardaki gerilim dengesini sağlamak için en iyi metod ayrı D kaynaklar kullanmak yada gerilim kaynağı gibi davranan kenetleme kapasitelerini kullanmaktır. Çok seviyeli evirici yapıları da bu temele dayanmaktadır [2]. Çok seviyeli evirici yapısı ile anahtarlar üzerindeki gerilim stresi azaltılmaktadır. yrıca, aynı anahtarlama frekansında çalışan iki seviyeli evirici ile kıyaslandığında çok seviyeli eviricilerin daha az harmonik içeriğe sahip oldukları görülür [3]. Günümüzde diyot kenetlemeli (NP), kapasite kenetlemeli ve kaskat bağlı olmak üzere temelde üç çeşit çok seviyeli evirici yapısı bulunmaktadır. yrıca çok seviyeli eviriciler için en düşük seviye sayısı üçtür [4]. Çok seviyeli evirici yapılarının birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları vardır. Kapasite kenetlemeli çok seviyeli eviricilerde kullanılan kapasite sayısı bu tip eviricilerin en önemli dezavantajlarındandır. Kaskat bağlı çok seviyeli eviricilerde ise izolasyonlu bağımsız D kaynakları kullanılması bu eviricilerin özellikle ağırlık, hacim ve boyutlarını büyütmektedir. u çalışmada kullanılan diyot kenetlemeli eviricilerde ise büyük modülasyon indekslerinde yada düşük güç faktörlerinde D linkteki kapasitelerde gerilim dengesizlikleri oluşmakta bu da çıkışta ilave yakın harmoniklerin oluşmasına sebep vermektedir. u gerilim dengesizliklerinin ortadan kaldırılması için çalışmalar devam etmektedir [5]. Çok seviyeli evirici yapıları geliştirilirken bir yandan da darbe genişlik modülasyon teknikleri üzerinde yapılan çalışmalarda artmıştır. Uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği de (UVDGM) günümüzde oldukça popüler olan tekniklerden biridir. UVDGM tekniği ile sinüsodial DGM tekniğine göre daha yüksek gerilim seviyelerine ulaşılabilmektedir. yrıca daha düşük anahtarlama frekansında çalışılabilmesi bu tekniğin bir başka avantajıdır. ncak bu tekniğin tek dezavantajı; çok seviyeli eviricilerdeki seviye sayısının artmasıyla beraber algoritmasının karmaşık hale gelmesidir. u çalışmada; UVDGM tekniği kullanan diyot kenetlemeli üç seviyeli evirici, MTL/Simulink paket programı kullanılarak modellenmiştir ve pasif bir R-L yükünde test edilmiştir. 2. ÜÇ SEVİYELİ NP EVİRİİNİN UVDGM KULLNRK MODELENMESİ Diyot kenetlemeli çok seviyeli eviricinin devre şeması Şekil ile verilmektedir. NP eviricide çıkış gerilimi her bir faz için kullanılan anahtarların değişik anahtarlama sırasıyla elde edilir. Çıkış faz gerilim seviyeleri +V D /2,, -V D /2 olarak elde edilir [3]. Şekil : Üç fazlı üç seviyeli diyot kenetlemeli çok seviyeli evirici Diyot kenetlemeli eviricilerde kenetleme diyotları olarak adlandırılan (D, D, D2, D2, D3 ve D3 ) ve her faz için çıkış gerilimi elde etmede kullanılan kenetleme diyotları bulunur [6]. u kenetleme diyotlarının sayısı, m seviye sayısı için; (m-)*(m-2) () 9

2 Elektrik-Elektronik ve ilgisayar Sempozyumu 2 olarak hesaplanır [7]. yrıca m seviyeli bir çıkış üretilebilmesi için D barı üzerinde m- adet kapasitenin bulunması gerekir. Şekil 2 de gösterildiği gibi üç seviyeli evirici için 3 3 =27 anahtarlama durumu söz konusudur [8]. ütün anahtarlama durumları bir uzay vektör diyagramı üzerinde gösterilmektedir. Uzay vektör diyagramı, Şekil 2 den görüldüğü gibi altı sektörden (,,, D, E ve F) ve herbir sektör de dört bölgeden (, 2, 3 ve 4) oluşmaktadır [5]. yrıca bütün gerilim vektörleri dört gruba ayrılabilir. u gruplar; (,, ---) den oluşan sıfır gerilim vektörleri, (, -,, --) den oluşan küçük gerilim vektörleri, (-, -,., -) den oluşan orta gerilim vektörleri ve (--, -,., -) den oluşan büyük gerilim vektörleridir. edilmektedir. ir UVDGM de V ref in bulunduğu yer tespit edilirken şu sıralama takip edilir; I)- V ref in bulunduğu sektörün tesbiti, II)- V ref in bulunduğu bölgenin tespiti, III)- T a, T b ve T c sürelerinin hesabı, IV)- nahtarlanma sırasının tespiti. Üç fazlı gerilim büyüklükleri sinüzodial ve dengeli ise gerilim vektörü sabit bir açısal hızla dönecek ve sabit bir genliğe sabit olacaktır. Θ açısı bu açısal hız kullanılarak hesaplanır. u nedenle sektör tespiti yapılırken Θ açısının değerine bakılır. Tablo 2 ile sektör tespiti gösterilmektedir. Şekil 3. ya ait uzay vektör diyagramı Tablo 2: çı değerine göre V ref in bulunduğu sektörün tespiti Şekil 2: Üç fazlı üç seviyeli eviricinin uzay vektör diyagramı Üç seviyeli NP eviriciye ait anahtarlama durumları Tablo ile verilmektedir. Tablo da anahtarların kapalı konum, anahtarların açık olduğu konum ile gösterilmektedir. Tablo : Evirici anahtarlarının anahtarlama durumları (X=, ve fazları) V XO S X S X2 S X S X2 +V D /2 -V D /2 UVDGM tekniğinin temel prensibi; referans gerilim vektörü hesaplanırken en yakın üç gerilim vektöründen yararlanılmasıdır. una göre; V ref * T s = V a * T a + V b * T b + V c * T c (2) T s = T a + T b +T c (3) V a, V b, ve V c vektörleri V ref in bulunduğu üçgene ait gerilim vektörleri, T a, T b ve T c bu gerilim vektörlerine uygun anahtarlama süreleri ve T s ise toplam anahtarlama süresidir. Şekil 3 ile ya ait olan anahtarlama durumları ve anahtarlama sırası gösterilmektedir. Diğer sektörler için yapılan hesaplamalarda yine benzer yöntem takip çı (Θ) bulunduğu sektör Θ < 6. 6 Θ < Θ < Θ < Θ < Θ < V ref in bulunduğu bölge belirlenirken V ref V ve V 2 olmak üzere iki bileşene ayrılır. Tablo 3 ile uygun bölge tespiti sıralaması gösterilmektedir. V = V ref *(osθ - SinΘ/ ) (4) V 2 = (2/ )* V ref * SinΘ (5) Her bir sektördeki her bir bölgede farklı anahtarlama sayıları ve sıraları olduğu için her bir bölge için ayrı ayrı T a, T b ve T c sürelerinin hesaplanması gerekir. Tablo 4 ile ya ait bütün anahtarlama durumları gösterilmektedir[9]. Tablo 3: ölge tespiti ölge Numarası V V 2 V + V 2. bölge <.5 <.5 <.5 2. bölge > bölge <.5 <.5 >.5 4. bölge - >.5-9

3 Tablo 4: için anahtarlama sürelerinin hesabı. ölge 2. ölge T a.*m*t s*sin((π/3)-α) T s(-.*m*sin(α+π/3)) T b T s/2(-(2*.*sin(α+π/3)).*t s*m*sinα T c.*t s*sinα T s/2((2*.*m*sin(π/3-α))- ) 3. ölge 4. ölge T a T s/2(-2*.*m* sinα) T s/2(2*.*m*sin(α)-) T b T s/2(2*.*m*sin(π/3+α)-.*m*t s*sin((π/3)-α) ) T c T s/2(+2*.*m*sin(απ/3)) T s(-(.*m*sin(α+π/3)) nahtarlama durumları sıralanırken önemli olan; bir durumdan diğer duruma geçerken yalnızca bir anahtarın konum değiştirmesidir. için bu durum Şekil 4 ile gösterilmektedir. Tablo 5: Tüm sektörler için anahtarlama sırası Fazlar. ölge 2. ölge 3. ölge 4. ölge D (a)-. ölge E TS/2 (b)- 2. ölge F V N V N V N T a/2 T c/2 Tb Ta /2 Tc /2 (c)- 3. ölge (d)- 4. ölge Şekil 4. ya ait anahtarlama durumları - 3. ENZETİM MODELİ Şekil 5 ile R-L yükü için bütün sisteme ait benzetim modeli gösterilmektedir. İlk olarak bir m-file dosyası ile girilen modülasyon indeksi ve frekans değerleri belirlenmekte, ardından frekans değerine göre açı hesabı çı hesabı bloğunda yapılmaktadır. Daha sonra UVDGM bloğu ile açının ve modülasyon indeksinin değerlerine göre gerilim vektörünün bulunduğu sektör ve bölge hesabı yapılarak uygun anahtarlama süreleri hesaplanır. UVDGM bloğu içerisinde program dilinde yazılmıştır. faz, faz ve faz blokları ile anahtarlama sinyalleri üretilerek NP bloğu içerisinde bulunan diyot kenetlemeli eviriciye ait anahtarlara uygun sırada sinyaller uygulanır. Şekil 6 ile NP bloğu içerisinde bulunan diyot kenetlemeli eviriciye ait devre yapısı gösterilmektedir. Diğer sektörler için uygulanacak anahtarlama sıraları ise Şekil 2 ile gösterilmekte ve Tablo 5 ile verilmektedir []. 92

4 Elektrik-Elektronik ve ilgisayar Sempozyumu 2 Şekil 5. ütün sisteme ait benzetim modeli m=.7 olması durumunda tekrar çalıştırıldı. Şekil ve Şekil sırasıyla hat gerilimi ve hat akım dalga şekillerini göstermektedir. Şekil 2 ise hat gerilimine ait harmonik analizi vermektedir. 5 5 V a b ( V ) -5 - Şekil 6. NP bloğunun içyapısı 4. ENZETİM SONUÇLRI Şekil 7. f o = Hz ve m =.65 için hat gerilimi enzetim sonuçları, değişik çalışma koşullarında ve yükün R=57Ω ve L=35,5mH olması durumunda elde edilmiştir. nahtarlama frekansı 5kHz ve D gerilim 2V olacak şekilde sistem çalıştırılmıştır. Şekil 7 den Şekil a kadar alınan sonuçlarda modülasyon indeksi m=.65 ve çıkış frekansı Hz olacak şekilde seçilmiştir. Şekil 7 Vab hat gerilimini göstermektedir. Çıkış gerilim dalga şeklinden görüleceği gibi çıkış gerilimi beş seviyelidir. u durumdaki hat akımı Şekil 8 ile gösterilmektedir. Şekil 9 da ise hat gerilimi ile beraber harmonik analiz verilmektedir. Şekilden de görülebileceği gibi ana harmonik çıkış frekansı olarak seçilen Hz dedir. Diğer harmonikler ise anahtarlama frekansı civarındadır. enzetim modeli f=5hz ve Şekil 8. f o = Hz ve m =.65 için hat akımları 93

5 V a b ( V o lt ) G e n lik ( V o lt ) Harmonik Derecesi Şekil 9. f o = Hz ve m =.65 için hat gerilimi ve harmonik analizi Vab (V ) Şekil. f o = 5Hz ve m =.7 için hat gerilimi Şekil. f o = 5Hz ve m =.7 için hat akımları V a b ( V o lt ) G e n li k ( V o l t ) Harmonik Derecesi Şekil 2. f o = 5Hz ve m =.7 için hat gerilimi ve harmonik analizi 5. SONUÇLR Diyot kenetlemeli üç seviyeli evirici MTL/Simulink paket programı kullanılarak modellendi. enzetim sonuçları farklı çalışma şartları için bir pasif R-L yükü için elde edildi. enzetim modeli çalıştırılırken anahtarlama frekansı olarak 5 khz kullanıldı. Kullanılan bu algoritma daha yüksek seviyedeki çok seviyeli eviriciler içinde kullanılabilir. 6. KYNKLR [] Mondal, S.K., Pinto, J.O.P, ose,.k. Neural- Network-ased Space Vector PWM ontroller for a Three-Level Voltage-Fed Inverter Induction Motor Drive, IEEE Trans. on I.., Vol. 38, sayfa no. 3, May/June 22. [2] hagwat P.M. and Stefanovic V.R. Generalized Structure of Multilevel Inverter, IEEE Trans. on Ind.., Vol. I-9, no.6, sayfa 57-69, 983. [3] Manjrekar, M., Venkataramanan, G., dvanced Topologies and Modulation Strategies for Multilevel Inverters, Power Electronics Specialists onference, Vol. 2, sayfa 3-8, June 996. [4] elenovic, N., Space Vector Modulation and ontrol of Multilevel onverter, Doctor of Philosophy, Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, Eylül, 2. [5] usquets Monge, S., ordonau, J.,oroyevich, D. and Somavilla, S., The Nearest Three Virtual Space Vector PWM - Modulation for The omprehensive Neutral-Point alancing in The Three-Level NP Inverter, Power Electronics Letters, IEEE, -5, 24. [6]. Nabae, I. Takahashi and H. kagi, new neutral-point-clamped pwm inverter, IEEE Trans. on Industry pp., Vol. 7, No.5, sayfa , Eylül/Ekim 98. [7] neesh, M.. S., Gopinath,., aiju, M. R., Simple Space Vector PWM Generation Scheme for ny General n-level Inverter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.56, No:5, sayfa , Mayıs 29. [8] Ryvkin, S., Obermoeller, R.S., Steimel., Sliding- Mode-ased ontrol for a Three Level Inverter Drive, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.55, No., sayfa , November (28). [9] S.K., Mondal,.K., ose, V., Oleschuk, J.O.P., Pinto, Space vector pulse width modulation of three-level inverter extending operation into overmodulation region, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.8, sayfa 64 6, March 23. [] Kocalmış,., Modelling and Simulation of Multilevel Inverter Using SVPWM, MSc Thesis, Institute of Science, Firat University,