DSC TABANLI UZAY VEKTÖR DARBE MODÜLASYON TEKNİĞİNİ KULLANAN KOMPAKT ASENKRON MOTOR SÜRÜCÜSÜNÜN GELİŞTİRİLMESİ Taner Göktaş,Ertan Murat, Sedat Sünter 3 Osmancık Ömer Derindere MYO Hitit Üniversitesi tanergoktas@hitit.edu.tr ASER Teknoloji Teknokent/ODTÜ ertan@aser.com.tr 3 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Fırat Üniversitesi ssunter@firat.edu.tr ÖZET Mikroişlemci teknolojilerindeki çok yönlü kapasite ve küçük hacimli yüksek güçlü yarı iletken güç anahtar yongalarındaki gelişmeler sayesinde, tamamen sayısal denetimli kompakt motor sürücülerin geliştirilmesine olanak sağlanmıştır. Son yıllarda üzerinde en çok durulan darbe genişlik modülasyon tekniği uzay vektör darbe genişlik modülasyon(uvdgm) tekniğidir. Bunun nedeni uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği ile genlik ve frekans üzerinde tam bir kontrol yapılabilmesidir. Bu çalışmada, iki seviyeli uzay vektör darbe genişlik modülasyonlu inverter benzetimi yapılmıştır. Motor sürücü platformunun geliştirilmesi için TMS3C DSC kartı kullanılmış ve güç devresi tasarlanmıştır. Devre çalıştırılarak değişik çalışma koşullarında deneysel sonuçlar alınmış deneysel sonuçlar ile benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Uzay Vektör, Asenkron Motor, DSC.GİRİŞ Endüstrinin ihtiyaç duyduğu değişken hızlı elektrik motor tahrik sistemlerinde, asenkron motor diğer motor türleriyle kıyaslandığı zaman sahip olduğu avantajlardan ve özellikle kontrolü ile ilgili gelişmelerden sonra baskın hale gelmiştir[]. Değişken hızlı asenkron motor sürücü devrelerinde çoğunlukla inverterler kullanılmaktadır. İnverterler ayrıca endüstride; endüksiyonla ısıtma sistemlerinde, AA gerilim regülâtörlerinde ve kesintisiz güç kaynaklarında da kullanılmaktadır. İnverterler DA kaynağından yüke değişken frekans ve genlikte AA kaynağı sağlayan güç elektroniği devreleridir. İnverterlerin temelinde yatan arzu edilen değerde çıkışında düşük harmonik seviyeli frekans ve genlikte alternatif gerilim sağlamaktır []. Şekil: Anahtarlama modlu inverter Örnek olarak Şekil de gösterilen bir alternatif akım motor tahrik sistemini ele alalım. Bu sistemde alternatif şebeke gerilimi önce doğrultulup süzülür ve bir doğru gerilim elde edilir, daha sonra bu gerilim bir inverter yardımıyla tekrar alternatif gerilime dönüştürülür. Gerçekte Şekil de gösterilen anahtarlamalı inverter, enerjinin her iki yönde de akabildiği inverterdir. Çalışmanın büyük bir kısmında elektrik enerjisi, doğru akım kaynağından çıkıştaki yüke doğru akmakta ve bu durumda inverter, evirme konumunda çalışmaktadır. Kesintisiz güç kaynakları ve alternatif akım motor sürücüleri gibi uygulamalarda, üç fazlı yükleri beslemek için üç fazlı inverterler yaygın olarak kullanılır. Çıkışı birbirinden kaydırılmış, üç adet bir fazlı inverter ile de üç fazlı yük beslenebilir[3]. Şekil : Üç fazlı inverter En yaygın kullanılan 3 fazlı inverterde, Şekil de görüldüğü gibi, her faz için bir tane olmak üzere üç tane bacak bulunur. İnverterin her bacağının çıkışı yalnızca V ye ve anahtarların durumuna bağlıdır..uzay VEKTÖR DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONU Evirici beslemeli asenkron motor sürücülerinin performansında, anahtarlar için kullanılan modülasyon tekniği çok büyük önem arz etmektedir. UVDGM tekniği çok iyi harmonik performansı, modülasyon indeksi aralığının genişletilmesi, DA giriş geriliminin optimum kullanımı ve düşük akım dalgalanması gibi avantajlara sahiptir. Doğrudan programlanabildiğinden sayısal gerçekleştirmeler için uygun olmaktadır[4-5]. Küçük uzay vektörlerinin uygun seçimi ve eşit anahtarlama süresi ile anahtarlama sıralarının başlangıç ve bitiş durumları, düşük gerilim dalgalanmalarına ve düşük toplam harmonik distorsiyonuna sebep olur. UVDGM tekniği buna benzer bir sıra kullanır. Bundan dolayı performansları diğer darbe genişlik modülasyon tekniklerine göre daha iyidir. Böylece uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği lineer modülasyon oranında diğer darbe genişlik modülasyon tekniklerine göre oldukça yüksek performans gösterir... İki seviyeli uzay vektör modülasyon tekniği UVDGM tekniğinde üç fazlı referans gerilimler Clarke dönüşümü kullanılarak α-β uzayında gerilim uzay vektörü ile temsil edilmektedir. Vektörün uzunluğu ve faz açısı bu üç fazlı büyüklüklerin anlık değerleri ile saptanır. Eğer üç fazlı büyüklükler sinüsoidal ve dengeli ise vektör, sabit bir açısal d 9
hızla dönecektir ve sabit bir uzunluğa sahip olacaktır. Başka bir deyişle dönen bir gerilim vektörü oluşacaktır [6]. Uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği, altıgen içerisindeki bütün referans vektörlerin (V ref ), V ref e komşu olan iki uzay vektörünün ve sıfır vektörlerinin ağırlıklı ortalamaları alınarak oluşturulur [7]. Bir uzay vektör Denklem deki eşitlikle tanımlanır. Vref jπ/3 jπ /3 ( V + V e + V e ) = Vα + jvβ = () a b c 3 Burada V a, V b ve V c sırasıyla a, b ve c fazlarının referans gerilim değerleridir. Böylece iki boyutlu düzlem veya kompleks yapı herhangi bir üç fazlı sisteme benzetilebilir. İnverterin yapısı Şekil 3 de gösterildiği gibidir. Üst anahtarlar ( 3 5) iletime geçtiği zaman alt anahtarlar (4 6 ) kesimde kalmaktadır. Şekil 5: Temel anahtarlama vektörleri ve bölgeleri Uzay Vektör PWM uygulamalarında gerilim sentezi yapılırken ilk olarak a,b,c çatısından d-q çatısına dönüşüm yapılır []. Vd = Van Vbn V cn () 3 3 Vq = Vbn Vcn (3) V = V + V (4) ref d q Şekil 3: Üç fazlı inverter Üç fazlı iki seviyeli UVDGM inverter için anahtarlama durumları Şekil 4 de gösterilmektedir. Üst anahtarların iletim ve kesim durumlarına göre toplam 8 anahtarlama durumu söz konusudur. İnverter çıkış gerilimi de bu 8 anahtarlama durumunun birleşmesinden meydana gelir. V d α = tan = ω t = π f t (5) V q Vektörün hangi bölgeye düştüğünü bulmak için α açısına bakılır. Daha sonra anahtarlama sürelerinin hesabı yapılır. Herhangi bir sektördeki anahtarlama süresi de şu şekilde hesaplanır. z= [ 6] arasında herhangi bir bölge numarası olduğuna göre; T s 3 Vref z z TZ = sin π.cosα cos π. sinα Vdc 3 3 T s 3 Vref z z TZ + = cosα.sin π + sinα.cos π Vdc 3 3 Ts = Tz Tz+ (6) (7) T (8) Şekil 4: İki seviyeli UVDGM tekniği için anahtarlama durumları Uzay vektör modülasyonunda ulaşılabilen maksimum çıkış gerilimi, inverter kapasitesinin %9,6 sının kullanılmasını sağlar. Aynı zamanda bu modülasyon tekniği geliştirilerek inverter kapasitesinin tamamı kullanılabilir. Sinüsoidal Darbe genişlik modülasyonu ile UVDGM karşılaştırıldığında, UVDGM de daha etkili bir çıkışın olduğu ve gerilimin daha harmoniksiz olduğu gözlenir. Şekil 5 de V ref vektörünün z bölgesinde bulunduğu kabul edilirse, bu durumda bitişik vektörler V ve Z V olur. Z + Anahtarlama yapıldığında bir durumdan diğer bir duruma geçerken inverterin sadece bir bacağı anahtarlanır. Bu durum en iyi harmonik performansını sağlamaktadır. Böylece anahtarın belirli bir frekansta, verilen DA bara gerilimi ve referans gerilim vektörü için iletimde kalma süreleri dolayısıyla görev periyotları hesaplanmış olur. 3.DENEYSEL DÜZENEĞİN TASARIMI Alternatif akım motor sürücü düzeneği için oluşturulan devrede ilk olarak AA motor sürücülerinin donanımsal gereksinimleri belirlenmiş ve platformda güvenlik ve koruma üst seviyede ele alınmıştır. Anahtarlama frekansı 4,4 khz seçilerek elde edilen akım ve gerilim dalga şekillerinin yeterince düzgün ve kaliteli olması sağlanmıştır. Sayısal işaret işlemcileri (DSP) yüksek hızda ve sayıda işlem kapasitesine sahip, çeşitli ara yüzler ile donatılmış programlanabilir mikroişlemcilerdir. Güç elektroniği endüstrisinin; System On Chip (SOC), ICSP (In Circuit System Programming) ile gelişmiş ve çoklu iletişim ara yüzleri, çevre birimleri (ADC, PWM, Yakala/Karşılaştır,
Encoder Arayüz) hafıza/bellek çokluğu gibi taleplerinin işlemci ile tek bir yongada ekonomik olarak üretim gereksinimi sayısal işaret denetleyicilerini (DSC) teknoloji pazarında gündeme getirmiştir. Çok yüksek hız gereksinimleri endüstride, donanım temelli FPGA (Field Programmable Gate Array) yongaların kullanımı ile görülmeye başlansa da, birçok güç elektroniği uygulaması için DSC ler fiyat/performans karşılaştırmaları ile geleneksel tercih olagelmiştir..8.6.4. -. -.4 -.6 -.8 -.5..5..5.3.35.4.45.5 Zaman (Sn) Şekil 8: U ve a U referans gerilim vektörleri(f=5hz) b Şekil 6: Alternatif akım motor sürücü düzeneği için oluşturulan donanım düzeneği Seri haberleşme modülü kullanılarak DSC kartı ile bilgisayar haberleştirilerek çıkış frekansı değiştirilmektedir. Seri haberleşme için DSC kartı ile bilgisayarın RS 3 portu arasına seri kablo bağlanarak haberleşme sağlanmıştır. Oluşturulan simulink modeli F8335 kontrol kartına yüklenerek uygun anahtarlama sinyalleri üretilmiştir. Şekil 6 da tasarlanan sürücü sistemin blok diyagramı gösterilmektedir. Anahtarlama sinyalleri için Texas Instruments firması tarafından geliştirilen işaret işleme ve sistem kontrol alanında yeni, hızlı, küçük ve güçlü bir işlemci olan TMS3C-F8335eZdsp DSC kartı kullanılmıştır. F8335 kontrol kartı pinli olup DIMM (Dual In Line Memory Module) stil TMS3C serisi kartıdır. Bu kontrol kartının güvenli çalışması için yaşam destek (clock, supply LDO, decoupling, pull-ups) devreleri bulunmaktadır. Barındırdığı bu devrelerin yanı sıra DSC kartı oldukça güçlü ve elektriksel olarak gürültülerden arınmış olup 3 bitlik bir yapıya sahiptir. Kullanılan işlemcide analog girişler bit olup aynı zamanda içerisinde hazır UVDGM çıkış pinleri bulunmaktadır. Bu karta Şekil 7 de gösterilen simulink modeli gerçek zaman ara yüzü kullanılarak yüklenmiştir. PWM Süreleri.8.6.4..8.6.4..5..5..5.3.35.4.45.5 Zaman(Sn) Şekil 9: Üretilen PWM süreleri DSP ile üretilen sinyaller koruma amacı ile bir izolasyon devresinden geçirilir. Devrede P-N terminalleri arasında doğrultulmuş DC link gerilimini düzeltmek için iki adet kondansatör kullanılmıştır. Ayrıca buna ek olarak bir snubber kondansatörü kullanılmıştır. DC link kondansatörlerinin deşarj olması için 5 kω, 5 Watt lık taş dirençler paralel bağlanmıştır. Kontrolörden gelen sinyaller üç fazlı inverter modülüne (IPM) uygulanmaktadır. Kullanılan IPM içerisinde hazır sürme devreleri bulunmaktadır. Modül, 6 V, 5 A lik gerilim ve akım değerlerine sahip olup böylesi küçük bir modül ile yaklaşık 3 kw lık bir AA motor sürülebilmektedir. Şekil 7: DSC kartına yüklenen simulink modeli Oluşturulan simulink modelinde Ua ve Ub referans gerilimleri ile açık çevrim kontrol sağlanmaktadır. Referans gerilimler olan Ua ve Ub sinüs gerilimlerinin, frekansı değiştirilerek çıkış frekansı, genliği değiştirilerek çıkış genliği değiştirilmektedir. Şekil : IPM ve DC Link kapasitörlerini içeren devrenin fotoğrafı
DC-link kapasitörlerinin şarj akımını sınırlamak için inrush current limiter (ICL_B57364) kullanılmıştır. Gerilim kaynağı terminallerinde aşırı gerilim dalgalanmalarını önlemek için 4V/W lık zener diyot kullanılmıştır. Ayrıca kısa devre koruması için ACS7 entegresi kullanılmıştır. Devrede kullanılan diyotlar hızlı düzelmeli diyotlardır. (a) Şekil : Tasarlanan sürücünün fotoğrafı Bilgisayarın seri portu ile DSC kartı arasına yerleştirilen bir RS 3 kablosu bulunmaktadır. Bilgisayardan sağlanan haberleşme ile çıkış frekansı değiştirilmektedir. DSC den alınan anahtarlama sinyalleri izolasyondan geçirilerek inverterin girişine verilmektedir. İnverterin çıkışından ise üç fazlı çıkış gerilimleri elde edilmektedir. (b) Şekil : Deney düzeneği Yük olarak kullanılan asenkron motor üçgen bağlı olup, motor momentini sabit tutmak için V/f kontrolü gerçekleştirilmiştir. Eğer frekans ile orantılı olarak gerilim değiştirilirse bunun sonucunda sabit bir motor akımı senkron hızın altındaki hızlarda elde edilebilir. Bu oran aynı zamanda hava aralığı akısının da bir ifadesi olduğundan sonuçta sabit V/f ile çalışma motorun sabit bir moment üretmesine neden olacaktır. Düşük hızlarda stator sargı gerilim düşümünü kompanze etmek üzere gerilim artırımı (voltage boost) yapılmıştır. 4.DENEYSEL SONUÇLAR Prototip konvertörden alınan deneysel sonuçlar Şekil 3-6 da gösterilmiştir. Şekil 3 dikkatlice incelendiğinde motor akım dalga şekillerinin oldukça düzgün olduğu ve gerilim dalga şeklinin fourier analizi (FFT) yapıldığında ana harmoniğe en yakın baskın harmoniklerin 4,4 khz lik anahtarlama frekansı civarında olduğu görülmektedir. (c) Şekil 3: Farklı çalışma frekanslarında Vab, Ic faz akımı ve FFT analizi (a)f=3 Hz (b) f= 5 Hz (c) f= 7 Hz Şekil 4 de farklı frekanslar için motorun sabit bir eğimle kalkış yapması sağlanarak hız değerleri ve buna bağlı olarak Ia akımı verilmiştir. Motorun istenilen hız değerlerine ulaştığı ve akımın sürekli halde sabit kaldığı görülmüştür. (a)
(b) (c) Şekil 4: Farklı çalışma frekanslarında hız ve Ia faz akımı (a)f=3 Hz (b) f= 5 Hz (c) f= 7 Hz Şekil 5 de motora uygulanan frekans; ilk önce sabit bir eğimle Hz den 5 Hz e ardından 5 Hz den Hz e ve Hz den ters yönde 5 Hz e çıkarılarak Ia akım dalga şekli ve motor hızı gözlemlenmiştir. Devir yönünün değiştiği aralıkta Ia akımının fazının değiştiği görülmektedir. Şekil 5:Motorun yön değişimi sırasında Ia faz akımı ve hızı Şekil 6 da motora uygulanan frekans +Hz den ters yönde -Hz e ani olarak değiştirilmiştir. Rotor akımı dikkatlice incelendiğinde motor Ia akımının faz değiştirdiği ve geçici rejimde Ia akımın arttığı sonra tekrar eski değerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu durum motorun frenleme yapıp tekrar ters yönde yol almasından kaynaklanmaktadır. Şekil 6:Ani olarak hız değişimi sırasında Ia akımı ve motor hızı 5.SONUÇLAR Bu çalışmada V/f kontrollü inverter motor sürücüsü uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği kullanılarak tasarlanmıştır. Kontrolör olarak yeni, güçlü ve ucuz bir DSC kullanılarak anahtarlama sinyalleri üretilmiştir. Motor hava aralığı akısını sabit tutmak için V/f kontrolü yapılmıştır. Düşük frekanslarda motor kalkış performansını arttırmak için gerilim arttırımı yapılarak motorun rahat bir kalkış yapması sağlanmıştır. Sonuç olarak farklı anahtarlama frekanslarında çok ucuza mal edilen kompakt bir sürücü ile oldukça kaliteli dalga şekillerinin elde edilebileceği deneysel sonuçlarla gösterilmiştir. Geliştirilen sistem kapalı çevrim kontrolün gerçekleştirilmesine uygun olduğundan, sıfır hızda tork kontrol yapabilecek tork kontrol algoritmalarının geliştirilmesi alanında çalışmalar yapılacaktır. Motor Etiket Değerleri: P N =.55 kw, V H =38 V, f=5 Hz 7.KAYNAKLAR [] Murat, E., Self Commissining and Online Paremeter Identification of Induction Motors, MSc Thesis, Department of Electrical-Electronic Engineering, METU,. [] Göktaş, T., Programlanabilir Sayısal İşaret İşleyici Tabanlı(DSC) Alternatif Akım Motor Sürücü Düzeneğinin Geliştirilmesi, Y.Lisans Tezi, Elektrik- Elektronik Mühendisliği, Fırat Üniversitesi,. [3] Mohan, N., Undeland, M., Robbins, P., Power Electronics:Converters,Applications and Design, 3. [4] Rodriguez, J., Gonzalez, A., Weinstein, A., A Regenerative Cell with Reduced Input Current Harmonics for Multilevel Inverters, Industry Applications Conference,Vol., pp.37 378,. [5] Tolbert, L.M., Habetler, T.G., Novel Multilevel Inverter Carrier-Based PWM Method, IEEE Annual Meeting, St Louis, Missoouri, pp.44-43, 998. [6] Kang, D.W., Lee,Y.H., Suh, S., Choi,C., Hyun, D., An Carrierwave-Based SVPWM Using Phase-Voltage Redundancies for Multilevel H-Bridge Inverter, Vol.,pp.33-335,999. [7] Murat, E., Akın, E., Ertan, B., Matlab/Simulink Gerçek Zaman Arabirimi ve Uzay Vektör Darbe Genişlik Modülasyon Tekniğini Kullanan DSC Kontrollü Evirici ile Asenkron Motorun Skaler Kontrolü, ELECO, Sayfa -3., Bursa,. 3