ÜÇ-FAZLI TAM DALGA YARI KONTROLLÜ DOĞRULTUCU VE ÜÇ-FAZLI EVİRİCİ

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Güç Elektroniği Uygulamaları ÜÇ-FAZLI TAM DALGA YARI KONTROLLÜ DOĞRULTUCU VE ÜÇ-FAZLI EVİRİCİ Hazırlık Soruları 1. Üç fazlı eviricilerin kullanım alanları nelerdir? 2. Üç fazlı eviricilerde kullanılan PWM teknikleri nelerdir. Anlatınız. 3. Kare dalga evirici ve PWM evirici nedir? Aralarındaki farkı anlatınız. 4. Ölü zaman nedir? Eviricilerde neden ihtiyaç duyulur? 1. Üç-Fazlı Evirici 1.1. Deneyin Amacı Üç-fazlı eviricinin kapılama sinyallerini anlamak. Üç-fazlı eviricinin çalışma prensibini anlamak. Üçgen bağlantılı dirençsel yüke sahip üç fazlı eviricinin, faz gerilimlerini ve kapılama sinyallerini ölçmek. Üç-fazlı sincap kafes motorun hızını ve f dönüş yönünü kontrol etmek. 1.2. Genel Bilgiler 1.2.1. Üç Fazlı Eviriciler Eviriciler, DA-AA çeviriciler olarak da adlandırılır. Evirici, sabit bir DA gerilimi, istenilen frekans ve genlikte simetrik bir AA gerilime dönüştürür. Eviriciler, kesintisiz güç kaynakları (UPS), indüksiyon motoru ve değişken-hızlı AA servo motor sürücüleri gibi endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Eviriciler, iki gruba ayrılabilir: 1) tek-fazlı eviriciler, 2) üç-fazlı eviriciler. Tek-fazlı ve üç-fazlı eviricilerin temel devreleri, sırasıyla Şekil 1.a ve 1.b de gösterilmektedir. DA giriş gerilimi sabittir ve batarya, güneş pili, yakıt hücresi veya diğer DA kaynaklar olabilir. Anahtarlama elemanı olarak, tristör, BJT, MOSFET ve IGBT gibi açma-kapama kontrollü elemanlar kullanılabilir. (a) Tek-fazlı evirici (b) Üç-fazlı evirici

Şekil 1. Tek ve üç fazlı evirici yapıları Tek-fazlı eviricinin çıkışı, kare ya da sinüzoidal dalga şekilli simetrik AA gerilimdir. Üç-fazlı evirici, her birinin çıkışı 120 derece kaydırılmış, üç adet tek-fazlı evirici olarak düşünülebilir. Aynı kolun anahtarlama elemanları (örneğin, T1 ve T2, U+ ve U-), aynı anda iletimde olamaz. Güç anahtarlama elemanlarının kapama zamanı, açma zamanından büyük olduğu için, kısa devreyi önlemek için, ölü zaman olarak adlandırılan bir gecikme eklenmelidir. Güç elemanının kapama zamanına bağlı olarak ölü zaman, genellikle açma zamanının 2~3 katı olarak belirlenir. Her bir anahtarlama elemanının açma ve kapama zamanını kontrol etmek için, kapılama sinyali uygun bir zamanda uygulanmalıdır. Kapılama sinyali, kare veya PWM gerilim olabilir. Genellikle eviriciler, Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyon (SPWM) tekniği ile kontrol edilir. SPWM dalga, bir sinüzoidal referans sinyali, daha yüksek frekanslı üçgen taşıyıcı dalga ile karşılaştırarak üretilir. Referans sinyalin frekansı, eviricinin çıkış frekansını belirler, referans sinyalin tepe değeri, ortalama çıkış gerilimini kontrol eder ve her yarı periyottaki darbe sayısı P, taşıyıcı frekansı tarafından belirlenir. SPWM, 2P- 1 inci dereceye eşit ya da daha küçük harmonikleri yok edebilir. SPWM, iki gruba ayrılabilir: 1) tek yönlü SPWM kontrol ve 2) iki yönlü SPWM kontrol. Şekil 2, tek yönlü SPWM kontrol işlemini göstermektedir. Sinüzoidal referans dalganın pozitif alternansı boyunca, üçgen taşıyıcı dalga sadece pozitif olabilir. Sinüzoidal referans dalganın genliği, üçgen taşıyıcı dalganın genliğinden büyük olduğu zaman, çıkış yüksektir; aksine, sinüzoidal referans dalganın genliği, üçgen taşıyıcı dalganın genliğinden küçük olduğu zaman, çıkış alçaktır. Şekil 2. Tek yönlü PWM kontrol Şekil 3. İki yönlü PWM kontrol İki yönlü SPWM kontrol işlemi, Şekil 3'de gösterilmektedir. İki yönlü SPWM kontrolde, üçgen taşıyıcı dalga, pozitif ve negatif olabilir ve çıkış PWM dalgası, pozitif ve negatif gerilimlere sahiptir. 2

Üç fazlı evirici, her birinin çıkışı 120 derece kaydırılmış, üç adet tek-fazlı eviricinin birleşimi olarak düşünülebilir. Güç devresi, 180 o iletim için kapılama sinyalleri, üçgen bağlantılı yükün faz-faz gerilimleri ve üç-fazlı eviricinin yük faz gerilimleri Şekil 4 de gösterilmiştir. (a) Güç devresi (b) 180 o iletim için kapılama sinyalleri ve üçgen bağlantılı yüklü sistemin faz-faz gerilimleri 1.2.2. Üç-Fazlı PWM Denetleyici Şekil 4. Üç-fazlı evirici 3 (c) 180 o iletim için kapılama sinyalleri ve yıldız bağlantılı yüklü sistemin faz gerilimleri Üç-fazlı PWM denetleyici, her birinin fazı 120 derece kaydırılmış, üç adet tek-fazlı PWM denetleyici gibi düşünülebilir. Şekil 5'de gösterilen Üç-Fazlı PWM Denetleyici modülü, PE-5310-4K Üniversal Evirici modülü gibi üç-fazlı eviricinin kapılama sinyallerini üretmek için kullanılır. Bu modül aşağıdaki fonksiyonel blokları ve kontrolleri içermektedir:

Geciktirme Denetleyicisi, giriş kumanda gerilimi için bir gecikme sağlar, böylece sin0 o ve sin120 o sinüzoidal dalgalarının frekansı, adım adım düşükten yükseğe doğru değişir. Gecikme Kontrol düğmesini FAST yönüne doğru çevirmek gecikmeyi azaltırken, SLOW yönüne doğru çevirmek gecikmeyi arttırır. Örneğin, üç fazlı motor sürücü uygulamasında, eğer motor yüksek eylemsizliğe sahip bir yükle çalışıyorsa, yol vermede, sürücü veya mekanik arızayı önlemek için daha uzun bir gecikme uygulanmalıdır. Yükseltici Denetleyici, giriş kumanda geriliminde bir yükseltme sağlar. Giriş kumanda gerilimi, yaklaşık olarak 4V tan küçük olduğu zaman (düşük frekanslı sin0 o ve sin120 o sinüzoidal dalgaları), Yükseltici Denetleyici, BOOST kontrol düğmesinin ayarlanmasıyla, giriş kumanda gerilimini uygun değere yükseltir. Yükseltilmiş kumanda gerilimi, R*, S* ve T* sinüzoidal referans sinyallerin genliklerini belirlemek için kullanılır. Giriş kumanda gerilimi yaklaşık olarak 4V tan büyük olduğu zaman (yüksek frekanslı sin0 o ve sin120 o sinüzoidal dalgaları), Yükseltici Denetleyicinin çıkış gerilimi, giriş kumanda gerilimine eşit olur. Bundan dolayı, motorun düşük frekanslarda çalışması durumunda daha iyi performans elde edilebilir. Üçgen Taşıyıcı Dalga Üreteci, her bir PWM Üreteci (karşılaştırıcı) girişine, sabit genlikli (±10V) ancak değişken frekanslı bir üçgen taşıyıcı sağlar. Taşıyıcı frekansı, F(KHz) Frekans Seçici anahtarı 5KHz (x5), 10KHz (x10) ve 20KHz (x20) konumlarından birine getirerek seçilebilir. Şekil 5. PE-5310-4I üç-fazlı PWM denetleyici modülü Sinüzoidal Referans Dalga Üreteçlerinin her biri (sin0 o ve sin120 o ), frekansı, giriş kumanda gerilimi ile orantılı, ±10V genlikli sinüzoidal dalga üretir. Gerçekte bu, bir gerilim frekans (V-F) dönüştürücüdür. 4

10V luk kumanda gerilimi, ±10V, 60Hz lik bir sinüzoidal dalga üretirken, 5V luk kumanda gerilimi, ±10V, 30Hz lik bir sinüzoidal dalga üretir. Pozitif bir kumanda gerilimi için, aynı genlik ve frekansa sahip iki sinüzoidal dalga üretilir, ancak sin120 o sinüzoidal dalgası, sin0 o sinüzoidal dalgasından 120 o geridedir. Negatif bir kumanda gerilimi için, aynı genlik ve frekansa sahip iki sinüzoidal dalga üretilir, ancak sin0 o sinüzoidal dalgası, sin120 o sinüzoidal dalgasından 120 o geridedir. Asenkron motor sürücü uygulamalarında, motorun dönüş yönü kumanda gerilimlerinin polariteleri ile belirlenir. Çarpıcı, yükseltilen kumanda gerilimin genliğine bağlı olarak sinüzoidal referans dalganın genliğini belirler. Sabit genlikli sinüzoidal sinyaller (sin0 o ve sin120 o ), çarpıcı tarafından, değişken genlikli değişken frekanslı referans sinüzoidal sinyallere (R* ve S*) dönüştürülür. Bundan dolayı, az yükseltilmiş kumanda gerilimi, düşük genlikli ve frekanslı bir sinüzoidal referans dalga üretirken, çok yükseltilmiş kumanda gerilimi, yüksek genlikli ve yüksek frekanslı bir sinüzoidal referans dalga üretir. Toplayıcı, R* ve S* sinüzoidal referans dalgalarını toplayıp, T* sinüzoidal referans dalgasını elde eden, tersleyen bir toplayıcıdır. PWM Sinyal Üreteci, sinüzoidal referans dalgaları (R*, S* ve T*), üçgen taşıyıcı dalga ile karşılaştırarak altı adet PWM çıkış sinyali üretir. Altı PWM çıkış, üç çifte bölünür: U+ ve U-, V+ ve V-, W+ ve W-. PE-5310-4K Üniversal Evirici modülünde, U+ ve U- gibi her bir PWM sinyal çifti, aynı koldaki alt ve üst IGBT lerin sürülmesinde kapılama sinyali olarak kullanılır. İki IGBT aynı anda iletimde olamayacağından, PWM Sinyal Üreteçlerinde, ölü-zaman kontrol tekniği kullanılır. 1.3. Kullanılacak Elemanlar PE-5310-1A DC Güç Kaynağı x1 PE-5310-2A Referans Değişken Üreteç x1 PE-5310-2B Fark Yükselteci x1 PE-5310-2C Akım Transdüseri x1 PE-5310-3C Direnç Yük Ünitesi x1 PE-5310-4I Üç-Fazlı PWM Denetleyici x1 PE-5310-4J Üç Fazlı Doğrultucu & Filtre x1 PE-5310-4K Üniversal Evirici PE-5310-5B Sigorta Seti x1 PE-5340-3A İzolasyon Trafosu x1 EM-3320-1A Manyetik Toz Fren Ünitesi x1 EM-3320-1N Fren Denetleyici x1 EM-3330-3C Üç-Fazlı Sincap Kafes Motor x1 Dijital Bellekli Osiloskop (DSO) x1 Bağlantı Kabloları Köprüleme Klipsleri 5

1.4. Deneyin Yapılışı 1. PE-5310-1A, PE-5310-2A, PE-5310-2B, PE-5310-2C, PE-5310-4I, PE-5310-4J, PE-5310-4K ve PE-5310-5B modüllerini Deney Düzeneğinin üzerine koyun. Dijital Bellekli Osiloskobu (DSO), İzolasyon Trafosunu ve Direnç Yük Ünitesini çalışma masasına yerleştirin. 2. Güç kapalıyken, bağlantı kabloları ve köprüleme klipslerini (eğik çizgiler) kullanarak, Şekil 6 daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Yük devresi, üçgen bağlantılı dirençsel yüktür. 3. Üç-Fazlı PWM Denetleyicinin, DELAY kontrol düğmesini (VR1), SLOW konumuna ayarlayın. Üçgen dalganın F(KHz) Frekans Seçici anahtarını (SW1), x5 (5KHz) konumuna getirin. 4. DC Güç Kaynağını açın. Referans Değişken Üreteç modülünde, Vc Aralık Seçici anahtarını (SW1) -10V~+10V konumuna getirin ve V kontrol düğmesini Vc=10V olacak şekilde ayarlayın. 5. Fark Yükselteci modülünde, Ch.A ve Ch.C için V Aralık Seçici anahtarlarını (SWA, SWC) 100 V konumuna ve Ch. seçici anahtarlarını (SW1, SW2) A ve C konumlarına getirin. Ch.A girişlerini, R* referans gerilim ucuna (+ R* ya, - 0V a) ve Ch.C girişlerini S* referans gerilim ucuna (+ S* ye, - 0V a) bağlayın. Fark Yükseltici modülünü açın. 6. Osiloskop kullanarak, R* ve S* gerilim dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Frekansı, genliği ve iki sinüzoidal dalga arasındaki faz farkını belirleyin. 7. Referans Değişken Üretecin V kontrol düğmesini, Vc=-10V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, R* ve S* gerilim dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Frekansı, genliği ve iki sinüzoidal dalga arasındaki faz farkını belirleyin. 8. Fark Yükselteci modülünde, Ch.A girişlerini, S* referans gerilim ucuna (+ S* ya, - 0V a) ve Ch.C girişlerini T* referans gerilim ucuna (+ T* ye, - 0V a) bağlayın. Referans Değişken Üretecin V kontrol düğmesini, Vc=5V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, S* ve T* gerilim dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Frekansı, genliği ve iki sinüzoidal dalga arasındaki faz farkını belirleyin. 9. Referans Değişken Üretecin V kontrol düğmesini, Vc=-5V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, S* ve T* gerilim dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Frekansı, genliği ve iki sinüzoidal dalga arasındaki faz farkını belirleyin. 10. Fark Yükselteci modülünde, Ch.A girişlerini, R* referans gerilim ucuna (+ R* ya, - 0V a) ve Ch.C girişlerini U+ kapı gerilim ucuna (+ U+ ya, - 0V a) bağlayın. Referans Değişken Üretecin V kontrol düğmesini, Vc=5V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, R* ve U+ dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. 6

Şekil 6. Üç-fazlı evirici ölçümü için bağlantı diyagramı 7

11. Fark Yükselteci modülünde, Ch.A girişlerini, Üniversal Eviricide U+ IGBT kapısına (+ U+ ya, - DC- ye) ve Ch.C girişlerini U- IGBT kapısına (+ U- ye, - DC- ye) bağlayın. Üniversal Evirici modülünü açın. Osiloskop kullanarak, U+ ve U- kapılama sinyallerini ölçün ve kaydedin. Kapı gerilimini belirleyin ve kaydedin. 12. U+ ve U- kapılama sinyallerini üst üste çakıştırın ve osiloskobun SEC/DIV düğmesini ayarlayarak iki kapılama sinyali arasındaki ölü-zamanı belirleyin ve kaydedin. 13. Fark Yükseltecinde V Aralık Seçici anahtarlarını (SWA, SWC), Ch.A için 500V ve Ch.C için 100V konumlarına getirin. Akım Transduseri modülünde, I Aralık Seçici anahtarını 5Ap konumuna getirin. 14. Fark Yükseltecinin Ch.A girişlerini, Vuv faz gerilimini ölçmek için, Üniversal Eviricinin U ve V çıkış terminallerine (+ U ya, - V ye) bağlayın. Ch.C girişlerini, Iu faz akımını ölçmek için, Akım Transdüserinin çıkış terminallerine (+ üst Vout a, - 0V a) bağlayın. Akım Transduseri modülünü açın. Üç Fazlı Doğrultucu ve Filtre modülünün anahtarını 0 konumundan 1 konumuna getirin. 15. Osiloskop kullanarak, Vuv faz gerilimini ve Iu faz akımını ölçün ve kaydedin. 16. Fark Yükselteci modülünde, Ch.A ve Ch.C için V Aralık Seçici anahtarlarını (SWA, SWC) 500 V konumuna getirin. Fark Yükseltecinin Ch.A girişlerini, Vuv faz gerilimini ölçmek için, Üniversal Eviricinin U ve V çıkış terminallerine (+ U ya, - V ye) bağlayın. Ch.C girişlerini, Vvw faz gerilimini ölçmek için, Üniversal Eviricinin V ve W çıkış terminallerine (+ V ye, - W ya) bağlayın. 17. Osiloskop kullanarak, Vuv ve Vvw faz gerilimlerini ölçün ve kaydedin. 18. Fark Yükselteci modülünde, Ch.A ve Ch.C için V Aralık Seçici anahtarlarını (SWA,SWC) 100 V konumuna getirin. Fark Yükseltecinin Ch.A girişlerini, Iu faz akımını ölçmek için, Akım Transdüserinin çıkış terminallerine (+ üst Vout a, - 0V a) bağlayın. Ch.C girişlerini, Iv faz akımını ölçmek için, Akım Transdüserinin çıkış terminallerine (+ alt Vout a, - 0V a) bağlayın. 19. Osiloskop kullanarak, Iu ve Iv faz akımlarını ölçün ve kaydedin. 20. Tüm güç kaynaklarını kapatın. Üçgen bağlantılı dirençsel yükü, Üç-Fazlı Sincap Kafes Motorla değiştirin ve Şekil 7 deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Tüm ayarları aynı bırakın. 21. Üç-Fazlı PWM Denetleyicide, BOOST kontrol düğmesini (VR2), saatin dönüş yönünde tam olarak çevirin. Referans Değişken Üretecinin V kontrol düğmesini Vc=0V olacak şekilde ayarlayın. 8

Şekil 7. Üç-fazlı sincap kafesli motor kontrolü için bağlantı diyagramı 9

22. Fark Yükseltecinde Ch.A ve Ch.C için V Aralık Seçici anahtarlarını (SWA,SWC), sırasıyla, 500V ve 100V konumlarına getirin. Fark Yükseltecinin Ch.A girişlerini, Vuv faz gerilimini ölçmek için, Üniversal Eviricinin U ve V çıkış terminallerine (+ U ya, - V ye) bağlayın. Ch.C girişlerini, Iu faz akımını ölçmek için, Akım Transdüserinin çıkış terminallerine (+ üst Vout a, - 0V a) bağlayın. 23. Bütün güç kaynaklarını açın. Referans Değişken Üretecinin V kontrol düğmesini, motorun dönmesini sağlamak için yavaşça ayarlayın. V kontrol düğmesini, Vc=5V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, Vuv faz gerilimini ve Iu faz akımını ölçün ve kaydedin. Motor dönüş yönünü ve motor hızını gözleyin ve kaydedin. 24. Üçgen dalganın F(KHz) Frekans Seçici anahtarını (SW1), x10 (10KHz) konumuna getirin. Osiloskop kullanarak, Vuv faz gerilimini ve Iu faz akımını ölçün ve kaydedin. Motor dönüş yönünü ve motor hızını gözleyin ve bir önceki duruma göre karşılaştırın. 25. Üçgen dalganın F(KHz) Frekans Seçici anahtarını (SW1), x5 (5KHz) konumuna getirin. Referans Değişken Üretecinin V kontrol düğmesini, Vc=10V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, Vuv faz gerilimini ve Iu faz akımını ölçün ve kaydedin. Motorun dönüş yönünü ve motor hızını gözleyin ve bir önceki duruma göre karşılaştırın. 26. Referans Değişken Üretecinin V kontrol düğmesini, Vc=-10V olacak şekilde ayarlayın. Osiloskop kullanarak, Vuv faz gerilimini ve Iu faz akımını ölçün ve kaydedin. Motorun dönüş yönünü ve motor hızını gözleyin ve bir önceki duruma göre karşılaştırın. 2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Sürücü İle Kontrolü 1. Şekil 8 de verilen deney bağlantı şemasını kurunuz. 2. Devreyi kurduktan sonra enerji veriniz. 3. START tuşuna basınız. 4. FREQUENCY potu ile displayde 35 Hz görülünceye kadar ayarlayınız. Ne olmuştur? 5. STOP tuşuna basınız ve motorun durmasını sağlayınız. 6. Potansiyometrenin pozisyonunu değiştiriniz. Ne olmuştur? 7. R-S-T çıkışlarını farklı frekanslarda osiloskopta inceleyerek yorumlayınız. 8. Aynı işlemleri değişik frekanslarda tekrarlayarak sinyalleri yorumlayınız. 10

Şekil 8. Üç fazlı asenkron motorun sürücü ile kontrolü 11