Polteknk Degs Jounal of Polytechnc Clt:11 Sayı: s.19-198, 008 Vol: 11 No: pp.19-198, 008 Mats Konvete Uygulaması İsmal COŞKUN, Al SAYGIN, Mah DURSUN ÖZET Mats konvetele anahtalama topolojsndek gelşmelee bağlı olaak klask fekans konvetelele ekabet edebl düzeye ulaşmıştı. Yapılan bu çalışmada mats konvetede kullanılan yaıletkenlen anahtalanmasında uzay vektö dabe genşlk modülasyon yöntem kullanılmıştı. Uzay vektölen oluştuulması amacıyla konvetee at gş gelmle le çıkış akımlaı elde edlmş ve bu değele Sayısal İşaet İşlemcye aktaılmıştı. Uygulamada TMS0LF407 Sayısal İşaet İşlemc(Sİİ) kullanılaak yaıletkenle çn geekl anahtalama snyalle üetlmşt. Anahta Kelmele: Mats Konvete, Uzay Vektö, Sayısal İşaet İşlemc Matx Convete Applcaton ABSTRACT Matx convetes can compete wth tadtonal fequency convete thanks to swtchng topology develop. In ths study, t was used space vecto pulse wth modulaton technque to swtchng topology at matx convete semconducto swtches. The matx convete s nput voltages and output cuents by sensng wth cuent and voltage sensos wee used to consttute space vecto. Then, these cuent and voltage dgtal values wee used at dgtal sgnal pocesso (DSP). In ths applcaton, TMS0LF407 DSP was used to poduce dve sgnals. Key wods: Matx Convete, Space Vecto, Dgtal Sgnal Pocesso 1. GİRİŞ Mats konvetele altenatf akım (AA) dan altenatf akıma doğudan dönüşüm yapan b konveted. AA kaynağına doğudan bağlanan AA-AA çevcleden olan mats konvetele, mats şeklnde düzenlenmş çft yönlü 9 adet anahtadan oluşu. Bu anahtala değşk anahtalama teknkle kullanılaak çıkış üntesne bağlanacak yükün cnsne ve geeksnmlene cevap veecek değşk fekans ve genlkte snyalle üetlmesn sağlamaktadı (1). Mats konvetelen klask fekans konvetelee göe üstünlükle; snüsodal gş akımı, denetlenebl gş güç katsayısı, en az düzeyde enej depo eden eleman geektmes ve k yönlü enej akışına mkan sağlamasıdı (). Mats konvetede kullanılan yaıletkenlen letme ve kesme geçlmes çn faklı anahtalama yöntemle kullanılmaktadı. Bu yöntemle temel olaak; Ölçekl, Mn-Md-Max, Ventun ve Uzay Vektö Modülasyon algotmalaı olaak döt başlık altında toplanmaktadı (). Faklı anahtalama yöntemlenn kullanılmasındak amaç, snüsodal çıkış ve gş akımı elde etmekt. En etkl modülasyon statejs, mnumum düzeyde gş akımında ve çıkış gelmnde hamonk Makale 15.0.008 tahnde geld, 4.04.008 tahnde yayınlanmak üzee kabul edlmşt. İ. COŞKUN, A. SAYGIN, M. DURSUN, Teknk Eğtm Fakültes Elektk Eğtm Bölümü Gaz Ünvestes, Ankaa coskun@gaz.edu.t asaygn@gaz.edu.t mdusun@gaz.edu.t Dgtal Object Identfe 10.9/008.11..19-198 bleşenle oluştumamalı ve güç kayıplaı en az omalıdı (4). Mats konvetede Uzay Vektö Modülasyon yöntemnn kullanımı üzene çalışmala yoğunlaşmıştı. Çalışmaladak temel amaç anahtalama yöntemnn hamonkle azaltıcı anahtalamala yapablmesd. Konvetede çıkış gelmnn gş gelmne oanı 0.866 katı kadadı. Konvetede gş katsayısının ayalanması ve bu değen tüm çalışma boyunca sabt kalması bu anahtalama modülasyonunu dğe modülasyon yöntemlene göe avantajlı kılmaktadı (5-6). Kwon, Mn ve Km çalışmalaında ölçekl modülasyon yöntemndek komutasyon poblemlenn çözümü üzene çalışmışladı (7). Schuste yumuşak anahtalama yapmak çn yen öne getmş ve bu yöntem kullanaak asenkon motoun blgsayada benzetm çalışmalaını sunmuştu (8). Sunte, Clae, Zuckebege ve Matsuo, Ventun anahtalama modülasyonu kullanılaak; asenkon motoun blgsaya benzetm ve deneysel çalışmalaa ye vemşled. Elde edlen faz akımlaı ve hız kaaktestğndek salınımla lteatüde ye almıştı (9-1). Casade le blkte dğe aaştımacıla ve Nelsen, asenkon moto hızının kontol edlmes çn doğudan moment kontolü yöntem kullanmış ve motoa at deneysel çalışmala sunmuşladı (1-15). Bu çalışmada, moto hızının denetlenmes çn alan yönlendmel kontol teknğ tech edlmşt. Uzay vektö dabe genşlk modülasyon yöntem kullanılaak mats konvetee at yaıletkenle anahtalanmıştı. İşlemc olaak kullanılan Sİİ, tüm ssteme at denetm faalyetle çn kullanılmıştı. 19
İsmal COŞKUN, Al SAYGIN, Mah DURSUN / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 11, SAYI, 008. MATRİS KONVERTER Konvetedek yaıletkenlen anahtalanması sayısal şaet şlemc le sağlanı. Sİİ gelm ve akım değelen okuyaak uzay vektölen oluştuu. Uzay vektölenn konumuna uygun olaak; Sİİ, uzay vektö dabe genşlk modülasyonunda anahtalama snyalle üet. Üetlen snyalle le konvetee at yaıletken anahtala denetlen. Sstemn genel çalışma yapısı Şekl 1 de velmşt. İk yönlü yaıletken anahtadan geçen akım ve gelmn sünsodal olduğu düşünüldüğünde hem poztf altenansta hem de negatf altenansta akım denetlen, gelm se bloke edl. İk yönlü akım geçş çn yaıletken anahtalaın yapısına at bağlantı deves Şekl de göülmekted. R S T Mats Konvete IGBT E b E a I as I bs I cs Tetkleme snyal TMS0 LF407 EVM DSP Asenkon moto Şekl 1. Sayısal şaet şlemc ve mats konvete bağlantısı S Enkode Şekl. İk yönlü akım geçşn sağlayan anahta yapısı Şekl de üç faz gş ve üç faz çıkışı olan mats konveten yapısı velmşt. Konvetede he gupta adet k yönlü (bdectonal) yaıletken anahta olmak üzee toplam 9 adet k yönlü yaıletken anahta bulunmaktadı. Şekl de göüldüğü gb gş hatlaı a, b ve c le şaetlendlken, çıkış hatlaı se A, B ve C le şaetlendlmşt. a b c Va Vb Vc S 11 S 1 S 1 S 1 S S S 1 S S VA VB VC Şekl. Mats konveten yapısı A B C Mats konvetede anahtalama duumuna bağlı olaak çalışma sües çesnde he çıkış fazı, he gş fazı le tbatlıdı. Bu duum anahtalaın deveye gmesnde 51 faklı bağlantı kombnasyonu oluşmaktadı (16). Konvetede güvenl anahtalama duumlaı oluştumak çn he anahtalama anında aşağıdak kuallaın sağlanması geek. İk faklı gş hattı aynı çıkış hattına eşzamanlı bağlanmamalıdı. Çıkış hatlaından hehang b anahtalama süesnce açık bıakılmamalıdı. Konveten, gelm kaynağından beslendğ çn gş fazlaı kısa deve edlmemel ve yükün endüktf olduğu düşünüleek akımın süekllğ sağlanmalıdı. Çıkış akımının sünsodallğn sağlamak çn konvete çıkışındak yükün gş fazlaından doğu şeklde beslenmes geek. Yukaıda sıalanan temel şatla sağlandığında 7 adet değşk bağlantı kombnasyonu oluşmaktadı. Altı adet anahtalama kombnasyonunda he çıkış fazı faklı gş fazlaı le doğudan bağlanmaktadı. Konvete çıkışında, gş gelmnn benze aynı genlk ve fekansa sahp gelm vektöü oluşu ve dönüş yönü anahtalama sıasına bağlı olaak değş. Anahtalama kombnasyonlaından 18 tanesn de se değşk genlkte ve fekansta aktf gelm vektöü oluşu. Çıkış gelmnn genlğ seçlen gşlee at fazla aası gelmn genlğne bağlıdı. Çıkış fazlaaası gelm vektöü gş fazlaaası gelm vektöünden bağımsızdı. Son anahtalama kombnasyonunda se sıfı vektöle oluşu. Bunun anlamı bütün çıkış fazlaı aynı gş fazına bağlanmıştı. Mats konvete çıkışında uzay vektö dabe genşlk modülasyon teknğne göe tetkleme snyalle üeteblmek çn gelm ve akımlaın uzay vektöle kullanılmaktadı. He anahtalama kombnasyonu çn akım ve gelmn alacağı değele faklıdı. Konvete gş ve çıkış gelmle le gş ve çıkış akımlaının uzay vektöündek fadele yazılacak olusa; v jα ( v + a v + a v ) = V e = (1) ab bc ca jα () o ( v + a v + a v ) = V e vo = AB BC CA o jβ = ( as + abs + a cs ) = I e () jβ o o = ( An + a Bn + a Cn ) = I e (4) olmaktadı. α : fazla aası gş gelmle uzay vektöünün faz açısını, α o : fazla aası çıkış gelmle uzay vektöünün faz açısını, β : gş faz akımlaı uzay vektöünün faz açısını ve β o : gş faz akımlaı uzay vektöünün faz açısını fade etmekted. π j a π j = e, a = e se uzay fazölen fade etmekted. 194
MATRİS KONVERTER UYGULAMASI / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 11, SAYI, 008 Tablo 1 dek I. gupta anahtalama yapılmamaktadı. II. guptak tüm anahtalama kombnasyonlaı çn çıkış fazlaaası gelmlen uzay vektöle ve gş akımlaının uzay vektöle çzlebl. Kamaşık uzay düzlemnde tüm değşkenle düzlemde değe almakta olup bleşkes gelm ve akım bleşke vektölen vemekted. Bu duum Şekl 4 te velmşt. Mats konvetede yaıletkenlen b önekleme zamanı çesnde k anahtalama süele ve sıalamasının bellenmes çn Şekl 4 te göstelen gelm ve akım uzay vektölenden yaalanılı. Gelm ve akım vektölenn, uzay vektöündek bölgelene göe anahtalama sıalaı ve süele ayı ayı bulunmalıdı. Tablo 1. Mats konvetedek yaıletkenlen anahtalanma kombnasyonlaı Gup # Ad A B C v AB v BC v CA a b c V o α o I β 1 - a b c v ab v bc v ca A BB C v α o β o - a c b -v ca -v bc -v ab A C BB - v -α +4π/ o -β o I - b a c - -v ca - BB A C -v -α o -β o +π/ v ab v bc 4 - b c a v bc v ca v ab C A BB v α +4π/ o β o +π/ 5 - c a b v ca v ab v bc BB C A v α +π/ o β o +4π/ 6 - c b a - -v ab -v ca C BB A - v -α +π/ o -β o +4π/ v bc 7 +1 a b b v ab 0 -v ab A - A 0 /v v ab π/6 /v A -π/6 8-1 b a a -v ab 0 v ab - A A 0 -/v v ab π/6 -/v A -π/6 II a 9 + b c c v bc 0 -v bc 0 A - A /v v bc π/6 /v A π/ 10 - c b b -v bc 0 v bc 0 - A A -/v v bc π/6 -/v A π/ 11 + c a a v ca 0 -v ca - A 0 A /v v ca π/6 /v A 7π/6 II b II c III 1 - a c c -v ca 0 v ca A 0 - A -/v v ca π/6 -/v A 7π/6 1 +4 b a b -v ab v ab 0 BB - BB 0 /v v ab 5π/6 /v BB -π/6 14-4 a b a v ab -v ab 0 - BB 15 +5 c b c -v bc v bc 0 0 BB - 16-5 b c b v bc -v bc 0 0 - BB 17 +6 a c a -v ca v ca 0 - BB 0 18-6 c a c v ca -v ca 0 BB 0 BB 0 -/v v ab 5π/6 -/v BB -π/6 BB /v BB -/v BB /v - BB -/v v bc 5π/6 /v BB π/ v bc 5π/6 -/v BB π/ v ca 5π/6 /v BB 7π/6 v ca 5π/6 -/v BB 7π/6 19 +7 b b a 0 -v ab v ab C - C 0 /v v ab π/ /v C -π/6 0-7 a a b 0 v ab -v ab - C C 0 -/v v ab π/ -/v C -π/6 1 +8 c c b 0 -v bc v bc 0 C - C /v v bc π/ /v C π/ -8 b b c 0 v bc -v bc 0 - C C -/v v bc π/ -/v C π/ +9 a a c 0 -v ca v ca - C 0 C /v v ca π/ /v C 7π/6 4-9 c c a 0 v ca -v ca C 0 - C -/v v ca π/ -/v C 7π/6 5 0 a a a 0 0 0 0 0 0 0-0 - 6 0 b b b 0 0 0 0 0 0 0-0 - 7 0 c c c 0 0 0 0 0 0 0-0 - 7, 8, 9 β +, + 5, + 8 β + 4, + 5, + 6 IV III '' Vo II ' V o α o + 1, +, + Vo α I 1, 4, 7 IV III II V v ' '' α α v π 6, 6, 9 α 1,, V VI 4, 5, 6 +, + 6, + 9 V VI + 1, + 4, + 7 + 7, + 8, + 9, 5, 8 (a) (b) Şekl 4. Gelm ve akımlaın kamaşık uzay vektöünde göstelş a) Fazla aası çıkış gelmlenn uzay vektöle ve faz açısı b) Gş faz akımlaının uzay vektöle ve faz açısı 195
İsmal COŞKUN, Al SAYGIN, Mah DURSUN / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 11, SAYI, 008. SAYISAL İŞARET İŞLEMCİ Uygulama da Texas Inst. fması taafından üetlen TMS0LF407 kodlu sayısal şaet şlemc (Sİİ) kullanılmıştı. Çalışma fekansının yüksek olması ve analog blgy djtal blgye dönüştüme (çevm) zamanının kısa olması sebebyle tech edlmşt. İşlemcnn bazı özellkle aşağıda velmşt. 5 ns komut şleme hızı (40 MHz) K kelme flash ROM, 544 kelme data hafıza RAM (DARAM), 18K kelme hafıza RAM (SARAM) Hac hafıza aabm Olay Yönetcs (Event Manage) modülü çesnde 16 adet DGM kanalı, 4 adet genel amaçlı zamanlayıcı, 1 adet kaşılaştıma bm, 6 adet tutma bm (captue), enkode gş olaak da kullanılan 4 adet tutma bm (QEP) 16 kanal 10-bt analog-sayısal dönüştüücü DAC765 enteges le 4 kanal sayısal-analog dönüştüücü 4 adet genşleme konnektöle (ve, ades, I/O ve kontol) Watchdog zamanlayıcı modülü Se letşm aabm 5 V gş beslemes (. V çalışma gelm) TMS0LF407 şlemcde EVA ve EVB olaak smlendlen olay yönetcle bulunmaktadı. Hız kontolünde, ge beslemede enkode kullanılması duumunda tutma bm kae dalga enkode snyallen şleyecek şeklde seçldğnden QEP1 ve QEP enkodeden elde edlen 90 faz faklı kae dalga snyalle saymak çn kullanılmıştı. Deney düzeneğ toplam 4 ayı kattan oluşmuştu. Bunla; Sayısal şaet şlemc, süücü, yaıletken anahta ve analog blg katıdı. Analog ölçüm katı le motoa at he faz sagısının çektğ akım ve şebeke faz gelmlenn değele Sİİ ye aktaılmaktadı. Sİİ de okunan değelee göe gelm ve uzay vektöle kullanılaak anahtalama snyalle üetl. Sİİ den üetlen snyalle yalıtma elemanlaından (opto zalato) geçleek süücülee ulaşmaktadı. Süücüle, yaıletken anahtalaın letme ve kesme götüülmesn sağlamaktadı. İletm ve kesm duumlaına bağlı olaak moto stenlen hızda döndüülmekted. 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Uzay vektö dabe genşlk modülasyonu yöntem le letme geçlen yaıletkenlen anahtalama fekanslaı 10 khz seçlmşt. IGBT len 10 khz de anahtalanma yapılması göz önünde bulunduulaak kouyucu devele tasalanmıştı. Uygulamada asenkon moto olaak GAMAK fması taafından üetlen 50 W, 80 V, 4 kutuplu, cosϕ = 0.71 değelene sahp moto kullanılmıştı. Deney setnde çalışma yapılıken motoun değşk hızlada dönmes sağlanmıştı. Motoun hız denetm, alan yönlendmel denetm le yapılmıştı. Motoun çektğ faz akımlaın kaşılaştıılması amacıyla açık ve kapalı döngü denetm kullanılmıştı. Kapalı döngü kontolde PI denetleyc kullanılmıştı. Şekl 5 te moto hızının 600 d/d k açık döngü denetmne at faz akımının şekl velmşt. Şekl 6 da se aynı hızda motoun kapalı döngü PI teknğ le denetlenmes sıasında moto faz sagılaından geçen akımın eğsn velmşt. Şekl 5. Moto 600 d/d le döneken açık döngü denetmde çeklen faz akımı Şekl 6. Moto 600 d/d le döneken PI denetleyc kullanılması duumunda çeklen faz akımı Şekl 7. Moto 1500 d/d le döneken açık döngü denetmde çeklen faz akımı 196
MATRİS KONVERTER UYGULAMASI / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 11, SAYI, 008 Motoun anma hızı olan 1500 d/d da açık ve kapalı döngü çalıştıılması sıasında çeklen faz akımlaı Şekl 7 ve Şekl 8 de velmşt. Şekl 8. Moto 1500 d/d da döneken PI denetleyc kullanılması duumunda çeklen faz akımı Moto faz akımlaı nceleneek hamonk bleşenlen valığı delenebl. Motoun 500 d/d da dönmes sıasında PI denetleyc kullanıldığında moto faz akımı ve hamonk analz Şekl 9 da velmşt. Şekl 9. Moto hızı 500 d/d ken faz akımı ve hamonk spektumu Moto 100 d/d döneken moto at faz akımı ve hamonk analz Şekl 10 da velmşt. Şekl 10. Moto hızı 100 d/d ken faz akımı ve hamonk spektumu 5. SONUÇLAR Yapılan bu çalışmada mats konvetede kullanılan yaıletkenlen anahtalanması sıasında uzay vektö dabe genşlk modülasyon yöntem kullanılmıştı. Moto hız denetm alan yönlendmel kontol yöntem le sağlanmıştı. Yük olaak bağlanan asenkon motoun hızı denetlenmşt. Sayısal şaet şlemcde açık döngü ve kapalı döngü denetm yöntemle kullanılmıştı. Deneysel çalışmalada moto 500 d/d le 1500 d/d aasında stenen hızda çalıştıılmıştı. Yapılan deneysel çalışmala sonucunda, Sİİ denetml mats konveten yapısal olaak asenkon moto hız denetm çn uygun olduğu ve oluşan hamonklen FFT analzne göe küçük değelkl olması sebebyle endüstyel uygulamalada kullanılableceğ sonucuna vaılmıştı. 6. KAYNAKLAR 1. Casade, D., Gand, G., Sea, G. and Tan, A., Space vecto contol of matx convetes wth unty nput powe facto and snusodal nput/output wavefoms, Powe Electoncs and Applcatons, Ffth Euopean Confeence on, 7: 170-175, 199.. Nelsen, P., Blaabjeg, F. and Pedesen, J.K., Space vecto modulated matx convete wth mnmzed numbe of swtchngs and a feedfowad compensaton of nput voltage unbalance, Powe Electoncs, Dves and Enegy Systems fo Industal Gowth, Poceedngs of the 1996 Intenatonal Confeence on, : 8-89, 1995.. Sunte, S. and Altun, H., A method fo calculatng semconducto losses n the matx convete, Medteanean Electotechncal Confeence, MELECON, 9th, : 160-164, 1998. 4. Zhang, L., Watthanasan, C. and Shephed, W., Analyss and compason of contol technques fo AC-AC matx convetes Electc Powe Applcatons, IEE Poceedngs 145 (4): 84 94, 1998. 5. Klumpne, C., Boldea, I., and Blaabjeg, F., Atfcal loadng of the nducton motos usng a matx convete, Powe Electoncs and Vaable Speed Dves, 000. Eghth Intenatonal Confeence on, 40 45, 000. 6. Apap, M., Clae, J.C., Wheele, P.W., Badley, K.J., Analyss and compason of AC-AC matx convete contol stateges Powe Electoncs Specalst, PESC '0. IEEE 4th Annual Confeence on, Volume:, 15-19 June 00 Pages:187 19, 00. 7. Kwon, B.H., Mn, B.D. and Km, J.H., Novel commutaton technque of AC-AC convetes, Electc Powe Applcatons, IEE Poceedngs, 145(4): 95 00, 1998. 8. Schuste, A., A Dve-system Wth A Dgtally Contolled Matx-convete, Feedng An Ac Inducton Machne Powe Electoncs and Vaable Speed Dves, 1996. Sxth Intenatonal Confeence on (Conf. Publ. No. 49), 78 8, 1996. 9. Sunte, S. and Clae, J.C., Development of a matx convete nducton moto dve, Electotechncal Confeence, Poceedngs., 7th Medteanean, : 8-86, 1994. 197
İsmal COŞKUN, Al SAYGIN, Mah DURSUN / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 11, SAYI, 008 10. Sunte, S. and Clae, J.C. A tue fou quadant matx convete nducton moto dve wth sevo pefomance, Powe Electoncs Specalsts Confeence, PESC '96 Recod., 7th Annual IEEE, 1: 146 151, 1996. 11. Zuckebege, A., Wenstock, D. and Alexandovtz, A., Smulaton of thee-phase loaded matx convete, Electc Powe Applcatons, IEE Poceedngs, 14( 4): 94 00, 1996. 1. Matsuo, T., Benet, S., Colby, R.S. and Lpo, T.A., Applcaton of the matx convete to nducton moto dves, Industy Applcatons Confeence, Thty-Fst IAS Annual Meetng, IAS '96., Confeence Recod of the 1996 IEEE, 1: 60-67, 1996. 1. Casade, D., Sea, G. and Tan, A., The use of matx convetes n dect toque contol of nducton machnes, Industal Electoncs Socety, IECON '98. Poceedngs of the 4th Annual Confeence of the IEEE, : 744-749, 1998. 14. Casade, D., Sea, G. and Tan, A., Reducton of the nput cuent hamonc content n matx convetes unde nput/output unbalance, Industal Electoncs, IEEE Tansactons on, 45 (): 401 411, 1998. 15. Klumpne, C., Blaabjeg, F., Shot tem bakng capablty dung powe nteuptons fo ntegated matx convete-moto dves, Powe Electoncs, IEEE Tansactons on, 19(): 0 11, 004. 16. Nelsen, P., Blaabjeg, F. and Pedesen, J.K., Space vecto modulated matx convete wth mnmzed numbe of swtchngs and a feedfowad compensaton of nput voltage unbalance, Powe Electoncs, Dves and Enegy Systems fo Industal Gowth, Poceedngs of the 1996 Intenatonal Confeence on, : 8-89, 1995 198