ELECO 6, Elektrik-Elektroik-Bilgisyr Müh. emp., 6- Arlık 6, Burs, syf 9-95 Dört Bklı Eviriii KGK Uygulmsıd Modülsyo Yötemleri Eyyup Demirkutlu üleym Çetiky Ahmet M. Hv ODTÜ Elektrik ve Elektroik Mühedisliği Bölümü İöü Bulvrı 653 Akr edemirkutlu@yhoo.om suleym.etiky@gmil.om hv@metu.edu.tr Ahtr sözükler: Dört klı evirii, Kesitisiz güç kyğı, KGK, PWM, DGM, modülsyo, degesiz yük ABTRACT I this pper the four-leg iverter d its uiterruptile power supply (UP) pplitio re ivestigted. The stdrd three-leg iverter d the four-leg iverter re ompred d the superiority of the ltter is show. imple slr modultio methods for the four-leg iverter re desried d implemeted. A 5-kVA, -V, 5-Hz UP system employig the four-leg iverter is simulted d performe of the modultio methods for led d uled lods is demostrted. Experimetl work supplemets the theory d simultios.. GİRİŞ Eviriiler motor sürüü ve kesitisiz güç kyğı (KGK) gii DC/AC güç döüşümü uygulmlrıd yygı olrk kullılır. Üç-fz motor sürüü uygulmlrıd geellikle stdrt üç-klı ve ikidüzeyli evirii (ort okt ğltısız) kullılır. KGK uygulmlrıd ise yük içi ötr iletkei de gerektiğide üç-klı evirii yetersiz klır. Bu edele /Y y d /Z trsformtör kullılıp ikiil srgılrı ortk (yıldız) ğltı oktsıd ypy ötr oluşturulur (Şekil.). Bzı uygulmlrd trsformtörü glvik ylıtım özelliğide de fydlılır. Ak trsformtör, oyutu, ısıl kyıplrı ve mliyeti edeiyle istemez. Bud d öte, yükü fz-ötr degesizlik kımlrıı (sıfır ileşe kımıı) üç klı eviriide krşılmk olksız olduğud çıkış gerilimide kısmi ozulm kçıılmzdır ve k psif süzgeçleri üyütülmesi yolu ile gerilim ozulmsı stırılilir. Dolyısıyl, üç klı klsik evirii (Şekil.) tekolojik olrk KGK uygulmlrı içi yetersizdir. Üç-klı ort okt ğltılı evirii ess olrk yrım köprü evirii özelliğii tşır (Şekil.). Yükü yıldız oktsı eviriii DC r ort oktsı doğrud ğlır ki, u uygulmd glvik ylıtım sözkousu değildir. Ak yükü tek-fz degesizlik kımı, yi ötr kımı rtık ort okt üzeride yoluu kptilir. Ayrı trsformtörü olmmsı d eerji verimi rtışıı, oyut ve mliyet zlmsıı ve güveilirliği rtmsıı ifde eder. Bu yklşımd DC r gerilimi çok yüksek olur (Vrms çıkış içi x4v DC r gerilimi) ve dolyısıyl şırı yrıiletke htr gerilimi ve güç kyı olur. Ek olrk ötr kımı degesizlik durumud kodstörleri Bu çlışm TÜBİTAK EEE Arştırm Gruu trfıd 4E9 olu proje kpsmıd desteklemiştir. yıprtır ve ort okt gerilimii dlgldırır. Dolyısıyl deetei, modültörü ve ypısı sit ol u eviriii de skılrı vrdır. Dört klı evirii (DBE) (Şekil.) hem düşük DC r gerilim gereksiimi, hem DC rd ortk ğlm oktsıı olmmsı ve kodstör ve küleri yıprtmmsı syeside üstü özelliklere ship olup KGK uygulmlrıd yer ulmktdır []. Dördüü k ötr kımı yol sğlyıp, degesiz yükte dhi KGK çıkış gerilimlerii degelemesie olk sğlmktdır. Ak DBE de ypı krmşsı edeiyle modülsyo ve deetim zordur. Bu çlışmd DBE ieleeek, modülsyo yötemleri ele lık, ilgisyr ezetimleri ile KGK uygulmsıd şrımı isptlk ve so olrk deeysel çlışmlrl souçlr doğrulktır. Deeysel ortmd DP tlı deeteç kullıp sit modülsyo ve deetim yötemleri uygulyrk DBE i KGK sistemleride koly gerçekleeilirliği isptlmış olktır. Vd V d V d V d Vd + o + + () () f + f () Şekil Üç fzlı dört çıkış iletkeli evirii devre topolojileri; () /Y trfolu, () üç klı, () dört klı evirii.. MODÜLAYON YÖNTEMLERİ Üç fzlı DBE li KGK ı deetimide çıkış gerilimi deetei, evirii refers gerilimlerii (V f, V f, V f ) üretir. Modültör u gerilimleri evirii çıkışıd üretmek içi gerekli htrlm komutlrıı verir.
ELECO 6, Elektrik-Elektroik-Bilgisyr Müh. emp., 6- Arlık 6, Burs, syf 9-95 Gerilim kyklı eviriilerde, dre geişlik modülsyou (DGM) ile yüksek frekstki gerilim drelerii sıklığı deetleerek isteile şiddet ve frekst çıkış gerilimi üretilir. DGM de temel kurl, refers ve çıkış volt-siye değerlerii her htrlm periyodud eşit ypılmsı ve hrmoiği ve htrlm syısı z ol ir dre şlouu uygulmsıdır []. DGM skler vey vektör yklşıml gerçekleştirileilir. DBE de DGM öe vektör yklşım [3] sorsıd ise dh sit ypıdki skler yklşım ile uygulmıştır [4]. Bu çlışmd d öe vektör sor skler yklşım ele lıktır..a. Vektör Modülsyo Yötemi Vektör yklşımd üç fzlı değişkeler () kullılrk vektör üyüklüklere döüştürülür ve () deki gii üç oyutlu α-β-γ koorditlrıdki ir krmşık syı ile gösterilir. Burd j ve k sırsıyl β ve γ ekseleride irim sl syılrdır. V / / α V Vβ 3/ 3/ = V 3 V / / / V γ () V=V α +jv β +kv γ () DBE de her k içi iki htr durumu ( ve ) sözkousu olduğud, krmşık düzlemde evirii gerilim vektörlerii syısı 4 =6 olur. Bu vektörler Şekil de α-β-γ koorditlrıd gösterilmektedir. Şekilde görüldüğü gii, 4 det etki vektör ve merkezde det sıfır vektör elde edilir. Evirii fz refers gerilimleri de yı içimde vektöre döüştürülür. Vektör DGM yprke refers ve çıkış volt-siye değerlerii eşitlemesi gerekir. E z hrmoik ozulmyı sğldıklrıd uç oktlrı refers vektöre e ykı komşu ol evirii gerilim vektörleri seçilir. Böylee refers ve çıkış volt-siye değerlerii eşitleye (3) krmşık syı deklemide ve vektörleri zm kısıtlmsıı elirleye (4) skler deklemide vektörleri çlışm süreleri uluur. V ref T=V t +V t +V 3 t 3 +V s t s (3) T =t +t +t 3 +t s (4) () () () () () () () () () () () () () () () () β γ... α ( ) ( ) + + + f + Şekil α-β-γ koorditlrıd htrlm vektörleri. Eşitlik (3) te ve (4) te V ref ve T refers gerilim vektörü ve DGM periyodu, V, V, V 3 seçile etki evirii vektörleri ve V s sıfır gerilim vektörüdür. Bulr krşılık ol t, t, t 3 ve t s çlışm zmlrıı elirlemeside sor vektörleri uygulış sırlrı e z htrlm ve e z hrmoik üretme ölçütleriyle eiyileştirilir. Vektör seçimide komşu vektörleri elirlemeside ilk dım evirii ltıge prizmsıı 6 o lik dilimlerii tımlmsıdır. Her dilim dört det düzgü dörtyüzlüde oluşur (toplm 4 det). Refers gerilim vektörü hgi düzgü dörtyüzlüü içide ise o dörtyüzlüü üç etki vektörü ve sıfır vektörleri kullılır [3]. Bu süreç çok işlem gerektirdiğide uygulmsı zorluklr içerir. Bu edele DBE i uygulmsı içi dh prtik yklşımlr gereklidir ve skler yötem u kımd üstüdür..b. kler Modülsyo Yötemi kler modülsyo yötemide sistem deetei trfıd üretile V f, V f, V f refers gerilimleri DC rı ort oktsı ol o oktsı göre fz şı V o, V o, V o ve V fo refers gerilimlerie döüştürülerek tepe değerleri ±V d / ol üçge tşıyıı dlg ile krşılştırılır ve kesişme oktlrıd htrlm ypılır. V f, V f, V f refers gerilimleri, ve oktlrıı f oktsı göre gerilim değerleri olduğud, u oktlrı gerilimlerii f ye göre değerlerii değiştirmemek koşuluyl, f i gerilimi V fo özgüre seçileilir. Dolyısıyl V fo özgüre kydırılilir (Şekil 3) ve htrlm şlou elirleir (Şekil 4). Ak V fo kydırılırke çıkış gerilimi doğrusllığıı korumsı gerekir ve uu içi V fo u değeri V f, V f, V f ye eklediğide elde edile V o, V o ve V o değerleri ±V d / sıırlrıı şmmlıdır. V f V f V f Kym Gerilimi Hesı V fo V d / -V d / V o V o V o Şekil 3 DBE de skler modülsyo lok diygrmı. V o V fo V o V o + + + f + T s Şekil 4 DBE de htrlm diygrmı. + + + f +
ELECO 6, Elektrik-Elektroik-Bilgisyr Müh. emp., 6- Arlık 6, Burs, syf 9-95 dee gerilim doğrusllığı sıırlmsı uyguldığıd V fo u gerçekleeilirlik ölgesi geiş olur. Dolyısıyl V fo seçeekleri sosuzdur ve u seçeekler evirii şrımıı eiyileştirilmesi içi kullılilir. Kym gerilimii sıfır ypılmsı ile fz şı gerilim V d / ile sıırlı olğıd KGK uygulmsıd u seçeek evirii kullımıı zyıf olmsı lmı gelip terih edilmez. Bu yöteme siüsoidl DGM (DGM) yötemi deir. Prtikte iki seçeek iki frklı öemli ölçüte göre eiyi souu vermektedir ve u edele yrıtılı ieleeeklerdir..b.. ürekli Modülsyo ve Uzy Vektör Modülsyo Yötemi (UVDGM): Bu yötemde V fo krşılştırm ypılrk üretilir ve V f, V f, V f rsıd e dıştki ikisii toplmıı tersii yrısıdır; V fo =-(V mi+v mx)/. Elde edile modülsyo dlglrı V o, V o ve V o sürekli olup [3] te öerile uzy vektör yklşımıdki htrlm şlou yısıı üretirler. Dolyısıyl yöteme UVDGM yötemi deir. UVDGM de krrlı periyodik hlde V fo üçgesel dlg içimlidir. UVDGM i özelliği çıkış gerilimii ve dolyısıyl çıkış kımıı dlgığıı e z olmsıdır. Ayrı yötem, gerilim doğrusllık ölgesii de DGM ye göre yklşık % geişletir..b.. Kesitili Modülsyo Yötemi (KDGM): Bu yötemde V f, V f, V f rsıd e dıştki iki gerilim dlgsıd irii kedisiyle yı işretteki DC r trfı kydırmk ve u kym miktrıı d u fzı modülsyo dlgsıı tm olrk V d / değerie getireek miktrd seçmek, öylee u fzı u DGM peryodud htrlmsıı egellemek hedefleir. E dıştki fz V xf ise kym gerilimi V fo =sg(v xf )(V d /)- V xf olrk hesplır. Kym gerilimi V fo her fz eklediğide ir fz kilitleirke diğer iki fzd ve dördüü kt htrlm gerçekleşir. Dolyısıyl her evirii fzıı ğıd modülsyo ve htrlm sıryl kesitiye uğrr ve u edele yötem kesitili modülsyo dıı lır. eçile trfı e üyük şiddetli gerilim trfı olmsı (KDGM yötemi) ve evirii yüküü de direç olmsı durumud htrlmı kesitiye uğrdığı x6 o rlıklrd kımlr e üyük değeridedir, dolyısıyl htrlmı kesitiye uğrmsı ek olrk htrlmy fzı kımıı e üyük kım olmsı htrlm kyıplrıd yrı ir zlmy ede olur. Bu yötemle, üç fzlı ve degeli yük durumud htrlm kyıplrı fz şı e z %33 ve tipik olrk %5 orıd zltılilir []. Yötem yüksek modülsyo ideksi değerleride dlgık gerilim ve kımlrı kımıd UVDGM ile krşılştırılilir olduğud ve KGK uygulmsı d yüksek modülsyo ideksi değerleride çlışmyı gerektirdiğide KDGM doğl çözüm olup terih edilmelidir. Bu yötem de UVDGM gii gerilim doğrusllık ölgesii geişletmekte, yrı htrlrı oşt zmıd kykl gerilim ozulmlrı ve diyotlrı ters toprlmlrıd kykl gürültü ve kyıplr d zl htrlm syısı ile zlmktdır. 3. BİLGİAYARLA BENZETİM DBE ile sürüle 5kVA, Vrms, 5Hz lik ir KGK sistemii ezetimi Asoft-implorer yzılımıyl ypılmıştır. UVDGM ve KDGM yötemleri ele lımış ve Çizelge deki degeli ve degesiz doğrusl yükte çlışmd (7.5Arms m kımı) KGK dvrışı ielemiştir. KGK çıkış gerilimi rezos deeteçle deetlemiştir [5]. LC süzgeç prmetreleri fz şı.5mh ve µf dir. Dördüü kt mh idükts kullılmıştır. DC r gerilimi 7V ve htrlm freksı khz dir. Çizelge. Bezetimde Yük Tipleri Degeli Yük Degesiz Yük Tek Fz Fzrsı Z = R = 9Ω Z = Z = R = 5Ω Z = R = 9Ω Z = R = 9Ω Z = Z = R = 9Ω Z = Z = Şekil 5 KGK ı degeli yüklemede UVDGM içi krrlı hl ezetimlerii göstermektedir. KGK çıkış ve evirii refers gerilimleri degeli ve siüs içimlidir. Yötemde 3x5Hz de periyodik ol V fo (yeşil) fz referslrı eklediğide fz gerilimlerii tepesi zlmkt ve çıkış gerilimii doğrusllık ölgesi geişlemektedir. Degeli yüklemede dolyı dördüü kt sdee dlgık kımı kr. Evirii kımlrı siüsoidl temel ileşe ve khz ve ktlrıd DGM hrmoiklerii içere dlgıkt oluşmktdır. Şekil 6 d yı durumd KDGM ielemektedir. Ayı olduklrı içi çıkış ve refers gerilimleri tekrr gösterilmemiştir. UVDGM de temel frklılık modülsyo dlglrıı kesitili ir şekil lmsı ve dolyısıyl evirii kımı dlgıklrıı d kesiti ölgeside geişlemesi olrk görülmektedir. 35 35 35 35 8 9 t [ ms] Şekil 5 DBE de degeli yük UVDGM ezetimi: Üst; çıkış gerilimleri (siyh), evirii refers gerilimleri (kırmızı), ort; modülsyo işretleri, lt; evirii k kımlrı. 3
ELECO 6, Elektrik-Elektroik-Bilgisyr Müh. emp., 6- Arlık 6, Burs, syf 9-95 Şekil 7 deki UVDGM tek fzlı degesiz yük ezetimide görüldüğü gii, sistem deetei çıkış gerilimlerii degeli olmsıı sğlmk içi degesiz yük miktrı rttıkç simetrisi rt evirii refers gerilimleri üretir. Deeteç, tek fz degesizlik kımıı eviriii yüklü fzı ile dördüü k rsıd kıtır. UVDGM syeside çıkış gerilimi siüs olup eviriii yüklü fzdki dlgık kımı d degeli durumdkiyle yıdır. Dördüü ğı idüktsı küçük olduğud dlgık kımı dh fzldır. Şekil 8 de yı durumd KDGM ielemektedir ve kesitili modülsyou dlgık etkisi ve kesitileri 6 o de spmsı temel frklılıktır. Şekil 9 d fzrsı degesiz yük ielemiştir. Yie z d ols modülsyo dlglrıd simetri sözkousudur. Ayrı KDGM uyguldığıd u durumd kesitiler degesizlikte dolyı 6 o de spmktdır. Bu durumd yük kımı ir fzd girip diğeride çıktığıd dördüü k etki değildir. 35 35 8 9 t [ ms] Şekil 8 DBE de tek-fz degesiz yük KDGM ezetimi: modülsyo işretleri (üst), evirii k kımlrı (lt). 35 35 35 35 35 8 9 t [ ms] Şekil 6 DBE de degeli yük KDGM ezetimi: modülsyo işretleri (üst), evirii k kımlrı (lt). 35 35 8 9 t [ ms] Şekil 9 DBE de fzrsı degesiz yük KDGM ezetimi: Üst; çıkış gerilimleri (siyh), evirii refers gerilimleri (kırmızı), ort; modülsyo işretleri, lt; evirii kımlrı. 35 35 35 8 9 t [ ms] Şekil 7 DBE de tek-fz degesiz yük UVDGM ezetimi: Üst; çıkış gerilimleri (siyh), evirii refers gerilimleri (kırmızı), ort; modülsyo işretleri, lt; evirii kımlrı. 4. DENEY ONUÇLARI ODTÜ Elektrik-Elektroik Mühedisliği Bölümü, Elektrik Mkilrı-Güç Elektroiği Lortuvrıd 5kVA lık DBE li ir KGK tsrlıp üretilmiştir. Deetim ortmı TM3C8 DP tlıdır. Ahtrlm freksı khz olrk seçilmiştir. LC süzgeç prmetreleri fz şı.5mh ve 3µF dir. Dördüü ğı idüktsı d 5µH dir. Deeysel ortmd DC r gerilim seviyesi 54V ile sıırldığıd KGK çıkışı Vrms ve 5Hz dir. KGK çıkış gerilimi rezos deetei ile deetlemiştir. Degeli ve degesiz yük kımı m değerleri içi (4 Arms) UVDGM ve KDGM yötemleri deeysel olrk ielemiştir. Degeli yük UVDGM deey souçlrı Şekil d gösterilmiştir. KGK çıkış gerilimleri idele ykı olup gerilim ozulmsı (THD V ) %.7 dir. İdükts kımlrı d siüs içimlidir ve sdee khz 4
ELECO 6, Elektrik-Elektroik-Bilgisyr Müh. emp., 6- Arlık 6, Burs, syf 9-95 htrlm dlgık ileşeii içermektedir. KDGM uyguldığıd çıkış gerilimleri/kımlrı UVDGM ile yıdır. Şekil de gösterildiği gii sdee evirii kımlrı üzerideki dlgıklr eklediği gii ort 6o lik ölgelerde kısmi rtış göstermiştir. Bu krşı htrlm kyıplrı yklşık %5 zlmıştır. Şekil de tek fzlı degesiz yükte dvrış görülmektedir. Yük kımı dördüü k üzeride yol ulmkt ve çıkış gerilimi şrılı ir içimde deetlemektedir. Şekil KDGM ve tek-fz degesiz doğrusl yük içi evirii kımlrı (üst), yüklü fzı çıkış gerilimi (mvi) ve kımı (kırmızı) ve dördüü k kımı (srı) (lt), ölçek: A/kre, 5V/kre, ms/kre. 5. ONUÇ Dört klı evirii ylıtım trsformtörü gerektirmeye uygulmlrd yüksek DC r gerilimi gerektirmemesi ve degesizlik kımlrıı dördüü kt dolştırılilmesi özellikleri ile diğer topolojilerde üstüdür. DBE de skler modülsyo uygulmsı moder DP ler ile koly gerçekleeilir. KDGM yötemiyle htrlm kyıplrı yklşık %5 orıd zltılilir. KGK uygulmsıd DBE ve KDGM doğl eiyi çözümü oluşturmktdır. KGK uygulmsıd DBE i ve skler kesitili modülsyo yötemii şrımı degeli ve degesiz doğrusl yüklerle ilgisyr ezetimi ve deeysel çlışmlrl doğrulmıştır. KAYNAKÇA [] J.G. Try, H.E. Pfitzer, Ahievig High Effiiey i Şekil UVDGM ve degeli doğrusl yük içi KGK çıkış gerilimleri (üst), kımlrı (ort) ve evirii kımlrı (lt), ölçek: A/kre, 5V/kre, ms/kre. [] [3] [4] [5] Şekil KDGM ve degeli doğrusl yük içi evirii kımlrı, ölçek: A/kre, ms/kre. Doule Coversio Trsformerless UP, IEEEIECON Cof., N.C., UA, Nov. 5, pp. 94-945. A.M. Hv, R.J. Kerkm, T.A. Lipo, imple Alytil d Grphil Methods for Crrier Bsed PWM-VI Drives, IEEE Trs. O Power Eletrois, vol. 4, Jury 999, pp. 49-6. R. Zhg, V.H. Prsd, D. Boroyevih, F.C. Lee, Three-Dimesiol pe Vetor Modultio for Four Leg Voltge oure Coverters, IEEE Trs. o Power Eletrois, Vol.7, My, pp. 34-36. J. Kim,. ul, H. Kim, J. Ji, A PWM trtegy for Four-Leg Voltge oure Coverters d Applitios to Novel Lie Itertive UP i Three Phse Four Wire ystem, IEEE-IA Cof., ettle, Otoer 4. D.N. Zmood, D.G. Holmes, ttiory Frme Curret Regultio of PWM Iverters with Zero tedy-tte Error, IEEE Trs. O Power Eletrois, Vol. 8, My 3, pp. 84-8. 5