SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi ll. Ci lt. Say s.l92007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle!(ntrlü BEŞ SEVİYELİ İZO.LE DC KAYNAKLI KASKAT İNVERTERİN SPWM TEKNiGi İLE KONTROLÜ Erkan DENİZ Hüseyin ALTUN Frat Üniv. Tek. Eğt. Fak. Elektrik Eğitimi Bölümü Elazğ. Tel: 424 23 70000 ( 435) edeniz(afirat.edu. tr = OZET Bu nakalede genel larak çk seviyeli inverterler çk seviyeli inverterlerde kullanlan taşy ct temelli Sinüzidal Darbe Genişlik Mdülasynu (SPW) ve çk seviyeli kaskat inverter hakknda bilgi verilmektedir. Bununla birlikte Matlab\SimPwer Systems'de kaskat inverterin 3fazl IGBT yariletken anahtarl beş seviyeli devresinin 3fazl bir RL yükünü beslernesi durumunda SPWM tekniği kullanlarak sinülasynu yaplmştr. Simülasyn snuçlar yük indüktans nn ve anahtarlana fr ekansnn farkl değerleri için alnmştr. Anahtar kelimeler Çk seviyeli inverter Kaskat inverter Çk seviyeli SPWM CONTROL OF FIVE LEVEL AND ISOLATED DC SOURCE CASCADE INVERTER WITH SPWM TECHNIQUE ABSTRACT Generally in this paper sunnarized knwledge n nultilevel inverters carrier based sinusidal pulse width medulatin (SPWM) used in multilevel inverters and multilevel cascade inverter is given. Mrever the circuit with IGBT setnicnductr switches and supplying a threephase RL lad f a threephase five level cascade inverter was simulated us ing SPWM technigue in Matiab/SimPwer Systems. Sinulatin results w ere btained fr different values f switching frequencies and lad inductances. Keywrds Multilevel inverter Cascade inverter Multilevel sinusidal pulse width mdulatin technique.. GİRİŞ Çkş gerilini değişken frekans ve genlikli bir gerilin kaynakl invertein (VSI) kntrlünde çkş geriliminin harmniklerinin azalmas çk önemlidir. Bu nedenle iki seviyeli inverterler larak bilinen geleneksel inverterlerde çeşitli PWM anahtarlana stratejileri ile birlikte yüksek anahtarlama frekans tercih edilir. Ancak iki seviyeli inverterlerin rta veya yüksek güç/gerilim uygulamalan durununda başlca anahtarlama kayplar ve anahtarlarn anna değerlerindeki kstlamadan dlay yüksek frekansta çaltşma için birkaç snrlanalan vardr. Ayrca rta ve yüksek güçlü uygulamalarda geleneksel inverterler düşük verin ve büyük transfrnatörler kullanlnas nedeni ile yüksek fyat gibi dezavantajlara da sahiptir. Bu sebeple inverter ailesinin yeni bir üyesi lan çk seviyeli inverter sn yllarda rta veya yüksek güç/gerilimli uygulamalar için bir çözüm larak rtaya çkarlmştr []. Çk seviyeli güç dönüşünü ilk kez 30 yl önce tantld. Genel kavran küçük gerilim basamakjannda güç dönüşünü yapmak için çk sayda anahtar kullannn içerir. Geleneksel güç dönüşümü ile karşlaştrlrsa bu yaktaşnn birkaç avantaj vardr. Daha küçük gerilin basanaklan daha yüksek kaliteli dalga şeklinin üretilnesine ayrca yükteki dv/dt stresinin ve elektrmanyetik uylunsuzluğun azalmasna yl açar. Çk
SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi l l. Cilt. SayJ s. 9 2007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl Kaskat İn verterin SPWM Tekniği İle Kntrlü E. Den iz seviyeli in verterierin diğer bir önemli öze ll i ği yariletken anahtarlarn daha yüksek gerilirnde çalşnasna izin veren seri şekilde bağlanmalardr. Genellikle seri bağlant aşr gerilim riskini yk eden kenetleme diytlar ile yaplr. Ayrca anahtarlar tam larak seri bağlanmadğ için anahtarlamalar sendelenebilir. Bu durnn anahtarlama frekansn ve dlaysyla anahtarlana kayplarn azaltu [2]. Çk seviyeli güç dönüşümünün açk bir dezavantaj kullanlan anahtarlarn çk sayda lmasdr. Ancak çk seviyeli inverterlerde daha düşük gerilim ranl anahtarlar kullanlnaktadr. Bu yüzden iki seviyeli inverterlerle karşlaştrldğ zaman kullanlan anahtarlarn naliyeti kayda değer bir şekilde artnaz. Bununla birlikte seviye saysn artrnak için eklenen her bir anahtarn gate sürme devresi inverterin nekanik yerleşimini daha fazla karmaşk yapar. Çk seviyeli inverterlerin diğer bir dezavantaj küçük gerilim basanaklarn üreten izle li gerilim kaynaklar ve seri kndansatörlerdir. İzleli gerilim kaynaklar her zaman klaylkla bulunanayabilir ve seri kandansatörler gerilin dengesi gerektirir. Gerilimi dengeleme snrl larak çk sayda anahtar kullanlmasndan dlay luşan birden fazla anahtarlana imkan kullanlarak yaplabilir. Bununla birlikte gerilim denge prbleminin tan çözümü için ilave devreler gerekir [3]. 975'te R.H Baker ve L. H.m Bannister çk seviyeli bir çkş gerilini elde etnek için ayr de kaynakl tam köprü hücrelerin seri bağlandğ bir fnnat ile çk seviyeli kaskat inverteri tanttlar. Bugüne kadar çk seviyeli inverter türleri üzerine yaplan araştrmalann çğu üç tane in verter üzerinde yğunlaşnştr. B unlar; diytkenetlemeli inverter kndansatör kenetlemeli inverter ve kaskat inverterdir. Kaskat inverter geliştirilen ilk çk seviyeli inverter türü lduğu halde 990'larn rtasna kadar uygulamalan yaygn değildi. 997 dep. rv Hammnd ve F'. Z. Peng J. S. Lai tarafndan kaskat inverter ntr sürücü devrelerinde kullan ld. Kaskat inverterler ilk kullanldklarndan bu zamana kadar özellikle de rta geilim sürücülerinde büyük ilgi çekti. Çünkü bu tplji çk seviyeli diğer iki tpljiden yap larak daha basit ve paket devre haline getirilnesi daha klay lmaktadr. Ayrca tam köprü hücrelerin eklennesi veya çkar lmas ile inverterin çkş gerilin seviyesi arttrlp azaltlabilir. Bununla birlikte kenetleme diytlar ve kndansatörleri gerektinnediğinden ayn seviyeli devre yaplar için diğer iki tplj iye göre daha az eleman kullanlmaktadr. Bu yapnn en önemi dezavantaj çk sayda izlasynlu de kaynak beraberinde güç transfrnatörü gerektirmesinden kaynaklanan yüksek maliyettir [ 4]. II. ÇOK SEVİYELİ KASKAT İNVERTER Farkl de kaynakl ve çk seviyeli kaskat inverter için fa rkl de kaynak gerilimi luşturmada akümülatör yakt hücreleri veya güneş pillerinden elde edilen de gerilimden yararlanlr. Sn zamanlarda bu yap ac güç kaynaklarnda ve sürücü sistenlerinde skça kullanlnaya başlanmştr. Bu inverter tpljisi diğerlerine göre daha avantajldr. Çünkü kenetlene di yt veya kndansatörlerj gerektirmernektedir. Ayrca en az de kaynak gerilimine eşit değerde ac gerilim elde edilebilmektedir [5]. V =+E ab E =:= V =O ab s : a2 V =E ab Şekil. Bir tam köprü invertere ait anahtarlama durumlar ve buna karşlk gelen gerilim seviyeleri. Çk seviyeli inverterler için n seviye says en az üç tür. Kaskat inverterde E O +E seviyelerinden luşan 3 seviyeli bir faz gerilimi elde etnek için bir tam köprü hücre kullanlr. Tan köprü n verterin devresi Şekil. 'den de görüldüğü gibi dört anahtar ve dört adet bşluk diyrundan meydana gelnektedir. Eğer SaL ve S b anahtarlan iletinde ise çkş gerilini V ab = E Sa2 ve S b iletirnde ise Yab= E ve SaL S b veya SaSb iletirnde ise V ab= O lmaktadr. Kaskat inverterde çk seviyeli çkş faz gerilimi elde etmek için ayn seviyeli H köprü hücrelerin ac çkşlar seri bağlanr. Bu nedenle neydana gelen gerilim dalga şekli Hköprü hücrelerin çkşlarntn tplam lur. 's' de kaynak says lmak üzere bir kaskat inverterde çkş faz gerilimlerinin seviyesinin says m= 2s + ve hat geriliminin seviye says k= 2m fnnülleri ile hesaplanr. Kaskat inverterin bir faz hacağndan Sseviyeli bir çkş gerilini elde etnek için Şekil. 'deki köprü in verter devrelerinden iki tanesi Ş eki 2. 'deki gibi seri bağlanr [ 6]. Şekil 2. 'deki devreye ait anahtarlama durumlar ve bunlara karşlk gelen çkş gerilim seviyeleri ise Tabl. 'de gösterilmiştir. Tabl I.' deki 6 tane anahtarlana durumundan sadece 4 tanesi iki yönlü akm akşna ve sabit bir çkş gerilim ine izin verir. Tabldaki 5. ve 6. anahtarlana durumlarnda tan köprünün birinden pzi 2
SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi. Cilt. Say s. 9 2007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl l(askat İnverterin SPW Tekniği İle Kntrlü E. Denz.. Sa Da Sa3.. E= E. '. Sa Sa Da2 Da4 Das Da7 D a3 Tam Köprü Vinv Hücre biridir. PWM tekniğinde amaç kare dalga şeklinde darbeler lusturmak ve bu darbelerin genişliğini '}:... "" değiştirmek suretiyle çkştaki dalgann ana harmngn değiştirnektir. Darbelerin yar peri tta i. saylarnn artrlmas ile anahtarlama barmnklernn frekans yükseltilir. Böylece yük indüktansnn harmnik aknlarn snrlanas sağlanr. Genel larak PWM sinyalleri yüksek frekansl bir üçgen taşyc dalga iḷe düşük frekans l mdülasyn (referans) dalgasnn br kmparatörde karşlaştrlmasndan elde edilir. R fer s dalga larak; kare dalga veya sinüs dalgas seçlebbr. PWM tekniğinin en yaygn larak kullan lanlan Kare Dalga PWM Sinüzidal PWM Hannnik Ilaveli PWl\t ve Uzay Vektör PWM dir. Şekil 2. Beşseviyeli kaskat inverterin bir faz hacağ Ta bl. Beşseviyeli kaskat in verterin bir faz bacağna ait anahtarlama durumlar Tam Köprü Tam!(öprü 2 Vİnv E Sa S:4 O Sa6 Sa8 E 2 E S Sa4 O Sas Su? E 3 On Sa Sa4 E sa5 SaR E 4 O Sa Sa. E Sas Sas E 5 E Su Sa4 Sa5 Sas E +E 6 E Sa sa3 O Sa6 Sas 7 E Sa Sa3 O 8 On S :.2 S a4 E Sa6 Sa7 E. 9 O Sn Sa3 E Sa5 Sa? E E E Sa6 Sa7 E lo E Sa Sa3 E Sa6 Sa7 E ll On Sa2 Sa4 O Sa6 S as 2 O Sa S a4 O Sas Sa7 3 O Sa Sn3 O Sa6 S as 4 O u Sa Sa3 O Sn5 Sa7 5 E Sa Sa3 E Sa5 Sa8 6 E Sa Sa4 E Sa6 Sa7 "' E tif diğer köprüden ayn değerde negatif gerilim elde edilerek sfr seviye gerilimi elde edilir. Ayrca 2E ve 2E üretini için hariç tablda gösterildiği gibi inverter çkşnda O E E 'nin nasl üretileceği ile ilgili serbestlik dereceleri vardr. E ve E 'nin her biri dört yldan sfr; alt yldan üretilebilir. 3fazl sistem için ise tek fazlr inverterin ayn yapdaki üç çkş ya yldz ya da üçgen bağlanabilir lll. ÇOK SEViYELi SPWM TEKNİGİ Darbe Genişlik Mdülasyn (PWM) tekniği geleneksel iki seviyeli inverterlerde çkş gerilimi genlik ve frekansnn kntrlü için geliştirilniş birkaç teknikten PWM tekniğini uygulmnann en klay ve en iyi ylu bir üçgen dalga ile sinüs dalgasn bir knparatörd. e karşlaştrmaktr. Bu yöntende referans işaret larak br sinüs dalgas kullanldğ için Sinüzida PWM (SP\VM) larak an lmaktadr. SPWM' de; sinüsün tepe değerinin (V R) üçgen taşyc dalgann tepe değerine (V c) ranna Mdülasyn indeksi denir ve M = n ile gösterilir. Mdülasyn indeksinin değiştirilmesi çkş gerilimi ana hannn ik genliğini ayarlar. Ma 'nn (O ) değer aldğ aralğa lineer bölge denir. Bu bölgede çkş gerilimi ana harnniğinin genliği Ma ile dğrusal değişir. PWM barnnikieri ise anahtarlana frekansnda ve nun katlan lan frekanslarda rtaya çkar. Ancak bu bölgede çkş gerilimi ana hannniğinin geniğ yeterince büyük değildir. Bu lunsuzluğu gidennek için Ma yaplr. Bu dunun aşr ndülasyn larak adlandrlr. Aşr mdülasyn yapmann en büyük dezavantaj in verter çkş gerilininde daha önceden lnayan harmniklerin rtaya çkmasdr. Bununla birlikte SPWM'de üçgen taşyc dalga frekansnn (fs) referans dalga frekansna (fn) ranna frekans mdülasyn ran denir ve mr = gösterilir. mr ne kadar büyük lursa harmnik bileşenler ana harmanikten derece uzaklaşr. Dlays ile inverterin çkş kalitesi artar. Çk sev i yel i in verterlerde ise seviye says artkça çkş geriliminin sinüzidal biçime daha çk yaklaşacağ dlaysyla " Tplam Harmnik Bzulma (THD)'nn " azalacağ ve inverter çkş kalitesinin artacağj açktr. Çkş gerilim]ndeki barnnikieri azaltmak ve inverter çkşn kntrl etmek için seviye saysnn arttrlnasnn yan sra farkl darbe genişlik mdülasyn (PWM) teknikleri kullanlmakta lup bu knudaki araştrma ve uygulama çalşnalan devan etnektedir [7]. Çk seviyeli inverterlerde kullanlan mdülasyn teknikleri iki c f s. f m e 3
SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi l. Ci lt. Say s. 9 2007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kntrlü seviyeli PWM tekniklerinin genişletilnişi lup en yaygn larak kullanlanlar; Uzay Vektör PWM ve Taşyc Temelli PWM' dir. Çk seviyeli taşyc temei PWM teknikleri genellikle üçgen dalga lan birkaç taşyc sinyal ile genellikle sinüzidal lan referans veya bir mdülasyn dalgasnn bir kmparatörde karşlaştrlmasn gerektirir. En çk kullanlanlar Sinüzidal PWM (SPWM) ve Hamnik İlaveli PWM'dir. Çk seviyeli SPWM tekniğinde mdülasyn sinyalleri ayn kalmak şart ile taşyc sinyallerin says inverterin seviyesine bağl larak değişir. m seviyeli bir inverter için tepeden tepeye ayn V c genlikte ve ayn fs frekansta (ml) tane taşycya gerek duyulur. Örneğin Sseviyeli bir inverter için taşyc sinyallerin says döt lacaktr [8]. Bu PWM tekniğinde kullanlan taşyclarn tenel larak APO (Alternative Phase Oppsitin) PO (Phase Oppsitin) ve PH (Phase) larak adlandrlan üç farkl yerleştirilme durunu ve bu taşyc dunmlarnn knbinasynu ile rtaya çkarlmş Hibrit (Hybrid=H) ve FazKaydnna (PhaseShifted=PS) şeklinde iki tane daha yerleştirme durumu vardr [9]. Bütün dağinnlarda taşyclar birbirine bitişik durumdadr. Sfr referans taşyc grubunun rtasna merkezlendirilmiştir. Ayrca üç tane taşyc durumu APO PO PH benzer faz ve hat gerilin dalga şekilleri üretirler. APO dağlnnda; her bir taşyc bant bitişik banttan 80 faz kaydrlr. Yani bütün taşyclar alternatif larak zt yapdadr. Literatürde bu dağlm kullanlarak yaplan çalşmalarda faz ve hat gerilimi için en önenli harmnikler taşyc frekans fs 'nin yan bantlarnda rtaya çkmştr. fs de hannnik luşnamştr. kullanlarak yaplan çalşnalarda faz gerllimi için önenli harmnikler taşyc frekans fs civarnda rtaya çkmştr. Fakat nun harmnik içeriği ayn fazda lduğu için hat geriliminde gözükmemektedir [5]. 2 :'\ /\7""!. :\ 7\ : \ ' / \ \.. '..\ \ ;\ :: 7 \... r ' ' \ ' ". ' :.' J ' ' \. "....... \ r.. l ".... 7'.. ' r :\ :. 7. '. / "' '7\:! l v J 0 \/.. ' \... '.... '. '. 4. l ' ". '. \. ' /.. \ / '. '... '.. '. 2 \C '. / T :. T Şekil 5. PH dağlm Fazkaydrmal (PS) dağlmda; bütün taşyclar birbirinden Be = kadar faz kaydrlr [ 4]. Literatürde bu 360 ml dağlun kullanlarak yaplan çalşnalarda faz ve hat gerilimi için en önemli harnnikler (ml). fs' nin yan bantlarnda rtaya çkmştr ve in verterin seviye değerinin daha yüksek lduğu ayrca ana harmnik ve en yakn önemli hannnik arasndaki aralğn diğer taşyc durumlarna göre daha fazla lduğu gözlenniştir Hibrit (H) taşyc dağln ise daha öncekilerin bir kmbinasynudur. Bu dağlmda taşyclardan yars sfr referansnn üstünde yars altndadr. Sfr referansnn üstündeki taşyclar tepedentepeye ayn genlikte ve ayn frekansljdr. Fakat taşyclar arasnda! J ec= 360 (ml)/2 derece faz fark vardr. Sfr referansnn altndaki taşyclar içinde ayn durum söz knusudur. Literatürde bu dağlm kullanlarak yaplan çalşmalarda faz ve hat gerilimi için en önemli hannnikler fs' nin [(m )/2] katlannda yğunlaşmştr [ 0]. PO dağlmda; sfr referansnn üstündeki taşyclar ayn fazda ve altndakiler ayn fazdadr. Ancak sfr referansnn üstündeki taşyc grubu ile altndaki taşyc grubu arasnda 80 faz fark vardr. Literatürde bu dağlun kullanlarak yaplan çalşmalarda faz ve hat gerilimi için önenli harnnikler taşyc frekans fs cjvarnda rtaya çknştr. 2. Şekil.6 Fazkaydnnail dağlm / Şekil.7 Hibrit dağlm Şekil3. APO dağlm Çk seviyeli inverterlerde Ma: Mdülasyn indeksi V R: Referans sinüsün genliği V c: Üçgen taşyc dalgann genliği fm : Referans sinüsün frekans fs : Üçgen taşyc dalgann trekans mr: Frekans mdülasyn indeksi PH dağlnda; sfr referansnn üstündeki ve altndaki taşyclar ayn fazdadr. Literatürde bu dağlm 4
SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi. Cilt. Say s. 9 2007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kntrlü lmak üzere frekans mdülasyn indeksi mf' = fs f rmülü ile hesaplanr. Yukarda bahsedilen taşyc dağinnlan için mdülasyn indeksi ise Tabl 2. 'de gösterildiği gibi hesaplannaktadr [5]. Tabl 2. Taşyct dağlmlar için mdülasyn indekslerinin esap anrnas fm.. Burada kullanlan Hhücre devresinin yaps se yne Pwer Systens'de Şekil 9'da görülmektedir. PWM a E c Sb APO PO PH H PS l Ma (m) xc 2 ("';}vc (m;)xvc 2 ve T Out2 IV. BEŞ SEVİYELİ KASKAT İNVERTER İLE BİR RL YÜKÜNÜN BESLENMESİ Yukarda bahsedilen çk seviyeli SPWM tekniği kullanlarak düşük anahtarlama frekanslannda elde edilen tetikleme sinyalleri ile 3fazl beşseviyeli kaskat inverterin anahtarlar anahtarlanarak inverterin çkşnda; hannnik içeriği gayet düşük değişken gerilim ve fre kansta Sseviyeli sinüzidal çkş almak mümkündür. Bunu göstermek anacyla Matlab\ SimPwer Systems'de kaskat inverterin 3fazl IGBT yariletken anahtarl beş seviyeli devresinin 3fazl bir RL yükünü beslenesi durununda çk seviyeli SPWM tekniği kullanlarak sinülasynu yaphnştr. Anahtarlarn PWM sinyallerinin elde edilmesinde APO taşyc dağln kullanlmştr. R L Şekil 9. Tam köprü inverter devre mdeli :! E * b2 Beş seviyeli inverter ve beslediği yük için sinülasynda kullanlan parametreler ise aşağdaki gibidir. De kaynak gerilimil E Mdülasyn indeksi} Ma Referans dalganin frekans j Taşyc dalgann frekans j Snubber direnci Rs Snubber kapasitesil Cs Yük indüktans L Yük direnci R :400 V :0.9 :50 Hz : 7 5 O ve 2 5 O Hz :JOOQ :220 nf :30 mf/ve 80mH :5 Q H3 H4 Şekil 8. Üç fazl 5seviyeli kaskat inverter devre mdeli Değişken gerilim ve frekansta 5seviyeli sinüzidal çkş verebilen kaskat inverterin Pv/er Systens rtamndaki ndeli Şekil. 8 'de görülnektedir. Göriildüğü gibi bu mdelde her faz için 2 adet Hhücre devresi ve 3faz için tplan larak 6 adet Hhücre devresi bulunnaktadr. Yukarda verilen sinülasyn paranetrelerinden yük indüktansnn 3 O nh ve 80 tnh değerlerinin her ikisi için anahtarlama frekansjnn 750 ve 250 Hz değerlerinde sinülasyn yaplp snuçlar verilmştir. Şekil 0 ve 'de yük indüktansnn 30 mh değeri için anahtarlana frekansnn srasyla 750 ve 250 Hz değerleri için snuçlar verilnliştir. Benzer şekilde Şekil 2 ve I 3 'te yük indüktansnn 80 mh değeri için snuçlar verilmiştir. Snuçlara bakldğnda; fa z gerilimi hat gerilimi ve 3faz aknnndan görüldüğü gibi çk seviyeli inverterler ile düşük anahtarlana frekanslarnda bile geleneksel iki seviyeli i n verteriere göre daha düzgün çkş dalga şekilleri elde edilmektedir. Bununla birlikte inverterin seviye says artnlrsa çkş aknn ve gerilin dalga şe ki ll eri sinüzidal frma daha yakn lacaktr. Dlays ile invcrter çkşndaki "Tplam Harmnik Bzulma (THD) azalacaktr 5
SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi. Cilt. Say s. 9 2007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kntrlü 800 L ' '! ' 400 n) ll L rj. 400!'! mt ' 800 r r 0.0 0.02 t (s) 0.03 0.04 0.05 0.06 7 20 c 00 600 200 L L L L Jj j L L.JJ&J. Lu.a.. 0 20 30 40 Harrrnik Der ec es i (a) 50.. 800 : r.l 400.!..!..0 a r 800 r [ 2. TI : 600 0.0 0.02 t (s) 0.03 0.04 0.05 0.06 242 f r i r :Y:. a 50 J..!. a 0 40 40 J J. L '. '.JLIJa.Ll.la.LJ. 20 30 40 50 60 Harrrnik Der ec es i ''. r t: (b) ' '.:. r.j?.. '.. \.""\.' ' \ ' ' ) \! \ ' ' '. \. '. ' j ll il 'L. / l ) \ r \.' ) \ '\. \ i ) '. \ J ' '\ i r L j l t L ) ) \' ' \ l. f ( \ ' \ \ \ J \( \ : t { '{ ) \ /i V '\ " /\ ;''\ \ ;'. \ /\\ ll ) ) "'\ ' "./ ' \ /. :..! :t:... '!.:/ :.\;;.L' l '"'=' \.. 0.02 0.03 t ( s ) 0.04 0.05 Şekil 0. L=30mH ve fs=750 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve hannnik spektrumu (c) (b) Dkuz seviyeli hat geri li mi ve harmni k spektrumu (c) Üçfaz akmlan 60 0.06 0 n 400 ' i r Jn J 800 : O 0.0 0.02 t(s} 0.03 0.04 0.05 0.06 T 720 i i a 00 L L L 0 h'.jlllll L. :..L 20 30 40 50 60 Harrrnik Derecesi 600 r 200 + 800 400.. n 400 800 200 (a) 600 O 0.0 0.02 t(s) 0.03 0.04 0.05 0.06 242.! r L.J L ' L. m 50 J! [ l '!..J.. 0 20 30 40 Harrrnik Derecesi (b) 40... ';!..}'. ).. / '. ' ' "" ' J ' :\ 50 r' ' l. t" ".r.'\ / ' ( ' ' / \j \ r' ' 'J \ ' ( ' \ / \ $ \ ' J \ / ( \ ' ' / \ ' \ '..' \ ( \ \ ( ;. '\ l f\.i u O \+7' f. \ \;.i L + \. ' ( ' c \ / '\ ( \. '. \ ) ' J \ r lk' ) \ {\ l\ \ X \ / J '\.. J./ \ ). ) J r f \ \ \ ) \ il"'. ' 'L :!.J!.:.:. 40 Şekil.. \... ' ".. ' / 0.02 0.03 t(s) 0.04 0.05 0.06 (c) L=30mH ve fs=l250 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve harmnik spektrumu (b) Dkuz seviyeli hat gerilimi ve harmni k spektrumu (c) Üçfaz akmlar. 60 6
' " SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi. Cilt. Say s.l9 2007 Beş Seviyeli İz le DC Kaynakl Kaskat İn verterin SPWM Tekniği İle Kntrlü 800 r. r l Tc.. ' : 400 '0 400 n [""r: 800 t 720 m lll " : : lfl r ul [r : : : [mr: bu O 0.0 0.02 t(s) 0.03 0.04 0.05 0.06 r ī r ī r J t L 00 L.!..A L l.j JJu.. a.;.. L 20 30 40 50 60 Harrrnik Derecesi 600 r. (a) rr ll r ll 400 l.. j. s r. r r '. O 0.0 0.02 t(s) 0.03 0.04 0.05 0.06 242 f L j I.c '0 50 f C: 25 r j J.. L t.!.!.. L.Lu L =. L 20 30 40 50 60 Harrrnik Derecesi (b) r. ;. / ' ' " t ' / '\ '.. \ r... """..rr \ \ J ; l J l / lt. ' y l t\ /Y. ) /\ J r \ / ' \ /\ / \ t. j ( 2. l \....D \ \ t \ \ ; ' \ r \ ) r \ t' h! ;\ r ' ' r\ \ '\ J ' \ / ( ' ;' r.\ \.f \ f \! /.' \ ' ' /. ' /. ' ' 25 '. '. ' ' t '\ lt ' f = t = t L. i 0.02 0.03 t(s) 0.04 0.05 0.06 Şekil2. L=80mH ve fs=750 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve hannnik spektrumu (b) Dkuz seviyeli hat gerilimi ve hannn ik spektrumu (c) Üçfaz akmlar (c) 800 : Jli! 400 r Lmm r 'H O r 400 ll m ü.:.. 800 r c O 0.0 0.02 t(s) 0.03 0.04 0.05 0.06. r ll.! r 720. 00 ' r + l : U 400! 400 l..l Jj J J LL!.LL l LJ.. " 20 30 40 50 60 Harm:mik Derecesi (a) : l ll [ : : ID ; r = = = = r l!:=== = = = = = 600 242 fj.d m 50.D 0 25 r J O 0.0 0.02 t(s) 0.03 0.04 0.05 0.06 ' L ; f j! t '. f '.:: L l.l. lj. I 20 30 40 50 60 Harrmnik Derecesi (b) ' (. ' ) / / ;.''\ \ /\.\ " r'"'\.. '. \ t..' ) \ \ ) \ { )r \i \ \ I L '. { J \ \ ' ' \ / \ ' (. \ J. } ) \ ; 'll () \/ \ / \ \ / ) :.l ;' /' \/ \ ' l ' '. ; J l. \... ' '.. 25 / V \ / \ J f ' r ' ' = :. =.=. ' : '= ' l 0.02 0.03 t(s) 0.04 0.05 0.06 (c) Şekil 3. L=80mH ve fs= 250 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve harmnik spektrumu (b) Dkuz seviyeli hat gerilimi ve harmnik spektrumu (c) Üçfaz akmlan 7
SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi. Cilt. Say s. l9 2007 Beş Seviyeh izle DC Kaynakl Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kntrlü V. SONUÇLAR Bu makalede; genel larak çk seviyeli inverterler kaskat inverter ve çk seviyeli SPWM tekniği hakknda bilgi verildi. Ayrca Sseviyeli kaskat inverterin çalşmas anlatlarak Matlab\SimP\\rer Systems' de kaskat inverterin 3fazl IGBT yariletken anahtarl beş seviyeli devresinin 3fazl bir RL yükünü beslernesi durumunda SPWM tekniği kullanlarak simülasynu yapld. Makaleden genel larak ve sinülasyn snuçlarna baklarak elde edilen snuçlar aşağdaki gibi özetleyebiliriz.. Çk seviyeli kaskat inverter sn yllarda ac güç kaynaklarnda ve süiiicü sistemlerinde skça kullanlnaya başlannştr. Bu in verter tplj isi diğer çk seviyeli iki tpljiye göre daha avantajldr. Çünkü kenetlene diyt veya kndansatörleri gerektirnenektedir. Ayrca en az de kaynak gerilimine eşit değerde ac gerilin elde edilebilmektedir. 2. Çk seviyeli PWM teknikleri arasnda SPWM tekniği PWM sinyallerinin elde edilnesi ve pratik uygulamalar kullanlmas açsndan en klay tekniktir. Çk seviyeli SPWM de seviye saysna bağl larak kullanlan taşyclarn APO PO PH ve Hibrit (H) larak adlandrlan yerleştirilme durumlarndan inverter çkşnda yaklaşk larak ayn faz ve hat gerilim dalga şekilleri elde edihnektedir. FazKaydrma (PS) larak adlandrlan taşyc yerleştirilme durumumda ise literatürde diğerlerine göre biraz daha iyi snuçlar alnmştr. 3. Sinülasyn snuçlarna bakldğnda; bütün snuçlarda beş seviyeli invertere ait faz gerilimi 2EE O E: 2E beş seviyeli larak hat gerilimi 4E 3E 2E E O E 2E 3E 4E dkuz seviyeli larak elde edilniştir (E = 400V). Ayrca bütün faz gerilimi spektrumlarnda ana harmniğin genliği (2E) * Ma= 800 * 0.9 = 720 V lt ve hat gerilimi spektrumlarnda ana hamniğin genliği ise 720J3 242 Vlt larak elde edilmiştir. Şekil IO.(a) ve Şekil 2.(a)'daki f8=750 Hz için elde edilen faz gerilimi barmnjk spektrunlarna baklrsa harmni ki er m = 5 ve nun katlan ve yan batlarn da Şekil l.(a) ve Şekil 3.(a)'daki f5= 250 Hz için elde edilen faz gerilimi hamnik spektrumlarna baklrsa hannniki er m = 25 ve nun katlan ve yan batlannda rtaya çknştr. Aynca bütün spektrumlarda dikkat edilecek diğer nkta ana hannniğe yakn hannnik genliklerinin iki ve üç seviyeli inverterlere kyasla daha küçük lduğudur. Bu ise beşseviyeli inverterden daha iyi çkş alnmasn sağlanaktadr. Bununla birlikte üçfazl sistemden dlay bütün hat gerilimi spektrunlarnda faz geriliminin spektrumlarndan farkl larak üç ve üçün kat hannnikler rtaya çkmamştr. Snuçlar anahtarlana frekans bakmndan değerlendirildiğinde; anahtarana frekans arttkça geleneksel gerilin kaynakl inverterlerde lduğu gibi daha iyi çkş dalga şekilleri elde edilmektedir. Çünkü fs arttkça ana harmniğe en yakn harnniklerin rtaya çktklar frekans değerininde bir öncekine göre büyük lmaktadr. Bu durum yük indüktansnn 30 rnh değeri için elde edilen Şekil Ol l kendi aralarnda ve yük indüktansnn 80 nh değeri için elde edilen Şekil 2 3 kendi aralarnda karşlaştrldğnda açkça görühnektedir. Bununla birlikte bu düşük anahtarlana frekansnda elde ed ilen snuçlar iki seviyeli invcrterlere kyasla çk daha iyidir. Bunun sebebi; çk seviyeli inverterlerde ana harmniğe en yakn harnniklerin genliklerinin küçük lmasdr. Snuçlar yük indüktans bakmndan değerlendirildiğinde ise; yük indüktansnn artmasnn inverterin çkş gerilim dalga şekillerinde bir etkisi lmamaktadr. Çünkü gerilim kaynakl invcrterlcrde çkş gerilimi tamanen yükten bağnszdr. Yük indüktansnn artmas sadece yük aknnndaki dalgalannay azaltnaktadr. Dlays ile yük akm daha düzgün lmaktadr. Bu durun anahtarlana frekansnn 750 riz değeri için elde edilen Şekil 0 2 kendi aralarnda ve 250 Hz değeri için elde edilen Şekil 3 kendi aralarnda karşlaştrldğnda açkça görülmektedir. KAYNAKLAR []. Chi N.S. J.G. Ch and G.H. Ch "A General Circuit Tplgy f Multilcvel Inverter" IEEE Trans. Ind. Applicat. vl. 2 N: Mar. 99 L [2]. Timthy L. Skvarenina "The Pwer Electrnics Handbk" Purdue Univers;ty West Lafayette Indiana 2002. [3]. Rdriguez J. J.S. Lai and F.z. Peng "Multilevel Inverter: A survey f Tplgies Cntrls and Applicatins" IEEE Trans. Ind. Electrnics vl. 49 N: 4 August 2002. (4]. Bhagwat P. M. and V. R. Stefanvic "Generalized Stncture f a Multilevel PWM lnverter" IEEE Transactins n Industry Applicatins Yl.IA9 N.6 Nv. /Dec. 983 pp.l057069. 8
SA Ü. Fen Bilinleri Dergisi. Cilt. Say s. 9 2007 Beş Seviyeli izle DC Kaynakl I<askat İnverterin SPWM Tekniği İle Kntrlü [5]. Can ara G. Simne Gardella M ari Marchesni "A New Multievel PWM Methd: A Theretical Analysis" IEEE Transactins n Pwer Electrnics vl. 7 n.3 January992. [ 6]. Calais M. V. G Agelidis and M. S. Dymnd "When t Switch Which Switch in a Five Level Single Phase Cascaded Inverter "In Cnference Prceedings f the AUPEC/EECON'99 Darwin Australia September 999 [7]. Tuncer S. Y. Tatar "Çk Seviyeli Kaskat İnverterlerde SPWM Tekniğinin Kullanm" SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 7.Cilt 2.Say Temnuz2003. [8]. Lai J. S. F. Z. Peng "Multilevel Canverters A New Breed f Pwer Cnverters" IEEE Transactins n Industry Applicatins Vl. 32 N. 3 May 996 pp. 509 57. [9]. Agelidis V. G. and M. Calais "Applicatin specific harnnic perfrmance evaluatin f nulticarrier PWM techniques" in P rc. IEEE PESC'98 Fukuka Japan May J 998 pp. 72 78. [lo]. Tlbert L.M. and Thmas G. Habetler "Nvel Multilevel lnverter CarrierBased PWM Methd" IEEE Transactins n Industry Appllcatins YL35 N.5 Sept./Oct. 999. 9