BEŞ SEVİYELİ İZOLE DC KAYNAKLI KASKAT İNVERTERİN
Transkript
BEŞ SEVİYELİ İZOLE DC KAYNAKLI KASKAT İNVERTERİN
SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi, ll. Ci lt, 1. Sayı, s.l-9,2007 Beş Seviyeli izole DC Kaynakl ı Kaskat İnverterin SPWM E. Deniz Tekniği İle !(ontrolü BEŞ SEVİYELİ İZO.LE DC KAYNAKLI KASKAT İNVERTERİN SPWM TEKNiGi İLE KONTROLÜ Erkan Fırat DENİZ, Hüseyin ALTUN Üniv., Tek. Eğt. Fak., Elektrik Eğitimi Bölümü, Elazığ. Tel: 424 23 70000 (4351) edeniz(a1firat.edu.tr, = .. OZET Bu ınakalede genel olarak çok seviyeli inverterler, çok seviyeli inverterlerde kullanılan taşıyı ct temelli Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyonu (SPW11) ve ç ok seviyeli kaskat inverter hakkında bilgi verilmektedir. Bununla birlikte Matlab\SimPower Systems'de kaskat inverterin 3-fazlı, IGBT yarıiletken anahtarl ı beş seviyeli devresinin 3 -fazlı bir RL yükünü beslernesi durumunda SPWM tekniği kullanılarak sin1ülasyonu yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yük indüktans ının ve anahtarlaına frekansının farklı değerleri için a lınmışt ır. Anahtar kelimeler- Çok seviyeli inverter, Kaskat inverter, Çok seviyeli SPWM CONTROL OF FIVE LEVEL A ND ISOLATED DC SOURCE CASCADE INVERTER WITH SPWM TECHNIQUE ABSTRACT Generally in this paper, suınınarized knowledge on ınultilevel inverters, carrier based sinusoidal pulse width medulation (SPWM) used in multilevel inverters and m ultilevel cascade inverter is given. Moreover, the circuit with IGBT setniconductor switches and supplying a three-phase RL load of a three-phase five level cascade inverter was simulated us ing SPWM technigue in Matiab/SimPower Systems . Siınulation results w ere obtained for different values of switching frequencies and load inductances. Keywords - Multilevel i nverter, Cascade inverter, Multilevel s inusoidal pulse width modulation technique. ı. GİRİŞ Çıkış geriliınİ değişken frekans ve genlikli bir geriliın kaynaklı inverteıin (VSI) kontrolünde, çıkış gerilim inin harmonikle rinin azalması çok önemlidir. Bu nedenle iki seviyeli inverterler olarak bilinen geleneksel inverterlerde çeşitl i P W M anahtarlaına stratejileri ile birlikte, yüksek anahtarlama frekansı tercih edilir. Ancak iki seviyeli inverterlerin orta veya yüksek güç/gerilim uygulamalan duruınunda, başlıca anahtarlama kayıpları v e anahtarların anına değerlerindeki kıs ıtlamadan dolayı yüksek frekansta çaltşma iç in birkaç sınırlaınalan vardır. Ayrıca orta ve yüksek güçlü uygulamalarda geleneksel inverterler düşük veriın ve büyük transforınatörler kullanılınası nedeni ile yüksek fıyat gibi dezavantajlara da sahiptir. Bu sebeple inverter a ilesinin yeni bir üyesi olan çok seviyeli inverter son yıllarda orta veya yüksek güç/gerilimli uygulamalar için bir çözüm olarak ortaya ç ıkarılm ıştır [1]. Çok sev iyel i güç dönüşüınü ilk kez 3 0 yıl önce tanıtıldı. Genel kavraın, küçük gerilim basamakJannda güç dönüşüınü yapmak için çok sayıda anahtar kullanıınını içerir. Geleneksel güç dönüşümü ile karşılaştırıl ırsa bu yaktaşıının birkaç avantaj ı vard ır. Daha küçük geriliın basaınaklan, daha yüksek kalit el i dalga şeklinin üretilnıesine ayrıca yükteki dv/dt stresinin ve elektro manyetik uyLunsuzluğun azalmasına yol açar . Çok ı SAÜ. Fen B ilimleri Dergisi, l l.Cilt, 1. SayJ, s. ı -9, 2007 Beş Seviyel i izole D C Kaynaklı Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kontrolü E. Den iz seviyeli in verterierin d iğer bir önemli öze ll iği, yarıiletken anahtarların daha yüksek gerilirnde çalışınasına izin veren seri şeki lde bağlanmalarıdır. Genellikle seri bağlantı, aşırı gerilim riskini yok eden kenetleme diyotları ile yapılır. Ayrıca anahtarlar tam olarak seri bağlanmadığı için, anahtarlamaları sendelenebilir. B u durnın anahtarlama frekansını ve dolayısıyla anahtarlaına kayıplarını azaltu [2]. kaynak beraberinde güç transforınatörü gerektirmesinden kaynaklanan yüksek maliyettir [4]. II. ÇOK SEVİYELİ KASKAT İNVERTER Farklı de kaynaklı ve çok seviyeli kaskat inverter için farklı de kaynak gerilimi oluşturmada akümülatör, yakıt hücreleri veya güneş pillerinden elde edilen de gerilimden yararlanılır. Son zamanlarda bu yapı ac güç kaynaklarında ve sürücü sisteınlerinde sıkça kullanılınaya başlanmıştır. Bu inverter topolojisi diğerlerine göre daha avantajlıdır. kenetleıne di yot veya kondansatörlerj Çünkü gerektirmernektedir. Ayrıca en az de kaynak gerilim ine eşit değerde ac gerilim elde edilebilmektedir [5]. Çok seviyeli güç dönüşümünün açık bir dezavantaj ı, kullanılan anahtarların çok sayıda olmasıdır. Ancak çok seviyeli inverter lerde, daha düşük gerilim oranlı anahtarlar kullanılınaktadır. Bu yüzden iki seviyeli inverterlerle karşılaştırıldığı zaman kullanılan anahtarların ınaliyeti kayda değer bir şek ilde artınaz. Bununla birlikte, seviye sayısını artırınak için eklenen her bir anahtarın gate sürme devresi inverterin ınekanik yerleşimini daha fazla karmaşık yapar. Çok seviyeli inverterlerin diğer bir dezavantajı, küçük gerilim basaınaklarını üreten izolel i gerilim kaynakları ve seri kondansatörlerdir. İzoleli gerilim kaynakları her zaman kolaylıkla bulunaınayabilir ve seri kandansatörler gerilin1 dengesi gerektirir. Ger ilimi dengeleme sınırlı olarak, çok sayıda anahtar kullanılmasından dolayı oluşan birden fazla anahtarlan1a imkanı kullanılarak yapılabilir. Bununla birlikte gerilim denge probleminin taın çözümü için ilave devre ler gerekir E =:=- s : a2 • Vab=+E Şekil 1. Bir tam köprü Vab=O Vab=-E invertere ait anahtarlama durumları ve buna karşılık gelen gerilim seviyeleri. Çok seviyeli inverterler için n1 seviye sayısı en az üç tür. Kaskat inverterde -E, O, +E seviyelerinden oluşan 3seviyeli bir faz gerilimi elde etınek için bir tam köprü hücre kullanılır. Taın köprü ın verterin devresi Şekil.1 'den de görüldüğü gibi dört anahtar ve dört adet boşluk diyorundan meydana geln1ektedir. Eğer SaL ve S bı anahtarlan iletiınde ise çıkış geriliıni V ab= E, Sa2 ve S bı iletirnde ise Yab= -E ve SaL -S bı veya Saı-Sbı iletirnde ise V ab= O olmaktadır. [3]. 1975'te R.H Baker ve L. H.m Bannister, çok seviyeli bir çıkış geriliınİ elde etınek için ayrı de kaynak lı tam köprü hücrelerin seri bağlandığı bir fonnat ile çok seviyeli kaskat inverteri tanıttılar. Bugüne kadar çok seviyeli inverter türleri üzerine yapılan araştırmalann çoğu üç tane inverter üzerinde yoğunlaşınıştır. B unlar; d iyot kenetlemeli inverter, kondansatör kenetlemeli inverter ve kaskat inverterdir. Kaskat inverterde çok seviyeli çıkış faz gerilimi elde etmek için aynı seviyeli H- köprü hücrelerin ac çıkışları seri bağlanır. B u nedenle ıneydana ge len gerilim dalga şekli H-köprü hücrelerin çıkışlarıntn toplamı olur. 's' de kaynak sayısı olmak üzere bir kaskat inverterde çıkış faz geri limlerinin seviyesinin sayısı 2s +ı ve hat geriliminin seviye sayısı k= 2m -ı fonnülleri ile hesaplanır. Kaskat inverterin bir faz hacağından S-seviyeli bir çıkış geriliınİ elde etn1ek için Şekil 1. 'deki köprü inverter devrelerinden iki tanesi Şeki 1 2. 'dek i gibi seri bağlanır [ 6]. Kaskat inverter, geliştirilen ilk çok seviyeli inverter türü olduğu halde 1990'ların ortasına kadar uygulamalan yaygın değildi. 1 997 deP.rV Hammond ve F'. Z. Peng -J. S. Lai tarafından kaskat inverter ınotor sürücü devrelerinde kullanı ldı. Kaskat inverterler ilk kullanıldıklarından bu zamana kadar özellikle de orta geıilim sürücülerinde büyük ilgi çekti.Çünkü bu topoloji, çok seviyeli diğer iki topolojiden yapı olarak daha basit ve paket devre haline getirilınesi daha kolay olmaktadır. Ayrıca tam köprü hücrelerin eklenınesi veya çıkarı lması ile inverterin çıkış geriliın seviyesi arttırılıp azaltılabilir. Bununla birlikte kenetleme diyotları ve kondansatörleri gerektinnediğinden, aynı seviyeli devre yapıları için diğer iki topoloj iye göre daha az e leman kullanılmaktadır. Bu yapının en önem1i dezavantajı, çok sayıda izolasyonlu de m= Şekil 2. 'deki devreye ait anahtarlama durumları ve bunlara karşılık gelen çıkış gerilim seviyeleri ise Tablo 1 . 'de gösterilm iştir. Tablo I .'deki 16 tane anahtarlaına durumundan sadece 4 tanesi iki yönlü akım akışına ve sabit bir çıkış gerilim ine izin verir. Tablodaki 15. ve 16. anahtarlaına durumlarında taın köprünün birinden pozi- 2 Beş Seviyeli izole DC Kaynaklı l(askat İnverterin SPW� Tekniği İle Kontrolü E. Denız SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi, 1 1. Cilt, 1. Sayı, s. 1-9, 2007 • . • • • • Sa� • • • • • • • • • • . • • Sa3 Da1 • D a3 . E1= E • • Sa� S a� � Da2 Köprü Hücre "" Tam • • • D a4 • • • • . • • • biridir. PWM tekniğinde amaç kare dalga şeklinde ve bu darbelerin genişliğini darbeler olusturmak '}: . . . değiştirmek suretiyle çıkıştaki dalganın ana harmonıgını değiştirınektir. Darbelerin yarı peri�otta� i sayıların1n . artırılması ile anahtarlama barmonıklerının frekansı Böylece yük indüktansının harmonik yükseltilir. akın1larını sınırlaınası sağlanır. Genel olarak PWM sinyalleri yüksek frekanslı bir üçgen taşıyıcı dalga ile . düşük frekanslı modülasyon (referans) dalgasının bır komparatörde karşılaştırılmasından elde edilir. R�fer��1s dalga olarak; kare dalga veya sinüs dalgası seçılebıbr. PWM tekniğinin en yaygın olarak kullan�lanlan Kare Dalga PWM, Sinüzoidal PWM, Hannonik Ilaveli PWl\t1 ve Uzay Vektör PWM dir. • . • • • ' • . • • • • • • • • • Vinv Da7 Das PWM tekniğini uygulmnanın en kolay ve en iyi yolu bir üçgen dalga ile sinüs dalgasını bir koınparatörde . karşılaştırmaktır. Bu yönten1de referans işaret olarak bır sinüs dalgası kullanıldığı için Sinüzoida1 PWM (SP\VM) olarak anı lmaktadır. SPWM' de; sinüsün tepe değerinin (V R) üçgen taşıyıcı dalganın tepe değerine (Vc) oranına Şekil 2. Beş-seviyeli kaskat inverterin bir faz hacağı Ta blo 1. Beş-seviyeli kaskat inverterin bir faz bacağına ait anahtar lama durumları ı ı 2 3 4 5 6 7 8 9 lO ll 12 13 14 15 16 Tam Eı Eı On Oıı Eı -E ı -E ı On Oıı -E ı On Köprü ı Saı - S:ı4 Soı -Sa4 Saı - Sa4 Saı - Suı S aıSaı- S :.ı2 - Sa.ı Sa4 sa3 Sa3 Sa4 Snı - Sa3 Saı - Sa3 Sa2- Sa4 Tam !(öprü 2 Oıı Sa6- Sa8 Oıı Sas -Su? Eı sa5 -SaR Eı Sas- S as Eı Sa5 S as - Oıı Sa6- Sas Oıı Sa5 -E ı Eı -E ı - -Sa? Sa6- Sa7 Sa6- Sa7 Sa6- Sa7 Oıı Sa6- S as Oıı Saı - S a4 O ı• Sas- Sa7 Oıı Saı - Sn3 O ıı Sa6- Sas Ou Saı - Sa3 Oıı Sn5- Sa7 -E ı Eı Saı - Sa3 Saı - Sa4 Eı -E ı -Sa8 Sa6- Sa7 Sa5 Modülasyon indeksi denir ve M, Vİnv Eı �n ile gösterilir. c Modülasyon indeksinin değiştirilmesi çıkış gerilimi ana hannonik genliğini ayarlar. Ma 'nın (O 1) değer aldığ1 aralığa lineer bölge denir. Bu bölgede çıkış gerilimi ana harınoniğinin genliği Ma ile doğrusal değişir. PWM barınonikieri ise anahtarlaına frekansında ve onun katlan olan frekanslarda ortaya çıkar. Ancak bu bölgede çıkış gerilimi ana hannoniğinin gen1iğ1 yeterince büyük değildir. Bu oluınsuzlu ğu gidennek için Ma> 1 yapılır. Bu dunun aşırı ınodülasyon olarak adlandırılır. Aşırı modülasyon yapmanın en büyük dezavantaj ı i n verter çıkış geriliıninde daha önceden olınayan harmoniklerin ortaya çıkmasıdır. Bununla birlikte SPWM'de üçgen taşıyıcı dalga frekansının (fs) referans dalga frekansına (fın) fs 1 oranına frekans modülasyon oranı denir ve mr ıe f Eı Eı Eı E1 +Eı -E = ı -E ı ..E., -E ı "' -E1 Eı o o o o o o .. = . m gösterilir. mr ne kadar büyük olursa harmonik bileşenler ana harmanikten o derece uzaklaşır. Dolayısı ile inverterin çıkış kalitesi artar. tif, diğer köprüden aynı değerde negatif gerilim elde edilerek sıfır seviye gerilimi elde edilir. Ayrıca -2E ve 2E üretiıni için hariç tabloda gösterildiği gibi inverter çıkışında O, E, -E 'nin nasıl üretileceği ile ilgili serbestlik dereceleri vardır. E ve -E 'nin her biri dört yoldan, sıfır; altı yoldan üretilebilir. 3-fazlı sistem için ise tek fazlr inverterin aynı yapıdaki üç çıkışı ya yıldız ya da üçgen bağlanabilir Çok sev iyel i inverterlerde ise seviye sayısı artıkça çıkış geriliminin sinüzoidal biçime daha çok yaklaşacağı dolayısıyla " Toplam Harmonik Bozulma (THD)'nın " azalacağı ve inverter çıkış kalitesinin artacağJ açıktır. Çıkış gerilim]ndeki barınonikieri azaltmak ve inverter çıkışını kontrol etmek için seviye sayısının arttırılınasının yanı sıra farklı darbe genişlik modülasyon (PWM) teknikleri kullanılmakta olup, bu konudaki araştırma ve uygulama çalışınalan devaın etınektedir [7]. Çok seviyeli inverterlerde kullanılan modülasyon teknikleri, iki lll. ÇOK SEViYELi SPWM TEKNİGİ Darbe Genişlik Modülasyon (PWM) tekniği, geleneksel iki seviyeli inverterlerde çıkış gerilimi genlik ve frekansının kontrolü için geliştirilıniş birkaç teknikten 3 SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi, ıl. Cilt, 1. Sayı, s. 1-9, 2007 Beş Seviyeli izole DC Kaynaklı Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kontrolü E. Deniz kullanılarak yapılan çalışınalarda faz gerllimi için öneınli harmonikler taşıyıcı frekansı fs civarında ortaya çıkmıştır. Fakat onun harmonik içeriği aynı fazda olduğu için hat geriliminde gözükmemektedİr [5]. seviyeli PWM tekniklerinin genişletilınişi olup, en yaygın olarak kullanılanları; Uzay Vektör PWM ve Taşıyıcı Temelli PWM'dir. Çok seviyeli taşıyıcı teme11i PWM teknikleri genellikle üçgen dalga olan birkaç taşıyıcı sinyal ile, genellikle sinüzoidal olan referans veya bir modülasyon dalgasının bir komparatörde karşılaştırılmasını gerektirir. En çok kullanılanları Sinüzoidal PWM (SPWM) ve Haımonik İlaveli PWM'dir. 2 1 J o . � o • • -;\ - \_ . .. . � . .· - -/\7"" � .. 1 r , \ '· ' .... -·- . 11 . !·.- . • 1 .. - - :,\_ / , 1 ·\ - ' • .\ • •• ' •• • ' �···� o • ' \ ' -·- -::·� - -·- 7,. ... . .. , \ .., .• ..• . .. l .. •. "• 1 -:ı 7\\ • 1 1 ı : o - - �\, ·. • .. ı r 1 'ı o \ " .' ... . - r-:--\ -· 7'�- :·· .--·- 7·.- ---7\-..: l v· 1 - Şekil dağılım - . 11 • . ı- Çok seviyeli SPWM tekniğinde modülasyon sinyalleri aynı kalmak şartı ile taşıyıcı sinyallerin sayısı inverterin seviyesine bağlı olarak değişir. m seviyeli bir inverter için tepeden tepeye aynı V c genlikte ve aynı fs frekansta (m l) tane taşıyıcıya gerek duyulur. Örneğin S-seviyeli bir inverter için taşıyıcı sinyallerin sayısı döıt olacaktır [8]. Bu PWM tekniğinde kullanılan taşıyıcıların teınel olarak APO (Alternative Phase Opposition), PO (Phase Opposition) ve PH (Phase) olarak adlandırılan üç farklı yerleştirilme duruınu ve bu taşıyıcı dunımlarının kon1binasyonu ile ortaya çıkarılmış Hibrit (Hybrid=H) ve Faz-Kaydınna (Phase-Shifted=PS) şeklinde iki tane daha yerleştirme durumu vardır [9]. Bütün dağıinnlarda taşıyıcılar birbirine bitişik durumdadır. Sıfır referansı taşıyıcı grubunun ortasına merkezlendirilmiştir. Ayrıca üç tane taşıyıcı durumu APO, PO, PH benzer faz ve hat geriliın dalga şekilleri üretirler. -:1'\ . • • . , • • - ,- l• ',.� , ·2 � .. \ ..,, • . . ��,· .. .. . • • 1 . o . • , . • oJ/ ' - - - - - 4- ' ". 1 /, ' - -\C - . ,· , . - , . -'1 '., •• ' . "' o • • • 0 1 · , . 1 .. ·. . • •/ , - _./T 5. PH . • ' ,' • · � o - ·. o . ' • - , .. - _..:. T . ·.. " • ' 1 - •\ '.-- -�- ._, .. ,.. ·. \ , • 1 • 1 .- - , ', ! • \/ 1 J '• '. - !.. Faz-kaydırmalı (PS) dağılımda; bütün taşıyıcılar birbir inden Be = 360 m-l kadar faz kaydırılır [4]. Literatürde bu dağılun kullanılarak yapılan çalışınalarda faz ve hat gerilimi için en önemli harnıonikler (m-l ). fs' nin yan bantlarında ortaya çıkmıştır ve in verterin seviye değerinin daha yüksek olduğu ayrıca ana harmonik ve en yakın önemli hannonik arasındaki aralığın diğer taşıyıcı durumlarına göre daha fazla olduğu gözlenıniştir Hibrit (H) taşıyıcı dağılıını ise daha öncekilerin bir kombinasyonudur. Bu dağılımda taşıyıcılardan yarısı sıfır referansının üstünde yarısı altındadır. Sıfır referansının üstündeki taşıyıcılar tepeden-tepeye aynı genlikte ve aynı frekanslJdır. Fakat taşıyıcılar arasında ° APO dağılnnda; her bir taşıyıcı bant bitişik banttan 180 faz kaydırılır. Yani bütün taşıyıcılar alternatif olarak zıt yapıdadır. Literatürde, bu dağılım kullanılarak yapılan çalışmalarda faz ve hat gerilimi için en öneınli harmonikler taşıyıcı frekansı fs 'nin yan bantlarında ortaya çıkmıştır. fs de hannonik oluşınamıştır. ec= 360 (m-l)/2 derece faz farkı vardır. Sıfır referansının altındaki taşıyıcılar içinde aynı durum söz konusudur. Literatürde, bu dağılım kullanılarak yapılan çalışma-larda faz ve hat gerilimi için en önemli hannonikler fs' nin [(m-1 )/2] katlannda yoğunlaşmıştır [ 1 0]. PO dağılımda; sıfır referansının üstündeki taşıyıcılar aynı fazda ve altındakiler aynı fazdadır. Ancak sıfır referansının üstündeki taşıyıcı grubu ile altındaki taşıyıcı grubu arasında ı80 faz farkı vardır. Literatürde, bu dağılun kullanılarak yapılan çalışmalarda faz ve hat gerilimi için öneınli harınonikler taşıyıcı frekansı fs cjvarında ortaya çıkınıştır. o / ·2 - Şekil.6 Faz-kaydınnail dağılım ... • .. --�������-� Şekil.7 Hibrit dağılım Çok seviyeli inverterlerde, Ma: Modülasyon indeksi, V R: Referans sinüsün genliği, V c: Üçgen taşıyıcı dalganın genliği, fm : Referans sinüsün frekansı, fs : Üçgen taşıyıcı dalganın trekansı, mr: Frekans modülasyon indeksi, Şekil3. APO dağılım PH dağıl11nda; sıfır referansının üstündeki ve altındaki taşıyıcılar aynı fazdadır. Literatürde, bu dağılım 4 SAÜ. Fen B i limleri Dergisi, 1 1. Cilt, 1 . Say ı , s . 1 -9, 2007 Beş Seviyeli izole DC Kaynaklı Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kontrolü E. Deniz . . olmak üzere fre kans modülasyon indeksi mf' = · Burada kullanılan H-hücre devresinin yapısı ıse yıne Power Systeıns'de Şekil 9'da görülmektedir. fs fm formülü ile hesaplanır. Yukarıda bahsedi len taşıyıcı dağıinnlan için modülasyon indeksi ise Tablo 2. 'de gösterildiği gibi hesaplanınaktadır [5]. Tablo 2. Taşıyıct dağılımları ı1esapıanrnası APO • l Ma PO PH VR VR VR (m-1) , ("';1}vc (m;ı)xvc � 2 PWM için modülasyon indekslerinin xı-c H PS VR VR 2 T ve ı L * E b2 Şekil 9. Tam köprü inverter devre modeli Beş seviyeli inverte r ve beslediği yük için siınülasyonda kullanılan parametreler ise aşağıdaki gibidir. De kaynak gerilimil E Modülasyon indeksi} Ma Referans dalganin frekans ı, j�, Taşıyıcı dalganın frekans ı, j�· Snubber direnci� Rs ı- :400 V :0.9 :50 Hz : 75 O ve 12 5 O Hz :JOOQ Snubber kapasitesil Cs :220 nF Yük direnci, R :15 Q Yük indüktansı, L :30 mf/ve 80mH Yukarıda verilen siınülasyon paraınetrelerinden yük indüktansının 3 O ınH ve 80 tnH değerlerinin her ikisi için anahtarlama frekansJn ın 750 ve 125 0 Hz değerlerinde siınülasyon yapılıp sonuçlar verilm1ştir. Şekil 10 ve 11 'de yük indüktansının 30 mH değeri için anahtarlaına frekansı n ı n sırasıyla 750 ve 125 0 Hz değerleri için sonuçlar verilnliştir. Benzer şekilde Şekil 1 2 ve I 3'te yük indüktansının 80 mH değeri için sonuçlar verilmiştir. Sonuçlara bakıld ığında; faz gerilimi, hat gerilimi ve 3 -faz aknnından görüldüğü gibi, çok seviyeli inverterler ile düşük anahtarlaına frekanslarında bile geleneksel iki seviye li i nverteriere göre daha düzgün ç ıkış dalga şekilleri elde edilmektedir. Bununla birlikte i nverterin seviye sayısı artınlırsa çıkış aknn ve geriliın dalga şe ki lleri sinüzoidal forma daha yakın olacaktır. Dolayısı ile invcrter çıkışındaki "Toplam H armonik Bozulma (THD) , azalacaktır H3 H4 Şekil 8. co ,:,! Yukarıda bahsedilen çok seviyeli SPWM tekniği kullanılarak düşük anahtarlama frekanslannda elde edilen tetikleme sinyalleri ile, 3-fazlı beş-seviyeli kaskat inverterin anahtarları anahtarlanarak inverterin çıkışında; hannon ik içeriği gayet düşük değişken gerilim ve fre kansta S-seviyeli sinüzoidal ç ık1ş almak mümkündür. Bunu göstermek aınacıyla Matlab\ SimPower Systems'de kaskat inverterin 3-fazlı, IGBT yarıiletken anahtarlı beş seviyeli devresinin 3-fazlı bir RL yükünü besleınesi duruınunda çok seviyeli SPWM tekniği kullanılarak siınülasyonu yapıhnıştır. Anahtarların PWM sinyallerinin elde edilmesinde APO taşıyıcı dağılıını kullan ılmışt ır. Sb1 Out2 IV. BEŞ SEVİYELİ KASKAT İNVERTER İLE BİR RL YÜKÜNÜN BESLENMESİ R �E a1 Üç fazlı, 5-seviyeli kaskat inverter devre modeli Değişken geri lim ve frekansta 5-seviyeli sinüzoidal çıkış verebilen kaskat i nverterin Pov/er Systeıns ortamındaki ınodeli Şekil. 8'de görülınektedir. Göriildüğü gibi bu modelde her faz için 2 adet H -hücre devresi ve 3-faz için toplaın olarak 6 adet H-hücre devresi bulunn1aktadır. 5 SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi, 1 1. Cilt, 1. Sayı, s. 1-9, 2007 ' 800 L 400 > ll ı o o > ı n) ---- ı ı 1 - - - - Lı 1 1 1 • , -r ·ı -400 -800 ,.. ı '- - - ..! - - 1 ı 1 1 _rJ - - - - ..ı. 1 1 1 ı -- Beş Seviyeli izole DC Kaynaklı Kaskat İnverterin SPWM Tekniği İle Kontrolü E. Deniz ' 1 -- - nı > -400 -800 0.06 0.05 o 0.01 0.02 t (s) 0.03 0.04 720 ----- -- - ----- ---- ----- ---- - 1: �� r � � � �Jınıı� � � � � J �� _i� � � � � _ O 0.02 t(s} 0.03 0.01 ı - 1 1 1 o 0 _ ı , 'ı > - _ _ ___ -·-�!------'!·-�mT r - ---..ı-_ --ı 1 '- ı ,, • 720 --i - 1 - - - - ı- - 1 - - - - -i ı ı - - - - ı-- - - - -ı ı ı - > o o > co > o o J_j 10 .. Harrronik 20 1600 1200 - o .0 aı [�TI � � --- - -- �-- _ı� : 1 r -800 -12oo - � --- -1600 ı -- --- - - ----� - - - - � - - -- 0.02 t (s) 0.03 0.01 o 1242 f-ı- - - - - r - - - - -i-- - - - r - ı - - - - - - .!. �� - -- - -r - - - 1 ı - - .- ---_ı- - - o .l r_ _ - �L -·--- .o ı - . _ _._.:_,_._, _ __.L 50 60 (a) � _ _ - - + - - - - 1 400 - 20 ---- � 1 800 > _ _ --- 1200 o ,-., nı > -400 --- -800 -1200 -1600 �----�--� O 0.04 0.06 0.01 0.02 t(s) 0.03 0.05 1 242 ...! r- - - - - L - - - - ...J - - - - - L- - - - -' - - - - - L ---- 1 ı ı 1 1 1 1 1 0.05 0.06 0.04 - -ı- - - - - :Y: - --1 ı > - > .o ı - -- 150 J1 - - - - - � - - - - _ L '._ -'-.J-LI.ı...Ja__.Lıı....l ,,.._ __ ..___.l_..a.L-_J�._ 0 .ı -20 30 40 50 60 1o o Harrronik Derecesi ı - - - - .ı_ı -----ı ı - - ıJ J > ı - - - - .!. ı m - 40 --'' ..., - ·�' ' \ •, ' .1 '-1, r \ - ı o � - - r1 . \' aı - � \ı 0.02 Şekil 10. 11 ·' /\ 1 -40 ...�- - , 1 - ) .' 1 j :�ı, ' - rt:1 • 1 ·, 1 1 1 • - 1 \ -· 11 , '\1 ' ,.:.. ... - r ' - .. , ...J? . - - __, 150 o l 1 1 - ' ' 1 ·� ;'l'l.. \ - :t:. ı'ı .• f . ı..ı .!.. il V 1\ , . t ' ; '\ 1 1 ' - ,·- � ,.1 , ı . -., ' 'L., ) / �\ ' . 1 \ l_ı i - ı, L \ı( . 1�\ 1 ... ) ' ı -ı - (s) 0.04 (c) ı o $ 1 _ ı _.o -1 /\\ _ ı' \ ____ ·ı co 1 . 0.06 0.02 ve hannonik spektrumu Şekil (b) Dokuz seviyeli hat gerili mi ve harmonik spektrumu (c) Üç-faz akımlan 6 1 - -1 ı 1..---� - _._-- - - 1 - - - - !_ - --__ 30 40 Harrronik Derecesi ı .J _.� 20 , ' 1 - / ı \ı-\+-7'-1 ı' lK' {ı\ 1 . 1 •·' ' 1- ı.. - 0.03 -,L ı... ,, ./ ,__ . ->, 'ı .•- t(s) -+ 1 ) l\ 1 � • 1 . -,.,.}' � . - t" 1 . 1 ,' \ .ı 1 •• ( \ r \ 1 r' . ' .J ..J '\. i-l"'--_ , .... .. - ,. - 40 • ' - -�-[ -l -- - - - - -..�... - - - -. '-; - ..!ı :\ l 1 ' , , 'J ı \j 1 \ ı r' '-, ;ı '\ l ·, ( \ 'ı 1 J \ ı' , .' 1 \ - f. - \1 ı' 'ı 1 1 • 1 O- - \ ı -- - _ı 1 •_ _. _ 60 50 - - - )_._ - "" 1 '-· " 1 � - \ ı' f\ 1 1 ı.r ( .'\ - '· 1 1 1 1 \1 / -� /1 ..,.. ..._ ·� J ', ,/ - 1 1 . \ .i / ( \ \ -\---;--,.-i -,1- - -'\-- ( ı ' ·ı \ ) \ ( ı \1 'ı J .1 X ' ı 1 \ .. - r J \ fı \ \ / · ı 1) ı\ \ ı ) .... \, ) . 1 • ". ' 1 ,../ ' ı - -·1'L --- :!...J..ı- -, _!.,..:..,·------.....:. 1 0.04 • - ,· 0.05 (c) 11. - (b) · \ u - 10 ı/ L=30mH ve fs=750 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi - - - !_ -ı------� '( - J 0.05 1 ı 40 � - /..., . -.,.. - - �\.""\ . ..... "'\ , 1 ,· )1 "1 , / ./ 'ı \ - - - ....'>! . .:/� - - ..:.\....;;_,..L'- l - '.>..."'-='� - - \.... ) .� l.. -1- - \1 •1{ ı -� '{, )\ /i ,ı ı 1 '\ i ·� - )- t_)- 1 ı1 \ ı\,J \�� 1,ı ,1 • �) \ t ı � '\ 1 \ _j - - -�1 \ \ \ı, ( - - ,- L , - ! l..l - , :..._�- " _ 0.03 'ı - J-1 (b) _ ı 30 40 Harrronik Derecesi 1o 1600 .o aı o 1 _ > _ 1 _ h'------·-�---· _._J ı_LLLlL 0 -- - ---- - ı 1 ---- L---- 100 � � ---- L----�----- L ------ � __ _- _-_ _ _ ı 60 - - - r - - - - 1- 1 � 50 - -- - - ı -� - 40 Der eces i 30 (a) 800 - - -- : 400 - - - - .!. � T 0.06 1 1 ----L----�-----L- ----ı- ----1..---1 ----- L L j L L1--.J..J&J1 ... Lu ı .a.. .ı- ,._ -- . .. . ...... 100 > aı 0.05 0.04 L=30mH ve fs=l250 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve harmonik spektrumu (b) Dokuz seviyeli hat gerilimi ve harmonik spektrumu (c) Üç-faz akımları · 0.06 SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi, 11. Cilt, 1. Sayı, Beş Seviyeli İzole DC Kaynaklı Kaskat İnverterin SPWM E. Deniz Tekniği İle Kontrolü s.l-9, 2007 1 . -----r ----_ Tc -� � � � � -� �� -.ı� � . � � ' _ 800 r•-------�· --l 400 - > 1 ı 1 nı [""r : lll � - 400 t -800 O 720 " _ 1 1 ı ı ı o 1'0 > 1 ı o > : _ _ _ : lfl - ul : - _ _ [r : ı ı r - _ : - - - - ı __ _ 1 � _ 0.02 t(s) 0.03 0.01 : �[mr:- - > bu� _ 0.04 - - - _ _ _ _ 0.05 1 1 O 7 20 � o 1 t - - - - L - - - - _ı - ._.__ _- . _ o 1o - rr ı ll .... - - - l. - .1 - . O 1242 f- L ı ı , - - ı - - ır ll - ı - - - .!... - ---L .. ... 1ı ıı - r - ---ı- ı - ı 1 1 'H 1 - - - - ,_ ı 1 ı ı 1 ı -�·.:.. - -- 0.05 0.04 ı - - - - + - - 1 - 1 ı ı - - 0.06 ---- -l - ı - - - '- r- - - c_ - r - - - ..ı - 1 - 0.02 t(s) 0.03 ı - - - -j - - - 0.04 - - - - -1- ı � - � - - - - - ı 150 f- ı_ o C: � . , · o - o 25 r - - - -j - -, - -t 1 - 1 - ,; t /\ l - ' ..... �. -25 f- • -= ' L._ ·\ --- / - r • - 1...._.1 o 1 - - - rı ,' ,r 1 -� J 1 ı -" l . 1 r ı .. ı..... .. Şekil12. �L -,� \ 1 r _;\ - - -- 1 1 • ' _' t- - '· \.. - .. ı _ ___ ı .� '� '' . 1/Yı. \ - - 2. - 1, \ ,1 ,· .. �' - -=-- 0.03 t(s) - ..... ·, > - - - - !. .._ __ ,ı, 1 1 ,ı 1 r\ � .. ı - '• - ,""" 1 \ - - - ·-, ·.\ ...,.. / - 't\ i 0.04 (c) 1 ,t - L - .rr 1 � - - 1 \_ \ - '\ , / t ı,;' -1- 1 r J ,.\.. - ı - t , .f , ..... '\ ·- � 1 ıı!,,\ / J ,' 25 ,- J - • 1 -ı - - lt ı ' - - .._ - •' / ı\ , - 0.05 ı 1 - - _ - - - - - _. � ..." 50 60 - ' ı - - - - - - ı - - - -· - - ı � _ - - J ı - - - - - - - - 0.02 t(s) 0.03 - -� - ı - - - 1ı- - - • - - f- --· . - 1 1 - 1 - - - - -L 1 - - - - - r - -• - - - ; - - - - - - - - 0.04 0.05 - - 1- -· ı - - - - 1o - ı , , -ı- 1 - 1 1 1 ı ·-'- - ı - --! ı - - 1 L-·-•-l...ı--- . .l. _.::..- -- 1 - , 0.06 - - - �j - - - - __lı-J_. _ I _._. _ 20 30 40 Harrmnik Derecesi 50 - 60 (b) - .... 1 - 1 .D ı - - - 0.06 0.02 Şekil 13. L=80mH ve fs=750 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve hannonik spektrumu (b) Dokuz seviyeli hat gerilimi ve hannonik spektrumu (c) Üç-faz akımları 7 / -' - 25 1 IL ,' 1 ı ,;'� ı , - - - =� ·- V · ı ı ..• \ - - _: 0.03 1 ... 1 1 } _ ı )•.ıl..\ ) ,/ . 1 . _ •.'- - - -ı o _ \ f '' - 0.01 1) ..., ı , ��-'- "-ı - ,(....�� -,,-----�"ı- r'-"'\ �-.....,.-� - - )..r--.. ' �· ı . �ı ı / '. 1 \ \ı ı \{ ;\ ı .1 /\,ı, J.''\ 1 1 \\ ; ,ı 1 \,Jı _ - ..,1,-. \o -\ -i--\_-1.'ı'ı 1 ı\ ( \ / ı\ 1 \/ \1 \1 _(1) \/ \/ ı \/ - - -� ı •.. _ 20 30 40 Harm:m ik Derecesi - ı ı � f- - o /\ � - .,. - �- \ ;·' ı' \ / \ - - - 1 0 1-t'- 60 y )• ,/\ı - - - - .L m 150 -L .... ._ -· \ '--\ - .. - ı - 50 � �lı - -t -� - - - -..._ 1 - __ .D 1 �..1---- _.Lu - ı ,, � ' ı / lt - l- __ ___ __ 0.02 - ... � ; ·,, /1 ı, ı \ t'( ' L _ı --- 1 ! 1 - - - - .!. ı - -- _ı- ·- > .._ (b) - ---. - j- - ( 1 ı - .. __ - ---� o! O f-J 1 242 1 ı ı 20 30 40 Harrronik Derecesi '- , \ \) h • o . .._ J. • ı ı _J_ıj J J LL- _._. !.__LL l�LJ - � -- --:- - - - �l- - - � --- --ol-�ll - - ;� -ır [ -- -:, - - - :� - - -ID - �ı 1� � ===�= r 1l ı!:===�=�_ = =- = = - 400 -1600 =ı 1 1'0 _ 1o -���� 0.06 - - -I .c - - - - - .1 ı -�----· o ı > - Uo---·- > -400 - - - 0.05 - ı ı 1 - ı ı - - - - - - - _j ı ı (a) - ı ' - o 60 ı �: 1 100 ----� .. ... ı 1 > -- --� 50 1 � ı - - - - -1- ı - - - ı ---_ ı 1 0.01 - - - -1 a.; , .. ._� 1 ı ı 1 (a) - ı ı -soo r- .... ı 20 30 40 Harrronik Derecesi ı -r ._. �... . .. ı - - - _ı- - - - - - L . ı - ı A L l J JJu_ ... > ....... 400 ro ı r �m __ 1 1 0.02 t(s) 0.03 ı .- 1 ll.! _ 1 1 ı ·ı- _ o ro ı 1600 r- _.D - - , _ ı ı ....... 1 -o - Lmm llı _ 1 0.01 ı ----r-----ı-----r-----ı----- r ----J ı m � .. _ 1 ı -800 r o > 1 -400 0.06 _ _ ı ü > _ _ ı ro --- - ı __ - > 100 _ .._..o O • ı 1 : � � 1Jli� ! 400 r-- ı ı ı ı ı ı ı ı - - - 1 1 800 - _: , _ .. ı 1 ) ) 1 ,\ , � - - ı -=- ,. / r -- t(s) - /1' ı ı , \ J'- • - - ı - f ,..' .=._..� 0.04 (c) .. -{- - 'll \- - '• 1 · -, ' ;J,l . 1 ı 'ı' - - �-� ,·:._... · . t .' , ı ,' ·l 1 'ı , . ı,· - · ·- - '- - ı ,. -' '---= - .,. l . - 0.05 L=80mH ve fs= 1250 Hz için (a) Beş seviyeli faz gerilimi ve harmonik spektrumu (b) Dokuz seviyeli hat gerilimi ve (c) Üç-faz akımlan harmonik spektrumu . • - 0.06 SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi, 1 1 . Cilt, 1 . Sayı, s. l -9, 2007 Beş Seviyeh izole DC Kaynaklı Kaskat İnverterin SPWM E . Deniz Tekniği İle Kontrolü V. SONUÇLAR çıkış alınmasını sağlaınaktadır. B ununla birlikte, üç-fazlı sistemden dolayı bütün hat gerilimi spektruınlarında faz geriliminin spektrumlarından farklı olarak üç ve üçün katı hannonikler ortaya çıkmamıştır. Bu makalede; genel olarak, çok seviyeli inverterler, kaskat inverter ve çok seviyeli SPWM tekniği hakkında bilgi verildi. Ayrıca S-seviyeli kaskat inverterin çalışması anlatılarak, M atlab\SimPo\\rer Systems' de kaskat inverterin 3-fazlı , IGBT yarıiletken anahtarlı beş seviyeli devresinin 3 -fazl ı bir RL yükünü beslernesi durumunda SPWM tekniği kullanılarak simülasyonu yapıldı. Makaleden, genel o larak ve siınülasyon sonuçlarına edilen sonuçları aşağıdaki gibi bakılarak elde özetleyebiliriz. Sonuçlar anahtarlaına frekansı bakımından değerlen dirildiğinde; anahtar1aına frekansı arttıkça geleneksel geriliın kaynaklı inverterlerde olduğu gibi daha iyi çıkış dalga şekilleri elde edilmektedir. Çünkü fs arttıkça ana harmoniğe en yakın harn1oniklerin ortaya ç ıktıkları frekans değerininde bir öncekine göre büyük olmaktadır. Bu durum yük indüktansının 3 0 rnH değeri için elde edilen Şekil 1 O- l l kendi aralarında ve yük indüktansının 80 ınH değeri için elde edilen Şekil 1 2- ı 3 kendi aralarında karşılaştırıldığında açıkça görühnek-tedir. Bununla birlikte bu düşük anahtarlaına frekansında elde ed ilen sonuçlar iki seviyeli invcrterlere kıyasla çok daha iyidir. Bunun sebebi; çok seviyeli inverterlerde ana harmoniğe en yakın harn1oniklerin genliklerinin küçük olmasıdır. 1 . Çok seviyeli kaskat inverter son yıllarda ac güç kaynaklarında ve süiiicü sistemlerinde sıkça kullanılınaya başlanınıştır. Bu inverter topoloj isi diğer çok seviyeli iki topolojiye göre daha avantajlıdır. Çünkü kenetleıne diyot veya kondansatörleri gerektir-ıneınektedir. Ayrıca en az de kaynak gerilimine eşit değerde ac geriliın elde edilebilmektedir. 2. Çok seviyeli PWM teknikleri arasında SPWM tekniği, PWM sinyallerinin elde edilınesi ve pratik uygulamalar kullanılması açısından en kolay tekniktir. Çok seviyeli SPWM de seviye sayısına bağlı olarak kullanılan taşıyıcıların APO, PO, PH, ve Hibrit (H) o larak yerleştirilme durumlarından, inverter adlandırılan çıkışında yaklaşık olarak aynı faz ve hat gerilim dalga şekilleri elde edihnektedir. Faz-Kaydırma (PS) olarak adlandırılan taşıyıcı yerleştirilme durumumda ise literatürde diğerlerine göre biraz daha iyi sonuçlar alınmıştır. Sonuçlar yük indüktansı bakımından değerlendiril diğinde ise; yük indüktansının artmasının inverterin çıkış gerilim dalga şekillerinde bir etkisi olmamaktadır. Çünkü gerilim kaynaklı invcrterlcrde çıkış gerilimi taman1en yükten bağıınsızdır. Yük indüktansının artması sadece yük aknnındaki dalgalanınayı azaltınaktadır. Dolayısı ile yük akımı daha düzgün o lmaktadır. Bu durun1 anahtarlaına frekansının 750 riz değeri için elde edilen Şekil 1 0- ı 2 kendi aralarında ve 1 250 Hz değeri için elde edilen Şekil 1 1 - 1 3 kendi aralarında karşılaştırıldığında açıkça görülmektedir. 3. Siınülasyon sonuçlarına bakıldığında; bütün sonuçlar KAYNAKLA R da beş seviyeli invertere ait faz gerilimi -2E,-E, O, E: 2E beş seviyeli olarak, hat gerilimi -4E, -3E, -2E, -E, O, E, 2E, 3E, 4E dokuz seviyeli olarak elde edilıniştir (E = 400V). Ayrıca bütün faz gerilimi spektrumlarında ana harmoniğin genliği (2E) * Ma = 800 * 0.9 = 720 V o lt ve [ 1 ] . Choi N.S., J.G. Cho and G.H. Cho "A General Circuit Topology of Multilcvel Inverter", IEEE Trans. Ind. Applicat. , vol. 2, No : 1 , Mar. 1 99 L [2] . Timothy L. Skvaren ina "The Power Electronics Hand-book", Purdue Univers;ty West Lafayette, Indiana, 2002. hat gerilimi spektrum-larında ana hamıoniğin genliği ise 720J3 � 1 242 Volt olarak elde edilmiştir. [3]. Rodriguez, J. , J.S. Lai and F .z. Peng "Multilevel Inverter: A survey of Topologies, Controls and Applications", IEEE Trans. Ind. Electronics, vol. 49, No: 4, August 2002. Şekil I O.(a) ve Şekil 1 2.(a)'daki f8=750 Hz için elde edilen faz gerilimi barmonjk spektruınlarına bakılırsa, harmoni kier m 1 1 5 ve onun katlan ve yan batların da, = Şekil 1 l .(a) ve Şekil 1 3.(a)'daki f5= 1 25 0 Hz için elde edilen faz gerilimi haımonik spektrumlarına bakılırsa, hannonikier m1 25 ve onun katlan ve yan batlannda (4]. B hagwat P. M . and V . R. Stefanovic, "Generalized Stnıcture of a Multilevel PWM lnverter", IEEE Tran sactions on Industry Applications, Yol.IA- 1 9, No.6 Nov. /Dec., 1 98 3 , pp. l 057- 1 069. = ortaya çıkınıştır. Aynca bütün spektrumlarda dikkat edi lecek diğer nokta, ana hannoniğe yakın hannonik genliklerinin, iki ve ü ç seviyeli inverterlere kıyasla daha küçük olduğudur. Bu ise beş-seviyeli inverterden daha iyi 8 SAÜ. Fen Bilin1leri Dergisi, 1 1. Cilt, 1 . Sayı, s. ı -9, 2007 Beş Seviyeli izole DC Kaynaklı I<askat İnverterin SPWM E. Deniz Tekniği İle Kontrolü [ 5 ] Can·ara, G. Simone Gardella, M ari o Marchesoni, "A New Multi1evel PWM Method: A Theoretical Analysis", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 7 , no.3, January- 1 992. . , [ 6]. Calais, M . , V. G Agelidis, and M. S. Dymond, "When to Switch Which Switch in a Five Level Single Phase Cascaded Inverter "In Conference Proceedings of the AUPEC/EECON'99, Darwin, Australia, September 1999 [7]. Tuncer, S . , Y. Tatar, "Çok Seviyeli Kaskat İnverterlerde SPWM Tekniğinin Kullanım ı", SA-U Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7.Cilt, 2.Sayı, Temınuz-2003. [8]. Lai, J . S. , F. Z. Peng, "Multilevel Canverters A New Breed of Power Converters," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 3, May 1996, pp. 5095 1 7. [9] . Agelidis, V . G. , and M . Calais, "Application specific harınonic performance evaluation of ınulticarrier PWM techniques," in P roc. IEEE PESC '98, Fukuoka, Japan� May J 998, pp. 17 2- 178. [ l O] . Tolbert, L.M. and Thomas G. Habetler, "Novel Multilevel l nverter Carrier-Based PWM Method" IEEE Transactions on Industry Appllcations, YoL35, No.5, Sept./Oct. , 1999. 9