Üç-fazlı Gerilim Ara Devreli Darbe Genişlik Ayarlı (DGA) Doğrultucunun
Vektör Kontrol Tabanlı Simülasyonu
Simulation of Three-phase Voltage Source Pulse Width Modulation (PWM)
Rectifier Based on Vector Control
Erdal Şehirli1, Meral Altınay1
1 Teknik Eğitim Fakültesi ,Elektrik Eğitimi Bölümü
Kocaeli Üniversitesi
doğrultuculara kıyasla, DGA doğrultucular yüksek güç
Özet
Bu çalışmada, üç fazlı gerilim ara devreli darbe genişlik
ayarlı (DGA) doğrultucunun vektör tabanlı kontrolü
gerçekleştirilmiştir. Bu kontrol yöntemi, DGA doğrultucunun
d - q fazları arasında çapraz kuplaj içeren bir algoritmaya
sahiptir. Çalışmada, altı adet IGBT güç anahtarına sahip
köprü tipi doğrultucu kullanılmıştır. Anahtarlama için üçgen
dalga karşılaştırmalı Sinüsoidal Darbe Genişlik Ayarlı
(SDGA) kontrol yöntemi kullanılmış ve anahtarlama frekansı
9KHz olarak seçilmiştir. Çalışmada ayrıca, d-q, α-β, abc
koordinatları vektör diyagramları gösterilmiş ve DGA
doğrultucunun matematiksel modeli çıkarılmıştır. Simülasyon
çalışmaları Matlab / Simulink` te gerçekleştirilmiştir.
Simülasyon sonucunda birim güç faktörünün elde edildiği
gösterilmiştir. Ayrıca, hat akımı harmonik bozunumu ve dc
çıkış gerilimi incelenmiş olup referanstaki ani değişimlerde
sistemin nasıl etkilendiği gösterilmiştir.
Abstract
In this paper, a simulation of three-phase voltage source
rectifier with pulse width modulation (PWM) presented. A
control algorithm having cross coupling its d and q phase. A
bridge rectifier having six IGBT power switch, has been
faktörü, sinüsoidal giriş akımı, kontrol devresinde basitlik,
sabit dc gerilimi, düşük harmonik bozunumu ve çift yönlü
güç akış yeteneği gibi özelliklere sahiptir.
Literatürde DGA doğrultucuların kontrolü için çok sayıda
değişik yöntem bulunmaktadır. Kaynak [1]-[5] te ki
çalışmalar bu tip doğrultucuların statik referans çevresinde
akım kontrolünü göstermektedir. Kaynak [6] da, gerilim ara
devreli doğrultucunun, d-q, α-β, abc koordinatlarında
gerçekleştirilen matematiksel modeline dayanan, yeni bir
kontrol yöntemi önerilmektedir. Kaynak [9] ve [10] da DGA
tabanlı gerilim ara devreli doğrultucu için vektör kontrolünün
nasıl yapılacağı ve uygulama şekilleri verilmektedir. Kaynak
[11] LCL filtreli DGA doğrultucunun akım kontrolü
gerçekleştirilmektedir. Kaynak [12] ise şebekeye bağlı
gerilim ara devreli dönüştürücülerin kontrolü ve
modellenmesi hakkında detaylı bir çalışma içermektedir.
Kaynak [13] de ise d-q arasındaki çapraz kuplajı da içeren
üç farklı dekuplajlı kontrol metodu incelenmiştir. [14] de üç
fazlı güç konverterlerinin kontrolünde kullanılan çeşitli
darbe genişlik ayar (DGA) tekniklerinin performansları
karşılaştırılmıştır.
Bu çalışmada, LCL filtreli gerilim ara devreli DGA
employed. For switching, compared triangular wave
doğrultucunun simülasyonu
gerçekleştirilmektedir.
sinusoidal pulse width modulation (SPWM) has been utilized
Simülasyon çalışmaları Matlab / Simulink’
te
and switching frequency adjusted to 9 KHz. Furthermore, in
this paper vector diagrams of d-q, α-β, abc frames have been
demonstrated and presented mathematical model for PWM
rectifier. Simulation carried out in Matlab/Simulink. With
simulation, obtaining of unity power factor has been
presented. Furthermore,line current harmonic distortion and
dc link voltage investigated and showed that how system
affected under sudden reference changes.
1. Giriş
Son yıllarda güç elektroniği elemanlarındaki teknolojik
gelişmeler DGA doğrultucular üzerindeki çalışmaların
artmasını sağlamıştır. Geleneksel faz kontrollü
gerçekleştirilmiş olup, elde edilen sonuçlar teorik bilgileri
doğrular niteliktedir.
2. Matematiksel Model
Şekil 1’ de nötr bağlantısız ve dengeli girişe sahip olan üç
fazlı gerilim ara devreli DGA doğrultucu görülmektedir.
Bilindiği gibi DGA doğrultucuların temel özellikleri akım
harmoniklerini azaltmalarıdır. Büyük değerli bir giriş bobini,
prensipte bu amacı gerçekleştirmeye izin verir. Buna karşın,
böyle bir yapı dinamik performansı düşürür ve DGA
doğrultucunun çalışma aralığını sınırlar. Bu sebeple, basit bir
bobin kullanmak yerine, genellikle üçüncü dereceden alçak
geçiren bir LCL filtre tercih edilir. Bu yöntemde, küçük bir
endüktansla dahi harmonik azaltma fonksiyonu kolaylıkla
(5)
gerçekleştirilebilir. Fakat, LCL filtre yapısı, bazen
oluşabilecek rezonans etkileri sebebiyle, kararlılık
problemlerini doğurabilir. Bu kararlılık probleminden
kaçınmak için LCL yapıya, ek bir sönüm direnci ilave edilir.
Şekil 1.’ deki doğrultucunun, LCL filtre devresi için tek fazlı
eşdeğer devre Şekil 2’ de verilmektedir. Bu devreye göre,
filtrenin statik referans koordinatlarındaki diferansiyel
eşitlikleri (1-3)’ deki gibi elde edilir.
Şekil 3’ de diferansiyel denklemler yazılırken kullanılan
koordinatlara ait vektör diyagramı görülmektedir.
3. Doğrultucunun Kontrolü
Bu tip doğrultucularda temel amaç, sinüsoidal dalga şekilli
akım elde etmektir. Bu yöntemde, d bileşeni referans akımı
(id,), da gerilimi regüle etmek için kontrol edilirken, q
bileşeni referans akımı( iq), birim güç faktörünü elde etmek
için kontrol edilir.
Da gerilim denetleyici, d-ekseni akım denetleyici için
referans değeri hesapladığından kontrol yapısı kaskad olarak
Cc ı2 ı1
(3)
tanımlanır [8]. Şekil 4 doğrultucunun genel kontrol yapısını
dt
LCL filtrenin senkron referans koordinatlarının diferansiyel
eşitlikleri aşağıdaki gibi ifade edilir.
göstermektedrir. D ve q bileşenleri arasındaki çapraz kuplaj
da şekilde rahatlıkla görülmektedir. Çapraz kuplajla yapının
tamamı için kontrol sisteminin kararlılığı sağlanabilir,
kontrol sisteminin dinamik performansı zayıfken statik
performansı kusursuzdur[13].
Simülasyonda, biri dc gerilim kontrolü, diğer ikisi de d ve q
akımlarının kontrolü olmak üzere üç tane PI denetleyici
L
1
dı1d
(
u u R
.
).ı R ı
.
.L ı
(4)
kullanılmış; doğrultucu akımları, şebeke gerilimleri ve dc
gerilim ölçülmüştür. Anahtarlama için sinüsoidal darbe
genişlik ayarı yöntemi (SDGA) kullanılmıştır, bu yöntem her
faz için alınan sinüs sinyallerin üçgen taşıyıcı sinyalle
karşılaştırlıması sonucu DGA nın elde edilmesi prensibine
dayanır[9].
Doğrultucu LCL filtre üzerinden şebekeye bağlanmıştır. LCL
filtre doğrultucu tarafında ve şebeke tarafında direnç ve
endüktans içeren üçer reaktanstan ve bunların arasında
bulunan üçer tane paralel bağlı kondansatörden oluşur.
Ayrıca kondansatörlere seri bağlı dirençler bulunur ki bu
dirençler sönümü sağlar.
Simülasyonu yapılan sistem L filtreli yapılara göre ek sensör
gerektirmez[7]. Ayrıca L filtreli yapılara göre LCL filtre
kullanmanın en büyük avantajı konverterin anahtarlama
frekansının açık bir şekilde azaltılabilmesidir. Bu yarı iletken
anahtarların anahtarlama hızının azaltımına olanak tanır[12].
Bu sayede yarı iletken anahtarların anahtarlama kayıpları da
azaltılmış olur. LCL filtrenin LC kısmı ilk olarak yüksek
frekanslı akım dalgalanmalarını azaltmaya çalışır ve
kondansatörün etkisi değeri küçükse akım kontrol
tasarımında ihmal edilebilir, akım sensörleri doğrultucu
tarafındadır çünkü sensörler endüstriyel eviricilerde güç
dönüşürücüsünü korumak için de kullanılırlar[7].
Şekil 6 dc çıkış gerilimi dalga şeklini göstermektedir.
Şekilden kolayca görülebileceği gibi, da çıkış gerilimi, 800
V`luk referans değerine 0.3 sn’ de oturmaktadır. Şekil 7’
den de kararlı durum hatası görülmektedir. Gerilimin kararlı
durum hatası oldukça düşük olup, ± 1.5V aralığında salınım
yapmaktadır.
4. Simülasyon
Şekil 7: Da gerilim kararlı durum hatası
Simülasyon Matlab/Simulink `te yapılmıştır. Giriş gerilimi
220v, 60hz, ve Ry =100Ώ olarak alınmıştır. Şebeke ile
doğrultucu arasına bağlanan LCL filtre değerleri ise L2 =
0.001H, R2 =0.01 Ώ, L1=0.001H, R1=
