Kesintisiz güç kaynağı ve.. - FCM | Ups,Kesintisiz Güç Kaynağı,güç kaynakları,Online ups,Regülatör,kesintisiz güç kaynakları,Fiyatı,Fiyatları

Beş Seviyeli Kaskat İnverter İle Beslenen 3-Fazlı Asenkron

Motorun V/f Kontrolü

Erkan DENİZ ve Hüseyin ALTUN

Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü, Elazığ

(Geliş/Received: 11.10.2005; Kabul/Accepted: 01.02.2006)

Özet: Bu çalışmada çok seviyeli bir inverterden beslenen 3-fazlı bir asenkron motorun V/f skalar

kontrolünün simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Motoru besleyen izole dc kaynaklı ve 5-seviyeli kaskat

inverterin çıkışında değişken frekans ve genlikte gerilim elde edilmesinde çok seviyeli sinüzoidal darbe

genişlik modülasyon (SPWM) tekniği kullanılmıştır. V/f skalar kontrolünün gerçekleştirilmesinde motorun

giriş akımları ölçülerek bir referansla karşılaştırıldıktan sonra bir PI kontrolörden geçirilmiştir. Bilgisayar

Matlab ortamında elde edilen sonuçlar sistemin gerçekleştirilebilir ve performansının iyi olduğunu

göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: Çok seviyeli inverter, kaskat inverter, çok seviyeli SPWM, V/f skalar kontrol.

V/f Control of a Three-Phase Induction Motor

Fed by Five Level Cascade Inverter

Abstract: In this paper, V/f scalar control of a three-phase induction motor supplied by multilevel inverter

has been simulated. Multilevel sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technique has been used for

obtaining variable frequency and variable voltage magnitude at the output of five-level cascade inverter with

isolated dc sources and supplying the induction motor. In realizing V/f scalar control of the motor, the stator

input currents have been measured, compared with a reference current and then the error signal has been

passed through a PI controller. The obtained results from Matlab/SimPower Systems and Simulink show that

the drive system has a good performance and is achievable.

Key words: Multilevel inverters, cascade inverter, multilevel SPWM, V/f scalar control.

1. Giriş

İki seviyeli inverterler olarak bilinen Bununla birlikte orta veya yüksek güç/gerilim

geleneksel inverterlerde, genellikle çeşitli PWM

anahtarlama stratejileri ile birlikte, yüksek

anahtarlama frekansı tercih edilir. Çünkü iki

seviyeli gerilim kaynaklı inverterlerde artan

anahtarlama frekansı, daha iyi çıkış

akım/gerilim dalga şekline yol açmaktadır.

uygulamaları durumunda, iki seviyeli

inverterlerin başlıca anahtarlama kayıpları ve

anahtarların anma değerlerindeki kısıtlamadan

dolayı yüksek frekansta çalışmada bazı

sınırlamalar vardır. Ayrıca orta ve yüksek güçlü

uygulamalarda geleneksel inverterler, düşük

E. Deniz ve H. Altun

verim ve büyük transformatörler kullanılması

nedeniyle yüksek fiyat gibi dezavantajlara da

sahiptir. Bu sebeple inverter ailesinin yeni bir

üyesi olan çok seviyeli inverter son yıllarda orta

ve yüksek güç/gerilim uygulamalar için bir

çözüm olarak ortaya çıkmıştır [1].

Çok seviyeli güç dönüşümü genel kavram yüksek kaliteli dalga şeklinin üretilmesine

ayrıca yükteki dv/dt stresinin ve elektroman-

yetik uyumsuzluğun azalmasına yol açar [2].

Çok seviyeli inverterlerin diğer bir önemli

özelliği, yarıiletken anahtarların daha yüksek

gerilimde çalışmasına izin veren seri şekilde

bağlanmalarıdır. Genellikle seri bağlantı, aşırı

olarak, küçük gerilim basamaklarında güç gerilim riskini yok eden kenetleme diyotları ile

dönüşümü yapmak için çok sayıda anahtar

kullanımını içerir. Geleneksel güç dönüşümü ile

karşılaştırılırsa bu yaklaşımın birkaç avantajı

vardır. Daha küçük gerilim basamakları, daha

yapılır. Ayrıca anahtarlar tam olarak seri

bağlanmadığı için, anahtarlamaları sendele-

nebilir. Bu durum ise anahtarlama frekansını ve

dolayısıyla anahtarlama kayıplarını azaltır [3].

Şekil 1. Çok seviyeli inverter ile beslenen asenkron motor.

Şekil 1.’de görüldüğü gibi çok seviyeli

inverter anahtarlama yoluyla girişine uygulanan

dc gerilimin birkaç seviyesinden yararlanılarak,

çıkışında Şekil 2.’deki gibi minimum harmonik 0 İdeal Çıkış

Dalga Şekli

distorsiyonlu sinüs dalga şekline benzeyen

basamaklı bir dalga şekli meydana getirir. Her

bir ilave dc gerilim seviyesi, ac çıkış gerilim

dalga şekline bir basamağı ekler. Şekil 1.’deki

3-fazlı gerilim kaynaklı çok seviyeli inverterde

Vdc sabit dc-link gerilimini gösterir. Seri bağlı

kondansatörler, çok seviyeli inverterler için

enerji deposunu meydana getirir. Her bir

V_dc

Çok Seviyeli

Dalga Şekli

Şekil 2. Çok seviyeli inverterin çıkış dalga şekilleri.

İnverterlerde çok seviyelilik terimi üçüncü

seviyeden başlar. İnverterin seviye sayısı

arttıkça, çıkış dalga şeklinin harmonik

kondansatörün gerilimi; E

m −1

ile verilir.

distorsiyonu azalmaktadır. Bununla birlikte,

Burada ‘m’ inverterin çıkışında elde edilmek

istenen seviye sayısıdır [4].

çıkış gerilimindeki harmonikleri tamamen

etkisiz hale getirmek için inverter ile yük

arasına Şekil 1.’deki gibi bir R-L-C filtresi

Beş Seviyeli Kaskat İnverter İle Beslenen 3-Fazlı Asenkron Motorun V/f Kontrolü

yerleştirilebilir. Ancak seviye sayısı yeterince

büyük olursa buna gerek kalmayacaktır. Hatta

kaynaklarında ve motor sürücü sistemlerinde

sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Bu inverter

çıkış gerilimindeki seviye sayısı sonsuza topolojisi diğerlerine göre daha avantajlıdır

gittiğinde çıkış geriliminde “Toplam Harmonik

Distosiyonu (THD)” sıfır olacaktır. Ancak

seviye sayısı arttıkça bu inverterlerde; kontrol

karmaşıklığı ve gerilim dengesizliği problemi

ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte çok

seviyeli inverterlerde çıkış geriliminin değeri;

çünkü kenetleme diyotları veya kondansatörleri

gerektirmemektedir. Ayrıca en az dc kaynak

gerilimine eşit değerde ac gerilim elde

edilebilmektedir [3] .

gerilim dengesizliği problemi, anahtarların

tutma gerilimleri, devre dizaynı ve paketleme

ile bir modül haline getirme zorlukları ile

sınırlıdır [5].

1975’te R.H. Baker ve L.H.M Bannister,

çok seviyeli bir çıkış gerilimi elde etmek için

izole dc kaynaklı tam köprü hücrelerin seri

bağlandığı bir format ile çok seviyeli kaskat

inverteri tanıttılar. Bugüne kadar çok seviyeli

inverter türleri üzerine yapılan araştırmaların

çoğu üç tane inverter üzerinde yoğunlaşmıştır.

Bunlar; diyot-kenetlemeli, kondansatör kenetle-

meli ve kaskat inverterlerdir.

Günümüzde çok seviyeli inverterler ac güç

kaynakları, statik reaktif güç kompanzatörleri

(STATCOM), esnek ac iletim sistemleri

(FACTS) ve motor sürücüleri gibi yüksek güç

uygulamalarında yaygın olarak kullanılmak-

tadır.

Bu ışmada; izole dc kaynaklı ve 5-

seviyeli kaskat inverter kullanılarak, 3-fazlı bir

asenkron motorun V/f skalar kontrolünün

simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Geleneksel iki

seviyeli inverterlerde kullanılan anahtar-lama

frekansına göre bu çalışmada kullanılan çok

seviyeli kaskat inverterin anahtarlama frekansı

önemli derecede düşüktür. Böyle olduğu halde

motorun kontrolünde kullanılan değişken

frekans ve genlikteki çıkış geriliminin toplam

harmonik distorsiyonu iki seviyeli inverterlere

nazaran çok daha düşüktür.

Şekil 3. Bir tam köprü hücreye ait anahtarlama

durumları ve buna karşılık gelen gerilim seviyeleri.

Kaskat inverterde -E, 0, +E seviyelerinden

oluşan 3-seviyeli bir faz gerilimi elde etmek

için bir tam köprü hücre kullanılır. Tam köprü

hücrenin devresi Şekil 3.’ten de görüldüğü gibi

dört anahtar ve dört adet boşluk diyotundan

meydana gelmektedir. Eğer S_a1 ve S_b2

anahtarları iletimde ise çıkış gerilimi Vab= E,

S_a2 ve S_b1 iletimde ise V_ab= -E ve S_a1-S_b1 veya

Sa2-Sb2 iletimde ise Vab= 0 olmaktadır. Kaskat

inverterde çok seviyeli çıkış gerilimi elde etmek

için aynı seviyeli H- köprü hücrelerin çıkışları

seri bağlanır. Bu nedenle meydana gelen

gerilimin dalga şekli H-köprü hücrelerin

çıkışlarının toplamı kadar olur. ‘s’ dc kaynak

sayısı olmak üzere kaskat inverterde çıkış faz

gerilimlerinin seviye sayısı m = 2s + 1 ve hat

2. Çok Seviyeli Kaskat İnverter

geriliminin seviye sayısı

k = 2m −1 kadardır. İzole dc kaynaklı ve çok seviyeli kaskat

Kaskat inverterin bir faz bacağından 5-seviyeli

bir çıkış gerilimi elde etmek için Şekil 3.’teki

inverter için farklı dc kaynak gerilimi köprü inverter devrelerinden iki tanesi Şekil

oluşturmada akümülatör, yakıt hücreleri veya

güneş pillerinden elde edilen dc gerilimden

yararlanılır. Son zamanlarda bu yapı ac güç

4.’teki gibi seri bağlanır [6 ] .

Şekil 4.’teki devreye ait anahtarlama

durumları ve bunlara karşılık gelen çıkış

E. Deniz ve H. Altun

yapıdaki üç çıkışı ya yıldız ya da üçgen

bağlanabilir.

3. Çok Seviyeli SPWM Tekniği

Çok seviyeli inverterlerde çıkış gerilimin-

deki harmonikleri azaltmak ve inverter çıkışını

kontrol etmek için seviye sayısının

arttırılmasının yanı sıra farklı darbe genişlik

modülasyon (PWM) teknikleri kullanılmakta

olup, bu konudaki araştırma ve uygulama

çalışmaları devam etmektedir. Çok seviyeli

inverterlerde kullanılan modülasyon teknikleri,

iki seviyeli PWM tekniklerinin genişletilmişi

Şekil 4. Beş-seviyeli kaskat inverterin bir faz bacağı.

Tablo 1. Beş-seviyeli Kaskat inverterin bir faz

bacağına ait anahtarlama durumları.

olup, en yaygın olarak kullanılanları; Uzay

Vektör PWM ve Taşıyıcı Temelli PWM dir.

Çok seviyeli taşıyıcı temelli PWM teknikleri

genellikle üçgen dalga olan birkaç taşıyıcı

Tam Köprü 1

Tam Köprü 2

Vİnv

sinyal ile genellikle sinüzoidal olan referans

1 E1 Sa1 – Sa4 022 Sa6 – Sa8 E1

2 E₁Sa1 – Sa4 0₂₁Sa5 – Sa7 E₁

3 012 Sa2 – Sa4 E2 Sa5 – Sa8 E2

4 0₁₁S_a1 – S_a3E₂S_a5 – S_a8E₂

5 E1 Sa1 – Sa4 E2 Sa5 – Sa8 E1+ E2

6 -E1^Sa2 – S_a3022^Sa6 – S_a8-E1

7 -E1 Sa2 – Sa3 021 Sa5 – Sa7 -E1

8 012^Sa2 – S_a4-E2^Sa6 – S_a7-E2

9 0₁₁Sa1 – Sa3 -E₂Sa6 – Sa7 -E₂

10 -E1^Sa2 – S_a3-E2^Sa6 – S_a7-E1-E2

11 0₁₂S_a2 – S_a40₂₂S_a6 – S_a80

12 0₁₂Sa2 – Sa4 0₂₁Sa5– Sa7 0

13 0₁₁Sa1 – Sa3 0₂₂Sa6 – Sa8 0

14 011^Sa1 – S_a3021^Sa5 – S_a70

veya bir modülasyon dalgasının bir

karşılaştırıcıda karşılaştırılmasını gerektirir. En

çok kullanılanları sinüzoidal PWM (SPWM) ve

Harmonik İlaveli PWM dir [7].

Çok seviyeli SPWM tekniğinde modülas-

yon sinyalleri aynı kalmak şartı ile taşıyıcı

sinyallerin sayısı inverterin seviyesine bağlı

olarak değişir. m seviyeli bir inverter için

tepeden tepeye aynı VC genlikte ve aynı fs

frekansta (m-1) tane taşıyıcıya gerek duyulur.

Örneğin 5-seviyeli bir inverter için taşıyıcı

sinyallerin sayısı dört olacaktır [8]. Bu PWM

tekniğinde kullanılan taşıyıcıların temel olarak

15 -E₁S_a2 – S_a3E₂S_a5 – S_a8

16 E₁Sa1 – Sa4 -E₂Sa6 – Sa7

APO (Alternative Phase Opposition), PO

(Phase Opposition) ve PH (Phase) olarak

adlandırılan üç farklı yerleştirilme durumu ve

gerilim seviyeleri ise Tablo 1.’de gösterilmiştir.

Tablo 1.’deki 16 tane anahtarlama durumundan

sadece 4 tanesi iki yönlü akım akışına ve sabit

bir çıkış gerilimine izin verir. Tablodaki 15. ve

16. anahtarlama durumlarında tam köprünün

birinden pozitif, diğer köprüden aynı değerde

bu taşıyıcı durumlarının kombinasyonu ile

ortaya çıkarılmış Hibrit (Hybrid=H) ve Faz-

Kaydırma (Phase-Shifted=PS) şeklinde iki tane

daha yerleştirme durumu vardır [9]. Bütün

dağılımlarda taşıyıcılar birbirine bitişik

durumdadır. Sıfır referansı taşıyıcı grubunun

negatif gerilim elde edilerek sıfır seviye ortasına merkezlendirilmiştir. [2] ve [9]’da

gerilimi elde edilir. Ayrıca -2E ve 2E üretimi

yapılan

çalışmalarda, bütün taşıyıcı

için hariç, tabloda gösterildiği gibi, inverter

çıkışında 0, E, -E ’nin nasıl üretileceği ile ilgili

serbestlik dereceleri vardır. E ve -E ’nin her biri

dört yoldan, sıfır ise altı yoldan üretilebilir. 3-

fazlı sistem için ise tek fazlı inverterin aynı

durumlarından benzer faz ve hat gerilim dalga

şekilleri elde edilmiştir.

Çok seviyeli inverterlerde,

Ma: Modülasyon indeksi

Beş Seviyeli Kaskat İnverter İle Beslenen 3-Fazlı Asenkron Motorun V/f Kontrolü

VR: Referans dalganın genliği

V_C: Üçgen taşıyıcı dalganın genliği

mf: Frekans modülasyon indeksi

f_m: Referans dalganın frekansı

fs: Üçgen taşıyıcı dalganın frekansı

motorun statoruna uygulanan gerilimin

genliğinin ve frekansının sabit bir oranda

kalmasını gerektirir. Bu yapılarak statordaki

manyetik alanın büyüklüğü çalışma bölgesi

boyunca sabit bir seviyede tutulur. Böylece

motorun maksimum sabit moment üretim

olmak üzere, frekans modülasyon indeksi yeteneği sürdürülür [10]. V/f kontrolünün

m_f= f_sf_mşeklinde hesaplanır. Ayrıca mf

değeri tek ve tamsayı olursa Fourier analizin-

deki kosinüslü terimlerin katsayıları sıfır

olurken sinüslü terimlerin katsayıları birer sonlu

sayı olur. Yani çıkış dalga şeklinde sadece tek

sayılı harmonikler bulunur. Yukarıda bahsedi-

len taşıyıcı dağılımları için modülasyon indeksi

ise Tablo 2.’de gösterildiği gibi hesaplanır [8].

Tablo2. Taşıyıcı dağılım durumları için modülasyon

indekslerinin hesaplanması.

gerçekleştirilebilmesi için motorun beslendiği

güç kaynağının, değişken genlik ve frekansta

gerilimler üretebilecek özellikte olması gerekir.

Bu makalede, motorun hız kontrolü için gerekli

değişken genlik ve frekanslı sinüzoidal işaretler

üreten güç elektroniği devrelerinden çok

seviyeli SPWM kontrollü, 5-seviyeli kaskat

inverter kullanılmıştır. Motoru çok seviyeli

inverter ile sürmek için motorun geçici

durumunu da dikkate almak gerektiğinden,

motora ait bir geçici durum matematiksel model

kurulmalıdır. Bunun için motor denklemlerinin

α-β referans çatı ekseninde yazılması yeterlidir.

Motorun, stator referans çatısında stator ve

rotor gerilim denklemleri aşağıdaki gibi ifade

edilebilir [ 11].

dΨ_sα

İki seviyeli SPWM’de olduğu gibi, çok

seviyeli SPWM’de modülasyon indeksi Ma’nın

(0-1) aralığına lineer bölge denir. Ana

bileşeninin genliği bu aralıkta Ma ile doğrusal

değişir ve PWM harmonikleri anahtarlama

U_rα = R_rI_rα

+ Ψ₊r Ψ_rβ

frekansı ve onun katları civarındaki yüksek

frekanslarda ortaya çıkar. Ma>1 olduğu ve ana

U_rβ = R I

r rβ

+ Ψ − Ψ

r rα

harmoniğin genliğini artırmak amacı ile yapılan

aşırı modülasyon bölgesinde ana bileşeninin

genliği iki seviyeli inverterlerde olduğu gibi Ma

ile doğrusal değişmez. Beş seviyeli inverterin,

ana harmoniğin genliğinin (4 / π ) p.u ’ya kadar

artmasına izin veren aşırı modülasyon

bölgesindeki davranışı, 5-seviyeli inverterin iki-

seviyeli davranışı olarak adlandırılır [2].

Burada U_sαβ , U_rαβ ; I_sαβ , I_rαβ ve Ψ_sαβ, Ψ_rαβ

sırasıyla stator ve rotorun gerilim, akım ve akı

vektörleridir. R_s ve R_r ise stator ve rotorun

dirençleridir. Stator ve rotorun akı bileşenleri,

yine stator ve rotorun akım vektörleri cinsinden

ifadesi:

4. Asenkron Motorun V/f Kontrolü

V/f kontrol Asenkron motorların değişken

hızlı sürücü sistemlerinin kontrolünde stator

geriliminin genlik ve frekansının değişimine

dayalı yöntemlerden biridir. Bu yöntem