eviricilerde yumuşak geçiş tekniklerinin incelenmesi, mtbf analizi ve

EVİRİCİLERDE YUMUŞAK GEÇİŞ TEKNİKLERİNİN İNCELENMESİ, MTBF
ANALİZİ VE HARMONİKLERİN AZALTILMASINDA KULLANILAN
YÖNTEMLER
Mustafa Nil1 , Murat Demir2 , Metin Nil3, Bekir Çakır 4
1
Elektrik-Elektronik
Müh. Bölümü
2
[email protected]
3
Ar-Ge Bölümü
Vestel -Manisa
[email protected]
Celal Bayar Üniversitesi
MANİSA
4
Elektrik Müh. Bölümü
Kocaeli Üniversitesi
[email protected]
[email protected]
PWM yöntemi ve yumuşak anahtarlama teknikleri bu eviricilerde de
kullanılmaktadır. Yardımcı hücre; evirici anahtarlarının yumuşak
ÖZET
Bu çalışmada, anahtarlama kayıplarının yok edilmesi amacıyla
geliştirilen yumuşak geçiş teknikleri 1-fazlı h-köprü eviriciler için
incelenmektedir. Bu amaçla Orcad 10.5 programında sistemin
simülasyonu her bir yumuşak anahtarlama tekniği için (ZCT –Sıfır
Akım Geçişi, ZVT-Sıfır Gerilim Geçişi, ZCZVT-Sıfır Akım Sıfır
Gerilim Geçişi) için ayrı ayrı gerçekleştirilerek karşılaştırması
yapılmıştır. Ayrıca bu yumuşak anahtarlama tekniklerinden ZCZVT
tekniği uygulanarak oluşturulan evirici devresi için Relex programı
yardımıyla
güvenirlik
analizi
gerçekleştirilerek
sonuçlar
irdelenmektedir.
geçişini sağlamak amacıyla sadece anahtarlama geçiş periyotlarında
çalıştırılmaktadır. Yumuşak anahtarlı yüksek frekanslı klasik PWM' li
evirici Şekil 1’de verildiği gibidir:
Anahtar Kelimeler : PWM , anahtarlama kaybı,
yumuşak
anahtarlama, ZCT, ZVT, ZCZVT, MTBF, güvenilirlik analizi
1. GİRİŞ
Şekil 1: Tek fazlı yardımcı komütasyon hücreli evirici
Gün geçtikçe artan elektrik enerjisi ihtiyacı nedeniyle azalan fosil
yakıtlara alternatif olan ve çevreye karşı daha duyarlı yenilenebilir
enerji kaynaklarının kullanımına yönelik araştırmalar artmaktadır.
Yenilenebilir enerji kaynaklarından en bilinenlerinden olan rüzgar ve
güneş enerjisi sistemlerinde elde edilen gerilim doğru gerilimdir.
Elde edilen doğru gerilimin şebekeye bağlanabilmesi ve alternatif
yükler için de kullanılabilmesi için alternatif gerilime dönüştürülmesi
gerekir. Bu amaçla eviricilerden yararlanılır. Eviriciler doğru gerilimi
alternatif gerilime içinde bulundurduğu güç elektroniği yarı iletken
anahtarlama elemanlarının anahtarlanması ile çeviren yapılardır.
Anahtarlama elemanlarında anahtarlama nedeniyle oluşan kayıplar
frekansın artmasıyla artar. Bir diğer olumsuzluk ise anahtarlamada
oluşan yüksek dv/dt ve di/dt ‘den dolayı meydana gelen
elektromagnetik girişimler (EMG)' dir. Tüm bu nedenlerle
anahtarlama kayıplarının azaltılması gerekir. Bu amaçla çeşitli
yumuşak anahtarlama teknikleri tasarlanmıştır. Eviricilerde yumuşak
anahtarlama teknikleri yük rezonanslı, hat rezonanslı ve rezonans
geçişli devrelere uygulanır.
Yük rezonanslı eviricilerde rezonans hücresi yük tarafına seri,
paralel ya da seri-paralel bağlanır. Sabit yüklü uygulamalarda
görülür. ZVS(Sıfır Gerilimde Anahtarlama) ve ZCS (Sıfır Akımda
Anahtarlama) durumları evirici köprüsündeki anahtarlar için yapılır.
Çalışmanın rezonans kısmı anahtarlama periyodunda görülür. Hat
rezonanslı eviricilerde rezonans hücresi DC besleme ve evirici
köprüsü arasına bağlanır. Giriş hattı güç elemanın anahtarlama
durumuna göre salınım yapar. Rezonans geçişli eviricilerde giriş hat
gerilimi gerilim ara devreli (VSI) ya da akım ara (CSI) devrelidir.
Komütasyon hücresi aşırı akım ve gerilim salınımlarının ( di/dt ve
dv/dt ) azalmasına katkı sağlar. Oluşan rezonansla elektromagnetik
girişimin etkisi düşerken anahtarlama stresleri en az seviyeye
indirgenir. ZVS’ li kısmi rezonanslı eviricinin en büyük dezavantajı
akım stresleri; ZCS’ li kısmi rezonanslı eviricide ise düşük akım
oranlarına karşın yüksek gerilim oranlarına sahip olmasıydı.
Rezonans bastırma temelli eviricilerde ana anahtarlar GTO veya
IGBT gibi kendinden sönümlü anahtarlarla ZVS’ de, yardımcı
anahtarlar ise ZCS’ de çalışmaktadır. Yardımcı rezonans
komütasyonlu kutuplu evirici (ARCPI) ile hedef; rezonans
endüktansının ana güç hattından uzaklaşmasıdır. Rezonans geçişli
eviricilerin temelinde ise (ZVT, ZCT , ZCZVT eviricileri) ARCPI
yer almaktadır. [1]
2. YUMUŞAK GEÇİŞLİ (ZCT, ZVT, ZCZVT)
EVİRİCİLERİN İNCELENMESİ
2.1. Yumuşak Geçişli ZVT Eviriciler
ZVT' li rezonans geçişli eviricilerin en önemlilerinden bir tanesi
Şekil 2’de belirtilen ZVT eviricisidir. ZVT eviricilerin çalışma
topolojisinde, ana anahtarlar sıfır gerilimde yardımcı anahtarlar ise
sıfır akımda anahtarlanır. Yardımcı rezonans hücresi yük akımına
bağlı olmadığı anlarda kondansatörlerin dolma boşalma zamanlarında
30
etkili olur. Ana anahtar için IGBT kullanılarak kesimdeki yüksek
anahtarlama kayıpları azaltılır. [1]
CF1
S1
SA2
D1
CR1
SA1
LR
E
i0
CF2
DA2
DA1
S2
D2
CR2
Şekil 2: Yumuşak geçişli ZVT evirici [1]
Yardımcı rezonans hücresinde değişiklikler yapılarak yeni rezonans
hücresi oluşturmak mümkündür. Transformatörün gerilim oranından
ötürü akım aşırı dalgalanmayabilir. Yardımcı anahtarlar sıfır akım
durumu dışında kesimdedir ve transformatörün yapısından ötürü
komütasyon süresi sınırlanır. Tek fazlı ZVT’ li eviricilerde kublajlı
endüktanslar oldukça kullanılmaktadır. [1] Aktif yardımcı rezonans
hücreli ZVT eviricisinin ana anahtar akım gerilim ilişkisinin
simülasyonu Şekil 3’te verilmiştir.
Şekil 3: Aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisi [2], ana
anahtar akım –gerilim ilişkisi
2.2. Yumuşak Geçişli ZCT Eviriciler
Bu eviricilerde yardımcı rezonans hücresi yük akımı varken
komütasyona geçirilir. Ana anahtarlar ZCS altında çalıştırılır.
Yumuşak
geçişli ZCT evirici Şekil 4’de verilmektedir. Bu
eviricilerde tüm anahtarların komütasyonu sıfır akımda
gerçekleştirilir. [1]
SA2
DA2
CR
E
S1
D1
LR
i0
S2
SA1
DA1
D2
Şekil 4: Yumuşak geçişli ZCT evirici [1]
Anahtarlama stratejisine bağlı olarak bu devre farklı şekillerde
çalıştırılabilir. ZCT ve ZC-NZVT bunlardan ikisidir . ZCT
eviricilerinde ana anahtarlar iletimdeyken ortaya çıkan gerilim, iletim
kapasitif kayıpları olarak bilinir. Ana diyodun ters toparlanma
kayıpları ile ilgili problem istenilen seviyede değildir. Yardımcı
anahtarlar çıkış gerilim seviyesine ulaştığı anda, ana anahtarlar o
anda hemen iletime girmelidir. Buradan çıkış akımının anlık değerine
bağlı olduğu sonucu ortaya çıkar, bu da daha karmaşık bir devreyi
gerektirir. [1] Yumuşak geçişli ZCT eviricinin ana anahtar akım
gerilim ilişkisinin simülasyonu Şekil 5’te verilmiştir.
31
gerilimde iletime girdiğinde ise elemanların kapasitif etkisini önemli
ölçüde azaltır. [1]
CF1
S1
SA2
D1
SA1
LR2
LR1
E
i0
DA2
DA1
CF2
CR2
S2
D2
CR1
Şekil 6: Yumuşak geçişli ZCZVT evirici [1]
Akım ve gerilim değişimlerinin kontrol edilmesinden dolayı ana
diyodun ters toparlanma etkisi en az seviyededir ve EMI
azaltılmaktadır . Yardımcı devrenin süresi çıkış akımının anlık
değerinde etkili değildir. MOSFET, IGBT ve MCT gibi güç
elemanlarıyla ZCZVT komütasyonunu gerçekleştirmek mümkündür .
[1]
Tetikleme İşaretleri
Sarı : VS1
Yeşil : VSA1
Kırmızı : VS3
Mavi : VSA2
LR1 Yardımcı
Endüktans
Akımı
Koyu Sarı : ILR1
Şekil 5: ZCT Evirici devresi [3] ve ana anahtar akım –gerilim ilişkisi
2.3. Yumuşak Geçişli ZCZVT Eviriciler
Yumuşak geçişli ZCZVT evirici Şekil 6’da verilmektedir. Bu
topolojide ana anahtarlar devrenin çalışma yapısına uygun olarak
iletim ve kesime girerler. Yardımcı devre sadece komütasyon
sırasında devrededir ve çıkış akımını üzerine alır, ayrıca ana
anahtarların ve diyotların yumuşak anahtarlaması sırasında çalışır.
Ana anahtarlar sıfır akımda kesime girdiğinden, devredeki parazitik
endüktansın olumsuzluk etkisini önemli ölçüde azaltır ve sıfır
32
CR1 Yardımcı
Kondansatör
Gerilimi
Açık Mavi : VCR1
Açık Yeşil : S1 Anahtarı Tetikleme İşareti
Mor
: SA1 Anahtarı Tetikleme İşareti
Sarı
: SA2 Anahtarı Tetikleme İşareti
Mavi
: S2 Anahtarı Tetikleme İşareti
Açık Mavi : CR1 Rezonans Kapasite Gerilimi (1/10 ölçekli
gösterilmiştir)
t1 , t2 , ... , t15 , t0
Şekil 7: ZCZVT Evirici devresi [4] ve simülasyonu
Şekil 7’deki devrenin karakteristik empedansı Z ;
Z=
E
2.kIo
‘dır.(k=Ipk/I0) [4]
Şekil 8: Ortak hava aralıklı ZCZVT eviricisinin devresi ve
simülasyonu [6]
(1)
Z: Karakteristik Empedansı
E: Uygulanan Gerilim
k: Parazitik kayıplara karşılık gelen katsayı
I0 : Çıkış Akımı
Ipk: CR2 kapasitesinin akımının tepe değeri
w: Rezonans frekansı ise ;
di
 1 
2 .a.Sin 
dt
 2k 
w=
I 0 pk
' dır.
[5]
3. YUMUŞAK GEÇİŞLİ 1-FAZLI ZCZVT EVİRİCİDE
GÜVENİLİRLİK ANALİZİ
Güvenilirlik; Bir cihazın, bir ekipmanın veya bir sistemin belirli
koşullar altında, fonksiyonlarını yerine getirebilme olasılığı olarak
tanımlanır. Güvenilirlik mühendisliği ise; istatistik, matematik ve
mühendisliğin kullanıldığı bir disiplindir. Eviricinin tasarım
aşamasında gerçekleştirildiği güvenilirlik testleri ile hata durumlarını
simüle etmek ve bu hata durumlarının oluşmasına engel olmak;
analizleri ile tasarım kalite seviyesini artırmak temel amaç olacaktır.
ZCVT Darbe Genişlik Modülasyonlu
eviricilerde güvenilirlik
testlerine başlamadan önce test planının çıkarılması gereklidir. Test
planı iki seviyede yapılır:
(2)
3.1. Elektronik Kart Seviyesi Testleri
İşaret Bütünlüğü, Akım Gerilim Stres, Sıcaklık Stres, HALT (Highly
Accelareted Life Test), ESD(Elektro Statik Boşalım), EMC/EMI,
MTBF (Mean Time Between Failure) Hesaplaması testleridir.
3.2. Sistem veya Ürün Seviyesi Testleri
Çevresel Testler: Yüksek/Düşük Sıcaklık Çalışma, Yüksek/Düşük
Sıcaklık Depolama, Yüksek/Düşük Nem Çalışma, Yüksek/Düşük
Nem Depolama, Sıcaklık Çevrim, Ani Isıl Değişim Testleridir.
Mekanik Testler: Yol Durumu Simülasyon (Elektro Dinamik
Titreşim ) ve Serbest Düşme Testleridir.
Elektriksel Testler: Heat-run ömür, Şebeke Bozulmaları, Elektriksel
Performans Testleridir.
Akustik Testler : SPL(Sound Pressure Level) Testi
EMC/EMI
:
Radieted
Emission,
Harmonic&Flicker Testleridir.
33
Conducted
Emission,
Yukarıdaki testlerden başarı ile sonuçlanmış evirici, tasarım
doğrulaması gerçekleşmiş güvenilir bir ürün olarak adlandırılır. [7]
4. HARMONİKLERİN AZALTILMASINDA
KULLANILAN YÖNTEMLER
Yumuşak anahtarlamalı tek fazlı evirici devresinin güvenilirlik
analizi Mil-Std-217F standardına göre Parts Count yöntemine göre
yapılmıştır. Bu analize göre sistemi oluşturan tüm bileşenlerin hata
oranlarının seri olarak toplanmasıyla bulunur. Güvenilirlik
mühendisliğinde güvenilirlik programları önemli rol oynar [8].
Eviricilerin çalışması sırasında meydana gelen olumsuzluklardan
biri de oluşan harmoniklerdir. Doğrusal olmayan yükler şebekede
harmoniklere neden olurlar. Bu harmonikleri yok etmek için pasif ve
aktif olmak üzere güç filtreleri kullanılmaktadır.
Pasif filtreler, endüktans, kapasite ve omik direnç gibi pasif
elemanlardan meydana gelir. Kaynak ile yük arasına konularak temel
frekans dışındaki harmonik bileşenleri yok ederler. Pasif filtrede
amaç, yok edilmek istenen harmonik bileşene ait frekans değerinde L
ve C elemanlarının rezonansa gelmesini sağlamaktır. Pasif filtreler
devreye seri veya paralel olarak bağlanırlar. [13],[14]
Yapılan analizler, Relex firmasının geliştirdiği yazılım kullanılarak
gerçekleştirilecektir. Bu yazılımın en önemli özelliği farklı çalışma
koşullarına göre Mil-Std-217F’de yer alan bileşenlerin hata oranlarını
seri olarak hesaplayabilmesidir. İlgili ölçüm parametreleri
yazılımdaki veri tabanına girilerek standarda uygun olarak kolayca
hesaplanabilmesine izin vermektedir. Bu yazılımın ana kullanıcıları,
NASA, askeri kuvvetler (Kara, Hava, Deniz), uçak motoru üreten
şirketler, otomotiv firmaları, telekom şirketleri vs’dir. Sektörde bu
yazılım ile gerçekleştirilen hesaplama standart hale gelmiştir. [9]
Aktif güç filtresinin çalışması, sisteme doğrusal olmayan yüklerin
neden olduğu harmoniklerle aynı genlikte fakat ters fazda bir akım
enjekte edilmesi prensibine dayanır. Güç elektroniği elemanları
kullanılarak gerçekleştirilir. Aktif güç filtresi, dönüştürücü, akım
kontrol devresi ve harmonik belirleme bloğu olmak üzere üç
kısımdan oluşur. [12],[13]
Ortak hava aralıklı yumuşak anahtarlamalı tek fazlı eviricinin toplam
hata ana ve alt blok diagramları Şekil 9 ve Şekil 10’da verilmiştir.
5. SONUÇLAR
Rezonans bastırma temelli eviricinin farklı yumuşak anahtarlamalı
eviricilerde kullanılabileceği fikri [10]; yumuşak geçişli ZCZVT
eviricisinde yardımcı rezonans hücresinde yapılan ortak hava aralıklı
endüktanslardan oluşan bir düzenekle de görülmüştür.
Şekil 9: Ortak Hava Aralıklı Yumuşak Anahtarlamalı Tek Fazlı
Eviricinin Toplam Hata Ana Blok Diagramları [9]
Yapılan aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisi simulasyonu
ile ZCT simulasyonunun her ikisinde de anahtarlama kayıplarının
olduğu görülmüştür. ZVT eviricisinin anlık akım yükselme değeri
simulasyonda daha yüksek gözlemlenmiştir. Ortak hava aralıklı ile
bağımsız endüktanslı ZCZVT eviricilerinin simulasyon bazında CR1
rezonans kapasite gerilimlerinin örtüştüğü görülmüştür. Ortak hava
aralıklı ZCZVT’li rezonans geçişli tek fazlı bastırma hücreli
eviricinin güvenilirlik analizleri Relex programı kullanılarak
yapılmıştır. Programın benzetiminde IGBT’lere ve 2117 sürücü
entegrelerine göre, devrenin ideal şartlarda, T=25º C derecede 24 saat
aralıksız çalışması durumunda MTBF: 8070,77 saat sonucu elde
edilmiştir. Yıla dönüştürüldüğünde, 0,92 yıl sonucu ortaya çıkmıştır.
Eğer günde 8 saat çalışması halinde; 2,76 yıl sorunsuz çalışacağı
tahmini hesaplanmıştır.[11] Bu değerlere uygun garantinin verilmesi
doğru olacaktır. ZCZVT darbe genişlik modülasyonlu eviricilerin
elektronik kart seviyesi ve entegre olmuş ürün seviyesinde
gerçekleştirilecek güvenilirlik testleri ile tasarım kalitesi artırılarak
yüksek güvenilirlik seviyesinde ticari olarak üretilmesi mümkündür.
[15]
Şekil 10: Ortak Hava Aralıklı Yumuşak Anahtarlamalı Tek Fazlı
Eviricinin Toplam Hata Alt Blok Diagramları [9]
Sistemin toplam hata oranı;
λ sis = λ1 + λ2 + λ3 + λ4
(3)
Sistemin ortalama hatasız çalışma süresi (MTBF):
MTBF =
1
λ sis
6. KAYNAKLAR
[1] C.M.O.Stein, H.A.Grundling, H.Pinheiro, J.R. PinHeiro, and
H.L.Hey “ Analysis and Comparison of Soft-Transition Inverters”,
pp.538-543, IEEE-2003
[2] J.R.PinHeiro,H.L.Hey, “An active auxiliary commutation circuit
for inverters”, pp.223-229, IEEE Power Electronics Specialists
Conference-2001
[3] H. Mao, F. C. Lee, X. Zhou, and D. Boroyevich, “Improved
Zero-current-transition Converters for High Power
Application,”, pp. 1145-1152, IEEE-IAS Annu. Meet.- 1996.
[4] C.M.O.Stein, H.L.Hey, J.R.PinHeiro, H.Pinheir
and H.A.Grundling “Analysis, Design and Implemantation of a New
ZCZVT Commutation Cell for PWM DC-AC Converters”, pp.845850, IEEE-2001
(4)
Ortak hava aralıklı yumuşak anahtarlamalı evirici devresi 4 ana
bölümden oluşmaktadır ve sistemin toplam hata oranı sistemi
oluşturan modüllerinin hata oranlarının seri olarak toplanması ile
bulunacaktır. [9]
34
[5] C.M.O.Stein, H.A.Grundling, H.Pinheiro, J.R.PinHeiro, and
H.L.Hey “ Zero-Current and Zero-Voltage Soft-Transition
Commutation Cell for PWM Inverters ”, pp.396-403, IEEE-2004
[6] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Cakir, M.Demir “Comparative
Switching Characteristics of the ZCZVT PWM Inverters and
Reliability Analysis” , pp.139-148 IREE:International Review of
Electrical Engineering -2011
[7] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Çakır, “Rezonans Bastırma Temelli
Yumuşak
Anahtarlamalı
Eviricilerin
Anahtarlama
Karakteristiklerinde Veriminin Arttırılması ve Güvenilirlik
Yöntemleri”, 116-120, ELECO 2006 - BURSA
[8] Houtermans, M., Al-Ghumgham, M., Capelle, T.V., “Reliability
Engineering & Data Collection to Improve Plant Safety &
Availability”, 42-42, IEEE- Second International Conference on
Systems- 2007
[9] Mustafa Nil , “Eviricilerde Yeni Bir Yumuşak Anahtarlama
Devresinin Tasarımı, Gerçekleştirilmesi ve Analizi”, Doktora Tezi,
Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli,2009.
[10] C.C.Chan, K.T.Chau, D.T.W.Chan, J.Yao,J.S. Lai,Y.Li
“Switching characteristics and efficiency improvement with auxiliary
resonant snubber based soft-switching inverters” , pp.429-435, IEEE
– 1998
[11] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Cakir “MTBF Analysis in OEM
Company: Applications to ZCZVT PWM Soft-Transition Inverters”,
pp.353-356, EEEIC – 2010
[12] Gonzalez,D.A. and Mc Call, J.C. “Design of Filters to Reduce
Harmoniz Distribution in Industrial Power Systems”, IA-23, No 3:
pp.504-511, IEEE Transactions on Power Industry Applications,
1987
[13] Bilge, M., “Güç Sistemlerinde Harmoniklerin Pasif Filtrelerle
Eleminasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçüİmam
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş, 12-19, (2008).
[14] Adak, S., “Enerji Sistemlerinde Harmoniklerin Azaltılması ”,
Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
İstanbul, (2003).
[15] Mustafa Nil, Metin Nil, B.Çakır, “ZCZVT Darbe Genişlik
Modülasyonlu Eviricilerde Yumuşak Anahtarlama Karakteristikleri
ve Güvenilirlik Yöntemleri ”, 286-290, ELECO 2008 - BURSA
35