DSC Tabanlı Uzay Vektör Darbe Modülasyon

DSC TABANLI UZAY VEKTÖR DARBE MODÜLASYON TEKNİĞİNİ KULLANAN
KOMPAKT ASENKRON MOTOR SÜRÜCÜSÜNÜN GELİŞTİRİLMESİ
Taner Göktaş1,Ertan Murat2, Sedat Sünter3
1
Osmancık Ömer Derindere MYO
Hitit Üniversitesi
[email protected]
2
ASER Teknoloji
Teknokent/ODTÜ
[email protected]
3
Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Fırat Üniversitesi
[email protected]
inverterdir. Çalışmanın büyük bir kısmında elektrik enerjisi,
doğru akım kaynağından çıkıştaki yüke doğru akmakta ve bu
durumda inverter, evirme konumunda çalışmaktadır.
Kesintisiz güç kaynakları ve alternatif akım motor
sürücüleri gibi uygulamalarda, üç fazlı yükleri beslemek için
üç fazlı inverterler yaygın olarak kullanılır. Çıkışı birbirinden
120 0 kaydırılmış, üç adet bir fazlı inverter ile de üç fazlı yük
beslenebilir[3].
ÖZET
Mikroişlemci teknolojilerindeki çok yönlü kapasite ve küçük
hacimli yüksek güçlü yarı iletken güç anahtar yongalarındaki
gelişmeler sayesinde, tamamen sayısal denetimli kompakt
motor sürücülerin geliştirilmesine olanak sağlanmıştır. Son
yıllarda üzerinde en çok durulan darbe genişlik modülasyon
tekniği uzay vektör darbe genişlik modülasyon(UVDGM)
tekniğidir. Bunun nedeni uzay vektör darbe genişlik
modülasyon tekniği ile genlik ve frekans üzerinde tam bir
kontrol yapılabilmesidir. Bu çalışmada, iki seviyeli uzay
vektör darbe genişlik modülasyonlu inverter benzetimi
yapılmıştır. Motor sürücü platformunun geliştirilmesi için
TMS320C2000 DSC kartı kullanılmış ve güç devresi
tasarlanmıştır. Devre çalıştırılarak değişik çalışma
koşullarında deneysel sonuçlar alınmış deneysel sonuçlar ile
benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır.
Şekil 2: Üç fazlı inverter
En yaygın kullanılan 3 fazlı inverterde, Şekil 2’de
görüldüğü gibi, her faz için bir tane olmak üzere üç tane bacak
bulunur. İnverterin her bacağının çıkışı yalnızca Vd ’ye ve
Anahtar Kelimeler: Uzay Vektör, Asenkron Motor, DSC
1.GİRİŞ
anahtarların durumuna bağlıdır.
Endüstrinin ihtiyaç duyduğu değişken hızlı elektrik motor
tahrik sistemlerinde, asenkron motor diğer motor türleriyle
kıyaslandığı zaman sahip olduğu avantajlardan ve özellikle
kontrolü ile ilgili gelişmelerden sonra baskın hale gelmiştir[1].
Değişken hızlı asenkron motor sürücü devrelerinde
çoğunlukla inverterler kullanılmaktadır. İnverterler ayrıca
endüstride; endüksiyonla ısıtma sistemlerinde, AA gerilim
regülâtörlerinde ve kesintisiz güç kaynaklarında da
kullanılmaktadır. İnverterler DA kaynağından yüke değişken
frekans ve genlikte AA kaynağı sağlayan güç elektroniği
devreleridir. İnverterlerin temelinde yatan arzu edilen değerde
çıkışında düşük harmonik seviyeli frekans ve genlikte
alternatif gerilim sağlamaktır [2].
2.UZAY VEKTÖR DARBE GENİŞLİK
MODÜLASYONU
Evirici beslemeli asenkron motor sürücülerinin
performansında, anahtarlar için kullanılan modülasyon tekniği
çok büyük önem arz etmektedir. UVDGM tekniği çok iyi
harmonik performansı, modülasyon indeksi aralığının
genişletilmesi, DA giriş geriliminin optimum kullanımı ve
düşük akım dalgalanması gibi avantajlara sahiptir. Doğrudan
programlanabildiğinden sayısal gerçekleştirmeler için uygun
olmaktadır[4-5].
Küçük uzay vektörlerinin uygun seçimi ve eşit
anahtarlama süresi ile anahtarlama sıralarının başlangıç ve
bitiş durumları, düşük gerilim dalgalanmalarına ve düşük
toplam harmonik distorsiyonuna sebep olur. UVDGM tekniği
buna benzer bir sıra kullanır. Bundan dolayı performansları
diğer darbe genişlik modülasyon tekniklerine göre daha iyidir.
Böylece uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği lineer
modülasyon oranında diğer darbe genişlik modülasyon
tekniklerine göre oldukça yüksek performans gösterir.
Şekil1: Anahtarlama modlu inverter
2.1. İki seviyeli uzay vektör modülasyon tekniği
Örnek olarak Şekil 1’de gösterilen bir alternatif akım
motor tahrik sistemini ele alalım. Bu sistemde alternatif şebeke
gerilimi önce doğrultulup süzülür ve bir doğru gerilim elde
edilir, daha sonra bu gerilim bir inverter yardımıyla tekrar
alternatif gerilime dönüştürülür. Gerçekte Şekil 1’de gösterilen
anahtarlamalı inverter, enerjinin her iki yönde de akabildiği
UVDGM tekniğinde üç fazlı referans gerilimler “Clarke”
dönüşümü kullanılarak α-β uzayında gerilim uzay vektörü ile
temsil edilmektedir. Vektörün uzunluğu ve faz açısı bu üç fazlı
büyüklüklerin anlık değerleri ile saptanır. Eğer üç fazlı
büyüklükler sinüsoidal ve dengeli ise vektör, sabit bir açısal
19
hızla dönecektir ve sabit bir uzunluğa sahip olacaktır. Başka
bir deyişle dönen bir gerilim vektörü oluşacaktır [6].
Uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği, altıgen
içerisindeki bütün referans vektörlerin (Vref), Vref’e komşu
olan iki uzay vektörünün ve sıfır vektörlerinin ağırlıklı
ortalamaları alınarak oluşturulur [7]. Bir uzay vektör Denklem
1‘deki eşitlikle tanımlanır.
→
V ref = Vα + jVβ =
(
2
Va + Vb e j2π / 3 + Vc e − j2π / 3
3
)
(1)
Burada Va, Vb ve Vc sırasıyla a, b ve c fazlarının referans
gerilim değerleridir. Böylece iki boyutlu düzlem veya
kompleks yapı herhangi bir üç fazlı sisteme benzetilebilir.
İnverterin yapısı Şekil 3’de gösterildiği gibidir. Üst anahtarlar
(1–3–5) iletime geçtiği zaman alt anahtarlar (4–6–2) kesimde
kalmaktadır.
Şekil 5: Temel anahtarlama vektörleri ve bölgeleri
Uzay Vektör PWM uygulamalarında gerilim sentezi
yapılırken ilk olarak a,b,c çatısından d-q çatısına dönüşüm
yapılır [2].
1
1
Vd = Van − Vbn − V cn
2
2
3
3
Vq =
Vbn −
Vcn
2
2
Vref = Vd2 + Vq2
 Vd 
 = ω t = 2π f t

 Vq 
Şekil 3: Üç fazlı inverter
α = tan −1 
Üç fazlı iki seviyeli UVDGM inverter için anahtarlama
durumları Şekil 4’de gösterilmektedir. Üst anahtarların iletim
ve kesim durumlarına göre toplam 8 anahtarlama durumu söz
konusudur. İnverter çıkış gerilimi de bu 8 anahtarlama
durumunun birleşmesinden meydana gelir.
(2)
(3)
(4)
(5)
Vektörün hangi bölgeye düştüğünü bulmak için α açısına
bakılır. Daha sonra anahtarlama sürelerinin hesabı yapılır.
Herhangi bir sektördeki anahtarlama süresi de şu şekilde
hesaplanır. z= [1 6] arasında herhangi bir bölge numarası
olduğuna göre;
Ts →
Vref
 z 

2
z 
TZ =
 sin π . cos α − cos π . sin α 
Vdc
3 
 3 

T →
3 s Vref

2
 z −1 
 z − 1 
TZ +1 =
 − cos α . sin
π  + sin α . cos
π  
Vdc
 3

 3


3
T0 =
Ts
− Tz − Tz +1
2
(6)
(7)
(8)
Böylece anahtarın belirli bir frekansta, verilen DA bara
gerilimi ve referans gerilim vektörü için iletimde kalma
süreleri dolayısıyla görev periyotları hesaplanmış olur.
Şekil 4: İki seviyeli UVDGM tekniği için anahtarlama
durumları
Uzay vektör modülasyonunda ulaşılabilen maksimum çıkış
gerilimi, inverter kapasitesinin %90,6’sının kullanılmasını
sağlar. Aynı zamanda bu modülasyon tekniği geliştirilerek
inverter kapasitesinin tamamı kullanılabilir. Sinüsoidal Darbe
genişlik modülasyonu ile UVDGM karşılaştırıldığında,
UVDGM’de daha etkili bir çıkışın olduğu ve gerilimin daha
harmoniksiz olduğu gözlenir.
Şekil 5’de Vref vektörünün z bölgesinde bulunduğu kabul
edilirse, bu durumda bitişik vektörler VZ ve VZ +1 olur.
Anahtarlama yapıldığında bir durumdan diğer bir duruma
geçerken inverterin sadece bir bacağı anahtarlanır. Bu durum
en iyi harmonik performansını sağlamaktadır.
3.DENEYSEL DÜZENEĞİN TASARIMI
Alternatif akım motor sürücü düzeneği için oluşturulan
devrede ilk olarak AA motor sürücülerinin donanımsal
gereksinimleri belirlenmiş ve platformda güvenlik ve koruma
üst seviyede ele alınmıştır. Anahtarlama frekansı 4,4 kHz
seçilerek elde edilen akım ve gerilim dalga şekillerinin
yeterince düzgün ve kaliteli olması sağlanmıştır.
Sayısal işaret işlemcileri (DSP) yüksek hızda ve sayıda
işlem kapasitesine sahip, çeşitli ara yüzler ile donatılmış
programlanabilir
mikroişlemcilerdir.
Güç
elektroniği
endüstrisinin; System On Chip (SOC), ICSP (In Circuit
System Programming) ile gelişmiş ve çoklu iletişim ara
yüzleri, çevre birimleri (ADC, PWM, Yakala/Karşılaştır,
20
Encoder Arayüz) hafıza/bellek çokluğu gibi taleplerinin
işlemci ile tek bir yongada ekonomik olarak üretim
gereksinimi sayısal işaret denetleyicilerini (DSC) teknoloji
pazarında gündeme getirmiştir. Çok yüksek hız gereksinimleri
endüstride, donanım temelli FPGA (Field Programmable Gate
Array) yongaların kullanımı ile görülmeye başlansa da, birçok
güç elektroniği uygulaması için DSC’ler fiyat/performans
karşılaştırmaları ile geleneksel tercih olagelmiştir.
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Zaman (Sn)
Şekil 8: U a ve U b referans gerilim vektörleri(f=50Hz)
Seri haberleşme modülü kullanılarak DSC kartı ile
bilgisayar haberleştirilerek çıkış frekansı değiştirilmektedir.
Seri haberleşme için DSC kartı ile bilgisayarın RS–232 portu
arasına seri kablo bağlanarak haberleşme sağlanmıştır.
Oluşturulan simulink modeli F28335 kontrol kartına
yüklenerek uygun anahtarlama sinyalleri üretilmiştir.
Şekil 6: Alternatif akım motor sürücü düzeneği için
oluşturulan donanım düzeneği
2
Şekil 6’da tasarlanan sürücü sistemin blok diyagramı
gösterilmektedir. Anahtarlama sinyalleri için “Texas
Instruments” firması tarafından geliştirilen işaret işleme ve
sistem kontrol alanında yeni, hızlı, küçük ve güçlü bir işlemci
olan TMS320C2000-F28335eZdsp DSC kartı kullanılmıştır.
F28335 kontrol kartı 100 pinli olup DIMM (Dual In Line
Memory Module) stil TMS320C serisi kartıdır. Bu kontrol
kartının güvenli çalışması için “yaşam destek (clock, supply
LDO, decoupling, pull-ups)” devreleri bulunmaktadır.
Barındırdığı bu devrelerin yanı sıra DSC kartı oldukça güçlü
ve elektriksel olarak gürültülerden arınmış olup 32 bitlik bir
yapıya sahiptir. Kullanılan işlemcide analog girişler 12 bit
olup aynı zamanda içerisinde hazır UVDGM çıkış pinleri
bulunmaktadır. Bu karta Şekil 7’de gösterilen simulink modeli
gerçek zaman ara yüzü kullanılarak yüklenmiştir.
1.8
1.6
1.4
PWMSüreleri
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Zaman(Sn)
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
Şekil 9: Üretilen PWM süreleri
DSP ile üretilen sinyaller koruma amacı ile bir izolasyon
devresinden geçirilir. Devrede P-N terminalleri arasında
doğrultulmuş DC link gerilimini düzeltmek için iki adet
kondansatör kullanılmıştır. Ayrıca buna ek olarak bir snubber
kondansatörü kullanılmıştır. DC link kondansatörlerinin deşarj
olması için 5 kΩ, 5 Watt’lık taş dirençler paralel bağlanmıştır.
Kontrolörden gelen sinyaller üç fazlı inverter modülüne (IPM)
uygulanmaktadır. Kullanılan IPM içerisinde hazır sürme
devreleri bulunmaktadır. Modül, 600 V, 50 A’lik gerilim ve
akım değerlerine sahip olup böylesi küçük bir modül ile
yaklaşık 3 kW’ lık bir AA motor sürülebilmektedir.
Şekil 7: DSC kartına yüklenen simulink modeli
Oluşturulan simulink modelinde Ua ve Ub referans
gerilimleri ile açık çevrim kontrol sağlanmaktadır. Referans
gerilimler olan Ua ve Ub sinüs gerilimlerinin, frekansı
değiştirilerek çıkış frekansı, genliği değiştirilerek çıkış genliği
değiştirilmektedir.
Şekil 10: IPM ve DC Link kapasitörlerini içeren devrenin
fotoğrafı
21
DC-link kapasitörlerinin şarj akımını sınırlamak için
“inrush current limiter (ICL_B57364)” kullanılmıştır. Gerilim
kaynağı terminallerinde aşırı gerilim dalgalanmalarını önlemek
için 24V/1W’lık zener diyot kullanılmıştır. Ayrıca kısa devre
koruması için ACS712 entegresi kullanılmıştır. Devrede
kullanılan diyotlar hızlı düzelmeli diyotlardır.
(a)
Şekil 11: Tasarlanan sürücünün fotoğrafı
Bilgisayarın seri portu ile DSC kartı arasına yerleştirilen
bir RS–232 kablosu bulunmaktadır. Bilgisayardan sağlanan
haberleşme ile çıkış frekansı değiştirilmektedir. DSC’den
alınan anahtarlama sinyalleri izolasyondan geçirilerek
inverterin girişine verilmektedir. İnverterin çıkışından ise üç
fazlı çıkış gerilimleri elde edilmektedir.
(b)
(c)
Şekil 12: Deney düzeneği
Yük olarak kullanılan asenkron motor üçgen bağlı olup,
motor momentini sabit tutmak için V/f kontrolü
gerçekleştirilmiştir. Eğer frekans ile orantılı olarak gerilim
değiştirilirse bunun sonucunda sabit bir motor akımı senkron
hızın altındaki hızlarda elde edilebilir. Bu oran aynı zamanda
hava aralığı akısının da bir ifadesi olduğundan sonuçta sabit
V/f ile çalışma motorun sabit bir moment üretmesine neden
olacaktır. Düşük hızlarda stator sargı gerilim düşümünü
kompanze etmek üzere gerilim artırımı (voltage boost)
yapılmıştır.
Şekil 13: Farklı çalışma frekanslarında Vab, Ic faz akımı ve
FFT analizi (a)f=30 Hz (b) f= 50 Hz (c) f= 70 Hz
Şekil 14’de farklı frekanslar için motorun sabit bir eğimle
kalkış yapması sağlanarak hız değerleri ve buna bağlı olarak Ia
akımı verilmiştir. Motorun istenilen hız değerlerine ulaştığı ve
akımın sürekli halde sabit kaldığı görülmüştür.
4.DENEYSEL SONUÇLAR
Prototip konvertörden alınan deneysel sonuçlar Şekil 1316’da gösterilmiştir. Şekil 13 dikkatlice incelendiğinde motor
akım dalga şekillerinin oldukça düzgün olduğu ve gerilim
dalga şeklinin fourier analizi (FFT) yapıldığında ana
harmoniğe en yakın baskın harmoniklerin 4,4 kHz’lik
anahtarlama frekansı civarında olduğu görülmektedir.
(a)
22
Şekil 16:Ani olarak hız değişimi sırasında Ia akımı ve motor
hızı
(b)
5.SONUÇLAR
Bu çalışmada V/f kontrollü inverter motor sürücüsü uzay
vektör darbe genişlik modülasyon tekniği kullanılarak
tasarlanmıştır. Kontrolör olarak yeni, güçlü ve ucuz bir DSC
kullanılarak anahtarlama sinyalleri üretilmiştir. Motor hava
aralığı akısını sabit tutmak için V/f kontrolü yapılmıştır.
Düşük frekanslarda motor kalkış performansını arttırmak için
gerilim arttırımı yapılarak motorun rahat bir kalkış yapması
sağlanmıştır. Sonuç olarak farklı anahtarlama frekanslarında
çok ucuza mal edilen kompakt bir sürücü ile oldukça kaliteli
dalga şekillerinin elde edilebileceği deneysel sonuçlarla
gösterilmiştir. Geliştirilen sistem kapalı çevrim kontrolün
gerçekleştirilmesine uygun olduğundan, sıfır hızda tork
kontrol yapabilecek tork kontrol algoritmalarının geliştirilmesi
alanında çalışmalar yapılacaktır.
(c)
Şekil 14: Farklı çalışma frekanslarında hız ve Ia faz akımı
(a)f=30 Hz (b) f= 50 Hz (c) f= 70 Hz
Şekil 15’de motora uygulanan frekans; ilk önce sabit bir
eğimle 0 Hz’ den 50 Hz’e ardından 50 Hz’den 0 Hz ‘e ve 0
Hz’den ters yönde 50 Hz’e çıkarılarak Ia akım dalga şekli ve
motor hızı gözlemlenmiştir. Devir yönünün değiştiği aralıkta
Ia akımının fazının değiştiği görülmektedir.
Motor Etiket Değerleri:
PN=0.55 kW, VH=380 V, f=50 Hz
7.KAYNAKLAR
[1] Murat, E., “Self Commissining and Online Paremeter
Identification of Induction Motors”, MSc Thesis,
Department of Electrical-Electronic Engineering,
METU, 2002.
[2] Göktaş, T., “Programlanabilir Sayısal İşaret İşleyici
Tabanlı(DSC)
Alternatif
Akım
Motor
Sürücü
Düzeneğinin Geliştirilmesi”, Y.Lisans Tezi, ElektrikElektronik Mühendisliği, Fırat Üniversitesi, 2010.
[3] Mohan, N., Undeland, M., Robbins, P., “Power
Electronics:Converters,Applications and Design”, 2003.
[4] Rodriguez, J., Gonzalez, A., Weinstein, A.,“A
Regenerative Cell with Reduced Input Current
Harmonics
for Multilevel Inverters”, Industry
Applications Conference ,Vol. 1, pp.371–378, 2000.
[5] Tolbert, L.M., Habetler, T.G.,“ Novel Multilevel Inverter
Carrier-Based PWM Method”, IEEE Annual Meeting, St
Louis, Missoouri, pp.1424-1431, 1998.
[6] Kang, D.W., Lee,Y.H., Suh, S., Choi,C., Hyun, D.,“An
Carrierwave-Based
SVPWM Using Phase-Voltage
Redundancies for Multilevel H-Bridge Inverter”,
Vol.1,pp.330-335,1999.
[7] Murat, E., Akın, E., Ertan, B., “Matlab/Simulink Gerçek
Zaman Arabirimi ve Uzay Vektör Darbe Genişlik
Modülasyon Tekniğini Kullanan DSC Kontrollü Evirici
ile Asenkron Motorun Skaler Kontrolü”, ELECO’02,
Sayfa
2-3.
,
Bursa,
2002.
Şekil 15:Motorun yön değişimi sırasında Ia faz akımı ve hızı
Şekil 16’da motora uygulanan frekans +20Hz’den ters
yönde -20Hz’e ani olarak değiştirilmiştir. Rotor akımı
dikkatlice incelendiğinde motor Ia akımının faz değiştirdiği ve
geçici rejimde Ia akımın arttığı sonra tekrar eski değerine
ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu durum motorun frenleme yapıp
tekrar ters yönde yol almasından kaynaklanmaktadır.
23