KESĐNTĐSĐZ GÜÇ KAYNAKLARI ĐÇĐN YARIĐLETKEN
advertisement
KESĐNTĐSĐZ GÜÇ KAYNAKLARI ĐÇĐN YARIĐLETKEN AKTARIM ANAHTARI TASARIMI VE GERÇEKLEŞTĐRĐLMESĐ Hüseyin KÖSE YÜKSEK LĐSANS TEZĐ ELEKTRĐK-ELEKTRONĐK MÜHENDĐSLĐĞĐ GAZĐ ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ HAZĐRAN 2012 ANKARA Hüseyin KÖSE tarafından hazırlanan “KESĐNTĐSĐZ GÜÇ KAYNAKLARI ĐÇĐN YARIĐLETKEN AKTARIM ANAHTARI TASARIMI GERÇEKLEŞTĐRĐLMESĐ” adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. M. Timur AYDEMĐR …….……………………. Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Muammer ERMĐŞ …….……………………. Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, ODTÜ Doç. Dr. M. Timur AYDEMĐR …….……………………. Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Doç. Dr. Đres ĐSKENDER …….……………………. Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Tarih: 01/06/2012 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü …….……………………. TEZ BĐLDĐRĐMĐ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Hüseyin KÖSE iv KESĐNTĐSĐZ GÜÇ KAYNAKLARI ĐÇĐN YARIĐLETKEN AKTARIM ANAHTARI TASARIMI VE GERÇEKLEŞTĐRĐLMESĐ (Yüksek Lisans Tezi) Hüseyin KÖSE GAZĐ ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ Haziran 2012 ÖZET Yarıiletken Aktarım Anahtarları (YAA), iki veya daha fazla sayıdaki kaynak arasında yüksek hızlı bir seçim yaparak yüke, mümkün olan en kaliteli enerjiyi sağlamak amacıyla kullanılırlar. Özellikle hassas ve kritik yükler için enerji güvenilirliği çok büyük önem taşıdığından, kaynak geriliminde kabul edilebilir değerlerden herhangi bir sapma olduğunda bu sapmanın en kısa zamanda algılanarak yükün seçenek enerji kaynağına aktarılması gerekmektedir. YAA, içerdikleri algılayıcılar, denetleyiciler ve tristörlü güç devreleri aracılığıyla bu işlevi kolaylıkla yerine getirebilirler. Tez içeriğinde, kesintisiz güç kaynaklarıyla kullanılabilecek, üç kaynak girişine izin veren, alternatif kaynak olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının da bağlanabildiği 3 fazlı bir YAA sistemi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar sırasında arıza tiplerine ve sürelerine bağlı olarak aktarım sürelerinin nasıl değişebildiği incelenmiştir. Ayrıca, arızaları uygun zaman dilimlerinde algılayabilecek algılayıcı sistemi ile hızlı ve güvenilir denetim yapacak bir denetleyici devre geliştirilmiştir. Gerçekleştirilen prototip farklı yük koşullarında denenmiş, arıza durumunda kaynaklar arası geçişin simetrik v şebeke varlığında 5 ms’nin altında, asenkron şebeke varlığında ise 20 ms’nin altında gerçekleştiği görülmüştür. Bilim Kodu Anahtar Kelimeler Sayfa Adedi Tez Yöneticisi : 905.1.033 : Yarıiletken aktarım anahtarı, AA anahtar, KGK : 68 : Doç. Dr. M. Timur AYDEMĐR vi STATIC TRANSFER SWITCH DESIGN AND IMPLEMENTATION FOR UNINTERRUPTABLE POWER SUPPLIES (M.Sc. Thesis) Hüseyin KÖSE GAZĐ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2012 ABSTRACT Static Transfer Switches (STS) are used to provide energy to a specific load with the highest possible quality by fast switching between two or more alternative power sources. Energy reliability is especially important for critical and sensitive loads. Therefore, any deviation from acceptable levels should be detected very quickly and load should be transferred to an alternative source. STS, can easily fulfill this job by means of the sensing circuits, controllers and thyristor power stages it includes. A three phase STS system that can be used with uninterruptable power supplies has been designed and implemented in this thesis work. The system allows the connection of three different supplies, and therefore it can also be used with renewable energy sources. Effects of fault types and fault instants on transfer times have been investigated. Also, sensing circuits that detect the faults in specified time periods and controllers that act quickly and safely have been designed. The implemented system has been tested at different load conditions. It has been observed that transfer time is below 5 ms when the sources are synchronous, and below 20 ms when they are not. vii Science Code : 905.1.033 Key Words : Static transfer switch, AC switch, UPS Page Number : 68 Adviser : Assoc. Prof. Dr. M. Timur AYDEMĐR viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Doç. Dr. M. Timur AYDEMĐR’ e yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Elektrik Elektronik Yük. Müh. Harun GÜL’e, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli aileme, eşime ve iki ay önce dünyaya gözlerini açan ikiz erkek çocuklarım Yusuf ve Bilal’ e teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca, bu tez çalışmasının yürütüldüğü 00616.STZ.2010-1 kodlu “Kesintisiz Güç Kaynakları için Yarıiletken Aktarım Anahtarı Geliştirilmesi” başlıklı SAN-TEZ projesine destek veren Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’na teşekkür ederim. ix ĐÇĐNDEKĐLER Sayfa ÖZET……………………………………………………………………………….. iv ABSTRACT………………………………………………………………………... vi TEŞEKKÜR………………………………………………………………………. viii ĐÇĐNDEKĐLER……………………………………………………………………... ix ŞEKĐLLERĐN LĐSTESĐ ............................................................................................ . xi SĐMGELER VE KISALTMALAR……………………………………………….. xiv 1. GĐRĐŞ .......................................................................................................................1 2. LĐTERATURE TARAMASI ...................................................................................4 3. GERÇEKLEŞTĐRĐLEN YARIĐLETKEN AKTARIM ANAHTARI SĐSTEMĐ... 14 4. BENZETĐM ÇALIŞMALARI…………………………………………………... 19 4.1. YAA Sisteminin Simulink Benzetimi………………………………………. 19 4.2. Benzetim Sonuçları ………………………………………………………… 23 5. ÜÇ FAZLI YAA SĐSTEMĐNĐN GERÇEKLEŞTĐRĐLMESĐ............................... . 28 5.1. YAA Güç Devresi…………………………………………………………... 28 5.2. YAA Elektronik Devresi …………………………………………………… 28 5.2.1. Đzleme kartları……………………………………………………….. 30 5.2.2. Yönetici kart ……………………………………………………….... 35 5.2.3. Ön panel kartı………………………………………………………... 38 5.2.4. DC-DC çevirici kartı ………………………………………………... 44 5.3. YAA Tetikleme Algoritması………………………………………………... 45 6. DENEYSEL SONUÇLAR .................................................................................. . 50 x Sayfa 7. SONUÇ VE ÖNERĐLER ……………………………………………………….. 57 KAYNAKLAR ........................................................................................................ . 58 EKLER ..................................................................................................................... . 61 EK-1 PIC18F4431 mikrokontrolcü entegresi .......................................................... . 62 EK-2 PIC18F2525 mikrokontrolcü entegresi……………………………………… 63 EK-3 HCPL-4502 yalıtım entegresi ......................................................................... . 64 EK-4 RS485 iletişim entegresi ................................................................................. . 65 EK-5 LM393 karşılaştırıcı entegresi……………………………………………….. 66 EK-6. MCC95-12 tristör modülü…………………………………………………... 67 ÖZGEÇMĐŞ ............................................................................................................. . 68 xi ŞEKĐLLERĐN LĐSTESĐ Şekil Sayfa Şekil 1.1. Üç fazlı YAA’ nın basit gösterimi .......................................................... 2 Şekil 3.1. YAA sisteminin genel yapısı .................................................................. 14 Şekil 3.2. Paralel artık YAA uygulaması ................................................................ 15 Şekil 3.3. Seçenek kaynaklı YAA uygulaması ....................................................... 15 Şekil 4.1. Tek fazlı YAA sistemi modelinin genel görünümü ................................ 20 Şekil 4.2. Tristör modüllerine ait benzetim blokları ............................................... 21 Şekil 4.3. Geçiş kontrol bloğu ................................................................................. 21 Şekil 4.4. Tristör tetikleme işareti üreticisi bloğu ................................................... 22 Şekil 4.5. Kaynak izleme bloğu .............................................................................. 22 Şekil 4.6. Kaynak gerilimi örnekleme bloğu .......................................................... 22 Şekil 4.7. Kesinti durumu R tipi yük ...................................................................... 23 Şekil 4.8. Kesinti durumu R tipi yük ...................................................................... 24 Şekil 4.9. Normal aktarım R tipi yük ...................................................................... 24 Şekil 4.10. Kesinti durumu RL tipi yük .................................................................. 25 Şekil 4.11. Normal aktarım RL tipi yük.................................................................. 26 Şekil 4.12. Kesinti durumu RC tipi yük .................................................................. 26 Şekil 4.13. Normal aktarım RC tipi yük ................................................................. 27 Şekil 5.1. Üç fazlı üç girişli YAA sistemine ait elektriksel şema kesiti ................. 29 Şekil 5.2. YAA izleme kartı ve bağlantıları ............................................................ 31 Şekil 5.3. YAA izleme kartı üzerinde bulunan giriş gerilimi izleme devresi ......... 31 Şekil 5.4. YAA izleme kartı üzerinde bulunan tristör tetikleme devresi…………32 xii Şekil Sayfa Şekil 5.5. YAA izleme kartı üzerinde bulunan paralel haberleşme devresi............ 32 Şekil 5.6. YAA izleme kartı üzerinde bulunan seri haberleşme devresi ................. 33 Şekil 5.7. YAA izleme kartı yerleşimi .................................................................... 34 Şekil 5.8. YAA yönetici kartı ve bağlantıları .......................................................... 35 Şekil 5.9. YAA yönetici kartı üzerinde bulunan çıkış gerilimi izleme devresi….. 36 Şekil 5.10. YAA yönetici kartı üzerinde bulunan çıkış akımı izleme devresi ........ 37 Şekil 5.11. YAA yönetici kartı üzerinde bulunan anahtar bilgileri......................... 37 Şekil 5.12. YAA yönetici kart yerleşimi ................................................................. 39 Şekil 5.13. YAA ön panel kartı üzerinde bulunan geriye dönük hafıza devresi ..... 40 Şekil 5.14. YAA ön panel kartı üzerinde bulunan uzaktan haberleşme devresi...40 Şekil 5.15. YAA ön panel mimik diyagram ve mamuren ....................................... 41 Şekil 5.16. YAA ön panel menüleri kullanma kılavuzu ......................................... 42 Şekil 5.17. YAA uzaktan izleme bilgisayar arayüzü .............................................. 43 Şekil 5.18. YAA uzaktan izleme bilgisayar arayüzü .............................................. 43 Şekil 5.19. YAA dc-dc çevirici ve besleme kartı………………………………….44 Şekil 5.20. YAA tristör tetikleme işaretleri………………………………………46 Şekil 5.21. YAA tristör tetikleme işaretleri………………………………………47 Şekil 5.22. YAA tristör tetikleme işaretleri………………………………………47 Şekil 5.23. YAA tristör tetikleme işaretleri………………………………………48 Şekil 5.24. YAA tristör tetikleme işaretleri………………………………………48 Şekil 5.25. YAA tristör akımları………………………………………………….49 Şekil 5.26. YAA tristör akımları………………………………………………….49 Şekil 6.1. Kesinti durumu senkron geçiş R tipi yük……………………………….50 xiii Şekil Sayfa Şekil 6.2. Kontrollü senkron geçiş R tipi yük ......................................................... 51 Şekil 6.3. Kesinti durumu asenkron geçiş R tipi yük .............................................. 51 Şekil 6.4. Kontrollü asenkron geçiş R tipi yük ……………………………………52 Şekil 6.5. Kesinti durumu senkron geçiş RC tipi yük ............................................. 52 Şekil 6.6. Kontrollü senkron geçiş RC tipi ............................................................. 53 Şekil 6.7. Kesinti durumu asenkron geçiş RC tipi yük ........................................... 53 Şekil 6.8. Kontrollü asenkron geçiş RC tipi............................................................ 54 Şekil 6.9. Kesinti durumu senkron geçiş RL tipi yük ............................................. 54 Şekil 6.10. Kontrollü senkron geçiş RL tipi yük..................................................... 55 Şekil 6.11. Kesinti durumu asenkron geçiş RL tipi yük ......................................... 55 Şekil 6.12. Kesinti durumu asenkron geçiş RL tipi yük ......................................... 56 xiv SĐMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama R Rezistif C Kapasitif L Endüktif RC Rezistif ve kapasitif RL Rezistif ve endüktif ms milisaniye s saniye Kısaltmalar Açıklama YAA Yarıiletken Aktarım Anahtarı KGK Kesintisiz Güç Kaynağı MCB Manyetik Devre Kesici 1 1. GĐRĐŞ Sanayi kuruluşları ve iş yerlerindeki hassas ve kritik yüklerin enerji güvenliğinin sağlanması için yedek enerji kaynaklarının hazır bulunması ve gereksinim duyulduğunda bu kaynakların hızlıca devreye alınması gereklidir. Hastaneler, iletişim ve veri işleme merkezleri, üretimin kısa bir süre durmasının bile çok büyük maliyetler getirebileceği sanayi kuruluşları, gerilimin belli bir değerin altına düşmesine izin veremezler. Birçok kuruluş, enerji güvenliğinin sağlanması için yedekli kesintisiz güç kaynakları barındırmaktadır. Geçmişte birincil ve ikincil kaynaklar arasındaki geçişleri sağlamak için mekanik anahtarlar kullanılmıştır. Ancak, yarıiletken teknolojisindeki gelişim ve hızlı denetleyicilerin artık erişilebilir olması nedeniyle günümüzde kaynaklar arası geçiş için yarıiletken aktarım anahtarları (statik transfer anahtarı) kullanılmaktadır. Yarıiletken Aktarım Anahtarlarında (YAA) genellikle tristör kullanımı tercih edilmektedir. Tristörlerin yüksek akımlarda güvenli olarak kullanılabilir olması bu tercihin en önemli nedenidir. Şekil 1.1’de kritik yükü iki adet üç fazlı kaynak arasında aktarabilen bir YAA’nın basit yapısı gösterilmektedir. Klasik bir YAA sisteminde iki tane kaynak bulunmaktadır: “Tercih edilen kaynak” ve “seçenek kaynak.” Yük, YAA anahtar aracılığıyla bu kaynaklardan birine bağlanır. YAA, iki ana kısımdan oluşmaktadır: Güç devresi ve denetim devresi. Güç devresinde, her bir faz için ters-paralel bağlı tristör anahtarlar kullanılır. Böylece istenilen yönde akım akıtılması ve istenilen yönde gerilim tıkanması olasıdır. Sistemin, tristörler devrede değilken de yüke enerji sağlayabilmesi gereklidir. Bunun için mekanik by-pass anahtarları (kesiciler) kullanılır. Ayrıca, tristör bloklarının bakım işlemleri sırasında sistemin yalıtımın sağlamak için de ayırıcı anahtarlar kullanılır. 2 Şekil 1.1 Đki kaynak arasında aktarım yapabilen 3-fazlı YAA’nın basit gösterimi YAA sistemleri herhangi iki kaynak arasında geçiş yapabilir. Bazı durumlarda şebeke ile bir jeneratör arasında, bazı durumlarda şebeke ile bir kesintisiz güç kaynağı (KGK) arasında, bazı durumlarda da iki KGK arasında geçiş yapılabilir. Son dönemlerde yenilenebilir enerji kaynaklarının da yaygınlaşmaya başlamasının sonucu olarak, YAA sistemleri rüzgâr, güneş ve hidroelektrik gibi değişik enerji kaynaklarının bir arada bulunduğu sistemlerde kritik yükleri güvenilir biçimde beslemek için de düşünülmektedir. Sanayi ve Ticaret Bakanlığı’nın (yeni adı Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı) tarafından SAN-TEZ projeleri kapsamında desteklenen ve GESS Ortadoğu Elektronik San. Tic. Ltd. Şti. firması ile birlikte yürütülen 00616.STZ.2010-1 kodlu “Kesintisiz Güç Kaynakları için Yarıiletken Aktarım Anahtarı Geliştirilmesi” başlıklı proje içerisinde gerçekleştirilen bu tez çalışmasında üç farklı kaynak arasında hızlı ve güvenilir geçiş sağlayabilecek 75 kVA gücünde 3 fazlı bir YAA’nın geliştirilmesi hedeflenmiştir. Kaynakların senkron olması durumunda 5 ms’nin altında geçiş yapması istenen sistemin ayrıntılı teknik özellikleri 3. Bölümde verilmektedir. Sistemin bir başka önemli özelliği ise üç kaynak seçeneği sunmasıdır. 3 Tezin 2. Bölümünde YAA sistemleri ile ilgili ayrıntılı bir literatür özeti sunulmaktadır. 3. Bölümde, geliştirilen sistem tanıtılmakta, 4. Bölümde ise MATLAB Simulink yazılım kullanılarak yapılan benzetim çalışmaları sunulmaktadır. Gerçekleştirilen sistemin ayrıntıları 5. Bölümde, bu sistem üzerinde yapılan deneysel çalışmaların sonuçları ise 6. Bölümde verilmektedir. 4 2. LĐTERATÜR TARAMASI Yarıiletken Aktarım Anahtarları, iki veya daha fazla sayıdaki kaynak arasında yüksek hızlı bir seçim yaparak yüke, mümkün olan en kaliteli enerjiyi sağlar [1]. Sistemde kullanılan tristörler her ne kadar 1971’den beri biliniyor olsa da, YAA kullanımı, yarıiletken teknolojisindeki ve algılayıcılar konusundaki gelişmeler sayesinde yaygınlaşmaya başlamıştır. Böylece, petrokimya tesisleri, veri işleme merkezleri, internet hizmeti sağlayıcıları, yarıiletken üretim tesisleri ve hastaneler gibi birbirinden farklı pek çok hassas ve yaşamsal yerde bu sistemlerin kullanımı talep edilmeye başlamıştır [1-2]. YAA sistemlerine olan ilginin artması şu üç öğeden kaynaklanmaktadır: a) Güvenilir yarıiletkenlerin varlığı, b) hassas yüklere uygulanacak gerilimlerle ilgili katı kısıtlamalar ve c) aynı amaçla daha önceden kullanılan elektromekanik anahtarların yavaş kalması [3]. Enerjinin kalitesine ve güvenilirliğine yönelik ilginin artması sonucu Özel Güç (Custom Power) elemanları daha fazla uygulama alanı bulmaktadır. Çok sayıda özel güç elemanının bir sanayi veya ticari park içerisinde bir arada kullanılmasıyla da Özel Güç Parkı oluşturulur. YAA sistemleri bu parklar içerisinde de kullanılmaktadır [5-7]. YAA sistemlerin çekici yanı, diğer güç kalitesi arttırıcı sistemlere göre daha düşük maliyetli olmasıdır. Elbette bu ancak sistemde ikinci bir hat bulunmakta ise geçerlidir. Böyle bir durumda sistemde bulunan mekanik aktarım sistemi kolaylıkla YAA sistemine dönüştürülebilir [8]. Güç kalitesi ile ilgili en önemli parametrelerden biri gerilim çökmesi olup, gerilim çökmelerinin etkilerini ortadan kaldırmak için bugüne kadar pek çok güç elektroniği devresi önerilmiştir. YAA, Dinamik Gerilim Düzeltici (Dynamic Voltage Restorer), Dağıtım Statik Kompanzatörü (DSTATCOM), Statik VAr Kompanzatörü (SVC) ve Yarıiletken Uç Değiştirici (Solid State Tap Changer) bunların en yaygın olanlarıdır. 5 YAA ise bunlar arasındaki en etkin çözümdür. Ortamda ikinci bir hat seçeneği olması durumunda, YAA hassas yükü hızlıca bu hata aktarabilir. Bu süre boyunca yük sadece sığ bir gerilim çökmesi yaşar [8]. YAA sistemleri sayesinde, kısa süreli gerilim çökmeleri nedeniyle kesicilerde oluşan gereksiz açmalar da önlenmiş olmaktadır [9]. YAA sisteminin başarımının yüksek olması için hızlı bir algılama ve denetim işlemi gereklidir. Tristör tabanlı YAA için hızlı bir gerilim algılama ve tristör anahtarlama mekanizması [10]’da önerilmektedir. Bu makalede önerilen gerilim algılama tekniğinde AA gerilimler senkron referans eksen takımına dönüştürülür. Herhangi bir üç fazlı sistemde kullanılabilecek olan bu teknik arızaların veya bozucu etkilerin hızlıca algılanmasına yardım eder. Teknik, kondansatör anahtarlamasından kaynaklanan geçici gerilimlere karşı da duyarsızdır. YAA kontrol devresi, iki bölümden oluşmaktadır: Gerilim algılama ve aktarma/anahtarlama devresi. Kontrol devresi, gerilim kaynaklarının kalitesini izler ve gerektiği zaman yük aktarımını gerçekleştirir. Bunun için hat gerilimleri ve hat akımlarına bakılır. abc-dq dönüşüm tekniği kullanılarak bu akım ve gerilimler senkron eksen takımına aktarılır. Elde edilen çıkış bir DA değer olup, bu değerin yine DA referans gerilim değeriyle karşılaştırılmasından bir hata işareti üretilir. Hata işareti bir alçak geçiren süzgeçten geçirilerek geçici gerilimlerin etkisinden arındırılır. Bu süzgecin çıkışı da bir karşılaştırıcıya uygulanarak tolerans sınırı ile karşılaştırılır. Karşılaştırıcının çıkışı, tercih edilen kaynağın arıza yapması durumunda aktarım işlemini başlatacak “aktarım işareti”dir. Bu denetleyicinin aynısı diğer kaynak için de kullanılır. [10]’da kullanılan anahtarlama stratejisi hat akımlarının yönüne bağlı olarak işlemekte olup şu biçimde tanımlanmaktadır: 1) Tercih edilen kaynakta bir arıza veya bozuntu algılanırsa, bu kaynağa bağlı tüm tristörlerin kapı darbeleri kaldırılır. 2) Đkinci aşamada, hat akımlarına bakılır. Hat akımının yönüne göre ikinci kaynağa bağlı gruptaki uygun tristörler anahtarlanır. Başlangıçta akımın 6 yönünün pozitif ve ilk gruptaki pozitif yönlü tristörün iletimde olduğu varsayılırsa, ikinci grupta da aynı yöndeki anahtar iletime girecek biçimde anahtarlanır. 3) Komütasyon başarılı olur ve tercih edilen kaynağın (ilk kaynak) akımı belli bir sınır değerin altına düşerse, ikinci grubun negatif yönlü anahtarı devreye alınır ve aktarım süreci tamamlanmış olur. 4) Bazı durumlarda komütasyon gerçekleşmeyebilir veya çalışma bölgesi değişene kadar tamamlanmamış olur. Bu durumda, birinci gruptaki anahtarlar hala daha iletimde olacağından, aynı grubun negatif yönlü anahtarı iletime sokulur ve akımın sıfıra düşmesi beklenir. Bu geçişin ardından, tanımlanmış bir gecikme ile ikinci grubun negatif yönlü anahtarları tetiklenir. 5) Eğer akımın yönü değişir ancak sıfır geçiş algılanmazsa, ikinci grubun negatif yönlü anahtarları, gerilimin sıfır geçişi sırasında anahtarlanarak geçiş süresi optimize edilmiş olur. Makalede, önerilen algoritmanın EMTDC ile yapılan benzetim çalışmalarının ve deneylerin sonuçları verilmektedir. Çalışmada, üç faz gerilim çökmesi, tek faztoprak kısa devre arızası ve faz arası kısa devre arızaları incelenmiş ve kullanılan algoritma ile olaylar kısa sürede belirlenmiş ve aktarım gerçekleştirilmiştir. Verilen örneklerde en hızlı tepkinin tek fazdan toprağa kısa devre durumunda (3 ms), en yavaş tepkinin ise üç faz kısa devre durumunda (7.91 ms) olduğu görülmektedir. Aktarım sırasında kaynaklar arasında akım dolaşımı olup olmadığını belirlemekte kullanılan bir algoritmada [1]’de önerilmektedir. YAA sistemlerinin doğal olarak ilk kullanım alanı enerji dağıtım sistemleridir. Ancak zamanla orta gerilim sistemlerinde de bu düzenekler kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek güç uygulamalarında kritik yükleri iki orta gerilim fideri arasında aktarmak için Elektromekanik Aktarım Anahtarları kullanılmaktadır. Bu anahtarların aktarım süresi 2 ila 10 saniye arasındadır. Bu yavaş tepki nedeniyle bir kaç periyotluk enerji kesintileri ortaya çıkabilir. Bu anahtarların yerine, aktarımı hızla gerçekleştirebilmek amacıyla artık YAA kullanımı önerilmektedir [11-13]. 7 YAA sistemlerinde aktarım, yükün tipinden ve bozucu etkinin karakteristiğinden bağımsız olarak mümkün olduğunca hızlı gerçekleştirilmelidir [3]. Birincil (tercih edilen) kaynakta bir bozuntu oluşması durumunda yaşanacak güç kesinti süresi, yükün davranışının uygunluğunu belirlemekte kullanılacak önemli bir etmendir. Güç kesintisi, toplam aktarım süresi ile tanımlanır. Bu süre, gerilim algılama devresindeki gecikmeyi ifade eden algılama süresi ve yük aktarım mekanizmasının gecikmesini ifade eden aktarım süresinin toplamına eşittir. Anahtarlama siteminin yapısı [3]’de ayrıntılı olarak incelenmektedir. Makalede yük aktarımındaki gecikmeyi etkileyen parametreler belirlenmekte, R-L yüklü 3 fazlı 4 iletkenli bir sistemde aktarım zamanını tahmin etmek için analitik eşitlikler çıkartılmakta ve maksimum aktarım gecikmelerine yol açabilecek senaryolar ortaya konulmaktadır. Örnek bir orta gerilim sisteminin çeşitli bozucu etkiler altındaki davranışının PSCAD/EMTDC yazılımı ile benzetimi verilmektedir. Aktarım süresi her bir fazdaki tristörlerin arasındaki komütasyon ile ilintili olduğundan, bu süreyi tahmin etmek kolay değildir [3]. Komütasyon süresi de, sistem parametrelerine ve elemanların karakteristiklerine bağlıdır. Ancak, bazı varsayımlarla tahmin işlemi basitleştirilebilir. Bu varsayımlar aşağıda sıralanmıştır: • Birincil ve ikincil kaynağın aynı fazda olması. Bu, gerçekçi bir varsayımdır. • Tristörlerdeki gerilim düşümü, sistemin gerilim düzeyi ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir. • Hat empedansları, yük empedansının yanında ihmal edilebilir. • Aktarım sırasında kaynaklar arasında akım dolaşımı olmaz. Makalede bu varsayımlar kullanılarak simetrik ve asimetrik, değişik arıza koşullarında R-L yükler için aktarım süreleri tahmin edilmiş, bu çalışmalar sonucunda, aşağıdaki çıkartımlar yapılmıştır: 8 • Tristörler arasındaki komütasyon ile belirlenen aktarım süresi, YAA denetim stratejisine, sistem parametrelerine ve arıza tipine bağlıdır. • Aktarımın en uzun sürdüğü durum, devreden çıkmakta olan ve devreye girmekte olan tristörlerin komutasyonlarının başarısız olduğu durumdur. Komütasyonun başarısız olması, devreye alınacak tristörün gerilim düşümüyle bu tristörün bağlı olduğu hat akımının yönünün birbirine ters olmasından kaynaklanmaktadır. • Yükün güç katsayısı küçüldükçe aktarım süresi uzar. Gerilim çökmesinin genliği ve süresi doğrudan YAA denetim mantığına bağlıdır. Bu nedenle, gerilimin algılanması ve aktarım olabildiğince hızla gerçekleştirilmelidir [8]. [10]’da önerilen aktarım algoritmaları seçenek kaynaklar arasındaki faz ve genlik farkının sıfıra yakın olduğu varsayımına dayanmaktadır. Arızanın tipi ve şiddetinin etkisi ile rejeneratif yüklerin aktarım zamanına etkisi de [14]’de aynı varsayımla incelenmiştir. Ancak gerçekte iki kaynağın fazları arasında oldukça büyük farklar, genlikleri arasında da küçük de olsa farklılıklar olabilir. [9]’da, bu gerçekçi durum için gerilim algılama ve aktarım yöntemleri geliştirilmiştir. Makalede önerilen gerilim algılama algoritmasında, anlık gerilimler yüksek frekanslı olarak örneklenmekte ve gerilimin etkin değeri hesaplanmaktadır. Herhangi bir gerilim dalgalanmasına hızlı tepki verebilmek için algoritmada ikinci mertebeden bir transfer fonksiyonu kullanılmaktadır. Tepkiyi daha da hızlandırmak için üç faz için hesaplanan etkin değerlerden en küçük olanı işleme alınır. Sonra da, referans değerden sapma hesaplanarak, toleransın dışına çıkıldığında gerekli tristör anahtarlamaları yapılmaktadır. Aktarım yapılmadan önce, ikincil kaynağın da gerilimlerinin toleranslar içerisinde olduğunun saptanması gereklidir. Bir gerilim çökmesi yaşandığında tristörlerin hızlı ve güvenilir biçimde anahtarlanması, üç değişkenin bağıl konumuna ve genliğine bağlıdır: a) Birincil kaynağın anlık gerilimi, b) Đkincil kaynağın anlık gerilimi, c) Birincil kaynağın anlık 9 akımı. Bunun sonucu olarak da, aktarım zamanı aşağıdaki parametrelerle doğrudan ilişkilidir: • Đki kaynağın arıza öncesindeki faz gerilimleri arasındaki faz açısı (Yüke aktarılan aktif ve reaktif güç değerlerine, hat empedansına bağlı olarak bu değer 0 ile 40 derece arasında olabilir.) • Đkincil kaynağın arıza öncesindeki gerilim genliği • Yükün güç katsayısı (Bu değer, ikincil kaynağın akımının gerilimine göre konumunu belirler.) • Arızanın şiddeti (Bu da aktarım işareti üretildiği anda birincil kaynağın anlık gerilim değerini belirler.) • Arızadan kaynaklanan faz açısı sıçraması • Arıza sonrası faz gerilimleri (dolayısıyla arıza tipi) • Arızanın oluştuğu an Makalede, tüm bu parametreleri göz önüne alarak anahtarlama stratejilerinin nasıl belirlendiği ayrıntılı olarak anlatılmaktadır. Alçak gerilim sistemlerinde YAA transformatörlerin alçak gerilim tarafında, yüksek gerilim sistemlerinde ise yüksek gerilim tarafında bulunurlar. Hassas yükler içerisinde bir transformatör bulunduğunda, bu transformatör aktarım sırasında geçici olaylara maruz kalır. Dolayısıyla, yük aktarımının ardından transformatör akısı anlık olarak bir yükselme yaşar ve bu da geçici bir akıma neden olur. Bu geçici olaylar transformatör uçlarında aktarım sonrası bir gerilim çökmesine neden olur. YAA sisteminin, besleme hattındaki gerilim çökmesi ile transformatörün yaşadığı bu aktarım kaynaklı çökmeyi ayırt edebilmesi gereklidir. Aktarım sonrası gerilim çökmesi, transformatörün parametrelerine (doyma karakteristikleri, hat empedansı ve aktarım süreci gibi) bağlıdır [15]. [15]’de ayrıca geçici akımın tepe değerinin algılama süresine ve aktarım süresine bağlı olduğu, toplam aktarım süresinin kısa olması durumunda geçici akının ve akımın genliğinin de küçüldüğü, algılama ve aktarım sürelerinin ayrıca yükün tipine 10 ve bozucu olayın karakteristiğine bağlı olduğu vurgulanmaktadır. Ayrıca, en kötü durumun rejeneratif yük olması durumunda ortaya çıktığı, motor içeren bir yükte bazı bozucu olaylarda komütasyonun başarısız olabildiği ve aktarım süresinin çok uzadığı belirtilmektedir. Bu çalışmanın sonucunda, YAA sisteminin denetim algoritmasının, aktarım sonrası oluşabilecek gerilim çökmelerini ayırt edebilecek biçimde tasarlanması gerektiği ve YAA sisteminin tristörlerinin akım değerlerinin bu geçici olaylar göz önüne alınarak seçilmesi gerektiği vurgulanmaktadır. Benzer olarak, motor da içeren endüktif bir yük olması durumunda yük aktarımı sırasında rejeneratif bir çalışma söz konusu olabilir [16]. Bunu, motorun yükü ve RL yükünün parametreleri belirler. Ayrıca, oluşan arızanın niteliği ve ortaya çıkma anı da bu çalışmaya yol açabilir. Maksimum aktarım süresi, komütasyonun başarısız olduğu ve yükün rejeneratif hale geldiği fazda ortaya çıkar. Eğer yük rejeneratif hale gelirse, aktarım süreleri gerilimlerin sıfırdan geçiş anları ile belirlenir. Yükün motor içermesi durumunda aktarım süresini uzatan bir başka etken de fazlar arasındaki farktır [17]. Fazlar arasındaki farkın kaynağı da hat endüktansıdır [18]. 25 derece civarında bir faz farkı aktarım süresini 2 ms kadar uzatabilmektedir. Bu farklılıklardan dolayı kaynaklar arasındaki dolaşım akımının genliği de artmaktadır. Çok sayıda asenkron motor içeren sanayi tesislerinde kısa süreli enerji kesintileri veya gerilim çökmelerinin ardından sıkıntılar yaşanabilir [19-20]. Gerilim geri geldikten sonra motorların çektiği yüksek akım gerilimin çökmesine yol açabilir. YAA, bu problemi önlemek için de kullanılabilir. Ancak, yük asenkron motorları içerdiğinde aktarım süresi daha uzun olur. Bu nedenle, YAA sistemin tasarımında dikkatli olmak gereklidir. Sistemde kullanılan tüm bileşenlerin, örneğin güç kaynakları, KGK sistemi, koruma devreleri, dağıtım sistemi, transformatörler, dikkatlice incelenmesi gereklidir. Çok değişik YAA türleri söz konusu olabildiğinden, hedef uygulama göz önünde bulundurularak karar verilmelidir [2]. YAA sistemlerinde karşılaşılabilen bir problem de ikincil dağıtım sistemlerinde olabilecek dengesizlikler konusudur [21]. Đkincil dağıtım sisteminde dengesizliği en 11 aza indirgemek için bir teknik geliştirilmesi gerekmektedir. Dengesizlik, tek fazlı sistemlerin eşit dağıtılamamasından kaynaklanır. Otomatik ve uzaktan kumandalı bir YAA sistem kullanılarak bu sorunun başarıyla giderildiği ileri sürülmektedir. Tüketicilerin fazlara düzgün dağıtılması için düzenlemeler önerilmektedir. Önerilen sürekli dinamik on-line yük kaydırma tekniği minimum kesintiye, daha az güç kaybına ve gerilim düşümüne yol açmaktadır. YAA içeren sistemlerin güvenilirlik analizleri de özellikle önemlidir. YAA sistemi de bulunan bir KGK için karşılaşılabilecek arıza türleri açısından bir güvenlik analizi [22]’de verilmiştir. YAA sistemlerin tasarımı ve başarım değerlendirmesi besleme sisteminin, YAA’nın ve hassas yükün ayrıntılı bir analizini gerektirir. IEEE PES, • YAA sistemlerin benzetim çalışmalarında bir kılavuz oluşturmak, • YAA sistemlerin analizi için kullanılan benzetim programlarının başarımlarının değerlendirilmesi için temelleri oluşturmak • YAA sistemlerinde kullanılan çeşitli algılama ve denetim stratejilerinin başarımlarını değerlendirmek için temel göstergeleri oluşturmak amaçlarıyla bir komite oluşturmuş ve bu komite de YAA anahtarların benzetiminde kullanılacak iki temel model geliştirmiştir. Her iki sistem, a) kaynak, b) YAA, ve c) hassas yük içermektedir [14]. Geliştirilen sistemler YAA-1 ve YAA-2 olarak adlandırılmış olup daha sonra bu alanda çalışan kişiler tarafından da kullanılmıştır. [23-24] benzetim çalışmaları için farklı model önerileri vermektedir. [25]’de ise YAA sisteminin gerçek zamanlı benzetimi için bir çalışma sunulmaktadır. YAA sistemleri yenilenebilir enerji kaynakları ile birlikte de kullanılabilmektedir. [26]’da, yakıt pilinden beslenen şebeke etkileşimli bir eviricinin şebekeden ayrılıp kendi başına çalışması anlatılmaktadır. Eviricinin çıkış geriliminin genlik modülasyonu veya faz modülasyonu ile YAA’nın akımının sıfıra düşmesi sağlanır. Evirici, YAA devre dışı bırakılmadan önce akım denetim modundan gerilim denetim 12 moduna geçirilir. Bu nedenle, bu sırada yük üzerinde aşırı gerilim oluşması önlenir ve yumuşak bir geçiş sağlanır. [27]’de [26]’da incelenen sisteme LCL süzgeci de eklenerek analiz yapılmıştır. [28]’de “dürtü komütasyonlu” köprü bağlantılı YAA devresi önerilmektedir. Her faz için bir adet köprü kullanan sistemde böylece daha iyi bir geçiş ve daha kısa aktarım süreleri söz konusu olabilmektedir. Makalede ayrıca geçişler sırasında yük tarafındaki transformatörlerde oluşan inrush olayı irdelenmektedir. Gerilim çökmesi durumunda yüke uygulanan bozulmuş gerilimler akıda bir DA ofsete neden olmaktadır. Bunun üzerine gelen aktarım sırasında da transformatör doymaya girebilmekte ve 2-6 pu arasında inrush akımları oluşabilmektedir. Makalede dürtü komütasyonlu köprü YAA ile birlikte kullanım için tasarlanan akı bir tahmin edici tanıtılmaktadır. Bu devre, daha düşük DA ofsete yol açacak aktarım anını belirlemekte kullanılmaktadır. YAA sistemlerinde bozuntuların hızlı algılanabilmesi çok önemlidir. Hızlı algılama için literatürde çeşitli yöntemler önerilmiştir. Fourier dönüşümü kullanımı, çentik süzgeç veya bant durduran süzgeç kullanımı, p-q teorisinin α-β dönüşümü ile kullanımı, senkron referans eksen takımı yöntemlerinin kullanımı, genişletilmiş PLL yöntemlerinin kullanımı ve dalgacık dönüşümü bunların bazılarıdır. Bu yöntemlerin her birinin bazı üstünlüklerinin yanı sıra bazı eksiklikleri de bulunmaktadır. [29] numaralı makalede bu yöntemlerle ilgili ayrıntılı değerlendirmeler yapılmaktadır. Örneğin Fourier dönüşümü veya PLL tipik izleme bilgisini üretmekte yavaş kalırlar. Dalgacık dönüşümü kullanıldığında üretilen sonuçların yorumlanması zordur. IEEE tarafından önerilen abc-0dq dönüşümü gerilim bozuntusunu çok çabuk algılayabilmekte ancak dengeli 3-fazlı sistemlerde bir DA ofset varsa bu yöntem başarısız olmaktadır. Ayrıca, tek faz-toprak arızası olması durumunda algılama süresi uzun olmaktadır. 90° faz kaydırma algoritması hem 3 fazlı sistemlerde DA ofseti ve birçok gerilim dengesizliği durumunu algılamada çok hızlı sonuç vermekte, hem de arıza türünü ve karakteristiğini ayırt edebilmektedir. Bu makalede, abc-0dq yöntemi ile 90° faz kaydırma algoritması birlikte kullanılarak çoğu gerilim bozuntusunu hızla algılayabilen yeni bir karma yöntem geliştirilmiştir. Geliştirilen yöntemde faz 13 gerilimleri her iki teknikle aynı anda izlenmekte, her iki teknik ayrı ayrı hata algılama yapmaktadır. 14 3. GERÇEKLEŞTĐRĐLEN YARIĐLETKEN AKTATIM ANAHTARI SĐSTEMĐ Bir YAA sisteminin basit yapısı Şekil 3.1’ de yeniden gösterilmektedir. Bu sistemde 2 tane kaynak bulunmaktadır. Sistemde güç elemanı olarak tristörler kullanılmakta olup, ayrıca bir algılama ve denetleme birimine de gereksinim duyulmaktadır. Şekil 3.1. YAA sisteminin genel yapısı Bu tez kapsamında geliştirilen YAA sistemi KGK’ lar ile birlikte kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Şekil 3.2 ve Şekil 3.3 bu tez kapsamında üzerinde çalışılan yapıları göstermektedir. Şekil 3.2’deki yapıda kritik bir yük iki ayrı KGK üzerinden beslenmektedir. Gerektiğinde, bu KGK’lar devre dışı bırakılarak yük şebekeden beslenebilmektedir. 15 Şekil 3.2. Paralel artık YAA uygulaması Şekil 3.3. Seçenek kaynaklı YAA uygulaması Şekil 3.3’deki yapı ise kritik bir yükün çeşitli kaynaklardan beslenebilmesine olanak sağlamaktadır. Yük, duruma göre şebekeden, bir dizel jeneratörden veya yenilenebilir bir enerji kaynağından beslenebilir. Bu durumlarda geçişler, YAA aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. 16 Hedeflenen sistemin temel teknik özellikleri aşağıda sıralanmaktadır: Çalışma gerilimi 220/230/240 VAC 1 Faz, 50/60Hz 380/400/415 VAC 3 Faz, 50/60Hz Çalışma Akımı 50 A / 100 A / 200 A – 1 Faz 3x50 A /3x100 A /3x200 A /3x 300 A-3 Faz Çalışma Gerilim Aralığı ± % 15 Çalışma Frekans Aralığı ±%5 Senkron Aralığı ± % 10 Yükün Güç Katsayısı 0 – 1 endüktif, kapasitif Aşırı Yük Kapasitesi % 100 - % 125 arası, 10 dakika. % 125 - % 150 arası, 5 s. % 150 - % 300 arası, 100 ms. % 300 üzeri kısa devre koruma. Transfer Yönetimi Geçmeden önce bırak (Break before make) Senkron Transfer süresi < 5 ms ( ¼ periyot, 50 Hz’de) Asenkron Transfer Süresi < 20 ms Çalışma Sıcaklığı - 10 °C / + 50 °C Haberleşme RS232, RS485, Modbus, TCP/IP Sistemin diğer özellikleri de aşağıda sıralanmıştır: • Mikroişlemci kontrolü ile hızlı denetim ve yüksek performans. • Bağımsız kaynaklar arasında otomatik veya manuel kesintisiz transfer. • 3. Kaynak girişini paralel yedekli KGK kullanımında ortak by-pass hattı olarak kullanabilme. • 3. Kaynak girişini yedek hat girişi olarak kullanabilme. • Öncelikli kaynak tercihi yapabilme. • Asenkron transfere izni verme veya yasaklama. Geliştirilen YAA, sürekli olarak girişlerine bağlanmış kaynakları izlemekte ve gerilim veya frekansın sınırlar içinde olup olmadığına, kaynakların birbirlerine senkron olup olmadığına karar vermektedir. Eğer öncelikli kaynak öngörülen 17 değerler arasında ise kritik yük öncelikli kaynağa aktarılmakta, eğer öncelikli kaynak öngörülen değerler arasında değil ise yük ön görülen değerler içerisinde olan 2. kaynağa aktarılmaktadır. Öncelikli kaynak tekrar öngörülen değerler içerisine girdiğinde yük öncelikli kaynağa geri aktarılmaktadır. Öncelikli olan kaynak panel üzerinden seçilebilmektedir. YAA, senkron denetimli aktarımlarda kritik yükü kesintiye uğratmadan kaynaklar arasında aktarır. Kritik yükü besleyen kaynaktaki bir kesinti durumunda yük, 5 ms’den daha az bir süre içinde diğer kaynağa aktarılmaktadır. Eğer kaynaklar birbirine asenkron ise ve asenkron transfere izin verilmişse aktarım süresinin üst sınırı 20 ms olmaktadır. YAA üzerinde bulunan 3. kaynak girişi sayesinde 3. bir kaynak veya şebeke elektriği sisteme bağlanabilmektedir. 3. Kaynak, önceliği en son olan kaynak olarak kullanılabilir. Ayrıca 3. kaynak yedek kaynak girişi olarak arızalı hattın yerine de kullanılabilir. Böylece yedekli çalışma sağlanarak güvenilirlik arttırmaktadır. YAA paralel yedekli olarak KGK’lar ile kullanılacağı zaman 3. kaynak giriş önem kazanmaktadır. Çünkü normal uygulamada KGK’ dan birisi arızalandığında her iki KGK da önce kritik yükü şebekeye, yani by-pass hatlarına aktarır ve daha sonra sağlam olan KGK yükü üzerine alır. Bu süre kısa da olsa, o anda şebekede kesinti veya dalgalanma riski oluşur. 3. kaynak girişli YAA’da ise ancak iki KGK da arızalanırsa kritik yük şebekeye transfer olur. Geliştirilen sistemde 3. kaynak girişi KGK’ların ortak by-pass hattı olarak görev yapmaktadır. Böylece KGK’ların kendi by-passları kullanılmadan gerçek paralel yedekli çalışma sağlanmış olmaktadır. Đki kaynak girişli YAA’da paralel çalışan KGK’ların herhangi biri arızalandığında ikinci KGK’ya geçişte önce KGK’lar beraberce by-pass hattına kritik yükü transfer eder ve daha sonra ikinci KGK’ya geçiş sağlanır. Ayrıca, statik transfer anahtarlarında kritik yük %100 değerini aşmış ise yük kesintisiz olarak 3. kaynağa aktarmakta ve böylece gereksiz kapanmalar ve kesintiler önlenmiş olmaktadır. 18 YAA mikroişlemci kontrolü sayesinde tristör modül arızasını da tespit eder ve yükü uygun kaynağa aktarır. Arıza uyarısı vererek arızalı olan tristör modül bloğunu ön panelde gösterir. Bu kaynağın tristör bloğu arızası giderilmediği takdirde yükü bir daha bu kaynağa aktarmaz. 19 4. BENZETĐM ÇALIŞMALARI Bu bölümde, YAA sistemlerinin işleyişini incelemek için tek fazlı bir YAA sisteminin MATLAB Simulink yazılımı yardımıyla benzetim çalışmaları anlatılmaktadır. Kurulu sistemde üç faz için de aynı işlemler yapıldığından, üç fazlı sistemin benzetimi ayrıca yapılmamıştır. Bu benzetimdeki amaç YAA’nın aktarım yönteminin doğruluğunu görmek ve aktarımlar sırasında akım ve gerilim işaretlerini izlemektir. Buna ek olarak bu benzetim sayesinde R tipi yük, R-L tipi yük ve R-C tipi yükler altında YAA davranışı incelenecektir 4.1. Tek Fazlı YAA Sisteminin Benzetimi Tek fazlı YAA sisteminin çalışmasına yönelik modelleme ve benzetim çalışmaları için SIMULINK ortamında geliştirilen sistem modeli ve alt blokları Şekil 4.1. – Şekil 4.6. arasında verilmektedir. Şekil 4.1.’de sistemin genel yapısı gösterilmektedir. Şekil 4.2-4.6 arasında sırasıyla tristör modülleri bloğu, geçiş kontrol bloğu, tristör tetikleme işareti üreticisi bloğu, kaynak izleme bloğu ve kaynak gerilimi örnekleme bloğu için kullanılan yapılar verilmektedir. Kaynak izleme bloğunun görevi; bağlı bulunduğu kaynağın gerilim örnekleme değerini referans değerler ile karşılaştırmaktır. Bu karşılaştırma sonucu oluşan lojik değer geçiş kontrol bloğuna gönderilir. Çıkış gözetleme bloğunun görevi; çıkış gerilimini referans değerler ile karşılaştırıp bir hata sinyali oluşturmak, transferler esnasında tristör akımlarının sıfıra düştüğünden emin olmak ve bunun sonucunda lojik bir sinyal ile geçiş kontrol bloğuna haber vermektir. Geçiş kontrol bloğunun görevi; farklı kaynaklardan gelen lojik değerlere ve çıkış gözetleme bloğundan gelen lojik bilgiye göre en uygun olan kaynağın yükü üzerine alması için o kaynağa ait tristör tetikleme işareti üretici bloğunu devreye alır. Tristör modülleri bloğu içerisinde tristör modüllerini barındırır. Bu modüller tristör tetikleme blokları ile tetiklenir ve bu sayede uygun olan kaynak yüke doğrudan bağlanmış olur. 20 poz gate enable neg gate g1 SOURCE1 THYRISTOR GATE poz gate g2 enable neg gate g3 ac input2 SOURCE2 THYRISTOR GATE g4 In1 trig1 ac input1 In2 trig2 out_con ac output TRANSFER CONTROLLER REAL POWER CONTROL UNIT ac input + - v Out1 + - v +v - Voltage Measurement1 Voltage Measurement2 SOURCE1 MONITORRING Voltage Measurement Current Measurement A B C A B C Out1 Three-Phase Programmable Voltage Source 1 SOURCE2 MONITORRING N N Three-Phase Programmable Voltage Source2 Out1 ac input OUTPUT CONTROLLER Şekil 4.1. Tek fazlı YAA sistemi modelinin genel görünümü i + - Parallel RLC Branch ac input Scope 21 1 ac input 1 Demux g m a k Thyristor 1 g1 2 g2 Scope 1 Demux Scope 2 m g k a Scope 5 Scope 6 Thyristor1 3 g3 3 ac output 4 g4 g m a k Thyristor2 Demux 2 ac input 2 m g k a Scope 3 Scope 7 Demux Thyristor3 Scope 4 Scope 8 Şekil 4.2. Tristör modüllerine ait benzetim blokları Şekil 4.3. Geçiş kontrol bloğu 22 Şekil 4.4. Tristör tetikleme işareti üreticisi bloğu 1 rec. Out ac input ac logic ac input double Data Type Conversion Scope ac band control ac input feedback double Data Type Conversion 1 Out1 In2 1 Out 1 controller Şekil 4.5. Kaynak izleme bloğu 1 ac input A 1 + - v + 2 Voltage Measurement1 B Linear Transformer 1 - Scope Series RLC Branch 2 Universal Bridge 1 1 rec. Out Series RLC Branch 3 Şekil 4.6. Kaynak gerilimi örnekleme bloğu 23 4.2. Benzetim Sonuçları Đlk benzetim çalışması değişik yük koşullarında 1. kaynağın tamamen devre dışı kalması durumuna ilişkindir. Tanımlı sınırların dışına geçildiği anlaşıldığında denetleyici 2. kaynağı devreye almaktadır. Kaynak 2 saniye boyunca istenilen sınırlar içerisinde ise kaynak var kabul edilmektedir. Şekil 4.7. – Şekil 4.13. arasında R yükü için (R=100 ohm) edilen değişimler verilmektedir. 1. Kaynak t = 3 s anında kesintiye uğramaktadır (Şekil 4.7). Bu durum algılanmakta ve 5 ms’nin altında bir sürede diğer kaynak devreye alınmaktadır. Şekil 4.8’de ise bu çalışma koşulu sırasındaki genel görünüm verilmektedir. Kesintiye uğrayan kaynak 1 gerilimi t=4s’de geri gelmektedir. Algılayıcı bu durumu görmekte, 2s izledikten sonra t = 6s’de kaynağa geri aktarmayı gerçekleştirmektedir. Bu geçiş Şekil 4.9’da gösterilmektedir. Şekil 4.7. Kesinti durumu R tipi yük (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım) 24 Şekil 4.8. Kesinti durumu R tipi yük genel görünüm (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım) Şekil 4.9. Normal aktarım R tipi yük (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım) 25 Şekil 4.10.’da ve Şekil 4.11.’de RL (R=100 ohm L=3mH) yük altında, Şekil 4.12.’de ve Şekil 4.13.’de RC (R=10 ohm C=200µF) yük altında, benzetim sonuçları görülmektedir. Değişik yükler altında gerçekleştirilen benzetim sonuçları incelendiği zaman yük akımındaki enerji kesintisi 5 ms’ den küçük olduğu görülmektedir. Şekil 4.10. Kesinti durumu RL tipi yük (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım) 26 Şekil 4.11. Normal aktarım RL tipi yük (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım) Şekil 4.12. Kesinti durumu RC tipi yük (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım) 27 Şekil 4.13. Normal aktarım RC tipi yük (v1:1. kaynak, v2: 2.kaynak, v3: çıkış, v4: akım 28 5. Üç Fazlı YAA Sisteminin Gerçekleştirilmesi Bu bölümde üç fazlı 380 V, 100 A, 75 kVA YAA devresinin tasarım ve geliştirme çalışmaları verilmiştir. Geliştirilen sisteme ait mevcut devre diyagramları ise Ek-1 – Ek-4 arasında verilmiştir. 5.1. YAA Güç Devresi YAA güç devresi tasarımı Şekil 5.1.’de verilmiştir. Tasarım sırasında aşağıdaki hususlar göz önüne alınmıştır. - YAA’ nın elektronik devresini güç devresinden tamamen yalıtmak gerekir. Bu yüzden giriş kaynaklarının gerilimlerini, çıkış gerilimleri ve çıkış akımı izole trafolar vasıtası ile örneklenmektedir. - YAA’ nın girişlerinde, çıkışında ve bypass hatlarında aşırı akım korumalı MCB’ ler anahtar görevi görmektedir. - Ayrıca tristörlerin düşük yüklerde de iletime geçirilebilmesi için çıkışa paralel olarak boşta çalışma yükü (dummy load) eklenmiştir. Tristör seçimi yük izin aralığı dikkate alınarak yapılmalıdır. Bir YAA %150 yük akımına sürekli olarak dayanabilmelidir. Yani, 100 amper bir YAA 150 amper yük akımına sürekli dayanabilmelidir. Ayrıca kısa devre akımlarına anlık olarak dayanabilmelidir. Bu çalışmada 180 amper rms akım değerine sahip MCC95-12 tristör kullanılmıştır. Bu tristör modülüne ait katalog bilgileri Ek-6’da verilmiştir. Tristörleri uzun süreli aşırı akımlardan korumak için tristörlere seri olarak hızlı sigorta bağlanmalıdır. YAA 100 amper değerli olduğu için ve %300 tepe akımına dayanabildiği için hızlı sigortalar 300 amper değerinde seçilebilir. Ayrıca YAA iç sıcaklığının artması durumunda fanı devreye almak için 50 derecelik termostat devresi kullanılmıştır. Fan bozulması veya aşırı ısı durumlarında YAA’nın kendini kapatması gerekir. Bunun için 70 derecelik termostat kullanılmıştır. 29 5.2. YAA Elektronik Devresi 3 Fazlı YAA elektronik katı 6 adet elektronik kart içermektedir. • 3 adet izleme kartı • 1 adet yönetici kart, • 1 adet ön panel kartı • 1 adet (310v-16v) DA-DA dönüştürücü ve besleme kartı. Şekil 5.1. Üç fazlı üç girişli YAA sistemine ait elektriksel şema kesiti 30 5.2.1. Đzleme kartları Bu kartlar, kendi kaynak girişine ait üç faz gerilimleri sürekli olarak izler ve yönetici (master) karta bu bilgileri aktarır. Yönetici kart görevlendirdiği takdirde bu kart kendi kaynağına ait tristör gruplarını tetikleyerek bu kaynağın yükü üzerine almasını sağlar. Özetle bu kart kendi kaynağını izler ve bu kaynağa ait tristör tetiklerini üretir. YAA girişlerinde üç kaynak bulunduğu için bu karttan üç adet vardır. Bu kartlar slave1, slave2 ve slave3 kartları olarak adlandırılmıştır. Bu kartlar yönetici (master) kart ile optik tranzistörler vasıtası ile izole olarak çok hızlı (20 kHz) bir haberleşme içerisindedirler. Ayrıca bu kartlar ön panel ile izole-rs485 seri haberleşme (9600 baud rate) kullanarak haberleşmektedirler. Bu sayede her bir izleme kartı ölçüm değerlerini LCD panele gönderebilmekte ve kullanıcı ayar parametrelerini ön panelden alabilmektedir. Đzleme kartı ve bağlantıları Şekil 5.2.’de gösterilmiştir. Kartın sol tarafında kartın beslemesi olan 15 volt DA giriş bağlantısı görülmektedir. Kartın üst kısmında giriş gerilimlerine ait geri besleme devreleri (15-0-15) bulunmaktadır. Kartın alt kısmında tristör kapı sinyallerinin üretildiği devre ve tristör kapı bağlantıları bulunmaktadır. Kartın sağ tarafında görünen 14’lü konnektör bağlantısı ile yönetici kart ve izleme kartı arasındaki RS-485 haberleşmesi ve paralel haberleşme sağlanmaktadır. Kartın sağ tarafında görünen diğer konnektör 1. kaynağın giriş sigortasının konum bilgisini öğrenmek ve uyarı vermek için kullanılmıştır. Bu karttan 3 adet vardır. Her bir kaynak için bir adet kart kullanılmıştır. Đzleme kartı üzerinde bulunan giriş kaynağının bir fazına ait gerilim izleme devresi ve tristör tetikleme devresi Şekil 5.3 ve 5.4’de gösterilmiştir. Sistemin her fazında bu devrelerden üçer adet bulunmaktadır. Şekil 5.3.’de L1 girişinde 15-0-15 isimli konnektör orta uçlu 220V/15V örnekleme trafosu girişidir. Bu devre çıkışında iki adet sıfır geçiş bilgisi ve bir adet doğrultulmuş gerilim analog bilgisi elde edilir. Bu bilgiler mikrokontrolcü tarafından kullanılır. Şekil 5.4.’de L3 çıkışında görülen konnektör tristör kapılarına bağlanmaktadır. Devre girişine gelen mikrokontrolcü 31 sinyalleri bir tampon ile güçlendirilmiş ve bir tranzistör kullanılarak trafo yardımı ile tristör kapılarından tamamen izole edilmiştir. Şekil 5.2. YAA izleme kartı ve bağlantıları Şekil 5.3. YAA izleme kartı üzerinde bulunan giriş gerilimi izleme devresi 32 Şekil 5.4. YAA izleme kartı üzerinde bulunan tristör tetikleme devresi Şekil 5.5. YAA izleme kartı üzerinde bulunan paralel haberleşme devresi Şekil 5.5’de izleme kartı üzerinde bulunan ve tamamen izole edilmiş olan paralel haberleşme devresi gösterilmiştir. Bu devre vasıtası ile 3 adet giriş ve 2 adet çıkış 33 bilgisi yönetici kart ile izole bir şekilde haberleşebilmektedir. Bu bilgiler sayısal olduğu için ve 50 mikro saniye gibi çok hızlı zaman dilimlerinde değerlendirilmeleri gerektiğinden paralel bağlantı kullanılmıştır. 1. Kaynağa ait herhangi bir kart arızasının yönetici karttan tamamen izole edilmesi şarttır. Çünkü bu durumda bile YAA’nın doğru çalışmaya devam etmesi ve diğer kaynakları çıkışa aktarması beklenmektedir. Bu yüzden her bir izleme kartı yönetici karttan tamamen izole edilmelidir. Şeklin sol tarafındaki sinyaller mikrokontrolcü tarafından değerlendirilmektedir. Şeklin sağ tarafında görünen bağlantı elemanı vasıtası ile yönetici kart ile haberleşme gerçekleştirilmektedir. Şekil 5.6’da izleme kartı üzerinde bulunan ve tamamen izole edilmiş olan seri haberleşme devresi gösterilmiştir. Bu devre vasıtası ile RS-485 yolu üzerinden modbus protokolü kullanılarak yönetici kart ve ön panel kartı ile 8 bit ve 16 bit seri haberleşme yapılmaktadır. Şeklin sol tarafındaki sinyaller mikrokontrolcü tarafından değerlendirilmektedir. Şeklin sağ tarafında görülen iki adet bilgi Şekil 5.5.’de görünen bağlantı elemanı vasıtası ile yönetici karta ve ön panel kartına taşınmaktadır. Şekil 5.7’de bu devrelerin tamamının bulunduğu YAA izleme kartı baskı devre yerleşimi gösterilmiştir. Şekil 5.6. YAA izleme kartı üzerinde bulunan seri haberleşme devresi 34 Şekil 5.7. YAA izleme kartı yerleşimi 35 5.2.2. Yönetici kart Bu kart çıkışa ait üç faz gerilim ve akım ölçümlerini yapar. Đzleme kartlarını sürekli olarak tarayarak ilgili kaynakların güvenilirliği hakkında bilgi sahibi olur. Bu kaynakların birbirleri arasında olan senkron olma durumlarını denetler. Bypass anahtarlarının mevcut konumlarını izler. Aşırı ısı, aşırı akım durumlarını denetler. Ön panel ile sürekli haberleşme halindedir. Bu sayede çıkışa ait gerilim ve akım değerlerini LCD panele gönderir, kullanıcı ayar parametrelerini LCD panelden alır. Bütün bu bilgileri kullanarak izleme kartlarını yönetir. Bu sayede güvenilir kaynağı çıkışa aktarabilir veya deforme olmuş kaynağı devre dışı bırakabilir. Yönetici kart ve bağlantıları Şekil 5.8.’de gösterilmiştir. Şekil 5.8. YAA yönetici kartı ve bağlantıları 36 Kartın sağ tarafında bu kartın çalışması için gerekli olan 15 V DA bağlantı girişi görülmektedir. Kartın sağ alt köşesinde slave1, slave2 ve slave3 diye isimlendirilmiş bağlantılar izleme kartları bağlantılarıdır. Bu bağlantı yolu sayesinde hem paralel hem de seri haberleşme bilgilerinin izleme kartları ve yönetici kart arasında aktarılır. Buraya gelen izole edilmiş bilgiler mikrokontrolcü tarafından değerlendirilir. Hemen bu konnektörlerin sağ yanında görünen dörtlü konnektör RS-485 seri haberleşme bilgilerinin burada toplanarak ön panele aktarıldığı bağlantıdır. Kartın sağ üst köşesinde 3 adet çıkış gerilimi izleme devresi bulunmaktadır. Kartın sol üst köşesinde akım trafolarından gelen çıkış akım bilgilerinin algılandığı 3 adet devre bulunmaktadır. Kartın sol tarafında görünen bypass ve termostat girişleri görülmektedir. Şekil 5.9’da çıkışa ait üç fazlı gerilim bilgilerini algılamakta kullanılan çıkış gerilimi izleme devresi görülmektedir. Bu devre ile çıkış gerilimi 50 mikro saniyelik zaman dilimlerinde izlenmektedir. Şekil 5.9. YAA yönetici kartı üzerinde bulunan çıkış gerilimi izleme devresi 37 Şekil 5.10. YAA yönetici kartı üzerinde bulunan çıkış akımı izleme devresi Şekil 5.10’da çıkışa ait üç fazlı akım bilgilerini algılamakta kullanılan çıkış akımı izleme devresi görülmektedir. Bu devre ile çıkış akımının ortalama değeri ve tepe değeri ölçülmektedir. Bu ölçümler YAA’nın çıkış gücü sınırlamasında, aşırı yük uyarılarında ve YAA aşırı akım korumasında kullanılmaktadır. Şekil 5.11. YAA yönetici kartı üzerinde bulunan anahtar bilgileri 38 Şekil 5.11.’de gösterilen devre yardımı ile bypass anahtarlarının konumları algılanmakta ve hangi manuel bypass anahtarı açılırsa YAA ona göre bir aktarım gerçekleştirmektedir. Örneğin YAA birinci kaynağı çıkışa aktarırken diğer kaynaklardan biri bypass yapılmak istenirse YAA kendini korumalıdır. Çünkü eğer bypass yapılan diğer kaynak birinci kaynak ile asenkron ise iki kaynak arasında çok büyük bir çakışma olacaktır. Bu gibi yanlış kullanımlara karşı önlem almak için bypass anahtarlarından konum bilgisi almak şarttır. Doğru kullanımda ise, normalde hangi kaynak çıkışa aktarılıyor ise o kaynağa ait bypass anahtarı kullanılır ve bakımdan sonra bu anahtar normal konuma alınır. Şekilde görünen diğer bilgi ise termostat bilgisidir. Aşırı ısınmalara karşı YAA kendini kapatır. Bunun için 70 derecelik termostat bilgisi kullanılır. Şekil 5.12.’de bu devrelerin tümünün içinde bulunduğu YAA yönetici kart baskı devre yerleşimi gösterilmiştir. 5.2.3. Ön panel kartı Bu kart kullanıcıya ölçülen değerleri, uyarı ve alarmları göstermek ve kullanıcının bazı parametreleri ayarlayabilmesini sağlamak için tasarlanmıştır. Kart üzerinde 1 adet 2*16 karakter lcd, ledler (bilgi, uyarı, alarm amaçlı), butonlar (ayar yapabilmek için) ve mimik diyagram bulunmaktadır. Bu kart yönetici ve izleme kartları ile izolers485 seri haberleşme kullanarak sürekli haberleşme halindedir. Ayrıca bu kart üzerinde bulunan ikinci bir izole-rs485 seri portu sayesinde uzak noktadaki bir PC veya PLC ile de haberleşme sağlayabilmektedir. Bu dış dünya ile haberleşmede rs485 üzerinden MODBUS-RTU haberleşme protokolü kullanılmaktadır. Kullanıcı isterse bir plc ile modbus kaydedici bilgilerinin bulunduğu tabloyu kullanarak istediği bilgiyi okuyabilir veya ayar parametrelerini değiştirebilir. PC ile kullanmak isteyen kullanıcılar için görsel bir arayüz tasarlanmıştır. Bu arayüzü kullanarak kullanıcı kilometrelerce uzak bir bilgisayardan YAA cihazını izleyebilir ve müdahale edebilir. Bir de internet üzerinden haberleşmek isteyen kullanıcılar için MODBUSTCP-IP arayüzü tasarlanmıştır. 39 Şekil 5.12. YAA yönetici kart yerleşimi 40 Bir adet “FROM MODBUS-RTU TO MODBUS-TCP-IP” dönüştürücü ve uygun arayüz kullanılarak YAA’nın uzaktan erişilmesi ve ayarlanabilmesine olanak tanınmıştır. Ön panel üzerinde bulunan bazı devreler, mimik diyagram, ön panel menüleri kullanıcı kılavuzu ve bilgisayar arayüzleri Şekil 5.13. ve Şekil 5.18. arasında verilmiştir. Şekil 5.13. YAA ön panel kartı üzerinde bulunan geriye dönük hafıza devresi Şekil 5.14. YAA ön panel kartı üzerinde bulunan uzaktan haberleşme devresi 41 Şekil 5.15. YAA ön panel mimik diyagram ve mamuren 42 Şekil 5.16. YAA ön panel menüleri kullanma kılavuzu 43 Şekil 5.17. YAA uzaktan izleme bilgisayar arayüzü Şekil 5.18. YAA uzaktan izleme bilgisayar arayüzü 44 5.2.4 DA-DA dönüştürücü kartı YAA’nın elektronik beslemesini 3 kaynaktan birden ve sorunsuz bir şekilde sağlayabilmek için yeni besleme devresi tasarlanmıştır. Üç kaynak gerilimi üç adet transformatör ile doğrultulmuş ve 310 volt DA gerilim elde edilmiş, bir DA-DA dönüştürücü devre ile 4 adet 18 volt DA ve 1 adet 5V DA besleme gerilimi elde edilmiştir. Bu besleme çıkışlarının hepsi izoledir. 18 V besleme çıkışlarından 3 tanesi slave kartlar için, diğer 18 V besleme master kart ve LCD panel beslemesi için, 5V besleme çıkışı da dış ortamla olan izole haberleşme için kullanılmıştır. Şekil 5.19’da bu karta ait görünüm verilmiştir. Şekil 5.19. YAA DA-DA dönüştürücü ve besleme kartı 45 5.3. YAA Tetikleme Algoritması YAA girişine bağlı olan kaynakların hem sıfır geçişlerini hem de analog değerlerini 50 µs’lik zaman dilimlerinde sürekli denetlemektedir. Referans AA değerleri ile sürekli karşılaştırma yapmaktadır. Eğer çıkışa aktardığı kaynakta bir sorun algılar ise derhal o kaynağın tristorlerinin pozitif ve negatif yöndeki tristörlerinin tetiklerini susturur. Tristör tetiklerinin susturulması tristorlerin iletimden çıkmasını sağlamaz. Tristörlerin iletimden çıkması üzerlerindeki akımın sıfıra düşmesi ile olur. YAA tristörlerin iletimden çıktığından emin olmak için çıkış geriliminin analog değerini sürekli olarak denetler. Çıkış gerilimi 1 ms’ den daha fazla bir süre sıfırın altında ise YAA tristörlerin iletimden çıktığından emin olmuştur. Bundan sonra uygun olan diğer kaynağı devreye almak için o kaynağa ait tritör kapı sinyallerine tetik verecektir. Kontollü geçişlerde (öncelikli kaynak seçimi ve geri transferlerde) YAA çıkışa aktardığı kaynağın tristör tetiklerini kaynak geriliminin sıfıra yakın olduğu noktalarda keser ve çıkış gerilimini izleyerek tristörlerin iletimden çıktığından emin olduktan sonra diğer kaynağın tristör tetiklerini üretir. Bu şekilde diğer kaynağa kontrollü geçiş yapmış olur. Eğer kaynaklar senkron ise ve öncelikli kaynakta bir kesinti olmuş ise burada algılama ve transfer için bir gecikme yaşanması mecburidir. Bu gecikme en iyi durumda 3 ms, en kötü durumda 5 ms’dir. Eğer kaynaklar senkron ise, öncelikli kaynak seçimi ve transferlerde transfer süresi 5 ms’nin altındadır. Eğer kaynaklar asenkron ise, öncelikli kaynak seçimi ve transferlerde transfer süresi 20 ms’nin altındadır. YAA’nın transferleri gerçekleştirirken dikkat edilmesi gereken en önemli şey; asenkron geçişlerde yanlış kollardaki tristörleri anahtarlayarak kaynakların çakışmasına ve birbirlerine kısa devre olmalarına engel olmaktır. Böyle bir yanlışlık 46 girişlerde bağlı olan kaynaklara kalıcı büyük zararlar vereceği gibi kritik yükte de kalıcı hasarlar oluşturabilir. Bunu önlemek amacı ile YAA girişlerdeki kaynakların gerilimlerini, pozitif ve negatif yarı dönemlerin, kaynaklar arasındaki senkronizasyonu, kaynaklarda kesinti olup olmadığını sürekli izler. Bunların hepsini kullanarak aktarım sırasına ve algoritmasına göre aktarımlarını yapar. Şekil 5.20. YAA tristör tetikleme işaretleri Şekil 5.20’de bir faza ait olan tristör akımı ve tristör kapı işaretleri görülmektedir. Akımın sıfır geçiş anı zoom yapılmıştır. 4 nolu sinyal tristör akımını, 2 nolu sinyal pozitif kol tristör kapı sinyalini ve 3 nolu sinyal negatif kol tristör kapı sinyalini göstermektedir. Görüldüğü üzere tristör kapı sinyalleri yarı doluluk oranına sahip 20 kHz sinyallerdir. Şekil 5.21. ve 5.22.’de ise aktarım anında bir faza ait akım sinyali ve iki kaynağa ait tristör kapı sinyalleri görülmektedir. Daha öncede ifade edildiği gibi pozitif ve negatif kol tristör kapı sinyalleri birbirinin aynıdır. Bu yüzde her iki kaynağa ait tristör kapı sinyallerinden birer adeti görülmektedir. Şekilde görüldüğü üzere kontrollü transferlerde gerilimin sıfır geçiş anında kaynağa ait tristörlerin kapı sinyalleri susturulur ve belirli bir gecikme ile diğer kaynağa ait tristörlere kapı işareti uygulanır. 47 Şekil 5.21. YAA tristör tetikleme işaretleri Şekil 5.22. YAA tristör tetikleme işaretleri Şekil 5.23. ve 5.24.’de endüktif yük altında bu transfer görülmektedir. Tristör kapı işareti kaldırılmasına rağmen tristörler iletimde kalmaktadır. Bunun sebebi gerilimin sıfır geçiş noktasının akımın sıfır geçiş noktasından önce gelmesidir. Tristörün susturulması zaman almaktadır. Ama bu geçiş kontrollü geçiş olduğundan yükü herhangi bir kesintiye uğratmayacaktır. Bu esnada tercih edilen kaynağın akımında kesinti olsa bu transferi hızlandıracaktır. Dolayısı ile bu tip durumlarda transfer 48 süresi uzamasına rağmen yükün kesintiye maruz kalma süresi yine <5ms sınırları içerisinde kalmaktadır. Şekil 5.23. YAA tristör tetikleme işaretleri Şekil 5.24. YAA tristör tetikleme işaretleri 49 Şekil 5.25. YAA tristör akımları Şekil 5.25.’de rezistif yük altında sürekli çalışma esnasında 3 faza yük akımları görülmektedir. Akımın sıfır geçiş zamanı zoom yapılmıştır. Şekil 5.26.’da endüktif yük altında yapılan bir transfer esnasında 3 faza yük akımları görülmektedir. Tristör tetikleme zamanı zoom yapılmıştır. Şekil 5.26. YAA tristör akımları 50 6. DENEYSEL SONUÇLAR Bu bölümde, geliştirilen üç fazlı sistemde elde edilen deneysel sonuçlar sunulmaktadır. Şekil 6.1 - Şekil 6.12 arasında, direnç yükü, endüktif yük ve kapasitif yük için çeşitli arıza durumlarında sistem tepkisi gösterilmektedir. Deneylerde rezistif yük olarak 15 amper direnç, endüktif yük olarak her bir fazı 3,5 amper yükleyen 2.5 kVAr üç faz reaktör, kapasitif yük olarak her bir fazı 3,5 amper yükleyen 2.5 kVAr üç faz kondansatör kullanılmıştır. R tipi yük için direnç yükü 15 amper, RL ve RC tipi yüklerde direnç yükü 7 amper olarak seçilmiştir. Üç fazlı reaktör ve üç fazlı kondansatör yükleri YAA için en kötü yüklerdir. Çünkü üç fazlı yüklerde bir fazın diğer fazlardan endüklenmesi söz konusudur. Bir fazın tristörleri tamamen kapalı olsa bile diğer iki fazdan bu faza gerilim endüklemesi oluşmaktadır. Bu tür durumlar YAA aktarım algoritmasının geç gerçekleşmesine sebep olabilir. Şekil 6.1. Kesinti durumu senkron geçiş R tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) 51 Şekil 6.2. Kontrollü senkron geçiş R tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) Şekil 6.3. Kesinti durumu asenkron geçiş R tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) 52 Şekil 6.4. Kontrollü asenkron geçiş R tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) Şekil 6.5. Kesinti durumu senkron geçiş RC tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) 53 Şekil 6.6. Kontrollü senkron geçiş RC tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) Şekil 6.7. Kesinti durumu asenkron geçiş RC tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkışt, v4:akım-r) 54 Şekil 6.8. Kontrollü asenkron geçiş RC tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) Şekil 6.9. Kesinti durumu senkron geçiş RL tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) 55 Şekil 6.10. Kontrollü senkron geçiş RL tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) Şekil 6.11. Kesinti durumu asenkron geçiş RL tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) 56 Şekil 6.12. Kesinti durumu asenkron geçiş RL tipi yük (v1:çıkış-r, v2:çıkış-s, v3: çıkış-t, v4:akım-r) Osiloskop görüntülerindeki renklendirmeler şu biçimdedir: Yeşil (v4): Çıkış akımı 1. fazı örnekleme sinyali Sarı (v1): Çıkış gerimi 1. fazı doğrultulmuş örnekleme sinyali Mavi (v2): Çıkış gerimi 2. fazı doğrultulmuş örnekleme sinyali Kırmızı (v3): Çıkış gerimi 3. fazı doğrultulmuş örnekleme sinyali Üç fazlı sistemde de tetikleme algoritması bir fazlı sistem ile aynıdır. Fakat arada sistemin üç fazlı olmasından kaynaklanan şöyle bir fark vardır. Aktarmalar ve geçişler esnasında fazlar sırası ile tetiklenir. Deneylerde görüldüğü üzere senkron transferler 5 ms’nin altında başarılı bir şekilde gerçekleştirilmektedir. Asenkron transferlerde; çıkıştaki trafo tipi yüklerde 10 ms içerisinde pulse tekrarlamasından kaçınmak ve trafonun demagnetize olması için 10 ms’lik bir transfer boşluğu istenir. Dolayısı ile asenkron transferlerin 10 ms’nin altında gerçekleşmesi istenmeyen bir durumdur. Deneylerde asenkron transfer süresi 20 ms’nin altındadır. 57 7. SONUÇ VE ÖNERĐLER Yarıiletken aktarım anahtarları kritik yüklerin enerji sürekliliğinin sağlanması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, üç kaynak arasında geçişe olanak sağlayan bir YAA sistemi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Ayrıca farklı yük durumları için benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu tasarımda giriş kaynak gerilimleri örneklemesi ile hem kaynakların nitelikleri belirlenmekte hem de aktarım anında tristörlerin susturulduğundan emin olunmaktadır. Yani tristörler üzerindeki akımın sıfırlandığı çıkış gerilimi örneklemesinden anlaşılmaktadır. Bu algıyı daha hızlı ve daha güvenilir hale getirebilmek için gerekli algoritmaları geliştirilmiş ve yazılıma eklenmiştir. Üç fazlı bazı yüklerde bu yöntem zorlayıcı olmaktadır ve aktarım süresini uzatmaktadır. Örneğin tamamen endüktif veya tamamen kapasitif üç fazlı yüklerde bir fazın tristör bloğu tamamen susturulsa dahi diğer iki fazdan bu faza bir gerilim indüklemesi olmakta ve bu durum aktarım süresini uzatmaktadır. Bu durumdan sakınmak ve aktarım algoritmasını daha güvenilir hale getirmek için aktarım yöntemi olarak akım izleme yöntemi kullanılabilir. Bunun için çıkış akım izleme devresi tasarlanabilir ve bu akım izleme devresi yönetici kart ile haberleşebilir. Tasarlanacak akım izleme devresi çok yönlü olmalıdır. Çıkış gücünün maksimum değerindeki akım büyüklüklerini ölçmesinin yanı sıra tristör tutma akımı kadar küçük akımları bile ölçebilmelidir. Bu sayede çıkış akımının sıfıra düştüğünden dolayısı ile tristör bloğunun susturulduğundan çok daha hızlı emin olunabilir. Bu yöntem sayesinde aktarım sürelerini daha kısa sürelere çekilebilir. YAA sistemi yarıiletkenler vasıtası ile gerçek bir izolasyon sağlamaktadır. Yüksek güçlere çıkıldığında maliyet olarak daha avantajlı olacak olan YAA sistemleri endüstriyel uygulamalarda daha büyük öneme sahip olacaktır. Özellikle kritik yüklerin bulunduğu uygulama tiplerinde YAA kullanımı çok büyük öneme sahiptir. 58 KAYNAKLAR 1. Bhanoo, M.M.; "Static transfer switch: advances in high speed solid-state transfer switches for critical power quality and reliability applications", Textile, Fiber and Film Industry Technical Conference, 1998 IEEE Annual , 5: 1-8 (1998). 2. Bertuzzi, G.; Cinti, U.S.; Cevenini, E.; Nalbone, A.; "Static transfer switch (STS): Application solutions. Correct use of the STS in systems providing maximum power reliability", 29th International Telecommunications Energy Conference, 2007. INTELEC 2007, 587-594 (2007). 3. Mokhtari, H.; Dewan, S.B.; Iravani, M.R.; "Analysis of a static transfer switch with respect to transfer time", IEEE Transactions on Power Delivery, 17 (1): 190-199 (2002). 4. Mokhtari, H.; Dewan, S. B.; Iravani, M. R.; "Analysis of a Static Transfer Switch with Respect to Transfer Time", IEEE Power Engineering Review, 21 (11): 61-61 (2001). 5. Emin Meral, M.; Teke, A.; Tumay, M.; "Overview of an extended Custom Power Park", IEEE 2nd International Power and Energy Conference, 2008. PECon 2008, 1364-1368 (2008). 6. Ghosh, A.; "Performance study of two different compensating devices in a custom power park", IEE Proceedings- Generation, Transmission and Distribution, 152 (4): 521-528 (2005). 7. Ghosh, A.; Joshi, A.; "The concept and operating principles of a mini custom power park", IEEE Transactions on Power Delivery, 19 (4): 1766-1774 (2004). 8. Sannino, A.; Svensson, J.; Larsson, T.; “Power-electronic solutions to power quality problems”, Electric Power Systems Research, 66: 71-82 (2003). 9. Moschakis, M.N.; Hatziargyriou, N.D.; "A detailed model for a thyristor-based static transfer switch", IEEE Transactions on Power Delivery, 18 (4): 14421449 (2003). 10. Mokhtari, H.; Dewan, S.B.; Travani, M.R.; "Performance evaluation of thyristor based static transfer switch", IEEE Transactions on Power Delivery, 15 (3): 960-966 (2000). 11. Schwartzenberg, J.W.; De Doncker, R.W.; "15 kV medium voltage static transfer switch", Thirtieth IAS Annual Meeting Industry Applications Conference, IAS '95, Conference Record of the 1995 IEEE , 3: 2515-2520 (1995). 59 12. De Doncker, R.W.; Eudy, W.T.; Maranto, J.A.; Mehta, H., and Schwartzenberg, J. W.; “Medium voltage subcycle transfer switch”, Power Qual. Assur., 46–51 (1995). 13. Jipping, J.E.; Carter, W.E.; "Application and experience with a 15 kV static transfer switch", IEEE Transactions on Power Delivery, 14 (4): 1477-1481 (1999). 14. IEEE PS Task Force, “Benchmark systems for digital computer simulation of a static transfer switch”, IEEE Trans. Power Delivery, 16: 724-731 (2001). 15. Mokhtari, H.; Reza Iravani, M.; Dewan, S.B.; "Transient behavior of load transformer during subcycle bus transfer", IEEE Transactions on Power Delivery, 18 (4): 1342-1349 (2003). 16. Mokhtari, H.; Dewan, S.; Iravani, M.; “Effect of regenerative load on a static transfer switch performance”, IEEE Trans. Power Delivery, 16: 619-624 (2001). 17. Mokhtari, H.; Iravani, M.R.; "Effect of Source Phase Difference on Static Transfer Switch Performance", IEEE Transactions on Power Delivery, 22 (2): 1125-1131 (2007). 18. Mokhtari, H.; Iravani, M.R.; "Impact of difference of feeder impedances on the performance of a static transfer switch", IEEE Transactions on Power Delivery, 19 (2): 679-685 (2004). 19. Sannino, A.; "STS and induction motors", IEEE Industry Applications Magazine, 9 (4): 50-57 (2003). 20. Sannino, A.; "Power quality improvement in an industrial plant with motor load by installing a static transfer switch", Industry Applications Conference, 2001. Conference Record of the 2001 IEEE Thirty-Sixth IAS Annual Meeting., 2: 782-788 (2001). 21. Popoola, O.; Jimoh, A.; Nicolae, D.; "On-line automatic switching of consumers' connections for improved performance of a distribution feeder", IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition, 1-7 (2009). 22. Pievatoloa, A.; Valade`, I.; “UPS reliability analysis with non-exponential duration distribution”, Reliability Engineering and System Safety, 81: 183-189 (2003). 23. Iravani, M.R.; "Modeling and simulation of a static transfer switch", IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2: 643-646 (2001). 60 24. He, C.; Feng, Li; Sood, V.K.; "Static transfer switch (STS) model in EMTPWorks RV", Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2004., 1: 111- 116 (2004). 25. Le-Huy, H.; Sybille, G.; Giroux, P.; Soumagne, J.-C.; Guay, F.; "Digital realtime simulation of a four-quadrant DC drive for static transfer switch testing", IEEE Power Engineering Society 1999 Winter Meeting, 1: 761-765 (1999). 26. Shen, G.; Dehong, Xu; Danji, Xi; "Novel seamless transfer strategies for fuel cell inverters from grid-tied mode to off-grid mode", Twentieth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005. APEC 2005., 1: 109-113 (2005). 27. Shen, G.; Dehong, Xu; Xiaoming, Yuan; "Voltage Phase Regulated Seamless Transfer Control Strategy for Utility-interconnected Fuel cell Inverters with an LCL-filter", 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC '06., 1-6 (2006). 28. Po-Tai, Cheng; Yu-Hsing, Chen; “Design of an Impulse Commutation Bridge for the Solid-State Transfer Switch”, IEEE Transactions on Industry Applications, 44 (4): 1249-1258 (2008). 29. Pouresmaeil, Edris; Funsho Akorede, Mudathir; Hojabri, Mojgan; “A hybrid algorithm for fast detection and classification of voltage disturbances in electric power systems”, European Transactions on Electrical Power, 21: 555–564 (2011). 61 EKLER 62 EK-1. PIC18F4431 mikrokontrolcü entegresi 63 EK-2. PIC18F2525 mikrokontrolcü entegresi 64 EK-3. HCPL-4502 yalıtım entegresi 65 EK-4. RS485 iletişim entegresi 66 EK-5. LM393 karşılaştırıcı entegresi 67 EK-6. MCC95-12 tristör modülü 68 ÖZGEÇMĐŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : KÖSE, Hüseyin Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : 16.08.1986 Çorum/Đskilip Medeni hali : Evli Telefon : 0 (537) 771 19 48 e-mail : [email protected]. Eğitim Derece Lisans Eğitim Birimi Gazi Üniversitesi Mezuniyet tarihi 2009 Elektrik Elektronik Mühendisliği Lise Kalaba Anadolu Lisesi 2004 Đş Deneyimi Yıl Yer Görev 2009-2012 OES LTD ŞTĐ Ar-ge Mühendisi Yabancı Dil Đngilizce Hobiler Masa tenisi, Bilgisayar teknolojileri, Yüzmek
