güç faktör düzeltmeli boost konvertor devresi matlab/simulink raporu
advertisement
GÜÇ FAKTÖR DÜZELTMELİ BOOST KONVERTOR DEVRESİ MATLAB/SİMULİNK RAPORU Özge ALICI Bu rapor GFD AC/DC booster devresinin matlab/simulink ortamında simülasyon edilmesine ait sonuçlarını içermektedir. Devre temel olarak 4 bölümden oluşmuştur, bunlar; 1-Current Controller Block 2-PI Controller Block 3-Power Factor Measurement Block 4-RLC Devresi Simülasyondaki kullanılan parametreler Tablo-1 de verilmiştir. Benzetim parametre adı Parametre değeri Ts - örnekleme periyodu, 50μs Fs - anahtarlama frekansı 50 kHz C - kapasitör 500 μF L - induktans 1,5 mH R - direnç 160Ω Vg - giriş voltaj 220Vrms Vç - çıkış voltaj 400Vrms Kp-v 0,1 Ki-v 1 Kp-ı 0,125 Ki-ı 1000 Tablo-1 Prametreler Genel olarak devre Şekil-1 de gösterilmiştir; Şekil-1 GFD AC/DC Boost devresi Basit bir güç faktör düzelticisiz RLC devresi şeması Şekil-2 de verilmiştir Şekil-2 RLC devresi Şekil-2 deki RLC devresinde güç çıkışları şekil-3 de verilmiştir. Şekil-3 Klasik olarak güç faktörü düzelticiler 2 ye ayrılır bunlar; 1-Aktif Güç Faktör düzeltici 2-Pasif Güç Faktör düzeltici Değ işik gü ç katsayısı dü zeltme tiplerine göre giriş akımları şekil-4 de verilmiştir Şekil-4 Buradaki dalga şekilleri: 1. GKD’siz giriş akımı, 2. Pasif GKD’de giriş akımı, 3. Aktif GKD’de giriş akımı, 4. Giriş gerilimidir. Oluşturulan simülasyon sonucunda “Iin” scope’unda ki sonuç grafik-1 de verilmiştir. Grafik-1 Iin scope çıkışı 1-Current Controller Block Devredeki önemli blocklardan 1.si Current Controller Block. Genel görevi “indüktans akımı”, “Giriş gerilimi” ve “çıkış gerilimini”, “zero order hold” ve “PID” kullanarak hataları düzeltmek ve “PI conroller” için uygun bir akım haline getirmektir. Block’un iç yapısı Şekil-5 de verilmiştir. Şekil-5 Current Controller Block Burada Vref=400 seçilmiştir çünkü referans olarak verdiğimiz inputa karşılık çıkış geriliminin 400v olmasını istiyoruz. Vo devrenin çıkış gerilimdir. Vs ise ilk durumdaki Universal Bridge sonucunda poziif hala getirilmiş olan gerilimdir. Vs ve Vo çıkış grafikleri Grafik-2 da verilmiştir; Grafik-2 Soldaki Vs, Sağdaki Vo Grafikte de görüldüğü gibi giriş gerilimi 220V olan devrede universal bridge ile Vs gerilimi elde edilmiştir ve gerilim pozitif hale getirilmiştir, daha sonrada Current Controller Blockda ki belirttiğimiz Vref=400’e göre çıkış gerilimi 400V aralığında sabitlenmiştir ve yükseltilmiştir. Current Controller Blockdaki önemli yapılardan birisi “Zero Order Hold”(sıfırıncı dereceden tutma) bloktur. Tutma devreler belli örnekleme aralıklarında D/A çeviricinin çıkışındaki işaretin anlık değerini tutarak sistemi süren birime aktarır. Örnekleme periyodu T olmak üzere Bir sıfırıncı dereceden tutucunun giriş-çıkış karakteristiği şekil 6 te verilmiştir. Şekil 6’te sıfırıncı derece tutucu devrenin girişine sürekli zamanlı bir işaret uygulanmış ve tutucu devrenin çıkışı elde edilmiştir. Sekil 6 te de görüldüğü gibi sıfır dereceden tutucu devre işaretin anlık değerini tuttuktan sonra bir sonraki periyoda kadar bu değerde kalmaktadır ve işaretin değişimine bağlı olarak belli bir hata ile giriş işareti tutmaktadır. Giriş çıkış arasında yapılan hata daha yüksek dereceden tutucu devre kullanılarak giderilir. Şekil-6 Zero order hold çıkışı Ancak işaret tutma devreleri geri beslemeli kontrol sistemlerinde ek bir dinamik getirdiklerinden dolayı genellikle sıfırıncı dereceden tutma (zero order hold ) kullanılır. Birinci, ikinci ve daha yüksek mertebeden tutma devreleri daha çok işaret işleme ve haberleşme sistemlerinde yaygın olarak kullanılır. Sonuç olarak zero order hold çıkışındaki Vo geri beslemeli çıkış gerilimi bir PID’ye (Proportional Integral Derivative) gönderilir ve burdan “Vs” değeri ile Dot Product yapılarak “Iref” değeri bulunur. Current Controller da kullanılan PID için Kp=0,1, Ki=1. 2-PI Controller Block Devredeki diğer önemli blocklar dan 2. si PI controller. “Iref” ve “IL” değerlerine göre MOSFET’e gönderilecek olan anahtarlama çıkışı olan “Duty Cycle” ayarlar. PI conrroller temel olarak bir “PID” ve “anahtarlama frekans üreticisin” “röle” ile düzeltilmesinden oluşur. Burdaki frekans üreticisi için frekans değeri 50kHz alınmıştır. PID controller da kullanılar Kp=0.125, Ki=1000 olarak belirlenmiştir. Block’un iç yapısı Şekil-7 de verilmiştir. Şekil-7 PI Controller, duty cycle generation Burada bir önceki blockdan gelen "Iref” ve “IL” akım değerleri PID controller’a gönderilerek “saturation” eklenir ve bir “anahtarlama frekans üreticisi” ile çıkartılarak 0’dan büyük değerler için “röle” ile “duty cycle” oluşturulur ve direk olarak bir MOSFET’e gönderilerek deverenin geri beslemeli akım kontrol kısmı tamamlanmış olur. MOSFET’e gönderilen anahtarlama değerine ait olan scope çıktısı grafik-3 de verilmiştir. Grafik-3 PI controller çıkışı (üstdeki 10x zoom altdaki 100x zoom) 3-Power Factor Measurement Block Devredeki 3. önemli block PFM block. Simulink ortamında farklı şekillerde güç katsayısı ölçüm block ları yapılabilir, bu çalışmada ise daha önceden benzer bir amaçla çalışma yapmış olan Puranik Sahu [1] adlı kişinin çalışmasında kullandığı block yapısı referans alınarak oluşturulmuştur. Ölçüm sonuçları matematiksel hesaplama sonuçları ile uyumluluğu doğrulandığından dolayı bu simülasyonda da kullanılmıştır. Parametrelerde herhangi bir değişiklik yapılmayıp simulink kütüphanesinden olduğu gibi kullanılmıştır. PFM block’un iç yapısı Şekil-8 de verilmiştir. Şekil-8 Power Factor Measurement Block Ölçüm sonuçları olarak %96 lık bir düzeltme elde edilmiştir. Elbetteki bu değer daha fazla artırılabilir, fakat bunun için birden fazla parametre ile oynamak ve devereye yeni elemanlar eklemeye sebeb olucaktır. 4-RLC Devresi Son bölüm ise genel olarak devrenin tamamını tanıtmak amaçlıdır. Basit bir RLC devresi Şekil-2 de verilmişti, bir booster devresinde ise anahtarlama görevini MOSFET veya IGBT gibi devre elemanları ile yapılarak olışturulur. Bu simülasyonda da giren AC akım bir diyot köprüsünde pozitif hale getirilip, indüktans üzerinde geçirilir ve MOSFET’in açık olup/olmama durumuna göre devredeki akım döngüye girer MOSFET kapalı olduğunda akım kapasitör üzerinde birikir ve gerilim sabit tutulur, MOSFET açık olduğunda akım kapasitöre girmeden tekrar kaynağa ulaşır, bu durumda ise kapasitör boşalma durumuna geçer ve gerilim yine sabit bir değerde tutulur. Devredeki indüktans akım scope çıktı Grafik-4 verilmiştir. Grafik-4 İndüktans akımı (IL) Sonuç Simülasyon boyunca farklı değerlerde farklı sonuçlar alınmıştır ve yapılan matematiksel hesaplamalar ile en uygun değerler Tablo-1 deki değerler olarak belirlenmiştir. Oluşturulan simülasyon sonucunda 220V AC güç kaynağından verilen gerilim hedeflenen değer olan 400V a yükseltilmiş, devredeki güç faktör düzeltici bloğunun etkisi gözle görülür bi şekilde gözlenmiş olup, güç faktörü değeri %96 olarak ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarına ait tüm scope ların son çıktıları aşağıda scope isimlerine göre verilmiştir. Grafik-5 Vo ait son scope çıkış Grafik-6 Vsource ait son scope çıkış Grafik-7 İndüktans akım ait son scope çıkışı Grafik-8 Iin ait son scope çıkışı Grafik-9 Vin ait son scope çıkışı REFERANSLAR [1]- Puranik Sahu- Power Quality Improvement using FC-TCR (SVC) with Fuzzy Logic Controller - ISSN: 2277-9655 - May, 2013
