ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 6. ULUSAL KONGRESİ · elektrİk mÜhendİslİĞİ 6. ulusal kongresİ 11 -17 eylül 1995 bursa i tmmob elektrİk mÜhendİslerİ odasi uludaĞ Ünİversİtesİ

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ6. ULUSAL KONGRESİ

11 -17 Eylül 1995BURSA

i TMMOBELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİMÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

TÜBİTAK

ISBN : 9 7 5 - 3 9 5 - 1 5 4 - XB a s k ı :

KARE AJANS & MATBAACILIKLitrosyolu, 2. Matbaacılar Sanayi SitesiC Blok No : 4 NC 25 Topkapı - istanbulTel: (0212) 544 09 79 - 544 92 85

O N S O Z

TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimariık FakültesiElektronik Mühendisliği Bölümü ve TÜBiTAK'ın işbirliği ile 11-17 Eylül 1995 tarihleri arasındadüzenlenen Elektrik Mühendisliği 6.Ulusal Kongresine hoşgeldiniz.

Hazırlık çalışmaları yaklaşık bir yıl önce başlayan Kongreye, Üniversitelerimiz, araştırma veendüstri kurumlarında çalışan meslektaşlarımız büyük ilgi göstermiş ve toplam 450 civarındabildiri başvurusu olmuştur.

Aydınlatma Tekniği, Ar-Ge ve Teknoloji Üretimi, Bilgisayar ve Kontrol, Devreler ve Sistemler,Elektronik, Elektromagnetik Alanlar ve Mikrodalga Tekniği, Elektrik Makinaları, Elektrik EnerjiÜretimi ve Dağıtımı, Eğitim, Güç Elektroniği, Haberleşme Tekniği ve Sistemleri, Ölçme Tekniği,Tıp Elektroniği ve Yüksek Gerilim Tekniği konularına göre ayrılan bildiriler, yürütme kuruluncabelirlenen değerlendirme kuralları çerçevesinde uzmanlarca değerlendirilerek, yaklaşık 300kadarının oturumlarda sunulması uygun bulunmuştur.

Üç Ayrı ciltte toplanan bildirilerin, Aydınlatma Tekniği, Enerji Üretim, İletim ve Dağıtımı,YüksekGerilim Tekniği, Güç Elektroniği, Elektrik Makinaları birinci ciltte, Elektronik, ElektromağnatikAlanlar ve Mikrodalga Tekniği, Haberleşme Tekniği ve Sistemleri, Ölçme Tekniği, Tıp Elektroniğiikinci ciltte, Bilgisayar ve Kontrol, Eğitim ve diğerleri üçüncü ciltte yer almıştır.

EMO ve Üniversitelerin temsilcilerinin yanısıra kamu ve özel sektör temsilcilerinin de yer aldığıKongre Danışma Kurulu'nca belirlenen görüşler çerçevesinde, Elektrik-Elektronik Mühendisliğiniilgilendiren çeşitli konularda paneller ve çağrılı bildiriler de düzenlenmiş bulunmaktadır.

Türkiye'de Elektrik-Elektronik Sanayinin Konumu, AB İle Bütünleşmesi ve Perspektifler, Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde Eğitim, Altyapı Hizmetleri Özelleştirme ve Düzenleyici Erk, Türkiye'ninElektrik Enerji Sisteminde Yapısal Değişiklikler ve Politikalar konulu paneller ve Bilgi ÇağınınAnahtar Teknolojisi; Mikroelektronik, Mikrodalga Enerjisinin Endüstriyel Uygulamaları, BilgiToplumu ve Internet, Elektrik-Elektronik sanayinin Gelişiminde Ar-Ge'nin Önemi, Nükleer GüçSantrallerinin İşletmesindeki Teknik Sorunlar ve Çevre Konulu çağrılı bildirilerle konuların

, tartışılacağı, bilimsel yaklaşımlarla çözüm ve önerilen geliştirileceği, ilgili kurum ve kuruluşlaraönemli katkılar sağlayacağı inancındayız.

Kongrede çağrılı bildiri ve panellere katılarak değerli katkılarda bulunacak değerli bilim adamlarıile özel ve kamu kuruluş yetkililerine sonsuz teşekkürlerimi sunuyorum.

Bugüne kadar iki yılda bir düzenli olarak yapılan, bilimsel niteliği ve katılımı giderek artan ElektrikMühendisliği Ulusal Kongresi, Ülkemizde yapılan bilimsel ve teknolojik çalışmaların nitel ve nicelözelliklerini yansıtması bakımından önem arzetmektedir.'

Kongrenin, izleyiciler ve delegeler için başarılı olmasını, ülkemizin bilimsel ve teknolojikçalışmalanna yön ve ivme vermesini diliyor, hazırlık çalışmalarımıza özenle katkı sağlayan değerliTMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Yönetim Kuruluna, Elektrik Mühendisleri Odası Bursa ŞubesiYönetim Kuruluna ve Çalışanlanna, Bilim Kurulu, Danışma Kurulu, Yürütme Kurulu ve Sosyalİlişkiler Komisyonu üyeleri ile emeği geçen tüm arkadaşlarımıza destek ve katkıları için teşekkürediyorum.

Prof.Dr.Ali OKTAYYürütme Kurulu Başkanı

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ G.ULUSALKONGRESİ

YÜRÜTME KURULU

Prof. Dr.Ali OKTAYProf.Dr.Ahmet DERVİŞOĞLUProf.Dr.R.Nejat TUNCAYTeoman ALPTÜRKFaruk KOÇHaluk ZONTULÖmer ADIŞENEmir BİRGÜNSevim ÖZAKYakup ÜNLEROsman AKINH.İbrahim BAKAR

(U.Ü. - Başkan)İ 9

(İTÜ)(EMO Başkanı)(EMO Bursa Şube Başkanı)(EMO Yön.Kur. Üyesi)(U.Ü.)(EMO-Bursa Şube Yön.Kur.Yazman Üyesi)(EMO-Bursa Şube Yön.Kur. Üyesi)(EMO-Bursa Şubesi)(EMO-Bursa Şubesi)(EMO-Bursa Şubesi)

TMMOBELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASIBURSA ŞUBESİ YÖNETİM KURULU

BaşkanBaşkan Yrd.YazmanSaymanÜyeÜyeÜye

Faruk KOÇİsmail Yalçın AKTAŞEmir BİRGÜNBahri KAVİLCİOĞLUSevim ÖZAKTuncay HIZLIOĞLUCem ÖZKAN

TMMOBELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASIBURSA ŞUBE GÖREVLİLERİ

Kemal ERTUĞRANKemal KARAKAŞRaziye BEĞENMeliha DEMİRHüseyin GÖK

: Kongre-Fuar Sorumlu Mühendisi: Proje Denetim ve Test Mühendisi: Sekreterya Sorumlusu: Muhasebe Görevlisi: Şube Görevlisi

SOSYAL ETKİNLİKLER KOMİSYONU

İnci BECERENSabiha CESURBekir DAĞLAROĞLU

Gülsemin GÜNEŞMuvaffak KARAHANÖnder SERHATLI

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 6. ULUSAL KONGRESİ- I -

BİLİMSEL DEĞERLENDİRME KURULU

- AKÇAKAYA Ergül, Prof.Dr.(İTÜ)- AKPINAR Sefa, Prof.Dr. (KTÜ)• ANDAY Fuat, Prof. Dr. (İTÜ)- ATAMAN Atilla, Prof.Dr. (YTÜ)• AYGÖLÜ Ümit, Prof.Dr.(İTÜ)• AŞKAR Murat, Prof. Dr. (ODTÜ)• BAYRAKÇI H.Ergün, Prof.Dr.(UÜ)• BURŞUK A.Fahri, Prof.Dr. (İÜ)•BİR Atilla, Prof. Dr. (İTÜ)• CANATAN Fatih, Prof.Dr.(ODTÜ)•CERİDÖmer, Prof.Dr.(BÜ)•ÇETİN İlhami, Prof.Dr.(İTÜ)• ÇİFTÇİOĞLU Özer, Prof.Dr. (İTÜ)• DALFEŞ Abdi, Prof.(İTÜ)• DEMİRÖREN Ayşen, Yrd.Doç.Dr.(İTÜ)

DERVİŞOGLU Ahmet, Prof.Dr.(İTÜ)• ERTAN H.Bülent, Prof.Dr.(ODTÜ)• ERTAŞ Arif, Prof. Dr.(ODTÜ)

ERİMEZ Enise, Prof.Dr. (İTÜ)FADIL Salih, Yrd.Doç.Dr.(OÜ)GÖKMEN Muhittin, Prof.Dr.(İTÜ)GÖNÜLEREN Ali Nur, Prof.Dr.(İTÜ)GÜLGÜN Remzi, Prof.Dr.(YTÜ)GÜNAN Hasan, Prof.Dr.(ODTÜ)GÜNEŞ Filiz, Prof.Dr.(YTÜ)GÜRLEYEN Fuat, Doç.Dr.(İTÜ)GÜVEN Nezih, Doç.Dr.(ODTÜ)GÜZELBEYOGLU Nurdan, Prof.Dr.(İTÜ)HARMANCI A.Emre, Prof.Dr. (İTÜ)İDEMEN Mithat, Prof. Dr.(İTÜ)İDER Y.Ziya, Prof.Dr. (ODTÜ)İNAN Kemal, Prof.Dr.(ODTÜ)KALENDERLİ Özcan, Yrd.Doç.Dr.(İTÜ)

- KASAPOĞLU Asım, Prof. Dr.(YTÜ)- KAYPMAZ Adnan, Doç. Dr. (İTÜ)- KORÜREK Mehmet, Doç.Dr.(İTÜ)- KUNTMAN H.Hakan, Prof.Dr.(İTÜ)- LEBLEBİCİOĞLU Kemal, Prof.Dr.(ODTÜ)- MERGEN Faik, Prof. Dr.(İTÜ)- MORGÜL Avni, Prof.Dr.(BÜ)-OKTAYAli, Prof.Dr.(UÜ)- ONAYGİL Sermin, Doç.Dr.(İTÜ)- ÖNBİLGİN Güven, Prof.Dr.(19 MAYIS Ü)- ÖZAY Nevzat, Prof. Dr. (ODTÜ)- ÖZDEMİR Aydoğan, Doç. Dr.(İTÜ)- ÖZKAN Yılmaz, Prof.Dr.(İTÜ)- ÖZMEHMET Kemal, Prof.Dr.(9 EYLÜL Ü)- PANAYIRCI Erdal, Prof.Dr. (İTÜ)- RUMELİ Ahmet, Prof.Dr.(ODTÜ)- SAN KUR Bülent, Prof. Dr. (BÜ)- SARIKAYALAR Şefik, Prof.(YTÜ)- SEVAİOĞLU Osman, Prof.Dr.(ODTÜ)- SEVERCAN Mete, Prof.Dr. (ODTÜ)- SOYSAL A.Oğuz, Prof. Dr.(İÜ)- ŞEKER Selim, Prof.Dr.(BÜ)- TACER Emin, Prof.Dr.(İTÜ)- TANIK Yalçın, Prof. Dr. (ODTÜ)-TARKAN Nesrin, Prof.Dr.(İTÜ)- TOPUZ Ercan, Prof. Dr. (İTÜ)- TUNCAY R.Nejat, Prof.Dr. (İTÜ)- TÜRELİ Ayhan, Prof.Dr.(ODTÜ)- ÜÇOLUK Metin, Prof.Dr.(İTÜ)-YAZGAN Erdem, Prof.Dr.(HÜ)- YÜCEL Metin, Prof. (YTÜ)- YÜKSEL Önder, Prof.Dr.(ODTÜ)- YÜKSELER Nusret, Prof.Dr.(İTÜ)

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 6. ULUSAL KONGRESİ

- II -

DANIŞMA KURULU

- AKÇAKAYA Ergül (Prof.Dr.-İTÜ)- AKKAŞLI Nevzat- ALADAĞLI Tunç (Nergis A.Ş.)- ALGÜADİŞ Selim (EKA)- ARABUL Hüseyin (EMSAD)- ARGUN Tanju (TESİD)- ATALI İbrahim (EMO Adana Şube)- ATEŞ Mustafa (TEDAŞ)- AVCI M.Naci (Organize Sanayi Bölgesi)- BAYKAL Faruk (Nilüfer Belediye Başkanı)- BERKOĞLU ismail (PTT Bölge Başmüdürü)- BOZKURT Yusuf (MEES)- BİRAND Tuncay (ODTÜ)- CANER Süleyman (Çanakkale Seramik)- CEYHAN Mümin- CEYLAN Arif- ÇALIM Yavuz (TEAŞ Müessese Müdürü)- DRAMA Mehmet (TEDAŞ)- DURGUT Metin (EMO Merkez)- GÖREN Sunay (Siemens)- HARMANCI Emre (Prof.Dr.-İTÜ)- ISPALAR Ayhan (EMKO)- KAYA Ersin (Kaynak Dergisi)- KAŞIKÇI İsmail (Almanya)- KIRBIYIK Mehmet (Prof.Dr.-U.Ü.Müh.Mim.Fak.Dekanı)- KUZUCU Mehmet (TOFAŞ Elk.Eln.Tesis Servis Şefi)- MUTAF M.Macit (EMO İzmir Şube)- OKAT ismail (TEDAŞ Bursa Müessese Müdürü)- OKUMUŞ Necati(TEDAŞ)- OKYAY Nursel (TEDAŞ)- ÖZMEHMET Kemal (Prof.Dr.-9 Eylül)- ÖNBİLGİN Güven (Prof.Dr.-19 Mayıs Ü.)- PUCULAOĞLU Mustafa (EMO Merkez)- RAŞİTOĞLU Mithat (TEDAŞ)- SÖNMEZ Ali Osman (Ticaret ve Sanayi Odası Başkanı)- TERZİOĞLU TosunfTÜBİTAK)- YAZICI Ali Nihat (EMO Merkez)- YEŞİL Hüseyin (EMO İstanbul Şube)- YÜCEL Behçet- YÜKSELER H.Nusret (Prof.Dr.-İTÜ)- YURTMAN Naşit (Oyak Renault Fab.Teknik Servis Bakım Müdürü)- YİĞİT Ali (EMO Ankara Şube)- ZÜMBÜL İsmail


- III -

7

KORONA BENZETİMİNİN YÜRÜYEN GERİLİM DALGALARINAETKİSİ

Aydoğan ÖZDEMİRİ.T.Ü.Elektrik-Elektronik Fakültesi

Elektrik Mühendisliği Bölümü80191 Gümüşsuyu/İSTANBUL

ÖZET

Bu çalışmada, PSPICE yazılımı kullanılarak,farklı iki statik korona modeli için havaihatlarda oluşan iç ve dış aşın gerilimlerekoronanın etkisi incelenmiştir.

1. GİRİŞ

Bazı özel uygulamalar dışında, olumsuz etki-leri nedeniyle, yüksek gerilim tekniğinde is-tenmeyen bir olay olan korona, küçük eğrilikyançapb elektrot yüzeyinde oluşan ve kendikendini besleyen bir kısmi boşalma türüdür.Enerji iletim hatlarındaki boşalmalar, tipikkorona boşalması örnekleridir. Sürekli rejim-de kaçınılan bu boşalmalar: enerji iletim hat-larındaki aşın gerilim dalgalarına davranışlanaçısından olumlu bir rol oynarlar.

Enerji iletim sistemlerinde atmosferik olaylarsonucu oluşan dış aşın gerilimler ve açma-kapama, kısadevre vb. şebeke işlemleri sonu-cu oluşan iç aşın gerilimler, yalıtım ve korumatekniği açısından büyük önem taşırlar. Geçiciolaylar olarak tanımlanan bu aşın gerilimlermatematiksel olarak,

dv(x, t ) - . r 3 i ( x . t )= K.l + L

ox o t

dx dt

(D

(2)

kısmi türevli diferansiyel denklemleriylekarakterize edilirler. Bu eşitliklerde v(.,.) ve/(.,.) hattaki gerilim ve akımı, .r referans nok-tadan olan uzaklığı, / zamanı, R,L,C ve Gise birim uzunluk başına hat parametrelerinigöstermektedir.

(1) ve (2) eşitliklerinin, sabit hatparametreleri için, analitik/sayısal çözümü ilekoronasız bir hatta gerilim ve akımın uzaklıkve zamana bağlı ifadeleri/değerleri belirlenir.

Diğer taraftan havai hatlarda oluşan aşıngerilimler her zaman hattın korona başlangıçgeriliminin üzerindedir. Dolayısıyla aşıngerilimlerin hat boyunca zayıflama ve şekilbozulmalarının tam olarak belirlenebilmesiiçin korona boşalmalarının da dikkatealınması gerekir. Bu da ancak (1) ve (2)eşitliklerinin, koronayı da içerecek şekildegenişletilmesi ile olasıdır.

2. KORONA MODELLEMESI

EMTP (Elektrik enerji sistemlerindeki geçiciolayların analizi için geliştirilmiş bir yazdım)uyarlamalan ve diğer korona benzetim çalış-malarını iki guruba ayırabiliriz. Birinci gurupbenzetimler, koronanın yolaçtığı enerji kaybıve sistem kapasitesindeki değişimin, sırasıylagerilime bağlı bir direnç ve gerilime bağlı birkondansatörle modellenmesi ilkesine dayanır/1.2/. ikinci gurup benzetimlerde ise, koronayük-gerilim özeğrisi ile modellenir 13-61. İkiyöntemin ortak yanı; hattın çok sayıda, belirliuzunlukta, dağılmış parametreli hat parçacık-larına bölünmesi ve aralarına toplu paramet-reli olarak modellenmiş korona kollarınınyerleştirilmesidir (Şekil 1).

m-1 m m-t-1

IHavai Hat | Havai Hat

Korona Kolu

TŞekil 1. Havai Hat ve Korona Kolu


- 302 -

S^

100 r

^ 8 0 h

-60 -

20 -

O 1 -20 40 60 80 100

sıcaklık (°C)

Şekil 6. Yarıiletken başlıklı kablo için sistemveriminin sıcaklıkla değişimi.

Yapılan deneylerde verim her durumda po-zitif darbe geriliminde negatif darbe gerili-mındekine göre küçük bulunmuştur. Sonuçolarak, deneylerden kablo uçlarının hazır-lanma biçimine bağlı olarak darbe ürete-cinin veriminin %20'yi aşan oranda azaldığıve sistem verimine bu etkiyi azaltmak içinher kablo türüne ilişkin deneyde bir opti-mum deney numunesi uzunluğunun ve baş-lık tipinin olduğu görülmüştür.

4. KAYNAKÇA

İM IEC Publication 60, "High voltage testtechniques" Part II, "Test Procedures",1973.

III IEEE Std. 82-1963, "Test procedure forimpulse voltage tests on insulatedconductors", 1963.

131 S. Hiyama and Y. Fujjwara, "Testingmethods for power cable insulation",IEEE Trans. on Electrical insulation,Vol.EI-21, No.6, pp. 105î-1056, 1986.

İM WEEDY, B.M., Underground Trans-mission of Electric Power, Wiley,London, 1980.

151 IEC Publication 502, "Extruded soliddielectric insulated power cables forrated voltages from 1 kV up to 30 kV",1994.

161 IEC Publication 840, "Tests for povvercables with extruded insulation for rated

voltages above 30 kV (Um = 36 kV) upto 150 kV (Um = 170 kV)", 1988

Güneş YILMAZ, 1957deRazgrad'da doğdu. VarnaTeknik Üniv. Elektrom k-Haberleşme Müh. Bölümün-den 1980'de lisans. İ985'teyüksek lisans diploması aldı.1986-1989 yıüan arasındaSofya Teknik Ünıv. Elektro-

teknik Malzemeleri Bilimsel Araştırma Merke-zi'nde araştırmacı ve öğretim görevlisi olarakçalıştı. 1995te İTÜ FBE'de doktorasını tamam-ladı. 1989'dan ben TÜRK-SEMENS'te çalışanDr. YILMAZ, halen imalat Teknolojisi Geliş-tirme Müdürü olarak görevini sürdürmektedir

Hasan ÖZTAŞ, !%.•yılında Gaziantep te doğdu1987de ODTÜ GaziantepMühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronık Bölümündenmezun oldu. 1989'dan benTÜRK-SIEMENS'te EnerjiKablolan Kalite Kontroi sc

AR-GE bölümlerinde çalışmaktadır.

Özcan KALENDERLI,1956 yılında İstanbul'dadoğdu. İTÜ EEFden ı>78de mühendis, 198Ü'de vuk-sek mühendis olarak mezun oldu. 1990'da n ' lFBE'de doktora çalışma-lannı tamamladı ÎTIJ HEF

EMB'de 1979-1991 yıllan arasında munendısolarak çalışan KALENDERLI, 199Tden benaynı Bölümde yardımcı doçent olarak görevyapmaktadır.


- 301 -

Lineer olmayan devre elemanları kullanılarakyapılan benzetim, sayısal hesap tekniği açısın-dan elverişli olmasına karşın, bazı fizikselolayları açıklamakta yetersiz kalmaktadır. Bunedenle çoğu kez ikinci tür benzetimler tercihedilmektedir. Şekil 2'de tipik bir yük-gerilimözeğrisi verilmiştir.

c,

Şekil 2. Korona Yük-Gerilim Özeğrisi.

Yük-gerilim özeğrisinin. Şekil 2'de gösterildi-ği gibi parça parça doğrusallaştınlması. koro-nanın kondansatör ve diyotlaria modelenebil-me olanağını sağlar 2/. "Statik Modelleme"olarak adlandırılan bu benzetim, koronanınduyarlı olduğu aşın gerilim dalgalarınıncephe eğimini dikkate almamasına karşın,çoğu kez yeterli sonuçlar vermektedir 5/.

Şekil 3 ve Şekil 4'de iki farklı statik modelgösterilmiştir. Modellerdeki kondansatörlerŞekil 2'de gösterilenlere bire-bir karşılık olup;başlangıçta C ı ve C1' kondansatörleri Vn, C->kondansatörü V t gerilimiyle doludur. Birincimodelde, darbe cephesinin korona başlangıçgeriliminden (Vn) sonrası tek bir eşdeğerkondansatörle temsil edilmiş, darbe sırtındageometrik kapasitenin geçerli olduğu kabuledilmiştir. İkinci modelde ise, darbe cephesiiki farklı kondansatörle ve darbe sırtı ayn birkondansatörle temsil edilmiştir. ModellerdekiR dirençleri ise kayba karşı düşmektedirler.

D,

C fŞekil 4. Çok Elemanlı Statik Korona Modeli

3. BENZETİMLER .

PSpice Analog-Digital Simulation EvaluationVersion 6.1 yazılımı ancak sınırlı sayıda diyotve havai hat kullanımına olanak vermektedir.Diğer yandan, hattın dağılmış parametreli bi-leşenlere bölünmesi ve aralarına toplu para-metreli olarak modellenmis korona kollarınınyerleştirilmesi (Şekil 1), hat parçacıklarınınuzunluğuna bazı kısıtlamalar getirir. Hatanınaz olması için. hat parçacığı uzunluklarının,darbe cephe süresinin oldukça altında olmasıgerekir. Cephe süresi 1 ^s mertebesinde olandış aşın gerilimler için sınır değer 100 mlercivarındadır. İç aşın gerilimler için bu sınırçok daha büyüktür.

Yukanda belirtilen nedenlerden dolayıbenzetimlerde, yük-gerilim özeğri sabitleri,

C0=8.41pF/m

V0=400kV V ;=800kV

C ; =35pF/m

Şekil 3. En Basit Statik Korona Modeli

dalga empedansı Z=500 Q ve hızlı (yüksekfrekanslı) işaretler için kayıp direnci R=0.05Q/m olan 1000 m uzunluklu kısa bir örnekhat seçilmiştir. Kısa hatlar için, statik koronamodellerindeki R dirençlerinin etkili olama-yacağı gözönüne alınarak, benzetimlerde söz-konusu direnç dikkate alınmamıştır 5/.

Toplu parametreli korona modellemesinin enönemli sakıncalarından biri de, darbe sırandaoluşan titreşimlerdir. Empedans süreksizliğin-den kaynaklanan bu titreşimleri azaltmak içinçeşitii hat parçacığı modeiİeri ve uzunîukiandenenmiştir.Bu denemeler sonucu. Şekil 5de gösterilen hat parçacığı modellerinin, hemtitreşimler hem de yazılımdan kaynaklananeleman kısıtlaması açısından uygun sonuçlarverdiği saptanmıştır. Hat parçacığı uzunluğusaptama çalışmaları ise, yaklaşık 100 m gibi

bir değerin uygun sonuçlar verdiğinf göster-miştir (Şekil 6).

RAİ Z=500Q R'Al

M •• A l ;

Şekil 5 Uygun Hat Modelleri

J( t )

10

Şekil 6. Farklı parçacık uzunlukları için-aşıngerilimlerin yayüımı.

a) Koronasız Durumb,c,d) 83,100 ve 125 m hat uzunlukları için

koronalı durum.

3.1 Dış Aşın Gerilimler

Örnek hatun başındaki 1.2/50 joslik bir dışaşın gerilimin hat sonundaki hali Şekil 7 deverilmiştir. Model 1 ve 2 sırasıyla Şekil 3 ve4'de verilen statik korona modellerinibelirtmektedir.

ui t) [ MV 2•4 x=0

Model 2'nin daha doğru sonuçlar vereceğivarsayımıyla, heriki korona modeli için eldeedilen hat sonu gerilim dağerieri arasındakibağıl fark zamanın fonksiyonu olarak Şekil8'de gösterilmiştir. Eğriden de kolayca görü-leceği üzere heriki modele göre hesaplananhat sonu gerilimlerinin tepe değerleri arasın-daki fark oldukça küçüktür. Fakat,cephedeki fark çok yüksektir.

4 6 8 10

Şekil 8. İki Model İçin Hat Sonu Gerilimlerive Bağıl Fark

ikinci olarak örnek hatta,

u(t) = Aİe~'/Tı - B*e~t/T2 Sin(vW

seklinde, korona benzetim çalışmalarında çokkullanılan titreşimli bir aşın gerilim için eldeedilen hat sonu gerilimleri ve aralarındakibağıl farka sırasıyla Şekil 9 ve Şekil 10'daverilmiştir.

! ' c i

."jckıi " İki farklı statik korona modeli içinbir dış aşın gerilimin .yayılımı.

a) Koronasız Durumb) Koronalı Durum. Viodel 1c) Koronalı Durum, Model 2

' ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 6. ULUSAL KONGRESİ

- 304 -

2 4 6 8 10

Şekil 9. İki farklı statik korona modeli içintitreşimli bir gerilimin yayılımı.

a) Koronasız Durumb) Koronalı Durum, Model 1c) Koronalı Durum, Model 2

100!

75 -I

50 -j

25 H

i ıırtVıı (°/*'\

Hata (%)

/ /> u(t)/ıf

U\ Bağıl Hata\\ t (M-s.)

2 4 6 8 10

Şekil lO.İki Model İçin Hat Sonu Gerilimlerive Bağıl Fark

Şekil 8 ve 10 karşılaştırıldığında, cephe eğimifazla olan aşın gerilimlerde cephedeki bağılfarkın yüksek olduğu görülmektedir.

3.2 İç Aşırı Gerilimler

İç aşın gerilimler, dış aşın gerilimlere göreçok daha yavaş değiştikleri için, aynı para-metrelere sahip örnek hat bu kez 10 kmuzunluklu parçacıklara bölünmüştür. Hatbaşındaki 250/2500 [islik bir iç aşıngerilimin hat sonundaki hali, Şekil 11 deverilmiştir.

u(t) [MV]

1.6 ~

1.4-11.2 -|

ı.o -ı0.8 H0.6 -i0.4 -|0.2 H

x=0

x=1000m

t (ms)

2 4 ö 8 10

Şekil 11.İki farklı statik korona modeli içinbir iç aşın gerilimin yayılımı.

a) Koronasız Durumb) Koronalı Durum, Model 1c) Koronalı Durum, Model 2

Bu gerilimlerin cephe eğimleri kritik birdurum yaratmadığı için hata analizine gerekgörülmemiştir.

4. KAYNAKÇA

/!/ LEE, K.C., Non-Linear Corona ModelsinAn Electromagnetic Transients Program(EMTP), IEEE Trans.on Power App. andSystems, Vol.PAS-102, No.9, Sept.1983,pp. 2936-2942

m KUDYAN, H.M., SHIH..,C..H., A Non-Linear Circuit Model For TransmissionLines in Corona. IEEE Trans.on PovverApp. and Systems, Vol.PAS-100, No.3,Marehl981, pp. 14201432-2942.

/3/ GARY. CDRAGAN, G., CRTTESCUD.Attenuation of Travelling Waves Causedby Corona, CIGRE Report 33-1$ 1978.

,4/ SULICIU. M.M., SULICIU, I., A RateType Constitutive Equation for the Des-criptionof the Corona Effect, EEEE Trans.on Povver App. and Systems, Vol.PAS-100, No.8, Aug.1981, pp.3681-3685.

5/ CARNEIRO, S., MARTI,J., Evaluationof Corona and LineModels in Electromag-netic Simulations, IEEE Trans.on PovverDel., Vol.6, No.l, Jan.1991, pp.334-342.

'6/ CERNEIRO S.,MARTL J.R.,DOMMELH.W., BARROS, H.M., An Efficient Pro-cedure for the Implementation of CoronaModels in Electromagnetic TransientsPrograms,, IEEE Trans.on Povver Del.,Vol.9, No.2, April 1984, pp.849-855.

Aydoğan ÖZDEMİR1957 yılında Artvin'de doğ-du.Lisans ve yüksek Lisansöğrenimlerini İTÜ ElektrikFakültesinde tamamladı.1990 yılında Doktor, 1994yılında Doçent unvanlarınıaldı. 1980-1990 yıllarındaİTÜ Fuat Külünk Yüksek

Gerilim Laboratuvannda mühendis olarak ça-lışan ÖZDEMİR, 1990 yılından beri İ.T.Ü.EEF Elektrik Tesisleri Anabilim Dalındaöğretim üyesi olarak görev yapmaktadır.


- 305 -

ÇOK YALITKANLI SİSTEMLERİNYÜK BENZETİM YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ

Zafer AYDOĞMUŞF.Ü. Tek.Egt.Fak.Elektrik EğLBöl.

Mehmet CEBECİF.Ü. Müh.Fak.Elk.-ElaMûh.Böl.

Özet: Bu çalışmada. Yük BenzetimYönteminin çok yalıtkanlı sistemlereuygulanabilmesini sağlayan eşitlikler eldeedilmiş ve geliştirilen program yardımıyla,çeşitli elektrot sistemlerinin potansiyeldağılımları hesaplanmıştır. Sonuçlankarşılaştırmak içm ANSYS Sonlu ElemanAnaliz Programından yararlanılmıştır. Buamaçla problem modelleri oluşturularak,Soluüon 'da çözüm yapılmıştır. Sonuçlargrafiksel olarak çızdınlmışur

1. GİRİŞ

Alan problemlerinin çözümü,Laplace veya Poisson tipi kısmi diferansiyeldenklemlerin çözümünü gerektirir. Buamaçla kullanılan sayısal yöntemlerden biride YBY 'dir. Diğer yöntemlere göre önemliüstünlükleri; kapalı bir çözüm bölgesigerektirmemesi (yüksek gerilim hatları,izolatörler, baralar gibi açık sınırlı alanproblemlerinin çözümünde zorlanmaması),eksenel simetriye sahip olmayan üç boyutlualanlara ve uzay yükü bulunan problemlerekolaylıkla uygulanabilmesidir

Yöntemin uygulanmasında noktasal,çızgisel ve halkasal yükler yaygın olarakkullanılmıştır. Benzetim yüklerinin sayısı,tipi ve yerleri ile sınır noktalarının yerleridoğruluğa etki eden faktörlerdir /1,2,3/.

2. TEORİ

Homogen bir ortamda statik elektrikalanı için Poisson denklemi

şeklinde yazılır. Burada <|> potansiyel, p uzayyükü yoğunluğu ve e, ortamın dielektriksabitidir. Eğer yük yoğunluğu sıfir isedenk.(l), Laplace denklemine dönüşür.

(2)

Bu denklemler için, sınır şartlarınısağladığı gösterilen herhangi bir potansiyelfonksiyonu çözüm olarak alınabilir 121.

Stauk elektrik alanlarının YBY ileincelenmesinin temeli, alanın yüklerle temsiledilmesi ilkesine dayanır. Bu yöntemdegerçek alan yerine, incelenecek bölgenindışına veya elektrot içerisine yerleştirilenbelirli sayıda ayrık yükün (benzetim yükü)oluştuduğu alan alınır. Benzetim yüklerinindeğerleri ve konumlan, sınır üzerindeseçilen belirli sayıdaki noktalarda sınırşartlan (potansiyel ve alan şiddeti şartlan)sağlanacak şekilde belirlenir. Bu yüklerinoluşturduğu potansiyeller, incelenen bölgeiçinde Laplace veya Poisson denkleminisağladığından sözkonusu bölge içindeçözüm tektir, n adet benzetim yükünün i.noktada oluşturduğu potansiyel

(3)J=l

'den hesaplanabilir. Burada Py 'lere"Potansiyel Katsayılan" denir, n adet sınırnoktası için denk.(3) 'ün kullanımı, YBY'nin matris formundaki temel bağıntısınıverir.

(4)

Bu bağıntıdan yüklerin değerleri kolaycahesaplanabilir.


- 306 -

3. ÇOK YALJTKANLI SİSTEMLER VEYBY

Şekil 1 'de sabit <M>c potansiyelli birelektrot ile ona bitişik yalıtkan. I veyalıtkan.II 'den oluşan bir sistemin kesitigösterilmiştir. Üç farklı sınırın, iki boyutluyüzeylerinin gerçek şekilleri (elektrot-yalıtkan.I, elektrot-yaütkan.IL, yalıtkan.I-yalıtkan.II), ayrık yüklerle temsil edilir. Buyükler aşağıdaki gibidir:Elektrotta : i NEYaiıtkan.I 'de : NE+I,...NE+NB

Yalitkan.II 'de: NE+NB+l....NE+2.NB

Hektrot

o Yük• Stntf

noktanYâlUkanJ 6

Şekil 1. İki yalıtkanlı sistem.

Sınır noktalarının sayısı, elektrotiçine yerleştirilen yüklerin sayısına eşittir(Yalıtkan! tarafında NEDİ ve yalıtkan.IItarafında NED2 nokta olmak üzere,NE=NEDl+NED2 sınır noktası). Her bir sınırnoktası hem yalıtkan.I 'e, hem de yalıtkan.II'ye aittir. Bilinen sınır şartlarındanyararlanarak, yükler için bir denklem sistemioluşturmak mümkündür. Bu sınır şartlan;(a) Elektrot-yalıtkan.I sının, potansiyelibilinen bir sınırdır (<M>C). Düzgün biryalıtkan ortamda elektrik alanı, Er 'den vepotansiyel katsayılarından bağımsız olarak•"kaplanabilir. Yaiıtkan.I tarafındaki sınırnoktalarına (toplam NEDİ nokta) ilişkin VEpotansiyeli, elektrot içindeki NE yükleri ileyalıtkan.II 'deki NB yüklerinin etkisigözönüne alınarak hesaplanabilir.

NE NE+NB

(5)j=NE+l

Benzer şekilde yalıtkan.II tarafındaki sınırnoktalan (toplam NED2 nokta) için de

NE NE+2NB

£ PIJ. Qj + £ P i j - Qi = VE S-NEıHU..J«E (6)j=l j=NE+NB+l

(b) Yalıtkanların ara kesitindeki potansiyelbilinmemektedir. Ancak, ara kesitin her ikiyanındaki potansiyelin sürekliliği nedeni ilepotansiyellerin her bir sınır noktasında eşitolması gerekir. Buna göre

NE+NB NE+2NB

]T Pi,. Qj - £ Pij. 0, = 0 İ-NE+L...NE+NB (7)j=NE+l j=NE+NB+l

yazılır.(c) Üçüncü sınır şartı, yalıtkan sınırını kesenelektrik akı yoğunluğu normal bileşenininsürekliliği veya alan şiddeti normalbileşeninin süreksizliği ile ilgilidir. Yani(En)i=Qifij normal bileşeni için

ıÎE ıIE + 2nB ;

! nE nE + ıIB !

m rQjf,,+ yQjf.,i (8)

yazılabilir. Böylece NB sınır noktası içintoplam (nE +2. ne) tane lineer denklemlebilinmeyen yüklerin hesabı yapılır. Yüklerinfazla olması hesaplama işlemini uzatır/2,3,4/. Şekil 2 'de, denk.(5),...,(8) üe eldeedilecek olan matrisin yapısı gösterilmiştir.Burada k=i-NB 'dir.

/ WEf2KB

HÎ+2NB,

Şekil 2. İki yahtkanlı sistemin matris yapısı.


- 307 -

4. UYGULAMA

Bu çalışmada, elektrot sistemlerindeYBY ile potansiyel, alan şiddeti, kapasite vedepolanan enerji gibi büyüklüklerin hesabıiçin iki yol izlenmiştir.

4.1. Gelistirilea Bir Program YardımıylaÇözüm

Giriş verileri klavyeden kolaycagirilebilir. Bu veriler, elektrotların geometrikşekline ilişkin koordinat bilgileri, sınırnoktalarının sayısı, uzay yükü olup olmadığıve farklı bölgelerin dielektrik sabitleri gibibilgilerdir.

Ele alınan küre-küre elektrotsisteminde, yarıçap 2 cm ve küreler arasıaçıklık 12 cm olup, iki küre ortasında 3 cmkalıniıklı bir yalıtkan malzemebulunmaktadır (Sr=5). Diğer yalıtkan isehavadır. Bu sistem, program yardımıylaçözülmüş ve Şekil 3 'de simetri nedeniylealınan 1/4 kısmının eşpotansryel eğrileriverilmiştir. Benzetim için elektrot veyalıtkan sınırlan üzerinde 8 'er noktaseçilmiş ve toplam 24 yük ile çözümyapılmıştır. Yüklerin hesabında yapılanortalama hata %4.9 'dur.

4.2 ANSYS Sonlu Eleman AnalizProgramı Yardımıyla Çözüm

ANSYS 'de, Kısım 4.1 'de incelenenküre-küre elektrot sistemi için çözümbölgesi 1307 düğüm'lü 2500 elemanaaynşnnlmıştır. Elde edilen eşpotansiyeleğriler Şekil 4 ve Şekil 5 'de, alan vektörleriise Şekil 6 'da gösterilmiştir.

s x_.;.Şekil 4. Küre-küre sisteminin ANSYSeşpotansiyel eğrileri.

Şekil 3. Küre-küre sisteminin eşpotansiyeleğrileri.

Şekil 5. Küre-küre sisteminin 1/4 kısmı içinANSYS eşpotansiyel eğrileri.

Şekil 7 'de ise paralel plakalıdüzlemsel elektrot sistemi için eşpotansiyeleğriler gösterilmiştir. Plaka aralığı 2 cm veplaka uzunluğu 4 cm olup yalıtkan ortam,havadır. Plakalar arasında 1.5 cm genişlikli,53° eğimli ve Sr=5 olan bir yalıtkan malzemebulunmaktadır.


- 308 -

Şekil 6. Küre-küre sisteminin ANSYS alanvektörleri.

I ~~-—_

I

-- — ..._ I

5. SONUÇ

Bu çalışmada, çok yalıtkanlısistemlerin potansiyel ve alan dağılımlannınhesabında YBY 'nın kullanımı gösterilmiştir.Yöntemin katsayılar matrisi diğer sayısalyöntemlere göre daha küçük boyutludur.Doğruluk derecesini arttırmak için yeterlisayıda yük alınmalı ve sınır noktalan uygunyerlere yerleştirilmelidir.

KAYNAKLAR

[1] N. H. Malik, "A review of thc charge simulationmethod and its applkabons", EEEE Trans.Electncal Insulatıon, VoL 24, No. 1, 1989, pp. 3-20.[2] P. K. Mukherjee and C. K. Roy, "Computationof ficids in and arotınd insulations by fictitious poüıtcharges", IEEE Trans. Electncal Insulatıon, Vol.EI-13, No. 1. 1978, pp. 24-31.[3] RYüdınm, 0. Kalenderii ve M. Ozkaya."Yüksek gerilim alan incelemelerinde yük benzetimyönteminin kullanımı", Elektrik Mühendisliği IV.Ulusal Kongresi, 1991, pp. 373-376.[4] E. Knffel, W. S. ZaengL "High votiageengineering nmdamentais", Pergamon Press, 1984.

Şekil 7. Paralel plakalı sistemin ANSYSeşpotansıyel eğrileri.

Şekil 8. Plakalar arasında eşpotansıyeleğriler.

Z. Aydogmuş 1968yılında Elazığ 'da doğ-du. 1994 'de "SonluEleman Programlarıtein İki ve Oç BoyutluOtomatik Veri Üretimive Elektrik Alan

konulu Yüksek Lisansç 1994 'de doktoraya başladı.Halen F.Ü. Tek. EğL Fak. Elektrik Eğt Bolümü'nde Arş. Gör, olarak

M. Cebeci 1960 yılın-da Kemaliye 'de doğ-du. 1979 'da EDMMAnde Lisans ve 1981

'de DDMMA'nde "At-mosferik Aşın Gerilim-ler ve Korunması"

konulu tez çalışma^ ile yüksek lisans eğitiminitamamladı. 1992 'de "Zincir İzolatörlerde ElektrikAlan Dağılımının İncelenmesi" konura Doktoraçalışmasını bitirdi. Hakn F.Ü. Müh. Fak. EDc. ElaMüh. Bolümü nde Y Doç. olarak çalışmaktadır.


- 309 -

ANAHTARLAMALI RELUKTANS MOTORUNUN ALGILA YICISIZKONTROLÜ

Veysel ÖZBULUR* Fahrettin ARSLAN® Nihat İNANÇ® Adnan DERDIYOK3

* TÜBİTAK MAM CAD/CAM Robotık Bölümü Gebze 41470 Kocaeli

* İstanbul Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu Avcılar-İstanbul

Sakana Mühendislik Fakültesi Elektrik Müh. Böl. Adapazarı

ÖZET

Anahtarlamah Relüktans Motoru (ARhf)hem motor hem de onu süren konvenörbakımından diğer elektronik kontrollümotorlardan basil ve cazip gözükmektedir.Buna rağmen uygulamada fazla ilgiçekmeyişının nedeni dönebilmesi için rotormiline optik veya hail effect algılayıcıbağlanması gerekir. Motor uçlarındakiakım ve gerilim/erden yararlanarak bualgılayıcıyı ekonomik bir şekildekaldır ılabilirse hem fiyat hem güvenilirlikbakımından üstünlüğü daha da artacaktır.Bu çalışmada AlUvl'nin sensörsüzçalıştırılması için teklif edilen bir yöntemanlatılacak ve bununla ilgili deneyselçalışmalar ı•eritecektir.

1. GİRİŞ

Elektrik motorları güç elektroniğidevreleri ile kontrol edildiği zamandöndürme momenti, hız ve ivmelenmesiiyileştirelebilir ve verimliliği artar. Buiyileştirme bütün motoruygulamalarında arzu edilir. Ancakkullanılacak kontrol devresine karşılıkelde edilecek üstünlükler, fiyat, boyutve devre karmaşıklığının artışınedeniyle her alanda kullanılamaz. Bunedenle elektronik kontrollü elektrikmotorlarının kullanım alanları sınırlıkalmıştır. Bu tür motorların genişkullanım alanı bulabilmesi için basit.

ucuz ve güvenilir kontrol devrelerigerekir.

Son yıllarda üzerinde çok durulananahtarlamah relüktans motoru , hemyapısının hem onu sürecek yarı iletkenkonvertörün basit oluşu nedeni ile bugereksinime cevap verecek gibigörülmektedir. Anahtarlamah relüktansmotoru esas olarak bir senkron makinaolan relüktans motorunun yarı iletkenanahtarlarla kontrol etmeye elverişliolarak yapılan bir çeşididir. Bu motorunhem statorunda hem rotorunda çıkıkkutuplar olup sadece statorunda sargıbulunmaktadır. Bu motor, rotordaki birçıkık kutbun statordaki sargı ileuyarılan kutup tarafındanelektromıknatısda olduğu gibi magnetikrelüktansın minimum olacağı konumaçekilmesi ile döner. Stator kutuplarısırayla uyarılarak her seferinde başkakutuplar çekilerek dönme devam eder.Bu çekme işleminin uyarma akımınınher seferinde aynı yönde uygulanmasıile yapılabildiğinden ve kullanılacakkonvertörde akım yönünündeğiştirilmesine gerek olmadığındankonvertördeki yarı iletken anahtarsayısı diğer elektronik kontrollümotorlara göre yarı yarıya azalır. Bütünbu üstünlüklerine rağmen motorundönebilmesi için belli bir anda hangifaza gerilim uygulanması gerektiğininbılinmfesi zorunludur. Başka bir deyişlemile bağlı bir algılayıcı ile rotor konumbilgisi alınarak, konvertörün kontrol


- 310 -

edilmesi gerekir. Bu iş genel olarakoptik veya hail effect algılayıcılarlayapılır. Bu algılayıcının fiyatı, bilhassamotor küçüldüğünde maliyeti belirginbir şekilde artırır. Ayrıca motora gidenbağlantı sayısı arttığından sistem basitolmaktan uzaklaşır. Bu yüzden bumotorun miline bir algılayıcı kullanmakyerine motorun uçlarındaki akım,gerilim ve/veya güç bilgisindenyararlanarak kontrol edilmesi yolunagidilmiştir. Relüktans motorunun fazendüktansı dönme açısına göredeğiştiğinden, faz akım vegerilimlerinden alınan bilgilerleendüktans ölçülüp dolaylı olarak konumbilgisi çıkaralabilir. Bu güne kadaryayınlarda görülen algılayıcısız kontroltekniklerinin hemen hemen hepsi buprensibe dayanmaktadır. [1],[2],[3]nolu yayınlarda, faz akımlarınınyükselme ve azalmalarındaki hızlarınave bunların değişimlerine bakılarakendüktans ve dolayısıyla konum bilgisiçıkaralarak kontrol yapılabileceğigösterilmiştir. Verilen devrelerin çoğudar bir hız aralığında çalışmakta olupçoğunun motorun kalkışı anındaçalışacağı şüphelidir. [4] nolu yayındaçok doğru olarak konum bilgisi eldeeden bir yöntemden bahsedilmektedir.Bu yöntemde motorun matematikmodelinden yararlanarak çok sayıdahesap yapılarak bu bilgi elde edilir.Uzun hesaplama süresinin gecikmeyesebep olması ve ayrıca sistemin sadecedoğrusal model için geçerli olması bumetodu kullanışsız yapmaktadır.

2. TEKLİF EDİLEN YÖNTEM

Çalışmalarımızda 6/4, 750 W lık birmotor kullanaılmıştır. Miline optikalgılayıcı konularak çalıştırılanrelüktans motorunun mosfetkonvertörte fazlara sırasıyla 22 Vuygulanarak 560 devir/dakika hızlaboşta dönerken osiloskopla gözlenen

faz gerilimi şekil-1' de görülmektedir.Bu değişim şekli çeşitli gerilimlerde veyüklerde biçim olarak değişmemektedir.Gerilim değişimi dikkatle incelenirsefaz gerilimi uygulamadan az öncegerilim negatiften sıfıra yaklaşmaktadır.Gerilimin uygulanmasına ilişkin bilgimildeki optik algılayıcıdan gelmektedir.Optik algılayıcıdan gelecek sinyalyerine sıfıra yaklaşan bu gerilim birelektronik komparatörle hissedilipkontrol yapılabilir. İşte sunulanyöntemin prensibi buna dayanır. İkidarbe arasında negatif yönde değişengerilime bakılınca ortalarda sıfıra doğrubir sivrilme vardır. Bu diğer fazlardagerilimin birinden diğerine değiştirildiğisıraya rastlar. Bu değişimin bazen sıfırayaklaşması öne sürdüğümüz yönteminuygulanmasını engeller. Bu zorluğuyenmek için faz geriliminin kendisinikullanmak yerine integrali kullanabilir(şekil-l'de 3.kanalbunu göstermekte-dir). Şekil- l'in ikinci kanalında dakomparatör çıkışı görülmektedir.Gerilimin 0 dan 1 konumuna geçişanları böylece elde edilerek bir sonrakifaz uyarılmaya başlanır. Bu olay herseferinde tekrar edilerek motordöndürülebilir.

Teklif edilen devre gerçekleştirilmiş vedeney motoru önce rotor miline bağlıoptik algılayıcı ile kontrol edilerekhızlandırılmış ve bu algılayıcı devredençıkarılarak algılayıcısız kontrol devresibağlanarak boşta çalışılmıştır. Rotor birmiktar yüklenerek bırakıldığında hızeski kararlı haline gelmiştir. Şekil-2 de,üst tarafta rotor miline bağlıalgılayıcıdan gelen anahtar kontrolişaretleri, altta ise algılayıcısız kontroldevresinin ürettiği işaretlerinosiloskoptan alınan görüntüleriverilmiştir. Motor hızı 1500 ± 100devir/dak da tutulmuştur. Referansgerilimi değiştirilerek motorun hızlanıpyavaşladığı gözlenmiştir.


- 311 -

1115.OOV 2 20-OV 3 5V O.OO

; < - ı • ı - l - ı - \ ı • M •'• '• ' • > - İ - ı - ı / ı •

Şekil-1. Osiloskoptan alınmış dalga şekilleri; 1.kanal her fazdaki gerilimleri. 3.kanal bugerilimlerin integralini ve 2. kanal ise komparatör çıkışını göstermektedir.

1 5.OOV 2 5-OOV j-O.OOs 5.00%/ STOP

I I I I I • I • I • I I • I • I • ı • I • I I I I I • I I I I I • I - f - I I • I I • I I • I I I • I • I I • I I • I • I • I • I • I • I • I I • I • I

FreqC15=93.50 Hz Duty eyC15=72. IX Duty

Şekil:2 Bir Nolu Kanalda Rotor Miline Bağlı Algılayıcıdan Gelen Anahtar Kontrol İşaretleri,İki Nolu Kanalda Algılayıcısız Kontrol Devresinin Ürettiği İşaretlerin OsiloskopdanAlınan Görüntüleri


- 312 -

3. YAPILAN DENEYLERDEN ELDEEDİLEN BAZI GÖZLEMLER

1) Metod teklif edilen haliyle şimdilik1500 devir/dak da ±100 devir/dak gibidar bir hız aralığında netice vermiştir.Daha alt ve üst hızlarda senkronizasyonda bozulma görülmüştür. Bunun nedenireferans gerilimi değiştiğinde, hızındeğişmesi sonucu kontrol devresindekientegratör çıkışındaki gerilimingenliğinin değişmesinden olmaktadır.Bu nedenle ortaya çıkan kontrolzorluğunu giderebilmek için fazgeriliminin entegralinin sabit tutulmasıgerekir.

2) Düşük hızlarda ortak endüktanslardolayısıyla oluşan gerilim çok çabuksıfıra düştüğünden teklif edilenyöntemin uygulanması bu haliylezordur. Şimdilik bu metodun yüksekhızlarda kullanabileceği gözükmektedir.

3) Algılayıcısız kontrolda hızda birdalgalanma gözlenmiştir. Bu kontroldüzeni doğal olarak bir geri beslemelisistem oluşturmaktadır. Hızdaki buosilasyonların sebebinin bu çevrimin iyikontrol edilememesinden olduğusanılmaktadır. Oldukça nonlineer biryapısı olan bu sistemin iyice analizedilerek, olayın nedenleri bulunup,kararlı kontrol edilmesi gerekir.

4. SONUÇ

Bu çalışma da literatürde yayınlananmevcut metodlar incelenmiş ve teklifedilen bir yöntem denenmiştir. Teklif

edilen yöntem, literatürde verilen vesargı endüktanslarındaki değişimdenyararlanan bir çok yöntemden farklıolaraksargı gerilimlerinin integralikullanmaktadır. Yapılan deneylerledüşünülen tekniğin çalıştığıgösterilmiştir. Ancak bu teknikuygulandığında bazı problemler deortaya çıkarmıştır. Bu problemler teşhisedilmiş ve çözümüne yönelik tekliflerde getirilmiştir. Araştırmanın bundansonraki bölümünde bu problemlerinçözülmesine ve dolayısıyla tekniğindaha geniş bir hız aralığındauygulanmasına çalışılacaktır.

YARARLANILAN KAYNAKLAR

[1] PANDA. S.K., AMARATUNGA. G.,"Analysis of the uaveform-detectiontcchnique for indirect rotorposition sensing of suitchcdreluctance motor drives ". I.E.E.E.Trans. on Energy Conversion. Vol.6.No 3. s.524-541. (1991).

[2] PANDA, S.K.. AMARATUNGA. G.."Comparison of t\vo techniques forclosed-loop drive of VR stepmotors without direct rotor positionsensing ". I.E.E.E. Trans.onIndustrial Electronics. Vol 38. No 2.s. 95-101,(1991).

[3] HARRIS W.D., LANG J.H., "ASimple motion estimator for variablereluctance motors". IEEE Trans.on Industrv Applications, vol.26.No.2, s.237-243. (1990).

[4L LUMSDAINE. A.. LANG, J.H., "State observers for variable-reluctance motors ", I.E.E.E. Trans.on Industrial Electronics.Vol.37, No.2. s.133-142. (1990).


- 313 -

ANAHTARLAMALI RELUKTANS MOTORUNUN AKUSTİK GÜRÜLTÜSEVİYESİNİN AZALTILMASI

V. Özbulur, M. O. Bilgiç,

Tübitak. Marmara Araştırma MerkeziCAD/CAM Robotık Bölümü

Gebze. 41470 Kocaeli

ÖZET

Anahtar lamalı Relüktans Motoru(ARM) 'nin birçok üstünlüklerine karşılıkhala piyasada kabul görmemesininnedenlerinden en önemlisi bilhassa alçakhızlarda döndürme momentindekidalgalanmanın büyük olmasıdır.Döndürme momentindeki bu dalgalanmamotorun rulmanlarına zarar vermekte,akustik gürültii olarak kendini göstermekteve servo motor uygulamalarında motorukullanışsız hale getirmektedir. Buçalışmada A1İP1 'nin döndürmemomentindeki dalgalanmanın, dolayısıylaakustik gürültünün azaltılması için teklifedilen bir yöntem anlatılacak ve bununlailgili simülasyon çalışmaları verilecektir.

1. GİRİŞ

Anahtarlam'alı Relüktans Motoru (ARM)gerçekte bilinen en eski elektrikmakinasıdır. Motorun çalışabilmesi için hızlıbir biçimde açma kapama yapabilecekanahtar elemanlara ihtiyaç duyulmaktadır.Fakat o yıllarda bu işlemi yapabilecek yarıiletken anahtar elemanlar mevcutolmadığından bu motor üzerinde pekdurulmamıştır. Yarı iletken teknolojisindekigelişmeler ARM' yi tekrar gündemegetirmiştir.

ARM'nin diğer makinalara nazaran birçokavantajlarının olmasına rağmen bazıdezavantajları da vardır. Bunlardan enönemlisi motorun çalışması sırasında

meydana gelen mil momentindekidalgalanmadır. Momentteki bu dalgalanmakendisini en belirgin bir biçimde öncerulmanlarda titreşim olarak, daha sonradaakustik gürültü olarak hissettirmektedir.Rulmanlara gelen bu titreşim kuvveti birsüre sonra rulmanları bozmaktadır. Gerektitreşim gereksede akustik gürültününminimize edilmesi açısından genelde iki yolizlenir.

1- Motor dizaynında yapılacakdeğişikliklerle,

2- Motor kontrol devresinindizaynında yapılacak değişikliklerle.

Bu çalışmamızda imal edilmiş bir ARmotorunun kontrol devresinin dizaynındayapılacak değişiklikle mil momentindekidalgalanmanın azaltılması yoluna gidilmiş,,yani motora müdahale edilmemiştir. Bukonuda bu güne kadar yapılmış olançalışmaları şu şekilde sıralayabiliriz. [1]nolu kaynakta motorun yapımı sırasında .rotor kutbuna uygun profil vererek T =k.i.sın(69) biçimine yapılarak ve motorakımı i = I.sin(69) şeklinde modüle edilerekdöndürme momentinin sabit yapılabileceğibelirtilmiştir. [2] nolu kaynakta motora aitT=T(9, i) ölçü sonuçları kullanılarakminimum döndürme momenti dalgalanmasıelde edilecek şekilde fazlara gerilimuygulandığı açılar (9 ) optimize edilmiştir.

Döndürme momentinin 255 ayrık değen neçeşitli akım değerleri için Look-up tablekullanılmıştır. Adı geçen kaynaktadöndürme momenti ile ilgili sonuçlarverilmemiş bunun yerine hızla ilgili sonuçlar


- 314 -

verilmiştir. Dolayısıyla döndürmemomentindeki dalgalanmanın ne kadarazaldığı açık değildir. [3] nolu kaynaktabenzer şekilde T=T(9, i) ölçü sonuçlarınıkullanarak motor faz akımları modüleedilerek döndürme momentindekidalgalanma azaltılmıştır. Bu metodunuygulanabilmesi için döndürme açısı ileberaber her fazın akımının ölçülmesigerekmektedir. [4] nolu referanstaARMnin Variable Structure Control(VSS) la hızının kontrolü sonucundadöndürme momentindeki dalgalanmanındaelimine edildiği belirtilmiştir. Bu kaynaktasadece simülasyon sonuçlan verilmiştir.Simülasyon sonuçlarıda döndürmemomentindeki dalgalanmanın azaldığı fakatgenelde küçük dalgalanmalar olduğugörülüyor. Kaynakta bunun sebebinin VSSkontrol için gerekli şartların her zamansağlanamamasından kaynaklandığıbelirtilmiştir.

2. MATEMATİKSEL MODEL

Çalışmalarımızda dört fazlı 8/6 4 kVV'lıkOulton ARM kullanılmıştır. Motora ilişkinkesit şekil 1.1 de verilmiştir. Bilindiği üzeremotorun çalışması, stator sargılarından biriuyarıldığında ona en yakın rotorkutuplarının bir elektromıknatısın bir demirparçasını çekmesinde olduğu gibi çekilerekolmaktadır. Rotor ve stator kutuplarınınfarklı oluşu sayesinde rotorun herhangi birpozisyonunda uygun faz uyarılarakmotorun sağa ve sola dönmesi sağlanabilir.Motor doğru gerilimle beslendiğindensargılara uygulanan enerjinin, aynı sargınıntekrar enerj ilenmesine kadar geçen süreiçerisinde, boşaltılması gerekmektedir. Buenerji bir direnç üzerinde ısı enerjisi olarakharcanabileceği gibi, enerjinin tekrarkaynağa basılması da mümkündür. Buamaçla çalışmalarımızda C-Dump devresikullanılmıştır. Buna göre motora ilişkindurum denklemleri aşağıda verilmiştir.

dt = Vn - R . in

dVc / dt = (-ig. ug + i) / Cd

dig/dt = ( V g - R f . i g ) / L g (n

d© / dt = ( T. - TL - B . <o ) / J

d8/dt = ©

burada,

( 1 )

n* fazın akısı, Wb

t zaman, sVn n"1 fazın gerilimi, VR her faz sargısının direnci, Qin n"1 faz akımı, AVc C - Dump kondansatör gerilimi, Vig C - Dump devresindeki bobin akımı, A

ug C - Dump konverter kontrol işareti,i diyot akımlarının toplamı, A

C<j C - Dump kondansatörü, FVg C-Dump devresindeki bobin uçlarındaki

gerilim, VLg C - Dump devresindeki bobin, HRg Lg nin direnci, Qco açısal hız, rad/s9 rotor konumu (açı), radTe elektriksel tork, NmTL yük torku, NmB viskoz sürtünme katsayısı, Nm s/rad

atalet momenti,.kg m2J

Şekil 1. 8 / 6 lık ARM'nin kesiti

ARM nin matematik modeli kurulurken ikikabul yapılmıştır.

1- Ortak indüktanslar ihmal edilmiş,2- Motorun lineer bölgede çalıştığı

kabul edilmiştir.


- 315 -

3. S İM ULAŞ YON

oKurulan model ışığında Simnon 3.10nonlinear paket programı kullanılaraksımülasyon gerçekleştirilmiştir. Uygulama-larda motor sabit bir gerilim kaynağındanbeslenir ve akım kontrolü yapılarakçahştırlır. Şekil 2'de dört fazlı 8/6 4KWlikOulton ARM sımülasyonu sonucu eldeedilen faz akımları ( i r i4) ve buna karşı

gelen döndürme momentindeki dalgalanmagörülmektedir. Motor akımlarının genliğisadece bir adet akım sensörü kullanılarak

( 2 )

olacak şekilde kontrol edilmiştir. Şekil 2 herfaz için bir anahtar kullanan C-Dumpkonvertörü- ile motorun çalıştırıldığı durumiçindir. Bu çalışma durumuna ait bazıdeğerler aşağıda verilmiştir.

Referans akım

HızYük momenti :Kaynak gerilimi ..:

C-Dump gerilimi..:

rcl'

CO =

1.5

VV,:

= 3.4 A: 30 dev/dakNm

= 300 V

= 600 VC-Dump anahtarlama frekansı...:fc= 10 kHz

Faz gerilimi başlangıç açısı : 9un = 0°

Faz gerilimi genişliği : 9 = 1 5 °

Eğer i akımı aniden sıfır yapılabilse ve ^

akımı bu anda istenen değere hemengetirilebilse

4

T= S O.5(dLn/d0).In

2 ( 3 )

i=lifadesi gereğince T döndürme momentisabit olacaktır. Ancak i4 akımının sıfıra

gelmesi ve i, akımının istenen değeregelmesi hemen olmadığından ve ayrı ayrıkontrol edilmeyip toplamları sabitkaldığından döndürme momentinde birçekme oluşmaktadır.

Verilen örnekte i( ve i,1 nin üst üste geldiği

bölgede ürettikleri momentler pozitifolduğu halde toplamları sadece iı veya i4' ünsabit kaldığı zaman ürettikleri momenttenazdır. Şekil 2 dikkatli incelenirse ix

yükselmesine uygun bir profil verilerekdöndürme momentindeki dalgalanmanınazaltılabileceği görülmektedir.

Te(Nm), i(A)Te

V 14 \fi p .„'.,

/ •

t(s)

Şekil 2. Moment ve Faz Akımları Değişimi(sımülasyon Sonuçlan)

4. TEKLİF EDİLEN YÖNTEM

Bu çalışmada teklif edilen yöntem ise fazakımlarının toplamı yerine karelerinin sabittutulması esasına dayanır. ARM' dedöndürme momentinin, akımların karesi ileorantılı olması nedeniyle bunun daha uygunolacağı düşünülerek, motor faz akımları

i, + i, + i3 + i4" = I ref" = sabit ( 4 )

koşulu ile kontrol edilmiş ve şekil 3' desimülasyon sonuçlan verilmiştir. Verilenkontrol altında iı akımının komutasyonusırasında sabit döndürme momenti verecekşekilde modüle olduğu görülmektedir.Döndürme momentindeki dalgalanma akımkontrolü nedeniyle oluşan dalgalanmaseviyesine inmiştir. Herhangi bir anda üçfazdan birden akım akmadığı düşünülürse,

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 6. ULUSAL KONGRESİ- 316 -

( 5 )

dır. Buna göre ,

(i, + i.)' + (i, - i 4) ' = i," + i,' + i,~ + i4"" '( 6 )

dir. Bu nedenle dört fazın akımlarınındaayrı ayrı ölçülmesine gerek kalmadan, sözüedilen yöntem sadece iki akım algılayıcısıkullanılarak uygulanabilir. Simülasyonçalışmalarına ilişkin deneysel devre,kurulmuş olup, simülasyon sonuçları iletamamen uyuştuğu görülmüştür.

Te (Nm). i(A)Te

' V M . ' I / ! / ! / ' • • • • • ( • ' • • . • Û ' I ı / ı . ' V ı / ' ı . ' • ' • ' 1 : V ; : ; I ! I / I / 1 \ \ " S M ' M ı M ı• < H I I I i H ı ' M i m l H I > i 4 / l t l f M i l ' I I I t V , \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ' i

i I i(VIW/A ,-;V,V/VA ,///ÂVVV\A ,,vWVWV

1 14 V II \ K! \

\ t(s)

Şekil 3. Önerilen Yöntemle Elde Edilen Momentve Faz Akımları Değişimi ( SimülasyonSonuçlan ).

S. SONUÇLAR

Önerilen metodun mevcut yöntemlere görebazı üstünlükleri şunlardır.

a ) Sadece iki akım algılayıcısıkullanmak yeterlidir.

b ) Dönme açısının ölçülmesineveya hesaplanmasına gerek yoktur.

c ) Basittir. Bazı metodlarda olduğugibi Look-up table ve dijital hesaplamalargerektirmez.

d ) Metod mevcut bir motorauygulanmaktadır. Dolayısıyla motorgeometrisinde bir değişiklik öne sürülme-miştir.

ıMetodun geçerli olabilmesi için aşağıdakişartların var olması gerekir.

a ) Aynı anda sadece ardışıl ikifazın akımı, ayrı ayrı veya beraber akabilir.Fakat üç veya dört fazda birden akımakmamalıdır.

b ) Fazlardan akan akımlar her anpozitif döndürme momenti üretmelidirler

Döndürme momentindeki dalgalanma dahaçok alçak hızlarda söz konusudur.Yukarıdaki şartların alçak hızlardagerçekleşmesi kolay olduğundan verilenmetod kolayca uygulanabilir. Döndürmemomentindeki dalgalanmanın azaltılmasısonucunda motorun yaymış olduğu akustikgürültü de minimize edilmiştir.

YARARLANILAN KA YNAKLAR

[ 1 ] EGAN, M.G. et. aL. " A HighPerformance Variable Reluctance Drive :Achieving. Servomotor Control "Proceediıms of Motor Con. 1985.

[ 2 ] SCHRAM D.S.. WILLIAMS B W..GREEN T C . " Torque Ripple Reduciionof S\\ itehed Reluctance Motor byPhase Current Optimal Profiling "'. IEEEPower Electronics SpecialistsConference Record. s. 857-860. (1992)

[ 3 ] MOREIRA. J.C.. " Torque RjppleMinimization in Svvüched ReluctanceMotors Via Bi-cubic Splineİnterpolation ", IEEE Pouer ElectronicsSpecialists Conference Record. s. 851-856, (1992)

[ 4 ] BUJAG.S.. MENISR.. VALLAM.I.."Variable Structure Control of a SRMDrive "'. fEEE Transacüons onIndııstrial Electronics. Vol. 4ü . No: 1. s.56-63. ( February 1993)


- 317 -

HAFİF RAYLI SİSTEMLERDE KULLANILABİLECEK ÖZELLİKTE2kW,800VDC/24VDC BİR KONVERTÖR DEVRESİNİN

TASARIMI VE İMALATI

Osman BİLGİN İ.Baha MARTI

SELÇUK ÜNİVERSİTESİ MÜH.-M1M. FAKÜLTESİELEK.-ELT. MÜH. BÖLÜMÜ. KpNYA

ÖZET

Yapılan bu çalışmada Hafif RaylıSistemlerde de kullanılabilecek özellikte,Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM)esasına göre çalışan Bir Fazlı Tam KöprüKonvertör (Full-Brıdge Converter) devre-sinin tasarımı, uygulaması ve deney sonuç-lan venlmıştır.

1.GİRİŞ

Hafif raylı sistemlerde geneldekumanda ve kontrol devrelen için kullanılan24V DC genlim Motor-Generatör gruplanile katener hattından (800V DC) dönüştür-ülmektedir. Ancak Motor-Generatör grup-ları çok sık arıza vapmalan ve venmlerinındüşük olması sebebiyle pek kullanışlıolmamaktadır. Gerçekleştınlen bu sistemleyukanda bahsedilen mahzurlar ortadan kal-dınlarak sistemin daha venmli çalışmasıhedeflenmektedir. Sistemin yapımında kul-lanılan elektronik devrelenn beslenmesiamacıyla 24V batarya gerıli-mınden +5V,15V, vb. gerilimlerin elde edilebilmesi içinküçük güçlü bir push-pull konvertör devreside tasarıma dahil edilmiştir.

Sistemi oluşturan kısımlar blokdiyagramı halinde Ek I'de verilmiştir Budiyagramdan da görüleceği gibi sistem;sürücü devresi, güç devresi, koruma devresive gerıbesleme devrelerini içermektedir.

2. SİSTEMİN TASARIMI

2.1. Sürücü Kartının Tasarımı.

Sürücü kartı iki kısımdan oluşmak-tadır. Bunlar:1- Darbe Genişlik Modulasyon (PWM) kıs-mı,2- Mosfet uyumlu (Mos Gated) güç yanılet-ken elemanlarını özelliğine sahip sürücükısmıdır.

Darbe Genişlik modulasyon kısmın-da 120 Hz frekanslı birbirine göre 180° fazfarkı olan iki adet sinyal üretilir. Üretilen businyaller optokuplörlerle sürücü kısmındanelektriki olarak izole edilerek, sürücü enteg-resi İR 2130'un gınş terminallerine verilirEntegre çıkışından elde edilen sinyaller iseŞekil 2'de görülmektedir.

ıo

V15

IO

S

10 15 20 25 30 35 40

Şekil 2 Sürücü Devresi Çıkış Sinyalleri


- 318 -

Şekil 2'de görülen çıkış sinyalleri,güç elemanlarının iletime girme ve kesimegeçmeleri sırasında beyz devrelerine 250mA ile 500 mA arasında akım verebilmekteolup, iletime girme ve kesime geçme süreleri(tr/tf) yaklaşık 75/35 ns civarındadır. Busürenin kısa oluşu, güç elemanlarında harca-nan kayıp gücü azaltmakta ve çalışma fre-kansının yükseltilmesini kolaylaştırmakta-dır.[l]

2.2 Güç Devresi

Güç devresini oluşturan elemanlar;düşük iletime girme güç kaybına, yüksekanahtarlama hızına ve düşük güçlerle sürü-lebılme özelliklerine sahip 1200V, 35A'likIGBT'lerdir. Devreye ait blok şeması Şekil3'de verilmiştir. [3]

Şekil 3 Güç Devresi Şeması

Güç devresinin amacı 800Vlukkatener hattı DC gerilimini, 24V'luk DC ge-rilimine çevirmektir. Bu işlem için önce800Vluk DC gerilimi, güç devresinde kıyı-larak AC gerilime çevrilir. Daha sonra eldeedilen genlim, dönüştürücü transformatör ileseviyesi düşürülür ve doğrultup filtre edile-rek tekrar 24V DC gerilime dönüştürülür.

Şekil 3'de görülen güç devresinin kı-saca çalışma prensibi şöyledir: Sürücü dev-resinde elde edilen 1 nolu sinyal Q\ ve Od

elemanlarının, 2 nolu sinyal ise Qo ve Q3elemanlarının beyz girişlerine verilmektedir.Böylece önce Qj ve C»4 iletime girmekte vetransformatörün pnmer sargısından I] ilebelirtilen bir akım akışı sağlanmaktadır.Daha sonra Q\ ve Q^ kesime götürülüp Q->ve Q3 iletime geçirildiğinde yine şekilde be-lirtilen I] akımına ters yönde bir h akımıoluşur. Dolayısı ile transformatörün pnmersargısında bir AC genlimı elde edilir. Eldeedilen bu AC genlim transformatör çevirmeoranına bağlı olarak istenilen değere dönüş-türülebilir. Tasarlanan bu sistemde girişe200Vluk bir DC gerilim uygulandığında se-konder sargıda yaklaşık 14 Vluk bir AC ge-rilim Şekil 5'de görüldüğü gibi oluşmaktadır

-15

5 10 15 20 25 30 35 AO «s

t-

Şekil 4 Transformatör Sekonder Çıkışındaİndüklenen Gerilimin Dalga Şekli

.Ancak devrede Qı ve Q3 iletime gi-rip, henüz iletimden çıkmadan Q? ve Q4 ileti-me girerse, devre Q\ ve Q-$ üzerinden kısadevre olarak elemanların tahrip olmasınasebep olur. Bu mahzurlan ortadan kaldır-mak için güç elemanlarının kesime gitmesürelerine bağlı olarak sürücü devresininPWM kısmında bir ölü zaman ayar devresi(Dead time generatör) bulunması gerekir.Çünkü PWM de üretilen sinyaller arasındakiölü süre, çoğu zaman elemanlann kesime


- 319 -

geçmeleri için ihtiyaç duyulan süreyi karşıla-yamamaktadır.

Gerçekleştirilen bu sistemde, Şekil2'de görülen İve 2 sinyalleri arasındaki ölüsüre (dead time) O ile %5O arasında istenendeğere ayarlanabilir.

2.3 Koruma Devresi

Sistemde;1 PWM kısmındaki koruma devresi,

2 Sürücü kısmındaki koruma devresiolmak üzere ıkı adet koruma devresimevcuttur.

Sistem nominal değerlerinde çalı-şırken SOOV'luk DC kaynaktan yaklaşık 3 Acivarında bir akım çekmektedir. .Ancak her-hangi bir arıza nedeniyle kaynaktan çekilenakım şiddeti 3A'in üzerine çıkarsa, korumadevreleri bu akım değerlerini kısa devre akı-mı olarak algılamakta ve sitemi devre dışıbırakmaktadır.

2.3.1 PWM Kısmındaki KorumaDevresi

Bu kısımdaki koruma devresischmıtt trıgger ınvertör ve D Flip-Flop'Iarkullanılarak tasarlanmıştır

Şekil 4'de görülen güç devresinde;R] ile gösterilen I D'Iuk dirençten geçenakım optokuplör yardımıyla gerilime dönüş-türülmektedir. Rj'den geçen akım 3A'i aştı-ğında schmıtt ınvertör D Flip-Flop enteg-resinin clock girişini tetıkleyerek flip-flopçıkışını lojik 1 yapmaktadır. Flip-Flop çıkışıPVVM entegresinin kapa (shut down) girişi-ne bağlandığından. PVVM çıkış sinyallerisıfırlanmakta ve sistem korunmaya alınmak-tadır [5]

2.3.1 Sürücü kısmındaki korumadevresi .

Sürücü kısmında oluşturulan korumadevresi sürücü entegresinin (IR2130) fonksi-yonları kullanılarak tasarlanmıştır. Entegreiçerisindeki akım komparatörü. komparatör

olarak kullanılmıştır. Devreden geçen akım3 A olduğunda, güç akım devresine bağla-nan 0.18 Q'luk direnç üzerindeki gerilim0.5 Vu aşmakta ve komparatör çıkışı lojik 1olmaktadır. Komparatör çıkışı entegreninhata (fault) girişme uygulandığından, çıkışsinyalleri sıfırlanır ve sistem korunmayaalınır. [2]

2.4. Geri Besleme Devresi

Sistemde gen besleme için ihtiyaçduyulan gerilim güç devresinde kullanılangerilim dönüştürücü transformatör üzerinesarılan örnekleme sargısından elde edilir vebu gerilim doğultularak PWM devresindebulunan hata amplifikatörünün pozitif girişi-ne uygulanır. Amplifikatörün negatif girişineise 2.5V'luk referans gerilimi uygulanmıştırDevre yüklendiğinde örnekleme sargısındaındüklenen gerilim düşer, amplifikatörünpozitif giriş gerilimi azaldığından PWM"deüretilen darbe genişliği arttırılır. Böylece çı-kış geriliminin sabit kalması sağlanır.

3 DENEY SONUÇLARI

Devre yüklenerek çeşitli yükler içinelde edilen deney sonuçlan Tablo l'de veril-miştir.

Tablo 1 Deney Sonuçları

P,r(W)V(,(V)I,,~(A)fa (W)V r(V)ir (A)V Ö ( V )

%Verım

140200

0.8120

13.38.9

4.6

85

1502000.9

13513.19 6

4.5887

160200

0.92146

13.0103

4.5390

200. 200

1.2

16212.59

1424.581

Tablo incelenecek olursa sisteminveriminin yaklaşık %85 civarında olduğugörülür. Verimin düşük olmasına sebep, sis-temin 2kW, 800/24 V değerlerine göre di-zayn edildiğinden transformatörün demir ka-yıplarının büyük olmasından kaynaklanmak-tadır.


- 320 -

SONUÇ

Tasarlanan bu sistem gınş gerilimiSOOVa göre dizayn edilmesine rağmen sü-rücü devrelerde karşılaşılan problemler vemaddi imkansızlıklar nedeniyle en fazla300V'a kadar çıkılabilmıştır. Çıkış gerilimini12Va ayarlamak için giriş gerilimi 200 Vaayarlanmış ve yaklaşık 15A'lik yük akımınakadar regülasyon sağlanmıştır.

Piyasada hazır olarak bulunan IGBTsürücü kıt devreleri kullanılarak girişgerilimini istenilen değerlere ayarlamakmümkündür..

KAYNAKLAR

İsmail Baha MARTI

Konya'da 1948 yılındadoğdu ilk ve orta öğreni-mini aynı ilde tamamladı.Yüksek öğrenimini AnkaraTeknik Yüksek ÖğretmenOkulu Elektrik Öğretmen-liği Bölümünde 1968'de veIDMMA (Yıldız) Elektrik

Müh. Bölümünde 1975 yılında tamamladıGazı Üniversitesi Fen Bilimleri EnstitüsündeDoktora yaptı. Dr. MARTI. End. MeslekLiseierı, Tek. Eğitim ve Mühendislik Fakül-teleri için ders kitapları, ders notlan ve den-ey kitapları hazırladı. Birçok seminer, sem-pozyum ve kongrelere katılarak bildin sundu

1 RAŞİT M.H.. "Power Electronic"Prentıce-Hall Pub. USA. 19882 Power Mosrets Data Book HarnsCorporation 19923 HEFRERJ AR.. "An Investıgation of TheDerive Circuit Requırements For Isolated(IGBT) IEE Trans. On Power ElectronicVol:6. No2:. P (208-219)4 TSE C.V . ADAMS KM.. "Quası-LınearModelling And Control of DC-DCConverters" Vol:7. No:2, p (298-302)5 BİLGİN. O.. "Hafif Raylı SistemlerdeKullanılabilecek Özellikte 2kW,800VDC/24VDC Regüleli Bir KonvertörDevresinin Tasarımı Ve İmalatı."YüksekLisans Tezi S.Ü. Fen Bil.Ens. Konya 1995

s

Doğrult-|—ma dev. \—

. Kıyıcı-—i devresi

L

Ger . dön. j—*•devre ı—+•

Osman BİLGİN

1966 yılında Hatay'dadoğdu. İlk ve orta eğitiminiaynı ilde tamamladı. YıldızTeknik Üniversitesi Müh.Fakültesi Elektnk Mühen-disliği Bölümünden 1990yılında mezun oldu. 1991

yılından bu yana S.Ü. Müh.Mim Fak.Elek.-Elt. Mühendisliği Bölümünde Arş.Grv. olarak çalışmaktadır.

F l i tdev

t r e h—-

_ , i '

PKM ve I-Bea. dev. i -

korumadevresi

-İGerl b e s -•\ 1 eme dev .

Ek-1 Devrenin Blok Diyagramı


- 321 -

PROSES KONTROLDE PLC UYGULAMASI

Haindi ATMACA, Metin DÖNERDumlupınar Üniversitesi. Mühendislik Fakültesi,

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, KÜTAHYA

Özet- Endüstriyel otomatik kontroldeçok yaygın olarak kullanılanProgramlanabilir Lojik KontrolSistemleri (PLC) için modüler ve genelamaçlı bir tasarım yapılmıştır. Buçalışmada, sistem modüllerinin dizaynıve çalışma prensiblerı üzerindearaştırmalar yapılmıştır. Ayrıca prosesgözetleme ve kontrolün giderek önemkazandığı endüstriyel ortamda, birproses kontrol uygulaması üzerindedurulmuştur.

l.GİRİŞ

Yirminci yüzyılın son çeyreğiiçerisinde ortaya çıkan Elektrik KontrolSistemleri, 1980'li yıllarda endüstriyelotomasyonda kendisine geniş uygulamaalanları bulmuştur. Geçen zamaniçerisindeki bilimsel gelişimin sonuçlarınıiyi değerlendiren otomasyon sektörü,esnek ve daha geniş kapasiteliProgramlanabilir Kontrolör kavramınıoluşturmuştur. Ancak yine de"Elektronik Denetimli Sistemler" tamanlamıyla "programlanabilir" bir özelliksergileyememiştir[l]. Günümüzde bütünüretim ve hizmet sektörlerindekiotomatik ve temassız kontrolsistemlerine duyulan ihtiyacın ortayakoyduğu yeni teknolojik yapılar,mikroişlemci desteğini de alaraktamamen akıllı bir hale getirilmiştir.

Programlanabilir Lojık KontrolSistemlerinin endüstriyel otomasyondakullanılmasıyla üretim ve hizmetperformansı büyük artış göstermektedir.PLC (Programmable Logic Controller)sistemlerinin temel ilgi alanları her nekadar endüstriyel otomasyon konulanise de alternatif ve doğru gerilimin

kullanıldığı sinyal işleme temelli tümkarmaşık düzeneklerde de rahatçakullanılabilmektedir[2]. Yani sadecemotor kontrolü, taşıyıcı-band, ikaz veproses monıtoring sistemleri değil;robotik, trafik ışık düzenlemesi, sıcaklıkve klima kontrolü, elektronik temellihidrolik ve pnömatik yapılar, asansörkontrolü, medikal (tıbbi) sinyal işleme,kimyasal karışım sistemleri gibi,otomasyon biliminde BANG-BANGveya ON/OFF kontrolü denilen yüksekve düşük seviyede kontrol gerektirentüm elektrik ve elektronik kontrollüsistemlerde PLC kullanılması müm-kündür. Temel anlamda programla-nabilir denetleyici yapısı Şekil. 1.'degösterilmiştir.

2.PROGRAMLANABİLİR LOJİKKONTROL SİSTEMİ (PLC)

Genel olarak PLC sistemi,belleğindeki programın akışı içindealgılayıcılardan gelen sinyalleri okuyupprogramda istenilen denetim işaretleriniüreten ve çıkışlardaki sürücülere(drivers) gönderen özel amaçlı birbilgisayardır[3]. Bütün PLC'lerbüyüklük, karmaşıklık ve fiyat gibifaktörlerden bağımsız olarak temel bazıbölümlerden oluşmaktadır. Bunların birkısmı donanım (hardware) birimleridir;diğerleri ise PLC yazılım veyaprogramlarının işlevsel özellikleriniyansıtmaktadır.

2.1.Donanım (hardware)

PLC'lerde Güç-Besleme sistemi iletesisin fiziksel ve elektrikselfonksiyonlarına uygun olarak şu


- 322 -

f* man-machine ^interface

tt-C PROGRAMMER^ PCandRS-232 _,

fr-(SOFTWARE)

memory

INPUTMODÜLE

I

SENSORSTRANSDUCERS

SVVTTCHESfNTTfATORS

r zso ı ^L CPU J1 '

OUTPUTMODÜLE

\p

ACTUATORSRELAYS

MOTORSDRIVERS

Şekil 1. Programlanabilir Lojik Kontrolör Yapısı Blok Diagramı

birimlerin bulunması gerekmektedir[4]:• Merkezi İşlem Birimi (CPU),• Hafıza (Memory),• Ginş / Çıkış Modülü (I / O ),• Yazılım (Sofhvare),• İnsan-Makına Diyalogu Birimi

(Programmer)• Sensörler ve algılayıcılar.

2.1.1. Mikroişlemci ve Hafıza (CPU)Modülü

Tasarlanan kontrol sisteminde merkeziişlemci birimi (CPU) olarak 16bit adresve 8 bit veri (data) hattına sahip Z-80mikroişlemcisi kullanılmıştır. Böylece64KB'lık hafıza ve 256 bit giriş/çıkışkapasitesine erişilmiştir. Serihaberleşme, zamanlayıcı, sayıcı, ADC veDAC gibi arabirimler, sinyalleri dahahızlı işleyabilmek için mikroişlemcidehafıza haritalaması 'memory mapping'yöntemiyle adreslenip ve kodlanmıştır.

2.1.2. Giriş/Çıkış (I/O) Modülü

kanı olmakla beraber tek bir algılayıcı(sensor) veya motor olabilir. 256 adetadet 8 bitlik modül adreslenince toplam2 KB'lık sinyal işleme kapasitesi olurSistemin temel giriş/çıkış modülleri 8 bitsinyal işleme kapasitelidir. AC GirişModülü, AC Çıkış Modülü (MOSFETve Triac çıkışlı), Dijital Giriş Modülü, veDijîtal Çıkış Modülü yoğun araştırmalarsonucu tasarlanmıştır(5].

3. ENDÜSTRİYELUYGULAMALAR

Genel olarak programlanabilirnitelikteki tüm kontrol sistemleri aynıtemel özelliklen taşımakla beraberendüstriyel prosesin ihtiyacına göreistenilen kapasite ve özellikteki kontrolbinmlerinden oluşturulması gerekmek-tedir[6]. Bu çalışmada, sıvı karışım vetaşıyıcı band sistemi kontroluygulamaları yapılmıştır.

3.1 Sıvı Karışım Kontrol Sistemi

Baz olarak sistemin giriş/çıkışkapasitesi ele alınacak olursa mevcutadres hattıyla 256 adet elemanayırdedilebilmektedir (I/O Addressing).Bu elemanlar birkaç bitlik giriş/çıkış

Kontrol sistemi olarak PLC yapıları,gözlem değerlendirme veyönlendirmenin insanlar tarafındanyapılmasının mümkün olmadığı kimyasalveya nükleer bir ortamda daha


Şekil 2. Kimyasal Sıvı Karışım Sistemi

çok önem kazanmaktadır. Bu sebebledirki, adı geçen sektörlerin gelişimi,otomasyon sistemlerinin gelişimi iledoğru orantılı olmuştur. [7]. Şekil 2. 'detemel olarak gösterilen bir kimyasal sıvıkarışım prosesi yer almaktadır.Programlanabilir kontrol sisteminintemel hedefi, her tanktaki sıvıseviyelerini gözleyerek ve yazılımınöngördüğü algoritmayı takip ederekgerekli actuatorleh (valfler, ısıtıcı,mikser motoru vb.) için TTL seviye çıkşelektrik sinyallerini üretmektir. Sinyalialan actuator, pozisyonunu değiştirerekON / OFF kontrol mantığıyla sisteminakışını yönlendirmektedir. İncelenen busistemde yer alan A. B, C ve Dtanklarında dört çeşit kimyasal sıvıbulunmaktadır. Tankların belirlibölgelerine yerleştirilmiş seviyesensörlerı ile söz konusu tanktaki sıvıkarışım oranı belirlenmektedir. PLCsisteminden gelen sinyallerle hareketegeçen valfler, her kimyasal sıvının kenditankına belirlenen oranda dolması ve

karışımı oluşturmak üzere M karışımtankına boşalmasını sağlamaktadır.Karışım tankında istenilen ölçüde ısıtılankarışım daha sonra işlenmek üzereprosesin diğer bölümlerinegönderilmekte ve bunlar da benzer birşekilde PLC ile kontrol edilmektedir.Ayrıca bu kimyasal karışım prosesi içinaşağıda venlen Deyim Listesi (StatementList) dilinde bir program yazılmıştır:program controllbeginstep 0LOAD tımerl=DELAYif Sİ then reset VA2, VB2, VC2, VD2

setFOstep 1if FO and not S2 then set Fİif Fİ and not LAİ then set VAİifLAl then reset VAİif not VAİ and not LB1 then set VBlifLBİ then reset VBlif not VBl and not LC1 then set VClif LC1 then reset VCl if not VCl andnotLDl then set VD1


- 324 -

Şekil 3. Taşıyıcı-BandifLDl thenreset VD1

setF2ıf F2 then set HEAT, Mİstep 2ıfTAthentımerl DEL AYifDELAY then set F3ıf F3 then jump step 3

elsejump step 2step 3if F3 thenreset Mİ,HEAT

setF4ifF4 and LM2 then set VMif not LM2 then reset VM

set Sİjump step 1

end.

3.2.TaşıyıcıSistemi

Band ve Sıvı Dolum

ve Şişe Dolum Sistemialgılayıcılar yer almaktadır. BöylecePLC, ürünün band üzennde neredeolduğunu anlayacaktır[8].

.Şekil 3.'deki A ve B anahtarları(switch) şişenin kırık olup olmadığınıkontrol ederler. Eğer şişe kırıksa. yaniiki anahtardan birisi kapanmışşa, V4ventıli şişeyi band üzerinden aşağıyaitecektir. Sağlam şişe S 5 sensörütarafından algılandığında band motorudurur. V5 valfı açılır ve depodaki sıvıbelirli bir süre şişeye akar, sonra bandmotoru çalıştırılır ve S6 sensörü şişeyialgılar Bu durumda kapak perslenırBand sonunda şişe bir kutuyayavaşlatılarak, dikey olarak düşünülür.Bu arada S 7 anahtarı kutuya düşenşişeleri sayar. Sistem kontak planıprogramı Şekil 4.'de verilmiştir.

Endüstriyel üretim alanlarında ençok kullanılan ürün taşıma ve paket-leme yöntemi, taşıyıcı-band sistemidir.Bu sistem, işletmenin fonsiyonuna veürüne göre değişim gösterebilmektedir.PLC sisteminin uygulandığı taşıyıcı-band (Conveyor-belt) sistemi üzerindebelirli kritik noktalarda sensörler ve

+24VS1

MIS2

GNDSTART

•i H[STARTJ

Şekil 4a. Taşıyıcı-band Sistemi LadderDiagramı (Mühürleme)


- 325-

+24V GNDSTART Fi F2 F3 M1

I—I4-VH1—{S4 S3 F4 F1—n—n-F1

V\ ( hT1 VI

, ^ / \_

I T I I F4Tl

1sn

+24VS5

hF2

h

S6h

F3

GNDF5 F2

vı—( HT2 V2

HF5

H HF3

i HV3

•( HF6

H H

T25sn

F6

T3

S6

T32 sn

CTR1

c=c+1

Şekil 4.b. Taşıyıcı-band SistemininLadder Diagramı

Kaynaklar

[1] Otter, J.D.,"PorgrammableLogic Controllers". Prentice Hail, 1993[2] Verhappen, I. "Sample systemmonı-toring and control", PorcessControl and quality v.3 n.1-4, 1992p.237-244[3] Moon, II. "Modelling PLC forlogic verifıcation", IEEE ControlSystem Magazine, v. 14 n. 12, 1994p.53-59[4] Walczak, T.A. "Critical controlcapabilities using PLC", Proc. Ind.Compt. Conf-ISA, 1992, p.321-340

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

[5] Atmaca, H., Döner, M."PLCtemelli sistem otomasyonu", ÇukurovaÜnıv. 15. Yıl Sempozyumu, 1994p.475-487

[6] Krob,R., Suddoth,T.,VanGemert, P. "DeSign andimplementation of a PLC-continuouscasting control system", 28th AnnualMeeting of the IEEE-IAS ConferanceRecord, 1993, p.2398-2405[7] Ponton,J.W. "Chemical processcontrol in 1990's", Chemistry andIndustry, n.9, May 1993, p.315-318[8] Lu, H. Ying,Z."Simulatıon ofPLC", Computers & IndustrıalEngineering v.23 n.1-4 Nov 1992,p.351-354

Özgeçmişler:Hamdi ATMACA. 1944yılında Ş.Urfadadoğdu. Urfa Lisesinibitirdikten sonra bursluolarak 1963 yılındaİngiltere'ye gitti. 1968yılında Ne\vcastleÜnv.den Elektronik veEntrümentasyonağırlıklı Fizik

Mühendisliğinden lisans , 1970 yılındaBirmingham Aston Teknik Ünv.'den Mastcrve 1974 yılında Londra Ünv.den Puls veDigital * Elektronik (Nükleer Elektronik)konusunda doktora derecelerini aldı Aynıyerde postdoktora yaptıktan sonra ODTÜG.Antep kampüsünde göreve başladı. Dahasonra Anadolu Ünv.'de doçent ve Tülomsaştadanışman olarak görev yaptı. ŞimdiDumlupınar Ünv.'de Elek-Elektronik Müh.Bölümünde başkan olarak görev yapmaktadır.

Metin DÖNER. 1970yılında Gaziantep'tedoğdu. 1993 yılındaAnadolu Üniv.'denElektrik-ElektronikMühendisi olarakmezun oldu. Bir süreSANKO A.Ş. Tekstilsanayinde çalıştı. HalenDumlupınar

Üniversitesi Elektronik Anabilim Dalındaaraştırma görevlisi olarak çalışmaktadır. Aynızamanda DPÜ Fen Bilimleri EnstitüsündePLC ve Endüstriyel Otomasyon konusundavüksek lisans yapmaktadır.

6. ULUSAL KONGRESİ

- 326-

INVERTER ANAHTARLAMA KAYIPLARINI MİNİMİZE EDEN YENİBİR UZAY VEKTÖR PWM METODUNUN TASARIMI VE

GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Ramazan AKKAYA, Remzi GÜLGÜNY.T.Ü. Elektrık-Elektronik Fakültesi

Elektrik Mühendisliği Bölümü, 80750 İSTANBUL

ÖZET: Bu çalışmada, inverter anahtarlamakayıplarını minimize ederek yüksekanahtarlama frekanslarında çalışmaya izinveren yeni bir uzay vektör PWMmetodunun genel özellikleri ile PWM darbeüretme prensibi verilmiştir. PWM darbeörneklerinin hesabı ve üretimi sadece 8098mikrodenetleyicinin assembler yazılımı ilegerçekleştirilmiş ve IGBT li gerilimbeslemeli bir PWM invertere uygulanarakanında ve gerçek zamanda PWM kontrolüyapılmıştır.

/. GİRİŞ

Gerilim beslemeli PWM inverterler, çıkışgeriliminin temel genliği, frekansı veharmonik içeriğinin kontrolünü bir tek güçdevresinde gerçekleştirmeleri sebebiyle pekçok endüstriyel uygulamada, özellikle dedeğişken hızlı ac sürücü uygulamalarındageniş bir kullanım alanı bulmuştur. PWMinverter ile beslenen ac sürücülerinperformansı doğrudan kontrol devrelerinde

• kullanılan modulasyon metodlannınseçimine bağlıdır. Mikrodenetleyicilerkullanılarak PWM dalga şekillerinin gerçekzamanda üretilebilmesi için modulasyonişleminin tipine bağlı olarak gerçekleştirilençeşitli teknikler vardır.

PWM inverter uygulamalarında kullanılanen genel modulasyon metodu, sinusoidalPWM'dir. Özellikle, sinusoidal modulasyonagöre daha düşük harmonik distorsiyonluçıkış akımı ve daha yüksek çıkış gerilimimeydana getirme yeteneği vemikroişlemciler ile kolaycagerçekleştirilebilmesi gibi avantajları

sebebiyle genlim uzay vektörü fikrinedayanan PWM metodlan, yaygın olarakkullanılmaktadır/1 /. Son yıllarda süreksizmodulasyonlu uzay vektör PWM metodlanhem çıkış gerilimini artırması hem deinverter anahtarlama kayıplannı azalmasısebebi ile özel bir ilgi alanı halinegelmiştir/2,3,4/.

Bu çalışmada inverter anahtarlamakayıplarım minimize etmek amacıylageliştirilen yeni bir uzay vektör PWMmetodunun teorisi verildi ve metod pratikolarak gerçekleştirildi.

2. UZAY VEKTÖR PWMMETODU

Bu metod, üç fazh dalga şekillerinin Uzay(Park) Vektörü ile gösterilmesi fikrinedayanan sayısal bir PWM darbe üretmetekniği olarak ifade edilebilir. Şekil l.a'dagörüldüğü gibi üç fazh gerilim beslemeli birinverter, girişteki doğru gerilimin ya pozitifya da negatif ucuna bağlanabilen üç anahtarile tanımlanabilir. Pozitif anahtarlamadurumu " 1 " ve negatif anahtarlama durumu"0" ile gösterilirse inverter için sekiz farklıanahtarlama durumu mümkün olur.

HSb 1 Sc\

J (011]//

V. (1131

A ı\V ıJuı

Vk(Sa.Sb,Sc)

(a) (b)

Şekil. 1.a) Üç fazh PWM İnverter,b) gerilimuzay vektörleri ve referans vektör


- 3 2 7 -

Sabit gerilimli bir de kaynaktan istenengenlik ve frekansta bir ac gerilim üretmekiçin inverter , sekiz anahtarlama durumununbirinde çalışır. Her bir anahtarlama durumuŞekil l.b'de verildiği gibi bir gerilim uzayvektörüne karşı gelir. Anahtarlama durumvektörleri olarak da isimlendirilen invertergerilim uzay vektörleri.

: V d / 3 exp<j(k-l)7r/3), k = ! . 2 , 6

d)k=0,7

olarak verilebilir. Buna göre üç fazlı gerilimbeslemeli bir inverterin uzay vektördiyagramı sıfır çıkış gerilimli iki durum vearalarında 60°' lik faz farkı bulunan 2/3Vd

genliğinde sabit çıkış gerilimli altı adetgerilim uzay vektöründen ibarettir. Parenteziçindeki ikili sayılar (a.b.c) faz sırasına göreanahtarlama durumlarını göstermektedir.

Uzay vektör PWM metodunun temelprensibi, gerilim beslemeli bir invertertarafından üretilen sekiz ayrık gerilimvektörünü kullanarak ideal gerilimvektörüne mümkün olduğu kadar yaklaşanbir gerilim vektörü sağlamaktır. İstenengerilim vektörü, inverterin altı aktifdurumuna karşı gelen gerilim vektörleritarafından şekillendirilen bir altıgeniçerisinde bulunur ve "Referans Vektör"olarak isimlendirilir. Referans vektör,altıgeni oluşturan altı sektör üzerindehareket ederek dairesel bir yörünge çizer.Uzay vektör PWM metodu, böyle birdairesel referansı izleyecek şekilde uygun birkural ile inverter anahtarlama durumlarıarasında bir seçme olarak düşünülebilir.

S ı

3b

To2

1

2

9 *

z

Referans vektöre komşu genlikli iki vektörve uygun bir sıfir vektörün seçilmesiavantajlıdır. Şekil l.b'de görüldüğü gibireferans vektör, sektör T de bulunuyorsaoptimum anahtarlama düzeni.

vo-v}-v2-v7-^-v2-vı- y0 (2)

olarak verilebilir. Böylece bir anahtarlamadurumundan diğerine geçiş, sadece birinverter kolunun anahtarlanmasıylagerçekleşir. Bu durum şekil 2'de verildiğigibi inverter kollan bir sıfir durumundanbaşlayıp diğer sıfir durumunda sona erecekşekilde anahtarlandığında gerçekleşir. Akımharmoniklerini minimize etmek için sıfirvektör uygulama süreleri. Ts=l/2fs likanahtarlama aralığının başlangıcı ve sonundaeşit olarak paylaştınlmahdn74/. Simetrisebebiyle her bir sektördeki çahşma benzerolduğundan referans vektörü içeren sektörl'deki üç anahtarlama vektörününuygulanma süreleri ,

T,=MTssın(u/3-9)T,=M Ts sın 9T0=T7= TVT, -T,

(3)

Şekil 2. Optimum PWM darbe örneği

olarak bulunur. Burada TK T: ve Tn (T7)sırasıyla Vx . Vz ve Vo (V7) vektörlerininuygulanma süreleridir. M, 0<M<l arasındadeğerler alabilen Modulasyon faktörü ve 9ise. 0 <9<60 arasında değişen faz açısıdır.

3. YENİ PWM METODU

İnverter çıkış geriliminde iki sıfir gerilimuzay vektörünün bulunması, inverteranahtarlama durumlarının farklıkombinasyonlarına izin verir. Sıfir vektöruygulama sürelerinin her bir anahtarlamaaralığında sırasıyla sıfir yapılması sonucusektör 1 için şekil 3'de verilen anahtarlamaörnekleri üretilir. Burada. her biranahtarlama aralığında iki faz koluanahtarlanırken üçüncü kol anahtarlanmazve toplam sıfir gerilim vektör uygulamasüresi. T7 veya T0'a eşitlenir.


- 328-

1

1

]I1I

i T3 '

(a) (b)

Şekil 3. Süreksiz PWM darbe örnekleri

Şekil 3'de verilen PWM darbe örneklerininfarklı kombinasyonlarına bağlı olarak çeşitlisüreksiz modülasyon metodlangeliştirilmiştir. Bu metodlann en büyükavantajı düşük anahtarlama kayıplarıiçermesidir. Anahtarlama kayıpları akımabağlı olduğundan, uygun anahtarlamadüzenleri kullanılarak anahtarlama olmayanaralıklar akımın maksimum olduğu bölgelerekaydınlırsa. süreksiz modülasyon ileanahtarlama kayıplarında daha büyük birazalma gerçekleştirilebilir/2/.

•%•

i K-Uuf is

(a)scP ızo° ıscP 24d? ÎC

(b)

Şekil 4.a) Yeni PWM metodu için referanseğri. b) Anahtarlama Kayıplarınıngüç faktörüne bağımlılığı

Eğer (0û-60°) aralığında sadece Vx . F: veV- vektörleri kullanılırsa şekil 4.a'dagörülen referans eğri elde edilir. Referanseğriden görüldüğü gibi her bir faz kolu temelperyot içerisinde 60° 'lik bir aralık için.sırasıyla de kaynak geriliminin pozitif venegatif ucuna bağlanmaktadır. Böylece ofaza ait kolda temel peryodun üçte birindeanahtarlama olmamaktadır. Sonuçta inverteranahtarlama sayısında %33 azalmaolduğundan anahtarlama kayıpları daazaltılmaktadır. Pratikte yükler, genellikle ac

motor olduğundan yükün endüktifkarakteristiği sebebiyle asenkron motorlartam yükte 30 civarında geri fazda akımçekerler. Bu durumda (0°-60°) ve (180°-240 ) aralıklarında anahtarlama içermeyenŞekil 4.a'daki referans eğrinin daha iyi birçözüm göstereceği görülür.

Anahtarlama kayıplarının akım ve gerilimarasındaki faz farkına bağımlılığı Şekil4.b'de görülmektedir. Burada. <p= 30° Mikfaz farkı için faz akımının maksimum olduğubölgelerde anahtarlama olmamaktadır.Böylece, anahtarlama sayısının azalmasınailave olarak maksimum akım bölgelerindeanahtarlama olmaması sebebiyle inverteranahtarlama kayıplarında en büyük azalmagerçekleştirümektedir. Bu durumda, süreklimodülasyona göre eşit anahtarlamakayıpları için anahtarlama frekansı dahafazla artırılabilir. Bunun sonucu olarak daharmonik kayıplar minimize edilebilir.

4. DENEYSEL SONUÇL4R

Yeni PWM metoduna ilişkin darbeörneklerinin hesabı ve üretimi için sadeceİntel 8098 mikrodenetleyicisi kullanıldı.Anahtarlama süreleri (3) eşitliğine göremodülasyon faktörünün lineer fonksiyonuolduğundan sinüs fonksiyonları. 9'ya görebir başvuru tablosu olarak verildi Böylecegerçek zamanda PWM darbe örneklerisadece kesme rutini kullanılarak 8098mikrodenetleyicinin assembler yazılımıylagerçekleştirildi. PWM sinyalleri. IGBTlerile gerçekleştirilen üç fazlı gerilim beslemelibir invertere uygulandı ve yük olarak 1.5kVV'lık üç fazlı bir asenkron motorkullanıldı. Gerçekleştirilen deneyselsistem "den osiloskop ile şekil 5'de verilendeğişimler alındı. Şekil 5. a'da görüldüğü gibiher bir sektörde ,üç fazdan ikisi daima darbegenişlik modüleli iken üçüncüsü ya " 1" yada "0" olmaktadır, b'deki değişimler de iseakımın maksimum olduğu bölgelerdeanahtarlama olmadığı ve faz akımının sinüsşeklinde değiştiği görülmektedir.


- 329-

(b)

Şekil 5.a) Sektör 1 ve 2 için PWM sinyallerib)İnverter faz gerilimi ve akımı ilefazlararası gerilimin değişimi

5. SONUÇ

Bu çalışmada uzay vektör PWM tekniğindenfarklı bir anahtariama düzeni kullanılarakgeliştirilen yeni bir PWM metodu verildi Bumetotta temel peryodun üçte birindeözelliklede inverter çıkış akımları maksimumdeğerlerden geçerken anahtariama olmamasısebebiyle inverter anahtariama kayıplarıminimize edilmektedir. Ayrıca PWM darbeörnekleri kolayca hesaplanabildiğindenanında ve gerçek zamanda PWM kontrolüyapılabilir. Geliştirilen- metod anahtariamakayıplarını azaltmasının yanında çıkışakımlarının harmonik distorsiyonunuazaltarak yük uçlarına sinüsoidal olarakdeğişen akımlar meydana getirmektedir.

6. KAYNAKLAR

1. R. AKKAYA ve H. BODUR," UzayVektör Modulasyon MetoduylaOptimum PWM Darbe SürelerininHesaplanması" Elk. Müh. 5. UlusalKong. 1993, 1129-1134

2. R. AKKAYA ve R. GÜLGÜN. " ANovel PWM Technique in Motioncontrol " İCRAM195 Konferansınakabul edildi.

3. J.W. KOLAR, H. ERTL and F.C.ZACH.'Influence of the ModulationMethod on the Conduction andSvvitching Losses of a PWM ConverterSystem" IEEE Trans. Ind. Appl. Vol.27.No.6. 1991. 1063-1075.

4. H.W. van der BROECK'Analysis of theHarmonics in Voltage Fed inverterDrives Caused by PWM Schemes withDiscontinuous Svvitching Operation"EPE'9I. 261-266.

Ramazan Akkaya. 1963yılında Aksaray ' da

doğdu. 1986'da Lisans,1988'de Yüksek Lisanseğitimini Yıldız TeknikÜniversitesi ElektrikMühendisliği Bölümü

'nde tamamladı. Aynı üniversitede. 1987yılında Araştırma Görevlisi olarak çahşmayave 1989'da Doktora eğitimine başladı. Halengörevine devam etmekte olup Doktora tezçalışmasını tamamlamak üzeredir.

Prof. Remzi Gülgün 1937yılında Aydın 'da doğdu.1958-64 yıllan arasında

elektrik mühendisi olarakendüstride çalıştı. 1965yılında İstanbul YüksekTeknik okulunda yüksek

lisans öğrenimini tamamlayarak asistanolarak göreve başladı. 1973 yılında doçent,1979 yılında profesör oldu. Halen YıldızTeknik Üniversitesinde görevine devametmektedir.


- 330 -

ANAHTARLAMALI GÜÇ KAYNAKLARINDA SIFIR-GERİLİM

ANAHTARLAMA YÖNTEMİ

Özge ŞAHİN

D.E.Ü. Müh. Fak. Elektrik ve Elektronik Müh. Bölümü , Bornova-İZMİR

ÖZET

Bu çalışmada Buck tipi sıfır-gehlim anahtarlamalı sözde-rezonant güç kaynağı önceliklekuramsal olarak incelenmiş, her aşama için oluşturulan diferansiyel denklemlerçözülerek kuramsal dalga şekillen elde edilmiştir.

Daha sonra, sıfır-gerilim anahtarlama işleminin sağlanabilmesi için sıfır-gerilimi sezen birgerilim karşılaştırma devresi tasarlanmış ve gerçeklenen devrelerin şemaları verilmiştir

1 . GİRİŞ

Günümüzde klasik PWM tipianahtarlamaiı güç kaynakları yerine ,önemli üstünlüklerinden dolayı sözde-rezonant (Quasi-Resonant) kaynaklarüzerinde yoğun araştırmalaryapılmaktadır Sözde-rezonantanahtarlamalı güç kaynakları yüksekfrekans anahtarlaması için diğer tiplerdendaha uygundur. Çünkü yüksekfrekanslarda ortaya çıkan parazitıkendüktans ve kapasiteler, rezonansdevresinin bir parçası olarak kullanılabilir.Anahtar geriliminde ve akımında anideğişimler yerine, sözde-rezonantanahtarlamalı güç kaynaklarında yarı-sinüsoıdal dalda şekilleri oluşur /1/./2/.Ayrıca yeni anahtarlama teknikleri olansıfır-gerilim anahtarlama ve sıfır-akımanahtarlama yöntemleriyle anahtarlamakayıpları ve yarı-iletken elemanlarüzerindeki güç kayıpları en azaindirgenebilir 131,141 • Kullanılananahtarlama yöntemine göre anahtarsıfır-gerilimde veya sıfır-akımda açılıpkapanır 151.

Bu çalışmada " Buck " tıpı sözde-rezonant anahtarlamalı güç kaynağınasıfır-gerilim anahtarlama yöntemininuygulanabilmesi için gerekli tasarım veincelemeler yapılmıştır IQI.I7I.IQI.

2 . DEVRENİN KURAMSALİNCELENMESİ

Buck tipi sözde-rezonant anahtarlamalıgüç kaynağının temel devresi Şekil 1' degösterilmiştir.

U

Şekil 1 Buck tipi sözde-rezonantanahtarlamalı güç kaynağı


- 331 -

LR ve CR elemanları rezonans devresinioluşturur S anahtarı ve Ds dioduMOSFET'İ temsil etmektedir. MOSFET' ineklem kapasitesi CR ile gösterilmiştir.Çıkış filtresi LF ve CF elemanlarındanoluşur D s c n sebest dolaşım diodudur.

Bilindiği gibi. LF . CR ve RL

elemanlarının belirlediği zaman sabitianahtarlama periyodu yanında çok büyükkalıyor ise bu kısım sabit akım kaynağıolarak modellenebilir. Başlangıçta Sanahtarının kapalı olduğu varsayılırsasürekli halde devre üç aşamadaincelenebilir:

Elde edilen diferansiyel denklemlerebağlı kuramsal gerilim ve akımdiagramları Şekil 2'de gösterildiği gibidir.Anahtarlama elemanı olarak MOSFETkullanılmıştır

'ut

\\

\\

\

T /

\

3 . SIFIR-GERİLİM ANAHTARLAMAİŞLEMİNİN GERÇEKLENMESİ

Şekil 2'de görülen V D S işareti, anahtaruçları arasındaki gerilimi göstermektedirSıfır-gerilim anahtarlamalı sozde-rezonant güç kaynaklarında anahtarınsıfır-gerilimde açılması doğal olaraksağlanmaktadır. Gerçeklenmesı gerekenkoşul, anahtara paralel bağlı rezonanskapasitesinin uçları arasındaki gerilimsıfıra düştüğünde anahtarrınkapanmasıdır. Bunun için. anahtar uçlarıarasındaki gerilimin sıfıra düştüğünüsezen bir gerilim karşılaştırma devresitasarlanmıştır. Bu devrenin çıkışına tekkararlı bir multivibratör devresiyerleştirilerek anahtar uçları arasındakigerilimin sıfıra düştüğü anda bir vuruüretilmesi sağlanmıştır Tek kararlıfnultivibratörden elde edilen çıkış.anahtarlama elemanını sürme devresinikontrol etmek amacıyla eşzamanlamavurusu olarak kullanılmıştır

Sıfır-gerilim sezme devresigösterilmiştir.

U U

Şekil 3'te

u

Şekil 3 Sıfır-gerilim sezme devresi

VD ve Vs gerilimleri, anahtarlamaelemanı olarak kullanılan MOSFET'ınDrain ve Source gerilimlerini belirtir. R1

ve R2 dirençleri toprağa göre referansgerilimi sağlamak üzere kullanılmıştır.Ayrıca R1 ->R2 seçilerek LM339entegresinin girişlerine çok yüksekgerilimlerin gelmesi önlenmiştir

Şekil 2 Kuramsal gerilim ve akım şekilleri


- 332 -

Gerilim karşılaştırıcı devrenin çıkışıv

Cmpi l

" V fark geriliminin sıfırgeçişlerinde konum değiştirir.

VD>VS => VC m p=+V

VD<VS => VCmp=O

Normalde V D S geriliminin negatif olmasımümkün değildir. Ancak Ds diodu iletimegeçtiğinde ona paralel bağlı olanMOSFET'in uçları arasında ihmaledilebilecek kadar bir negatif gerilimdüşümü olur. Fakat bu küçük değer,gerilim karşılaştırıcı devrenin çıkışınıdeğiştirmeye yeterlidir.

V D S . vCmp v e VM işaretleri Şekil 4'te,tasarlanan ve uygulanan devrenin blokşeması ise Şekil 5'te gösterilmiştir.

"GMP

Şekil 4 VD S, V C m p ve VM işaretlen

SENk POrılI-S -OM ! ı j-S'E rI'

MULn'.'lBRfiTnp •^PSIL^STIPICI

Şekil 5 Devrenin blok şeması


- 333 -

4.SONUÇ

Bu çalışmada sıfır-gerilim sezmedevresiyle sıfır-geriiimde anahtarlamayapılması sağlanmaktadır. Böylece akım-gerilim çarpımının anahtarlama süresinceintegrali en aza indirgenerek anahtarüzerindeki güç kaybı azaltılmıştır.Gerçeklenen devre geri beslemeyapılmadan ve anahtarlama elemanınısürme işareti bir sinyal generatöründenelde edilerek çalıştırılmıştır. Sistemindaha güvenilir ve verimli bir durumagetirilmesi amacıyla sisteme geri beslemedevresi eklenebilir.

KAYNAKÇA

1. S.Cuk, R.D.Middlebrook, "Advancesin svvitched mode power conversion- Part 1," IEEE Trans. on IndustrialElectronics, Vol.lE-30, No.1, pp.1O-19. Febr.1983.

2. S.Cuk, R.D.Middlebrook, "Advancesin svvitched mode povver conversion- Part 2," IEEE Trans. on IndustrialElectronics, Vol.lE-30, No.1, pp.1O-19, Febr. 1983.

3. M.M.Jovanovic, R.Farrington,F.C.Lee. "Comparison of half-bridgeoff-line , ZCS-QRC and ZVS-MRC,"IEEE Trans. on Aerospace andElectronic Systems, Vol.26, No.2,pp.326-336, March 1990.

4. F.C.Y.Lee, "High frequency quasi-resonant converter technologies,"Proc. IEEE , Vol.76, No.4, pp.337-390, April 1990.

5. K.Lİu and F.C.Y.Lee, "Zero-voltagesvvitching technique in DC/DCconverters," IEEE Trans. on PovverElectronics, Vol.5, No.3, pp.293-304,July 1990.

6. M.K.Kazimierczuk and J.Jozvvik."Analysis and design of buck zero-voltage-svvitching resonant DC/DCconverter," Proc. 12th Int. PCI'86Conf., Oct. 1986.

7. VV.A.Tabisz, P.M.Gradzki andF.C.Y.Lee, "Zero-voltage svvitchedquasi-resonant buck and flybackconvertrs : Experimental results at10MHz," IEEE 'Trans. on PovverElectronics, Vol.4, No.2. pp. 194-204.Apr. 1989.

8. A.K.S.Bhat, "A unified approach forthe steady-state analysis of resonantconverters," IEEE Trans. onIndustrial Electronics, Vol.38, No.4.pp.251-259, August 1991.

ÖZGEÇMİŞ

ŞAHİN 1967doğumludur,

ve Yüksekeğitimlerini

MühendislikElektrik ve

ÖzgeİzmirLisanslisansD.E.Ü.FakültesiElektronik MühendisliğiBölümünde sırası ile

1989 ve 1992 yıllarında tamamlamıştır.1993 yılında Doktora eğitiminebaşlamıştır.

Halen D.E.Ü. Mühendislik Fakültesi,Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBölümünde Araştırma Görevlisi olarakçalışmaktadır.

Anahtarlamalı güç kaynakları ve güçdevreleri arasındaki elektromagnetıkgirişim ilgi alanı içindedir.


- 334 -

FLYBACK KONVERTERLİ YENİ BİR ANAHTARLAMALI GÜÇKAYNAĞI TASARIMI

Remzi Gülgün M. Hadi Sarul Gülderen YıldırmazYıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Fakültesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü.

Özet - Bu çalışmada ac girişli ve Flybackkonverterli yeni bir güç kaynağıgeliştirilmiştir. Özellikle güvenirliğe ve güçyoğunluğunun yüksek olmasına öncelikverilmiştir. Redresör çıkışındaki süzmekondansatörü kaldırılmış, Flybackkonverterde doğrultulmuş sinüs dalgasıkullanılmış ve uygun PWM stratejisi ilesekonder taraftaki darbelerin birbirinin aynıolması sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlarörnek bir devreye uygulanmıştır.

/. GİRİŞ

Güç kaynaklarında aranan başlıca özellikleraşağıdaki gibi sıralanabilir.1. Beslendiği kaynakla yük arasındaizolasyon sağlamalıdır.2.Güç yoğunluğu yüksek olmalıdır.3.Gerektiğinde güç akış yönü kontroledilebilmelidir.4. Verimi yüksek olmalıdır.5.Küçük filtreler kullanılarak giriş veçıkıştaki dalga şekillerinin harmonikiçerikleri azaltılabümelidir.ö.Enerji bir ac kaynaktan sağlanıyorsa,çekilen akımın güç faktörü yüksek olmalıdır.7. Güvenirliği yüksek olmalıdır.8. Giriş geriliminin tolerans sınırlarıgeniş olmalıdır.

Güç kaynaklarının bu özelliklerdenolabildiğince fazlasına sahip olması istenir.Lineer güç kaynakları, bu şartların çoğunuyerine getiremediği için yerini anahtarlamalıgüç kaynaklarına (AGK) bırakmıştır.Uygulamada genellikle güç kaynağı mevcut50Hz 'lik ac şebekeden beslenir. AGK 'lannen önemli özelliği, girişlerinde bir izole güç

transformatörü bulunmaması, girişlerineuygulanan ac' ı doğrudan de' a çevir-meleridir. Klasik yapıdaki bir AGK'da acgerilim doğrultulup bir kondansatörlesüzülerek bir ham de gerilim eldeedilmektedir. Bu gerilim, bir dc-dckonverterde arzu edilen değerdeki regüle degerilime dönüştürülmektedir. Bu amaçlafarklı yapıdaki dc-dc konverterlerdenyararlanılabilir [1], [2].

Mevcut ac gerilimden ham de gerinme geçişisağlayan ve "Giriş Ünitesi" olarakadlandırılan kademede bulunan süzmekondansatörü, AGK devreye sokulurkensorun yaratır. Başlangıçta kondansatör boşolduğu için, redresör üzerinden şebekedenbüyük bir akım çeker. Bu yolalma akımınınsınırlandırılması için genellikle iki yolabaşvurulur [2]. Bunlardan biri direnç-triackombinasyonu, diğeri ise devrede seri olarakNTC tipi termistör kullanılmasıdır.

2. ÇALİŞMA PRENSİBİ

Bu' çalışmada giriş ünitesi ile dc-dckonverter birlikte ele alınmış ve süzmekondansatörü kullanılmadığından, şarjakımını sınırlayan bir düzene ihtiyaçkalmamıştır. DC-DC konverter olarakFlyback konverterinden yararlanılmıştır.Flyback konverteri prensip bakımından birBoost konverteridir. Anahtarlama elemanıiletimde iken magnetik sistemde depo edilenenerji, eleman kesime geçince ikinci tarafaverilir. Boost konverterinde giriş ile çıkışarasında izolasyon yoktur. Flybackkonverterinde bir transformatör vasıtasıylaelektriksel izolasyon sağlanmıştır.


Flyback KonverteriACŞebeke Oiyot

Köprüsü

r|Udı

I1

Sıfır GeçişDedektörü

AnahtarlamaElemanı

İzole GüçTransformatörü

I

8031Mikrodenetleyicisi

I ı ı

UR

t

İzolasyonKatı

İzolasyonKatı

Doğrultma veSürme Devresi

SürmeDevresi

VCO

i U d

1

_ı

ŞekiL 1. Geliştirilen Anahtarlamalı Güç Kaynağının Blok Diyagramı

Transformatör aynı zamanda Boostkonverterindeki bobinin enerji depo etmegörevini de üstlenmiştir.

Şekil l'de geliştirilen anahtarlamalı güçkaynağının güç ve kontrol devrelerini içerenblok diyagramı görülmektedir. Alışılmıştanfarklı olarak güç devresinde diyot köprüsüçıkışındaki u^ı ham gerilimi, süzülmedenFlyback konverterin girişinde kullanıl-maktadır. Girişteki gerilim sıfir ile Um

arasında değerler almakta ve sinüs yarımdalgası şeklinde değişmektedir. Uygun birPWM stratejisi kullanılmak suretiyle,konverter çıkışındaki kondansatörü şarj edenakım darbelerinin birbirinin aynı genlik vegenişlikte olması sağlanmıştır. Böylece çıkışkondansatörü kapasitesinin alışılmışkonverterdeki normal değerini takribenkoruması sağlanmıştır. Uygun PWMdarbelerinin elde edilmesi için 8031Mikrodenetleyicisi (MD) içeren bir kontroldevresi kullanılmıştır. AGK çıkışındakigerilim, frekansa çevrilerek ve çıkışla izoleedilerek MD'ye uygulanmıştır. Aynızamanda UR referans gerilimi ile şebekegeriliminin sıfır geçişleri de MD'yebildirilmiştir. Bu bilgileri değerlendiren MD,her sinüs yarım dalgası başında yarım peryotiçin PWM darbe genişliklerini belirleyerek ,

izolasyon katı ve sürme devresi üzerindenanahtarlama elemanım kontrol etmektedir.

~u

Şekil 2. Güç Devresi

Şekil 2'deki güç devresi şemasındangörüldüğü gibi sürülmesi kolay olduğu içinIGBT kullanılmıştır. IGBT iletimde ikenprimer sargıdan ip akımı geçmekte ve diyotkapama yönünde kutuplandığından bu sıradais=0 olmaktadır. ip=Ip m iken IGBT kesimegeçirildiğinde, ip=0 olmak üzere is=Ismmaksimum değerinden başlayarak azalmaktave bir taraftan kondansatörü şarj ederken,yükü de beslemektedir. IGBT iletimde iken.

Udi = Lp dip/dt

bağıntısı geçerlidir.

d)


- 336 -

Um sin cot koymak suretiyle ip 'nindeğişimi bulunabilir.

ip = Um ( 1 - cos cot ) (2)

IGBT kesimde iken is akımı, Ud geriliminekarşı akmaktadır.

Buna göre.

Ls dis/dt = -Ud (3)

yazılabilir. Çıkış gerilimi sabit tutulduğunagöre (3) ifadesinden, is 'nin doğrusal olarakazaldığı görülmektedir. O halde sekonderakün darbesi bir dik üçgen şeklinde vesüresi,

t s = Ud (4)

olacaktır. Primer ve sekonder alam darbegenlikleri arasındaki oran transformatörünsanm sayılarına bağlıdır.

Ism / Ipm = wp / w s (5)

Belirli bir kararlı çalışma durumunda primeralam darbesi genlikleri daima Ipm olacaktarzda, (2) bağıntısından yararlanarak ilgilidarbelerin genişlikleri bulunabilir. Yarımperyot başından itibaren n 'inci darbeningenişliği,

tpn = arcos { cos [ co (n -1) Tp ] -

( I p m L p C 0 / U m ) } / ( û - ( n - l ) T p (6)

Primer alam darbesinin genişliği, aynızamanda IGBT 'nin anahtarlanmasındakiPWM darbe genişliğini vermektedir. İlkdarbenin genişliği en büyük olupanahtarlama frekansını belirlemektedir.Akımın yükselme hızı arttığı için en kısadarbeler udi 'in maksimum olduğu bölgeyerastlamaktadır.

3. SAYISAL ÖRNEK VE UYGULAMADEVRESİNDEN ALINAN DEĞİŞİMLER

Şebeke gerilimi 220V, 50Hz, Ud=24V,Lp=Ls=500uH, wp=ws, Ipm=Ism=10A,olması halinde anahtarlama frekansını ve buçalışma durumu için PWM darbegenişliklerini bulalım.

(2) ifadesinde ip=10A, t=tpi konursa enbüyük darbe genişliği; tp i=tpmax=320usbulunur. (4) ifadesinden sekonder akımıdarbe süresi; ts=208us elde edilir.Darbeperyodu; Tp>tpi+ t s, Tp> 528us olmalıdır.Yanm peryottaki darbe sayısı bir tam sayı,10ms/588us=17 olacak şekilde darbeperyodu belirlenebilir. Bundan sonra (6)bağıntısından yararlanarak ac yanmperyodundaki darbelerin genişliklerihesaplanabilir.

Tablo. I

DarbeNo

1"j

3456789

Darbe DarbeGenius)

3208244302420181716

DarbeNo Geni|.

1011121314151617

I S )

1617182024314594

Darbe genişlikleri tam sayıya dönüştürülerekTablo.l'de verilmiştir. Şekil 3'de uygulamadevresinden alınan PWM örnekleri ile udigeriliminin değişimi birlikte verilmiştir.Osiloskopun hafıza örnekleme toleransıdikkate alınırsa, hesapla bulunan değerlereoldukça yalan olduğu görülmektedir.


- 337 -

Şekil 3. Flyback Konverteri GirişGerilimi ile PWM Örnekleri

AGK küçük güçler için tasarlandığından tekfazlı olarak gerçekleştirilmiştir. Büyükgüçlerde üç fazlı ac kullanılabilir ve girişakımının iyileştirilmesi üzerinde durulabilir[3], [4].

4. SONUÇ

Geliştirilen AGK 'da redresör çıkışındasüzme kondansatörü bulunmaması, akımsınırlama düzenini ortadan kaldırmakta, güçdevresini daha güvenceli ve basit halegetirmektedir. Önerilen AGK 'nınuygulanabilirliği gerçekleştirilen devre ilekanıtlanmıştır.

KAYNAKÇA

[1] M. H. Rashid, "Povver Electronics",Second Edition, Prentice Hail, 1993.

[2] C. Chryssis, "High-Frequency SwitchingPovver Supplies", Second Edition,McGravv-Hill, 1989.

[3] J. W. Kolar, H. ErtL F. C. Zach, "ANovel Three-Phase Single-SvvitchDiscontinuous-Mode AC-DC Buck-Boost Converter vvith High-QualityInput Current VVaveforms andIsolated Output", IEEE Transactions onPovver Electronics, vol.9, March 1994.

[4] S. Hiti, V. Vlatkovic, D. Borojevic,F.Y.Lee, "A Nevv Control Algorithm forThree-Phase PWM Buck Rectifier vvithInput Displacement FactorCompensation". IEEE Transactions onPovver Electronics, Vol.9, March 1994.

ÖZGEÇMİŞ

Prof. Remzi Gülgün1937 yılında Aydında doğdu. 1958-1964yıllan arasında elektikmühendisi olarakendüstride çalıştı.1965 yılında İstanbulYüksek Teknik

Okulunda yüksek lisans öğreniminitamamlayarak asistan olarak göreve başladı.1973 yılında doçent, 1979 yılında profesöroldu. Halen Yıldız Teknik Üniversitesi'ndegörevine devam etmektedir.

Yrd.Doç.Dr.M.H. Sanıl1956 yılında İneboludadoğdu. Yıldız TeknikÜniversitesinde 1979da Elektrik Mühendisi1981 'de YüksekMühendis ve 1993'deDoktor Mühendis

unvanlarını aldı. Aynı üniversitede 1993 'denberi yardımcı doçent olarak görevine devametmektedir.

Yrd. Doç. Dr. GülderenYıldırmaz 1957 'deBursa 'da doğdu.1979 yılında İDMM'AElektrik Bölümündenmezun oldu. 1980yılında YıldızÜniversitesi Elektrik

Mühendisliği Bölümünde uzman olarakçalışmaya başladı. 1984 yılında yüksekmühendis, 1992 yılında doktor unvanını aldı.Halen aynı üniversitede yardımcı doçentolarak görevine devam etmektedir.


- 338 -

DSP TEMELLİ AKIM KONTROLLÜ GERİLİM KAYNAĞIEVİRGECİNİN PERFORMANS KARŞILAŞTIRMASI

Erhan AKIN Yetkin TATARFırat Üniversitesi Mühendisl ik Fakültesi Elektrik-Elektronik Bölümü

ELAZIĞ

Özet: Bu bildiride, genlim kaynağıevirgecinın akım kontrollü çalıştırılması içiniki değişik yöntemin tanıtımı yapılmıştır.Histerezis akım kontrolü ve rampakarşılaştırmalı akım kontrolü olarakadlandırılan bu yöntemler, TMS320-E14işlemcisi kullanılarak sayısal olarakgerçeklıştınlmış ve elde edilen sonuçlarındeğerlendirilmesi yapılmıştır.

1.Giriş

Genlim kaynağı evirgeçlen (GKE),yaniletken anahtarlama elemanlarının,anahtarlama hızlanndaki artış ve buna paralelolarak akım-gerilim sınırlarındaki yüksel-melerden dolayı, birkaç yüz Watt'dan yüzkilowatt'lara kadar en önemli seçenek halinegelmıştır.GKE performansının yüksek olma-sının etkenlerinden bin de modülasyon vedenetim tekniklerinin uygulana- bilirliğindekigelişmelerdir ki, bu da sayısal işaret ışlem-cilenn katkılarıyla ortaya çıkmaktadır.Modülasyon teknikleri ile çıkış akımlanndakiharmonik ıçenk ayarlanabilmektedir.

Alternatif akım motorlarının yüksekperformans uygulamalarında D.A motorlannınyenni almaları vektör kontrol sayesindeolmuştur. Vektör kontrol temel olarak,yönlendirme yapılacak akı vektörüne göreyapılan aynştırma algoritmaları kullan-maktadır. Moment cevabının hızının artı-rılması, akım konrolu ile yakından ilişkilidir.Vektör kontrol için aynştırma stator akımıüzennden yapıldığı zaman, genel olarakevırgece akım referanstan üretilir. Vektörkontroldan beklenen hızlı moment cevabınınsağlanabilmesi ıçm GKE nın akım kontrollüolarak çalıştınlması uygun olmaktadır [ 23]-

Günümüzde pratik olarak akımkontrollü genlim kaynağı evirgeçlen(AKGKE), hızlı akım cevabının, yüksekizleme yeteneğinin (genlik ve faz açısından)istendiği uygulamalarda en önemli tercihsebebidir. Bu özelliklere ek olarak. AKGKE'nın ucuz ve güvenilir olması koşullan dadikkate alınmalıdır. GKE'nın akım kontrollü

çalıştınlmasında üç temel yöntem kullanılır.1. Histerezis Kontrol: Bu yöntemde amaç,stator akımlannm kendi referanslannı bir his-terezis bant genişliği ile izlemeye zor-lamaktadır. Burada üç fazlı akım referanslan,ölçülmüş stator akım referanslan ilekarşılaştınlır. Bu karşılaştırma sonucu eldeedilen hata histerezis kontrol ediciye gınlır.2. Rampa Karşılaştırmalı Kontrol: Buyöntemde akım hatası üçgen modülasyonişareti ile karşılaştınlır ve sonuç histereziskontrol ediciye uygulanır. Anahtarlamafrekansı üçgen dalga frekansı ile ilişkilidir.3. Kestınmli akım kontrol edici: Akımınreferans değennı işleyebilmesi için evırgeçtarafından uygulanacak genlim hesaplamayoluyla belirlenebilir. Yöntemde, akım hatasıhesaplandıktan sonra motor modeli kulla-nılarak evırgeç anahtannın yeni konumubelirlenir. Yapılması gereken hesaplamalannçokluğu nedeniyle, uygulama için ayn birsayısal işaret işlemci kullanılması gerekir.

Bu bildiride rampa karşılaştırmalı vehisterezis kontrollü gerilim kaynağı evirgeçperformanstan incelenecektir. Kısaca açık-lanan bu iki akım kontrol tekniği,TMS320E14 DSP işlemcisi kullanarakgerçekleştınlmiştır. Yöntemler asenkronmotor üzerinden farklı hızlarda ve yüklerdedenenmiştir.Gerçek işaretler TRACE14üzerinden kaydedilmiş ve Matlab yazılı-mındakı DFT (Aynk Fourier Dönüşümü)üzerinden harmonik analizi yapılmıştır.

2.Histerezis Akım Kontrolü

Evirgeç çıkışındaki akımını referansınıizleyebilmesi için yaygın olarak uygulanan buyöntemin temel çalışma ilkesi, sabit DA aragenlimının motor sargılarına düz ve ters yönlüuygulanarak, motor akımını belirli bir bant ilekendi referansını izlemeye zorlamaktır [2].Herhangi bir anda motor sargılarınauygulanan genlim +/- U^ olduğundan, söz-konusu yöntem bang-bang kontol olarakisımlendinlir. Histerezis kontrol ediciningerçekleştınlmesıne ilişkin blok Şekil l'degösterilmiştir.


- 339 -

Şekil 1. Histerezis akım kontrolünün ilkegösterimi

AKGKE, ideal akım kaynağına yakın birçalışma karakteristiği gösterir. Bu nedenleküçük güçlü ve yüksek dinamik özelliklergerektiren uygulamalarda yaygın olarakkullanılırlar.

Histerezis kontrollü evirgecinçalışması sırasında istenen faz akımlarınısağlamak için yeterli gerilimlerinuygulanması gerekmektedir. Motorun zıte.m.k.'nın düşük olması durumunda DAara devre gerilimi kntık değildir ama zıte.m.k.'ın artması durumunda (yüksekhızlar) evirgeç çıkışı referansı izleyemez.Evırgeç performansını belirleyenunsurlardan bin de ortalama anahtarlamafrekansıdır. Ortalama anahtarlamafrekansını etkileyen faktörleri belirlemekamacıyla, bir fazın yüklü durumu içinasenkron motorun Thevenın eşdeğerdevresi dikkate alınarak diferansiyeldenklemi vazılırsa.

Us

zaman aralığında faz akımı değişimi Aıolmak üzere,

Aı /At= ( U s-e (2)

yazılabilir. Bu denklemden görüldüğü gibievirgeç anahtarlama frekansı birçokfaktörden etkilenir. Bunfar yükün toplamkaçak ındüktansı, zıt e.m.k'ı ve DA aragerilimi ile akım dalgalanmasıdır. Buyöntemde faz-nötr genlimının temel bileşenive zıt e.m.k periyodik olarak değişir. Bunedenle evirgeç ortalama anahtarlamafrekansı ve/veya akım dalgalanması datemel evirgeç penyoduna bağlı olarakdeğişecektir Evirgeç anahtarlama frekansıdenklem (3) deki gibi yazılabilir.

f= U d a / (9 H L) (3)

3. Rampa Karşılaştırmalı AkımKontrol Ediciler

Günümüzde en yaygın olarakkullanılan akım kontrol teknığıdir.Rampakarşılaştırmalı akım kontrol edicılen ıkıdeğişik şekilde gerçekleştirmekmümkündür.Bunlar Şekil 3 de göstenldiğıgibi kompanzasyonlu ( PI denetimli) vekompanzasyonsuzdur.

(a)

Şekil 2.eşdeğen

Asenkron motorun Thevenın

+ e (Delde edilır.Eğer Us ve e genlimleninınanahtarlama sırasında değişmediği kabuledilirse ve Rs direnci ihmal edilirse, At

Şekil 3. Temel Rampa karşılaştırmalı akımkontrol yapılana) Kompazasyonlu b) Kompanzasyonsuz

Rampa karşılaştırmalı akım kontroledicilerin temel özelliklen, anahtarlamafrekanslannın sabit kabul edilebilmesıdir.Bu yöntemde akım hatası temel olarak birüçgen dalga ile karşılaştınlır.Buna göredeğerlendinlen akım hatası üçgen dalgaşeklinden büyük ise evirgecin ilgili kolu


- 340 -

pozitif anahtarlanır.Evırgeç üçgen dalgafrekansında anahtarlar ve çıkış gerilimi hatayükseltici çıkış gerilimi ile orantılı olur.Giriş ve çıkış geriliminin temel bileşeniarasındaki ilişki,

V - —II a a

Vg - Histerezis bloğa gidençıkışındaki genlim

(4)

toplayıcı

- Üçgen işaretin tepe değenÜçgen gerilimin tepe değerinin gınş

genlımme oranı modulasyon indeksi olarakadlandırılır.

4. Gerçekleştirilen Sistem

Kısaca tanıtımı yapılan akım kontrolalgontmalannın gerçekîeştınlmesı sırasındaEKA 1005 evırgecı kontrol kartı iptaledilerek kullanılmıştır. Evırgeç kontrolişaretlen dSPACE firmasının TMS320E14DSP işlemcisi için ürettiği DSİ 101 kartı

üzennden elde edilmiş ve 15 JIS gecikme ileevırgeç kollanndakı alt ve üst transıstörlereuygulanmıştır.

Akım referansları için Nmaclxyazılımı kullanılarak üç fazlı sınüzoıdalişaretler üretilmiştir. Benzer şekilde rampakarşılaştırmalı akım kontrol edicidekullanılan üçgen dalga işaretıde Nmaclx'den üretilmiştir. Yazılan assemblerprogramı işaret üretimleri dahil olmak üzere;

hısteresız akım kontrolü için 90 fis rampa

karşılaştırmalı kontrol için 125 \ıs döngüzamanı kullanmaktadır.

Histeresız akınr kontrol yöntemidenenirken akı referansı- Ima\ = 1.5 Aolacak şekilde seçilmiş ve hısteresız bant0.2 A olarak venlmıştır. Evırgeç çıkışındakiakımlar Tracel4 yazılımı ile gerçekzamanda kaydedilmiş ve bu datalarüzennden harmonık analizi yapılmıştır. 5 ve50 Hz'hk temel frekans için yapılan ölçmesonucunda akımın temel bileşeni 1.43 A ve1.24 A olarak analiz sonucundabulunmuştur. 5 Hz için evırgeç çıkışındanelde edilen dalga şekli ve harmonık analizisonuçlan Şekil 4. deki gibidir.

Rampa karşılaştırmalı kontroldurumu için Kompanzasyonsuz durumailişkin faz ve genlik hatasını göstermek içinbilgisayar benzetiminden elde edilmiş olansonuç Şekil 5. de sunulmuştur.

Irmm C:\ttr.CIT\XMI\At4H.MI

10 20 30 40 30 10 70 M M 100n.harnonlk bılatan

Şekil 4. 5 Hz için Histerezis kontrol ediciyeilişkin akım dalga şekli ve analizi.

o

* * • :

iT"Y"\w

ı V . j\ V ;

\\ M

1

ff~--\r

1

1 •!

S ! ! î S s S i ! 8 ! 3 3Zaman(s)

Şekil 5. Kompanzasyonsuz rampa karşılaş-tırmalı kontrol edicinin benzetim sonuçlan.


- 341 -

Rampa karşılaştırmalı kontrol ediciiçin üçgen dalganın frekansı 1 kHz ve 2kHz seçilerek aynı akım referansı içinincelemeler yapılmıştır. Buna göre 5 ve 50Hz lik temel frekansta lkHz üçgen dalgafrekansı için faz akımın temel bileşenin1.295 A ve 0.9513 A olduğu analizsonucunda görülmüştür.2 kHz'lik üçgendalga frekansında akımın temel bileşeni50 Hz için 1.0676 A 'e yükselmiştir.Rampa karşılaştırmalı kontrol için 5 Hzdeki ölçme ve harmonik analiz sonuçlanŞekil 6. da sunulmuştur.

J.5 ,

. liarnonİV.

ı 'esen ı

Şekil 6. 5 Hz için* Rampa karşılaştırmalıkontrole ilişkin akım dalga şekli ve analizi

5.Sonuç

Bu bildiride iki farklı akım kontroledicinin sayısal gerçekleştirmesine ilişkinsonuçlar sunulmuştur. Evirgeç perfor-mansına ilişkin incelemeler ortalama

anahtarlama frekansı ve harmonik analizitemelinde yapılmıştır.

Histenzıs akım kontrolunda, sabitara devre genlimı için ortalama anahtarlamafrekansı, motor hızına ve histerezis bantgenişliğine bağlı olarak büyük bir aralıktadeğişmektedir.1

Rampa. karşılaştırmalı kontroldurumunda anahtarlama frekansı yaklaşıkolarak sabit kalmaktadır. Bu yöntemdebaşarı, PI kompanzasyon parametrelerineönemli ölçüde bağımlıdır.A ynca üçgendalganın genliği de evirgeç çıkış akımındakifaz ve genlik hatalarıyla ilişkilidir.

9

MagnetCurrentTorque

D.W.,PWM inverters.Appl. Vol.IA

6.Kaynaklar

[lJ.Chang L., EasthamDawson G. E., PermanentSyncronous Motor Control:Hysteresıs Control and DirectControl. ICEM'92 sayfa 918-922.[2].Brod D.M., NovotnyCurrent Control of VSIIEEE trans on.Ind.No:3.1985[3].Kazmierkowski M.P. VVojciakA. Current Control of VSI PWM ınverter-fed Inductıon Motors. PRZEGLADELEKTROTECHNICZNY R LXIV Z.961988 sayfa 258-262.[4].Akın E., Stator akısı ÜzerendenA senkron Motorun Rotor akısı AlanYönlendirmesi için bir Yöntem. DoktoraTezı.F.Ü.Fen Bilimleri Enstitüsü. 1994.

AKIN Erhan Bildiri kitapçığında "HızDuyargasız Vektör Kontrol AlgontmalanndaGerilim Modelinin Uygulama sorunlan" adlıbildiriye bakınız.

TATAR Yetkin1954'te Bingöl'dedoğdu. 1976'daEDMMA Hektnkmühendisliğibölümünü bitirdi.F.Ü.Fen BilimlenEnstitüsünde 1983'teyüksek lisansını,1994 'te doktora

çalışmasını tamamladı. Halen FıratÜniversitesi Müh. Fak. Elektrik-FJektromkbölümünde Yardımcı Doçent olarak, GüçElektroniği devreleri ve onlarınkontrolündeki sayısal yöntemler üzerindeteorik ve pratik çalışmalarımsürdürmektedir.


- 342 -

SPACE VECTOR METODU İLEÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN HIZ DENETİMİ

Taner AKKAN

Dokuz Eylül Üniversitesi

İzmir Meslek Yüksek Okulu Buca / İZMİR

e-mail: [email protected]

Yavuz ŞENOL

Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fak.

Elektrik Elektronik Müh. Böl. Bornova / İZMİR

ÖZET:Bu çalışmada yeni bir PWM (Darbe

Genişlik Modülasyonu) metodu olan SpaceVector PWM metodu, asenkron motorlarınhızının geniş bir sahada ayarlanabılmesi içinuygulanmıştır. Öncelikle yöntem PCüzerinde simüle edilmiş sonra belirlenenalgoritmaya göre mikrokontrolör programıyazılarak hız kontrol sistemi çalıştırılmıştır.

1. SPACE VECTOR PWM METODU

Space Vector PWM metodunda,PWM darbe genişlik süreleri bir veritablosundan okunarak modülasyonkatsayısıyla çarpılıp gerçek zamandaüretilmektedir /I/. Modülasyon katsayısısüreleri kısaltarak PWM gerilimin seviyesinivoltaj/frekans oranına göre ayarlamaktadır.Veri tablosu 60 derecelik simetriözelliğinden faydalanarak 360 derecelikperyod için değil 60 derece için üretilmiştir.İstenilen frekansta inverter yardımıyla 3 fazlıgerilim üretilirken bir örnekleme frekansıseçilmelidir. Bu frekans bir periyodiçerisinde yer alacak darbe sayısınıbelirlemektedir. Darbe sayılarının fazlaolması inverter girişine uyguladığımız doğrugerilimden faydalanmayı ve aynı zamandagerilim ve dolayısıyla akım harmonikleriniazaltır. Aynca inverterde kullanılananahtarlama elemanlarının anahtarlamahızlarını da dikkate alırsak örnekleme

frekansının çok büyük seçilmemesi gerekir.Sonuç olarak örnekleme frekansı optimumseçilmelidir. PWM işaretlerinin istenenfrekans ve gerilim seviyesinde üretilmesi içinsadece frekans ve modülasyon indeksparametrelerinin belirlenmesi yeterlidir.

Bu araştırmada, Space VectorMetodunu analiz edebilmek için bilgisayarlasimülasyon yapılmıştır ve istenen çalışmafrekansları için elde edilen PWM dalgaşekilleri bilgisayar ekranında gösterilmiştir.Böylece elde edilen anahtar tetiklemeişaretlerinin doğruluğu sınanmıştır. Ayncatetikleme açı tablosu bu programdan eldeedilmektedir. Elde edilmiş olan 40 Hzdatalan Şekil l'de verilmiştir.

2. KONTROL SİSTEMİ

Sistem seri kanal kontrollümikroişlemci ve inverter kartından 12-51oluşmaktadır. Mikroişlemci kartında INTEL8098 mikrokontrolör kullanılmıştır 131. Buişlemciyi seçmekteki en önemli sebep, çokaz CPU zamanı harcayarak çıkış işlemleriyapabilen HSO (Hızlı Çıkış Birimi) biriminiiçermesidir. Aynca çip üzerinde bulunan serikanal, zamanlayıcılar, 10 bit ADC birimlerisistem dizaynını kolaylaştırmaktadırlar.

İnverter kartında az sürme akımıistediği gibi çok hızlı anahtarlanabildiğindenIGBT elemanı kullanılmıştır. Aynca bu kart


- 343 -

üç faz DC doğrultucu, IGBT sürücü devreIII ve gerilim kaynaklarını içermektedir.

Sekili. 40 Hz gerilim şekilleri

3. PROGRAM ALGORİTMASI

İnverter kartını sürmek için gerekli üç adetPWM çıkışı HSO birimi çıkışlarındaüretilmektedir. Frekans ve modülasyonindeksi, motor çalıştırma, durdurma, yöndeğiştirme gibi işlemler ise bir PC den

kontrol edilebilmektedir. Programda önceörnekleme frekansı ve periyodu hesaplanıpRAM kayıtçılara yazılmıştır. Beta, alfal vealfa2 süreleri sonunda oluşacak anahtarlamaişaretleri anahtar tablosundan uygunkayıtçılara yüklenmektedir. Seri kanal,frekans ve modülasyon indeksparametrelerini bir bilgisayardan alabilmekiçin istenilen hızda kurulmaktadır.Hazırlıklar tamamlandığında yazılımzamanlayıcısı kesmesine izin verilmekte veher örnekleme periyodunda (deltat) biroluşacak yazılım zamanlayıcısı kesmesikurularak ana döngüye girilmektedir.Kesme alt programında açı tablosundançekilen katsayılardan beta, alfal ve alfa2süreleri hesaplanmakta ve HSO çıkışlarınayazılmaktadır. 3600 Hz örneklemefrekansında motorun 40 Hz' te çalışmasıiçin 90 kere (3600 / 40) bu işlemtekrarlanmaktadır. alfal, alfa2 ve betasüreleri şöyle hesaplanmaktadır. 0r, ATperiyodu sırasında voltajın faz açısını temsileder. Şekil 2'de bir örnekleme periyodu içinanahtarlama açılan gösterilmiştir.

al=t3-tl=Kl(9r).Mcc2=t2-tl=K2(9r).M, p=tl-tO (1)

Kl(9r)=AT. cos(9r-7i/6)K2(9r)=AT. cos (9r + TC/6) (2)

0r=9O+A9/2, sinA9/2=w.AT/2 (3)

HatVoltajı

Şekil 2. Anahtarlama açılan

Metodu uygulamak için geliştirilenIntel 8098 makina dili programın özet birakış şeması fikir verebilmek için Şekil 3'degösterilmiştir.


- 344 -

Reset" ı

RAM kayıtçılan başlangıç değerleriörnekfrek=3600, Deltat=(l/Ömekfrek)/2frekans=10, pointer=Açı tablosu RAM başıswpoint=Anahtarlama tablosu baş adresiaralık = frekans / 2 -1, Modin=100indeks=arahk*3(Kl,K2,K3 katsayılarından)

Seri kanal kurulumu (8 bit,9600 BAUD)Tetikleme çıkışları HSO.0-1-2 lojik 0 oldu.

ANAHTAR alt programı. Anahtarlamatablosundan PWM açılan almıyor.(betal, beta2, alfal ve alfa2)

Softvvare Timer 0 kesmesi deltat*2usn sonrayakuruluvor. Timer m bir artımı 2usn

ANA PROG. DONGU:Seri kanaldan frekans

ve modülasyon indeksparametreleri bekleniyor.

J

C^Sofrvvare Timer KesmesT^>

Sonraki kesme 278usn sonra kuruluyorK1,K2,K3 katsayıları açı tablosundan alalfal=Kl*modin/100alfa2 = K2*modin/100beta = deltat / 2 - K3 * modin /100alfa 1 = alfa 1 +beta, alfa2= alfa2 + beta

EVET

VOsvvl =V0swlXOR20HV0sw2 = V0sw2 XOR 20Hyeni V0 vektörü HSO.O çıkışa yaz

betal ve beta2 anahtarlamalannı beta,alfal ve alfa2 anahtarlamalannı alfalzamanında HSO ya yaz.

HAYIR/tablösu^Jjittı mü

EVET

pointer = Açı tablo baş adresi

(^Kesmeden dö

Şekil Yazılım zamanlayıcısı kesmeprogramı

Bu yöntemle harmonik içeriği düşük PWMgerilimleri elde edilmektedir. Yapılanuvgulamada bu görüşü doğrulamaktadır.PWM tetikleme işaretleri gerçek zamandaelde edildiğinden modülasyon indeksi ilemotora uygulanan gerilim seviyesi kolaycaayarlanabilmektedir. Ayrıca sadece istenenalternatif gerilim frekansına göre tetiklemeaçılan uygulanırken sinüse daha benzerişaretler elde etmek amacıyla normalde sabittutulan örnekleme frekansının değiştirilmesiöngörülmektedir.

4, SONUÇ

Bu yöntem diğer yöntemlere görebirçok üstünlüğe sahiptir. Harmonikindirgeme daha efektif, PWM üretimi dahakolaydır, motorun hız kontrolünde gereklitetikleme açılan ROM hafızada küçük biralanda saklanabilmektedir. /I-4/

Bu metotta kullanılan işlemcininyoğun hesaplar yapması nedeniyle işlemcininbaşka işlevleri yerine getirememektedir. Buyüzden kapalı çevrim bir hız denetimiyapılamaz. Bunun için ikinci bir işlemciyegereksinim duyulmaktadır. Bu işlemci yoğunnoktalı sayılı matematiksel işlemleryapacağından bir DSP işlemci olmalıdır. BuDSP işlemcinin uygulayacağı bir akı vektörkontrol algoritması /5-6/ ile çok iyi bir kapalıçevrim hız denetimi sistemi eldeedilebilmektedir. Burada DSP işlemcifazlardan akım örneği alarak motortorkunun sabit kalmasını sağlamak amacıylafrekans ve modülasyon indeksparametrelerini belirler. Geliştirilen SpaceVector sistemi ise bu parametrelere uygunüç fazlı sinusoidal gerilimleri üretir. İkiişlemci arasındaki iletişim seri port veyaasenkron seri kanal üzerindensağlanabilmektedir. Bu çalışmada DSPişlemci yerine Space Vector sistemininkontrolü amacıyla bir PC kullanılmıştır.


- 345 -

KAYNAKÇA:

[1] Fukuda, S., Yoshitaka, I., Hasegavva H.,"PWM Technique for Inverter withSinusoidal Output Current", IEEETransactions on Power Electronics, Vol. 5,No.l, pp. 54-60, February 1990.

[2] Rashid, M.H. , "Power Electronics", pp.228-370, 1988

[3] Intel, "Embedded Control Applications",Intel Literatüre Service, 1988, AP-248.

[4] Holtz, Joachim, "Pulsewidth Modulation- A Survey", IEEE Transactions onIndustrial Electronics, Vol. 39, No.5,pp. 410-419, December 1992.

[5] Bose, B.K., "Power Electronics and ACDrives", pp. 1-52, pp. 121-165, 1986,Prentice-Hall

[6] Ting-Yu Chang and Ching-Tsai Pan,"A Practicai Vector Control Algorithm forl> Based Induction Motor Drives Using aNew Space Vector Current Controller",IEEE Transactions on IndustrialElectronics, Vol. 41, No.l, pp. 97-103,February 1994

[7] Toshiba, "IGBT Driver- A Simple Low-Cost Solution", March 1993.

ÖZGEÇMİŞ:

Taner AKKAN:1970 yılında İzmir'dedoğdu. D.E.Ü Elektrikve Elektronik Müh.Bölümünden 1991' demezun oldu. Yükseklisans çalışmasını DEÜFen Bilimleri EnstitüsüEektrik Elektronik Müh.bölümünde 1995yılında tamamladı. Şu anda DEÜ İzmirMeslek Yüksekokulunda öğretim görevlisiolarak çalışmaktadır. İlgilendiği konular, güçelektroniği, medikal elektronik vemikroişlemcilerdir.


- 346 -

ÜÇ FAZLI KISA DEVRE ROTORLU ASENKRON MOTORLARININVERTERLERLE SÜRÜLMESİNDE ORTAYA ÇIKAN

HARMONİKLERİN YOL ALMA MOMENTİNE ETKİSİNİNİNCELENMESİ

Sinan PRAVADALIOĞLU

Dokuz Eylül Üniversitesi

Remzi GÜLGÜN

Yıldız Teknik Üniversitesi

Özet - Bu çalışmada, üç fazlı kısa devrerotorlu asenkron motorun 5. , 7. , 11. ve 13.gerilim harmonikleri yok edilmiş bir PWM( Darbe Genişlik Modülasyonlu ) inverterüzerinden farklı frekanslarda sürülmesisırasında deri olayının yol alma momentineolan etkisi incelenmiştir.

1.1. Harmoniklerin Etkileri

Üç fazlı asenkron motorun stator sargıbobinleri, eksenleri arasında 120 elektrikderecesi faz farkı olacak şekilde statoroluklarına yerleştirilerek döner alan veyamagneto motor kuvvet (m.m.k.) meydanagetirilir. Bu m.m.k. dalgasının sinüsoidaldalga şekline yaklaşmasını sağlamak için,kutup ve faz başına oluk sayısının arttırılmasıve bobinlerde uygun kirişleme faktörükullanılması gibi çeşitli önlemler alınır.Fakat m.m.k. dalgasının uzayda dağılışı tamsinüsoidal olmaz. Bu dalganın analiziyapılırsa, temel bileşeninin yanında dönenuzay harmoniklerine sahip olduğu görülür.Ancak iyi tasarlanmış bir motorda uzayharmoniklerinin m.m.k. genlikleri çok küçükolacağından bunların etkileri ihmal edilebilir.

Asenkron motorların devir sayısı ayan içinkullanılan inverterler, genel olarak simetrikfakat sinüsoidal olmayan çıkış gerilimleriverirler. Bu çıkış gerilimleri belirli birçalışma frekansında üç fazlı asenkron motorauygulanırsa, simetrik fakat sinüsoidal

olmayan akımlan faz sargılarından geçirirler.Sinüsoidal olmayan inverter çıkış gerilimleri,Fourier analizi ile temel ve harmonikbileşenlerine ayrılarak incelenebilir. 5. , 7. ,11. ve 13. harmonikleri yaklaşık olarak yokedilmiş bir PWM inverterin 30 Hz çalışmafrekansindaki anahtarlama işaretleri ile fazlararası gerilimlerinin değişimleri ve harmonikanaliz sonuçları Şekil 1 ' de gösterilmiştir.Analiz sonucu, inverter fazlar arası çıkışgeriliminin temel bileşenine ek olarak zamanharmoniklerine sahip olduğu görülmektedir.Bunlar da motor fazlarından aynı mertebeliakım harmoniklerini geçireceklerdir. Akımharmoniklerinin değerleri, asenkron motorunharmonik eşdeğer devresi göz önüne alınarakhesaplanabilir. Aynı moment ve hız değerleriiçin sinüsoidal gerilimle beslemede ortayaçıkan kayıplara, akım harmonikleri nedeniyleek bakır ve demir kayıpları eklenir. Demirkayıplarının etkisi bakır kayıplarının yanındaihmal edilebilir. Fakat bakır kayıpları motorsargılarında ısınmaya ve direnç değerlerindebüyümeye neden olur.

Harmoniklerin asenkron motorlarüzerindeki etkilerini iki ana kısımdatoplayabiliriz. Bunlar, kayıpların artmasınedeniyle motor veriminin düşmesi veküçük frekanslarda salınım momentlerininoluşmasıdır.Motorun kararlı hal çalışmasındaolumsuz etkileri olan harmonikleri yokedebilmek için çeşitli teknikler geliştirilmistir. Ancak harmoniklerin bu olumsuz


- 347 -

etkilerinin yanında, motorun şebekedençektiği akımı küçültmesi ve yol almamomentini büyütmesi gibi olumlu etkileri debulunmaktadır.

'1

"11

"II

^ 1

«»

"«1

-0%

»II

•m

1 n n nıtı ıı ır—ir—ınn n n n

J UJt II II ll_

~\ i"~™t r~^ ı i nfi fi f

ıınnnnnnnıı ıı..JUUUÜII

nnnIIUUUUUUH

ıınnnnnnnıı

IİİIUUUÜUI1II

ıııınnnnnııııııııı uy

ıınnnnnnı..

11

1

')I I

nIS17

19

21i l

252729313335

ll.vMm

ll.ııIt.ıı\h,ll.vIhı

ll.ııll.vll.vM.ııIhıI h ıll.vIt.vtl.ilIhıI h ı

-OG5KI- 0 00 M

- 0 0 1 1 5- 0 0291

-0.0152•0.0188-0.0120- 0 0293-0.2108- 0-1011-0.0671-0.1210- 0.02S9- 0 0297- 0 0 1 2 8-0.0487-0.0356-0.1906

T M D - 0 7177

ur - 4 I5V.ınuuuuuııı

Şekil 1.1. PWM inverterde 30 Hz ' teanahtarlama işaretleriyle çıkışta elde edilenfazlar arası gerilimlerin değişimleri veharmonik analiz sonuçları

1.2. Rotor sargılarında deri olayının etkisi

Frekansa bağlı olarak ortaya çıkan deriolayı etkisi bütün motorlarda görülür. Kısadevre rotorlu asenkron motorun bir faz statorsargısı, çok sarımlı faz bobinlerinden oluşur.Bobinlerden geçen akımlar iletkenlere eşitşekilde dağıldığından, akım değerleri her biriletken için küçüktür. Bu nedenle deri olayıetkisini stator devresinde ihmal edebiliriz.Fakat kısa devre rotorlu asenkron motorlarınrotoru, oluklara yerleştirilen iletken çubuklardan oluştuğu için deri olayının etkisibüyük olmakta ve rotor parametrelerinideğiştirmektedir.

Motorun ilk yol alması esnasında s = 1için, fi = f2 olduğundan frekansa bağlı olarak

ortaya çıkan deri olayının etkisi daha büyükolmaktadır. Kısa devre rotorlu asenkronmotorun bir inverter üzerinden beslenmesidurumunda, besleme geriliminin dolayısıylarotor akımının yüksek frekanslı harmonikleriçermesi tjfedeniyle deri olayının etkisi bütünçalışma bölgelerinde göz önüne alınmalıdır.Harmonik frekanslarının- artması akımtaşıyan iletkenlerde deri olayının etkisinibüyütür ve akımın iletken yüzeyine doğruyîğılmasına neden olur. Rotor iletkenlerininalt kısımlarından, üst kısımlara göre daha azakım geçer. İletken kesitinin hayali olarakazalmasından dolayı rotor direnci büyür.Oluk kaçak akı çizgileri merkezininiletkenin dış kısmına kaymasından dolayı akıküçülür ve endüktif reaktans azalır. Kararlıhal çalışma bölgesinde rotor akımınınfrekansının düşmesi nedeniyle deri olayınınetkisi azalır ve akım iletken kesiti üzerindedaha iyi yayılır.

Sonuçta inverter üzerinden sürülen kısadevre rotorlu asenkron motorun yol alması vekararlı hal çalışma bölgesindeki incelemesiyapılırken, deri olayının etkisi rotordevresinde dikkate alınmalıdır. Bu durumdastatora indirgenmiş faz baştna rotor direnci,krRV ve statora indirgenmiş faz başına rotorkaçak reaktansı, kx X{ şeklinde olacaktır.Burada,

kr : Deri olayının etkisinden dolayırotor direncini arttıran faktör,

kx : Deri olayı nedeniyle rotor kaçakreaktansını azaltan faktördür. Dikdörtgen

kesitli rotor iletkenleri için kr ve kx

faktörleri / 1 / 2 /,

E ( sinh 26 + sin 26 )

( cosh 26 - cos 26 )

( 1 )

3 ( sinh 26 - sin 26 )k x = ( 2 )

2 6 ( cosh 26 - cos 26 )


- 348 -

eşitlikleriyle yazılabilir. Burada,

£ = h . \ ( 7 t u o g ü s f n ) / ( g o l p ) ( 3 )

olup £ eşdeğer iletken yüksekliği olarakisimlendirilir. Bu eşitlikte,

fn = n f ı ( 4 )

harmonik frekansıdır ve n harmonikmertebesini göstermektedir. Diğer semboller,

h : Rotor oluk yüksekliği,jio : Boşluğun manyetik geçirgenliği olup

4 * 10-7 H / m dırgil: Rotor iletken genişliği,gol: Rotor oluk genişliği,p : Rotor iletken malzemesinin öz

direncidir.

Statora uygulanan frekans 50 Hz iken,farklı kayma değerlerine bağlı olarakalüminyum rotor çubukları için 11.harmonıkte kr ve kx faktörlerinin değerleriTablo 1 ' de verilmiştir.

Tablo 1.Direnç Faktörü ( k r ) Reaktans Faktörü fkx)

( s = l .(s = 0.(s = 0.(s = 0.

00)50)20)05)

kr =kr =kr =

kr =

3.4742.4231.4211.031

kx

kx

kx

kx

= 0.433= 0.623= 0.881= 0.991

Kısa devre rotorlu asenkron motorunharmonik eşdeğer devresi, k r ve kx

parametreleri göz önüne alınarak ve demirkayıplarına karşılık gelen direnç Rfe ihmaledilerek Şekil 1.2 ' deki gibi çizilebilir.Burada sn , mertebesi n olan harmoniğinkaymasıdır.

12

5 "«m r

Şekil 1.2. Motor bir fazının ithannoniğegöre eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri bilinen verotor oluk yüksekliği h = 17.5 mm olan kısadevre rotorlu bir asenkron motorun, 5., 7.,11. ve 13. gerilim harmonikleri yaklaşıkolarak yok edilmiş bir PWM inverterle farklıfrekanslarda sürülmesi geliştirilmiş olansimülasyon programı ile incelenmiştir. Yokedilmemiş olan ve inverter çıkış gerilimindemevcut bulunan daha yüksek mertebeliharmoniklerin etkileri araştırılmıştır / 3 /.Den olayının yol alma momentine olanolumlu katkısı gözlenmiş ve 50 Hz çalışma

•frekansı için elde edilen moment-kaymakarakteristiği Şekil 1.3 ' de sunulmuştur.

Şekil 1.3. 50 Hz çalışma frekansı içinmoment-kayma karakteristiği


- 349 -

1.3. Sonuç

Deri olayının etkisi nedeniyle motorun yolalına momentinin büyüdüğü ve stator fazakımının düştüüü görülmektedir. Kararlı halçalışma bölgesinde rotor akımı frekansınındüşmesi nedeniyle, deri olayının etkisiazalmakta ve akım iletken kesiti üzerindedaha iyi yayılmaktadır Bunun sonucuasenkıon motorun orijinal momenl-knymnkarakteristiğine geçilmektedir.

Kavunken

/ I / Sanıl M i l . . I W. lıistöılü birinverterde komutasyoıı şartlarının iyileştiril-mesi ve bu invertetle asenkron motorunsürülmesinde lıamıonik kayıplarınınincelenmesi. Doktora Tezi , Y.T.Ü., l:enBil Rns.

/ 2 / Kıyı M., 1992, DRM ' li gerilimdalgalarıyla beslenen asenkron motorlardalıarmoniklerin etkileri. Yüksek Lisans Tezi.,İ.T.Ü., Fen. Bil. Rns.

/ ? I Pravadalıoğlu S. 1995 KişiselBilgisayar (P.C.) ile üç fazlı bir asenkronmotorun PVVM yöntemiyle ve geri beslemeliolarak hızını kontrol eden dijital bir sistemingerçekleştirilmesi ve oluşan lıarmoniklerinincelenmesi. Doktora Tezi, Y.T.U. , Fen.Bil. Rns.

de çalıştı. Yüksek Lisans ve Doktoraöğrenimini Yıldız Teknik Üniversitesi ' indeyaptı. YÖK.-Dünya Bankası bursunukazanarak endüstriyel elektronik alanındaİngiltere ve A B D . ' öte eğitim gördü. HalenDokuz Ryliil Üniversitesi İzmir MeslekYüksek Okulunda öğretim görevlisi olaFakçalışmaktadır.

Prof Remzi Gülgün1937 yılında Aydın ' da

doğdu. 1958 "- 1964yılları arasında elektrikmühendisi olarakendüstride çalıştı. 1965

İstanbul Yüksek Teknik Okulundalisans öğrenimini tamamlayarak

olarak göreve başladı. 1973 yılında1979 yılında profesör oldu. HalenTeknik Üniversitesi ' inde görevine

etmektedir.

yılındayüksekasistandoçent.Yıldızdevam

Özgeçmişler

Dr. Sinan Pravadahoğlu1956 yılında Zonguldak 'ta doğdu. 1980 yılında

elektrik mühendisi olarakA.D.M.M A ' dan mezunoldu. Bir süre F.rdemir '


- 350 -

Documents

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 6. ULUSAL KONGRESİ · elektrİk mÜhendİslİĞİ 6. ulusal kongresİ 11 -17 eylül 1995 bursa i tmmob elektrİk mÜhendİslerİ odasi uludaĞ Ünİversİtesİ