Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM)

İnverterlerde istenilen en önemli şey, çıkış işaretinin genliğini ve frekansını ayarlayabilmektir. Ayrıca çıkışın harmoniksiz olması yani sinüzoidal olması istenir. Ancak inverter çıkışında ana harmoniğe çok yakın ve genlikleri büyük harmonikler oluşmaktadır. Bu harmonikler yükü çok etkilemektedir. İnverterlerde çıkış harmonik bileşenlerinin büyüklüğünü azaltmak ve çıkış genliğini ayarlamak amacı ile PWM kullanılır (Toprak, 2011).

PWM, temel elektronik devre elemanlarıyla gerçekleştirildiği gibi özel PWM entegre devreleri ve mikroişlemciler yardımıyla da gerçekleştirilmektedir.

Genel olarak PWM sinyalleri yüksek frekanslı bir üçgen taşıyıcı dalga ile istenen çıkış frekansındaki bir referans sinüs dalganın karşılaştırılmasından elde edilir. Denklem 4.21’de yazıldığı gibi referans dalganın tepe değerinin (VR) üçgen taşıyıcı dalganın tepe değerine (VC) oranına modülasyon indeksi denir ve Ma ile gösterilir (Toprak, 2011).

Modülasyon indeksinin değiştirilmesi çıkış gerilimi ana harmonik genliğini ayarlar. Üçgen taşıyıcı dalga frekansının (fs) referans dalga frekansına (fm) oranı frekans

modülasyon oranıdır ve mf ile gösterilir. Bu durum denklem 4.22’de verilmiştir. mf’nin

en az 9 olması istenir. mf ne kadar büyük olursa harmonik bileşenler ana harmonikten o

derece uzaklaşır (Toprak, 2011).

(4.22)

4.4.1. Tek pals genlik modülasyonu

Tek pals genişlik modülasyonu ile kontrolde, her yarım saykılda tek pals vardır. İnvertor çıkış gerilimi, palsin genişliği değiştirilerek sağlanır. Şekil 4.35'e bakacak olursak tetikleme sinyallerinin üretimini ve tek fazlı tam köprü bir invertör devresinin çıkış gerilimini göstermektedir. Tetikleme sinyalleri genliği Ar olan bir kare dalga referans sinyali ile genliği Ac olan bir üçgen dalga taşıyıcı sinyalin karşılaştırılması ile elde edilir. Referans sinyalin frekansı çıkış geriliminin temel frekansını tayin eder Ar'nin sıfırdan Ac'ye kadar değişimini pals genişliğinin sıfırdan 180 dereceye kadar değişimine neden olur.

4.4.2. Çoklu pals genlik modülasyonu

Bir invertörün harmoniği, çıkış geriliminin her bir yarım saykılda birçok pals kullanmakla azaltılabilir. Transistörleri iletim ve yalıtıma sokmak için gereken tetikleme sinyalleri, Şekil 4.36'daki gibidir. Bir referans sinyal ile üçgen dalga şekildeki gibi kıyaslanması ile elde edilir. Referans sinyalin frekansı, çıkış frekansını tayin eder. Taşıyıcı frekans ise her bir yarım saykılda ki pals sayısını belirler. Tek fazlı bir köprü invertör devresinin çıkış gerilimi Şekil 4.37'deki gibidir.

Şekil 4.36. Transistörleri tetikleme sinyalleri

Tek pals modülasyonu ile kıyaslandığında distorsiyon faktörü oldukça azaltılmıştır. Bununla birilikte güç transistörlerinin iletim ve yalıtım sayısının fazla olması anahtarlama kayıplarını artırır. Her bir yarım saykıldaki pals sayısının fazla olması düşük dereceli harmoniklerin genliğini azaltır.

4.4.3. Sinüsoidal pals genlik modülasyonu

Bu teknikte her bir palsın genişliği sinüs dalgasının genişliği ile orantılı olarak değişir. Distorsiyon faktörü ve düşük dereceli harmonikler önemli derecede azaltılır. Tetikleme sinyalleri Şekil 4.38'deki gibi bir sinusoidal referans sinyali ile bir üçgen dalga taşıyıcı sinyalin kıyaslanması ile elde edilir.

Yukarıda açıklanan PWM'a alternatif bir yol vardır. Bir fazlı köprü inverter devresindeki dönüştürücüde transistörler, çift çift olarak sürülerek DC kaynak sürekli bir şekilde yüke bağlanarak kontrol edilebilir. Böylece çıkış geriliminin sıfır olduğu bölümlerden kaçınılmış olur. Bu durumda Şekil 4.39’daki PWM dalga şekli elde edilmiş olur. Çıkış gerilimi dalga şeklinin yarı periyodunda ters periyotlar kısadır (Çay, 1986)

Endüstriyel uygulamalarda çok sık kullanılan bu modülasyon SPWM kısaltması ile tanınır. Referans sinyalin frekansı invertörün çıkış frekansını belirler her bir yarım saykıldaki pals sayısı taşıyıcı frekansa bağlıdır.

Şekil 4.39. Kaynağın sürekli olarak yüke bağlı olması durumunda PWM’li dalga şekli

4.4.4. Modifiye sinüsoidal pals genlik modülasyonu

Şekil 4.40'da gösterilen bu teknikte sinüs dalgası tepe kısmına yakın bir bölgede pals genişliği yaklaşık sabittir. Çünkü taşıyıcı dalga her bir yarım saykıl için 60 derece aralıklarla uygulanır (0 dereceden 60 dereceye kadar ve 120 dereceden 180 dereceye kadar) güç transistörlerinin anahtarlama sayısı azalacağından anahtarlama kayıpları da düşüktür.

4.4.5. Üç fazlı sinüsoidal PWM

Kare dalga PWM de referans dalga bir kare dalgadır. Bu dalganın genliği frekansı ve harmonik bileşenleri çıkış geriliminde ortaya çıkar böylece referans dalganın düşük dereceli harmonikleri ortaya çıkar. Ancak AC motorlar sinüsoidal kaynaktan işletildiği için invertörler çıkışında mümkün olduğu kadar sinüsoidale yakın olması gerekmektedir. Bunun içinde referans dalga olarak kare dalga yerine sinüsoidal bir dalga kullanılır. Bu referans dalga üçgen taşıyıcı bir dalga ile karşılaştırılarak tetikleme işaretleri elde edilir (Ateş, 2007).

Burada da her fazı yada yarım köprüsünde bulunan komparatörler o fazın referans dalgası ile simetrik üçgen dalgayı karşılaştırırlar.

Şekil 4.41’de taşıyıcı oranının 9 ve modülasyon indeksinin 1 olması halinde VA, VB, VC uç gerilimleri verilmiştir. Yine darbe sayısı p, üç faza uygun bir çıkış elde edebilmek için 3 ve 3’ün katları olacak şekilde seçilmelidir.

AC motor kontrolünde kullanılan bir sinüs dalga PWM invertörün değişken frekansla çalıştırılabilmesi için sinüs dalga genlik ve frekansının ayarlanabilmesi gerekmektedir. Böylece çıkış geriliminde darbe genlikleri bu yolla ayarlanan sinüs eğrisi şeklinde çıkış gerilimi elde edilir. Eğer motor hızları düşükse sıfıra kadar düşük frekansları verebilen bir frekans osilatörüne ihtiyaç vardır. Bu osilatörün klasik devre elemanları ile gerçekleştirilmesi zor olduğundan entegreler kullanılmıştır. Ancak dijital tekniğin gelişmesiyle dijital hafıza yada geniş ölçülü entegre devrelerin (LSI) kullanılmasıyla sinüsoidal PWM tekniği gelişmiştir (Bose, 1993).

Büyük taşıyıcı oranlardaki sinüsoidal PWM invertörde etkili harmonikler yüksek mertebedendir ve çıkış geriliminin dalga şekli oldukça düzgündür. Bu harmonikler, taşıyıcı frekansının mertebesinde oluşur. Çok düşük hızlarda bile düzgün bir motor dönüşü elde edilir. Zira istenmeyen düşük mertebeden harmonikler ve moment salınımları sinüsoidal PWM’ de ortadan kalkar (Atalay, 1990).

Şekil 4.41. Üç faz sinüsoidal PWM gerilim dalga şekilleri (a) Komparatör gerilimleri

(b) Kutup gerilimleri, (c) AC hat gerilimi