DC-AC Dönüştürücüler İnverterler

DC-AC Dönüştürücüler İnverterler

Power Electronics 1

DC-AC Dönüştürücüler (İnverterler)

Mikrodenetleyiciler 2

Herhangi bir DC kaynaktan alınan enerjiyi, sabit yada değişen frekans ve voltajda AC gerilime dönüştüren devrelerdir.

İnverterlerin Kullanım Alanları

• AC motor sürücüler

• Sabit voltaj sabit frekans konvertör (kesintisiz güç kaynakları-uninterruptable power supplies (UPS))

• İndüksiyon ısıtıcı

• Şebeke bağlantılı (On-grid, grid connected) İnverterler

• Şebeke bağlantısız (Off-grid) İnverterler

İnverterlerin Sınıflandırılması

Faz sayısına göre,

• Tek Fazlı İnverterler

• Üç Fazlı İnverterler

Besleme kaynağı açısından,

• Gerilim Kaynaklı İnverterler (Voltage Source Inverter, VSI)

• Akım Kaynaklı İnverterler (Current Source Inverter, VSI)

Kontrol açısından,

• Kare Dalga İnverterler

• Boşluklu (Kısmi) Kare Dalga İnverterler

• PWM İnverterler

Tek Faz Yarım Köprü Kare Dalga inverterler

Bu inverter sadece 2 transistör ve 2 diyot ile gerçekleştirilir. Devre yapısı basit ve ucuzdur. Ancak, orta uçlu bir gerilim kaynağı yada 2 tane seri bağlı kapasitör gerektirir.

Tek Faz Tam Köprü Kare Dalga inverterler

Tek Faz Yarım Köprü Boşluklu Kare Dalga inverterler

Boşluklu kare dalga inverterlerde, aynı faza ait 2 transistörün iletimleri arasında boşluklar olduğundan, çıkış geriliminde yükün özelliklerine göre bozulmalar olmaktadır.

Boşluklu kare dalga kontrolü, tek ve 3 fazlı bütün inverterlere

uygulanabilmektedir.

Üç Faz Tam Köprü Kare Dalga inverterler

180 derece iletimli yapı

Üç Faz Tam Köprü Boşluklu Kare Dalga inverterler

120 derece iletimli yapı

Kaynak Tipine göre İnverterler

Voltage Source Inverter (VSI)

Current Source Inverter (CSI)

DC taraf sabit voltaj ve düşük empedans (Voltaj kaynağı yada büyük kapasitör)

AC taraf voltajı kare dalga veya quasi-square dalga.

AC taraf akımı yük tarafından belirlenir.

Enerji geri besleme yolu için Anti- paralel diyot gereklidir.

DC taraf yüksek empedanslıdır.

(akım kaynağı yada büyük endüktans)

AC taraf akımı quasi-square dalga.

AC taraf voltajı yük tarafından belirlenir.

Anti-parallel diyot gerektirmez.

Üç-faz Akım kaynaklı invertör (CSI)

120^o iletim

Sinüsodal PWM (SPWM)

Endüstride en yaygın olarak kullanılan kontrol yöntemi PWM ve en yaygın olarak kullanılan PWM yöntemi de Sinüsoidal PWM yöntemidir.

Sinüsoidal PWM inverterlerde, bir sinüsoidal kontrol gerilimi ile daha yüksek frekanslı bir üçgen yada testere dişi sinyalin karşılaştırılmasıyla kontrol sağlanır.

Sinüsoidal gerilime, temel gerilim, modülasyon gerilimi veya kontrol gerilimi denilir. Üçgen sinyale, taşıyıcı dalga da denilmektedir. PWM inverterlerde, gerilim ve frekans inverter içerisinde kontrol edilmektedir. PWM kontrolü, tek ve 3 fazlı bütün inverterlere uygulanabilmektedir.

Uni-polar PWM Tek Faz VSI

C o n t r o l s i g n a l C a r r i e r

6 - 4 图

M u d u l a t i o n C a r r i e r

U _d +

V ₁

V ₂

V ₃

V ₄ V D ₁

V D ₂

V D ₃

V D ₄ u _o

R L

u _r u _c

Bi-polar PWM Tek Faz VSI

C o n t r o l s i g n a l C a r r i e r

6 - 4 图

M u d u l a t i o n C a r r i e r

U _d + V ₁

V ₂

V ₃

V ₄ V D ₁

V D ₂

V D ₃

V D ₄ u _o

R L

u _r

u _c

Üç-faz köprü (bridge) invertör sadece bi- bolar PWM ile gerçeklenir.

Üç Faz Köprü PWM VSI

PWM Sinyali Harmonikleri

Düşük harmonikler yok

Taşıyıcı frekansında w

harmonik yok

Harmonikler

yoğunlukla w

2 w

ve 2 w

 w

_gözükür.

3-faz köprü PWM inverter çıkış

voltajının spektrumu

1 0

0 +-2

1 2 3

+-4 0 +-1 +-3 +-5 0 +-2 +-4

Magnitude(%)

0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2

k n

a = 1 . 0 a = 0 . 8 a = 0 . 5 a = 0

( n w _c + kw_r)

Histeresiz PWM

 Avantajlar

 Dezavantajları

 Mükemmel dinamik cevap

 Uygulama kolay ve hızlı çalışır

 Karalı halde geniş akım ripple ları üretir.

 Anahtarlama frekansı sürekli değişir.

 Modüsyon işlemi alt harmonik bileşenler üretir.

burada

ab  bc 

ca



v

v



• Space vector

üç-faz line-to-line gerilimler,

Space Vector PWM (SVPWM yada SVM)

 







 









 



 





ca bc ab abc

v v v v T

v

 /





 

 





 

 









 



2 3 2

0 3

2 1 2

1 1 3 2

/ abc

T

 



 e^j v

2

2 v

v_  _





 

 



 





 

v

1

v tan

Vm

23 





v

3-faz VSI için anahtarlama durumları

i

v

V_dc

s

s

s

0

1

0 0

0 0

0 0

0

0 0

0

0 1

1

1

1 1

1

1

1

1 1

1

i_c i_b i_b+i_c

0

i_a i_a+i_c i_a+i_b i_a+i_b+i_c Anahtar Durumları

pnn ppn npn npp nnp

pnp ppp nnn

v

v

V_dc

V_dc V_dc

V_dc

V_dc -V_dc

-V_dc

-V_dc -V_dc -V_dc

-V_dc 0 0

0 0

0

0 0 0

0 0

0 0

i

i

i

v

v

v

s

s

s

p

n

V

i

Switching State Vector [pnn]

ab, 

 bc

ca



v

v



/

1 1 3

2 1 2 2 0 2

3 0 3 3 1

2 2 2

ab dc dc

pnn abc bc

pnn ca pnn dc dc

v V V

V v T v

v v V V



 

 

 

          

         

                                     



 





 ₁ ^j

pnn V e

V  Vdc

2







 



 



 





 

30

v

1

v tan

V1

Switching State Vector [ppn]

ab, 

 bc

ca

 v



 

 





 

 







 











 

 





 

 









 



 







 









 



 



 

dc dc

dc ca ppn

bc ab abc

ppn

ppn

V

V V v

v v v T

V v

2 0 0

2 3 2

0 3

2 1 2

1 1 3 2

/





 





 ₂ ^j

ppn V e

V  Vdc

2 







 



 



 





 

90

v

1

v tan

V2

Switching State Vector [ppp]

ab, 

 bc

ca

 

 



 

 







 









 

 





 

 









 



 







 









 



 



 

0 0 0

0 0

2 3 2

0 3

2 1 2

1 1 3 2

/

ca ppp bc ab abc

ppp ppp

v v v v T

V v





0 V

V 

 



V0

Switching State Vectors

30

150 90

-90 -150

0 -30

0 0

  (°)

Sector I

IV III

II

V VI

Merkez nokta ab,  bc

ca



Vdc

2

]

[ pnn V 

] [ ppn V 

] [npn V 

] [npp V 

] [nnp V 

] [ pnp V 

] [ ppp V 

] [nnn V 

] [ pnn V 

] [ ppn V 

] [npn V 

] [npp V 

] [nnp V 

] [ pnp V 

] [

]

[ ppp nnn

V 

 

Reference Voltage Vector, Vref

ab,  bc

ca



 v_ v_

burada

Genelde,



Assume



Merkez noktada Vref







   



 



 

ref

ref

e

v V  v

m 2

2

V

2 v 3

v   





v t

1

v   w



 



 





 

tan

   

    





 









 w





 w



w





 







 







120 t

V

120 t

V

t V

v v v

m m

m

ca ref bc ab

cos cos

cos

)

)

( )

(

ref

V t e

2 t 3

V    

] [ pnn V₁

] [ pnp V₆

] [ ppn V₂

] [npn V₃

] [npp V₄

] [nnp V₅

] [ ]

[ppp nnn V₀  

ab,  bc

ca



 v_ v_



V 

i

i

i

v

v

v

s

s

s

p

n

V

i

a

b

c

1

0 1

0 1

0

I

IV III

II

V

VI





V 

Anahtarlamanın Üretilmesi

] [ pnn V 

] [ pnp V 

] [ ppn V 

] [npn V 

] [npp V 

] [nnp V 

] [

]

[ ppp nnn V 

 

V2

V0

V1 1

1 V

d  

2 2 V

d  

V

V

V

T

T

T

T

t

Toplam alan = Vref Örnek:



v

Anahtarlamanın Üretilmesi

S i

i i

T

0 i T

0

refdt V dt T T

V

i S

 













 





 











 ^{1 2}

1

S

2 1 1

S T T

T

T

T T

0 2

T

0 1 T

0

ref dt V dt V dt V dt

V   

Simetrik (Center Aligned) ve Asimetrik (Edge Aligned) PWM

Testere dişi taşıyıcı sinyali üretilen PWM sinyali Asimetrik yada edge aligned PWM olarak adlandırılır.

Taşıyıcı sinyal olarak üçgen dalga (up-down counter) kullanıldığı durumda elde

edilen PWM sinyalinde: görev periyodu(duty) periyodun içerisinde ortalanmış olarak ortaya çıkar. Bu sinyal; simetrik yada center-aligned PWM olarak isimlendirilir.

SVM metodunda simetrik PWM çıkışı kullanılır.

PWM için ölü zaman (dead band)

S1-S2 veya S3-S4 kollarının aynı anda iletime girmemesi için anahtar geçişlerinde anahtarların açılıp kapanabilmesi için belirli süre zaman bırakılmalıdır. Ölü zaman olarak

adlandırılan bu zaman boyunca alt ve üst kol kontrol

sinyallerinin çıkışı sıfır dır.

Multi-Level İnverter Yapıları

Neutral-Point-Clamped 3-level inverter

Neutral-Point-Clamped 5-level inverter

Flying-Capacitor 3-level inverter

Series connection of 3 H-bridges