100 W Mikroinverter tasarımı ve uygulaması yüksek lisans tez çalışmamda beni yönlendiren ve yardımcı olan tez danışmanım Prof. Dr. Doğan ÇALIKOĞLU, çalışmalarıma ışık tutan hocam Yrd. Doç. Dr. Gökhan ŞEN ve Yrd. Doç. Dr. İbrahim MAHARIQ’e, tecrübelerini paylaşmaktan çekinmeyen Murat YILMAZ’a, tez çalışmalarım süresince beni yalnız bırakmayan aileme teşekkürü borç bilirim.
Ocak, 2017 Hasan MERT
(6)
IV
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ... III TABLOLAR ... VI ŞEKİLLER ... VII KISALTMA LİSTESİ ... VIII SEMBOL LİSTESİ ... IX ÖZET... X ABSTRACT ... XI
BİRİNCİ BÖLÜM ... 1
GİRİŞ ... 1
İKİNCİ BÖLÜM ... 5
2. GÜNEŞ PİLLERİ ... 5
2.1 Şebekeden bağımsız sistem ... 6
2.2 Şebekeye bağlı sistem ... 6
2.2.1 Merkezi inverter ... 8
2.2.2 Dizi inverter ... 9
2.2.3 Mikroinverter ... 10
ÜÇÜNCÜ BÖLÜM ... 11
3. İNVERTER SİSTEMLERİNDE HARMONİK ... 11
3.1 Harmonik ... 11
3.2 Toplam Harmonik Distorsiyonu ... 13
3.3 Harmonik Standartları ... 14
3.4 İnverter Topolojisinde Harmonik ... 15
DÖRDÜNCÜ BÖLÜM ... 17
4. TASARIM VE UYGULAMA ... 17
4.1 Tasarımın Malzeme Seçimi... 17
4.1.1 Mikrodenetleyici Seçimi ... 18
4.1.2 Mosfet Seçimi ... 18
4.1.3 Mosfet Sürücü Seçimi ... 19
4.1.4 Transformatör Seçimi... 22
4.1.5 Yarıiletken Malzemelerin Besleme Gerilimi Sağlanması ... 22
4.1.6 Güneş Panelinde Gerilimin Ölçülmesi ... 23
4.1.7 Devrede Primer Sargısının Çektiği Akımın Ölçümü ... 25
4.1.8 Aşırı Voltaj Koruma Bölümü ... 26
(7)
V
4.1.9 Çıkış Filtresi ... 27
4.2 Devre Kayıpları ... 28
4.3 Devre Şeması ve Baskı Devre Kartı Çizimi ... 33
4.4 Devre Yazılımı ... 33
4.5 Uygulama Sonuçları ... 36
SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 41
KAYNAKLAR ... 43
EKLER ... 47
ÖZGEÇMİŞ ... 61
(8)
VI TABLOLAR
Tablo 3.1 Gerilim harmonikleri için sınır değerler ... 15 Tablo 3.2 Flyback devre tasarımında THD oranları ... 15
(9)
VII ŞEKİLLER
Şekil 2.1 Şebekeden bağımsız güneş pili sistemi. ... 6
Şekil 2.2 Şebekeye bağımlı güneş pili sistemi. ... 7
Şekil 2.3 IEA ülkelerinde şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız sistemlerin oranı... 7
Şekil 2.4 Merkezi inverter. ... 8
Şekil 2.5 Dizi inverter. ... 9
Şekil 2.6 Mikro inverter. ... 10
Şekil 3.1 Temel sinyal ve harmonikleri. ... 12
Şekil 3.2 Temel sinyal ve bileşke sinyal. ... 12
Şekil 4.1 Tasarlanan devrenin blok diyagramı. ... 17
Şekil 4.2 SMPS transformatörünün sürülmesi ... 19
Şekil 4.3 H köprüsünün sürülmesi ... 20
Şekil 4.4 H köprüsü ... 21
Şekil 4.5 LM2576-5 kullanarak 5V doğru akımın elde edilmesi. ... 23
Şekil 4.6 LM2576-12 kullanarak 12V doğru akımın elde edilmesi. ... 23
Şekil 4.7 Panel voltajının ölçülmesi ... 25
Şekil 4.8 ACS712ELCTR-05B çalışma karakteristiği ... 25
Şekil 4.9 ACS712ELCTR-05B Bağlantı şekli ... 26
Şekil 4.10 Aşırı voltaj koruma devresi ... 27
Şekil 4.11 IRFP260 mosfetinin yükselme ve düşme osiloskop çıkışı ... 29
Şekil 4.12 Yarım dalga sinüs sinyalin tam dalga sinüs'e çevrilmesi. ... 34
Şekil 4.13 Program algoritması. ... 35
Şekil 4.14 Yarım dalga sinüs sinyal çıkışı PWM ile oluşması ... 36
Şekil 4.15 Yarım dalga sinüs sinyal çıkışı.. ... 37
Şekil 4.16 Tam köprü evirici tetikleme sinyal çıkışı... 38
Şekil 4.17 50W çıkış sinyali. ... 39
Şekil 4.18 75W çıkış sinyali. ... 40
Şekil 4.19 100W çıkış sinyali. ... 40
(10)
VIII
KISALTMA LİSTESİ
AC Alternatif akım-(Alternating Current)
ADC Analog Dijital Çevirici-(Analog Digital Converter)
BCM Sınırda Anahtarlama Modu-(Boundary Conduction Mode) CCM Sürekli Anahtarlama-(Continuous Conduction Mode) DC Doğru Akım-(Direct Current)
DCM Süreksiz İletim Modu-(Discontinuous Conduction Mode) FV Fotovoltaik
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LED Light Emitting Diode
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MPPT Maksimum Güç Noktası İzleme-(Maximum Power Point Tracking) PCB Baskı Devre Kartı-(Printed Circuit Board)
PF Güç Faktörü-(Power Factor)
PWM Darbe Genişlik Modülasyonu-(Pulse Width Modulation) RMS Root Mean Square
THD Toplam Harmonik Distorsiyon-(Total Harmonic Distortion) TIM Zamanlayıcı-(Timer)
ZVC Sıfır Voltaj Geçişi-(Zero Voltage Crossing)
(11)
IX
SEMBOL LİSTESİ
C Kondansatörün değeri
CO Devrenin çıkışındaki kondansatör
D MOSFET’in iletimde olduğu zamanın periyoda bölümü fmin Minimum anahtarlama frekansı
fsw Primer anahtarının anahtarlama frekansı
H Tam köprü
I Akım
IORT Ortalama akım değeri
Ip Primer sargısından geçen akım IL Işık akımı
IPV PV akımı
IS Satürasyon akımı
iLM Transformatör üzerindeki akım
IO Çıkış akımı
n İdealite faktörü
N Transformatörün primer sargısının sekonder sargısına oranı Np Primer sargısının sarım sayısı
PKAYIP Kayıp güç
PPrimer Transformatör primer kayıp gücü PSekonder Transformatör sekonder kayıp gücü
Rs Seri Direnç
PORT Ortalama güç değeri
RDS MOSFET'in Drain-Source arası direnci Rp Paralel Direnç
PRMS Gücün efektif değeri q Elektron Yükü
Rmin Minimum direnç değeri
S Anahtar
TOFF MOSFET’in kesimde kalma süresi TON MOSFET’in iletimde kalma süresi
Trise MOSFET’in kesimden iletime geçme süresi Tfall MOSFET’in iletimden kesime geçme süresi TS Anahtarlama periyodu
V Gerilim
VAC Şebeke gerilimi
VDS MOSFET'in Drain-Source arası gerilimi
VPV PV gerilimi
Verim
(12)
X ÖZET
100W MİKROİNVERTÖR TASARIMI VE UYGULAMASI MERT Hasan
Yüksek Lisans, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Prof. Dr. Doğan ÇALIKOĞLU
Ocak–2017, 61 sayfa
Güneş panelinden belli bir ışımaya karşılık gelen doğru akımı günlük hayatta kullanabilmek için alternatif akıma dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, güneş panellerinde kullanılan çevirici ve evirici topolojileri, avantaj ve dezavantajlarına göre değerlendirilmiş. Bu değerlendirme sonunda 100W mikroinverter yapısına uygun olan flyback çevirici ve tam köprü evirici topolojisi seçilerek uygulama devresinde kullanılmıştır. Uygulama devresinin tasarlanmasında, donanımı kontrol edecek gömülü yazılımın kodlanması yapılmıştır. Ayrıca uygun toplam harmonik distorsiyon seviyesinde şebeke ile uyumlu hale getirilip aktarılması işlemlerini yapabilecek gerekli donanım tasarımı, ve şebekeye yük bindirme yöntemine yer verilmiştir.
Anahtar Kelimeler : DC-AC İnvertör, Flyback SPMS, THD
(13)
XI ABSTRACT
100W MICROINVERTER DESIGN AND APPLICATION
MERT HASAN
MASTER of SCIENCE ,Deparment of Electric and Electronics Supervisor: Prof. Dr. Doğan ÇALIKOĞLU
January 2017,61 pages
It is neccessary to transform the direct current corresponding to a certain radiation from the solar panel into an alternative current which we use frequently in our daily life. In this thesis, inverter and converter topologies used in solar panels have been evaluated on the basis of their disadvantages and advantages. Considering this evaluation, the flyback converter and full bridge inverter topologis suitable for the 100W microinverter structure were selected and used in the application circuit. In the designing of the application circuit, the coding of the embedded software that will control the hardware has been done. In addition to this the neccessary hardware design and network overloading method that can make the processes compatible with the network at the appropriate total harmonic distortion level are also included.
Keywords: DC-AC Inverter, Flyback SPMS, THD
(14)
1
BİRİNCİ BÖLÜM
GİRİŞ
Bu çalışmada, güneş panelinden belli bir ışımaya karşılık gelen elektrik enerjisinin günlük kullanıma uygun sinyale yani 220V 50Hz Alternatif akıma dönüştürülmesi için 100W mikroinverter tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Avrupa Fotovoltaik Endüstrisi Birliği’nin (EPIA) önümüzdeki 3 yıla kadar Avrupa’da ihtiyaç duyulan elektriğin %12’sinin fotovoltaik sistemlerden üretilebileceğini açıklaması [8] güneş panelinde kullanılacak inverter sistemlerinin önemi bakımından gerekliliğini açıklamaktadır.
Bu çalışmayla minimum akım stresi, minimum maliyet ve yüksek verim üzerinde durulmuştur. Bu tasarımda, transformatörün primer ve sekonder kısımları dahil olmak üzere yarıiletken malzemelerin kontrolünde tek bir dc kaynak kullanılmıştır. Bu yöntem, devre verimi üzerinde olumlu yönde etki yaratmıştır.
Bununla birlikte bu çalışmada uygulanan teknik ve yöntemler ülkemizde yapılmak istenen güç kaynağı tasarımlarına kaynak oluşturulmak üzere araştırmacılarla paylaşılacaktır.
Bir güneş panelinden elde edilen enerji 30Vdc 100W/s civarındadır. Bu enerjiyi panelden doğru akım olarak alınmaktadır. Buradan elde edilen doğru akımı, direkt kullanıldığı gibi depolamada yapılarak daha sonrada kullanılmaktadır. Bu enerjiyi günlük hayatımızda alternatif akımla çalışan sistemlerde kullanılabilmesi için uygunlaştırılması gerekmektedir. Uygulaştırmada istenen güce göre farklı yöntem ve teknikler kullanılmaktadır. Uygunlaştırma aşamasında güneş panellerinden elde edilen enerjinin yüksek verimde çıkışa aktarması istenmektedir.
Çevreci enerji kaynakları olarak da bilinen yenilenebilir enerji kaynakları arasında öncelikle güneş, rüzgar, jeotermal ve hidroelektrik santraller gelmektedir.
(15)
2
Yenilenebilir kaynakları kendi aralarında değerlendirildiğinde enerji potansiyeli en yüksek olanının güneş olduğu görülmektedir. ilk üretim yıllarında Güneş panelleri kullanarak santral kurma maliyeti yüksekken günümüzde panel fiyatlarının düşmesiyle kurulum maliyetleri düşmüştür. Son yıllarda güneş santrallerine dünya da olduğu gibi ülkemizde de devlet tarafından teşvik verilmektedir. Ülkemizde güneş santralinden üretilen elektriğin kW/s'ine 13,3 cent destek verilmektedir. Güneş santralinin yerli ürünlerle yapılması durumunda bu teşvik 20 cent’e kadar çıkmaktadır[30].Bu durum güneş santrallerine ilgiyi arttırmıştır.
Literatürde güneş enerjili sistemlerde kullanılan inverterlerle ilgili yapılmış çeşitli çalışmalar bulunmaktadır.
Yakışan tarafından, enerji kaynağı olarak güneş, hücresi paneli veya dizisinin kullanımı ve enerjisinin denetimi üzerine çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada güneş enerjisi temelli sistemlerin şebekeye paralel ve başka enerji kaynaklarıyla birlikte çalışması incelenmiştir. Şebekeye bağımsız sistemlerde enerji sürekliliği için sisteme akü gerektiğinden ve akülerin ömürlerinin kısa oluşundan dolayı maliyeti arttırmaktadır. Paralel bağlı sistemlerde bu durum söz konusu sistem daha avantajlı olduğu söylenmiştir[26].
Onat ve Ersöz tarafından gerçekleştirilen fotovoltaik sistemlerde maksimum güç izleyici algoritmalarının karşılaştırılması çalışmasında Hata ve Gözlem, sabit gerilim, artan iletkenlik ve parazit kapasite yöntemleri üzerine uygulamalar yapılmıştır. Bu çalışma sonucunda en verimli parazit kapasite bulmuşlarsa da ticari ve basit yapılı olmasından dolayı hata ve gözlem algoritmasını önermişlerdir[19].
Dolara ve arkadaşları, Onat ve Ersöz gibi MPPT algoritmaları üzerinde durmuştur.
Sonuç olarak en verimli gözle-değiş (P&O) yönteminin olduğunu deneysel çalışmalar yaparak göstermiştir[19].
Zengin ve arkadaşları, şebekeye bağlı fotovoltaik sistemler için flyback mikroinverter tasarımı üzerine çalışmışlardır. Bu çalışmada evirici topolojilerini karşılaştırmışlardır. Araştırmalar sonucunda flyback eviriciler kontrol karmaşıklığını eleman sayısını azaltmakta ve maliyetlerini önemli ölçüde düşürerek inverterler arasında mikroinvertere öne çıkarmaktadır. Yaptığı çalışmada devre verimi %80 civarında bulmuştur. Çalışmasında kullandığı mosfetlerin yerine daha küçük iç
(16)
3
dirence sahip mosfet seçilerek bu verimin daha da arttırılabileceğini belirtmiştir. Bu araştırmanın deneysel sonuçlarla da doğruluğunu göstermişlerdir[8].
Bakan tarafından da orta güç kaynağı uygulamasında kullanılan malzeme azlığı ve ekonomik olması açısında flyback tasarımı daha ön plana çıkarmıştır. Ayrıca bu tasarımın düşük güçte yüksek gerilim elde etmede yaygın kullanımı olduğu belirtmiştir[5].
Özçiftçi tarafından flyback topolojisi diğer topolojilerle karşılaştırmıştır. Sonuç olarak flyback topolojisi diğerlerine göre maliyet, devrenin boyutu, izolasyonlu ve MPPT görevini daha iyi yaptığını gözlemlemiştir. İletim modlarında ise sürekli iletim modunun verim THD ve devrenin gücü açısından daha verimli olduğu gözlemlemiştir. Bu modda tek dezavantajı kontrol devresinin karmaşıklığı olduğunu eklemiştir[21].
Akça tarafından anahtarlama kayıplarını minimum hale getirmek için IGBT- MOSFET gibi yarı iletkenler kullanmıştır. Gerçekleştirilen çalışma üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada anahtarlama elemanı sadece mosfet, ikici aşamada igbt-mosfet karma anahtarlama ve son aşamada sadece igbt anahtarlama yapılmıştır.
Bu çalışmanın sonucunda küçük güçlerde en iyi mosfet anahtarlamasının olduğunu göstermiştir[3].
Cangi tarafından yapılan harmonik eliminasyon çalışmasında, DC/AC inverter anahtarlama frekansları incelenmiştir. Bu inceleme sonucunda 35kHz civarında yapılan inverter anahtarlamasında THD seviyesinin deneysel olarak %1'in altında olduğu göstermiştir[.22].
Literatür araştırması sonucunda inverterler hakkında birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda 200W altındaki önerilen güç dönüştürücü olarak flyback modeli üzerinde durulmuştur. Anahtarlama modeli olarak sürekli anahtarlama önerilmiştir. Aynı şekilde çevirici anahtarlama frekansının artması çıkış harmonik distorsiyonu arttırmakta. Düzgün çıkış sinyali için ortalama 50kHz seviyesinde anahtarlama iyi sonuç vereceği önerilmektedir. Yapılan çalışmalarda sistemde bulunan yarı iletken elemanların kontrolü iki ayrı dc kaynak kullanılarak yapılmıştır.
Bu tez çalışmasında tek bir dc kaynak kullanılmıştır. Bu özellikte verimi %1 seviyelerinde arttırmıştır.
(17)
4
Tezin ikinci bölümünde güneş enerjisi ve güneş pilleri hakkında genel bilgi verilmektedir. Yine bu bölümde santral gücünün güneş panel bağlantıları arasında ki ilişki incelenmiştir. Üçüncü bölümde harmonik üzerine de durulmaktadır.
Harmonikleri oluşturan nedenleri, matematiksel ifadesi standartları incelenmiştir.
Son bölümde ise önceki bölümlerden alınan en uygun metot ve teknikler tasarım devresinde uygulanmıştır.
(18)
5
İKİNCİ BÖLÜM
GÜNEŞ PİLLERİ
Yüzeylerine gelen güneş ışığının doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken malzemeler Güneş paneli, Güneş hücresi veya Güneş pili olarak adlandırılır.
Güneş hücresinin çalışma prensibi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır.
İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki potansiyel fark, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W.Adams ve R.E. Day tarafından gösterilmiştir [9]. 1900'lü yılların başlarında çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1 değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlarla ilk kez 1954 yılında Chapin tarafından silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılmak üzere güç sistemleri için yapılmıştır [9].
1960'ların başından beri uzay çalışmalarında güç sistemlerinin enerji kaynağı olarak güneş pilleri güvenilir kaynak olmayı sürdürmektedir. 1970'li yılların başına kadar günlük yaşamda güneş pilleri ile enerji üretim çalışmaları sınırlı kalmıştır.
Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954’lerde başlamış olmasına karşın, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki 1. petrol bunalımını izleyen yıllarda olmuştur. Amerika, Avrupa ve Japonya’da büyük bütçeden oluşan, geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır [9].
(19)
6
Güneş pilleri şebekeden bağımsız ve şebeke bağımlı olmak üzere iki temel sistemden oluşmaktadır.
2.1 Şebekeden bağımsız sistem
Şebekeden bağımsız sistemlerde iki durum söz konusudur. Birinci durumda sistemler sadece gündüz enerjiye ihtiyaç duyar. Bu durumda direkt inverter kullanarak güneş paneline bağlanır. İkincisinde ise devamlı yani gece ve gündüz enerjiye ihtiyaç duyan sistemlerdir. Bu sistemlerde ise güneş pilinden gece alınan enerji ile gündüz alınan enerji gücü farklı olacaktır. Bu durumda sisteme enerji depolama elemanı olarak batarya eklenir. Şekil 2.1'de görüldüğü gibi gündüz şarj olan batarya gece deşarj olur [8].
Şekil 2.1 Şebekeden bağımsız güneş pili sistemi.
2. 2 Şebekeye bağlı sistem
Şebeke bağlı sistemlerde ise şebeke bataryanın görevini üstlenir. Güneş pilinin yeterli olmadığı durumlarda şekil 2.2'de görüldüğü gibi sistem şebeke enerjisinden beslenir.
(20)
7
Şekil 2.2 Şebekeye bağımlı güneş pili sistemi.
Güneş pilleri ilk kullanılmaya başladığı yıllarda şebekeden bağımsız batarya ağırlıklı çalışması söz konusu iken son yıllarda şebekeye bağlı şekilde çalışmaktadır.
Yıllara göre şebekeden bağımsız/bağlı durumu şekil 2.3'te görülmektedir[8].
Sistemlerde kullanılan bataryaların ömrünün kısa ve maliyetinin yüksek olması şebekeye bağlı sistemleri daha popüler hale getirmiştir.
Şekil 2.3 IEA ülkelerinde şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız sistemlerin oranı.
Şebekeye bağlı sistemlerde gündüz güneş pilleri tarafından üretilen enerji kullanılmadığında şebekeye aktarılma imkanı olması bu sistemleri popüler hale getirmiştir. Şebekeye bağlı inverter üç gruba ayrılırlar; merkezi inverter, dizi inverter ve mikro inverter [8].
(21)
8 2.2.1 Merkezi inverter
Merkezi inverter şekil 2.4'de görülmektedir. Bu sistemde güneş panel grupları birbirine seri daha sonra bu gruplar birbirine paralel bağlıdır. Merkezi inverter sistemleri yüksek güç üretmek için kullanılır [8]. Merkezi inverter sistemleri santral şeklinde kullanılır genelde 3 fazlı, gücü 2-250kW arasında olmaktadır.
Dezavantajları,
Sistemde bulunan pillerden bir tanesinin bozulması sistem çıkışı gücünü ciddi boyutlarda etkilemektedir.
Kurulu sistem geniş alanda olduğundan herhangi bir bulutlanmada çıkış gücü etkilenmektedir.
Paralel bağlı yarıiletken uyumsuzluk ve kayıpları fazla olmaktadır.
Şekil 2.4 Merkezi inverter.
(22)
9 2.2.2 Dizi inverter
Dizi inverterler de güneş pilleri birbirine seri bağlayarak yüksek doğru akım elde edilir. Şekil 2.5'de görüldüğü gibi elde edilen enerji alternatif akıma çevrilir.
Dizi inverter sistemleri genellikle evsel elektrik üretiminde kullanılır tek fazlı, çalışma gücü 1-5kW civarındadır. Bu sistemlerin dezavantajı ise,
Güneş pilleri arasında uyumsuzluk bu sistemde de etkilidir.
Dizide bulunan herhangi bir panelin bozulması sistem çıkışını etkilemektedir.
Şekil 2.5 Dizi inverter.
(23)
10 2.2.3 Mikroinverter
Mikroinverterler 100-400W aralığında çalışmaktadır. Şekil 2.6'da görüldüğü gibi her panelin altına direkt tak-kullan şeklinde planlanmıştır. Diğer inverter tiplerinde yaşanan kısmi bulutlanmadan veya panel farklılığından kaynaklı problemler mikro inverter sisteminde olmamaktadır. Bu sistemde her panel doğru akımını kendisi alternatif akıma çevirir. Bu özelliğinden dolayı evsel kullanıma uygundur. Dezavantajı ise, her güneş paneline bir inverter gerektiğinden maliyeti yüksektir.
Şekil 2.6 Mikroinverter.
(24)
11
ÜÇÜNCÜ BÖLÜM
İNVERTER SİSTEMLERİNDE HARMONİK
Tezin bu bölümünde güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan inverterlerin oluşturduğu harmonik distorsiyon üzerinde durulmuştur. Enerji sistemlerinde her ne kadar da olsa harmonik etkilerden tamamen arındırılamaz fakat azaltılabilir. Bu harmonik etki olsa dahi sistemdeki elektrikli cihazlar çalışsa da kullanım ömürleri de kısalmış olur.
3.1 Harmonik
Elektrik şebekesinden istenen sabit genlikli, sabit frekanslı ve tam sinüsoidal biçimli olması istenir. Ancak şebeke bazı doğrusal olamayan elemanlardan dolayı tam sinüsodial sinyal bozulmaktadır. Bu bozulmanın bileşenlerine, harmonik bileşenler denilmektedir [1].
Doğrusal olmayan sinyaller harmonik bileşenler içerir. Harmonik bileşenler temel sinyalin tam tek sayı katlarında (3, 5, 7 gibi) oluşur. Frekansı 50Hz olan bir sinyalin harmonikleri sırasıyla 150Hz, 250Hz, 350Hz ve tek katları şeklinde devam etmektedir. Şekil 3.1'de frekansı 50Hz olan sinyale ait temel sinyal ve harmonikleri görülmektedir [22].
(25)
12
Şekil 3.1 Temel sinyal ve harmonikleri.
Şekil 3.2 Temel sinyal ve bileşke sinyal.
Şekil 3.2'de Temel sinyal ve bileşke sinyal görülmektedir. Bu bileşke sinyal şekil 3.1'de görülmekte olan harmonik sinyallerin toplamlarıyla oluşmaktadır.
Harmonikler elektriksel sistemlerde istenmeyen etkilere neden olmaktadır.
Harmonik,
 Elektrik motorlarının gürültülü çalışmasına
 Kabloların ısınmasına
 Transformatörlerin aşırı ısınmasına
 Enerji tüketiminde dengesiz artışa
 Güç faktörlerinin değişimine
0 5 10 15 20 25 30 35 40
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t (ms)
V
1. Harmonik 3. Harmonik
5. Harmonik 7. Harmonik
0 5 10 15 20 25 30 35 40
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t (ms)
V
1. Harmonik (Temel sinyal)
Bileşke sinyal
(26)
13
 Elektrikli cihazların ömrünün kısalmasına
 Ses ve görüntü cihazlarında parazite neden olmaktadır [.22].
Harmonik oluşmasına neden olan cihazların bir kısmı şunlardır,
 Kesintisiz güç kaynakları
 Jeneratörler
 Bilgisayarlar
 Frekans çeviriciler
 Motor hız kontrol devreleri
 Elektrikli ulaşım cihazları
 Gerilim düzenleyicileri
 Yenilenebilir kaynaklar
Yenilenebilir kaynaklardan harmonik oluşmasına neden olan yapılar arasında fotovoltaik sistemler de yer almaktadır. Bu sistemlerde harmoniklerin oluşmasına neden olan yapı, anahtarlama elemanlarının çalışma frekansından kaynaklanmaktadır[22].
3.2 Toplam Harmonik Distorsiyonu
Toplam harmonik distorsiyon (THD) da iki hesaplama mevcuttur. Birinci gerilim THD'si deklem 3.3'te görülmektedir. Buradaki denklemde harmonik genliklerinin karelerinin toplamının karakökünün temel sinyale oranı genlik THD'yi verir. Bu denklemi akım için derlediğinde deklem 3.4 çıkmaktadır.
(Denklem 3.3)
(27)
14
(Denklem 3.4)
Deklem 3.3 ve denklem 3.4 görüldüğü gibi sinyalde harmonik yoksa V3,V5,V7
veVn sıfır olduğundan dolayı THD sıfır çıkmaktadır yani distorsiyon yoktur.
3.3 Harmonik Standartları
Elektrik enerjisi kullanıcılarının ve tedarik firmalarının enerji iletiminde ve tüketiminde kullanılan enerjisinin kaliteli yani harmoniksiz olması istenir. Elektrik enerjisinin daha az zarar ile enerji kullanımı için harmonik bileşenleri için bazı ülkeler sınırlamalar getirmiştir.
IEEE-519 ve VDE-0839'da endüstriyel kullanıcılar ile elektrik üretim ve dağıtımıyla ilgili harmonik standartlar oluşturulmuştur. Oluşturulan bu standartlarda akım ve gerilim sinyallerinde oluşan harmonik bileşenlerin toplamının, temel bileşene oranı verilmiştir.
Ülkemizde ise enerji kalitesinin izlenmesi EN 50160 standartları altında toplanmıştır. EN 50160 standartları açılımı “Elektrik Piyasasında Dağıtım Sisteminde Sunulan Elektrik Enerjisinin Tedarik Sürekliliği, Ticari ve Teknik Kalitesi Hakkında Yönetmelik” e göre yapılmaktadır [14]. Harmonik ölçüm ve sınır değerleri “Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenirliği ve Kalitesi Yönetmeliği” ile
“Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliği” tarafından belirlenmektedir. Akım harmonik sınır değerleri Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenirliği ve Kalitesi Yönetmeliği’nde, gerilim harmonik sınır değerleri de Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliği’nde yer almaktadır[14]. Tablo 3.1'de harmoniklere ilişkin gerilim sınır değerler gösterilmiştir.
(28)
15
Tablo 3.1 Gerilim harmonikleri için sınır değerler Gerilim kademesine göre gerilim harmonik limitleri
Bara Gerilim Bireysel gerilim harmonik
bozunumu (%) Toplam THD (%)
69kV ve altı 3 5
69kV - 161kV 1,5 2,5
161kV ve üstü 1 1,5
3.4 İnverter Topolojisinde Harmonik
Güneş pillerinin kullanımı yaygınlaştıkça sisteme bağımlı çalışan inverter sistemleri gelişmiştir. Bu sistemlerde kullanılacak inverter topolojisinin seçimindeki en önemli kriterler güç, verim ve maliyet iken harmonik distorsiyonda önemlidir.
Tez devresinde uygulanacak devre tasarımında kullanılan CCM anahtarlama moduna göre literatürde yapılmış diğer devrelerin güç, verim ve THD değerleri tablo 3.2'de verilmiştir.
Tablo 3.2 Flyback devre tasarımında THD oranları[27,28]
Devre İletim Modu Filtre
Durumu
Çıkış
Gücü Verim THD
C. Özçiftçi devresi CCM Var 100W %79 %7,4
Hu, Haibing. Q, Zhang. Z.
Hohn I. Batarseh. devresi CCM Var 100W %90 %1,7
Li,Y. ve Oruganti, devresi CCM Var 200W %87,4 %4,4 A. Dumais. ve S.
Kalyanaraman Devresi CCM Var 215W %94,8 %4
(29)
16
Tablo 3.2'de görüldüğü üzere A. Dumais. ve S. Kalyanaraman tarafından yapılan uygulama devresi verim olarak daha iyi ve THD kabul edilebilir seviyede olduğu görülmektedir. Bu devre incelendiğinde flyback çalışma frekansı olarak 52kHz ve çalışma modu olarak da sürekli iletim modu seçilmiştir. H köprüsünde hızlı mosfetler kullanılmıştır.
Yapılacak tasarım uygulamasında flyback anahtalama frekansı 52kHz ve sürekli modda çalışma seçilmiştir.
(30)
17
DÖRDÜNCÜ BÖLÜM
TASARIM VE UYGULAMA
Tezin bu bölümünde prensibi ve yöntemi açıklanan sistemin uygulaması anlatılmaktadır.. Bu tasarım ve uygulamaya ait devrenin blok diyagramı şekil 4.1'de görülmektedir.
PV MODÜL 25-45V
100W
DC/DC Bost ve MPPT
DC/AC
İnverter EMI
Filtre
Tek Faz 220V 50Hz
Güç Katı
Kontrol Ünitesi Mosfet
Sürücü
ADC Vin Iin
Mosfet S.
220kHz Mosfet Pulse
Trans.
ADC
Io Lineer
Transformatör AC/AC Opto Pulse
Trans.
deşarjı
5V DC Buck 12V DC
Buck ADC
Vo
Tam Köprü Doğrult ma AC/DC Aşırı
Gerilim Koruma Dijital Çıkış
Yük Maksimum
100W
LCD Durum Gösterge Real Time Clock
DS1302
Şekil 4.1 Tasarlanan devrenin blok diyagramı.
Blok diyagramda devrenin kontrolünü mikrodenetleyici tarafından yapılmaktadır. Bu mikrodenetleyici ile çevirici giriş akımını, çevirici giriş gerilimini, çıkış akımını ve çıkış gerilimini ölçmek için 4 tane 10 bit ADC girişi kullanılmıştır.
Ayrıca flyback çeviricinin anahtarlama elemanını ve köprü tipi inverter anahtarlama elemanlarını kontrol etmek için 2 PWM çıkışı kullanılmıştır.
4.1 Tasarımın Malzeme Seçimi
Tasarımda kullanılan güneş panelin çıkış voltajı 25-45V aralığında açık devre voltajı ortalama 55V maksimum gücü 120W kabul edildiğinde çekilecek maksimum akım 3,5A civarında olmaktadır. Flyback çevirici yapılarında en iyi verim 50KHz
(31)
18
civarında olduğu göz önüne alındığında, çevirici kısmında bu çalışma frekansına ve giriş gerilimine uygun mosfet ve pasif elemanlar seçilmiştir. Verim %100 kabul edildiğinde ise çıkış gücü, giriş gücüne eşit olmaktadır. Bu durumda çıkış akımı 0,45A olur. Çıkış gerilimi 220V 50Hz olması gerektiği değerlendirildiğinde çıkış evirici kısmında kullanılması gereken malzemelerin bu çıkış gerilimine ve frekansına uygun olmalıdır. Bu veriler doğrultusunda malzeme seçimi yapılmıştır.
4.1.1 Mikrodenetleyici Seçimi
Tez çalışmasının verimini yüksek tutmak için, ölçüm sonuçlarının hızlı alınıp bu ölçüm sonuçlarına göre PWM sinyallerin düzenlemesi gerekmektedir. Bu nedenle çalışma frekansı, ADC kontrolü hassas, PWM çözünürlüğü yüksek ve birden fazla PWM frekansı uygulamaya imkan veren microchip firmasının dspic30f4011 serisi mikrodenetleyicisini kullanılmıştır. Bu mikrodenetleyici farklı çalışma frekansına ve dört PWM çıkışına sahiptir. Bellek kapasitesi incelendiğinde çalışma için yeterliği olduğu görülmektedir. Dspic30f4011 kontrolcünün diğer özellikleri aşağıda sıralanmıştır.
 48Kbayt Program hafızası
 1024Bayt EEPROM
 5 tane 16 bit Timer
 4 tane PWM kontrolü ve ayrıca 6 kanal PWM motor kontrolü
 9 kanal ADC
 120MHz'e kadar çalışabilme özelliği bulunmaktadır.
4.1.2 Mosfet Seçimi
Tasarımda iki grup mosfet bloğu bulunmaktadır. Birinci kısım transformatörün primer sargısını süren anahtar, ikinci kısım H köprüsünü yani tam dalga sinüsü veren mosfet grubudur.
Birinci mosfet grubunun seçimi, flyback anahtarlama elemanı olarak kullanımın uygun olmalıdır. Anahtarlama frekansı 52kHz Ids akımı 3,5A ve kontrol edilecek gerilim maksimum 55V'tur. Bu veriler ışığında mosfetin Drain-Source
(32)
19
direnci çok küçük, voltajı ise en az 55Volttan büyük olmalıdır. N kanal IRFP260 mosfetinin yapısı incelendiğinde RDS direnci 0.055Ω ve VDS gerilimi 200V olduğu görülmektedir. Mosfetin üzerinden maksimum akım (2,5A) geçtiğinde mosfetin üzerinde harcanan güç 0,34W olmaktadır. Bu hesaplamalar sonucunda tasarıma uygun giriş-çıkış gerilim yelpazesine sahip ve çalışma frekansına uygun olduğu görülmüştür.
İkinci mosfet grubu dört mosfetten oluşmakta ve burada mosfetlerin kullanım amacı H köprüsünde yarım dalga sinüs sinyalini tam dalga sinüse çevirmesi beklenmektedir. Bu mosfetlerin çalışma frekansı 50Hz, Ids akımı 0,5A ve Vds gerilimi 350V'tan fazla olması gerekmektedir. Belirtilen kriterlere göre ve fiyat baz alınarak seçim yapıldığında Vishay firmasının IRFP460 model N kanal mosfeti seçilmiştir.
4.1.3 Mosfet Sürücü Seçimi
Bu tasarımda flyback anahtarlama mosfeti primer sargısı tarafında bulurken H köprüsü mosfetleri sekonder tarafında bulunmaktadır. Flyback anahtarlama mosfeti yani IRFP260 sürmek için TC4424 mosfet sürücü seçilmiştir. Mosfet sürücüye ait devre şeması şekil 4.2'de görülmektedir.
Şekil 4.2 SMPS transformatörünün sürülmesi
(33)
20
Kontrolcü transformatörün birinci sargı tarafında bulunmaktadır ve bu durum ikinci sargı kısmındaki mosfetleri sürmek için ikinci sargı kısmında hem 12VDC besleme hem de yalıtım için optokuplör gerekmektedir. Bu durumda DC beslemeyi oluşturmak için transformatör yapısında ekstra sargı gerektirmektedir. Bu sargı ekstra 12VDC besleme devre için malzeme maliyetini arttıracak hem de devrenin verimini düşürmektedir. Mosfetleri sürmek için ikinci sargı kısmında ekstra sargı yerine pulse transformatörü kullanılması daha uygun olmaktadır. Pulse transformatörünün devre şeması şekil 4.3'te görüldüğü gibi kullanılmaktadır.
Şekil 4.3 H köprüsünün sürülmesi
Pulse transformatörü kullanarak mosfet aktif edilmek istendiğinde transformatörün primer sargısına 200kHz frekansında %50 görev süresi PWM sinyali uygulanmaktadır. Uygulanan bu sinyal ikinci sargı kısmında sargı sayısı aynı olduğundan dolayı aynen görülmektedir.İkinci sargısından alınan bu sinyal 100nF kondansatör yardımıyla filtre edilerek mosfet sürülmektedir. Aktif olan mosfet pasif hale getirmek için PWM sinyalini kesmek yeterli olmaktadır. PWM sinyali kesilen pulse transformatörünün iç yapısının temelinde bobin olduğundan dolayı bir süre gecikmeli deşarj olmaktadır. Bu gecikme süresini ortadan kaldırmak için sekonder sargısını deşarj etmeyi sağlayan ayrı bir optokuplör kullanılmıştır. PWM-1 sinyali kesildiğinde şekil 4.4'te görülmekte olan U4(PC817) aktif olduğunda mosfet daha hızlı kesime gitmektedir. Bu duruma ait sinyal görüntüsü kod yazılımı kısmında daha detaylı görülmektedir.
(34)
21
Şekil 4.4 H köprüsü
(35)
22 4.1.4 Transformatör Seçimi
Tasarımda geri dönüş (feedback) akım ve gerilim bilgileri transformatöre yapılan ekstra sargı yerine optokuplör ve yalıtımlı sensörlerden alınması planlanmıştır. Ayrıca tam köprü inverterde bulunan 4 adet mosfeti anahtarlamak için sekonderden başka sargı yapılmamaktadır. Üçüncü sargı yerine pulse transformatörü kullanarak mosfetler anahtarlanmıştır. Transformatörün primer NP/NS oranını hesaplanırsa,
(Denklem 4.1)
olarak bulunur. Tasarıma uygun 100W gücünde 1:7 dönüştürme oranına sahip smps transformatörlerine bakıldığında Coilcraft firmasının üretmiş olduğu hazır NA5814AL kodlu ürünü kullanılmıştır. Bu transformatörün birinci sargı direnci 0,047Ω ikinci sargı direnci ise 0,360Ω'dur.
4.1.5 Yarıiletken Malzemelerin Besleme Gerilimi Sağlanması
Bu kısımda mikrodenetleyici, mosfet sürücü ve lcd panelin çalışabilmesi için gerekli olan DC beslemenin tasarlanması ele alınmıştır.
Mikrodenetleyici ve lcd panel toplamda yaklaşık 200mA akım çekmekte ve 5VDC ile çalışmaktadır. Bu enerjiyi sağlamak için yapısında Buck dönüştürücü olan LM2576HV-5 serisi regülatör entegresi kullanılmıştır. Bu regülatör entegresinin giriş voltajı maksimum 60V ve maksimum çıkış akımı 3A dir. Devre şekil.4.5'te görülmektedir.
(36)
23
Şekil 4.5 LM2576-5 kullanarak 5V doğru akımın elde edilmesi.
Mosfet sürücü kısmı için LM2576HV-12 kullanılmaktadır. Devre şeması şekil 4.6'da görülmektedir.
Şekil 4.6 LM2576-12 kullanarak 12V doğru akımın elde edilmesi.
4.1.6 Güneş Panelinde Gerilimin Ölçülmesi
Güneş panel geriliminin ölçme işlemi basit gerilim bölme yöntemiyle yapılmıştır. Şekil 4.7'de devre yapısı görülmektedir.
(Denklem 4.2)
(37)
24
Panel gerilimi maksimum yani 50V olduğuğunda
olmaktadır. R70 ve C42 elemanları filtreleme görevi yaparken D31 4.7V zener diyodu olası yüksek gerilimde mikrodenetleyiciyi korumaktadır.
Mikrodenetleyicinin 10 bit çözünürlükteki ADC girişine uygulanmııştır.
Mikrodenetleyicinin referans voltajı 5V kabul ediğinde bir sayısal birime karşılık gelen gerilim seviyesi,
maksimum değerde olduğunda microdenetleyici tarafından üretilen sayısal değer ise,
ADC tarafından okunan değer 786 olduğunda, panel için maksimum gerilim olduğunu ifade etmektedir.
(38)
25
Şekil 4.7 Panel voltajının ölçülmesi
4.1.7 Devrede Primer Sargısının Çektiği Akımın Ölçümü
Bu kısımda ACS712ELCTR-05B-T doğrusal artış gösteren akım sensörü kullanılmıştır. Şekil 4.8 ve Şekil 4.9'da sensör iç yapısı ve çalışma karakteristiği görülmektedir. Bu sensörün yapısına göre P+ ve P-uçlarından akım aktığında VOUT
çıkışından 1,5-3,5V arası doğrusal genlik alınmaktadır. Bu alınan gerilim değeri mikrodenetleyici yardımıyla sayısal değer dönüştürülüp değerlendirilmektedir.
Şekil 4.8 ACS712ELCTR-05B çalışma karakteristiği
(39)
26
Şekil 4.9 ACS712ELCTR-05B Bağlantı şekli
4.1.8 Aşırı Voltaj Koruma Bölümü
Bu bölümde, optokuplör ve karşılaştırıcı özelliği içinde barındıran Fairchild firmasının FOD2741 entegresi kullanılmıştır. Bu entegrenin çalışmasından ve yapısından bahsetmek gerekirse, Entegrenin COMP ucuna 2,5V veya daha fazla gerilim düşümü olduğunda optokuplörün içindeki led aktif olmakta ve bununla birlikte transistörü tetiklemektedir. Aşırı voltaj koruma kısmı şekil 4.10'da görülmektedir. Sistemin aşırı voltaj seviyesi,
(Denklem 4.3)
yani çıkış gerilimi 352,5V olduğunda, sistemi aşırı voltaj korumasına almaktadır. Kullanıcı sistemi tekrar aktif edene kadar beklemede kalmaktadır.
(40)
27
Şekil 4.10 Aşırı voltaj koruma devresi
4.1.9 Çıkış Filtresi
Önceki bölümlerde iyi bir inverter devresinde THD seviyesinin %5'in altında olması gerektiğinin üzerinde durulmuştu. İnverter çıkışında basit LC filtre kullanılmaktadır. Bu filtrede endüktans hesabı denklem 4.4'te görüldüğü gibi yapılmaktadır.
(Denklem 4.4)
Burada IEEE 519-1992 standartlarıyla belirlenen şebekeye yük aktaran invereterdeki akımın gürültü değeridir. Bu değer %0,3 olarak alınmaktadır [21].
(41)
28
Filtre endüktans değeri 1,16mH olarak bulunmuştur. Çıkış kapasitans değeri denklem 4.5 ile bulunur. Bu denklemdeki filtre endüktasını, ise anahtarlama frekansıdır.
(Denklem 4.5)
Filtre kapasitans değeri 369nF olarak bulunmuştur.
4.2 Devre Kayıpları
Devrede bulunan yarıiletken malzemelerin kayıpları üreticilerin sağladığı teknik bilgiler doğrultusunda hesaplanabilir[17].
Devrede bulunan anahtarlama elemanı mosfetlerin anahtarlama kaybı denklem 4.6'da iletim kayıpları ise denklem 4.7'de gibi hesaplanabilir [17]. Denklemlerde görülmekte olan anahtarlama frekansı, mosfetin üzerine düşen gerilim, mosfetin kesimden iletime geçme süresi, mosfetin iletimden kesime geçme süresi, görev saykılı, mosfetin drain-source direnci ve son olarak da mosfetin iletimde iken üzerinden geçen akımı temsil etmektedir.
(Denklem 4.6)
(Denklem 4.7)
Tasarlanan devrede bir tane IRFP260 ve dört tane IRFP460 mosfet bulunmaktadır. IRFP260 . mosfetinin üretici firmanın vermiş olduğu bilgi
ve olduğu görülmektedir.
Şekil 4.11'de mosfetin osilokop çıkışı incelendiğinde bu verilerin birebir uyuştuğu görülmektedir.
(42)
29
Şekil 4.11 IRFP260 mosfetinin yükselme ve düşme osiloskop çıkışı
IRFP260 mosfetinin toplam anahtarlama kaybı,
(43)
30
H köprüsünde kullanılan IRFP460 mosfetinin kaybı,
IRFP460 her bir mosfetin toplam kaybı,
H köprüsünün toplam kaybı,
Mosfetlerde harcanan toplam güç ise,
Doğrultucu diyotun ters toparlanma kaybı ve iletim kaybı , denklem 4.8'de ve denklem 4.9'da görüldüğü gibi hesaplanmaktadır [17].
(44)
31
(Denklem 4.8)
(Denklem 4.9)
Diyot üzerinde toplam gücün toplamında gücü çok küçük olduğundan hesaplanmamıştır. Bu durumda diyot üzerinde harcanan güç 0,2W olmaktadır.
Tasarımda kullanılan smps trafosunda iki kayıptan söz edebiliriz. Birinci kayıp bakır kaybı, ikinci kayıp ise çekirdek kaybı olmaktadır. Katalog değerlerine bakıldığında primer iletken direnci 0,0475Ω, sekonder iletken direnci ise 0,360Ω olduğu görülmektedir. Bu değerlere göre smps trafosunun primer sargı kaybı denklem 4.10'da ve denklem 4.11'de görüldüğü gibi hesaplanmıştır.
(Denklem 4.10)
(Denklem 4.11)
Çekirdek kaybı, katalog değerlerine bakıldığında ortalama 1,4W olduğu görülmektedir.Toplam smps trafosunun kaybı,
(Denklem 4.12)
(45)
32 Tasarımda harcana kayıp güç,
(Denklem 4.13)
Tasarım maksimum güçte çalıştığında oluşacak yarıiletken ve transformatör kayıpları hesaplanmıştır. Toplam kayıp ise 1975mW olarak bulunmuştur. Bu veriler doğrultusunda devrenin verimi hesaplanabilir. Buna göre tasarımın verimi denklem 4.14'te görüldüğü gibi hesaplanmaktadır.
(Denklem 4.14)
olarak bulunur. Uygulamada diğer malzemelerden de kaynaklanan kayıplardan dolayı bu verim daha da düşük olacaktır.
(46)
33
4.3 Devre Şeması ve Baskı Devre Kartı Çizimi
PCB kart şemasının oluşturulmasında ve simülasyonların gerçekleştirilmesinde Proteus 8.1 programı kullanılmıştır. Program yardımıyla devrenin şematiği ISIS kısmında çizilip daha sonra yine aynı programda ARES kısmında baskı devresi oluşturulmuştur. Bu program kullanım aşamasında devrede bulunan fakat program kütüphanesinde olmayan (pulse transfomatörü ve smps transformatörü gibi) malzemelerin oluşturulması gerçekleşmiştir. Baskı devre yol çiziminde IPC-2221A standartları dikkate alınarak yüksek akım geçecek hatlar daha kalın ve yüksek gerilim geçecek hatlar arası (300V gibi) mesafe aralığı daha açık bırakılarak çizim yapılmıştır [21].
4.4 Devre Yazılımı
Devrenin yazılımı CCS firmasının derleyicisi kullanılarak C dili yazılmıştır.
Tasarımda iki farklı PWM frekansı mevcuttur. Birinci PWM frekansı 52Khz ile Q9'u yani birinci sargısını kontrol etmektedir. İkinci PWM ise Q1,Q6, Q7 veQ8'i yani H köprüsünü kontrol etmektedir. Bu kısımdaki PWM 220KHz frekansında ve %50 görev süresi ile çalışmaktadır. 50Hz frekansında optokuplör çalışmakta ve 10ms Q1, veQ8'i çalışmakta ve çıkış sinyalinin pozitif alternansı oluşmakta ve diğer 10ms'de ise Q6, ve Q7 çalışmakta ve çıkış sinyalinin negatif alternansı oluşmaktadır. Bu durum şekil 4.12'de görülmektedir.
Tasarımda PV voltajı, PV akımı, çıkış gerilimi ve çıkış akımı, mikrodenetleyicinin A0, A1, A2 ve A3 ADC girişi ile okunup çıkış akım ve gerilim ölçümleri yapılmaktadır. Programın algoritması şekil 4.13'te görülmektedir.
(47)
34
200KHz
50Hz
100Hz PIN_RE0 %50
PIN_RE1
PIN_RF0 OPTO_1
PIN_RF1 OPTO_2
Sekonder çıkış Duty
AC 50Hz çıkış
Şekil 4.12 Yarım dalga sinüs sinyalin tam dalga sinüs'e çevrilmesi.
(48)
35 Başla
Pin>100W Vo<200
Evet Vin>25V
Vo>300
Pin<100W Vo<200 Duty Saykıl
Oranını arttır
Pin<100W Vo>230 Duty Saykıl
Oranını azalt
Duty Saykıl Durdur Hata Ledini Yak Timer1'i Başlat
Alternans Değiştir Timer1 Tekrar
Başlat
Hayır
Evet
Evet
Evet
Evet
Timer1'i 10ms Mİ?
Evet
Şekil 4.13 Program algoritması.
(49)
36 4.5 Uygulama Sonuçları
Uygulama devresi, 100W'a kadar çeşitli yüklerde deney yapmak için farklı güçlerden seçilmiş lambalardan oluşmaktadır. Tasarım kısmı 2 ayrı blokta değerlendirme yapıldığında,ilk kısımda flyback çevirici yer alır. Flyback çeviricinin görevi, doğru akımı yarım dalga sinüs dalga şekline çevirmek. Bu kısımda sinüs dalgasını oluşturmada tablo yönteminden yararlanılmıştır. Şekil.4.14'te mosfet üzerindeki enerji değişimi görülmektedir. Ayrıca burada sinüs sinyalinin oluşması için verilen PWM sinyallerinin değişimi görülmektedir.
Şekil 4.14 Yarım dalga sinüs sinyal çıkışı PWM ile oluşması.
(50)
37
Şekil 4.15 Yarım dalga sinüs sinyal çıkışı.
Yarım dalga sinüs çıkışı ise şekil 4.15 görülmektedir. Burada görülmekte olan sinyal 100Hz frekansında yarım dalga sinüs sinyalidir. Burada kontrolcü PWM sinyalini her 10ms'de bir sinüs tablo değerlerini tekrardan almaktadır. Bu yarım dalga sinüs sinyalinin çıkış grafiğinin düzgün çıkmasında en önemli faktörlerden birisi flyback diyodudur. Tasarımda bu diyot (D27) çalışma frekansı ve ters yönde toparlanma süresi bakımından önem arz etmekte. Tasarımda bu diyot schottky diyot olarak seçilmiştir.
(51)
38
Şekil 4.16 Tam köprü evirici tetikleme sinyal çıkışı.
Bu çalışmada ikinci kısım olarak tam köprü evirici kısmı ele alınabilir. Bu kısımda evirici tetikleme uçlarını birinci sargısından yalıtmak için pulse transformatörü kullanılmıştır. Pulse transformatörünü 200KHz frakansta %50 görev süresi 10ms periyotlarla sürülmektedir. Başka bir deyişle çalışma periyodunu 20ms kabul edildiğinde, tam köprünün yarı süresi 10ms aktif, 10ms pasif bu durum sürekli bu şekilde devam etmektedir. Pasif olunan sürede mosfeti hızlı pasif etmek için gate ucunu sıfıra çekmek gerekmektedir. Bu durumdan dolayı PC817 optokuplörü aktif olmaktadır. Bu duruma ait dalga şekli şekil 4.16'da görülmektedir. Bu şekilde altaki sinyal 200KHz PWM sinyali, üsteki ise 20ms periyotlu PC817 optokuplör sinyalini göstermektedir.
(52)
39
Şekil 4.17 50W çıkış sinyali.
Uygulama devresinin çalışması farklı yüklerde denenmiştir. Düşük güçte devrenin verimi düşük alınırken, yüksek güçte verimin arttığı görülmüştür.
Devre girişine 24V Doğru akım verildiğinde çıkışta 220V 50Hz Alternatif akım elde edilmiştir. Bu durum sırasıyla 50W, 75W ve 100W güçlerde denemiştir. Bu deneylere ait osiloskop sinyalleri şekil 17'de 50W, şekil 18'de 75W ve şekil 19'da 100W yüklerdeki çıkış sinyalleri görülmektedir. Çıkış sinyal şekilleri her bir çıkışta frekans ve genlik ayarları bozulmamakta.
(53)
40
Şekil 4.18 75W çıkış sinyali.
Şekil 4.9 100W çıkış sinyali.
(54)
41
SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Dünya nüfusunun hızlı artışı, her evin ve sanayinin elektrikle çalışan aygıtlara ulaşabilir durumda olması, elektrik enerjisine olan talebi gün geçtikçe arttırmaktadır.
Bu talebin artışıyla birlikte dünyada kullanılabilir enerji kaynaklarının ömrü ve bu kaynaklardan enerji üretiminin çevreye verdiği zararlar önem arz etmektedir.
İstatistik verilerine göre günümüzde mevcut bulunan kaynaklarla enerji üretimi gerçekleştirildiğinde, petrolün 40 yıl, doğalgazın 60 yıl ve kömürün 200 yıl sürecek rezerv kaynaklarının olduğu tahmin edilmektedir.
Bu çalışmada güneş panelinden elde edilen elektrik enerjisini, kontrolcü yardımı ile şebekeye paralel çalışan sabit genlik ve sabit frekansta çalışan maksimum 100W inverter tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. İkinci bölümde genel güneş enerjisi, kullanım ömrü ve Türkiye'nin güneş enerji potansiyeli açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde harmoniklere neden olan yapılar ve inverter sistemlerinde harmonik azaltma yöntemleri açıklanmıştır. Tasarım kısmında devrenin oluşması için gerekli olan donanımlar alt kısımlarda açıklanmıştır. Uygulama sonucunda çıkan osiloskop çıkışları ve ölçülen akım-gerilim sonuçları grafikler üzerinde değerlendirme yapılmıştır.
Güneş enerjinden elde edilen elektrik enerjisinin, diğer enerjilerden elde edilen elektrik enerjisine üretimine göre daha maliyetli olması, devre verimi ön plana çıkmaktadır. Tasarım ve uygulama kısmında, devrenin verimi arttırmaya yönelik gerilim streslerinden ve ısıl problemlerden uzak bir yol izlenmiştir.
Tasarımın gerçekleştirilmesinde kullanılacak malzemelerin seçiminde, devrenin gücü temel alınmıştır. Tasarımda Mikrodenetleyici olarak, ADC çözünürlüğü 10 bit, ve 9 adet PWM çıkışına sahip olan dspic30f4011 seçilmiştir. Bu mikrodenetleyici devrede kullanılan malzemeleri sürmek ve ADC kontrolü için iyi sonuç vermiştir. H köprüsünü yani yarım dalga sinüsü tam dalga sinüse çevirmek için kullanılan mosfet grubunu sürme işlemi pulse transformatörü kullanılarak tasarımın sekonder sargı kısmında ayrı bir doğru akım dönüştürücüye ihtiyaç
(55)
42
duyulmamıştır. Bu çalışmayla birlikte pulse transformatörü bu tür uygulamalarda verimli olduğu görülmüştür. Yarıiletkenlerden kaynaklı verim kayıplarını minimum hale getirmek için, VDS yükselme süresi , düşme süresi ve RDS en küçük olan mosfet seçilmiştir. Tasarımın verimi teorik olarak hesaplandığında %96,5 olarak bulunmuştur.
Tasarıma Flyback çevirici kısmında kaçak endüktansın enerjisini azaltmak için aktif veya pasif clamp devresi eklenerek mosfet üzerinde oluşan gerilim stresi bir miktar daha azaltılması sağlanabilir. Tasarımın THD seviyesini belirleyen en önemli unsurlarda biri flyback anahtarlama frekansı yer almaktadır. İnverter çıkış gücü arttıkça THD kalitesi düşmektedir. Bu nedenle devrenin çıkışına başka bir filtre modeli ile daha kaliteli THD elde edilebilir.
(56)
43
KAYNAKLAR
[1] Acarkan, B., Kılıç, O., İnan, A. (2004) Alçak Gerilimde Tek Fazlı Yükler İçin Harmonik Akım Sınırları, III. Elektrik, Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu , 84-88
[2] Adak, S. (2010), Elektrik Tesislerinde Oluşan Harmonikler , Erişim Tarihi 01 Ocak 2016, http://www.etmd.org.tr/etmd- arsiv-sayfasi/elektrik-tesislerinde-olusan-harmonikler.
[3] Akça, H. (2011). Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Beslenen Sistemlerde Kullanılan İnverter Devresinin Veriminin Arttırılmasına Yönelik Devre Tasarımı . Yayımlanmış Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi/Fen Bilimleri Enstitüsü,İstanbul.
[4] Bakan, F. Flyback Güç Kaynaklarının Tasarımı 1. Bölüm Erişim Tarihi 01 Ocak 2016, http://www.yildiz.edu.tr/~fbakan/
[5] Bakan, F. Flyback Güç Kaynaklarının Tasarımı 2. Bölüm Erişim Tarihi 01 Ocak 2016, http://www.yildiz.edu.tr/~fbakan/
[6] Bayraç, H. (2011) Küresel Rüzgar Enerjisi Politikaları ve Uygulamaları. Uludağ Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi.
[7] Cangi, H. (2015) Harmonics Elimination In Photovoltai c System, Yayınlanmış Yüksek Lisans Tezi, Zirve Üniversitesi/ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[8] Deveci, F. Boztepe, M. Zengin, S. (2015), Şebekeye Bağlı Fotovoltaik Sistemler İçin Flyback Mikro-Evirici Tasarımı, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri
Dergisi ,30-36.
(57)
44
[9] Doğan, H. (2014) Fotovoltaik Güneş Pilleri, Yayımlanmış Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi/ Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta.
[10] Dolara, A. Faranda, R. Leva, S.. (2009). Energy Comparison of Seven MPPT Techniques for PV Systems , J. Electromagnetic Analysis & Applications, 2009, 3: 152 -162
[11] Dumais, A. Kalyanaraman. S. (2012), Grid-Connected Solar Microinverter Reference Design , Microchip
[12] Efe, S. (2006) Güç Sistemlerinde Harmonikler Ve Harmoniklerin Analizi, Yayınlanmış Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi/Fen Bilimleri Enstitüsü, Malatya.
[13] Erdoğan, Y., Dinçler T., Kuncan, M., Ertunç, H. (2014). Güneş Panelleri için Yüksek Verimli Maksimum Güç Noktası İzleyicisi (MPPT)Tasarımı, Kocaeli Üniversitesi/Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Kocaeli.
[14] Gümüşsu, B. (2007 Kasım) Alçak Gerilim Üç Fazlı Elektrik Dağıtım Sistemlerinde Harmonikler Ve Filtreleme Çözümleri, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 12.
Ulusal Kongresi ve Fuarı Bildirileri, İstanbul.
[15] Keskin, F. Ertuğrul, E. Enerji Sektörü (2009, Ağustos). Türkiye Kalkınma Bankası A. Ş. Ekonomik ve Sosyal Araştırmalar Müdürlüğü 46-62
[16] Keskin, Y., Çakır, B. (2014). Fotovoltaik Sistemlerde Maksimum Güç Noktası İzleme Yöntemlerinin İncelenmesi, 3e Electrotech, 245, 110-113.
[17] Koparan, A. Aydemir, T. M. Şimşek, O. (2012 Haziran) 200 Amper, Yüksek Frekans Anahtarlamalı DA Kaynak Makinesinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 2, Sayı 3, 51-61
(58)
45
[18] Moyano, C. ; Santacruz, X. ; Pou, J. ; Arias, A. (2008 Ağustos).
Overview Of Maximum Power Point Tracking Control Techniques Used İn Photovoltaic Systems, Technical University Of Catalonia/ Electronic Engineering Department . [19] Onat, N. Ersöz, N. (2009 Haziran) Fotovoltaik Sistemlerde
Maksimum Güç Noktası İzleyici Algoritmalarının Karşılaştırılması, V.Yenilenebilir Enerji Kaynaklar Sempozyumu, Diyarbakır, 50-57
[20] Özcan, E. S. (2013, Temmuz). Dünyada ve Türkiye’de Güneş Enerjisi, Bilim ve Teknik, 548, 34-96.
[21] Özçiftci , C. (2012), Şebekeye Enerji Aktaran Geri Dönüşlü İnverter Tasarımı ve Uygulaması, Yayınlanmış Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi/ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[22] Sarıkaya, S.(2016). Güneş Enerjisi Sektör Raporu, Doğu Anadolu Kalkınma Ajansı, 9-40.
[23] Şekkeli, M., Keçecioğlu, Ö., Yıldız, C. (2013 Mayıs) Rüzgar Enerji Santrali Güç Kalite Parametrelerinin Gerçek Zamanlı Ölçümü ve Değerlendirilmesi, V.Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu Bildirileri , Kocaeli.
[24] Şerefoğlu, Ş. (2014). Solar Sistemler İçin Akıllı Evirici Tasarımı ve Uygulaması, Yayımlanmış Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi/ Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
[25] Varınca, K., Gönüllü, M. (2006 Haziran 21-23) Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma, I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, Eskişehir
[26] Yakısan, Ö. (2008) Güneş Enerjisi Üretim Sistemlerinde Bir Maksimum Güç Noktası İzleme Yöntemi İle Bir Şebeke Bağlantılı Eviricinin Geliştirilmesi v e Gerçekleştirilmesi.
Yayımlanmış Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi/Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli.
(59)
46
[27] Dünya enerji konseyi Türk milli komitesi (2009, Haziran) Dünya'da ve Türkiye'de Güneş Enerjisi Raporu.
[28] http://powerelectronicsdesign.blo gspot.com.tr/2014/04/ccm-dcm- ve bcm.html
[29] Türkiye Güneş Enerjisi Platformu. http://www.solarbaba.com/
(3.12.2015).
[30] Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun (Yayımlandığı R.Gazete.
Tarih: 18/5/2005 Sayı : 25819)
(60)
47 EKLER
Ek A Tasarımın Devre Programı
Ek B Tasarımın Açık Devre Şeması
Şekil B-1:İnverter devresinin açık şeması.
Ek C Tasarımın Baskı Devre Şeması
Şekil C-1:İnverter baskı devre şeması üst görünüm.
Şekil C-2:İnverter baskı devre şeması alt görünüm.
(61)
48 EK A Tasarımın Devre Programı
#include <30f4011.h>
#use delay(clock=80000000,crystal=10000000) // Çalışma 80Mhz olarak //ayarlandı
#fuses NOPROTECT //Kod koruması pasif
#fuses XT_PLL8 // Çalışma frekansı
//Kristal*8
#define LED PIN_e5 //Sistem aktif ledi
#define LED1 PIN_e4 //Aşırı voltaj ledi
#define LED2 PIN_e3 //Aşırı akım ledi
#define LED3 PIN_e2 //Sistem beklemede ledi
#define H_1 PIN_e0 //H köprüsü Pozitif
//alternans
#define H_2 PIN_e1 //H köprüsü Negatif
//alternans
#define asiri_voltaj PIN_e2 //Sıfır geçiş kontrolü
#define optik_2 PIN_f0 //PC817_1 Pozitif
#define optik_1 PIN_f1 // PC817_2 Negatif
#use i2c(master, sda=pin_f3, scl=pin_f2, slow=100000) //i2c LCD ekran
#include <lcd7.c> //i2c LCD ekran
//kütüphanesi
#include <sintablo.c> //sinüs sinyali elde etme //ekran kütüphanesi
unsigned int16 xx,k;
int1 arttir=0, azalt=0, pwm_yonu=0;
int pals=1;
unsigned int8 i=0,ii;
int16 xxx=0, x=0;
int32 akim,akim_x, gerilim_x, guc=0, guc_x=0;
Daha fazlasını oku
Daha fazlasını oku
Şekil
Updating...
Referanslar
Fotovoltaik
Elektrik Tesislerinde Oluşan Harmonikler ,
Moyano, C.
Santacruz, X.
Pou, J.
Arias, A.
Download (PDF - 74 sayfa - 3.93MB)
Benzer konular :
Benzer Belgeler
Kendi enerjisini üretebilen klavye tasarımı
Bu deneyde şekil 5 de gösterildiği gibi piezo elektrik sistemimiz üzerine uygulamış olduğumuz mekanik hareketten elektrik enerji dönüşümleri incelenmiş olup
11 0 0
Kalp pili uygulamaları için kablosuz enerji transfer devresi tasarımı
Bu tez çalışmasında aktif vücut içine yerleştirilebilir tıbbi cihazlar (AIMD) için sabit bir mesafede kablosuz olarak güç aktarımı yapabilen SS, SP, LC-S ve LCC-C
62 0 1
Pasif Titreşim Ve Şok Yalıtıcılarının Optimum Tasarımı
Elde edilen bu Pseudo hız değerleri frekans‟a karşılık gelecek şekilde 4 eksenli grafik üzerine çizdirildiğinde verilen ivme datası için şok cevabı spektrumu Şekil 2.12 de
93 0 0
Yardımcı Rezonans Kutup Komutasyonlu Bir Dual Aktif Köprü Çevirici İçin Bir Kont...
The performance of the semiconductor devices in the converter is one of the important design considerations in the project. In this voltage/power range, IGBTs and
105 0 0
Pasif Ve Yarı-aktif Kamyon Kabini Süspansiyon Sistemleri Tasarımı Ve Optimizasyo...
İncelenen pasif süspansiyon mekanizmalarında, 0.5 oranlı yarı tandem ve 6 yaylı bağımsız salıncaklı model için en büyük ivme değerleri için referans
127 0 1
Fırçasız Doğru Akım Motoru Hız Kontrol Devresi Tasarımı
In 2-Quadrant Voltage control applications, the top power switches are opened and closed at the commutation frequency which is proportional to (n x P)/60, where n is motor
83 0 0
Sıfır As’lı İkinci Harmonik Pompalamalı 5.8ghz Mosfet Karıştırıcı Tasarımı
Gerekli olan YO pompa genli ğ inin teorik de ğ eri ile benzetim sonuçlarında optimum kazanç de ğ erini veren pompa genli ğ i arasında ise 0.4V’dan daha az bir
40 0 0
Tam Farksal Akım Taşıyıcı (fdccıı) İle Mosfet-c Filtre Tasarımı
Karışık modlu üniversal MOSFET-C filtrenin tasarımı için ilk olarak FDCCII tabanlı karışık modlu aktif-RC filtresinin işaret akış diyagramları ile analizi yapılmış
43 0 0
Betonarme Bir Ofis Binasının Tasarımı Ve Malzemenin Tasarıma Etkisi
Kolon ve kiriĢlerin betonarme hesabı tamamlandıktan sonra Deprem Yönetmeliği’nde anlatılan esaslara göre, kolonların kiriĢlerden daha güçlü olması koĢulunun
375 0 0
Komşu Binaların Pasif Ve Aktif Titreşim Kontrolü
Şekil B.10 : Slymar-NS Kaydında İki Binaya Ayrı Ayrı Aktif Kontrol Kuvveti Uygulanması Durumunda 6.Kat Hizasında Binalar Arasında Oluşan Maksimum Kat Deplasmanı..
132 0 0
Pasif Enerji Yutucu Sistemler Ve Çok Katlı Bir Çelik Yapı Üzerinde Uygulaması
Sönüm; titreşimi azaltmak ya da durdurmak olarak tanımlanabilir. Yapı mühendisliği açısından sönüm malzemenin doğasında olan harekete ters yönlü doğal bir
131 0 0
Aktif ve pasif iyon alımı
Elektrojenik proton pompaları (H++ATPaz, PPiaz) nın lokasyonu ve fonksiyonları, transmembran redoks pompası (NAD(P)oksidaz), iyon kanalları ve katyon ve anyonların plazma membranı ve