ACS200 modern güç elektroniği elektrik enerjisi dağıtımı ve kullanımı alanında devrim yarattı. Sürücülerin kullanımı ile frekans ve gerilimin istenilen şekilde değiştirilmesi sayesinde büyük bir enerji verimliliği ve denetlenebilirlik elde edildi. Invertörler AC gerilimi sentezlemek için farklı DC gerilim seviyeleri arasında yarı iletkenler kullanılarak yüksek frekansta anahtarlama yaparlar. 

 

Bu şekilde yaratılan dalga şekli ideal  sinüzoidal dalga şeklinden farklıdır. Bu fark enerji kalitesinin yüksek olması gereken pek çok uygulamada sürücü kullanımını engellemeye yeter. Sürücülerin enerji verimliliğini geniş bir alanda kullanabilmek için invertördeki DC gerilim düzeylerinin  sayısını arttırmak bir yöntemdir. 

 

ABB, ACS 2000 ile yaygın olarak kullanılan üç DC gerilim seviyeli çalışmayı terk edip beş seviye kullanmıştır. Ustaca tasarlanmış inverter topolojisi ile de  beş-seviye inverterlerin onu karmaşık yapan meselelerinden uzaklaşılmıştır.

 

Bir inverter (DC gerilimi AC gerilime dönüştüren devre) farklı DC gerilim seviyeleri arasında anahtarlama yapılması prensibi ile çalışır. Bu yüzden çıkış gerilimi sinüzoidal olmayıp yüksek frekanslı dikdörtgen darbeler dizisi şeklindedir ve bu darbe dizisi kullanılarak sinüzoidal dalga şekli, mümkün olduğunca düzgün şekilde oluşturulmaya çalışılır. (Şekil 1c) 

 

Bir benzetme yaparsak düşük çözünürlükle çekilmiş bir fotoğraf piksel sayısının düşük olması nedeni ile ayrıntıları veremez ve çekildiği objeyi tam olarak ifade etmez. İdeal sinüzoidal dalga şekline dikdörtgen darbeler ile yaklaşmada ise kullanılan DC gerilim seviyelerinin sayısı sınırlayıcıdır.

Sinüzoidal şeklin bozuk olması fotoğraftaki gibi estetik bir problem değildir. İdeal olmayan sinüs şekli harmonikler (yüksek frekanslı akımlar gerilimler) oluşturur ki onların da motor izolasyonunda, rulmanlarında stres ve diğer enstrümanlarda girişim gibi etkileri vardır. 

 

Harmonikleri filtre etmek için harmonik filtreler kullanılabilir fakat bu da ilave maliyete ve kayıplara yol açar. Harmoniklerle başa çıkmak için ya motorlar fazladan stersi taşıyacak şekilde dizayn edilmeli (pek çok standart motor bu kapsamın dışında kalır) ya da mevcut uygulamalara konverter kullanılmamalıdır. Bu da konverterlerin ideale yakın sisüs çıkışlı olmasının gerekliliğini ortaya koyar.

 

İnverter Seviyeleri

En basit inverter iki seviye inverterdir. İki seviye denmesinin nedeni, onun sadece bir DC kaynak gerilimi ve bu gerilimin tersini uygulayabilmesinden dolayıdır. Üç seviye notür noktası klamp edilmiş inverter (NPC) bunun biraz genişletilmiş halidir ve ilave olarak nötr gerilimini de uygular Şekil 1a ve Şekil 1c’deki gerilim şeklini oluşturur.

 

Bundan bir ileri seviyede invertörler beş seviye olarak dizayn edilirler. Bu dizayn kompleksliği beraberinde getirir. Üç seviye yerine beş seviye DC kaynak yapmak için ilave klamping diyotları kapasiteler ilave şarj ve kontrol devreleri gerekmektedir. Diğer bir alternatif ise converterleri seri bağlamaktır ki burada DC kaynak devrelerinin galvanik izolasyonu gerektiğinden pahalı transformatörler ve kompleks DC devreleri kullanmak gerekir. 

 

Bu çözüm yüksek güçlerde kabul görür fakat düşük güçlü orta gerilim sürücülerde basit çözümlere ihtiyaç vardır. ABB bu meseleye DC kısmı kompleks hale getirmeden beş seviye invertör dizayn ederek çözüm bulmuştur. Üç-seviye bir DC kaynak beş-seviyeli invertör çıkışı yapmak için yeterli değildir ve her çıkış fazı için ilave bir kapasitör gerekir. Bu kapasiteyi ilave kontrol devresi gerekmeden şarjlı tutacak çözüm ABB tarafından bulunmuştur.

 

ANPC-5L 

Aktif nötr klamplı beş-seviye ANPC-5L converter temel yapısı Şekil 2a’da görülmektedir. Faz kapasitörü Cph DC baradaki gerilimin yarı değerine şarjlı olarak tutulur yani toplam DC bara geriliminin dörtte birine. Bütün devre prensip olarak Üç-seviye NPC converter ve bir ilave kapasitör olarak düşünülebilir. Faz kapasitörü ilave ara seviyeleri oluşturacak şekilde üç-seviye convertere seri olarak anahtarlanır. DC kaynak üç-seviye NPC konverter ile aynıdır. Şekil 2b’deki 1. hücre topolojisi Şekil 1b’deki üç seviye konverter topolojisi ile aynıdır.

 

Hücre anahtarlama elemanları IGBT’dir ve üç seviye konvertere benzer bir şekilde yarı DC bara gerilimine göre boyutlandırılmaktadır. İlave kapasitör DC bara geriliminin dörtte birine şarj olmaktadır hücre 2 ve 3’te IGBT’ ler bu gerilime göre boyutlandırılmaktadır. Bu şekilde düşük nominal değerli  elemanların kullanımı konvertörün sadeliğini temin etmektedir. Bu dizaynın başarısı üç-seviye konvertöre sadece bir faz kapasitörü ilavesi ile beş-seviye elde edilmesinde ortaya çıkmaktadır. Konverter dört-bölge (enerjiyi her iki yönde dönüştürülebilme) tam kapasite çalışmaktadır.

 

ANPC-5L Konvertörün Çalışması

Birinci hücredeki anahtarlama elemanları complementer olarak çalışmaktadır. S1 ile Snp2 benzer şekilde Snp1 ile S4 birlikte anahtarlamaktadır. Hücre 2’deki elemanlar hücre 3’tekilere ters olarak anahtarlamaktadır. Her faza ilişkin anahtarlama pozisyonları Şekil 3’te gösterilmiştir. 

 

Toplam sekiz anahtarlama pozisyonu mümkündür. Konverter beş-seviye olduğundan buradaki bazı anahtarlama pozisyonları boşta kalır. Bu gerekli olmayan anahtarlama pozisyonlarından V1/V2 ve V5/V6 faz kapasitörlerinin şarjında birbirine zıt bir etkiye sahiptir. 

Şekil 4’te V5 ve V6 kıyaslanmış ve V6’nın VDC/2 gerilimini DC link geriliminden çıkarırken V5’in nasıl onu nötr noktası gerilimine ilave ettiği gösterilmiştir. Sonuç olarak faz kapasitöründen ters yönde akım akmakta ve ilave şarj devresi kullanılmadan kapasitenin şarj olması sağlanmaktadır. 

 

ACS 2000

ACS 2000 sürücüde iki adet convertör back-to back (B2B) configürasyondadır. ACS 2000’nin temel şeması Şekil 5’te verilmiştir.

 

Mekanik Dizayn

Trafosuz dizayn Şekil 6 modüler bir dizayn yapısı ön planda tutularak tasarlanmıştır ve bütün kritik komponentlere ön taraftan erişim sağlanmıştır. Komponentler öngörülen ömürlerini kayıpsız yerine getirecek şekilde boyutlandırılmıştır.

 

Faz modüllerinin çekmeceli yapısı bir arıza halinde hızlı ve emniyetli biçimde değiştirilmelerini sağlar. Şekil 7 modülde, bir faz kolunun temel komponentleri Şekil 2b yani güç yarı-iletkenleri gate üniteleri faz kapasitörü ve ilave olarak da üst kontrol seviyesi ile haberleşme sağlayan arayüz kartı ve akım gerilim ölçme elemanları vardır. Bu sayede güç kaynağı bağlantısı ve fiberoptik linkten ibaret basit bir internal bağlantının yapılması yeterli olmaktadır. Güç taşıyan ana bağlantılar bıçaklı soketlerle yapılmıştır. Dizaynın bu sadeliği sayesinde son kullanıcı bir modülü birkaç dakikada değiştirebilir.

 

Testler

ACS 2000 B2B konfigürasyonda test edildi. İki ACS 2000 sürücü kullanıldı. Her iki sürücü ortak bir üçfaz şebekeden beslendi ve her sürücü kendine ait motora bağlandı. Bu motorlar tek bir şaftla birbirine bağlandı. 

 

Bu bağlantı şeklinin bir pratik sonucu da sadece sistemin kayıpları şebekeden çekilen güç olacaktır. Her iki sürücüde ACS 2000 olduğundan motor ve genarator çalışmayı bir arada görmek mümkün olmuştur. Uzun süreli B2B testle de sürücünün güvenilirliği sınanmıştır.

 

Giriş Çıkış Performansı 

Doğrultucu Performansı Şekil 8’de gösterilmiştir. Beş-seviye inverter motora 9 seviyeli bir faz arası gerilim uygulamaktadır. Tipik akım ve gerilim şekilleri Şekil 9’da görülmektedir. Yeni beş-seviye inverter direct-on-line (dol) çalışmak için tasarlanmış motorların güç düşürülmeden (derate edilmeden) çalışmasına müsaade edecek kadar iyi bir sinüzoidal çıkış üretmiştir.

 

Riding Through Modu

Çok seviyeli ANPC-5L teknoloji ve direkt tork kontrol (DTC) sayesinde sürücünün saniyeler mertebesindeki şebeke kayıplarında trip etmesine engel olmak mümkündür.

 

Yük tarafından sağlanan enerji, kayıpların karşılanmasında ve DC bara gerilimi seviyesinin korunmasında  kullanılır. Ride-trough modu dönen kütledeki enerji bu kayıpları karşılayabildiği sürece devam eder. 

 

Şebeke geriliminin geri dönmesi ile birlikte de motorun talep edilen hıza çıkması gerçekleşir. Bir müşteride yapılan gerçek ölçüm sonuçları Şekil 10’da görülmektedir. Şebeke kesintisi bir saniye sürmüştür. 10a’da şebeke gerilimi ve giriş akımının sıfıra düştüğü görülmektedir. 10c’de motor momenti rejeneratif modda ve DC bara geriliminin sürdürülmesi 10b’de görülmektedir. 

 

Şebeke gerilimi gelir gelmez moment motor çalışma yönüne döner.

 

Uygulamalarda Başarı

ACS 2000 her türlü endüstri segmentinde pek çok uygulamada kullanılabilecek şekilde tasarlanmış genel amaçlı bir sürücüdür. (Tablo 1)

 

Ödül Kazanmış Sürücü

Frost ve Sullivan Danışmanlık şirketi ACS 2000’ni 2010 Avrupa Orta-Gerilim Sürücüler yeni ürün geliştirme (2010 European Medium-Voltage Drives New Product Innovation) ödülüne layık görmüştür. Avast &Frost’a göre ACS 2000 kolay şebeke adaptasyonu düşük harmonik seviyesi düşük enerji tüketimi kurulum ve devreye alınmasındaki kolaylık yüksek güvenilirlik ve düşük sahip olma maliyeti ile öne çıkmaktadır. Gerilim kaynağı İnvertör (VSI) topolojide transfosuz ve patentli multi-level IGBT kontrolü ile ACS 2000 orta gerilim sürücülerde bir dönüm noktasıdır. Bu ürün son kullanıcı cephesinde önemli olan kolay instalasyon ve kolay devreye alma dahil pek çok faydayı beraberinde getirmektedir.