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

 

Bu ÅŸekilde yaratılan dalga ÅŸekli ideal  sinüzoidal dalga ÅŸeklinden farklıdır. Bu fark enerji kalitesinin yüksek olması gereken pek çok uygulamada sürücü kullanımını engellemeye yeter. Sürücülerin enerji verimliliÄŸini geniÅŸ 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 beÅŸ seviye kullanmıştır. Ustaca tasarlanmış inverter topolojisi ile de  beÅŸ-seviye inverterlerin onu karmaşık yapan meselelerinden uzaklaşılmıştır.

 

Bir inverter (DC gerilimi AC gerilime dönüÅŸtüren devre) farklı DC gerilim seviyeleri arasında anahtarlama yapılması prensibi ile çalışır. Bu yüzden çıkış gerilimi sinüzoidal olmayıp yüksek frekanslı dikdörtgen darbeler dizisi ÅŸeklindedir ve bu darbe dizisi kullanılarak sinüzoidal dalga ÅŸekli, mümkün olduÄŸunca düzgün ÅŸekilde oluÅŸturulmaya çalışılır. (Åžekil 1c) 

 

Bir benzetme yaparsak düÅŸük çözünürlükle çekilmiÅŸ bir fotoÄŸraf piksel sayısının düÅŸük olması nedeni ile ayrıntıları veremez ve çekildiÄŸi objeyi tam olarak ifade etmez. Ä°deal sinüzoidal dalga ÅŸekline dikdörtgen darbeler ile yaklaÅŸmada ise kullanılan DC gerilim seviyelerinin sayısı sınırlayıcıdır.

Sinüzoidal ÅŸeklin bozuk olması fotoÄŸraftaki gibi estetik bir problem deÄŸildir. Ä°deal olmayan sinüs ÅŸekli harmonikler (yüksek frekanslı akımlar gerilimler) oluÅŸturur ki onların da motor izolasyonunda, rulmanlarında stres ve diÄŸer enstrümanlarda giriÅŸim gibi etkileri vardır. 

 

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

 

Ä°nverter Seviyeleri

En basit inverter iki seviye inverterdir. Ä°ki seviye denmesinin nedeni, onun sadece bir DC kaynak gerilimi ve bu gerilimin tersini uygulayabilmesinden dolayıdır. Üç seviye notür noktası klamp edilmiÅŸ inverter (NPC) bunun biraz geniÅŸletilmiÅŸ halidir ve ilave olarak nötr gerilimini de uygular Åžekil 1a ve Åžekil 1c’deki gerilim ÅŸeklini oluÅŸturur.

 

Bundan bir ileri seviyede invertörler beÅŸ seviye olarak dizayn edilirler. Bu dizayn kompleksliÄŸi beraberinde getirir. Üç seviye yerine beÅŸ seviye DC kaynak yapmak için ilave klamping diyotları kapasiteler ilave ÅŸarj ve kontrol devreleri gerekmektedir. DiÄŸer bir alternatif ise converterleri seri baÄŸlamaktır ki burada DC kaynak devrelerinin galvanik izolasyonu gerektiÄŸinden pahalı transformatörler ve kompleks DC devreleri kullanmak gerekir. 

 

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

 

ANPC-5L 

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

 

Hücre anahtarlama elemanları IGBT’dir ve üç seviye konvertere benzer bir ÅŸekilde yarı DC bara gerilimine göre boyutlandırılmaktadır. Ä°lave kapasitör DC bara geriliminin dörtte birine ÅŸarj olmaktadır hücre 2 ve 3’te IGBT’ ler bu gerilime göre boyutlandırılmaktadır. Bu ÅŸekilde düÅŸük nominal deÄŸerli  elemanların kullanımı konvertörün sadeliÄŸini temin etmektedir. Bu dizaynın baÅŸarısı üç-seviye konvertöre sadece bir faz kapasitörü ilavesi ile beÅŸ-seviye elde edilmesinde ortaya çıkmaktadır. Konverter dört-bölge (enerjiyi her iki yönde dönüÅŸtürülebilme) tam kapasite çalışmaktadır.

 

ANPC-5L Konvertörün Çalışması

Birinci hücredeki anahtarlama elemanları complementer olarak çalışmaktadır. S1 ile Snp2 benzer ÅŸekilde Snp1 ile S4 birlikte anahtarlamaktadır. Hücre 2’deki elemanlar hücre 3’tekilere ters olarak anahtarlamaktadır. Her faza iliÅŸkin anahtarlama pozisyonları Åžekil 3’te gösterilmiÅŸtir. 

 

Toplam sekiz anahtarlama pozisyonu mümkündür. Konverter beÅŸ-seviye olduÄŸundan buradaki bazı anahtarlama pozisyonları boÅŸta kalır. Bu gerekli olmayan anahtarlama pozisyonlarından V1/V2 ve V5/V6 faz kapasitörlerinin ÅŸarjında birbirine zıt bir etkiye sahiptir. 

Åžekil 4’te V5 ve V6 kıyaslanmış ve V6’nın VDC/2 gerilimini DC link geriliminden çıkarırken V5’in nasıl onu nötr noktası gerilimine ilave ettiÄŸi gösterilmiÅŸtir. Sonuç olarak faz kapasitöründen ters yönde akım akmakta ve ilave ÅŸarj devresi kullanılmadan kapasitenin ÅŸarj olması saÄŸlanmaktadır. 

 

ACS 2000

ACS 2000 sürücüde iki adet convertör back-to back (B2B) configürasyondadır. ACS 2000’nin temel ÅŸeması Åžekil 5’te verilmiÅŸtir.

 

Mekanik Dizayn

Trafosuz dizayn Åžekil 6 modüler bir dizayn yapısı ön planda tutularak tasarlanmıştır ve bütün kritik komponentlere ön taraftan eriÅŸim saÄŸlanmıştır. Komponentler öngörülen ömürlerini kayıpsız yerine getirecek ÅŸekilde boyutlandırılmıştır.

 

Faz modüllerinin çekmeceli yapısı bir arıza halinde hızlı ve emniyetli biçimde deÄŸiÅŸtirilmelerini saÄŸlar. Åžekil 7 modülde, bir faz kolunun temel komponentleri Åžekil 2b yani güç yarı-iletkenleri gate üniteleri faz kapasitörü ve ilave olarak da üst kontrol seviyesi ile haberleÅŸme saÄŸlayan arayüz kartı ve akım gerilim ölçme elemanları vardır. Bu sayede güç kaynağı baÄŸlantısı ve fiberoptik linkten ibaret basit bir internal baÄŸlantının yapılması yeterli olmaktadır. Güç taşıyan ana baÄŸlantılar bıçaklı soketlerle yapılmıştır. Dizaynın bu sadeliÄŸi sayesinde son kullanıcı bir modülü birkaç dakikada deÄŸiÅŸtirebilir.

 

Testler

ACS 2000 B2B konfigürasyonda test edildi. Ä°ki ACS 2000 sürücü kullanıldı. Her iki sürücü ortak bir üçfaz ÅŸebekeden beslendi ve her sürücü kendine ait motora baÄŸlandı. Bu motorlar tek bir ÅŸaftla birbirine baÄŸlandı. 

 

Bu baÄŸlantı ÅŸeklinin bir pratik sonucu da sadece sistemin kayıpları ÅŸebekeden çekilen güç olacaktır. Her iki sürücüde ACS 2000 olduÄŸundan motor ve genarator çalışmayı bir arada görmek mümkün olmuÅŸtur. Uzun süreli B2B testle de sürücünün güvenilirliÄŸi sınanmıştır.

 

GiriÅŸ Çıkış Performansı 

DoÄŸrultucu Performansı Åžekil 8’de gösterilmiÅŸtir. BeÅŸ-seviye inverter motora 9 seviyeli bir faz arası gerilim uygulamaktadır. Tipik akım ve gerilim ÅŸekilleri Åžekil 9’da görülmektedir. Yeni beÅŸ-seviye inverter direct-on-line (dol) çalışmak için tasarlanmış motorların güç düÅŸürülmeden (derate edilmeden) çalışmasına müsaade edecek kadar iyi bir sinüzoidal çıkış üretmiÅŸtir.

 

Riding Through Modu

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

 

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

 

Åžebeke geriliminin geri dönmesi ile birlikte de motorun talep edilen hıza çıkması gerçekleÅŸir. Bir müÅŸteride yapılan gerçek ölçüm sonuçları Åžekil 10’da görülmektedir. Åžebeke kesintisi bir saniye sürmüÅŸtür. 10a’da ÅŸebeke gerilimi ve giriÅŸ akımının sıfıra düÅŸtüÄŸü görülmektedir. 10c’de motor momenti rejeneratif modda ve DC bara geriliminin sürdürülmesi 10b’de görülmektedir. 

 

Åžebeke gerilimi gelir gelmez moment motor çalışma yönüne döner.

 

Uygulamalarda Başarı

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

 

Ödül Kazanmış Sürücü

Frost ve Sullivan Danışmanlık ÅŸirketi ACS 2000’ni 2010 Avrupa Orta-Gerilim Sürücüler yeni ürün geliÅŸtirme (2010 European Medium-Voltage Drives New Product Innovation) ödülüne layık görmüÅŸtür. Avast &Frost’a göre ACS 2000 kolay ÅŸebeke adaptasyonu düÅŸük harmonik seviyesi düÅŸük enerji tüketimi kurulum ve devreye alınmasındaki kolaylık yüksek güvenilirlik ve düÅŸük sahip olma maliyeti ile öne çıkmaktadır. Gerilim kaynağı Ä°nvertör (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.