Üç seviyeli NPC ara devreli DC/DC dönüştürücünün kontrolü ve MMA kaynak makinesi uygulaması

Kaynak, benzer alaşımlı iki malzemenin ısı ya da basınç altında birleştirilmesi işlemidir. Kaynak uygulamalarının tarihteki ilk örneklerine bronz çağından itibaren rastlanılmıştır. Bu dönemde insanlar altın malzemeleri birbiri ile kaynak etmeyi keşfetmişlerdir. Birinci Dünya Savaşı'nda ise artan silah ihtiyacının karşılanabilmesi için kaynak uygulamalarında hızla gelişmeler ortaya çıkmıştır. Günümüzde ise endüstriyel alanda meydana gelen gelişmeler ve yeni malzemelerin buluşu, kaynak yöntemlerinde de yeni gelişmelerin hızla oluşmasına imkan vermektedir. Aynı zamanda yeni kaynak metodlarının gelişmesi, kaynak güç üniteleri ve kontrollerinde de yeni gelişmelerin önünü açmaktadır. Kaynak makinelerinin gelişimine bakıldığında, çıkış özelliklerine göre sabit akım ya da sabit gerilim karakteristiği gösteren AC ya da DC tipte pek çok kaynak makinesi olduğu görülmektedir. Bilinen en basit yöntem transformatörlü kaynak makineleridir. Bu kaynak makineleri girişteki yüksek gerilimi düşürerek çıkışta kaynak için gereken yüksek akım düşük gerilime dönüştürmektedir. Sekonder tarafında kademeli olarak ya da hareketli şönt, sargı gibi yöntemlerle kesintisiz olarak kaynak akımı kontrolü sağlanmaktadır. Sekonder tarafı kontrolsüz diyotlarla doğrultularak DC bir çıkış elde edilebilir. Bu tip makineler hantal olmasının yanısıra verimleri düşüktür. Ayrıca şebeke dalgalanmalarına karşı çıkışın regülasyonu sağlanamaz. Bu nedenle SCR olarak bilinen kontrollü doğrultucular kullanılarak giriş gerilimine karşı çıkışın regülasyonu sağlanmaya çalışılmıştır. Elektriğin olmadığı alanlarda kullanım amacı ile jeneratörler ve alternatörler üretilmiştir. Bu kaynak makineleri benzin ya da dizel motorlar kullanılarak kaynak akımı üretebilmektedir. Bütün bu kaynak makinesi güç kaynakları arasında en gelişmiş teknolojilerden birisi evirici teknolojisidir. Eviricili kaynak makinelerinde şebeke frekansındaki AC gerilim doğrultulup filtrelenerek temiz bir DC gerilim elde edilir. Daha sonra yüksek frekanslarda anahtarlanarak AC gerilime dönüştürülür, transformatör sekonderinde gerilim düşürülerek kontrolsüz doğrultucularda doğrultulur ve filtrelenerek kaynak akımı elde edilir. Bu tip makineler dışarıdan gelecek gerilim dalgalanmaları gibi olaylara karşı çıkışı regüleli tutar. Kaynak makinelerinde yarım köprü, ileri yönlü ve tam köprü gibi topolojiler yaygın kullanılan izoleli evirici ara devreli DC/DC dönüştürücülerdir. Bu tip dönüştürücülerde transformatör, endüktans gibi manyetik sargılı elemanlar ile kondansatör gibi elemanların boyutları frekans arttıkça küçülür. Böylelikle hacim ve maliyet azalır, güç yoğunluğu artar. Ancak frekans artışı da başka sorunları beraberinde getirir. Bunlar anahtarlama kayıplarının artışı ve EMI gürültüleridir. Anahtarlama kayıpları, anahtarların iletim ve kesime girme durumlarında akımın ve gerilimin çakışmasıyla meydana gelen kayıplardır. Anahtar kayıpları nedeniyle verim düşer ve, gereken soğutucu boyutları artar. Bunun yanısıra diyotların ters toparlanması ve anahtarların kaçak kondansatörlerinin deşarjı da anahtarlama kayıplarına ek kayıplardır. EMI gürültüleri ise anahtarlama anlarında akımın ve gerilimin yükselme hızlarından dolayı oluşan gürültülerdir. Bu problemler sert anahtarlama yapılan devrelerde büyük problemlere neden olduğundan yumuşak anahtarlama teknikleri ortaya çıkmıştır. Bu teknikler, sıfır akımda anahtarlama (ZCS), sıfır gerilimde anahtarlama (ZVS), sıfır akımda geçiş (ZCT) ve sıfır gerilimde geçiş (ZVT) olarak sıralanabilir. ZCS tekniği, iletime girme işleminde uygulanan ve seri bir endüktans yardımıyla akımın yükselme hızının sınırlandığı bir tekniktir. ZVS tekniğinde ise elemana paralel bir kondansatör yardımıyla kesime girme anında eleman uçlarındaki gerilimin yükselme hızı sınırlandırılır. Her iki teknikte de enerji kaybı tamamen yok edilmeyip sınırlandırılmaktadır. Anahtarlama enerjisi bazı bastırma hücrelerinde harcanırken bazılarında geri kazanılabilir. ZVT ve ZCT yöntemleri ise anahtarlama kayıplarının tamamen elimine edildiği ve geri kazanıldığı, kısmi rezonans kullanılan yöntemlerdir. Yumuşak anahtarlama teknikleri sayesinde devrenin güç yoğunluğu artar, anahtarlama kayıpları ve EMI gürültüleri azalır, yüksek frekanslara çıkılabilir, devrenin hacmi azalır, verim artar ve soğutucu boyutları küçülür. Kaynak makinelerinde kullanılan ileri yönlü dönüştürücüler basit ve kontrolü kolay dönüştürücülerdir. Bu dönüştürücülerde mıknatıslama akımı her periyotta resetlenmelidir, aksi takdirde nüve doyuma gider. Tek anahtarlı ileri yönlü dönüştürücülerde nüvenin resetlenmesi için üçüncü bir sargı yer alır, ancak üçüncü sargıdan kurtulmak ve anahtar üzerine düşen gerilim pikini azaltmak için çift anahtarlı ileri yönlü dönüştürücü kullanılır. Yarım köprü dönüştürücüler de yapısı ve uygulanabilirlik bakımından kolay, kaynak makinelerinde sık kullanılan bir topolojidir. Genellikle sert anahtarlamanın kullanıldığı bu yapıda iletim anlarında primer üzerine giriş geriliminin yarısı gelirken kesim anlarında primer gerilimi boşta kalmaktadır. Bu nedenle kesim aralığında salınımlar oluşabilmekte ve gerilim kalitesi bozulabilmektedir. Ayrıca kesim anlarında kaçak kondansatör üzerinden akan akım kesintiye uğramaktadır. Benzer durum yine kaynak makinelerinde sıkça kullanılan tam köprü DC/DC dönüştürücülerde de meydana gelmektedir. Anahtarların kesim anlarında kaçak endüktans nedeniyle akmaya devam eden akım kesintiye uğrar ve kaçak kondansatörler ile kaçak endüktans nedeniyle salınımlar meydana gelir. Bu nedenle tam köprü topolojilerinde sert anahtarlama yerine yumuşak anahtarlamanın da sağlandığı faz kaydırma yöntemi kullanılmaktadır. Böylece kesime girme anlarındaki oluşan parazitik salınımların önüne geçilir, kaçak endüktans ve kaçak kondansatörler kullanılarak elemanların yumuşak anahtarlama ile anahtarlanması sağlanır. Ayrıca tam köprü dönüştürücüde serbest dolaşım aralıklarında primer gerçek sıfır gerilimde tutulur, böylelikle hem yumuşak anahtarlama kolay sağlanır hem de gerilim kalitesi mükemmel hale gelir. Yukarıda geçen topolojilerin yanında, üç seviyeli NPC DC/DC dönüştürücülerin farklı alanlarda kullanımı da gittikçe artmıştır. Özellikle yumuşak anahtarlama tekniğinin uygulanması henüz çok yeni olan bu yöntemde iletim aralıklarında primer gerilimi üzerine giriş geriliminin yarısı gelirken, serbest dolaşım aralığında tıpkı tam köprü topolojide olduğu gibi primer kısa devre edilmektedir. Böylece primer gerilimi üzerindeki salınımların oluşması engellenir. Fotovoltaik enerji sistemleri, UPS, motor sürme gibi alanlarda kullanılan üç seviyeli dönüştürücülerin iki seviyeli dönüştürücülere göre birtakım üstünlükleri vardır. Bunlar çıkış gerilimi kalitesi, harmonik düşüşleri ve verim artışı olarak sıralanabilir. Tezin amacı, solar ve UPS gibi uygulamalarda gittikçe yaygınlaşan ve son yıllarda yumuşak anahtarlamalı kullanımı da uygulanmaya başlanan üç seviyeli DC/DC dönüştürücülerin, bir örtülü elektrod kaynak makinesinde uygulanması ve kaynak makinesinin kontrolünün sağlanmasıdır. Yapılan çalışmada faz kaydırma yöntemi kullanılarak transformatörün kaçak endüktansı sayesinde bir kısmi rezonans oluşturulmuş, anahtarların ZVT ile iletime girmesi sağlanmıştır. Kesim anlarında ise anahtarlara paralel kondansatörler sayesinde ZVS ile kesime girmesi sağlanmıştır. Ayrıca kaynak makinelerinde sıkça uygulanan ileri yönlü ve tam köprü topolojilerinin de tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Her üç topolojinin benzetimleri PSIM programında gerçekleştirilmiş, PCB çizimleri Altium programında yapılmış ve üç topolojinin hazırlanan prototipleri üzerinden deneysel sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca, yarım köprü topolojisi için de benzetimleri gerçekleştirilmi ve mevcut bir yarım köprü evirici topolojisine sahip kaynak makinesi üzerinden deneysel sonuçlar elde edilmiştir. Bir sonraki aşamada ise, topolojinin birbiri ile karşılaştırması yapılmıştır.Tezin en son aşamasında ise MMA kaynak makinesinin kaynak kontrol parametreleri incelenerek kontrol tasarımı yapılmış ve yukarıdaki kaynak makinesi prototiplerinde başarıyla uygulanmıştır.