Ripple reduction techniques using passive components for inverter application
Pasif devre elemanları kullanılarak eviricilerde ripple azaltma
- Tez No: 863658
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
Yenilenebilir enerji dönüşümü ve elektrikli otomobiller nedeniyle güç elektroniği uygulamaları kaçınılmaz çözümler haline gelmiştir. Bu yüzden gün geçtikçe güç elektroniği tasarımlarına ilgi hızla artmaktadır. Bu artan talepler; tasarımların gereksinimlerinin artarak, tasarımların daha karmaşık hale gelmesine yol açmıştır. Piyasada yaygın olarak kullanılan tasarımların aksine, uygulama özelinde tasarımlar hızla artmaktadır. Bundan dolayı güç elektroniği tasarımları; hali hazırda var olan güç elektroniği topolojilerinin aksine yeni topoloji veya bu topolojiler üzerinde geliştirmelerin yapılmasına gerek duyulmaktadır. Özellikle güç elektroniği dönüşüm sistemlerinin hızla gelişmesinde dönüştürücüler ve eviriciler önemli bir rol oynamaktadır. Güneş enerjisi, elektrikli araç eviricileri veya rüzgâr uygulamalarında özellikle eviriciler kullanılmaktadır. Bu eviriciler tek faz veya üç fazlı olarak temel iki yapıya ayrılmaktadır. Bu tezde tek fazlı evirici üzerinden gerekli yaklaşımlar yapılarak bir sonuca varılmaktadır. Eviricilerin temel kullanım alanı doğru akım sinyallerini, alternatif akım sinyallerine çevirmek amacıyla tasarlanmıştır. Yarı iletken teknolojisinin ortaya çıkmasıyla birlikte anahtarlamalı evirici yapıları da gelişmiştir. Özellikle bu çalışmada yarım köprü evirici yapısı kullanılmıştır. Bu anahtarlama yapılarının oluşturduğu istenmeyen etkileri azaltmak, evirici isterlerini sağlamak açısından önemli bir hale gelmektedir. Eviricilerde istenen çıkış dalga şeklini üretmek için farklı modülasyon teknikleri kullanılmaktadır. Bu modülasyon tekniklerini oluşturmak için kullanılan anahtarlama frekansları çıkış dalga şeklinde bazı bozulmalara neden olmaktadır. Bu bozulmalar genellikle eviricinin istenmeyen özellikleri arasında yer almaktadır. Anahtarlama sonucunda çıkış dalga şeklinde ortaya çıkan bu bozulmalar evirici çıkış akım ve gerilim kalitesi açısından istenmeyen özellikler arasında yer almaktadır. Bu tez çalışmasında çıkış akım şeklinde oluşan dalgalanmalarının azaltılmasına yönelik bir teknik öne sürülmüştür ve bu teknik üzerine analiz çalışmaları yapılmıştır. Yarım-köprü eviricisinin yapısı kullanılıp, RL yükü ile öne sürülen yapı çıkış akım dalgalanması açısından karşılaştırılarak, çıkış akım dalgalanmasının azalması deneyler ve simülasyonlar ile gösterilmiştir. Çıkış akımını azaltmaya yönelik birçok çalışma yapılmış olmasına rağmen, bu çalışmada pasif elektronik devre elemanları kullanılarak çıkış akım dalgalanmasının azaltılması sağlanılmıştır. Yarım köprü eviricisinin çıkışından alınan geri besleme akımı, dönüştürme oranı 1 olan bir trafoya verilip evirilerek, çıkış akımına eklenmiştir. Evirici çıkışın oluşan pozitif akım eğimine sahip endüktans akımına 180 derece faz farklı olan aynı genlikteki akım dalga şekli yük akımı üzerinde uygulanarak, çıkış akım dalgalanmasının azalması sağlanılmıştır. Evirici çıkışında oluşan sinyal DC değer içeren bir sinyaldir, bu yüzden sinyal kapasitörler ile filtrelenerek trafoya verilmiştir. Trafoda bir endüktans ve kapasite yardımıyla yüke sadece akım dalga şeklinin sadece AC değeri aktarılmıştır. Belirtildiği gibi önerilen yapıda kullanılan filtre yapısı karmaşık bir yapıya sahiptir ve gerekli analizler için var olan denklemler ve yaklaşımlar yeterli değildir. Bu yüzden yapının girişine verilen birim basamak dalga şeklinin çıkış akımında oluşturduğu etkiyi gözlemleyerek, devrenin kararlılık durumunu analiz etmek için gerekli düğüm denklemleri kullanılarak, devrenin çıkış akımı-giriş gerilimi transfer fonksiyonu çıkarılmıştır. Ancak bu transfer fonksiyonun analiz etmek için normal koşullarda kullanılan yöntemlerin aksine farklı bir metot öne sürülmüştür. Transfer fonksiyonun paydasında bulunan 5. dereceden polinomun çözümünün mümkün olmaması nedeniyle, yapı bir tane 1. derece ve iki tane 2. derece denklem halinde düzenlenerek, 2. dereceden denklem için kullanılan çözüm ve yaklaşım kararlık analizi için kullanılmıştır. Böylece öne sürülen yapının pasif elemanlarının değerleri belirlenmiştir. . Öne sürülen çıkış akım dalgalanmasını azaltan devre yapısı simülasyon ortamında oluşturulmuştur. İdeal elemanlar olarak kullanılan oluşturulan devrede çıkış akım dalgalanmasının azaldığı gösterilmiş ve RL yükü olan bir yarım-köprü evirici ile sonuçlar karşılaştırılarak devrenin akım dalgalanması bastırma oranı hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca öne sürülen devre deney ortamında tasarlanarak çıkış akım dalgalanmasına yaptığı etki incelenmiştir. Yarım-köprü evirici SPWM metodu ile sürülerek sinüzoidal çıkış dalga şekil üretilmiştir. Yarım-köprü evirici için gerekli sürme sinyalleri geliştirme kartı ile oluşturulmuştur ve sürme entegresi ile alt ve üst anahtarlar sürülmüştür. Endüktans ve trafo tasarlanarak, pasif devre elemanları ile öne sürülen yapı oluşturulmuştur. Ancak manyetik elemanların oluşturduğu parazit etkiler sebebiyle deney sonuçları ile simülasyon sonuçları arasında bir farklılık gözlemlenmiştir. Ayrıca yarım-köprü evirici yapısına RL yükü bağlanarak, aynı yük koşularında iki yapı arasında çıkış akımı dalgalanması açısından analizler yapılarak çıkış akım dalgalanmasının azaltma oranı noktasında bilgiler elde edilmiştir. Özetle, öne sürülen yapı çıkış akım dalgalanmasının azaltılması noktasında olumlu sonuçlar vermiştir. Ek olarak; yukarıda belirtildiği gibi, öne sürülen devre kapasite ve manyetik elemanlardan oluşmaktadır. Bu pasif elemanların parazit özelliklerini faydalı hale getirilerek tüm elemanlar bir trafosun içerisine entegre edilebilir. Trafoda oluşan kaçak endüktanslar ve kapasitelere kullanılarak öne sürülen yapı sadece bir manyetik eleman kullanılarak tasarlanabilir. Bu çalışmalar, yapının gelecek çalışmasına yönelik uygulanabilir. Böylece manyetik ve kapasitif elemanlar azaltılarak uygulamalara yönelik adaptif bir çözüm elde edilebilir. Sonuç olarak, bu çalışmada çıkış akım dalgalanması ortadan kaldırılması, tek fazlı yarım-köprü evirici konfigürasyonu kullanılarak entegre edilmiştir. Önerilen devre yapısı mevcut enjeksiyon tekniklerine dayanmaktadır. Devre manyetik bileşenlerden ve pasif bileşenlerden oluşur. Bir transformatör kullanılarak eviricinin çıkış voltajı geri beslemesinden yararlanılır ve bu akım dalga formu yük aracılığıyla enjekte edilir. Böylece mevcut dalgalanma önemli değerde ortadan kaldırılırdı. Simülasyon ve deneysel inceleme yapıldı ve sonuçlar karşılaştırıldı. Gerçek devrede ideal olmayan bileşenlerin bulunması nedeniyle simülasyon ve deneysel sonuçlar tam olarak eşleşmemektedir. Dalgalanma azaltmanın anlaşılması, RL yük eviricisi ve önerilen evirici konfigürasyonunun karşılaştırılması ile açıklanmaktadır. Tekniklerin mevcut ortadan kaldırıldığı deneysel sonuçlarla kanıtlanmış ve \%85 oranında azalma gözlemlenmiştir. Ayrıca deney sonuçlarında aynı yük koşullarında çıkış akımı dalgalanma değeri yaklaşık 500 mA'dan 76 mA'ya kadar bastırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Power electronics applications are inevitable solutions due to renewable energy conversion and electric cars. With improving the power conversion system daily, the challenges of power converter gain more complexity, which is high power density, and high-efficiency requirement because of the high power rating, fewer dimensions, and lighter weight. These requirements can bring non-traditional design techniques into the power electronics design system. These days most power electronics engineers have been working on these critical challenges. Power conversion is the main topic of power electronics. Especially, converters and inverters are playing a crucial in the power electronics conversion systems that have been developed rapidly. Inverter design specialties such as solar applications have heightened with grid connection power electronics applications. There are several diversions in single-phase and three-phase inverters. Grid-connected inverters are required by some regulations to keep the connected grid in good quality margin in terms of harmonics and these requirements are defined by governments or unions in all of the world. When the output requirement is organized with regulations, different modulation techniques, and filter designs have emerged to attain the required output voltage level and frequency of the output signal for low harmonics content. It is not a very simple claim to obtain a low distortion level in the inverter output current because of several non-ideality in the inverter driving stages. Apart from these low ripple requirements in single-phase or multi-phase inverters, DC-DC converters need to be designed with low input or output ripple as well. For developing these requirements, there are too many different methods proposed in the literature. Still, this thesis has given a different respective solution to acquire low output ripple voltage or current using a single-phase half-bridge inverter. This study focuses on output ripple current reduction by passive current injection techniques. Proposing a simple and appropriate filter structure to inject a current waveform to eliminate ripple in the output current waveform. Because of higher-order filter design complexity that not possible to apply conventional formulas and methods to analyze filter circuits. This thesis also gives a beneficial approach to deriving and analyzing the transfer function of the proposed circuit, at the same time it has selection methods for the passive components. In this study, ripple current elimination is integrated using a single-phase half-bridge inverter configuration. The proposed circuit structure is based on current injection techniques. The circuit consists of magnetic components and passive components. Using a transformer, output voltage feedback of the inverter is utilized and this current waveform is injected through load. Thus, the current ripple is eliminated in terms of significant value. The simulation and experimental investigation were performed and the results were compared. Because of non-ideal components existing in the real circuit, the simulation and experimental results are not totally matched. Understanding of ripple reduction is explained with a comparison of RL load inverter and proposed inverter configuration. The current elimination of techniques was proved by experimental results and \%85 percent reduction was observed. Moreover, the output current ripple value is suppressed from around 500mA to 76 mA with the same load conditions in the experimental results.
Benzer Tezler
- Hybrid particle swarm based salp swarm optimised MPPT and fractional order proportional integral derivative controlled buck-boost converter for photovoltaic to battery charging system
Hibrit parçacık sürü esaslı salp sürü optimizasyonlu MPPT ve fraksiyonel sıra oransal integral türev kontrollü buck-boost dönüştürücü ile fotovoltaikden bataryaya şarj sistemi
IDRISS DAGAL
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
- Design of an OPAMP-RC lowpass filter in 22 NM FDSOI technology
22 NM FDSOI teknolojisinde OPAMP-RC alçak geçiren filtre tasarımı
ÖMER TAHA KELEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Approximate artificial neural network hardware aware synthesis tool
Yaklaşık yapay sinir ağı için donanıma duyarlı sentez aracı
MOHAMMADREZA ESMALI NOJEHDEH
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN
- Anahtarlamalı relüktans motorunun moment dalgalanmasının azatılması
Torque ripple reduction of a switched reluctance motor
VEYSEL ÖZBULUR
Doktora
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. ORUÇ BİLGİÇ