Design and implementation of peak current controlled active clamp forward converter for railway applications
Raylı ulaşım uygulamaları için tepe akım kontrollü aktif-kıskaçileri dönüştürücü devresi tasarımı ve uygulanması
- Tez No: 863693
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- 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: 106
Özet
Yarı iletken teknolojisi ve haberleşme teknolojilerinde yaşanan hızlı gelişme ile özellikle elektrikli araçlar, raylı taşıtlar ve hava araçları gibi yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışan ulaşım sistemlerinin popülerliği oldukça artmıştır. Bu ilerlemeler ile raylı ulaşım araçlarında kullanılan akıllı sistemler ve kontrol birimleri artan talep ile hızla gelişme göstermektedir. Yeni nesil raylı ulaşım araçlarında genellikle araçtaki bütün alt sistemleri ve fonksiyonları gözlemleyerek kontrol eden bir merkezi tren kontrol ve yönetim sistemi bulunmaktadır. Buna ek olarak çekiş sistemi, fren sistemi, yardımcı güç ünitesi, klima vb. gibi her bir alt sistemin kendine ait kontrol birimi bulunmakta ve gerekli fonksiyonların güvenilir bir şekilde yerine getirmesi sağlamaktadır. Bu dağıtılmış kontrol mimarisi içinde bir çok gömülü elektronik devre, işlemciler ve farklı fonksiyonları yerine getiren modüller bulunmaktadır. Özellikle çekiş konvertörü ve yardımcı güç ünitesi tarafındaki güç elektroniği devrelerinin gelişimi ile karmaşık kontrol algoritmaların gerçek zamanlı koştuğu işlemcilerde ve kapı sürücü devrelerinde güvenilir, hızlı yük değişimlerine cevap verebilen güç besleme devrelerine ihtiyacı arttırmıştır. Bu tez kapsamında bu ihtiyaca istinaden, demiryolu çekiş kontrol üniteleri için özel olarak tasarlanmış, zorlu talepleri ve standartları kapsayabilen bir güç dönüştürücüsünün geliştirilmesi araştırılmıştır. Demiryolu sistemlerinin sürekli gelişen teknolojik ihtiyaçları göz önünde bulundurularak yapılan bu çalışma, özellikle demiryolu uygulamalarındaki karmaşık güç dağıtım sistemlerine odaklanarak, beş temel bölümden oluşan sistemli bir yaklaşım sunmaktadır. Bu bölümler, demiryolu sistemlerine özgü dönüştürücülerin tasarım, analiz ve uygulama süreçlerine derinlemesine katkı sağlamaktadır. Bu sistemli yaklaşım sayesinde, demiryolu çekiş kontrol üniteleri için daha güvenilir ve verimli güç dönüştürücülerinin geliştirilmesi mümkün olacaktır. Ayrıca, araştırma sonuçları demiryolu endüstrisindeki teknolojik ilerlemelerin hızlanmasına da katkı sağlayacaktır. Tezin ilk bölümü, demiryolu uygulamalarının gereksinimlerini detaylı bir şekilde ortaya koyarak başlamaktadır. Bu bölümde, gömülü kontrol ünitelerinin içerdiği karmaşık güç dağıtım sistemlerinin incelikleri ele alınmaktadır. Ayrıca, mevcut dönüştürücü topoloji alternatifleri gözden geçirilmekte ve karşılaştırılmakta, bu topolojilerin güçlü yönleri, sınırlamaları ve demiryolu sistemlerindeki uygunlukları detaylı olarak incelenmektedir. Farklı topolojilerin analizi ile birlikte DA-DA dönüştürücülerde kullanılmakta olan alternatif kontrol yöntemleri güçlü ve zayıf yanlarıyla gözden geçirilmektedir. Bu literatür araştırması ve alternatiflerin değerlendirilmesi neticesinde özellikle dinamik yük cevabı ve geniş giriş gerilim aralığında iyi performans gösterebilen tepe akım modu kontrollü aktif-kıskaç ileri dönüştürücünün bu uygulamadaki uygunluğu ortaya konulmaktadır. Buna ek olarak demiryolu standartları ve demiryolu araçlarındaki güç dağıtım mimarileri araştırılarak dönüştürücü tasarımında kritik olan tasarım gereksinimleri analiz edilmektedir. Bu analiz, dönüştürücü çözümlerinin mevcut durumunu ve demiryolu sistemlerindeki uygulanabilirliğini net bir şekilde anlamamıza olanak tanımaktadır. Ardından, tasarım prosedürü ve kontrol stratejisi geliştirme sürecine detaylı bir şekilde incelenmiş, aktif-kıskaç ileri dönüştürücünün işletim prensipleri ve kontrolü üzerinde durulmuştur. Özellikle, tepe akım kontrol metodolojisinin demiryolu bağlamında dönüştürücünün performansını nasıl optimize ettiği üzerinde durulmaktadır. İkinci bölüm, sonraki tasarım ve uygulama aşamaları için sağlam bir teorik temel oluşturmakta ve dönüştürücünün işlevselliğini ve potansiyel optimizasyonlarını detaylı bir şekilde açıklamaktadır. Daha sonra, tez, ayrıntılı tasarım sürecine ve uygun donanım bileşenlerinin seçimine odaklanmaktadır. Bu bölümde devrenin temel giriş çıkış parametrelerine ilişkin isterler ve kısıtlamalar belirlenmiş, buna uygun olarak başlıca devre bileşenlerinin seçimine dair analitik hesaplamalar ve gereksinimler sunulmuştur. Birincil taraftaki ana anahtarlama elemanı, yardımcı anahtarlama elemanı, izolasyonu sağlayan ana transformatör ve ikincil taraf anahtarlama elemanları ile endüktans ve kontrolör devreleri için analitik hesaplamalar gerçekleştirilerek elemanlar için akım, gerilim, endüktanslar gibi parametrelerin analitik hesaplamaları ortaya konulmuştur. Bu aşama, teorik analizleri pratik tasarım düşüncelerine dönüştürmede kritik bir rol oynamakta, seçilen devre elemanlarının belirlenen gereksinimlerle uyumlu olmasını ve demiryolu uygulamalarındaki genel isterleri sağladığından hesaplamalar yardımı ile emin olunmasını hedeflemektedir. Benzetişim çalışmalarında kullanılan PLECS ve LTspice gibi yazılımlar sayesinde, tasarlanan dönüştürücünün doğrulanması ve geliştirilmesi üzerine yoğunlaşılmaktadır. Belirlenen devre elemanları ile oluşturulan benzetişim modeli sayesinde bu bölüm, dönüştürücünün performansını ve kararlılığını, özellikle değişen yük koşulları altında dinamik geçici yanıtları değerlendirerek, demiryolu sistemlerindeki dalgalı güç ortamlarında dönüştürücünün dinamik tepkisini test etmektedir. Bu aşamada bir önceki bölümde gerçekleştirilen analitik tasarım sürecinin doğrulanması yapılmakta ve analitik olarak hesabı zor olan devre parametreleri için tasarım sürecine iteratif geri dönüşler yapılmasına olanak sağlamaktadır. Bu bölümde bir önceki bölümde seçilen devre elemanlarının modellemesi oldukça gerçeğe yakın seçilerek benzetişim sonuçlarının gerçeğe olabildiğince yakın olmasına özen gösterilerek prototipleme sürecinden önce, düzeltmesi zaman ve para bakımından maliyetli tasarım hatalarının önüne geçilmesi sağlanmıştır. Son bölümde, 66V-154V giriş gerilim aralığında çalışıp 5V çıkış vermek için 200kHz anahtarlama frekansı ile tasarlanan prototipten elde edilen deneysel bulgular sunulmaktadır. Dönüştürücünün, geniş bir giriş gerilim aralığında çalışmakta, ilk bölümlerde belirlenen tasarım gereksinimlerini sağladığı ortaya konulmaktadır. Farklı yüklenme ve giriş gerilimleri koşulları altında yapılan testler, simülasyonlarda elde edilen geçici yanıtların doğruluğunu kanıtlamakta ve dönüştürücünün kararlı çıkış regülasyonunu ve hızlı geçici yanıt kabiliyetini göstermektedir. Testler neticesinde 50\% yük talebi değişikliklerinde dönüştürücünün maksimum 0.14V gerilim aşımı ile 250µs içerisinde çıkışı regüle edebildiği ve herhangi bir kararsızlık ve gerilim salınımına neden olmadığı görülmüştür. Prototibin her çalışma koşulunda çıkışı regüle edebilidiği ortaya konmuş ve $83.4\%$ maksimum verim ve $1.15W/cm^3$ güç yoğunluğuna ulaştığı gösterilmiştir. Literatürde $4-6W/cm^3$ çalışmaların bulunması güç yoğunluğu ve verim ile ilgili tasarım iyileştirmelerinde bulunulabileceğini göstermektedir. Bu bölümde güç yoğunluğu ve verim iyileştirmeleri ile ilgili değerlendirmeler sunulmakta, tasarımın daha da optimize edilmesi için potansiyel alanları belirlemekte ve sonuç kısmında tartışılmaktadır. Bu tez, teorik temelden demiryolu sistemlerinde pratik uygulamaya kadar tepe akım kontrollü aktif-kıskaç ileri dönüştürücünün kapsamlı ve derinlemesine bir incelemesini sunmakta, her bölüm bir öncekini temel alarak, demiryolu güç sistemleri alanına sağlam ve iyi desteklenmiş bir katkıda bulunmakta ve bu alanda gelecekteki ilerlemeler ve araştırmalar için bir temel oluşturmaktadır. Bu çalışma, demiryolu sistemlerinde tepe akım kontrollü aktif-kıskaç ileri dönüştürücülerin kullanımının potansiyel faydalarını ve tasarım optimizasyonu için önerileri sunmaktadır. Ayrıca, tezin sonuçları, demiryolu güç sistemleri alanında yeni teknolojik gelişmelerin ve araştırmaların önünü açacak bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis comprehensively explores developing a specialized converter tailored to the challenging demands of railway control units. This research is systematically segmented into five pivotal sections, each contributing to the designing, analyzing, and implementing an effective converter solution for railway applications. Firstly, the thesis sets the stage by meticulously outlining the requirements of railway applications, mainly focusing on the complex power distribution systems within embedded control units. This section also critically reviews and compares various existing converter topologies, thoroughly examining their strengths, limitations, and suitability in railway systems. This comparative analysis helps clearly understand converter solutions' current landscape and applicability. In order to implement the design procedure and control strategy, the thesis delves into the active clamp forward converter, unraveling its operational principles and intricacies. A significant emphasis is placed on the peak current control methodology, highlighting its crucial role in optimizing the converter's performance in the railway context. This detailed analysis lays a solid foundation for the subsequent design and implementation phases, providing a deep understanding of the converter's functionalities and potential optimizations. The thorough design process is presented, including the critical selection of appropriate hardware components. This thesis phase is pivotal in translating theoretical analysis into practical design considerations. It involves meticulous decision-making regarding component selection, ensuring compatibility with the specified requirements and overall effectiveness in railway applications. In the simulation studies, software like PLECS and LTspice are used. Through simulations, the thesis focuses on validating and refining the designed converter through simulation studies. A vital aspect of this section is examining the dynamic transient response under varying load conditions, assessing the converter's performance and stability. These simulations are vital in demonstrating the converter's responsiveness, which is paramount in the fluctuating power environments typical in railway systems. The final section presents the experimental findings from the designed prototype. After the successful development of the converter, it operated within a wide input voltage range of 66V to 154V and delivered an output of 5V at 100W that operated with a 200kHz switching frequency. Tests presented crucially validate the simulated transient responses under real-world conditions. Stable output regulation with minimal voltage drop under loads is measured with a maximum of 0.14V. A fast transient response to step load changes of 50\%, regulating the output to a steady state within 250µs without oscillations, was achieved with this design. In addition, a power density around $1.15W/cm^3$ is achieved; converter designs with power densities up to $4-6W/cm^3$ exist in the literature. However, considering the relatively large heatsinks required by these converters, these numbers are not very realistic, and the power density of the total volume of the converter and heatsink will give a more realistic number. Even though this difference indicates room for improvement in the design areas to focus on further optimizing the presented design, it is discussed in the conclusion. The thesis provides a holistic and in-depth study of the peak current controlled active clamp forward converter, guiding from theoretical groundwork to practical application in railway systems. Each section builds upon the previous, culminating in a robust and well-substantiated contribution to the field of railway power systems, setting a foundation for future advancements and research in this domain.
Benzer Tezler
- Otomatik kazanç kontrol sistemi için kazancı ayarlanabilen kuvvetlendirici tasarımı
Variable gain amplifier design for automatic gain control systems
ALİ DOĞUŞ GÜNGÖRDÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİL BANU TARIM
- Compensation of current harmonics in single phase grid connected inverters with deadtime under distorted grid voltage
Tek fazlı şebeke bağlantılı inverterlerde ölü zaman ve gürültülü şebeke gerilimi altında akım harmoniklerinin kompanzasyonu
BARIŞ TEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Fotovoltaik sistemlerde maksimum güç noktası izleyebilen iki fazlı sepıc dönüştürücü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of maximum power point tracker with two-phase sepic converter for photovoltaic systems
ONUR KIRCIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SABRİ ÇAMUR
- Sıfır gerilimde anahtarlamalı, faz kaydırmalı rezonant PWM kontrollü, tam köprü DC-DC dönüştürücü tasarımı ve uygulanması
Design and application of zero voltage switching, phase shifted resonant PWM controlled, full bridge DC-DC converter
AKİF HAKKI POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Fotovoltaik panelden beslenen bir buzdolabı için elektronik kontrol sistemi tasarımı
Electronic control system design for a refrigerator that is supplied from photovoltaic panel
TAYYAR ÇAĞDAŞ ÇIRPAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN