Geri Dön

Klima dış ünite devresi için totem kutuplu yükselten PFC çevirici tasarımı

Totem pole boost PFC converter design for air conditioneroutdoor unit circuit

PDF İndir

  1. Tez No: 887064
  2. Yazar: BERK GÖKMEN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 191

Özet

Bu tezde; klima dış ünitelerinde bulunan kompresör motoru sürücü kartlarında kullanılmak üzere köprüsüz totem kutuplu yükselten PFC devresinin, tasarımı simülasyonu ve gerçeklenmesi yapılarak devrenin verim avantajının gösterilmesi amaçlanmıştır. Klima dış üniteleri, ısıtma/soğutma döngülerini gerçekleştiren kompresör motorunun bulunduğu ünitelerdir. Kompresör motorlarını sürebilmek için evirici katı 300V- 400V arasında bir DC gerilime ihtiyaç duymaktadır. Şebeke geriliminden bu DC gerilimini elde edebilmek için giriş akım THD değeri düşük, güç faktörü yüksek bir PFC devresi kullanılmaktadır. Bu bağlamda totem kutuplu yükselten PFC devresinin tasarımı ve simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Ölçümler yorumlanarak bazı noktaların iyileşmesine yönelik gelecekte yapılması olası çalışmalar belirtilmiştir. Güç kayıplarının geleneksel PFC topolojisinde yüksek olduğu görülüp, AC-DC doğrultucu bloğunda kullanılmak üzere yenilikçi PFC topolojileri bu tez kapsamında detaylı olarak incelenmiş ve analiz edilmiştir. İncelemeler sonucunda tasarımda yüksek verimli köprüsüz totem kutuplu yükselten PFC devresi kullanılmasına karar verilmiştir. Klima kompresörü görece yüksek güçte çalıştığından ötürü devrenin sürekli iletim modunda çalışması amaçlanmıştır. Köprüsüz totem kutuplu yükselten çeviriciyi sürekli iletim modunda çalıştırabilmek için geniş bant aralıklı yarıiletkenler tasarımda kullanılmıştır. Tez çalışmasında yeni nesil geniş bant aralıklı yarıiletkenler detaylı olarak incelenmiştir ve tasarımda SiC MOSFET kullanılmıştır. Köprüsüz totem kutuplu yükselten PFC devresinin güç kayıp analizi teorik hesaplama, simülasyon ve gerçekleme çalışmaları ile ortaya konmuştur. Tezin birinci bölümünde, klima kompresör motor sürücü kartlarının genel mimarisi verilmiştir. İkinci bölümünde güç faktörü düzeltme kavramı ve güç faktörü düzeltmesi için kontrol yöntemleri incelenmiş ve yeni nesil güç faktörü düzeltme devreleri analiz edilmiştir. Üçüncü bölümünde ise, geniş bant aralıkları yarıiletken teknolojileri detaylı olarak incelenmiştir. Dördüncü bölümde yüksek verimli bir totem kutuplu yükselten çeviricinin tasarım aşaması, hesaplamaları detaylı olarak verilmiştir. Beşinci bölümde bu devrenin simülasyonu çalıştırılmış, sonuçlar hesaplanan değerler ile karşılaştırılmıştır. Tezin altıncı bölümünde ise, devrenin testleri deneysel olarak laboratuvar ortamında gerçeklenmiş ve sonuçlar verilmiştir. Devre ayarlanabilir bir AC güç kaynağı ile beslenmiş ve farklı yük durumları için çalışma durumu incelenmiştir. Yarım yük (1200W) ve tam yük (2400W) durumları için osiloskop görüntüleri verilmiştir. Yük değişse dahi, çıkış geriliminin arzu edilen 390V DC değerinde sabit kaldığı görülmüştür. 1200W yük altında güç faktörü 0.9892, 2400W yük altında PF=0.994 olarak ölçülmüştür. Ayrıca devrenin tam yükte, giriş gerilimi minimum değerinden, maksimum değerine yükseltilerek verim ve güç faktörü değişimi incelenmiştir. Devrenin nominal gerilim ve tam yükte güç faktörünün 0.994 değerine ulaştığı görülmüştür. Tasarımda en zorlayıcı koşul olan maksimum yük minimum gerilim altında devrenin %98.07 verimlilik ile çalıştığı laboratuvar testlerinde ortaya konulmuştur. Ayrıca teorik hesaplama sonuçları, simülasyon sonuçları ve gerçekleme sonuçları karşılaştırılmış, değerlerin birbiri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Karşılaştırma sonuçlarına göre teorik hesap ve ölçüm sonuçları arasındaki hata oranı %13'ün altında bulunmuştur. Tezin yedinci bölümünde, klima dış ünite kartlarında yaygın olarak kullanılan tek fazlı yükselten PFC devresi ile karşılaştırmalar yapılmıştır. Laboratuvar ortamında alınan ölçüm sonuçlarına göre 2000W giriş gücünde tek fazlı yükselten PFC çevirici üzerinde 85.8W kayıp olduğu görülmüştür. Aynı güç seviyesi için totem kutuplu yükselten PFC devresinde 25.5W güç kaybı meydana gelmektedir. Totem kutuplu yükselten PFC devresinin tek fazlı yükselten PFC devresi yerine kullanılması ile bu güç seviyesinde yaklaşık 60W kazanç elde edilmektedir ve devre verimi yaklaşık olarak %3 artmaktadır.

Özet (Çeviri)

The aim of this thesis is to design, simulate and implement a bridgeless totem pole boost PFC circuit to be used in the compressor motor driver boards of the air conditioner outdoor units and to demonstrate the efficiency advantage of the circuit. Air conditioner outdoor units are units with compressor motors that perform heating/cooling cycles. In order to drive the compressor motors, the inverter stage requires a DC voltage between 300V-400V. In order to obtain this DC voltage from grid voltage, a PFC circuit with low input current THD and high power factor is used. In this context, the design and simulation of the totem pole boost PFC circuit has been carried out. The measurements are interpreted and possible future studies for the improvement of some points are indicated. Since the power losses are high in conventional PFC topology, innovative PFC topologies for use in AC-DC rectifier block have been examined and analysed in detail in this thesis. As a result of the analyses, it has been decided to use a high efficiency bridgeless totem pole PFC circuit in the design. Since the air conditioner compressor operates at relatively high power, it is aimed to operate the circuit in continuous conduction mode. Wide bandgap semiconductors are used in the design in order to operate the bridgeless totem pole boost converter in continuous conduction mode. In this thesis, new generation wide bandgap semiconductors are analysed in detail and SiC MOSFET is used in the design. The power loss analysis of the bridgeless totem pole boost PFC circuit is presented by theoretical calculation, simulation and implementation studies. In the first chapter of the thesis, the general architecture of air conditioner compressor motor driver cards is given. AC compressor motors in air conditioners are replaced by PMSM (permanent magnet synchronous motor) due to the more efficient structure. A more efficient drive can be obtained in PMSM compressors. In order to drive PMSM compressors, outdoor unit cards with a PFC block that can convert the grid voltage to DC voltage and an inverter block that can convert DC voltage to AC voltage are used. This board positioned on the outdoor unit is the compressor driver card. Outdoor unit board is used to adjust the compressor driving frequency. In the second chapter, the concept of power factor correction (PFC) is examined. Passive PFC and active PFC structures are analysed. In addition, control methods for power factor correction circuit are analysed. In order to reduce losses in the PFC block, new generation power factor correction circuits are analysed in detail and a comparison table is created for these new topologies. It is decided to use totem pole boost PFC converter structure in the design due to reasons such as high efficiency, low material usage, low EMI. Wide bandgap semiconductor technologies are analysed in detail in order to be able to operate the totem pole boost PFC converter in CCM mode hard-switching operation in the third chapter. SiC and GaN switch structures are examined. Due to their low reverse recovery losses, low switching losses at high frequencies and high junction temperature, SiC MOSFET is considered suitable for the design. The design phase and calculations of the high efficiency totem pole boost PFC converter are given in detail in the fourth section. The block diagram of the circuit is given. Analogue IC controller is used in the design for control of circuit. The inductance design was made for maximum power and minimum input voltage, which are the most challenging conditions, and the power losses on the inductance were calculated theoretically. The selection criteria and power loss analyses of high frequency SiC MOSFET and low frequency Si MOSFET switches are given in this section. In addition, the selection criteria for the gate drivers of these switches are explained in detail. The design calculations of the output capacitor and relay used in the circuit are given in this section. Schematic visualisations of the designed totem pole boost PFC converter are given in this section. All circuit blocks of the circuit are described in detail in this section. In the fifth chapter, the simulation of the circuit calculated in the fourth section is run and the results are compared with the calculated values. The simulation was carried out in PSIM environment. Simulation results are given for minimum input voltage and maximum output power, which are the most challenging conditions. In the simulation, closed loop control is used and average current control method is applied. The PCB design of the circuit whose calculations and simulations were performed was made in the sixth chapter. The schematic and PCB design was carried out using Altium Designer software. FR4 type and double-layer PCB was used for the totem pole boost PFC converter board. PCB thickness is 1.6 mm. Copper thickness is 70 microns. The PCB is 188mm x 170mm in size. The tests of the circuit were carried out experimentally in the laboratory environment and the results are given. The circuit was fed with an adjustable AC power supply and the operating condition was analysed for different load conditions. Oscilloscope images are given for half load (1200W) and full load (2400W) conditions. It is observed that the output voltage remains constant at the desired 390V DC value even if the load changes. In addition, the efficiency and power factor changes were analysed by increasing the input voltage from the minimum value to the maximum value at full load. It was observed that the power factor of the circuit reached 0.994 at nominal voltage and full load. Laboratory tests have shown that the circuit operates with 98.07% efficiency under maximum load and minimum voltage, which is the most challenging condition in the design. In addition, a comparison table is created for the theoretical calculation results, simulation results and experimental result. According to the comparison results, the error rate between the theoretical calculation and measurement results was found to be less than 13%. In the seventh chapter of the thesis, comparisons were made with a traditional singlephase boost PFC circuit, which is widely used in air conditioner outdoor unit cards. According to the measurement results taken in the laboratory environment, 85.8W loss was observed on the traditional boost PFC converter at 2000W input power. For the same power level, 25.5W power loss occurs in the totem pole boost PFC circuit. By using the totem pole boost PFC converter instead of the traditional boost PFC converter, a gain of approximately 60W is obtained at this power level and the circuit efficiency increases by approximately 3%. The results are evaluated and future works are analysed in the eighth chapter of the thesis. Within the scope of this thesis, the totem pole boost PFC design has been realised as an external electronic board. In future studies, it is aimed to incorporate this circuit into the air conditioner outdoor unit board and to use this topology together with the air conditioner outdoor unit board.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    259694

    Klima santrallerinde atık ısı geri kazanımının enerji verimliliği açısından incelenmesi

    An investigation of waste heat recovery in the air handling unit in terms of energy efficiency

    MUSTAFA ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP YAMANKARADENİZ

  2. Tez No

    125879

    Klasik (fancoil) ve değişken gaz debili (VRV) ısıtma soğutma sistemlerinin karşılaştırılması ve uygun sistemin belirlenmesi

    Comparison of classical (fancoil) and variable gas volume (VRV) heating and cooling system and determining the covenient system

    ADNAN ETEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU

  3. Tez No

    491056

    Investigation of fan driven flow fields by particle image velocimetry and infrared thermography

    Fanin sürdüğü akış alanlarının parçacık görüntülemeli hız ölçümü ve kızılötesi görüntüleme ile incelenmesi

    ÖZGÜN ÖZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DİLEK KUMLUTAŞ

  4. Tez No

    635484

    Bir imalat prosesinde altı sigma proje metodolojisinin uygulanması

    Application of six sigma project methodology in a manufacturing process

    EMRE PETEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÇİĞDEM

  5. Tez No

    495282

    Klima ısı değiştirici manifoldunun iyileştirilmesi

    Improvement of heat exchanger manifold in air conditioner

    ALİ KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA BURCU ÖZKAN

Geri Dön