Darbe genişlik modülasyonlu alternatif akım kıyıcı devrelerinde DA ve AA sönümleyicili tasarımların uygulamalı karşılaştırılması
Comparisons of applied pulse width modulated ac chopper circuit designs with DC and AC snubbers
Yazar: CİHANGİR ODABAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: AC sürücüler = AC drivers

Özet:
Endüstriyel güç uygulamaları ve kontrol yöntemleri farklı karakteristik özelliklere sahip gerilimlere ihtiyaç duymaktadır. Endüstriyel uygulamalara örnek olarak motor hız/moment kontrolü, aydınlatma, ısıtma ve gerilim düzenleyicileri gösterilebilir. Bu ihtiyaçları karşılamak için geliştirilmiş birçok farklı gerilim ve güç dönüştürücüsü bulunmaktadır.
AA-AA doğrudan dönüştürücüleri içerisinde frekans kontrolü yapmayan dönüştürücüler AA kıyıcı veya AA gerilim düzenleyicisi olarak adlandırılmaktadır. AA kıyıcıların iki temel çeşidi bulunmaktadır. Bunlar faz kontrollü tristör tabanlı kıyıcılar ve DGM AA kıyıcılardır. Tristör tabanlı kıyıcılar basitlik ve yüksek güç kapasitesine sahiptirler. Fakat tristörlerin ateşleme açıları büyüdükçe, güç faktörü düşmekte ve çıkış akımı harmonik seviyeleri kritik bir şekilde yükselmektedir. Bu harmoniklerin filtrelenmesi için büyük filtreler gerektirmektedir. DGM AA kıyıcı tristör tabanlı kıyıcıların eksikliklerini aşmaktadır. DGM AA kıyıcılar giriş ve çıkış akımı sinüs biçimli, daha yüksek güç faktörü, daha hızlı dinamik yapı, düşük harmonik seviyeleri ve daha küçük filtre elemanlarına ihtiyaç duyması gibi özellikleri ile tristör tabanlı kıyıcılardan üstündür.
Bu çalışma AA-AA gerilim dönüştürmesini doğrudan yapan, frekans değiştirmeksizin çıkış geriliminin etkin değerini kontrol eden, yüksek frekans anahtarlamalı ve DGM kontrollü alternatif akım kıyıcıların çalışma prensiplerini, teknik özelliklerini, farklı devre ve kontrol yöntemlerini, benzetim yöntemleri ile incelenmesini, tasarımının yapılması ve gerçeklenmesini içermektedir. Çalışmanın hedefi DGM AA kıyıcıların tasarımı, gerçeklenmesi ve DA/AA sönümleyicili devre yapılarının karşılaştırmalı sonuçlarının sunulmasıdır.
Öncelikle DGM alternatif akım kıyıcıların çalışma prensipleri, teknik özellikleri, matematiksel ifadeleri, devre yapıları ve kontrol yöntemleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. DGM AA kıyıcıların çalışma prensipleri tek fazlı ve üç fazlı devre yapıları olmak üzere iki ana başlık içerisinde incelenmiştir. DGM AA kıyıcılar temel iki farklı kontrol yöntemine göre AA sönümleyicili ve DA sönümleyici DGM AA kıyıcılar olarak alt başlıklara ayrılmıştır. Çalışma prensipleri içerisinde devre yapıları, çalışma durumları, kontrol işaretleri, çıkış gerilim ve akım grafikleri karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. DGM AA kıyıcıların farklı kontrol yöntemleri ve devre yapıları da açıklanarak, DGM AA kıyıcıların teknik kapasitesi ve farklı uygulama alanlarına ışık tutulmuştur.
Çalışmaların ilerleyen safhalarında tasarım aşamasına geçilirken MATLAB/Simulink vasıtasıyla tek/üç fazlı devre yapılı DA ve AA sönümleyicili DGM AA kıyıcıların benzetimleri elde edilmiş ve analiz edilmiştir. Kontrol işaretleri açıklanarak, farklı yükler ve anahtarlama frekansları altında çıkış gerilim ve akım değerleri incelenmiştir.
Tasarım aşamasında, DGM AA kıyıcıların tasarımları donanım ve yazılım açısından irdelenmiş ve izlenen adımlar açıklanmıştır. Elde edilen tüm bilgiler ve tasarım aşamalarından sonra üç fazlı DGM AA kıyıcı devresi gerçeklenmiş ve uygulamalı laboratuvar çalışması gerçekleştirilmiştir. Yapılan tasarım ile tek/üç fazlı devre yapıları, DA ve AA sönümleyicili devre yapıları, anahtarlama işaretleri, farklı yükler ve anahtarlama frekansları ile testler gerçekleştirilmiş, incelenmiş ve karışılaştırmalı sonuçları sunulmuştur.

Abstract:
Industrial power applications and control techniques require voltages, which have different characteristics. As an example for industrial applications, speed/torque control of motors, lightning, heating and voltage regulators could be shown. To fulfill these requirements, there are developed lots of different voltage and power converts.
AC-AC converters are widely used in most application. Because of the mains AC supply voltage, most developed products have AC supply connectors and designed to work with mains. Besides, popular usage of the asynchronous motors requires AC-AC converters and variable voltage/power converters. 
AC-AC converters have different segments and types. One of them is ones with DC link. AC-DC-AC converters are the most popular AC-AC convert among the others. They have two stages, which are rectifiers and inverters. These converters have capability of the changing the voltage's frequency and effective value. Moreover, they are used for speed/torque control of motors. Beside these advantages, AC-DC-AC converters have these disadvantages: input current harmonic distortion, usage of big bulky DC filters, many switches in their topologies and complexity of their control.
Matrix converters is the other member of the AC-AC converters. These converters directly change AC voltage to AC directly without DC link. The matrix converter has several advantages over traditional rectifier-inverter type power frequency converters. It provides sinusoidal input and output waveforms, with minimal higher order harmonics and no subharmonics; it has inherent bi-directional energy flow capability; the input power factor can be fully controlled. Finally yet importantly, it has minimal energy storage requirements, which allows to get rid of bulky and lifetime-limited energy-storing capacitors. However, these converters requires complex controls and their topologies contains many switching elements. It brings robustness and durability questions.
AC-AC direct converters, which do not change supply frequency are named AC voltage regulators. There are two main types of AC voltage regulators. These are thyristors based voltage regulators and PWM AC choppers. Thyristors based voltage regulators have simplicity of the control circuit and large power capability. However, there are drawbacks especially with increasing firing angles, power factor decreases and output current harmonic components increases dramatically. To filter the content of the line current harmonics, large and bulky filter elements are required. PWM AC choppers overcome these drawbacks. PWM AC choppers offer several advantages such as sinusoidal input and output current, higher power factor, faster dynamics, less harmonic components and significant reduction in filter size.
The main goal of this project is that working principles, technical properties, simulations results, designing and generation of the PWM AC choppers which converts AC to AC directly with high frequency switching and controls to effective value of the output voltage without changing its frequency. The aim of this project is designing and generation of the three-phase PWM AC chopper. Simulation and experimental based comparison of the PWM AC chopper with AC and DC snubber are shown.
Operating modes of the PWM AC choppers are dived in three: active, freewheeling and dead time. In active mode, input voltages reach the output side and voltage gets equal at both sides. In freewheeling mode, load voltage is freewheeling and shorted. The output voltages get zero value and inductive current flows over the by itself. Dead time mode happens between active and freewheeling mode to get safe transition. In active mode, the output voltage of ac chopper equals to ac mains, and in freewheeling mode the output is zero. Thus by changing the rate of active mode and freewheeling mode, the average output voltage is regulated. Dead time causes high voltage peak issues to AC choppers because of the inductive loads and currents. There is two main topologies and control methods which are AC choppers with AC or DC snubber to solve this problem 
In this project, working principles, technical properties, mathematical equations, circuit topologies and control strategies of PWM AC choppers are explained in detail. PWM AC choppers working principles are examined for both single and three phase topologies in different topics. Besides, working principles of PWM AC choppers are investigated for two different control techniques. These control techniques used in topologies as PWM AC chopper with AC snubber and PWM AC chopper with DC snubber. Working principles include circuit topologies, operating modes, control signals, output voltage and current graphs. Different control strategies and several circuit topologies of PWM AC chopper are listed from literature, so technical capabilities and various application area of the PWM AC choppers are enlightened.
After building the technical information of PWM AC choppers, to step up designing simulations are performed and the results are analyzed. Simulations and analyses are performed with MATLAB/Simulink for single/three phase with different topologies of AC choppers. While explaining the control signals, under the different loads and chopping frequency output voltages and currents waveforms are investigated. Detailed and comparative results are given for both AC and DC snubber topologies. In the end of this chapter, all observed critical points are listed separately. All the data from the simulations lead to designing of the AC chopper with proper preparation. These results are taking an important role.
While designing AC chopper, hardware design and software design steps are explained separately. In hardware design, flexible circuit topology is aimed. To comparing different topologies, circuit board and design should be capable of transforming between different topologies. After the whole given information and technical details, the design of the three phase PWM AC chopper is accomplished and produced. In software design, proper switching functions are obtained. With complete and realized design, single/three phase topologies, switching signals, different load and switching frequencies tests are performed, investigated and comparison of the results are given. Different topologies and AC/DC snubber AC choppers are experimented. Comparative results and success of the design are shown. Efficiency of the AC chopper is calculated under varying loads and topologies. With all the acquired data, design of the AC chopper is completed. Besides, it gives clear ideas about different topologies, working conditions under varying loads and conditions.