Değişken hızlı senkron generatör uygulamalarında anahtarlama gecikmelerinin sistemin transfer fonksiyonuna etkisi
The effect of switching delays on the transfer function of the system in variable-speed synchronous generator applications
Yazar: UMUT SAĞIROĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT OVACIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Transfer fonksiyonları = Transfer functions

Özet:
Otomotivde, araçların elektrik sistemini oluşturan cihazların beslenmesi ve ihtiyaç halinde kullanılmak üzere akülerde depolanması amacıyla, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren generatörler değişken hızlarda çalışmak zorundadırlar. Zira generatör, araç motoruna mekanik olarak bağlıdır ve araç motorunun hızı sadece generatörün çıkış gerilimine göre ayarlanamaz.Günümüz araçlarında çoğunlukla Lundell alternatörü ve üç fazlı kontrolsüz tam dalga doğrultucudan oluşan enerji çevrim sistemi kullanılmaktadır. Lundell alternatörü, rotoru sargılı bir senkron generatör olduğundan generatörün çıkış gerilimi, uyarma akımı ile kontrol edilebilmektedir. Lundell alternatörünün çıkış gerilimi, araç aküsünün doluluk seviyesine ve aküden beslenen yüklerin çektiği güce göre ayarlanarak akü akımı, dolayısıyla akü gerilimi kontrol edilmektedir. Fakat aküden beslenen yüklerin ani değişimleri nedeniyle akü geriliminde oluşan sert artışlara ve düşüşlere, alternatörün uyarma akımını değiştirerek müdahale etmek hız bakımından yetersiz bir yöntemdir. Akü geriliminin belirlenen sınırlar dışında uzun süre kalması, aküden beslenen araç donanımlarının zarar görmesine veya devre dışı kalmasına neden olabileceğinden araç elektrik sistemi ve donanımlar, en kötü koşullar hesaba katılarak, daha geniş gerilim aralığında çalışabilecek şekilde, daha yüksek maliyetle tasarlanır. Bu sorunu aşma yolunda mühendislerin bugüne kadar yaptığı çalışmaların bir bölümünde, bu tür değişken hızlı uygulamalar için, Lundell alternatörlü ve üç fazlı kontrolsüz tam dalga doğrultuculu sistem yerine, araç motorunun hızının generatörün çıkış akımını fazla etkilemediği ve akü geriliminin daha etkin kontrol edildiği, iç sabit mıknatıslı senkron generatör ve anahtarlama modlu doğrultucudan oluşan bir sistem önerilmiştir.İncelenen bu uygulamada, üç fazlı iç sabit mıknatıslı senkron generatör, anahtarlama modlu doğrultucu üzerinden aküyü beslemektedir. Anahtarlama modlu doğrultucu, üç fazlı kontrolsüz tam dalga doğrultucu, yarıiletken anahtar, diyot ve kondansatörden oluşmaktadır. Generatörün indüklediği zıt elektromotor kuvvetinin üç fazlı tam dalga doğrultulmuş değeri, araç motorunun en düşük hızında bile akü geriliminden yüksek olduğundan, anahtarlama modlu doğrultucu her koşulda akım kıyıcı olarak çalışmaktadır. Anahtarlama modlu doğrultucunun çıkış akımı, yarıiletken anahtar ile farklı çalışma oranlarında kıyılarak akü akımı, dolayısıyla akü gerilimi kontrol edilmektedir. Bu uygulamada, iç sabit mıknatıslı senkron generatörün kısa devre çıkış akımının hız ile fazla değişmemesi ve anahtarlama modlu doğrultucudaki yarıiletken anahtarın akü akımını doğrudan ayarlaması üstünlükleri sayesinde, akü gerilimi etkin bir şekilde kontrol edilmektedir.Akü geriliminin akü akımıyla değişimi, akü parametreleri kullanılarak kolayca elde edilebilir. Bu uygulamada yarıiletken anahtar doğrudan akü akımını ayarladığından, anahtarlama çalışma oranının akü akımına etkisi bilinirse, anahtarlamanın akü gerilimi üzerindeki etkisi de ortaya çıkarılmış olur. Böylece araç elektrik sistemindeki ani yük değişimlerinin akü geriliminde oluşturduğu dalgalanmaların kısa sürede yok edilebilmesi için anahtarlama çalışma oranını, akü gerilimini istenen değerde sabit tutacak şekilde ayarlayan kapalı çevrim kontrolör tasarlanabilir.Bu tez çalışmasında, bahsedilen sistemdeki yarıiletken anahtarın fiziksel yapısından kaynaklanan anahtarlama gecikmelerinin, anahtarlama çalışma oranı ile akü akımı arasındaki transfer fonksiyonuna etkisi incelenmiştir. Sabit anahtarlama çalışma oranına, farklı frekanslarda düşük genlikli sinüzoidal dalgalar bindirilmiş ve her bir frekansın karşılığı olarak akü akımında oluşan değişim, anahtarın ideal olduğu ve ideal olmadığı durumlar için, analitik ve sayısal yöntemlerle gözlemlenerek transfer fonksiyonu elde edilmiştir.Analitik incelemenin mümkün olabilmesi için üç fazlı iç sabit mıknatıslı senkron generatör ve üç fazlı kontrolsüz doğrultucu, bir doğru gerilim kaynağı ve RLC devre elemanlarıyla modellenmiştir. Sistemde yarıiletken anahtar olarak kullanılan MOSFET'in iletime geçme ve kesime gitme gecikmelerinin transfer fonksiyonuna etkisi incelenmiştir. MOSFET'in güç kayıpları ihmal edilmiştir.Transfer fonksiyonu, MOSFET'in ideal olduğu ve ideal olmadığı durumlar için ayrı ayrı, analitik olarak ve benzetimler yardımıyla elde edilmiştir. Sayısal yöntemlerle yapılan çalışmada, fiziksel sistemin ve RLC modelin benzetimleri PSIM'de ayrı ayrı yapılmıştır ve sonuçlar analitik verilerle doğrulanmıştır. Ayrıca MOSFET'in iletime geçme ve kesime gitme gecikmelerinin, transfer fonksiyonunu ayrı ayrı etkilediği ve bu etkide MOSFET'in sürücü devresindeki taşıyıcı üçgen dalga şeklinin önemli olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
In automotive industry, the generators used in motor vehicles, converting mechanical energy to electrical energy in order to feed vehicles? electrical equipment and store energy inside the batteries to be used whenever necessary, have to operate in variable speeds. The reason behind this situation is that the generator is connected to the engine mechanically and engine?s speed can not be adjusted by considering only generator?s output voltage.In today?s vehicles, mostly used energy conversion system consists of Lundell alternator and three phase uncontrolled full wave rectifier. Since the Lundell alternator is a wound rotor synchronous generator, its output voltage which varies with vehicle?s speed can be controlled by excitation current. Lundell alternator?s output voltage is adjusted considering vehicle?s battery charge level and power drawn from the battery, so that battery voltage is controlled via battery current. However, as the electrical loads change abruptly, battery voltage tends to decrease or increase sharply. Changing excitation current in order to prevent extreme fluctuations in battery voltage and keep battery voltage constant is an inadequate method in terms of speed. Battery voltage may stay out of the limits for a relatively long time and this situation can cause vehicle?s equipment to be damaged or stop operating. Therefore, vehicle?s electrical system and equipments are designed with higher costs, taking the worst case into account in order for them to be able to operate in wider voltage interval. Many studies have been made by engineers to overcome this problem. A portion of these studies propose the replacement of the Lundell alternator and three phase uncontrolled rectifier with a system consisting of interior permanent magnet synchronous generator and switched mode rectifier. The proposed system is more convenient for variable speed applications because generator?s output current is not much affected by engine?s speed and battery voltage is controlled more effectively.In this application, three phase interior permanent magnet synchronous generator supplies power to the battery via switched mode rectifier. Switched mode rectifier consists of three phase uncontrolled full wave rectifier, semiconductor switch, diode and capacitor. Three phase full wave rectified value of back electromotive force induced by the generator is higher than the battery voltage even at the lowest speed of engine. Hence the switched mode rectifier always operates as current chopper. Output current of the switched mode rectifier is chopped by the semiconductor switch at different duty ratios to adjust battery current and control battery voltage. In this application, battery voltage is controlled effectively by means of interior permanent magnet synchronous generator, whose short circuit output current does not change much with speed, and semiconductor switch in the switched mode rectifier, which adjusts battery current directly.The variation of battery voltage with respect to battery current can be obtained easily using battery parameters. In this application, since semiconductor switch adjusts battery current directly, the effect of swithcing on battery voltage can be found out, in case the effect of switching on battery current is known. Thus a closed loop controller, that adjusts switching duty ratio to keep battery voltage constant, can be designed in order to immediately suppress fluctuations in battery voltage caused by abrupt load changes in vehicle electrical system.In this thesis study, the effect of switching delays -which arise from the physical structure of semiconductor switch in the system mentioned above- on the transfer function between switching duty ratio and battery current is analyzed. Low amplitude sinusoidal waves having different frequencies are superposed on constant switching duty ratio and variation in battery current for each frequency is obsevered using analytical and numerical methods for ideal switch and non-ideal switch separately.Three phase interior permanent magnet synchronous generator and three phase uncontrolled rectifier are modeled with a direct voltage source and RLC circuit elements, so as to make analytical study possible. MOSFET is used as the semiconductor switch in the system. The effect of turn on and turn off delays of MOSFET on the transfer function is analyzed. Power losses in MOSFET are neglected.For the cases that MOSFET is ideal and non-ideal, the transfer function is obtained both analytically and numerically by the help of PSIM. In numerical study, both pyhsical system and RLC model are simulated on PSIM. Physical system has interior permanent magnet synchronous generator and switched mode rectifier whereas RLC model has direct voltage source and RLC elements. The results of analytical analysis are verified with those of numerical analysis. Besides, it has been seen that MOSFET?s turn on and turn off delays affect the transfer function separately and carrier triangular waveform in MOSFET driver circuit determines the impact of each one.