Elektrikli araçlar için tek da kaynağı kullanılan yeni bir çok seviyeli evirici tasarımı ve kontrolü
Design and control of a multilevel inverter for electric vehicles using a single dc source
Yazar: HASAN HATAŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET NURİ ALMALI
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Elektrikli araçlarda (EA) yüksek verimlilik, daha küçük ve hafif motorlarla daha fazla güç sağlanabilmesi nedeniyle baskın olarak AA motorları kullanılır. Ek olarak EA'lar başta olmak üzere çoğu uygulamada, kullanım kolaylığı için tek bir DA kaynağı arzu edilir. Bu tez çalışmasında EA'lar için tek kaynaktan beslenen 31 seviyeli yeni bir çok seviyeli evirici (ÇSE) devresi önerilmiştir.  Önerilen topolojide ana devre olarak anahtarlamalı diyot yapısı kullanılmış ve DA bara gerilimleri asimetrik olarak ölçeklendirilerek ve toroid transformatör ile yüksek frekans bağlantısı (HFL) yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Çıkış dalga biçiminde minimum Toplam Harmonik Bozulma (THB) için En Yakın Seviye Kontrolü (NLC) ve SPWM yöntemi kullanılmış ve sonuçları kıyaslanmıştır. Önerilen topolojinin benzetimi Matlab/Simulink programında gerçekleştirilmiş ve FPGA kullanılarak gerçekleştirilen deneysel çalışmalarla benzetim sonuçları doğrulanmıştır. Çalışmalarda, yük olarak; saf rezistif, rezistif-indüktif ve asenkron motor kullanılmıştır. Ayrıca önerilen ÇSE devresi katına çeşitli filtreler eklenerek filtre etkisi gösterilmiştir. Önerilen topoloji HFL kullanan diğer topolojilerle anahtar sayısı, diyot sayısı, toplam bloklama gerilimi (TSV) ve THB bakımından karşılaştırılmıştır. Önerilen ÇSE temel frekansta çalıştırılarak klasik eviriciyle hem benzetim hem de deneysel çalışma ortamında kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, önerilen ÇSE devresinin kıyaslanan diğer çalışmalara göre daha düşük anahtar sayısına ve düşük TSV değerine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Önerilen topoloji düşük gerilimli anahtarlarla yüksek gerilimli bir çıkış katı oluşturmuştur. Düşürücü devredeki tek anahtarla çıkış geriliminin doğrusal olarak ayarlanabilmesi önerilen topolojinin EA'larda kullanımını kolaylaştırır. EA sürücü sistemine uygun, tek DA kaynaklı ve çıkış gerilimi THB değeri filtre kullanılmadan %2,7 olan bir topoloji elde edilmiştir.

Abstract:
AC motors are predominantly used in electric vehicles (EV) due to their high efficiency and the ability to provide more power with smaller and lighter motors. Additionally, most applications, especially EVs, require a single DC source for ease of use. In this thesis, a new 31-level inverter (MLI) circuit fed from a single source is proposed for EVs. In the proposed topology, switched diode structure is used as the main circuit and DC bus voltages are obtained by scaling asymmetrically and using high frequency connection (HFL) method with toroid transformer. For the minimum Total Harmonic Distortion (THD) in the output waveform, the Nearest Level Control (NLC) and SPWM method were used and the results were compared. The simulation of the proposed topology was carried out in the Matlab/Simulink program and the simulation results were confirmed by experimental studies using FPGA. In studies, as a load; pure resistive, resistive-inductive and asynchronous motors are used. In addition, the filter effect is shown by adding various filters to the proposed MLI circuit layer. The proposed topology is compared with other topologies using HFL in terms of number of switches, number of diodes, total blocking voltage (TSV) and THD. The proposed MLI is operated at the fundamental frequency and compared with the classical inverter in both simulation and experimental environment. As a result, it has been observed that the proposed MLI circuit has a lower number of switches and lower TSV than the other studies compared. The proposed topology has created a high voltage output stage with low voltage switches. The linear adjustment of the output voltage with a single switch in the step-down circuit facilitates the use of the proposed topology in EVs. A topology suitable for the EV drive system, with a single DC source and an output voltage THD value of 2.7% without using a filter, was obtained.