Uzay vektör ve sinüzoidal darbe genişlik modülasyon tabanlı tek fazlı eviricilerin karşılaştırmalı analizi
Comparative analysis of space vector and sinusoidal pulse width modulation based single phase inverters
Yazar: ADNAN DENİZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DAVUT ERTEKİN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Harmonikler = Harmonics ; Modülasyon yöntemleri = Modulation methods ; Sinüzoidal modelleme = Sinusoidal modelling ; Tek fazlı akış = Single phase flow ; Uzay vektörü kuramı = Space vector theory ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu çalışmada, tek faz eviricilerin güç anahtarlarının kontrolü için gerekli olan iki farklı Darbe Genişlik Modülasyonu (DGM) karşılaştırılmıştır. Uzay Vektör Darbe Genişlik Modülasyonu (UVDGM) ve Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyonu (SDGM) eviricilerin güç anahtarlarının kontrolünde sık kullanılan tekniklerdir. Bu iki tekniğin evirici yapılarında yaygın kullanılmasının sebepleri, matematiksel denklemlerin karmaşık olmaması, sistemin boyutları, anahtarlama kayıplarının az olması ve evirici kontrollünde önemli bir parametre olan Toplam Harmonik Bozulma (THB) DGM tekniği kullanılarak uygun düzeye indirilebilmesidir. SDGM tekniği kullanılarak anahtarlanan eviriciye, yarı Z- kaynak dönüştürücün ürettiği sinüs sinyali eviricinin giriş kısmına bağlanır ve evirici çıkışında filtre kullanılmadan sinüzoidal sinyal elde edilir. THB daha iyi bir düzeye indirebilmek ve saf sinüzoidal gerilim sinyali oluşturmak için yarı Z-kaynak dönüştürücü bloğunda iki adet güç anahtarı, iki adet kondansatör ve iki adet indüktör kullanılarak devre oluşturulmuştur. Endüktif ve kapasitif yükler incelendiğinde saf sinüzoidal akım ve gerilim dalgaları üretmesi evirici çıkışındaki gerilim ve akım sinyallerinin THB değerlerinin olumlu yönde etkilendiğini göstermektedir. UVDGM ise üstün performans özelliği ve gelişmiş yoğun matematiksel denklemler içeren DGM tekniğidir. UVDGM tekniğinin anahtar kayıplarını en minimum seviyeye düşürmek için uygulanan adımlar, Clarke dönüşümü teoremi ile üç faz referans genlikleri tek faz şekline çevrilmiştir. Doksan derece olacak şekilde dört sektör tanımlanmıştır. Alfa ve beta açıları referans alınarak dört sektörde sinüs dalgası oluşacak şekilde matematiksel denklemler oluşturulmuştur. Gerilim ve akım sinyallerinin sinüzoidal olabilmesi ve THB olumlu yönde etkilenmesi için LC filtre kullanılmıştır. Önerilen iki teoremde MATLAB Simulink ile matematiksel modelleri kontrol edilerek doğrulanmıştır. İki metot karşılaştırıldığında, UVDGM tekniği ile kontrol edilen evirici çıkışındaki gerilimin THB değeri %2.20'dir, yarı Z-kaynak dönüştürücü ve SDGM tekniği ile kontrol edilen evirici çıkışındaki gerilim THB değeri ise %2.13'tür. İki farklı DGM tekniği kullanılarak kontrol edilen eviricilerin çıkışında 220 Volt sinüs dalga şekli ve THB bozulma değerlerinin birbirlerine yakın olması incelenmiştir. Karşılaştırılan eviricilerin giriş doğru akım değeri 240 Volt, frekans 50 Hz ve modülasyon indeksi yaklaşık 0.75 olduğu durumda çıkışlarına iki yük bağlanarak gerilim ve akım sinyallerinin şekillerinde oluşan değişimler gözlemlenmiştir. İkinci yük devreye girdiğinde gerilim sinyallerinde herhangi bir değişim saptanmazken, akım sinyallerinde iki kat yükselme görülmüştür.

Abstract:
In this study, two different Pulse Width Modulation (PWM) techniques required for the control of power switches of single-phase inverters are compared. Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) and Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) are among the techniques commonly used in the control of power switches of inverters. The reasons for the widespread use of these two techniques in inverter structures are that the mathematical equations are not complicated, smaller dimensions of the system, fewer switching losses and fewer Total Harmonic Distortion (THD) values which is an important parameter in inverter control. The sinusoidal signal produced by the Quasi Z-source converter is connected to the inverter switched using the SPWM technique, and a sinusoidal signal is obtained at the output of the inverter without using a filter. In order to reduce THD and to generate a pure sinusoidal voltage signal, a circuit is constructed using two power switches, two capacitors and two inductors in the Quasi Z-source converter block. When inductive and capacitive loads are examined, the fact that they produce pure sinusoidal current and voltage waves shows that the voltage and current signals at the inverter output nodes are positively affected by THD. SVPWM, on the other hand, is a PWM technique that includes superior performance and advanced intense mathematical equations. The steps applied to minimize the switches losses of the inverter which are driven by the SVPWM technique are done through conversion into a single-phase shape with the Clarke transform theorem. Four sectors were defined with ninety degrees. By taking alpha and beta angles as the references, mathematical equations were created in such a way that sine waves were formed in four sectors. An LC filter was used to make the voltage and current signals sinusoidal and positively affect THD. The two proposed theorems were verified by checking their mathematical models with MATLAB Simulink. When the two methods are compared, the THD value of the voltage at the output of the inverter controlled by the SVPWM technique is 2.20%, and the voltage THD value at the output of the inverter controlled by the Quasi Z-source converter and the SPWM technique is 2.13%. When the input direct current value of the compared inverters is 240 Volt, the frequency is 50 Hz and the modulation index is approximately 0.75, two loads are connected to the outputs and the changes in the shapes of the voltage and current signals are observed. When the second load was added, no change was detected in the voltage signals, while a double increase was observed in the current signals.