Anahtarlama açılarının sezgisel yöntemlerle optimize edilerek, evirici beslemeli asenkron motorlardaki harmoniklerin azaltılması
Reduction of harmonics in inverter-fed asynchronous motors by optimizing switching angles using heuristic methods
Yazar: METİN DOĞAN
Danışman: PROF. DR. ALİ FUAT BOZ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters ; Metasezgiseller = Metaheuristics ; Motor sürücüsü = Motor driver ; Üç fazlı asenkron motorlar = Three phase induction motors

Özet:
Eviriciler, herhangi bir DA kaynağından aldığı gerilimi işleyerek, sabit veya değişken genlik ve frekanslı AA sinyali elde etmek için kullanılan güç elektroniği devreleridir. Kısacası, doğru akımı alternatif akıma çeviren elektriksel bir güç çeviricisi olarak tanımı yapılmaktadır. Evirici çıkışında üretilen AA güç, kullanılan transformatörlere, anahtarlama ve kontrol devrelerine bağlı olarak herhangi bir gerilimde ve frekansta olabildiği görülmektedir.
Bu çalışmanın amacı, evirici ile beslenen asenkron motora, harmonikleri en aza indirilmiş, daha kaliteli bir enerji sağlamak, dolayısıyla piyasada çok sık kullanılan bu motorların verimini yüksek tutmak, ömürlerini uzatmak, kayıplarını ve ısınmalarını azaltmaktır.
Bu tez çalışmasının ispatı olacak hipotez ise; Sinüs PWM (SPWM), Genetik Algoritma (GA) ve Ateşböceği Algoritmalarından (AbA) elde edilen optimum anahtarlama (tetikleme) açılarının, bu çalışmada tasarlanan evirici devresindeki mikroişlemciye kodlanarak motorun sürülmesi ve sonucunda, hangi yöntemin hangi şartlarda (motorun farklı yüklenme durumlarında) harmonikleri daha iyi azalttığını ispatlamak / gözlemlemek olarak tasarlanmıştır. Tez çalışması kapsamında tasarlanan sürücünün yapısında yüksek örnekleme frekansına sahip IPM ve işlemci bulunmaktadır, bunlar maliyeti artırır. Buna rağmen bu sürücü, piyasada üretilen 3 fazlı AsM sürücüleri incelendiğinde, en uygun sürücüye kıyasla %40 daha az maliyete sahiptir.
Önceki çalışmalarda ortaya konulan tasarımlardan farklı olarak bu çalışmada sunulan konfigürasyonda sistemin boyutu, fiyatı, bileşen kullanımı ve karmaşıklığı daha aza indirgenmiştir. Ayrıca anahtarlama kayıpları ve sıcaklık artışını azaltması, ekstra filtre ve sinyal üreteci kullanımına gerek duymaması, gerilim izleyiciye sahip olması, işlem gücünün yüksek olması, aşırı akım, kısa devre ve ısıl korumasının olması, ayrı ayrı IGBT kullanmak yerine tek bir modül kullanıldığından maliyetinin az olması, anahtarlama frekansına daha hızlı tepki vermesi gibi avantajlarından dolayı sürücünün tasarımında IPM'e yer verilmiştir. Yine önceki çalışmalarda genel olarak gözlenen, seçilmiş harmoniklerin elenmesi metodunun dezavantajları sebebiyle bu çalışmada yeni algoritmalar uygulanmıştır. Problemin çözümü için kullanılan sezgisel yöntemler ve sürücü tasarımında kullanılan elemanlar bir bütün olarak düşünüldüğünde, kendine özgü bir sistem ortaya çıkmıştır.
Kullanılan modülasyon tekniği sayesinde motora uygulanan gerilimin ve motorun çektiği akımın harmonik bileşenleri düşürülmüş, THB azaltılmış, enerji verimliliği artırılmıştır.

Abstract:
Inverters are power electronic circuits used to obtain AC voltage, which have constant or variable amplitude and frequency by processing the voltage received from any DC source. In short, it is defined as an electrical transducer that converts direct current to alternating current. It can be seen that AC power produced at the inverter output can be at any voltage and frequency depending on the used transformers, switching and control circuits.
The purpose of this study is to provide a higher quality energy to the asynchronous motor fed with the inverter by minimizing harmonics, thus increasing the efficiency of these motors, which are used frequently in the market, extending their lifetime, reducing their losses and reducing their heating. 
The hypothesis that will be the proof of this study is that the optimum switching (triggering) angles obtained from Sine PWM (SPWM), Genetic Algorithm (GA), and Firefly Algorithms (AbA) are coded to the microprocessor in the inverter circuit which is designed in this study. As a result of driving the motor, it will be determined and also proved/observed that which method under which conditions will be reduced the motor harmonics better than the others under different load conditions. In the structure of the driver designed within the scope of the thesis study, there are processors with IPM and high sampling frequency, which increase the cost. However, when the 3-phase AsM drivers produced in the market are examined, the cost of this driver is 40% cheaper than the most suitable driver.
Unlike the designs introduced in previous studies, the configuration presented in this study has reduced the size, price, component utilization and complexity of the system. It also reduces switching losses and temperature increase, does not require extra filter and signal generator use, has voltage monitor, has high processing power, has overcurrent, short circuit and thermal protection, and is less expensive because a single module is used instead of using separate IGBT, because of its advantages, such as faster response to switching frequency, the drive's design includes IPM. Also, new algorithms have been implemented in this study because of the disadvantages of the method of elimination of selected harmonics, which is generally observed in previous studies. Given the intuitive methods used to solve the problem and the elements used in the drive design as a whole, a unique system has emerged.
Thanks to the modulation technique used, the harmonic components of the voltage applied to the motor and the current absorbed by the motor have been reduced, the THD has been reduced, energy efficiency increased.