Köprüsüz güç katsayısı düzeltme devresi tasarım ve kontrolünde yeni bir yaklaşım
A new approach for design and control on bridgeless power factor correction circuit
Yazar: AHMET KARAARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. İRES İSKENDER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç faktörleri = Power factors

Özet:
Teknolojinin hızla gelişmesi ve değişmesi sonucunda ortaya çıkan yeni devre ve kontrol teknikleri nedeniyle istenmeyen harmonik akım ve gerilimlerin oluşması kaçınılmaz hale gelmiştir. Doğrusal olmayan yükler tarafından üretilen şebeke akım harmoniklerini azaltmak için güç katsayısı düzeltim devreleri geliştirilmiştir. Lineer olmayan yükler tarafından üretilen düşük güç katsayısı giriş gerilimini bozmakta ve aynı kaynağa bağlı diğer elemanları etkilemektedir. Klasik güç katsayısı düzeltim devrelerinde kontrol işlemi, giriş akımının giriş gerilimini takip etmesi ilkesine dayanarak gerçekleştirilmektedir. Giriş geriliminin sinüs formunda olmaması ve farklı harmonikler içermesi durumunda giriş akımı da sinüs formunda olmayacak ve giriş gerilimi ile aynı harmonikleri içerecektir. Bu durum, özellikle klasik güç katsayısı düzeltim devreleri bozuk giriş gerilimi ile beslendiklerinde önemli bir dezavantajdır. Önerilen kontrol yaklaşımında klasik yöntemlerde olduğu gibi giriş gerilimi doğrudan referans olarak kullanılmamaktadır. Bunun nedeni, şebeke geriliminin her zaman saf sinüs dalgalı bir sinyal olmamasıdır. Bu yöntemde, örnek alınan şebeke geriliminin sadece sıfır geçiş noktaları DSP mikroişlemcisi yardımıyla tespit edilerek ideal sinüs dalgası üretilmektedir. Böylece şebeke ile aynı faz ve frekansta sinüzoidal dalga üretilerek referans giriş gerilimi elde edilmiş olunmaktadır. Bu durumda bozuk şebeke geriliminin etkisiyle meydana gelen akım harmoniklerinin sisteme yansıması önlenmektedir. Güç katsayısı düzeltim devrelerinde kullanılan köprü doğrultucu ve yarıiletken malzemeler iletim kayıplarını artırmaktadır. Bu çalışmada kullanılan dönüştürücü, köprüsüz güç katsayısı düzeltim devresidir. Kullanılan dönüştürücünün diğer benzeri dönüştürücülerden önemli bir üstünlüğü yarıiletken iletim yolunda oluşan kayıpların az olmasıdır. Köprüsüz güç katsayısı düzeltim devresinde köprü doğrultucu ortadan kalkmakta ve iki adet tek fazlı yükseltici tip dönüştürücü kullanılmaktadır. Sistem, IEC 61000?3?2 akım harmonikleri standart koşullarını başarıyla sağlamaktadır. Tasarımı, denetimi ve anahtarlama teknikleri MATLAB ortamında Simulink blokları kullanılarak yapılmıştır. Köprüsüz güç katsayısı düzeltim devresine önerilen kontrol tekniği uygulanmış ve deneysel çalışmaları tamamlanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar ile teorik sonuçlar birbirini desteklemektedir.

Abstract:
Undesired voltage and current harmonics in an electricity system have become inevitable because of the new circuits and control techniques appeared with the technological growth. The power factor correction (PFC) circuits have been developed to reduce current harmonics in utility systems produced by nonlinear loads. Poor power factor generated by nonlinear loads disrupts the ac line voltage and effects the other equipments connected to the same source. In conventional PFC circuits, the switch of the converter is controlled such that the input current tracks the input ac line voltage. Since the input voltage is not always a sinusoidal wave and includes different harmonic components, the input current will not be a sinusoidal wave and will be distorted including the same harmonic components of the input voltage. This is an important disadvantage of conventional PFC converters especially when they are fed by a distorted ac line voltage. In the proposed control approach, the input voltage is not directly used as reference as in the conventional methods. This is due the fact that, the input ac mains voltage is not always a sinusoidal wave. In this method, an ideal sine wave is generated by a DSP microprocessor based on detected zero crossing points of the input voltage. Thus, a reference signal is generated with the same phase and frequency of the ac mains voltage. In this manner, the injection of the input current harmonics as the result of the distorted input voltage to the ac mains is prevented. Using bridge rectifier and semiconductor components in these converters increases the conduction losses. The topology used in this study, is a bridgeless PFC converter. An important advantage of this topology over the similar PFC converters is that the conduction losses of the semiconductor switches are lower. This is due to minimum possible number of semiconductor switches in the current path at any instant of operation, which is two. This topology is composed of two single-phase boost converters without input rectifier as used in other PFC circuits. The system satisfies the conditions of IEC 61000?3?2 current harmonics standards successfully. The design, control and switching techniques of the circuit have been carried out using Simulink blocks in MATLAB program. The proposed method and the theoretical analysis are verified by the results of experiments carried out in the laboratory.