Doğrusal olmayan yüklerin akım harmoniğini bastırmak için yumuşak anahtarlamalı aktif güç filtre tasarımı
Soft switching active power filter design to suppress the current harmonic of nonlinear loads
Yazar: HAKAN DONUK
Danışman: DOÇ. DR. BİLAL GÜMÜŞ
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Aktif güç filtreleri = Active power filters ; Anahtarlama = Switching ; Yumuşak anahtarlamalı inverter = Soft switching inverter

Özet:
Güç elektroniği alanında son yıllarda yaşanan teknolojik ilerlemeler nedeniyle yarıiletken güç elemanları, AA/DA dönüştürücüleri, anahtarlamalı güç kaynakları, motor sürücüleri, ark ocakları ve diğer güç elektroniği dönüştürücüleri gibi doğrusal olmayan yüklerin kullanımı çok fazla oranda artmıştır. Başta akım harmonikleri olmak üzere gerilim harmonikleri ve dengesizlikleri de bu yüklerin kullanımından kaynaklanarak güç kalitesi problemlerine neden olmaktadır. Doğrusal olmayan yüklerin meydana getirdiği akım harmoniklerinin filtrelenmesinde her ne kadar pasif filtreler kullanılsa da performans ve güvenirlik açısından birçok eksikleri mevcuttur. Gelişen mikro işlemci ve güç elektroniği mimarileri sayesinde pasif filtrelere göre birçok üstünlüğü bulunan aktif güç filtresi (AGF) adı verilen aktif anahtarlamalı sistemlerin kullanımı mümkün hale gelmiştir. Yarıiletken anahtarların güç kayıpları performans ve verimi etkileyen unsurlar olduğundan bu tez çalışmasında, verimi yükseltmek için PAGF'ye yumuşak anahtarlamalı paralel rezonans da hat (PRDCL) yapısı uygulanmış ve bu topoloji için yeni bir anahtarlama kontrol tekniğinin analiz, tasarım, benzetim ve deneysel gerçekleştirimine odaklanılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında PAGF'lerde kullanılan teorilerin ve topolojilerin genel bir analizinin ardından referans çıkartım, akım kontrol yöntemleri, anahtarlama metodları, önerilen yumuşak anahtarlama kontrol tekniğinin uygulamaları ve anahtarlama güç kayıp hesaplaması Matlab/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Matlab/Simulink ortamında gerçek modeller kullanılarak hazırlanan üç fazlı PAGF'ye önerilen teknik uygulanmış, anahtarlama kayıp enerjileri büyük ölçüde azaltılmış ve deneysel çalışma ile doğrulanmıştır. Yarıiletken anahtar güç kayıplarının hesaplanmasına ilişkin bir yazılım modeli hazırlanarak yarıiletken anahtarların katalog verilerinden detaylı güç tüketimleri hesaplanmış ve kayıp analizi yapılmıştır. Belirlenen PAGF anma değerlerine göre eleman seçimi ve güç katının oluşturulmasına yönelik ön tasarım çalışmalarından sonra laboratuvar prototipi kurulmuştur. Deneysel sonuçlara göre PAGF evirici verimi 15 kHz frekansı ve tam yükte %3,65 oranında yükselmiş olup akım harmonik seviyesi (THBi) belirlenen sınır limitler dahilinde olduğu ölçülmüştür.

Abstract:
Due to the technological advances in power electronics in recent years, the use of non-linear loads such as semiconductor power elements, AC/DC converters, switched-mode power supplies, motor drivers, arc furnaces and other power electronics converters has increased tremendously. Voltage harmonics, especially current harmonics, and imbalances also cause power quality problems due to the use of these loads. Although passive filters are used to filter current harmonics caused by non-linear loads, they have many shortcomings in terms of performance and reliability. Thanks to the developing microprocessor and power electronics architectures, it has become possible to use active switched systems called active power filters (AGF), which have many advantages over passive filters. Since power losses of semiconductor switches are factors that affect performance and efficiency, in this thesis, a soft-switched parallel resonance line (PRDCL) structure was applied to SAPF to increase efficiency and focused on the analysis, design, simulation and experimental implementation of a new switching control technique for this topology. Within the scope of this thesis, after a general analysis of the theories and topologies used in SAPFs, reference extraction, current control methods, switching methods, applications of the proposed soft switching control technique and switching power loss calculation were carried out in Matlab / Simulink environment. The proposed technique was applied to the three-phase SAPF, which was prepared using real models in Matlab / Simulink environment, the switching loss energies were greatly reduced and verified by experimental study. A software model was prepared for the calculation of semiconductor switch power losses, and detailed power consumptions of the semiconductor switches were calculated from the catalog data and loss analysis was performed. After the preliminary design studies for the selection of the element and the creation of the power stage according to the determined SAPF nominal values, the laboratory prototype was established. According to the experimental results, SAPF inverter efficiency increased by 3.65% at 15 kHz frequency and full load, and the current harmonic level (THDi) was measured to be within the specified limit limits.