Empedans kaynaklı inverterin işlemsel zekâ tabanlı kontrolü
Computational intelligence based control of impedance source inverter
Yazar: ALİ RIZA YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. BURCU ERKMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişen teknoloji ile birlikte elektrikli motor kullanımı gün geçtikçe yaygınlaştığından motor kontrolü ile ilgili çalışmalar popüler hale gelmiştir. Elektrik motorları sürücü sistemleri açısından değerlendirildiğinde, DC motor, endüksiyon motoru ve sabit mıknatıslı asenkron motor olarak farklı kategorilerde incelenebilir. Özellikle son yıllarda endüksiyon motorlar üzerine yapılan çalışmaların, DC motorlar üzerine yapılan çalışmalara göre daha yaygın olduğu görülmektedir. Gelişmiş elektrikli motorlarda, sistemin verimli çalışması sürücü devresinde kullanılan inverter modeline ve bu model için gerekli olan kontrol ünitelerinin tasarımına bağlıdır. Bu kontrol ünitesinin tasarımı hem güvenlik hem de performans kriterlerini sağlamalıdır. İnverterlere yönelik çalışmalarda özellikle verimi arttırmak adına transformatörsüz modeller üzerine yoğunlaşılmış ve bu durum neticesinde hem yükseltme hem de düşürücü modda çalışabilen ve bir DC-DC düşürücü devresine ihtiyaç duymayan empedans kaynaklı inverter modeli popüler hale gelmiştir. İnverterlerin tasarımı ve kontrolü, güç aktarımını maksimuma çıkarmak ve toplam güç dönüşüm sisteminin çalışma verimliliğini ve güvenilirliğini arttırmak için çok önemlidir.
Dijital teknolojilerdeki hızlı gelişmeler tasarımcılara, paralel programlamayı temel alan Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) kullanarak kontrolör tasarlama seçeneği kazandırmıştır. FPGA'ların klasik mikroişlemcilere göre birçok avantaj sağladığı gerçeği güç elektroniği temel alanlarında özellikle motor sürücü devrelerinin tasarımlarında tercih edilmelerini sağlamıştır. Bu avantajlar temel olarak hız, düşük güç tüketimi, tasarımda getirdiği rahatlık ve uyarlanabilirlik olarak sıralanabilir. 
İşlemsel zekâ tabanlı yapıların sağladığı başarılı sonuçlar, kolay uygulanabilirliği ve işlem rahatlıkları sayesinde oldukça yaygınlaştığı görülmektedir. Güç elektroniği devre tasarımlarında, sezgisel algoritmaların kullanımı, özellikle devre parametrelerinin optimizasyonu sürecinde sunduğu verimli sonuçlar nedeniyle artmaktadır. 
Ancak, parametre optimizasyonu için rastgele süreçlere dayanan bu modellerin kontrol yapısının tasarımında kullanımı devreyi kararsızlığa götürebileceğinden mümkün olmamaktadır.
Bu tez çalışmasının ilk aşamasında, güç elektroniği devre tasarımlarında kullanılabilecek, sezgisel algoritma temelli yeni bir optimizasyon yaklaşımı olan iteratif indirgemeli sezgisel algoritma (Iterative Reduction based Heuristic Algorithm-IRHA) önerilmiştir. 
Önerilen yöntemin teorik analizi yapılarak, empedans kaynaklı inverter (Z Source Inverter-ZSI) için uyguluğu ispat edilmiştir. Sonraki aşamada simülasyon ortamında, elde edilen kapalı çevrim sistemin referans takibinde göstermiş olduğu performans ile güvenilirliği kanıtlanmıştır.
Son aşamada ise, önerilen kapalı çevrim kontrol yapısı ile darbe genişlik modülasyonu (Pulse Width Modulation-PWM) kontrol yapıları FPGA (Nexys 4 DDR, Xilinx Company) üzerinde paralel programlama tekniği ile gerçeklenmiştir. Bu sayede kompakt bir kontrol ünitesi sunulmuş ve bu ünitenin başarımı laboratuvar ortamında asenkron motorların çalışma aralıkları düşünülerek belirlenen farklı gerilim seviyeleri altında alınan sonuçlar ile ispatlanmıştır. Alınan sonuçlarda, giriş geriliminde meydana gelen %30'a varan değişimlere sistemin başarılı bir tepki verdiği ve FPGA teknolojisinin hızı sayesinde anlık sıçramaların %5'ler seviyesine düşürüldüğü gözlenmiştir.

Abstract:
As the use of electric motors has become prevalent with the developing technology, studies related to motor control have become popular. When the electric motors are evaluated in terms of drive systems, it can be examined in different categories such as DC motor, induction motor and permanent magnet asynchronous motor. Especially in recent years, studies on induction motors are more common than studies on DC motors. In advanced electric motors, the efficient operation of the system depends on the inverter model used in the drive circuit and the design of the control units required for this model. The design of this control unit must meet both safety and performance criteria. In inverter studies, especially in order to increase efficiency, transformerless models have been focused and as a result of this, the Z-source inverter which can work in both boost and buck mode and does not need a DC-DC reducer circuit has become popular. The design and control of the inverters play an important role in maximizing power transmission and increasing the operating efficiency and reliability of the total power conversion system.
Rapid developments in digital technologies have enabled designers to design controllers using the Field Programmable Gate Array (FPGA) which are based on parallel programming. The fact that FPGAs offer many advantages over conventional microprocessors has enabled it to be preferred in the field of power electronics especially in the design of motor drive circuits. These advantages are mainly, speed, low power consumption, design comfort, and adaptability.
It is seen that computational intelligence-based structures have become widespread due to their successful results, ease of applicability and ease of operation. The use of heuristic algorithms in power electronics circuit designs is increasing, especially in the optimization of circuit parameters, due to the efficient results it offers.  However, in the design of the control structure, the models that rely on random process for parameter optimization cannot be used, since it can make the circuit unstable. In the first stage of this thesis, IRHA has been proposed as a new optimization approach based on the heuristic algorithm, which can be used in power electronics circuit designs. The proposed method has been proved for ZSI by theoretical analysis. In the next stage, the reliability of the obtained closed-loop system in the simulation environment has been proved by the performance it has shown in the reference follow-up. In the last stage, the proposed closed-loop control structure and PWM control structures are implemented in a parallel programming technique on FPGA (Nexys 4 DDR, Xilinx Company). In this way, a compact control unit has been presented and the performance of this unit is proved with the results obtained under different voltage levels determined by considering the working range of asynchronous motors in the laboratory environment. The results show that the closed-loop system responds successfully to changes in the input voltage up to 30% and the overshoot reduces to 5%. by the help of the speed of the FPGA technology.