Elektrikli araçlar için motor sürücü devresinin yüksek çözünürlükte verim analizi
Efficiency analysis of electrical vehicle drive circuit with high resolution
Yazar: FATİH ACAR
Danışman: DOÇ. DR. UĞUR SAVAŞ SELAMOĞULLARI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde enerjiye olan talebin giderek artması ve enerji üretilen kaynakların sınırlı olmasından dolayı enerji verimliliği konusunda yapılan çalışmalar artmıştır. Ulaşım sektöründe de bu gelişmelere kayıtsız kalınmamıştır. Verimlilik esas alınarak yapılan çalışmalarda, elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorlarının veriminin içten yanmalı motorlardan çok daha yüksek olduğu görülmüştür. Buna paralel olarak elektrikli araçlar giderek yaygınlaşmaktadır. Bir elektrikli araç temel olarak batarya, inverter devresi ve elektrik motorundan oluşmaktadır. Elektrikli araçlarda motor, DC-AC (inverter) dönüştürücü tarafından kontrol edilmektedir. Tez çalışmasında Tübitak 1003 projesi kapsamında elektrikli araçlarda kullanılan 3-fazlı asenkron motoru kontrol etmek üzere bir inverter devresi kurulmuş ve bu inverter devresinin verim analizi yapılmıştır.
İnverter devresi IGBT (Insulated gate bipolar transistor), MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) gibi yarı iletken anahtarların kullanıldığı, doğru akımı (DC) alternatif akıma(AC) çeviren elektriksel bir güç dönüştürücü devresidir. Kullanılan yarı iletken anahtarların genellikle yüksek frekanslı darbe genişlik modülasyonu kullanılarak kontrol edilmesi ile inverterin çıkışında istenilen genlik ve frekansta AC gerilim oluşturulabilmektedir. İnverter devresinde kullanılan yarı iletken anahtarlar ideal olmadıklarından, anahtarların iletim ve anahtarlama anlarında kayıplar ortaya çıkmaktadır. İletim ve anahtarlama kayıplarının yanı sıra PWM inverterlerde ek olarak, PWM çalışmaya bağlı olarak akım ve gerilim bileşenleri üzerinde geniş bir frekans bandında sinyaller ortaya çıkmaktadır. Bu da inverter devresinin verim ölçümünde zorluklar oluşturmaktadır. 
Güç elektroniği devrelerinde verim ölçümü elektriksel giriş-çıkış yöntemi, güç analizörleri ve kalorimetrik sistemler kullanarak yapılmaktadır. Hata oranı çok düşük bir ölçüm yapılması için gereken güç analizörleri çok pahalıdırlar. Kalorimetrik sistemler ise pahalı olmasının yanı sıra geniş yer kaplarlar. Aynı zamanda kalorimetrik sistemlerin ölçüm süreleri uzundur. Tez çalışmasında yüksek örnekleme hızına sahip veri toplama kartı kullanılarak dijital bir verim ölçüm sistemi kurulmuştur. Kurulan verim ölçüm sistemi ile yüksek hızda örneklenen (anahtarlama frekansının yaklaşık 125 katı) akım ve gerilim bileşenlerindeki oluşan bütün değişimler algılanabilmekte ve böylece verim ölçümü hassas bir şekilde gerçekleştirilmektedir. Önerilen ölçüm sistemi ve güç analizörü ile yapılan ölçümler karşılaştırıldığında, önerilen sistemin daha iyi bir performans gösterdiği görülmüştür. Yapılan maliyet analizinde ise önerilen sistemin en uygun maliyeti sunduğu görülmüştür.

Abstract:
Ever increasing demand for energy along with the scarcity of energy resources has given an impetus to studies focusing on energy efficiency in various areas including transportation sector. It is known that the electric motors exhibit significantly higher efficiencies than the internal combustion engines.  In parallel with this fact, the electric vehicles have started to draw wide attention. An electric vehicle is mainly composed of a battery pack and an electric motor which is powered and controlled by a DC-AC converter (inverter). In this thesis, conducted within the context of TUBITAK 1003 project, an inverter circuit is designed to control three-phase induction machine. Moreover, the efficiency analysis of the designed inverter circuit is also carried out. 
Inverter, in which semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) are used, is a power electronic circuit that transforms the direct current (DC) into the alternating current (AC). Semiconductor switches are commonly controlled by high frequency pulse width modulation technique which allows obtaining an AC voltage with the desired amplitude and frequency. Since semiconductor switches used in inverters are not ideal, inevitable losses take place during the conduction and switching instants in case of hard switching. In addition to switching losses, challenges arise from the wide frequency spectrum of the output current and voltage waveforms as a result of pulse width modulation. Therefore, accurate measurement of the inverter efficiency becomes a major problem in such inverter circuits. 
In power electronic systems, efficiency measurements are performed by using electrical input-output method, power analyzer and calorimeter system. Power analyzers that are capable of measuring the efficiency with minimum error rate are very expensive. On the other hand, calorimeter systems are costly and occupy large space; furthermore, they result in extended measurement duration. In this study, a digital system for efficiency measurement is established by using a DAQ card with high sampling frequency. The established measurement system is capable of obtaining the efficiency of the inverter accurately by measuring the sampled current and voltage components with high frequency (approximately 125 times of switching frequency). According to the test results and cost analysis given in this thesis, it can be stated that the proposed system presents several superiorities such as higher sampling rate and more sensitive measurement compared to power analyzer use and offers a more cost-effective solution.