Boost konvertör ile PFC ve THD analizi

Boost Konvertör ile PFC ve THD Analizi

Analysis of PFC and THD with the Boost

Akın ÖZEL TBMYO Elektrik Bölümü Bingöl Üniversitesi Bingöl, Türkiye akozel@bingol.edu.tr Nusret TAN

Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi

Malatya, Türkiye nusret.tan@inonu.edu.tr

Özetçe—Boost konvertörün diğer topolojilere üstünlüğünden dolayı bu çalışmada güç katsayısı düzeltme ve harmonik bozulmayı

düşürmek için boost

konvertör topolojisi

kullanılmıştır. Tek fazlı ortalama akım mod

kontrollü devre simülasyonu ve sonuçları MATLAB/Simulinkte yapılmış ve doğrulanmıştır. Anahtar Kelimeler — PFC; THD; boost konvertör.

Abstract—In this paper, the boost converter topology which has advantages over other converter topologies is used to correct power factor and to reduce total harmonic distortion. Single Phase average current mode controlled PFC circuit is

simulated by

MATLAB/Simulink simulation tool and simulation results are verified. The input current and output voltage simulation waveforms are illustrated and analyzed.

Keywords — PFC; THD; boost converter.

I. GİRİŞ

Enerji kalitesi

çoğunlukla yük tarafından bozulur. Akım-gerilim karakteristiği doğrusal olmayan yükler şebekeden sinüs olmayan akımlar çeker ve bu akımlar şebekede sinüs olmayan

gerilim düşümleri

oluşturarak besleme

noktasındaki gerilimin dalga şeklini bozarlar [1].

Anahtarlamalı güç sistemlerinin doğrusal olmayan davranışlarından dolayı bozulmuş akımlar düşük güç faktörü ve yüksek THD (Total Harmonic Distorsion)

sonucunda hattan yayılır. Çoğu güç elektroniği sistemlerinde güç kalitesinin azalması endüstriyel raporlar ve birçok araştırma bulgularında görüldüğü gibi önemli bir sorun olmuştur [2].

Aktif ve pasif güç faktörü düzeltme olmak üzere iki tür güç faktörü düzeltme tekniği vardır. Pasif güç faktörü düzeltme tekniği ile iyi bir güç faktörü elde edilemez ve çıkış gerilimi de kontrol edilemez. Sonuç olarak daha iyi sonuç elde etmek için aktif güç faktörü düzeltme tekniği kullanılır [3].

PFC (Power Factor Correction) ana kaynaktan alınan aktif gücü artırmak amacıyla ana gerilimle senkronize etmek için güç kaynağının giriş akımının şeklini ayarlar. Mükemmel bir PFC devrede giriş akımı giriş gerilimini takip eder. Aktif PFC herhangi bir temel topoloji ile yapılabilmesine rağmen, boost konvertör PFC uygulamalarında kullanılan en popüler topolojidir [2]. En popüler aktif PFC kontrolörü sürekli giriş akımından dolayı boost konvertördür. Akım mod

kontrol teknikleri

kullanılarak bu giriş akımının bir sinüzoidal referansı takip etmesi sağlanabilir. Farklı akım mod kontrol teknikleri vardır ama en iyi sonuç (avantajlarından dolayı) ortalama akım mod kontrol tekniğinden elde edilir

[3].Bu nedenle

çalışmamızda ortalama akım mod kontrol tekniği kullanılmıştır. Bu çalışmada boost konvertörün tasarımı ve uygulamaları Matlab/Simulink ortamında yapılmıştır. Çalışma beş bölümden

oluşmuştur. İkinci

bölümde boost konvertör ve kontrolü hakkında bilgi

verilmiştir. Üçüncü

bölümde ise THD ve güç

katsayısı düzeltme

hesapları yapılmıştır.

Dördüncü bölümde

sonuçlar elde edilmiş ve tartışılmıştır. Son bölümde gelecek çalışma hakkında bilgi verilmiştir.

II. BOOSTKONVERTÖR VEKONTROLÜ A. Boost Konvertör

Şekil 1. Boost konvertör

Şekil 1’de verilen boost konvertöre ait durum denklemleri aşağıdaki gibidir.

S anahtarının (on) kısa devre olması durumunda

L i Ldi v dt  (1) vcvo (2) S anahtarının (off) açık devre olması durumunda L i o Ldi v v dt   _{} (3) Boost konvertöre ait küçük sinyal ortalama durum uzay modeli ve

transfer fonksiyonu

aşağıdaki gibidir. Burada 1

D  Dolarak

alınmıştır [4]. D görev saykılı veya PWM

anahtarlama zamanı

içerisindeki doluluk oranı olarak adlandırılır ve 1 i o v v D   den hesaplanır. 2. denklemde olduğu gibi

c o v v alınır. ˆ 1 ₀ ˆ _ˆ ˆ 1 ˆ ˆ 0 c L c c L L dv D I v dt RC C _e C _d V D di i L L L dt    _  _{ } _     _{    }      _{    }       _    _{ }     _ _ _ _   (4)

 

 

Şekil 4. Boost konvertör PFC

kontrolü modeli [ 5], [ 6] PFC konvertörlerde kullanılan birkaç çeşit akım mod kontrol tekniği vardır. Bunlar ortalama akım mod, peak akım mod, histerezis akım mod ve öngörmeli akım mod teknikleridir.

Bu çalışmada Şekil 4’te görüldüğü gibi ortalama akım yöntemi ile kontrol yapılmıştır. Ayrıca bu yapı içinde giriş akım sinyalini giriş gerilimi ile aynı fazlı sinüzoidal sinyal yapmak amaçlı olarak iki

kontrol çevrimi kullanılmıştır.

Boost konvertör

değişen yük ve giriş gerilimi koşulları altında düzgün bir çıkış gerilimi sağlar. Konvertör eleman değerleri sıcaklık, basınç ve zamanla da değişir. Bu nedenle çıkış gerilimini kontrolü negatif geri

besleme prensipleri

kullanılarak bir kapalı

çevrim temelinde

yapılmalıdır. PWM DC-DC konvertörlerin iki en yaygın kapalı çevrim kontrol metodu gerilim mod kontrol ve akım mod kontrol tekniğidir (Şekil 6) [7].

Gerilim mod kontrolde çıkış gerilimi regüle edilir ve bir gerilim bölücü dirençle geri beslenir. Bu geri besleme gerilimi bir

gerilim hata

yükseltecindeki istenen Vref dış referans gerilimi ile

karşılaştırılır. Hata yükseltici sabit bir genlikli testere dişli sinyalle karşılaştırılan bir kontrol

gerilimi sağlar.

Karşılaştırıcı veya PWM

modülatör DC-DC

konvetörde anahtarların beslenmesi için bir PWM sinyali üretir. PWM sinyalin görev oranı (D)

kontrol geriliminin

değerine bağlıdır [7]. Ortalama akım mod kontrol Şekil 6’da gösterilmiştir. Gerilim kontrol sistemine bir akım kontrol katı eklenmiştir. Ama gerilim kontrole göre daha hızlı bir kontrol şekli elde edilmiştir [7]. Aşağıda konvertör parametrelerinin denklemleri verilmiştir[8]. (min) o i o V V D V   (6) (min) 2 2 in pk in P I V  (7) %20 IL IPK   (8) in s V DT L I   (9) 2 2 min 2 o _H o P t C V V   (10) III. THD VE GÜÇ FAKTÖRÜ HESABI Bir devrenin güç faktörü ve THD diğer değerleri aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir [9], [10]. 1 1 ( ) T inort IN IN Gercekguc P V I dt T 

_

1 1 . .cos( ) cos( ) . rms rms rms rms rms rms V I I PF V I I  _   (14) Burada Vrms ve Irms hat gerilimi ve akımın RMS değerleridir.Irms1 hat

akımı temel harmoniği  ise akım ve gerilim arasındaki kayma faz farkıdır.

Bu durumda güç faktörü bozulma faktörü ve kayma faktörü şeklinde iki ifade olarak yazılabilir.

cos( ) k_   ve D rms1 rms I k I  olarak yazılabilir.

Tam bir rezistif yükte akım ve gerilim aynı fazlı sinüs dalgası olacak ve gerçek güç görünür güce eşit olacaktır. Yani PF=1 değerini alır. Bu durumda akım ve THD değeri aşağıdaki gibi bulunur [10]. 2 1 rms rmsn n I  I  



Şekil 5. Boost konvertör ve tüm

sistemin blok şeması

Şekil 6. Boost konvertör ortalama

akım mod PFC kontrolör katı

IV. SİMULASYON SONUÇLARI Sistem tasarımının doğrulanması için MATLAB/Simulinkte simulasyon gerçekleştirildi ve sonuçlar alındı. Tasarlanan sistemin parametreleri ve değerleri Tablo1 de verilmiştir. Boost konvertörün PFC’li ve PFC’siz kontrole ait

toplam harmonik distorsiyonları (THD) şekil 7 ve 10’da verilmiştir. PFC’li kontrolde THD % 61.01’den % 8.38’e düşürülmüştür. Şekil 11’de ise giriş gerilimi ve akımının aynı fazlı olduğu (giriş gerilimi ona bölünmüş akımı ise iki ile çarpılmıştır)

görülmektedir. Şekil 9’da çıkış geriliminin PFC’li kontrol için referans gerilim olan 310 V’u yakaladığı görülmektedir. Şekil 8’de güç faktörü (PF) ölçümü yapılmıştır. Bu değerin önceki bölümde belirtilen değer olan (1) e yakın olduğu görülmektedir. Yani giriş akımı ve geriliminin yaklaşık olarak aynı fazlı olduğu bu yöntemle de tespit edilmiştir.

PFC Boost konvertöre ait değerler

Parametreler Değerleri Vi 220 V Vo 310 V L 15e-3 H C 2000e-6 F RLoad 144 Ω Vref 310 V fs 10 kHz Po 670 W

Tablo 1. PFC Boost konvertöre

Şekil 7. PFC kontrolsüz giriş

akımı ve THD sonucu

Şekil 8. PFC kontrollü sisteme ait

(PF) güç faktörü değişimi

r Şekil 9. Elde edilen çkış gerilimi (Vo)

Şekil 10. PFC kontrollü giriş

akımı ve THD sonucu

Şekil 11. PFC kontrollü giriş

gerilimi ve akımı (Vi/10 ve ix2 alınmıştır)

V. SONUÇ Giriş akımı THD değeri azaltılmış (% 61.01’den % 8.38’e düşürülmüştür) ve giriş akımı ile gerilimi aynı fazlı duruma getirilmiştir. Giriş akımında 3. ve 5. harmonikler oluşmuştur. Giriş akımındaki 3. ve 5. harmoniklerin ortadan kaldırılması gerekmektedir. Gelecek çalışmada filtre kullanılarak bu harmoniklerin ortadan kaldırılması konusunda çalışılacaktır. KAYNAKÇA [1] Karaarslan A. , Köprüsüz Güç Katsayısı Düzeltme Devresi Tasarım ve Kontrolünde Yeni Bir Yaklaşım, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2011.

[2] Premkoumar T. et al. ,

Power Factor Correctıon Cırcuıt Usıng Dıgıtal PI Controller:, International Journal of Technology and Engineering Science (IJTES) Vol 1(6), pp:1049-1053,Sept 2013 ISSN:2320-8007 1049.

[3] Maulik S. , Saha P. K. ,

Pand G. K. , Power Factor Correction and THD Minimization by Interleaved Boost Converter in Continuous Conduction Mode, Int. Journal of Engineering Research and Applications www.ijera.com ISSN: 2248-9622, Vol. 4, Issue 2( Version 1), 2014, pp.704-708. [4] Hassanzadeh A. , Monfared M., Golestan S. , Dowlatabadi R. ,Small Signal Averaged Model of DC Choppers for Control Studies ,2011 International Conference on Electrical Engineering and Informatics, Bandung, Indonesia,17-19 July 2011. [5] Bose B.K. , "Power Electronics and Motor Drivers ",Elseiver Inc.,

Burlington, 2006.

[6] Han Y. , Xu H. , Li D. ,

Zhang Z. , Lei S., "Research of the Single-Switch Active Power Factor Correction for the Electric Vehicle Charging System" ,2013.

[7] Vijaya P. Prasuna, Rama

Rao J.V.G., Ch. M. Lakshmi "Improvement in Power Factor & THD Using Dual Boost Converter", ,Research and Applications (IJERA) ISSN: 2248-9622 www.ijera.com Vol. 2,

Issue4, July-August 2012, pp.2368-2376

[8] Noon J.,TI UC3855A/B

High Performance Power Factor

Preregulator,Application Report ,SLUA146A ;April 2004.

[9] Qingcong H. , Regan Z. ,

0.9 PF LED Driver with Small LED Current Ripple Based on Series-input Digitally-controlled Converter Modules, 2010.

[10] Brown R. , Soldano M.,

PFC Converter Design with IR1150 One Cycle Control IC, Aplication Note AN 1077,2.3, International Rectifier ,June 2005.