Design of a photovoltaic power converter for driving and controlling ac motors

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynaklarının mevcudiyeti piyasada artarak önem arzetmeyedevam etmektedir. Yenilenebilir enerjinin verimli bir şekilde kullanılabilmesi için,enerji depolanması, şebekeye enerjinin beslenmesi ve AC motorların sürülmesi gibifarklı uygulamaların desteklendiği uygun güç işleme ekipmanları gerekmektedir. Butezin konusu fotovoltaik modüllerin yenilebilir enerji kaynağı olarak kullanıldığıdurumda elde edilen gücün AC motorların hız kontrolü amacıyla işlenmesidir.Kasikik bir tasarımda bu görev iki aşamada gerçekleştirilir. İlk önce, fotovoltailkmodülden elde edilen DC voltajı, AC motoru sürmeye uygun daha yüksek bir DCvoltaj seviyesine DC-DC çevirici kullanılarak yükseltilir. Daha sonra, elde edilenyükseltilmiş DC voltaj seviyesi 3 faz AC voltaja çevrilir ve bu 3 faz AC voltaj voltajkaynakçevirici devresi kullanılarak AC motor sürülür. AC motoron hızını eldeedilen AC voltajın frekansını ayarlayarak değiştirilebilir.Klasik tasarımın aksine bu tezde AC motoroun sürülmesi için Z-kaynak çeviricidevresine başvurulması önerilmiştir. Z-kaynak devresi özel bir kondansatör -inductor devresi kullanarak DC voltaj yükseltilmesini ve AC voltaj üretimini(dönüşümünün) tek bir aşamada birleştirir. Bu tez ilk once Z-kaynak devresininmodelini sağlamakta ve bu devrenin çalışma prensibin anlatmaktadır. Daha sonra,uzay-vektör darbe genişliği kiplenimi tabanlı değişken frekanslı AC voltajınınüretilmesi ayrıntılı biçimde ele alınmıştır. Bu aşamalar birleştirilerek AC motorlarısürmek amacıyla tam bir voltaj-kaynak çevirici devre tasarımı elde edilmiştir.Tasarımın uygunluğu MATLAB/Simulink'te gerçekleştirilen benzetimuygulamalarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu benzetimlerde farklı karakteristiklere sahipAC motorlarında tasarlanan voltaj-kaynak çevirici devrelerinin optimizeedilebileceği (eniyilenebileceği) görülmüstür. Buna ek olarak, aynı voltaj-kaynakçevirici devresinin donanım birimlerini değiştirmeden sadece basitçe voltajyükseltme kısmını ayarlayarak farklı AC motorlarına kullanılabileceğidoğrulanmıştır.

The availability of renewable energy sources is of increasing importance on themarket. In order to use renewable energy efficiently, suitable power processingequipment is needed to support different applications such as energy storage,feeding energy to the grid or driving AC motors. The subject of this thesis is thepower processing for the speed control of AC motors, whereby photovoltaic (PV)modules are considered as the renewable energy source. In the classical design, thistask is performed in two stages. First, the low DC voltage provided by the PVmodule is boosted to a higher voltage level that is suitable for driving the AC motorusing a DC-DC converter. Second, the resulting DC link voltage is converted to a 3-phase AC voltage that is used for driving the AC motor by the help of a voltagesource inverter (VSI). The frequency of this AC can be changed in order to changethe motor speed. In contrast, this thesis proposes to employ a Z-source inverter (ZSI)as an AC motor drive. The ZSI combines the DC voltage boost and the AC voltagegeneration in a single stage by using a special capacitor/inductor network. The thesisfirst provides the model of the ZSI and discusses the working principle of voltageboost. Then, the generation of a variable frequency AC voltage based on the spacevectorthe pulse width modulation is elaborated. Together, a complete design of aVSI for driving AC motors is obtained. The suitability of the design is evaluated by asimulation study in Matlab/Simulink. It shows that the designed VSI can beoptimized for AC motors with different characteristics. In addition, it is verified thatthe same VSI can be used for different AC motors by simply adjusting the voltageboost, that is, without changing any hardware components.