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

Abstract

The availability of renewable energy sources is of increasing importance on the market. In order to use renewable energy efficiently, suitable power processing equipment 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 the power processing for the speed control of AC motors, whereby photovoltaic (PV) modules are considered as the renewable energy source. In the classical design, this task is performed in two stages. First, the low DC voltage provided by the PV module is boosted to a higher voltage level that is suitable for driving the AC motor using 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 voltage source inverter (VSI). The frequency of this AC can be changed in order to change the 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 voltage generation in a single stage by using a special capacitor/inductor network. The thesis first provides the model of the ZSI and discusses the working principle of voltage boost. Then, the generation of a variable frequency AC voltage based on the spacevector the pulse width modulation is elaborated. Together, a complete design of a VSI for driving AC motors is obtained. The suitability of the design is evaluated by a simulation study in Matlab/Simulink. It shows that the designed VSI can be optimized for AC motors with different characteristics. In addition, it is verified that the same VSI can be used for different AC motors by simply adjusting the voltage boost, that is, without changing any hardware components

Yenilenebilir enerji kaynaklarının mevcudiyeti piyasada artarak önem arzetmeye devam etmektedir. Yenilenebilir enerjinin verimli bir şekilde kullanılabilmesi için, enerji depolanması, şebekeye enerjinin beslenmesi ve AC motorların sürülmesi gibi farklı uygulamaların desteklendiği uygun güç işleme ekipmanları gerekmektedir. Bu tezin konusu fotovoltaik modüllerin yenilebilir enerji kaynağı olarak kullanıldığı durumda elde edilen gücün AC motorların hız kontrolü amacıyla işlenmesidir. Kasikik bir tasarımda bu görev iki aşamada gerçekleştirilir. İlk önce, fotovoltailk modülden elde edilen DC voltajı, AC motoru sürmeye uygun daha yüksek bir DC voltaj seviyesine DC-DC çevirici kullanılarak yükseltilir. Daha sonra, elde edilen yükseltilmiş DC voltaj seviyesi 3 faz AC voltaja çevrilir ve bu 3 faz AC voltaj voltajkaynak çevirici devresi kullanılarak AC motor sürülür. AC motoron hızını elde edilen AC voltajın frekansını ayarlayarak değiştirilebilir. Klasik tasarımın aksine bu tezde AC motoroun sürülmesi için Z-kaynak çevirici devresine 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 devresinin modelini sağlamakta ve bu devrenin çalışma prensibin anlatmaktadır. Daha sonra,uzay-vektör darbe genişliği kiplenimi tabanlı değişken frekanslı AC voltajının üretilmesi ayrıntılı biçimde ele alınmıştır. Bu aşamalar birleştirilerek AC motorları sürmek amacıyla tam bir voltaj-kaynak çevirici devre tasarımı elde edilmiştir. Tasarımın uygunluğu MATLAB/Simulink'te gerçekleştirilen benzetim uygulamalarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu benzetimlerde farklı karakteristiklere sahip AC motorlarında tasarlanan voltaj-kaynak çevirici devrelerinin optimize edilebileceği (eniyilenebileceği) görülmüştür. Buna ek olarak, aynı voltaj-kaynak çevirici devresinin donanım birimlerini değiştirmeden sadece basitçe voltaj yükseltme kısmını ayarlayarak farklı AC motorlarına kullanılabileceği doğrulanmıştır