Fuzzy Logic Based Power Factor Correction in Single Phase AC-DC System

Abstract

In recent years, there has been a significant increase in the number of power electronics converters used in both industrial and home appliances devices. The utilization of electronic ballasts and switching mode power supply in power conservation introduced the trouble of power quality. The currents used by these devices are not sinusoidal and these currents are known as non- linear. Boost type power factor correction (PFC) converters are becoming popular due to their conformity in power system quality problems. Conventionally, power factor correction converters were controlled using Proportional-Integral- Differential (PID) controller to reduce harmonic disturbances and enhance the power factor (PF). Conversely, for non-linear system, their performances are not very acceptable. Because PFC circuit is not linear, in this paper fuzzy logic (FL) controller used to adjust the gain PID controller to improve the performance is presented. It is proposed that when there is fluctuation in the voltage input, the input current should be made by a FL controller. This FL controller has a great effect by keeping the phase angle between current and voltage at a very small value, bringing the PF factor closer to 1.0. This great effect has also been demonstrated in experimental studies. The proposed FL based PFC controller converter is analyzed in MATLAB/Simulink environment under variable loads and different voltages. The Performance results (Total harmonic distortion, PF and efficiency) has been calculated for different input voltage and different loads. The performance results of the FL based PFC is in acceptable ranges.

Keywords

• Power factor correction (PFC)
• Fuzzy logic (FL)
• Total harmonic distortion (THD)
• AC-DC rectifier
• Boost converter

Fuzzy Logic Based Power Factor Correction in Single Phase AC-DC System

Abstract

Son yıllarda hem endüstriyel hem de ev ve benzeri yerlerde kullanılan alet ve cihazlarda bulunan güç elektroniği dönüştürücülerinin sayısında önemli bir artış olmuştur. Güç tasarrufunda elektronik balastların ve anahtarlamalı güç kaynağının kullanılması güç kalitesi sorununu beraberinde getirmiştir. Bu cihazların kullandığı akımlar sinüzoidal değildir ve bu akımlar doğrusal olmayan akımlar olarak bilinir. Yükseltici (boost) tipi güç faktörü düzeltme (PFC) dönüştürücüleri, güç sistemi kalite sorunlarındaki uygunlukları nedeniyle popüler hale gelmiştir. Geleneksel olarak, güç faktörü düzeltme dönüştürücüleri, harmonik bozulmaları azaltmak ve güç faktörünü (PF) geliştirmek için Oransal-İntegral-Diferansiyel (PID) denetleyici kullanılarak kontrol edilmektedir. Ancak bunların, doğrusal olmayan sistem için performansları çok kabul edilebilir değildir. PFC devresi doğrusal olmadığından, bu makalede, performansı iyileştirmek için kazanç PID denetleyicisini ayarlamak için kullanılan bulanık mantık (FL) denetleyicisi öngörülmüştür. Gerilim girişinde dalgalanma olduğu zaman, giriş akımının bir FL kontrolörü tarafından yapılması önerilmektedir. Bu FL kontrolör, akım ve gerilim arasındaki faz açısını çok küçük bir değerde tutarak PF faktörünü 1.0'a yaklaştırarak büyük bir performansa sahiptir. Bu büyük performans, deneysel çalışmalarla da gösterilmiştir. Önerilen FL tabanlı PFC denetleyici dönüştürücü, MATLAB / Simulink ortamında değişken yükler ve farklı gerilimler altında analiz edilmiştir. Performans sonuçları (Toplam harmonik bozulma, PF ve verimlilik) farklı giriş gerilimleri ve farklı yükler için hesaplanmıştır. FL tabanlı PFC'nin performans THD sonuçları IEC 61000-3-2’e göre kabul edilebilir aralıklardadır. THD değerleri için MATLAB/Basic Toolbox’da (R2020b versiyonu) kübik polinomlu regresyon analizi yapılmıştır.

Keywords

• Güç faktörü düzeltme (PFC)
• Toplam harmonik bozulma (THD)
• Bulanık mantık
• AC-DC doğrultucu
• Yükseltici (boost) tip dönüştürücü

References

1. Chiu H.J., Lo Y.K., Lee H.C., Cheng S.J., Yan Y.C., Lin C.Y., Wang T.H, Mou S.C. 2010. A single-stage soft-switching fly back converter for power-factor-correction applications. IEEE Trans. Ind. Electron., 57 (6): 2187-2190.
2. Sahid M.R., Yatim A.H.M., Taufik T. 2010. A new AC-DC converter using bridgeless SEPIC. in Proc. IEEE Annu. Conf. Ind. Electron. Soc., 286-290.
3. Jang Y., Jovanovi´c M.M. 2011. Bridgeless high-power-factor buck converter. IEEE Trans. Power Electron, 26 (2): 602-611.
4. Su B., Zhang J., Lu Z. 2011. Totem-pole boost bridgeless PFC rectifier with simple zero-current detection and full-range ZVS operating at the boundary of DCM/CCM. IEEE Trans. Power Electron, 26 (2): 427-435.
5. Balestero J.P., Tofoli F.L., Fernandes R.C., Torrico- Bascope G.V., de Seixas F.J. 2012. Power factor correction boost converter based on the three-state switching cell. IEEE Trans. Ind. Electron, 59 (3): 1565-1577.
6. Fardoun A.A., Al-Saffar M. 2014. A Bridgeless Resonant Pseudo Boost PFC Rectifier. IEEE Transactions on Power Electronics, 29 (11).
7. Singh S., Bist V., Singh B., Bhuvaneswari G. 2015. Power factor correction in switched mode power supply for computers using canonical switching cell converter. IET Power Electronics, 8 (2): 234-244.
8. Genc N., Iskender I., Celik M. 2014. Application of interleaved bridgeless boost PFC converter without current sensing. 2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO2014), 24-25 March, Langkawi, 1-6.

9. Kessal A., Rahmani L., Mostefai M. 2012. Power factor correction based on fuzzy logic controller with fixed switching frequency. Elektronika ir elektrotechnika, 118 (2): 67-72.
10. Faucher J.D., Caux S., Maussion P. 2009. Fuzzy controller tuning of a boost rectifier unity power factor correction by experimental designs. Electr Eng., 91 (3): 167-176.
11. Yu Q., Du S. 1996. Comparison of fuzzy logic and digital PI control of single phase power factor pre-regulator for an on-line UPS. Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd international conference, 06 August, Taipei, 1796-1801.
12. Suciu C., Dafinca L., Kansara M., Margineanu I. 2000. Switched capacitor fuzzy control for power factor correction in inductive circuits. 2000 IEEE 31st Annual Power Electronics Specialists Conference. Conference Proceedings (Cat. No.00CH37018), Galway, 2000, 773-777.
13. Bouafassa A., Rahmani L., Kessal A., Babes B. 2014. Unity power factor Converter based on a Fuzzy controller and Predictive Input Current. ISA transactions, Elsevier, 1817-1821.
14. Lenine D., Babu C.S., Shankaraiah G. 2012. Performance Evaluation of Fuzzy and PI Controller for Boost Converter with Active PFC. International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 2 (4): 445-453.
15. Khoshooei A., Moghani J.S. 2004. Implementation of a single input fuzzy controller for a high power factor boost converter. 2004 IEEE Region 10 Conference TENCON 2004., Chiang Mai, 69-72.
16. Premkumar K., Manikandan B.V. 2014. Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System based speed controller for brushless DC motor. Neurocomputing, 138 (1): 260-270.