Bipolar ve Unipolar SPWM Tekniklerinin Düşük Maliyetli Sistemlerde Deneysel İncelenmesi

Abstract

Doğru akımı (DC) alternatif akıma (AC) dönüştüren invertör tasarımları, kullanım alanına bağlı olarak maliyet, gürültü ve ayarlanabilirlik gibi farklı özelliklerde sistemlere ihtiyaç duymaktadır. Duruma özel uygulamalarla birlikte düşük maliyetli invertör sistemleri ve algoritma tasarımları ile ilgili çalışmalar artmaktadır. Çalışmada düşük maliyetli Mega2560 mikrodenetleyici ve BTS7960S motor kontrol kartı kullanılarak bipolar ve unipolar Sinüzoidal Darbe Genişliği Modülasyon (SPWM) teknikleri deneysel olarak araştırılmış, indüksiyon motoru kontrolü ve hız değişimine etkisi incelenmiştir. Deneylerde düşük maliyetli 24V, 20A güç ünitesi kullanılarak trafo vasıtası ile gerilim yükseltilmiştir. Motor çalışması ve çıkış akımı sinyalleri 10Hz ile 100Hz sinyal frekansı aralığında raporlanarak, çıkış sinyallerinin analizleri yapılmıştır. Her frekans için bipolar ve unipolar toplam harmonik bozulma (THD) ve ortalama kare hatası (RMSE) büyüklükleri hesaplanmaktadır. Düşük maliyetli sistemler kullanılarak bipolar ve unipolar SPWM algoritmalarının her ikisinin de hız kontrolü uygulamalarında kullanılabileceği, unipolar SPWM algoritmasının bipolar SPWM algoritmasına göre daha iyi sonuçlar verdiği gösterilmiştir.

Keywords

• Unipolar SPWM
• Bipolar SPWM
• İnvertör
• İndüksiyon motor kontrolü

Experimental Investigation of Bipolar and Unipolar SPWM Techniques in Low Cost Systems

Abstract

Inverter designs that convert direct current (DC) to alternating current (AC) require systems with different features such as cost, noise and adjustability depending on the usage area. Studies on low-cost inverter systems and algorithm designs are increasing with case-specific applications. In this study, bipolar and unipolar Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) techniques were investigated experimentally by using low cost Mega2560 microcontroller and BTS7960S motor control card, and its effect on induction motor control and speed change was investigated. In the experiments, the voltage was increased by means of a transformer using a low cost 24V, 20A power unit. Motor operation and output current signals are reported in the signal frequency range of 10Hz to 100Hz, and output signals are analyzed. Bipolar and unipolar total harmonic distortion (THD) and mean square error (RMSE) magnitudes are calculated for each frequency. It has been shown that both bipolar and unipolar SPWM algorithms can be used in speed control applications by using low cost systems, and unipolar SPWM algorithm gives better results than bipolar SPWM algorithm.

Keywords

• Unipolar SPWM
• Bipolar SPWM
• Inverter
• Induction motor control

References

1. [1] M. Barnes, Practical variable speed drives and power electronics. Practical professional books from Elsevier. Oxford ; Burlington, MA: Newnes, 2003.
2. [2] F. L. Luo and H. Ye, Advanced DC/AC Inverters. CRC Press. ISBN 13: 978-1-4665-1138-5, 2013.
3. [3] E. Deniz ve H. Altun, “Beş Seviyeli İzole DC Kaynaklı Kaskat İnvetörlerin SPWM Tekniği İle Kontrolü”, SAÜ. Fen Bilünleri Dergisi, c. II, sy 1, ss. 1-9, 2007.
4. [4] I. Colak ve E. Kabalci, “Developing a novel sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technique to eliminate side band harmonics”, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, c. 44, sy 1, ss. 861-871, Oca. 2013, doi: 10.1016/j.ijepes.2012.08.024.
5. [5] Jino Joy ve S. Ushakumari, “Performance comparison of a Canonical Switching Cell with SPWM and SVPWM fed sensorless PMBLDC motor drive under conventional and fuzzy logic controllers”, Journal of the Franklin Institute, c. 354, sy 14, ss. 5996-6032, Eyl. 2017, doi: 10.1016/j.jfranklin.2017.07.043.
6. [6] K. Latha Shenoy, C. G. Nayak, ve R. P. Mandi, “MPPT Enabled SPWM based bipolar VSI design in photovoltaic applications”, Materials Today: Proceedings, c. 5, sy 1, ss. 1372-1378, 2018, doi: 10.1016/j.matpr.2017.11.223.
7. [7] E. A. Samiotis, D. T. Trigonidis, G. A. Vokas, P. Papageorgas, ve A. G. Anastasiadis, “Simulation and Implementation of a SPWM Inverter Pulse Generator Circuit for Educational Purposes”, Energy Procedia, c. 157, ss. 594-601, Oca. 2019, doi: 10.1016/j.egypro.2018.11.224.
8. [8] J. Haema ve R. Phudungthin, “Full Bridge Resonant Inverter for Blade Induction Heating Application”, Energy Procedia, c. 156, ss. 391-395, Oca. 2019, doi: 10.1016/j.egypro.2018.11.106.

9. [9] Y. Birbir, K. Yurtbasi, ve V. Kanburoglu, “Design of a single-phase SPWM inverter application with PIC micro controller”, Engineering Science and Technology, an International Journal, c. 22, sy 2, ss. 592-599, Nis. 2019, doi: 10.1016/j.jestch.2018.11.014.
10. [10] M. G. M. Abdolrasol, M. A. Hannan, S. M. S. Hussain, ve T. S. Ustun, “Optimal PI controller based PSO optimization for PV inverter using SPWM techniques”, Energy Reports, c. 8, ss. 1003-1011, Nis. 2022, doi: 10.1016/j.egyr.2021.11.180.
11. [11] C. I. Odeh, A. Lewicki, ve M. Morawiec, “A Single-Carrier-Based Pulse-Width Modulation Template for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters”, IEEE Access, c. 9, ss. 42182-42191, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3065743.
12. [12] S. M. M. Islam ve G. M. Sharif, “Microcontroller based sinusoidal PWM inverter for photovoltaic application”, 1st International Conference on the Developements in Renewable Energy Technology (ICDRET), Dhaka: IEEE, ss. 1-4, Ara. 2009, doi: 10.1109/ICDRET.2009.5454227.
13. [13] S. Syed Abdul Haq, R. JeyaRohini, P. Meenalochini, K. Jeyakanth, C. Immanuvel, ve T. HarishBabu, “A sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technique for capacitor voltage balancing of nested I-type four-level inverter”, Materials Today: Proceedings, c. 45, ss. 2435-2439, 2021, doi: 10.1016/j.matpr.2020.11.014.
14. [14] M. S. Endiz ve R. Akkaya, “Matlab/Simulink ile Bipolar ve Unipolar PWM Kontrol Tekniklerinin Karşılaştırmalı Olarak İncelenmesi”, European Journal of Science and Technology, Nis. 2021, doi: 10.31590/ejosat.900868. [15] A. Sedaghati, P. Horrillo-Quintero, H. Sánchez-Sáinz, ve L. M. Fernández-Ramírez, “Staircase modulation improvement to balance output power of stages of cascade H-bridge multilevel inverter”, Computers and Electrical Engineering, c. 103, s. 108331, Eki. 2022, doi: 10.1016/j.compeleceng.2022.108331.
15. [16] A. Kocalmış Bilhan ve S. Sünter, “3 Fazlı Evirici Devresi için SDGM, SHEDGM, HIDGM ve UVDGM Tekniklerinin Karşılaştırılması”, Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi, ss. 100-110, Haz. 2018, doi: 10.17100/nevbiltek.402693.
16. [17] M. Dursun ve M. kenan Döşoğlu, “Üç Fazlı Gerilim Kaynaklı Evirici için SDGM, ÜHDGM ve HDGM Tekniklerinin MATLAB/SİMULİNK ile Karşılaştırmalı Analizi”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 6, sy 4, ss. 983-999, Ağu. 2018, doi: 10.29130/dubited.437845.
17. [18] A. Saygin ve A. Kerem, “6-Anahtarlı 3-Seviyeli Eviricide Uzay Vektör Darbe Genişlik Modülasyon Tekniğinin Uygulaması”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, ss. 565-587, Haziran 2017.
18. [19] B. Fani, “Inverter-based islanded microgrid: A review on technologies and control”, Advances in Electrical Engineering, 2022.
19. [20] H. Chen, “Simulation research on ship electric propulsion speed regulation system based on variable structure control and FPGA”, Optik, c. 272, s. 170265, Şub. 2023, doi: 10.1016/j.ijleo.2022.170265.
20. [21] A. Kumari, Y. Gopal, D. K. Dhaked, K. P. Panda, ve Y. N. V. Kumar, “A single source five-level switched-capacitor based multilevel inverter with reduced device count”, e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, c. 5, s. 100235, Eyl. 2023, doi: 10.1016/j.prime.2023.100235.
21. [22] E. Akbari ve A. Zare Ghaleh Seyyedi, “Power quality enhancement of distribution grid using a photovoltaic based hybrid active power filter with three level converter”, Energy Reports, c. 9, ss. 5432-5448, Ara. 2023, doi: 10.1016/j.egyr.2023.04.368.
22. [23] T. Atar, S. Balci, ve A. Kayabasi, “Determination of output current THD of multilevel inverter by ANN”, Measurement, c. 210, s. 112525, Mar. 2023, doi: 10.1016/j.measurement.2023.112525.
23. [24] H. Yıldız, "Analytical Solution of a Multi-Winding Coil Problem With an Air Core in Spherical Coordinates," Journal of Polytechnic-Politeknik Dergisi , 2022.
24. [25] B. H. Yuditya, R. N. Hasanah, L. Ardhenta, ve T. Taufik, “Performance Comparison of Single-Phase Multilevel Inverter with SPWM Unipolar and Bipolar Switching Techniques”, FORTEI-International Conference on Electrical Engineering (FORTEI-ICEE), Bandung, Indonesia: IEEE, ss. 102-107, Eyl. 2020, doi: 10.1109/FORTEI-ICEE50915.2020.9249911.
25. [26] N. Vazquez and J.V. Lopez, Inverters- In Power Electronics Handbook, pp. 289-338, OReilly Online Book, King Juan Carlos University, Madrid, Spain.