TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 80 9 2  ~ 809 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.68 82          8092     Re cei v ed  Jul y  28, 201 4; Revi sed O c tob e r 30, 201 4; Acce pted No vem ber 1 4 , 2014   An Approach of Power Fact or Correction in BLDC Motor  Drives Using  C u k D e rived  Co nverter s        R. Balam u ru gan 1 , J. Pearly  Catherine* 2   Dep a rtment of Electrical  and  Electron ics En gin eeri ng,   K.S.Rangas am y Co lle ge of T e chno log y , T i ruchen go de, T a milna du, Indi a,   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : drnrba ls@gm a il.com 1 , pear l ykpm@gma il.co m 2       A b st r a ct   T h is pa per  de als w i th a  co mparativ e a naly s is of  var i o u s  converter  topo l ogi es for P o w e r F a cto r   Correctio n (PF C ) in BLD C  mo tor drives. A po w e r factor  corrected co nverte r is requir ed for  impr ovi ng p o w e r   qua lity at the A C  ma ins of a n   invert er fed B L DC motor driv e. Conve n tio n a lly, the BLD C  motor  is fed by  a   dio de bri d g e  re ctifier (DBR) w h ich res u lts in  hig h ly  distorte d  supply curr ent  and a p oor p o w er factor.  A new  brid gel ess sin g l e-p hase  ac–dc  Cuk deriv ed t opo logy  has  b een i n trod uce d  for pow er factor correctio n. T h is   brid gel ess top o lo gy uses  mi ni mu m n u mbe r  of sw it ches  and thus re du ces the less c ond uctio n  loss es   compar ed w i th the conve n tio nal PF C rectifi e r. T here  are three C u k deriv ed confi gur atio ns for pow er facto r   correctio n. In this pa per, al l the Cuk  deriv ed  topolo g i e s are  investig ated a nd co mp are d . T he best topo l o g y   is ide n tified  an d reco mme nde d for PF C in BLDC  motor dr iv e.     Ke y w ords :   pow er factor correctio n (PF C ), bridge less c u k conv erters, total har mo ni c distortion, B L D C   drives, pow er q uality         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .          1. Introduc tion  The BLDC m o tors a r e b e coming po pula r  in many low and medium  powe r  appli c ations.   It is used in  many household type s of equipme n t like fans, ai r con d itione rs, water p u m ps,  refrig erato r s, wa shin g ma chin es  etc. [1-3]. It also   finds a ppli c at ion in ma ny indu strial tool s,   medical e qui pment’s,  hea ting, ventilation a nd  ai r conditionin g ,  robotics and  pre c ise  m o tion   control sy ste m s. As the n a me indi cate s it has   no b r ush e s fo r co mmutation. Base d on the  rotor  positio n the powe r  electronic  swit ch es are co m m utated. He nce it is also kno w n a s  an  electroni cally comm utated  motor [4-5].   Powe r qu ality proble m s  have be com e  impo rtant i s sue s  in the s e m o tors d ue to th e   recomme nde d limits of harmo nics in  sup p ly cu rre nt by variou s internation a l power q u a lity  stand ard s   su ch a s  the Int e rnatio nal El ectrote c h n ica l  Commi ssio n (IEC) 61 00 0-3 - 2 [6]. So  the   power fa ctor  corre c tion  ha s led th e ci rcuit desi gne rs  to look  clo s el y at all se ctio ns of the  ci rcuit  and d e velop  possibl e lower lo ss  altern atives. One  se ction th at contribute s   sig n ificantly to the   losse s  is the  input brid ge rectifier. As a  result,  the alternative s  to eliminate the  diode b r idg e  or  conve r t it into  a dual-u se ci rcuit have be en explor ed for many years. This  elimin ation/co nversion   of Diode Bri d ge brin gs a b o u t its own set of challe nge s.  Bridgel ess co nverters are becoming mo re pop ular  in  orde r to incre a se the po we r factor  at the a c  m a ins. T he  di stingui shi ng  cha r a c teri st ic of a  brid gel ess PF C  co nverter is th at it  eliminate s  the need for a  diode bri dge  at the i nput. This red u ce s po wer lo sses that norm a lly  occur i n  a di ode b r idge  a nd, as a  re sult, improves  overall sy ste m  efficien cy with co mpa r a b le   co st  sav i ng s.  P o wer Fa ct o r  Co rre ct ion r e ct if ier s  are used to improve the rectifie r powe r  den sit y   and to  re du ce noi se  emi s sion s via  soft  switchi ng te chniqu es  or co upled  mag net ic top o logie s   [7 - 9].      2. PFC Conv erter s   A co nvention a l PFC sch e m e ha s lower efficien cy d u e  to  signifi can t  losse s  in  the  diod e  bridg e . Co nventionally bo ost co nverte rs are us ed  as fro n t end  rectifiers [1 0-11]. Fo r lo w  voltage a ppli c ation s   su ch   as tel e comm unication  or  compute r  in du stry a n  a dditi onal  co nverte r   or isolation transfo rme r  is  requi re d to st ep do wn the  voltage. Brid gele ss PF C b u ck co nverte rs   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Ap pr o a c h  of   Pow e r  F a ct or Co rr ect i o n  i n   B L D C   M o t o r Dr iv es Us in g C u k D e r i v e d…  ( R .   B a l a m u r u g a n )   8093 are limited for step down a pplication s  [12-13]. I nput line cu rre nt ca nnot follow th e input voltage  arou nd  ze ro   cro s sing s of t he in put lin e  voltage. Outp ut to inp u t vo ltage  ratio i s  l i mited to  half  resulting i n  i n crea sed  T H D a nd  red u ced PF. A  b r i e f com p a r iso n  of vari ou s  config uratio n s   repo rted in th e literature is  tabulated in T able 1.       Table 1. Co m parative Anal ysis of t he Bri dgele s s PFC  Conve r ter To pologi es  Converter  Topolog y  Component Cou n t  Half  Period  Stability   S W  D L  C  Total  BL-BUCK [8]   2  4  2  2  10  5  NO  BL-BOOST [1 0]   2  2  1  1  6  4  NO  BL-BUCK  B OOS T [14]   3 4  1  3  11  8  Y E S   BL-CUK T - 1  [16,17]   2 3  3  3  11  7  Y E S   BL-CUK T - 2  [16,17]   2 2  3  4  11  11  Y E S   BL-CUK T - 3  [16,17]   2 3  3  2  10  7  Y E S       To overcome  these d r a w ba cks several b r idgel es s top o logie s  suitab le for step u p  or ste p   down ap plica t ions h a ve be en p r op ose d .   Bridg e le ss buck-boo st converte r  is o ne of them  which  has both  ste p  up and ste p  down o peration in a si n g le circuit [15 - 16]. It has the disadva n ta ges:  Disco n tinuou s in put  curre n t, high  pea k cu rrent in   p o we r  com pon ents, p oor tra n sie n t re sp on se   mak e  it less  effic i ent.       3. Cuk Deriv e d PFC Co n v erters   Bridgel ess Cuk converte r  has the follo wing advanta g e s:   a)  Easy implem entation of  tra n sformer i s ol ation.  b)  Natural prote c tion ag ain s t inru sh  curre n t   occurring at  start up o r  o v erload   cu rrent,  lowe r input current rippl e.  c)  Less ele c tro m agneti c  inte rfere n ce associate d  with  discontin uou s cond uctio n  mode  (D CM) top o lo gy .  d)  Cu k co nverte r has b o th inp u t and output  curre n ts with  a low current  ripple.   For appli c atio ns, which  req u ire a  lo w cu rre nt  ri p p le at  the inp u t an d output  port s  of the   conve r ter, th e Cu k  conv erter  se ems to be a p o tential cand idate in the  basi c   conv erter  topologi es.   The th ree  ne w Cuk de rived topol ogie s  a r e d e rive d from th e  convention a l  PFC  Cu k  rectifie rs [1 7 - 19]. The  bridgele s s Cu k de riv ed  converte r is  a co mbin atio n of two  dc-dc  conve r ters. T h is converte r  operates fo r each  half line  period  (T/2)  of the input voltage.   There a r e  o ne o r  two semico ndu cto r  switch es i n  the current  flowing  path.  Cu rre nt  stre sse s  in th e a c tive and   passive  switches are fu rth e r  red u ced. Circuit  efficien cy is imp r oved  as  comp ared to  co nventional  Cu k  re ctifier. They do  n o t suffer fro m  high  com m on m ode  n o ise   probl em  and  com m on  m ode  emissio n  pe rform a n c e i s   simila r to the  co n v entional PF C  topologi es.   The thre e new Cu k recti f iers a r e co m pared ba se d on com p o nents  count,  mode of  operation in DCM a nd dri v er circuit co mplexity as  tabulate d  in Table 2. The b r idgel ess PF C Cu k  rectifie rs  of Fi gure  1 utili ze  two po we r  switch es  ( Q 1 and  Q 2).  Ho wever, th e two po we r swit che s   can b e  driven  by the same  control sig nal , whic h  signifi cantly simplifi e s the control  circuitry.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8092 – 80 97   8094   (a) Ty p e  I        (b) Ty p e  II          (c) Type III  Figure 1. CUK Derived  Co nverter T opol ogie s       Table 2. Cu k  Conve r ter To pologi es in DCM Mod e   Item   Con v . Cuk   Ty p e - I   Ty p e - I I   T y pe -III   Diode  4 slow +1  fast  2 slow +3 fast   2 fast  2 slow +2 fast   Sw itch  1  2( w i th  unidirectional current  capabilities)   2 2  Curre nt  Conduction  Path w hen  S W  on  2 slow   diodes and 1  sw itch  1 slow  diode a n d  1  sw itch w i th  ser i es  diode  1 bod y   diode and 1  sw itch  1 slow  diode  and 1 s w itch  Curre nt  Conduction  Path w hen  S W  on  3 diodes( 2  slow  and 1 f a st)   2 diodes( 1 slow   and 1 fast)   1 fast  diode  2 diodes( 1  slow  and 1 f a st)   Curre nt  Conduction  Path in DCM   2 slow   diodes  1 slow  diode   -  1 slow  diode   Component  Count   10 11  11  13  Number of  Capacitors  2 3  4  3  Driver circuit  Complexit y   1 non- floating  2 non-floating   1 floating  + 1 non- floating  2 non-floating       In this  se ctio n, it is explai ned the  re sul t s of  research and  at the  same  time i s   given the   comp re hen si ve discussio n .  Results can  be prese n te d in figure s ,  grap hs, tabl e s  and  others  tha t   make the  rea der un de rsta nd ea sily [2,  5]. The discu ssi on can be  made in seve ral su b-ch apt ers.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Ap pr o a c h  of   Pow e r  F a ct or Co rr ect i o n  i n   B L D C   M o t o r Dr iv es Us in g C u k D e r i v e d…  ( R .   B a l a m u r u g a n )   8095 4. Operation of Bridgeless Cuk  Conv erters   The choi ce of  mode of o p e r ation  of a PF C converte r i s  a  critic al issue be cau s e it  dire ctly  affects the  cost and  ratin g  of the com pone nts u s ed  in the PFC  conve r ter [20 - 22]. Co ntinu ous  Con d u c tion  Mode  (CCM ) and  Disco n t inuou s Con ductio n  Mod e  (DCM ) a r e  widely u s e d  in   pra c tice. In  CCM o r  DCM,  the indu ctor’ s  curre n t or th e voltage a c ross intermedi ate ca pa citor  in  a PFC conve r ter  rem a in s  contin uou s o r  di scontin u o u s  i n   a switching peri od resp ectively. To   operate a PF C convert e r i n  CCM, on e requires th re e  sen s o r s (two  voltage, one  curre n t)  while  a  DCM o p e r ati on ca n be a c hieved u s ing  a singl e vo ltage se nsor. T he stresse s  o n  PFC co nve r ter   swit ch op erati ng in DCM are comp aratively  higher a s   comp ared wit h  its operatio n in CCM.   By operating  the rectifie r in  DCM, seve ra l advantage s  can b e  gain e d su ch a s :  a)  Natural nea r-unity powe r  factor.   b)  The p o wer  switch es  are turne d  O N  at  zero  curre n t and the  outp u t diode s a r e  turne d   OFF at z e ro current.         (a)  Duri ng po sitive half cycle    (b)  Duri ng ne gative half cycle     Figure 2. Circuits of Type I Cu k re ctifier              Thus, th e lo sse s  du e to th e turn -on  swi t ching  and th e reve rse re covery of the  output  diode s are  con s id era b ly redu c ed.  Conversely, DCM op eratio n  signif i cant l y  incre a se s  t h e  con d u c tion lo sses  due to  the in creased  cu rre nt st ress throug h ci rcuit comp one nts. As a  re sult,  this lead s to  one disadv antage of th e DCM  ope ration, whi c h  limits its use to low-po wer   appli c ation s  (l ess than 30 0 W). Hen c e, DCM  is p r eferred for low-p o w er a ppli c atio ns.         (a)Du r ing p o sitive half cycle      (b)  Duri ng ne gative half cycle   Figure 3. Circuits of Type II Cuk  re ctifier            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8092 – 80 97   8096     (a)  Duri ng po sitive half cycle      (b)  Duri ng ne gative half cycle   Figure 4. Circuits  of Type III Cuk  rec t ifier       5. Conclusio n   A comp arativ e analysi s  o f  different types  of conv erter to polog ies for  po we r facto r   corre c tion  in  BLDC moto rs have  bee n di scusse d.  A  suitable Typ e  I II Cuk Conve r ter  seem s to   be   a potential candidate for PFC. The bridgeless  Ty pe III PFC Cuk  converter fed B L DC motor drive   can be u s e d  to achieve almost ne ar  unity powe r  at the AC mains with lo w  THD. Hen c e  the  overall sy ste m  can be im p l emented  in A i r-conditioning System.      Referen ces   [1]  Gieras JF , W i n g  M. Permane nt magnet motor tec hno log y   – desi gn an d a pplic atio n. Ne w  York: Marcel   Dekker Inc.   [2]  Han dersh ot JR, Miller T J E. Desig n  of brush l ess perma nent  magnet motor s . Claren don P r ess, Oxford.   201 0.  [3]  Hans elma D C . Brushl ess per mane nt magn e t  motor design.  Ne w  Y o rk: McGra w - Hil l. 200 3.  [4]  Krishn an R. El ectric motor dri v es: model ing,  ana l y sis an d control. Indi a:  Pearso n Educ ati on. 200 1.   [5]  T o li y a t HA. Ca mpbe ll S. DSP-base d  electro m echa nica l mo tion contro l. Ne w   York: CR C Press. 2004.   [6]  Internatio na l Std. IEC 61000 -3-2- 20 00.  Li mits for Har m onic C u rrent  Emiss i ons (E q u ip ment Input   Current  ≤ 16 A per Phas e) ; 20 00.   [7]  Choi W, K w on J, Kim E, Lee J, K w on B. Brid geless boos t  rectifier w i t h   lo w  conduction losses and  reduc ed di od e reverse-rec o ve r y  pro b l e ms . IEEE Trans. Ind.  Electron . 20 07;  54 (2): 769 –78 0.  [8]  Jang Y, Jovan o vi´c MM. Bridgel ess hig h -po w e r-factor buc k converter.  IEEE Trans. Power Electron .  201 1; 26 (2): 6 02– 61 1.  [9]  Moscho pou los  G, Kain P. A  nove l  si ng le- phas e soft-s w i t ched r e ctifier  w i t h  u n it y p o w e r factor a n d   minima l comp o nent cou n t.  IEEE Trans.Ind. Electron . 20 04;  51 (3): 566 –57 5.  [10]  Hub e r L, Jang  Y, Jovanov ic  M. Performance eval uati on  of  bridg e l e ss PF C boost re ctifiers.  IEEE   T r ans. Pow e r Electron . 20 08;  23(3): 138 1– 1 390.   [11]  Ye H, Yan g  Z ,  Dai J, Yan  C,  Xi n  X, Ying J.  Common m o d e  nois e  mo del i ng a nd a nal ys i s  of dual  bo ost  PFC circuit .  In  Proc. Int.  T e lecommun. Ener g y  Co nf. 200 4; 575– 58 2.  [12]  F a rdou n, Ismai l  EH, Al-Saffar  MA, Sabzal i AJ .  New  ‘ r eal ’  br i dge less  hig h  ef ficiency  ac-dc  converter . I n   Proc. 27th Ann u . IEEE APEC  Ex p o . 201 2; 5( 9): 317– 32 3.  [13]  Jang Y, Jovan o vi´c MM. Bridgel ess hig h -po w e r-factor buc k converter.  IEEE Trans. Power Electron .  201 1; 26(2): 60 2–6 11.   [14]  W e i W ,  Hong p eng  L, Shi g o n g  J, Di ang uo  X.  A  nove l  br id gel ess b u ck-bo ost PF C conv e r ter . In Proc.       IEEE Pow e r Electron. Spec . Conf. 2008; 1304–1308.   [15]  Vashist Bist,  Bhim Si ngh. A n  Adj u stab le -S pee d PF C Bri dge less B u ck– Boost Co nvert e r-F ed BL D C   Motor Drive.  IEEE Transactions on Industrial Electronics.  2 014; 61( 6): 266 5-26 77.   [16]  Abbas A. F a rd oun. N e w  Effi cient Brid ge les s  Cuk Rectifi e rs for PF C Applicati ons.  IEE E  T r ans. on   Power Electronics . 2012; 2 7 (7 ): 3292-3 3 0 0 .  [17]  F a rdou n, Ismai l  EH, Sa bzal i A J , Al-Saffar MA.  A compar ison  betw een t h ree  prop ose d  bri d gel ess C u k   rectifiers an d conve n tio nal top o lo gy for pow e r  factor correction . In Proc. IEEE ICSET .  2010; 6(9): 1–6.   [18]  Mahd avi M, F a rzane h-F a rd  H.  Bridgel es s CUK po w e r  factor correction rectifier  w i t h  red u ce d   cond uctio n  los s es.  IET Power  Electron . 20 12 ; 5(9): 1733 –17 40.   [19]  Sing h B, Si ng h BN,  Cha ndr a A, Al- H ad da d K,  Pa nd e y   A, Kothari  DP . A revi e w   of  singl e-p has e   improve d  po w e r qual it y  ac- d c converters.  IEEE Trans. Ind.  Electron . 20 03;  50(5): 962 –9 8 1 .  [20]  Sing h B, Si ng h  S, Cha ndr a A,  Al-Ha d d ad K.  Co mpre he nsiv e  stud y of  si ngl e-ph ase ac-dc po w e r  facto r   corrected co nv erters  w i t h  hi gh -freque nc y   isol ation.  IEEE Trans. Ind. Informat . 2011; 7(4):  540 –5 56.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Ap pr o a c h  of   Pow e r  F a ct or Co rr ect i o n  i n   B L D C   M o t o r Dr iv es Us in g C u k D e r i v e d…  ( R .   B a l a m u r u g a n )   8097 [21]  Youn gh oon C h o. A Lo w   Cost Sing le-S w i tc h Bridg e less Bo o s t PF C Conver ter,  Internation a l Jour nal o f   Pow e r Electron ics and Dr ive S ystem (IJPEDS ) . 2014; 4(2): 2 56-2 64.   [22]  Len ine  D, Ch. S ai Ba bu, Sh a n kara iah G. Pe rform ance Ev al uatio n of F u zz y a nd PI  Contr o ller  for Boos t   Converter  w i th Active PFC.  Internati o n a l Jo urna l of Pow e r  Elec tron ics a nd Driv e Syste m  (IJPEDS) .  201 2; 2(4): 445 -453.   [23]  Lei Ji n-Ii. Ada p tive Co ntrol  for Br ushless  DC Motor Ba sed on F u zz y Inference.  TE L K OM N I KA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2014; 1 2 (5): 3 392- 339 8.   [24]  Yuesh an W a n g , Li w a n Che n ,  Z enghan C h e n . A F u zzy  Se l f -tuning C ontro lled F e e d i ng S e rvo S y stem   of Machin e T o ol.  TELKOMNIKA.  2013; 11( 5 ) : 2351-2 3 5 8 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.