TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 2, May 2015, pp. 215 ~ 22 1   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i2.740 4        215     Re cei v ed  Jan uary 21, 201 5 ;  Revi sed Ap ril 10, 2015; Accepted Ap ril 24, 2015   An Approach of PFC in BLDC Motor Drives Using  BLSEPIC Conv erter      Murugan M*,  Je y a bharath R, Saranku m ar V    K.S. Rangasa m y  col l e ge of T e chn o lo g y ,T iruchen go de, Indi *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : marimurug a n 81@ gmai l.com       A b st r a ct   T h is pap er pre s ents the an al ysis and d e si g n  of  on front end br id gel ess  singl e-en de d pri m ary- inductanc e converter (BLSEPI C) bas ed  power factor rect ification, with output vo ltage r e gulatio n and high  freque ncy iso l a t ion w o rkin g i n  disco ntinu ous  cond uctio n  mo de. T he sw itchi ng l o ss in V S I is mini mi z e d  b y   an  electro n ic   commutatio n   of Brush l ess  DC  mot o r (BL DCM) is  us ed  to o per ate i n  a  low - frequ e n cy   oper ation. T o   i m pr ove th e eff i ciency, th e d i ode  brid ge r e c t ifier is re plac e d  w i th the a l te rnate br id gel es topol ogi es w h i c h offers less  cond uctio n  los s es, advis ed  b y  the inter nati ona l pow er  qu ality stan dar ds , a   w i de ran ge of  spee d contro l i s  obtain ed w i th impr ov ed p o w er quality BL DC motor driv e is pro pose d   an d   simulat ed in M A TLAB/SIMULINK.     Ke y w ords BL DC motor, DC M, pow er factor corre ction, bri dge less SEPIC ,  pow er-qual ity    Co p y rig h t   ©  2015 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  A Brushle s s DC moto r (B LDCM) po ssesse s  m any advantag es such a s  high  efficien cy,  silent o p e r ati on, varie d  sp eed  ran ge a nd lo w ma i n tenan ce  re qui reme nts. It is a ki nd  of three  pha se syn c hronou s motor with  p e rm ane nt  mag nets  o n  the  roto a nd trape zoid al ba ck EMF  is  obtaine d [1-4 ]. It requires  a thre e-pha se voltage  so urce inve rter (VSI) to b e   operated  as  an  electroni co mmutator ba sed  on  the  rotor  po sition  sign als of th e BL DC obta i ned  usi ng  Hall   Effect Senso r s. T he th ree - pha se  VSI of the BL DC drive i s  fed   from  single - p hase AC  mai n throug h a di ode b r idg e  rectifier follo wed by a sm ootheni ng DC capa citor,  whi c h d r a w s an  uncontroll ed  cha r gin g  current for the  DC capa cito resultin g in a  pulsed  curren t. So, many powe r   quality pro b le ms a r ise such as  poo r po wer f a cto r , hi gh Total  Ha rmonic  Di stort i on (T HD) of  AC  mains curren t and its hig h  crest fa cto r . Moreover , t here  a r e m a ny intern ation a l PQ  stand a r ds  such  as IEC  61000, IEEE 519  et [5]. Whi c h emphasi ze on  l o w harmoni cont ents and  near  unity PF current to be dra w n from A C  mains by vari ous lo ad s.     Therefore,  an  improve d  po wer quality  conver te r ba sed d r ive is  al most e s senti a l for the  BLDC [6]. Th ere ha s be en  some effort s for use of p o we r facto r  correctio n (PF C conve r ters for   the power q u a lity enhan ce ment, however it use s two-stage PF C drive s  whi c h con s ist of  a   boo st conve r ter fo r PF at  front-e nd foll o w ed  by  anoth e r DC   DC  converte in  se con d  stage   fo voltage reg u l a tion. At second sta ge u s ually a fly  back o r  a forwa r d converte has b een u s e d  for   low po we r a pplication an d a full-bri d g e  conve r ter f o r high er p o w er  appli c ati ons [7]. A Single   Ended P r ima r y Indu ctor  Converte r (SE P IC), as a  si ngle  stage P F conve r ter, is propo se d  for   Power Fac t or Correc tion in a BLDC mot o r [16].      2. Proposed  Con t rol Sch e me for brid gless PFC  Conv erter  Bridgel ess P F C to pologi e s  a r e  currentl y  gainin g   i n tere sts gen era lly, due to th e  difficulty  of implement ation and co ntrol of bridg e less  PFC  converte rs, bu t a bridgele s s topolo g y can  redu ce  co nd uction lo sse s  from  re ctifying brid ge s with overall  system effi cien cy ca be   increa sed, wi th a bridg e le ss top o logy h a s t he adva n t age of THD decrea s in g from input dio de  redu ction. T h e brid gele s conve r ter  ci rcuit sho w i n   Figure 1 i s  typically p opul a r  for  brid gele ss  topologi es, in  which the converte r ope rates sepa rat e ly over posit ive and neg a t ive cycles. T h is   circuit i s  si m p le an d ea sy  to implem en t, theref ore  there  are fe wer limitation s  to ch oo sing  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  215 – 221   216 main p a ssive  com pon ents.  This ci rcuit  can b e  a dapte d  into  singl e-switch b r id gele s s conve r ter,  whi c h ha s lo w co ndu ction  loss and requ ires fe we r co mpone nts.     2.1. Po w e r S t age Spe c ifi cation   The po wer  stage sp ecification of the bridg e le ss S EPIC PFC converte r, as sho w n in  Figure 1, is d e sig ned  with followi n g  po wer stag e sp ecification:   1)  Input voltage (  V in ) :95 ~13 5   V RMS  at 60 Hz   2)  Output voltag e ( V o   ) : 50 V  3)  Output po wer (  P 0   ) : 150  4)  Switchin g fre quen cy (  F s   ) : 100 kHz  5)  Powe r Facto r  (PF) : > 0.95     2.2. Compon ents Selec t i ons   The co mpo n e n ts we re  sele cted a c cordi n g to the following rational e.  1)  Energy tran sf er ca pa citor  C 1 : 0.47 µ 2)  The two ind u c tors current  ripple  stee rin g  effect depe nds o n  the C 1  capa citan c e   3)  Output ca pa citor Co: 3mF   4)  The ma gnitu de of the  regulate d  out put voltage  ripple i s  d e cided by the  C 2   cap a cit a nc e.   5)  Input indu ctor L 1  & output indu ctor L 2 : 6 00µH  6)  The indu cto r  curre n t ripple  of is deci ded  by the size of  the L 1  induct ance.      Figure 1. Control schem e of the  proposed Bridgel ess  SEPIC converter      3. Modeling of Bridg e les s  Sepic PFC Conv erter   3.1. Bridgeless SEPIC Conv erter Model  Single-ended primary - induc t or converter (SEPIC)  is  a type of DC-DC  c o nverter allowing  the ele c trical  voltage at its  output to be  greate r  th a n , less than, o r   equal to th at at its input; th e   output of the SEPIC is  c o ntrolled by the duty c y c l of the c o ntrol trans i s t or. A SEPIC is  s i milar to   a traditional  buck- b o o s t conve r ter, bu t has  advant age s of having non -invert ed output. The   amount of en ergy exch ang ed  is controll ed by swit ch.   The single-switch bridgeless SEPIC PFC c onvert e r has only one active switch that  makes the topology  simpl e , but  the m odelling is complicated  wi th the two inductors and two  cap a cito rs. Fi gure 2 ( a )  and  (b) de pict the  operatio ns fo r each cycl e of the switch on-time a nd the   swit ch off-tim e  in the po siti ve half cycle.  L 1  only con d u cted d u ri ng the po sitive h a lf cycle, an d  L 2   is left uncontrolled. Even thoug h the de sire d se n s ing  curre n t is th e only cu rren t through  L 1 , the  actual  sen s in g current i s  t he  sum  of cu rre nts flo w in g  into L 1  and  L 2 . The  cu rre n t flowin g in  L 2   cre a tes a n  un desi r ed  ripple  of the sense d  curre n t duri ng po sitive half line cycle.   Inducta nces of  L 1  an d L 2  sh ould  be  sele cted  with  co nsi deratio n of the s ripple s Alternative di fference of this topol ogy is the unde si red ci rculatin g curre n t from the capa ci tive   cou p ling  loop , as  sh own i n  Figu re  2(a) and  (b ).  T h e  ci rcul ating  current  cau s e s  p o wer l o ss but   doe s not sign ificantly affects the  total effi cien cy, so, in this it will not  be con s id ere d . Although the  two features mentione d above a ffect  the system  performan ce, thus the  effects a r not  signifi cantly impact the mo del of the system. Thus , the input and o u tput voltage is co nsid ered  to   be con s tant  voltages  due  to the exploration  of the small - sign al linea r mo del which  was  perfo rmed  while a s sumin g  a q u a s i-sta t ic conditi on,  becau se the   swit chin g fre quen cy is m u ch   highe r than th e line frequ en cy.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Approac h   of PFC in BLDC Motor Driv es  Us ing BLSEPIC Converter  (Murugan M)  217       Figure   2(a). Bridgel ess SEPIC PFC Converter  ( s w i tc h- on Figure 2(b). Bridgel ess SEPIC PFC Converter  (switc h-off)      3.2. S w i t c h  o n  Stage of S EPIC Conv erter   The Figu re 3  sho w s the o n -time dia g ra m for swit ch  S 1 , for whic h s w itch S 1  is on, and   diode D 1  i s  off. The input  side i nductor L 1  is  cha r g e d  from th e in put voltage i n  this  stag e, the  cha r ge d C 1  transfe rs en erg y  into the out put sid e  in du ct or  Lo, an Lo is chargin g  in thi s  sta g e . In   addition, the l oad  cu rre nt comes from th e ch arged  ou tput cap a cito r Co. Ba sed  o n  the in duct o volt-se c on d b a lan c e an d the cap a cito r charg e  bala n ce is obtain ed.           Figure 3.  Operation of the  SEPI C Converter S w itc h   On-Stage      The voltage a c ro ss L 1  and i t s input voltage Vin are  sa me.                                                                                       The voltage a c ro ss Lo an d the voltage a c ro ss capa citor, C 1 .are s a me.                   The cu rrent throu gh C 1  an d the cu rre nt throug h indu ctor L 2  are sa me.                The cu rrent throu gh C 2  an d the load current is the  sa me.               3.3. S w i t ch-Off stage of  SEPIC Converter  The Figu re 4  sho w s the o ff-state diag ram for switch  S1, in which  switch S1 is off and  the diode  D1  is on. Indu ct or L1  cha r g e s  the c apa cit o r C1 and  provides the l o ad cu rrent. T h e   Inducto r L2 i s  co nne cted  and the outp u t capa citor  Co get charg ed whi c h p r o v ides the loa d   curre n t are o b tained a c cording to the volt-se c  bala n ce and the cap a citor  cha r g e  balan ce.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  215 – 221   218     Figure 4. Operation of the  SEPI C Converter S w itc h   Off-Stage      The voltage a c ro ss L1 an d the input voltage are sa me  as the Vin.                    The voltage a c ro ss Lo an d the voltage a c ro ss capa citor C 1  are sa m e             The cu rrent throu gh C 1  an d the cu rre nt throug h indu ctor L 2  are sa me.              The current t h rou gh  Co a nd the curre n ts thro ugh  both indu cto r s an d the cu rre nt of the load  sub s trate.                    A stabilized  system i s  not  easy to achi eve  with a  second resonanc e point due to the  signifi cant hi gh quality-fa ctor of it. The un-dam ped  resona nce causes o scill a t ions in the input  curre n t with t he same f r eq uen cy of the  se con d  reson ance poi nt. The o scill ating  cu rre nt ma kes  the system u n stabl e.       4. Simulation Resul t   The p r op ose d  BLDCM  drive is mo dell ed in M a tlab - Simulin k e n vironm ent a nd its  perfo rman ce   is eval uated   with lo ad  The  DC lin k volt a ge i s   kept  co nstant  at 40 0  V with  an  in put  AC RMS voltage of 225V. The  components of SEPIC co nverter are select ed  on the basi s of  power q uality con s trai nts a t  supply main s and  allo wa ble rip p le in  DC-lin k volta ge as  discu s sed  as sho w n in  Figure 5.         Figure 5. Simulation Di agram  of the Pro posed Ci rcuit  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Approac h   of PFC in BLDC Motor Driv es  Us ing BLSEPIC Converter  (Murugan M)  219     Figure 6. Source voltag e a nd so urce current of  a BLDCM drive rep r ese n ting unit y power fa cto r   at peak  sou r ce voltage of 240V      The  cont rolle r gai ns are  tuned to  get  the  de si red  power quali t y param eters. The   perfo rman ce   evaluation  is  made  on  the  ba sis of  va ri ous po we q uality pa rame ters i.e. T H D of  c u rr en t ( T HD %)  a t  in pu AC  ma in s,  po wer fa ctor an d inp u t AC  current  (Is).  Fi gure  6  sho w s the  curre n t (I) waveform  at in put AC main s i s  in   ph ase  with th sup p ly voltage  (Vs)  re pre s e n ting   nearly unity  power fa ctor.  The wavefo rms of po we factor of BL DC motor d r iv e are  sho w in   Figure 7.             Figure 7.  Power fa ctor of the BLDC mot o r at  pea k so urce  voltage of 24 0V  Figure 8. Tra pezoidal ba ck emf of the BLDC  motor      Figure 8-10  show va riation  of  cu rre nt a nd its T H D at  AC main wi th AC input v o ltage.  The total ha rmonic  disto r tions of AC m a ins  cu rre nt is ob se rved  well bel o w 5 %  in most of the  ca se s a n d  sa tisfies th e i n ternatio nal  sta ndards alo n g  with  ne arly  unity PF in  wide  ran ge  of  AC  input voltage.       Figure 9. FFT  analysi s  of a BLDCM dr ive  at peak source voltage of  240V   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  215 – 221   220     Figure 10. Performa nce of the PMBLDCM  drive at pe ak source vol t age of 240V       Table 1. PQ Paramete rs o f  a BLDCM  at  Variable Input AC Voltage  (Vs) (Is)  RPM   (THD % )   (PF)   300 3.714   1354   1.94  0.9991   270 3.333   1220   1.71  0.9989   209 1.049   1030   1.30  0.9988   178 2.225   970  1.14  0.9987   120 1.486   690  0.98  0.9984   88 1.114   560  0.90  0.9982   56 0.723   381  1.24  0.9980   30 0.371   230  0.96  0.9985       The  perfo rma n ce  of the  p r opo sed  BLDC m o tor  driv e is evalu a te d un der varyi n g in put  AC voltage to  demon strate  the effective ness of the  propo sed i n  various  pra c tical  situation s  a s  in   Table 1.       5. Conclusio n   The Power quality of the  BL DC motor  drive had improved  us ing SEPIC c o nverter with  the utilization of MATLAB  Simulink  software. T he P F C converter has en sured reasonable  high  power fa ctor  clo s e to u n ity in wid e  ra ng e of input volt age. The  pa rameters  sho w n in th e Fig u re 6   to  Figu re1 0  repre s e n ts an   improved po wer  qu a lity, smooth  spe e d  co ntrol  of th e BL DCM  d r i v e .   The THD of AC main s cu rrent is withi n  spe c if ied limit s of internatio nal norms. T he perfo rma n c of the d r ive i s  ve ry goo in the  wid e  range  of  in pu t AC voltage  with  de sire d  po wer qu ality  para m eters At input  sup p ly voltage  and   wide  ra nge  of  sp eed  is e n sured  rea s on a b le hi gh  po wer  factor cl ose t o  unity  with P F co nverte r. The  in ternati onal  stan dard  of T H D for A C  m a in  cu rre n is sati sfied a s  5% in most of the case s in  BLDC m o tor drive. M o reove r  an i m prove d  po wer  quality with l e ss torque  ri pple, smooth  spe ed  cont rol of the BL DC moto r d r ive whi c sh o w n by  perfo rman ce para m eters.       Referen ces   [1]  Bhim Si ng h, B P  Sing h, M Ku mar. PF C conv erter fed PMB L DC m o tor dr i v e for a i r co ndi tioni ng.   I E ( I )   Journ a l- EL . 20 03; 84: 22- 27.   [2]  O  G a rcía, JA C obos, R Priet o , P Alou, J Uce da.  Sing le Ph a s e Po w e r facto r  correction: A surve y IE EE  T r ans. Pow e r Electron . 20 03;  18: 749-7 55.   [3]  T   G opalar athn am, S W a ikar , HA T o li y a t, MS Arefeen,  JC Moreir a . Development  of low-cost   mu ltip hase Br u s hless  dc (BL DC) motors w i th uni pol ar cur r ent excitati on s.  In Proc. IEEE IAS Annu.   Meetin g. 199 9: 173-1 79.   [4]  T   G opalar athn am, HA T o li y a t .  A ne w  top o lo g y  for  un ipo l ar  brushl ess dc  motor drive  w i t h  hi gh p o w e r   factor.  IEEE Tr ans. Power Electron . 2003; 1 8 ( 6) 139 7-14 04.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Approac h   of PFC in BLDC Motor Driv es  Us ing BLSEPIC Converter  (Murugan M)  221 [5]  JR Henders h ort Jr,  T J E Miller. Design  of Brus hless Per m anent-Magnet Mo tors. Ox ford: Clar endon  Press. 1994.   [6]  AM Jungre i s, AW  Kelle y. Ad justab le  sp eed  drive for resid entia l ap plic ati ons.  IEEE Trans. Ind. Appl 199 5; 31(6): 13 15-1 322.   [7]  U Kamnarn, V  Chunk ag . An alysis an d des ign of a para l l e l an source  splittin g  config uratio n usin g   SEPIC m o dules based on  power  balance c ontrol tec hnique.  In Proc. IEEE Int. Conf. Ind. T e chnol .   200 5: 141 5-14 20.   [8]  T  Kenjo, S Nag a mori. Perma n ent Magn et Br ushl ess DC Mo tors. Oxford: Cl aren don Pr ess. 1985.   [9]  JM K w o n , W Y  Choi, JJ  Lee,  EH Kim, BH K w o n Continuous-conduction- m o de SEPIC c onverter wit h   low reverse-recovery loss fo pow er factor correctio n.  Proc. IEE –EPA. 2006; 153( 5): 673 -681.   [10]  M Nai du, T W  Nehl,  S Go pal akrish nan,  W u rth.  Keep in g co ol  w h i l e  s a vin g  sp ace  a nd m one y:   a   semiint egrate d ,  sensorl e ss P M  brush l ess  dr iv e for  a 4 2 -V  automotiv e HV AC compr e sso r.  IEEE Ind.  Appl. Mag . 2 0 0 5 ; 11(4): 20-2 8 .   [11]  R Ridley .  A naly z ing the SEPI C converter.  P o wer System  Design Europe . 200 6: 14-1 8 [12]  J Seb a stian, J  Uced a,  JA  Co bos, J Ar au, F  Ald ana.  I m pr o v ing  pow er fac t or correctio i n  distri bute d   pow er sup p ly s ystems  usin PWM and ZCS - QR SEPIC topol ogi es.  In Pr oc. 22nd Annu. IEEE Pow e r   Electron. Spec.  Conf. 199 1:  780-7 91.   [13]  DSL Simo netti , J Sebastian,  J Uceda. T h e  di sconti nuo us  conducti on m ode Se pic an d  Cuk po w e r   factor prereg ul ators:  anal ys is and d e si gn.  IEEE Trans. Ind.  Electron.  19 97;  44(5): 630- 63 7.  [14]  S Sing h, B Si n gh. State  of th e art o n  p e rma nent ma gn et br ushl ess DC  motor driv es.  Jo urna l of Pow e r   Electron ics.  20 09; 9(1): 1-17.   [15]  T J  Sokira, W  Jaffe. Brushl es DC  Motors:  Electron ic C o mmutation  a n d  Co ntrol. US A: T ab Books .   198 9.  [16] T   T anitteerapa n.  Analysis of power  factor  c o rrection is olat ed SEPIC rectifie rs using inductor detection  techni qu e.  In Proc. 47th Mid w est S y mp. Circ u its S y st. 200 4 ;  2: 321-32 4.  [17]  M Murug an, R  Je yab harat h, P Veen a. An Effi ci ent Active  Cl amp R e son ant  DC Li nk for B L DCM Dr ive   S y stems.  Euro pea n Jour nal o f  Scientific Res earch . 20 12; 8 8 (4): pp.47 5-4 83.   [18]  M Muruga n, R Je yab harath ,  P Veena. Stabil i t y  A nal ys i s  of BLDC Motor Drive ba sed on Inp u t   Shap ing.  Intern ation a l Jo urna l of Engin eer ing  and T e ch no log y . 2013; 5(5): 4 339- 434 8.   [19]  R b a lam u rug a n , S h a ripr asa t h, R n i th ya. P o w e rfactor  cor r ection  usi n g  v a ll y fi ll  sep i c t opo log y   w i t h   fuzz y  logic control.  T E LKOMNIKA Indones i an Jour nal of  Electrical  E ngi neer ing.  2 014;  12(11): 76 22- 763 0.  [20]  Lei Ji n-li. Ad a p tive co ntrol f o r br ush l ess  DC motor b a s ed o n  fuzz y infere nce.  TELKOMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.   2014; 12( 5): 3392- 339 8.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.