Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 1,  April 201 6, pp. 88 ~ 95   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i1.pp88 -95        88     Re cei v ed  Jan uary 22, 201 6 ;  Revi sed Ma rch 1 9 , 2016;  Acce pted Ma rch 2 8 , 2016   Bridgeless Isolated Cuk PFC Implementation using PID  and Neural Controller      R Pireethi* 1 , R Balam u r u gan 2   Dep a rtment of Electrical  and  Electron ics En gin eeri n g   KS Rang asam y Co lle ge of T e chno log y   (A uto nomo u s), T i ruchen go de, Indi a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : pireeth u @gm a il.com 1 , nrba ls @gmai l .com 2       A b st r a ct   T he compar isi on of brid ge les s  isolate d  cuk conver ter us in g prop ortion al i n tegra l  deriv ati v e (PID)   and n eur al co ntroll er (NC) is  presente d  in  this pap er. Du e to dio de bri dge rectifi e r (DBR) conv enti ona l   converters s u ffer from hi gh c ond uctio n  loss . Bridge less  C u k conv erter i s  used  to el i m inate th e iss u e s .   brid gel ess is ol ated (B LI) cu k conv erter is  use d  to  w i th stand  hig h  v o ltage.  Co mp ar e to  Conti n u o us   cond uctio n   mo de (C CM) disc ontin uo us con ductio n   mo de  ( DCM) util i z e   le ss nu mb er of s ensors. T o   obt ai n   unity  pow er fa ctor it is  us ed   to w o rk i n  D C M  mod e . BLI  Cuk c onvert e r  is i m ple m ente d  i n  tw o co ntro ller s   PID and  neur a l  control l er to  observ e  pow er  factor. Pe rforma nce  of BLD C  motor is si mu late d by us i n g   MAT L AB/Simul i nk softw are.      Ke y w ords : Bri dge less Isol ate d  Cuk conv eter , BLDC,  Po w e r factor, PID co ntroll er, Neura l  controll er         Copy right  ©  2016 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   BLDC moto r  has the  adva n tage s li ke  compa c t  size,   noise fre e  a n d  le ss ele c tro m agneti c   interferen ce and hen ce it  is easy to control an d maintain [1-3].  BLDC moto r is ch oo sen  for  variou s appli c ation s  in ho use hold like fan, pum p, air con d itione r and in indu strie s . Brush e s  prod uce m o re am ount  of heat  dissip ation [4].  He nce  sparkin g  and  noi se  i s  p r o duced  in  conve n tional  motor, so it  need s re gula r  maintan e n c e. BLDC mot o r is u s e d  to overcome th e   disa dvantag e s . To se nse the positio n of motor  Voltage Sou r ce Inverter  (VSI) and Hall Effect   sen s o r  is ad d i tionally conn ected. It is also us e d  for providing ele c tronic  comm utation [5-7].   Diode Bridge  Rectifier (DB R ) i s  used to  supply  the in put to inverter. High value  o f  dc link  cap a cito r dra w s  cu rre nt for sh ort pe riod  and ca us es  distortio n  in voltage an d current [8]. Thus  the Powe r F a ctor  (PF) i s  low an d To tal Harm oni c Disto r tion (THD) i s  high . Power q ual ity  probl em s in  BLDC driv e is  redu ce d by po we r  factor co rrection co nve r ters.  Co ntin uou s  Con d u c tion  Mode  (CCM ) and  Disco n t inuou s Con ductio n  Mod e  (DCM ) a r e two mo de s of  con d u c tion.CCM m ode  re quire s m o re  numbe r of  se nso r s than  DCM a nd  hen ce  DCM mo d e  is  mostly prefe r red to redu ce t he co st [9].    Comp are to  conve n tional   PFC, Cuk co nverter  prote c t from  the i n rush  cu rre nt  and it i s   combi nation   of Buck B o o s t op eration  [10]. To  reduce switching loss  Br idge le ss  ( B L)  Cu k   conve r ters are use d . Non  isolate d  conv erter  can not withsta nd hig h  voltage he nce Bri dgele s s  Isolated (B LI) Cuk  conve r ters a r e  cho o sen to  prevent  from unwant ed cu rrent lo op and it prov ide  isolatio n between inp u t and  output [11].      2. PFC  Con t roll er  In PID control l er refe ren c e  spe ed and m o tor vo ltage consta nt is multiplied and it is given  as refe re nce voltage (Vr* ) [12-1 3 ]. Control algorithm   consi s ts of ref e ren c e voltag e, spee d co ntrol   and PWM  (P ulse  width M odulatio n) ge neratio n. Vo ltage e rro r ge n e rato r is u s e d  to comp are  the   actual  and  o b se rved volta ge to g ene ra te error [1 4]. Block Di ag ram of PFC  Based  Brid g e less   Isolated  Cu k Conve r ter i s  sho w n in Fig u re 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  88 – 95   89     Figure 1. Block  Diag ram o f  PFC Bas ed  Bridgel ess Isolated Cuk  Converte r      Erro r value is calculated by  the following  equatio n     V k V k ∗  V  k   (1)   The e r ror voltage i s   chan ged  co nse q u ently wh en t he g a in valu es  of PID  co ntrolle r i s       adju s ted [15-16]. To meet the refere nce set value  PWM gen erato r  is co ntroll ed . PID controll er      gene rate s the  controll ed ou tput voltage (Vo) and it is g i ven as,         V k V k1 K V k V k 1  K V k   (2)      The mo st flexible and sp ecific  controll er  is Neu r al  netwo rk  (NN) and it beha ve like   human  ne uro n  [17]. To  tra n smit  output  to othe r  n euron.Ne ural  net work re ceive   the inp u t an d  it  store th e data .  Neural  Network m a themat ical  mod e l is repre s e n ted b y  the followin g  equatio n     Y k Y k1 0 . 5 t a n h Y k1 Xk 1   (3)   Whe r e X=i n p u t signal give n to the network               Y=output sign al fro m  the netwo rk  To ge nerate  an outp u t, in put pa ramete rs  are   multipl i ed by the  correspon ding  weig ht  factor  wi [18-19]. The sum m ation of we ighted input s is given as i nput to the si gmoid fun c tio n   and inp u t and  output para m eters are  re lated to give an output.       3.  Simulation of BLI Cu k Co nv erter using PID Contr o ller  The pe rforma nce  of BLDC motor d r ive  usin g  BLI Cu k converte r i s  sim u lated  b y  using   MATLAB/SIMULINK software.  T he sim u lin k  mod e l i s   sho w n i n  Fi gure  2.  K p , K i  and K d  values  of   PID controller are used to control the converter.  According to the error re ceived from the PID      controller PWM generator  gives the switching pulse .  The performa n ce of BLDC  motor like sp ee d ,   torque, stator  back emf and current of BL DC  motor are  measured for 230V input voltage.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Bridgel ess Isolated Cuk P F C Im plem entat ion usin g PID and Neura l  Controll er   (R Pireethi)  90     Figure 2. Simulink Mo del for BLI Cu k co nverter  with BLDC motor      Powe r fa ctor display blo c k receive in put from  so urce voltag e  and  current  and  an  equivalent  re al and  re acti ve power i s   cal c ulat e d . Speed  of BLDC moto r  cont rols the  DC l i nk  voltage and  switchi ng of converte r is v a ried. Th e  po wer fa ctor  ob serve d  is 0.9 965 for BLI  Cu k  conve r ter  with PID controll er is  sho w n in  Figure 3.         Figure 3. Power fa ctor o b s ervatio n         Figure 4. Observed stato r  b a ck EMF of BLDC motor                  Figure 4  sho w s the st ator Back E M F obtai ne d  with the use  of PID controller. The  sta t or   curre n t of BLDC moto r wh en cont rolle d  by PID controller is  sho w n in Figure 5 .  At the time  of  0.07 s e c  it s t arts  to settle. BLDC motor t o rqu e  wavefo rm is sho w n i n  Figure 6.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  88 – 95   91     Figure 5. Stator Cu rrent of  BLDC M o tor  by  PID Contr o ller           Figure 6. Electrom agn etic  torque of BL DC moto r        Figure 7. Speed re spo n se for BLI cu k ba sed BL DC      DC lin k voltage is co ntroll ed to obtain stable  spe ed resp on se. Fig u re 7 sh ows the BLDC  spe ed re sp on se u s ing BLI Cu k co nverte r.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Bridgel ess Isolated Cuk P F C Im plem entat ion usin g PID and Neura l  Controll er   (R Pireethi)  92 4.  Simulation of BLI Cu k Co nv erter using Neur al Co ntroller   The simulink  model for Ne ural controller based BLDC motor usin g Bridgeless  Isolated  Cuk  converte r is  shown in  Figure 8.  Ne ural cont rolle r controls the  operating cycle of converter   switche s . Ne arly unity power factor is  obtained  and  it is operate d  in DCM m ode. Power f a ctor  observed u s i ng po wer fa ctor display blo ck i s  0.998 5 is sh own in Figure 9.         Figure 8. Simulink Mo del for BLI cu k ba sed BL DC m o tor    Figure 9. Power fa ctor  re spon se for BLI  cuk b a sed BLDC      Neu r al ba se d  BLI Cuk co nverter fed B L DC motor d r ive spe ed re spo n se is sh own in   Figure 10. Steady state  of motor i s  atta ined a nd  se ttles at 0.0 8  se c. According  to the refe ren c e   value sp eed i s  tra c ked and  generated.         Figure 10. Speed re sp on se  for BLDC  with BLI cuk  con v erter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  88 – 95   93     Figure 11. Electro m ag neti c  torqu e  for n eural b a sed  BLI cuk  conv erter        Figure 12. Stator ba ck EM F of BLDC m o tor      Electromagne tic torque of BLDC i s  sh own  in F i g u r e  1 1  and ripple in t h e torque  wa veform  is observed.  Figure 12 sh ows the stator back  emf. Shape of ba ck emf is decrea s ed from  its   original position in the starting condition.  As  soon as p o ssible it regain its original  shape.       Figure 13. Stator cu rrent for BLI cu k ba sed BL DC m o tor    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Bridgel ess Isolated Cuk P F C Im plem entat ion usin g PID and Neura l  Controll er   (R Pireethi)  94     Figure 14. Ha rmoni c spe c trum      Stator  current  of BL DC mot o r i s   sh own in  Fi gu re 13. Efficien cy of motor is deg rad e d  due  to high  di sto r tions in  the  cu rrent  wav e form . Total Harmonic  Dis t or tion  (T HD ) fo r BLI  Cu k   conve r ter i s   sho w n i n  Fig u re 1 4  an d t he ob se rv ed  THD is  3.4 9 %. Neu r al  controlle r i s  b e st  controlle r  wh en  comp ared  to PID  co ntroller. It  ha s be tte r  d y na mic p e r f o r ma n c e b e c a us e it ha s   less disto r tion . So that power facto r  is im proved.       5. Conclu sion   Powe r Fa ctor is inhe rently maximize s by   Bridgele s s Isolated Cuk  Converte r. Usi ng PID  controlle r the observed p o w er fa ctor i s  0.9965. Po wer Fa ctor of  BLDC m o tor  drive usi ng Neural   controlle r is  0.9985 a nd  Total Ha rmo n ic  Disto r tion  (THD) i s  3.4 9 %. Neu r al controlle r ha s  less  settling time, minimum p eak ove r sho o t, good dynamic pe rform ance and be tter efficiency .  It   improve s  Po wer F a cto r  th an the co nve n tional conve r ter.       Referen ces   [1]  Dakshina Murt hy -B ellur and  Mari an K. Kaz i mierczuk. Isola t ed T w o-T r ansistor Z e ta Con v erter W i th   Red u ced T r ansistor Voltag e Stress.  IEEE trans. on circu i ts and syste m s.  201 1; 58(1): pp .41-45.   [2]  Domin i k Bortis , Lukas F a ssl er an d Jo han n W .  Kolar.  C o mpre hens ive Analys is  an d Co mp arati v e   Evalu a tion  of the Isolate d  T r ue Brid gel ess  Cuk Sin g le-P h a se PF C Rect i fi er System.  International  Confer ence  on  Po w e r Electro n ics. 201 3: 1-9 .      [3]  Mahd avi M, farzane h-fard. Bri dge less CUK  p o w e r fa ctor cor r ection rectifi e r   w i t h  reduc ed  cond uctio n   losses .   IET Power Electron . 2012; 5(9): 1 733 –17 40.   [4]  Sahi d MR, Yati m AHM. A brid gel ess Cuk  PF C conv erter.  IEEE Applied Power Electronics  Colloqui um  (IAPEC) . 2011:  81-85.   [5]  Mohd  Ro dhi  S ahi d, Abd u l  H a lim M ohd  Yat i m. An  is olate d  bri d g e less  A C -DC c onverte r  w i t h   hig h   po w e r factor .   IEEE Internatio nal C onfere n ce  on Pow e r and  Energy . 20 10:  791- 796.   [6]  Raja n K u mar,  Bhim  Sin gh.  BLD C  Motor  Drive n  S o lar  PV Arra y F e d Water P u m p in g S y ste m   Emplo y i ng Z e t a  Conv erter.  IEEE conferenc es . 2013: 1-6.    [7]  Bist V, Singh B. PF C Cuk Converter F ed BLD C  Motor Drive.  IEEE Trans. P o wer Electron . 201 4: 871 - 887.   [8]  Vashist Bist, Bhim Singh. A PFC Based BLDC  Motor Drive  Using  a Bridg e l ess Z e ta Conv erter.  IEEE  confere n ces . 2 013: 25 53- 255 8.  [9]  Vashist Bist, Bhim Sin gh. Po w e r Qual it y  Im pr ovem ent in  PF C Bridge les s -Luo C onv erter F ed BLD C   Motor Drive .   IEEE conferenc es . 2013: 1-8.   [10]  Yie-T one Ch en , Sheng-Zh i M o . A Bridg e l e s s  Ac tive-Clam p  Po w e r Factor  Correctio n Isol ated SEPI C   Conv erter  w i th  Mixed DCM/C CM Operatio n.  IEEE Conference on Power Electronics . 20 13 : 1-6.     [11]  Bhim Singh, Vashist Bist. A  PFC Based BL DC Motor Driv e Usin g a Brid gel ess Zeta Co nverter .   IEEE   T r ansactio n s o n  Industria l Ele c tronics . 201 3; 61(6): 25 53- 25 58.   [12]  Lakshm i  Moh a n . Comp ariso n  of PI an d Ad a p tive  Fuzz y PI D Co ntroll ers f o r Spe ed  Co ntrol of B L DC   Motor.  Internat ion a l  J ourn a l  of  Innov ative  Rese arch in  E l ectrical, E l ectr onics, Instru mentatio n  an d   Contro l Engi ne erin g . 201 4; 2(2): 1050- 10 54.   [13]  Rames h  MV, Amarnath J, R ao GS. Spe e d  Contro l  of Bru s hless  Dc Mot o r b y  Us ing  F u zz y   Log ic P I   Contro ller.  AR PN Journ a l of Engi neer in g an d Appl ied Sc ie nces . 201 1; 6( 9): 55-62.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  88 – 95   95 [14]  Rakes h  Kris hn a, Vid h y a MP.  A F u zz y Bas e d PF C  C U K C onverter  for Vo ltage  Co ntroll e d  Ad justab l e   Spee d PMBL DCM Driv e.  Internati o n a l J ourn a l of E l e c tric al El ectro n ics & C o mp uter Scie nc e   Engi neer in g . 2015; 2(2): 2 7 -3 2.  [15]  Smriti Ra o k,  R a vi Mis h ra.  Co mparativ e stu d y   of  P, PI  an d  PID contro ller   for sp eed  co ntrol  of VSI-fe d   induction mot o r.  Internation a l  Journ a l of Eng i neer ing D e ve lo pment an d Re search . 20 14;  2(2): 274 0- 274 4.  [1 6 ]   Sw ami k on da   B, Sri n i v a s ul u P, Jay a kri s h n a G. Design  o f  Cuk Conv erter Base d PMBLDCMD f o r   Po w e r Factor   Correction.  Internati ona l Jo u r nal  of Adva nc es in  Eng i n eer ing  an d Ap pli e d Scie nce.   201 4; 1(2): 97- 102.   [17]  Vashist B i st, Bhim Singh. A Unit y  Po w e r Fac t or  Bridg e l e ss I s olate d  C u k C onverter  F ed B r ushl ess  D C   Motor Drive.  IEEE Transactions on Industrial Electronics . 2 015; 62( 7): 411 8-41 29.   [18]  Balam u rug an R,  Pearl y  Cath er in e J. An Approac h of Po w e r F a ctor  Correction i n  BLDC  Motor Drive s   Using C u k Der i ved C onverter s .  T E LKOMNIKA Indon esia n  Journa l of Electrical En gin e e rin g . 2 0 14;  12(4): 70 1-7 0 8 .   [19]  Pearly   Catherine J, Bala muruga R. A Pow e r Factor  Corre cted Bridgeless T y pe III  Cuk Derived  Conv erter fed  BLDC Motor D r ive.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jour na l  of Electrical E ngi neer ing.  2 015 ;   14(3): 42 0-4 2 7 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.