3. Bölüm - WordPress.com · iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım ve tüketici elektroniği gibi her alana yayılmıtır

3. Bölüm3. Bölüm

Güç Elektroniğinde Temel Kavramlar Güç Elektroniğinde Temel Kavramlar

ve Devre Türlerive Devre Türleri

Doç. Dr. Ersan KABALCIDoç. Dr. Ersan KABALCI

AEKAEK--207 207 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİGÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ

Güç Elektroniğine GirişGüç Elektroniğine Giriş

Güç elektroniği elektrik mühendisliğinde enerji ve elektronik bilim

dalları arasında bir bilim dalıdır.

Temelde bir kaynaktan yüke verilecek elektrik enerjisinin; yükün

gerektirdiği uygun bir şekle dönüştürülmesi ve denetlenmesi

konularını inceler.

Güç elektroniğinin ilk çalışmaları AA!dan DA elde etmek için

yapılmıştır. Önceleri mekanik dönüştürücüler, sonra civa buharlı

doğrultucular kullanılmıştır.

22


Yarı iletken doğrultucular 1920-30 yıllarında ortaya çıkmış; 1950’de

de ilk yarı iletken diyotlar yapılmış, 1957 de ise tristörler imal

edilmiştir.

Tristörün icadı güç elektroniğinde devrim yaratmıştır. 1974 yılında ilk

mikroişlemcilerin piyasaya sürülmesiyle güç elektroniği dalında

çalışanlara yeni ufuklar açılmıştır.

Güç elektroniğinin uygulama alanları son yıllarda hızla artmış;

iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji dönüşümü,

ulaşım ve tüketici elektroniği gibi her alana yayılmıştır.

33


Uygulama alanlarını dört kategoride incelenebilir:

Elektrik makinalarında sürücü ve denetim sistemleri,

Endüstriyel süreçler

Güç kaynakları

Kaynak / Kullanıcı arabirimleri

44

Güç Elektroniği DevreleriGüç Elektroniği Devreleri

Bir kaynaktan alınarak bir yüke verilecek elektrik enerjisinin

yükün gerektirdiği uygun bir gerilim ve frekansa dönüştürülmesi

için kullanılan güç elektroniği devrelerine genel olarak güç

dönüştürücüleri denir.

Güç dönüşümü dört ayrı biçimde yapılabilir:

55


Dönüşüm şekline göre:

Doğrultucular: Kontrollü ve Kontrolsüz olmak üzere iki sınıfa

ayrılırlar.

Kontrolsüz:Diyotlarla ve çıkış gerilimi ortalaması sabit;

Kontrollü: 0 ile max. arasında ayarlanabilir, ayrıca negatif gerilim elde

edilebilir, güç yönü değişir.

Eviriciler: Bir DA kaynaktan bir veya çok fazlı AA eldesinde

kullanılır. DA giriş genelde sabittir. AA çıkış genliği ve frekansı sabit

veya değişken olabilir.

DA Kıyıcılar : Sabit genlikli DA-DA dönüşüm için kullanılır.

66


AA Kıyıcılar: Sabit genlik ve frekansta (temel frekans) bir AA

kaynaktan aynı frekansta ancak değişken genlikli AA üretmek için

kullanılır.

Ara devreli çeviriciler: Sabit bir DA kaynağından ayarlanabilen bir

DA veya sabit bir AA kaynağından ayarlanabilen genlik ve

frekansta bir AA üretmek için kullanılır. Dönüşüm sırasında ara

devre vardır. Ara devreli AA çeviriciler özellikle asenkron motorları

beslemede kullanılır.

Doğrudan frekans çeviriciler: Bir ara devre oluşturmadan doğrudan

yapılan frekans dönüşümüdür. Bu güç dönüştürücülere çevrim-

çevirgeç ya da cycloconverter de denir.

77


88


99

Yarı iletken güç elemanları;

Diyot,

Tristör,

Triyak,

Kapıdan tıkanabilen tristör (GTO),

Bipolar güç transistörü,

Güç mosfeti,

Yalıtılmış kapılı bipolar transistör (IGBT)

Güç Elektroniğinde Doğrultucu DevrelerGüç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler

Doğal komütasyonlu ve problemsiz devrelerdir,

Tristör ve diyotlarla gerçekleştirilir.

Uygulama alanları:

DC motor kontrolü,

akümülatör şarjı,

galvano teknikle kaplama ve

DC gerilim kaynakları şeklinde sıralanabilir.

1010


1111 Şekil 1- Genel AA-DA Dönüştürücü Yapısı


1212


1313

s= Dalga Sayısı

q= Faz Sayısı

AA Şebeke DA Yük Doğrultucu Mod

AA Yük DA Kaynak Evirici Mod

Şekil 2- Temel AA-DA Dönüştürücü Devreler


Üst ve alt sıradan herhangi birisi kullanılırsa Yarım Dalga Doğrultucu, her ikisi

de kullanılırsa Tam Dalga Doğrultucu elde edilir.

Serbest geçiş diyotu, yük akımının sürekliliğini sağlar. Çıkış gerilimi Udα çok

dalgalı da olsa, büyük değerli yük endüktansından dolayı çıkış akımı Id sürekli

ve sabit kabul edilir.

Serbest geçiş diyotu olmadığında, sürekli kabul edilen DC yük akımını, hem

üst hem de alt sıra elemanlar eşit aralıklarla ve sırayla geçirilirler.

1414

Şekil 3- Doğrultucu Yapıları

Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler

Şekil 4(a)’da temel yarım dalga doğrultucu devre

görülmektedir. Şekil 4(b), akım ve yük geriliminin

grafiklerini göstermektedir. Kaynak gerilimi T

periyodunda ve Vm maksimun değerinde sinüs dalgası

şeklindedir.

Devre eşitliği,

(1)

i(t) = 0 için vD = 0 olduğundan, akım eşitliği

(2)

Eş. 2’de , belirlenen kaynak frekansına tekabül

etmekte ve eşitlik sadece i(t) > 0 için geçerlidir. Böylece,

maksimum akım, vs Vm’ ye eşit olduğunda oluşur ve Eş. 3

eşitliği ile verilir.

(3)

1515

Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu

v v vS D R

R

tV

R

vti mS sin)(

IV

Rm

m


Şekil 4(a)’da temel yarım dalga doğrultucu devre

görülmektedir. Şekil 4(b), akım ve yük geriliminin

grafiklerini göstermektedir. Kaynak gerilimi T

periyodunda ve Vm maksimun değerinde sinüs dalgası

şeklindedir.

Devre eşitliği,

(1)

i(t) = 0 için vD = 0 olduğundan, akım eşitliği

(2)

Eş. 2’de , belirlenen kaynak frekansına tekabül

etmekte ve eşitlik sadece i(t) > 0 için geçerlidir. Böylece,

maksimum akım, vs Vm’ ye eşit olduğunda oluşur ve Eş. 3

eşitliği ile verilir.

(3)

1616


v v vS D R

R

tV

R

vti mS sin)(

IV

Rm

m


1717 Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu

Bu devre için ilgili büyüklükler, ortalama yük akımı

ve gerilimidir. Ortalama akım, dalga biçiminin

periyodu üzerinde i(t)’ nin integrali ile bulunur.

(4)

İkinci yarım saykıl için i(t) = 0 olduğundan, bu

integral 0-T/2 yarım periyodu üzerinde

değerlendirilir.

(5)

Eş. 5 eşitliğinin integral işlemi Eş. 6 eşitliği ile

sonuçlanır ve yarım dalga devre karakteristiğini

ifade eder:

(6)

Gerilimin dalga şekli akımın dalga şekliyle aynı

olduğundan, ortalama yük gerilimi için 5.8 eşitliğine

benzer ilişki vardır.

(7)

dttiT

T

0 )(1

=ortI

dttIT

T

m2/

0sin

1=ortI

mI=ortI

mV=ortV


1818 Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu

Bazı durumlarda, akımın RMS değeri istenilir. Bu

değer, RMS değerinin tanımından bulunur.

( 8)

Burada da, integral yarım periyot üzerinden

değerlendirilir:

(9)

(10)

(10) eşitliğinin sonucu, yarım dalga devrenin dalga

biçiminin karakteristiğidir.

Şekil 4(b)’deki grafik, diyotun tepe kaynak

gerilimine eşit bir ters gerilimi tıkaması gerektiğini

gösterir. Bu değer verilen bir devre için uygun diyot

doğrultucu seçiminde de gereklidir.

IT

i t dtRMS

T

1 2

0

0 5

( )

,

IT

I t dtRMS m

T

1 2

0

20 5

sin/

,

II

RMS

m2

a) Tepe yük gerilimi = V

b) Tepe yük akımı = A

c) Ortalama yük gerilimi = V

d) Ortalama yük akımı = A

e) RMS yük akımı = A

f) Yükün gücü = W


1919

Şekil 5’te görüldüğü gibi omik yüklü bir yarım dalga

doğrultucu 20 ’luk bir yükü beslemekte ve kaynak

gerilimi 240 V RMS, 60 Hz dir. Aşağıdakileri bulunuz:

(a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı

(c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı

(e) RMS yük akımı, (f) yükün gücü


V Vm RMS 1414 1414 240 339 4, ( , )( ) ,

V

R

m 339 4

2016 97

,,

Vm

339 4

108,

Im

16 97

5 4,

,

Im

2

16 97

28 48

,,

( ) , ( )I RRMS

2 28 48 20 1440


2020

Şekil 6- Tam dalga doğrultucu

Tam dalga fonksiyonu, bir köprü doğrultucu

veya sekonderi orta uçlu bir transformatör ile

sağlanabilir. Şekil 6(a)’daki devrede köprü

doğrultucu kullanılmaktadır.

Yarım dalga durumunda olduğu gibi, kaynak

gerilimi ve yük direnci aynıdır. Tam dalga

devresi, yarım dalgada olduğu gibi devreden

bir akım geçirir fakat yükteki akım ikinci yarım

dalgada da vardır.

Diyot köprüsü akım yönlendirici modu içinde

işlem yapar; böylece alternatif kaynak akımı

Is yük direncinde tek yönlü akıma dönüşür.


2121


Tam Ortalama ve RMS değerleri, yarım dalga

durumuna benzer bir şekilde bulunabilir:

(11)

(12)

(13)

Burada, tam dalga ortalamasının yarım dalga

ortalamasının iki katının olduğuna dikkat

edilmelidir. Bu durum, iki akım-zaman

grafiklerinin incelenmesiyle rahatlıkla

anlaşılabilir.

IT

i t dtort L

T

1

0( )

T

Tm

T

mort dttIdttIT

I2/

2/

0sinsin

1

I Imort

2


2222

Benzer şekilde ortalama yük gerilimi aynı faktörle verilir, böylece:

(14)

RMS akımı yine RMS tanımından bulunur :

(15)

(16)

(16) eşitliğinin incelenmesiyle, ikinci yarım saykılın negatif işaretinin bir farklılık

meydana getirdiği görülmez ve matematiksel işlemin sonucu herhangi bir

sinüsoidal dalganın RMS değeri ile aynıdır.

(17)

mVV

2ort

2

0

1( )

T

RMS LI i t dtT

/ 22 2

0 / 2

1 1( sin ) ( sin )

T T

RMS m mT

I I t dt I t dtT T

II

RMS

m2


2323

Şekil 7’de görülen omik yüklü bir tam dalga doğrultucu

20 ’luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240 V

RMS, 60 Hz dir. Aşağıdakileri bulunuz:







c) Ortalama yük gerilimi = V

d) Ortalama yük akımı

e) RMS yük akımı =


V Vm RMS 1414 1414 240 339 4, ( , )( ) ,

V

R

m 339 4

2016 97

,,

2 2339 4 216

Vm ,

2 216,97 10,8mI A

16,9712

2 2

mI A

( ) ( ) ( , ) ( )I RRMS

2 212 0 20 2880

Kontrollü Doğrultucu DevrelerKontrollü Doğrultucu Devreler

2424

Şekil 4(a)’daki diyot, Şekil 8(a) da gösterildiği gibi

bir SCR ile değiştirilir ve SCR’nin iletimi yarım

dalgada açısı kadar geciktirilirse Şekil 8(b) deki

grafikler elde edilir. Bu grafiklerde, SCR t1

zamanında iletime geçirilir ki bu ile verilir.

Bu devre için ilgili büyüklükler, ortalama yük akımı

ve gerilimidir. Ortalama akım, dalga biçiminin

periyodu üzerinde i(t)’nin integrali ile bulunur.

(18)

(19)

(19) eşitliğinde, integral t1 den başlatılır çünkü akım

sadece t1-T/2 için sıfır olmayan değerdedir.

(20)

Şekil 8- Yarım dalga kontrollü doğrultucu

ort0

1= ( )

T

LI i t dtT

2/

ort1

sin1 T

tm tdtI

TI

).cos1(2

ort

mII

/


2525 Şekil 8- Yarım dalga kontrollü doğrultucu

Aynı eşitlik, Vm yerine Im konulmasıyla

gerilim için de uygulanır :

(21)

Yük akımının RMS değeri, temel tanımlar

kullanılarak bulunur ve 5.32 eşitliğinde

verilir.

(22)

Sadeleştirme sonucu, sonuçta Eş. (23)

eşitliği bulunur:

(23)

)cos1(2

ort

mVV

1

/ 221

( sin )T

RMS mt

I I t dtT

sin 21

2 2

mRMS

II



c) Ortalama yük gerilimi =





2626

Şekil 9’da görülen omik yüklü yarım dalga faz kontrollü doğrultucu 20 ’luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240 V RMS, 60 Hz dir. Devre =40 ile çalışmaktadır Aşağıdakileri bulunuz:




V Vm RMS 1414 1414 240 339 4, ( , )( ) ,

V

R

m 339 4

2016 97

,,


339,4(1 cos ) (1 cos40 ) 95,4

2 2

mV V

A77,4)40cos1(2

97,16)cos1(

2

mI

sin 2 16,97 40 sin801 1 8,20

2 2 2 180 2

mRMS

II A

( ) ( ) ( , ) ( )I RRMS

2 28 20 20 1345


2727

Şekil 7’daki diyot, Şekil 10.(a) da gösterildiği

gibi SCR’lerle değiştirilir. SCR’ler α faz

gecikme açısında çift olarak kontrol edilirler.

Bu devre için ortalama yük akımı ve gerilimleri

aşağıdaki gibi hesaplanır.

Formülde ve dir.

(24)

(25)

Ortalama gerilimi ise,

(26)

Şekil 10- Tam dalga kontrollü doğrultucu /1 t t t T2 1 2 /

)cos1(ort

mII

)cos1(ort

R

VI m

)cos1(ort

mVV

Yük akımının RMS değeri, yarım dalga

durumundaki Eş. (23) eşitliğinin yeniden

düzenlenmesi ile elde edilir.

Burada yarım dalga durumu ile karşılaştırıldığında,

dalga başına iki pals vardır. RMS değeri, Eş. (23)

eşitliğine göre kat daha fazladır. Sonuç RMS

değeri Eş. (27) eşitliğinde verilmektedir;

(27)


2828

Şekil 10- Tam dalga kontrollü doğrultucu 2

sin 21

22

mRMS

II


2929

Şekil 11’de görülen omik yüklü tam dalga faz kontrollü doğrultucu 20 ’luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240 V RMS, 60 Hz dir. Devre =40 ile çalışmaktadır Aşağıdakileri bulunuz:






c) Ortalama yük gerilimi =



f) Yükün gücü =

V Vm RMS 1414 1414 240 339 4, ( , )( ) ,

V

R

m 339 4

2016 97

,,

Şekil 11- Tam dalga kontrollü doğrultucu

339,4(1 cos ) (1 cos40 ) 190,8mV V

16,97(1 cos ) (1 cos40 ) 9,54mI A

sin 2 16,97 40 sin801 1 11,60

2 180 22 2

mRMS

II A

2 2( ) ( ) (11,60) (20) 2699RMSI R W

3030

Documents

3. Bölüm - WordPress.com · iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım ve tüketici elektroniği gibi her alana yayılmıtır