Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
1
3. Deney
3. BİR FAZLI VE ÜÇ FAZLI KONTROLLÜ DOĞRULTUCULAR
Deneyin Amacı
Tek faz ve 3 faz tristörlü doğrultucuların çalışmasını ve davranışlarını incelemek.
Bu deneyde tek faz ve 3 faz olmak üzere tüm yarım ve tam dalga tristörlü doğrultucular, omik ve indüktif
yükler altında incelenecektir. Deney 2’de diyotlar kullanılarak incelenen doğrultucu devreler, bu deneyde
tristörlerle kontrollü bir hal almıştır. Yani yük gerilimi tristörlerin iletime geçme zamanlamaları kontrol
edilerek değiştirilebilir. Bu sebeple tristörlü doğrultuculara kontrollü doğrultucular da denir.
Tristörlü Doğrultucular
Deney 2’ de sabit çıkış gerilimi üretebilen diyotlu doğrultucuları inceledik. Eğer endüstriyel
uygulama sabit değil de ayarlanabilir bir gerilime ihtiyaç duyuyorsa bu durumda diyotlu doğrultucuları
kullanamayız. Bu tip uygulamalarda diyotların yerini faz kontrollü tristörler alır. Tristörün çıkış gerilimi,
tristörün gecikme ya da ateşleme açısı değiştirilerek kontrol edilebilir. Tristör, kapı terminaline uygulanan
bir akım darbesiyle iletime sokulur ve ancak üzerindeki gerilim negatifken, akım da belli bir değerin
altına düşerse kapanır. AC sistemlerde gerilim ve akım doğal olarak negatife inerler ancak DC
sistemlerde böyle bir durum söz konusu olmadığı için bu sistemlerde tristör kullanılamaz.
Faz kontrollü sistemler basit, verimli ve nispeten ucuz oldukları için endüstriyel uygulamalarda,
özellikle ayarlanabilir hızlı sürücü sistemlerinde birkaç kW’den MW seviyelerine kadar geniş bir aralıkta
yaygın olarak kullanılırlar. Tristörlü doğrultucular da diyotlu doğrultucular gibi, tek faz , üç faz ve yarım
dalga , tam dalga doğrultucu şeklinde incelenecektir.
Tek Fazlı Yarım Dalga Tristörlü Doğrultucu:
Şekil 3.1’de de görüldüğü gibi devrede yarım dalga diyotlu doğrultucudaki diyodun tristörle
değiştirilmesi dışında bir fark yoktur.
Şekil 3.1 Yarım dalga tristörlü doğrultucu
Faz kontrolü, giriş geriliminin pozitif evresinin istenildiği anında, tristörün iletime sokulmasıyla
sağlanır. Bu noktadan itibaren üzerindeki gerilim negatif olup, akım azalana kadar tristör iletimde kalır.
Eğer yük omik bir yük ise tristör akım ve gerilimlerinin dalga şekli aynı olur ve negatif gerilim sorunu
yaşanmaz. Ancak diyotlu yarım dalga doğrultucuda olduğu gibi, indüktif yükte, tristörlü doğrultucu da,
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
2
akım geriden geldiği için geç kapanarak bir süre negatif gerilimi geçirecek bu da yüke uygulanan
ortalama gerilimin azalmasına sebep olacaktır. Şekil 3.2. de farklı ateşleme açıları için yarım dalga
doğrultucunun çıkışında gözlenebilecek dalga şekilleri görünmektedir.
Şekil 3.2.Omik ve indüktif yükle 0,60,90O
ateşleme açılarında çıkış akım, gerilim dalga şekilleri
Yarım dalga doğrultucu devreleri, düşük frekans bileşenleri ve yüksek salınımları sebebiyle endüstride
tercih edilmezler.
Çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri diyotlu doğrultuculardaki gibi hesaplanabilir.
)1(2
CosV
V MORT
5.0
2
21
2
SinVV M
RMS
( =Ateşleme açısı)
Tek Fazlı Tam Dalga (Köprü )Doğrultucu:
Şekil 3.3’te yarı kontrollü ve tam kontrollü köprü doğrultucu görünmektedir. Tam kontrollü
doğrultucu 4 tane tristörden oluşurken, yarı kontrollü doğrultucu 2 tristör 2 diyottan oluşmaktadır. Yarı
kontrollü doğrultucuda gerilim ve akım daima pozitiftir, yani sadece tek kadranda çalışan bir
Şekil 3.3 Tek faz, yarı-kontrollü ve tam kontrollü doğrultucu
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
3
doğrultucudur. Tam kontrollü doğrultucuda ise boşta çalışma diyodu kullanılmadığı takdirde gerilim
negatife düşebilir. Akım ise burada da daima pozitiftir. Bu sistem de pozitif akım ve pozitif-negatif
gerilimle yani 2 kadranda çalışmaktadır.
Şekil 3.4’te indüktif yüklü, yarı kontrollü doğrultucu için tipik bir çıkış gerilimi dalga şekli ile tristör ve
diyotların iletim aralıkları verilmiştir.
T1-D2 T1-D1 T2-D1 T2-D2 T1-D2 T1-D1 T2-D1
Şekil 3.4 Yarı kontrollü köprü doğrultucu
Şekilde de görüldüğü gibi gerilimin pozitif evresini T1-D2 negatif evresini de T2-D1 anahtarları
iletmektedir. Gerilim pozitif evrenin sonuna gelip negatife geçtiğinde T1-D2 çiftinin görevi biter ve
gerilim negatife geçtiği için D2 kapanarak üzerinde pozitif gerilim olan D1 açılır. Bu noktada T2 henüz
ateşlenmediği için ve de yük akımı sıfıra düşmediği için T1 tristörü T2 ateşlenene kadar iletimde kalır.
wt= + ’da T2 ateşlenir ve T2-D1 çifti iletimi alır.
Gerilimin ortalama ve etkin değerleri aşağıdaki gibidir.
)1(
CosV
V MORT
5.0
2
21
2
SinVV M
RMS
Tam kontrollü doğrultucuda diyotlar yerine de tristörler kullanıldığı için devre üzerindeki her
anahtar kontrollüdür ve bu sebeple tam kontrollü denmektedir. Şekil 3.3’te görülen tam kontrollü devreye
göre, T1-T4 tristörleri ve T2-T3 tristörleri kendi içlerinde birlikte çalışır. wt= anında T1 ve T4
ateşlenir ve wt=π anına kadar bu tristörler iletimde kalır. T2 ve T3 tristörleri wt=π+α’ya kadar
ateşlenmeyeceği için, eğer yük indüktif ise T1 ve T4 tristörleri kesim durumuna geçmeyip yük akımını
taşımaya devam edecekler ; T2 ve T3 diyotlarının açılma anına kadar da negatif gerilimi çıkışa
ileteceklerdir. wt=α anında T2 ve T3 tristörleri ateşlenerek iletime başlayacaklardır. Bu durum tristörlerin
iletim periyotlarıyla birlikte şekil 3.5’te gösterilmiştir.
T1-T4 T2-T3İletim
Yokİletim
YokT1-T4
İletim
Yok
0 π π + 2π
Şekil 3.5
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
4
Şekil 3.5’e göre yük akımının süreksiz olduğu görünmektedir. Bu sebeple devredeki hiçbir
anahtarın iletimde olmadığı zaman dilimleri vardır. Sürekli yük akımı olması durumunda akım, T1-T4
tristörleri tarafından diğer tristör çifti ateşlenene kadar taşınacaktır. Bu durumda da akımın sürekliliği
sağlanırken ortalama gerilim azalacaktır. α’dan π’ye kadar olan periyotta gerilim ve akım pozitiftir yani
güç şebekeden yüke doğru akmaktadır. Bu durumda devre “doğrultma” (rectification) durumundadır
denir. Gerilimin π’den sonraki negatif kısmında ise akım yine pozitiftir. Güç yükten kaynağa akar. Bu
konumda da devre “evirici” (inverter) modunda çalışıyor denir.
Akım sürekli olduğu takdirde, tam kontrollü köprü doğrultucu için, ortalama ve etkin gerilim
aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir.
)(2
CosV
V MORT
2
MRMS
VV
Üç Fazlı Yarım Dalga Tristörlü Doğrultucu:
Üç faz yarım dalga doğrultucu, daha önce diyotlu doğrultucularda da bahsedildiği gibi yüke daha
yüksek bir ortalama gerilim sağlar ve gerilimin frekansı daha yüksek olduğu için filtrelenmesi daha
kolaydır. Bu sebeple endüstride yaygın olarak kullanılan bir doğrultucu türüdür. Üç faz doğrultucu,
kontrol prensibi fazlar arası gerilimin sıfır olduğu noktaya göredir. Fazlar kendi içlerinde π/6 noktasında
kesiştikleri için şekil 3.6’da görülen resme göre T1
wt = π/6 +α anında tetiklenir. Her bir tristör 120 derece iletimde kalır yani T2 π/6+α,
T3 de 3π/2+α anında ateşlenir.
Şekil 3.6
Aşağıdaki dalga şekilleri üç fazlı yarım dalga doğrultucu için verilen tipik bir çıkış gerilimi dalga
şeklidir.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
5
Şekil 3.7 İndüktif yük ile üç faz yarım dalga doğrultucu için giriş ve çıkış dalga şekilleri
Şekil 3.7’deki dalga şekilleri α=60o için alınmıştır ve yük yeterince indüktif olduğu için akım
süreklidir. Eğer yük omik ise, α >π/6 için akım süreksiz olacaktır. Sürekli akım durumunda da, gerilimin
negatife inme durumu gerçekleşecektir.
Bu durumda, bu doğrultucu türünde de boşta çalışma diyodu (FWD) kullanılabilir. İndüktif
yüklü, boşta çalışma diyotlu bir üç faz yarım dalga tristörlü doğrultucunun yük akım ve gerilimi dalga
şekilleriyle birlikte, anahtarların iletim periyotları şekil 3.8’de gösterilmiştir.
T1 FWD T2 FWD FWDT3 T1
Şekil 3.8 Üç faz, kontrollü yarım dalga doğrultucu için tristör iletim periyotları
Maksimum ortalama gerilim α= 0 için yani her bir tristör, fazların wt=π/6 anında ateşlendiğine
gerçekleşir. Akımın sürekli olduğu durumlar için ortalama ve etkin gerilim değerleri aşağıdaki formüllerle
hesaplanabilir.
CosV
V MORT
2
33
5.0
28
3
6
13
CosVV MRMS
Üç Fazlı Tam Dalga (Köprü )Doğrultucu:
Üç faz köprü doğrultucular endüstride oldukça yaygın olarak kullanılırlar. Üç faz yarım dalga
doğrultuculara göre daha da yüksek ortalama gerilim ve daha yüksek frekans sağlarlar. Ateşlemeler yine
fazlar arası gerilimin sıfır olduğu noktalara göre her 60 derecede bir yapılır. Her tristör 120 derece
iletimde kalır. Doğrultucunu devre şeması şekil 3.9’da verilmiştir.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
6
Şekil 3.9 Üç fazlı köprü doğrultucu
wt= π/6 +α anında T1 tristörü ateşlenir ve bu anda T6 tristörü zaten iletimdedir.
(π/6+α)<wt<(π/2+α) T1-T6 tristörleri iletime devam ederler. wt= π/2+α anında T2 ateşlenir ve
(π/2+α)<wt<(5π/6+α) aralığında iletime devam ederler.
Bu anda artık 2. fazın gerilimi 1. faza göre daha büyük bir değere ulaşmıştır ve 2. fazın tristörü T3
ateşlenir. Ateşleme ve iletim sırası şu şekildedir. T6-T1,T1-T2,T2-T3,T3-T4,T4-T5,T5-T6. Tipik bir üç
faz, kontrollü köprü doğrultucu çıkış geriliminin dalga şekli üzerinde bu durum gösterilmiştir.
T1 T3 T5 T1 T3
T6 T2 T4 T6 T2 T4
π/6+α 5π/6+α 3π/2+α
π/2+α 7π/6+α 11π/6+α
Şekil 3.10 Üç faz, kontrollü doğrultucu için tristör iletim periyotları
α> π/3:
Tristörlerin ateşleme açısı 60 dereceden büyük olursa, omik yükler için akım süreksiz olacaktır.
Bu durumda bir sonraki fazın tristörü ateşlenene kadar yükten akım geçmeyecektir. Eğer kullanılan yük
indüktif ise bu durumda durum R-L zaman sabiti ve de ateşleme açısının büyüklüğüne göre değişecektir.
Eğer ateşleme açısı çok büyük değilse akım sıfıra düşmeyecektir. Ancak ateşleme açısı büyük ama
indüktans yeterince büyük değilse bu durumda akım yine de sıfıra düşerek süreksiz bir hal alacaktır.
Şekil 3.11’de α=115o için bu durum gösterilmiştir.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
7
Şekil 3.11 İndüktif yük ile süreksiz akım gösterimi
Şekilden de görüldüğü gibi akım sıfıra inene kadar gerilim de negatifte kalmış, ve akım sıfır
olunca tristörler kapanmıştır. Buradan şunu da görüyoruz ki, üç faz, yarım dalga doğrultucuda
bahsettiğimiz evirici (inverter) olarak çalışma modu bu devrede de mevcuttur. Akım pozitifken, gerilim
negatiftir ve bu bölgede güç akışı dc yükten, ac kaynağa doğrudur. Bu da sistemin bu bölgelerde bir
evirici olarak çalıştığını gösterir.
Üç faz, kontrollü köprü doğrultucunun ortalama ve etkin gerilim formülleri aşağıda verilmiştir.
Tekrar hatırlatmak gerekir ki bu formüller akım sürekli olduğu zaman kullanılabilir
CosV
V LLORT
3
5.0
24
33
2
1
CosVV LLRMS
3. 1 Tek Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu Deneyi
3.1.1 Tek Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yükle)
Şekil 3.12’de görülen devreyi kurunuz.
( Devre, girişteki diyot yerine tristör kullanılması dışında deney 2.1.1’deki ile aynıdır )
Not: Ampermetre tristör girişinde AC, çıkışında DC bağlanacaktır. Yer açısından sıra ile bağlanabilir.
Deney şemasında karışıklığı önlemek için DC bağlantı kullanılmıştır.
Şekil 3.12
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
8
Şekil 3.13
DENEYİN YAPILIŞI:
Tristörün iletime geçmesi için kapı terminaline bir akım uygulanması gerektiğini deney 1’de
görmüştük. Şimdi bu akımın gecikme açısını 0 dereceye ayarlayın. (α=0o). Böylece tristör, diyot gibi
davranacak ve diyotlu yarım dalga doğrultucuda olduğu gibi, giriş geriliminin pozitif evresini tamamen
doğrultacaktır. Ateşleme açısının (α) 0o
olduğu bu durumdaki yük gerilimi ve akımıyla, giriş akımı ve
tristör geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve akımının, ortalama ve etkin değerlerini ölçünüz.
Tristörün ateşleme açısını 30,60,90,120,150 ve 180 dereceye ayarlayarak dalga şekillerini
gözlemleyiniz. Yukarıdaki basamaklarda alınan çizimleri ve ölçümleri bu basamaklar için de
tekrarlayınız.
NOT: Tristör sürücü devresindeki 220V referans gerilimi 3 fazlı trafo çıkışındaki 220V gerilimden
alınması sonuçların doğruluğu açısından tavsiye edilir.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
9
100 ohm yük gerilimi 0 derece 100 ohm yük gerilimi 0 derece
100 ohm yük gerilimi 30 derece 100 ohm yük gerilimi 30 derece
100 ohm yük gerilimi 30 derece 100 ohm yük gerilimi 60 derece
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
10
100 ohm yük gerilimi 60 derece 100 ohm yük gerilimi 60 derece
100 ohm yük gerilimi 90 derece 100 ohm yük gerilimi 90 derece
100 ohm yük gerilimi 90 derece 100 ohm yük gerilimi 120 derece
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
11
100 ohm yük gerilimi 120 derece 100 ohm yük gerilimi 120 derece
G-K 0 DERECE G-K 120 DERECE
Şekil 3.14 Çeşitli açılarda Tristör tetikleme şekilleri.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
12
(α=60o) Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.350A 0.523A 0.39A
Vo 76.8V 17.8V 35.6V 30.7V
Iin 0.260A 0.490A 0.415A
Po
Pin
(α=90o) Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.251A 0.400A 0.310A
Vo 76V 12.9V 29.6V 26.6V
Iin 0.176 0.369 0.324A
Po
Pin
(α=120o) Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.130A 0.223A 0.181A
Vo 76.8V 7V 19V 18V
Iin 0.078A 0.199A 0.767A 0.180A
Po
Pin
Tablo 3.1 Tek faz, Kontrollü Yarım Dalga Doğrultucu İçin Deney Sonuçları
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
13
3.1.1.1 Tek Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yükle) with DLAB
Şekil 3.15
0 derece
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
14
30 derece
60 derece
90 derece
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
15
120 derece
Şekil 3.16
3.1.2 Tek Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yükle)
Çıkışa 50 mH’lik bir indüktör ekleyerek deney 3.1.1’deki prosedürü indüktif yük ile tekrarlayınız.
Şekil 3.17
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
16
Şekil 3.18
Osiloskop ekranından faydalanarak, gerilimin negatif değerde kaldığı açı değerini yaklaşık olarak ölçerek
not ediniz (Bu açıya Beta (β) diyelim).
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
17
30
0 50 mH-50 ohm tristor gerilimi 30
0 50 mH-50 ohm tristor gerilimi
30
0 50 mH-50 ohm yük akım ve gerilimi 30
0 50 mH-50 ohm yük akım ve gerilimi
30
0 50 mh 50 ohm yük akım ve gerilimi 30
0 50 mh 50 ohm yük akım ve gerilimi
Şekil 3.19
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
18
(α=0o) Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.261A 0.677A 0.507A
Vo 76.8V 25.5V 39V 32V
Iin 1.32A 0.320A
Po
Pin
(α=60o) Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.190A 0.559A 0.452A
Vo 76.8V 18.5V 35.1V 31.03V
Iin 0.311A
Po
Pin
(α=120o) Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.056A 0.157A
Vo 76.8V 5.4V 35.1V 31.03V
Iin 0.311A
Po
Pin
Tablo 3.2 Endüktif Yük İle Tek faz, Kontrollü Yarım Dalga Doğrultucu İçin Deney Sonuçları
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
19
3.1.2.1 Tek Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yükle) (DLAB)
Şekil 3.20
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
20
30 derece yük gerilimi ve akımı
30 derece tristor gerilimi
Şekil 3.21
3.1.3 Tek Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu Boşta Çalışma Diyotu İle (FWD)
Deney 3.1.2’deki devreyi, şekilde gösterildiği gibi boşta çalışma diyotu(FWD) ekleyerek tekrar
çalıştırınız. Önceki aşamalarda yapılan ölçümleri tekrarlayınız. Ek olarak giriş ve boşta çalışma diyodu
akımlarının (FWD) dalga şekillerini çiziniz.
Şekil 3.22
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
21
Şekil 3.23
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
22
60
0 100 mH-50 ohm yük akım ve gerilimi FWD
60
0 90
0 100 mH-50 ohm yük
90
0 100 mH-50 ohm yük akım ve gerilimi
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
23
120
0 100 mH-50 ohm yük akım ve gerilimi FWD
Şekil 3.24 Çeşitli tetikleme derecelerinde FWD diyotlu devre çıkışları
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
24
900
Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.251A
Vo 76.8V 12.9V 38.3V 29.9V
Iin 0.324A
Po
Pin
1200
Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.130A
Vo 76.8V 6.8V 34.4V 29.3V
Iin 0.180A
Po
Pin
1200
Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.130A
Vo 76.8V 6.8V 34.4V 29.3V
Iin 0.180A
Po
Pin
Tablo 3.3 Endüktif Yük ve Boşta Çalışma Diyodu İle Tek faz, Kontrollü Yarım Dalga
Doğrultucu İçin Devre Sonuçları
3.2.3 Tek Fazlı Tam Kontrollü Doğrultucu (Omik Yükle)
Şekil 3.37
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
25
Şekil 3.38
Şekil 3.37’de verilen tek fazlı tam kontrollü doğrultucu devresini, çıkışına 50 ohm’luk yük direnci
bağlayarak kurunuz. Tristörün ateşleme açısını 0 dereceye ayarlayın. Bu durumda sistem, diyotlu köprü
doğrultucu gibi çalışacaktır. Bağlantıları kontrol ettikten sonra sistemi çalıştırınız. Yük ve üstteki 2
tristörün geriliminin dalga şeklini çiziniz. Çıkış akım ve geriliminin ortalama ve etkin değerlerini not
ediniz . Ateşleme açısını 30, 60, 90,120 ve 150 dereceye ayarlayarak gerilim ve akım dalga şekillerini
gözlemleyiniz. Her bir açı için tipik bir gerilim ve akım dalga şekli çizimi alarak, ortalama ve etkin
değerleri ölçünüz.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
26
0
0 100 ohm yük gerilimi
30
0 100 ohm yük gerilimi
60
0 100 ohm yük gerilimi
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
27
90
0 100 ohm yük gerilimi
120
0 100 ohm yük gerilimi
150
0 yük gerilimi 150
0 100 ohm tristör gerilimi
Şekil 3.39
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
28
α=0o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.515A 0.579A 0.263A
Vo 76V 50.5V 56.6V 25.6V
Iin 0.0A 0.578A 0.578A
Po
Pin
α=30o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.474A 0.576A 0.311A
Vo 76V 46.5V 55.6V 30.5V
Iin 0.0A 0.568A 0.568A
Po
Pin
α=60o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.381A 0.514A 0.344A
Vo 76V 37.2V 50.3V 33.7V
Iin 0.0A 0.514A 0.514A
Po
Pin
α=90o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.27A 0.425A 0.324A
Vo 76V 26.4V 41.3V 31.7V
Iin 0.0A 0.42A 0.42A
Po
Pin
α=120o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.139A 0.271A 0.233A
Vo 76V 13.5V 26.5V 22V
Iin 0.0A 0.270A 0.270A
Po
Pin
α=150o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.024A 0.074A 0.07A
Vo 76V 2.3V 7.2V 6.75V
Iin 0.0A 0.074A 0.074A
Po
Pin
Tablo 3.6 Tek faz, Köprü Doğrultucu İçin Simülasyon Sonuçları
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
29
3.2.3.1 Tek Fazlı Tam Kontrollü Doğrultucu (Omik Yükle) (DLAB)
Şekil 3.40
0 derece yük gerilimi
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
30
30 derece yük gerilimi
60 derece yük gerilimi
90 derece yük gerilimi
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
31
120 derece yük gerilimi
150 derece yük gerilimi
Şekil 3.41
3.2.4 Tek Fazlı Tam Kontrollü Doğrultucu( İndüktif Yükle)
Şekil 3.42
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
32
Şekil 3.43
Şekil 3.42’de görülen devrenin çıkışına 50 ohm direnç ve 100 mH’lik indüktans bağlayınız.
Tristörün ateşleme açısını 0 dereceye ayarlayarak yük gerilim ve akımının dalga şeklini çizin.
Tristörün ateşleme açısını 30, 60, 90, 120 ve 150 dereceye ayarlayarak gerilimleri gözlemleyiniz
ve çiziniz. Her açı için gerilim ve akım ölçümlerini alınız.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
33
0
0 50 ohm-100 mH yük akım ve gerilimi
30
0 50 ohm-100 mH yük akım ve gerilimi
60
0 50 ohm-100 mH yük akım ve gerilimi
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
34
900 50 ohm-100 mH yük akım ve gerilimi
120
0 50 ohm-100 mH yük akım ve gerilimi
150
0 50 ohm-100 mH yük akım ve gerilimi
Şekil 3.44
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
35
α=0o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.940A 0.980A 0.264A
Vo 76V 49V 55V 25.3V
Iin 0.0A 0.980A 0.980A
Po
Pin
α=30o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.844A 0.907A 0.329A
Vo 76V 43.6V 55.5V 34.2V
Iin 0.0A 0.907A 0.907A
Po
Pin
α=60o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.637A 0.748A 0.392A
Vo 76V 32.8V 53.1V 41.7V
Iin 0.0A 0.7484A 0.748A
Po
Pin
α=90o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.40A 0.532A 0.346A
Vo 76V 20.7V 43V 37.7V
Iin 0.0A 0.533A 0.533A
Po
Pin
α=120o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.176A 0.273A 0.207A
Vo 76V 9V 28.1V 26.5V
Iin 0.0A 0.272A 0.272A
Po
Pin
α=150o Maximum Ortalama Etkin Etkin(A.C)
Io 0.038A 0.079A 0.07A
Vo 76V 1.9V 12.6V 12.4V
Iin 0.0A 0.079A 0.079A
Po
Pin
Tablo 3.7 Endüktif Yük İle, Tek faz, Köprü Doğrultucu İçin Simülasyon Sonuçları
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
36
3.2.4.1 Tek Fazlı Tam Kontrollü Doğrultucu( İndüktif Yükle) (DLAB)
Şekil 3.45
0 derece yük gerilimi ve akımı
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
37
30 derece yük gerilimi ve akımı
60 derece yük gerilimi ve akımı
90 derece yük gerilimi ve akımı
120 derece yük gerilimi ve akımı
150 derece yük gerilimi ve akımı
Şekil 3.46
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
38
3. 3 Üç Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu
3.3.1 Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu ( Omik Yükle)
Şekil 3.47
Şekil 3.48
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
39
Üç faz, kontrollü yarım dalga doğrultucu şekil 3.47’deki gibi, deney 2’de benzer devredeki diyotların
tristörlerle değiştirilmiş halidir. Daha önceki tristör uygulamalarında da olduğu gibi tristörün ateşleme açısı
değiştirilerek çıkış voltajı ayarlanabilir. Şekilde verilen devreyi 50 ohmluk yükle çalıştırarak gerekli çizimleri ve
ölçümleri alınız. Ateşleme açısı için önceki deneylerdeki gibi, farklı değerler kullanınız.
Not: Ateşleme açısı 0-180 derece arasında alınabilir, ancak üç fazlı devrelerde ateşleme açısı için referans, genel
olarak tek bir fazın değil de, fazlar arası gerilimlerin 0 volt olduğu noktaya göre alınır. Yani ilk fazın tristörü
α+30, ikinci fazın tristörü α+30+120, üçüncü fazın tristörü α+30+240 sırasıyla ateşlenir. (Fazların kendi
aralarındaki açılarının da bu şekilde sıralandığı varsayılmıştır. Eğer faz sırası farklı ise, ateşleme sırası da ona
göre değiştirilmelidir.)
R=200
00 Çıkış dalga şekilleri
300 çıkış dalga şekilleri
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
40
60
0 çıkış dalga şekilleri
900 Çıkış dalga şekili
Şekil 3.49 Çeşitli tetikleme açılarında çıkış şekilleri
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
41
R=200
α=0o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.321A 0.62 A 0.264A
Vo 76V 64.7V 12.36V 66V
Iin A 0.103A 0.152A 0.183A
Po
Pin
α=30o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.277A 0.120A 0.302A
Vo 76V 56V 23.9V 61V
Iin A 0.090A 0.144A 0.170A
Po
Pin
α=60o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.637A 0.748A 0.392A
Vo 76V 41V 30.4V 50.9V
Iin A 0.065A 0.124A 0.144A
Po
Pin
α=90o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.101A 0.127A 0.165A
Vo 76V 20.2V 25.6V 32.5V
Iin A 0.032A 0.083A 0.089A
Po
Pin
Tablo 3.8 Çeşitli tetikleme açılarında çıkış değerleri
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
42
3.3.1.1 Üç Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu ( Omik Yükle) (DLAB)
Şekil 3.50
0 derece yük gerilimi
30 derece yük gerilimi
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
43
60 derece yük gerilimi
90 derece yük gerilimi
Şekil 3.51
3.3.2 Üç Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu ( İndüktif Yükle)
Şekil 3.52
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
44
Şekil 3.53
Yukarıdaki deneyde verilen devreyi, 100 mH-200 ohm’luk endüktif yükle kurarak çalıştırınız. Gerekli
çizim ve ölçümleri alınız.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
45
0
0 çıkış dalga şekilleri
30
0 çıkış dalga şekilleri
30
0 çıkış dalga şekilleri
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
46
60
0 çıkış dalga şekilleri
60
0 çıkış dalga şekilleri
90
0 çıkış dalga şekilleri
Şekil 3.54 Çeşitli tetikleme açılarında çıkış şekilleri
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
47
R=200
α=0o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.318A 0.52 A 0.322A
Vo 76V 64.8V 12.4V 66V
Iin A 0.101A 0.147A 0.180A
Po
Pin
α=30o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.194A 0.118A 0.230A
Vo 76V 56V 24V 51.5V
Iin A 0.090A 0.135A 0.162A
Po
Pin
α=60o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.637A 0.748A 0.392A
Vo 76V 40V 32.4V 50.9V
Iin A 0.062A 0.112A 0.128A
Po
Pin
α=90o Maximum Ortalama Etkin(A.C) Etkin
Io 0.097A 0.095A 0.136A
Vo 76V 19.8V 26.3V 32.9V
Iin A 0.031A 0.069A 0.075A
Po
Pin
Tablo 3.9 Çeşitli tetikleme açılarında çıkış değerleri
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
48
3.3.2.1 Üç Fazlı Yarım Dalga Doğrultucu ( İndüktif Yükle) (DLAB)
Şekil 3.55
0 derece yük gerilimi ve akımı
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
49
30 derece derece yük gerilimi ve akımı
60 derece yük gerilimi ve akımı
90 derece yük gerilimi ve akımı
Şekil 3.56
SONUÇLAR
Deney 3.1.1’deki tek fazlı yarım dalga doğrultucu için ölçtüğünüz gerilimleri teorik olarak
hesaplayarak ölçülen değerlerle karşılaştırınız. Sonuçlar uyumlu mu? Değilse neden değil
belirtiniz. Yük geriliminin, giriş ve yük akımının dalga şeklini ölçekli kağıda çiziniz.
(Tek fazlı, kontrollü yarım dalga doğrultucu için :
)1(2
CosF
F MOrt
2
1
2
21
2
SinFF M
RMS
MF :Akım ya da gerilimin tepe değeri.)
Deney 3.1.2’de elde ettiğiniz dalga şekillerine göre yük geriliminin teorik değerlerini
hesaplayınız (İpucu: β açısını hesaba katarak integral alınız), ölçümlerde elde ettiğiniz değerleri
yazarak değerleri ilk deneyle karşılaştırınız. Yük geriliminin, giriş ve yük akımının dalga şeklini
ölçekli kâğıda çiziniz.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 3. Deney
50
Deney 3.1.3’te elde ettiğiniz dalga şekillerini ölçekli kâğıda çizerek deney 3.1.2 ile karşılaştırınız.
Serbest dolaşım diyotu (FWD) devrede neyi değiştirmiştir? Her üç deneyde aynı yük için
ölçtüğünüz ortalama değerleri karşılaştırınız. Sonuçları yorumlayınız.
Deney 3.2.1’de aldığınız çizimleri ölçekli kağıda çiziniz. Çıkış geriliminin teorik değerlerini
hesaplayarak ölçülen değerlerle karşılaştırınız.
Deney 3.2.2’deki çizimlerinizi ölçekli kağıda çizerek 3.2.1 ile karşılaştırın. Bu tip devrede serbest
dolaşım diyodu (FWD) kullanmaya gerek var mıdır? Açıklayınız.
Deney 3.2.3’te elde ettiğiniz gerilim ve akım dalga şekillerini çiziniz. Ölçülen gerilim ve akım
değerlerinin ortalama ve etkin değerlerini teorik olarak hesaplayarak elinizdeki değerlerle
karşılaştırınız.
(Tek fazlı köprü doğrultucu için:
CosF
F MOrt 1
2
1
2
21
2
SinFF M
RMS
Deney 3.2.4’te elde ettiğiniz gerilim ve akım dalga şekillerini çizerek gerekli teorik hesapları
yapınız. Ölçülen değerlerle karşılaştırma yaparak sonuçları yorumlayınız.
Deney 3.3.1 ve 3.3.2’de elde ettiğiniz dalga şekillerini çiziniz. Yük akım ve geriliminin teorik
hesaplarını yaparak ölçtüğünüz değerlerle karşılaştırınız. Sonuçlar uyumlu mu değilse neden
değil? Açıklayınız. Bu doğrultucunun çıkış akım ve geriliminin tek fazlı köprü doğrultucunun
dalga şekillerinde farkı nedir?
(Üç fazlı yarım dalga doğrultucu için:
)30(
2
3ˆ2
3
CosFF LLOrt
Deney 2.4’te elde ettiğiniz yük geriliminin ve akımının dalga şeklini çiziniz. Gerekli teorik
hesapları yaparak ölçülenlerle karşılaştırınız.
(Üç fazlı köprü doğrultucu için:
LLOrt
FF
3)
Her bir devre için, yük geriliminin ölçülen değerinin grafiğini, tristörün tetikleme açısına( )
göre çiziniz.
Her bir deneyde aldığınız ölçümleri kullanarak form faktörünü hesaplayınız.
ortalama
etkin
I
IFormFaktör
Elde ettiğiniz sonuçlara göre form faktör neyin göstergesidir açıklayınız.
Her bir ölçüm ve teorik hesaplarınız için aşağıdaki tabloyu kullanınız.
Tablo 1.
Alpha
Ölçülen Değerler Teorik Değerler
Etkin(RMS) Ortalama Etkin(RMS) Ortalama
0
30
60
90
120
150
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
1
4. Deney
DOĞRU AKIM-DOĞRU AKIM KIYICILAR
Deneyin Amacı
DC-DC gerilim azaltan dönüştürücü (buck converter) ve DC-DC gerilim artıran dönüştürücü (boost
converter) devrelerinin davranışlarını incelemek. Bu deneyde gerilim azaltan ve gerilim artıran
dönüştürücü devrelerinin kalıcı durum davranışları gözlenecektir. Darbe genişliğinin çıkış gerilimine
etkisi ile birlikte yük değişiminin devre üzerindeki sonuçları ve anahtarlama frekansının dönüştürücünün
verimine etkisi incelenecektir. Anahtarlama elemanı olarak kullanılan mosfet ve diyotun anahtarlama
karakteristikleri de gerektiği takdirde tekrar bu devreler üzerinde incelenebilir.
Doğru Akım-Doğru Akım Kıyıcılar
DC-DC dönüştürücüler endüstride oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Zaman zaman
doğrudan, ayarlanabilir gerilimli bir güç kaynağı uygulaması, herhangi bir uygulamada gerekli olan
herhangi bir DC gerilim seviyesinin elde edilmesi , ya da empedansları uyumsuz olan ardışık 2 katın
birbirine uydurulması vb. sebepler için kullanılırlar.
Piyasada 1W seviyesinden birkaç yüz watt seviyesine kadar olan kHz seviyesinde frekanslarda
anahtarlama yapan DC-DC dönüştürücüler bulunmaktadır.
Gerilim Azaltan Dönüştürücünün Kalıcı Durum Devre Analizi
Şekil 5.1’de tipik tek transistorlü bir gerilim azaltan dönüştürücü devre şeması görünmektedir.
Görüldüğü üzere devrede biri kontrollü(MOSFET) diğeri ise kontrolsüz (diyot) olan iki adet
anahtar bulunmaktadır. MOSFET’in kapı-kaynak terminaline sabit frekansta , ayarlanabilir darbe
genişliğine sahip, yine şekil 1’de görülen PWM sinyali uygulanmaktadır. Bu sinyalin DTS süresince (yani
darbenin uygulandığı sürede) transistör, geriye kalan (1-D)TS ile gösterilen süresinde de diyot iletimde
olacaktır. Bu durum devrenin 2 ayrı modda çalışarak lineer olmayan bir yapı göstermesine sebep olur.
Şimdi devrenin bu 2 ayrı modunu inceleyerek gerilim azaltan dönüştürücünün giriş ile çıkış gerilimi
arasındaki ilişkiyi bulabiliriz.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
2
15Vdc D
100uH
690uF LOAD
Şekil 5.1
“
VPWM
12
t
TS
DTS
TS
1+DTS
2TS
Şekil 5.2
Şekil 5.3.a’ da dönüştürücünün, transistörün iletimde diyotun kesimde olduğu mod 1’deki
durumu gösterilmiştir. Transistör iletimde olduğu için kısa devre olarak, diyot ise kesim durumunda
olduğu için açık devre olarak gösterilmiştir.
15Vdc
100uH
690uF LOAD
MOD 1
15Vdc
100uH
690uF LOAD
MOD 2
Şekil 5.3a Şekil 5.3b
Şekilde de görüldüğü gibi mod 1’de indüktör , doğrudan çıkış ile giriş arasına bağlanmıştır. Bu
durumda bu modda indüktörün uçları arasındaki gerilim giriş gerilim ile çıkış gerilimi arasındaki fark
kadardır.
VVV gL
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
3
Şekil 5.3b’deki mod 2 durumunda bakarsak bu kez transistorün kesimde diyotun iletimde
olduğunu görürüz. Bu durumda indüktör üzerinde, çıkış gerilimine eşit ve ters polariteli bir gerilim
gözlemleriz.
VVL
Bu durumda indüktör geriliminin dalga şekli şekil 3’te gösterildiği gibi olacaktır.
tDT
ST
S1+DT
S2T
S
Vg-V
-V
VL(t)
I
II
Şekil 5.4
Artık bobinin her iki modda da hangi gerilim değerlerini aldığını biliyoruz. Bu durumda giriş ve
çıkış arasında bir bağıntı bulabiliriz. Kalıcı duruma ulaşmış, dengedeki bir sistemde , bir anahtarlama
periyodu süresinde indüktörün akımındaki net değişim sıfırdır. Bu indüktör volt-saniye dengesi olarak
bilinir. Buna göre aşağıdaki ifadeyi yazabiliriz.
dt
tdiLtV L
L
)()( dttV
Lti
Ts
L
Ts
L 0
0 )(1
)]([ dttVL
iTi
Ts
LLSL 0
)(1
)0()(
Burada TS ifadesi bir anahtarlama periyodunu ifade etmektedir ve yukarıda da söylediğimiz gibi
bir anahtarlama periyodunda akım değişimi sıfırdır. En sondaki eşitliğin sol tarafı bir anahtarlama
periyodunun başı ve sonundaki akım değerlerinin birbirinden çıkarılmasını yani bir anahtarlama periyodu
boyunca akımdaki değişimini ifade etmektedir. Dolayısıyla sıfıra eşittir ve bu şekilde eşitliğin sol
tarafının da sıfıra eşit olmasını gerektiren aşağıdaki denklemi elde ederiz.
0)(1
0
dttVL
Ts
L 0)(0
dttV
Ts
L
Bu denklem açıkça şekil 3’te gösterilen indüktör gerilimi dalga şeklinin altında kalan I ve II ile
gösterilmiş alanlar toplamının sıfır olduğunu ifade etmektedir. Buna göre;
0)1)(())(()(0
SSg
Ts
L TDVDTVVdttV
0 SSSSg VDTVTVDTDTV 0 SSg VTDTV
0)( VDVT gS 0VDVg
VDVg
Görüldüğü gibi giriş gerilim ile çıkış gerilim arasındaki ilişkiyi indüktör volt-saniye dengesi
prensibini kullanarak bulduk. Burada D darbe genişliği(duty cycle) değeri olup 0 ile 1 arasında
değişmektedir.
Yalnız bu ifadenin, bir takım yaklaşımlar ve varsayımlar yapılarak elde ettiğimiz bir sonuç
olduğunun farkında olunmalıdır. Bu varsayımlar devrenin ideal olduğuna dair olan varsayımlardır.
Örneğin her iki moddada, indüktör gerilimi denklemini yazarken transistör ve diyot üzerindeki gerilim
düşümünü hesaba katmayarak bunların sıfır olduğunu varsaydık. Ayrıca mod 2’de transistör kesimde
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
4
olduğu için girişteki kaynak devreyi beslememekte yani çıkış devresi akımını dolayısıyla enerjisini kendi
içinde çevirmektedir. Yük, bu modda kaynaktan enerji almadığı için enerjisini kapasitör ve indüktörde
depolanan enerjiden almaktadır. Bu sebeple enerjisi azalan bu elemanların akım ve gerilimlerinde
azalmalar olacaktır.
Daha sonra devre tekrar mod 1’e dönünce kaynak devreye bağlanacak ve transistör üzerinden
yüke enerji aktarmaya başlayacaktır. Dolayısıyla kapasitör ve indüktörün de enerjisi artacak ve sırasıyla
gerilim ve akımları da artacaktır. Yani biz her iki modun denklemini de yazarken çıkış gerilimini V gibi
sabit bir değer olarak aldık. Oysa çıkış gerilimi, kapasitörün az önce bahsettiğimiz enerji alış verişleri
sebebiyle V+v(t) şeklinde V+ΔV ile V- ΔV arasında salınan bir değerdir . Dolayısıyla biz V değerini
alarak bu ΔV salınımının V ortalama değerine göre çok küçük ve ihmal edilebilir olduğunu varsaydık.
Son olarak, önemli olan bir başka parametremiz de indüktör akımıdır. Çünkü devreden de
görüldüğü gibi yük akımının sürekliliği indüktör sayesinde sağlanmaktadır. Kapasitör ve yükün çektiği
akımların toplamı bize bobinin akımını verecektir.
Bobin de devrede sürekli olarak enerji alışverişinde bulunan bir eleman olduğu için akımında
değişimler olacaktır. Bu salınımların seviyeleri bobinin her modda maruz kaldığı gerilimler bilindiği
takdirde hesaplanabilir.
dt
tdiLtV L
L
)()(
dt
tdi
L
tV LL )()(
Burada dt
tdiL )(bize bobin akımının eğiminin ifadesini vermektedir. Yani bobin akımı mod 1’de
L
VVg eğimiyle DTS süresince artarken mod 2’de
L
Veğimiyle azalmaktadır. Bu değişim şekil 4’te
gösterilmiştir.
tDT
ST
S2T
S
iL(t) I
AVG
2ΔIIAVG
+ ΔI
IAVG
- ΔI
1+DTS
Şekil 5.5
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
5
Gerilim Artıran Dönüştürücünün Kalıcı Durum Devre Analizi
Şekil 5.6’ da tek transistörlü tipik bir gerilim artıran dönüştürücünün (boost converter) devre
şeması görülmektedir. Bu devre de gerilim azaltan dönüştürücü devresi gibi anahtar olarak bir mosfet bir
de diyot bulundurmaktadır. Mosfet yine aynı şekilde, sabit frekanslı bir PWM sinyali ile sürülmektedir.
15Vdc
D
100uH
690uF LOAD
Şekil 5.6
Bu devre de diyotun ve transistorün iletimine göre 2 moddan oluşmaktadır.
Şekil 5.7’de bu modlar gösterilmektedir.
15Vdc
100uH
690uF LOAD 15Vdc
100uH
690uF LOAD
MOD1 MOD2
Şekil 5.7a Şekil 5.7b
Devreyi, gerilim azaltan dönüştürücüde yaptığımız gibi bobin gerilimi üzerinden modelleyerek,
giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasında ilişkiyi elde edebiliriz. Transistorün iletimde diyotun kesimde
olduğu mod 1’de bobin, transistör üzerinden doğrudan toprağa bağlanmış durumdadır. Dolayısıyla
üzerinde giriş gerilimi olduğu gibi görünecektir.
gL VV
Mod 2’de transistör kesimdedir ve devre diyot üzerinden çıkışa enerji aktarmaktadır. Bu durumda bobin
gerilimi giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasındaki farka eşit olacaktır.
VVV gL
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
6
Buna göre bobinin terminalleri arasındaki gerilim şekil 5.8’ de gösterildiği gibi olacaktır.
tDTS
TS
1+DTS
2TS
Vg
Vg-V
VL(t)
I
II
Şekil 5.8
Gerilim artıran dönüştürücüye de indüktör volt-saniye dengesi prensibini uygulayarak giriş-çıkış
gerilimi ifadesini bulabiliriz. Bir önceki kısımda açıkladığımız şekliyle volt-saniye dengesi için
0)(0
dttV
Ts
L durumu sağlanmalıdır. Bu da aynı şekilde indüktör gerilim dalga şeklinin altında
kalan alanlar toplamıdır.
0)1)(())(()(0
SgSg
Ts
L TDVVDTVdttV
0 SSgSSgSg VDTDTVVTTVDTV
0 SSSg VDTVTTV 0)( VDVVT gS
0 VDVVg VDVVg )1( DVVg
D
VV
g
1
Bobin akımının eğimini yine benzer şekilde gerilimlerden hesaplayabiliriz. Buna göre mod 1’de
bobin akımı L
Vg eğimiyle artacak ve mod 2’de
L
VVg eğimiyle azalacaktır. Bu durum şekil 8’de
gösterilmiştir.
tDT
ST
S2T
S
iL(t) I
AVG
2ΔIIAVG
+ ΔI
IAVG
- ΔI
1+DTS
L
Vg
L
VVg
Şekil 5.9
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
7
5. 1 DC-DC Gerilim Azaltan Dönüştürücü
5.1.1. Darbe Genişliği Etkisi
15Vdc D
100uH
690uF LOAD
Şekil 5.10
Şekil 5.11
Şekil 5.10’da görülen devreyi kurunuz. Yük olarak bağlayacağınız reostayı 10 ohm’a ayarlayınız.
Bağlantıları kontrol ettikten sonra devreye enerji veriniz. Osiloskoptan bakıp “duty cycle” potunu
kullanarak darbe genişliğini 0.5’e ayarlayınız. Yine aynı şekilde “switching frequency” potunu kullanarak
anahtarlama frekansını 20kHz’e ayarlayınız.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
8
Yükü bağladıktan sonra dönüştürücünün girişine bağladığınız güç kaynağını açarak giriş gerilimini 15V’a
ayarlayınız. Darbe genişliğini 0.1’den 0.9’a kadar 0.1 lik adımlarla değiştirerek her adımda çıkış
geriliminin ortalama değerinin ölçünüz. D=0.1 D=0.5 ve D=0.9 değerleri için indüktör akımını ve çıkış
geriliminin üzerindeki dalgalanmayı osiloskopta gözlemleyerek dalga şekillerinin çiziniz.
(Not : İndüktör akımı ölçüm kartının akım kısmından, çıkış geriliminin üzerindeki dalgalanmalar
ise, osiloskobun AC modundan görülebilir.)
5.1.2. Anahtarlama Frekansı Etkisi
Devreyi değiştirmeksizin darbe genişliğini 0.5’e ayarlayın. Yük gerilimi dalgalanmasının tepe-
tepe değerini ölçünüz. Bobin akımının dalga şeklini çiziniz. Aynı işlemleri, 40kHz,60kHz, 80kHz ve 100
kHz için tekrarlayınız.
5.1.3. Yük Etkisi
Anahtarlama frekansını 100kHz’e , darbe genişliğini de 0.5’e ayarlayın. Yük olarak bağladığınız
reostanın direncini devre süreksiz akım moduna geçene kadar yavaş yavaş artırın. Çıkış geriliminin
değerini ölçerek, mosfet (akaç-kaynak gerilimi) ve diyot gerilimleriyle birlikte dalga şekillerini çiziniz.
(Not: Mosfet’in akaç(drain) terminali de kaynak(source) terminalide toprakta olmadığı için bu elemanın
gerilimini osiloskopta gözlerken daha dikkatli olunuz. Yanlış toprak kullanımı sigortaları attırabilir)
5.1.4. Verim
Anahtarlama frekansını 40kHz’e darbe genişliğini 0.5’e ayarlayınız. Yük direncini tekrar 10
ohm’a getiriniz. Giriş akımı ile, çıkış akım ve geriliminin ortalama değerlerinin ölçerek ortalama giriş ve
çıkış güçlerinin hesaplayınız. Bu değerleri kullanarak dönüştürücünün bu frekanstaki verimini
hesaplayınız. Aynı işlemleri 60kHz, 80kHz, 100kHz için tekrarlayınız.
Gerilim azaltan dönüştürücü için alınan bazı ölçümler aşağıda gösterilmiştir.
25kHz frekansta D=0.5 değerinde darbe genişliği dalga şekilleri.
Şekil 5.12
Aynı frekansta bobin uçları arasındaki gerilim
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
9
Şekil 5.13
D=0.5 için çıkış gerilimi ve üzerindeki dalgalanma
Şekil 5.14
D=0.75 için bobin üzerindeki gerilim ve darbe genişliği-yük gerilimi dalga şekilleri
Şekil 5.15
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
10
5. 2 Doğru Akım-Doğru Akım Gerilim Artıran Dönüştürücü
5.2.1. Darbe Genişliği Etkisi
15Vdc
D
100uH
690uF LOAD
Şekil 5.16
Şekil 5.17
Şekil 5.16’da görülen devreyi kurunuz. Yük olarak bağlayacağınız reostanın direncini 50 ohm’a
ayarlayınız. Giriş gerilimini 10 V’a ayarlayınız. Bağlantıları kontrol ederek devreye enerji veriniz.
Anahtarlama frekansını 50kHz’e ayarlayınız. Darbe genişliğini minimumdan 0.7’e kadar 0.1likadımlarla
artırınız. Her adımda yük geriliminin ortalama değerini kayıt ediniz. İndüktör akımını ve çıkış gerilim
üzerindeki dalgalanmayı osiloskopta gözlemleyerek dalga şekillerini çiziniz.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
11
5.2.2. Anahtarlama Frekansı Etkisi
Darbe genişliğini 0.5’e, anahtarlama frekansını 100kHz’e ayarlayınız. Yükün 50 ohmda olduğuna
emin olunuz. Çıkış bobin akımının dalga şeklini çiziniz. Aynı işlemi 40kHz, 60kHz ve 80kHz için
tekrarlayınız.
5.2.3. Yük Etkisi
Darbe genişliğini 0.4’e, anahtarlama frekansını 100kHz’e ayarlayınız.Devre süreksiz akım moduna
geçene kadar yükü artırınız. Mosfet ve diyotun terminalleri arasındaki gerilimi çiziniz. Yük geriliminin
ortalama değerini ölçünüz. (Not: Gerilim artıran dönüştürücüde diyot terminallerinden hiçbiri toprakta
olmadığı için diyot gerilimi ölçümünde dikkatli olunuz. Differential probe ya da osiloskobun 2 kanalını
birden kullanınız)
5.2.4. Verim
Anahtarlama frekansını 100kHz’e, darbe genişliğini 0.5’e ayarlayınız. Yük direncini , yük akımı
0.4 A olacak şekilde ayarlayınız. Giriş akımını ve çıkış gerilimini ölçerek , dönüştürücünün bu frekanstaki
verimini hesaplayınız. Aynı basamakları 40 kHz, 60 kHz ve 80 kHz için tekrarlayınız.
DC-DC gerilim artıran dönüştürücü için alınan bazı sonuçlar aşağıda verilmiştir:
D=0.6 için darbe genişliği ve yük gerilimi Şekil 5.2.3
D=0.6 için bobin gerilimi dalga şekli Şekil 5.2.4
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 4. Deney
12
Şekil 5.18
Şekil 5.19
Sonuçlar
Deney 5.1.1’de her bir darbe genişliği için ölçtüğünüz gerilim değerlerini darbe genişliği- yük
gerilimi şeklinde grafiğe dökünüz. Her bir darbe genişliği değeri için yük gerilimini teorik olarak
hesaplayınız. Teorik değerler ölçünlenlerle uyuşuyor mu. Uyuşmuyorsa neden? Açıklayınız.
Deney 5.1.2’de her bir frekans değeri için gözlemlediğiniz dalga şekillerini ölçekli kağıda çizerek
raporunuza ekleyiniz. Anahtarlama frekansının bobin akımı üzerindeki etkisini kısaca açıklayınız.
Deney 5.1.3’teki dalga şekillerini ölçekli kağıda çizerek raporunuza ekleyiniz.
Deney 5.1.4’te her bir frekans için elde ettiğiniz verim değerlerinin grafiğini çiziniz. Anahtarlama
frekansının, devrenin verimine yaptığı etkiyi nedenleriyle açıklayınız.
Deney 5.2.1’de gerilim artıran dönüştürücü için yaptığınız ölçümleri grafik haline getirerek deney
raporuna ekleyiniz. Her bir darbe genişliği için yük geriliminin değerini teorik olarak
hesaplayınız. Teorik ve pratik değerler uyuşuyor mu? Uyuşmuyorsa neden? Açıklayınız… Bobin
akımının dalga şeklini ölçekli kağıda çizerek raporunuza ekleyiniz.
Deney 5.2.3’de her bir frekans için elde ettiğiniz dalga şekillerini ölçekli kağıda çizerek
raporunuza ekleyiniz.
Deney 5.2.3’te elde ettiğiniz diyot ve mosfet gerilim dalga şekillerini ölçekli kağıda çiziniz. 0.4
darbe genişliğine göre elde etmeniz gereken yük gerilimini teorik olarak hesaplayınız. Deneyde
ölçtüğünüz değerle uyuşuyor mu? Açıklayınız…
Deney 5.2.4’te elde ettiğiniz verim sonuçlarını tablo haline getirerek grafiğini çiziniz. Sonuçları
yorumlayınız.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
1
5.Deney
6. ÜÇ FAZLI EVİRİCİLER
Deneyin Amacı:
3 Faz eviricilerin çalışma sistemlerini incelemek, 3 faz motor sürücü sisteminin çeşitli deneylerini
yapmak.
EVİRİCİ
Alternatif akımdan (AC), Doğru akıma (DC), Doğru akımdan (DC), alternatif akım (AC) 3 faz
biçimine dönüştürülebilen, frekansı ve gerilimi ayarlanabilen düzeneklere Evirici Sistemler adı verilir.
Kalkış akımları olmadığından şebekeye zarar vermez.
TEK FAZLI YARIM KÖPRÜ EVİRİCİ:
Şekil 6.1'deki devre 2 adet kıyıcıdan meydana gelmiştir T/2 zaman aralığı için sadece Q1
transistörü iletime sokulursa yük uçlarındaki gerilimin ani değeri Vs/2'dir. Diğer T/2 zaman aralığında,
sadece Q2 transistörü iletime sokulursa yük uçlarında –Vs/2 görünür. Tetikleme devresi ne olursa olsun
Q1 ve Q2'yi aynı anda tetiklemeyecek şekilde tasarlanmalıdır.
Şekil 6.1
Şekil 6.2
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
2
Şekil 6.2 ohmik yük için transistör akımları, yük gerilimi (Vy) ve dalga şekillerini
göstermektedir. Böyle bir evirici devresini beslemek için şekilden de anlaşılacağı gibi simetrik beslemeye
ihtiyaç vardır. Yalıtımda olan transistör uçlarında (Vs) kadar gerilim görülür bu tip invertöre yarım
köprü evirici denir.
TEK FAZLI KÖPRÜ EVİRİCİ:
Tek fazlı bir köprü evirici Şekil 6.3 de görüldüğü gibidir. Bu devre 4 adet kıyıcıdan meydana
gelmektedir. Q1 ve Q2 transistörleri aynı anda iletime sokulduğunda Vs giriş gerilimi, yük uçlarında
görünür. Eğer Q3 ve Q4 transistörleri aynı anda iletime sokulursa yük uçlarında ters yönlü -Vs oluşur
çıkış dalga şekli Şekil 6.4'deki gibidir.
Şekil 6.3
Şekil 6.4
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
3
GERİLİM BESLEMELİ EVİRİCİLER
Aşağıda gördüğünüz SCR kontrollü evirici devresi gerilim beslemeli eviricidir ve en yaygın
tercih edilen evirici çeşididir. Gerilim beslemeli eviricilerde çıkış gerilimi doğrudan DC besleme
kaynağına bağlıdır çıkış akımı yük empedansının bir fonsiyonudur.
Şekil 6.5
AKIM BESLEMELİ EVİRİCİ
Akım beslemeli eviricilerde DC kaynaktan elde edilen giriş akımı sabittir bunun için DC kaynağa
seri olarak büyük bir indüktans bağlanır. Evirici çıkış akımı sabittir ve yükün cinsine bağlı değildir. Çıkış
akımının sabit olabilmesi için çıkış gerilimi değişmeye zorlanır.
Şekildeki transistörlü evirici devresinde her zaman iki transistör iletimdedir iletim sırası (1,2)-
(2,3)-(3,4)-(4,1) şeklindedir ve loop yapar. Her bir transistöre bağlanan diyot ters gerilimlerden
transistörleri korumak içindir.
Şekil 6.6
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
4
Tristörlü bir evirici devresi de Şekil 6.7’deki gibidir komütasyon kondansatör ile sağlandığından
devre basittir. SCR1 ve SCR2’nin iletime geçtiğini düşünürsek C1 ve C2 kondansatörleri şekildeki
polarite ile şarj olur SCR3 ve SCR 4 tetiklenirse SCR 1 ve SCR2 ters biaslanır ve yalıtıma gider.
Şekil 6.7
Akım SCR3, C1, D1,yük ve D2, C2, SCR 4 üzerinden akar C1 ve C2 kondansatörleri önce Şarj
olur sonra yük akımı tarafından tespit edilen sabit bir oranda tekrar şarj olur C1 ve C2 yük gerilmine
şarj olduğunda akımları sıfır olur. Yük akımı D1 den D3'e ve D2 den D4'e transfer olur. D1 ve D2
yalıtıma gider eğer bir sonraki çevrimde SCR1 ve SCR 2 tetiklenirse SCR3 veSCR4'ü yalıtıma sokmak
için C1 ve C2 hazırdır. Komütasyon zamanı yük akımı ve yük geriliminin büyüklüğüne bağlıdır
yukarıdaki şekilde C1 ve C2 kondansatörleri diyotlar tarafından yük geriliminden yalıtılır.
DEĞİŞEBİLEN DC İLE BESLENEN EVİRİCİLER
Bir eviricinin çıkış gerilimi pals genişliğinin değiştirilmesi ve DC giriş geriliminin sabit
tutulmasıyla kontrol edilebilir. Fakat bu tip gerilim kontrolünde çıkış geriliminde harmonikler oluşur
harmonikleri azaltmak veya yok etmek için pals genişlikleri sabit tutulabilir ve çıkış gerilimi
değiştirilerek kontrol edilebilir böyle bir evirici Şekil 6.8’ deki gibidir. Bu tip bir evirici ilave olarak
konvertör katına ihtiyaç duyar.
Şekil 6.8
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
5
Evirici devreleri genellikle PWM tekniği kullanarak çalıştırılır. PWM sinyallerini elde etmek için
bir MPU yada PIC gibi bir dijital kontrolcü kullanmak gerekir.
Bizim devremizde ATMEL-ATMEGA8 işlemcisi kullanılmıştır.
PWM: Pulse Width Modulation kelimelerinin baş harflerinden türemiş bir kısaltmadır.
SIKÇA KULLANILAN PWM TEKNİKLERİ
1- Tek pals genlik modülasyonu
2- Çoklu pals genlik modülasyonu
3- Sinüsoidal pals genlik modülasyonu
4- Modified (değiştirilmiş yada azaltılmış) sinüsoidal pals genlik modülasyonu
PWM, basitçe invertördeki transistör ya da SCR’ leri düzenli aralıklarla anahtarla-maya yarar.
TEK PALS GENLİK MODÜLASYONU
Şekil 6.9
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
6
Tek pals genişlik modülasyonu ile kontrolde, her yarım saykılda tek pals vardır. Evirici çıkış
gerilimi, palsin genişliği değiştirilerek sağlanır. Şekil 6.9' a bakacak olursak tetikleme sinyallerinin
üretimini ve tek fazlı tam köprü bir evirici devresinin çıkış gerilimini göstermektedir. Tetikleme sinyalleri
genliği Ar olan bir kare dalga referans sinyali ile genliği Ac olan bir üçgen dalga taşıyıcı sinyalin
karşılaştırılması ile elde edilir. Referans sinyalin frekansı çıkış geriliminin temel frekansını tayin eder
Ar'nin sıfırdan Ac'ye kadar değişimini pals genişliğinin sıfırdan 180 dereceye kadar değişimine neden
olur.
ÇOKLU PALS GENLİK MODÜLASYONU
Bir eviricinin harmoniği, çıkış geriliminin her bir yarım saykılda bir çok pals kullanmakla
azaltılabilir. Transistörleri iletim ve yalıtıma sokmak için gereken tetikleme sinyalleri, Şekil 6.10'daki
gibidir. Bir referans sinyal ile üçgen dalga şekildeki gibi kıyaslanması ile elde edilir. Referans sinyalin
frekansı, çıkış frekansını tayin eder. Taşıyıcı frekans ise her bir yarım saykıldaki pals sayısını belirler.
Tek fazlı bir köprü evirici devresinin çıkış gerilimi şekil 6.11'deki gibidir.
Şekil 6.10
Şekil 6.11
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
7
Tek pals modülasyonu ile kıyaslandığında distorsiyon faktöru oldukça azaltılmıştır. Bununla
birilikte güç transistörlerinin iletim ve yalıtım sayısının fazla olması anahtarlama kayıplarını artırır. Her
bir yarım saykıldaki pals sayısının fazla olması düşük dereceli harmoniklerin genliğini azaltır.
SINUSODIAL PULSE GENLİK MODÜLASYONU
Bu teknikte her bir palsın genişliği sinüs dalgasının genişligi ile orantılı olarak değişir
.Distorsiyon faktorü ve düşük dereceli harmonikler önemli derecede azaltılır.
Tetikleme sinyalleri Şekil 6.12 ve Şekil 6.13'deki gibi bir sinusoidal referans sinyali ile bir bir üçgen
dalga taşıyıcı sinyalin kıyaslanması ile elde edilir.
Endüstriyel uygulamalarda çok sık kullanılan bu modülasyon SPWM kısaltması ile tanınır.
Referans sinyalin frekansı eviricinin çıkış frekansını belirler her bir yarım saykıldaki pals sayısı taşıyıcı
frekansa bağlıdır.
Şekil 6.12
Şekil 6.13
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
8
MODIFIED (DEĞİŞTİRİLMİŞ VEYA AZALTILMIŞ ) SINUSOIDAL PULSE GENLİK
MODÜLASYONU
Şekil 6.14'de gösterilen bu teknikte sinüs dalgası tepe kısmına yakın bir bölgede pals genişliği
yaklaşık sabittir. Çünkü taşıyıcı dalga her bir yarım saykıl için 60 derece aralıklarla uygulanır (0
dereceden 60 dereceye kadar ve 120 dereceden 180 dereceye kadar) güç transistörlerinin anahtarlama
sayısı azalacağından anahtarlama kayıpları da düşüktür.
Şekil 6.14
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
9
DENEYİN YAPILIŞI:
Deney bağlantısını aşağıdaki gibi yapınız.
Figure 6.15
1- Devreyi kurduktan sonra gücü veriniz.
2- FREQUENCY potu ile displayde 35 Hz görülünceye kadar ayarlayınız.
3- START tuşuna basınız. Ne olmuştur.
4- STOP tuşuna basınız ve motorun durmasını sağlayınız.
5- Potansiyometrenin pozisyonunu değiştirin. Ne olmuştur.
6- R-S-T çıkışlarını farklı frekanslarda osiloskopta inceleyerek yorumlayınız.
7- Aynı işlemleri değişik frekanslarda tekrarlayarak sinyalleri yorumlayınız.
NOT: Motor durmadan devir yönünü değiştirmeyiniz.
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
10
SONUÇLAR:
25 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz)
35 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz)
50 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz)
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
11
70 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz)
Figure 6.16
EXPERIMENTAL PROCEDURE with D-LAB:
Figure 6.17
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
12
25 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz)
35 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz)
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
13
50 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz) (0.1 sn)
50 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz) (0.2 sn)
Elektrik- Elektronik Mühendisliği Güç Elektroniği Laboratuvarı 5. Deney
14
70 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz) (0.1 sn)
70 Hz Çıkış Sinyali (yüksüz) (0.2 sn)
Figure 6.18