3. Bölüm - WordPress.com · iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji...
Transcript of 3. Bölüm - WordPress.com · iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji...
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
Güç Elektroniğine GirişGüç Elektroniğine Giriş
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
Güç Elektroniğine GirişGüç Elektroniğine Giriş
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
Güç Elektroniği DevreleriGüç Elektroniği Devreleri
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
Güç Elektroniği DevreleriGüç Elektroniği Devreleri
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
Güç Elektroniği DevreleriGüç Elektroniği Devreleri
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
Güç Elektroniğinde Doğrultucu DevrelerGüç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler
1111 Şekil 1- Genel AA-DA Dönüştürücü Yapısı
Güç Elektroniğinde Doğrultucu DevrelerGüç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler
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
Güç Elektroniğinde Doğrultucu DevrelerGüç Elektroniğinde Doğrultucu 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
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)
1616
Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu
v v vS D R
R
tV
R
vti mS sin)(
IV
Rm
m
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
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
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
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
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
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
Şekil 5- Yarım dalga doğrultucu
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
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
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.
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
2121
Şekil 6- Tam dalga doğrultucu
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
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
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
Kontrolsüz Doğrultucu DevrelerKontrolsüz Doğrultucu Devreler
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:
(a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı
(c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı
(e) RMS yük akımı, (f) yükün gücü
Şekil 7- Tam dalga doğrultucu
a) Tepe yük gerilimi = V
b) Tepe yük akımı = A
c) Ortalama yük gerilimi = V
d) Ortalama yük akımı
e) RMS yük akımı =
f) Yükün gücü = W
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
/
Kontrollü Doğrultucu DevrelerKontrollü Doğrultucu Devreler
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
a) Tepe yük gerilimi = V
b) Tepe yük akımı = A
c) Ortalama yük gerilimi =
d) Ortalama yük akımı
e) RMS yük akımı =
f) Yükün gücü = W
Kontrollü Doğrultucu DevrelerKontrollü Doğrultucu Devreler
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:
(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
,,
Şekil 9- Yarım dalga doğrultucu
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
Kontrollü Doğrultucu DevrelerKontrollü Doğrultucu Devreler
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)
Kontrollü Doğrultucu DevrelerKontrollü Doğrultucu Devreler
2828
Şekil 10- Tam dalga kontrollü doğrultucu 2
sin 21
22
mRMS
II
Kontrollü Doğrultucu DevrelerKontrollü Doğrultucu Devreler
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:
(a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı
(c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı
(e) RMS yük akımı, (f) yükün gücü
a) Tepe yük gerilimi = V
b) Tepe yük akımı = A
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
,,
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