TEK FAZLI VE ÜÇ FAZLI KONTROLSÜZ DOĞRULTUCULAR

Transkript

1 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Power Electronic Circuits (Güç Elektroniği Devreleri) TEK FAZLI VE ÜÇ FAZLI KONTROLSÜZ DOĞRULTUCULAR 1. DENEYİN AMACI Bu deneyin amacı, tek fazlı ve üç fazlı diyotlu doğrultucuların çalışmasını ve davranışlarını incelemektir. Bu deneyde, tek faz ve üç faz olmak üzere tüm yarım ve tam dalga doğrultucuları, omik ve indüktif yükler altında incelenecektir. 2. TEORİ Pek çok güç elektroniği uygulamasında, giriş gücü şebekeden alınan Hz lik AC güç şeklindedir ve uygulamada DC ye çevrilir. Endüstride kontrollü gerilim ya da güç aktarımı gerekmeyen uygulamalarda maliyet açısından genel eğilim diyotlu doğrultucular kullanmak yönündedir. Diyotlu doğrultucularda güç akışı, şebekeden yüke doğru olup sadece tek yönlüdür. DC güç kaynağı, AC motor sürücüleri ve daha pek çok alanda diyotlu doğrultucular tercih edilmektedir. Diyotlu doğrultucular, gerilimi şebekeden doğrulttukları için üzerlerinde, doğrultucunun türüne göre şebekenin harmoniklerinin frekansında gerilim salınımları olur. Bunları azaltmak için çıkışa yükten önce bir kapasitör eklenir. Kapasitör ne kadar büyük olursa çıkış gerilimindeki salınımlar da o kadar az olacaktır. Diyotlu doğrultucuların kötü özelliklerinden bir tanesi ise şebekeden oldukça yüksek distorsiyonlu akım çekmeleridir. Bu da harmonik standartlarıyla sınırlandırıldığı için her durumda diyotlu doğrultucular kullanılamayabilir. Bunların yerine kontrollü doğrultucular kullanılarak çeşitli denetim stratejileriyle birlikte akım sinüse benzetilir. Diyotlu doğrultucuları, tek faz, üç faz ve yarım dalga doğrultucu, tam dalga doğrultucu şeklinde sınıflandırabiliriz. Şimdi bunları inceleyelim Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu Tek faz yarım dalga doğrultucular pek kullanılmasalar da, doğrultucu çalışmasının anlaşılması açısından iyi bir örnek teşkil ederler. Şekil 1 de tek fazlı bir yarım dalga doğrultucu görülmektedir. Şekil 1. Tek faz yarım dalga doğrultucu Yarım dalga doğrultucu, diyotun üzerine gelen negatif gerilimi iletmemesinden dolayı, sinüs şeklindeki gerilimin sadece pozitif kısmını doğrultacaktır. Yük omik, ya da indüktif olabilir. Eğer yük omik bir yük ise, diyot sadece pozitif evreyi doğrultur ve kesim durumuna geçer, ancak yük indüktif bir yük ise, yük akımı, gerilim sıfıra düştükten sonra, bir süre daha pozitif yönde akmaya devam

2 edeceği için diyot hemen kesime geçemez ve üzerindeki akım sıfıra düşene kadar negatif gerilimi iletir. Bütün bu durumlar aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Şekil 2. Omik ve indüktif yük için çıkış gerilim-akım dalga şekilleri Gerilimin negatife düştüğü durumları engellemek için indüktif yüklü uygulamalarda çıkışa, boşta çalışma diyodu (FWD) bağlanır. Bu, yüke ters paralel olarak bağlanan standart bir diyottur ve gerilim negatife düşme eğilimi gösterdiği zaman iletime geçerek, şebeke diyodunun üzerindeki akımı kendi üzerine alır. Böylece yük akımı boşta çalışma diyodu üzerinden akmaya devam eder ve yük üzerinde sadece oldukça küçük olan diyodun negatif gerilimi gözlenir. Çıkışta gözlenen gerilimin tepe değeri, diyot üzerindeki gerilim düşümü ihmal edilirse yaklaşık olarak giriş işaretininkiyle aynıdır. Bu dalga şeklinin ortalama ve etkin değerleri integral alınarak hesaplanabilir. Aşağıda yarım dalga doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri ve nasıl hesaplandığı verilmiştir. 0 T v(t) = V m sin(ωt) 0 π V ort = 1 T v(t) dt = 1 2π V m sin(ωt) d(ωt) = V m 2π [ cos(ωt)] 0 π 2.2. Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu V ort = V m 2π [ cos π ( cos 0)] = V m 2π 2 = V m π V ort = V m π 2, I ort = I m π V rms = [ 1 T v(t)2 dt] 0 T 0.5 V rms = V m 2, I rms = I m 2 Tek fazlı uygulamalar için oldukça sık kullanılan tam dalga ya da köprü doğrultucu devresi Şekil 3 te gösterilmiştir. Dört tane diyottan oluşan devrede, D1 ve D4 diyotları alternatif gerilimin pozitif evresini geçirecek, D2 ve D3 diyotları da gerilimin negatif evresinde aktif olarak bu bölgeyi doğrultacaktır. Böylece çıkışta, girişteki AC gerilimin iki katı frekansında DC bir gerilim elde edilecektir. Eğer yük indüktif olursa akım gerilimin gerisine düşecek, ancak akımı üzerine alacak pozitif gerilim evresine geçmekte olan başka bir diyot olduğu için yarım dalga doğrultucuda gözlenen

3 negatif voltaj durumu köprü diyotta gerçekleşmeyecektir. Bunlara dair dalga şekilleri Şekil 4 te gösterilmiştir. Şekil 3. Tek fazlı köprü doğrultucu Şekil 4. Omik ve indüktif yük için köprü doğrultucu çıkış gerilim-akım dalga şekilleri Tek fazlı köprü diyotta da yük gerilimi ve akımın ortalama ve etkin değerleri aynı şekilde integral alarak hesaplanır. Sonuçlar aşağıda verilmiştir. V ort = 2V m π, I ort = 2I m π V rms = V m 2, I rms = I m 2 Bu formüllerle verilen akım değerleri sadece omik yükler için kullanılabilir. Çünkü sadece bu durumda akım ve gerilimlerin dalga şekilleri aynıdır Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu Şekil 5 te görüldüğü gibi üç tane tek faz yarım dalga doğrultucunun ortak bir uçta birleşmesiyle oluşmuştur. Üç faz dönüştürücüler, daha yüksek frekanslı ve daha düşük salınımı olan çıkış gerilimleri üretirler. Böylece maliyet ve boyut açısından daha kolay filtrelenen çıkış gerilimleri elde edilmiş olur. Şekil 5. Üç faz yarım dalga doğrultucu Üç faz yarım dalga doğrultucuda, hangi faz daha pozitif ise o faza bağlı olan diyot iletime geçer ve bir sonraki faz daha pozitif olup iletimi üzerine alana kadar kapanmaz. Bu durumdan da anlaşılacağı gibi 3

4 her diyot, fazlar arası gerilimin sıfır olduğu noktadan itibaren iletime geçer ve 120 boyunca iletimde kalır. İndüktif yük durumunda da bir sonraki diyot, akımı üzerine alacağı için, gerilimin negatife düşmesi durumu, dolayısıyla da boşta çalışma diyotu kullanımına ihtiyaç yoktur. Üç faz yarım dalga doğrultucu yük üzerinde, giriş geriliminin 3 katı frekansında bir salınım oluşturur. Bu sebeple 3-darbeli doğrultucu şeklinde de adlandırılır. Çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri ise aşağıda verilen formüllerle hesaplanabilir. V ort = 3 3V m 2π, V rms = V m π = 0.84V m 2.4. Üç Faz Tam Dalga Doğrultucu Üç fazlı gerilimin mevcut olduğu endüstriyel uygulamalarda, üç faz doğrultucular, tek faza tercih edilen bir doğrultucu çeşididir. Bunun sebebi ise, üç faz doğrultucunun, çıkışta daha düşük gerilim salınımları vermesi ve daha yüksek güç aktarabilmesidir. Üç faz tam dalga doğrultucu devre şeması Şekil 6 da verilmiştir. Şekil 6. Üç faz köprü doğrultucu Üç faz köprü doğrultucuda her koldaki diyotlar (D1-D4, D2-D5, D3-D6) birbiriyle 180 faz farkıyla çalışırlar. Ayrıca alt ve üst grup diyotları da (D1-D3-D5, D2-D6-D4) kendi içlerinde birbirleriyle 120 faz farkıyla çalışırlar. Bu doğrultucu da üç faz yarım dalga doğrultucu gibi fazlar arası gerilim prensibine göre çalışır. Yani hangi fazlar arasındaki gerilim daha büyükse o fazlara ait, alt ve üst grup diyotları iletime geçer. Köprünün çalışmasını incelemek için R fazının açısını 0 olarak ve diğer fazların da sırayla 120 geriden geldiğini varsayalım. Dalga şekilleri ve bu duruma göre diyotların iletim sıraları aşağıda gösterilmiştir. 4

5 Şekil 7. Üç faz hat gerilimleri ve diyot iletim periyotları Üstteki şekilde açıkça görülüyor ki her diyot 120 iletimde kalıyor ve her 60 de bir diyotlardan biri kesime giderken bir diğeri iletime geçiyor. Bu duruma göre elde edilecek olan çıkış gerilimi aşağıda verilmiştir. Şekil 8. Üç faz köprü doğrultucu çıkış gerilimi dalga şekli Şekil 8 den de görüldüğü gibi 2 periyotluk sinüs için, konvertörün çıkışı 12 darbeli bir gerilim üretmiştir. Yani tek periyotta 6 darbeli, bir başka deyişle giriş işaretinin frekansının 6 katı frekansta bir gerilim elde ediyoruz. Bu sebeple bu doğrultucuya 6-darbeli dönüştürücü de denmektedir. Omik yükler için yük akımının dalga şekli de aynı olacaktır ancak indüktif yük durumunda akım gerilimin gerisine düşecektir. Bu durum Şekil 9 da gösterilmiştir. Şekil 9. İndüktif yük için oluşan akım-gerilim dalga şekilleri 5

6 Üç faz köprü doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri de aşağıda verilmiştir ve gerekirse daha önceki doğrultucular için açıklandığı şekilde türetilebilir. 3. DENEYLER V ort = 3V m π 3.1. Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. = 0.955V m, V rms = 1.655V m Şekil 10. Deney bağlantı şemaları Girişten verilen 55 V rms lik alternatif gerilimin pozitif evresi diyot tarafından geçirilecek, negatif evresi ise diyotun geri bloklama durumuna geçmesi sebebiyle kesilecektir. Alternatif gerilimin sadece 6

7 bir evresi geçirildiği için bu devreye yarım dalga doğrultucu denmektedir. Bağlantıları kontrol ettikten sonra devreyi çalıştırınız. Y1 kanalındaki çıkış dalga şeklini çiziniz. Aşağıdaki ölçümleri not ediniz. Y1 Kanalında gördüğünüz gerilim dalga şekline göre, akım dalga şeklinin nasıl olmasını beklersiniz? Aşağıdaki ölçümleri alınız. Direnç üzerinden alınan yük geriliminin ortalama ve etkin değeri (V oort, V orms ) Direnç üzerinden geçen yük akımının ortalama ve etkin değeri (I oort, I orms ) Giriş akımının etkin değeri (I irms ) (a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω) (b) Diyot gerilimi (100 Ω) (c) Giriş ve çıkış gerilimleri (100 Ω) Şekil 11. Omik yüklü yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 1. Omik yüklü yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o 7

8 Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük) Şekilde görülen devreyi FWD diyotunu bağlamadan kurunuz. Şekil 12. Deney bağlantı şemaları 8

9 Osiloskopun, Y1 kanalındaki çıkış geriliminin ve Y2 kanalındaki direnç geriliminin dalga şeklini çiziniz. Elimizdeki dalga şekillerinden çıkış akımının dalga şeklini bulabilir miyiz; nasıl? Aşağıdaki ölçümleri alınız. Toplam yük üzerinden alınan çıkış geriliminin ortalama ve etkin değeri. Toplam yük üzerinden geçen akımın ortalama ve etkin değeri. Giriş akımının etkin değeri. Aşağıda belirtilen indüktif yükleri uygulayarak çıkış geriliminin dalga şekillerini çiziniz. R = 50 Ω, L = 25 mh R = 50 Ω, L = 100 mh (a) Çıkış gerilimi ve akımı (50 Ω, 25 mh) (b) Diyot gerilimi (50 Ω, 25 mh) (c) Çıkış gerilimi ve akımı (50 Ω, 100 mh) (d) Diyot gerilimi (50 Ω, 100 mh) Şekil 13. İndüktif yüklü yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 2. İndüktif yüklü yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları 50 Ω, 25 mh 50 Ω, 100 mh Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o 9

10 Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Boşta Çalışma Diyotlu FWD) Şekilde görülen devreyi FWD diyotu bağlayarak kurunuz. Şekil 14. Deney bağlantı şemaları Y1 ve Y2 kanallarındaki dalga şekillerini çiziniz. Bu yük altında, bir önceki deneyde aldığınız ölçümleri alınız. FWD devrede neyi etkilemiştir? 10

11 (a) Çıkış gerilimi ve akımı (50 Ω, 100 mh) (b) Diyot gerilimi (50 Ω, 100 mh) Şekil 15. İndüktif yüklü ve serbest dolaşım diyotlu yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 3. İndüktif yüklü ve serbest dolaşım diyotlu yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları 50 Ω, 100 mh Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o 3.2. Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu Köprü Doğrultucu Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu (Omik Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. Bu kez giriş geriliminin pozitif evresini D1-D4 diyot çifti negatif evresini de D2-D3 diyot çifti geçirecektir. Bu sayede sinüs eğrisi şeklinde bir gerilimin her iki evresi de pozitif bir gerilime dönüştürülmüş olacaktır. Bağlantıları kontrol ederek devreyi çalıştırınız. Osiloskobun Y1 kanalından görülen çıkış geriliminin dalga şeklini çiziniz. Çıkış geriliminin ve akımının, ortalama ve etkin değerlerini not ediniz. Giriş geriliminin bir periyodunda, çıkış geriliminde 2 darbe gözlendiği için bu doğrultucuya 2 darbeli doğrultucu da denmektedir. 11

12 Şekil 16. Deney bağlantı şemaları (a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω) 12

13 (c) Giriş ve çıkış gerilimleri (100 Ω) Şekil 17. Omik yüklü köprü doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 4. Omik yüklü köprü doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. 13

14 Şekil 18. Deney bağlantı şemaları Devreyi çalıştırarak Y1 kanalındaki çıkış geriliminin ve Y2 kanalındaki direnç geriliminin dalga şeklini çiziniz. Çıkış geriliminin ve akımının ortalama ve etkin değerlerini ölçerek not ediniz. İndüktif yük köprü doğrultucuda ne gibi etkilere sebep oldu? Köprü doğrultucularda da, endüktif yük altında, yarım dalga doğrultucuları gibi serbest dolaşım diyotuna (FWD) ihtiyaç var mıdır? 14

15 (a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω, 100 mh) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω, 100 mh) Şekil 19. İndüktif yüklü köprü doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 5. İndüktif yüklü köprü doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o 3.3. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. Üç faz yarım dalga doğrultucu, aşağıda da görüldüğü gibi üç tane tek faz yarım dalga doğrultucunun yüke giden ortak uçlarının bağlanması ile oluşmuştur. Devreyi kurarak osiloskobun Y1 kanalında görülen yük geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve akımının ortalama ve etkin değerlerini not ediniz. Giriş geriliminin bir periyodunda yük gerilimi üzerinde 3 darbe oluştuğundan bu doğrultucuya 3 darbeli doğrultucu da denmektedir. 15

16 Şekil 20. Deney bağlantı şemaları (a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω) 16

17 (c) Giriş ve çıkış gerilimleri (100 Ω) Şekil 21. Omik yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 6. Omik yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. 17

18 Şekil 22. Deney bağlantı şemaları (a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω, 100 mh) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω, 100 mh) Şekil 23. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri 18

19 Tablo 7. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o 3.4. Üç Faz Köprü Doğrultucu Üç Faz Köprü Doğrultucu (Omik Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. Şekil 24. Deney bağlantı şemaları Şekil 24 de üç faz köprü doğrultucu görülmektedir. Yarım dalga doğrultucular şebekeye etkilerinden dolayı genelde kullanılmazlar. Tek faz ve üç faz köprü doğrultucular yaygın olarak kullanılan 19

20 doğrultucu devreleridir. Bu deneyde üç faz köprü doğrultucunun özellikleri gösterilecektir. Devreyi şekilde gösterildiği gibi kurup çalıştırınız. Yük geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve akımının ortalama ve etkin değerlerini not ediniz. Giriş gerilimlerinin bir periyoduna göre yük üzerinde 6 darbeli bir gerilim oluştuğu için bu doğrultucuya 6 darbeli doğrultucu da denmektedir. (a) Çıkış gerilimi ve akımı (300 Ω) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (300 Ω) (c) Giriş ve çıkış gerilimleri (300 Ω) Şekil 25. Omik yüklü üç faz köprü doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 8. Omik yüklü üç faz köprü doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o Üç Faz Köprü Doğrultucu (İndüktif Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. 20

21 Şekil 26. Deney bağlantı şemaları Yük geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve akımının ortalama ve etkin değerlerini ölçerek not ediniz. 21

22 (a) Çıkış gerilimi ve akımı (300 Ω, 100mH) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (300 Ω, 100mH) Şekil 27. İndüktif yüklü üç faz köprü doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 9. İndüktif yüklü üç faz köprü doğrultucu için deney sonuçları Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o 22