KOCAELİ TEKNİK LİSESİ ELEKTRİK BÖLÜMÜ OTOMASYON ATÖLYESİ MOTOR SÜRÜCÜLERİ ve SERVO SİSTEMLER DERS NOTU MEHMET TOSUNER 2009

Transkript

1 KOCAELİ TEKNİK LİSESİ ELEKTRİK BÖLÜMÜ OTOMASYON ATÖLYESİ MOTOR SÜRÜCÜLERİ ve SERVO SİSTEMLER DERS NOTU MEHMET TOSUNER 2009

2 Güç Elektroniği Anahtarlama Elemanları: Bu ders notunda anlatılan konvertör ve inverter devrelerinde kullanılan yarı iletken anahtarlama elemanları BJT, TRİSTÖR, MOSFET, IGBT veya GTO olabilir. Hangi elemanın kullanılacağı; devrenin özelliklerine, gücüne, maliyetine daha da önemlisi motor sürücüsü imal eden şirketin teknolojisine bağlıdır. Bu nedenle bu elemanlardan bahsedilirken Yarı iletken anahtarlama elemanı. şeklinde genel bir isimlendirme kullanılmıştır. Yarı İletken Anahtarlama Elemanları : DİYOT : Doğru polarmada yani Anod bacağına + Katod bacağına - polaritede bir gerilim verildiğinde kapalı bir anahtar gibi davranarak elektrik akımının geçişine müsaade eden, ters polaritede ( Anot - ve Katod + ) açık anahtar haline gelen ve elektrik akımının geçişine müsaade etmeyen devre elemanıdır. Diyotun iletim ve kesimi tamamen üzerine uygulanan gerilimin polaritesine bağlı olup herhangi bir kontrol edilebilirlik özelliği yoktur..

3 TRİSTÖR ( SCR Silikon Kontrollü Doğrultucu Silicon Control Rectifier ) : Kontrollü bir diyottur diyebiliriz. Doğru polarmada yani Anod bacağına + Katod bacağına - polarite bir gerilim verildiğinde iletime geçmek için Gate bacağından tetikleme gerilimi uygulanmasını bekler. Doğru polarite altında tetikleme verildiğinde iletime geçer ve kapalı bir anahtar gibi davranır. Bir kez iletime gittikten sonra Gate bacağından tetikleme gerilimi kesilse de iletimde kalmayı sürdürür. Kesime götürebilmek için üzerinden geçen akımın kesilmesi veya ters polaritede gerilim uygulanması gerekir. Ters polaritede ( Anot - ve Katod + ) Gate bacağından tetikleme gerilimi verilse de iletime geçirilemez.

4 TRİYAK : Her iki polaritede de iletime geçebilen devre elemanıdır. İletime geçmesi için Gate bacağından A2 bacağına uygulanan gerilimle aynı polaritede bir tetikleme geriliminin verilmesi yeterlidir. Aynı polaritede kaldığı sürece tetikleme gerilimi kesilsede iletimde kalmayı sürdürür. Ters polaritede bir gerilim uygulandığında kesime gider ve iletime gitmek için tekrar Gate bacağından tetikleme gerilimi bekler. Bu çalışması ile Triyak ters paralel bağlı iki Tristöre benzetilebilir..

5 BJT ( Bipolar Jonksiyon Transistör ) : Güç elektroniğinin ilk anahtarlama elemanıdır. Base bacağına uygulanan akımı β akım kazancı katsayısı kadar yükselterek Kolektör Emiter bacakları arasında geçişini sağlar. Her ne kadar elektronikte sinyal yükselteci olarak kullanılsa da güç elektroniğinde Base bacağına tam Base akımı uygulanarak veya uygulanmayarak iletim ve kesime götürülen anahtarlama elemanı olarak kullanılırlar. İletime geçtiğinde Kolektör Emiter bacakları arasındaki gerilim düşümü çok küçüktür. Bu sayede kontrol ettiği devre üzerinde güç harcaması çok azdır ( P = U x I ). Fakat Base bacağından uygulanan tetikleme akımı yük akımı ile karşılaştırıldığında küçük gibi gözükse de diğer anahtarlama elamanlarına oranla tetikleme akımı büyüktür ve güç Tansistörlerinde bu onlarca watı bulur ( I B = I C / β ). Bu yüksek tetikleme akımı Transistoru sürecek kontrol devresinin de yüksek çıkış akımı vermesini gerektir.

6 MOSFET : Alan etkili anahtarlama elemanı olarak da anılırlar. Bunun anlamı şudur; BJT lerin iletime geçmesi için Base bacağına uygulanan tetikleme geriliminin çekmiş olduğu I B tetikleme akımı kontrol devresinden çekmektedir. Mosfetlerde ise Gate bacağına tetikleme gerilimi uygulandığında kontrol devresinden çekeceği akım ihmal edilebilecek kadar çok küçüktür. Bu nedenle kontrol Gate bacağından çekilen akımla değil Gate bacağına uygulanan gerilimle yapılır. Bu avantajının yanı sıra Drain Source bacakları arasındaki gerilim düşümü BJT ye göre daha büyüktür. Bu nedenle kontrol ettiği devrede Mosfetin üzerindeki güç harcaması da büyük olmaktadır lerden sonra BJT lerin yerini alan Mosfet ler 700 V u aşmayan birkaç Kw gücündeki ( Düşük ve orta güç ) devrelerde kullanılırlar..

7 GTO : Kontrol edilebilir Tristör olarak tanımlayabiliriz. Tristör den farklı olarak eğer Gate ucuna ters potansiyelde bir gerilim uygulanırsa ( Ters yönde Gate akımı geçirilirse ) GTO nun Anod - Katod uçları doğru polarmada olsa dahi kesime götürülebilir. Bu avantajının yanı sıra iletimde Tristör de Anod Katod bacakları arasında 1.5V lar civarında olan gerilim düşümü GTO da 3V ları geçmektedir. Bu ise GTO nun kontrol ettiği devrede kendi üzerindeki güç harcamasının Tristör den daha fazla olmasına neden olur. GTO 3KV ve 2KA e kadar büyük güç değerlerinde imal edilebilir..

8 IGBT : BJT ve Mosfet üstün yanlarının alındığı düşük güç sarfiyatına ve alan etkili kontrole sahip hibrit bir elemandır larda geliştirilen IGBT ler yüksek güç değerlerinde imal edilebilirler.

9 Anahtarlama elemanlarına tetikleme sinyali uygulandığında eleman küçük bir zaman gecikmesi ile iletime geçer ve aynı şekilde kesime de zaman gecikmeli olarak gider. Bu durum Tristör e ait aşağıdaki şekilde anlatılmaya çalışılmıştır. Tristör e Gate bacağından tetikleme sinyali uygulandığında akım rampalı bir şekilde artış göstermiştir. Aynı şekilde ters polaritede de akım yine rampalı bir şekilde sıfıra düşmüştür. Bu gecikme bazı kaynaklarda toparlanma süresi olarak ta geçer. Anlaşılması açısından iletim ve kesim akım eğrileri abartılı olarak çizilmiş olsa da tüm anahtarlama elemanında katalog bilgilerinde verilen mikro saniyeler mertebesinde bu gecikmeler söz konusudur. Bu gecikme anahtarlama elemanının çalışma frekansını etkilemektedir. Gecikmesi uzun olan anahtarlama elemanın anahtarlama frekansı düşük olmaktadır. Yani yüksek anahtarlama frekanslarına sahip yarı iletken elemanların gecikme süreleri kısadır. Gecikme süresinden önce yarıiletken anahtarlama elemanına bir sonraki tetikleme sinyali uygulanacak olursa eleman hiç kesime gidemeyecek ve devamlı iletimde kalacaktır. 20 KHZ anahtarlama frekansında çalışan yarıiletken anahtarlama elemanları düşünüldüğünde bu sürenin kısalığı daha iyi anlaşılacaktır. ( 20 KHZ = HZ yani saniyede açma kapama )

10 Elektrik Makinelerinde Devir Sayısı Kontrolü : Elektrik makineleri ders notumuzda da anlatıldığı gibi doğru akım motorlarında devir sayısını veren formül: V a I a. R a n = K. θ idi ve devir; Motor uçlarına ( endüviye ) uygulanan gerilime, kutuplardaki manyetik alana yani kutup sargılarından geçen uyartım akımına ve endüvi iç direncine bağlı idi. Endüvi iç direncinin değiştirilmesi ile devir ayarı dirençlerde oluşacak ısı kayıplarından dolayı tercih edilen bir yöntem değildir. Endüviye uygulanan gerilimin değiştirilmesi, endüvi akımının büyük olması ve büyük akımların kontrolü için kullanılacak olan yarı iletken elektronik elemanların maliyeti nedeni ile pahalı olmaktadır. Diğer bir yöntem manyetik alanın yani kutup sargılarından geçen akımının ( uyartım akımı ) kutuplara uygulanan gerilimle kontrolüdür. Kutup gerilimine bağlı olarak devir kontrolünde ise motor tepki süresi uzun olmaktadır. Sabit mıknatıslı doğru akım motorlarında kutup manyetik alanı değiştirilemeyeceği için devir motor uçlarına uygulanan gerilim ile kontrol edilir. Asenkron motorlarda ise devir sayısını veren formül: 60. f n s = p idi Bu motorlarda ise devir ya kutup sayısı değiştirilerek yada motora uygulanan gerilimin frekansı değiştirilerek kontrol edilebilmekteydi. Bu nedenle; Doğru akım motorlarının kontrolünde değeri değiştirilebilen kontrollü bir doğru akım kaynağına. Asenkron motorların kontrolünde ise frekansı değiştirilebilen kontrollü bir alternatif akım kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır.

11 Gerilim Kontrollü Doğru Akım - Doğru Akım Kaynağı: Bir doğru akım kaynağının çıkışındaki gerilimin en kolay kontrolü kaynağın çıkışında yüke seri bir ayarlı bir direnç bağlamak ve gerilim bölücü olarak kullanılan direnç değerini değiştirerek yük üzerinde düşen gerilimin değerini değiştirmek şeklinde olur. Şekildeki devrede 12 V luk kaynağın çıkışına 2Ω luk yük direnci bağlanmıştır. Yük direnci üzerinde düşen gerilimi 6V yapmak için seri bağlı ayarlı direncin değerinin de 2Ω a getirilmesi gerekmektedir. Bu durumda devre akımı 3 A olacak ve yük 18W lık güç harcarken seri direnç üzerinde de 18 W lık bir güç ısı olarak kaybolacaktır. Bu durumda kaynak verimi %50 ye düşecek ve harcanan gücün yarısı kayıp olacaktır. Direnç değeri büyüdükçe bu kayıp miktarı da aynı oranda artacak ve verim düşecektir.

12 Büyük güçlerin kontrolünde ise seri dirençle gerilim kontrolü ekonomik olmaktan çıkacaktır. Gerilim kontrolünün bir diğer yöntemi ise yüke seri bir Transistör bağlayarak Kolektör akımının kontrolü şeklinde olabilir. Şekildeki devrede yine yük üzerindeki gerilimi 6V olarak ayarlamak isteyelim bu durumda Transistorün Kolektör akımını 3A olarak ayarlamamız gerekecektir. Bu durumda yük direnci üzerinde 6V luk gerilim düşümü elde edilse de geriye kalan 6V Transistorün Kollektör - Emiter bacakları arasında düşecek Transistör gövdesinde ve soğutucusu üzerinde 18W lık bir güç ısı olarak kaybolacaktır. O nedenle direnç için söylediğimiz bütün dezavantajlar Transistörle gerilim kontrolü içinde geçerli olacaktır.

13 Transistörler anahtarla elemanları olarak ( aç - kapa ) oldukça kullanışlı olmalarına rağmen akım kontrolünde ısı kayıpları nedeni ile elverişli değillerdir. Doğru akımın bir diğer kontrol şekli ise anahtarlamalı kontroldür. Şekildeki devrede anahtar kapalı iken yük üzerindeki gerilim kaynak gerilimine eşit olacaktır anahtar açıldığında ise yük gerilimi sıfıra düşecektir. Eğer anahtar devamlı kapatılıp açılır ve anahtarın kapalı olma süresi ile açık olma süresi birbirine eşit olursa yük üzerinde 6 V luk bir ortalama gerilim düşmüş olacaktır. Bu ortalama gerilim anahtarın açık ve kapalı olma süreleri ( oranları ) değiştirilerek ayarlanabilecektir. Anahtarın kapalı olduğu periyotlarda anahtarın iç direnci yok kabul edildiğinde üzerinde herhangi bir gerilim düşümü olmayacağı için güç sarfiyatı olmayacaktır. Yine açık olduğu periyotlarda da üzerinden akım geçirmeyeceği için yine güç sarfiyatı olmayacaktır. Anahtarlama elemanında güç sarfiyatının yani kaybın olmaması bu kaynağın veriminin %100 olması anlamına gelecektir. Anahtarlama ile doğru akımın kontrolünde verimin %100 olmasına rağmen çıkış gerilimi dalgalı bir biçimde olacaktır. Anahtarlamalı kontrolün en büyük dezavantajı da budur. Bu dalgalı çıkış omik yüklerde kabul edilemez olsa da motor gibi endüktif yüklerde anahtarlama frekansı çok yüksek olduğu taktirde kabul edilebilir bir dalgalanma olacaktır. Düşük anahtarlama hızları motor devrinde titremelere neden olsa da yüksek anahtarlama hızlarında bu titreşim en az düzeye inecektir. Yüksek anahtarlama hızlarının mekanik anahtarlar ile elde edilmesi imkansızdır bu nedenle anahtarlama elemanı olarak BJT, MOSFET veya IGBT gibi yarı iletken anahtarlama elemanları kullanılır.

14 Serbest Döngü Diyodu: İndüktif yüklerde manyetik alan olarak; W = 1 2.( LI. ) 2 Şeklinde bir enerji depo edilmektedir. Bobin devresindeki anahtarı açmakla aslında bu enerjiyi yok etmeye çalışıyoruz ve buda kendisini kontaklar arasında ark (kıvılcım) şeklinde ortaya çıkarmaktadır. Bir bobinde meydana gelen ters indüksiyon geriliminin değeri; V = L( di ) dt dir ve akımdaki değişim ne kadar büyük olursa ( anahtarlama ne kadar hızlı olursa ) indüksiyon gerilimi o oranda yüksek olacaktır. Bobin devresinde kullanılan yarı iletken anahtarlama elemanı kesime gittiğinde bobin üzerindeki bu enerji yarı iletken anahtarlama elemanı üzerinden geçişini sürdürmek isteyecek ayrıca oluşan ters indüksiyon gerilimi yarı iletken eleman yalıtım geriliminin üzerine çıktığında delinmesine yani arızalanmasına neden olacaktır.

15 Bu sorunu çözmek için endüktif yüklere kaynağa ters polaritede bağlanmış serbest döngü Diyotları bağlanır. Şekildeki devrede Transistör ( Yarı iletken anahtarlama elemanı ) iletimdeyken DC kaynak endüktif yük ( Bobin + Direnç ) üzerinden akım geçirir fakat Diyotdan ters polaritede olduğu için bir akım geçişi olmaz. Transistör kesime gittiğinde bobin üzerindeki enerji serbest döngü Diyodu üzerinden kısa devre olarak yine bobin üzerinde harcanacaktır. Akım şekli incelenecek olursa; Transistör iletime geçtiğinde bobinden ani bir akım geçişi başlamak isteyecek fakat ters indiksüyon gerilimi bu ani akım artışına ters yönde tepki vererek ani artışı engelleyecek rampalayacktır. Akım kararlı bir düzeye oturmadan bu sefer Transistör kesime gidecek ve bobin üzerinde depo edilen enerji serbest döngü diyodu üzerinden sönümlenmeye başlayacaktır. Eğer anahtarlama hızı çok yüksek tutulacak olursa ( Örneğin 20 khz = HZ ) akımdaki bu dalgalanma endüktif yükler için kabul edilebilir bir düzeyde olacaktır.

16 Gerilim Kontrollü Alternatif Akım - Doğru Akım Kaynağı: AC akımın DC akıma çevrilmesinde en bilindik yöntem diyotlar ile yapılan tam dalga veya yarım dalga doğrultuculardır. Yarım dalga doğrultma: Şekildeki devrede AC akımın + alternansında Diyodun Anod ucuna + ve Katot ucuna polarite geleceği için Diyod iletime geçecek ve üzerinde düşecek iletim gerilimi haricinde ( Teorik olarak silisyum diyotta 0.7 germanyum diyotta 0.3 V ) AC akımın + alternansını yük üzerine iletecektir. AC akımın alternansında ise bu sefer Diyodun Anod ucuna - ve Katot ucuna + polarite geleceği için diyod kesime gidecek ve açık anahtar gibi davranacağından yük uçlarına bir gerilim uygulanmayacaktır.

17 Tam dalga doğrultma: Şekildeki devrede AC akımın + alternansında D1 ve D4 Diyodlarının Anod uçlarına + ve Katot uçlarına polarite geleceği için bu iki diyod iletime geçecek ve AC akımın + alternansını yük üzerine iletecektir. AC akımın alternansında ise bu sefer D2 ve D3 Diyodlarının Anod uçlarına + ve Katot uçlarına - geleceği için bu iki diyot iletime geçeçek ve AC akımın alternansında akımın yönünü değiştirerek ( DC akım için aynı yönde kalacak ) yük uçlarına uygulayacaktır. Devre incelendiği taktirde D1 ve D4 diyotları iletimde iken D2 ve D3 diyotları uçlarına ters polarite olacağı için kesimde kalacaklar aynı şekilde D2 ve D3 diyotları iletimde olduğunda ise bu sefer D1 ve D4 diyotları uçlarına ters polarite geleceği için kesimde kalacaklardır.

18 Aşağıda üç fazlı tam dalga ( Köprü tipi ) doğrultma devresi ve gerilim dalga şekilleri verilmiştir.

19 Sabit bir çıkış gerilimi için kullanılıyor olsalar da çıkış geriliminin ayarlanması istenen yerlerde diyotlarla yapılan doğrultma isteneni vermeyecektir. Ayarlı bir DC çıkış, gerilimin periyot içerisinde yüke uygulama süresiyle elde edilir bunun içinde doğrultma işlemi kapı kontrollü bir yarı iletken eleman ile yapılmalıdır. Bu iş için en uygun olanı düşük fiyatı ve iletimde üzerindeki güç sarfiyatının az olması nedeni ile Tristör (SCR) dür. Tristörü kesime götürme zorluğu alternatif akımın diğer alternansa geçmesi ile ortadan kalkmaktadır. Şekildeki devrede tek

20 Tristör ile yarım dalga kontrollü bir doğrultma yapılmıştır. Buradaki α açısı Tristörün tetiklenme açısı olup bu açının büyütülüp küçültülmesi ile bir altarnans içerisindeki DC akımın ortalama değeri ayarlanabilmektedir. Her ne kadar elde edilen gerilim tam bir DC akım olmasa da ilerleyen konularda göreceğimiz devreler ile kabul edilebilir bir noktaya gelecektir. Eğer tam dalga kontrollü bir doğrultucu kullanılacak olursa elde edilen DC akım biraz daha düzelecektir. Bu devrede de diyotla yapılan tam dalga doğrultmada olduğu gibi AC akımın + alternansında T1-T4 ve alternansında T2-T3 tristörleri verilen α açısı ile iletime geçerek doğrultma işlemini gerçekleştirecektir.

21 α açısı 0 O olduğunda DC akımın değeri en büyük olacaktır. Bu değeri veren formül şu şekildedir. V dc = 2 2 V π.. ort α açısının 0 O dan farklı olduğu durumlarda DC akımın değeri. 1 Vdc =.( + Cos Vdo 2 1 α ). formülü ile bulunur. α açısının 0 O ve 180 O arasında değiştirerek en büyük ve en küçük DC çıkış gerilimini ayarlamak mümkün olacaktır. Şekilde 45 O ve 135 O ler için çıkış DC akım dalga şekli gözükmektedir.

22 Endüktif Yüklerde kontrollü doğrultma: Endüktif yük üzerinde manyetik bir enerjinin depolandığını ve yük akımı kesilse dahi bu enerjiden dolayı akımın akmak isteyeceğini daha önce görmüştük. Bu nedenle Tristörler diğrer alternansta ( - alternansta )hemen kesime gidemeyerek akımımın akışına enerji tükenene kadar bir müddet daha müsaade edeceklerdir. Bu durumda yük uçlarındaki gerilim negatif olacak ve akım akışı kesilemeyeceği için Tristör çiftlerinden biri mutlaka devrede kalacak ancak diğer tristör çifti iletime geçtiğinde kesime gidebilecektir. Şekilde 15 O ve 60 O tetikleme açısı için DC akım çıkış dalga şekli görülmektedir. DC çıkış geriliminin negatif değer alması ilk bakışta bir sorun gibi gözükse de ilerleyen konularda göreceğimiz inverterlerin, konvertörlerin motorun frenlenmesi durumunda kaynağa geri enerji vermesini sağlamaktadır.

23 Üç Fazlı Kontrollü Doğrultucular: Eğer üç fazlı sistemlerde tam dalga doğrultma yapılacak olur ise bir periyot içerisinde bütün fazlara ait altı adet + alternans elde edilecek bu ise çıkış dalga şeklinin daha düzgün olmasını sağlayacaktır. Şekildeki devrede α açısının 0 O 30 O 60 O ve 90 O olması durumunda elde edilecek çıkış gerilimleri verilmiştir. Ortalama Vdc gerilimi kesik düz çizgiler ile gösterilmiştir. Fakat 90 O deki ortalama DC gerilimi sıfırdır.

24 Üç fazlı köprü tipi kontrollü bir doğrultucunun çıkışındaki gerilimi veren formül şu şekildedir. Vdc = Vdo. Cosα π

25 Doğrultucu çıkışına bağlanan filtre bobin ve kondansatörleri ile DC çıkışın daha doğruya yakın olması sağlansa da üç fazlı köprü tipi kontrollü doğrultucunun çıkış geriliminin daha da düzgüne yaklaştırılması için bazı özel sürücülerde AC akım devresi bir faz kaydırıcı trafo ile 30 O kaydırılarak çiftlenmekte ve iki adat köprü tipi kontrollü doğrultucu yapılarak bir periyot içerisinde 12 adet + alternans elde edilerek daha düzgün bir DC çıkış alınmaktadır. 240 voltluk AC şebekede bir fazlı kontrollü bir doğrultucu ile 216 V a üç fazlı kontrollü bir doğrultucu ile 560V a kadar ayarlı gerilim elde etmek mümkündür. Daha büyük değerlerde DC çıkış elde etmek için doğrultucunun AC gerilim değeri bir trafo yardımı ile yükseltilir. Motor imalatçıları genellikle bu gerilim değerlerini göz önüne alarak standart üretimler yapmaktadırlar.

26 Doğrultucularda tristör veya diğer yarı iletken anahtarlama elemanlarının sıralı tetiklenmesi çoğunlukla bu iş için tasarlanmış elektronik entegre devreler ile yapılmaktadır. Bu devre, ayarlanan ve motordan alınan geri dönüş bilgilerine göre α açısını gerilim kaydırma yöntemi ile ayarlamaktadır. Güç devresinin yüksek geriliminin tetikleme devresine zarar vermemesi için güç ve tetikleme devreleri birbirlerinden optokuplörler veya tetikleme trafoları ile yalıtılmaktadır. α açısının nasıl ayarlandığına dair aşağıda temel bir devre bulunmaktadır. + alternansta Tristörün Anod ve Katod uçları doğru polarma altındadır fakat Gate bacağına bağlı olan C1 kondansatörü boştur ve + alternansta bu kondansatör sarj olmaya başlar Gate bacağındaki gerilim değeri ancak C1 kondansatörü sarj olduğunda tristörü tetikleyebilecek düzeye gelir. C1 kondansatörü sarj olma süresi tetikleme gecikmesini verir. Şarj süresi ise R2 potansiyometresi ile ayarlanır.

27 Tam doğru olmayan konvertör çıkışındaki gerilimin motor momentinde ve devrinde titreşimler oluşturması beklenebilir. Fakat her ne kadar motora titreşimli bir gerilimde uygulasak da motor sargılarının endüktif özelliğinden dolayı motor akımı gerilim kadar çok titreşimli olmayacak ve neredeyse motor üzerinden doğru akıma yakın bir akım geçecektir. Moment motor akımına bağlı olduğu için akımın yapmış olduğu bu küçük titreşimler momentte kendisini çok fazla hissettirmeyecektir. Düşük endüktanslı motorlarda ise devrelerine seri bağlanan filitre bobinleri sayesinde akım şekli düzeltilmektedir. Titreşimli besleme gerilimin dez avantajı olmuyor diyemeyiz. Gerilimdeki bu titreşim azda olsa alternatif bir etki yaparak az önce bahsettiğimiz endüktif direnç oluşturmaktadır. Tam doğru gerilimde ısı kayıpları I 2 x R iken bu durumda küçük de olsa R nin yanına bir endüktif direnç X L eklenmekte bu ise kayıpları bir miktar arttırmaktadır.

28 Frekans Kontrollü Doğru Akım Kaynağı - Alternatif Akım Kaynağı: Asenkron motorların devir kontrolü için frekansının değiştirilmesi gerektiğini biliyoruz. Frekansı kontrol edilebilir bir AC kaynak için en temel devre yandaki gibidir. Şekildeki devrede S1 ve S4 transistörleri iletime geçirildiğinde S1 Yük S4 üzerinden bir akım geçişi gerçekleşecektir. Daha sonra bu transistör çifti kesime götürülüp S2 ve S3 transistör çifti iletime geçirildiğinde bu sefer yük üzerinde birincisine ters yönde S2 Yük S3 şeklinde bir akım geçişi gerçekleşecektir. Bu sıralı anahtarlama hızları değiştirilerek yüke uygulanan gerilimin ve akımın frekansı değiştirilebilmektedir.

29 . İki farklı frekans için gerilim grafiği yandaki şekilde verilmiştir. Grafikten de görüleceği üzere elde edilen gerilim sinüs dalga biçiminden çok uzak bir kare dalgadır. Ama alternatif bir akımdır. İlerleyen konularda devre üzerine yapılacak ilaveler ile asenkron motorlar için kabul edilebilir bir dalga haline getirilecektir.

30 İnverter devrelerinde dikkat edilmesi gereken nokta iki anahtarlama eleman çiftinin aynı anda devreye girmemesidir. Eğer şekildeki devrede S1 ve S3 (veya S2-S4) transistörleri aynı anda devreye girecek olursa bu anahtarlama elemanları kaynağı kısa devre edecekler hem kendileri hem de DC besleme kaynağı zarar görecektir. Daha önce endüktif devrelerde akımın birden sıfıra çekilemeyeceğini görmüştük bu nedenle inverter devrelerinde anahtarlama elemanlarına ters paralel olarak serbest döngü diyotlarının bağlanması gerekmektedir. İnverterler çoğunlukla AC akım devrelerinde motorla kaynak arasına bağlanarak frekans değiştirici görevini görmektedir bu nedenle şekilde görülen DC kaynak olarak AC-DC çevirici kontrollü veya kontrolsüz kaynaklar kullanılmaktadır. Asenkron motorların frekans kontrolünde her ne kadar devir sayısı değiştirilse de motor momentinin ve akımının sabit tutulması istenir. Endüktif reaktansın formülü: X = 2. π. L f. l Eğer omik direnç bir an için göz önüne alınmaz ise yükten geçen akım I = U X L Şeklinde olacaktır.

31 Eğer motor devrini düşürmek için frekansta düşürülecek olursa endüktif direnç X L nin değeri düşecek ve akım artacaktır. Akım artışı motorlarda istenmeyen bir durum olduğu için akım artışını önlemek için DC kaynak geriliminin de aynı oranda düşürülmesi gerekecektir. Yine benzer şekilde motor devrini arttırmak için motor frekansı arttırıldığında X L endüktif direncinin değeri artacak bu seferde motor akımı yani momenti düşecektir. Bu sorunu ortadan kaldırmak için bu seferde DC kaynak geriliminin arttırılması gerekmektedir. Yani inverter devrelerinde tek başına frekansı değiştirmek yeterli olmayacaktır. Frekansla birlikte DC kaynak gerilimini arttırıp azaltmanın iki farklı yolu vardır. Genellikle büyük güçlü inverter devrelerinde kontrollü DC kaynaklar kullanılmaktadır. Kontrollü DC kaynakların maliyeti arttırması nedeni ile orta ve küçük güçlü inverter devrelerinde sabit DC akım kaynakları kullanılır ve gerilim anahtarlama elemanlarının iletim kesim süreleri ile değiştirilir.

32 Şekilde a gerilim grafiğine dikkat edilecek olursa geniş bir periyoda yani düşük bir frekansa sahiptir. Bu durumda anahtarlama elemanlarının kesim süreleri uzatılarak ortalama gerilim azaltılmıştır. b de ise frekans arttırılmış ve anahtarlama elemanlarının devrede kalma süreleri arttırılarak ortalama kaynak gerilimi artırılmıştır. c de ise frekans artırılmış ve gerilim değerini büyütmek için anahtarlama elemanları yarım periyot içerisinde hiç kesime götürülmemiştir. Bu noktadan sonra frekans daha da arttırılırda şekil d deki gibi gerilimin artmayacağı görülür. Serbest döngü Diyodunu anlatırken endüktif yüklerin yani motorların akımlarının neden aniden maksimum değer ve aniden sıfır olamayacağından bahsetmiştik. Aynı durum inverter anahtarlaması sırasındada oluşmaktadır. Her ne kadar gerilimin şekli sinüsoidal bir şekilde olmasa da motor akımı sinüs şekline oldukça yakındır ve bu şekli ile kabul edilebilir bir alternatif akımdır.

33 Anahtarlama elemanlarının bir periyot içerisinde iletim ve kesim süreleri ayarlanarak çıkış geriliminin ortalama değerinin değiştirilmesine Darbe Genlik Modülasyonu ( PWM Pulse Width Modulation ) denir. V ÇIKIŞ =Vx0,25 V ÇIKIŞ =Vx0,50 V ÇIKIŞ =Vx0,75

34 Üç Fazlı İnverter: Endüstride kullanılan asenkron motorların hemen hemen hepsi üç fazlı olduğu için bu motorların kontrolünde üç fazlı inverterler kullanılmaktadır. Buna ait prensip şema yanda verilmiştir. Şekildeki devrede transistörler 120 O lik faz açısı yapacak şekilde sıralı iletime geçirilerek üç faz elde edilmektedir.

35

36 Yukarıda bir ve üç fazlı inverter devrelerinin prensip şemaları verilmiştir. Anlaşılması kolay olması açısından yarı iletken anahtarlama elemanları olarak transistör gösterilmiştir. Gerçek devreler bu kadar basit olmayıp bu anahtarlama elemanları yanı sıra devrede filitre bobin ve kondansatörleri ile motorun fren çalışması sırasında DC kaynağa geri enerji beslemesi yapan diğer anahtarlama elemanları bulunmaktadır. Gerek AC gerilimin DC ye çevrilmesi gerekse de DC gerilimden AC gerilim elde edilerek motorun sürülmesi sırasında yarı iletken anahtarlama elemanlarının gerilimi kırpması sırasında motor sürücüleri harmonikler üretirler bu harmonik motor sürücüsünün bağlı olduğu hattaki diğer elektronik elemanlara zarar verebileceği gibi kompanzasyon kondansatörleri içinde tehlikeli olurlar. Bu zararlı etkiyi azaltmak için Avrupa ve Türkiye standartları bazı sınırlamalar getirmektedir. Harmonik değerlerini azaltmak için yukarıda bahsi geçtiği gibi filitre devreleri haricinde bir periyot içerisindeki anahtarlama sayısı Khz ler mertebesine çıkarılarak harmonik açısından gerekli değerler elde edilir.

37 Harmonik Nedir: Sinüsoidal olarak bildiğimiz şehir şebekesi aslında gerilim değeri ( Genliği ) ve frekansı değişik birçok küçük sinüs dalgalarının ( Harmoniklerin ) toplamından oluşmaktadır. Bu harmoniklerin frekans ve genlikleri Fourier Teoremi ile bulunur. Yukarıdaki Fourier açılımının anlamı şudur; 50 Hz frekansındaki Temel dalgamız, ( Tek sayı olarak devam eder ) Harmoniklerin toplamına eşittir.

38 3. harmonik Temel dalga genliğinin ( Geriliminin ) 1/3 ünde genliğe ve temel dalga frekansının 3 misli ( 3x50=150 ) frekansa sahiptir. 5. harmonik Temel dalga genliğinin ( Geriliminin ) 1/5 ünde genliğe ve temel dalga frekansının 5 misli ( 5x50=250 ) frekansa sahiptir. Harmonik değerleri bu şekilde devam eder. Şebeke dalga şeklinin simetri özelliği nedeni ile çift harmonik bileşenleri ( ) bulundurmaz. Eğer şebeke gerilimi çok hızlı bir şekilde anahtarlanacak ( açılıp kapanacak ) olursa Temel dalga yani ana bileşenimizin sinüsoidal şekli bozulacaktır. Bu durumda yukarıda belirttiğimiz; harmoniklerin genlik ( gerilim ) değerleri değişecek veya farklı harmonikler ortaya çıkacaktır. Harmonik kaynaklarını genel olarak şu şekilde sayabiliriz. - Motor sürücüleri. - Anahtarlanabilir güç kaynakları. - Kesintisiz güç kaynaklari (UPS). - Endüksiyon ocakları. - Doğrultucular (redresör), akü şarj cihazları. - Kaynak makineleri. Harmoniklerin kullanıcılara verdiği zararlar ise şu şekildedir. - Kompanzasyon kondansatörlerinin aşırı yüklenerek çok kısa sürede bozulması. - Nötr akımının artması. - Transformatörlerin ısınması, kayıpların artması. - Devre kesicilerde ve diğer kontrol sistemlerinde istenmeyen sebebi belirsiz açılmalar. - Kompanzasyon kademe sigortalarının açılması. - İletişim sistemlerinde parazitlerin oluşması. - Elektronik cihazlarda kart arızalarının meydana gelmesi. - Kontrol sistemlerinde beklenmeyen duruşlar ve arıza kodlarının oluşması.

39 Bu arızaların daha kolay anlaşılması için şu örneği verebiliriz. Kondansatörlerin kapasitif reaktasının formülü; X C = 1 2. π. f. C 3. Harmoniğin frekansı 150 Hz olduğu için kapasitif reaktasda 1/3 oranında azalmaktadır. Eğer 3. harmoniğin genlik ( Gerilim ) değeri temel dalga genliğinin ( Geriliminin ) 1/3 ünü geçecek olursa kapasitif reaktas azaldığı için kondansatör daha fazla akım çekecek ve bir süre sonra delinme şeklinde arıza verecektir. Harmoniklerin oluşmasının temel nedeni olan motor sürücüleri içerisinde harmonik filtrelerine sahip olsalar da çok miktarda motor sürücüsüne sahip olan işletmeler harmonik değerlerini istenen değerlerin altına düşürmek için ayrıca harmonik filitreleri kullanmak zorunda kalabilirler.

40

41 DA Motorun Çalışma Bölgeleri: Şekildeki grafikte A noktası DA motorunun anma değerinde çalıştığı noktadır ve motorun kaynaktan çekeceği akımın değeri I = V E R Formülü ile bulunur. Akımın yönü kaynaktan ( V ) motora doğrudur. Eğer motor devrini düşürmek için Va kaynak geriliminin değeri düşürülecek olursa bu sefer zıt emk nın ( E ) değeri kaynak geriliminden ( V ) büyük olacak ve akım formülü I = E V R Şeklinde değişecektir bu durumda motor REJENERATİF çalışacak ve motor kaynağı besleyecektir. Yani akım yönü motordan kaynağa doğru olacaktır. Bu durumda motorun çalışma noktası B ye kaymış olacaktır.

42

43 Kısaca A noktasına motor çalışma B noktasına ise jeneratör (dinamo) çalışma diyebiliriz. Rejeneratif çalışmada motorun sürtünme ve diğer kayıplardan dolayı devri düşecek ve tekrar zıt emk ( E ) nin değeri kaynak geriliminin ( V ) değerinin altına düşerek motor yeni devrinde motor çalışmaya devam edecektir. Kaynak geriliminin azaltılması haricinde vinç veya asansör motorlarında yükün aşağı inişi sırasında motorun devri anma devrinin üzerine çıkacak bu durumda zıt emk ( E ) nın değeri artarak kaynak geriliminin ( V ) üzerine çıkacak ve motor bu durumda da Rejeneratif çalışmaya geçecektir. Doğru akım motorlarının devir yönünü değiştirmek için kaynak yönü aniden değiştirilmemelidir. Bu durumda kaynak gerilimi ( V ) ve o anki zıt emk ( E ) aynı yönde olacak ve akım değeri I V = R E Şeklinde olacaktır ki bu akımın anma değerinin iki katına kadar çıkması anlamına gelir. Bu nedenle yön değiştirilmeden önce motor durdurulmalıdır. DA motorlarını durdurmak için kaynak gerilimi azaltılmalı motorun Rejeneratif çalışarak durması sağlanmalı daha sonra kaynak bağlantı uçları değiştirilerek gerilim arttırılmalıdır.

44 Bu çalışmaya ait gerilim grafiği aşağıdaverilmiştir. Burada motorun frenlenmesi ile birlikte akımın yön değiştirdiğine dikkat ediniz. Grafiğin altında kalan motordan kaynağa aktarılan güç üst tarafında ise kaynaktan motora aktarılan güç gözükmektedir. + alanın - alandan büyük olmasının nedeni frenleme sırasında sürtünme ve bakır kayıplarının oluşudur. Motorun frenleme sırasında kaynağı beslemesi yeni çıkan motor sürücülerinde yapılan ek devreler ile sağlanmaktadır. Yani sürücü ters yönde çalışarak kaynağa akım basmaktadır. Küçük güçlü veya eski tip sürücülerde bu özellik yerine motor Rejeneratif çalışmaya başladığı anda motor uçları küçük bir direnç üzerinden kısa devre edilerek motor üzerindeki enerjinin direnç üzerinde ısı olarak kaybolması sağlanmaktadır.