Ders Günü, Saati ve Sınıfı

Transkript

1 Yrd.Doç.Dr. Emre ÖZER T.C. İstanbul Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Elektrik ve Enerji Bölümü Elektrik Programı Güç Elektroniği 1 Ders Günü, Saati ve Sınıfı Örgün Öğretim Elektrik 2 Sınıfı Pazartesi 09:20 12:35 İkinci Öğretim Elektrik 2 Sınıfı Pazartesi 17:00 20: Güç Elektroniği 2 1

2 Kaynaklar Power Electronics: Devices, Circuits and Applications 4th Edition Author: Muhammad H. Rashid Publisher: Pearson; 4 edition July 29, 2013 Güç Elektroniği: Yarıiletken Elemanlar, Devreler ve Uygulamaları Yazar: Muhammad H. Rashid Çevirmenler: Sedat Sünter, Timur Aydemir Yayınevi: Nobel Akademik Yayıncılık; 4. baskıdan çeviri Ekim Güç Elektroniği 3 Kaynaklar Power Electronics: Converters, Applications, and Design 2nd Edition Author : Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins Publisher: Wiley; 2 edition January 9, 1995 Güç Elektroniği; Çeviriciler, Uygulamalar ve Tasarım Yazarlar: Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins Çevirmenler: Nejat Tuncay, Metin Gökaşan, Seta Boğosyan Yayınevi: Literatür Yayıncılık; 2. baskıdan çeviri Güç Elektroniği 4 2

3 Giriş Güç elektroniği, yüke aktarılan elektrik enerjisi akışını, uygun akım ve gerilim değerlerini sağlayarak, işlemek ve kontrol etmek olarak tanımlanabilir. Bir güç elektroniği sisteminin blok diyagramı Şekildeki güç devresinin girişi genellikle bir ya da üç fazlı elektrik şebekesinden gelmektedir. Güç devresi, yük tarafından belirlenen gerilim, akım, frekans ve faz sayısını işler. Kontrol devresi, güç çıkışı ile istenen referans değerleri karşılaştırır ve ikisi arasındaki hata işaretini en aza indirger Güç Elektroniği 5 Güç Elektroniği Uygulamaları Son yıllarda güç elektroniği alanı, lineer tüm devrelerden ve/veya sayısal işaret işleyicilerden oluşan kontrol devrelerindeki gelişmelere, yarı iletken güç elemanlarının anahtarlama hızlarının artmasına ve akım gerilim yönetme becerilerinin gelişimine bağlı olarak büyük bir gelişme göstermiştir. Uygulama Alanları a Ev araçlarında Buzdolabı ve dondurucular Hacim ısıtması Klima Pişirme Aydınlatma Kişisel bilgisayarlar Güç Elektroniği 6 3

4 Güç Elektroniği Uygulamaları b Ticari araçlarda Isıtma, havalandırma ve klima Merkezi soğutma Aydınlatma Bilgisayarlar ve ofis eşyaları/ekipmanları Kesintisiz güç kaynakları UPS ler Asansörler c Sanayi Endüstriyel araçlarda Pompalar Kompresörler Üfleyiciler ve fanlar Makine elemanları robotlar Ark ocakları, endüksiyon ocakları Aydınlatma Endüstriyel lazerler Endüksiyonla ısıtma Kaynak Güç Elektroniği 7 Güç Elektroniği Uygulamaları d Taşımacılıkta Elektrikli araçların tahrik sistemleri Elektrikli araçlar için akümülatör doldurma sistemleri Elektrikli lokomotifler Toplu taşıma araçları, troleybüsler Metro Motor kontrolü içeren otomotiv elektroniği e Şebeke sistemlerinde Yüksek gerilimli doğru akım naklinde HVDC Statik var kompanzsatör SVC Tamamlayıcı / yan enerji kaynakları rüzgar, fotovoltaik yakıt pilleri Enerji depolama sistemleri Induced draft fanları ve boiler fed water pompaları Güç Elektroniği 8 4

5 Güç Elektroniği Uygulamaları f Havacılık Uzay Uzay mekiği güç kaynakları sistemleri Uydu güç sistemleri Uçak güç sistemleri g Telekomünikasyon Akümülatör doldurma sistemleri Güç kaynakları Güç Elektroniği 9 Güç İşleyicilerinin ve Çeviricilerinin Sınıflandırılması Güç İşleyicileri Güç elektroniği sistemlerinin çoğunda güç işleyicisinin girişi elektrik şebeke kaynağıdır. Uygulamaya bağlı olarak yüke uygulanan çıkış aşağıdaki formlarda olabilir. 1. Doğru Akım Regüle edilmiş sabit genlik Ayarlanabilir genlik 2. Alternatif Akım Sabit frekans, ayarlanabilir genlik Ayarlanabilir frekans ve ayarlanabilir genlik Şebeke ve alternatif akım yükü birbirinden bağımsız olarak bir ya da üç fazlı olabilir Güç Elektroniği 10 5

6 Güç İşleyicilerinin ve Çeviricilerinin Sınıflandırılması Güç Çeviricileri Güç işleyicileri şekilde gösterildiği gibi genellikle bir veya daha fazla güç çevirme aşamasından oluşur. Bu aşamaların işlevi kondansatör ve endüktans gibi enerji depolama elemanları aracılığıyla anlık değişimleri ayrıştırmaktır. Bu yüzden, anlık güç girişinin anlık güç çıkışına eşdeğer olmasına gerek yoktur. Güç işleyicisi blok diyagramı Güç Elektroniği 11 Güç İşleyicilerinin ve Çeviricilerinin Sınıflandırılması Bir çeviricide işaret elektroniği, kontrol edilen güç yarı iletken elemanları ile kondansatör ve endüktans gibi enerji depolama elemanları kullanılır. Bir çevirici giriş ve çıkış biçimine frekans bağlı olarak aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir. 1. alternatif akım doğru akım ac dc 2. doğru akım alternatif akım dc ac 3. doğru akım doğru akım dc dc 4. alternatif akım alternatif akım ac ac Güç Elektroniği 12 6

7 Güç İşleyicilerinin ve Çeviricilerinin Sınıflandırılması Çevirici sözcüğü yukarıdaki fonksiyonlardan herhangi birini gerçekleştirebilen bir güç çevirme aşamasına verilen genel bir terimdir. ac dc çevriminde doğrultucu sözcüğü ortalama güç akışının ac den dc tarafına olan bir çevirici anlamındadır. Evirici sözcüğü, ortalama güç akışı dc den ac tarafına olan çevirici anlamındadır. ac dc çevirici Güç Elektroniği 13 Neden Anahtarlama? Bu örneğin amacı, 24V dc kaynaktan güç alarak direnci 6 Ω olan bir yüke 12V dc çıkış sağlayan dört farklı güç elektronik devresinin verimliliğini araştırmaktır. Başka bir deyişle, bu devrelerin görevi 2:1 oranında bir dc transformatör olarak görev yapmaktır. Şekil a, b, c ve d de gösterilen dört devre sırasıyla bir gerilim bölücü devre, zener regülatör, transistörlü lineer regülatör ve anahtarlama devresidir. Amaç, bu dört güç elektroniği devresinin verimliliğini hesaplamaktır Güç Elektroniği 14 7

8 Neden Anahtarlama? Gerilim bölücü Zener regülatör Transistörlü regülatör Anahtarlamalı regülatör Güç Elektroniği 15 Neden Anahtarlama? Gerilim bölücü dc regülatör: 24 ve 6Ω olduğuna göre, 12 olması için, R 6Ωolmalıdır. Verim, yüke aktarılan ortalama gücün ortalama giriş gücüne oranı olarak tanımlanır. ɳ % % 50% Çıkış gerilimi azaldıkça orantılı olarak verimde düşer. Gerilim bölücü dc regülatör Güç Elektroniği 16 8

9 Neden Anahtarlama? Zener dc regülatör: 12 olduğuna göre kırılma gerilimi 12 olan bir zener diyot seçilir. 12 ve 6Ω olduğuna göre yük akımı 2 olur. Zener akımının 0.2 olduğunu düşünürsek, 5.45Ω olarak hesaplanır. Giriş gücü olur. Çıkış gücü ise olarak hesaplanır. Bu durumda verim aşağıda gibi hesaplanır. ɳ % % 45.5% Güç Elektroniği 17 Neden Anahtarlama? Transistörlü dc regülatör: Çıkış gerilimi 12V olduğu için kollektöremetör gerilimi de 12 olacaktır. Yük akımı 2 olduğuna göre kollektör akımı, baz akımını ihmal edersek, 2 olur. Transistör üzerinde harcanan güç: Bu durumda verim ɳ 50% olarak hesaplanır Güç Elektroniği 18 9

10 Neden Anahtarlama? Anahtarlamalı dc regülatör: Devredeki anahtarın ideal olduğunu ve periyodik olarak açılıp kapandığını düşünelim. Şekilde verilen çıkış dalga formu dc işaret değildir. Çıkış geriliminin ortalaması:, Burada D, duty ratio (çalışma oranı) olarak isimlendirilir ve anahtarın kapalı (on time) olma süresinin anahtarlama periyoduna oranı olarak tanımlanır Güç Elektroniği 19 Neden Anahtarlama?, 12 için 0.5olarak ayarlanır. Bu durumda ortalama çıkış gücü 48W, Ortalama giriş gücü 48W tır. Sonuç olarak verim %100 dür. Anahtarın ideal olduğunu kabul ettiğimizi unutmayalım! Güç Elektroniği 20 10

11 Neden Anahtarlama? İdeal anahtar yerine BJT transistör kullandığımızı ve doyum durumunda, 1 olduğunu düşünürsek, Transistör üzerinde harcanan ortalama güç, baz akımının çok küçük olduğunu farz edersek, yaklaşık 2W olur. Bu durumda bile verim %96 olacaktır Güç Elektroniği 21 İdeal Anahtar İletim durumunda akım taşıma sınırının olmaması Kesim durumunda gerilim tutma sınırının olmaması İletim durumunda gerilim düşümünün sıfır olması Kesimde sonsuz direnç göstermesi Konum değiştirme hızının sınırsız olması Konum değiştirirken yükselme ve düşme zamanının sıfır olması Güç Elektroniği 22 11

12 Pratik Anahtar Sınırlı güç tutma kapasitesi; iletim durumunda sınırlı akım taşıyabilme, kesimde sınırlı gerilim tutabilme. Sınırlı anahtarlama hızı Sonlu iletim ve kesim direnci; iletimde gerilim düşümü, kesimde sızıntı akımı İletim kayıpları ve anahtarlama kayıpları Güç Elektroniği 23 Yarı İletken Güç Anahtarları Yarı iletken güç elemanlarının artan güç kapasiteleri, kontrol kolaylığı ve her geçen yıl fiyatlarının düşmesi güç elektroniği uygulamaları için yeni çevirici topolojilerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Yarı iletken güç elemanları kontrol edilebilirlik derecelerine göre üç sınıfa ayrılabilirler. 1. Diyotlar: İletim ve kesim durumları güç devresi tarafından kontrol edilir. 2. Tristörler: Bir kontrol işaretiyle iletime sokulur, güç devresi tarafından kesime götürülür. 3. Kontrollü anahtarlar: Kontrol işaretiyle iletime geçer ve kesime giderler. BJT: bipolar junction transistor MOSFET: metal oxide semiconductor field effect transistor GTO: gate turn off thyristor IGBT: insulated gate bipolar transistor Güç Elektroniği 24 12

13 Diyot Aşağıdaki şekilde diyotun devre sembolü, akım gerilim karakteristiği ve ideal akımgerilim karakteristiği verilmiştir. Diyot ileri yönde kutuplandığında iletime geçer, akım akmaya başlar. Ters yönde kutuplandığında devrilme gerilimine kadar ihmal edilebilecek bir sızıntı akımı akar. Diyot: a sembol, b i v karakteristik eğri, c ideal i v karakteristik eğri Güç Elektroniği 25 Diyot Diyotun iletim yönünde uçlarındaki gerilim düşümü ve kesimdeki sızıntı akımı ihmal edildiğinde aşağıdaki ideal diyot akım gerilim karakteristiği elde edilir. Bu ideal duruma dönüştürülmüş karakteristik eğri, çevirici topolojilerinin anlaşılmasında kolaylık sağlar. Diyot: a sembol, b i v karakteristik eğri, c ideal i v karakteristik eğri Güç Elektroniği 26 13

14 Diyot Uygulamaları Doğrultucu Rectifier Seviye kaydırıcı clamping Gerilim katlayıcı Voltage multiplier Güç Elektroniği 27 Tristör Tristörün devre sembolü ve akımgerilim karakteristiği yandaki şekilde gösterilmiştir. Ana akım anottan katota doğru akar. Kesimde off state tristör uçlarında bir gerilim düşümü olup, akım akmaz. Bu durumda kısa süreli bir pozitif kapı akım darbesinin uygulanmasıyla tristör iletime geçer, akım akmaya başlar Güç Elektroniği 28 14

15 Tristör İletim durumunda tristör uçlarındaki gerilim düşümü sadece birkaç volttur. Tristör iletime geçtiğinde kilitlenir ve kapı akımı kaldırılabilir. Tristör kapıdan kesime götürülemez, bir diyot gibi iletir. Sadece anot akımı negatif olma eğiliminde olursa tristör kesime gider ve akım sıfır değerine ulaşır Güç Elektroniği 29 Tristör Ters devrilme gerilimi altındaki gerilim değerlerinde, ters yönde kutuplanan tristörden şekilde gösterildiği gibi sadece ihmal edilebilecek kadar küçük bir sızıntı akımı akar. İleri yönde tristör uçlarındaki gerilim ve ters yönde akan sızıntı akımı ihmal edildiğinde yandaki ideal akım gerilim karakteristik eğrisi elde edilir Güç Elektroniği 30 15

16 Basit Bir Tristör Devresi i g i a + v s _ v s t v o Tristör negatif kapı akımı ile kesime götürülemez. t Sadece anot akımı negatif olursa kesime gider. i g Buda kaynağın negatif alternansında gerçekleşir. Buna doğal komütasyon denir. t Güç Elektroniği 31 Bipolar Junction Transistor BJT Özellikler: Gerilim: V CE 1000V, Akım: I C 400A. Anahtarlama frekansı: 5kHz e kadar Düşük kapanma gerilimi: V CE sat : 2 3V B (base) I B C (collector) + V CE _ I C I B Düşük akım kazancı β 10. Pahalı ve karmaşık baz devresi gerekli. Bu yüzden yeni teknolojilerde çok yaygın değil. E (emitter) BJT: symbol npn V CE (sat) v i characteristics V CE Güç Elektroniği 32 16

17 BJT Darlington pair Driver Transistor B base I B1 I C1 C collector I C I C2 + V CE _ Output Transistor I B2 Biasing/ stabilising network E emitter Normally used when higher current gain is required Güç Elektroniği 33 Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor MOSFET Ratings: Voltage V DS 500V, Current I DS 300A. Frequency f 100KHz. For some low power devices few hundred watts may go up to MHz range. G (gate) + V GS _ D (drain) + V DS _ I D I D + V GS _ Turning on and off is very simple. To turn on: V GS 15V To turn off: V GS 0 V and 0V to turn off. Gate drive circuit is simple S (source) MOSFET: symbol n channel v i characteristics V DS Güç Elektroniği 34 17

18 Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT Combination of BJT and MOSFET characteristics. C (collector) Gate behaviour similar to MOSFET easy to turn on and off. Low losses like BJT due to low on state Collector Emitter voltage 2 3V. Ratings: Voltage: V CE 3.3kV, Current,: I C 1.2kA currently available. Latest: HVIGBT 4.5kV/1.2kA. Switching frequency up to 100KHz. Typical applications: 20 50KHz. G (gate) + V GE _ + V CE _ IGBT: symbol I C E (emitter) V CE (sat) v i characteristics V CE V GE Güç Elektroniği 35 Gate turn off thyristor GTO Behave like normal thyristor, but can be turned off using gate signal However turning off is difficult. Need very large reverse gate current normally 1/5 of anode current. Gate drive design is very difficult due to very large reverse gate current at turn off. Ratings: Highest power ratings switch: Voltage: V ak 5kV; Current: I a 5kA. Frequency 5KHz. Very stiff competition: Low end from IGBT. High end from IGCT I g I a A Anode + V ak _ K Cathode GTO: Symbol I a I g >0 I g =0 I V h r I bo V bo v i characteristics V ak Güç Elektroniği 36 18

19 Yarı İletken Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması Güç Elektroniği 37 19