Tek Fazlı Tam Dalga Doğrultucularda Farklı Yük Durumlarındaki Harmoniklerin İncelenmesi

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "Tek Fazlı Tam Dalga Doğrultucularda Farklı Yük Durumlarındaki Harmoniklerin İncelenmesi"

Yağmur Altan
6 yıl önce
İzleme sayısı:

1 Tek Fazlı Tam Dalga Doğrultucularda Farklı Yük Durumlarındaki Harmoniklerin İncelenmesi Ezgi Ali Bekir Elektrik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi Bu çalışmada, tek fazlı tam dalga kontrolsüz ve kontrollü doğrultucular ele alınmıştır. Bu devrelerin direnç ve direnç-endüktans içeren farklı yük durumlarındaki giriş ve çıkışlarına ait gerilim-akım değişimleri ve bunlara ait harmonikleri incelenmiştir. 1. Giriş Doğrultucular, alternatif (AC) gerilimi doğru (DC) gerilime çeviren düzenlerdir. Farklı açılardan sınıflandırılabilirler. Faz sayıları açısından tek fazlı ve çok fazlı doğrultucular, doğrultulan dalga sayısına göre yarım dalga ve tam dalga doğrultucular, kontrol açısından kontrolsüz, kontrollü ve yarı kontrollü doğrultucular mevcuttur. Doğrultucuların başlıca uygulama alanları DC motor kontrolü, akümülatör şarjı, elektroliz ile kaplama, DC kıyıcılar ve inverterlerin beslenmesi, DC gerilim kaynakları ve regülatörleridir. Doğrultucuların Temel Özellikleri Doğal komütasyonludurlar, Diyot ve tristörlerle gerçekleştirilirler, Ortalama olarak çıkış gerilimleri ayarlanır, Şebeke tarafında yüksek değerli harmonikler oluştururlar, Çıkış tarafında yüksek değerli dalgalanmalar içerirler. Kontrolsüz doğrultucular, diyotlarla gerçekleştirilir, doğrultucu modunda çalışırlar ve çıkış gerilimleri pozitif bölgede ayarlanır. Kontrollü doğrultucular tristörlerle gerçekleştirilir, hem doğrultucu hem de inverter modunda çalışırlar, çıkış gerilimleri pozitif ve negatif bölgede ayarlanır. Yarı kontrollü doğrultucular ise diyot ve tristörlerle gerçekleştirilir, doğrultucu modunda çalışırlar, çıkış gerilimleri pozitif bölgede ayarlanır. Kontrolsüz doğrultucular, basit ve ucuz olmaları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu doğrultucuların şebeke geriliminde meydana getirdiği ciddi bozulmalara karşı, uluslararası düzeyde getirilen sınırlamalar nedeniyle bu

2 devrelerin kullanılmasında azalma olması beklenmektedir. Kontrollü doğrultucularda, AC şebeke tarafındaki bozulmalar çok daha azdır. Çıkış geriliminin Fourier açılımı (2) 2. Bir Fazlı Tam Dalga Kontrolsüz Doğrultucu Bir fazlı tam dalga kontrolsüz bir doğrultucunun devre şeması şekil 1 de verilmiştir. Direnç ve direnç-endüktans içeren yük durumları ele alınacaktır. Doğrultucuların giriş ve çıkış akımları yüke bağlıdır Direnç Yük Durumu Doğrultucunun çıkışında direnç yükü bağlı olması durumunda, çıkış akımı ile giriş gerilim ve akım değişimleri şekil 3 te verilmiştir. Şekil 1. Bir fazlı tam dalga kontrolsüz doğrultucu devresi. Farklı yük durumlarına ilişkin olarak çıkıştaki DC gerilim, akım ve harmonikler ifade edilecektir. Direnç-endüktans yük durumunda, endüktansın değerine göre iki farklı inceleme yapılabilir. Endüktansın çok büyük olması bu yükün akım kaynağı ile modellenmesine imkan tanır. Normal değerli bir endüktans için ise yük akımı dolayısıyla giriş akımı dalgalı olur. Kontrolsüz doğrultucularda tüm yük durumları için çıkış geriliminin değişimi ve ifadesi ortaktır. Çıkış gerilimi şekil 2 de verilmiştir. Şekil 3. Direnç yükü durumunda, (a) Çıkış akımı, (b) Giriş gerilimi Çıkış akımı (3) Akımın ortalama değeri (4) Bu yük durumunda, şebekeden çekilen akımda, faz farkı ve DC bileşen yoktur. Kaynak akımı şebeke gerilimiyle aynı formatta olduğundan, harmonik içermez. Şekil 2. Kontrolsüz doğrultucunun çıkış gerilimi. (1) 2.2. Direnç-Endüktans Yük Durumu Doğrultucunun çıkışında direnç-endüktans yükü olması durumunda, endüktansın değerine göre dalga şekilleri değişir. Öncelikle, endüktansın çok büyük olması durumunu ele alalım. Bu durumda yükü, akım kaynağı ile modelleyebiliriz (şekil 4).

3 Kontrolsüz doğrultucular, basit ve ucuz olmaları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu doğrultucuların şebeke geriliminde meydana getirdiği ciddi bozulmalara karşı, uluslararası düzeyde getirilen sınırlamalar nedeniyle bu devrelerin kullanılmasında azalma olması beklenmektedir. Endüktansın normal değerli olması durumunda (şekil 1), yük akımı dolayısıyla giriş akımı dalgalı olur. Bu duruma ilişkin çıkış gerilim ve akımı ile giriş gerilim ve akımı değişimleri şekil 6 da verilmiştir. Bu yük durumunda da şebekeden çekilen akımda DC bileşen yoktur. Şekil 4. Yükün akım kaynağı ile modellenmesi. Endüktansın çok büyük olması durumuna ilişkin, giriş gerilim ve akım değişimleri şekil 5 te verilmiştir. Görüldüğü gibi giriş akımı çift yönlü kare dalga şeklindedir. Bu yük durumunda da şebekeden çekilen akımda faz farkı ve DC bileşen yoktur. Şekil 6. Normal değerli endüktans durumunda, (a) Çıkış gerilimi ve akımı, (b) Giriş gerilimi ve akımı Çıkış akımının Fourier açılımı Denk.(6) da, (6) Denk.(6), direnç-endüktans yük durumu için genel bir ifadedir. Endüktansın çok büyük olması durumunu da içerir. alındığında, şekil 4 deki sabit akım durumuna ilişkin devre elde edilir. Bu durumda şekil 6.b, şekil 5 e yakınsar. Şekil 5. Büyük değerli endüktans durumunda, giriş gerilimi Giriş akımının Fourier açılımı (5) 3. Bir Fazlı Tam Dalga Kontrollü Doğrultucu Bir fazlı tam dalga kontrollü bir doğrultucunun devre şeması şekil 7 de verilmiştir. Yine, direnç ve direnç-endüktans içeren yük durumları ele alınacaktır.

4 Farklı yük durumlarına ilişkin olarak çıkıştaki DC gerilim, akım ve harmonikler ifade edilecektir. Çıkış geriliminin ve akımının değişimi, yüke ve tetikleme açısına bağlıdır. Çıkış akımı yine denk.(3) ile ifade edilir. Şekil 9 da verilen şebeke akımının ortalama değeri sıfır olduğundan, DC bileşen içermez. Ancak tetikleme açısından dolayı harmonik bileşenler mevcuttur. Şekil 7. Bir fazlı tam dalga kontrollü doğrultucu devresi Direnç Yük Durumu Doğrultucunun çıkışında direnç yükü olması durumunda, çıkış geriliminin değişimi şekil 8 de verilmiştir. Çıkış akımı da, ölçek farkıyla aynı formatta olacaktır. Şekil 9. Direnç yükü durumunda, giriş gerilimi 3.2. Direnç-Endüktans Yük Durumu Kontrolsüz doğrultucularda olduğu gibi, endüktansın değerine göre dalga şekilleri değişir. Ancak çıkış akımının sürekli (sabit veya dalgalı) olması durumunda, çıkış geriliminin değişimi ve ifadesi ortaktır. Çıkış gerilimi şekil 10 da verilmiştir. Şekil 8. Kontrollü doğrultucunun çıkış gerilimi. Şekil 10. RL yükü için çıkış gerilimi. (7) Çıkış geriliminin Fourier açılımı (9) (8) Öncelikle, endüktansın çok büyük olması durumunu ele alalım. Bu durumda yükü, şekil 4 teki gibi akım kaynağı ile modelleyebiliriz. Bu duruma ilişkin, giriş gerilim ve akım değişimleri şekil 11 de verilmiştir. Görüldüğü gibi, şebekeden çekilen akım, gerilime göre açısı kadar geride ve çift yönlü kare dalga şeklindedir. Bu yük durumunda da, şebekeden çekilen akımda DC bileşen yoktur. Ancak tetikleme açısından dolayı harmonik bileşenler mevcuttur.

5 Giriş akımının Fourier açılımı (10) Doğrultucular, alternatif (AC) gerilimi doğru (DC) gerilime çeviren düzenlerdir. Farklı açılardan sınıflandırılabilirler. Faz sayıları açısından tek fazlı ve çok fazlı doğrultucular, doğrultulan dalga sayısına göre yarım dalga ve tam dalga doğrultucular, kontrol açısından kontrolsüz, kontrollü ve yarı kontrollü doğrultucular mevcuttur. Şekil 11. Büyük değerli endüktans durumunda, giriş gerilimi Endüktansın normal değerli olması durumunda, yük akımı dolayısıyla giriş akımı, gecikme açısı ile birlikte dalgalı olur. Bu duruma ilişkin giriş gerilim ve akımı değişimleri şekil 12 de verilmiştir. Bu yük durumunda da, şebekeden çekilen akımda DC bileşen yoktur. Yine, harmonik bileşenler mevcuttur. Çıkış akımı : Giriş akımının 1. (temel) harmonik bileşeni, denk. (10) a göre bulunur. Aktif güç ve reaktif güç, sırasıyla aşağıdaki gibi belirlenir. Şekil 12. Normal değerli endüktans durumunda, giriş gerilimi 4. Uygulama Şekil 7 deki tam dalga kontrollü doğrultucu devresinde direnç-endüktans yük durumunda, endüktansın çok büyük olması durumunu ele alalım. Faz gerilim 220 V, yük direnci tetikleme açısı rad. (a) çıkış akımını, (b) kaynaktan çekilen aktif ve reaktif güçleri bulunuz. Çıkış gerilimi denk.(9) a göre bulunur. Kaynaklar 1. H. Bodur, Güç Elektroniği, Temel Analiz ve Sayısal Uygulamalar, Birsen yayınevi, İstanbul, N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins, Güç Elektroniği, Uygulamalar ve Tasarım, Literatür yay., İstanbul, R.W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publishers, 2nd Ed., NY, A. Kasapoğlu, Devre Analizi, Yıldız Teknik Üniversitesi yayınları, A.B. Yıldız, Elektrik Devreleri, Kısım II, Kocaeli Üniversitesi yayınları, 2006.

Benzer belgeler

AC-DC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri

AC-DC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri U : AC girişteki efektif faz gerilimi f : Frekans q : Faz sayısı I d, I y : DC çıkış veya yük akımı (ortalama değer) U d U d : DC çıkış gerilimi, U d = f() : Maksimum