Bölüm 1 Güç Elektroniği Sistemleri

Transkript

1 Bölüm 1 Güç Elektroniği Sistemleri Elektrik gücünü yüksek verimli bir biçimde kontrol etmek ve formunu değiştirmek (dönüştürmek) için oluşturlan devrelere denir. Şekil 1 de güç girişi 1 veya 3 fazlı AA gerilim olabileceği gibi her hangi bir kaynaktan üretilen DA da olabilir. Güç çıkışında ise işlenmiş çıkış (akım, gerilim, frekans, faz sayısı) yüke aktarılır. Denetleyicinin görevi çıkışın istenilen değer (referans) ile aynı olmasını sağlamaktır. 1-1

2 Güç Elektroniğinin Disiplinler Arası Doğası 1-2

3 Güç Elektroniğinin Disiplinler Arası Doğası Bir güç elektroniği çalışması Elektrik-Elektronik mühendisliğinin pek çok alanını kapsamaktadır. Güç elektroniği devrelerinde yarı iletken anahtarlar kullanıldığı için yarı iletken fiziği, Kullanılan devrelerini analizini yapabilmek için devre teorisi, Sisytemin çıkışının belirlenen referans ile aynı olabilmesi için etkin bir denetleyici tasarlanmalıdır. Bu işlem sürecinin başarıyla tamamlanabilmesi için kontrol teorisi, Kontrol işlemi genellikle mikroişlemci tabanlı yapıldığından mikroişlemciler ve sayısal işaret işleme, Gerek kontrol edilen sistemler içerisinde gerekse devrenin kendi bünyesinde manyetik malzemeler bulunması nedeniyle elektromanyetik alan teorisi, Kontrol edilmesi planlanan sistemin iyi bilinmesi gerktiğinden elektrik makinaları ve güç sistemleri, Tasarlanan güç elektroniği devresi uygulanmadan önce çalışması analitik olarak ve benzetim çalışmaları ile değerlendirildiğinden, benzetim ve hesaplama alanları Güç Elektroniği araştırmacıları için önem arzetmektedir. 1-3

4 Doğrusal Güç Kaynakları Seri transistör ayarlanabilir bir direnç gibi görev yapmaktadır. Verimi düşük, yapısı büyüktür. 1-4

5 Doğrusal Güç Kaynakları Yapıları basittir, Gürültüsüz çalışırlar, Yük değişimlerine cevapları hızlıdır, Devrede sürekli anahtarlama yapan eleman bulunmadığı için anahtarlama kaybı söz konusu değildir. Küçük güçlü uygulamalarda doğrusal güç kaynaklarının maliyeti anahtarlamalı güç kaynaklarından düşük olsada aşağıda sıralanan dezavantajları uygulama alanlarını kısıtlamaktadır. 1-5

6 Anahtarlamalı Güç Kaynakları Doğrusal güç kaynağı sadece azaltan konvertör olarak çalışırlar ve kayıpları yüksektir. Bu devrelerde kullanılan transistör doğrusal bölgede çalıştığından kayıpları fazladır. Bütün yük akımı transistör üzerinden geçtiğinden iletim kayıpları yüksektir. Verimleri çıkış gerilim seviyesine bağlı olmakla birlikte %30-%60 arasındadır. Doğrusal güçkaynağının sadece bir çıkışı vardır, bu nedenle ek bir çıkış gerilimi istendiğinde ayrı bir kaynak kullanılması gereklidir. Bu durum maliyeti arttırmaktadır. Doğrusal güç kaynağı yerine anahtarlamalı güç kaynağı kullanarak daha verimli bir çalışma elde edilir. Ayrıca güç kaynağın boyut ve ağırlığı da azaltılmış olur. 1-6

7 Anahtarlamalı Güç Kaynağı 1-7

8 Anahtarlamalı Güç Kaynağı Transistör anahtar olarak kullanılmaktadır Verimileri yüksektir Yüksek frekanslı transformatör kullanılmaktadır 1-8

9 Anahtarlamalı Güç Kaynakları Avantajları Verimleri %68-%92 arasındadır. Yüksek frekanslı anahtarlama yapıldığından filtre elemanlarının değerleri çok daha küçüktür. Bir güç kaynağından toplam çıkış gücü sabit olmak şartıyla pek çok çıkış gerilimi elde edilebilir. Kullanılan yarı iletkenler anahtarlar olarak (iletim-doyum ve kesim bölgelerinde) kullanıldıklarından kayıpları azdır. Transformatör kullanılarak elektriki izolasyon sağlandığı gibi gerilim ayarı da yapılabilir. Ayrıca kullanılan transformatörler ferit nüveli olduğundan (yüksek frekanslı anahtarlama yapıldığından) küçük boyutludur. 1-9

10 Anahtarlamalı Güç Kaynakları Dezavantajları Devre yapısı ve kontrolü doğrusal kaynaklara göre daha karmaşıktır. Yüksek frekanslı anahtarlama nedeniyle giriş ve çıkışında gürültü oluşmakta ve bunların giderilmesi için kullanılan filtreler sistem maliyetini arttırmaktadır. Tepki süresi doğrusal kaynaklara göre daha uzundur. Doğrusal olmayan yapıları nedeniyle analiz edilmeleri zordur. 1-10

11 Anahtarlamalı Çalışmanın Temel Prensibi Anahtarlama frekansı sabittir Darbe genişili çıkış geriliminin ortalama değerini kontrol eder L-C filtre çıkışdaki dalgalanmayı (ripple) süzer T 1 V 0 = V t dt = T 0( ) 0 t T on v d 1-11

12 Güç Elektroniği Uygulamaları Ev aletlerinde (Buzdolabı ve dondurucular, Klima, Pişirme, Aydınlatma, Elektronik cihazlar), Ticari alanlarda (Isıtma, Havalandırma, Merkezi soğutma, Büro makineleri, Kesintisiz Güç Kaynakları, Asansörler) Endüstriyel Alanlarda ( Pompalar, kompresörler, Üfleyiciler ve fanlar, makine elemanları-robotlar, Ark ve İndüksiyon ocakları, Aydınlatma, Endüstriyel Lazerler, Kaynak) Taşımacılıkta (Elektrikli araçların tahrik ve aküşarj sistemlerinde, Motor kontrolünü içeren otomotiv uygulamalarında) Şebeke sistemlerinde (HVDC iletiminde, Statik VAR kompanzasyonunda, Yenilenebilir enerji kaynakları uygulamalarında) Havacılık-Uzay Sektöründe (Uçak, Uydu ve Uzay mekiği güç kaynaklarında) Telekomünikasyon Uygulamalarında (Güç kaynakları DA ve KGK, Aküşarj sistemlerinde) 1-12

13 Ayarlanabilir Hızlı Sürücü Uygulamaları Klasik sürücülerde akış kontrolü için kullanılan kelebek vanalar verimi düşürürler. Güç elektroniği kullanılarak pompa (dolayısıyla motor) hızı istenilen akış oranının sağlanabilmesi için yüksek verimli kontrol edilebilir. 1-13

14 Konvertörlerin Kombinasyonu Olarak Güç İşleyicileri Giriş genellikle şebeke gerilimidir. Çıkışta ise değişken veya sabit genlikde bir DA gerilim veya AA gerilim üretilir. Çıkıştaki AA gerilim sabit frekans ve ayarlanabilir genlikli olabildiği gibi ayarlanabilir frekans ve yine ayarlanabilir genliklide olabilir. Genellikle güç işleyicileri bir veya daha fazla aşamadan oluşur. Pek çok uygulamada iki güç dönüştürücüsü arasında enerji depo edebilen elemanlar (L,C)kullanılırak anlık değişimleri ayrıştırılır (Örneğin motor sürücüleri). 1-14

15 Güç Elektroniği Konvertörleri (Dönüştürücüleri) 1- AA dan DA ya (Doğrultucular) 3- DA dan DA ya (Kıyıcılar) 2- DA dan AA ya (Eviriciler) 4- AA dan AA ya (Cycloconverter) Konvertör (Converter) genel bir terimdir ve yukarıda sayılan işlemlerden herhangi birini yapan devrelere denir. 1-15

16 Güç Dönüştürücülerde Güç Akışı Şekilde bir AA/DA dönüştürücü görülmektedir. 1-16

17 AA Motor Sürücüsü Konvertör 1 hat frekanslı doğrultucu Kondansatör filtre görevi görür,iki konvertörü birbirinden ayrıştırır, enerji depo eder Konvertör 2 motor için gerekli AA gerilimi üretir DA bara geriliminin yönü değişmez Konvertör 2 de kullanılacak anahtarlar için ideal bir durumdur 1-17

18 Matris Konvertör Şebeke iletim-dağıtım hatları,transformatörler vb. elemanları iç empedansları nedeniyle ideal bir gerilim kaynağı değildir. Bunun bir gerilim kaynağı olabilmesi için (iç empedans etkisinin ortadan kaldırılması için)kaynağa paralel küçük bir kondansatör bağlanır. 1-18

19 Matris Konvertör Sürücü uygulamalarında aralarında enerji depo edebilen elemanlar ile kullanılan birden fazla çevirici kullanılmaktadır. Bunun yerine tek bir güç dönüştürücüsü (matris konvertörler) kullanılabilir. Giriş ve çıkış faz sayıları birbirinden bağımsızdır. İki yönlü ve iki kutuplu anahtarlar kullanılır. Enerji depo eden eleman ihtiyacı ortadan kalkmıştır. Girişteki akım ve gerilim arasındaki açılar kontrol edilebilir ve çıkışla aynı olmak zorunda değildir. (Yani reaktif güç girişi reaktif güç çıkışına eşit olması gerekmez). Giriş ve çıkışın biçimi (AA vaya DA) faz sayısı, frekansı farklı olabilir. Bunun yanında girişte gerilim kaynağı varsa çıkış akım kaynağı veya tersi olmalıdır. 1-19

20 Statik Güç Dönüştürücüleri DA-DA Güç Dönüştürücüsü Anahtarlamlı Güç Kaynağı 1-20

21 Ayarlanabilir Hızlı Motor Sürücüleri 1-21