FIRAT ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY NO:1 TEK FAZLI KONTROLLU VE KONTROLSUZ DOĞRULTUCULAR 1.1 Giriş Diyod ve tristör gibi güç yarıiletkenleri günümüzde motor hız kontrol düzeneklerinde, doğru akım iletiminde, elektrokimyasal uygulamalarda ve ulaşımda yaygın olarak kullanılmaktadır. Dolayısıyla bu uygulamalara bir basamak teşkil edecek olan güç elektroniği laboratuarında yapılacak deneylerin amacı; hem genç elektrik mühendislerine güç yarıiletkenleriyle ilgili pratik çalışma imkanı oluşturmak ve hem de harmonik etkileri, inverter modunda çalışma, AC ve DC motor hız kontrolü gibi ileri uygulamalar görmelerine imkan sağlamaktır. Genelde her bir deney standı ayrı olmasına rağmen bir deneyden bir başka deneye geçişte deney seti açısından pek zorluk yaşanmaz. Deney esnasında yapacağınız ölçümler bir önceki deneyle büyük farklılıklar göstermez. Ancak bazı deneyler fazla deneysel çalışma ve az hesap, bazıları da bunun tam tersini içerirler İlk olarak deneyde kullanılacak set tanıtılacak sonra güç diyodu ve tristörleriyle ilgili uygulamalar yapılacaktır. 1.2 Tristör- diyod devreleri öğretim seti Bu setle hem tek ve hem de üç fazlı deneyleri gerçekleştirmek, kontrollü ve kontrolsüz doğrultucuları, inverterleri ve devrelerdeki overlap (komütasyon) olaylarını incelemek mümkündür. Yapılacak deneylerde yarı iletken anahtarlar AC (alternatif akım) kaynak gerilimiyle susturulacaktır. Deneylerde kullanacağımız konverterleri yüksek gerilimli DC konveter istasyonlarındaki gibi seri bağlamak mümkün olduğu gibi, elektrokimyasal uygulamalarda gereken çok büyük doğru akımları elde etmek için paralel bağlamak da mümkündür. Tetikleme açısının geniş sınırlar içerisinde değiştirilebilmesi doğrultucu devrelerin inverter modunda çalışmasını da sağlar. Deney seti 1 kva, 100V luk üç ayrı çıkış, tek fazlı trafolar, tek fazlı diod ve tristör devre konfigürasyonlarını içerir. Trafolar tüm sargıları devrede olduğunda 173 V luk fazlar arası gerilim ve nominal 234 V luk DC gerilim verirler. Dolayısıyla bu setlerde ancak 2.5 kw lık DC motorları kontrol etmek mümkündür. Tristör ve diyodlar geçici aşırı gerilimler ve yüksek dv/dt için snubber devreleriyle korunmuştur. Aşırı akım koruması çok yüksek hızlı 10 A lik sigortaların trafonun sekonderine bağlanmasıyla yapılmıştır. İnverter çalışma için ek bir 16 A lik sigortanın DC tarafa öğrenciler tarafından bağlanması gerekmektedir. 1
Deney setinde düzeltme indüktansı olarak 10 mh lik bir indüktans bulunmaktadır. Gerektiğinde bu indüktans devreye alınabilir. Akım ve gerilim bilgilerini elde etmek için akım transducerleri ve iki adet gerilim transduceri kullanılmıştır. NOT: Kullanacağınız deney seti sadece tristörler doğru sırada ve ana kaynakla senkron olarak tetiklendiğinde doğru olarak çalışır. 1.3 DENEYLER 1.3.1 Tek Fazlı Yarı Kontrollü Doğrultucu 1.3.1.1 Deneyin amacı (i) Tek faz yarı kontrollü doğrultucuların omik ve indüktif yük durumlarını karşılaştırmak (i) Avantaj ve dezavantajlarını belirlemek Şekil-1 Tek faz yarı kontrollü doğrultucu ve dalga şekilleri 1.3.1.2 Deneyin Yapılışı Şekil-6 daki devreyi kurun. Çıkış gerilimi, yük akımı, kaynak akımı ve serbest dolaşım diyod akımını osiloskoba bakarak çizin. Yük akımı ve serbest dolaşım diyod akımlarının osiloskopta inverslerini alın. 0.5 A gibi düşük bir yük akımında, osiloskop üzerinde ayarlanan sıfır tetikleme gecikmesiyle, ortalama DC çıkış gerilimi Vd ve köprü kaynak gerilimini belirlemek için Vdo ı ölçün. Ders notlarınızdaki denklemleri kullanarak Vdo ı kontrol edin. Yük akımını uygun bir değere arttırın ve α yı 0 dan 180 dereceye arttırırken ortalama DC çıkış gerilim ve akım değerlerini okuyun. Tetikleme gecikme açısını sürekli ve süreksiz yük akım iletimi için ayarlayın (aşağı yukarı sürekli akım için 30 0 ve süreksiz için de 135 0 ). Çıkış gerilimi, yük akımı, serbest dolaşım diyod akımı ve kaynak hat akımını aynı skala da çizin. 2
Çıkış darbe sayısı (P) 2 Maksimum çıkış gerilimi ( α = 0 ) 2E Vdo = ort. DC; Va= rms AC Vdo = π Tetikleme açısına göre çıkış gerilimi Vd 0 bağıntısı Vd =.( 1+ Cosα ) 2 Çalışma aralığı 180 0 Çıkıştaki dalgalanmanın temel frekansı 2f Diod devresi için dalgalanma faktörü 0.48 Bir tristördeki maksimum sürekli durum akımı (α=0) İletim açısı 180 0 Ortalama V d 0. 6 R rms E 2R Maksimum ters tıkama gerilimi tepe E değeri Düzgün DC durumunda aktarım I d.h.ω overlapından dolayı ortalama gerilim π düşümü Tablo-1 Tek faz yarı kontrollü doğrultucuya ait tanım tablosu 1.3.1.3 Sonuçlar Vd yi α ya göre çizin. Tablo-1den yararlanarak geniş bir α aralığında Vd nin değerlerini hesaplayın ve ölçülenle karşılaştırın. 1.3.2 Tek Fazlı Tam Kontrollü Köprü Doğrultucu 1.3.2.1 Deneyin Amacı (i) Omik ve indüktif yükte tek fazlı kontrollü doğrultucunun karakteristiklerini incelemek. (ii) Sürekli ve sürekli olmayan akım iletim durumlarını incelemek. Şekil-2 Tek faz tam kontrollü doğrultucu ve dalga şekli 3
1.3.2.2 Deneyle ilgili tablo ve bağlantı şeması Şekil-3 Tek faz tam kontrollü doğrultucu ve dalga şekli Çıkış darbe sayısı (P) 2 Maksimum çıkış gerilimi ( α = 0 ) 2E Vdo = ort. DC; Va= rms AC Vdo = π Tetikleme açısına göre çıkış gerilimi Vd 0 V =. 1 2 Çalışma aralığı 180 0 Diod devresi için dalgalanma faktörü 0.48 İletim açısı 180 0 Ortalama bağıntısı d ( + Cosα ) rms Tristör uçlarındaki max. Ters tıkama gerilimi V ḍ 0 2 R E 2 E 2. R Tablo-2 Tek Faz Tam Kontrollü Doğrultucu Tanım Tablosu 1.3.2.3 Deneyin Yapılışı Şekil-7 deki devreyi kurun. Yük akımı ve çıkış geriliminin değişimlerini osiloskoba bakarak çizin. Yük akımı dalga şeklinin osiloskop üzerinde inversi alınmalıdır. Tristör tetikleme devre seçiciyi 1-faz konumuna alın. Tristör tetikleme gecikmesini sıfır olacak şekilde ayarlayın ve 0.5 A lik bir yük akımında kaynak ve çıkış gerilimlerini ölçün. Tetikleme gecikme açısını 0 ile 180 derece arasında değiştirerek değerleri kaydedin. Yük akımını yaklaşık olarak 8 A e ayarlayıp aynı işlemleri tekrarlayın. Omik yüke şekil-2 deki seri bir indüktans bağlayarak; 8 A lik yük akımında tetikleme açısının 0 ile 180 derece aralığında yukarıdaki işlemleri tekrarlayın. 4
1.3.2.4 Sonuçlar (i) Omik yükte düşük akım için tetikleme gecikme açısına göre çıkış geriliminin değişimini çizin. Tetikleme gecikme açısının 0 ile 180 derece arasında değişme durumunda Vd nin birkaç değerini hesaplayın ve ölçülenlerle karşılaştırın. (ii) R ve R-L yük durumlarında tetikleme gecikme açısına göre çıkış gerilimlerini çizin. 1.3.2.5 Sürekli ve Sürekli Olmayan Yük Akımı Durumu R-L yükünü kullanarak tetikleme gecikme açısının sıfır olma durumunda yük akımını tekrar 8 A e ayarlayın. Açıyı yaklaşık 30 0 ye ayarlayarak çıkış gerilimi ve yük akımı dalga şekillerini çizin. Tetikleme gecikme açısını 45 0 ye ayarlayıp yük direncini değiştirerek 8 A lik bir akıma ulaşıncaya kadar yük akımı ve ortalama AC çıkış gerilimi kaydedin. 1.3.2.6 Sonuçlar (i) 30 0 lik bir gecikme açısı için Vd gerilimini hesaplayın ve ölçülen değerle karşılaştırın. (ii) Sürekli olmayan durumda ortalama DC gerilimi hesaplayın ve ölçülenle karşılaştırın. 1.3.2.7 Değerlendirme Ölçülen ve hesaplanan değerleri karşılaştırın, aradaki farklılıkların nedenlerini açıklayın. Vd-Id ve Vd-gecikme açısı grafiklerinde sürekliliğin olduğu bölgeler özel bölgeler midir? R; R-L yüklerinde gecikme açısının artışıyla çıkış gerilimindeki tepeden tepeye ripple artışını izah edin. 1.3.3 Tek fazlı orta uçlu doğrultucu Şekil-4 Tek fazlı orta uçlu doğrultucu 5
Çıkış darbe sayısı (P) 2 Maksimum çıkış gerilimi ( α = 0 ) 2E Vdo = ort. DC; Va= rms AC Vdo = π Tetikleme açısına göre çıkış gerilimi V d = V d 0.cosα bağıntısı (sürekli yük akımında) Çalışma aralığı 90 0 (süreksiz akım olarak 180 0 ) Çıkıştaki dalgalanmanın temel frekansı 2f Diod devresi için dalgalanma faktörü 0.48 Bir tristördeki maksimum sürekli durum akımı (α=0) İletim açısı 180 0 Ortalama rms Maksimum ters tıkama gerilimi tepe değeri Düzgün DC durumunda aktarım overlapından dolayı ortalama gerilim düşümü V ḍ 0 2 R V ḍ 0 2 R 2.E I d.h.ω π Tablo-3 Tek Faz Orta - Uçlu Doğrultucu Tanım Tablosu 1.3.3.1 Deneyin Yapılışı Şekil-4 deki devreyi kurun. Yük akımı ve çıkış geriliminin değişimlerini osiloskoba bakarak çizin. Yük akımı dalga şeklinin osiloskop üzerinde inversi alınmalıdır. Tristör tetikleme devre seçiciyi 1-faz konumuna alın. Tristör tetikleme gecikmesini sıfır olacak şekilde ayarlayın ve 0.5 A lik bir yük akımında kaynak ve çıkış gerilimlerini ölçün. Tetikleme gecikme açısını 0 ile 180 derece arasında değiştirerek değerleri kaydedin. Yük akımını yaklaşık olarak 8 A e ayarlayıp aynı işlemleri tekrarlayın. Omik yüke seri bir indüktans bağlayarak; 8 A lik yük akımında tetikleme açısının 0 ile 180 derece aralığında yukarıdaki işlemleri tekrarlayın. 1.3.3.2 Sonuçlar Omik yükte düşük akım için tetikleme gecikme açısına göre çıkış geriliminin değişimini çizin. Tetikleme gecikme açısının 0 ile 180 derece arasında değişme durumunda Vd nin birkaç değerini hesaplayın ve ölçülenlerle karşılaştırın. R ve R-L yük durumlarında tetikleme gecikme açısına göre çıkış gerilimlerini çizin. 1.3.3.3 Sürekli ve Sürekli Olmayan Yük Akımı Durumu R-L yükünü kullanarak tetikleme gecikme açısının sıfır olma durumunda yük akımını tekrar 8 A e ayarlayın. Açıyı yaklaşık 30 o ye ayarlayarak çıkış gerilimi ve yük akımı dalga şekillerini çizin. 6
Tetikleme gecikme açısını 45 o ye ayarlayıp yük direncini değiştirerek 8 A lik bir akıma ulaşıncaya kadar yük akımı ve ortalama AC çıkış gerilimi kaydedin. 1.3.3.4 Sonuçlar 30 o lik bir gecikme açısı için Vd gerilimini hesaplayın ve ölçülen değerle karşılaştırın. Sürekli olmayan durumda ortalama DC gerilimi hesaplayın ve ölçülenle karşılaştırın. 1.3.3.5 Değerlendirme Ölçülen ve hesaplanan değerleri karşılaştırın, aradaki farklılıkların nedenlerini açıklayın. Vd-Id ve Vd-gecikme açısı grafiklerinde sürekliliğin olduğu bölgeler özel bölgeler midir? R; R-L yüklerinde gecikme açısının artışıyla çıkış gerilimindeki tepeden tepeye ripple artışını izah edin. 1.3.4 Doğrultucu Çıkış Gerilimini Düzeltme Yöntemleri 1.3.4.1 Deneyin Amacı (i) Çıkışı dalgalı olan tek faz diyodlu tam dalga doğrultucu devrenin çıkışındaki dalgalanmaları düzelten iki yöntemi inceleme. (ii) Düzeltme yöntemlerini karşılaştırmak ve düşük güçler için uygun olanı seçmek Şekil-5 Tam kontrollü doğrultucu ve çıkış dalgası 1.3.4.2 Deneyde Kullanılacak Aletler NE9023 Tristör-Diod Seti 10 A lik değişken omik yük Hafızalı osiloskop 500 ve 1000 µf 200 Volt DC kapasiteler 7
1.3.4.3 Deneyde Yapılacaklar 1.3.4.4 Seri İndüktansla Düzeltme İlk olarak yük indüktansından aşağı yukarı 8A lik değişken frekanslı bir akım geçirerek gerilim ve akımı ölçün. Yapılan ölçümlerden kayıpları ihmal ederek reaktans ve indüktansı hesaplayın. İndüktansın yarısı için ve son kısmı için bu işlemi tekrarlayın. Şekil-8 deki gibi omik bir yükü deveye alın. Osiloskopla uç gerilimi ve ve yük akımını izleyin. Akım dalga şeklinin osiloskopta inversi alınmalıdır. Kaynak frekansı ve gerilim değeri bilinmelidir. Ortalama yük akımı 8 A yapılarak omik yükte yük akımı ve doğrultucu çıkış gerilimini kaydedin. Akım ve ortalama DC gerilimin tepeden tepeye ripple bileşenini ölçün. Bu işlemleri yük indüktansının yarı değeri için tekrarlayın ( 8 A lik yük akımında ) Tam indüktans değeri ve 2 A lik bir akımda aynı işlemleri tekrarlayın. 1.3.4.5 Sonuçlar (i) Tepeden tepeye akım ripple nin ölçülen ve hesaplanan değerlerini gösteren bir tablo hazırlayın. (ii) Tüm indüktansı içeren yük durumunda yük akımına göre tepeden-tepeye akım ripple ı ve DC gerilimin bir grafiğini çizin. 1.3.4.6 Paralel Bir Kapasite Kullanılarak Çıkışın Düzeltilmesi Şekil.8 deki gibi 500 µf lık bir kapasiteyi yüke bağlayın. Bir açık devre durumuyla başlamak için omik yükü devre harici bırakın. Ortalama DC gerilimi okuyun ve yük gerilimiyle akımını ve köprü akımını izleyin. Önemli Not: Önce yük akımı çizilir, köprü akım pikleri çok yüksektir, bu durumda sigortalar için bir tehlike söz konusudur. Be nedenle, ortalama yük akımı güvenilir düşük bir ortalama değerde aşağı yukarı 1 A dolaylarında tutulmalıdır. Bu durumda kullanılan elemanların tepe değeri 25 A aşılmaz. Bu değer aynı zamanda köprü akım dalga şeklinden sürekli olarak izlenmelidir. Yük akımı yaklaşık 1 A lik (ortalama) adımlarla arttırın ve her bir akım değeri için yük uçlarındaki tepeden tepeye gerilimin dalgalanmasını ve ortalama DC gerilimi ölçün. Ayarlanan en yüksek yük akımıyla yük gerilimini ve köprü akım dalga şekillerini çizin. Bu işlemi 100 µf lık kapasiteyle tekrarlayın. Köprü AC kaynak gerilimini not edin. 8
1.3.5 SONUÇLAR (i) Kullanılan kapasitenin iki değeri için yük akımına göre ortalama DC çıkış geriliminin grafiğini çizin. (ii) Kapasitenin iki değeri için yük akımına göre tepeden tepeye yük gerilim dalgalanmasının grafiğini çizin. (iii) 1 A lik yük akımında iki kapasite değeri için ders notlarınızdaki denklemleri kullanarak beklenen tepeden tepeye gerilim dalgalanmasını hesaplayın. Uygun direnç değeri ortalama gerilim /akım oranında elde edilebilir. DEĞERLENDİRME Kaydedilen dalga şekillerini referans alarak her iki düzeltme yönteminin çalışmasını açıklayın. İndüktif düzeltme için, tepeden tepeye akım dalgalanmasının ölçülen ve hesaplanan değerleri arasında herhangi bir fark var mıdır ve dalgalanmanın yük akımı ve ortalama DC çıkış gerilimi üzerine etkisi nasıldır? Kapasitif düzeltme için, ölçülen ve hesaplanan tepeden tepeye gerilim ripple ı arasındaki farkları belirleyin. Dalgalanma üzerine kapasite değerinin nasıl olur açıklayın. Aynı şekilde ortalama DC çıkış gerilimi ve ripple üzerindeki etkilerini de açıklayın. Avantaj ve dezavantajları belirterek iki düzeltme yöntemini karşılaştırın. SONUÇLAR Deneylerden öğrendiklerinizi bir kaç cümleyle özetleyin. Düzeltme yöntemlerinden hangisini hangi durumlar için kullanırsınız; en uygun olanı nasıl belirlersiniz, açıklayınız. 9
Şekil-6 Tek fazlı yarı kontrollü doğrultucu bağlantı şeması 10
Şekil-7 Tek fazlı tam kontrollü doğrultucu 11
Şekil-8 Düzeltme kapasiteli devrenin bağlantı şeması 12