3. Bölüm Güç Elektroniğinde Temel Kavramlar ve Devre Türleri Doç. Dr. Ersan KABALC AEK-207 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ
Güç Elektroniğine Giriş Güç elektroniği elektrik mühendisliğinde enerji ve elektronik bilim dalları arasında bir bilim dalıdır. Temelde bir kaynaktan yüke verilecek elektrik enerjisinin; yükün gerektirdiği uygun bir şekle dönüştürülmesi ve denetlenmesi konularını inceler. Güç elektroniğinin ilk çalışmaları AA!dan DA elde etmek için yapılmıştır. Önceleri mekanik dönüştürücüler, sonra civa buharlı doğrultucular kullanılmıştır. 2
Güç Elektroniğine Giriş Yarı iletken doğrultucular 1920-30 yıllarında ortaya çıkmış; 1950 de de ilk yarı iletken diyotlar yapılmış, 1957 de ise tristörler imal edilmiştir. Tristörün icadı güç elektroniğinde devrim yaratmıştır. 1974 yılında ilk mikroişlemcilerin piyasaya sürülmesiyle güç elektroniği dalında çalışanlara yeni ufuklar açılmıştır. Güç elektroniğinin uygulama alanları son yıllarda hızla artmış; iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım ve tüketici elektroniği gibi her alana yayılmıştır. 3
Güç Elektroniğine Giriş Uygulama alanlarını dört kategoride incelenebilir: Elektrik makinalarında sürücü ve denetim sistemleri, Endüstriyel süreçler Güç kaynakları Kaynak / Kullanıcı arabirimleri 4
Güç Elektroniği Devreleri Bir kaynaktan alınarak bir yüke verilecek elektrik enerjisinin yükün gerektirdiği uygun bir gerilim ve frekansa dönüştürülmesi için kullanılan güç elektroniği devrelerine genel olarak güç dönüştürücüleri denir. Güç dönüşümü dört ayrı biçimde yapılabilir: 5
Dönüşüm şekline göre: Güç Elektroniği Devreleri Doğrultucular: Kontrollü ve Kontrolsüz olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Kontrolsüz:Diyotlarla ve çıkış gerilimi ortalaması sabit; Kontrollü: 0 ile max. arasında ayarlanabilir, ayrıca negatif gerilim elde edilebilir, güç yönü değişir. Eviriciler: Bir DA kaynaktan bir veya çok fazlı AA eldesinde kullanılır. DA giriş genelde sabittir. AA çıkış genliği ve frekansı sabit veya değişken olabilir. DA Kıyıcılar : Sabit genlikli DA-DA dönüşüm için kullanılır. 6
Güç Elektroniği Devreleri AA Kıyıcılar: Sabit genlik ve frekansta (temel frekans) bir AA kaynaktan aynı frekansta ancak değişken genlikli AA üretmek için kullanılır. Ara devreli çeviriciler: Sabit bir DA kaynağından ayarlanabilen bir DA veya sabit bir AA kaynağından ayarlanabilen genlik ve frekansta bir AA üretmek için kullanılır. Dönüşüm sırasında ara devre vardır. Ara devreli AA çeviriciler özellikle asenkron motorları beslemede kullanılır. Doğrudan frekans çeviriciler: Bir ara devre oluşturmadan doğrudan yapılan frekans dönüşümüdür. Bu güç dönüştürücülere çevrim- çevirgeç ya da cycloconverter de denir. 7
Güç Elektroniği Devreleri 8
Yarı iletken güç elemanları; Diyot, Tristör, Triyak, Güç Elektroniği Devreleri Kapıdan tıkanabilen tristör (GTO), Bipolar güç transistörü, Güç mosfeti, Yalıtılmış kapılı bipolar transistör (GBT) 9
Güç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler Doğal komütasyonlu ve problemsiz devrelerdir, Tristör ve diyotlarla gerçekleştirilir. Uygulama alanları: DC motor kontrolü, akümülatör şarjı, galvano teknikle kaplama ve DC gerilim kaynakları şeklinde sıralanabilir. 10
Güç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler Şekil 1- Genel AA-DA 11 Dönüştürücü Yapısı
Güç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler 12
Güç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler s= Dalga Sayısı q= Faz Sayısı AA Şebeke DA Yük AA Yük DA Kaynak Doğrultucu Mod Evirici Mod Şekil 2- Temel AA-DA Dönüştürücü Devreler 13
Güç Elektroniğinde Doğrultucu Devreler Üst ve alt sıradan herhangi birisi kullanılırsa Yarım Dalga Doğrultucu, her ikisi de kullanılırsa Tam Dalga Doğrultucu elde edilir. Serbest geçiş diyotu, yük akımının sürekliliğini sağlar. Çıkış gerilimi U dα çok dalgalı da olsa, büyük değerli yük endüktansından dolayı çıkış akımı d sürekli ve sabit kabul edilir. Serbest geçiş diyotu olmadığında, sürekli kabul edilen DC yük akımını, hem üst hem de alt sıra elemanlar eşit aralıklarla ve sırayla geçirilirler. Şekil 3- Doğrultucu Yapıları 14
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Şekil 4(a) da temel yarım dalga doğrultucu devre görülmektedir. Şekil 4(b), akım ve yük geriliminin grafiklerini göstermektedir. Kaynak gerilimi T periyodunda ve m maksimun değerinde sinüs dalgası şeklindedir. Devre eşitliği, v v v S D R (1) i(t) = 0 için v D = 0 olduğundan, akım eşitliği vs i( t) R m sint R (2) Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu Eş. 2 de, belirlenen kaynak frekansına tekabül etmekte ve eşitlik sadece i(t) > 0 için geçerlidir. Böylece, maksimum akım, v s m ye eşit olduğunda oluşur ve Eş. 3 eşitliği ile verilir. m (3) m R 15
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Şekil 4(a) da temel yarım dalga doğrultucu devre görülmektedir. Şekil 4(b), akım ve yük geriliminin grafiklerini göstermektedir. Kaynak gerilimi T periyodunda ve m maksimun değerinde sinüs dalgası şeklindedir. Devre eşitliği, v v v S D R (1) i(t) = 0 için v D = 0 olduğundan, akım eşitliği vs i( t) R m sint R (2) Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu Eş. 2 de, belirlenen kaynak frekansına tekabül etmekte ve eşitlik sadece i(t) > 0 için geçerlidir. Böylece, maksimum akım, v s m ye eşit olduğunda oluşur ve Eş. 3 eşitliği ile verilir. m (3) m R 16
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Bu devre için ilgili büyüklükler, ortalama yük akımı ve gerilimidir. Ortalama akım, dalga biçiminin periyodu üzerinde i(t) nin integrali ile bulunur. ort 1 T = i t dt T ( ) 0 İkinci yarım saykıl için i(t) = 0 olduğundan, bu integral 0-T/2 yarım periyodu üzerinde değerlendirilir. 1 T tdt (5) m T / 2 ort = sin 0 (4) Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu Eş. 5 eşitliğinin integral işlemi Eş. 6 eşitliği ile sonuçlanır ve yarım dalga devre karakteristiğini ifade eder: Gerilimin dalga şekli akımın dalga şekliyle aynı olduğundan, ortalama yük gerilimi için 5.8 eşitliğine benzer ilişki vardır. 17 ort ort = m = m (6) (7)
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Bazı durumlarda, akımın değeri istenilir. Bu değer, değerinin tanımından bulunur. ( 8) Burada da, integral yarım periyot üzerinden değerlendirilir: T 1 T 2 0 i( t) dt 0, 5 T 1 T / 2 2 0 m sint dt 0, 5 (9) m 2 (10) Şekil 4- Yarım dalga doğrultucu (10) eşitliğinin sonucu, yarım dalga devrenin dalga biçiminin karakteristiğidir. Şekil 4(b) deki grafik, diyotun tepe kaynak gerilimine eşit bir ters gerilimi tıkaması gerektiğini gösterir. Bu değer verilen bir devre için uygun diyot doğrultucu seçiminde de gereklidir. 18
Şekil 5- Yarım dalga doğrultucu Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Şekil 5 te görüldüğü gibi omik yüklü bir yarım dalga doğrultucu 20 luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240, 60 Hz dir. Aşağıdakileri bulunuz: (a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı (c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı (e) yük akımı, (f) yükün gücü a) Tepe yük gerilimi = m 1414, ( 1414, )( 240) 339, 4 339, 4 b) Tepe yük akımı = m 16, 97 A R 20 m 339, 4 c) Ortalama yük gerilimi = 108 m 16, 97 d) Ortalama yük akımı = 5, 4 A m 16, 97 e) yük akımı = 8, 48 A 2 2 f) Yükün gücü = 2 2 ( ) R 8, 48 ( 20) 1440 19 W
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Tam dalga fonksiyonu, bir köprü doğrultucu veya sekonderi orta uçlu bir transformatör ile sağlanabilir. Şekil 6(a) daki devrede köprü doğrultucu kullanılmaktadır. Yarım dalga durumunda olduğu gibi, kaynak gerilimi ve yük direnci aynıdır. Tam dalga devresi, yarım dalgada olduğu gibi devreden bir akım geçirir fakat yükteki akım ikinci yarım dalgada da vardır. Diyot köprüsü akım yönlendirici modu içinde işlem yapar; böylece alternatif kaynak akımı s yük direncinde tek yönlü akıma dönüşür. Şekil 6- Tam dalga doğrultucu 20
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Tam Ortalama ve değerleri, yarım dalga durumuna benzer bir şekilde bulunabilir: ort 1 T T 0 i L ( t) dt (11) ort 1 T T 0 / 2 m sintdt T T / 2 m sintdt (12) ort 2 m (13) Burada, tam dalga ortalamasının yarım dalga ortalamasının iki katının olduğuna dikkat edilmelidir. Bu durum, iki akım-zaman grafiklerinin incelenmesiyle rahatlıkla anlaşılabilir. Şekil 6- Tam dalga doğrultucu 21
Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Benzer şekilde ortalama yük gerilimi aynı faktörle verilir, böylece: 2 ort m akımı yine tanımından bulunur : 1 T () 2 i 0 L t dt T 1 T/2 2 1 T 2 ( sin ) ( sin ) 0 m T / 2 m t dt t dt T T (14) (15) (16) (16) eşitliğinin incelenmesiyle, ikinci yarım saykılın negatif işaretinin bir farklılık meydana getirdiği görülmez ve matematiksel işlemin sonucu herhangi bir sinüsoidal dalganın değeri ile aynıdır. m 2 (17) 22
Şekil 7- Tam dalga doğrultucu Kontrolsüz Doğrultucu Devreler Şekil 7 de görülen omik yüklü bir tam dalga doğrultucu 20 luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240, 60 Hz dir. Aşağıdakileri bulunuz: (a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı (c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı (e) yük akımı, (f) yükün gücü a) Tepe yük gerilimi = m 1414, ( 1414, )( 240) 339, 4 b) Tepe yük akımı = c) Ortalama yük gerilimi = d) Ortalama yük akımı e) yük akımı = m R 339, 4 16, 97 A 20 2 2 339 4 216 m, 2 2 m 16,97 10,8 A 16,97 12 A 2 2 m f) Yükün gücü = 2 2 ( ) ( R) ( 12, 0) ( 20) 2880 23 W
Kontrollü Doğrultucu Devreler Şekil 4(a) daki diyot, Şekil 8(a) da gösterildiği gibi bir SCR ile değiştirilir ve SCR nin iletimi yarım dalgada açısı kadar geciktirilirse Şekil 8(b) deki grafikler elde edilir. Bu grafiklerde, SCR t 1 zamanında iletime geçirilir ki bu ile verilir. / Bu devre için ilgili büyüklükler, ortalama yük akımı ve gerilimidir. Ortalama akım, dalga biçiminin periyodu üzerinde i(t) nin integrali ile bulunur. ort ort 1 T = i ( ) 0 L t dt T 1 T T t 1 / 2 m sintdt (18) (19) (19) eşitliğinde, integral t 1 den başlatılır çünkü akım sadece t 1 -T/2 için sıfır olmayan değerdedir. ort m (1 cos ). 2 (20) Şekil 8- Yarım dalga kontrollü doğrultucu 24
Kontrollü Doğrultucu Devreler Aynı eşitlik, m yerine m konulmasıyla gerilim için de uygulanır : ort m (1 cos ) 2 (21) Yük akımının değeri, temel tanımlar kullanılarak bulunur ve 5.32 eşitliğinde verilir. 1 T T /2 2 ( m sin t) dt t 1 (22) Sadeleştirme sonucu, sonuçta Eş. (23) eşitliği bulunur: m sin 2 (23) 1 2 2 Şekil 8- Yarım dalga kontrollü doğrultucu 25
Şekil 9- Yarım dalga doğrultucu Kontrollü Doğrultucu Devreler Şekil 9 da görülen omik yüklü yarım dalga faz kontrollü doğrultucu 20 luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240, 60 Hz dir. Devre =40 ile çalışmaktadır Aşağıdakileri bulunuz: (a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı (c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı (e) yük akımı, (f) yükün gücü a) Tepe yük gerilimi = m 1414, ( 1414, )( 240) 339, 4 339, 4 b) Tepe yük akımı = m 16, 97 A R 20 m 339,4 c) Ortalama yük gerilimi = (1 cos ) (1 cos 40 ) 95, 4 2 2 16,97 d) Ortalama yük akımı m (1 cos ) (1 cos 40) 4,77A 2 2 e) yük akımı = f) Yükün gücü = m sin 2 16,97 40 sin 80 1 1 8, 20A 2 2 2 180 2 2 2 ( ) ( R) ( 8, 20) ( 20) 1345 26 W
Kontrollü Doğrultucu Devreler Şekil 7 daki diyot, Şekil 10.(a) da gösterildiği gibi SCR lerle değiştirilir. SCR ler α faz gecikme açısında çift olarak kontrol edilirler. Şekil 10- Tam dalga kontrollü doğrultucu Bu devre için ortalama yük akımı ve gerilimleri aşağıdaki gibi hesaplanır. Formülde t / ve t t T dir. 1 2 1 / 2 ort ort m (1 cos ) m (1 cos ) R (24) (25) Ortalama gerilimi ise, ort m (1 cos ) (26) 27
Kontrollü Doğrultucu Devreler Yük akımının değeri, yarım dalga durumundaki Eş. (23) eşitliğinin yeniden düzenlenmesi ile elde edilir. Burada yarım dalga durumu ile karşılaştırıldığında, dalga başına iki pals vardır. değeri, Eş. (23) Şekil 10- Tam dalga kontrollü doğrultucu eşitliğine göre 2 kat daha fazladır. Sonuç değeri Eş. (27) eşitliğinde verilmektedir; m sin 2 1 2 2 (27) 28
Şekil 11- Tam dalga kontrollü doğrultucu Kontrollü Doğrultucu Devreler Şekil 11 de görülen omik yüklü tam dalga faz kontrollü doğrultucu 20 luk bir yükü beslemekte ve kaynak gerilimi 240, 60 Hz dir. Devre =40 ile çalışmaktadır Aşağıdakileri bulunuz: (a) tepe yük gerilimi, (b) tepe yük akımı (c) ortalama yük gerilimi, (d) ortalama yük akımı (e) yük akımı, (f) yükün gücü a) Tepe yük gerilimi = m 1414, ( 1414, )( 240) 339, 4 b) Tepe yük akımı = c) Ortalama yük gerilimi = d) Ortalama yük akımı e) yük akımı = f) Yükün gücü = m R 339, 4 16, 97 A 20 m 339,4 (1 cos ) (1 cos 40 ) 190,8 m 16,97 (1 cos ) (1 cos 40 ) 9,54 A m sin 2 16,97 40 sin 80 1 1 11, 60A 2 2 2 180 2 2 2 ( ) ( ) (11,60) (20) 2699 R W 29
30