1. Güç Elektroniğinin Kapsamı ve Uygulamaları. 2. Önemli Yarı İletken Güç Elemanları. 3. AC-DC Dönüştürücüler / Doğrultucular

PROF. DR. HAC BODR GÜÇ ELEKTRONİĞİ. Güç Elektroniğinin Kapsamı ve ygulamaları. Önemli Yarı İletken Güç Elemanları 3. AC-DC Dönüştürücüler / Doğrultucular 4. AC-AC Dönüştürücüler / AC Kıyıcılar 5. DC-DC Dönüştürücüler / DC Kıyıcılar 6. DC-AC Dönüştürücüler / İnverterler 7. Güç Elektroniğine Kontrol ve Koruma

PROF. DR. HAC BODR. GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN KAPSAM ve YGLAMALAR GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN TANM Güç Elektroniği, temel olarak yüke verilen enerjinin kontrol eilmesi ve enerji şekillerinin birbirine önüştürülmesini inceleyen bilim alıır. Güç Elektroniği, Elektrik Mühenisliğinin olukça cazip ve önemli bir bilim alıır. Güç Elektroniği, temel olarak Matematik ve Devre Teorisi ile Elektronik bilgisi gerektirir. YÜKE VERİLEN ENERJİNİN KONTROLÜ Yüke verilen enerjinin kontrolü, enerjinin açılması ve kapanması ile ayarlanmasını içerir.. Statik (Yarı İletken) Şalterler a) Statik AC şalterler b) Statik DC şalterler. Statik (Yarı İletken) Ayarlayıcılar a) Statik AC ayarlayıcılar b) Statik DC ayarlayıcılar ENERJİ ŞEKİLLERİNİN BİRBİRİNE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ Elektrik enerji şekillerini birbirine önüştüren evrelere genel olarak Dönüştürücüler aı verilir. Dört temel önüştürücü varır. Bu önüştürücüler aşağıaki iyagrama özetlenmiştir. Dönüştürücüler. AC-DC Dönüştürücüler Doğrultucular, Reresörler Dönüştürücülere kullanılan kısaltmalar DC : Doğru Akım şeklineki elektrik enerjisi AC : Alternati Akım şeklineki elektrik enerjisi : DC gerilim (ortalama eğer) : AC gerilim (eekti eğer) : Frekans q : Faz sayısı 3. DC-DC Dönüştürücüler DC Kıyıcılar, DC Ayarlayıcılar AC DC,, q Enerji DC Enerji DC <. DC-AC Dönüştürücüler İnverterler, Eviriciler 4. AC-AC Dönüştürücüler AC Kıyıcılar, AC Ayarlayıcılar DC Enerji AC,, q AC AC,, q,, q Enerji q q AC KYC

PROF. DR. HAC BODR AC şebekeye oğruan bağlı olan Doğrultucu ve AC Kıyıcılara Doğal Komütasyonlu Devreler, bir DC kaynak taraınan beslenen İnverter ve DC Kıyıcılara ise Zorlamalı Komütasyonlu Devreler enilmekteir. YAR İLETKEN GÜÇ ELEMANLAR Dönüştürücüler, yarı iletken güç elemanları ile gerçekleştirilmekteir. Bu güç elemanları, Kontrolsüz Güç Elemanları : DİYOT Temel Kontrollü Güç Elemanları : SCR, BJT, MOSFET Diğer Kontrollü Güç Elemanları : TRİYAK, GTO, GBT, MCT vb Şekline 3 temel gruba ayrılabilir. Bu erste önce Önemli Yarı İletken Güç Elemanları ve sonra bu elemanlar ieal kabul eilerek Temel Dönüştürücüler incelenecektir. GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN ENDÜSTRİYEL YGLAMALAR Güç Elektroniğinin statik ve inamik temel enüstriyel uygulama alanları ile iğer önemli enüstriyel uygulama alanları aşağıaki gibi sıralanabilir. Temel Statik ygulamalar Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK, PS) Anahtarlamalı Güç Kaynakları (AGK, SMPS) Rezonanslı Güç Kaynakları (RGK, RMPS) Enüksiyonla sıtma (E, EH) Elektronik Balastlar (EB, EB) Yüksek Gerilim DC Taşıma (YGDCT, HVDC) Statik VAR Kompanzasyonu (SVK, SVC) Temel Dinamik ygulamalar Genel Olarak DC Motor Kontrolü Genel Olarak AC Motor Kontrolü Sincap Kaesli (Kısa Devre Rotorlu) Asenkron Motor Kontrolü Bilezikli (Sargılı Rotorlu) Asenkron Motor Kontrolü Lineer Asenkron Motor Kontrolü Senkron Motor Kontrolü Üniversal Motor Kontrolü Aım Motoru Kontrolü Relüktans Motor Kontrolü Diğer Önemli ygulamalar Ayınlatma ve şık Kontrolü Sistemleri sıtma ve Soğuma Sistemleri Lehim ve Kaynak Yapma Sistemleri Eritme ve Sertleştirme Sistemleri Eleme ve Öğütme Sistemleri Asansör ve Vinç Sistemleri Yürüyen Meriven ve Bant Sistemleri Pompa ve Kompresör Sistemleri Havalanırma ve Fan Sistemleri Alternati Enerji Kaynağı Sistemleri Akümülatör Şarjı ve Enerji Depolama Sistemleri Elektrikli Taşıma ve Elektrikli Araç Sistemleri zay ve Askeri Araç Sistemleri Yer Kazma ve Maen Çıkarma Sistemleri Ayrıca, Güç Elektroniği, Disiplinlerarası Bilim Alanları olarak bilinen Enüstriyel Otomasyon Mekatronik Robotik bilimleri içerisine e yoğun bir şekile yer almaktaır. 3

PROF. DR. HAC BODR. ÖNEMLİ YAR İLETKEN GÜÇ ELEMANLAR A) KONTROLSÜZ GÜÇ ELEMAN DİYOT Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği Yapı İletim Karakteristiği Sembol A : Anot K : Katot Açıklama En basit yapılı kontrolsüz yarı iletken elemanır. İletim yönüne, eşik geriliminin üzerine küçük eğerli bir iç irence sahip olan bir iletken gibiir. Kesim yönüne ise, elinme gerilimine kaar çok küçük sızıntı akımlar geçiren bir yalıtkan gibiir. : Delinme Gerilimi TO : Eşik Gerilimi r T : Eşeğer Direnç (μω - mω mertebelerine) Güç iyou, gerilimine tahrip olur ve iletken hale gelir. Yüksek ve sabit bir gerilim altına akımın sonsuza gittiği bu tür evrilmelere, genel olarak çığ evrilme enilmekteir. Çığ evrilmeye maruz kalan yarı iletken elemanlar, güç kaybınan olayı genellikle tahrip olur yani bozulurlar. Tahrip olan yarı iletken elemanlar ise, genellikle kısa evre olurlar. Güç iyotları, poziti yöne akımı geçirmeleri ve ters yöne akımı tutmaları için, olukça yaygın olarak kullanılmaktaır. Normal, hızlı ve çok hızlı iyot türleri mevcuttur. Normal iyotlar, genellikle AC şebekeye bağlı oğrultucu ve AC kıyıcı evrelerine kullanılmaktaır. Hızlı iyotlar ise, genellikle inverter ve DC kıyıcılara kullanılmaktaır. Günümüze Ters Toparlanma Süresi veya Sönme Süresi birkaç 0 ns olan iyotlar üretilebilmekteir. 4

PROF. DR. HAC BODR B) TEMEL KONTROLLÜ GÜÇ ELEMANLAR. TRİSTÖR (SCR) Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği Yapı ve Sembol İletim Karakteristiği Karakteristik Değerler GT : Tetikleme Akımı. GT : Tetikleme Gerilimi GTM : Max. Kapı Akımı GTM : Max. Kapı Gerilimi B0 : Sıır Devrilme Gerilimi H : Tutma Akımı (ma) L : Kilitleme Akımı (ma) L > H : Delinme Gerilimi u krt : Kritik Gerilim Yükseltme Hızı (V/μs) t i krt : Kritik Akım Yükseltme Hızı (A/μs) t t q : Sönme Süresi (μs) Q s : Taban Tabakalarına Biriken Elektrik Yükü (μas) DRM : Max. Periyoik (+) Dayanma Gerilimi DRM < B0 RRM : Max. Periyoik (-) Dayanma Gerilimi RRM < TAVM : Sürekli Çalışmaa Tristörün Max. Ortalama Akımı TEFM : Sürekli Çalışmaa Tristörün Max. Eekti Akımı Tmax t: 0 ms : 0 ms için Tristörün Max. Akımı i t : Tristörün Max. Sınır Yükü (μa s) θ vj : Jonksiyon Sıcaklığı θ vjmax : Max. Jonksiyon Sıcaklığı NOT : GT ( TM, θ Vj ), GT : Her türlü şartlar altına tristörü tetikleyebilen eğerir. 5

PROF. DR. HAC BODR Tristörün İletim ve Kesime Kilitlenme Özelliği Kapısına kısa süreli ve yeterli bir akım sinyali uygulanan tristör tetiklenir ve iletime girer. Kısa süreli bir sinyal ile iletime giriği için tristöre Tetiklemeli Eleman a enmekteir. İletimeki bir tristörün içinen geçen akım kilitleme akımına eriştiğine, tristör iletime olarak kilitlenir ve artık kapı akımı kesilse e iletime kalır. İletime olan bir tristörün içinen geçen akım herhangi bir şekile tutma akımının altına üşerse, tristör otomatik olarak kesime girer. Bu anaan itibaren en az sönme süresi kaar tristör negati bir gerilimle tutulur veya tekrar bir poziti gerilim ( 0,6 V) uygulanmaz ise, tristör kesime olarak kilitlenir ve artık poziti gerilim uygulansa a kesime kalır. Bu neenle, tristöre Kilitlemeli Eleman a enilmekteir. Tristöre iletime girme işlemi kontrollü olup, kesime girme işlemi kontrolsüzür. Bu neenle tristöre Yarı Kontrollü Eleman a enilmekteir. Tristörün Keniliğinen İletime Geçme Sebepleri. Bir tristörün uçlarınaki gerilimin eğeri bu tristörün sıır evrilme gerilimi eğerine erişirse, yani u T B0 ise, bu tristör keniliğinen iletime geçer.. Bir tristörün uçlarınaki gerilimin yükselme hızı eğeri bu tristörün kritik gerilim yükselme hızı eğerine erişirse, yani u T u krt ise, bu tristör keniliğinen iletime geçer. t t 3. Yeni iletimen çıkan bir tristörün negati gerilimle tutulma süresi bu tristörün sönme süresinen küçükse, yani t N < t q ise, bu tristör keniliğinen iletime geçer. Tristörün Tahrip Olma Sebepleri. u T > ise, çığ evrilme ve aşırı güç kaybı ile mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör bozulur.. TAV > TAVM ve TEF > TEFM ise, aşırı güç kaybı ile mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör bozulur. 3. i T t > i t ise, aşırı güç kaybı neeniyle mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör tahrip olur. 3. i T t i > krt ise, iletime girmee ilk oluşan ar iletken kanala mak. sıcaklık sınırı t aşılır ve tristör bozulur.buna sicim olayı aı verilir. 4. θ vj > θ vjmax ise, aşırı güç kayıplarının sonucu olarak, yarı iletken yapı bozulur. Bu urumlara tristör genellikle iletken hale gelir veya kısa evre olur. 6

PROF. DR. HAC BODR Tristörün Tetiklenmesi t : Gecikme Süresi t r : Yükselme Süresi, Açma Süresi t s : Yayılma Süresi t t + t + t ON r s t r süresi sonuna, kapı akımı civarına ana akımın geçtiği ar bir kanal oluşur. t s süresi sonuna ise, ısınma etkisi ile akım bütün jonksiyon yüzeyine yayılır. t r süresi sonuna oluşan kanalan geçen akım bu kanalın iletkenliğini arttırır. İletkenliği artan kanalan aha çok akım geçer. Bu olay zincirleme bir şekile sürer ve akım bütün yüzeye yayılır. Fakat, akımın yükselme hızı kritik akım yükselme hızına erişirse, akım bütün yüzeye yayılmaan bu kanalın sıcaklığı max. eğere erişir ve bu kanal tahrip olur. Böylece, yarı iletken yapı bozulur ve iletken hale gelir. Bu şekileki bozulmaya sicim olayı enir. Tristörün Sönürülmesi Q s : Taban Tabaklarına Biriken Elektrik Yükü (μas) TM : Sönme Öncesi Tristören Geçen Akım (A) i / t : Sönme Esnasına Tristör Akımının Azalma Hızı (A/μs) t : Sönme Süresi (μs) q T : İletim Gerilim Düşümü (V) Tristör ve Diyoun İletim Gerilim Düşümü u T T0 + r T. i T T0 : Eşik Gerilimi r T : Eşeğer Direnç (μω-mω mertebelerine) Tristörün ygulama Alanları Tristör, kontrollü bir iyottur. Kapısına sürekli ve yeterli bir sinyal verilen tristör, iyoa eşeğerir ve iyot gibi avranır. Diyoun a kontrolsüz bir tristör oluğu söylenebilir. İletimen çıkma olayı ikisine e aynıır. Tristör ve iyotlar, normal akım ve kısa süreli ani akım eğerleri en yüksek olan elemanlarır. 7

PROF. DR. HAC BODR Tristörlerin e normal ve hızlı türleri mevcuttur. Sönme Süresi, normal tristörlere birkaç 00 μs civarına, hızlı tristörlere ise 00 μs nin altınaır. Normal Tristörler, AC şebekeye bağlı oğrultucular ile AC kıyıcılara yaygın olarak kullanılmaktaır. Hızlı Tristörler ise, tam kontrollü güç elemanlarının güçleri yetmeiğine, inverter ve DC kıyıcılara kullanılmaktaır. Elektrikli taşıma sistemlerine kullanılan DC kıyıcılar ile enüksiyonla ısıtma sistemlerine kullanılan inverterler buna örnek gösterilebilir. Tristörlü Örnek Devreler. Bir AC ygulama Tetikleme Sinyali Bu evree, tristör, α anına kısa süreli bir sinyalle tetiklenir ve iletime olarak kilitlenir. Tristör içerisinen akım geçtiği sürece iletime kalır. anına akımın 0 olmasıyla, tristör keniliğinen oğal olarak söner yani kesime girer. Yeni bir poziti yarım algaa yeni bir α anına tekrar tetikleninceye kaar tristör kesime kalır. Sonuç olarak, tristör, poziti yarım algalara ve α- aralıklarına iletime kalır ve sinüsoial bir akım geçirir. α açıları eğiştirilerek yükün gücü ayarlanabilir yani güç kontrolü yapılabilir. Bu evre, yarım alga kontrollü bir oğrultucu olup, oğal komütasyonlu bir evreir.. Bir DC ygulama Bu evree ise, yine kısa süreli bir sinyal ile iletime giren tristör, içerisinen geçen akım hiç kesilmeyeceğine göre, oğal olarak hiç iletimen çıkmaz ve sürekli akım geçirir. Ancak, ilave evre ve üzenlerle isteniliği zaman zorla sönürülebilir. Tristörün iletime kalma oranı eğiştirilerek güç kontrolü yapılabilir. Bu evre ise, bir DC kıyıcı olup, zorlamalı komütasyonlu bir evreir. 8

PROF. DR. HAC BODR. BİPOLAR TRANSİSTÖR ( BJT ) Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği npn türü Yapı Sembol pnp türü C : Kollektör, E : Emiter, B : Taban İletim Karakteristiği Temel bir Transistör Devresi Temel Özellikler Yük genellikle C ucuna bağlanır. Taban akımı aima E B arasına geçer ve akımın yönü p en n ye oğruur. Ana akım ile taban akımı aima aynı yöneir. B ile C arasına bir akım geçerek, transistör ters ve istenmeyen kötü bir iletime girebilir. Bu urum önlenmeliir. Transistörün çığ evrilmeye girmesi elemanı tahrip eer. Güç evrelerine transistör ya tam iletime (kalın çizgi üzerine) ya a tam kesime çalıştırılmalıır. Buna Anahtarlama Elemanı olarak çalışma enilir. Tristörler oğal olarak böyle çalışır. Transistöre giriş oluğu sürece çıkış varır. Transistör bir Tam Kontrollü Elemanır. Giriş akım, çıkış akımır. 9

PROF. DR. HAC BODR İletim gerilim üşümü veya iletim kaybı en üşük olan elemanır. Anahtarlama güç kaybı en yüksek olan elemanır. Alt bölgelere karakteristikler paralel ve eşit aralıklıır. Bu bölgee sabit kazançla akım yükseltme işlemi yapılabilir. Fakat güç evrelerine bu yapılamaz. Genel Tanımlar i C β F. i B i E i C + i B ( + β F ) i B β F : DC Akım Kazancı i C β F. i B u R R L. i C u CE L - u R u CE L - R L.i C Yük Doğrusu BE 0,6 V L u ib R B BE İletime ve Kesime Girme t r : Yükselme Süresi t s : Yayılma Süresi t : Düşme Süresi t ON t r t OFF t s + t t SW t ON + t OFF t r + t s + t Anahtarlama esnasınaki ani güç kaybı çok yüksektir. Bir yarı iletkenin toplam güç kaybı, anahtarlama ve iletim güç kayıplarının toplamına eşittir. Düşük rekanslara iletim güç kaybı, yüksek rekanslara ise anahtarlama güç kaybı aha etkiliir. Yüksek rekanslara (yaklaşık olarak khz nin üzerine), iletimen çıkma işlemine genellikle negati sinyal uygulanır. Bu uruma, yayılma süresi büyük ölçüe azalır. Transistörler, orta güç ve orta rekanslara en yaygın olarak kullanılan en ucuz yarı iletken güç elemanlarıır. Transistörün ygulama Alanları Transistörler, normal olarak, orta güç ve rekanslara, zorlamalı komütasyonlu olan inverter ve DC kıyıcı evrelerine kullanılmaktaır. Ancak, uygulama alanları gittikçe azalmaktaır. 0

PROF. DR. HAC BODR 3. İZOLE KAPL ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR (GFET, MOSFET) Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği Sembol İletim Karakteristiği Temel Özellikler MOSFET aima oyuma kullanılmalıır. Giriş oluğu sürece çıkış varır. Giriş gerilim, çıkış akımır. Kazanç sonsuz kabul eilir. En hızlı yarı iletken elemanır. İletime giriş 50-60 ns ve iletimen çıkış 50-00 ns civarınaır. Anahtarlama kaybı en üşük olan elemanır. İletim gerilim üşümü veya iletim güç kaybı en yüksek olan elemanır. Tek ezavantajı, sıcaklıkla artan yüksek eğerli bir iç irence sahip olmasıır. Düşük güç ve yüksek rekanslara kullanılır. Giriş akımı nanoamperler mertebesineir. Ancak, gerilim sinyali ilk veriliğine yüksek eğerli bir şarj akımı çeker. Bu akımın karşılanmasına ikkat eilmeliir. Aksi hale hız üşer. Kapı ayanma gerilimi ± 0 V tur. Gerçekte, uygulanan gerilim ± 8 V u geçmemeliir. ygulamalara, genellikle sürme gerilimi olarak ± 5 V kullanılmaktaır. MOSFET lerin ygulama Alanları MOSFET ler, normal olarak, üşük güç ve yüksek rekanslara, zorlamalı komütasyonlu olan inverter ve DC kıyıcı evrelerine kullanılmaktaır. Bu elemanlara iyat gerilime çok bağlıır. Düşük gerilimli MOSFET lerin iyatları olukça üşük oluğunan, üşük gerilimli uygulamalara MOSFET ler yaygın olarak kullanılmaktaır. Buna örnek olarak, üşük gerilimli akümülatör-inverter grubuna sahip olan kesintisiz güç kaynakları ile üşük gerilimli DC kıyıcı evresine sahip olan anahtarlamalı güç kaynakları gösterilebilir. Ayrıca, MOSFET ler çalışma rekansı en yüksek olan elemanlarır. Yüksek rekans ve üşük güçlü uygulamalara a MOSFET ler yaygın olarak kullanılmaktaır. Buna örnek olarak, üşük güçlü kesintisiz ve anahtarlamalı güç kaynakları ile enüksiyonla ısıtma ve elektronik balastlar gösterilebilir. Ancak, BJT ve MOSFET lerin uygulama alanları sürekli olarak aralmakta, bunların yerini hız ve güçleri sürekli olarak gelişen GBT elemanları almaktaır.

PROF. DR. HAC BODR C) DİĞER GÜÇ ELEMANLAR TRİSTÖR TETROT 4 uçlu özel bir tristörür. Her iki kapıan a tetiklenebilir. Tetiklemee, i G ve i G akımları ayrı ayrı kullanılabilir. FOTO TRİSTÖR Normal ortama gözle görülen ışıkla iletime giren iki, üç veya ört uçlu özel bir tristörür. şıkla veya bir kapı akımıyla kontrol eilebilir. TRİYAK (İKİ YÖNLÜ TRİSTÖR TRİYOT) Triyak ters-paralel bağlı iki tristöre eşeğerir. İki yönlü tristör e enir. Tetikleme ve montaj kolaylığı sağlar. Saece AC uygulamalara kullanılmak üzere üretilmekteir. AC kıyıcılara gücün yettiği yere kaar bir triyak kullanılır. Aksi hale tristörlere geçilir. Yaklaşık 00-50 A lere kaar triyaklar üretilmekteir. Triyak - ve - belgelerine üşük akımlarla kolay tetiklenir. + belgesine tetikleme çok zor veya imkansızır. ygulamalara, + ve - bölgelerine çalışma kolayır.

PROF. DR. HAC BODR KAP SÖNÜMLÜ TRİSTÖR (GTO) Kısa süreli i G ile tetiklenir ve i G ile sönürülür. i G çok küçük eğerlereir (normal trsitörlereki gibi). i G çok büyük eğerlereir ( ¼ ana akım kaar). Hızlı özel bir tristörür. Düşük rekans ve yüksek güçlere kullanılır. Sönürme sinyalinin büyüklüğünen olayı tetikleme evreleri karmaşık ve pahalıır. MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT) MOSFET ve tristör karışımı, olukça hızlı, gerilim kontrollü, karma bir elemanır. MOSFET in ieal sürme özelliği ile tristörün ieal iletim karakteristiğini birlikte taşır. Negati gerilim sinyali ile tetiklenir. Poziti gerilim sinyali ile söner. Yine iletime ve kesime kilitlenme özelliği varır. Şu ana en üstün eleman görünümüneir. Fakat henüz gelişimi tamamlanamamıştır. Halen ticari olarak üretilememekteir. İZOLE KAPL BİPOLAR TRANSİSTÖR (GBT) Sembol u-i karakteristiği CET : Çıkış Eşik Gerilimi GET : Kapı Eşik Gerilimi Genellikle, CET > V ve GET : 4 V civarınaır. MOSFET in MOS kontrolü ve BJT nin ana akım karakteristiğini birlikte taşıyan karma bir elemanır. Tek ezavantajı çıkış eşik geriliminin oluşuur. Ancak iç irenci çok küçük oluğunan, yüksek akımlara yine avantajlı uruma geçer. Günümüze GBT ortanın biraz üzerineki güç ve rekanslara, en yaygın olarak kullanılan elemanlarır. 3

PROF. DR. HAC BODR D) GÜÇ ELEMANLARNN KARŞLAŞTRLMAS TEMEL Yİ GÜÇ ELEMANLARNN İYİDEN KÖTÜYE DOĞR SRALAMAS Sürme Kolaylığı MOSFET GBT GTO BJT Sönme Kolaylığı MOSFET GBT BJT GTO İletim Gerilim Düşümü BJT GTO GBT MOSFET (.0 V) (.0 V) (3.0 V) (5.0V) Anahtarlama Güç Kaybı MOSFET GBT GTO BJT Akım Dayanımı Gerilim Dayanımı Devre Gücü Çalışma Frekansı GTO (3000 A) GTO (3000 V) GTO (0 MW) MOSFET (00 khz) GBT (800 A) GBT (500 V) GBT (500 kw) GBT (0 khz) BJT (600 A) BJT (00 V) BJT (00 kw) BJT (0 khz) MOSFET (00 A) MOSFET (000 V) MOSFET (0 kw) GTO ( khz) Fiyat BJT GTO GBT MOSFET Not :. Güç BJT leri genellikle Darlington yapıa ve npn türüneir.. Buraa GTO tristör ailesini temsil etmekteir. KON İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER Problem Bir tristör u T 000 Sin 6800 t (V) şekline bir gerilime maruz kalacaktır. Bu tristörün, keniliğinen iletime geçmemesi için, a) B0 eğeri ne olmalıır? u b) krt eğeri ne olmalıır? t Çözüm a) Tmax < B0 olmalıır. B0 > Tmax 000 V u b) ( T ) max < t u T ut t T max u krt olmalıır. t sin ωt ωt max cosωt ut ωt max t max 6800.000 V/s 6.8 V/μs u krt > 6,8 V/μs olmalıır. t 4

PROF. DR. HAC BODR Problem Kritik gerilim yükselme hızı 5 V / μs olan bir tristöre, genliği 000 V olan bir sinüsoial gerilim uygulanmaktaır. Frekans gittikçe yükseltilirse, bu rekans hangi eğere ulaştığına tristör keniliğinen iletime geçer? Çözüm u T u max krt t t u T m Sinωt u T m.ω.cosωt t u T max m. ω t 5.0 6 V/s 000... 0 khz bulunur. Problem 3 t0 anına yeni iletimen çıkan ve şekileki gibi bir gerilime maruz kalan bir tristörün keniliğinen iletime geçmemesi için, bu tristörün, u B0, krt ve t q eğerleri t ne olmalıır? Çözüm B0 > Tmax Şekilen, B0 > 3000 V olmalıır. tq t N Şekilen, 0 μs olmalıır. t q 0 μ s t 50 μs için, 3000 u T ( t 0 ) 30 u u krt > ( T ) max, t t u krt > 00 V / μs olmalıır. t 5

PROF. DR. HAC BODR Problem 4 0 Ω luk bir yükü 50 V luk bir DC kaynak ile beslemek üzere, şekile verilen bir npn tipi transistörün emiter montajı kullanılmıştır. Transistörün akım kazancı 00 oluğuna göre, a) Taban evresi irenci 5 kω iken, yük akımı ve gerilimi ne olur? b) Yükte harcanan gücün 60 W olabilmesi için, taban evresi irenci kaç kω a ayarlanmalıır? Çözüm a) C L L BE B R B B 0mA 50 0 3 5.0 C 0. 0-3. 00 A L Y R L. L 0. 0 V Problem 5 b) P L 60 W P L R L. L 60 0. L B 4 / 00 B 0 ma L BE 50 0 R B 3 B 0.0 R B,5 kω bulunur. L 4 A C Peryoik bir çalışmaa, kesim ışınaki çalışma urumları için, bir transistörün uçlarınaki gerilim ve içinen geçen akımın eğişimleri şekile verilmiştir. Bu transistör P 0 khz lik bir rekansta anahtarlanığına göre, a) Transistörün verilen her bir aralıktaki enerji kaybını hesaplayınız. b) Transistörün toplam enerji ve güç kaybını hesaplayınız. Çözüm. bölge için, u V 50 6 t + 50 50 6.0 6 t 4.0 50 i 5.0 6 t 0. 0 6 t A 4μs 6 W ( 6.0 t) 0... P T 06,3 W 50.0.0 tt 6,6773 mj 6 6

PROF. DR. HAC BODR 3. AC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / DOĞRLTCLAR GİRİŞ AC-DC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri Enüstrie en eski ve en yaygın olarak kullanılan önüştürücü türüür. Temel Özellikleri : AC girişteki eekti az gerilimi : Frekans q : Faz sayısı, y : DC çıkış veya yük akımı (ortalama eğer) α : DC çıkış gerilimi, α (α) : Maksimum DC çıkış gerilimi, α 0 α α : Faz Kesme veya Faz Kontrol açısı : Gecikme Açısı veya Tetikleme Gecikmesi D : Serbest Geçiş (Komütasyon, Sönürme) iyou 3 : Eekti Faz Gerilimi 3 h : Eekti Fazlar Arası Gerilim m : Faz Gerilimi Maksimum Değeri hm : Hat (Fazlar Arası) Gerilimi Maksimum Değeri Enüstriyel olarak, oğrultucular aha çok omikenükti yüklere kullanılmaktaır. Kontrol lineer eğilir. Faz Kontrol Yöntemi ile kontrol sağlanır. Çıkış gerilimi ortalama olarak kontrol eilir. Şebeke taraına yüksek eğerli harmonikler, yük taraına yüksek eğerli algalanmalar oluşur. Doğal komütasyonluur. Diyot ve/veya tristörler ile gerçekleştirilir. Başlıca ygulama Alanları DC motor kontrolu Akümülatör şarjı Galvanoteknikle kaplama DC motor alan besleme DC kaynak makinaları DC regülatörler DC gerilim kaynakları AC-DC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınılanırılması 7

PROF. DR. HAC BODR AC-DC Dönüştürücülerin Kontrol Açısınan Karşılaştırılması Kontrolsüz Doğrultucu Tam Kontrollü Dönüştürücü Yarı Kontrollü Doğrultucu Diyotlarla gerçekleştirilir Saece oğrultucu mouna çalışır. Genellikle serbest geçiş iyou yoktur. α 0 α Sabit Tristörlerle gerçekleştirilir. Hem oğrultucu hem e inverter mouna çalışır. Serbest geçiş iyou yoktur. Konursa inverter mouna çalışmaz. 0 < α < + > α > - Tristör ve iyotlarla gerçekleştirilir. Saece oğrultucu mouna çalışır. Genellikle serbest geçiş iyou varır. 0 < α < + > α > 0 AC-DC Dönüştürücülerin Dalga Sayısı Açısınan Karşılaştırılması Yarım Dalga Doğrultucua, şebekenin nötrüne (N) göre bir çıkış gerilimi üretilir yani çıkıştaki DC hatların birisi şebekenin N ucuna bağlıır. Tam Dalga Doğrultucu, Poziti (+) ve Negati (-) Yarım Dalga Doğrultucuların toplamına eşeğerir. Çıkışta N ucu kullanılmaz. Ancak, çıkış gerilimi potansiyel olarak N ucunu ortalar. Temel AC-DC Dönüştürücülerin Temel Devre Şemaları 8

PROF. DR. HAC BODR Tek Fazlı Dönüştürücünün Fazlı Eşeğeri Tek Fazlı Sistem q s R k L k İki Fazlı Eşeğeri q s / R k / L k / Enüstrie Fazlı bir AC Şebeke sistemi mevcut eğilir. Ancak, sekoneri orta uçlu olan tek azlı bir transormatöre, orta uca göre sekoner uçlarına 80 az arklı azlı bir AC gerilim oluşmaktaır. Enüstriyel olarak azlı bir gerilim bu şekile üretilebilir. Ayrıca, teorik analizlere, yukarıa görülüğü gibi, tek azlı bir gerilimin azlı eşeğeri kullanılabilmekteir. Faz Kontrol Yöntemi AC şebeke geriliminen beslenen oğrultucu ve AC kıyıcı evreleri, genel olarak Faz Kontrol Yöntemi ile kontrol eilmekteir. Prensip olarak Faz Kontrol Yöntemine, AC şebekenin bir az veya azlar arası geriliminin Sıır Noktaları ile Poziti ve Negati Aralıkları algılanarak, α kontrol açısı ayarlanabilen Poziti ve Negati olmak üzere sinyal üretilir. Doğrultucu ve AC kıyıcılara, Poziti Sinyal ilgili azın Poziti Elemanına ve Negati Sinyal ilgili azın Negati Elemanına verilir. OMİK YÜKLÜ YARM DALGA KONROLSÜZ DOĞRLTCLAR Çıkış Gerilimi İaeleri Omik Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu msin( ωt) ( ωt) 0 m Cos ωt ( ) 0 m Cos( ωt) 0 m [ ( ) ] m Omik Yüklü 3 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu 3 mcos( ωt) ( ωt) 3 3 3 3 m 3 Sin( ωt) 3 m 3 3 3 3 3 3 m Açıklama Diyotlar uçlarına poziti gerilim uygulanığı sürece iletime kalırlar, bunun ışına kesimeirler ve negati gerilim ile tutulurlar. Aynı ana saece bir iyot iletime kalır. Diyotlar yük akımını eşit aralıkla ve sırayla geçirirler. 9

PROF. DR. HAC BODR İletime olan iyoun bağlı oluğu az gerilimi, çıkıştaki yük gerilimini oluşturur. AC şebekeen DC akım çekilir ve şebekee cii bozulmalar oluşur. Yük akımı ve bir iyoun akımı kolayca hesaplanabilir. Diyotlar azlar arası gerilime maruz kalır. Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri Omik Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu Omik Yüklü 3 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu 0

PROF. DR. HAC BODR OMİK-ENDÜKTİF YÜKLÜ YARM DALGA KONROLSÜZ DOĞRLTCLAR Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri Akım Kaynağı ile Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu Akım Kaynağı ile Yüklü 3 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu Çıkış Gerilimi İaeleri ve Açıklama Çıkış gerilimi iaeleri, omik yüklü yarım alga kontrolsüz oğrultucular ile aynıır. az için : m 3 az için : 3 3 3 3 m Bu oğrultucuların özellikleri, omik yüklü oğrultuculara sıralanan özellikler ile aynıır.

PROF. DR. HAC BODR TAM DALGA KONROLSÜZ DOĞRLTC ÖRNEKLERİ Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri Omik Yüklü Fazlı Tam Dalga Kontrolsüz Doğrultucu Akım Kaynağı ile Yüklü Fazlı Tam Dalga Kontrolsüz Doğrultucu

PROF. DR. HAC BODR Çıkış Gerilimi İaesi Açıklama 0 hm Sin ( ωt) ( ωt) hm h Cos( ωt) hm Cos( ωt) 0 hm [ ( ) ] 0 İki azlı tam alga kontrolsüz oğrultuculara, yükün omik ve akım kaynağı olması urumlarına, çıkış gerilimi aynıır. Tam alga oğrultucunun çıkış gerilimi, eşeğer olan yarım alga oğrultucu çıkış geriliminin katıır. Üst ve alt sıraaki iyotlar, yük akımını eşit aralıklarla ve sırayla geçirirler. Aynı ana, üst ve alt sıraan saece birer iyot iletime kalır. Aynı ana, üst ve alt sıraan aynı az koluna ait iyotlar iletime olamaz. Çıkış gerilimi, iletime olan üst ve alt sıraaki iyotlara göre, azlar arası gerilimler e oluşmaktaır. AC şebekeen çekilen az akımının DC bileşeni yoktur. AC şebeke açısınan, yarım algaya göre tam alga oğrultucular çok aha iyiir. Omik yüklü tam alga oğrultucunun şebekeen çektiği akıma, az arkı ve harmonik yoktur. Akım kaynaklı yükte ise, şebekeen çekilen akıma, az arkı yoktur, ancak harmonik varır. AC şebekeen çekilen az ve hat akımları birbirine eşittir. Diyotlar azlar arası gerilime maruz kalır. Omik yükte sinusoial olan az ve hat akımı eekti olarak, hm h h R Omik-enükti yükte sinusoial olmayan az veya hat akımı eekti olarak, ( ωt) ωt 0 0 şekline bulunur. Bu akımın Temel Bileşeni ve Toplam Harmonik Distorsiyonu, Fourier analizi yapılarak, ve THD0,48 şekline bulunur. NOT : az için yapılan bu analizin 3 az için e yapılması önerilir. 3

PROF. DR. HAC BODR YARM DALGA KONROLLÜ DOĞRLTC ÖRNEKLERİ Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri Omik Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu Akım Kaynağı ile Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu 4

PROF. DR. HAC BODR Çıkış Gerilimi İaeleri Omik Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu α msin( ωt) ( ωt) α ( ωt) α m Cos Cos( ωt) α m m Cosα m ( Cosα ) ( + Cosα ) ( + Cosα ) α + [ ( )] Akım Kaynağı ile Yüklü Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu + α α msin( ωt) ( ωt) α α m Cos t Cos ωt ( ω ) + α α ( ) α α m + m Cos [ Cosα ( + α )] [ Cosα Cosα ] m + mcosα Cosα Cosα Açıklama Genel olarak yarım alga oğrultucu özellikleri mevcuttur. Omik yükte, α anına iletime giren bir tristör anına akımın sıır olmasıyla kesime girer. Elemanların iletimine ve çıkış gerilimine boşluklar oluşur. Omik-enükti yükte, α anına tetiklenerek iletime giren bir tristör, akımın sürekli oluşunan olayı, bir sonraki tristör α+ anına tetikleninceye kaar iletime kalır. Elemanların iletimine ve çıkış gerilimine boşluklar oluşmaz. Yine AC şebekeen bir DC akım çekilir. Ayrıca α açısına bağlı olarak, akım gerilime göre geri kalır. Prensip olarak, az kesme kontrolu, arışık azların kesişim noktaları (azlar arası gerilimlerin sıır noktaları) sıır (α0) olmak üzere 0- aralığına yapılır. Sıır noktaları, azlı sistemlere wt ekseni üzerine, 3 azlı sistemlere ise bu eksenin ışına oluşur. azlı yarım alga kontrollü oğrultucu olan bu evreler ve alga şekilleri, kolayca azlı tam alga kontrollü oğrultucu için üzenlenebilir. Bu uruma, İletime olan elemanlara T ve T 4 tristörleri eklenir. T ile T ve T 3 ile T 4 aynı sinyallerle ve eşzamanlı olarak tetiklenir. Çıkış gerilimi ve azlar arası gerilimleri ile oluşur. Faz akımları çit yönlü hale gelir ve bu akımlara DC bileşen oluşmaz. Ancak, α açısına bağlı olarak, akıma az arkı ve harmonikler oluşur. Akım kaynaklı yük için, temel bileşenin az kayma açısı, α açısına eşit olur. NOT: Yarım alga için yapılan bu analizin tam alga için e yapılması önerilir. Ayrıca, az için yapılan bu analizin 3 az için e benzer şekile yapılması yararlı olur. 5

PROF. DR. HAC BODR GENELLEŞTİRİLMİŞ İNCELEMELER Genel Devre Şeması ve Açıklamalar Üst ve alt sıraan herhangi birisi kullanılırsa Yarım Dalga Doğrultucu, her ikisini e kullanılırsa Tam Dalga Doğrultucu ele eilir. Serbest geçiş iyou, yük akımının sürekliliğini sağlar. Çıkış gerilimi α çok algalı a olsa, büyük eğerli bir yük enüktansınan olayı genellikle çıkış akımı sürekli ve sabit kabul eilir. Serbest geçiş iyou olmaığına, sürekli kabul eilen DC yük akımını, hem üst hem e alt sıraa elemanlar eşit aralıklarla ve sırayla geçirilirler. Üst ve alt sıraan aynı ana saece birer eleman iletime kalabilir. Hem üst hem e alt sıraa, akımın bir elemanan iğerine aktarılışına Komütasyon Olayı enir ve bu aktarma işlemlerinin başlangıç ya a sıır noktaları arışık az gerilimlerinin kesişim noktalarıır. Diyotlu evrelere sıır noktalarına keniliğinen oluşan bu aktarım olayları, tristörlü evrelere tetikleme sinyalleriyle geciktirilebilir. Bu α gecikme açıları 0 - aralığına ayarlanabilir. Bu açıya Tetikleme Gecikmesi veya Gecikme Açısı enir. Enüstriyel uygulamalar açısınan, oğrultucuların akım kaynağı ile yüklenmesi urumu, aha gerçekçi ve anlamlıır. Faz kontrolü, genellikle azlar arası gerilimlerin sıır (α0) noktaları reerans alınarak yapılır ve kontrol aralığı 0- şeklineir. Güç elemanları hem üst hem e alt sıraa, akımı eşit aralıklarla ve sırayla geçirir. Sürekli akım için iletim aralığı aza ve 3 aza /3 kaarır. Çıkış gerilimi iletime olan elemanlara göre, yarım alga oğrultuculara az gerilimleri ve tam alga oğrultuculara azlar arası gerilimler ile oluşur. Tam algaa çıkış gerilimi eşeğer yarım algaakinin katıır. AC şebekeen çekilen az akımı, yarım alga oğrultuculara DC şekile ve ayrıca kontrollü olanlara gerilime göre geriir. Tam alga oğrultuculara, az akımına DC bileşen yoktur akat harmonikler bulunabilir. Kontrolsüz olanlara az arkı oluşmaz, ancak kontrollü olanlara kontrol açısına bağlı bir az arkı oluşur. AC şebeke açısınan, tam alga oğrultucuların kullanılması, mümkün ise oğrultucunun kontrolsüz olması, mümkün eğil ise kontrol banının olabiliğince sııra yakın olması önerilmekteir. Doğrultuculara çıkış akımı, aima güç elemanlarının iletim yönüne ve tek yönlüür. Gerilim ise, saece tam kontrollü olan oğrultuculara yönlü olup, iğerlerine tek yönlüür. 6

PROF. DR. HAC BODR Çıkış Gerilimi İaeleri Bütün kontrolsüz oğrultuculara, m q s Sin q Bütün yarı kontrollü oğrultucular ile omik yüklü tam kontrollü oğrultuculara, α ( + Cosα ) az için α Cosα 3 az ve 0 α 30 için [ + ( + 30 )] α Cos α 3 az ve 30 α 50 için 3 Akım kaynağı ile yüklü bütün tam kontrollü oğrultuculara, α Cosα Çıkış Gerilimi Değişimleri Çalışma Moları AC şebeke AC şebeke Enerji Enerji DC yük Doğrultucu Mou DC yük İnverter Mou Doğrultuculara çıkış akımı, aima tek yönlüür. Bu yön poziti kabul eilir ve güç elemanlarının iletim yönüür. 7

PROF. DR. HAC BODR Çıkış gerilimi ise, saece omik enükti yüklü tam kontrollü oğrultuculara, poziti ve negati olmak üzere iki yönlü veya iki bölgeli olabilmekteir. Çıkış gerilimi poziti oluğuna, güç poziti olur, enerji akışı AC şebekeen DC yüke oğruur. Bu çalışmaya Doğrultucu Mou enilmekteir. Çıkış geirlimi negati oluğuna ise, enerji akışı DC yükten AC şebekeye oğruur. Bu çalışmaya ise İnverter Mou enilir. Doğrultucu mouna AC gerilim DC ye, inverter mouna ise DC gerilim AC ye önüştürülür. Örnek olarak, oğrultucu mouna AC şebeke gerilimi oğrultularak bir aküyü şarj eer veya DC motoru çalıştırır. İnverter mouna ise, akümülatör veya DC generatör uçlarınaki DC gerilim AC gerilime önüştürülerek, akü veya DC generatörün enerjisi AC şebekeye aktarılır. İki yönlü enerji aktarımı sağlayabilen omik-enükti yüklü tam kontrollü önüştürücülerin çıkış gerilimi iaesi tekrar yazılarak, aşağıaki yorum yapılabilir. q m s α Cosα.. Sin q α 0 için, α m α < / için, α > 0 Doğrultucu Mou α / için, α 0 α > / için, α < 0 İnverter Mou Bu yorumlar, güç elemanları ve evre ieal kabul eilerek yapılmaktaır. Doğal olarak gerçek uygulamalara, gerilim üşümleri ve güç kayıpları oluşur. Akti Güç Dengesi Devre kayıpları ihmal eiliğine, bir oğrultucunun giriş ve çıkışınaki akti güçler birbirine eşit olur. AC şebeke taraınaki akti güç, akımın eekti temel bileşeni ve bu bileşenin kayma aktörü ile hesaplanır. DC tarataki akti güç ise, ortalama gerilim ve akım ile bulunur. Genel olarak omik-enükti yüklü q az sayılı tam alga kontrollü bir oğrultucu için, temel akımın kayma açısı ϕ az kontrol açısı α ya eşit oluğuna göre, güç engesi, P g P ç q Cosα α Cosα şekline, ayrıca şebekeen çekilen reakti güç, Q g q Sinα olarak yazılabilir. Ayrıca, Görünen Güç ve Güç Faktörü iaeleri, S q GF P / S Her zaman geçerliir. 8

PROF. DR. HAC BODR Bir Elemanın Maruz Kalığı Akım ve Gerilim Genel olarak omik-enükti yüklü q az sayılı oğrultuculara, bir güç elemanınan geçen akımın alga şekli ile bu akımın ortalama ve eekti eğerleri aşağıa verilmiştir. Bu akım şekli ve iaeler, yarım ve tam alga ile kontrolsüz ve kontrollü oğrultuculara eğişmez. TAV q TEF q Yarım ve tam alga ile kontrolsüz ve kontrollü bütün oğrultuculara, bir güç elemanı aima azlar arası gerilime maruz kalır. Genel olarak, bir elemanın peryoik poziti ve negati ayanma gerilimi, bu elemanın maruz kalığı maksimum gerilimen büyük olmalıır. DRM, RRM > hm > h > Sin q şeklineir. Bu iae, tek azlı sistemler için, DRM, RRM > azlı sistemler için, DRM, RRM > ve 3 azlı sistemler için, DRM, RRM > 6 olarak üzenlenebilir. Faz gerilimi 0 V olan AC şebekeye bağlı tek azlı oğrultuculara, en az 400 V luk ve aha emniyetli olması açısınan 600 V luk güç elemanları kullanılmaktaır. 3 azlı oğrultuculara ise, en az 600 V luk ve aha emniyetli olması açısınan 800 V luk elemanlar kullanılmaktaır. 9

PROF. DR. HAC BODR KON İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER Problem Faz gerilimi 0 V olan azlı yarım alga kontrolsüz bir oğrultucu ile 0 Ω luk bir yük beslenmekteir. Devre kayıplarını ihmal eerek, a) Çıkış gerilim ve akımını bulunuz. b) Bir iyottan geçen akımın ortalama ve eekti eğerlerini hesaplayınız. c) Eekti az akımını bulunuz. ) Bir iyoun maruz kalığı maksimum gerilimi bulunuz. Çözüm a) Çıkış gerilimi, q s. Sin q 99, 04 V.0. Sin q Çıkış akımı, R 9, 9 99,04 0 A b) Bir iyoun ortalama akımı, DAV DAV.9,9 q 4,95 A Bir iyoun eekti akımı, DEF DEF DEF m 4 m 7,78 A. c) Eekti az akımı, yarım alga oğrultucua bir eleman akımının eekti akımına eşit oluğunan, DEF 0 m m 0 4 Sin ( ωt) ( ωt) + Cos ( ωt) ( ωt) ( ) ( ) ωt Sin ωt m + 0 4 m [ + 0] DEF 7, 78 ) Bir iyoun maruz kalığı maksimum gerilim, bulunur. Dmax Dmax hm 3, V A..0 30

PROF. DR. HAC BODR Problem Faz gerilimi 0 V olan tek azlı tam alga (köprü) kontrolsüz bir oğrultucu ile 0 Ω luk bir alıcı beslenmekteir. Devre kayıplarını ihmal eerek, a) Yükün gerilim ve akımını bulunuz. b) Bir iyoun ortalama eekti akımlarını hesaplayınız. c) Eekti az akımını bulunuz. ) Bir iyoun maruz kalığı maksimum gerilimi bulunuz. Çözüm Tek azlı sistem İki azlı sistem 0 V 0 V q q S s a) Çıkış gerilimi, q s. Sin q 98, V 0..Sin q Çıkış akımı, 98, R 0 9,9 A b) Bir iyoun ortalama akımı, DAV DAV q 4,95 A.9,9 Bir iyoun eekti akımı, DEF 0 m m 0 4 Sin ( ωt) ( ωt) + Cos ( ωt) ( ωt) ( ) ( ) ωt Sin ωt m + 0 DEF DEF DEF 4 m m 4 m 7,78 A c) Eekti az akımı, m A [ + 0].. ) Bir iyoun maruz kalığı maksimum gerilim, bulunur. D max D max hm 3, V..0 3

PROF. DR. HAC BODR Problem 3 Faz gerilimi 0 V olan iki azlı yarım alga kontrollü bir oğrultucu ile 9,9 A lik bir DC motor beslenmekteir. Yük α60 iken besleniğine göre, evrenin kayıpsız oluğunu ve yük akımının sürekli ve üzgün oluğunu kabul eerek, a) Yükün gerilimi bulunuz. b) Bir tristörün ortalama eekti akımlarını hesaplayınız. c) Eekti az akımını bulunuz. ) Şebekeen çekilen akti ve reakti güçler ile güç katsayısını bulunuz. Çözüm a) α60 iken, yük gerilimi, q α Cosα s. Sin Cosα.0. Sin Cos60 q α 49, 5 V b) Bir tristörün ortalama akımı, α an bağımsız olarak, TAV TAV q 4,95 A.9,9 Bir tristörün eekti akımı, TEF TEF TEF q 9,9 7 A c) Eekti az akımı, yarım alga oğrultucua bir elemanan geçen akımının eekti eğerine eşit olacağına göre, TEF 7 A ) Şebekeen çekilen akti güç, P P g q 490, W Cosα P g ç α 49,5.9,9 Şebekeen çekilen görünen güç, S S g g bulunur. q 540 VA Güçkatsayısı, Pg 490, GK S 540 g GK 0,38.0.7 3

PROF. DR. HAC BODR Problem 4 Faz gerilimi 0 V olan tek azlı tam alga (köprü) kontrollü bir oğrultucu ile α45 iken 0 A lik bir alıcı beslenmekteir. Devre kayıplarını ihmal eerek, a) Alıcının besleme gerilimi ile gücünü bulunuz. b) Bir tristörün ortalama ve eekti akımlarını hesaplayınız. c) Şebekeen çekilen eekti az akımını bulunuz. ) Faz akımının eekti temel bileşenini bulunuz. e) Şebekeen çekilen reakti gücü bulunuz. ) Şebekeen çekilen görünen güç ile güç katsayısını bulunuz. Çözüm a) Alıcının besleme gerilimi, q α Cosα s. Sin Cosα.0. Sin Cos45 q α 40, V Alıcının akti gücü, P P ç ç α 40,.0 40 W b) Bir tristörün ortalama akımı, TAV.0 q 5 A TAV Bir tristörün eekti akımı, TEF q TEF TEF.0 7,07 A c) Şebekeen çekilen eekti az akımı, h 0 0 A ) Giriş ve çıkıştaki akti güçlerin eşitliğinen, q Cosα Cosα.0. 9 Cos45 A α 40 e) Şebekeen çekilen reakti güç, Q Q g g q Sinα.0.9. Sin45 40 VAr ) Şebekeen çekilen görünen güç, S S g g q 00 VA Güçkatsayısı, P GK S GK 0,637 bulunur. g g.0.0 40 00 33

PROF. DR. HAC BODR 4. AC-AC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / AC KYCLAR GİRİŞ AC-AC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri Enüstrie çok yaygın olarak kullanılan önüştürücü türüür. Temel Özellikleri g : AC girişteki eekti az gerilimi g : Frekans q g : Faz sayısı ç : AC çıkıştaki eekti az gerilimi, ç (α) çmax : Maksimum AC çıkış gerilimi, α 0 ç çmax g α : Faz Kesme veya Faz Kontrol açısı : Gecikme Açısı veya Tetikleme Gecikmesi 3 : Eekti Faz Gerilimi 3 h : Eekti Fazlar Arası Gerilim m : Faz Gerilimi Maksimum Değeri hm : Hat (Fazlar Arası) Gerilimi Maksimum Değeri AC-AC önüştürücülere, rekans ve az sayısı sabit olmak üzere, eekti çıkış geriliminin kontrolü yapılığına bu önüştürücüye AC Ayarlayıcı veya AC Kıyıcı, saece enerjinin anahtarlanması veya açılıp-kapatılması amaçlanığına ise, evreye AC Şalter enilmekteir. Enüstriyel olarak, AC kıyıcılar ısı ve ışık kontrolü amacıyla aha çok omik yüklere kullanılmaktaır. Kontrol lineer eğilir. Faz Kontrol Yöntemi ile kontrol sağlanır. Çıkış gerilimi sabit rekans altına eekti olarak kontrol eilir. Hem şebeke hem e yük taraına yüksek eğerli harmonikler oluşur. Doğal komütasyonluur. Tristör veya triyaklar ile gerçekleştirilir. Başlıca ygulama Alanları Bütün omik yüklere (ırın, ısıtıcı, lamba gibi) güç kontrolü Vantilatör karakteristikli küçük güçlü AC motorlara (an, pompa, kompresör gibi) hız kontrolü Statik AC regülatörlere gerilim kontrolü Statik AC şalterlere evreyi açma ve kapama Statik reakti güç kompanzasyonu AC-AC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınılanırılması AC-AC önüştürücüler, Kontrol açısınan, a. AC Şalterler b. AC Ayarlayıcılar (Kıyıcılar) Faz sayısına göre, a. Tek Fazlı AC-AC önüştürücüler b. Üç Fazlı AC-AC önüştürücüler 3 azlı yükün bağlantı şekline göre, a. Yükü Y bağlı AC-AC önüştürücüler b. Yükü Δ bağlı AC-AC önüştürücüler şekline sınılanırılmaktaır. 34

PROF. DR. HAC BODR AC Kıyıcıların Temel Kontrol Özellikleri Faz Kontrol Devreleri, temel olarak bir AC gerilimin Sıır Noktaları ile Poziti ve Negati Aralıklarını algılayarak, α kontrol açısı ayarlanabilen Poziti ve Negati olmak üzere sinyal üretir. Faz kesme açısı, α 80 o.(u kont / u tstmax ) şekline hesaplanabilir. Doğrultucu ve AC kıyıcılara, Poziti Sinyal ilgili azın Poziti Elemanına ve Negati Sinyal ilgili azın Negati Elemanına verilir. Örneğin, yukarıaki temel AC kıyıcı evresine, u gerilimini algılayan az kontrol evresi, bu gerilimin + ve - yarı peryotlarına olmak üzere sinyal üretmekte, bu sinyalleren + olanı T ve - olanı T 4 tristörünün tetiklenmesine kullanılmaktaır. AC kıyıcılar, bütün güç elemanlarının sürekli sinyallerle tetiklenmesi veya yine bütün güç elemanlarının aima α 0 olarak tetiklenmesi ile AC Şalterler olarak kullanılmaktaır. Triyak, biliniği gibi ters-paralel bağlı tristöre eşeğerir. Ancak, saece bir soğutucu ile saece bir kapıya sahiptir. AC kıyıcı evrelerine, triyakın gücünün yettiği yere kaar, aynı aza ait ters-paralel bağlı tristör yerine aima bir aet triyak kullanılmaktaır. Böylece, AC kıyıcıların maliyeti üşmekte ve kontrolü kolaylaşmaktaır. Bir aza ait + ve sinyallerin her ikisi e, o aza ait triyakın kapısına uygulanmalıır. Bu urum a, yukarıa verilen triyaklı temel evre şemasına görülmekteir. AC şalterlere, evreye giriş ve çıkışlara, AC şebekeen geçici harmonikler çekilir. Bunu önlemek için Sıır Gerilim Şalteri kullanılır. Sıır Gerilim Şalterleri, aima (+) yarım alganın başına evreye girer ve (-) yarım alganın sonuna evreen çıkar. AC kıyıcılara, kesme açısı α ile güç kontrolü yapılığı sürece, yük omik ahi olsa şebekeen reakti güç çekilir ve aima harmonikler oluşur. Bu mahsuru en aza inirebilmek için, saece omik yüklere Dalga Paketleri Yöntemi ile güç kontrolü yapılır. Bu yönteme, örneğin, AC şebekenin 0 tam peryou bir kontrol peryou olarak seçilir. 0 peryot içerisine yüke uygulanacak olan tam peryot sayısı eğiştirilerek güç kontrolü sağlanır. Örneğin, kontrol oranı 3/0 için, şebekenin 0 peryounan 3 ü yüke uygulanır. Bu yöntem motor kontrolüne kullanılamaz. 35

PROF. DR. HAC BODR TEK FAZL AC KYCLAR Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri Omik Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı Omik-Enükti Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı 36

PROF. DR. HAC BODR Çıkış Gerilimi İaeleri Omik Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı ç m sin ( ωt)( ωt) ç α m α ( cos ( ωt))( ωt) m ( ωt) sin ( ωt) α α + sin α m m ( α + sin α ) ( α + sin α ) m ( α + sin α) ( α + sin α) Çıkış Akım ve Gücü / R ç Pç çç ç / R α 0 için, ç ç max ç ç ç max max / R Pç Pç max ç max ç max ç max / R Omik-Enükti Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı +α ç m sin ( ωt)( ωt) α +α m α ( cos( ωt))( ωt) +α m ( ωt) sin ( ωt) α m + γ α (sin ( + γ) sin α) m ( + γ α + (sin α sin γ) ( + γ α + (sin α sin γ) m ç α + γ α + (sin α sin γ) + γ α + (sin α sin γ) Açıklama Faz kesme kontrolü, tek azlı AC kıyıcılara, az geriliminin sıır noktaları reerans (α0) olmak üzere yapılır. Çıkış gerilimi, tek azlı AC kıyıcılara, az gerilimi ile belirlenir. Omik yükte, genellikle α anına kısa süreli sinyaller ile tetikleme sağlanır. α anına tetiklenerek iletime giren bir tristör, anına akımın sıır olmasıyla kesime girer. Bir elemanın kontrol aralığı 0<α< ve iletim aralığı α<β< şeklineir. Omik-enükti yükte, genellikle α- aralığına uzun süreli sinyaller ile tetikleme sağlanır. α anına tetiklenerek iletime giren bir tristör, +γ anına akımın sıır olmasıyla kesime girer. Bir elemanın kontrol aralığı φ<α< ve iletim aralığı α <β<+γ şeklineir. Her iki yük urumuna a, α açısına bağlı olarak, elemanların iletimine ve çıkış gerilimine boşluklar oluşur. Her iki yük urumuna a, AC şebekeen çekilen akımın DC bileşeni yoktur. Ancak, α açısına bağlı olarak, akıma az arkı ve harmonikler oluşur. Tek azlı AC kıyıcılara, güç elemanları az gerilimine maruz kalır. 37

PROF. DR. HAC BODR 3 FAZL AC KYCLAR 3 Fazlı AC Kıyıcıların Temel Prensipleri 3 Fazlı bir Sisteme Kontrol Aralıkları 3 Fazlı bir Sistemin Vektörel Diyagramı Açıklama Kontrol aralıkları, genellikle az gerilimlerine göre belirlenir. Örneğin,, ve 3 az gerilimlerin poziti aralıkları sırasıyla T, T 3 ve T 5 negati aralıkları ise T 4, T 6 ve T tristörlerinin kontrol aralıkları olarak kullanılabilir. Ancak, az ve azlar arası gerilimler arasınaki ilişkiler ikkate alınarak, kontrol aralıkları az veya azlar arası gerilimlere göre tasarlanabilir., 3 ve 3 azlar arası gerilimleri, sırasıyla, ve 3 az gerilimlerinen 30 o ilerieir. 3, ve 3 azlar arası gerilimleri ise, sırasıyla, ve 3 az gerilimlerinen 30 o gerieir. Çıkış gerilimleri, iletime olan elemanlara göre, az ve/veya azlar arası gerilimler kullanılarak belirlenir. Genellikle omik olan yük, Y veya Δ bağlı olabilmekte ve her ikisine e maliyet ve kontrol kolaylığı açılarınan arklı evre yapıları oluşturulabilmekteir. Güç Elemanları, genellikle azlar arası gerilimlere maruz kalır. 38

PROF. DR. HAC BODR Yükü Y Bağlı 3 Fazlı AC Kıyıcıların Muhteli Devre Şemaları Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Yükün Y bağlı oluğu genel evre şemasıır. Y noktası N ile bağlı eğilir. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Her bir azın negati elemanları olarak iyotlar kullanılmıştır. Fazlar arası geçmek zoruna olan akımlar ancak tristörler üzerinen evreyi tamamlayabileceğinen, aynı kontrol sağlanır. Buraa amaç, maliyetin azaltılmasıır. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Y noktası N ile bağlıır. Her bir az kolu, bağımsız olarak tek azlı bir AC kıyıcı gibi çalışır. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar az gerilimlerine maruz kalır. Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Herhangi bir azın elemanları olarak iyotlar kullanılmıştır. Fazlar arası geçmek zoruna olan akımlar ancak tristörler üzerinen evreyi tamamlayabileceğinen, aynı kontrol sağlanır. Buraa a amaç, maliyetin azaltılmasıır. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. 39

PROF. DR. HAC BODR Yükü Δ Bağlı 3 Fazlı AC Kıyıcıların Muhteli Devre Şemaları Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Yükün Δ bağlı oluğu genel evre şemasıır. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Her bir azın negati elemanları olarak iyotlar kullanılmıştır. Fazlar arası geçmek zoruna olan akımlar, ancak tristörler üzerinen evreyi tamamlayabileceğinen, aynı kontrol sağlanır. Buraa amaç, maliyetin azaltılmasıır. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. Güç elemanları Δ yükün azlarına seri bağlıır. Her bir az kolu, azlar arası gerilim ile akat bağımsız olarak tek azlı bir AC kıyıcı gibi çalışır. Kontrol azlar arası gerilimlere göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. Güç elemanları AC şebeke az girişlerine bağlıır. Herhangi bir azın elemanları olarak iyotlar kullanılmıştır. Fazlar arası geçmek zoruna olan akımlar, ancak tristörler üzerinen evreyi tamamlayabileceğinen, aynı kontrol sağlanır. Buraa a amaç, maliyetin azaltılmasıır. Kontrol az gerilimlerine göre yapılır. Elemanlar azlar arası gerilimlere maruz kalır. 40

PROF. DR. HAC BODR GENELLEŞTİRİLMİŞ İNCELEMELER Akti Güç Dengesi Devre kayıpları ihmal eiliğine, bir AC kıyıcının giriş ve çıkışınaki akti güçler birbirine eşit olur. AC şebeke taraınaki akti güç, akımın eekti temel bileşeni ve bu bileşenin kayma aktörü ile hesaplanır. AC çıkıştaki akti güç ise, yükün omik olması urumuna, eekti çıkış gerilimi ve yükün irenci ile bulunabilir. Bu uruma, güç engesi, P g P ç q Cos φ q ( ç /R) şekline iae eilebilir. Bir Elemanın Maruz Kalığı Akım ve Gerilim AC şalter veya ayarlayıcılara az başına öncelikle bir aet triyak veya ters-paralel bağlı aet tristör kullanılmaktaır. Kontrollü veya kontrolsüz hat akımının tamamı bir triyaktan veya yarım algası bir tristören geçer. Kontrolsüz akım, kontrollü akımın α 0 olan özel bir urumuur. Tam alga urumuna, Bir triyaktan geçen oğrultulmuş ortalama ve eekti akımlar, α TAV m sin( ωt)( ωt) m cos( ωt) α m ( + cosα) TAV max ( + cosα) α 0 için, TAV max TEF m sin ( ωt)( ωt) α α m ( cos ( ωt))( ωt) ( ωt) sin ( ωt) m ( α + sin α ) TEF max TEF max ( α + sin α) α 0 için, TEF max TEF max α 4 Yarım alga urumuna, Bir tristören geçen ortalama ve eekti akımlar, TAV max ( + cosα) ( α + sin α ) TEF max TEF max ( α + sin α) α 0 için, TAV max TEF max TEF max şekline hesaplanır.

PROF. DR. HAC BODR Güç elemanları, tek azlı ve saece Y noktası N ile bağlı olan 3 azlı AC kıyıcılara, az gerilimlerine maruz kalır ve DRM, RRM > şekline, iğer bütün 3 azlı AC kıyıcılara azlar arası gerilimlere maruz kalır ve DRM, RRM > 6 şekline seçilir. KON İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER Problem, kw lık tek azlı bir ısıtıcı triyaklı bir AC şalter üzerinen beslenmekteir. AC şebekenin az gerilimi 0 V oluğuna göre, evre kayıplarını ihmal eerek, a) AC şebeken çekilen az akımını bulunuz. b) Triyakın ortalama ve eekti akımlarını hesaplayınız. c) Triyakın maruz kalığı maksimum gerilimi bulunuz. Çözüm a) AC şebeken çekilen az akımı, P q... cosϕ,.0 3.0. 0 A. b) Triyakın oğrultulmuş ortalama ve eekti akımları, TAV....0 TAV 9 A TEF TEF 0 A c) Triyakın maruz kalığı maksimum gerilim, T max T max..0 3, V bulunur. 4

PROF. DR. HAC BODR Problem Güç katsayısı 0,75 olan 00 kw lık bir 3 azlı yük, tristörlü bir AC şalter üzerinen beslenmekteir. AC şebekenin az gerilimi 0 V oluğuna göre, evre kayıplarını ihmal eerek, a) AC şebeken çekilen az akımını bulunuz. b) Bir tristörün ortalama ve eekti akımlarını hesaplayınız. c) Bir tristörün maruz kalığı maksimum gerilimi bulunuz. Çözüm a) AC şebeken çekilen az akımı, P q... cosϕ 3 00.0 3.0..0,75 0 A b) Bir tristörün ortalama ve eekti akımları, TAV....0 TAV 90,93 A TEF..0 TEF 4,8 A c) Bir tristörün maruz kalığı maksimum gerilim, T max 6. 6.0 538,9 V T max bulunur. Problem 3 33 kw lık 3 azlı bir ısıtıcı triyaklı bir AC şalter üzerinen beslenmekteir. AC şebekenin az gerilimi 0 V oluğuna göre, evre kayıplarını ihmal eerek, a) AC şebeken çekilen az akımını bulunuz. b) Bir triyakın ortalama ve eekti akımlarını hesaplayınız. Çözüm a) AC şebeken çekilen az akımı, P q... cosϕ 3 33.0 3.0.. 50 A b) Bir triyakın ortalama ve eekti akımları, TAV....50 TAV 45,0 A TEF TEF 50 bulunur. A 43

PROF. DR. HAC BODR Problem 4 kw lık tek azlı bir ırın tristörlü bir AC kıyıcı ile kontrol eilmekteir. AC şebekenin az gerilimi 0 V oluğuna göre, evre kayıplarını ihmal eerek, a) AC şebeken çekilen maksimum az akımını bulunuz. b) Tristörün maksimum ortalama ve eekti akımlarını hesaplayınız. c) α90 için, ırının gerilim ve gücünü bulunuz. ) α90 için, tristörün ortalama ve eekti akımlarını hesaplayınız. Çözüm a) AC şebeken çekilen maksimum az akımı, P max q... cosϕ max.0 3.0. max. max 50 A b) Tristörün maksimum ortalama ve eekti akımları, TAV max TAV max....50,5 A max TEF max. max. 50 35,36 A TEF max c) α90 için, ırının gerilim ve gücü, ç ( α + sin α) 0 ( + sin ) 0 ç V P q.r. çmax 3.0 max.r.(50) 3.0 R (50) 0 R Ω 50 P ç ç R 0 50 0 P ç 5,5 kw ) α90 için, tristörün ortalama ve eekti akımları, TAV max ( + cosα).50.( + cos90 ) TAV,5 A TEF max ( α + sin α).50. ( + sin( )) TEF 5 A 44