KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Güç Elektroniği Uygulamaları ÜÇ FAZLI KONTROLLÜ DOĞRULTUCU VE DİMMER DEVRE UYGULAMASI 1. DENEYİN AMACI Bu deneyin amacı, üç fazlı tristörlü doğrultucu ve dimmer devresinin çalışmalarını ve davranışlarını incelemektir. Bu deneyde, üç fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu omik ve indüktif yükler altında incelenecektir. Ayrıca dimmer devresinin yapısı ve çalışması incelenecektir. 2. TEORİ Endüstriyel uygulamalarda her ne kadar maliyet açısından diyotlu doğrultucular tercih edilse de, uygulamada sabit değil de ayarlanabilir bir gerilime ihtiyaç duyuyorsa bu durumda diyotlu doğrultucuları kullanamayız. Bu tip uygulamalarda diyotların yerini faz kontrollü tristörler alır. Tristörün çıkış gerilimi, tristörün gecikme ya da ateşleme açısı değiştirilerek kontrol edilebilir. Tristör, kapı terminaline uygulanan bir akım darbesiyle iletime sokulur ve ancak üzerindeki gerilim negatifken, akım da belli bir değerin altına düşerse kapanır. AC sistemlerde gerilim ve akım doğal olarak negatife inerler ancak DC sistemlerde böyle bir durum söz konusu olmadığı için bu sistemlerde tristör kullanılamaz. Faz kontrollü sistemler basit, verimli ve nispeten ucuz oldukları için endüstriyel uygulamalarda, özellikle ayarlanabilir hızlı sürücü sistemlerinde birkaç kw den MW seviyelerine kadar geniş bir aralıkta yaygın olarak kullanılırlar. Deneyin bu bölümünde tristörlü doğrultuculardan üç faz yarım dalga doğrultucu incelenecektir. 1.1. Üç Faz Yarım Dalga Tristörlü Doğrultucu Üç faz yarım dalga doğrultucu, yüke daha yüksek bir ortalama gerilim sağlar ve gerilimin frekansı daha yüksek olduğu için filtrelenmesi daha kolaydır. Bu sebeple endüstride yaygın olarak kullanılan bir doğrultucu türüdür. Üç faz doğrultucu, kontrol prensibi fazlar arası gerilimin sıfır olduğu noktaya göredir. Fazlar kendi içlerinde π/6 noktasında kesiştikleri için şekil 1 da görülen resme göre T1 wt = π/6 + α anında tetiklenir. Her bir tristör 120 derece iletimde kalır yani T2 wt = 5π/6 + α, T3 de wt = 3π/2 + α anında ateşlenir. Şekil 1. Üç faz yarım dalga tristörlü doğrultucu
Şekil 2. İndüktif yük ile üç faz yarım dalga doğrultucu için giriş ve çıkış dalga şekilleri Şekil 2 de ki dalga şekilleri α = 60 için alınmıştır ve yük yeterince indüktif olduğu için akım süreklidir. Eğer yük omik ise, α > π/6 için akım süreksiz olacaktır. Sürekli akım durumunda da, gerilimin negatife inme durumu gerçekleşecektir. Bu durumda, bu doğrultucu türünde de boşta çalışma diyodu (FWD) kullanılabilir. İndüktif yüklü, boşta çalışma diyotlu bir üç faz yarım dalga tristörlü doğrultucunun yük akım ve gerilimi dalga şekilleriyle birlikte, anahtarların iletim periyotları şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 3. Üç faz kontrollü yarım dalga doğrultucu için tristör iletim periyotları Maksimum ortalama gerilim α= 0 için yani her bir tristör, fazların wt = π/6 anında ateşlendiğine gerçekleşir. Akımın sürekli olduğu durumlar için ortalama ve etkin gerilim değerleri aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir. V ort = 3 3V m 2π 2.4. Dimmer Devre Uygulaması (cosα), V rms = 3V m [ 1 6 + 3 0.5 cos 2α] 8π Dimmer devreler genellikle aydınlatma sistemlerinde parlaklık ayarlamak için kullanılan cihazlardır. Bu devreler; ısıtıcılar, üniversal motorlar gibi çok çeşitli yerlerde kullanılsalar da dimmer terimi genellikle aydınlatma kontrol devreleri için kullanılır. Dimmer, aydınlatma sistemlerine uygulanan gerilimin dalga formunu değiştirerek ışığın parlaklığının ayarlanmasını sağlarlar. Dimmer, istenilen miktarda enerjinin yük üzerine aktarılıp, geri kalan kısımlarındaki saf dışı bırakarak aydınlatma sisteminin güvenli çalışmasını sağlar. Diyak ve triyak bu devrelerde yaygın şekilde kullanılan devre elemanlarıdır. Esas itibari ile alternatif akım diyodudur. Ancak belli bir gerilime kadar (kırılma gerilimi) her iki yönde de yalıtkan olan eleman malzeme bu gerilim değerinden sonra her iki yönde de iletkendir. Farklı tip diyakların kırılma gerilimlerinin genlikleri birbirinden farklıdır. Piyasadaki diyakların kırılma gerilimleri 28 voltla 42 volt arasındadır. Diyakın çalışması örnek olarak 33 V. kırılma gerilimi için şöyle 2
açıklanabilir: Birbirine ters yönde seri bağlanmış iki adet 33 voltluk zener diyoda eşdeğer bir elemandır. 33 volta kadar üzerinden akım geçirmez. Uçlarındaki gerilim 33 voltun üzerine çıktığında iletken olur. Diyaklar bu özelliklerinden dolayı triyak ve tristörlerin tetiklenmesinde bu elemanların geytlerine seri olarak bağlanır. Diyağın kırılma gerilimine dayanılarak tristör veya triyağın tetikleme zamanı belirlenir. Triyak AC da çalışan her iki alternansta yük kontrolü yapabilen yarı iletken anahtardır. Triyak AC da çalışırken bir alternansta bir tristör, diğer alternansta diğer tristör çalışır ve tam dalga yük kontrolü yapılmış olur. Şekil 4. Dimmer devre modeli Dimmer devresi faz açısını ayarlayan bir devre olup, deney devremizde 55V AC gerilim ve 50 Hz lik şebeke frekansında çalışmaktadır. Devre faz açısını P potansiyometresi vasıtası ile yapmaktadır. Triyağın iletkenliği dolayısı ile yükte harcanan güç gate ucuna uygulanan pals sinyalleri ile kontrol edilir. Bunun nasıl gerçekleştiği dalga şekillerinden daha iyi açıklanabilir. Şekil 5. Dimmer devre gerilim dalga şekilleri Gate ucuna hiçbir gerilim uygulanmazsa triyak her iki alternansta da yalıtkandır. Gerilimin hemen hemen hepsi triyak uçlarına düşer ve enerji yüklenmez. Yükün enerjilenme zaman aralıkları, tetikleme palslarının zaman aralıkları tayin eder. Şekildeki B sinyali gate ucuna uygulanırsa triyak uçlarındaki D sinyali (taralı kısımlar) ve yük uçlarında C sinyali (taralı kısımlar) meydana gelir. Bundan çıkan sonuç her iki alternansta da gate akımı akıncaya kadar yük kontrolü yapılmaz. Gate akımının başladığı alternanslarda triyak iletken olur. Bu iletkenlik o alternansların bitimine kadar devam eder. 3
AC de çalışan triyaklar her zaman pals jeneratörlerinin ürettiği gerilimlerle faz farklı olarak ateşlenerek çalıştırılır. Bunun yanında, triyak daha basit ve pratik bir yöntem olarak gate ucu geriliminin ayarlı bir faz geciktirici üzerinden uygulanması ile de çalıştırılır. Bu sözü edilen ayarlı faz geciktirici RC zaman geciktirme devresidir. A2 anodundan aldığı AC gerilimin fazını, genelde potansiyometre sayesinde 0 o ile 180 o arasında ayarlanarak gate ucuna uygulanmasını sağlar. Bu çeşit devrelerde RC zaman geciktirme devresi yanında bir de tetikleme elemanına ihtiyaç duyulur. Bu tetikleme elemanı SUS, SBS, DİYAK vb. olabilir. Bir faz geciktirme devresinin hesabı şöyle yapılır; 1. Yükün çalıştığı gerilimin frekansına göre alternans süresi hesaplanır. 2. Bir alternans 180 o olduğuna göre 10 luk süre hesaplanır. 3. 10 luk süre bilindiğine göre kaç derecelik faz gecikmesi yapacaksa ikisinin çarpımı faz geciktirmesi süresini verir. Örnek olarak devredeki yükün 600 gecikmeli olarak çalıştırılması istenmektedir. U=220V AC 50Hz olduğuna göre faz geciktirme süresi; 1. Bir alternansın süresi = 1 sn / 50 * 2 (alternans) = 1/100 = 10 ms 2. 10 ms lik süre = 10 / 180 0 =55,5 s 3. 600 lük faz gecikmesi = 10 luk zaman gecikmesi * 60 = 55,5 * 60 = 3330 s Seçilen faz gecikmesi için kullanılacak R ve C değerlerinden biri sabit seçilerek hesaplanır. Şekil 4. deki devreye enerji verildiğinde T= R*C eşitliğinden kondansatörün şarj ve deşarj süreleri P ve R1 dirençleri vasıtasıyla belirlenir. Bu süre triyağın tetiklenme açısını belirler. Fakat bu açı 90 o yi geçemez. Bunun için C2 kondansatörü tetikleme açısını geciktirmek için devreye konmuştur. Fakat yinede 180 o ye ulaşamaz. Bunun için devreye bir de diyak eklenmiştir. Böylece, triyak yaklaşık 0 o ile 180 o arasında tetiklenmiş olur. P potansiyometresinin ayarı değiştirildiğinde bu tetikleme açısı ayarlanmış olur. Triyağın iletken olabilmesi için, C2 uçlarındaki şarj geriliminin diyağı ateşleme gerilimine ulaşması gerekir. Diyağın ateşleme gerilimi, bu devrede 29V tur. Girişe uygulanan şebeke geriliminin başlangıçtan 0.01 s den kısa bir sürede, diyağın ateşleme gerilimi C2 uçlarında oluşmaktadır. Çünkü şebeke frekansı her 0.01 s de (+) ve (-) olarak yön değiştirir. Eğer, zaman sabitesi T=PxC2, 0.01 s den büyük seçilirse, C2 şarjı 29 Volta ulaşamaz ve diyak ateşlenemez. Dolayısıyla, triyak iletime geçemeyeceğinden yük üzerinden akım geçmez. Potansiyometrenin direnç değeri azaltıldığında, bu kez C2 nin şarj gerilimi alternasların hemen başında diyağın ateşleme gerilimine ulaşır ve triyak alternasların başında iletime geçer. Gerilimin büyük bir kısmı yük, az bir kısmı da triyak üzerine düşer. Potansiyometrenin direnç değeri arttırıldığında, bu kez C2 nin şarj gerilimi alternansların sonlarına doğru diyağın ateşleme gerilimine ulaşır ve triyak alternasların sonlarına doğru iletime geçer. Gerilimin büyük bir kısmı triyak, az bir kısmı da yük üzerine düşer. 4
2. DENEYLER 2.1. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu 2.1.1. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yük) Bu doğrultucularda da daha öncekilerde olduğu gibi tristörün ateşleme açısı değiştirilerek çıkış gerilimi ayarlanabilir. Şekil 23 de ki devre kurulup çalıştırılarak istenilen çizim ve ölçümleri not ediniz. Not: Ateşleme açısı 0-180 arasında alınabilir. Ancak üç fazlı devrelerde ateşleme açısı için referans, genel olarak bir tek fazın değil de, fazlar arası gerilimlerin 0 volt olduğu noktaya göre alınır. Yani ilk fazın tristörü α+30, ikinci fazın tristörü α+30 + 120, üçüncü fazın tristörü α+30 + 240 sırasıyla ateşlenir. ( Fazların kendi aralarındaki açılarının da bu şekilde sıralandığı varsayılmıştır. Eğer faz sırası farklı ise, ateşleme sırası da ona göre değişmelidir. ) Şekil 6. Deney bağlantı şemaları 5
(a) Çıkış gerilimi ve akımı (α=0 ) (b) Çıkış gerilimi ve akımı (α=60 ) (c) Çıkış gerilimi ve akımı (α=90 ) Şekil 7. Omik yüklü üç faz yarım dalga kontrollü doğrultucu için çeşitli tetikleme açılarında çıkış dalga şekilleri Tablo 1. Omik yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları 100 Ω Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o α = 0 α=60 α=90 2.1.2. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük) Şekilde görülen devreyi kurunuz. Gerekli ölçümleri alınız. 6
Şekil 8. Deney bağlantı şemaları (a) Çıkış gerilimi ve akımı (α=60 ) (b) Çıkış gerilimi ve akımı (α=90 ) Şekil 10. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri Tablo 2. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları 200 Ω, 100 mh Maksimum V o Ortalama V o Ortalama I o RMS I o α=60 α=90 7
2.2. Dimmer Devre Uygulaması Şekilde görülen devreyi kurunuz. Şekil 10. Deney bağlantı şemaları 1- Devreye Osiloskobu şekildeki gibi bağlayıp, enerji veriniz. (R=100 ) 2- Osiloskop pozisyonları: Probe= measurement unıt x0,1 Volt/Div=5V, Time/Div=5mS 3- S anahtarlarını= OFF konumunda iken devre elemanları normal çalışıyor, aşağı konuma alınca kısa devre olur ve kontrol yapmaz. 4- Anahtarların yukarı pozisyonları OFF durumudur. Bunu göz önüne alarak S2 ve S3 anahtarlarını ON yapınız. C1 ve C2 devreden çıkmıştır. S2 yi tekrar yukarı konuma alarak devreye sokunuz. Potansiyometreyi tetiklemeyi başlatacak pozisyona kadar çeviriniz ve tetikleme başladığı anı osiloskoptan inceleyiniz. Osiloskop ekranındaki görüntüyü açıklayınız. 8
(a) Potansiyometre maksimum konumda iken (b) Potansiyometre minimum konumda iken Şekil 11. Potansiyometrenin konumuna göre dalga şekilleri 5- S2 anahtarını aşağı konuma OFF, S3 anahtarını yukarı konuma ON yapınız. Yukardaki işlem basamaklarını tekrarlayınız. Osiloskop ekranındaki görüntüyü açıklayınız. (a) Potansiyometre maksimum konumda iken (b) Potansiyometre minimum konumda iken Şekil 12. Potansiyometrenin konumuna göre dalga şekilleri 6- Her iki anahtarı da ON yapınız, daha sonra her ikisini de OFF yapınız. Durumu açıklayınız. 9
7- S2 ve S3 anahtarı ON durumunda iken S1 anahtarını ON yapınız. Durumu açıklayınız. Şekil 12. Potansiyometrenin konumuna göre dalga şekilleri 8- S4 anahtarını OFF ve ON yapınız. Durumu açıklayınız. (a) Potansiyometre maksimum konumda iken (b) Potansiyometre minimum konumda iken Şekil 12. Potansiyometrenin konumuna göre dalga şekilleri 9- S5 anahtarını OFF ve ON yapınız. Durumu açıklayınız. Şekil 12. Potansiyometrenin konumuna göre dalga şekilleri 10