Güç Elektroniği - Bölüm 2 PDF

GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer BÖLÜM 2 2. DOĞRULTUCU DEVRELERİ 2.1 Bir Fazlı Kontrolsüz Doğrultucu Devreleri 2.1.1 Kullanım Amaçları Pek çok güç elektroniği uygulamasında, gi...

GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer BÖLÜM 2 2. DOĞRULTUCU DEVRELERİ 2.1 Bir Fazlı Kontrolsüz Doğrultucu Devreleri 2.1.1 Kullanım Amaçları Pek çok güç elektroniği uygulamasında, giriş gücü şebekeden alınan 50-60 Hz’lik AC güç şeklindedir ve uygulamada DC’ye çevrilir. Endüstride kontrollü gerilim ya da güç aktarımı gerekmeyen uygulamalarda maliyet açısından genel eğilim diyotlu doğrultucular kullanmak yönündedir. Diyotlu doğrultucularda güç akışı, şebekeden yüke doğru olup sadece tek yönlüdür. DC güç kaynağı, AC motor sürücüleri ve daha pek çok alanda diyotlu doğrultucular tercih edilmektedir. Diyotlu doğrultucular, gerilimi şebekeden doğrulttukları için üzerlerinde, doğrultucunun türüne göre şebekenin harmoniklerinin frekansında gerilim salınımları olur. Bunları azaltmak için çıkışa yükten önce bir kapasitör eklenir. Kapasitör ne kadar büyük olursa çıkış gerilimindeki salınımlar da o kadar az olacaktır. Diyotlu doğrultucuların kötü özelliklerinden bir tanesi ise şebekeden oldukça yüksek distorsiyonlu akım çekmeleridir. Bu da harmonik standartlarıyla sınırlandırıldığı için her durumda diyotlu doğrultucular kullanılamayabilir. Bunların yerine kontrollü doğrultucular kullanılarak çeşitli denetim stratejileriyle birlikte akım sinüse benzetilir. 2.1.2 Doğrultma ve Filtre Devreleri Doğrultma devreleri AC gerilimi DC gerilime çevirmektedir. Doğrultma devreleri aşağıdaki gruplara ayrılır: 1. Yarım dalga doğrultma devresi 2. Tam dalga doğrultma devresi a) İki diyotlu tam dalga doğrultma devresi. b) Dört diyotlu (köprü) tam dalga doğrultma devresi. 2.1.3 Yarım Dalga Doğrultucu Devreler Yarım dalga doğrultma devresinde Şekil 2.1 (a) 'da görüldüğü gibi yalnızca bir diyot kullanılır. AC gerilimin bir alternansının devre tamamlayıp, diğer alternansının devre tamamlaması haline yarım dalga doğrultma adı verilir. Devrenin Çalışması:  Transformatör primer sargısına 220 Volt şehir gerilimi uygulanırsa sekonderinde Şekil 2.1(b) 'deki gibi bir AC gerilim oluşacaktır.  Transformatör sekonder geriliminin pozitif alternansında (yarı periyodunda), şekilde işaretlenmiş olduğu gibi, sargının üst ucu pozitif (+) olsun, 27  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer  Bu durum da, diyot doğru polarmalı olacağından, iletime geçer.  Şekil 2.1 (d) 'de görüldüğü gibi devreden darbeli bir akım akar.  Böylece transformatör sekonderinde üretilen AC gerilimin bir alternansı R L yüküne uygulanmış olur.  Diğer alternansta ise, transformatörün üst ucu "-" olacağından diyoda ters polarma uygulanacak ve diyot iletime geçmeyeceğinden devreden akım akmayacaktır. Şekil 2.1(c) ve (d).  Sonuçta RL yük direncinden, Şekil 2.1 (d) 'de belirtilmiş olduğu gibi hep aynı yönde fakat darbeli bir DC akım akmaktadır.  Akım pozitif (+) uçtan, negatif (-) uca doğru aktığı prensibine uygun olarak, R L üzerinde de akım yönünü belirten (+) ve (-) işaretleri konmuştur. Şekil 2.1(a) NOT: Burada şu hususa dikkat etmek gerekiyor: Şekil 2.1(a) transformatör sekonderinin bir ucu "+" diğer ucu "-" olarak gösterilmiştir. Aslında, transformatör sargısının bir ucu (+) iken diğer ucundaki gerilim Sıfırdır (0) Neden "+" ve "-" konuyor? Akım "+" dan "-" ye doğru akar, tanımı yerleşmiş olduğundan, bir benzetme olarak transformatör uçları da "+" ve "-" olarak işaretlenmektedir. a) b) 28  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer c) d) Şekil 2.1 Yarım dalga doğrultma devresi a) Devrenin kuruluşu b) Transformatör sekonder gerilimi c) RL yük direnci üzerindeki gerilim d) RL yük direnci üzerinden akan akım 2.1.4 Yarım Dalga Doğrultma Devresindeki Gerilim ve Akım Bağıntıları Şekil 2.1 'den takip edilirse: Bilindiği gibi, şehir gerilimi, Şekil 2.1(b) 'deki gibi alternatif bir gerilimdir. AC bir voltmetre ile ölçüldüğünde 220V ölçülür. Bu değer şehir geriliminin efektif değeridir. Normal ölçü aletleri efektif değer ölçer. AC gerilimin efektif değeri ile tepe (pik) değeri arasında şu bağıntı vardır: Vef = 0,707*Vm Vm = (1 / 0,707)*Vef veya Vm = 1,41*Vef Bu bağıntıya göre şehir geriliminin tepe değeri: VŞm = 220*1,41 = 285,7 Volt 'tur. Transformatör sekonderinde ölçülecek gerilim de yine efektif değerdir. Şekil 2.1 (a) 'da bu değer: Vef = 12V olarak gösterilmiştir. R direnci uçları arasına bağlanan DC voltmetre ortalama değer ölçer. Buna "yük ortalama gerilimi (VLor)" diyelim: VLor = 0,45 VTef = 0,318VTm 'dir. 29  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Aslında, VLor değeri 0,45VTef değerinden biraz küçüktür. Çünkü diyot üzerinde de biraz gerilim düşümü olmaktadır. Ama bu, küçük değerli bir gerilim olduğundan ihmal edilebilmektedir. VLor gerilimi ve RL yük direncine bağlı olarak, yükten, ILor gibi bir yük ortalama akımı akar. Bu akımın değerini, seri bağlanan bir DC ampermetreden okumak mümkündür. Yük ortalama akımı: ILor = VLor/RL 'dir. Dikkat edilmesi gereken şu iki noktaya dikkat edilmelidir: 1. Diyotun dayanabileceği ters yön gerilimi 2. Diyottan geçirilebilecek olan doğru yön akımı Örnek olarak, doğrultucularda en çok kullanılan 1N4001 diyotunu alalım. Bu diyotun ters yön gerilimi: 50V 'tur. Geçirilebileceği maksimum doğru yön akımı: 1000mA 'dir. 1N4001 diyotunun ters yön gerilimi, devrede iletimin olmadığı durumda diyota gelen 12 VTsef gerilimine göre çok toleranslıdır. Doğru yön akımı da öyledir. Bu duruma daha küçük değerli bir diyotta seçilebilecektir. Seçimde çok kesin sınırlar yoktur. Tepe değerinin 2 - 2,5 katı değerlere sahip bir diyot yeterli olabilir. Seçim için katalog değerlerinden yararlanılır. 1N 4001 1N 4002 1N 4003 1N 4004 Dayanma gerilimi (V) 50 100 150 200 Dayanma akımı (A) 1 1 1 1 2.1.5 Yarım Dalga Doğrultma Devresindeki Çıkış Geriliminin Hesaplanması Tek fazlı yarım dalga doğrultucunun çıkış gerilimin tepe değeri, diyot üzerindeki gerilim düşümü ihmal edilirse yaklaşık olarak giriş işaretininkiyle aynıdır. Bu dalga şeklinin ortalama ve etkin değerleri integral alınarak hesaplanabilir. Aşağıda yarım dalga doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri ve nasıl hesaplandığı verilmiştir. ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) | ( )| [ ( )] [ ] 30  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer √[ ∫ ( ) ( )] olur. Örnek: 220V-50Hz şebekede çalışan yarım dalga kontrolsüz doğrultucu, a) 10Ω’luk rezistif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini, b) 10Ω’luk endüktif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini hesaplayınız. Çözüm: a) Rezistif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, Vort= 0,318.Vm Vm= Vrms.√2= 220.√2= 311V Vort= 0,318.311= 98,89V olur. Rezistif yükte çıkış akımının ortalama değeri, Iort= 0,318.Im Im= Vm/ R= 311 / 10= 31,1A Iort= 0,318.31,1= 9,88A Rezistif yükte ortalama çıkış gücü, Port= Iort.Vort Port= 9,88.98,89= 977W Rezistif yükte kaynak akımının etkin değeri, IS(rms)= 0,5.Im IS(rms)= 0,5.31,1= 15,55A Rezistif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms).VS(rms) PS(rms) = 15,55.220= 3,42 kW Rezistif yükte anahtar (diyot) gerilimi, VD ≥ Vm+ (%30.Vm ) VD ≥ 311. 1,3 ≥ 400V Rezistif yükte anahtar (diyot) akımı, ID ≥ Im+ (%30.Im) ID ≥ 31,1. 1,3 ≥ 40A b) Çok endüktif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, Vort= 0,318.Vm 31  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Vm = Vrms*√ = 220* √ = 311V Vort = 0,318*311= 98,89V Çıkış akımının ortalama değeri, Iort = Im = Vm / R= 311/ 10= 31,1A Ortalama çıkış gücü, Port= Iort*Vort Port= 31,1*98,89= 3,07kW Kaynak akımının etkin değeri, IS(rms) = √ * Im IS(rms) = √ * 31,1= 21,77A Çok endüktif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms) *VS(rms) PS(rms) = 21,77*220= 4,78kW Çok endüktif yükte anahtar (diyot) gerilimi, VD ≥ Vm + (%30*Vm ) VD ≥ 311* 1,3 ≥ 400V Çok endüktif yükte anahtar (diyot) akımı, ID ≥ Im + (%30*Im) ID ≥ 31,1* 1,3 ≥ 40A 2.2 Tam Dalga Doğrultucu Devreleri 2.2.1 Tam Dalga Doğrultma Devresi Tam dalga doğrultmada, AC gerilimin iki alternansı da aynı yönde yük direncine uygulanmaktadır. Yani iki alternansta da çıkış devresinden akım akmaktadır. Bu işlem şu iki yöntemle gerçekleştirilir: 1. İki diyotlu tam dalga doğrultma. 2. Köprü tipi tam dalga doğrultma. 2.2.2 İki Diyotlu Tam Dalga Doğrultma İki diyotlu tam dalga doğrultma devresinde, Şekil 2.2 'da görüldüğü gibi transformatörün sekonder sargısı ortasından dönüş için bir uç daha alınmaktadır. 32  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer a) b) c) Şekil 2.2 İki diyotlu tam dalga doğrultucu Bu devre kuruluşunda alternansının birinde bir diyot, diğerinde ise diğer diyot iletime geçmektedir. Böylece yük direncine Şekil 2.2 (a) 'da görüldüğü gibi her iki alternansın da gerilimi uygulanmış olmaktadır. Dolayısıyla, yük direnci üzerinde sürekli akım vardır. Şekil 2.2 (b) 'de görüldüğü gibi, birinci alternansta D1 diyotu iletime geçerek devreyi tamamlamakta, ikinci alternans ta ise, Şekil 2.2 (c) 'de görüldüğü gibi D2 iletime geçmektedir. Böylece RL yük direncinden hep aynı yönde (+ 'dan - 'ye doğru) bir DC akımı akmaktadır. Buradaki "-" gerilim aslında, yukarıda açıklandığı gibi sıfır değerindedir. 2.2.3 Gerilim ve akım bağıntıları İki diyotlu tam dalga doğrultmaktaki, gerilim ve akım bağıntıları, yarım dalga doğrultmadakinin benzeridir. Tek fark DC geriliminin değerindedir. Burada da DC voltmetre aşağıda verilen ortalama değeri ölçer: DC gerilim: VLor = 0,9VTef = 0,637VTm, ve DC akım: ILor = VLor/RL 'dir. 33  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer İki diyotlu tam dalga doğrultucunun önemli bir dezavantajı vardır; Her alternans ta transformatör sekonderinin bir yarısından yararlanılmaktadır. Bu durum da transformatörün boyutları büyüdüğünden maliyeti artmakta, çok yer kaplamakta ve çok ısınmaktadır. 2.2.4 Köprü Tipi Tam Dalga Doğrultma Köprü tipi veya dört diyotlu tam dalga doğrultmalarda, Şekil 2.3 'da görüldüğü gibi köprü şeklinde kurulmuş dört diyottan yararlanılmaktadır. Bu tür doğrultucularda AC gerilim transformatör sekonderinin iki ucundan alınmaktadır. Devre, bir alternansta, D1, RL ve D2 üzerinden, diğer alternansta ise, D3, RL, D4 üzerinden tamamlanmaktadır. Böylece RL yük direncinden her iki alternansta da aynı yönde (+ 'dan - 'ye doğru) akım akmaktadır. Bu akım Şekil 2.3(a) 'da görüldüğü gibi darbeli bir akımdır. RL üzerindeki VL gerilim düşümü ve IL yük akımı, iki diyotlu doğrultuculardaki gibidir. Köprü diyotlara ait bilgiler genellikle üzerinde yazar. Örneğin: BC0C1500 yazan bir köprü diyot 40V, 1500mA 'lik doğrultucu demektir. Çoğunlukla da gerilim ve akımları üzerine doğrudan yazılır. 2.2.5 Köprü tipi doğrultucuların avantajları 1. İki diyotlu tam dalga doğrultuculara göre daha küçük transformatör kullanılabileceğinden, maliyet, yer, ısınma bakımından avantaj sağlanır. 2. Dört diyot bir gövde üzerinde hazırlandığından montaj kolaylığı olmalıdır. a) b) 34  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer c) d) Şekil 2.3 Köprü tipi doğrultucu 2.2.6 Tam Dalga Doğrultma Devresindeki Çıkış Geriliminin Hesaplanması Tek fazlı tam dalga doğrultucunun omik yük durumunda, çıkış gerilimin dalga şekli Şekil 2.3 (d) deki gibidir. Bu dalga şeklinin ortalama ve etkin değerleri integral alınarak hesaplanabilir. Aşağıda tam dalga doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri ve nasıl hesaplandığı verilmiştir. ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) | ( )| [ ( )] [ ] √[ ∫ ( ) ( )] √[ ∫( ( )) ( )] ( ) √[ ∫ ( ) ( )] √[ [ ] ] 35  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer ( ) ( ) √[ [( ) ( )]] √[ [( )]] √[ ] √ √ olur. 2.3 1 Fazlı Kontrollü Doğrultucu Devreleri 2.3.1 Temel Prensipleri, Çıkış Büyüklükleri AC gerilimi DC gerilime dönüştüren sistemlerdir. Güç elektroniği devreleri olarak doğrultucular denetimli ve denetimsiz olarak 2’ye ayrılır. Anahtar eleman olarak genellikle denetimsiz doğrultucularda diyot, denetimlilerde ise tristör kullanılır. AC giriş geriliminin periyoduna göre tristörlerin periyodik olarak tetiklenmesi ateşlenmesi) gerekir. Ateşleme açısı (α):Devrede söz konusu denetimli eleman (tristör, triyak gibi) yerine diyot olsa ve yük omik olsa o diyotun iletime geçeceği ωt değerinden ne kadar açı sonra söz konusu denetimli elemanın tetiklendiğidir. 1) Omik yükte (Ry) 2) Endüktif yükte (Ry ve Ly birlikte) 3) Tam süzülmüş akımlı (Ry ile birlikte Ly ≈ ∞) 2.4 1 Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu (rezistif yükte) Şekil 2.4’de 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu görülmektedir. Bu devrenin rezistif (R) yükte çalışmasını gösteren temel dalga şekilleri Şekil 2.5’de verilmiştir. 36  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.4 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu Şekil 2.5 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucunun rezistif (R) yükteki temel dalga şekilleri Şekil 2.5’de güç devrelerinin analizinde kullanılan 6 adet parametre ve kontrol dalga şekilleri gösterilmiştir. Bunlar; 1) Kaynak gerilimi (VS), 2) Kontrol gerilimi (Vkont.) 3) Çıkış(yük) gerilimi (VO), 4) Anahtar (diyot) gerilimi (VD) 5) Kaynak akımı (IS), 6) Çıkış(yük) akımı (IO), 7) Anahtar (diyot) akımı (ID)’dir. 37  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Burada kaynak, yük ve anahtar akımları devre bağlantısı nedeniyle aynı olduğu için tek şekille (Itüm) gösterilmiştir. Şekil 2.5’den görüldüğü gibi, çıkış(yük) üzerinde kaynaktan gelen pozitif alternanslar istenilen miktarda görülmekte, negatif alternanslar ise görülmemektedir. Bunun nedeni tristörün pozitif alternanslarda iletime geçmesi, negatif alternanslarda ise yalıtımda kalmasıdır. Tristörün, pozitif ve negatif alternanslarda yalıtımda kaldığı zamanlarda kaynak gerilimi tristör üzerinde, tristörün bloke ettiği gerilim olarak görülmektedir. Şekil 2.5’de görülen temel dalga şekillerinden yararlanarak devrede gerekli hesaplamalar yapılabilir. Devrede yapılabilecek bazı hesaplamalar şunlardır; 1) Çıkış gerilimi ortalama değeri, 2) Çıkış akımının ortalama değeri, 3) Ortalama çıkış gücü, 4) Kaynaktan çekilen akımın etkin değeri, 5) Kaynaktan çekilen etkin güç, 6) Anahtar (diyot) gerilimi, 7) Anahtar (diyot) akımı, 8) Güç katsayısı, Çıkış gerilimin ortalama değeri; Yarım dalga kontrollü doğrultucunun rezistif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinde aşağıdaki Şekil 2.6’da verilen dalga şekli görülür. Şekil 2.6 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucunun rezistif yükteki dalga şekli Şimdi bu dalga şekline göre çıkış geriliminin ortalama değer eşitliğini bulalım. ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) 38  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer [ ( )] [ ( ) ( ( ))] [ ( ) ( )] [ ( )] olur. Şekil 2.12’de görülen 1 fazlı simetrik tam dalga kontrollü doğrultucu ile aynı işi yapan bir diğer devre de köprü bağlı kontrollü doğrultucu devresidir. 1 fazlı kontrollü köprü doğrultucu devresi, yarım kontrollü ve tam kontrollü olmak üzere iki şekilde yapılabilmektedir. Öncelikle yarım kontrollü köprü doğrultucu devresi, daha sonra da tam kontrollü köprü doğrultucu devresi hem rezistif hem de endüktif yükte ayrıntısıyla analiz edilecektir. Çıkış akımı ortalama değeri; Yarım dalga kontrollü doğrultucunun rezistif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinden aşağıdaki Şekil 2.7’de görülen akım geçer. Şimdi bu dalga şekline göre çıkış akımının ortalama değer eşitliğini bulalım. Şekil 2.7 Yarım dalga kontrollü doğrultucunun rezistif yükteki dalga şekli ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) [ ( )] 39  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer [ ( ) ( ( ))] [ ( ) ( )] [ ( )] olur. Ortalama çıkış gücü; Ortalama çıkış gücü, ortalama çıkış gerilimi ve akımının çarpımına eşittir. Port = Iort.Vort Kaynak geriliminin etkin değeri; Kaynak akımının dalga şekli şekil 2.8’deki gibidir. √[ ∫ ( ) ( )] √[ ∫( ( )) ( )] ( ) √[ ∫ ( ) ( )] √[ [ ] ] ( ) ( ) √[ [( ) ( )]] √[ [( )]] √[ ] olur. 40  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Kaynak geriliminin etkin değeri; Kaynak akımının dalga şekli şekil 2.8’deki gibidir. Şekil 2.8 kaynak akımının dalga şekli √[ ∫ ( ) ( )] √[ ∫( ( )) ( )] ( ) √[ ∫ ( ) ( )] √[ [ ] ] ( ) ( ) √[ [( ) ( )]] √[ [( )]] √[ ] olur. Kaynaktan çekilen etkin güç; Bu devrenin kaynaktan çektiği etkin güç, kaynak gerilimi ve kaynaktan çekilen akımın etkin değerlerinin çarpımına eşittir. PS(rms) = IS(rms)VS(rms) 41  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Anahtar (tristör) gerilimi; Tristör gerilimi, devredeki tristör tarafından bloke edilen gerilimdir. Yan tarafta Şekil 2.9’da görüldüğü gibi, kaynağın pozitif ve negatif alternanslarında tristör yalıtımda kalmakta ve tepe değeri “Vm” olan kaynak gerilimini bloke etmektedir. Bu durumda devrede kullanılacak olan tristörün çalışma gerilimi aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilecektir. VT ≥ Vm+(%30.Vm) Şekil 2.9 Tristör tarafından bloke edilen gerilim Anahtar (tristör) akımı; Anahtar (tristör) akımı, aşağıda Şekil 2.10’da görüldüğü gibi max. yarım dalga bir akımdır. Bu durumda devrede kullanılacak olan tristörün çalışma akımı, IT ≥ Im +(%30.Im ) eşitliğinden bulunabilmektedir. Şekil 2.10 Maksimum yarım dalga akımı Güç katsayısı (cosφ); Devrede kaynak gerilimi ve akımı Şekil 2.11’deki gibidir. Bu durumda kaynaktan sadece pozitif alternanslarda ve “α” açısıyla bağlantılı dengesiz bir akım çekilmektedir. 42  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.11 kaynak gerilimi ve akımı 2.5 1 Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu (endüktif yükte) Endüstride ağırlıkla elektrik motorlarının kullanıldığı bilinmektedir. Elektrik motorları içerdikleri bobinler ve bu bobinlerin dirençleri nedeniyle endüktif+rezistif (L+R) durumundadırlar. Kontrollü doğrultucular, özellikle doğru akım elektrik motorlarının kontrolü için geliştirilmiş devrelerdir. Tabii ki devrede endüktif yük olması başta devre akımları olmak üzere devrede pek çok parametreyi ve şartları değiştirmektedir. Şekil 2.12’de 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu devre ve devrenin endüktif yükte çalışmasını gösteren temel dalga şekilleri ise Şekil 2.13’de verilmiştir. Şekil 2.12 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu 43  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.13 1 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu temel dalga şekilleri Yan taraftaki Şekil 2.13’den görüldüğü gibi, yükün çok endüktif olduğu kabul edilirse, devrenin çıkış akımı (IO) çok az dalgalanacaktır. Çizim ve hesaplama kolaylığı olması açısından bu akım düz kabul edilecektir. Yine şekilden görüldüğü gibi bu akım, tristörün iletimde olduğu zamanlarda tristör üzerinden (IS,T), diğer zamanlarda ise yüke ters paralel olarak bağlanmış serbest geçiş diyotu üzerinden dolaşmaktadır. Bu durumda parametreler; Çıkış gerilimin ortalama değeri; Yarım dalga kontrollü doğrultucunun endüktif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinde aşağıdaki Şekil 2.14’de görülen dalga şekli, rezistif yük ile aynı olacaktır. Bu durumda resitif yük için elde edilen eşitlik endüktif yük için de aynen geçerlidir. 44  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.14 Endüktif yük durumunda, yük üzerindeki dalga şekli Çıkış akımı ortalama değeri; Endüktif yükte yük üzerinden geçen akım Şekil 2.15’de görüldüğü gibi sürekli ve sabit (düz) kabul edilmektedir. Bu durumda ortalama değer, Iort = Im= Vm / Z eşitliğinden doğrudan hesaplanabilecektir. Şekil 2.15 Endüktif yükte yük üzerinden geçen akım Ortalama çıkış gücü; Endüktif yükte ortalama çıkış gücü, ortalama çıkış gerilimi ve akımının çarpımına eşittir. Port= Iort.Vort Kaynak akımının etkin değeri; Kaynak akımının dalga şekli Şekil 2.16’daki gibidir. Şekil 2.16 Kaynak akımının dalga şekli 45  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.16’da belirtilen ve akımın aktif olduğu “t1” ve pasif olduğu göre “t2” süreleri kullanılarak, “etkin periyot (k)” hesaplaması yapılabilir. k= t1 / (t1+t2)= t1 / T Buradan, kare dalga şeklinde değişen kaynak akımının etkin değeri aşağıdaki eşitlikten bulunabilecektir. IS(rms) = √.Im IS(rms) = √.(Vm/ Z) eşitliklerinden bulunabilecektir. Kaynaktan çekilen etkin güç; Bu devrenin kaynaktan çektiği etkin güç, kaynak gerilimi ve kaynaktan çekilen akımın etkin değerlerinin çarpımına eşittir. PS(rms) = IS(rms)VS(rms) Anahtar (tristör) gerilimi; Tristörün çalışma gerilimi Şekil 2.17’den görüldüğü gibi, rezistif yükteki şeklini koruduğuna göre aynı eşitlikle hesaplanabilecektir. Şekil 2.17 Tristörün çalışma gerilimi VT ≥ Vm+(%30*Vm) Anahtar (tristör) akımı; Anahtar (tristör) akımı, Şekil 2.16’dan görüldüğü gibi, kaynak akımı ile aynı olduğuna göre ve diyot üzerinden akan en yüksek akım “Im” olduğuna göre bu akım değeri, IT ≥ Im+(%30.Im) eşitliğinden bulunabilecektir. 46  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Güç katsayısı (cosφ); Devrede kaynak gerilimi ve akımı Şekil 2.18’deki gibidir. Bu durumda kaynaktan sadece pozitif alternanslarda ve α ile orantılı tek yönlü dengesiz bir akım çekilmektedir. Şekil 2.18 Devrede kaynak gerilimi ve akımı Örnek: 220V-50Hz şebekede çalışan ve 90° de uyarılan yarım dalga kontrollü doğrultucu, a) 10Ω’luk rezistif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini, b) 10Ω’luk endüktif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini hesaplayınız. Çözüm: a) Rezistif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, Vort = (Vm / 2 ).(1+cosα) Vm= Vrms.√ = 220. √ = 311V Vort= 311/6,28.(1+cos90°)= 49,52V Rezistif yükte çıkış akımının ortalama değeri, Iort= (Im / 2 ).(1+cosα) Im= Vm / R= 311 / 10= 31,1A Iort = 31,1/6,28.(1+cos90°)= 4,95A Rezistif yükte ortalama çıkış gücü, Port= Iort.Vort Port= 49,52. 4,95= 245,12W 47  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Rezistif yükte kaynak akımının etkin değeri, √[ ( ] ( ) √[ ( ] 10,99 A Rezistif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms).VS(rms) PS(rms) = 10,99.220= 2,41 kW Rezistif yükte anahtar (tristör) gerilimi, VT ≥ Vm+ (%30.Vm) VT ≥ 311. 1,3 ≥ 400V Rezistif yükte anahtar (tristör) akımı, IT ≥ Im+ (%30.Im) IT ≥ 31,1. 1,3 ≥ 40A olarak bulunmaktadır. b) Çok endüktif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, Vort = (Vm / 2 ).(1+cosα) Vort = 311/6,28.(1+cos90°) Vort = 49,52V Çok endüktif yükte çıkış akımının ortalama değeri, Iort= Im= Vm / Z= 31,1A Çok endüktif yükte ortalama çıkış gücü, Port = Iort.Vort Port = 49,52. 31,1= 1,54kW Çok endüktif yükte kaynak akımının etkin değeri, IS(rms)= √.Im k= t1 / T= 5ms / 20ms= 0,25 IS(rms)= √. 31,1= 15,55 A Çok endüktif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms).VS(rms) PS(rms) = 15,55. 220= 3,42 kW 48  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Çok endüktif yükte anahtar (tristör) gerilimi, VT ≥ Vm+ (%30.Vm) VT ≥ 311.1,3 ≥ 400V Çok endüktif yükte anahtar (tristör) akımı, IT ≥ Im+ (%30*Im) IT ≥ 31,1 * 1,3 ≥ 40 A olarak bulunmaktadır. 2.5.1 Serbest geçiş diyotunun etkisi Şekil 2.12 devresinde endüktif yüklerde sgd devreye girer. Sgd, yük geriliminin negatife düşmesini engeller (idealde böyledir, gerçekte -0,7V civarında tutar). Çünkü Vo negatif olmaya meyledince sgd iletime geçer ve Vo=0’da kalmasını sağlar. Bunun üzerine tristör kesime gitmek zorunda kalır. Endüktansın enerjisi sgd üzerinden tamamen boşalana kadar böyle olur ve sonra sgd de kesime gider. Sgd iletime geçince io, idealde asimptotik sönümlü RL devrelerindeki gibi sönümlenmeye başlar; ancak gerçekte diyotun iletim voltajından dolayı kısa sürede akım kesilir. Şekil 2.19 Endüktif yükte sgd var ve α= 90º Sgd’siz endüktif yüklü çalışmada Vo0 olması, anlık gücün negatif olduğu, yani endüktansta depolanmış enerjinin kaynaklara aktarıldığı anlamına gelmektedir. Sgd bu durumu önlediği için geri verilecek enerjinin gereksiz yere şebekeden fazladan çekilmemesini sağlar. Yani sgd reaktif gücü azaltır. 2.6 1 Fazlı Simetrik Tam Dalga Kontrollü Doğrultucu Bilindiği gibi, 1 fazlı gerilimi tam dalga doğrultabilmek ve kontrol edebilmek için, simetrik AC kaynağın olduğu veya kolaylıkla elde edilebileceği yerlerde, sadece 2 adet güç anahtarı kullanarak doğrultma yapmak mümkündür. 49  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Bu sayede daha az güç anahtarı kullanılarak anahtar kayıpları azaltılmaktadır. Fakat simetrik AC olmadığı durumlarda ayrıca bir kuruluş maliyeti ortaya çıkmaktadır. Aşağıdaki Şekil 2.20’de 1 fazlı simetrik tam dalga kontrollü doğrultucu devre bağlantısı görülmektedir. Görüldüğü gibi kaynak gerilimi çoğullanmakta ve tristörlere uygulanmaktadır Şekil 2.20 1 fazlı simetrik tam dalga kontrollü doğrultucu Şekil 2.20’de görülen 1 fazlı simetrik tam dalga kontrollü doğrultucu ile aynı işi yapan bir diğer devre de köprü bağlı kontrollü doğrultucu devresidir. 1 fazlı kontrollü köprü doğrultucu devresi, yarım kontrollü ve tam kontrollü olmak üzere iki şekilde yapılabilmektedir. Öncelikle yarım kontrollü köprü doğrultucu devresi, daha sonra da tam kontrollü köprü doğrultucu devresi hem rezistif hem de endüktif yükte ayrıntısıyla analiz edilecektir. 2.7 1 Fazlı Yarım Kontrollü Köprü Doğrultucu (rezistif yükte): Şekil 2.21’de 1 fazlı tam dalga yarım kontrollü köprü doğrultucu devre bağlantısı görülmektedir. Devrenin rezistif (R) yükte çalışma dalga şekilleri Şekil 2.22’de verilmiştir. Şekil 2.21 1 fazlı tam dalga yarım kontrollü köprü doğrultucu devre bağlantısı 50  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.22 Güç devrelerinin analizinde kullanılan 6 adet parametrenin dalga şekilleri Şekil 2.22’den görüldüğü gibi, güç devrelerinin analizinde kullanılan 6 adet parametrenin dalga şekilleri gösterilmiştir Bunlar; 1) Kaynak gerilimi (VS), 2) Çıkış(yük) gerilimi (VO), 3) Anahtar (diyot) gerilimi (VD ), 4) Kaynak akımı (IS), 5) Çıkış(yük) akımı (IO), 6) Anahtar akımı (ID-T)’dir. Burada kaynak, yük ve anahtar akımları devre bağlantısı nedeniyle farklı olduğu için ayrı şekillerle gösterilmiştir. Şekil 2.22’den görüldüğü gibi, çıkış (yük) direnci üzerinde kaynaktan gelen pozitif alternanslar “α” açısından itibaren, negatif alternanslar ise pozitife katlanmış şekilde yine “α” açısından itibaren görülmektedir. Bunun nedeni, pozitif alternanslarda T1-D1, negatif 51  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer alternanslarda ise T2-D2 elemanlarının birbirlerine seri olarak iletime geçmeleri ve pozitif alternaslarda T1’in, negatif alternanslarda ise T2’nin “α” da uyarılmasıdır Şekil 2.22’de görülen temel dalga şekillerinden yararlanarak devrede gerekli hesaplamalar yapılabilir. Devrede yapılabilecek bazı hesaplamalar şunlardır; 1) Çıkış gerilimi ortalama değeri, 2) Çıkış akımının ortalama değeri, 3) Ortalama çıkış gücü, 4) Kaynaktan çekilen akımın etkin değeri, 5) Kaynaktan çekilen etkin güç, 6) Anahtar (diyot-tristör) gerilimleri, 7) Anahtar (diyot-tristör) akımları, 8) Güç katsayısı, Çıkış gerilimin ortalama değeri; 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucunun rezistif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinde aşağıdaki Şekil 2.23’de verilen dalga şekli görülür. Şimdi bu dalga şekline göre çıkış geriliminin ortalama değer eşitliğini bulalım. Şekil 2.23 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucunun rezistif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerindeki dalga şekli ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) | ( )| [ ( )] [ ( ) ] [ ] 52  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Efektif gerilim; √[ ∫ ( ) ( )] √[ ∫( ( )) ( )] ( ) √[ ∫ ( ) ( )] √[ [ ] ] ( ) ( ) √[ [( ) ( )]] √[ [( )]] √[ ] √ olur. Çıkış akımı ortalama değeri; 1 fazlı tam dalga kontrolsüz doğrultucunun rezistif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinden aşağıdaki Şekil 2.24’de görülen akımın geçer. Şimdi bu dalga sekline göre çıkış akımının ortalama değer eşitliğini bulalım. Şeki 2.24 1 fazlı tam dalga kontrolsüz doğrultucunun rezistif yükte çalıştırılması durumunda yük akımı dalga şekli ( ) ( ) 53  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) | ( )| [ ( )] [ ( ) ] [ ] Akım efektif değeri; √[ ∫ ( ) ( )] √[ ∫( ( )) ( )] ( ) √[ ∫ ( ) ( )] √[ [ ] ] ( ) ( ) √[ [( ) ( )]] √[ [( )]] √[ ] √ olur. Kaynaktan çekilen etkin güç; Bu devrenin kaynaktan çektiği etkin güç, kaynak gerilimi ve kaynaktan çekilen akımın etkin değerlerinin çarpımına eşittir. PS(rms) = IS(rms). VS(rms) 54  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Anahtar (diyot-tristör) gerilimi; Diyot ve tristörlerin gerilimi, diyot ve tristörler tarafından bloke edilen gerilimdir. Aşağıdaki Şekil 2.25’de görüldüğü gibi, kaynağın negatif ve pozitif alternanslarında anahtarlar yalıtımda kalabilmekte ve kaynak gerilimini bloke etmektedir. Şekil 2.25 Diyot ve tristörler tarafından bloke edilen gerilimdir Bu durumda devrede kullanılacak olan anahtarların çalışma gerilimleri aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir. VD ≥ Vm+(%30*Vm) Anahtar (diyot-tristör) akımı; Diyot ve tristörlerin akımı, Şekil 2.26’da görüldüğü gibi en fazla yarım dalga bir akımdır. Bu durumda devrede kullanılacak olan diyotun çalışma akımı, ID ≥ Im +(%30.Im) Eşitliğinden bulunabilmektedir. Şekil 2.26 Diyot ve tristör akımı 55  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Güç katsayısı (cosφ); Devrede kaynak gerilimi ve akımı Şekil 2.27’deki gibidir. Bu durumda kaynaktan her iki alternansta da ve kaynakla farklı fazda akım çekilmektedir. Bu durumda cosφ= cos(α/2)’dir. Şekil 2.27 Devredeki kaynak gerilimi ve akımı 2.8 1 Fazlı Yarım Kontrollü Köprü Doğrultucu (endüktif yükte) Şekil 2.28 1 fazlı tam dalga yarım kontrollü köprü doğrultucu devre bağlantısı Şekil 2.27’den görüldüğü gibi kaynak gerilimi ile kaynaktan çekilen akımın aralarındaki faz farkını bulabilmek için kaynak akımının temel bileşeni (IS1) çizilmiştir. Temel bileşen çizilirken kaynak akımı kare dalga gibi kabul edilmiş ve bunun sinüs eşdeğerinin nasıl olabileceği düşünülmüştür. Şekil 2.28 ise 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucu devresinin endüktif (L+R) yükteki davranışı ayrıntısıyla incelenmeye başlanmıştır. 56  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Devrenin endüktif (L+R) yükte çalışmasını gösteren dalga şekilleri Şekil 2.29’da verilmiştir. Şekil 2.29 1 fazlı yarım dalga doğrultucu devrenin endüktif (L+R) yükteki dalga şekilleri Şekil 2.29’dan görüldüğü gibi, güç devrelerinin analizinde kullanılan 6 adet parametrenin dalga şekilleri gösterilmiştir. Bunlar; 1) Kaynak gerilimi (VS), 2) Çıkış(yük) gerilimi (VO), 3) Anahtar (diyot) gerilimi (V ), 4) Kaynak akımı (IS), 5) Çıkış(yük) akımı (IO), 6) Anahtar akımı (ID-T)’dir. Burada kaynak, yük ve anahtar akımları devre bağlantısı nedeniyle farklı olduğu için ayrı şekillerle gösterilmiştir. Şekil 2.29’dan görüldüğü gibi, çıkış (yük) direnci üzerinde kaynaktan gelen pozitif alternanslar “α” açısından itibaren, negatif alternanslar ise pozitife katlanmış şekilde yine “α” açısından itibaren görülmektedir. 57  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Devre çıkışına bağlı yük çok endüktif kabul edildiğinde devrenin çıkış akımı da tepe değerde düz olarak kabul edilmiş ve çizilmiştir. Köprüdeki elemanların yalıtımda olduğu durumlarda akım “Dm” üzerinden dolaşır. Şekil 2.29’da görülen temel dalga şekillerinden yararlanarak devrede gerekli hesaplamalar yapılabilir. Devrede yapılabilecek bazı hesaplamalar şunlardır; 1) Çıkış gerilimi ortalama değeri, 2) Çıkış akımının ortalama değeri, 3) Ortalama çıkış gücü, 4) Kaynaktan çekilen akımın etkin değeri, 5) Kaynaktan çekilen etkin güç, 6) Anahtar (diyot-tristör) gerilimleri, 7) Anahtar (diyot-tristör) akımları, 8) Güç katsayısı, Çıkış gerilimin ortalama değeri; 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucunun endüktif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinde aşağıdaki Şekil 2.30’da verilen dalga şekli görülür. Bu durumda çıkış gerilimi eşitliği rezistif yük eşitliği ile aynı olacaktır. Şekil 2.30 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucunun endüktif yük üzerindeki gerilim 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucunun endüktif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinden aşağıdaki Şekil 2.31’de verilen akımın geçer. Şekil 2.31 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucunun endüktif yükte, yük akımı 58  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Bu durumda çıkış akımı; Iort= Im= Vm / R olacaktır. Ortalama çıkış gücü; Ortalama çıkış gücü, ortalama çıkış gerilimi ve akımının çarpımına eşittir Port= Iort.Vort Kaynak akımının etkin değeri; Kaynak akımının dalga şekli Şekil 2.32’deki gibidir. Şekil 2.32 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultuda kaynak geriliminin dalga şekli k= t1 / (t1+t2) eşitliği ile bulunup, buradan da akımın etkin değeri; Is(rms) = Im. √ eşitliğinden bulunabilmektedir. Kaynaktan çekilen etkin güç; Kaynaktan çekilen etkin güç değeri, kaynak gerilimi ve kaynaktan çekilen akımın etkin değerlerinin çarpımıdır; Bu durumda, PS(rms) = IS(rms). VS(rms) olacaktır. Anahtar (diyot-tristör) gerilimi; Diyot ve tristörlerin gerilimi aşağıdaki Şekil 2.33’deki gibi olduğundan anahtar gerilimi, VD-T ≥ Vm+(%30.Vm) olacaktır. 59  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.33 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultuda diyot ve tristörlerin gerilimi Anahtar (diyot-tristör) akımı; Diyot ve tristörlerin akımı aşağıdaki Şekil 2.34’deki gibi olduğundan anahtar akımları, ID-T ≥ Im+(%30.Im) olacaktır. d Şekil 2.34 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultuda diyot ve tristörlerin akımı Kısacası, devrede kullanılan diyot ve tristörler aynı akım ve gerilimde olmalıdır. Güç katsayısı (cosφ); Devrede kaynak gerilimi ve akımı Şekil 2.35’deki gibidir. Bu durumda kaynaktan her iki alternansta da ve kaynakla farklı fazda akım çekilmektedir. Bu durumda cosφ=cos(α/2)’dir. 60  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.35 1 fazlı yarım kontrollü köprü doğrultuda kaynak gerilimi ve akımı Örnek: 220V-50Hz şebekede 90˚’de uyarılan tam dalga yarım kontrollü köprü doğrultucu, a) 10Ω’luk rezistif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini, b) 10Ω’luk endüktif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini hesaplayınız. Çözüm: a) Rezistif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, Vort= (Vm / ).(1+cosα)’dan Vm= Vrms.√ = 220.√ = 311V ( ) Vort= 99,04 V Çıkış akımı ortalama değeri, Iort= Vort /R Iort= 99,04 / 10= 9,9 A Ortalama çıkış gücü, Port= Iort.Vort Port= 9,9 * 99,04= 980,49 W 61  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Kaynak akımının etkin değeri, Im= Vm / R = 311 / 10 = 31,1A √ [ ] √ ( ) √ [ ] √ Irms=15,43 A Rezistif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms).VS(rms) PS(rms) = 15,43.220= 3,39 kW Rezistif yükte anahtar (diyot tristör) gerilimi, VD ≥ Vm + (%30.Vm ) VD ≥ 311. 1,3 ≥ 400 V Rezistif yükte anahtar (diyot tristör) akımı, ID ≥ Im+ (%30.Im) ID ≥ 31,1. 1,3 ≥ 40 A b) Çok endüktif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, ( ) Vort=99,04 V Çok endüktif yükte çıkış akımının ortalama değeri, Iort= Im = Vm/ R= 311/ 10= 31,1 A Endüktif yükte ortalama çıkış gücü, Port= Iort.Vort Port= 31,1* 99,04= 3,08 kW Çok endüktif yükte kaynak akımının etkin değeri, IS(rms)= Im * √ = 31,1 * √( ) IS(rms) = 21,77 A Çok endüktif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms).VS(rms) 62  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer PS(rms) == 21,77*220= 4,78kW Çok endüktif yükte anahtar (diyot-tristör) gerilimi, VD ≥ Vm + (%30*Vm ) VD ≥ 311 * 1,3 ≥ 400 V Çok endüktif yükte anahtar (diyot-tristör) akımı, ID ≥ Im+ (%30*Im) ID ≥ 31,1 * 1,3 ≥ 40 A 2.9 1 Fazlı Tam Kontrollü Köprü Doğrultucu (endüktif yükte) Yarım kontrollü doğrultucularda, endüktif yükte çalıştırılırken, köprüdeki elemanların korunması için, yüke ters paralel olarak bir serbest geçiş diyotu bağlama zorunluluğu vardır. Bu durumda doğrultucu Şekil 2.36’daki gibi sadece 1.bölgede çalışacak ve kaynaktan yüke doğru enerji transferine izin verecektir. Eğer doğrultucunun çift yönlü enerji transferine izin vermesi isteniyorsa “Tam Kontrollü” kullanılmalıdır. NOT : Tam kontrollü doğrultucu sadece “Endüktif” yükte kullanılır. Şekil 2.36 1 fazlı tam kontrollü köprü doğrultucu çalışma modları Şekil 2.37’de 1 fazlı tam dalga tam kontrollü köprü doğrultucu devre bağlantısı görülmektedir. Devrenin rezistif yükte çalışmasını gösteren dalga şekilleri Şekil 2.28’de dir. Şekil 2.37 1 fazlı tam dalga tam kontrollü köprü doğrultucu 63  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.38 Devrenin rezistif yükte çalışmasını gösteren dalga şekilleri Şekil 2.38’den görüldüğü gibi, yükün çok endüktif olduğu kabul edilirse, devrenin çıkış gerilimi tristörlerin uyarma açısı değiştiği halde hiç sıfıra düşmemekte, ya pozitifte ya da negatifte yer almaktadır. Uyarma açısına göre değişen sadece pozitif ya da negatifteki alanlardır. Bu sayede tetikleme açısının 0-180 derece arasındaki hareketinde çıkış gerilimi en yüksek pozitif değerden en düşük negatif değere kadar çift yönlü değiştirilebilmektedir. Çıkış akımı ise tamamen tek yönlü ve düz olmaktadır. Bunu nedeni tristörlerin iletime devam etmesidir. Çıkış geriliminin zaman zaman pozitif zaman zaman negatif olmasına rağmen çıkış akımının hep pozitifte olması, güç akış yönünün de zaman zaman değişmesine neden olmaktadır. Çıkış gerilimi pozitif olduğu zamanlarda kaynaktan yüke doğru pozitif güç akışı (+V, +I=+P), Şekil 2.38’de görülen temel dalga şekillerinden yararlanarak devrede gerekli hesaplamalar yapılabilir. 64  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Devrede yapılabilecek bazı hesaplamalar şunlardır; 1) Çıkış gerilimi ortalama değeri, 2) Çıkış akımının ortalama değeri, 3) Ortalama çıkış gücü, 4) Kaynaktan çekilen akımın etkin değeri, 5) Kaynaktan çekilen etkin güç 6) Güç katsayısı, 7) Anahtar (diyot-tristör) gerilimleri, 8) Anahtar (diyot-tristör) akımları, Çıkış gerilimin ortalama değeri; 1 fazlı tam kontrollü köprü doğrultucunun endüktif yükte çalıştırılması durumunda, yük üzerinde aşağıdaki Şekil 2.39’da verilen dalga şekli görülür. Bu durumda çıkış gerilimi eşitliği yan tarafta olduğu gibi bulunabilecektir. Şekil 2.39 1 fazlı tam kontrollü köprü doğrultucunun endüktif yükte, yük üzerindeki gerilim ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) | ( )| [ ( ) ( )] [ ( )] [ ] [ ] [ ].[ ] 65  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Çıkış akımının ortalama değeri; Çıkış akımı düz kabul edildiğinden Iort= Im= Vm/ Z Ortalama çıkış gücü; Çıkış akım ve geriliminin çarpımı, Port= Iort.Vort Kaynak akımının etkin değeri; Kaynak akımının dalga şekli Şekil 2.40’daki gibidir ve “IS(rms) = Im”dir. Şekil 2.40 Kaynak akımının dalga şekli Etkin giriş gücü; Giriş akımı ve geriliminin çarpımı, PS(rms) = IS(rms).VS(rms) Güç katsayısı (cosφ); Kaynak akımının dalga şekli Şekil 2.41’deki gibidir. Buradan; “cosφ= cosα” olacaktır. Şekil 2.41 Kaynak gerilimi ve akımının dalga şekli Anahtar (tristör) gerilimi; Devredeki tristörlerin gerilimi aşağıdaki Şekil 2.42’deki gibi olduğundan anahtar gerilimi, VT ≥ Vm+(%30*Vm) olacaktır. 66  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Şekil 2.42 Devredeki tristör gerilimlerinin dalga şekli Anahtar (tristör) akımı; Devredeki tristörlerin akımı aşağıdaki Şekil 2.43’deki gibi olduğundan anahtar akımları, IT ≥ Im +(%30.Im) olacaktır. Uyarma açısının artması ya da azalması tristör gerilim ve akımını etkilememektedir. Şekil 2.43 Tristör gerilimi uyarma açısından bağımsızdır Sonuç olarak; 1 fazlı tam kontrollü doğrultucu devreleri, özellikle doğru akım motorlarının tek yönlü kontrolü için kullanılan güç elektroniği devreleridir. Devrede serbest geçiş diyotu kullanılmadığı için yük üzerindeki enerjiden dolayı dolaşmak isteyen akım, doğrudan köprüdeki tristörler ve kaynak üzerinden dolaşmakta ve çift yönlü enerji transferi gerçekleşmektedir. Bu özellik sayesinde doğru akım motorlarında enerjiyi geri kazanarak yapılan frenleme yöntemi olan “rejeneratif frenleme” yapabilme olanağı da ortaya çıkmaktadır. Örnek: 220V-50Hz şebekede 90˚’de uyarılan tam dalga tam kontrollü köprü doğrultucu devresi 10Ω’luk endüktif bir yükü beslediğinde oluşacak tüm devre parametrelerini hesaplayınız. 67  GÜÇ ELEKTRONİĞİ Özer Çözüm: Endüktif yükte çıkış geriliminin ortalama değeri, [ ] √ √ [ ] [ ] olur. Çıkış akımı ortalama değeri, Iort= Im= Vm/ Z Iort = 311 / 10= 31,1 A 90 derecelik uyarma açısında çıkış gerilimi sıfır olmasına rağmen akım devam eder Ortalama çıkış gücü, Port = Iort.Vort Port = 31,1 * 0= 0W Kaynak akımının etkin değeri, Irms= Im= Vm/ Z Irms = Im= Vm /Z= 31,1A Endüktif yükte kaynaktan çekilen etkin güç, PS(rms) = IS(rms) *VS(rms) PS(rms) = 31,1*220= 6,84kW Kaynak akımının etkin değeri, VT ≥ Vm+(%30*Vm) VT ≥ 311 *1,3 ≥ 400 VT Endüktif yükte anahtar (tristör) akımı, IT ≥ Im +(%30*Im) IT ≥ 31,1 * 1,3 ≥ 40A 68