Power Electronics Basics and helpful review, Lecture notes of Electrical Engineering

Download Power Electronics Basics and helpful review and more Lecture notes Electrical Engineering in PDF only on Docsity!

Bölüm-

Giri

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

I - G

ĐR

-^

TANIM:

-^

Güç elektroni

i, herhangi

bir kaynaktan alınanelektrik enerjisinin,elektronik yöntemlerle

-^

Güç Elektroni

ği, gün

geçtikçe daha dageni

şleyen elektronik

sektörünün en önemlidallarından birisidir.

-^

Önceleri endüstriyelalanlardaki elektronik

elektronik yöntemlerlekontrol edilerek(dönü

ştürülerek veya

iş

lenerek) kontrollü olarak

yüke aktarılması i

şlemidir.

alanlardaki elektronikçözümlerde kullanılangüç elektroni

ği devre ve

düzenekleri, günümüzdeendüstrinin dı

şına ta

şarak

evlere, ofislere vearaçlara girmi

ştir.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

I - G

ĐR

•^

Tristör kullanılarak hem dahabasit, hem daha küçük, hemde daha ucuza yapılabilir halegelen güç elektroni

ği

devrelerinin uygulama alanlarıda hızla yaygınla

şmaya

ba

şlamı

ştır.

•^

Aynı zamanda, yine o zamana

•^

1950’lerin ba

şında yarıiletken

malzemelerin geli

ştirilmesi ve

bu malzemeler kullanılarakdiyot, transistor gibi devreelemanlarının yapılmayaba

şlanması güç elektroni

ği

uygulamalarının önününaçılma i

şaretini vermi

ştir.

•^

Aynı zamanda, yine o zamanakadar dü

şünülüp de

yapılamayan pek çokuygulama Tristör sayesindeyapılabilir hale gelmi

ştir.

•^

1960’lı ve 1970’li yıllartristör’ün altın yılları olmu

ş^

ve

güç elektroni

ği uygulamaları

her alana yayılmı

ştır.

•^

Nihayet 1960’ların ba

şında

Tristör’ün bulunması güçelektroni

ği açısından çok

önemli bir devrim olmu

ştur.

•^

Tristör’ün bulunmasıyla ozamana kadar elektron tüpleriile yapılan uygulamalar artıktristörle yapılmaya ba

şlamı

ştır.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

I - G

ĐR

•^

1980’lerin ba

şlarından itibaren

ise sayısal elektronikalanındaki geli

şmeler ve

mikroi

şlemcilerin geli

ştirilmeye

ba

şlaması ile güç elektroni

ğinde yeni ufuklar

açılmaya ba

şlamı

ştır.

•^

Bu geli

şmelere uygun olarak

•^

Güç transistör’leri, güçmosfet’leri ve bu elemanlarındaha ileri versiyonlarınıngeli

ştirilmesiyle birlikte, daha önceki yıllarda tristörlerkullanılarak hem daha zor hemde daha pahalı olarakyapılmaya çalı

şılan birtakım

güç elektroni

ği devreleri ve

•^

Bu geli

şmelere uygun olarak

tristör’e alternatif yeni güçelektroni

ği elemanları

geli

ştirilme çalı

şmaları

ba

şlamı

ş^

ve bu çalı

şmalar

sonucunda o zamana kadardü

şük güçlüleri kullanılmakta olan “Güç Transistör’leri veGüç Mosfet’leri” geli

ştirilmi

ştir.

güç elektroni

ği devreleri ve

endüstriyel uygulamalar, buyeni elemanların kullanılmayaba

şlamasıyla, hem daha basit, hem daha küçük, hem dahafonksiyonel hem de çok dahaucuza yapılabilir vekullanılabilir hale gelmi

ştir.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

I - G

ĐR

•^

Ula

şım Araçlarında; 1- Uçak ve di

ğer hava

araçlarındaki tüm güçsistemlerinde,2- Demiryolu ve metroaraçlarında ve yersistemlerinde,3- Otobüs, kamyon ve çekici

•^

Tarım ve Hayvancılıkta;1- Sera otomasyonu vekontrolünde,2- Açık hava sulama ve ürünkontrol sistemlerinde,3- Tarım makinelerininotomasyonunda,4- Kümes, ahır vb. hayvan

3- Otobüs, kamyon ve çekicigibi a

ğır vasıtaların tüm

elektronik sistemlerinde,4- Otomobillerdeki tümelektriksel güç ve kontrolsistemlerinde,5- Forklift, seyyar vinç, betonmakinesi vb. araçlarda.

4- Kümes, ahır vb. hayvanyeti

ştirme tesislerinin bakım ve otomasyonunda,5- Tarla ve arazilerin ekim,dikim ve gübrelemekontrollarında.6- Tohumculuk, fide yeti

ştirme

vb. çalı

şmalarda.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

I - G

ĐR

•^

TEMEL GÜÇ DEVRELER

•^

Güç elektroni

ği kapsamında

yapılan tüm i

şler ve uygulamalar

4 temel devre yapısı üzerinekurulmu

ştur.

•^

Bu devre yapıları, alternatif akımveya do

ğru akım türündeki

elektrik enerjisinin bir birlerine

•^

Şekil-1.2’den görüldü

ğü gibi

temel güç devreleri,1) AC-DC dönü

ştürücüler,

2. AC-AC dönü

ştürücüler,

3. DC-DC dönü

ştürücüler,

4. DC-AC dönü

ştürücülerdir. AC / DC

elektrik enerjisinin bir birlerineveya kendi içlerinde farklı şekillere ve seviyeleredöndürülmesi i

şlemini

gerçekle

ştirmektedir.

•^

Bu durumda, güç elektroni

ğinin

temel devre yapıları yan tarafta Şekil-1.2’de oldu

ğu gibi

gösterilebilmektedir. M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

~ / =

= / =

~ / =

~ / ~

AC

DC DC

AC

AC / DC Đ nvertörler ACKıyıcılar

DC Kıyıcılar

Do

ğ rultucular

AC / AC

DC / DC

DC / AC

I - G

ĐR

•^

AC-AC Dönü

ştürücüler

(AC kıyıcılar);

-^

Güç elektroni

ğinin temel

devrelerinden ikincisi olan ACkıyıcılar, bir fazlı veya üç fazlıAC kayna

ğı kullanarak, sabit

veya de

ği

şken frekanslı ve

genlikli AC gerilim elde etmek

Şekil 1.

-^

1 fazlı faz

kontrollu

genlikli AC gerilim elde etmekiçin kullanılmaktadır.

-^

AC-AC dönü

ştürücüler;

1- AC voltaj kontrolcular,2- Direkt frekans çeviriciler,olarak 2 ana gruba ayrılır. Şekil 1.4’de basit bir AC kıyıcıdevresi ve dalga

ş

ekilleri

görülmektedir. M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

Şekil 1.

-^

1 fazlı faz

kontrollu

AC kıyıcı devresi ve dalga şekilleri.^ Giri

ş (Kaynak)

I - G

ĐR

•^

DC-DC Dönü

ştürücüler

•^

Güç elektroni

ğinin temel

devrelerinden üçüncüsü olanDC-DC dönü

ştürücüler,

herhangi bir DC kaynaktanaldı

ğı gerilimi yükselterek , dü

şürerek veya ço

ğullayarak,

sabit veya de

ği

şken DC

Şekil 1.

-^

A sınıfı PWM

sabit veya de

ği

şken DC

gerilim(ler) elde etmek içinkullanılmaktadır.

-^

DC-DC dönü

ştürücüler;

1- DC kıyıcılar,2- Anahtarlamalı regülatörler,olarak 2 ana gruba ayrılır. Şekil 1.5’de basit bir DC kıyıcıdevresi görülmektedir. M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

Giri

ş (Kaynak) Çıkı

ş Şekil 1.5^ (Yük)

-^

A sınıfı PWM

kontrollü DC kıyıcı devresi vedalga

şekilleri.

I - G

ĐR

•^

Temel Güç Elemanları;

-^

Güç devrelerinin, istenilen güçdönü

şümlerini uygun olarak

gerçekle

ştirebilmeleri, bu

devrelerde kullanılan uygungüç elemanlarıyla mümkünolabilmektedir.

-^

Güç devrelerinde kullanılan

•^

Bu durumda anahtar yapısıgüç elektroni

ği için çok

önemlidir ve burada ayrıntısıile incelenecektir.

-^

Anahtar Türleri;

-^

Elektrik-Elektronik güçdüzeneklerinde kullanılan 3 tür

•^

Güç devrelerinde kullanılangüç elemanları, hangi türdönü

şümde olursa olsun,

daima kaynak ile yükarasındaki ba

ğlantıyı kesip

bırakmakla görevlendirilmi

ştir.

Dolayısıyla bu elemanlar birer“ANAHTAR” olarak çalı

şmakta

ya da çalı

ştırılmaktadır.

düzeneklerinde kullanılan 3 türanahtar bulunmaktadır. Bunlar,1- Mekanik anahtarlar,2- Elektromekanik anahtarlar,3- Yarıiletken anahtarlardır.

-^

Bu anahtar türleriniincelemeden önce “idealanahtar” yapısı incelenmelidir.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

I - G

ĐR

•^

Đdeal Anahtar Özellikleri; Đdeal anahtar, çalı

şması

sırasında üzerinde herhangi birkayıp olu

şturmayan anahtardır.

Đdeal anahtar sadece 2durumda bulunabilir. Bunlar,1- Yalıtım durumu (kapalı-off),2-

Đletim durumu (açık-on).

•^

Şekil-1.7, ideal anahtar.^ Giri

ş (Kaynak)

Çıkı

ş (Yük)

Đ deal Anahtar

VA

IA

Giri

ş (Kaynak)

Đletim durumu (açık

• on).

Anahtarların çalı

şması

sırasında üzerinde iki tür kayıpolu

şmaktadır. Bu kayıplar, 1- Anahtarlama (açma-kapama) kayıpları,2-

Đletim kayıplarıdır. Bu anahtarda kayıplar sıfırdır. M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

Anahtarakımı (I

A) Anahtargerilimi(VA

) (Kaynak) Harcanangüç (P

A) off

on^

off^

on

PA

= V

A^ x I

A

I - G

ĐR

•^

Mekanik Anahtarlar;

-^

Mekanik anahtarlar, elektrikdevrelerini kesmek içinkullanılan, adi anahtar, pako şalter vb. anahtarlardır.

-^

Mekanik anahtarlar da, iletimisırasında üzerinde herhangi birkayıp olu

şturmayan anahtardır.

Giri

ş Şekil-1.8^ (Kaynak)

kayıp olu

şturmayan anahtardır.

•^

Mekanik anahtarlar da sadece2 durumda bulunabilir.1- Yalıtım durumu (kapalı-off),2-

Đletim durumu (açık-on).

-^

Mekanik anahtarlar, devrelerdegenellikle açma-kapamaelemanı olarakkullanılmaktadır. M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

16

Anahtarakımı (I

A) Anahtargerilimi(VA

) (Kaynak) Harcanangüç (P

A) off^

on

off^

on PA= V

A^ x I

A

ton

toff

Pa

I - G

ĐR

•^

Mekanik anahtarla ilgiliöncelikli parametreler Tablo-1.2’de örnek de

ğerler

kullanılarak gösterilmi

ştir.

•^

Tablo-1.2’den görüldü

ğü gibi,

mekanik anahtarda “iletim içdirencinin” sıfır olmasınedeniyle iletim kayıpları dasıfır olacaktır.

-^

Yine Tablo-1.2’den görüldü

ğü

gibi, mekanik anahtarlarda“frekans” ve “geçi

ş^

zamanı”

Kn.

V(a)

I(a)

R(o)

f(a)

t(a)

Yn.

off

500

0

∞^

Ç^

“frekans”

ve

“geçi

ş^

zamanı”

parametreleri hızlı anahtarlamaiçin uygun de

ğildir.

•^

Piyasada anahtar, pako

ş

alter,

şalter, kesici vb. isimler verilenmekanik anahtarlar çe

şitli

gerilimlerde, birkaç amperdenbirkaç yüz ampere kadarbulunabilmektedir.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

500 V

(^0) A

∞ Ω^

0

1

Ç^ Đ^ F T

on

(^0) V

25 A

(^0) Ω

Hz

s^

Y Ö N

I - G

ĐR

•^

Elektromekanik anahtarla ilgiliöncelikli parametreler Tablo-1.3’de örnek de

ğerler

kullanılarak gösterilmi

ştir.

•^

Elektromekanik anahtardakontakların temiz olmasıdurumunda “iletim iç direnci”sıfır olması nedeniyle iletimkayıpları da sıfır olacaktır.

-^

Elektromekanik anahtarlardada “frekans” ve “geçi

ş^

zamanı”

parametreleri oldukça kötüdür.

Kn.

V(a)

I(a)

R(o)

f(a)

t(a)

Yn.

off

380

0

∞^

Ç^

parametreleri oldukça kötüdür. Bu nedenle hızlı anahtarlamayapamazlar.

-^

Elektromekanik anahtarda dahızlı anahtarlama yapılacakolursa, “geçi

ş^

zamanının” çok

uzun olması nedeniyle iseanahtarlama kayıpları çokyüksek olacaktır.

M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

380 V

(^0) A

∞ Ω^

0

1

Ç^ Đ^ F T

on

(^0) V

63 A

(^0) Ω

Hz

s^

Y Ö N

I - G

ĐR

•^

Yarıiletken (Statik) Anahtarlar;

-^

Yarıiletken anahtarlar, elektrik-elektronik devrelerde yüksekhızlı anahtarlama i

şleri için

kullanılan, Tristör, Transistör,Mosfet vb. elemanlardır.

-^

Yarıiletken anahtarların pekço

ğu 3 durumda bulunabilir.

Giri

ş

Şekil-1.

ço

ğu 3 durumda bulunabilir. 1- Tam yalıtım durumu,2- Tam iletim durumu.3- Ara (yükseltme) durumu.

-^

Bu anahtarlar, istenirse on-offanahtar olarak, istenirse deyükseltme elemanı olarakkullanılabilmektedirler. M.Necdet YILDIZ

GÜÇ ELEKTRON

ĐĞĐ

-1 DERS NOTLARI

off^

on

off^

on

Anahtarakımı (I

a)

Anahtargerilimi(Va

) Giri

ş (Kaynak) Harcanangüç (P

a)^

ton

toff

Pi

Pa