Güç Elektroniği
Ders Sunumları
Dersin İşlenişi ve Değerlendirme
Power Electronics 2
Sınavlar, Ödevler ve Projeler
Ara Sınav %40
Final %60
2016-2017 Güz Dönemi için geçerlidir.
Ders dökümanları için:
portal.dpu.edu.tr/kadir.vardar
İçerik
Temel Kavramlar
Güç Elektroniği devreleri
Güç Elektroniği yarı iletkenleri
Kayıplar ve Soğutma
AC/DC: Doğrultucu devreleri
AC/AC: AC kıyıcılar
DC/DC konvertör devreleri (kıyıcı, buck, boost, flyback vs.)
DC/AC: İnverterler
Temel Kavramlar
Power Electronics 4
Temel Kavramlar
Sürekli Hal:
Güç elektroniği devrelerinde diyot ve yarıiletken anahtarlar sürekli olarak iletim veya kesim konumlarını değiştirirler.
Eğer dalga şekilleri T periyodu ile kendini tekrarlamaya başlıyorlarsa buruma sürekli hal durumu denir.
Başlangıçta yada devrenin çalışma şartlarında olası değişiklikler anında periyodik olmayan durumlar ise geçici hal yada transient olarak isimlendirilir.
Temel Kavramlar
Power Electronics 6
Ortalama (Etkin) Güç ve Etkin Akım:
Bir kaynaktan akan ani güç:
burada; v ve i zamana bağlı değişkenlerdir.
Sürekli halde ortalama güç:
Eğer yük tümüyle omik olduğu durumda olacaktır. Böylece denklem:
�
���= � 1
� ∫
0
�
�
2��
Akımın etkin değerinden ortalama güç:
akımın etkin değeri ifadesi elde edilir.
�
���= � �
2Bu iki güç değeri eşitlendiğinde:
�= √ � 1 ∫
�0�
2��
Sürekli Halde Sinüs Akım ve Gerilim dalga şekilleri
Power Electronics 8
Endüktif bir aa devresinde sürekli hal akım ve gerilimleri:
Fazör Gösterim: Akım ve gerilimler saat yönünün tersine dönen iki fazör ile gösterilir:
Sürekli Halde Sinüs Akım ve Gerilim dalga şekilleri
Fazör Gösterim: Akım ve gerilimler saat
yönünün tersine dönen iki fazör ile gösterilir:
Aktif Güç, Reaktif Güç ve Güç Faktörü
Power Electronics 10
Kompleks Güç, S:
S=
Aktif Güç P,
Aktif Güç için V gerilimi ile akımın bileşeninin çarpımına eşittir. Şekilde görüldüğü üzere akımın reel bileşeni gerilimle aynı fazdadır. Akımın bileşeni buna dik olup olup anlık değerleri:
olur.
Aktif Güç, Reaktif Güç ve Güç Faktörü
Reaktif Güç Q ise,
Q
olarak tanımlanır. Aktif gücün kayıplar haricindeki hemen hemen tamamı faydalı işi karşılar iken, Reaktif güç elektromagnetik cihazlarda manyetik alanı oluşturur. Yararlı iş ile bağlantılı değildir. Gerilim düşümlerine ve hat kayıplarına neden olur. Sıfır olması istenmektedir.
Buradan Güç Faktörü parametresi tanımlanır ve yükün etkin gücü ne kadar etkili çektiğinin bir ölçüsüdür.
Güç Faktörü (Power Factor, PF)=
(sinüsoidal akım ve gerilim şartında)
Üç Fazlı Devreler
Power Electronics 12
Dengeli 3 fazlı devreleri sürekli hal durumunda;
Fazlar arası gerilim:
--=
eşitliğinden olarak bulunur.
Her bir fazın gücü: ve Toplam Güç:
Sürekli Hal Sinüsodial Olmayan Durum
Güç elektroniği devrelerinde sürekli halde çıkış voltajı ve akımı aşağıdaki gibi görülebilmektedir. Sürekli halde bu dalgalar T periyodu ile tekrar
ederler. Baskın olan bu temel frekansa ek olarak, bu frekansın katlarında harmonik olarak adlandırılan bileşenleri de içermektedirler.
Bu bileşenler Fourier analizi ile hesaplanır.
Sürekli Hal Sinüsodial Olmayan Durum
Power Electronics 14
Bir Güç kalitesi problemi olan Harmonikler akım yada gerilimde görülen, güç sisteminin temel
frekansının katlarında bileşenler olarak ifade edilir. Örneğin; temel frekansı 50Hz olan bir sitem için 3. harmonik 150Hz, 5. harmonik 250Hz te
görülmektedir.
Şebekeden çekilen Harmonikli bir akımın anlık değeri:
Sürekli Hal Sinüsodial Olmayan Durum
Hat akımının etkin değeri,
değerini yukarıdaki eşitlikte yerine yazdıp düzenlendiğinde:
Eşitliği elde edilir. Gerilim veya akım harmonik bozulma Total Harmonic Distortion (THD) parametresi ile ifade edilmektedir.
Sürekli Hal Sinüsodial Olmayan Durum
Power Electronics 16
Distortion Factor, DF Hat akımındaki harmonik bozulma aşağıdaki gibi hesaplanır.
��= ����� ����ş���� ��� �� ğ���
������ ������ ����� �
�� = �� 1
√
�� 12 +∑
h=2∞ ��2hSürekli Hal Sinüsodial Olmayan Durum
Displacement Factor, DPF
���= �������� � üç
������ ����� ���� ş���� �� �′� � ������ ����� ���� ş ������ �′� Gerilimde harmonik bulunmadığı durum için:
Sürekli Hal Sinüsodial Olmayan Durum
Power Electronics 18
Power Factor, PF Bir hattın güç faktörü:
�� = ��������� üç
������ ��� ������ � ������ �������
Gerilimde harmonik bulunmadığı durum için:
�� = ���� 1���∅
� �
√
�� 12 +∑
h =2∞ ��2h��=������
ve doğrusal olmayan yükün akımı:
10 Devreye ait
a) Ortalama aktif ve reaktif güç,
b) Bozulma faktörü (distortion factor, DF), c) Güç faktörü (PF),
d) Yerdeğiştirme faktörü (displacement factor, DPF)
e) Ve akımdaki toplam harmonik bozulma (THDI) değerlerini hesaplayın.
Power Electronics 20
ve doğrusal olmayan yükün akımı:
10 Devreye ait
a) Ortalama aktif ve reaktif güç,
b) Bozulma faktörü (distortion factor, DF), c) Güç faktörü (PF),
d) Yerdeğiştirme faktörü (displacement factor, DPF)
e) Ve akımdaki toplam harmonik bozulma (THDI) değerlerini hesaplayın.
Güç Elektroniği
Giriş
Güç Elektroniği Giriş
Power Electronics 22
Güç elektroniği elektrik mühendisliğinde enerji ve elektronik bilim dalları arasında bir bilim dalıdır.
Güç elektroniği, herhangi bir kaynaktan alınan elektrik enerjisinin, elektronik yöntemlerle kontrol edilerek (dönüştürülerek veya işlenerek) kontrollü olarak yüke aktarılması işlemidir.
Güç Elektroniği, gün geçtikçe daha da genişleyen elektronik sektörünün en önemli dallarından birisidir.
Önceleri endüstriyel alanlardaki elektronik çözümlerde kullanılan güç elektroniği devre ve düzenekleri, günümüzde endüstrinin dışına taşarak evlere, ofislere ve araçlara girmiştir.
Güç Elektroniği Giriş
Bir güç elektroniği düzeneğinin temel yapısı blok olarak aşağıda görülmektedir.
Şekilden görüldüğü gibi bir güç devresi ve kontrol devresi olmak üzere iki bölümden oluşmaktadır.
Temel yapı
Güç Elektroniği Giriş
Power Electronics 24
Güç elektroniği, herhangi bir kaynaktan alınan elektrik enerjisinin, elektronik yöntemlerle kontrol edilerek (dönüştürülerek veya işlenerek) kontrollü olarak yüke aktarılması işlemidir.
Güç Elektroniği, gün geçtikçe daha da genişleyen elektronik sektörünün en önemli dallarından birisidir.
Önceleri endüstriyel alanlardaki elektronik çözümlerde kullanılan güç elektroniği devre ve düzenekleri, günümüzde endüstrinin dışına taşarak evlere, ofislere ve araçlara girmiştir.
Güç Elektroniği Giriş
Tarihçe
• Güç elektroniğinin ilk çalışmaları AC den DC eldesi için yapılmıştır.
Önceleri mekanik dönüştürücüler, sonra civa buharlı doğrultucular kullanılmıştır. 1900’lü yılların baslarında endüstriyel makinelerde çok yoğun olarak kullanılmakta olan doğru akım motorlarının hız kontrolü uygulamaları yapılmıştır.
• 1950 de de ilk yarı iletken diyotlar yapılmış, 1957 de ise tristörler imal edilmiştir. Tristörün icadı güç elektroniğinde devrim yaratmıştır.
• 1974 yılında ilk mikroişlemcilerin piyasaya sürülmesiyle güç
elektroniği dalında çalışanlara yeni ufuklar açılmıştır.
Güç Elektroniği Giriş
Power Electronics 26
Tarihçe
• Bu gelişmelere uygun olarak tristör’e alternatif yeni güç elektroniği elemanları geliştirilme çalışmaları başlamış ve bu çalışmalar sonucunda o zamana kadar düşük güçlüleri kullanılmakta olan “Güç Transistör’leri ve Güç Mosfet’leri”
geliştirilmiştir.
• Güç transistör’leri, güç mosfet’leri ve bu elemanların daha ileri versiyonlarının geliştirilmesiyle birlikte, daha önceki yıllarda tristörler kullanılarak hem daha zor hemde daha pahalı olarak yapılmaya çalışılan bir takım güç elektroniği
devreleri ve endüstriyel uygulamalar, bu yeni elemanların kullanılmaya
başlamasıyla, kolay, boyut olarak küçük, fonksiyonel ve daha ucuza yapılabilir ve kullanılabilir hale gelmiştir.
Güç Elektroniği Uygulama Alanları
Güç elektroniğinin uygulama alanları son yıllarda hızla artmış; iletişim, savunma, güç üretimi, iletimi ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım ve tüketici elektroniği gibi her alana yayılmıştır. Uygulama alanlarını dört kategoride inceleyebiliriz:
1- Elektrik makinalarında sürücü ve denetim sistemleri: Bunlar AC veya DC;
değişken veya sabit hızlı sistemler olabilir. Ufak servo motorlardan çok yüksek güçlü endüstriyel pompa sürücülerine kadar değişkendir.
Güç Elektroniği Uygulama Alanları
Power Electronics 28
2- Endüstriyel süreçler: Elektroliz ve metal kaplama gibi
kimyasal süreçlerde kullanılan doğrultucular, endüksiyon
fırınları, elektrik kaynak sistemleri gibi uygulamalardır. Bu
grubun özelliği elektromekanik elemanlar içermemesidir.
Güç Elektroniği Uygulama Alanları
3- Güç kaynakları: Elektrik enerjisinin bir şekilden diğer bir
şekle genellikle diğer bir elektronik sistemi beslemek amacıyla dönüştürülmesi amacını taşıyan uygulamaları içerir. Hastaneler veya bilgisayar sistemlerinde kullanılan kesintisiz güç
kaynakları ve DC/DC çeviriciler örnektir.
Güç Elektroniği Uygulama Alanları
Power Electronics 30
4- Kaynak / Kullanıcı arabirimleri: 3. kategori ile kesin bir
ayırımı yoktur. Değişik frekanslardaki şebekeleri birliştiren
DC bağlantı sistemleri; yüksek hızlı generatörlerle elektrik
şebekeleri arası frekans dönüştürücüleri güneş enerjisini
elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik sistemlerdeki güç
düzenleyicileri örnek verilebilir.
Güç Elektroniği Uygulama Alanları
1. Temel Statik Uygulamalar
• Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK, UPS)
• Anahtarlamalı Güç Kaynakları (AGK, SMPS)
• Endüksiyonla Isıtma (EI, EH)
• Elektronik Balastlar (EB, EB)
• Yüksek Gerilim DC Taşıma (YGDCT, HVDC)
• Statik VAR Kompanzasyonu (SVK, SVC)
2. Temel Dinamik Uygulamalar
• Genel Olarak DC Motor Kontrolü
• Genel Olarak AC Motor Kontrolü
Güç Elektroniği Uygulama Alanları
Power Electronics 32
3. Diğer Önemli Uygulamalar
• Aydınlatma ve Işık Kontrolü Sistemleri
• Isıtma ve Soğuma Sistemleri
• Lehim ve Kaynak Yapma Sistemleri
• Eritme ve Sertleştirme Sistemleri
• Eleme ve Öğütme Sistemleri
• Asansör ve Vinç Sistemleri
• Yürüyen Merdiven ve Bant Sistemleri
• Pompa ve Kompresör Sistemleri
• Havalandırma ve Fan Sistemleri
• Alternatif Enerji Kaynağı Sistemleri
• Akümülatör Şarjı ve Enerji Depolama Sistemleri
• Elektrikli Taşıma ve Elektrikli Araç Sistemleri
• Uzay ve Askeri Araç Sistemleri
• Yer Kazma ve Maden Çıkarma Sistemleri
Güç Elektroniği disiplinler arası bir alandır:
• Dijital/Analog Elektronik
• Güç ve Enerji
• Gömülü Sistemler (DSP, VLSI, microprocessor/microcontroller, ASIC)
• Kontrol Sistemleri
• Elektrik Makineleri
• Sinyal İşleme
• Bilgisayar, simülasyon ve yazılım
• Solid-state fiziği ve aygıtları
• Isı transferi
Güç Elektroniği Devrelerinin Sınıflandırılması
Power Electronics 34
Bir kaynaktan alınarak bir yüke verilecek elektrik enerjisinin yükün gerektirdiği uygun bir gerilim ve frekansa
dönüştürülmesi için kullanılan güç elektroniği devrelerine
genel olarak güç dönüştürücüleri denir. Güç dönüşümü
dört ayrı biçimde yapılabilir:
Güç Elektroniği Devrelerinin Sınıflandırılması
Dönüşüm şekline göre:
Doğrultucular (Redresör, Rectifier): Sabit genlik ve frekansta bir AC kaynaktan DC eldesinde kullanılırlar. Denetimli ve denetimsiz olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar.
Denetimsiz:Diyotlarla ve çıkış gerilimi ortalaması sabit; Denetimli: 0 ila max.
Arasında ayarlanabilir, ayrıca negatif gerilim elde edilebilir, güç yönü değişir.
Eviriciler (Ondülör, Inverter): Bir DC kaynaktan bir veya çok fazlı AC eldesinde
kullanılır. DC giriş genelde sabittir. AC çıkış genliği ve frekansı sabit veya değişken olabilir.
DC Kıyıcılar : Sabit genlikli DC den ayarlanabilen DC eldesinde kullanılır.
AC Kıyıcılar : Sabit genlik ve frekansta (temel frekans) bir AC kaynaktan aynı frekansta ancak değişken genlikli AC eldesinde kullanılır.
Ara devreli çeviriciler :Sabit bir DC kaynağından ayarlanabilen bir DC veya sabit bir AC kaynağından ayarlanabilen genlik ve frekansta bir AC eldesinde kullanılır.
Dönüşüm sırasında ara devre vardır. Ara devreli AC çeviriciler özellikle asenkron motorları beslemede kullanılır.
Doğrudan frekans çeviriciler : Bir ara devre oluşturmadan doğrudan yapılan frekans
Güç Elektroniği Devrelerinin Sınıflandırılması
Power Electronics 36
Güç Elektroniği Devrelerinin Sınıflandırılması
Aktarım (komütasyon) şekline göre:
Güç elektroniği devrelerinin en çok kullanılan elemanı tristör; bir tetikleme
darbesi ile tıkama durumundan iletime geçirilebilir. Bir tristörün iletimden kesime geçirilebilmesi yani söndürülebilmesi için üzerinden geçen akım sıfıra inmelidir.
Bu da genelde bir tristörden diğer bir tristöre akımın devredilmesi yani
aktarılmasıyla olur. Buna komütasyon denir. Komütasyon şekline göre güç dönüştürücüleri üç gruba ayrılır.
1- Aktarımsız (komütasyonsuz) : AC kıyıcılar
2- Doğal aktarımlı : Doğrultucular, eviriciler, frekans çeviriciler
3- Zorlamalı aktarımlı: Eviriciler, DC kıyıcıları, ara devreli AC çeviricileri: Bu türdeki devrelerin gerektirdiği aktarım elemanları sebebiyle kayıpları büyüktür dolayısıyla verimleri düşüktür.
