Ders Günü, Saati ve Sınıfı - İstanbul Üniversitesi | Teknik Bilimler
advertisement
19.03.2017 Yrd.Doç.Dr.EmreÖZER T.C.İstanbulÜniversitesi TeknikBilimlerMeslekYüksekokulu ElektrikveEnerjiBölümü ElektrikProgramı 19.03.2017 Güç Elektroniği 1 DersGünü,SaativeSınıfı • ÖrgünÖğretim • Elektrik2Sınıfı • Pazartesi– 09:20– 12:35 • İkinciÖğretim • Elektrik2Sınıfı • Pazartesi– 17:00– 20:15 19.03.2017 Güç Elektroniği 2 1 19.03.2017 Kaynaklar • Power Electronics:Devices,Circuits and Applications 4thEdition • Author:Muhammad H.Rashid • Publisher:Pearson;4edition July 29,2013 • GüçElektroniği:YarıiletkenElemanlar,DevrelerveUygulamaları • Yazar:Muhammad H.Rashid • Çevirmenler:SedatSünter,TimurAydemir • Yayınevi:NobelAkademikYayıncılık;4.baskıdançeviri Ekim2016 19.03.2017 Güç Elektroniği 3 Kaynaklar • PowerElectronics:Converters,Applications,andDesign 2nd Edition • Author:NedMohan,ToreM.Undeland,WilliamP.Robbins • Publisher:Wiley;2edition January9,1995 • GüçElektroniği;Çeviriciler,UygulamalarveTasarım • Yazarlar:NedMohan,ToreM.Undeland,WilliamP.Robbins • Çevirmenler:NejatTuncay,MetinGökaşan,Seta Boğosyan • Yayınevi:LiteratürYayıncılık;2.baskıdançeviri 2014 19.03.2017 Güç Elektroniği 4 2 19.03.2017 Giriş • Güçelektroniği,yükeaktarılanelektrik enerjisiakışını,uygunakımvegerilim değerlerinisağlayarak,işlemekve kontroletmekolaraktanımlanabilir. • Güçdevresi,yüktarafındanbelirlenen gerilim,akım,frekansvefazsayısını işler. • Kontroldevresi,güççıkışıileistenen referans değerlerikarşılaştırırveikisi arasındakihataişaretinienazaindirger. Birgüçelektroniğisistemininblokdiyagramı 19.03.2017 • Şekildekigüçdevresiningirişi genelliklebiryadaüçfazlıelektrik şebekesindengelmektedir. Güç Elektroniği 5 GüçElektroniğiUygulamaları • Sonyıllardagüçelektroniği alanı,lineertümdevrelerden ve/veyasayısalişaret işleyicilerdenoluşankontrol devrelerindekigelişmelere, yarıiletkengüçelemanlarının anahtarlamahızlarının artmasınaveakım‐gerilim yönetmebecerilerinin gelişiminebağlıolarakbüyük birgelişmegöstermiştir. 19.03.2017 UygulamaAlanları a Evaraçlarında Güç Elektroniği • • • • • • Buzdolabıvedondurucular Hacimısıtması Klima Pişirme Aydınlatma Kişiselbilgisayarlar 6 3 19.03.2017 GüçElektroniğiUygulamaları b Ticariaraçlarda Isıtma,havalandırmaveklima Merkezisoğutma Aydınlatma Bilgisayarlarveofis eşyaları/ekipmanları • Kesintisizgüçkaynakları UPS’ler • Asansörler c Sanayi Endüstriyel araçlarda • • • • 19.03.2017 • • • • • • • • • Pompalar Kompresörler Üfleyicilervefanlar Makineelemanları robotlar Arkocakları,endüksiyon ocakları Aydınlatma Endüstriyellazerler Endüksiyonlaısıtma Kaynak Güç Elektroniği 7 GüçElektroniğiUygulamaları d Taşımacılıkta • Elektrikliaraçlarıntahrik sistemleri • Elektrikliaraçlariçin akümülatördoldurma sistemleri • Elektriklilokomotifler • Toplutaşımaaraçları, troleybüsler • Metro • Motorkontrolüiçeren otomotivelektroniği 19.03.2017 e Şebekesistemlerinde • Yüksekgerilimlidoğruakım naklinde HVDC • Statikvarkompanzsatör SVC • Tamamlayıcı/yanenerji kaynakları rüzgar, fotovoltaik yakıtpilleri • Enerjidepolamasistemleri • Induced‐draft fanlarıveboiler fedwater pompaları Güç Elektroniği 8 4 19.03.2017 GüçElektroniğiUygulamaları f Havacılık‐Uzay • Uzaymekiğigüçkaynaklarısistemleri • Uydugüçsistemleri • Uçakgüçsistemleri g Telekomünikasyon • Akümülatördoldurmasistemleri • Güçkaynakları 19.03.2017 Güç Elektroniği 9 GüçİşleyicilerininveÇeviricilerinin Sınıflandırılması Güçİşleyicileri • Güçelektroniğisistemlerininçoğundagüçişleyicisiningirişielektrik şebekekaynağıdır.Uygulamayabağlıolarakyükeuygulanançıkış aşağıdakiformlardaolabilir. 1. DoğruAkım • Regüleedilmiş sabit genlik • Ayarlanabilirgenlik 2. AlternatifAkım • Sabitfrekans,ayarlanabilirgenlik • Ayarlanabilirfrekansveayarlanabilirgenlik • Şebekevealternatifakımyükübirbirindenbağımsızolarakbiryadaüç fazlıolabilir. 19.03.2017 Güç Elektroniği 10 5 19.03.2017 GüçİşleyicilerininveÇeviricilerinin Sınıflandırılması GüçÇeviricileri • Güçişleyicilerişekilde gösterildiğigibigenelliklebir veyadahafazlagüççevirme aşamasındanoluşur. • Buaşamalarınişlevikondansatör veendüktansgibienerji depolamaelemanlarıaracılığıyla anlıkdeğişimleriayrıştırmaktır. • Buyüzden,anlıkgüçgirişinin anlıkgüççıkışınaeşdeğer olmasınagerekyoktur. 19.03.2017 Güçişleyicisiblokdiyagramı Güç Elektroniği 11 GüçİşleyicilerininveÇeviricilerinin Sınıflandırılması • Birçeviricideişaretelektroniği,kontroledilengüçyarıiletken elemanlarıilekondansatörveendüktansgibienerjidepolama elemanlarıkullanılır.Birçeviricigirişveçıkışbiçimine frekans bağlıolarakaşağıdakigibisınıflandırılabilir. 1. 2. 3. 4. 19.03.2017 alternatifakım→doğruakım ac →dc doğruakım→alternatifakım dc→ac doğruakım→doğruakım dc→dc alternatifakım→alternatifakım ac →ac Güç Elektroniği 12 6 19.03.2017 GüçİşleyicilerininveÇeviricilerinin Sınıflandırılması • “Çevirici”sözcüğüyukarıdaki fonksiyonlardanherhangibirini gerçekleştirebilenbirgüç çevirmeaşamasınaverilengenel birterimdir. • ac →dcçevriminde“doğrultucu” sözcüğüortalamagüçakışının ac’den dctarafınaolanbirçevirici anlamındadır. • “Evirici”sözcüğü,ortalamagüç akışıdc’den ac tarafınaolan çeviricianlamındadır. 19.03.2017 Güç Elektroniği ac‐dcçevirici 13 NedenAnahtarlama? • Bu örneğin amacı, 24V dc kaynaktan güç alarak direnci 6 Ω olan bir yüke 12V dc çıkış sağlayan dört farklı güç elektronik devresinin verimliliğini araştırmaktır. • Başka bir deyişle, bu devrelerin görevi 2:1 oranında bir dc transformatör olarak görev yapmaktır. • Şekil a , b , c ve d ’de gösterilen dört devre sırasıyla bir gerilim bölücü devre, zener regülatör, transistörlü lineer regülatör ve anahtarlama devresidir. Amaç, bu dört güç elektroniği devresinin verimliliğini hesaplamaktır. 19.03.2017 Güç Elektroniği 14 7 19.03.2017 NedenAnahtarlama? Gerilimbölücü Zener regülatör Anahtarlamalıregülatör Transistörlüregülatör 19.03.2017 Güç Elektroniği 15 NedenAnahtarlama? • Gerilimbölücüdcregülatör: • 24 ve 6Ω olduğuna göre, 12 olmasıiçin, • R 6Ω olmalıdır. • Verim,yükeaktarılanortalama gücünortalamagirişgücüne oranıolaraktanımlanır. •ɳ % % 50% Gerilimbölücüdcregülatör • Çıkışgerilimiazaldıkçaorantılı olarakverimdedüşer. 19.03.2017 Güç Elektroniği 16 8 19.03.2017 NedenAnahtarlama? • Zener dcregülatör: 12 olduğunagörekırılmagerilimi • 12 olanbirzener diyotseçilir. 12 ve 6Ω olduğunagöreyük • 2 olur. akımı 0.2 olduğunu • Zener akımının düşünürsek, 5.45Ω olarakhesaplanır. 2.2 24 52.8 olur. • Girişgücü 2 12 24 • Çıkışgücüise olarakhesaplanır. • Budurumdaverimaşağıdagibihesaplanır. • ɳ % . % 45.5% 19.03.2017 Güç Elektroniği 17 NedenAnahtarlama? • Transistörlü dc regülatör: • Çıkış gerilimi 12V olduğu için kollektör‐ 12 olacaktır. emetör gerilimi de 2 olduğuna göre • Yük akımı kollektör akımı, baz akımını ihmal edersek, 2 olur. • Transistör üzerinde harcanan güç: • • 12 • Bu durumda verim ɳ hesaplanır. 19.03.2017 2 24 50% olarak Güç Elektroniği 18 9 19.03.2017 NedenAnahtarlama? • Anahtarlamalı dc regülatör: • Devredeki anahtarın ideal olduğunu ve periyodik olarak açılıp kapandığını düşünelim. • Şekilde verilen çıkış dalga formu dc işaret değildir. • Çıkış geriliminin ortalaması: • , • Burada D, duty ratio (çalışma oranı) olarak isimlendirilir ve anahtarın kapalı (on‐time) olma süresinin anahtarlama periyoduna oranı olarak tanımlanır. 19.03.2017 Güç Elektroniği 19 NedenAnahtarlama? • • • • • 12 için 0.5 olarak , ayarlanır. Bu durumda ortalama çıkış gücü 48W, Ortalama giriş gücü 48W’tır. Sonuç olarak verim %100’dür. Anahtarın ideal olduğunu kabul ettiğimizi unutmayalım! 19.03.2017 Güç Elektroniği 20 10 19.03.2017 NedenAnahtarlama? • İdeal anahtar yerine BJT transistör kullandığımızı ve doyum durumunda , 1 olduğunu düşünürsek, • Transistör üzerinde harcanan ortalama güç, baz akımının çok küçük olduğunu farz edersek, yaklaşık 2W olur. • Bu durumda bile verim %96 olacaktır. 19.03.2017 Güç Elektroniği 21 İdealAnahtar • İletim durumunda akım taşıma sınırının olmaması • Kesim durumunda gerilim tutma sınırının olmaması • İletim durumunda gerilim düşümünün sıfır olması • Kesimde sonsuz direnç göstermesi • Konum değiştirme hızının sınırsız olması • Konum değiştirirken yükselme ve düşme zamanının sıfır olması 19.03.2017 Güç Elektroniği 22 11 19.03.2017 PratikAnahtar • Sınırlı güç tutma kapasitesi; iletim durumunda sınırlı akım taşıyabilme, kesimde sınırlı gerilim tutabilme. • Sınırlı anahtarlama hızı • Sonlu iletim ve kesim direnci; iletimde gerilim düşümü, kesimde sızıntı akımı • İletim kayıpları ve anahtarlama kayıpları 19.03.2017 Güç Elektroniği 23 YarıİletkenGüçAnahtarları • Yarıiletkengüçelemanlarınınartangüçkapasiteleri,kontrolkolaylığıvehergeçen yılfiyatlarınındüşmesigüçelektroniğiuygulamalarıiçinyeniçeviricitopolojilerinin ortayaçıkmasınayolaçmıştır. • Yarıiletkengüçelemanlarıkontroledilebilirlikderecelerinegöreüçsınıfa ayrılabilirler. 1. Diyotlar:İletimvekesimdurumlarıgüçdevresitarafındankontroledilir. 2. Tristörler:Birkontrolişaretiyleiletimesokulur,güçdevresitarafındankesime götürülür. 3. Kontrollüanahtarlar:Kontrolişaretiyleiletimegeçervekesimegiderler. • BJT:bipolarjunctiontransistor • MOSFET:metal‐oxidesemiconductorfieldeffecttransistor • GTO:gateturnoffthyristor • IGBT:insulatedgatebipolartransistor 19.03.2017 Güç Elektroniği 24 12 19.03.2017 Diyot • Aşağıdakişekildediyotundevresembolü,akım‐gerilimkarakteristiğiveidealakım‐ gerilimkarakteristiğiverilmiştir.Diyotileriyöndekutuplandığındailetimegeçer, akımakmayabaşlar.Tersyöndekutuplandığındadevrilmegeriliminekadarihmal edilebilecekbirsızıntıakımıakar. Diyot: a sembol, b i‐vkarakteristikeğri, c ideali‐vkarakteristikeğri 19.03.2017 Güç Elektroniği 25 Diyot • Diyotuniletimyönündeuçlarındakigerilimdüşümüvekesimdekisızıntıakımıihmal edildiğindeaşağıdakiidealdiyotakım‐gerilimkarakteristiğieldeedilir.Buideal durumadönüştürülmüşkarakteristikeğri,çeviricitopolojilerininanlaşılmasında kolaylıksağlar. Diyot: a sembol, b i‐vkarakteristikeğri, c ideali‐vkarakteristikeğri 19.03.2017 Güç Elektroniği 26 13 19.03.2017 DiyotUygulamaları • Doğrultucu Rectifier • Seviyekaydırıcı clamping • Gerilimkatlayıcı Voltage multiplier 19.03.2017 Güç Elektroniği 27 Tristör • Tristöründevresembolüveakım‐ gerilimkarakteristiğiyandaki şekildegösterilmiştir. • Anaakımanottankatota doğru akar. • Kesimde off‐state tristör uçlarındabirgerilimdüşümü olup,akımakmaz. • Budurumdakısasürelibirpozitif kapıakımdarbesinin uygulanmasıylatristöriletime geçer,akımakmayabaşlar. 19.03.2017 Güç Elektroniği 28 14 19.03.2017 Tristör • İletimdurumundatristör uçlarındakigerilimdüşümü sadecebirkaçvolttur. • Tristöriletimegeçtiğinde kilitlenirvekapıakımı kaldırılabilir. • Tristörkapıdankesime götürülemez,birdiyotgibiiletir. • Sadeceanotakımınegatifolma eğilimindeolursatristörkesime giderveakımsıfırdeğerineulaşır. 19.03.2017 Güç Elektroniği 29 Tristör • Tersdevrilmegerilimialtındaki gerilimdeğerlerinde,tersyönde kutuplanantristördenşekilde gösterildiğigibisadeceihmal edilebilecekkadarküçükbir sızıntıakımıakar. • İleriyöndetristöruçlarındaki gerilimvetersyöndeakansızıntı akımıihmaledildiğindeyandaki idealakım‐gerilimkarakteristik eğrisieldeedilir. 19.03.2017 Güç Elektroniği 30 15 19.03.2017 BasitBirTristörDevresi ig ia vs + vs _ t vo • Tristörnegatifkapıakımıilekesime götürülemez. t • Sadeceanotakımınegatifolursakesime gider. ig • Budakaynağınnegatifalternansında gerçekleşir.Bunadoğalkomütasyon denir. 19.03.2017 t Güç Elektroniği 31 BipolarJunctionTransistor BJT • Özellikler: • Gerilim:VCE 1000V, • Akım:IC 400A. • Anahtarlamafrekansı:5kHz’ekadar • Düşükkapanmagerilimi: • VCE sat :2‐3V C (collector) IC B (base) • Düşükakımkazancı β 10 . • Pahalıvekarmaşıkbazdevresi gerekli. • Buyüzdenyeniteknolojilerdeçok yaygındeğil. 19.03.2017 Güç Elektroniği + VCE _ IB IB E (emitter) BJT:symbol npn VCE (sat) VCE v‐i characteristics 32 16 19.03.2017 BJTDarlingtonpair C collector Driver Transistor IC1 IC Output Transistor IC2 B base + VCE _ IB1 IB2 Biasing/ stabilising network E emitter • Normallyusedwhenhighercurrentgainisrequired 19.03.2017 Güç Elektroniği 33 MetalOxideSiliconFieldEffectTransistor MOSFET • Ratings: • VoltageVDS 500V, • Current IDS 300A. • Frequencyf 100KHz. • Forsomelowpowerdevices few hundredwatts maygouptoMHz range. D (drain) ID G (gate) ID + VGS _ + VDS _ + VGS _ • Turningonandoffisverysimple. • Toturnon:VGS 15V • Toturnoff:VGS 0Vand0Vtoturnoff. S (source) MOSFET:symbol n‐channel VDS v‐i characteristics • Gatedrivecircuitissimple 19.03.2017 Güç Elektroniği 34 17 19.03.2017 InsulatedGateBipolarTransistor IGBT • CombinationofBJTandMOSFET characteristics. C (collector) IC • GatebehavioursimilartoMOSFET‐ easytoturnonandoff. • LowlosseslikeBJTduetolowon‐state Collector‐Emittervoltage 2‐3V . + VGE _ • Ratings: Voltage:VCE 3.3kV,Current,: IC 1.2kAcurrentlyavailable.Latest: HVIGBT4.5kV/1.2kA. VGE VCE (sat) E (emitter) • Switchingfrequencyupto100KHz.Typical applications:20‐50KHz. 19.03.2017 + VCE _ G (gate) VCE v‐i characteristics IGBT: symbol Güç Elektroniği 35 Gateturn‐offthyristor GTO • Behavelikenormalthyristor,butcanbe turnedoffusinggatesignal Ia • Howeverturningoffisdifficult.Needvery largereversegatecurrent normally1/5of anodecurrent . • Gatedrivedesignisverydifficultduetovery largereversegatecurrentatturnoff. • Ratings: Highestpowerratingsswitch: Voltage: Vak 5kV;Current:Ia 5kA. Frequency 5KHz. Ia A Anode + Vak _ Ig>0 Vr Ih Ibo Ig=0 Ig K Cathode Vbo Vak GTO:Symbol v‐i characteristics • Verystiffcompetition: Lowend‐fromIGBT.HighendfromIGCT 19.03.2017 Güç Elektroniği 36 18 19.03.2017 YarıİletkenGüçAnahtarlarının Karşılaştırılması 19.03.2017 Güç Elektroniği 37 19
