üç fazlı kontrollü doğrultucu ve dimmer devre uygulaması

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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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.
0.5
𝑉𝑜𝑟𝑡
3√3𝑉𝑚
1 √3
(𝑐𝑜𝑠𝛼) , 𝑉𝑟𝑚𝑠 = √3𝑉𝑚 [ +
=
cos 2𝛼]
2𝜋
6 8𝜋
2.4. Dimmer Devre Uygulaması
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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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 0o
ile 180o 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 180o 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 / 1800 =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 90o ’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 0o ile 180o 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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
(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 𝑉𝑜
Ortalama 𝑉𝑜
α = 0°
α=60°
α=90°
2.1.2. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük)
Şekilde görülen devreyi kurunuz. Gerekli ölçümleri alınız.
6
Ortalama 𝐼𝑜
RMS 𝐼𝑜
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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 𝑉𝑜
Ortalama 𝑉𝑜
α=60°
α=90°
7
Ortalama 𝐼𝑜
RMS 𝐼𝑜
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
(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
Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________
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