güç elektron

ENDÜKSİYONLA ISITMA (EI, IH)
GÜÇ KATSAYISI DÜZELTME (GKD, PFC)
ENDÜKSİYONLA ISITMA (EI, IH)
 Endüksiyonla ısıtma, bir bobine uygulanan AC akımın
oluşturduğu manyetik alanın bobin içerisindeki iletken
bir malzeme üzerinde endüklediği gerilim tarafından
geçirilen akımın malzemeyi ısıtması şeklinde tanımlanır.
 Manyetik malzemelerde ayrıca mıknatıslanma
kayıpları oluştuğundan, bu tür malzemelerin ısıtılması
daha kolaydır. Ancak, bu malzemeler Curie noktasının
üzerinde manyetik özelliğini kaybeder.
NÜFUZ DERİNLİĞİNİN TANIMI
Bütün akımın malzeme yüzeyinden itibaren akımın sabit değerde erişebileceği
derinliğe nüfuz derinliği denilir. Endüksiyonla ısıtmada, uygun frekansın
seçiminde önemli bir rol oynayan nüfuz derinliği;
 : Nüfuz Derinliği
r : Bağıl Manyetik Geçirgenlik
 : Özgül Direnç
f : Frekans
bağıntısı ile bilinmektedir.

  503
 r .f
Şekilde verilen silindirik bir malzeme kesiti ile akım yoğunluğu diyagramı
nüfuz derinliğinin tanımını göstermektedir.
ENDÜKSİYONLA ISITMANIN ÜSTÜNLÜKLERİ
 Klasik ısıtmada, ısınma olayı
 Endüksiyonla ısıtmada, manyetik
malzemenin ısıl iletimi ile oluşur. Eriyen
iletimle oluşan ısınma olayı çok
kısma ısı verilmeye devam edilir. Bir
hızlıdır, verim ve kalite yüksektir.
cüruf tabakası oluşur. Bu tabaka ısıl
iletimi zorlaştırır. Fırın kapağının sık sık
açılması gerekir. Genellikle malzemede
 Endüksiyonla ısıtma ile
günümüzde, ısıtma, eritme, lehim
yanmalar oluşur. Klasik ısıtmada, ısınma
yapma, kaynak yapma, haddeleme,
olayı yavaştır, verim ve kalite düşüktür.
sertleştirme, yüzey sertleştirme…
 Klasik ısıtmada gün ve saat
mertebelerinde oluşan ısıl işlemler,
endüksiyonla ısıtmada dakika ve saniye
mertebesinde gerçekleşir.
gibi pek çok ısıl işlem
gerçekleştirmektedir.
Günümüzde, bu güç kaynaklarının çok büyük avantajlara sahip olan statik
inverterler ile sağlanmasına çalışılmaktadır. Bu amaçla, seri veya paralel
rezonanslı inverterler yaygın olarak kullanılmaktadır. Yine frekansa bağlı olarak
bu AC güç kaynaklarını üreten inverterler,
 10 kHz’e kadar Tristör
 20 kHz’e kadar GTO
 100 kHz’e kadar IGBT
 Daha Yukarı kHz ler için MOSFET
ile elde edilmektedir.
ENDÜKSİYONLA ISITMANIN ELEKTRİKSEL EŞDEĞER DEVRESİ
Şekil üzerindeki semboller, endüksiyon bobini için,
Rb : Kayıp ısıl güç
Rp :Malzemeye verilen ısıl güç
Xo : Bobin endüktansı
Ro : Toplam (eşdeğer) direnç
anlamındadır.
 Bu eşdeğer devre için genel olarak,
Ro  Rb  Rp

Rp
R0
Zo  R o  X o
2
2
bağıntıları yazılabilir.
Ro
cos  
Zo
Xo
  arctg
Ro
ENDÜKSİYONLA ISITMA SISTEMLERİ
1. KontrollüDoğrultucu ve İnverter Grubu ile Endüksiyonla Isıtma
Bu sistemde, rezonanslı inverterin giriş gerilimi kontrollu doğrultucu ile
ayarlanarak güç kontrolü sağlanmaktadır. AC şebekeden oldukça büyük reaktif
güçler çekilmektedir.
Burada,
P1  U1 .I1 . cos 1
Pdc  U d I d
P2  U 2 .I 2 . cos 2
kayıpları ihmal edilirse,
P1  Pdc  P2
eşitlikleri yazılabilir.
2. Kontrolsüz Doğrultucu, DC Kıyıcı ve İnverter Grubu ile
Endüksiyonla Isıtma
Bu sistemde ise, rezonanslı inverterin besleme gerilimi DC kıyıcı ile
ayarlanarak güç kontrolü yapılmaktadır. Kontrolsüz doğrultucu DC kıyıcının
beslenmesi için sabit bir DC gerilim üretmektedir. AC şebekeden çekilen
reaktif güç oldukça düşüktür.
ENDÜKSİYONLA HOMOJEN ISITMA
 Endüksiyonla homojen ısıtma, sertleştirme, eritme, haddeleme,
gerilim giderme ve menevişleme amaçları ile yapılır. Genel olarak,
malzemenin cinsi ve çapı ile ısıtma amacına göre uygun frekans
ve güç yoğunluğu değerleri seçilir.
 Genel olarak, frekans ve güç yoğunluğu değerleri, yüzey
sertleştirmeye göre daha düşüktür. Güç yoğunluğu ısınma süresini
doğrudan etkiler. Güç yoğunluğu arttıkça ısınma süresi azalır.
Frekans arttıkça ısınma derinliği düşer.
Minimum Frekans ve Isınma Süresi Değişimleri
Homojen
ısıtmada,
malzemenin
çapı
arttıkça,
uygulanan AC gerilimin frekansı düşürülür. 5 cm’nin
üzerindeki çaplar için, 50 Hz’lik AC gerilim kullanılır.
Homojen ısıtmada, belli bir frekans için, malzemenin çapı
arttıkça ısınma süresi de artar.
Minimum Frekansın Pratik Seçimi
Dökme Çeliklerde
Pratik Frekans Değerleri
Manyetik
Çap
(mm)
Pratik Frekans
Curie Noktasının
malzemeler,
noktasında
özelliklerini
Curie
mıknatıslanma
kaybederler.
Bu
Altında
Üstünde
0-6
450 k
450 k
durumda, aynı frekansta bobinin
6-12
3k
10 k
endüktansı
12-25
1k
10-3 k
düşeceğinden, devreden çok aşırı
25-50
1k
3-1 k
akımlar
çekilebilir.
50-75
50
1k
Curie
noktasına
> 75…
50
50
frekans
büyük
miktarda
Bu
erişildiğinde,
yükseltilerek
sınırlanması sağlanır.
nedenle,
akımın
Demir Olmayan Metallerde
Pratik Frekans Değerleri
Çap
(mm)
Frekans
0-12
450 k
12-25
10-3k
25-75
1k
75
50
Manyetik olmayan malzemelerde,
genellikle
göre
manyetik
daha
kullanılmaktadır.
yüksek
malzemelere
frekanslar
ENDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME
 Bir çelik malzeme yüzeyinin belli bir derinlikte sertleşmesi, istenilen
derinlikteki malzeme yüzeyinin belli bir sıcaklığa kadar endüksiyonla ısıtılıp
uygun bir ortamda soğutulması şeklinde sağlanmaktadır.
 Burada, uygun bir frekans ve güç yoğunluğunun seçilmesi oldukça önemlidir.
Sertleşmenin derinliği frekansa çok bağlıdır.
 Isı malzeme içerisine işlemeden işlemin tamamlanması gerektiğinden, güç
yoğunluğu homojen ısıtmaya göre oldukça yüksek ve ısınma süresi oldukça kısa
olmalıdır.
GÜÇ KATSAYISI İLE FAZ FARKI VE HARMONİKLER
Güç Katsayısı, temel olarak aktif gücün görünen güce oranı şeklinde
tanımlanır. AC şebekenin gerilimi ile şebekeden çekilen akımın sinüsoidal olması
yani harmoniklerin bulunmaması durumunda, görünen, aktif ve reaktif güçler
ile güç katsayısı ifadeleri,
S = V.I
P = V.I.Cosφ
Q = V.I.Sinφ
S2 = P2 + Q2
GK = P/S = Cosφ
şeklinde yazılır.
 Burada, φ gerilim ile akım arasındaki faz farkı, Cosφ ise güç katsayısı olarak
bilinir.
 Yük saf omik ise, φ=0, Q=0, S=P ve Cosφ=1 olur.
 Yük omik-endüktif veya omik-kapasitif ise, mutlak değer olarak S>P ve
Cosφ <1 olacaktır. Faz farkı arttıkça, reaktif güç büyür ve güç katsayısı küçülür.
 Aktif güç, işe yarayan, ısı, ışık veya mekanik enerjiye dönüşen güç
demektir.
 Reaktif güç ise, işe yaramayan, gereksiz yere şebekeden çekilen, generatör,
transformatör, kablo ve devre elemanlarının güç kapasitelerini gereksiz
yere dolduran güç demektir.
 Motor, transformatör, bobin gibi omik-endüktif yükler doğal olarak reaktif
güç çekerler.
 Ancak, reaktif gücün şebekeden çekilmesi önlenmelidir. Buna, Güç
Katsayısının Düzeltilmesi veya Reaktif Güç Kompanzasyonu
denilmektedir. Güç Katsayısı ne kadar düzeltilirse, yani ne kadar 1’e
yaklaştırılırsa, devre ve elemanların hacim ile fiyatları o kadar düşer ve güç
yoğunlukları o kadar artar.
Diğer yandan, generatör ve transformatörlerin doyuma gitmesi veya lineer olmayan yüklerin
bulunması gibi sebeplerle, gerilim ve akım dalga şekilleri sinüsoidalden uzaklaşmakta yani
harmonikler oluşmaktadır. Bu harmonikler, şebeke ve yüklerin bozulmasına ve güç katsayısının
düşmesine neden olmaktadır. Harmonik güçler de işe yaramayan güçlerdir.
Harmonikli bir sistem için, genel olarak,
 S = V.I
 P = P1 = V1.I1.cosφ1
 Q = Q1 = V1.I1.sinφ1
 S 12 = P 2 + Q 2
 Qt2 = Q12 + Qh2
 S2 = P2 + Qt2
 GK = P/S = (V1/V).(I1/I).cosφ1
bağıntıları yazılır.
 Burada, 1 indisleri, temel bileşenleri ifade etmektedir.
 S görünen güç, P aktif güç, Q reaktif güç, Qt toplam reaktif güç, Qh harmonik
güç anlamlarındadır ve bütün gerilim ve akım değerleri efektiftir.
 Aktif güç, gerilim ve akımın temel bileşenlerinin efektif değerleri ile bu temel
bileşenler arasındaki faz farkının kosinüsünün çarpımına eşittir.
 Güç faktörü ifadesinde, V1/V oranı gerilimin temel bileşen katsayısı, I1/I
oranı akımın temel bileşen katsayısı ve cosφ1 ise temel bileşenler arasındaki faz
farkını ifade etmektedir. Temel bileşen katsayılarının 1’den ne kadar küçük
olduğu, harmonik içeriğin ölçüsünü gösterir
HARMONİKLERİN ÜRETTİĞİ
PROBLEMLER
HARMONİK ÜRETEN
KAYNAKLAR










Transformatörler
Dönen makinalar
Güç elektroniği elemanları
Yüksek gerilim DC taşıma
Statik VAR generatörleri
Kesintisiz güç kaynakları
Ark fırınları
Elektronik balastlar
Gaz deşarjlı aydınlatma
Fotovoltaik sistemler




















Generatör ve şebeke geriliminin bozulması
Gerilim düşümünün artması
Kompanzasyon tesislerinin aşırı reaktif yüklenme ve dielektrik
zorlanma nedeniyle zarar görmesi
Enerji sistemindeki elemanlarda ve yüklerde kayıpların artması
Motorlarda moment salınımlarının ve aşırı ısınmanın meydana
gelmesi
Endüksiyon tipi sayaçlarda yanlış ölçmeler
Şebekede rezonans olayları ve bunun neden olduğu aşırı gerilim ve
akımlar
Koruma ve kontrol düzenlerinde sinyal hataları
İzolasyon malzemesinin delinmesi
Elektrik aygıtlarının ömrünün azalması
Sesli ve görüntülü iletişim araçlarında parazit ve anormal çalışma
Mikro bilgi işlemciler üzerinde hatalı çalışma
Elektromekanik cihazlarda ve kablolarda ısınma
Ateşleme devrelerinin anormal çalışması
CAD/CAM terminallerinde hafızaların silinmesi
Elektronik kart arızaları
Güç kondansatörlerinde güç kayıpları, delinmeler ve patlamalar
Kompanzasyon sigortalarında atmalar
Kesici ve şalterlerde açmalar
Röle sinyallerinin bozulması ve anormal çalışması
GÜÇ KATSAYISINI DÜZELTME YÖNTEMLERİ
 Faz farkı ve harmonikler nedeniyle düşen güç katsayısının 1’e yaklaştırılmasına
Güç Katsayısının Düzeltilmesi (GKD, PFC) denilmektedir.
 O halde, GKD hem reaktif gücün hem de harmoniklerin yok edilmesi veya en
aza indirilmesi anlamlarını taşımaktadır.
 Temel olarak düşük güç katsayısı, ek kayıplara, ek ısınmalara, ek
momentlere, ek gürültülere, ek titreşimlere, erken bozulmalara, kapasite
kullanımı azalmalarına, hatalı çalışmalara vb. neden olmaktadır.
Reaktif güç ve/veya harmoniklerin azaltılması suretiyle, güç katsayısı, klasik
olarak,
 Reaktif Güç Kompanzasyonu (kondansatör bataryaları kullanılarak)
 Filtreler (bobin ve kondansatörler kullanılarak)
kullanılarak veya modern olarak,
 Statik Reaktif Güç Kompanzasyonu (bobin ve kondansatörler ile yarı iletkenler
kullanılarak)
 GKD Kontrol Yöntemleri (PWM ve diğer kontrol yöntemleri kullanılarak)
 Aktif Filtreler (akım şekillerinin ani değerleri takip ve kontrol edilerek)
gibi güç elektroniği sistemleri ile düzeltilebilmektedir.
DOĞRULTUCULARDA GÜÇ KATSAYISINI DÜZELTME
 Güç katsayının düzeltilmesi, doğrultucu girişinin basit bir direnç gibi
davranmak üzere düzenlenmesidir. Aktif filtre, bunu giriş akımını giriş
gerilimine göre programlayarak yapar. Büyük değerli bir kondansatörle
yüklenen bir doğrultucunun AC gerilim kaynağından çektiği akım, normal
olarak aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi darbeler şeklinde, faz farklı ve
harmoniklidir. Burada, güç katsayısı oldukça düşüktür.
GÜÇ KATSAYISININ DÜZELTİLMEMESİ DURUMUNDA
U
V
A
I
t
B
Güç
Kaynağına
(a)
C
I
Iort
t
(b)
Güç kaynağı giriş devresi.
a) AC kaynaktan güç çekilen
bölgeler.
b) Çekilen DC akımın dalga şekli.
 Doğrultucuların AC şebeke girişindeki güç katsayısının düzeltilmesinde,
doğrultucu çıkışında yaygın olarak yükseltici tür bir DC-DC dönüştürücü
kullanılmaktadır. Girişteki güç katsayısının düzeltilmesi için uygun olan bu
dönüştürücünün dezavantajı, çıkış geriliminin yüksek olması zorunluluğudur.
GÜÇ KATSAYISININ DÜZELTİLMESİ DURUMUNDA
U
Vs
I
L
D
IL
C
Kontrol
Devresi
T
Güç kaynağı giriş devresi.
C
I
AC şebekeden çekilen veya
düzenlenmiş endüktans akımının
dalga şekli.
iy
ik
iaf
L
Kaynak
f
R
Doğrusal
Olmayan
Yük
Dönüştürücü
f
Akım
Kontrol
Devresi
Harmonik
Belirleme
Birimi
ih
Referans
Akım
Hesaplama
i*af
Aktif Güç Filtresinin Genel Yapısı
Aktif güç filtreleri yapı olarak aşağıdaki kısımlardan oluşmaktadır:
Harmonik belirleme birimi
Referans akımı hesaplama birimi
Akım kontrol devresi
Dönüştürücü
AKTİF FİLTRENİN PRENSİBİ
 Aktif filtreler, şebekeden çekilen akımın ani değerlerini okuyarak, bu akımın
harmoniklerini yok etmek üzere sisteme uygun akım darbelerinin enjekte edilmesi
prensibine dayanmaktadır.
 Aktif filtreler, lineer olmayan yüklerin çektiği harmoniklerin AC şebekeye yansımasını
önler ve güç katsayısı 1 olmak üzere şebekeden sinüsoidal bir akımın çekilmesini
sağlar.
 Bir lineer olmayan yük tarafından şebekeden çekilen akımın içerisinde, bir temel
frekanslı bileşen iL1 ile farklı frekanslardaki harmonik veya bozucu bileşenler İLbozulma
bulunmaktadır.
 Aktif filtre tarafından, yük akımı algılanır, bu akımın içerisindeki harmonikleri yok
etmek üzere akım darbeleri üretilir ve bu darbeler yük akımına enjekte edilir. Böylece,
yükün çektiği harmoniklerin AC şebekeye yansıması önlenir.
Şebeke
iL=iL1+iLbozulma
Aktif filtrede, temel olarak akım
Nonlineer
Yükler
AC
darbelerini anahtarlamalı bir DC-
ifiltre
AC dönüştürücü üretir ve bu
Ud
dönüştürücünün
DC
girişinde
küçük değerli bir kondansatörün
bulunması yeterlidir.
DC-AC
Dönüştürücü
Bir Aktif Filtrenin Temel Blok Şeması.
Harmonik belirleme birimi aktif güç filtresinin en önemli kısmıdır. Yük akımındaki
harmonikleri yok edecek olan kompanzasyon akımını üretmek için çoğunlukla iki
yöntem kullanılmaktadır.
Bunlar “p-q Teorisi” olarak da bilinen ani reaktif güç yöntemi ve “Fourier Serisi
(FFT)” yöntemidir. Ani güç yönteminde yük akımındaki her bir harmoniğin ayrı ayrı
belirlenmesine ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu yöntem anlık çalışır ve o anda ölçülen
akımı, tam sinüs dalgasına tamamlamak amacı ile kompanzasyon akımını üreten
hesaplama devrelerinden oluşmaktadır.
FFT yöntemi, “Frekans Domeninde Düzeltme” olarak ta bilinmektedir. Fourier
analizi ile yükteki harmonik bileşenleri ayrı ayrı belirlenmekte ve daha sonra da
aynı harmonik bileşenlerine sahip ters fazda fakat aynı genlikte bir akım dalgası
üretilmektedir.
Akım kontrol devresinin girişinde harmonik belirleme biriminde üretilen referans
filtre akım sinyali ve filtre çıkışı akım sinyali, çıkışında ise inverter devresi
tetikleme sinyali bulunmaktadır. Temel olarak referans akım sinyalleri ile çıkış
akım sinyalleri arasındaki fark işlenerek yarı iletken devre elemanlarının kapı
sinyalleri üretilmektedir.
Aktif güç filtresi akım beslemeli inverter veya gerilim beslemeli inverter
kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir. Dönüştürücülerdeki DC kaynak gerilimi
ya AC devreden doğrultularak ya da ayrı bir sarj devresinden elde edilmektedir.
Gerilim beslemeli inverterin DC kaynağı, gerilim değişimlerine dayanabilen bir
kondansatörden oluşmaktadır. Akım beslemeli inverterde ise DC kaynak olarak
akım değişimlerine dayanıklı bir bobin kullanılmaktadır. Bu inverterlerde yarı
iletken eleman olarak BJT, SCR, GTO ‘lar ve son uygulamalarda ise IGBT ‘ler
yer almaktadır.