DENETİMLİ ELEKTRONİK GÜÇ ÇEVİRGEÇLER

denetimli elektronik güç cevirgecleri yazan:

W. McMurray çevi ren:

Erol Sezer

UDK: 621.314.58:621.382.233:621.314.26

ÖZET Artan uygulamalar için çok çeşitli elektronik güç çevirgeç (converter) devreleri vardır. Yüksek güçlü donanımlarda en çok yarıiletken tiristor ve diyotlar kullanılmaktadır. Devreler, tiristor ların doğal yada zorlamalı değişle (komütasyonla) söndürülmelerine göre sınıflandırılır. Evre de netim (phase control) yada tüm çevrim (integral cycle) anahtarlamalı gerilim cevirgecleri, AA/DA çevirgeçlerinin birçok türü ve çevrimçevirgeçler (cycloconverters) doğal değişli çevir geçlerdir. DA/DA kıyıcılar (chopper), DA/AA evirgeçlerin (inverter) çeşitli tipleri ve doğrudan AA/AA sıklık (frekans) değiştiriciler zorlamalı değiş li çevirgeçlerdir. Birçok uygulamada iki yada daha çok çevirgeç ardarda bağlanarak kullanılır. Bu yazıda her tür çevirgeç ve uygulamaları ör neklerle sunulmuştur.

SUMMARY

A large variety of electronic povrer converter circuits are available for use in a grouing num ber of applications. For high power eguipntent, semiconductor thyristor and diode devices are most often used. The circuits are conveniently classified according to yrhether the thyristors are turned off jby natural or forced commutation. Naturally commutated converters include ac vol tage controllers using phase control or integral cycle switching, ac/dc converters of many types, and cycloconverters. in the category of forced commutated converters are de/de choppers, dc/ac frequency changers. in many applications, two or more converters are cascaded to form a linke d system. Examples of each type of converter and their applications are presented.

W. McMurray, GEC, New York Erol Sezer, Asst., ODTÜ

1. GÎRÎŞ

Bu yazıda ağırlık denetim aygıtı olarak tiristor kullanılan güç çevirgeç devrelerindedir. Çünkü tiristor kullanılan çevirgeçler tranzistor yada başka denetimli yarıiletken aygıtların kullanıl dığı çevirgeçlerden daha güçlü, dolayısıyla yük sek güç donanımında daha yaygındır. Yazıda, kul lanılmakta yada geliştirilmekte olan birçok çevir geç türlerini içeren temel güç devreleri ele alı nacak, çeşitli uygulamaları ve davranış özellik leri incelenecektir. Yazının, özel bir güç dene tim dizgesinde istenen çevirme işlemini en verim li biçimde gerçekleştirecek aygıtların seçiminde yardımcı olacağını sanıyoruz.

Tiristorun ortaya çıkışından ve bu aygıtın kulla nıldığı çevirgeçlerin geliştirilmesinden sonra, yazında, tiratron vb. aygıtları kapsayan benzer çevirgeç devreleri üzerinde yapılan eski çalışma lara ek olarak, çok sayıda yeni çalışmaya rast lanmaktadır. Bu yazıda, bütün bu çalışmaları kap sayan genel bir araştırma yerine, daha az bilinen aygıt yada devrelerle ilgili birkaç yeni çalış maya yer verilmiştir. Daha genel çevirgeç tiple rine ilişkin bilgi için son yıllarda basılan ki taplara [1 15] yada yarıiletken yapımcılarından sağlanacak el kitaplarına başvurulabilir.

2. ELEKTRONİK GÜÇ AYGITLARINDA DEĞİŞ

Günümüzde, yüksek güç uygulamalarında en önemli denetimli elektronik aygıt tiristor, daha özel olarak da ters tutucu (reverse blocking) triyot tiristor yada denetimli silisyum doğrultmaçlar dır. Anot katottan daha yüksek gerilimde iken ge çite küçük bir denetim gerilimi uygulanırsa, ti ristor kesim durumundan iletim durumuna geçer, öte yandan, özel olarak tasarımlanmış aygıtlar dışında, tiristordan geçen akım geçit denetimi ile durdurulamaz. Tiristorun çalıştığı devrenin herhangi bir yolla akımı durdurması ve ön gerili min yeniden uygulanmasından önce kısa bir süre ters gerilim uygulaması gerekir. Bu dışsal işlem değiş olarak bilinir ve doğal yada zorlamalı değiş olarak sınıflandırılır.

Doğal ve zorlamalı değiş arasındaki fark Şekil 1' de görülen ilkel düzenleme yardımıyla açıklana bilir. Şekilde bir yük, Sı ve S2 tiristorları üzerinden, eı ve e2 gerilim kaynakları ile bes lenmektedir. Başlangıçta Sj in iletimde olduğunu varsayalım. Eğer ansal olarak e^ eı den daha yük sek ise, S2 iletime geçirildiğinde akım doğal olarak, Sı den S2 ye değişmiş olacaktır. Bu du rumda, daha önce S2 üzerinde düşen e2 eı ön ge rilimi, Sı üzerinde ters gerilim olarak görülür.

•1° \X GERİLİM KAYNAKLARI e, o |>t

0o

Şekil 1. İlkel bir çevirgeç.

(Öte yandan, eğer eı e2 den daha yüksek olsaydı, ya S2 tiristoru ateşlendiğinde ters gerilimlen miş olacak, dolayısıyla iletime geçemeyecekti; yada S2 nin çiftyönlü bir aygıt olması durumunda gerilim kaynakları kısa devre yapılmış olacaktı. Bu nedenle, S2 nin iletime geçmesinden önce Sı in devrede gösterilmeyen bir düzenleme ile kesime sokulması gerekecekti). Şimdi de, değiş yönünden, durum tersine dönmüştür. Yukarda sözü edilen Sı den S2 ye değiş sorunu, bu kez S2 den S e de ğişte ortaya çıkmaktadır. Yani, Sı den S2 ye de ğiş doğalsa, §2 den Sı e değiş zorlamalı (yada tersi) olmalıdır. Gerilim kaynaklarının her ikisi de AA ve devre çevrimsel gerilim tersimelerinin (cyclic voltage reversals) sınırları içinde çalı şıyorsa her iki aygıt da doğal değişli olarak ça lışabilir. DA kaynakları ile çalışmada, yükün herhangi bir biçimde akımı sıfırlamaması durumun da, aygıtlardan en az biri zorlamalı değişle ça lışmalıdır. Bu son durum, kişinin bakış açısına bağlı olarak, doğal değişin bir başka türü, yük zorlamalı değiş, olarak değerlendirilebileceği gibi, "özsalınımlı kendiliğinden değiş" olarak da adlandırılabilir.

Yukarda sözü edildiği gibi, zorlamalı değiş ek devre öğeleri gerektirdiğinden, uygulama amaçla rı sağlanmak koşuluyla, doğal değişli çevirgeç ler her zaman yeğlenir. Zorlamalı değişin gerek li olduğu durumlarda, taban akımını kesmek yada ters akım uygulamakla kesime sürülebilen güç tranzistorları kullanılarak, ek devre öğelerin den kaçınılabilir. Bununla birlikte, tranzistor ların güç değerlerinin sınırlı oluşu, tranzistor kullanılan çevirgeçlerin uygulama alanını daralt maktadır.

Anahtarlama (switdıing) tranzistorlu çevirgeç devreleri, yapısal olarak, tiristorlu çevirgeç lere benzerler; şu farkla ki, tiristorlu çevir geçlerde kullanılan birçok yardımcı devre öğesi atılmıştır. Tranzistorlu çevirgeçlerin tasarı mında, genellikle, uygun taban sürücü imlerin yaratılması ve anahtarlama kayıplarının azaltıl ması ile uğraşılır. Tiristorlu çevirgeçlerde ol duğu gibi, açma kayıplarının azaltılması için küçük değerli bir endüktans, kapama kayıplarının azaltılması için bir sığaç kullanılır.

Güç çevirgeçlerinde, tiristor ve güç tranzistoru dışında, denetimli olmayan diyot doğrultmaçlarla birlikte çeşitli denetimli yarıiletken aygıtlar da kullanılabilir. Bu aygıtlardan bazıları, iş levsel olarak, bir temel aygıt çiftinin eşdeğeri dir; dolayısıyla çevirgeç devrelerinde bu çiftin yerine kullanılabilir. Örneğin, çift yönlü triyot tiristor (triyak), ters koşut bağlı bir tiristor çiftine eşdeğerdir.

Triyaklı çevirgecin tasarımı, geçit sürücü devre nin uygun bir biçimde düzeltilmesi, dv/dt sınır lamasına ve benzeri ufak farklılıklara dikkat edilmesi koşuluyla, tiristorlu çevirgeç tasarımı nın aynıdır.

Benzer biçimde, ters iletimli (reverse conducting bir triyot tiristor, ters koşut (anti parallel) bağlı bir diyot ve tiristor bileşimi yerine kulla nılabilir [16]. Ayrıca, çeşitli türde diyot tiris torlar geliştirilmiştir [17] . Bunlar, özel bir yöntemle tetiklenmeleri dışında, benzerlerinin işlevsel olarak eşdeğerleridir. Son olarak, eski

tüp biçimli elektronik anahtar lama aygıtlarının (tiratron, ignitron, cıva ark doğrultmaç) davra nışları yönünden tiristorlara benzediğini ve bir çok çevirgeç devrelerinde kullanıldığını söylemek gerekir.

3. GÜÇ ÇEVİRGEÇ DEVRELERİNİN SINIFLANDIRILMASI

Değiş biçimine ve kullanılan aygıtlara göre yapı lan ayırımlardan başka, çevirgeç devreleri çevir me işlevlerine göre de sınıflandırılabilir. Giriş ve çıkışlarının AA yada DA olmalarına göre çevir geçler AA/DA, DA/AA, AA/AA ve DA/DA olmak üzere dört kümeye ayrılabilirler. Bunlardan güç çevir mesini bir basamakta yapanlar doğrudan çevirgeç ler (direct converters), iki yada daha çok çevir geç kullanarak yapanlar da ara bağlantılı çevir geç ler {intermediate link converters) olarak ad landırılır. AA/AA çevirgeçlerinde gerilim çevir mesi, sıklık çevirmesi yada her i k i s i birden ya pılabilir. Ayrıca, güç akışının tek yönlü (kay naktan yüke) yada ç i f t yönlü (yükün de güç üret mesi durumu) oluşuna,göre, yada güç tersimesinin oluş biçimine göre (DA bağlantısında gerilim yada akımın yönünün değiştirilmesi) çevirgeçler sınıf landırılabilir. Bunlardan en çok kullanılanlar örnek ve uygulamalarla tartışılacaktır.

4. DOĞAL DEĞİŞLİ ÇEVİRGEÇLER 4 . 1 . AA Evre Denetimli Çevirgeçler Bu tür çevirgeçlerin en yalın biçimde, ters ko şut bağlı bir çift tiristor (yada bir triyak) AA kaynağı i l e seri bağlanır. Yük direnil, endttk tif yada karşıt gerilim olabilir. Yüke uygulanan gerilim tiristorların ateşleme açısı ayarlanarak

Şekil 2. Y bağlı tiristorlarla evre denetimi.

Şekil 3. L bağlı tiristorlarla evre denetimi.

denetlenir. Doğal değiş, kaynak geriliminin bir sonraki yarım çevrimde yön değiştirerek akımı sıfırlaması ile gerçekleşir. Burada, denetimin yapılabilmesi için akımın süreksiz olması, yani ters yönlü gerilin vuruşlarının akımın sıfır ol duğu aralıklarla ayrılması gerekir.

Üç fazlı AA gerilim denetleçleri Şekil 2 ve 3'te görülmektedir. Şekillerde Z empedansı yükü gös termektedir. Bu dene.tleçlerin uygulama alanların dan bazıları aşağıda sıralanmıştır:

• düşük hızlarda küçük dönme momenti gerektiren (dolayısıyla yüksek kayma (high slip) kayıpla rı fazla olmayan) asenkron motorların hız dene timi (bu tür motorlar genellikle pompa ve van tilatörlerde yada başka sürücülerin başlatıl masında kullanılır),

• endüksiyonla ısıtma denetimi,

• tepkin gücün karşılanması için sığaçlarla bir likte kullanılan ayarlanabilir endüktif yük gerçekleştirilmesi (sığasal yükler evre deneti mine uygun değildir),

• diyot doğrultucuları besleyen dönüştürgeçlerin birincil sargılarına uygulanan gerilimin dene timinde kullanılan DA güç kaynakları (özellik le DA gerilimi düşük olduğunda),

• dirençle ısıtma denetimi,

• lamba zayıflatıcılar.

Maliyeti düşürmek için bakışımsız düzenlemeler (örneğin, Şekil 2'deki devrede yalnız bir yada iki fazın denetimi, yada her fazda t iris torlar dan biri yerine diyot kullanılması; Şekil 3'deki devrede her çiftten bir tiristorun çıkarılması) kullanılabilirse de bunların nitelikleri iyi de ğildir. Bu düzenlemelerde akımın harmonik bile şenleri oldukça büyüktür. Ayrıca, toplam tiristor güçleri bakışımlı düzenlemedekinden daha az ola maz.

4.2. AA Anantarlamalı Çevirgeçler

Şekil 2 ve 3*teki evre denetiminde kullanılan güç devreleri duruk anahtar yada devre kesici olarak da kullanılabilirler. Anahtarı kapamak için ti ris torlar gecikmesiz ateşlenirler; açma, geçit iminin kaldırılmasından sonraki ilk akım sıfırın da gerçekleşir.

Dirençli ısıtıcılar ve benzeri yükler için gücün oransal denetiminde, anahtar birkaç çevrim kapa lı, sonraki birkaç çevrim için açık tutulur ve bu işlem yinelenir. Ortalama güç, anahtarın kapa lı kaldığı çevrimlerin işlem dönemindeki toplam çevrim sayısına oranı ile orantılıdır. "Tümleme li çevrim denetimi" olarak adlandırılan bu tek nikte, evre denetiminde görülen dik dalga önleri nin oluşturduğu elektromagnetik karışma görülmez. Bununla birlikte, güç hatlarında, ışık kıpırdan malarına yol açan, düşük frekanslı harmonikler oluşur.

AA anahtarlamalı denetleçlerın başlıca uygulama ları;

• motor başlatma ve ters yönde işletme (fazları değiştirerek).

• dirençle ısıtma, • dönüştürgeçlerde uç değiştirme,

1o

?n

3o

3 Fazli kaynak

d.

ti

L

:1

4i

j ^'

*

•1

1ı

»

Şekil 5. Kümelerarası reaktörle (KAR) bağlı AA/DA çifteş köprü çevirgeç.

Şekil 4. Fazlararası dönüştürgeç (FAD) ile bağlanmış ikili Y bağlı AA/DA çevirgeç.

• genel amaçlı anahtarlama ve devre kesme (özel likle, kesintisiz güç kaynakları gibi hızlı tepke gerektiren dizgelerde),

• tepkin gücün karşılanması için sığaç anahtar lama,

• duyarlı yükleri geçici aşırıgerilimlere karşı korumak için, güç hatlarına küçük bir empedans bağlama.

4.3. Evre Denetimli AA/DA yada DA/AA Çevirgeçleri

Denetimli elektronik güç çevirgeçlerinin yaygın bir türü doğal değişli evre denetimli doğrultu culardır. Şekil I1deki devrede eı ve e2 gerilim leri orta uçlu bir dönüştürgeçle (transformatör) sağlandığında, tek fazlı bir doğrultucu elde edilir. Şekil A'te üç fazlı bir doğrultucu ve Şekil 5'te üç fazlı bir köprü devresi görülmek tedir.

Şekil 4'teki tiristor bağlantılarında da görüldü ğü gibi doğru akım yön değiştiremez, öte yandan, ateşleme açısı 90° yi aştığında doğru gerilim yön değiştirir ve çevirgeç doğal değişli bir evirgeç olarak çalışır. Doğal değiş ek aygıtlar gerektirmemekle birlikte, ileride tartışılacağı gibi bu düzenek AA kaynağından tepkin güç çekti ği için kullanma maliyetini artırır.

Güç kaynağı olarak genellikle şebeke kullanılmak la birlikte, evirgeçle beslenen senkron motorlar da olduğu gibi karşıt gerilimden de yararlanıla bilir. Uygulamaları arasında

• genel amaçlı DA güç kaynakları,

• biriktirgeç (battery) doldurucuları,

• kimyasal işlemler için güç kaynakları,

• DA motor beslemeleri,

• üreteçler için duruk uyarıcılar,

• YGDA (HVDC) iletim çevirgeçleri,

• ardarda bağlı çevirgeç dizgeleri (ilk basamak olarak),

• AA dizgeleri için ayarlanabilir tepkin yükler,

4.4. Çifteş Çevirgeçler Evre denetimli çevirgeçlerde, iki yönlü doğru akım elde etmek için tiris torları ters kutuplu ikinci bir çevirgeç gerekir. Böyle bir çevirgeç ikilisi "çifteş çevirgeç" olarak adlandırılır ve genellikle çift yönlü çalışan DA motorlarının armatür güç kaynağı olarak kullanılır. Tiristor lar ters koşut cifler olarak bağlanabilirse de, genellikle, Şekil 5'te görüldüğü gibi, bir reak törle herbiri bir yönde doğru akım sağlayan iki kümeye ayrılırlar. Reaktör kullanılmadığında diz genin çalışması, kümeler arasında akım dolaşması olmayan bir çalışma alanına kısıtlanmış olur. Bu çalışma durumunda, geçiş bölgesindeki sürek siz akım vuruşları, denetim zorlukları çıkaran kazanç değişmelerine yol açar. Kümeler arasında reaktörle sınırlandırılmış bir akım dolaşırsa, akımdaki yön değiştirmeler daha yumuşak olur.

4.5. Çevrimçevirgeçler

Bir çifteş çevirgecin gerilimi uygun bir biçimde modüle edilirse, ayarlanabilir düşük frekanslı AA çıkış elde edilir. Bu tür doğrudan AA/AA çe virgeçler çevrimçevirgeç olarak adlandırılır. Uç fazlı yükler için, Şekil 6'daki motor besleme dizgesinde olduğu gibi, üç ayrı çevirgeç gerekli dir. Tiristorların evre denetim açısı modüle edi lerek yaklaşık sinüs ç ı k ı ş ı , yada aşırı modülas yonla kare dalga çıkışı elde edilebilir (Kare dalga ç ı k ı ş ı i l e daha yüksek güç verir ve güç çarpanını i y i l e ş t i r i r ) . Yükte görülen üçüncü har monikler uygun bağlantılarla yok edilebilir.

3 Fazlı AA motor

Şekil 6. AA motoru sürmede kullanılan AA/DA çevrimçevirgeç.

Çevrimçevirgeçlerin çıkış frekansı kaynak fre kansından daha düşük olduğundan, uygulamaları sınırlıdır. Bununla birlikte, değişmez bir fre kans oranı elde edilebilirse, bu sınırlama özel teknikler kullanılarak kısmen kaldırılabilir. Değişmez frekans oranı, ayrıca, sinüse yakın bir çıkış sağlayan (özel bir dönüştürgeç bağlantısı ile) "zarf (envelope)" türü çevrimçevirgeçlerin kullanılmasına olanak sağlar.

Bir çevrimçevirgecin dört önemli çalışma durumu ve bunların başlıca uygulamaları aşağıda özetlen miştir:

1. Güç dağıtım dizgelerini bağlamakta kullanılan, yaklaşıklık değişmez frekans ve gerilim oranlı çevrimçevirgeçler,

2. Değişmez frekanslı bir yükü değişken frekanslı bir kaynaktan besleyen çevrimçevirgeçler. Bu dizge, örneğin uçaklarda, değişken hızlı uçak motoru ile sUrülen bir üreteçten 400 Hz lik değişmez frekanslı güç elde etmede kullanılır.

3. Değişmez frekanslı kaynak ile ayarlanabilir frekanslı yük arasında kullanılan çevrimçevir geçler. örneğin, şebekeden beslenen ayarlana bilir hızlı sürücüler.

4. Değişken frekanslı bir kaynaktan ayarlanabi lir frekanslı bir yükü besleyen çevrimçevir geçler. Bu dizge genellikle, elektrikli loko motiflerle dizel motorlu yada türbinli taşıt araçlarında kullanılır.

4.6. Doğal Değişil Çevirgeçlerde Tepkin Gücün Azaltılması

AA/DA çevirgeçlerin ve çevrimçevirgeçlerin gerek sindiği tepkin güç iki bileşenden oluşur. Bunlar, güç kaynağından çekilen akımla aynı frekansta, geri kalmış (lagging) akım bileşeni ve harmonik bozulma bileşenidir. Harmonik bozulma bileşeni, devrenin vuruş sayışt artırılarak azaltılabilir (Bu durumda, kaynağın faz sayısını artırmak için uygun dönüştürgeç bağlantıları kullanılır). Uy gulamada bir başka seçenek de, yaygın 6 vuruşlu düzenek yerine 12 vuruş lu düzenek kullanmaktır. Vuruş sayısını daha da artırmanın katkısı az ol maktadır. YGDA (HVDC) gibi yüksek güçlü dizgeler de harmonik akımlar için süzücü devreler kullanı lır.

Kaynak gerilimi ile akımın aynı frekanstaki bi leşeni arasındaki evre farkı yaklaşık olarak ateşleme açısına eşittir. Dolayısıyla, ateşleme açısı 90° olduğu zaman tepkin güç en büyük değer dedir (Bu durumda DA çıkış gerilimi düşüktür). Tepkin gücün azaltılması için etkili ve yalın bir yöntem, Şekil 7'de görüldüğü gibi bir düzen teker diyot (freet/heeling diode) kullanmaktır. Düzenteker diyot, kaynak geriliminin eksiye ge çişinde yükteki akımı üzerine almakta ve o anda yükü beslemekte olan tiristoru söndürmektedir. Tiristor yeniden ateşlendiğinde, diyottaki akım artı gerilimden dolayı durmakta ve yük kaynaktan beslenmektedir. Yükteki doğru gerilim eksi ola mayacağı için çevirgeç evirgeç olarak çalışamaz, yalnızca denetimli doğrultma yapar.

Güç çarpanının düzeltilmesi için uygulanan bir başka teknik de, tiristorların bakışımsız olarak

ffî

Şekil 7. Düzenteker digotlu denetimli doğrultucu.

ateşlenmeleridir. Bakışımsız ateşlemede, bir de ğiş kümesinde ilerletilmiş bir ateşlemeyi bekle tilmiş bir ateşleme izler ve bu işlem yinelenir. Böylece, Uç vuruşlu (yada başka herhangi bir tek sayıda vuruşlu) bir kümede, aynı tiristorun bir birini izleyen iletim dönemleri farklı evre açı larında başlar. Bu tekniğin ayrıntıları biraz ka rışık olduğundan tepkin gücün bu yöntemle nasıl azaltıldığı açıklanmayacaktır.

tki yada daha çok değiş kümesinin dizi bağlandığı çevirgeçlerde (örneğin, üç faz köprü devresi), iki kümenin bakışımsız denetlenmesi de güç çarpa nını düzeltir. Her kümede bakışımlı ateşleme sı rası korunmakla birlikte, kümelerden birinin ti ris tor l a n tümüyle ilerletilmiş olarak ateşlen mekte (evirgeçlerde tersi), öteki küme ise evre denetimli tutulmaktadır. Bu teknik sıralı denetim olarak adlandırılır [l8J . Tepkin gücün azaltılma sı, çıkıştaki harmoniklerin artırılması ve başka kayıplar pahasına gerçekleştirilmektedir ki, bu sorunlar özellikle üç faz köprü devrelerinde önem kazanır, öte yandan, iki tane köprü devresi ge rektiğinde, 12 vuruşlu bakışımlı çevirgeçe bir seçenek olarak sıralı denetim tekniği kullanıla bilir. Sıralı denetimde bir kümenin tiristorları diyotlarla değiştirilirse (Şekil 7), bu küme ta mamen ilerletilmiş durumda çalışır. Bu durumda çevirgeç, evirgeç olarak çalışamaz. Güç çarpanla rı geliştirilmiş ve fiyatları düşük olduğu için bu tür yarı çevirgeçler doğrultucularda çok sık kullanılırlar.

5. ZORLAMALI DEĞİŞLİ ÇEVİRGEÇLER

5.1. Doğrudan DA/DA Kıyıcı Çevirgeçler

Şekil l'deki devrede, eı kaynağı DA, e2 kaynağı sıfır olarak seçilirse bir DA kıyıcı çevirgeç el de edilir. Bu durumda S tiristoru bir diyotla değiştirilmeli ve zorlamalı değişi gerçekleştir mek için Sı tiristoruna bazı aygıtlar eklenmeli dir. Yüke uygulanan ortalama gerilim, eı gerili minin, Sı tiris torunun iletimde olduğu zamanın toplam döneme oranı ile orantılı bir bölümüdür. Gerilim düşürücü olan bu kıyıcı, kolayca gerilim yükseltici bir kıyıcıya dönüştürülebilir.

Yükten iki yönlü akım geçirilmek istendiğinde Sı ve S ile birlikte ters kutuplu aygıtlar kulla nılmalı ve her iki anahtar zorlamalı değişle ça lıştırılmalıdır. Bu durumda devre yarım köprü evirgece benzer. Benzer biçimde, vuruş genişlik modülasyonlu (Ptm) tam köprü bir evirgeçte, modü lasyon frekansı sıfıra yakın seçilirse, yükteki akım ve gerilim iki yönde denetlenebilir.

DA/DA kıyıcıların başlıca kullanılma alanları:

DA KAY NAĞI

Şekil 8. DA motoru için DA/DA kıyıcı.

• DA motor beslemesi (Şekil 8), • düzenlenmiş DA güç kaynakları, • güç yükselteçleri, • duruk DA anahtarları.

AY ARLANABİLİR TEPKİN Y OK

5.2. Doğrudan DA/AA Çevirgeçler (Evirgeçler)

Zorlamalı değişin gerçekleştirilmesi için değişik yöntemlerin uygulandığı çok çeşitli DA/AA çevir geçler vardır. Bu devreler çeşitli yönlerden sı nıflandırılabilir. En belirgin ayırım, evirgeçle rin, akım beslemeli, gerilim beslemeli ve özsalı nımlı (rezonant) yüklü olarak sınıflandırılmasın da görülür. Akım beslemeli evirgeçlerde akım yö nü değişmez, güç akışının yön değiştirmesi için gerilimin yönü değiştirilir. Gerilim beslemeli çevirgeçlerde ise durum tersinedir.

5.2.1. Akım beslemeli evirgeçler

Akım beslemeli evirgeçler, doğal değişli evre de netimli evirgeçlerin, AA tarafında her güç çarpa nında çalışmayı olanaklı kılan geliştirilmiş bir biçimi olarak düşünülebilir. AA tarafında akım bir yarı kare dalgadır. Akım beslemeli evirgeçler denetlenebilir bir DA kaynağı gerektirdiğinden, yalnızca ardarda bağlanmış çevirgeç dizgelerinin bir parçası olarak kullanılırlar. Birincil kaynak AA ise, evirgeç, akım düzenlemeli evre denetimli bir çevirgeçle beslenir; biriktirgeç ile besleme de, bir DA kıyıcı kullanılabilir.

3 FAZLI AA YOK

Şekil 10. Ayarlanabilir tepkin yüküyle birlikte akım beslemeli evirgeç.

timini azaltmak üzere kullanılması düşünülmekte ise de, henüz uygulamaya geçilmemiştir.

Değişmez bir DA gerilim kaynağından beslenen bir evirgeç, denetimli tepkin bir yük kullanılarak, bir giriş şoku (choke) ve tekyön anahtarları yar dımı i l e akım besili evirgeç olarak ç a l ı ş t ı r ı l a b i l i r . Bunun için, değişmez yada anahtarlanan s ı ğaçlardan oluşan bir tank devresi ve denetimli bir endüktans gereklidir [ l 9 ] . Endüktans, Şekil 2' de görüldüğü gibi AA evre denetimli olabileceği gibi, Şekil 10'daki gibi bir AA/DA çevirgecini kısa devre yapan bir DA şoku da bu amaçla kulla nılabilir. Bu düzenlemenin bir seçeneği de, tank devresinin uygun bir biçimde denetlenmesi i l e oluşturulan ve böylece evirgecin doğal değişini sağlayan yapay bir karşı gerilimden yararlanmak t ı r . Bu örnekten de görüldüğü gibi doğal ve zor lamalı değişin sınırları kesinlikle ayrılmış de ğildir.

Akım beslemeli evirgeçlerin en önemli uygulaması, Şekil 9'da bir örneği verilen, ayarlanabilir sık lıklı AA motor besleme dizgeleridir. Senkron mo torlarda, başlatmada değiş sığaçlarını bağlamak için yardımcı tiristorlar içeren bir evirgeç kul lanılabilir; normal çalışmada, motor doğal değişe olanak sağlar ve yardımcı tiristorlar devreden çı karılır. Akım beslemeli zorlamalı değişli evirgeç lerin, YGDA (HVDC) dizgelerinde tepkin güç tüke

AKIM DENETİMLİ AYARLANABİLİR SIKLIKLI

DOĞRULTUCU

DA

^TİRİSTORLAR

J{ SÜZGEÇ

DEĞİŞ SIĞAÇLARI

TUTUCU DİY OTLAR

3 Fazlı

kaynak'

ENDÜKSİY ON MOTORU

?¥¥

Şekil 9. Endüksiyon motoru sürmede kullanılan akım beslemeli evirgeç.

5.2.2. Gerilim beslemeli evirgeçler

"Gerilim beslemeli" deyimi, değişmez yada ayarla nabilir bir doğru gerilim kaynağından beslenen (arada önemli büyüklükte bir şok bulunmaksızın), zorlamalı değişli evirgeçlerin geniş bir sınıfını niteler. Tepkin AA yükleri yada AA/DA yeniden üretimi (regeneration) için gerekli olan ters yönde güç akışını sağlamak üzere, evirgeç t i r i s torları i l e koşut bağlı geribesleme doğrultmaçla rı (genellikle diyot) kullanılır. Diyotlar ya doğrudan, yada küçük bir endüktansla birlikte bağlanırlar. Devreler ayrıca, kullanılan özel de ğiş yöntemine göre altkümelere ayrılabilir.

Değiş işlemi, değiş sığaçlarında enerji depolan masını gerektirir. Bu sığaçlar, iletimdeki t i r i s tordan geçen akımı durdurmak, ve aygıta toparlan ma (recovery) süresince ters öngerilim uygulamak için b e l i r l i zamanlarda anahtarlanırlar. Tek ev reli bir evirgeçte, iki yük t i r is toru, herbiri ötekini kesime sürecek bir anahtar gibi çalışacak biçimde düzenlenebilir. Bu tür değiş, tümler de ğiş olarak bilinir. Bu tür devrelere bir örnek Ş«kil 11'de görülmektedir, öte yandan, her değiş ten sonra tepkin yardımcı öğelerde önemli miktar

itli

Şekil 11. Tümler değişli evirgeç.

da enerji depolanabilir ki, bu enerjinin harcan ması verimliliği azaltır. Tümler değiş, tek fazlı öğelerden oluşturulan çok fazlı evirgeçlerde de kullanılabilir. Bir başka seçenek de, evre dene timli doğrultucuda olduğu gibi, çok fazlı evirgeç lerin, değişin sırayla gerçekleştiği Uç vuruşlu kümeler biçiminde düzenlenmesidir. Yük tiristorlarına bağlı değiş sığaçlarını anah tarlamada tiristor kullanılacaksa, bu çok çeşit li biçimlerde yapılabilir. DA kıyıcıda olduğu gi bi, her ana tiristor için ayrı değiş öğeleri kul lanılabilir; yada, tümler değişteki gibi, reak tanslar bir çift ana tiristor tarafından paylaşı labilir. Şekil 12'de görülen düzenleme bu türden dir. Sığaçlar devreye doğrudan, yada bir bağlaş ttrıcı dönüştürgeç yardımıyla bağlanabilir. Uç fazlı devrelerde, DA kaynağının bir kutbuna bağ lı tiristorların aynı anda kesildiği, öteki kut ba bağlı tiristorların ise aynı anda yada değişen sırayla kesildiği, DA tarafı değiş uygulanabilir. Böyle bir evirgeç Şekil 13'de görülmektedir.

Değiş aralıkları gözönüne alınmazsa, bu evirgeç lerin AA uçları DA kaynağının ya artı yada eksi kutbuna bağlıdır. Uçların, kaynağın artı ve eksi kutuplarına bağlı kaldığı süreler eşitse, AA ucundaki gerilim bir kare dalgadır. Bu gerilimde harmonikler oldukça fazladır ve ana bileşen doğ ru gerilimle orantılıdır. Çıkış dalgabiçimi AA süzgeçler yada aşağıdaki temel yöntemlerden biri yada her ikisi birden kullanılarak düzeltilebi lir:

1. Bir evre farkıyla çalışan iki evirgeç doğrudan (bir köprü düzeneği ile) yada evrelerarası dö nüş türgeç yardımıyla bağlanarak çıkışta merdi ven dalga elde edilir.

¥ Zi

Şekil 12. Yardımcı vuruş değişli evirgeç.

Şekil 13. DA tarafında değişli 3 fazlı köprü evirgeç.

2. Çoklu vuruş genişlik modülasyonlu (multiple pulsevridth modulation) yada "altharmonik" de netimi uygulanır. Bu yöntemde, AA ucun DA ku tuplarına bağlı kaldığı zaman aralıkları modü le edilerek, kare dalganın anahtarlama hızı istenen çıkış sıklığının üstüne çıkarılır. Böylece çıkışta, yalnızca yüksek sıklıklı ta şıyıcıyı süzecek küçük bir süzgeç kullanıla rak, sinüs biçimli bir dalga elde edilir. Bu tür bir evirgeçe modüle edilmiş tersiner DA/DA çevirgeç olarak da bakılabilir.

Gerilim beslemeli evirgeçlerin AA çıkışının ayar lanmasında yada düzenlenmesinde aşağıdaki yöntem ler kullanılır:

1. DA giriş gerilimini evre denetimli bir doğrul tucu (şebekeden besleme durumunda) yada bir DA kıyıcı (biriktirgeç ile besleme durumunda) kullanarak ayarlamak. Bu durumda, genellikle, değiş sığaçlarını doldurmak için ayrı bir ge rilim kaynağına gerek vardır.

2. Çıkış gerilimini evre denetimi ile ayarlamak yada değişmez gerilimli dönüştürgeçle düzenle mek.

3. Ayarlanabilir bir evre farkı ile çalışan iki yada daha çok kare dalga evirgeç kullanmak. Bu durumda çıkışlar, harmonikler yok edilecek biçimde bağlanmalıdır.

4. Vuruş genişlik modülasyonlu bir evirgecin mo dülasyon katsayısını ayarlamak. Vuruş genişlik modülasyonu, DA tarafında değişli (de side commutated) çokevreli evirgeçlerde, çıkışı de netlemekle birlikte sinüs biçimi sağlamaz. Böyle bir devrenin çıkışı, süzülmemiş bir DA kıyıcı ile beslenen, yüksek sıklıkta çalışan bir kare dalga evirgecin çıkışına benzer.

Gerilim beslemeli evirgeçlerin uygulamaları baş lıca iki sınıfa ayrılır.

1. Ayarlanabilir sıklık ve gerilimli AA motor sü rücüleri,

2. Değişmez sıklık ve gerilimli kesintisiz güç kaynakları.

Bu iki uygulama için tümüyle farklı tasarım yön temleri kullanılırsa da, sonuçta benzer devreler elde edilir.

5.2.3. özsalınımlı kendiliğinden değişli evirgeçler

Akım ve gerilim beslemeli evirgeçlerin kare dal ga biçimli akım yada gerilim üretmelerine karşın, özsalınımlı evirgeçlei yaklaşık sinüs biçimli dalga üretirler. Dalgalar, hem süzgeç hem de de ğiş devresi olarak çalışan tepkin öğelerce (sı ğaç, bobin) oluşturulur. Tepkin devrenin doğal özealinim sıklığı, AA çıkış sıklığına çok yakın dır. Bu sıklıktaki salınımlar uygun tiristor ateş leme denetimi ile güçlendirilirler. Genellikle yardımcı tiristor kullanılmaz, her tiristor ken di ürettiği akım vuruşunun geri salınımı ile kendiliğinden söner.

Sığaç ve bobinin tepkin gücü, yük gücüne eşit yada daha büyük olduğundan, bu tür evirgeçler yüksek sıklıklarda çalışmaya elverişlidir. Düşük sıklıklarda çalışma için tepkin öğeler yeterince büyük seçilmelidir. Tepkin öğelerin yada geribes leme diyotları gibi öteki yardımcı öğelerin yer leşimi çevirgeçten beklenen davranış özellikleri ne bağlıdır. Sığaç, yükle dizi yada koşut bağla nabilir yada Şekil 14'te görüldüğü gibi yükle di zi bağlı ve koşut bağlı sığaçlar birlikte kulla nılabilir. Bu tür evirgeçlerin belli başlı kulla nım alanları arasında

• endüksiyonla ısıtma • ultrasonik üreteçler yada sonar göndermeçleri

• florışınla aydınlatma

5 . 3 . Doğrudan AA/AA S ı k l ı k Y ü k s e l t i c i Çevirgeç

Endüksiyonla ısıtmada olduğu gibi şebeke s ı k l ı ğ ı nın daha yüksek bir sıklığa çevrilmesinde kulla nılan çevirgeçler, tiristorlarda zorlamalı değiş gerektirirler, örnek bir düzenleme Şekil 15'te görülmektedir [2lj . Değiş için gerekli tepkin gü cü sağlamak üzere yüke koşut bağlı bir sığaç kul lanılır; böylece yükün sığasal olması sağlanır. Çıkış sıklığı, genellikle, tiristorların ateşlen mesi denetlenerek ayarlanır. Bu tür sıklık çevir geçlerine "çevrimevirgeç (cycloinverter)" denir. Böyle bir çevirgeç, yüksek s ı k l ı k l ı bir yapay karşıt gerilimin üretildiği bir çevrimçevirgeç olarak da düşünülebilir. Çıkış sıklığının, giriş sıklığının tam katı olması gerekmez; eğer böyle ise, devre sıklık çarpıcısı olarak adlandırılır.

•c

3 FAZLI AA KAYNAĞI

Şekil 15. AA/AA sıklık yükselteci.

6. BAĞLANTILI YADA ARDARDA BAĞLI ÇEVtRGEÇ DİZGELERİ

Birçok uygulamada, elektronik güç çevirgeçleri değişik bir güç türünde bir ara bağlantı i l e ar— darda bağlanırlar. Birincil güç kaynağından kul lanılma biçimine doğrudan çevirme genellikle da ha verimli olmakla birlikte, uygulamada bağlantı lı bir dizge kullanılması gerekebilir. Aşağıda önemli yada ilginç bağlantılı dizgelerden söz edilmektedir.

6 . 1 . DA B a ğ l a n t ı l ı D i z g e l e r (AA/DA/AA çevirgeçler)

Bilinen YGDA iletim dizgesi bu sınıftandır. Gön derme ucundaki evre denetimli doğrultucu, DA i l e tim hattı i l e , alma ucundaki evre denetimli evir geçi besler. Akım, doğrultucu tarafından düzenle nir; gerilim değeri ise evirgeç açısı denetlene rek saptanır. Gönderme ve alma uçlarının çalış ması, iki AA dizge arasında istenen güç iletimi sağlanacak biçimde koordine edilir. DA bağlantılı dizgelerin bir başka uygulama ala nı da şebeke beslemeli ayarlanabilir h ı z l ı AA mo tor sürücüleridir. Şekil 9'daki devre bu tür sü rücülere iyi bir örnektir. Bu devrede, evre dene timli bir doğrultucu, akım düzenleyici bir Da bağlantısı üzerinden, zorlamalı değişli bir evir geci beslemektedir. Böyle bir düzenleme tek bir motor sürmeye uygundur ve yeniden üretim (rege neration) için ek donanıma gerek göstermez. Çoklu motor sürücüleri olarak, daha çok, değişmez geri limli bir DA kaynağından (diyot doğrultucu) yada düzenlenmiş gerilimli bir DA kaynağından (evre denetimli doğrultucu) beslenen evirgeçler kulla n ı l ı r . Yükün üreteç olarak da çalışabildiği du

Şekil 14. özsalınımlı kendiliğinden değişli evizgeç.

=J

=TIOT^—

YOK

Şekil 16. AA ara bağlantılı DA/DA çevirgeç. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 239

rumlarda ise gücün şebekeye ulaştırılabilmesi için benzer bir çevirgeç kullanılmalıdır.

Kesintisiz güç kaynakları, şebeke gücü kesildiği zaman DA/AA evirgeçleri olarak çalışırlarsa da, normal çalışmada güç bataryayı dolduran doğrultu cu üzerinden akar; dolayısıyla dizge DA bağlantı lı bir çevirgeç olarak iş görür.

6.2. AA Bağlantılı Dizgeler (DA/AA/DA çevirgeçler)

Bu tür dizgelerin kullanılmasında başlıca amaç çıkış gerilimini bir dönüştürgeç yardımıyla de ğiştirebilmek yada girişle çıkış arasında yalı tım sağlamaktır. Küçük bir dönüştürgeç kullana bilmek için yüksek sıklıklı AA bağlantısı yeğle nir. Güç akışı genellikle tek yönlü olduğu için, çıkışta Şekil 16'da görüldüğü gibi bir diyot doğ rultucu kullanılması yeterlidir. Çıkış gerilimi girişteki evirgeç denetlenerek düzenlenebilir.

AA bağlantılı DA/DA çevirgeçleri en çok uçak ve uzay araçlarında kullanılırlar.

6.3. öteki Bağlantılı Dizgeler

Elektronik aygıtları besleyen güç kaynaklarında kullanılan dönüştürgeç ve süzgeçler, genellikle

aygıtın en büyük parçalarıdır. Yüksek sıklıkta çalışan küçük bir dönüştürgeçle aynı işi görebil mek için, bundan önce sözü edilen DA/AA/DA çevir geç dizgesinin önüne bir diyot doğrultucu eklene bilir. Böyle bir AA/DA/AA/DA dizgesinde büyüklük, verimlilik ve maliyet arasında uygun bir dengele meye gidilmesi gerekir.

Elektronik dönüştürgeç [22] ve evirgeç çevrimçe virgeç dizgesi bağlantılı dizgelere örnek olarak gösterilebilir.

7. SONUÇ

Duruk elektronik güç çevirgeçleri ile hemen her tür elektriksel güç çevirimi gerçekleştirilebi lir.

Şimdilik, doğal değişli çevirgeçler uygulamada en geniş alanı kapsamaktadır. Güç denetimi konu sunda öteki seçeneklerle bir yarış içinde olan zorlamalı değişli çevirgeçler ise ancak kendi üs tünlüklerinin özellikle gerekli olduğu alanlarda kullanılmaktadır. Çevirgeçler ve güç çevirimi ko nusunda çabaların büyük çoğunluğu, maliyetin dü şürülmesi ve güvenirliğin artırılmasına yönelmiş tir.

KAYNAKLAR _______________________________

[ l ] Gentry, F.E., F.W. Gutzuiller, N. Holonyak ve E.E. VonZastrov/, Semiconductor Controlled Rectifiers, Prentice Hall, 1964.

[ 2 ] Bedford, B.D. ve R.G. Hoft, Principles of Inverter Circuits, John Wiley ve Sons, 1964.

[ 3 ] Schaefer, J., R e c t i f i e r Circuits: Theory and Design, John Wiley ve Sons, 1965.

[ 4 ] Lecorguillierr J., Les Vannes Electroniques, Dunod, 1966.

[ 5 ] «eyer, M., Thyristören in der technischen Anvendung, Band 1: Stromrichter mit erz vungener Konmutierung, Siemens Co., 1967.

[ ö ] Moltgen, G., Thyristoren in der Technischen Anwendung, Band 2: Netzgefuhrte Stromrichter, Siemens Co., 1967.

[ 7 ] Takeuchi, T.J., Theory of SCR (Thyristor) Circuit and Application to Motor Control, Tokyo E l e c t r i c a l Engineering College Press, 1968.

[ 8 ] Heumann, K. ve A.C. Stuntpe, Thyristoren, AEG, 1969.

[ 9 ] Kusko, A., Solid State DC Motor Drives, The M.I.T. Press, 1969.

[ l o ] Pelly, B.R., Thyristor Phase Controlled Converters and Cycloconverters, John Wiley ve Sons, 1971.

[ i l ] Davis, R.M., Power Diode and Thyristor C i r c u i t s , Cambridge University Press, 1971.

[12] McMurray, W., The Theory and Design of Cycloconverters, The M.I.T. Press, 1972.

[ l 3 ] Ramshat/, R.S., Power E l e c t r o n i c s , Chapman and Hail, 1973.

[l4j Mazda, F.F., Thyristor Control, John Wiley and Sons, 1973.

[ l 5 ] Murphy, J.M.D., Thyristor Control of AC Motors, Pergammon Press, 1973.

[l6j Tsuboi, T., Newly Developed Thyristor Chop per Equipment for E l e c t r i c Railcars, IEEE Trans. Industry Applications, Cilt IA 9, No. 3, Mayıs/Haziran 1973, s.294 300.

[ l 7 ] Chu, C.K., R.R. Shaw, J.E. Johnson ve J.B. Brevster, 1000 Volt and 800 Amp Peak Reverse Svitching R e c t i f i e r , Conf. Rec. IEEE IAS 8th Annual Meeting (1973) s.267 282.

[l8J McMurray, W., A Study of Asymmetrical Gating for Phase Controlled Converters, IEEE Trans. Industry Applications, Cilt IA 8, No.3, Mayıs/Haziran 1972, s.289 295.

[ l 9 ] Thorborg, K., A Three Phase Inverter with Reactive Power Control, IEEE Trans. Industry Applications, C i l t IA 9, No. 4, Temmuz/ Ağustos 1973, s.473 481.

[20] Abraham, 1, ve F. Koppelmann, Die Zvangskom mutierung, ein neuer Zweig der Stromrichter technik, ETZ A, Bd. 87, H.18, 1966, s . 6 4 9 658.

[ 2 l ] Hasumi, T., H. Kas ahara, ve T. Tanaka, Design of a Thyristor Frequency Ccmverter Aided by Computer Simulation, Proc. IEEE Power Electronics S p e c i a l i s t a Conf., 1974, b i l d i r i No. 5 . 1 .

[22] McMurray, W., The Thyristor Electronic Transformer A Power Converter Using a High Frequency Link, IEEE Trans. Industry and General Applications, C i l t IGA 7, No. 4, Temmuz/Ağustos 1971, s.451 457.