TRİSTÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ VE GÜÇ KONVERTÖRLERİNDE KULLANILMASI

UDK: 621.314.1 ;2;5.

Tristöriin Çalışma Prensibi ve Güç Komilerinde Kullanılması

Yazanlar :

Dr. C«mil ABIKAN

Ce«U TANJU

ODTÜ

ÖZET

Yan iletken devre elemanlarının yüksek akım

devrelerinde kullanılması 1957'de tristörün geliştirilmesi ile başlamıştır tik imalatında düşük güçteki (1/2 kW) konvertörlenndu kullanılan tristörler simdi 50 lamlmakta ve

MiVmJa'alatktaakdiargeolliannmekleornveyrtaökrılnerdebisr

kul zamanda çok daha büyük güçte konvertörlerin yapılabileceği intibaını vermektedir. Bu yazımızda tristörün çalışma prensibini tabii ve cebri kom-utasyonlu konvertörlerde kullanılmasını inceleyeceğiz.

Örnek olarak ODTÜ'de geliştirilen cyclokonvertör

ve darbe genişliği modüle edilmiş güç konvertörü

verilmiştir.

SUMMARY After development of thyristors in 1957 semiconductor devices have been started to be used in high power circuits. in the beginning applications was limitecL in low power convertors, and it is developed 'up to 50 MW pouer convertors, it is stili developing ıvhich shows applicatıon of thyristors VLIU cover many high pouer fields. in this article, operation princıples of thyristors and their application on naturel and forcer commutated convertors have been eiplained As an eiample cyclo-convertor whıch developed in M.E.T.U. and pulse loith modulated power convertors are ezplained.

1. PNPN KONTROLLÜ DEVRE ELEMANİ

1.1. Genel:

PNPN yapısı, dört katlı t i r yarı iletkendir. Yapısı ve elektrik devrelerindeki eimgesi Şekil l'de gösterilmiştir. Bu yazıda fiziki detaylarına girilmeden PNPN yapısındaki devre elemanlarının çalışma prensibi anlatılacaktır.

PNPN elemanı ideal olarak bir anahtar gibi fonksiyon görür, ya açık devredir yada kısa devredir. Katod geriliminin anoda göre pozitif olduğu halterde PNPN elemanından akım geçmez, aynı şekilde anodun katoda göre pozitif olduğu halde de tetikleme ucuna katoda göre pozitif bir sinyal tatbik edilmediği takdirde yine eleman açık devredür. PNPN elemanı kapalı bir anahtar konumunda iken içinden geçen akım yük empedansı tarafından tahdit edilir. Anod akımı belli bir değerin üzerine çıktıktan sonra tetikleme gerilimine artık ihtiyaç yoktur.

1.2. PNPN kontrollü devire elemanının çalışma bölgeleri [1] :

A - bölgesi : Bu çalışma bölgesi katodun anoda göre pozitif olduğu bölgedir. Bu gerilim yönü Şekil la'da gösterilen 1 ve 3 üncü eklemlere ters ve 2 numaralı ekleme doğru ön gerilim tatbik edecektir. Bu görünüm bir yarı iletken diyot karakteristiğini andırmaktadır. PNPN ele-

4.2.1972 tarihinde ElE îdaresi salonunda wrilmiştir.

manının iki ucuna tatbik edilen gerilim 1 ve 3 numaralı eklemler arasmda ters dirençleri oranında bölüşülecektir. Bu durumdaki anod atamı şöyledir :

I ,= — J

v«2n

B - bölgesi : Bu çalışma bölgesi anodun katoda göre pozitif olduğu ve tetikleme ucunun

açık olduğu bölgedir. Bu durumda 1 ve 3 numaralı eklemlere doğru VI 2 numaralı ekleme ters

öngerilim tatbik edilmişlerdir. Eu durumdaki

anod akına :

',

C - bölgesi : Bu bölgede anod gerilimi katoda göre pozitiftir ve eleman geçirgen durumdadır. Bir PNPN elemanını B - bölgesinden C bölgesine geçirebilmek için dört metod vardır. Bunlar :

1. Eğer anod - katod gerilimi artırılacak olursa belli bir değerden sonra 2 numaralı ekleme de ön gerilim tatbik edilmiş, olacak ve PNPN elemanı geçirgen durumuna geçecektir. PNPN elemanını B - bölgesinden C - bölgesine geçiren anod - katod gerilimine «ön kopma gerilimi» denir.

2. B - bölgesinde olan bir PNPN elemanının tetikleme ucuna katoda göre pozitif bir gerilim tatbik edilecek olursa anod - katod geriliminin ve tetikleme ucuna tatbik edilen gerilimin genliklerine bağlı olarak PNPN elemanı daha küçük bir anod - katod çeriliminde C - bölgesine geçer.

.' ÎTetiklemei ucün'a tatbik edilen gerilimin değeri

PNPN elemanının, karakteristiğine göre seçilmek

suretiyle ufak bir anod - ka'tîod geriûminde. ttettic-'

leme sağlanabilir. - • •

3. Bu metodda 2 numaralı ekleme ışık enerjisi yardımıyla doğru ön gerilim tatbik edilerek1

PNPN elemanı B - bölgesinden C - bölgesine geçirilir.

Anot

O,

'K öT Katot ( a) Anot

-V

-ö Katot ( b)

Şekil 1. Kontroldü PNPN devre elemanı (a) Yapısı, . (b) Simgesi.

4. Bu metodda anod - katod gerilimi ani olarak, arttM-ılmak şuiîetiyle PNPN elemanı B-bölgesîhden C - bölgesine geçirilir. Bu «kapama» dt diye bilinen geçisin anod - kapı ve katod - kapı sığasından dolayı meydana geldiği sanılmaktadır.

PNPN elemanının B - bölgesinden C - bölgesine geçme süresi «kapama zamanı» olarak bilinir ve bu zaman yük empfdansmın akmım yükselmesine mani olmadığı devrelerde 1 İlâ 3 ^sn kadardır.

1.3. Tristörün volt/amper karakteristiği [2]:

Trtstörün voLt/amper karakteristiği Şekil 2'de gösterilmiştir. Şekilden de anlaşılacağı gibi tristörün A, B veya C - bölgesinde çalışması anod - katod geriliminin yönüne, genliğine Ve tetikleme gerilimine bağlıdır.- Şekilde gösterilen yük doğrusunu bilmek tetikleme sinyalini seçmekte önemli bir unsurdur. Ama çoğunlukla tetikleme akımı tristör bir yan - İletken diyot karakteristiği gösterecek şekilde ayaJlanır ve dolayısıyla heî _türlü_ yük için tetikleme garantilenmiş olur.

1.4. Tristörün söndürülmesi :

Tristörün anod - katod akımını kesebilmek için 3 ımetod vardır :

1. Tristörün anod Uunı, yükü artırmak veya tristörün bağlı olduğu hattı açmak suretiyle «tutma akımının» altına düşürülürse söner.

2. Bu metodda arod akımı anod-katod ge miminin ters çevrilmesi ile «tutma akımınım altına düşürülerek tr.'stör söndürülür. Bu !me tod AG/DG konvertörlerinde ve cebri ko mutasyonlu güç konvertörlerinde kullanılır. Şe kil 3fde iki misal gösterilmiştir.

'3. Bu tip söndürmede Ö2îel imal edilmiş düşük aklmlı tetikleme söndürmeli trlstörler kul lanılır. Bu metodda tetikleme akımını ters yöndı: geçinmek suretiyle «tutma akımı» değeri yüksel ttlerek tristör C - bölgesinden B-bölgesine geçi «lir.

Tristörün C - bölgesinden B - bölgesine geçme zamanına «sönme zamanı» denir. Mevcut tristör lerde bu zaman 6 ila 50 ^sn arasındadır.

1.5. Tristörün tetihlenmesl:

Tipik bir tristör kapı karakteristiği Şekil 4'd< gösterilmiştir. Şekilde taralı gösterilen alan ayn tipteki bütün trlstörlerln tetiklenme akım ve ge rllim değerlerini içine alır ve dolayisiyle aşağıdî anlatılan sınırlar İçinde kalmak şartıyla bu alar dışındaki her nokta başarılı tetikleme için uy gundur.

Elektrik Mühendisliği 18;

Şekil 4'de en büyük tetikleme akım ve gerilimi değeri, en büyük ve ortalama kapı sarfiyatı gösterilmiştir; bu limitler içinde kalınmak şartıyla ve birinci paragraftaki husus göz önünde bulundurulmak suretiyle gerekli tetikleme akım ve gerilimini seçmek mümkündür.

Tristörleri tetiklemek İçin kullanılan sinyal kullanıldığı koovertöre bağlı olmakla beraber genellikle üç tiptir:

1. Doğru gerilim,

2. Tek darbe, 3. Darbe dizisi. Bu üç metodda da dikkat edilecek husus her tip yük durumunda gerekli tetikleme geriliminin (akımının) tristöre tatbikidir. Pratik devrelerde emniyetli tetikleme için darbe dizisi tercih edilir.

2. TRİSTÖRL.Ü GÜÇ KONVEKTÖRLERİ

Tristörlü konvertörler yük akımının bir tristörden diğerine geçmesi şekillerine göre iki kısma ayrılırlar :

' Pozitif A\ıot-Katot akımı

Yük doğrusu C-BÖLGESİ

Tutma akımı Negatif Anol gerilimi A-BÖLGESİ

'G2 ' 'G1

v

, BO

Pozitif I,

Anot-Katot gerilimi

On kopma Jgerılımı

B-BÖLGESİ

Negatif Anot-Katot akırru

Şekil 2. Tristörün volt/ampere karakteristiği.

Ol

T,

:

C R, DC

Şekil 3. Trlstörü anot-katot gerilimini tere çevirme ile söndürme.

2.1. Tabii komutasyonlu güç konvertörleri :

Bu tip konvertörlerde yük akımının bir tristörden diğerine aktarılması bu durumda tetkiklenecek tristörün anod - katod geriliminin çalışmakta olan tristörün anod - katod gerilimine göre daha pozitif olması gerekmektedir. Bu durumu görebilmek için 3 - fazlı bir (doğrultmacı incelemek kafi gelecektir.

2.1.1. 3 fazlı dlgrultmaç :

Şekil 6"da Z fazü bir doğrultmacın devre şeması ve dalga şekilleri gösterilmiştir. Burada gerillan anot gerilimlerinin zarfını takip eder, şekilden de görüleceği gibi yük akımının aktarıldığı tristörün anot gerilimi tetikleme anında daha önce yük akımını taşıyan tristoTrün anot geriliminden daha pozitiftir. Şekil Tde p - fazlı bir doğrultmacın dalga şekli gösterilmiştir. Bu durumda çıkış gerilimi [3]

_P

Vd = V2 E — Sin—•. Cos „

= Vd0= V2 E - S i n -

Yukarıdaki formüllerde a : tetUdeme gecikme açısını

1 p : Faz sayısını gösterir.

;

( a)

Şekil 4. Tristör kapı karakteristiği.

1. Tabii komutasyonlu güç konvertörlerl,

2. Ceıbrl komutasyonlu güç konvertörlerl,

Bu ayrımın detaylarına geçmeden evvel Şekil 5'te gösterilen en basit tek tristörlü doğrultmacı incelemek yararlı olacaktır : Şekil 5a'da gösterilen bu devre bilinen bir yanm dalga doğrultmacıdır, sadece diyot yerine tristör kullanılmıştır. Böylece çıkış gerilimi gecikme açısını kaydırmakla istenen değere ayarlanabilir. Şekil 5b'de giriş, ve çıkış dalga şekilleri gösterilmiştir.

Gerilim

Şekil 5. Yanm-dalga güç konvertörü ve dalga şekilleri.

Giriş gerilimi

3 - Faz girişi

.

TJOOOCP '

Çıkış

(b)

Şekil 6. 3 fazlı doğrultmaç : a) Dalga, şeklileri, b) Devre şeması.

Böylece tetlkleme gecikme açısı a, O ilâ — ara2 sında değiştirilmek suretiyle çıkışta O - V^ ara sındaki bütün gerilimler elde edilebilinlr. Böylece tristör AG/DG konvertörlerinde kullanıldığı zaman çıkış geriliminin belli iki değer arasında

7T ayarlanması mümkündür. a'nin — ile ir arasın2 daki değerleri için çııkış gerilimi negatiftir. Resistif, endüktlf ve kapasitif yükler için a açısının

—'den daha büyük değere çıkarılması mümkün 2 değildir. Ancak AC/DC konvertörüne canlı bir yük (örneğin bir DG jeneratörü) bağlanacak olursa ve jeneratörün elektro motor kuvvetinin yönü Şekil 8'de görüldüğü şekilde ve ortalama değeri çalışılacak a değeri ile elde edilecek konvertör ortalama negatif çıkış geriliminden daha büyük olacak şekilde ayarlanacak olursa trlstörlerden akım aynı yönde geçmeye devam edecek fakat güç akışı jeneatörden AG kaynağına doğru olacaktır. Bu çalışmaya «geri çevirmeli» çalışma şekil denilmektedir. Bu çalışma şeklinde de akımın bir tristörden diğerine geçmesi tabii komütasyon prensibine göre olmaktadır.

Yukarda izah edilen 3 fazlj AG/DG konvertörünün çalışma prensibi diğer bütün AG/DG konvertörleri içinde aynı olduğu gerekçesiyle bu yazımızda değişik bağlantılı AG/DG konvertörlerinin detaylarına girmeyeceğiz. Bu konuda cıva buharlı redresörlenn değişik bağlantı şekillerini gösteren bir kitap referans olarak kullani'labilinir.

2.1.2. AG/AG frekans konvertörleri (cyclokMivertörier):

Cyclokonvertorler iki tane AG/DG konvertörünün Şekil 9'da görüldüğü gibi bağlanması İle elde edilir. AG/DG konvertörlerinden herbirini ayrı ayn düşünecek olursak konvertörlerden bıisi çalıştığı zaman yük akımı bir yönde, diğeri çalıştığı zaman yük akımı diğer yöndedir. Böylece eğer iki konvertör birbirini takıp eden eşit zaman aralıklarında çalıştırılacak olursa yük üzerindeki gerilim; bir alternatif gerilim olacaktır.

Şekil lCKda bütün cyclokonvertörlerin temeli olan basit devrenin dalga şekilleri gösterilmiştir.

AG/DG frekans konvertörleri 1930'larda Av2 rupa'da elektrikli trenlerde 16 — Hz frekanslı 3

AG'in kullanılması sebebiyle tasarjmlanmışlardır.

Faz gerilimi

Ortalama çıkış gerilimi

Şekli 7. p - fazb doğrultmaç.

\ yonu

ZF-

AG/DG Konvertc*u

G ı K akısı yonu

Şekil 8. AG/DG konvertörîerinin geri çevirmeli çalışması.

Şekil 11 ve I2fde 50 Hz frekansı 16 — Hz fre3 kansına çeviren LÖBL. ve KRÂMER tarafından geliştirilen [3] iki konvertöre alt çıkış-dalga şekilleri gösterilmiştir. Her iki konvertörde de cıva buharlı kontrollü redresörler kullanılmıştır. Tristörün bulunması ve sincap kafes endüksiyon motorlarının hızlarının kontrol edilebilmesi pratik değer kazanması ile AG/DG frekans konvertörleri tekrar ön plâna çıkmıştır.

Şekil 13'de O.D.T. Üniversltesl'nde geliştirilen bir AG/AG frekans konvertörünün bağlantı şeması gösterilmiştir. Daha önce izah edilen Ve bütün cyclokonvertörlere temel teşkil eden devrede bütün trıstörler a >= 0 gecikme açısında tetiklendlklerl için çıkış geriliminin dalga şekli slnüzoidal olmaktan çok bir yamuğa benzemektedir. Dolayısiyle tristörlerin her ıbirlnin a gecikme açısını farklı yapmak suretiyle dalga şeklini değiştirmek mümkün olabilmektedir.

Daha evvelki bir bolümde gösterdiğimiz gibi bir AG/DG konvertörünün çıkış gerilimi şu şekilde ifadü edilebilinlr :

••

(D

Eğer Cos a bir zaman fonksiyonu olarak değiştirilecek olunursa,

Cos a = t (t) olacaktır, dolayısıyla

V. = Vj f(t)

d

dO '

^'

Bir AG/DG konvertörünün kapı ucuna aşağıda yazıldığı şekilde bir gerilim tatbik edilecek

olursa

= f , ( t ) + V Cos@

(3)

tristör bu fonksiyonun negatiften pozitife geçtiği değerlerde tetiklenecektir. öyleyse

Yk = 0 iken © = a olacaktır. Bu şart denklemde yerine koyulacak olursa

0 = f, (t),+ Vg Oos ( a

y)

ve a için çözülürse oşağıdaki bağlantı elde edilir. f(t)

= Cos

— (ir

(4)

Yukardaki denklemin ikinci telimi sıfjra eşltlenecek olursa \p = v

.elde edilir.

ve a '= Cos -1

(5)

olur. Halbuki 1 numaralı denklemde a çözülürse.

(6)

elde edilir.

3 - Faz giriş 50 c /s

I—\*/v/1—

Yük Şekil 9. CycIoconvertörUn ana devre şeması.

Tek faz çıkış

Giriş ve çıkış gerilimleri Faz akımı

*

c

CA

ELECT RAOIANS

30 c/l

61T ELECT RADIANS

ELECT RAOUNS

ELECT RACNAHS

Şekil 10. AG/AO frekans kanvertörUnUn dalga şekilleri. Çıkış dalga şekli

Şekil 11. Löbl cyolokonvertörUnün dalga şekilleri. Çıkış dalga şekli

Çıkış frekansında yamuk dalga şekli

16 2/3 Hz yamuk dalga şekli

Zaman

Üçüncü harmonik frekansında (50 Hz sinuzoidal dalga şekli) Şekil 12. Kriimer cyclokonvertörünün dalga şekilleri.

3 faz giriş

(b), (c)

Şekil 13. (a) Cyclokonvertörün devre şeması;

(b), (c) Koıuvertörler arası kısa devre anında akım yaHarc

5 ve 6 numaralı denklemler birbirlerine eşitlenecek olurlarsa aşağıdaki bağıntı elde edilir :

V=•

fi (t)

Vdo ^ gV s a D İ t olarak seçilirse AG/DG konvertörünün çıkış gerilimi bir fj (t) zaman fonksiyonu-' na göre değiştirilebilinir. fa (t) istenen frekansta bir sinüzoidal fonksiyon seçilmekle 50 Hz frekansa değlştirilebilinir. Bu prensiple yapılmıg olan bir cyclokonvertörün teorik çıkıg (dalga şekli Şekil 14'de gösterilmiştir. O D.T. Universitesi'nde geliştirilen [4] ve diğer bir yazımızda detayla rını vereceğimiz bu cyclokonvertörün reslstif ve endüktif yükler için deneysel çıkış dalga şekilleri Şekil lS'de gösterilmiştir. Gerek teorik gerekse de deneysel dalga şekillerinde bu tıp konvertörlerin tabii komütasyon prensibine uydukları kolayca görülebiltnlr.

Yazımızın, bundan sonraki kısmında cebri komütasyonlu güç konverterlerinin sınıflandırılması ve özelliklerini örneklerle anlatacağız.

2.2. Cebri komütasyonlu güç konvertörieri :

2.2.1. Cebri komütasyonlu güç konvertörle rinin sınıflandırılması.

Cebri komütasyonlu güç konvertörlerlnln sınıflandırılması konvertörlerde kullanılan tristörlerin

komütasyon metodlanna göre olmaktadır. Cebri komütasyon metodlanna göre tristörlü güç konvertörlerinl altı gruba ayırmak mümkündür :

1. Yükü ezonansa getirerek tristörtl cebri komütasyona zorljyan konvetörler.

2/ Endüktans ve kapasitans devresi kullanarak tristörü cebri komütasyona zorlıyan konvertör.

3. Yük taşıyıcı bir trlstör vasıtasıyla kapasitans veya endüktans ve kapasitans ihtiva eden devreyi kullanarak tristörü cebri'komütasyona zorlıyan konvertörl'er.

4. Yardımcı bir trlstör vasıtasıyla kapasitans veya endüktans ve kapasitans ihtiva eden devreyi kullanarak tristörü cebri komütasyona zorlıyan konvertörler.

5. Alternatif akımlı develerde tabii komütasyoalu konvertörler.

6. Komütasyon için konvertör haricinde bir darbe kaynağı kullanarak çalışan konvertörler.

Cebri komütasyonlu güç konvertörleri sınıflandırılmalarına uyacak pratikte bir çok devre olabilir. Bu seminerde toiz her sınıflandırma İle ilgili bir konvertörün çalışma mekanizmasını göreceğiz.

2.2.1.1. Seri kondansatörlü güç konvertörü :

Seri kondansatörlü güç konvertöründe yüke seri olarak Şekil 16'da görüldüğü gibi bir endüktans ve kondansatör bağlanmıştır. Yük ile seri olarak bağlı SCRj trlstörü tetiklendiği zaman, rezonans devresindeki kondansatör E voltluk doğru akım kaynağı vasıtasıyla 2E gerilimine şarj olur. Devredeki akım, tristörün tutma akımından daha küçük bir akıma indiği vakit SCRj tristörü söndürülmüş törünün tekrar

ogleurril.imSiCRbl2okteristeödreübilme

trishaline

gelmesine kadar yeterli bir zaman geçtikten sonra tetiklenir. Bu zaman tristörlerin cins ve tasarımlarına göre 6-50 ^sn arasında değişmektedir. SCR2 tristörünün tetiklenmesi İle devre bir evvelki devrenin aynı olup yalnız E gerilim kaynağı yoktur. Devre söndürümlü olduğu için kondansatörün sinüsoldal bir eğri takip ederek deşarj olması ile perlod tamamlanmış, olur. SCRj

tristörünün tekrar tetiklenmesi ile yeni bir perlod başlar. Bu titreşimlerin frekansı aşağıdaki

denklem ile belirlidir [5] :

"I

f ı=-

"ITı-L

Burada f. titreşimin frekansı olup, L. = (L.a,+ Iy endüktansı da devredeki yük ile komütasyon için konulmuş olan enduktansların toplamına eşittir. Bu devre yük endüktansındaki değişmelere karşı çok hassastır; dolayısıyla bu tip konvertörlerinin (çalışma alanı smılrljdır. Pratikte elde

edilen frekans limitleri 400 Hz'den yukarı olup umumiyetle 30 kHz'e kadar çıkabilmektedir. Pratik üst frekans limiti tristörlerin sönme (komütasyon) zamanına bağlıdır.

Netice olarak, hu tip güç konvertörleri sabır yükler için uygun olup, değişen yüklerde sınırlı frekans limitleri arasında çalışabilir. Yüksek frekansta çalışması nedeniyle komütasyon elemanlarının maliyeti ve boyutları küçüktür.

Titreşimlerin pozitif yan perlodunda endüktans ve kapasitanslarda depo edilen enerji negatif yan periodu elde etmek için kullannıldığından komütasyon sonunda devrede maphus kalan enerji küçüktür. Bundan dolayı bu tip güç konvertörleri yüksek ranJmıan Verirler. Bütün bunlara rağmen bu tip konvertorler yüksek güçlerde devre elemanlarının pahalı olması* ve endüktans, kapasitans boyutlarının büyümesi bakımindan ekonomik değildir.

2.2.1.2. Doğru akımı doğru akıma çeviren koavertörler :

Bu tip konvertörlerde tristörün akım geçirme zamanının akım. bloke etme zamanına olan oranını değiştinmekle giriş geriliminden daha küçük bir gerilim elde edilir. Şekil 17'de görülen devreye bir kaç eleman ilâve etmekle bu tip konvetörler gerilim yükseltmek için de kullanılır, fakat ilâve elemanlar yüzünden devre daha komplike ve pahalı olur. Bu tip konvertörlerde yük taşıyıcı tristör, yardımcı bir tristö»" ve/veya do-

PU

22 24 26

Zaman (radyan)

-15

Şekil: 14. Cyolokonvertöriin teorik çıkış dalga şekli (Çıki§ frekansı : 15 Hz).

Şekil 16a

Şekil 15b

L

L2 SCR 2

Şekil 16. Seri kondansatörtü güç konvertörtl.

yabilen bir reaktör kullanılarak söndürülür. Şekil lT'de görüldüğü gibi bir evvelki komütasyondan dolayı C kondansatörü şekildeki gibi şarj

edilmiş olsun. SCR1 trlstörü tetlklenlnce D, diodu kondansatörün deşarj olmasına mani olacak

ve yük akımı SCR^ristörü üzerinden, L, yük filtre enrüktansı ve yük vasıtasıyla devresini tammaanm,lasmönışdüorlüamcalkütıro.laSnCRL2Ctrdisetvörreüsi

ateşlendiği titreşime

zage-

ŞekiJ 17. Doğru akımı doğru akıma çeviren konvertör.

çecek ve titreşimin negatif yarısında D! diodu İletken olacağı İçin SCR, ve SCR2 tristörlerlne karşı gelen 'bir gerilim vererek bu tristörleri söndürecektir. Her iki tristörün sönmesiyle yükte filtre endüktansı ve 1>2 diodu vasıtasıyla akımın devamı sağlanılır. Kondansatör de ilk gerilimine şarj olacak ve SCR, tristörünün tetiklenmesi ile yeni bir period başlıyacaktır.

Tristörlere paralel RC devresi ile seri olarak bağlanan doyabilen reaktörlü devrelere yumuşak komütasyon devreleri adj verilir.

Yumuşak komütasyon devreleri bulunan konvertörlerde triatörler ufak akım ve gerilim değişdl

dv

melerine (

ve

) maruz kaldıkları için

kapama ve sönme kayplaru azalır. Fakat bu tip devreler konvertörün maliyetini ve komplikasyonunu arttırır.

Bunlara rağmen yumuşak komütasyon devreleri doğru gerilimi doğru gerilime çeviren konvertörlerde yüksek randjman ve emniyetle kullanılmaktadır.

2.2.1.3. Paralel' kondansatör vasjtasiyle komütasyon yapılan konvertörler :

Bu tip güç konvertörlerinden SCR! ve SCRj

tristörleri sıra ile tetiklenerek gerilim kaynağını

transformatörün karşılıkla uçlarına tatbik ederler ve Şekil 18'de görüldüğü gibi yük üzerinde

kare veya dikdörtgen alternatif gerilim meydana

getirirler. Dj dikten sonra

vdeeşDar2 jdiooldmlaarmj aksoındiçainnsaktoönr uşlamrjueştduilr-.

Ld endüktansı komütasyon kondansatörüne kapama anında yüksek akımların gitmemesi için

konulmuştur. D3 ve Dt dlodları da komütasyon sonunda Ld endüktansında mahsur kalan enerjiyi gerilim kaynağına geri vermekte kullanılır.

tristörü tetlklendiği zaman, kondansatör Şekil 18'de görüldüğü yönde yüklenir ve yüke positlf bir gerilim tatbik edilir. SCR^ tristörü tetiklendiği zaman SCR, tristörü karşı gelen kondansatör geriliminden dolayı söndürülür. Trans-

Elektrik Mühendislik 183

D, (S

Sarım sayısı D1 -2E*

T/2

-E

Şekil 18. Paralel kondansatör vasıtasıyla komütasyon yapılan konvertör.

formatörün diğer ucuna positif gerilim tatbik edilmesi nedeniyle yük üzerinde negatif gerilim meydana gelir. Bu devrede komütasyon vazifesini yük taşıyıcı tristörler yapmaktadır. Komütasyon periyodu sonunda mahpus kalan enerjiyi gerilim kaynağına iletmek (n) değerine bağlıdır [5]. Tristörlere tatbik edilen gerilimi minimum hale getirmek için ufak bir n değeri istenir. Çıkış, geriliminin harmonikleri yüksek olduğu için filtreye ihtiyaç vardır. Harmoniklerin değerleri bir period içinde bir kaç kere gerilimin işaret değiştirmesi Ue küçültülebilintr [6]. Fakat sık sık gerilimin işaret değiştirmesi hem kontrol devrelerinin komplikasyonunu hem de kapama ve sönnte kayıplarını arttırır. Harmoniklerin azalması veya küçülmesi nedeniyle filtrenin maliyeti ve ağırlığı da azalır. Komütasyonda kullanılan L ve C değerleri kornütasyondan sonra mahpus kalan enerjinin minimum olabileceği değerlerde seçilirse konvertörün randımanı da artmış olur.

Buı konvertörlerde üst frekans sının konvertörde kullanılan tristörlerin sönme zamanına bağlıdır.

2.2.1.4. Şok komütasyonlu konvertörler :

Bu tip konvertörler, endüstride, konvertörün çeşitli çıkış gerilimleri verebilmesi bakımından çok kullanılır. Umumiyetle konvertörlerde, beher komütasyonda sabit bir güç kaybı vardır ve boşta çalışma kayıpları da fazladır [7]. Şekil ladaki konvertörün boşta çalışma, "ayıplan az olup her komütasyonda kaybolan eneıji de yük alamı ile orantılıdır. SCFt, ve SCR2 tristörleri ana yük taşıyıcı tristör olup SCRı, ve SCR4 tristörleri de yardımcı komütasyon trlstörleridir. Şekil 19'da görülen devre hem kare şeklinde hem de darbe

Elektrlk Mühendisliği 183

genişliği modüle edilmiş alternatif bir gerilimi

yüke verebilir. Darbe genişliği modüle edilen konvertörlerde toir yanıtı period içinde bir çok komütasyon yapılır. Yapılacak olan komütasyon sayısı

konvertörün frekans limitleri, ihtiva edeceği harmonik değerleri ve komütasyon kayıpları ile sınırlanır. Bir periodda yapılacak komütasyon sayısının artması ile komütasyon kayıplarının artacağı aşikârdır. Bu konvertörün kare şeklinde gerilimi nasıl vereceğini Şekil 19"a bakarak görelim,

! '"

2E

Şekil 19. Şok komütasyonlu konvertö'r.

ve SCR4 tristörleri aynı anda ateşlenir, şekilde görüldüğü gibi C kondansatörü L. endüktansı üzerinden şarj olur. SCRa tristörü SCR3 tristörü tarafından söndürülene kadar yük akımın* taşır. sıfır

SoClmR4astıryilsatörsöünDerC

devresindeki şarj akımının (yani C kondansatörünün

şarj olması ile). SCRj tristörü ateşlendiği zaman

SCRj tristörüne karşı bir gerilim tatbik edildiği

için bu tristör söner. Fazla komütasyon enerjisi

D, diodu üzerinden deşarj olduğu için I>1 dlodu SCRj tristörüne karşı gerilimin tatbik edilmesini

SCRj tristörünün akımı tekrar bloke edebilme

haline kadar sağlar. SCR, tristörünün sönmesinden hemen sonra SCR2 tristörü SCR3 tris-

Şekil 20. Alternatif akimli devrelerde tabiî komütasyonlu konvertör.

TT<oc<

3TT/2<oc<2TT

P" TT

P+

TT/2<oc<TT TT/2

0<oc<17/2

Şekil 21. Enjeksiyon tekniğini kullanan konvertörün reaktlf ve aktif güç karakteristiği : Q-, P- SağOanan reaktif ve aktif güç. Q+, P+ AG devresinden; alman reaktif ve aktif

törüyle birlikte ateşlenir. Yük akımının yönü değişir ve C kondansatörü L endüktansıı vasıtasiyla SCR., tristörünü söndürecek gerilime şarj

olur. SCRy trlstörü C kondansatörünün şarj olması ile söner. SCR4 tristörü ateşlendiği zaman SCR2 tristörü karşı gerilime maruz kalarak söner ve fazla komütasyon enerjisi de D,, diodu

üzerinden deşarj olur. SCRj tristörü söndükten

sonra SCRj ve SCR4 rar yön değiştirir ve

ateşlenir. Yük atamı tekC kondansatörü başlangıç1-

taki gerilime şarj olur ve yeni bir period başlamış olur. Optimum darbe sağlıyabltmek için

komütasyon tristörleri (SCR3 ve SCR4) ile ana yük trlstörlerinin ateşlenmeleri arasındaki zaman

farkı aşağıda belirtildiği gibi olmalıdır :

= 0,767 T VLC

Bu devredeki elemanların değerleri maudmuriı yük akımından en az komütasyon kayıpları ola-

cak şekilde seçilir. En az komütasyon kaybının komütasyon akımının tepe değerinin yük akunının 1,5 misli olduğu zaman elde edildiği gösterilebilinir [1]. Kare şeklinde gerilim veren bu tip konvertörlerde yük, büyük harmonik gerilimlerine maruz kalır. Hamonik gerilimlerin yok edilmesi ve/veya azaltılması, güç konvertörünün çalışmakta olduğu sistemin randımanını artıracağı için, arzulanır. Harmonik gerilimlerin azaltılması, kare şeklinde gerilim veren konvertör yerine, darbe genişliği modül edilmiş bir konvertör kullanmakla elde edilir. O.D.T.Ü. de geliştirilen darbe genişliği modüle edilmiş konvertörle ilgili çeşitli gerillan ve akımların değişmeleri Şekil 22 ve 23'de gösterilmiştir. B.ı konvertör devresi Şekil 19'da gösterilen devre ile aynı olup yalnız tristör tetikleme devreleri darbe genişliği modüle edilmiş bir gerilim verecek şeldlde tasanmlanmıştır. Şekil 23'de komütasyon kondansatörünün şarj akımı, komütasyon anında kapasitana gerilim ve akım değişimi gösterilmiştir.

Şekil 23'de her 1 cm 5 ^sn'ye tekabül etmektedir ve konvertörde sönme zamanı 8 ^sn olan trlstörler kullanılmıştır.

2.2.1.5. Alternatif akımlı devrelerde tabii komütasyonlu konvertörler :

Tabii komütasyonlu konvertörlerin Cos ^'si hiç bir zaman 1 olmaz dolayıslyle bu konvertörler alternatif akım kaynağından reaktlf güç alırlar. Bu şekilde reaktif güç alınması bir de avantajdır. Çünkü eğer alternatif akım kaynağının empedansı yüksek ise bu konvertör alternatif akan kaynağının desteği olmadan çalışmak durumunda kalır. Böylece reaktif güç almadan tabii komütasyonlu konvertörlerin çalışması imkânsızdır.

Bu tip sistemlerde yüksek reaktif güç sağljyabilecek kaynakların alternatif akım kaynağı ile beraber kullanılması zorunludur.

2.2.1.6. Enjeksiyon tekniğini kullanan güç konvertörleri :

Tabii komütasyonlu konvertörlerin 18O°'den fazla kontrol açılarında çalışabilmesi imkânsızdır ve konvertörün kendisi alternatif akım kaynağına reaktif bir yükmüş gibi bağlıdır. Bu tip konvertörler doğru akımı alternatif akıma çevimıe durumunda isel'jr reaktif güç sağlıyamazlar. Enjeksiyon tekniği kullanıldığı vakit bu tip konvertörlerin 360' ile 180" arasında da çalışmaları sağlanır. 360° ile 180° arasında bu tip konvertörlerin reaktif güç sağlamaları bu konvertör devresine harmonik veya darbe gerilimleri enjekte edilerek yapılır. Şekil 20'deki devreye harmonik veya darbe gerilimleri trlfaze kaynağı ile seri olarak bağlanır. Harmonik gerilim enjeksiyonu neticesinde bu konvertörler 18O10 İle 270° derece arasında ıeaktif güç sağlıyabilirler.

22/a

mütasyon için lüzumlu enerji, enjekte edilen gerilim ile ters orantılı olup; enjeksiyon kaynağının ortalama gücü yüksek gerilim enjekte etmekle düşürülebılinir. Alternatif ve doğru akım harmoniklerl kabul edilebilecek seviyede olup bu konVertörler harmonık filtreleri olan alternatif akım sistemleriyle çalışabilirler.

3. SONUÇ

Bu yaz'mızda trıstöru ve kullanıldıkları güç konvertörlerıni çok genel olarak incelemiş bulunuyoruz. Endüstride geniş tatbikat sahası bulmuş dlan bu güç Jtonvertörlerinin en çok kullanı'dıkları sahalar aşağıda sıralanm'.şlardır. :

22/b

23/b

22/c

Bu tip konvertorlerın başlıca dezavantajı çok değişebilen yüklerde çalışmamasıdır. Enjekte edilen harmonık gerilim, yük akımıyla orantılı olduğu için, aşırı yük akımlarında çok büyük değerlere çıkabilir [8].

Diğer taraftan darbe gerilimi enjeksiyonu tekniği kullanılan konvertörler 0° ila 360° arasında çalışabilirler. Şekil 21'de bu konvertörün aktif ve reaktif güç karakteristiği gösterilmiştir. Darbe gerilimi ile komütasyon yapan bu tip konvertörler 0° ile 360° arasında bazı açılarda redresör gibi çalışabilirler bazı açılarda da doğru akımı alternatif akıma çevirebilirler. Cebri ko-

23/a 23/c

a. Elektrik motorların» karakteristiklerinin istenilen şekilde değiştirilmesinde, b. -. Endüksiyonla ısıtmada, c. Aydınlatmada, d. AG ve DG güç kaynakları olarak, e. Yüksek doğru gerilim naklinde AG/DG ve DG/AG konvertörti olarak, f. Frekans konvertörü olarak.

Konvertör seçim ve tasarımı tatbik edileceği sistemin özelliklerine göre olmalıdır. O.D.T. Üniversltesl'nde geliştirilen, ve bu yazımızda misal olarak verdiğimiz konvertörler endüksiyon motor hız kontrolü için tasanmlanmışlardır.

Tristörlü konvertörlerin yukarıda belirtilen sahalardaki tatbikatları üzerine araştırmalarımız devam etmektedir.

KAYNAKLAR:

1. B. D. Bedford and R. G. Hoft: «Princlples of Inverter Circuits». John Wiley and Sons,

' 1964.

2. G. R. Gutzwiller : «SCR Manual». GEC Publicatlon, Second Edition, 1968.

3. H. Rıssık: «Mercury-arc Current Convertors». Sir Isaac Pitman and Sons, 1935.

4. C. Ankan : «Inhibition of Circulating Currents in Cycloconvertors and a New Method of Widenlng Their Prequency Range». Ph. D. Thesis, Septemlber 1971.

5. W. McMURRAY and D. P. Shattuek : «Slllcon-Controlled Rectlfi'er Inverter with Improved Commutatlon». AIEE Trans. (Communlcation and Electronics), Vol. 80, pp. 531-542, November 1961.

6. F. G. Turnbull : «Selected Harmonic Reductlon in Static DC - AC Inverters». AIEE Trans. (Communicatlon and Electronics), Vol. 83, pp. 374-378, July 1964.

7. A. J. Humphery: «Inverter Commutatlon Circuits». IEEE Trans. Industry and General Applications, Vol. IGA-a, pp. 104-110, No. 1, January 1968.

8. T. Gilslng and L. L. Presis : Artlficlal Commutation of Converters Througtı Injectlon Teohnlque». IEEE Trans. Power Apparatus and Systpms, Vol. PAS - 88, pp. 1052-1061, No. 7, July 1969.

9. T. Moruhashl, P. P. Blringer, S. B. Deıwan, R. S. Segworth : «Series Inverter Withou1' Gate Control». IEEE Trans. Magnetics, Vol, Mag - 6, pp. 54 -58, No. 1, March 1970.