ÜÇ FAZLI KONTROLLÜ DOĞRULTUCU VE DİMMER ...Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_____ 2 Şekil 2. İndüktif yük ile üç faz yarım dalga

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

anında tetiklenir. Her bir tristör 120 derece iletimde kalır yani T2 , T3

de anında ateşlenir.

Şekil 1. Üç faz yarım dalga tristörlü doğrultucu

Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_________________

2

Şekil 2. İndüktif yük ile üç faz yarım dalga doğrultucu için giriş ve çıkış dalga şekilleri

Şekil 2’de ki dalga şekilleri için alınmıştır ve yük yeterince indüktif olduğu için akım

süreklidir. Eğer yük omik ise, 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 anında ateşlendiğine

gerçekleşir. Akımın sürekli olduğu durumlar için ortalama ve etkin gerilim değerleri aşağıdaki

formüllerle hesaplanabilir.

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


3

kırılma gerilimleri 28 voltla 42 volt arasındadır. Diyakın çalışması örnek olarak 33 V. kırılma gerilimi

için şöyle 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


4

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.

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 180

o 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 180o ye ulaşamaz. Bunun için devreye bir de diyak eklenmiştir. Böylece, triyak yaklaşık 0

o 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


5

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.

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. )


6

Şekil 6. Deney bağlantı şemaları

(a) Çıkış gerilimi ve akımı (α=0 ) (b) Çıkış gerilimi ve akımı (α=30 )


7

(c) Çıkış gerilimi ve akımı (α=60 )

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 Ortalama Ortalama

α = 0

α=30

α=60

2.1.2. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük)

Şekilde görülen devreyi kurunuz. Gerekli ölçümleri alınız.


8


(a) Çıkış gerilimi ve akımı (α=0 ) (b) Çıkış gerilimi ve akımı (α=30 )


9

(b) Çıkış gerilimi ve akımı (α=60 )

Şekil 10. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 2. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları

Ortalama Ortalama

α=0

α=30

α=60

2.2. Dimmer Devre Uygulaması

Şekilde görülen devreyi kurunuz.


10


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= konumunda iken devre elemanları normal çalışıyor, aşağı konuma alınca kısa

devre olur ve kontrol yapmaz.

4- Bütün anahtarlar aşağı konumda iken osiloskop ekranındaki görüntüyü açıklayınız.

(a) Potansiyometre maksimum konumda iken (b) Potansiyometre minimum konumda iken

Şekil 11. Potansiyometrenin konumuna göre dalga şekilleri


11

5- Sadece S5 anahtarı yukarı konumda iken Osiloskop ekranındaki görüntüyü açıklayınız.



6- sadece S2 ve S3 anahtarı yukarı konumda iken oluşan durumu açıklayınız.

7- Bütün anahtarlar yukarı konumda iken osiloskop ekranındaki görüntüyü açıklayınız.




12

8- Önceki işlemden sonra sadece S2 anahtarının aşağı konuma alınması durumunda osiloskop

ekranındaki görüntüyü açıklayınız..



Documents

ÜÇ FAZLI KONTROLLÜ DOĞRULTUCU VE DİMMER ...Üç Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu ve Dimmer Devre Uygulaması_____ 2 Şekil 2. İndüktif yük ile üç faz yarım dalga