Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter

Eviriciler
(DC-AC Dönüştürücüler)
Eviriciler
DC-AC Dönüştürücü, genel olarak bir DC gerilimi bir AC gerilime dönüştürür
DC-AC dönüştürücülerin temel blok şeması Şekil 6.1 de verilmiştir Burada Vd
giriş gerilimi Va,Vb Vc çıkış faz gerilimleri id giriş akımı ia çıkış a faz akımı ve
0 çıkış sıfır hattıdır.
Eviriciler
DC-AC Dönüştürücülerin Temel Özellikleri
 Zorlamalı komüstasyonludur
 Genellikle tam kontrollü elemanlar ile gerçekleşir
 Genellikle PWM anahtarlama yöntemi ile kontrol edilir
 Gerilim ve frekansı kontrol edilebilen bağımsız bir AC gerilim üretilir
 Kontrol tekniğine bağlı olarak AC çıkış geriliminde harmonikler oluşur.
Eviriciler
DC-AC Dönüştürücülerin Temel Özellikleri
1) DC giriş besleme kaynağı açısından
a) Gerilim kaynaklı
b) Akım kaynaklı
2) Faz Sayısına Göre
a) Tek fazlı
b) Üç fazlı
3) Uygulanan Kontrol Yöntemine Göre
a) Kare Dalga
b) Kısmi veya boşluklu kare dalga
c) PWM inverter
4) Tek Fazlı İnverterlerin Devre Yapısına Göre
a) Yarım köprü inverter
b) Tam köprü inverter
c) Push-pull inverter
Tek Fazlı Kare Dalga İnverterler
Yarım köprü, tam köprü ve push-pull olmak üzere,tek fazlı üç
temel inverter yapısı mevcuttur.Burada tek fazlı temel
invereterin yapılan ve çalışma prensipleri verilmiştir.Bu
inverterlerin hepsinde kare dalga kısmi kare dalga ve PWM
kontrolü uygulanabilir.Kontrol yöntemi,genellikle invereterin
isimine yansıtılmaktadır.Temel inverterlerin çalışma prensibi
en basit kontrol yöntemi olan kare dalga kontrolü ile
açıklandığından,başlıklara kare dalga terimi eklenmiştir.
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Mekanik Anahtarlı
Statik Anahtarlı
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Burada S1 faz kolunun pozitif anahtarı ve S4 faz kolunun negatif anahtarıdır.Faz
kolunun pozitif elemanları T1 ile D1 pozitif anahtar S1 ve faz kolunun negatif
elemanlarını T4 ile D4 negatif anahtar S4 ile eşdeğerdir.Her bir anahtar ters paralel
bağlı bir aktif eleman ile bir pasif elemandan oluşur.Anahtar akımının pozitif kısmını
aktif ve negatif kısmını pasif eleman geçirir.Şekil de ise bu inverterin kare dalga
kontrolünde omik-yük için IGBT elemanlarının kontrol sinyallerine bağlı olarak,
girişteki DC gerilim ve akım ile çıkış katındaki AC gerilim ve akımın dalga şekilleri
görülmektedir.
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Omik Yük için Dalga Şekilleri
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Bu durumunda yüke bağlı olmaksızın AC gerilim
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Omik-Endüktif Yük için Dalga Şekilleri
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Pozitif ve negatif periyotlarda yükte
oluşan devreler
Çıkış Akımı
Zaman Sabiti
Diyodun İletim Süresi
Tek Fazlı Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
Yarım köprü türü inverter, girişte orta uçlu bir DC gerilim kaynağı gerektirmesine
karşılık,sadece 2 aktif eleman ile gerçekleştirmektedir.Uygulamalarda orta uçlu ve
dengeli bir DC gerilim kaynağı sağlamanın kolay olmadığı söylenebilir
Bu inverterde kare dalga kontrolü uygulandığında,elde edilen AC gerilim frekansı
ayarlanabilir,ancak bu gerilimin efektif değeri sabit kalır ve kontrol edilemez.
Elde edilen AC gerilimde önemli ölçüde bir harmonik içerik ve DC kaynaktan
çekilen akımda önemli ölçüde bir dalgalanma oluşur.Elemanlar kesim durumunda
en fazla Vd gerilimde maruz kalır.Çıkış gerilimi bir transformatör kullanılarak izole
edilebilir.
Basit ve ucuz olduğu kabul edilen bu inverterler, daha çok rezonans devreli güç
kaynaklarında kullanılmaktadır.
Tek Fazlı Tam Köprü Kare Dalga İnverter
Tek fazlı tam köprü inverter, genel analizde a ve b fazlarından oluşan 2
fazlı inveretere veya 2 adet yarım köprü invertere eşdeğer kabul edilir.DC
giriş gerilim kaynağının gerçekte bulunmayan orta ucu 0 veya nötr kabul
edildiğinde,bu 0 noktasına göre a ve b faz kollarına çalışması yukarıda
etraflıca verilen yarım köprü inverterin aynısıdır.Ancak,a ve b fazları
arasında 180 derece faz farkı mevcuttur.
Tek Fazlı Tam Köprü İnverterin Devre Şeması
Tek Fazlı Tam Köprü Kare Dalga İnverter
Bu durumda çıkıştaki AC gerilim 180 derece faz farklı olan a ve b faz gerilimlerinin
Vab=Va-Vb şeklinde farkı alınarak elde edilebilir.Ya da doğrudan Vab çıkış
geriliminin,pozitif yarı periyotta T1 ile T2 elemanları iletimde iken Vd ve negatif yarı
periyotta T3 ile T4 elemanları iletimde iken –Vd olduğu söylenebilir.Böylece tek fazlı
tam köprü inverterin kare dalga kontrolündeki çıkış gerilimi için,
Tam Köprü Kare Dalganın Çıkış Gerilimi
Tek Fazlı Tam Köprü Kare Dalga İnverter
Omik-Endüktif Yük için Dalga Şekilleri
Tek Fazlı Tam Köprü Kare Dalga İnverter
Tek Fazlı Push-Pull Kare Dalga İnverter
Tek fazlı push-pull türü inverterin temel devre şeması şekilde verilmiştir. Bu
devrenin en temel özelliği,Giriş Sargısı Orta Uçlu Transformatör gerektirmektedir.
Bu inverter bir DC gerilim kaynağı 2 adet aktif eleman 2 adet pasif eleman ve giriş
sargısı orta uçlu bir transformatör ile geçekleştirilir.Bu invertere de kare dalga ve
PWM kontrolü uygulanabilir. Push-pull inverter eleman sayısı açısından yarım
köprü invertere benzer ancak tam köprü türü invertere eşdeğerdir.
Tek Fazlı Push-Pull Kare Dalga İnverter
Tek Fazlı Push-Pull Kare Dalga İnverter
Tek Fazlı Push-Pull Kare Dalga İnverter
Omik-Endüktif Yük için Dalga Şekilleri
Tek Fazlı Push-Pull Kare Dalga İnverter
Kare dalga kontrollü push-pull türü inverterlerde de, AC gerilim frekansı
ayarlanabilir fakat değeri kontrol edilemez. Yine çıkış geriliminde önemli ölçüde
bir harmonik içerik ve giriş akımında ciddi bir dalgalanma oluşu. Tek fazlı pushpull türü inverter ,giriş sargısı orta uçlu bir transformatör gerektirmesine
karşılık sadece 2 adet aktif ve 2 adet pasif eleman ile gerçekleştirilmektedir.
Pozitif yarım periyotta bir yarısının ve negatif yarım periyotta diğer yarısının
kullanılması ile kaçak endüktanlar bazı ilave sorunlara yol açmaktadır.Bu
nedenle,daha büyük güçlerde tam köprü türü inverterler kullanılmaktadır.
Tek Fazlı Kısmi Kare Dalga İnverter
Kısmi Kare Dalga (QSW) kontrolü,inverterde AC çıkış geriliminin frekansı ile
birlikte değerini de değiştirebilmenin en basit yöntemidir.Bu yöntem ,PWM
yönteminin Tek Darbeli özel bir uygulaması olarak da kabul edilir.Aynı zamanda,
Faz Kaydırma Yöntemi ile gerilimin kontrol edilmesi şeklinde de tanımlanır.Bu
kontrol yöntemi ,tek fazlı tam köprü ve push-pull türü inverter yapılarında
uygulanabilir
Tek Fazlı Kısmi Kare Dalga İnverter Devre Şeması
Tek Fazlı Kısmi Kare Dalga İnverter
Tek Fazlı Kısmi Kare Dalga İnverter
Güç Elemanlarının İletim Durumları
Ayrıca bu bağıntılar kullanılarak, efektif çıkış akımı ortalama giriş akımı bir
transistör bir diyodun ortalama ile efektif akımları bulunabilir.Tek darbeli PWM
kontrolü olarak da bilinen kısmi kare dalga veya faz kaydırma yöntemi, frekans
ile birlikte çıkış gerilim gerilim değerinin de kontrol edilebildiği en temel ve en
basit yöntem olarak anılmaktadır.Elde edilen AC gerilimde önemli ölçüde bir
harmonik içerik ve DC kaynaktan çekilen akımda önemli ölçüde bir dalgalanma
oluşur.Faz farkına bağlı olarak, çıkış gerilimi ve temel bileşeni ile birlikte
harmonik içerik de değişir.Çıkış gerilimi bir transformatör ile izole edilebilir.
Tek Fazlı Kısmi Kare Dalga İnverter
Omik-Endüktif Yük Dalga Şekilleri
Tek Fazlı PWM Kontrollü İnverter
Tek Fazlı PWM Kontrollü İnverter
Tek Fazlı İki Yönlü PWM Kontrollü
İki Yönlü PWM Kontrolünde şekilde de görüleceği gibi, üçgen dalga şeklinde
taşıyıcı bir gerilim ile sadece a fazına ait kare dalga şeklinde bir kontrol
geriliminin karşılaştırılmasıyla a fazına ait pozitif sinyal Vap ve bunun tersinin
alınmasıyla da negatif sinyal Van elde edilir.b fazına ait bir sinyal üretilmeksizin
a fazına ait Vap sinyali T1 ile T2 elemanlarına ve Van sinyali de T3 ile T4
elemanlarına uygulanır.Burada, mf frekans oranının 7 ve p darbe sayısının 3,5
olduğu görülmektedir.Yarım darbe 2’ye bölünmüş olarak eşit genlikteki 3
darbenin yanlarında kalmıştır.
Gerilimlerin Efektif Değeri
Elemanların İletim Durumu
Tek Fazlı İki Yönlü PWM Kontrollü
Birbirinin tersi olan 2 sinyal ile kontrol edilen faz gerilimleri daima çift yönlüdür. İki
yönlü kontrol adı,Vab çıkış geriliminin iki yönlü olmasından kaynaklanır. Burada
genlik oranı ma değiştirilerek faz ve fazlar arası gerilimlerin temel bileşenleri
kontrol edilir.
Ancak bu gerilimlerin efektif değerleri daima sabittir.Buradan çıkış gerilimi
harmonik içeriğin yüksek olduğu söylenebilir. Va ile Vb faz gerilimleri için aynı
şey söylenebilir,ancak bu gerilimler sanal bir 0 noktasına göre tanımlıdır ve
gerçekte 0 noktasına doğru akım geçmez
Tek Fazlı İki Yönlü PWM Kontrollü
İki Yönlü PWM Kontrollü İçin Temel Dalga Şekilleri
Tek Fazlı Tek Yönlü PWM Kontrollü
Tek Yönlü PWM Kontrolünde ise şekilde görüleceği gibi taşıyıcı gerilim ile a
ve b fazlarına ait kontrol gerilimleri karşılaştırılarak bu fazlara ait pozitif
sinyaller üretilir.Sonra bunların tersleri alınarak negatif sinyaller elde edilir.a ve
b faz gerilimleri,180 derece faz farklıdır. a fazına ait Vap ie Van sinyaleri sırası
ile T1 ile T4 ve b fazına ait Vbp ve Vbn sinyalleri sırasıyla T3 ile T2
elemanlarına uygulanır.Faz gerilimleri ile bunların farkı olan çıkış gerilimlerinin
dalga şekilleri ilerki slaytta verilmiştir.
Burada ma değiştirilerek çıkış gerilimleri kontrol edilir.Çıkış geriliminin
harmonik içeriği çift yönlüye göre daha düşüktür.
Gerilimlerin Efektif Değeri
Elemanların İletim Durumu
Tek Fazlı Tek Yönlü PWM Kontrollü
Tek Yönlü PWM Kontrollü İçin Temel Dalga Şekilleri
Tek Fazlı Sinüsoidal PWM Kontrollü
İnverterlerde Sinüsoidal PWM Kontrolü darbe genişliklerinin sinüs formunda
kontrol edilmesiyle harmonik içeriği düşük olan sinüsoidal bir AC çıkış gerilimi elde
edilmesiyle dayalıdır.Çok darbeli PWM kontrolünde verilen temel kavram ve
tanımlar burada da geçerlidir. Burada kare dalga şeklindeki kontrol gerilimlerinin
yerini sinüs dalga şeklindeki kontrol gerilimleri alır.Darbe genişliklerinin sünüs
formunda değiştirilmesiyle, çıkış geriliminin değeri ve frekansı kontrol edilir.Prensip
olarak, üçgen dalga şeklindeki taşıyıcı bir gerilim ile sinüs dalga şeklindeki kontrol
gerilimleri karşılaştırılmasıyla üretilen pozitif ve negatif sinyallerin ilgili fazların
pozitif ve negatif güç elemanlarının uygulanması ile gerçekleştirilir.
Gerilimlerin Efektif Değeri
Tek Fazlı Sinüsoidal PWM Kontrollü
Sinüsoidal PWM Kontrollü İçin Temel Dalga Şekilleri
Üç Fazlı İnverterler
Üç fazlı köprü bir inverterin IGBT güç elemanları ile gerçekleştirilen temel devre
şeması şekilde görüleceği gibidir.Üç fazlı inverterlerde kare dalga ve PWM
kontrolleri uygulanabilir.Bu inverterler, kesintisiz güç kaynakları ve asekron motor
kontrolü uygulamalarında kullanılmaktadır. Eskiden 120 derece ve 180 derece
iletimli inverterler, üç fazlı inverterlerin kare dalga uygulamalarıdır.
Burada devredeki her bir güç elemanı bir periyot içerisinde 120 derece veya 180
derece iletimde kalır. Kare dalga kontrollü bu inverterlerde,çıkış gerilimi
kontrolsüzdür
Uygulamada, inverterlerin DC giriş gerilimi genellikle bir doğrultucu ile AC
şebekeden elde edilir.Bu durumda,DC Ara Devreli İnverter terimi çok kullanılır.
Motor kontrolünde olduğu gibi frekans ile birlikte gerilimin de kontrolü
gerektiğinde girişteki DC gerilim kontrollü doğrultucu ile değiştirilir. Üç fazlı
inverterlerde yük genellikle omik endüktif ve ∆ bağlıdır.
Üç Fazlı 120 İletimli Kare Dalga İnverter
3 Fazlı Köprü İnverterin Devre Şeması
Üç Fazlı 120 İletimli Kare Dalga İnverter
Burada, bütün sinyal ve gerilim dalga şekilleri 60 derece aralıkları değişir ve 6
kademede bir periyodu tamamlar.Bu devrelerin inceleme ve analizinde, 60 derece
lik aralıklar kullanılır.Örneğin,0 ile 60 derece aralığında T1 ile T6 elemanlarında
sinyal vardır.Bu durumda Va gerilimi Vd/2 ,Vb gerilimi –Vd/2,Vc gerilimi 0 Vab
gerilimi Vd ,Vbc gerilimi –Vd/2 ve Vca gerilimi –Vd/2 değerlerini almaktadır.
Gerilimlerin Efektif Değeri
Üç Fazlı 120 İletimli Kare Dalga İnverter
Gerilimlerin İletim Durumu
Omik Yük İçin Dalga Şekilleri
Üç Fazlı 180 İletimli Kare Dalga İnverter
Şekilde görüleceği gibi, her bir güç elemanının sinyali 180 derece sürelidir.Aynı
faz koluna ait pozitif ve negatif elamanlarının sinyalleri arasında boşluk oluşmaz.
Faz kollarının sinyalleri arasında üç faza uygun olarak 120 derece faz farkı
mevcuttur. Eş zamanlı olarak daima 3’er eleman iletimdedir.Faz gerilimleri
boşluksuz kare dalga şeklindedir.Faz gerilimleri arasında 120 derece faz farkı
mevcuttur.fazlar arası gerilimler,faz gerilimlerinin farkları alınarak kolayca
oluşturulabilir.Doğal olarak fazlar arası gerilimler arasında da 120 derece faz farkı
oluşur.
Üç Fazlı 180 İletimli Kare Dalga İnverter
Burada, bütün sinyal ve gerilim dalga şekilleri 60 derece aralıkları değişir ve 6
kademede bir periyodu tamamlar.Bu devrelerin inceleme ve analizinde, 60
derece lik aralıklar kullanılır.Örneğin,0 ile 60 derece aralığında T1 ,T5 ve T6
elemanlarında sinyal vardır.Bu durumda Va gerilimi Vd/2 ,Vb gerilimi –Vd/2,Vc
gerilimi Vd/2 Vab gerilimi Vd ,Vbc gerilimi –Vd ve Vca gerilimi 0 değerlerini
almaktadır.Omik olan yükün Y bağlanması durumunda faz noktaları ile Y noktası
arasında oluşan faz gerilimleri, burada 0 noktasına göre verilen faz
gerilimlerinden farklı olmaktadır.
Gerilimlerin Efektif Değeri
Üç Fazlı 180 İletimli Kare Dalga İnverter
Gerilimlerin İletim Durumu
Omik Yük İçin Dalga Şekilleri
Üç Fazlı Sinüsoidal PWM İnverter
Üç fazlı inverterlerde sinüsoidal PWM kontrolü tek fazlı PWM kontrolünün üç
fazlı sisteme uygulanmasından ibarettir.
Taşıyıcı frekansının çıkış frekansına oranı mf değerinin, tek sayı ve en az 9 ve
ayrıca üç fazda 3’ün katları şeklinde olması önerilir.Üçgen dalga şeklindeki
taşıyıcı gerilimin genliğinin sabit olması,iki yönlü ve tam simetrik olması gerekir.
Üç fazlı sinüs dalga şeklindeki kontrol gerilimleri, genlikleri eşit 120 derece faz
farklı,iki yönlü ve tam simetrik olmalıdır.Çıkış gerilimin kontrolü üç fazlı kontrol
gerilimlerinin genliklerinin birilikte değiştirilmesi ile yapılmalıdır.Frekans kontrolü
gerektiğinde düşük frekanslarda taşıyıcı ile kontrol gerilimlerinin frekansları
birlikte ve senkronize olarak değiştirilmelidir.Yaklaşık 1khz’nin üzerindeki
anahtarlama frekanslarında taşıyıcı frekansı sabit tutularak frekans kontrolü
yapılabilir.Bu durumda anahtarlama kayıpları da dikkate alınmalıdır.
Üç Fazlı Sinüsoidal PWM İnverter
Örnek Faz Va Gerilimi ve Vab Fazlar Arası Gerilim
Üç Fazlı Sinüsoidal PWM İnverter
Omik Yük İçin Dalga Şekilleri