YILDIZ TEKNK NVERSTES FEN BLMLER ENSTTS

G FAKTR DZELTME YNTEMLERNN NCELENMES ve BR UYGULAMA DEVRESNN GEREKLETRLMES

Elektrik Mh. Tuna MERTFBE Elektrik Mhendislii Anabilim Dal Elektrik Makineleri ve G Elektronii Programnda Hazrlanan

YKSEK LSANS TEZ

Tez Danman : Prof.Dr. Hac BODUR

STANBUL, 2007

NDEKLER Sayfa SMGE LSTES ....................................................................................................................... iv KISALTMA LSTES ................................................................................................................ v EKL LSTES ........................................................................................................................ vi ZELGE LSTES .................................................................................................................viii NSZ...................................................................................................................................... ix ZET .......................................................................................................................................... x ABSTRACT .............................................................................................................................. xi 1. 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.6 2.6.7 2.6.7.1 2.6.7.2 2.6.7.3 2.6.7.4 2.7 3. 3.1 GR....................................................................................................................... 1 HARMONKLER VE G FAKTR ................................................................ 3 Fourier Analizi......................................................................................................... 4 Harmonik Distorsiyon ............................................................................................. 5 G Faktr ............................................................................................................. 5 Toplam Harmonik Distorsiyon le G Faktr Arasndaki liki.......................... 6 Harmonik reten Elemanlar.................................................................................... 7 Transformatrler ...................................................................................................... 7 Dorultucular........................................................................................................... 8 Fotovoltaik Sistemler............................................................................................... 9 Bilgisayarlar............................................................................................................. 9 Aydnlatma Elemanlar.......................................................................................... 10 Dier Harmonik Kaynaklar .................................................................................. 10 Harmoniklerin Etkileri........................................................................................... 11 Harmoniklerin Diren zerindeki Etkisi............................................................... 11 Harmoniklerin Reaktanslar zerindeki Etkisi....................................................... 11 Harmoniklerin Kayplara Etkisi............................................................................. 11 Harmoniklerin Motorlar zerindeki Etkisi ........................................................... 12 Harmoniklerin Koruma Rlelerine Etkisi.............................................................. 12 Harmoniklerin l Cihazlar zerideki Etkisi .................................................... 12 Harmoniklerin Rezonans Etkisi............................................................................. 12 Rezonans Oluumu ................................................................................................ 12 Seri Rezonans Devresi........................................................................................... 12 Parelel Rezonans.................................................................................................... 13 Rezonansn Genel Etkileri ..................................................................................... 14 Harmonik Standartlar ........................................................................................... 14 DNTRCLER ......................................................................................... 16 AA-DA Dntrcler ........................................................................................ 16 ii

3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 4. 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 5. 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.4 5.4.1 5.4.2 5.5 6.

AA-AA Dntrcler ........................................................................................ 20 DA-AA Dntrcler ........................................................................................ 21 Gerilim Kaynakl nverter ..................................................................................... 22 Akm Kaynakl nverter......................................................................................... 24 Rezonans nverter .................................................................................................. 24 DA-DA Dntrcler ........................................................................................ 26 Buck Dntrc ................................................................................................. 26 Boost Dntrc ................................................................................................ 26 Buck Boost Dntrc.................................................................................... 27 Rezonans Link Da-Da Dntrc...................................................................... 28 G FAKTR DZELTME YNTEMLER ................................................. 29 G Faktr ........................................................................................................... 29 G Faktr Dzeltme ekilleri ............................................................................ 32 Ek Eleman Kullanlmadan Yaplan lemler ......................................................... 32 Pasif GFD .............................................................................................................. 33 Aktif Filtreler ......................................................................................................... 39 Aktif G Faktr Dzeltme Metodlar ................................................................ 43 Alak Frekans Aktif G Faktr Dzeltme ......................................................... 43 Yksek Frekans Aktif G Faktr Dzeltme ...................................................... 45 G Faktr Dzeltmede Kontrol Teknikleri........................................................ 60 Pik Akm Kontrol ................................................................................................ 60 Ortalama Akm Kontrol....................................................................................... 61 Histerezis Kontrol.................................................................................................. 62 Snr izgisi Kontrol............................................................................................ 63 Kesintili Akm PWM (Darbe Genilik Modlasyonu) Kontrol .......................... 64 UYGULAMA DEVRES ...................................................................................... 65 Entegre Hakknda Temel Aklamalar .................................................................. 65 Bacaklarn Tanm ve Fonksiyonlar ...................................................................... 66 alma Yaps....................................................................................................... 67 Entegrenin Yaps .................................................................................................. 68 Teknik Aklama ................................................................................................... 71 Kontrol Yntemi.................................................................................................... 72 zellikleri .............................................................................................................. 73 Devre Analizi......................................................................................................... 78 SONULAR VE NERLER............................................................................... 86

KAYNAKLAR......................................................................................................................... 88 ZGEM.............................................................................................................................. 90

iii

SMGE LSTES Kd Bozulma faktr P Aktif g S Grnr g W Elektriksel i Z Empedans Tetikleme as

iv

KISALTMA LSTES CCM Continuous Conduction Mode DCM Discontinuous Conduction Mode DGM Darbe Genilik Modlasyonu GF G Faktr GFD G Faktr Dzeltme KGF Kayma G Faktr KM Kesintili letim Modu PFC Power Factor Correction PWM Pulse Width Modulation SAAG Sfr Akm Alglama Girii SM Srekli letim Modu THD Toplam Harmonik Distorsiyon

v

EKL LSTES Sayfa ekil 2.1 G faktr dzeltilmeden nce ve sonraki g geni durumu ............................... 5 ekil 2.2 Transformatrn mknatslanma erisi ...................................................................... 7 ekil 2.3 Transformatrn mknatslanma akm ve harmonik spektrumu ............................... 8 ekil 2.4 Bir bilgisayar akmnn rnek dalga ekli................................................................... 9 ekil 2.5 Bir bilgisayarn akmna ait harmonik spektrum...................................................... 10 ekil 2.6 Seri rezonans devresi................................................................................................ 13 ekil 2.7 Paralel rezonans devresi ........................................................................................... 14 ekil 3.1 Serbest gei diyotlu tek fazl yarm dalga dntrc.......................................... 17 ekil 3.2 Transformatrl tek faz tam dalga dntrc ...................................................... 18 ekil 3.3 Tek faz kpr dntrc....................................................................................... 18 ekil 3.4 3 fazl tristrl tam kpr montaj............................................................................ 19 ekil 3.5 Ac kyc devresi....................................................................................................... 20 ekil 3.6 Ac kyc dalga ekilleri............................................................................................ 21 ekil 3.7 3 fazl dntrc ve gerilim kaynakl inverter topolojisi ..................................... 22 ekil 3.8 fazl sinusoidal dgm dntrc dalga ekilleri................................................ 23 ekil 3.9 Aktif gerilim klempli resonans dc link inverter ....................................................... 25 ekil 3.10 Rezonans ac link konverter sistem anahtar konfigrasyonlar............................... 25 ekil 3.11 Dc-dc dntrc konfigrasyonlar .................................................................... 27 ekil 3.12 Rezonans link dc-dc dntrc .......................................................................... 28 ekil 4.1 G faktr dzeltmesiz bir anahtarlamal mod g kaynan karakteristikleri...... 30 ekil 4.2 Akm dalga eklinin harmonik bileenleri ............................................................... 30 ekil 4.3 Mkemmel g faktrne yakn bir g kaynann giri karakteristikleri ............. 31 ekil 4.4 Diyot kpr dorultucu ............................................................................................ 32 ekil 4.5 Ac tarafta endktans kullanlan dorultucu.............................................................. 33 ekil 4.6 Dc tarafta bobinli dorultucu ................................................................................... 34 ekil 4.7 Seri rezonans bant gei filtreli dorultucu.............................................................. 35 ekil 4.8 Paralel rezonans bant durdurucu filtreli dorultucu ................................................. 35 ekil 4.9 Harmonik yakalaycl dorultucu............................................................................ 36 ekil 4.10 Kapasitr beslemeli dorultucu.............................................................................. 37 ekil 4.11 Lcd dorultucu ....................................................................................................... 38 ekil 4.12 Valley-fill dorultucu ............................................................................................. 38 ekil 4.13 Aktif filtre ile harmoniklerin giderilmesi ............................................................... 39 ekil 4.14 Aktif filtrenin devreye balanmas......................................................................... 40 ekil 4.15 Aktif filtreyi oluturan temel elemanlar ................................................................. 40 ekil 4.16 Aktif filtrenin devreye balanmas......................................................................... 41 ekil 4.17 nt aktif filtrenin devreye balanmas ve alma ilkesi...................................... 41 ekil 4.18 Seri aktif filtrenin devreye balanmas ve pasif filtre ile birlikte kullanlmas...... 42 ekil 4.19.a) Alak frekans aktif g faktr dzeltme devresi............................................... 44 ekil 4.19.b) 75mH ve 150mH endktans deerlerinde alak frekans g faktr dzeltme devresinin giri akm ve dalga ekilleri ............................................................ 44 ekil 4.19.c) 75mH endktans deeri iin temel bileende normalize edilmi akm harmonikleri...................................................................................................... 45 ekil 4.19.d) 150mH endktans deeri iin temel bileende normalize edilmi akm harmonikleri...................................................................................................... 45 ekil 4.20.a) Buck dntrc temelli yksek frekans aktif GFD ......................................... 46 ekil 4.20.b) Buck temelli GFD devresinin akm ve gerilim dalga ekilleri............................ 47 ekil 4.21a) Boost dntrc temelli yksek frekans aktif GFD ......................................... 48 vi

ekil 4.21.b) Kesintisiz akm mod boost dntrc temlelli GFDnin akm ve gerilim dalga ekilleri.............................................................................................................. 48 ekil 4.22 Kesintisiz ve kritik iletim modlarnda bobin akmlarnn karlatrlmas............ 50 ekil 4.23a Buck-boost dntrc temelli aktif GFD .......................................................... 51 ekil 4.23b Buck-boost dntrc temelli aktif GFD akm ve gerilim dalga ekilleri ........ 51 ekil 4.24 Yksek frekans aktif gfd lerde ccm almada second-order anahtarlamal dntrcler................................................................................................... 53 ekil 4.25 Cicmde alan anahtarlamal dntrc kullanlm bir gfd kontrol emas ... 56 ekil 4.26 Second-order dntrcler ................................................................................. 58 ekil 4.27 Tek katl gfd devresi, bifred dntrc .............................................................. 60 ekil 4.28 Pik akm kontrol ................................................................................................... 61 ekil 4.29 Ortalama akm kontrol ......................................................................................... 62 ekil 4.30 Histerezis kontrol ................................................................................................... 62 ekil 4.31 Snrizgi Kontrol................................................................................................. 63 ekil 4.32 Kesintili akm PWM kontrol .................................................................................. 64 ekil 5.1 Tda 4863n kullanld tipik bir uygulama devresi............................................... 65 ekil 5.2 Tda 4863n bacak yaps......................................................................................... 66 ekil 5.3 Entegrenin i yaps .................................................................................................. 67 ekil 5.4 Sinyal diyagramlar .................................................................................................. 71 ekil 5.5 Gfd ykseltici dntrcnn prensip devresi ....................................................... 72 ekil 5.6 Gfd ykseltici dntrcde giri ve bobin akm ekli .......................................... 73 ekil 5.7 k gerilim blcsne bal ar gerilim snrlandrmas ................................... 75 ekil 5.8 120 Wlk g faktr dzeltme devresinin emas ................................................. 78 ekil 5.9 Uygulama Devresi.................................................................................................... 78 ekil 5.10 Entegre i yaps ve pin balantlar ....................................................................... 79 ekil 5.11 Kap src k (bacak7) dalga ekilleri ............................................................ 79 ekil 5.12 Gerilim ykseltici k (bacak2) .......................................................................... 80 ekil 5.13 Gerilim alglama (bacak1)...................................................................................... 80 ekil 5.14 oklayc girii (bacak3) ........................................................................................ 81 ekil 5.15 Kpr k ............................................................................................................ 81 ekil 5.16 Tetikleme sinyali ile mosfet kndaki diren zerindeki sinyaller ..................... 82 ekil 5.17 Dorultulmu giri gerilimi ile R11 direnci zerindeki dalga ekilleri.................. 82 ekil 5.18 Aktif, grnr g ve g faktr deerleri........................................................... 83 ekil 5.19 Akmdaki toplam harmonik distorsiyon................................................................. 84 ekil 5.20 Gerilim ve gerilimdeki toplam harmonik distorsiyon ............................................ 84 ekil 5.21 Akm ve gerilim dalga ekilleri .............................................................................. 85

vii

ZELGE LSTES Sayfa izelge 2.1 Konutlarla ilgili alak gerilim ebekelerinde IEC 61000-2-2 gerilim harmonik distorsiyon limitleri........................................................................................... 15 izelge 2.2 Konutlarla ilgili (a) alak ve (b) orta gerilim ebekeleri iin EN 50160 harmonik distorsiyon limitleri........................................................................................... 15 izelge 4.1 Aktif filtre ile pasif filtrenin karlatrlmas....................................................... 43 izelge 4.2 Topoloji zellikleri ............................................................................................... 55

viii

NSZ Gnmzde yariletken elemanlarn ve buna bal olarak g elektronii cihazlarnn kullanlmasnn artmasyla birlikte harmonik akmlarn ebekeye etkileri yadsnamaz hale gelmitir. ebekeden ekilen enerjinin kalitesizlemesine neden olan bu akmlarn azaltlmas ve akmn ekillendirilmesi zerine almalar yaparak g faktr deerinin uygun seviyelere ekilmesi bir gereksinim olmutur. Hazrlam olduum G Faktr Dzeltme Yntemlerinin ncelenmesi ve Bir Uygulama Devresinin Gerekletirilmesi konulu yksek lisans tez almamda da g faktrnn iyiletirilmesine ynelik yntemleri inceledim ve bir uygulama devresi ile konuyu daha iyi analiz edebilme frsat buldum. Bu almamn bu konuyla ilgili aratrma yapacaklara k tutacak bir kaynak olmasn mit etmekteyim. Tezimin danmanln yapan ve almalarm esnasnda her zaman yanmda olup beni destekleyen Sayn Prof.Dr. Hac BODURa teekkr bir bor bilmekteyim. Yine yksek lisans eitimim ve tez srecim boyunca, bilgi ve tecrbelerini esirgemeyen Sayn Prof. Remzi Glgn ve Yrd.Do.Dr.A.Faruk Bakana kranlarm sunmaktaym. Tez srecim boyunca bilgilerini paylaan ve yardmlarn esirgemeyen Ar.Grevlileri smail AKSOYa ve Burak AKINa ayrca teekkr ederim. En zor anlarmda her zaman yanmda olan, benden desteklerini esirgemeyip beni srekli motive eden, bugnlere gelmemde en byk paya sahip aileme ve sevdiklerime de kran ve sevgilerimi sunarm.

ix

ZET Gnmzde yariletken elemanlarn ve buna bal olarak g elektronii cihazlarnn kullanlmasnn artmasyla birlikte harmonik akmlarn ebekeye etkileri yadsnamaz hale gelmitir. ebekeden ekilen enerjinin kalitesizlemesine neden olan bu akmlarn azaltlmas ve akmn ekillendirilmesi zerine almalar yaparak g faktr deerinin uygun seviyelere ekilmesi bir gereksinim olmutur. Yaplan bu tez almasnda ilk olarak cihaz lmlerinde hata, motorlar ve anahtarlama elemanlarnda ar snmalar gibi sorunlara neden olan harmonikler ve bunlar reten elemanlar anlatlmtr. Daha sonra ise bu harmonik akmlarn g faktryle ilikisi ve harmonik akmlara sebep olan elemanlardan konvertrlerin yaplar anlatlmtr. G faktr dzeltilmesindeki pasif ve aktif yntemlere deinilmitir. Son olarak da aktif akm ekillendirme yntemleri incelenmi ve bir aktif g faktr dzeltme devresi uygulamas gerekletirilerek sonular incelenmitir. Anahtar kelimeler: g faktr, g faktr dzeltme, harmonikler, enerji kalitesi, akm ekillendirme.

x

ABSTRACT Nowadays, as a result of increasing use of semiconductors and power electronics devices, current harmonics effects on the electrical systems have become intolerable. Therefore, it has become essential problem to reduce these harmonic currents, which effect negatively the energy system quality, and shaping the current actively to achieve a good power factor. In this study, first of all, general information about harmonics, which causes measurement errors, overheating of motor windings and switchs etc., and most common harmonic sources have been given. After that, relation between harmonics and power factor has been mentioned and converters, one of harmonic sources, have been explained and analyzed. Passive and active power factor correction techniques have been mentioned, too. Finally, active current shaping circuits have been mentioned and an active power factor correction application circuit has been realized and results have been analyzed.. Keywords: power factor, power factor correction, harmonics, energy quality, current shaping

xi

1 1. GR

Fosil yaktlardan ya da alternatif enerji kaynaklarndan elde edildikten sonra uzun yollar kateden ve evlerimizde mutlu zaman geirmemize neden olan, fabrikalarmzda retim yaparak gelir elde etmemizi salayan, uzaya gnderilerek dnyaya bakmz deitiren roketlerin kokpitlerinde, bilgisayarlarda, televizyonlarda, byk ve kk birok makinada ve ksaca insanolunun bulunduu her yerde elektrik ve elektrii kullanan cihazlara rastlamak mmkndr. Milyarlarca insann hayatnn vazgeilmezi olan elektrik o kadar nemlidir ki saygn kurulular elektrik tketim dzeyinin uygarlk dzeyiyle doru orantl olduunu belirtmilerdir. Kullandmz bu elektriin byk bir ksm alternatif akm eklindedir. Alternatif akm g sistemlerinde datm belirli bir gerilim ve sabit bir frekansta yapld iin akm ve gerilim dalga ekilleri tam sinusoidal olmaldr. Ancak, lineer reaktif elemanlar ile nonlineer elemanlarn kullanm ebekenin akm ve gerilim dalga ekillerinin birbirini takip edememesine yani faz kaymasna ve sinus akm dalga eklinin bozulmasna yol aar. Sinusoidal daga eklinden sapma olay harmonik bileenlerin olumas eklinde deerlendirilir. G faktrnn dmesine neden olan bu durumlar zellikle ayn aktif g iin daha fazla kapasite tketilmesi anlamna gelir. G faktr ne kadar azalrsa trafolarn kapasitelerini o kadar arttrmak, iletim kablolarndan daha az akm aktmak zorunda kalrz(Scillic, 2004). Omik yklerde akm gerilimi takip ederken g faktr deeri birdir ve toplam harmonik distorsiyon bulunmamaktadr. Eer yk lineer reaktif bir ykse bu durumda akm ve gerilim dalga ekilleri arasnda bir faz kaymas mevcuttur. Bu faz kaymas g faktr deerinin birim deerden daha dk olmasna neden olur. Toplam harmonik distorsiyon dzeyi ise halen sfrdr. Bu dalga ekline sebep olan cihazlara rnek olarak trafolar ve aydnlatma elemanlar verilebilir. Son olarak lineer olmayan davrana sahip yklerde ise akm dalga ekli artk sinusoidal deildir. G faktr dktr ve toplam harmonik distorsiyon deeri de artk sfr deildir. zellikle son yllarda artan motor kontrol cihazlar, statik Var generatrleri, kiisel bilgisayarlar, dc eviriciler ve anahatarlamal g kaynaklar vb. kullanm nonlineer yklerin ebekeye etkisini daha da arttrmaktadr. Bu cihazlarn kullanlmasnn artmas akmn dalga eklinin bozulmasna neden olur.

2 Harmoniklerin enerji sistemlerine nemli olumsuz etkileri vardr. Harmonikler motorlarda ar snmalara, yaplan lmlerde hatalara ve kontrol bozulmalarna sebep olabilir ve ayrca ebeke anda oluabilecek rezonanstan dolay kondansatrler zarar grebilir. Bu zararl etkileri azaltmak iin yaklamlardan biri harmonik akmlar etkisiz hale getirmek dieri de hi olumayacak ekilde sistemi planlamaktr. Bylece g faktr deerleri uygun seviyelere ekilebilecektir (Dorf ve Richard, 2000). Bu yntemlerin en basiti ek eleman kullanlmadan gerekletirilen k filtre

kondansatrnn deerinin drlmesine dayanan metoddur. Bu yntemde, g faktrnde kk bir iyiletirme salanrken k gerilim dalga eklinde ise bozulmalar meydana gelmektedir. Ek eleman kullanlan yntemler ise pasif ve aktif filtreleme olarak adlandrlr. Pasif yntemlerde ac ve dc taraflara bobin ve kondansatr eklenerek akm dalga eklinin iyiletirilmesi salanr. Ayrca seri-paralel rezonans bant durdurucu filtreli, harmonik yakalaycl yaklamlar sklkla kullanlmaktadr. Pasif yaklamlar basitlik, gvenilirlik, yksek frekans kayplarnn olmamas gibi avantajlara sahipken, ar ve hantal olular, dinamik cevaplarnn kt olmas ve k gerilim reglasyonunun olmamas gibi dezavantajlara sahiptirler. Aktif filtreler ise lineer olmayan elemanlarn ektikleri sinus dalga eklinde olmayan akmn tersini sisteme enjekte ederek ebekeden sinusoidal bir akm ekilmesini salarlar. Aktif filtreler pasif filtrelere gre pahal olmalarna ramen birden fazla harmonik frekans iin filtreleme yapabilmeleri, sistemdeki deiimlerden etkilenmemelerinden dolay pasif filtrelerden stndrler. Aktif g faktr dzeltme yntemleri ise alak frekans ve yksek frekans alma olarak incelenir. Yksek frekans aktif g faktr dzeltme devrelerinde dorultucu ve filtre kondansatr arasnda ykseltici, azaltc ve azaltc-ykseltici dntrclerden biri bulunmaktadr. Bu devreler, kullanlan topoloji, kontrol ekli, bobin akmnn durumu gibi kriterlere bal olarak, giri akm ve gerilimi ile k deerlerini takip eder ve akm ile gerilim arasnda faz kaymasnn olmamasn salar, akm dalga eklinin bozulmasn engellerler. Bu almada da g faktr dzeltme yntemleri incelenmi ve aktif dzeltme devresi gerekletirilerek alnan sonular incelenmitir. bir g faktr

3 2. HARMONKLER VE G FAKTR

Harmonik konusu yeni bir konu deildir. Bu konu uzun sredir bir problem olarak karmza kmaktayd. zellikle ilk zamanlardaki haberleme sistemlerinde bu etkiler olduka sk bir ekilde gndeme gelmekteydi. Bu sistemlerde transformatrlerin mknatslanma akmlarnn oluturduu harmonik akmlar ak hat telefon ebekelerinde endktif giriime sebep olmaktaydlar. Giriimler o kadar fazlayd ki konuma yapmak mmkn olamamaktayd. Bu sorun beraberinde incelenme ve zerinde allma zorunluluu getirmiti. Sonunda transformatr mknatslanma akmlarna dizayn kurallar getirilmi ve filtreleyerek azaltabilmek mmkn olmutur. Harmoniklerin g sistem elemanlar ve yk stnde istenmeyen bir takm etkileri vardr. Bunlar ksa ve uzun sreli etkilerdir. Ksa sreli etkiler genellikle en belirgin olanlardr ve ar gerilim dalgalanmasyla ilikilidir. Dier taraftan, uzun sreli etkiler genellikle farkedilmez ve artan diren kayplarna ve gerilim streslerine baldr. Ksa sreli etkiler duyarl yklerde istenmeyen tetiklenmelere sebep olur. Bilgisayar kontroll baz ykler gerilim dalgalanmalarna duyarldr. Gerilim dalgalanmas %5 civarnda iken bir problem tekil etmezken %10un zerine kt durumlarda istenmeyen tetiklemelere ve transformatrn snmasna sebep olur. Harmonikler, lm doruluunun dmesine neden olur. Bu durum zellikle tek fazl endksiyondiskmetrelerde geerlidir. Eer, mteri harmonik retiyorsa disk %1-2 daha hzl dner. lmde asl konu ise, bozulma olduunda aktif ve raktif gcn nasl belirleneceidir. Patlam kapasitr sigortalar ve delinmi kaplamalar harmoniklerin sonularndandr. Harmonik gerilimler, kapasitr empedans ile frekans arasndaki ters orantdan dolay ar harmonik akmlar retir. %5 ve %10 luk gerilim dalgalanmalar efektif akm %10 ile %50 arasnda arttrabilir. Kapasitrler ayrca dielektrikteki ar gerilim stresi yznden de bozulabilirler. 3. harmonik zerindeki herhangi bir harmonikteki %10 luk harmonik gerilim, tepe gerilimini yaklak %10 arttrr, nk harmonik piki genellikle ana bileen tepesiyle uyumlu olur. Harmonikler ayrca trafo ar snmalarna da neden olurlar. Bu zellikle trafonun sadece byk bir nonlineer yk besledii durumlarda meydana gelmektedir. Bu durumlarda trafo deerleri de drlmelidir. kVA deerini 0.8e drmek yaygn olan uygulamadr. Ntrdeki ar yklenme ticari binalardaki en byk problem olarak gze arpmaktadr. fazl drt telli sistemlerde 3 fazn akmnn toplam ntr iletkeninden dnmektedir. G sistemi

4 mhendisleri dengeli 3 fazl yklerde ntr hattndan akm gemez derler ancak bu durum g elektronii ykleri varsa gerekliini yitirir. Zero sequence harmonikler(3.harmonik ve katlar) ntr hattnda toplanr ve ntrn snmasna neden olurlar. Birok bilgisayarn 3.harmonik akmlar %80 den daha byktr. Bu durumda ntr akm temel a-b-c faz akmnn en az 3 * %80 = %240 kadar olur. Bu sebeple bilgisayar yklerinin ok olduu bir binada bir mhendis, her faz iin ayr bir ntr hatt ekmeli ya da ortak ntr hattnn faz hatlarnn 2 kat boyutlarda olmasn salamaldr. Ar yklenmi ntr akmlar binann servis paneli gibi yerel alanlardaki problemlere yol aar. Binann panelinde, bilgisayarlar tarafndan retilen btn harmonikler, fazr akmlarndaki faz farkllklarndan dolay toplanlacak durumda deillerdir. Aratrmalar bu farkn frekans ile ters orantl olduunu gstermitir. 3. harmonik akmlar toplanabilirken 15.harmonik st akmlarn sadece %20 leri ek yapmaktadr. Faz as farkna ek olarak binadaki lineer ykler olan havalandrma, fanlar ve pompalar harmonik akmlar seyrekletirir. Bylece byk bir binann net akm bozulmas %10-15ten daha kk olur (Grady ve Santoso, 2001). Yldrm ya da gerilim kmesi gibi geici olaylarn tersine harmonikler srekli bir gerilim ve akm dalgalanmas meydana getirir. Dolaysyla harmoniklerin analizi zorunlu bir hale gelmitir. Bunun iin de Fourier analizi kullanlmtr.

2.1

Fourier Analizi

Bu nonsinusoidal dalga ekilleri harmonik bakmndan incelenmi ve genlik ile faz alar Fourier analiziyle hesaplanmtr. Bu analiz bozulmu dalga eklini dc bileen, temel frekans bileeni, 2.harmonik, 3.harmonik ve dier bileenlerine ayrmaktadr. Fourier analiz sonularndan elde edilen akm ve gerilimler: I=1 2 2 2 2 1/2 i (t )dt =(I0 +I1 +....In ) T01 2 2 2 2 1/2 v (t )dt =(v0 +v1 +....vn ) T0T

T

(2.1)

V=

(2.2)

elde edilir.

5 2.2 Harmonik Distorsiyon

Distorsiyon, bir iaretin dalga eklini veya o iaretin dier frekans bileenleri ile olan ilikisini deitirir. Devre elemanlarnn lineer olmayan davran, k dalga formunda temel iaretin harmoniklerini dourur ve oluan distorsiyona da harmonik distorsiyon ad verilir. stenmeyen bu distorsiyon, k iaretinin saf bir sins iaretine benzerliinin lsn veren ya da baka bir ifadeyle gerilim veya akm dalga ekillerindeki bozulmann deeri Toplam Harmonik Distorsiyon (THD) ile ifade edilir. 2.3 G Faktr

G faktr, gerek i yapan gcn, zahiri gce oranlanmas ile bulunur. Gerek g W, zahiri g VA ve reaktif g (VAr) bir dik genin kenarlar olarak gsterilir. Bylece gerek g Wnin, zahiri g VAe blm bu iki g arasndaki asnn kosins (Cos )nin de dahil olduu sonu g faktr diye isimlendirilen oran verir. VAr miktar azaldka, as klr ve VAnn bykl Wa yaklar. Bir tesiste manyetik zellikleri olan motorlar, transformatrler ve kaynak makinelerinin kullanm arttka VAr ve dolaysyla as byr, bunun sonucu olarak da Cos klr. Reaktif g bydke elektrik retim ve iletim ebekesinin faydal olarak kullanlabilecei g ksm klmekte ve iletimdeki elektrik enerjisi kayplar artmaktadr (Glgn, 2004).

ekil 2.1 G faktr dzeltilmeden nce ve sonraki g vektrlerinin durumu Burada; P: Aktif g(W)

6 Q: Reaktif g(VAr) Ql : G faktr dzeltildikten sonraki reaktif g Qc: Azaltlan reaktif g S: Grnr g(VA) Sl : G faktr dzeltildikten sonraki grnr g

2.4

Toplam Harmonik Distorsiyon le G Faktr Arasndaki liki

Fourier analizinden elde edilen aktif g denklemi P = UsIs1Cos1 elde edilir. Grnen g S ise giri gerilimi efektif deeri Us ile giri akm efektif deeri Is in arpmna eittir. S = UsIs G Faktr, GF = P / S GF = UsIs1Cos1 / UsIs GF = (Is1 / Is) Cos1 Buradaki Cos1 Kayma G Faktr adn alr. PF = (Is1 / Is) DPF Toplam harmonik distosiyon deerinin de THDi = Isdis / Is1 THDi = (2.9) (2.8) (2.5) (2.6) (2.7) (2.4) (2.3)

[( I

s

/ I s1 ) 2 1

]

(2.10)

olduu bilinmektedir.

7 Buradan THDi2 =(Is2 / Is12) 1 Is / Is1 =(THDi + 1)2

(2.11) (2.12)

elde edilir. (2.12)den ise toplam harmonik distorsiyon ve g faktr arasndaki iliiki de GF = KGF / olarak bulunur.(THDi + 1)2

(2.13)

2.5

Harmonik reten Elemanlar

Harmonik reten elemanlardan bazlar aada verilmitir. 2.5.1 Transformatrler Transformatrlerin mknatslanma erisinin lineer olmamas ve demir ekirdein doymaya girmesi nedeniyle mknatslanma akm nonsinusoidal bir akm olur ve harmonik bilenler ierir. ekil 2.3de transformatrn mknatslanma akm ve harmonik spektrumu grlmektedir.

ekil 2.2 Transformatrn mknatslanma erisi (Kocatepe vd. 2006)

8

ekil 2.3 Transformatrn mknatslanma akm ve harmonik spektrumu (Kocatepe vd. 2006)

2.5.2

Dorultucular

nemli bir harmonik kayna da tek fazl ve fazl dorultuculardr. fazl dorultucularn tek fazl dorultuculara gre avantaj, fazl dorultucularn ve n kat harmonikleri retmemesidir. fazl dorultucular, dorultucu transformatrnn primer tarafndan, ebekeden ekilen alternatif akmn dalga eklinin ierdii darbe says ile tanmlanr. k=1,2,3.. deerinde bir tam say olmak zere 6 darbeli bir dorultucu n = 6.k1 (2.14)

mertebesinde harmonik akmlar retir, dengeli durumda 3. harmonik ve n kat mertebesindeki harmonikleri retmez.

9 Benzer ekilde 12 darbeli bir dorultucu; n = 12.k1 (2.15)

mertebesinde harmonik akmlar retir. Genelde en yksek genlie sahip harmonikler olan 3., 5. ve 7. harmonik akmlarn retmez. Darbe says arttka dk harmonik bileenlerin ortaya kmas nlenmektedir. 2.5.3 Fotovoltaik Sistemler

Fotovoltaik sistemler harmonik retme bakmndan genel olarak konverterlerden kaynaklanan harmonik etkinlie sahiptirler. Bu sistemler elektrik enerjisini fotovoltaik yoldan elde eden sistemler olup, rettikleri doru akm alternatif akma dntrmek iin konverterleri kullanrlar. Dolaysyla dnmler srasnda yar iletken elemanlarn sebep olduu harmonikler sz konusu olmaktadr. 2.5.4 Bilgisayarlar

Bilgisayar donanmnda yer alan anahtarlamal g kaynaklar, ekran gibi elemanlarn lineer olmayan karakteristiklerinden dolay bilgisayarlar da nemli harmonik reticilerindendir.

ekil 2.4 Bir bilgisayar akmnn rnek dalga ekli (Kocatepe vd. 2006) ekil 2.4 ve ekil 2.5ten grld gibi zellikle 3. ve 5. harmonik akm bileenleri ok yksektir. Birok bilgisayarn bulunduu yerlerde bilgisayarlarn oluturduu harmonikler nemli deerlere ulaabilmektedir.

10

ekil 2.5 Bir bilgisayarn akmna ait harmonik spektrum (Kocatepe vd. 2006)

2.5.5

Aydnlatma Elemanlar

Bir tp ierisindeki gazn dearj prensibine dayanarak gelitirilen aydnlatma elemanlar nonlineer akm-gerilim karakteristiklerine sahip olduklarndan harmonik retirler. Bu tip lambalar iletim esnasnda negatif diren karakteristii gsterirler. Aydnlatmada yaygn olarak kullanlan fluoresant lamba tesislerinde tek harmoniklerin seviyesi sistemi nemli oranda etkiler. zellikle nc harmonik ve katlar mertebesindeki harmonik akm bileenleri, fazl drt iletkenli aydnlatma devrelerinde ntr iletkeninden geerek yklenen iletkenin snmasna neden olur. 2.5.6 Dier Harmonik Kaynaklar

Dier harmonik kayna cihazlar ise unlardr: Generatrler Kesintisiz g kaynaklar Ark frnlar Kaynak makinalar

11 Anahtarlamal g kaynaklar

2.6

Harmoniklerin Etkileri Ek kayplarn olumas ve gerilim dmnn artmas Generatr ve ebeke geriliminin dalga eklinin bozulmas Kondansatrlerin ar akma maruz kalarak hasar grmeleri Asenkron ve senkron motorlarda grltl alma ve ar snma lme, koruma ve kontrol sistemlerinin hatal almas Rezonans olaylar sebebiyle g sistem elemanlarnn ar akm veya ar gerilime maruz kalmalar

2.6.1

Harmoniklerin Diren zerindeki Etkisi

Bir iletkenin iinden geen akmn frekans sebebiyle iletken yzeyinde homojen dalmamas yznden iletken direncinin deimesi deri etkisi olarak tanmlanr. Deri etkisi sebebiyle iltekenin direnci artar. Harmonik frekanslar arttka da iletken direnci deri etkisine bal olarak artmaktadr. 2.6.2 Harmoniklerin Reaktanslar zerindeki Etkisi

Frekans arttka endktif reaktans deeri artar, kapasitif reaktans deeri azalr. Dolaysyla harmonik mertebesi arttka endktif reaktans artmakta, kapasitif reaktans ise azalmaktadr. 2.6.3 Harmoniklerin Kayplara Etkisi Elemanlardaki s eklinde oluan kayplar yk akmna bal kayplar ve gerilime bal kayplar olmak zere iki ksma ayrlrlar. Harmonik akmlarn genlii arttka akmn harmonik bileenleri nedeniyle oluan ek kayplar da artacaktr. Gerilimin harmonik bileenler iermesi durumunda ise fuko ve histerizis kayplarnn oluturduu demir kayplar artacaktr. Demir kayplarnn artmas elektrik makinalarnn ar snmasna ve zellikle transformatrlerin yklenebilecekleri g deerlerinin azalmasna neden olur (Kocatepe vd. 2006).

12 2.6.4 Harmoniklerin Motorlar zerindeki Etkisi

Demir ve bakr kayplar harmonik frekanslarda arttklar iin dner makinalarda ar snmalar oluur. Motorlarda 5., 11., 17. harmonikler geri ynde, 7., 13. ve 19. harmonikler ise ileri ynde dndrme momentleri olutururlar. Harmonikler nedeniyle oluan bu momentler motorlarn grltl almalarna ve snmalarna neden olur. 2.6.5 Harmoniklerin Koruma Rlelerine Etkisi

Rlelerin tipine gre deiebilse de harmonikler rlelerin arza koullarnda almamasna ya da normal alma koullarnda gereksiz yere amalarna neden olabilir. zellikle elektromekanik ar akm rlesinin harmonikli durumda cevap sresi artmakta ve bu da koruduu eleman risk altna sokmaktadr. 2.6.6 Harmoniklerin l Cihazlar zerideki Etkisi

Endksiyon diskli elektrik sayalarn kullanan enerji len cihazlarda harmonik bileenlerin sistemi rezonansa sokmas l cihazlarnda nemli hatalarn olumasna sebep olurlar. Harmoniklerin var olduu durumlarda etkin deer len cihazlar hatal sonu verdiklerinden byle durumlarda doru efektif deer (true rms) len cihazlar tercih edilmelidir. 2.6.7 Harmoniklerin Rezonans Etkisi

2.6.7.1 Rezonans Oluumu Genelde devre tasarmlar yaplrken, sistem temel frekans olan 50 Hzte rezonansa girmeyecek ekilde tasarlanr. Ancak sistemde harmonik reten elemanlar varsa L ve C deerlerine bal olarak sistem herhangi bir frekansta rezonansa girebilir. Bu yzden tm harmonik frekanslarnda sistemin olas rezonans durumu analiz edilmelidir. 2.6.7.2 Seri Rezonans Devresi Z = R + jL + 1/ jC = R + j(XL - XC) Rezonans durumunda L = 1/ C (2.17) (2.16)

13 Rezonans frekans 2.17den fo = 1/2 LC olarak elde edilir. Seri rezonans durumunda, XL = XC olduu iin, Z=R olur, empedans minimum, akm ise maksimum deerini alr. (2.20) (2.19) (2.18)

ekil 2.6 Seri rezonans devresi (Kocatepe vd., 2006)

2.6.7.3 Parelel Rezonans Enerji sistemlerindeki en nemli rezonans problemleri harmoniklerin varolduu durumlarda paralel rezonans devrelerinde meydana gelir. Paralel rezonans durumunda kondansatr ve bobin zerindeki gerilim harmonik frekanslarda ykselmektedir ve L ile C elemanlarnn tahrip olmasna neden olur.

14

ekil 2.7 Paralel rezonans devresi (Kocatepe vd., 2006)

2.6.7.4 Rezonansn Genel Etkileri Rezonans oluumu sistemde hatalara ve arzalara sebep olabilir. Harmonik rezonans etkisi, sistemin yknn az olduu zamanlarda, zellikle geceleri, daha fazladr. Rezonans durumunda, Harmonik gerilimler ykselir, L ve C elemanlarnn gerilimleri ykselir, Elemanlarda izolasyon zorlanmalar ve hasarlar meydana gelir, Enerji kalitesi der.

2.7

Harmonik Standartlar

Harmoniklerin neden olduu bu zararlar kontrol altna alabilmek iin zellikle gelimi lkelerde uygulanan baz standartlar gelitirilmitir. izelge 1 ve izelge 2 de srasyla Uluslararas Elektroteknik Komisyonu (IEC) 61000-2-2 ve Avrupa Standard (EN)50160 da belirtilmi konutlar iin harmonik standartlar verilmitir.

15 izelge 2.1 Konutlarla ilgili alak gerilim ebekelerinde IEC 61000-2-2 gerilim harmonik distorsiyon limitleri (Kocatepe vd., 2006)

izelge 2.2 Konutlarla ilgili (a) alak ve (b) orta gerilim ebekeleri iin EN 50160 harmonik distorsiyon limitleri (Kocatepe vd., 2006)

16 3. DNTRCLER

G dnm elektrik gcnn bir ekilden dierine dntrlmesi ilemidir. Bu ilemi yapan elemanlarna g dntrcleri ad verilir. G dnm anahtar olarak kullanlan yariletkenler tarafndan salanrlar. Kullanlan g elemanlar SCRler, Triyaklar, G transistrleri, G Mosfetleri, IGBTler ve MCT(Mos kontroll tristr)lerdir( Abu-Qahouq vd., 2000). G dntrcleri genel olarak u ana ksmlara ayrlrlar. AA-DA dntrcler Direkt AA-AA dntrcler DA-AA dntrcler DA-DA dntrcler

3.1

AA-DA Dntrcler

Faz kontroll dntrcnn temel fonksiyonu deiken genlik ve frekanstaki alternatif gerilimi ayarlanabilir dc gerilime evirmektir. Bu ilem iin genellikle kullanlan eleman SCRlerdir. k geriliminin ortalama deeri SCRnin iletim aral deitirilerek kontrol edilir. leri kutuplu durumdayken kap sinyali uygulanarak SCR iletime geirilir. Kapama ilemi ise giri geriliminin anlk deerinin k geriliminden yksek olduu anda bir elemandan dierine geen komutasyon akm ile salanr. Dolaysyla burada akmn k SCRsinden giri SCRsine doru olacak ekilde doal bir ekilde ayr bir devreye ihtiya duymadan komtasyon eilimi vardr. Bu komutasyon ilemine doal komutasyon denilmektedir(Singh vd., 2002). ekil 3.1de tek fazl yarm dalga dorultucu gsterilmitir. SCR bir asnda iletime girdiinde kaynak geriliminin tm yke uygulanr. Saf diren bir ykte pozitif yarm dalga boyunca k gerilimi dalga ekli giri gerilim dalga eklini takip eder. Negatif yarm dalgada ise SCR kesimdedir. Endktif yk durumunda ise endktansda depo edilmi olan enerji kaynak gerilimi yn deitirmesine ramen yk zerinden akmaya devam eder. Bu durum ekil 3.1 (b) de gsterilmitir. DF , freewheeling, diyodu yoksa yk akm kesintilidir. ekil 3.1(c)de grld gibi yke paralel bal bu diyod gerilimin polaritesi deitii anda SCRyi kesime sokar. SCR kesimde iken akm diyot zerinden yolunu tamamlar. G ak sadece SCR iletimdeyken gerekleir. Eer freewheeling(serbest gei) diyodu yoksa negatif dalgada

17 SCR, yk endktansnda biriken enerjiyi kaynaa geri verir. Freewheeling diyot giri g faktrn iyiletirir(Richard ve Dorf, 2000).

ekil 3.1 Serbest gei diyotlu tek fazl yarm dalga dntrc (a) devre emas (b) serbest gei diyotsuz endktif yk iin dalga ekilleri (c) serbest gei diyotlu durum iin dalga ekilleri (Richard ve Dorf, 2000) Kontroll tam dalga bir dc k orta ulu bir transformatr (ekil 3.2) ya da kpr (ekil 3.3) kullanlarak elde edilebilir(Luo, 2005). Kpr uygulamas transformatrn istenmedii durumlarda ve kaynak geriliminin yk gerilim ihtiyalarn karlad durumlarda kullanlr. Em nin tepe deeri nn tetikleme as olduu durumda tek fazl tam dalga konverterin ortalama k gerilimi verilmitir. Tek fazl kpr devresinin k gerilimi ekil 3.2deki ile ayndr. Drt SCRli konfigrasyon yerine, serbest diyotlu ya da diyotsuz 2 diyod 2 SCRli konfigrasyon da kullanlabilir(Wei, 2000). Vd = 2Em

cos

(3.1)

Alt tristr anahtarl 3 fazl tam dalga converter ekil 3.4 (a) da grlmektedir. Bu en sk kullanlan 3 faz kpr montajdr. T1, T3, ve T5 tristrleri gerilimlerinin pozitif yarm peryotlarnda iletimde, T2, T4, ve T6 tristrleri ise gerilimlerinin negatif yarm dalgalarnda iletimdedirler(Aslan ve Gldemir, 2005). Faz gerilimlerinin kesim noktalar her periyotta

18 ann referansdr. deal k gerilimi, k akm ve giri akm dalga ekilleri ekil 3.4 (b) de grlmektedir(Richard ve Dorf, 2000).

ekil 3.2 Transformatrl tek faz tam dalga dntrc (Richard ve Dorf, 2000)

ekil 3.3 Tek faz kpr dntrc (Richard ve Dorf, 2000)

19

ekil 3.4 (a) 3 fazl tristrl tam kpr montaj, (b) k gerilim ve akm dalga ekilleri (Richard ve Dorf, 2000)

20 k dc gerilimi tetikleme as deitirilerek kontrol edilir. Kesintisiz akm mod

almada ortalama k gerilimi Emnin faz geriliminin tepe deeri olduu durum iin verilmitir. = 90 olduunda k gerilimi sfrdr. 0 < < 90 olduu durumda k gerilimi, vo pozitiftir ve g kaynaktan yke doru akar. 90 < < 180 olduu durumda ise vo negatiftir ve dntrc, inverter modda almaktadr. Eer yk bir dc motor ise g motordan ebekeye aktarlabilir. Buna rejenerasyon denilir. Vo =

3 3

EmCos

(3.2)

ekil 3.4 (a) da st ve alt grup tristrler diyotlarla deitirilebilirler. Bu yeni topolojiye tristr yar-dorultucu denilir. Bu topolojiyle giri g faktr arttrlm olunur ancak rejenerasyon mmkn deildir(Tatakis vd,. 1998).

3.2

AA-AA Dntrcler

Bu dntrcler direkt olarak ac frekansn deerini deitirirler. Direkt ifadesi enerjinin Ac giri ya da ktan farkl bir forma girmediini belirtmektedir. k frekans giri frekansndan dktr. Bu konverterler enerjinin ek bir byklk olmadan sisteme geri verilmesini salarlar. Ayrca k geriliminin faz sras, kontrol sistemi tarafndan kolayca deitirilebilir. Bu dntrcler indksiyon ve senkron motor kontrol iin uygundur.

ekil 3.5 Ac kyc devresi (Bodur, 2005)

21

ekil 3.6 Ac kyc dalga ekilleri (Bodur, 2005)

3.3

DA-AA Dntrcler

Da-aa dntrcler genellikle inverter olarak adlandrlrlar. AC kaynak nce dc ye sonra tekrar gerilimi ve frekans deitirilebilen ac kaynaa dntrlr. Genellikle, ac g kaynana bal 3 fazl kpr, dc bara ve yke bal 3 fazl inverterden oluur. nverterler gerilim kaynakl (VSI) ve akm kaynakl inverterler (CSI) olmak zere ikiye ayrlrlar. Gerilim kaynakl inverter sabit bir gerilim ile beslenirken, akm kaynakl inverter de sabit bir akm ile beslenir. Gerilim kayna seri bir endktans balanarak ve istenilen akm deerine gre gerilim ayarlanarak akm kaynana dntrlebilir. VSI ayn zamanda akm kontrol modunda da altrlabilir, benzer ekilde CSI da gerilim kontrol modunda altrlabilir. nverterler deiken frekansl ac motor srclerinde, kesintisiz g kaynaklarnda ve statik Var kompanzatrleri gibi uygulama alanlarnda kullanlrlar.

22

ekil 3.7 (a) 3 fazl dntrc ve gerilim kaynakl inverter topolojisi, (b) 3 faz kare dalga inverter dalga ekilleri (Richard ve Dorf, 2000)

3.3.1

Gerilim Kaynakl nverter

ekil 3.7de 3 fazl gerilim kaynakl bir inverter konfigrasyonu grlmektedir. (GK)VSI lar hem kare dalga hem de (DGM)PWM mod ile kontrol edilebilirler. Kare dalga modda k gerilimi frekans inverterde kontrol edilir, cihazlar pozitif ve negatif baralar arasnda k devresini anahtarlarlar. Her cihaz 180 derece boyunca iletimdedir ve klar 6 adml dalga eklini oluturacak ekilde herbiri 120 kayar (ekil 3.7(b)). k gerilim genlii dc bara

23 gerilimi deitirilerek ayarlanr. Bu, giri katndaki kprde bulunan tristrlerin tetikleme alar deitirilerek salanr. Eer dc kaynak bir pil ise kare dalga VSI uygun olmaz. 6 darbeli k gerilimi harmonikler asndan zengindir ve filtrelenmesi gerekmektedir. PWM inverterlerde k gerilimi ve k frekans inverter iinde k palslarnn genilii deitirilerek kontrol edilir. Bu sebeple faz kontroll tristr dntrc yerine diyot kprl dorultucu kullanlabilir. Gerilim ve frekans kontrol yntemlerinin en poplerlerinden biri sinusoidal darbe genilik modulasyon metodudur. Bu metodda yksek frekans gen tayc dalga ekil 3.8de grld gibi 3 fazl sinusoidal dalga ekliyle karlatrlr. G elemanlar her fazda sinus ve gen dalgalarn kesitii yerlerde iletime girer. k geriliminin genlik ve frekans srasyla referans sinus dalgasnn genlik ve frekansnn ayarlanmasyla deitirilebilir (Richard ve Dorf, 2000).

ekil 3.8 fazl sinusoidal dgm dntrc dalga ekilleri (Richard ve Dorf, 2000)

24

3.3.2

Akm Kaynakl nverter

Dc bara geriliminin motor sarglarna etki ettii gerilim kaynakl inverterin tersine akm kaynakl inverterde akm motora etki etmektedir. Burada motor geriliminin faz as ve genlii motorun yk durumuna baldr.3.3.3 Rezonans nverter

Rezonansl

anahtarlama

teknikleri

anahtarlama

kayplarn

azaltmak

iin

inverter

topolojilerinde de kullanlabilir. Magnetik komponentlerin boyutlarn azaltmak iin yksek frekanslarda almaya da izin vermektedir. ekil 3.9da grnen rezonans inverterde, sabitlenmi dc gerilimi salnml dc gerilime evirmek iin inverter giriine bir rezonsans devresi eklenmitir. Bu rezonans devresi elemanlarn sfr gerilim geilerde iletime girmesini ve iletimden kmasn salar. Sfr gerilim ya da sfr akmda anahtarlama genel olarak yumuak anahtarlama olarak adlandrlr. Yumuak anahtarlama durumunda anahtarlama kayplar neredeyse elemine edilir. EMI problemi daha az nemlidir nk rezonans gerilim darbeleri yumuak anahtarlamasz PWM inverterlere gre daha dk dv / dt ye sahiptirler. Ayrca makina izolasyonu, rezonans gerilim darbelerinin daha kk dv / dt sinden dolay daha az zorlanmaktadr. ekil 3.9daki btn inverter elemanlar rezonans dngsn salayabilmek iin srasyla iletime sokulurlar. Bir elemandan dierine komutasyon sfr dc hat geriliminde gerekleir. Q, D ve C elemanlarna sahip devre, dc gerilimi diyot dorultucu gerilimi Vs in 1.4 kat kadar bir byklkte snrlayan aktif tespitleyici ilevi grr. Ayrca ekil 3.10da grld gibi iftynl ac anahtar temelli rezonans aa-aa dntrcler de vardr. Bu rezonans dntrcler aa motor kontrolnde, kesintisiz g kaynaklarnda ve indksiyonla stmada kullanlmaktadrlar. Rezonans inverterin endstriyel alanda kullanlmas iin almalar devam etmektedir (Richard ve Dorf, 2000).

25

ekil 3.9 Aktif gerilim klempli resonans dc link inverter (Richard ve Dorf, 2000)

ekil 3.10 Rezonans ac link konverter sistem anahtar konfigrasyonlar (Richard ve Dorf, 2000)

263.4 DA-DA Dntrcler

Dc-dc dntrcler reglesiz dc gerilimi kta regleli ya da ayarlanabilir dc gerilime evirirler. Anahatarlamal mod g kaynaklarnda ve dc motor src uygulamalarnda youn bir ekilde kullanlrlar. Dc motor src uygulamalarnda bunlara kyc kontroll srcler denilmektedir. Giri gerilimi ya bir pil ya da kpr diyot ile dorultulmu ac g kaynadr. Bu dntrcler sert anahtarlamal PWM ya da yumuak anahtarlamal rezonans-link tipinde olabilirler. En nemli dc-dc dntrc topolojileri ekil 3.11de gsterilmi olan buck, boost, buck-boost dntrclerdir.3.4.1 Buck Dntrc

Buck dntrcler genellikle azaltc dntrcler olarak da adlandrlrlar. alma prensibi ekil 3.11de gsterilmitir. IGBT yksek frekans anahtar gibi davranr. IGBT ton sresince iletimde, toff sresince ise kesimdedir. ton sresi boyunca kaynak yk ularna baldr ve g ak kaynaktan yke dorudur. toff sresince ise yk akm serbest diyot zerinden akn tamamlar. Ortalama k gerilimi Vout = D Vin olarak verilmitir. Burada D anahtarn alma peryodudur ve D = ton / T (3.4) (3.3)

olarak verilmitir. Burada T bir peryodtaki zamandr. 1/T ise IGBTnin anahtarlama frekansdr(Matsuo vd., 2000).3.4.2 Boost Dntrc

Boost dntrc ykseltici dntrc olarak da bilinir. ekil 3.11(b) de alma prensibi gsterilmitir. Bu dntrc ykte giritekinden daha yksek bir gerilim elde etmek iin kullanlr. G anahtar iletimdeyken bobin dc kaynaa seri olarak baldr ve kaynaktaki enerji burada depolanr. Anahtar kesime girdiinde ise bobin akm diyot ve yk zerinden akmaya zorlanr. Bobinde oluan gerilim negatiftir(Rosetto vd., 1999). k gerilimi, Vout =V in 1 D

(3.5)

27

olarak verilmitir. Dnin 0 < D < 1 aralnda deimesinden dolay yk gerilimi Vout , Vin < Vout < aralnda deiecektir.

ekil 3.11 Dc-dc dntrc konfigrasyonlar (a) buck dntrc, (b) boost dntrc, (c) buck-boost dntrc (Richard ve Dorf, 2000)

3.4.3

Buck Boost Dntrc

Buck-boost dntrc buck ve boost dntrclerin kaskad olarak balanmasyla elde edilir. k gerilimi Vout ; Vout =Vin

D 1 D

(3.6)

olarak verilmitir. Bu durum k geriliminin D alma peryoduna bal olarak giri geriliminden byk ya da kk olabilmesini salar(Arau vd., 1995). ekil 3.11(c) de tipik bir

28 buck-boost dntrc topolojisi verilmitir. G anahtar iletime girdiinde giri bobine enerji salar ve diyot ters kutuplanr. Anahtar kesime girdiinde bobinde depolanan enerji ka verilir.Bu aamada kaynaktan enerji salanmamaktadr. Dc g kaynaklarnda k kapasitr olduka byk olmaldr, bylece sabit bir k gerilimi elde edilir. Dc src sistemlerinde, kyc dndrme ileminde azaltc (buck), rejenerasyon ileminde ise arttrc (boost) olarak alr.3.4.4 Rezonans Link Da-Da Dntrc

Rezonans dntrc topolojisi da-da dntrclerdeki anahtarlama kayplarn azaltrken megahertzler mertebesinde anahtarlama frekansnda almaya olanak salar. Yksek frekanslarda almayla g kaynaklarnn boyutlar kltlebilir. En ok kullanlan rezonans dntrc konfigrasyonu ekil 3.12de grlmektedir. Dc g Mosfetli yarm kpr inverter ile deiken gce dntrlr. Rezonans kapasitr transformatr balantl ve 2 otki (schottky) diyot ile dorultmu ve dc k gerilimi elde etmek iin filtrelenmitir. k gerilimi inverter anahtarlama frekans deitirilerek regle edilir. ekil 3.12deki paralel yapnn aksine transformatrn ayarlanm devreye seri olarak baland seri ykl topoloji de kullanlabilir. Seri rezonans devresi ksa devre kstlamasn salar.

ekil 3.12 Rezonans link dc-dc dntrc (Richard ve Dorf, 2000)

294. G FAKTR DZELTME YNTEMLER

4.1

G Faktr

deal olarak elektrikli cihazlarn saf diren olmas ve bylece reaktif g ekmemesi istenir. Akm dalga ekli gerilimin adeta bir kopyasdr ve ayn fazdadr. Gerekli gerek gte ekilen akm bu artlarda minimum olur ve bu da gcn gerek retim gerek de datmnda ki kayplarn azaltlmasn salarken kullanlan cihazlar da etkiler. Harmoniklerin olmad bir durumda bu hattan beslenenen cihazlardaki giriimler de meydana gelmez. G faktr basite gerek gcn grnr gce oran olarak tanmlanabilir: GF = GerekG GrnrG (4.1)

Gerek g deiken akm ve gerilim deerlerinin ortalamasndan bulunurken, grnr g deeri akm ve gerilimin rms(efektif) deerlerinden hesaplanr. Eer akm ve gerilim sinusoidal ve ayn fazda ise g faktr 1e eittir. Eer her iki deer de sinusoidal ancak ayn fazda deil ise g faktr faz asnn cosinusune eittir. Genellikle bu durum g faktr olarak adlandrlr ancak bu terim yalnzca akm ve geriliminin saf sinus olduklar durum iin geerlidir. Bu durum lineer olan rezisif, kapasitif ve endktif yklerde meydana gelir(Kim ve Enjeti, 2003). Anahtarlamal g kaynaklar ebekeye, giri devrelerinden dolay nonlinear empedans gibi etki ederler. Bunun nedeni giri devrelerinde yarm ya da tam dalga dorultucu ile kapasitr kullanlmasdr. Kapasitr yeni bir dearj darbesi gelene kadar yaklak olarak giri geriliminin tepe deeri ile doludur(Qian, 1997). Bu durumda akm sadece sinus dalgasnn tepe anlarnda ekilir ve bu ekilen akm da ykn enerji ihtiyacn karlamaldr. Bu ilem iletim annda kapasitre byk bir eneji verilmesiyle salanr, bu enerji periyot tamamlanana kadar yk besler. Genelde akm dalgas peryotun %10 ya da %20 mertebelerindedir yani darbe anndaki akmn, ortalama akmn genliinden 5 yada 10 kat fazla olmas gerekmektedir (Bollen ve Basu, 2005). ekil 4.1 bu durumu gstermektedir.

30

ekil 4.1 G faktr dzeltmesiz bir anahtarlamal mod g kaynann giri karakteristikleri Akm dalga eklindeki byk bozulmaya ramen akm ve gerilim ayn fazda olabilir. Faz asnn cosinusu ifadesi bu g kaynann g faktrnn 1 olduu gibi yanl bir sonu verecektir. ekil 4.2 akm harmonik bileenini gstermektedir. Temel frekans (60 Hz) referans genlik %100 olarak verilmi ve daha yksek mertebeli harmonikler de bu temel genliin yzdesi olarak sralanmtr. Harmonikler zor grnmesine karn bu dalga eklinin simetrisinin bir sonucudur. Eer dalga ekli paralanamayacak kadar dar ve olduka yksek darbelerden olusayd spectrum dz yani btn harmonikler eit genlie sahip olacakt. Bu g kaynann g faktr 0.6 civarndadr.

ekil 4.2 Akm dalga eklinin harmonik bileenleri

31 ekil 4.3 mkemmel bir g faktr dzeltme salanm bir g kaynann giriini gstermektedir. Akm, hem dalga eklinde hem de fazda gerilimi takip etmektedir. Akmn harmonik bileenlerinin olmad dikkate alnmaldr.

ekil 4.3 Mkemmel g faktrne yakn bir g kaynann giri karakteristikleri Yukarda anlatlanlardan grlecei gibi yksek g faktr ve dk harmonikler birbirlerine baml konulardr. Ancak yine de kesin bir iliki grlmez alttaki eitlikler toplam harmonik dalgalanmasn g faktryle ilikilendirmektedir. THD(%) = 100 1 +1 Kd (4.2)

2

Burada Kd bozulma faktrdr ve Kd =1 THD (%) 2 1+ ( ) 100

(4.3)

deerine eittir. Akm temel bileeni ile giri gerilimi ayn fazda ise K = 1 ve GF = KdK = Kd GF =1 THD (%) 2 1+ ( ) 100

(4.4) (4.5)

32 (4.5)ten %10 THD de g faktrnn yaklak 0.995 elde edilecei grlr. Harmoniklerin snrlarn belirlemek giri akmnn bozulmasn kontrol etmek iin nemli bir yntemdir. Dolaysyla giri akmnn ekillendirilmesinin ad g faktr dzeltmek iken reglasyon baarsnn lt harmonik bileendir (Scillic, 2004).

4.2 4.2.1

G Faktr Dzeltme ekilleri Ek Eleman Kullanlmadan Yaplan lemler

ekil 4.4deki diyot kpr dorultucu nonsinsoidal ebeke akmna sahiptir. Bunun sebebi birok ykn dk salnml V2 kaynak gerilimi ihtiyac iin kullanlan Cf kondansatrdr. Sonu olarak dorultucu diyotlarn iletim aralklar ksadr ve ebeke akm nemli harmonik bileen ieren dar darbelerden olumaktadr. Ek elemanlar eklemeden akm dalga eklini dzeltmenin en iyi yolu Cf kapasitrn daha dk semektir. Bu yapldnda k gerilimindeki dalgalanma artar, dorultucu diyotlarn iletim aralklar geniler. Giri akm ekli dorultucunun besledii yke baml hale gelir. Bu zm ykn ok darbeli dc kaynak gerilimi kulland el aletleri gibi uygulamalarda kullanlr. ekil 4.4deki sonulardan da grlecei gibi akm dalga ekli dk kapasitans ile gelitirilmi k gerilim dalgalanmas da artmtr.

ekil 4.4 Diyot kpr dorultucu a) devre, b) ebeke akm ve gerilimi (st grafik) ve k gerilimi (alt grafik) , V1 = 230 Vrms , P = 200W, Cf = 470uF iken akm deerleri Kd = 0.409, cos = 0.991, GF = 0.405 ve k gerilim dalgalanmas V2 = 12V. Cf = 68uF iken akm deerleri Kd = 0.619, cos = 0.910, GF = 0.563 ve k gerilim dalgalanmas 78V ( Grigore, 2001)

33 Burada, Kd = bozulma faktr cos = kayma g faktrdr. Bu metodun baz snrlamalar vardr. rnein, harmonik akmlar nemli lde azaltlmamaktadr ve k gerilim dalgalanmas byktr ki bu birok uygulamada kabul edilebilir bir durum deildir. Sonu olarak pasif yaklamlar 300Wtan dk gl ve ebeke gerilim aralnn dar olduu uygulamalar iin daha uygundur.4.2.2 Pasif GFD

Pasif gfd metodlar ekil 4.4 deki kpr dorultuculu ynteme ek baz pasif elemanlar eklenerek gerekletirilir. Basit yntemlerden biri diyot kprsnn ebeke tarafna gerilime seri bir endktas balamak ki bu ekil 4.5(a)da grlmektedir ve gerilimin sfr gei durumunda ebeke akmnn sfr olmasn salayacak devre koullarn salamaktr (Carbone ve Scappatura, 2004). Dc k geriliminin teorik olarak sabit olduu varsaylr ve GF = 0.76 elde edilir. Gerekte ise devrenin dc k gerilimi ebeke frekansnn iki kat frekanstadr. Ac tarafta, g faktrn maksimum yapacak ekilde endktans kullanlan dorultucunun simule edilen sonular ekil 4.5 (b) de gsterilmitir.

ekil 4.5 Ac tarafta endktans kullanlan dorultucu (a) devre, (b) V1 = 230 Vrms , R = 500, Cf = 470uF, La = 130mH, ebeke akm Kd = 0.888, cos = 0.855, GF = 0.759, V2 = 257V (Grigore, 2001)

34 Bobin ekil 4.6da grld gibi dc tarafa da koyulabilir. Yeterince byk bir Ld endktansnda bobin akm kesintisizdir. Endktansn sonsuza yakn kabul edildii durumlarda bobin akm sabittir, bylece dorultucunun giri akm kare dalgadr ve g faktr GF=0.9dur. Ancak byle bir ileme yakn bir gerekleme yapabilmek iin bobinin ok byk ve kullansz seilmesi gerekir, ekil 4.6(b) deki simule edilmi dalga ekli iin kullanlan (Ca kondansatr kullanlmadan) Ld = 1H lik durumda olduu gibi. Daha dk Ld endktans deerlerinde bobin akm kesintili olur. Byle bir durumda almada elde edilen g faktr deeri GF = 0.76dr. G faktrnde iyileme cos deerinin iyilemesi iin Cann eklenmesiyle gerekleir (ekil 4.6a). Maksimum bozulma faktr Kd ve 1 deerine yakn cos salayan ve GF = 0.905 elde edilebilen devre dizayn mmkndr. ekil 4.6(b)de Ld = 275mH ve Ca =4.8uF iin bu durum incelenmitir.

ekil 4.6 Dc tarafta bobinli dorultucu, a) devre, b) Ld = 1H, Ca kullanlmadan Kd = 0.897, cos = 0.935, GF = 0.839, V2 =205 V. Ld = 275mH ve Ca = 4.8uF iken Kd = 0.905, cos = 0.999, GF = 0.904 ve V2 = 232 V (Grigore, 2001) ebeke akmnn dalga ekli alak geiren giri ve k filtreleriyle gelitirilebilir. Rezonans networklerden oluturulmu ve harmonikleri azaltan birok zm de vardr. ekil 4.7de ebeke frekansna ayarl seri rezonans modelin band geili filtresi AC kaynak ve yk arasnda kullanlmtr. 50/60 Hzlik ebekelerde yksek deerlikli reaktif elemanlara ihtiya vardr. Dolaysyla bu yntemin 400Hzten yukardaki ebekelerde zellikle 20kHzlik uygulamalarda kullanm pratiktir. ekil 4.8te paralel rezonansn bant durdurucu filtresi simule edilmi dalga ekilleriyle birlikte verilmitir. Bu filtre 3. harmonie gore ayarlanmtr, dolaysyla seri rezonans bantgeirgen filtreye gore daha dk deerlikli reaktif elemanlara izin verir.

35

ekil 4.7 Seri rezonans bant gei filtreli dorultucu a) devre, b) Ls = 1.5 H, Cs = 6.75uF, ebeke akm karakteristikleri Kd = 0.993, cos = 0.976, GF = 0.969 ve V2 = 254 V (Grigore, 2001)

ekil 4.8 Paralel rezonans bant durdurucu filtreli dorultucu a) devre, b) Lp = 240 mH, Cp = 4.7uF, ebeke akm karakteristikleri Kd = 0.919, cos = 0.999, GF = 0.918 ve V2 = 266 V (Grigore, 2001)

36 Dier bir yntem ise harmonik yakalayc filtre kullanmaktr. Harmonik yakalayc, ac kaynaa paralel balanm ve istenilen harmonik deerine ayarlanm seri rezonans andan oluur. ekil 4.9(a-b)de 3. ve 5. harmoniklere ayarlanm ve ekil 4.9(c)de simulasyonu verilmi iki adet harmonik yakalayc filtre kullanlmtr. ekil 4.9(d)den grld gibi ebeke akm geliimi devre karmaklnn artmasna ramen olduka iyidir. Harmonik yakalayc sistemler bant-engelleyici filtrelerle birlikte kullanlabilirler.

ekil 4.9 Harmonik yakalaycl dorultucu a) devre, b) filtrenin frekans cevab iin simulasyon devresi c) L1 = 400 mH, L3 = 200mH, L5 = 100mH, C3 = 5.6uF, C5 = 4.04uF, R3 = 0.1, R5 = 0.1 deerlerinde filtrenin frekans cevab (i1(s) / ir(s)) d) V1 = 230Vrms, R = 500, Cf = 470uF deerlerinde ebeke gerilim ve akm. ebeke akm deerleri Kd = 0.999, cos = 0.999, GF = 0.998 ve V2 = 395 V (Grigore, 2001)

ekil 4.10daki kapasitr beslemeli dorultucu IEC standartlarn 230Vta ve 250W gce kadar salayabilen olduka basit bir devredir. Dntrme oran Xa / R dir. Burada

37 Xa =1 / (LCa) dr. Bu yzden ebeke geriliminden daha dk ve yk durumuna baml bir k gerilimi elde etmek mmkndr. Harmonik akmn azaltlmasna ramen g faktr olduka dktr.

ekil 4.10 Kapasitr beslemeli dorultucu a) devre, b)V1 = 230 Vrms , R = 500, Cf = 4700uF, Ca = 16uF deerleri iin ebeke gerilim ve akm(Grigore, 2001) Ek olarak bobin, kapasitr ve diyot bulunduran LCD dorultucular ekil 4.11de dalga ekilleri ile birlikte verilmitir. Eklenmi reaktif elementlerin deerleri grece dktr. Bu devrenin yapm amac IEC-1000-3-2 ye gore Class D ile balantldr. Devre giri akm eklini deitirirken harmonik akmlarda snrl bir azalma salar. Bu devrenin snfnn Class Dden Class Aya deitirilmesi de mmkndr. Bylece Class D iin salanamayan g snrlar Class A da yakalanabilir.

38

ekil 4.11 Lcd dorultucu a) devre, b) V1 = 230 Vrms , R = 500, Cf = 470uF, C1 = 40uF, Ld =10mH iin ebeke gerilim akm dalga ekli. Kd = 0.794, cos = 0.998 ve GF = 0.792 ve V2 =304 V (Grigore, 2001) Son olarak valley-fill dorultucu simule dalga ekilleri ile ekil 4.12de gsterilmitir. Devre harmonik ierikleri azaltr ancak k gerilimi olduka deikendir ve ykn bu deiimi tolare etmesi gerekmektedir.

ekil 4.12 Valley-fill dorultucu a) devre, b) V1 = 230 Vrms , P = 200W, C1 = C2 = 470uF deerlerinde akm-gerilim (st graf), k gerilimi (alt graf). Kd = 0.921, cos = 0.999 ile GF = 0.920 ve gerilim dalgalanams V2 =168 V (Grigore, 2001)

39 Pasif g faktr dzelticiler basitlik, gvenilirlik, grltden etkilenmeme, yksek frekans EMI giriimlerinin ve yksek frekans anahtarlama kayplarnn olumamas gibi avantajlara sahiptirler. Ancak dier taraftan bu yntemlerin dezavantajlar da vardr. Bunlar ebeke frekansl reaktif elamanlar kullandklarndan dolay ar ve hantaldrlar. Ayrca kt dinamik cevaplar, dk gerilim reglasyonu olmas ve akm dalga eklinin yke baml olmas dier dezavantajlardr. Harmonikler azaltlmasna ramen temel bileenin faznn g faktrn azaltacak ekilde kaymas mmkndr. Ayrca rezonans ebeke temelli devreleri ebeke frekansna duyarldr. Harmonik yakalama filtrelerinde seri rezonans belirli bir harmonie ayarlanr. Ancak deiik frekanslarda paralel rezonanslar oluabilir ve dier harmonikleri ykseltebilirler(Rustom 2003; Grigore, 2001).4.2.3 Aktif Filtreler

Aktif filtreler nonlineer yk tarafndan retilen ve ebekeye enjekte edilen harmonikleri analiz eder ve faz alarn belirlerler. Bu harmonik akmlarnn ayn genlikteki ters iaretlisini yk barasna enjekte ederler. Bylece ebekeden sinsoidal bir akm ekilir. ekil 4.13 aktif filtrenin almas, ekil 4.14de de devreye balan gsterilmitir(Pan, 2005).

ekil 4.13 Aktif filtre ile harmoniklerin giderilmesi (Kocatepe vd., 2006)

40

ekil 4.14 Aktif filtrenin devreye balanmas (Kocatepe vd., 2006)

ekil 4.15 Aktif filtreyi oluturan temel elemanlar (Kocatepe vd., 2006)

41 ekil 4.15te aktif filtre elemanlar gsterilmitir. Aktif filtre ierisinde IGBTlerden oluan 6 adet anahtarlama eleman vardr. Kontrol devresi tarafndan uygun anahtarlama fonksiyonlar oluturularak bu anahtarlama elemanlar ve dc kondansatr yardmyla istenilen akmlar elde edilir. Burada aktif filtre bir kontroll akm kayna gibi alr(Pan vd., 2005). Aktif filtreler harmonik giderme ilemini devreye iki ekilde balanarak salarlar. Bu bakmdan aktif filtreler seri (ekil 4.16(a)) ve nt (ekil 4.16(b)) olarak ikiye ayrlabilir. Gnmzde yaygn kullanlan, nt tipi aktif filtredir. nt aktif filtre ve seri aktif filtre tesiste var olan pasif filtre ile kombine olarak da alabilmektedir.

ekil 4.16 Aktif filtrenin devreye balanmas a)seri, b)nt (Kocatepe vd., 2006)

ekil 4.17 nt aktif filtrenin devreye balanmas ve alma ilkesi (Kocatepe vd., 2006)

42 Filtreleme ilemi yaplacak tesisteki ykler, g katsays yksek dolaysyla reaktif g kompanzasyonu gerektirmeyen ancak harmonik distorsiyonu yksek olan ykler ise bu durumda aktif filtre kullanm uygundur. ekil 4.17de nt filtrenin alma ilkesi gsterilmitir. ekilde grld gibi nonlineer yk akm kare dalga eklinde olduu halde aktif filtre harmonik akmlarnn ters iaretlisini sisteme enjekte ettii iin ebekeden ekilen akm sinsoidal olmaktadr.

ekil 4.18 Seri aktif filtrenin devreye balanmas ve pasif filtre ile birlikte kullanlmas (Kocatepe vd., 2006) ekil 4.18de grld gibi seri aktif filtre devreye bir transformatr zerinden balanr. Devreye seri bal bir gerilim reglatr gibi davranr, yke uygulanan gerilimin sinsoidal olmasn salar. ekildeki seri aktif filtre 5. ve 7. harmonikler iin tasarlanm pasif filtre ile birlikte kullanlmtr. Aktif filtreler pasif filtrelere gre pahal olmakla beraber ayn anda birden fazla harmonik frekans iin filtreleme yapabilir. Yine aktif filtreler datmda deiiklikler yapld zaman bile etkili harmonik kompanzasyonuna devam ederler ki bu onlarn en nemli stnlkleridir (Kocatepe vd., 2006).

43 izelge 4.1 Aktif filtre ile pasif filtrenin karlatrlmas (Kocatepe vd., 2006)

4.2.4

Aktif G Faktr Dzeltme Metodlar

Aktif GFD devreleri daha iyi karakteristiklere sahiptirler ve yukardaki dezavantajlarn ou aktif gfdlerde geerli deildir.4.2.4.1 Alak Frekans Aktif G Faktr Dzeltme

ekil 4.19ada 250Wlk sabit bir yk iin dk frekansl aktif bir GFD devresi grlmektedir. Giri g faktrnn 0.95 mertebelerinde elde edilmesi dk frekans aktif gfd devresi ile mmkndr. Bu devrede SW anahtar iki ynldr ve sfr gerilim geiinden sonra sabit bir peryotta iletimdedir. Bu sabit iletim sresinden ya da k gerilimi istenilen deerin stne kmaya meylettiinde SW anahtar kesime sokulur. Bu durum, giri kpr dorultucunun iletim asnda bir ykselmeye sebep olur ve kabul edilebilir bir dalga ekline ykseltilir. Alak frekans aktif g faktr dzeltme devresinin 150mH ve 75 mH lik iki farkl endktans deeri iin akm ve gerilim dalga ekilleri ekil 4.19bde verilmitir. Temel bileene gre normalize edilmi tek harmonikler ekil 4.19c ve ekil 4.19d de verilmitir. Bu devre nceden belirtilen pasif PFC yntemlerinden daha az EMI giriimleri retir ve daha kk boyutlu bir bobine ihtiya duyar, ayrca ileride aklanacak Yksek Frekans aktif GFD den daha gvenilir ve daha efektiftir. Ancak reaktif elemanlar yksek frekans aktif GFDye gre daha byktr ve k gerilim reglasyonu yavatr.

44

ekil 4.19.a) Alak frekans aktif g faktr dzeltme devresi (Basu, 2006)

ekil 4.19.b) 75mH ve 150mH endktans deerlerinde alak frekans g faktr dzeltme devresinin giri akm ve dalga ekilleri (Basu, 2006)

45

ekil 4.19.c) 75mH endktans deeri iin temel bileende normalize edilmi akm harmonikleri(Basu, 2006)

ekil 4.19.d) 150mH endktans deeri iin temel bileende normalize edilmi akm harmonikleri(Basu, 2006)

4.2.4.2 Yksek Frekans Aktif G Faktr Dzeltme

Yksek frekans aktif GFD kpr dorultucu ile filtre kapasitr arasna buck, boost ya da buck-boost dntrcler eklenerek gerekletirilir ve uygun kontrol metodlaryla giri akm ekillendirilir. Btn dntrc metodlarnda anahtarlama frekans ebeke frekansndan olduka yksektir, k gerilim dalgalanmas ebeke frekansnn iki katdr ve k ou zaman reglelidir. Kullanlan dntrc eidine gre Gfd k gerilimi daha yksek ya da daha alak olabilir. Buck dntrc ile k gerilimi daha dk olurken,

46 boost dntrc ile daha yksek olur. Buck-boost dntrc kullanlmas durumunda k gerilimi giri geriliminin maksimum deerinden hem daha yksek hem de daha dk olabilir. Bu dntrclerdeki bobin akm kesintisiz ya da kesintili olabilir. Kesintisiz iletim modunda bobin akm bir anahtarlama peryodu boyunca hi sfr deerine dmez. Kesintili akm modunda ise bobin akm anahtarlama peryodu iinde sfr deerini grr. Bobin akm dntrc tipinde de kesintisiz olabildii halde Ac giri akmnn yksek frekans anahtarlama akm komponentleri sadece boost dntrcde kesintisiz olabilir. Bunun sebebi buck ve buck-boost dntrclerde anahtarn giri akmn anahtarlama peryotlarnda etkilemesidir. Bu durum aada dntrclerin alma karakteristiklerinde daha anlalr haldedir. Gerekte anahtarlama frekanslar ebeke frekansndan olduka yksektir ve ac akm dalga ekli kullanlan kontrol yntemine bamldr. Kesintisiz akm modunda alld kabul edilmitir(Basu, 2006).Buck Dntrc Temelli Aktif G Faktr Dzeltme

ekil 4.20a ve ekil 4.20b de giri gerilimini azaltan buck dntrc temelli GFD devresi grlmektedir. Dntrc sadece giri gerilimi Vin(t), k geriliminden Vo yksek olduu durumda almaktadr ve t1 ile t2 sreleri boyunca ac giriten akm akmamaktadr. Sfr gei giri gerilim yaknnda ebeke akm zarfnda bozulma meydana getirir. Ek olarak, bobin akm kesintisiz olsa da dntrcnn giri anahtarlama akm S anahtar her anahtarlama peryodunda girie etki ettii iin kesintilidir. Bu yzden giri akm nemli yksek frekans bileenlere sahiptir ve bu EMI giriimlerinin ve filtreleme gereksinimlerinin artmasna neden olur (Kyyra ve Grigore, 2000).

ekil 4.20.a) Buck dntrc temelli yksek frekans aktif GFD (Basu, 2006)

47

ekil 4.20.b) Buck temelli GFD devresinin akm ve gerilim dalga ekilleri (Basu, 2006)Boost Dntrc Temelli Aktif GFD

G faktr dzeltme yntemlerinde en sk kullanlan boost topolojisi hem kesintili hem de kesintisiz akm modunda alabilir. Gei modu ya da kritik akm modu olarak bilinen alma kesintili ve kesintisiz akm mod snrlarnda anahtarlama frekans ayarlanarak yaplan

48 almadr. ekil 4.21a ve ekil 4.21b de kesintisiz akm modlu boost dntrc ve dalga ekilleri grlmektedir. Bu topoloji girii gerilimini arttrarak ka verir. Dntrc ebeke peryodunda alabildii iin giri akm gei dalgalanmalarna sahip deildir. Bu durum giri gerilim sfr geiine yakn noktada ebeke akm zarfnn bozulmasn engeller. Ayrca, dntrcnn giri anahtarlama akm boost bobini giri ile seri balandndan dolay kesintisizdir, yksek frekans S anahtar da girii akmn etkilemez. Dolaysyla giri akm daha az yksek frekans ierie sahiptir ve bylece EMI giriimleri daha azdr ve daha kk filtreler yeterli olmaktadr. k kapasitr Co S anahtarnn kesimdeki gerilimini diyot zerinden k gerilimiyle snrlar ve anahtar korur.

ekil 4.21a) Boost dntrc temelli yksek frekans aktif GFD (Basu, 2006)

ekil 4.21.b) Kesintisiz akm mod boost dntrc temlelli GFDnin akm ve gerilim dalga ekilleri (Basu, 2006)

49 Yukardaki dntrcde kontrol biimi bobin akmnn kesintili ya da kesintisiz olmasn salar. Kesintili akm modu belirli bir frekansta alr ve anahtarlama akmnda kesintiler mevcuttur. Byk akm piklerinden ve EM giriimlerinden dolay ok az kullanlrlar. Bu byk pikler, btn giri varyasyonlarnda kesintili modu koruyabilmek iin ani giri gerilimlerinin gerek duyduu l zamanlardan dolaydr. Dier taraftan kritik akm modlu dntrc alt snr sfr akm olacak ekilde histerezis kontroln bir varyasyonunu kullanmaktadr. Bu teknik deiken frekans kontrol tekniidir, giri akm kontrol doal olarak sabitken dorultucunun ters toparlanma kayplarn elemine eder. Verilen akm ve gerilim parametrelerinde iletim zaman ayn kalrken kesim zaman deiir. Bunun sonucunda g dntrcsnn anahtarlama frekans, ani giri geriliminin en dk deerindeyken, en yksek deerini alr. G kat eitlikleri ve transfer fonksiyonlar kritik akm modu ve kesintisiz akm modu iin ayndr. Gei modu bobin akmn SM ve KM snrnda almaya zorlar. Akm profili de farkldr ve eleman g kayplarna ve filtreleme ihtiyalarna etki eder. Kritik akm mod boost dntrcdeki tepe akm kesintisiz akm mod boost dntrcnn genliinin iki katdr ve daha yksek iletim kayplarna sebep olur. Tepeden tepeye dalgalanma ortalama akmn iki katdr ve bu da Mosfetin anahtarlama kayplarna ve boost bobindeki Ac kayplara etki eder. Kritik mod kullanmnn daha yksek bobin dalgalanmasna ve pik akmlarna ramen sebebi boost diyotta ters toparlanma kayplarnn olmaydr. Giri filtrelemesinin neminin manyetik elemanlarn byklne baskn olduu orta ve byk gl uygulamalarda kesintisiz akm modlu boost dntrc daha dk pik akmlar ve akm dalgalanmasndan dolay tercih edilir. Bu sebeple kesintisiz akm mod dntrcler 100Wtan byk gl uygulamalarda sklkla tercih edilir ve kullanlrlar. ekil 4.22de 100W dntrc almada kesintisiz iletim mod ile kritik iletim mod karlatrlmtr. Bobin tepe akm Itepe, ortalama bobin akm ise Iort olarak gsterilmitir.

50

ekil 4.22 Kesintisiz ve kritik iletim modlarnda bobin akmlarnn karlatrlmas (Basu, 2006)Buck-Boost Dntrc Temelli Aktif GFD

ekil 4.23a ve ekil 4.23b de ise buck - boost dntrc temelli GFD devresi ve dalga ekilleri gsterilmitir. Bu devre giri akmn hem ykseltebilir hem de azaltabilir. k gerilimi tersine evrilir ki bu da anahtar zerinde gerilim stresi olumas demektir. Dntrc ebeke peryodunda alabildiinden giri akmnda gei bozulmalarna rastlanmaz. Ancak bobin akm buck dntrcdeki gibi kesintisiz ise dntrcnn giri anahtarlama akm kesintilidir nk anahtar giri akmna etki eder. Bu yzden giri akm EM giriimlerini ve filtre gereksinimlerini arttran yksek frekans ieriklere sahiptir.

51

ekil 4.23a Buck-boost dntrc temelli aktif GFD(Basu, 2006)

ekil 4.23b Buck-boost dntrc temelli aktif GFD akm ve gerilim dalga ekilleri (Basu, 2006)

52GFD ye uyarlanm Second-order Dntrcler

First-order anahtarlama hcresi ekil 4.24(a)da grlmektedir. Aktif anahtar S, harici bir kontrol nitesi ile kontrol edilmektedir. Pratik uygulamada bu anahtar bir Mosfet ya da Igbt ile gereklenebilir. kinci anahtar D diyodu ise aktif anahtarn ve devrenin durumuna gre dolayl olarak kontrol edilir. Anahtarlama hcresi ayrca depo eleman olarak L bobinine sahiptir. ekil 4.24(b), (d) ve (f) de grld gibi Buck, boost ve buck-boost dntrcler bu anahtarlama hcresinden tretilmilerdir. k filtre kapasitr de dnldnde second-order devre olurlar. k filtre kapasitr gerilim kayna olarak dnlebilir. Anahtarlama hcresinin portlar gerilim kaynana balandndan dolay anahtarlama elemannn depolama elemannn neden kapasitr deil de bobin olduu anlalr. Dntrcler bobin akmnn sfr olmad kesintisiz akm modunda ve bobin akmnn anahtarlama sresince sfr grd kesintili akm modlarnda altrlabilirler. Bu kontrol modlaryla ilikilendirilmi, kendilerine has zelliklere sahiptirler. GFD uygulamalarnda giri gerilimi dorultulmu ebeke gerilimi v1( t ) = V1 Sin L t (4.6)

dir. k gerilimi V2nin sabit olduu kabul edilir. Dntrcnn dntrme oran olarak tanmlanan ilk zellik elde edilebilir k gerilimi V2 ile giri geriliminin genlii V1 arasndaki ilikidir. kinci zellik ise filtrelenmi giri akmnn ekline iaret eder. Eer dntrc btn ebeke peryodunda alabilecek durumdaysa sins ebeke akm elde edilebilir. Aksi takdirde akm, sfr gerilim geii noktasnda sfr olarak bozulur ve dntrc almaz. nc karakteristik ise giri akmnn yksek frekans bileenleriyle ilgilidir. Eer bir anahtarlama ile kesilmiyorsa giri akmnn kesintisiz olduu kabul edilir. Bu demek olur ki bobin girie seri olarak balanmtr ve bobin akmnn dalgalanmas giri akmnn yksek frekans bileenini ifade eder. Kesintisiz akm modunda bobin akmnn dalgalanmas azdr, yani giri akmnn fazla yksek frekans bileeni yoktur. Dier taraftan eer girie seri bal anahtarn anahtarlama ilemi akm etkiliyorsa giri akm kesintilidir. Byle bir durumda CICM almada dahi giri akmnn yksek frekans bileenleri yksektir. Giri akmnn kesintili ve kesintisiz oluu, CICM ve DICM yani bobin akmnn kesintili ya da kesintisiz olmasyla kartrlmamaldr.

53 Dntrclerin bu zellikleriyle birlikte second-order dntrclerin karakteristikleri incelenebilir. ekil 4.24de dntrcler CICM almada kabul edilerek dalga ekilleri ile birlikte verilmilerdir. Buradaki dalga ekilleri topolojilerin aklanmasna yardmc olarak verilmitir, gerekte anahtarlama frekans ebeke frekansndan olduka yksektir ve giri akm kontrol ekline baldr(Yang ve Sen, 1998).

ekil 4.24 Yksek frekans aktif gfd lerde ccm almada second-order anahtarlamal dntrcler a) Second-order anahtarlamal dntrclerin tretildii first-order anahtarlama hcresi b) Buck dntrc, c) dalga ekilleri; d) Boost dntrc, e) dalga ekilleri; f) Buck-Boost dntrc, g) dalga ekilleri. (Grigore, 2001)

54 ekil 4.24(b)deki buck dntrc azaltc dntrme oranna sahiptir. Bylece k gerilimi V2, V1 giri geriliminden daha dk elde edilebilir. Ancak dntrc sadece anlk giri gerilimi k geriliminden yksek olduu anlarda, yani = arcsin V2 / V1 (4.7)

Lt (, - ) olduu aralkta almaktadr. Bu yzden buck dntrc temelli GF devreleri ekil 4.24(c)de grld gibi gei bozulmalarna sahiptirler. Ayrca dntrcnn giri akm kesintilidir. Sonu olarak CICM almada dahi, giri akmnn filtrelenmesi gereken bir yksek frekans bileene sahiptir. ekil 4.24(d)de boost dntrc grlmektedir. Ykseltici dntrme oranna sahiptir ki bylece V2 k gerilimi her zaman iin V1 giri geriliminden yksek olur. ebeke peryodunda alma mmkndr, bylece gei distorsiyonlar olumaz. ekil 4.24(e)de gsterildii gibi giri akm bobin girie seri baland iin sreklidir. Bu yzden CICM almada az miktarda yksek frekans bileenli giri akm elde edilebilir. Bu sebeple CICM alan boost dntrc GFDde sk kullanlr. ekil 4.24(f) de grlen buck-boost dntrc azaltc ya da oaltc olarak alabilir. Yani V2 k gerilimi V1 giri geriliminden byk ya da kk olabilir. ebeke peryodu boyunca alma mmkndr ve sinsoidal bir akm elde edilebilir. ekil 4.24(g)de grld gibi Buck dntrcye benzer ekilde nemli yksek frekans ierie sahiptir. Bu dntrclere ek olarak 2 anahtarlamal buck-boost dntrc nemli bir zm nerisidir. Bu devre, giri gerilimi k geriliminden yksek iken Buck dntrc olarak, giri gerilimi k geriliminden dk iken de Boost dntrc olarak almaktadr. Bylece alma bir ebeke peryodunda salanabilir ve k gerilimi geni bir aralkta deitirilebilir. Dier bir olumlu durum ise tersine evrilmemi gerilimden dolay anahtar zerindeki stresin az olumasdr. Ancak anahtar says arttndan dolay maliyet ve iletim kayplar artar.

55 izelge 4.2 Topoloji zellikleri

Kesintisiz Bobin Akm Modda alma

Bu alma modunda, bobin akm bir anahtarlama peryodu iinde sfr olmaz ve bobinde her zaman depo edilmi enerji bulunur. Bobine uygulanan gerilim sresi, dntrcnn alma sresi ebeke peryodu boyunca deitirilerek dengelenmelidir. ekil 4.25de bir kontrol devresi grlmektedir. Alak band genilii d dngs ve GL(s) karakteristii GFD katnn k gerilimini sabit tutmak ve hata sinyali V yi salamak iin kullanlr. Yksek bant genilikli i dng ve GH(s) ise giri akmn kontol etmek iin kullanlr. Bir oklayc Vxy referansn salamak iin kullanlr. Bu deer hata sinyali V ile orantldr ve giri akm iin istenilen ekil ile birlikte modulasyon sinyaline sahiptir. ekil 4.25 en ok bilinen durum olan, modlasyon sinyalinin dorultulmu sins giri gerilimi V1 olduu durumu gstermektedir. GFD katnn topolojisine bal olarak, giri gerilimi ile k gerilimi arasndaki fark modlasyon sinyali olarak kullanmak yararl olabilir. Kontrol emas oklayc ve ebeke gerilim sensrn kullanmayarak basitletirilebilir. Bu durumda modlasyon sinyali Vxy = V dir ve ebeke peryodu boyunca sabittir, nk V (4.8) alak bantgenilii k gerilim

kontrolrnn kontrol sinyalidir. Bu yzden giri akm V ile oransal bir deerde krplr ve dalga ekli kare dalga eklindedir. Bu basitletirme giri akmnda daha fazla bozulmaya sebep olur ancak 500W ve 230 Vrms giri gerilimine kadar standartlar salayabilir. Ayrca

56 eer ebeke akmnn sivri noktalar yumuatlabilirse kWlar mertebesine kadar bu standartlar salanabilmi olur.

ekil 4.25 Cicmde alan anahtarlamal dntrc kullanlm bir gfdnin kontrol emas (Grigore, 2001) Yksek bantgenilikli i dngy oluturmann birka yolu vardr. Da-Da dntrclerden bilinen pik akm kontrolnde anahtar sabit bir anahtarlama frekansyla iletime sokulur ve bobin akmnn st noktas d dngyle snrlanm deere eritiinde de kesime girer. Bu, anahtarn ar akm korumasn salar ancak kontroln grltye duyarl olmasna neden olur. Ayrca kontrol, alma oran 0.5i getiinde stabillikten uzaklar. Bu problemi zmek iin bobin rampasna kompanze bir rampa eklenmesi gereklidir. Son olarak pik akm mod kontrolnde, doal bir pik-ortalama akm hatas mevcuttur. Sonu olarak ortalama bobin akm d dng tarafndan oluturulmu akm referans sinyalini tam olarak takip edemez. Sins referansl Boost temelli GFD dntrclerde bu durum gei bozulmalarna ve ebeke akm harmoniklerine sebep olur. Ancak, eer basitlik ebeke akm dalga eklinin kalitesinden daha nemli ise giri akm snrlamal pik akm mod kontrol kullanlabilir bir yntem olarak grlmektedir.

57 Daha iyi bir kontrol yntemi olan ortalama akm mod kontrolde ise bobin akmnn pik deeri yerine ortalamas akm program snryla karlatrlr. Bu, pik akm mod kontrole gre daha iyi grlt korumas ve stabilite salar. Ortalama akm kontrol edildiinden, olduka iyi ebeke akm dalga ekli elde edilebilir. Sonu olarak ortalama akm kontrol GF devrelerinde olduka fazla kullanlmaktadr. Uygulamas, pik akm mod kontrolnkinden daha karmaktr, nk akm dngsnde ek bir operasyonel ykseltici gereklidir. Dier bir kontrol ise histeresiz kontroldr. Burada bobin akm bir reglasyon band iinde tutulur. En nemli avantaji basitliidir. Ancak deiken anahtarlama frekans dezavantajdr. Son olarak nonlineer tayc kontrol anahtardan geen akmn integralinin, kontrolr tarafndan retilen nonlineer tayc gerilim ile karlatrld kontrol metodudur. Alternatif olarak anahtarlama akmnn tepe deeri pik akm nonlineer tayc kontrolrde karlatrlmak zere kullanlr, bununla birlikte en yksek grlt hassasiyetine sahiptir. Bu metodlar kontrol devresindeki oklaycy kartma ve sins giri gerilmini alglama ihtiyacn ortadan kaldran avantajlar sunmaktadrlar. Ayrca akm dngsnde operasyonel ykselticiye ihtiya duyulmaz. Ancak nonlineer tayc kontroll, dntrcnn CICM de almasnda elde edilebilir, DICM almada, dk yk ve ebeke geriliminin sfr geilerinde ebeke akm bozulur ki bu da en byk dezavantajdr.Kesintili Bobin Akm alma Modu (DICM)

Bu alma modu second-order dntrcler iin ekil 4.26(a)da gsterilmitir. Bobin akm iL sfr ile maksimum arasnda deiir ve dier anahtarlama peryodu balamadan tekrar sfra iner ve bu ekil 4.26(b)de grlmektedir(Heo vd., 2004). Bir Ts peryodunda, ortalama giri gerilimine ortalama akmn oranyla bulunan dntrcnn ortalama giri direncine r1 dersek (4.9) elde edilir. Giri gerilimi V1, Ts anahtarlama peryodu boyunca sabit kabul edilir, nk anahtarlama frekans ebeke frekansndan olduka yksektir. ekil 4.26(a)da deinildii zere dntrclerin giri direnleri; r1(t) =V1 (t ) i1 (t ) T

(4.9)

S

olarak ifade edilir.

58

i1 (t )

TS

ifadesi giri akm i1in Ts anahtarlama peryodunda ortalamasdr. Buck-boost

dntrclerin giri direnci sadece L endktansna, Ts anahtarlama peryoduna ve alma oran dye baldr. Eer DICM alma ebeke peryodu boyunca salanabilir ve d sabit tutulabilirse giri direnci r1 de sabit tutulabilir. Sonu olarak ortalama giri akm i1 (t )TS

giri

gerilim eklini takip eder ve dntrc doal GFD yapsna sahip olur. CICMden farkl olarak DICM almada kontrolrn GFD yi salamak iin alma orann ebeke peryoduna uydurma zorunluluu yoktur.

ekil 4.26 Second-order dntrcler, (a) giri direnci r1(t)nin tanm, (b)DICM almada bobin akm iL(t) ile giri akm i1 (t)nin durumu (Grigore, 2001)

59 Buck dntrcnn giri direnci ebeke peryodunda sabit deildir. Ancak V2 / V1 oran azaltldnda bu deiim azalr ve doal GFD artar. V2 / V1 oran azaltldnda ebeke akmndaki gei bozulmasnn etkisi de azalacaktr. Ancak IEC 1000-3-2 ye yksek glerde uyum iin V2 geriliminin V1e gre yeterince kk olmas gerekmektedir. Boost dntrcnn doal GFD ise mkemmel deildir. Giri direnci ebeke peryodu boyunca deiir ancak , V2 / V1 oran arttrldnda deiim azalr ve doal GFD zellii artar. ebeke akmnn gei dalgalanmalarnn olmad ve standartlar kolayca salayabildii gz nnde tutulmaldr. DICM alan second-order dntrclerde kendinden GFD zellii, bobine uygulanan gerilim sresinin her anahtarlama peryodunda dengelenmesi ve d, alma orannn sabit tutulmas olarak aklanabilir. Buck-boost dntrcnn isel GFD zelliinin mkemmel oluu her anahtarlama peryodunda giriten ka olan enerji miktarnn kontrolnn iyi olmasndandr. Anahtar iletimdeyken enerji giri gerilim kaynandan bobine transfer edilir. Kesimde iken, enerji sadece bobinden ka doru, bobindeki enerji bitene kadar akar. Her anahtarlama peryodundaki enerji miktar giri gerilimi V1 ile giri direnci r1e baldr. Buck dntrcde ayrca anahtar iletimdeyken enerjinin parazitik transferi sz konusudur. Boost dntrcde de anahtarn kesimde olduu durumda parazitik enerji transferi mevcuttur. Bu parazitik transfer V2 / V1 oranna baldr ki bu da dntrclerin isel GFDlerinin azalma miktarn ifade eder. GFD uygulamalarnda DICM alan dntrclerin kullanlmasnn ana avantaj kontrol metodunun basitliidir. alma oran, dnin GFD salamak iin srekli ayarlanmas gerekmediinden depo kapasitrndeki gerilimi regle etmek iin bir gerilim evrimi yeterlidir. Gerilim evriminin bant genilii, ebeke frekansnn iki katndaki k gerilim dalgalanmasn filtrelemek iin dk olmaldr. Kendinden GFDli dntrclerin basit kontrol edilmesi dk maliyetli uygulamalar iin bunlar ekici yapmaktadr. Bunlar g deiim zincirlerinde kullanlabildikleri gibi dk frekans k gerilim dalgalanmalar tolare edilebilirse tek balarna da kullanlabilirler. Bu uygulamalarn tesinde kendinden GFDli dntrcler GFD kat ile k gerilim reglasyon katnn bir arada kullanld tek-kat dntrclerin temelini olutururlar. Buna bir rnek olarak ekil 4.27deki BIFRED (Bosst entegreli Flyback dorultuculu da-da dntrc) verilebilir. Giri kat GFD iin DICM alan bir boost dntrc iken, k kat, k gerilim reglasyonu iin bir flyback dntrcdr. Anahtar iki kat tarafndan da

60 paylalmaktadr. C kapasitr enerji depo kondansatr olup hem alak frekans hem de yksek frekans anahtarlama dalgalanmalarn alglarken, Cf k kondansatr sadece yksek frekans anahtarlama dalgalanmalarn alglar. Tek anahtar ve tek kontrol devresi olduundan dk maliyetli bir zmdr. Ancak DICM alma anahtar zerinde yksek pik akm oluturur, bu da verimi olumsuz ynde etkiler. Dolaysyla ift katl yaklama gre avantajn korumak iin bir ka yz wattlk uygulamalarda kullanlmaldr.

ekil 4.27 Tek katl gfd devresi, bifred dntrc

4.3

G Faktr Dzeltmede Kontrol Teknikleri

Kontrol teknikleri GFD konusunun nemli konularndandr. Boost GFD devresi iin belirtilen bu kontrol teknikleri dier topolojiler iin de geerlidir.4.3.1 Pik Akm Kontrol

ekil 4.28de pik akm kontrolnn tipik giri akm dalga ekilleri verilmitir. Grld gibi, anahtar bir saat sinyaliyle sabit bir frekansta iletime sokulur ve bobin akmnn pozitif rampas ile harici rampann toplam sins akm referansna eritiinde kesime girer. Bu referans genellikle dorultulmu ebeke geriliminin bir ksm Vg ile akm referans genliini belirleyen gerilim hata ykselticisinin knn arplmasyla elde edilir. Bu yolla, referans sinyal senkronize edilmi ve ebeke gerilimiyle her zaman oranl olur ki bu durum birim gfaktrn salayan durumdur. ekil 4.28de grld gibi dntrc CICM almaktadr yani akm stresi ve filtre ihtiyalar azaltlm demektir. Ayrca bu almada kpr diyotlar daha yava seilebilir(ebeke frekansnda alan). Dier taraftan serbest gei diyotunun sert bir ekilde kesime girmesi kayplar ve anahtarlama grltsn arttrmaktadr.

61 Bu kontrol tekniinde anahtarlama frekans sabittir. Sadece anahtar akmnn alglanmas gereklidir ve bu bir akm transformatryle gerekletirilebilir ve bylece alglayc iin diren kullanlmasyla oluacak kayplarn nne geilmi olunur. Bu teknik anahtar akm snrlamas getirirken ayr bir hata akm oklaycsna ihtiya duymamaktadr. Ancak bu avantajlarnn yannda, alma peryodunda oluan alt harmoniklerin %50den byk olmas nedeniyle bir kompanzasyon ana ihtiya duymas, bu an kullanlmasyla giri akmnn distorsiyonunun artmas ve komutasyon grltsne daha duyarl olmas bu tekniin dezavantajlar olarak ortaya kmaktadr. Giri akmndaki bozulma referans akm dalga ekli deitirilerek salanabilir. Sabit bir akm referans ile