tek fazli ve üç fazli kontrolsüz · pdf filegüç kaynağı, ac...

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

Power Electronic Circuits (Güç Elektroniği Devreleri)

TEK FAZLI VE ÜÇ FAZLI KONTROLSÜZ DOĞRULTUCULAR

1. DENEYİN AMACI

Bu deneyin amacı, tek fazlı ve üç fazlı diyotlu doğrultucuların çalışmasını ve davranışlarını

incelemektir. Bu deneyde, tek faz ve üç faz olmak üzere tüm yarım ve tam dalga doğrultucuları, omik

ve indüktif yükler altında incelenecektir.

2. TEORİ

Pek çok güç elektroniği uygulamasında, giriş gücü şebekeden alınan 50 − 60 𝐻𝑧’lik AC güç

şeklindedir ve uygulamada DC’ye çevrilir. Endüstride kontrollü gerilim ya da güç aktarımı

gerekmeyen uygulamalarda maliyet açısından genel eğilim diyotlu doğrultucular kullanmak

yönündedir. Diyotlu doğrultucularda güç akışı, şebekeden yüke doğru olup sadece tek yönlüdür. DC

güç kaynağı, AC motor sürücüleri ve daha pek çok alanda diyotlu doğrultucular tercih edilmektedir.

Diyotlu doğrultucular, gerilimi şebekeden doğrulttukları için üzerlerinde, doğrultucunun türüne göre

şebekenin harmoniklerinin frekansında gerilim salınımları olur. Bunları azaltmak için çıkışa yükten

önce bir kapasitör eklenir. Kapasitör ne kadar büyük olursa çıkış gerilimindeki salınımlar da o kadar

az olacaktır. Diyotlu doğrultucuların kötü özelliklerinden bir tanesi ise şebekeden oldukça yüksek

distorsiyonlu akım çekmeleridir. Bu da harmonik standartlarıyla sınırlandırıldığı için her durumda

diyotlu doğrultucular kullanılamayabilir. Bunların yerine kontrollü doğrultucular kullanılarak çeşitli

denetim stratejileriyle birlikte akım sinüse benzetilir.

Diyotlu doğrultucuları, tek faz, üç faz ve yarım dalga doğrultucu, tam dalga doğrultucu şeklinde

sınıflandırabiliriz. Şimdi bunları inceleyelim.

2.1. Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu

Tek faz yarım dalga doğrultucular pek kullanılmasalar da, doğrultucu çalışmasının anlaşılması

açısından iyi bir örnek teşkil ederler. Şekil 1’de tek fazlı bir yarım dalga doğrultucu görülmektedir.

Şekil 1. Tek faz yarım dalga doğrultucu

Yarım dalga doğrultucu, diyotun üzerine gelen negatif gerilimi iletmemesinden dolayı, sinüs

şeklindeki gerilimin sadece pozitif kısmını doğrultacaktır. Yük omik, ya da indüktif olabilir. Eğer yük

omik bir yük ise, diyot sadece pozitif evreyi doğrultur ve kesim durumuna geçer, ancak yük indüktif

bir yük ise, yük akımı, gerilim sıfıra düştükten sonra, bir süre daha pozitif yönde akmaya devam

Tek Fazlı ve Üç Fazlı Kontrolsüz Doğrultucular_________________________________________

2

edeceği için diyot hemen kesime geçemez ve üzerindeki akım sıfıra düşene kadar negatif gerilimi

iletir. Bütün bu durumlar aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Şekil 2. Omik ve indüktif yük için çıkış gerilim-akım dalga şekilleri

Gerilimin negatife düştüğü durumları engellemek için indüktif yüklü uygulamalarda çıkışa, boşta

çalışma diyodu (FWD) bağlanır. Bu, yüke ters paralel olarak bağlanan standart bir diyottur ve gerilim

negatife düşme eğilimi gösterdiği zaman iletime geçerek, şebeke diyodunun üzerindeki akımı kendi

üzerine alır. Böylece yük akımı boşta çalışma diyodu üzerinden akmaya devam eder ve yük üzerinde

sadece oldukça küçük olan diyodun negatif gerilimi gözlenir.

Çıkışta gözlenen gerilimin tepe değeri, diyot üzerindeki gerilim düşümü ihmal edilirse yaklaşık olarak

giriş işaretininkiyle aynıdır. Bu dalga şeklinin ortalama ve etkin değerleri integral alınarak

hesaplanabilir. Aşağıda yarım dalga doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri ve

nasıl hesaplandığı verilmiştir.

𝑣(𝑡) = 𝑉𝑚 sin(𝜔𝑡)

𝑉𝑜𝑟𝑡 =1

𝑇∫ 𝑣(𝑡)

𝑇

0

𝑑𝑡 =1

2𝜋∫ 𝑉𝑚 sin(𝜔𝑡)

𝜋

0

𝑑(𝜔𝑡) =𝑉𝑚

2𝜋[− cos(𝜔𝑡)]|0

𝜋

𝑉𝑜𝑟𝑡 =𝑉𝑚

2𝜋[− cos 𝜋 − (− cos 0)] =

𝑉𝑚

2𝜋2 =

𝑉𝑚

𝜋

𝑉𝑜𝑟𝑡 =𝑉𝑚

𝜋 , 𝐼𝑜𝑟𝑡 =

𝐼𝑚

𝜋

𝑉𝑟𝑚𝑠 = [1

𝑇∫ 𝑣(𝑡)2

𝑇

0

𝑑𝑡]

0.5

𝑉𝑟𝑚𝑠 =𝑉𝑚

2 , 𝐼𝑟𝑚𝑠 =

𝐼𝑚

2

2.2. Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu

Tek fazlı uygulamalar için oldukça sık kullanılan tam dalga ya da köprü doğrultucu devresi Şekil 3’te

gösterilmiştir. Dört tane diyottan oluşan devrede, D1 ve D4 diyotları alternatif gerilimin pozitif

evresini geçirecek, D2 ve D3 diyotları da gerilimin negatif evresinde aktif olarak bu bölgeyi

doğrultacaktır. Böylece çıkışta, girişteki AC gerilimin iki katı frekansında DC bir gerilim elde

edilecektir. Eğer yük indüktif olursa akım gerilimin gerisine düşecek, ancak akımı üzerine alacak

pozitif gerilim evresine geçmekte olan başka bir diyot olduğu için yarım dalga doğrultucuda gözlenen


3

negatif voltaj durumu köprü diyotta gerçekleşmeyecektir. Bunlara dair dalga şekilleri Şekil 4’te

gösterilmiştir.

Şekil 3. Tek fazlı köprü doğrultucu

Şekil 4. Omik ve indüktif yük için köprü doğrultucu çıkış gerilim-akım dalga şekilleri

Tek fazlı köprü diyotta da yük gerilimi ve akımın ortalama ve etkin değerleri aynı şekilde integral

alarak hesaplanır. Sonuçlar aşağıda verilmiştir.

𝑉𝑜𝑟𝑡 =2𝑉𝑚

𝜋 , 𝐼𝑜𝑟𝑡 =

2𝐼𝑚

𝜋

𝑉𝑟𝑚𝑠 =𝑉𝑚

√2 , 𝐼𝑟𝑚𝑠 =

𝐼𝑚

√2

Bu formüllerle verilen akım değerleri sadece omik yükler için kullanılabilir. Çünkü sadece bu

durumda akım ve gerilimlerin dalga şekilleri aynıdır.

2.3. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu

Şekil 5’te görüldüğü gibi üç tane tek faz yarım dalga doğrultucunun ortak bir uçta birleşmesiyle

oluşmuştur. Üç faz dönüştürücüler, daha yüksek frekanslı ve daha düşük salınımı olan çıkış gerilimleri

üretirler. Böylece maliyet ve boyut açısından daha kolay filtrelenen çıkış gerilimleri elde edilmiş olur.

Şekil 5. Üç faz yarım dalga doğrultucu

Üç faz yarım dalga doğrultucuda, hangi faz daha pozitif ise o faza bağlı olan diyot iletime geçer ve bir

sonraki faz daha pozitif olup iletimi üzerine alana kadar kapanmaz. Bu durumdan da anlaşılacağı gibi


4

her diyot, fazlar arası gerilimin sıfır olduğu noktadan itibaren iletime geçer ve 120° boyunca iletimde

kalır. İndüktif yük durumunda da bir sonraki diyot, akımı üzerine alacağı için, gerilimin negatife

düşmesi durumu, dolayısıyla da boşta çalışma diyotu kullanımına ihtiyaç yoktur.

Üç faz yarım dalga doğrultucu yük üzerinde, giriş geriliminin 3 katı frekansında bir salınım oluşturur.

Bu sebeple “3-darbeli doğrultucu” şeklinde de adlandırılır. Çıkış geriliminin ortalama ve etkin

değerleri ise aşağıda verilen formüllerle hesaplanabilir.

𝑉𝑜𝑟𝑡 =3√3𝑉𝑚

2𝜋 , 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑚

√1

2+

3√3

8𝜋= 0.84𝑉𝑚

2.4. Üç Faz Tam Dalga Doğrultucu

Üç fazlı gerilimin mevcut olduğu endüstriyel uygulamalarda, üç faz doğrultucular, tek faza tercih

edilen bir doğrultucu çeşididir. Bunun sebebi ise, üç faz doğrultucunun, çıkışta daha düşük gerilim

salınımları vermesi ve daha yüksek güç aktarabilmesidir. Üç faz tam dalga doğrultucu devre şeması

Şekil 6’da verilmiştir.

Şekil 6. Üç faz köprü doğrultucu

Üç faz köprü doğrultucuda her koldaki diyotlar (D1-D4, D2-D5, D3-D6) birbiriyle 180° faz farkıyla

çalışırlar. Ayrıca alt ve üst grup diyotları da (D1-D3-D5, D2-D6-D4) kendi içlerinde birbirleriyle 120°

faz farkıyla çalışırlar. Bu doğrultucu da üç faz yarım dalga doğrultucu gibi fazlar arası gerilim

prensibine göre çalışır. Yani hangi fazlar arasındaki gerilim daha büyükse o fazlara ait, alt ve üst grup

diyotları iletime geçer. Köprünün çalışmasını incelemek için R fazının açısını 0 olarak ve diğer

fazların da sırayla 120° geriden geldiğini varsayalım. Dalga şekilleri ve bu duruma göre diyotların

iletim sıraları aşağıda gösterilmiştir.


5

Şekil 7. Üç faz hat gerilimleri ve diyot iletim periyotları

Üstteki şekilde açıkça görülüyor ki her diyot 120° iletimde kalıyor ve her 60°’de bir diyotlardan biri

kesime giderken bir diğeri iletime geçiyor. Bu duruma göre elde edilecek olan çıkış gerilimi aşağıda

verilmiştir.

Şekil 8. Üç faz köprü doğrultucu çıkış gerilimi dalga şekli

Şekil 8’den de görüldüğü gibi 2 periyotluk sinüs için, konvertörün çıkışı 12 darbeli bir gerilim

üretmiştir. Yani tek periyotta 6 darbeli, bir başka deyişle giriş işaretinin frekansının 6 katı frekansta bir

gerilim elde ediyoruz. Bu sebeple bu doğrultucuya “6-darbeli dönüştürücü” de denmektedir. Omik

yükler için yük akımının dalga şekli de aynı olacaktır ancak indüktif yük durumunda akım gerilimin

gerisine düşecektir. Bu durum Şekil 9’da gösterilmiştir.

Şekil 9. İndüktif yük için oluşan akım-gerilim dalga şekilleri


6

Üç faz köprü doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama ve etkin değerleri de aşağıda verilmiştir ve

gerekirse daha önceki doğrultucular için açıklandığı şekilde türetilebilir.

𝑉𝑜𝑟𝑡 =3𝑉𝑚

𝜋= 0.955𝑉𝑚 , 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 1.655𝑉𝑚

3. DENEYLER

3.1. Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu

3.1.1. Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yük)

Şekilde görülen devreyi kurunuz.

Şekil 10. Deney bağlantı şemaları

Girişten verilen 55 𝑉𝑟𝑚𝑠’lik alternatif gerilimin pozitif evresi diyot tarafından geçirilecek, negatif

evresi ise diyotun geri bloklama durumuna geçmesi sebebiyle kesilecektir. Alternatif gerilimin sadece


7

bir evresi geçirildiği için bu devreye yarım dalga doğrultucu denmektedir. Bağlantıları kontrol ettikten

sonra devreyi çalıştırınız. Y1 kanalındaki çıkış dalga şeklini çiziniz. Aşağıdaki ölçümleri not ediniz.

Y1 Kanalında gördüğünüz gerilim dalga şekline göre, akım dalga şeklinin nasıl olmasını beklersiniz?

Aşağıdaki ölçümleri alınız.

• Direnç üzerinden alınan yük geriliminin ortalama ve etkin değeri (𝑉𝑜𝑜𝑟𝑡 , 𝑉𝑜𝑟𝑚𝑠)

• Direnç üzerinden geçen yük akımının ortalama ve etkin değeri (𝐼𝑜𝑜𝑟𝑡 , 𝐼𝑜𝑟𝑚𝑠)

• Giriş akımının etkin değeri (𝐼𝑖𝑟𝑚𝑠)

(a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω) (b) Diyot gerilimi (100 Ω)

(c) Giriş ve çıkış gerilimleri (100 Ω)

Şekil 11. Omik yüklü yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 1. Omik yüklü yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları

Maksimum 𝑉𝑜 Ortalama 𝑉𝑜 Ortalama 𝐼𝑜 RMS 𝐼𝑜


8

3.1.2. Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük)

Şekilde görülen devreyi FWD diyotunu bağlamadan kurunuz.



9

Osiloskopun, Y1 kanalındaki çıkış geriliminin ve Y2 kanalındaki direnç geriliminin dalga şeklini

çiziniz. Elimizdeki dalga şekillerinden çıkış akımının dalga şeklini bulabilir miyiz; nasıl? Aşağıdaki

ölçümleri alınız.

• Toplam yük üzerinden alınan çıkış geriliminin ortalama ve etkin değeri.

• Toplam yük üzerinden geçen akımın ortalama ve etkin değeri.

• Giriş akımının etkin değeri.

Aşağıda belirtilen indüktif yükleri uygulayarak çıkış geriliminin dalga şekillerini çiziniz.

𝑅 = 50 Ω , 𝐿 = 25 𝑚𝐻

𝑅 = 50 Ω , 𝐿 = 100 𝑚𝐻

(a) Çıkış gerilimi ve akımı (50 Ω, 25 mH) (b) Diyot gerilimi (50 Ω, 25 mH)

(c) Çıkış gerilimi ve akımı (50 Ω, 100 mH) (d) Diyot gerilimi (50 Ω, 100 mH)

Şekil 13. İndüktif yüklü yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 2. İndüktif yüklü yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları


50 Ω, 25 mH

50 Ω, 100 mH


10

3.1.3. Tek Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Boşta Çalışma Diyotlu FWD)

Şekilde görülen devreyi FWD diyotu bağlayarak kurunuz.


Y1 ve Y2 kanallarındaki dalga şekillerini çiziniz. Bu yük altında, bir önceki deneyde aldığınız

ölçümleri alınız. FWD devrede neyi etkilemiştir?


11

(a) Çıkış gerilimi ve akımı (50 Ω, 100 mH) (b) Diyot gerilimi (50 Ω, 100 mH)

Şekil 15. İndüktif yüklü ve serbest dolaşım diyotlu yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 3. İndüktif yüklü ve serbest dolaşım diyotlu yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları


50 Ω, 100 mH

3.2. Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu – Köprü Doğrultucu

3.2.1. Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu (Omik Yük)

Şekilde görülen devreyi kurunuz. Bu kez giriş geriliminin pozitif evresini D1-D4 diyot çifti negatif

evresini de D2-D3 diyot çifti geçirecektir. Bu sayede sinüs eğrisi şeklinde bir gerilimin her iki evresi

de pozitif bir gerilime dönüştürülmüş olacaktır. Bağlantıları kontrol ederek devreyi çalıştırınız.

Osiloskobun Y1 kanalından görülen çıkış geriliminin dalga şeklini çiziniz. Çıkış geriliminin ve

akımının, ortalama ve etkin değerlerini not ediniz. Giriş geriliminin bir periyodunda, çıkış geriliminde

2 darbe gözlendiği için bu doğrultucuya 2 darbeli doğrultucu da denmektedir.


12


(a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω)


13


Şekil 17. Omik yüklü köprü doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 4. Omik yüklü köprü doğrultucu için deney sonuçları


3.2.2. Tek Faz Tam Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük)



14


Devreyi çalıştırarak Y1 kanalındaki çıkış geriliminin ve Y2 kanalındaki direnç geriliminin dalga

şeklini çiziniz. Çıkış geriliminin ve akımının ortalama ve etkin değerlerini ölçerek not ediniz. İndüktif

yük köprü doğrultucuda ne gibi etkilere sebep oldu? Köprü doğrultucularda da, endüktif yük altında,

yarım dalga doğrultucuları gibi serbest dolaşım diyotuna (FWD) ihtiyaç var mıdır?


15

(a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω, 100 𝑚𝐻) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω, 100 𝑚𝐻)

Şekil 19. İndüktif yüklü köprü doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 5. İndüktif yüklü köprü doğrultucu için deney sonuçları


3.3. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu

3.3.1. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (Omik Yük)

Şekilde görülen devreyi kurunuz. Üç faz yarım dalga doğrultucu, aşağıda da görüldüğü gibi üç tane

tek faz yarım dalga doğrultucunun yüke giden ortak uçlarının bağlanması ile oluşmuştur. Devreyi

kurarak osiloskobun Y1 kanalında görülen yük geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve

akımının ortalama ve etkin değerlerini not ediniz.

Giriş geriliminin bir periyodunda yük gerilimi üzerinde 3 darbe oluştuğundan bu doğrultucuya 3

darbeli doğrultucu da denmektedir.


16




17


Şekil 21. Omik yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 6. Omik yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları


3.3.2. Üç Faz Yarım Dalga Doğrultucu (İndüktif Yük)



18


(a) Çıkış gerilimi ve akımı (100 Ω, 100 𝑚𝐻) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (100 Ω, 100 𝑚𝐻)

Şekil 23. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için dalga şekilleri


19

Tablo 7. İndüktif yüklü üç faz yarım dalga doğrultucu için deney sonuçları


3.4. Üç Faz Köprü Doğrultucu

3.4.1. Üç Faz Köprü Doğrultucu (Omik Yük)



Şekil 24’de üç faz köprü doğrultucu görülmektedir. Yarım dalga doğrultucular şebekeye etkilerinden

dolayı genelde kullanılmazlar. Tek faz ve üç faz köprü doğrultucular yaygın olarak kullanılan


20

doğrultucu devreleridir. Bu deneyde üç faz köprü doğrultucunun özellikleri gösterilecektir. Devreyi

şekilde gösterildiği gibi kurup çalıştırınız. Yük geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve

akımının ortalama ve etkin değerlerini not ediniz.

Giriş gerilimlerinin bir periyoduna göre yük üzerinde 6 darbeli bir gerilim oluştuğu için bu

doğrultucuya 6 darbeli doğrultucu da denmektedir.



Şekil 25. Omik yüklü üç faz köprü doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 8. Omik yüklü üç faz köprü doğrultucu için deney sonuçları


3.4.1. Üç Faz Köprü Doğrultucu (İndüktif Yük)



21


Yük geriliminin dalga şeklini çiziniz. Yük gerilim ve akımının ortalama ve etkin değerlerini ölçerek

not ediniz.


22

(a) Çıkış gerilimi ve akımı (300 Ω, 100mH) (b) D1 ve D2 diyot gerilimleri (300 Ω, 100mH)

Şekil 27. İndüktif yüklü üç faz köprü doğrultucu için dalga şekilleri

Tablo 9. İndüktif yüklü üç faz köprü doğrultucu için deney sonuçları


tek fazli ve üç fazli kontrolsüz · pdf filegüç kaynağı, ac...

Documents