Ünite 7: Güç Elektroniği ve Motor Sürücülerine Giriş

Giriş

1960 sonrası, motorların hız kontrolünde büyük gelişmelere gebe olmuştur. Öncelikle yarı iletken SCR tristörlerin icadıyla birlikte sadece DC makinaların değil aynı zamanda AC makinaların da yarı iletken güç anahtarları yardımıyla hız kontrolü mümkün hale gelmiştir.

Güç Elektroniğine Giriş

Güç elektroniği, elektrik enerjisinin elektronik yöntemlerle kontrolünden doğmuştur. 1960 öncesi vakum tüpleriyle kontrol edilen büyük güçler, bu yıllardan sonra yarı iletken güç elektroniği elemanları ile gerçekleştirilmeye başlamıştır. Bu elemanlara sırasıyla; güç diyotları, güç transistörleri, tristörler gibi isimler verilmiştir. Normal elektronik devreler küçük güçleri, yani küçük akım ve gerilimleri kontrol ederler. Güç elektroniği elemanları ise büyük akım ve gerilimleri kontrol etmek durumundadırlar.

Güç Elektroniği Devre Elemanları

Yarı iletken doğrultucularda ana elemanlar olarak; diyot, konvansiyonel tristör, triak, kapıdan tıkanabilen tristör (GTO), bipolar güç transistörü, güç MOSFET’i ve yalıtılmış kapılı bipolar transistör (IGBT) sayılabilir.

Diyot: N tipi ; negatif yüklü veya P tipi ; pozitif yüklü olabilirler. Zener diyodu ; Farkı, p-n ekleminin zener yıkılmasına veya bozulmasına imkan verecek şekilde çok dar tutulmuş olmasıdır. Gerilim referansı veya gerilim regülatörü olarak kullanılırlar.

Tristör : Kapı akımı uygulanmadığı durum için tristör, iki yönde de iletime izin vermeyen üç tane seri bağlı diyot gibidir. Ters yönde kutuplanma durumunda diyotla aynı davranışı sergiler. İleri yönde kutuplamada yani anot pozitif iken, merkezdeki kontrol jonksiyonunun delinme gerilimi aşılmadıkça sadece kaçak akım akar.

İleri yönde kutuplanmış tristöre Ig kapı akımı uygulanırsa tristör iletime geçer. Anot akımı kilitleme akımı seviyesini geçer ve tutma akımının altına düşmezse tristör iletimde kalır ve bu andan itibaren de kapı akımı kaldırılabilir.

Tristörü söndürmek için (kesim) anot akımı seviyesinin altına düşürülmeli ve tristör kontrol jonksiyonunun tıkama durumuna geçmesine kadar geçen bir sürede ileri yönde gerilim uygulanmamalıdır.

Triyak: Triyak beş katmanlı, her iki yönde de P-N-P-N yoluna sahip ve dolayısıyla iki yönde de iletebilen elemandır. Triyak pozitif ya da negatif kapı akımıyla iletime geçebilir. T2 pozitifken pozitif, T1 pozitifken negatif uygulamak daha iyidir, ancak pratikte her ikisi için de negatif darbe uygulanır.

GTO (Gate Turn Off - Kapıdan Tıkanabilen Tristör): Tristörün bulunmasından sonra iki yeni ürün daha geliştirilmiştir. Bunlardan birisi ters yönde daima iletimde olan ancak daha ince silikon kullanılmasıyla daha kısa sürede tıkamaya geçebilen asimetrik tristördür. Bu tristör inverter devrelerde kullanılır. Diğer bir eleman kapı akımını uygulayıp kesmekle iletime sokup çıkarılabilen GTO tristörlerdir.

GTO’yu iletime sokmak için kapısına akım enjekte edilir. Söndürmek için ise katod - kapı yönünde 10V seviyesinde gerilim uygulanır. Sönüm için geçecek akım anot akımının 1/5’i veya 1/3’ü kadar olmalıdır.

Güç transistörü: Bipolar transistör 3 katmanlı NPN veya PNP yapıda güç transistörüdür.

Tristör ile güç transistörü karşılaştırılırsa :

• 30A tristör 0,1A kapı akımı, 30A transistör 2A baz akımı gerektirir.
• Güç transistörünün aşırı yük kapasitesi tristörden düşüktür. Transistörün anahtarlama hızı çok yüksek (1µs) tir.
• Transistörle yük akımı kontrol edilebilirken, tristörde iletimden sonra kontrol yoktur.
• Darlington bağlantı yardımı ile transistörlerin akım kazancı 250’ye kadar çıkartılabilir.

Güç mosfeti: Güç MOSFETi (metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) bipolar transistörden farklı olarak gerilimle kontrol edilir. VGS sıfır iken MOSFET kesimdedir. Yaklaşık 3V uygulanınca iletime geçer. Düşük VDS değerleri için MOSFET sabit direnç özelliği gösterir. Güç kayıplarının az olması için güç MOSFETi bu bölgede çalıştırılır. Tristörden daha az gerilim seviyelerine sahip olmasına rağmen daha hızlıdır. 100V’daki iletim kayıpları tristör ve transistörden daha fazladır, ancak anahtarlama kayıpları çok daha azdır.

IGBT ( Yalıtılmış Kapılı Bipolar Transistör ): IGBTler, MOSFET ile bipolar transistörün özelliklerinden yararlanarak yapılmıştır. Güç transistöründe daha çok N – P – N kullanılırken IGBT’de P – N – P yapısı kullanılır. Kollektör–Emiter karakteristiği bipolar transistöre benzerken kontrol özellikleri MOSFET gibidir. Tipik iletime geçme zamanı bipolar transistörden daha azdır ( 0,15µs ) ve MOSFET’e benzerlik gösterir.

Diğer Güç Elektroniği Elemanları

MCT ( Mos Kontrollü Tristör ) : Tristörün yük karakteristiği ile MOSFET’in kontrol karakteristiği birleştirilmiştir. MCT , GTO’da olduğu gibi ters kutuplanmada tıkama yapamaz.

SIT ( Statik Endüksiyon Transistörü ): Normalde iletimde olan bu eleman, (baz sinyali yokken iletimde) ters kutuplandığı zaman kesime gider. Çok hızlı anahtarlama yapabildiğinden mikrodalga frekansları seviyesinde kullanılır.

SITH ( Statik Endüksiyon Tristörü ): GTO’ya benzer, ancak normalde iletimdedir. Katod – kapı’ya ters gerilim uygulanırsa kesime gider. Diğer tristörlere göre daha az kayıpları vardır ve daha hızlı çalışırlar.

Yarı İletken Güç Elemanlarının Karşılaştırılması

Güç elektroniği devrelerinde elemanlar anahtar olarak kullanılır. İdealde bir anahtarda ; Sınırsız gerilim ve akım değerleri, Ani açma – kapama zamanları, Sıfır kaçak akım, Sıfır iletim ve anahtarlama kayıpları, Sıfır kapı tetikleme gücü şartı, Aşırı akım ve gerilimlere dayanabilme kabiliyeti, Kısa devrelere karşı koruma kolaylığı, Düşük maliyet ve montaj kolaylığı gibi özellikler aranır.

Pratikte uygun eleman seçimi uygulamadan uygulamaya değişir. Uygulamada kriterler ; cihaz etiket değerlerine, iletim kayıplarına, anahtarlama kayıplarına, anahtarlama zamanlarına, kontrol stratejilerine ve maliyete bağlı olarak belirlenir. Tristör elemanlar içinde en yüksek akım ve gerilim seviyesine sahiptir, dayanıklıdır, düşük iletim kayıpları vardır ve ucuzdur. Ancak iletime geçişi yavaştır, sönümü yüke bağlıdır. Yüksek güç ve gerilimlerin olduğu 50, 60 Hz uygulamaları için idealdir. AC’den DC eldesinde ya da anahtarlama modlu (switch mode) güç kaynaklarında hızlı anahtarlama değeri aranır ve ters kutuplamada tıkamaya ihtiyaç yoktur. Buralarda bipolar güç transistörü IGBT, MOSFET, GTO, MCT kullanılabilir. 100 kHz’in üzerinde ancak MOSFET kullanılabilir. 100 kHz’e kadar bipolar transistörle IGBT düşük maliyeti, düşük iletim kayıpları sebebiyle MOSFET’e karşı tercih edilirken anahtarlama kayıpları MOSFET’den fazladır. 15 kHz’e kadar tristör ; GTO yada asimetrik tristör kullanılır.

Doğrultucu devreleri: Bir doğrultucu devresi AC beslemesini DC yüke bağlayan devredir. Doğrultucu devreleri yarım dalga ve tam dalga bağlantıları olmak üzere iki grupta tanımlanabilir.

Yarım dalga devreleri , bu devrelerde AC beslemenin her hattına bir doğrultucu eleman bağlanır ; elemanların katodları DC yüke ve yükün diğer ucu da AC beslemenin nötr ucuna bağlanır. Akım akışı her hatta “tek yönlü”’dür. “Tek yollu” devre de denilir.

Tam dalga devreleri , Biri yükü besleyen, diğeri de yük akımını AC hatta döndüren iki adet yarım dalga devresinin seri bağlanmasından oluştuğundan, nötr hattına gerek yoktur. “Köprü devreleri” ya da “çift yollu devreler” olarak da adlandırılır.

Devrelere ait kontrol karakteristikleri üç kategoride toplanabilir.

Kontrolsüz doğrultucu devreleri , sadece diyot içerirler, AC besleme gerilimiyle orantılı sabit DC gerilim sağlarlar.

Tam kontrollü doğrultucu devreleri , Tristör (ya da güç transistörü) kullanılır. Tristörlerin iletime geçtiği faz açısının kontrolüyle DC yük geriliminin ortalama değeri ayarlanabilir, yönü değiştirilebilir. Tam kontrollü devreler yük ve besleme arasında iki yönde de güç transferine imkan tanıdığından “çift yönlü konverter” olarak da adlandırılırlar.

Yarım kontrollü devreler , Tristör ve diyot karışımı içerirler. Gerilimin yönü değiştirilemez ancak ortalama değeri ayarlanabilir. Bu sebeple yarı kontorlü ve kontrolsüz devreler “tek yönlü konverter” olarak adlandırılırlar.

Darbe sayısı , AC beslemenin bir periyodunda DC gerilim dalga şeklinin tekrar sayısını ifadede kullanılan bir terimdir. Örneğin “6-darbeli devre”nin çıkış dalgalanması giriş frekansının 6 katı frekansa sahiptir. Giriş 50 Hz ise, DC dalgalanma 300 Hz’dir

Komütasyon diyodu : İki fonksiyonu vardır,

• Yük geriliminin yönünün değişmesini önlemek
• Yük akımının ana doğrultucudan akışını önleyerek doğrultucunun bloke durumuna geçmesini sağlamak.

Konverterler (DönüşTürücüler)

Motor sürücüleri: Burada iki tür motor sürücüsü teknolojilerinden bahsedilecektir: DC motor sürücüleri ve AC motor sürücüleri.

DC motor sürücüleri : Günümüzde kullanılan DC sürücü sistemleri, cihazı çalıştırmak arızacılığını yapmak ve bakımını gereçekleştirmek için gerekli tüm parçaların biraraya getirildiği yapılardır. Üç kablo girişli ve dört kablo çıkışlı sistemlerdir. Tipik uygulamalarda girişte üç faz kabloları, çıkışta iki armature kablosu ve iki de alan besleme kablosu bulunur.

DC motorların konverter kontrolü , bir DC motorun hız kontrolü armatür terminallerine uygulanan DC gerilimi aracılığıyla kontrol edilir. Faz kontrollü bir tristör (SCR) konverter aracılığıyla değişken DC gerilim elde edilir. Küçük güçlerde tek fazlı bir konverter yani doğrultucu kullanılırken, büyük güçlerde üç fazlı konverterlerden yararlanılır. Konverter üç fazlı şebeke gerilimini, tristörlerin tetikleme açılarını kontrol ederek değişken DC gerilimine dönüştürür. Tam alan uyartımında, armatür gerilimi artırıldıkça motor ileri yönde hızı artarak döner. Uygulanan gerilim nominal değerine ulaştığında da motor nominal hızına ulaşır. Bu durumda tristörlerin tetikleme açısı sıfır olur.

AC motor sürücüleri: Değişken-Frekanslı Sürücü veya Ayarlanabilir-Hız Sürücüsü de denen alternative akım motor sürücüleridir. Sabit frekanstaki şebeke gerilimini değişken frekansta ayarlanabilir gerilime dönüştürürler.

Birçok AC motor sürücülerine ait güç elektroniği sistemi yukarıdaki şekildeki gibidir. Yani girişten sonra bir konverter vardır ve bu konverter AC gerilimi DC gerilime dönüştürür. Konverter 1 doğrultucu vazifesi görür. Daha sonra ise bir DC enerji depolama ünitesi bulunur. Bu daha çok kondansatörlerden, endüktans ve reaktörlerden ve bazen de bunlara ilaveten akü-batarya grubundan oluşur. İkinci konverter ise DC baradaki gerilimi AC gerilime dönüştüren bir invertördür.