KONVERTÖRLER

Elektrik sistemlerinde bir yüke giden elektriksel gücün kontrol edilmesi gerekir. Bunun yapılması verimli bir biçimde olmalıdır.Bunun için geliştirilen metodları kapsayan bu makale bu verimliliğin en iyi şekilde nasıl kullanılabileceğini araştırmaktadır...

Gücün kontrol edilme yollarından birisi bir gerilim seviyesinden başka bir gerilim seviyesine güç dönüştürme işlemidir. Alternatif akımda (AA) dönüştürme işlemi transformatörlerle verimli olarak yapılmaktadır. Fakat transformatörler doğru akım (DC/DC) güç dönüşümü için kullanılmaz. Bu makalede DC-DC konvertörlerin yük akımı ve gerilimine göre incelenmesi amaçlanmıştır. Ancak incelemenin büyük bir bölümü anahtarlama modlu çalışan ve gerçekleştirdiği işlem açısından beş gruba ayırabileceğimiz. DC-DC konvertör çeşitlerine ayrılmıştır.

Gücün DC/DC dönüşümünün verimli olarak yapılabilmesi için anahtar mod konvertörlerine ihtiyaç vardır. Güç konvertörleri, reaktif elemanlar ve anahtarlardan meydana gelir. Çalışma prensibi devrede kullanılan anahtarların iletim ve kesim sürelerinin ayarlanması ile yapılır. Yükü besleyen gerilim frekansı büyük değerlerde ise pratik olarak yüke kesintisiz DC güç aktarımı mümkün olur. Bu tür konvertölerin tatmin edici işletimi, reaktif elemanların uygun konfigürasyona ve uygun anahtarlama metotlarına bağlıdır.


SEMBOLLER
fs = Anahtarlama frekansı

fo = Konvertör çalışma frekansı

fr = Rezonans frekansı

R = Kondaktör etkin yük direnci

n = Sarım oranı

Vs = Sekonder ortalama gerilimi

Is = Sekonder ortalama akımı

DITsı = Anahtar kesimde iken bobin akımının değişim süresi

DITs2 = Bobin akımının sıfır olduğu süre

VL = Ani yük gerilimi

IL = Yük akımı

D = Darbeleme görev oranı. Bir sistemde ortalama pals gücünün tepe pals gücüne oranı

PWM = Pals genişlik modülasyonu

Pd = Giriş Gücü

İLB = Ortalama bobin akımı

İL,tepe = Bobin akımının tepe değeri

İLB,max = Ortalama bobin akımının maksimum değeri

İOB = Sürekli ve süreksiz iletim durumundaki akım değeri

Lm = Trafo endüktansı

L = Akım tutucu endüktans

DVo = Çıkış geriliminin en alt ve üst seviyesindeki farkı

DQ = Bobin akımının kondansatörden dolayı oluşturduğu yük

DIL = Çıkıştaki bozulmalara sebep olan bobin akımı

fc = Filtre frekansı

Ts = Toplam periyot

Tİ = İletim süresi

Tk = Kesim süresi

k = Sabit

Vk = Kontrol sinyali

VST = Osilatör sinyalinin tepe değeri

Vo = Çıkış gerilimi

Vd = Giriş gerilimi

Io = Çıkış akımı

Id = Giriş akımı

Po = Çıkış gücü

1.GİRİŞ

Güç elektroniğinin temelleri, daha elektronik sözcüğünün yaygın olarak kullanılmaya başlamasından önce, 20.yüzyılın başlarında atılmıştır. Günümüzde kullanılan güç çevirici devrelerinin çoğu o yıllarda geliştirilmiş devrelerdir.

Güç elektroniği dalındaki ilk çalışmalar alternatif akımdan doğru akım elde edebilmek için yapılmıştır. Bu amaçla önce mekanik dönüştürücüler kullanılmış ve daha sonraları, civa buharlı doğrultucuların bulunması ve geliştirilmesi ile mekanik doğrultuculardan statik doğrultuculara doğru bir değişim başlamıştır. 1920’li yılların başında geliştirilen ızgara denetimli civa buharlı tüplerde doğru akım çıkış geriliminin denetlenebilmesi mümkün olmuş ve bu amaçla geliştirilen devreler, günümüzde kullanılan devrelerin temelini oluşturmuşlarıdır.

İlk yarıiletken doğrultucu bakır oksitli olup, 1920’li yılların sonlarında kullanılmaya başlamış. 1930’larda ise selenyum doğrultucular ortaya çıkmıştır.

İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra katı hal fiziğinde önemli gelişmeler olmuş ve 1950’lerde imal edilen yarı iletken diyotları, 1957 yılında General Electric firmasının geliştirip imal ettiği tristörler izlemiştir. Bu yarıiletken, güç elektroniği dalında bir devrim yaratmış, küçük ve sağlam yapısı, çalışma koşullarından etkilenmemesi gibi özellikleri dolayısıyla güç elektroniği uygulama alanlarını büyük çapta artırmıştır.

Güç elektroniğinin evrimini hızlandıran ve uygulama alanlarını genişleten bir diğer etken de yakın geçmişte yaşadığımız enerji krizi olmuştur. Enerji tasarruf yapma zorunluluğu, asenkron motorları daha verimli bir şekilde çalıştırabilmeyi sağlayacak yeni güç elektroniği devrelerinin geliştirilmesini sağlamıştır.

1957 yılında tristörün güç elektroniği elemanları arasına katılmasının yarattığı devrime benzer bir devrim de, 1974 yılında, ilk mikroişlemcinin piyasaya sürülmesiyle yaşanmıştır. Mikroişlemciler, çok sayıda ayrık ve tümleşik devre elemanlarının yerini alabilme özellikleri ile güç elektroniği dalında çalışan kişiler önünde yeni ufuklar açmış, şimdiye kadar karmaşık yapıları ve ekonomik olmamaları nedenleri ile ancak özel durumlarda kullanılan güç elektroniği devrelerini ve denetim yöntemlerini tekrar cazip bir duruma getirmiştir. Asenkron motorların, karmaşık ve pahalı olmayan sistemlerde, doğru akım motorları kadar kolay ve hassas bir şekilde denetlenebilme olanağı doğmuş ve fırça, komitatör problemleri ve bakım zorlukları doğrudan doğru akım motor sürücü sistemleri bir ekonomik alternatif olarak düşünülmeye başlamıştır.

Güç elektroniği uygulama alanları özellikle son yıllarda hızla artmış ve iletişim, savunma, endüstriyel süreçler, güç üretimi, taşıma ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım , dağıtım ve tüketici elektroniği gibi çok geniş bir alana yayılmıştır.

Çoğu endüstriyel uygulamalarda sabit gerilimli DC kaynağın, değişken gerilimli DC kaynağa çevrilmesi gerekmektedir. DC/DC konvertörler olarak da bilinen bir DC kıyıcı direkt olarak DC ’yi DC ’ye dönüştürür. Bir konvertör, sürekli değiştirilebilir sarım oranlı bir AC transformatörün eşdeğer DC devresi gibi de düşünülebilir. Transformatörün AC gerilimi arttırıp azaltabildiği gibi DC/DC konvertör de bir DC kaynağın gerilim değerini arttırıp, azaltabilir.

Konvertörler, elektrikli otomobillerde, deniz yük asansörlerinde, çatal kaldırıcılı kamyonlarda, maden ocağı çekicilerinde motor çekim kontrolü için oldukça sık kullanılır. Yumuşak hız kontrolü, yüksek verim ve dinamik tepki gibi avantajları DC/DC konvertörlerin tercih nedenleridir. Ayrıca enerjiyi malzemenin içine geri göndermek için de motorların aktif frenlenmesinde de kullanılmaktadır. Bu özellik sık durmalı aktarım sistemlerinde enerjinin korunmasını sağlar.

DC-DC konvertörler yük akımı ve geriliminin yönüne göre beş grupta incelenmiştir. Fakat tezin büyük bir bölümü, anahtarlama mod olarak çalışan ve gerçekleştirdiği işlev açısından beş gruba ayırabileceğimiz DC-DC konvertör çeşitlerine ayrılmıştır.