İnverter Devreleri İnverterler sabit bir DC kaynaktan değişken genlikli ve frekanslı AC kaynak sağlarlar. İnverterlerin en önemli uygulama alanı değişken hızlı asenkron motor sürücüleridir. Anahtarlanan Elemanlar I VX İletimdeki Q1 + E - D1 Q2 D2 Hiç biri Her ikisi BNG N q

Tek Fazlı İnverter Aşağıdaki inverter devresi aynı zamanda 4 bölgeli DC kaynak olarak da kullanılabilir. (V, I 4 bölge olarak adlandırılır.) 4 bölgeli kıyıcı, H-köprü, yada anahtarlama kuvvetlendiricisi olarak da adlandırılır. Yüksek performanslı DC motor sürücülerinde kullanılır. Bu tip devrelerin çok yaygınca kullanılmasından dolayı bir çok yarıiletken üreticileri modül olarak anahtar üretirler.

Üreticiler IPM’s (Intellegent Power Modules) de üretirler Üreticiler IPM’s (Intellegent Power Modules) de üretirler. Bunlar güç anahtarları, sürme devreleri ve korumaları da içerir. Tek fazlı inverterlerin uygulama alanları: Statik Frekans Değiştiricileri (SFC): Küçük iş yerlerinde kullanılır.

2. UPS (Kesintisiz Güç Kaynakları) Önemli araç ve gereçler için kullanılır. Yani elektrik kesildiğinde aletin çalışmasını devam ettirir.

Tek Fazlı İnverterin Çalışması Anahtarlanan Anahtarlar IL’nin yönü İletimdeki VL Idc’nin Q1 Q4 + E - D1 D4 Q2 Q3 D2 D3 -E Q1 Q3 D3 Q1 D1 Q3 Q2 Q4 D2 Q4 Q2 D4 Idc=0 veya Idc= I IL I

Devre yüke +E, -E veya 0 voltu tranzistör bazlarını anahtarlayarak sağlayabilir. VL’nin E ve 0 olduğu zamanı yüksek frekansta modüle ederek, istediğimiz herhangi düşük frekanslı dalga şeklini inverter çıkışında elde edebiliriz. Örnek olarak ortalama değeri farklı DC elde edelim: Q1 ve Q4 iletimde 0 ≤ t ≤ dT Q2 ve Q3 iletimde dT ≤ t ≤ T 0 < d < 1 VL ortalama, +E ile –E arasında değişir.

Bu durum DC motoru kontrol etmenin bir yolu olarak görülebilir. AC çıkış elde etmek için VL’nin ortalama değeri sıfır olmalı ve darbelerin genişlikleri VL sinüzoidal olacak şekilde ayarlanmalıdır. Darbelerin frekansı iyi bir sonuç almak için arzu edilen çıkış frekansından oldukça daha büyük olmalıdır. Ana çıkışın genliğini modülasyon işaretinin genliğini değiştirerek kontrol edebiliriz. Bu Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) olarak adlandırılır. Yukarıdaki kare dalga şeklinden ana harmonik bileşenini elde etmek için filtre kullanırız.

Genelde yük indüktiftir Genelde yük indüktiftir. Yük indüktansı alçak geçirgen filtre gibi davranır. Bu durumda yük, ekstra filtreye ihtiyaç duymaksızın yeterli sayılabilir. Sonuçta yük akımı sinüzoidaldir.

Tek Fazlı Köprü Gerilim Kaynaklı İnverter

Devrenin Çalışması Devrede Q1 ve Q2 tranzistörleri, baz akımlarını uygulayarak yada keserek ters olarak 180o aralıklarla iletime veya kesime sokulurlar. Tranzistör uçlarındaki gerilim düşümlerini ihmal edersek yükün A ucu bu yüzden sırayla DC kaynağın ya pozitif ucuna yada negatif ucuna bağlanır. Buna benzer olarak yükün B, ucu Q3 ve Q4 anahtarlarıyla DC kaynağın pozitif yada negatif uçlarına bağlanır.Q1 ve Q4 aynı anda anahtarlandığında DC gerilim (Vd), yük uçlarında görülür. Benzer olarak Q2 ve Q3 ilettiğinde DC gerilim ters yönde yük uçlarında görülecektir. Eğer tranzistörlerin iletime ve kesime girme süreleri ihmal edilirse A ve B uçlarındaki gerilimler kare dalga şekillerine sahip olacaklardır. DC kaynağın orta noktasını kullanmamamıza rağmen referans olarak almamız uygun olacaktır. Bu durumda kutup gerilimleri, VAo ve VBo, Vd/2 genliğine sahip

olacaktır. Yük uçlarının DC kaynağın ortasına göre gerilimleri kutup gerilimleri olarak adlandırılır. Q1 ve Q4 aynı anda iletime sokulup çıkarılır ve Q2 ve Q3 de aynı anda iletime sokulup çıkarılır. Bu yüzden yük uçlarındaki gerilim, VAB; VAB= VAo-VBo olur. Çıkış gerilimi kare dalga olarak Vd genliğine sahiptir. Saf rezistif yük için yük akım dalga şekli, gerilim dalga şekli ile aynı olur. Bu durumda akım ani olarak yön değiştirebileceği için boşluk diyotlarına gerek olmayacaktır.

Akım Dalga Şekilleri İnverter indüktif bir yükü besliyorsa, akım uygulanan gerilimden geride olur. Yukarıdaki şekilde inverterin bir R-L yükünü beslediği durumda yük akımının dalga şekli gösterilmektedir. Akım exponansiyel olarak değişir ve yük geriliminin polaritesi değiştiğinde yükün ani güç harcaması negatif olur. Çünkü akım ve gerilim ters polaritelere sahiptir. Bu durumda indüktif yükte depolanan enerji boşluk diyotları üzerinden DC kaynağa geri verilir. Eğer inverter ileri güç faktörlü bir yükü besliyorsa bu durumda yükün enerjisi DC kaynağa geri verilebilir. Bu durum için yük, inverter çıkış frekansından daha yüksek bir frekansa sahip olan seri RLC devresinden oluşabilir. Bu durumda yük akımı yaklaşık olarak sinüzoidaldir ve yük gerilimi yön değiştirmeden önce akım yön değiştirir.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi gerilimin her bir yarı periyodundan sonunda öyle bir kısım vardır ki yük gerilimi ve akımı farklı işaretlere sahiptir. Bu durumda yükteki enerji boşluk diyotları vasıtasıyla kaynağa geri verilir. İleri güç faktörlü yük, tranzistör akımının, gerilimin yarı periyodundan önce sıfıra düşmesine neden olur ve yük akımı yön değiştirerek boşluk diyotlarından artarak akmaya başlar. Diyotun ileri yöndeki gerilim düşümü tranzistöre küçük bir ters gerili uygular. Bu gerilimin uygulanma süresi yarı periyodun kalan kısmı boyuncadır. Bu yük koşulu için tranzistör kendi kendine kesime girme kabiliyetine gerek duymaz ve bu yüzden bu inverter devresinde tranzistörler yerine zorlamalı komütasyon devreleri gerekmeksizin tristörler kullanılabilir. Çünkü diyot üzerindeki gerilim düşümü tristöre ters olarak uygulanır. Bu süre içinde tristörden geçen akım sıfır olacağından tristör doğal olarak kesime girecektir. Bu, tristör yük komütasyonu olarak adlandırılır.

DC Kaynak Akımı DC kaynak akımının dalga şekli yük akımınınkine benzer olur. Sadece yük akımında pozitif olarak görünen diyot akımları DC kaynak akımında negatif olarak görünür. Çünkü bu durumda yük akımı kaynağa geri verilir. Ortalama DC kaynak akımı invertere verilen ortalama güç ile belirlenir. İnverter hemen hemen kayıpsız olduğu için ortalama DC akım Watt olarak ortalama yük gücü ile orantılı olacaktır. İnverter AC bir motoru besleyebilir. Motor hızı ani olarak azaldığında tranzistörler yarı periyotta halen anahtarlandığı halde boşluk diyotları iletime girecek ve motordaki enerji DC kaynağa geri verilecektir. Bu durumda ortalama DC akım negatiftir. Bir DC akü bu gerilimi absorbe edebilir fakat doğrultucu edemez. Bu yüzden DC link konverterde DC linkteki kapasitör gerilimi aşırı şarjdan dolayı artacaktır. Bu durumda bu aşırı enerjiyi harcamak için dinamik Breaking Resistor’ler kullanılır.

Frekans ve Gerilim Kontrolü İçin Metotlar Çeyrek-Kare Dalga Metodu İnverter bacaklarının her ikisi arzu edilen frekansta bir kare dalga ile anahtarlanır. Çıkıştaki ana harmoniğin genliğini ayarlamak için iki kare dalga arasındaki faz kayması ayarlanır. VL’nin ana bileşeninin tepe değeri:

AC ve DC Taraftaki Harmonikler Arasındaki İlişki İnverterde bir enerji depolanmasının ve herhangi bir kaybın olmadığını varsayıyoruz. Bu yüzden: E’nin sabit olduğunu varsayarsak; idc(t)’nin frekans spektrumu, V (t).iac(t)’nin E sabiti ile skalalanmış frekans spektrumu ile aynı olacaktır.

(N-M) fark frekanslarda DC akımda iki bileşen ürettiğini gösterir. Genel olarak V(t) ve i(t), ana bileşen artı harmonik serileri cinsinden yazılabilir (yani Fourier Serisi): ve Bu yüzden; Bu sonuç, AC taraftaki her bir gerilimin harmoniği AC taraftaki her bir akım harmoniği ile etkileşime girerek, (N+M) toplam ve (N-M) fark frekanslarda DC akımda iki bileşen ürettiğini gösterir.

Aynı frekanstaki akımlar ve gerilimler arasındaki etkileşim, DC akımda; DC bileşen ve iki kat frekansta (2N) bir bileşen üretir. Bu da bize tek fazlı bir inverterin DC linkinde niçin çok büyük 2. harmonik akımı mevcut olduğunu açıklamaktadır (AC taraftaki akım ve gerilimin ana bileşenleri arasındaki etkileşimden dolayı (N=M=1)). Sistemdeki aktif güç akışının, DC gerilim sabit olduğundan dolayı sadece DC link akımındaki DC bileşenden dolayı oluştuğunu not ediniz. Bu da sadece AC tarafta aynı frekanstaki akım ve gerilim bileşenleri arasındaki etkileşimden oluşmaktadır. AC taraftaki farklı frekanslardaki (N≠M) akım ve gerilim bileşenleri arasındaki etkileşim, inverterin DC ve AC tarafları arasındaki enerji osilasyonundan sorumlu DC tarafta iki harmoniğe neden olur. Bu durumda net enerji akışı yoktur. Çünkü;

Burada N N. harmonik frekansındaki yük faz açısıdır.

DC side current harmonics Örnek : İnverterin AC tarafında ana harnonik ve 18. ile 20. harmonikleri olduğunu göz önüne alın. Diğer tüm harmonikleri ihmal edin. Bu durumda AC taraftaki gerilim ve akım harmoniklerinin etkileşiminin DC taraftaki akım harmoniklerine yansımasını bulunuz. * gerçek güç akışını göstermektedir. AC side harmonics DC side current harmonics Voltage Current 1 0 (dc) * 2 18 17 19 20 21 36 38 40