ENDÜKSİYONLA ISITMA (EI, IH) GÜÇ KATSAYISI DÜZELTME (GKD, PFC) GÜÇ ELEKTRONİĞİ ENDÜKSİYONLA ISITMA (EI, IH) GÜÇ KATSAYISI DÜZELTME (GKD, PFC)  

ENDÜKSİYONLA ISITMA (EI, IH) Endüksiyonla ısıtma, bir bobine uygulanan AC akımın oluşturduğu manyetik alanın bobin içerisindeki iletken bir malzeme üzerinde endüklediği gerilim tarafından geçirilen akımın malzemeyi ısıtması şeklinde tanımlanır. Manyetik malzemelerde ayrıca mıknatıslanma kayıpları oluştuğundan, bu tür malzemelerin ısıtılması daha kolaydır. Ancak, bu malzemeler Curie noktasının üzerinde manyetik özelliğini kaybeder.

NÜFUZ DERİNLİĞİNİN TANIMI Bütün akımın malzeme yüzeyinden itibaren akımın sabit değerde erişebileceği derinliğe nüfuz derinliği denilir. Endüksiyonla ısıtmada, uygun frekansın seçiminde önemli bir rol oynayan nüfuz derinliği;  : Nüfuz Derinliği r : Bağıl Manyetik Geçirgenlik  : Özgül Direnç f : Frekans bağıntısı ile bilinmektedir.

Şekilde verilen silindirik bir malzeme kesiti ile akım yoğunluğu diyagramı nüfuz derinliğinin tanımını göstermektedir.

ENDÜKSİYONLA ISITMANIN ÜSTÜNLÜKLERİ Klasik ısıtmada, ısınma olayı malzemenin ısıl iletimi ile oluşur. Eriyen kısma ısı verilmeye devam edilir. Bir cüruf tabakası oluşur. Bu tabaka ısıl iletimi zorlaştırır. Fırın kapağının sık sık açılması gerekir. Genellikle malzemede yanmalar oluşur. Klasik ısıtmada, ısınma olayı yavaştır, verim ve kalite düşüktür. Klasik ısıtmada gün ve saat mertebelerinde oluşan ısıl işlemler, endüksiyonla ısıtmada dakika ve saniye mertebesinde gerçekleşir. Endüksiyonla ısıtmada, manyetik iletimle oluşan ısınma olayı çok hızlıdır, verim ve kalite yüksektir. Endüksiyonla ısıtma ile günümüzde, ısıtma, eritme, lehim yapma, kaynak yapma, haddeleme, sertleştirme, yüzey sertleştirme… gibi pek çok ısıl işlem gerçekleştirmektedir.

Günümüzde, bu güç kaynaklarının çok büyük avantajlara sahip olan statik inverterler ile sağlanmasına çalışılmaktadır. Bu amaçla, seri veya paralel rezonanslı inverterler yaygın olarak kullanılmaktadır. Yine frekansa bağlı olarak bu AC güç kaynaklarını üreten inverterler, 10 kHz’e kadar Tristör 20 kHz’e kadar GTO 100 kHz’e kadar IGBT Daha Yukarı kHz ler için MOSFET ile elde edilmektedir.

ENDÜKSİYONLA ISITMANIN ELEKTRİKSEL EŞDEĞER DEVRESİ Şekil üzerindeki semboller, endüksiyon bobini için, Rb : Kayıp ısıl güç Rp :Malzemeye verilen ısıl güç Xo : Bobin endüktansı Ro : Toplam (eşdeğer) direnç anlamındadır.

Bu eşdeğer devre için genel olarak, bağıntıları yazılabilir.

Endüksİyonla IsItma Sistemlerİ 1 Endüksİyonla IsItma Sistemlerİ 1. KontrollüDoğrultucu ve İnverter Grubu ile Endüksiyonla Isıtma Bu sistemde, rezonanslı inverterin giriş gerilimi kontrollu doğrultucu ile ayarlanarak güç kontrolü sağlanmaktadır. AC şebekeden oldukça büyük reaktif güçler çekilmektedir.

Burada, kayıpları ihmal edilirse,  eşitlikleri yazılabilir.

2. Kontrolsüz Doğrultucu, DC Kıyıcı ve İnverter Grubu ile Endüksiyonla Isıtma Bu sistemde ise, rezonanslı inverterin besleme gerilimi DC kıyıcı ile ayarlanarak güç kontrolü yapılmaktadır. Kontrolsüz doğrultucu DC kıyıcının beslenmesi için sabit bir DC gerilim üretmektedir. AC şebekeden çekilen reaktif güç oldukça düşüktür.

ENDÜKSİYONLA HOMOJEN ISITMA Endüksiyonla homojen ısıtma, sertleştirme, eritme, haddeleme, gerilim giderme ve menevişleme amaçları ile yapılır. Genel olarak, malzemenin cinsi ve çapı ile ısıtma amacına göre uygun frekans ve güç yoğunluğu değerleri seçilir.  Genel olarak, frekans ve güç yoğunluğu değerleri, yüzey sertleştirmeye göre daha düşüktür. Güç yoğunluğu ısınma süresini doğrudan etkiler. Güç yoğunluğu arttıkça ısınma süresi azalır. Frekans arttıkça ısınma derinliği düşer.

Minimum Frekans ve Isınma Süresi Değişimleri Homojen ısıtmada, malzemenin çapı arttıkça, uygulanan AC gerilimin frekansı düşürülür. 5 cm’nin üzerindeki çaplar için, 50 Hz’lik AC gerilim kullanılır. Homojen ısıtmada, belli bir frekans için, malzemenin çapı arttıkça ısınma süresi de artar.

Minimum Frekansın Pratik Seçimi Dökme Çeliklerde Pratik Frekans Değerleri Manyetik malzemeler, Curie noktasında mıknatıslanma özelliklerini kaybederler. Bu durumda, aynı frekansta bobinin endüktansı büyük miktarda düşeceğinden, devreden çok aşırı akımlar çekilebilir. Bu nedenle, Curie noktasına erişildiğinde, frekans yükseltilerek akımın sınırlanması sağlanır. Çap (mm) Pratik Frekans Curie Noktasının Altında Üstünde 0-6 450 k 6-12 3 k 10 k 12-25 1 k 10-3 k 25-50 3-1 k 50-75 50 > 75…

Demir Olmayan Metallerde Pratik Frekans Değerleri Çap (mm) Frekans 0-12 450 k 12-25 10-3k 25-75 1 k 75 50 Manyetik olmayan malzemelerde, genellikle manyetik malzemelere göre daha yüksek frekanslar kullanılmaktadır.

ENDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Bir çelik malzeme yüzeyinin belli bir derinlikte sertleşmesi, istenilen derinlikteki malzeme yüzeyinin belli bir sıcaklığa kadar endüksiyonla ısıtılıp uygun bir ortamda soğutulması şeklinde sağlanmaktadır. Burada, uygun bir frekans ve güç yoğunluğunun seçilmesi oldukça önemlidir. Sertleşmenin derinliği frekansa çok bağlıdır. Isı malzeme içerisine işlemeden işlemin tamamlanması gerektiğinden, güç yoğunluğu homojen ısıtmaya göre oldukça yüksek ve ısınma süresi oldukça kısa olmalıdır.

GÜÇ KATSAYISI İLE FAZ FARKI VE HARMONİKLER Güç Katsayısı, temel olarak aktif gücün görünen güce oranı şeklinde tanımlanır. AC şebekenin gerilimi ile şebekeden çekilen akımın sinüsoidal olması yani harmoniklerin bulunmaması durumunda, görünen, aktif ve reaktif güçler ile güç katsayısı ifadeleri, S = V.I P = V.I.Cosφ Q = V.I.Sinφ S2 = P2 + Q2 GK = P/S = Cosφ şeklinde yazılır.

Burada, φ gerilim ile akım arasındaki faz farkı, Cosφ ise güç katsayısı olarak bilinir. Yük saf omik ise, φ=0, Q=0, S=P ve Cosφ=1 olur. Yük omik-endüktif veya omik-kapasitif ise, mutlak değer olarak S>P ve Cosφ <1 olacaktır. Faz farkı arttıkça, reaktif güç büyür ve güç katsayısı küçülür.

Aktif güç, işe yarayan, ısı, ışık veya mekanik enerjiye dönüşen güç demektir. Reaktif güç ise, işe yaramayan, gereksiz yere şebekeden çekilen, generatör, transformatör, kablo ve devre elemanlarının güç kapasitelerini gereksiz yere dolduran güç demektir. Motor, transformatör, bobin gibi omik-endüktif yükler doğal olarak reaktif güç çekerler. Ancak, reaktif gücün şebekeden çekilmesi önlenmelidir. Buna, Güç Katsayısının Düzeltilmesi veya Reaktif Güç Kompanzasyonu denilmektedir. Güç Katsayısı ne kadar düzeltilirse, yani ne kadar 1’e yaklaştırılırsa, devre ve elemanların hacim ile fiyatları o kadar düşer ve güç yoğunlukları o kadar artar.

Diğer yandan, generatör ve transformatörlerin doyuma gitmesi veya lineer olmayan yüklerin bulunması gibi sebeplerle, gerilim ve akım dalga şekilleri sinüsoidalden uzaklaşmakta yani harmonikler oluşmaktadır. Bu harmonikler, şebeke ve yüklerin bozulmasına ve güç katsayısının düşmesine neden olmaktadır. Harmonik güçler de işe yaramayan güçlerdir. Harmonikli bir sistem için, genel olarak, S = V.I P = P1 = V1.I1.cosφ1 Q = Q1 = V1.I1.sinφ1 S12 = P2 + Q2 Qt2 = Q12 + Qh2 S2 = P2 + Qt2 GK = P/S = (V1/V).(I1/I).cosφ1 bağıntıları yazılır.

Burada, 1 indisleri, temel bileşenleri ifade etmektedir. S görünen güç, P aktif güç, Q reaktif güç, Qt toplam reaktif güç, Qh harmonik güç anlamlarındadır ve bütün gerilim ve akım değerleri efektiftir. Aktif güç, gerilim ve akımın temel bileşenlerinin efektif değerleri ile bu temel bileşenler arasındaki faz farkının kosinüsünün çarpımına eşittir. Güç faktörü ifadesinde, V1/V oranı gerilimin temel bileşen katsayısı, I1/I oranı akımın temel bileşen katsayısı ve cosφ1 ise temel bileşenler arasındaki faz farkını ifade etmektedir. Temel bileşen katsayılarının 1’den ne kadar küçük olduğu, harmonik içeriğin ölçüsünü gösterir

HARMONİK ÜRETEN KAYNAKLAR HARMONİKLERİN ÜRETTİĞİ PROBLEMLER Transformatörler Dönen makinalar Güç elektroniği elemanları Yüksek gerilim DC taşıma Statik VAR generatörleri Kesintisiz güç kaynakları Ark fırınları Elektronik balastlar Gaz deşarjlı aydınlatma Fotovoltaik sistemler Generatör ve şebeke geriliminin bozulması Gerilim düşümünün artması Kompanzasyon tesislerinin aşırı reaktif yüklenme ve dielektrik zorlanma nedeniyle zarar görmesi Enerji sistemindeki elemanlarda ve yüklerde kayıpların artması Motorlarda moment salınımlarının ve aşırı ısınmanın meydana gelmesi Endüksiyon tipi sayaçlarda yanlış ölçmeler Şebekede rezonans olayları ve bunun neden olduğu aşırı gerilim ve akımlar Koruma ve kontrol düzenlerinde sinyal hataları İzolasyon malzemesinin delinmesi Elektrik aygıtlarının ömrünün azalması Sesli ve görüntülü iletişim araçlarında parazit ve anormal çalışma Mikro bilgi işlemciler üzerinde hatalı çalışma Elektromekanik cihazlarda ve kablolarda ısınma Ateşleme devrelerinin anormal çalışması CAD/CAM terminallerinde hafızaların silinmesi Elektronik kart arızaları Güç kondansatörlerinde güç kayıpları, delinmeler ve patlamalar Kompanzasyon sigortalarında atmalar Kesici ve şalterlerde açmalar Röle sinyallerinin bozulması ve anormal çalışması

GÜÇ KATSAYISINI DÜZELTME YÖNTEMLERİ Faz farkı ve harmonikler nedeniyle düşen güç katsayısının 1’e yaklaştırılmasına Güç Katsayısının Düzeltilmesi (GKD, PFC) denilmektedir. O halde, GKD hem reaktif gücün hem de harmoniklerin yok edilmesi veya en aza indirilmesi anlamlarını taşımaktadır. Temel olarak düşük güç katsayısı, ek kayıplara, ek ısınmalara, ek momentlere, ek gürültülere, ek titreşimlere, erken bozulmalara, kapasite kullanımı azalmalarına, hatalı çalışmalara vb. neden olmaktadır.

Reaktif güç ve/veya harmoniklerin azaltılması suretiyle, güç katsayısı, klasik olarak,  Reaktif Güç Kompanzasyonu (kondansatör bataryaları kullanılarak) Filtreler (bobin ve kondansatörler kullanılarak)  kullanılarak veya modern olarak, Statik Reaktif Güç Kompanzasyonu (bobin ve kondansatörler ile yarı iletkenler kullanılarak) GKD Kontrol Yöntemleri (PWM ve diğer kontrol yöntemleri kullanılarak) Aktif Filtreler (akım şekillerinin ani değerleri takip ve kontrol edilerek) gibi güç elektroniği sistemleri ile düzeltilebilmektedir.

DOĞRULTUCULARDA GÜÇ KATSAYISINI DÜZELTME Güç katsayının düzeltilmesi, doğrultucu girişinin basit bir direnç gibi davranmak üzere düzenlenmesidir. Aktif filtre, bunu giriş akımını giriş gerilimine göre programlayarak yapar. Büyük değerli bir kondansatörle yüklenen bir doğrultucunun AC gerilim kaynağından çektiği akım, normal olarak aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi darbeler şeklinde, faz farklı ve harmoniklidir. Burada, güç katsayısı oldukça düşüktür.

GÜÇ KATSAYISININ DÜZELTİLMEMESİ DURUMUNDA Güç kaynağı giriş devresi. AC kaynaktan güç çekilen bölgeler. Çekilen DC akımın dalga şekli.

Doğrultucuların AC şebeke girişindeki güç katsayısının düzeltilmesinde, doğrultucu çıkışında yaygın olarak yükseltici tür bir DC-DC dönüştürücü kullanılmaktadır. Girişteki güç katsayısının düzeltilmesi için uygun olan bu dönüştürücünün dezavantajı, çıkış geriliminin yüksek olması zorunluluğudur.

GÜÇ KATSAYISININ DÜZELTİLMESİ DURUMUNDA Güç kaynağı giriş devresi. AC şebekeden çekilen veya düzenlenmiş endüktans akımının dalga şekli.

Aktif Güç Filtresinin Genel Yapısı Aktif güç filtreleri yapı olarak aşağıdaki kısımlardan oluşmaktadır: Harmonik belirleme birimi Referans akımı hesaplama birimi Akım kontrol devresi Dönüştürücü

AKTİF FİLTRENİN PRENSİBİ Aktif filtreler, şebekeden çekilen akımın ani değerlerini okuyarak, bu akımın harmoniklerini yok etmek üzere sisteme uygun akım darbelerinin enjekte edilmesi prensibine dayanmaktadır. Aktif filtreler, lineer olmayan yüklerin çektiği harmoniklerin AC şebekeye yansımasını önler ve güç katsayısı 1 olmak üzere şebekeden sinüsoidal bir akımın çekilmesini sağlar. Bir lineer olmayan yük tarafından şebekeden çekilen akımın içerisinde, bir temel frekanslı bileşen iL1 ile farklı frekanslardaki harmonik veya bozucu bileşenler İLbozulma bulunmaktadır. Aktif filtre tarafından, yük akımı algılanır, bu akımın içerisindeki harmonikleri yok etmek üzere akım darbeleri üretilir ve bu darbeler yük akımına enjekte edilir. Böylece, yükün çektiği harmoniklerin AC şebekeye yansıması önlenir.

Bir Aktif Filtrenin Temel Blok Şeması. Aktif filtrede, temel olarak akım darbelerini anahtarlamalı bir DC-AC dönüştürücü üretir ve bu dönüştürücünün DC girişinde küçük değerli bir kondansatörün bulunması yeterlidir. Bir Aktif Filtrenin Temel Blok Şeması.

Harmonik belirleme birimi aktif güç filtresinin en önemli kısmıdır Harmonik belirleme birimi aktif güç filtresinin en önemli kısmıdır. Yük akımındaki harmonikleri yok edecek olan kompanzasyon akımını üretmek için çoğunlukla iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlar “p-q Teorisi” olarak da bilinen ani reaktif güç yöntemi ve “Fourier Serisi (FFT)” yöntemidir. Ani güç yönteminde yük akımındaki her bir harmoniğin ayrı ayrı belirlenmesine ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu yöntem anlık çalışır ve o anda ölçülen akımı, tam sinüs dalgasına tamamlamak amacı ile kompanzasyon akımını üreten hesaplama devrelerinden oluşmaktadır. FFT yöntemi, “Frekans Domeninde Düzeltme” olarak ta bilinmektedir. Fourier analizi ile yükteki harmonik bileşenleri ayrı ayrı belirlenmekte ve daha sonra da aynı harmonik bileşenlerine sahip ters fazda fakat aynı genlikte bir akım dalgası üretilmektedir.

Akım kontrol devresinin girişinde harmonik belirleme biriminde üretilen referans filtre akım sinyali ve filtre çıkışı akım sinyali, çıkışında ise inverter devresi tetikleme sinyali bulunmaktadır. Temel olarak referans akım sinyalleri ile çıkış akım sinyalleri arasındaki fark işlenerek yarı iletken devre elemanlarının kapı sinyalleri üretilmektedir. Aktif güç filtresi akım beslemeli inverter veya gerilim beslemeli inverter kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir. Dönüştürücülerdeki DC kaynak gerilimi ya AC devreden doğrultularak ya da ayrı bir sarj devresinden elde edilmektedir. Gerilim beslemeli inverterin DC kaynağı, gerilim değişimlerine dayanabilen bir kondansatörden oluşmaktadır. Akım beslemeli inverterde ise DC kaynak olarak akım değişimlerine dayanıklı bir bobin kullanılmaktadır. Bu inverterlerde yarı iletken eleman olarak BJT, SCR, GTO ‘lar ve son uygulamalarda ise IGBT ‘ler yer almaktadır.