Akım ve gerilim sensörleri bilgiler hesaplamalar

Akım ve gerilim sensörleri hıkkında detaylı Türkçe bilgiler özellikle halka tip akım trafosu hakkında ki bilgiler benim çok işime yarayacak bazı smps yüksek güçlü uygulamalarında bu tip akım trafoları kullanılıyor. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler

Voltmetreler

Elektrik gerilimini ölçen aletlere Voltmetre denir. Doğru ölçüm için voltmetre gerilimin ölçüleceği iki nokta arasına Şekil 3.1’deki gibi bağlanmalıdır. Voltmetrenin elektriksel eşdeğeri bir Zv (veya DA voltmetreler için Rv) ile gösterilebilir. Buradan bir elektrik devresine bağlı herhangi bir voltmetrenin Iv akımını çekeceği söylenebilir:

burada U ölçülen gerilimdir. Voltmetrenin gerilimi ölçülen devreyi etkilememesi için iç direncinin çok büyük olması istenir. İç direnci ne kadar büyük olursa voltmetre o kadar kaliteli olur.

Şekil 3.1. Voltmetrenin devreye bağlanışı

Gerilimin ölçülmesi için değişik çalışma prensipleri geliştirilmiştir. Akımlar, bir akım ve manyetik alan veya enerjilenmiş iletkenler arasındaki mekanik etkileşim gerilim veya gerilimin karesi ile orantılı bir mekanik tork üretmek için geçmişte sıklıkla kullanılmıştır.

Tablo 3.1’de en yaygın kullanılan voltmetrelerin çalışma prensipleri ve kullanım alanları verilmiştir. Elektromekanik voltmetreler uygulanan gerilimi akımların (elektrodinamik voltmetreler), akım ile manyetik alanın (elektromanyetik voltmetreler), enerjilenmiş iletkenlerin (elektrostatik voltmetreler) ve iletken bir pervanede indüklenen akımların (indiksiyon voltmetreleri) etkileşimi ile mekanik torka dönüştürerek ölçerler.

Tablo 3.1. Voltmetrelerin sınıflandırılması

Üretilen bu tork genellikle bir yay ile sınırlandırılır ve mekanik bir ibreyi veya sanal optik göstericiyi tork değeriyle dolayısıyla gerilim değeriyle orantılı bir açı kadar hareket ettirir. Gerilim değeri ölçülendirilmiş skala üzerinde hareket eden ibrenin okunmasıyla tespit edilmiş olur. İletkenden geçen akımın ısı etkisi de diğerleri kadar yaygın olmasa da gerilim ölçümünde kullanılmıştır. Son yıllarda yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler çalışma prensibi tamamen farklı elektronik voltmetrelerin geliştirilmesini sağlamıştır. Giriş sinyalinin elektronik yarı iletken elemanlar ile işlenmesi ile istenilen ölçüm gerçekleştirilmiş olmaktadır. Bu metot da giriş sinyali analog veya dijital işlenebildiği için voltmetreler analog ve dijital voltmetreler olarak sınıflandırılabilir.

Temel bir elektronik voltmetre Şekil 3.3’de gösterilmiştir. Giriş sinyali yarı iletken elemanlar tarafından işlenerek istenilen ölçüm gerçekleştirilir. Giriş portu yüksek empedans özelliği gösterir böylece sinyal kaynağına çok küçük bir etki yapar. Çıkış portu giriş sinyalinin işleniş yöntemine göre analog veya dijital olarak ölçüm sinyalini verir. Güç kaynağı girişi ölçüm yapmak ve sonucu göstermek için devrelerin gereksinim duyduğu enerji girişidir. Ayrı enerji kaynağına ihtiyaç duyması özellikle taşınabilir aletler için bir handikap olabilmektedir.

Şekil 3.2. Döner bobinli voltmetre

Elektronik voltmetreler giriş sinyalinin işleniş yöntemine göre analog ve dijital olarak iki gruba ayrılabilir. Analog voltmetrelerde ölçüm sonucu elektromekanik olarak gösterilebildiği gibi dijital olarak da gösterilebilir. Elektromekanik olanlara göre daha ucuz ve kullanışlıdırlar.

Şekil 3.3. Elektronik voltmetre

Gerilim Bölücüler

Gerilim bölücü R1 ve R2 olmak üzere seri bağlı en az iki dirençten oluşur. Ölçülecek gerilim seri bağlı bu dirençler üzerinde bölüşülür. V0 gerilimi R2 direnci üzerinde düşen gerilimdir ve giriş gerilimi ile R1 ve R2 direnç değerlerine bağlıdır. Direnç değerleri kullanılarak V0 geriliminden VS gerilimi hesaplanabilir.

Şekil 3.4. Gerilim bölücü

Giriş gerilimine göre V0 geriliminin almasını istediğimiz maksimum değer için direnç değerleri tespit edilir. Bu değerler tespit edilirken üzerlerinde kaybolacak güç de hesaba katılmalıdır. Ayrıca V0 geriliminin bağlanacağı devrenin empedansının küçük olması durumunda ölçüm hataları oluşacaktır. Bu hataların azaltılması için değeri büyük seçilmelidir. AA ölçümlerde kapasitif gerilim bölücüler kullanılmaktadır.

Şekil 3.5. 1:100 lük gerilim bölücü direnç (7,5Mohm+93Mohm)

Özellikle yüksek gerilimlerin ölçülmesinde kullanılan gerilim bölücülerin parasitik etkilerin (parasitik kapasitans ve endüktans) en aza indirilebilmesi için fiziksel tasarımı önem kazanmaktadır. Gerilim bölücüler doymanın söz konusu olmaması, tüm ölçüm aralığında lineer sonuç vermesi gibi nedenlerle yaygın biçimde kullanılmaktadır. Şekil 3.6’da ABB firmasına ait yüksek gerilim sensörleri (gerilim bölücü) görülmektedir.

Şekil 3.6. ABB gerilim bölücü dirençleri (24kV)

Gerilim Transformatörleri

AA gerilimin ölçülmesinde sıklıkla başvurulan diğer bir yöntem ise transformatör kullanmaktır. Özellikle mikrodenetleyici veya entegre devreler yardımıyla gerilim işlenecekse düşürücü tip bir transformatör yardımıyla ölçülmesi istenilen AA gerilim mikrodenetleyicilerin çalışabileceği seviyeye (genellikle 5V) indirilebilir. Transformatör manyetik bir nüve ve sargılardan oluşmaktadır. Sargıların sipir sayıları arasındaki oran (dönüştürme oranı) ve primer gerilimi sekonder gerilimini tespit etmek için yeterlidir. Şekil 3.7’de düşürücü tip transformatörün prensip şeması görülmektedir.

Şekil 3.7. Düşürücü tip transformatör prensip şeması

Transformatör, Şekil 3.8’deki primeri sekondere aktarılmış eşdeğer devre ile gösterilebilir (Şekilde dönüştürme oranı 1 kabul edilmiştir).

Şekil 3.8. Transformatör eşdeğer devresi (a=1)

Ayrıca ölçü aletleri ile ölçülmesi zor ve tehlikeli olan yüksek gerilimlerin ölçülmesinde gerilim transformatörleri kullanılır. Bunlar bir veya üç fazlı olabilirler. 36kV’a kadar üç fazlı gerilim trafoları kullanılsa da bu gerilimin üstünde bir fazlı olanları tercih edilir. Orta gerilim (OG) gerilim transformatörleri kuru tip, yüksek ve çok yüksek gerilimde kullanılanlar ise genellikle yağlı tiptir. 33kV’a kadar reçine özlü tasarımlar da mevcuttur. Şekil 3.9’da tipik bir gerilim transformatörü görülmektedir. Üç fazlı sistemlerde ekonomik olduğu için genellikle açık üçgen (V) bağlantı yapılır. Genel olarak iki sargılı düşürücü tip transformatörlere benzerler. Primer ölçülmesi istenen yüksek gerilim şebekesine sekonder ise ölçü aletine bağlanır. Bir gerilim transformatörüne birden fazla ölçü aleti bağlanabilir ancak ölçü aletlerinin toplam gücü transformatör gücünü geçmemelidir.

Şekil 3.8. Gerilim transformatörü

Transformatörün dönüştürme oranı ve faz hataları IEC 60044-2’de verilen bir doğruluk oranına uymalıdır.

Tablo 3.1. IEC 60044-2 ye göre gerilim transformatörü hata limitleri

Koruma amaçlı kullanılan gerilim transformatörleri için bu limitler genişletilmiştir.

Akım Sensörleri

Akım sensörlerinin seçiminde;
• Doğruluk
• Kararlılık
• DA’yıda içeren frekan tepkisi
• Galvanik izolasyon
• Okuduğu değeri veriş formatı
• Ölçülen devreye etkisi dikkate alınır.

En basit akım sensörü direnç’dir. Akım okuma işleminde devreye seri bağlanmasına rağmen bu dirence şönt’de denir. Ampermetrelerin ölçüm alanının genişletilmesinde de kullanılmaktadır. Direncin frekans tepkisi iyidir ve DA’yı içerir. Direnç analog–dijital ölçü aletleri, osiloskoplar gibi değişik ölçü aletleri ile gösterilebilecek bir gerilim üretirler.

25-400Hz frekansındaki AA akımların ölçümünde akım transformatörleri (CT) sıklıkla kullanılmaktadır. Akım taşıyan iletken toroid şeklindeki manyetik nüvenin içinden geçirilir. Sekonderde yüksek gerilimler indüklenmemesi için sekonder uçları kısa devre edilir. Kısa devre edilmiş n sarımlı sekonder sargıları ölçülen akımın 1/n değerinde olan sekonder akımı geçer. Bu akım bir ampermetre veya başka bir akım (veya güç) ölçücü devrenin giriş sinyali olarak kullanılır. Akım trafoları galvanik izolasyon sağlarlar. Ancak izolasyon kalitesini primer devresinde kullanılan izolasyon malzemesinin kalitesi belirler. Frekans tepkisi iyidir, DA içermez, fiyatları ucuzdur.

DA akım algılanmasında pek çok sensör kullanılabilir. Bunların pek çoğu hall etkisine dayanır ve harici güç kaynağı gerektirir. DA’dan 200kHZ‘e kadar frekans tepkisi yayınlanmaktadır. Çıkış sinyali gerilim, akım veya dijital olabilir. Ölçüm doğruluğu kullanılan elemanın kalitesine bağlıdır (elemanın kalitesi arttıkça fiyatı da artmaktadır).

Akım transformatörleri, hall elemanlar ve diğer benzer temassız yöntemler enerji kesilmeden akımın ölçüleceği iletkenin dışarıdan sarılmasıyla kullanılabilir. Bu işlem her zaman manyetik devrenin kesilmesi ve kararlılığın tekrar kurulması duyarlılığı sınırlar. Pens tipi osiloskop akım probları ve akım trafoları 10000A e kadar yapılabilmektedir.

Şöntler

Akım yolu üzerine bir direnç bağlanması ve bu direnç üzerinde düşen gerilim değerinin ölçülmesi suretiyle akım değerinin hesaplanması prensibiyle çalışır. Ölçülecek akımın tamamını taşıdığı için üzerinde ısı olarak güç harcanmakta, ayrıca ısındıkça direncin değeri değişeceğinden ölçüm hatalarına sebep olabilmektedir. Güç kaybı direnç üzerinde düşecek gerilim değerine bağlıdır. Düşük güç kaybı için bu gerilim düşürüldüğünde ise ölçüm hassasiyeti azalmaktadır (50mV standartlaşmıştır). Şöntler ölçülen devre ile ölçüm devresi arasında galvanik (elektriki) izolasyon sağlamazlar.

Şekil 3.9. İnce metel katmanlardan yapılan şönt

Şöntler ile AA’nın ölçümü deri etkisinden ve şöntün endüktans değerinden etkilenmektedir. Deri etkisi Şekil 3.9’da gösterildiği gibi şöntün tasarımında çok sayıda paralel ince metal tabaka kullanılarak azaltılabilir. Böylece soğutulmasına da katkı sağlanmış olur. Boyutların küçültülmesi haricinde endüktans için yapılabilecek pek fazla bir şey yoktur.

Şöntün devrenin çıkışına (yük ile şase arasına – yükten sonra) bağlanmasıyla güvenlik arttırılabilir. Böylece çıkış uçları şaseye yakın olur. Bununla beraber bu durumda şase yolunda bir direnç oluşur ve bu cihaz içerisindeki sinyal bağlantılarının ortak şase (common mode) gereksinimlerinden etkilenir. Şönt devrenin girişine (yükten önce) bağlanırsa bağlantılara ve yanlış şase bağlantılarına karşı dikkatli olunmalıdır.

Bağlantılar için kullanılan iletkenin bir bölümü üzerinde düşen gerilimin ölçülmesi de başvurulan bir yöntemdir.

Akım Transformatörleri

Akım transformatörü, yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir malzemeden yapılmış toroidal nüve, nüve üzerine sarılmış n sarımlı bir sekonder sargıdan oluşur. Sekonder sargı düşük dirençli bir yüke bağlanır. Şekil 3.10’da gösterildiği gibi akım taşıyan iletkenin bu nüve içerisinden geçirilir.

Şekil 3.10. İdeal akım transformatörü

Tek sarımlı primer sargıdan geçen alternatif akım nüvede bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan sekonder sargıda emk ve akım indükler. Sekonder akımı primer akımının sarım sayısına bölümü kadar ve primer akımıyla aynı fazdadır. Yakınlardaki iletkenler ve iletkenin akım trafosu içindeki pozisyonu ölçümü az da olsa etkilemektedir.

Sekonder devre düşük dirençli bir akım veya güç ölçüm devresine bağlanabilir. Sekonder direnci hiçbir zaman sıfır olamadığı için manyetik kuplaj hiçbir zaman mükemmel olamaz.
Sekonder direnci nedeniyle güç kaybı oluşur ve nüvedeki manyetik akı sıfır olmaz. Sekonde akımı primer akımından frekansa bağlı bir miktarda ilerdedir. Üreticilerin belirlenen sekonder direnç değerleri için doğruluğu optimize eden yöntemleri mevcuttur.

Bunun için sipir sayısı beklenilenden farklı olabilir. Laminasyonlar nüvenin ısınmasını en aza indirmek için seçilir. Akım transformatörlerinden bahsederken 100:5 gibi oranlardan bahsedilir. Bu primerden 100A geçtiğinde sekonderden 5A geçtiği anlamına gelir. Manyetik doyumun önüne geçmek için büyük akımlı transformatörlerde büyük yapılmaktadır. En iyi manyetik malzemeler kullanıldığında dahi eddy ve histeresis kayıplarının önüne geçilemez. Nüve kayıpları kabul edilemez ise başka bir yöntem kullanılmalıdır.

Akım transformatörleri düşük frekanslı akım ve güç ölçümü için kullanılmaktadır. Verici antenlerindeki radyo frekanslı akımlar uygun nüveler ile ölçülebilir. Uygun bileşimli ferit nüveler anahtarlamalı güç kaynaklarındaki PWM akımlarının ölçülmesinde kullanılabilir.

Uygulamada manyetik nüvesinde hava aralığı bulunan nüveler de kullanılmaktadır. Küçük bir hava aralığı nüvenin manyetik özelliklerini tamamen değiştirmektedir. Hava aralığı sekonder sipir sayısını önemli miktarda (10000 sarım gibi) arttırmaktadır. Bu durumda nüvenin doyması söz konusu değildir. B küçük olduğundan eddy akımı kayıpları daha az önemlidir. Çok yüksek akımlı olanlarda dahi güç kaybı düşüktür. Çıkış gerilimi sonraki işlemler için gerekli DA gerilimin elde edilebilmesi için diyotlar ile doğrultulabilecek kadar yüksektir.

Şekil 3.11. Nüvede küçük bir hava aralığı bırakılması sekonder sipir sayısını önemli miktarda arttırarak yüksek çıkış gerilimli akım-gerilim dönüştürücü elde edilmesini sağlar.

Tablo 3.2. IEC 60044-1’e göre akım transformatörü hata limitleri

İdeal ve gerçekleşen sekonder akımları arasındaki farkın (hatanın) etkin değeri IEC 60044-1 ile sınırlandırılmıştır. Bu sınırlama akım ve faz hataları ile uyartım akımındaki harmonik etkileri içerir.

Şekil 3.12. Yüksek gerilim akım transformatörü

Rogowski Bobini

0,1Hz’den düşük frekanslardan 1MHz frekansına kadar olan AA akımların ölçümü için geliştirilen yeni bir teknolojidir. Ölçüm aralığı bir kaç miliamperden 1 milyon ampere kadardır. Çok iyi bir geçici tepkiye sahip olan bu transdüserler çok büyük ve farklı şekillerdeki iletkenlerden geçen akımların ölçülmesinde kullanılabilir. Rogowski bobini iletkenin etrafını saran nüvesiz-hava nüveli toroidal bir bobindir. İletkenden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan bobinde akımın değişim oranına bağlı bir gerilim indükler. Bobin ile bir integral alıcının birleşimi ile geniş bir değer aralığındaki frekans, akım seviyesi ve iletken şekli için çok yönlü bir akım ölçüm sistemi elde edilir.

Çıkış frekanstan bağımsız ve doğru faz tepkilidir, karmaşık akım dalga şekilleri ve geçici durumlar ölçülebilir. Rogowski bobininin en önemli özelliklerinden birisi çıkışın doğal olarak lineer olmasıdır. Bobin doyumlu bileşen içermez ve çalışma sınırına kadar çıkış akıma bağlı olarak doğrusal biçimde artar. İntegral alıcı devre de elektronik elemanların doyum noktasına kadar doğrusaldır. Doğrusallığı nedeniyle her akım değerinde kolayca kalibre edilebilir, çok geniş bir dinamik tepkiye ve çok iyi bir geçici tepkiye sahiptir.

Şekil 3.12. Rogowski bobini

Akım ölçümünde kullanılan pek çok ampermetre saf sinusoidal akımın ölçümünde doğru sonuçlar verir. PWM motor kontrol sistemleri, tristör ve triyaklı denetleyiciler ve anahtarlamalı güç kaynaklarının akımları temel bileşenin yanında yüksek frekanslı harmonik bileşenler içerirler ve geleneksel ölçü aletlerinin yanlış ölçümünler yapmasına neden olur. Gerçek RMS değer ölçen devrelerin kullanıldığı ölçü aletleri yüksek frekans bileşenlerini çıkarır ve doğru RMS değerin ölçülerek gösterilmesini sağlar.

Şekil 3.13. ABB üretimi rogowski bobini prensibine göre çalışan akım sensörü 1600A

Hall etkili sensörler

Hall etkisi 1879’da Dr Edwin Hall tarafından bulunmuştur. Kelvin tarafından sunulan elektron akış teoremini doğrulamaya çalışırken dikdörtgen biçimindeki ince bir altın tabakasının kendisine dik bir manyetik alanın etkisinde kaldığında iki kenarı arasında bir potansiyel fark oluşturduğu nüve bu farkın iletkenden geçen akım ve iletkene dik manyetik akı yoğunluğuna bağlı olduğunu tespit etmiştir.

Şekil 3.14’de ince bir yarı iletken tabakadan (hall eleman) akım geçmektedir. Çıkış uçları akım yönüne diktir. Manyetik alan yok iken akım dağılımı düzgün ve potansiyel fark sıfırdır.

Şekil 3.14. Hall etkisi, manyetik alan yok iken

Şekil 3.15’deki gibi iletken tabakaya dik bir manyetik söz konusu iken Lenz kanununa göre akımın düzgün dağılımı bozulur ve bunun sonucunda çıkış uçları arasında potansiyel fark oluşur. Bu gerilim Hall Gerilimi’dir ve akım ve manyetik akının etkileşimi sonucu oluşmaktadır ve aşağıdaki formül ile hesaplanabilir:

Şekil 3.15. Hall etkisi, manyetik alan var iken

Hall etkili sensörler silikondan yapılabilse de genellikle elektron hareketliliği yüksek yarı iletkenlerden yapılmaktadır. Hassasiyetleri 100 µT kadar düşük olabilmektedir.

Prensip olarak akım taşıyan iletkenlerin yakınına yerleştirilerek bu akım tarafından oluşturulan manyetik alana maruz bırakılması gereklidir. Ancak uygulamada yakındaki diğer iletkenlerden etkilenebildikleri için Şekil 3.16’daki gibi büyük hava arlığı olan bir akı toplayıcının üzerine monte edilirler.

Hall gerilimi bir kaç mV’dur ve yükseltilmelidir. Yükselticilerin sıfır ayarı (özellikle DA ölçümlerde) tam yapılmalıdır. Eşik (referans) akımı dikkatli biçimde kontrol edilmelidir. Küçük hava aralığı durumunda hassasiyet en iyi olsa da hall elemanın hava aralığına yerleştirilebilmesi için hava aralığının endüktif sensörlerdekinden büyük olması gereklidir. Ayrıca büyük hava aralığı yabancı manyetik alanların etkisini de azaltır. Doğruluk ve doğrusallık kapalı döngü sensörler ile arttırılabilir.

Şekil 3.16. Hall etkili akım sensörü