İnverterler Hakkında Ve Örnek Dc Ac Uygulaması

İnverterler doğru akımı alternatif akıma çeviren dc-ac konverter’lerdir. Bir inverterin görevi girişindeki bir doğru gerilimi çıkışında istenen genlik ve frekansta simetrik bir alternatif gerilime dönüştürmektir. Çıkışta elde edilen gerilim ve frekans değerleri sabit veya değişken olabilir. Girişteki dc gerilim değiştirilmek ve inverter kazancı sabit tutulmak suretiyle, değişken bir çıkış gerilimi elde edilebilir. Diğer taraftan giriş geriliminin sabit olması halinde, inverter kazancı değiştirilmek suretiyle değişken bir çıkış gerilimi elde edilebilir. İnverter kazancı; çıkıştaki ac gerilimin girişteki dc gerilime oranı olarak tarif edilebilir. Girişindeki dc gerilimin sabit olduğu bu tür inverterlere “Gerilim Beslemeli İnverter” adı verilir.

İnverterler; gerilim beslemeli ve akım beslemeli olmak üzere iki gruba ayrılır. Gerilim Beslemeli inverterler sabit dc gerilimle beslendiği halde, Akım Beslemeli İnverterler bir akım kaynağından beslenirler. Bir gerilim kaynağına seri olarak bir endüktans bağlanmak suretiyle, bu kaynak bir akım kaynağına dönüştürülebilir. Bir geri besleme çevrimi yardımı ile gerilim değiştirilmek suretiyle istenen akım elde edilebilir. Bir gerilim beslemeli inverter, akım kontrol modu’nda çalıştırılabilir. Benzer şekilde bir akım kontrollü inverter, gerilim kontrol modu’nda çalıştırılabilir. Bir tek fazlı gerilim veya akım beslemeli inverter genel olarak; Yarım köprü, Tam Köprü, H-Köprüsü veya Orta Uçlu Transformatörle Gerçekleştirilen Push-Pull Montajında olabilir. Tek fazlı inverterter aralarında bağlanarak üç fazlı veya çok fazlı ac sistemler elde edilebilir.

İnverterler; ac makinelerin sürülmesinde (beslenmesinde), regüle (ayarlı) gerilim ve frekanslı güç kaynaklarında, kesintisiz güç kaynaklarında (KGK veya UPS), endüksiyonla ısıtmada, ultrasonik dalga üretiminde, aktif güç şebeke filtreleri ve buna benzer uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılırlar.

Yüksek Frekanslı pwm inverter, Sinüs inverter, Solar güç invertörü

Tek Fazlı Yarım Köprü Montajı : Gerilim beslemeli inverterin girişindeki dc gerilim; bir redresör (ac gerilimi doğrultan devre) ac şebeke gerilimini dc üzerinden mevcut ac şebekeden, bir akü bataryasından, bir yakıt pilinden veya bir güneş pilinden temin edilebilir. Beslenmek istenen ac yükün gücüne ve cinsine göre inverterler, tek fazlı veya üç fazlı olabilirler elde edilir.

Performans Parametreleri : Pratikte inverterlerin çıkış gerilimlerinde belirli harmonikler bulunur ve bir inverterin kalitesi, aşağıda sıralanan performans parametreleri ile değerlendirilir.

Harmonik Faktörü (HF): Belirli bir harmonik için tarif edilen Harmonik Faktörü; ilgili harmoniğin efektif değerinin, ana dalga efektif değerine oranı olarak tarif edilir.
Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD): Bir dalga şekli ile ona ait ana dalga bileşeni arasındaki yakınlığı ifade eden THD, aşağıdaki gibi tarif edilir.

Distorsiyon Faktörü (DF): THD, bir dalga şeklinin toplam harmonik içeriği hakkında bilgi verir. Fakat özellikle filtre planlaması için her harmonik bileşenin seviyesi önemlidir. Eğer inverter çıkışında bir filtre kullanılırsa, daha yüksek mertebeden olan harmonikler daha çok zayıflatabilirler. Bu nedenle her harmoniğin hem frekansının hem de genliğinin bilinmesi önem taşır.

En Düşük Mertebeden Harmonik (LOH) : LOH, frekansı ana dalga frekansına en yakın olan harmonik bileşendir. Genliği ana dalga bileşeni genliğinin % 3’üne eşit veya daha fazladır.

Tek Fazlı Köprü Montajı: Tek fazlı köprü montajındaki bir inverterin bağlantı şeması verilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi dc gerilim kaynağının orta uçlu olmasına gerek yoktur. Qı ve Q2 transistörteri birlikte iletime sokulurlarsa, yükün uçlarında Ud giriş gerilimi oluşur. Diğer yarım periyotta bu kez Q3 ile Q4 birlikte iletime geçirilirse, yük gerilimi yön değiştirerek –Ud’ye eşit olur. Şekil 1.2b’de görüldüğü gibi kare dalga şeklinde değişen bir yük gerilimi elde edilir.

Çıkış Geriliminin Süzülmesi (Filtre Edilmesi) : Tam sinüsoidal gerilim isteyen hassas yüklerin beslenmesi için inverter çıkışına Şekil 1.4’de görüldüğü gibi bir filtre eklenmesi gerekir. Bu montajda inverter çıkışındaki iA yük akımı sinüsoidaldir. Fakat transformatör sekonder akımı iAF henüz bir kısım harmonikleri içermektedir. Çıkış geriliminin tam sinüsoidal olması ancak enine filtre ile sağlanmaktadır. İnverterin çalışma prensibini incelemek için, esasen az miktarda olan enine filtre tarafından süzülen harmonikler ihmal edilerek, transformatör akımı iAF’nin de sinüsoidal olduğu kabul edilebilir

Tek Fazlı Darbe Genişlik Modülasyonlu (PWM ) İnverter : Tek fazlı köprü montajında çapraz köprü kolları gecikmeli olarak iletime sokularak, yarım periyoda ait kare dalganın genişliği ayarlanmaktadır. Bu gerilim ayar metoduna “Darbe Genişlik Kontrolü” veya genel anlamda “Darbe Genişlik Modülasyonu ( PWM )” adı verilir. Ancak burada tek darbe bulunduğundan, PWM’in “Tek Darbe Modülasyonu” grubuna girmektedir. PWM genel olarak çıkış gerilimi dalga şeklinin harmonik içeriğini değiştirir.

Kare Dalga (Altı Basamaklı) İnverter : Üç fazlı inverterler, kullanılan kontrolün cinsine bağlı olarak kare dalga inverter ve PWM inverter olmak üzere iki guruba ayrılır.  Üç Fazlı Kare Dalga İnverterin çalışma prensibi tek fazlı köprü montajındaki inverterdeki gibidir. Orada olduğu gibi her kontrollü eleman, iletime sokulduktan sonra 1800 iletimde tutulur. Böylece her çıkış ucu periyodik olarak yarım periyot süre ile, kaynağın bir pozitif ve bir negatif barası ile irtibatlanır. Yarım köprüler birbirine göre 1200 faz farkı ile iletime sokularak üç fazlı bir sistem elde edilir.

Üç fazlı PWM inverteler : inverterin ana akım devresi Şekil 1.16’daki gibi olup, kare dalga inverterin ana akım devresinin aynıdır. Fakat kollardaki elemanların anahtarlama sırası daha karmaşıktır. Çıkış gerilimi dalga şekli değiştirilerek gerilim kontrolü inverterin kendi içinde yapılır Girişindeki dc gerilimin ayarı gerekmediği için Şekil 1.22’deki gibi diyot köprüsünden oluşan kontrolsüz bir redresör kullanılabilir. PWM inverterde yüksek anahtarlama hızları gerektiğinden şekilde IGBT kullanılmıştır.

Üç fazlı Bir PWM inverterin diyot köprüsü ile beslenmesi

AC gerilim ve frekansı, inverterdeki elemanların anahtarlama durumu değiştirilerek ayarlandığından, sistemin cevap verme süresi çok kısadır. İyi bir PWM yöntemi kullanılırsa, motor akımında düşük mertebeden harmonikler bulunmaz. Düşük hızlarda moment salınımlarının ortadan kalkması ile daha düzgün bir çalışma sağlanır. Fakat PWM inverterde anahtariama frekansı, kare dalga invertere göre çok yüksek olduğundan anahtarlama kayıpları çok önemli hale gelebilir.

Gerilimden Yararlanma : Sinüsoidal PWM inverterin ana dalga çıkış gerilimi, modülasyon indeksi 1’e çıkarılmak suretiyle maksimum değerine yükseltilir. Bu durumdaki modüle edilmiş uç gerilimi dalga şeklinin yarım periyottaki volt-saniye alanının, kare dalga inverterinkine göre daha küçük olduğu açıktır. Kare Dalga inverterde uç gerilimi, modüle edilmemiş bir kare dalga şeklindedir.

Minimum Anahtarlama Aralığı : Modülasyon indeksi 1’e yaklaştıkça, inverter yan köprüsüne ait birbirini izleyen anahtarlamalar arasındaki aralık, sinüs dalga referansın pozitif ve negatif tepeleri yakınında çok kısalır.

Sabit Gerilim / Frekansla Çalışma : Bir ac motorun sabit momentle çalışması için gerekli olan sabit gerilim/frekans şartı, sinüsoidal PWM inverterle kolayca yerine getirilebilir. Çıkış frekansı ile orantılı bir ana dalga gerilimi almak için modülasyon indeksi, referans dalgasının frekansı ile lineer olarak değiştirilir. Inverterin anahtarlama kayıplarını sınırlamak için, yüksek çıkış frekanslarında taşıyıcı oranı küçültülebilir.

Sinüsoidal PWM’in Yararları : Kare dalga PWM ve altı basamaklı inverterli tahrike kıyasla, sinüsoidal PWM inverterli tahrik düşük hızlarda iyi bir performans sağlar. Bölüm 1.3.2.’de açıklandığı gibi altı basamaklı inverter, dc ara devre gerilimi çıkış frekansı ile orantılı olarak değiştirilmek suretiyle, nominal hızın altında sabit gerilim/frekans bölgesinde çalışır. Fakat dc ara devre filtresi yüzünden gerilim cevabında büyük bir gecikme olur. Bu durum tahrik sisteminin düşük hızlardaki stabilitesine zarar verir. Gerilim ve frekans kontrolü inverterin içinde birlikte gerçekleştirildiğinden, PWM inverterlerde geçici rejim cevabı daha iyidir.

Optimum PWM : AC motor kontrolünde kullanılan gerilim kaynaklı PWM inverterlerde geleneksel olarak, daha önce anlatılan kare dalga veya sinüsoidal PWM yöntemleri tercih edilir. Fakat ana dalga gerilim çıkışı kontrol edilirken ek olarak ortaya harmonik bileşenler de çıkar. Bunların bulunması motor performansı ve verimi yönünden zararlıdır. Son yıllarda daha iyi anahtarlama örnekleri önerilmiştir. Bunlarda belirli alçak mertebeden harmonikler bastırılmış veya toplam harmonik içeriği minimuma indirilmiştir. Bu optimize edilmiş modülasyon tekniklerinin (stratejilerinin), alışılmış analog devrelerle gerçekleştirilmesi çok zordur. Fakat bu teknikler mikroişlemciye veya mikrodenetleyiciye dayalı modem kontrol yöntemleri ile verimli bir şekilde gerçekleştirilebilir.
Akım beslemeli inverterler : bir akım kaynağından beslenirler. Çıkış akımı da yükten bağımsız olarak sabittir. Bu akıma göre yükün uçlarında gerilim oluşur.

Mc Murray İnventeri : Mc Murray inverteri darbe komütasyonludur ve çalışma prensibi oldukça basittir. T1 iletimde iken üstteki kaynak yükten bir yönde, T2 iletimde iken de alttaki kaynak diğer yönde bir akım geçirir. T1 ve T2 ana tristörlerinin söndürülmesi için T1y, T2y yardımcı tristörlerinden ve C söndürme kondansatöründen yararlanılır.

Seri İnverter : Paralel inverterde komütasyon kondansatörü, doğrudan veya transformatör üzerinden yüke paralel bağlanmıştır. Seri inverterde ise bu kondansatör yüke seri bağlıdır. “Seri Rezonans Darbeli İnverter” diye de anılırlar. Muhtelif seri inverter montajları geliştirilmiştir. Bunlardan birkaç önemli montaj üzerinde durulacaktır.

Paralel İnverter : Tristörlü inverterlerin en eskilerinden biri olan paralel inverterin prensip bağlantı şeması Şekil 1.30’da görülmektedir. Doğru gerilimin (+) ucu, L1 bobini üzerinden transformatör primer sargısının orta ucuna bağlanmıştır. L1 bobininin endüktansı, Ud gerilimli kaynaktan çekilen ld akımının sabit kaldığı kabul edilebilecek kadar büyük seçilmiştir. T1 ve T2 tristörleri periyodik olarak tetiklenir.

Transistörlü İnverterler : Transistörler ve kapı veya tabanından kesime geçirilebilen diğer anahtarlama elemanları, tristörler kadar büyük akım ve gerilim değerlerinde üretilemezler. Bu yüzden genellikle küçük ve orta güçlü inverterlerde kullanılırlar. Transistör ve GTO’lar gittikçe daha yaygın olarak kullanılmakta ve tristöre rakip olmaktadır. Bu elemanlarla büyük akım ve gerilim değerlerinin elde edilebilmesi için aralarında paralel ve seri bağlanmaları gerekir. Ancak bu durumda devre daha karmaşık hale gelir. Büyük akım ve gerilim değerlerinde temin edilebilen hızlı tristörler yüksek güçlü uygulamalar için daha elverişlidir.

Faz Söndürme Montajı
Müşterek Söndürme Montajı
Faz Sırası İle Söndürme Montajı

UYGULAMA: DC-AC İNVERTER

Uygulamada amacımız, basit bir dc ac inverteri yaparak temel inverterin çalışmasını anlamak ve uygulamak. Uygulama Düzeninin Proteusta İncelenmesi Uygulamada ilk olarak devremizi Proteus adlı simülasyon programında kurduk ve analizini gerçekleştirdik.

Devre Elemanları
R1: 100kΩ
R2: 10kΩ
Pot1: 50kΩ
R3: 100Ω
R4: 1k Ω
C3=C2: 100nF
C4: 10nF
C1: 220µF
Q1:TIP41
Q2:TIP42
555 entegresi

Devrede timer görevi gördüğü için 555 entegresinden bahsetmek uygun olacaktır. Aşağıdaki şekilden görüleceği üzere, 8 besleme ve 1 toprak pinleridir. 4 reset ucumuzdur ve bu uç toprak potansiyeline düştüğünde devreyi resetler. 5 kontrol ucumuz devrede 10n faradlık bir kapasiteye bağlanarak belli bir kontrol voltajı ayarlanmıştır. 2 ve 6 ucu devredeki potansiyometre ile potansiyelleri ayarlanarak bize belirli bir frekans ayarı sağlar. 7 ucumuz ise devrede 100kΩ ve 50kΩ üzerinde deşarj sağlar. 3 pinide bize belirli frekansta bir çıkış vererek devremizin osilatör görevini üstlenmiş olur.

Devrede PNP ve NPN olmak üzere TIP41 ve TIP42 transistörleri kullanılmıştır. İki çeşit olmasının nedeni R3’ün çıkışındaki potansiyelin bir yuksek ve bir alçak değerinin olmasıdır. Buda bize transformatör çıkışında pozitif ve negatif gerilim endükleme şansı vermektedir. R3 çıkışındaki iki farklı gerilim seviyesi transformatörde iki farkli (biri pozitif biri negatif) gerilim seviyesi endüklenmesine sebep olur. Bu olay, 3 pininden output geldiğinde yani yüksek potansiyel geldiğinde Q1 NPN transistörü açar ve çıkışı pozitif belirli bir gerilim değerine ulaşır. 3 pininden düşük output geldiğinde ise yüklenen C1 kapasitörü Q2 PNP transistörünü açar ve akım ters yönde akmaya başlar. Buda transformatörde negatif bir gerilim endükler ki bir kare dalga elde etmiş oluruz.
Devrede kullandığımız 555 entegresi 50kΩ potansiyometre ile frekansı yaklaşık 40 ile 60 Hz arasında değişen bir kare dalga AC elde etmiş oluruz. Bahsettiğimiz bu noktaların osiloskopta incelenmiş hali şekil 3’te görülmektedir.
Sari çizgi A kanalı ve A noktasını temsil etmektedir. Mavi çizgi ise B kanalı ve B noktasını temsil etmektedir. Time division ayarımız kare başına 1ms ve voltaj kademe ayarımız ise 5V’tur. Görüldüğü gibi B noktasında yüksek yaklaşık 15V ve düşük yaklaşık 0 volt civarında bir gerilim vardır. Yüksek değerimiz mevcutken kapasitenin gerilimi düşülerek transformatöre ulaşmaktadır. A noktasındaki değer (B’deki yüksek iken) B-Vc1’dir. B noktasındaki değer 0 volta düştüğünde ise A noktasındaki gerilim yaklaşık –Vc1’dir. Buradaki elektrolitik kapasitemiz şarj olarak AC voltajımızın pozitifte düşürdüğü kısmını bize negatifte boşalarak vermektedir. Bu sayede basit bir 40-60 Hz arası DC-AC inverter elde etmiş oluruz. Elde ettiğimiz AC gerilimin genliği şekilden görüldüğü üzere yaklaşık 7.3 V’tur.

Devrenin Breadboard’da Uygulanışı : Devreyi proteus isis isimli programda inceledikten sonra breadboarda kurup kendimiz denedik. Kurduğumuz devre şekil 4’te görülmektedir. Devremize 10 V besleme uygulayarak çıkışında yaklaşik genliği 5V olan kare dalga AC elde ettik. Bu gerilim değerini 220V/12V olan bir trafoyla denediğimizde yaklaşık 60V genlikli ve frekansı şehir şebekesine eşit bir gerilim elde ettik.

Trafoda tam orana uygun bir gerilim artışı gözlemleyemedik. Trafo sinüsoidal dalga altında tam performansta çalışmaktadır. Bizim devremizin çıkışı kare dalga olduğu için trafo çıkışında istenilen genlikte AC gerilimimizi elde edemedik.

Devrenin Baskı Devre Kartının Yapılması : Devremizi bilgisayar ortamında ve breadboard üzerinde çalıştırdıktan sonra sıra devreyi baskı devre olarak gerçekleştirmeye geldi. İlk olarak devrenin baskı devre kartı için çiziminin gerçekleştirilmesi gerekmekteydi. Bunu da yine proteusla birlikte gelen Ares isimli program aracılığıyla yaptık.

Baskı devre kartımızıda denedikten sonra devremizi osiloskopta inceledik. Devremiz önceden bahsettiğimiz gibi yaklaşık 40-60 Hz arası değerlerde bize kare dalga bir AC çıkış verdi. Devremizden elde ettiğimiz sonuclar şekil 7 de görülmektedir.

Baskı devre kartının osiloskopta incelenmesi

Hazırlayanlar: İlyas DİRİN, Sinan TALAZ, Ali Aksu İnverterler hakkında örnek resimler formüller ve detaylı bilgiler ile çok iyi bir kaynak ayrıca uygulama devreside bulunmakta Emeği geçen Kişilere Teşekkürler.