Güç elektroniği - Power electronics

Bu makale güç elektroniği teknolojisi ile ilgili. Müzik türü için bkz. güç elektroniği (müzik) .
İsveç'te Baltic Cable AB'de bir salonda 16,8 m yüksekliğinde bir HVDC tristör valf kulesi
Bir pil şarj cihazı , bir güç elektroniği parçası örneğidir.
Bir PC'nin güç kaynağı, kabinin içinde veya dışında bir güç elektroniği parçası örneğidir.

Güç elektronik elektroniği , katı hal elektroniğinin elektrik gücünün kontrolü ve dönüştürülmesine uygulanmasıdır.

İlk yüksek güçlü elektronik cihazlar cıva ark valfleri kullanılarak yapılmıştır . Modern sistemlerde, dönüşüm gerçekleştirilir iletken gibi anahtarlama cihazlarının diyotlar , tristörler , ve güç transistörleri gibi güç MOSFET ve IGBT . Sinyallerin ve verilerin iletilmesi ve işlenmesi ile ilgili elektronik sistemlerin aksine, güç elektroniğinde önemli miktarda elektrik enerjisi işlenir. Bir AC/DC dönüştürücü ( doğrultucu ), örneğin televizyon setleri, kişisel bilgisayarlar , pil şarj cihazları vb. gibi birçok tüketici elektroniği cihazında bulunan en tipik güç elektroniği cihazıdır . Güç aralığı tipik olarak onlarca watt ile birkaç yüz watt arasındadır. Endüstride yaygın bir uygulama, bir endüksiyon motorunu kontrol etmek için kullanılan değişken hızlı sürücüdür (VSD) . VSD'lerin güç aralığı birkaç yüz watt'tan başlar ve onlarca megawatt'ta biter .

Güç dönüştürme sistemleri, giriş ve çıkış gücünün türüne göre sınıflandırılabilir.

Tarih

Güç elektroniği, cıva ark doğrultucunun geliştirilmesiyle başladı. 1902 yılında Peter Cooper Hewitt tarafından icat edildi , alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) dönüştürmek için kullanıldı. 1920'lerden itibaren, tiratronların ve şebeke kontrollü cıva ark valflerinin güç aktarımına uygulanması üzerine araştırmalar devam etti . Uno Lamm , yüksek voltajlı doğru akım güç iletimi için uygun hale getiren derecelendirme elektrotlu bir cıva valfi geliştirdi . 1933 yılında selenyum doğrultucular icat edildi.

Julius Edgar Lilienfeld , 1926'da alan etkili transistör kavramını önerdi , ancak o zaman gerçekten çalışan bir cihaz inşa etmek mümkün değildi. 1947 yılında, iki kutuplu nokta temaslı transistör tarafından icat edilmiştir Walter H. Brattain ve John Bardeen yönetimindeki William Shockley at Bell Labs . 1948 arasında Shockley en buluş, çift kutuplu bağlantı transistor (BJT) stabilitesi ve performansı geliştirilmiş transistörlerin ve düşük maliyeti. 1950'lerde, daha yüksek güçlü yarı iletken diyotlar mevcut hale geldi ve vakum tüplerinin yerini almaya başladı . 1956'da General Electric tarafından silikon kontrollü doğrultucu (SCR) tanıtıldı ve güç elektroniği uygulamalarının kapsamını büyük ölçüde artırdı. 1960'lara gelindiğinde, bipolar bağlantı transistörlerinin geliştirilmiş anahtarlama hızı, yüksek frekanslı DC/DC dönüştürücülere izin vermişti.

RD Middlebrook , güç elektroniğine önemli katkılarda bulundu. 1970 yılında Caltech'te Güç Elektroniği Grubunu kurdu . Durum-uzay ortalama analiz yöntemini ve modern güç elektroniği tasarımı için çok önemli olan diğer araçları geliştirdi.

Güç MOSFET

Ana madde: Güç MOSFET
Ayrıca bakınız: MOSFET , VMOS , LDMOS ve ıgbt

Güç elektroniği bir atılım buluşa gelen MOSFET ile (metal oksit yarı iletken alan etkili transistor) Mohamed atalla ve Dawon Kahng de Bell Labs mümkün değildir performans ve yoğunluk seviyelerinin elde edilmesi için güç tasarımcıları etkin MOSFET transistörünü 1959 Generasyonlarda bipolar transistörler ile. MOSFET teknolojisindeki (başlangıçta entegre devreler üretmek için kullanılan) gelişmeler nedeniyle , güç MOSFET 1970'lerde kullanılabilir hale geldi.

1969'da Hitachi , daha sonra VMOS (V-oluk MOSFET) olarak bilinecek olan ilk dikey güçlü MOSFET'i tanıttı . 1974'ten itibaren Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony ve Toshiba , güç MOSFET'leri ile ses yükselticileri üretmeye başladı . International Rectifier , 1978'de 25 A, 400 V güç MOSFET'i tanıttı. Bu cihaz, bipolar transistörden daha yüksek frekanslarda çalışmaya izin verir, ancak düşük voltaj uygulamalarıyla sınırlıdır.

Güç MOSFET, düşük kapı sürücü gücü, hızlı anahtarlama hızı, kolay gelişmiş paralelleme yeteneği, geniş bant genişliği , sağlamlığı, kolay sürücü, basit önyargı, uygulama kolaylığı ve onarım kolaylığı nedeniyle dünyadaki en yaygın güç cihazıdır . Taşınabilir bilgi cihazları , güç entegre devreleri, cep telefonları , dizüstü bilgisayarlar ve interneti sağlayan iletişim altyapısı gibi çok çeşitli güç elektroniği uygulamalarına sahiptir .

1982'de yalıtımlı kapılı bipolar transistör (IGBT) tanıtıldı. 1990'larda yaygın olarak kullanılabilir hale geldi. Bu bileşen, bipolar transistörün güç işleme kabiliyetine ve güç MOSFET'in izole kapı sürücüsünün avantajlarına sahiptir.

Cihazlar

Ayrıca bakınız: Güç yarı iletken cihazı

Güç elektroniği sisteminin yetenekleri ve ekonomisi, mevcut aktif cihazlar tarafından belirlenir. Özellikleri ve sınırlamaları, güç elektroniği sistemlerinin tasarımında önemli bir unsurdur. Eskiden cıva ark valfi , yüksek vakumlu ve gazla doldurulmuş diyotlu termiyonik doğrultucular ve tiratron ve ignitron gibi tetiklemeli cihazlar güç elektroniğinde yaygın olarak kullanılıyordu. Katı hal cihazlarının derecelendirmeleri hem voltaj hem de akım işleme kapasitesinde geliştikçe, vakum cihazları neredeyse tamamen katı hal cihazlarıyla değiştirildi.

Güç elektroniği cihazları anahtar veya yükselteç olarak kullanılabilir. Bir İdeal anahtarı açık veya kapalı olduğunu ve bu nedenle hiçbir gücü dağıtır; uygulanan bir voltaja dayanır ve hiçbir akım geçmez veya herhangi bir miktarda akımı voltaj düşüşü olmadan geçirir. Anahtar olarak kullanılan yarı iletken cihazlar bu ideal özelliğe yaklaşabilir ve bu nedenle çoğu güç elektroniği uygulaması, cihazları açıp kapatmaya dayanır, bu da anahtarda çok az güç boşa harcandığından sistemleri çok verimli hale getirir. Buna karşılık, amplifikatör durumunda, cihazdan geçen akım, kontrollü bir girişe göre sürekli olarak değişir. Cihaz terminallerindeki voltaj ve akım bir yük hattını takip eder ve cihaz içindeki güç kaybı, yüke verilen güce kıyasla büyüktür.

Birkaç özellik, cihazların nasıl kullanıldığını belirler. Diyotlar gibi cihazlar , ileri bir voltaj uygulandığında iletir ve iletimin başlangıcı üzerinde harici bir kontrole sahip değildir. Silikon kontrollü doğrultucular ve tristörler (aynı zamanda cıva valfi ve tiratron gibi) gibi güç cihazları , iletimin başlamasının kontrolüne izin verir, ancak bunları kapatmak için akımın periyodik olarak tersine çevrilmesine güvenir. Kapı kapatma tristörleri, BJT ve MOSFET transistörleri gibi cihazlar tam anahtarlama kontrolü sağlar ve içlerinden geçen akıma bakılmaksızın açılıp kapatılabilir. Transistör cihazları da orantılı amplifikasyona izin verir, ancak bu, birkaç yüz watt'tan daha yüksek dereceli sistemler için nadiren kullanılır. Bir cihazın kontrol girişi özellikleri de tasarımı büyük ölçüde etkiler; bazen kontrol girişi toprağa göre çok yüksek bir voltajdadır ve yalıtılmış bir kaynak tarafından sürülmelidir.

Bir güç elektroniği dönüştürücüsünde verimlilik en üst düzeyde olduğundan, bir güç elektroniği cihazının ürettiği kayıplar mümkün olduğunca düşük olmalıdır.

Cihazlar anahtarlama hızına göre değişir. Bazı diyotlar ve tristörler, nispeten yavaş hız için uygundur ve güç frekansının değiştirilmesi ve kontrolü için kullanışlıdır ; bazı tristörler birkaç kilohertz'de faydalıdır. MOSFETS ve BJT'ler gibi cihazlar, güç uygulamalarında onlarca kilohertz'de birkaç megahertz'e kadar geçiş yapabilir, ancak güç seviyeleri düşer. Vakum tüplü cihazlar, çok yüksek frekanslı (yüzlerce veya binlerce megahertz) uygulamalarda yüksek güce (yüzlerce kilovat) hakimdir. Daha hızlı anahtarlama cihazları, açma-kapama ve geri geçişlerde kaybedilen enerjiyi en aza indirir, ancak yayılan elektromanyetik parazitle ilgili sorunlar yaratabilir. Kapı tahriki (veya eşdeğeri) devreleri, bir cihazla mümkün olan tam anahtarlama hızına ulaşmak için yeterli tahrik akımı sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır. Hızla geçiş yapmak için yeterli tahriki olmayan bir cihaz, aşırı ısınma nedeniyle zarar görebilir.

Pratik cihazlar açıkken sıfır olmayan voltaj düşüşüne sahiptir ve gücü dağıtır ve "açık" veya "kapalı" duruma ulaşana kadar aktif bir bölgeden geçmeleri biraz zaman alır. Bu kayıplar, bir dönüştürücüdeki toplam kayıp gücün önemli bir parçasıdır.

Cihazların güç kullanımı ve dağıtılması da tasarımda kritik bir faktördür. Güç elektroniği cihazları, iletken ve iletken olmayan durumlar arasında mümkün olduğunca verimli bir şekilde geçiş yapsa bile, onlarca veya yüzlerce watt atık ısıyı dağıtmak zorunda kalabilir. Anahtarlama modunda, kontrol edilen güç, anahtarda harcanan güçten çok daha büyüktür. İletken durumdaki ileri voltaj düşüşü, dağıtılması gereken ısıya dönüşür. Yüksek güçlü yarı iletkenler , bağlantı Sıcaklıklarını yönetmek için özel ısı alıcıları veya aktif soğutma sistemleri gerektirir ; Silisyum karbür gibi egzotik yarı iletkenler bu açıdan düz silikona ve katı hal elektroniğinin temel dayanağı olan germanyuma göre avantajlı olmayan yüksek sıcaklık özelliklerinden dolayı artık çok az kullanılmaktadır.

Tek bir cihazda birkaç kilovolta kadar değerlere sahip yarı iletken cihazlar mevcuttur. Çok yüksek voltajın kontrol edilmesi gerektiğinde, tüm cihazlarda voltajı eşitlemek için ağlarla birlikte birden fazla cihaz seri olarak kullanılmalıdır. Yine, anahtarlama hızı kritik bir faktördür, çünkü en yavaş anahtarlama cihazı toplam voltajın orantısız bir payına dayanmak zorunda kalacaktır. Bir zamanlar tek bir ünitede 100 kV'a kadar olan cıva valfleri mevcuttu ve bu da HVDC sistemlerinde uygulamalarını basitleştiriyordu .

Bir yarı iletken cihazın akım derecesi, kalıplar içinde üretilen ısı ve ara bağlantı uçlarının direncinde geliştirilen ısı ile sınırlıdır. Yarı iletken cihazlar, akımın cihaz içinde dahili bağlantıları (veya kanalları) boyunca eşit olarak dağıtılacağı şekilde tasarlanmalıdır; bir "sıcak nokta" oluştuğunda, arıza etkileri cihazı hızla tahrip edebilir. Belirli SCR'ler, tek bir ünitede 3000 ampere kadar akım değerleriyle mevcuttur.

DC/AC dönüştürücüler (invertörler)

Ana madde: güç çevirici

DC'den AC'ye dönüştürücüler, bir DC kaynağından bir AC çıkış dalga biçimi üretir. Uygulamalar arasında ayarlanabilir hızlı sürücüler (ASD), kesintisiz güç kaynakları (UPS), Esnek AC iletim sistemleri (FACTS), voltaj dengeleyiciler ve fotovoltaik invertörler bulunur. Bu dönüştürücüler için topolojiler iki farklı kategoriye ayrılabilir: gerilim kaynaklı eviriciler ve akım kaynaklı eviriciler. Gerilim kaynağı invertörleri (VSI'ler), bağımsız olarak kontrol edilen çıkış bir gerilim dalga biçimi olduğu için bu şekilde adlandırılır. Benzer şekilde, akım kaynağı invertörleri (CSI'ler), kontrollü AC çıkışının bir akım dalga biçimi olması bakımından farklıdır.

DC'den AC'ye güç dönüşümü, genellikle tamamen kontrol edilebilir yarı iletken güç anahtarları olan güç anahtarlama cihazlarının sonucudur. Bu nedenle çıkış dalga biçimleri ayrık değerlerden oluşur ve yumuşak geçişler yerine hızlı geçişler üretir. Bazı uygulamalar için, AC gücünün sinüzoidal dalga biçiminin kabaca bir tahmini bile yeterlidir. Yakın bir sinüzoidal dalga biçiminin gerekli olduğu durumlarda, anahtarlama cihazları istenen çıkış frekansından çok daha hızlı çalıştırılır ve her iki durumda geçirdikleri süre kontrol edilir, böylece ortalama çıkış neredeyse sinüzoidal olur. Yaygın modülasyon teknikleri, taşıyıcı tabanlı teknik veya Darbe genişliği modülasyonu , uzay vektörü tekniği ve seçici harmonik tekniği içerir.

Gerilim kaynaklı invertörlerin hem tek fazlı hem de üç fazlı uygulamalarda pratik kullanımları vardır. Tek fazlı VSI'ler, yarım köprü ve tam köprü konfigürasyonlarını kullanır ve çok hücreli konfigürasyonlarda kullanıldığında güç kaynakları, tek fazlı UPS'ler ve ayrıntılı yüksek güç topolojileri için yaygın olarak kullanılır. Üç fazlı VSI'ler, ASD'ler, UPS'ler ve STATCOM gibi bazı FACTS cihazları gibi sinüzoidal voltaj dalga biçimleri gerektiren uygulamalarda kullanılır . Aktif güç filtreleri ve voltaj kompansatörlerinde olduğu gibi isteğe bağlı voltajların gerekli olduğu uygulamalarda da kullanılırlar.

Akım kaynağı invertörleri, bir DC akım kaynağından bir AC çıkış akımı üretmek için kullanılır. Bu tip inverter, yüksek kaliteli voltaj dalga formlarının gerekli olduğu üç fazlı uygulamalar için pratiktir.

Çok seviyeli eviriciler olarak adlandırılan nispeten yeni bir evirici sınıfı, yaygın ilgi görmüştür. CSI'lerin ve VSI'lerin normal çalışması, güç anahtarlarının pozitif veya negatif DC barasına bağlanması nedeniyle iki seviyeli inverterler olarak sınıflandırılabilir. İnverter çıkış terminallerinde ikiden fazla voltaj seviyesi mevcut olsaydı, AC çıkışı bir sinüs dalgasına daha iyi yaklaşabilirdi. Bu nedenle çok seviyeli eviriciler, daha karmaşık ve maliyetli olmasına rağmen daha yüksek performans sunar.

Her invertör tipi, kullanılan DC bağlantılarına ve serbest dönen diyotlara ihtiyaç duyup duymadıklarına göre farklılık gösterir . Kullanım amacına bağlı olarak kare dalga veya darbe genişlik modülasyonu (PWM) modunda çalıştırılabilir. Kare dalga modu basitlik sunarken, PWM birkaç farklı şekilde uygulanabilir ve daha kaliteli dalga formları üretir.

Voltaj Kaynağı İnvertörleri (VSI), çıkış inverter bölümünü yaklaşık olarak sabit voltajlı bir kaynaktan besler.

Akım çıkış dalga biçiminin istenen kalitesi, belirli bir uygulama için hangi modülasyon tekniğinin seçilmesi gerektiğini belirler. Bir VSI'nin çıktısı, ayrık değerlerden oluşur. Düzgün bir akım dalga biçimi elde etmek için yüklerin seçilen harmonik frekanslarda endüktif olması gerekir. Kaynak ve yük arasında bir tür endüktif filtreleme olmadan, kapasitif bir yük, yükün büyük ve sık ani akım yükselmeleriyle birlikte dalgalı bir akım dalga biçimi almasına neden olur.

Üç ana VSI türü vardır:

  1. Tek fazlı yarım köprü invertör
  2. Tek fazlı tam köprü invertör
  3. Üç fazlı voltaj kaynağı invertörü

Tek fazlı yarım köprü invertör

Şekil 8: Bir ASD için AC girişi.
ŞEKİL 9: Tek Fazlı Yarım Köprü Gerilim Kaynak Çevirici

Tek fazlı voltaj kaynağı yarım köprü inverterleri, daha düşük voltaj uygulamaları içindir ve güç kaynaklarında yaygın olarak kullanılır. Şekil 9, bu inverterin devre şemasını göstermektedir.

Düşük dereceli akım harmonikleri, inverterin çalışmasıyla kaynak gerilime geri enjekte edilir. Bu, bu tasarımda filtreleme amacıyla iki büyük kapasitöre ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Şekil 9'da gösterildiği gibi, inverterin her ayağında aynı anda sadece bir anahtar açık olabilir. Bir bacaktaki her iki anahtar aynı anda açıksa, DC kaynağı kısa devre yapacaktır.

Eviriciler, anahtarlama şemalarını kontrol etmek için çeşitli modülasyon teknikleri kullanabilir. Taşıyıcı tabanlı PWM tekniği, AC çıkış dalga biçimini v c , bir taşıyıcı voltaj sinyali v Δ ile karşılaştırır . v c , v Δ ' den büyük olduğunda , S+ açıktır ve v c , v Δ'den küçük olduğunda , S- açıktır. AC çıkışı v c'deki genliği ile fc frekansında olduğunda ve üçgen taşıyıcı sinyal v Δ'deki genliği ile f Δ frekansında olduğunda, PWM, taşıyıcı tabanlı PWM'nin özel bir sinüzoidal durumu haline gelir. Bu durum sinüzoidal darbe genişlik modülasyonu (SPWM) olarak adlandırılır. Bunun için modülasyon indeksi veya genlik modülasyon oranı m a = v c /v ∆ olarak tanımlanır .

Normalize taşıyıcı frekansı, ya da frekans modülasyon oranı, aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır m f f = Δ / f c .

Aşırı modülasyon bölgesi, ma, 1'i aşarsa, daha yüksek bir temel AC çıkış voltajı gözlemlenir, ancak doyma pahasına. SPWM için, çıkış dalga formunun harmonikleri iyi tanımlanmış frekanslarda ve genliklerdedir. Bu, inverterin çalışmasından düşük dereceli akım harmonik enjeksiyonu için gerekli olan filtreleme bileşenlerinin tasarımını basitleştirir. Bu çalışma modundaki maksimum çıkış genliği, kaynak voltajının yarısıdır. Maksimum çıkış genliği, m a , 3,24'ü aşarsa, eviricinin çıkış dalga biçimi kare dalga olur.

Darbe Genişliği Modülasyonu (PWM) için doğru olduğu gibi, kare dalga modülasyonu için bir bacaktaki her iki anahtar aynı anda açılamaz, çünkü bu voltaj kaynağında kısa devre oluşmasına neden olur. Anahtarlama şeması, AC çıkış periyodunun yarım döngüsü boyunca hem S+ hem de S-'nin açık olmasını gerektirir. Temel AC çıkış genliği v o1 = v aN = 2v i / π'ye eşittir .

Harmonikleri v oh = v o1 /h genliğine sahiptir .

Bu nedenle AC çıkış voltajı inverter tarafından değil, inverterin DC giriş voltajının büyüklüğü ile kontrol edilir.

Modülasyon tekniği olarak seçici harmonik eliminasyonu (SHE) kullanmak, invertörün anahtarlanmasının içsel harmonikleri seçici olarak ortadan kaldırmasına olanak tanır. AC çıkış voltajının temel bileşeni de istenen bir aralıkta ayarlanabilir. Bu modülasyon tekniğinden elde edilen AC çıkış voltajı tek yarım ve tek çeyrek dalga simetrisine sahip olduğundan, harmonikler bile yoktur. Çıkış dalga biçiminden herhangi bir istenmeyen tek (N-1) içsel harmonik ortadan kaldırılabilir.

Tek fazlı tam köprü invertör

ŞEKİL 3: Tek Fazlı Gerilim Kaynağı Tam Köprü İnverter
ŞEKİL 4: Bipolar Darbe Genişliği Modülasyon Tekniği için Taşıyıcı ve Modülasyon Sinyalleri

Tam köprü evirici, yarım köprü eviriciye benzer, ancak nötr noktayı yüke bağlamak için ek bir ayağı vardır. Şekil 3, tek fazlı gerilim kaynaklı tam köprü inverterin devre şemasını göstermektedir.

Voltaj kaynağının kısa devre yapmasını önlemek için S1+ ve S1- aynı anda açık olamaz ve S2+ ve S2- aynı anda açık olamaz. Tam köprü konfigürasyonu için kullanılan herhangi bir modülasyon tekniği, herhangi bir zamanda her bir ayağın üst veya alt anahtarına sahip olmalıdır. Ekstra bacak nedeniyle, çıkış dalga formunun maksimum genliği Vi'dir ve yarım köprü konfigürasyonu için elde edilebilecek maksimum çıkış genliğinin iki katıdır.

Tablo 2'deki Durum 1 ve 2, bipolar SPWM ile AC çıkış voltajını oluşturmak için kullanılır. AC çıkış voltajı, Vi veya –Vi olmak üzere yalnızca iki değer alabilir. Bir yarım köprü konfigürasyonu kullanarak bu aynı durumları oluşturmak için taşıyıcı tabanlı bir teknik kullanılabilir. Yarım köprü için S+'nın açık olması, tam köprü için S1+ ve S2-'nin açık olmasına karşılık gelir. Benzer şekilde, yarım köprü için S-'nin açık olması, tam köprü için S1- ve S2+'nın açık olmasına karşılık gelir. Bu modülasyon tekniği için çıkış voltajı, lineer bölgede bir amplitüdü bir v o1 =v ab1 = v i  • m a olan bir temel bileşen ile aşağı yukarı sinüzoidaldir .

Bipolar PWM tekniğinden farklı olarak, tek kutuplu yaklaşım, AC çıkış voltajını oluşturmak için Tablo 2'deki 1, 2, 3 ve 4 durumlarını kullanır. Bu nedenle AC çıkış gerilimi Vi, 0 veya –V [1]i değerlerini alabilir. Bu durumları oluşturmak için, Şekil 4'te görüldüğü gibi, Vc ve –Vc olmak üzere iki sinüzoidal modülasyon sinyaline ihtiyaç vardır.

Vc, VaN oluşturmak için kullanılırken –Vc, VbN oluşturmak için kullanılır. Aşağıdaki ilişki tek kutuplu taşıyıcı tabanlı SPWM olarak adlandırılır v o1 =2 • v aN1 = v i  • m a .

Faz gerilimleri VaN ve VbN aynıdır, ancak birbirleriyle 180 derece faz dışıdır. Çıkış voltajı, iki faz voltajının farkına eşittir ve herhangi bir harmonik içermez. Bu nedenle, mf alınırsa, AC çıkış voltajı harmonikleri bile normalleştirilmiş tek frekanslarda fh görünecektir. Bu frekanslar, normalleştirilmiş taşıyıcı frekansın değerinin iki katı üzerinde ortalanır. Bu özel özellik, daha yüksek kaliteli bir çıkış dalga biçimi elde etmeye çalışırken daha küçük filtreleme bileşenlerine izin verir.

Yarım köprü SHE'de olduğu gibi, AC çıkış voltajı tek yarım ve tek çeyrek dalga simetrisinden dolayı çift harmonik içermez.

Üç fazlı voltaj kaynağı invertörü

ŞEKİL 5: Üç Fazlı Gerilim Kaynağı Çevirici Devre Şeması
ŞEKİL 6: Üç Fazlı Kare Dalga Çalışması a) Anahtar Durumu S1 b) Anahtar Durumu S3 c) S1 Çıkışı d) S3 Çıkışı

Tek fazlı VSI'ler öncelikle düşük güç aralığı uygulamaları için kullanılırken, üç fazlı VSI'ler hem orta hem de yüksek güç aralığı uygulamalarını kapsar. Şekil 5, üç fazlı bir VSI için devre şemasını göstermektedir.

Gerilimlerin ilgili hat akımının polaritesine bağlı olması nedeniyle, inverterin üç ayağından herhangi birinde bulunan anahtarlar aynı anda kapatılamaz. Durum 7 ve 8, sıfır AC hat voltajı üretir, bu da AC hat akımlarının ya üst ya da alt bileşenlerden serbestçe geçmesine neden olur. Bununla birlikte, 1 ila 6 durumları için hat voltajları, Vi, 0 veya –Vi'nin ayrık değerlerinden oluşan bir AC hat voltajı üretir.

Üç fazlı SPWM için, faz dışı yük gerilimleri üretmek için birbiriyle 120 derece faz dışı olan üç modülasyon sinyali kullanılır. PWM özelliklerini tek bir taşıyıcı sinyalle korumak için normalleştirilmiş taşıyıcı frekansının, mf, üçün katı olması gerekir. Bu, faz voltajlarının büyüklüğünü aynı tutar, ancak 120 derece birbirleriyle faz dışıdır. Lineer bölgede elde edilebilecek maksimum faz voltajı genliği, ma bire eşit veya küçük, v fazı = v i  / 2'dir . Ulaşılabilir maksimum hat voltajı genliği şudur: V ab1 = v ab  • √ 3  / 2

Yük voltajını kontrol etmenin tek yolu, giriş DC voltajını değiştirmektir.

Akım kaynaklı invertörler

ŞEKİL 7: Üç Fazlı Akım Kaynağı Çevirici
Şekil 8: Üç Fazlı Akım Kaynağı Çevirici için Senkronize-Darbe Genişliği Modülasyonlu Dalga Formları a) Taşıyıcı ve Modülasyonlu Sinyaller b) S1 Durumu c) S3 Durumu d) Çıkış Akımı
Şekil 9: Akım Kaynaklı İnverterlerde Uzay-Vektör Temsili

Akım kaynağı invertörleri, DC akımını bir AC akım dalga biçimine dönüştürür. Sinüzoidal AC dalga formları gerektiren uygulamalarda büyüklük, frekans ve faz kontrol edilmelidir. CSI'lar zaman içinde akımda yüksek değişikliklere sahiptir, bu nedenle AC tarafında kapasitörler yaygın olarak kullanılırken, DC tarafında indüktörler yaygın olarak kullanılır. Serbest dönen diyotların olmaması nedeniyle, güç devresinin boyutu ve ağırlığı azalır ve VSI'lardan daha güvenilir olma eğilimindedir. Tek fazlı topolojiler mümkün olsa da, üç fazlı CSI'ler daha pratiktir.

En genelleştirilmiş haliyle, üç fazlı bir CSI, altı darbeli doğrultucu ile aynı iletim dizisini kullanır. Herhangi bir zamanda, yalnızca bir ortak katot anahtarı ve bir ortak anot anahtarı açıktır.

Sonuç olarak, hat akımları –ii, 0 ve ii'nin ayrık değerlerini alır. Durumlar, istenen bir dalga biçiminin çıktısı alınacak ve yalnızca geçerli durumlar kullanılacak şekilde seçilir. Bu seçim, taşıyıcı tabanlı PWM, seçici harmonik eleme ve uzay vektörü tekniklerini içeren modülasyon tekniklerine dayanmaktadır.

VSI'ler için kullanılan taşıyıcı tabanlı teknikler, CSI'lar için de uygulanabilir ve bu da VSI hat voltajlarıyla aynı şekilde davranan CSI hat akımlarıyla sonuçlanır. Sinyalleri modüle etmek için kullanılan dijital devre, bir anahtarlama puls üreteci, bir kısa devre puls üreteci, bir kısa devre puls dağıtıcısı ve bir anahtarlama ve kısa devre puls birleştirici içerir. Bir taşıyıcı akıma ve üç modülasyon sinyaline dayalı olarak bir geçit sinyali üretilir.

Üst anahtarlar ve alt anahtarlar geçitlenmediğinde bu sinyale bir kısa devre darbesi eklenir, bu da RMS akımlarının tüm bacaklarda eşit olmasına neden olur. Her faz için aynı yöntemler kullanılır, ancak anahtarlama değişkenleri birbirine göre 120 derece faz dışıdır ve akım darbeleri çıkış akımlarına göre yarım döngü kaydırılır. Sinüzoidal modülasyon sinyalleriyle üçgen bir taşıyıcı kullanılıyorsa, CSI'nin senkronize darbe genişlik modülasyonu (SPWM) kullandığı söylenir. SPWM ile bağlantılı olarak tam aşırı modülasyon kullanılıyorsa, inverterin kare dalga işletiminde olduğu söylenir.

İkinci CSI modülasyon kategorisi olan SHE, aynı zamanda VSI karşılığına benzer. Bir VSI için geliştirilen geçit sinyallerini ve bir dizi senkronize sinüzoidal akım sinyalini kullanmak, simetrik olarak dağıtılmış kısa devre darbeleri ve dolayısıyla simetrik geçit modelleri ile sonuçlanır. Bu, herhangi bir sayıdaki harmoniğin ortadan kaldırılmasına izin verir. Ayrıca, birincil anahtarlama açılarının uygun seçimi yoluyla temel hat akımının kontrolüne olanak tanır. Optimal anahtarlama desenleri, çeyrek dalga ve yarım dalga simetrisinin yanı sıra yaklaşık 30 derece ve 150 derece simetriye sahip olmalıdır. 60 derece ile 120 derece arasında geçiş desenlerine asla izin verilmez. Akım dalgalanması, daha büyük çıkış kapasitörleri kullanılarak veya anahtarlama darbelerinin sayısı artırılarak daha da azaltılabilir.

Üçüncü kategori, uzay vektörü tabanlı modülasyon, ortalama olarak yük hattı akımlarına eşit PWM yük hattı akımları üretir. Geçerli anahtarlama durumları ve zaman seçimleri, uzay vektörü dönüşümüne dayalı olarak dijital olarak yapılır. Modüle edici sinyaller, bir dönüşüm denklemi kullanılarak karmaşık bir vektör olarak temsil edilir. Dengeli üç fazlı sinüzoidal sinyaller için bu vektör, ω frekansında dönen sabit bir modül haline gelir. Bu uzay vektörleri daha sonra modüle edici sinyale yaklaşmak için kullanılır. Sinyal rastgele vektörler arasındaysa, vektörler I7, I8 veya I9 sıfır vektörleriyle birleştirilir. Üretilen akımların ve akım vektörlerinin ortalama eşdeğerde olmasını sağlamak için aşağıdaki denklemler kullanılır.

Çok seviyeli invertörler

ŞEKİL 10 : Üç Seviyeli Nötr Kelepçeli İnverter

Çok seviyeli eviriciler adı verilen nispeten yeni bir sınıf, yaygın ilgi görmüştür. CSI'lerin ve VSI'lerin normal çalışması, güç anahtarları pozitif veya negatif DC barasına bağlandığı için iki seviyeli inverterler olarak sınıflandırılabilir. İnverter çıkış terminallerinde ikiden fazla voltaj seviyesi mevcut olsaydı, AC çıkışı bir sinüs dalgasına daha iyi yaklaşabilirdi. Bu nedenle çok seviyeli invertörler, daha karmaşık ve maliyetli olmasına rağmen daha yüksek performans sunar. Üç seviyeli nötr kenetli bir invertör Şekil 10'da gösterilmektedir.

Üç seviyeli bir invertör için kontrol yöntemleri, her bir bacaktaki dört anahtarın yalnızca iki anahtarının aynı anda iletim durumlarını değiştirmesine izin verir. Bu, düzgün komütasyona izin verir ve yalnızca geçerli durumları seçerek geçişi önler. DC bara voltajı en az iki güç valfi tarafından paylaşıldığından, voltaj değerlerinin iki seviyeli bir muadilinden daha az olabileceği de not edilebilir.

Çok seviyeli topolojiler için taşıyıcı tabanlı ve uzay-vektör modülasyon teknikleri kullanılır. Bu tekniklerin yöntemleri, klasik eviricilerin yöntemlerini takip eder, ancak daha fazla karmaşıklıkla. Uzay vektörü modülasyonu, modülasyon sinyaline yaklaşmada kullanılmak üzere daha fazla sayıda sabit voltaj vektörü sunar ve bu nedenle daha ayrıntılı algoritmalar pahasına daha etkili uzay vektörü PWM stratejilerinin gerçekleştirilmesine izin verir. Eklenen karmaşıklık ve yarı iletken cihazların sayısı nedeniyle, çok seviyeli invertörler şu anda yüksek güçlü yüksek voltajlı uygulamalar için daha uygundur. Bu teknoloji harmonikleri azaltır, dolayısıyla sistemin genel verimliliğini artırır.

AC/AC dönüştürücüler

Ana madde: AC/AC dönüştürücü

AC gücünü AC gücüne dönüştürmek, sağlanan bir AC sisteminden bir yüke uygulanan dalga formunun voltajının, frekansının ve fazının kontrolünü sağlar. Dönüştürücü türlerini ayırmak için kullanılabilecek iki ana kategori, dalga biçiminin frekansının değişip değişmediğidir. Kullanıcının frekansları değiştirmesine izin vermeyen AC/AC dönüştürücü , AC Voltaj Kontrolörleri veya AC Regülatörleri olarak bilinir. Kullanıcının frekansı değiştirmesine izin veren AC dönüştürücüler, basitçe AC'den AC'ye dönüştürme için frekans dönüştürücüler olarak adlandırılır. Frekans dönüştürücüler altında tipik olarak kullanılan üç farklı dönüştürücü türü vardır: siklo dönüştürücü, matris dönüştürücü, DC bağlantı dönüştürücü (aka AC/DC/AC dönüştürücü).

AC voltaj kontrolörü: Bir AC Voltaj Kontrolörünün veya AC Regülatörünün amacı, sabit bir frekansta iken yük boyunca RMS voltajını değiştirmektir. Genel olarak kabul edilen üç kontrol yöntemi, AÇMA/KAPAMA Kontrolü, Faz-Açı Kontrolü ve Darbe Genişliği Modülasyonu AC Kıyıcı Kontrolü (PWM AC Kıyıcı Kontrolü). Bu yöntemlerin üçü de sadece tek fazlı devrelerde değil, üç fazlı devrelerde de uygulanabilir.

  • AÇMA/KAPAMA Kontrolü: Tipik olarak yükleri ısıtmak veya motorların hız kontrolü için kullanılan bu kontrol yöntemi, n integral çevrim için anahtarın açılmasını ve m integral çevrim için anahtarın kapatılmasını içerir. Anahtarların açılıp kapatılması istenmeyen harmoniklerin oluşmasına neden olduğundan, sıfır gerilim ve sıfır akım koşullarında (sıfır geçiş) anahtarlar açılıp kapatılarak distorsiyon etkin bir şekilde azaltılır.
  • Faz-Açı Kontrolü: Yarım dalga veya tam dalga voltaj kontrolü gibi farklı dalga formlarında bir faz açısı kontrolü uygulamak için çeşitli devreler mevcuttur. Tipik olarak kullanılan güç elektroniği bileşenleri diyotlar, SCR'ler ve Triyaklardır. Bu bileşenlerin kullanımıyla, kullanıcı, dalganın yalnızca bir kısmının çıkışta olmasına neden olacak şekilde bir dalgadaki ateşleme açısını geciktirebilir.
  • PWM AC Kıyıcı Kontrolü: Diğer iki kontrol yöntemi genellikle zayıf harmoniklere, çıkış akımı kalitesine ve giriş güç faktörüne sahiptir. Bu değerleri iyileştirmek için diğer yöntemler yerine PWM kullanılabilir. PWM AC Chopper'ın yaptığı, giriş voltajının alternatif yarım döngüleri içinde birkaç kez açılıp kapanan anahtarlara sahip olmaktır.

Matris dönüştürücüler ve siklo dönüştürücüler: Siklo dönüştürücüler, yüksek güçlü uygulamalarda kullanılabildikleri için ac'den ac'ye dönüştürme için endüstride yaygın olarak kullanılır. Bir besleme hattı tarafından senkronize edilen komütasyonlu doğrudan frekans dönüştürücülerdir. Siklo dönüştürücülerin çıkış voltajı dalga biçimleri, makine endüktansı tarafından filtrelenen yüksek dereceli harmoniklerle karmaşık harmoniklere sahiptir. Makine akımının daha az harmoniğe sahip olmasına neden olurken, kalan harmonikler kayıplara ve tork titreşimlerine neden olur. Bir siklokonvertörde, diğer dönüştürücülerden farklı olarak, indüktör veya kapasitör, yani depolama aygıtı bulunmadığına dikkat edin. Bu nedenle anlık giriş gücü ve çıkış gücü eşittir.

  • Tek Fazlı - Tek Fazlı Siklokonvertörler : Tek Fazlı - Tek Fazlı Siklokonvertörler, güç elektroniği anahtarlarının hem boyutundaki hem de fiyatındaki düşüş nedeniyle son zamanlarda daha fazla ilgi çekmeye başladı. Tek fazlı yüksek frekanslı ac voltajı, sinüzoidal veya trapezoidal olabilir. Bunlar, kontrol amaçlı sıfır voltaj aralıkları veya sıfır voltaj komütasyon olabilir.
  • Üç Fazlıdan Tek Fazlı Siklokonvertörler : İki tür üç fazlıdan tek fazlı siklokonvertörler vardır: 3φ ila 1φ yarım dalga siklokonvertörler ve 3φ ila 1φ köprü siklokonvertörler. Hem pozitif hem de negatif dönüştürücüler, her iki polaritede de voltaj üretebilir, bu da pozitif dönüştürücünün yalnızca pozitif akım sağlamasına ve negatif dönüştürücünün yalnızca negatif akım sağlamasına neden olur.

Cihazdaki son gelişmelerle birlikte, matris dönüştürücüler gibi daha yeni siklokonvertör biçimleri geliştirilmektedir. İlk fark edilen değişiklik, matris dönüştürücülerin çift yönlü, iki kutuplu anahtarları kullanmasıdır. Tek fazdan tek faza matris dönüştürücü, üç giriş fazını ağaç çıkış fazına bağlayan 9 anahtarlık bir matristen oluşur. Herhangi bir giriş fazı ve çıkış fazı, aynı fazdan herhangi iki anahtarı aynı anda bağlamadan herhangi bir zamanda birbirine bağlanabilir; aksi takdirde bu, giriş fazlarında kısa devreye neden olur. Matris dönüştürücüler, diğer dönüştürücü çözümlerinden daha hafif, daha kompakt ve çok yönlüdür. Sonuç olarak, daha yüksek entegrasyon seviyeleri, daha yüksek sıcaklıkta çalışma, geniş çıkış frekansı ve enerjiyi şebekeye geri vermeye uygun doğal çift yönlü güç akışı elde edebilirler.

Matris dönüştürücüler iki türe ayrılır: doğrudan ve dolaylı dönüştürücüler. Üç fazlı girişli ve üç fazlı çıkışlı bir doğrudan matris dönüştürücü, bir matris dönüştürücüdeki anahtarlar çift yönlü olmalıdır, yani her iki polaritedeki voltajları bloklayabilmeli ve her iki yönde de akım iletebilmelidir. Bu anahtarlama stratejisi, mümkün olan en yüksek çıkış voltajına izin verir ve reaktif hat tarafı akımını azaltır. Bu nedenle, dönüştürücüden geçen güç akışı tersinirdir. Komütasyon problemi ve karmaşık kontrolü nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmasını engeller.

Doğrudan matris dönüştürücülerden farklı olarak, dolaylı matris dönüştürücüler aynı işlevselliğe sahiptir, ancak depolama elemanları olmadan bir dc bağlantısıyla bağlanan ayrı giriş ve çıkış bölümleri kullanır. Tasarım, dört kadranlı bir akım kaynağı doğrultucu ve bir gerilim kaynağı invertörü içerir. Giriş bölümü çift yönlü bipolar anahtarlardan oluşur. Komutasyon stratejisi, çıkış bölümü serbest dönüş modundayken giriş bölümünün anahtarlama durumu değiştirilerek uygulanabilir. Bu komütasyon algoritması, geleneksel bir doğrudan matris dönüştürücüye kıyasla önemli ölçüde daha az karmaşıklık ve daha yüksek güvenilirliktir.

DC bağlantı dönüştürücüler: AC/DC/AC dönüştürücüler olarak da adlandırılan DC Bağlantı Dönüştürücüler, ortada bir DC bağlantısı kullanarak bir AC girişini bir AC çıkışına dönüştürür. Yani dönüştürücüdeki güç, bir redresör kullanılarak AC'den DC'ye dönüştürülür ve daha sonra bir invertör kullanılarak DC'den AC'ye dönüştürülür. Nihai sonuç, daha düşük voltajlı ve değişken (daha yüksek veya daha düşük) frekanslı bir çıktıdır. Geniş uygulama alanları nedeniyle AC/DC/AC dönüştürücüler en yaygın çağdaş çözümdür. AC/DC/AC dönüştürücülerin diğer avantajları, aşırı yük ve yüksüz koşullarda kararlı olmaları ve ayrıca yükten hasar görmeden ayrılabilmeleridir.

Hibrit matris dönüştürücü: Hibrit matris dönüştürücüler, AC/AC dönüştürücüler için nispeten yenidir. Bu dönüştürücüler, AC/DC/AC tasarımını matris dönüştürücü tasarımıyla birleştirir. Bu yeni kategoride birden fazla hibrit dönüştürücü türü geliştirilmiştir, bir örnek, tek yönlü anahtarlar ve dc bağlantısı olmayan iki dönüştürücü aşaması kullanan bir dönüştürücüdür; bir dc-link için gerekli kapasitörler veya indüktörler olmadan, dönüştürücünün ağırlığı ve boyutu azalır. Hibrit dönüştürücülerden, hibrit doğrudan matris dönüştürücü (HDMC) ve hibrit dolaylı matris dönüştürücü (HIMC) olarak adlandırılan iki alt kategori vardır. HDMC, voltajı ve akımı bir aşamada dönüştürürken HIMC, AC/DC/AC dönüştürücü gibi, ancak bir ara depolama elemanı kullanmadan ayrı aşamalar kullanır.

Uygulamalar: Aşağıda, her bir dönüştürücünün kullanıldığı yaygın uygulamaların bir listesi bulunmaktadır.

  • AC Voltaj Kontrolörü: Aydınlatma Kontrolü; Evsel ve Endüstriyel Isıtma; Fan, Pompa veya Kaldırma Tahriklerinin Hız Kontrolü, Asenkron Motorların Yumuşak Yolvermesi, Statik AC Anahtarları (Sıcaklık Kontrolü, Trafo Kademe Değiştirme vb.)
  • Cycloconverter: Yüksek Güçlü Düşük Hızlı Tersinir AC Motor Sürücüleri; Değişken Giriş Frekanslı Sabit Frekanslı Güç Kaynağı; Güç Faktörü Düzeltmesi için Kontrol Edilebilir VAR Jeneratörleri; İki Bağımsız Güç Sistemini Bağlayan AC Sistem Araları.
  • Matris Dönüştürücü: Şu anda matris dönüştürücülerin uygulaması, yüksek frekansta çalışabilen ikili monolitik anahtarların bulunmaması, karmaşık kontrol yasası uygulaması, komütasyon ve diğer nedenlerden dolayı sınırlıdır. Bu gelişmelerle birlikte matris dönüştürücüler birçok alanda siklokonvertörlerin yerini alabilir.
  • DC Link: Makine yapımı ve yapımının bireysel veya çoklu yük uygulamaları için kullanılabilir.

Güç elektroniği sistemlerinin simülasyonları

Kontrollü tristörlü tam dalga doğrultucunun çıkış voltajı

Güç elektroniği devreleri gibi bilgisayar simülasyon programları ile simüle edilmektedir PLECS , PSIM ve MATLAB / Simulink. Devrelerin belirli koşullar altında nasıl tepki verdiğini test etmek için üretilmeden önce devreler simüle edilir. Ayrıca, simülasyon oluşturmak, test için kullanılacak bir prototip oluşturmaktan hem daha ucuz hem de daha hızlıdır.

Uygulamalar

Bir güç elektroniği uygulamaları boyutu aralığı komütasyonlu kip güç sunumu , bir in AC adaptör , pil şarj cihazları, ses amplifikatör, floresan lamba aracılığıyla balastlar, değişken frekanslı sürücüler ve DC motor sürücüleri pompalar, fanlar çalıştırmak için kullanılan ve gigawatt kadar, makine üretiminde - Elektrik şebekelerini birbirine bağlamak için kullanılan ölçekli yüksek voltajlı doğru akım güç aktarım sistemleri. Güç elektroniği sistemleri hemen hemen her elektronik cihazda bulunur. Örneğin:

  • DC/DC dönüştürücüler , pilin voltaj seviyesi ne olursa olsun voltajı sabit bir değerde tutmak için çoğu mobil cihazda (cep telefonları, PDA vb.) kullanılır. Bu dönüştürücüler ayrıca elektronik izolasyon ve güç faktörü düzeltmesi için de kullanılır . Bir güç iyileştirici enerji hasat maksimize etmek geliştirilen DC / DC dönüştürücü türüdür güneş fotovoltaik veya rüzgar türbini sistemleri.
  • AC/DC dönüştürücüler ( doğrultucular ) elektrik şebekesine (bilgisayar, televizyon vb.) bir elektronik cihazın her bağlandığında kullanılır. Bunlar, AC'yi DC'ye değiştirebilir veya operasyonlarının bir parçası olarak voltaj seviyesini de değiştirebilir.
  • AC/AC dönüştürücüler, voltaj seviyesini veya frekansı değiştirmek için kullanılır (uluslararası güç adaptörleri, ışık dimmerleri). Güç dağıtım şebekelerinde AC/AC dönüştürücüler, şebeke frekansı 50 Hz ve 60 Hz elektrik şebekeleri arasında güç alışverişi yapmak için kullanılabilir .
  • DC/AC dönüştürücüler ( invertörler ) öncelikle UPS veya yenilenebilir enerji sistemlerinde veya acil aydınlatma sistemlerinde kullanılır. Şebeke gücü DC pili şarj eder. Şebeke kesilirse, bir invertör DC aküden şebeke voltajında ​​AC elektrik üretir. Solar invertör , hem daha küçük dizi hem de daha büyük merkezi invertörler ve ayrıca solar mikro invertör , bir PV sisteminin bir bileşeni olarak fotovoltaiklerde kullanılır .

Motor tahrikleri, tekstil, kağıt, çimento ve benzeri diğer tesisler için pompalarda, üfleyicilerde ve değirmen tahriklerinde bulunur. Sürücüler, güç dönüşümü ve hareket kontrolü için kullanılabilir. AC motorlar için uygulamalar arasında değişken frekanslı sürücüler , motor yumuşak yol vericiler ve uyarma sistemleri bulunur.

Gelen hibrid elektrikli araçlar (HEVs), güç elektroniği iki biçimde kullanılır: serisi hibrit ve paralel hibrit. Seri hibrit ve paralel hibrit arasındaki fark, elektrik motorunun içten yanmalı motorla (ICE) ilişkisidir . Elektrikli araçlarda kullanılan cihazlar çoğunlukla pil şarjı için dc/dc dönüştürücülerden ve tahrik motoruna güç sağlamak için dc/ac dönüştürücülerden oluşur. Elektrikli trenler, güç elde etmek için ve ayrıca darbe genişlik modülasyonu (PWM) doğrultucuları kullanarak vektör kontrolü için güç elektroniği cihazları kullanır . Trenler güçlerini elektrik hatlarından alırlar. Güç elektroniğinin bir diğer yeni kullanım alanı da asansör sistemlerinde. Bu sistemler, tristörler , invertörler, sabit mıknatıslı motorlar veya PWM sistemlerini ve standart motorları içeren çeşitli hibrit sistemleri kullanabilir.

İnvertörler

Genel olarak invertörler, elektrik enerjisinin DC'den AC'ye doğrudan dönüştürülmesini veya AC'den AC'ye dolaylı dönüşümü gerektiren uygulamalarda kullanılır. DC'den AC'ye dönüştürme, güç koşullandırma, harmonik kompanzasyon, motor sürücüleri ve yenilenebilir enerji şebekesi entegrasyonu dahil olmak üzere birçok alan için kullanışlıdır.

Güç sistemlerinde genellikle hat akımlarında bulunan harmonik içeriğin ortadan kaldırılması istenir. Bu kompanzasyonu sağlamak için VSI'ler aktif güç filtreleri olarak kullanılabilir. Ölçülen hat akımlarına ve gerilimlerine dayanarak, bir kontrol sistemi her faz için referans akım sinyallerini belirler. Bu, bir dış döngü aracılığıyla geri beslenir ve invertere giden bir iç döngü için akım sinyalleri oluşturmak üzere gerçek akım sinyallerinden çıkarılır. Bu sinyaller daha sonra inverterin harmonik içeriği telafi eden çıkış akımları üretmesine neden olur. Bu konfigürasyon, tamamen hat tarafından beslendiği için gerçek bir güç tüketimi gerektirmez; DC bağlantısı, kontrol sistemi tarafından sabit bir voltajda tutulan bir kapasitördür. Bu konfigürasyonda, çıkış akımları, bir birlik güç faktörü üretmek için hat gerilimleriyle aynı fazdadır. Tersine, çıkış akımlarının toplam güç faktörünü iyileştirmek için hat voltajlarını yönlendirdiği benzer bir konfigürasyonda VAR kompanzasyonu mümkündür.

Hastaneler ve havaalanları gibi her zaman enerji gerektiren tesislerde UPS sistemleri kullanılmaktadır. Bir bekleme sisteminde, normal besleme şebekesi kesildiğinde bir evirici çevrimiçi duruma getirilir. Güç, şebeke gücü geri gelene veya yedek jeneratörler devreye alınana kadar, yerinde akülerden anında çekilir ve VSI tarafından kullanılabilir AC voltajına dönüştürülür. Çevrimiçi bir UPS sisteminde, yükü geçici akımlardan ve harmonik içerikten korumak için bir redresör-DC-link-inverter kullanılır. DC-link ile paralel olan bir akü, şebeke gücünün kesilmesi durumunda çıkış tarafından tam şarjlı tutulurken, inverterin çıkışı düşük geçişli bir filtreden yüke beslenir. Yüksek güç kalitesi ve bozulmalardan bağımsızlık sağlanır.

AC motorların hız, tork ve konum kontrolü için çeşitli AC motor sürücüleri geliştirilmiştir. Bu sürücüler, sırasıyla skaler kontrollü veya vektör kontrollü olmalarına göre düşük performanslı veya yüksek performanslı olarak kategorize edilebilir. Skaler kontrollü sürücülerde, temel stator akımı veya gerilim frekansı ve genliği, tek kontrol edilebilir büyüklüklerdir. Bu nedenle bu sürücüler, fanlar ve kompresörler gibi yüksek kalite kontrolün gerekli olmadığı uygulamalarda kullanılır. Vektör kontrollü sürücüler ise anlık akım ve gerilim değerlerinin sürekli olarak kontrol edilmesini sağlar. Bu yüksek performans, asansörler ve elektrikli arabalar gibi uygulamalar için gereklidir.

İnverterler ayrıca birçok yenilenebilir enerji uygulaması için hayati öneme sahiptir. Fotovoltaik amaçlarla, genellikle bir PWM VSI olan evirici, bir fotovoltaik modül veya dizinin DC elektrik enerjisi çıkışı ile beslenir. İnverter daha sonra bunu bir yük veya şebeke şebekesi ile arayüzlenecek bir AC voltajına dönüştürür. İnvertörler, rüzgar türbinleri gibi diğer yenilenebilir sistemlerde de kullanılabilir. Bu uygulamalarda, türbin hızı genellikle voltaj frekansında ve bazen de büyüklükte değişikliklere neden olarak değişir. Bu durumda, üretilen voltaj doğrultulabilir ve daha sonra frekansı ve büyüklüğü stabilize etmek için tersine çevrilebilir.

Akıllı ızgara

Bir akıllı ızgara modernize olan elektrik şebekesi kullanan bu bilgi ve iletişim teknolojileri üretim verimliliği, güvenilirlik, ekonomi ve sürdürülebilirliği geliştirmek, otomatik bir biçimde bu tür tedarikçiler ve tüketicilerin davranışları hakkında bilgi olarak, toplamak ve bilgilere göre hareket etmek ve elektrik dağıtımı.

Asenkron jeneratörler kullanılarak rüzgar türbinleri ve hidroelektrik türbinleri tarafından üretilen elektrik gücü, gücün üretildiği frekansta farklılıklara neden olabilir. Bu sistemlerde üretilen ac voltajları yüksek voltajlı doğru akıma ( HVDC ) dönüştürmek için güç elektroniği cihazları kullanılmaktadır . HVDC gücü, mevcut elektrik şebekesiyle ilişkili güçle uyumlu olan üç fazlı güce daha kolay dönüştürülebilir. Bu cihazlar aracılığıyla, bu sistemler tarafından sağlanan güç daha temizdir ve ilişkili güç faktörü daha yüksektir. Rüzgar enerjisi sistemlerinde optimum tork, güç elektroniği cihazının boyutunu azaltabilen bir dişli kutusu veya doğrudan tahrik teknolojileri aracılığıyla elde edilir.

Güç elektroniği cihazları kullanılarak fotovoltaik hücreler aracılığıyla elektrik enerjisi üretilebilir . Üretilen güç genellikle daha sonra solar inverterler tarafından dönüştürülür . Eviriciler üç farklı tipe ayrılır: merkezi, modüle entegre ve dizi. Merkezi dönüştürücüler sistemin DC tarafına paralel veya seri olarak bağlanabilir. Fotovoltaik "çiftlikler" için, tüm sistem için tek bir merkezi dönüştürücü kullanılır. Modüle entegre dönüştürücüler, DC veya AC tarafında seri olarak bağlanır. Normalde bir fotovoltaik sistemde birkaç modül kullanılır, çünkü sistem bu dönüştürücüleri hem DC hem de AC terminallerinde gerektirir. Farklı yönlere bakan fotovoltaik hücreleri kullanan bir sistemde bir dizi dönüştürücü kullanılır. Üretilen gücü, fotovoltaik hücrelerin etkileşimde olduğu her bir diziye veya hatta dönüştürmek için kullanılır.

Güç elektroniği, kamu hizmetlerinin dağıtık konut/ticari güneş enerjisi üretimindeki hızlı artışa uyum sağlamasına yardımcı olmak için kullanılabilir . Almanya ve Hawaii, California ve New Jersey'nin bazı bölgeleri, yeni güneş enerjisi kurulumlarını onaylamadan önce maliyetli çalışmaların yapılmasını gerektiriyor. Nispeten küçük ölçekli, yere veya direğe monte edilen cihazlar, güç akışını izlemek ve yönetmek için dağıtılmış bir kontrol altyapısı potansiyeli yaratır. Gibi geleneksel elektromekanik sistemler, kondansatör bankalar veya voltaj regülatörü de trafo , gerilimi ayarlamak için dakika sürebilir ve sorunların köken güneş enerjisi sistemlerinde uzak olabilir. Bir komşu devredeki voltaj çok yükselirse, hizmet ekiplerini tehlikeye atabilir ve hem hizmet hem de müşteri ekipmanına zarar verebilir. Ayrıca, bir şebeke arızası, fotovoltaik jeneratörlerin hemen kapanmasına neden olarak şebeke gücü talebini artırır. Akıllı şebeke tabanlı düzenleyiciler, çok daha fazla sayıda tüketici cihazından daha fazla kontrol edilebilir.

Başka bir yaklaşımda, Batı Elektrik Endüstrisi Liderleri olarak adlandırılan 16 batılı kamu kuruluşundan oluşan bir grup, "akıllı invertörlerin" zorunlu olarak kullanılması çağrısında bulundu. Bu cihazlar DC'yi ev tipi AC'ye dönüştürür ve ayrıca güç kalitesine yardımcı olabilir. Bu tür cihazlar, çok daha düşük bir toplam maliyetle pahalı yardımcı ekipman yükseltme ihtiyacını ortadan kaldırabilir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

  • Issa Batarseh, "Güç Elektroniği Devreleri", John Wiley, 2003.
  • SK Mazumder, "Yüksek Frekanslı İnverterler: Fotovoltaik, Rüzgar ve Yakıt Hücresi Temelli Yenilenebilir ve Alternatif-Enerji DER/DG Sistemlerinden Pil Tabanlı Enerji Depolama Uygulamalarına", Güç Elektroniği el kitabında Kitap Bölümü, Editör MH Rashid, Akademik Basın, Burlington, Massachusetts, 2010.
  • V. Gureich "Endüstri ve Güç Mühendisliği için Ayrık Bileşenlerde Elektronik Cihazlar", CRC Press, New York, 2008, 418 s.
  • Editör: Semikron, Yazarlar: Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Application Manual IGBT- ve MOSFET-power modülleri , 1. baskı, ISLE Verlag, 1998, ISBN  3-932633-24- 5 çevrimiçi sürüm
  • RW Erickson, D. Maksimovic, Güç Elektroniğinin Temelleri, 2. Baskı. , Springer, 2001, ISBN  0-7923-7270-0 [1]
  • Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2010 (PDF Versiyonu) (Almanca) (2. baskı), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56-7
  • Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2011), Application Manual 2011 (PDF) (Almanca) (2. baskı), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66-6, orijinalinden (PDF-Versiyon) 2013-09-03 tarihinde arşivlendi

Dış bağlantılar