Faz Dönüştürücülerin İşleyişi Nasıldır?

İzole bölgelerdeki fabrikalara ve evlere nasıl daha düşük maliyetle yüksek elektrik gücü sağlandığını biliyor musunuz? Bunun nedeni, gücü tek fazlı bir kaynaktan üç fazlı güce dönüştüren faz dönüştürücü adı verilen bir cihazdır.
Faz dönüştürücüler 1900’lü yılların sonlarında icat edilmiştir. Bu makine, gücü tek fazlı bir kaynaktan üç fazlı güce dönüştürür. Uygulamaların üç fazlı güce ihtiyaç duyduğu durumlar vardır; ancak, yalnızca tek fazlı bir kaynak mevcuttur. Bu gibi durumlarda bu dönüştürücüler, tek bir kaynaktan elde edilen gücü, uygulamaların yine de sorunsuz çalışabilmesi için çoklu bir kaynağa dönüştürmek için kullanılmaktadır. Enerjilerin çoğu tek fazlı elektrik enerjisi olarak üretilir. Bu, alternatif akımın veya AC elektrik gücünün dağıtımıdır. Çift fazlı elektrik gücü vardır, ancak 20. yüzyılın başlarında çoğunlukla elektrik mühendisleri tarafından kullanılmıştır ve yüzyılın ilk yarısı boyunca aşamalı olarak kaldırılmıştır. Üç fazlı güç, üçüncü bir voltaj hattına sahiptir ve ticari uygulamalarda çoğunlukla çift fazlı elektrik gücünün yerini almıştır. Bir faz dönüştürücü, tek fazlı dağıtımı alır ve bunu üç fazlı bir elektrik güç kaynağına dönüştürür ve bu, ticari ve endüstriyel uygulamaların güvenle kullanılmasına izin vermektedir.

Temel Çalışma Mekanizması

Temel olarak tek fazlı bir güç kaynağı, diyelim ki bir AC motor, kutuplar arasında geçiş yapmak için manyetizma ilkesini kullanır ve değişen voltajlar üretir. Faz dönüştürücüler, tek fazlı kaynakta bulunan voltajlara eklenen üçte bir voltaj üretir. Başka bir deyişle, gerçek üç fazlı güç üretmek için iki tek fazlı hat ile birleştirilen üçüncü bir elektrik gücü hattı üretilir. Altta yatan bu olsa da, farklı dönüştürücü türleri aracılığıyla çeşitli şekillerde elde edilmektedir.

Faz Dönüştürücü Türleri

Üç temel tipte faz dönüştürücü bulunmaktadır, bunlar; döner faz dönüştürücüler, statik faz dönüştürücüler ve sinüs dalga çeviriciler olmaktadır. En yaygın kullanılan dönüştürücü, döner tiptir.
Statik faz dönüştürücüler
Bu tür, faz dönüştürücülerin en basit biçimlerinden biridir, bir kapasitör (Cs) ve voltaja duyarlı bir röle kullanmaktadır.
• L1, L2 = Tek fazlı kaynak gerilimleri
• L3 = Dönüştürücü tarafından üretilen üçüncü gerilim kaynağı
• Cs = Başlatma Kapasitörü
• Cr = Çalıştırma Kapasitör
Çalışması: Kapasitör, üç fazlı bir kaynağa eşit bir manyetik alan oluşturarak fazı kaydırır ve motor çalıştıktan sonra röle kondansatörün bağlantısını keser. Bundan sonra, motor yalnızca tek güç kaynağını açmaya devam etmektedir. Bu nedenle, statik tip yalnızca, akımları tek fazlı bir güç kaynağından tamamlayan üçüncü bir faz akımı üretir. Bu dönüştürücüler kullanılarak çalıştırılan motorlar, tahmini güçlerinin yalnızca yaklaşık % 50’sini üretebilir. Gücü biraz artırmak için düşük maliyetli bir çalıştırma kapasitörü kullanılabilir. Bu, güç üretimini % 20 ya da daha fazla artıracaktır. Başlatma kondansatörü motoru başlatmak için kullanılır ve ardından tamamen kapatılmaktadır. Çalışma kondansatörü her zaman mevcuttur ve tek bir yükte voltajları dengelemek için dikkatlice ayarlanır ve diğer yükte voltajın dengelenmesi neredeyse sıfırdır. Böylece, başlatma kondansatörü motor çalışır çalışmaz kapatılsa bile üçüncü bir akım hattı korunur. Bunun nedeni, çalıştırma kapasitörünün bir miktar voltajı koruyacak şekilde tasarlanmış olmasıdır. Bu dönüştürücüler, yalnızca yarı çıktı verdiklerinden veya aşırı ısınma nedeniyle hasar gördüklerinden düşük verimliliğe sahiptir ve sonuç olarak, uzun süreli kullanılamamaktadırlar.
Döner faz dönüştürücüler
Bu elektromekanik cihaz temelde dönen bir transformatör gibi çalışmaktadır.
• L1, L2 = Tek Fazlı Kaynak Voltajları
• T1, T2, T3 = Üç Fazlı Çıkış Voltajları
• Not: T1 ve T2, manyetik kontrolleri çalıştırmak için her zaman kullanılmalıdır
Çalışması: Bağımsız bir üç fazlı motor ve bir grup kondansatör kullanır ve büyük bir kapasitör olarak işlev görürler. Böylece, statik dönüştürücüye bir avara eklemek bize bir döner cihaz vermektedir. Motorun üç ucu vardır ve tek fazlı kaynak bunlardan ikisine bağlıdır. Üçüncü uç, kaynak çıkışlarından birine eklenir ve kondansatörlerle seri olarak bağlanır. Enerji verildiğinde, dönüştürücü, elektrik şebekesinden tek fazdan iki akımı kullanır ve üretilmiş üçüncü bir güç hattı oluşturur. Bu voltaj, motordaki dönen manyetik akı tarafından üretilmekte ve ilk iki terminal arasındaki voltajdan 120 ° kaydırılmaktadır. Giriş akımı kaynakları olarak kaynak ayakları L1 ve L2’yi gösterir, T1, T2 ve T3, üç fazlı çıkış voltajlarını içermektedir. Konvertör uygun şekilde boyutlandırılmışsa, bu gerilimler tüm bağlı yük aralığı boyunca dengeli bir durumda kalmaktadır. Çıkışta daha dengeli gerilime ihtiyaç duyan yükler için, konvertör motorunun çerçevesinin boyutu normalde artırılır. Bu dönüştürücüler kapasitif, dirençli, endüktif yükler süretebilir ve bir defada birkaç yüke güç üretbilirler. Basit bir tasarıma sahiptirler, güvenilirdirler ve düşük maliyetlidirler. Bununla birlikte, tek sorun voltaj dengesini korumaktır. Bu problemle mücadele etmek için, daha büyük boyuttaki motorlar yalnızca tek bir makine için kullanılmaktadır. Bu nedenle, bu makineler basit yük motorları için etkili bir çözümdür.
Bir döner faz dönüştürücüde iki bileşen bulunmaktadır, bunlar bir kontrol paneli ve boşta duran bir jeneratördür. Boştaki jeneratör, bir kütleyi döndüren tek fazlı bir akımla çalıştırılır. Dönen kütle, iki tek fazlı akım dalgasına eklenen üçüncü bir güç hattı oluşturur. Üç tür döner faz dönüştürücü vardır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Birincisi standart olan bir döner faz dönüştürücüdür ve bu dönüştürücü, dijital bir kontrol paneli ile boşta bulunan bir jeneratörü ile birleştirmektedir.
• İkinci tip bir dijital döner faz dönüştürücüdür ve bu dönüştürücüde ayrıca dijital güçlendirme ve voltaj dengeleme kontrolü eklenmiş bir dijital kontrol paneli vardır.
• Üçüncü tip ise döner dönüştürücü panellerdir ve dijital dönüştürücü panel sağlamaktadırlar, ayrıca alıcı, boş konvertörü tedarik etmektedir.

Dijital Faz Dönüştürücüler

En modern makine türüdür ve tamamen elektroniktir.
Çalışması: Üçüncü bir voltaj üretmek için bir doğrultucu, bir invertör ve bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) kullanır. Doğrultucu giriş modülü olarak hareket ederken, sürücü çıkış modülü olarak işlev görmektedir. İşlem, çift IGBT (Yalıtımlı Kapılı Bipolar Transistör) dönüşümü olarak adlandırılır. Yalıtımlı geçit iki kutuplu transistörler, burada güç anahtarlama cihazları olarak çalışır. Doğrultucu, indüktörlerle seri olarak IGBT’lerden oluşur ve bu dönüştürücüler normalde 10.000 Hz frekansta çalışmaktadır. Burada, tek fazlı kaynaktan gelen alternatif akım, doğru akıma ve ardından tekrar alternatif akıma dönüştürülür. Bu gelen akım sinüzoidaldir ve IGBT’ler tarafından çekilir ve bu, DSP yazılımı yardımıyla yapılmaktadır. Sürücüyü oluşturan IGBT’ler AC voltajını oluşturur. Bu akım sinüzoidal değildir, ancak darbe genişliği modülasyonlu bir dalga biçimidir. Bu voltaj, uygun bir sinüs dalgası voltajı vermek için indüktör sisteminden geçirilir ve üretilen bu voltaj, gerçek bir üç fazlı güç oluşturmak için tek kaynaktan iki voltaja eklenir. Ayrıca DSP, mükemmel bir çıktı oluşturmak için tüm süreci her zaman izlemektedir.
Bilgisayar sayısal kontrol (CNC) makineleri, faz dönüştürücüler için muhtemelen en zorlu uygulamalardan biridir. Bu makineler, makine içindeki birden fazla motorun hızını ve hareketini kontrol etmek için elektronik kullanır. Ancak sadece döner ve dijital dönüştürücülerle kullanılabilmektedirler.

Uygulamaları

Bu makineler uygulamalarını, üç fazlı güç gerektiren çeşitli uygulamaları çalıştırmak için yalnızca tek fazlı bir güç kaynağının olduğu yerlerde bulur. Normalde, üç fazlı bir güç çok maliyetlidir ve genellikle tüm alanlarda tedarik edilememektedir. Bu nedenle, bu dönüştürücüler bu tür uygulamalar için oldukça kullanışlıdır. Bu uygulamalardan bazıları aşağıdaki gibidir:
• Bina soğutma suyu pompaları
• CNC makineleri
• Hava kompresörleri
• HVAC Üretimi (Isıtma, Havalandırma ve Üretim Birimi)
• Kırsal alanlara güç sağlamak
• Küçük fabrikalara elektrik sağlamak
• Çiftlik ekipmanlarını çalıştırmak
• Verimli dalgıç pompalar kurmak
• Ağaç işleme atölyelerinde
• Çift kaldırma istasyonları
• Kaynak ekipmanları için
• Asansör teknolojisi
• Transformatörlerle kombinasyon halinde elektrik sistemleri için
• Elektrikli demiryolları
Bu nedenle, faz dönüştürücüler, tek bir kaynaktan çok fazlı akımlar üretmek için önemlidir. Ayrıca, tam bir üç fazlı elektrik maliyeti sağlamak, fiyat ve insan gücü açısından kamu hizmeti şirketi için çok pahalı olduğundan, maliyeti de düşürmektedirler.

Faz Dönüştürücü Seçme

Üç ana faz dönüştürücü türü varken, her birinin birçok farklı türü vardır. Bazıları hafif güç yükleri için tasarlanmıştır, diğerleri ise farklı gereksinimleri karşılayabilir. Bazı basit adımlar, ihtiyaçlar için doğru boyutta faz dönüştürücüyü seçmeye yardımcı olmaktadır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
1. Ekipmanı ve ihtiyaç duyulan gücü listeleme
Dönüştürülmesi gereken tüm ekipmanların ayrıntılı bir listesi yapılmalıdır. Makinenin türü, ihtiyaç duyduğu güç türü (watt, kilovat, amper vb.) ve ihtiyaç duyduğu güç miktarı gibi. Seçilen faz dönüştürücü, tüm ekipmanın ihtiyaç duyduğu güç miktarını aşmalıdır, ayrıca çalıştırma gücüne karşı çalıştırma gücü hakkında da düşünülmesi de gerekmektedir. Bununla birlikte bazı makineler başlamak için çalışmaya devam etmekten daha fazla güç kullanır. İhtiyaç olunduğunu düşünülenden daha büyük bir faz dönüştürücü seçmek daha iyidir.
2. Mağaza düzeni düşünülmeli
Mağaza kurulumuna nasıl sahip olunduğu, ihtiyaç olan faz dönüştürücü türünü etkilemektedir. Örneğin, birden fazla makineye güç verilmesi gerekebilir veya makineler arasında taşımak için taşınabilir bir faz dönüştürücüsüne ihtiyaç olunabilir. Mağaza tasarımı, faz dönüştürücü seçiminde bir faktörtür.
3. İkiye kat planı
Hangi boyutta faz dönüştürücü satın alınacağı planlanırken temel kural, makinelerin ihtiyaç duyduğu beygir gücünü (HP) iki katına çıkarmaktır. Örneğin, üç fazlı enerji makinelerine güç sağlamak için 50 HP’ye ihtiyaç varsa, 100 HP’lik bir faz dönüştürücü satın alınmalıdır, bunun nedeni makinelerin başlangıç yüküdür. Başlangıç yükü, bir motoru başlatmak için gereken güç miktarını ifade eder. Çalıştırma yükü, eşit şekilde çalışmaya devam etmek için gereken güç miktarıdır ve başlangıç yükü genellikle çalışma yükünün voltaj miktarının iki katıdır.
4. Tavsiye alınmalıdır
Bir elektrikçi veya mağaza tedarik şirketi, bir faz dönüştürücü hakkında eğitimli bir seçim yapmaya yardımcı olabilir. İhtiyaç olan gücü listeledikten ve araştırma yapıldıktan sonra, yapılan listeyi yerel bir uzmana götürülmelidir ve bilgi sahibi olunmalıdır.
Yeni mağaza kuran kişiler, faz dönüştürücüleri unutmamalıdır. Bu cihazlar, işini güçlendirmek için çok önemlidir ve mağazanın ihtiyaçları için doğru faz dönüştürücüyü nasıl seçileceği konusunda uzman tavsiyesiler alınmalıdır.

Kaynakça:
https://www.northamericaphaseconverters.com/rotary-phase-converter-work/#:~:text=Simply%20put%2C%20a%20rotary%20phase,with%20two%20single%2Dphase%20lines.
https://www.northamericaphaseconverters.com/phase-converters/

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu