Akademik Veri Yönetim Sistemi
Dağ B., Aydemir T.(Yürütücü), TAMYÜREK B.
TÜBİTAK Projesi, 2021 - 2024
Bu projede, çeşitli
sivil ve askeri uygulamalarda kullanılabilen Yüksek Gerilim (YG) Doğru Akım
(YGDA) güç kaynakları için empedans kaynaklı DA-DA dönüştürücü tabanlı özgün
bir yapı önerilmektedir.
Geleneksel
olarak doğrultulmuş şebeke geriliminin gerilim katlayıcılarla istenen düzeye çıkartılması
yoluyla üretilen YGDA güç kaynaklarının yapısı, güç yarıiletkenleri teknolojisindeki
ilerlemelerle değişmiştir. Yeni ürünlerde, üç fazlı bir doğrultucu, doğru
gerilimi yüksek frekansta anahtarlanan bir evirici, evirici çıkışına bağlanan bir
yüksek frekans yüksek gerilim (YFYG) transformatörü ve transformatör çıkışına
yerleştirilen birkaç katlı bir gerilim katlayıcı bulunmaktadır. Bu sistemlerde,
giriş gerilimlerini yükseltmek için transformatör sarım oranın çok yüksek
olması gerekmektedir. Yüksek gerilim altında çalışan ve dielektrik yalıtım tabakaları
içeren küçük boyutlu transformatörlerde kaçınılmaz olarak sargılar, sarımlar ve
katmanlar arası kaçak kapasiteler oluşmaktadır. Sekonderde oluşan kapasitelerin
primere sarım oranının karesiyle yansıması, girişteki eviricinin çalışmasını
olumsuz etkilemektedir. Bu olumsuzlukların önüne geçebilmek için literatürde,
parazitik elemanları rezonans tankının parçası yapan LCC türü evirici
devrelerinin kullanımı önerilmektedir. Ancak, parazitik elemanların çalışma
koşullarında değişkenliği zaten karmaşık olan LCC dönüştürücülerin denetimini
zorlaştırmaktadır.
Proje, kaçak elemanların sorun
olmayacağı bir yapı arayışından doğmuştur. Sistemin
girişindeki doğrultulmuş gerilimin bir yükseltici devreyle ara bir seviyeye
yükseltilmesi ve eviricinin bu gerilimi anahtarlaması durumunda,
transformatörün sarım oranı ciddi ölçüde küçülebilir ve primere yansıyan
değerler sorun yaratmayacak seviyelerde kalabilir. Giriş katında empedans kaynaklı dönüştürücülerden (EKD) yararlanılmasının
problem için uygun bir çözüm olabileceğine karar verilmiştir. Klasik
yükselten devrelerin sağlayamayacağı gerilim kazançlarını sağlayabilen EKD’ler hem
gerilim kaynaklı, hem de akım kaynaklı dönüştürücülerin olumlu yanlarını
barındırdıkları için son yıllarda özellikle yenilenebilir enerji uygulamaları
için sıklıkla önerilmektedir. Kullanılan yarıiletkenlerin maruz kaldığı gerilim
ve akım baskıları ise diğer topolojilere göre daha düşüktür. Ancak bu tür
devreler şu ana kadar yalnızca düşük gerilimli (25 V – 400 V) yenilenebilir
enerji devrelerine uyarlanmıştır.
Proje
kapsamında 350 V DA geriliminden 10 kV DA çıkış gerilimi üretecek, 2 kW gücünde
bir güç kaynağının tasarlanıp üretilmesi hedeflenmektedir. Bu kaynağın
girişindeki 350 V, bir EKD kullanılarak 2 kV’a yükseltilecek, sert
anahtarlamalı bir tam köprü evirici bu gerilimi kare dalgaya çevirecektir.
1:2.5 dönüştürme oranlı bir transformatör bu gerilimi 5 kV genlikli kare
dalgaya dönüştürecek, tek katlı bir Cockroft-Walton gerilim katlayıcı ile bu gerilim
iki katına çıkartılacaktır. EKD olarak daha önce proje yürütücüsünün
danışmanlığında tamamlanan bir doktora tezinde geliştirilen ve gerilimi 16
katına yükseltebilen empedans kaynaklı iki özgün DA-DA dönüştürücü seçilmiştir.
Son
dönemlerde yaygınlaşmaya başlayan geniş bantlı yarıiletkenler sayesinde sistemde
kullanılacak tüm dönüştürücüleri yüksek frekanslarda ve gerilimlerde tasarlamak
mümkün olacaktır. Transformatör ve EKD devresinde kullanılacak bağlaşımlı
endüktörler, analitik yöntemlerle tasarlandıktan sonra sonlu eleman analizi
(SEA) yazılımı kullanılarak analiz edilecek, kaçak elemanların minimize olduğu
ve istenilen yalıtım düzeylerinin sağlandığı anlaşıldıktan sonra üretilecektir.
EKD
yapılarının yüksek gerilim ve güçlerde çalışabileceğini ve YGDA güç kaynağı
uygulamalarında kullanılabileceğini göstermek projenin en özgün yanını
oluşturmaktadır. Ayrıca, EKD yapısının aralıklı (interleaved) ve/veya modüler
biçimde bir araya getirilerek daha yüksek değerlerde bir gerilime tek
dönüştürücü ile ulaşılması konusu da proje kapsamında ele alınacaktır. Bu da
projenin özgün yanlarından biridir. Sistemin denetimi, EKD katında çok amaçlı
optimizasyon algoritmalarının özgün biçimde uygulanması ile
gerçekleştirilecektir.
Proje ekibinin
yakın zamanda tamamladığı klasik topolojide bir güç kaynağı için transformatör tasarımı projesinden elde
edilen birikim bu projede kullanılacaktır. Bir doktora ve iki yüksek lisans
öğrencisi proje kapsamında tezini tamamlarken, bir lisans öğrencisi de yürütücüye
projenin tüm aşamalarında destek olacaktır.
Sivil ve askeri pek çok uygulama alanı olan bu güç kaynaklarının ülkemizde üretimi bulunmamaktadır. Ülkemizde yüksek gerilim alanında yetkin araştırmacı ve kuruluşlar olmakla birlikte yüksek gerilimde güç elektroniği uygulamaları konusunda yeterli birikim bulunmamaktadır. Proje sonunda hem ihtiyaç olan bir alanda araştırmacı yetişmiş, hem de sivil ve savunma sanayi kuruluşlarının ilgisini çekebilecek bir cihaz prototipi üretilmiş olacaktır. Proje çalışmalarından en az üç tane IEEE dergi makalesi, bir uluslararası ve bir ulusal konferans bildirisi üretilmesi hedeflenmektedir.