KESİNTSİZ GÜÇ KAYNAKLARI GÜÇ ELEKTRONİĞİ KESİNTSİZ GÜÇ KAYNAKLARI

BOZUCU KAYNAKLAR AC şebekede bozulmalara sebep olan kaynaklar çok fazla olmasına karşılık, bunların belli-başlı olanları, Yüklerin ani olarak devreye girip-çıkmaları Yarı iletken eleman ve devrelerin ani olarak devreye girip-çıkmaları Güç elektroniği devrelerinin yüksek frekanslarda anahtarlanmaları Transformatörlerin ve motorların doyuma girmesi Sinüsoidal olmayan ve şebekeden farklı frekanslarda akımların çekilmesi olarak sıralanabilir.

KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI (KGK, UPS) Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK, UPS), sürekli devrede olup şebeke gerilimi kesinti ve bozukluklarını yüke hiç hissettirmeden yükü besleyen veya şebeke gerilimi kesildiğinde çok kısa bir sürede devreye girerek yükü beslemeye devam eden sistem veya güç kaynaklarıdır.

KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI (KGK, UPS) Yapısına Göre Dinamik KGK Statik KGK Devreye Giriş Şekline Göre Beklemesiz (on-line, full-time) Beklemeli (off-line, stand-by) Şebeke Bağlantı Şekline Göre Doğrudan bağlamalı Bağlamasız

Yapı olarak, dinamik kesintisiz güç kaynakları Motor-Generatör, statik kesintisiz güç kaynakları ise Akümülatör-İnverter grubundan oluşmaktadır. Dinamik kesintisiz güç kaynağının beklemeli olanları birkaç dakika, beklemesiz olanları ise birkaç saniyede devreye girer. Statik güç kaynağının beklemeli olanları birkaç mili saniyede devreye girer. On yıl öncelerine kadar tamamen dinamik güç kaynakları kullanılıyordu. Şu anda ise genellikle statik ve beklemesiz güç kaynakları kullanılmaktadır. Bu sistemlerde genellikle düşük güçlerde tek fazlı ve büyük güçlerde 3 fazlı şebeke gerilimi kullanılmaktadır.

Günümüzde kesintisiz güç kaynakları daha çok şebekedeki bozuklukları yüke aksettirmemek için kullanılmaktadır. Şebekedeki bozulmalar, Gerilimde düşme, Gerimlinde yükselme, Darbe Çöküntü, Kesinti, Harmonik Gürültü (elektromanyetik girişim)

Bu bozulmalar, elektronik devreler ile mikroişlemcileri ve bilgisayarları büyük ölçüde etkiler. TTL türü entegrelerde, mantık düzeyi 0.8 V’un altında ‘0’ (sıfır) ve 2.5 V’un üzerinde ‘1’ (bir)’dir. Tek bir yıldırımın 1 milyon V ve 10 bin A’lik darbeler verdiği kaydedilmiştir. Türkiye’de AC şebeke için kabul edilen sınır değerler çok geniş bir aralıktadır. Bu değerler, gerilimde + %15 ve - %20, frekansta + %1 ve - %1, toplam harmonik distorsiyonunda (THD) %1.5’tur. Bir kesintisiz güç kaynağında kabul edilen bu sınır değerler ise, gerilimde , frekansta, toplam harmonik distorsiyonunda %3’tür. Ayrıca, KGK’da kısa sürelerde %150 aşırı yük dayanıklılığı ve %90’ın üzerinde verim istenir.

Dinamik kesintisiz güç kaynakları, uzun gecikmeli, pahalı, ağır, büyük ve gürültülüdür. Özel olarak tasarlanan ve önceleri çok yaygın olarak kullanılan ferro-rezonanslı transformatörler, yükü 8 ile 16 ms arasında beslemeye devam ederler, çok yüksek çıkış empedansına sahiptirler ve iyi bir filtre görevi yaparlar. Bu transformatörler, çok kısa süren kesintilerde ve beklemeli güç kaynaklarının devreye girme gecikmelerinde önemli rol üstlenirler.

KGK’LARIN TEMel Görevlerİ Şebeke kesintilerini hissettirmeden yükü beslemeye devam etmek. Şebeke geriliminin bozukluklarını yüke hissettirmemek. Yüke kaliteli bir elektrik enerjisi sağlamak.

KGK’DAN BEKLENEN ÖNEMLİ ÖZELLİKLER Yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu Düşük fiyat, düşük hacim Az bakım, az gürültü Yüksek güvenilirlik, uzun garanti Giriş geriliminde büyük dalgalanmalara müsaade Düzgün çıkış gerilimi, ucuz çıkış filtresi Giriş ve çıkış arasında elektriksel izolasyon Yüksek güçlere erişebilme, paralel bağlanabilme Aşırı akım ve kısa devre koruması

KGK’nİn Önemli UYGULAMA ALANLARI Bilgi işlem sistemleri Kontrol sistemleri Haberleşme sistemleri Alarm ve ihbar sistemleri Önemli aydınlatma sistemleri Sağlık ve savunma sistemleri

KGK’NIN GENEL DEVRE ŞEMASI

Devre Elemanlarının Görevleri Dizel Generatör: Uzun süreli kesintilerde devreye girerek sistemi besler. Transformatör 1 : AC şebeke ve DC hat arasında gerilim uyumu ve izolasyon sağlar. Ayrıca doğrultucuda komütasyon akımını sınırlar. Doğrultucu: AC gerilimi DC’ye çevirir. Doğal komütasyonlu, tam dalga ve kontrollüdür. L1 Bobini: Doğrultucu çıkış akımını düzeltir. Aşırı ve kısa devre akımlarına karşı koruma görevi yapar. Akım kontrolüne imkan sağlar.

Akümülatör Bataryası: Şebeke gerilimi kesildiğinde gerilim gelinceye kadar yükü beslemeye devam eder. Otomatik olarak şarj olur ve bittiğinde devreden çıkar. C1 Kapasitesi: İnverter girişindeki DC gerilimi düzeltir. İnverter: DC gerilimi AC’ye çevirir. Genellikle PWM kontrollü ve zorlamalı komütasyonludur. Transformatör 2: DC hat ve AC yük arasında gerilim uyumu ve izolasyon sağlar. Aşırı ve kısa devre akımlarına karşı koruma görevi yapar.

C2 Kapasitesi: Transformatör 2 ile birlikte AC çıkış gerilimini filtre eder. SNA: Statik normal anahtardır. Normal çalışmada, KGK çıkışını yüke aktarır ve kontrol eder. SGA: Statik geçiş anahtarıdır. Arıza ve bakım durumlarında, otomatik olarak yükü doğrudan şebekeye aktarır. MSA: Mekaniksel seçme anahtarıdır. Elle kontrol edilebilen 2 konumlu mekanik bir şalter olup, doğrudan şebeke veya elektronik güç kaynağı konumlarını seçmeye yarar. NOT : AC filtrenin çıkış gerilimi, giriş geriliminin temel bileşenine eşittir. DC filtrenin çıkış gerilimi ise, giriş geriliminin ortalama değerine eşittir.

KGK’nİn Güç AkIş DiyagramI Sistemde daima aktif güç dengesi mevcuttur. DC hatlardaki gerilim ve akım değerleri ortalama değerlerdir. AC hatlardaki değerler ise, efektif temel dalga değerleridir.

Genel olarak, Id = Iakü + Iinv Pd = Pakü + Pinv Pd = Ud. Id Pakü = Ud Genel olarak, Id = Iakü + Iinv Pd = Pakü + Pinv Pd = Ud.Id Pakü = Ud.Iakü Pinv = Ud.Iinv Pşbk = q1.U1.I1.Cos1 Pyük = q2.U2.I2.Cos2 devre kayıpları ihmal edilerek, Pd = Pdoğ = Ptrf1 = Pşeb Pinv = Ptrf2 = Pyük Pşeb = Pakü + Pyük eşitlikleri yazılabilir.

Beklemesiz (on-line, full-time) KGK’da, giriş katındaki transformatör ve doğrultucu, şebeke gerilimi mevcut iken, sürekli olarak hem yükü besler hem de akümülatörü şarj eder. Bu durumda, Pd = Pakü + Pinv  yazılabilir. Beklemeli (off-line, stand-by) KGK’da, giriş katındaki transformatör ve doğrultucu, şebeke gerilimi mevcut iken, sadece akümülatörü şarj eder. Bu durumda, Pd = Pakü yazılabilir. Bu nedenle, Yedek Güç Kaynakları olarak da bilinen beklemeli güç kaynaklarının maliyetleri beklemesiz olanlara göre oldukça düşük olabilmektedir.

Kesintisiz Güç Kaynaklarında Doğrultucular Doğrultucu, AC şebeke gerilimini doğrultur ve akümülatör ile inverteri besler. Doğrultucu çıkışında, genellikle akım düzeltme reaktörü de denilen bir bobin mevcuttur. Bu bobin, çıkış akımını düzeltir, şebekedeki bozulmaları azaltır ve akım kontrolüne imkan sağlar. Doğrultucu, güce göre tek veya 3 fazlıdır ve genellikle kontrollüdür. AC şebekedeki bozulmaların fazla olmaması açısından, tam dalga doğrultucu tercih edilmelidir.

AC şebeke ve DC hat arasında genellikle elektriksel izolasyon istenmektedir. Klasik olarak, şebeke tarafında şebeke frekansında çalışan bir transformatör kullanılarak izolasyon sağlanmaktadır. Ancak, bu düşük frekanslı transformatörün boyutları ve maliyeti oldukça büyük olmakta, aynı zamanda kontrollü doğrultucu nedeniyle de şebekede bozulmalar oluşmaktadır. Transformatörler, aynı zamanda 2 taraf arasındaki gerilim uyumunu veya dönüşümünü de sağlar.

Günümüzdeki eğilim, AC şebeke geriliminin tam dalga kontrolsüz bir doğrultucu ile doğrultulması, bu sabit DC gerilimin bir yüksek frekanslı ve izoleli anahtarlamalı güç kaynağı ile ayarlanması ve kontrol edilmesi şeklindedir. Böylece, şebekedeki bozulmalar en aza inmekte, elektriksel izolasyon sağlanmakta, yüksek frekansta çalışma nedeniyle transformatör ve bobinlerin hacim ve maliyetleri oldukça düşmektedir.

Kesintisiz Güç Kaynaklarında İnverterler İnverter, DC ara gerilimini AC gerilime çevirir ve yükü besler. İnverter çıkışında, genellikle bir AC filtre mevcuttur. Bu filtre, inverter çıkış gerilimindeki harmonikleri en aza indirir. İnverter çıkış gerilimindeki bozulmaların ve filtre maliyetinin fazla olmaması açısından, PWM kontrollü inverter tercih edilmelidir. İnverter, güce göre tek veya 3 fazlı olabilmektedir. Tek fazlı uygulamalarda, basit ve ucuzluğu nedeniyle yaygın olarak push-pull türü inverterler kullanılmaktadır.

DC hat ve yük arasında da genellikle elektriksel izolasyon istenmektedir. Klasik olarak, yük tarafında yine düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak izolasyon sağlanmaktadır. Ancak, bu düşük frekanslı transformatörün boyutları ve maliyeti oldukça büyük olmaktadır. Transformatörler, aynı zamanda 2 taraf arasındaki gerilim uyumunu veya dönüşümünü de sağlar.

Günümüzdeki eğilim, DC ara geriliminin bir yüksek frekanslı ve izoleli anahtarlamalı güç kaynağı ile ayarlanması ve kontrol edilmesi, bu izoleli DC gerilimin bir PWM inverter ile doğrudan yükün ihtiyacı olan bir AC gerilime çevrilmesi şeklindedir. Böylece, çıkış gerilimindeki bozulmalar en aza inmekte, elektriksel izolasyon sağlanmakta, yüksek frekansta çalışma nedeniyle transformatör ve bobinlerin hacim ve maliyetleri oldukça düşmektedir.

STATİK ANAHTARLAR / ŞALTERLER Statik anahtar veya şalterler, faz başına tek bir triyak veya büyük güçlerde ters-paralel bağlı 2 tristör ile elde edilmektedir. Sürekli devrede olan (on-line, full time) güç kaynaklarında, sürekli olarak çıkış gerilimi bir statik anahtarla yüke verilmekte ve kontrol edilmekte, arıza durumunda bu anahtar kesime sokulmakta ve yük başka bir anahtarla AC şebekeye aktarılmaktadır.

Beklemeli olan (off-line, stand by) güç kaynaklarında, şebeke gerilimi mevcut olduğunda yük bir statik anahtarla AC şebekeden beslenmekte, şebeke gerilimi kesildiğinde veya çok bozulduğunda, inverter çıkış gerilimi başka bir statik anahtarla yüke verilmekte ve kontrol edilmektedir. Yükün AC şebeke ve inverter arasında aktarılması esnasında, genellikle AC şebeke ile senkronizasyon ve süre sınırlaması istenmektedir. Aktarma süresi, yükün özelliklerine bağlıdır ve genellikle birkaç 10 ms mertebelerindedir.

AKÜLER Çok sayıda akü türü mevcuttur. Ancak, az bakımlı kurşun-asit aküler, kesintisiz güç kaynaklarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Akülerin kapasiteleri Amper-Saat (Ah) olarak verilmektedir. Örneğin, 10 Ah’lik bir akü, tam dolu iken 10 A’lik bir akımla 1 saatte veya 2 A’lik bir akımla 5 saatte boşalmaktadır.

Aküler, çok hızlı boşalabilmelerine karşılık, oldukça yavaş dolabilmektedir. Hızlı şarj veya deşarj, akülerin ömrünü kısaltmaktadır. Şebeke gerilimi mevcut iken, uzunca bir sürede ve sabit bir akımla şarj edilen aküler, dolduktan sonra çok küçük bir akım ve sabit bir gerilim altında bekletilirler. DC hatta paralel bağlı olarak bekleyen akü, aynı zamanda DC gerilimi düzeltme görevi de yaparlar.

Şebeke gerilimi kesildiğinde, DC hatta paralel bağlı olarak bekleyen aküler, bitinceye kadar yükün bütün enerjisini üstlenirler. Doğrultucu ve inverterin tasarımında şebeke kesildiğinde yükü besleme süresi dikkate alınarak, istenen sayıda akü seri ve/veya paralel bağlanabilmektedir. Günümüzdeki eğilim, aküler ve akülerin bakımı oldukça maliyetli olduğundan, mümkün olduğu kadar az sayıda ve kaliteli akümülatör kullanmak, şebeke kesintilerinde çok kısa bir süre akülerle enerjiyi karşılamak ve hemen bir dizel jeneratörü devreye almak şeklindedir.