Çevre dostu kesintisiz güç kaynakları


Dr. Vehbi Bölat, Tunçmatik A.Ş. (www.tuncmatik.com)

Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK) endüstriyel ve ticari işletmelerde bilgi işleme/bilgi saklama amacıyla kullanılan ve kritik yük olarak nitelendirilen yükleri AC güç şebekesinde ortaya çıkan elektrik güç kalitesi ile ilgili problemlere karşı korumak amacıyla geliştirilmiş güç elektroniği temelli cihazlardır. Teknolojileri artık olgunlaşmış olan KGK cihazlarından çevre dostu bir çalışma sergilemesi beklenir. KGK cihazı kritik yükler için güç korumasını öngörülen çıkış performans değerleriyle sunarken çevre dostu çalışmayı temelde iki şekilde sağlayabilir: 1- KGK’nın ısıl güç kayıpları düşük, diğer bir deyişle toplam verimi yüksek olmalıdır, 2- KGK, beslendiği AC güç kaynağından elektrik güç kalitesi yüksek olan bir güç çekmelidir.
Bu makalede öncelikle KGK’ların temel çalışma prensibinden bahsedilecek, ardından çevre dostu KGK veya yeşil KGK olarak anılan KGK cihazlarının verim ve giriş yanı ile ilgili üstün özellikleri örnek bir KGK cihazının değerleri aracılığıyla sunulacaktır.

Giriş güç performansı
KGK’lar, elektrik kesintisinin de içinde yer aldığı şebekede ortaya çıkan güç kalitesi ile ilgili problemlerden besledikleri kritik yükü izole ederler. Bu doğrultuda öncelikle AC güç şebekesinden çekilen AC giriş gücünü girişinde yer alan doğrultucu yardımıyla DC güce dönüştürür. Bu DC güç KGK sisteminde yedek elektrik enerji deposu olarak kullanılan aküleri tampon şarj altında tutar ve aynı zamanda evirici güç devresinin giriş güç beslemesini oluşturur. Kullanılan akü sayısının belirlediği DC ara devre gücü çıkış güç katı olarak kullanılan evirici yardımıyla bu kez kritik yükün beslenmesi için gerekli olan AC güce dönüştürülür. Çift güç dönüşümü (double conversion) ile oluşturulan KGK’nın çıkışındaki AC güç, gerilim etkin değeri ve frekans değişimi çok dar aralıkta kalan, kararlılığı ve regülasyon hızı son derece iyi olan bir güçtür. Yük uçlarına uygulanan gerilimin THD değeri lineer yükler için %1; lineer olmayan CF=3:1 (CF, Crest Factor) yükler için ise %3-4 seviyelerindedir. Geleneksel KGK’ların prensip şeması Şekil 1’de verilmiştir.


Şekil 1- Çift güç dönüşümlü on-line KGK prensip şeması

Güç yapısı Şekil 1’de sunulan KGK, doğrultucu devresinde yer alan tristör yarı iletken elemanlarının sabit DC ara devre gerilimi oluşturmak amacıyla sıfırdan farklı açılarda tetiklenmesi sonucu AC güç şebekesi tarafında elektrik güç kalitesi ile ilgili ciddi problemler oluşturur. Tristörün tetiklenip iletime girdiği anda kaynaktan çekilmeye başlayan giriş akımı kaynak empedansına ve yük akımı genliğine bağlı olarak süreksiz olabilir. Belli çalışma koşullarında akım dalga şekli sürekli olsa bile kaynak gerilimininki gibi sinüzoidal değildir. Temel frekansın (50Hz) dışında 5, 7, 11, 13 vd. gibi harmonik frekansları içermektedir. Akım süreksizliği ve sinüzoidalden farklı olan akım dalga şekli, akım için tanımlanan harmonik distorsiyonunu artıran faktörlerdir. Akım harmonikleri, sonlu değere sahip olan Xs kaynak empedansında ek gerilim düşümleri oluştururlar. Diğer tüketicilerin beslendikleri ortak kuplaj noktasında (PCC, Point of Common Coupling), kaynak empedansının çok düşük olmaması halinde gerilim dalga şeklinin de distorsiyona uğramasına neden olurlar. Üç fazlı tristör doğrultucunun kaynak akımı THD (Toplam Harmonik Distorsiyonu) değeri %33-35 mertebelerindedir. Oldukça yüksek olan bu THD değeri nedeniyle besleme transformatöründe ve besleme hattı üzerinde yer alan kayıplı elemanlarda güç kayıpları artar; ortak besleme barasındaki gerilimin dalga şekli bozulur; sistemin kullanım kapasitesi azalır; elektrik kesintisi sırasında kullanılacak dizel jeneratörün gücü yükselir; öngörülmeyen ve istenmeyen hata oluşumları nedeniyle sistemler kesintiye uğrayabilir. Distorsiyon akımının yanında akım dalga şeklinin neden olduğu diğer bir güç kalite problemi de kaynaktan değeri yüksek reaktif güçlerin çekilmesidir. Kaynaktan çekilen sanal güç (S), aktif (P) ve reaktif (Q) olmak üzere iki bileşenden oluşur.
S= P + jQ        S2=P2 + Q2      
Güç Faktörü (PF), kaynaktan çekilen toplam gücün ne kadarlık kısmının faydalı güç bileşeninden oluştuğunu gösteren bir değerdir.
PF= P/S
İdeal durumda PF=1 olması halinde kaynaktan çekilen S görünür gücünün tümü P aktif güç bileşeninden oluşur. Güç faktörünü iki bileşen belirler: Distorsiyon Faktörü (DisF) ve Yer Değiştirme Faktörü (cos?). PF değerinin 1 olması için bu iki bileşenin değerlerinin ayrı ayrı 1 olması gerekir.
DisF= I1rms / Irms
S= Vrms x Irms
P= Vrms x I1rms x cos?
PF= P/S= (Vrms x I1rms x cos?)/(Vrms x Irms)= (I1rms/Irms) x cos? = DisF x cos?
PF= DisF  x cos?
Distorsiyon Faktörü,  KGK’nın ideal bir sinüzoidal gerilim kaynağından çektiği akımın ne denli sinüzoidal forma yakın olduğunu gösterir. Değerinin 1 olması durumunda akım dalga şekli saf sinüzoidaldir. Öte yandan Yer Değiştirme Faktörü gerilim dalga şekli ile temel frekanstaki (50Hz) akım dalga şekli arasındaki faz açısının kosinüs (cos) değeridir. Aynı fazda olan bu iki elektriksel değişim için faz açısı 0°; cos (0°)=1’dir. Q= S x sin(0°)=0 olacağından kaynaktan Q reaktif gücü çekilmez; çekilen tüm güç faydalı aktif güçten oluşur.

KGK verimi
KGK verimi, nominal giriş ve nominal çıkış geriliminde, KGK’nın tam güç kapasitesinde kullanılması halinde çıkış aktif gücünün giriş aktif gücüne oranı şeklinde tanımlanır.
?=Pçıkış / Pgiriş
Güç elektroniği devrelerinin yer aldığı KGK cihazlarında güç kaybı kablolarda, transformatör ve bobin sargılarında, kondansatörlerde ve bizzat yarı iletken elemanlarında ortaya çıkar. Kayıp elemanlarında açığa çıkan güç kaybı,
P= R x I2
bağıntısı ile tanımlanır ve birimi W (Watt)’ dır. I, AC devrelerde akımın etkin (rms); DC devrelerde ise ortalama değeridir. R, pasif kayıp devre elemanıdır. KGK’ların verimini azaltan diğer güç kayıpları tristör, tranzistör gibi anahtarlama elemanlarının iletimde ve kesimde kaldıkları sürede ve çalışma frekansına bağlı olarak kaybın çok arttığı akım komütasyonları sırasında ortaya çıkar. Anahtarlama frekansı kayıpları iletim ve kesim kayıplarına göre oldukça yüksektir. Son nesil yarı iletken elemanların iletimde oldukları ve yük akımını taşıdıkları sırada Ron direncinin çok düşük, kesime girdikleri ve yük akımını taşımadıkları ancak kaynak gerilimini bloke ettikleri sırada ise Roff dirençlerinin çok yüksek olması nedeniyle iletim ve kesim kayıpları, anahtarlama kayıplarına göre ihmal edilecek kadar küçüktür. Yarı iletken elemanın baskın olan güç kaybı anahtarlama kaybıdır. Yukarıda verilen bağıntıdan da görüleceği üzere KGK cihazlarında elektrik güç kaybını azaltmanın en etkin yolu R değerini düşürmek ve anahtarlama güç kaybını azaltmaktır.

Çevre dostu KGK
Elektrik şebekesine daha az zarar veren, şebekenin güç kapasitesini gereksiz şekilde kullanmayan yeşil KGK konsepti özellikle son zamanlarda yaygın olarak gündeme gelmeye başlamıştır. Bu yapıdaki KGK’larda şebekeden çekilen elektrik gücünde iyileştirmeler sağlanırken, verim değerlerinde de %96-97 seviyelerine ulaşılabilmiştir. Çevre dostu böyle bir üç fazlı KGK’nın doğrultucu güç devresi şeması ile kaynak tarafı elektriksel büyüklükleri aşağıda verilmiştir (Şekil 2).                                      
           

  1.                                                                           (b)

Şekil 2- Çevre dostu KGK, a) Doğrultucu güç devresi şeması   b) Kaynak gerilimi vs ve kaynak akımı is

Geleneksel KGK’larla karşılaştırıldığında, bu KGK’ların en önemli farkı giriş doğrultucusunun, giriş akımı kontrol edilecek şekilde aktif olarak kontrol edilmesi ve evirici çıkışında bir transformatörün yer almamasıdır. Doğrultucu güç katında yüksek frekanslarda sürülen IGBT elemanları; doğrultucu girişinde ise güç devresinin boost konvertör olarak çalışabilmesini mümkün kılan şok bobinler (Ls) yer almaktadır. Şekil 2a’da verilen doğrultucu güç devresinde DC ara devre gerilimi (Vo) öngörülen (Voref) gerilimi ile karşılaştırılır. Voref gerilimi, doğrultucunun boost konvertör olarak PWM modunda çalışıp giriş güç kalitesini düzeltmeye yetecek kadar büyük bir değerdedir. Karşılaştırılan iki değer arasındaki fark (e) sıfır olacak şekilde PWM kontrol bloku üzerinden IGBT elemanları sürülür. IGBT yarıiletken elemanların sürülmesi sırasında şebekeden çekilen akımın şebeke gerilimini izlemesi sağlanır. Tunçmatik A.Ş. firmasının üç fazlı güç koruma çözümü olarak sunduğu HiTech Pro KGK’nın bu yapıya sahip olan doğrultucu devresi, KGK çıkışında standart yüklerle beraber regeneratif yüklerin de kullanılması halinde evirici modunda çalışarak DC ara devre geriliminin yükselmesine neden olan elektrik enerjisini bağlı olduğu AC güç şebekesine geri gönderir. Bu iki yönlü çalışma şekli (hem doğrultma, hem de evirme modu) DC ara devre geriliminin hem aşırı yükselmesini önlemekte, hem de elektrik enerjisi tasarrufu sağlamaktadır. Çevre dostu KGK’ların nominal DC ara devre gerilimi geleneksel KGK’lardakinden yüksektir ve değeri 750-850Vdc arasındadır. Giriş akımı dalga şeklinde güç harmonikleri yer almamakta, harmonik içeriğini sadece anahtarlama frekansındaki düşük genlikli yüksek mertebeden harmonikler oluşturmaktadır (Şekil 2b). Bu harmonikler ise yüksek frekanslara ayarlanmış pasif LC filtreler ile bastırılabilmektedir. HiTech Pro KGK cihazında nominal yük koşullarında (%100 yük) giriş akımı THD değeri <%1; %10 yükte <%5’dir. Giriş güç faktörü değeri ise geniş bir yük aralığı için >%99’dur (Şekil 3). KGK’ların çoğunlukla %50-80 yük değerlerinde çalıştığı dikkate alınacak olursa birim giriş güç faktörlü çalışma sergileyen HiTech Pro KGK cihazı bağlı olduğu şebekeden reaktif güç çekmeyecektir.

Şekil 3- Giriş güç faktörünün yük ile değişimi (HiTech Pro KGK için)

KGK sisteminin toplam veriminin de, giriş güç faktöründe olduğu gibi geniş bir yük aralığında yüksek olması beklenir. HiTech Pro KGK %50-100 yük aralığında %95 verim değeri sergilemektedir (Şekil 4).


Şekil 4- KGK sistem veriminin yük ile değişimi (HiTech Pro için)

Sonuç
KGK’lar endüstriyel ve ticari kritik uygulamalardaki artışla önemi daha da artan güç koruma çözümleridir. Besledikleri hassas yükleri şebekenin olumsuz etkilerinden korurken bağlı oldukları şebekeyi olumsuz yönde etkilememeleri beklenir. Bu makalede geleneksel on-line KGK cihazlarının şebekede neden olduğu temel güç kalitesi problemlerine değinilmiş; bu sorunları ortadan kaldıran teknolojik gelişme ve sonuçları çevre dostu örnek bir KGK üzerinden anlatılmıştır.

Yazar hakkında: Makalenin yazarı Dr. Vehbi Bölat’ın özgeçmişi ve çalışmaları hakkında ayrıntılı bilgiye, (www.vehbibolatdanismanlik.com) adresinden ulaşabilirsiniz.