Kesintisiz Güç Kaynağı Kılavuzu

 KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAĞI KILAVUZU Derleyen : Mustafa BIYIK ESİS Enerji ve Elektronik San.Tic.A.Ş. mustafa.biyik@esis.com.tr İçindekiler KGK NEDİR? ............................................................................................................................................. 7 NEDEN KGK? ............................................................................................................................................ 8 ŞEBEKEDEKİ BOZUCU ETKİLER VE KRİTİK YÜKLER ............................................................................... 8 GÜÇ SORUNLARININ ÇEŞİTLERİ ......................................................................................................... 10 Spike .............................................................................................................................................. 10 Surge .............................................................................................................................................. 10 Sag ................................................................................................................................................. 10 Gürültü .......................................................................................................................................... 10 Brownout ....................................................................................................................................... 10 Blackout ......................................................................................................................................... 10 Harmonikler ................................................................................................................................... 10 ŞEBEKE GÜCÜ KESİLİRSE NE OLUR? ................................................................................................... 11 ELEKTRİK SORUNUNA DOĞRU TERCİH YAPMAK ............................................................................... 12 KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARININ ÇALIŞMA İLKESİ ................................................................................ 14 DİNAMİK KGK .................................................................................................................................... 15 STATİK KGK ........................................................................................................................................ 16 STATİK KGK TİPLERİ............................................................................................................................ 17 STATİK KGK ANA BÖLÜMLERİ ................................................................................................................ 18 DOĞRULTUCU .................................................................................................................................... 18 AKÜ ŞARJ DEVRESİ ............................................................................................................................. 18 AKÜ GRUBU ....................................................................................................................................... 18 EVİRİCİ (INVERTER) ............................................................................................................................ 18 STATİK TRANSFER ANAHTARI ............................................................................................................ 19 MEKANİK TRANSFER ANAHTARI (BAKIM BY‐PASS ANAHTARI) ......................................................... 19 DOĞRULTUCULARDA DARBE (PULS) SAYISI ........................................................................................... 20 KGK’LARDA KULLANILAN DOĞRULTUCU TİPLERİ .................................................................................. 22 TAM DALGA KONTROLSÜZ DOĞRULTUCU ........................................................................................ 22 TAM DALGA KONTROLLÜ DOĞRULTUCU .......................................................................................... 23 AKTİF GÜÇ FAKTÖRÜ DÜZELTEN DOĞRULTUCU (PFC) ...................................................................... 24 STATİK KGK ÇALIŞMA MODLARI ............................................................................................................ 25 Aküden Çalışma ................................................................................................................................. 25 Bakım By‐Pass’ından Çalışma ............................................................................................................ 25 By‐Pass tan Çalışma ........................................................................................................................... 26 Şebekeden Çalışma ............................................................................................................................ 26 KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARINDAN BEKLENEN ÖZELLİKLER ................................................................. 27 Gerilim Kararlılığı ............................................................................................................................... 27 Frekans Kararlılığı .............................................................................................................................. 27 Ani Yüke Cevap Verebilme (Dinamik Regülasyon) ............................................................................ 27 Çıkış Gerilimi Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD) ......................................................................... 27 Aşırı Yük Ve Kısa Devre Koruma ........................................................................................................ 27 Yüksek Verim ..................................................................................................................................... 28 Aküler ................................................................................................................................................ 28 Kolay Tamir Edilebilmesi Ve Yedek Parça Teminini Kolaylığı ............................................................. 28 NASIL BİR KGK SEÇİLMELİ? .................................................................................................................... 29 1.BAĞLANACAK YÜKLERİN GÜCÜNE GÖRE KGK SEÇİMİ .................................................................... 29 2.FAZ SAYISINA GÖRE KGK SEÇİMİ .................................................................................................... 29 3.AKÜ SÜRESİNE GÖRE KGK SEÇİMİ .................................................................................................. 30 4.KGK VE JENERATÖR ORTAK ÇALIŞMASI .......................................................................................... 30 Adım Yükü...................................................................................................................................... 30 Gerilim Yükselmesi ........................................................................................................................ 31 Sinüs Dalga Şeklinde Bozulmalar ve Harmonik Akımlar ................................................................ 31 Frekans Dalgalanmaları ................................................................................................................. 32 By‐Pass’a Senkron Olmak .............................................................................................................. 32 Otomatik Transfer Anahtarı .......................................................................................................... 32 5.PARALEL KGK ÇALIŞMA ŞEKİLLER VE SEÇİMİ .................................................................................. 33 Seri Redundant KGK Sistemi (Kaskad Bağlantı) ............................................................................. 33 Paralel Redundant KGK Sistemi ..................................................................................................... 34 KGK’lar da MTBF (Mean Time Between Failures) Hesaplanması .................................................. 34 Seri – Pararlel Bağlantı Avantaj Tablosu ........................................................................................ 39 6.KGK SEÇİMİNDE KRİTERLER ............................................................................................................ 40 Off‐Line Sistem .............................................................................................................................. 40 On‐Line Sistem ............................................................................................................................... 40 Akü Çalışma Süresi ......................................................................................................................... 40 Yükün Çeşidi (crest faktörü) .......................................................................................................... 41 Çalışma Ortamı .............................................................................................................................. 42 KGK Kapasitesi ............................................................................................................................... 42 ALIŞILMAMIŞ KAYNAKLARDAN KGK’NIN ÇALIŞMASI ............................................................................. 43 Topraksız Kaynaklar ........................................................................................................................... 43 Jeneratörden Çalışma ........................................................................................................................ 43 Ciddi Voltaj Distorsiyonlu Kaynaklar ................................................................................................. 43 Kronik Düşük Şebeke Voltajı .............................................................................................................. 43 KGK KULLANIMINDA DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER ........................................................................... 44 EMNİYET KURALLARI VE İKAZLAR ...................................................................................................... 44 Taşıma ........................................................................................................................................... 44 Kurma ............................................................................................................................................ 44 Montaj ........................................................................................................................................... 44 Çalışma .......................................................................................................................................... 45 Bakım, Servis ve Arızalar ................................................................................................................ 45 KGK’LARIN UZAKTAN İZLENMESİ VE PC HABERLEŞMESİ ....................................................................... 46 AKÜ ÖMRÜ VE KGK’NIN GÜVENİLİRLİĞİ ................................................................................................ 48 KGK’nın Ömrüyle İlgili Önemli Bilgiler ............................................................................................... 48 Akü Sıcaklığı Güvenilirliği Etkiler ........................................................................................................ 48 Akü Şarjı Tasarımı Güvenilirliği Etkiler ............................................................................................... 48 Akü Gerilimi Güvenilirliği Etkiler ........................................................................................................ 48 Akü Akım Dalgalanması Güvenilirliği Etkiler ...................................................................................... 49 AKÜ HESAPLAMA YÖNTEMİ .................................................................................................................. 51 KGK Aküsünün Seçimi ........................................................................................................................ 53 Akü Performansının Sıcaklıkla İlişkisi ............................................................................................. 53 Akü Ömrü ve Performansı ............................................................................................................. 54 Akü Serilerinin Paralel Çalışması ................................................................................................... 55 ELEKTRİK VE KGK TERİMLERİ ................................................................................................................. 56 RMS (Etkin Değer) ve Ortalama Değer .............................................................................................. 56 Aktif Güç, Reaktif Güç ........................................................................................................................ 58 Lineer (Doğrusal) Yük, Non‐Lineer (Doğrusal Olmayan) Yük ............................................................. 60 Senkronizasyon .................................................................................................................................. 61 Güç Faktörü ....................................................................................................................................... 61 Crest (Tepe) Faktörü .......................................................................................................................... 61 Harmonik ve THD (Total Harmonic Distortion, Harmonik Bozunum) ............................................... 63 Sinüs (Sinüzoidal) Dalga Şekli ............................................................................................................ 65 Sinüs Benzeşimli (Kısmi Kare Dalga Eviriciler) ................................................................................... 65 EMI‐RFI .............................................................................................................................................. 66 PFC (Power Factor Correction, Güç Faktörü Düzeltmesi) .................................................................. 67 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor = Kapıdan yalıtımlı bipolar transistor) ................................ 68 PWM (Pulse Width Darbe Genişlik Modülasyonu) ............................................................................ 68 SPWM (Sinüs Dalgalı Darbe Genişlik Modülasyonu) ......................................................................... 68 Surge Faktörü .................................................................................................................................... 69 Sag ..................................................................................................................................................... 69 Spike .................................................................................................................................................. 69 Surge .................................................................................................................................................. 69 Gürültü .............................................................................................................................................. 70 Brownout ........................................................................................................................................... 70 Blackout ............................................................................................................................................. 70 Galvanik İzolasyon ............................................................................................................................. 70 Watt Veya Volt‐Amper ...................................................................................................................... 71 Cold Start ........................................................................................................................................... 72 Soft Start (Yumuşak Kalkış) ................................................................................................................ 72 MTBF (Mean Time Between Failures) ............................................................................................... 72 MTTR (Mean Time To Repair) ........................................................................................................... 72 Inrush Akımı (Boşta devreye girme akımı) ........................................................................................ 72 Demeraj akımı ................................................................................................................................... 73 Verim ................................................................................................................................................. 73 SNMP (Simple Network Management Protocol) ............................................................................... 73 KGK NEDİR? Elektrik yükünün bağlı bulunduğu şebekede meydana gelen veya gelebilecek olan gerilim dalgalanmaları (çöküntüler, yükselmeler, ani değişikler), harmonikler, kısa veya uzun süreli kesintiler v.b. durumlarda yük bu değişimlerden hassaslığı oranında etkilenir. Özellikle sağlık, veri işleme, güvenlik gibi çok hassas yükler kesintilerden en fazla etkilenen gruplardandır. Örneğin bilgisayar beslemesindeki ani kesintiler kaydedilmemiş verilerin kaybolmasına neden olur. Ayrıca bu kesintilerin kayıtlı verilere de zarar verebileceği bir gerçektir. •
•
•
KGK şebekede meydana gelen parazitleri süzer ve kritik yükü etkilemeyecek hale getirir. Böylece yük şebekede oluşan her tür elektriksel gürültüden temizlenmiş enerjiyle beslenir. Cihazın içinde bulunan eviriciden elde edilen parazitlerden arındırılmış, voltajı ve frekansı kararlı AC gerilim kritik yüke aktarılır. Böylece kritik yükün şebekedeki tolerans sınırları içindeki gerilim ve frekans değişimlerinden etkilenmesi önlenmiş olur. Şebeke kesintisi olduğunda, kritik yük KGK’dan beslenmeye devam ettiği için kesintiden etkilenmez. KGK’dan kaliteli enerji ile beslenen cihazların şebeke düzensizliklerinden kaynaklan arızaları önlenmiş olur. Böylece cihazların kullanım süreleri uzamış olur. KGK’lar yapıları itibariyle: •
•
Statik KGK Dinamik KGK KGK Çalışma şekline göre: •
•
•
On‐Line KGK Off‐Line KGK Line‐Interactive KGK olarak gruplandırılabilir. Bir amacı gerçekleştirmek için değişik yöntemler kullanılabilir. Ancak kullanılan yöntemin en iyi en ekonomik olması tasarım‐üretimin temelini oluşturur. Kullanıcı ihtiyaçları doğrultusunda bir KGK edinmek istediğinde bu hususları göz önüne almalıdır. Kullanılan malzemenin cinsi kullanılan yöntem ve teknikler KGK’nın verimi, teknik açıdan yeterlilikleri iyi analiz edilmelidir. 7
NEDEN KGK? ŞEBEKEDEKİ BOZUCU ETKİLER VE KRİTİK YÜKLER Elektrik enerjisinin gittikçe yaygın kullanım alanı bulması, hayati önem taşıyan yada sürekli çalışması gereken, cihaz ve sistemlerde uygulanması, bu enerjiyi üreten kaynakların güvenilirlik sorununu gündeme getirmiştir. Tüketilen elektrik enerjisinin %95'den büyük bir oranını sağlayan AC şebekede, güvenilirlik için alınan tüm önlemlere rağmen, günümüz uygulamalarında yetersizliklerle karşılaşılmakta, kritik yük olarak nitelendirilen cihaz ve sistemlerin Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK) üzerinden beslenmesi zorunlu olmaktadır. AC şebekeleri aşağıdaki özellikleri sağladığı varsayılan gerilim kaynaklarıdır: •
•
•
•
Sabit efektif değer ve sabit frekansta alternatif gerilim sağlar. Gerilim dalga şekli sinüzoidaldir. Sağlanan enerji süreklidir. Sıralanan bu özellikler yükleme şekli ile değişmez. Ancak bu özellikleri pratikte bulmak mümkün değildir. Şebekeyi oluşturan kuvvet santrallerindeki jeneratörlerden tüketicinin bağlandığı besleme klemensine kadar bütün birimler, belirtilen özellikleri sınırlı olarak sağlarlar. Gerilim efektif değeri ve dalga şeklinin değişmesi, genellikle yüklenmeye bağlıdır. Kısa devre empedansının ideal olarak sıfır olmaması, çekilen akıma bağlı olarak gerilimin değişmesine neden olur. Efektif değeri sabit tutmak için gerilim regülatörlerinden, dalga şeklini düzeltmek için filtre devrelerinden yararlanılabilir. Şebekenin herhangi bir noktasında oluşacak geçici arızalar da tüketiciyi etkiler. Enerji nakil hattının kopması, aşırı yüklenmede kesicilerin devreyi açması, nakil hattına yıldırım düşmesi, indirici ve yükseltici trafoların devreye girip çıkması gibi durumlarda; gerilimde kısa yada uzun sürekli kesintiler görülür ve tüketici temiz enerji ile beslenemez. Buna benzer durumlarda motor‐jeneratör grupları gibi yedek güç kaynaklarına başvurulabilir. Ancak bunlar elektro mekanik dönüştürücüler olduğundan, kesinti süresini belli bir değerin altına indiremez. Kesinti sırasında grubun otomatik olarak çalıştırılması ve sürekli rejime girmesi bile birkaç dakika alır. Grubun sürekli çalıştırılması ve kesinti ile birlikte yükün jeneratöre aktarılması ise birkaç yüz milisaniye süre gerektirir. Ancak bu yol da ekonomik açıdan verimli değildir. Modern teknolojinin getirdiği olanaklar yanında karşılaşılan belki de en önemli problem, elektrik gücü ile çalışan bir takım cihaz ve sistemlerin beslemede görülebilecek çok kısa süreli aksamalardan bile etkilenmeleridir. Hastaneler, havaalanları, haberleşme merkezleri gibi kuruluşların kesintilere tahammülü gittikçe azalmaktadır. Örneğin bir açık kalp ameliyatı veya iniş sırasında uçağa gerekli bilgilerin aktarılması anında doğabilecek kesintiler hayati önem taşımaktadır. Şebeke arızaları endüstriyel otomasyon sistemlerinde verimi büyük ölçüde etkilemektedir. Süreklilik isteyen proseslerde kesinti sonucu doğan malzeme ve işgücü kayıpları önemli boyutlardadır. 8
Gerek hayati önem taşıyan kuruluşlarda, gerekse endüstriyel uygulamalarda gittikçe yaygın kullanım alanı bulan KGK’ların başlıca kullanım alanları aşağıda sıralanmıştır. ‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
Bilgisayarlar ve bilgisayar destekli otomasyon sistemleri, Bilgisayar destekli üretim/ambalajlama tezgahları (otomotiv, metal işleme, tekstil vb.) Tıbbi elektronik cihazlar, hastaneler Hava alanı aydınlatması Hava trafik kontrol merkezleri Askeri radar sistemleri Haberleşme ve yayın kuruluşları Asansörler Elektronik kapılar Barkod cihazları Yazar kasalar Elektronik teraziler Acil durum aydınlatmaları ısıtma cihazları Soğutma cihazları Kesintisiz güç kaynakları işte bu gereksinimlerin zorlaması ile ortaya çıkmış statik elektronik düzenlerdir. Güç elektroniği ve elektronik kontrol tekniğindeki gelişmelere paralel olarak yenilenen Kesintisiz Güç Kaynakları günümüzde tüketicinin tüm isteklerine cevap verebilecek özellikte ve performansta yapılabilmektedir. Kesintisiz güç kaynakları özellikle bilgi işlem sistemlerinde ve kişisel bilgisayarlarda şebekede bir arıza oluşması halinde o esnada çalışılan bilginin kaybolmaması ve genel olarak cihazın şebekeden gelebilecek bozucu etkilere karşı korunması amacıyla kullanılmaktadır. Bu bozucu etkiler; ‐
‐
‐
‐
Rasgele veya düzenli elektrik kesintileri Kapasite yetersizliğinden doğan gerilim düşümleri veya sürekli düşük ya da yüksek şebeke gerilimi. Genel olarak güç kalitesinin düşük olması. Harmonik bozulmalar, kararsız frekans, ani gerilim sıçramaları ve gürültüler. Harmonikler yakındaki bir tesiste büyükçe bir elektrik yükünün devreye girmesi veya çıkması ya da doğrusal olmayan yüklerin kullanımda olması nedeniyle oluşan ve şebeke gerilimi dalga şeklinin olması gereken sinüs formundan uzaklaşması sonucu ortaya çıkan yüksek frekanslı titreşimler olarak özetlenebilir. Kesintisiz Güç Kaynağı (UPS) kullanımını gerekli kılan enerji sorunları şunlardır; 9
GÜÇ SORUNLARININ ÇEŞİTLERİ Spike Bilgisayar çalışmalarını sekteye uğratabilecek hatta ekipmana zarar verebilecek yüksek genlikli anlık olaylardır. Spike çeşitli nedenlerden kaynaklanabilir. En önemli neden yakın, uzak bir yere veya enerji iletim hatlarına düşen yıldırımlardır. Bunlar gerilimde büyük sıçramalara neden olabilirler. Spike oluşturan diğer olaylar, büyük elektronik yüklerin veya şebekenin açılıp kapanması ve statik deşarjdır. Spike sonucunda oluşabilecek en yıkıcı olay donanımın zarar görmesidir. Yüksek gerilim darbeleri mikroçip yollarında (traces) delikler açabilir. Bazen bu hasar hemen kendini gösterir; bazen de olaydan günler, haftalar boyunca kendini göstermeyebilir. Surge Bir peryottan uzun süren aşırı gerilimlerdir. Surge, büyük miktarda güç çeken hattaki bir cihazın aniden durması veya kapatılması sonucu oluşabilir. Şebekeler büyük yükleri hat dışında anahtarladıkları zaman surge oluşabilir. Bir surge’ün büyüklüğünden çok süresi önemlidir. Uzun veya sık surge’ler bilgisayar donanımına hasar verebilir. Sag Sag (çöküntü) surge’ün zıttıdır. Bunlar uzun süreli düşük gerilim durumlarıdır. Topraklama hataları, zayıf güç sistemleri, büyük elektriksel yüklerin ani start‐up’ları gerilim çöküntülerinin tipik sebepleridir. Yıldırım düşmesi de ayrıca çöküntülerin önemli bir nedenidir. Çöküntüler, bilgisayarlara karşı ciddi bir tehdit oluşturabilir. Çöküntüler disk sürücüleri yavaşlatabilir, okuma hatalarına ve hatta çökmelerine sebep olabilir. Gürültü Normal sinüs dalganın üzerine binen çeşitli yüksek frekans darbeleri için kullanılan kollektif bir terimdir. Genliği birkaç mV’den birkaç V’ye kadar değişebilir. Özellikle tehlikeli bir problem, radyo frekans (RF) gürültüsüdür. RF gürültüsü, elektrik kabloları üzerinde dolaşan yüksek frekanslı sinyallerden oluşur. RF gürültüsü, yıldırım çarpması, radyo iletimleri ve bilgisayar güç kaynakları tarafından yaratılabilir. Gürültü, hatalı data iletimine ve bilgisayar işlem, yazıcı ya da terminal hatalarına sebep olabilir. Brownout Dakikalar, hatta saatler süren uzun süreli düşük gerilim durumlarıdır. Tepe akım isteği kapasitenin üzerinde olduğu zaman şebekeler tarafından yaratılırlar. Brownout, lojik devre ve disk sürücüleri düzgün çalışmaları için gerekli gerilimden mahrum bırakarak hatalı çalışmalarına veya donanım hasarlarına sebep olurlar. Blackout Dakikalar, saatler hatta günler süren 0 (sıfır) gerilim durumlarıdır. Enerji dağıtım şebekesine, taşıyabileceğinden daha fazla yük bindirildikçe daha sık meydana gelirler. Blackout, topraklama hataları, kazalar ve doğal afetler yüzünden oluşabilir. En mühim etkisi sistem çökmelerine sebep olmasıdır. Güç aniden kesildiğinde disk sürücüler veya diğer sistem bileşenleri zarar görebilir. Harmonikler Normal sinüs dalgada oluşan bozukluklardır. Harmonikler, gerisin geri AC hattına lineer olmayan yükler tarafından iletilirler. Fax ve fotokopi makinaları, bilgisayarlar, değişken hızlı motorlar lineer olmayan yüklere örnek olarak verilebilir. Bu harmonikler, AC hattına bağlı diğer cihazların çalışmalarını engelleyebilir. Harmonikler, iletişim hatalarına ve donanım hasarlarına sebep olabilirler. Üç fazlı sistemlerde trafoların ve nötr iletkenlerin aşırı ısınıp yangın tehlikesi oluşturmalarına sebep olabilir. 10
ŞEBEKE GÜCÜ KESİLİRSE NE OLUR? Bir UPS'in bir bilgisayarı ani bir güç kaybına karşı koruyup koruyamayacağı genelde UPS'in fişini çekip sonucu görmekle test edilir. Eğer bilgisayar hala çalışıyorsa, UPS bu iş için uygun görünür. ESİSPOWER'da gördük ki bu test, olabilecek güç hatalarının sadece zayıf bir simulasyonudur ve bazı UPS markaları gerçek güç hatalarına bu basit "fişi çek" testinden daha fazla tepki süresi veriyorlar. Bu demektir ki "fişi çek" testinden 100 kez başarıyla geçmiş bir UPS, gerçek bir sorun karşısında bilgisayarınızı koruyamayabilir. Fiş çekme testi ile gerçek bir güç sorunu arasındaki benzerlik her iki durumda da bilgisayara gerilim verilmemesidir. Ana fark, gerçek bir güç kaybında (real power outage) binanızdaki diğer elektriksel yükler UPS'inizin güç kablosuna bağlı kalırlar. Bu yüklerin güç çekişi UPS'e oranla çok fazladır ve bundan dolayı UPS girişinde bir kısa devre sunarlar. Bununla fişi çekme testi arasında derin bir farklılık vardır. Çoğu UPS üreticileri güç kesintisi tespit edildiğinde devreye yedek güç ünitesini sokan tepki sistemi kullanırlar. Fişi çekme durumunda UPS çıkışına hemen enerji verilir ve sonuç mükemmeldir. Gerçek bir güç sorununda, yedek ünite, transfer anahtarı hareketini tamamlayıncaya kadar kısa devre edilir. Dolayısıyla fiş çekme testine göre ek bir tepki zamanı ortaya çıkar. Pratikte bu tepki zamanı %20 ila %50 arasında artabilir. Belli koşullar altında anahtar ark yaratabilir ve güç kusuruna tepki 8 ms yada yarım periyod enerji vermeye devam edebilir. Sonuç olarak bu testi kullanarak elde edilen performans tutarlı değildir. 11
ELEKTRİK SORUNUNA DOĞRU TERCİH YAPMAK Aşağıdaki tablo hangi sorunlar için hangi cihazların uygun olduğunu göstermektedir: Sorunlar On‐Line UPS Off‐Line UPS Gerilim Regülatörü Yıldırım Bastırıcı Blackout • • Brownout • • • Spike • • • • Surge • • • • Çöküntü (Sag) • • • RF Gürültüsü • Harmonikler • • 12
OLAYLAR SEBEPLER ETKİLERİ SAGS (ÇÖKÜNTÜLER) Motorlar, kompresorlar, asansörler vb gibi aletlerin start‐up güç talepleri tipik sebeptir. Çöküntüler, ayrıca şebekenin ekstra güç ihtiyaçlarıyla başetme yoludur. Bir çöküntü, bilgisayarı, ihtiyacı olan güçten mahrum bırakabilir; kilitlenmiş klavyelere ve sistem çökmesiyle sonlanacak bilgi kayıplarına yol açabilir. Bu çöküntüler, elektrik aletlerin özellikle elektrik motorların ömrünü kısaltır. Voltaj seviyelerindeki kısa süreli düşüşlerdir. En genel güç sorunudur KARARTMA (BLACKOUT) Şebekede aşırı talep, şimşek Hafıza (ram) veya ön bellek kaybı, çakmaları, nakil hatlarında oluşan sürücüdeki tüm bilgilerin buzlar, depremler silinmesiyle sonuçlanacak hard‐
disk kaybı Şebeke gücünün tamamen yitirilmesi SPIKE Spike, voltajdaki ani, dramatik yüksek gerilimdir; cihaza zarar verebilir veya tamamen çökertir. GÜRÜLTÜ Teknikte EMI (Elektromagnetik Interferance) ve RFI (Radio Frequency Interferance) olarak bilinir; elektriksel gürültü, istenen sinüs dalgayı engeller. SURGE Gürültü, programlarda ve data Elektriksel gürültü, jeneratörler, radyo vericileri, şimşek çakması, dosyalarında hatalara sebep olur. yük anahtarlaması ve endüstriyel ekipman gibi birçok sebepten oluşur. Aralıklı veya kronik (sürekli) olabilir. Klimalar gibi çok güçlü elektrik motorlar ve civardaki ev aletlerinin çalıştırılması. Bu ekipmanlar çalıştırıldığında güç hatlarında ekstra güç harcanır. Voltajda kısa dönemlik artış. Saniyenin en az 1/100'ü kadar sürer. Tipik sebebi, yakın yerlerde oluşan Donanıma ciddi zarar verir. Bilginin yıldırımlardır. Spıke'lar şebeke kaybı. geriliminin aniden geri dönmesi yüzünden de oluşur. Bilgisayarlar ve benzeri hassas elektronik aletler belli voltaj aralığında güç almak için tasarlanmışlardır. Beklenen voltajın dışındaki herhangi değer bu aletleri zarara uğratacaktır. 13
KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARININ ÇALIŞMA İLKESİ Kritik yükleri kesintisiz beslenmesinin yanı sıra gerilimin efektif değer, frekans ve dalga şekli gibi tipik büyüklüklerini, şebekenin sağlayamayacağı doğrulukta veren KGK sistemi şebekeden çektiği AC gerilimi önce bir doğrultucu üzerinden DC gerilime dönüştürür. Doğrultucu hem yüke gerekli biçimde enerji sağlayan eviriciyi besler, hem de ara devrede yer alan akü grubunu doldurur (şarj eder). Eviricinin görevi, sağlanan DC enerjisinden, istenen standart efektif değerde ve frekansta, AC dalga şeklini üretmektir. Doğrultucu çıkışı nominal DC değerde tutulur, yük evirici üzerinden beslenir. Şebeke geriliminin sınır değerlerinin dışına çıkması veya kesilmesi durumunda doğrultucu çalışmaz. Evirici akümülatörden çektiği DC enerjisi ile yükü kesintisiz olarak istenen değerde beslemeye devam eder. KGK Blok Şeması Şekilden de görüleceği üzere yük hiçbir zaman enerjisiz kalmaz. Akü grubunun depoladığı enerji sınırlı olduğundan kesinti uzun süre devam ederse doğrultucunun yedek bir motor jeneratör grubu tarafından beslenmesinde yarar vardır. Kontrol elektroniği ünitesi, şebeke, doğrultucu, akü ve eviriciyi sürekli olarak denetleyerek bu birimlerin uyum içinde çalışmasını sağlar. 14
DİNAMİK KGK Dinamik KGK’lar adından da anlaşılacağı gibi herhangi bir arıza durumunda yükü hareketli parçalarla beslemesidir. Ancak uygulamalarda oldukça farklılık gösterirler. Dinamik KGK’lar genelde yüksek güç uygulamalarında kullanılırlar ve bir alternatör grubu ile birlikte çalışırlar. Özelikle, kinetik enerji depolama teknikleri açısından kendi aralarında farklılıklar gösteren Dinamik KGK’lar, son dönemde yarıiletken teknolojisindeki gelişmelerin etkisiyle, kısmen statik uygulamaları da içermeye başlamışlardır. Bazı üreticiler, bu alanda da birbirlerinden farklı karma uygulama yöntemleri geliştirmişlerdir. Örneğin enerji depolama işlemi bir akü grubu aracılığıyla statik olarak sağlanırken, yüke aktarma işleminin dinamik bir alternatörle gerçekleştirildiği uygulamalar mevcuttur. Yine farklı bir yöntem olarak; enerji depolama işleminin bir volan üzerinde dinamik olarak gerçekleştirildiği, ancak girişte ve çıkışta statik doğrultucu‐evirici devrelerin kullanıldığı sistemler de, bu tür karma uygulamalara örnek gösterilebilir. 1) Dizel Motor
3) Elekromanyetik Kavrama
4) Volan
6) Senkron Motor/Alternatör
15
STATİK KGK Statik KGK tanımı içine giren farklı çalışma prensiplerinin tamamında, genel olarak üç ortak temel unsurdan söz etmek mümkündür. Bunlar; şebekeden sağlanan AC enerjiyi doğrultarak akü grubuna ve eviricilere aktaran doğrultucu, akü grubundan ve doğrultucudan alınan DC enerjiyi tekrar AC enerjiye evirerek yüklere aktaran evirici ve bu işlemler için gerekli DC enerjiyi depolamak için kullanılan akü grubudur. Şebekeden çalışma anında AC‐DC‐AC dönüşümü yaparlar ve kesinti halinde çıkışı akü grubundan beslerler. On‐Line, Line‐Interactive ve Off‐Line tipi statik KGK’lar mevcuttur. Off‐Line tipi KGK’lar genellikle küçük güçlerde üretilirler. Çünkü şebeke kesintilerde yükü akü grubuna alması sırasında yüksek güçlerde sorunlar yaşanabilir. On‐Line sistemler için böyle bir durum söz konusu değildir. Çünkü yük sürekli olarak AC‐DC‐AC dönüşümü yapılarak beslenmektedir. Şebeke kesintilerinde herhangi bir kesinti yoktur. Bu yüzden On‐Line sistemler yüksek güçlerde sorunsuzca kullanılabilir. Statik KGK’larda yapısal nedenlerle ortaya çıkan, şebekeye yönelik harmonik salınımlar ve giriş güç faktörüne yönelik olumsuz etkiler, yeni nesil KGK’larda azaltılmıştır. Bu amaçla, özellikle büyük güçlerdeki yeni nesil KGK’larda 12 Darbeli Doğrultucular, ve Giriş Harmonik Filtreleri ön plana çıkmış, ayrıca PFC (Power Factor Correction) devrelerinin kullanımı yaygınlaşmıştır. Akü grubunun şarj yönetiminde ise akülere zarar vermemek için akım sınırlama, yüksek gerilim koruması, ortam sıcaklığı ve akülerin özel çalışma karakteristiklerinden faydalanılarak akülerin kullanım ömürleri arttırılabilir. Statik KGK’larda, yükleri aküler üzerinden beslemek ve bu amaçla AC çıkış gerilimi üretmek için kullanılan evirici kısmı, dinamik KGK’lardan farklı olarak, her zaman statik teknolojiye dayalıdır. Özellikle On‐
Line sistemlerde güncelliğini koruyan PWM (Puls Width Modulation), AC sinüs çıkış elde etmek için en yaygın yöntem olarak kullanılır. IGBT kontrol tekniklerindeki son gelişmeler sayesinde, günümüzde %100 dengesiz yükler için çıkış faz kaymaları, gerilim değişim oranları asgariye indirgenmiş olan statik eviriciler kullanılmaya başlanmış ve bu tür ayrıntılarda avantajlı konumda olan dinamik eviricilerle rekabet edebilecek düzeyde yüksek güçlü statik KGK’lar ortaya çıkmıştır. Statik KGK’ları oluşturan bu temel kısımlara ek olarak, diğer tüm KGK’lar için de geçerli olan, kontrol paneli ve kontrol yazılımları da, hem KGK’ların teknolojik düzeylerini ortaya koyan, hem de kullanıcıyla doğrudan ilgili olan unsurlardır. Özellikle On‐Line KGK’lar açısından önemli diğer unsurlar ise; yükü şebekeye aktarmaya yarayan Statik By‐Pass Anahtarı giriş, çıkış ve DC bara filtreleri olarak sıralanabilir. Statik KGK’ları oluşturan bu temel kısımlara ek olarak, diğer tüm KGK’lar için de geçerli olan, kontrol paneli ve kontrol yazılımları da, hem KGK’ların teknolojik düzeylerini ortaya koyan, hem de kullanıcıyla doğrudan ilgili olan unsurlardır. Özellikle On‐Line KGK’lar açısından önemli diğer unsurlar ise; yükü şebekeye aktarmaya yarayan Statik By‐Pass birimi, giriş, çıkış ve DC bara filtreleri olarak sıralanabilir. 16
STATİK KGK TİPLERİ KGK temel olarak üç çeşide ayrılırlar. Bunlar; ‐
‐
‐
Eviricinin sürekli devrede olduğu beklemesiz olarak çalışan On‐Line KGK’lar Eviricinin sadece şebeke arızası durumunda yükü beslediği beklemeli olarak çalışan Stand‐By (Off‐Line) KGK’lardır Şebeke etkileşimli olarak çalışan Line Interactive KGK’lar Stand‐By (Off‐Line) KGK’larda şebekede enerji bulunduğu sürece yük şebekeden beslenir, ancak evirici hazır bekletilir ve şebekede enerji kesildiği anda devreye girerek yükü beslemeye devam eder. Stand‐By KGK’lar tercih edilirken şebeke kesintisi durumunda devreye girme süresi en kısa olan tercih edilmelidir. Daha çok tek kullanıcılı sistemler için uygundur. Line Interactive KGK’larda şebeke varken evirici pasiftir ve bu durumda şebeke gerilimini regüle eden kısım ve aküler şarj birimi aktiftir. Akü grubu ve evirici kısmı, şebeke enerjisi kesildiğinde devreye girer ve aküler üzerinden yükü besler. Akülerin doldurulması şebekenin normal olduğu durumda eviricinin ters yönde işletilmesiyle sağlanır. Şebeke hatası oluştuğunda Statik Aktarım Anahtarı açılır ve güç akışı akülerden KGK çıkışına doğru akmaya başlar. Çıkışa bağlı olan düşük anahtarlama geçişi özellikli regülasyon sistemi sayesinde gerilim düzenlemesi sağlanır ve gerçek düşük şebeke geriliminde (Brownout) de KGK’nın çalışması sağlanır. Aksi halde KGK anahtarlarının aküden çalışma durumuna geçirilir. Bu durum KGK’nın çok zayıf şebekelerde de çalışabilmesine imkan vermektedir. On‐Line KGK’larda ise şebekede enerji olsun ya da olmasın yük sürekli olarak evirici üzerinden beslenir. Şebekede enerji olduğu sürece hem aküler şarj edilir, hem de şebeke ile aynı frekansta çalışan evirici yardımıyla yük beslenir. Şebekede kesinti olması durumunda aküden aldığı enerjiyi yüke aktarır. Yükün bu biçimde beslenmesi sırasında şebekeden veya aküden besleniyor olması KGK çıkış gerilim kalitesi ve sürekliliğini değiştirmemektedir. On‐line sistemler, motor‐jeneratör uygulamaları gibi dengesiz frekansın sorun olduğu alanlarda da kullanılabilir. Ayrıca aşırı yüklenme, aşırı ısı, kısa devre gibi KGK üzerinde oluşan herhangi bir arıza durumunda yük Statik Anahtarlar üzerinden kesintisiz olarak şebekeye aktarılır. En iyi çıkış On‐Line sistemlerde elde edilir. Çünkü şebeke arıza durumu hariç daima AC‐DC‐AC dönüşümü ile yüke enerji sağlar. Çıkış bu yüzden Of‐Line ve Line‐Interactive sistemlerinden daha iyidir. 17
STATİK KGK ANA BÖLÜMLERİ
DOĞRULTUCU Eviricinin çalışması için gerekli olan DC gerilimi elde etmek için kullanılır. Şebekeden aldığı AC gerilimi DC gerilime çevirir. DC akım ve gerilim kontrolü sağlanarak aynı zamanda akü grubunu şarj etmek için de kullanılabilir. KGK tiplerine göre 1 faz girişli veya 3 faz girişli olabilir. AKÜ ŞARJ DEVRESİ Şebekeden aldığı AC gerilimi veya doğrultucudan aldığı DC gerilimi akü şarjı için uygun akım ve gerilim sınırları içerisinde bir DC gerilime çevirir. Bu DC gerilim akü grubunun şarj edilmesi için kullanılır. AKÜ GRUBU Doğrultucunun yedeği olarak eviricinin çalışması için gerekli olan DC gerilimi sağlar. KGK’nın tipine göre uygun gerilimi elde etmek için birbirine seri bağlı aynı kapasitede ve özellikte akülerden oluşur. Genellikle KGK’lar için özel tasarlanmış “tam bakımsız ve kuru tip” diye adlandırılan kurşun/asit aküler kullanılır. Nadir olarak Nikel/Kadmiyum aküler de kullanılmaktadır. Şebeke gerilimi varken akü şarj devresi tarafından aküler şarj edilerek yedek DC enerji akü grubunda depolanır. Şebeke gerilimi sınırlar dışına çıktığında veya tamamen kesildiğinde eviricinin çalışması için gerekli olan DC gerilim akü grubu tarafından sağlanır. EVİRİCİ (INVERTER) Doğrultucudan veya akü grubundan aldığı DC gerilimi AC gerilime çevirir. KGK tipine göre 1 fazlı veya 3 fazlı olarak tasarlanabilir. On‐line bir KGK’da çıkış gerilimini sağlayan evirici en kritik ve önemli bölümdür. Evirici tarafından üretilen AC gerilimin ideal bir şebekede olması gereken özellikleri sağlaması istenir. Bu özellikler; dalga şekli sinüzoidal olan, genliği ve frekansı değişmeyen ve kesintisiz bir gerilimdir. Bunları sağlamak için eviricinin gerilimi; genlik, frekans ve dalga şekli olarak sürekli denetim altındadır ve belirlenen sınırlar içerisinde tutulur. Örnek olarak aşağıdaki sınır değerleri yazılabilir: Çıkış gerilimi ve hata oranı hata oranı (Gerilim Regülasyonu) : 220V ±%2
Çıkış frekansı ve hata oranı (Frekans Regülasyonu) : 50Hz ±%0,1
Çıkış toplam harmonik bozulma oranı (THD) : <%3 18
STATİK TRANSFER ANAHTARI Eviricinin aşırı yüklenmesi veya arızalanması durumunda KGK çıkış geriliminin kesilmemesi için statik by‐pass devresi ile yedek AC gerilim kaynağından KGK çıkışına gerilim aktarılır. Yedek AC gerilim kaynağı genellikle standart olarak şebeke gerilimidir. Özel durumlarda yedek AC gerilim kaynağı olarak ikinci bir evirici de kullanılabilir. Bu işlem için iki adet statik AC anahtar (Tristör veya Triyak) kullanılır. Statik bypass devresi ile KGK çıkış geriliminin kesilmeden seçilebilmesi için evirici gerilimi ve yedek AC gerilim kaynağı arasında gerilim farkının uygun olması gerekir. Bunun için iki gerilim kaynağının frekans ve fazlarının eşit (senkron) olması, genlikleri arasında da en fazla %10 fark olması gerekmektedir. Bu şartların oluşması için evirici belirlenen sınırlar içinde yedek AC gerilim kaynağına senkron olarak gerilim üretir. Ayrıca yedek AC gerilim kaynağının evirici gerilimine ± %10 sınırları içerisinde yakın olması gerekmektedir. MEKANİK TRANSFER ANAHTARI (BAKIM BY­PASS ANAHTARI) Arıza ve bakımlarda bilgisayar sistemini veya bağlı olan diğer yükleri şebeke elektriğine aktarmak için mekanik bir anahtar kullanılır. Bu anahtar ile yüklere şebeke elektriği verilirken cihazın hiçbir parçasında elektrik bulunmayacaktır. 19
DOĞRULTUCULARDA DARBE (PULS) SAYISI Doğrultucu (Rectifier): Şebekeden aldığı AC gerilimi DC gerilime çevirir. Bu DC gerilim eviricinin (Inverter) çalışması için kullanılır. Doğrultucu 1 fazlı veya 3 fazlı olabilir. 1 fazlı sistemler için genellikle kontrolsüz doğrultucu kullanılır. 3 fazlı sistemler ise genellikle 6 darbeli kontrollü doğrultucu şeklinde yapılır. KGK’larda giriş akımlarının THD (Toplam Harmonik Distorsiyon) değerini azaltmak ve güç faktörünü arttırmak için farklı yöntemler izlenebilir. 1 ve 3 fazlı sistemlerde PFC (Güç Faktörü Doğrultma) özelliği olan KGK’lar kullanılarak güç faktörü ve THD değerleri uluslar arası standartlara uygun hale getirilebilir. Bazı KGK’larda harmonik filtreler kullanılmaktadır. Bu durumda kompanzasyon panolarının devre dışı bırakılması gerekmektedir. Aksi halde giriş harmonik filtreleri ile kompanzasyon devreleri rezonansa girerek istenmeyen başka harmonikler üretebilirler. Bu nedenle yüksek güçlü (80kVA ve üzeri) KGK’larda mutlaka darbe sayısı arttırılmış (12 veya 18 darbeli) doğrultucular kullanılmalıdır. Böylece KGK’nın giriş akım harmoniği %35’lerden %8’lere kadar düşürülebilmekte ve jeneratör ve giriş trafo güç değerlerinin de küçülebilmektedir. 6 darbeli doğrultucuda harmonik filtresi kullanılmadığındaki giriş akım ve gerilim dalga şekli
6 darbeli ve doğrultucuda harmonik kullanıldığındaki giriş akım ve gerilim dalga şekli; filtresi 12 darbeli doğrultucuda giriş akım ve gerilim dalga şekli; 20
Aşağıda çeşitli doğrultucu tiplerini ilişkin harmonik değerleri verilmiştir THD (Toplam Harmonik Distorsiyon) ve PF (Güç Faktörü) değerleri verilmiştir. Doğrultucu Tipi THD Güç Faktörü 6 Darbeli %30 0,8 ‐ 0,85 12 Darbeli %11 0,84 ‐ 0,89 6 Darbeli Filtreli %10 0,95 12 Darbeli Filtreli %5 0,92 21
KGK’LARDA KULLANILAN DOĞRULTUCU TİPLERİ KGK’lar da yaygın olarak kullanılan doğrultucu tiplerini aşağıdaki gibi sıralanabilir. 1. TAM DALGA KONTROLSÜZ DOĞRULTUCU 2. TAM DALGA KONTROLLÜ DOĞRULTUCU 3. AKTİF GÜÇ FAKTÖRÜ DÜZELTEN DOĞRULTUCU (PFC) TAM DALGA KONTROLSÜZ DOĞRULTUCU KGK’nın yapısına göre 1 fazlı veya 3 fazlı olarak tasarlanır. 1 fazlı veya 3 fazlı tam dalga diyot köprüsü ve DC çıkışına bağlanan kondansatör ile elde edilir. Adından anlaşıldığı gibi DC çıkış geriliminin değeri bir kontrol devresi ile belirlenemez. DC gerilim giriş gerilimi ile doğru orantılı olarak artar veya azalır. Devrenin yapısı aşağıdaki gibidir. Avantajları: •
•
•
Devrenin basit olması , az eleman kullanılması ve kontrol devresi gerektirmemesi nedeni ile arıza olasılığını ve kayıpları azaltır. DC gerilimdeki dalgalılık kontrollü doğrultuculara göre daha azdır ve filtre için daha düşük kondansatör değerleri yeterli olmaktadır. Bunların sonucunda devrenin boyutları ve maliyeti düşüktür, güvenilirliği yüksektir. 22
Dezavantajları: •
•
•
Filtre kondansatörünün başlangıçta boş olması ve gerilimin yavaş yükselmesini sağlayan bir yapısı olmaması nedeni ile başlangıç akımları yüksektir. Başlangıç akımını sınırlamak için önlem alınmazsa devre elemanları ve/veya şebeke hattı zarar görebilir. Çıkış geriliminin kontrolsüz olması nedeniyle doğrultucu çıkışından beslenen eviricinin giriş gerilim aralığının geniş tasarlanması gerekir. Sabit gerilim ve akım kontrolü yapılamadığından akü grubunun şarj edilmesi için uygun değildir. Ayrıca şarj devresi gerektirir. TAM DALGA KONTROLLÜ DOĞRULTUCU KGK’nın yapısına göre 1 fazlı veya 3 fazlı olarak tasarlanır. 1 fazlı veya 3 fazlı tam dalga tristör köprüsü, dalgalılığı azaltmak için köprü çıkışına seri bobin ve paralel DC kondansatör ile elde edilir. DC çıkış geriliminin değeri bir kontrol devresi ile kontrol edilebilir. Avantajları: •
•
•
Giriş akımı, DC çıkış gerilimi ve yük akımı değerleri bir kontrol devresi ile istenilen değerlerde tutulabilir. Devrenin çıkış geriliminin sıfırdan maksimuma yükselme süresi kontrol devresi ile ayarlanabileceğinden başlangıçta şebekeden çekeceği akım sınırlandırılabilir. Çıkış gerilimi ve akımı istenilen değerlerde sınırlandırılabileceği için hem eviricide, hem de akü grubunun şarj edilmesinde kullanılabilir. Dezavantajları: •
•
Kontrolsüz doğrultucuya göre daha fazla elemanla elde edildiği için boyutları ve maliyeti yüksektir. Çıkış gerilimi kontrolsüz doğrultucuya göre daha dalgalı olduğu için filtre kondansatörünün değeri daha yüksek seçilmelidir. 23
AKTİF GÜÇ FAKTÖRÜ DÜZELTEN DOĞRULTUCU (PFC) Diyot ve tristörlerle elde edilen doğrultucular, yük tarafından çekilen akımın her anında şebekeden akım çekmezler. Şebeke geriliminin tepe noktaları etrafında girişten akım çeker. Sinüzoidal şebeke geriliminin tepe noktaları etrafında DC filtre kondansatörünün şarj akımı ve yük akımının toplamı şebekeden çekilirken, sinüzoidal şebeke geriliminin diğer bölgelerinde yük akımı kondansatörde depolanan DC gerilimden sağlanır. Sinüzoidal giriş geriliminin her bölgesinde gerilimle orantılı bir akım çekilmediğinden gerilimdeki çökmeler de sadece akımın çekildiği tepe bölgelerinde olur. Böylece AC giriş gerilimi tam sinüzoidal olmaktan çıkar, bozuk bir sinüzoidal gerilim olur. Tam sinüzoidal olmayan bir AC gerilim, AC ile çalışan tüm yüklerde verimsizliklere ve aşırı ısınmalara neden olur. Ayrıca sinüzoidal olmayan akım çeken devrelerin güç faktörü 1’den düşük olduğundan aynı gücü elde etmek için daha fazla akım çekilmesi gerekir. Bu da iletken kesitlerinin daha yüksek akımlar için artırılmasını gerektirir. Bu nedenlerle şebeke geriliminden sinüzoidal akım çeken ve güç faktörü 1’e yakın olan, yani şebeke gerilimini bozmayan ve gereksiz yüksek akımla yüklemeyen doğrultucular önem kazanmakta ve tercih edilmektedir. Aktif güç faktörü düzelten doğrultucular KGK’nın yapısına göre 1 fazlı veya 3 fazlı olabilir. Giriş akımının sinüzoidal olabilmesi için giriş akımının giriş gerilimine benzetilmesi sağlanır. Bu amaç için darbe genişlik modülasyonu kullanılarak bir transistör anahtarlanır. Transistörün iletimde ve kesimde kaldığı süreler darbe genişlik modülasyonu ile değiştirilerek akımın sinüzoidal olması sağlanır. Avantajları: •
•
•
Giriş akımı sinüzoidal olduğu için şebeke geriliminde bozulmalara ve gereksiz yüksek akımlara neden olmaz. Giriş akımı, DC çıkış gerilimi ve yük akımı değerleri bir kontrol devresi ile istenilen değerlerde tutulabilir. Çıkış gerilimi ve akımı istenilen değerlerde sınırlandırılabileceği için hem eviricide, hem de akü grubunun şarj edilmesinde kullanılabilir. Dezavantajları: •
•
•
•
Diğer doğrultucu türlerine göre daha fazla elemanla elde edildiği için boyutları ve maliyeti yüksektir. Diğer doğrultucu türlerine göre kayıpları daha fazladır ve verimi daha düşüktür. Devrenin tasarımı ve optimizasyonu zordur. Yüksek derecede güç elektroniği bilgisi gerektirir. Yüksek gerilimde anahtarlama yapıldığından elektromanyetik gürültü kaynağıdır, elektromanyetik gürültünün mutlaka filtre edilmesi gerekir. 24
STATİK KGK ÇALIŞMA MODLARI Aküden Çalışma Şebeke geriliminin cihazın nominal değerlerinin altında olması yada kesilmesi durumunda evirici çalışması için gerekli gerilimi akülerden sağlar. Bu geçiş esnasında hiçbir kesinti olmaz. Ancak aküden çalışma süresi akülerin kapasitesi ile sınırlı olup belirli bir süre sonra KGK kendisi otomatik olarak kapatacaktır. Bu kapanma gerilimi akü üreticilerinin belirttiği, akülerin bozulmadan deşarj olabilecekleri gerilime kadardır. Şebeke gerilimi normale döner yada geri gelirse bu durumda yine kesintisiz olarak şebekeden çalışmaya geçilir ve aküler şarj edilmeye başlanılır. Bakım By­Pass’ından Çalışma Bakım veya arıza nedeni ile KGK’nın tamamen enerjisiz bırakılması ve KGK çıkışındaki yüklere şebeke gerilimi aktarılması amacı ile kullanılmaktadır. Bu hat ile bakım ve servis işlemleri sırasında servis elemanlarının cihazın tüm enerjisini keserek rahat bir şekilde çalışması ve bu esnada da yükün şebekeden beslenmesi sağlanır. 25
By­Pass tan Çalışma KGK çalışır durumunda ise ve aşırı yük yoksa KGK çıkışı Statik Transfer Anahtarı aracılığı ile eviriciye aktarılır. Evirici arızalanır ise veya evirici kapasitesinin üzerinde yüklenirse (aşırı yük) KGK çıkışı Statik Transfer Anahtarı aracılığı ile şebekeye aktarılır. Bu özelliğe kesintisiz statik By‐Pass özelliği denir. Kesintisiz statik By‐Pass özelliğinin gerçekleşebilmesi için şebeke geriliminin ve frekansının kabul edilebilir sınırlar içerisinde olması gerekmektedir. Bu nedenle şebekeden çalışma durumunda şebeke gerilimi ve frekansı sürekli izlenir. Bu şekilde eviricinin ürettiği 220 VAC gerilimin frekansı şebeke frekansını izin verilen aralıkta takip ederek (senkron olarak) kesintisiz statik By‐Pass özelliğini hazır tutar. Şebekeden Çalışma Doğrultucu (Rectifier) şebekeden aldığı AC gerilimi doğrultup filtre ettikten sonra düzgün bir DC gerilime çevirir. Evirici (Inverter) bu DC gerilimi 220 VAC / 50Hz düzenli bir gerilime dönüştürür. Bu çalışma şeklinde KGK şebeke geriliminin olası elektriksel parazitlerini süzer ve kritik yükü etkilemeyecek hale getirir. Bu sırada Akü Şarj Ünitesi (veya üniteleri) tarafından akü grubu şarj edilir. 26
KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARINDAN BEKLENEN ÖZELLİKLER Gerilim Kararlılığı i)
ii)
Giriş Gerilimine Göre Çıkış Gerilimi Regülasyonu : Türkiye şartlarında şebekenin ±%15 değişmesinde Kesintisiz Güç Kaynağının çıkış geriliminin değişimidir. Modern bir Kesintisiz Güç Kaynağında bu değer ±%2’den küçüktür. Yüke Göre Çıkış Gerilimi Regülasyonu : Kesintisiz güç kaynağının çıkışına bağlanan yükler sıfırdan %100 yüke kadar değiştirildiğinde çıkış geriliminde meydana gelen değişmedir. Bu değer ±%2 den küçük olmalıdır. Frekans Kararlılığı Yüke verilen gerilimin ikinci özelliği de gerilim frekansıdır. Şehir şebekesinde üretim teknolojisinin yapısından dolayı frekans oynamaları mevcuttur. Bilgisayarın işleyişini bozmamak için, bu frekans oynamalarının belirli seviyelerde tutulması gerekir. Şehir şebekesinin 49.5Hz ve 50.5Hz arasındaki değerleri kabul edilebilir sınırlardır. İyi bir Kesintisiz Güç Kaynağı bu sınırlar içerisinde şebekeyle senkron olmalıdır ve bu sınırların dışında kendi ürettiği son derece kararlı %0.01'lik 50Hz'e geçmelidir. Ani Yüke Cevap Verebilme (Dinamik Regülasyon) Çıkış yükünün ani olarak sıfırdan %100 yüke kadar değişmesi, şebekenin kesilmesi veya geri gelmesi anında, çıkış geriliminde meydana gelen değişmedir. Bu oynama ± %5’ten küçük olmalı ve iki periyotta statik regülasyon bandına girmelidir. Çıkış Gerilimi Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD) THD, çıkış gerilimlerinin içerdiği harmoniklerin bir ölçüsüdür. Lineer yükte %5’den küçük, lineer olmayan yüklerde %7,5’den küçük olması gerekir. Modern Kesintisiz Güç Kaynaklarında %3 seviyesindedir. Büyük L ve C elemanları ile kare dalga bile süzülerek %3 distorsiyona düşürülebilir, fakat böyle bir Kesintisiz Güç Kaynağının çıkış empedansı çok büyük ve dinamik regülasyonu çok kötüdür. Bu nedenlerden dolayı, modern Kesintisiz Güç Kaynaklarında yüksek frekanslarda PWM ile yapılır. Böylece düşük frekanslı harmonikler üretilmez ve THD küçültülür. Aşırı Yük Ve Kısa Devre Koruma Bütün önlemler alınsa bile KGK uzun ömrü süresince aşırı yüklere ve kısa devrelere maruz kalacaktır. İyi bir Kesintisiz Güç Kaynağı bu tip etkilerle başbaşa kaldığında arıza yapmamalı, sistemi beslemeye devam etmelidir. Aşırı yükte gerilim regülasyonu sınırları içinde kalarak belli bir süre çalışmalıdır. Kısa devre ise çıkışın tamamen korunması ve kısa devre kalktığında dışarıdan müdahale gerekmeksizin çalışmanın devam etmesi aranan özelliklerdir. 27
Yüksek Verim KGK bünyesinde çeşitli birimler (doğrultucu, evirici vs) çalışmaktadır. Sistemde bir enerji kaybın olmaması imkânsız olacağından bir verim söz konusudur. Komple sistem verimi önemli bir unsurdur. Yani 10kW üretmek için 15kW enerji tüketilmesi garip bir durumdur. Bununla birlikte %85 verim (yani 8,5 kW üretmek için 10 kW enerji harcanması) kabul edilebilir bir değerdir. Aküler Akü teknolojisi son yıllarda büyük ilerleme kaydetmiştir. Birçok yabancı firma amansız bir teknoloji savaşı içindedir. Tam bakımsız, kapalı kurşun asit aküler hemen hemen tüm KGK üreticileri tarafından kullanılmaktadır. Burada küçük hacmin ve kapalı kutunun getirdiği bir dezavantaj akülerin derin deşarja maruz kaldıklarında bozulmalarıdır. Diğer bir özellik de akünün şarj süresidir (deşarjdan sonra belirli bir kapasiteye ulaşması için gereken süre). Bunlar üretici firma tarafından belirtilen büyüklüklerdir. Mümkün olduğu kadar, derin deşarjdan etkilenmeyen, deşarj sonrası 5 saat içinde %80 kapasiteye ulaşabilen aküler kullanılmalıdır. Kolay Tamir Edilebilmesi Ve Yedek Parça Teminini Kolaylığı KGK seçerken herhangi iki arıza arasındaki süre (MTBF= Mean Time Between Failure, Hatalar Arası Ortalama Süre), arızaya müdahale ve tamir süresi (MTTR=Mean Time to Repair) değerleri dikkate alınmalıdır. Bu açıdan KGK’nın yerli üretim olması yedek parça temini ve müdahale süresini kısaltır. Ayrıca yerli üretim KGK yedek parçası fiyat olarak daha ekonomik olmaktadır. Bir diğer etmende geniş satış‐servis ağıdır. 28
NASIL BİR KGK SEÇİLMELİ? 1.BAĞLANACAK YÜKLERİN GÜCÜNE GÖRE KGK SEÇİMİ KGK çıkışına bağlanacak cihaz (Bilgisayar, yazıcı, fax vs.) sayısı ve gücü, seçilmesi gereken KGK’nın gücünü belirler. Bu güç görünür güçtür ve birimi kVA ile ifade edilir. Görünür güç, Görünür Güç (VA) = Gerilim(V) x Akım(A) bağıntısı ile verilir, değeri doğrudan, gerilim ve akım RMS değeri ölçen ölçü cihazlarının büyüklüklerle saptanır. Ancak elektrik enerjisi tüketen yüklerde asıl harcanan güç aktif güçtür, birimi Watt’dır ve görünür güç ile arasında Aktif Güç (Watt) = Görünür Güç x Güç Faktörü bağıntısı geçerlidir. Sonuç olarak ‘bir’ den küçük olan güç faktörü değerleri KGK’nın kullanılabilir kapasitesini azaltmaktadır. Elektrik enerjisinin ne kadar verimli kullanıldığının ölçüsü olan güç faktörü değeri genellikle üç fazlı KGK cihazlarında 0.8, bir fazlı olanlarda ise 0.7’dir. Örnek olarak 10 kVA gücündeki üç fazlı bir KGK’nın çıkışından max. 8 kW, bir fazlı olanından ise max 7 kW güç çekebilirsiniz. Bu değerlerin üstünde güç çekecek şekilde çok fazla sayıda cihazı KGK çıkışına bağladığınızda KGK’nız aşırı akım uyarısı verir ve yükünüz, çekilen akım değerine bağlı olarak, bir süre sonra By‐Pass kaynağına transfer eder veya KGK’nız kapanır. Kullanıcı, satın alacağı KGK gücünü belirlerken, KGK üzerinden beslemeyi düşündüğü yüklerin etiketlerinde yazılı olan tüm VA değerlerini toplamalı veya akım ve gerilim değerlerinden söz konusu gücü hesaplamalıdır. Ortaya çıkan gücün üstündeki standart bir KGK ürününü seçebilirsiniz. Belirlediğiniz gücün %20 üstünde bir güce sahip KGK’nın seçilmesi yaygın bir pratiktir. İhtiyacın üstünde seçilecek KGK’da güç elemanları daha az akım ve gerilim streslerine maruz kalır ve kullanım ömrü uzar. Bu %20 fazlalık ileride bağlanacak başka cihazlara içinde rezerv olacaktır. 2.FAZ SAYISINA GÖRE KGK SEÇİMİ Genellikle KGK’nın faz sayısı çıkış fazları için verilmektedir. Ev ve küçük ofis uygulamaları için bir fazlı KGK kullanımı yeterlidir. Üç fazlı KGK’ların çıkışına bağlanacak bir fazlı yüklerin dengeli şekilde dağıtılması kadar üç fazlı elektrik dağıtım sisteminden beslenen bir fazlı KGK’ların da dengeli dağıtılması esastır. Faz iletkenlerinden çok farklı akımlar çekecek şekilde dengesiz dağıtılmış KGK’lar/kritik yükler nötr hattından akacak akımları arttırır. Aşırı nötr akımları, güç kayıplarının artmasına, monitör ekranlarında dalgalanmalara, hatta bazı durumlarda veri kayıplarına bile neden olur ve ek tedbirlerin alınmasını zorunlu kılar. Bir fazlı elektrik sisteminden beslenen bir fazlı KGK kullanımında bu tip olumsuzluklar söz konusu değildir. Sonuç olarak sadece evde kullanılacak KGK’ların bir fazlı; üç fazlı elektrik tesisatının kurulu olduğu yerlerde ise, kullanıcının tercihine bağlı olarak, bir veya üç fazlı KGK kullanılması gerekir. Üç fazlı sistemlerde faz ve nötr iletkenlerinin uygun boyutlandırılması ve yük dağılımının doğru yapılması, ileride karşılaşılabilecek olası sorunları en aza indirecektir. 29
3.AKÜ SÜRESİNE GÖRE KGK SEÇİMİ KGK’nın temel kullanım amacı, elektrik kesintisi durumunda kritik yükleri, çekilen yük akımına bağlı olarak akü kapasitesinin belirlediği bir süre boyunca beslemeye devam etmektir. Aküler en az KGK’nın kendisi kadar önemli sistem bileşenleridir ve seçimleri, bakımları ayrı bir önem gerektirir. Aküden beslenme süresi, kullanılan akü kapasitesi ile orantılıdır, diğer bir deyişle uzun süren elektrik kesintileri için düşünülecek akülerin kapasitesi yüksek olmak zorundadır. Bu durum ise büyük güce sahip bir KGK kullanmanızı gerektirir. Bununla beraber düşük çıkış gücüne sahip ancak yüksek aküden çalışma süresi sunan standart dışı KGK’lar mevcuttur. Genellikle fiyatları yüksek olan bu modellerde şarj devrelerinin akım değerleri yüksektir veya ek şarj devreleri kullanılmaktadır. Sadece bir PC’ye yönelik standart KGK’da yaygın olarak 12V/7Ah’ lik aküler kullanılır ve aküden besleme süresi 7‐10 dakika arasında değişmektedir. KGK’da akü ile ilgili sorunlar yaşamamak için akü bağlantılarının sağlam, akü şarj geriliminin doğru ve akü ortam sıcaklığını uygun değerde olmalıdır. Uzun süre kullanılmayan KGK’ların aküsü kendi iç direnci üzerinden boşalır ve akünün durumuna, markasına/modeline ve kullanım süresine bağlı olarak yeniden şarj olmayabilir. Bu nedenle kullanılmayan zamanlarda bile KGK’nın çalışır durumda bırakılmalıdır. 4.KGK VE JENERATÖR ORTAK ÇALIŞMASI Uzun süreli elektrik kesintilerinde elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için jeneratörler kullanılmaktadır. Ancak jeneratörler yükü üzerine kesintisiz alamaması, bazı kritik yükleri besleyecek yeterli kalitede çıkış dalga şekli oluşturamaması ve frekans kararlılığı bakımından eksik olması gibi eksiklikleri vardır. KGK ise jeneratörün aksine yükleri kesintisiz olarak üzerine alabilmekte ve kritik yükleri şebekede meydana gelecek her türlü bozulmalara karşı besleyebilecek kalitede ve kararlı frekansında çıkış gerilimi ve üretebilmektedir. Ancak KGK’lar tüm bu üstünlüklerine rağmen uzun süreli (30 dakikadan fazla) uygulamalar için yetersiz kalmaktadırlar. Bu nedenle uzun süreli elektrik kesintisi meydana gelen yerlerde kalıcı çözüm için KGK ve jeneratör birlikte kullanılmalıdır. Bu ortak çalışma sırasında meydana gelebilecek sorunların engellemek için kullanılacak KGK ve jeneratör seçimine dikkat edilmelidir. KGK ve jeneratör birlikte çalışırken dikkat edilmesi gereken ana başlıklar şunlardır: Adım Yükü: Jeneratör yükü üzerine aşamalı olarak aldığında tam kapasitede çalışabilen, ancak yük anlık olarak üzerine bindirildiğinde düşük performans gösteren elektromekanik bir sistemdir. Jeneratör çalışırken yükü üzerine ani olarak aldığında KGK’daki toplam yükü kaldıramadığından jeneratör geriliminde ve frekansında salınımlar meydana gelebilir. Bu salınımlar KGK tarafından kabul edilemez kaynak olarak algılanabilir ve KGK aküden çalışmaya zorlanabilir. Yük aküye aktarılınca, jeneratör distorsiyonu, UPS’i hattan çalışmaya zorlayacak biçimde azalacak veya kaybolacaktır. Yük jeneratöre tekrar uygulandığında voltaj distorsiyonu, UPS’in bir kez daha aküye aktarılmasına yol açacak biçimde geri dönecektir. Bu çevrim yaklaşık 4 saniyede bir tekrarlanabilir. Bu nedenle jeneratör KGK ile ortak çalıştırılırken anma değerinin ancak %35‐%50 değerindeki güç değeri çekildiğinde sorunsuz çalışabilmektedir. Ayrıca KGK'da doğrultucuda soft‐start (yumuşak kalkış) özelliği olsa bile KGK’nın demeraj akımı çekmesini önlemek için doğrultucunda ayrıca akım sınırlama özelliği olmalıdır. 30
Gerilim Yükselmesi: Bu bir uygulama hatası olup genellikle KGK gücü ile jeneratör gücünün birbirine yakın seçilmesi ve KGK dışında büyük yük olmaması halinde ortaya çıkar. KGK jeneratöre ilk geçtiği anda doğrultucu kapalıdır ve soft‐start (yumuşak kalkış) ile çalışmaya başlar. Eğer bu durumda jeneratör üzerindeki tek yük harmonikleri bastırmak için kullanılan giriş filtresi ise bu jeneratör için aşırı uyarma enerjisi yaratır. Pek çok jeneratör kontrol sistemi bu aşırı uyarılmaya yeterince cevap veremez ve gerilimde %120'lere varan kontrolsüz gerilim üretmesi (genellikle jeneratör demirinin manyetik doyuma gitmesi sebebiyle) gibi problemlere yol açar. Bu yüzden jeneratörlere filtre ile çalışma durumlarında ön yük ile start verilerek bu problemin üstesinden gelinmeli yada KGK üreticisinin filtre sistemini geçici olarak kapatan bir mekanizma sunması gerekmektedir ki bu durumda da harmonik problemi ortaya çıkabilecektir. Sinüs Dalga Şeklinde Bozulmalar ve Harmonik Akımlar: Pek çok KGK sisteminin doğrultucuları enerji kaynağında (jeneratör) bozulmalara neden olabilir. Bu bozulmalar jeneratörlerin kontrol ünitelerinin zarar görmesine yol açabilir. Ayrıca doğrultucular harmonik akımları nedeni ile sinüs akım çekmeyebilir. Akımın sinüs dalga şeklinden uzaklaşmasına yol açan etki Toplam Harmonik Distorsiyon (THD) olarak adlandırılabilir. Bu harmonik akımlar jeneratörlerin aşırı ısınmalarına, regülasyonlarının bozulmalarına yol açabilir. 6 darbeli doğrultucunun giriş gerilim ve akım dalga şekilleri Başlıca doğrultucu tipi olarak pek çok üretici 6 darbeli doğrultucuyu tercih etmektedir ki bu yapıların şebekeden çektikleri akım şekli yukarıdaki gibidir ve akım harmonik oranı %33'ler civarındadır. 6 darbeli olmaları nedeni ile burada etkin olan harmonik bileşen 5. ve buna ek olarak 7. harmoniktir. Oysa 12 darbeli bir sistemde etkin olan harmonik bileşen 11. ve ek olarak 13. harmoniktir. 12 darbeli sistemlerde THD %10 civarındadır. Bu değer KGK ile jeneratörün problemsiz çalışması için yeterlidir. Kimi üreticiler ucuz bir çözüm olması için filtre kullanmayı tercih ederler ancak filtre çözümü beraberinde başka problemleri de getirir. Başlıca problem, filtrelerin belirli bir akım ve empedans değeri göz önüne alınarak dizayn edilmiş olmaları ve pasif olarak görev almalarından dolayı yük değişimlerine cevap verememeleridir. Bunun en basit açılımı düşük yüklerde filtre giriş akım harmoniklerini bastırmak bir yana problemin ana kaynağı olarak baş rolü oynayacaktır. Dikkat edilmesi gereken konu 6 darbeli bir doğrultucuda dahi %33 olan akım harmoniği yanlış yük ve harmonik filtre seçimi nedeniyle %50’ye kadar çıkmaktadır. Bu nedenle 80 kVA ve üzeri güçlerde yük değişimi büyük farklılıklar gösterebileceğinden KGK sisteminin 12 darbeli doğrultucu olanlar tercih edilmesidir. 31
Giriş Güç Faktörü KGK Gücü Gerekli Ortalama Jeneratör Büyüklüğü ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 0,8 10 kVA 21 kVA 0,99 10 kVA 13,5 kVA 0,8 40 kVA 84 kVA 0,98 40 kVA 52 kVA Frekans Dalgalanmaları: Jeneratörler yük değişimlerine cevap verebilmek ve frekansı kontrol edebilmek için doğal limitlere sahiptir. Fonksiyon karmaşıktır ve sadece jeneratörün özelliklerine bağlı olmayıp, governör (jeneratörün ürettiği çıkış gerilimin frekansının kararlı olmasını sağlayan hız kontrol ünitesi) cevap hızının dönme ataletine ve yükün frekans değişimlerine reaksiyonuna da bağlıdır. Jeneratördeki frekans dalgalanmasının en belirgin sonucu olarak kronik bir şekilde ortaya çıkan KGK‐By‐Pass senkronizasyon olamama durumudur. İyi bir kontrol yapısı ile hem motor‐jeneratör, hem de KGK üreticisi frekans dalgalanma problemlerini ya ortadan kaldırmalı ya da minimize etmelidir. Motor, hızlı yanıt veren bir governöre sahip olmanın yanı sıra yüke göre ayarlanmış ve doğru boyutlandırılmış olmalıdır. Benzer şekilde de KGK geniş bir frekans kabul aralığına sahip olacak şekilde tasarlanmış olmalıdır. Tabi ki bu arada jeneratörün voltaj regülatörü governörden daha hızlı reaksiyon göstermemelidir. Aksi taktirde KGK’nın doğrultucu kısmı ile kararlı olmayan bir durum ortaya çıkar. KGK üreticisi hızlı frekans değişimlerine cevap verebilen bir sistem geliştirmek durumundadır. KGK’nın doğrultucusu saniyede en az 3Hz’lik değişimlere cevap verebilecek kabiliyete sahip olmalıdır. By­Pass’a Senkron Olmak: KGK çıkışının kesintisiz olması ve evirici‐By Pass hatları arası geçişlerde çakışma olmaması için KGK evirici çıkışının By‐Pass hattına senkron olması gerekmektedir. Bunun sağlanabilmesi için kararlı frekansta çalışan jeneratör ve frekans cevap aralığı genişletilmiş KGK kullanılmalıdır. Aksi taktirde jeneratörden çalışma esnasında KGK By‐Pass hattına bağlı olan jeneratöre senkron olamayacak ve By‐Pass transfer işlemini gerekmesi durumunda KGK ve jeneratör durumları uygun olamayacaktır. Otomatik Transfer Anahtarı: Pek çok KGK‐Jeneratör bağlantısı otomatik transfer anahtarı ile çalışır ve şebekenin geri gelmesi durumunda KGK şebekeden beslenecek şekilde aktarma işlemi yapılır. Bu şekilde yapılan hızlı bir transfer işlemi bir problemin kaynağı olabilir. Eğer KGK girişinde 12 darbeli doğrultucu yerine pasif filtre kullanılmışsa ve transfer anahtarı motor yükleri de içeriyorsa filtre transfer esnasında bir uyarma enerjisi yaratır. Bu uyarma kaynağı bu motorları, onların ataletlerini bir enerji kaynağı gibi kullanarak onları jeneratör gibi davranmaya iter. Eğer bu transfer çok hızlı olursa ortaya çıkan alternatif enerji kaynakları gerilimde beklenmedik faz çakışmalarına ve sonucunda da hem bu motor yüklerinin hem de KGK’nın zarar görmesine yol açar. Bu amaçla özellikle 100kVA üzerindeki büyük sistemlerde kullanılan filtre yapılarının jeneratörden şebekeye geçişi esnasında KGK tarafından otomatik olarak devreden çıkartılan yapılar ile birlikte sunulması gereklidir. 32
5.PARALEL KGK ÇALIŞMA ŞEKİLLER VE SEÇİMİ KGK’larda seri ve paralel “redundant” bağlantılar yapılarak KGK’ların güvenilirliğini arttırılabilir, yedekleme yapılabilir ve güç artırımına gidilebilir. Bazı kritik yükler şebekeden çalışma riskine dayanamayacak yapıda olabilir. Bu nedenle klasik On‐Line KGK‘larda bulunan ve yedekte bekleyen şebeke kalitesi yeterli olmayabilir. Bu nedenle KGK sisteminin güvenilirliğini arttırmak gereklidir. KGK’ların güvenilirlikleri her ne kadar üst seviyede olsa bile şebekedeki bozulmalardan oluşan bozulmaları kendi üstlerine almalarından dolayı arızalanma riskleri vardır. Ömürlü malzemelerin bozulması da cihazın çalışmasını engelleyebilir. Bu nedenle farklı KGK bağlantı sistemi kurularak yedeklemeli çalışılabilir. Sürekli büyüyen sistemlerde KGK gerekli gücü karşılayamaz hale geldiğinde KGK’yı değiştirmek yerine mevcut sisteme ilave edilen bir KGK ile daha ucuz bir çözüme gidilebilir. Yukarıda belirtilen koşullarda çalışabilmek için KGK’da şu bağlantı şekilleri vardır. Seri Redundant KGK Sistemi (Kaskad Bağlantı) SW1 ve SW2 otomatik By‐Pass anahtarları olmak üzere seri redundant bağlantı konfigürasyonu aşağıda gösterilmiştir. Normal çalışma koşullarında yük KGK2 üzerinden beslenir ve KGK1 boşta çalışır. KGK2 de KGK1’e senkron olarak yedekte çalışmaktadır. KGK2’de bir sorun olduğunda SW1 ve SW2 anahtarları yükü kesintisiz olarak KGK2’den KGK1’e geçirecek şekilde konumlandırılır. Bu çalışmanın özellikleri şunlardır; ‐
‐
‐
‐
‐
KGK2’nin çalışmasında sorun olduğunda yükün tamamı KGK1 üzerine kesintisiz olarak aktarılabilir. SW1 ve SW2 Statik By‐Pass Anahtarlarının güvenilirliği en üst seviyededir. Bu çalışma şeklinde KGK’lar arası bir kontrol olmadığından sistem farklı marka ve modelde KGK’lar kullanılabilecek şekilde esnektir. Kurulumu ve bakımı kolaydır. MTBF değeri 5 x105 saat değerine ulaşmaktadır. 33
Paralel Redundant KGK Sistemi SW1, SW2 ve SW3 Statik By‐Pass Anahtarları olmak üzere paralel redundant bağlantı konfigürasyonu aşağıda gösterilmiştir. Bu çalışma şeklinin özellikleri şunlardır; ‐
‐
‐
‐
‐
Herhangi bir KGK’da sorun olduğunda yükün kalan KGK tarafından sorunsuz beslenebilmesi için her bir KGK’nın gücü tek başına yükü besleyebilecek seviyededir. Evirici frekansı senkronizasyonu, statik anahtar kontrolü, çıkış akımı paylaşımı ve doğrultucu akımı paylaşımı karmaşık kontrol devreleri ile sağlandığından maliyet yüksektir. Cihazların tek bir güç kaynağı gibi davranmaları gerektiğinden dinamik cevaplar aynıdır. Cihazların kurulumu ve bakımı karmaşıktır. Temel KGK sistemlerinden daha güvenilir olsa bile seri redundant KGK sisteminden %50 daha düşük olan 2,5 saat x105 MTBF değerine sahiptir. KGK’lar da MTBF (Mean Time Between Failures) Hesaplanması Bir sistemin parçalarının ve birimlerinin bozulma oranlarının analizidir. Bu analizlerde kullanılan genel modeller vardır. Bu modeller parçaların hata oranlarının hesaplanması için gerekli prosedürleri sağlarlar. Hesaplanan bu hata oranları kullanılarak da MTBF değeri hesaplanabilir. Güç kaynaklarının güvenilirliği de birimi saat olan MTBF kullanılarak değerlendirilebilir. Elektrik şebekesinin güvenilirliğinin zayıf olması nedeniyle KGK’lar kullanılır. KGK’lar kritik yükleri besledikleri zaman önemleri daha da artar. Özellikle tıbbi cihazlarda, haberleşme sistemlerinde, IT teknolojisinde ve endüstriyel sistemlerde sıfır hatayla çalışmak zorundadırlar. KGK’ların çalışmasında bir sorun olduğunda doğrudan veya dolaylı olarak maddi sorunlar ve sistem altyapısında zararlar oluşabilir. KGK’nın bağlı olmadığı bir sistemde MTBF yalnızca 100 saattir. KGK bağlandığında ise MTBF değeri 31000 saate çıkmaktadır. KGK’lar yukarıda bahsedilen bağlantı konfigürasyonlarıyla MTBF’si daha yüksek güç kaynağı sistemleri oluşturulabilir ve MTBF değeri 5x105 saate çıkarılabilir. 34
Temel KGK için MTBF Hesabı Yukarıda blok diyagramı verilen temel KGK için MTBF süresi hesaplanırken KGK’yı oluşturulan birimlerin (evirici, doğrultucu ve akü) MTBF değerleri kullanılır. Bu birimlerin MTBF değerleri şu şöyledir. ‐
‐
‐
Doğrultucu MTBF= 100 000 saat Evirici MTBF=70 000 saat Akü MTBF=130 000 saat (Akü güvenilirliği pahalı ve uzun ömürlü aküye göre hesaplanmıştır) Sonuç olarak otomatik By‐Pass anahtarı hesaba katılmadan hesaplanan KGK’nın MTBF değeri 31000 saat = 3,5 yıl olarak hesaplanır. KGK’nın MTBF değerini arttırmak için en basit yöntem yüksek kalitede tek akü grubu kullanmak yerine daha düşük kalitede paralel akü grupları kullanmaktır. Bu yöntemin etkisini hesaplamak için aşağıdaki değişkenler kullanılır. ‐
‐
Düşük kalitedeki akü için MTBF değeri 55 000 saat MTTR (Mean Time to Repair)=(Ortalama onarım süresi)=48 saat Bu değerlere göre MTBF değeri yenide hesaplanırsa; Yukarıda hesaplandığı gibi daha düşük kalitede akü grubu paralellendiğinde MTBF değeri aküler için 48 MTTR değeri için 700 yıla kadar çıkmaktadır. Bu sonuç KGK’nın MTBF değerini 31000 saatten 41000 saate çıkarmaktadır (Otomatik By‐Pass Anahtarı hesaba katılmadan). 35
Otomatik By‐Pass Anahtarı hesaba katıldığında KGK’nın MTBF değerini hesaplanırken aşağıdaki şekil ve değişkenler de hesaba katılır; ‐
‐
Şebekenin MTBF değeri=100 saat
KGK’nın MTTR değeri=24 saat 24 saatlik süre içerisinde tamir edildiği varsayılan Statik By‐Pass anahtarına ve paralel akü grubuna sahip bir KGK sistemi için MTBF değeri; Sonuç olarak Otomatik By‐Pass anahtarı ve iki adet paralel akü grubuna sahip KGK’da MTBF değeri 142000 saat=16,3 yıla ulaşmaktadır. 36
Seri Redundant KGK Bağlantısında MTBF Hesabı Bu bağlantı konfigürasyonunda MTBF hesabı iki adımdan oluşmaktadır. ‐
‐
Öncelikle KGK1 için ve SW1 için MTBFx değeri hesaplanır. Sistemin MTBF değerini bulmak için KGK2, SW2 ve MTBFx değerleri kullanılır. KGK’nın MTBF değeri 42 000 saat, MTTR değeri 24 saat olarak alındığında seri redundant sistemin MTBF değerini hesaplamak için öncelikle MTBFx değeri hesaplanırsa; değeri bulunur.
Seri redundant sistemin MTBF değerini hesaplamak MTBFx değerinin yanı sıra KGK2 ve SW2’nin kullanılarak aşağıdaki hesaplama yöntemi kullanılır. Seri redundant KGK sistemi için MTBF değeri = 5x105 saat = 57 yıl olmaktadır. Bu hesaplamada KGK güvenilirliğini belirleyen ana etken KGK ve aküler değil Statik By‐Pass Anahtarı olmaktadır. 37
Paralel Redundant KGK Bağlantısında MTBF Hesabı Paralel Redundant bağlı KGK sisteminin MTBF değerini hesaplamak için aşağıdaki şekilde gösterilen model kurulmuştur. Bu modele göre MTBF değeri hesaplanırken şu adımlar izlenir: ‐
‐
‐
KGK1 ve SW1 için MTBF1 değerinin hesabı KGK2 ve SW2 için MTBF2 değerinin hesabı MTBFx değerinin hesabı ‐ MTBFx, Otomatik Anahtar ve kontrolörün MTBF değerlerinin dahil edilerek paralel redundant bağlı KGK sisteminin MTBF değerinin hesabı KGK1 ve SW1 için MTBF1 değerinin hesabı ve sonucu; 38
Seri – Pararlel Bağlantı Avantaj Tablosu KGK Bağlantı Paralel Redundant Seri Redundant Avantajlı Olan Toplam MTBF 2,5x105 5x105 Seri 2 KGK’lı sistemin bir KGK’ya olan fiyat oranı 2.5 kat 2 kat Seri Kurulum Yüksek seviye ve teknik beceri gerekli Hızlı ve basit Seri Aktif akım paylaşımı Var Yok Parelel Yedek parça Standart değil Standart Seri İleride güç arttırma imkanı Var Yok Parelel Kontrol devre karmaşıklığı Yüksek Düşük Seri MTTR Yüksek Düşük Seri KGK seçimi Özdeş KGK’lar birlikte çalışabilir Herhangi 2 KGK bağlanabilir Seri Statik Switch bağlantısı Karmaşık ve pahalı Basit ve güvenilir Seri Verim Orta Normal Seri 39
6.KGK SEÇİMİNDE KRİTERLER Özel bir uygulama için KGK seçimi yaparken aşağıdaki kriterler değerlendirilmelidir: •
•
•
•
•
On‐Line veya Off‐Line KGK Sistemi Olacağının Belirlenmesi, Aküden Çalışma Süresi, Yük Tipi, KGK’nın Kurulacağı Yer, Kapasite. Off­Line Sistem Yükü sürekli olarak şebekeden besleyen ve güç sorunu karşısında KGK’ya veya eviriciye anahtarlayan sisteme Off‐Line sistem denir. Çoğu Off‐Line sistemde By‐Pass’tan eviriciden çalışma (akü) durumuna geçişte bir kesinti vardır. Bu kesinti 2ms kadar küçük veya 20ms kadar büyük olabilir Çoğu küçük Off‐Line KGK sistemi kare veya modifiye edilmiş (sinüse yaklaştırılmış) kare dalga çıkış gerilimi verirler. Çıkış dalga şekline bağlı olarak KGK ve şebeke arasındaki gerilimin eşit olmaması yüzünden bu dalga şekli kesintisiz transferi olanaksız kılar. Bu tip bir sistem küçük bilgisayar uygulamalarında veya belli güç kesintisinin kabul edilebileceği durumlarda yeterlidir. Her bilginin önemli olduğu daha karışık bilgisayar sistemlerinde Off‐Line sistemler kabul edilemezler. On­Line Sistem Yükü sürekli olarak eviriciden besleyen KGK sistemine On‐Line denir. Bu sistemler genellikle çıkışta sinüs dalga verirler ve kesintisiz By‐Pass yetenekleri vardır. Sinüs çıkış gerilimi, By‐Pass’tan eviriciye transfer sırasında KGK’nın şebekeyle paralel çalışmasına izin verir. Sonuçta yük bir kaynaktan diğerine kesintisiz olarak aktarılır. Gerçek bir On‐Line KGK kritik yüklere sağlanabilecek mümkün olan en iyi korumadır. Akü Çalışma Süresi KGK sisteminden beklenen yedek süresi, bireysel kritik yük gerekleriyle belirlenir. Çoğu KGK üniteleri (10kVA’ya kadar) standart olarak 5 ila 10 dakikalık akü sürelerine sahiptir. Dahili aküler yeterli oluyorsa bu, kullanıcının yararınadır. Dahili akülerin belirtilen çalışma süreleri tam yük için geçerlidir. Bu, genellikle beş veya on dakikadır. KGK piyasasında güç faktörü için 0.8 değeri standarttır. Bu demektir ki yüke aktarılan güç iki bileşenden oluşur: Aktif ve reaktif. Bu, yüke aktarılan gerilim ve akımın aynı fazda olmaması demektir. Akım dalga şekli gerilim dalga şeklinin önünde veya arkasında olabilir. Buna yük güç faktörü denir. Güç katsayısı 0.8 olduğunda akım ve gerilim arasındaki faz açısı, arccos0.8=36.87 derecedir. KGK, 1000VA olsaydı 0.8 güç faktörü, cihazın 0.8 x 1000 = 800W’lık rezistif bileşeni vardır. Sadece gerçek veya rezistif kısmın gerçek güç harcadığı ve dolayısıyla aküden güç çektiği hatırlanmalıdır. 1000VA örneğinde aküyle beslenecek yüke gerekli enerjiyi hesaplarken, güç=1000VA x 0.8 = 800W olur. Akünün DC verimini hesaba katmak için bu sayıyı verime bölün. Eğer akünün verimi %90 ise aküden çekilecek güç 800/0.9 = 889W dır. 40
Akü deşarj eğrileri lineer olmadığı için %50 yükteki deşarj zamanı %100 yüktekinden açık şekilde uzundur. Çoğu uygulamalar KGK kapasitesinin %100’ünü kullanmayacağından kullanıcılar bu gerçekten faydalanabilirler. Akü süreleri için bu eğrilere bakmak gerekir. Yükün Çeşidi (crest faktörü) Bir KGK’ya bağlanacak yük elektrik enerjisi çeken herhangi bir cihaz olabilir. Fakat bir sistem seçerken hesaba katılacak belirli parametreler vardır. Bunlar: Yük kritik bir cihaz mı? Yani KGK; kritik bir bilgisayarı, hayati önemi olan veya gerçek zamanlı iletişim uygulamalarını çalıştıran bir cihazı mı besliyor? Yoksa yük kritik değil mi? Yani belli bir güç kesintisini kaldırabilir mi? Kritik yükler çoğu durumda gerçek bir On‐Line sistem tarafından korunmalıdır; diğer yanda kritik olmayan yükler On‐Line veya Off‐Line bir KGK ile korunabilir. Bazı KGK’lar acil ışıklandırma gibi basit yükler için kullanılabilir. Bu durumda herhangi bir tip KGK normal şekilde çalışmaya devam edecektir. Eğer kare dalga Off‐Line bir KGK, sinüs dalganın tepe gerilimiyle çalışan gaz boşaltma tüpü gibi bir yükü besleyecekse bu yüklerin sinüs dalga olamayan gerilimle doğru biçimde ateşlendiğinden emin olunmalıdır. Çoğu lamba, KGK’yı aşırı yüklenmeye götürebilecek çok yüksek inrush (kalkış, yolalma) akımı çekebilir. Eğer mümkünse KGK üreticisi, tercihen lambanın ateşlenmesi ve normal çalışma sırasında çektiği akımı gösteren bir grafik yardımıyla lamba yükü hakkında bilgilendirilmelidir. Bu tip bir yük yapısal olarak rezistiftir ve gerekli olan akü enerjisi yükün Watt olarak değerinin akünün verimine bölünmesiyle bulunan değerdir. Rezistif yükler için tepe akımı = (efektif değer) x 1,414’ e eşit olacağından belirlenmesi kolaydır. KGK koruması gerektiren yüklerin büyük çoğunluğu bilgisayar, işlem kontrol elemanı, tıbbi cihazlar gibi elektronik yapıdadır. Bu tip yüklerin bir güç katsayıları vardır. Tipik elektronik yüklerin güç katsayıları 0.6 ila 0.8 arasındadır. Bu, çoğu elektronik yükün, girişinde kapasitif giriş filtresi olan anahtar güç kaynaklarına sahip olmasından kaynaklanır. Kapasitör giriş filtresi yapısal olarak, yüke verilen gücün yarım periyodunun ortası boyunca yüksek piklerle akım çeker. Bu tip yük lineer değildir. Direnç ya da akkor lambalar gibi saf rezistif yüklerde çıkış gerilimi çıkış akımıyla aynı fazdadır (güç katsayısı=1.0). Yükün Watt değeri VA değerine eşittir. Elektronik (reaktif non‐lineer) yüklerde sadece güç katsayısı değil tepe akımlarının genliği de hesaba katılmalıdır. “Akü Çalışma Süresi” bölümde anlatıldığı gibi güç katsayısının gereken akü gücünü hesaplama da önceliği vardır. Tepe yük akımı, KGK’nın gücünü belirlerken önem kazanır. Bu belirlemeyi yaparken dikkate alınması gereken 2 tip tepe akımı vardır. Bunlar: yüke verilen gerilimin her yarım periyodunda oluşan tekrarlı tepe akımı ve ek yüklerin devreye sokulmasıyla meydana gelen aşırı akımların doğurduğu rasgele tepe akımlarıdır. Transformatörler, motorlar ve elektronik ekipmanlar bu tür yüklere tipik örneklerdir. İncelenecek ilk tepe akımı, elektronik yükteki güç kaynaklarının sebep olduğu tekrarlı tepe akımıdır. Daha önce de bahsedildiği gibi bu güç kaynakları, kapasitör giriş tipindedir ve giriş gücünün her yarım periyodu boyunca yüksek akım darbeleri çekerler. Bu tepe akımları KGK’nın aşırı yük sinyali verip koruma durumuna veya By‐Pass’a geçmemesi için gereklidir. Ampuller gibi normal rezistif yüklerde yük akımı sinüs gerilimle aynı fazdadır ve kendisi de sinüs dalgadır. 41
Bu durumda tepe akımı = 1,414 x (RMS akımı)na eşittir. 120V’luk şebekeden çalışan 1kW’lık bir lamba için RMS akımı 1000W/120V = 8.33 A dır. Tepe akımı 8.33 x 1.414 = 11.78 A olur. Tepe akımının RMS akımına oranına krest faktörü ismi verilir. Bu, önemli bir orandır ve güç kaynağını boyutlandırmada karşımıza çıkar. 1kW ampul için verilen örnekte krest faktörü 11.78/8.33 = 1.414:1 dir. Bu, saf rezistif bütün yükler için aynıdır. Çoğu elektronik yük için krest faktörü 4.0:1 ‘e kadar çıkabilir. Yüklerin çoğunluğunun krest faktörü 3.0:1’in altındadır; ortalama ise 2.0 ila 2.2:1 civarındadır. Üzerinde durulacak ikinci tür tepe akımı ise trafoların, motorların veya elektronik ekipmanların sebep olduğu akımlardır. Bu yükler, yüksek tepe akımlarına karşılık gelen anlık yüksek yük akımlarına sebep olurlar. Eğer bu tepe akımları KGK’nın aşırı yük ayarlarının üzerine çıkarsa KGK koruma durumun geçmeye zorlanır ve yüke giden elektriği kesebilir. Bu tepe akımı durumlarına, KGK’ya bağlanacak her cihazın ani kalkış akımı ölçülerek hazırlık yapılabilir. Gereken kapasiteyi hesaplarken bu cihazların hepsi aynı anda çalışmaya başlamayacağı için toplamın alınmasına gerek yoktur. Tüm KGK’lar maksimum tepe akım değeri olan yarıiletken elemanlar kullanırlar. KGK tasarlanırken, güç yarıiletkenleri seçildiği zaman tasarımcılar en kötü yük durumunu, yani cihazın maruz kalacağı izin verilen en yüksek tepe akımlarını hesaba katarlar. KGK içindeki koruma devreleri, yarıiletkenin içinden geçen akım, cihazın bozulmasına neden olmadan devreye girerler. Yarıiletkenleri, KGK’nın gerekli krest faktörü ve aşırı yük kabiliyetlerinin de üzerine çıkaracak şekilde seçmek mümkündür; fakat bu, ekonomik değildir. Çalışma Ortamı Önemli ve ayrıntılı bir uygulama için KGK seçerken, KGK’nın çalışacağı ortam hesaba katılmalıdır. Eğer KGK, kontrol edilmeyen bir ortamda bulunacaksa KGK’nın bu ortamda çalışacağından emin olunmalıdır. Ortam, özellikle büyük KGK’ların yayacağı ısıyı emebilecek şekilde olmalıdır. Daha küçük sistemler genellikle klimalı ortamlarda bulunurlar ve yayılan ısı klima tarafından emilir. Eğer sistem harici aküler kullanılacaksa, akülerin benzer kutular içinde veya açık raflarda olmasına dikkat edilmelidir. Açık raflar deprem sarsıntılarına dayanıklı olmalıdır. KGK Kapasitesi Önceki bölümlerde belli bir uygulama için KGK’nın gücünü belirlerken gerekli olan bilgiler verildi. Bu iş için gerekli başlıklar şöyle sıralanabilir: •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
On‐Line veya Off‐Line KGK gerekliliği, Toplam RMS akım veya VA, Yük güç faktörü ( bilgisayarlar için 0.7 alınabilir), Kararlı durum krest faktörü, Yükün periyodik yük geçici dalgalanmalarının olup olmadığının belirlenmesi (geçici dalgalanmalar, kritik veri yolunda diğer cihazların açılıp kapanmasıyla oluşur), Gerekli akü gücü, Gerçek yük için gerekli akü zamanı, Akü kutusu mu yoksa açık raf mı, Gerekli KGK kapasitesi, Çevresel koşullar (ısı, gürültü, hava akımı, vs). 42
ALIŞILMAMIŞ KAYNAKLARDAN KGK’NIN ÇALIŞMASI Topraksız Kaynaklar Bir KGK’daki surge (Çok kısa süreli, yaklaşık saniyenin yüzde biri süresince voltaj yükselmesi) bastırıcılarının ve gürültü filtreleyici cihazların çalışması düzgün topraklamaya bağlıdır. Statik birikme toprak bağlantı varolmadığında da oluşabilir. Toprak bağlantısız çalışma KGK ve bilgisayar içindeki güvenlik toprak bağlantısını tehlikeye sokar. Bazı KGK sistemleri bu durumu teşhis etmek için bir hata ışığına sahiptir. Herhangi bilgisayar ekipmanı ile 2 uçludan 3 uçluya fiş adaptörü kullanılamaz. Böyle bir durum söz konusu olduğunda toprak bağlantısı kaybolmaktadır. Jeneratörden Çalışma Jeneratörlerin genel bir özelliği, bilgisayarlar gibi lineer (doğrusal) olmayan yükleri çalıştırırken ciddi çıkış voltajı distorsiyonuna yol açmalarıdır. Bu çıkış voltajı bozukluğu, KGK tarafından kabul edilemez kaynak olarak algılanabilir ve KGK’yı aküden çalışmaya zorlayabilir. Yük aküye aktarılınca, doğal olarak jeneratör distorsiyonu, KGK’yı hattan çalışmaya zorlayacak biçimde azalacak veya kaybolacaktır. Yük jeneratöre tekrar uygulandığında voltaj distorsiyonu, KGK’nın bir kez daha aküye aktarılmasına yol açacak biçimde geri dönecektir. Bu çevrim yaklaşık 4 saniyede bir tekrarlanabilir. Bu durumda çözüm lineer olmayan bilgisayar yükü uygulandığında voltaj distorsiyonu yaratmayacak tipte bir jeneratör seçmektir. Distorsiyonu engellemek için jeneratör, bilgisayarın ihtiyacı olan tepe (peak) akımı sağlayacak şekilde seçilmelidir. Deneyler, bu durumunda jeneratörün gücünün, bilgisayarın gücünün en az 6‐10 katı olması gerektiğini göstermiştir. Yada Online Sistem tercih edilmelidir. Ciddi Voltaj Distorsiyonlu Kaynaklar KGK, AC kaynağın kalitesine bağlı olarak, normalden daha uzun süre yedek modda çalışabilir. Bu problem, çoğu durum için transfer voltajı ayarlanarak dengelenebilir. Bu sorun çoğunlukla KGK’nın, aşırı yüklü bir jeneratörün veya ‘ferroresonant line conditioning’ trafonun çıkışına bağlanması yüzünden oluşur. Hiçbir KGK sistemi bu trafodan çalıştırılmamalıdır çünkü ferro trafonun çıkış empedansı KGK’nın tekrarlı olarak açılıp kapanmasına sebep olacaktır. Kronik Düşük Şebeke Voltajı Nominal voltajın yaklaşık %20’i kadar düşük kaynak gerilimlerinde çoğu KGK uzunca bir süre için yedek kaynaktan çalışır ve dahili aküler şarj edilemez. Bu sorun, aşırı yüklü devreler veya elektrik şirketi hatasından kaynaklanabilir. Çoğu ülkede, elektrik şirketinden belli toleranslar içinde gerilim göndermeleri istenir. Bu yüzden, haberdar edilirlerse bu sorunu düzeltebilirler. Eğer bu çözüm de uygulanamıyorsa, KGK’nın giriş voltajını arttırmak için %5‐10 step‐up‐oto‐trafo kullanılabilir, veya KGK’nın transfer voltajı ayarlanabilir. 43
KGK KULLANIMINDA DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER 1. Cihazın gerekli tüm bağlantıları yetkili servis elemanları tarafından veya servis elemanlarının bilgisi dahilinde yapılmalıdır. 2. Bütün talimatları sırası ile uygulayıp, aşağıda belirtilen uyarılara dikkat ediniz. Anlatılan işlemlerle ilgili bir problemle karşılaştığınızda yetkili servisi arayınız. 3. Cihazınızı topraklamadan kullanmayınız. 4. Cihazın bulunduğu ortamda patlayıcı ve yanıcı madde bulundurmayınız. 5. Cihazın kullanılacağı yerdeki sıcaklık (0°C ile +40°C max.) ve bağıl nem (%90 max.) uygun olmalıdır. 6. Havalandırma deliklerinin içine herhangi bir cisim girmemeli ve bu delikler tıkanmamalıdır. 7. Manyetik alandan etkilenebilecek cisimleri (kaset, disket, disk vb.) KGK sisteminden en az 30cm uzakta muhafaza ediniz. 8. Çocukları cihaza yaklaştırmayınız. EMNİYET KURALLARI VE İKAZLAR Taşıma Lütfen KGK’nızı darbelere karşı sadece orijinal ambalajı veya eşdeğer bir ambalajda taşıyınız. Taşırken KGK’nızın dik olmasına dikkat ediniz. Kurma • Soğuk bir ortamdan sıcak bir ortama geçişte KGK’da nemden dolayı yoğunlaşma oluşabilir. KGK kurulmadan önce nem yoğunlaşmasının kuruması için bekletilmelidir. Bulunduğu ortama uyum sağlaması için en az 2 saat bekletilmelidir. • KGK’yı suyun bulunduğu bir ortama veya su sıçraması ya da dökülme tehlikesi bulunan herhangi bir ortama kurulmamalıdır. • KGK doğrudan güneş ışığı alan veya uzun süre güneş altında kalan bir ortama kurulmamalıdır, aksi taktirde aşırı ısınma nedeniyle aküler bozabilir. • KGK’da güç elemanlarının soğutma işlemini gerçekleştiren fanların ve havalandırma kanallarının önü herhangi bir engelle kapatılmamalıdır. Montaj • KGK’yı topraklaması gerçek olarak (toprak‐nötr hattı kısa devresi yani sıfırlama olmayan) yapılmış şebekeye bağlayın • KGK’ya gelen şebeke elektriği kolayca kesilebilmelidir. Panoda şalter olmalıdır. • Şebeke – KGK, UPS – Yük arasında uygun kesitte ve kalitede kablo kullanılmalıdır. • Kabloları birbiri üzerine sarmayınız. 44
Çalışma • Normal çalışma esnasında KGK’nın toprak hattını iptal etmeyin, bu hem KGK’nın hem de yüklerin koruma topraklamasının iptal edilmesine sebep olur. • KGK dahili enerji kaynağına sahiptir. Şebeke elektriği kesik olsa da KGK içinde ve çıkışında, elektrik olabilir. • KGK’yı komple kapatmak için ilk önce Açma/Kapama butonları yardımı ile eviriciyi, daha sonra şalterleri kapatınız. KGK’nın beslendiği hattın sigortasını kapatınız. • KGK içine sıvı ve/veya yabancı nesneler girmesini engelleyiniz. Bakım, Servis ve Arızalar KGK hayati oranda tehlikeli gerilim içerir. Bakım ve onarım yetkili kişiler tarafından yapılmalıdır. Elektrik Şok Riski Mevcuttur! Cihaz şebekeden ayrılmış dahi olsa aküler hala cihaz içinde bağlıdır ve çıkışında enerji oluşturabilir. Kaldırırken, taşırken ya da herhangi bir servis onarım esnasında dikkatli olunuz. •
•
•
Bakım veya servisten önce akü kablolarını sökün ve DC bara devre kapasitelerinde tehlikeli akım ve voltaj olmadığından emin olunuz. (DC bara devre kapasitelerindeki tehlikeli voltajın boşalması için en az 5 dakika bekleyin. Daha sonra ölçüm yaparak tehlikeli voltaj olmadığından emin olun) KGK’larda servis ve bakım için giriş ve By‐Pass anahtarı kapatıldıktan sonra bile; Bakım, Giriş ve By‐Pass anahtarlarında hala şebeke voltajı ve tehlikeli enerji vardır, dikkat ediniz. Akülerin bakımı, akü prensiplerini ve aküde dikkat edilecek işlemleri bilen personel tarafından veya personel nezaretinde yapılmalıdır. Diğer personel akülerden uzak durmalıdır. Elektrik Şok Riski Mevcuttur! Akü devresi giriş devresinden izole değildir. Akü terminalleri ile topraklama arasında tehlikeli gerilim oluşabilir, dokunmadan önce lütfen kontrol ediniz. Aküler, yüksek kısa devre akımına sahip olmaları nedeni ile elektrik şoku oluşturabilir. Lütfen aşağıdaki şekilde gerekli tedbirleri, ölçüm ya da değiştirme yapmadan önce alınız: ‐
‐
Saat, yüzük, bilezik gibi metal eşyalarınızı çıkarınız. İzoleli el aletleri ile çalışınız. Aküleri değiştirirken aynı kapasitede ve tipte aküler ile değiştiriniz. Farklı marka, model yada kapasitede aküleri aynı gurup içerisinde kullanmayınız. Bozuk yada bitmiş olan aküleri yakmayın, patlamaya yol açabilir. Geriye dönüşüm için akü üzerindeki talimata uyunuz. Hasar görmüş aküleri açmayın, kaçak elektrolit deride ve gözlerde yaralanma ve sakatlanmalara yol açabilir. Zehirli olabilir. Lütfen sigortaları aynı tip ve değerde (amperajda) sigortalar ile değiştiriniz. Böylece yangın tehlikesi oluşmaz. 45
KGK’LARIN UZAKTAN İZLENMESİ VE PC HABERLEŞMESİ KGK dış ortamla haberleşerek durum bilgilerini, ölçüm sonuçlarını (gerilim, akım, frekans) ve hata mesajlarını izleme imkanı sunmalıdır. KGK’yı dış ortamla haberleştirirken genellikle seri haberleşme yöntemi (RS‐232 veya RS‐485) kullanılır. Seri haberleşme ile (RS‐232 veya RS‐485) haberleştirilen KGK üç yöntemle uzaktan izlenebilir ve kumanda edilebilir. 1) KGK seri haberleşme portuna doğrudan bağlanan bir PC ile KGK’ya ait bilgiler PC’ye kurulan özel yazılım aracılığı ile gözlenebilmeli, cihazın güvenli çalışmasına engel olmayacak komutlar verilebilmelidir. Ayrıca bu yazılım şebeke kesilip KGK’nın aküden çalışması durumunda, akülerin bitip yükleri besleyemeyecek duruma gelmeden önce PC’de o an açık olan dosyaları kaydederek herhangi bir veri kaybı veya donanım arızası olmayacak şekilde PC’nin kapanması sağlanmalıdır. Bu kapanma süresi kullanıcı tarafından PC’ye kurulu yazılım aracılığı ile belirlenebilir. Ancak KGK birden fazla bilgisayarı besliyorsa ve KGK yalnızca bir bilgisayar ile doğrudan haberleşebileceğinden diğer bilgisayarları kapatma işlemi KGK’ya doğrudan bağlı olan bilgisayar üzerinden yapılabilmelidir. 2) SNMP Modülü, TCP/IP protokolü sayesinde KGK’ya bağlı bir PC gerektirmeden KGK'nın WAN veya LAN ağının bir elemanı gibi (Internet ve ağ üzerinden) izlenmesini sağlar. Ağ tabanlı erişimi desteği sayesinde KGK’ya gerçek zamanlı olarak erişilebilir. SNMP Modülü ile birlikte verilen yazılım ile ağa bağlı birden fazla KGK görüntülenebilir ve KGK’dan alınan bilgiler işlenebilir. 46
3) KGK ön panel fonksiyonları RS‐232 veya RS‐485 protokolü kullanılarak uzaktan izleme paneli ile izlenebilmeli ve kumanda edilebilmelidir. Ayrıca KGK’ya bağlanan uzaktan izleme paneli iki uzaktan izleme nokta sayısı arttırabilmelidir. Aşağıda görüldüğü gibi KGK’ya bağlanan uzaktan izleme paneline ardı ardına uzaktan izleme panelleri bağlanabilir. Ancak bağlanan bu uzaktan izleme panellerine PC bağlandığında uzaktan izleme nokta sayısı sonlandırılmış olur. Bağlanan bu PC birinci maddede anlatılan fonksiyonların aynısını gerçekleştirebilmektedir. Uzaktan izleme belirli bir gecikme ile yapılabildiğinden uzaktan izleme ağına eklene her bir panel gecikme zamanı artarak izleme ağına dahil olur. RS‐232 iki cihaz arasında bilgi alışverişi yapılmasında kullanılmaktadır. RS‐232 ile yapılan haberleşmede kullanılan kablo ve ortamdaki elektriksel gürültüye göre güvenilir haberleşme hattı uzunluğu 15m ile 30m arasında değişebilmektedir. RS‐232’nin özellikleri şu şekilde sıralanabilir : ‐ Her PC’de RS‐232 arabirimi olduğundan PC ile haberleşmede yaygın olarak kullanılmaktadır. ‐ Birçok mikrokontrolörde RS‐232’yi destekleyen çevresel arabirimler mevcuttur. Ayrıca mikroişlemcideki giriş çıkış pinleri RS‐232 arabirim entegreleriyle RS‐232’ye çevrilebilir. ‐ İki yollu bir bağlantı için sadece üç iletkene ihtiyaç vardır. Paralel linkte sekiz adet veri hattıyla iki ve daha fazla kontrol sinyali ve toprak hattı bulunur. Bu da kablo ve konnektör maliyetini arttırır. ‐ Haberleşme mesafesi USB ve paralel arabirimlerden daha fazladır. RS‐232’nin dezavantajları ise şunlardır : ‐ Çok uzun linklerde farklı arabirim gerekir. ‐ Bir linkte ikiden fazla cihaz bulunmamalıdır. ‐ En yüksek haberleşme hızı 20000bps olabilmektedir. Bu dezavantajlardan dolayı yüksek hız, daha uzun link ve daha çok düğüm olması halinde RS‐485 arabirimi kullanılmalıdır. Seri haberleşme yöntemi kullanılarak izlenen ve kumanda edilen KGK’da kısa mesafelerde (20m’nin altı) RS‐
232 kullanılmakta, daha uzun mesafelerde ise dönüştürücü kullanılarak üniteler (KGK, uzaktan izleme paneli, PC) arası bağlantılar RS‐485’e uygun hale getirilebilmektedir. 47
AKÜ ÖMRÜ VE KGK’NIN GÜVENİLİRLİĞİ KGK’nın Ömrüyle İlgili Önemli Bilgiler KGK sistemleri aynı akü teknolojisini kullanıyor görünseler de değişik KGK üreticilerinin değişik akü ömrüne sahip cihazları vardır. Bu, kullanıcı için çok önemlidir, çünkü akü yenilenmesi pahalıdır (KGK’nın yaklaşık %30’u kadar!). Hatalı aküler sisteme olan güvenilirliği azaltır, sıkıntı kaynağıdır ve zaman kaybına neden olur. Akü Sıcaklığı Güvenilirliği Etkiler Akü aşınmasını içeren süreç sıcaklıkla yakından ilişkilidir. Ayrıntılı araştırmalar göstermiştir ki çalışma ortamı sıcaklığının arttığı her 5°C için akü ömrü 10% kısalmaktadır. Bu yüzden akülerin olabildiğince oda şartlarını kullanılmalıdır. Gerekirse ortam iklimlendirilmelidir. Akü Şarjı Tasarımı Güvenilirliği Etkiler Akü şarjı bir KGK’nın çok önemli bir parçasıdır. Akü şarj koşullarının onun ömrüne etkisi büyüktür. Eğer akü sabit gerilimle veya “float” tipi şarj ile besleniyorsa ömrü maksimum olur. Şarjda tutulan akünün ömrü, sadece bekletilen akünün ömründen daha fazladır. Bundan dolayı fişe bağlı olduğu sürece bir KGK’nın kapalı bile olsa aküleri şarj etmesi gereklidir. Piyasadaki çoğu KGK bu önemli özelliği sağlamamaktadır. Bu özellik KGK’nın maliyetini arttırdığı halde akü değişiminin “saklı” maliyeti göz önüne alındığında KGK’nın işletme maliyeti çok düşüktür. Akü Gerilimi Güvenilirliği Etkiler Aküler, her biri yaklaşık 2V potansiyelinde olan bireysel hücrelerden yapılmıştır. Daha yüksek gerilimde akü yapmak için bireysel hücreler seri bağlanmalıdır. 12V’luk bir akü 6, 24V’luk bir akü 12 hücreye sahiptir. Bir KGK sisteminde olduğu gibi aküler sabit şarja bırakıldıklarında bireysel hücreler seri olarak şarj edilirler. Akü hücrelerindeki küçük üretim farkları bazı hücrelerin diğerlerinden daha fazla gerilim almalarına sebep olur. Bu hücrelerin erken yaşlanmasına sebep olur. Seri bağlı grup en zayıf bağlantısı kadar güçlüdür. Bundan dolayı herhangi bireysel hücre zayıflarsa tüm akü zayıflar. Kanıtlanmıştır ki yaşlanma sorununun büyüklüğü hücre sayısıyla doğru orantılıdır. Dolayısıyla akü gerilimi arttıkça, akü yaşlanma hızı artar. Belirli bir KGK kapasitesi için en uzun akü ömrüne sahip sistem en az akü gerilimine sahip olan sistemdir. Tercih edilen bu KGK sistemi çok sayıda küçük hücre yerine az sayıda büyük hücre kullanır. Bazı üreticiler yüksek gerilimli aküleri tercih etmişlerdir çünkü belli bir güç seviyesi için daha yüksek gerilimli aküler KGK’da maliyeti azaltan daha ufak kablolar ve yarıiletkenler kullanılmasına izin verir. 10 yıllık ürün ömrü boyunca bazı KGK markalarının kullanıcıları orijinal KGK sisteminin 2 katını aküye ödemeye hazır olmalılar. Daha fazla akü gerilimiyle KGK tasarlamak daha kolay ve ucuz olduğu halde azalan akü ömrü biçimindeki saklı giderler kullanıcıya ulaşır. 48
Akü Akım Dalgalanması Güvenilirliği Etkiler İdeal olarak bir KGK aküsü servis ömrünü arttırmak amacıyla “float” veya sabit gerilimle beslenmelidir. Bu durumda tam dolmuş akü, akü şarjından “float” veya “self‐discharge” akımı adı verilen küçük miktarda akım çeker. Akü üreticilerinin tavsiyelerine rağmen bazı KGK tipleri (bazı On‐Line tipler dahil olmak üzere) aküleri ek olarak akım dalgalarına (ripple) maruz bırakır. Akım dalgası, akü bir eviriciyi sürekli beslediğinde ortaya çıkar. Çünkü enerjinin korunumu yasası gereği, AC veren bir evirici kendisini besleyen DC kaynağından AC almasını emreder. Bu akım akünün içinde KGK’nın giriş frekansının iki katı frekansta minyatür “şarj” ve “deşarj” çevrimlerinin oluşmasına sebep olur. Bu çevrimler aküyü yaşlandırır. Klasik Stand‐By KGK’lar, hat etkileşimli tipler ve Stand‐By KGK’lar aküyü akım dalgalanmasına maruz bırakmazlar. Diğer tipler tasarımın doğasına bağlı olarak aküyü değişik miktarlarda akım dalgalarına maruz bırakırlar. Bir On‐Line tipin aküyü akım dalgasına maruz bırakıp bırakmadığını belirlemek için KGK topolojisi incelenmelidir. Sonuç Birçok iyi tasarlanmış KGK’nın en az güvenilir parçası akülerdir. Fakat KGK tasarımı bu kritik KGK bileşeninin ömrünü etkiler. KGK kapalıyken bile aküyü sürekli şarjda tutmak akü ömrünü arttırır. Aküyü yüksek sıcaklıklara ve akım dalgalanmalarına maruz bırakan KGK tasarımlarından haberdar olun. Birçok KGK sistemi benzer aküler kullanır; fakat KGK tasarımındaki farklar akü servis ve toplam ömür arasında önemli farklar yaratır. Bir KGK'nın enerji kesintisi ve kalite bozulması anında yükü besleme süresi, kullanılan bataryaların kapasitesine bağlıdır. KGK uygulamalarında yaygın olarak dört çeşit batarya kullanılır: •
•
•
•
Yarı‐Sızdırmaz (Semisealed) Kurşunlu Tip: Bu tip bataryalarda, su kaybını önlemek için jel tipi bir elektrolit kullanır. Kapalı alanlarda kullanılan küçük kapasiteli KGK'lar için daha uygundurlar. Bu tip bataryaların ortalama ömrü yaklaşık olarak beş yıldır. Klasik Kurşun‐Asitli Tip: Bu, KGK uygulamalarında kullanılan en yaygın batarya tipidir. Bu tip bataryaların terminalleri yaklaşık olarak her altı ayda bir temizlenmelidir. Su seviyesi periyodik olarak kontrol edilmeli ve gerekli görüldüğünde su eklenmelidir. Ortalama ömrü yaklaşık yirmi yıl kadardır. Bataryaların bulunduğu ortam, şarj sırasında çıkan hidrojen gazından dolayı, düzenli olarak havalandırılmalıdır. Kurşun‐Antimonlu Tip: Bu batarya çeşidi de, kurşun asitli tip kadar yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaklaşık olarak her üç ayda bir bakımı yapılmalıdır. Bu tip bataryaların ömrü yaklaşık 10 yıldır. Kapasitelerini muhafaza edebilmeleri için düzenli olarak şarj edilmelidirler. Nikel‐Kadmiyumlu Tip: Bu tip bataryaların düşük ve yüksek sıcaklık ortamlarındaki performansları daha yüksektir. Düşük ağırlık ve maliyet, bu batarya tipinin avantajları olarak sayılabilir. Ortalama ömürleri yaklaşık 20 yıldır. Tam doluluğu muhafaza edebilmeleri için aylık olarak şarj ve periyodik olarak deşarj edilmelidirler. 49
Akü süresi ne kadar olmalıdır? Üreticilerin verdiği akü süreleri 100% yük için hesaplanan değerler. Fakat genelde cihazların tam yükte çalışmadığı düşünülürse, ortalama akü süresi ne kadar beklenmelidir ? Çoğu kullanıcı akü süresini verilen değerle, yük miktarını ölçerek hesaplıyorlar. Örneğin KGK’nızda 10dk akü grubu var ve siz 50% yükte çalıştırıyorsunuz. Aküleriniz 20 dakikadan fazla çalışacaklardır. Çünkü, yükleme ve akü süresi arasındaki ilişki lineer değildir. Bu yüzden iyi tasarlanmış, 10dk’lık akü grubuna sahip bir KGK, 50% yükte 20 dakika üzeri çalışabilir. Akülerin dolup/boşalma (şarj/deşarj) sayıları akü ömrünü nasıl etkiler? Akü bir kez üretildikten sonra verimli olacağı süre dolma/boşalma sayılarından etkilenir. Bu sayı, akü üreticisinin standart olarak verdiği bilgiler arasındadır. Tipik olarak bu değer 1000 döngüdür. Çevredeki yüksek sıcaklığın KGK ve akünün çalışmaları üzerindeki etkileri nelerdir? Akünün bulunduğu ortamda 25°C’nın üzerindeki her 10°C’lik sıcaklık artışı için akü ömrü 50% azalır. Eğer KGK, belli sıcaklığın üzerindeki bir ortamda çalışacaksa üretici KGK’yı yeniden sınıflandırmalıdır. Akülerde çıkabilecek bozukluklar nelerdir? Akülerin çalışmaları çeşitli şekillerde aksayabilir. Bunlar: •
•
•
Tek hücre hatası : Normal olarak akü ömrünün ilk zamanlarında dahili kısa devreler yüzünden veya taşıma, kurma veya üretim hatalarından kaynaklanır. Kapasite Kaybı : Bu, akünün belirtilen zamandan önce yükü besleme kabiliyetini yitirmesidir. Kapasite kaybı, 3‐4 saatlik aküler sadece birkaç dakika çalışabildiği zaman dramatik olabilir. Hayati Hata : Bu tür hata akünün, plakaların genişlemesi veya aşınması sonucunda yapısal bütünlüğünün bozulmasıyla ortaya çıkar. KGK’nın ve akü grubunun bakımları hangi sıklıkta yapılmalıdır? SLAVR (Sealed Lead Acid Valve Regulated) akülere sahip KGK’lar altı ayda bir bakımdan geçmelidir. Özenli bakım, çalışmayan parçaları, akü hatalarını tespit bakımından önemlidir ve sistemin ömrünü uzatır. 50
AKÜ HESAPLAMA YÖNTEMİ Akü grubunu oluşturan akülerin boyutu, eviricinin kritik yüke ne kadar zaman güç sağlamaya devam edeceğini belirler. Küçük KGK sistemleriyle bir veya birkaç bilgisayara 5‐10 dakikadan 2‐3 saate kadar uzanan sürelerde güç sağlanabilir. Bununla birlikte, büyük KGK sistemleri veri işleyen merkezlerin tamamına akünün tipine göre 5 – 30 dakika güç sağlamak için kullanılabilir. Sistemin gücü arttıkça akü süresinin uzatılması ekonomik olmayan bir seçime dönüşür. Bu aşamada KGK yürürlükteki işlemin durdurulması veya uzun süreli çalışma için ayrı bir dizel jeneratörün çalışması için gerekli zamanda sistemi kesintisiz besler. KGK sistemleri belli bir güç faktöründeki Volt‐Amper cinsinden çıkışlarına göre sınıflandırılır. Örneğin, bir PC beslemek üzere tasarlanmış bir KGK, 0.8 güç faktörüyle 220 Volt AC gerilimde 2,18 Amper’lik bir akım sağlayabilir. Bu sistem 480 volt‐amperde (220 Volt AC x 2.18 amper = 480 Volt‐Amper, 0.8 güç faktöründe) sınıflandırılmıştır. AC çıkışı Watt cinsinden bulmak istediğimizde güç faktörü ile Volt‐Amper değerini çarparız: Watt = volt x amper x güç faktörü = 480 volt‐amper x 0.8 güç faktörü = 384 Watt Sabit Güç ile Akü Deşarjı
Daha büyük KGK sistemleri de doğal olarak belli bir güç faktöründe binlerce volt‐amper (kilo volt‐amper) yani kVA cinsinden sınıflandırılmıştır. Örneğin, 220 VAC gerilimde 125 Amper akım sağlayabilen bir KGK, güç faktörü 0.8 ise, 220Volt x 125Amper = 27500VA = 27.5kVA’dır. Bu KGK’nın gücünün Watt cinsinden değeri de 27.5kVAx0.8=22kW olarak bulunur. Aküden çekilecek gücü hesaplarken evirici verimi de göz önüne alınmalı, eviricideki kayıplar çıkış gücüne eklenerek aküden besleme sırasındaki toplam ihtiyaç bulunmalıdır. Her Bir Hücre Serisindeki Watt Değerleri Akü deşarjı sırasında güç üretir. Yukarıda görülen örnek aküde 6 hücreden her biri 2 Voltta 75 Amper, yani 2x75=150 Watt üretmektedir. 6 hücreden oluşan akü 6x150=900 Watt‘lık toplam güç üretmiş olur. Akülerin boyutlandırılmasında uygunluk sağlamak amacıyla, aküler belli bir deşarj sonu gerilimi için, belli bir deşarj süresinde hücre başına (bazen akü başına) düşen ürettikleri güçlere göre sınıflandırılmışlardır. Örneğin, tablo A ve B tipi akülerin yeteneklerini değişik çalışma süreleri ve bitiş noktası voltajlarında göstermektedir. KGK’nın akülerinin kapasitesini belirlerken, eviricinin girişindeki DC gerilimden çektiği kWatt miktarı, eviricinin girişindeki minimum gerilim seviyesi ve ihtiyaç duyulan yedekleme süresi dikkate alınır. Bu bilgiden sonra akü başına veya hücre başına düşen güç ve bitiş noktası voltajı kullanılarak tablo 1 ve 2’ye benzeyen tablolardan uygun kapasitedeki akü seçilir. 51
52
KGK Aküsünün Seçimi Örneğin 250VA gücündeki bir bilgisayar 12VDC girişi olan ve 10.5 VDC giriş gerilimine kadar çalışabilen bir eviriciyle beslensin. Aküden çekilen gücü de (evirici kayıplarını göz önüne alarak) 300W olarak kabul edelim. İhtiyaç duyulan çalışma süresi de 15 dakika olsun. Evirici girişi için gerekli olan hücre sayısı = 12VDC / 2VDC/Hücre = 6 Hücre Her bir hücrenin gücü = Evirici akü yükü / Hücre sayısı = 300W / 6 = 50Watt Bitiş noktası Volt/Hücre = Evirici minimum işlem voltajı / Hücre sayısı = 10.5VDC / 6 = 1.75VDC/Hücre 15 dakikada 1,75 VDC bitiş noktası gerilimine ulaşması için her bir hücresi 50 watt olan bir akü seçilmelidir. Bu durumda Tablo 1’deki JC12170 aküsü seçilmiştir. 60 kVA gücünde bir KGK düşünelim. Bu KGK’nın 360VDC nominal akü gerilimi kullandığını ve eviricinin minimum çalışma geriliminin de 300VDC olduğunu kabul edelim. 15 dakika boyunca aküden çalışma için 53 kW akü gücünü (KWb) karşılayabilecek akü tipini ve sayısını bulalım: Gereken Hücre Sayısı = 360VDC / 2V/Hücre=180Hücre Her bir Hücre Başına Düşen Güç = 53kW / 180Hücre = 0.29kW/Hücre Her bir Hücrenin Minimum Voltajı = 300VDC / 180Hücre = 1.67V/Hücre Gereken akü Tablo 2’deki 15 dakikada her bir hücrenin minimum voltajı 1.67 volta kadar hücre başına 310 watt taşıyabilen UPS12‐310 olmalıdır. 180 hücre gerektiğine ve UPS12‐310’da 6 hücre olduğuna göre, 30 ünitenin (akünün) seri bağlanması gerekir. Akü Performansının Sıcaklıkla İlişkisi Akülerin ölçümlendirilmesi 77°F (≅30,4°C) sıcaklıkta hücre başına düşen watt olarak verilmiştir. Daha yüksek sıcaklıklardaki çalışmalar akü besleme zamanını uzatırken daha düşük sıcaklıklardaki çalışmalar bu süreyi kısaltacaktır. Aşağıdaki şekilde ortalama bir akünün farklı deşarj süreleri için çalışma sıcaklığı ile performansı arasındaki ilişki gösterilmiştir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta, akünün boşalma hızı arttıkça (boşalma zamanı kısaldıkça) düşük sıcaklıklardaki performans düşüklüğü etkisi de artmaktadır. 15 dakikada 77°F’de %100 performans olurken, 70 ve 65°F’de bu oran sırasıyla %95 ve %86’ya düşmektedir. 53
Çalışma sıcaklığının 77°F’dan düşük olduğu koşullarda, düşük sıcaklıkta 77°F’daki akü süresini elde etmek için daha büyük kapasitede akü seçilmelidir. Önceki örnekte, 15 dakika çalışma için her bir hücreye 290 Watt gerekmekteydi. Eğer çalışma zamanı 65°F sıcaklıkta istenseydi, hücre başına 290Watt verebilen akü sadece %86 yeterlilikte olacaktı. Yani 65°F sıcaklıkta hücre başına 290Watt verebilecek aküyü bulmak için 290x1/0,86 =337Watt gücü 77°F sıcaklıkta verebilecek aküyü seçmek gereklidir. Bu durumda B4 ihtiyaç duyulan gücü 15 dakika süreyle sağlayamayacağı için B5 seçilmesi gereklidir. Tablo 2’de görüldüğü gibi B5 77°F sıcaklıkta 15–20 dakika arası (yaklaşık 17 dakika) çalışma sağlayacaktır. Akü Ömrü ve Performansı Genellikle bir VRLA (Valve Regulated Lead Acid) akünün kapasitesi, kullanım ömrünün ilk %5’i boyunca artan bir özellik gösterir. Bu ömrün %70’lik basamağına kadar %100 kapasite devam eder. Kullanım ömrünün %80’inden sonra ise akü kapasitesi düşme eğilimi gösterir. Bundan sonra kalan zamanlarda akü kullanılabilir ömrünü tamamlamış demektir. Bu olay şekil 5’de gösterilmiştir. Doğal olarak, eğer aküden ömrünün sonunda %80 performansla 15 dakika besleme yapması isteniyorsa, normal kullanım süresi boyunca yitireceği kapasiteyi karşılamak üzere, başlangıçta daha büyük seçilmelidir. Bir önceki örnekte, akü yeniyken 65°F sıcaklıkta 15 dakika besleme süresi sağlamak için her bir hücreden 337Watt güç çekmek gerekmişti. Bununla birlikte, eğer akünün ömrünün sonunda (%80 kapasitede) yine 15 dakika besleme sağlaması istenirse, akünün yeni olduğu duruma göre %25 daha fazla kapasiteli bir seçim yapmak gerekecektir: Her Bir Hücre İçin = 337W x 1 / 0.8 = 337W x 1.25 = 421Watt. Tablo 2’de gösterildiği gibi, bu güç basamağında 77°F sıcaklıkta yeniyken 15 dakika süreyle 421Watt verebilen (15 – 20 dakika arası, yaklaşık 17 dakika) B6 seçilmelidir. 54
Akü Serilerinin Paralel Çalışması Normalde, KGK akü sistemleri için 120 ve üzeri hücre sayısı 4 paralel koldan fazla olmamak şartıyla tercih edilir. Paralel grup sayısının artışı pratik zorluklar, yapılması gereken bağlantı sayısının fazlalığı ve bakım ihtiyacı düşünülerek kısıtlanır. Akü gruplarını paralel çalıştıracağımız zaman aşağıdakileri göz önünde bulundurmalıyız: 1. Akülerin hepsi parça numarası aynı olmalıdır (aynı tip, aynı kapasite vb.). 2. Her bir grup ayrı bir kesici ile devreden ayrılabilir olmalıdır. 3. Her bir grubun kabloları aynı tip ve yaklaşık olarak aynı boyda olmalıdır. Böylece her bir seri grup için aynı direnç sağlanmış olur. 4. Kablo ölçüleri, her bir gruptaki voltajdaki düşüş toleransı ve maksimum yük akımı düşünülerek seçilmelidir. 5. Tüm paralel gruplar ayrı bir panoda veya KGK’da bağlanmalıdır. 6. Paralel kol sayısı 4 ile sınırlandırılmalıdır. 55
ELEKTRİK VE KGK TERİMLERİ RMS (Etkin Değer) ve Ortalama Değer Alternatif bir akımın RMS değeri sabit bir direnç yükünden geçen ve aynı miktarda ısı enerjisi üreten DC akımın değerine eşittir. RMS Karesel Ortalama Değer (Root Mean Square) anlamına gelir ve Etkin Değer, Efektif Değer olarak da isimlendirilir. Bir işaretin RMS değeri ayrık (dijital) olarak hesaplanırken şu adımlar izlenir: ‐
‐
‐
‐
İşaretin bir periyot boyunca belirli örnekleme zamanıyla genlik değerleri alınır Alınan bu değerlerin kareleri toplanır Bu toplam alınan örnek sayısına bölünür Bu bölümün karekökü alınır Karesel ortalama değer: RMS değer bu yöntemle hesaplanırken örnekleme ne sık yapılırsa ölçüm hassasiyeti o kadar yüksek olur. Bir işaretin RMS değeri sürekli (analog) olarak hesaplanırken aşağıdaki formül kullanılır. Bir işaretin Ortalama Değeri (Mean Value) ise o işaretin zaman ekseni ile arasında kalan alanı ifade etmektedir ve aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır. Bir işaretin Ortalama Değeri ayrık (dijital) olarak hesaplanırken şu adımlar izlenir: ‐
‐
‐
İşaretin bir periyot boyunca belirli örnekleme zamanıyla genlik değerleri alınır Alınan bu değerleri toplanır Bu toplam alınan örnek sayısına bölünür 56
İdeal bir sinüs dalganın RMS ve Ortalama Değerlerine ilişkin şekil aşağıdaki gibidir. 57
Aktif Güç, Reaktif Güç Direnç tipi bir yük gerilim kaynağından gerilimin çarpanı şeklinde bir akım çekmektedir, ancak reaktif yüklerin çektiği akım direnç yükündeki gibi değildir. Reaktif yüklerde de hem gerilim hem de akım dalga şekilleri sinüzoidal olabilir ancak aralarında bir faz farkı vardır. Reaktif yüklerde bir periyot süresince akım ve gerilim işaretleri aynı veya farklı olabilir. Akım ve gerilim işaretinin farklı olduğu noktalarda güç negatiftir ve güç akışı kullanıcıdan şebekeye doğrudur. Şebekeden çekilen bu enerji kullanılmadan şebekeye geri verilir ve bu dolaşım sırada iletim hatlarındaki dirençlerden dolayı kayıplar oluşur. Yani reaktif güç şebekeyle yük arasında salınan ancak kullanılmayan enerjidir. Aşağıdaki şekilde açık gölgelendirilmiş bölgeler reaktif gücün, koyu gölgelendirilmiş bölgeler ise aktif gücün söz konusu bölgeleri göstermektedir. Aktif enerji şebeke periyodu boyunca şebekeden çekilen enerjidir, bu da gerilimle akımın çarpımının zaman ekseninin üstünde kalan alandır. Üstte kalan alan (aktif enerji) ile altta kalan alanın (reaktif enerji) farkı yükün harcadığı toplam enerjiyi vermektedir. Aktif güç [P] ile reaktif güç[Q] birlikte kompleks gücü [S] oluşturmaktadır. Jeneratör, transformatör, motor gibi elektrikli aygıtların ve iletim hatlarının maliyeti bunların görünür gücüyle orantılıdır. Bunun nedeni bu cihazların yalıtım düzeyinin gerilimle, iletken boyutlarının da akımla orantılı olmasıdır. Aktif güç P’nin fiziksel bir anlamı vardır. Bu gücün büyük bir kısmı yararlı işi karşılar, çok az bir kısmı kayıplardır. Oysa reaktif güç, elektromanyetik cihazlardaki manyetik alanı oluşturur ve yararlı enerji çevriminde kullanılmaz. Gereksiz yere hattı ve iletim aygıtlarını yükleyerek gerilim düşümüne ve kayıplara yol açar. Bu nedenle şebekeden çekilen Q reaktif gücün sıfır olması istenir. Bu büyüklükler arasında matematiksel şu ilişkiler vardır: 58
Burada = Güç faktörü olup, yükün etkin gücü ne kadar etkili çektiğinin bir ölçüsüdür. Güç faktörü boyutsuzdur ve idealde GF=PF=1 olması istenir. Böylece reaktif güç sıfır olur ve aynı güç en düşük akımla çekilir ve cihazlardaki ve yükteki olası kayıplar en aza indirilmiş olur.
Yükün karakteristiğinden kaynaklanan sebeplerden dolayı akımın gerilimden ilerde veya geride olması durumunda şebekeden enerjiye dönüşemeyecek yükün çekilmesi başka bir ifade ile işe yaramayan gücün çekilmesindeki güç birimidir. Rezistif (Direnç Tipi) Yük, Endüktif Yük, Kapasitif Yük:
Yukarıda dalga şekilleri verilen bu yük çeşitleri için şu özellikler geçerlidir:
a) Yük üzerindeki akım gerilimin bir çarpanı ve akımla gerilim arasında bir faz farkı YOKSA bu yük çeşidine rezistif (direnç tipi) yük denilmektedir. b) Yük üzerindeki akımın gerilimden geride olması durumundaki yük çeşidine endüktif yük denilmektedir. c) Yük üzerindeki gerilimin akımdan geride olması durumundaki yük çeşidine kapasitif yük denilmektedir. 59
Lineer (Doğrusal) Yük, Non­Lineer (Doğrusal Olmayan) Yük Lineer adından da anlaşılacağı gibi yükün karakteristiğinin doğrusal olduğunu ifade eder. Yani yük akımı her bir periyotta gerilimin bir fonksiyonudur. Bir başka ifadeyle yük akımıyla gerilim arasında faz farkı olsa bile non‐lineer değil yine lineerdir çünkü akım hala gerilimin bir fonksiyonudur. Yük reaktiftir ama lineerdir. Aşağıda lineer yük çeşitleri görülmektedir. Yük rezistif, endüktif yada kapasitif olsa bile akım gerilimin bir fonksiyonu olduğu sürece yük lineer yüktür. Eğer yük akımı şebeke gerilimin bir fonksiyonu değilse aralarında bir faz farkı olmamasına rağmen yük non‐lineerdir. Aşağıda gerilim ve akım dalga şekilleri verilen yük çeşitleri için; a) Burada gerilimle akım her zaman aynı yönde ve akım gerilimin bir fonksiyonu olduğu için şebeke reaktif güç çekilmez ve yük lineerdir. b) Bu durumda gerilimle akım her zaman aynı yönde değildir. Bu nedenle gerilimle akımın yönlerinin zıt olduğu bölgelerde reaktif güç bileşeni vardır. Reaktif güç bileşeni olmasına rağmen bu yük tipi de lineerdir. Çünkü gerilimin olduğu her noktada akım da çekilmektedir. c) Bu durumda ise hem gerilim hem de akım her zaman aynı yönlerde olmasına rağmen yükün çektiği akım gerilimin bir fonksiyonu değildir. Başka bir ifadeyle gerilimin olduğu her noktada şebekeden akım çekilmez. Bu nedenle bu yük çeşidi non‐lineerdir. 60
Senkronizasyon İki sinyalin frekans ve fazlarının aynı olmasıdır. KGK’larda By‐Pass’tan eviriciye geçerken kesintisiz bir geçişin olabilmesi için evirici çıkışının ve By‐Pass hattının gerilim ve frekansı değerlerinin aynı olması gerekir. Ayrıca bazı paralel çalışma durumlarında da KGK’lar çıkışlarını senkron hale gelecek düzeneklere sahip olmalıdır. Güç Faktörü Güç faktörünün, bir KGK sistemini boyutlandırırken önemli manaları vardır. Güç, birim zamandaki enerjidir ve DC devrelerinde gerilim ve akımın matematiksel çarpımı olarak ifade edilir (Güç=Volt x Amper). Fakat alternatif akımda bir karışıklık mevcuttur. Bazı AC akımları enerji sağlamadan yüke girip çıkabilir. Reaktif akım adı verilen bu akım gerçek güçten fazla olan görünürdeki gücü arttırır. Görünür güç ve gerçek güç arasındaki bu fark güç faktörünün artmasına sebep olur. Güç faktörü gerçek gücün görünür güce oranıdır. Görünür gücün birimi VA’dır. Çoğu elektrikli cihaz için görünür güç (VA) ve gerçek güç (Watt) arasındaki fark çok önemsizdir ve ihmal edilebilir. Fakat tüm bilgisayarlar için fark fazla ve önemlidir. Bir bilgisayar sisteminin güç faktörü 0.65’tir. Bu, görünür gücün (VA) gerçek güçten (Watt) yaklaşık %50 daha fazla olduğu anlamına gelir. KGK çıkış gücünün yeterli olduğundan emin olmak için KGK’nın VA değeri yükün VA ihtiyacından fazla olmalıdır. Yükün daha düşük olan Watt veya VA değeri kullanılmamalıdır çünkü bu değer çalışma sırasında KGK’dan istenecek ekstra reaktif akımı içermez. Çoğu KGK üreticisi ürünlerinde Watt ve VA özelliklerini vermemektedir. Bir KGK’nın VA değeri verilmediğinde KGK’nın yükü kaldırıp kaldıramayacağını tespit etmek çok zor olabilir. Gerçekte, Watt değeri verilen bir KGK, eğer yük 0.65 güç faktörü olan bir bilgisayarsa gerekli gücü sağlamayacaktır. Eğer Watt değeri KGK üzerindeki tek değerse VA değerin bu Watt değerine eşit olduğu varsayılmalıdır. Crest (Tepe) Faktörü Düşük güç faktörüne ek olarak, bilgisayar yükleri çok yüksek tepe faktörlerine sahip olmaları konusunda da sıra dışılardır. Tepe faktörü yük tarafından çekilen anlık peak akımıyla RMS (Root Mean Square) akımı arasındaki orandır. Çoğu elektriksel uygulamanın 1.4 tepe faktörü vardır. Bir yükün 1.4’ten fazla tepe faktörü olduğunda kaynak (KGK) yükün istediği peak akımını sağlamak zorundadır. Eğer kaynak, akımı sağlayamazsa kaynak gerilimi aşırı tepe (peak) akımı tarafından bozulur. Bundan dolayı eğer bir KGK yükün ihtiyacı olan tepe faktörünü sağlayacak kadar büyük değilse KGK’nın çıkış dalga formu bozulacaktır. Bir bilgisayarın tepe faktörü ihtiyacı beslendiği kaynağa göre değişir. Tepe faktörü bilgisayar aynı oda içinde başka AC kaynağına takılırsa bile değişebilir. Tepe faktörünün yük ve AC kaynak arasındaki etkileşimden doğmaktadır. Bir bilgisayar yükünün ihtiyacı olan tepe faktörü AC kaynağın dalga formuna bağlıdır. Sinüs dalga kaynağı için bir bilgisayar tipik olarak 2 ila 3 arasında tepe faktörü gösterecektir. Sinüse basamaklı yaklaşıklıklı dalga formu için bilgisayar 1.4 ila 1.9 arasında tepe faktörü gösterecektir. 61
Yüksek tepe faktörü güç kaynağı bileşenlerinin aşırı ısınmasına sebep olur. Bilgisayar, KGK, surge bastırıcısı veya güç düzelticiden çalıştırıldığında tepe faktöründeki düşüş (giriş gerilimi dalga formunun aşırı distorsiyonu ile beraber değilse) olumlu bir yan etkidir. Böyle bir distorsiyon, brownout durumuna eşdeğer olan azaltılmış peak gerilimi ile sonuçlanabilir. KGK veya şebeke düzelticisi uygun peak gerilimini sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır. Tepe faktörü kaliteli KGK sistemlerinin yaklaşık olarak tam yükte 3, 1/2 yükte 4, 1/4 yükte 8 tepe faktörü kapasitesi vardır. Daha küçük basamaklı dalgalı modellerin yaklaşık olarak tam yükte 1.6, 1/2 yükte 2 tepe faktörü kapasitesi vardır. Kaliteli KGK sistemleri, herhangi bir tepe faktörüyle bilgisayar tipi yüklere uygun peak voltajı vermek için tasarlanmıştır. 62
Harmonik ve THD (Total Harmonic Distortion, Harmonik Bozunum) Belirli bir frekanstaki tüm periyodik dalga şekilleri kendi frekansının katlarındaki sinüs dalgalarının toplamına eşittir. Toplanarak periyodik dalgayı oluşturan sinüs dalgalarının her birine harmonik denilmektedir. Birinci harmonik analizi yapılan periyodik işaretle aynı frekanstadır ve temel bileşen olarak adlandırılır. İkinci harmonik temel bileşenin frekansının iki katıdır. Genel olarak ifade edilecek olursa n. harmoniğin frekansı temel bileşenin frekansının n katıdır. Örnek olarak frekansı 50 Hz olan bir dalganın bazı harmoniklerinin frekansı şu şekildedir: Temel Bileşen ( 1.Harmonik ) 50Hz
2.Harmonik
100Hz
3.Harmonik
150Hz
4.Harmonik
200Hz
5.Harmonik
250Hz
6.Harmonik
300Hz
Harmonik bozunum ise elektriksel kirliliğin bir ifadesidir. Eğer harmonik bozunumların toplamının (THD) belirli sınırların üzerinde bazı elektriksel problemlere neden olmaktadır. Örnek olarak akım harmoniklerinin yüksek olması kabloların aşırı ısınmasına ve zarar görmesine neden olabilir. Elektrik motorlarında da aşırı ısınmaya, gürültülü çalışmaya ve tork salınımlarına neden olmaktadır. Kapasitörlerde de aşırı ısınmaya, bunun sonucu dielektrik denen birbirinden yalıtılmış plakaların delinmesine neden olabilmektedir. Ayrıca işlemciler elektronik göstergeler, LED’ler harmonik bozunumlardan etkilenmektedir. 63
Gerilim ve akımda meydana gelen harmonik bozunumlarının (THD) kaynağı non‐lineer yüklerdir. Non‐
lineer yükler arasında KGK’lar, motor yol vericileri, motor sürücüleri, bilgisayarlar ve elektronik aydınlatma ve kaynak makineleri vardır. Ayrıca tüm güç elektroniği dönüştürücüleri şebekedeki harmonik bozunumu arttırıcı etki gösterirler. Bir işaretin harmonik bozunumunun matematiksel ifadesi; 64
Sinüs (Sinüzoidal) Dalga Şekli Birim çember (yarıçapı 1 birim olan çember) yarıçapının sıfır derece ile 360 derece arasında döndürülmesiyle birim çember yarıçapının y eksenine düşen izdüşümleri sinüs dalgayı oluşturmaktadır. Örnek olarak birim çember yarıçapının x ekseni ile açısı yaptığı değerdeki noktada sinüs birim çemberin etrafında Matematikte genliği ‐1 ile +1 arasında değişen temel bir dalga formudur. Teknik manada şebeke büyüklüklerinin zamana göre değişiminin bu temel dalganın bir fonksiyonu olarak değiştiğini ifade etmekte kullanılır. Şebeke büyüklüklerinin temel sinüs dalgasının bir fonksiyonu olarak değiştiğinin bir ifadesidir. Sinüs sinyali ile sinüzoidal sinyal arasında bir fark yoktur. Sinüs Benzeşimli (Kısmi Kare Dalga Eviriciler) Çıkışı bir fazlı olan eviricilerde darbe genişlik modülasyonu ve giriş doğru gerilim ayarı gibi yöntemler uygulamaksızın, çıkış geriliminin frekans ve genlik olarak ayarlaması yapılabilir. Dalga şekli kara dalgaya benzemekle beraber, belirli aralıklarda gerilimin yok edilmesi ilkesi ile çalışmaktadır. Çıkış geriliminin belirli aralıklarında sıfır gerilim bölgeleri oluşturulmakta, böylece gerilim ayarı yapılmaktadır. Örnek olarak yukarıda verilen sinüs benzeşimli KGK’nın çıkışı incelenebilir. Evirici çıkışının bir periyottaki doluluk (D) ve boşluk (d) miktarları değiştirilerek çıkış geriliminin RMS (etkin) değeri sabit tutulmaktadır. Gerilimin tepe değeri 220V’tan büyük ise RMS değerin 220V olabilmesi için belirli bir boşluk oranı bırakılmaktadır. DC gerilim seviyesi düştükçe (akülerin boşalmasıyla) RMS değerin sabit kalması için darbelerin doluluk oranı arttırılır. 65
EMI­RFI Anahtarlamalı bir çeviricide akım ve gerilimde çok hızlı değişimler meydana geldiği için yüksek frekanslı salınımlar oluşmaktadır. Bu salınımlar diğer elektronik devrelerde ve güç elektroniği çeviricisinin kendi iç çalışmasında bozucu elektromanyetik girişimlere neden olurlar. Bu girişim EMI (Electromagnetic Interference) olarak adlandırılır. EMI radyasyon ve iletim olmak üzere iki biçimde iletilir. Anahtarlamalı güç elektroniği devreleri, kendilerini besleyen elektrik sistemine güç kabloları üzerinden iletim biçiminde gürültü yayarlar. Bu gürültü uzaya radyasyon yoluyla yayılan gürültünün birkaç katı daha büyüğüdür. Güç elektroniği devrelerinin metal gövde içine alınmaları, radyasyon yoluyla yayılan elektromanyetik kirliliği büyük ölçüde azaltır. Yandaki şekilde gösterildiği iletimsel gürültü fark‐
konumlu ve ortak‐konumlu olmak üzere iki çeşide ayrılır. Fark konumlu gürültü incelemesinde, fazlar arası gerilimin veya akımın gürültüleri incelenir. Ortak‐
konumlu gürültüde ise faz‐nötr gerilimdeki ve faz ve nötr hatlarındaki akımın gürültüleri ele alınır. Güç elektroniği çeviricilerinin gerek giriş tarafında gerekse de çıkış tarafındaki hatlarında, hem fark‐konumlu hem de ortak konumlu gürültüler bulunmaktadır. Bunların giderilmesi için çeşitli filtre devreleri kullanılmaktadır. Yanda gösterilen anahtarlama dalga şekli, açma kapama yapan güç elektroniği devrelerinde oluşan dalganın tipik örneğidir. Çok kısa bir yükselme ve düşme süresi olduğu için bu dalga, azımsanamayacak büyüklükteki enerjiyi şebeke frekansından çok yüksek olan radyo frekanslı (RF) harmonikleri içerir. Bir doğrultucuda fark konumlu gürültü, şebeke kapısındaki hat üzerinden güç sistemine yayılır. Benzer şekilde, çıkış kapısındaki gürültü doğru gerilim hattı üzerinden yüke geçer. Bunlara ek olarak, elemanlar arasındaki kapasitif bağlaç ve devreler arasındaki manyetik kavrama nedeniyle oluşan iletim yollarında da gürültü meydana gelmektedir. Ortak‐konumlu gürültünün yayılması kaçak elektrik ve manyetik alanları ve kaçak kapasiteleri üzerinden oluşur. Kaçak kapasiteleri iki farklı fazdaki devreler arasında oluşabileceği gibi, bir faz devresiyle toprak arasında da oluşabilir. Güvenlik nedeniyle, güç elektroniği devrelerinin çoğu topraklanmış bir gövde içine alınmıştır. Elektromanyetik Girişim (EMI), Radyo Frekanslı Girişim (RFI) yüksek frekansta anahtarlamadan kaynaklanan bazı sinyallerin manyetik yolla havaya, elektriksel yolla şebekeye doğru yönelmesidir. Eğer bu girişimin frekansı radyo frekansına yakınsa RFI olarak isimlendirilir. 66
PFC (Power Factor Correction, Güç Faktörü Düzeltmesi) Diyot ve tristörlerle elde edilen doğrultucular, yük tarafından çekilen akımın her anında şebekeden akım çekmezler. Şebeke geriliminin tepe noktaları etrafında girişten akım çeker. Sinüzoidal şebeke geriliminin tepe noktaları etrafında DC filtre kondansatörünün şarj akımı ve yük akımının toplamı şebekeden çekilirken, sinüzoidal şebeke geriliminin diğer bölgelerinde yük akımı kondansatörde depolanan DC gerilimden sağlanır. Sinüzoidal giriş geriliminin her bölgesinde gerilimle orantılı bir akım çekilmediğinden gerilimdeki çökmeler de sadece akımın çekildiği tepe bölgelerinde olur. Böylece AC giriş gerilimi tam sinüzoidal olmaktan çıkar, bozuk bir sinüzoidal gerilim olur. Tam sinüzoidal olmayan bir AC gerilim, AC ile çalışan tüm yüklerde verimsizliklere ve aşırı ısınmalara neden olur. Ayrıca sinüzoidal olmayan akım çeken devrelerin güç faktörü 1’den düşük olduğundan aynı gücü elde etmek için daha fazla akım çekilmesi gerekir. Bu da iletken kesitlerinin daha yüksek akımlar için artırılmasını gerektirir. Bu nedenlerle şebeke geriliminden sinüzoidal akım çeken ve güç faktörü 1’e yakın olan, yani şebeke gerilimini bozmayan ve gereksiz yüksek akımla yüklemeyen doğrultucular önem kazanmakta ve tercih edilmektedir. Aktif güç faktörü düzelten doğrultucular KGK’nın yapısına göre 1 fazlı veya 3 fazlı olabilir. Giriş akımının sinüzoidal olabilmesi için giriş akımının giriş gerilimine benzetilmesi sağlanır. Bu amaç için darbe genişlik modülasyonu kullanılarak bir transistör anahtarlanır. Transistörün iletimde ve kesimde kaldığı süreler darbe genişlik modülasyonu ile değiştirilerek akımın sinüzoidal olması sağlanır. PFC’li KGK’larda güç faktörü 0,99 ve giriş akım harmonikleri %5’in altında olmalıdır. Avantajları: •
•
•
Giriş akımı sinüzoidal olduğu için şebeke geriliminde bozulmalara ve gereksiz yüksek akımlara neden olmaz. Giriş akımı, DC çıkış gerilimi ve yük akımı değerleri bir kontrol devresi ile istenilen değerlerde tutulabilir. Çıkış gerilimi ve akımı istenilen değerlerde sınırlandırılabileceği için hem eviricide, hem de akü grubunun şarj edilmesinde kullanılabilir. Dezavantajları: •
•
•
•
Diğer doğrultucu türlerine göre daha fazla elemanla elde edildiği için boyutları ve maliyeti yüksektir. Diğer doğrultucu türlerine göre kayıpları daha fazladır ve verimi daha düşüktür. Devrenin tasarımı ve optimizasyonu zordur. Yüksek derecede güç elektroniği bilgisi gerektirir. Yüksek gerilimde anahtarlama yapıldığından elektromanyetik gürültü kaynağıdır, elektromanyetik gürültünün mutlaka filtre edilmesi gerekir. 67
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor = Kapıdan yalıtımlı bipolar transistor) Güç MOSFET’i ve bipolar transistor özelliğinin tek bir yapıda birleştiği bir anahtarlama elemanıdır. Giriş karakteristiği güç MOSFET’ine çıkış karakteristiği bipolar transistor benzeyen izole kapılı bir elemandır. KGK’larda anahtarlama hızları ve iletim kayıplarının küçüklüğü sebebi ile tercih edilen bir elemandır. Tristörlere göre daha pahalı ancak daha sağlıklıdır. PWM (Pulse Width Darbe Genişlik Modülasyonu) Belirli bir frekanstaki bir sinyalin çalışma oranının (D) başka bir giriş sinyali ile kontrol edilmesi olayına darbe genişlik modülasyonu denir. Darbe genişlik modülasyonu bir çok elektrikli alette, anahtarlamalı güç kaynakları ve kuvvetlendiricilerin kontrol devrelerinde kullanılmaktadır Çalışma oranı D aşağıda gösterildiği gibi th zamanının işaretin periyodu olan Ts zamanına bölünmesi olarak tanımlanır. SPWM (Sinüs Dalgalı Darbe Genişlik Modülasyonu) PWM yöntemi kullanılarak sinüs işaretinin elde edilmesidir. Bu yöntem sayesinde anahtarlama elemanını (IGBT, MOSFET) her periyot boyunca belirli bir oranlarda iletime ve kesime geçirerek sonuçta değişken genlikli sinüs işareti elde edilebilmektedir. SPWM ile anahtarlama elemanı üzerinde yalnızca anahtarlama anında kayıplar meydana gelir. Aksi taktirde anahtarlama elemanının (güç transistorleri) lineer (doğrusal) bölgede çalıştırılmasıyla daha fazla kayıp meydana gelmektedir. Yukarıda anahtarlama elemanının SPWM çıkışı ve bu çıkışın filtre edildikten sonraki sinüs şekli görülmektedir. 68
Surge Faktörü Bu terim, çoğu zaman anlamı daha farklı ve alakasız olan KGK’nın surge bastırma özelliği veya surge engelleyicilerin özellikleriyle karıştırılıyor. Surge faktörü KGK’nın anlık aşırı yük kapasitesine işaret eder ve start‐up sırasında geçici ekstra yüke ihtiyacı olan yükleri çalıştırabilme kabiliyetinin ölçüsüdür. Motorlar ve sabit diskler yüksek surge faktörüne sahip yüklere örnektir. 5.25” sabit disk sürücüsüne sahip sistemlerde surge faktörü sabit durum güç harcamasının yaklaşık 1.15 katıdır. 8”, 10” veya 15” lik daha büyük sistemlerde surge faktörü sabit durum güç sarfiyatının yaklaşık 1.5 katıdır. Surge faktörü iyi KGK sistemleri, KGK tam yükteyken bile tipik sabit disk yüklerini çalıştırabilecek surge faktörü yeteneğine sahiptir. Çok geniş form faktörlü sabit disk sürücülü (8” üstü) sistemlerde daha büyük boyut, KGK’nın güvenlik sigortasını kullanmasını önlemek için gerekli olabilir. Sag Sag (çöküntü) surge’ün zıttıdır. Bunlar uzun süreli düşük gerilim durumlarıdır. Topraklama hataları, zayıf güç sistemleri, büyük elektriksel yüklerin ani start‐up’ları gerilim çöküntülerinin tipik sebepleridir. Yıldırım düşmesi de ayrıca çöküntülerin önemli bir nedenidir. Çöküntüler, bilgisayarlara karşı ciddi bir tehdit oluşturabilir. Çöküntüler disk sürücüleri yavaşlatabilir, okuma hatalarına ve hatta çökmelerine sebep olabilir. Spike Bilgisayar çalışmalarını sekteye uğratabilecek hatta ekipmana zarar verebilecek yüksek genlikli anlık olaylardır. Spike çeşitli nedenlerden kaynaklanabilir. En önemli neden yakın, uzak bir yere veya enerji iletim hatlarına düşen yıldırımlardır. Bunlar gerilimde büyük sıçramalara neden olabilirler. Spike oluşturan diğer olaylar, büyük elektronik yüklerin veya şebekenin açılıp kapanması ve statik deşarjdır. Spike sonucunda oluşabilecek en yıkıcı olay donanımın zarar görmesidir. Yüksek gerilim darbeleri mikroçip yollarında (traces) delikler açabilir. Bazen bu hasar hemen kendini gösterir; bazen de olaydan günler, haftalar boyunca kendini göstermeyebilir. Zarar görmüş data, yazıcı, terminal veya data işleme hataları daha az tehlikeli sonuçlardır. Surge Bir periyottan uzun süren aşırı gerilimlerdir. Surge, büyük miktarda güç çeken hattaki bir cihazın aniden durması veya kapatılması sonucu oluşabilir. Şebekeler büyük yükleri hat dışında anahtarladıkları zaman surge oluşabilir. Bir surge’ün büyüklüğünden çok süresi önemlidir. Uzun veya sık surge’ler bilgisayar donanımına hasar verebilir. 69
Gürültü Normal sinüs dalganın üzerine binen çeşitli yüksek frekans darbeleri için kullanılan kollektif bir terimdir. Genliği birkaç mV’den birkaç V’ye kadar değişebilir. Özellikle tehlikeli bir problem, radyo frekans (RF) gürültüsüdür. RF gürültüsü, elektrik kabloları üzerinde dolaşan yüksek frekanslı sinyallerden oluşur. RF gürültüsü, yıldırım çarpması, radyo iletimleri ve bilgisayar güç kaynakları tarafından yaratılabilir. Gürültü, hatalı data iletimine ve bilgisayar işlem, yazıcı ya da terminal hatalarına sebep olabilir. Brownout Dakikalar, hatta saatler süren uzun süreli düşük gerilim durumlarıdır. Tepe akım isteği kapasitenin üzerinde olduğu zaman şebekeler tarafından yaratılırlar. Brownout, lojik devre ve disk sürücüleri düzgün çalışmaları için gerekli gerilimden mahrum bırakarak hatalı çalışmalarına veya donanım hasarlarına sebep olurlar. Blackout Dakikalar, saatler hatta günler süren 0 (sıfır) gerilim durumlarıdır. Enerji dağıtım şebekesine, taşıyabileceğinden daha fazla yük bindirildikçe daha sık meydana gelirler. Blackout, topraklama hataları, kazalar ve doğal afetler yüzünden oluşabilir. En mühim etkisi sistem çökmelerine sebep olmasıdır. Güç aniden kesildiğinde disk sürücüler veya diğer sistem bileşenleri zarar görebilir. Galvanik İzolasyon KGK’larda evirici çıkışının bir çıkış trafosu üzerinden yüke verilmesini ifade eder. Bu şekilde yük yalıtımlı bir kaynaktan beslenmiş olur. Aynı zamanda bu trafo filtrelemeye de etki ederek çıkışın daha düzgün olmasını sağlar. çıkış trafosunun bir diğer etkisi ise yükü aşırı gerilimlerden korumaktır. Örneğin KGK yıldırım düşmesi gibi yüksek gerilime maruz kaldığında çıkıştaki yük bu izolasyon trafosu sayesinde etkilenmez. 70
Watt Veya Volt­Amper Çoğu insan, KGK yükü boyutlandırması için kullanılan Watt ve Volt‐Amp (VA) arasındaki ayrımda karışıklığa düşer. Birçok üretici de bu konuda, bazen iki büyüklüğü hatalı bir şekilde eşit ele alarak bu karışıklığa sebep olmaktadırlar. Büyük sistemler daima VA ile ölçülür. Karışıklık, büyük sistemlerin (1 kVA ‐ 500 kVA) Watt yerine VA ile ölçülmesine bağlı olarak küçük (1000 VA altı) KGK pazarı için geçerlidir. Küçük KGK sistemleri için Watt derecelendirilmesinin kullanımı, küçük KGK kullanıcısının “Watt” kavramına aşina olmasındandır. Fakat VA derecelendirme sistemi KGK’nın yükünü karşılamada daha iyidir. Bu doğrudur çünkü bir KGK’nın çıkış kapasitesini sınırlayan temel faktör, onun çıkış akımı kapasitesidir ve bu faktör, “Watt” dan daha çok VA derecelendirilmesine uygundur. Watt değeri, daima VA değerine eşit veya ondan küçük olmalıdır. AC güç ölçümleri aşağıdaki gibi ilişkilendirilebilir: Watt = VA * Güç Faktörü = Volt * Amper * Güç Faktörü (Volt = 110 veya 220 Amper = yük akımı Güç Faktörü = 0 ve 1 arasında ) 0 ve 1 arasında bir sayı olan güç faktörü, yüke yararlı enerji sağlayan yük akımının parçasıdır. Sadece bir elektrikli ısıtıcıda veya bir ampülde güç faktörü 1’e eşittir; diğer bütün ekipman için yük akımının bir kısmı yüke güç sağlamadan yüke girer ve çıkar. Distorsiyon veya reaktif akımdan oluşan bu akım, elektronik yükün doğasının bir sonucudur. Yüke bağlı olarak zorla varolan distorsiyon veya reaktif akım, VA değerinin Watt değerinden büyük olmasına yol açar. Watt derecelendirme sistemi, VA sisteminde güç faktörünün 1 olduğu özel bir durum olarak düşünülebilir. Bir Bilgisayarın Watt Cinsinden Değeri VA Değerinin %60 ‐ %70’idir Tüm modern bilgisayarlar, anahtarlama tipi konvertörün giriş özelliklerine bağlı olarak 0.6 ile 0.7 arası güç faktörüne sahip kapasitör girişli anahtarlamalı güç kaynağına sahiptir. Kişisel bilgisayarların güç faktörü 0.6’ya ve daha büyük sistemlerin ise 0.7’ye yakındır. “Güç faktörü düzeltilmiş güç kaynağı” adlı güç kaynağı yeni olarak tanıtıldı. Bu tip güç kaynağı için giriş güç faktörü 1’e eşittir. Yakın gelecekte bu güç kaynakları yaygın olarak kullanılacaktır. KGK sistemleri VA sınırlı cihazlar olduğu için tüm bilgisayar yükleri 0.6 ile 0.7 arası güç faktörüne sahiptir. Bilgisayar tipi yükler için KGK’nın Watt cinsinden değeri KGK VA değerinin %60‐%70’i olmalıdır. 71
Cold Start KGK’nın girişinde şebeke yoksa ve cihaz kapalı durumda ise KGK çalışabilmek için aküden çalıştırılmaya gerek duyar. Bu durumdaki KGK’yı çalıştırmaya Cold Start denmektedir. Soft Start (Yumuşak Kalkış) Bir sistemdeki güç ünitesinin her çalıştırıldığında, minimum güçle çalışmaya başlayıp, maksimum güce belirli bir yumuşak ivmeyle otomatik olarak çıkmasıdır. Motorların ve KGK’ların çalıştırılmaya başlamasında enerji hattının ve sistemin güvenilir çalışmasında gerilim veya akım sıçramalarının önlemek amacıyla kullanılmaktadır. KGK giriş enerjisi kesildikten sonra jeneratör veya yeniden şebekeye geçişte KGK yükünün belirli bir aralıkta yumuşak olarak kaynağa geçmesini sağlayan standart bir özelliktir. Eğer bu opsiyon alınmış olan KGK’da bulunmuyorsa KGK enerji kesildikten sonra jeneratör / Şebekeye geçişte bir darbe akımı verecek ve özellikle jeneratörün devrini düşürerek jeneratör frekansının dalgalanmasına hatta jeneratörün bayılmasına neden olacaktır. Bu nedenle büyük güçlü On‐Line KGK’larda zorunlu olarak bulunması gereken bir özelliktir. UPS aldıktan sonra bunu kontrol etmenin en güzel yolu UPS giriş akımını bir pense ampermetre ile veya kendi panonuzdan gözleyerek 10 saniyelik yumuşak geçiş süresince ampermetrenin yavaşça yükseldiğini izlemektir. MTBF (Mean Time Between Failures) Bir sistemin parçalarının ve birimlerinin bozulma oranlarının analizidir. Bu analizlerde kullanılan genel modeller vardır. Bu modeller parçaların hata oranlarının hesaplanması için gerekli prosedürleri sağlarlar. Hesaplanan bu hata oranları kullanılarak da MTBF değeri hesaplanabilir. Güç kaynaklarının güvenilirliği de birimi saat olan MTBF kullanılarak değerlendirilebilir. MTTR (Mean Time To Repair) MTTR sistemlerin bakım ve onarımlarıyla ilgili bir kavram olup, bir sistemdeki veya üründeki tüm değişebilir parçaların bakım ve onarımını yapmak için gerekli olan ortalama tahmini zamandır. Sistemin tamir edilebilme süresi tahmini sistemde bir arıza olması durumunda ne kadar sürede tamirinin yapılacağını ifade ettiği için sistemlerin güvenirliğini belirleyici etkenlerdendir. Inrush Akımı (Boşta devreye girme akımı) Anahtarlamalı güç kaynaklarının ilk çalışmaya başladıkları anda yapılarındaki kapasite ve endüktanslardan dolayı çektikleri geçici yüksek akımlardır. Yüksek değerli filtre kapasitansları ilk başta kısa devre gibi davrandıkları için yükselme zamanı kısa dalgalı akım çekerler. Bu akımlar genellikle şebekeye bağlı diğer cihazlara zarar verebilirler. 72
Demeraj akımı Elektrik motorlarının yön değiştirmesi veya kalkınma anında sistemden nominal akımın 3‐5 katı fazla akım çekmesidir. Bu olaya motorun geçici rejimidir ve 4‐5sn sürer daha sonra motor nominal değerinde akım çeker. Bu sırada aşırı yüklenmeden dolayı motorun bağlı olduğu enerji hattında da gerilim düşebilir. Demeraj akımının azaltılması ve gerilim düşmesini önlemek için, motora yol verilmesi yıldız/üçgen bağlantıyla yada soft‐start (yumuşak kalkış) yöntemleri gibi statik yol verme veya motor kontrol cihazları kullanılmasıdır. Verim Verim genel anlamıyla çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır. Bu sistem KGK, motor veya jeneratör olabilir. Tüm bu sistemlerde girişe uygulanan enerjinin bir kısmı sürtünme kaybı ve/veya elektriksel kayıplardan dolayı ısı enerjisine dönüşür ve sistemin veriminin düşmesine neden olur. Motorda giriş elektriksel, çıkış mekanik güçtür, jeneratörde giriş mekanik, çıkış ise elektriksel güçtür. Her iki sistemde de sürtünme ve elektriksel kayıplar verimi düşürür. KGK’da ise giriş de çıkış da elektriksek güçten oluşur. Verimi düşüren etkenler elektriksel anahtarlama elemanları (IGBT, tristör), trafolar, şoklar, çıkış ve giriş filtreleri, kontrol‐ölçüm devre kartları ve kayıplardan dolayı ortaya çıkan ısı enerjisini cihaz dışına atmak için kullanılan soğutma fanlarıdır. Ayrıca KGK’yı evirici ve doğrultucudan oluşan iki ayrı parçadan oluştuğu düşünülürse KGK’nın verimi evirici ve doğrultucu verimlerinin çarpımına; SNMP (Simple Network Management Protocol) Bu modül ile TCP/IP protokolü sayesinde KGK’ya bağlı bir PC gerektirmeden KGK'nın WAN veya LAN ağının bir elemanı gibi (Internet ve ağ üzerinden) izlenmesini sağlar. Ağ tabanlı erişimi desteği sayesinde KGK’ya gerçek zamanlı olarak erişilebilir. SNMP Modülü ile birlikte verilen yazılım ile ağa bağlı birden fazla KGK görüntülenebilir ve KGK’dan alınan bilgiler işlenebilir. 73