Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK) Uninterruptible Power Supply (UPS)
Kesintisiz Güç Kaynağı, bilinen adıyla UPS (Uninterruptible Power Supply) günümüzde endüstri ve bilişim sektörünün vazgeçilmez bir ürünü olmaya devam etmektedir. Ülkemizin enerji kalitesi göz önüne alındığında KGK, Kesintisiz Güç Kaynağı kullanımı zorunluluk haline gelmiştir.Bugün hemen hemen her alanda UPS, Kesintisiz Güç kaynağı kullanılmaktadır. Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK) yapıları itibariyle Statik UPS ve Dinamik UPS diye ikiye ayrılmaktadır. Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS)çalışma şekillerine göre On Line UPS, Off Line (Standby) UPS ve Line Interactive UPS olarak gruplandırılırlar. Günümüzde OnLine Kesintisiz Güç Kaynakları ( On Line KGK) yüksek koruma sağlayan PWM ve IGBT teknolojisi ile üretilmektedir .Kesintisiz Güç Kaynaklarında genelde bakım Gerektirmeyen Bakımsız Kuru tip aküler kullanılmaktadır.5-10 yıl öncesine kadar 100 kVA gücünde bir Kesintisiz Güç Kaynağı (UPS) büyük bir güç kabul edilip satılırken bugünlerde 6×500 kVA KGK satılıhale gelmiştir. Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS) yaygın olarak bilgisayarlar ve bilgisayar destekli otomasyon sistemleri ,Tıbbi elektronik cihazlar, hastaneler, Haberleşme ve yayın kuruluşları, otomotiv, metal işleme, tekstil vb. sanayii, Bilgisayar destekli üretim makineleri, hava alanları, askeri radar sistemleri tezgahları, barkod cihazları, yazar kasalar, elektronik teraziler ve kesintisiz enerjiye ihtiyaç duyulan her alanda kullanılmaktadır.
Kesintisiz Güç Kaynağı Nedir?
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.
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´in verimi, teknik açıdan yeterlilikleri iyi analiz edilmelidir.
Kesintisiz Güç Kaynaklarının Çalışma İlkesi
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.
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.
KGK Ve Jeneratör Ortak Çalışması
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 KGKda doğrultucuda soft-start (yumuşak kalkış) özelliği olsa bile KGK’nın demeraj akımı çekmesini önlemek için doğrultucunda ayrıca akım sınırlama özelliği olmalıdır.
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 %120lere 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.
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 %33ler 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.
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.
By-Pass’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.
Nasıl Bir KGK Seçilmeli?
1.Bağlanacak Yüklerin Gücüne Göre KGK Seçimi
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 Sayısına Göre KGK Seçimi
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.
3.Akü Süresine Göre KGK Seçimi
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´ik 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.
