KESĠNTĠSĠZ GÜÇ KAYNAĞI TASARIMI - KTÜ Elektrik
advertisement
T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 1kVA’LIK ĠLERĠ ĠLETĠMLĠ (OFF-LĠNE) KESĠNTĠSĠZ GÜÇ KAYNAĞI TASARIMI 228503 Gözde Yazıcı Proje DanıĢmanı: Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Mayıs 2013 TRABZON T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 1kVA’LIK ĠLERĠ ĠLETĠMLĠ (OFF-LĠNE) KESĠNTĠSĠZ GÜÇ KAYNAĞI TASARIMI 228503 Gözde Yazıcı Proje DanıĢmanı: Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Mayıs 2013 TRABZON LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU Gözde YAZICI tarafından Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ yönetiminde hazırlanan “1kVa’lık ĠLERĠ ĠLETĠMLĠ KESĠNTĠSĠZ GÜÇ KAYNAĞI” baĢlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiĢ, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiĢtir. DanıĢman : Unvanı Adı ve SOYADI ……………………………… Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI ……………………………… Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI ……………………………… Bölüm BaĢkanı : Unvanı Adı ve SOYADI ……………………………… ÖNSÖZ Bu tez, 8.yarıyılda alınması zorunlu olan Bitirme dersi kapsamında hazırlanmıĢtır. Bu dersin amacı, bizlere mühendislik problemleri çerçevesinde çözüme uygun proje tasarlayıp ortaya koyma becerisi kazandırmaktır. Enerji kesintilerinin çok sık yaĢandığı ülkelerden biri arasında yer alan ülkemizde; güvenilir, kesintisiz ve temiz enerji ihtiyacı bende bu projeyi tasarlama fikrinin oluĢmasını sağlamıĢtır. Bana bu sorumluluğu veren; projemin geliĢmesi ve bu son halini almasında bilgi, destek ve tecrübelerini esirgemeyen, yol gösterici olan kıymetli ve saygıdeğer hocam sayın Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ’ye teĢekkürü bir borç bilirim. Ayrıca, çalıĢmamı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü’ne, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm BaĢkanlığına içten teĢekkürlerimi sunarım. Tez çalıĢmam süresince bilgi ve becerilerini benimle paylaĢan arkadaĢım Tuğrul BIYIKLI’ya son olarak da eğitimim boyunca benden her konuda desteklerini esirgemeyen aileme teĢekkürlerimi sunarım. Mayıs,2013 Gözde YAZICI VII VIII ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa No Lisans Bitirme Projesi Onay Formu……….………………………………………….V Önsöz………………………………………………………………………………..VII Ġçindekiler……………………………………………………………………………IX Özet………………………………………………………………………………….XII Semboller ve Kısaltmalar………………….……………………………………….XIV Çizelge, Tablolar ve ġekiller……………….……………………………………….XIV 1.GiriĢ…………………………………………………………………………1 2.Teorik Altyapı………………………………………………………………3 2.1. Ups’in Kullanım Alanları………………………………………...3 2.2. Ups ÇeĢitleri……………………………………………………...4 2.2.1. Dinamik Güç Kaynağı………………………………….5 2.2.2. Statik Güç Kaynağı………………………………………5 2.2.2.1. Off-LineUps Modelleri…………………………5 2.2.2.2. Line-Ġnteraktif Ups Modelleri……………………6 2.2.2.3. On-LineUps Modelleri………………………7 2.3. ġebeke Güç Sorunları…………………………………………..7 2.4. Ups’in Üniteleri……………………………………………….9 2.4.1. Doğrultucu Ünitesi………………………………….9 2.4.2. Akümülatör Ünitesi…………………………………..10 2.4.3. Evirici Ünitesi……………………………………….11 2.4.4. Filtre Ünitesi……………………………………………12. 2.4.5. Transformatör Ünitesi…………………………………..12 2.4.5.1. Transformatör Tanımı…………………………..12 3. Tasarım Kısmı……………………………………………………………….14 IX 3.1. Evirici Birimi ve Ekipmanlarının Görevleri………………………………14 3.2. Doğrultucu ve Akü Birimi ve Ekipmanlarının Görevleri…………………15 3.3. Geri Besleme Sistemi ve Rölenin Görevi…………………………………16 3.4. Eleman Değerlerinin Önemi……………………………………………..16 4. Sonuç…………………………………………………………………………..23 5. Kaynaklar……………………………………………………………………..24 Ekler…………………………………………………………………………..25 ÖzgeçmiĢ……………………………………………………………………….31 X XI ÖZET Hazırlanan bu tez bitirme projesi dersi kapsamında “ 1kVA’lık Offline Kesintisiz Güç Kaynağı” konulu projenin tezidir. Tez üç bölümden meydana gelmektedir.ilk bölümde; kesintisiz güç kaynağının ne olduğu ve ondan beklenen özelliklerden, jeneratörle arasındaki farklardan, tez iĢ-zaman çizelgesinden bahsedilmiĢtir. Ġkinci bölümdeyse; kesintisiz güç kaynaklarının çeĢitlerinden, genel olarak hangi ünitelerden oluĢtuğundan ve bu ünitelerin içeriklerinden söz edilmiĢtir. Son bölümde; kesintisiz güç kaynaklarından hangisini seçip tasarlamaya karar verdiğim, bu tasarımımın çizimleri ile baskı devresinin gerçeklenmesi ve bu çalıĢmayı yaparken hangi tip elemanları kullandığım, bu elemanların tasarımımdaki görevleri anlatılmaktadır. Tasarım projesinin maliyet çizelgesi belirlenmiĢ olup standartlar ve kısıtlar raporuyla beraber “EK” ler kısmında bulunmaktadır. Anahtar kelimeler: UPS (Uninterruptible Power Supply), Akü, Doğrultucu, Evirici, Filtre, Transformatör XII XIII SEMBOLLER ve KISALTMALAR UPS: Kesintisiz güç kaynağı ( Uninteruptible power supply ) KGK: Kesintisiz güç kaynağı AC: Alternatif akım DC: Doğru akım η: Verim NiCd: Nikel-kadminyum ÇĠZELGE ve TABLO LĠSTESĠ Sayfa No Çizelge 1. ĠĢ-Zaman Çizelgesi…………………………………………………3 Tablo 1.UPS sistem çeĢitleri…………………………………………………..4 Tablo 2.Güç Sorunları Ġçin Uygun DüĢen Cihaz Tablosu…………………….8 Tablo 3.AC-DC DönüĢtürücülerin Sınıflandırılması…………………………..9 Tablo 4. Sabit Güç Altında Akü DeĢarj Tablosu……………………………...11 ġEKĠL LĠSTESĠ Sayfa No ġekil1. Off-Line UPS Blok ġeması……………………………………………...6 ġekil 2.Tek Fazlı Transformatör ġeması……………………………………….13 ġekil 3. Off-Line UPS Açık Devre ġeması………………………………….....17 ġekil 4. Devrenin Proteus Çizimi………………………………………………18 ġekil 5. Devrenin Baskı Devre Çizimi…………………………………………19 ġekil 6. Devrenin Baskı Devresi……………………………………………….20 ġekil 7. Baskı Devre Elemanlarının Görünümü………………………………..21 ġekil 8. Baskı Devrenin Lehimlenmeye BaĢlanmıĢ Halinin Önden GörünüĢü……………………………………………………………………..…22 ġekil 9. Baskı Devrenin Lehimlenmeye BaĢlanmıĢ Halinin Arkadan Bir Görüntüsü……………………………………………………………………….22 XIV XV 1.GĠRĠġ Elektronik sanayisindeki geliĢmeler, beraberinde elektronik cihaz kullanımının yaygınlaĢmasını getirmiĢtir. Bu sebeple endüstrinin birçok dalında kullanılmaya baĢlanan elektronik sistemlerin sağladıkları büyük hız ve kolaylıklar, kaliteli ve kesintisiz enerji ihtiyacını doğurmuĢtur. Elektrik kesintileri ve Ģebekesindeki dalgalanmalar, sistemlerimiz için daima olumsuzluk teĢkil etmiĢtir. Birçok olumsuzluk sayılabilir risk unsuru olarak ama bu risklerin en baĢında enerji üretim ve dağıtım Ģebekelerinin yetersizliği gelir. Doğrudan bu Ģebekelere bağlı olarak çalıĢan elektronik cihazlar da büyük ölçüde olumsuz yönde etkilenmiĢ olurlar [1]. Daha ayrıntılı bilgi [1] den elde edilebilir. Bir Ģirket bilgisi enerji kesinti anında zarar görebilir Ģirket zor durumda kalabilir yahut yoğun bakımda ve kritik durumdaki bir hastanın milisaniyeler boyunca kesinti sırasında bağlı olduğu makinelerden ayrı kaldığını düĢünelim hayatının sonu bile olabilir. Bu nedenle, bilgisayar tesislerini, kumanda ve kontrol cihazlarını, emniyet sistemlerini ve önemli medikal cihazları kritik yük olarak ele alırsak, bunlar için kesintisiz güç kaynağı ihtiyacının doğduğunu söyleyebiliriz. Hele de, çok geliĢmiĢ olmayan ülkelerde sık sık enerji kesintilerinin yaĢandığını da düĢünürsek UPS bizim ülkemiz içinde çok büyük ihtiyaç teĢkil etmektedir. Kesintisiz güç kaynağı (UPS), Ģebekelerdeki beklenmedik değiĢimlere karĢı kesintisiz bir çalıĢma ortamı yaratarak sistemlerimizi korumakta; kesinti esnasında da devreye girerek, sistemi güvenli kapatma imkanı sağlamaktadır. Bu Ģekilde kesintisiz güç kaynağından beslenen elektronik cihazlar, Ģebekede meydana gelen olumsuzluklardan korunmuĢ olurlar. Uzun süreli elektrik kesintilerinde elektrik enerjisi ihtiyacını karĢılamak için jeneratörler kullanılmaktadır. Böyle olmasına karĢın jeneratörlerin; yükü üzerlerine kesintisiz alamaması, çıkıĢ dalga Ģekillerini bazı yükler için yeterli kalitede oluĢturamaması ve frekans kararlılığı yetersizlikleri gibi eksiklikleri vardır. Ayrıca, en iyi jeneratör bile kesintiden 10 saniye sonra aktif hale gelir. Kesintisiz güç kaynağı ise adından da anlaĢılacağı üzere kesintisiz enerji kaynağıdır. Jeneratörün tam tersi, yükleri kesintisiz olarak üzerine alabilmekte, kritik yükleri için çıkıĢ dalga Ģekillerini yeterli kalitede oluĢturabilmekte ve frekans değerleri istenilen kararlılıktadır. 1 Bir kesintisiz güç kaynağında bulunması arzu edilen en önemli özellikler aĢağıdaki gibi sıralanabilir; Gerilim Regülâsyonu: En kötü Ģartlarda bile +%10,-%15 dolaylarında olması istenir. Frekans Kararlılığı: ġebeke frekansının normal düzeyde olduğu çalıĢma durumunda, UPS sisteminin frekansının da aynı olması ve aynı evrede kilitlenmiĢ olması gerekir. ÇıkıĢ Gerilimi Dalga ġekli: Ġdeal sinüse yakın bir çıkıĢ dalga Ģekli istenmektedir. Yani UPS çıkıĢında yüksek harmoniklerin olmaması gerekir. Verim: Eğer UPS’ de verim düĢük ise, toplam çekilen enerjinin bir kısmının ısı enerjisi olarak tüketildiğini göstermektedir ki bu isten bir durum değildir. Çünkü gereksiz enerji tüketimi sistemin bulunduğu ortamı ısıtarak, ek soğutma önlemleri gerektirebilir. Günümüzde üretilen cihazlarda verim %65-90 arasında değiĢmektedir. Ups’ten beklenen özelliklerle ilgili ayrıntılı bilgi [1] den ulaĢılabilinir. 2 Çizelge 1. ĠĢ-Zaman Çizelgesi Ay ġUBAT NĠSAN MART MAYIS Yapılan iĢ Malzemelerin Belirlenmesi Malzeme Temini Tasarımın Devresinin Proteusla Çizimi Devrenin Baskı Devresinin OluĢturulması Elektromekanik Montajın Tamamlanması Tezin Hazırlanması Teslim Çizelge 1’de proje boyunca uygulanan iĢ-zaman çizelgesi verilmiĢtir. Dönem baĢında belirlenen bu plana uyulmaya çalıĢılmıĢtır. 2.TEORĠK ALTYAPI 2.1.UPS’in Kullanım Alanları Kesintisiz güç kaynaklarının oldukça geniĢ bir kullanım alanı vardır. Çünkü temiz ve kesintisiz enerji gereksinimi hayatımızın her alanında mevcuttur. Örneğin tıbbi cihazların kesintisiz çalıĢması için hastaneleri sayabilirken herhangi bir Ģirketin bilgisayarları için de kullanım alanı olarak gösterebiliriz. Günlük yaĢantımızda bir binada kullandığımız 3 asansörlerin kesintisizliği içinde jeneratörlerle birlikte kullanılabilirler. ĠĢte bu Ģekilde kullanım alanlarını genelleĢtirerek aĢağıda sıralanmıĢtır. *Otomasyon sistemlerinde *Hastanelerde, tıbbi cihazlarda *Askeri sistemlerde *Bilgisayar sistemlerinde *Isıtma-soğutma sistemlerinde *Asansörlerde *Aydınlatma sistemlerinde *HaberleĢme sistemlerinde 2.2.UPS ÇeĢitleri Tipik bir UPS’ in; tablo 1’de de görüldüğü üzere, güç kaynağının depolanıĢ ve rölenin cihaza bağlanıĢ Ģekline göre iki çeĢidi vardır: Tablo 1.UPS sistem çeĢitleri UPS Statik Güç Kaynağı Sürekli iletimli(online)Ups Dinamik Güç Kaynağı İleri İletimli(offline)Ups Geri İletimli(Lineİnteraktif)Ups 4 2.2.1.Dinamik (Rotatif) Güç Kaynağı Dinamik besleme sistemleri temelde, elektriksel olmayan bir makine ile sürülen generatörden meydana gelir. Uygulamada daha çok benzin ya da diesel motorla sürülen senkron generatörler tercih edilmektedir. Dinamik besleme sistemlerinin, devreye girme süresindeki gecikmesi en baĢ sorunudur. Tamamen hareketsiz durumdaki bir motor-generatör grubuna yol verme iĢlemi, güce göre değiĢiklik gösterir ve en az dakikalar alır. Bilgisayarlar, kontrol-kumanda düzenekleri gibi tüketiciler için bu süre oldukça uzundur. Bu süreyi kısaltmak üzere çeĢitli yöntemler geliĢtirilmiĢtir. Bu yöntemlerden biri, Ģebekede enerji bulunduğu sürece senkron makinenin motor olarak boĢta çalıĢtırılmasıdır. Diesel motor ile senkron makinenin mekanik bağlantısı bir elektro magnetik kavrama yardımıyla yapılmıĢtır. ġebeke kesintisi durumunda, kavrama çalıĢarak her iki makinenin milleri birleĢtirilir. Böylelikle diesel motorun, senkron makinenin rotorunun eylemsizliği sayesinde kısa zamanda yol alması sağlanır. Motor-generatör grupları, statik düzeneklere göre daha fazla bakım isterler. Ayrıca, senkron makinenin sürekli boĢta çalıĢtırılması devreye girme süresini kısaltırken çok yüksek düzeyde enerji kaybına sebep olur. Generatör beslemeli UPS sistemleri, yalnız baĢlarına ya da Ģebeke hata ve arızalarını hızlı bir Ģekilde tolere edebilmek için statik bir UPS sistemi ile birlikte kullanılmaktadır. Konuyla ilgili daha ayrıntılı bilgi için [2] ye bakılabilinir. 2.2.2. Statik Güç Kaynağı 2.2.2.1. Off-Line UPS Modelleri ( Ġleri Ġletimli ) Off-line UPS’ ler yapısal olarak kısa süreli çalıĢmaya uygun bir evirici ünitesi, evirici gücünün 1/10’u kadar güçteki Ģarj ünitesi ve de Ģebeke ile UPS arasında aktarmayı sağlayan röleli anahtarlardan oluĢur. [3] ġebekede elektrik olduğunda çıkıĢ yükleri Ģebekeden beslenir ve aküler Ģarj edilir. 5 Kesinti sırasında çalıĢması, Ģarj ünitesi gücünün sınırlı olmasından dolayı kısa süreli olur. Off-line UPS’ lerin kullanım amacı, kesinti durumunda kritik yükleri kontrollü olarak kapatma ihtiyacıdır. En büyük tercih sebepleri, basit yapılı ve ucuz olmalarıdır. Off-line UPS’ ler de kullanılma sürecinde dikkat edilmesi gereken en önemli unsur akülerinin Ģarj olabilmesi sebebiyle cihazın açık olma zorunluluğudur. Bu durum cihazın kullanım dıĢı zamanlarda akülerini Ģarj etme imkânını ortadan kaldırır. Bu dezavantajından sebebiyle, çok sık elektrik kesintisi olan yerlerde yeterince verimli çalıĢamazlar. Konuyla ilgili daha ayrıntılı bilgiye kaynak [2] den ulaĢabilirsiniz. ġekil 1’de off-line kesintisiz güç kaynağının genel hatlarıyla blok yapısı gösterilmektedir. Bu Ģekilden de çok net anlaĢıldığı gibi; Ģebekede enerji varken kritik yük Ģebekeden besleniyor bu sırada da sistem bataryasını Ģarj ediyor, enerji kesildiğin de de Ģarj olan batarya gücü kadar kritik yükün beslenilmesi devam ediyor. ġekil 1.Off-Line UPS blok Ģeması 2.2.2.2.Line-Ġnteraktif UPS Modelleri Line-Ġnteraktif UPS’ in, Off-Line UPS sisteminin baĢka bir çeĢididir. Belli sınırlar içindeki Ģebeke gerilimini regüle ederek çıkıĢına verir. ġebeke kesildiği zaman da çıkıĢı, röleli veya triyaklı bir anahtar aracılığıyla UPS’ e aktarır. Bu sistemlerde; maliyeti, hacmi ve kayıpları azaltmak amacıyla doğrultucu ve evirici birleĢtirilmiĢtir. 6 Kaynakta oluĢabilecek bir hata durumunda, statik Ģalter açılarak yük Ģebekeden ayrılır ve akü üzerinden beslenir. Daha ayrıntılı bilgi için bakınız [3]’e. 2.2.2.3.On-Line UPS Modelleri: On-Line UPS modelleri çıkıĢ gerilimini, sürekli olarak akülerden aldığı DC gerilimden üreterek sağlar. ÇıkıĢ geriliminin sürekli evirici ünitesinden sağlanması, eviricinin güç kaybının sürekli olmasına sebebiyet verir. Bu arada aküler uygun devrelerle sürekli tam Ģarjda tutulur. On-line UPS’ ler, aĢırı yüklenmelere karĢı kendilerini Statik By-Pass üniteleriyle korurlar. Daha ayrıntılı bilgiye [2] den ulaĢabilirsiniz. 2.3. ġebeke Güç Sorunları ÇeĢitleri Normal AC Ģebekeler, kritik yüklerin enerji gereksinimini tam anlamıyla karĢılayamazlar. Kesintisiz güç kaynaklarının kullanımını zorunlu kılan, AC Ģebekelerindeki güç sorunları aĢağıda belirtilmiĢtir: Spike Kısa süreli ani gerilim yükselmeleri olarak özetlenebilinir. Surge Kaynakların kaldırabileceğinden fazla olan, bir periyottan fazla zaman alan gerilimlerdir. Sag En genel güç sorunlarından olan, uzun süreli düĢük gerilim durumlarıdır. Gürültü Sinüs dalgasının normal formunun üzerine binen, farklı farklı yüksek frekans darbeleridir. Brownout Çok uzun süre devam eden gerilim düĢme durumlarıdır. 7 Blackout ġebeke geriliminin uzun süre zarfı boyunca sıfıra düĢme durumlarıdır. Harmonikler Harmonikler, gerilimin bileĢenleri olup daha yüksek frekanslı: fakat daha düĢük genliklidirler. Tablo 2.Güç sorunları için uygun düĢen cihaz tablosu Tablo 2’den de görüldüğü gibi, Ģebekede yaĢanan blackout, brownout, spike, surge, sag, gürültü ve harmonikler gibi birbirinden farklı sorunlara uygun düĢen cihazlar değiĢiklik göstermektedir. ġunu da vurgulamak gerekir ki, on-line upsler tüm sorunların üstesinden gelebilmektedir. 8 2.4.UPS’ĠN Üniteleri UPS’ ler genel olarak beĢ bölümden oluĢurlar. Bunları Ģu Ģekilde sıralayabiliriz: Doğrultucu ünitesi Akümülatör ünitesi Evirici ünitesi Transformatör ünitesi Filtre ünitesi 2.4.1.Doğrultucu Ünitesi Doğrultucu, en basit haliyle evirici için doğru akım gücünü sağlayan yani AC voltajı DC voltaja çeviren bölümdür. Bu DC voltaj evirici voltajı için gereklidir.[4] Tablo 3.AC-DC dönüĢtürücülerin sınıflandırılması 9 Tablo 3’den de görüldüğü gibi doğrultucular, yarım ve tam olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Kontrol durumlarına göre de kontrolsüz, yarı kontrollü ve tam kontrollü Ģeklinde sınıflandırılabilinir. Kontrolsüz doğrultucuların avantajları; arıza riskinin düĢük olması, maliyet düĢüklüğü ve güvenilirliği sayılabilirken dezavantajları ise geniĢ dizayn ihtiyacı, Ģebekeye zarar verme riski (baĢlangıç akımın sıfır olması nedeniyle) Ģeklinde özetlenebilinir. Kontrollü doğrultucularda ise giriĢ akımının kontrol edilebilmesi, çıkıĢ gerilimi ve akımı Ģarj ünitesinde kullanılabilmesi avantaj olarak gösterilebilirken; boyut büyüklüğü ve maliyet yüksekliği dezavantajları Ģeklinde sıralanabilinir. Konu ile ilgili daha fazla bilgiye [4] den ulaĢabilirsiniz. 2.4.2. Akümülatör Ünitesi Akümülatör; Ģarj anında elektriksel enerjiyi kimyasal enerjiye, deĢarj anında da kimyasal enerjiyi elektriksel enerjiye dönüĢtüren elektrokimyasal bir cihazdır. Ayrıca, elektrik akımını da depo eder. Akümülatör ünitesinin kesintisiz güç kaynaklarında Ģebeke gerilimi kesildiğinde evirici ünitesine gerekli olan DC gerilimi sağlamakla görevlidir. Genel olarak, 6V ya da 12V’luk aküler kullanılmaktadır. On-line UPS’ lerde akünün diğer bir görevi de DC gerilimi filtrelemek olduğundan, Ģebeke kesildiğinde aküsüz çalıĢtırılamazlar. Tasarımını da gerçekleĢtirdiğim 1kVA’lık Off-Line UPS’de akü grubu seçerken yapılacak hesaplamalara göz atarsak: 10 saat için akü baĢına düĢen güç; UPS’ in çıkıĢında kullanılan güç: 1kVA UPS’ in çıkıĢ güç faktörü: 0.8 Evirici verimi: 0.93 Akü sayısı: 30 Hesaplama: kWb=(1000W×0.8)/0.93 10 kWb=860W Akü baĢına düĢen güç=860/30 Akü baĢına düĢen güç=28.8 Hesaplanan değer için tablo 4’te ki 10 saatlik kolona bakılınca 26Ah’lık akü ile eĢleĢtiği görülmektedir: Tablo 4. Sabit güç altında akü deĢarj tablosu [3] DEġARJ SONU GERĠLĠM : 1.70V/HÜCRE AH 5 10 15 30 Ah 282 180 146 84,7 9 Ah 363 231 187 109 12 Ah 483 309 250 145 18 Ah 668 424 345 208 26 Ah 981 664 504 297 40 Ah 1257 862 696 448 65 Ah 2042 1400 1131 728 80 Ah 2514 1724 1391 896 100 Ah 3142 2150 1739 1120 60 50,6 65 86,7 120 181 276 448 552 689 3h 20,8 26,7 35,6 51,3 77,2 120 195 240 300 5h 14,2 18,3 24,4 34,4 51,9 85 138 170 213 10h 7,8 10 13,3 19,6 28,8 48 78 96 120 Yani tablo 4 aracılıyla çıkardığım sonuç; herhangi bir kesinti anında UPS; çıkıĢında beslenen 1kVA’lık güç, 30 adet 12V-26Ah akü grubuyla çıkıĢındaki kritik yükü 10 saat besleyebilmektedir. UPS’ lerde genellikle 12 voltluk aküler kullanılmaktadır. Kesintisiz Güç Kaynakları’nda genel olarak; kurĢun asit aküler ve nikel kadminyum akülerden bahsedilebilinir. Nikel-kadminyum aküler, yapıları itibariyle kurĢun asit akülerden daha dayanıklıdırlar. Aküleri en çok etkileyen faktör sıcaklıktır. 2.4.3. Evirici Ünitesi Kesintisiz Güç Kaynaklarında, doğrultucu veya akü grubundan gelen DC gerilimi AC gerilime dönüĢtürme görevi evirici ünitesine aittir. DeğiĢken yahut sabit çıkıĢ gerilim ve frekansına sahip olabilirler. Evirici kazancını da çıkıĢ AC gerilimini giriĢ DC gerilimine oranlayarak hesaplayabiliriz. Konuyla ilgili ayrıntılı bilgi için [4] e bakınız. 11 2.4.4 Filtre Ünitesi Filtrelerin kullanım amacı; doğrultucudan beslenen herhangi bir yükün gerilim dalgasını süzmek, evirici çıkıĢ gerilimindeki harmonik bileĢenlerini azaltmak ve önlemek sayılabilir. Filtrelerin ana yapısında; endüktans, kapasitans ve direnç bulunmaktadır. Filtreleri genel olarak AC Ģebeke filtreleri ve DC Ģebeke filtreleri olarak ikiye ayrılır. AC Ģebeke filtrelerinin görevleri Ģebeke hattındaki elektriksel gürültüleri yok etmek ve ani gerilim yükselmelerini önlemekken, DC Ģebeke filtrelerinin görevleri ise tristör kontrollü bir Ģekilde doğrultarak elde edilen bozuk DC gerilimi düzgün bir DC gerilime dönüĢtürmek ayrıca ani akım yükselmelerinden tristörün zarar görmesini önlemektir. Konuyla ilgili ayrıntılı bilgi için [2] ye bakabilirsiniz. 2.4.5 Transformatör Ünitesi Trafoların çalıĢması manyetik alan etkileĢimine dayanırken, görevleri sebebiyle de AC gerilim dönüĢtürücüleri olarak nitelendirilebilirler. Kesintisiz Güç Kaynakları’nda ki trafoları üç gruba ayırabiliriz: GiriĢ trafoları ÇıkıĢ trafoları Besleme ve iĢaret trafoları 2.4.5.1.Transformatör Tanımı Transformatörler; elektrik sisteminin farklı gerilim seviyelerindeki iki kapısını bobinlerin oluĢturduğu manyetik alan ile bağlayan, kapılar üzerinden her iki tarafta da elektrik enerjisinin alınıp verilmesini sağlayan statik cihazlardır. Primer uçları giriĢ uçları, sekonder uçları da çıkıĢ uçlarıdır. Trafo, birçok değiĢik güçteki kontrol ve kumanda devresinin en önemli elemanlarındandır. Daha ayrıntılı bilgi için [5]’e bakınız. 12 Transformatörlerin en önemli görevlerini: Elektrik güç sistemlerinde akım ve gerilim seviyelerini değiĢtirmek. Elektronik ve kontrol devrelerinde maksimum güç transferi için kaynak ve yük empedansı uyumunu sağlamak. Elektriksel izolasyonu sağlamak. Transformatörün, primer sargısına belli gerilim ve frekansta elektrik gücü verilirse, sekonderinden değiĢtirilmiĢ gerilimde güç alınır. Transformatörün giriĢine DC gerilim uygulanırsa çıkıĢında herhangi bir gerilim ölçülemez. ġekil 10’da görüldüğü gibi N 1 sarımlı primer sargı uçlarına V1 gerilimi uygulandığında sargıdan i1 akımı geçmektedir. ġekil 2.Tek fazlı transformatör Ģeması ġekil 2’ye de bakarak, ideal durumda, bir transformatörün giriĢine uygulanan alternatif güç, çıkıĢındaki alternatif güce eĢittir diyebiliriz. Transformatörlerde verim ise; çıkıĢ gücünün giriĢ gücüne oranı olarak tanımlanmaktadır. 13 P0:ÇıkıĢta alınan güç P1:GiriĢte tüketilen güç η: Verim=P0/P1 = (1) = (2) Konuyla ilgili ayrıntılı bilgi için [5]’e bakabilirsiniz. 3.TASARIM KISMI Tasarladığım off-line kesintisiz güç kaynağının ünitelerinin ve bu ünitelerde kullandığım elemanların teknik verilerinin önemini, nasıl seçildiğini ve değerlerini anlatmam gerekirse: 3.1.Evirici Birimi ve Ekipmanlarının Görevleri UPS’ deki eviricinin amacı bilindiği üzere bataryada Ģarj olan AC voltajı DC voltaja çevirmektir. Benim devremde evirici ünitesi TR1 ve TR2 ile baĢlayıp D9 ve R10 arasındadır. Devrede T1 olarak görülen 220V / 2*9V değerinde bir transformatör kullandık. 2*9V olan sekonderin görevi itme ve çekme yapmaktır. Bunları 220V için yapmaktadır. C3 eviricide kullanılan batarya ve transformatör arasındaki en yakın voltaj azalmasını içine çeker. D3 her bir TR1 ya da TR2’de olan patlama önler. Eğer batarya 9V’dan az olursa ve voltaj bataryanın voltajını geçerse sargıdaki gerilim TR1 ve TR2’nin karĢı kısmına geçer. Böylece TR1 ve TR2’de patlama olabilir. Kısaca D3’ün görevi ani artıĢları önlemektir. R3ve R4 IC1 dolana kadar TR1 ve TR2’nin tetiklenmesini önler. IC1 PWM’ ye yol vermeyi sağlar. Devremizden de görüldüğü gibi IC1’in ilk bacağı PWM’ ye bağlıdır. Ayrıca eğer IC1’in gerilimi yüksek olursa bu zamanı kısaltır. D5 ve D6 TR1 ve TR2’de patlama olmamasını sağlayan zener diyotlardır. Eğer tristörlerde yüksek gerilim varsa bunu önleyip koruyabilirler. 14 R5, R9 ve C5 50Hz için kurulmuĢlardır. Osilatörde kurulan 50 Hz frekansı ve periyodu 10 ms’ dir. D9 kullanılan ıĢığıyla eviricinin çalıĢtığını ya da çalıĢmadığını gösterir. Eğer yanıyorsa bu Ģebeke geriliminde eğer yanmıyorsa UPS’ in aktif olduğunu gösterir. R10 D9’daki akımı korumak için kullanılır. R6 çalıĢmama durumu için kullanılır. Eğer R6 aktif olarak kullanılmıyorsa her iki tristörde çatıĢabilir ve böylece patlama olabilir. 3.2.Doğrultucu ve Akü Birimi ve Ekipmanlarının Görevleri ġebekeden gelen AC voltajı DC voltaja çevirmektir. Çevrilen voltajı Ģebekeden gerilim kesilene kadar Ģarj etmektir. 15V AC gerilim köprü diyotuyla DC gerilime çevrilir. C4 de bu gerilimi filtreler. TR3 geri voltajı off ya da on yapar. Bunu yanında C6 IC1’ den gelen güçteki harmonik bozuklukları düzeltir. R7 TR3 transistörünün off konuma geçmesini sağlar. Bu arada TR3’ün baz akımını korur. R11 ve R12 CC4’den gelen yarım dalga voltajının değerini azaltır. Ayrıca R12 bir trimpot olarak Ģarj bataryası 10V’ dan az olduğunda çıkıĢ voltajın 220V olmamasını sağlar. R13 C7’deki dalgalığın azalmasını sağlar ve bunu üçüncü bacağıyla IC2’ye verir. Eğer 2. bacaktaki voltaj değeri 3. bacaktaki voltajdan büyükse, çıkıĢ voltajı pozitif olacaktır. Eğer pozitif olursa da IC1 entegresi kesime gider ve böylece evirici off olur. C8, R14, R15 ve D7 IC2 entegresinde 2.giriĢte referans voltajı için bağlanmıĢlardır. IC3 bir Ģarj entergresi ve C9 IC3’ ün daha iyi Ģarj olması için gerekli bir kapasitördür. TR4, R16, R17, R18 ve D10 elemanları bataryanın Ģarj durumuna geçmesine yardım eder. 15 3.3. Geri Besleme Sistemi ve Rölenin Görevi R1,C1,C2,D1 ve D2; 24voltluk K rölesinin besleme gerilimini üretir. K rölesi ilk kapanmada UPS’ le birleĢir sonraki kapamada ayrılır. Ayrıca; Ģebeke gerilimi 24 volttan düĢükse D2 yarım dalga üretir, böylelikle C2’deki gerilimin D1’e gitmesi önlenmiĢ olur. Ayrıca; D1, C2’nin 220volttan daha fazla Ģarj olmasını da önlemiĢ olur. Geri besleme sistemi, UPS’ ler için gerçekten çok önemli bir bölümdür. Burada, 220/12 voltluk bir transformatör bulunmaktadır.C10, R19 ve R20 üzerinden gerilimi böler. Eğer R20 koyulmasa, R19 yüksek bir değerde olacaktır ki bu arzu edilen bir durum olmayacaktır. R21 ve R22, 220voltta tutulmayı sağlar. R21 değiĢtikçe, Ic1’in 1. Bacağındaki gerilim değiĢebilir. Bu sebeple de PWM’de değiĢir. Ayrıca F’nin kullanılma sebebi de, beklenmedik biranda UPS’in patlamasını önlemektir. 3.4. Eleman Değerlerinin Önemi R1’in 100Ω/2W değerlerinde seçilmesinin nedeni,D1 deki akım sınırlandırmak içindir. Eğer devrede R1 kullanılmasaydı; C1, D1’in üstüne bağlanırdı. R3,R4,R15 ve R19’un 4.7K değerinde seçilmesinin nedeniyse, akımı daha fazla bölmemek içindir. R5,R7,R8,R11,R13,R14,R20 ve R21’in 10K değerinde tercih ettik. Herhangi baĢka değer de tercih edilebilirdi yalnız, fazla ısınma ve patlama olmaması için böyle bir değer tercihinde bulundum. R16’nın 1.5K değerinde seçilme sebebiyse, D10 LED’ine bağlı olmasıdır. LED’ler 50mA civarlarında akım geçirebilirler fazlası LED’lere zarar verir. Ayrıca 10-20mA değerlerinde iyi ıĢık elde edilir. 1.5K kullanarak, LED’in akımı 7-8mA elde edilir. D1, D5, D6, D7’nin zener diyot olarak kullanılma sebebi, akımı sabitlemek, sınırlamaktır. Bu Ģekilde yaptığım çalıĢmalar doğrultusunda tasarımımın blok diyagramı Ģekil 3’ de görülmektedir. ġekil 3’de hangi elemanın nereye nasıl bağlandığının anlaĢılması baz alınmıĢtır. 16 ġekil 3.Off-Line UPS açık devre Ģeması ġekil 3’te çizmiĢ olduğum sistemin açık devre Ģemasını, ISIS devre tasarım programında çizerek baskı devre için Ģekil 4’teki gibi hazır hale getirdim. Bu aĢamada Ģekil 4’ü oluĢtururken, baskı devrede problem oluĢturmaması açısından devre elemanlarının bacak aralıklarına, sayısına dikkat edilmiĢtir 17 ġeki 4.Devrenin PROTEUS çizimi ġekil 4’de ISIS devre tasarım programıyla çizdiğim devreyi montaj aĢamasına hazır hale getirebilmek için bir sonraki aĢama olan ARES baskı devre çizimi programıyla devremin baskı devre çizimini Ģekil 5’teki gibi oluĢturdum. 18 ġekil 5.Devrenin baskı devresinin ARES çizimi ġekil 5’te tasarımımın devresinin baskı çizimini gerçeklerken birkaç defa deneme yaptım. Sonuç olarak Ģekil 5’teki son halini ARES baskı devre çizim programı, en uygun olanı oluĢturmuĢtur. 19 ġekil 6. Devrenin baskı devresi ġekil 5’teki ARES çizimimin, baskı devre çıkartımını yaptığımda Ģekil 6’daki sonuç elde edilmiĢtir. ġekil 6’ da görüldüğü üzere, programdan kaynaklı bazı kısımlar kısa devre olarak çıkmıĢ, sonradan falçata yardımıyla çizikle ayrılmıĢtır; bazı kısımlarda da bilhassa açık uçlar bırakılmıĢtır, onlarda tasarıma kablo ile bağlanılacaktır. 20 Baskı devre montajına baĢlanan tasarımın görüntüsü: ġekil 7.Baskı devre elemanlarının görünümü ġekil 7’de tasarımımın devre elemanları görülmektedir. Baskı devrede her eleman ölçüm cihazıyla titizlikle ölçülüp değerlerine göre lehime hazırlanmıĢtır. Elemanlarla ilgili gerekli değer çizelgesi ayrıntılı bir Ģekilde, EKLER kısmında EK 2., EK 3., EK 4., EK 5. baĢlıklarıyla verilmiĢtir. Ayrıca kullanılan malzemelerin detaylı maliyet tablosu da EKLER kısmında EK 1. baĢlığı adı altında E.1. de yer almaktadır. 21 ġekil 8.Baskı devrenin lehimlenmeye baĢlanmıĢ halinin önden görünüĢü Eleman değerlerine göre titizlikle lehimlemesini yaptığım tasarımımın önden görünüĢünü Ģekil 8’de görmektesiniz. Çok sayıda direnç kullanma sebebiyle çoğu direnci yerlerine yerleĢtirip öteki elemanları yerleĢtirmeye geçtim. Bazen de büyük parçadan küçük parçaya doğru bir lehim sırası seçtim kendime. 22 ġekil 9.Baskı devrenin lehimlenmeye baĢlanmıĢ halinin arkadan bir görüntüsü ġekil 9’ da da, baskı devrede kısa devre Ģeklinde çıkan kısımların falçata yardımıyla bu durumdan kurtarılmıĢ, ince uçlu matkapla bağlantı noktalarının delinmiĢ hali gösterilmektedir. Uzun tel uçlarıda Ģekilde görüldüğü gibi bırakılmamıĢtır, penseyle kesilerek sisteme daha uygun hale getirilmiĢtir. 23 4.SONUÇ Günlük yaĢantımızı her anlamda kolaylaĢtıran birçok teknolojik cihaz kullanıyoruz ve gün geçtikçe de yenilerini kullanmaya devam edeceğiz. Fakat bu cihazların hiçbiri elektrik kesintileri karĢısında güçlü duruma geçememekte, Ģebeke güç sorunları sebebiyle arızalanarak bizlere sıkıntılar yaĢatmaktadırlar. Bu cihazlardan bazıları varki hayati önem taĢıyan yoğun bakım üniteleri ekipmanı olarak, kimisi de geleceğimizi etkileyecek önemli bir bilgiyi saklayan bilgisayar olarak karĢımıza çıkmaktadır… ĠĢte bu sebeplerden ötürü yaptığım çalıĢmada, Off-line Ups seçip tasarlayarak Ģu veri ve değerlendirmeleri elde etmiĢ bulunmaktayım: Kısa süreli çalıĢmaya uygundurlar. ġebekede enerji olduğunda çıkıĢ yüklerini Ģebekeden besler, akülerini Ģarj ederler. En büyük tercih sebepleri basit ve ucuz yapılı olmalarıdır. Tek dezavantajları olarak da; akü Ģarj durumlarından dolayı sürekli açık olma zorunluluklarıdır. Kullanım dıĢı zamanlarda akü Ģarj etme imkanları olmaz. 24 5.KAYNAKLAR [1]. ESĠS Kesintisiz Güç Kaynağı, Esis Enerji ve Elektronik, 2011. [2]. H. Çevik, “Kesintisiz güç kaynaklarının incelenmesi ve 450 VA’lık bir kesintisiz güç kaynağı tasarımı,” Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Mart, 2006. [3]. S. Akgün, “Kesintisiz güç kaynaklarının incelenmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ġstanbul, Mart, 2007. [4]. H. Bodur, Güç Elektroniği, Ġstanbul: Ekim, 2010. [5]. C. Gürünlü, Enerji DönüĢümünün Temelleri, Trabzon: Temmuz, 1989. 25 EKLER EK 1. Çizelge E.1. Malzeme maliyet çizelgesi MALZEME MĠKTAR BĠRĠM FĠYAT(TL) TOPLAM(TL) Baskı Devre Malzemeleri 1 50 50 1.Trafo 1 40 40 2.Trafo 1 15 15 105 26 EK 2. Çizelge E.2. Projede kullanılan dirençlerin özellikleri ve değerleri Direnç Değeri R1 100 Ω /2W R2 470Ω R3,R4,R19 4.7KΩ R22,R23 2.2KΩ R5 10KΩ R6 100Ω R7 10KΩ R8 10KΩ R9,R20 220KΩ / Trimpot R10 1KΩ R11 10KΩ R12 22KΩ / Trimpot R13,R14 10KΩ R21 10KΩ/Trimpot R15 4.7KΩ R16 1.5Ω R17 0.33KΩ R18 1KΩ 27 EK 3. Çizelge E.3. Projede kullanılan kapasitelerin özellik ve değerleri Kapasite Değer C1 680nF / 400V C2 220mF / 25V C3 2200mF / 25V C4 2200mF / 25V C5 100Nf C6 1mF /16V C7 47mF / 16V C8 1mF /16V C9 47mF / 16V C10 10mF 28 EK 4. Çizelge E.4. Projede kullanılan transistör ve trafoların kodları (teknik isimleri) Transistör ve Trafo ÇeĢidi TR1 IRFZ44 TR2 IRFZ44 TR3 BC327 TR4 BC327 29 EK 5. Çizelge E.5. Projede kullanılan diyotların özellik ve değerleri Diyot Değeri D1 24V Zener / 1W D2 1N4148 D3 BYV32-150 D4 GBU4D / 4 Amp D5 15V Zener D6 15V Zener D7 7.5V Zener D8 YeĢil LED(IĢık Emen Diyot) D9 Sarı LED D10 Kırmızı LED D11 GBU4D / 4 Amp 30 EK 6. Standartlar ve Kısıtlar Formu 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Deneysel, uygulama amaçlı küçük bir sistem tasarlanmıĢtır. Maddi kısıtlamalar tasarım boyutunu sınırlamaktadır. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Akü grubuyla ilgili bazı hesaplamalar yapılmıĢ olup, tezde belirtilmiĢtir. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Enerji DönüĢümü ve Güç Elektroniği Devreleri derslerinde öğrenilen bilgilerden faydalanarak, elde edilen beceriler kullanılmaya çalıĢılmıĢtır. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Güvenilirlik, zamanında teslim,optimum maliyet,hassasiyet,yüksek performans 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Olabildiğince optimum maliyet gözetilmiĢtir. b) Çevre sorunları: Proje herhangi bir zarar teşkil etmemektedir. c) Sürdürülebilirlik: Yapmaya çalıĢtığım proje, enerji kesintisi sebebiyle kritik yükleri besleme gereksinimi nedeniyle güncel yaĢamda çokça kullanılmaktadır. Kullanım alanları baĢlığı altında da tezde belirtilmiĢtir. c) Üretilebilirlik: Bazı ek donamımlar eklenerek tasarım, sürekli kesintisiz güç kaynağı haline getirilebilinir. d) Etik: Daha önce yapılmış olan; güç kaynağı, kesintisiz güç kaynağı projelerini örnek alarak kendi projemi tasarlamış bulunmaktayım. e) Sağlık: Sağlık problem olmamaktadır. 31 f) Güvenlik: Sigorta kullanılarak riskler minumuma indirilmiştir. g) Sosyal ve politik sorunlar: Dönem ödevleri ve sınavlar bende, projeye ayrılan zamanda kısıtlama yapma gerekliliği oluşturmuştur. Projenin Adı 1kVA’LIK ĠLERĠ ĠLETĠMLĠ KESĠNTĠSĠZ GÜÇ KAYNAĞI Projedeki Öğrencilerin adları Gözde YAZICI Tarih ve Ġmzalar 32 ÖZGEÇMĠġ 1988 yılında, Trabzon’da doğdu. Ġlk ve ortaokulunu Trabzon Özel NeĢem Koleji’nde tamamladıktan sonra 2006 yılında Trabzon Tevfik Serdar Anadolu Lisesi’nden mezun oldu. 2010 yılında baĢladığı Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünde halen eğitimine devam etmektedir. 33
