güç elektron

KESİNTSİZ GÜÇ KAYNAKLARI
BOZUCU KAYNAKLAR
AC şebekede bozulmalara sebep olan kaynaklar çok fazla olmasına karşılık,
bunların belli-başlı olanları,
 Yüklerin ani olarak devreye girip-çıkmaları
 Yarı iletken eleman ve devrelerin ani olarak devreye girip-çıkmaları
 Güç elektroniği devrelerinin yüksek frekanslarda anahtarlanmaları
 Transformatörlerin ve motorların doyuma girmesi
 Sinüsoidal olmayan ve şebekeden farklı frekanslarda akımların çekilmesi
olarak sıralanabilir.
KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI (KGK, UPS)
 Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK, UPS), sürekli devrede olup şebeke gerilimi kesinti ve
bozukluklarını yüke hiç hissettirmeden yükü besleyen veya şebeke gerilimi
kesildiğinde çok kısa bir sürede devreye girerek yükü beslemeye devam eden sistem
veya güç kaynaklarıdır.
KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI (KGK, UPS)
Yapısına Göre
 Dinamik KGK
 Statik KGK
Devreye Giriş Şekline Göre
 Beklemesiz (on-line, full-time)
 Beklemeli (off-line, stand-by)
Şebeke Bağlantı Şekline Göre
 Doğrudan bağlamalı
 Bağlamasız
 Yapı olarak, dinamik kesintisiz güç kaynakları Motor-Generatör, statik
kesintisiz güç kaynakları ise Akümülatör-İnverter grubundan oluşmaktadır.
 Dinamik kesintisiz güç kaynağının beklemeli olanları birkaç dakika,
beklemesiz olanları ise birkaç saniyede devreye girer.
 Statik güç kaynağının beklemeli olanları birkaç mili saniyede devreye girer.
 On yıl öncelerine kadar tamamen dinamik güç kaynakları kullanılıyordu. Şu
anda ise genellikle statik ve beklemesiz güç kaynakları kullanılmaktadır.
 Bu sistemlerde genellikle düşük güçlerde tek fazlı ve büyük güçlerde 3 fazlı
şebeke gerilimi kullanılmaktadır.
 Günümüzde kesintisiz güç kaynakları daha çok şebekedeki bozuklukları yüke
aksettirmemek için kullanılmaktadır.
 Şebekedeki bozulmalar,
 Gerilimde düşme,
 Gerimlinde yükselme,
 Darbe
 Çöküntü,
 Kesinti,
 Harmonik
 Gürültü (elektromanyetik girişim)
 Bu bozulmalar, elektronik devreler ile mikroişlemcileri ve bilgisayarları büyük ölçüde
etkiler.
 TTL türü entegrelerde, mantık düzeyi 0.8 V’un altında ‘0’ (sıfır) ve 2.5 V’un üzerinde
‘1’ (bir)’dir. Tek bir yıldırımın 1 milyon V ve 10 bin A’lik darbeler verdiği
kaydedilmiştir.
 Türkiye’de AC şebeke için kabul edilen sınır değerler çok geniş bir aralıktadır.
 Bu değerler, gerilimde + %15 ve - %20, frekansta + %1 ve - %1, toplam harmonik
distorsiyonunda (THD) %1.5’tur.
 Bir kesintisiz güç kaynağında kabul edilen bu sınır değerler ise, gerilimde , frekansta,
toplam harmonik distorsiyonunda %3’tür. Ayrıca, KGK’da kısa sürelerde %150 aşırı
yük dayanıklılığı ve %90’ın üzerinde verim istenir.
 Dinamik kesintisiz güç kaynakları, uzun gecikmeli, pahalı, ağır, büyük ve
gürültülüdür.
 Özel olarak tasarlanan ve önceleri çok yaygın olarak kullanılan ferro-rezonanslı
transformatörler, yükü 8 ile 16 ms arasında beslemeye devam ederler, çok yüksek
çıkış empedansına sahiptirler ve iyi bir filtre görevi yaparlar.
 Bu transformatörler, çok kısa süren kesintilerde ve beklemeli güç kaynaklarının
devreye girme gecikmelerinde önemli rol üstlenirler.
KGK’LARIN TEMEL GÖREVLERİ
 Şebeke kesintilerini hissettirmeden yükü beslemeye devam etmek.
 Şebeke geriliminin bozukluklarını yüke hissettirmemek.
 Yüke kaliteli bir elektrik enerjisi sağlamak.
KGK’DAN BEKLENEN ÖNEMLİ ÖZELLİKLER
 Yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu
 Düşük fiyat, düşük hacim
 Az bakım, az gürültü
 Yüksek güvenilirlik, uzun garanti
 Giriş geriliminde büyük dalgalanmalara müsaade
 Düzgün çıkış gerilimi, ucuz çıkış filtresi
 Giriş ve çıkış arasında elektriksel izolasyon
 Yüksek güçlere erişebilme, paralel bağlanabilme
 Aşırı akım ve kısa devre koruması
KGK’NİN ÖNEMLI UYGULAMA ALANLARI
 Bilgi işlem sistemleri
 Kontrol sistemleri
 Haberleşme sistemleri
 Alarm ve ihbar sistemleri
 Önemli aydınlatma sistemleri
 Sağlık ve savunma sistemleri
KGK’NIN GENEL DEVRE ŞEMASI
Devre Elemanlarının Görevleri
 Dizel Generatör: Uzun süreli kesintilerde devreye girerek sistemi besler.
 Transformatör 1 : AC şebeke ve DC hat arasında gerilim uyumu ve izolasyon sağlar.
Ayrıca doğrultucuda komütasyon akımını sınırlar.
 Doğrultucu: AC gerilimi DC’ye çevirir. Doğal komütasyonlu, tam dalga ve
kontrollüdür.
 L1 Bobini: Doğrultucu çıkış akımını düzeltir. Aşırı ve kısa devre akımlarına karşı
koruma görevi yapar. Akım kontrolüne imkan sağlar.
 Akümülatör Bataryası: Şebeke gerilimi kesildiğinde gerilim gelinceye kadar yükü
beslemeye devam eder. Otomatik olarak şarj olur ve bittiğinde devreden çıkar.
 C1 Kapasitesi: İnverter girişindeki DC gerilimi düzeltir.
 İnverter: DC gerilimi AC’ye çevirir. Genellikle PWM kontrollü ve zorlamalı
komütasyonludur.
 Transformatör 2: DC hat ve AC yük arasında gerilim uyumu ve izolasyon sağlar. Aşırı
ve kısa devre akımlarına karşı koruma görevi yapar.
 C2 Kapasitesi: Transformatör 2 ile birlikte AC çıkış gerilimini filtre eder.
 SNA: Statik normal anahtardır. Normal çalışmada, KGK çıkışını yüke aktarır ve
kontrol eder.
 SGA: Statik geçiş anahtarıdır. Arıza ve bakım durumlarında, otomatik olarak yükü
doğrudan şebekeye aktarır.
 MSA: Mekaniksel seçme anahtarıdır. Elle kontrol edilebilen 2 konumlu mekanik bir
şalter olup, doğrudan şebeke veya elektronik güç kaynağı konumlarını seçmeye
yarar.
 NOT : AC filtrenin çıkış gerilimi, giriş geriliminin temel bileşenine eşittir. DC filtrenin
çıkış gerilimi ise, giriş geriliminin ortalama değerine eşittir.
KGK’NİN GÜÇ AKIŞ DIYAGRAMI
Sistemde daima aktif güç dengesi mevcuttur. DC hatlardaki gerilim ve akım değerleri
ortalama değerlerdir. AC hatlardaki değerler ise, efektif temel dalga değerleridir.
Genel olarak,
devre kayıpları ihmal edilerek,
Id = Iakü + Iinv
Pd = Pdoğ = Ptrf1 = Pşeb
Pd = Pakü + Pinv
Pinv = Ptrf2 = Pyük
Pd = Ud.Id
Pşeb = Pakü + Pyük
Pakü = Ud.Iakü
eşitlikleri yazılabilir.
Pinv = Ud.Iinv
Pşbk = q1.U1.I1.Cos1
Pyük = q2.U2.I2.Cos2
 Beklemesiz (on-line, full-time) KGK’da, giriş katındaki transformatör ve doğrultucu,
şebeke gerilimi mevcut iken, sürekli olarak hem yükü besler hem de akümülatörü
şarj eder. Bu durumda,
Pd = Pakü + Pinv yazılabilir.
 Beklemeli (off-line, stand-by) KGK’da, giriş katındaki transformatör ve doğrultucu,
şebeke gerilimi mevcut iken, sadece akümülatörü şarj eder. Bu durumda,
Pd = Pakü yazılabilir.
 Bu nedenle, Yedek Güç Kaynakları olarak da bilinen beklemeli güç kaynaklarının
maliyetleri beklemesiz olanlara göre oldukça düşük olabilmektedir.
Kesintisiz Güç Kaynaklarında Doğrultucular
 Doğrultucu, AC şebeke gerilimini doğrultur ve akümülatör ile inverteri besler.
 Doğrultucu çıkışında, genellikle akım düzeltme reaktörü de denilen bir bobin
mevcuttur. Bu bobin, çıkış akımını düzeltir, şebekedeki bozulmaları azaltır ve akım
kontrolüne imkan sağlar.
 Doğrultucu, güce göre tek veya 3 fazlıdır ve genellikle kontrollüdür.
 AC şebekedeki bozulmaların fazla olmaması açısından, tam dalga doğrultucu tercih
edilmelidir.
 AC şebeke ve DC hat arasında genellikle elektriksel izolasyon istenmektedir.
 Klasik olarak, şebeke tarafında şebeke frekansında çalışan bir transformatör
kullanılarak izolasyon sağlanmaktadır. Ancak, bu düşük frekanslı transformatörün
boyutları ve maliyeti oldukça büyük olmakta, aynı zamanda kontrollü doğrultucu
nedeniyle de şebekede bozulmalar oluşmaktadır.
 Transformatörler, aynı zamanda 2 taraf arasındaki gerilim uyumunu veya
dönüşümünü de sağlar.
 Günümüzdeki eğilim, AC şebeke geriliminin tam dalga kontrolsüz bir doğrultucu
ile doğrultulması, bu sabit DC gerilimin bir yüksek frekanslı ve izoleli anahtarlamalı
güç kaynağı ile ayarlanması ve kontrol edilmesi şeklindedir.
 Böylece, şebekedeki bozulmalar en aza inmekte, elektriksel izolasyon sağlanmakta,
yüksek frekansta çalışma nedeniyle transformatör ve bobinlerin hacim ve
maliyetleri oldukça düşmektedir.
Kesintisiz Güç Kaynaklarında İnverterler
 İnverter, DC ara gerilimini AC gerilime çevirir ve yükü besler.
 İnverter çıkışında, genellikle bir AC filtre mevcuttur. Bu filtre, inverter
çıkış gerilimindeki harmonikleri en aza indirir.
 İnverter çıkış gerilimindeki bozulmaların ve filtre maliyetinin fazla
olmaması açısından, PWM kontrollü inverter tercih edilmelidir.
 İnverter, güce göre tek veya 3 fazlı olabilmektedir. Tek fazlı uygulamalarda,
basit ve ucuzluğu nedeniyle yaygın olarak push-pull türü inverterler
kullanılmaktadır.
 DC hat ve yük arasında da genellikle elektriksel izolasyon istenmektedir.
 Klasik olarak, yük tarafında yine düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak
izolasyon sağlanmaktadır.
 Ancak, bu düşük frekanslı transformatörün boyutları ve maliyeti oldukça
büyük olmaktadır.
 Transformatörler, aynı zamanda 2 taraf arasındaki gerilim uyumunu veya
dönüşümünü de sağlar.
 Günümüzdeki eğilim, DC ara geriliminin bir yüksek frekanslı ve izoleli
anahtarlamalı güç kaynağı ile ayarlanması ve kontrol edilmesi, bu izoleli DC
gerilimin bir PWM inverter ile doğrudan yükün ihtiyacı olan bir AC gerilime
çevrilmesi şeklindedir.
 Böylece, çıkış gerilimindeki bozulmalar en aza inmekte, elektriksel izolasyon
sağlanmakta, yüksek frekansta çalışma nedeniyle transformatör ve bobinlerin
hacim ve maliyetleri oldukça düşmektedir.
STATİK ANAHTARLAR / ŞALTERLER
 Statik anahtar veya şalterler, faz başına tek bir triyak veya büyük güçlerde
ters-paralel bağlı 2 tristör ile elde edilmektedir.
 Sürekli devrede olan (on-line, full time) güç kaynaklarında, sürekli olarak
çıkış gerilimi bir statik anahtarla yüke verilmekte ve kontrol edilmekte, arıza
durumunda bu anahtar kesime sokulmakta ve yük başka bir anahtarla AC
şebekeye aktarılmaktadır.
 Beklemeli olan (off-line, stand by) güç kaynaklarında, şebeke gerilimi mevcut
olduğunda yük bir statik anahtarla AC şebekeden beslenmekte, şebeke gerilimi
kesildiğinde veya çok bozulduğunda, inverter çıkış gerilimi başka bir statik anahtarla
yüke verilmekte ve kontrol edilmektedir.
 Yükün AC şebeke ve inverter arasında aktarılması esnasında, genellikle AC şebeke
ile senkronizasyon ve süre sınırlaması istenmektedir. Aktarma süresi, yükün
özelliklerine bağlıdır ve genellikle birkaç 10 ms mertebelerindedir.
AKÜLER
 Çok sayıda akü türü mevcuttur.
 Ancak, az bakımlı kurşun-asit aküler, kesintisiz güç kaynaklarında yaygın olarak
kullanılmaktadır.
 Akülerin kapasiteleri Amper-Saat (Ah) olarak verilmektedir.
 Örneğin, 10 Ah’lik bir akü, tam dolu iken 10 A’lik bir akımla 1 saatte veya 2 A’lik bir
akımla 5 saatte boşalmaktadır.
 Aküler, çok hızlı boşalabilmelerine karşılık, oldukça yavaş
dolabilmektedir. Hızlı şarj veya deşarj, akülerin ömrünü kısaltmaktadır.
 Şebeke gerilimi mevcut iken, uzunca bir sürede ve sabit bir akımla şarj
edilen aküler, dolduktan sonra çok küçük bir akım ve sabit bir gerilim
altında bekletilirler.
 DC hatta paralel bağlı olarak bekleyen akü, aynı zamanda DC gerilimi
düzeltme görevi de yaparlar.
 Şebeke gerilimi kesildiğinde, DC hatta paralel bağlı olarak bekleyen aküler,
bitinceye kadar yükün bütün enerjisini üstlenirler.
 Doğrultucu ve inverterin tasarımında şebeke kesildiğinde yükü besleme süresi
dikkate alınarak, istenen sayıda akü seri ve/veya paralel bağlanabilmektedir.
 Günümüzdeki eğilim, aküler ve akülerin bakımı oldukça maliyetli olduğundan,
mümkün olduğu kadar az sayıda ve kaliteli akümülatör kullanmak, şebeke
kesintilerinde çok kısa bir süre akülerle enerjiyi karşılamak ve hemen
bir dizel jeneratörü devreye almak şeklindedir.