2. Kesintisiz Güç Kaynaklarının Bazı Temel Alt Üniteleri - Seversintabi.com Türkiye'nin En Büyük Forumu Bence Seversin Tabi

**ceyLin** · #1 11 February 2009, 11:37

2. Kesintisiz Güç Kaynaklarının Bazı Temel Alt Üniteleri

2.1. İşlev ve Yapıları Açısından Kesintisiz Güç Kaynaklarına Genel
Bakış
Bir çok elektrik veya elektronik sistemde; bir enerji kesintisi durumunda, yükün beslemesiz kalması, önemli sorunlar ve sonuçlar doğurabilir. Yalnız enerji kesintisi durumu değil, ani gerilim sıçramaları ve frekans kaymaları da önemli sorunlar yapabilir.
Sürekli besleme gerektiren uygulamalar arasında bilgisayar sistemleri, tıbbi cihazlar, bazı haberleşme sistemleri, kazan denetim sistemleri, bazı aydınlatma sistemleri, önemli enstrümantasyon ve kayıt cihazları sayılabilir. Bunlara genel olarak "kritik yükler " denilmektedir.
İşte; kritik yükleri besleyen, şebekedeki kesinti ve anormallikleri yüke aktarmayıp, yükü sürekli temiz ve kaliteli enerjiyle besleyen kaynaklara "kesintisiz güç kaynakları" denir. [3]
Kesintisiz güç kaynaklarına ilişkin basit bir blok diyagram şekil 2.1'de görülmektedir.

Şekil 2.1. Basit bir kesintisiz güç kaynağının blok gösterimi</IMG>
Doğrultucu ünitesi, şebekeden aldığı kaliteli olmayan enerjiyi doğrultarak, invertör ünitesine uygular. İnvertör tekrar bir çevirme işlemi yaparak, çıkışında istenilen gerilim ve frekansta alternatif enerjiyi oluşturur. İnvertör girişine aynı zamanda bir akü gurubu bağlanmıştır. Şebeke kesintisi durumunda bu akü gurubu invertör ünitesini beslemeye devam eder. Şebekede herhangi bir arzulanmayan durum söz konusu olmadığı sürece, doğrultucunun, invertörü besleme görevi yanında bir diğer görevi de, akü gurubunu şarj etmek ve şarjlı tutmaktır.
Daha ayrıntılı bir kesintisiz güç kaynağı şekil 2.2'de görülmektedir. [4]

Şekil 2.2. Kesintisiz güç kaynağının ana birimleri</IMG>
Sistemin daha ayrıntılı olarak gösterildiği bu şekilde, normal olarak yük statik geçiş anahtarı üzerinden şebekeye bağlıdır. Şebekedeki kesilme ya da kalitedeki bozulma durumunda bu anahtar açılır. Bu durumda devrede daha önce tampon olarak bulunan akü grubu invertör için gerekli olan d.c. gerilimi sağlar. İnvertör d.c. gerilimi kıyarak sinüsoidal bir gerilim üretir. Bu gerilim, harmonik bozunumu süzgeç yardımıyla makul bir seviyeye getirildikten sonra, çıkışta gerekli gerilim seviyesini sağlayacak olan transformatör üzerinden yüke verilir.
Bu sistem oldukça teferruatlı olarak düşünülmüş teorik bir devre olup, uygulamada çeşitli nedenlerle bazı sınırlamalara gidilmektedir. Şöyle ki; kesintilerin kısa süreli olacağı kabul edilerek jeneratör genellikle kullanılmaz. Ya da şebekenin sürekli sorun çıkardığı durumlarda statik geçiş anahtarı bulunmayabilir. Böylece olay, şebeke gerilimini doğrultup süzerek bir d.a. gerilim ve bunu kullanarak harmonik bozunumu az olan bir a.c. gerilim üretmek olarak iki kısma indirgenebilir.
2.2. Bir Kesintisiz Güç Kaynağından Beklenen Özellikler
Bir kesintisiz güç kaynağında bulunması arzu edilen en önemli özellikler şöyle sıralanabilir [3] :
a) Gerilim Regülasyonu: En kötü şartlarda bile ±%2 dolaylarında olması istenir.
b) Frekans Kararlılığı: Normal çalşma durumunda şebeke frekansının normal sınırlar içinde olduğu durumda K.G.K. sisteminin frekansı ile aynı olmalıdır ve aynı evrede kilitlenmiş olmalıdır.
c) Çıkış Gerilimi Dalga Şekli: Çıkış geriliminin dalga şekli ideal sinüse mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Yani K.G.K. çıkışında şebeke frekansının temel harmoniğinin dışında yüksek harmoniklerin bulunması önemle istenen bir özelliktir.
d) Verim: Verimin düşük olması toplam çekilen enerjinin bir kısmının ısı enerjisi olarak tüketilmesi anlamına gelmektedir. Hatta, bu takdirde gereksiz enerji tüketimi bir tarafa, sistemin bulunduğu ortam ısınacağından ek soğutma önlemleri dahi gerekebilir. Günümüzde üretilen cihazlarda verim %85-90 arasında değişmektedir.
e) Ani Yük Değişikliklerine Gösterilen Tepki: Bu konuda bir standart olmamakla beraber büyük üretici firmalarca (Siemens,BBC,SICE.vs) sistemin %50 lik yük değişikliklerine karşılık ± %10Vpp gerilim değişikliği göstererek, 50 milisaniye içinde ±%2Vpp değerine inmesi istenmektedir.
f) Aşırı Yüklenebilme Yeteneği: Yine bu konuda da bir standart olmamakla birlikte sistemin %120 yükte yaklaşık 10 dakika, %150 yük altında ise 10 saniye çalışması beklenmektedir.
2.3. Kesintisiz Güç Kaynaklarının Yapılarının İncelenmesi
2.3.1. İnvertör Kısmı
İnvertörler d.c.'ı istenilen bir gerilim ve frekansta a.a.'a dönüştürmekte kullanılan güç elektroniği devreleri olup, başlıca uygulama alanları ,
a. Kesintisiz güç kaynakları,
b. Değişken hızlı asenkron motor sürücü sistemleri,
c. Yedek güç kaynakları,
d. Uçaklarda güç kaynakları,
e. Yüksek gerilimde d.c. iletim sistemlerinin çıkış katı
f. Endüksiyon ısıtması
olarak sıralanabilir. [5]
Yarı iletken devre elemanlarının kullanım yaygınlaşmadan önce mekanik anahtarlamalı invertörler geliştirilmiştir. Şekil 2.3'de mekanik anahtarlamalı bir invertörün prensip şeması verilmiştir. Mekanik anahtarlamalı gerçekleştirilen invertörlerde yüksek güç değerlerine ulaşmak mümkün değildi. Ayrıca içindeki hareketli anahtarların aşınması ömürlerini sınırlamaktaydı.

Şekil 2.3. Mekanik anahtarlamalı invertör</IMG>
Yarı iletken devre elamanlarının gelişmesiyle mekanik anahtarların yerini transistörler almıştır. Şekil 2.4.'de transistör anahtarlamalı bir invetör devresi görülmektedir.

Şekil 2.4. Transistör anahtarlamalı invertör</IMG>
Bu anahtarlama devrelerinde transistörlerin (birbirlerine göre simetrik olarak) kesim ya da doyumda olmaları istenir. Transistörün kesimde kalabilmesi için bazına uygulanan gerilimin baz-emiter diyot düşümünden küçük olması yeterlidir. Bu durumda kaynak gerilimi transistör üzerine düşer. Transistörün iletime girebilmesi için bazına uygun seviyede bir akım uygulamak gereklidir. Doyum durumunda transistör üzerindeki gerilim düşmesi çok küçük olup, tüm kaynak gerilimi yüke uygulanır. [6]
Anahtarlama elamanı olarak FET kullanılan devreler için de benzer şeyler söylenebilir. Ancak FET' lerde denetim kapıya uygulanan gerilimle yapılmaktadır bu nedenle hem düşük güçlü sürme devreleri ile çalışabilmekte, hem de anahtarlama cevapları açısından transistörlere nazaran daha iyi özellikler göstermektedirler.
Transistörlü invertörlerde ulaşılabilecek güç de sınırlıdır. Oysa tristörlerle gerçekleştirilen invertörlerde oldukça yüksek güçlere erişilmektedir. Şekil 2.5.'de temel invertör devreleri görülmektedir. [7]

Şekil 2.5. Temel invertör devreleri</IMG>
Bilindiği gibi düz eğilimlenmiş olan tristörü tekrar susturabilmek için ek önlemlere gerek vardır. İletimdeki tristör gurubunun susturularak diğer gurubun devreye girmesi işlemine komütasyon denilmektedir.
Komütasyon, tristörlü invertörlerde çeşitli şekillerde sağlanmaktadır. Komütasyon şekillerine göre invertörler çeşitli sınıflara ayrılmaktadır. Bunları paralel kondansatör komütasyonlu, seri kondansatör komütasyonlu, harmonik komütasyonlu invertör şeklinde sıralabilir.
2.3.1.a. İnvertörlerde Gerilim Denetimi
İnvertörlerde çıkış geriliminin d.c. kaynak gerilimine oranının sürekli bir şekilde denetlenmesi, sık karşılaşılan bir ihtiyaçtır. Bu iş için en çok kullanılan yöntem, invertör çıkış geriliminin invertör içinde kontrol edilmesi şeklindedir. Bu da iki şekilde yapılabilmektedir: Darbe genişlik denetimi ve darbe genişlik modülasyonu (PWM).
1. Darbe Genişlik Denetimi: Şekil 2.5.-c'deki tek fazlı köprü invertör gözönüne alınırsa; tristörler şekil 2.6-a' da ki gibi iletime sokulmak yerine, şekil 2.6-b' deki gibi bir faz kayması yapılarak iletime sokulur. Böylece faz kaymasının büyüklüğüne göre çıkış geriliminin değeri değiştirilmiş olur.

Şekil 2.6. Darbe genişlik denetimi ile invertör çıkış geriliminin değiştirilmesi</IMG>
2. Darbe Genişlik Modülasyonu(PWM): En çok kullanılan yöntemdir. Bu yöntemde her bir yarım çevrimde belirli sayıda anahtarlama yapılmaktadır. Başka bir ifadeyle invertör çıkış gerilimi, anahtarlama elamanının (transistör, FET veya tristör) iletimde olduğu sürenin tıkamada olduğu süreye oranının değiştirilmesi ile denetlenmektedir.

Şekil 2.7. Darbe genişlik modülasyonlu işaretin elde edilişi</IMG>
Anahtarlama elamanlarının tetikleme anlarını belirleyebilmek ve eş zamanlamayı sağlayabilmek için şekil 2.7 'deki yöntem kullanılır. Şekilde de görüldüğü gibi çıkış geriliminin seviyesini ne frekansını belirleyecek bir sinüs referans işareti, bir üçgen dalga darbe dizisi ile karşılaştırılabilir. Kesim noktaları anahtarlama elamanının tetikleme anlarını belirler. Çıkış geriliminin seviyesi referans sinüsünün genliğine bağlıdır. Çıkış frekansı da yine bu referans işaretin frekansı ile denetlenir. [8]
PWM bir dalganın harmonik (fourier) çözümlenmesi yapıldığında hem temel bileşen hem de harmonikler için şekil 2.7'deki tetikleme açıları (µ) cinsinden bir takım eşitlikler elde edilir. Bu eşitlikleri kullanarak gerilimi ve harmonikleri denetlemek mümkündür.
Kesintisiz güç kaynaklarında çıkış gerilimindeki harmonik bozunumların en aza indirilmesi çok önemlidir. Bunu gerçekleştirmek için çıkışta kullanılan süzgecin köşe frekansı gerilimde varolan en düşük numaralı harmonik frekansından daha düşük bir yerde seçilmelidir. [4]
Bu nedenle tetikleme açıları, temel bileşenin değerini belirlemek ve bir takım alt harmonikleri sıfıra eşitlemek için kullanılır. Problem, matematiksel olarak doğrusal olmayan denklem dizgesinin çözümü olarak ortaya konulabilir. Çeyrek çevrimdeki açı sayısı gerilim denetimi yapabilmek için yok edilmek istenen harmonik sayısından bir fazla tutulmalıdır. [9]
Ne kadar çok sayıda tetikleme açısı kullanılırsa çıkışta bulunan a.a. süzgecin köşe frekansı o kadar yukarı çıkar ve boyutları küçülür. Ancak çok sayıda tetikleme, anahtarlama kayıplarının büyük olmasına neden olacağı gibi, çözümleme sonucu ortaya çıkan çok dar darbeleri elde etmekte de güçlükler çıkabilir. Bu durum anahtarlama elamanlarını gündeme getirmektedir.
İnvertörlerde günümüzde genellikle 4-5KVA güçlere kadar FET, 40-50KVA güçlere kadar bipolar transistörler ve daha yüksek güçlerde de tristörlerin kullanılması uygun mütalaa edilmektedir. Bugün yapılan PWM dalga üreteçleri; bir LSI (Yüksek Ölçekli Tümleşik Devre) olabildiği gibi mikroişlemci denetimli ya da EPROM tabanlı bir üreteç de olabilir. [10]
2.3.2. Doğrultucu
Şebeke ile invertör arasında yer alan doğrultucu ve akü doldurucu ünite, invertör ve akü için gerekli olan kontrollü d.c. gerilimi sağlar. Sağlanan gerilimin kontrollü olmasının istenmesi nedeni de, akü dolma akımının belirsiz değil de, sabit bir değerde tutulması mecburiyetidir.
Kontrollü doğrultucu-doldurucular transistörler, FET yada tristörlü olabilmektedir. Transistör kontrollü doğrultucu şekil 2.8'deki gibi tasarlanabilmektedir.

Şekil 2.8. Transistör kontrollü doğrultucu</IMG>
Bir çok tasarım uygulamalarında transistör anahtarlama modunda çalıştırılmaktadır. Hatta MOSFET'ler çok daha yüksek frekanslarda çalışabildiğinden ve diğer çalışma özelliklerinin daha uygun olmasından dolayı tercih edilmektedir.
Kontrollü doğrultucu-doldurucularda tristörler, güç transistörlerinin akım-gerilim sınırlarını aşan uygulamalarda zorunlu olarak tercih edilmektedir. Şekil 2.9'da tristör kontrollü doğrultucu gösterilmiştir.

Şekil 2.9. Tristör kontrollü doğrultucu</IMG>
2.3.3. Geçiş Anahtarı
Kesintisiz güç kaynağının "sürekli çalışması" yerine, sadece geriliminin kesilmesi halinde geçiş anahtarı üzerinden şebekeye bağlanmaktadır. Bu durumda doğrultucu ve invertör devre dışı haldedir. Şebekedeki meydana gelebilecek kesintilerde, geçiş anahtarı yükü invertör çıkışına aktarmaktadır. [3] Şekil 2.10'da geçiş anahtarlı kesintisiz güç kaynağının blok diyagramı verilmiştir.
Geçiş anahtarları; elektromekanik anahtarlar ya da statik geçiş anahtarları olmak üzere iki ayrı türde tasarlanmaktadır. Elektromekanik anahtarlarda minumum geçiş süresinin 50 milisaniye olması ve bu sürenin bir yük için çok uzun olması nedeniyle genellikle tercih edilmemektedir. Statik geçiş anahtarlarında ise bu süre 2-3 milisaniye civarına inebilmektedir.
Ancak anahtarlama süresinin kısaldığı oranda da sistem daha karmaşık bir hal almakta ve maliyet artmaktadır.

Şekil 2.10. Geçiş anahtarlı KGK blok diyagramı</IMG>
Şebeke geriliminin kesilmesi durumunda 20 milisaniye içinde yükü şebekeden invertör çıkışına aktaran ve geçişin hızlı role ile gerçekleştirildiği bir elektronik kumanda devresi şekil 2.11'de verilmiştir. [11]

Şekil 2.11. Basit bir elektro-mekanik geçiş anahtarının prensip şeması</IMG>

Hazırlayan Oğuzhan Yetişen