Kesintisiz Güç Kaynağı (UPS - KGK) Seçiminde Dikkat Edilecek Hususlar (Rehber)

Yorumlar

Dr. Vehbi Bölat

Haber Editörü

Kesintisiz Güç Kaynağı (KGK) Seçiminde Dikkat Edilecek Hususlar

Dr. Vehbi BÖLAT, TUNÇMATİK A.Ş.

Bilişim sektöründe ve sanayide Kesintisiz Güç Kaynak'larına (KGK) olan ihtiyaç ve beklentiler yüksektir. İşletmelerin otomasyon ile artan üretim kapasiteleri ve kişisel bilgisayarlar ile sunucuların oluşturduğu bilişim altyapısı KGK kullanımını neredeyse bir zorunluluk haline getirmiştir. Bilgiişlem ortamında işlenen bilgilerin kesintiye uğraması işletmeleri önemli finanslar zararlara uğratmaktadır. Güç koruması amacıyla kullanılan KGK'lar sadece elektrik kesintisinde bilgisayar ve benzeri kritik yükleri beslemekle kalmaz, aynı zamanda şebeke enerjisi mevcut iken bu yüklerin, frekansı ve gerilimi regüle edilmiş, son derece kararlı bir AC güç ile beslenmesini sağlar.

Kullanıcılar açısından kritik yüklerini besleyecek en uygun KGK'nın seçimi bu noktada önem kazanmaktadır. Bu yazıda katma değerin daha fazla olduğu özellikle üç fazlı ve yüksek güçlü KGK seçiminizde size yardımcı olacak bazı önemli tavsiyelerde bulunulacaktır. Bu tavsiyeler KGK'nın giriş, çıkış ve akü besleme ara devresi için özetlenecektir.

Teknolojik yararlar öncelikle gözetilecek şekilde seçim kriterleri aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

Düşük Giriş Akım Harmonik Distorsiyonu: KGK'nın beslendiği gerilim kaynağından, örn. şebekeden, çekeceği akımın ne kadar sinüzoidal forma yakın olduğunun bir ölçüsüdür. Bu değerin çok düşük olması beklenir. Harmonik içeriği yüksek akımlar harmonik güç kayıplarını ve harmonik gerilim düşümlerini artırır; ana besleme panosunda, aynı panodan beslenen diğer yükleri olumsuz yönde etkileyecek gerilim çentiklerinin (voltage notches) oluşmasına neden olur; k-faktörü düşük transformatörlerde aşırı ısınmalar ve kayıplar oluşturur; kabloların, giriş devre kesicilerin, standby generatörün akım kapasitelerinin daha yüksek seçilmesini zorunlu kılar. Tristörlü doğrultucuların yer aldığı önceki nesil KGK teknolojilerinde giriş THDi (Giriş Akımı Toplam Harmonik Distorsiyonu) değeri %33-35 mertebelerinde iken, doğrultucu yapısında IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) yarı iletken elemanların kullanılmasıyla bu değer günümüzde %3-5'lere kadar inmiştir.

THDi değeri ara çözümlerle, örneğin 12-darbeli KGK kullanıldığında ancak %10'lara; 12-darbeli bir KGK'da 11. akım harmonik filtresi kullanılırsa %5-6'lara kadar düşürülebilmektedir. Ara çözümlerin getirdiği yüksek maliyet, azalan güvenilirlik, ağırlık, kaplanan alan ve bakım ihtiyacındaki artış bu çözümlerin cazip olmasını önlemektedir. Yarıiletken teknolojisindeki gelişme ve IGBT üretim maliyetlerindeki düşüş sayesinde günümüzde artık tek ünitede 800 kVA'lık IGBT doğrultuculu KGK güç korumasına rahatlıkla ulaşılabilmektedir.

Sonuç olarak, özellikle besleme kaynağınız yeterli değilse seçeceğiniz KGK'nın %3-5 seviyelerinde bir THDi değerine sahip olduğundan emin olmalısınız.

Yüksek Giriş Güç Faktörü: Kullanılan yüklerin önemli bir kısmı şebekeden aktif gücün yanı sıra reaktif güç de çeker. İşletmelerde kullanılan eski teknolojilerle donatılmış motor hız kontrol üniteleri ve KGK'lar, akü şarj üniteleri gibi güç elektroniği temelli devreler bu yük grubunun içinde yer alır. Üretimde yararlanılmayan, ancak şebekeden çekildiği için belli bir parasal bedel ödenmek zorunda kalınan reaktif güç tüketimi olabildiğince azaltılmalı, mümkünse şebekeden bu güç bileşeni çekilmemelidir. Bunun KGK tipi cihazların teknik verilerindeki karşılığı giriş güç faktörü değerinin 1'e yakın olmasıdır. İdeal durumda birim güç faktörü iki koşulun aynı anda gerçekleşmesi ile sağlanır: 1-KGK'nın AC güç kaynağından çektiği akımın dalga şekli, bu güç kaynağının gerilim dalga şekli ile aynı formda, yani sinüzoidal olmalıdır, 2- KGK'nın AC güç kaynağından çektiği sinüzoidal akım, bu güç kaynağının gerilimi ile aynı fazda olmalıdır. Yukarda verilen şekilde KGK'nın giriş gerilimi ile giriş akımı bu iki koşulu birlikte sağlamaktadır. Genellikle IGBT doğrultuculu KGK'lar ilk maddede yer alan düşük THDi değerinin yanı sıra bu koşulu da karşılamaktadır.

Güç faktörü değeri 1'e çok yakın olan, örneğin 0.97-0.99 aralığında kalan giriş güç faktörlü bir KGK'yı seçmek sizi gereksiz reaktif güç bedeli ödemekten kurtaracak, edeceğiniz tasarruf özellikle yüksek güçlerde oldukça kayda değer olacaktır.

Geniş Giriş Gerilim Çalışma Aralığı: AC şebeke geriliminin gün içinde çok fazla değiştiği veya KGK'nın beslendiği kaynağın geriliminin, çekilen yüksek akımlar nedeniyle fazla düştüğü çalışma durumlarında KGK doğrultucusu çalışmayabilir ve yükün ihtiyacı olan güç aküden sağlanır. Ancak fazla sayıda yaşanması halinde bu istenmeyen bir çalışma şeklidir. Sıklıkla devreye giren, diğer bir deyişle fazla sayıda şarj/deşarj döngüsü sergileyen akünün ömür beklentisi hızla düşer.

İşletmenin beslendiği AC şebeke gerilimi anma etkin değeri 380V+/- %10-15 ise zaten hassas kritik yükleri doğrudan bu gerilim ile beslemek risklidir. Seçilecek KGK cihazının karşılaşılan en düşük (örn. -%20) ve en yüksek (örn. +%10) şebeke gerilim değerlerinde bile doğrultucusunun çalıştığından emin olunmalıdır.

Gelişmiş Akü Yönetimi: Aküler KGK sisteminde en az KGK cihazının kendisi kadar önemli bir bileşendir. Elektrik kesintisi veya şebeke geriliminin çalışma aralığının dışına çıkması durumunda yükün ihtiyacı olan elektriksel enerjiyi aküler karşılar. Akülerin çalışma koşullarını sürekli izleyecek ve ömrünü kısaltacak durumlar ortaya çıktığında gerekli tedbirleri hızla alacak gelişmiş bir akü yönetiminin KGK sisteminde yer alması son derece önemlidir. Böyle bir akü yönetimi aküleri aşırı şarj ve aşırı deşarjdan koruyacak, akü ortam sıcaklığının artması halinde sıcaklık kompanzasyonlu şarj ile aküleri daha düşük bir akü gerilimi ile şarj edecek, akülerin önceden programlanarak otomatik veya manuel olarak test edilmesine imkan tanıyacaktır.

Sonuç olarak, akü ömrünü artıracak ve KGK sisteminin güvenilirliğini sürdürecek gelişmiş bir akü yönetimi KGK seçerken mutlaka göz önüne alınması gereken bir özelliktir.

Çıkış İzolasyonu: Evirici anahtarlama elemanlarının kısa devre olması veya yanlış zamanlamayla anahtarlanması DC akü geriliminin kritik AC yüklere uygulanmasına ve bu yüklerin ciddi şekilde zarar görmesine neden olacaktır. Evirici çıkışında yer alacak bir izolasyon transformatörü böyle bir arızada yükü KGK'dan tamamen izole edecek ve göstereceği çok düşük empedansla seçici korumaların çalışmasını sağlayacaktır. Galvanik izolasyon transformatörünün yer almadığı KGK sistemlerinde söz konusu koruma için sadece elektronik korumaya güvenilir. Ancak bu koruma tek başına yeterli olmayabilir. En güvenilir şekli, hem evirici izolasyon transformatörünün hem de elektronik esaslı korumanın yer aldığı KGK sistemleri kullanmaktır.

Bununla beraber, söz konusu transformatör yük için nötr izolasyonu sağlamaz. Nötr izolasyonu her uygulama için bir zorunluluk değildir. Bir çok işletmede nötr izolasyonunun yer almadığı KGK sistemleri yıllar boyunca sorunsuz bir şekilde kullanılmaktadır. Nötr hattı için galvanik izolasyon, bypass hattına yerleştirilecek ve on-line çalışma sırasında üzerinden bir akım akmayacağı için sistemin toplam verimini düşürmeyecek bir bypass izolasyon transformatörü ile sağlanabilir. Öte yandan doğrultucu tarafında kullanılacak bir galvanik izolasyon transformatörü, sistemin normal çalışması sırasında akım taşıyacağından sistemin verimini olumsuz yönde etkileyecektir.

Özetle, DC ara devre gerilimini çıkış yüklerinden izole edecek bir evirici çıkış transformatörü sistemde standart olarak yer almalıdır. Bunun yanı sıra ancak uygulama kullanılmasını gerektiriyorsa, nötr hattı bir izolasyon transformatörü ile izole edilmelidir. Uygulamanın gerektirmediği hallerde nötr izolasyonu için transformatöre yapılacak yatırım cihaz ve işletme maliyetlerini artıracaktır.

Sistem Verimi: KGK sistemleri çoğunlukla anma kapasitelerinin altında çalışır. Ürünün teknik değer tablosunda KGK toplam verimi genellikle tam yük için tanımlanır. KGK cihazı %50 yüke kadar inen yüklenme durumlarında da %90'ın üstünde bir verim değeri sergileyebilmelidir. KGK çıkış aktif gücünün, KGK giriş aktif gücüne oranı olarak tanımlanan KGK AC-AC verimi ne kadar yüksek ise cihazda açığa çıkan ısıl güç kayıpları o denli düşük olur. Yüksek verimli bir KGK, tüketilen elektrik enerjisi ve klima maliyetlerini düşürür.

KGK seçiminde en uygun yaklaşım, KGK üzerinden beslenecek yükün %10-20 fazlası bir güç değerine sahip KGK seçmektir. Ancak bu KGK, anma gücünün altında, örneğin %50 yükte bile çalıştığında %90 üzeri bir verim sergileyebilmelidir.

ECO Modu: İşletmede şebeke gerilimi ile aynı elektriksel özelliklere sahip ayrı bir gerilim kaynağı mevcutsa, kritik yükler KGK sisteminin normal çalışması esnasında bu kaynaktan ve bypass üzerinden beslenebilir. KGK tarafından sürekli izlenen bu alternatif kaynağın çalışma sınırları dışına çıkması halinde evirici devreye girer ve kritik yükleri besler.

Yukarıda sıralanan maddeler kadar seçimi belirleyecek önemde bir kriter olmasa da, işletmede güvenilir bir yedek AC gerilim kaynağı mevcutsa, kullanıcı tercihine bağlı olarak bu özellik de dikkate alınabilir.

Yük Uyumluluğu: KGK sistemlerinin en yaygın kullanım alanı bilgisayar yükleridir. Girişinde güç faktörü düzeltme devresi yer almayan bilgisayar güç kaynaklarının giriş güç faktörü 0.6-0.7 civarındadır. Tipik KGK cihazları bu yükleri sorunsuz bir şekilde besler. Ancak yeni nesil sunucular ve bu altyapıda yer alan kişisel bilgisayarlar aşağıdaki devre şemasında verildiği gibi giriş güç faktörü düzeltme devresine sahiptir. Bu tip yükler 0.9 kapasitif yük davranışı sergilerler.

Seçilecek KGK cihazından, diyagramda da gösterildiği üzere 0.9 kapasitif güç faktörlü bir yük beslendiğinde %100 aktif güç çekilebilmelidir.

Bu yazıda kullanıcıların doğru KGK'yı seçerken dikkate almaları gereken temel kriterleri sıralamaya çalıştım. Yazdıklarım üç fazlı KGK'lar için geçerlidir, fakat bir çoğu bir fazlı KGK'lara da uygulanabilir. Şüphesiz bir KGK'nın haberleşme ve elektriksel dinamik davranış ile ilgili başka kriterleri de bulunmaktadır. Fakat nihai kullanıcıya getireceği fayda ve tasarruf açısından yukarıda belirtilen maddeler ön plana çıkmaktadır. Detaylı bilgi almak isteyen okuyucu vbolat@gmail.com adresinden kendisine ulaşabilir.