Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK) endüstriyel ve ticari işletmelerde bilgi işleme/bilgi saklama amacıyla kullanılan ve kritik yük olarak nitelendirilen yükleri AC güç şebekesinde ortaya çıkan elektrik güç kalitesi ile ilgili problemlere karşı korumak amacıyla geliştirilmiş güç elektroniği temelli cihazlardır. Teknolojileri artık olgunlaşmış olan KGK cihazlarından çevre dostu bir çalışma sergilemesi beklenir. KGK cihazı kritik yükler için güç korumasını öngörülen çıkış performans değerleriyle sunarken çevre dostu çalışmayı temelde iki şekilde sağlayabilir: 1- KGK’nın ısıl güç kayıpları düşük, diğer bir deyişle toplam verimi yüksek olmalıdır, 2- KGK, beslendiği AC güç kaynağından elektrik güç kalitesi yüksek olan bir güç çekmelidir.

Bu makalede öncelikle KGK’ların temel çalışma prensibinden bahsedilecek, ardından çevre dostu KGK veya yeşil KGK olarak anılan KGK cihazlarının verim ve giriş yanı ile ilgili üstün özellikleri örnek bir KGK cihazının değerleri aracılığıyla sunulacaktır

Giriş Güç Performansı

KGK’lar, elektrik kesintisinin de içinde yer aldığı şebekede ortaya çıkan güç kalitesi ile ilgili problemlerden besledikleri kritik yükü izole ederler. Bu doğrultuda öncelikle AC güç şebekesinden çekilen AC giriş gücünü girişinde yer alan doğrultucu yardımıyla DC güce dönüştürür. Bu DC güç KGK sisteminde yedek elektrik enerji deposu olarak kullanılan aküleri tampon şarj altında tutar ve aynı zamanda evirici güç devresinin giriş güç beslemesini oluşturur. Kullanılan akü sayısının belirlediği DC ara devre gücü çıkış güç katı olarak kullanılan evirici yardımıyla bu kez kritik yükün beslenmesi için gerekli olan AC güce dönüştürülür. Çift güç dönüşümü (double conversion) ile oluşturulan KGK’nın çıkışındaki AC güç, gerilim etkin değeri ve frekans değişimi çok dar aralıkta kalan, kararlılığı ve regülasyon hızı son derece iyi olan bir güçtür. Yük uçlarına uygulanan gerilimin THD değeri lineer yükler için %1; lineer olmayan CF=3:1 (CF, Crest Factor) yükler için ise %3-4 seviyelerindedir. Geleneksel KGK’ların prensip şeması Şekil 1’de verilmiştir.
 

Güç yapısı Şekil 1’de sunulan KGK, doğrultucu devresinde yer alan tristör yarı iletken elemanlarının sabit DC ara devre gerilimi oluşturmak amacıyla sıfırdan farklı açılarda tetiklenmesi sonucu AC güç şebekesi tarafında elektrik güç kalitesi ile ilgili ciddi problemler oluşturur. Tristörün tetiklenip iletime girdiği anda kaynaktan çekilmeye başlayan giriş akımı kaynak empedansına ve yük akımı genliğine bağlı olarak süreksiz olabilir. Belli çalışma koşullarında akım dalga şekli sürekli olsa bile kaynak gerilimininki gibi sinüzoidal değildir. Temel frekansın (50Hz) dışında 5, 7, 11, 13 vd. gibi harmonik frekansları içermektedir. Akım süreksizliği ve sinüzoidalden farklı olan akım dalga şekli, akım için tanımlanan harmonik distorsiyonunu artıran faktörlerdir. Akım harmonikleri, sonlu değere sahip olan Xs kaynak empedansında ek gerilim düşümleri oluştururlar. Diğer tüketicilerin beslendikleri ortak kuplaj noktasında (PCC, Point of Common Coupling), kaynak empedansının çok düşük olmaması halinde gerilim dalga şeklinin de distorsiyona uğramasına neden olurlar. Üç fazlı tristör doğrultucunun kaynak akımı THD (Toplam Harmonik Distorsiyonu) değeri %33-35 mertebelerindedir. Oldukça yüksek olan bu THD değeri nedeniyle besleme transformatöründe ve besleme hattı üzerinde yer alan kayıplı elemanlarda güç kayıpları artar; ortak besleme barasındaki gerilimin dalga şekli bozulur; sistemin kullanım kapasitesi azalır; elektrik kesintisi sırasında kullanılacak dizel jeneratörün gücü yükselir; öngörülmeyen ve istenmeyen hata oluşumları nedeniyle sistemler kesintiye uğrayabilir. Distorsiyon akımının yanında akım dalga şeklinin neden olduğu diğer bir güç kalite problemi de kaynaktan değeri yüksek reaktif güçlerin çekilmesidir. Kaynaktan çekilen sanal güç (S), aktif (P) ve reaktif (Q) olmak üzere iki bileşenden oluşur.

    S= P + jQ    S2=P2 + Q2

Güç Faktörü (PF), kaynaktan çekilen toplam gücün ne kadarlık kısmının faydalı güç bileşeninden oluştuğunu gösteren bir değerdir.

    PF= P/S

İdeal durumda PF=1 olması halinde kaynaktan çekilen S görünür gücünün tümü P aktif güç bileşeninden oluşur. Güç faktörünü iki bileşen belirler: Distorsiyon Faktörü (DisF) ve Yer Değiştirme Faktörü (cosφ). PF değerinin 1 olması için bu iki bileşenin değerlerinin ayrı ayrı 1 olması gerekir.

    DisF= I1rms / Irms
    S= Vrms x Irms
    P= Vrms x I1rms x cosφ
    PF= P/S= (Vrms x I1rms x cosφ)/(Vrms x Irms)= (I1rms/Irms) x cosφ = DisF x cosφ
    PF= DisF  x cosφ

Distorsiyon Faktörü,  KGK’nın ideal bir sinüzoidal gerilim kaynağından çektiği akımın ne denli sinüzoidal forma yakın olduğunu gösterir. Değerinin 1 olması durumunda akım dalga şekli saf sinüzoidaldir. Öte yandan Yer Değiştirme Faktörü gerilim dalga şekli ile temel frekanstaki (50Hz) akım dalga şekli arasındaki faz açısının kosinüs (cos) değeridir. Aynı fazda olan bu iki elektriksel değişim için faz açısı 0˚; cos (0˚)=1’dir. Q= S x sin(0˚)=0 olacağından kaynaktan Q reaktif gücü çekilmez; çekilen tüm güç faydalı aktif güçten oluşur.