Çevre Dostu Kesintisiz Güç Kaynakları

KGK Verimi

KGK verimi, nominal giriş ve nominal çıkış geriliminde, KGK’nın tam güç kapasitesinde kullanılması halinde çıkış aktif gücünün giriş aktif gücüne oranı şeklinde tanımlanır.

    Ƞ=Pçıkış / Pgiriş

Güç elektroniği devrelerinin yer aldığı KGK cihazlarında güç kaybı kablolarda, transformatör ve bobin sargılarında, kondansatörlerde ve bizzat yarı iletken elemanlarında ortaya çıkar. Kayıp elemanlarında açığa çıkan güç kaybı,

    P= R x I2

bağıntısı ile tanımlanır ve birimi W (Watt)’ dır. I, AC devrelerde akımın etkin (rms); DC devrelerde ise ortalama değeridir. R, pasif kayıp devre elemanıdır. KGK’ların verimini azaltan diğer güç kayıpları tristör, tranzistör gibi anahtarlama elemanlarının iletimde ve kesimde kaldıkları sürede ve çalışma frekansına bağlı olarak kaybın çok arttığı akım komütasyonları sırasında ortaya çıkar. Anahtarlama frekansı kayıpları iletim ve kesim kayıplarına göre oldukça yüksektir. Son nesil yarı iletken elemanların iletimde oldukları ve yük akımını taşıdıkları sırada Ron direncinin çok düşük, kesime girdikleri ve yük akımını taşımadıkları ancak kaynak gerilimini bloke ettikleri sırada ise Roff dirençlerinin çok yüksek olması nedeniyle iletim ve kesim kayıpları, anahtarlama kayıplarına göre ihmal edilecek kadar küçüktür. Yarı iletken elemanın baskın olan güç kaybı anahtarlama kaybıdır. Yukarıda verilen bağıntıdan da görüleceği üzere KGK cihazlarında elektrik güç kaybını azaltmanın en etkin yolu R değerini düşürmek ve anahtarlama güç kaybını azaltmaktır.

Çevre Dostu KGK

Elektrik şebekesine daha az zarar veren, şebekenin güç kapasitesini gereksiz şekilde kullanmayan yeşil KGK konsepti özellikle son zamanlarda yaygın olarak gündeme gelmeye başlamıştır. Bu yapıdaki KGK’larda şebekeden çekilen elektrik gücünde iyileştirmeler sağlanırken, verim değerlerinde de %96-97 seviyelerine ulaşılabilmiştir. Çevre dostu böyle bir üç fazlı KGK’nın doğrultucu güç devresi şeması ile kaynak tarafı elektriksel büyüklükleri aşağıda verilmiştir (Şekil 2).               

Doğrultucu Güç Devresi Şemaso

Doğrultucu Güç Devresi Şeması

Kaynak Gerilimi  ve Kaynak Akımı

Kaynak gerilimi vs ve kaynak akımı is

Geleneksel KGK’larla karşılaştırıldığında, bu KGK’ların en önemli farkı giriş doğrultucusunun, giriş akımı kontrol edilecek şekilde aktif olarak kontrol edilmesi ve evirici çıkışında bir transformatörün yer almamasıdır. Doğrultucu güç katında yüksek frekanslarda sürülen IGBT elemanları; doğrultucu girişinde ise güç devresinin boost konvertör olarak çalışabilmesini mümkün kılan şok bobinler (Ls) yer almaktadır. Şekil 2a’da verilen doğrultucu güç devresinde DC ara devre gerilimi (Vo) öngörülen (Voref) gerilimi ile karşılaştırılır. Voref gerilimi, doğrultucunun boost konvertör olarak PWM modunda çalışıp giriş güç kalitesini düzeltmeye yetecek kadar büyük bir değerdedir. Karşılaştırılan iki değer arasındaki fark (e) sıfır olacak şekilde PWM kontrol bloku üzerinden IGBT elemanları sürülür. IGBT yarıiletken elemanların sürülmesi sırasında şebekeden çekilen akımın şebeke gerilimini izlemesi sağlanır. Tunçmatik A.Ş. firmasının üç fazlı güç koruma çözümü olarak sunduğu HiTech Pro KGK’nın bu yapıya sahip olan doğrultucu devresi, KGK çıkışında standart yüklerle beraber regeneratif yüklerin de kullanılması halinde evirici modunda çalışarak DC ara devre geriliminin yükselmesine neden olan elektrik enerjisini bağlı olduğu AC güç şebekesine geri gönderir. Bu iki yönlü çalışma şekli (hem doğrultma, hem de evirme modu) DC ara devre geriliminin hem aşırı yükselmesini önlemekte, hem de elektrik enerjisi tasarrufu sağlamaktadır. Çevre dostu KGK’ların nominal DC ara devre gerilimi geleneksel KGK’lardakinden yüksektir ve değeri 750-850Vdc arasındadır. Giriş akımı dalga şeklinde güç harmonikleri yer almamakta, harmonik içeriğini sadece anahtarlama frekansındaki düşük genlikli yüksek mertebeden harmonikler oluşturmaktadır (Şekil 2b). Bu harmonikler ise yüksek frekanslara ayarlanmış pasif LC filtreler ile bastırılabilmektedir. HiTech Pro KGK cihazında nominal yük koşullarında (%100 yük) giriş akımı THD değeri <%1; %10 yükte <%5’dir. Giriş güç faktörü değeri ise geniş bir yük aralığı için >%99’dur (Şekil 3). KGK’ların çoğunlukla %50-80 yük değerlerinde çalıştığı dikkate alınacak olursa birim giriş güç faktörlü çalışma sergileyen HiTech Pro KGK cihazı bağlı olduğu şebekeden reaktif güç çekmeyecektir.
 

Giriş Güç Faktörü

Giriş güç faktörünün yük ile değişimi (HiTech Pro KGK için)

KGK sisteminin toplam veriminin de, giriş güç faktöründe olduğu gibi geniş bir yük aralığında yüksek olması beklenir. HiTech Pro KGK %50-100 yük aralığında %95 verim değeri sergilemektedir (Şekil 4).
 

Tipik Sistem Verimi

KGK sistem veriminin yük ile değişimi (HiTech Pro için)

Sonuç

KGK’lar endüstriyel ve ticari kritik uygulamalardaki artışla önemi daha da artan güç koruma çözümleridir. Besledikleri hassas yükleri şebekenin olumsuz etkilerinden korurken bağlı oldukları şebekeyi olumsuz yönde etkilememeleri beklenir. Bu makalede geleneksel on-line KGK cihazlarının şebekede neden olduğu temel güç kalitesi problemlerine değinilmiş; bu sorunları ortadan kaldıran teknolojik gelişme ve sonuçları çevre dostu örnek bir KGK üzerinden anlatılmıştır.

Yazar Hakkında: Makalenin yazarı Dr. Vehbi BÖLAT’ın özgeçmişi ve çalışmaları hakkında ayrıntılı bilgiye www.vehbibolatdanismanlik.com adresinden ulaşabilirsiniz.

2 Yorum

Bir cevap yazın