KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI VE BİR ÖRNEK

Cemil ARIKAN Behçet SARIBATIR

ÖZET

Bu makalede son yıllarda bilgisayarların yaygınlaşmasına koşut olarak artan kaliteli kaynak gerersinimine çözüm olan kesintisiz güç kaynaklarının genel bir değerlendirilmesi yapılacaktır. Daha sonra bu tür kaynakların belli bir ba şarımı sağlayabilmesi için kullanılacak tasarım yöntemleri kısaca tartışılacak ve örnek olarak ASELSAN'da üretilen EPROM tabanlı ve Darbe Genişlik Modülasyonu (FWM) yöntemini kullanan 1 KVA'lık bir kesintisiz güç kaynağı (KGK 3450) tanıtılacaktır.

1. GİRİŞ

Bilindiği gibi tümleşik devre teknolojisindeki son geliş meler düşük maliyetle üstün becerili bilgisayarlar üretme ye olanak vermiştir. Bu nedenle bilgisayarlar yavaş yavaş günlük yaşamın ayrılmaz birer parçası durumuna gelme ye başlamışlardır. Bu durum, bu cihazların beslenmesi için gerekli olan kaynaklar sorununu gündeme getirmiş tir. Çünkü bu tür cihazlar kaynaktan gelen gerilim darbe ve kesintilerine karşı oldukça duyarlıdırlar. Böylece yal nız gerilim kesilmelerinde değil, gerilim değişmelerinde de bilgisayarların sağlıklı çalışmasını temin edecek (regü latör görevi görecek) güvenilir kesintisiz güç kaynakları nın tasarım ve üretimine ağırlık verilmiştir.

Kuşkusuz, sözü edilen bu kaynakların uygulama alanları yalnız bilgisayarlar değildir. Elektrik kesintisine taham mülü olmayan alarm cihazları, askerlik ve güvenlikle ilgili cihazlar ve yanlış çalıştığında büyük zararlara yol açabi lecek sanayi denetim cihazları kesintisiz güç kaynakları için birer uygulama alanıdır. Bunlardan başka bankalar da kullanılan ve müşteriye hizmet veren hesap makinalan ve haberleşmede büyük önemi olan teleks makinaları da bu tür kaynaklarla beslenmesi gereken cihazlardır.

Bugün yabana firmalar tarafından 300 KVA güce kadar kesintisiz güç kaynakları yapılmaktadır. Her güç düzeyin de (transistor, tristör gibi) değişik yan iletken türü ve ge rilim ve harmonik bozunumunun denetimi için değişik tasarım yöntemleri kullanılmaktadır. Ülkemizde bu tür kaynakların üretimi çok yenidir ve henüz yüksek güçler de seri üretim yapılabilmiş değildir.

2. KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAĞININ BİRİMLERİ

Kesintisiz bir güç kaynağı temel olarak dokuz ana birim den oluşmaktadır. Bunlar Şekil 1'de ayrıntılı olarak gös terilmiştir (1).

MM*

üreteç

/ —\

^*

• o/da ıvtrgtc

1 «kü f/ubu do ı<h»M

ı v^

j m

sulik g«i> anaMpn

1 pes{ tramlamMb

ŞEKİ L 1. Kesintisiz güç kaymamın ana birimleri.

Normal olarak yük statik geçiş anahtarı üzerinden şebe keye bağlıdır. Ancak gerilimde kesilme ya da kalitesinde bir bozulma olursa bu anahtar açı|jr. Bu durumda devre de daha önce tampon olarak bulunan akü grubu evirgeç için gerekli olan d.a gerilimi sağlar. Evirgeç d.c gerilimi

kıyarak sinüs ağırlıklı bir gerilim üretir. Bu gerilim, har monik bozunumu süzgeç yardımıyla kabul edilebilir bir duruma getirildikten sonra, çıkışta gerekli yalıtım ve ge rilim düzeyini sağlayacak olan transformatör üzerinden yüke verilir. Şekilde görülen süzgeç kesintinin uzun oldu ğu durumlarda devreye girerek enerji sağlamaya yarar. Y ukarıda anlatılan oldukça büyük bir dizgedir. Her kesin tisiz güç kaynağında tüm bu birimlerin bulunması gerek mez. Kesintilerin kısa süreli olduğu durumlarda üreteç kullanılmaz. Şebekenin sürekli sorunlar yarattığı uygula malarda statik geçiş anahtarı bulunmayabilir. Böylece olay şebeke gerilimini doğrultup süzerek bir da gerilim ve bunu kullanarak harmonik bozunumu az bir aa geri lim üretmek olarak iki kısma indirgenebilir.

ilk kısımda şebeke gerilimi genellikle denetimli bir çevir geç yardımıyla doğrultulur. Denetimli (tristörlü) bir çe virgecin kullanılma nedeni devrede tampon olarak bulu nan akü grubunun doldurma sırasında geriliminin değiş mesidir. Çevirgecin hem akülerin dolmasını sağlayacak akımı verebilecek hem de evirgeci besleyebilecek güçte olması gerekmektedir. Bu tür bir çevirgecin doğru akım motorlarının hız denetiminde kullanılan çevirgeçten bü yük ayrımı yoktur (2 ). Bu nedenle bu makalede üzerinde durulmayacaktır. ikinci kısımda da gerilim evirgeç tarafından uygun bir şekilde kıyılmakta ve süzgeç yardımıyla az harmonikli bir gerilim elde edilmektedir. Bu makalede özellikle bu konu üzerinde durulacaktır.

3. A.A. GERİLİMİN ELDE EDİLİŞİ

Bilindiği gibi evirgeçlerde güç elemanları belirli bir sıraya göre tetiklenerek yük üzerinde değişken bir gerilim elde edilmeye çalışılır (3 ). Şekil 2'de görülen köprü evirgeçte Tl ile T4 ve T2 ile T3 güç yarı iletken ikilileri sırayla te tiklenerek bu durum sağlanır.

oİ

ŞEKİL 2. Köprfl evirgeç

Çıkış gerilimindeki harmonik bozunumu azaltmak ve ge rilim denetimi yapabilmek için, özel gerilim dalga şekil

leri elde edilmeye uğraşılmaktadır. Bu tür özel dalga şe killeri Şekil 3'te görüldüğü gibi basamaklı ya da darbe genişlik modülasyonlu (PWM) olabilir. Bunlardan ilki bir den fazla evirgeç gerektirdiği için genel eğilim ikincisini üretecek devreler kullanmak yönündedir.

(a) Basamaklı gerilim dalga »ekil (b) Darba genişlik moddlatyonlu (PW M) gerilim dalga »ekil jınncıi.ırmn

ŞEKİ L 3. Evirgeç çık» dalga »ekil a) Basamaklı b)PW M

"PW M" bir dalganın harmonik (Fourier) çözümlemesi yapıldığında hem temel bileşen hem de harmonikler için Şekil 3i>'de görülen tetikteme açılan ( a ; ) cinsinden bir takım eşitlikler elde edilir. Bu eşitlikleri kullanarak geri limi ve harmoniklerini denetlemek mümkündür (4), (5). Asenkron motor denetiminde ve kesintisiz güç kaynağı uygulamalarında yaygın olarak kullanılan darbe genişlik modülasyonu yöntemi iki uygulamada birtakım ayrımlar gösterir. Motor denetiminde, gerilimin frekansa olan ora nını (v/f oranını) sabit tutabilmek için, frekans değiştik çe temel bileşen de aynı oranda değiştirilmeye çalışılır ken, makinada harmonik momentleri yaratacak akımla rın toplam etkin değerinin en düşük düzeyde kalması istenir (6 ). Bu nedenle tetikleme açıları kısıtlı bir en azla lama (constrained minimization) probleminin çözümün den elde olunurlar.

Kesintisiz güç kaynaklarında ise çıkış gerilimindeki har monik bozunumlarının en aza indirilmesi birinci dere cede öneme sahiptir. Bunu gerçekleştirebilmek için çı kışta kullanılan süzgecin köşe frekansı gerilimde varolan en düşük numaralı harmonik frekansından daha düşük bir yerde seçilmelidir. Bu nedenle tetikleme açılan te mel bileşenin değerini bellirlemek ve birtakım alt harmo nikleri sıfıra eşitlemek için kullanılır. Problem matema tiksel olarak doğrusal olmayan denklem dizgesinin çözü mü olarak konulabilir. Çeyrek çevrimdeki açı sayısı geri lim denetimi yapabilmek için yok, edilmek istenen har monik sayısından bir fazla tutulmalıdır (4 ), (5 ).

Ne kadar çok sayıda tetikleme açısı kullanılırsa çıkışta bulunan aa süzgecin köşe frekansı o kadar yukarı çıkar

ve boyutları küçülür. Bu regülasyonun ve evirgecin yük süz durumda çekeceği akımın küçük olacağı anlamına gelir. Ayrıca evirgecin sağlaması gereken reaktif güçte de azalma olur. Ancak çok sayıda tetikleme, anahtarlama kayıplarının büyük olmasına neden olacağı gibi, çözümle me sonucu ortaya çıkan çok dar darbeleri elde etmekte de güçlükler çıkabilir. Bu durum anahtarlama elemanla rını gündeme getirmektedir.

4. GÜÇ DEVRESİ: ANAHTARLAMA ELEMANLARI

Son yıllara kadar en çok bilinen anahtarlama elemanı tris tördür. Bu elemanın en büyük eksikliği evirgeç uygula malarında zoraki aktarım devreleri gerektirmesi ve gürül tüye karşı çok duyarlı olmasıdır. Bu nedenle anma değer leri henüz yetersiz olmakla birlikte bipolar transistörler ve FET'ler de anahtarlama elemanı olarak kullanılmaya başlanmıştır (7). Bu elemanlar anahtarlama özellikleri açısından da tristörlerden üstündür.

Bugün evirgeçlerde genellikle 4 5 KVA güçlere kadar FET'lerin 40 50 KVA güçlere kadar bipolar transistörle rin ve daha üst güçlerde tristörlerin kullanılabileceği bir aşamaya, ulaşılın ıştır.

FET'lerin anahtarlama süreleri 50 nanosaniyeye kadar düşebilmekte ve özellikle da/da (switch mode) güç kay naklarında kullanılmaktadır. Bipolar transistörler 3 5 mikrosaniye anahtarlama süreleriyle anma değerlerinin yeterli olduğu durumlarda kesintisiz güç kaynaklan için çok uygun görülmektedir. Kuşkusuz üst güçlerde tristör ler rakipsizdirler.

5. BİR ÖRNEK: 1 KVA GÜCÜNDE BİR KGK (KGK 3450)

Bölüm 2'de sözü edilen nedenlerden ötürü bu bölümde de yalnızca evirgeç ve a.a süzgeç üzerinde durulacaktır. Ger çekleştirilen evirgeç bir köprü evirgeç olup anahtarlama elemanı olarak General Electric firmasının D66EV7 tran sistörleri kullanılmıştır.

Bu transistörlerin anma değerleri 500 V, 50 A ve toplam anahtarlama süreleri bu uygulamada 5 mikrosaniye ka dardır. Bu anahtarlama süresinin dalga şekline etkisi ol maması için elde edilecek en dar darbenin genişliğinin bu süreden yeteri kadar büyük olması gereklidir. Bu uy gulamada her çevrimde 18 darbe (9 açı) kullanılmış ve en dar aralığın 75 mikrosaniye olduğu hesaplanmıştır. Dalga Analiz cihazı ile yapılan ölçmeler harmoniklerin hesaplanan ve ölçülen değerlerinin birbirine çok yakın olduğunu ve anahtarlama süresinin bu durumda dalga şeklini etkilemediğini ortaya koymuştur (Şekil 4 ve Şe kil 5).

ŞEKİL 4. Evirgeç çıkı» geriliminin yarı çevrimi

ŞEKİ L S. Kesintisiz güç kaynağı, çıkı* gerilimi dalga şekil a) Y oksuz b) Tam yükte

Uygulanan harmonik yok etme yönteminin sonucu ola rak çıkış dalga geriliminin ilk görülen harmoniğinin fre kansı 950 Hz.dir. Bu ve bundan sonraki harmoniklerin toplam etkin değerini her yük koşulunda (0,8 kap 0,8 end) yüzde beşin altında tutabilmek için kullanılan süz gecin köşe frekansı 250 Hz olarak seçilmiştir. Bu durum hem elemandan tasarruf sağlamış hem de doğal salınım frekansı kullanabilecek herhangi bir bobinden çok daha düşük olan transformatör sayesinde akustik gürültülü en aza indirilmiştir. Cihaz 43,2V ile 60V giriş gerilimleri arasında çalışabil mektedir. Bu, giriş geriliminde yüzde otuz dolaylarında değişim anlamına gelmektedir. Aynca yük bağlandığında süzgeç ve çıkış transformatörü üzerinde de birtakım geri lim düşümleri olacaktır. Bütün bu değişmeleri karşılamak için anahtarlama açılan temel bileşen değerini 0,60 ile 1 p.u arasında binde beş aralıklarla değiştirecek şekilde hesaplanmıştır. Gerilimden alınan geri besleme değerlen dirilerek hangi açı bilgisinde çalışılacağı elektronik man tık devresi tarafından kararlaştırılmaktadır. Gerilim bilgisi sinüs dalgasının doğrultulması ve bir RC süzgeçten geçirilmesi ile elde edilmiştir. Bu süzgeçte kul

lanılan eleman değerleri büyüdükçe kararlı durumdaki (statik) başarım düzelmekte buna karşın geçici koşullar daki (dinamik) başarım bozulmaktadır. Bu bakımdan ka rarlı durumdaki hatayı yüzde bir yapan süzgeç elemanları seçilmiş tüm geçici yük koşullarında bunun gerilimde en çok yüzde onluk bir hataya neden olduğu gözlenmiştir (Şekil 6 ).

ZPMftM lao

ŞEKİL 6. Kesintisiz güç kaynağının dinamik başarımı (Tam yak İçin)

Bu değerler (bugün için) kabul edilebilir sınırlarda ol makla birlikte daha hızlı bilgi alıp değerlendirebilen ve denetim elemanı olarak mikroişlemci kullanan devreler üzerinde araştırmalar sürdürülmektedir. Aşın akıma karşı koruma için akımdan da bilgi alınmaktadır. Ancak akım bilgisi kısa devreye karşı korumayı da sağlayacağı için çok hızlı değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle akım bilgisinin değerlendirildiği devrede büyük süzgeç elemanlarından kaçınılmıştır. Çıkış frekansı, mantık devresindeki 1 MHz'lik bir krista lin frekansı bölünerek elde edilmiş ve binde ikilik bir du yarlığa ulaşılmıştır.

6. TASARIM GÜÇLÜKLERİ

Tasarım sırasında en büyük güçlük sürme devrelerinde or taya çıkmaktadır. Güç transistörierini sürmek için pek çok yöntem bulunmakla birlikte geliştirilen cihazda transformatörlü sürme devresi kullanılmıştır (7 ). Baza uygulanan gerilimin zarfı 50 Hz'dedir. Bu nedenle demir çekirdekli transformatör kullanmak gerekmiştir. Ancak bu tür bir transformatörden çok dar (örneğin burada 75 mikrosaniyelik) darbeleri geçirmek için kaçak reaktansı azaltacak özel sanm yöntemleri kullanılmıştır. Büyük kaçak reaktansı dalga şekillerini bozmasının yanı sıra transistorun eşdeğer iç sığaları ile etkileşerek anah tarlama sırasında birtakım salınımlara neden olmaktadır. Bu tür salınımlann frekansı çok yüksek olmakta ve tran sistor bu durumda kolaylıkla "second breakdown" (7) bölgesine girerek yanmaktadır.

Tasarım sırasında diğer önemli bir güçlük de "snubber" devrelerinin hesabında ortaya çıkmaktadır. Çünkü bura da transistorun aktif modeli ile uğraşılmaktadır. Bu ne denle kuramsal çalışmaların yanı sıra kullanılması düşü nülen transistor üzerinde birçok deney yaparak dinamik yapıyı anlamak ve tasarım sırasında bunu değerlendir mek gerekmektedir. Oysa ki tristörler için bu tür hesap lar, tristörün iletim ya da kesim modeli düşünülerek, ko laylıkla yapılmaktadır.

Bunlardan başka evirgeci besleme de kullanılan aküle rin dinamik iç empedansının da bilinmesi gerekmekte dir. Aküden çekilen akım dalga şeklinin doğrultulmuş bir sinüs dalgasına çok benzemesi nedeniyle akü çıkış gerilimi üzerinde 100 Hz frekansta bir harmonik görül mektedir. Bu da kesintisiz güç kaynağı çıkışında çift numaralı düşük harmoniklerin görülmesine neden olmak tadır. Bunu engellemek için evirgeç girişine yeterli bü yüklükte d.a ağaç koymak gereklidir.

7. SONUÇLAR

Kesintisiz Güç Kaynaklarında anahtarlama elemanı ola rak bu aşamada düşük güçlerde ( < 4 0 KVA) transistör lerin ve yüksek güçlerde tristörlerin kullanılmasının en doğru seçim olacağı sonucuna varılmıştır.

Duyarlı yüklerde Kesintisiz Güç Kaynağının varlığı ya nında, başarımının da en az varlığı kadar önemli olduğu, ve bu başarımın kararlı ve geçici koşullarda ayrı ayrı değerlendirilmesinin gerekliliği vurgulanmıştır.

örnek olarak seçilen ASELSAN'da geliştirilmiş bir Ke sintisiz Güç Kaynağının tüm koşullarda istenen özellik lere sahip olduğu deneylerle saptanarak sonuçları özet olarak sunulmuştur.

KAYNAKLAR (1) A. BRÖMS, "No Break Power Supply", ASEA Journal, Cilt 54, Sayı 5 6, Sayfa 129 135,19.

(2) "Doğru Akım Motoru Denctleci", Teknik Rapor, ASELSAN, 1982.

(3)C. ARIKAN, "Kesintisiz Güç Kaynaklan üe İlgili Bir Değer lendirme", Teknik Rapor, ASELSAN 1983.

(4)H.S. PATEL, R.G. HOFT "Generalized Techniques of Har monic Eliminationand Voltage Control in Thyristor Inverters: Part I Harmonic Elimination", IEEE Trans. on Ind. Appl., Git IA 9, Sayı 3, Sayfa 310 317,19.

(5) HS. PATEL, R.G. HOFT "Generalized, Techniques of Har monic Eliminationand Voltage Control in Thyristor Inverters: Part II Voltage Control Techniques" IEEE Trans. on Ind. Appl., Cilt IA 10, Sayı 5,Sayfa 666 673', 19.

(6)GJS. BUTA, G.B. INDRI, "Optimal Pulse Width Modulation for Feeding AC Motors", IEEE, Trans. on Ind. Appl., Cilt IA 13, Sayı 1, Sayfa 38, 44, 19.

(7)C. ARIKAN, B. SAR1BATTR "«üç Transistörleri ve Güç Elektroniğindeki Uygulamaları", Türkiye Elektrik ve Elektro nik Endüstrisi Sempozyumu, İTO, Eylül 1983, İstanbul.