100 VA Kesintisiz Güç Kaynağı Tasarım Raporu

Sürekli besleme gerektiren uygulamalar arasında bilgisayar sistemleri, tıbbi cihazlar, bazı haberleşme sistemleri, bazı aydınlatma sistemleri, önemli enstrümantasyon ve kayıt cihazları sayılabilir. Bunlara genel olarak ‘kritik yükler’ denilmektedir.

Kritik yükleri besleyen, şebekedeki kesinti ve anormallikleri yüke aktarmayıp, yükü sürekli temiz ve kaliteli enerjiyle besleyen kaynaklara ‘kesintisiz güç kaynakları ( Uninterruptable Power Supply )’ denir.

Bu tezde, 100 VA kesintisiz güç kaynağı tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Sistem; akü şarj katı, sürücü katı, çıkış güç katı, inverter katı, kontrol katı ve 12V(7Ah) kuru lead-acid akü içermektedir. OFF-LİNE UPS tipi özelliklerine sahip bu sistem, giriş gücü kesildiğinde 50Hz, 220V AC gerilimle, 10-15 dakikalık kesintisiz enerji sağlamaktadır.

Özel ve iş hayatımızda modern bilgi teknolojisinin önemi kaçınılmaz bir şekilde artmaktadır. Bilgisayar sistemleri insanoğluna yardım amacını güder. Bilgisayar sayesinde, yapılamayacak birçok işlem kolayca çözülebilmektedir. Elektronik gelişmeler hala geçerliliğini korumaktadır. Otomasyon sistemlerinin gelişimi çok hızlı olmakta ve aynı zamanda sistemin hata yapma olasılığı da artmaktadır.

Hastanedeki aletleri, önemli işlemcilerin kontrolünde kullanılan bilgisayarlar gibi çok kritik yüklerin beslenmesinde UPS ihtiyacı doğar. UPS sayesinde güç hattındaki voltajın düşme ve yükselme durumları mükemmel şekilde kontrol altına alınabilir, ayrıca hattaki kısa süreli ani değişimleri ve harmonikleri ortadan kaldırmamıza olanak sağlar. [ Mohan, N.1995 ]

Kesintisiz güç kaynaklarının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Yapılan araştırmalarda; üretim kalitesi, hızı ve elektronik eleman kullanımı arttıkça direk şebekeden enerji alarak beslemenin zor olduğu anlaşılmıştır. [ Deniz, T. 1997 ]

Her gün ortalama 10 saniyeden daha uzun süren elektrik kesintileri oluşmaktadır. Bu kesintiler özellikle bilgi işlem merkezleri için önemli tehlikeler doğurmaktadır.

Bilgisayar ortamlarındaki problemlerin %16’sı teknik nedenlerden kaynaklanmaktadır. Güç beslemesi de bunlardan biridir. Risklerin %50’si hata ve ihmalden dolayı ortaya çıkmaktadır. Şebeke bozuklukları, gelir kaybına neden olur. UPS hem şebekeyi iyileştirir hem de gelir kaybını giderir. Kaybolan verinin tekrar oluşturulması imkansız veya çok pahalıya mal olmaktadır. Üretimdeki kesintiler verimi düşürmektedir. Amerika’da yapılan ankette kesintiler nedeniyle yılda, bankalarda 2 gün, ticari firmalarda 3.3 gün, endüstride 4.9 gün ve sigorta şirketlerinde 5.6 gün kayıp olmaktadır. Türkiye de bu oranların çok daha fazla olduğu aşikardır.[ Onko vd., 2000]

Bu gerçekler UPS’ nin günümüz için ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.

UPS sistemlerinin genel olarak kullanıldığı üç yer vardır;
a- Güç kesintisinin mal ve insan hayatını tehlikeye soktuğu durumlar (hasta hane yoğun bakım servisleri, endüstri proses kontrolü, itfaiye ve polis alarm ihbar servisleri),

b- Güç kesintisinin zaman ve para kaybına yol açtığı yerler (bilgisayar kompleksleri enstrümantasyon merkezleri ),

c- Güç kesintisinin kritik veri ağını kopardığı durumlar (uydu haberleşmeleri, füze hedef merkezleri, boru hattı ve elektrik dağılım sistem monitörleri),

Kesinti ve şebeke bozuklukları çok tehlikeli ve beklenmeyen sonuçlar doğurabilir.

Şebekede meydana gelen bozukluklar şöyle sıralanabilir ;

• Kısa kesintiler
• Şebeke kesintileri
• Frekans değişimleri
• Pikler
• Harmonikler

Uygun UPS sistemleri seçilirken yüklerden dolayı oluşan bozukluklarda önem kazanmaktadır.

• Lineer olmayan yük
• Yük değişimleri
• Dengesiz yükler
• Aşırı yüklenme
• Pik akımları
• Kısa-devre
• Şebekenin tekrar gelişi

Kesintisiz Güç Kaynağı ( UPS ) Sektöründeki Gelişmeler

Yarı iletken teknolojisindeki hızlı ilerleme, UPS sektörünü iki açıdan etkilemektedir.

a- Güç Yarı iletkenleri: Yüksek akımları anahtarlayabilen ve yüksek gerilime dayanıklı, az kayıplı yarı iletkenler konusundaki gelişmeler, eskiden sadece büyük ve pahalı cihazlarda kullanılan tekniklerin bugün küçük güç kaynaklarında da ekonomik olarak gerçekleştirilebilmesini olanaklı kılmıştır. Böylece iyi regüle edilmiş düzgün bir çıkış geriliminin elde edilmesi, şebeke gerilimini fazla etkilemeyen akü şarj birimlerinin kullanılmasını, enerji tasarrufu sağlayan verimli ve son derece güvenli çalışan güç katlarının hayata geçirilmesi gibi hususlar, kaliteli her güç kaynağında rastlanabilen özellikler olarak karşımıza çıkmaktadır.

b- Mikroelektronik Tümleşik ( Entegre ) devreler ve özellikle mikroişlemciler konusundaki baş döndürücü gelişmeler, düşünülecek her türlü işlevi yerine getirebilen ve kesintisiz güç kaynakları için son derece önemli olan güvenlik sorununu çözen tasarımları mümkün kılmıştır.

Kullanıcı Açısından UPS’ler : UPS, kendisine bağlanmış bulunan cihazlara regüle edilmiş ve parazitlerden arındırılmış gerilim ile kesintisiz olarak besleme özelliğine sahip elektronik bir cihazdır. Şebeke yerine kesintisiz güç kaynağından beslenen elektronik cihazlar, şebekede görülen tüm olumsuzluklara karşı korunurlar.

Piyasada UPS maskesi altında satışa sunulan ve teknik olarak aslında ‘stand-by güç sistemleri’ olarak anılması gereken küçük güçlü cihazlarda pazarlanmaktadır. Şebekenin kesilmesi ve tekrar gelmesi durumlarında bu cihazlarda süresi tamamen tesadüflere bağlı kesintiler olur. Her ne kadar satıcılar bu kesintilerin hassas cihazlar tarafından fark edilemeyecek kadar kısa olduğunu iddia etseler de, bunlar duyarlı cihazları etkiler ve zaman zaman sıfırlarlar. Dolayısıyla bu ürünler aslında UPS değildir.

UPS alımına karar verirken, çeşitli faktörlerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bu faktörlerin bir kısmı, alımı yapacak olan işletmenin kendine özgü koşulları tarafından belirlenir, diğer kısmı ise ekonomik olacaktır.

İşletmeye Özgü Faktörler

• Hassas cihazların korunması isteği
• İşletmenin imajı
• Personel ve cihaz güvenliği
• Rakiplere göre avantajlı konuma geçme
• Kesilemeyecek acil işlerin varlığı

Ekonomik Faktörler

• Şebeke kesintisi süresince yaşanan işgücü kaybı,
• Kaybolan veya bozulan bilgilerin bulunup düzeltilmesi için harcanacak zaman,
• Bir prosesin kesilmesiyle oluşan kayıplar,
• Arızalanan cihazların onarımı ve bu arada kaybedilen zaman,

Bir UPS’den beklenen en önemli özellik cihazın güvenilir olması ve koruma işlevlerini tam olarak yerine getirmesidir. Aksi halde kullanılmasının yararı yoktur. UPS’in güvenilir olması, cihazın işlevi dolayısıyla yararlı bir özellik değil zorunlu bir koşuldur. Güvenilirliği yetersiz olan bir UPS’e yapılacak yatırım boşa gidebileceği gibi buna bağlanacak olan hassas cihazları da tehlikeye atacaktır. Güvenirliğinin sağlanması için, üretici firma tarafından aşağıdaki kurallara uyulmalıdır.

Ülkenin Koşullarına Uygun Tasarım
1 Şarj işlemi, düşük şebeke gerilimi ile mümkün olmalıdır.

2 Generatörle beslenen işletmeler ( sanayi, otel vs. ) gibi gerilim kalitesi düşük ortamların yaygın olduğu yerlerde sorunsuz çalışmalı, akülerini boş yere tüketmemelidir.

3 Cihazın içinde kullanılan parçalar, her zaman tedarik edilebilecek malzemeler arasında olmalı, özel ve bulunması zor parçalardan kaçınılmalıdır.

4 Sık ve uzun süreli şebeke kesintileri, büyük kapasiteli akülerin kullanılmasına olanak sağlayan ve şebeke geldiğinde bunları hızlı şarj edebilen UPS’leri gerektirmektedir.

5 İşletmelerde çalışan eğitimsiz kişilerin, cihaza zarar vermesini önleyecek koruma sistemleri mevcut olmalıdır.

Gelişmiş Teknoloji : Cihaz içinde kullanılan parça adedi asgari düzeyde tutulmalı ve böylece arıza riski minimuma indirilmelidir. Analog devreler yerine mikroişlemci kontrollü digital devreler kullanılması bu amacı gerçekleştirdiği gibi cihazın yararlı birçok ek işlevi de yerine getirmesine olanak sağlar.

Kapsamlı Test İşlemleri : Cihazlar tek tek ve kalite kontrol ve zor kullanım şartlarında dayanıklılık testinden geçirilmelidir.

Etkili Servis Hizmetleri : Herhangi bir sorunun belirtilmesi durumunda, yedek parçalar kolaylıkla tedarik edilebilmeli ve sorun en kısa zamanda giderilmelidir. UPS gibi büyük ve ağır bir cihaz için çoğu kez gerekli olan yerinde servis hizmeti ve bakım anlaşmaları, satıcı veya üretici firmanın programında olmalıdır.

Bu kurallara uyabilmesi için üretici firmanın, uzun yıllar UPS sektöründe çalışmış ve ana faaliyetinin güç kaynağı üzerinde yoğunlaşmış olması şarttır. Satın alınması düşünülen cihazla ilgili bir referans listesinin talep etmek ve listeden seçilecek bazı kullanıcılarla görüşerek onların cihaz ile ilgili düşüncelerini öğrenmek, kuşkusuz yararlı olacaktır.

UPS Sektörünün Gelişimi

Sektörün gelişmesi için yapılması gereken işler şunlardır;

Üretici ve satıcı firmaların oldukça spesifik UPS konusunda tüketicileri bilgilendirmeleri ve böylece çok güvenilir olması gereken bu ürünün seçiminde yanlış kararlar almalarını engellemeleri şarttır.

Ülkemizde talebin büyüklüğü ve sürekliliğini göz önünde tutarsak, UPS’in elektronik alanında gelişmeye en açık olan sektörlerden biri olduğu anlaşılır. Bu konuda ülkemizin, şebeke düzensizliklerinin sık yaşandığı tüm dünya pazarlarında söz sahibi olacak bir konuma gelmesi için yeterli teknik birikim oluşmuştur

Bir UPS’den Beklenen Özellikler

Bir kesintisiz güç kaynağında bulunması arzu edilen en önemli özellikler şöyle sıralanabilir;

Gerilim Regülasyonu : En kötü şartlarda bile +10%, -15% dolaylarında olması istenir. Gerilim bozulmaları ise –25%, -30% (0.5 sn’den az zaman için), 4 – 20 ms arasında ise –100% kabul edilebilir. [ Mohan, N. 1995 ]

Frekans Kararlılığı : Normal çalışma durumunda şebeke frekansının normal sınırlar içinde olduğu durumda UPS sisteminin frekansı ile aynı olmalıdır ve aynı evrede kilitlenmiş olmalıdır.

Çıkış Gerilimi Dalga Şekli : Çıkış geriliminin dalga şekli ideal sinüse mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Yani UPS çıkışında şebeke frekansının temel harmoniğinin dışında yüksek harmoniklerin bulunmaması önemle istenen bir özelliktir.

Verim : Verimin düşük olması toplam çekilen enerjinin bir kısmının ısı enerjisi olarak tüketilmesi anlamına gelmektedir. Hatta, bu taktirde gereksiz enerji tüketimi bir tarafa, sistem bulunduğu ortamı ısıtacağından ek soğutma önlemleri dahi gerekebilir. Günümüzde üretilen cihazlarda verim %65-90 arasında değişmektedir.

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.

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.

UPS Sistem ve Çeşitleri

UPS sistemleri çalışma şekillerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılır.

UPS Sistem Çeşitleri

Dinamik ( Rotatif ) Güç Kaynağı

Dinamik besleme sistemleri temelde, elektriksel olmayan bir makine yardımıyla sürülen generatörden meydana gelir. Uygulamada en çok benzin yada diesel motoruyla sürülen senkron generatörler kullanılmaktadır.

Dinamik besleme sistemlerinin en başta gelen sorunlarından biri, devreye girme süresindeki gecikmedir. Tümüyle hareketsiz durumda bulunan bir motor-generatör grubuna yol verme işlemi, güce göre değişmekle beraber, en az dakikalar düzeyinde bir zaman alır. Bilgisayarlar, kontrol-kumanda düzenekleri gibi tüketiciler için bu süre oldukça uzundur. Motor-generatör gruplarının devreye girme süresini kısaltmak üzere çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlardan biri, şebekede enerji bulunduğu sürece senkron makinenin motor olarak boşta çalıştırılmasıdır. Diesel motor ile senkron makinenin mekanik bağlantısı bir elektromagnetik kavrama yardımıyla yapılmıştır. Şebekede kesinti olduğu anda kavrama çalışarak her iki makinenin milleri birleştirilir.

Böylece senkron makine rotorun ve varsa bir volanın eylemsizliği sayesinde diesel motorun kısa zamanda yol almasını sağlar.

Motor-generatör grupları, statik düzeneklere göre daha fazla bakım gerektirirler. Öte yandan, devreye girme süresini kısaltmak amacıyla senkron makinenin sürekli olarak boşta çalıştırılması halinde göz ardı edilemeyecek düzeyde enerji kaybı ortaya çıkabilir. Bu tür düzenlerin kuruluş ve işletme maliyetlerinin iyi değerlendirilmesi ve seçim yapılırken göz önünde tutulması gerekir.

Bir başka sistemde ise dizel makine yerine bataryalar kullanılmıştır. Şebeke gerilimi doğrultularak DC bir motor çalıştırılır. Şebeke kesintisi anında, DC motoru bataryalar beslemeye başlar.

Yukarıda bahsedilen sistemlerin kurulması statik sistemlere göre daha ucuzdur. Bu yüzden birkaç saniyelik gecikme ve frekans kontrolünün önemli olmadığı yerlerde kullanılır.

Kritik yüklerin çektikleri güce ve arzu edilen, gereken koruma seviyesine göre generatör beslemeli UPS sistemleri gerek yalnız başlarına gerekse şebeke hata ve arızalarını hızlı bir şekilde tolere etmelerinden dolayı statik bir UPS sistemi ile birlikte kullanılmaktadır. [Şekil 3.2. (a) ve (b) ]

(a) Diesel generatör UPS sistemi

(b) Diesel ve statik generatör kombine UPS sistem blok şeması

Statik Güç Kaynakları

Off-Line Ups Modelleri ( İleri İletimli )

OFF-LİNE UPS’ler yapı olarak kısa süreli çalışmaya uygun kare dalga bir inverter ünitesi, inverter gücünün 1/10’u kadar güçte şarj ünitesi ve şebeke ile UPS arasında aktarmayı sağlayan röleli anahtarlardan oluşur. Şebeke elektriği varken çıkış yükleri şebekeden beslenir ve aküler şarj edilir. Şebeke geriliminin kart üzerinde ayarlanan alt ve üst limitlerin dışına çıktığının test edilmesi, rölenin konum değiştirmesi ve inverterin açılması işlemlerindeki gecikmeler toplandığı zaman OFF-LİNE UPS’lerin geçiş kesinti süreleri ortaya çıkar.

Şarj ünitesi gücünün sınırlı olması dolayısıyla kesintide çalışma süresi kısa olur. OFF-LİNE UPS’lerin kullanım amaçları elektrik kesintisinde çalışabilmek değil, kesinti durumunda kritik yükü (bilgisayar) kontrollü olarak kapatma ihtiyacıdır. Basit yapılı ve ucuz olmaları tercih edilmelerine sebep olur.

İşletme veya kullanma sürecinde dikkat edilmesi gereken en önemli unsur akülerin şarj olabilmesi için cihazın açık olma zorunluluğudur. Bu durum cihazın kullanım dışı zamanlarda akülerini şarj etme imkanını ortadan kaldırır. Dolayısıyla sık sık elektrik kesintisi olan yerlerde yeterince verimli çalışamazlar. Şekil 3.3’de OFF-LİNE UPS görülmektedir.

Off-Line UPS sistemi blok şeması

Filtre, gerek belirli kaynak arızalarını süzmek gerekse de kesinti durumunda üretilen gerilimi süzmek amacıyla kullanılır. Bu sistemler de gelişen teknolojiyle birlikte enerji transfer süresi ihmal edilecek kadar küçüktür.

Line-İnteraktif Ups Modelleri

LİNE-İNTERACTİVE UPS modelinin gerçekte OFF-LİNE UPS sisteminin diğer bir türü olduğu söylenebilir. Şebeke gerilimi varsa ve belli sınırlar içindeyse bu gerilimi regüle ederek çıkışına verir. Şebeke kesildiğinde röleli veya triac’lı bir anahtar ile çıkışı UPS’e aktarır. Bu sistemlerde doğrultucu ve inverter maliyet, hacim ve kayıpları düşürmek maksadıyla birleştirilmiştir. Tipik bir LİNE-İNTERAKTİF UPS Şekil 3.4.(a)’da ve Şekil 3.4. (b)’de bakım amaçlı ilave statik yada mekanik şalterli UPS sistemi blok şeması görülmektedir.

(a) Line-İnteraktif UPS sistemi

(b) Bakım şalterli Line-İnteraktif UPS sistemi blok şeması

Şebeke konumunda çalışırken aynı zamanda akülerini de şarj eder. Şebeke konumunda çıkış regülasyonunu şebekenin 220 V AC’den düşük veya yüksek olan kısmını ilave ederek veya çıkararak sağlar. Dolayısıyla güç kaybı azalır. Şarj ünitesi OFF-LİNE UPS’ler kadar sınırlı olmasa da maliyet problemlerinden dolayı düşük güçlüdür. Bu yüzden aküden çalışma süresi kısa, aküleri şarj etme süresi uzundur. Kaynaktaki bir hata durumunda statik şalter açılarak yük şebekeden ayrılır ve akü üzerinden beslenir. Yapılarından dolayı yüksek güçte imal edilmezler.

On-Line Ups Modelleri

ON-LİNE UPS modelleri çıkış gerilimini sürekli olarak akülerden aldığı DC gerilimden üreterek sağlarlar. Şebeke gerilimi olduğu zaman şarj ünitesi akü gerilimini dengeler. Çıkış gerilimi sürekli inverter ünitesinden sağlandığı için inverterin güç kaybı süreklidir. Şarj ünitesi inverterin harcadığı bütün gücü karşıladığı gibi aküler boş olduğu zaman akü kapasitesinin 1/10’u kadar güçle aküleri doldurmak zorundadır ve akü kapasitesi büyüdükçe şarj ünitesinin gücüde büyür. Doğrultucu çıkışı gerek aküyü şarj etmek gerekse düzgün bir DC elde etmek gerekse de ana beslemeden gelebilecek arızaları elemine etmek için bir kapasitif yada endüktif-kapasitif filtreden geçirilir. Bu arada aküler uygun devrelerle sürekli tam şarjda tutulur. İnverter tek fazlı yada uygulamaya göre üç fazlı olarak sabit voltaj ve sabit frekansta sinüsoidal bir gerilim üretecek şekilde tasarlanır. İnverterin çıkışı yüke bağlanmazdan önce filtre edilir. Pek çok durumlarda düşük gerilimli inverter çıkışı bir yükseltici trafo ile uygun gerilim seviyesine getirilir.

ON-LİNE UPS’lerde çıkış frekansı şebeke varsa şebekeye senkron olur. Şebekedeki gerilim değişmeleri çıkış gerilimlerini hiçbir zaman etkilemez. Şebeke izolasyonu vardır. ON-LİNE UPS’lerin, arıza yaptığında veya aşırı yüklendiğinde kendini koruyabilmesi için STATİK BY-PASS üniteleri vardır. Çıkış dalga şekilleri tam sinüs veya sinüsoidal olarak adlandırılan iki basamaklı filtrelenmiş kare dalgalardır. Çıkış regülasyonları diğer modellerden daha iyidir ( (-,+)%1). Yüksek güçlerde imal edilebilirler ve üç fazlı uygulamaları yapabilirler.

(a) On-Line UPS sistemi blok şeması

(b) Statik geçişli şalterli UPS sistemi blok şeması

Şebekede bir arıza durumunda enerji akü grubundan temin edilir. Bu arıza anında herhangi bir şebekede yük enerjisiz kalmaz. Bakım amacıyla genelde statik yada mekanik bir geçiş şalteri ilave edilir.

Kesintisiz güç kaynaklarının yapılarının incelenmesi

UPS’ler yapısal olarak 7 temel bölüme ayrılabilirler.

1. Doğrultucu ve Şarj Ünitesi
2. İnverter Ünitesi
3. Filtre Ünitesi
4. Statik ve Manuel By-Pass Şalter
5. Haberleşme Ünitesi
6. Trafolar
7. Aküler

Doğrultucu Ve Şarj Ünitesi

Bir UPS sisteminin kalbi doğrultucudur. UPS’nin akülerinin şarj edilmesi ve inverter için gerekli DC gücün sağlanması işlevlerini yerine getiren bölümdür. Şarj ünitesinde şebeke gerilimini UPS’nin akü gerilimi civarlarına düşüren giriş güç trafosu, trafo çıkışındaki AC gerilimini kontrollü olarak doğrultarak DC’ye çeviren Thyristor modülleri, şarj kontrol kartı ve DC filtreler yer alır. Şarj ünitesinin gücü UPS tipine göre değişir. Yan bir görevi de AC hattındaki gerilim değişiklik ve kesintilerinden meydana gelen DC çıkışındaki ani değişimleri tamponlayıp, inverter girişine ulaşmasını engellemektir. Ayrıca bataryaları doldurma görevi de, batarya dayanma süresini etkilediği için önemlidir. Çünkü gerektiği gibi şarj edilmeyen bataryaların ömrü önemli ölçüde kısalır.

Doğrultucu tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bazı noktalar vardır. Acil durumdan sonra düzelme durumuna geçildiği anda eğer önlemler alınmazsa doğrultucudan ani ve büyük bir güç çekilmek istenecektir.

ON-LİNE UPS’lerde şarj ünitesi aynı zamanda hem aküleri şarj edip hemde inverteri beslediği için yüksek güçlü yapılmak zorundadır. Diğer UPS modellerinde yalnızca aküleri şarj edebilecek güçtedir.

Şarj kontrol kartı akü şarj gerilimini ve akımını aynı anda kontrol eder. Şarj gerilimi akü geriliminin yaklaşık 1.2 katıdır ( 12 V’luk bir akü için 13.7 Volt’tur.) Şarj akımı UPS gücü ve modeline göre değişir. Şarj üniteleri bütün ON-LİNE modellerde Thyristor kontrollü, OFF-LİNE ve LİNE-İNTERAKTİF modellerde Transistor kontrollü seri regülatörlerle yapılır. [ Dalbaz, A.1997 ]

İnverter Ünitesi

Akülerin ve şarj ünitesinin sağladığı DC gerilimden 220 V AC gerilim üreten bölümüdür. İnverter ünitesi, kontrol kartları, güç anahtarlama transistörleri, çıkış trafosu ve filtrelerden oluşur. UPS çıkış dalga şekli inverter ünitesinin yapısı ile ilgilidir. ON-LİNE UPS modellerinde sürekli olarak devrededir. Diğer modellerde şebekenin tolerans dışı yükselmesi, düşmesi veya kesilmesi durumunda çalışır. Genel olarak üç farklı UPS çıkış dalga şekline karşılık üç ayrı inverter ünitesinden bahsedebiliriz.

1.) Kare dalga çıkışlı veya kare dalgadan pasif filtrelerle üretilmiş sinüs çıkışlı UPS inverterler
2.) Sinüsoidal ( Trapez dalga ) çıkışlı UPS’lerin düşük frekanslı PWM’le çalışan inverterler
3.) Sinüs çıkışlı UPS’lerin yüksek frekans PWM’le çalışan inverterler.

İnverter ünitelerinin gücü UPS çıkış gücü ile orantılıdır. Bütün sistemdeki en kritik bölge inverterlerdir. İnverterlerin görevi doğrultucu veya bataryalardan gelen DC gerilimi AC gerilime çevirmektir. Bu AC gerilim düzenlenip süzülerek kritik yükün ihtiyacı olan sinüsoidal gerilim oluşturulur. İnverterlerde dalga biçimlendirmede temel ilke, transistör veya tristör gibi anahtarlama elemanlarının iletim ve tıkama sürelerinin uygun bir biçimde belirlenmesidir. Bu belirleme ile birlikte elemanların anahtarlama sırası da çok önemlidir.

Besleme Tipine Göre İnverterler

İnverterler uygulamadaki besleme özelliklerine göre ‘akım beslemeli’ ve ‘gerilim beslemeli’ olarak iki grupta toplanırlar. Akım beslemeli veya gerilim beslemeli inverterler arasında yapılacak seçim, yükün özelliklerine göre değişir. Gerilim beslemeli inverterlerde gerilim dalga biçimi DC gerilimi ve anahtarlama yöntemiyle belirlenir. Yük bu dalga biçimine etki edemez. Eğer yük harmonik akımlara yüksek empedans gösteren bir özellik taşıyorsa, bu tip yükün gerilim beslemeli bir inverterle sürülmesi daha uygundur. Akım beslemeli inverterlerde ise akım dalga biçimine yük etki edemez. Eğer yükün harmonik akımlara düşük empedans gösteren bir özelliği varsa, bu durumda akım beslemeli inverter kullanmak daha uygun olacaktır.

Gerilim Beslemeli İnverterler

Gerilim beslemeli inverter devrelerinde, inverterin bir DC gerilim kaynağından beslendiği varsayılmıştır. Dolayısıyla bu inverterlerde çıkış gerilimi her zaman DC kaynak gerilimine bağlıdır. İnverterin çıkış akımı, yük admitansının bir işlevidir. Şekilde görüldüğü gibi giriş gerilimi doğrultulduktan sonra, çok büyük paralel C sığası üzerinde süzülmekte ve invertere sabit DC gerilim beslemesi yapılmaktadır.

Gerilim beslemeli inverter devresi

Akım Beslemeli İnverterler

Bu inverterler de DC kaynağın gerilimine bağlıdır. Akım beslemeli inverterlerde inverteri besleyen kaynak bir sabit akım kaynağı özelliğini taşır. İnverterin kaynaktan çektiği akımın sabit kalması, oldukça yüksek değerde bir endüktans ile sağlanır. Şekil 4.2’de görüldüğü gibi giriş gerilimi doğrultulduktan sonra çok büyük bir seri L endüktansı üzerinden değişmez akım kaynağı yaratılarak DC akım beslemesi yapılmaktadır.

Akım beslemeli inverter devresi

Devre Yapılarına Göre İnverterler : İnverterler, devre yasasına göre, çıkış transformatörlü orta nokta bağlantılı inverterler, yarı köprü bağlantılı inverterler ve tam köprü bağlantılı inverterler olmak üzere üç bölümde incelenir.

Çıkış Transformatörlü Orta Nokta Bağlantılı İnverter : Şekil 4.3’de çıkış transformatörlü orta nokta bağlantılı tristörlü bir inverter devresi görülmektedir. Ayrıca yükün endüktif olduğu durumlarda yükte biriken enerjiyi kaynağa geri verebilmek için geri besleme diyotları kullanılmıştır.

Bu devrede istenen çıkış frekansı f olduğuna göre T= 1/ f döneminin ilk yarısında T1 kapalı T2 açık, ikinci yarı çevrimde T2 kapalı T1 açık olacaktır. Dolayısıyla DC kaynağı, yüke transformatör ve yarıiletken anahtarlar üzerinden, bir yarı çevrimde artı, diğer yarı çevrimde eksi olacak şekilde bağlanmaktadır.

Şekil 4.3 Çıkış transformatörlü orta nokta bağlantılı inverter devresi

Yükün endüktif olması durumunda, yük gerilimi ve akım dalga biçimleri anahtarlama elemanlarının ve diyotların iletim süreleri şekilde gösterilmiştir.

Endüktif bir yük için akım gerilim dalga biçimleri ve anahtar elemanları ve diyotların iletim süreleri

Bu devrenin olumlu özellikleri yalnızca iki anahtarlama elemanı olması, endüktif yükte biriken enerjiyi anahtar elemanı tıkamada olduğu sürede kaynak üzerinden boşaltan iki geri besleme diyotu ile yetinilmesi, her yarı çevrimde akımın yalnızca bir anahtarlama elemanı üzerinden akması nedeniyle anahtarlama elemanları üzerinde, iletim yönünde daha az gerilim düşümü olmasıdır. ancak bunların yanı sıra çıkış devresinde transformatör kullanılması ve anahtar elemanları üzerinde tıkamada görülen gerilimin kaynak geriliminin iki katı olması bu devrenin sorunlu yönleridir.

Bu özellikleri nedeniyle çıkış transformatörlü orta nokta bağlantılı inverter düşük gerilim, düşük güç uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yarı Köprü Bağlantılı İnverterler

Şekil 4.5’de yarı köprü tristörlü inverter devresi görülmektedir. Bu devrede iki kaynak yüke sırayla tristörler üzerinden bağlanmaktadır. Bu devrede çıkış frekansı f olduğuna göre, T= 1 / f döneminin ilk yarısında T1 kapalı T2 açık, ikinci yarı çevrimde T2 kapalı T1 açık olacaktır. Dolayısıyla her tip yük için çıkışta iki basamaklı gerilim biçimi elde edilir. Diğer inverterlerde olduğu gibi bu inverterlerde de geri besleme diyotları kullanılmıştır.

Şekil 4.5 Yarı köprü bağlantılı inverter devresi

Endüktif yükte inverter yük gerilimi, yük akımı, anahtarlama elemanları dalga biçimleri şekilde gösterilmiştir.

Yarı köprü inverter endüktif yük için çıkış dalga biçimleri

Yarı köprü inverterlerde, transformatörlü orta nokta bağlantılı inverterde olduğu gibi iki anahtarlama elemanı ve iki geri besleme diyotu kullanılmakta ve akım her yarı çevrimde bir anahtarlama elemanı üzerinden akmaktadır. Ancak çıkışta transformatör kullanma zorunluluğu yoktur. Buna karşılık iki besleme kaynağı kullanma zorunluluğu maliyeti ve boyutları artırmaktadır. Bu durum yarı köprü inverterin uygulama alanını daraltmaktadır.

Tam Köprü Bağlantılı İnverter

Bir fazlı tam dalga köprü inverter iki tane bir fazlı yarı köprü inverter olarak göz önüne alınabilir. Şekilde tam köprü inverter devre yapısı verilmiştir. Bu inverter devresinde, yük üzerinde değişken gerilim elde etmek için, her bir yarı çevrimde bir tristör çiftinin iletime sokulması gerekir.

Tam dalga köprü inverter devresi

Bu inverterde çıkış gerilimi frekansı f olduğuna göre T= 1 / f döneminin her bir yarısında T1, T4 ve T2, T3 anahtarları birlikte ve diğer anahtar çiftinin tersi işlevinde açma kapama yaparlar. Dolayısıyla yük DC kaynağa bir yarı çevrimde artı, diğer yarı çevrimde eksi olacak biçimde bağlanır. Şekilde endüktif bir yük için yük gerilimi, yük akımı, anahtar elemanları ve diyot akımlarının dalga biçimleri ile iletim sıraları verilmiştir.

Endüktif yükte tam dalga köprü inverter dalga biçimleri

Bu inverterin diğerlerine göre en önemli üstünlüğü, çıkışta her tip yük için yarı kare gerilim dalga biçiminin elde edilebilmesidir. Bu inverter devresinin önemli üstünlüğü çıkışta transformatör gerektirmemesi, çıkışta dalga biçiminde değişim basamağı sayısının artırılabilmesidir. Ayrıca yalnızca iki anahtarlama elemanının eklenmesiyle üç fazlı inverter devresine dönüşebilir.

Aktarım Özelliklerine Göre İnverterler
İnverter devreleri kullandığı zorunlu aktarım yöntemine göre adlandırılabilirler. Bu nedenle, kullanılan aktarım devresine bağlı olarak inverterler dört ayrı grupta incelenebilir.

a) Paralel aktarımlı inverterler,
b) Seri aktarımlı inverterler,
c) Darbe aktarımlı inverterler,
d) Yük aktarımlı inverterler,

Paralel Aktarımlı Orta Nokta Bağlantılı İnverter
Paralel aktarımlı inverterin bağlantısı şekil 4.9’da verilmiştir. Burada T1, T2 yük akımını taşıyan tristörler, D1 ve D2 tristörlerin tıkanması durumunda yükte biriken enerjiyi kaynağa geri boşaltan diyotlardır. L ve C ise aktarım elemanlarıdır.

Şekil 4.9 Paralel aktarımlı orta nokta bağlantılı inverter devresi

Bu inverterde tristörlerin dönüşümlü olarak iletime sokulması ile DC kaynak, transformatörün birincil sargısının iki yarısına dönüşümlü olarak bağlanır. Böylece ikincil sargının uçlarında bir kare dalga gerilimi endüklenmiş olur. Endüktif yükte t=t1 anında T1 tristörü iletime geçince transformatör sargısının AC bölümünde E gerilimi olacak, böylece birincil sargı uçlarının tümü üzerinde 2E gerilimi oluşacaktır. C sığası da 2E gerilimine dolacaktır.

Bu durumda akım c’den a’ya doğru akar ve c pozitif bir gerilimde olduğuna göre akım kaynaktan yüke doğrudur. t2 anında T2 tristörü tetiklendiğinde T1’e paralel bağlanan yüklü C sığası nedeniyle T1 tıkamaya geçecektir. Yük endüktif olduğu için ikincil sargıdaki akımın yönü ani olarak değişemez ve bu nedenle birincil sargıdaki akımında yönünü koruması gerekir. T1 tıkamada olduğuna göre akım için tek yol, D2 diyotu ve kaynak üzerinden, d’den c’ye doğru olan yoldur.

D2 iletimde iken d, c’ye göre negatif olduğuna göre güç akışı yükten kaynağa doğru gerçekleşmiş olur. t3 anında yük akımı sıfıra indiği an D2 akımı da sıfıra iner ve T2 tetiklenirse iletimi üzerine alabilir. Bu durumda yük akımı yön değiştirebilir. T1 in tetiklenmesi ile T2 tıkamaya geçecektir. Akım D1 üzerinden akarak sıfıra düşer ve çıkış geriliminin dönem sonuna gelinerek T1 yeniden iletime geçer. Bu nedenle tristöre uygulanan tetikleme darbelerinin ya bütün yarım dalgayı kapsayan bir darbe treni biçiminde olması ya da akım sıfır geçişlerinin algılanması ile istenilen frekansı oluşturacak konumda üretilen bir darbe olması gerekir. Bu inverterde endüktif yükte oluşan akım ve gerilim dalga biçimleri Şekil 4.10 ’da verilmiştir.

Şekil 4.10 Endüktif yükte çıkış dalga biçimleri

Paralel aktarımlı inverterin çıkış gerilimi dalga biçimi yükün türünden pek etkilenmez. Çıkış gerilimi frekansı tristörlerin tetikleme frekansına bağlıdır. Düşük frekanslarda çıkış transformatörü doyuma gidebilir ve aktarımı engeller. Devredeki L endüktansının görevi kapasitenin yüklenme akımını sınırlamaktır. Bu devrede kesimde olan tristörler üzerindeki gerilim, kaynak geriliminin iki katı olduğu için yüksek gerilim uygulamalarında bu yapı kullanılamaz.

Seri Aktarımlı İnverterler
Seri aktarımlı bir inverterin bağlantı biçimi Şekil 4.11’de gösterilmiştir. T1 tristörü tetiklendiği zaman L, C ve yükten oluşan seri rezonans devresi DC kaynağa bağlanır ve devrede sönümlü sinüs biçimli bir akım oluşur. Dolayısıyla çıkış frekansı rezonans devresinin frekansıyla sınırlıdır. Devrenin frekansı ile belirlenen bir süre sonunda bu akım sıfıra ulaşır ve T1 tristörü kesime gider. Bu anda kapasite üzerinde Şekil 4.12’de görüldüğü yönde bir gerilim oluşur. T2 tristörünün tetiklenmesi ile ikinci yarım çevrim başlar. Rezonans devresinde bu kez kapasite üzerindeki başlangıç geriliminden dolayı T2 üzerinden oluşan bir akım oluşur. Akım sıfıra ulaştığında T2 tristörü kesime gider ve böylece bir çevrim tamamlanmış olur. şekil 4.12’de bu devreye ilişkin dalga biçimleri gösterilmiştir.

Şekil 4.11 Seri aktarımlı inverter devresi

Şekil 4.12 Seri aktarımlı inverter dalga biçimleri

Darbe Aktarımlı İnverterler : En yaygın olarak kullanılan iki aktarım düzeneği McMurray ve McMurray-Bedford devreleridir.

Mcmurray Devresi : Darbe aktarımlı inverterler arasında yaygın olarak kullanılan McMurray devresinin bağlantısı Şekil 4.13’de verilmiştir. Bu devrede T1 ve T2 ana tristörler, TY1 ve TY2 ise T1 ve T2’nin susturulmasında kullanılan yardımcı tristörler olup, yalnızca aktarım amacı ile kullanılırlar. L ve C aktarım akımı için bir rezonans devresi oluştururlar. D1 ve D2 diyotları, yükün endüktif olması durumunda yükten DC kaynağa güç akışını sağlarlar ve aktarım olayına yardımcı olurlar.

Şekil 4.13 Mc-Murray inverter devresi

Mcmurray – Bedford Devresi : Uygulamada yaygın olarak kullanılan McMurray-Bedford devresinin bağlantısı Şekil 4.14’de gösterilmiştir. Bu devrenin üstün yönü yardımcı tristör gerektirmemesidir. Bu devrede T1’in tetiklenmesiyle T2 tıkamaya sokulmakta T2 ’nin tetiklenmesiyle T1 tıkamaya sokulmaktadır. Devrede gösterilen aktarım kapasiteleri C1 ve C2 ile aktarım endüktansları L1 ve L2 eşit değerde olup, endüktanslar aynı çekirdek üzerine sarılmıştır ( tek magnetik devre ).

Şekil 4.14 Mc-Murray Bedford inverter devresi

Yük Aktarımlı İnverterler : Bu invertelerde aktarım için gerekli etkin güç yük tarafından sağlanmaktadır. Bu nedenle bu tip inverterlere ‘yük denetimli inverterler’ de denilmektedir. İnverin beslediği yük, direnç- endüktans özelliğinde ise kondansatör eklemek yoluyla sığaç özelliği oluşturulup, aktarım için gerekli etkin güç yükten sağlanır. Kondansatörün yüke bağlanış biçimine göre iki gurupta incelenirler. [Pollack, 1972];

• Seri rezonans devreli inverterler,
• Paralel rezonans devreli inverterler,

Seri Rezonanslı İnverterler : Şekil 4.15’de görüldüğü gibi direnç-endüktans yüküne C sığası seri bağlanarak oluşturulan seri rezonanslı inverter devresinde dört tristör ve akımın her iki yönde geçmesini sağlamak için geri besleme diyotları kullanılmıştır. Bu devrede tristörlerin iletime girmeleri kapılarına uygulanacak darbelerle gerçekleştirilir.

Şekil 4.15 Seri rezonanslı inverter devresi

Paralel Rezonans Devreli İnverterler : Şekil 4.16’da görüldüğü gibi direnç ve endüktans yüküne paralel bağlanan C kondansatörü ile oluşturulan paralel rezonanslı inverter devresinde dört tristör bulunur. Bu inverter devresinde kondansatör ani gerilim değişimlerine izin vermediği için devre girişteki büyük değerli seri endüktans ile akım beslemeli olarak çalıştırılır.

Şekil 4.16 Paralel rezonanslı devreli inverterler

İnverter Devrelerinde Frekans ve Gerilim Denetimi

İnverterler, kullanım amaçlarına göre iki grupta toplanırlar. Bunlardan birincisi doğru akım kaynağından alternatif akım üreten inverterler, ikincisi üretilen bu alternatif akımın gerlimini ve frekansını değiştiren inverterlerdir. Birinci durumda inverterin çıkış frekansını sabit olması dolayısıyla inverter yapısı son derece basitleştirilebilir. Fakat çoğu uygulamalarda gerilim ve frekans beraber denetlenmesi gerekmektedir. Bu durum inverterin yapısını karmaşıklaştırmaktadır. [Malvino, 1986 ]

İnvertelerde Frekans Denetimi : İnverterlerin çıkış frekansının denetimi, istenen alternatif akım biçiminin her yarı periyotta uygun yarıiletken anahtar elemanlarının ( Tristör, Transistör, MOSFET vb.) tetiklenerek, iletime girme sayısıyla değişir.

Anahtarlama elemanlarını iletime sokan kontrol devreleri anahtarlama elemanlarının sırasını uygun olarak vermelidir. Bu işlem bir frekans üreteci ile yapılır. Frekans üretecinin zamanlama vuruşları mantık devreleri tarafından üretilir. Üretilen bu tetikleme sinyali anahtarlama elemanlarına verilir. Burada inverter frekansı referans osilatör ile belirlenir.

İnverterlerde Gerilim Denetimi : İnverter uygulamalarında, alternatif akım çıkış geriliminin doğru akım besleme gerilimine oranının sürekli bir şekilde denetlenmesi sık karşılaşılan bir durumdur.

Motor denetiminde kullanılan evirgeçlerde, motorun değişik frekans değerlerinde belirli (V/f ) oranını sağlamak, kesintisiz güç kaynaklarında giriş gerilimi değişimlerini karşılayabilmek için, çıkış gerilimini denetlemek gerekir.

İnverterlerde gerilim denetimi şu yöntemlerle yapılabilir;

1- İnverterin ürettiği dalganın yapısına göre giriş gerilimi ayarlanabilen inverterler,
a) Ayarlı transformatör yardımıyla gerilim değiştirilmesi,
b) Tam denetimli doğrultucu ile gerilim denetimi,
c) Denetimsiz doğrultucu ve doğru gerilim kıyıcıyla gerilim denetimi,
d) Faz kaydırma ile gerilim denetimi,

2- İnverter çıkış geriliminin, inverter içinde denetimi,
a) Darbe genişlik denetimi
b) Darbe genişlik bindirimi

Ürettiği Dalga Yapısına Göre Giriş gerilimi ayarlanabilen inverterler

Ayarlı Transformatör Yardımıyla Gerilim Denetimi

Şekil 4.17’de görüldüğü gibi ayarlı transformatör, doğrultucunu alternatif akım şebekesinden beslendiği yere yerleştirilmiştir. Bu devrede transformatörün ayarlı uçları basit bir kapalı çevrim düzeneği ile ayarlanır. Böylece inverteri besleyen doğru gerilimin genliğinin değiştirilmesi sağlanır.

Bu gerilimin ayarı, inverter çıkışındaki dalga biçiminin değişmediği ve doğrultucunun çıkış geriliminin sabit genlikte olduğu durumlarda kullanılır. Gerilimin değişmesi için ayarlı transformatörün değişken ucunun kaydırılması gerekir.bu işlemin yapılması belli bir gecikmenin oluşmasına sebep olur (etki ve tepki arasındaki gecikme).

Şekil 4.17 Doğrultucu girişinin ayarlı transformatör ile denetimi

Şekil 4.18’de görüldüğü gibi ayarlı transformatör inverterinin çıkışındaki yük girişinde de az kullanılabilir. Bu durum geniş frekans aralığında çalışma olanağı tanımasına rağmen, transformatör tasarımı açısından sorunlar doğurur.

Ayarlı transformatör primer yanının sabit frekansla beslenmesi ancak sekonder kısmının çalışması frekansının geniş olması demir kesitinin büyük olmasını gerektirir.

Şekil 4.18 İnverter çıkış geriliminin ayarlı trafo ile ayarlanması

Tam Denetimli Doğrultucu Yardımıyla Gerilim Denetimi : Bu yöntemde inverter girişine Şekil 4.19’daki gibi tam denetimli tristörlü doğrultucu bağlanır. Büyük gerilimlerde güç katsayısı küçük olasına karşılık tam denetimli doğrultucularda güç katsayısı çıkış gerilimi ile doğru orantılıdır.

Şekil 4.19 Tam denetimli doğrultucu ile inverter çıkış geriliminin denetimi

Burada inverter çıkışındaki gerilimin denetlenmesi için tam denetimli doğrultucu devresindeki tristörlerin devresindeki tristörlerin tetikleme açılarının değiştirilmesi gerekmektedir. Şekil 4.19’daki LC süzgeç devresi, doğrultucu çıkışındaki dalgacığı azaltıp süzülmüş bir doğru akım gerilimi elde etmek için kullanılmıştır.

Denetimsiz Doğrultucu ve Doğru Gerilim Kıyıcıyla Gerilim Denetimi

Gerilim denetiminde kullanılan diğer bir yöntem ise Şekil 4.20’de görüldüğü gibi doğrultucu ve doğru gerilim kıyıcıyla oluşturulmaktadır. Diyotlardan oluşan tam dalga doğrultuculardan alınan sabit genlikli doğru gerilim, kıyıcıdan geçirilerek, doğru gerilimin ortalama değeri değiştirilir.

Bu devrede, güç katsayısının yüksek olması ve LC süzgecinin zaman sabitinin küçük olmasından dolayı gerilim denetimde daha hızlı hareket sağlanır. Buna karşılık, ardışık olarak güç denetimi sağlayan iki devrenin bu bağlantısı sistemi karmaşıklaştırır ve maliyeti arttırır.

Şekil 4.20 Doğrultucu ve doğru gerilim kıyıcıyla gerilim denetimi

Faz Kaydırma ile Gerilim Denetimi : Faz kaydırma ile gerilim denetimi için aynı D.C kaynağından beslenen, aynı frekansta çalışan iki inverter gerekmektedir. İnverter çıkış gerilimleri bir transformatörle toplanır. Gerilim denetimi, bir inverterin çıkışının diğerine göre fazının kaydırılmasıyla yapılır. Böylece faz farkları olan iki gerilim dalgasının toplanmasından oluşan bileşke dalga, yüke uygulanır. Kullanılan transformatör zig-zag sargılıdır. Çıkışların birleştirilmesi ile gerilim dalgası 12 basamaklı olur. Harmoniklerin etkisinin azalmasına karşın sistem oldukça pahalıdır. Faz kaydırma ile gerilim denetimi yapan sistemin bağlantı biçimi Şekil 4.21’de verilmiştir.

Şekil 4.21 Faz kaydırma ile gerilim ayarı

İnverter Çıkış Geriliminin İnverter İçinde Denetimi

Darbe Genişlik Denetimi : Şekil 4.22’de görülen inverterde gerilim denetimi, aynı kolda bulunan T3 ve T4 tristörlerini, T1 ve T2 ‘ye göre belli bir gecikmesiyle iletime sokulmasına dayanır. Şekil 4.23’de görüldüğü gibi biri diğerine göre açısı kadar faz kaydırılmış iki kare dalga değişimi elde edilir.

Sonuçta yük uçlarında gerilim elde edilir. Faz farkı büyüklüğüne göre çıkış gerliminin değeri değiştirilmiş olur.

Şekil 4.22 Bir fazlı köprü inverter

Şekil 4.23 Darbe genişlik denetimi ile inverter çıkış geriliminin denetimi

Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) : Kıyma ya da darbeleme tekniği, inverterin değişken gerilim çıkışını denetlemek için kullanılabilir. Kare ya da basamak dalga çıkış gerilimleri, her periodda birkaç kez yinelenir ve böylece eşit genlikte birkaç darbe elde edilebilir. Her bir darbenin genliği inverterin giriş geriliminin genliğine eşittir. Şekil 4.24’de darbe genişliği T1 ile sıfır süresi T2 yarım periyot boyunca değişmezler.

Çıkış genliği yarı periyot boyunca olan toplam iletim süresinin değiştirilmesiyle denetlenebilir. Darbe genişliğini sabit tutup, darbe sayısını değiştirmekle ya da darbe sayısını değiştirmeyip darbe genişliğini değiştirmekle elde edilir. Kısaca özetleyecek olursak ; inverter çıkışının gerilimi, anahtarlama elemanlarının iletimde olduğu sürenin, tıkamada olduğu süreye oranının değiştirilmesi ile elde edilir.

Şekil 4.24 Darbe genişlik bindirimli dalgaların temel biçimleri

İnverterdeki yarıiletken anahtarlama elemanlarının tetikleme anlarını belirlemek ve eş zamanlamayı sağlayabilmek için Şekil 4.25 (a)’da gösterilen yöntem kullanılır. İnverterin çıkışının gerilimin ve frekansını belirleyecek bir sinüs referans işareti, frekans ve genliği sinüsten daha büyük bir üçgen dalga ile karşılaştırılır. Bu iki işaretin çakışma noktaları, anahtarlama elemanlarının tetikleme anlarını belirler. Bindirimli işaret, iki işaretin eşit olduğu noktalarda seviye değiştirmektedir.

İnverter çıkış gerilimini azaltmak ve yükseltmek için referans sinüsün genliği azaltılır veya yükseltilir. Frekansın değiştirilmesi sinüs işaretinin frekansının değiştirilmesi ile elde edilir. Darbe genişlik bindirimli inverterler, her yarı periyotta ayrı dönemde yalnızca iki darbe verecek şekilde yapılabilirler. [Şekil 4.25 (b) ]. Burada, prensipte görülen en küçük harmonikler 5. Ve 7. Dereceden harmoniklerdir. Yarı periyottaki darbe sayısı arttıkça harmonik sayısı harmonik sayısı azalır.

Şekil 4.25 (a) Referans sinüse göre üçgen dalgaya ilişkin inverter çıkışı (b) Frekansı değiştirilmiş referans sinüse göre inverter çıkışı

Filtre Ünitesi : UPS’nin giriş, şarj, inverter ve çıkış ünitelerinde istenmeyen elektriksel üniteleri yok etmeye veya değiştirmeye yarayan direnç, kondansatör ve self’lerle yapılan pasif elektronik devrelerdir. Her bir ünite için ayrı malzemelerden dizayn edilirler ve farklı işlevleri vardır.

AC Şebeke Filtreleri : Şebeke hattındaki elektriksel gürültüleri yok etmek çok kısa süreli ani gerilim piklerinin şarj veya by-pass ünitelerine zarar vermesini önlemek ve UPS şarj ünitesinden kaynaklanan bozulmaların şebekeye yansımasını engellemek amacıyla kullanılır. AC endüktans ve AC kondansatörlerle yapılırlar. (Endüktanslar ses yapmamaları için hava nüveleri olarak imal edilirler ).

UPS’nin yapısına göre bir fazlı veya üç fazlı olabilirler. UPS’nin gücüyle orantılı olarak güçlerin artması gerekir. Düşük güçlü UPS’lerde kullanılmayabilirler.

DC Şarj Filtreleri : Şarj ünitelerinde tristör kontrollü olarak doğrultulup elde edilen bozuk DC geriliminin akü şarjına uygun düzgün bir DC gerilimine dönüştürülmesi ve ani akım yüklemelerinin tristöre zarar vermesinin engellenmesi için kullanılırlar. Ripple düzeltme ünitesidir. DC endüktans ve DC kondansatörlerden oluşur.

Filtrelerdeki DC endüktansın değeri yüksek olduğu için saç üniteleri olarak imal edilebilirler. Endüktör DC akü hattının + ve – gücüyle orantılı güçte olduğu için boyutları büyük maliyetleri yükseltir. OFF-LİNE UPS’ler ve LİNE-İNTERACTİVE UPS’ler ve sinüsoidal çıkışlı ON-LİNE UPS’lerde kullanılmazlar. Dolayısıyla UPS’lerin maliyetleri düşük olur. İnverter filtre kondansatörleri AC yapıda, gerilimleri akü geriliminin en az iki katı değerde ve güçleri UPS gücüyle orantılı olacak şekilde kullanılırlar. Yüksek güçlerde boyutları ve maliyetleri büyüktür.

AC Çıkış Filtreleri : İnverter ünitesinde üretilerek çıkış trafosu ile yükseltilen çıkış gerilimi üzerindeki düşük güçlü ve kısa süreli elektriksel gürültülerin yok edilmesi ve dalga şeklinin sinüs biçimine dönüştürülmesi amacı ile kullanılırlar. Taş dirençlerle AC kondansatörlerle yapılırlar. AC kondansatörler genellikle 250 VAC gerilim değerinde ve UPS marka, model ve gücüne göre değişik kapasitede olurlar. Taş dirençlerin gücü ve direnç değeri UPS çıkış gücüne bağlı olarak değişir.

Kare dalga çıkışlı OFF-LİNE UPS modeli dışında bütün UPS’lerde kullanılması gerekir. Genellikle küçük boyutlu olurlar ve maliyetleri yüksek değildir.

Akümülatör Ünitesi : UPS’lerde şebeke gerilimi kesildiği zaman inverter ünitesinin ihtiyaç duyduğu DC gerilimi sağlayan bölümdür. Genellikle 12 V veya 6 V’luk aküler kullanılır. UPS’lerin DC beslenme gerilimleri bu akülerin seri olarak birbirine bağlanmasıyla elde edilir. Şebeke geriliminin kesilmesinden sonra UPS’nin çalışma süresi akülerin kapasiteleri ile belirlenir. ON-LİNE UPS şarj ünitesinin ürettiği DC gerilimin filtrelenmesi işlevini de yerine getirirler. Bu yüzden ON-LİNE UPS’ler şebeke kesildiğinde aküsüz çalıştırılamazlar. Eğer böyle bir çalışma isteniyorsa şarj ünitesi filtrelerinin arttırılması gerekir.

Akü Çeşitleri : Genel olarak iki tip aküden bahsetmek mümkündür.

• Kurşun asit aküler
• Nikel- kadmiyum aküler

Kurşun Asit Aküler : Kurşun asit aküler ( 12V ) 6 hücreden oluşmakta her hücre kurşun elektrolitleri içermektedir. Kurşun asit aküler, sabit voltaj ve sabit akım methodu ile şark olurken, akülerin ( V ) terminal voltajı yavaş yavaş artar. Belli bir süre şarjdan sonra terminal V voltajı hızlıca artmaya başlar. Keskin artış, gazlanma konumunda oluşur. Bu gazlanma hali, elektrolitleri içeren suyun elektrolizinden kaynaklanır. Elektroliz, pozitif plakada O2 gazının, negatif plakada H2 gazının oluşmasına sebep olur.

Bu süre içinde gaz basıncını azaltmak için kataliz işlemi uygulanır. Yüksek gazlanma koşulları altında akü şarj olurken akünün gaz basıncı ve sıcaklığı artmaya devam eder. Oluşan bu sıcaklık ve gaz, akülerin ömrünü azaltır ve hatta patlama tehlikesine sebep olurlar. Gaz halindeki terminal voltajı akü tipine bağlı olarak değişir. Bu değer, kurşun asit akü için (12 V 7Ah hücreli ) 13.6 V ‘tur.

Akü şarjı sırasında oluşabilecek tüm olumsuzlukları gidermek için bulanık mantık ( fuzzy lojik) kontrol devreleri kullanılmaktadır. FLC ( Fuzzy logic controller ) olarak anılan bu devreler, şarj akımının uygun seviyesini sağlamakta ve akü parametrelerine (akü tipleri, kapasiteleri, maksimum olabilir şarj akımı ( Icm ), gaz hali voltaj değeri, sıcaklık, üretici toleransları, akünün dinamik zaman sabiti, akünün yaşı ve gaz halinin oluşmasına etki eden diğer parametreler…) gerek duymadan çok etkili şarj saykılını vermektedirler. FLC’ler ayrıca düşük maliyetinden dolayı kullanıcılar için uygundur.

Nikel – Kadmiyum Aküler : Nikel–kadmiyum akülerin şarjına yarayan çok sayıda devre tasarımı gösterilebilir. Bu devrelerde, akümülatörlerin otomatik olarak doldurulması amacıyla çok karmaşık ve pahalı düzenlerin kullanılması yoluna gidilmektedir. Eğer devre aşırı basit olursa aküler kısa bir süre içinde, zarar görecek biçimde doldurulurlar. Bu özellik, modern elektronik düzenlerin beslenmesinde kullanılan kesintisiz güç kaynaklarındaki sürekli tampon çalışmada kalan akümülatörler için bir sorundur. Bu yüzden genelde otomatik Ni-Cd doldurucu devreleri kullanılmaktadır.

Statik Ve Manuel By-Pass Anahtar : UPS’lerde çıkış yüklerinin inverterden veya şebekeden beslenmesine karar veren ve aktarma işlemini yapan bölümdür.

Statik By-Pass, tristör blokları ve bir kontrol kartından oluşur. Kontrol kartı inverterin çıkış gerilimini, çıkış akımını ve frekansını sürekli olarak kontrol eder ve tolerans dışı kaymalar olursa yükü kesintisiz olarak şebekeye aktarır. Hata ortadan kalkıncaya kadar yük şebekede kalır. Statik By- Pass’ın birinci amacı yükte oluşabilecek kısa devrelerde veya aşırı yüklenme durumlarında inverter modülünün zarar görmesini engellemektir. İkinci amacı ise inverterde oluşabilecek herhangi bir arıza durumunda yükün beslenmesine devam edebilmesidir.

UPS’nin arıza yapması yada bakıma alınması durumunda yükün şebekeye aktarılması için manuel By-Pass şalteri kullanılır. Manuel By-Pass anahtarı iki konumlu bir pako şalterdir. Bazı UPS’lerde 1-0-2 şalter kullanıldığı için aktarma anında bir kesinti oluşur. Ancak bazılarında 1-2 özel pako şalter kullanıldığı için çıkışta kesinti oluşmaz. Bu şalter geçiş anında şebeke ile UPS’yi kısa devre ettiği için aktarma yapılırken şebeke ile UPS’in gerilim ve faz olarak birbirinden çok farklı olmamasına dikkat edilmelidir.

Haberleşme Ünitesi : UPS’lerde kullanıcı ile ilgili bilgilerin herhangi bir aracıyla kullanıcıya iletilmesini sağlayan bilgisayar ile seri haberleşme ünitesidir. UPS’nin çıkış gerilim değeri, yük yüzdesi, şebekenin olup olmadığı ve akü grubunun durumuna ilişkin bilgiler seri haberleşme ile bilgisayara aktarılarak herhangi bir kesinti ve arıza durumunda kullanıcı uyarılmış olur. Bu ünite özellikle yüksek güçlü cihazlarda gereklidir. Çünkü bu cihazlar büyük boyutlu olurlar ve kullanıcıdan uzak bir yerde bulunurlar. Dolayısıyla kullanıcı UPS ön panel bilgilerini ve ses uyarılarını algılayamaz. Ayrıca OFF-LİNE UPS’lerde kesintiden bir süre sonra NETWORK sistemini otomatik olarak kapatan yazılımlarda vardır.

Trafo Ünitesi : Trafolar kısaca manyetik alan etkileşimi ile çalışan AC gerilim dönüştürücüleri olarak tanımlanabilirler. UPS’lerde kullanılan trafoları giriş trafoları, çıkış trafoları, besleme ve işaret trafoları olarak üç gruba ayırabiliriz.

Transformatör tanıtımı : Alternatif güç dönüştüren elektriksel devre elemanlarıdır. Genelde iki giriş ucu ve iki çıkış ucu vardır. Giriş uçlarına primer ( birincil ) uçlar, çıkış uçlarına da sekonder ( ikincil ) uçlar denir. Transformatörde, gerilim hangi uçtan uygulanmışsa o iki uca primer uç denir. Çıkış alınan uçlara ise transformatörün sekonder uçları denir. Transformatörün girişine bir D.C gerilim uygulanırsa çıkışında herhangi bir gerilim ölçülmez. Gerek zayıf-akım, gerekse kuvvetli-akım tekniğinde transformatörler çok çeşitli isimler almaktadır. Örneğin redresör ( doğrultucu ) transformatörleri flaman transformatörleri, izolasyon transformatörleri, çıkış transformatörleri, güç transformatörleri, gerilim transformatörleri vb. Zayıf akımda kullanılan şebeke transformatörleri, yalıtma transformatörleri, oto-transformatörleri, gerilim transformatörleridir. [Tirben, 1981 ]

İdeal halde, bir transformatör girişine uygulanan alternatif güç, çıkışındaki alternatif güce eşittir. Transformatörlerde verim çıkış gücünün, giriş gücüne oranı olarak tanımlanmaktadır. Verim şu şekilde ifade edilmektedir.

Şekil 4.26 Transformatör eşdeğer devresi

Po : Alınan güç;
Pi : Verilen güç;

V1 :Transformatör girişine uygulanan gerilim (V),
V2 :Transformatörün çıkış gerilimi (V),
N1 : Transformatörün girişindeki sarımların sargı sayısı,
N2 : Transformatörün çıkış sargılarının sarım sayısı,
I1 : Primer akımı (A),
I2 : Sekonder akımı(A),

olduğuna göre dönüştürme oranı;

Transformatör Hesabı : Transformatör yapımında kullanılan malzemeleri 1- İletken malzemeler, 2- yalıtkan malzemeler, 3- magnetik malzemeler olmak üzere üç kısıma ayırabiliriz. Sargı teli olarak bakır teller tercih edilmektedir. Yalıtkan malzemeler seçilirken ‘elektrikse, mekanik, termik ve kimyasal’ özellikler göz önüne alınır. Kullanılan yalıtkan malzemeler şunlardır; Ağaç, fiber, ebonit, bakalit, kağıt, yalıtkan bez, makaron, amyant, mika, keten şerit, ipek şerit ve vernikleri sayabiliriz. Magnetik- çekirdek malzemesi olarak silisyumlu çelik saçlar kullanılmaktadır.

V1 = 4,44..N1.f.10-8 (V)
V2 = 4,44..N2.f.10-8 (V)
: Magnetik akı (Maxwell),
f : Transformatörün girişine uygulanan gerilimin frekansı (Hz),

KGK’lerde olduğu gibi, gerilim daha yüksek değere çıkarmak için transformatör girişine uygulanan sinyal kare dalga şekli olmalıdır. Bu durumda 4,44 katsayısı yerine 4 kullanılır. Burada bahsi geçen magnetik akısı şu bağıntıyla hesaplanır.

= B.S (4.6)

B magnetik akı yoğunluğu birimi ( Gauss ), S magnetik gövde kesiti birimi cm’dir. Günümüzde, SI birim siteminde B magnetik akı yoğunluğu birimi Weber/m2, magnetik akı birimi de Weber ‘dir. Kısaca Weber/m2 birimi Tesla (1 Tesla = 10000 Gauss ), 1 Weber = 10 Maxwell eşitlikleri kullanılır.

Transformatör sac cinsine göre B = 6000 ile 16000 Gauss arasında muhtelif değerler alır. Adi transformatör sacları için yaklaşık 7500 Gauss alınırsa hesaplamalar daha tutarlı sonuç verecektir. Magnetik çekirdeğin gövde kesidi; primer ve sekonder sargılarının sarıldığı bobin karkasının kavradığı çekirdeğin yüzölçümüdür. Buna göre; Ave H boyutlarının çarpımına eşittir.

Transformatörlerde akım yoğunluğu, soğutmasız tiplerde Id = 1.7 A/mm ve soğutmalı tiplerde Id = 3 A/mm olarak alınır. Bir telin çapı d ile kesiti Q arasında şu bağıntı vardır.

Q = 0,8.d (4.7)

Transformatör Güç Kayıpları : Transformatör demir-çekirdekteki bobinde kayıplar şu şekildedir.

1. Sargı iletkenindeki bakır kayıpları,
2. Demir çekirdekteki girdap akımı kayıpları,
3. Çekirdeğin histerezis kayıpları,
4. Dielektrik histerezis kayıpları,

Kayıplar arttıkça transformatör verimi azalacaktır.

Güç Hesabı : Zamanın herhangi bir anında gerilim ve akımın çarpımı ani güç olarak tanımlar.

P = V.İ (4.8)

Bir sistemde V.İ çarpımına görünür güç denir ve S simgesiyle belirtilir. S’nin birimleri Volt-amper (VA) ve kilovolt-amper (kVA) ‘dır. V.İ.sin çarpımına reaktif güç denir. Birimi volt-amper reaktif (VAr) veya (kVAr) ‘dır. V.İ.cos çarpımına ise ortalama güç denir. Birimi Watt veya kWatt ‘dır. Buradaki ise faz açısıdır.

Giriş Trafoları : Şebeke gerilimini düşürerek veya yükselterek aküleri şarj edebilecek düzeye getiren trafolardır. Giriş trafoları oto trafoları ve izole trafoları olarak iki farklı yapıda olabilirler. Giriş trafoları ON-LİNE UPS’lerde çıkış gücünün %30’u kadar bir güçtedir. OFF-LİNE ve LİNE-İNTERACTİVE UPS modellerinde çıkış gücünün %10’u veya %30’u civarında yapılırlar. İzole giriş trafoları özellikle ON-LİNE UPS’lerde çok fazla yer kaplarlar ve maliyeti yükseltir. Maliyeti düşürmek için bazı yerlerde oto-trafoları kullanılır.

Çıkış Trafoları : Çıkış trafoları inverter ünitesinin akü gerilimi civarında ürettiği AC işareti 220 VAC ’ye yükselten izole yapıdaki trafolardır. UPS’nin yapısına göre değişik sargılara sahip olabilirler. OFF-LİNE UPS ’lerde aynı zamanda giriş trafosu olarak kullanıldıkları için bu cihazlarda tek trafo vardır.

Çıkış trafosu UPS çıkış gücünü karşılayabilecek güçte olmak zorundadır. Büyük boyutludurlar ve maliyetleri yüksektir.

Besleme Ve İşaret Trafoları : Elektronik kartların beslemesini sağlayan ve giriş-çıkış geriliminden küçük genlikli, işaret boyutunda örnekler almak için kullanılan izole tipte trafolardır. Besleme trafoları UPS modellerine göre 10-20 W gücünde olabilirler. UPS çıkış gücüyle doğrudan bir bağlantıları yoktur. Aynı marka ve modeldeki UPS’nin kontrol kartları bütün güçlerde aynı olduğu için besleme trafoları da değişmez. İşaret trafoları giriş ve çıkış gerilimlerini ölçmek ve elektronik kartlara geri besleme bilgisi vermek için kullanılırlar. Güçleri 10-15 W civarındadır ve bütün güçlerdeki UPS’lerde aynıdırlar. Maliyetleri yüksek değildir.

Öncelikle 100 VA Kesintisiz Güç Kaynağı tasarımının kaynak şema pcb vb. dosyalarının olmadığını belirteyim dosyalar yok ise niye yayınladın ya da dosyalar nerede diye soracak kişiler için verilecek cevap şemalardan daha önemli olanın bilgi olduğudur UPS sistemleri hakkında Türkçe detaylı bilgiler Emeği geçen Kişilere Teşekkürler.

Ek olarak çeşitli ups devre şemaları dökümanları;