UPS mi, Gerilim Regülatörü mü?
Elektronik cihazlarınızı korumak için hangi yöntemden faydalanmalısınız?
Elektrik enerjisi güç kalitesi ile ilgili yaşanabilecek sorunlar, bilginin işlenmesini sağlayan bilgisayar ve benzeri cihazlarda, hassas elektronik cihazlarda arızalara veya çalışma performansında düşüşlere neden olabilir; üretim kaybı ve bunun sonucu ciddi mali kayıplar ortaya çıkabilir.
Elektrik şebekelerinde ve işletmelerin güç dağıtım sistemlerinde en yaygın gözlenen elektrik güç kalitesi problemlerinden biri kısa veya uzun süreli gerilim düşümleridir. Hassas elektronik cihazlar, beslendikleri gerilimin ancak belli çalışma aralığında kalan değerlerinde sorunsuz şekilde çalışabilirler. Örneğin 220V±%10 etiketine sahip bir cihazın nominal çalışma gerilimi 220V'dur, ancak 198V-242V aralığında kalan tüm gerilim değerlerinde de bu cihazın sorunsuz şekilde çalışabileceği cihaz üreticisi tarafından güvence altına alınmıştır. Bu değerlerin dışında kalan gerilimler, uygulandığı cihaza zarar verebilir. Üretici firmalar sattıkları cihazların teknik broşür ve kullanım kılavuzlarında ürünün çalışma gerilim aralığını açıkça belirtir ve kullanıcıların bu gerilim aralığı dışında kalan değerlerle cihazlarını çalıştırmaları durumunda ürünün garanti kapsamı dışına çıkacağını vurgular.
Ticari ve sanayi işyerlerinde kullanılan hassas elektrik ve elektronik cihazları, bağlı oldukları kaynağın gerilim düşümlerinden korumak amacıyla genellikle iki yöntem kullanılır: Gerilim regülatörleri ve UPS'ler (Uninterruptible Power Supplies; KGK, Kesintisiz Güç Kaynakları). Çalışma prensipleri, avantaj ve dezavantajları ile bu iki yöntem aşağıda kısaca anlatılacak ve karşılaştırılacaktır.
Gerilim düzeltici/düzenleyici olarak ta adlandırılırlar. Değişik güçlerde, bir ve üç fazlı regülatörler kullanılmaktadır. Şebeke ile giriş gerilimi regüle edilecek olan cihazın arasında yer alırlar. Yapısal olarak iki türlüdürler: Dinamik ve statik gerilim regülatörleri. Karbon fırçaların, üst yüzeyindeki gerilim ayar segmentlerini süpürdüğü ve genellikle toroidal yapıda olan oto transformatör, dinamik gerilim regülatörlerin temel yapı elemanıdır. Şekilde görülen regülatörde de olduğu gibi, bu transformatör regülatörün önemli bir kısmını oluşturur. Şebeke gerilimi düştüğünde karbon fırçalar, gerilimi yükseltecek ve yük gerilimini normal gerilime getirecek şekilde, örneğin sağa doğru hareket ederken; şebeke gerilimi yükseldiğinde ise bunun tersi bir davranış sergilerler. Bu sistemin en belirgin dezavantajı şebeke gerilim değişimlerine karşı gösterdikleri davranışın (elektriksel cevabın) yavaş kalmasıdır. Bu nedenle hızlı değişen kaynak gerilimlerinin regülasyonunda dinamik regülatörler yetersiz kalabilir; bu tip hızlı gerilim değişimlerinin olduğu uygulamalarda, işletmelerde kullanılmaları tercih edilmez. Diğer bir dezavantaj ise transformatör yüzeyi ile sürekli temas halinde olan hareketli karbon fırçaların sürtünmeden dolayı aşınmaları ve doğal olarak ortaya çıkan bakım ihtiyacıdır. Dinamik gerilim regülatörlerin belirgin avantajı için ucuz olmaları, bakım ve servis hizmetlerinin nispeten kolay olmasıdır.
Statik gerilim regülatörleri ise yapılarında statik yarı iletken elemanların (Tristör, tranzistör vs.) yer aldığı regülatörlerdir. Çalışma ilkeleri dinamik regülatörlere çok benzer. Hareket eden karbon fırça veya benzeri hareket eden bir eleman statik gerilim regülatörlerde kullanılmaz. Gerilimin artırılması veya azaltılması statik yarı iletken elemanların iletimde kalma sürelerinin kontrolü ile sağlanır. Hareket eden karbon fırçalar kullanılmadığı için bu sistemlerin bakım ihtiyacı nispeten daha azdır. Karmaşık bir güç ve kontrol devresine sahip olmaları, arıza halinde onarımları için deneyimli teknik servis elemanına gereksinim duyulması sahip oldukları belirgin dezavantajlardır. Avantajlı oldukları tek nokta hızlı gerilim değişimlerine hızlı yanıt verebilmeleri ve dolayısıyla hızlı regülasyon yapabilmeleridir.
Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK), yaygın bilinen ismiyle UPS'ler güç elektroniğinin günümüzde en fazla kullanılan uygulamalarından birisidir. Temel fonksiyonu, elektrik kesildiğinde kendisine bağlı olan kritik cihazlara elektrik enerjisini kesintisiz olarak uygulayabilmesidir. Bilinen bu kullanım amacının dışında UPS'ler beslediği pahallı ve hassas yükü, gerilim değişimleri de dahil olmak üzere şebekede ortaya çıkabilecek birçok güç kalite probleminden izole eder; onun temiz ve regüleli bir gerilim ve frekans değeriyle (220V faz-nötr, 50Hz) beslenmesini sağlar. Şebeke gerilimi UPS'in giriş gerilimi için tanımlanan çalışma aralığında kaldığı sürece kritik yük UPS çıkışından regüleli saf sinüzoidal bir gerilim ile beslenmeye devam eder. UPS'in giriş gerilimi kesildiğinde (elektrik kesintisi olduğunda) veya UPS'in çalışma gerilim toleransları dışına çıktığında ise UPS sahip olduğu akü sistemi üzerinden çalışmasını sürdürür. Akü destekli çalışma süresini, kullanılan akülerin kapasitesi ve UPS'e bağlı olan yüklerin çektiği akım değeri belirler. Tam yükünde, diğer bir deyişle tam kapasitesinde çalışan UPS'in akü destek süresi tipik olarak 7-10 dak. civarındadır. Yük miktarı azaltıldıkça bu süre uzayacaktır. O nedenle elektrik kesintisi sırasında kritik olmayan, gereksiz yüklerin devreden çıkarılması tavsiye edilir.
KGK'ların online çalışan modelleri çift güç dönüşümü yapar. Önce şebekenin sinüzoidal değişen AC gerilimini doğrultucu olarak isimlendirilen güç elektroniği devresi ile akülerin kullanabileceği forma yani DC gerilime dönüştürürler. Dönüştürülen bu DC gerilim aküleri sürekli şarj altında tutarken aynı zamanda ikinci bir güç dönüştürme katı olan güç elektroniği devresini, yani eviriciyi besler. Evirici yükün ihtiyacı olan kararlı, regüleli sinüzoidal AC gerilimi üretir.
UPS veya gerilim regülatörü seçimini belirleyen belli kriterler vardır: uygulamanın ve kullanılan cihazların ne denli hassas ve kritik olduğu, beslenecek cihaz(lar)ın çektiği akım, şebeke geriliminin değişim hızı ve sıklığı vs.
Beslediğiniz cihaz pahallı, şebeke gerilim değişimlerine karşı duyarlı, yerine getirdiği görev kritik, çalışmaması veya istenmeyen şekilde çalışması durumunda neden olacağı mali kayıp ve üretim kaybı büyük ise sürekli ve iyi regüle edilmiş bir sinüzoidal AC gerilim kaynağından beslenmesi zorunludur. Bu tip durumlar için önerilebilecek en uygun güç koruma çözümü on-line çalışan UPS'lerin kullanılmasıdır. Online UPS'ler sadece gerilim düşümü veya yükselmesi şeklindeki şebeke sorunlarına karşı değil, şebekede ortaya çıkabilecek diğer sorunlara (frekans değişimleri, harmonikler, transientler vs.) karşı da kritik yükünüzü korur. UPS çalışması, şebeke geriliminin çok hızlı ve gün içinde çok fazla değişmesinden etkilenmez.
Getirdiği bu avantajlara karşılık UPS'ler karmaşık bir yapıya sahiptir, pahallıdır, periyodik bakım gerektirir.
Öte yandan gerilim regülatörleri kritik olmayan yükler için yeterli bir koruma sağlar. UPS'lere göre gerilim düzeltme hızları, yani regülasyon hızları yavaştır. Gerilim regülatörleri sadece yavaş değişen gerilim düşümleri ve gerilim yükselmelerini uygun şekilde regüle edebilir ve yüke nominal değerinde bir gerilim uygular. Güç kalitesi ile ilgili diğer şebeke problemlerinde ise yükü izole edemez, koruyamaz.
UPS veya gerilim regülatörü için satın alma kararını vermeden önce bina içi geriliminin ölçülmesi, gerilim dalga şeklinin izlenmesi, varsa dalga şeklindeki bozuklukların tespit edilmesi ve tanımlanması son derece önemlidir. Dağıtım panosunda gözlenecek sinüzoidal olmayan gerilim dalga şekli için ya uygun seçilmiş filtreler kullanılmalı, yada bu gerilimden etkilenebilecek yüklerin toplam gücüne göre belirlenmiş bir online UPS kullanılmalıdır.
Yrd. Doç. Dr. Vehbi BÖLAT, Tunçmatik A.Ş.