ENEL - Çağrı DİP (Elektrik Elektronik Mühendisi) WIN FUARI ÖZEL BÖLÜMÜ • TANITICI REKLAM YÜKSEK VERİMLİ KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI (KGK) KRİTİK YÜKLERİN KALİTELİ VE KESİNTİSİZ BİR ENERJİ İLE BESLENMESİNDE YAYGINCA KULLANILAN GÜÇ ELEKTRONİĞİ TEMELLİ CİHAZLARDIR. ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTAN ÖNEMİ VE ÇEVRESEL KAYGILAR KGK SİSTEMLERİNİN YAPISINDA DA ÖNEMLİ GELİŞİMLERE ÖNAYAK OLMUŞTUR. KGK’LER ÇEVRE DOSTU ÇALIŞMAYI KGK’NİN ISIL GÜÇ KAYIPLARI DÜŞÜK YANİ TOPLAM VERİMİ YÜKSEK TUTARAK VE ENERJİ ÇEKTİĞİ AC GÜÇ KAYNAĞINDAN ELEKTRİK GÜÇ KALİTESİ YÜKSEK OLAN BİR GÜÇ ÇEKEREK SAĞLAYABİLİR. 160 Şubat 2014 Transformatörlü KGK’lerde doğrultucu birimi tristörler, faz kaydırma transformatörü ve harmonik filtreleri, evirici biriminde ise IGBT’ler ve gerilim yükseltici transformatör kullanılmaktadır. Çok sayıda pasif eleman kullanıldığı için karmaşıktır ve hacmi büyüktür. Evirici transformatörü KGK sisteminin hantal, düşük performanslı ve düşük verimli olmasına neden olmaktadır. Ayrıca transformatör, KGK sisteminin hem satış fiyatının hem de işletme maliyetinin yüksek olmasının nedendir. Transformatörlü KGK’lerin bu dezavantajlarını ortadan kaldırmak amacıyla transformatörsüz iki seviyeli KGK sistemleri geliştirilmiştir. İki seviyeli KGK’lerin doğrultucu birimi IGBT’lerden oluşmaktadır. Bu nedenle faz kaydırma transformatörü ve harmonik filtrelerine, evirici biriminde yükseltici transformatöre ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu nedenlerden ötürü boyutları transformatörlü KGK’lerden daha küçük, performansı yüksektir. Hem yatırım hem de işletme maliyetleri transformatörlü KGK’ye oranla daha düşüktür. İki seviyeli KGK’lerin doğrultucu birimi çıkışında yeterli seviyede DC gerilim oluşturulduğu için evirici biriminde yükseltici transformatöre gerek yoktur. İki seviyeli KGK’lerin topolojileri gereği doğrultucu girişinde güç devresinin boost konvertör olarak çalışabilmesini mümkün kılmak için kullanılan şok bobinler, giriş/çıkış harmonik değerlerini azaltmak için kullanılan pasif devrelerin boyutları DC bara geriliminde anahtarlama yapıldığı için belirli bir seviyede kalmaktadır. Üç seviyeli (3S) KGK’de kullanılan IGBT’ler yarım DC bara geriliminde anahtarlandıkları için kullanılan pasif filtrelerin boyutları iki seviyeli KGK’de kullanılanlara oranla daha küçüktür. Ayrıca üç seviyeli KGK’de IGBT’leri soğutmak için kullanılan soğutucuların boyutları da iki seviyeli KGK’de kullanılandan daha küçüktür. Bu nedenle aynı anma gücüne sahip üç seviyeli KGK’nin boyutları iki seviyeli KGK’nin boyutlarına oranla daha küçüktür ve ağırlığı da daha düşüktür. Üç seviyeli KGK kullanıcısına düşük hacimde yüksek güç sunmaktadır. Üç seviyeli KGK’de kullanılan IGBT’lerin neden olduğu enerji kayıpları iki seviyeli KGK’deki kayıplara oranla daha düşüktür. Daha az kayıp daha yüksek verim değerleri anlamına gelmektedir. İki seviyeli KGK’de maksimum yüzde 92 olan verim üç seviyeli KGK’de yüzde 96 değerine ulaşmaktadır. Yüksek verim değeri düşük işletme maliyeti anlamına gelmektedir. Bu nedenle üç seviyeli KGK’nin yatırım maliyetinin geri dönüş süresi iki seviyeli KGK’den yaklaşık olarak 2 veya 3 yıl daha kısadır. Türkiye’de zayıf şebeke koşulları nedeniyle KGK kullanım oranları yüksek seviyelerdedir. Bu nedenle KGK’ler enerji verimliliği açısından kritik cihazlardır. Enerji verimliliğinin artan önemi ve çevresel kaygılar KGK sistemlerinin yapısında da önemli gelişimlere önayak olmuştur ve son on yıllık süreçte yarı iletken teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak ağır, hantal, düşük başarımlı transformatörlü KGK’ler yerlerini enerji verimliliği yüksek, çevreye duyarlı, üstün başarımlı yeni nesil KGK’lere bırakmışlardır. iki seviyeli topolojiye sahip KGK’lerle başlayan bu süreç, günümüzde yerini yüksek verimli üç seviyeli topolojili KGK’lere bırakmaktadır. Enerji verimliliğinin artan önemi ve çevresel kaygılar ve KGK sistemlerinin işletim ve soğutma maliyetlerinin azaltılması, yatırım maliyetlerinin geri dönüş süresinin kısaltılmasını zorunlu hale getirmiştir. Geleneksel transformatörlü ve iki seviyeli topolojiler ile maksimum yüzde 92 seviyesinde KGK verimi elde edilebilmektedir. Kullanıcıların yer ihtiyacı dolayısıyla düşük hacimde yüksek güç talepleri artmaktadır. Geleneksel transformatörlü ve iki seviyeli topolojili KGK’ler kullanıcıların bu ihtiyaçlarına cevap verememektedir. E2 serisi ürünlerinin geliştirilmesinin amacı sektördeki yüksek verimli ve küçük boyutlu çevre dostu KGK ihtiyacıdır. Geleneksel KGK’lerle karşılaştırıldığında elektrik şebekesine daha az zarar veren, şebekenin güç kapasitesini gereksiz şekilde kullanmayan E2 serisi ürünler yüzde 96’ya varan verim değeri, yüksek giriş/çıkış performansı ve yüzde 40’a varan azalan boyutları ile verimlilik ve performans konusunda öncü olmuştur. gerilimi anma değerini oluşturmaya yeterli olacağından çıkış katında yükseltici transformatör kullanımına gerek kalmaz. Transformatörün getirdiği bütün olumsuz etkiler de onunla beraber gider. Bu yapıda, şebekeden harmonik bileşen miktarı küçük, reaktif bileşen içermeyen, güç katsayısı 1’e yakın, saf sinüzoidal akım çekilir. Bu sayede, girişteki büyük harmonik süzgeçler, faz kaydırma transformatörleri ve tepkin güç düzeltim kondansatörleri kullanma ihtiyacı ortadan kalkar. Azalan bileşenler, doğrultucunun, şebeke geriliminin bozukluklarına daha hızlı tepki vermesine, şebeke geriliminde oluşabilecek dengesizliklerinden etkilenmemesine imkan verir. Ayrıca, rejeneratif yük uygulamalarında, bu doğrultucu yapısıyla yükün sağladığı enerjinin şebekeye iadesi mümkündür. Bu tip uygulamalarda enerji tasarrufu sağlanır, enerjinin ısıya dönüşmesi engellenir. (a) ÜÇ SEVİYELİ (3S) KGK YAPISI KGK’ler AC şebeke gerilimini DC gerilime dönüştüren doğrultucu ve bu DC gerilim ile çıkışta temiz bir AC gerilim üreten evirici yapılarından oluşurlar. Ayrıca, KGK yapısında bakım ya da arıza durumunda yükün beslenmesinde görev alan tristör yangeçit hattı bulunur. Sekil 1.a’da genel itibariyle KGK blok diyagramı gösterilmiştir. Bir çevrimiçi KGK doğrultucu ve evirici kısımları sürekli çalışma için tasarlanmışlardır. Evirici devrede iken KGK çıkış gerilim ve frekans değerleri girişten bağımsız olarak oluşturulur, böylece şebeke bozukluklarının olumsuz etkileri yük tarafına yansıtılmaz. Üç seviyeli (3S) KGK’lerde Darbe Genlik Modülasyonu (DGM) ile yüksek frekansta anahtarlanan üç seviyeli gerilim yükseltici IGBT doğrultucu tipi kullanılır. Bu yapıdaki doğrultucular ile şebeke geriliminin tepe değerinden yeterince yüksek (±400 V DC) değerde kararlı bir DC bara gerilimi oluşturulur. Bu yüksek gerilim değeri evirici çıkısında şebeke (b) (c) Şekil-1: Üç seviyeli (3S) KGK yapısı: (a) KGK blok diyagramı, (b) doğrultucu ve evirici yapısı, (c) çıkış dalga şekli 161 Şubat 2014 DC bara geriliminden AC sinüs gerilimi oluşturmak için, evirici katında IGBT’ler kullanılarak ve DGM tekniği ile anahtarlama yapılarak yüksek frekanslı dikdörtgen gerilim darbeleri elde edilir. Bu darbe gerilimleri KGK’nin çıkış LC süzgeci ile süzülerek yükü besleyen sinüs gerilim dalgaları haline getirilir. Üç seviyeli evirici yapısında çıkış gerilimi -Vdc/2, 0 ve +Vdc/2 olmak üzere 3 seviyeden oluşur (Sekil 1.c). Böylece çıkıştaki yüksek frekanslı dikdörtgen gerilim darbeleri, ek basamakla sinüse daha yakın forma getirmek ve çıkış harmoniklerini azaltmak mümkün olur. Artırılan basamak sayısı sonucu düsen gerilim darbe hızı (dv/dt), güç yarı iletkenlerinin anma gerilimlerinin daha düşük seçilmesine olanak sağlar; üç seviyeli yapıda genellikle 600V IGBT modüller kullanılır ki, iki seviyeli topolojili sistemlerde kullanılan 1200V IGBT’lere nazaran bu elemanların anahtarlama ve iletim kayıpları oldukça azdır. Bu sayede üç seviyeli KGK sistemlerinde özellikle yüksek güç seviyelerine çıkıldığında yüzde 95-97 gibi yüksek verim değerlerine ulaşmak mümkün olur. Ayrıca düşük dv/dt oranı, akustik gürültü ve elektromanyetik girişim seviyelerinin de önemli miktarda düşmesini sağlar. Tüm artılar bir araya getirildiğinde süzgeç boyutlarındaki ciddi azalmalar boyut ve toplam sistem maliyete olumlu şekilde yansır. İŞLETME MALİYETİ teknolojisinin sonunu hazırlayan bir verim farkı ortaya çıkar. Üç seviyeli KGK’ler, sahip oldukları yüksek ve yatay verim eğrisi sayesinde, iki seviyeli KGK’ler ile de karsılaştırıldıklarında işletme maliyetleri açısından ciddi miktarda tasarruf etme imkanı sunarlar. Dolayısıyla, çok kısa bir zaman aralığında yatırım maliyetlerinin geri dönüşü sağlanır. Yıllık kayıp enerji ve soğutma tasarrufu tabloları incelendiğinde yatırımın amorti zamanının 2 yıldan az bir sürede gerçekleştiği belirlenmektedir. Artan güçlerde KGK yapıları arasındaki verim farkı ve onun tüm getirileri de artmaktadır. Verimlilik ve Enerji Tasarrufu tablosunda aşağıdaki hesaplamalar kullanılmıştır. Yıllık Enerji Kazancı = {((A/Verim A)-A)((B/Verim B)-B)} x Enerji Birim Maliyeti x 24 x 365 Yıllık Soğutma Kazancı= {((A/Verim A)-A)((B/Verim B)-B)} x Enerji Birim Maliyeti x 24 x 365 x 0,4 A=Düşük verimli KGK gücü kW cinsinden değeri Verim A= Düşük verimli KGK’nin verimi B= Yüksek verimli KGK gücü kW cinsinden değeri Verim B= Yüksek verimli KGK’nin verimi Not: Açığa çıkan 1 kWh enerjiyi ortamdan uzaklaştırmak için 0,4 kW enerji harcanmaktadır. E2 Serisi KGK’lerin transformatörlü ve iki seviyeli KGK’lere göre yıllık enerji ve soğutma tasarruf miktarı aşağıdaki tablolarda gösterilmiştir. Üç seviyeli KGK yapısının en önemli farkı verim değerlendirmesinde ortaya çıkar. Şekil-2’de E2 serisi KGK verimi yanında, karsılaştırma için iki seviyeli ve transformatörlü KGK verimleri de gösterilmiştir. Tablo-1 Yıllık Enerji Kayıp Miktarı (kWh) Tablo-2 E2 serisi KGK kullanıldığında yıllık tasarruf miktarı (TL) Şekil-2: 120 kVA verim değerleri Verim eğrisi incelendiğinde, üç seviyeli KGK’ler ile transformatörlü KGK’ler arasında yük seviyesi azaldıkça artan ve transformatörlü KGK 162 Şubat 2014 Grafik-1 E2 serisi KGK kullanıldığında yıllık tasarruf miktarı (TL) Tablo-3 Soğutma için gereken yıllık enerji miktarı (kWh) Tablo-6 E2 serisi KGK kullanıldığında yıllık CO2 tasarrufu (kg) Tablo-4 E2 serisi KGK kullanıldığında yıllık soğutma tasarruf miktarı (TL) Grafik-2 E2 serisi KGK kullanıldığında yıllık soğutma tasarruf miktarı (TL) Grafik-2 E2 serisi KGK kullanıldığında yıllık soğutma tasarruf miktarı (TL) Not-1: KGK’lerin yıl boyunca yüzde 100 yükte çalıştığı kabul edilmiştir. Not-2: Enerji birim maliyeti 0,28 TL/kWh kabul edilmiştir. Not-3: KGK’lerin çıkış güç faktörü 0,9 kabul edilmiştir. E2 Serisi KGK’lerin Transformatörlü ve İki Seviyeli KGK’lere göre yıllık CO2 tasarruf miktarı hesabında aşağıdaki hesaplama kullanılmıştır. Yıllık C02 tasarrufu (kg)= 2367 x (yıllık enerji tasarrufu (kWh)/1000)/8,76 * Assumed CCGT’s (Combined Cycle Gas Turbines) at yüzde 45 thermal efﬁciency ** 1 mW for 8,760 hours 164 Şubat 2014 SONUÇ Üç seviyeli topoloji, sahip olduğu yüksek giriş ve çıkış başarımları ve özellikle verim değeriyle ile eski nesil teknolojilerin yerini almaktadır. Girişten yaklaşık “1” güç katsayılı saf sinüs formunda akım çekilir, giriş akım THD değeri yüzde 4’ün altındadır. Küçülen süzgeç boyutlarıyla kazanılan dinamik yapı çıkış gerilim kalitesini önemli ölçüde yükseltir. 2,5 tepe katsayılı yük koşulunda yüzde 5’ten düşük harmonik bileşenli gerilim üretilir. Bu teknolojinin en önemli özelliklerinden birisi de KGK yapımında kullanılan malzemelerin azalarak boyutlarının küçülmesi ve daha hafif yapıların oluşturulmasıdır. Böylece, metal ve kimyasal kullanımı, dolayısıyla ekolojik çevreye olumsuz etki asgari düzeye iner. Üç seviyeli sisteminin getirdiği bir başka avantaj, artan verim sayesinde KGK sisteminde işletme ve soğutma maliyetlerinin azalması, yatırım maliyetlerinin geri dönüş süresinin kısalmasıdır.