Kesintisiz güç kaynaklarında modüler yaklaşım

KGK’lar (Kesintisiz Güç Kaynakları) veya bilinen diğer adıyla UPS’ler (Uninterruptible Power Supplies), AC gerilim kaynağında ortaya çıkan güç kalitesi ile ilgili problemlerin bilgi işleyen ve saklayan sistemlerde veri kayıpları ve donanım hasarları oluşturmaması için gerekli olan gelişmiş güç koruma çözümünü sunarlar. Elektrik kesintisinin de içinde yer aldığı güç kalitesi ile ilgili problemlerden çıkışında beslediği kritik yükleri izole eder. Bu korumayı sağlamak için öncelikle girişinde bulunan doğrultucu devresi ile şebekenin AC gerilimini DC gerilime dönüştürür ve elektrik enerjisi depolama birimi olarak kullanılan aküleri şarj altında tutar; ardından evirici güç devresi yardımıyla doğrultulmuş olan bu gerilimi kritik yükün ihtiyacı olan tam regüle edilmiş bir AC gerilime çevirir. KGK cihazının kendinde bir sorun ortaya çıkmadığı sürece kritik yükler on-line olarak KGK üzerinden çift güç dönüşümü (AC-DC-AC) ile beslenir.
Bu yazıda modüler KGK’lar geleneksel KGK’lar ile karşılaştırılacak, N+1 paralel yedeklemenin modüler KGK sistemlerinde kullanıcıya sunduğu üstünlük ve esneklikten bahsedilecek, dikkate alınması gereken bazı önemli teknik özelliklere örnek bir modüler KGK ürünü üzerinden kısaca değinilecektir.
Geleneksel olarak üç faz çıkışlı büyük güçlü KGK’lar tek modül şeklinde üretilmekte ve kullanılmaktadır. Bu KGK’lar kullanım ömrünün büyük bir kısmında sahip olduğu tam kapasitenin altında yüklenmekte ve çalıştırılmaktadır. Uygulamaya ve KGK’nın kullanıldığı yere göre düşük kapasitede kullanılan KGK’ların dezavantajları açıktır. Dikkate alınması gereken en önemli dezavantaj, KGK’nın kapladığı büyük alan/hacim, tam kapasitelerinin altında yüklendiklerinde sergiledikleri düşük verimli çalışma, arıza durumunda KGK sisteminin tümüyle devre dışı kalmasıdır. Bu olumsuzluklar, modüler KGK sistemlerinin kullanımıyla büyük ölçüde ortadan kalkmaktadır.
Modüler KGK’lar eşit güçte ve birden fazla sayıda özdeş KGK modülünün oluşturduğu KGK sistemleridir. Örneğin Tunçmatik’in yeni pazara sunduğu Modultech ürününde 25kVA/kW gücündeki bir KGK modülünden 10 adet kullanılarak nominal gücü 250kVA/kW olan modüler bir KGK sistemi oluşturulabilir (10x25kVA/kW).
Özellikle son yıllarda, elektrik enerjisi giderlerinin önemli bir gider kalemi oluşturduğu veri merkezlerinde bu KGK kavramı, daha büyük güçlü KGK modülleriyle oluşturulan geleneksel KGK sistemleri yerine yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Örneğin toplam gücü 100kVA olan IT yüklerini beslemek için 1+1 yedekleme yapılandırması ile her biri yüzde 50 yüklenecek iki adet KGK (2x100kVA) kullanmak yerine, 4+1 yapılandırması ile her biri neredeyse tam kapasitesinde yüklenecek beş adet 25kVA (5x25kVA) KGK kullanılabilir. İlkinde bir KGK arızalandığında diğer KGK tüm yükü; ikincide de bir KGK arızalandığında geri kalan tüm KGK’lar tüm yükü sorunsuz beslemeye devam edecektir. Diğer bir deyişle yedekleme sayısı her iki yaklaşımda da ‘’bir’’dir.
Modüler KGK sistemlerinde modüler yapı sergilemesinin yanı sıra gelişmiş diğer özellikler de aranmalıdır. Giriş güç katını IGBT doğrultucunun oluşturduğu Modultech KGK cihazı şebekeden yüksek güç faktörlü (pf=0.99) ve düşük harmonik distorsiyonlu (THDi=%5) sinüzoidal akımlar çekerek tüketilen elektrik enerjisinde tasarruf sağlar. Çekilen akımın sinüzoidal’a yakın olması, diğer bir deyişle AC kaynaktan çekilen akımın harmonik içeriğinin düşük olması harmoniklerin neden olacağı ek güç kayıplarını azaltır; harmonik akımların neden olacağı gerilim düşümlerini önler; transformatörlerin, kabloların ve diğer ekipmanların aşırı ısınmasını ortadan kaldırır. Öte yandan yüksek güç faktörü, AC şebekeden sadece faydalı (aktif) gücün çekilmesi, reaktif güç bileşeninin çekilmemesi anlamına gelmektedir. Modultech, çıkışından kVA gücüne eşit değerde bir kW gücünün çekilmesine izin verir. Bu, KGK cihazının standart KGK’ların genellikle 0.8 olan çıkış güç faktörü değerinden yüzde 20 fazla, yani birim çıkış güç faktörlü bir çalışma sergilemesi demektir (Modultech KGK’ya yüzde 20 daha fazla yük bağlayabilirsiniz!). Modultech 25kVA/kW KGK’nın güç yoğunluğu 5kW/inch3 (320W/cm3) olup birim hacim başına kayda değer bir elektriksel güç kapasitesi sunmaktadır. 25kVA/kW gücündeki modüller ihtiyaç duyuldukça sisteme eklenerek KGK sisteminin kapasitesi iş hacmi büyüdükçe artırılabilir.
Şebekeden birim güç faktörlü güç çekerek kullanıcıyı reaktif güç bedeli ödemekten kurtaran KGK güç koruma sisteminin kendisinin de verimli bir çalışma sergilemesi beklenir. KGK sistemleri için toplam verim, çıkışta yükün çektiği aktif gücün girişte KGK’nın kaynaktan çektiği aktif güce oranı olarak tanımlanır. Verimin düşük olması elektrik güç kayıplarının yüksek olması anlamına gelir. Yüksek güç kaybı, yüksek elektrik faturası, yüksek ortam soğutma maliyetine neden olur. Aşağıdaki grafikte Modultech KGK’nın kırmızı renkte gösterilen verim değişimi, yüzde 40-100 şeklindeki geniş bir yüklenme aralığında verim değerinin yüzde 96 civarında kaldığını göstermektedir.
Modüler yapıya sahip olan birim giriş güç faktörlü bir KGK’nın sergileyebildiği yüzde 96 toplam verim değeri aslında KGK teknolojisinin ulaştığı noktalar hakkında da ipuçları vermektedir!
N+1 paralel yedekleme veya kapasite modunda çalışan modüler bir KGK sisteminin geleneksel olana göre avantajları aşağıdaki şekilde sıralanabilir:
“Modüler KGK’lar esnek genişleme imkanlarına sahiptir. İş hacmi ve beraberinde güç ihtiyacı artıkça, sadece bu ihtiyacın gerektirdiği kadar KGK modülünün sisteme eklenebilmesi modüler KGK’ların yapısal özelliğidir. Modüler KGK’larda KGK kabini izin verdiği sürece yeni bir KGK modülü sisteme eklenebilir, sistemden çıkarılabilir. Öte yandan geleneksel KGK’ların kullanılması durumunda, güç ihtiyacı artışında sisteme kapasitesinin önemli bir kısmı kullanılmayacak olan büyük güçlü bir KGK modülünün bağlanması gerekecektir.
“Modüler KGK’ların bakımı ve bakım maliyeti daha düşüktür. Genellikle çalışırken yerinden çıkarılabilen (ing. hot swappable) yapıda olan KGK modüllerinden biri arızalandığında kolaylıkla yerinden çıkarılıp, onarım için fabrikaya gönderilebilir.
“Modüler KGK sisteminde yer alan her bir KGK modülü yaklaşık tam kapasitesinde çalışacağı için KGK modüllerinin verim değerleri yüksek olacaktır. Bu, KGK modüllerinin oluşturduğu modüler KGK veriminin de doğal olarak yüksek olması anlamına gelir. KGK verimi yüklenme miktarına bağlı olarak değişir ve yük miktarındaki azalmayla azalır (kayıplar artar). Örneğin yüzde 50 kapasitede çalışan geleneksel 1+1 KGK sisteminin toplam verimi, modüler KGK sistemi ile karşılaştırıldığında daha düşüktür.
“N+1 formunda olmayan modüler KGK N+1 paralel yedeklemeli yapılandırmaya çok daha düşük bir maliyetle getirilebilir. Bunun için sistemde yer alan bir KGK modülünün nominal gücüne eşit bir KGK modülünün sisteme dahil edilmesi yeterlidir.