İçerik

Giriş

Pek çok kişi, UPS yüklerini tanımlamak ve ölçeklendirmek için kullanılan Watt (W) ve volt-amper (VA) terimleri arasındaki farkları anlamakta zorlanmaktadır. Bu bilgi dokümanı ile Watt ve Volt-Amper terimleri arasındaki farkları açıklamaya ve elektrik koruma cihazları konusunda doğru ve yanlış kullanımları ölçeklendirmeye çalışacağız.

Temel Bilgiler

Bir cihaz tarafından çekilen elektrik gücü Watt veya Volt-amper (VA) olarak ifade edilir. Watt olarak ifade edilen değer cihazın çektiği gücün gerçek elektrik değerini ifade eder. Volt-Amper “varolan güç” olarak ifade edilir; cihaza uygulanan voltajın cihaz tarafından çekilen akımla çarpılması ile hesaplanır.

Watt ve VA değerlerinin her birinin bir kullanım amacı vardır. Watt değeri size elektrik şirketinden satın aldığınız değeri ve cihaz tarafından üretilen ısıyı verir. VA değeri ise cihaz içindeki kablolama ve devre yapısı ölçeklendirilirken kullanılır.

Bazı elektrik yükleri için Watt ve VA değerleri aynıdır; Normal klasik akkor ampüller gibi. Buna karşın, bilgisayarlar gibi genel IT cihazlarında Watt ve VA değerleri belirgin olarak farklıdır; VA değeri her zaman Watt değerinden yüksektir. Watt değerinin VA değerine oranı “GÜÇ FAKTÖRÜ” olarak adlandırılır. Numerik olarak ifade edilir (örneğin 0.7) veya yüzde olarak verilir (%70 gibi)

Watt, VA’e eşit olmayabilir

Bilgisayarlar dahil tüm IT cihazları elektronik dönüşüm kontrolü yapan güç kaynaklarına sahiptir. Temel olarak iki tür dönüşümlü güç kaynağı vardır: 1) PFC (Power Factor Corrected – Güç faktörü düzeltilmiş) güç kaynakları ve 2) Kapasitör girişli güç kaynakları. Cihazın içinde hangi tür güç kaynağı yer aldığını cihazı açıp incelemeden söyleyebilmek zordur ve genellikle cihaz üzerinde bilgi olarak yer almaz. PFC güç kaynakları 1990’lı yılların ortalarında kullanılmaya başlanmıştır. Özelliği Watt değerinin VA değerine eşit olması (yani 0,99 veya 1,00 güç faktörlü) olmalarıdır. Kapasitör giriş güç kaynaklarının özelliği ise Watt değerlerinin VA değeri ile 0,55-0,75 katı aralığında olmalarıdır (yani güç faktörülerinin 0,55 ile ,75 arasında olması)

Router, Switch, Disk Sürücü ve serverlar gibi büyük IT ekipmanlarından 1996 sonrası üretilmiş tüm cihazlar PFC güç kaynağı sahibidir ve sonuç olarak bu cihazlar için güç faktörü 1’dir.

Kişisel bilgisayarlar, küçük hublar ve bilgisayar aksesuarları kapasitör giriş güç kaynaklarına sahiptir ve sonuç olarak bu cihazların güç faktörü 1’den küçüktür. Genellikle 0,65 değeri civarındadır. 1996 yılından önce üretilmiş büyük IT ekipmanlarında da durum aynıdır ve 1’den düşük güç faktörleri vardır.

Bir UPS’in güç değeri

UPS’ler hem maksimum Watt değerine hem de maksimum VA değerine sahiptir. Yük olarak ne Watt değeri ne de VA değeri aşılamaz.

Yerleşik endüstri standardı olarak, küçük UPS’lerde watt değeri VA değerinin yaklaşık %60’ıdır. Bu genel kişisel bilgisayarların tipik güç faktörünün bu değer olmasından kaynaklanır. Bazı durumlarda UPS üreticileri UPS’in yanlızca VA değerini yayınlarlar. Bir bilgisayar yükü için tasarımlanmış yanlızca VA değeri olan küçük bir UPS için, watt değerinin yayınlanmış Va değerinin %60’ı kadar olacağını varsayabilirsiniz.

Daha büyük UPS sistemlerinde, artan bir trend olarak UPS’in Watt değeri üzerine odaklanılmakta ve eşit Watt ve VA değerleri kullanılmaktadır. Bunun sebebi tipik bir yükün Watt ve VA değerinin aynı olmasındandır. Büyük sistemlerdeki ve Veri merkezlerindeki Güç Faktörü sorunları hakkında daha detaylı bilgi edinmek isterseniz “White Paper 26, Hazards of Harmonics and Neutral Overloads.” Dokümanına bakınız.

Ölçeklendirme sorunu yaşanabilen örnekler

Örnek 1: Tipik bir 1000VA UPs düşünün. Kullanıcı bu UPS ile 900W bir ısıtıcıyı çalıştırmak istesin. Isıtıcı watt değeri olarak 900W ve VA değeri olarak da 900Va, yani 1 güç faktöründe olsun. VA değeri 900VA , UPS’in güç değerleri içinde olmasına karşın, UPS muhtemelen bu yükü besleyemeyecektir. Bunun sebebi 900W değerinin UPS’in Watt değerinden daha büyük olmasıdır. UPS’in 1000VA değeri %60 ile dönüştürülürse maksimum 600WA yapacaktır.

Örnek 2: 1000VA UPS düşünün. Kullanıcı bu UPS ile 900VA bir server’ı beslemek istesin. File Server PFC güç kaynağına sahiptir ve 900W yani 900VA değerlerinde olsun. Yükün VA değeri 900VA olmasına ve UPS değerine uygun olmasına karşın, UPS bu yükü besleyemeyecektir. Bunun sebebi 900W değerinin UPS değerlerinden daha yüksek olmasıdır; 1000VA’nın %60’ı olarak 600W.

Ölçeklendirme sorunlarını nasıl aşarız?

Schneider UPS seçici uygulamasını kullanarak bu tür yanlış hesaplamalardan kurtulabilirsiniz, bu uygulamada güç değerleri belirtilen cihaz değerleri ile birlikte değerlendirilir. Uygulamayı kullanarak hem Watt hem VA değerlerinin aşılmadığından emin olabilirsiniz.

Cihazların üzerindeki etiketlerde genellikle VA değeri kullanılır ve bu Watt değerlerini anlamakta güçlük yaratır. Cihaz etiketinde yer alan Va değerini baz alan bir kullanıcı, VA değerine uygun görünen bir sistem kurgulayabilir ama bu UPS’in Watt değerini aşan bir değer olabilir.

VA değerinin %60’ını Watt değeri olarak alırsanız UPS’in Watt değerini aşamamış olursunuz. Bu nedenle, yükünüzün Watt değeri hakkında net bir bilgi sahibi değilseniz, en güvenli varsayım VA değerinin %60’ını Watt değeri olarak varsaymaktır.

Dikkat etmeniz gerekir k, bu geleneksel hesaplama yöntemi genellikle size gereğinden daha yüksek güçte bir UPS veya gereğinden daha uzun besleme süreleri olarak geri dönebilir. Sisteminizin optimizasyonu ve doğru besleme süreleri için hassas hesaplama yapılmalıdır. Bunun için “Schneider Electric UPS Selector” uygulamasını kullanabilirsiniz.

Sonuç

Genellikle bir bilgisayar yükünün elektrik kullanımı bilgisi, sizin denk gelen UPS gücünü kolaylıkla anlayabilmenize yardımcı olmaz. Bu zorluk, doğru ölçeklendirilmiş bir sistem kurduğunuzu düşünürken UPS’inizin aşırı yüklenmesine neden olan bir durum yaratabilir. Cihaz etiketinde yer alan güç değerlerinin biraz yukarısında UPS değerleri kullanmak, sistemin düzgün çalışabilmesi için yararlı bir yaklaşımdır. Daha büyük güçlü UPS kullanmak aynı zamanda yedek güçte besleme süresinin de arttırılmasını sağlayacaktır.

Kaynaklar

Güç faktörü ve ilişkili non-lineer yükler ile ilgili daha fazla bilgi için, aşağıdaki kaynaklara başvurunuz:

• EEE Guide to Harmonic Control and Reactive Compensation of Static Power Converters (IEEE Std 519-1981) The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 345 E 47th Street, New York, NY 10017

• Guideline on Electrical Power for ADP Installations (FIPS PUB 94 September 21, 1983) U.S. Dept. of Commerce, National Technical Information Service, 5285 Port Royal Road, Springfield, VA 22161

> Özet

Piyasada bulunan UPS’lerin farklı türleri ve bu türlerin karakteristik özellikleri ile ilgili kafa karışıklıkları gözlemlenmektedir. Her bir tür UPS tanımlanmaya, pratik uygulama alanları, avantaj ve dezavantajları tartışılmıştır. Bu bilgilerle, uygun UPS topolojisini seçerken bilgiye dayalı bir seçim yapılabilmesi hedeflenmiştir.

İçerik

Giriş

UPS tipleri

UPS tipleri özeti

Endüstride UPS tipleri kullanımı

Sonuç

Giriş

Kesintisiz Güç Kaynaklarının (UPS) çok değişik türlerde olması ve bunların değişik özellikleri veri merkezi ve koruma konularında kafa karışıklığı yaratmaktadır. Örneğin, sık rastlanılan bir yanlış inanış sadece iki ayrı tipte UPS olduğudur; standby UPS ve online UPS. UPS’lerin tasarım ve üretiminde kullanılan değişik topolojilerin açıklanması ile pek çok yanlış anlaşılmalar giderilebilir. UPS topolojisi demek UPS’in tasarımındaki temel anlayışı ifade eder. Pek çok üretici benzer tasarım ve topolojide modeller üretmesine karşın, çok farklı performans karakteristikleri ile karşılaşabilirsiniz.

Her bir topolojinin nasıl çalıştığı ile ilgili kısa bilgiler ile, genel tasarım yaklaşımları da gözden geçirilecektir. Bu şekilde sizin sistemler doğru şekilde tanımlayabilmenize ve karşılaştırma yapabilmenize yardımcı olmasını amaçlıyoruz.

UPS tipleri

UPS sistemleri uygulamalarında, birbirinden uzak özelliklere sahip bir çok tasarım yaklaşımı vardır. En sık rastlanılan tasarım yaklaşımları:

Standby UPS

Masaüstü bilgisayarlar için kullanılan en sık rastlanan tip topolojidir. Aşağıdaki blok diyagramında (Şekil 1), transfer switchi filtrelenen AC (şebeke)’yi ana enerji kaynağı (düz çizgi hat) olarak belirler ve ana enerji hattında bir kesinti olduğunda akü/dönüştürücü yü yedek kaynak olarak devreye alır. Bu kesinti gerçekleştiğinde, transfer switch yükü akü/dönüştürücü deki yedek enerji kaynağına (kesintili çizgi) aktarmak zorundadır. Dönüştürücü yanlızca enerji kesintisinde devreye girer, bu nedenle STANDBY (beklemeli) tabir edilir. Yüksek verimlilik, küçük ölçüler ve düşük maliyet bu tasarımın belirigin avantajlarıdır. Düzgün bir filtreleme ve aşırı yük devrelemesi ile, bu tür sistemler ek olarak kirli akım koruması ve aşırı akım koruması da sağlayabilirler.

Şekil 1

Standby UPS

Line-Interaktif UPS

Şekil 2’de gösterilen Line Interaktif UPS tasarımı, küçük ölçekli işletmeler, Web ve tekil serverlar gibi kullanım ihtiyaçlarında en sık görülebilen tasarımdır. Bu tasarımda aküden-AC enerji dönüştürücü UPS’in çıkışına her zaman bağlanmıştır. AC (şebeke) gücü normal olduğunda, dönüştürücü tersten çalışarak aküleri şarj eder.

Giriş enerjisi kesildiğinde, transfer switch açılır ve güç aküden UPS çıkışına akmaya başlar. Dönüştürücü her zman açık olduğundan ve çıkışa bağlı olduğundan, bu tasarım ek fitreleme sağlar ve standby UPS topolojisi ile karşılaştırıldığında düşük transfer zamanı ile çalışır.

Ek olarak, line intraktif tasarım genellikle tap-changing (kademe değiştirici) trafo kullanır. Giriş voltajındaki değişiklikleri trafo kademlerine uyumlaştırarak voltaj regülasyonu özelliği de eklenir. Düşük voltaj olan ortamlarda voltaj regülasyonu önemli bir özellik haline gelir; aksi durumda UPS aküye geçiş yapacak ve sonucunda yükü düşürecektir. Bu tür sık akü kullanımı akü beslemesinin ve de ömrünün beklenenden daha önce tüketilmesi demek olur. Bun a karşın, dönüştürücü arıza durumunda AC (şebeke) akımının çıkışa doğrudan aktarılması şeklinde ayarlanabilir; bu şekilde potansiyel bir tek-nokta hatası ortadan kalkar ve birbirinden bağımsız iki enerji hattı etkinleştirilmiş olur. Yüksek verimlilik, küçük ölçek, düşük maliyet ve yüksek güvenirlilik özelliklerine ek olarak yüksek-düşük voltaj düzeltmesi yapabiliyor oluşu 0,5-5kVA güç aralığında bu tasarımın en çok tercih edilen tasarım olmasını sağlar.

Şekil 2

Line interactive UPS

Standby-ferro UPS

Stanby-ferro tasarımı bir zamanlar 3-15 kVA aralığında en çok tercih edilen UPS tipi idi. Bu tasarım özel bir saturating (doygun) trafo özelliğine dayanır ve üç sargı (enerji bağlantıları) vardır. Ana enerji hattı AC (şebeke) girişidir. Bir transfer switch’e bağlıdır ve trafodan çıkışa bağlanır. Kesinti durumunda transfer switch devreye girer ve dönüştürücü yükü üzerine alır.

Stanby-ferro tasarımda dönüştürücü stanby (beklemeli) durumdadır ve giriş enerjisi kesildiğinde enerji yüklenir ve devreye girer. Trafonun bir “ferro-rezonant” özelliği vardır ve bu sınırlı bir voltaj regülasyonu ve çıkış dalga formu düzeltmesi sağlayabilir. Ferro trafo tarafından sağlanan AC(şebeke) geçişlerindeki isolasyon, mevcut diğer filtreler kadar iyi bir şekilde filtreleme sağlar. Ancak, ferro trafo kendisi voltaj dalgalanması ve geçişlerine neden olur ve bu durum kötü bir AC (şebeke) bağlantısı kadar kötüleşebilir. Stanby (beklemeli) bir tasarımda olmasına karşın, stanby ferro, ferro-resonant trafonun verimsizliğ nedeni ile ciddi oranda ısı açığa çıkarır. Bu trafolar sıradan izolasyon trafoları ile karşılaştırıldığında daha büyüktür ve genellikle oldukça ağırdırlar.

Standby ferro cihazlar sıklıkla online cihazlar olarak gösterilirler. Transfer switch leri olmasına rağmen, dönüştürücü standby modunda çalışır ve AC (şebeke) kesintisinde aynı geçiş özellikleri gösterir. Şekil 3’te standby –ferro topolojisi gösterilmiştir.

Şekil 3

Standby-ferro UPS

Yüksek güvenirlilik ve mükemmel hat filtrelemesi bu tasarımın güçlü özellikleridir. Ancak, tasarım düşük verimlilik ile yeni güç faktörü düzeltmeli bilgisayarlar ve bazı jeneratörler ile uyumsuzluk gösterebilir. Bu nedenler bu tasarımın popülaritesini ciddi oranda azaltır.

Stanby-ferro UPS sistemlerinin artık tercih edilmemesinin ana nedeni, yeni teknoloji bilgisayarları beslerken gösterdikleri temel uyumsuzluktur. Bütün büyük server ve router lar “güç faktörü düzeltemeli (PFC)” güç kaynakları kullanır ve bu güç kaynakları şebekeden yanlızca siüs dalgalı akım çekebilir. Bu düzgün akım çekimi kapasitörler kullanılarak yapılır ve voltaj uygulaması demektir. Ferro rozonant UPS sistemi ise indüktif karakterde ağır çekirdek trafo kullanır, bu da akım voltajı “geciktirir” anlamına gelir. Bu iki kombinasyon “tank” devresi denen duruma neden olur. Bir tank devresinde rezonans veya “çalma” yüksek akıma neden olarak bağlı yükü tehdit eder.

Çift Çevrim Online UPS

10kVA üzerinde en çok tercih edilen tiptir. Şekil 4’te gösterilen çift çevrim online UPs tasarımı, standby (beklemeli) tasarım ile aynıdır. Tek fark ana enerji yolunun AC (şebeke) değil dönüştürücü olmasıdır.

Şekil 4

Double conversion

on-line UPS

Çift çevrim Online tasarımda, AC (şebeke) kesintisi transfer switch i devreye sokmaz çünkü giriş AC yedek güç kaynağını şarj etmektedir ve yedek güçte çıkış dönüştürücüsüne enerji besler. Bu nedenle, AC (şebeke) kesintisinde, online operasyonda transfer süresi diye bir kavram yoktur. Akü şarjörü ve dönüştürücü bu tasarımda tüm yük enerjisini sürekli dönüştürmektedir.

Bu UPS elektrik çıkış performansı açısından neredeyse ideal bir sistemdir. Ancak yapısındaki enerji bileşenleri üzerindeki sürekli aşınma diğer tasarımlara göre güvenilirliğini azaltır. Ek olarak, büyük akü şarjörünün giriş enerjisinden çektiği akım non-lineer olabilir.

Delta Conversion Online UPS

Şekil 5’te görülen UPS tasarımı yeni bir teknoloji olarak 10 yıldır kullanılmaktadır ve 5kVA-1,6 MV ölçekleri arasında çift-çevrim teknolojisinin yetersizliklerini ortadan kaldırmak üzere geliştirilmiştir. Çift-çevrim tasarımla karşılaştırıldığında, delta conversion UPS’in yük voltajını besleyen bir dönüştürücüsü vardır. Buna karşın, ek delta dönüştürücü dönüştürücü çıkışına enerji katkısı yapar. AC (şebeke) kesintisi durumlarında veya enerji sorunlarında bu tasarım çift-çevrim online tasarımla aynı tepkileri verir.

Şekil 5

Delta conversion

on-line UPS

Delta Conversion topolojisinin enerji verimliliğini basitçe anlayabilmek için (Şekil 6’da gösterilen) benzetmede, bir paketi 4ünci kattan 5inci kata çıkarmak için gerekli olan enerjiyi düşünebilirsiniz. Delta Conversion teknolojisi paketin taşınmasında başlangıç ve bitiş noktaları arasında yarattığı kısa yol ile enerji tasarrufu sağlar. Çift çevrim online UPS enerjiyi aküye dönüştürür ve tekrar aküden dönüştürerek alır. Delta dönüştürücü ise enerji bileşenlerini doğrudan girişten çıkışa ulaştırır.

Şekil 6

double

conversion -

delta

conversion karşılaştırma benzetmesi

Delta Conversion Online tasarımda delta dönüştürücü çift amaçlıdır. Birinci amaç giriş enerjisi karakteristiklerini kontrol etmektir. Aktif ön uç enerjiyi sinüsoidal şekilde çeker, şebekeden gelen harmonikleri minimize eder. Bu şekilde şebeke ve jeneratör sistemleri uyumluluğunu garanti eder, üretilen ısıyı düşürür ve güç dağıtım sistemindeki parça aşınmasını azaltır. Delta dönüştürücünün ikinci işlevi akü sistemini şarj ederken kullanılan giriş akımını kontrol etmek ve regüle etmektir.

Delta Conversion Online UPS çift çevrim online tasarım ile aynı çıkış karateristikleri gösterir. Ancak giriş karakteristikleri sıklıkla farklıdır. Delta conversion online tasarım dinamik kontrol edilen, güç faktörü düzeltilmiş bir girişi, geleneksel çözümlerdeki verimsiz filtreleme olmaksızın gerçekleştirir. En önemli avantaj enerji kayıplarındaki belirgin şekilde azalmasıdır. Giriş enerji kontrolü UPS’in tüm jeneratörler ile sorunsuz uyumunu sağlar ve gereksiz kablolama ve yüksek jeneratör kullanım zorunluluklarından kurtarır. Delta conversion teknolojisi yeni bir teknoloji olması ve patentler ile korunması nedeni ile UPS üreticileri arasında yaygın bir tercih olamayacaktır.

Normal kullanım durumunda delta dönüştürücü çift-çevrim tasarımla karşılaştırıldığında UPS yüke enerji verirken çok daha yüksek bir verimlilikte çalışır.

UPS tipleri özeti

Tablo 1 değişik UPS tiplerinin özelliklerini vermektedir. Bir UPS’in verimlilik gibi özellikleri seçilen UPS tipinin özelliklerine bağlıdır. Topolojil tasarım özellikleri yanında, uygulama ve üretim kalitesi de dikkate alınmalıdır. Üretim kalitesi güvenirlilik konusunda daha önce gelen bir kriter olmalıdır.

Tablo 1

UPS Tip Özellikleri

Endüstride UPS tipleri kullanımı

UPS endüstrisinin sunduğu ürünler zaman içinde bu tasarımların pek çoğunu karşılayacak şekilde çeşitlenmiştir. Değişik UPS tiplerinin özellikleri bu cihazların değişik kullanım gereksinimleri için daha çok veya daha az uygun olması anlamına gelir. APC by Schneider Electric ürün gamı bu çeşitliliği gösterir (Tablo 2). Enerji verimliliği UPS tasarımlarında önemli bir rol oynar. Örneğin, pek çok UPS sistemi yukarıda anlatılan dahili trafo yapısında değildir. Bu evrim ağırlık, ölçü, kaynak kullanımı gibi kriterleri küçültüp azaltmanın yanında verimliliği arttırmıştır. Eco-Mode özelliği enerji verimliliğini arttıran yeni özelliklere örnektir, ancak maliyet / avantaj fedakarlıkları ile birlikte gelir. Bu iki konuda daha fazla bilgi için :

White Paper 98, The Role of Isolation Transformers in Data Center UPS Systems

White Paper 157, Eco-mode: Benefits and Risks of Energy-saving Modes of UPS Operation.

Table 2

UPS mimarisi

özellikleri

Sonuç

Her tip UPS’in değişik kullanım amaçları için uygun olduğu alanlar vardır. Hiçbir tip “tüm uygulama alanları” için genel ideal bir seçim olmayacaktır. Bu bilgi dokümanının amacı piyasada bulunan değişik UPS topolojilerini karşılaştırarak, avantaj ve dezavantajlarını ortaya koymaktır.

UPS tasarımları arasındaki belirgin farklılıklar, farklı uygulamalar için teorik ve pratik avantajlar sunar. Buna karşın, tasarımın uygulaması ve üretim kalitesi kullanıcının uygulamasındaki performansı belirleyen en önce gelen kriterdir.