Voltaj Regülatörü Nedir? Nasıl Çalışır? Çeşitleri Nelerdir?

Elektrik enerjisi kullanımının giderek yaygınlaşması ile birlikte, voltaj regülatörleri de önem kazanmıştır. Voltaj regülatörü, elektrik enerjisini belirli bir voltaj aralığında sabit tutmak için kullanılan bir araçtır. Bu araç, elektrik enerjisini kullanılan cihazlar için uygun bir şekilde dağıtmakta ve cihazların hassas çalışmasını sağlamaktadır. Bu makalede, voltaj regülatörünün ne olduğu, nasıl çalıştığı ve çeşitleri hakkında daha detaylı bilgi vereceğiz.

Voltaj Regülatörü Nedir?

Voltaj regülatörü, gerilim seviyesini otomatik olarak sabit bir değerde tutabilmek için tasarlanmış cihazdır. Her elektronik cihaz belirli gerilim koşullarında tam verimde çalışabilir. Aksi takdirde cihazlarda arızalar yaşanır. Gerilim dalgalanmalarının devre elemanlarına zarar vermesi voltaj regülatörü sayesinde önlenebilir.

Elektrik elektronik sistemlerinde sabit, düzenli bir gerilim gerektiğinde, voltaj regülatörü kullanılır. Özellikle kararsız şebeke koşullarında şebeke gerilimi dalgalanmalar yapabilmektedir. Bu dalgalanma belli sınırlar içerisinde olursa çok problem yaşanmaz ancak yukarı ve aşağı yönde büyük dalgalanmalar yaşanırsa beslenilen yüklere ciddi zararlar verebilir.

Bu gibi durumlarda, özellikle de kritik yüklerin beslendiği yerlerde sabit bir çıkış gerilimine ihtiyaç duyulur. Voltaj regülatörleri girişine uygulanan gerilim değişken olsa bile çıkışından sabit bir gerilim alınabilen cihazlardır. Değişken gerilim yüke uygulanmaz, önce regülatörden geçirilir, daha sonra yüke uygulanır. Bileşenleri hasarlardan korumak için adeta bir tampon görevi görür.

Modern regülatörler yüksek performanslı dijital kontrol devreleri ve potansiyometre ayarlarını ortadan kaldıran ve kullanıcının çıkışı bir tuş takımı aracılığıyla ayarlayabildiği solid-state devreler kullanırlar. Ayrıca regülatörlerin açma zamanlamasını veya yanıt süreleri çok hassas bir şekilde ayarlanabilir.

Genel olarak, her elektrikli cihaz belli giriş gerilimi toleranslarıyla çalışır. Örneğin, bazı cihazlar nominal gerilimin ±% 10’unu tolere ederken bazıları ise % ± 5 veya daha azını tolere edebilir. Regülatörün amacı gerilimi en verimli değerde tutabilmektir.

Örneğin evinizde kullandığınız elektriksel cihazlar her zaman net bir 230 V gerilimde çalışmazlar. Giriş gerilimleri tolerans değerleri içerisinde dalgalansa bile sorusuz bir şekilde çalışırlar. Bu kural tüm elektriksel cihazları için geçerlidir. Kullandığınız elektriksel cihazların kataloglarındaki gerilim toleransı değerlerini kontrol ettiğinizde bu durumu göreceksiniz.

Gerilim dalgalanmaları birçok alanda, özellikle sonlandırılmış hatlarda oldukça yaygındır. Gerilim dalgalanmalarının en yaygın nedenleri aydınlatma, elektrik hataları, hatalı kablolama ve cihazın periyodik olarak kapatılmasıdır. Bu dalgalanmalar, elektrikli ekipmanlara zarar vermektedir.

Uzun süreli aşırı gerilimin oluşturacağı olumsuzluklar şunlardır:

Cihazda kalıcı hasar
Sargılarda izolasyon hasarı
Yükte istenmeyen kesinti
Kablolarda ve ilgili cihazlarda artan kayıplar
Cihazın ömrünün azalması

Uzun süreli düşük gerilimin oluşturacağı olumsuzluklar şunlardır:

Ekipmanın hatalı çalışması
Daha uzun çalışma süreleri (rezistif ısıtıcılarda olduğu gibi)
Ekipmanın performansında düşme
Aşırı ısınmaya yol açan büyük akımların çekilmesi
Hatalı hesaplamalar
Düşük motor hızı

Yani ekipmanı doğru çalıştıran gerilim kararlılığı ve doğruluğudur. Voltaj regülatörü güç kaynağındaki gerilim dalgalanmalarının yükü veya elektrikli cihazları etkilememesini sağlar.

Voltaj Regülatörü Nasıl Çalışır?

Bir gerilim regülatöründe, aşırı ve düşük gerilim koşullarındaki gerilim düzeltmesi yükseltme (boost) ve kovalama (buck) olmak üzere iki temel şekilde gerçekleştirilir. Bu işlemler manuel olarak veya otomatik olarak gerçekleştirilebilir. Düşük voltaj koşullarında, boost işlemi voltajı nominal bir seviyeye yükseltirken; Yüksek voltaj koşullarında ise buck işlemi voltaj seviyesini azaltır.

Regülasyon kavramı, şebeke kaynağına ve ana şebekeden gerilim eklenmesi veya çıkarılması demektir. Böyle bir işlemi gerçekleştirmek için, anahtarlama röleleri ile farklı konfigürasyonlarda bağlanmış bir transformatör kullanır. Bazı regülatörler, farklı gerilim düzeltmeleri sağlamak için sarım üzerine kılavuzlanmış bir transformatör kullanırken, servo regülatörler geniş bir düzeltme aralığına sahip olmak için bir ototransformatör kullanır.

Yukarıdaki şekillerde, trafonun sekonder sargısının geriliminin röleler ve solid-state anahtarları tarafından farklı polaritelerde nasıl anahtarlandığını ve primer sargıya nasıl gerilim eklenip çıkarıldığını görebilirsiniz. (soldaki ekleme, sağdaki çıkarıma)

Yukarıdaki şekilde de, aşırı gerilim ve düşük gerilim koşullarında yüke sabit AC beslemesi sağlamak için iki röle kullanan iki kademeli gerilim regülatörü gösterilmektedir. Röleler anahtarlanarak, iki spesifik gerilim dalgalanması için ekleme ve çıkarma işlemleri yapılır.

Voltaj Regülatörü Çeşitleri

Bugünün piyasasında çok çeşitli otomatik voltaj regülatörleri bulunmaktadır. Bunlar, ihtiyaç duyulan uygulama tipi ve kapasitesinin (KVA) gerektirdiği şekilde tek veya üç fazlı üniteler olabilir. Üç fazlı regülatörler, dengeli yük modelleri ve dengesiz yük modelleri olarak iki modelde gelir.

Bunlar bir uygulamanın belli bir bölümünde ya da uygulamanın tümünde kullanılabilir. Ek olarak, bunlar analog veya dijital tip regülatör üniteleri olabilir.

Yaygın voltaj regülatörü tipleri arasında manuel olarak çalıştırılan, anahtarlanabilir regülatörler, otomatik röle tipi regülatörler, solid-state veya statik dengeleyiciler ve servo kontrollü dengeleyiciler bulunur.

Dengeleme işlevine ek olarak, çoğu regülatör giriş / çıkış düşük gerilim kesme, giriş / çıkış yüksek gerilim kesme, aşırı yük kesme, çıkış başlatma ve durdurma tesisi, manuel / otomatik başlatma, gerilim kesme ekranı, sıfır gerilim anahtarlama gibi ek özelliklerle birlikte üretilir.

Röle tip voltaj regülatörleri

Bu tip voltaj regülatörlerinde, yukarıda bahsedilen voltaj ayarlaması röleler vasıtasıyla yapılır. Transformatörün yanında elektronik devre ve röleler bulunur. Elektronik devre, doğrultucu devresini, işlemsel yükselticiyi, mikro denetleyici birimi ve diğer küçük bileşenleri içerir.

Bu cihazlar genellikle ±% 5 ila ±% 10 çıkış voltajı hassasiyeti ile ±% 15 ila ± 6 giriş voltaj değişimleri için gerilim ayarlaması yapar. Bu tip regülatörler en yaygın olarak konut, ticari ve endüstriyel uygulamalardaki düşük dereceli cihazlarda düşük ağırlıkta ve düşük maliyetli oldukları için sıklıkla kullanılırlar. Ancak regülasyon hızları düşük, daha az dayanıklı, daha az güvenli ve çok yüksek gerilim dalgalanmalarına dayanamama gibi negatif yönleri vardır.

Servo voltaj regülatörleri

Gerilim regülasyonu için bir servo motor kullanılır. Bunlar çoğunlukla yüksek çıkış gerilimi ayarı için kullanılır. (tipik olarak ±% 1’den ±% 50’ye kadar giriş voltajı değişimlerinde)

Bu regülatörde, yükseltici transformatörün primer ucu otomatik transformatörün sabit tarafına, diğer ucu ise servo motor tarafından kontrol edilen hareketli kola bağlanır. Yükseltme trafosunun sekonderi, beslemeyle seri bağlanır.

Elektronik kontrol devresi, girişi dahili referans voltaj kaynağı ile karşılaştırarak voltaj düşüşünü ve voltaj artışını tespit eder. Devrede hatayı bulduğunda, sırayla ototransformatörde kolu hareket ettiren motoru çalıştırır. Bu, sekonder boyunca bir voltajın istenen voltaj çıkışı olması gerektiği şekilde, buck boost transformatörünün primerini besleyebilir. Servo regülatörlerin çoğu, akıllı kontrol sağlamak için kontrol devresi için yerleşik mikrodenetleyici veya işlemci kullanır.

Bu regülatörler tek fazlı, üç fazlı dengeli veya üç fazlı dengesiz tiplerde olabilir. Tek faz tipinde, değişken transformatöre bağlı bir servo motor, voltaj düzeltmesini sağlar. Üç fazlı dengeli bir tip olması durumunda, üç oto transformatör ile bir servo motor bağlanır, böylece transformatörlerin çıkışını ayarlayarak dalgalanmalarda stabilize çıkış sağlanır. Dengesiz bir servo dengeleyici tipinde, üç otomatik trafo ile birleştirilmiş üç bağımsız servo motor ve üç ayrı kontrol devresine sahiptir.

Röle tipi stabilizatörlere kıyasla servo stabilizatör kullanmanın çeşitli avantajları vardır. Bunlardan bazıları daha yüksek düzeltme hızı, yüksek akımlara dayanma kabiliyetine sahip yüksek stabilize çıkış hassasiyeti ve yüksek güvenilirliktir. Bununla birlikte, bunlar motorların varlığından dolayı periyodik bakım gerektirir.

Statik voltaj regülatörleri

Statik regülatörler voltaj regülasyonu elde etmek için güç elektroniği dönüştürücü devresini kullanır. Servo regülatöre kıyasla bu cihazlarda daha hassas ve efekti gerilim regülasyonu yapmak mümkündür ve tipik olarak regülasyon ±% 1’dir.

Temelde bu cihazlar boost trafosu, IGBT güç dönüştürücü (veya AC’den AC’ye dönüştürücü) ve mikrodenetleyici, mikroişlemci veya DSP tabanlı kontrolörden oluşur. Mikroişlemci kontrollü IGBT dönüştürücü, darbe genişlik modülasyon tekniği ile uygun miktarda voltaj üretir ve bu voltaj, boost transformatörünün primerine verilir. IGBT dönüştürücü, dalgalanmalar sırasında gerilim ekleme ve çıkarma işlemi gerçekleştirmek için gerilimi fazda veya faz giriş hattının 180 derece dışında olacak şekilde üretir.

Mikroişlemci gerilim düşüşünü algıladığında, PWM darbelerini IGBT dönüştürücüye gönderir, böylece nominal değerden sapan miktarınkine eşit gerilim üretir. Bu çıkış gelen besleme ile aynı fazdadır ve yükseltme trafosunun primer beslemesine beslenir. Sekonder, gelen hatta bağlı olduğundan, indüklenen gerilim gelen beslemeye eklenecek ve yük bu düzeltilmiş gerilim ile beslenecektir.

Benzer şekilde, gerilim yükselmesi, mikroişlemci devresinin PWM palslarını, dönüştürücünün gelen voltajla fazdan 180 derece olan sapmış bir miktar voltajı verecek şekilde göndermesine neden olur. Yükseltme trafosunun sekonderindeki bu gerilim, giriş voltajından çıkarılarak yükseltme işlemi gerçekleştirilir.

Bu regülatörler kompakt ebatları, seri düzeltme hızı, hassas gerilim regülasyonu, hareketli parçaların yokluğundan dolayı bakım gerektirmemesi, yüksek verim ve yüksek güvenilirlik gibi çok çeşitli avantajlar nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir.

Voltaj Regülatörü Seçimi Nasıl Yapılır?

Bir cihaz için regülatör almadan önce birkaç faktörü göz önünde bulundurmak en önemlisidir. Bu faktörler, cihazın ihtiyaç duyduğu gerilim, kurulum alanında yaşanan voltaj dalgalanmalarının seviyesi, cihazın tipi, regülatörün tipi, dengeleyicinin çalışma aralığı, aşırı gerilim / düşük gerilim kesmesi, kontrol devresi, montaj tipi olarak sayılabilir.

Bir regülatörün bağlanacağı cihazın, etiket detaylarını mutlaka inceleyin ve teknik özelliklerini kullanım kılavuzundan kontrol edin.

Stabilizatörler kVA cinsinden derecelendirildiği için (tıpkı jeneratör ve trafolar gibi), cihazın voltajını maksimum anma akımı ile çarparak güç (watt) değerini hesaplamak da mümkündür.

Regülatör oranına, tipik olarak yüzde 20-25 bir güvenlik payı eklenmesi önerilir. Gelecekte yükün derecesinin artması durumunda regülatör değiştirilmeden aynı cihazla daha yüksek bir yük kontrol edilebilir.

Cihaz watt cinsinden ise, dengeleyici kVA derecesini hesaplarken bir güç faktörünü hesaba katın. Aksine, stabilizatörler kVA yerine kW olarak derecelendirilmişse, güç faktörünü gerilim ve akım ürünü ile çarpın.

Voltaj Regülatörü Nerelerde Kullanılır?

Günümüzde, voltaj regülatörleri gerilim dalgalanmalarına duyarlı birçok elektronik cihaz için kullanışlı bir güç çözümü haline gelmiştir. CNC makineleri, klimalar, televizyon setleri, tıbbi cihazlar, bilgisayarlar, laboratuvar ekipmanları, endüstriyel makineler, telekomünikasyon ekipmanları vb. gibi birçok cihazları korumak için voltaj regülatörü kullanılabilir.