UPS(Uninterubtable Power Supply System)무정전전원장치

UPS(Uninterubtable Power Supply System) : 무정전전원장치

UPS의 기초	SCR과 Power Transistor의 비교	전력전자소자의 특징	기능에 따른 분류
전압제어의 원리 및 특성	시스템구성기술의 발달	UPS장치의 원리와 구성	UPS정격용량의 산정
UPS운전방식	UPS전원계획시 유의사항	UPS 2차측회로

가. 개요

UPS(무 정전 전원장치)는 선로 전압강하 등에 대한 근본 대책으로서 외부전원의 이상이나 정전 상태에 관계없이 안정된 출력을 부하에 공급하기 위해 널리 사용되고 있다.

1. 사이리스터(Thyristor)

사이리스터란 PNPN의 재생 궤환에 의하여 2개의 안정된 동작을 행하는 모든 반도체 스위치를 말한다.

2. 사이리스터의 분류

일반용
- 소전력용 SCR, 대전력용SCR - Gate Turn-on
- 광 Trigger - 어떤 상황에서도 +,-,Gate선로도 트리거 된다.
- 특수용 사이리스터 - 트라이악, 쌍방향 사이리스터 등

고속용
- 강제 소호용 : 역저지 또는 역 도통 사이리스터
- 자기 소호용 : GTC(Gate Turn Off) 또는 GTR(Gate Transistor)

3. SCR(Silicon Controlled Rectifier)

SCR은 두 개의 PNPN소자를 겹쳐놓은 것으로서 사이리스터 중 1방향성,역저지 3단자 사이리스터인 SCR이 가장 광범위하게 사용되고 있다.
실리콘반도체,정류기,래칭스위치,증폭기 등에 주로 사용되고 있다.

4. Power Transistor

SCR은 게이트신호로 on 되고 역 전압, 부하전류 변화로 off 되는데, 이러한 SCR의 문제점으로는 on시 잡음으로 오 동작이 야기되고 off를 위한 제어회로가 복잡해 진다.
따라서 용량이 대형화될 경우 SCR은 매우 고가가 된다.
SCR을 대신하여 병렬 설치가 용이하여 용량증가가 쉽고(대 용량화 가능), 가격이 저렴하고 제어회로가 간단하고 Turn-on시 오 동작이 적은 Power TR이 현재 많이 사용되고 있다.

다. SCR과 Power TR의 특성비교

방식	SCR	Power TR
전류회로	필요	불필요
ON-OFF	게이트전류로 on 전류회로로 off	베이스신호로 on-off
오전류	유발	오전류 없음
차단능력	회로전압에 따라 변동	회로전압에 무관
스위칭 속도	15~50㎲	15㎲ 이하
가격	비싸다	싸다
효율	낮다	높다
소음	높다	낮다
회로구성	복잡	간단
대 용량화	어렵다	쉽다

1. 장점

신뢰성 및 효율이 높다
수명이 반영구적이고 보수가 간단하다.
소형,경량이며 적정한 가격으로 된다.
고속도동작, 순간적 시동이 가능하다.
주위먼지, 압력에 무관하며 빙점하에서도 견딘다.
무접점이므로 투입,차단시 섬락이 없고,소음이 없다.

2. 단점

전원측에 고조파를 발생 시킨다.
고전압, 대용량에는 한계가 있다.

마. 기능에 따른 분류

구 분	기 능	용 도
정류기	AC→DC	직류 전동기제어 전력제어
인버터	DC→AC	교류 전동기제어 전력제어 무효전력제어 무 정전 제어장치
콘버터	AC→AC DC→DC	주파수제어 전압제어

사. 시스템구성 기술의 발달

UPS 장치는 주위환경에 관계없이 최고급의 전력을 공급하고 타 전원에 악영향을 주어서는 아니된다. 따라서 최근의 UPS제작기술 및 회로구성 방법은 이러한 부분에 초점을 맞추어 개발되고 있다.

구분	1세대	2세대	3세대	4세대
정류기	다이오드 순브리지	6펄스 SCR브리지	12상 SCR브리지	12상 SCR브리지
인버터	SCR 브리지	SCR 브리지	12상 SCR브리지	power TR 또는 GTO
최대용량	3상 100KVA	3상 300KVA	3상 750KVA	-
바이패스	기계식 접점	SCR 접점	12상 SCR브리지	12상 SCR브리지
특징	3고조파 이상으로 필터 대형화 인버터 전류실패 바이패스시 정전	충전부와 정류부 일체화 사용전원과 동기운전시킴 고조파분이 증가되어 비상발전기 등에 영향을 준다. 바이패스가 기계적 충격에 약하다.	정류기부에 다상회로를 입력하여 역류 고조파의 영향 개선. 필터가 작아지고 안정도가 크게 향상됨. 바이패스의 신뢰도 개선.	대 용량화 가능. 제작비 저감. 소형, 경량화. 저 소음화.

1. 원리

CVCF기능 + 바이패스기능 + 밧데리

1-1. CVCF로서의 기능

교류 입력저압을 정류하여 직류로 변환하고 DC필터로 완벽한 직류로 변환시킨 후 인버터를 통해 교류(맥동파형)로 변환시키고 또 3상변압기와 AC필터를 거침으로서 양질의 AC 3상전원을 공급한다.

1-2. BYSS - PASS 기능

무 정전 전원장치 내부에 이상이 발견시에는 짧은 시간(8~10㎐)에 UPS입력전원으로 전환하는 기능.

(순시전압강하(0.07초-2초)가 기기에 미치는 영향),
정전이란 1/2사이클에서 장시간 동안 전원이 차단되는 것을 말한다.
부하별 순시 전압강하의 허용범위

1-3. BATTERY

정전 및 순간정전에 대비한 전원공급을 위해 상시에는 충전상태에서 정전신호 검출시 축전지를 개폐하여 무정전화한다.

2. 구성

AC 입력 → 정류기에서 DC로 변환 → DC 필터 → 인버터에서 파형 형성 → 변압기 → AC필터 → 부하에 공급

충전 정류부, 필터부(AC,DC), 인버터부, 바이패스부, 축전지부, 각종 신호 검출부로 구성된다.

2-1. 필터부의 역할

필터는 잔류전하로서 파형을 끊어주는 역할을 한다.
고조파 함유율이 적을수록 (다 상일수록) DC필터의 용량은 작아진다

1. 정격용량 산정시 고려사항

부하용량의 최대치를 만족할 것
부하설비는 기동시 UPS출력 합계치를 초과하지 않을 것.(유도성 모터부하 접속시 주의)
특히 과도용량이 큰 부하에 대해서는 한류장치를 부가하도록 고려하여야 한다.
순차기동할 경우 나중에 투입되는 부하기동전류에 의한 출력전압 변동이 먼저 투입된 허용치를 초과하지 않을 것.
통신기와 같이 부하의 대부분이 정류기부하인 경우 부하전류중에는 고조파분이 많고 전류 파고값이 일반의 부하에 비해 높아진다. 이 때문에 장치용량에 10~20% 정도의 여유가 있어야 한다.
장래 부하증가를 예상할 것.
컴퓨터실의 경우 쿨링머신(항온항습기)부하를 포함한다.
가능한 한 메이커의 표준용량으로 선정한다.

2. UPS 용량 산정방식

다음의 계산 결과 중 최대의 것으로 한다.

2-1. 전 부하를 운전하는데 필요한 용량

P₁≥ K₁Σ Pn

K₁: 여유율(1.0~1.2)
수용율은 100%로 한다.

2-2. 부하 기동용량에 의한 용량

P₂≥ K₁Σ Pn₁+ Pm

Pm : 최후에 투입되는 부하 돌입전력
Pn1 : 기저부하

2-3. 부하 기동시 전압변동을 고려한 용량

P₃≥ P₁/ △V

P₁: 1단계 투입 부하 돌입전력
△V : 전압변동 10% 이내의 부하급변 허용계수 0.2~0.25

3. UPS축전지의 선정과 용량계산

축전지용량을 선정하기 위해서는 방전전류, 정전보증시간, 방전종지전압 및 기준전지온도(축전지는 화학반응을 이용한 제품으로 온도에 의한 영향이 대단히크다, 1℃에 약 1% 변화)를 결정하여야 한다.

3-1. UPS 용량에 의한 방법

방전전류의 산출

Pf : 부하역률
ef : 축전지의 방전종지전압V/cell (인버터의 출력을 정해진 범위내로 유지하기 위하여 필요한 최저전압/축전지 직렬개수)
n·s : 직렬연결 축전지의 개수
n₁v₁: 인버터 전력변환시의 효율(0.915)
k : 인버터 부하율에 따라 결정되는 효율(0.97)

수식에의 적용

C : 정격용량[AH]
L : 보수율(일반적으로 0.8 적용)
K : 용량환산시간
I : 방전전류

3-2. 계산 "예"

[UPS용량 계산 예]

부하 (3상 200V, 99.3KVA, 단상 100V, 9.08KVA), 수용률 0.9, 여유율 1.25, 장래부하증가예상분 20KVA, 기동부하[평상시 10.5KVA, 최대 30KVA(가장먼저투입)]

총 최대부하용량
평상시부하

150[KVA]로 한다.
최대시 / 평상시 = 166 / 150 =111% 따라서 120% 미만에 포함되므로 150[KVA]로 가능하다.

[축전지용량 계산 예]

부하 정지형 400[KVA], UPS 300KVA 2대 병렬(1대 stand by), 역률 0.8 축전지(HS형 연축전기, 백온 25℃, 방전시간 15분), 방전종지전압 1.7 [V/cell], 정상 2.4V, 직렬접속수 192, 인버터 효율 0.915, 전체효율 0.97인 경우.....

실부하 300KVA 이므로 400*1.5 = 600[KVA] (300KVA 2set로 한다)
정격방전전류
25℃에서 정격방전률 환산축전지용량

따라서 축전지의 용량은 900[AH]로 한다.
900[AH] × 176[cell] = 158,400 [AH] ☞ 158,400 / 4 = 39,600[AH]
1204[A] × 4 = 4816[A]----1시간당
UPS 300KVA 2대에 440KVA까지 담당할 수 있고, 실제의 부하는 400KVA가 되므로 정상시에는 운전이 가능하지만 1대 고장발생시 나머지 1대로는 과부하가 걸리게 되므로 연쇄적으로 down된다. 따라서 300KVA 1대가 더 소요된다.

차. UPS의 운전방식

예비운전방식과 병렬운전방식 (단독, 병렬, 병렬stand-by)으로 나누어 진다.

1. 예비운전방식(순단절환방식)

평시에는 AVR로 연결 사용하고 필요시에 자동으로 UPS로 절체하는 방식

2. 단독운전방식(상용동기 무순단 절환방식)

사고시 대책이 없으며, 중요성이 떨어지는 부하에 적용.

3. 병렬운전방식

2대 이상의 설치하는 방식으로 한 대의 용량이 전체부하를 부담할 수 있는 것이어야 한다.

4. 병렬stand-by방식

고 신뢰도로 무정전이 가능하며, 유지보수가 용이하여 특히 중요한 부하에 적용한다.

5. 무정전전원장치의 기타 회로구성

회로구성	특징
	평상시 상용전원에서 수전하고 순간 정지 사고시에는 스위치절체로 수전을 계속한다.
	평상시에는 상용입력과 동기를 취해 인버터를 운전하고 순간 정비사고 발생시에는 인버터 운전을 한다.
	평상시에는 바이패스 스위치를 닫아서 직접 상용전원으로부터 부하에 전력을 공급하고 순간 저전압 발생시에는 BY-PASS 스위치를 열어서 콘덴서에 축적한 에너지로 보상시킨다., 대용량의 CVCF에 비해 소형이고 가격도 싼 편이다.
	평상시에는 트라이포트 변압기를 통해서 전력을 공급하고 순간 정전발생시에는 인버터를 통해 전력을 공급한다. UPS의 장점을 살리면서 고효율화를 꾀한 것이다.

1. 계획시 유의사항

용량 및 운용방법을 적정하게 할 것.
고조파에 대한 대책을 고려할 것.
변환소자가 열에 약하므로 내부발열에 대한 환기 및 냉방을 고려할 것.
Peak 전류파형을 지닌 부하에 대해 2배 이상의 용량 선정.
축전지 수량 변화에 대한 하중과 설치 여유공간을 고려할 것.
인접물과 적당히 이격하여 설치할 것(보수유지 및 냉각을 위한 환기통로)

2. 고조파에 대한 대책

발전기용량을 UPS용량의 2.5배 이상으로 선정.
UPS부하를 발전기 부하의 50% 이하로 조정한다.
간선의 굵기, 차단기의 규격 및 동작특성 및 변압기용량 선정시 UPS의 특성을 충분히 고려한다.

UPS의 2차측(출력측) 고장회로의 분리는 UPS자체의 신뢰도와 관련되어지는 것으로서 적절한 방식을 채택하여야 하며, 일반적으로 배선용차단기에 의한 것, 반도체보호용 한류형퓨즈에 의한 것, 사이리스터를 사용한 반도체차단기에 의한 방법 등이 있으며, 최근에는 1KVA 또는 3KVA의 단위 모듈로 구성되어 단상, 2상, 3상 전원에 공통으로 사용하여, 고장범위를 1개의 모듈로 제한하는 방식의 UPS가 개발되어 적용되고 있는 실정이다.(각 모듈 자체는 UPS이며, 서로 독립적으로 운용된다)

구분		MCCB	반도체용 한류형퓨즈	반도체 차단기
동작시간	정격4배에서	3~30sec	20㎳~600㎳	100㎲~150㎲
동작시간	정격10배에서	10㎳~4sec	2㎳~4㎳	100㎲~150㎲
전류특성		반한시	반한시	일정
콘덴서부하대책		-	돌입전류대책필요	돌입전류대책필요
바이패스회로		불필요	불필요(예비품 준비)	필요
수명		트립횟수에 제한	자연열화(5년마다 교환)	정기적 동작확인 필요 콘덴서는 10년정도마다 교환
크기		소	중	대
경제성		저가	중가	고가
한류효과		없음	있음	없음

신기술 뉴스

산업용 다이오드 모듈 국산화

구분	PWM(Pulse Width Modulation)방식	PAM(Pulse Amplitude Modulation)방식
원리	직류전압의 폭을 변화시켜 출력전압을 제어한다.	교류전원을 일정한 직류전압으로 만든 후 초핑제어에 의해 출력전압을 제어한다.
주회로구성	약간복잡	간단
제어회로	간단	복잡
입력효율	떨어짐	양호
진동,소음	적다	떨어진다
응답성	떨어진다	양호
스위칭주파수	저속	고속
전류제어	곤란	용이