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UPS 기술정보

1. 시스템 구성

UPS의 시스템 구성에는 여러 가지 방식이 있어 부하의 요구도에 따라서 선택되고 있는데 다음은 대표적인 시스템 구성상의 종류에 대하여 기술한다.

A. 출력의 종류

교류출력 외에 직류출력의 UPS도 있으나 여기서는 교류출력의 UPS만에 한정시킨다.

B. 축전지의 접속방식

상용전원 정전시 전력공급용으로 축전지의 충전방식에 관하여 UPS의 순변환기로 충전하는 부동충전 방식과 전용의 충전기를 갖는 직류스위치방식이 있다. 이제까지 입력역률의 관계에서 부동충전 방식은 중·소용량기에, 직류스위치방식은 대용량기에 주로 적용 되어 왔으나 현재는 순변환기의 PWM화에 의한 고역률 컨버터 방식이 대용량기에도 적용됨에 따라서 부동충전방식이 일반화 되었다.

C. 단독, 병렬 운전 방식

UPS에는 당연히 고도의 신뢰성이 요구된다. 따라서 단독운전으로는 만일의 고장이 염려되므로 중·소용량기에서는 특히 중요시스템 의 경우에 부하용량을 수용하는 2대의 UPS를 병렬로 설치하여 만일 1대가 고장난 경우에는 나머지 1대로 운전하는 방식이다. 또한 운전기에 대한 예비기를 1대 대기시키는 방식을 취하고 대용량 시스템에서는 용량적으로 UPS의 필요대수 외에 1대 혹은 경우에 따라 서는 2대를 여분으로 접속하여 1대의 UPS가 고장나도 운전을 계속하고 또 1대씩 점검할 수 있도록 하며 UPS의 모델에 따라 4대에서 최대 9대까지의 병렬운전이 가능하다.

D. HOT STAND-BY 운전방식

UPS시스템의 신뢰성 향상대책으로 특별히 중요한 시스템이나 혹은 대용량 시스템에 있어서는 병렬 운전방식이 취하여지나 일반적으 로는중·소형시스템을 중심으로 UPS와 병렬로 상용 바이패스 전원을 가지도록 하여 UPS의 고장시나 혹은 과부하시에 상용 바이패스 (전원)에서 급전하는 시스템으로 하여 신뢰성을 높이는 방식을 취하고 있다. UPS에서 상용 바이패스로, 혹은 상용 바이패스에서 UPS 로 전환함에 있어 부하에 영향을 주지 않도록 무순단화가 되어 있으며 또 과부하로 상용 바이패스에 전환된 경우에는 부하가 정상으로 되돌아가면 자동적으로 UPS측으로 재전환되는 오토리턴 방식이 일반적이다. 당연한 일이지만 HOT STAND-BY 운전방식은 상용전원 과 UPS의 출력 주파수가 동일하여야 한다는 것이 전제로 된다.

E. OFF LINE 운전방식

상용 바이패스를 가지는 방식에서는 일반적으로 UPS가 주이고 상용전원이 예비형으로 되어 있으나 반대로 상시용으로 운전함으로써 운전효율을 높이고 상용전원의 정전시 UPS로 백업하는 UPS의 OFF LINE 운전방식이 사용되고 있어 소용량기에서는 SPS(Stand by Power System)이라고 불려지고 있다. Off line 운전방식은 UPS를 무부하 운전상태에서 대기시켜 상용전원의 정전시에 순간정전됨이 없이 부하에 전력을 공급하는 운전 대기 방식과 UPS를 정지상태로 대기시켰다가 상용 전원 정전시에 전환하는데 순간단전을 수반하 는 정지 대기 방식으로 나누어진다.

F. 기타

기타 시스템 구성으로서 예를 들면 입력 변압기의 유무라든가 병렬 운전방식에 있어서 축전지를 UPS마다 개별로 두느냐 또는 축전지 만 공통으로 하느냐 등 부하의 요구나 비용 등에 따라서 여러 가지 방식을 생각할 수 있다.

기타

UPS의 종류로는 상술한 기본적인 시스템 구성 외에 상용의 수전방식, 부하의 급전방식, 운전 조작 방식, 모니터 방식 등 각각에 대한 여러 가지 방식이 있어서 가격이나 부하의 요구에 따라서 선택할 필요가 있다.

2. 전력 품질(power quality)

전력 품질에 대한 관심을 갖는 이유?

  • 플랜트 분야

    1. 프로세서 제어 및 자동화 장비 사용 증가

    2. 전원에 민감한 기기등의 불시 정지

    3. 불안정한 전압 인가후 기기 오동작

  • IDC 센터

    1. 고성능 서버사용 증가로 무정전 및 고품질 전력 유지 필요

    2. 금융 서비스 전산망 증가

    3. 통신업체 인터넷 서비스 지원 증가

  • 병원, 연구소

    1. 수술용 고정밀 의료 장비 사용 증가

    2. 고밀도 장비 사용으로 전원 변동 따른 문제점 발생

    3. 정밀 계측 점검 장비의 증가로 안정적 전원요구

전력 품질에 영향을 주는 요소

  • 전압 변동

    1. 1분 이상 정전, 순간정전

    2. 과도한 부하 사용으로 순간 전압 강하

    3. 순간적인 전압 상승인 스파이크 발생

  • 파형 왜형

    1. C성 부하(PC, 통신용 정류기) 사용으로 역류 고조파 발생

    2. 노이즈처럼 전기 공급선을 통해 흐르는 높은 주파수 신호

  • 과도 현상

    1. 일시적으로 전력을 과도하게 공급되는 경우

    2. 번개 및 써지로 인한 경우

전력 품질에 영향을 주는 요소

고조파 발생 원리와 설비에 미치는 영향

◆ 고조파의 발생원리

최근 문제가 되고 있는 전기 사용 장소의 고조파 장해 현상을 쉽게 이해하는 방법은 고조파를 전류원으로 보고 해석하는 것이다. 전력변환기기, 인버터, OA기기 등 반도체 응용기기와 같이 비선형 특성을 갖는 부하에 정현파 전압을 인가하면 흐르는 전류는 일반 적으로 고조파 함유율이 있는 왜형파의 형태가 된다.

◆ 고조파의 발생원리

1 = √211sin(wt+ ∮1) +Σ Insin(nwt+∮n)
여기서, n=3, 4, ......., 2m+1(m=1,2,3, ・・・∝), 11: 정격전류, In: n차 고조파위의 식에서처럼 상용주파수 성분(11)과 그정수배의 주파수 성분(In)과 합성된 파형으로 나타난다. 즉, 왜형파 전류는 각 고조파 성분의 중첩으로서 표현할 수 있다.

고조파의 특성

고조파 전류원은 차수마다 존재하며 발생한 전류는 부하단에서 전력계통 및 타부하단으로 유출된다.

고조파 전류는 임피던스에 비례하여 분류되며, 전 계통에 걸쳐서 흐른다.

계통 임피던스는 주파수에 의해서 변하기 때문에 고조파 회로는 발생차수 만큼 존재한다.

실제 회로의 파형은 기본파와 복수 고조파의 순시치가 합성된 것이다.

배전계통의 고조파 전압은 계통의 여러 곳에서 유입하는 고조파 전류와 계통의 임피던스에 의해서 발생한다.

고조파의 영향

고조파의 영향

콘덴서 리액터: 고조파 전류에 대한 회로의 임피던스가 공진현상 등에 의해 감소하여 대전류가 유입하고 과열, 소손 또는 진동, 소음의 발생

케이블: 3상4선식 회로의 중성선에 고조파 전류 유입에 의한 중성선 과열

변압기 : 고조파 전류에 의한 철심의 자화현상으로 소음 발생 고조파 전류전압에 의한 철손동손의 증가로 용량 감소

계기용변성기: 계기용 변성기에 초기 위상오차 있는 경우
±ö tanp(₲는 사이리스터 위상제어등 제어전류의 위상각)의 영향으로 측정 정밀도 저하

음향기기 : 고조파 전류전압에 의한 다이오드, 트랜지스터, 콘덴서등 부품의 고장, 수명저하, 성능의 열화

보호계전기 : 고조파 전류 혹은 전압에 의한 설정레벨의 초과위상변화에 의한 오동작

적산전력계 : 유효자속이 비선형 특성으로 자속변화가 완전히 적응하지 못하므로 측정오차 발생 고조파 전류의 과대한 유입에 의한 전류코일 소손

보호계전기 : 고조파 전류 혹은 전압에 의한 설정레벨의 초과
· 위상변화에 의한 오동작

MCCB : 과대한 고조파 전류에 의한 오동작

POWEWR FUSE : 과대한 고조파 전류에 의한 용단

대책방안

  • 전력 회사측

    1. 전력전자 기술을 전력 계통에 적용하여 고품질의 전력공급 시도

    2. 고객의 요구 수준에 따른 전력 공급 방식 차등화 도입

    3. 품질 향상과 고 신뢰 공급 시스템 구축으로 전력 시장 개방시의 경쟁력 도모가 필요함.

  • 수용가측

    1. 전압 보상기기를 사용하여 변화를 보상한다.(UPS)

    2. 역류 고조파를 제거한다. (고조파 필터)

    3. 노이즈 및 써지를 방지한다. (노이즈 필터, 써지 보호기)

3. 반도체 소자 기술 동향

DIODE (1세대)

1. N(-)형 반도체와 P(+)형 반도체를 접합시킨것으로 전류를 한쪽 방향으로만 흐른다.

2. (+)극은 애노드로 A로 표시, (-)극은 캐소드로 C로 표시함.

3. 기호

4. 정류용, 제너용(전압을 일정하게 함), 쇼키드(전압강하가 낮고 속도가 빨라 고조파용)

TVS(일시 과도 전압을 억제함), 등등 여러가지가 있음.

사이리스터(2세대)

1. Diode에 제어극인 케이트(G)가 추가되며 케이트와 캐소드간의 200mV ~ 500mV만 인가하여도 케이트 내부에는 공핍층이 형성되어 이 공핍층이 줄어 들면서 도통하게 된다.

2. 기호

3. 일반 정류용(상용전원 정류기, 무접점 SW에 사용함)

고주파용(강제전류식 인버터에 사용함)

공핍층

pn접합 반도체는 정상 상태에서는 그 접합면과 같이 캐리어(전자 또는 정공)가 존재하지 않는 영역을 가지고 있다. 이 영역을 공핍층 이라 한다. 또한 pn접합 반도체의 양단에 역방향 전압을 가하면 접합부에 대하여 반대측 양단에 캐리어가 모이므로 공핍층은 더욱 커진다.

트랜지스터 (3세대)

1. N형 반도체와 P형 반도체를 PNP/NPN 형태로 접합한 구조의 소자 로 전류의 흐름을 조절할 수 있어 전류 구동형 소자 이다.

2. 기호

3. UPS에 사용 되는 트랜지스터는 이런 구조가 2개 이상 이며 전류용량도 상대적으로 커 일명 POWER TR이라고도 함.

IGBT (4세대)

1. FET( 빠른 스위칭 속도, 저압에 유리)+TR(속도는 늦지만 고압에 유리)

2. 기호에 보드시 구동부는 FET이고 출력부는 TR이다.

3. 기호

4. UPS 소용량, 대용량 등 주로 사용됨.

4. UPS 구성

정류부 (Rectifier)

- 상용AC → DC 변환시키는 기능과 축전지의 충전.

- SCR, 방열판, 구동용 Drive PCB로 구성됨.

인버터 및 역변환부 (Inverter)

- DC → AC 변환시켜 Critical 부하에 안정된 전력을 공급한다.

- IGBT, 방열판, DC CAP, 구동용 Drive PCB로 구성됨.

- PWM (순시 전압 제어 방식) 제어로 함.

동기절체부 (Static Switch)

- 인버터 고장, 과부하시 한전측으로 무순단 절체 또는 이상 복구후 인버터로 절체함.

- SCR, 방열판, 구동용 Drive PCB로 구성됨.

- 전자적인 절체가 되지 않을 경우를 위해 비상 SW를 구성한다.

동작 개요

정상 운전

- 상용 전원이 정류부에 인가되어 DC로 변환되어 축전지에 충전과 동시에 인버터에 의하여 AC로변환되어 Critical 부하에 공급된다.

상용전원 정전 / 축전지 방전시 운전

- 정류부는 동작이 중지되고 축전지가 인버터를 통하여 무순단으로 Critical 부하에 공급한다.

- 이때 축전지가 불량이나면 부하는 차단된다.

정상운전/ 축전지 재충전

- DC UV Trip 전에 상용 전원이 회복되면 정류부가 동작하여 축전지를 충전 시킴과 동시에 부하에 전력을 공급한다.

Bypass로의 절체

- 과부하나 UPS 고장이 일어나면 Critical 부하가 전자적인 Bypass로 절체한다.

수동 Bypass로의 절체

- UPS 의 중대한 고장이나 UPS를 전원으로부터 분리하고자할때 Bypass (CB5) ON을 시켜 부하를 공급한다.

운전방식

단독 운전

- UPS 단일 모듈로 구성됨.

- 용량은 부하 용량과 같고 By-pass 기능을 갖고 있다.

병렬 운전 (Parallel)

- UPS 2대 이상의 모듈로 구성되며, 2대가 부하를 분담하고 있음.

- 2대중 한대가 고장시 정상 동작중인 UPS가 모든 부하를 공급하고 과부하나 나머지 한대 마저 고장시 By-pass로 절체된다.

Stand-by 운전 - UPS 2대 이상의 모듈로 구성되며, 부하는 최종 load 측 장비가 전담한다.

- 최종 load UPS가 고장 나면 동기 절체부가 동작하여 예비 UPS 출력이 부하를 전담하며 이때 예비 UPS 도 고장시 By-pass 절체된다.

5. 예비정비

  • 일상점검

    1. 주위환경, 운전상태, 표시등 점검

    2. 소음, 진동, 미상 발열등 점검

    3. 간단한 행위이며 기술이 필요하지 안음

  • 정기점검

    1. 각종 계측값 점검

    2. 구성 기기 및 부품 외관 점검(부품 누액, 변형, 변색)

    3. 기술 및 안정성을 고려하여 전문 서비스업체와 보수 계약을 맺어 실시함

  • 정밀점검

    1. 보수 업체와 실시함을 원칙으로 함

    2. 불량 부품 교체 및 동작 시험, 특성 시험 실시

    3. 현장 요원 기술 교육실시하여 기술 향상시킴