무정전 전원설비(UPS)

본 내용은 이재언(전기기술사 사이버학원 원장)님이 방송과 기술 잡지에 기고한 내용을 인용하여 무정전 전원설비(UPS: Uninterruptible Power Supply) 개요 등에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

무정전 전원설비(UPS)

무정전 전원설비 개요

전기품질은 정전시간, 전압 변동율, 주파수 변동율 및 고조파로 인한 파형 왜형율 등으로 결정된다. 그러나 전기는 "생산과 동시에 소비가 이루어지는 상품"이기 때문에 아무리 전기품질을 높인다고 해도 완전히 무정전, 정전압, 정주파수로 전기를 공급한다는 것은 불가능한 일이다.

사용전원은 멀리 떨어진 발전소로부터 송전선과 배전선을 거쳐서 수용가에 공급되기 때문에 때로는 대용량 기기의 기동돌입 전류로 인한 전압강하나 낙뢰로 인한 순시정전 등이 발생해서 공급 신뢰도가 저하되는 것을 피할 수 없는 경우가 많다. 따라서 순간의 정전도 허용되지 않고 또한 정전으로 인한 영향이 치명적인 부하설비에는 무정전, 정전압, 정주파수의 전원이 필요하게 된다.

전압 및 주파수를 안정시키는 장치를 정전압 정주파수 장치 (CVCF : Constant Voltage Constant Frequency)라 하며, CVCF에 축전지를 설치하여 정전 시에도 순간정전이 없이 전력을 공급할 수 있는 장치를 무정전 전원장치 (UPS : Uninterruptible Power Supply)라고 한다.

 

 

UPS의 종류

UPS의 종류를 크게 분류하면 Static(정지형) UPS와 Dynamic(회전형) UPS의 두 가지가 있다. 

 

정지형 UPS (Static UPS)

정지형 무정전 전원장치(Static Uninterruptible Power Supply)는 그림과 같이 컨버터, DC 필터, 인버터, 변압기, AC 필터 및 축전지 등으로 구성된다.

<그림 1> 정지형 무정전 전원장치 구성도

 

 

- 컨버터(Converter)는 교류를 직류로 변환하는 장치

- DC 필터는 정류된 직류에 포함된 고조파 리플(Ripple)을 제거해서 거의 완벽한 직류로 만드는 장치

들어 인버터로 보내주는 것이다.

- 인버터는 직류를 원하는 주파수의 교류로 만들어 주는 장치이다. 교류전압은 아직도 많은 고조파를 포함하고 있으므로 AC 필터를 통과시켜서 거의 완벽한 정현파를 만든다.

- 제어장치는 CT(변류기)와 PT(전압변성기)로부터 전압/전류의 크기와 주파수 및 위상을 검출, 인버터를 제어해서 인버터 출력이 원하는 전압/전류, 주파수 및 위상이 되도록 제어한다.

- 축전지는 정상상태에서는 정류기를 통해서 충전되어 있다가, 상용전원이 정전되면 사이리스터* 스위치를 통해서 충전된 전력을 인버터에 공급해서 인버터 2차측 부하들이 무정전으로 동작하도록 한다.

  * 사이리스터(Thyristor): 인버터에 사용되는 반도체 소자로서 근래에는 파워 트랜지스터나 GTO 사이리스터가 주로 사용되고 있다.

- 정류기는 교류를 전파 정류해서 직류로 변성하여 축전지를 충전한다.

  * 축전지를 충전하기 위한 목적으로는 리플이 있어도 지장이 없으므로 정류기 회로에는 일반적으로 DC 필터를 사용하지 않는다.

 

 

회전형 UPS (Dynamic UPS)

회전형 UPS는 그림과 같이 동기기와 Induction Coupling 및 디젤엔진으로 구성된다.

<그림 2> 회전형 UPS의 구성

- 정상운전 상태에서는 상용전원을 공급받아(주개폐기 On)전력 변환이 없이 직접 부하에 전력을 공급한다. Induction Coupling의 내부 회전자는 외부 회전자에 있는 3상 2극 교류권선에 의해 여자되어 회전하며 외부회전자는 동기전동기에 의해 1,800rpm의 속도로 운전되고 Free Wheel Clutch는 디젤엔진과 인덕션 커플링의 외부 회전자와는 완전히 분리되어 있다.

- 비상운전으로 전환될 때 주개폐기와 인덕션 커플링의 3상 AC 공급 회로의 개폐기는 상용전원이 정전될 때 차단된다. 동시에 Free Wheel Clutch가 체결되어 디젤 엔진이 기동되며, 인덕션 커플링의 외부 회전자에 의해 회전중인 동기기는 발전기로 동작하여 순간정전 없이 교류전력을 공급함으로써 정전 순간에도 무정전으로 계속 운전된다.

- 비상운전은 Induction Coupling의 내부회전자와 외부회전자의 결합을 푸는 순간 시작된다.

- 정상운전으로 전환은 상용전원이 다시 공급되는 순간에 시작된다. 상용전원이 다시 공급되면 자동으로 구개폐기가 폐로되고 상용전원은 전력변환 없이 직접 부하에 공급되며 동기기는 발전기 운전에서 전동기 운전으로 변환된다. 이때 디젤엔진과 Induction Coupling의 외부 회전자를 연결하고 있던 Free Wheel Clutch는 자동으로 완전히 분리된다.

 

 

정지형 UPS vs. 회전형 UPS

 

 

UPS 용량산정

UPS 용량산정시 고려사항

・부하용량 이상이어야 한다.

・부하의 기동돌입 전류가 UPS의 출력 한계치를 초과하지 않아야 한다.

・출력전압의 변동폭이 부하의 허용전압변동 이내이어야 한다.

・출력 주파수 변동폭이 부하의 허용범위 이내이어야 한다.

・장래 부하증가를 고려한다.

・가능한 한 Maker의 표준용량을 선정한다.

・정류기 부하가 많은 경우에는 고조파 분이 많으므로 UPS 용량에 10~20% 정도의 여유가 있어야 한다.

・과도용량이 특히 큰 부하에 대해서는 한류장치를 부가하도록 한다.

 

 

UPS용 축전지 용량선정

UPS에 사용되는 축전지 용량을 산정하기 위해서는 정전 보증시간 및 기준전지온도를 결정해야 하는데, 정전보증시간 이란 상용전원 정전시 UPS의 운전시간을 말하는 것으로 보통 비상 발전기가 있는 경우는 5~10분, 발전기가 없는 경우는 30분 정도로 한다.

기준전지온도는 축전지 사용장소의 주위온도를 말한다. 축전지는 온도가 내려가면 용량이 감소하므로 온도가 계절에 따라 변화하는 장소라면 되도록 낮은 온도를 기준전지온도로 하는 것이 안전하다.

축전지는 과거에는 연(납)축전지와 알칼리 축전지가 많이 사용되었으나, 근래에는 흐율이 높고 자기방전이 적으며, 다양한 크기와 형태로 제작할 수 있는 리튬이온 축전지가 많이 사용되고, 특히 대용량을 요하는 경우에는 나트륨 유황전지를 사용하기도 한다.

UPS에 사용되는 축전지의 방전전류는 다음식으로 계산한다.

 

식에서 P: UPS 출력(kVA), pf: 부하역율, ղ: UPS 효율, Ef: 방전종지전압(V/cell), n: 축전지 직렬개수

 

축전지 용량은 다음식으로 계산한다.

식에서 C: 축전기용량(AH), I: 방전전류, L: 보수율, K: 용량환산계수

 

 

UPS 운전방식

비상시 단독 운전방식

이는 상시에는 UPS를 운전하지 않고 있다가 정전 시에만 운전하는 방식으로, 상시에는 TS1과 TS3는 Off 상태이고 TS2만 On 상태로 있어 상용전원으로부터 부하에 전력을 직접 공급하다가 정전되면 TS2를 Off 시킴과 동시에 TS1과 TS3를 On 해서 Inverter로부터 부하에 전력이 공급되도록 하는 방식이다.

<그림 3> 비상시 단독 운전방식

 

이 경우에는 사이리스터의 스위칭 시간에 인버터의 응답시간(3~5 사이클)이 더 소요되므로 상시 운전방식보다 순간정전 시간이 길어진다.

 

 

상시 단독 운전방식

그림과 같이 UPS를 상시 운전하다가 UPS 내부에 고장이 났을 때만 상용전원으로 절환하는 방법이다. 상시 운전 중 그림의 TS1은 On 상태, TS2는 Off 상태로 있다가, UPS 내부에 고장이 발생하면 150 μs 이내에 TS2가 On 됨과 동시에 TS1이 Off 되어 부하는 전원측으로 직접 연결된다. 

<그림 4> 상시 단독 운전방식

이 경우 UPS는 전원과 동기운전을 유지해야 그림에서와 같이 t1에서 고장이 나서 t2에 전원전압이 투입될 때 파형이 그대로 유지된다. 그림에서 수백정도의 극히 짧은 무전압 시간은 어떤 전자기기에도 전혀 악영향을 주지 않는다.

<그림 5> 파형 유지

사이리스터 대신에 Magnetic Contactor를 사용할 수도 있겠으나 MC의 동작시간은 0.1~0.5초 정도가 걸리므로 사이리스터보다 순간정전 시간이 매우 길어진다.

 

 

병렬 대기 운전방식

이 방식은 2대의 UPS를 한대는 상용, 다른 한대는 예비기로 운전하다가, 상용 UPS가 고장나면 예비기를 운전하는 방식이다. 이 경우에도 절환시간이 소요된다.

 

병렬 동시 운전방식

여러 대의 UPS를 병렬로 동시에 운전하여 부하에 전력을 공급하다가 1대가 고장 나면 고장 난 UPS를 회로에서 분리하고, 건전한 나머지가 전부하에 급전하는 방식이다. 이 경우는 한대가 고장 나도 절환시간이 필요하지 않다는 장점은 있으나, UPS 용량에 여유가 있어야 하고, 병렬운전을 하기 위해서 각각의 UPS를 동기화시켜야 하며, 적절한 부하분담이 되도록 해야 하기 때문에 제어방식이 복잡하게 되는 단점을 가지고 있다.

 

 

※ AVR : Auto Voltage Regulator

<그림 6> 비상전원으로 사용되는 UPS 블록 다이어 그램

 

Reference : BROADCASTING & TECHNOLOGY(방송과 기술) June 2016 BACK TO THE BASIC SEASON Ⅱ