무정전장치(ups)의_기술자료

[전기야 놀자]

무정전 전원장치의 기술자료

(Uninterruptible Power System TECHNICAL GUIDE)

최근에 급격히 발전하고 있는 사무 자동화기기(OA)나 공장 동화기기(FA)에 이용되는 컴퓨터나, 마이크로 프로세스를 내장한 장비들은 전원 변동에 민감하게 반응한다. 그러나 사용전원에서 수용가까지의 선로의 거리와 수용가 상호간의 간섭, 계약용량 초과사용. Peak time의 전압강하, 각 수용가 자체의 Noise 발생 등으로 인하여, 각 수용가에 공급되는 전력의 질은 전력 공급자의 통제를 벗어나는 것이 보통이다. 따라서 전력을 공급하는 측이 아무리 양질의 전력을 공급해도 위와 같은 첨단장비에 공급되는 전원에는 문제가 있게 마련이므로 부하의 중요도 및 종류에 따라서 적절한 장비의 도입이 필수적이라 하겠다.

Over Voltage Surge Impulse

그림 1-1. 전원 교란의 종류

일반적으로 상용전원에 나타나는 전원 교란 노이즈는 그림 1-1에 표시된 바와 같이 여러 가지 형태가 존재한다.

안정된 상태에서 수초 이상 지속적으로 정격전압보다 수십 퍼센트 크거나 작은 Over Voltage 혹은 Under Voltage가 발생하게 되면 전원에 연결된 전자장비의 열을 유발시켜 장비의 수명을 단축시키거나 시스템 에러발생 요인으로 작용한다.

Sag(전압이 약해짐)와 Surge(갑자기 높아짐)는 수 사이클 이내의 시간동안 정격전압보다 훨씬 낮거나 높은 전압변동으로서, 컴퓨터 메모리의 유실이나 전송중인 데이터에 에러를 발생시킨다.

Impulse(충격)는 매우 짧고 파형을 심각하게 왜곡시키는 높은 전위의 과도현상으로 수 𝜇sec에서 수 msec가지 지속되며 수백Volt까지 상승하는 불규칙 노이즈로써, 통상은 그 징후를 감지하기 힘이 들지만, 일단 발생하게 되면 부품의 성능 저하 및 시스템의 shot-down을 유발시키게 된다.

마지막으로 수 사이클에서 수 시간까지 지속되는 정전이 발생 하게 되면, 시스템의 동작불능 상태에 도달하게 되어 시간적으로, 경제적으로 막대한 손해를 입게 되므로 적절한 전원 장치의 도입이 필수적 이라 하겠다.

이러한 전원 교란으로부터 중요한 부하(혹은 기기)를 보호하기 위해서, 먼저 수용가 측의 전원 사정을 고려해 본 뒤에 어떠한 형태의 전원 보호 장치가 필요한 것인가를 결정해야 하는데, 이를 블록도로 나타내면 다음과 같다.

										* Computer * Computer 응용기기 * 의료기기 * Data 전송 시스템
	수용가			부하보호장치			부하
	DISTURBANCE(장애) - Over voltage, Under voltage - Sags, Surges - Impulses - Dropouts Interruptions - Frequency variations			부하 보호 장치 - AVR - Power Conditioner - UPS			부하와 부하 보호 장치의 상호 영향 - Output wave distortion - Frequency shifts - High inrush starting current for motors - Low power factor - Switching transients from switching power supplies
			부하 보호 장치의 목표 - NOISE 경감 - 전압 안정 - 무순단 전원

표 1 : 각종 전원교란에 대한 전원장비의 보호관계

교란내용	정전	IMPULSE	주파수 변동	저전압 및 고전압	SAG 및 SURGE	과도현상	NOISE
계산의 착오	○	○	○	○	○	○	○
Program 정지	○	○		○	○	○	○
Data 독해 불능	○	○	○	○	○	○	○
CPU 전원기기의 동작불능	○	○	○	○	○	○	○
CPU POWER　SUPPLY 파손		○	○	○	○
LOGIC 회로의 파손		○		○	○
CPU 소자의 소손		○		○	○
COMPUTER의 오동작	○	○	○	○	○	○	○
통신 유도 장애		○			○		○
작업 DATA의 손실	○	○		○	○	○	○
문제점 및 각종 교란에 의한 전원 장비의 보호 관계						절연 변압기
				전 압 조 정 기
				LINE CONDITIONER
		회전형 무정전 전원장치
	정지형 무정전 전원장치

전력용 스위칭소자

반도체 제조기술의 발달과 함께, 전력회로에 사용되는 스위칭소자의 종류가 다양해지고 특성 또한 빠른 속도로 개선되고 있다. 따라서 직류 혹은 교류전원 장치를 제작할 때 어떠한 소자를 사용할 것인가를 결정해야 하는데, 경제성 및 신뢰성 있는 설계를 UPS의 응용에 가장 널리 이용된 소자로는 용량에 따라서 다르지만 MOSFET, BJT, GTO 및 SCR 등을 들 수가 있겠고, 최근에는 High Beta, BJT, BI-MOS, IGBT, SIT 등이 주목을 받고 있으며 실용화 단계에 도달하고 있거나 사용 중이다.

그림 2-1은 현재 시장에 소개되고 있는 트랜지스터를 분류해 놓은 것이다.

그림에서와 같이 다양한 종류의 트랜지스트가 소개되고 있는데, 이것들을 개발 목적 별로 분류하면 그림 2-2와 같이 된다. 그림중에서 중속도, 고전압, 대 전류 스위칭용에는 BJT 외에 Cas Code 형 Bimos가 중복된다. 이둘 사이의 차이점은 Cas Code Bimos가 Turn-on 할때 정전압 구동을 하기 때문에 BJT에 비해서 구동이 용이하다는 점이다. 한편 고주파, 고전압, 대전류 스위칭용에는 IGBT(or MBT)와 Cas Code 형 Bimos가 중복되는데, Bimos의 경우 BJT와 Power MOSFET를 조합시킨 Hybrid 소자인 반면에, IGBT는 Monolithic 소자로써, Bimos는 BJT와 MOSFET를 동시에 구동 시켜야하는 반면에 IGBT는 거의 MOSFET와 유사한 구동 회로를 갖기 때문에 IGBT가 훨씬 더 경쟁력을 갖게 된다. 마지막으로 동작 주파수가 수백 수천 KHz이상으로 증가하게 되면, Power MOSFET나 SI트랜지스터를 사용하게 된다.

따라서 사용되는 스위칭주파수에 따라서 어떠한 소자를 사용해야 할 것인가를 결정할 수가 있게 된다. 그림 2-3은 정격전압, 정격전류 및 스위칭 주파수의 함수로 본 여러 스위칭 소자의 적용 영역도를 보여 주고 있다. 현재 통용되고 있는 UPS의 스위칭 주파수는 통상 수 KHz 이하로 동작되기 때문에, 100KVA 이하의 응용에서는 거의 BJT Module을 채택하고 있고, 1 KVA 이하의 소형에서는 스위칭 주파수를 수십 KHz까지 증가시켜 사용하기 때문에 Power MOSFET를 사용하고 있다.

그러나 최근 주목을 끌고 있는 IGBT 소자의 적용영역도가 BJT와 MOSFET 중간 부분을 차지하고 있으며 대용량 소자의 개발과 함께 기존의 스위칭 소자를 대치할 것으로 예상된다. 표-1에 여러 가지 트랜지스터 스위칭 소자의 특징을 비교해 놓았는데, 이를 참고해 보면, IGBT가 스위칭 속도 면에서 MOSFET보다 약간 느리지만 Turn-on시의 스위칭 양단전압이 MOSFET보다 훨씬 작기 때문에 전반적인 손실 면에서 IGBT가 우수한 특성을 보인다.

또한 BJT의 포화전압 보다 1.5V 정도 높기 때문에 Conduction losses는 BJT보다 크게 되나, 스위칭 손실이 작기 때문에 동작 주파수의 증가와 함께 IGBT의 스위칭 속도를 약간 희생시키면서 스위치 양단의 전압강하를 Darington Transistor 모듈정도로 낮춘 제품이 상품화 되어 나오고 있다.

그림 2-1 트랜지스터 분류도

고속도, 중전압, 소전류 Switching					중속도, 저전압, 대전류 Switching
․ Switching 전원 등					․ Battery Folk Lift 등
․ 내압, 용량단위 : ~ 1000V, ~35A ․ 적용주파수범위 : ~1MHz					․ 내압, 용량단위 : ~ 300V, ~600A ․ 적용주파수범위 : ~ 5 KHz
		Power MOSFET ⑤				Biploar Transistor ①
초고주파 대전력 증감					저손실 저전압, 중전류 Switching
․ Sonar ․ 고주파가열용 Inverter 등					․ Car-Electronics 등
․ 내압, 용량단위 : ~ 1500V, ~ 60A ․ 적용주파수단위 : ~ 200 KHz					․ 내압, 용량단위 : ~ 100V, ~ 45A ․ 적용주파수단위 : ~ 5 KHz
		SI Transistor ⑨				Power MOSFET ⑤
고주파, 고전압, 대전류 Switching					중속도, 고전압, 대전류 Switching
․ 무소음 Inverter ․ 고정(精)도 Inverter, Servo ․ 용접기 등					․ 범용 Inverter ․ NC용 Servo, Invertor ․ UPS ․ 용접기 등
․ 내압, 용량단위 : ~1200V, ~ 400A ․ 적용주파수단위 : ~ 20 KHz					․ 내압, 용량단위 : ~1400V, ~ 600A ․ 적용주파수단위 : ~ 5 KHz
	IGBT②					Bipolar Tansistor ①
․ 내압, 용량단위 : ~1200V, ~ 400A ․ 적용주파수단위 : ~ 20 KHz					․ 내압, 용량단위 : ~ 500V, ~ 300A ․ 적용주파수단위 : ~ 10 KHz
		Cas Code형 BI-MOS④				Cas Cade형 BI-MOS ③

그림 2-2 트랜지스터 개발 목적별 분류

그림 2-3 정격전압, 정격전류 및 동작주파수의 함수로 본 여러 스위칭 소자의 적용 영역도

표-1 여러 가지 트랜지스터 스위칭소자의 특성비교

무정전전원장치 기술자료

1. 무정전 전원 장치란?

2. 전원에 대한 문제점은?

3. UPS로 전력을 충족시키려면?

4. 최적의 UPS를 선택하려면?

5. 기기의 설치조건?

6. 발전기 선정시 유의사항?

7. 전원의 분석과 보호?

8. 설치

9. STATIC SWITCH 동작원리 비교

1. 무정전 전원공급 장치란?

1-1 개 요

종전에 사용되던 용어는 Constant Voltage, Constant Frequency의 머리글자를 따서 C. V. C. F라고 하여 정전압, 정주파수 장치를 의미 하였으며 여기에 축전지를 부속시켜 무정전화 하고 또한 Static S/W를 첨가시켜 역변환부장치가 고장이 발생하여도 부하장비는 순단이 발생하지 않도록 하여 Uninterruptible Power Supply의 머리글자를 따서 U.P.S라 명명하였으며 정전이 되거나 입력전원의 이상 상태와 전연 무관한 안정된 전원을 출력하여 부하에 공급하는 장치이다.

다시 서술하자면 무정전공급장치는 한전 및 발전기 전원 즉 교류 (AC) 전원을 수전하여 입력전원의 전압 및 주파수 변동과

순간적으로 발생하는 정전 및 각종 전원 장애의 발생에 관계없이 항상 부하에 안정된 전원을 공급하기 위한 장치로써 정전압,

정주파수, 무정전 상태의 양질의 전력을 공급하는 장치이다.

1-2 구성 및 기능

1) 순변환부 및 충전부 (RECTIFIER/CHARGER)

교류(AC)를 직류(DC) 로 변환시켜 축전지를 충전시키며 동시에 역변환부의 직류입력 전원을 공급한다.

2) 역변환부 (INVERTER)

직류를 교류로 변환시키는 장치로써 정전압, 정주파수등 양질의 전원을 부하장비에 공급하게 된다.

3) 축전지

평상시는 충전상태로 있다가 한전 혹은 어떤 교류 입력전원의 이상 발생 시 방전을 시작하며 역변환부에 전원을 공급하여

부하장비에 무정전 상태로 양질의 전원을 공급하게 된다.

4) 출력 필터부

콘덴서와 리액터로 구성되며 역변환부에서 발생되는 고조파를 제거하는 여과기능을 갖는다.

5) 제어부

순변환부 및 역변환부의 기능을 제어하는 인쇄 회로기판(PCB)을 말한다.

6) 동기절체부 (STATIC SWITCH)

순수 반도체 소자로 구성된 Bypass static S/W 와 역변환부의 static S/W가 독립되어 있으나 역변환부의 출력전압 및 주파수와

상용전원을 자동 동기 시키는 기능으로써 인버터 이상시 상용전원으로 무순단 절체되어 부하에 전원을 공급하며 UPS가 정상복귀

상태로 되면 상용전원에서 인버터로 무순단 절체 된다.

1-3 운전 상태

1) 정상시 운전

상용 또는 예비전원을 받는 순변환부 및 충전기부는 교류를 직류로 변환시켜 축전지를 충전시키는 동시에 역변환부에 직류전원을

공급하며 역변환부는 정전압, 정주파수의 안정된 교류전원으로 변환시켜 부하장비에 공급한다.

2) 정전시 운전

상용전원이 정전되면 평상시 충전장치에 의해 충전되었던 축전지에서 무순단으로 역변환부에 직류전력이 공급되어 방전시간동안

무순단 무장애로 양질의 교류전원을 부하장비에 공급한다.

3) 정전 복구시 운전

차단되었던 상용전원이 다시 순변환부 및 충전부에 공급되면 축전지의 방전이 자동으로 멈추고 상용전원은 순환부를 거쳐

역변환부를 통해 무순단으로 부하에 전력을 공급하게 되고 충전장치는 방전된 축전지를 재충전 시킨다.

2. 전원에 대한 문제점은?

일반적으로 computer는 주파수가 50Hz 또는 60Hz 정현파의 정전압을 요구하고 있지만 세계 어느 나라 할 것 없이

상용전원(한전전원)은 많은 변동과 눈에 보이지 않는 즉, 측정할 수 없는 여러 가지 문제점을 가지고 있다.

예로 전압이 규정치 보다 높거나 낮고 파형 외율 이 규정치 에 들지 않는 것인데 이것은 computer가 정상 동작할 수 있는 범위에서

벗어나므로 이런 것들이 원인이 되어 기록 Data손실 및 Computer 자체 고장 발생의 요인이 된다.

그중 몇 가지를 설명해 보면,

2-1 VOLTAGE TRANSIENTS

Transients란 짧은 기간의 Pulse인데 전원이 갑자기 낮아지거나 높아지는 등 기존전원에 부가되는 현상이다.

* Motor와 같은 장비를 ON/OFF 할 때

* 부하 변동 생길 때

* 전원 Switch를 ON/OFF 할 때

* 천재지변에 의해 천둥, 번개가 칠 때

* 정전사고 발생 등에 의해 발생한다.

2-2 BROWNOUTS

상용전원에 많은 용량의 부하가 걸릴 때 발생하는데 한전 전원을 사용하고 있는 수용가 중에서 전원설치 용량보다 많은 부하를

사용할 때 전원 용량 부족 문제로 발생하는 현상이다.

주위 여건상 발생하는 Brownouts는 과부하 상태에서 발생한다.

이것을 방지하는 것은 한전용량 이상의 부하를 사용치 못하게 해야 한다.

이때 computer는 자신을 보호하기 위하여 최저 허용치 이하의 전원이 공급된다면 shut down 될 것이다.

만약, 그렇지 않으면 계속해서 동작하다가 고장 발생 또는 정상기능으로 작동치 않아 자료 손실을 유발할 것이다.

2-3 BLACK OUTS

Backs out는 정전상태를 말하는데 몇 msec 혹은 몇 시간 동안 정전되었다면 computer는 작동을 멈추게 되고 이런 경우에도

장비고장이나 기록한 중요한 자료를 한순간에 잃게 된다.

2-4 UNINTERRUPTED POWER

정전, Surges, Spikes, Dips 또는 기타 다른 변동이 없는 computer 허용범위 내에 알맞은 전원을 말한다.

3. UPS로 전력을 충족시키려면

UPS를 선택할 시에는 어떤 전원 장애가 발생하더라도 계속해서 양질의 전원을 Computer에 공급할 수 있는 것을 선택해야한다.

3-1. UPS의 용량선정

부하 조건을 이론적으로 충족되어야 한다.

- Steady state power requirement

- Inrush currents

- Power Factors

- Future expansion

이런 조건들을 분리해서 생각해야하고 , UPS 공급 전원은 각 요구조건이 전부 충족되어야 한다.

3-2. 필요한 정상전원

부하장비가 정상 상태로 동작할 수 있는 전원을 말한다.

3-3. 돌입전류

변압기나 Motor, SMPS 등이 초기 가동 시 극히 짧은 순간에 최대로 흐르는 전류를 말한다.

변압기의 가동 전류는 정격전류의 23배 (JIS규격) 정도까지 된 수 있고 기동 그 순간에는 거의 short상태 또는 대단히 큰 과부하 상태가 된다.

모든 부하장비의 순시 전류의 과부하의 합은 UPS의 과부하의 전류 내에 있어야 한다.

Motor의 과부하는 100% 부하 정격전류의 600% 보다 높은 경우가 있다.

Motor의 기동전류는 변압기와는 매우 다른 현상이 생긴다.

Motor의 기동 전류는 가변속도에 좌우된다.

3-4. 역율

Power Factor(P.F)는 유효전력으로 나타내는 KW와 피상전력으로 나타내는 KVA의 비율이다. 이 비율은 소수점으로 표시하고 일반적으로

Computer 역율은 0.9 PF 이다. UPS 역율은 0.9 PF에 맞도록 설계되어야 한다.

UPS는 0.8PF의 역율에 기준하여 KVA로 표시되는 것은 역율 1.0PF 일 때 KW로 나타나는 것으로 충분한 KVA가 아니면 부하가 완전한 kW를 갖지

못한다.

예를 들면,

Computer가 100KVA 요구 된다면 PF = 0.9라 하면

KW = 100KVA X 0.9 = 90KW가 된다.

만약에 UPS 3대가

UPS A = 100KVA PF 0.8

UPS B = 90KVA PF 1.0

UPS C = 100KVA PF 0.9라 한다면

UPS “A”는 100KVA X 0.8 = 80KW

UPS "B"는 90KVA X 1.0 = 90KW

UPS “C"는 KW와 KVA 양쪽에 부하를 맞추어야 한다.

이런 경우 적당한 것을 선택하여야한다.

3-5. C.F(CREST FACTOR)

SMPS의 발달로 부하는 LINEAR 부하 (직선성 부하)에서 NON-LINEAR 부하 (비직선성 부하)로 옮겨가고 있는 실정이다. 따라서 부하의 C.F는 대략2.5-3정도로 구성됨으로써 UPS의 용량선정에도 영향을 미친다.

따라서 용량 선정 시 필히 고려해야할 사항이다.

[첨부자료 참조]

1) UPS SYSTEM과 비선형 부하외의 관계

2) 비선형 부하에 대한 CREST FACTOR 평균 전류, 실효전류의 계산

3) 비선형 부하의 영향

3-6 확장성

부하 증설에 따른 UPS 용량 증설에 대한 것이다.

1) Isolation Redundancy Operation

2) Parallel Redundancy Operation

[첨부자료]

1. UPS SYSTEM과 비선형 부하관계

부하는 전자장비나 부품으로서 전압과 연결되어 전류를 흐르게 하는 장치를 말한다.

기술적으로 전력회사에서 공급되는 전압은 교류(AC)이며 사인파형이고 주파수는 50Hz 나 60Hz 이다. 선형부하는 전원이 공급되었을 때 사인파형과 비슷한 전류를 흐르게 하는 부하를 말한다. 예를 들면 히터, 백열등, 모터, 에어컨, 형광등 등은 각도가 약간 다른 사인파형의 전류를 갖는 선형부하이다.

비선형부하(NON-LINER LOAD)는 사인파형과 다른 전류를 흐르게 하는 부하를 말한다.

대표적인 비선형부하로는 컴퓨터 전원장치와 같은 전원장치(SMPS: Switching Mode Power Supply)들 이다.

CERST FACTOR(C.F) 는 부하의 선형도에 대한 수치로서 수학적으로 C.F는 RMS(Root Mean Square) 전류에 대한 피크 전류의 비율로 나타낸다.

전도되는 시간이 감소되는 전류파형이 점점 뾰족하여짐에 따라 부하는 더욱 더 비선형화 되어진다. 선형부하의 C.F는 1.414이며 비선형도가 높아짐에 따라 증가한다. C.F가 2인 파형은 비교적 보통의 비선형이며 C.F가 3 이상이면 비선형 측에 속한다.

대부분의 컴퓨터 전원은 2~3정도이다.

2. 비선형 부하의 영향

전력회사로부터 전력을 공급 받을 때, 비선형부하는 공급된 싸인 파형의 전압을 찌그러뜨린다. 이는 비선형회로에 흐르는 높은 전류SPIKE에 의해 전원선 임피던스로 인한 급격한 전압 저하의 결과이다.

많은 UPS SYSTEM의 출력 임피던스는 본 전원의 임피던스보다도 높다.

그런 상태에서 비선형 부하에 전원을 공급한다면 찌그러짐이 더욱 심해진다고 할 수 있다.

그러한 잘려진 파형은 컴퓨터와 같은 민감한 부하에서 해로운 작용을 한다.

첫째. 컴퓨터 장치내의 DC전압과 관련된 싸인 파형의 피크치가 잘려지면 DC전압은 정상치보다 낮아지고 컴퓨터는 비정상으로 동작하거나 아예 작동이 정지하기도 한다.

둘째. 컴퓨터들은 전원중단이나 전원상의 장애가 있는지의 여부를 가리기 위하여 피크 검출회로를 사용한다.

이들 회로는 잘려진 파형을 고장으로 잘못 판단하여 컴퓨터의 비정상적인 정지를 일으킨다.

셋째. 이러한 이상파형의 전원으로 작동되는 모터는 과열되고 결국 디스크, 팬, 테이프 등의 장비를 손상시킨다.

해 결 책

UPS SYSTEM의 비선형 부하에 대한 부작용을 방지하는 몇 가지 방법이 있다.

1. UPS가 피크전류에 대한 찌그러짐 (의율)이 없으려면 사용자의 컴퓨터와 유사한 C.F의 비선형 부하에서 정상 작동되는 UPS의 정격용량을 선정한

다.

2. 불필요한 왜율을 제거하고 피크치를 회복시키는 특수회로를 사용함으로써 해결한다.

- 최선의 방법은 추천된 방식의 기기를 사용하는 것이다.

3. 최적의 UPS를 선택하려면

최적의 UPS를 선택하려면 부하의 상수(Number of Phase), 전압, 주파수, 용량, 역율을 먼저알고 Battery 방전시간 (Back up time)을 선정해야한

다.

4. 기기의 설치 조건

4 - 1. 전원

1) 발전기 용량 : UPS용량의 2배 이상 (첨부 자료 참조)

2) 변압기 : 인입 변압기는 UPS의 Back-ripple 영향을 감안하고 전원 분리원칙에 의거 단독 변압기를 사용해아며, 용량은 UPS 자체 소비전력을 고려하여 UPS용량의 1.5배 이상이어야 한다.

* 전용 변압기 용량 산출 (100KVA 경우)

□ 순수 입력 용량 :

100KVA(UPS 용량)	=	120KVA 약1.2배
0.83(종합효율)

□ 역류 고조파 고려 시 : 입력용량 󰀄 1.47 100KVA = 147KVA 약1.5배

3) 전 선

* UPS의 입력과 출력 그리고 UPS와 BATTERY간 및 UPS와 원격감시반간은 연결 전선이 소요되며 전선 규격은 UPS 용량에 따라 다음 표와 같으며

<용량별 전선규격 선정표>

3¢ UPS 용량	입력전선 (MTR-UPS) RST 중 1가닥의 굵기	출력전선 (UPS-MTR) 좌동	UPS - BATT 간의 +, -중1가닥의 굵기	UPS 원격 감시반
30KVA	38SQ*1	38SQ*1
50KVA	60SQ*1	50SQ*1
75KVA	100SQ*1	80SQ*1
100KVA	150SQ*1	100SQ*1
150KVA	200SQ*1	200SQ*1
200KVA	150SQ*2	250SQ*1
300KVA	200SQ*2	200SQ*2

부하의 N상 전선은 R, S, T 전선 굵기의 1.5~2배 정도로 선정하여야한다.

왜냐하면 부하가 SMPS일 경우 1¢ 부하가 많아지므로 비직선성 부하에서는 전류위상의 편차로 인하여 NEUTRAL 전류가 실제 상전류보다 많이 흐르기 때문이다.

□ 입력 전선 규격

* 전 류	=	UPS 용량	=	100KVA	=	100	=	334[A]
		종합효율 * 상전압		0.83 * 208V * √3		299

그러므로, 334[A]을 감당할 전선규격은 R, S, T상은 약 150sq이며 N상은 약 250sq의 전선을 사용하여야 한다.

□ 입력전원은 가급적 440[V] 또는 380[V]를 사용하여 전선 크기를 줄여야 하며 케이블은 상회전과 전압을 사전 점검한 후 R상에는 적색, S상에는

황색, T상에는 청색 튜브를 설치해야 한다.

□ 각 전선의 입출 통로를 제공하기 위해 배전반/분전반 - UPS, UPS - BATT간에 소정의 DUCT를 설치해야 한다.

4-2. 설치 환경

□ 주위 온도 범위 : 0℃ - 40℃

□ 상대습도 : 90% 이하

□ 표고 : 해발1000m 이하

□ 설치 장소 : 옥내(직사광선, 고압 및 열원으로부터 격리된 곳)

□ 발열량 및 환기장치 : UPS 1대가 100% 부하운전 될 때 이에 상응한 Airconditioning 소요는 다음과 같으며 배터리 실에는 환풍 장치가 요구됨

UPS 용량	발열량(Kcal/h)	AIR-COND 용량
30KVA	5,160	3RT
50KVA	8,600	3RT
75KVA	10,600	4RT
100KVA	13,000	5RT
150KVA	16,800	6RT
200KVA	17,100	7.5RT
300KVA	22,700	9RT

4-3 BATTERY DESIGN

인버터용량: 100KVA

Load Power Factor: 0.8

인버터효율: 95%

DC Max전압: 270V

DC Min전압: 210V

Back up time: 15분

축전지 적용온도: 25℃

5. 발전기 선정 시 고려사항(무정전 전원장치가 부하일때)

5-1 서론

무정전 전원장치와 엔진발전기간의 상호 연결 작동을 보장하기 위하여 발전기 선정시 요구되는 기본조건을 숙지하는 것이 중요하다.

모든 발전기 제조사는 SCR을 사용한 장비를 부하로 구동하기 이하여는 이들 SCR 부하에서 발생하는 Non-Linear 또는 고조파 전류의 영향 때문에 충분한 용량의 발전기를 설치하여야 한다.

SCR 부하는 대형 모터 속도 조절장치, 대형조명 조정 장치, 산업용 밧데리 충전장치, 무정전 전원장치, 산업용 정류기 등이다.

발전기 또는 비상 전원장치를 설치하고자 할 때에는 사전에 발전기의 용량선정에 대하여 전문가에 도움을 받아 특별한 부하 요구 조건을 사전에 충분히 검토 하는 것이 중요하다.

5-2 발전기

가. 발전기의 사양은 아래와 같은 기본적인 기준에 의해 결정되어 진다.

* KW : KW는 원동기 용량 또는 개소린, 디젤, 천연가스 및 터빈 등의 엔진 마력의 용량을 나타낸다.

* KVA : KVA는 원동기에 정착하기위한 발전기의 용량을 나타낸다.

발전기의 내부 Sbutransient 리엑턴스는 역율과 특수부하의 사양에 의거 결정된다

* 주파수안정도 : 주파수안정도는 엔진속도를 조절하는 역환율을 하며, 이는 가바나 선택에 의해 결정되어진다. SCR부하에는 스윗칭 잡음에 민감하지 않는 특수 가바나를 사용해야 한다.

* 전압안정도 : 전압안정을 위하여 발전기의 조절기는 Electronic feed back형 조절기를 사용해야 한다.

이 조절기는 발전기의 출력을 일정하게 조절하며 적절한 전압 조정을 위하여 적합한 전압조절기를 선택하는 것은 발전기와 UPS간의 최적운전에 가장 중요한 요건의 하나이다.

* 상기 기준에서 볼때 발전기는 정말로 부하조건에 의거 결정되는 특수 모듈로 구성된 발전기를 선택 해야됨을 알 수 있다.

나. 일반적인 발전기 용량 산정 방법

* 만약 UPS 부하가 발전기에 연결된 총부하의 25%미만일 때에는 발전기의 용량 결정시 특별히 고려를 할 필요는 없다.

* UPS 부하가 발전기 충부하의 25% - 50%일 때에는 발전기에 특수 전압조절기와 특수 가바나 및 휠타 또는 셋 중 어느 한 가지가 필요하다.

*UPS 부하가 발전기 충부하의 50%를 초과할 시에는 발전기 제조회사의 기술 자문을 받는 것이 좋으며 이때에는 특수한 조절기와 특수한 가바나를 사용해야 한다.

수요처에서 대형발전기를 선택하여 해결하고자 하는 것은 좋은 방법이 아니다.

왜냐하면 작은 부하에 큰 엔진은 초기에 고장나기 쉽고, 전압조절도 이 방법으로는 어렵기 때문이다.

5-3 UPS 부하의 요구 조건

가. 발전기의 용량결정은 UPS의 출력 용량보다는 UPS의 입력조건에 의하여 결정하는 것이 이상적이나, 일반적으로 UPS입력용량은 주워지지 않고 출력용량의 크기로 사용된다.

UPS시스템용 발전기용량은 다음 방식에 의거 최소한의 조건이 결정될 수 있다.

*20KVA에서 150KVA까지:

UPS의 출력용량(KVA)×2배 = 발전기 용량(KVA)

*200KVA 이상인 경우 :

UPS의 출력용량(KVA)×1.5배 = 발전기 용량(KVA)

나. 정류기 전류제한 감소 방법

정류기에 전류제한기(Current limit)를 사용하여 KVA용량을 감소시키는 경우가 있는데,

대부분의 UPS는 가능하나, 기존 발전기가 제한된 용량을 가진 경우 및 UPS가 100%부하로 운전되지 않을 경우에 한하여 특별히 사용된다.

또한 정류기의 전류 제한기는 UPS에서 “BYPASS"로 부하 절체 시 UPS의 입력용량을 감소할 수 있다.

이때, UPS의 전류제한기와 발전기의 자동절체 스위치 간에 약간의 추가신호 선로가 결선되어야 한다.

5-4 결론

대형 컴퓨터 시스템에 안정된 전원을 공급하는 장치에는 UPS 장비와 스위치 기어 그리고 발전기 등으로 구성된다.

성공적인 설치를 위해서는 UPS와 스위치 기어 그리고 발전기간의 조정이 매우 중요하다.

만약에 발전기 및 스위치 기어 공급자가 부하가 Non-linear인 것을 인지한다면 어떠한 잠재된 문제에 대해서도 예방조치가 고려되어야 할 것이다.

7. 전원의 분석과 보호

여러 가지 전원의 문제에 대하여 가장 근본적인 원인은 전압 과도현상과 Surge에 의하여 발생된다고 할 수 있다.

7-1. 전압과도 현상

정의 : 전압의 예기치 않은 변화

과도상태를 언급하기 위해서 먼저 기본정의와 특성에 대해서 이야기 되어야 한다. 전압과도 현상이라는 것은 “예측할 수 없는 현상에 의해서 야기되는 기대할 수 없거나, 예측할 수 없는 전압의 변동”으로 정의할 수 있다.

전압과도 현상과 Power Surge에는 차이점이 있다. 이 두 가지의 원인도 다르다. 이 두 가지의 크기와 파괴능력이나 에너지도 다르고 이 두 가지를 제거하기 위한 기술도 때로는 아주 다르므로 구분을 하지 않을 수 없다. General Semiconductor Industries에서는 이 두 가지를 구분 짓는 주기를 8.4msec로 선정하고 있다.

정의
TRANSIENT (과도현상)	SURGE
1. 지속시간이 8.4ms 보다 짧다. 2. 정현파나 지수 함수적인 파형의 특징이 있다. 3. 일반적으로 고 임피던스 SOURGE와 관계가 있다. 4. 과도전압 LEVEL은 표준 작업환경하에서 수 mV에서 18,000V까지의 범위이다.	1. 지속시간이 8.4 mS 보다 길다. 2. 구형파나 지수함수적인 파형의 특징이 있다. 3. 일반적으로 저 임피던스 SOURCE와 관계가 있다. 4. SURGE 크기의 90%가 표준동작 LEVEL의 2배보다 작다. 5. SURGE 크기의 99%가 표준동작 LEVEL의 3배보다 작다.

그러므로 과도현상은 지속시간이 8.4msec보다 짧고 높은 이탈 전압으로 특징화 할 수 있다.

Power Surge는 지속시간이 8.4msec보다는 긴 낮은 이탈 전압으로 특징화 할 수 있다.(60cycle AC Line에 있어서 표준 Power로부터 정현파(Sine Wave) 크기의 1/2정도 이탈은 Power Source나 관련 장비로 추적할 수가 있다.)

1. Lighting(번개)

2. NEMP 혹은 Nuclear Electro - Magnetic Pulse

3. Electro - Static Discharge(ESD)

4. Inductive Switching

7-2. 번개

Ben Franklin 시대 이후로 번개에 대해서 가장 많은 연구를 하였지만 우리들이 가장 모르고 있는 지연현상이다.

“번개는 미리 예측할 수가 없다.”

재발하는 번개는 200,000A를 초과하는 전류를 포함하고 있는 데 이것은 물로부터 QE 2호를 2m나 들어올 리 수 있는 에너지이다.

(QE :퀸 엘리자베스 호)

Direct strike의 에너지를 경제적으로나 효과적으로 아무도 없앨 수 가 없다. 우리들이 고려해야 하는 것은 2차 유도 효과와 차후에 일어나는 지상과 구름, 구름내, 구름과 구름 사이의 방전이다.

번개의 유도성 효과의 특징은 만약 유도된 전압의 95% 정도의 전압과 이러한 전기적 능력과 관련된 전류로부터 보호할 수 있기 위해서는 그 시스템은 5,000V 이상의 전압과 50A 이상의 전류에 대해서 견딜 수 있어야 한다.

Standford 연구소에서 최근의 번개에 대한 보고서를 출한했다. 이 보고서에는 유도된 번개의 효과에 대하여 매우 흥미 있는 2개의 Table을 포함하고 있다.

1) 10Km에서 normalize된 최대 피크 전압

2) meter당 Ampare에 있어서의 Static magnetic field

7-3. Nuclear Electro - Magnetic Pluse (NEMP)

Nuclear Electro-Magnetic Pulse(NE-MP)는 우리들이 우연히 볼 수 있는 정전방전과 같은 특성에 직접적으로 관계하는 어떠한 특성을 갖고 있다. 특히 빠른 rise time과 큰 전위에너지를 갖고 있다.

높은 고도에서 핵이 폭발할 동안에 감마선이 방출되고 계속해서 고속으로 전자가 곡선을 그리면서 움직이고 부분적으로는 지구를 둘러싸고 있는 electromagnetic belt에 의해서 편향된다.

이러한 현상은 전자기 펄스를 만들어낸다.

편향에 의해서 일어나는 혼란은 실제 폭발지점으로부터 300m 떨어진 지점에서의 전압이 1m당 50,000V이고 약 1msec당 5,000V까지 올라가는 rise time을 갖는 전압펄스를 발생시킨다.

좁은 의미에서 있어서는 NEMP는 방전지점에서부터 약 10m 떨어진 지점에서 1m당 3V의 field density를 갖고 rise time이 μsec당 600V인 번개에 비유할 수 있다. NEMP 펄스를 효과적으로 줄이거나 제거할 수 있는 R-C나 L-C필터를 쉽게 구할 수가 없다.

7-4. Electro - Static Discharge(ESD)

Albuquerque에 있는 Sandia 연구소에서 연구한 결과에 따르면 normal body 방전에 생기는 정전 방전은 nano sec당 2KV의 rise time과 20,000V 이상 크기으 전압을 가진다.

동등한 조건하에서 normal charge가 남자는 대략 16,000V인 반면에 여자는 대략 20,000V를 충전할 수 있다는 것은 재미있는 말이다. 신체의 화학적 구조가 남자와 여자가 달라서 절연 정도에 미묘한 변화를 일으키기 때문에 여자가 더 많이 충전할 수 있다.

신체 캐패시턴스는 신체의 양끝에서 방전 저항이 50 ohm에서 5,000 ohm인 경우에 80pF에서 500pF로 변한다.

7-5. Power Supply에서의 유도성 과도현상

스위칭 Power Supply 설계자들은 Power Source, 부하 Power Supply 자체 내 등 여러 부분에서 발생하는 과도현상에 직면하게 된다. 먼저 과도현상이 발생하는 주원인이 Power Source를 살펴보기로 하자.

설계자들은 상업적 Power의 제약 조건과 스위칭 장비의 다양한 형태로 전기배선에 따른 Power Surge를 고려해야 한다.

Power Source는 번개나 보조 Power 장치나 유도성이 큰 부하와 같은 주우 환경의 영향을 받는 다. 다른 말로 표현하면 Power Source는 실제로 설계자들이 조절을 할 수 없는 무수한 과도현상 발생기라고 할 수 있다.

Power Source의 과도현상 정도를 나타내는 것은 실제적이 될 수도 있고 혹은 상상적이거나 희망적이라고 할 수 있다.

7-6. 부하 : 과도현상의 원인은?

Power Supply 부하는 항상 과도현상을 일으키는 성질을 내재하고 있다.

부하는 도선 인덕턴스와 표유 병렬 인덕턴스와 변하는 저항성 부하 또는 유도성 부하로 이루어진다.

많은 경우에 있어서 도선 인덕턴스는 고려 대상이 되지 않지만 고속으로 스위칭이 일어나는 곳에서는 도선 인덕턴스 때문에 전압이 발생하므로 고려 대상이 된다.

인덕턴스에 의해서 발생하는 전압은 V=Ldi/dt로 정의된다. 고속의 컴퓨터 응용에서 5V. 1,000 Watt Supply 가 1,000T2L회로로 전력을 공급하기 위해서 사용된다. 전형적으로 각 게이트는 1-10mA를 필요로 하고 각 회로는 15개의 게이트를 갖고 있다. 15,000개의 전 게이트는 150A의 전류를 소모한다. 어떤 주어진 순간에서 게이트나 Logic Shifting이 1% 정도 일어날 확률은 매우 높다.

다음 가정을 해 보자.

1. Power Supply로부터 Logic 보드까지의 도선 길이는 3m이다.

2. 도선의 인덕턴스는 10-6 H/meter이다.

3. T2L Logic의 스위칭 시간은 20 nsec이다.

우리들은 이제 5V Logic bus에서 어디에서나 20V에서 225V까지 발생시킬 수 있는 과도현상 발생기를 갖게 되었다. 과전압 보호기와 원격전압 감지기, 전류 foldback 시스템은 주위에 영향을 미치지 않으면서 rise time이 빠른 과도현상을 제거하는 능력을 갖고 있지 않다.

7-7. Power Supply : 과도현상의 원인은?

의심할 여지없이 스위칭 Power Supply는 과도현상의 원인이 된다. 그것은 과도현상 발생기일 뿐만 아니라 EMI발생기, Surge 발생기이다. 그래서 스위칭 트랜지스터의 제조업자들은 우리들에게 트랜지스터 파괴자들이 된다.

Power Supply가 과도현상을 일으키는 요소는 다음과 같다.

1. 필터 Capacitor와 용량이 큰 Inductor로 구성된 필터회로

2. Invertor Transformer와 연결되어 있는 스위칭 트랜지스터

7-8. 전원의 보호 대책

전원의 변동은 정전 Transient, Surge 등으로 발생하며 이것은 순간적인 전압변동이므로 눈에 보이지 않는 장애를 일으킵니다.

이러한 전압이 발생되면 computer 논리회로의 오동작, SMPS의 고장 등 Power Source 계통에 보수가 거의 불가능한 간헐적인 장애를 일으킵니다.

Noise의 발생원인은 외부에서 혼입되는 noise나 부하의 변동 등에 의해 발생하므로 이를 차단시켜 줄 수 있는 방법이 필요합니다.

*** 조치 방법 ***

- 컴퓨터 전원의 단독 변압기 사용.

- Line Power Conditioner 사용.

- AVR/UPS의 사용

- 정격용량의 인입, 인출선 사용.

- 단독 접지 사용(1종, 3종)

- 단독 변압기에 다른 기기의 사용 절대 금지.

- Noise Fulter 사용.

8. 설치

8-1. 주전원의 접속

1) 1φ UPS 사용 시

A) 출력의 Neutral선은 시스템 접지와 접속한다.

B) 외함 접지는 3종 접지 한다.

2) 3φ UPS 사용 시

3상 출력 측의 N은 시스템 접지와 접속하고 Gsms 다른 선으로 분전반 접지에 접속한다.

8-2. 접지 공사

접지는 다음 2가지 중요한 목적을 위해 필요하다.

1) 안 전 : 누전 시 인체에 해를 주지 않도록 한다.

2) 안정 동작 : 전기적으로 외부의 영향을 적게 하고 이상 전기에 의한 고장을 방지한다.

이를 위해 접지 저항이 낮으면 낮을수록 좋으나 실제 공사비와 컴퓨터의 연산속도에 의해 다음과 같이 하면

된다.

8-3. 단말 장치 등의 전원

일부 CRT 터미널 등 단말장치는 Computer실과 멀리 떨어져 있는 경우가 있는 데 이 경우 Receptacle의 배치나 접지방법, 배선 등에 유의해야 하며 모든 Computer 회사가 공급한 장비는 모두 Plug에 접지 pin이 붙어있기 때문에 Receptacle은 접지를 할 수 있도록 조치되어 있어야 하며(일반 콘센트 사용불가) 접지는 안전상 가장 중요한 일이므로 실제로 접지를 접속해야 한다.

1) 배전관을 사용할 때는 양쪽 끝단에 Pad를 부착하여 위험을 없앤다.

2) Main Breaker는 입력 측에 필요하며 전원 장치에 내장되어 있거나 출력 단자가 1개 뿐이 경우에는 필요하지 않다.

3) 보조 Breaker는 Terminal 등의 장비를 제외하고는 각 장비마다 별도로 사용해야 한다.

4) 외함의 접지는 시스템 접지와는 별도로 제3종으로 한다.

5) N(Neutral)과 G(System Ground)는 입력 단자판에서 접속한다.

8-4. 콘센트(Receptacle)

각 장비에는 전원 Cable에 Plug가 붙어있고 전원을 접속하기 위해서는 대응하는 Receptacle이 필요하며 또한 보수작업 등에 사용되는 Oscilloscope 등의 전원용으로 120V의 전원 및 Receptacle도 준비해야 한다.

장비마다 Receptacle의 종류가 달라 국내에서 구입하기 어려운 것도 있으므로 구입하지 못한 3선 Receptacle은 국산품으로 대체해야 한다. 이때, Plug까지 쌍으로 구입해야 하고 5선식 Receptacle 국산 대체품이 없으므로 4선식 Receptacle을 plug까지 구입하고 Ground는 별도로 연결, 사용하면 된다.

8-5.분전반에서의 배선

분전반에서 각 장비로 가는 Receptacle을 포함한 배선은 각 장비전원 cable의 길이와 장비의 설치 위치를 고려하여야 하며 배선경로와 길이를 결정하고 설치 작업전에 배선을 완료해야 한다.

8-6. 배선상의 유의점

* 바닥에 붙여서 고정(위로 올라온 부분을 최소로)

* 통로를 피하여 배선

* 장비마다 Receptacle을 단독사용

* Receptacle 및 Plug에 Label을 붙여 명시

* 코드가 너무 긴 경우 정리

위의 내용은 밟거나 무리한 배선에 의해 전원코드가 상하는 것을 피하고 Receptacle에서 Plug가 빠지지 않도록 하기 위한 것이다. 또, 장비를 이동하여 쓸 경우 연장 코드의 사용을 피하고 사용 장소에 미리 전용 Receptacle을 설치하는 것이 좋으며 컴퓨터실 바로 옆에 설치 할 경우에는 컴퓨터 시스템 접지를 써야 한다.

무정전장치(ups)의_기술자료.hwp

[jjong]

잘 읽었습니다. 좋은 자료 감사드립니다.

[칭기스칸]

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[나폴레온]

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[키르히 호프]

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잘 읽고 많이 배웁니다. 감사 ~

[노자]

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[류지현]

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