정지형 UPS - 충전기의 기본구성과 동작

정지형 UPS - 충전기의 기본구성과 동작

 

 

1. 정지형 UPS의 개요

1) 정지형 UPS의 구성요소

정지형 UPS의 기본적인 구성요소는 그림(Fig01)에 표시하였다. 직류전원부는 순변환장치, 충전기, 직류스위치 및 축전지로, 역변환부는 승압초퍼(Chopper) 및 역변환장치로 각각 구성되며 또한 역변환장치의 고장시나 과부하시 등에 상용전원으로 백업하기 위한 교류스위치가 설치된다. 이 구성은 직류 스위치 방식의 구성으로 순변환장치는 다이오드 정류기로 되나 부동충전방식의 경우에는 직류전압제어기능을 구비한 순변환장치가 이용된다. 또 승압초퍼는 역변환 장치에 사용되는 반도체 디바이스의 전압 이용률을 높이기 위하여 자주 사용되고 있다.

각 변환장치의 회로구성에는 여러 가지의 방식이 있다. 반도체 스위칭 디바이스의 진보와 더불어 개량개발이 진전되고 특히 소용량의 장치에서는 고주파 스위칭화에 의한 소형화와 고성능화가 급속히 추진되고 이 기술에 개량을 가하여 대용량의 장치로 넓혀가고 있다.

UPS 구성상 중용한 역할을 하는 UPS 스위치는 시스템 신뢰성을 높이기 위하여 없어서는 안되는 중요한 요소이다.

 

< Fig01. 정지형 UPS의 주요 구성요소 >

 

스위칭 그자체의 구성법에도 기계식에서부터 반도체식에 이르기까지 여러 종류가 있어서 목적에 따라서 가장 적합하게 선택되며 변환장치의 고장시나 과부하시의 출력 신뢰성을 높이기위하여 여러 가지 사용방법이 제안되어 실용화되고있다.

 

2) 정지형 UPS의 동작원리

정지형 UPS는 상용전원의 순단(순전정전), 정전, 전압변동, 주파수 변동, 전압파형 일그러짐 등에 의한 컴퓨터 응용기기에 정전압․정주파의 교류전력을 안정되게 공급하기 위한 전원장치로 그 동작원리는 그림(Fig02)와 같다.

< Fig02. 정지형 UPS 동작원리 >

 

장치는 정류기, 축전지, CVCF인버터로 구성되어 정상시에는 상용전원의 교류입력을 정류기에 의해서 직류로 변환하여 축전지를 충전하면서 CVCF 인버터에 의하여 직류를 교류로 만들어서 부하에 공급한다. 따라서 상용전원의 전압변동, 주파수변동, 전압파형의 일그러짐 등은 모두 회로내에서 흡수되고 출력측에는 안정된 교류전류가 공급된다. 또 순간단전이나 정전이 발생한 경우에는 정류기는 정지되나 축전지에서 CVCF인버터에 전력이 공급되어서 출력의 무정전화가 달성된다.

축전지에 의한 운전유지 시간은 주로 경제성면에서 5분내지 10분간으로 하고 있으나 이 사이에 상용전원이 복전되면 다시 정류기가 동작상태로 들어가 정상상태가 된다. 정전시간이 축전기의 운전유지 시간 이상인 경우에는 전원정지 예고 신호를 부하에 송출하여 메모리의 대피 등을 한 후에 자동적으로 정지된다. 다음에 정지형 UPS중에서 가장 중요한 역할을 맡고 있는 CVCF 인버터의 동작원리를 그림(Fig03)에 나타내었다.

 

< Fig03. 인버터 동작원리 >

 

S1～S4의 4개의 스위치로 브리지 회로를 구성하여 직류전원에서 부하에 교류전력을 공급하는 동작원리를 설명한다. S1과 S4의 스위치를 ON, S2와 S3를 OFF하면 흔한색의 방향으로 전류가 흐르고, S2와 S3를 ON하고 S1과 S4를 OFF하면 진한색의 방향으로 전류가 흐른다. 이 동작을 1초간에 60회 반복하면 60Hz의 구형파 교류가 부하에 공급 된다.

여기에서 사용하는 스위치는 실제의 장치에서는 반도체 스위칭 디바이스를 사용하고 있다. 종래에는 사이리스터를 사용하여 최근에는 자기소호능력을 갖는 디바이스(BJT, GTO, POWER MOSFET, IGBT 등)가 사용되고 있다.

또 구형파 출력을 정현파 출력으로 하기 위하여 교류필터를 설치하고 있으나 필터의 소형화나 출력성능의 향상을 위하여 여러개의 구형파 전압을 다중화시켜서 계단파로 한다든지 복수의 구형파 전압의 각 펄스폭을 변조(PWM)제어한다.

정전압 제어는 인버터의 스위칭 동작의 ON, OFF 시간 비율을 변화시켜서 한다. 정주파 제어는 수정발전기 등 정밀도가 높은 발전기에 의해 행하여 진다.

 

 

2. 주회로 변환기술

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1) AC/DC 변환

AC/DC 변환회로는 교류를 직류로 변환하여 CVCF 인버터에 직류전력을 공급한다든지 축전기를 충전하는 기능을 구비하고 있다. 무정전화 방식의 차이에 따라 직류출력전압의 정전압제어기능을 구비한 장치와 단지 교류를 직류로 변환하기만 하는 장치가 있다. 회로 방식으로는 다이오드 정류기, 사이리스터 정류기, 초퍼제어형, 고역률 컨버터, SMR(Switch-Mode- Rectifier)컨버터 등이 있다.

 

2) DC/AC 변환

DC/AC 변환회로는 직류를 교류로 변환하고 교류필터로 파형을 정형하여 파형의 일그러짐이 적은 정현파 전압을 출력하는 부분이다. 극소용량의 장치에서는 전압파형으로 구형파를 출력하는 것도 있다. 회로방식으로는 과거에는 브리지형 인버터 회로를 사용하여 그 출력을 상용 주파수의 변압기로 절연변환하고 다시 교류 필터로 정현파화하여 원하는 전압파형을 출력하는 방식이 일반적이였으나 최근에는 소형, 경량화, 등을 목적으로 새로운 회로방식이 채용되고 있다.

 

< Fig04. 역변환 장치의 기본 구성 >

 

 

3. 정지형 UPS 스위치

1) 스위치의 구성요소

UPS 스위치는 UPS 출력 또는 바이패스와 부하의 접속이나 분리를 위하여 사용되는 전력용 교류 스위치로 부하에서 요구되는 순간 단전 시간의 정도에 의하여 스위치의 종류나 구성방법이 구별된다.

 

< 표01. 정지형 UPS 스위치의 분류 >

대분류	중분류	소분류
반도체스위치	자려전류형	•강제소호식 사이리스터 스위치
	자기소호형	•트랜지스터 TM위치 •MOSFET 스위치 •GTO 스위치
	전원전류형	•자연소호식 사이리스터 스위치 •트라이액 스위치
기계식스위치	-	•전자접촉기 •배선용차단기
하이브리드스위치	-	•사이리스터 전자접촉기 조합 스위치

 

2) 스위치의 용도와 응용 예

2-1) 인터럽터

인터럽터는 UPS의 고장이나 단락 사고시에 사고의 확대를 방지하기 위하여 UPS 장치와 부하의 사이에 직렬로 설치한 개폐스위치이다. 그림12에 그 구성예를 표시한다. 고장난 UPS 장치를 공통모선에서 분리하여 모선전압의 저하를 방지하는 목적으로 또한 분리부하에 있어서는 특정의 분기회로에 있어서의 단락으로부터 시스템을 보호할 목적으로 사용한다. 또한 부하의 개폐에도 사용된다.

< Fig05. 인터럽터의 예 >

 

2-2) 전환스위치(트랜스퍼 스위치)

1개의 전원에서 다른 전원으로 회로를 전환하기 위하여 사용되는 UPS 스위치로 UPS 장치의 고장시, 보수점검시, 돌입전류 또는 사고 단락전류 등의 과도적인 과전류시 등에 동기 또는 비동기로 전환을 자동 또는 수동으로 행한다.

< Fig06. 전환스위치의 예 >

 

2-3) 분리스위치(Isolation 스위치)

UPS의 기동정지나 보수, 점검에 있어서 UPS 시스템의 소정의 부분을 분리한다든가 접속하기 위하여 사용되는 기계식 스위치로 개로상태에서는 절연거리가 확보되며 차단기나 단로기와 같이 회로의 개폐 및 통전이 가능한 UPS 스위치이다.

< Fig07. 분리스위치(ISO)의 예 >

 

2-4) 연락용 스위치

2개 또는 그 이상의 UPS의 출력 교류 모선을 필요에 따라서 상호연락하기 위하여 사용되는 UPS 스위치이다.

 

< Fig08. 연락용 스위치(TIE)의 예 >

 

2-5) 보수용 바이패스 스위치

보수기간 중 보수범위를 바이패스 시켜 부하전류를 통전함으로써 안전과 부하전력의 연속성을 확보하기 위하여 설치한다.

< Fig09. 보수용 바이패스 스위치(HBS)의 예 >

 

 

4. 충전기의 기본구성과 동작

충전장치는 축전지를 충전하는 장치로 축전지 방전후의 회복충전, 자기방전을 보충하는 부동충전, 각 셀(Cell)의 전압이나 비중의 분산을 보정하는 정기적 균등충전 등의 기능을 구비하고 있다.

충전기의 충전방법에는 정전류 충전, 정전압 충전, 정전류 정전압 충전 등이 있으나, UPS의 충전장치로는 일반적으로 정전류 정전압 충전방식이 이용된다. 그림17에서 충전기의 기본구성 및 동작 예를 보면, 정전회복 후에는 정전류로 충전하여 축전지 전압이 균등 충전전압에 달하면 정전압 충전으로 되고, 회복충전이 끝나면 부동충전상태로 된다.

충전개시 초기에는 축전지의 내부저항이 작아서 정전압 충전으로는 과전류가 되기 때문에 정전류로 충전한다. 또 정전압충전에서는 회복시간을 줄이기 위하여 전압을 부동충전전압보다 높게하거나 부동충전중에 각 셀의 전압이나 비중의 불균일한 것을 보정하기 위하여 정기적으로 일정시간 균등충전전압으로 높이는 경우도 있다.

< Fig10. 충전기의 회로구성 예 >

 

 

5. 정지형 UPS용 축전지

축전지는 전기에너지를 화학에너지로 바꾸어 저장하고 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 부하에 공급하는 장치이다. 축전지의 종류로는 연축전지, 알카리축전지, 기타로 나눌 수 있다.

UPS에 사용하는 축전지를 선정할 때는 부하조건, 설치장소, 축전지의 성질․특징 등을 충분히 고려하여 가장 적합한 축전지를 선정할 필요가 있다.

 

< 표02. UPS용 알카리 축전지와 연 축전지의 비교 >

항목	알카리 축전기	연 축전지
축전지실	불필요	필요
환기방식	일반환기와 동일	특별환기장치
수명	10～15년	3～5년
면적	30%	100%
중량	50%	100%
특성	단시간 방전에 우수	보통

 

 

6. 정지형 UPS의 급전방식 분류

상용전원의 상태에 관계없이 상시 인버터를 통하여 급전되는 경우에는 상시인버터 급전방식이라 하고, 비상용 자가발전과 같이 상시에는 상용전력을 공급하고 순간 전압강하나 정전시에만 인버터로 급전하는 방식을 상시상용 급전방식이라 한다.

 

< 표03. 정지형 UPS의 급전방식 >

이 방식은 넓은 의미로는 UPS이지만 이것을 SPS(Stand-by Power System)라 부르며 UPS와 구별하기도 한다.

상시상용 급전방식은 어디까지나 순간전압강하나 정전에만 대응하는 것으로 상시전원의 안정화 능력은 없다. 또 순간전압강하 발생시에는 순시에 인버터로부터 급전시킬 필요가 있어서 이 때문에 인버터는 상시 무부하로 대기운전 시켜 두어 반도체 스위치(교류스위치)를 사용하여 고속으로 급전시킬 필요가 있다.

 

 

7. 정지형 UPS의 최근의 경향

1) 소형․경량화

설치장소가 전기실이 아니라 컴퓨터실이나 사무실이기 때문에 설치 공간의 확보와 함께 반입방법도 문제되고 장치의 소형․경량화가 요구되고 있다.

소형․경량화의 가장 유효한 방법은 고주파화 수법이다. 이는 고속 스위칭 소자로 가능하다.(MOSFET, IGBT)

 

2) 입력특성의 개선

입력 전원측에서 보면 UPS는 정류 부하이며, 고조파 전류를 유출하고 역률이 낮다는 문제가 있다. 이 문제는 12상 정류등 다상 정류방식 채택으로 상당히 개선되었지만 최근에는 고역률 컨버터의 채택으로 현저히 개선 효과가 있다. 입력전류는 입력전압과 위상이 일치한 사인파형으로 된 것을 알 수 있다. 이 결과 입력전원측에 유출하는 고조파전류가 대부분 없어지고 고조파 장해가 회피되는 것과 동시에 역률이 대략 1.0으로 유지되어 무효전력이 없어지며 소요입력 전원 용량이 저감된다.

 

3) 출력특성의 개선

부하기기의 입력부에서도 반도체 소자에 의한 정류회로가 사용되고 있으며 그 입력전류의 고조파가 문제 되고 있다. 즉 UPS의 출력측에 흐르는 전류는 피크가 큰 변형파 전류로 되며, 이것에 의하여 UPS의 출력전압 파형을 변형시켜 버린다는 문제가 발생하게 되었다. 이 때문에 종래의 UPS에서는 정격용량의 50～70%정도까지로 부하를 제한하여 접속하고 있었지만 최근에는 고주파 PWM방식에 순시전압 파형제어를 부가하여 이 문제를 해결하고 있다.

순시전압 파형제어는 기준 사인파 신호와 출력전압의 피드백 신호를 직접 비교하면서 고속으로 출력전압의 변형을 보정하는 방식인데 이것에 의하여 전압 변형이 거의 없어지는 것과 동시에 부하의 급변시 또는 입력정전․복전 시의 과도 변동 특성도 대폭 개선된다.

 

4) 저소음화

중․소형 UPS는 컴퓨터실이나 사무실에 설치되기 때문에 운전 소음의 저감에 대한 요구가 필수적이며, 소음원인 트랜스, 리액터의 철심이나 권선에서의 전자음과 강제 공냉용 냉각팬이 주된 것이므로 고주파화 기술의 진보와 스위칭기술의 진보에 의해서 무소음으로 가능하게 되었다.

 

5) 전자노이즈 저감

고주파 변환회로부 자체의 저노이즈화가 요구되고 넓은 주파수 대역에 걸쳐 노이즈 흡수효과가 있고 소형으로 경제적인 고성능 필터의 실현으로 전자노이즈를 저감한다.

 

6) 보수의 간단화

실형 배터리의 채용으로 보수, 비중측정, 균등 충전등이 소용없게 되어 보수가 간단하나 배터리의 열화 상황을 파악하기 곤란하여 정확한 수명을 판정하는 수법의 확립이 요망된다.

 

7) 조작․감시기능의 인텔리전트화

마이컴 조작순서에 기억시켜 원터치로 운전/정지를 가능하게 한다.