Dynamic UPS의 원리

Dynamic UPS의 원리

 

1. Dynamic UPS의 개요

Dynamic UPS는 전기와 기계적인 장치로 구성되어 있으며 이러한 구성은 완벽한 자동화 시스템에 의해서 운전되고 있으며 평상시 한전측으로부터 전력을 공급받아 전원을 사용하지만 예기치 않는 단전사고나 전압, 주파수의 허용치 이하로 떨어질 때 Dynamic UPS는 안전하게 운전되어 양질의 전원을 지속적으로 부하에 공급하므로써 모든 위험에서 벗어날 수 있다.

 

 

2. Dynamic UPS의 원리

1) 상시운전

< Fig01. D UPS의 상시운전 >

 

① 상시 운전동안 부하전력은 상용전원에 의해 공급된다. 인덕터는 기준 발전기에 의해 교류출력 전압을 기준 전압과 비교하여 피드백 제어로 일정전압으로 유지한다.(CV 특성)

② 인덕션 커플링의 내부회전자는 외부회전자에 있는 60Hz 3상 2극 교류권선에 의해 여자되어 3,600rpm으로 회전하고(절대치:5,400rpm), 외부회전자는 1,800rpm 속도의 동기전동기로 운전되며 발전기는 동기전동기인 인덕션 커플링의 외부회전자에 의해 1,800rpm의 속도로 운전된다.

③ 이때 디젤엔진과 인덕션 커플링의 외부회전자 사이는 동기클러치에 의해 완전히 분리된 상태이며, 내부회전자는 정전대비를 위한 운동에너지를 보유하고 있는 상태이다.

 

2) 정전시 운전으로 전환

< Fig02. D UPS의 정전시 운전으로 전환 >

 

① 상용전원이 정전되거나, 전압 및 주파수가 허용 변동치를 벗어났을 때 인덕션 커플링과 상용전원은 차단기에 의하여 전원공급이 중단된다.

② 동시에 인덕션 커플링의 DC 와인딩은 주파수 레귤레이터에 의해 여자되어 내부회전자를 감속시키고 그 운동에너지를 외부회전자로 이동시킨다.

③ 외부회전자에 이동된 운동에너지로 3상 동기발전기는 1,800rpm(60Hz) 정속도 운전을 유지하게 된다.

④ 내부회전자의 감속동안에 디젤엔진은 정지상태에서 1,800rpm(60Hz)으로 이미 기동완료된 상태이다.

 

3) 정전시 운전

< Fig03. D UPS의 정전시 운전 >

 

① 디젤엔진의 속도가 인덕션 커플링의 외부회전자의 속도와 동기되는 순간에 클러치는 자동적으로 연결되며, 이때부터 디젤엔진이 구동에너지원이 된다.

② 디젤엔진이 구동 에너지원의 역할을 완전히 이어받은 2～3초 후 인덕션 커플링의 3상 교류 권선을 통에 내부회전자를 정상 가속시킨다.

 

4) 상시운전으로 전환

< Fig05. D UPS의 상시운전으로 전환 >

 

① 상용전원이 복전되어 양질의 전력이 공급될 때, Dynamic UPS(이하 D-UPS) 시스템은 자동적으로 상용전원과 병렬로 연결 된다.

② 이때 디젤엔진의 속도는 약 1,740rpm으로 감속되어 운전되고 있으며 인덕션 커플링의 외부회전자는 분리된 상태이다. 디젤엔진은 3분정도 공회전한 후 자동적으로 정지한다.

 

5) 바이패스 회로

< Fig06. D UPS의 바이패스 회로 >

 

① 바이패스 전환회로는 UPS의 점검 또는 만일의 고장에 대해서도 중요 부하에 응급적으로 상용전력을 공급하기 위한 회로로서 시스템의 공급신뢰도를 높이기위한 중요한 회로이다.

② 이 전환회로는 UPS에서 바이패스 및 바이패스에서 UPS로의 전환시 어느 경우에도 부하에 영향을 주지 않는 상시 상용동기 무순단 전환방식을 채용하고 있다.

< Fig07. D UPS의 운전 단계 >

 

 

3. D UPS의 구성

반응형

1) Dynamic 필터 유니트

탭 인덕터와 동기기가 조합하여 안정필터로서의 역할을 하게 된다. 상용전원의 주파수 변동은 대용량 전력시스템의 회로망에 간헐적으로 발생되며, 본 필터로는 받아들일 수 없는 허용치 이상의 변동은 안정화 시킬 수 없으며 자동적으로 UPS를 상용전원으로부터 분리시켜 정상적인 주파수가 공급될 때까지 시스템은 비상운전으로 양질의 전력을 부하에 공급하므로써 주파수에 예민한 설비의 운전에 전혀 문제가 되지 않는다.

직렬인덕터의 임피던스는 동기기의 동기과도리액턴스 Xd"의 4배와 같아지도록 선정되어야하고, 상호연결된 코일의 전체길이를 고려하여 선정한다. 동기기는 인덕터의 전기적 길이에 따라 부하측 탭의 75%에 연결한다.

< Fig08. 기본주파수에 대한 필터의 운전 >

 

< Fig09. 비기본주파수에 대한 필터의 운전 >

 

○ 기본주파수에 대한 필터의 운전

동기기는 전원전압의 내부 임피던스와 과도리액턴스가 같다는 것을 고려해야 한다. 입력측 3상단락시 자동변압기에 의해 과도시간 범위내의 인덕터 탭 포인트 전압은 전원전압의 75%이며, 부하쪽으로 전원전압의 25% 전압이 발생하게 된다. 따라서 부하단자의 전압은 100% 일정하게 유지된다. 과도현상과 기본주파수가 매우 늦은 출력전압은 동기기에 의하여 보상되며, 미세 전압조정에 의하여 추가 보상된다.

○ 비기본주파수에 대한 필터의 운전

비기본주파수에 대한 동기기의 리액턴스 Xd"의 값 만큼 움직여 진다. 전압 변동은 입력전원의 단자전압에 의하여 발생되며, 탭포인트 전압은 입력전압의 25%가된다. 인덕터를 통한 자동변압기 역할은 탭포인트에서 부하측으로 약 25%가 된다. 즉 단자전압은 0%로 감소되지만 실제 편차는 전압감지 장비의 공차 내에 그대로 남아 있게 된다. 높은 주파수가 인가된 사용전원은 부하에 간섭받지 않도록 감소시킨다.

 

2) 비상에너지 유니트

디젤엔진은 상용전원의 갑작스러운 고장으로 인하여 단전이 될 때 본 시스템의 동력원으로서 동기발전기에 동력을 공급하게 된다. 프리 휠 클러치는 디젤엔진의 속도가 인덕션 커플링의 외부회전자의 속도를 초과하는 시점에서 결합한다.

디젤엔진은 시동 후 정상운전까지 도달하는 시간은 1.5초 이내이며, 이것은 디젤엔진이 언덕션 커플링과 기계적으로 분리되어 있기 때문이다.

 

3) 인덕션 커플링

프리 휠 클러치와 동기발전기 사이에 장착되어 있으며, 두 개의 동축 회전 부품으로 구성되어 있고, 내부회전자와 외부회전자로 구분된다. 외부회전자는 3상 AC권선과 DC권선으로 구성되어 있고 내부회전자에 축적된 운동에너지는 디젤엔진이 기동하는 동안 부하량에 따라서 이동하게 된다. 이 인덕션 커플링은 부하 과도형상을 조절한다.

 

4) 동기발전기

비상운전시 UPS시스템의 전기에너지 근원이다. 정상운전 시는 쵸크와 결합하여 필터역활을 하고 정전시는 전원을 공급한다.

 

 

4. Dynamic UPS의 시스템 구성

UPS의 보수점검시에도 전력공급이 가능하도록 안전성과 보전성을 배려한 시스템을 구성할 수 있다.

1) 단독운전

한 대의 UPS와 바이패스 회로로 된 단일 시스템으로 만약 UPS가 이상이 있을때는 자동 혹은 수동으로 상용전원이 부하에 공급되어지며 이때 부하는 전혀 영향을 받지 않는다.

 

2) 병렬운전

< Fig10. D UPS의 병렬운전 >

 

두 대 또는 그 이상의 UPS가 바이패스회로에 대해 병렬로 연결되는 시스템으로 이때 UPS 용량의 합계는 필요한 전력량의 합계와 같거나 조금 큰 정도이다. 따라서 UPS중 어느 하나라도 이상이 생기면 즉시 사용전원을 공급하게된다.

 

 

5. D UPS의 특징

1) 무 축전지 정전보상 방식

축전지 설치장소 확보, 운영관리, 교체 등의 경제적 손실을 줄일 수 있다.

 

2) 정전시 정전시간과 무관(연속사용)

정전사고시에도 24시간 연속사용할 수 있다.

 

3) 특수부하조건에 최적

유도성, 용량성 및 전류 변동량이 매우 크거나 고조파를 다량 발생시키는 기기를 부하로 사용하는 곳, 기동성 부하 등에 적합하다.

 

4) 대용량 병렬운전 방식(최대 5MVA)

최고 25대 까지 병렬운전이 가능하며 최대 5MVA까지 가능하다.

 

5) 연간 장비유지비용 저렴(효율 96% 이상)

상용전원에 직렬이 아닌 병렬로 연결되어 전력변환과정이 없으므로 효율성과 신뢰성이 높다.

 

6) 백 업용 발전기 불요

UPS용량에 준하는 발전기를 기본적으로 내장하고 있으므로 정지형 UPS, 축전지, 비상발전기를 개별적으로 설치할 필요가 없다.

 

7) 입력 고역률

입력전원의 역률을 0.98까지 개선하여 역률보상기를 별도로 설치할 필요가 없다.

 

8) 입력 역류 고조파 극소(5% 이하)

출력전압에 찌그러짐을 발생하는 비 정현파 부하전류를 본질적으로 유발하지않는 시스템으로 고조파 발생 부하는 물론이고 입력전원측의 고조파도 Blocking Filter로 제거된다.

 

9) 출력전압 안정도(±1%)

정상운전 및 비상운전 상태에서 출력단의 부하조건이 무 부하에서 정격부하 사이의 어떠한 조건에서도 출력전압 안정도는 ±1%이내 이다.

 

10) 높은 단락전류 용량(정격전류의 10배)

높은 단락용량은 정상운전 동안 부하측에 단락이 발생했을 경우 즉시 바이패스 회로로 절체하여 메인전원을 제어하며, 단락이 발생한 그룹만의 회로차단기를 동작한다.

 

11) 소음

표8의 실측한 결과와 같이 방음벽 설치에 주의 하여야 한다.

 

< 표01. D UPS 소음의 현장 실측치 >

측 정 위 치	소음[dB]	비 고
인덕션 커플링, 동기발전기에서 1m 지점	95	대화 불가능
UPS 실내	90	대화 불가능
방음벽이 설치된 옆 공간	58	보일러실 잡음 포함

 

 

6. D UPS의 적용 예

유럽 및 미국에서는 이미 20여년 전부터 실용화 되어 사용하고 있으며 우리나라의 경우에는 최근에 반도체 공장, 병원, 공항 등에서 적용하고 있는 실정이다.