UPS 용량 계산방법

UPS 용량 계산방법

 

1. 회로 구성의 종류

1) 기본 회로

그림(Fig01)은 무정전전원장치의 기본 구성으로 별도의 충전기가 필요 없다는 장점이 있으나 겸용으로 사용으로 인해 전체적인 효율이 떨어지므로 비교적 소용량(50kVA 이하)에 적용한다.

< Fig01. 소용량 기본회로 >

 

그림(Fig02)는 축전지 회로에 별도의 충전장치를 내장한 기본회로이다.

< Fig02. 중,대용량 기본회로 >

 

2) 상용전원 전환 회로

그림(Fig03)은 내부결함 발생시 부하를 5ms~ 10ms내에 상용 전원으로 연결되도록 하는 싸이리스터식 스위치로 된 절환장치를 갖고 있어 신뢰성을 높여 준다.

< Fig03. 상용전원 전환회로 >

 

3) 병렬 무순시 단전방식

더욱 고 신뢰성을 얻기 위해서는 병렬 무순시 단전방식을 채택하는데, 이것은 두개의 기본회로를 병렬로 연결하여 한쪽이 고장이 날 경우에 다른 쪽으로 순간적으로 이동시켜 줌으로써 완전한 무정전을 확보할 수 있는 가장 신뢰성이 높은 시스템이다.

 

< Fig04. 병렬 무순시 단전방식회로 >

 

 

2. UPS 용량 선정

1) 전원 System의 검토

① UPS에 접속하는 부하 결정

UPS에 연결되는 부하는 중요도가 높은 부하이고 전원 설비에 많은 투자가 되는 만큼 System의 신뢰도가 매우 중요하다. 이와 같은 관점에서 볼 때 일반적으로 다음 순서에 따라 계획을 진행한다.

- A급 부하 : UPS에 접속

- B급 부하 : 자가발전 전원 또는 축전지의 Back-up을 필요로 하는 부하

- C급 부하 : 상용전원에만 급전하는 부하

부하의 구분에서는 사용전원의 품질(전압변동, 주파수 변동, Noise, 순간정전)과 부하 System의 저하에 따른 영향도를 감안해야 한다. 또 상용 전원의 품질 중에는 수용가 내부에 있는 전원의 품질도 당연히 포함해야 한다.

 

② A급 부하에 대응하는 전원을 결정

A급 부하가 컴퓨터 System에 한정되어 있는 경우 UPS를 독립적으로 계획하면 되지만 컴퓨터 이외에 감시장치, 생산 Line 설비, 조명등이 포함된 경우 하나의 전원에서 모든 부하로 공급하는 것이 좋은 방법이라 할 수 없기 때문에 부하를 그룹으로 나누어 전원의 수를 정한다. 그룹으로 나눌 때는 각 부하의 (기동전류나 상호간섭의 문제 등), 전원성능, 운용 및 보수시간의 제약, 정전 보상시간, 설치장소, 신뢰도의 요구수준 등을 충분히 검토해야 한다.

 

③ 무정전 전원의 구성기기를 정하고 블록계통도를 구한다.

무정전 전원의 구성기기는 UPS, Battery, 자가발전장치가 주체다. UPS는 5~10분 정도는Battery에 접속하여 전원을 공급하지만, 장시간 정전을 막기 위해서는 자가 발전장치에 연결되어 있어야 한다. 부하 System은 용도에 따라 정전 보상 시간이 다른 경우도 있기 때문에 각 UPS는 자가 발전 장치의 여부나 Battery에 의한 운전시간 등을 결정하여 그림3-5처럼 Block Diagram을 만든다.

< Fig05. 전원 Block Diagram >

 

2) 부하 특성에 따른 대책 수립

① 부하의 고조파 대책

최근에는 Tyristor를 사용한 고조파 부하가 많아지게 되었기 때문에 이 고조파 문제를 어떻게 해결하는가가 중요한 문제로 대두되었다. UPS는 직류를 교류로 변환시키는 인버터를 사용하고 있기 때문에 원리적으로 출력에 사인파 필터를 설치해야 한다. 따라서 필터의 주파수 특성이 고조파 전류의 차수와 맞지 않으면 출력 전압 파형이 크게 일그러지게 된다. 출력전압이 일그러졌을 경우, UPS에 연결되어 있는 정밀기기는 제대로 운전되지 않는 수도 있고 일그러진 파형에 의해 릴레이가 동작되어 극단적인 경우 장치가 파손되는 경우도 발생되기도 한다.이 문제를 해결하는 대표적인 방법으로는 인버터의 출력에 공진 필터를 추가 시키는 것이다.

 

또 하나의 방법으로는 최근에 특히 소용량의 인버터로 사용되고 있는 순시값 제어 방식이다. 이 방식은 최근의 반도체소자가 자기소호능력을 갖고 스윗칭 주파수가 높아짐에 따라 출력전압을 검출하여 다시 사인파와 비교하여 커다란 필터를 추가하지 않고 사인파 전압을 얻을 수 있다. 이 방법은 인버터 부분이 액티브 필터의 역할을 하게 되는 것이다.

 

② 과전류 대책

- 돌입전류

변압기 등 철심을 사용한 기기, 콘덴서에 의한 평활회로를 갖춘 장치는 전원투입과 동시에 돌입 전류가 발생한다. 이 돌입전류의 피크치가 UPS의 허용값을 초과하는 경우에는 전류 제한회로가 즉시 동작하여 제한값 이상으로 전류가 흐르지 않도록 제어한다.

 

- 부하단락과 선택 차단

과전류 가운데 가장 조건이 심각한 것이 단락사고이다. 부하회로의 경우 대부분 복수 개로 분기되어 있기 때문에 한개의 회로에서 문제가 발생할 경우 과전류 제한 방식으로 보호하는 동시에 해당되는 회로를 차단함으로써 시스템 전체를 보호할 수 있다. 이 방법으로는

· 상용전원을 병용한 선택 차단

· 퓨즈에 의한 선택 차단

· 반도체 스위치에 의한 선택 차단

방식이 있으며 가장 확실한 방법은 각각의 부하 회로에 스위치를 설치하여 과전류 검출과 함께 이 스위치로 해당회로를 분리시키는 방법이다.

 

- 부하 급변

UPS에서는 출력 임피던스가 비교적 높고 부하의 변화가 빠른 경우에는 과도적인 전압 변동이 발생한다. 부하가 정격의 30~50% 급변되었을 경우에 ±8~10% 정도의 출력 전압 변동이 발생하는 것이 일반적이다. 전압변동이 커지게 될 경우의 대응책으로 상용회로로 전환시켜 놓고 변동량이 큰 부하의 과도상태가 끝난 후 인버터 측으로 전환시키는 방법을 사용할 수 있다.

 

 

3. UPS 용량 산정 예

아래 표를 예로 하여 UPS의 용량을 산정한다.

No.	장치명	대수	소요 전력
			3상 200V [kVA]	단상 100V [kVA]
1	DPCS	1	1 x 10	-
2	File server	2	-	2 x 0.44
3	14” 모니터	4	-	4 x 0.44
4	20” 모니터	4	-	4 x 0.8
5	프린터	1	-	0.8
6	비상 구동 Motor	6	6 x 5	-
7	통신 제어 처리 장치	2	2 x 7.6	-
합 계			55.2	6. 64

 

① 부하 List에서 UPS로 접속하는 부하 용량을 합한다.

- 55.2 + 6.64 = 61.84 [kVA]

 

② 부하 급변에 따른 전압과도 변동과 최대 전류치의 확보

전술한 바와 같이 UPS는 정격 50%의 부하급변으로 전압의 과도변경은 ±10% 정도의 성능이며, 기동 돌입전류를 포함한 전류의 절대치가 정격의 120%를 초과하면 순식간에 전압을 강하시키는 보호기능에 부가되어 있으므로 이 점도 충분히 고려하여 용량을 선정해야 한다.

 

③ 고조파 전류

내부 전원에 스위칭레귤레이터를 채용하고 있는 부하는 고조파 전류를 포함한 왜형파 전류가 흐른다. 이 전류는 실효치에 비해 피크치가 대단히 크기 때문에 UPS는 그만큼 용량적으로 여유가 있어야 한다.

 

고조파 전류에 의한 여유는 부하 내용에 따라 다르지만 3상부하에서 1.2~1.5, 단상부하에서 1.3~2.0 정도의 여유를 감안 해야 하며, 또한 고조파 전류 때문에 UPS의 출력 전압 파형의 변형이 증대하는데 극단적인 경우는 운전이 불가능하게 되므로 이러한 경우는 고조파 공진 필터 등을 사용하여 파형을 개선해야 한다.

 

④ 3상부하, 단상부하의 취급

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3상 UPS의 전압제어는 3상을 일괄 제어하기 때문에 단상부하가 접속되면 선간전압에 불균형이 생기기 때문에 단상 부하는 될수록 균형을 이루어 접속해야 한다. 부하가 단상 부하 뿐일 때는 단상 출력의 UPS를 적용하면 되지만 대용량인 경우에는 부하가 단상 뿐이라도 3상 UPS에 부하를 3상으로 균형 시켜 접속시키는 것이 좋다.

 

⑤ 증설고려

향후 부하가 증설되는 일은 자주 있으므로 전원설치를 할 때는 어느 정도 장래의 부하증설을 고려해야 한다.

 

⑥ 용량 계산 결과

- 부하의 합계 : 61.84 kVA

- 정상용량의 계산 (수요율 0.9, 고조파 전류에 대한 여유 : 1.25, 향후 증설 고려 : 10kVA)

(61.84+10)*0.9*1.25 = 80.82[kVA]

80.82kVA 이상이 필요하기 때문에 90kVA로 임시 선정한다.

 

- 기동시 최대 용량의 확인

기동전류의 최대 부하를 비상모터(5kVA)로 하고 그 기동용량을 약 7배인 35kVA라고 가정하면, 동시의 용량은 (61.84+10-5+35)*0.9*1.25 = 114.57[kVA]가 된다. 여기서 114.57kVA는 90kVA에 대한 127%로서 120%이상이 되므로 용량을 100kVA로 산정하면 114%로 안전함.

여기서 부하 급변량은 30/100[30%]이기 때문에 이 점도 문제가 되지 않는다.

이상과 같은 결과에서 UPS 정격용량을 100kVA로 최종 선정한다.