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【문제4】UPS의 필요성과 설비요건을 설명하시오. |
<해설>
1. UPS의 필요성
UPS는, Uninterruptible Power System의 약어이며, 무정전 전원장치 또는 무정전 전원 시스템을 의미하며, 상용전원의 전압변동이나 주파수에 대해서는 물론, 정전이나 순시전압저하가 상용전원에 생겨도 부하에는 한순간도 정전되게 하는 일없이 항상 안정적으로 교류전력을 공급할 수 있다.
최근에 수용가 설비에는 컴퓨터(전압저하 5～10% 정도, 계속시간 10ms정도 메모리 손실, 오제어 발생)등과 같은 순간정전도 허용하지 않는 중요부하가 급증하고 있으며, 앞으로 UPS의 증대는 더욱 확대될 것이다.
2. 설비요건
UPS의 회로구성, 스위칭 방식, 주회로 디바이스, 특징, 사용되는 부하종류을 들면 다음과 같다.
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항목 |
UPS | |
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회로구성 |
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주회로방식 |
전압형 인버터 | |
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수위칭 방식 |
컨버터 |
PWM제어 |
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인버터 |
PWM제어 | |
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주회로 디바이스 |
컨버터 |
IGBT |
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인버터 |
IGBT | |
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출력전원 |
무정전 |
○ |
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정전압 정주파수 |
○ | |
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가변전압 가변주파수 |
× | |
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특 징 |
-상용입력전원이 정전 또는 순시 전압강하가 일어나도 부하에는 연속적으로 전력이 공급가능 -출력전원은 항상 정전압 정주파수의 안정된 전력 -입력전류를 정현파로 제어 -입력역률을 1.0으로 제어하고, 최소한의입력용량 - 100%정류기 부하라도 적은 전압파형 일그러짐 -100% 불평형 부하라도 높은 전압 정밀도 | |
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주요부하 |
전력공급의 연속성이 요구되는 주요 부하의 종류 ․대형컴퓨터를 사용하는 장소 ․설비자동화 시스템을 사용하는 장소 ․빌딩관리 시스템을 사용하는 장소 ․플랜트 계장설비 ․순간정전도 허용되지 않는 주요 부하 | |
(4) 무정전 전원장치(UPS : Uniterruptible Power Supply 또는 System)
고도로 발달한 정보화 사회에서는 은행 온라인 등에 사용되는 컴퓨터, 방송국이나 전화 등의 통신설비에 정전이 생기면 경제적인 손실이 발생하거나 사회적으로 혼란이 일어난다. 이와같이 잠시도 전력의 정지가 허용되지 않는 기기에 항상 전력을 공급하는 장치가 UPS(무정전 전원장치)이다.
UPS는 배터리와 인버터 그리고 배터리용 충전기, 필터등으로 구성되며 그 성격상 고장이 허용되지 않으므로 장치의 신뢰성을 높이기 위해 용장성을 증가시키는 등 여러 가지 시스템구성이 고안되고 실용화되고 있다.
5) IGBT
MOS는 고내압화하면 On저항이 급속히 커지는 문제가 있어서 200V정도가 실용의 한계로 보고 있는 반면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 MOS에 비해 On저항이 낮지만 MOS와 동등의 전압제어특성을 지니고 있으며, 또한 스위칭특성에서는 MOS보다는 늦지만 바이폴라 트랜지스터나 GTO보다 빠른 잇점으로 인해 중소용량의 인버터를 중심으로 산업용에서부터 일반가정용에까지 폭넓게 사용되고 있다.
스위칭시간과 온전압의 트레이오프 또한, 소자설계의 개량과 패턴의 미세화등 개선이 진전되어 600V소자에서 온전압이 초기 소자의 1/2정도까지 저감되었다.
IGBT는 MOS와 같이 LSI미세가공기술을 사용하기 위해 현재 칩 크기가 15㎟ 정도로
제한하고 있다. 더욱이 IGBT는 병렬동작이 용이하므로 복수개의 칩을 병렬접속하여 일체화한 모듈형으로 대용량화에 대응가능하다.
모듈화에 있어서 단순히 복수의 IGBT칩을 병렬접속한 것이 아니라 다이오드 및 각종 보호회로를 포함한 IPM(Intelligent Power Module)화 되고 있으며, 실장설계에 있어서도 표류인덕턴스나 열저항을 저감하기 위한 새로운 기술이 속속 개발되고 있다.
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【문제5】VVVF와 VVCF에 대해서 비교 설명하시오. |
<해설>
(1) VVVF
전력전자 기술에 의한 1차 주파수제어 회전속도 제어방식은 전동기에 인가되는 전압과 주파수를 연속적으로 변화시켜 회전수를 제어하는 방식으로서 실제로는 전압과 주파수비를 일정하게 되도록 조정하기 때문에 가변전압 가변주파수(VVVF:Variable Voltage Variable Frequency)방식으로 불리운다.
이러한 VVVF방식에 의한 회전속도제어는 기존 전동기의 전원공급계통과 전동기 사이에 인버터를 포함한 제어장치를 직접 연결하여 사용할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 대상에 따라 많은 양의 전기에너지를 손쉽게 절약할 수 있을 뿐만 아니라 생산성 향상을 도모할 수 있다.
인버터는 교류전원을 직류전원으로 바꾸어주는 컨버터(Conyerter)와 다시 직류를 교류로 바꾸어주는 인버터(Inverter)로 구성되며, 유도전동기를 가변속구동하는 경우, 전동기의 특성에 따라 변하는 전압 및 전류, 주파수 등을 적절하게 제어하는 것이 필요하다.
가변속장치의 응용은 어떤 부하에도 가능하나 동력절감과 관련하여 변동폭이 심한 부하, 공정설비의 증설에 대처하기 위하여 여유율을 크게 갖고 있는 경우나 과대 설계된 경우 또는 계절적 변화에 따른 운전조건의 변경이 요구되는 공정에 적합하며, 부하변동량을 갖는 저감토크부하에서는 월등히 절감폭이 커지며, 고효휼 운전이 가능하다.
펌프나 송풍기의 큰 특징은 일반적으로 부하토크가 회전속도의 제곱에 비례하고, 축동력이 회전속도의 세제곱에 비례하는 것이다. 그 때문에 종래에 전동기를 일정속도로 운전해 두고, 댐퍼나 밸브로 풍수량을 제어하던 것을 필요한 풍수량에 따라 전동기의 회전속도를 제어함으로써 그림 1과 같이 큰 전력절감의 효과를 볼 수 있다.
(2) VVCF
VVCF는 가변전압 일정주파수(Variable Voltage Constant Freguency) 방식으로 싸이리스터로 구성되어 제어회로에서 주어지는 신호에 따라 주기적으로 ON/OFF하여 전동기에 인가되는 전압을 조절하는 기능을 한다. 즉 전원전압의 일부를 잘라냄으로 써 전동기 인가전압의 실효치를 줄여주게 된다. 이때 전동기 입력단자간에 걸리는 전압 (선간전압)과 전동기로 유입되는 전류(선전류)의 파형은 그림 2와 같다.
그림3은 전류파형과 전원의 상전압 파형을 함께 나타낸 것이다. 여기서,
는 점호각 이라하여 전원전압이 영점을 지나는 위치를 기준으로 하여 전류가 흐르기 시작하는 위치를 말한다. 전동기 절전기는 이점호각을 제어함으로써, 즉 싸이리스터를 ON 시켜 주는 시점을 제어함으로써 전동기에 인가되는 전압을 주게 된다.
보통 일반 유도전동기의 효율은 전부하 상태의 공칭효율을 말한다. 그러나, 부하가 감소하게 되면 효율은 낮아지게 된다. 일반적으로 유도전동기의 최대 효율은 약 80%～90% 의 부하에서 최대의 효율을 갖도록 설계된다. 참고로 그림 4는 부하율에 따른 유도전동기 효율의 전형적인 패턴을 나타낸 것이다.
즉, 경부하상태에서는 동손이 줄어들고, 철손은 일정하므로 효율이 극히 나빠지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 VVCF는 경부하시 전압을 감소시켜 철손을 줄이고, 동손을 일치시킴으로써 효율을 극대화시키고 전압을 낮춤으로써 입력전력도 감소하는 효과를 가지게 된다.
VVCF의 설치효과는
① 전동기와 기계의 종류 및 부하율에 따라 5～30[%]의 절전효과를 나타내게 된다.
② 전류 불균형의 개선을 들 수 있는데, 3상 전동기의 각 상전류를 동일하게 조정하여 전동기의 진동 및 소음을 방지함은 물론 전동기의 발열을 감소시킴으로써 전동기의 수명 연장이 가능하다.
③ 전동기의 작업공정에필요한 전력만 사용하므로 선로계통의 전압강하를 방지하게 된다.
④ 또한, 부하변동에 따라 각각 최고의 역률로 운전하므로 전동기의 진상콘덴서 설치 비용을 절감할 수 있다.
⑤ 부수적인 효과로 전동기의 온도를 낮추므로 여름철 냉방부하시 실내온도의 상승을 방지할 수 있다.
<참고> VVVF와 CVCF의 비교
UPS가 무정전전원 시스템을 의미 하는 용어임에 반해, CVCF란 Constant Voltage Constant Frequency의 약자로 일정전압 및 일정주파수를 발생하는 교류전원이다
즉 전력변환 장치로, 양질의 전력을 부하에 공급할 수 있는 교류전원 시스템이며, 구성요소는 UPS로부터 축전지 설비와 전환 스위치를 생략한 것이 된다.
따라서 CVCF는 상용전원의 정전에대한 백업 기능은 없는데, 상용전원에 전압변동이나 주파수변동(단, 변동범위는 규정된다) 이 생겨도 부하에 는 보다 한층 안정된 교류전력을 공급 할 수 있다.
VVVF란, Variable Voltage Variable Frequency의 앞글자를 딴 것으로, CVCF 와 마찬가지로 교류전력을 직류전력을 변환 하는 컴버터와 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터에 의해 가변전압으로 가변주파수의 교류전력을 출력하는 장치로 주파수 제어에 의한 유도전동기의 속도제어에 많이 사용되고 있다.
즉, VVVF는 컨버터와 평활 콘덴서 및 인버터로 구성되며, 전원 주파수에 관계없이 저속에서부터 고속까지 광범위하게 전동기의 속도를 가변할 수 있다. 필요에 따라 컨버터와 인버터 사이의 직류 회로에는 전원 투입시에 평활 컨버터에 돌입되는 과대한 전류를 억제하기 위한 저항과 릴레이 및 감속시에 직류측으로 귀환(회생)되는 에너지에 의해 직류전압이 과대하게 되는 것을 막기위해 브레이크용 저항과 트랜지스터를 만들수있다.
표1. CVCF 와 VVVF의 비교