다이내믹 UPS*

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❓Dynamic UPS 시스템은

• Static UPS 에 Motor/Generator를 조합한 형태
• 정상상태에서는 Motor와 Generator에 의해 양질의 전원을 부하에 공급하는 장치로서 전력용 반도체 소자의 스위칭에 의한 Static UPS의 출력파형과 비교하면 상대적으로 고조파 함유율이 적은 양질의 전원을 얻을수 있다.
• 또한 과도응답특성이 Motor/Generator등 회전기의 관성력을 이용하므로 매우양호
• 공항 , 반도체 공장, 원자력 발전소 등 매우 높은 신뢰성을 요구하는 장소에 주로 적용

1️⃣구성

1)정류부

• Dynamic UPS시스켄의 정류부는 Static UPS시스템과 같이 AC를 DC로 변환하여 인버터에 DC 전원을 공급함과 동시에 축전지를 충전하는 역할을 하는순변환장치
• 정류부는 Thyristor를 이용한 6펄스 자연전류방식이 가장 많이 사용되고 있으나 입력 측 고조파의 저감과 대용량화를 위해서는 12펄스 방식이 사용된다. 그리고 고조파 저감뿐만 아니라 입력 역률을 높이기 위해 펄스폭 변조(PWM)방식이 사용되기도 한다
• 정류기 출력단에는 축전지가 연결되어 있으므로 DC 출력전압을 항상 일정하게 유지해야 하고 리플 함유율이 적어야 한다

2)인버터부

• 일반적인 Static UPS시스템에서 인버터는 Filter를 포함하여 DC를 AC로 변환하여 정전압, 정주파수를 갖는 교류출력을 부하에 공급
• Dynamic UPS시스템에서는 단지 Motor/Generator부의 보조전원 역할만을 한다

• 따라서 Static UPS시스템은 인버터 출력용량이 부하용량으로되지만 Dynamic UPS시스템에서는 인버터 출력용량은 정전 시 Diesel Engine이 정상속도에 도달하는 시간까지만 Motor/Generator에 전원을 공급하면 되므로 부하용량보다 작게 설계할 수도 있다

3)Static 스위치부

• Static스위치부는 Thyristor스위치와 Magnetic Contactor로 구성되어 있으며 시스템 상태에 따라 자동적으로 정체되므로 최소 운전조건만 만족하면 시스템은 부하에 순단 없이 양질의 전원을 공급
• 일반적으로 Static스위치의 절체시간은 최대 순단 허용시간인 0.25사이클(약 4.1[ms]) 이내에서 동작을 완료해야 한다
• 따라서 Static스위치로 가장 많이 사용되고 있는 것은 절체시간이 가장 짧고 제어가 간단한 Thyristor스위치를 주로 사용하며 Magnetic Contactor와 Thyristor를 함께 사용한는 경우도 있다

4)Motor/Generator부

• Dynamic UPS시스템에서 Motor/Generator부는 가장중요한 부분으로서 부하에 양질의 AC출력전원을 공급하기 위한 장치이다

• Motor권선으로부터 들어온 에너지 Damper Cage에서 고조파를 흡수한 후 전가기적인 변환과 손실 없이 자기적 연결로 즉시 Generator권선으로 전달된다. 이것은 곧 주전원과 부하 측을 전기적으로 완전히 분리시킬 수 있음을 나타낸다

• 부하전류 및 부하역률에 관계 없이 부하 측으로부터 유입되는 고조파 전류와 무효전류 등이 Damper Cage에서 흡수된 후 전원측으로 전달되는 것을 나타낸다. 이것은 입력 측 왜율을 2[%] 이하로 줄일 수 있으며 입력역률도 1이 가능하다

• 또한 입력 측 이상전압이 유입될 때에도 Damper Cage에서 이를 환전히 흡수함으로써 부하 특에 일정한 출려 전압을 공급할 수 있도록 설계되어 있다

• Dynamic UPS시스템은 50% 부하 급변시 전아변동률은 5%이내이며, 100%불평형 부하가 가능하다

• 또한 부하의 종류에 관계없이 시스템을 적용할 수있으므로 매우 이상적이다

2️⃣정지형 UPS와 다이내믹 UPS의 특성 비교

1)출력전압 파형

• 출력 측 고조파가 다이내믹 UPS에서 Damper Cage에서 완전 흡수하므로 완전한 정현파 형태를 나타내지만 Static UPS의 출력은 시스템에서 발생되는 고조파를 AC필터에 의해 필터링한 파형으로 정현파 형태에 가깝게 나타남을 보여 주고 있다

• Diesel Engine적용 시 시스템에 이상이 발생하면 보조전원으로 사용하는 축전지기능을 Diesel Engine이 담담하게 된다. 그러나 Diesel Engine은 정상속도까지 도달하는 데 걸리는 시간은 10~20초 정도로 Diesel Engine이 기동하는 시간동안만 축전지가 전원을 공급하면 된다

• 이것은 동일 시스템 용량을 기준으로 Static UPS에 작용되는 축전지 용량보다 적게 적용할 수 있으므로 초기 투자비용은 Static UPS시스템에 비해 높지만 대용량의 경우 장기간 운전 시 소요되는 유지비 등을 고려하면 오히려 경제적일 수 있다

2)시스템 구성

• Diesel Engine의 가장 큰 특징은 회전기기, 즉 Motor/Generator를 포함하는 것이며 또한 Diesel Engine을 적용함으로써 상용전원 정정 시 부하 측에 일전한 전원을 지속적으로 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 일반 빌딩이나 중소 공장등 중요 시설에 비상요 발전기 역할을 할 수 있다

• Static UPS는 보전전원으로 축전지를 사용하고 있지만 유지보수 비용이 많이 소요되면 장시간 운전을 필요로 하는 경우에는 그만큼 추가비용이 증가하게 된다

• Dynamic UPS의 또 다른 특징은 회전기기의 관성력을 이용함으로써 과도응답 특성이 양호하다

구분	다이나믹 UPS 시스템	정지형UPS 시스템	비고
정류부	Thyristor방식	Thyristor방식	정전압제어
인버터부	Thyristor방식 IGBT방식	IGBT방식	PWM제어
스위치부	Thyristor스위치 Magnatic Contactor스위치	Thyristor방식	Automatic Bypass
Filter부	별도의 필터 없음	AC필터	M/G가
부하전원	모터/발전기	인버터	필터
보조전원	Static UPS 배터리(Static UPS보조전원) 파워브릿지(배터리기능)	배터리(기본)	사용자 선택가능
기타	비상용 발전기 기능 용도에 따른 시스템구성	단시간 운전	옵션

3)특성 비교

• Dynamic UPS의 가장 큰 특징은 Motor/Generator와 Diesel Engine등 회전기기등을 포함하는 것이며, 회전기기의 관성력을 이용함으로써 과도현상이나 부하단락사고시 UPS시스템의 출력특성이 크게 영향을 받지 않으므로, 부하 측에 연결된 기타 다른 부하에 미치는 영향이 거의 없다

• Dynamic UPS시스템은 부하 단락 시 정격전류의 14배까지 100[ms] 이내에서 차단할 수 있도록 설계되어 있으므로, 출력 측에 여러 부하가 동시에 연결되어 있을 경우 단락측 부하만 차잔하고 기타 부하에는 안정적으로 전원을 공급할 수 있도록 되어 있다

구분	다이나믹 UPS 시스템	정지형UPS 시스템
효율[%]	95	89~93
고장간격[h]	600,000	80,000
파외형률 (THD)[%]	1.5이하	3이하
출력 과부하 내량	110[%] 1시간 150[%] 2분	125[%] 10분 150[%] 1분
출력과도 특성	50[%]급변시 ±5이내	75[%]급변시 ±10이하 /-5이내
불평형 허용률	100[%]허용	50[%]불평형시 3[%]이내
소음	정상동작시 : 80[dB] 정전시 : 105[dB]	정상동작시 : 70[dB] 정전시 : 70[dB]
전기적 절연	M/G에 의해 완전 절연	TR에 의해 부분절연
역류 고조파	M/G에 의해 완전 차단	별도의 대책 필요
단락전류 보호	정격전류×14배이내(10[ms]이내)	별도의 대책 필요
시스템 예상 수명	25년	10년

3️⃣결론

• 산업의 발달과 고도 정보사회로 변화하는 시점에서 Static UPS시스템은 OA기기 및 기타 전원설비에 있어서 매우 중요한 역할을 담당해 왔으며 앞으로 그 필요성은 더욱 증가할 것으로 판단된다

• 그러나 부하용량 증가와 적용 범위의 확대 및 완벽한 신뢰성이 요구되는 장비에 Dynamic UPS시스템의 사용이 증가하고 있으며 그에 대한 관심도 높아지고 있다

• Dynamic UPS시스템은 기존의 Static UPS시스템의 신뢰성 및 기술과 비상용 발전설비 기술을 접목함으로써 보다 완벽한 형태의 전원설비 시스템으로 부각되었다

• 공항의 관제설비, Intelligent빌딩 컴퓨터에 대한 대형 네트워크 시스템 및 각종산업분야에 이르기까지 신뢰성이 요구되는 곳으로 그 적용 범위가 점점 확대되고 있다.

UPS설비

UPS
UPS의 병렬시스템 선정
On-line UPS와 Off-line UPS
다이내믹UPS
플라이휠UPS
UPS 2차 측 회로보호

💯기출문제

●D04 다이나믹 유피에스의 동작원리 및 시스템 구성에 대하여 설명하시오

동작 원리

다이나믹 UPS는 크게 다음과 같은 단계로 동작합니다.

1. 정상 상태: 상용 전원이 안정적으로 공급될 때에는 모터가 발전기를 구동하여 부하에 전력을 공급합니다. 이때, 플라이휠이라는 회전체에 에너지를 저장하여 정전 발생 시 빠르게 대응할 수 있도록 합니다.
2. 정전 발생 시: 상용 전원이 끊어지면, 플라이휠에 저장된 에너지를 이용하여 발전기를 구동하고, 부하에 전력을 공급합니다. 또한, 배터리로부터 모터에 전력을 공급하여 플라이휠의 회전 속도를 유지하고, 필요에 따라 디젤 엔진 등을 가동하여 추가적인 전력을 생산할 수 있습니다.
3. 상용 전원 복구 시: 상용 전원이 복구되면, 모터는 발전기와 동기화되어 다시 상용 전원과 병렬 운전을 시작합니다. 이때, 플라이휠에 에너지를 재충전하여 다음 정전에 대비합니다.

시스템 구성

다이나믹 UPS는 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 모터: 플라이휠을 구동하고 발전기를 돌리는 역할을 합니다.
• 발전기: 모터에 의해 구동되어 전력을 생산합니다.
• 플라이휠: 회전 운동 에너지를 저장하여 정전 시 전력을 공급하는 역할을 합니다.
• 배터리: 정전 시 모터에 전력을 공급하여 플라이휠의 회전을 유지하고, 부하에 일정 시간 동안 전력을 공급하는 역할을 합니다.
• 제어 시스템: 시스템 전체를 감시하고 제어하는 역할을 합니다.

장점

• 높은 전력 품질: 정현파 출력으로 고품질의 전력을 제공합니다.
• 빠른 응답 속도: 정전 발생 시 즉각적으로 전력을 공급할 수 있습니다.
• 높은 신뢰성: 다중화된 시스템 구성으로 고장 시에도 안정적인 운전이 가능합니다.
• 큰 용량: 대용량 전력 공급이 가능합니다.
• 낮은 고조파: 정적 UPS에 비해 고조파 발생이 적습니다.

단점

• 높은 초기 투자 비용: 시스템 구성이 복잡하고, 대형 기기가 필요하여 초기 투자 비용이 높습니다.
• 유지보수 비용: 정기적인 유지보수가 필요하며, 고장 발생 시 수리 비용이 높을 수 있습니다.
• 큰 설치 공간: 시스템 구성 요소가 크기 때문에 넓은 설치 공간이 필요합니다.

적용 분야

다이나믹 UPS는 높은 신뢰성과 안정성이 요구되는 다음과 같은 분야에 주로 사용됩니다.

• 데이터 센터: 대규모 서버 시스템의 안정적인 운영을 위해 사용됩니다.
• 통신 시스템: 통신 장비의 안정적인 작동을 위해 사용됩니다.
• 산업 시설: 생산 라인의 무중단 운전을 위해 사용됩니다.
• 병원: 의료 장비의 안정적인 작동을 위해 사용됩니다.

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●D06 공간과 성능면에서 다이나믹UPS와 정지형UPS를 비교설명하시오

●D07비상용 자가발전설비와 유피에스를 조합하여 운전할 경우 고려해야 할 사항을 설명하시오

1. 시스템 구성 및 연동 방식

• 병렬 운전: 자가발전기와 UPS를 병렬로 연결하여 동시에 부하에 전력을 공급하는 방식입니다. 부하 변동에 유연하게 대응할 수 있지만, 동기화 문제 및 보호 계전기 설정이 중요합니다.
• 순차 운전: 정전 발생 시 UPS가 먼저 작동하고, 부하 용량이 커지거나 UPS의 용량이 부족할 경우 자가발전기가 가동되는 방식입니다. 시스템 간의 전환 시간을 최소화하는 것이 중요합니다.

2. 전압, 주파수, 위상 동기화

• 전압: 자가발전기와 UPS의 출력 전압이 일치해야 합니다.
• 주파수: 자가발전기와 UPS의 출력 주파수가 일치해야 합니다.
• 위상: 자가발전기와 UPS의 출력 위상이 일치해야 전력 품질이 유지됩니다.
• 동기화 제어 장치: 위의 요소들을 정밀하게 제어하기 위한 동기화 제어 장치가 필요합니다.

3. 보호 계전기 설정

• 과전류 보호: 과전류 발생 시 시스템을 보호하기 위한 과전류 보호 계전기를 설정해야 합니다.
• 지락 보호: 지락 사고 발생 시 시스템을 보호하기 위한 지락 보호 계전기를 설정해야 합니다.
• 역률 보호: 역률이 낮아질 경우 시스템을 보호하기 위한 역률 보호 계전기를 설정해야 합니다.
• 고조파 보호: 고조파 발생으로 인한 시스템 손상을 방지하기 위한 고조파 보호 계전기를 설정해야 합니다.

4. 부하 특성

• 부하 변동: 부하 변동에 따른 시스템 안정성을 확보하기 위한 충분한 여유 용량을 확보해야 합니다.
• 무효 부하: 무효 부하에 의한 전압 변동을 최소화하기 위한 무효 전력 보상 장치를 설치해야 할 수 있습니다.

5. 배터리 관리

• 충전: UPS 배터리는 정기적으로 충전하여 항상 사용 가능한 상태를 유지해야 합니다.
• 교체: 배터리 수명이 다하면 교체해야 합니다.

6. 유지보수

• 정기 점검: 시스템의 안정적인 운전을 위해 정기적인 점검 및 유지보수가 필요합니다.
• 기록 관리: 점검 및 유지보수 기록을 관리하여 문제 발생 시 신속하게 대처할 수 있도록 해야 합니다.

7. 추가 고려 사항

• 소음: 자가발전기의 소음을 줄이기 위한 방음 대책이 필요할 수 있습니다.
• 진동: 자가발전기의 진동으로 인한 주변 시설의 손상을 방지하기 위한 방진 대책이 필요할 수 있습니다.
• 환기: 자가발전기의 열을 효과적으로 배출하기 위한 환기 시설이 필요할 수 있습니다.

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