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[UPS] [무정전 전원 장치(UPS) ①] UPS 용량 선정과 기계 선정
Date : 2014-06-03
Name : 관리자
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[무정전 전원 장치(UPS) ①] UPS 용량 선정과 기계 선정
 
 
 
 
 
 
 
 
 

UPS는 전기 수요자 측에서 순간 전압 강하 대책으로 가장 효과적이고 폭넓게 사용하는 장치다.
 
그러나 UPS는 제조사마다 다소 차이가 있어 용도에 맞게 필요한 양식과 향후 증설 계획까지
 
꼼꼼히 따져 선정하지 않으면 안 된다. 특히 요즘엔 경제성은 물론, 고효율과 에너지 절약까지
 
강조되는 만큼 UPS 역시 이러한 부분을 고려해
 
제조사와 상담, 협의를 거쳐 선정하는 것이 중요하다.
 
 
 

UPS를 도입할 때는 용도에 맞춘 적절한 기기선정이 필수다.
 
용량, 백업 시간(정전 보상 시간)뿐만 아니라 UPS의 급전 방식, 시스템 구성과 경제성까지
 
모두 고려하지 않으면 안 된다. 본고에서 UPS 선정 시 주의할 점과 검토가 필요한
 
사항에 대해 설명한다.
 
 
 
 
 
용량 선정

 
 
 
먼저 사용할 기기(이하, 부하 설비)의 합계 전력용량으로부터 UPS 용량을 결정해야 한다.
 
그러나 UPS 출력 용량 확인만으로 용량을 선정하기에 불충분하므로,
 
부하 설비에 필요한 양식을 충족하는 UPS를 선정해야 한다.
 
 
 

1. 출력 용량에 대해
 
 
 
부하 용량과 UPS 정격 출력 용량이 같을 경우
 
 
①부하 증강의 여유가 없고, ②부하 설비 시동 등으로 출력 전류가 맥동했을 때
 
과부하를 검출해 고장 신호를 보내는 등의 문제가 생긴다.
 
일본전기공업회 기술자료 · JEM-TR185(1993)에는 다음과 같은
 
UPS 정격 출력 용량 산정식이 기술돼 있다.
 
 
 

UPS 정격 출력 용량 = (합계 부하 용량) x a (여유율)
 
 
 

여기서 a는 1.1~1.3으로 한다. 각 UPS 제조사는 이를 바탕으로 부하 용량에 대해 여유가
 
있는 정격 출력 용량의 UPS를 권한다. 또한, 향후 부하설비 용량을 늘릴 계획이 있을 때는
 
그 증가분도 포함한 최대 부하 용량을 고려해야 한다.
 
 
 
 
2. 파고율
 
 
UPS 출력에서 콘덴서 인풋Input형 정류기 시동의 돌입 전류나 변압기의 여자 돌입 전류 등
 
과대한 피크 전류가 흐르는 경우가 있다. UPS는 이 피크 전류의 허용값을 나타내는
 
파고율(Crest Factor)을 양식의 일부로 명시한다. UPS의 파고율을 넘는 피크 전류가 흐르면
 
UPS는 과전류 보호가 동작하고 직송 회로에서 바이패스 급전으로 변환한다.
 
이때 UPS 출력이 상용 전원과 비동기 상태일 경우 출력단이 발생해 부하 운용에
 
영향을 미칠 우려가 있다.
 
따라서 부하기기의 파고율을 확인하고 UPS 파고율을 만족하는지 확인해야 한다.
 
부하기기의 파고율이 큰 것 같으면 UPS의 정격 출력 용량을 높일 필요가 있다.
 
 
 
 
 
3. 부하 역률에 관한 주의
 
 
 
UPS의 출력 용량은 피상 전력[㎸A]과 유효 전력[㎾](혹은 정격 부하 역률로 표기)
 
두 개의 정격을 가지며 그 양쪽을 모두 만족해야 한다. 예를 들어 정격 용량 200㎸A의 UPS에서
 
정격 부하 역률이 0.9인 경우 정격 유효 전력은 180㎾가 된다.
 
부하기기에 따라서 유효 전력[㎾]만 명시된 경우도 있다. 이때는 유효 전력에 추정 역률을
 
나눗셈한 값을 부하의 피상 전력으로 볼 수 있다. 정류기 부하의 경우, 역률을 0.6~0.7 정도로
 
보고 필요한 피상 전력을 생각해야 한다. 각 부하기기 용량을 서로 더한 합계 부하 용량에서
 
피상 전력과 유효전력 양쪽 모두를 확인한다.
 
근래에는 서버 등 주요 부하의 역률을 1.0에 가깝게 개선하도록 하고 있다.
 
이에 따라 최근 UPS에서는 높은 역률 부하에 대응 가능한 정격 부하 역률(0.95) 제품을 판매한다.
 
 
 
 
 
4. 백업 시간(정전 보상 시간)
 
 
 
필요한 백업 시간은 사용자에 따라 다양하다. UPS 제조사가 제시하는 백업 시간은 부하
 
용량이 정격 출력 용량(유효 전력)인 경우의 시간이다. 명시된 백업 시간이 필요 시간을
 
충족하지 못하면 중용량~대용량 UPS의 경우, 각 제조사는 요구 백업시간을 만족하는 축전지
 
용량을 산출해 선정한다. 따라서 부하 용량과 요구하는 백업 시간을 제조사에 제시해
 
확인하도록 한다.
 
소용량~중용량의 범용형 UPS에는 옵션 대응으로 용량이 큰 축전지를 판매한다.
 
옵션인 축전지장치는 일반적으로 카탈로그에 기재돼 있다
 
다만, 제조사가 제시한 백업 시간은 납품 시 권장 주위 온도(예를 들어 25℃)에
 
맞춰진 것이다. 백업시간은 주위 온도가 낮거나 납품 이후 수년이 경과하면 점점
 
짧아지므로 주의해야 한다.
 
 
 
 
 
5. 부하 설비 증설을 계획한 경우
 
 
 
UPS 도입 계획을 세울 때는 향후 부하 설비를 증설할 것인가, 증설한다면 부하 용량을
 
얼마나 증가시킬 것인가 등을 명확히 해야 한다. 만약 사용할 UPS가 단기單機시스템이면
 
단순하게 향후 증가분을 포함한 부하 용량으로 UPS를 선정하면 된다.
 
<그림 1>과 같이 여러 대의 UPS 유닛을 병렬 접속한 시스템(이하, 병렬 시스템)인 경우,
 
일반적으로 UPS 납품 후에도 UPS 유닛을 증설해 시스템 출력 용량을 증가시키는 것이
 
가능하다. 이것은 부하 설비를 추가할 필요가 있을 때 UPS 유닛을 추가하면 되므로
 
UPS 도입 시 초기 비용을 절약하는 이점이 있다. 제조사나 도입 시 계획에 따르겠지만,
 
부하 설비 운전을 계속하는 상태에서도 UPS 유닛을 추가할 수 있다.
 
그러나 증설 가능한 UPS 유닛 수에 한계가 있다. 게다가 설치 공간 문제나
 
주변 설비 제약 등이 있어 UPS 유닛 증설이 가능한 병렬 시스템이라도 증가할
 
부하 용량(증설 UPS 유닛 수)을 UPS 도입 시 명확히 해야 한다.
 
 
 
 
 

 

 
 
 

6. 그 외 전기적 사양
 
 

각 제조사는 그 외에도 UPS 출력에 관한 양식을 명시하고 있다.
 
 
· 출력 전압 정밀도
 
· 순시 전압 변동과 정정 시간
 
· 출력 전압 왜형률
 
· 주파수 범위 등
 
 
 
 
<표 1>은 일반적인 UPS의 대표 양식 항목을 예로 든 것이다.
 
이들 양식은 제조사와 기종, 운전 방식에 따라 바뀌어 왔다. 사용하는 부하기기의
 
입력 양식을 확인해 선정하도록 한다.
 
 
 
 
 
 
기기 선정
 
 
 

1. 급전 방식
 
 
 
UPS는 주로 ▲상시 상용 급전 방식 ▲라인 인터랙티브Line Interactive 방식 ▲상시 인버터
 
급전 방식 등 세 가지 급전 방식이 있다. 여기서는 구체적으로 설명하지 않겠지만,
 
각 급전 방식마다 UPS의 출력 양식에 차이점이 있으므로 전원 전압의 안정도와 부하기기의
 
입력 양식, 부하기기의 중요도에 따라 급전 방식을 선택해야 한다.
 
 
 

2. 시스템 구성
 
 
최근 들어 UPS에도 높은 신뢰성을 요구하고 있 다. 단기 시스템에서는 UPS에 인버터의
 
계속 운전이 곤란할 정도로 중대 사고가 발생하면 바이패스 Bypass 급전으로 전환한다.
 
그런 까닭에 UPS 1대가 고장 나더라도 인버터 급전을 계속하는, 높은 신뢰성의 UPS 시스템을
 
구축하려는 수요가 높아지고 있다. 그 대표적인 시스템으로 병렬 용장冗長시스템을 들 수 있다.
 
이것은 여러 대의 UPS를 병렬 운전해 1대의 UPS가 고장나더라도 다른 UPS를 통해 축전지가
 
백업한 상태로 전력을 공급하는 시스템이다. 일본의 ㈜히타치 제작소가 만든 UPS
 
제품 'UNIPARA 시리즈'를 예로 들어 그 특징을 설명한다.
 
<그림 1>은 병렬 시스템 · 입출력 이중화 시스템을 나타낸 것이다. UNIPARA 시리즈는 공통
 
제어부가 아닌 독립된 동기 운전 제어와 보호 회로를 설치했다.
 
<그림 1>의 특징은 다음과 같다.
 
 
 
 
· 각 UPS에 바이패스 회로를 내장했으며, 출력반에서 단순히 병렬
 
접속한다(유닛 패럴렐Parallel 방식). 출력반에 향후 증설용 필터 준비가 있으면
 
UPS 증설(출력 용량 증가)이 가능하다.
 
· 입력 및 출력을 2계통으로 했으며 출력 간선을 포함한 모든 기기의 보수를
 
인버터 급전 상태에서 할 수 있다.
 
 
 
 


 
 

병렬 용장 시스템의 경우, 고장 난 UPS만 해렬解列하는 것이 중요 특징이다.
 
<그림 2>는 5대 병렬 시스템의 고장 해렬 파형을 나타낸 것이다. 구간 T1을 살펴보면,
 
고장이 난 UPS는 급전을 중지하고 남은 3대의 UPS(No.1 UPS~No.3 UPS)는 인버터
 
급전을 계속한다. No.3 UPS까지 고장이 나면 남은 2대의 UPS 합계 출력 용량이 정격
 
초과(과부하)해 일제히 바이패스 급전으로 변환했다. 이처럼 부하에 대해 축전지로
 
백업한 인버터 급전을 계속함으로써 급전 신뢰성을 높였다.
 
대용량 UPS뿐만 아니라 소용량 UPS에서도 병렬 용장 시스템을 구성할 수 있는
 
제품이 있다. 시스템 구성이나 고장 난 UPS의 해렬 동작 등은 제조사와 기종에 따라
 
다르므로 확인이 필요하다.
 
그 외에도 급전 신뢰성을 높이는 방식으로 대기용장 시스템 등이 있다.
 
 
 
 
 
 

3. UPS 상태 감시와 전원 관리
 
 
 
 
UPS의 상태를 관리하는 것이 바람직하나 UPS는
 
일반적으로 서버실이나 전기실 등 감시인이 상주하지 않는 장소에 설치한다.
 
그래서 UPS의 상태를 먼 곳에서 감시하거나 조작하도록 중용량~대용량 UPS에는 고장 신호
 
등의 접점 · 조작 신호 장비가 있다. 접점 신호의 종류는 UPS 제조사에 따라 차이가
 
있으므로 확인이 필요하다.
 
 
또한, 소용량~중용량 UPS를 중심으로 네트워크 인터페이스를
 
이용한 전원 관리를 사용할 수 있다(옵션 대응). 부하기기의 운전/정지 가동 스케줄
 
설정 및 관리나, 정전 발생 이후 정전 시간이 설정 시간을 경과한 경우 자동으로
 
운전 정지(Shutdown)하는 기능 등이 있다.
 
이러한 기능 또한 UPS의 급전 신뢰성 향상, 에너지 절약에 일익을 담당한다.
 
 
 
 
 
효율과 제품 교환
 
 

UPS 설비는 신뢰성과 더불어 경제성, 에너지 절약성이 요구된다.
 
최근 들어 무無트랜스 방식 채용으로 효율을 높이고 있다. 각 제조사는 UPS의
 
고효율화 및 교환 부품 수 저감으로 러닝 코스트Running Costs를 줄여 경제성을
 
향상했다. 따라서 UNIPARA 시리즈를 예로 설명하면, UPS는 정격용량의 30~80% 정도로
 
운용되는 일이 많다.
 
UNIPARA 시리즈는 부하율이 30% 정도인 경부하에서도 고효율을 유지하도록 설계했다.
 
또한, 정기적으로 교환이 필요했던 부품의 수명을 늘려 러닝코스트를 줄였다(<그림 3> 참조).
 
시스템의 급전 신뢰성과 같이 러닝 코스트(경제성)도 기기 선정의 요소라 할 수 있다.
 
 
 
 
 
 
이상 UPS 용량과 기기 선정에 대해 설명했다. 각 제조사에서는 급전 신뢰성 향상과
 
러닝 코스트 저감 등의 주제를 각자의 방식으로 실현시키고 있다.
 
부하기기의 용도와 입력 요구 양식, 그리고 신뢰성과 경제성까지 고려해 제조사에
 
확인 협의를 거듭한 후 최적의 UPS를 선정할 것을 추천한다.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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