본 논문은 대용량 더블컨버젼 방식 $30^{\sim}500[KVA]$ 무정전전원공급장치 UPS(Uninterruptible Power Supply)의 고장발생유형과 출력정지현상의 원인을 살펴보고, 부하 측면에서 전원공급의 신뢰성을 높일 수 있는 고장 검출방식을 제안한다. 인버터 출력의 전원품질을 검출하여 이상으로 판단 시 바이패스 시키는 방식의 기존 UPS 제어방식의 경우, 만일 내부(전력변환소자, 컨트롤러, CPU)소손이 발생되는 경우에는 부하전원 공급이 중단되는 현상이 발생되었고 이를 실험파형과 장비 운용결과를 통하여 증명하였다. 본 논문은 이러한 사고의 경우에도 출력전원의 공급에는 문제가 없도록 하기 위하여 기존 UPS의 제어시스템과는 별도로 독립적으로 고장검출장치, 바이패스 제어장치, 3중전원공급장치를 구축한 상태에서, 고장검출위치를 최종출력스위치 전단으로 변경하고, 고장판단 기준값을 기존 UPS제어시스템과 충돌이 없도록 변경하고, 사고확산을 차단할 수 있는 장치를 하였다. 이 시스템을 통신전원공급용 UPS 242대에 적용한 결과 2006년 이후 2년간 서비스장애가 발생되지 않았다.
본 논문은 대용량 더블컨버젼 방식 $30^{\sim}500[KVA]$ 무정전전원공급장치 UPS(Uninterruptible Power Supply)의 고장발생유형과 출력정지현상의 원인을 살펴보고, 부하 측면에서 전원공급의 신뢰성을 높일 수 있는 고장 검출방식을 제안한다. 인버터 출력의 전원품질을 검출하여 이상으로 판단 시 바이패스 시키는 방식의 기존 UPS 제어방식의 경우, 만일 내부(전력변환소자, 컨트롤러, CPU)소손이 발생되는 경우에는 부하전원 공급이 중단되는 현상이 발생되었고 이를 실험파형과 장비 운용결과를 통하여 증명하였다. 본 논문은 이러한 사고의 경우에도 출력전원의 공급에는 문제가 없도록 하기 위하여 기존 UPS의 제어시스템과는 별도로 독립적으로 고장검출장치, 바이패스 제어장치, 3중전원공급장치를 구축한 상태에서, 고장검출위치를 최종출력스위치 전단으로 변경하고, 고장판단 기준값을 기존 UPS제어시스템과 충돌이 없도록 변경하고, 사고확산을 차단할 수 있는 장치를 하였다. 이 시스템을 통신전원공급용 UPS 242대에 적용한 결과 2006년 이후 2년간 서비스장애가 발생되지 않았다.
This paper investigates the fault generation type and the cause of output interruptionsin bulky with $30^{\sim}500[KVA]$ double conversion UPS, and proposes the fault detection method to improve the reliability of power supply used in the critical load in industry. Identifies its existing...
This paper investigates the fault generation type and the cause of output interruptionsin bulky with $30^{\sim}500[KVA]$ double conversion UPS, and proposes the fault detection method to improve the reliability of power supply used in the critical load in industry. Identifies its existing way of detecting a quality of inverter output it to bypass when exceeds its expectation. Under a UPS managing system, when an inner (Power device, Controller, CPU) fault occurs it disrupts the power supply and these occurrences has been verified by the results of experiments and application results. To overcome these problems, the proposed method constructs independently a fault-detection, a bypass-control device and a triple power supply apart from the conventional UPS operation. Also the detection point is changed to the preceding of a circuit breaker, a reference of fault detection is modified to avoid any clash and the breaking equipment is attached to intercept a spread of accident. As a result of applications of these developed systems to 242 UPS which was installed purposefully to the communication power supply, the service errors has not occurred in the UPS for two years since 2006.
This paper investigates the fault generation type and the cause of output interruptionsin bulky with $30^{\sim}500[KVA]$ double conversion UPS, and proposes the fault detection method to improve the reliability of power supply used in the critical load in industry. Identifies its existing way of detecting a quality of inverter output it to bypass when exceeds its expectation. Under a UPS managing system, when an inner (Power device, Controller, CPU) fault occurs it disrupts the power supply and these occurrences has been verified by the results of experiments and application results. To overcome these problems, the proposed method constructs independently a fault-detection, a bypass-control device and a triple power supply apart from the conventional UPS operation. Also the detection point is changed to the preceding of a circuit breaker, a reference of fault detection is modified to avoid any clash and the breaking equipment is attached to intercept a spread of accident. As a result of applications of these developed systems to 242 UPS which was installed purposefully to the communication power supply, the service errors has not occurred in the UPS for two years since 2006.
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문제 정의
있다. 본 논문에서는 더블 컨버젼방식 UPS에서 특정한 유형의 고장이 발생되는 경우에 서비스 공급이 중단되는 현상을 파형을 통해 분석하여 보고, 이러한 문제점에 대한 개선제안과 제안된 시스템의 실험파형을 통하여 효과를 기술하고자 한다.
본 논문은 통신시스템에 안정적인 무정전 전원공급을 위한 신뢰성 향상에 중점을 두어 개발되었고 20(力 년 이후 현장적용을 실시하였으며 설치 전 매년 2%대 (7.6회)의 서비스 장애가 발생하던 시설이 설치 후 2년간 단 한 차례도 발생되지 않았다. 특히 2006년도 동수원 30KVA등 3건과 2007년도 과천300KVA등 7건의 사고에서 고장을 가정한 실험과 동일한 유형의 사고가 발생되었으나 IHTS가 동작하여 서비스 장애를 방지한 사례가 있었다.
제안 방법
비교기를 통하여 검출하도록 한다. 이때 비교기는 0P-AMP를 이용한 전압검출 방식으로 응답속도에 중점을 둔다.
여기에 더하여 중요시스템에는 UPS를 병렬로 설치하여 두 대중 한대가 고장이 발생되더라도 최대부하가 60%를 넘지 않도록 용량을 설계하고 정전 시에도 180 분 이상 전원을 공급할 수 있도록 축전지를 설계한다. 특히 IDC 센터 등의 대형 서버전원공급을 위한 UPS 시스템에는 출력단에 대형 STS (Static Transfer Switch)까지 추가로 설치하여 STS의 출력으로부터 부하에 전원을 공급 하는 방식을 취하여 전원공급 신뢰성 향상에 많은 투자를 하고 있다.
대상 데이터
현재 IHTS는 6개사 7개 제품에 기술이전이 되어 제품 생산에 적용되었으며 통신전원 공급용 산업 현장의 3(广500IKVA]에 20飾년 이후 2년간 242대에 설치하였다.
성능/효과
b) IHTS는 UPS Main Board, CPU, 컨트롤러가 모두 소손되는 상황에서도 제어를 실시할 수 있도록 하기 위하여 중요소자의 소손상황에서도 안전할 수 있는 위치에 설치한다.
c) IHTS의 전원공급용 전원은 최종출력단과 축전지에 더하여 입력전원을 포함한 3중으로 설계하여 방전 중 축전지 이상으로 인한 전원공급 중단 가능성에도 대비한다.
e) IHTS의 동작순서는 그림 7의 순서도와 같이 최종 출력 스위치 (MC2)후단에서 UPS 출력 전원품질을 지속적으로 검출하다가 전원품질이 설정범위를 벗어나는 경우 MC2를 차단하고 바이패스 투입을 하도록 바이패스 장치의 SCR을 조작한다.
그러나 이러한 UPS가 인버터의 IGBT가 소손되면서 큰 단락전류가 발생되었고 이로 인하여 최종 출력 스위치(MC2) 접점이 녹아서 붙어 버린 상태에서 Main controller에서는 출력 없음으로 판단하기 때문에 최종출력 스위치(MC2) 차단 명령과 동시에 바이패스스위치 STS와 MC3투입을 명령하였다, 그 결과 바이패스 전원이 단락상태의 인버터에 공급되면서 부하의 모든 시스템은 물론이고 바이패스 라인 계통상에 연계된 모든 시설에도 장애를 발생시킨 사고가 발생되었다. 그림 2 의 d) 인버터 사고와 출력스위치 동시 고장 상황이 동일한 현상을 가정한 상태에서의 고장실험결과 파형이다.
그러나 이러한 노력에도 불구하고 무정전 전원공급을 위하여 설치된 통신용 UPS에 대하여 2003년 이후 3년간 3KVA~ 500KVA대용량 UPS의 약900여대 의 고장을 바탕으로 분석해본 결과 표 1에서와 같이 년평균 12%대의 고장이 발생되었고 사고발생 내역 중 10%는 서비스 중단이 발생되었디尸 고장유형을 세부적으로 분석하여 보면 표 2와 같이 구분할 수 있다. PCB를 포함한 제어부 이상으로 인한 고장발생이 36% 로 가장 많고 휴즈, 휀등 보호장치가 35%를 차지한다.
조치도 취하지 않아 출력은 정지된다. 또한 전류검출방식이라도 출력전원이 정상적인지 여부를 검출하는 시간은 출력변압기(TR1)와 고조파필터용 출력 콘덴서(C)의 시정수 값에 의하여 지연될 수 있으며 리액터와 콘덴서가 대용량일수록 검출 지연시간은 더욱 느려질 수 있음을 알 수 있다.
2[mS] 로 설정하여 기존의 제어시스템이 7= Vref' 士厶矿값의 범위를 초과하여도 바이패스하지 않는 경우인 V= Vref ±(AV±a) 범위에서 MC2 차단기를 차단시키고 바이패스 STS를 Turn on 시켜 예비전원으로 전원공급경로를 변경하여 주도록 설계한다. 이와같이 변경하면 그림 9 에서와 같이 설정된 기준 이내에 바이패스 되는 것을 확인할 수 있디、여기서 참고사항으로 인터넷서버, 전송시스템(BcN), 서버호스팅 시설에서는 듀얼방식의 전원공급을 위해서 릴레이 접점방식으로 제작된 소형STS를 사용하고 있고 이러한 STS는 절체시간이 6~8[mS]이며 최대 12[mS]이내에서는 별다른 문제를 발생시키지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 내부의 잔류전하에 의한 영향으로 분석되며 제한된 범위의 실험결과 이므로 기준값으로 사용할 수는 없다.
그러나 아쉽게도 표1에서와 같이 전원공급이 중단되는 고장은 발생되고 있고, 표2에서와 같이 고장이 발생되는 원인별 유형은 볼 수 있다. 이중에서도 서비스 장애를 일으키는 원인으로는 첫째 IGBT, SCR등 소자 소손사고, 둘째 입, 출력 마그네틱 스위치 등 고장, 셋째, DSP, CPU, 제어보드, 제어 전원공급 장치(MPU)등 PCB 계통 고장 넷째, 상기 모든 유형의 파급효과에 의한 단락사고, 화재발생, 제어 불가상황에서 부하전원 공급이 중단되거나, 바이패스가 되었더라도 일정시간 순단이 발생되어 서비스장애가 발생되었다. 여기서 바이패스 전원공급계통의 장애가 동시에 발생되는 경우가 아니라면 서비스장애로 이어지는 정전이나 순단이 발생되지 않아야 하지만 실제로는 서비스 장애가 발생되고 있어 더블컨버젼 WS에 상기 4가지 유형으로 시험을 해본 결과 그림 2와 같은 시험 결과를 얻을 수 있었다.
현장에서 서비스 중인 장비에 대한 테스트가 불가하여, 서로 다른 스위칭소자, 제어 알고리즘, 측정 장비를 가지는 각각의 UPS 제작사에서 직접 시험을 하였기 때문에 모든 실험 파형이 모든 유형의 고장 상황에서 일치하는 결과를 나타내지는 않았지만, 약간의 시간 차이만 존재하고 일정한 형태의 고장유형별 출력 파형을 획-인할 수 있었다. 4가지 유형의 고장상황을 가정하여 그림 2의 “a”는 아날로그 제어형 300KVA UPS 인버터 IGBT의 Drain 을 차단했을 때 나타난 파형으로 &4.
후속연구
원인이 있었다고 본다. 고품질의 전원이라 함은 전력변환을 통한 양질의 파형도 중요하지만 통신용을 포함한 모든 산업현장에서는 전원공급의 연속성이 더욱 중요하기 때문에 최종적인 수요처인 산업 현장에서 장기간의 사용으로 전력전자 소자의 각 부에서 임피던스가 증가되어 소손되거나 내부적으로 예상하지 못하는 장애가 발생되었을 경우에도 전원공급의 연속성을 보장하는데 중점을 두고 연구 개발되었으면 한다.
참고문헌 (8)
Hossein Mokhtari, Masoud Karimi-Ghartemani, and M. Reza Iravani, "Experimental Performance Evaluation of a Wavelet-Based On-Line Voltage Detection Method for Power Quality Applications", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 17, No. 1, pp. 161, 2002, Jan
H. Mokhtari, S. B. Dewan, "Performance Evaluation of Thyristor Based Static Transfer Switch", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, No. 3, pp. 960, 2000
Hossein Mokhtari,, and M. Reza Iravani, " Impact of Difference of Feeder Impedances on the Performance of a Static Transfer Switch", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 19, No. 2, pp. 679, 2004
KT-네트워크본부, "전력사용합리화 및 운용보전 성과분석", KT-네트워크본부 성과분석 통계자료, 2000-2007년판, pp. 36-142, 2000-2007
Hossein Mokhtari, Shashi B. Dewan, ？and M. Reza Iravani, IEEE, "Analysis of a Static Transfer Switch With Respect to Transfer Time", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 17, No. 1, pp. 190, 2002, Jan
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