이 글은 자동 전압 조정, 20kVA 무정전 전원 장치 AC-AC 제어 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 20kVA 무정전 전원 장치 AC-AC 자동 전압 조정 회로 구성, 계통 전압 변동률 검출과 보상 탭 권선비 계산을 다룹니다.
20kVA 무정전 전원 장치 AC-AC 자동 전압 조정 회로 구성
무정전 전원 장치는 상용 전력 계통에 이상이 발생하더라도 중요 부하에 안정적인 전력을 공급하는 핵심 전력 변환 설비입니다. 계통 전원이 정상 범위에 근접해 있을 때는 배터리 방전을 수반하는 직류 변환 과정을 거치지 않고, 상용 교류 전원을 직접 정전압으로 제어하여 부하에 공급하는 교류 바이패스 경로가 작동합니다. 이때 계통 전압의 순간 강하나 과전압 변동을 실시간으로 보상하기 위해 AC-AC 자동 전압 조정 회로를 필수적으로 적용합니다.
단상 220V 공칭 전압을 사용하는 20kVA 용량의 무정전 전원 장치 시스템에서 정격 피상 전력 S는 20000VA이며, 공칭 출력 전압 V_o,nom은 220V입니다. 이에 따른 기본 정격 부하 전류 I_nom은 피상 전력을 공칭 출력 전압으로 나누어 결정합니다.
식 (1)에 20000VA와 220V를 대입하여 계산하면 정격 전류 I_nom은 약 90.91A로 산출할 수 있습니다. 즉 AC-AC 변환 회로는 최대 90.91A의 연속 실효 전류를 통전하면서도 전압 변동에 따른 탭 절환 동작을 안전하게 수행해야 합니다.
본 시스템의 AC-AC 자동 전압 조정 회로는 다권선 단권변압기와 양방향 반도체 스위치로 구성합니다. 단권변압기의 여러 탭에 직렬 연결된 양방향 AC 스위치를 선택적으로 도통시킴으로써 부하에 인가되는 출력 전압을 공칭 220V의 허용 오차 범위인 ±2% 이내로 일정하게 유지합니다. 기계식 접점 방식과 달리 반도체 스위치를 이용한 전자식 탭 절환은 마모가 없고 수 밀리초 이내의 빠른 응답을 구현할 수 있어 20kVA급 전원 장치의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
계통 전압 변동률 검출과 보상 탭 권선비 계산
상용 계통의 전압 변동은 계통 부하 변동이나 선로 임피던스 강하로 인해 수시로 발생합니다. 일반적으로 산업용 무정전 전원 장치에서는 공칭 전압 대비 ±15% 수준의 전압 변동에 대해 배터리 전환 없이 AC-AC 자동 전압 조정을 통해 보상하도록 설계합니다. 이를 위해 제어기는 계통 입력 전압 V_in의 실효값을 연속적으로 검출하고 공칭 전압과의 편차 비율인 전압 변동률 ΔV를 계산합니다.
식 (2)에서 계통 입력 전압이 187V로 강하한 경우를 대입하면 전압 변동률은 -15.00%로 계산할 수 있습니다. 반대로 계통 전압이 253V로 상승한 경우에는 +15.00%의 전압 변동률을 산출할 수 있습니다.
입력 전압이 187V로 저하된 저전압 상태에서는 변압기 탭을 승압 위치로 전환하여 출력 전압을 220V로 보상해야 합니다. 이때 요구되는 승압 탭 권선비 N_boost는 공칭 전압과 최저 입력 전압의 비로 정의합니다.
식 (3)에 V_o,nom = 220V와 V_in,min = 187V를 대입하면 승압 탭 권선비 N_boost는 약 1.1765로 결정할 수 있습니다.
반대로 계통 입력 전압이 253V로 급증한 고전압 상태에서는 강압 탭 권선비 N_buck를 적용하여 전압을 낮추어야 합니다. 강압 탭 권선비는 공칭 전압과 최고 입력 전압의 비로 유도할 수 있습니다.
식 (4)에 V_o,nom = 220V와 V_in,max = 253V를 대입하여 계산하면 강압 탭 권선비 N_buck는 약 0.8696으로 산출할 수 있습니다. 계통 전압이 정상 범위인 220V ± 2% 이내에 있을 때는 직결 탭(N_pass = 1.0000)을 도통시켜 불필요한 변압기 손실을 억제합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.