유피에스

유피에스(UPS; Uninterruptible Power Supply)는 무정전 전원 공급 장치를 말한다. 기업 및 정부기관의 전산실과 인터넷데이터센터(IDC) 등에 많이 사용된다. 항온항습기와 UPS를 합쳐서 부대시설이라고 부른다.

개요

무정전 전원 공급 장치의 약자로 평상시 상용전원 또는 발전기 전원을 공급받아 배터리로 충전 상태를 유지하다 정전되었을 때 배터리를 방전 시켜 순간의 정전 없이 정해진 시간 동안 부하 장비에 계속해서 전기를 공급해주는 전원 장치로 입력 전원의 전압변동 및 주파수 변동 시에도 부하 장비에는 항상 정전압 정주파수의 전기를 공급하는 장치이다.

최근 유피에스의 성능은 발전을 거듭하여 단순 전원백업만 하는 유피에스와는 달리 사용환경과 부하 기기에 따라 각각 사용하는 기능성 맞춤식 유피에스로 나아가고 있다. 이를테면 네트워크 구성하에서 사용하는 지능형 네트워크 유피에스, 전압 변동이 심한 지역이나 일정한 전압이 있어야 하는 곳에서 사용하는 온라인 유피에스, 19인치 표준 랙에서 사용하는 랙마운트형 유피에스, 이중 보호를 해야 하는 곳에서 사용하는 병렬운전 유피에스, 각종 산업 현장에서 사용하는 산업용 유피에스 등 이제 유피에스는 비상 전원을 필요로 하는 각종 기기의 파트너가 되고 있다.

특징

장치

• 입력 필터 : 컴퓨터 및 전자 장비 등의 전자기적 간섭 및 영향을 받지 않도록 전자기 발생을 최소화한다.
• 입력 변압기(Input Transformer) : 복권으로 설계 제작되며, 2차 전압은 역변환 부의 입력 전압과 축전지의 충전 전압에 부합되고, 용량은 충전 전류와 역변환 부의 정격 전류의 합이 되도록 설계하며, 고효율 H종 절연 방식으로 제작한다.
• 순변환 및 충전부(Rectifier / Charger) : 본 장치는 입력 변압기를 통하여 인입되는 교류전원을 정류 소자에 의해 직류로 변환하고 필터를 경유하여 안정된 양질의 직류전력을 인버터에 공급하는 장치로 구성하며 축전지 용량에 맞는 적정한 정전압, 정전류로 축전지를 자동충전하는 장치로 구성한다.
• 역 변환부(Thyristor Inverter) : 본 부분은 트랜지스터 P.W.M(Pulse Width Modulation) 방식이고 변압기, 필터, DSP 회로로 구성되며 직류를 교류로 변환시키는 기능을 갖는 것으로서 AC 정전압 및 전자적인 전류 제한 회로가 있다.
• 출력 변압기(Output Transformer) : 본 변압기는 리액터 기능을 포함한 고효율 건식 복권 변압기로 발열권선 온도가 전 부하 사용할 때에 변압기의 절연 계급(H종)의 최대허용온도를 초과하지 않도록 제작하며 역변환 부로부터의 출력을 합성하여 고조파 성분을 극소화 시키며 효율을 극대화하도록 설계 제작한다.
• 동기 절체 스위치 부(Static Switch) : 동기 절체 스위치는 인버터 이상 시와 과부하 시를 대비하여 상용전원 측에만 반도체 스위치를 설치하고 완전 동기방식의 DSP(Digital Signal Processor) 인버터와 함께 병렬로 구성되어 DSP 컨트롤에 의해 인버터에서 바이패스, 바이패스에서 인버터로 절체 시 부하에 순단 없는 전원을 공급한다. 또는 고장시 유지보수를 할 수 있도록 정류기와 인버터, 스테틱 S/W가 절연되고 무순단 절체할 수 있는 유지보수용 수동 바이패스 스위치 회로가 구성되어 있다.
• 배터리(Battery) : 유피에스는 상용 전원이 차단될 경우 안정된 출력전압을 얻기 위하여 평소에 상용전원으로부터 전력을 공급받아 저장하는 배터리가 필수적으로 사용된다. 배터리는 전기에너지를 화학에너지로 바꾸어 저장하고 필요하면 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 에너지 저장장치이다. 특히 배터리는 온도에 따라 전리 작용의 차이가 있으므로 배터리 주위의 온도를 20~25'C 정도가 되도록 유지하는 것이 바람직하다.
• 출력 필터 : 콘덴서와 리액터로 구성되며, 역변환 부에서 발생하는 고조파를 최소화하는 기능으로 제작한다. 또한 출력 부하에서 발생하는 역류 고조파를 최소로 줄이기 위한 여과 기능이 내장되어 있다.

동작 방식

온라인 유피에스

유피에스의 일반적인 방식으로 정상적인 상용전원 인입 시에도 인버터를 통해 노이즈를 제거한 양질의 전원을 공급하는 방식이다. 대용량화가 용이하고 부하가 요구하는 특성을 충분히 맞추어 줄 수 있기 때문에 일반적으로 이 방식을 많이 사용한다.

• 동작 원리

1. 전원(AC) → 정류기(DC) → 인버터(AC)로 이중 변환을 하여 평상시에도 항상 인버터를 통하여 전원이 공급된다. 정류기와 인버터에서 변환할 때 노이즈를 제거하기 때문에 양질의 전원을 공급한다.
2. 입력 전원이 인가되어 정류기를 통과하면 인버터에 DC 전원을 공급하고 배터리에 전원을 공급하여 충전시킨다.
3. DC 전원을 공급받은 인버터는 스위칭 동작을 해서 필터를 통해 정현파를 만들어 부하에 전원을 공급한다.

• 장점

1. 이중 변환으로 고조파, 서지(surge), 노이즈 등 많은 잡음을 없앨 수 있다.
2. 응답 속도가 빠르다.
3. 주파수 변동이 없다.
4. 입력과 관계없이 안정적인 전원을 공급할 수 있고 전기적 특성이 좋다.

• 단점

1. 효율이 70~90% 수준으로 오프라인 방식보다 낮다.
2. 외형과 중량이 크기 때문에 가격이 비싸다.

오프라인 유피에스

정상적인 상용 전원 인입 시에는 부하에 직접 공급하고 있다가 이상 발생 시 배터리 인버터 부의 전원을 부하에 공급하는 방식이다.

• 장점

1. 정상 상태에서는 인버터를 거치지 않기 때문에 90% 이상으로 효율이 높다.
2. 온라인 방식보다 가격이 싸다.
3. 회로 구성이 간단하여 내구성이 좋다.
4. 소형화가 가능하고 전자파 발생이 적다.

• 단점

1. 응답 속도가 느려서 순간 정전 시 일시적인 전원의 끊어짐이 있다.
2. 입력의 변화에 따라 출력이 변한다.
3. 전원 잡음을 차단할 수 없어 정밀기기 사용에는 불가 하다.

라인-인터렉티브(Line-interactive) 유피에스

정상적인 상태에서는 필터를 지나서 부하에 전원을 공급하고 이상 상태에서는 배터리를 통해 전원 공급하는 방식이다.

• 동작 원리

1. 상용전원 공급 시에는 인버터 모듈 내 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 통해서 풀 브리지 정류 방식으로 충전한다.
2. 정전 시에는 인버터 동작으로 출력 전압을 공급합니다. 오프라인 방식과 동일하다.
3. 자동 전압 조정기 기능이 있어 5~10% 전압 조정이 가능하다.

• 장점

1. 온라인 방식보다 가격이 싸다.
2. 효율이 높다.

• 단점

1. 과충전의 우려가 있다.

방식 특성 비교

파일:방식특성비교.png

방식특성비교

사용 목적

• 교류전원을 끊어짐 없이 사용하고자 하는 경우 : 전산 시스템을 사용하고자 할 때는 전산기기의 순간적인 정전이나 입력 전원의 정전 시에 자료를 보호하기 위해 필요하다. 공장 자동화 시스템에 사용할 때는 순간적인 정전에 막대한 손실을 보는 회사나 공장 등에 필요하다.
• 입력 전원의 장애로 인해 직접적인 전원 사용이 어려운 경우 : 입전되는 전원 자체가 불안정한 회사나 공장에서 낙뢰나 기타 전원에 불안정한 장비의 사용으로 전원 환경이 열악한 상태일 때이다. 주위에 노이즈 발생이 많은 장비를 사용하는 회사나 공장일 경우이다. 전력의 사용량이 많은 전기설비를 가동하다가 공장 휴식(점심시간, 저녁 시간, 야간 등)으로 인해 전압이 갑자기 급상승하는 회사나 공장인 경우이다.
• 교류전원에서 정확한 주파수를 사용하는 경우 : 정전 압정 주파 수(CVCF)장비를 사용해 주파수를 50Hz나 60Hz를 맞추어 제어나 시간이 필요한 장비나 계측기가 있다.
• 교류 입력이 없는 곳이나 상태에서 사용하고자 하는 경우 : 이동하면서 교류전원을 사용할 때 은행으로 예를 들면 차량을 이용하여 현금 입출금을 전산장비로 처리한다. 장시간(8시간 이상) 동안 입력이 없는 상태에서 교류전원을 사용하는 경우에는 은행 등 장시간 동안 전기가 입전되지 않은 상태에서도 현금인출기처럼 비상 전원을 필요로 하는 경우가 있다.

참고자료

• 일인기업, 〈UPS-무정전 전원공급장치〉, 《네이버 블로그》, 2004-06-10
• 미래하이텍, 〈UPS의 정의〉, 《미래하이텍》
• 공부하는 Moon's Blog, 〈USP 동작 방식 (On-line, Off-line, Line-interactive)〉, 《티스토리》, 2020-04-05

같이 보기

• 인터넷데이터센터
• 전산실
• 항온항습기
• 부대시설
• 배터리

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