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.

무정전 전원 공급 장치에는 배터리가 항상 내장되어있으며 정전될 때에는 즉시 배터리를 통해 직류를 교류로 바꾸어서 출력에 일반적인 교류를 공급하는 장치이다. 사용 용도는 주로 컴퓨터에 가장 많이 사용한다. 금융계통의 주 전산실 등에도 사용되어 정전되더라도 실생활에서 출금 입금 등을 자유롭게 할 수가 있다. 그만큼 중요한 장비이다.

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.

장점

모든 요구 사항 및 애플리케이션을 위한 UPS 솔루션

산업 분야, 빌딩 자동화 또는 엔지니어링뿐만 아니라 AC 및 DC 부하 공급에 사용한다.

공간 절약

전원 공급 장치 또는 에너지 저장 장치가 통합된 플러그 앤드 플레이 솔루션이다.

모듈형 시스템을 사용한 유연성

최대 40A의 부하 전류 및 수 시간 동안 지속하는 버퍼 시간을 가진다.

에너지 함유량의 완전한 사용

가능한 오랫동안 프로세스와 애플리케이션에 지속적 공급한다.

동작 방식

온라인(On-line) 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(Off-line) 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 공급한다. 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.

방식별 특성 비교 표

구분	온라인	오프라인	라인-인터렉티브
효율	낮음 (70~90%)	높음 (90% 이상)	높음 (90% 이상)
신뢰도	높음	낮음	중간
절체시간	4ms 이하 무순단	10ms 이하	10ms 이하
입력 변동에 따른 출력 변동	무변동	변동	약 5~10% 전압 자동 조정
전원 잡음 차단	완전 차단	차단 못함	부분적 차단
주파수 변동	없음	변동	변동
가격	고가	저가	중간

운전 상태

정상 운전 시

상용 또는 예비전원을 받는 순변환부 및 충전기 부는 교류를 직류로 변환 시켜 배터리를 충전시키는 동시에 역변환 부에 직류 전원을 공급하며 역변환 부는 정전압, 정주파수의 안정된 교류전원으로 변환 시켜 부하 장비에 공급한다.

정전 운전 시

상용 전원이 정전되면 평상시 충전 장치에 의해 충전되었던 배터리에서 무순단으로 역변환 부에 직류전력이 공급되어 방전 시간 동안 무순단 무장애로 양질의 교류전원을 부하 장비에 공급한다.

정전 복구 시

운전 차단 돼 있던 상용 전원이 다시 순변환부 및 충전부에 공급되면 배터리의 방전이 자동으로 멈추고 상용전원은 순변환부를 거쳐 역변환 부를 통해 무순단으로 부하에 전력을 공급하게 되고 충전 장치는 방전된 배터리를 재충전시킨다.

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.

필요성

당장 자신의 집에 있는 전기를 사용하는 물건이 수시로 알 수 없는 고장이 나서 교체하는 현상을 겪었다면 접지 공사와 함께 유피에스를 사는 것이 바람직하다. 물론 용량 대비 현실적인지 계산하고 사야 하지만 이미 고가 오디오나 비디오 장비를 소유한 사람들은 유피에스의 중요성에 대해 익히 알고 있는 상태다. 참고로 유피에스에는 일정한 수준의 자동전압 조정기(Automatic Voltage Regulator)가 장착되어 있다. 전압이 튀던지 할 때 어느 정도 보정은 해주지만, 순간적인 고전압 등에 대한 보정은 취약한 편이다. 고가의 기기에 대한 제대로 된 전압관리를 위해서는 별도의 AVR을 쓰는 것을 추천한다. 그리고 또 하나. 고전압, 고 전류량을 사용하는 물건을 집에 들이지 않는 것이 중요하다. 예를 들어서 대용량의 산업용 용접기를 가정집에 연결해서 몇 번 용접작업을 할 경우, 주변의 컴퓨터와 TV 등이 순식간에 고장 나는 경험을 하게 된다. 고주파에 의한 기기 손상이다. 만약 대용량의 전력을 필요로 하고 이게 주변에 영향을 미친다면 아예 공사업체에 연락해서 공사비를 지불하고 새로 라인을 증설하는 것이 좋다. 아예 한전에 연락해서 계량기까지 따로 설치해서 쓸 수도 있다.

고장 원인 및 대책

평상시 잘 사용하다가 정전 시 같이 정전된다.

• 내장 배터리가 불량이다.

1. 수명이 다 된 경우에는 유피에스에 아무것도 연결하지 않고 정전시키면 꺼진다.
2. 충전이 안 되어 있는 경우에는 유피에스를 약 12시간 정도 켜놓았다가 정전 시켜 본다.(12시간이면 충전된다)
3. 배터리 불량인 경우에는 서비스 의뢰를 한다.

• 바이패스 상태에서 사용 중이었다.

1. 인버터를 기동하지 않은 상태에서 상용 전원으로 사용 중에 정전되면 꺼진다.
2. 인버터로 기동해도 동작을 하지 않을 때 장비 고장으로 서비스 의뢰를 한다.
3. 인버터로 기동을 하는데 절체가 되지 않으면 주로 동기 상태 이상이다. 입력전원이 심하게 찌그러져 있다면 동기 절체가 되지 않는다.

모니터나 본체를 켤 때만 삐 하는 경보음 동작을 한다.

• 모니터 등의 순간 과전류로 인하여 과전류 경보가 동작하는 경우: 21인치 이상 큰 것일수록 심하고 유피에스의 용량을 키우거나 바이패스 사용 상태에서 모니터를 켜고 인버터를 기동하는 방법이 있다.

정전 시 저장 시키기도 전에 꺼진다.

• 사용용량을 초과하여 사용하고 있을 때가 있으니 필요한 기기만 연결하여 사용하는 것을 권장한다.
• 충전이 부족한 상태에서 정전이 되었다.

1. 정전이 자주 되어 충전이 완전히 되어있지 않은 상태인 경우이다.
2. 유피에스를 꺼놓았다가 다시 사용하는 경우엔 충전이 되지 않은 상태이다.
3. 내부의 충전 부위가 고장일 때 서비스 의뢰를 한다.

• 배터리 불량인 경우

유피에스를 설치한 후에 모니터 화면이 심하게 떨린다.

• 유피에스 본체가 모니터와 너무 가깝게 설치되어 있을 때 노이즈 발생원인 때문이므로 약 1.5m 이상 거리를 둔다.
• 전압이 너무 높거나 낮게 설정되어 있을 경우 서비스를 의뢰하여 전압을 조정 한다.

인버터를 기동한 후 절체 순간에 전산 장비가 재부팅된다.

• 오프라인 방식인 경우에 유피에스의 절체시간이 너무 길거나 전산 장비가 너무 예민하다. 주로 소용량인 경우 릴레이로 절체하는 경우가 있다. 이 경우는 유피에스를 온라인 타입으로 바꿔야 한다.
• 유피에스 내부의 절체용 반도체(소용량인 경우 주로 트라이액)가 소손되었다.
• 퓨즈(Fuse)가 소손되는 경우도 있는데 바이패스용 휴즈 및 바이패스 차단기를 확인한다.

정상적으로 사용 도중 경보음이 발생한다. 주로 정전 경보음이다.

• 입력전압이 허용치 이하이다. 주로 정격전압의 -10%일 때이다.
• 입력 바이패스용 퓨즈가 단선되었다. 이런 경우는 주로 절체용 트라이액도 소손되어 있는 경우가 많다.
• 장비 고장일 때는 서비스 의뢰를 한다.

유피에스나 연결되어 있는 전산 시스템의 케이스를 만지면 찌릿하게 전기가 온다.

• 유피에스나 전산장비가 누전되고 있다. 주로 유피에스 쪽의 입출력 배선을 자세히 확인한다. 주로 설치 시 단자대 연결상태가 좋지 못해 누전되는 경우가 많다.

1. 코드를 반대로 끼워본다. 이 때 Hot 선과 Neutral 선을 바꾼다. 유피에스와 연결 전산 장비 둘 다 해당한다.
2. 전압계가 있으면 케이스와 접지(창문틀이나 샤시등)의 전압이 220V 나오는지 확인하고 나오면 감전될 위험이 있기에 서비스 의뢰를 한다.
3. 전기실이나 변전실 기사가 누전 경보가 뜬다고 애기하면 상기 조치를 해본후 서비스를 의뢰한다.

• 유피에스가 접지가 되어있지 않은 경우일 때 배선을 클립에 연결하여 창문틀이나 샤시에 유피에스케이스를 접지시킨다. 닿는 순간 심한 스파크가 튀면 상기 가항의 두 번째의 증상이므로 서비스를 의뢰한다.

유피에스의 소음이 크다.

• 내부 방열용 팬 구동 소음인지 확인한다. 일정온도 이상인 경우에만 팬이 동작하는 장비도 있다. 또, 팬의 노후화나 고장인 경우 소음이 상당히 커지는 경우도 있다.
• 유피에스 케이스가 떨리면서 나는 소음인 경우도 있는데 상부를 지그시 눌러본다.
• 커졌다 작아지기를 반복할 땐 내부 고장인 경우나 과부하 상태인 경우가 있다. 서비스 의뢰를 한다.
• 장비의 노후화로 내부 트랜스(Trans)의 소음이다. 사용 기간이 지날수록 서서히 증가하는 경우가 많다.
• 찌 하는 초음파 같은 소음이 들린 때는 주로 인버터의 동작으로 인한 소음으로 별 방법이 없다. 별도로 장소를 옮기는 수밖에 없다.

정상적으로 사용 도중이나 모니터 켜는 순간, 처음 기동 순간, 인버터 기동 순간 퍽 하는 소리와 함께 유피에스가 다운되었다.

• 이런 증상은 동작 상태 불안정 등인 경우로 거의 유피에스 자체 결함이거나 노후화로 인한 경우이다.

1. 내부 메인 반도체(IGBT, 트랜스, FET)의 소손이다.
2. 전해 콘덴서의 파손인데 이 경우는 소리가 크며 유피에스 내부에서 연기가 발생하고 이물질이 사방에 튄다.
3. 기타 부품 기판(PCB) 내의 부품 소손일 수 있는데 서비스를 의뢰한다.

참고자료

• 일인기업, 〈UPS-무정전 전원공급장치〉, 《네이버 블로그》, 2004-06-10
• 김관현, 〈(스크랩) UPS-무정전전원공급장치〉, 《다음 블로그》, 2009-01-02
• 공부하는 Moon's Blog, 〈USP 동작 방식 (On-line, Off-line, Line-interactive)〉, 《티스토리》, 2020-04-05
• 무정전 전원 장치 나무위키 - https://namu.wiki/w/무정전%20전원%20장치
• 김관현, 〈UPS-무정전전원공급장치〉, 《다음 블로그》, 2009-01-02
• 피닉스컨택트 주식회사, 〈무정전 전원 공급 장치〉, 《피닉스컨택트 코리아》

같이 보기

• 인터넷데이터센터
• 전산실
• 항온항습기
• 부대시설
• 배터리

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