UPS란 무엇인가?

UPS란 무엇인가? 1. 개요 UPS는 무정전 전원공급 시스템(UNINTERRUPTIBLE POWER SYSTEM)의 약자이다. 이 UPS를 전원 공급 장치(POWER SUPPLY)와 혼동해서는 안된다. UPS는 틸리티 전원 공급에 이상이 발생할 경우 계속해서 전원을 공급해 주는 외 부 시스템이며, 전원공급 장치는 마이크로컴퓨터의 내부에 설치되어 유틸리티의 교류 전원을 직류 전원으로 변 환시켜 주는 시스템 내부의 조립 부품이다. 즉 전원 공급 장치는 마이크로 컴퓨터의 논리회로가 에너지를 사 용 가능한 에지로 활성화 시키는데 필요한 장치이다. 좀 복잡한 문제인데, 모든 UPS가 전원 공급 단절을 완벽하게 보호하지는 못한다. 이런 유니트들은 UPS(STAND- BY POWER SYSTEM)라고 부르는 것이 더 정확한 표현이 될 것이다. 몇 가지 유니트에서는 무정전형 설계이면서 도 동시에 대기형(STAND-BY) 방식으로 작동한다. 용어상의 이러한 복잡한 문제는 마이크로 컴퓨터 자체와 관련 이 있다. 마이크로 컴퓨터는 라이드-스루(RIDE-THROUGH)라는 것이 있다. 이는 전원공급 장치가 외부로 부터 전기를 공 급받지 않고 저장된 에너지를 컴퓨터의 논리 회로에 전달하는데 걸리는 시간의 총합을 가르킨다. 이 저장 에너 지는 전원공급 장치의 구성요소와 직접 관련이 있는데, 특히 필터 커페시터(FILTER CAPACITOR)의 크기와 성능 이 저장 에너지의 커다란 변수로 작용한다. 마이크로 컴퓨터의 라이드-스루는 보통 20ms에서 40ms에 이른다. 이 수치는 전기적인 영역에서는 매우 긴 시간이다. 물론 몇몇 UPS들은 매우 짧은 시간의 전압 하락에도 커다 란 영향을 받지 않게끔 설계된 것들이 있다. 마이크로 컴퓨터의 라이드-스루가 길면 길수록, SPS의 필요성은 그만큼 커진다.  유틸리티 전원의 입력은 정 상 조건 하에서는 마이크로 컴퓨터로 직접 공급된다. 그러나 유틸리티 전원에 이상이 발생하면, 전송 (TRANSFER) 스위치가 이상 현상을 감지하여 변환 장치(INVERTER)를 작동시킨다. 이 인버터가 밧데리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환시켜 마이크로 컴퓨터에 공급함으로써 작업을 유지시킨 다. 유틸리티 전원이 다 시 정상으로 복구되면, 전송 스위치는 마이크로 컴퓨터를 유틸리티 전원을 재연결 시키게 된다. 이러한 원리 때문에 이 시스템을 대기형이라고 부른다. 즉 인버터가 전기적 이상의 발생에 대비하여 대기하고 있다는데서 SPS라는 명칭이 불여 졌다. 2. 무정전 전원공급 장치(UPS) ON-LINE UPS는 정류기/충전기가 유틸리티 전원을 교류에서 직류로 변황 시켜 준다.또한 정류기와 충전기가 하 나로 연결되어 있어서 전원을 직류로 변환시키는 동시에 밧테리를 충전시킨다. 밧테리는 DC BUS에 연결되어 있 는데 DC BUS 는 일종에 CONDUCTOR로 정류기 충전기와 인버터를 연결시켜 주고 있다. 밧테리에 충전을 할 필요가 있을때 밧테리는 DC BUS에서 전원을 끌어낸다. 반면에 DC BUS의 전압 수준이 밧테 리 부동전압 이하로 떨어지게 되면 밧테리는 전기 에너지를 BUS에 되돌려 보내게 된다. DC BUS 를 통해서 유도된 에너지로 인버터 전원을 공급하게 되고 그 다음 인버터는 전원을 마이크로 컴퓨터에 전달 된다. 이러한 피드백으로 시스템이 언제나 온-라인 상태를 유지하게 된다. 즉 필요한 경우 교류-직류-교류 변환이 일어 난다. UPS 설계가 대기형 보다 유리한 점은 유티리티 전원에 이상 이 생겼을 경우에 스위칭 없어도 필요한 조치가 일루어 진다는 점이다. 인버터 전원을 언제나 부하 (마이크로 컴퓨터)에 공급하고 있으므로 마이크로 컴퓨터는 전원의 중단 현상을 볼 수 없다. 이러한 특성이 가격에 그대로 반영 된다. 즉 UPS의 구성요소들이 항상 작동해야 하므로 각 구성 요소들의 성 능 및 내구성이 우수해야 하고 크기면에서도 상대적으로 커질 수 밖에 없다.이런 이유로 온-라인 UPS의 설계비 용이 대기형 보다 2배 이상 비사게 된다. 3. FERRORESONANT TRANSFORMER(페로레소난트 트랜스포머) 개발된지 몇 년이 되는 또하나의 설계 방식으로 철공진식 변압기가 있는데 에너지를 수십 mS동안 저장할 수 있 는 독특한 성능을 갖추고 있다. 이 설계는 인버터를 작동 시키는데 걸리는 시간을 변압기의 RIDE-THROUGH 로 해결하고 있다.그러므로 마이크 로 컴퓨터는 스위칭이 일어나지 않았을 때와 마찬가지로 어떠한 단절 현상없이 작업을 계속하게 된다. 설계비용은 대기형의 기본 비용에 철공진식 변압기의 가격만 추가시키면 된다. 동시에 전원 조절(POWER CONDITIONING)면에서 추가 되는 요소가 있다.가격면에서 온-라인 시스템과 비슷한게 몇몇 있기는 하지만 온-라 인 시스템보다 비싸지 않는게 대부분을 이루고 있다. 4. UPS의 주요 특성 대기형 UPS 를 구입하려 할 때 고려해야 할 사항들이 많긴 하지만 그중 첫번째가 SWITCHING TIME 이다. 대기형 의 중요성은 마이크로 컴퓨터 내부의 라이드 스루가 꺼지기 전에 인버터를 작동시켜 전기적 부하에 무리없이 전원을 공급하는데 있다. 스위칭 시간은 전기적 이상시간을 감지하여 스위칭 프로세서를 완성시키는데 걸리는 시간을 포함하여 대체로 4mS 에서 10mS에 이른다. 대기형은 내부에 전송점을 고정 시킴으로 스위칭 과정을 처리한다. 즉 유틸리티 전압을 120V 로 미리 정해 놓 고 그 전압 수준 이하로 떨어지면 UPS는 스위칭 프로세서를 시작한다. 이러한 조작 과정으로 전압이 아주 위험 한 수준으로 떨어 지기전에 마이크로 컴퓨터는 밧테리를 사용하여 전압을 정상 수준으로 끌어 올릴 수 있게 된 다. 또 전송점(TRANSFER POINT)을 조정할 수 있다는 것도 특징 중의 하나이다. 대부분의 마이크로 컴퓨터에 내장되 어 있는 스위칭 방식의 전원 공급 장치는 활동 전압 범위(WORKING VOLTAGE WINDOW)가 있다. 이저압 범위는 대략 80V에서 140V에 이를정도로 그 범위가 넓기때문에 보통의 상태에서는 전압조정이 필요하 지 않다. 한편 사용자의 작업장이 있는 지역에 정전이나 저전압 상태가 빈번하게 일어날 경우라 할지라도 전송점을 낮 게 즉 90V 정도로 잡아 불필요하게 밧테리로 전송시키는 과정을 기록치 않을 수 있다. UPS 구입시 고려해야 할 또하나의 과정으로는 자기 이력(HYSTERI SIS)이라 부르는 전송점의 확장을 들 수 있 다. 재전송점(RETRANSFER POINT) 즉 유티리티 전원이 복구되어 UPS가 밧테리로 부터의 전원 수급을 중단할 때 의 전압을 말하는데 이 전송 전압보다 높아 질 경우 유틸리티 전압이 전송점 부근에서 불안정한 상태를 형성하 여 밧테리로의 연결 및 단절이 불규칙하게 일어난다. 히스테리시스는 이러한 현상을 방지해 준다. 히스테리시스 창의 범위는 대체적으로 102V에서 107V 정도이다. UPS가 재전송을 할 때 인버터의 출력과정이 입력되는 유틸리티 전원의 위상(PHASE)과 일치되기 위해서 회전 되 어야 하는데 이것을 동기화(SYNCRONIZING) 또는 위상일치(PHASE MACHING)라 부르는데 두개의 파형이 동일 위상 에 있으면 재전송이 일어날 때 간극이 발생하지 않는다. 사실상 마이크로 컴퓨터가 정전으로 간주할 만큼 지속되는 파형 간이 간극이 없는 편이다. 그러나 동기화나 위 상일치와 같은 특성을 추가 시키므로서 UPS의 성능에 완비를 기할 수 있다. 밧테리 전압이 낮아 졌을 때 기능을 중단케 하는 저 밧테리 셧 오프(LOW BATTERY SHUT OFF) 즉 종지 전압에서 SHUT-DOWN 을 고려해야 할 또 하나의 특성이다. 정전이 발생하면 밧테리가 부하에 전원을 공급 하는데 이때 밧 테리에 저장되어 있던 에너지가 천천히 방출된다. 그러나 한편으로 전기적 현상이 오래 지속 된다면 이러한 전기 에너지의 방출은 매우 심각한 것이어서 밧테리 각셀(CELL) 전압 수준이 급격히 떨어지기 시작한다. 그결과 한계전압(종지전압 ;END VOLTAGE)에서도 방전이 계 속되면 CELL에 영구적인 손상이 가해진다. 밧테리의 셀 수명을 늘리기 위해 반드시 UPS는 밧테리 셀이 손상을 입기 전에 인버터 작동을 중단시켜야 한 다. 실제적으로 종지 전압의 특서이 없어도 UPS는 웬만한 정도의 긴정전은 감당해 낼 수 있다. 그러나 가장 바 람직한 조치는 셀 손상이 일어나기 전에 마이크로 컴퓨터와 UPS를 정지 시키는 것이다. 5. 파형 (WAVEFORM) 유틸리티 전원의 정현파는 대체로 완벽한 편이다. 그러나 대부분의 UPS는 그러한 정현파를 만들어 내지 않고 있는 실정이다. 그것은 비용과 크기의 문제 때문이라고 생각할 수 있지만 요즈음은 고주파 PWM으로 인버터를 동작시켜 정현파를 거의 완벽하게 만들어 낸다. 인버터는 기본적으로 매우 빠르게 작동하는 스위치 이다. 정현파를 만들어 내려면 일련의 순간 펄스(PULSE)로 정현파를 만들어 내는 스위칭 방법을 고안해야 한다. 즉 스위칭 장치가 필터 역활을 하므로서 유틸리티 전원 의 정현파에 유사하게 만들어 낼 수 있다. 인버터가 스위칭 프로세서를 하는 동안 고주파의 전기적 노이즈가 많이 발생하게 된다. 정현파를 만들어 내면 서 생기는 이러한 노이즈는 필터링 (FILTERING) 프로세서로 없어지게 할 수 있다. 반면 정방형 파에 있어서는 마이크로 컴퓨터를 실행시키는 전원을 만드는데 있어서 위와 같은 필터링 과정은 필요하지 않다. 그러나 UPS의 출력에 인버터의 노이즈가 발생할 의율이 훨씬 커진다. 정방형파의 주파수는 정현파의 기본 주파 수인 60HZ 와 다르다. 정방형파의 윗부분(SHULDER)에는 기본주파수인 60HZ 신호에서 홀수 번째마다 반복되는 조파(HARMONIC)가 나타난다.이러한 현상 때문에 UPS 제조 업체들은 인버터의 비싸인파로 부터 노이즈를 제거하 는데 세심한 주의를 기울어야 한다. 만일 이 문제를 해결하게 되면 비 싸인파를 만들어 내는 UPS라 해서 굳이 외면할 이유가 없다. 요컨대 사인파 유니트는 대체적으로 간섭 현상을 적게 만들어 내나 그 대신 설계 비용이 적게 든다. 6. 전원 조절 (POWER CONDITIONING) 손상을 입은 충격 펄스(IMPULSE)나 스파이크(SPIKE)는 두 가지 모드로 분류된다. 하나는 NORMAL MODE 이고 다 른 하나는 COMMON-MODE 이다. 노말-모드 상의 사고는 검은색 전선과 흰색 전선 사이에서 측정되고 콤몬-모드 상의 사고는 흰색 전선과 그라운드 사이에서 측정된다.크기가 매우큰 노말-모드의 스파이크는 거의 언제나 마 이크로 컴퓨터의 전원공급장치에 영향을 미친다. 그러나 불과 몇십 볼트 정도의 콤몬-모드의 스파이크는 논리 회로를 일시 중단시키거나 마이크로 컴퓨터에 경미한 에러를 야기 시키는 정도이다. SURGE SUPPRESSOR 는 노말-모드 스파이크에 대한 방지기능이 우수하기는 하나 그 자동 원리가 잘라 내는 방식 (ELIPPING ACTION)이기 때문에 자칫 더 큰 콤몬-모드 스파이크를 발생시킬 우려가 있다. 대부분의 UPS는 SURGE PROTECTOR 를 내장하고 있다. 전문가들도 OFF-LINE UPS를 전원 조절기로서 적절하지 않 다는데 일치된 견해를 가지고 있다. 사실 제조업체들이 그들 제품의 서지-제어 기능을 과장표시하고 있는 실정 이다. SPS는 백업 전원이라는 점에서만 확실하게 믿을 만한 유니트이다. ON-LINE UPS가 우수한 전원 조절 기능을 강조하고 잇는데 ON-LINE UPS의 겨우도 노말-모드 상의 사고에서만 그 기능을 발휘할 뿐이다. ON-LINE UPS의 설계는 이중 변환처리 (DOUBLE CONVERSION PROCESS)를 함으로서 공급 전원과 NEUTRAL 간에 발생 하는 높은 에너지의 충격펄스를(IMPULSE) 제어 한다.그러나 ON-LINE UPS도 콤몬-모드의 충격펄스가 감응도가 높은 기기에 미치는 손상을 방지하지 못한다. 실제적으로 UPS와 SPS 모두 콤몬 모-드 에서 적지 않은 노이즈를 발생시킨다. 그 결과 UPS는 전원을 조절하기 는 커녕 새로운 문제를 야기시킨다. 변압기가 (TRANSFORMER) 이문제를 해결해 준다. TRANSFORMER는 NEUTRAL과 GROUND 를 결합시키므로써 노이즈를 줄이고 있다. 변압기는 노멀-모드 상의 사고를 방지할 수 있는 우수한 설계에 있어서 공급 전원을 훌륭하게 조절한다. 이러 한 특성 때문에 SPS와 철공진 변압기를 결합시킨 유니트가 시장에서 호평을 받고 있다. 한편 이러한 유사한 특 성을 사리기 위해 SPS에 플러그를 끼워 사용할 수 있는 전원 조절 장치도 있다.     (주)대광전기이앤티  기술부