UPS(무정전 전원공급장치)란 무엇인가?

[들국화]

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UPS(Uninterruptible Power Supply)는 무정전전원장치입니다.

----- 기본적인 회로 구성은

입력(한국전력 전원: 교류 220VAC) - 정류부"콘버터"(교류 220VAC을 직류100VDC-300VDC 로 변환:배터리충전도 겸함) - Inverter(인버터:직류를 교류로 변환) - 출력(전압변동과 주파수 변동없는 양질의 220VAC 교류전원)

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무정전전원장치(Unintrruptible Power Supply System)란 말 그대로 정전이 존재하지 않는 전원공급장치이다.
무정전전원장치는 산업이 발전 하면서 데이타의 손실이나 정보의 손실등의 피해를 줄이고자 만들어진 장치이며 컴퓨터를 많이 사용하면서 부터 UPS의 시장성이나 변천 발전상은 날로 변화하여 전력전자회로 분야에서 여러가지 많은 발전을 가져오는 계기를 제공하고 있는 실정이다.
간략하게 UPS의 변천과정을 살펴보면 UPS는 1950년경에 등장하여 1960년에 디바이스 소자들이 등장하여 반도체 전력변환장치에 의한 정지형 UPS가 등장했다. 정지형 UPS는 사이리스터라는 소자에 의해 인버터로 시작되어 고속 사이리스터, 역도통 사이리스터등 다바이스의 고성능, 고기능화에 의하여 인버터의 특성, 방식, 소형, 경량화가 되었다. 1980년대에 들어서서는 바이폴라 파워 트랜지스터으 대용량화, GTO(턴오프 사이리스터),FET, IGBT등이 적용되며 스위칭 주파수의 고주파수화(20KHz)가 이루어져서 소음부분도 크게 개선이 되었다.

무정전전원 장치는 상용시에는 한전전원이 축전지에 전원을 저장하여 두고 정전이나 입력측에 문제 발생시에 축전지에 저장되어 있든 전원소스를 이용하여 부하에 양질의 안전한 전원을 공급하는 장치이다.

그러면 UPS에 대한 구성 부분을 알아보자
1. UPS는 ON-LINE 방식과 OFF-LINE 방식 LINE 인터랙티브 방식이 존재한다.

1) ON-LINE 방식 : 상시 인버터 방식이라고도 하며 상용전원을 컨버터 회로에 의해 직류전원으로 변환하고 변환된 직류전원은 축전지를 충전 회로를 통해 충전하며 인버터 회로를 통해 다시 교류전원으로 변환해 출력으로 보내는 방식이다.
이렇게 항상 인버터 회로를 경유해서 출력을 보내기 떄문에 출력은 안정되며 높은 정밀도를 가진다.

2) OFF-LINE 방식 : 한전전원을 상용전원이라고 명명하는데 상용전원을 그대로 출력으로 내보내며 축전지는 충전 회로를 통해 충전한다. 정전 발생시에는 인버터 회로를 구동시켜 축전지에 저장되어 있는 전원소스를 이용 출력으로 보내는데 이때 출력측에 있는 절체반(ATS나 RELAY)이 인버터쪽으로 전환되는데 절환 TIME(10mS정도) 이 발생된다.
이 방식에서는 ON-LINE 방식과는 다르게 입력측의 상용전원이 정전검출 레벨이하로 내려가지 않으면 그때 까지의 변동된 전원이 부하측인 출력으로 공급되어 출력에 영향을 줄수 있다는 단점이 있다.

3) LINE 인터랙티브 방식 : 이 방식은 축전지와 인버터부분이 항상 접속되어 서로 전력을 변환하고 있다. 또한 상용전원부분도 같이 연계되어 있으면서 상용전원측의 정전검출 레벨 이하일때 입력단의 절체반을 OFF하여 극히 짧은 시간에 축전지의 전원을 이용할 수 가 있다.

2. UPS의 구성요소
1) INPUT FILTER부
2) 정류부(CONVERTER)
3) 인버터부(INVERTER)
4) OUTPUT FILTER부
5) 축전지
6) STATIC SWITCH부
7) 비상바이패스부

1) INPUT FILTER부
이 부분은 UPS의 최종 전단에 위치하고 있으면서 입력측으로 들어오는 나쁜 부분이나 UPS에서 입력측으로 나오는 역류고조파부분을 없에는 장치 부분 이라고 생각하면된다. 소용량 UPS에서는 바리스터나 캐패시터등으로 구성하여 만들기도 하고 대용량에서는 특정 고조파용 FILTER를 설계하여 부착하기도 한다.
또한 EMI FILTER라는 시중품을 부착하기도 하고 ACTIVE FILTER라는 부분을 부착하는 경우도 있다.
SCR로 구성할때는 6펄스 방식이니 12펄스 방식이니 하며 특성에 따라 구매자가 요구하는 경향이 있다.

2) 정류부(CONVERTET부)
이곳에서는 입력을 통해 들어온 상용전원인 교류전원을 직류전원으로 변환(AC/DC) 하는 장치이다.
UPS를 말하면 전반적으로 이중변환방식(DOUBLE CONVERSION)을 말하는데 이 부분을 구성하는 소자로는 다이오드, SCR, IGBT등이 있다. 다이오드는 주로 소용량에 사용되며 SCR은 전반적인 UPS에 적용되는 소자이며 IGBT는 고 역률을 가질수 있게 하는 소자로 아직까지 보급이 많이 되지는 않았지만 향후 고 역률이나 교효율울 가지는 제품을 선호하는 경향이라 보급이 빠르게 늘고 있는 실정이다.
이 부분에 사용되는 소자들에 의해 축전지의 충전전압에 미치는 리플값이 좌우된다.
회로방식으로 살펴보면 위에서 언급한 소자들에 따라 다이오드 정류기, 사이리스터 정류기 초퍼제어형,PWM제어형, SMR 컨버터등이 있다.

3) 인버터부(INVERTER부)
인버터부는 정류부에서 교류가 직류로 바뀌어 인버터부로 오면 다시 변환하여 직류를 교류로(DC/AC) 변환시키는 장치이다.
인버터를 구성하는 소자로는 FET 및 파워 TR, IGBT등이 있으며 소자를 구동하는 방식에서는 PWM 및 PAM방식이 있다. 소자들에 대한 설명이나 PWM, PAM등에 대한 설명은 차후 설명하는 것으로 한다.

4) OUTPUT FILTER부
출력측의 FILTER부는 인버터 후단에 들어가는 FILTER로 인버터에서 변환된 AC전원이 양질의 SINE파가 되기 위해서는 AC REACTOR와 캐패시터가 취부되어야 완벽한 AC 전원으로 변환이 이루어진다.

5) 축전지(BATTERY)
축전지는 UPS를 구성하는 주요부분으로 상용전원이 정전시 없어서는 안되는 부분이다. 축전지는 종류가 많아 설명을 다 하기는 어렵지만 일반적으로 사용하는 축전지는 무보수밀폐형의 연축전지나 장수명 밀폐형 축전지가 사영되고 특수 PLANT나 중요한 부하에서는 NI-CD 축전지가 사용이 된다. 축전지는 수명이 보통 3년에서 10년 까지가 있고 NI-CD같은것은 15년 까지도 보증을 한다.
요사이는 환경과 직결하여 NI-수소 축전지도 시판이 되어 사용중에 있다.
축전지를 선정할때에는 축전지의 종류와 장비의 BACK-UP시간이 우선되어야 하는데 보통 30분을 기준으로 60분이나 최대 3시간 까지도 선정하기도 한다. 그러나 공간 문제가 발생하므로 설치 면적도 고려가 되어야 한다.

6) STATIC SWITCH부
이 부분은 인버터 후단과 바이패스 부분을 담당하여 서로 인터록이 되게 구성을 한다. 소자로는 인버터 부분은 MS(전자 접촉기) 바이패스 부분은 SCR로 이루어 진다. 또한 일부분은 인버터 부분도 SCR로 구성되는 제품도 있다.
이 부분은 동작은 초기 전원 투입시 상용전원이 바이패스 회로를 통해 출력으로 전원이 공급되고 인버터를 기동하면 인버터 부분이 정상적으로 기동되면 인버터 후단의 접촉기가 ON되고 바이퍄스 부분의 스위치가 OFF되는 식으로 운전된다.
인버터 부분이 비 정상적이거나 이상 발생시에는 인버터 부분이 OFF되고 바이패스 부분이 ON된다. 두 부분이 동시에 투입되면 파손의 위험이 있다.

7) 비상바이패스부
이 부분은 장비에 어떤 문제가 발생 되었을때 출력측으로 전원이 공급되지 않을시 출력측으로 전원을 공급할수 있는 비상 전원 공급용 스위치 부분이다.
대부분 이곳의 소자는 MCCB가 사용이 된다.

이외에도 부분적으로 살펴보면 축전지 충전용 충전장치(BATTERY CHARGER)부분도 있다.