UPS 종류와 구성

 

출처 : http://www.upskorea.com/

 

UPS 종류와 구성

UPS 시장에는 다양한 설계 방식의 UPS가 나와 있습니다. 이들 중에서 주요 부하에 일정한 수준의 깨끗하고 안정된 전원을 공급하는 UPS를 선택하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 시스템의 구성이 아무리 복잡하더라도 모든 UPS를 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다. 하나는 온라인(On-line)이고, 다른 하나는 오프라인(Off-line)입니다. 정전 시 온라인 방식과 오프라인 방식의 UPS 시스템은 축전지 백업을 제공합니다. 그러나 온라인 UPS와 오프라인 UPS의 장점의 범위와 정도는 다릅니다. 1995년 7월에 주목을 끄는 시스템이 개발되었는데, PK Electronics의 고장허용 병렬운전 UPS 시스템이 그것입니다.

1. UPS의 기본 구성 요소

모든 무정전 전원 장치의 기본 구성 요소는 근본적으로 동일합니다.

  입력

  입력단은 UPS로 AC 전압을 공급합니다. 이러한 입력단은 결합되어 있거나    분리할 수 있는 전선, 혹은 배선된 단자일 수 있습니다. 소형 UPS의 입력     포인트와 바이패스 포인트는 결합되어 있지만 대형 UPS의 입력 단자와 바    이패스 단자는 분리되어 있습니다.

 필터

  여기서 말하는 필터는 일반적인 의미의 필터로써 서지 보호, EMC 필터링,    전기적인 노이즈 필터링을 포함합니다. 필터는 주파수 응답을 가지며, 모든    주파수를 동일한 양으로 감쇠하지 않습니다.

  인버터

  모든 UPS 구성에는 인버터가 있습니다. 가격이 낮은 UPS의 인버터는 구형    파 또는 계단파형의 출력을 제공하며, 보다 더 높은 전원을 제공하는 UPS    의 인버터는 정현파형의 출력을 제공하고, 이 경우 인버터의 가격이 더 높    습니다.

  축전지

  상용전원의 정전시 또는 입력전원이 낮을때 UPS의 가동을 유지하기 위해,    축전지가 필요합니다. 저용량의 UPS는 유지보수가 용이한 무보수 밀폐형     납 축전지를 사용하고, 대형 UPS 시스템은 장수명 또는 ES형 축전지를 사    용 합니다. 소형 UPS의 백업 시간은 통상 10분에서 15분 정도입니다.

  충전기

  전원 장애 후 축전지를 재충전하고 사용되지 않는 동안 완전한 충전 상태를    유지하기 위해 충전 회로가 필요합니다.

  스위치

  온라인 UPS에서 자동 바이패스 회로의 일부로써 기계적 스위치나 Static     스위치가 사용 됩니다. 그리고 오프라인 UPS에서 전원 장애시 상용 전원으    로부터 인버터 전원으로 전환하기 위해 기계적 스위치가 사용됩니다.

  정류기

  진정한 온라인(true On-line) UPS인 복변환(double conversion) UPS에는    인버터와 정류기가 있습니다. 정류기는 변환의 한 단계(AC에서 DC로)이며,    인버터는 변환의 다른 단계(DC에서 AC로 다시)입니다. 오프라인 스위칭 소    자에 의해 단일 회로의 정류기 및 인버터 회로를 순방향(상용전원 사용시)               또는 역방향(전원 장애시-축전지모드)으로 변환 시킵니다.

  출력

  출력단은 UPS로 주요 부하가 연결되거나 접속되는 곳입니다. 국가 또는 국    제규격 (IEC 320)인 단일 아우렛(single outlet)이나, 다중 아우렛(multiple    outlet)이 사용될 수 있습니다. 보다 더 높은 전원 등급의 UPS에는 배선된    출력 단자(Terminal Block)이 사용 됩니다.

  통신

  UPS의 통신 능력은 매우 중요하므로 셧다운, 원격 제어/감시 소프트웨어를    사용하기도 합니다. 이제 UPS 제품에서 RS-232, TCP/IP, SNMP를 사용    하는 것은 매우 보편화 되었습니다.

  제어

  대부분의 UPS 시스템은 자동으로 운용되며, 경보음 기능과 단순한 제어/상    태 표시기능을 제공합니다. 대형 UPS 시스템은 아날로그 표시기능 보다 더    정교한 디지털 제어 및 표시기능을 지원합니다.

  A.V.R.

  자동 전압 조정기(Automativ Voltage Regulator=A.V.R.)를 가진 스탠바이    (Standby) UPS를 라인-인터액티브(Line Interactive) UPS라고 합니다.      A.V.R.은 전원 장애 동안 불안정한 전압을 안정된 전압으로 유지합니다.

  일반적으로 상용 전원 라인에서 전압 변화가 클 경우 더 좋은 A.V.R.이                 UPS에 대한 추가 장치로서 사용됩니다.

  변압기

  일반적으로 설치에서는 절연 변압기(XFMR)가 필요치 않지만 일부 UPS 설    계에서는 필수적입니다. 변압기가 추가되면 UPS의 중량, 크기, 비용이 올라    갑니다. 대부분의 UPS 회사들은 갈바니 절연(galvanic isolation)을 고객이    요구할 경우 변압기를 선택사양으로 제공하고 있습니다.

2. UPS의 기본 구성 요소 배치

거의 모든 UPS는 세 가지의 기본적인 블록으로 구성됩니다. 각 구성마다 낮은 가격, 더 좋은 노이즈 필터링, 더 높은 효율성, 전원 조절 등과 같은 장단점을 가지고 있습니다. UPS를 두 가지로 분류할 수 있는데, 온라인과 오프라인이 그것입니다. 설계 측면에서 온라인에 비해 오프라인이 더 복잡합니다.

3. 정의

온라인(On-Line)   : 부하 전류의 100%가 인버터에 의해 공급되는 UPS 입니다.

오프라인(Off-Line) : 부하 전류를 상용 전원으로부터 직접 받는 UPS 입니다.

정상 운전과 백업 운전 동안의 전원 흐름도를 통해 온라인 UPS와 오프라인 UPS의 차이점을 가장 잘 설명할 수 있습니다. ｢그림 1｣의 스탠바이 타입 오프라인 UPS에서 전원 흐름(power flow)이 입력, 필터, 스위치, 출력으로 이어지며, 이는 부하 장비를 본선으로 직접 연결하는 것과 크게 다르지 않다는 점에 주목하십시오.

｢그림 1｣ 정상/스탠바이 모드 오프라인 UPS

UPS가 축전지 백업 모드로 전환할 때 전원 흐름은 인버터로부터 공급됩니다. 이 때 전원은 축전지에 의해 공급됩니다(｢그림 2｣ 참조).

｢그림 2｣ 백업 모드 오프라인 UPS

전원 장애시 상용 전원에서 인버터로의 스위치 전환(switch-over)이 필요합니다.

Network 통신용 이외의 대부분 부하의 경우 4～8 msec의 스위치 전환(1/4～1/2 Hz 지연시간)은 문제가 되지 않습니다. 그러나 Network 통신 라인에서는 이와 같이 작은 지연시간에도 많은 양의 데이터 증발 현상을 가져올  수 있습니다.

정상 운전 동안 대부분의 스탠바이 UPS는 ｢그림 3｣에서와 같이 구형파 또는 계단파형의 출력을 가집니다. 컴퓨터를 포함하여 대부분의 부하는 이들 파형에서도 작동하지만 특수 장비나 구형 장비는 인버터로부터의 정현파 전압을 필요로 하며, 구형파 또는 계단파형 출력의 UPS에서는 제대로 작동하지 않을 수 있습니다.

｢그림 3｣ 구형파 또는 계단파형 UPS의 출력파형

정전 상황에서 몇 분, 몇 시간 동안 축전지 용량에 따라 스탠바이 UPS는 인버터로 전환하고 축전지를 사용할 것입니다.

온라인 UPS에서의 정상적인 전원 흐름은 입력, 필터, 정류기, 인버터, 스위치, 출력으로 이어지는 것입니다. 인버터는 부하로 전원을 계속 공급합니다. (부하에 계속 연결되어 있으면서 전원 동요 현상을 보이는 스탠바이 UPS와 비교하십시오.)

｢그림 4｣ 정상 시 온라인 UPS

｢그림 5｣에서와 같이 입력 전원 장애 시 인버터는 전원을 축전지로부터 공급받습니다. 축전지 백업 모드로 갈 때 스위치가 작동하지 않음에 유의하십시오.

｢그림 5｣ 정전 및 전원장애 시 온라인 UPS

온라인 UPS는 정현파(｢그림 6｣ 참조)를 가지며, 스탠바이 UPS에서와 같이 정상 모드에서 축전지 백업 모드로 전환할 때 파형은 변하지 않습니다. 정현파에서 작동하는 모든 부하는 정현파 출력의 정격 UPS를 사용해야만 합니다.

｢그림 6｣ On-Line UPS 출력파형

온라인 UPS는 세 번째 운전 모드(스탠바이 UPS가 가지지 않는)를 가집니다. ｢그림 7｣은 부하가 가동될 때 유입 전류가 높음으로써 UPS 출력 전압이 낮아지거나 UPS가 고장났을 때 유지보수를 위해 사용할 수 있는 바이패스 모드를 설명한 것입니다.

｢그림 7｣ 바이패스 모드 온라인 UPS

바이패스 모드에서 스위치가 동작되고 UPS가 정상이면 스위치는 인버터 전원으로 부하를 자동으로 돌릴 것입니다. 바이패스 모드에서의 필터링과 서지 억제는 정상 모드에서의 스탠바이 UPS가 제공하는 정도까지 나타납니다.

4. 라인-인터액티브 UPS

스탠바이 UPS의 개선된 특징은 정상적인 전원 경로에 탭 변경 변압기를 사용함으로써 전압 조정 기능을 도입한 것이었습니다. ｢그림 8｣은 라인-인터액티브 UPS입니다. 전압 조정기는 입력전압 변동 상황에서 도움이 됩니다. 그러나 탭이 변경될 때마다 축전지 전원을 사용하는 단점이 있습니다. 라인-인터액티브 UPS의 가격은 동 용량의 스탠바이 UPS보다 더 비쌀 것입니다. 그러나 더 뛰어난 자동전압조정 기능 이외에 정현파의 출력과 개선된 통신 기능(“Smart" 통신이라고도 함)을 제공합니다.

｢그림 8｣ 정상/스탠바이 모드 라인-인터액티브 UPS

백업 모드에서의 라인-인터액티브 UPS의 운전은 스탠바이 UPS와 동일합니다. 인버터는 기동하고, 스위치는 작동되며, 축전지가 사용됩니다.

그림 9는 라인-인터액티브 UPS에 사용된 단순한 자동전압조정기(A.V.R.)의 동작을 설명합니다. 저전원 설계에서 변압기는 두 개의 탭만을 가집니다. 보다 더 큰 전원 정격의 경우 네 개의 다른 전압을 제공하는 두 개의 릴레이가 사용됩니다. 탭 변경 시 출력 전압에서 스텝 변경이 발생할 때까지 출력 전압이 입력 전압을 추적하는 방법에 주목하십시오. 대부분의 부하는 이들 스텝 변경에 의해 전압에 영향을 받지 않습니다.

｢그림 9｣ 라인-인터액티브 단순 A.V.R.

5. 다른 오프라인 설계

본질적으로 오프라인 UPS 형태로 Ferro-resonant UPS와 Triport UPS가 있습니다.

Ferro-resonant UPS는 출력에서 로컬 유틸리티 전원 공급장치의 주파수에 따라 50Hz나 60Hz로 동조시키는 특수한 변압기를 사용합니다. 이 특수 변압기는 출력 전압을 조정하며, 전압 안정 장치의 역할을 수행합니다. 이 변압기의 추가 권선은 인버터 연결용으로 사용됩니다. 그리고 전원 장애 시 인버터가 가동되고 부하에 전원을 공급합니다.

｢그림 10｣은 정상 모드에서의 Ferro-resonant UPS를 보여줍니다.

｢그림 10｣ Ferro-Resonant UPS

Triport UPS는 본선과 지속적으로 상호작용한다는 점에서 “실질적인” 라인-인터액티브 UPS입니다.

｢그림 11｣ Triport UPS

｢그림 11｣에서 UPS 출력과 상용전원 사이에 유도소자가 있는 점에 주목하십시오. 이 유도소자는 다른 UPS와 Triport UPS를 구분하는 것입니다.

Triport라는 이름은 인버터, 압력라인, 부하가 세 개의 포트를 형성하고 있기 때문에 붙여졌습니다. 정상 모드에서 유도소자를 가로질러 전압 강하가 있으며, 인버터는 전압 강하를 방지하기 위해 부하 전압을 조절할 필요가 있습니다. 또한 인버터는 적은 양의 전류로 축전지를 충전합니다. 인버터를 작동하기 위해 전원이 축전지로부터 공급될 경우 시간이 지나면서 방전 현상이 발생하고, 전원 장애 시 축전지를 사용할 수 없게 되며, 모든 전원은 상용 전원으로부터 오게 됩니다. 전원 장애 시 스위치는 Open되고, 인버터는 전원을 공급합니다. Triport UPS에 가끔 “single conversion on-line(단변환 온라인)" UPS라는 태그가 붙어 있지만 실질적으로 볼 때 Triport UPS는 오프라인 UPS입니다. Triport UPS는 주파수가 안정되지 못한 소스나 발전기에 의해 동작할 때 제대로 기능하지 못하며, 축전지를 적정하게 충전하지 못 합니다.

6. 고장 허용, 모듈 방식 UPS

PK Electronics는 다른 UPS 설계와 동일한 가격에 매우 높은 신뢰성을 제공하는 고장 허용, 병렬 모듈 방식 UPS를 생산, 판매하고 있습니다. 진정한 오프라인 UPS와 라인-인터액티브 UPS를 모두 사용할 수 있습니다.

｢그림 12｣ 고장 허용, 병렬 모듈 방식 UPS

｢그림 12｣는 여러 개의 UPS 모듈과 하나의 입출력 연결용 캐비닛을 보여주는 단순한 그림입니다. 각 모듈은 고장 허용 설계의 최신 기술을 사용하는 하나의 완전한 UPS로써 업계에서 최고의 신뢰성을 제공합니다.

고장 허용 병렬 모듈 UPS에서 최소한 하나의 모듈은 예약되어 있습니다. 이 모듈이 고장나면 이 모듈은 본래의 기능에서 자동 분리되고 UPS는 계속해서 정상적으로 가동됩니다. 고장난 모듈의 램프표시는 어느 모듈이 고장이 발생되었는지 나타냅니다. UPS가 가동되는 동안 고장난 모듈은 UPS 입력전원의 Cut-off 없이 쉽고 안전하게 교체(핫-스왑 기능)할 수 있으므로 별도의 기술 요원이 필요치 않습니다. UPS를 수리하기 위해 캐비닛에서 고장난 모듈을 꺼내고 교체할 모듈은 직접 설치하시면 됩니다.

예전의 UPS를 수리하는 방법은 두 가지입니다. UPS가 소형이고, 가볍고 가격이 낮을 경우 고장난 UPS를 아예 교체합니다. UPS가 조금 중․대형일 경우 고장난 UPS를 교체하는 것은 경제적으로 적합하지 않습니다. 이 경우 수리하는 것이 좋습니다. 고장났을 때 기존 UPS는 제 기능을 수행하지 못하고 System Down 됩니다. 즉 축전지 백업, 전원 공급, 전압․주파수 자동 조절 기능 등을 제공하지 못합니다. 그리고 문제를 해결하기 위해 숙련된 서비스 기술 요원을 불러야 합니다. UPS가 Down 되어 있는 동안 부하는 정전 및 기타 장애 문제로부터의 위험에 노출되어 있습니다. PK Electronics의 고장 허용 병렬 운전 UPS를 이용함으로써 이러한 문제들을 완전하게 극복할 수 있습니다.

7. 위상에 따른 구성

전력 요구량이 적은 대부분의 UPS는 단상(single phase) 입력과 단상 출력을 제공하도록 구성되어 있습니다. 전력 요구량이 보다 더 큰 UPS는 삼상(three phase) 전원을 사용합니다. 또 다른 두 가지 공통 구성으로 삼상 입․출력과 삼상 입력/단상 출력이 있습니다. 표 1은 단상과 삼상용으로 사용된 UPS의 유형을 요약한 것입니다.

입력 위상의 수	단상	삼상	삼상	단상
출력 위상의 수	단상	삼상	단상	삼상
고장 허용 병렬운전
- 라인-인터액티브(400～4400VA)	○	×	×	×
- 진정한 온라인(1～500kVA)	○	○	○	○
온라인
- 진정한 온라인(1～500kVA)	○	○	○	×
오프라인
- 스탠바이(150～600VA)	○	×	×	×
- 라인 인터액티브(250～5000VA)	○	×	×	×
- Triport(1～5kVA)	○	×	×	×
- Ferro-resonant(500VA～10kVA)	○	×	×	×

[표 1｣ 단상/삼상 UPS 애플리케이션

네트워크 파일 서버, 워크스테이션, 소형 컴퓨터실의 경우 단상 UPS가 적합할 것이며, 사용자가 선택할 수 있는 UPS 종류도 다양할 것입니다 삼상 UPS가 필요할 경우 사용자는 진정한 온라인 UPS를 선택해야만 할 것입니다. 특히, 매우 중요한 애플리케이션의 경우 고장 허용 병렬운전 UPS를 선택해야 합니다.

8. 다양한 UPS 설계의 비교

각 UPS는 성능과 비용 사이에서 균형을 이룹니다. 즉 온라인 설계 UPS는 성능이 뛰어나지만 가격이 높고, 고장 허용 병렬운전 시스템은 비병렬 UPS보다 더 높은 신뢰성을 제공합니다. 표 2는 각 UPS 유형의 특징과 장점을 요약한 것입니다.

UPS 설계	필터링	신뢰성	바이패스	서비스
고장 허용
- 라인-인터액티브(400～4400VA)	낮음	매우 높음	N/A	쉬움
- 진정한 온라인(1～500kVA)	높음	매우 높음	옵션	쉬움
오프라인
- 스탠바이(150～600VA)	낮음	좋음	N/A	교체
- 라인 인터액티브(250～5000VA)	낮음	좋음	N/A	기술 요원
- Triport(1～5kVA)	중간	좋음	N/A	기술 요원
- Ferro-resonant(500VA～10kVA)	중간	좋음	N/A	기술 요원
온라인
- 진정한 온라인(1～500kVA)	높음	좋음	N/A	기술 요원

｢표 2｣ UPS의 특징 비교

주의: 

1. 필터링은 UPS의 노이즈 필터 기능, 전원 문제, 서지 억제 기능을 복합적으로 포함합     니다.

2. 고장 허용 병렬운전 UPS와 비교하여 다른 UPS 장비의 신뢰성은 좋습니다. 그러나      최신 기술은 아닙니다.

3. N/A(Not Applicable). 온라인 UPS만이 자동 바이패스를 사용합니다. 오프라인 UPS     는 축전지 백업 모드에 있을 때를 제외하고 항상 바이패스 모드에 있는 것처럼 생각     될 수 있습니다. 대부분의 경우에 바이패스는, 고장 허용 병렬운전 온라인 UPS에서     옵션입니다. 왜냐하면 신뢰성이 너무 높아서 자동 바이패스가 적당하지 않기 때문입     니다.

4. 앞으로는 수리하는데 기술 요원이 필요한 UPS는 경제적인 이유로 인해 단종될 것입     니다.