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무정전 전원 장치

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한 개의 IEC 60320 C14 입력과 세 개의 C13 출력을 갖춘 타워형 UPS
전기 기사들이 설치 중인 대규모 데이터 센터 규모의 UPS

무정전 전원 장치(無停電電源裝置, Uninterruptible power supply, UPS)는 입력 전원이나 주전원이 차단되었을 때 부하에 비상 전원을 공급하는 전기 장치다. UPS는 배터리, 슈퍼커패시터 또는 플라이휠 에너지 저장 장치에 저장된 에너지를 공급함으로써 입력 전원 중단으로부터 거의 즉각적인 보호를 제공한다는 점에서 보조 또는 비상 전원 장치나 대기 발전기와 다르다.[1]

대부분의 무정전 전원 장치의 배터리 가동 시간은 상대적으로 짧지만(일반적으로 5~15분), 대기 전원을 가동하거나 보호되는 장비를 적절하게 종료하기에는 충분하다.[2] 이는 지속 전원 시스템의 일종이다. UPS는 일반적으로 예기치 않은 전원 차단으로 인해 부상, 사망, 심각한 비즈니스 중단 또는 데이터 손실이 발생할 수 있는 컴퓨터, 데이터 센터, 전기 통신 장비 또는 기타 전기 장비와 같은 하드웨어를 보호하는 데 사용된다.[3] UPS 장치의 크기는 비디오 모니터가 없는 단일 컴퓨터를 보호하기 위해 설계된 장치(약 200 볼트암페어 정격)에서 데이터 센터 전체나 건물에 전력을 공급하는 대형 장치까지 다양하다.[4]

일반적인 전력 문제

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모든 UPS의 일차적인 역할은 입력 전원이 고장 났을 때 단기 전력을 공급하는 것이다. 그러나 대부분의 UPS 장치는 다음과 같은 일반적인 전력 문제를 다양한 수준으로 교정할 수도 있다.

  1. 전압 스파이크 또는 지속적인 과전압
  2. 일시적 또는 지속적인 입력 전압 감소
  3. 전압 처짐 (Voltage sag)
  4. 노이즈, 즉 고주파 과도 현상 또는 진동으로 정의되며, 보통 주변 장비에 의해 선로에 유입됨
  5. 상용 주파수의 불안정성
  6. 선로에서 예상되는 이상적인 정현파 파형으로부터의 이탈로 정의되는 고조파 왜곡

일부 UPS 제조업체는 제품이 해결하는 전력 관련 문제의 수에 따라 제품을 분류한다.[5]

UPS 장치는 또한 전력 품질 문제를 야기할 수도 있다. 이를 방지하려면 용량뿐만 아니라 전력을 공급받는 장비가 요구하는 전력의 품질에 따라서도 UPS를 선택해야 한다.

기술

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현대적인 UPS 시스템의 세 가지 일반적인 범주는 온라인(on-line), 라인 인터랙티브(line-interactive), 대기(standby) 방식이다.[6][7][8]

  • 온라인 UPS는 교류 입력을 받아 정류기로 직류로 변환하여 이차 전지를 통과시킨 다음, 다시 120V/230V 교류로 역변환(인버팅)하여 장비에 전력을 공급하는 "이중 변환" 방식을 사용한다.
  • 라인 인터랙티브 UPS는 인버터를 선로에 유지하며, 전력이 끊겼을 때 배터리의 직류 경로를 일반 충전 모드에서 전류 공급 모드로 전환한다.
  • 대기("오프라인") 시스템에서 부하는 입력 전원에 의해 직접 전력을 공급받으며, 주전원이 고장 났을 때만 백업 전원 회로가 가동된다.

UPS에는 300 VA에서 5,000 kVA 범위의 볼트암페어(VA) 단위 정격 용량이 부여된다.[9] 1킬로볼트암페어(1 kVA) 미만의 대부분 UPS는 대개 더 저렴한 라인 인터랙티브 또는 대기 방식이다.

대용량 전력 장치의 경우 동적 무정전 전원 장치(DUPS)가 때때로 사용된다. 동기 전동기/발전기가 초크를 통해 주전원에 연결된다. 에너지는 플라이휠에 저장된다. 주전원이 고장 나면 와전류 조절을 통해 플라이휠의 에너지가 고갈되지 않는 동안 부하 전력을 유지한다. DUPS는 때때로 잠시 후 가동되는 디젤 발전기와 결합되거나 통합되어 디젤 회전식 무정전 전원 장치(DRUPS)를 형성한다.

오프라인/대기 방식

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오프라인/대기 UPS: 녹색 선은 전력 흐름을 나타낸다. 일반적인 보호 시간: 5~20분. 용량 확장: 일반적으로 불가능.

오프라인/대기 UPS는 서지 보호와 배터리 백업을 제공하는 가장 기본적인 기능만을 제공한다. 보호되는 장비는 일반적으로 들어오는 주전원에 직접 연결된다. 입력 전압이 미리 설정된 수준 아래로 떨어지거나 위로 올라가면 UPS는 내부 저장 배터리로 구동되는 내부 직류-교류 인버터 회로를 켠다. 그런 다음 UPS는 연결된 장비를 직류-교류 인버터 출력으로 기계적으로 전환한다. 전환 시간은 대기 UPS가 주전원 전압 소실을 감지하는 데 걸리는 시간에 따라 최대 25밀리초까지 걸릴 수 있다. UPS는 개인용 컴퓨터와 같은 특정 장비에 해당 장치에 지장을 주는 전압 처짐이나 브라운아웃 없이 전력을 공급하도록 설계된다.

라인 인터랙티브 방식

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라인 인터랙티브 UPS: 녹색 선은 전력 흐름을 나타낸다. 일반적인 보호 시간: 5~30분. 용량 확장: 수 시간 가능.

라인 인터랙티브 UPS는 대기 방식 UPS와 작동 방식이 유사하지만 멀티 탭 가변 전압 단권변압기가 추가되었다. 이는 전선 코일을 더하거나 빼서 자기장과 변압기의 출력 전압을 높이거나 낮출 수 있는 특수한 형태의 변압기다. 이는 단권변압기와는 구별되는 승강압 변압기로도 수행될 수 있는데, 승강압 변압기는 전기적 절연을 제공하도록 배선될 수 있기 때문이다.

이 유형의 UPS는 제한된 예비 배터리 전력을 소모하지 않고도 지속적인 저전압 브라운아웃과 과전압 서지를 견딜 수 있다. 대신 단권변압기의 다른 전력 탭을 자동으로 선택하여 이를 보상한다. 설계에 따라 단권변압기 탭을 변경하면 아주 짧은 출력 전력 중단이 발생할 수 있으며,[10] 이로 인해 전원 손실 알람이 장착된 UPS가 잠시 "삐" 소리를 낼 수 있다.

이는 이미 포함된 부품을 활용하기 때문에 가장 저렴한 UPS에서도 대중화되었다. 선로 전압과 배터리 전압 사이를 변환하는 데 사용되는 주 50/60 Hz 변압기는 두 가지 약간 다른 권선비를 제공해야 한다. 하나는 배터리 출력 전압(일반적으로 12V의 배수)을 선로 전압으로 변환하는 것이고, 두 번째는 선로 전압을 약간 더 높은 배터리 충전 전압(예: 14V의 배수)으로 변환하는 것이다. 두 전압의 차이는 배터리를 충전하는 데 전압차(12V 배터리를 충전하는 데 최대 13~14V)가 필요하기 때문이다. 게다가 전류가 더 낮기 때문에 변압기의 선로 전압 측에서 스위칭을 수행하는 것이 더 쉽다.

강압/승압 기능을 얻기 위해 필요한 것은 두 개의 개별 스위치뿐이다. 이를 통해 교류 입력을 두 개의 1차 탭 중 하나에 연결할 수 있고, 부하는 다른 탭에 연결하여 메인 변압기의 1차 권선을 단권변압기로 사용하게 된다. 과전압을 "내리는"(bucking) 동안에도 배터리를 충전할 수 있지만, 저전압을 "올리는"(boosting) 동안에는 변압기 출력이 너무 낮아 배터리를 충전할 수 없다.

단권변압기는 광범위한 입력 전압 변동을 수용하도록 설계될 수 있지만, 이는 더 많은 탭을 필요로 하고 UPS의 비용과 복잡성을 증가시킨다. 일반적으로 단권변압기는 120V 전원의 경우 약 90V에서 140V 사이의 범위만 담당하며, 전압이 그 범위를 벗어나면 배터리로 전환한다.

저전압 조건에서 UPS는 정상보다 더 많은 전류를 사용하므로 일반 장치보다 더 높은 전류의 회로가 필요할 수 있다. 예를 들어, 120V에서 1000W 장치에 전력을 공급하기 위해 UPS는 8.33A를 소모한다. 브라운아웃이 발생하여 전압이 100V로 떨어지면 UPS는 이를 보상하기 위해 10A를 소모한다. 이는 반대로도 작동하여 과전압 조건에서 UPS는 더 적은 전류를 필요로 한다.

온라인/이중 변환 방식

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온라인 UPS에서는 배터리가 항상 인버터에 연결되어 있어 전력 전환 스위치가 필요하지 않다. 전원 손실이 발생하면 정류기가 단순히 회로에서 빠지고 배터리가 전력을 일정하고 변함없이 유지한다. 전원이 복구되면 정류기가 부하의 대부분을 다시 담당하고 배터리 충전을 시작한다. 단, 고전력 정류기가 배터리를 손상시키는 것을 방지하기 위해 충전 전류가 제한될 수 있다. 온라인 UPS의 주요 장점은 들어오는 주전원과 민감한 전자 장비 사이에 "전기적 방화벽"을 제공할 수 있다는 것이다.

온라인 UPS는 전기적 절연이 필요하거나 전력 변동에 매우 민감한 장비가 있는 환경에 이상적이다.[11] 한때는 10kW 이상의 매우 큰 설비에만 국한되었으나, 기술의 발전으로 이제는 500W 이하를 공급하는 일반 소비자용 장치로도 흔히 볼 수 있게 되었다. 온라인 UPS는 전력 환경에 "노이즈"가 많을 때, 주전원의 처짐, 정전 및 기타 이상 현상이 잦을 때, 민감한 IT 장비 부하 보호가 필요할 때, 또는 장시간 가동 백업 발전기로부터의 작동이 필요할 때 필요할 수 있다.

온라인 UPS의 기본 기술은 대기 방식이나 라인 인터랙티브 UPS와 동일하다. 그러나 훨씬 더 큰 교류-직류 배터리 충전기/정류기를 가지고 있고, 정류기와 인버터가 개선된 냉각 시스템을 갖추고 지속적으로 작동하도록 설계되어 있어 일반적으로 비용이 훨씬 많이 든다. 정상적인 교류 전류로 전원을 공급받을 때도 정류기가 직접 인버터를 구동하기 때문에 이중 변환 UPS라고 불린다.

온라인 UPS는 신뢰성을 높이기 위해 일반적으로 정지형 자동 절환 스위치(STS)를 갖추고 있다.

기타 설계

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하이브리드 토폴로지/주문형 이중 변환

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이러한 하이브리드 회전식 UPS[12] 설계는 공식적인 명칭은 없지만, UTL에서 사용하는 한 가지 이름은 "주문형 이중 변환"(double conversion on demand)이다.[13] 이 스타일의 UPS는 이중 변환이 제공하는 기능과 보호 수준을 유지하면서 고효율 애플리케이션을 목표로 한다.

하이브리드(주문형 이중 변환) UPS는 전력 조건이 미리 설정된 일정 범위 내에 있을 때 오프라인/대기 UPS로 작동한다. 이를 통해 UPS는 매우 높은 효율 등급을 달성할 수 있다. 전력 조건이 정의된 범위를 벗어나면 UPS는 온라인/이중 변환 작동으로 전환한다.[13] 이중 변환 모드에서 UPS는 배터리 전력을 사용하지 않고도 전압 변동을 조정할 수 있으며, 선로 노이즈를 걸러내고 주파수를 제어할 수 있다.

강자성 공진 방식

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강자성 공진 장치는 대기 UPS 장치와 동일한 방식으로 작동한다. 그러나 출력을 필터링하기 위해 정전압 변압기인 강자성 공진 변압기를 사용한다는 점을 제외하면 온라인 상태다. 이 변압기는 선로 전원에서 배터리 전원으로 전환되는 사이의 시간을 메울 수 있을 만큼 충분히 에너지를 유지하도록 설계되어 전환 시간을 효과적으로 제거한다. 많은 강자성 공진 UPS는 82~88%의 효율(교류/직류-교류)을 보이며 우수한 절연을 제공한다.

이 변압기에는 세 개의 권선이 있는데, 하나는 일반 주전원용, 두 번째는 정류된 배터리 전원용, 세 번째는 부하로 나가는 교류 출력용이다.

이 방식은 한때 지배적인 UPS 유형이었으며 약 150 kVA 범위로 제한된다. 이러한 장치는 UPS의 견고한 특성 때문에 일부 산업 분야(석유 및 가스, 석유 화학, 화학, 유틸리티 및 중공업 시장)에서 여전히 주로 사용된다. 제어된 강자성 기술을 사용하는 많은 강자성 공진 UPS는 역률 교정 장비와 상호 작용할 수 있다. 이로 인해 UPS의 출력 전압이 변동될 수 있지만, 부하 수준을 줄이거나 다른 선형 유형의 부하를 추가하여 교정할 수 있다.

직류 전원

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직류 장치에 전력을 공급하기 위해 설계된 UPS는 출력 인버터가 필요하지 않다는 점을 제외하면 온라인 UPS와 매우 유사하다. 또한 UPS의 배터리 전압이 장치가 필요로 하는 전압과 일치하면 장치의 전원 공급 장치도 필요하지 않게 된다. 하나 이상의 전력 변환 단계가 제거되므로 효율과 가동 시간이 증가한다.

전기 통신에서 사용되는 많은 시스템은 도관 및 정크션 박스에 설치되는 것과 같이 안전 규제가 덜 엄격하기 때문에 초저전압 "공통 배터리" 48V 직류 전원을 사용한다. 일반적으로 직류는 전기 통신의 주요 전원이었고, 교류는 컴퓨터와 서버의 주요 전원이었다.

장애 발생 가능성과 장비 비용을 줄이기 위해 컴퓨터 서버에 48V 직류 전원을 공급하는 많은 실험이 있었다. 그러나 동일한 양의 전력을 공급하기 위해 전류는 상응하는 115V 또는 230V 회로보다 더 높아야 한다. 더 큰 전류는 더 큰 도체를 필요로 하거나 열로 손실되는 에너지가 더 많아진다.

고전압 직류(380V)는 일부 데이터 센터 애플리케이션에서 사용되고 있으며 작은 전력 도체를 사용할 수 있게 해주지만, 고전압의 안전한 격리를 위한 더 복잡한 전기 규정 규칙의 적용을 받는다.[14]

5V로 작동하는 저전력 장치의 경우 일부 휴대용 보조 배터리가 UPS 역할을 할 수 있다.

회전식

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회전식 UPS는 고질량 회전 플라이휠(플라이휠 에너지 저장)의 관성을 사용하여 전력 손실 발생 시 단기적인 지속 가동을 제공한다. 플라이휠은 또한 전력 스파이크 및 처짐에 대한 완충 장치 역할을 하는데, 이러한 단기적인 전력 이벤트는 고질량 플라이휠의 회전 속도에 눈에 띄는 영향을 줄 수 없기 때문이다. 이는 진공관과 집적 회로 이전부터 있었던 가장 오래된 설계 중 하나이기도 하다.

정상 조건에서 지속적으로 회전하기 때문에 온라인 상태로 간주될 수 있다. 그러나 배터리 기반 UPS와 달리 플라이휠 기반 UPS 시스템은 일반적으로 플라이휠이 느려지고 전력 출력이 멈추기 전까지 10~20초의 보호 시간을 제공한다.[15] 이는 전통적으로 대기 발전기와 결합되어 사용되며, 엔진이 가동을 시작하고 출력을 안정화하는 데 필요한 짧은 시간 동안만 백업 전원을 제공한다.

회전식 UPS는 일반적으로 회전식 UPS 시스템이 가져다주는 이점과 비용을 정당화하기 위해 10,000W 이상의 보호가 필요한 애플리케이션에 주로 사용된다. 더 큰 플라이휠이나 병렬로 작동하는 여러 개의 플라이휠은 예비 가동 시간이나 용량을 증가시킨다.

플라이휠은 기계적 동력원이기 때문에 플라이휠과 비상 전력을 제공하도록 설계된 디젤 엔진 사이에 중개자로 전기 모터나 발전기를 사용할 필요가 없다. 전송 기어박스를 사용함으로써 플라이휠의 회전 관성을 디젤 엔진을 직접 시동하는 데 사용할 수 있으며,[16] 일단 가동되면 디젤 엔진을 사용하여 직접 플라이휠을 회전시킬 수 있다. 여러 개의 플라이휠은 각 플라이휠에 대한 별도의 모터와 발전기 없이 기계적 카운터샤프트를 통해 병렬로 연결될 수 있다.

이들은 일반적으로 순수 전자식 UPS에 비해 매우 높은 전류 출력을 제공하도록 설계되며, 모터 시동이나 압축기 부하와 같은 유도성 부하뿐만 아니라 의료용 MRI 및 심동맥 조영실 장비에 돌입 전류를 더 잘 공급할 수 있다. 또한 전자식 UPS보다 최대 17배 더 큰 단락 조건을 견딜 수 있어, 다른 장치들이 회전식 UPS로부터 계속 전력을 공급받는 동안 한 장치의 퓨즈가 끊어지고 고장 나는 것을 허용한다.

수명 주기는 일반적으로 순수 전자식 UPS보다 훨씬 길어 최대 30년 이상이다. 그러나 볼 베어링 교체와 같은 기계적 유지보수를 위해 정기적인 가동 중단이 필요하다. 대규모 시스템에서는 시스템의 다중화를 통해 이러한 유지보수 중에도 프로세스의 가용성을 보장한다. 배터리 기반 설계는 배터리를 핫 스와핑할 수 있는 경우(일반적으로 대형 장치의 경우) 가동 중단이 필요하지 않다. 최신 회전식 장치는 자기 베어링 및 진공 하우징과 같은 기술을 사용하여 대기 효율을 높이고 유지보수를 매우 낮은 수준으로 줄인다.

일반적으로 고질량 플라이휠은 전동 발전기 시스템과 함께 사용된다. 이러한 장치는 다음과 같이 구성될 수 있다.

  1. 기계적으로 연결된 발전기를 구동하는 모터,[12]
  2. 단일 로터와 스테이터의 교대 슬롯에 감긴 결합된 동기전동기 및 발전기,
  3. 배터리 대신 플라이휠을 사용한다는 점을 제외하면 온라인 UPS와 유사하게 설계된 하이브리드 회전식 UPS. 정류기가 모터를 구동하여 플라이휠을 회전시키고, 발전기는 플라이휠을 사용하여 인버터에 전력을 공급한다.

3번의 경우, 전동 발전기는 동기/동기 또는 유도/동기 방식일 수 있다. 2번과 3번 장치의 모터 측은 교류 전원(일반적으로 인버터 바이패스 시), 6단계 이중 변환 모터 드라이브 또는 6펄스 인버터에 의해 직접 구동될 수 있다. 1번은 외부의 전기적으로 결합된 발전기 세트가 가동되어 온라인 상태가 될 시간을 벌기 위해 배터리 대신 단기 에너지원으로 통합된 플라이휠을 사용한다. 2번과 3번은 배터리 또는 독립형 전기 결합 플라이휠을 단기 에너지원으로 사용할 수 있다.

폼 팩터

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타워형(위)과 두 개의 랙 장착형 모델

소형 UPS 시스템은 여러 가지 형태와 크기로 제공된다. 그러나 가장 일반적인 두 가지 형태는 타워형과 랙 장착형이다.[17]

타워 모델은 바닥이나 책상 또는 선반 위에 똑바로 세워져 있으며, 일반적으로 네트워크 워크스테이션이나 데스크톱 컴퓨터 애플리케이션에 사용된다. 랙 장착 모델은 표준 19인치 랙 인클로저에 장착할 수 있으며 1U에서 12U(랙 유닛)까지 어디에나 장착될 수 있다. 이들은 일반적으로 서버 및 네트워킹 애플리케이션에 사용된다. 일부 장치는 90° 회전하는 사용자 인터페이스를 갖추고 있어 장치를 바닥에 수직으로 설치하거나 랙에서처럼 수평으로 설치할 수 있다.

애플리케이션

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N + 1

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신뢰성이 매우 중요한 대규모 비즈니스 환경에서는 단일 대형 UPS가 많은 다른 시스템을 중단시킬 수 있는 단일 장애점이 될 수 있다. 더 높은 신뢰성을 제공하기 위해 여러 개의 소형 UPS 모듈과 배터리를 통합하여 하나의 매우 큰 UPS와 동등한 중복 전력 보호를 제공할 수 있다. "N + 1"은 부하가 N개의 모듈에 의해 공급될 수 있다면 설비에는 N + 1개의 모듈이 포함된다는 것을 의미한다. 이런 방식으로 하나의 모듈이 고장 나도 시스템 작동에 영향을 미치지 않는다.[18]

다중 중복성

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많은 컴퓨터 서버는 중복 전원 공급 장치 옵션을 제공하여, 하나의 전원 공급 장치가 고장 나더라도 하나 이상의 다른 전원 공급 장치가 부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 이는 중요한 점인데, 각 전원 공급 장치는 단독으로 서버 전체에 전력을 공급할 수 있어야 한다.

각 전원 공급 장치를 서로 다른 회로(즉, 다른 회로 차단기)에 연결함으로써 중복성을 더욱 강화할 수 있다.

각 전원 공급 장치를 자체 UPS에 연결함으로써 중복 보호를 더욱 확장할 수 있다. 이는 전원 공급 장치 고장과 UPS 고장 모두로부터 이중 보호를 제공하여 지속적인 작동을 보장한다. 이 구성은 1 + 1 또는 2N 중복이라고도 한다. 예산이 두 개의 동일한 UPS 장치를 허용하지 않는 경우, 하나의 전원 공급 장치는 주전원에 연결하고 다른 하나는 UPS에 연결하는 것이 일반적인 관행이다.[19][20]

실외 사용

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UPS 시스템을 실외에 배치할 때, 성능에 영향을 주지 않고 날씨를 견딜 수 있도록 보장하는 특정 기능을 갖추어야 한다. 실외 UPS 시스템을 설계할 때 제조업체는 온도, 습도, 비, 눈 등의 요소를 고려해야 한다. 실외 UPS 시스템의 작동 온도 범위는 약 −40 °C에서 +55 °C 사이일 수 있다.[21]

실외 UPS 시스템은 폴(pole), 지면(페데스탈), 또는 호스트 장착 방식일 수 있다. 실외 환경은 극한의 추위를 의미할 수 있으며, 이 경우 실외 UPS 시스템에는 배터리 히터 매트가 포함되어야 한다. 극한의 더위인 경우 실외 UPS 시스템에는 팬 시스템 또는 에어컨 시스템이 포함되어야 한다.

태양광 인버터의 내부 모습. 에너지를 잠시 저장하고 출력 파형을 개선하는 데 사용되는 많은 대형 커패시터(파란색 실린더)를 볼 수 있다.

태양광 인버터 또는 PV 인버터 또는 태양광 컨버터는 태양 전지판의 가변적인 직류(DC) 출력을 상업용 전력 전력망에 공급하거나 로컬 오프그리드 전기 네트워크에서 사용할 수 있는 상용 주파수 교류(AC)로 변환한다. 이는 태양광 발전 시스템에서 일반적인 교류 구동 장비를 사용할 수 있게 해주는 중요한 BOS 구성 요소다. 태양광 인버터는 최대 전력점 추적 및 단독 운전 방지(anti-islanding) 보호를 포함하여 태양광 어레이와 함께 사용하도록 조정된 특수 기능을 갖추고 있다.

고조파 왜곡

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일반적인 120 VAC 60 Hz 전력 파형(보라색)과 비교한 UPS 출력 파형(노란색)

일부 전자식 UPS의 출력은 이상적인 정현파 파형에서 크게 벗어날 수 있다. 이는 특히 가정 및 사무실용으로 설계된 저렴한 소비자용 단상 장치에서 두드러진다. 이들은 종종 단순한 스위칭 교류 전원 공급 장치를 활용하며 출력은 고조파가 풍부한 사각파와 비슷하다. 이러한 고조파는 무선 통신을 포함한 다른 전자 장치에 간섭을 일으킬 수 있으며, 일부 장치(예: 교류 모터와 같은 유도성 부하)는 효율이 떨어지거나 전혀 작동하지 않을 수 있다. 더 정교하고 비싼 UPS 장치는 거의 순수한 정현파 교류 전력을 생성할 수 있다.

역률

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이중 변환 UPS와 발전기 조합의 문제는 UPS에 의해 생성되는 전압 왜곡이다. 이중 변환 UPS의 입력은 본질적으로 큰 정류기다. UPS가 소모하는 전류는 비정현파다. 이로 인해 교류 주전원이나 발전기에서 나오는 전압도 비정현파가 될 수 있다. 그러면 전압 왜곡은 UPS 자체를 포함하여 해당 전원에 연결된 모든 전기 장비에 문제를 일으킬 수 있다. 또한 전류 흐름의 스파이크로 인해 UPS에 전력을 공급하는 배선에서 더 많은 전력 손실이 발생한다. 이러한 "노이즈" 수준은 "전류의 총 고조파 왜곡"(THDI)의 백분율로 측정된다. 전통적인 UPS 정류기는 약 25%~30%의 THDI 수준을 갖는다. 전압 왜곡을 줄이기 위해서는 더 무거운 주전원 배선이나 UPS보다 두 배 이상 큰 발전기가 필요하다.

이중 변환 UPS에서 THDI를 줄이기 위한 몇 가지 해결책이 있다.

패시브 필터와 같은 전통적인 솔루션은 전체 부하에서 THDI를 5%~10%로 줄인다. 이들은 신뢰할 수 있지만 크기가 크고 전체 부하에서만 작동하며, 발전기와 함께 사용할 때 자체적인 문제를 야기한다.

대안적인 해결책은 액티브 필터다. 이러한 장치를 사용하면 전체 전력 범위에서 THDI가 5%로 떨어질 수 있다. 이중 변환 UPS 장치의 최신 기술은 전통적인 정류기 구성 요소(사이리스터 및 다이오드)를 사용하지 않고 대신 고주파 구성 요소를 사용하는 정류기다. 절연 게이트 양극성 트랜지스터 정류기와 인덕터를 갖춘 이중 변환 UPS는 THDI를 2%만큼 작게 유지할 수 있다. 이는 추가 필터, 투자 비용, 손실 또는 공간 없이 발전기(및 변압기)의 크기를 과도하게 키울 필요를 완전히 없애준다.

통신

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전원 관리(PM)에는 다음이 필요하다.

  1. UPS가 직렬 포트, 이테넷, 간이 망 관리 프로토콜, GSM/GPRS 또는 USB와 같은 통신 링크를 통해 전력을 공급하는 컴퓨터에 상태를 보고해야 함.
  2. 보고서를 처리하고 알림, 전원 관리 이벤트를 생성하거나 질서 있는 종료를 명령하는 운영체제 내의 하위 시스템.[22] 일부 UPS 제조업체는 통신 프로토콜을 공개하지만, APC와 같은 다른 제조업체는 독점 프로토콜을 사용한다.

기본적인 컴퓨터-UPS 제어 방법은 단일 소스에서 단일 대상으로의 일대일 신호 전달을 목적으로 한다. 예를 들어, 단일 UPS가 단일 컴퓨터에 연결되어 UPS에 대한 상태 정보를 제공하고 컴퓨터가 UPS를 제어할 수 있도록 할 수 있다. 마찬가지로 USB 프로토콜도 단일 컴퓨터를 여러 주변 장치에 연결하도록 설계되었다.

어떤 상황에서는 단일 대형 UPS가 보호되는 여러 장치와 통신할 수 있는 것이 유용하다. 전통적인 직렬 또는 USB 제어의 경우 신호 복제 장치를 사용할 수 있는데, 예를 들어 하나의 UPS가 직렬 또는 USB 연결을 사용하여 5대의 컴퓨터에 연결할 수 있도록 해준다.[23] 그러나 분할은 일반적으로 상태 정보를 제공하기 위해 UPS에서 장치로 가는 한 방향으로만 이루어진다. 복귀 제어 신호는 보호되는 시스템 중 하나에서만 UPS로 허용될 수 있다.[24]

1990년대 이후 이더넷의 사용이 일반화되면서, 이제는 TCP/IP와 같은 표준 이더넷 데이터 전송 방법을 사용하여 단일 UPS와 여러 컴퓨터 간에 제어 신호를 보내는 것이 일반적이다.[25] 상태 및 제어 정보는 일반적으로 암호화되어, 예를 들어 외부 해커가 UPS의 제어권을 얻어 종료 명령을 내릴 수 없도록 한다.[26]

정전 시 UPS 경보가 대상 시스템에 도달하기 위해서는 이더넷 스위치나 직렬 멀티플렉서와 같은 모든 중개 장치가 하나 이상의 UPS 시스템에 의해 전력을 공급받아야 한다. 이더넷 인프라에 대한 의존을 피하기 위해 GSM/GPRS 채널을 사용하여 UPS를 메인 제어 서버에 직접 연결할 수도 있다. UPS에서 전송된 SMS 또는 GPRS 데이터 패킷은 소프트웨어를 트리거하여 부하를 줄이기 위해 PC를 종료시킨다.

배터리

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배터리 캐비닛

UPS 배터리에는 밸브 제어형 납 축전지(VRLA), 개방형 셀 또는 VLA 배터리, 리튬 이온 배터리의 세 가지 주요 유형이 있다. 배터리로 작동하는 UPS의 가동 시간은 배터리의 유형과 크기, 방전 속도 및 인버터의 효율에 따라 달라진다. 납 축전지의 총 용량은 방전 속도의 함수이며, 이는 퓨케르트 법칙(Peukert's law)으로 설명된다.

제조업체는 패키지형 UPS 시스템에 대해 분 단위의 가동 시간 등급을 제공한다. 대규모 시스템(데이터 센터용 등)은 요구되는 내구성을 보장하기 위해 부하, 인버터 효율 및 배터리 특성에 대한 상세한 계산이 필요하다.[27]

일반적인 배터리 특성 및 부하 테스트

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납 축전지가 충전되거나 방전될 때, 이는 처음에는 전극과 전해질 사이의 계면에 있는 반응 화학 물질에만 영향을 미친다. 시간이 지남에 따라 종종 "계면 전하"라고 불리는 계면의 화학 물질에 저장된 전하가 이러한 화학 물질의 확산에 의해 활성 물질의 전체 부피로 퍼진다.

배터리가 완전히 방전된 후(예: 자동차 전등을 밤새 켜둔 경우) 몇 분 동안만 급속 충전을 하면, 짧은 충전 시간 동안 계면 근처에만 전하가 형성된다. 배터리 전압이 충전기 전압에 가깝게 상승하여 충전 전류가 크게 감소할 수 있다. 몇 시간 후, 이 계면 전하는 전극과 전해질의 부피로 퍼지지 않아 계면 전하가 매우 낮아져 자동차를 시동하기에 불충분할 수 있다.[28]

계면 전하 때문에 단 몇 초 동안 지속되는 짧은 UPS 자체 테스트 기능은 UPS의 실제 가동 용량을 정확하게 반영하지 못할 수 있으며, 대신 배터리를 깊게 방전시키는 장시간 재보정 또는 런다운 테스트가 필요하다.[29]

심방전 테스트 자체는 배터리에 손상을 주는데, 방전된 배터리의 화학 물질이 배터리를 재충전할 때 다시 용해되지 않는 매우 안정적인 분자 형태로 결정화되기 시작하여 충전 용량을 영구적으로 감소시키기 때문이다. 납 축전지에서 이는 설페이션(sulfation)으로 알려져 있지만, 심방전 손상은 니켈-카드뮴 배터리 및 리튬 배터리와 같은 다른 유형에도 영향을 미친다.[30] 따라서 런다운 테스트는 6개월에서 1년마다 한 번씩 드물게 수행하는 것이 일반적으로 권장된다.[31]

배터리 스트링/셀 테스트

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크고 접근하기 쉬운 배터리 뱅크를 갖춘 수 킬로와트급 상업용 UPS 시스템은 배터리 스트링 내의 개별 셀을 분리하고 테스트할 수 있다. 이 스트링은 결합 셀 배터리 장치(예: 12V 납 축전지) 또는 직렬로 연결된 개별 화학 셀로 구성된다. 단일 셀을 분리하고 그 자리에 점퍼를 설치하면 해당 배터리 하나를 방전 테스트할 수 있으며, 나머지 배터리 스트링은 충전된 상태로 유지되어 보호를 제공할 수 있다.[32]

또한 모든 셀 간 접점에 설치된 중간 센서 와이어를 사용하여 배터리 스트링에 있는 개별 셀의 전기적 특성을 개별적 및 집합적으로 모니터링하는 것이 가능하다. 배터리 스트링은 20개 셀의 두 세트와 같이 직병렬로 배선될 수도 있다. 이러한 상황에서는 병렬 스트링 간의 전류 흐름을 모니터링하는 것도 필요한데, 약한 셀, 저항이 높은 죽은 셀, 또는 단락된 셀의 영향을 균형 잡기 위해 스트링 간에 전류가 순환할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 전압 불균형이 평형을 이룰 때까지 더 강한 스트링이 더 약한 스트링을 통해 방전될 수 있으며, 이는 각 스트링 내의 개별 셀 간 측정에 반영되어야 한다.[33]

직병렬 배터리 상호 작용

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직렬 및 병렬 회로로 배선된 배터리 스트링은 여러 병렬 스트링 간의 상호 작용으로 인해 특이한 고장 모드가 발생할 수 있다. 한 스트링의 결함이 있는 배터리는 다른 스트링의 양호하거나 새 배터리의 작동과 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제는 UPS 시스템뿐만 아니라 전기차량 애플리케이션과 같이 직병렬 스트링이 사용되는 다른 상황에도 적용된다.[34]

모든 셀이 양호한 직병렬 배터리 배열에서 하나가 단락되거나 죽은 경우를 고려해 보자.

  • 고장 난 셀은 그 셀이 속한 전체 직렬 스트링의 최대 생성 전압을 감소시킨다.
  • 성능이 저하된 스트링과 병렬로 배선된 다른 직렬 스트링은 이제 성능이 저하된 스트링의 전압과 일치할 때까지 해당 스트링을 통해 방전되며, 잠재적으로 과충전을 일으키고 성능이 저하된 스트링의 나머지 양호한 셀에서 전해질 끓음 및 가스 방출로 이어진다. 이러한 병렬 스트링은 이제 높아진 전압이 고장 난 배터리가 포함된 스트링을 통해 새어나가기 때문에 결코 완전히 재충전될 수 없다.
  • 충전 시스템은 전체 전압을 측정하여 배터리 스트링 용량을 측정하려고 시도할 수 있다. 죽은 셀로 인한 전체 스트링 전압 저하 때문에 충전 시스템은 이를 방전 상태로 감지하고 직병렬 스트링을 계속 충전하려고 시도하여, 손상된 배터리가 포함된 성능 저하 직렬 스트링의 모든 셀에 지속적인 과충전과 손상을 입힌다.
  • 납 축전지가 사용되는 경우, 이전에 양호했던 병렬 스트링의 모든 셀은 완전히 재충전될 수 없기 때문에 설페이션이 시작되어, 결국 성능 저하된 스트링의 손상된 셀이 발견되어 새 것으로 교체되더라도 이러한 셀의 저장 용량은 영구적으로 손상된다.

이러한 미묘한 직병렬 스트링 상호 작용을 방지하는 유일한 방법은 병렬 스트링을 전혀 사용하지 않고 개별 직렬 스트링에 대해 별도의 충전 컨트롤러와 인버터를 사용하는 것이다.

직렬 새 배터리/헌 배터리 상호 작용

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직렬로 배선된 단일 스트링의 배터리일지라도 새 배터리와 헌 배터리가 섞여 있으면 악영향을 미치는 상호 작용이 발생할 수 있다. 오래된 배터리는 저장 용량이 감소하는 경향이 있어 새 배터리보다 더 빨리 방전되고 새 배터리보다 더 빠르게 최대 용량까지 충전된다.

새 배터리와 헌 배터리가 섞인 스트링이 소모됨에 따라 스트링 전압이 떨어지고, 오래된 배터리가 소진되었을 때도 새 배터리에는 여전히 전하가 남아 있다. 새 셀은 스트링의 나머지 부분을 통해 계속 방전될 수 있지만, 낮은 전압 때문에 이 에너지 흐름은 유용하지 않을 수 있으며 오래된 셀에서 저항 가열로 낭비될 수 있다.

특정 방전 범위 내에서 작동해야 하는 셀의 경우, 용량이 더 큰 새 셀로 인해 직렬 스트링의 오래된 셀이 방전 범위의 안전 하한선을 넘어 계속 방전되어 오래된 셀이 손상될 수 있다.

재충전 시 오래된 셀은 더 빠르게 충전되어 완충 상태에 가까운 전압까지 급격히 상승하지만, 용량이 더 큰 새 셀이 완전히 충전되기 전이다. 충전 컨트롤러는 거의 완충된 스트링의 고전압을 감지하고 전류 흐름을 줄인다. 용량이 더 큰 새 셀은 이제 매우 느리게 충전되어, 완충 상태에 도달하기 전에 화학 물질이 결정화되기 시작할 수 있으며, 여러 번의 충방전 사이클을 거치면서 새 셀의 용량이 직렬 스트링의 오래된 셀과 더 가깝게 일치할 때까지 감소한다.

이러한 이유로 일부 산업용 UPS 관리 시스템은 새 배터리와 오래된 배터리 사이의, 그리고 직병렬 스트링 전체에 걸친 이러한 손상된 상호 작용 때문에 수백 개의 비싼 배터리를 사용할 수 있는 전체 배터리 어레이를 주기적으로 교체할 것을 권장한다.[35]

표준

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  • IEC 62040-1:2017 무정전 전원 시스템 (UPS) – 제1부: UPS에 대한 일반 및 안전 요구 사항
  • IEC 62040-2:2016 무정전 전원 시스템 (UPS) – 제2부: 전자기 적합성 (EMC) 요구 사항
  • IEC 62040-3:2021 무정전 전원 시스템 (UPS) – 제3부: 성능 및 테스트 요구 사항 지정 방법
  • IEC 62040-4:2013 무정전 전원 시스템 (UPS) – 제4부: 환경적 측면 – 요구 사항 및 보고

같이 보기

[편집]

각주

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  1. ↑ Solter, W. (2002). 《24/7 Power: Uninterruptible Power Supply (UPS)》. Hanser Gardner Publications. 1쪽. ISBN 978-1569903332 |isbn= 값 확인 필요: checksum (도움말).
  2. ↑ “UPS Basics” (PDF). 이튼 코퍼레이션. 2023년 11월 20일에 확인함.
  3. ↑ Patterson, Michael (2013). 《The Impact of Power Quality on Data Center Availability》. 《Data Center Journal》.
  4. ↑ “UPS Sizing Guide”. Vertiv. 2023년 10월 27일에 확인함.
  5. ↑ E-book on choosing a UPS topology based on application type “Avoiding Trap Doors Associated with Purchasing a UPS System” (PDF). 2013년 3월 26일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2018년 12월 11일에 확인함.
  6. ↑ Solter, W. (2002), 〈A new international UPS classification by IEC 62040-3〉, 《24th Annual International Telecommunications Energy Conference》, 541–545쪽, doi:10.1109/INTLEC.2002.1048709, ISBN 0-7803-7512-2, S2CID 195862090
  7. ↑ Detailed explanation of UPS topologies “High-Availability Power Systems, Part I: UPS Internal Topology” (PDF). November 2000. 2013년 3월 26일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2018년 12월 11일에 확인함.
  8. ↑ Uninterruptible power supply FAQ “Uninterruptible power supply FAQ”. May 2019. 2024년 7월 30일에 확인함.
  9. ↑ “Uninterruptible power supply FAQ”. 《Eaton》. 2025년 3월 3일. 2024년 7월 30일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2025년 3월 3일에 확인함.
  10. ↑ “UPS On-Line Uninterruptible Power Supply Backup Power Source”. 《StacoEnergy.com》. 2025년 8월 14일에 확인함.
  11. ↑ “Choosing the Right UPS System for Your Business - Power Control Ltd - Uninterruptible Power Supply Solutions, UPS Maintenance & UPS Installation”. 2021년 1월 14일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 1월 12일에 확인함.
  12. 1 2 “Hybrid Rotary UPS” (PDF). 2014년 12월 4일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  13. 1 2 “Increasing energy efficiency with modular HP three-phase power distribution” (PDF). HP. 2022년 10월 9일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  14. ↑ Ton, My; Fortenbery, Brian; Tschudi, William (January 2007). “DC Power for Improved Data Center Efficiency” (PDF). Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010년 10월 8일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  15. ↑ “15 Seconds versus 15 Minutes: White Paper 107 Designing for High Availability” (PDF). Active Power. 2007. 2022년 10월 9일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  16. ↑ Dorf, Richard C. (2018년 12월 14일). 《The Electrical Engineering Handbook - Six Volume Set》 (영어). CRC Press. ISBN 978-1-4200-4975-6.
  17. ↑ “UPS Buying Guide”. 《TrippLite.com》.
  18. ↑ Detailed explanation of optimized N + 1 configurations“Balancing Scalability and Reliability in the Critical Power System: When Does N + 1 Become Too Many + 1?” (PDF). 2016년 3월 3일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  19. ↑ Detailed explanation of UPS redundancy options“High-Availability Power Systems, Part II: Redundancy Options” (PDF). 2013년 3월 26일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2018년 12월 11일에 확인함.
  20. ↑ Heydari-doostabad, Hamed (January 2019). 《A new approach to design an observer for load current of UPS based on Fourier series theory in model predictive control system》. 《International Journal of Electrical Power & Energy Systems》 104. 898–909쪽. Bibcode:2019IJEPE.104..898H. doi:10.1016/j.ijepes.2018.07.047. ISSN 0142-0615. S2CID 116458248.
  21. ↑ Refer to safety standard IEC 60950-22 or a local derivative according to location e.g. EN 60950-22 (Europe); UL 60950-22 (USA)
  22. ↑ Raymond, Eric Steven. UPS HOWTO, section 3.3. The Linux Documentation Project, 2003–2007.
  23. ↑ Generex. “Multi-XS User Manual” (PDF). 2012년 1월 27일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2011년 11월 14일에 확인함. Multi-XS is an active RS232 data switch, designed to handle serial communications of one UPS with up to 5 / 10 computers
  24. ↑ APC AP9207 Share-UPS, User Manual, pp. 6–7, Port 1 is called the Advanced port because it supplies smart signaling, which provides the advanced capabilities available to a server running PowerChute plus software. The Advanced port provides full access to the Computer Interface port of the UPS. Ports 2–8 on the rear panel of Share-UPS are called Basic ports because they supply simple UPS signaling for On Battery and Low Battery conditions in the UPS. “Share-UPS User Manual” (PDF). 2012년 4월 24일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2011년 11월 14일에 확인함.
  25. ↑ An example of an Ethernet UPS controller: Liebert IntelliSlot Web Card Communications Interface Card 보관됨 2016-04-13 - 웨이백 머신
  26. ↑ APC Application Note #67 “APC Network Management Card Security Implementation” (PDF). 2012년 4월 24일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2011년 11월 14일에 확인함.
  27. ↑ “How to calculate battery run-time”. PowerStream Technologies. 2010년 4월 26일에 확인함.
  28. ↑ Saslow, Wayne M. (2002). 《Electricity, Magnetism, and Light》. Toronto: Thomson Learning. 302–4쪽. ISBN 0-12-619455-6.
  29. ↑ Peter M. Curtis (2011). 《Maintaining Mission Critical Systems in a 24/7 Environment》. Wiley. 261–262쪽. ISBN 9781118041628.
  30. ↑ Michael F. Hordeski (2005). 《Emergency and backup power sources: preparing for blackouts and brownouts》. The Fairmont Press, Inc. ISBN 9780881734850.
  31. ↑ “What is the expected life of my APC UPS VRLA battery?”. 《apc.com》. APC. 2024년 12월 12일. 2025년 6월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2025년 8월 23일에 확인함.
  32. ↑ “Maintaining and Testing Your UPS System to Ensure Continuous Power, Section: Maintaining a Battery Bank”. 《The Data Center Journal》. 2020년 7월 6일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 11월 15일에 확인함.
  33. ↑ BTECH Inc, BTECH's Focus – Predicting Battery Failure and Installation Manual, page 18, showing sensor wires for each cell/battery on a battery string, and also note that the current transducer sensors to detect cross-string series-parallel current recirculation.
  34. ↑ 〈Cell Balancing〉. 《Electropaedia》. Woodbank Communications. 2020년 6월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2020년 5월 28일에 확인함.
  35. ↑ Cotton, Bart (January 2005). “Battery Asset Management: VRLA ageing characteristics” (PDF). 《Batteries International》. 2013년 4월 6일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.

외부 링크

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