AK UPS설비*

온라인 UPS (이중 변환 UPS)

• 동작 방식:
  • 입력된 AC 전원을 DC 전원으로 변환한 후, 다시 AC 전원으로 변환하여 부하에 공급합니다.
  • 이 과정에서 인버터를 통해 항상 깨끗한 정현파 AC 전원을 생성하기 때문에 부하는 항상 안정적인 전원을 공급받습니다.
  • 정전 시에는 배터리에서 전력을 공급받아 인버터를 통해 부하에 전원을 공급합니다.
• 장점:
  • 높은 전력 품질: 전압 변동, 노이즈, 주파수 변동 등 전력 품질 문제로부터 완벽하게 보호합니다.
  • 빠른 응답 속도: 정전 발생 시 즉각적으로 배터리로 전환되어 무중단 전원 공급이 가능합니다.
  • 긴 배터리 수명: 배터리가 항상 일정한 전압으로 충전되므로 수명이 길습니다.
• 단점:
  • 높은 가격: 복잡한 회로 구성으로 인해 가격이 비쌉니다.
  • 높은 발열: 전력 변환 과정에서 열이 많이 발생합니다.

오프라인 UPS (백업 UPS)

• 동작 방식:
  • 정상적인 상태에서는 입력된 AC 전원을 그대로 부하에 공급합니다.
  • 정전이 발생하면 내부 회로가 감지하여 배터리로 전환하고 인버터를 통해 부하에 전원을 공급합니다.
• 장점:
  • 저렴한 가격: 간단한 회로 구성으로 인해 가격이 저렴합니다.
• 단점:
  • 낮은 전력 품질: 정전 발생 시 일정 시간 동안 전원 공급이 중단될 수 있으며, 전압 변동이나 노이즈에 취약합니다.
  • 짧은 배터리 수명: 배터리가 주기적으로 완충 및 방전되기 때문에 수명이 짧습니다.

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1. 온라인 UPS (이중 변환 UPS)

• 구성: 정류기, 인버터, 배터리로 구성되어 있으며, 항상 인버터를 통해 정현파 AC 전원을 생성합니다.
• 동작 방식: 입력된 AC 전원을 DC로 변환한 후 다시 AC로 변환하여 부하에 공급합니다. 정전 시에는 배터리에서 전력을 공급받아 인버터를 통해 부하에 전원을 공급합니다.
• 특징:
  • 높은 전력 품질: 전압 변동, 노이즈, 주파수 변동 등 전력 품질 문제로부터 완벽하게 보호합니다.
  • 빠른 응답 속도: 정전 발생 시 즉각적으로 배터리로 전환되어 무중단 전원 공급이 가능합니다.
  • 긴 배터리 수명: 배터리가 항상 일정한 전압으로 충전되므로 수명이 길습니다.
• 단점:
  • 높은 가격: 복잡한 회로 구성으로 인해 가격이 비쌉니다.
  • 높은 발열: 전력 변환 과정에서 열이 많이 발생합니다.
• 적용 분야: 서버, 네트워크 장비, 의료 장비 등 고가의 장비나 고품질의 전력이 요구되는 시스템에 적합합니다.

2. 오프라인 UPS (백업 UPS)

• 구성: 정류기, 인버터, 배터리로 구성되어 있지만, 정상 상태에서는 상용 전원이 직접 부하에 공급됩니다.
• 동작 방식: 정전이 발생하면 내부 회로가 감지하여 배터리로 전환하고 인버터를 통해 부하에 전원을 공급합니다.
• 특징:
  • 저렴한 가격: 간단한 회로 구성으로 인해 가격이 저렴합니다.
• 단점:
  • 낮은 전력 품질: 정전 발생 시 일정 시간 동안 전원 공급이 중단될 수 있으며, 전압 변동이나 노이즈에 취약합니다.
  • 짧은 배터리 수명: 배터리가 주기적으로 완충 및 방전되기 때문에 수명이 짧습니다.
• 적용 분야: 가정용 컴퓨터, 소형 사무 기기 등 저렴한 비용으로 기본적인 정전 보호 기능만 필요한 경우에 적합합니다.

3. 라인 인터랙티브 UPS

• 구성: 오프라인 UPS와 온라인 UPS의 중간 형태로, 정상 상태에서는 상용 전원을 그대로 부하에 공급하지만, 전압 변동이 크거나 노이즈가 발생하면 자동으로 인버터를 작동하여 전압을 조정합니다.
• 특징:
  • 오프라인 UPS보다 높은 전력 품질: 일정 수준의 전압 변동이나 노이즈를 보정할 수 있습니다.
  • 온라인 UPS보다 저렴한 가격: 온라인 UPS보다는 저렴하지만 오프라인 UPS보다는 비쌉니다.
• 단점:
  • 온라인 UPS만큼 높은 전력 품질을 보장하지 못합니다.
  • 정전 발생 시 일정 시간 동안 전원 공급이 중단될 수 있습니다.
• 적용 분야: 오프라인 UPS보다는 높은 전력 품질이 필요하지만, 온라인 UPS보다는 저렴한 비용으로 사용하고 싶은 경우에 적합합니다.

4. 다이나믹 UPS

• 구성: 모터, 발전기, 플라이휠, 배터리 등으로 구성되어 있으며, 회전 기기를 이용하여 전력을 변환합니다.
• 동작 방식: 정상 상태에서는 모터가 발전기를 구동하여 부하에 전력을 공급하고, 정전 시에는 플라이휠에 저장된 에너지를 이용하여 발전기를 구동합니다.
• 특징:
  • 높은 전력 품질, 빠른 응답 속도, 높은 신뢰성, 큰 용량 등의 장점을 가지고 있습니다.
• 단점:
  • 높은 초기 투자 비용, 유지보수 비용, 큰 설치 공간 등의 단점이 있습니다.
• 적용 분야: 대규모 시스템, 데이터 센터, 통신 시스템 등 고신뢰성이 요구되는 시스템에 적합합니다.

5. 기타 UPS

• 삼상 UPS: 3상 전원을 사용하는 시스템에 적용됩니다.
• 모듈형 UPS: 모듈을 조합하여 용량을 확장할 수 있는 UPS입니다.
• 병렬 운전 UPS: 여러 대의 UPS를 병렬로 연결하여 용량을 확장하고, 시스템의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

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동작 원리

다이나믹 UPS는 크게 다음과 같은 단계로 동작합니다.

1. 정상 상태: 상용 전원이 안정적으로 공급될 때에는 모터가 발전기를 구동하여 부하에 전력을 공급합니다. 이때, 플라이휠이라는 회전체에 에너지를 저장하여 정전 발생 시 빠르게 대응할 수 있도록 합니다.
2. 정전 발생 시: 상용 전원이 끊어지면, 플라이휠에 저장된 에너지를 이용하여 발전기를 구동하고, 부하에 전력을 공급합니다. 또한, 배터리로부터 모터에 전력을 공급하여 플라이휠의 회전 속도를 유지하고, 필요에 따라 디젤 엔진 등을 가동하여 추가적인 전력을 생산할 수 있습니다.
3. 상용 전원 복구 시: 상용 전원이 복구되면, 모터는 발전기와 동기화되어 다시 상용 전원과 병렬 운전을 시작합니다. 이때, 플라이휠에 에너지를 재충전하여 다음 정전에 대비합니다.

시스템 구성

다이나믹 UPS는 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 모터: 플라이휠을 구동하고 발전기를 돌리는 역할을 합니다.
• 발전기: 모터에 의해 구동되어 전력을 생산합니다.
• 플라이휠: 회전 운동 에너지를 저장하여 정전 시 전력을 공급하는 역할을 합니다.
• 배터리: 정전 시 모터에 전력을 공급하여 플라이휠의 회전을 유지하고, 부하에 일정 시간 동안 전력을 공급하는 역할을 합니다.
• 제어 시스템: 시스템 전체를 감시하고 제어하는 역할을 합니다.

장점

• 높은 전력 품질: 정현파 출력으로 고품질의 전력을 제공합니다.
• 빠른 응답 속도: 정전 발생 시 즉각적으로 전력을 공급할 수 있습니다.
• 높은 신뢰성: 다중화된 시스템 구성으로 고장 시에도 안정적인 운전이 가능합니다.
• 큰 용량: 대용량 전력 공급이 가능합니다.
• 낮은 고조파: 정적 UPS에 비해 고조파 발생이 적습니다.

단점

• 높은 초기 투자 비용: 시스템 구성이 복잡하고, 대형 기기가 필요하여 초기 투자 비용이 높습니다.
• 유지보수 비용: 정기적인 유지보수가 필요하며, 고장 발생 시 수리 비용이 높을 수 있습니다.
• 큰 설치 공간: 시스템 구성 요소가 크기 때문에 넓은 설치 공간이 필요합니다.

적용 분야

다이나믹 UPS는 높은 신뢰성과 안정성이 요구되는 다음과 같은 분야에 주로 사용됩니다.

• 데이터 센터: 대규모 서버 시스템의 안정적인 운영을 위해 사용됩니다.
• 통신 시스템: 통신 장비의 안정적인 작동을 위해 사용됩니다.
• 산업 시설: 생산 라인의 무중단 운전을 위해 사용됩니다.
• 병원: 의료 장비의 안정적인 작동을 위해 사용됩니다.

• 고효율화:
  • SiC(실리콘 카바이드), GaN(질화갈륨) 등의 차세대 반도체 도입: 기존 실리콘 소자보다 높은 전력 효율과 고주파 특성을 제공하여 전력 손실을 줄이고 소형화를 가능하게 합니다.
  • 능동 클램핑, 궤환 무효 전력 보상 등 고효율 기술 적용: 스위칭 손실을 줄이고 전력 변환 효율을 높이는 기술들이 개발되고 있습니다.
• 소형화, 경량화:
  • 3D 패키징 기술: 다층 기판을 적용하여 부품 밀도를 높이고, 소형화를 실현합니다.
  • 소형화된 부품 채택: 스위칭 소자, 수동 소자 등을 소형화하여 전체 시스템의 크기를 줄입니다.
• 고밀도화:
  • 전력 밀도 향상: 단위 부피당 출력을 높여 시스템의 크기를 줄이고, 공간 효율성을 높입니다.
  • 열 관리 기술 발전: 고밀도화에 따른 발열 문제를 해결하기 위해 액체 냉각, 열 전도율이 높은 소재 등을 활용한 냉각 기술이 개발되고 있습니다.
• 지능화:
  • AI 기반 예지 보전: 고장 예측 및 진단을 통해 시스템의 안정성을 확보하고 유지보수 비용을 절감합니다.
  • 통합 관리 시스템: 다수의 전원 장치를 효율적으로 관리하고 제어하는 시스템이 개발되고 있습니다.
• 친환경:
  • 에너지 효율 향상: 에너지 소비를 줄여 탄소 배출량을 감소시킵니다.
  • 재활용 가능한 소재 사용: 환경 친화적인 소재를 사용하여 폐기 시 환경 부담을 줄입니다.

직류전원장치 기술 발전의 영향

• 전자 기기의 소형화, 경량화: 스마트폰, 노트북 등 휴대용 전자 기기의 성능 향상과 소형화를 가능하게 합니다.
• 데이터 센터 효율 향상: 서버 및 네트워크 장비의 전력 효율을 높여 운영 비용을 절감하고, 데이터 센터의 환경 부담을 줄입니다.
• 전기 자동차 충전 인프라 확대: 고속 충전 시스템 구축에 필요한 고효율, 고밀도 전원 공급 장치 개발을 촉진합니다.
• 재생 에너지 시스템 연계: 태양광, 풍력 등 재생 에너지 시스템과의 연계를 통해 에너지 효율을 높이고, 미래 에너지 시스템 구축에 기여합니다.

미래 전망

앞으로 직류전원장치 기술은 더욱 발전하여 다음과 같은 방향으로 나아갈 것으로 예상됩니다.

• SiC, GaN 기반 전력 반도체의 대중화: 차세대 반도체 기술의 발전으로 더욱 높은 효율과 성능을 갖춘 전원 장치가 개발될 것입니다.
• AI 기반 지능형 전원 관리 시스템 구축: AI 기술을 활용하여 전력 시스템을 최적화하고, 예측 정비를 통해 시스템의 안정성을 확보할 것입니다.
• 모듈형, 가상화된 전원 시스템: 다양한 요구 사항에 맞춰 유연하게 구성 가능한 모듈형 전원 시스템이 등장할 것입니다.
• 전력망과의 연계 강화: 스마트 그리드 시대에 맞춰 전력망과의 연동성을 높이고, 에너지 효율을 극대화하는 방향으로 발전할 것입니다.

1. 시스템 구성 및 연동 방식

• 병렬 운전: 자가발전기와 UPS를 병렬로 연결하여 동시에 부하에 전력을 공급하는 방식입니다. 부하 변동에 유연하게 대응할 수 있지만, 동기화 문제 및 보호 계전기 설정이 중요합니다.
• 순차 운전: 정전 발생 시 UPS가 먼저 작동하고, 부하 용량이 커지거나 UPS의 용량이 부족할 경우 자가발전기가 가동되는 방식입니다. 시스템 간의 전환 시간을 최소화하는 것이 중요합니다.

2. 전압, 주파수, 위상 동기화

• 전압: 자가발전기와 UPS의 출력 전압이 일치해야 합니다.
• 주파수: 자가발전기와 UPS의 출력 주파수가 일치해야 합니다.
• 위상: 자가발전기와 UPS의 출력 위상이 일치해야 전력 품질이 유지됩니다.
• 동기화 제어 장치: 위의 요소들을 정밀하게 제어하기 위한 동기화 제어 장치가 필요합니다.

3. 보호 계전기 설정

• 과전류 보호: 과전류 발생 시 시스템을 보호하기 위한 과전류 보호 계전기를 설정해야 합니다.
• 지락 보호: 지락 사고 발생 시 시스템을 보호하기 위한 지락 보호 계전기를 설정해야 합니다.
• 역률 보호: 역률이 낮아질 경우 시스템을 보호하기 위한 역률 보호 계전기를 설정해야 합니다.
• 고조파 보호: 고조파 발생으로 인한 시스템 손상을 방지하기 위한 고조파 보호 계전기를 설정해야 합니다.

4. 부하 특성

• 부하 변동: 부하 변동에 따른 시스템 안정성을 확보하기 위한 충분한 여유 용량을 확보해야 합니다.
• 무효 부하: 무효 부하에 의한 전압 변동을 최소화하기 위한 무효 전력 보상 장치를 설치해야 할 수 있습니다.

5. 배터리 관리

• 충전: UPS 배터리는 정기적으로 충전하여 항상 사용 가능한 상태를 유지해야 합니다.
• 교체: 배터리 수명이 다하면 교체해야 합니다.

6. 유지보수

• 정기 점검: 시스템의 안정적인 운전을 위해 정기적인 점검 및 유지보수가 필요합니다.
• 기록 관리: 점검 및 유지보수 기록을 관리하여 문제 발생 시 신속하게 대처할 수 있도록 해야 합니다.

7. 추가 고려 사항

• 소음: 자가발전기의 소음을 줄이기 위한 방음 대책이 필요할 수 있습니다.
• 진동: 자가발전기의 진동으로 인한 주변 시설의 손상을 방지하기 위한 방진 대책이 필요할 수 있습니다.
• 환기: 자가발전기의 열을 효과적으로 배출하기 위한 환기 시설이 필요할 수 있습니다.

UPS 용량 설계 시 고려 사항

1. 부하 용량:
   • 정격 용량: 부하의 정격 용량을 기준으로 UPS 용량을 선정해야 합니다.
   • 피크 용량: 부하의 최대 사용 전력(피크 용량)을 고려하여 UPS 용량에 여유를 두어야 합니다. 특히, 모터 부하와 같이 기동 시 순간적으로 큰 전류가 필요한 부하의 경우 더욱 신중하게 고려해야 합니다.
   • 역률: 부하의 역률이 낮을 경우, 무효 전력을 보상하기 위해 UPS 용량을 더 크게 선정해야 합니다.
2. 부하의 종류:
   • 선형 부하: 저항성 부하와 같이 전류가 전압에 비례하여 변하는 부하입니다.
   • 비선형 부하: 컴퓨터, 서버 등과 같이 전류 파형이 왜곡되어 고조파를 발생시키는 부하입니다. 비선형 부하는 고조파로 인해 UPS에 추가적인 부담을 줄 수 있으므로, 용량을 더 크게 선정하거나 고조파 필터를 설치해야 합니다.
3. 부하 변동:
   • 부하가 시간에 따라 변동하는 경우, 최대 부하를 기준으로 UPS 용량을 선정해야 합니다.
   • 부하 변동이 심한 경우, UPS의 과부하 보호 기능이 작동할 가능성이 있으므로, 충분한 여유 용량을 확보해야 합니다.
4. 정전 시간:
   • 정전 시 UPS가 부하에 전력을 공급해야 하는 시간을 고려하여 배터리 용량을 결정해야 합니다.
   • 배터리 용량이 부족하면 정전 시 짧은 시간 안에 전원이 꺼질 수 있습니다.
5. 환경 조건:
   • 온도, 습도 등 설치 환경에 따라 UPS의 성능이 달라질 수 있습니다.
   • 제조사에서 권장하는 환경 조건을 준수해야 합니다.
6. 성장 가능성:
   • 미래에 부하가 증가할 가능성을 고려하여 UPS 용량을 여유 있게 선정하는 것이 좋습니다.
7. UPS의 특성:
   • UPS의 효율, 응답 속도, 과부하 내량 등을 고려하여 적절한 모델을 선택해야 합니다.

UPS 용량 산정 시 주의사항

• 수용률: UPS의 용량을 산정할 때, 부하의 종류에 따라 적절한 수용률을 적용해야 합니다. 예를 들어, 통신 장비와 같이 연속적으로 동작하는 부하는 수용률을 100%로 적용하는 것이 일반적입니다.
• 고조파: 비선형 부하로 인해 발생하는 고조파는 UPS의 수명을 단축시키고, 효율을 저하시킬 수 있습니다. 고조파 필터를 설치하거나 고조파에 강한 UPS를 선택해야 합니다.
• 부하의 기동 전류: 모터 부하와 같이 기동 시 순간적으로 큰 전류가 필요한 부하는 UPS의 과부하 보호 기능이 작동할 수 있으므로, 충분한 여유 용량을 확보해야 합니다.

1. 정류기와 변압기의 역할 차이

• 정류기: 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 역할을 합니다. 정류기의 용량은 변환되는 전력의 크기를 나타내며, 일반적으로 킬로와트(kW) 단위로 표시합니다.
• 정류기용 변압기: 교류 전압을 정류기에 적합한 수준으로 변환하는 역할을 합니다. 변압기의 용량은 변압기가 처리할 수 있는 최대 전력을 나타내며, 일반적으로 킬로볼트암페어(kVA) 단위로 표시합니다.

2. 역률의 영향

• 역률: 전력 시스템에서 유효 전력과 무효 전력의 비율을 나타내는 값입니다.
• 정류기: 정류 작용으로 인해 역률이 낮아지는 경향이 있습니다. 즉, 같은 유효 전력을 변환하기 위해 더 큰 무효 전력이 필요하므로, 정류기용 변압기의 용량은 정류기의 유효 전력보다 커야 합니다.
• 역률 개선: 역률 개선기를 사용하여 역률을 높이면 변압기의 용량을 줄일 수 있습니다.

3. 변압기의 효율

• 변압기 효율: 변압기는 100% 효율을 가지지 못하며, 일부 전력이 열에너지로 손실됩니다.
• 용량 여유: 변압기의 효율을 고려하여 정류기의 부하보다 약간 큰 용량의 변압기를 사용하는 것이 일반적입니다.

4. 기타 요인

• 피크 전류: 정류 과정에서 순간적으로 큰 피크 전류가 발생할 수 있습니다. 변압기는 이러한 피크 전류를 견딜 수 있도록 충분한 용량을 가져야 합니다.
• 온도 상승: 변압기는 부하가 증가하거나 주변 온도가 높아질 때 온도가 상승합니다. 안전하게 운전하기 위해 변압기의 용량을 여유 있게 설계합니다.
• 안전율: 변압기의 수명을 연장하고 안정적인 운전을 위해 일정 수준의 안전율을 적용합니다.

결론

정류기 용량과 정류기용 변압기 용량이 다른 이유는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• 역률 차이: 정류기의 역률이 낮아 변압기의 용량이 더 커야 합니다.
• 변압기 효율: 변압기의 효율을 고려하여 용량을 여유 있게 설계합니다.
• 피크 전류, 온도 상승, 안전율 등: 다양한 요인을 고려하여 변압기의 용량을 결정합니다.

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상시 상용 급전 방식이란?

상시 상용 급전 방식은 UPS 운전 방식 중 하나로, 정상적인 상태에서는 상용 전원을 그대로 부하에 공급하고, 정전 시에만 배터리에서 전력을 공급하는 방식입니다. 즉, UPS는 상용 전원이 안정적으로 공급될 때에는 단순히 전력을 연결해주는 스위치 역할을 수행합니다.

동작 원리

1. 정상 상태: 상용 전원이 안정적으로 공급될 때에는 UPS 내부의 스위치가 닫혀 상용 전원이 직접 부하에 공급됩니다. 이때, 배터리는 상용 전원으로 충전됩니다.
2. 정전 발생 시: 상용 전원이 끊어지면 UPS 내부의 스위치가 자동으로 배터리로 전환되어 배터리에서 저장된 전력을 인버터를 통해 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급합니다.

특징

• 장점:
  • 높은 효율: 상용 전원을 직접 부하에 공급하므로 에너지 손실이 적어 효율이 높습니다.
  • 저렴한 비용: 회로가 간단하여 다른 방식의 UPS에 비해 가격이 저렴합니다.
  • 소형, 경량: 회로가 간단하여 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.
• 단점:
  • 낮은 전력 품질: 상용 전원의 변동이 그대로 부하에 전달되어 전압 변동, 노이즈 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
  • 정전 시 전환 시간: 배터리로 전환하는 데 시간이 소요되어 일시적인 전원 공급 중단이 발생할 수 있습니다.
  • 제한적인 보호 기능: 전압 변동, 노이즈 등에 대한 보호 기능이 제한적입니다.

적용 분야

• 전력 품질 요구가 낮은 부하: 조명, 난방 등 전력 품질에 민감하지 않은 부하에 적합합니다.
• 예산이 제한적인 경우: 저렴한 비용으로 기본적인 정전 보호 기능을 필요로 하는 경우에 적합합니다.
• 소형 시스템: 공간이 제한적인 곳에 설치하기 적합합니다.

주의 사항

• 상용 전원의 품질: 상용 전원의 품질이 부하에 직접 영향을 미치므로, 상용 전원의 안정성을 확보해야 합니다.
• 부하의 종류: 전압 변동이나 노이즈에 민감한 부하는 상시 상용 급전 방식의 UPS로는 보호하기 어렵습니다.
• 정전 시간: 배터리 용량에 따라 정전 시 보호 가능한 시간이 제한적입니다.