UPS의 주요 구성요소로는 정류기·축전지·동기절체부·제어부 등을 들 수 있다.
정류기와 축전지는 상용전원인 교류를 직류로 변환시켜 축전지를 충전시키며 동시에 인버터에 직류전원을 공급한다. 인버터는 직류를 교류로 변환시키는 장치로, 정전압·정주파수의 전원을 부하장비에 공급한다.
동기절체부는 바이패스 및 인버터측에 각각 설치하여 연동되도록 하는 구조로, 인버터 고장 및 과부하시에 대비, 위상차 때문에 발생하는 돌입전류(Cross Current)를 방지하기 위해 순수한 반도체 소자로 구성돼 있다.
제어부는 정류부 및 인버터부 등을 제어하는 부분으로, 메인 배터리에서 직접 공급받아 고성능 스위칭방식에 의한 직류·직류방식을 사용함으로써 절체 혹은 가동시 오작동이 배제되고 또한 본장치에서 발생되는 순간과도전압 및 불시의 정전시에도 제어회로가 안정적으로 작동하도록 제작됐다.
최근 들어서는 LED표시부와 제어관리 소프트웨어(SW)도 구성요소에 포함되는 경향을 보이고 있다.
LED표시부는 장비 운용에 필요한 모든 전원관리 상태의 식별이 용이하도록 기기 전면에 LED가 부착돼 있는 부분이고 제어관리SW는 통신포트와 컴퓨터 OS에 따라 사용 SW를 결정하며 무엇보다 원격관리에 있어 가장 중요한 역할을 한다.
UPS는 입력되는 교류를 정류기를 이용해 직류로 변환하고 직류 부분에 접속된 축전지에 전류를 축전하는 동시에 인버터에 직류전원을 공급하는 역할을 한다. 인버터가 직류를 교류로 역변환하고 이어 교류필터로 파형을 정형하면 안정된 교류가 출력되는 것이다.
따라서 전압저하 및 정전시 교류입력이 정상적으로 되지 않아도 축전지에서 직류전력이 인버터를 경유해 출력된다.
전원이 복구돼 상용전원이 다시 순변환부 및 충전부에 공급되면 축전지의 방전이 자동으로 멈추고 상용전원은 순변환부를 거쳐 인버터를 통해 끊어짐 없이 연결기기에 전력을 공급하게 되면서 충전장치는 방전된 축전지를 재충전시키는 원리를 갖는다.
UPS를 기능면으로 분류하면 축전지방식과 단일 또는 병렬 운전방식, 바이패스 절환방식, 상시 인버터 상용급전방식 또는 출력전압파형, 정현파 또는 방형파 출력방식 등이 있다.
축전지방식은 충전방식과 직류스위치방식으로 나뉜다. 충전방식은 정류기가 사이리스터로, 항상 축전지를 부동 충전하므로 인버터에 전력을 공급하기 위한 구성이 단순하고 역률이 낮다. 직류스위치방식은 전용 충전기가 필요하며 정류기에서는 다이오드를 사용해 역률 효율면에서 우수해 대용량에 적용된다.
단일 또는 병렬 운전방식은 복수의 UPS를 병렬 운전하는 방식으로 특별히 높은 신뢰도를 필요로 하는 대용량 시스템에 적용된다. 이 방식은 한 대의 UPS가 고장나면 다른 UPS가 대체 가동된다.
바이패스 절환방식은 인버터를 상시 상용전원과 동기 운전하고 기동시에는 과부하시에 부하를 상용에 절환해 정상상태로 떨어지게 하는 것으로 인버터로 되돌리는 운전방식이다.
이밖에 상시인버터(온라인 UPS)방식, 상용급전(오프라인 UPS)방식이 있는데, 현재는 상시인버터방식이 주류를 이루고 있다.
한편 90년대 중반까지 국내 UPS업계에는 사실상 눈에 띄는 기술발전이 없었다 해도 과언이 아니다. 핵심부품을 대부분 수입에 의존해온 데다 자체적인 기술력의 확보가 어려웠기 때문이다.
하지만 최근 3, 4년 사이 국내업계에서도 많은 기술적 변화를 보이고 있다. 변환방식을 보면 1960년대부터 1970년대까지 주파수폭 변조(PWM)방식이 실용화되기 시작해 안정도와 경제적인 측면에서 실효를 거두었다.
이어 1980년대 초반부터는 마이크로프로세서의 발전으로 복잡한 제어회로를 쉽게 처리할 수 있게 됐으며 90년대에 들어서는 디지털방식을 채택, 모든 운영상태를 원거리에서 24시간 감시·제어할 수 있게 됐다.
이러한 디지털기술의 발달은 UPS 제어방식에 커다란 개선을 가져다 줬다. 마이크로프로세서에 의한 제어는 제어속도를 개선하는 데 기여했고 고속처리와 이에 따른 복합적인 응용이 가능하게 됐다. 또한 부품의 수를 크게 줄일 수 있었고 전체 전력시스템을 일괄적으로 제어해 소프트웨어에 의해 운영되는 시대를 열었다.
디지털기술의 발전과 함께 국내 UPS기술은 소형·경량화, 입출력 특성 개선, 저소음화, 노이즈문제 개선, 원격감시기능 및 제어의 고성능화로 수렴돼 갔다.
소형·경량화를 위해서는 고주파화가 가장 적절하다. 이를 위해 바이폴러트랜지스터에서 수십배의 고주파화가 가능한 금속산화막 게이트 전계효과 트랜지스터(일명 모스펫)를 적용해오다가 90년대 들어서면서 모스펫과 바이폴러트랜지스터의 장점을 살린 IGBT가 이용되고 있다.
입력전원측에서 보면 정류 부하에서 고조파 전류를 유출하는 저역률이 문제였으나 12상 전류 등 다상정류방식이 도입돼 개선되고 있고 최근에는 고역률 컨버터 도입으로 품질안정을 이루고 있다.
출력전원측에서는 전압파형이 일그러지는 왜형파 전류가 문제였는데 이는 고주파 PWM방식으로 순시전압형 제어를 부가함으로써 해결됐다.
또한 트랜스 리액터의 철심 및 권선부분에서 발생하던 심한 전자음도 고주파화기술 진보에 따라 스위칭 주파수를 높임으로써 줄여지고 있다. IGBT같은 고속의 스위칭 소자를 사용하여 가청 주파수 범위보다 높게 스위칭함으로써 소음을 대폭 줄일 수 있었다.
최근에는 냉각효율의 향상으로 냉각팬을 없앤 무소음 UPS도 출시되고 있다. 입력측 노이즈도 입력필터나 PWM 컨버터의 채택으로 낮아지고 있다.
이 같은 기술 개선은 중대용량 UPS에서도 진행되고 있는데 대체적으로 전원의 질이 향상되고 시스템의 조작·보수가 쉬워져 합리적이고 경제적으로 되어가고 있는 점이 특징이다.
특히 IGBT의 출현으로 출력전압 파형이 미세하게 조정되었으며 순시출력 전압의 변동폭도 기존의 10%대에서 5∼7%까지 개선되었다.
이밖에 기존에는 UPS 배터리의 보수가 번거로웠으나 자기진단 및 시스템 이상 관리기능이 향상되고 신속한 보수 및 근본적인 원인파악이 쉬워졌다. 최근에는 무보수 배터리의 등장으로 보수가 간편하게 됐으며 원격감시 및 제어기능을 탑재한 지능형 UPS 개발이 보편화하고 있다.
SMR방식을 채택, 변압기의 크기가 줄어들면서 전체 기기의 크기도 감소하는 추세를 보이고 있고 외형 디자인 역시 전산실내에 설치가 늘면서 주변환경에 부합하는 색깔과 형태를 갖게 됐다.
<허의원기자 ewheo@etnews.co.kr>