무정전전원설비(UPS)

왜 배우는가: 무정전전원설비(UPS)는 소방설비의 제어·감시 장치와 비상조명 등 정전 시에도 전원이 끊기면 안 되는 부하를 지키는 핵심 장치다. 소방 분야에서는 비상전원 용량과 전환 방식이 설비의 작동 신뢰성을 좌우하므로 실무 설계와 점검의 기본이 된다. 시험에서는 동작방식 비교, 스위칭 소자, 축전지 선정 등 여러 교시에 걸쳐 반복해 출제되므로 정의와 분류를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제115회 4교시 3번, 제98회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

무정전전원설비(UPS)는 상용전원이 정전되어도 축전지와 인버터로 부하에 교류 전력을 일정 시간 연속 공급하는 전원장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 무정전전원설비(UPS, Uninterruptible Power Supply)
• 축전지(Battery)
• 정류기(Rectifier)
• 인버터(Inverter)
• 절체 시간(Transfer Time)
• 스탠바이 방식, 라인 인터랙티브 방식, 온라인 방식
• 백업 시간(Backup Time)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 UPS는 정전이 되어도 기기가 꺼지지 않도록 잠깐 전기를 대신 만들어 주는 장치다. 컴퓨터를 갑자기 끄면 데이터가 깨지듯, 소방 제어기와 감시 장치도 전원이 끊기면 오작동하거나 기록을 잃을 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 무정전전원설비는 상용 교류전원의 정전, 순간 전압강하, 전압변동, 주파수 변동 등을 감지하여 축전지 에너지를 인버터로 교류로 바꾸어 부하에 공급하는 설비다. 전원 품질 교란을 억제하는 기능도 함께 가진다.

핵심 용어는 다음과 같다. 정류기는 교류를 직류로 바꾸어 축전지를 충전하고 인버터에 직류를 준다. 인버터는 직류를 설정된 전압과 주파수의 교류로 바꾼다. 절체 시간은 상용전원에서 축전지 운전으로 넘어갈 때 걸리는 시간이다. 소방용에서는 절체 시간이 짧아야 제어 회로가 끊기지 않는다.

동작방식에 따라 스탠바이, 라인 인터랙티브, 온라인으로 나뉜다. 스탠바이 방식은 평소 상용전원을 직접 부하에 공급하고, 정전 시에만 인버터로 전환한다. 라인 인터랙티브 방식은 전압 조정 기능을 더해 저전압과 고전압 상황에서도 부하를 보호한다. 온라인 방식은 상시 인버터가 부하를 공급하므로 전환 시간이 사실상 없다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 계통에서는 정전, 순간 정전, 전압강하, 고조파, 주파수 변동 같은 전원 교란이 발생한다. 전자장치와 제어장치는 이런 교란에 민감하여 오동작하거나 고장 날 수 있다. 특히 소방 설비는 화재 시 반드시 작동해야 하므로 전원 신뢰도 확보가 필수다.

소방 분야에서는 감지기 수신기, 비상방송 증폭기, 제연설비 제어반, 비상조명 제어장치 등이 정전 시에도 일정 시간 동작해야 한다. 상용전원이 끊긴 뒤 비상발전기가 기동하기까지 시간이 필요하므로, 그 사이를 메우는 장치로 UPS가 도입되었다.

국제 기준에서는 UPS를 IEC 62040 시리즈로 규정한다. 이 시리즈는 일반 및 안전 요구사항, 전자기 적합성, 성능 및 시험 요구사항, 환경적 측면으로 나뉜다. 그 밖에 다음 항목을 확인해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

무정전전원설비(UPS)는 정류기, 인버터, 축전지, 절체 회로로 구성된다. 동작방식(대기식, 선로대화식, 온라인식)에 따라 이 요소들의 연결 방식과 전환 시간이 달라진다.

원리는 에너지 흐름으로 설명한다. 온라인식은 상용 전원을 정류기로 직류로 바꾼 뒤 인버터로 다시 교류를 만든다. 이중 변환(더블 컨버전) 구조이므로 부하는 입력 전원의 순간 변동과 정전의 영향을 받지 않는다. 대기식은 상용 전원을 직접 공급하고, 정전이나 이상 전압이 감지될 때만 인버터 쪽으로 전환한다. 따라서 전환 시간이 생긴다. 선로대화식은 대기식과 같이 상용 전원을 우선하지만, 변압기 탭 등으로 전압을 보정하는 기능을 더한다.

온라인식은 이중 변환으로 입력 전원 변동을 차단하고, 대기식은 절체 시간이 발생한다

동작 절차는 다음과 같다.

• 상용 전원이 정상일 때 부하에 직접 공급하고 축전지를 충전한다.
• 정전 또는 전압 이상을 검출한다.
• 절체 회로가 인버터 쪽으로 전환한다. 온라인식은 이 단계가 없다.
• 축전지의 직류를 인버터가 교류로 바꾸어 부하에 공급한다.
• 상용 전원이 복구되면 재전환하고 축전지를 다시 충전한다.

UPS 출력 용량은 피상전력(VA)과 유효전력(W)으로 나누어 본다. 유효전력은 다음과 같다.

$P = S \times \cos\theta$

여기서 P는 유효전력[kW], S는 피상전력[kVA], \cos\theta는 부하 역률이다. 예를 들어 피상전력 10kVA인 부하라면 유효전력은 역률을 반영해 P = 10 \times \cos\theta kW로 구한다. 장비 명판의 VA 값을 그대로 쓰면 실제 유효전력 한도를 초과할 수 있으므로 역률을 반드시 고려한다. 이 값은 축전지 용량 산정의 출발점이 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

UPS 관련 기준은 소방 비상전원 기준, 전기설비 기준, 국제 표준으로 나뉜다. 소방에서는 2022-12-01부터 화재안전기준이 화재안전성능기준(NFPC)과 화재안전기술기준(NFTC)으로 나뉘었다. 성능은 NFPC에, 구체 수치와 방법은 NFTC에 있다. 전기설비는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 아래 표의 값 가운데 설계 관행에서 온 값은 적용 조건을 함께 확인한다.

축전지 용량은 부하 전류와 방전 조건을 고려해 산정한다. 부하 전류는 피상전력을 인버터 출력 전압으로 나누어 구한다. 용량 산정 시 방전율에 따라 용량이 달라진다. 방전율이 높을수록 축전지 용량은 줄어든다. 따라서 UPS 축전지는 8시간율 표기를 기준으로 비교한다.

방전심도는 축전지 수명과 이용률의 균형으로 정한다. 방전심도를 낮게 설정하면 수명이 길어지고, 높게 설정하면 이용률은 높아지지만 수명이 줄어든다. 설계 시 적용 방전심도와 보수율을 함께 명시하는 것이 답안의 기본이다.

축전지 용량은 부하 전류, 보수율, 용량 환산시간 계수로 산정한다

국내 기준 조문 번호는 이 절에서 확인된 범위만 쓴다. 번호가 확실하지 않은 조항은 기준 이름만 제시하고, 실무에서는 최신 고시 원문으로 대조해야 한다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

UPS는 상용전원과 축전지·인버터의 연결 방식에 따라 대기형(Offline), 라인인터랙티브형(Line-Interactive), 온라인형(Online, 이중변환)으로 나뉜다. 세 방식은 평상시 부하에 전원을 어디서 공급하는지, 정전 시 전환에 시간이 걸리는지가 핵심 차이다.