UPS

왜 배우는가: UPS는 정전·순간전압강하로부터 전산설비, 병원, 통신, 산업 공정을 보호하는 핵심 설비이며, 전기안전 현장과 설계 실무에서 방식 선정과 용량 산정이 반복적으로 요구된다. 기술사 시험에서도 방식별 동작 원리, 설치 요건, 병렬운전 고려사항이 여러 교시에 걸쳐 출제되어 체계적인 이해가 필요하다.

출제 이력: 제137회 4교시 5번, 제104회 1교시 5번, 제96회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

무정전전원장치(UPS)는 상용 전원 이상 시 축전지와 인버터로 부하에 연속적인 교류 전력을 공급하는 설비다.

핵심 키워드

• 무정전전원장치(UPS): 전원 공급이 끊기지 않도록 축전지 에너지를 이용하는 장치
• 대기형(Standby): 평상시 상용 전원을 직접 공급하고 이상 시 인버터로 전환하는 방식
• 라인 인터랙티브형(Line-interactive): 가변 전압 단권변압기로 저전압·과전압을 보상하는 방식
• 이중 변환 온라인형(Online Double-conversion): 교류를 직류로 바꾼 뒤 다시 교류로 변환하여 완전 격리하는 방식
• 병렬운전(Parallel operation): 여러 UPS를 묶어 용량 증대와 이중화를 얻는 운전
• 축전지(Battery): UPS의 에너지 저장 요소
• 인버터(Inverter): 직류를 교류로 변환하는 장치
• 정적 전환 스위치(STS): 무접점으로 상용 전원과 인버터 전원을 전환하는 장치

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 UPS는 전기가 끊겨도 기기가 꺼지지 않도록 중간에 배터리를 두고 그 전기를 기기에 넘겨주는 장치다. 정전이 짧아도 컴퓨터 데이터가 깨지거나 공정이 멈추는 것을 막는다.

정식 정의는 상용 교류 입력이 허용범위를 벗어나면 축전지 직류 전력을 인버터로 교류 변환하여 부하에 무중단으로 공급하는 전력변환장치이다. 동작 원리의 핵심은 에너지 저장(축전지)과 전력 변환(정류기·인버터)을 결합하는 데 있다.

무정전전원장치는 정류기, 축전지, 인버터, 전환 스위치로 구성된다. 정류기는 교류를 직류로 바꿔 축전지를 충전하고, 인버터는 직류를 다시 교류로 바꾼다. 정전 시에는 축전지에서 인버터로 전력이 흘러 부하를 지속한다.

축전지는 UPS가 저장하는 에너지원이다. 방전 가능 시간은 부하 용량과 축전지 용량으로 결정되며, 데이터센터에서는 보통 수 분에서 수십 분 정도의 백업 시간을 확보하여 발전기가 기동할 시간을 번다.

인버터는 직류 전력을 정해진 전압과 주파수의 교류로 만드는 장치다. 출력 파형의 품질이 부하 기기의 안정성을 좌우한다.

정적 전환 스위치(STS)는 반도체 소자로 전원을 바꾸는 장치로, 기계식 접점보다 전환 속도가 빨라 부하 중단을 최소화한다.

병렬운전은 같은 용량의 UPS를 여러 대 묶어 부하를 나눠 맡기는 방식이다. 한 대가 고장 나도 나머지가 부하를 맡아 이중화 효과를 얻는다.

3. 등장 배경과 필요성

전산기기와 반도체 공정이 확대되면서 짧은 전압 변동에도 장비가 손상되거나 데이터가 손실되는 문제가 커졌다. 이에 따라 전원 품질을 보장하는 설비가 필수 설비로 자리 잡았다.

전력 계통의 순간 정전, 전압 강하(sag), 전압 상승(swell), 주파수 변동이 발생하면 민감 부하의 오동작이 생긴다. UPS는 이러한 전력 품질 문제를 완화하고 부하를 보호한다.

초기에는 단순한 대기형 장치가 주로 쓰였으나, 데이터센터와 의료시설의 요구가 높아지면서 이중 변환 온라인형과 병렬 구성이 확산되었다. 현재는 설비 신뢰도 요구 수준에 따라 방식을 선택하는 것이 설계의 기본이다.

국제 기준으로는 IEC 62040 시리즈가 UPS의 일반·안전, 전자기 적합성, 성능 시험, 환경 측면을 다루고 있어 설계와 시험의 기준이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

무정전전원장치의 구성요소는 정류기, 축전지, 인버터, 정적 전환 스위치(STS, Static Transfer Switch), 바이패스 회로로 나뉜다. 방식에 따라 구성요소의 연결이 달라진다. 온라인(이중변환) 방식은 모든 부하 전력이 정류기와 인버터를 거치므로 상용 전원의 품질 변동을 완전히 차단한다.

정류기는 교류 입력을 직류로 바꿔 축전지를 충전하고 인버터에 직류를 공급한다. 온라인 방식에서는 정류기가 인버터를 직접 구동하므로 상용 전원 상태와 무관하게 부하가 항상 인버터 출력을 받는다. 이 구조를 이중변환(Double Conversion)이라 부른다. 상용 전원의 전압 강하, 서지, 주파수 변동이 부하에 전달되지 않는다. 정전 시에는 축전지 직류가 인버터로 흘러 공급이 중단 없이 이어진다. 절체 시간이 사실상 없어 전산 장비 보호에 쓰인다.

대기형과 라인 인터랙티브형은 평상시 상용 전원을 직접 부하에 공급한다. 이상 발생 시에만 인버터로 전환한다. 라인 인터랙티브형은 전압 조정용 가변 탭 변압기를 더해 저전압·과전압을 배터리 소모 없이 보상한다. 이 방식은 절체 과정에서 짧은 출력 중단이 생길 수 있다.

온라인 UPS의 동작 절차는 다음과 같다.

• 정상 시: 상용 입력을 정류기로 직류 변환하고, 그 직류로 인버터를 구동해 부하에 정현파 교류를 공급한다. 동시에 축전지를 충전한다.
• 입력 이상 시: 정류기 출력이 저하되면 축전지의 직류가 인버터로 공급된다. 부하 전원은 끊기지 않는다.
• 인버터 고장·과부하 시: 정적 전환 스위치가 바이패스 회로로 무접점 절체한다.
• 복귀 시: 상용 입력이 정상 범위로 돌아오면 정류기가 재기동하고 축전지를 다시 충전한다.

정상 운전 시 인버터가 항상 부하를 담당하므로 인버터 손실과 발열이 상시 발생한다. 이 때문에 정류기와 인버터는 연속 운전 설계와 냉각 강화가 필요하다. 축전지의 방전 용량은 부하 용량과 요구 백업 시간으로 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

UPS는 전기설비 측면에서는 한국전기설비규정(KEC)의 적용을 받고, 제품 성능과 시험은 IEC 62040 시리즈로 규정된다. 2021-01-01부터 KEC가 시행되어 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체했다. 국내 설계에서는 KEC의 저압·특고압 설비 규정과 IEC 62040 시리즈를 함께 확인해 사양을 정한다.

입력 전압 허용 범위는 정격 대비 +10~-15% 이다. 이 범위는 축전지 기여 없이 상용 입력만으로 유지되는 조건이다. 범위를 벗어나면 축전지 방전 모드로 전환된다.

축전지 종류별 기준은 다음과 같다. 소형·휴대용 시스템은 밸브 조절식 납축전지가 쓰인다. 데이터센터에는 습식 납축전지, 니켈카드뮴, 리튬이온이 쓰일 수 있다. 축전지 종류마다 충전 방식과 보수 주기가 달라 설계 시 제조사 사양을 함께 반영한다.

UPS 설치 기준은 IEC 62040 시리즈로 성능을 정하고, KEC로 설비를 시공한다.

6. 유형과 비교

UPS는 전력 변환 구조에 따라 대기형(Standby), 라인 인터랙티브형(Line-Interactive), 온라인 이중 변환형(Online Double-Conversion)으로 나뉜다. 세 방식은 상용 전원 정상 시 부하를 어떻게 공급하는지, 그리고 절체 시간이 얼마나 걸리는지로 구분된다. 정전 시 배터리 전력을 쓰는 원리는 같지만, 평상시 회로 구성이 달라서 비용과 보호 성능이 크게 다르다.