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반도체 소자의 능력 향상에 맞춰 정류기 방식은 6상 정류 방식에서 12상 정류 방식을 거쳐 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식으로 바뀌면서 고조파 전류와 무효 전력의 전원 계통 쪽 유출을 큰 폭으로 낮추었다. 인버터 방식도 다중 인버터 방식을 거쳐 PWM 제어 방식이 주류를 이루면서 장치 소형화와 출력 전압 성능 향상에 크게 이바지했다. 제어 기술 역시 트랜지스터를 조합한 아날로그 제어에서 고성능 프로세서 등을 이용한 디지털 제어로 발전함에 따라 제어 연산 처리 능력을 대폭 향상했고, 현재의 UPS 기술을 지지하는 초석이 됐다.
고도 정보화사회에서 자연재해 등으로 인한 정전으로부터 기기나 정보, 온라인 등 통신기능을 보호할 장치로 UPS(Uninterruptible Power System)를 일반적으로 언급한다. UPS는 기존에 전동기와 발전기 등을 조합한 회전형이 주류였으나, 1970년대 반도체 소자를 사용해 전력 변환하는 정지형이 보급됐다.
정지형 UPS는 정류기 · 인버터 · 축전지로 구성되며, 정류기 · 인버터용 반도체 소자와 함께 발전했다. 처음 사이리스터 소자를 사용했으나, 1980년대 초 자기自己소호消弧기능을 가진 GTO · 파워 트랜지스터로 바뀌었다. 그러다 1990년대에 GTO · 파워 트랜지스터보다 스위칭 속도가 빠른 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용했다.
그리고 반도체 소자의 능력 향상에 맞춰 정류기 방식도 6상 정류 방식에서 12상 정류 방식을 거쳐 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식으로 바뀌면서 고조파 전류와 무효 전력의 전원 계통 쪽 유출을 큰 폭으로 낮추었다. 인버터 방식도 다중 인버터 방식을 거쳐 PWM 제어 방식이 주류를 이루면서 장치 소형화와 출력 전압 성능 향상에 크게 이바지했다. 현재도 IGBT를 이용한 PWM 제어 방식의 정지형 UPS가 자리를 잡았다. 제어 기술 역시 트랜지스터를 조합한 아날로그 제어에서 고성능 프로세서 등을 이용한 디지털 제어로 발전하면서 제어 연산 처리 능력을 대폭 향상한 것도 현재의 UPS기술을 지지하는 초석이다.
최근 들어 지구 온난화 문제로 대두하면서 에너지 절약에 이목이 쏠리고 있다. 그러한 가운데 전원 장치 시장에서 '고효율화'가 큰 과제로 거론됐다. 앞에서 말한 바와 같이 기존 UPS는 정전압 · 정주파수(CVCF : Constant Voltage Constant Frequency) 개념이 강했으나 요즘에는 효율을 중 시한 UPS도 관심사로 떠올랐다.
실제 일본 국토교통성 대신관방 관청 영선부 감수의 공용건설공사표준양식서(전기설비공사 편, 2007년 판)에는 기존 상시 인버터 급전 방식에다 상시 상용 급전 방식과 라인 인터랙티브Line Interactive 방식 3개를 각기 구별해 양식화했다. 여기서에는 그 3개 방식의 특징에 대해 논한다.
상시 상용 급전 방식
상시 상용 급전 방식은 <그림 1>과 같이 정류기 · 인버터 · 축전지 및 변환(절환切換) 스위치로 구성된다.
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평소 운전할 때 교류 입력을 변환 스위치를 통해 부하로 전력을 공급하고, 정류기는 축전지 충전만 한다. 정전이 발생하면 변환 스위치를 인버터 쪽으로 전환해 축전지의 직류 전력을 인버터에서 교류전력으로 변환해 전력을 공급한다.
평소 운전 시 교류 입력을 직접 출력하므로 전력손실이 극히 적다. 또한, 정류기도 축전지 충전 용량뿐이라 소형화가 가능하다. 그러나 출력 전압 품질은 교류 입력 품질에 의존하므로 교류 입력 전압, 주파수 변동이 그대로 부하 기기에 공급된다. 또한, 정전 검출 시간과 변환 스위치의 변환 시간이 부하의 순단瞬斷시간이므로 전원 변동에 민감한 부하 기기에 영향을 미칠 수 있다. 게다가 부하에 정류 부하가 접속된 경우에 교류 입력 쪽으로 고조파 전류가 유출될 우려가 있다.
라인 인터랙티브 방식
일반적으로 라인 인터랙티브 방식은 <그림 2>와 같이 전력 인터페이스 · 양방향 컨버터 · 축전지 및 변환 스위치로 구성된다. 양방향 컨버터는 정류기와 인버터를 함께 갖춘 변환기다.
평소 운전할 때 교류 입력을 전력 인터페이스에서 변환 스위치를 통해 부하로 전력을 공급하고, 양방향 컨버터는 정류기로 운전해 축전지를 충전한다. 정전이 발생하면 양방향 컨버터는 인버터를 작동하고 축전지의 직류 전력을 교류 전력으로 변환해 변환 스위치를 통해 부하로 전력을 공급한다. 과부하나 양방향 컨버터가 고장나면 변환 스위치를 교류입력 쪽으로 바꾸고 부하에 계속 전력을 공급하도록 동작한다.
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평소 운전 시 교류 입력을 직접 출력하므로 전력손실이 극히 적다. 또한, 정전 변환 시간도 1/4 사이클 이내로 정의돼 대부분의 부하 기기에 영향을 미치지 않는 성능을 갖추고 있다. 다만, 정주파수定周波數 제어 기능이 없어 부하 기기의 허용 주파수 변동범위를 도입 전에 확인해야 한다.
라인 인터랙티브 방식은 소용량 UPS에 많이 쓰였으나, 최근 장치의 고효율화를 목적으로 중대용량 UPS에도 이용한다. 또한, 3.3㎸, 6.6㎸의 고압 배전 계통에 직접 설치하는 고압 순간 전압 강하 보상 장치에도 라인 인터랙티브 방식을 이용한다.
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라인 인터랙티브 방식에 대한 해석은 다양하며, 회로 구성도 제조회사에 따라 다소 다르다. <그림 3>은 라인 인터랙티브 방식의 일례로 듀얼 프로세싱 방식의 회로 구성을 나타낸 것이다. 듀얼 프로세싱 방식은 라인 인터랙티브 방식의 전력 인터페이스부가 '반도체 스위치+직렬 컨버터'로 이루어진다.
평소 운전과 정전이 발생했을 때 동작은 일반 라인 인터랙티브 방식과 같지만, 교류 입력 변동을 직렬 컨버터로 전압 보정하고 출력 전압을 일정하게 유지하는 기능(AVR)이 있다. 직렬 컨버터는 변동한 전압만 보정하므로 양방향 컨버터의 1/5 정도 용량으로 제조할 수 있어 장치의 소형화도 가능하다.
정전이 발생하면 정전 검출 시간을 앞당겨 양방향 컨버터 제어를 정류기 운전에서 인버터 운전으로 재빨리 변환한다. 이와 동시에 입력 부에 반도체스위치를 설치해 교류 입력 계통으로부터 순식간에 장치를 분리함으로써 부하로의 전력 공급에 무순단無瞬斷을 실현한다. 또한, 양방향 컨버터에 액티브필터 기능을 설치해 고조파 전류와 무효 전력의 교류 입력 쪽 유출을 억제하는 등 상시 인버터 급전방식과 동등한 성능을 가진다. 다만, 정주파수 제어기능은 없다는 점이 상시 인버터 급전 방식과 구별된다.
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상시 인버터 급전 방식
상시 인버터 급전 방식은 <그림 4>와 같이 정류기 · 인버터 · 축전지 및 변환 스위치로 구성된다.
평소 운전할 때 교류 입력을 정류기에서 직류 전력으로 변환하고 인버터로 직류 전력을 공급하는 동시에 축전지에 충전한다. 그 직류 전력을 인버터에서 교류 전력으로 변환하고 변환 스위치를 통해 부하에 공급한다. 이처럼 두 개의 변환기를 통해 부하에 전력을 공급한다고 해서 더블 컨버전Double Conversion 방식이라고도 부른다.
과부하나 변환기가 고장이 났을 때 변환 스위치를 교류 입력 쪽에 무순단으로 변환하고 부하에 계속 전력을 공급하도록 동작한다. 서두에 밝혔듯이 정류기에 PWM 제어 방식 채용함으로써 고조파 전류와 무효 전력의 교류 입력 쪽 유출을 줄였다.
평상시 인버터에서 변환된 교류 전력을 부하에 공급하므로 교류 입력 변동이나 입력 노이즈, 서지에서도 부하에 영향을 주는 일 없이 안정된 정전압, 정주파수 전력을 공급한다. 또한, 정전이 발생해도 무순단이면서 출력 전압 변동을 ±10% 이내로 억제해 부하로 전력을 계속 공급한다. 그러나 늘 변환기 두 개를 통해 전력을 공급하기에 전력손실이 많아진다. 최근에 직류 전압을 높여 인버터에 절연 변압기를 생략한 고효율 비절연 UPS도 시장에 나왔다.
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특징 비교
<표 1>에 각 급전 방식의 특징을 비교한 것이다.
상시 상용 급전 방식은 특히 정전 변환 시간에 대한 규정이 없으나 변환 스위치의 변환 시간과 정전 검출 시간을 고속으로 해 정전 변환 시간을 5㎳ 이하로 할 수 있다.
한편, 라인 인터랙티브 방식은 변환기가 직접 급전 경로에 접속돼 듀얼 프로세싱 방식과 같이 배전설비나 부하 기기에 유효한 성능을 첨가할 수 있다.
상시 상용 급전 방식과 라인 인터랙티브 방식 모두 비교적 안정된 교류 입력으로 운용되는 환경에서 문제가 발생하지 않는다. 그러나 자가 발전기 운용에는 급격한 부하 변동에 따른 발전기 출력 주파수 변동이 부하 기기나 UPS 장치 자체 운전에 영향을 주지 않는지 검토해야 한다.
상시 인버터 급전 방식은 항상 정전압, 정주파수의 전력을 공급한다는 점에서 높은 전원의 신뢰성을 요하는 설비에 많이 도입한다. 최근 고효율 상시 인버터 급전 방식 UPS도 선을 보여 기존보다 에너지 절약이 활발하게 이루어지고 있으나, 원리면에서 상시 인버터 급전 방식은 상시 상용 급전 방식과 라인 인터랙티브 방식의 효율을 웃도는 경우는 없다.
따라서 UPS를 도입할 때 사회적으로나 경제적으로 보아 부하 기기와의 적합성을 고려한 후 적절한 방식을 선택해야 한다.
정리 전화영 기자
<Energy News>
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