[화요특집] UPS 기술동향

국내 UPS업계에는 사실상 혁신적인 기술발전은 없었다고 볼 수 있다. 핵심부품을 대부분 수입에 의존해온데다 대기업이 뛰어들만한 여건도 갖추어 있지 않아 자체적인 기술확보가 어려웠던 탓이다.

하지만 최근 2, 3년 사이에 국내 업계에서도 많은 기술적 변화를 보이고 있다. 변환방식을 보면 1960년대부터 1970년대까지 PWM(Pulse Width Modulation)방식이 실용화되기 시작해 안정도와 경제적인 면에서 실효를 거두었다. 이어 1980년대 초반부터는 마이크로프로세서의 발전으로 복잡한 제어회로를 쉽게 처리할 수 있게 됐으며, 90년대에 들어서는 디지털시그널프로세서(DSP)를 채택, 모든 운영상태를 원격으로 24시간 감시 및 제어를 가능케 하고 있다.〈도표참조〉

이미 수영전기, LG산전 등이 DSP를 채택한 UPS를 출시하고 있으며, 보영전자, 맥스컴 등은 한국전기연구소와 공동으로 97년까지 3백kVA급 DSP형 UPS개발을 추진중이다.

DSP기술의 발달은 제어방식에 있어서도 큰 변화를 보이고 있는데, 마이크로프로세서에 의한 제어는 단순 기기 자체의 제어속도를 개선하는 데는 한계가 있었으나 DSP가 실용화됨에 따라 컴퓨터가 신속하게 처리할 수 있는 디지털신호로 변환, 고속처리되고 이에 따라 복합적인 응용이 가능하게 됐다. 이 방식을 적용한 시스템은 부품수를 수백분의 1로 줄였고 마이크로프로세서급은 각각의 제어방식이지만 DSP컨트롤에서는 전체 시스템이 일괄적으로 제어돼 소프트웨어에 의한 전력기기 운영시대를 맞고 있다.

국내에 소개되고 있는 최근의 UPS기술은 대체적으로 소형, 경량화, 입출력특성의 개선, 저소음화, 노이즈의 간편화, 원격감시기능 및 제어의 고성능화 등으로 요약할 수 있다.

소형, 경량화에는 고주파화가 가장 적절하므로 바이폴러트랜지스터에서 수십배의 고주파화가 가능한 모스펫(Mosfet;금속산화막 게이트 전계효과트랜지스터)을 적용하고 있다. 90년대 들어서는 모스펫과 바이폴러트랜지스터의 장점을 살려 대용량화하기 쉬운 스위칭소자로 IGBT가 이용돼 최고 20의 빠른 스위칭속도를 기록하고 있다.

입력전원측에서 보면 정류부하에서 고조파(高調波)전류를 유출해 역률이 낮은 것이 문제였으나, 이 문제는 12상 전류 등 다상정류 방식의 도입으로 상당히 개선됐으며, 최근에는 고역률컨버터 도입으로 품질안정을 이루고 있다. 고역률 컨버터는 기존의 다이오드 사이리스터에서 모스펫 IGBT 등의 고속스위칭소자를 사용해 이것을 제어하는 것으로 입력전류형을 정현파로 정형하는 것과 동시에 입력파형과 동위상으로 할 수 있게 됐다.

부하기기의 입력부에서도 반도체 소자에 의한 정류회로가 사용되므로 입력전류의 고조파가 문제됐다. UPS의 출력측에서 왜형파 전류가 흐르게 돼 전압파형 일그러짐 현상이 발생했는데, 이 문제의 해결을 위해 기존에는 정격용량의 50∼70% 수준에서 부하를 제어해 접속했으나 최근에는 고주파 PWM방식으로 순시전압형 제어를 부가함으로써 해결했다. 순시전압파형 제어는 고속에서 출력전압의 일그러짐을 없앴다.

또 UPS는 트랜스 리액터의 철심 및 권선부분에서 전자음이 심하게 나는데 고주파화기술 진보에 따라 스위칭 주파수를 높여 실제 소음을 대폭 줄이고 있다. 최근에는 냉각효율의 향상으로 냉각팬을 없앤 무소음 UPS도 출시되고 있다.

중대용량 UPS도 이러한 경향을 띠고 있는데, 대체적으로 전원의 질이 향상되고 시스템의 조작 보수가 좋아져 합리적이고 경제적으로 되어가고 있다는 점이 특징이다. IGBT의 출현으로 출력전압파형이 미세하게 조정되었으며 순시출력전압의 변동폭도 기존의 10%대에서 5∼7%까지 개선되었다.

한편 기존에는 UPS가 배터리의 보수가 번거로웠으나 최근에는 무보수배터리의 등장으로 보수가 간편하게 됐으며, 원격감시 및 제어기능을 탑재한 지능형 UPS개발이 한창이다.

원격감시 및 제어시스템은 정상운전의 경우에는 운전상황을 데이터에 의한 예측보전(온도감시 제어전원감시 부하분담감시 파형감시)으로 파악하며, 고장시에는 상황데이터를 서비스센터에 즉시 전송하도록 돼 있다. 고장진단의 내역은 각부 파형 게이터 패턴, 다발이상의 발생순서, 이상발생시의 각부 동시 기록과 재생 등이다.

반도체소자의 급속한 발전은 모든 전력기기들에 있어 급속한 변화가 예상되고 있는데, 특히 장비의 운영측면에서 신뢰성 및 경제성, 보전성이 향상된 방향으로 발전될 것으로 보인다. 또 고도기술의 전문화가 이뤄지면서 정보통신을 이용한 전문 제조업체가 직접 관리 운영하는 형태로의 발전이 예상된다. 이에 따라 UPS는 고장요인을 사전에 제거할 수 있는 실질적 기능이 요구되고 있다.

이같은 요건을 만족시키기 위해서는 원격으로 UPS운영상태를 감시하고 제어할 수 있어야 하는데, UPS시스템에 RS232C포트와 모뎀이 추가로 장착돼야 하며, 모든 컨트롤 부분이 CPU에 의해 약정된 SW로 제어돼 모뎀을 통해 전송돼야 한다.

SW에 의한 제어가 불가능한 방식은 모든 상태나 경보내역 등을 접점식 또는 이의 변형된 방식으로 인출받아(전력신호를 통신신호로 변환) 원격 전송은 가능하나, 상태감시나 경보내역이 시스템 자체의 판단에 의하지 않고 인위적인 판단은 사실상 불가능하며, 원격감시의 주목적인 사전 고장예방 및 원격조정 수리가 어렵다. 따라서 제어회로를 1백% 디지털화한 DSP제어방식이 가장 진전된 원격제어시스템으로 부상하고 있다.

국내 업계는 대부분 핵심부품인 IGBT를 수입에 의존하고 있는데다 반도체 애플리케이션 기술이 부족해 UPS를 완전 국산화하는 데 걸림돌이 되고 있다. 현재 스위칭소자에 따라 SCR형과 트랜지스터형, 그리고 IGBT형이 모두 생산되고 있으며, 점차 IGBT형으로 전환되고 있는 추세다. 대용량의 경우 트랜지스터형이 부적합해 SCR형으로 대체되기 시작했으며 IGBT가 출현한 이후에는 빠른 속도로 IGBT로 대체되고 있다.〈박영하기자〉

<제품 선택요령>

UPS를 선택할때는 어떤 전원장애가 발생해도 계속해서 양질의 전원을 계속 공급할 수 있는 제품 선택해야 한다. 그러기 위해서는 먼저 UPS의 용도를 결정하고 부하의 상수나 전압 주파수 용량 역률 등을 고려해 최적의 기계를 선정해야 한다.

변압기나 모터, SMPS(스위칭모드 파워서플라이) 등은 초기 동작시 극히 짧은 순간에 최대로 흐르는 전류가 발생하는데 이를 돌입전류라 한다. 변압기의 기동전류는 정격 전류의 23배까지 될 수 있고 기동 순간에는 거의 쇼트상태 또는 대단히 과부하 상태가 된다. 모든 부하장비의 순시전류의 과부하의 합은 UPS의 과부하의 전류내에 있어야 한다.

UPS를 선택할 때는 역률(PF; Power Factor)도 고려해야 하는데 유효전력을 나타내는 KW와 피상전력을 나타내는 KVA의 비율이다. 이 비율은 소수점으로 표시하는데 일반적으로 컴퓨터의 역률은 0.9PF이다. 따라서 컴퓨터를 위한 UPS의 역률은 0.9PF에 맞도록 설계돼야 한다.

이밖에 SMPS의 발달로 부하는 리니어부하(선형부하)에서 비리니어부하(비선형부하)로 옮겨가고 있다. 따라서 UPS의 용량에 영향을 미치는 C.F(Crest Factor)도 고려해야 한다. 또 부하증설에 따른 UPS의 확장성도 검토해야 한다.

한편 사용자는 부하장비의 제조사로부터 원하는 전원내용을 파악한 후 기동용량이 얼마인지 계산하고 증설 예정용량을 감안한다. 여기에다 역률을 이용해 진상 전력을 계산하고 C.F를 감안해 UPS용량을 결정, 최적의 기기를 선택한다.

발전기의 용량결정은 UPS의 출력 용량보다는 UPS의 입력조건에 의해 결정하는 것이 이상적이나 일반적으로 UPS의 입력용량은 주어지지 않고 출력용량의 크기로 사용된다. UPS시스템용 발전기용량은 20kVA에서 1백50kVA급까지 UPS출력용량의 2배가 필요하며 2백kVA이상인 경우 UPS출력용량의 1.5배가 요구된다.

최근에는 국내의 대부분 업체들이 원격감시 및 제어기능을 갖춘 첨단제품을 속속 출시하고 있는데 원격제어기능까지 갖춘 제품은 드물다. 원격감시 및 제어는 구매자가 확인해야 할 사항이다.

UPS는 사후대처를 위한 기기가 아니라 사전에 사고를 예방하기 위한 것이므로 철저한 사전서비스가 제일이다. 요즈음엔 국내 14개 업체가 모두 ISO9001이나 ISO9002 인증을 획득, 국산도 품질이 향상됐다. UPS를 구입할때는 「Q마크」 「전마크」 「EMI마크」 등을 확인하고 구입하는 것이 좋다.