무정전전원장치 (UPS)

1. 일반사항 (개요 및 기본 구성)

​

 ▣ UPS (Uninterruptible Power Supply)

   ⊙ 상용전원 또는 예비전원의 각종 장애 (정전사고, 순간정전, 전압변동, 주파수 변동, Surge, Flicker 등)에 대해 무정전, 정전압,

       정주파수의 안정된 양질의 교류전원을 부하장비의 원활한 운영을 도모하기 위한 순시전압 제어방식의 정지형 무정전 전원장치

 ▣ 최근 정보, 통신, 방송, 금융, 의료, 교육 등 실시간 신뢰성이 요구되는 시스템이 증가함에 따라 무정전 전원 장치의 설치가 필요

      한 환경이 증가하고 있음

 

가. UPS의 필요성

[상용전원 문제 발생]

 ▣ 순시 정전 및 전압변동

   ⊙ 컴퓨터 등의 자동화 기기 : 프로그램 오작동, 불량제어, 기억장치 소실

 ▣ 전자개폐기 : 전동기 정지로 생산 중단

 ▣ 반도체 전력 변환장치에 의한 전동기 가변속 구동

   ⊙ 전동기 정지, 엘리베이터 정지, 상하수도 펌프 중단 등

 ▣ 주파수 변동 : 60Hz 전력 동기 주파수 사용기기 - 오차 발생, 오동작 등

 ▣ 임펄스 잡음 변동 : 전력 전자 기기나 고집적 반도체 소자 오동작 발생 등

 ▣ 고조파 잡음 : 설비의 과열 및 손실 증가로 오동작 등

 ▣ 고주파 잡음 : 송수신에 영향

 

나. 기본 구성

 

 ▣ 정류기 : 구성 : 입력회로 차단 리액터, IGBT, 반도체 보호용 고속 퓨즈, 서지업서버

     ⊙ 기능 : - 입력으로 부터 유입되는 고조파 및 노이즈 차단

                   - 전원측으로 역류되는 잡음을 최소화

                   - 직류로 변환시켜 배터리 충전과 동시에 인버터에 전력 공급

                   - 배터리 충전전류를 제한하는 기능

 ▣ 인버터 기능

   ⊙ 정류기부 및 축전지 전원을 이용하여 양질의 교류전원으로 변환시켜 부하에 공급

   ⊙ 출력 과부하 시 인버터부의 출력 전류를 제한

 ▣ 배터리 기능

   ⊙ 정전시 인버터부에 직류전원을 공급

   ⊙ 상용전원의 악조건에서도 부하단의 안전된 전력을 공급

 ▣ 동기절체 스위치 구성 : 반도체 스위치

   ⊙ 기능 - 주장치 고장시 또는 과부하시 무순단으로 자동 절체

               - 과부하 해소시에는 무순단으로 자동 역절체

               - 정기적인 점검을 위한 수동 절체 기능이 복합 구성

               - 출력 과부하 시 인버터부 출력 전류를 제한

 ▣ 기타

   ⊙ 출력 필터부 : 인버터부에서 발생되는 고조파를 제거하여 안정된 양질의 전원을 만들어 부하에 공급할 수 있는 기능

   ⊙ 제어 회로부 : 정류기부, 인버터부, 동기절체 스위치부, 계측기능, 경보부 등의 모든 제어를 수행하는 기능

   ⊙ 그 이외 : 원격장치, 경보 및 상태표시가 가능한 LCD, 상태표시가 가능한 전면 운용 판넬에 MIMIC, 계측장치, 제어장치 등

​

2. UPS의 동작 방식

가. ON-LINE 방식

   ▣ 정상 운전시 정류기를 통해 배터리 충전 및 인버터를 통한 부하 측에 전원 공급

   ▣ 정전발생시 Battery 방전에 의해 부하측에 전원공급

   ▣ 신뢰도를 요구하는 방식

   ▣ 정상적인 상용전원 인입시 충전기와 인버터에 DC를 공급하여 항상 인버터로 동작하는 방식

 

[장단점]

장 점	단 점
⊙ 입력전원의 정전시 무순단으로 입력과 관계없이 안정적으로 전원을 공급 ⊙ 입력전압변동에 관계없이 출력전압 일정하게 공급 ⊙ 입력의 Surge, Noise 등을 차단하여 출력전원을 공급 ⊙ 회로구성에 따라 양질의 전원을 공급 ⊙ 단락, 과부하 등에 대한 보호회로가 내장	⊙ 회로구성이 복잡하여 기술력이 요구 ⊙ 효율이 OFF-Line 보다 낮음 ⊙ 외형 및 중량이 커짐 ⊙ 가격이 비쌈 ​ ​

나. OFF-LINE 방식

   ▣ 입력전원 정상시 상용전원을 출력측으로 전원 공급 및 정류기를 통해 Battery 충전

   ▣ 정전과 입력전원 미달시 Battery 방전에 의해 인버터를 통해 부하 측에 전원 공급

   ▣ 주로 서버 전용의 소용량에 많이 쓰임

 

[장단점]

장 점	단 점
⊙ 입력전원 정상시에는 효율 높음 ⊙ 회로구성이 간단하여 내구성이 높음 ⊙ ON-LINE 구성에 비해 가격이 저렴 ⊙ 소형화가 가능하고 전자파 발생이 적음	⊙ 정전시에는 순간적인 전원의 끊어짐이 발생 ⊙ 입력의 변화에 따라 출력이 변화 ⊙ 입력전원과 동기가 되지 않아 정밀급 부하에 적합하지 않음

다. Line-Interactive 방식

 

<입력전원 정상시>

  ▣ 출력측에 전원을 공급하고 인버터 모듈내의 IGBT Free Wheeling Diode를 통한 Full Bridge 정류방식

  ▣ 정류기로 기능하여 Battery 충전

<정전시>

  ▣ 인버터로 동작하여 출력전원을 공급하는 OFF-LINE 방식

  ▣ Full Bridge 정류방식으로 충전기 기능과 인버터 기능을 동시에 수행

[특징]

  ▣ 기본적으로 Off-Line 방식의 형태를 취하며 제한적인 고조파 제거나 전압 조절이 가능

  ▣ 상용 입력 전압 변동이 심할 경우

    ⊙ On-Line 적 성격인 전압 조정 기능을 추가하여 입력 변동이 발생하여도 자동으로 전압을 조정하여 UPS 출력단으로 보내기

         때문에 Battery의 사용률이 줄어들어 Battery 수명을 연장할 수 있음

 

[UPS 동작방식 비교]

구분	On-Line	Off-Line	Line-Interactive
효율	70~90% 이하	90% 이하	90% 이상
내구성	Off-Line 방식보다 낮음 상시 인버터 구동함	높음 정상시 인버터 구동 안함	중간 구동소자 Free Wheeling Diode로 충전
주파수 변동	변동없음 (±0.5% 이내)	입력변동에 따라 변동됨	입력변동에 따라 변동됨
출력전압 변동	입력에 관계없이 정전압 공급	입력변동에 따라 변동됨	5~10% 정도 자동전압 조정
입력전압 이상시	완전 차단함	차단하지 못함	부분적으로 차단함
소음	45~65dB	40dB 이하	40dB 이하

2. UPS의 운전절차

가. 정상운전 조건

 

   ▣ 상용 또는 예비전원을 수전하는 충전부는 IGBT 제어에 의한 교류를 직류로 변환

   ▣ 충전부와 병렬로 연결해서 Battery에 정전압 정전류 특성으로 전력을 공급

   ▣ Battery에 병렬로 연결한 Interter에 전력 공급

  ▣ 별도 경보 회로 구성, DC 과전압 TRIP VOLT 재설정

 

나. 정전시 운전

[상용전원이 차단된 경우]

  ▣ 충전된 Battery에서 무순단으로 인버터에 직류 공급

  ▣ 인버터는 입력단의 차단에도 관계없이 부하단에 전력을 정상 공급

  ▣ 공급시간은 배터리의 정격에 의해서 방전

    - 정전중에 Battery Fail 및 Inverter가 고장나 그 후 복전된 경우 부하에 전원을 공급할 것 (Bypass 급전)

 

다. By-Pass 운전조건

 

[상용전원을 사용하고 있는 도중]

  ▣ UPS SYSTEM의 내부 TROUBLE 및 부하단에 이상이 발생해도 UPS는 BY-PASS LINE으로 전력을 무순단으로 공급

    ⊙ 전압, 주파수 등의 출력에 이상이 발생하지 않아야 함

  ▣ BY-PASS 절체 후에 자동적으로 INVERTER로 절체되지 않고, 조작은 이상 여부를 확인 후 수동으로 조작

  ▣ 비동기시에도 자동과 수동 절체를 해도 무순단으로 절체되고 부하에 영향이 서로 없을 것

 

라. 정전 회복시 운전조건

  ▣ 정전이 발생해서 Battery Mode로 운전시 발전기 또는 상용전원이 다시 복전된 경우

    ⊙ 발생한 과도현상 또는 SURGE의 장해에 대해서도 자동 정전압 기능에 의한 충전 정류기는 자동적으로 SOFT STARTER에

         전력을 공급

  ▣ 방전을 한 Battery에도 자동적으로 충전을 일정한 시간에 행할 수 있도록 할 것

    ⊙ 충전 전류는 충전 제한 장치에 의해서 부하에 영향을 서로 주지 않도록 설정한 충전 전류만 공급

  ▣ 충전전력은 UPS 용량의 5%를 넘지 않도록 함

 

마. 축전지 분리 동작 조건

  ▣ INVERTER를 통해 전체적으로 부하단에 전력 공급/ 정상적으로 BY-PASS 절체

  ▣ Battery 전원이 없을 경우

    ⊙ FULL 부하로 BY-PASS MODE에서 INVERTER로 절체가 가능할 정도로 SYSTEM에 문제가 전혀 없을 것

  ▣ 정상운전 중 Battery Breaker를 강제적으로 Trip해도 UPS는 정상 동작을 할 것

  ▣ Battery 병렬 운전시

    ⊙ 한개의 Battery를 Off하여도 UPS SYSTEM은 다른 1개조 이상의 Battery로 Back-up해서 System은 정상 동작(경보만

         발생)을 할 것

동기절체	비동기 절체
⊙ Inverter 출력 주파수 및 상용전원으로 자동 동기되는 방식 ⊙ Inverter와 상용전원간에 Interlock 설정 ⊙ 전기적으로 완전히 독립된 기기 자체의 유지 보수와      Inverter부의 고장에 대비 ⊙ 상호 동기조건에서의 자동 및 수동으로 상용전원에      무순단으로 절체할 수 있도록 해야 함	⊙ 부하단에 이상을 부르지 않도록 무순단으로 전기적인 정상 공급일 것 ⊙ 비동기 수동 절체 시에도 동일 ⊙ 비동기 운전시 경보를 발생하고 Inverter 출력과 한전과의      비교에 의해서 비동기 상태를 표시 ​ ​

3. UPS의 주의사항 및 점검방법

가. 유의사항

  ① 충분한 기술적인 지식을 가지고 있는 운영자 또는 서비스 엔지니어에 의해서 수행

  ② UPS 운전 정지 후, 내부 위험 전압 주의

  ③ 설명서에 명시된 운전요령을 숙지 후 조작

활선 부위 감전 주의	2인 1조 점검활동 실시
전기설비 화재 대비 소화기 현장 배치할 것	안전사고에 대한 기본안전수칙 필히 숙지
설비이상 발견시 절대 촉수금지	파손 우려 부품은 원거리에서 점검
Battery 점검시 절연장갑 등 안전장구 착용	​

나. 점검방법

  ▣ UPS 점검의 필요성

  ① 구성품의 마모열화나 경년 열화에 의한 기능저하, 고장에 의한 정지는 업무 수행상의 장애로 되어 손실을 증대

  ② 모든 기능을 정상적으로 유지하며 최대한의 성능을 발휘시키기 위해서는 적절한 유지보수가 반드시 필요함

  ③ 설비의 기능 및 신뢰성을 유지시킬 뿐만 아니라 수리비를 감소시키며 UPS의 수명을 연장

  ④ 설비의 유효활용과 유지보수비의 저감을 도모할 수 있는 등의 효과를 기대

 

[유지보수의 효과]

  ⊙ 돌발적인 고장의 감소                                              ⊙ 장치기능의 유지

  ⊙ 고장으로 생기는 손실 (부하시스템의 정지, 업무의 정체)의 저감

  ⊙ 수명이 늘어남에 따른 설비갱신 비용의 감소

 

[UPS 점검 내용]

설비의 비교	⊙ 일반적으로 새로운 설비보다 오래된 것이 고장 발생률이 많으므로 상세하고 점검주기도 단축
설비의 중용도	⊙ UPS는 항상 운전하고 있으며 고압, 대전류가 통전하는 시스템으로 가장 혹독한 환경에서 운전되는 전자장비 ⇒ 최대한의 수명을 보장하기 위하여 설계되었으나 장시간의 수명과 양질의 전원을 위하여 정기적인 점검과 보수 필요
환경조건	⊙ 설비의 위치와 환경이 나쁘면 문제 발생의 소지가 더 많음   ⇒ 옥내, 옥외, 분진, 환기, 습기, 가스, 진동 유무, 절연물 열화, 금속의 부식, 발열에 의한 소손, 단락 등 사고의         가능성이 많은 환경일 경우, 점검을 더 자주 해야 함
사고 이력	⊙ 환경조건의 불량 등에 의해 고장을 반복하는 설비가 있으며 그것부터 사고 재발 방지 강화
부하 상태	⊙ 동작 빈도가 많은 설비부터 점검 주기는 단축, 부하조건의 증가 등으로 각 부하가 과부하가 예상되는 설비는      점검 주기를 단축

[UPS 점검]

  ▣ 일상점검, 월간점검, 정기점검 및 정해진 시기의 부품교환이 필요함

일상점검	월간점검	정기점검
장비의 운전환경 및 경보발생 여부 확인 (1일 1회 이상)	장비 운전 중 각종 계측값 정상 여부 확인 (1개월 1회 이상)	장비의 각종 기능 시험 (1년 1회 이상)

① 일상점검

  ▣ 운전하고 있는 상태에서 시각, 청각에 의해서 점검

  ▣ 보통 때의 상태와 변화가 없는가를 사용자가 확인하는 점검사항

  ▣ 비교적 간단하며 고도의 기술을 필요로 하지 않으나 유지보수의 기본적인 사항

<점검사항>

주위환경의 점검	⊙ 먼지, 가스, 빗물, 실온, 습도 등에 변화가 없는가를 점검
구성기기 및 부품점검	⊙ 운전시 이상 발열, 진동 또는 소음의 발생여부를 점검
운전상태의 점검	⊙ 전면 디스플레이 판넬상의 측정치들이 모두 정상인가를 확인
표시 및 점검	⊙ 전면 디스플레이 판넬 상에 상태표시 LED가 정상이고 경보가 발생하지 않았는지 확인

② 월간점검 : 1개월에 1회 이상

점검사항	점검내용	표시값	실측값
입력	전압 [V]	​	​
	전류 [A]	​	​
출력	전압 [V]	​	​
	전류 [A]	​	​
	주파수 [Hz]	​	​
Battery	전압 [V]	​	​
	전류 [A]	​	​

 

 ③ 정기점검

   ▣ 운전 중에는 점검할 수 없는 내용에 대하여 실시

   ▣ 운전상태가 양호한 경우에도 UPS를 정지시키고 점검

   ▣ 각부 청소, 부품의 육안점검, 특성시험 등이 중심

   ▣ 통상 좀처럼 동작하지 않는 부품의 기능, 성능에도 이상이 없는지 확인하는 점검

 

<점검사항>

외관점검	⊙ 외부 운전환경, 냄새나 습기의 점검, 외함 내부와 외부의 청소 상태
구성기기 및 부품점검	⊙ 육안으로 변색, 변형, 액체의 누설 등은 없는지 점검
특성 시험	⊙ 보호장치의 동작확인, 각종 검출기의 동작확인, 각부 동작파형의 확인 ⊙ 정류부 및 인버터부에 인가되는 펄스 파형의 이상유무를 측정/점검 ⊙ UPSS기동, 정지, 절체시험 등으로 실제 정전시 UPS 정상동작 여부 확인
각종 측정값	⊙ 각부의 전압 또는 전류치를 측정/비교하여 교정

다. UPS의 폐기

 

  ▣ 부품, PCB, 외함, 변압기 및 Battery 등 모든 구성품이 산업용 특정 폐기물로 분류

  ▣ 전원장치를 폐기시

    ⊙ 반드시 폐기물관리법의 규정에 의해 지정폐기물 중간처리의 허가를 득한 사업자 (폐기하고자 하는 품목의 허가를 득한 사업

         자)에게 처리해야 함

 

라. Battery 점검

  ① Battery 운반 및 설치시 : 충격을 가하지 않음

  ② 작업공구에 의한 단락 주의 : 작업공구에 절연 Tape 등으로 보호

  ③ 감전주의 : 장갑 및 피부가 보호될 수 있는 작업복 착용

  ④ 작업은 전기감독자 입회하에 함 : 작업장 내에 있는 각종 설비 및 기기에는 함부로 접촉하는 것을 금함

  ⑤ 작업종료 후 : 주변 정리정돈 및 Battery 청소

  ⑥ 작업 진행되는 동안 : 작업 공구 및 금속체를 Battery 상부에 방치하지 않음

  ⑦ 수직하중을 받지 않도록 Battery 가대의 받침면의 수평을 정확히 잡도록 함

 

마. Battery 작업방법

  ▣ 보수의 경우 기존의 설침불을 철거 및 처리

  ▣ 폐Battery는 합법적으로 처리

  ▣ CELL Number가 견고히 부착

  ▣ 연결단자 Bolt는 확실히 조인 후에 I-Marking을 표시

  ▣ 설치에 필요한 모든 Tool은 작업 전일까지 준비

  ▣ Battery 설치시 여유분 Battery를 확보하여 작업중에 파손되면 즉시 교체

  ▣ Battery 단자 연결시 중간의 Battery를 연결하지 않고 최종 확인 후에 연결

​

4. BATTERY 점검방법

가. Battery 사용목적

  ▣ 배터리 : 상시 부동충전으로 정전 등 상용전원의 악조건에서도 부하단의 안정된 전력을 공급할 수 있게 하기 위한 장치

  ▣ 정상시 : 정류기를 통해 배터리를 충전시킴

  ▣ 정전시 : 인버터부에 직류 전원 공급

 

나. 배터리 위치

 

   ▣ 정류기와 인버터 사이에 위치

   ▣ 인버터부에 직류전원을 공급하여 인버터에서 교류로 변환 후 ⇒ 중요 부하 전원 공급

 

다. 배터리 점검 방법

  ▣ Battery의 부동충전 전압

    ⊙ 20℃ 부동충전으로 최적 조건 운용시

 

   ⊙ 각 CELL 공칭전압 2[V]인 경우 : 부동충전 전압 2.22[V]

   ⊙ 12[V] Battery : 최적의 부동충전 전압 : 13.3 [V]

   ⊙ 무보수 밀폐형 Battery는 균등충전하지 않음

   ⊙ 균등 충전시 : Battery의 수명은 25[%] 이하로 급격 저하

      - 규정값 보다 높을 경우 과충전으로 인해 수명이 단축되고

      - 규정값 보다 낮을 경우 부족충전으로 수명이 단축되고

      - 전압편차가 발생

   ⊙ 주기적으로 충전 불량 여부, 충전전압 정확히 세팅

  ▣ Battery의 내부 저항 측정

   ⊙ 회로적인 연결성에 대한 정보를 알 수 있음

   ⊙ 내부저항값의 큰 변화는 셀에서 큰 변화가 있음을 나타내는 것

   ⊙ 성능변화를 나타내는 것

   ⊙ 배터리의 열화 판정을 위해서는 신품의 Battery를 측정하여 기록

   ⊙ 배터리가 열화하면 내부저항이 신품의 약 1.5~2배 정도 됨

 

   ⊙ 초기값에 비해 내부저항이 2배가 넘을 경우

      - 방전용량도 급격히 저하된 상태이므로 불합격 판정을 하고 교체

   ⊙ 내부저항 측정은 배터리 양 단자에 내부저항 측정기를 이용하여 측정

 

   ⊙ 내부저항 기준값 : Battery 설치 후 6개월 이내

   ⊙ CELL 내부 저항 성분 : 실제 접속저항, 전해액의 이온 전도성, 극판에서 발생되는 전기-화학 처리과정의 활동상태의 요인

   ⊙ 정기적으로 내부저항 측정하여 이상 유무 확인 : TREND 관리

 

▣ 적외선 열화상 카메라 측정

  ⊙ BATTERY 및 단자부, 배선 열화상 카메라 측정

     - 단자부 볼트 조임 불량, Battery 간 결선 불량시 접촉저항 증가로 발열 발생

     - 불량 Battery 확인

 

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