<문>상용전원 이상사고에 따른 장애유형과 무정전 전원장치(UPS, UninterruptiblePower Supply)의 개념, 구성 및 기능에 대하여 설명

<답>

1. 개요

• 상용전원 이상사고는 순시전압저하, 순간정전, 정전 등으로 구분되며, 각각 전력계통 사고로 인한 전압저하 및 전원공급 중단을 의미함
• 무정전 전원장치(UPS)는 정전사고, 전압변동, 주파수변동, Noise 등 상용전원의 이상상태 발생시에도 안정된 양질의 교류전원을 부하측에 무정전으로 공급하는 설비임

2. 상용전원 이상사고에 따른 장애유형

가. 전력계통 사고로 인한 전원 이상 발생 형태

이상 형태	세부 내용
순시전압저하(Sag)	- 송전선 낙뢰 또는 지락·단락사고 발생시 차단기가 사고점을 분리하는 과정에서 발생하는 최대 2초간의 전압저하 현상
순간정전(Momentary Interruption)	- 사고 송전선 분리 후 자동 재송전까지 약 1분간 지속되는 전원공급 중단 현상
정전(Sustained Interruption)	- 사고 송전선 분리 후 자동 재송전까지 약 1분간 지속되는 전원공급 중단 현상

나. 개념도

그림 별도 추가

• 전력계통 사고시 보호계전기와 차단기가 순차적으로 동작하면서 사고점 분리 과정에서 순시전압저하 및 순간정전이 발생하며, 재송전 실패시 장시간 정전으로 이어짐 ​

다. 장애유형별 영향 및 대책

구분	지속시간	주요원인	영향	대책
순시전압저하	0.1~2초	지락/단락사고, 차단기 동작	전압강하로 인한 장비 오동작	UPS, 전압보상장치
순간정전	약 1분	재송전 대기시간	시스템 다운, 데이터 손실	UPS, 발전기
정전	수분~수시간	설비손상, 자연재해	전면적 운영중단	예비전원, 비상발전기
전압변동	연속적	부하변동, 계통불안정	기기수명단축, 오작동	AVR, UPS
주파수변동	연속적	발전기 불균형	동기기기 오동작	UPS, 주파수조정장치

• 상용전원 이상사고는 산업현장에서 펌프 불시정지로 인한 냉각수 공급중단, 원료이송 제어기능 상실, 위험물질 과도방출 등 2차 사고를 유발할 수 있어 무정전 전원공급 대책이 필수적임

3. 무정전 전원장치(UPS)의 개념 및 필요성

가. UPS(Uninterruptible Power Supply) 개념

• 무정전 전원장치는 상용전원의 정전, 순간정전, 전압변동, 주파수변동, Noise 등 각종 이상상태 발생시에도 기기를 보호하고 안정된 양질의 교류전원(정전압, 정주파수)을 부하측에 원활하게 공급하는 설비​
• 정상시에는 정류기-인버터를 통한 전력변환으로 양질의 전원 공급, 정전시에는 축전지 방전으로 무정전 전원 공급을 실현함​
• 전력품질 보호와 전원 연속성 확보를 동시에 달성하는 전원보호 시스템임​

나. 필요성

• 정보통신시스템, 의료기기, 산업제어시스템 등 순간정전도 허용되지 않는 중요부하 보호​
• 전력계통 사고에 의한 순시전압저하 및 순간정전으로부터 장비 보호​
• 고조파, 서지, 노이즈 등 전원품질 저하요인 제거를 통한 장비 수명 연장

4. UPS의 구성

가. 구성도

그림 별도 추가

• UPS는 정류기-인버터-축전지의 주회로와 바이패스회로, 동기절체스위치로 구성되며, 정상시 이중변환 방식으로 양질의 전원 공급, 이상시 바이패스 무순단 절체로 전원 연속성을 확보함

나. 구성 요소

구성 요소	주요소자	기능	특징
정류기(컨버터)	Diode, SCR, IGBT	AC→DC 변환, 축전지 충전	입력역률 개선, 고조파 저감
인버터	FET, IGBT, Power TR	DC→AC 역변환, PWM/PAM 제어	정전압·정주파수 출력 생성
축전지	납축전지, 리튬이온	정전시 DC 전원 공급	백업시간 결정 요소
동기절체스위치	SCR, Triac	인버터↔바이패스 무순단 절체	4ms 이하 절체시간
바이패스회로	SCR, 접촉기	UPS 고장시 상용전원 직접공급	인버터와 인터록 구성

• 정류기는 SCR이 가장 많이 사용되며 고역률·고효율 용도에는 IGBT를 적용하고, 인버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 고주파 스위칭하여 정현파 출력을 생성함

5. UPS의 운전모드별  동작원리

가. 정상운전 모드

• 상용전원 → 정류기(AC→DC 변환) → DC필터(고조파 제거) → 인버터(DC→AC 변환) → AC필터(정현파 성형) → 부하 순으로 2중 변환 방식으로 동작
• 정류기에서 변환된 직류전원은 인버터에 공급됨과 동시에 축전지를 부동충전 방식으로 충전​
• 인버터는 PWM 제어로 직류를 안정된 정현파 교류로 변환하여 부하에 양질의 전원 공급​

나. 정전시 모드

• 한전정전 또는 전기설비 고장으로 상용전원 차단시 축전지가 자동으로 방전하여 인버터에 직류전력 공급​
• 축전지 방전종지전압까지 인버터를 통해 부하에 안정된 교류전력을 무정전으로 공급​
• 백업시간은 축전지 용량과 부하전력에 의해 결정되며, 일반적으로 10~30분 설계​

다. 고장/과부하시 모드

• 인버터 고장 또는 과부하 발생시 동기절체스위치가 동작하여 바이패스로 무순단 절체​
• 상용전원과 인버터 출력이 동일 주파수·위상으로 동기화되어 있어 4ms 이하의 무순단 전환 가능
• 바이패스회로와 인버터는 서로 인터록되어 동시투입 방지​

라. 비상 및 보수시 모드

• 비상전원스위치(MCCB) 투입으로 상용전원이 UPS를 완전히 우회하여 부하에 직접 공급​
• UPS 기능 전체가 정지되어 유지보수 작업 가능

6. UPS 방식별 비교

구분	On-line(이중변환	Off-line(대기)	Line-interactive
정상시 전원경로	AC→정류기→인버터→부하	상용전원 직접 공급	Filter 경유 후 직접 공급
효율	70~90% (낮음)	90% 이상 (높음)	90% 이상 (높음)
신뢰도	높음 (이중변환)	낮음	중간
절체시간	4ms 이하 무순단	10ms 이하	10ms 이하
전원품질	고조파·노이즈 완전차단	차단 불가	부분적 차단
전압조정	입력무관 안정출력	입력변동시 출력변동	AVR기능(5~10% 조정)
주파수안정성	변동없음	변동발생	변동발생
가격 및 용량	고가, 대용량 가능	저가, 소용량	중간가격, 중용량

7. 활용 및 기술 동향

• 데이터센터, 병원, 금융기관, 산업제어시스템 등 순간정전도 허용되지 않는 중요설비에 필수적으로 적용되며, 특히 클라우드 컴퓨팅 확산으로 대용량 모듈형 UPS 수요 증가
• 최근에는 리튬이온 축전지 적용으로 소형화,장수명화, IGBT 기반 고효율 인버터 적용으로 에너지 효율 향상, IoT 기반 원격감시 및 예지보전 기능이 강화되고 있으며, 신재생에너지 연계형 UPS 및 양방향 전력변환 기술이 발전하고 있음 ​

<끝>