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무정전 전원장치에는 어떤 유형들이 있으며 유형별 특징은 무엇입니까?

무정전 전원장치의 여러 유형들
 
White Paper # 1: 무정전 전원장치의 유형들
요약
오늘날 시장에는 서로 다른 여러 유형의 무정전 전원장치들 및 그 특징에 대해 많은 혼란이 있습니다. 이 문서에서는 각 무정전 전원장치의 유형이 정의되고, 그 실제적 사용 예가 논의되며, 장단점이 나열됩니다. 이 정보를 통해 주어진 필요에 적합한 무정전 전원장치의 토폴로지를 선택하는데 있어서 바른 정보에 기초한 결정을 내릴 수 있습니다.
소개
다양한 유형의 무정전 전원장치들과 그 속성들은 데이터센터 산업에 있어서 종종 혼란을 불러 일으킵니다. 예를 들어, 무정전 전원장치에는 스탠바이 UPS와 온라인 UPS의 두 가지 종류만이 있다는 인식이 일반적입니다. 그러나 흔히 쓰이는 이 두 용어는 많은 유형의 무정전 전원장치들을 제대로 설명하지 못합니다. 무정전 전원장치 시스템에 대한 많은 오해들은 서로 다른 무정전 전원장치의 토폴로지들이 적절히 밝혀질 때 불식(拂拭)될 수 있습니다.
여기에서는 각 토폴로지의 작동 방식에 대한 간략한 설명을 포함하여 일반적인 설계 접근을 살펴 봅니다. 이는 사용자가 시스템들을 적절히 분별하고 비교하는데 도움이 될 것입니다.
무정전 전원장치의 유형
무정전 전원장치를 구현하는 데에는 다양한 설계 방식이 사용되는데, 각각은 성능상 고유한 특징을 가집니다. 가장 일반적인 설계 방식은 다음과 같습니다:
· 스탠바이 (Standby)
· 라인 인터액티브 (Line Interactive)
· 스탠바이 온라인 혼합형 (Standby on-line hybrid)
· 스탠바이-페로 (Standby-Ferro)
· 이중변환 온라인 (Double Conversion On-Line)
· 델타 변환 온라인 (Delta Conversion On-Line)
 
스탠바이무정전전원장치
스탠바이 방식의 무정전 전원장치는 개인용 컴퓨터에서 가장 많이 사용되는 유형입니다. 그림 1의 블록 다이어그램에서 보는 바와 같이, 절체 스위치가 교류 입력을 일차 전원 소스(실선)로 선택하고, 일차 전원 소스에 문제가 생기면 백업 소스로써 배터리/인터버로 전환하도록 구성되어 있습니다. 일차 전원 소스가 실패하면, 절체 스위치는 부하를 배터리/인터버 백업 전원 소스(점선)로 전환하도록 작동해야만 합니다. 인버터가 전원 장애 발생시에만 작동하기 때문에, "스탠바이"라는 이름으로 불립니다.
그림1: 스탠바이 무정전 전원장치:  디자인의 장점은 고효율, 소형, 저비용입니다. 적절한 필터와 서지 회로로,  시스템은 적합한 노이즈 필터링  서지 방지를 제공할  있습니다.
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라인 인터액티브 무정전 전원장치
라인 인터액티브 방식의 무정전 전원장치는 그림 2에서 보는 것과 같이 소규모 비즈니스, 웹, 부서의 서버들을 위한 가장 일반적인 설계 방식입니다. 이 디자인에서 배터리-교류 전원 컨버터(인터버)는 항상 무정전 전원장치의 출력단에 연결되어 있습니다. 교류 입력 전원이 정상일 때에는 인버터가 역으로 작동하여 배터리를 충전시킵니다.
입력에 문제가 생기면 절체 스위치가 개방되고 배터리로부터 무정전 전원장치의 출력으로 전원이 공급됩니다. 인버터가 항상 켜 있고 출력단에 연결되어 있기 때문에, 이 디자인은 부가적인 필터링을 제공하고 스탠바이 방식과 비교할 때 절체시의 과도 전압이 줄어듭니다..
, 라인 인터액티브 방식은 보통 탭-체인징 변압기를 사용합니다. 이는 변압기의 탭을 입력 전압의 변화에 따라 조정함으로 전압 안정 기능을 추가합니다. 저전압 환경에서는 무정전 전원장치가 배터리로 전환하고 궁극적으로는 부하가 꺼지게 되기 때문에 전압 안정 기능은 중요한 기능입니다.. 또, 배터리로의 잦은 전환은 배터리의 수명을 단축시킵니다. 그러나 고장시에도 인터버가 여전히 교류 입력 전원으로부터 출력으로 전원이 공급되도록 설계되어 있기 때문에, 잠재적인 단일 오류점을 제거하고 두 개의 독립된 전원 경로를 효율적으로 제공합니다. 이 설계 방식은 본질적으로 매우 효율적이어서 신뢰성이 높음과 동시에 탁월한 전원 보호를 제공합니다.

그림2: 라인 인터액티브: 고효율, 저비용, 저전압 및 고전압 교정 기능과 함께 높은 신뢰성으로 인해 이 유형의 무정전 전원장치는0.5-5kVA 전원 등급에서 지배적입니다.
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스탠바이 온라인 하이브리드
스탠바이 온라인 혼합형은 10kVA 이하의 많은 무정전 전원장치들에 의해 "온라인"이라는 이름으로 사용되는 디자인입니다.
교류 전원의 장애가 감지되면 스탠바이 방식에서처럼 배터리로부터의 스탠바이 직류-직류 컨버터가 켜집니다. 배터리 충전기 또한 스탠바이 방식처럼 소형입니다. 무정전 전원장치는 DC 컴바이너 안의 커패시터로 인해 교류 전원 장애시 절체 시간이 없습니다. 이 디자인은 절체 스위치를 추가하여 사용하면 고장이나 과부하시의 바이패스를 위해 때로 적절합니다.

그림 3이 이 디자인을 그림으로 나타냅니다.
그림
3: 스탠바이 온라인 혼합형: 이 디자인에서의 가장 흔한 오해는 일차 전원 경로가 항상 "온라인"이라는 믿음입니다. 실은, 배터리로부터 출력단으로의 전원 경로는 오직 절반만 "온라인"(인버터)이고 나머지 절반(직류-직류 컨버터)은 스탠바이 모드에서 작동합니다.
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스탠바이-페로 무정전 전원장치
스탠바이-페로 무정전 전원장치는 한 때 3-15kVA 등급에서 지배적인 무정전 전원장치였습니다. 이 디자인은 특수한 새추레이팅 삼권변압기(전기 연결)에 의존합니다. 교류 입력으로부터의 일차 전원 경로는 절체 스위치와 변압기를 거쳐 출력으로 이어집니다. 전원 장애시, 절체 스위치가 개방되고 인버터가 출력의 부하를 지탱합니다.
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그림4: 스탠바이-페로: 높은 신뢰성과 탁월한 필터링이 이 디자인의 강점입니다. 그러나 이 디자인은 일부 발전기 및 새로운 역률 교정 컴퓨터들과 함께 사용될 경우, 안정성이 없으며 효율이 아주 낮기 때문에 인기가 크게 떨어집니다.
스탠바이-페로 디자인에서 인버터는 스탠바이 상태에 있다가 입력 전원에 문제가 생겨 절체 스위치가 개방되면 에너지를 띠게 됩니다. 변압기는 특수한 "페로-레조넌트(Ferro-Resonant)" 기능이 있어서 제한된 전압 교정 기능과 출력 파형 교정 기능을 제공합니다. 페로 변압기가 제공하는 입력 전원의 순간적 변화로부터의 보호는 어떠한 필터보다도 뛰어납니다. 그러나 페로 변압기 자체가 심한 출력 전압 왜곡과 순간적 변화들을 발생시키는데 이는 나쁜 교류 전원 보다도 더 나쁠 수 있습니다. 설계 방식으로는 스탠바이 무정전 전원장치이지만, 스탠바이-페로 디자인은 페로-레조넌트 변압기가 본질적으로 비효율적이기 때문에 발열량이 막대합니다.이 변압기들은 또한 일반적인 절연 변압기에 비해 상대적으로 크기 때문에 스탠바이-페로 무정전 전원장치는 아주 크고 무겁습니다.
스탠바이-페로 무정전 전원장치 시스템은 절체 스위치가 있고 인버터가 스탠바이 모드에서 작동하며 교류 전원 장애시 절체 특성을 보임에도 불구하고 종종 온라인 제품으로 표시됩니다. 그림4는 스탠바이-페로 토폴로지를 보여줍니다.

스탠바이-페로 무정전 전원장치 시스템이 더 이상 흔히 사용되지 않는 주요 원인은 현대의 컴퓨터 파워 서플라이 부하 환경에서 본질적으로 불안정할 수 있기 때문입니다. 모든 대형 서버들 및 라우터들은 일부 주파수 범위에 대해 마이너스 입력 저항을 보이는"역률 보정 (Power Factor Corrected)" 전원 공급장치를 사용합니다. 이 장비들은 상대적으로 높은 공진 임피던스를 가진 페로 변압기와 함께 사용되면, 갑작스럽고 파괴적인 변동을 일으킬 수 있습니다.
 
이중변환 온라인 무정전 전원장치
이는 10kVA 이상에서 가장 일반적인 유형입니다. 그림 5에서 보이는 것처럼, 이중변환 온라인 무정전 전원장치의 블록 다이어그램은 일차 전원 경로가 상용 교류 전원 대신 인버터라는 점을 제외하면 스탠바이 방식과 동일합니다.
그림5: 이중변환 온라인: 이 무정전 전원장치는 거의 이상적인 전기적 출력 성능을 제공합니다. 그러나 전기적 구성품들이 항상 사용되기 때문에 다른 디자인들에 비해 신뢰성이 낮고, 전기적 비효율성 때문에 소비 에너지가 무정전 전원장치의 수명 비용에서 현저한 부분을 차지합니다. 또, 대형 배터리 충전기가 끌어당기는 입력 전원은 종종 비선형이며 건물 전기 배선과 간섭을 일으키거나 스탠바이 발전기에 문제를 일으킬 수 있습니다.
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이중변환 온라인 방식에서는 입력 교류 전원에 문제가 생겨도 절체 스위치가 작동하지 않습니다. 왜냐하면 입력 교류 전원이 일차 소스가 아니고, 백업 소스이기 때문입니다. 따라서, 입력 교류 전원의 장애 동안 온라인 작동에는 절체 시간이 없습니다.
온라인 모드에서의 작동은 일차 배터리 충전기 / 배터리 / 인터버 전원 경로가 실패하게 되면 절체 시간이 생깁니다. 절체 시간은 이 전원 경로의 아무 블록에나 문제가 생기면 발생합니다. 인버터 전원은 만일 인버터가 갑작스런 부하의 변화 또는 내부 제어 문제를 겪게 되면 짧은 순간 동안 떨어지며, 절체를 일으킵니다.
스태바이나 라인 인터액티브와는 다르지만 이중변환 온라인 무정전 전원장치에도 절체 시간은 있습니다. 스탠바이나 라인 인터액티브 무정전 전원장치는 정전이 되면 절체를 일으키는 반면, 이중변환 온라인 무정전 전원장치는 대형 부하의 변화 또는 인러시 커런트가 발생하는 경우 절체 시간이 발생합니다. 이 절체 시간은 부하를 무정전 전원장치의 인터버로부터 바이패스 라인으로 전환시키기 때문에 생기는 결과입니다. 이 바이패스 라인은 일반적으로 두 개의 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifiers;SCRs)입니다. 이 솔리드 스테이트 스위치의 속도는 매우 빠르기 때문에 절체 시간은 극히 짧아 스탠바이 및 라인 인터액티브 무정전 전원장치와 비슷하게 보통 4-6 밀리세컨드입니다.
이 설계 방식에서는 배터리 충전기와 인버터가 모두 전체 전원 경로를 변환하기 때문에 효율성이 떨어지고 발열량이 증대됩니다.
델타 변환 온라인 무정전 장치
이 무정전 전원장치 설계 방식은 그림 6에 나타난 바와 같이 이중변환 온라인 방식의 단점을 제거하기 위해 소개된 새로운 기술이며, 5kVA에서 1MW 범위까지 사용 가능합니다. 델타 변환 온라인 무정전 전원장치는 이중변환 온라인 방식과 유사하게 항상 인버터가 부하에 전원을 공급합니다. 그러나 델타 컨버터는 부가적으로 인터버의 출력에도 전원을 공급합니다. 정전 또는 전원 장애시,이 설계 방식은 이중변환 온라인 방식과 동일하게 작동합니다.
그림6: 델타 변환 온라인: 안정적인 상태에서 델타 컨버터는 이중변환 디자인보다 훨씬 높은 효율로 무정전 전원장치가 부하에 전원을 공급하도록 해 줍니다.
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델타 변환 토폴로지의 에너지 효율은 그림 7에서처럼 4층에서 5층으로 짐을 운반하는데 필요한 에너지를 생각하면 간단하게 이해할 수 있습니다. 델타 변환 기술은 오직 시작점과 종료점 사이의 차이점 (델타)만큼만 짐을 옮김으로써 에너지를 절약합니다. 이중변환 온라인 무정전 전원장치는 전원을 배터리로 옮기고 다시 배터리에서 전원으로 옮기는데 반해, 델타 변환은 입력으로부터 출력에 이르기까지 전원의 구성품만을 옮깁니다.
그림 7: 이중변환 방식과 델타 변환 방식 비교
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델타 변환 온라인 방식에서 델타 컨버터는 두 가지 목적으로 작동합니다. 첫 번째는 입력 전원의 특성을 제어합니다. 이 능동적 프론트 엔드는 전원을 정현파 방식으로 끌어들여 상용 전원에 반영되는 하모닉을 최소화합니다. 이는 전원 분배 시스템에 있어서 상용 전원 라인과 발전기 시스템을 위한 최적의 조건을 확실히 해 주고, 발열 및 시스템 마모를 감소시켜 줍니다. 델타 컨버터의 두 번째 기능은 전원을 끌어당겨 적합한 직류 충전 전압으로 변환함으로써 무정전 전원장치의 배터리를 충전하는 것입니다.
델타 변환 온라인 무정전 전원장치는 이중변환 온라인 디자인과 동일한 출력 특성을 제공합니다. 그러나, 입력 특성은 완전히 다릅니다. 델타 변환 온라인 방식은 역률이 완전하게 보정되어 입력 전원 제어 및 출력 전원 제어의 양자를 제공합니다. 가장 중요한 이점은 에너지 손실의 현저한 감소입니다. 입력 전원 제어는 무정전 전원장치를 모든 형태의 발전기와 호환 가능하게 하며 배선에 요구되는 사항을 줄이고 요구되는 발전기의 크기를 줄여줍니다. 델타 변환 온라인 기술은 오늘날 특허에 의해 보호되는 유일한 핵심 무정전 전원장치 기술이며, 따라서 다른 많은 무정전 전원장치 제조업체에서는 찾아볼 수 없습니다.
무정전 전원장치 유형 요약
다음 표는 다양한 무정전 전원장치 유형의 일부 특성들을 보여줍니다. 효율성 같은 속성은 무정전 전원장치의 유형에 의해 전적으로 결정되지만, 도입 및 제조 품질이 신뢰성 등의 특성에 큰 영향을 끼치기 때문에 이러한 요소 역시 설계 방식 외에 추가적으로 검토되어야 합니다.
 실질 전력 등급 (kVA)전압 교정VA당 비용효율성인터버 항상 작동
스탠바이0 -0.5낮음낮음매우 높음작동X
라인 인터액티브0.5 -3디자인에 따라 다름중간매우 높음디자인에 따라 다름
스탠바이-온라인
하이브리드
0.5 -5높음높음낮음부분적 작동
스탠바이-페로3 -15높음높음낮음작동X
이중변환 온라인5 -5000높음중간낮음작동
델타 변환 온라인5 -5000높음중간높음작동
 
 
업계에서 사용되는 무정전 전원장치 유형
오늘날 무정전 전원장치는 시간에 따라 진화하여 많은 디자인을 제공합니다. 서로 다른 무정전 전원장치들은 서로 다른 목적/환경에 보다 적절한 속성을 가지며, APC의 제품군은 아래 표에서처럼 이러한 다양성을 반영합니다:
 사용되는APC제품이점한계APC의 견해/입장
스탠바이Back-UPS낮은 비용, 고효율, 소형저전압시 배터리 사용, 2kVA 이상에서는 비현실적개인용 PC에서 최적의 가치
라인 인터액티브Smart-UPS, Back-UPS Pro, Matrix고신뢰성, 고효율, 좋은 전압 교정5kVA 이상에서는 비현실적고신뢰성으로 인해 가장 대중적인 UPS 유형, 랙 또는 분산 서버 및 열악한 전원 환경에서 이상적
스탠바이-온라인 하이브리드APC에 의해 사용되지 않음탁월한 전압 교정, 저효율, 저신뢰성, 고비용5kVA 이상에서는 비현실적라인 인터액티브 방식이 신뢰성이 더 좋고 보다 저비용으로 비슷한 수준의 전압 교정 기능 제공
스탠바이 페로APC에 의해 사용되지 않음탁월한 전압교정, 고신뢰성저효율, 일부 부하 및 발전기와 사용시 불안정저효율 때문에 제한적으로 사용되며, 불안정성이 문제됨. N+ 1 온라인 방식이 보다 나은 신뢰성 제공
이중변환 온라인Symmetra탁월한 전압교정, 병렬 구성 용이저효율, 5kVA 이하에서 고가N+ 1 디자인에 잘 적합
델타 변환 온라인Silcon, Symmetra MW 시리즈탁월한 전압 교정, 고효율5kVA 이하에서 비현실적대형 사이트에서 고효율로 에너지의 수명 비용을 현저하게 절감시켜 줌
 
 
결론
다양한 무정전 전원장치 유형들은 서로 다른 환경에 적합하며, 모든 환경에 이상적인 단일한 무정전 전원장치 유형은 존재하지 않습니다. 오늘날 시장에 나와 있는 다양한 무정전 전원장치 토폴로지와 함께, 이 가이드라인은 각 토폴로지의 작동 방식 및 장단점에 대한 혼란을 제거하는데 도움이 될 것입니다. 시장에 나와 있는 무정전 전원장치 설계 방식에는 서로 다른 접근들을 위한 이론적,현실적 장점들과 함께 엄청난 차이들이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 설계 방식 도입의 기본적인 품질 및 제조된 품질이 종종 고객의 환경에서 달성되는 궁극적 성능을 결정하는 지배적인 요소입니다.