富士電機株式会社

UPSの基礎知識

UPSの基礎知識についてご紹介します。

UPSとは

UPSは「Uninterruptible Power Systems」の略で、例えば金融機関のオンラインシステムやインターネットデータセンターのような大規模なシステムや設備から、サーバやパソコンなどのコンピュータ機器およびネットワーク機器まで、さまざまな規模における重要なシステムを、停電や電源トラブル(障害)から守る電源システムです。
一般的に、整流器やインバータと呼ぶ電力変換部(電気回路)と蓄電部(主にバッテリ)の組み合わせで構成され、停電や瞬低が発生した際に蓄電池に蓄えられた電力により安定した電力を供給し続けるとともに、電力変換装置の機能によって電源トラブルが機器に与える影響を防ぐ働きをします。

特に電力の安定化能力を持つ中規模以上のUPSは、負荷装置に対して「定電圧・定周波数」の供給を実現することが使命のひとつであるため、CVCF(Constant Voltage & Constant Frequency)と呼んで装置を表現することもあります。

例 : 常時インバータ給電方式UPSの基本構成

UPSの必要性

日本の電力事情は諸外国と比較して非常に安定しており、人が感じる現象が現れるレベルの停電や電圧異常は、ほとんど無くなっています。
しかしながら、電力送電経路への落雷や積雪などの自然災害、または大規模工場(ビル)の点検や工事に伴う電源切替によって発生する電圧変動や停電などは、電力供給・送電側の状態に関わらず発生するため、需要家側あるいは負荷装置側で適切な対策をすることが必要になってきます。

特に、コンピュータやネットワークを活用した情報処理により事業の運用や管理を行っている場合、システムの停止もしくは誤動作が発生すると、その影響はシステムで稼動している業務に直接現れるため、電源トラブル対策がシステムの稼働を安定させるために効果的な要素になっています。当然ながら規模の大きなシステムほど、復旧などの予期せぬ手間や時間による影響は計り知れないものとなります。

UPSは機器または設備を電源トラブルから守り、そのシステムで稼動する業務やサービスが安定して社会に提供されるために欠くことのできないものとしてあらゆるフィールドで活躍しています。

一方で、データセンターなどにおいては膨大な電力消費が課題となっており、コンピュータ機器などの運用装置だけではなく、電力の変換に常時関わっているUPSも省エネを助けるために重要な要素になっています。UPSは電力を変換していざというときのトラブルに対応する能力だけではなく、できる限り効率のよい運転をすることが社会的に望まれるようになってきています。

停電事故の一例

安定した電力事情の日本でも下記のような事故は発生しており、実際に停電による影響が発生しています。

発生年月 原因 停電時間
2019年9月9日 台風15号による鉄塔・電柱倒壊、他 9月9日朝~9月30日 千葉県
2018年9月6日 北海道胆振地方の地震による火力発電所の電源喪失 午前3時8分ごろ~9月8日午前6時ごろ 北海道 全域
2016年10月12日 送電設備の地中ケーブル火災 午後3時30分ごろ~午後4時30分ごろ 東京都内
2011年3月11日 東北太平洋沖地震 3月11日午後2時46分ごろ~6月中旬(大半は3月19日ごろまでに解消) 東北、関東、山梨、長野、静岡
2010年12月8日 四日市火力発電所内の送電線ショート 午前5時21分ごろから0.07秒間 愛知県、三重県、岐阜県
2006年8月14日 クレーン船の接触に伴う特別高圧送電線損傷による停電事故 午前7時38分ごろ~午後12時20分ごろ 首都圏
2004年11月27日 大阪府 大和川河川敷への小型機墜落による高圧電線の切断 約7分間 大阪市、堺市
2004年10月23日 新潟県中越地震 午後5時56分ごろ~11月3日午前11時15分ごろ 新潟県中越地方
2002年10月2日 台風21号の影響による停電 関東地方
鉄塔の折損、倒壊 ・高圧線断線
1999年11月22日 自衛隊演習機が墜落して高電圧線の断線 午後1時42分ごろ~午後5時1分ごろ 首都圏
1998年8月27日 集中豪雨による送電鉄塔倒壊 午前5時12分ごろ 栃木県

電源トラブル(障害)

コンピュータに悪影響を与える電源トラブルは、完全に電力がなくなる停電以外にも下記に示すようなさまざまなものがあり、これらが発生することによって機器に突然のトラブルを引き起こします。

給電が停止するトラブル

  • 停電
  • 瞬時電圧低下

給電電圧が変動するトラブル

  • 電圧過不足(過電圧状態、電圧不足状態)
  • 瞬時電圧変動(サグ/瞬低、サージ/急な過電圧)
  • 周波数変動

接続機器などの外因によるトラブル

  • 電圧波形ひずみ
  • 高周波ノイズ

給電の停止による電源トラブル以外は、実際の環境では重複して発生する可能性があります。

UPSの種類(方式)によって、停電以外のこれらの電源トラブルを効果的に低減・防止することができます。

UPSの種類

UPSには給電方式と呼ばれる分類があります。

近年では、効率と出力精度のバランスを実現したり、商用電源に対する高調波対策を施すなどの目的のために、技術開発に伴い新しい方式が開発されて製品に搭載されてきています。

富士電機が販売するUPSは、下記のように分類することができます。

方式 代表シリーズ
常時インバータ給電方式UPS ダブルコンバージョン方式 UPS 7000HX, UPS 7100MX, UPS 6000D, UPS 6100D, EX100
デュアルコンバージョン方式 GX100, GX200, RX
ラインインタラクティブUPS スタンバイ型 DL5115, DL5107
パラレルプロセッシング方式 UPS 8100D(生産終了)
デュアルプロセッシング方式 UPS 8000D(生産終了),UPS 8000ND(生産終了)
常時商用給電方式UPS スタンバイ型 DL3115, UX100

常時インバータ給電方式UPS

商用電力の状態に関わらずインバータによって、常に調整された安定した出力を接続機器へ出力するUPSです。通常インバータ回路が常に給電することになるため、常時インバータ給電方式と呼んでいます。この方式では商用電源に生じる電源障害が機器に伝わることはなく、停電発生時にも運転切り換え時の断時間を発生することなくクリーンな電力を供給します。連続したインバータ運転が可能であるため、バッテリを増設することでバックアップ時間の延長が可能であることも特長のひとつです。

ダブルコンバージョン方式

UPSに入力される商用電力を整流器により直流電力に変換し、バッテリの充電に使用すると共にインバータを介し、もう一度交流に変換して接続機器へ出力する方式のUPSで、2段の変換を行うのでダブルコンバージョン(Double Conversion)方式と呼びます。商用電力は必ず一度整流されるため、商用電源に生じる電源トラブルが機器に伝わる可能性が一番低い方式になります。一方で、常に通過する全電力を一度直流に変換して再変換しているため、効率よりも出力電圧精度や高度な並列運転による高い信頼性を必要とする場合に適しています。

基本回路

UPSの保守点検時や万一の故障時にバイパス回路から電力を供給することができます。

動作モード

●定常時
商用電源正常時には、商用電力と同期しながら整流器・インバータを通して負荷にCVCF電源を供給します。

●停電時
商用電源に停電が発生した時、蓄電池よりインバータを通して負荷にCVCF電源を供給します。

●復電時
蓄電池が放電終止前に商用電源が復電すると、確認時限後に、整流器・インバータを通して負荷にCVCF電源を供給しながら、蓄電池に充電を行います。

デュアルコンバージョン方式 (富士電機保有特許)

デュアルコンバージョン(Dual-Conversion)方式は、主な電力変換回路として交流とバッテリを繋ぐ直列コンバータ、交流エネルギーを補償する並列コンバータで構成されています。商用電源が正常な通常時は、並列コンバータによるエネルギー補償をした直列コンバータの出力を給電することで、商用電源にある入力電圧変動を吸収する動作をします。停電時にはバッテリの電力を直列コンバータ経由で供給します。

この方式は、常時インバータ給電方式UPSに分類されるダブルコンバージョン方式と同様に、常に直列コンバータから補償された電圧が給電されるので、安定した定電圧 (周波数は商用同期)の交流電力が負荷へ供給されます。
さらに、この方式の一番のメリットとして、ダブルコンバージョン方式のように全エネルギーをAC→DC→ACに変換しないので、変換に伴う損失が少なく、高効率が実現できることが挙げられます。

基本回路

UPSの保守点検時や万一の故障時にバイパス回路から電力を供給することができます。

動作モード

●通常時(入力電圧が定格の80%~120%のとき)

  • 直列コンバータでは、PWM制御により出力電圧を制御し、常に安定した電圧を出力します。
  • 並列コンバータが、直列コンバータへのエネルギー補償をすることで、±20%(定格 230V時は25%)の入力電圧変動を吸収します。
停電時

商用電源に停電が発生した時、バッテリより直列コンバータを通して負荷へバックアップします。切換え時瞬断はありません。

ラインインタラクティブUPS

商用電源が正常な通常時は商用電力をそのまま接続機器へ供給すると共に、双方向インバータを充電器として制御しバッテリへ充電を行い、停電発生時には双方向インバータによりバッテリ電力を交流に変換して負荷機器へ供給するUPSです。
入力電圧の変動を補正して昇圧や降圧を自動で行う機能と組み合わされたりして、常時商用給電方式UPSの足りない機能を補う方式が用意されています。小型のUPSで比較的コストを抑える設計をしているものでは、昇圧、降圧の手段としてトランス切り替えを使用しているのが典型的です。

パラレルプロセッシング方式

ラインインタラクティブUPSの双方向インバータが、商用電力を負荷装置へ給電する際に並列してアクティブフィルタ運転を行い、接続された負荷装置により発生する無効電流と高調波電流を抑える働きをします。

基本回路・動作モード

●商用健全時
商用健全時は変換装置はアクティブフィルタ運転を行い、無効電流および高調波電流を補償します。
したがって商用電源には無効電流や高調波電流は流さないことになります。この時ACスイッチはON状態を続けます。

●停電時
停電時は変換装置はUPS運転となり、バッテリ電力を受けて負荷へ全電力を供給します。
この時ACスイッチはOFF状態となり、系統への逆流は防止され負荷へのみ給電されます。

停電発生時の波形

デュアルプロセッシング方式 (富士電機保有特許)

パラレルプロセッシング方式の高調波抑制機能に加えて、入力電圧の補償機能を実現した方式です。
充放電を行う双方向インバータ、交流入力の変動を補正して定電圧制御を実現する直列コンバータにより構成され、定電圧に制御する際の損失が直列コンバータで変換する補償分の電力だけであるため、定電圧を実現しながら高効率であることが特長となっています。

基本回路・動作モード

常時商用給電方式UPS

商用電源が正常な通常時は、その商用電源をそのまま接続された機器へ給電するUPSです。停電が発生すると、蓄電されていたバッテリ電力がインバータにより直流から交流に変換され、出力が商用電源からインバータ側に切り換えられて接続機器へ電力を供給します。

スタンバイ電源 : SPS

バックアップ運転を行うためのインバータが、商用電源が正常な間はスタンバイ状態である電源を称します。常時商用給電方式UPSはこの方式にあたり、SPS : Standby Power Systemと表現されることがあります。

停電発生時には出力側スイッチを高速に切り換えて、停電検出後に起動したインバータからバックアップ電力を給電する動作です。このためバックアップ電力が出力される切り換え時間内に、瞬断が発生する場合があります。停電が回復すれば同じスイッチを切り換えて再び商用電源を供給します。

この方式のメリットのひとつは、停電しない限り(バックアップ運転をしない限り)インバータを運転しない構成のため損失が少なく、省エネルギーなシステムとなる点です。また、システム内で通常時に変換される直流電力がバッテリの充電分のみでよいため、常時インバータ給電方式の整流器に比べ直流変換回路が小さく(例えば約1/10に)設計することが可能となり、その分コストが抑えられたUPSということができます。

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