無停電電源装置

無停電電源装置（UPS）とは

無停電電源装置（UPS）は、電力供給が途絶えた際に、接続された機器への電力供給を継続する装置です。一般的には、交流電源を使用する機器向けに、交流入力・交流出力のものが広く利用されていますが、本来は入力の種類に関わらず、電源断に対応できるものを指します。日本では、交流出力のUPSをCVCF（定電圧定周波数）電源と呼ぶこともあります。

概要

UPSは、主に以下の要素で構成されています。

商用電源から電力を受ける装置
電力を蓄積する装置（バッテリーなど）
一定の規格の電力を供給する装置

停電時には、蓄積された電力を用いて、接続された機器への電力供給を継続します。これにより、瞬時電圧低下や停電による機器の停止を防ぎます。近年では、雷による瞬時電圧低下対策としても用いられますが、UPS自体は雷サージ保護機能を持たないため、別途サージ保護機器との併用が必要です。

UPSで対応できる停電時間は、通常数分から30分程度です。長時間の停電には、発電機との併用や、UPSからの電力供給中に機器を安全に停止させるなどの対策が必要です。

UPSには、二次電池を利用する静止型と、フライホイールを利用する回転型があります。かつては、大規模な電源には回転型が用いられていましたが、半導体技術の進歩により、現在では静止型が主流となっています。

UPSは、データセンターなどの大型施設で使用される集中型と、パソコンなどの個人用機器や医療機器などで使用される分散型があります。どちらも高い信頼性が求められるため、専門家による定期的な保守点検や、規定期間ごとの交換が行われます。UPSの価格は、規模や保守性によって異なり、一般的に大型・集中型ほど高価になります。

信頼性を確保するための機能として、インバータや二次電池の冗長構成、インバータ故障時の商用電源への無瞬断切り替え機能などが搭載されています。しかし、部品点数の増加は故障率の上昇に繋がるため、必要最小限の部品で高い信頼性を実現するように設計されています。

用途

UPSは、以下のような場所で利用されています。

病院内の生命維持装置（人工呼吸器など）
コンピュータや通信機器
防災・制御機器
放送機器
クリーンルーム
溶鉱炉の制御装置
発電所
* 航空管制塔

近年では、家庭用UPSも製造・販売されており、パソコンや光回線終端装置のバックアップ電源として利用されています。また、電力のピークカット（ピークシフト）にも応用可能です。バッテリー価格の低下により、防災目的で一般家庭や小規模オフィスでの導入も増えています。

歴史

UPSの需要は古くから存在し、静止型UPSは第二次世界大戦以前から通信用に実用化されていました。動力用としては、1946年にジャイロバスが開発されています。

日本では、鉄道の近代化に伴い、UPSの需要が本格化しました。当初は、電動発電機やディーゼル発電機が利用されていましたが、これらはUPSの応用型と言えます。

初期の大規模電源には回転型UPSが用いられました。これは、交流電動機、交流発電機、発動機、フライホイールを組み合わせたもので、商用電源の瞬断時にも、フライホイールの慣性により安定した電力供給を可能にするものでした。

1960年代には、静止レオナード方式の登場と共に、サイリスタを使用した静止型UPSが製品化されました。1980年代には、自己遮断能力を持つGTOやパワートランジスタが登場し、より高効率で小型のUPSが開発されました。1990年代には、高速スイッチングが可能なIGBTが採用され、PWM制御による効率向上が実現しました。

給電方式

UPSの主な給電方式には、以下の3つがあります。

常時インバータ給電方式

オンライン方式やダブルコンバージョン型とも呼ばれ、商用電源を常に直流に変換し、インバータを介して交流電力を供給します。停電時の切り替えがなく、安定した電力を供給できますが、常時インバータが動作するため、電力損失が大きいという欠点があります。

常時商用給電方式

オフラインスタンバイ方式とも呼ばれ、商用電源が正常な時は、商用電源をそのまま供給し、停電時にインバータに切り替えます。常時インバータ給電方式に比べて電力損失は少ないですが、切り替え時に瞬断が発生する可能性があります。

ラインインタラクティブ方式

タップ付き変圧器を用いて、商用電源の電圧変動を補償する方式です。負荷に応じてタップを切り替えるため、出力が不連続になるという欠点があります。

パワーマルチプロセッシング方式

インバータを利用した昇圧回路と降圧回路で電圧補償を行う方式です。電圧調整の精度が高く、高調波や電源ノイズを低減できます。

デュアルコンバージョン（直並列補償）方式

負荷への供給回路に直列と並列にコンバータを接続し、電圧補償を行う方式です。電圧補償の範囲を大きくすることができます。

インバータの構成

UPSのインバータが生成する波形には、正弦波、ステップ波、矩形波などがあります。矩形波インバータは、一部の機器には使用できない場合があります。

商用電源との同期

UPSのインバータは、商用電源と同期させる方式と、非同期にする方式があります。同期方式は、商用電源との切り替え時に無瞬断で切り替えられます。非同期方式は、回路構成が簡単で安価、長寿命という利点があります。

直流による電源供給

近年では、機器の直流化が進み、UPSにおいても直流を直接供給する方式が見直されています。これにより、交流-直流変換による電力損失が低減され、装置の小型化が図れます。特に、データセンターなど、多くの機器を扱う場所では、直流入力・直流出力のUPSが広く利用されるようになっています。

携帯電話基地局などの例では、機器の直流化により、省電力化と大幅な小型化が実現しました。また、太陽光発電などの直流電源を利用するシステムでは、全ての機器を直流化することによって、より効率的なシステムを構築できます。

まとめ

無停電電源装置（UPS）は、電力供給の安定化に不可欠な装置です。その歴史は古く、技術の進歩とともに、さまざまな方式や構成が開発されてきました。現在では、用途や規模に応じて最適なUPSが選択できるようになり、電力供給の安定化に大きく貢献しています。

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