UPSとCVCFの違い・選び方

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UPSとCVCFの違いについて

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UPS( Uninterruptible Power Supply )と CVCF( Constant Voltage Constant Frequency )の違いと特徴について解説する。

電子計算機やパソコンは高機能化が進み、供給する電源の品質管理が重要である。供給電圧が若干変動するだけで、電子計算機は動作不良となり、適正な制御や計算ができなくなるおそれがある。電圧や周波数を一定に保った上、停電や瞬時電圧低下に対しても保護しなければならない。

日本国内の送電・配電の信頼性は非常に高く、停電が発生する頻度は非常に少ないのが現状である。しかし、通信機器・演算装置などはノンストップでデータ伝送・データ処理を行なっているため、機器を運用する企業や個人は、商用電源と機器の間に無停電電源装置を設置している。

電子計算機はハードディスクやメモリを内蔵しており、正規の終了処理を行わなければデータ損失などを引き起こす可能性がある。電圧変動によって計算ができなくなった場合も、強制的に再起動されるなど、計算中のシステムを停止させてしまうこともある。UPSやCVCF装置を設け、電力会社から供給される電源の品質が低下したとしても、安定した電源を供給できるような措置を行う。

身近なUPS装置の事例

一般家庭にも広く普及しているUPSの事例としてノートパソコンがある。ノートパソコンは電源装置としてUPSを本体に内蔵しており、電源投入状態でコンセントを抜いても問題なく動作を継続する機能を実装している。

電源容量が減少した場合、OSに電源容量の減少を通知し、シャットダウンを促す機能も充実しており、突然電源が喪失することによるデータ喪失や、記憶装置の故障を防止している。仕組みを大容量化し、数多くのパソコンや電算装置に供給するのがUPSの大きな役割である。

瞬時電圧低下とは

瞬時電圧低下とは、電力会社の送電設備や配電設備に落雷が発生するの影響に電圧が変動する現象である。電力会社では事故が発生した電力系統を自動的に切り離して電圧の維持を行ないるが、保護動作に必要な0.07秒~0.2秒間、電圧が低下する。

この瞬間的な電圧降下を、瞬時電圧低下として定義している。瞬時電圧低下は「瞬低」と略される。瞬間的な停電であるものではないため注意を要する。日本国内での瞬時電圧低下は、定格電圧の80%程度まで低下する場合が多いとされる。

UPSを設置することにより、たとえ不安定な一次電源であっても、供給する電源品質を一定に保つことが可能。太陽光発電設備が多数連系している電源系統では、日射量によって電圧や周波数が不安定となり、電源品質の劣化が発生するので、蓄電池による電源品質の向上が重要である。

UPS(無停電電源装置)とは

瞬低や停電が電気系統に発生した場合、電気機器が機能維持できず、停止する。電圧低下に対して、無停電で電源供給を続けるための電源装置をUPS(無停電電源装置)と呼ぶ。

UPSの動作と保護目的

電源の電圧変動など、電源異常を検出すると瞬時に電源を切替え、保護対象を停電させることなく電源供給を継続できる。UPSによって保護する対象はパソコン等の電算装置であるため、電源供給時間は5~10分程度しかない。停電が発生しUPSに電源が切り替わった場合、保護対象となる電算装置を停止させる措置を行う。

UPSの一次電源が非常用発電機に接続されているなど、長時間電源供給できる場合は、電算装置を停止させる必要はない。UPSの残容量が不足した場合は、UPS電源容量喪失による突然の電源遮断に備えるため、電算装置を停止させる措置を取る。

UPSの保護対象の運用思想によって決定されるものであり、UPSを何の用途で、どのような運用をするのかを明確に決めておくのが重要である。UPSには瞬停のみ補償する製品や、瞬低だけでなく一定時間の停電補償を行う製品、完全に無瞬断で継続給電できる製品など、電源品質に応じてシステムの選定が可能。

UPSの特徴

UPSは無停電電源装置といい、装置内にバッテリーを持っている。商用電源が遮断された場合でも、UPSを経由して電算機やPCに接続してあれば、UPSから数分程度の電力が供給され、正常な終了処理を行う時間が確保できる。

UPSはCVCF(定電圧定周波数)機能をもっており、一次側電源電圧が瞬低した場合でも、一定の電圧値、周波数値の電源を二次側に供給できる。よって電圧変動に耐性が弱い、電算機やPC類の一次側電源として頻繁に用いられている。

一般的な設計方法では、情報通信機器に対しては、非常用発電機からの電源を商用電源と併用し、商用停電時でも発電機からの電源を供給できるように計画する。しかし、非常用発電機の電源品質は商用電源に比べて悪いため、電圧変動や周波数変動による情報機器への悪影響が懸念される。一旦UPSに発電機からの電力を充電し、UPSから電源供給することで、一定の品質を保った電圧・周波数電源を供給できる。

CVCFとは

CVCFは定電圧定周波数装置と呼ぶ。UPSと違い、商用電源が切れた場合の停電補償が主目的ではない。CVCF装置の機能は、負荷変動や電力会社側の電源品質の変動による、瞬間的な電圧や周波数変動に対して、二次側の機器に定電圧定周波数の電源を供給する。一次側電源の電圧や周波数と同期せず、常に所定の電圧と周波数の電源を供給する。

CVCFとUPSの機能の違い

CVCFの機能は、電圧安定化と周波数安定化が基本であるが、50Hz→60Hz変換や、60Hz→50Hz変換を可能にする製品もあるので、周波数変換装置として利用できる。

情報通信機器やコンピュータなど、電源品質の高さを要求される場合に、設置を求められることが多い設備である。UPSで記載した内容と重複するが、電算機類は電圧や周波数変動に弱い場合があるため、商用電源の不安定な電源ではなく、CVCF機能を持つ電源装置からの電源供給に品質を確保することが望まれる。

建築設備の計画として使用される重要機器用の電源装置は、CVCF機能を持つUPSが良く選定される。電源容量は、正常に機器をシャットダウンするための「10分~30分程度」が補償されれば良いという考え方が主流である。

UPSの仕組み

UPSは商用電源の停電や瞬時電圧低下など、負荷設備に供給する電源品質の低下による悪影響を防止するために設置される。突然電源が遮断されたり、電圧降下が発生すると、電子計算機は故障する。機器故障のおそれが高い情報設備機器のバックアップ電源としてUPSを設置する。

UPSは、蓄電池と充電装置、逆変換装置で構成されている。逆変換装置とは、直流電源を交流電源に変換するための装置で、インバータや絶縁変圧器、フィルタなどが含まれている。

UPSは突入電流に弱いため、電動機や変圧器の電源供給には向いていない。やむを得ずこれらの負荷に電源供給する場合、負荷設備側の始動電流や突入電流を把握し、UPSメーカーに提示すことで使用可否を確認することが望まれる。

UPSの寿命・耐用年数

UPSは鉛蓄電池を内蔵しており、蓄電池の寿命が最も早期に到達する寿命となる。一般的には3年から5年、長寿命の製品では8年から10年という製品もあるが、選定したメーカー製品の取扱説明書を十分確認する。耐用年数は周囲温度に影響されるため、設置場所に注意しなければならない。

UPSは周囲温度25℃前後で使用する前提で寿命評価をしており、周囲温度が高くなるほど寿命が短くなる特性がある。概ね、周囲温度が10℃上昇すると寿命が半減するとされる。温度が低ければ電池の劣化を抑えられるが、周囲温度が低すぎると、放電容量が低下してしまい本来の性能を発揮できない。

UPSを安定動作させるためには、室温や湿度を15~25℃で安定させることが重要で、高すぎる周囲温度では適正寿命を維持できない。UPSの設置場所は、室温15~25℃が適正とされており、温度が高い場合、蓄電池の寿命が著しく短くなるため、空調された室内に設置することが望まれる。

ほこりなど塵埃の多い部屋では、内部機器の絶縁不良の原因となるため、できるだけほこりの発生しにくい材質の床仕上げがなされている部屋に設置する。機械室に設置する場合は、床を防塵仕上げとするのが良い。

電池交換におけるバイパス回路の役割

UPSの電池寿命は前述の通り3~5年が一般的のため、定期的な電池交換が必須となる。24時間365日運用しているような、サーバ用電源としてUPSを使用している場合、電池交換によって電源をシャットダウンするのは、多くの機会損失に繋がる。

メンテナンスを行う場合、UPSに内蔵されている「バイパス回路」を使用し、電池に電源供給する回路を無停電で切り離し、電池側を停電させて交換を行う。バイパス回路については後述する。

UPSの回路構成

UPSの電源回路には、常時商用電源方式、ラインインタラクティブ方式、常時インバータ方式がある。

常時商用電源方式(インバータ待機方式・オフライン方式)

定常時は商用電源で負荷設備に電源供給し、電圧異常時にはリレーによって蓄電池回路に電源が切り替わる方式である。電圧の変動検出からリレー動作までの時間が必要であり、10msec程度の瞬低が発生するので、無瞬低を求める重要機器には適さない方式である。

通常運転時にインバータが動作していないため電力損失が発生せず、騒音も小さく抑えられるのが特長である。システムが簡単で、安価に製造できる。クライアントPCやHUB電源など、比較的重要度の低い情報機器に採用される。

ラインインタラクティブ方式

常時商用電源方式に電圧安定装置を付加したシステムで、電圧の変動だけでなく、周波数の変動やサージ電圧の発生に対しても、バッテリー給電に切り替えられ、信頼性が向上する。

常時商用電源方式よりも装置が複雑になるため、コストアップとなる。瞬低も同様に発生するが、常時商用電源方式よりも若干短く4msec程度が一般的である。

常時インバータ給電方式(オンライン方式)

PWMインバータに常時通電するシステムである。停電や瞬低が発生しても、無瞬断による切替が可能なため、商用電源に発生した電圧変動や高調波の障害を、機器に伝えることがない。常時インバータに給電しているため、電力損失の発生、騒音の発生、装置が複雑でサイズも大きいというデメリットがあるが、信頼性が最も高い方式である。

ダブルコンバージョン方式

交流入力電源を整流器で直流変換してバッテリーを充電し、インバーターで交流に戻して出力する方式である。常時インバーター給電方式と同義に扱われる。入力電源はすべて直流変換され交流に戻るため、出力電圧の精度は非常に高く、安定した電源品質の確保が可能。

電力会社からの給電が継続している場合、蓄電池へは浮動充電が行われ、出力はインバーターを介して継続される。停電時には蓄電池から直流電源が放電され、インバーターを介して安定した交流電源が供給される。

UPSの保護システム

内部バイパス

インバータを介して直列接続されているため、UPS本体が故障すると停電である。24時間通電しなければならない負荷設備では、UPSの電源を遮断できないため、UPSが故障してしまえば大きな損害が発生する。

これを防止するため、UPSには内部バイパス回路が構築されている。UPSの電源系統に故障が発生し電路遮断された場合でも、バイパス回路から給電されるため負荷への給電は継続される。内部バイパス回路にはサイリスタが組み込まれており、サイリスタスイッチング機能により、インバータ側からの電源切替を無瞬断で行う。

内部バイパスではUPS内部が通電状態となるため、不具合機器の交換時は、停電させなければできない。これを解決するため、外部バイパス回路を設けることで内部バイパス回路の電源供給を遮断し、無瞬断で故障機器のメンテナンスできる。

UPS本体に外部バイパスまで搭載している機種もあるが、外部バイパスユニットを別に取り付けることが多いので、機器の見落としに注意が必要である。

UPSの機器構成

充電装置

UPS充電装置はコンバータとも呼ばれる。サイリスタ回路、フィルタ、制御回路で構成されている。制御回路には、浮動電圧設定器、均等電圧設定器、サイリスタ位相制御装置などが含まれている。

逆変換装置

インバータとも呼ばれる装置で、直流電源を交流電源に変換するための装置である。トランジスタやパワーMOSFETなどを使用して変換する。PWM変調方式が一般的である。

インバータトランス

インバータからの出力電圧調整、直流成分の流出防止、高調波漏えい電流の抑制の機能を持ち、インバータの二次側に設置される機器である。PWM変調方式を採用している場合、平滑機能を持つコンデンサを並列接続する。

保守バイパス回路

内部バイパス回路や外部バイパス回路により、UPS内部装置の故障時の保守点検を行う。

UPSの選び方と容量計算

UPSを選定する場合、消費電力Wと皮相電力VAを算出し、どちらの数値も上回るように仕様選定する。ここで、消費電力200Wのサーバ本体と皮相電力100VAのディスプレイ、2Aのディスプレイの計3台を接続したシステムを、UPSで保護する場合を例として計算する。

200Wサーバの計算

サーバやディスプレイなど、コンデンサや半導体を数多く搭載している情報通信機器は力率0.6程度といわれる。サーバ類の取扱説明書や機器仕様書には消費電力が200Wと表記されているため、これは有効電力の表記である。力率0.6とした逆算により、皮相電力を求めれば良い。

皮相電力は消費電力よりも大きく、消費電力と無効電力の和となる。皮相電力 = 消費電力 / 力率0.6として計算すると、

皮相電力 = 200 / 0.6 = 333VA となる。

150VAディスプレイの計算

サーバの計算と違い、仕様書に皮相電力が明示されている場合、有効電力を計算する。消費電力 = 皮相電力 × 力率として計算する。

消費電力 = 150 × 0.6 = 90W である。

2Aディスプレイの計算

負荷に電流値のみが明示されている場合、電圧と電流の積で皮相電力を求める。皮相電力 = 電圧 × 電流となる。電圧は一般的な電灯コンセント回路と考え、100Vで計算する。

皮相電力 = 100 × 2 = 200VAである。

消費電力 = 皮相電力 × 力率より、

消費電力 = 200 × 0.6 = 120W となる。

負荷の合算とUPS選定

計算の結果、皮相電力は 333 + 150 + 200 = 683VA、消費電力は 200 + 90 + 120 = 410Wとなった。

計算の結果、皮相電力683VA以上、かつ消費電力410Wを十分に出力できるUPSを選定すれば良い。700VA/490WのUPSを選定すれば、過負荷で停止することはないと考えられる。

ここでは、サーバやディスプレイを保護する計算を行いたが、プリンターや汎用インバータなど、始動電流や突入電流が大きな電気機器をUPSでバックアップするのは困難である。これら大電流機器をバックアップする必要がある場合、UPSに接続すると、突入電流が流れた瞬間に過負荷エラーが発生し給電停止になるので、電機機器はUPSで保護せず切り離し、別の発電設備からの電源供給を行うのが良い。

UPSとCVCFの設計・選定の注意点

UPSやCVCFは、停電補償や定電圧・定周波数補償を主の目的としているが、電動機の始動電流や突入電流、変圧器の励磁突入電流など、瞬間的な大電流には弱く、過負荷を検知して回路を遮断してしまう場合がある。

コピー機・プリンターなど、突入電流が大きな機器をバックアップするのは避けるのが良い。突入電流が大きな電気機器は、瞬間的な電圧降下を引き起こし、機器停止を発生させるおそれがある。

突入電流を繰り返し発生させることで、バッテリーの寿命が短くなるといった弊害もある。近年はコピー機も高性能化が進み、終了処理を実施しなければ故障してしまう機種もある。突入電流によってCVCFやUPSが停止しないよう、容量を選定するのが重要である。サージ保護素子を内蔵した機種では、耐電圧試験などを実施すと素子が破壊されるため、実施しないようにすべきである。

UPSの重量

UPSは本体とバッテリーの二つで構成されており、10kVAクラスで400~800kgという大きな重量をもっている。事務所に設置する場合、ヘビーデューティーゾーンとして耐荷重を強化した場所でなければ、構造的に設置できないという問題が発生する。

事務所におけるヘビーデューティーゾーンは、通常平米あたり800~1000kgという荷重に耐えられるよう設計するので、コンパクトタイプのUPSであれば問題なく設置できる。UPSを計画する場合は、重量が耐えられるかを確認し、必要であれば躯体の補強などを考える必要がある。

周囲温度による寿命変動

UPSやCVCFは蓄電池を内蔵しており、周囲温度によって期待される寿命が変化する。通常、周囲温度20℃程度の、電算室として管理された空間であれば、定格の寿命を期待できる。しかし、周囲温度が上昇するにつれて、期待寿命は大きく変動し、1/2~1/3まで低下してしまうことがある。

蓄電池は、周囲温度25℃前後が最も高効率で動作するので、設置環境に注意し、効果的な冷却ができるような配置にするのが良い。空調されている部屋に設置すると、安定した稼動を望める。

UPS本体は、蓄電池の充電による発熱が常に継続するため、十分な換気、または空調が不可欠である。10kVAクラスの比較的小型のUPSでも、発熱量は1,000W程度は発生するので、狭い部屋では室温の異常上昇の原因となり、効率的な換気を行わなければ、室温上昇によりUPSの寿命低下につながる。

UPS・CVCFの設置場所

UPSやCVCFは蓄電池設備として該当するため、非常電源として使用する蓄電池設備と同等の規制を受ける。主に、消防法、火災予防条例によって規制される。

同一の場所にある蓄電池容量の合計が、4,800Ah・セル以上となれば、蓄電池設備として消防法によって規制されることになり、所轄消防に対して設置届を提出する。

UPSの法規制

UPSが消防法における火災予防条例によって規制される場合、点検に便利で、火災による被害を受けない場所に設置しなければならない。不燃材料で区画された専用の室(専用不燃室)に設置すること条件となる。

UPS本体が火災予防条例に適合した認定品であれば規制が緩和され、専用不燃室だけでなく、変電設備室や発電設備室、機械室やポンプ室など、専用ではない機械室に設置できる。

屋上や屋外に設置する場合は、認定されたキュービクル式以外のUPSであれば、隣接する建築物から3m以上の離隔を確保すること、3m以上の離隔が確保できない場合は建築物側を不燃にすることと共に、開口部には防火設備を設けるの規制を受ける。

専用不燃室・機械室の仕様

UPSを専用不燃室または機械室に設置する場合、室にはいくつかの法規制が掛かる。屋外に通じる換気設備を設置すること、換気ダクト等の貫通部分は不燃材料で埋戻しすること、水が侵入しない構造であることなどが規定される。

同一の室内に可燃物が設置されていないこと、ガス機器またはガス管が敷設されていないことなども、規制内容として記載されている。照明の設置も必須である。

UPSのメーカー

UPSを販売しているメーカーは、蓄電池設備を多岐に渡って生産しているジーエス・ユアサ、富士電機、サンケン電気などがある。

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