無停止電源装置 (UPS): ブロック図と説明

UPS（無停止電源装置）とは何ですか？

無停止電源装置（UPS）は、主電源に障害が発生したときに接続された負荷に対して即座に電力を供給できる電気機器として定義されます。

UPSでは、エネルギーは一般的にフライホイール、バッテリー、またはスーパーキャパシタに蓄えられます。他の即時電力供給システムと比較して、UPSは入力電力の中断に対する即時の保護という利点があります。

バッテリ駆動時間は非常に短いですが、この時間は接続された装置（コンピュータ、通信機器など）を安全にシャットダウンするか、待機電源をオンにするのに十分です。

UPSは、突然の電力供給停止により重大な損傷や損失を引き起こす可能性のあるハードウェアの保護デバイスとしても使用できます。

無停止電源装置、バッテリーバックアップ、フライホイールバックアップは、UPSの他のよく使われる名称です。利用可能なUPSユニットのサイズは、単独のコンピュータ用の200 VAから最大46 MVAまでの大型ユニットまであります。

UPSの主要な役割

主電源に障害がある場合、UPSは短時間電力を供給します。これがUPSの主要な役割です。また、公共サービスに関連する一般的な電力問題をある程度修正することもできます。

修正できる問題には、電圧スパイク（持続的な過電圧）、ノイズ、入力電圧の急速な低下、高調波歪み、および商用電源の周波数の不安定さがあります。

UPSの種類

一般的に、UPSシステムはオンラインUPS、オフラインUPS、ラインインタラクティブUPSに分類されます。その他の設計には、スタンバイオンラインハイブリッド、スタンバイフェロ、デルタ変換オンラインがあります。

オフラインUPS

このUPSはスタンバイUPSシステムとも呼ばれ、最も基本的な機能しか提供しません。ここでは、主電源はフィルタリングされたAC電源（図1の実線パス）です。

停電が発生すると、転送スイッチがバックアップ電源を選択します（図1の破線パス）。

これにより、メイン電源に障害がある場合のみスタンドバイシステムが動作することを明確に確認できます。このシステムでは、AC電圧はまず整流され、整流器に接続された蓄電池に蓄えられます。

停電が発生すると、このDC電圧はパワーインバーターによってAC電圧に変換され、接続された負荷に転送されます。

これは最も安価なUPSシステムで、バックアップだけでなくサージ保護も提供します。転送時間は約25ミリ秒で、これはUPSシステムが電力供給の喪失を検出するのにかかる時間に関連しています。ブロック図は以下の通りです。

オンラインUPS

このタイプのUPSでは、二重変換方式が使用されます。ここでは、最初にAC入力を整流してDCに変換し、充電式バッテリーに蓄えます。

このDCは逆変換プロセスによってACに変換され、接続された負荷または設備に供給されます（図2）。

このタイプのUPSは、電気的絶縁が必須な場合に使用されます。このシステムは、常に稼働するコンバータと冷却システムの設計により、若干高価です。

ここでは、通常のAC電流で駆動される整流器が直接インバーターを駆動します。そのため、二重変換UPSとも呼ばれます。ブロック図は以下の通りです。

停電が発生すると、整流器は回路で役割を持たず、インバーターに接続されたバッテリーに蓄えられた安定した電力が転送スイッチによって負荷に供給されます。

電力が復旧すると、整流器がバッテリーの充電を開始します。高電力整流器によるバッテリーの過熱を防ぐために、充電電流は制限されます。メイン電源の故障時に、このUPSシステムはゼロ転送時間で動作します。

理由は、バックアップ電源が主電源として作用し、メインAC入力ではないためです。しかし、インラッシュ電流や大容量の負荷ステップ電流の存在により、このシステムでは約4〜6ミリ秒の転送時間が発生することがあります。

ラインインタラクティブUPS

小規模ビジネスや部門サーバー、ウェブサイトでは、ラインインタラクティブUPSが使用されます。これはオフラインUPSとほぼ同じです。

違いは、タップ切替トランスフォーマーの追加です。電圧調整は、このタップ切替トランスフォーマーによって、入力電圧に応じてタップを切り替えることで行われます。このUPSでは、追加のフィルタリングが行われ、一時的な損失が低くなります。ブロック図は以下の通りです。

UPSの応用