無停電電源装置

無停電電源装置( UPS )または無停電電源源は、入力電源または主電源が故障したときに負荷に自動的にバックアップ電力を供給する継続的電力システムの一種です。UPS は、従来の補助/緊急電源システムやスタンバイ ジェネレータとは異なり、バッテリー パック、スーパーキャパシタ、またはフライホイールに蓄えられたエネルギーに切り替えることで、入力電源の中断からほぼ瞬時に保護します。ほとんどの UPS のバッテリー駆動時間は比較的短い (わずか数分) ですが、スタンバイ電源を起動したり、保護対象の機器を適切にシャットダウンしたりするための「時間を稼ぐ」には十分です。ほぼすべての UPS には、出力機器を電圧スパイクから保護するための統合サージ保護機能も含まれています。

UPS は通常、予期しない停電により負傷、死亡、重大な業務中断、またはデータ損失が発生する可能性があるコンピューター、病院設備、データ センター、通信機器、その他の電気機器などのハードウェアを保護するために使用されます。UPS ユニットのサイズは、1 台のコンピューターを保護するように設計されたもの (定格電圧 200 ボルト アンペア程度) から、データ センターや建物全体に電力を供給する大型ユニットまでさまざまです。

UPS の主な役割は、入力電源が故障したときに短期間の電力を供給することです。ただし、ほとんどの UPS ユニットは、一般的な商用電源の問題をさまざまな程度で修正することもできます。

1. 電圧スパイクまたは持続的な過電圧
2. 入力電圧の一時的または持続的な低下
3. 電圧低下
4. ノイズは、高周波の過渡現象または振動として定義され、通常は近くの機器によってラインに注入されます。
5. 電源周波数の不安定性
6. 高調波歪みは、線路上で予想される理想的な 正弦波からの逸脱として定義される。

UPSユニットの製造元によっては、対処する電力関連の問題の数に応じて製品を分類しているところもあります。^[1]

UPS ユニットは電力品質の問題を引き起こす可能性もあります。これを防ぐには、UPS は容量だけでなく、供給される機器に必要な電力品質によっても選択する必要があります。

現代のUPSシステムの3つの一般的なカテゴリは、オンライン、ラインインタラクティブ、スタンバイです。^{[2] [3] [4]}

• オンライン UPS は、AC 入力を受け入れ、 DC に整流して充電式バッテリー(またはバッテリー ストリング)に通し、その後 120 V/230 V AC に戻して保護対象機器に電力を供給する「二重変換」方式を使用します。
• ラインインタラクティブ UPS はインバータをラインに維持し、電源が失われたときにバッテリーの DC 電流パスを通常の充電モードから電流供給モードにリダイレクトします。
• スタンバイ（「オフライン」）システムでは、負荷は入力電源によって直接電力供給され、バックアップ電源回路は商用電源が故障した場合にのみ呼び出されます。

1 キロボルトアンペア(1 kVA)未満の UPS のほとんどは、ラインインタラクティブ型またはスタンバイ型であり、通常は安価です。

大型の電力ユニットでは、動的無停電電源装置 (DUPS) が使用されることがあります。同期モーター/オルタネーターは、チョークを介して主電源に接続されます。エネルギーはフライホイールに蓄えられます。主電源が故障すると、フライホイールのエネルギーが尽きない限り、渦電流制御によって負荷の電力が維持されます。DUPS は、短時間の遅延後にオンになるディーゼル発電機と組み合わせたり統合したりして、ディーゼル回転式無停電電源装置(DRUPS) を形成することがあります。

オフライン/スタンバイ UPS は、サージ保護とバッテリー バックアップという最も基本的な機能のみを提供します。保護対象の機器は通常、入力商用電源に直接接続されます。入力電圧が所定のレベルを下回るか上回ると、UPS は内部の蓄電池から電力を供給される内部 DC-AC インバーター回路をオンにします。次に、UPS は接続された機器を機械的に DC-AC インバーター出力に切り替えます。切り替え時間は、スタンバイ UPS が商用電圧の喪失を検出するのにかかる時間に応じて、最大 25 ミリ秒になることがあります。UPS は、パソコンなどの特定の機器に、その機器に問題となる電圧低下や電圧低下を起こさずに電力を供給するように設計されています。

ラインインタラクティブ UPS は、スタンバイ UPS と動作が似ていますが、マルチタップ可変電圧オートトランスが追加されています。これは、通電コイルを追加または削除できる特殊なタイプのトランスで、これにより、変圧器の磁場と出力電圧を増減できます。これは、オートトランスとは異なるバックブーストトランスでも実行できます。これは、前者がガルバニック絶縁を提供するように配線できるためです。

このタイプの UPS は、限られた予備バッテリー電力を消費することなく、継続的な低電圧電圧低下と過電圧サージに耐えることができます。代わりに、オートトランスフォーマーの異なる電源タップを自動的に選択することで補正します。設計によっては、オートトランスフォーマーのタップを変更すると、非常に短い出力電力の中断が発生する可能性があり、 ^[5]電源喪失アラームを備えた UPS では、一瞬「チャープ」音が鳴ることがあります。

これは、すでに含まれているコンポーネントを活用できるため、最も安価な UPS でも普及しています。ライン電圧とバッテリー電圧の変換に使用されるメインの 50/60 Hz トランスは、わずかに異なる 2 つの巻数比を提供する必要があります。1 つはバッテリー出力電圧 (通常は 12 V の倍数) をライン電圧に変換するためのもので、もう 1 つはライン電圧をわずかに高いバッテリー充電電圧 (14 V の倍数など) に変換するためのものです。2 つの電圧が異なるのは、バッテリーの充電にデルタ電圧 (12 V バッテリーの充電には最大 13～14 V) が必要になるためです。さらに、変圧器のライン電圧側では電流が低いため、切り替えが簡単です。

降圧/昇圧機能を得るには、2 つの個別のスイッチだけが必要です。これにより、AC 入力を 2 つのプライマリ タップの 1 つに接続し、負荷をもう 1 つのタップに接続して、メイン トランスのプライマリ巻線をオートトランスとして使用します。過電圧を「降圧」している間もバッテリーを充電できますが、低電圧を「昇圧」している間は、トランスの出力が低すぎてバッテリーを充電できません。

オートトランスは、さまざまな入力電圧を広範囲にカバーするように設計できますが、タップの数が増えて複雑さが増し、UPS のコストも高くなります。オートトランスは、120 V 電源で約 90 V から 140 V の範囲のみをカバーし、電圧がその範囲より大幅に高くなったり低くなったりするとバッテリーに切り替えるのが一般的です。

低電圧状態では、UPS は通常よりも多くの電流を使用するため、通常のデバイスよりも高電流回路が必要になる場合があります。たとえば、120 V で 1000 W デバイスに電力を供給する場合、UPS は 8.33 A を消費します。電圧低下が発生して電圧が 100 V に低下すると、UPS は補償のために 10 A を消費します。これは逆の場合にも機能するため、過電圧状態では UPS に必要な電流が少なくなります。

オンライン UPS では、バッテリーは常にインバータに接続されているため、電力転送スイッチは必要ありません。電力損失が発生すると、整流器は回路から外れ、バッテリーが電力を一定に保ちます。電力が回復すると、整流器は負荷の大部分を担い、バッテリーの充電を開始しますが、高電力整流器がバッテリーを損傷するのを防ぐために、充電電流が制限される場合があります。オンライン UPS の主な利点は、入力される商用電源と敏感な電子機器の間に「電気ファイアウォール」を提供できることです。

オンライン UPS は、電気的絶縁が必要な環境や、電力変動に非常に敏感な機器に最適です。^[6]かつては 10 kW 以上の非常に大規模な設備専用でしたが、技術の進歩により、現在では 500 W 以下の電力を供給する一般的な消費者向けデバイスとして利用できるようになりました。オンライン UPS は、電力環境が「ノイズが多い」場合、ユーティリティ電力の低下、停電、その他の異常が頻繁に発生する場合、敏感な IT 機器の負荷を保護する必要がある場合、または長時間稼働のバックアップ ジェネレータによる動作が必要な場合に必要になることがあります。

オンライン UPS の基本技術は、スタンバイ UPS やラインインタラクティブ UPS と同じです。ただし、AC-DC バッテリー充電器/整流器の電流がはるかに大きく、整流器とインバーターが改良された冷却システムで連続稼働するように設計されているため、通常ははるかに高価です。通常の AC 電流から電源供給されている場合でも、整流器がインバーターを直接駆動するため、 ダブルコンバージョンUPSと呼ばれます。

オンライン UPS には通常、信頼性を高めるための静的転送スイッチ (STS) が備わっています。

これらのハイブリッドロータリーUPS ^[7]設計には正式な名称はありませんが、UTLが使用する名称の1つは「オンデマンドのダブルコンバージョン」です。^[8]このタイプのUPSは、ダブルコンバージョンが提供する機能と保護レベルを維持しながら、高効率アプリケーションを対象としています。

ハイブリッド（オンデマンドの二重変換）UPSは、電源状態が特定の設定ウィンドウ内にある場合、オフライン/スタンバイUPSとして動作します。これにより、UPSは非常に高い効率定格を達成できます。電源状態が定義済みウィンドウ外で変動すると、UPSはオンライン/二重変換動作に切り替わります。^[8]二重変換モードでは、UPSはバッテリー電源を使用せずに電圧変動を調整し、ラインノイズを除去し、周波数を制御できます。

鉄共振ユニットはスタンバイ UPS ユニットと同じように動作しますが、出力をフィルタリングするために鉄共振トランスが使用される点を除いてオンラインです。このトランスは、ライン電源からバッテリ電源への切り替え時間をカバーするのに十分なエネルギーを保持するように設計されており、切り替え時間を効果的に排除します。多くの鉄共振 UPS は、82～88% の効率 (AC/DC-AC) を備え、優れた絶縁性を備えています。

変圧器には 3 つの巻線があり、1 つは通常の主電源用、2 つ目は整流されたバッテリー電源用、3 つ目は負荷への出力 AC 電源用です。

これはかつて UPS の主流のタイプであり、150 kVA程度の範囲に限定されています。これらのユニットは、UPS の堅牢性により、現在でも一部の産業環境 (石油およびガス、石油化学、化学、公共事業、重工業市場) で主に使用されています。制御されたフェロ技術を利用する多くのフェロ共振 UPS は、力率補正装置と相互作用する可能性があります。これにより、UPS の出力電圧が変動しますが、負荷レベルを下げるか、他の線形タイプの負荷を追加することで修正できます。^{[詳細な説明が必要]}

DC 機器に電力を供給するために設計された UPS は、出力インバーターを必要としない点を除けば、オンライン UPS と非常によく似ています。また、UPS のバッテリー電圧がデバイスに必要な電圧と一致している場合は、デバイスの電源も必要ありません。1 つ以上の電力変換ステップが排除されるため、効率と実行時間が向上します。

通信で使用される多くのシステムでは、導管や接続箱に設置されるなど、安全規制があまり厳しくないため、超低電圧の「共通バッテリー」48 V DC 電源が使用されています。DC は一般的に通信用の主要な電源であり、AC は一般的にコンピューターやサーバー用の主要な電源です。

故障の可能性と機器のコストを削減する目的で、コンピュータ サーバーに 48 V DC 電源を使用する実験が数多く行われてきました。ただし、同じ量の電力を供給するには、同等の 115 V または 230 V 回路よりも高い電流が必要になります。電流が大きいほど、より大きな導体が必要になり、熱として失われるエネルギーも大きくなります。

高電圧DC（380V）は、一部のデータセンターアプリケーションで使用されており、小型の電力導体を使用できますが、高電圧を安全に封じ込めるためのより複雑な電気コード規則の対象となります。^[9]

5 V で動作する低電力デバイスの場合、一部のポータブル バッテリー バンクはUPS として機能します。

ロータリー式 UPS は、高質量の回転フライホイールの慣性(フライホイール エネルギー ストレージ) を利用して、停電時に短時間の乗り切りを提供します。また、フライホイールは、電力スパイクや電力サグに対するバッファーとしても機能します。これは、このような短時間の電力イベントが高質量フライホイールの回転速度に顕著な影響を与えることができないためです。これは、真空管や集積回路よりも古い、最も古い設計の 1 つです。

通常の状態では継続的に回転するため、オンライン状態にあるとみなすことができます。ただし、バッテリーベースのUPSとは異なり、フライホイールベースのUPSシステムは通常、フライホイールが減速して電力出力が停止するまでに10〜20秒間の保護を提供します。 ^[10]これは従来、スタンバイ発電機と組み合わせて使用​​され、エンジンが始動して出力を安定させるために必要な短い期間のみバックアップ電力を供給します。

ロータリー UPS は、一般的に 10,000 W を超える保護を必要とするアプリケーションに使用されます。これは、ロータリー UPS システムの費用対効果と利点を正当化するためです。フライホイールを大きくしたり、複数のフライホイールを並列で動作させたりすることで、予備運転時間や容量が増加します。

フライホイールは機械的な動力源であるため、非常用電力を供給するために設計されたディーゼルエンジンとの間に電気モーターや発電機を介在させる必要はありません。トランスミッションギアボックスを使用することで、フライホイールの回転慣性を利用してディーゼルエンジンを直接始動させることができ、^[11]ディーゼルエンジンが始動すると、フライホイールを直接回転させることができます。同様に、複数のフライホイールを機械式カウンターシャフトを介して並列に接続することができ、フライホイールごとに別々のモーターと発電機は必要ありません。

これらは通常、純粋な電子式 UPS と比較して非常に高い電流出力を提供するように設計されており、モーターの起動やコンプレッサー負荷、医療用 MRI やカテーテル検査室の機器などの誘導負荷に突入電流をより適切に供給できます。また、電子式 UPS の最大 17 倍の短絡状態にも耐えられるため、1 つのデバイスがヒューズを飛ばして故障しても、他のデバイスは引き続きロータリー UPS から電力を供給されます。

そのライフサイクルは、通常、純粋な電子式 UPS よりもはるかに長く、最長 30 年以上です。ただし、ボール ベアリングの交換などの機械的なメンテナンスのために、定期的なダウンタイムが必要です。大規模なシステムでは、システムの冗長性により、このメンテナンス中にプロセスが利用可能になります。バッテリー ベースの設計では、バッテリーがホット スワップできる場合、ダウンタイムは必要ありません。これは、通常、大型ユニットに当てはまります。新しいロータリー ユニットでは、磁気ベアリングや真空エンクロージャなどのテクノロジを使用して、スタンバイ効率を高め、メンテナンスを非常に低いレベルにまで削減します。

通常、高質量フライホイールはモータージェネレーターシステムと組み合わせて使用​​されます。これらのユニットは次のように構成できます。

1. 機械的に接続された発電機を駆動するモーター、^[7]
2. 単一のローターとステーターの交互のスロットに巻かれた同期モーターと発電機を組み合わせたもので、
3. ハイブリッド ロータリー UPS は、オンライン UPS と同様に設計されていますが、バッテリーの代わりにフライホイールを使用します。整流器はモーターを駆動してフライホイールを回転させ、発電機はフライホイールを使用してインバーターに電力を供給します。

ケース 3 では、モーター ジェネレーターは同期/同期または誘導/同期にすることができます。ケース 2 と 3 のユニットのモーター側は、AC 電源 (通常はインバーター バイパスの場合)、6 ステップ ダブルコンバージョン モーター ドライブ、または 6 パルス インバーターによって直接駆動できます。ケース 1 では、外部の電気的に結合された発電機が起動してオンラインになるまでの時間を確保するために、バッテリーの代わりに統合フライホイールを短期エネルギー源として使用します。ケース 2 と 3 では、短期エネルギー源としてバッテリーまたは独立型の電気的に結合されたフライホイールを使用できます。

小型UPSシステムにはさまざまな形状とサイズがありますが、最も一般的な2つの形状はタワー型とラックマウント型です。^[12]

タワー モデルは、地面や机、棚の上に直立して設置され、通常はネットワーク ワークステーションやデスクトップ コンピュータ アプリケーションで使用されます。ラック マウント モデルは、標準の 19 インチ ラック エンクロージャに取り付けることができ、1U から 12U (ラック ユニット) までの範囲で使用できます。通常は、サーバーやネットワーク アプリケーションで使用されます。一部のデバイスは、90° 回転するユーザー インターフェイスを備えているため、デバイスを地面に垂直に取り付けたり、ラックのように水平に取り付けたりできます。

信頼性が非常に重要となる大規模なビジネス環境では、単一の巨大なUPSが単一障害点となり、他の多くのシステムに支障をきたす可能性があります。信頼性を高めるために、複数の小型UPSモジュールとバッテリーを統合して、 1つの非常に大きなUPSと同等の冗長電源保護を提供することができます。「N  + 1」とは、負荷がN個のモジュールで供給できる場合、インストールにはN  + 1個のモジュールが含まれることを意味します。このように、1つのモジュールの障害がシステムの動作に影響を与えることはありません。^[13]

多くのコンピュータ サーバーでは、冗長電源のオプションが提供されているため、1 つの電源に障害が発生した場合でも、1 つ以上の他の電源が負荷に電力を供給できます。これは重要なポイントです。各電源は、単独でサーバー全体に電力を供給できなければなりません。

各電源を異なる回路（つまり、異なる回路ブレーカー）に接続することで、冗長性がさらに強化されます。

各電源装置をそれぞれ独自のUPSに接続することで、冗長保護をさらに拡張できます。これにより、電源装置の故障とUPSの故障の両方から二重に保護され、継続的な動作が保証されます。この構成は、1 + 1または2N冗長とも呼ばれます。予算がないため、2台の同一のUPSユニットを購入できない場合は、1つの電源装置を主電源に接続し、もう1つをUPSに接続するのがよく行われます。 ^{[14] [15]}

UPSシステムを屋外に設置する場合、性能に影響を与えることなく天候に耐えられることを保証する特定の機能を備えている必要があります。屋外UPSシステムを設計する際には、温度、湿度、雨、雪などの要因を考慮する必要があります。屋外UPSシステムの動作温度範囲は、約-40°C～+55 °Cです 。^[16]

屋外 UPS システムは、ポール、地上 (台座)、またはホストに取り付けることができます。屋外環境は極寒を意味する場合があり、その場合は屋外 UPS システムにバッテリー ヒーター マットを含める必要があります。また、極暑の場合は、屋外 UPS システムにファン システムまたは空調システムを含める必要があります。

ソーラー インバータ、またはPV インバータ、またはソーラー コンバータは、太陽光発電(PV)パネルの可変直流(DC) 出力を商用電力網に供給したり、地域のオフグリッド電力網で使用できる商用周波数の交流 (AC)に変換します。これは、太陽光発電システムの重要なBOSコンポーネントであり、通常の AC 電源機器の使用を可能にします。ソーラー インバータには、最大電力点追従機能や単独運転防止機能 など、太陽光発電アレイでの使用に適した特別な機能があります。

一部の電子 UPS の出力は、理想的な正弦波から大きく外れている場合があります。これは、家庭やオフィスでの使用を目的とした安価な消費者向け単相ユニットに特に当てはまります。これらのユニットは、単純なスイッチング AC 電源を使用することが多く、出力は高調波の多い方形波に似ています。これらの高調波は、無線通信を含む他の電子デバイスに干渉を引き起こす可能性があり、一部のデバイス (AC モーターなどの誘導負荷など) は効率が低下したり、まったく動作しなくなったりする場合があります。より高度な (そして高価な) UPS ユニットは、ほぼ純粋な正弦波 AC 電力を生成できます。

二重変換 UPS と発電機の組み合わせの問題は、UPS によって生じる電圧歪みです。二重変換 UPS の入力は、基本的に大きな整流器です。UPS によって引き出される電流は非正弦波です。これにより、AC 主電源または発電機からの電圧も非正弦波になる可能性があります。電圧歪みは、UPS 自体を含む、その電源に接続されているすべての電気機器に問題を引き起こす可能性があります。また、電流のスパイクにより、UPS に電力を供給する配線でより多くの電力が失われることになります。この「ノイズ」のレベルは、「電流の全高調波歪み」(THD _I ) のパーセンテージとして測定されます。従来の UPS 整流器の THD _Iレベルは約 25%～30% です。電圧歪みを減らすには、主電源配線を太くするか、UPS の 2 倍以上の大きさの発電機が必要です。

ダブルコンバージョン UPS の THD _{Iを低減するには、いくつかの解決策があります。}

パッシブ フィルターなどの従来のソリューションでは、全負荷時に THD _Iを 5%～10% に低減します。信頼性は高いですが、サイズが大きく、全負荷時にしか動作せず、発電機と併用すると独自の問題が発生します。

代替ソリューションはアクティブ フィルタです。このようなデバイスを使用すると、全電力範囲にわたって THD _Iを 5% まで下げることができます。ダブルコンバージョン UPS ユニットの最新技術は、従来の整流器コンポーネント (サイリスタとダイオード) を使用せず、代わりに高周波コンポーネントを使用する整流器です。絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ整流器とインダクタを備えたダブルコンバージョン UPS では、THD _{I を}2% まで下げることができます。これにより、追加のフィルタ、投資コスト、損失、またはスペースなしで、発電機 (および変圧器) を大型化する必要性が完全になくなります。

電源管理(PM) には次のものが必要です。

1. UPSは、シリアルポート、イーサネット、Simple Network Management Protocol、GSM/ GPRS、USBなどの通信リンクを介して、電源を供給しているコンピュータにステータスを報告します。
2. OS内のサブシステムで、レポートを処理し、通知やPMイベントを生成したり、シャットダウン命令を発令したりする。^{[17] UPSメーカーの中には独自の通信プロトコルを公開しているところもあるが、} APCなどのメーカーは独自のプロトコルを使用している。

基本的なコンピュータと UPS 間の制御方法は、単一のソースから単一のターゲットへの 1 対 1 の信号送信を目的としています。たとえば、単一の UPS を単一のコンピュータに接続して、UPS に関するステータス情報を提供したり、コンピュータが UPS を制御できるようにしたりすることができます。同様に、USB プロトコルも単一のコンピュータを複数の周辺機器に接続することを目的としています。

状況によっては、1台の大型UPSが複数の保護対象デバイスと通信できると便利な場合があります。従来のシリアルまたはUSB制御では、信号複製デバイスを使用できます。これにより、たとえば、1台のUPSをシリアルまたはUSB接続を使用して5台のコンピューターに接続できます。^[18]ただし、分岐は通常、ステータス情報を提供するためにUPSからデバイスへの一方向のみです。戻り制御信号は、保護対象システムの1つからUPSにのみ許可される場合があります。^[19]

1990年代以降、イーサネットの普及が進むにつれ、TCP/IPなどの標準的なイーサネットデータ通信方式を使用して、単一のUPSと複数のコンピュータ間で制御信号が送信されることが一般的になりました。^[20]ステータス情報と制御情報は通常暗号化されているため、たとえば、外部のハッカーがUPSを制御してシャットダウンを指示することはできません。^[21]

UPS ステータスと制御データを配布するには、停電時に UPS アラートがターゲット システムに届くように、イーサネット スイッチやシリアル マルチプレクサなどのすべての中間デバイスに 1 つ以上の UPS システムから電力を供給する必要があります。イーサネット インフラストラクチャへの依存を回避するために、UPS は GSM/GPRS チャネルを使用してメイン制御サーバーに直接接続することもできます。UPS から送信される SMS または GPRS データ パケットは、PC をシャットダウンして負荷を軽減するソフトウェアをトリガーします。

UPS バッテリーには、主に 3 つのタイプがあります。制御弁式鉛蓄電池 (VRLA)、液式セル (VLA) バッテリー、およびリチウムイオン バッテリーです。バッテリー駆動の UPS の稼働時間は、バッテリーのタイプとサイズ、放電率、およびインバーターの効率によって異なります。鉛蓄電池の総容量は放電率の関数であり、これはPeukert の法則として説明されます。

メーカーはパッケージUPSシステムの稼働時間を分単位で提供しています。より大規模なシステム（データセンターなど）では、必要な耐久性が達成されるように、負荷、インバーターの効率、バッテリーの特性を詳細に計算する必要があります。^[22]

鉛蓄電池が充電または放電されると、最初は電極と電解質の界面にある反応化学物質にのみ影響します。時間が経つと、界面の化学物質に蓄えられた電荷（「界面電荷」と呼ばれることが多い）は、これらの化学物質の拡散によって活性物質の体積全体に広がります。

バッテリーが完全に放電し（例えば、車のライトを一晩中つけっぱなしにしていた）、次に数分間だけ急速充電すると、その短い充電時間の間にインターフェース付近にのみ電荷が発生します。バッテリー電圧が充電器の電圧に近づくまで上昇するため、充電電流が大幅に減少します。数時間後、このインターフェース電荷は電極と電解質の体積に広がらず、インターフェース電荷が非常に低くなり、車を始動させるのに不十分になる可能性があります。^[23]

インターフェースの充電のため、数秒しか持続しない短いUPSセルフテスト機能ではUPSの実際の実行時間容量を正確に反映できない可能性があり、代わりにバッテリーを深く放電させる長時間の再調整またはランダウンテストが必要になります。^[24]

深放電テスト自体がバッテリーにダメージを与えます。放電したバッテリー内の化学物質が結晶化し、非常に安定した分子形状になり、バッテリーを再充電しても再溶解しないため、充電容量が永久に低下します。鉛蓄電池では、これは硫酸化として知られていますが、深放電による損傷はニッケルカドミウム電池やリチウム電池などの他のタイプにも影響を及ぼします。^[25]そのため、一般的には、6か月から1年ごとなど、頻繁にランダウンテストを行うことが推奨されています。^{[26] [27]}

大型でアクセスしやすいバッテリーバンクを備えた数キロワットの商用UPSシステムは、複合セルバッテリーユニット（12V鉛蓄電池など）または直列に配線された個々の化学セルで構成されるバッテリーストリング内の個々のセルを分離してテストすることができます。単一のセルを分離し、その代わりにジャンパーを取り付けると、1つのバッテリーの放電テストが可能になり、バッテリーストリングの残りの部分は充電されたままになり、保護を提供できるようになります。^[28]

バッテリーストリング内の個々のセルの電気的特性を測定することも可能で、これには中間センサーワイヤが各セル間の接合部に設置され、個別および集合的に監視されます。バッテリーストリングは、たとえば 20 個のセルを 2 セット直列並列に配線することもできます。このような状況では、弱いセル、高抵抗のデッドセル、またはショートしたセルの影響を相殺するために、電流がストリング間を循環する可能性があるため、並列ストリング間の電流の流れを監視することも必要です。たとえば、電圧の不均衡が均等になるまで、より強いストリングはより弱いストリングを通して放電する可能性があり、これは各ストリング内の個々のセル間測定に考慮する必要があります。^[29]

直並列配線されたバッテリーストリングは、複数の並列ストリング間の相互作用により、異常な故障モードを発症する可能性があります。1つのストリングのバッテリーに欠陥があると、他のストリングの正常なバッテリーや新しいバッテリーの動作や寿命に悪影響を与える可能性があります。これらの問題は、UPSシステムだけでなく、電気自動車のアプリケーションなど、直並列ストリングが使用される他の状況にも当てはまります。^[30]

すべてのセルが正常な直並列バッテリー構成で、1 つのセルがショートまたは故障した場合を考えてみましょう。

• 故障したセルは、そのセルが含まれる直列ストリング全体の最大発生電圧を低下させます。
• 劣化したストリングと並列に配線された他の直列ストリングは、劣化したストリングの電圧と一致するまで劣化したストリングを介して放電し、過充電になる可能性があり、劣化したストリング内の残りの正常なセルから電解質が沸騰してガスが放出されます。これらの並列ストリングは、電圧の上昇が故障したバッテリーを含むストリングを介して放出されるため、完全に再充電することはできません。
• 充電システムは、全体の電圧を測定することで、バッテリー ストリングの容量を測定しようとする場合があります。デッド セルによるストリング全体の電圧低下により、充電システムはこれを放電状態として検出し、直並列ストリングを継続的に充電しようとします。これにより、損傷したバッテリーを含む劣化した直列ストリング内のすべてのセルが継続的に過充電され、損傷します。
• 鉛蓄電池を使用すると、以前は良好だった並列ストリング内のすべてのセルが完全に再充電できないために硫酸化が始まり、たとえ劣化した 1 つのストリング内の損傷したセルが最終的に発見され、新しいセルと交換されたとしても、これらのセルのストレージ容量が永久に損傷することになります。

このような微妙な直列・並列ストリングの相互作用を防ぐ唯一の方法は、並列ストリングをまったく使用せず、個々の直列ストリングに個別の充電コントローラーとインバーターを使用することです。

たとえ直列に配線された単一のバッテリー列であっても、新しいバッテリーと古いバッテリーを混ぜると悪影響が生じる可能性があります。古いバッテリーは蓄電容量が減少する傾向があり、新しいバッテリーよりも早く放電し、新しいバッテリーよりも早く最大容量まで充電されます。

新しい電池と古い電池が混在するストリングが消耗すると、ストリング電圧が低下し、古い電池が消耗しても新しい電池はまだ充電可能です。新しいセルはストリングの残りの部分を通じて放電を続ける可能性がありますが、電圧が低いため、このエネルギー フローは役に立たず、抵抗加熱として古いセルで無駄になる可能性があります。

特定の放電ウィンドウ内で動作することになっているセルの場合、容量が大きい新しいセルによって、直列ストリング内の古いセルが放電ウィンドウの安全な下限を超えて放電し続け、古いセルが損傷する可能性があります。

再充電すると、古いセルはより急速に再充電され、電圧が急激に上昇してほぼ完全に充電された状態になりますが、容量の大きい新しいセルが完全に再充電される前に行われます。充電コントローラは、ほぼ完全に充電されたストリングの高電圧を検出し、電流の流れを減らします。容量の大きい新しいセルは、非常にゆっくりと充電されます。非常に遅いため、完全に充電される前に化学物質が結晶化し始め、新しいセルの容量が数回の充電/放電サイクルで減少し、最終的に直列ストリング内の古いセルの容量に近づきます。

このような理由から、一部の産業用UPS管理システムでは、直列および並列ストリング内およびストリング間での新しいバッテリーと古いバッテリー間の有害な相互作用のため、数百個の高価なバッテリーを使用する可能性のあるバッテリーアレイ全体を定期的に交換することを推奨しています。^[31]

• IEC 62040-1:2017 無停電電源システム (UPS) – パート 1: UPS の一般要件および安全要件
• IEC 62040-2:2016 無停電電源装置（UPS） – パート2：電磁両立性（EMC）要件
• IEC 62040-3:2021 無停電電源システム（UPS） – パート3：性能およびテスト要件の指定方法
• IEC 62040-4:2013 無停電電源システム（UPS）– パート4：環境側面–要件と報告

• バッテリー室
• 非常用電源システム
• 燃料電池の応用
• ITベースライン保護
• パワーコンディショナー
• 動的電圧回復
• エネルギー貯蔵機能を備えたネットメータリングシステム
• サージプロテクター
• スイッチング電源(SMPS)
• スイッチング電源アプリケーション
• 非常灯

ウィキメディア・コモンズには、無停電電源装置に関連するメディアがあります。

• スコット・シデンズ（2007年2月）、UPS on the front line、プラントエンジニアリング、2009年11月9日にオリジナルからアーカイブ
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