無停電電源装置

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。保護対象機器は通常、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ったり上回ったりすると、UPSは内蔵の蓄電池から電力を供給される内部DC-ACインバータ回路をオンにします。その後、UPSは接続機器を機械的にDC-ACインバータ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ミリ秒になる場合があります。UPSは、パーソナルコンピュータなどの特定の機器に、機器への電圧低下や電圧降下などの不快な影響を与えることなく電力を供給でき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と同様の動作をしますが、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、電源供給コイルを追加または削除することで、磁場と出力電圧を増減できる特殊なトランスです。バックブーストトランスは、ガルバニック絶縁を実現するように配線できるため、オートトランスとは異なります。

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、継続的な低電圧のブラウンアウトや過電圧のサージに耐えることができます。代わりに、オートトランスの異なる電力タップを自動的に選択することで補償します。設計によっては、オートトランス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、 ^{[ 10 ]}電力損失アラームを備えたUPSでは、一瞬「チャープ」という音が鳴ることがあります。

これは、既に搭載されている部品を活用できるため、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を変換するために使用されるメインの50/60Hz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12Vの倍数 ）をライン電圧に変換するため、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（例えば14Vの倍数 ）に変換するためです。2つの電圧に差があるのは、バッテリーの充電にはデルタ電圧（ 12Vバッテリーの充電では最大13～14V  ）が必要だからです。さらに、トランスのライン電圧側の方が電流が低いため、そちら側でスイッチングを行う方が容易です。

昇降圧機能を実現するには、2つの独立したスイッチを用意するだけで済みます。これにより、AC入力を2つの一次タップのうち一方に接続し、負荷をもう一方に接続することで、主変圧器の一次巻線をオートトランスとして使用できます。過電圧を降圧している間は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変圧器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に対応できるように設計できますが、そのためにはタップ数を増やして構造を複雑化させる必要があり、UPSのコストも高くなります。一般的には、 120V電源の場合、オートトランスは90Vから140V程度の範囲のみに対応し、電圧がその範囲を大幅に超えたり下回ったりした場合はバッテリーに切り替わるようになっています。   

低電圧状態では、UPSは通常よりも多くの電流を消費するため、通常の機器よりも高い電流回路が必要になる場合があります。例えば、 120Vで1000Wの機器を駆動する場合 、UPSは8.33Aの電流を消費します。 電圧低下（ブラウンアウト）が発生し、電圧が100Vまで低下した場合 、UPSは 補償のために10Aの電流を消費します。これは逆の場合にも当てはまり、過電圧状態ではUPSが必要とする電流は少なくなります。

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、電力切替スイッチは不要です。停電が発生すると、整流器は回路から切り離され、バッテリーが電力を安定的に維持します。電力が復旧すると、整流器が再び負荷の大部分を担い、バッテリーの充電を開始します。ただし、高出力整流器がバッテリーを損傷しないように、充電電流は制限される場合があります。オンラインUPSの最大の利点は、商用電源と高感度電子機器との間に「電気的なファイアウォール」を構築できることです。

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。^{[ 11 ]}かつては10kW 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500W以下の電力を供給する一般的な消費者向け機器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、電力会社による電力低下、停電、その他の異常が頻繁に発生する場合、高感度なIT機器負荷の保護が必要な場合、または長時間稼働のバックアップ発電機からの運転が必要な場合に必要となることがあります。

オンラインUPSの基本技術は、スタンバイ型またはラインインタラクティブ型UPSと同じです。しかし、AC-DCバッテリー充電器/整流器の電流容量がはるかに大きく、整流器とインバーターが冷却システムを強化して連続運転するように設計されているため、一般的にコストははるかに高くなります。整流器がインバーターを直接駆動するため、通常の交流電源から給電されている場合でも、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）が搭載されています。

これらのハイブリッド回転式UPS ^{[ 12 ]}設計には公式な名称はありませんが、UTL が使用している名称の 1 つは「オンデマンド二重変換」です。^{[ 13 ]}このタイプのUPSは、二重変換によって提供され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（オンデマンド二重変換）UPSは、電力状態があらかじめ設定された範囲内にあるときはオフライン/スタンバイUPSとして動作します。これにより、UPSは非常に高い効率を実現できます。電力状態が定義済みの範囲外で変動すると、UPSはオンライン/二重変換動作に切り替わります。^{[ 13 ]}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たり、ラインノイズをフィルタリングしたり、周波数を制御したりすることができます。

強磁性共振型UPSは、スタンバイUPSと同様の動作原理ですが、出力のフィルタリングに強磁性共振トランスを使用する点が異なります。このトランスは、商用電源からバッテリー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、切り替え時間を実質的に不要にします。多くの強磁性共振型UPSは、82～88%の効率（AC/DC-AC）と優れた絶縁性を備えています。

この変圧器には3つの巻線があり、1つは通常の商用電源用、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交流電力用である。

これはかつてUPSの主流であり、容量は約150kVAの範囲に限定されていました。これらのユニットは、UPSの堅牢性から、現在でも一部の産業分野（石油・ガス、石油化学、化学、公益事業、重工業市場）で主に使用されています。制御フェロ技術を利用した多くのフェロ共振UPSは、力率改善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。

DC機器への給電用に設計された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機器が必要とする電圧と一致していれば、機器の電源も不要になります。このように、電力変換のステップが1つ以上省略されるため、効率と稼働時間が向上します。

通信分野で使用される多くのシステムは、超低電圧の「共通バッテリー」である48V  DC電源を使用しています。これは、配管や接続箱への設置など、安全規制が比較的緩やかであるためです。従来、通信分野ではDC電源が主流であり、コンピュータやサーバーではAC電源が主流でした。

コンピュータサーバー向けに48V直流電源を用いた実験が数多く行われてきた 。これは、故障の可能性と機器コストを低減することを期待してのことである。しかし、同じ電力を供給するには、同等の115V または230V 回路よりも電流が高くなる。電流が大きいほど、より太い導体が必要になるか、熱として失われるエネルギーが増加する。

高電圧直流（380V  ）は一部のデータセンター用途で利用されており、小型の電力導体の使用を可能にするが、高電圧の安全な封じ込めに関するより複雑な電気規定の対象となる。^{[ 14 ]}

5Vで動作する低電力機器の場合 、一部のポータブルバッテリーバンクはUPS（無停電電源装置）として機能することができます。

回転式UPSは、高質量回転フライホイールの慣性（フライホイールエネルギー貯蔵）を利用して、停電時に短時間の電力供給維持を実現します。また、フライホイールは電力サージや電圧低下に対する緩衝材としても機能します。これは、短時間の電力変動では高質量フライホイールの回転速度に大きな影響を与えないためです。さらに、真空管や集積回路よりも古い、最も古い設計の一つでもあります。

通常の状態では連続的に回転するため、オンラインであると考えることができます。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、フライホイールの回転が遅くなり、電力出力が停止するまで10～20秒間の保護を提供します。^{[ 15 ]}従来は、スタンバイ発電機と併用され、エンジンが起動して出力が安定するまでの短い期間のみバックアップ電力を提供します。

回転式UPSは、一般的に10,000W以上 の保護を必要とする用途向けに採用されます。これは、回転式UPSシステムがもたらす利点とコストに見合うだけのメリットを享受するためです。フライホイールを大型化したり、複数のフライホイールを並列運転したりすることで、予備運転時間や容量を増やすことができます。

フライホイールは機械的な動力源であるため、非常用電源を供給するよう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使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、^{[ 16 ]}いったん始動すると、ディーゼルエンジンを使用して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シャフトを介して並列に接続することもでき、各フライホイールに個別のモーターや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の負荷などの誘導性負荷、さらには医療用MRIやカテーテル検査室の機器に対する突入電流供給能力に優れています。また、電子式UPSの最大17倍もの短絡状態にも耐えることができ、1台の機器のヒューズが切れて故障しても、他の機器は回転式UPSから電力供給を受け続けることができます。

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、30年以上にも及ぶ。しかし、ボールベアリングの交換など、機械的なメンテナンスのために定期的な停止時間が必要となる。大規模システムでは、システムの冗長性によって、このメンテナンス中もプロセスの可用性が確保される。バッテリーベースの設計では、バッテリーをホットスワップできる場合（通常、大型ユニットではホットスワップが可能）、停止時間は不要となる。最新の回転式ユニットは、磁気ベアリングや真空エンクロージャーなどの技術を採用することで、待機効率を高め、メンテナンスを極めて低いレベルにまで削減している。

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以下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、^{[ 12 ]}
2. 単一の回転子と固定子の交互のスロットに巻かれた同期電動機と発電機の組み合わせ。
3. ハイブリッド回転式UPSは、オンラインUPSと同様の設計ですが、バッテリーの代わりにフライホイールを使用します。整流器がモーターを駆動してフライホイールを回転させ、発電機がフライホイールからインバーターに電力を供給します。

ケース 3では、モータジェネレータは同期/同期または誘導/同期のいずれかです。ケース2および3のユニットのモータ側は、 交流電源（通常はインバータバイパス時）、6ステップ二重変換モータ駆動装置、または6パルスインバータによって直接駆動できます。ケース 1では、外部の電気的に接続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内蔵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および3では、バッテリーまたは独立型の電気的に接続されたフライホイールを短期エネルギー源として使用できます。

信頼性が非常に重要な大規模ビジネス環境では、巨大なUPSが1台だけの場合、他の多くのシステムを中断させる単一障害点となる可能性があります。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台の非常に大きな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、設置にはN + 1個のモジュールが含まれることを意味します。このようにして、1つのモジュールが故障してもシステムの動作には影響しません。^{[ 18 ]}  

多くのコンピュータサーバーは冗長電源のオプションを提供しており、1つの電源が故障した場合でも、他の1つ以上の電源が負荷に電力を供給できるようになっています。これは非常に重要な点であり、各電源はサーバー全体に単独で電力を供給できる能力を備えている必要があります。

各電源装置を異なる回路（つまり、異なるブレーカー）に接続することで、冗長性がさらに向上します。

冗長保護は、各電源をそれぞれ独自のUPSに接続することでさらに拡張できます。これにより、電源障害とUPS障害の両方から二重の保護が提供され、継続的な動作が保証されます。この構成は、1  +  1または2 N冗長とも呼ばれます。予算で2台の同一のUPSユニットを用意できない場合は、1台の電源を主電源に接続し、もう1台をUPSに接続するのが一般的です。^{[ 19 ] [ 20 ]}

UPS システムを屋外に設置する場合、性能に影響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、雪などの要因をメーカーが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。^{[ 21 ]} 

屋外用UPSシステムは、ポール設置型、地面設置型（台座設置型）、または本体設置型のいずれかを選択できます。屋外環境は極寒の場合もあれば、極暑の場合もあるため、その場合はバッテリーヒーターマットを、またその場合はファンシステムまたは空調システムを装備する必要があります。

太陽光発電インバーター（PVインバーター、またはソーラーコンバーターとも呼ばれる）は、太陽光発電パネルの可変直流（DC）出力を、商用電力網に供給したり、地域独立型電力網で使用したりできる商用周波数の交流（AC）に変換します。太陽光発電システムにおいて重要なBOS（バランス・オブ・システム）コンポーネントであり、通常の交流電源機器の使用を可能にします。太陽光発電インバーターには、最大電力点追従（MPPT）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備わっています。

鉛蓄電池の充電または放電は、最初は電極と電解質の界面にある反応性化学物質のみに影響を与えます。時間が経つにつれて、界面の化学物質に蓄積された電荷（しばしば「界面電荷」と呼ばれる）は、これらの化学物質の拡散によって活物質全体に広がります。

バッテリーが完全に放電した状態（例えば、車のライトを一晩中つけっぱなしにした場合）で、次に数分間だけ急速充電を行うと、短い充電時間の間、界面付近にのみ電荷が発生します。バッテリー電圧は充電器の電圧に近づくまで上昇し、充電電流が大幅に減少する可能性があります。数時間後には、この界面電荷は電極と電解質の体積に広がらず、界面電荷が非常に低くなり、車の始動に不十分になる可能性があります。^{[ 28 ]}

インターフェース充電のため、わずか数秒しか続かないUPSの自己診断機能ではUPSの実際の稼働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する長時間の再校正または放電テストが必要です。^{[ 29 ]}

放電テスト自体がバッテリーに損傷を与える。放電したバッテリー内の化学物質が結晶化して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、充電容量が永久的に低下する。鉛蓄電池では、これはサルフェーションとして知られているが、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種類のバッテリーにも影響を与える。^{[ 30 ]}そのため、放電テストは6か月から1年に1回など、頻繁に行わないことが一般的に推奨されている。^{[ 31 ]}

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）または直列に接続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てその場所にジャンパーを取り付けることで、バッテリーストリングの残りの部分が充電されたまま保護を提供できる状態で、その1つのバッテリーを放電テストすることができます。^{[ 32 ]}

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、各セル間の接合部に設置された中間センサーワイヤを使用して、個別に、またまとめて監視します。バッテリーストリングは、例えば20個のセルからなる2つのセットのように、直並列に配線することもできます。このような状況では、並列ストリング間の電流の流れを監視する必要もあります。電流は、弱いセル、抵抗の高い死んだセル、または短絡したセルの影響を相殺するためにストリング間を循環する可能性があるためです。例えば、電圧の不均衡が均等になるまで、より強いストリングが弱いストリングを通して放電することがあり、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。^{[ 33 ]}

直列並列接続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、異常な故障モードが発生することがあります。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または新品のバッテリーの動作や寿命に悪影響を及ぼす可能性があります。これらの問題は、UPS システムだけでなく電気自動車アプリケーションなど、直列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。^{[ 34 ]}

すべてのセルが正常な直並列接続のバッテリーを考えてみましょう。そのうちの1つが短絡または故障した場合、どうなるでしょうか。

• 故障したセルは、それが属する直列回路全体の最大発生電圧を低下させる。
• 劣化したストリングと並列に接続されている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放電を続け、過充電状態となり、劣化したストリング内の残りの正常なセルから電解液が沸騰してガスが発生する可能性がある。電圧の上昇は故障したバッテリーを含むストリングを通して漏れ出すため、これらの並列ストリングは完全に充電できなくなる。
• 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推定しようとする場合があります。しかし、不良セルによるストリング全体の電圧低下のため、充電システムはこれを放電状態と誤認し、直並列接続されたストリングへの充電を継続的に試みます。その結果、過充電が継続し、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損傷を受けることになります。
• 鉛蓄電池を使用した場合、以前は良好だった並列接続された電池列のすべてのセルが、完全に充電できなくなるため、硫酸塩化を起こし始めます。その結果、たとえ劣化した電池列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、これらのセルの蓄電容量は永久的に損なわれてしまいます。

こうした微妙な直並列ストリング間の相互作用を防ぐ唯一の方法は、並列ストリングを一切使用せず、個々の直列ストリングごと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ある。

たとえ直列接続された単一の電池列であっても、新品の電池と古い電池を混ぜて使用すると、悪影響を及ぼす可能性があります。古い電池は蓄電容量が低下している傾向があり、そのため新品の電池よりも早く放電し、また新品の電池よりも早く最大容量まで充電されます。

新旧の電池が混在する直列回路では、電池の消耗が進むにつれて電圧が低下し、古い電池が完全に放電しても新しい電池にはまだ充電が残っています。新しい電池は残りの電池を通して放電を続ける可能性がありますが、電圧が低いため、このエネルギーの流れは有効ではなく、古い電池の抵抗発熱として無駄になる可能性があります。

特定の放電範囲内で動作するように設計された電池の場合、容量の大きい新しい電池を追加すると、直列接続された古い電池が放電範囲の安全な下限を超えて放電を続け、古い電池を損傷する可能性があります。

充電時、古いセルはより速く充電されるため、電圧は急速に上昇し、ほぼ満充電状態に達しますが、容量の大きい新しいセルが完全に充電される前に電圧が上昇してしまいます。充電コントローラーは、ほぼ満充電状態のストリングの高電圧を検知し、電流の流れを抑制します。容量の大きい新しいセルは、非常にゆっくりと充電されるため、完全に充電される前に化学物質が結晶化し始め、数回の充放電サイクルを経て、新しいセルの容量が徐々に減少し、最終的に古いセルの容量に近づいていきます。

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旧バッテリー間の有害な相互作用により、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。^{[ 35 ]}