パワエレ52【電験3種 機械】無停電電源装置（UPS）の回路構成と用途！平成19年 A問題10 完全解説

今回は平成19年度 機械科目 A問題10を解説します。パワエレ第4サブバッチ以降で扱ってきた直流チョッパ・インバータ・太陽光発電に続く、無停電電源装置（UPS）の回路構成と用途に関する空欄補充問題です。パワエレ問題としては今回でチャプター最終問題（本書問52）になります。

常時は交流入力を整流器で直流に変換し、インバータにより交流に変換して負荷に供給します。同時に充電器で二次電池を充電し、停電時にはDCスイッチで電池からインバータへ切り替えて定電圧・定周波数の電力を供給し続けます。主にコンピュータシステムや放送・通信用機器などの電源に用いられます。

平成19年度 機械科目 A問題10：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成19年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題10

電験3種 機械科目 【パワーエレクトロニクス】 平成19年度 A問題10

　図は無停電電源装置の回路構成の一例を示す。常時は，交流電源から整流回路を通して得た直流電力を（ア）と呼ばれる回路Bで交流に変換して負荷に供給するが，交流電源が停電あるいは電圧低下した場合には，（イ）の回路Dから半導体スイッチ及び回路Bを介して交流電力を供給する方式である。主にコンピュータシステムや（ウ）などの電源に用いられる。

　運転状態によって直流電圧が変動するので，回路BはPWM制御などの電圧制御機能を利用して，出力に（エ）の交流を得ることが一般的である。

　上記の記述中の空白箇所（ア），（イ），（ウ）及び（エ）に当てはまる語句として，正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

上記の記述中の空白箇所（ア），（イ），（ウ）及び（エ）に当てはまる語句として，正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）
(1)	インバータ	二次電池	放送・通信用機器	定電圧・定周波数
(2)	DC/DCコンバータ	一次電池	家庭用空調機器	定電圧・定周波数
(3)	DC/DCコンバータ	二次電池	放送・通信用機器	可変電圧・可変周波数
(4)	インバータ	二次電池	家庭用空調機器	定電圧・定周波数
(5)	インバータ	一次電池	放送・通信用機器	可変電圧・可変周波数

出題のポイント：UPSは整流器＋電池＋インバータ

無停電電源装置（UPS）の基本構成は3つです。交流を直流にする整流器、エネルギーを蓄える蓄電池、直流を交流に戻すインバータ——この流れを押さえれば空欄は埋まります。

部分	機器	役割
入口	整流回路（コンバータ）	商用交流を直流に変換する
中間	蓄電池（二次電池）	停電時に備えてエネルギーを蓄える
出口	インバータ（回路B）	直流を交流に変換して負荷へ供給する

常時は「交流 → 整流器 → 直流 → インバータ → 交流」という流れです。わざわざ直流を経由するのは、その途中に蓄電池をつないでおけるから——停電した瞬間に電池から供給を切り替えられます。

（ア）は直流を交流に変換する回路なのでインバータ——DC/DCコンバータは直流から直流で、交流は作れません。

（イ）二次電池でなければならない理由

一次電池は使い切りで充電できません。UPSは常時充電しておき、停電時だけ放電する——だから充放電を繰り返せる二次電池でなければなりません。

	一次電池	二次電池
充電	できない	できる
例	マンガン乾電池、アルカリ乾電池	鉛蓄電池、リチウムイオン電池
UPSでの使用	不可	これを使う

UPSでは長く鉛蓄電池が使われてきました。安価で大容量、しかも大電流を短時間流せる——停電時の数分〜数十分をしのぐという用途に合っているからです。

近年はリチウムイオン電池も使われます。小型軽量で寿命も長い——設置スペースが限られるデータセンターなどで採用されています。

（ウ）（エ）用途と出力の性質

UPSが使われるのは、一瞬でも電源が切れては困る機器です。コンピュータシステムはもちろん、放送設備や通信設備——止まれば社会的な影響が大きい設備が対象になります。

「家庭用空調機器」は当てはまりません。停電しても数分後に復旧すれば済む機器にUPSを付ける意味はなく、そもそも消費電力が大きすぎて電池では支えきれません。

（エ）は定電圧・定周波数（CVCF）です。UPSの目的は「商用電源と同じ品質の電気を切れ目なく供給すること」——電圧も周波数も一定でなければ、つないでいる機器が動きません。

用途	求められる出力	装置の呼び名
UPS（無停電電源）	定電圧・定周波数	CVCF装置
電動機の可変速駆動	可変電圧・可変周波数	VVVF装置（インバータ）

同じインバータでも、目的によって求めるものが正反対です。UPSは「変わらないこと」が価値、電動機駆動は「変えられること」が価値——CVCF と VVVF は、その違いを表す略語になります。

問題文が「運転状態によって直流電圧が変動するので」と述べているのは、電池の電圧が放電とともに下がるからです。入力の直流が変動しても出力は一定に保つ——そのためにPWM制御で電圧を調整します。

UPSには3つの方式がある

方式	常時の電力の流れ	切り替え時間	特徴
常時商用給電方式	商用電源をそのまま負荷へ	数ミリ秒（切り替えあり）	安価・高効率だが瞬断がある
常時インバータ給電方式（本問）	整流器 → インバータ → 負荷	0（無瞬断）	電圧・周波数が安定。効率はやや低い
ラインインタラクティブ方式	商用給電しつつ電圧補正	短い	両者の中間

本問の構成は常時インバータ給電方式です。常にインバータを通しているので、停電しても切り替えが不要——電池からの供給に移るだけで、負荷から見れば何も変わりません。

その代わり、常時インバータを動かしているので損失が出ます。効率は90 %台前半——常時商用給電方式（98 %程度）に比べると劣ります。無瞬断という価値と引き換えだと言えます。

UPSの容量と保持時間

UPSを選ぶときに問題になるのが、容量と保持時間です。どちらも蓄電池の大きさで決まる——用途に応じた設計が必要になります。

用途	求められる保持時間	ねらい
一般のサーバ	5〜10分	安全にシャットダウンする時間を稼ぐ
データセンター	10〜15分	非常用発電機が立ち上がるまでをつなぐ
放送・通信設備	30分〜数時間	サービスを止めない

データセンターのUPSは「発電機が立ち上がるまでのつなぎ」という役割が中心です。非常用ディーゼル発電機は起動に十数秒かかる——その間をUPSが埋めるのです。

長時間の停電に備えるなら発電機、瞬間の切れ目を埋めるならUPS——役割分担がはっきりしています。両者を組み合わせるのが、重要施設の標準的な構成です。

近年はフライホイール式のUPSも使われます。回転体の運動エネルギーで数秒〜十数秒をしのぐ——電池のような劣化がなく、保守が軽いのが利点です。発電機が立ち上がるまでのつなぎなら、数秒あれば足りる——用途を絞ることで別の解が成り立つ好例だと言えます。

まとめ

（ア）	インバータ
（イ）	二次電池
（ウ）	放送・通信用機器
（エ）	定電圧・定周波数
答え	(1)

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