Device│UPS『サイバーパワー CP1200 PFCLCD』電力の基礎│UPSの基礎
工作室のPCを入れ替えてはや幾年。
ほぼ落ち着いてきた環境だが1つだけ後回しにしてしまっているモノがある。
それは停電対策。
今回ようやく『無停電電源装置』を導入した。
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無停電電源装置とは
UPSはバックアップバッテリーなどとも呼ばれ、落雷による過電流“サージ”やアクシデント停電があっても一定時間の電力を維持し電源落ちを回避することができる装置のこと。
無停電電源装置の種類
1 方式の種類
初めてのモノに触れるにはまずはお勉強。
USPには大きく分けて3種類の電源供給方式があるとのこと。
・常時インバータ方式…常時DCACインバータを経由し高信頼なVAを維持できる
用途：サーバルーム・公共施設など
・ラインインタラクティブ方式…通常時からAVR(自動電圧調整機能)経由で電圧変化に対応し停電後も供給
用途：一般PC・ネットワークなど
・常時商用電源方式…通常はコンセト通電し停電時のみバッテリーに切り替える(ただし瞬間的停電発生)
用途：防犯カメラ・スイッチ系など
この3つは下記の順で高性能になる。
常時商用電源方式➡インタラクティブ方式➡常時インバータ方式➡高性能
そして価格も同じ順番で高くなる傾向にある。
2 数字の意味
次に無停電電源装置（UPS）のカタログ等を見ていると、たいてい2つの数値が書かれていることに気づく。
「VA」と「W」である。
見覚えがあるような無いような。
この2つの意味は何なのか？
知識のある方には何を今さらなことかも知れないが、初心者（自分）には解りにくい部分だったので、素人目線でいろいろ調べてみた。
１．VAとWの意味
VやWと見ると「ボルト」と「ワット」のことかなとまずは思う。
昔「W（ワット）＝V（ボルト）×A（アンペア）」と習った記憶もある。
しかし交流においては VA=W ではないらしい。
それぞれの意味は次の通り。
W（ワット）＝有効電力：機器が実際に消費して仕事に使う電力
VA（ボルトアンペア）＝皮相電力：回路に流れている見かけ上の電力の大きさ
どういうことか？
交流の場合、流した電気の分だけ機器が使うわけではない「効率」が発生する。
この理由から、V×A=Ｗ（ワット）にはならないというのだ。
これをPCに当てはめてみると、
W（有効電力）はPC内の機器を動かすための実際の有効電力
VA（皮相電力）は「PCが使う電力(W)」＋「使わない電力(VAR)」の合計
ということになる。
「VAR（バール）」とは無効電力のこと。
交流特有のもので、コンセントと電気機器の間を行ったり来たりする（無駄にも見える）電力をさす。
※ちなみに式にすると VA²=W²+VAR² らしいが……見なかったことにする
ここまでがまず第一難関だった。
２．UPSにおけるVAとW
UPS（無停電電源装置）においても、UPS内部で「実際に使われる電力（W）」と「回路上にあっても使われない電力（VAR）」がある、ということになる。
このような理由もあって、UPSの機種にはVA値とW電力が併記されている。
皮相電力（VA）＝電圧(V) × 電流(A)
有効電力（W） ＝皮相電力×力率＝電圧(V) × 電流(A) × 力率
３．力率
また出てきた知らない言葉「力率」について。
「力率」とはVAに対するWの比率、つまり電気利用効率のことを指す。
0.1～1.0の数字で表され、力率が高いほど（1.0に近いほど）無駄のない高効率の機器ということになる。
仮にUPSから流れてくる電力を全て受け取れる（消費する）“効率の高い機器”なら「力率は100％」。
しかし100%の機器はまず無くて、たいていは数％～数十％ になることがほとんどである。
※VAは必ずW以上の値となる 0<力率≦1.0
４．VAとWの例
調べほどにややこしくなるVAとW。
「結局W数なんだから合計して大きめのUPSを選んでOKでは？」
といいたくなる。
それでいいのかも知れないが、こんな事例も見つけた。
例１：一般家庭ブレーカ
例えば家の契約電流が40Aとする。
その40A以内で電化製品を使っていたつもりで、電子レンジやエアコン等を同時使用したらブレーカが落ちてしまって驚くことがある。
範囲内のはずなのになぜ？
これはアンペア合計ではなく、VA値の上限を超えてしまうのが原因。
家電の中には力率の低い製品も混じっているので、見掛け40A以内と思っていても実際にはそれを超える電流が流れることがある。
契約電流40Aは計算上 100V×40A=4000W ではあるが、4000VAではないのである。
例２：ポータブル発電機
ポータブル発電機などには必ず（電気用品安全法など）VA値が表示されていたりするが、その数字を勘違いして失敗してしまうこともある。
例えば表示が500VAの発電機。
使える最大アンペアは計算上は 500VA÷100V=5A になる。
5Aまでなら大丈夫と冷蔵庫や電動工具などモーターがある家電をつないでしまうと、知らずに大きなVA値がかかってしまい動かないことがある。
これも力率が関係していて、5A max使えるのは力率1.0（PFC付など）高効率の製品のみ。
そんな高効率品だけをつなぐはずもなく、知らずに低い力率、例えば0.6の電化製品ばかり5A分つないだりすると 5A÷0.6×100V＝833.3VAになり上限500VAを超えてしまい動かないわけである。
つまり面倒な話ではあるが、完全無視もできないということのようだ・・・。
無停電電源装置の計算
UPS（無停電電源装置）の機種つまり容量を選ぶためには、必要な電力を知らないと始まらない。
PCの場合も当然、モニタやHUBやルータなど周辺機器を幾つも同時に使うことになる。
そこで、UPSにつなぐ予定のPCと周辺機器の消費電力や力率を判る範囲で調べた。
ここでは仕様書上の値を参考にしている。
1 PCの電力と力率
PCへの負荷は3段階を想定。
１．「通常時」…Office系などの軽作業、
２．「高負荷」…エンコードやAI処理などの中作業、
３．「ピーク」…CPUもGPUもフル稼働する3Dレンダリングなどの重作業。
【PC内電力値 ➡ コンセント負荷(VA) 換算表】
| 消費電力 | PSU ※1
補正係数 |
力率 | 皮相電力 | UPS ※2
補正係数 |
総VA値 | |
| PC通常時 | 100～180W | 1.11 | 1.11 | 120～230 | 1.14 | 140～250 |
| PC高負荷 | 550～800W | 1.11 | 1.11 | 680～990 | 1.14 | 780～1130 |
| PCピーク | 70～900W | 1.11 | 1.11 | 860～1110 | 1.14 | 980～1270 |
| モニタ | 32～60W | 1.11 | 67 | 1.14 | 76 | |
| ルータ | 平均約23W | 1.67 | 38 | 1.14 | 44 | |
| USB機器等 | 35W+25W | 1.67 | 100 | オフ | 0 | |
| 通常時合計 | 323W | 435 | 260～370 | |||
| 高負荷合計 | 943W | 1195 | 900～1250 | |||
| ピーク合計 | 1043W | 1315 | 1100～1380 |
※1：PSU補正係数はhp製PC電源(80+GOLD仕様 Active PFC付)の力率0.88~0.93から0.90として1÷0.90≒1.11で計算
※2：UPS補正係数は一般的なUSP電気効率0.85~0.90から0.88として1÷0.88=1.14で計算
※ルータのACアダプタは力率不明だったが非PFCのため力率0.5~0.8からの0.6として1÷0.60=1.67
数値は概算式による。
皮相電力(VA)=PC内電力×1.11(PSU効率の逆数)×1.11(PC力率の逆数)× 1.14(UPS効率の仮定の逆数)
2 周辺機器の電力と力率
モニタやルータなど、PCと同時起動させる周辺機器についての補足。
１．モニタ（EIZO EV32xx系）について
消費電力は約32～163W（最大）。
画面背景が白いほど&輝度が明るいほど消費電力が上がる。
しかし基本的にダークモードで輝度も50～60％ほどにしか上げない使い方でUSB給電も使用しない。
なので消費電力は最大でも60Wと仮定。
力率は公表されていないがスイッチング電源でENERGY STAR対応などから力率0.9と推測。
２．ルータ（Aterm AT11000系）について
消費電力は約20～38W（最大）。
PCは有線接続。
アクセスポイントとしてスマホなどのWi-Fiのみなので25Wと仮定。
力率は公表されていないが一般的なACアダプタが0.6~0.7あたりらしいので安全を見て0.6とした。
３．その他
USB機器にはスピーカー等を使用しているが、常時ではないのでVA/W計算から外すことができる。
常時通電のHUBはスタンバイ状態で+5Wを見込んだ。
無停電電源装置の心得
周辺機器のVA値とW値がまとまったので、ここからはUPS選びの選択条件や注意事項について。
1 条件
１．絶対条件
- 出力波形が正弦波であること・・・アクティブPFC電源には必須
- VA値とW値が定格内にあること・・・上記の通りVAとWを計算
- ラインインタラクティブ方式であること・・・PC保護には必須
『ラインインタラクティブ方式』という理由は次の通り。
安価な『常時商用方式』は停電からの切り替え時に瞬間的な停電“瞬断”が起きてしまう。
たとえ一瞬の停電でもPCのデータは飛んでしまったりするので、データ保護という目的を果たすことができない。
ラインインタラクティブと常時インバータでは“瞬間停電”が起きない。
２．推奨条件
また各メーカーによっていろいろ便利な機能が装備されている。
- 自動シャットダウン機能・・・停電感知後にPCをシャットダウンするソフト
- コールドスタート機能・・・停電中でもUPS電源を入れてPCを一時起動できる
- 情報表示ディスプレイ・・・現在の消費電力やバッテリー残時間などを表示する画面
- AVR自動電圧調整・・・不安定な低電圧時にもバッテリーを使わずトランス電圧で補正
個人的にはPCの傍にいない場合を想定して、自動シャットダウン機能は便利かと思う。
2 寿命
無停電電源装置は内部に蓄電池を備えている。
このバッテリーは消耗品である。
UPS仕様書にあるバッテリー容量なども当然ながら新品での数値。
使用を始めると内臓蓄電池はどんどん劣化していく。
仮に「内臓電池寿命およそ5年」と取説に書かれていても、新品の性能が5年続くわけではない。
寿命の5年を待たずに早いサイクルで電池交換をするのが理想らしいが、そうじゃない場合、使い続けられる分だけ電力容量（VAやW）に余裕を持たせないといけないことにもなる。
因みにメーカーではおよそ2倍を見込んで容量を選ぶようアドバイスをしているが、2倍の高額機種を選ぶよりも内臓蓄電池を早めに定期交換した方がずっと低コストなはずである。
3 コンセント
UPSに装備されたコンセントには、接続する機器について幾つかの注意点がある。
１．コンセントタップ
基本的にUPSに“多口コンセントタップ”をつないではいけない。
UPSに挿したコンセントタップに、例え一時的にでも他の機器を挿したり抜いたりすることがあると、オーバーロード負荷がかかってUPSの保護機能が働いてしまったり、発熱や発火の危険性が上げるためである。
絶対に抜き差しをしない前提で正確に容量管理した上でつなぐのであれば良いのかも知れないが、あくまで自己責任となる。
２．雷サージ機能
雷サージ機能を持つものをUPSにつないではいけない。
停電時の電圧変動などがあると雷サージ機能が誤動作し、それを拾ってUPSが不安定になったり故障原因になることがあるためである。
4 選定
さてここまで調べたうえで、具体的にどうUPSを選べばよいのか具体的に絞っていく。
簡単に言ってしまえば定格容量の大きい方が良いに決まっているのだが、予算というものがあるので、高出力なら良い訳ではない。
１．PC＋周辺機器
上記の表から自分のPCの消費電力（W）と皮相電力（VA）をまとめてみる。
１）PCと周辺機器の消費電力について
Office系など軽い作業では max約323W。
GPUに高負荷をかける作業では max約943W。
CPUとGPUが同時にフル稼働する作業では max約1043Wほどになる予想。
２）UPSにかかる皮相電力について
Office系など軽作業では260～370VA。
GPUに高負荷な作業では900～1250VA。
CPU/GPUフル稼働では1100～1380VA。
さて、これらの予測値からどう判断するか。
日常使いでCPUとGPUがフル稼働する作業をすることは今までは無かった。
ほとんどが軽負荷なのだが、AI処理をする場面が増えてくれば当然電力は上がってくる。
つまり中程度の負荷＝消費電力943W／皮相電力1250VAをボーダーラインになるだろうか。
もし予算的に余裕があるならその上、ピーク時の消費電力1043w／皮相電力1380VAをカバーできる機種を選択肢に入れえてもいいかも知れない。
しかし当然、高額になってくる。
1250か1380か・・・悩ましいところである。
２．主要3メーカー
まずはUPSで有名なメーカー3社を調べてみた。
主力製品といわれる1500VAクラス機種を参考にしている。
| 項目 | APC | オムロン | CyberPower |
|---|---|---|---|
| 本社国 | 元アメリカ→現フランス | 日本 | 台湾 |
| 親会社 | Schneider Electric (2007~) | オムロン | Cyber Power Systems |
| UPS事業歴 | 1990年頃 | 2000年頃 | 1997年頃 |
| 主市場 | 法人向データセンター | 企業 官公庁 | SOHO ゲーミング |
| メイン | ラインインタラクティブ | 常時インバータ | ラインインタラクティブ |
| ノイズ特性 | 高い | 非常に高い | 普通 |
| 出力安定性 | 非常に安定 | 業務レベル | 安定 |
| 1500VA機 | BR1500GI など
1500VA／865W |
BU150SW など
1500VA／1050W |
CP1500PFC など
1500VA/1000W |
| 発熱量 | 低い | 高い | やや低い |
| 動作音 | 約45dB | 約45～50dB | 約35～40dB |
| 待機電力 | 10W | 30~60W | 10~20W |
| バッテリ寿命 | 3~5年 | 4~5年 | 3~5年 |
オムロンは安心の日本企業。
サーバー用がメインでBU150SWも常時インバータ方式になる。
機能性や安定性では確実に上位だが、常時インバータ方式は安定性と引き換えに消費電力が高く、発熱量やファン動作音も相当なもの。
常時暖房機を抱えている様なもので、個人使用には金銭的にも負担が多すぎる気がする。
APCもサーバーで実績があるメーカー。
一般向けのBR1500GIは10数年前の古い設計で、現状では国内市場が少ない。
安定性には定評があるらしく保証期間中に壊れることは滅多にないのだが、壊れたときのメーカー対応は塩らしい。(噂）
CyberPowerは、APCに比べると設計が新しく付加機能も多いメーカー。
コスパが良いのでユーザーも多いが、一部の機種で停電時の切り替えに失敗(=電源落ち)事例も報告されている。（CP1500系やCP1350系）
無停電電源装置なのに落ちてしまっては意味が無いが、バッテリーが劣化していたり負荷オーバーなど個別の環境が原因の場合もあるのでが概に不安定なメーカーとは言えない。
数年無事故のユーザーもいる。
３．APC or Cyber Power
それぞれに優位点がある中でも特に安定性で最高なのがオムロン。
しかし常時インバータの発熱量は相当なものらしく、広くはない自室に置いとくのはかなり根性がいりそう。
（常時運用なので常時高温）
個人用途で選ぶ場合、性能ではAPC、コスパではCyberPowerということになりそうだ。
| 観点 | APC | CyberPower |
|---|---|---|
| 信頼性 | ◎（サーバー実績多） | ○（過負荷時にPC電源落ち） |
| コスパ | △（同クラス割高） | ◎（同クラス高出力） |
| 機能性 | ○ | ◎（機能多） |
| 静音性 | ○ | ◎ |
| 業務適性 | ◎（法人サポート良） | ○（拡張性低い） |
| 家庭適性 | ○（個人サポート×） | ◎ |
| バッテリーコスト
10年使用想定 |
△
2~5万円 |
◎
1.5~4万円 |
