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いるモノがあった。

 

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。

 

 

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。

 

メモ✐

UPS（ユーピーエス）＝ Uninterruptible Power Supply

 

 

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。

 

・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

   用途：サーバルーム・医療・公共施設など

・ラインインタラクティブ方式…通常からAVR(自動電圧調整機能)経由で電圧変化に対応し停電後も継続

   用途：一般PC・ローカルサーバなど

・常時商用電源方式…通常はコンセントから給電し停電時のみバッテリーに切り替え(瞬間的に停電)

   用途：防犯カメラ・アクアリウム機器など

 

この3つは下記の順で高性能になる。

そして価格も同じ順番で高くなる傾向にある。

 

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

 

2  数字の意味

次に無停電電源装置（UPS）の資料等を見ていると、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を見て「ボルト」と「ワット」のことだと初めは思った。

 

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。

 

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

 

どういうことなのか？

 

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、とのこと。

 

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

 

「VAR（バール）」とは無効電力のことで交流特有のもの。

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

 

ここまでが先ず第一難関だった。

 

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）」があることになる。

 

以上の理由もあって、UPSの機種にはVA値とW電力が併記されている。

 

UPSにおける記号の意味

UPSのVA・・・UPSが送り出せる皮相(見掛け)の供給電力のこと（VA=ボルトアンペア）

UPSのW・・・UPSにつないだPC機器が実際に使う電力のこと（W=ワット）

 

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

「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＝消費できる“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。

 

メモ✐

力率＝有効電力(W) ／ 皮相電力(VA)

※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？」

 

と思うところだが、こんな事例もある。

 

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はずなのにブレーカが落ちてしまって驚くことがある。

（例えば電子レンジやエアコンなどの同時使用）

 

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ったのが原因。

 

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による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100Vの電動工具（モーターなど）や家電をつないでしまうと、知らずに大きなVA値がかかってしまって動かないことがある。

 

これも力率が関係している。

5A maxまで使えるのは力率1.0（PFC付など）の高効率な製品だけの場合。

例えば力率が低い0.6の電化製品ばかりを5A分つないだりすると・・・

実際には 5A÷0.6×100V＝833.3VA になり上限500VAを超えてしまって動かないわけである。

 

面倒な話ではあるが、PCを停電から守るには完全無視もできない事のようだ・・・。

 

 

無停電電源装置の計算

UPS（無停電電源装置）を選ぶためには、何よりも必要な電力を知らないと始まらない。

 

PCの場合、モニタやHUBやルータなど周辺機器をまとめた電力になる。

 

そこで、UPSにつなぐ予定の自機PCや周辺機器の消費電力と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．「軽負荷」…Web閲覧やOffice系作業など

２．「中負荷」…画像編集やクラウドAI使用など

３．「ピーク」…3DレンダリングやローカルAI生成など

 

【PC内電力値 ➡ コンセント負荷(VA) 換算表】

※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

※3：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USBアンプ等を使用しているが、常時ではないのでVA/W計算から外した。

またUSBハブは常時運用+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』が必要である理由は次の通り。

 

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、常時商用方式はデータ保護という目的には適さない。

 

この“瞬間停電”が起きないのは、ラインインタラクティブと常時インバータだけになる。

 

２．推奨条件

また各メーカーによっていろいろ便利な付加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

 

PCの傍にいない場合も大いにありえるので、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バッテリー（蓄電池）を備えている。

このバッテリーは消耗品になる。

 

UPS仕様書にあるバッテリー容量などは、当然ながら新品での数値。

使用を始めると内部の蓄電池はどんどん劣化していく。

仮に「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倍を見込んで選ぶようアドバイスをしている。

 

しかし2倍の容量＝高額になるし、高出力になると他の条件（下記）も出てくるので、内部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しまい、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な容量管理をしてつなぐのであればOK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。

 

簡単に言ってしまえば定格容量の大きい方が良いのだろう。

しかし予算というものがあるし、いろいろ諸条件もある。

 

１．「軽負荷」…通常のWeb閲覧やOffice系の作業など

２．「中負荷」…画像編集やプログラミングまたはクラウドAI使用など

３．「ピーク」…CPUもGPUもフル稼働する3DレンダリングやローカルAI生成など

 

１．PC＋周辺機器

上記の表から自機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

軽負荷の作業（Web閲覧やOffice系など）では max約323W。

中～高負荷の作業（画像編集やクラウドAI使用など）では max約943W。

重負荷の作業（ゲーム3DレンダリングやローカルAI生成など）では max約1043W の予想。

 

２）UPSにかかる皮相電力について

軽負荷作業では 260～370VA。

中～高負荷作業では 900～1250VA。

CPU/GPUフル稼働では 1100～1380VA。

 

これらの予測値を元にUPSの容量を絞り込んでいく。

 

まず日常ではほとんどが軽~中負荷である。

CPUとGPUがフル稼働する重負荷の作業をしたことは過去には無かった。

 

しかし最近ではAI処理をする場面が増えてきている。

特にローカル環境でAI生成をしてしまうと消費電力も上がってくると予想される。

今後を見据えるなら中～高負荷の作業、つまり消費電力943W／皮相電力1250VA を最低限のボーダーラインに見越しておくべき。

 

もし予算的に余裕があるならピーク負荷時の消費電力1043w／皮相電力1380VAまでカバーできる機種の方が安心ではある。

 

しかし当然、機器価格もかなり高額になってくる・・・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社を比べてみた。

 

ユーザーレビューなどを参考にしながら、1380VAをカバーできる1500VAクラス機種をピックアップ。

 

 

オムロンは安心できる日本企業。

サーバー用がメインになる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価格も高めで消費電力も高い。

 

概算ではあるが、ラインインタラクティブに対する常時インバータの消費電力は無負荷時で約2倍、高負荷時で1.5倍である。

 

APCもサーバーで実績があるメーカー。

一般向けになるBR1500GIは現状では国内市場が少ない。

10数年前の古い設計になるが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。

ただ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だったりと個別の環境が原因の場合もあるらしいので一概に不安定なメーカーとは言えない。

 

３．ラインインタラクティブ or 常時インバータ

性能だけを見るなら常時インバータになるだろう。

しかし全てにおいて優位ではなく、常時インバータならではの懸念点もある。

 

それは機器代と電気代と発熱量。

発熱量は体感してみないと判りにくい部分でもあるが、電気代は試算することができる。

 

下表は、1日24時間365日の連続運用した場合の試算。

 

※電気代は1kWh＝31円で試算

※本体価格はAmazon参考

 

これを大差ないと感じるか、かなりの差と感じるか。

常時インバータ方式（BU150SW）は、他方式に比べて電力ロスが大きい。

そのため常に発熱をしている。

 

この高熱発生器を24時間稼働しっぱなしに置いとくのは、特に狭い自室では夏場かなりきついと想われる。

 

なので常時インバータはすっきりと諦め、需要の多い（モデルも多い）ラインインタラクティブ方式でいくことにした。

 

あとはAPCかCyberPowerかという選択になるが、価格面ではCyberPowerということになりそうだ。