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』を導入してみた。
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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”やアクシデントによる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。
※以下UPS
無停電電源装置の種類
1 方式の種類
まずは基本から勉強してみた。
USPの電源供給方式は、その方法によって大きく3つに分けられるとのこと。
・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 ※AVR＝自動電圧調整機能
・常時商用電源方式・・・通常はコンセト通電で停電時のみバッテリーに切り替える
用途：防犯カメラ・スイッチ系など ※瞬間に停電
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
3つのタイプはこ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。（構造が複雑になっていくため）
2 数字の意味
無停電電源装置（UPS）を選ぶ時、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。
この2つの意味は何なのか？
なぜ2種類の値が表記されているのか？
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
まずVとAを見ると「ボルト」と「ワット」かと思う。
昔「W（ワット）＝V（ボルト）×A（アンペア）」と習った覚えもある。
しかしそうではないらしい。
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
どういうことか？
交流の場合は流した電気の分だけ機器が使うというわけではない「効率」が発生する。
この理由から、V×A=Ｗ（ワット）にはならず、次のような式になるのだそう。
VA²=W²+VAR²
VAR？また知らない単語である。
「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。
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)」を含めた合計
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内部に「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。
この理由から、UPSモデル機種ごとに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
ここでまた初めて見る「力率」という言葉について。
「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
調べ始めるほどにだんだんと難しくなるVAとW。
「結局はワット(W)数が大事なんだから、もっと簡単に機器のワット数を合計してUPSを選べOKなのでは？」といいたくなる。
でももうちょっと我慢して「VA」と「W」の関係がわかりやすくなる日常の例を調べた。
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だった発電機、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。
つまり知るほどに面倒な話ではあるが、完全無視はできないということなのだ。
無停電電源装置の計算
いよいよここからが肝心な話。
UPS（無停電電源装置）のモデル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を動かせば当然、モニタやHUBやルータなど周辺機器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。
1 PCの電力と力率
「通常時」はOffice系などの軽作業、「高負荷」はエンコードやAIなどGPU重作業、「ピーク」はCPUもGPUもフル稼働する3Dレンダリングや生成AI作業を想定。
【PC内電力値 ➡ コンセント負荷(VA) 換算表】
| 消費電力 | PSU
補正係数 |
力率 | 皮相電力 | UPS
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） | 700~900W | 1.11 | 1.11 | 860~1110 | 1.14 | 980~1270 |
| モニタ | 32~60W | 1.11 | 67 | 1.14 | 76 | |
| ルータ（AP） | 平均約23W | 1.67 | 38 | 1.14 | 44 | |
| USB音響etc | 35W+25W | 1.67 | 100 | オフ | 0 | |
| 合計（通常時） | 323W | 435 | 260~370 | |||
| 合計（高負荷） | 943W | 1195 | 900~1250 | |||
| 合計（ピーク） | 1043W | 1315 | 1100~1380 |
※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
※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が、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。
またUSB給電も使用しない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数台程度の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スピーカーを使用しているが常時ONにしないようにすればVA/W計算から外すことことができる。
他にもUSB-HUBをPCにつないだりしているので、スタンバイ状態でも+5Wを見込んだ。
無停電電源装置の心得
だいたいの機器のVA値とW値をまとめたところで、ここからはUPS本体の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電源には必ず必要
- VA値とW値が定格内にあること・・・上記の通りでVAとWを計算する必要あり
- ラインインタラクティブ方式・・・PC保護には最低でもこの方式（予算次第では常時インバータ）
最低でもラインインタラクティブ方式でなければならない。
理由は、安価な常時商用方式では停電からの切り替え時に“瞬断”が起きてしまうためで、結果データ保護という目的に使えるのはラインインタラクティブまたは常時インバータのみ、ということになる。
２．推奨条件
- 自動シャットダウン機能・・・停電感知後にPCを安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を一時的に起動できる
- 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
個人的には無人で稼働させていた場合を想定して、自動シャットダウン機能は便利かと思う。
他の機能は好みで。
2 寿命
無停電電源装置は内部に蓄電バッテリーを備えている。
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。
新品を購入しても、使用を始めると内臓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ということになる。
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している。
3 コンセント
UPSに装備されたコンセント口には、接続する機器についての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あがるためである。
絶対に抜き差しをしない機器を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の2次側コンセント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に決まっている。
しかし予算というものがあるので高出力・高機能ならどれでもいい訳ではない。
１．PC＋周辺機器
上記の表から消費電力（W）と皮相電力（VA）を抜粋してみる。
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、CPU/20~80W、GPU/30~80Wなどmax約323W。
GPUに高負荷をかける作業では、CPU/80~200W、GPU/350~450Wなどmax約943W
CPUとGPUが同時にフル稼働する場合は、maxが約1043Wほどにもなる。
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。
CPUとGPUがフル稼働する作業を常時することは無く、日常的には軽負荷がほとんど。
ボーダーラインはやはり、AI処理を見込んだ「GPU高負荷作業」になるかと想われる。
２．UPS主要メーカー
UPSで有名な3社の特徴と1500VAクラス機種を比べてみた。
| 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でサーバー用がメイン。
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だが、一般向けのBR1500GIは10数年前の古い設計。
現状、国内市場にあまり出回っていないのも懸念材料。
保証期間中に壊れることは滅多にないのは強みだが、壊れたときのメーカー対応は塩らしい。(噂）
それを承知の上でなら、安定性の点から第一候補にしても良いのかも知れない。
CyberPowerは、APCよりは設計が新しめで付加機能も多め。
コスパが良いのでユーザーも多いが、一部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、バッテリー劣化や負荷オーバーなどの原因が重なると起こることがあるらしい。
しかし数年無事故のユーザーもいるので、バッテリー等の個体差があるのかも知れない。
当たり？を引けば有力候補であるのは確か。
APCかCyberPowerか、悩みどころである。
| 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 |
次回 につづく。
