Technical Explanation
技術解説

高機能・高効率・高信頼性を備えたミニ UPS“Acrostar THB10K”の開発
Development of High Performance, High Efficiency, andHigh Reliability MINI-UPS “Acrostar THB10K”
留河小見山

英慎知＊
二＊

竹芦Hidenori Tomekawa
Shinji Komiyama

原田俊
有之＊

山治＊

岸下本健真史＊
治＊

中石井本

脩
孔介＊
律＊

Toshiyuki Takehara
Takeshi Yamashita
Syusuke Nakai
Yuji Ashida
Shinji Kishimoto
Yoshinori Ishimoto

Abstract
In recent years, there has been a rise in use of telecommunication systems which has led to increase in data centers. Furthermore, improvement in network technology has facilitated a rise in use of crowd computing resulting toincrease in demand for medium and small capacity UPS equipment. A single phase 200 V, 10 KVA, 8000 W mini
UPS “Acrostar THB10K” has been developed. In order to achieve a high efficiency, the Acrostar THB10K uses 3 level inverter method. Acrostar THB10K monitors input voltage and can be set to automatically switch from On-line
UPS mode to Standby UPS mode when power quality stabilizes.

Key words : On-line UPS mode ; Standby UPS mode ; High efficiency UPS ; RoHS compliant

1

まえがき

当社はすでに，常時インバータ運転方式の高機能ミニ-UPS「Acrostar THA シリーズ」1 3 を商品化している．

近年，情報処理システムおよび，通信装置によるネ

また，震災後の逼迫する電力事情のため，あらゆるットワークシステムは発展を続けており，増大する情報機器で省エネおよび節電の要求が高くなっている．

量への対応として大規模データセンターの計画が次々

UPS にも装置自体の高効率化により通常使用時の省に発表されている．それに対して，ネットワーク技術の電力化に対する要求が高まっている．その一方，日本進歩によるクラウドの普及もありシステムが分散化して国内の電力品質は安定していることから，システムのいく傾向も同時に進み，導入される無停電電源装置重要度に応じては，高信頼性の常時インバータ方式以(UPS) も大型データセンターによる大容量化と分散化電外の給電方式を採用する動向もみられる．

源による中・小容量化の需要双方が拡大している．こ今回開発した常時インバータ運転方式，単相 200 Vの市場動向をうけ，中・小容量 UPS のミニ UPS では，仕様の 10 kVA8000 W のミニ UPS “Acrostar THB10K”

ネットワーク対応と高機能・高信頼性が求められており，は，3 レベルインバータ方式を採用することで常時インバータ方式でありながら高効率を実現するととも＊に，入力電圧を監視して，電力品質が安定した状態で産業電池電源事業部 電源システム生産本部 開発部© 2013 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

20

GS Yuasa Technical Report2013 年 6 月

あれば，常時インバータ運転方式から常時商用運転方2.2.2

つの装置でより柔軟な運用が可能となり，省電力への2.1

主回路構成

常時商用運転（自動移行）モード

本装置にて採用した新機能を，図 1 の B に示す．

対応を実現した．

本装置の構成第1号

せて，主にバッテリー交換を実施するモードである．

式へ自動的に移行する省電力機能を備えることで，１2

第 10 巻標準である出力電圧 200 V 動作時の入力電圧と動作モードの概要を図 2 に示す．常時インバータ運転時に入力電圧を監視して，設定した期間中で入力電圧が安定した状態の場合は，常時商用運転モードに自動的に切り換わって動作する．入力電圧範囲外になれば，本装置は，UPS ユニットと入出力ユニットの２つ常時インバータ運転モードに移行し，さらに入力電圧のユニットで構成されている．図 1 に主回路の構成

異常時や停電時にはバッテリー運転モードに移行す

図を示す．主回路は入力の交流電圧を直流に変換するる．常時商用運転モードでは，インバータを停止して整流器と直流を交流に変換するインバータで構成さ待機しており，整流器はバッテリーを充電する電力だれ，安定した交流電圧を負荷に供給する．双方向チョけを変換するため電力消費は最低限におさえられる．

ッパー回路は，通常時は電池を充電し，入力停電など入力系統の異常を検出した場合は，電池電圧を昇圧し，無瞬断でインバータに電力を供給する．また，過負荷定格200 V設定

や故障時は AC スイッチ回路により無瞬断でバイパス給電に切り換え，負荷への電力供給を継続する．定期

常時インバータ運転メンテナンス時の電池交換は，バイパス回路により負バックアップ給電

荷へ電力を供給した状態で，充電回路を切り離す回路構成にすることにより，無停止保守が可能となる．さインバータ給電

らに，入出力ユニットにあるメンテナンスバイパス回

バックアップ給電

220 V

インバータ給電

200 V

バイパス給電170 Vットの交換が可能であり，保守性の向上を実現した．
2.2.1

240 V

180 V

路により，負荷への電力を供給した状態で UPS ユニ
2.2

常時商用運転負荷リニア変動区間

動作モード

150 V

バックアップ給電

保守バイパスモード

インバータ給電

バックアップ給電

図 1 の A に示す．保守バイパスモードは UPS 本体が主回路機能を停止させてバイパススイッチを ON に

図 2 入力電圧と動作モードの概要（出力電圧 200 V設定時）することで，入力電圧を直接出力する．充電を停止さ࣓ࣥࢸࢼࣥࢫ ࣂ࢖ࣃࢫ ࢫ࢖ࢵࢳAB஺ὶධຊ㟁ᅽ 200 V ධຊMCCBAC ࢫ࢖ࢵࢳ୺ᅇ㊰ධຊࣄ࣮ࣗࢬᩚὶჾฟຊMCCB࢖ࣥࣂ࣮ࢱฟຊ㟁ᅽ
（200 / 210）VAC ࢫ࢖ࢵࢳCቑタࣂࢵࢸ࣮ࣜࣂࢵࢸ࣮ࣜࣄ࣮ࣗࢬෆⶶࣂࢵࢸ࣮ࣜ
DC 240 V×2S

図1ABCD཮᪉ྥࢳࣙࢵࣃ࣮

DUPS ࣘࢽࢵࢺ

THB10K-10 主回路構成

21ࣂ࢖ࣃࢫ࣮ࣔࢻ
ᖖ᫬ၟ⏝㐠㌿࣮ࣔࢻᖖ᫬࢖ࣥࣂ࣮ࢱ㐠㌿࣮ࣔࢻࣂࢵࢡ࢔ࢵࣉ㐠㌿࣮ࣔࢻࣂࢵࢸ࣮ࣜෆⶶධฟຊࣘࢽࢵࢺ

GS Yuasa Technical Report

2.2.3

2013 年 6 月

3.2

常時インバータ運転モード

第 10 巻第1号

新しい整流器回路

図 1 の C に示す．入力電圧異常時に無瞬断でバッ

今回の装置は，従来機種同様，出力段に絶縁トランテリー運転モードへと移行し，負荷への給電を確保す

スを配置したモデルと，トランスをなくした入出力非るモードである．

絶縁のモデル双方を開発した．

2.2.4

バッテリー運転モード

入出力非絶縁方式では従来，整流器に昇圧型倍電圧回路を採用していたが，この場合，ハーフブリッジ方

図 1 の D に示す．バッテリーから交流電力を供給し，式インバータ回路の課題同様，スイッチング損失が大負荷への給電を継続するモードである．

3回路方式

3.1

インバータ回路

3.1.1

きくなる．そこで 3 レベルインバータ回路と同様な構成とし，上下を独立した昇圧回路構成に分割した．
これにより整流器でも同様にスイッチング損失を抑えることができた．
3.3

従来回路の課題

双方向チョッパー回路

UPS に含まれる損失は，配線の抵抗分や半導体の電池に接続している昇圧回路と充電器回路につい導通時におけるジュール損失と，電力変換における半て，従来機種は一般的な非絶縁の昇圧回路で構成して導体のスイッチング損失に分けられる．前者は上位のいたが，これらの回路も整流器同様に上下分割構成と半導体素子の選択や電線を太く短くすることで改善さすることで，スイッチング損失の低減をはかった．まれるが，装置の容量によってほぼ決まるため，大きなた THA5000-10 2 で使用した双方向チョッパー回路改善を見込めない．一方，電力変換は PWM 制御で，の設計を踏襲することで回路部品を共通化した．
3.4

半導体を高周波で ON/OFF させておこなっている．

回路方式の改善結果

スイッチング損失は半導体の ON と OFF の遷移期間

上述したそれぞれの回路方式では，スイッチング損

中に印加される電圧と電流によって発生し，一定期間失の低減には効果があるが，半導体素子数が倍になる中のスイッチング回数によって損失量が決まる．よっため，素子のジュール損失は増えることになる．しかて，この損失は半導体のスイッチングする電圧と電流，し，開発した 10 kVA クラスのミニ UPS では一般的周波数に依存するが，ミニ UPS では一般的な事務室にスイッチング損失がジュール損失の 3 倍以上とな内での使用を考慮し，可聴領域以上の 20 kHz 前後でっていたこと，また耐圧の低い素子の方が一般的にススイッチングをおこなっている．入出力仕様とスイッイッチング特性が良いことから，半導体でのトータルチング周波数が固定されている状態では，従来通りのの損失が低減し，総合効率で約 4% 向上した．

回路方式では改善する余地が少なく，またその損失量一方半導体の損失が小さくなることで，半導体の発はジュール損失よりも大きい．さらに，従来機種は回熱量が低減し，放熱器のサイズを小さくすることが可路構成上の制約から，後段に絶縁トランスが必要であ能となった．さらに，インバータ素子の後段にあるるため，効率は 85% 程度であった．

LC フィルタのリアクトルに印加される電圧も 1/2 と3.1.2

今回の改善点なり，リアクトル自体の小形化が可能となった．3 レ

上記課題に対して，スイッチング損失を下げる目的

ベルインバータ回路と新しい整流器回路，双方向チョで，インバータ回路を 3 レベルインバータ方式としッパー回路を採用した結果，変換部分である UPS ユた（この方式は，マルチレベルインバータの一種であニットは従来機種との体積比で約 70% となり，小形り，耐圧の低い半導体で高電圧制御をおこなう目的で，化も実現できた．

鉄道分野の使用が多かったが，近年は専用素子の開発も進み UPS 分野でも用いられるようになった）．この方式は従来のハーフブリッジ方式である 2 レベルスイッチングに対して，1 段増やし，3 段階の電圧でスイッチングする方式であり，スイッチング損失の要因

4

機能

4.1

高信頼性

装置の高効率化には様々な手法があるが，今回採用の一つである，ON/OFF 遷移期間中の印加電圧を 2 レした方式は，UPS としての給電方式については高い

ベルスイッチング時の 1/2 にすることができるメリ給電品質が実現できる常時インバータ方式の延長であットがあるため，スイッチング損失の低減にも大きなる．そのため制御プログラムや主要な部品については効果があり，装置の効率アップに寄与した．

大きな変更をせずに，従来機種で積み上げてきた実績

22GS Yuasa Technical Report2013 年 6 月

第 10 巻

第1号と高信頼性を踏襲している．また常時商用運転モード

ットワーク経由での UPS の状態監視，バッテリー管についても，制御プログラムの中で各動作モードがモ理，コンピュータのスケジュール運転が可能となる 5．

ジュール化されているため，基幹部分で大きな変更を

このオプションスロット用には，USB の通信インタ必要とせずに，動作モードの追加が可能となった．

ーフェースボードなどをすでに販売している．

4.2

最適な出力電圧の選択

THA ではオプションであった接点信号出力につい出力段にある絶縁トランスの結線を端子台で変更すては，標準搭載して，A 接点・B 接点の 2 種類を用意ることにより，単相 3 線方式 100/200 V または単相しており，どちらかを一括で選択可能とした．

2 線方式 100 V の選択が可能である．さらに前面パネルの表示器の設定を変更することで，出力電圧の設定値を上昇させることができる．これにより，負荷設備の状況に応じた出力方式を選択することと，出力電外観構造

5.1

外形寸法

Acrostar THB10K-10-200S/W の 外 観 写 真 を 図 3

圧設定値を上げることにより，出力電流が下がるため，に示す．これは，同容量の従来機種である BM10K-さらに効率を向上することが可能である．
4.3

5

充実したバッテリー診断機能

10FND Ⅱと同様，絶縁トランスを搭載しているため，起動時や手動（前面パネルの表示器）および，自動出力電圧を単相 3 線方式または単相 2 線方式 100 V（管理ソフトウェア）によるバッテリー異常診断機能出 力 を 設 定 す る こ と が で き る． 寸 法 は，528 幅 ×と温度監視により，バッテリーの劣化による障害を未(600 ＋ 58) 高 × 590 奥行( ㎜ )で，その質量は 245然に防止することができる．バッテリー交換時期を超kg であり，従来の当社同容量の製品と比較して，質過した場合は，事前予告を出し，強制的に充電を停止

量 4% ダウン，体積 10% ダウンの小形化を実現した．

して，寿命末期のトラブルを未然に防止する．また，またトランスを搭載しない Acrostar THB10K-10-200

残寿命年数を表示することにより，交換時期の目安をは，出力電圧を単相 2 線方式 200 V 出力のみとしたユーザーに認識させることを可能とした．

モデルである．寸法は，352 幅 × (600 ＋ 58) 高 ×

4.4

豊富なオプション

590 奥行 ( ㎜ )で，その質量は 150 ㎏であり，世界最バックアップ時間延長用の増設バッテリーボックス小クラスの UPS である．
5.2を追加することで，最大 40 分間のバックアップが可表示器能である．またフロアマウント，出力コンセントボッ表示器の写真を図 4 に示す． 前シリーズであるクスなど豊富なオプションを準備して，幅広いニーズ

THA シリーズの表示方法を踏襲し，スイッチと LEDに対応できる．

を増やすことで，使用頻度の高い操作や様々な機能設

4.5

メンテナンスバイパスの標準装備

定を簡単に実行できるようにした．また，動作モード

THA シリーズではオプションとしていたメンテナ追加にあわせて，より分かりやすく，LED とボタンンスバイパスを標準装備することで，万一の UPS ユを配置した．たとえば常時商用給電（自動移行）モーニットのトラブルやバッテリー，ファンなどの交換にドの設定（前述 2.2.2 項）は “AUTO” ボタンを押し，おいて，システムを停止することなく，安全かつ簡単その表示 LED が点灯することで確認できる．
5.3に交換することを可能とした．
4.6

高機能な通信インターフェース

背面

THB10K-10-200S/W の背面には，入出力端子台，

本 UPS は，シリアル通信インターフェースを標準増設バッテリー用コネクタ，外送信号端子台，通信コ装備することにより，当社の高機能モニタリングソフ

ネクタ，LAN カード・USB などのオプションに対応

運用管理の機能としては，UPS の状態監視，バッテは，上記に加えてコンセント出力を配置した．

ト “Acroware-BasePRO” 4 の使用が可能である．このするスロットを配置した．THB10K-10-200 の背面にリー管理，コンピュータのスケジュール運転がある．
またシャットダウン専用ソフト “Acroware-iGYups-Driver” を使用することで，停電時のシャットダウンのみにも対応している．

6

電気的特性

6.1

仕様

THB10K-10-200S/W、THB10K-10-200 の電気的さらに，オプションスロットに UPS 用 LAN カード“Acroware-LAN AgentPRO” を搭載することによりネ仕様を表 1 および表 2 に示す．

23

GS Yuasa Technical Report

図3

THB10K-10-200S/W の外観写真

表1

THB10K-10-200S/W の仕様

交流出力項目

出力容量運転方式
切換時間
相数

定格電圧
電圧精度

定格周波数
周波数精度
波形歪率

過渡電圧変動
交流入力

相数
電圧

図4

同期無瞬断

10 ms 以内

単相 3 線

100(105) V / 200(210) V±0.5%

バックアップ時

周波数自動切替

5% 以下

線形定格負荷時±7% 以内

質量

塗装色

絶縁抵抗
絶縁耐圧

200 / 210 (±10%) V

10 kVA

11.5 kVA-10 分以上
7.5 時間

50 dB 以下

定格負荷時
注3

高率放電，長寿命タイプ

20 － 90%（55 dB 以下

定格負荷時

定格放電時，90% 回復充電時間

小形制御弁式鉛蓄電池

強制風冷

外形寸法

負荷急変 0％ ⇔ 100% 時

単相 2 線

冷却方式

高調波雑音

電源急変 ±10%（整定時間 100 ms 以内）

0 － 40 ℃

騒音

注1

注2

50 / 60 Hz

使用温度範囲相対湿度

定格負荷±3%95% 以上

機種

常時商用運転モード-商用同期形

入力力率
充電時間

第1号

備考

常時インバータ運転モード

周波数

バッテリー 停電保持時間

第 10 巻

表示器拡大写真仕様

10 kVA(8000 W)

200 / 210（最大 240 V －最小 (150 － 170) V / 0 － 100%負荷）V
50 / 60 Hz ±3 Hz

定格容量

その他

2013 年 6 月

無結露ファン高速回転時）

VCCI クラス A 準拠

W 528 × D 590 × H 600 mm

正面 1 m

定格負荷時
飛び出し部，キャスター部を除く

約 245 kg
ブラック

5 MΩ以上DC 500 V メガーにて

AC 1500 V 1 分間

入力 － 出力 － 接地間

注 1：インバータ故障時は除く
注 2：常時商用運転モードではバックアップ時の値
注 3：25 ℃ / 6 kW 負荷 / 初期値

24GS Yuasa Technical Report表22013 年 6 月

第 10 巻第1号

THB10K-10-200 の仕様

交流出力

項目

出力容量

運転方式
切換時間
相数

定格電圧
電圧精度

電圧

10 ms 以内

単相 2 線±0.5%

バックアップ時

周波数自動切替
線形定格負荷時±7% 以内95% 以上

使用温度範囲
相対湿度
冷却方式
騒音

高調波雑音
外形寸法
質量

塗装色

絶縁抵抗

絶縁耐圧

負荷急変 0％ ⇔ 100% 時

単相 2 線

入力力率

機種

電源急変 ±10%（整定時間 100 ms 以内）

周波数

充電時間

注1

注2

200 / 210（最大 240 V －最小 (150 － 170) V / 0 － 100%負荷）V
50 / 60 Hz ±3 Hz

バッテリー 停電保持時間

定格負荷200(210) V-1%, +3%

3% 以下

定格容量

その他

同期無瞬断

波形歪率

相数

常時商用運転モード-

商用同期形

50 / 60 Hz

過渡電圧変動

備考

常時インバータ運転モード

定格周波数

周波数精度交流入力仕様

10 kVA(8000 W)

200 / 210 (±10%) V

9.5 kVA

11.5 kVA-10 分以上
7.5 時間注3

高率放電，長寿命タイプ

0 － 40 ℃

20 － 90%

無結露

強制風冷

50 dB 以下

定格負荷時
定格放電時，90% 回復充電時間

小形制御弁式鉛蓄電池（55 dB 以下定格負荷時

正面 1 m

ファン高速回転時）

定格負荷時

VCCI クラス A 準拠

W 352 × D 590 × H 600 mm

飛び出し部，キャスター部を除く

約 150 kg
ブラック

5 MΩ以上DC500 V メガーにて

AC1500 V 1 分間

入力 － 出力 － 接地間

注 1：インバータ故障時は除く
注 2：常時商用運転モードではバックアップ時の値
注 3：25 ℃ / 6 kW 負荷 / 初期値

出力電圧

入力電圧

出力電流
入力電流
CH1= 100 V / div.
CH2= 50 A / div.
2 msec / div.

CH1= 100 V / div.
CH2= 50 A / div.
2 msec / div.

入力電圧200 V / 60 Hz
出力容量10 kVA / 8 kW

図5

入力電圧200 V / 60 Hz
出力容量10 kVA / 8 kW

THB10K-10-200S/W 出力電圧・電流波形

図625

THB10K-10-200S/W 入力電圧・電流波形

GS Yuasa Technical Report

6.2

6.2.1

2013 年 6 月

特性

第 10 巻第1号

作しており，従来のアナログ制御と同等以上の低歪み入出力波形の波形を実現した．入力電流は，高力率コンバータ回

図 5 に本 UPS の出力電圧・電流波形を，図 6 に入路により，入力電圧波形と同相の低歪みの正弦波波形

力電圧・電流波形を示す．入力電圧に多少の歪みがあを実現した．
6.2.2

るが，出力電圧波形は影響を受けず，歪みは少ない．

静特性

THB10K-10-200S/W お よ び THB10K-10-200 のデジタルによる正弦波瞬時ごとの電圧制御が良好に動

効 率 を 図 7 か ら 図 9 に 示 す． 比 較 と し て 従 来 機 種

効率/ %BM10K-M10-10FND Ⅱの効率を併記する．THB10K-9694929088868482807876010-200S/W の効率は定格入力電圧である図 7 において，定格出力 8000 W 時に 88.5% を示しており，従来機種と比較して約 4% 向上していることが分かる．
また，THB10K-10 で比較すると単相 2 線 200 V 出

力 固 定 モ デ ル で あ る THB10K-10-200 の 効 率 が200S/W より約 4% 向上していることが分かる．出力

THB10K-10-200
THB10K-10-200S/W
BM10K-10FNDḪ
200040006000

出力負荷 / W, cos Ф = 0.88000

電圧の選択可という利便性と効率・スペースとのトレードオフにはなるが，電源の負荷環境に合わせて最適10000な提案が可能となった．

7

図 7 入力電圧 200 V / 60 Hz における UPS の効率比較

むすび

効率/ %

“Acrostar THB10K” は 3 レベルインバータ回路を96949290888684828078760採用したことにより，常時インバータ給電方式 10kVA/8000 W の据置きミニ UPS としては，世界最小クラスのコンパクト設計を実現した．さらに，入力電圧の状態を監視して常時商用給電方式の UPS として動作することで，省電力性能を向上した製品を開発す

THB10K-10-200
THB10K-10-200S/W
BM10K-10FNDḪ
2000

4000

6000

8000

ることができた．また，ネットワーク対応，環境対応することにより，現在の市場の要求に応えうる高機能・高効率・高信頼性を備えた UPS となっており，様々

10000

出力負荷 / W, cos Ф = 0.8

な顧客のニーズに最適な電源ソリューションを提供していく所存である．

図 8 入力電圧 170 V / 60 Hz における UPS の効率比較

効率/ %文9694929088868482
8078760献

1. 小見山慎二，武本修一，土手芳浩，増岡裕晃，山中雅雄，岸本真治，GS Yuasa Technical Report , 4(1),44(2007)．

2. 山下健史，武本修一，留河英知，松原一郎，山中雅雄，岸本真治，GS Yuasa Technical Report , 5(1),THB10K-10-200
THB10K-10-200S/W
BM10K-FNDḪ(入力電圧230 V)
2000

4000

6000

8000

44(2008)．

3. GS Yuasa Technical Report ，5(2), 39(2008)．

10000

4. 今泉博文，今川徹之，坂根誠，GS Yuasa Technical出力負荷 / W, cos Ф = 0.8

Report , 3(2), 42(2006)．

5. 今泉博文，小見山慎二，坂根誠，GS Yuasa Techni-

図 9 入力電圧 240 V / 60 Hz における UPS の効率比較＊従来機種は入力仕様範囲上限：230 V で取得

cal Report , 8(2), 35(2011)．

26