無停電電源装置
オンライン方式・ダブルコンバージョン型とも呼ばれ、商用電源を整流器で直流に変換し、二次電池を充電しながら常時商用電源に同期した交流を定電圧定周波数制御インバータで発生させるものである。原理的に商用電源停止時の切り替え変動が起こらないため、特に電圧低下や電力波形の乱れの許されない用途に用いられる。
インバータ及び二次電池が常時動作しているため、機器劣化や電力の損失が大きいという欠点がある。電気二重層コンデンサを二次電池として使用した場合には、蓄電量が少ないため停電補償時間が短く、負荷が大きい場合、インバータの機能停止時のバイパス切り替えで瞬断が発生することもある。
二次電池の充電は、例えば鉛蓄電池を使用しているものでは、インバータへの直流本線を分岐して、浮動充電(バッテリーフロート)としているものが多いが、発展型として、後述の常時商用給電方式に類し、スイッチング素子を利用して常時は二次電池を分離、別の充電回路より充電するものがある。このようにすると、トリクル充電、均等充電、あるいは長時間の停電補償によって空になった二次電池への、緊急やむなしの定電流充電(急速充電)と、二次電池の消耗まで鑑みた細かな使用ができる、また二次電池の種類変更への対応も容易になるといったメリットが得られる。その他、小型化のためにチョッパなどを用い、変圧器を省略したものなどもある。
無停電電源装置の需要は古くからあったようで、静止型無停電電源装置は太平洋戦争以前には真空管式マルチバイブレータによるものが世界的に通信用として既に実用化されていたことが、残されている当時のいくつかの通信機や通信設備などより知ることができる。また動力用としては、1946年に応用型といえるジャイロバスが作られている。
日本での本格的な需要は鉄道の近代化に伴う。太平洋戦争後、鉄道車両内での電気機器の利用などの目的で、発電機や蓄電装置が鉄道車両に搭載され、例えば1500Vの直流モーターで交流100Vあるいは200Vの発電機を回すもの(電動発電機)、走行用とは別途搭載した小型のディーゼル機関で交流発電機を回すもの、あるいはその複合型、応用型など用途に応じたものが数多く作られ、実用に供されてきた。しかしこれらはここでいうところの無停電電源装置の応用型であるものが多く、以下、本稿では割愛する。
当初、大規模電源に実用されたのは回転型無停電電源装置であった。これは電動発電機の応用、古くからあるワードレオナード方式(より正しくはイルグナ方式)の応用である。すなわち交流電動機、交流発電機、発動機、フライホイールの組み合わせであり、それぞれを1つの回転軸で直結、商用電源によって交流電動機を回し、常時、交流発電機から得られた電力を負荷に供給するものである。商用電源が瞬停し交流電動機が乱れても、フライホイールの大きな慣性モーメントにより、交流発電機は暫くの間、安定して回転を続けることができることから、電圧と周波数の変動を抑えることができる。
さらにフライホイールに蓄えられている回転エネルギーによって発動機を起動させると、商用電源の停電により交流電動機が停止しても、発動機によって交流発電機を回し続けることができ、無停電とすることができる。これが「CVCF」の原型である。日本では主に日本電気精器がこの方式のものを生産した。また上述、ピークカットへの応用も当初は回転型無停電電源装置でなされており、これは超大型のフライホイールを用いたものであった。すなわち発動機を持たないもので、小型の電動機でゆっくりとフライホイールを回し始めて回転エネルギーを蓄積、所定回転速度まで達したところで大型発電機と負荷を接続、負荷に瞬発的な大電力を供給するものである。核融合実験などの特殊な用途に用いられてきた。現在もこれはフライホイール・バッテリーとして、研究開発が続けられている。
1960年代、静止レオナード方式の登場と並行するようにサイリスタを使用した静止型無停電電源装置の製品化が始まった。このサイリスタ自身には自分で電流を0にする能力(自己遮断能力)が無く、別の回路で電流遮断を行う必要があった。
1980年代になると、自己遮断能力を持ったGTO・パワートランジスタが現れ、素子自体の電流を遮断する回路(転流回路)が不要になった。これにより、高効率・小型化が進み、最大容量もかつての300kVA程度から500kVA程度までの大きなものが実用化できるようになった。
1990年代には、大電力かつ、GTO・パワートランジスタの約10倍以上にあたる高速スイッチング動作の可能な、IGBTが無停電電源装置に使われるようになった。これにより、従来の素子では難しかった高周波によるPWM制御が可能になり、効率がさらに向上した。
無停電電源装置(むていでんでんげんそうち)とは、停電などによって電力が断たれた場合にも電力を供給し続ける電源装置である。
日本では一般に、商用交流電源に接続して使用する、交流入力・交流出力のものをUPS(英: Uninterruptible Power Supply)と呼ぶことが多いが、本来は入出力の種類に関係なく、入力断に対して出力が断(off)にならない電源装置の全てを示す。このため日本では、交流出力の無停電電源装置と直流出力の無停電電源装置を区別するため、交流出力のものをCVCF(英: Constant Voltage Constant Frequency、定電圧定周波数)電源と呼ぶこともある。以下、交流入出力のものを中心として述べる。