UPS給電方式の内部動作：常時商用/ラインインタラクティブ/常時インバータ

UPSの違いは「通常時に電力がどの経路を通るか」で決まる

UPS（無停電電源装置）の3方式は、機能リストで覚えると混乱します。本質はただ一点、通常時（商用電源が正常なとき）に負荷へ届く電力がどの経路を通っているか です。経路が決まれば、切替時間も、効率も、入力異常への耐性も、すべて論理的に導けます。

3方式は IEC 62040-3 でそれぞれ VFD（Voltage and Frequency Dependent＝常時商用）、VI（Voltage Independent＝ラインインタラクティブ）、VFI（Voltage and Frequency Independent＝常時インバータ） に対応します。VFI ほど出力が入力の擾乱から独立する＝守りが厚い、と読めば分類の意味が一直線に通ります。本稿は各方式のブロック図を文章で追い、なぜ切替時間と効率がそうなるかを内部動作から説明します。

UPS が前提とする商用→PSU の給電パス全体の冗長設計は /power/datacenter-power-architecture/ を、整流・インバータが内部で行うスイッチング変換の原理は /power/smps-principles/ を参照してください。

共通部品 ── 3方式は同じ部品の「つなぎ方」が違うだけ

まず3方式に共通して登場するブロックを押さえます。違いは部品の有無ではなく、通常時に電力がどのブロックを経由するか です。

登場するブロック（共通語彙）:
  整流器(Rectifier/Charger) … AC→DC。バッテリ充電とDCバス供給を兼ねる
  バッテリ(Battery)          … 蓄電。停電時のエネルギー源
  インバータ(Inverter)       … DC→AC。きれいな正弦波を作り出す
  バイパス(Bypass)           … 商用ACを変換せず負荷へ直結する経路
  AVR(自動電圧調整)          … タップ切替トランスで電圧を昇降圧（VIのみ）
  転送スイッチ(Transfer SW)  … 経路を切り替える半導体/リレースイッチ

切替時間の正体は、この 転送スイッチが経路を切り替えるのに要する時間 です。常時インバータが「0ms」なのは、そもそも通常時からインバータが出力を作っており、切り替える経路が存在しないからです。

方式1：常時商用（VFD / オフライン・スタンバイ）

最も単純で安価な方式です。通常時、負荷は バイパス経由で商用 AC に直結 され、UPS は事実上「待機」しています。インバータは止まっており、整流器はバッテリを充電するだけです。

[常時商用 VFD] 通常時の電力経路（太線=主経路）:

  商用AC ══╤══════════════════[転送SW]══════▶ 負荷
           │                       ▲
        整流器/充電器               │（停電時のみこちらへ）
           │                    インバータ（通常は停止）
        バッテリ ──────────────────┘

  停電発生時の動作シーケンス:
    1. 入力電圧低下を検知           （検知に時間がかかる）
    2. インバータを起動            （DCバスから正弦波を立ち上げる）
    3. 転送SWをバイパス→インバータへ （ここで瞬断が生じる）
    → 合計の切替時間: 数ms〜10ms 程度（典型 2〜6ms）

通常時に変換段を一切通さないため、変換損失がほぼゼロで 効率は97%超 に達します。代償は2つ。第一に 切替時間 で、検知→起動→転送の間、出力が一瞬途切れます。多くのスイッチング電源はバスコンデンサのホールドアップ時間（数十ms）でこれを吸収できますが、力率の低い負荷やシビアな機器では問題になり得ます。第二に 入力異常への無防備さ で、通常時は商用がそのまま出るため、電圧変動・サグ・サージ・周波数変動は（停電とみなされない範囲では）ほぼ素通しです。

方式2：ラインインタラクティブ（VI）

VFD に AVR（自動電圧調整） を足し、インバータを常時動かせる形にした中間方式です。通常時の主経路は依然として商用 AC ですが、その経路上に タップ切替トランス（AVR） を挿し、軽い電圧変動を変換せずに補正します。

[ラインインタラクティブ VI] 通常時の電力経路:

  商用AC ══[AVR：タップ切替トランス]══[転送SW]══▶ 負荷
                                          ▲
                          双方向インバータ/充電器
                                          │
                                       バッテリ

  入力異常ごとの動作:
    軽い電圧低下/上昇 → AVRがトランスのタップを切替え昇圧/降圧
                        （バッテリを使わず、変換もしないので損失小）
    完全な停電       → 転送SWをバッテリ＋インバータ側へ切替
                        切替時間: 数ms（典型 2〜4ms）

ポイントは AVR がバッテリを消耗せずに電圧変動を補正する ことです。常時商用ではすべての異常を「停電」として蓄電で対処するしかありませんが、VI は軽微なサグ・スウェルを AVR のタップ切替（変圧比の段階的変更）だけで吸収できます。これによりバッテリの放電回数が減り、寿命にも効きます。インバータは双方向で、通常時は充電器、停電時は出力源として働きます。

それでも 完全な停電時には転送スイッチでバッテリ側へ切り替える 必要があるため、切替時間はゼロにはなりません。また AVR はタップ切替なので電圧を連続的には調整できず（段階的）、波形そのものの整形やノイズ除去はできません。効率は変換段を通常時に通さないため 95%前後 と高めです。中小サーバー・ネットワーク機器の現場で最も普及している実用的な妥協点です。

方式3：常時インバータ（VFI / オンライン・ダブルコンバージョン）

最も堅牢な方式です。通常時から 商用 AC を整流器で一度 DC に直し、DC バスからインバータで AC を作り直して 負荷へ供給します。負荷は常にインバータの出力だけを見ており、商用 AC に直接は触れません。

[常時インバータ VFI / ダブルコンバージョン] 通常時の電力経路:

  商用AC ──▶ 整流器(AC/DC) ──▶ DCバス ──▶ インバータ(DC/AC) ══▶ 負荷
                                 ▲
                              バッテリ（DCバスに常時並列）

  停電発生時の動作:
    商用ACが消える → DCバスへの供給源が「整流器」から「バッテリ」へ
                      （DCバス上で電源が入れ替わるだけ）
    → インバータの入力(DCバス)は途切れない
    → 出力は完全に連続：切替時間 = 0ms（無瞬断）

  別経路：静的バイパス(Static Bypass):
    インバータ故障や過負荷時のみ、商用ACへ無瞬断で逃がす保護経路

切替時間が 0ms になる理由が、この図に集約されています。停電が起きても、インバータの入力である DC バスは途切れません。整流器が止まる代わりにバッテリが同じ DC バスへエネルギーを供給するだけで、インバータから見れば入力電圧は連続です。出力を「切り替える」のではなく、DC バスの「供給源だけが入れ替わる」ため、無瞬断になります。これが VFI が VFD・VI と決定的に違う点です。

さらに、出力は常にインバータが新規に合成するため、入力の電圧変動・波形歪み・周波数変動・ノイズは DC バスで完全に遮断 されます。入力がどれだけ汚くても、出力はきれいな正弦波・一定電圧・一定周波数になります。VFI（Voltage and Frequency Independent）の名のとおり、出力が入力の電圧・周波数から独立するのです。

代償は 二重変換損失 です。AC→DC（整流器）と DC→AC（インバータ）を常時通すため、それぞれの段の変換効率が積で効きます。

二重変換の効率（直列なので積で効く）:
  全体効率 = η_整流器 × η_インバータ
  例: 0.97 × 0.97 ≈ 0.94  → 約6%が常時、熱として失われる

  VFD（通常時バイパス直結）  : η ≈ 0.97〜0.99（変換段を通らない）
  VFI（常時二重変換）        : η ≈ 0.92〜0.96
  → 100kW負荷なら年間で数%分の電力差＝相当な電気代と発熱の差

近年は ECO モード／ハイブリッドモード で、平常時は VI 相当のバイパス給電にして効率を稼ぎ、異常検知時のみ二重変換に戻す実装が増えました。ただし ECO モード時は実質的に VI と同じ切替時間リスクを抱えるため、「常に 0ms」という VFI 本来の保証とはトレードオフです。

3方式の総合比較

ここまでの内部動作を、設計判断に使える形でまとめます。すべては「通常時の電力経路」から導かれている点を再確認してください。

判断の軸は2つに集約できます。切替時間に耐えられるか（負荷のホールドアップ時間との比較） と、入力電源の汚さをどこまで遮断したいか です。負荷がクリーンな電源を要求し瞬断も許さないなら VFI 一択、日常的な電圧変動が主問題で短い瞬断は許容できるなら VI、コストと効率最優先で負荷側にホールドアップ余裕があるなら VFD、という順に絞り込めます。

まとめ

• UPS 3方式の違いは部品の有無ではなく 通常時に電力がどの経路を通るか で決まり、切替時間・効率・入力耐性はすべてそこから導ける。
• 常時商用（VFD） は通常時バイパス直結で効率97%超だが、停電検知→インバータ起動→転送に数ms〜10msの切替時間があり、電圧変動はほぼ素通し。
• ラインインタラクティブ（VI） は AVR のタップ切替でバッテリを温存しつつ電圧変動を段階補正し、効率95%前後。完全停電時のみ転送が要るため切替時間は数ms残る。
• 常時インバータ（VFI） は整流→DCバス→インバータの二重変換で常に出力を合成するため、停電時は DC バス上で供給源が入れ替わるだけで切替時間0ms、入力の電圧・周波数・波形を完全に遮断する。代償は通常運転中ずっと続く二重変換損（効率92〜96%）。
• 選定は 負荷のホールドアップ時間と切替時間の比較 と 入力電源をどこまで遮断したいか の2軸で決まる。給電系全体の冗長設計は /power/datacenter-power-architecture/、整流・インバータの変換原理は /power/smps-principles/、バッテリ寿命は /power/battery-degradation-bms/ を参照。