富士時報 Vol.75 No.8 2002 瞬時電圧低下保護装置「DipHunter」 田中 伸央（たなか のぶひさ） 國中 孝文（くになか たかふみ） 内藤 英臣（ないとう ひでおみ） まえがき 瞬 低 落雷による瞬時電圧低下（瞬低）などの電源障害は負荷 瞬低は，電力系統を構成する送電線などに落雷などで故 機器へ影響を与え，その程度（瞬低時間，電圧低下度）に 障が発生した場合，故障点を検出し遮断器で故障点を電力 より，負荷機器の誤動作や動作不能を引き起こす。その結 系統から切り離すまでの間，電圧が低下する現象（図２） 果，貴重な情報資産の喪失や生産ラインの操業停止など甚 である。 大な損失を被ることがある。こういった被害を回避するた 図３は近年の国内における年間の停電発生状況を示して め，UPS（Uninterruptible Power Supply：無停電電源装 おり，瞬低継続時間：200 ms および電圧低下度：50 ％ま 置）を導入して電源の安定化を図っているユーザーは多い。 一方，小容量の UPS（ミニ UPS）に搭載されている 図１ 「DipHunter」の外観 バッテリーは約３年ごとの寿命による交換を必要としてお り，特に多数のミニ UPS を導入しているユーザーは，そ の保守が大きな負担となっている。経済的な面もあるし， バッテリーの交換作業の労力や寿命管理が必要となるから である。今回，富士電機ではメンテナンスフリー瞬低保護 装置として「DipHunter」 （ 図１ ）を開発した。蓄電装置 としてバッテリーを使用せずコンデンサを採用することに より，バッテリーの定期交換を不要とし，その他すべての 部品寿命を８年以上とすることで，メンテナンスフリー化 を実現した。以下にその概要を述べる。 （2 ） 図２ 瞬低発生メカニズム 雷 わっ！ 雷だ!! ②せん絡 ⑤瞬低の 影響発生 ⑥故障検出 ①落雷 変電所 ③故障電流 故障だ！ 回路を 切り離せ!! ⑦故障 除去 ④瞬低 発生 保護リレー 遮断器 発電所 変圧器 田中 伸央 國中 孝文 内藤 英臣 UPS の製品開発，設計に従事。 UPS の開発，量産試験，検査に UPS の商品企画に従事。現在， 現在，神戸工場制御設計部。 従事。現在，神戸工場品質保証部。 機器・制御カンパニー電源・機器 事業部電源技術部。 481（43） 富士時報 瞬時電圧低下保護装置「DipHunter」 Vol.75 No.8 2002 でに，どちらも発生回数の 80 ％以上が集中している。 特 徴 一方，図４は各機器の瞬低耐量を示しており，ほとんど の機器が瞬低に対し，十分な耐量を持っていないことが分 かる。 今回開発した瞬低保護装置「DipHunter」は，下記の特 また，近年，半導体製造装置にも瞬低耐量が求められる 徴を備えている。 ようになってきており，この規格として SEMI F47 規格 （図５）が示されているが，半導体製造装置に内蔵される 機器すべてがこの規格をクリアできるようになっていると ３.１ SEMI F47 規格クリア 半導体製造装置などの安全規格である SEMI スタン ダードの F47（半導体プロセス装置電圧サグイミュニティ は限らず，瞬低保護装置や UPS が必要とされる。 のための仕様）は，半導体製造装置に対する瞬低耐量を要 （2 ） 図３ 年間の停電発生状況 求した規格である。 「DipHunter」はこの規格値（0.05 ∼ 1.00 秒の範囲）お 回数（回/年） 10 8 〈97〉 100 （80） 87 88 90 82 （84） （84） （84） 〈78〉 〈98〉 〈98〉 〈98〉 （71） 61 T ＝12回/年 6 4 よびこの規格の推奨値（0.05 秒未満，1.00 秒以上の範囲） までもクリア（図５）している。 半導体製造装置側で SEMI F47 規格を満足できない場 （％） 12 50 合でも，この装置を電源側に設置することで，この規格の 要求レベルを十分満足することができる。 200 ms 〈1〉 2 （0） 7 0 ３.２ メンテナンスフリー 一般的に UPS は瞬低だけでなく長時間の停電もその保 6 12 18 24 30 36以上 瞬低継続時間（×10 ms） 護対象となっている反面，バッテリーを使用することから， 0 3 6 9 12 15 18以上 瞬低継続時間（サイクル：50 Hz系） バッテリーのメンテナンスが必要である。 そこで，この装置は圧倒的に頻度の多い瞬低に保護対象 （a）瞬低継続時間別回数 を限定し，コンデンサの蓄積エネルギーでバックアップを 96 100 〈80〉 88 （100） （77） 10 〈100〉 76 （92） 〈54〉 〈95〉 8 （54） 54 行う方式を採用した。 6 T ＝12回/年 50 これにより，UPS のように煩わしいバッテリーの定期 的な交換作業が不要で，8 年間（周囲温度 25 ℃の環境下 にて）のメンテナンスフリーを実現し，ユーザーにとって （％） 回数（回/年） 12 大きな負担であるメンテナンス費用やバッテリーの廃棄費 4 用などのランニングコストが不要となる。 また，バッテリーを使用していないので，鉛などの有害 2 物質もなく，環境にも優しい。 0 20 40 60 80 100 注〈 〉：多雷地域での値 電圧低下度（％） （ ）：少雷地域での値 （b）電圧低下度別回数 ３.３ 優れた出力電源品質 主回路部分は常時インバータ給電方式を採用しているた め，この装置の出力は商用電源側で発生した電圧変動や （2 ） 図４ 機器の瞬低耐量 図５ SEMI F47 規格および「DipHunter」瞬低耐量 パワーエレクトロニクス 応用可変速モータ 高圧放電ランプ 不足電圧 継電器 0 ワープロ パソコン 電磁開閉器 ベッドサイドモニタ （医用電気機器） 50 凡例 影響なし 0.2秒 影響あり 〈注〉この特性は実測の一例であり，メーカーの保証値 ではない。機種・負荷状況によって特性は異なる。 100 0.01 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 瞬低継続時間（s） 0.5 5 10 （サイクル：50 Hz 系）参考 482（44） SEMI F47 10 推奨値 10 50 100 入力電圧低下度（％） 電圧低下度（％） 0 0.5 20 30 2 40 50 10 0.2 0.02 0.45 0.3 60 0.24 70 0.21 80 0.19 90 0.19 0.18 100 0.01 出力100 V（−8％） SEMI F47規格範囲 （0.05∼1.00秒） 10 0.1 1 バックアップ可能時間（s） 〔条件〕 瞬停耐量カーブ（出力電圧−8％にて停止） ※抵抗負荷700 W時 100 富士時報 瞬時電圧低下保護装置「DipHunter」 Vol.75 No.8 2002 サージ，ノイズの影響を受けず，常に安定した出力電圧を を可能としている。 。 負荷機器へ供給することが可能である（図６） また，整流器負荷（ピーク値の高いひずんだ電流）に対 しても瞬時電圧制御機能により，ひずみのない，きれいな 。 正弦波電圧を出力する（図７） ３.５ 海外安全規格対応 海外の安全規格である UL1778 を取得，および CE マー キングにも適合した設計としている（2002 年 7 月取得済 み） 。これにより，海外向け機器への搭載も容易に行える。 ３.４ 系統に優しい電源 この装置の入力部は高力率制御コンバータで構成され， ３.６ 小型・軽量 入力電流を力率１の正弦波電流（図８）となるようにコン コンデンサバックアップ方式の採用により，現行の富士 トロールしているため，高調波電流と所要入力容量の低減 電機製ミニ UPS J シリーズに対して体積はそのままで， 質量は約 35 ％の軽量化を達成し，縦置き・横置きも可能 （ 図９ ）で，FA 機器や半導体製造装置などの産業用機械 図６ 商用電源変動に対する出力電圧 商用電源の変動 定電圧・定周波無停電 図９ 縦置きおよび横置き「DipHunter」の外観 電圧 変動 周波数 変動 Dip Hunter 定電圧 定周波 無停電 負荷 機器 波形 ひずみ 高周波 ノイズ 瞬時 停電 図７ 整流器負荷時の出力電圧波形 表１ 「DipHunter」の主な仕様 項 目 仕 様 給電方式 常時インバータ給電 電圧： 50 V/div 定格容量 1 kVA/0.7 kW 相 数 単相 2 線 電 圧 100 V±2 ％ 周 波 数 50 または 60 Hz 備 考 瞬低補償時は −8％ 交流出力 電流： 20 A/div 時間： 2 ms/div 図８ 定格負荷時の入力電流電圧波形 交流入力 電圧： 50 V/div 電流： 10 A/div 時間： 2 ms/div そ の 他 電圧波形 正弦波 過負荷保護 10 A（実効値）/ 30 A（ピーク値） UPS 内部にて 自動切換 相 数 単相 2 線 電 圧 100 V±15 ％ 周 波 数 50 または 60 Hz±5 ％ 容 量 1 kVA 以下 力 率 0.97 以上 入出力定格時 瞬低耐量 130 ms 以上 （コンデンサ初期時） 110 ms 以上 （コンデンサ寿命時） 周温 25 ℃， 700 W 負荷時 瞬低繰返し 耐量 5 秒間隔で約 130 ms の 瞬低繰返し（負荷 700 W） 周囲温度 0∼40 ℃ 相対湿度 30∼90 ％（結露なきこと） 冷却方式 強制風冷 外形寸法 W128×D365×H214 （mm） 質 量 9 kg 483（45） 富士時報 瞬時電圧低下保護装置「DipHunter」 Vol.75 No.8 2002 図１０ 「DipHunter」の主回路構成 高力率 コンバータ 交流入力プラグ 交流出力コンセント PWM インバータ ＋ バイパスリレー R S ＋ E EMIフィルタ への搭載も容易にできるデザインになっている。 また，19 インチラックへの搭載も可能で，19 インチ ラックマウント用アタッチメントも用意している。 瞬低時の記憶内容は次の４種類である。 （1） 瞬低が発生した回数 （2 ） バックアップ補償時間を超える瞬低が発生した回数 （3） 瞬低継続時間 仕 様 （4 ） バックアップ継続時間 メモリに記憶された内容は，装置とパソコンとをシリア 表１に主な仕様を示す。 ルケーブルで接続することにより，パソコンの画面上で確 バッテリー方式の UPS では，電源環境の悪い場所で， 認することができ，不具合解析の手助けとなる。 瞬時の電圧低下にもバッテリーによるバックアップ動作が あらかじめ専用の通信ソフトウェアをパソコンにインス 頻繁に働き，バッテリーを消耗して装置が停止してしまう トールしておく必要があるが，このソフトウェア（UPS 恐れがあり，注意が必要である。 TALK）は特定のホームページからダウンロードが可能で しかし，この装置の回路方式では，コンデンサへの充電 ある。 は直ちに行えることから，電源環境の悪い場所でも，頻繁 な瞬低に対応が可能である。 あとがき その尺度として，この装置には瞬低繰返し耐量を設けて おり，5 秒間隔で約 130 ms の瞬低（100 ％→ 0 ％）繰返し にも対応可能な仕様となっている。 本稿では，瞬低保護装置「DipHunter」についての概要 を紹介した。 図１０に回路構成を示す。常時はインバータ給電で，装置 この装置は，従来の UPS ではどうしても超えられな 異常時には商用給電に切り換えるバイパス回路を有し，信 かったメンテナンスフリーというハードルをクリアした製 頼性をアップさせている。 品である。これにより，保守の煩わしさから UPS の採用 を見合わせていたユーザーに対しても推奨でき，半導体製 瞬低発生記憶機能 造装置や FA 機器・システムへの適用が加速していくこと が見込まれる。 「DipHunter」は，きわめて短い時間（数十 ms オー 今後もさらなる情報化の進展に伴い，社会の電気への依 ダー）の瞬低に対して負荷機器を保護するが，数十 ms 存が一層高まっていくことが予想され，この瞬低保護装置 オーダーのバックアップでは，この装置が実際に動作した や UPS の必要性が高まることは必至である。社会の要求 かどうかを判断することは非常に困難である。 に応えるためにもさらなる高信頼化・高品質化とともに， 例えば，短い入力電圧低下が発生したときに，この装置 の出力が停止した場合，この装置の許容バックアップ時間 顧客のさまざまなニーズに合わせた製品の開発に尽力する 所存である。 を超えた瞬低があったのか，この装置に異常があって出力 が停止したのかが判断できず，この装置の有用性が明確に ならないことが危惧（きぐ）される。 このようなトラブルを防ぐことを目的に，この装置は CPU（制御回路）で入力電源電圧を観測し，瞬低時はそ の観測内容をメモリに記憶し，必要なときに読み出せる機 能を設けている。 484（46） 参考文献 （1） 松尾浩之ほか．新型ミニ UPS「NetpowerProtect シリー ズ」 ．富士時報．vol.74，no.7，2001，p.427- 430． （2 ） 電気共同研究会．瞬時電圧低下対策．電気共同研究． vol.46，no.3，1990． （3） SEMI STANDARD．SEMI F47- 0200，2000． ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。