お問い合わせ

(052) 211-7062

E-Mail

オンラインミーティングのお申し込み

お客様のアプリケーションに最適な電源の選択についてサポートが必要ですか?私たちのチームはあなたの質問に答えることを楽しみにしています。

ミーティングのお申し込み

DC-UPSモジュールはバッテリー式か、キャパシタ式か

電源
用途

業界によっては、無停電電源装置が不可欠な場合があります。例えば、停電によって製造工程がストップすると、多大な損失が生じます。データの損失やシステムの破損を招くリスクもあります。DC-UPSモジュールは、このようなリスクを防止するために、停電や負荷変動から復旧するまでの間、バッテリーやスーパーキャパシタでバッファリングします。ただし、用途に応じた UPSのタイプを選ぶには、様々な要素を考慮する必要があります。

プルスは現在、緊急時に負荷への電力供給を継続するために、スーパーキャパシタと鉛酸バッテリの 2方式を採用しています。どちらも、産業プラント用の DC-UPSシステムで蓄電の役割を果たしています。

スーパーキャパシタ(電気二重層キャパシタ)は、ウルトラキャップ、スーパーキャップ、グリーンキャップなどの別名でも知られ、25年以上前から市場に出回っている信頼性と実績を兼ね備えたコンポーネントです。当初は非常に高価なコンポーネントだったものの、DC-UPSユニット用の蓄電デバイスに適しており、制動エネルギーの蓄積やピーク電流の短時間供給といった用途に利用できます。

スーパーキャパシタは鉛蓄バッテリーの強力な競合製品になっていますが、どちらの UPSにも用途に応じたメリットがあります。以下、比較しながら説明します。

エネルギー密度の比較では、バッテリーが常に優勢

キャパシタ式とバッテリー式のホールドアップ時間を比較しても意味がありません。エネルギー密度を比較すると、常にバッテリーが勝ります。しかし、実際に必要なホールドアップ時間を考慮することも重要です。キャパシタを搭載した UPSモジュールのバッファ時間は秒単位であるのに対し(図 1参照)、バッテリーを搭載した UPSモジュールは最長で数時間の無停電給電が可能です(図 2参照)。

実際に必要なホールドアップ時間が 15~150秒であれば、スーパーキャパシタの方が価格面で有利です。

図1:キャパシタのバッファ電流に応じたホールドアップ時間

図1:キャパシタのバッファ電流に応じたホールドアップ時間

図2:バッテリーのバッファ電流に応じたホールドアップ時間

図2:バッテリーのバッファ電流に応じたホールドアップ時間

寿命と耐熱性に関する根本的な違い

寿命

鉛蓄バッテリーは、周囲温度 20°Cの理想的な環境下では長寿命ではあるものの、限界はあります。EUROBAT(欧州自動車用・産業用電池製造者連盟)によれば、鉛蓄バッテリーの寿命は 6~9年です。鉛蓄バッテリーの寿命に影響を与える要因はいくつかあります。保管中の早期劣化も考慮しなければなりません。しかし、鉛蓄バッテリーの寿命を縮める最大の要因は温度です。例えば、10°C上昇すると、所定の寿命値の半分になります(図 3参照)。

キャパシタはデバイスに内蔵されており、交換できないため、適切に設計されていれば電源装置本体の耐用年数と同じ寿命になります。一般的な用途における電源装置の耐用年数は 10年以上ですから、スーパーキャパシタは概してメンテナンスフリーです。スーパーキャパシタの蓄電時間はほぼ無制限であり、定期的に充電する必要はありません。また、システムの稼働が予想より遅れたり、長期間使用しなかったりしても、予期せぬ事態につながる心配もありません。

バッテリーと同様に、キャパシタの寿命も温度の影響を受けます。10°C上昇すると、キャパシタの寿命は半減します(図4参照)。これは、気温が高いほど電解コンデンサの乾燥が進むためです。

 

温度

バッテリーには、極端な低温や高温に弱いという特徴があります。充電中、-10 °C以下になると水素が凍結し、バッテリーに悪影響を及ぼします。このような寒冷地での用途には、代わりに純鉛バッテリーを使用することができます。鉛バッテリーは+45 °C以上の温度では水素が漏れるため、制御キャビネットの外側に設置しましょう。

スーパーキャパシタは低温に強く、-40 °Cまで対応できます。そのため、屋外や移動先、太陽光発電や風力発電での用途に最適なコンポーネントです。+60 °Cまでフル性能を発揮するスーパーキャパシタは、換気されない密閉型の制御キャビネット内での使用にも適しています。キャパシタは鉛蓄バッテリーのように水素が漏れないため、EN 50272-2で鉛蓄バッテリーに要求されているスイッチキャビネットの換気も不要です。

図3:温度に応じたバッテリーの寿命

図3:温度に応じたバッテリーの寿命

図4:温度に応じたキャパシタの寿命

図4:温度に応じたキャパシタの寿命

バッテリーやキャパシタの電力量の計算方法

バッテリーの公称容量は Ah(アンペア時)で表します。電圧と合わせて、おおよその電力量を知ることができます。

電力量(Wh)=電圧(V)× 容量(Ah)

複数の測定単位(kW、kJ)に関する注意事項:

キャパシタの電圧は、放電中に連続的に減少します。バッテリーのように Ah(アンペア時)で電力量を示しても意味がないため、電力量は Wh(ワット時)やkWs(キロワット秒)で示します。また、kJ(キロジュール)の表示もよく見受けられます。1 kJはちょうど 1 kWsに相当します。1 kWsは 1 kWの電力を 1秒間、100 Wを 10秒間使用できることを意味します。キャパシタの電力量は、次の式で算出します。

電力量(Ws)= ½ CU2

これは、キャパシタが完全にゼロボルトまで放電された場合の電力量を表しています。しかし、実際にはコンバータはゼロボルトまで放電できないので、電力を完全に使い切ることはできません。この点には注意が必要です。バッファモジュールは、使用可能な電力ではなく定格電力で分類されています。ホールドアップ時間を決定する際には、上記のように単純な方法ではなく、必ずデータシートの数値や図表を参照してください。

まとめ

バッテリー式(VRLA)

ホールドアップ時間
分~時間

温度範囲
0 °C ~ +40 °C

平均耐用年数(40 °C)
バッテリー交換から2年

最長蓄電時間
6~9カ月ごとに充電が必要(温度によって異なる)

換気された制御キャビネット
必要

重量
重い

保管・配送条件
負荷状態

キャパシタ式
(スーパーキャパシタ)

ホールドアップ時間
10~150秒

温度範囲
-40 °C ~ +60 °C

平均耐用年数(40 °C)
10年未満

最長蓄電時間
ほぼ無制限

換気された制御キャビネット
不要

重量
軽い

保管・配送条件
無負荷状態(電力なし)

DC-UPSモジュールのプロダクトマネージャーを務めるマクシミリアン・ケーラーは、

自社の状況と選択可能なデバイスを詳しく分析するようアドバイスしています。

「システムを運用する上で、信頼性と可用性は重要な要素です。UPSモジュールを選択する際には、用途に応じた無停電給電を実現するために、様々な要素を考慮する必要があります。プルスは、特に無停電電源装置の分野で包括的なポートフォリオを備えており、お客様のニーズに応じて、最適なソリューションを提案いたします」。

用途に応じた UPSのタイプ

どの UPSシステムがどの用途に適しているかという質問に対する答えは一つではありません。用途はそれぞれに異なるため、個別の分析が必要です。これが、無停電給電を確実に実現する唯一の方法です。なお,自社のシステムに最適なバックアップ電源を見極める上で役立つ質問もあります。

  1. どの程度の出力電圧が必要ですか?
  2. バックアップ電力はどの程度必要ですか?
  3. バックアップ時間はどの程度必要ですか?
  4. 最後に、この用途でバックアップ電源を必要としない負荷はありますか?ある場合は、その数量も教えてください。

この情報を基に、バックアップ電源に必要な出力電力、バックアップ方法、必要な補助機器などを提案できます。

バッテリーを搭載した UPSモジュールは、緊急時のバッファ時間が長い用途に適しています。
プルスの UBバッテリーを搭載したUPSモジュールは、保守要員が到着するまでの長い待ち時間に備えておくべきシステムによく使用されます。例としては、ラジオ塔の信号灯や風力タービンなどがあります。

キャパシタを搭載した UPSモジュールは、バッファ時間の短い用途に適しています。
送電網が整備されていない地域では、プルスの UFキャパシタが個々の半波長の不具合に対応します。なお、通常は3 Aで動作し、ときには 12 Aで短時間動作するような機器に給電するために使用することも可能です。

停電が発生した場合、プルスの UCキャパシタは、システムのスイッチオフとシャットダウンを安全に行い、データもバックアップします。さらに、機械のアームや軸を安全な位置に移動させることもできます。

プルスのおすすめ

プルスは、ストレージサイズの異なる 2つのバッファモジュール(6 kWの UC10.241と 12 kWの UC10.242 を提供しています。

これらのユニットは 24 Vシステム用に設計されており、通常モードおよびバッファモードで最大 15 Aまで負荷をかけることができます。どちらのユニットも、制御電子回路を組み込んだキャパシタストレージを、DINレールに装着できるコンパクトなハウジングに内蔵しています。個々のキャパシタの直列接続にはアクティブな「バランサー回路」が搭載されており、長寿命という利点があります。各ユニットは監視・診断用の信号コンタクトと表示部を備えています。バッファリングが不要な場合は、入力抑止によって禁止することができます。

バッテリー式 DC-UPSモジュールの用途向けには、異なるデバイスを使用した2つの製品をご用意しています。

UB20.241 バッテリーを搭載した UZK24.121  は、バッファリングの際に出力電圧をバッファ電圧の設定値に安定させることができます。バッテリー電圧に関係なく、22.5 V~26 Vの値を設定することができます。一方、 UB40.241 バッテリーを搭載した UZK24.262 は、わずかな電圧低下分を差し引いて、出力側にバッテリー電圧を直接渡します。