富士電機技報

第94巻第1号（2021年3月）

特集 省エネルギー・小型化と生産性向上に貢献するパワーエレクトロニクス

企画意図

安全・安心で持続可能な社会の実現に向け、プラントやインフラの分野では自動化・省力化に加え、省エネルギーや省資源など環境負荷を低減する取組みが推進されています。また、生産改革により生産性を向上させる動きが活発になっています。
本特集では、富士電機が、プラントやインフラの分野でグローバルに展開する環境負荷低減のために、省エネルギー化や小型化を行ったパワーエレクトロニクス製品を紹介します。また、生産性向上のためにIoT技術を活用した設備診断技術と、最適な設備更新技術を用いたパワーエレクトロニクス製品を紹介します。

〔特集に寄せて〕パワーエレクトロニクスのニューノーマル

藤田　英明
東京工業大学　工学院　電気電子系　教授

〔現状と展望〕省エネルギー・小型化と生産性向上に貢献するパワーエレクトロニクス

鉄谷　裕司　・　松本　　康　・　劉　　江桁

富士電機は、SiCなどの新しいデバイスの活用や、パワーエレクトロニクス（パワエレ）機器の高電圧化による送電損失低減、複数台並列運転の台数制御による無負荷損失抑制などの技術で、高効率化や省エネルギー（省エネ）化に貢献している。また、主回路と冷却体の最適設計によるパワエレ機器の小型・軽量化を図り、並列接続用の出力トランスやリアクトルを不要とした製品を開発してシステムに組み込んでいる。
生産性向上においては、パワエレ機器の制御応答高速化・高性能化による生産効率を向上するとともに、センサを活用した診断技術や冗長化によるシステムの信頼性向上で設備稼働率を上げる。また、トレースバック機能で偶発故障の原因を素早く特定し、故障ユニットを交換しやすくする構造で設備のダウンタイムを短縮し、生産性向上に貢献している。

高効率高周波誘導炉「F-MELT100Gシリーズ」

田中　克尚　・　松永　和久　・　山本　勝也

近年、自動車生産台数の増加に伴い、鋳物部品の生産で使われる高周波誘導炉設備の需要が高い。また、各国の省エネルギー規制の強化により、高効率化や大容量化のニーズが高くなっている。富士電機は、溶解原単位を向上させた高効率炉体と高電圧IGBTスタックを搭載した「F-MELT100Gシリーズ」を開発した。これにより使用電力量の低減と、設備電源容量が20MWまでの幅広いラインアップに対応した。また、セルフチェック機能とRAS機能を備えたダイレクトデジタル制御ユニットの採用により、設備の安定稼働と、故障発生時の原因特定の所要時間短縮も実現している。

メガソーラー向けDC1,500V用PCS「PVI1500CJ-3/2500」

久世　直樹　・　森嶋　洋介

近年、太陽電池をはじめとする再生可能エネルギーの国内外の市場において需要増加が期待されている。富士電機は国外市場に参入するため、入力DC1,500V、出力容量2.5MWの高電圧・大容量のパワーコンディショナを開発した。防じん防水保護等級IP55に対応した屋外盤構造を採用し、冷却性能の向上や装置レイアウトの最適化により設置面積を縮小した。今後大きな伸長が期待される東南アジア市場に対応するために、タイとフィリピンの系統連系規程を取得している。

世界の安全・安心・快適な公共交通に貢献する鉄道車両用パワーエレクトロニクス機器

藤田　憲司　・　小林　宣之

富士電機は、最新のパワーエレクトロニクス技術を適用した鉄道車両用主回路電機品システム、電気駆動式ドア（電気式ドア）システムなどを提供している。消費電力低減による省エネルギー化のために小型・軽量化を進めた搭載機器や、快適性の向上のためにフルアクティブダンパ駆動装置を開発した。また、安全・安心のために電気式ドアシステムの部品構成やメンテナンス方法の見直しによる故障率の低減と安全性向上を実現した。これらの製品を日本国内の他、北米・アジアなどの海外市場への展開も積極的に進め、海外規格や現地生産への対応を進めている。

流体機器用PMモータの小型・高速・高効率化

廣瀬　英男　・　佐々木 敏哉　・　中谷　僚太

2050年までに世界全体の温室効果ガスの排出量を実質ゼロにするため、クリーンエネルギーの導入や消費電力の削減が求められている。モータの用途で大きな割合を占めるポンプ、圧縮機、送風機、冷凍機といった流体機器は、消費電力が大きく、省エネルギー（省エネ）化が必要である。開発したPMモータは、高効率化と冷却性能の向上によって一層の小型化を実現し、装置のサイズダウンに貢献した。また、ベルトやギヤが不要になり機械損失がなくなるダイレクトドライブとインバータを使った可変速運転によって、一層の省エネを実現した。

制御盤用AC-DC電源

沖　　一洋　・　八ツ田　豊　・　橋爪　真悟

社会・産業インフラ向けの制御盤は、システムの高度化・大規模化に対応するとともに、搭載する電源には小型化が求められている。産業向けプラットフォーム電源の技術を用い、冗長機能の内蔵により配線工数を削減し、小型化した制御盤用電源を開発した。これにより従来よりも多くの機器を搭載でき、制御盤の高度化・大規模化に寄与する。既設や稼働中の制御盤のシステム更新に対応できるように、専用の出力端子を設けて互換性を担保した。また、10年間メンテナンスが不要なモデルも用意している。

高性能・多機能形インバータ「FRENIC-MEGA（G2）シリーズ」

鷹見　裕一　・　矢山　高裕　・　山澤 航太朗

近年、汎用インバータはさまざまな用途に拡大してきており、制御性能の向上に加えて省エネルギー（省エネ）や耐環境、予防保全・予知保全のニーズが高まっている。今回開発した「FRENIC-MEGA（G2）シリーズ」は、従来よりも高速な演算処理と独自のモータ制御技術の進化により制御性能を向上するとともに、PMモータに標準対応し、省エネを強化した。また、JIS C60721-3-3、IEC 60721-3-3のClass 3C2に対応し、耐環境を強化した。また、トレースバック機能、寿命予報のメンテナンス機能、カスタマイズロジック機能により、多種多様な用途に適用することができる。

電源回生機能付き高力率PWMコンバータ「FRENIC-RHCシリーズ」

佐藤　和久　・　粟井　昭裕　・　大森　聖史

汎用インバータによるモータ制御を行う場合、入力電流に対する高調波抑制と、モータからの制動エネルギー処理の検討が必要になる場合がある。富士電機は、既存のＰＷＭコンバータよりも機能や操作性を向上させた電源回生機能付き高力率PWMコンバータ「FRENIC-RHCシリーズ」を開発した。絶縁トランスを設けない並列接続を最大4並列まで拡張して大容量対応、アラーム発生の要因解析を助けるトレースバック機能の標準搭載、高速通信E-SXバス対応による詳細な運転状態の上位側モニタリングの実現といった特徴を持つ。

高圧インバータ「FRENIC4600FM4シリーズ」用レトロフィット製品

山田　達也　・　市位　嘉崇　・　高橋　義和

設置後20年以上が経過し保守期間が終了した高圧インバータは、新機種への更新時期を迎えている。しかし、インバータ盤全体の更新では、改めて基礎工事が必要になるため、設備の停止期間が長くなる。また、設置場所によっては搬入口が狭く、盤の搬入ができないなどの問題が起こり得る。そこで、高圧インバータの盤全体ではなく、インバータセルや制御スタックなどの有寿命品だけを更新することで、停止期間の短縮や搬入の問題などを解消できる「FRENIC4600FM4シリーズ」のレトロフィット製品「FRENIC4600FM4RFシリーズ」を開発した。

産業用低圧インバータ「FRENIC4000VM6」

日夏　　遼

プラントの生産性向上を図るため旧システムの合理化と集約が進められる中、従来機種との外形寸法や、機能互換対応が求められる。さらに既存設備の持続性や、保全の省力化が一層求められると同時に、改正された日本産業規格（JIS）への対応が必要である。富士電機は、これらに対応した産業用低圧インバータ「FRENIC4000VM6」を開発した。高速大容量通信を可能とする「E-SX バス」を新たに搭載したことで、制御速度が向上し、かつ1台のコントローラに対するインバータの接続可能台数を大幅に増加できるため大規模なプラントシステムをシンプルに構築できる。

サーボシステム「ALPHA7シリーズ」の新機能と適用例

山下　智史　・　高山　哲也　・　谷口　　享

近年、サーボシステムは、半導体・液晶製造装置、電子部品加工装置、印刷機、包装機、金属加工機などの産業機械全般に用途を広げている。市場の要求に応えるため、業界トップレベルの高速・高精度化といった基本制御性能の向上や、小型化に加え、過負荷耐量を向上させた「ALPHA7シリーズ」を開発した。また、新たに負荷トルクモニタ機能の搭載やオープンネットワーク（EtherCAT）への対応、機能安全規格に適合した安全機能を搭載した。富士電機の多変量統計的プロセス管理（MSPC）と併用することで、ユーザーの安全・安心と生産能力向上に貢献する。

新製品紹介

ETC車両検知器用着雪除去装置

長島　　淳　・　久間　裕丈　・　高比良　功

ETC車両検知器は、ETC料金所レーンを構成する路側機器群の一つで、車両の通過を検知する役目を担う主要装置である。富士電機はETCシステムの黎明（れいめい）期から車両検知器を数多く納入しており、2019年現在の全国シェアは約40%を占める。
昨今の働き方改革や人手不足のため、高速道路各社は料金所の無人化対策を進めている。このような背景の下、ETC車両検知器についても省メンテナンス化が求められている。しかし、降雪地域では雪氷の付着を原因とした障害もあり、省力化を図る上で大きな課題となっていた。この課題を解決するため、東日本高速道路株式会社（NEXCO東日本）のグループ会社である株式会社ネクスコ東日本エンジニアリングと共同で、ETC車両検知器用着雪除去装置を開発した。

第7世代「Xシリーズ」1,200V/250A RC-IGBTモジュール

平田　朋也　・　山野　彰生

近年、人口増加や経済成長により、エネルギー需要が世界的に拡大し、CO₂排出抑制による地球温暖化対策や安全・安心で持続可能な社会の実現に向け、さまざまな施策が行われている。このような中、電気エネルギーを効率的かつ安定的に変換する電力変換装置への期待が高まっている。また、この電力変換装置のキーデバイスであるIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールへの期待も高まっている。
富士電機はこれまで、多くの技術革新によって、IGBTモジュールの小型化、低損失化および高信頼化を行い、電力変換装置の小型化や出力電流拡大による低コスト化および高性能化に貢献してきた。最新世代である第7世代「Xシリーズ」IGBTモジュールでは、低損失化・高信頼性化による高パワー密度化を実現した。
しかし、IGBTモジュールのさらなる小型化や出力電流の拡大を行おうとすると、IGBTモジュール内のIGBTおよびFWD（Free Wheeling Diode）チップのパワー密度が増大し、動作温度が上昇して信頼性低下の可能性が懸念される。高い信頼性を保ちながら、IGBTモジュールのさらなる高パワー密度化を行うために、Xシリーズの技術に加え、新たにRC-IGBT（Reverse-ConductingIGBT：逆導通IGBT）の技術を適用した、産業用XシリーズRC-IGBTモジュールを開発した。

電鉄向け3.3kV SiCハイブリッドハイパワーモジュール

関野　裕介　・　森谷　友博

近年、鉄道や太陽光発電、風力発電などのインフラ分野をはじめとしたさまざまな分野で、パワーエレクトロニクス装置の高出力化と小型化が求められている。そのため、電力変換装置に搭載されるパワー半導体モジュールは、さらなる低損失化と高パワー密度化が必要である。
富士電機は、さらなる低損失化を実現するために、最新の第7世代「Xシリーズ」Si-IGBTチップを搭載したIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、FWD （Free Wheeling Diode）にSiC（炭化けい素）半導体のSBD（Schottky Barrier Diode）チップを搭載した電鉄向け3.3kV SiCハイブリッドハイパワーモジュール（HPM：High Power Module）を開発した。

略語・商標

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