富士電機技報 発売日・バックナンバー

特集　 エネルギーの安定供給、最適化、安定化に貢献するエネルギーシステム
企画意図
エネルギーシステムの分野では、脱炭素社会の実現に向けて、再生可能エネルギーの利用拡大、エネルギーの供給安定化、省エネルギーなどについて、さまざまな取組みが推進されている。
本特集では、エネルギーの安定供給、最適化、安定化に貢献するため、富士電機が展開しているプラント、システム、コンポーネント製品（機器）およびそれらを支える技術について紹介する。

〔特集に寄せて〕
いのち輝く未来社会を実現するエネルギー技術への期待と挑戦
石亀　篤司
大阪公立大学　教授　博士（工学）

〔現状と展望〕
エネルギーの安定供給、最適化、安定化に貢献するエネルギーシステム
河野　正志・外山　健太郎・廣瀬　順
富士電機は、発電プラント、エネルギーマネジメント、施設・電源システム、受変電機器の各分野において、エネルギーの安定供給・最適化・安定化を実現する商材とソリューションを提供しています。
発電分野では、GTCCの高度化、地熱・水力・バイオマスの導入、燃料転換、ORC/フラッシュの効率改善、燃料電池の実証、原子力の安全性向上と市場拡大への対応を推進しています。エネルギーマネジメント分野では、再生可能エネルギー比率の増加に伴い拡大する非同期電源に対し、蓄電取引運用システム、設備監視、OpenADRへの対応、GFMインバータおよび擬似慣性制御機能付き蓄電池PCSの開発を推進することで、系統安定化に貢献しています。施設・電源分野では、インターネットデータセンター向け電気設備のスキッドシステム化による工期短縮と標準化を推進するとともに、無停電電源装置の長寿命化とIoT監視の強化に取り組んでいます。受変電機器分野では、電気炉向け無効電力補償設備の導入による系統の安定化、植物油系変圧器の普及による防火要件の緩和、自社短絡試験設備の整備による製品の信頼性向上を図っています。

温室効果ガス排出削減に貢献する発電システム
服部　康之・山崎　竹伸
第７次エネルギー基本計画では、地熱発電など再生可能エネルギーの比率拡大が掲げられている一方で、火力発電も30～40%程度の比率で維持される見通しとされており、富士電機は地熱発電と火力発電の両分野で温室効果ガス排出削減に取り組んでいる。地熱発電では、タービンブレードにDLCコーティングを施しシリカスケールの付着を防止することで、タービンブレードの洗浄頻度を低減し発電出力を高く維持する技術を開発した。また、火力分野では、水素やアンモニア、バイオマスなど脱炭素燃料の混焼率向上・専焼化にタービンの改造により対応する技術を開発した。

脱炭素社会の実現に貢献する新型水素燃料電池システム
岡本　良一
脱炭素社会の実現に向けて、水素を燃料としてCO2を排出することなく電気と熱を生み出す水素燃料電池は、水素を有効に利用するための鍵として期待されている。富士電機は、定格出力180kWで容易に360kWに拡張可能な、定置用の水素燃料電池システムを開発した。燃料電池モジュールには起動時間が短い車載用の固体高分子形燃料電池を採用し、独自の運転制御技術により長時間連続運転と高耐久を実現した。急峻（きゅうしゅん）な負荷変化にも対応可能な自立運転機能を搭載し、非常用自家発電設備としても利用可能とした。

電力系統の安定運用に貢献する擬似慣性制御機能付き蓄電池PCS
岡　直哉・上村　浩文・山田　真
近年、脱炭素社会の実現に向けて再生可能エネルギーの導入拡大が進んでおり、電力系統から周波数維持能力のある同期発電機が減少することで、系統事故発生時や需給バランス急変時に周波数変動が増大する恐れがある。この問題に対応するため、富士電機は同期発電機が持つ周波数維持能力である慣性力と数秒程度で働く周波数調整力である一次調整力（ガバナ制御）を模擬する擬似慣性制御機能付き蓄電池PCSを開発している。本機能を搭載することで、負荷変動に対して蓄電池PCSが瞬時的に慣性力を発揮して周波数変動を抑制し、電力系統を安定に維持できることをミニモデルで検証した。

電気炉設備の安定操業に貢献する無効電力補償装置
大宮　和樹・篠原　博・岡崎　洋平
近年、世界的な脱炭素化の動きに合わせ、高炉鉄鋼業界でもCO2排出量を抑えることができる電気炉への転換が進んでいる。電気炉では、短絡などでアーク抵抗が急変し、系統電圧低下や周期的な電圧変動（フリッカ障害）などを引き起こす。このため、無効電力変動を補償する装置が不可欠である。富士電機は、1970年代前半から無効電力補償装置を製品化している。現在、サイリスタをデバイスとし大電流を流せることで大容量化に適した他励式、IGBTなどの素子を用いて高い補償性能が得られる自励式、他励式と自励式の両方式を組み合わせたハイブリッド方式の三つを提供している。

電力安定供給に貢献する中容量無停電電源システム
西舘　純・兼子　晶誠・徳田　剛
工場や放送・通信設備などにおける一層の省エネルギーや高信頼性、省人化の要求に応えるため、従来機種の仕様を網羅して機能を改善した中容量UPS「FXシリーズ」を展開している。顧客のシステム設計期間を短縮できるように、UPS本体と周辺盤を組み合わせた標準パッケージ「F.U PAQ」を用意し、保守に伴う設備停止時間を削減するために主要交換部品をユニット構造としている。定格負荷力率0.9への対応や接続するバッテリの電圧範囲の拡大に加えて、システムの小型・軽量・長寿命化が可能なリチウムイオン電池の適用や耐震性を強化したオプションを開発中である。

小型・軽量化のニーズに対応するグローバル市場向けモルトラ
野口　優一・松永　圭・高橋　淳
国内にとどまらずASEAN諸国でも活況を呈しているデータセンターへの設備投資の一環として、モールド変圧器の市場が伸長している。国外では、変圧器の一次電圧が22 kVまたは33kVと高いため、安全対策として保護ケース内に変圧器を設置するニーズがある。そこで富士電機は、絶縁構造を工夫することにより、従来に比べ設置面積を17%、質量を13%、それぞれ削減したモルトラを開発した。さらに、高調波を多く含む負荷電流への対応や、設置工期を短縮できるスキッドシステムの適用など、データセンター用途での課題を解決する開発にも取り組んでいる。

環境負荷低減に貢献するエステル変圧器
千葉　公一郎
油入変圧器の絶縁油として用いられてきた鉱油は、廃棄時のCO2排出、漏油時の環境汚染といった課題がある。この対応として、植物由来で生分解性に優れたエステル系絶縁油が開発され、油入変圧器への適用が進んでいる。富士電機は、パームヤシ油をエステル化処理したパームヤシ脂肪酸エステルを適用した変圧器を2008年度に市場投入した。さらに、2022年度には大豆油を原料としたエステル系絶縁油を適用した変圧器も製品ラインアップに加えた。今後も顧客満足度の高い環境に配慮した製品を提供していく。

変電機器開発の効率化に貢献する千葉工場短絡試験設備
藤城　智・水本　貴之・阿部　直貴
堅調に推移している需要に応えて、環境負荷が少なく国内外規格に対応した高電圧変電機器製品を提供する上で課題となっていた試験の効率向上を図るために、短絡発電機を用いた短絡試験設備を富士電機千葉工場内に建設し、変電機器の性能検証を社内で実施する体制を整えた。新設した短絡発電機は最新の軸系設計技術により50Hzおよび60Hzでの試験が可能であり、動力源である電動機をインバータ駆動としたのでインバータによる回生制動によって停止時間の短縮や回生電力の有効活用を実現した。従来に比べて開発期間を短縮し、タイムリーな新製品の上市に貢献する。

略語・商標

特集　 脱炭素社会の実現に貢献するパワー半導体
企画意図
世界的に、地球温暖化の要因である温室効果ガスの排出削減に向けた取組みが強化される中、富士電機は、“豊かさへの貢献”“創造への挑戦”“自然との調和”を経営理念に掲げ、エネルギー・環境事業でSDGs（持続可能な開発目標：Sustainable Development Goals）に貢献する企業として、脱炭素社会の実現に向けた新製品・新技術の創出に力を入れています。
本特集では、脱炭素社会実現のキーデバイスであるパワー半導体について、自動車の電動化や太陽光・風力発電を代表とする再生可能エネルギー向けの新製品、およびパワーエレクトロニクス機器の高効率化と高信頼化を実現する新技術を紹介します。

〔特集に寄せて〕
脱炭素社会の実現に向けたパワー半導体への期待
藤田　英明
東京科学大学　工学院　電気電子系　教授

〔現状と展望〕
脱炭素社会の実現に貢献するパワー半導体
大西　泰彦・宮坂　忠志・井川　修

温室効果ガスの排出削減に向け、太陽光・風力発電を代表とする再生可能エネルギーの導入や自動車の電動化、パワーエレクトロ二クス機器の高効率化などによるCO2排出量の削減を実現するためのキーデバイスとして、パワー半導体への期待が高まっている。富士電機は、その代表素子であるIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）や炭化けい素（SiC）を用いたMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を中心にさらなる高効率化、小型化、高信頼化などのニーズに応える製品を市場に提供している。また、高耐圧のGaN縦型MOSFETや腐食環境下における高耐久化などの技術開発にも取り組んでいる。

軽・小型xEV向け直接水冷IGBTモジュール「M682」
神谷　将英・新井　伸英・安達　新一郎

温室効果ガスの排出削減に向け自動車の電動化が進んでおり、大型車に加え、軽自動車や小型車も電動化が進みつつある。そこで富士電機は、軽・小型車のモータ出力容量帯50～100kWクラスに適したIGBTモジュール「M682」を開発した。冷却器はCuベースプレートを直接冷却する直接水冷構造とし、流路に配置するリブの形状と配置を最適化することにより、小型で低圧力損失、低熱抵抗を実現した。本冷却器とチップの組み合わせを変えることにより同一パッケージでモータ出力容量帯50kW、75kW、100kWに対応可能とし、また、従来製品より10%の小型化を実現した。

産業向けHPnCパッケージ2,300V All-SiCモジュール
可児　知之・内田　貴史

温室効果ガスの排出量削減のため、再生可能エネルギーの普及が加速しており、電力変換装置に使用されるパワー半導体にはさらなる発生損失の低減と電流密度の向上が求められている。この要求に応えるため富士電機は、DC1,500Vの電力変換装置の2レベル回路に適した定格電圧2,300VのAll-SiCモジュールを開発した。第3世代SiC-MOSFETチップを大容量に適したHPnCパッケージに搭載することにより、電力変換装置に搭載時の発生損失を従来品に対して50%低減した。また、設置面積を68%減少し、電流密度を約3倍に向上した。

産業向けStandard 2-Pack「M276」の系列拡大
小林　佑斗・鄭　茂・各川　敦史

温室効果ガス排出量の削減に向けて再生可能エネルギーの導入が拡大し、太陽光パネルとPCSに加え、ESSを組み合わせた太陽光発電システムの設置が進んでいる。富士電機は、中容量の太陽光発電システムで使用される3レベル方式のPCSとESSに適した定格1,200VのIGBTモジュールStandard 2-Pack「M276」の最大定格電流を800Aに拡大した。絶縁基板を2枚構成としてチップ搭載エリアを35%拡大するとともにチップサイズを最適化し、同一外形寸法で定格電流を増大したことにより、従来品に対し、PCS適用時に38%、ESS適用時に17～18%の出力電流増大が可能となった。

パワーデバイスの温度検出IC技術
浅野　大造・赤羽　正志・岩本　基光

近年、AIやIoTを活用した工場のスマート化が加速しており、システムのダウンタイムを最小化するため、パワエレ機器には予知保全が求められている。パワエレ機器の故障原因の一つとしてパワーモジュールの寿命があり、その予測にはパワーデバイスの温度を正確に検出する必要がある。そこで富士電機は、パワーモジュールに内蔵する温度検出ICを開発した。ノイズの影響を最小化するため温度信号をデジタル信号に変換するとともに、温度依存性が低くIC内部のノイズの影響が小さい回路とすることにより、温度検出範囲-40～+200℃にて、温度検出精度±3℃を実現した。

パワーモジュールの硫化腐食評価技術
武田　真理子・伊藤　秀昭・君島　大輔

パワーモジュールを過酷な腐食環境下で使用すると、硫化腐食を起因とした短絡が発生することがある。富士電機は、過酷な環境下でも使用可能な製品の開発に向け、腐食メカニズムに基づいた硫化腐食評価技術を構築した。電圧印加条件やガス種、基板種の影響について検討し、硫化腐食の加速試験条件として、印加電圧は交流（AC）、ガス種はMFG（Mixed Flowing Gas）が適していることを明らかにした。これにより、実使用環境での腐食形態を模擬するとともに、ISA-71.01規格に基づく試験環境に対し79倍に加速して腐食速度を評価可能となった。

高耐圧GaN縦型MOSFET技術
田中　亮・近藤　剣・高島　信也

富士電機は、SiC-MOSFETに続く次世代パワー半導体として期待されているGaN縦型MOSFETの開発を進めている。今回、AlN保護膜でGaN表面を被覆し1,300℃で熱処理を行うことにより、GaNの熱分解を抑制しつつ、注入したドーパントの活性化と注入により生じた結晶欠陥の除去を可能とした。また、プラズマCVD法によりGaN表面が平坦なMOS界面を作製することができ、これらを組み合わせることにより、耐圧1,200VのGaN縦型MOSFETを実現した。オン抵抗はSiC-MOSFETの半分程度であり、高耐圧で低抵抗なGaN縦型MOSFETを実証した。

パワーエレクトロニクス設計を加速する高精度シミュレーション技術
坂井　琢磨・湯川　文夫・ヒュー　バオチョン

パワエレ機器の高性能化と開発期間の短縮に向け、富士電機は、高精度なIGBTシミュレータを提供している。本シミュレータは、回路構成とPWM制御方式を選定しパラメータを入力することにより、デバイスの損失と温度を出力する。今回、寿命計算機能を開発した。デバイスの熱疲労の原因となる温度変化を高速に算出し、その大きさと発生回数をレインフロー法によりカウントしてアレニウスの式に適用することにより、実使用温度に即した高精度なパワーサイクル寿命の推定を実現した。これにより、過剰なマージンを削除した適切な設計が可能となった。

略語・商標

富士電機技報　vol.97　2024 年　総目次

特集　 受配電・開閉・制御機器
企画意図
富士電機は、電気エネルギーを効率良く安全に利用するための受配電・開閉機器と、生産機械の自動化や最適化に資する制御機器を長年にわたって提供しており、近年では環境負荷低減の要求に応えるための製品の小型化や熱可塑性樹脂の適用拡大も進めています。
本特集では、基本性能である信頼性や安全性をさらに向上させるとともに、多様化するニーズに応えて使い勝手を向上させた受配電・開閉・制御機器の新製品を紹介します。その実現を支える電気接点評価技術やシミュレーション精度向上の取組みも併せて紹介します。


〔特集に寄せて〕
レベニューキャップ制度と電力機器
山納　康
埼玉大学　大学院理工学研究科　教授　博士（工学）

〔現状と展望〕
受配電・開閉・制御機器の現状と展望
森下　文浩・秦　淳一郎・山崎　智史

富士電機の受配電・開閉・制御機器は、電気設備や機械装置で多用される主要なコンポーネントとして広く産業を支えている。これらの機器においては、昨今の市場要求とトレンドを捉えた製品開発を行っている。開閉機器では、カーボンニュートラルに貢献するべく小型化、省エネルギーを追求し、新たに「SC-NEXTシリーズ」を開発した。制御機器や低圧機器では、デザイン性の向上や配線作業の工数削減および簡素化への対応に加え、感電保護などの安全性をより確保する機器の開発を行った。高圧遮断器では、環境負荷低減に貢献する製品を開発した。電力監視機器では、既存のブレーカにアドオン可能な「ブレーカ計測ユニット」の開発を進めている。製品開発に必要なコア技術においては、核となる電気接点の開発・改良やシミュレーション・評価技術などのたゆまぬ向上を精力的に行っている。

電磁接触器「SC-NEXTシリーズ」
内山　拓・竹本　貴紀・関谷　優志

従来の電磁接触器の後継機となる電動機定格容量2.2～15kWの「SC-NEXTシリーズ」を発売した。近年の環境負荷低減への要求に応えて、取付面積を従来比最大40%削減する小型化と、直流操作形では消費電力を従来比最大73%削減する低消費電力化を実現し、制御リレーを介さずにPLC出力で駆動できる定格容量の範囲を拡大した。新開発の接点構成と過渡現象解析を駆使した接点開閉機構の最適化により、小型化を実現するとともに従来機種と同等の電気的耐久性を達成した。さらに、インバータ一次側に設置した場合の突入電流に耐えられる溶着耐量も実現した。

サーマルリレー「SC-NEXTシリーズ」
小野木　悠真・中野　幹久・熊谷　彰恵

従来機種の後継機となるサーマルリレー「SC-NEXTシリーズ」を発売した。サーマルリレーは、電動機を過負荷から保護する用途で電磁接触器と組み合わせて使われることが多い。近年の環境負荷低減への要求に応えて小型化した同シリーズの電磁接触器に合わせてサーマルリレーを小型化するため、過電流検出を担うヒートエレメントの構成を刷新することにより、従来機種と同等のフレームサイズにおける定格電流の拡大を実現した。接点開閉機構の部品の構造と製法を改良するとともに新たな出荷調整方法を適用して動作特性のばらつきを低減することにより、過負荷検出精度の向上を実現した。

ユーザビリティを徹底的に追求した「コマンドスイッチ」
高野　芳弘・木之下　俊輔

富士電機のφ16、φ22系「コマンドスイッチ」のシリーズは、30年以上前に発売したロングセラー商品である。ユーザーである工作機械メーカーなどにおいては商品価値を向上させるため、製品の操作パネルに用いるコマンドスイッチに対しても従来のFQCDだけでなくデザイン要素を求めるようになってきた。こうした要求に応えるため、ユーザビリティを徹底的に追及したモデルチェンジを実施し、以前から評価の高い操作感などは継承しつつ、新たな顧客ニーズにも応えるようにラインアップを充実させた。

多様なニーズに応える配線用遮断器・漏電遮断器の付属装置
石動　秀樹

電気設備や電気・機械装置などの制御盤に使われる配線用遮断器・漏電遮断器に要望されている多様な付加機能を実現するため、多彩な付属装置を用意した。例えば、外部操作ハンドルでは、防じん・防水性の向上、誤操作を防ぐ非突出形の拡充、ハンドルをロックした状態でも盤の扉パネルを開放できる機構を実現した。端子カバーでは、取付けが容易でありながら全方向IP20の保護性能を達成した。遮断器本体のハンドルをロックする機構では、南京錠などの施錠装置の適用範囲を広げ、誤操作を防ぎ、強度を高めて壊れにくくするとともに、遮断器に後付け可能な構造とした。

高圧受配電機器の絶縁部品への熱可塑性樹脂の適用
須田　裕文・徳永　圭秀

高圧受配電機器には、高い絶縁能力と強度が得られる熱硬化性樹脂を絶縁部品に使用しているが、その材料を、製造時に生じる廃棄物を再利用することが可能で、成形時間の短縮による生産性向上が見込める熱可塑性樹脂に置き換えることを検討した。高圧交流負荷開閉器（LBS）を対象として、熱硬化性樹脂に比べて耐トラッキング性が低いにも関わらず、絶縁性能を維持するための沿面距離を確保できる構造を確立した。この技術の適用を拡大し、資源の安定供給の確保や生産性向上による製品の安定供給に貢献していく。

設備の省エネルギーと保守の効率化に貢献する受配電機器の電子化
田口　貴裕

カーボンフットプリントの見える化に不可欠な製造設備ごとの電力消費量の可視化や、労働力不足対策として設備保全を効率化する予防保全の要求に応えるため、電気・機械設備に広く使われている受配電機器にモニタリング機能を付加する「ブレーカ計測ユニット」を開発している。ブレーカと一体化し、無線通信によりデータを収集するため盤内への設置が容易であり、電力量などの基本データの収集だけでなく、過負荷に先立ったアラームやトリップの発生を通知する機能により予防保全に貢献することができる。これらの効果を自社工場でのフィールドテストで検証している。

開閉・制御機器の信頼性を支える電気接点評価技術
岩倉　忠弘・舛森　建太・庄司　和樹

開閉・制御機器に要求される高い信頼性と耐久性を実現するため、電気接点の評価技術の強化に取り組んでいる。製品の接点動作を模擬する試験機を用いて、接点開放時のアーク放電のエネルギーと接点の引き剝（は）がし力との関係や、累積アークエネルギーと接点消耗量との関係を把握することにより、接点の耐溶着性と耐消耗性を評価した。また、累積アークエネルギーと接点の接合面積との関係を基に、開閉耐久性の目標達成に必要な接合面積の初期値を見極めた。さらに、IEC規格に合致した電気的耐久性試験により、製品における最大200万回以上の開閉耐久性を検証した。

製品の長寿命化を支えるシミュレーション技術
原　昇聖・志塚　隆・小宅　美晃

受配電・制御機器の製品開発では、疲労特性などを実機評価に比べて短い期間で予測できるシミュレーションを活用することにより、信頼性の高い製品を早期に提供することに貢献できる。「SC-NEXTシリーズ」の開発では、解析精度を高めるために製品の実際の使用状態を再現した条件の下で取得した物性値を使って、繰返し応力が加わる部材の疲労破壊、可動接点を支持する部材のしゅう動による摩耗、筐体（きょうたい）結合部のクリープ変形による嵌合（かんごう）の緩みの各現象を、シミュレーションにより解析して構造設計に反映させることにより、製品の機械的寿命の目標達成を支えた。

新製品紹介論文
橋梁モニタリングシステム
河川に架かる鉄道橋梁では、豪雨後の増水による橋脚基礎の洗掘や老朽化により、健全度が低下する可能性がある。洗掘が進むと沈下したり傾斜したりするので、列車運行に大きな支障となる。そのため、鉄道事業者は、目視点検の他、衝撃振動試験を行って健全度を確認しているが、時間を要すること、作業に危険を伴うことから、省力化や安全性の向上が求められている。この要求に応えるため、富士電機は、橋脚の微細な振動を遠隔で常時監視することで橋梁の健全度評価が可能な橋梁モニタリングシステムを開発した。

DC1,500Vに対応した屋外型蓄電池用PCS「PVI1500CJ-3/2750B」
太陽光発電や風力発電など、再生可能エネルギーの主力電源化に向けて、系統の安定化に必要な大規模蓄電システムの需要が高まっている。富士電機は今までDC800V以下の蓄電池パワーコンディショナ（PCS）を展開してきたが、システムコスト低減の観点から、さらなる大容量化、および直流電圧の高電圧化が強く望まれている。このような市場要求に向けて、大容量（2,750kVA）でDC1,500Vに対応した屋外型蓄電池用PCS「PVI1500CJ-3/2750B」を開発した。

略語・商標