专 辑 驱 动 装 置 与 电 源 技 术

PRESIDENT'S MESSAGE
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Fuji Electric France S.A.
Fuji Electric Europe GmbH
Fuji Logistics Europe B.V.
Fuji Electric Corp of America
Fuji Electric FA Korea Co., Ltd.
Korea FA Systems Co., Ltd.
Fuji Electric Asia Pacific Private Ltd.
Hoei Electronics (S) Private Ltd.
Mahajak International Electric Co., Ltd.
Fuji Electric Technology Co., Ltd.
Fuji Pine Electric Co., Ltd.
Fuji Denki Engineering Co., Ltd.
Hoei Electronics (Thailand) Co., Ltd.
Fuji Electric India Private Ltd.
FUJI ELECTRIC SEMICONDUCTOR (MALAYSIA) SDN. BHD.
Fuji Electric (Malaysia) Sdn. Bhd.
Hoei Electronics (M) Sdn. Bhd.
Fuji Logistics (Malaysia) Sdn. Bhd.
Fuji Electric Philippines Corp.
Fuji Haya International Corporation
P.T. Fuji Dharma Electric
Vina-Fuji Electric Co., Ltd.
Fuji Electric Systems Co., Ltd.
Fuji Electric FA Components & Systems Co., Ltd.
Asahi Keiki Co., Ltd.
Azumi Fuji Co., Ltd.
Ibaraki Fuji Co., Ltd.
Chichibu Fuji Co., Ltd.
Tottori Electric Manufacturing Co., Ltd.
Hakko Electronics Co., Ltd.
Fuji IT Co., Ltd.
Fuji Electric IT Solutions Co., Ltd.
Fuji Electric Engineering & Construction Co., Ltd.
Fuji Electric Instruments Co., Ltd.
Fuji Electric F-Tech Co., Ltd.
Fuji Gas Turbine Research Center Co., Ltd.
Fuji Electric Instrumentation Co., Ltd.
Fuji Electric Thermo Systems Co., Ltd.
Fuji Denki Sosetsu Co., Ltd.
Fuji Electric Chiba Tech Co., Ltd.
Fuji Electric Hi-Tech Corp.
Fuji Electric Motor Co., Ltd.
Fuji Electric Motor Service Co., Ltd.
Japan AE Power Systems Corporation
METAWATER Co., Ltd.
Fuji Electric Device Technology Co., Ltd.
Iiyama Fuji Co., Ltd.
Omachi Fuji Co., Ltd.
Fuji Electric Matsumoto Mechanics Co., Ltd.
Hokuriku Fuji Co., Ltd.
Fuji Electric Retail Systems Co., Ltd.
Shinshu Fuji Electric Co., Ltd.
Hoei Plastics Co., Ltd.
Mie Fuji Co., Ltd.
Fuji Electric Advanced Technology Co., Ltd.
Fuji Electronics Creation Support Service Co., Ltd.
Fuji Technosurvey Co., Ltd.
Fuji Electric Information Service Co., Ltd.
Fuji Electric Finance and Accounting Support Co., Ltd.
Fuji Brain Trust Co., Ltd.
Fuji Life Corp.
Fuji Logistics Co., Ltd.
Kyushu Fuji Electric Co., Ltd.
Chubu Fuji Electric Co., Ltd.
Tohoku Fuji Electric Co., Ltd.
Nishinihon Fuji Electric Co., Ltd.
Fuji EIC Co., Ltd.
Fuji Electric Technica Co., Ltd.
Hoei Denki Co., Ltd.
Hokkaido Fuji Electric Co., Ltd.
Fuji Electric Holdings Co., Ltd.
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5

In office
In hotel
In factory
In town
In shop
In home
For mobiling
For entertainment
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专 辑 : 驱 动 装 置 与 电 源 技 术
对 电 力 电 子 应 用 技 术 发 展 的
高 度 期 待
专
辑
奥 野 嘉 夫
富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 常 务 董 事 驱 动 装 置 事 业 本 部 长
以 变 频 器 、 不 间 断 电 源 装 置 为 主 的 电 力 电 子 技 术 应 用 产
品 被 广 泛 应 用 在 当 今 社 会 及 各 行 各 业 与 行 业 的 每 一 个 角 落 。
例 如 , 早 上 上 班 乘 坐 的 电 车 , 以 及 上 下 办 公 楼 的 电 梯 , 这 些
设 备 都 是 通 过 变 频 器 控 制 电 机 来 实 现 运 转 的 。 另 外 ,IT 系
统 中 用 于 保 护 计 算 机 免 受 电 源 故 障 困 扰 的 重 要 装 置 —— 不 间
断 电 源 以 及 OA 设 备 内 部 的 电 源 及 伺 服 器 都 离 不 开 电 力 电
子 技 术 。 富 士 电 机 强 项 之 一 的 电 力 电 子 技 术 已 经 成 为 人 们 日
常 生 活 与 生 产 活 动 中 所 不 可 缺 的 一 部 分 。
近 年 来 人 们 深 刻 地 认 识 到 : 若 要 控 制 全 球 变 暖 并 减 少 二
氧 化 碳 的 排 放 , 保 护 地 球 环 境 及 实 现 可 持 续 发 展 , 能 源 、
环 境 这 两 大 问 题 亟 待 解 决 。2008 年 7 月 的 北 海 道 洞 爷 湖
峰 会 上 , 各 国 代 表 提 出 要 在 2050 年 之 前 将 全 球 的 二 氧 化
碳 排 放 量 降 至 为 现 在 的 一 半 。 但 根 据 日 本 环 境 省 的 统 计 ,
2007 年 度 工 厂 等 产 业 部 门 的 二 氧 化 碳 排 放 量 与 1990 年 度
相 比 降 低 了 1.3%, 而 办 公 楼 等 业 务 部 门 的 排 放 量 却 增 加 了
41.7%, 家 庭 的 排 放 量 也 增 加 了 41.1%。 针 对 这 一 状 况 ,
日 本 政 府 于 2008 年 5 月 30 日 发 布 了 《 关 于 能 源 使 用 合 理
化 的 法 律 》( 节 能 法 ) 的 修 正 法 , 并 于 2009 年 4 月 1 日 开
始 实 施 。 根 据 这 一 修 正 法 , 以 前 由 超 过 一 定 规 模 的 大 型 工 厂
才 承 担 的 节 能 管 理 义 务 , 以 企 业 为 单 位 ( 包 括 特 约 连 锁 店 )
也 必 须 承 担 。 此 外 , 为 实 现 京 都 议 定 书 的 目 标 并 扩 大 节 能 的
普 及 程 度 , 曾 一 度 被 中 断 的 住 宅 用 太 阳 能 发 电 援 助 政 策 的 补
助 金 将 重 新 发 放 。 补 助 金 的 申 请 于 2009 年 1 月 开 始 向 国
民 开 放 。
富 士 电 机 为 顺 应 社 会 节 能 、 环 保 的 潮 流 , 将 通 过 电 力 电
子 的 应 用 技 术 为 市 场 做 出 具 体 的 贡 献 。
富 士 电 机 作 为 电 力 电 子 技 术 的 先 驱 者 , 早 在 70 年 代 中
期 , 就 开 始 生 产 功 率 半 导 体 器 件 , 而 该 器 件 为 电 力 电 子 的 一
个 重 要 要 素 。 迄 今 为 止 , 富 士 电 机 为 许 多 行 业 提 供 了 各 种 应
用 产 品 。 此 外 , 富 士 电 机 于 2008 年 进 行 了 机 构 重 组 , 将
相 关 的 应 用 产 品 集 中 到 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 内 , 设 置 了 驱
动 装 置 事 业 部 门 。 在 重 视 既 有 产 品 的 基 础 上 , 为 提 供 更 加 广
泛 适 应 社 会 需 求 的 产 品 与 系 统 , 正 向 立 足 客 户 立 场 的 解 决 方
案 型 企 业 转 型 。
例 如 , 随 数 字 信 息 量 的 扩 大 , 相 关 行 业 均 增 设 了 网 络 数
据 中 心 , 而 网 络 数 据 中 心 的 耗 电 问 题 引 起 了 广 泛 关 注 。 实 际
上 ,IT 设 备 所 占 网 络 数 据 中 心 的 耗 电 量 比 重 约 为 三 成 , 而
大 部 分 电 力 都 被 冷 却 、 空 调 及 电 源 等 装 置 所 消 耗 。 因 此 ,
行 业 人 士 提 出 并 开 始 研 究 总 体 节 能 减 排 的 “ 绿 色 网 络 数 据 中
心 ” 构 想 , 在 提 高 单 个 设 备 效 率 的 同 时 试 图 提 高 整 个 系 统 的
效 率 。
另 一 方 面 , 全 球 性 经 济 的 可 持 续 发 展 将 是 大 势 所 趋 。 随
着 经 济 的 发 展 , 人 与 物 的 流 动 日 益 频 繁 , 为 使 这 些 流 动 更 加
便 捷 、 高 效 , 必 定 会 不 断 提 高 对 交 通 运 输 建 设 的 要 求 。 这 一
课 题 在 BRICs 各 国 尤 为 明 显 。 最 近 的 全 球 性 金 融 危 机 可 能
会 减 少 一 些 此 类 要 求 , 但 为 振 兴 经 济 , 作 为 节 能 环 保 运 输
工 具 的 铁 道 运 输 , 各 国 将 对 其 重 新 评 估 , 并 积 极 增 加 资 金
投 入 , 对 交 通 运 输 基 础 设 施 的 投 资 迟 早 会 回 到 成 长 的 轨 道 上
来 。 各 国 迟 早 会 再 次 兴 起 的 投 资 浪 潮 。 对 铁 路 与 船 舶 进 行 大
量 货 物 的 运 输 时 产 生 的 二 氧 化 碳 量 加 以 控 制 , 在 考 虑 节 能 与
环 保 的 前 提 下 , 构 建 高 效 、 优 质 的 运 输 系 统 的 方 案 受 到 高 度
期 待 。
为 实 现 上 述 的 “ 绿 色 网 络 数 据 中 心 ” 构 想 与 建 立 高 效 、
优 质 的 运 输 系 统 的 构 想 , 富 士 电 机 正 在 研 究 如 何 通 过 发 挥 集
团 的 各 项 技 术 优 势 来 制 定 一 个 综 合 的 、 系 统 性 的 解 决 方 案 。
此 外 , 在 解 决 方 案 所 需 的 单 项 设 备 方 面 , 我 们 也 计 划 通
过 提 高 电 力 电 子 应 用 技 术 , 立 足 全 球 化 视 角 的 产 品 制 造 和 全
球 化 服 务 环 境 的 建 设 为 国 内 外 客 户 提 供 更 好 的 产 品 与 服 务 。
今 后 , 富 士 电 机 将 更 大 程 度 地 采 取 积 极 措 施 来 保 护 地 球
环 境 。 这 些 措 施 包 括 最 大 程 度 及 有 效 地 利 用 有 限 的 能 源 , 通
过 电 气 驱 动 系 统 来 代 替 化 石 燃 料 , 以 及 最 大 程 度 的 利 用 太 阳
能 与 风 能 等 自 然 能 源 等 。
本 专 辑 将 对 富 士 电 机 公 司 业 务 之 一 的 驱 动 装 置 与 电 源 技
术 进 行 介 绍 。
我 们 衷 心 希 望 阅 读 本 杂 志 的 各 位 读 者 能 给 予 我 们 指 导 与
支 持 , 让 我 们 一 起 为 社 会 , 为 市 场 , 为 地 球 环 境 保 护 做 出 贡
献 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 的 现 状 及 展 望
专
辑
Drive and Power Supply Technology: Current Status and Future Outlook
保 坂 忍 Shinobu Hosaka 伊 藤 伸 一 Shinichi Ito
当 今 , 以 节 能 、 环 保 需 求 为 中 心 的 驱 动 装 置 、 电 源 解 决 方 案 正 受 到 全 球 相 关 行 业 越 来 越 高 的 期 待 。 为 满 足 这 一 市 场 需 求 ,
富 士 电 机 在 新 制 定 的 中 期 战 略 中 大 力 发 展 驱 动 装 置 事 业 。 驱 动 装 置 事 业 的 目 标 确 定 为 产 业 与 社 会 设 施 解 决 方 案 、 交 通 运 输 解 决
方 案 、 能 源 环 境 解 决 方 案 、 产 品 这 四 个 领 域 。 从 客 户 的 角 度 出 发 改 进 业 务 结 构 、 强 化 系 统 解 决 方 案 、 通 过 为 客 户 提 供 最 高 水 准
的 产 品 谋 求 事 业 的 不 断 发 展 。
Presently, expectations for drive and power supply solutions to achieve energy savings and meet environmental needs are increasing
worldwide. In response to these needs, Fuji Electric has formulated a medium-term strategy with our drive business positioned as a core business.
Fuji Electric’s drive business provides solutions for four target fields: industry and society, transportation, energy and the environment, and
components. Fuji Electric is working to expand this business by reorganizing our business structure from the customers’ perspective, strengthening
our system solution business, and continuing to supply the world’s highest level of components.
前 言
当 今 , 世 界 各 国 都 倾 向 于 选 择 具 有 节 能 、 环 保 功 能 的 驱
动 装 置 与 电 源 技 术 解 决 方 案 。 举 例 来 说 , 随 着 真 正 的 信 息
与 通 讯 技 术 的 实 现 , 至 2025 年 日 本 的 信 息 量 预 计 将 上 升
到 约 为 现 在 的 200 倍 。 根 据 绿 色 IT 推 进 协 议 会 的 测 算 , 与
此 相 应 的 IT 设 备 与 系 统 的 消 耗 电 力 2025 年 将 达 到 2006
年 的 5.2 倍 。 而 从 包 括 BRICs 这 四 大 发 展 中 国 家 的 全 球 范
围 来 看 , 则 上 述 电 量 的 增 长 将 为 9.4 倍 , 增 长 率 超 过 日 本 。
为 控 制 耗 电 量 的 急 剧 增 长 , 相 关 机 构 提 出 应 利 用 电 力 电 子 技
⑴
术 来 实 现 绿 色 信 息 交 流 科 技 化 的 解 决 方 案 。 此 外 , 有 关 抑 制
全 球 气 候 变 暖 的 《 京 都 议 定 书 》 对 2009 年 日 本 的 温 室 气 体
排 放 量 进 行 明 确 规 定 , 这 也 是 该 议 定 书 对 日 本 提 出 相 关 要 求
的 第 一 阶 段 中 的 第 一 年 。 为 缩 小 实 际 值 与 目 标 值 的 差 距 , 可
能 会 要 求 进 一 步 采 取 节 能 与 环 保 措 施 以 减 少 温 室 气 体 的 排 放
量 。
同 时 , 随 着 电 力 电 子 技 术 的 进 步 使 相 关 产 品 也 在 不 停 的
升 级 换 代 , 越 来 越 符 合 市 场 的 需 求 。
针 对 市 场 对 节 能 环 保 产 品 的 巨 大 需 求 , 富 士 电 机 在 其 企
业 中 期 战 略 中 明 确 提 出 将 驱 动 装 置 事 业 作 为 重 点 开 发 对 象 。
驱 动 装 置 事 业 包 括 产 业 与 社 会 设 施 解 决 方 案 、 交 通 运 输 解 决
方 案 、 能 源 环 境 解 决 方 案 和 产 品 开 发 这 四 个 组 成 部 分 , 每 个
组 成 部 分 都 为 一 个 事 业 目 标 点 。
富 士 电 机 将 从 客 户 的 角 度 出 发 , 通 过 重 组 事 业 结 构 、 强
化 系 统 解 决 方 案 事 业 、 制 造 世 界 一 流 水 准 的 产 品 来 谋 求 事 业
的 进 一 步 发 展 。 图 1 表 示 的 是 事 业 理 念 , 表 1 表 示 的 是 目 标
市 场 的 四 个 领 域 与 基 础 产 品 。
以 下 几 章 将 介 绍 富 士 电 机 大 力 投 入 的 驱 动 装 置 的 市 场 动
向 , 及 公 司 针 对 技 术 、 产 品 的 开 发 战 略 。
表 1 驱 动 装 置 事 业 的 四 个 领 域
领 域 目 标 市 场 基 础 产 品 解 决 方 案
产 业 与 社 会 设
施 解 决 方 案
国 内 产 业 成 套 设 备
国 外 轧 钢 生 产 线
国 外 钢 铁 生 产 线
汽 车 产 业
石 油 化 工
变 频 器
伺 服 器
永 磁 电 机 (PM 电 机 )
可 编 程 控 制 器 (PLC)
成 套 设 备 的 驱 动 装 置 解 决 方 案
通 过 永 磁 电 机 实 现 的 节 能 驱 动 装 置 的 解 决 方 案
全 球 推 广
交 通 运 输 解 决 方 案
铁 道 车 辆 用 电 机 产 品
商 船 用 电 气 推 进 产 品
叉 车 市 场
铁 道 车 辆 用 电 机 产 品
日 本 特 殊 设 备 用 电 机 产 品
变 频 器
新 干 线 、 普 通 铁 路 线 的 车 辆 系 统 、 车 门 系 统
利 于 环 保 的 船 舶 电 动 化 推 进 系 统
车 辆 新 领 域 的 解 决 方 案
能 源 环 境 解 决 方 案
IDC 市 场
制 造 业
新 能 源
大 中 型 电 源
小 型 电 源
太 阳 能 PCS
绿 色 数 据 中 心 解 决 方 案 ( 电 源 / 热 / 新 能 源 )
绿 色 IDC 用 电 源 、 超 高 效 率 电 源
新 能 源 领 域 ( 太 阳 能 发 电 系 统 )
产 品
+
复 合 商 品
起 重 机
机 床
印 刷 机 械
试 验 机
半 导 体 制 造 装 置
变 频 器
伺 服 器
可 编 程 控 制 器 (PLC)
更 快 、 更 廉 价 、 更 优 质 地 生 产 市 场 所 需 商 品
扩 大 复 合 商 品 业 务 ( 产 品 及 系 统 解 决 方 案 )
节 能 解 决 方 案
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 的 现 状 及 展 望
图 1
驱 动 装 置 的 事 业 理 念
市 场 动 向
2.1 产 业 与 社 会 设 施 解 决 方 案
在 节 能 领 域 , 富 士 电 机 正 大 范 围 推 进 电 动 机 的 可 变 速 驱
动 化 , 以 此 提 高 以 风 机 与 泵 为 中 心 的 转 矩 随 转 速 的 平 方 下 降
的 机 械 的 运 转 效 率 。 为 实 现 可 变 速 驱 动 化 , 富 士 电 机 也 开 始
使 用 通 用 变 频 器 与 高 压 变 频 器 , 以 及 将 老 式 电 机 更 换 成 永 久
磁 铁 型 电 动 机 ( 永 磁 电 机 )。 不 仅 通 过 变 频 器 与 电 动 机 的 组
合 来 提 高 系 统 整 体 效 率 , 富 士 电 机 在 尝 试 通 过 改 善 运 转 方 式
等 手 段 来 提 高 设 备 的 综 合 效 率 。
在 钢 铁 、 造 纸 、 水 泥 、 石 油 化 工 等 产 业 的 工 厂 里 , 要 求
设 备 更 新 换 代 的 呼 声 很 高 。 具 体 包 括 将 已 有 的 电 动 机 与 驱 动
控 制 装 置 换 成 新 产 品 , 以 及 将 设 备 能 力 与 功 能 较 低 的 设 备 换
成 设 备 能 力 与 功 能 较 高 的 设 备 。 驱 动 装 置 的 性 能 与 功 能 的 提
高 将 很 大 程 度 上 促 进 电 机 大 容 量 化 和 高 速 化 所 带 来 的 生 产 能
力 的 提 高 、 电 机 的 高 速 响 应 所 带 来 的 产 品 制 造 精 度 和 成 品 率
的 提 高 。
2.2 交 通 运 输 解 决 方 式
铁 路 车 辆 方 面 , 日 本 国 内 市 场 规 模 已 趋 稳 定 , 公 司 正 积
极 地 开 展 以 N700 系 列 新 干 线 为 代 表 的 节 能 设 备 的 研 发 活
动 。 以 亚 洲 为 中 心 的 发 展 中 国 家 为 推 进 基 础 设 施 建 设 也 积 极
投 资 铁 路 建 设 。 在 船 舶 方 面 , 业 界 正 在 开 发 具 有 环 保 功 能 的
电 力 驱 动 船 。 今 后 , 商 船 的 电 力 驱 动 系 统 市 场 前 景 看 好 。
2.3 能 源 环 境 解 决 方 案
为 提 高 内 部 管 理 效 率 与 业 务 效 率 ,IT 设 备 趋 向 集 成 化
与 大 型 化 , 而 IT 设 备 的 管 理 也 越 来 越 多 地 采 用 外 包 形 式 。
这 样 一 来 , 就 扩 大 了 网 络 数 据 中 心 的 市 场 。 当 前 亟 待 解 决 的
是 如 何 降 低 信 息 领 域 的 能 源 消 耗 量 。
伴 随 着 太 阳 能 发 电 与 风 力 发 电 等 新 能 源 的 迅 速 普 及 , 把
所 发 电 力 连 接 到 电 网 的 电 力 调 节 装 置 、 系 统 连 接 、 电 力 稳 定
技 术 也 逐 渐 变 得 尤 为 重 要 。
2.4 产 品
在 工 业 领 域 , 由 于 节 能 、 二 氧 化 碳 减 排 、 机 械 设 备 安 全
性 提 高 和 搬 运 机 械 的 适 用 容 量 范 围 扩 大 的 需 求 , 对 电 机 、 变
频 器 、 伺 服 系 统 的 产 品 需 求 也 随 之 不 断 提 高 。
为 达 到 节 能 , 使 风 机 和 泵 的 输 出 达 到 最 合 理 的 通 用 变 频
器 , 以 及 提 高 电 机 机 械 效 率 的 技 术 受 到 了 极 大 的 关 注 。 此 外 ,
对 于 搭 载 到 机 械 设 备 上 的 伺 服 系 统 , 在 以 往 的 高 速 、 高 精 度
的 基 础 上 , 还 附 加 了 系 统 结 构 简 单 、 使 用 方 便 、 设 定 安 装 时
简 短 、 廉 价 的 要 求 。
2.5 服 务
购 买 上 述 解 决 方 案 与 产 品 的 客 户 还 可 享 用 支 持 服 务 , 这
一 服 务 涵 盖 一 个 完 整 的 产 品 周 期 循 环 , 包 括 产 品 的 更 新 与 废
弃 在 内 。
特 别 是 对 那 些 销 往 国 内 外 的 通 用 变 频 器 等 产 品 , 厂 家 必
须 提 供 紧 急 维 护 时 所 必 须 的 备 件 、 成 品 备 件 、 修 理 与 技 术 支
持 。 而 今 , 世 界 各 国 对 这 些 服 务 的 对 应 速 度 提 出 了 更 高 的 要
求 。
另 外 , 为 更 好 地 通 过 维 护 工 作 来 预 这 防 设 备 故 障 , 就 必
须 把 握 设 备 的 运 行 状 况 , 这 要 求 厂 家 具 有 收 集 必 要 数 据 的 能
力 。 若 想 使 设 备 运 行 更 稳 定 , 就 需 消 除 无 法 预 期 的 设 备 停 运
现 象 。 而 要 消 除 这 一 现 象 , 厂 家 必 须 丰 富 自 身 的 预 知 维 护 技
术 并 提 高 这 一 技 术 的 精 度 水 平 。
针 对 上 述 要 求 , 富 士 电 机 正 积 极 强 化 全 球 服 务 网 络 , 并
积 极 提 高 预 知 维 护 技 术 。 公 司 将 通 过 这 些 手 段 来 完 善 整 个 产
品 周 期 过 程 中 的 维 护 支 持 ( 维 护 服 务 ) 工 作 , 且 维 护 支 持 正
是 运 用 支 持 的 重 要 部 分 之 一 。
富 士 电 机 的 驱 动 装 置 和 电 源 技 术 的 动 向
3.1 市 场 动 向
当 今 , 市 场 需 求 的 大 方 向 是 能 源 与 环 境 , 以 低 损 耗 、 新
能 源 为 关 键 词 。 业 界 正 在 通 过 低 损 耗 元 件 及 电 路 技 术 来 追 求
驱 动 装 置 与 电 源 的 低 耗 电 及 高 效 率 , 并 着 手 推 动 机 械 的 电 动
化 。 另 外 , 针 对 太 阳 能 、 风 力 发 电 产 生 的 电 能 , 通 过 电 力 调
节 装 置 进 行 转 换 、 通 过 蓄 电 装 置 进 行 贮 藏 、 通 过 双 向 转 换 器
实 现 电 力 的 稳 定 化 。 另 外 , 市 场 上 出 现 了 能 最 佳 利 用 电 能 的
智 能 电 网 (smart grid) 的 电 力 产 品 与 技 术 。 综 上 所 述 , 在
市 场 非 常 重 视 能 源 和 环 境 的 今 天 , 驱 动 装 置 与 电 源 技 术 变 得
特 别 重 要 。
3.2 技 术 开 发 方 针
富 士 电 机 着 眼 于 驱 动 装 置 事 业 , 部 门 的 理 念 是 “ 最 大 程
度 利 用 电 力 电 子 技 术 , 提 供 最 优 质 的 产 品 、 系 统 与 服 务 , 为
保 护 环 境 做 出 最 大 贡 献 ”。 对 于 上 文 中 提 到 的 四 个 领 域 , 下
文 将 介 绍 富 士 电 机 技 术 开 发 的 基 本 方 针 。
在 能 源 和 环 境 领 域 , 富 士 电 机 已 成 为 日 本 国 内 电 源 产 业
的 第 一 品 牌 。 在 运 输 领 域 , 公 司 将 进 一 步 扩 大 伙 伴 战 略 , 向
国 外 拓 展 其 节 能 、 环 保 和 运 输 事 业 。 在 产 业 与 社 会 设 施 领 域 ,
将 以 高 压 变 频 器 和 永 磁 电 机 为 中 心 , 集 中 力 量 进 行 节 能 业 务
专
辑
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 的 现 状 及 展 望
专
辑
的 推 广 。 在 产 品 领 域 , 富 士 电 机 将 掀 起 由 单 项 产 品 过 渡 到 复
合 商 品 业 务 的 变 革 , 并 通 过 对 应 客 户 定 制 的 标 准 模 块 化 来 发
展 事 业 。 此 外 , 公 司 将 强 化 驱 动 装 置 与 电 源 的 通 用 基 本 技 术 ,
将 有 利 于 以 上 四 个 领 域 的 解 决 方 案 的 技 术 与 主 导 产 品 的 开 发
作 为 企 业 的 重 点 项 目 。
3.3 技 术 开 发 特 征
电 力 电 子 技 术 是 由 元 器 件 、 电 路 、 控 制 三 个 要 素 组 成 的
技 术 领 域 , 通 过 密 切 联 系 并 融 合 这 些 技 术 , 生 产 出 具 有 竞 争
力 的 产 品 。 富 士 电 机 集 团 是 一 家 能 够 使 上 述 三 个 要 素 发 挥 相
乘 增 效 作 用 的 企 业 , 而 电 力 电 子 技 术 也 是 富 士 电 机 集 团 擅 长
的 领 域 。 富 士 电 机 将 利 用 自 身 的 相 乘 效 应 , 通 过 提 高 效 率 来
降 低 产 品 的 耗 电 量 , 并 生 产 出 竞 争 力 强 劲 的 差 别 化 产 品 。
在 未 来 的 一 段 时 期 , 富 士 电 机 计 划 在 电 源 系 统 、 可 变 速
控 制 系 统 、 机 车 船 舶 驱 动 系 统 的 节 能 领 域 以 及 太 阳 能 电 力 调
节 装 置 、 风 力 发 电 双 向 变 流 装 置 、 电 源 稳 定 装 置 、 电 力 贮
藏 等 设 备 的 产 能 ( 产 生 能 源 ) 领 域 开 发 更 多 具 有 强 大 竞 争 力
的 产 品 。 具 体 来 说 , 就 是 使 用 新 器 件 开 发 绿 色 电 力 电 子 技
术 , 同 时 将 一 直 以 来 作 为 研 发 重 点 的 通 用 基 础 技 术 进 行 组 合 ,
并 将 这 些 开 发 的 成 果 应 用 到 绿 色 网 络 数 据 中 心 、 太 阳 能 发 电 、
电 力 贮 藏 、 全 球 机 车 系 统 、 船 舶 驱 动 系 统 、 可 变 速 驱 动 装 置
产 品 上 。
3.4 通 用 基 础 技 术
⑴ 电 力 电 子 平 台
富 士 电 机 通 过 整 合 和 重 组 通 用 基 础 技 术 来 实 现 有 效 运 用
开 发 资 源 , 将 通 用 技 术 作 为 一 种 平 台 并 对 其 加 以 强 化 。 这 一
平 台 的 主 要 的 工 具 为 :
对 电 抗 器 与 变 压 器 进 行 最 佳 设 计 及 极 限 设 计 , 用 最 少
的 材 料 实 现 部 件 的 小 型 化 , 并 且 在 设 计 阶 段 实 现 高 精 度 性
能 预 测 , 缩 短 产 品 开 发 时 间 的 电 磁 器 件 设 计 工 具
对 不 同 用 户 的 要 求 规 格 迅 速 作 出 答 复 、 减 少 设 计 错 误 、
缩 短 设 计 修 改 与 评 估 时 间 的 嵌 入 式 电 源 自 动 设 计 工 具
能 在 短 时 间 内 对 大 规 模 电 力 电 子 配 电 柜 内 部 气 流 分 布
与 半 导 体 模 块 内 部 芯 片 的 发 热 引 起 的 温 度 分 布 进 行 预 测 的
冷 却 设 计 工 具
⑵ 电 力 变 换 技 术
驱 动 装 置 技 术 的 关 键 是 功 率 器 件 与 电 力 变 换 的 电 路 技
术 以 及 在 最 佳 条 件 下 对 这 些 技 术 加 以 运 用 的 控 制 技 术 。 富
士 电 机 的 一 大 优 势 就 是 公 司 拥 有 自 身 的 电 子 器 件 部 门 。 利
用 这 一 优 势 , 公 司 一 直 在 其 产 品 中 加 入 晶 闸 管 、 晶 体 管 、
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Transistor)、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
等 变 换 元 件 。 这 些 产 品 包 括 数 十 瓦 级 的 信 息 设 备 的 内 部 电 源 、
十 〜 数 百 kVA 级 别 的 通 用 变 频 器 、 数 MVA 级 别 的 轧 钢 机
用 变 频 器 、 数 百 MVA 级 别 的 铝 电 解 整 流 器 等 等 。 富 士 电 机
根 据 这 些 产 品 的 用 途 , 为 其 研 发 了 具 有 特 色 的 变 换 电 路 技 术 。
在 大 容 量 变 换 器 技 术 方 面 , 富 士 电 机 推 出 了 将 3.3 kV
IGBT 元 件 进 行 串 联 并 实 现 多 电 平 控 制 的 7.5 MVA 工 业 用
高 压 变 频 器 ( 图 2), 并 计 划 将 这 一 技 术 运 用 到 大 容 量 变 频 装
置 与 闪 变 补 偿 装 置 上 。 在 不 间 断 电 源 装 置 方 面 , 富 士 电 机 通
图 2 3.3 kV IGBT 串 联 变 频 器
过 将 该 机 型 通 用 的 功 率 单 元 并 联 连 接 实 现 机 型 系 列 化 和 大 容
量 化 。
此 外 , 在 小 容 量 变 换 器 方 面 , 为 实 现 信 息 设 备 内 部 电 源
的 高 功 率 密 度 化 , 富 士 电 机 实 现 了 利 用 多 层 电 路 板 配 线 组 成
绝 缘 变 压 器 线 圈 的 技 术 的 运 用 , 以 及 利 用 多 层 电 路 板 配 线 实
现 半 导 体 器 件 的 散 热 功 能 的 技 术 的 运 用 。
⑶ 控 制 技 术
即 使 在 低 速 运 行 状 态 下 , 也 能 使 永 磁 电 机 稳 定 运 转 的 无
磁 极 传 感 器 的 控 制 技 术 已 实 际 运 用 到 铁 路 车 辆 上 。 通 过 采 用
磁 通 量 观 测 器 , 富 士 电 机 实 现 了 磁 极 位 置 的 高 精 度 测 定 。 且
这 一 观 测 器 对 噪 音 与 电 动 机 类 型 无 特 别 要 求 。
另 外 , 富 士 电 机 将 高 频 度 观 测 器 与 低 频 度 观 测 器 进 行 组
合 , 开 发 出 多 速 率 观 测 器 , 从 而 实 现 防 振 动 控 制 。 这 一 控 制
技 术 可 运 用 于 搬 运 机 械 与 机 床 领 域 。 这 一 技 术 将 有 助 于 缩 短
起 重 机 自 动 化 设 备 的 操 作 时 间 。
⑷ 电 机 技 术
永 磁 电 机 通 过 在 转 子 内 部 配 置 永 久 磁 铁 , 大 幅 降 低 电 机
内 部 损 耗 , 实 现 电 机 的 高 效 率 及 小 型 化 , 是 一 种 能 够 满 足 节
能 与 环 保 要 求 的 产 品 。 富 士 电 机 将 永 磁 电 机 与 变 频 器 等 设 备
构 成 的 节 能 系 统 作 为 驱 动 装 置 事 业 的 核 心 产 品 以 推 进 其 技 术
发 展 。 富 士 电 机 构 筑 了 该 公 司 的 关 键 项 目 — 永 磁 电 机 设 计
平 台 , 这 一 平 台 用 以 实 现 电 动 机 的 最 佳 设 计 、 性 能 预 测 , 并
能 将 需 要 的 磁 性 材 料 减 少 到 最 低 程 度 , 将 磁 石 的 最 大 耐 退 消
磁 量 设 计 时 间 缩 减 到 最 短 。 目 前 , 工 厂 设 计 部 门 正 使 用 这 一
平 台 。
⑸ 服 务 相 关 技 术
远 程 监 视 技 术
为 通 过 控 制 电 脑 实 现 国 外 远 程 监 视 这 一 技 术 , 富 士 电
机 早 在 1975 年 就 开 始 研 发 远 程 监 视 功 能 , 其 对 象 和 范
围 已 经 扩 大 到 分 散 型 控 制 装 置 (DCS)、 不 间 断 电 源 装 置
(UPS)、 发 电 装 置 、 一 部 分 变 频 器 与 燃 料 电 池 等 。
富 士 电 机 研 发 出 了 新 型 的 远 程 监 视 模 块 , 并 将 其 作 为
通 用 基 础 模 块 安 装 到 相 关 设 备 上 。 这 一 模 块 的 诞 生 意 味 着
以 往 只 具 有 “ 掌 握 产 品 状 态 ” 功 能 的 产 品 将 同 时 具 有 “ 掌
握 工 厂 ( 设 备 ) 状 态 ” 功 能 , 也 就 是 说 设 备 能 通 过 搜 集 相
关 运 行 数 据 来 掌 握 运 行 状 况 。 通 过 该 模 块 , 我 们 可 以 完 善
设 备 的 预 知 维 护 , 并 提 高 交 货 测 试 的 效 率 , 以 及 交 货 后 进
12(12)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 的 现 状 及 展 望
图 3
远 程 监 视 模 块
发 面 向 国 外 多 功 能 化 铁 路 车 辆 辅 助 电 源 , 这 种 辅 助 电 源 以
IGBT 多 串 联 技 术 为 核 心 , 能 实 现 产 品 的 高 性 能 化 与 多 功 能
化 。 在 车 辆 车 门 系 统 方 面 , 富 士 电 机 开 发 的 直 线 电 机 式 车 门
系 统 也 获 得 市 场 的 好 评 。
在 船 舶 领 域 方 面 , 今 后 富 士 电 机 将 根 据 市 场 需 要 , 继 续
结 合 电 气 推 进 系 统 与 辅 助 机 械 卸 驱 动 系 统 的 新 系 统 进 行 技 术
研 发 。
专
辑
行 停 工 维 护 时 的 启 动 试 验 的 效 率 。 图 3 所 示 为 用 于 变 频 器
的 远 程 监 视 模 块 的 概 要 。
预 知 维 护 技 术
预 知 维 护 技 术 包 括 老 化 诊 断 技 术 与 剩 余 寿 命 诊 断 技 术 ,
是 针 对 预 知 维 护 过 程 中 的 器 件 状 态 而 研 发 的 一 种 监 视 维 护
技 术 。 富 士 电 机 对 油 侵 式 变 压 器 进 行 的 老 化 诊 断 与 剩 余 寿
命 诊 断 最 早 可 追 溯 到 80 年 代 , 而 对 旋 转 设 备 进 行 这 些 诊
断 则 开 始 于 2000 年 左 右 。 继 实 现 油 侵 式 变 压 器 剩 余 寿
命 诊 断 的 高 精 度 , 实 现 干 式 变 压 器 与 变 频 器 的 老 化 诊 断
及 剩 余 寿 命 诊 断 的 系 统 化 之 后 , 富 士 电 机 最 近 通 过 RFID
(Radio Frequency Identification) 研 发 出 了 能 诊 断 旋
转 设 备 ( 电 动 机 和 电 动 机 的 机 械 负 载 ) 振 动 的 无 线 式 振 动
诊 断 系 统 。
产 品 研 发 的 方 针
4.1 产 业 与 社 会 设 施 解 决 方 案
为 通 过 功 能 强 大 的 产 品 与 丰 富 的 工 厂 设 计 技 术 的 融 合 、
制 造 出 新 系 统 与 服 务 的 解 决 方 案 , 富 士 电 机 正 研 发 以 下 项 目 。
富 士 电 机 在 高 压 变 频 器 节 能 领 域 拥 有 许 多 实 际 成 果 。 为
扩 大 在 日 本 国 外 生 产 的 变 频 器 机 型 种 类 , 保 持 并 提 高 在 国 内
市 场 的 竞 争 力 , 公 司 正 通 过 电 力 电 子 平 台 研 发 新 产 品 。 此 外 ,
对 于 大 容 量 驱 动 装 置 技 术 , 实 现 了 IGBT 模 块 串 联 变 频 器 的
批 量 生 产 。
另 一 方 面 , 在 开 展 与 强 化 设 备 更 新 业 务 方 面 , 富 士 电 机
对 以 钢 铁 、 造 纸 、 石 油 化 工 为 中 心 的 产 业 工 厂 所 使 用 的 变 频
器 “FRENIC4000/4400 系 列 ” 产 品 种 类 进 行 扩 大 的 同 时 ,
还 丰 富 了 可 控 硅 伦 纳 德 的 功 能 。 除 此 以 外 , 还 通 过 分 析 逆 变
器 驱 动 电 机 系 统 的 电 压 浪 桶 和 轴 承 电 化 腐 蚀 的 相 关 理 论 提 高
了 变 频 器 驱 动 电 机 系 统 的 可 靠 性 。
为 进 一 步 扩 大 汽 车 与 建 筑 机 械 领 域 的 产 品 链 , 富 士 电 机
研 发 了 试 验 机 驱 动 系 统 及 大 容 量 伺 服 器 系 统 。
4.2 交 通 运 输 解 决 方 案
富 士 电 机 正 研 发 铁 路 车 辆 产 品 , 研 发 对 象 包 括 新 干 线 机
车 系 统 、 普 通 铁 路 车 辆 系 统 与 直 线 驱 动 车 门 系 统 的 新 一 代 技
术 。
在 新 干 线 机 车 系 统 方 面 , 富 士 电 机 正 研 发 永 磁 电 机 无 磁
极 传 感 器 驱 动 系 统 。 在 普 通 铁 路 车 辆 系 统 方 面 , 富 士 电 机 研
4.3 能 源 环 境 解 决 方 案
为 顺 应 市 场 对 节 能 的 强 烈 需 求 , 富 士 电 机 决 定 进 入 新 能
源 市 场 , 并 通 过 研 发 以 下 项 目 来 实 现 电 源 的 稳 定 化 。
在 大 中 型 容 量 不 间 断 电 源 方 面 , 网 络 数 据 中 心 高 效 机
型 “UPS7000D 系 列 ” 产 品 中 扩 充 了 并 联 冗 余 功 能 , 并 在
“UPS8000D 系 列 ” 产 品 中 加 入 待 机 冗 余 功 能 。 同 时 , 富 士
电 机 还 将 继 续 研 发 降 低 损 耗 功 能 , 进 一 步 提 高 网 络 数 据 中 心
领 域 的 电 源 稳 定 化 与 节 能 能 力 。
在 小 型 电 源 方 面 , 富 士 电 机 正 研 发 满 足 国 际 能 源 之 星 计
划 ( 能 源 之 星 )( 参 考 第 132 页 的 “ 解 说 2”)、CSCI(Climate
Savers Computing Initiative)( 参 考 第 132 页 的 “ 解 说
2”) 等 效 率 规 定 的 产 品 。 同 时 , 公 司 还 在 研 究 控 制 电 路 的 数
字 化 以 及 如 何 将 新 元 件 ( 碳 化 硅 (SiC)MOSFET) 应 用 到 电
源 设 备 的 课 题 。
在 新 能 源 领 域 , 富 士 电 机 正 进 行 太 阳 能 发 电 的 电 力 调 节
器 与 用 于 电 力 贮 藏 系 统 上 的 电 力 调 节 器 的 产 品 开 发 及 制 造 。
4.4 产 品
富 士 电 机 为 提 供 世 界 一 流 水 平 的 产 品 而 不 断 地 进 行 新 技
术 开 发 。
为 提 高 新 产 品 研 发 的 效 率 及 速 度 , 并 强 化 电 力 电 子 平 台 ,
富 士 电 机 对 以 下 基 础 技 术 进 行 了 研 发 。
通 过 构 建 变 频 器 单 元 的 热 解 析 模 型 、 传 导 噪 音 解 析 模
型 与 强 度 解 析 模 型 来 强 化 仿 真 技 术
实 现 高 度 发 达 的 功 能 安 全 技 术
< 注 1 >
)
实 现 高 度 发 达 的 通 信 界 面 (Ethernet 适 用 技 术
永 磁 电 机 的 耐 振 动 性 强 化 , 以 及 对 其 评 估 技 术 的 研 究
永 磁 电 机 、 伺 服 电 机 的 通 用 技 术 ( 损 耗 、 冷 却 的 极 限
设 计 技 术 )
构 建 新 一 代 通 用 变 频 器 的 开 发 进 程
富 士 电 机 基 于 这 些 基 础 技 术 正 进 行 新 一 代 通 用 变 频 器 、
专 用 变 频 器 、 伺 服 系 统 、 永 磁 电 机 、 定 制 控 制 器 等 新 产 品 的
研 发 。 此 外 , 为 了 强 化 复 合 商 品 解 决 方 案 的 效 果 , 富 士 电 机
还 在 进 行 控 制 器 封 装 软 件 的 开 发 。
4.5 服 务
针 对 为 顾 客 所 提 供 的 解 决 方 案 与 产 品 , 富 士 电 机 不 断 提
高 对 产 品 周 期 过 程 中 的 维 护 支 持 ( 维 护 服 务 ) 功 能 。
富 士 电 机 基 于 全 球 目 标 , 正 通 过 相 关 项 目 的 研 发 来 扩 充
和 强 化 客 服 中 心 功 能 、 部 件 供 给 管 理 系 统 和 远 程 监 视 系 统 ,
以 此 强 化 公 司 的 紧 急 维 护 能 力 。
< 注 1 > Ethernet : 富 士 施 乐 株 式 会 社 的 注 册 商 标
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驱 动 装 置 与 电 源 技 术 的 现 状 及 展 望
专
辑
此 外 , 为 完 善 设 备 的 预 知 维 护 , 富 士 电 机 正 在 增 加 安 装
远 程 监 控 模 块 的 产 品 种 类 。 同 时 , 为 避 免 无 法 预 料 的 设 备 停
工 现 象 , 富 士 电 机 还 在 研 发 新 的 预 知 维 护 技 术 , 并 积 极 提 高
现 有 预 知 维 护 技 术 的 精 度 。
变 频 器 、 电 源 产 品 的 产 品 系 列
公 司 已 推 出 了 低 压 小 容 量 与 高 压 大 容 量 的 各 种 机 型 以 及
通 用 型 产 品 和 面 向 工 厂 的 高 精 度 高 性 能 产 品 。 这 些 产 品 可 满
足 各 种 不 同 的 市 场 需 求 。
由 高 效 率 永 磁 电 机 与 通 用 变 频 器 “FRENIC-MEGA” 组
合 成 的 节 能 驱 动 系 统 达 到 了 IEC60034-30 所 规 定 效 率 水
准 IE4 的 效 率 要 求 。 此 外 , 通 过 3.3 〜 10 kV 电 动 机 驱 动
变 频 器 作 为 驱 动 装 置 产 品 的 一 种 。 图 4 显 示 了 变 频 器 的
产 品 系 列 。
图 6 主 要 产 品 的 研 发 路 线 图
图 4 变 频 器 产 品 系 列
图 5 不 间 断 电 源 器 件 产 品 系 列
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 的 现 状 及 展 望
的 大 型 风 机 与 泵 实 现 节 能 的 高 压 变 频 器 “FRENIC4600” 系
列 产 品 因 符 合 市 场 需 求 , 受 到 客 户 高 度 青 睐 。 同 时 , 富 士 电
机 还 正 将 这 些 变 频 器 平 台 技 术 运 用 在 机 车 变 频 器 上 。
以 绿 色 IT 为 主 的 电 源 解 决 方 案 中 的 关 键 是 电 源 装 置 。
图 5 显 示 了 这 些 电 源 装 置 的 产 品 系 列 。 富 士 电 机 提 供 了 各 种
不 同 用 途 的 不 间 断 电 源 装 置 。
在 研 发 规 划 方 面 , 富 士 电 机 正 在 根 据 其 研 发 路 线 研 发 各
种 产 品 。 在 能 源 和 环 境 解 决 方 案 上 , 富 士 电 机 的 目 标 是 通 过
热 能 与 电 力 能 源 的 整 体 优 化 来 实 现 绿 色 网 络 数 据 中 心 。 而 在
交 通 运 输 解 决 方 案 领 域 , 富 士 电 机 正 着 力 于 全 球 铁 路 车 辆 市
场 的 解 决 方 案 业 务 。
图 6 显 示 了 富 士 电 机 的 产 品 、 解 决 方 案 及 服 务 领 域 的 研
发 路 线 图 。 此 外 , 富 士 电 机 生 产 了 面 向 机 床 的 普 及 型 伺 服 系
统 , 并 通 过 此 类 系 统 来 取 得 与 国 外 厂 家 竞 争 时 的 优 势 。 对 于
获 得 广 泛 使 用 的 高 性 能 矢 量 控 制 变 频 器 产 品 , 今 后 将 增 加 大
多 数 海 外 用 户 所 要 求 的 安 全 规 格 对 应 功 能 。 在 国 外 市 场 上 前
景 看 好 的 具 备 节 能 功 能 的 工 厂 空 调 设 备 方 面 , 富 士 电 机 推 出
了 专 用 型 低 压 变 频 器 产 品 , 提 高 了 设 备 的 环 保 性 能 。 在 节 能
效 果 明 显 的 工 厂 用 风 机 与 泵 方 面 , 富 士 电 机 将 逐 步 向 国 外 市
场 推 出 日 本 国 内 性 能 最 高 的 高 压 变 频 器 系 列 产 品 。
后 记
现 状 和 今 后 的 开 发 方 针 进 行 一 些 介 绍 。 在 21 世 纪 , 能 源 与
环 境 已 成 为 技 术 发 展 的 关 键 词 。 毋 庸 置 疑 , 相 关 行 业 对 电 力
电 子 技 术 的 发 展 寄 予 了 越 来 越 高 的 期 待 。 为 将 这 一 期 待 变 为
现 实 , 富 士 电 机 将 在 提 高 技 术 水 准 的 同 时 不 断 研 发 出 更 多 节
能 、 环 保 产 品 , 为 社 会 做 出 新 的 贡 献 。
参 考 文 献
⑴ 井 上 治 ,《 为 何 当 前 热 推 绿 色 IT ?〜 绿 色 IT 推 进 协 会 的 努 力 》,
节 能 , vol.61, no.1, 2009, p.23。
保 坂 忍
担 任 驱 动 装 置 与 工 厂 的 工 程 师 职 务 。 现 任 富 士 电 机
系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业 本 部 的 驱 动 装 置 统 括 部
长 、 日 本 电 气 学 会 会 员 、 日 本 钢 铁 协 会 会 员 。
伊 藤 伸 一
从 事 产 业 工 厂 控 制 系 统 的 策 划 与 设 计 。 现 任 富 士 电
机 系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业 本 部 的 系 统 设 计 中 心
共 通 技 术 部 长 、 日 本 电 气 学 会 会 员 。
专
辑
上 述 文 章 对 富 士 电 机 驱 动 装 置 与 电 源 技 术 , 电 源 产 品 的
15(15)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 力 电 子 设 备 的 技 术 要 素
专
辑
Core Technology of Power Electronics Equipment
中 村 一 夫 Kazuo Nakamura 笹 川 清 明 Kiyoaki Sasagawa
电 力 电 子 设 备 广 泛 用 于 家 用 电 器 、 产 业 及 社 会 设 施 等 领 域 , 对 提 高 生 产 效 率 、 实 现 电 力 的 高 效 利 用 做 出 了 卓 越 贡 献 。 富 士
电 机 在 多 个 领 域 推 出 了 具 有 市 场 竞 争 力 的 多 种 新 产 品 的 同 时 , 为 了 不 断 提 供 满 足 市 场 需 求 的 新 产 品 、 不 断 强 化 电 力 变 换 电 路 技
术 、 控 制 技 术 、 电 力 设 备 技 术 等 基 础 技 术 。 同 时 , 为 了 构 建 电 力 电 子 学 平 台 正 积 极 推 进 电 力 电 子 技 术 的 基 础 研 发 。
Power electronics equipment permeates a wide range of fields, from home electronic appliances to industrial and social infrastructures, and
contributes to the realization of energy savings, productivity improvements, and the efficient utilization of electric power energy. Fuji Electric
supplies distinctive product groups for a wide range of fields and applications, and in order to provide next-generation products that are both
appealing and responsive to market needs, Fuji Electric is enhancing its strength in the basic technologies of power conversion circuit technology,
control technology and power equipment technology and is advancing development of the core technology of power electronics so as to establish a
power electronics platform.
前 言
当 前 , 电 力 电 子 设 备 已 从 家 电 产 品 深 入 了 到 产 业 、 社 会
基 础 设 施 等 众 多 行 业 之 中 , 为 节 能 、 提 高 生 产 效 率 及 有 效 利
用 电 能 作 出 贡 献 。
富 士 电 机 为 产 业 、 社 会 基 础 设 施 、 交 通 运 输 、 能 源 、 环
境 等 领 域 提 供 产 品 群 的 同 时 , 还 一 直 致 力 于 作 为 其 基 础 技 术
的 电 力 电 子 技 术 的 研 发 。
本 文 将 介 绍 一 些 富 士 电 机 在 电 力 电 子 技 术 要 素 方 面 的 研
发 。
技 术 要 素 的 研 发
随 着 社 会 环 境 的 变 化 , 地 球 环 境 问 题 ( 全 球 变 暖 、 环 境
污 染 等 )、 化 石 燃 料 的 枯 竭 、 少 子 化 、 老 龄 化 、 劳 动 人 口 减
少 、 全 球 化 、 追 求 “ 安 心 、 安 全 ” 等 趋 势 逐 渐 显 现 。 另 一 方
面 , 市 场 对 二 氧 化 碳 减 排 、 节 能 、 自 然 能 源 的 利 用 、 生 产 效
率 、 安 全 性 与 可 靠 性 提 出 了 更 高 要 求 。
为 满 足 以 上 这 些 市 场 需 求 , 企 业 必 须 生 产 出 新 型 的 电 力
电 子 设 备 。 这 就 必 须 要 求 实 现 功 率 器 件 的 小 型 化 、 低 损 耗 化 ,
或 通 过 高 频 率 电 路 、 组 装 技 术 来 实 现 设 备 的 小 型 化 及 高 效 率
化 。 另 外 , 新 型 电 力 电 子 设 备 还 必 须 具 有 各 种 高 度 先 进 的 控
制 功 能 , 保 证 生 产 现 场 操 作 的 稳 定 性 ( 也 为 高 可 靠 性 ), 并
在 更 大 程 度 上 排 除 电 源 高 谐 波 及 电 磁 噪 音 , 实 现 与 环 境 协 调
发 展 。
迄 今 为 止 , 富 士 电 机 已 为 市 场 提 供 了 具 有 多 种 用 途 、 容
量 及 频 率 等 特 色 的 产 品 。 这 些 产 品 包 括 图 1 所 示 的 信 息
设 备 内 置 DC/DC 变 换 器 (50 瓦 级 别 )、 不 间 断 电 源 装
置 (500 kVA)、 轧 钢 机 用 变 频 器 ( 超 过 5 MVA)、 铝 电 解
用 整 流 器 (800 MW 级 )、 高 频 感 应 加 热 用 电 源 (1 MHz,
1 MW 级 ) 等 。
若 将 电 力 电 子 基 础 技 术 进 行 大 致 分 类 , 可 分 为 :1 功 率
图 1 富 士 电 机 生 产 的 电 力 电 子 设 备 产 品 群
图 2 市 场 需 求 与 富 士 电 机 研 发 的 电 力 电 子 设 备
功 率 ()
00
0
00
0
00
0
电
流 器
产
变 器
器
电 源
功 率 电
( )
感
电 源
设 备
电 源
设 备
置 电 源
0 00 0 00
率 ()
变
市 场 需 求
的 子
生 产 率 性 与 性
产
设
变 器
电 力 变 换 技 术
源
( 力
电 变 器 )
源
控 制 技 术
运
运 运 系 统
换 的
发 机 设 备
电 力 电 子 技 术 的
电 力 设 备 技 术
16(16)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 力 电 子 设 备 的 技 术 要 素
器 件 与 基 于 功 率 器 件 应 用 技 术 的 电 力 变 换 电 路 技 术 ;2 控 制
理 论 与 各 种 电 力 电 子 设 备 的 固 有 控 制 , 以 及 基 于 联 网 技 术 的
控 制 技 术 ;3 由 变 压 器 、 电 抗 器 、 旋 转 电 机 等 相 关 硬 件 电 力
设 备 技 术 构 成 的 技 术 。 在 提 供 上 述 具 有 特 色 的 产 品 群 的 同 时 ,
为 在 产 业 、 社 会 基 础 设 施 、 交 通 运 输 、 节 能 环 保 等 领 域 推 出
满 足 市 场 需 求 的 、 深 受 顾 客 青 睐 的 新 一 代 产 品 , 富 士 电 机 正
进 行 一 系 列 的 技 术 要 素 的 开 发 , 并 通 过 这 一 开 发 来 强 化 电 力
电 子 基 础 技 术 与 构 筑 电 力 电 子 技 术 平 台 ( 也 就 是 对 各 机 型 通
用 的 最 佳 设 计 技 术 进 行 扩 充 )。( 图 2)
本 文 将 介 绍 的 内 容 包 括 : 电 力 变 换 电 路 技 术 之 一 的 扩 大
设 备 单 体 容 量 的 大 容 量 化 技 术 及 实 现 设 备 小 型 化 的 高 功 率 密
度 化 技 术 ; 控 制 技 术 之 一 的 实 现 驱 动 设 备 高 度 发 达 的 驱 动 装
置 控 制 技 术 ; 电 力 设 备 技 术 之 一 的 电 机 设 计 技 术 ; 电 力 电 子
平 台 技 术 的 课 题 以 及 富 士 电 机 的 在 这 些 技 术 领 域 的 最 新 动 向 。
电 力 变 换 电 路 技 术
3.1 大 容 量 化 技 术
为 扩 大 电 力 电 子 应 用 产 品 的 使 用 范 围 , 富 士 电 机 正 研 发
功 率 半 导 体 器 件 的 串 联 / 并 联 、 功 率 单 元 并 联 化 、 装 置 多 重
化 以 及 多 电 平 大 功 率 化 技 术 。 本 文 将 介 绍 串 联 / 并 联 技 术 及
功 率 单 元 并 联 化 技 术 。
功 率 半 导 体 器 件 的 “ 串 联 / 并 联 技 术 ” 通 过 简 单 电 路 , 在
过 渡 期 间 内 实 现 了 串 联 IGBT 器 件 的 电 压 平 衡 。 实 现 这 一 平
衡 的 方 式 具 有 它 的 特 征 , 就 是 能 在 基 本 不 改 变 器 件 开 关 特 性
的 情 况 下 实 现 串 联 连 接 , 并 抑 制 了 开 关 损 耗 的 增 加 。 富 士
电 机 采 用 将 具 有 高 频 性 能 及 开 关 特 性 良 好 的 1 kV 级 别 通 用
IGBT 进 行 多 级 串 联 连 接 来 代 替 高 压 IGBT, 实 现 了 装 置 的
高 耐 压 化 , 提 高 了 高 压 大 功 率 电 力 变 换 装 置 的 性 能 。
此 外 , 在 新 产 品 — 大 容 量 不 间 断 电 源 “UPS7700F
图 3 2 个 功 率 单 元 并 联 情 况 下 的 仿 真 波 形
电 流 ()
00
电 流 波 形
电 流
200
平 电 流
0
2 电 流
200
2 电 流 波 形
系 列 ” 上 , 作 为 功 率 单 元 并 联 化 技 术 , 该 产 品 上 采 用 了 通 用
的 功 率 单 元 (100 kVA), 通 过 功 率 单 元 的 并 联 将 对 应 机 型
扩 大 至 100 kVA 〜 600 kVA 的 范 围 , 实 现 了 大 功 率 化 。
功 率 单 元 并 联 化 面 临 的 课 题 是 如 何 抑 制 各 单 元 输 出 电 流
的 失 衡 。 相 关 装 置 内 通 过 同 一 个 控 制 信 号 动 作 的 单 元 将 会 发
生 电 流 失 衡 , 产 生 这 种 失 衡 的 原 因 在 于 每 个 单 独 单 元 独 立
存 在 并 联 滤 波 电 抗 器 L f 偏 差 。 同 时 , 用 于 功 率 半 导 体 IGBT
的 驱 动 电 路 (GDU) 也 存 在 延 迟 时 间 的 偏 差 。 图 3 所 示 为
在 存 在 L f 偏 差 与 GDU 延 迟 时 间 偏 差 的 情 况 下 , 用 于 变 频 器
的 2 个 并 联 功 率 单 元 产 生 的 仿 真 波 形 。 根 据 仿 真 结 果 , 在
使 用 标 准 L f 及 GDU 的 情 况 下 , 并 联 2 个 功 率 单 元 时 会 产
生 20% 的 电 流 失 衡 , 而 并 联 6 个 功 率 单 元 时 , 则 会 产 生
40% 的 电 流 失 衡 。 此 次 开 发 的 装 置 , 在 功 率 单 元 的 GDU
部 位 增 加 了 检 测 功 率 单 元 的 电 流 偏 差 , 并 以 此 来 调 整 IGBT
驱 动 信 号 的 功 能 。 具 体 来 说 , 这 种 调 节 是 通 过 在 单 元 的 输 出
电 流 的 偏 差 为 正 的 情 况 下 延 长 IGBT 上 下 臂 之 间 的 封 锁 时 间
来 实 现 的 。 该 仿 真 波 形 如 图 3 所 示 。 通 过 这 一 方 法 , 即 便
存 在 L f 与 GDU 延 迟 时 间 的 偏 差 , 产 品 也 能 抑 制 单 元 的 电 流
失 衡 , 从 而 通 过 简 单 的 方 法 实 现 最 大 6 个 功 率 单 元 同 时 并 联 。
3.2 高 功 率 密 度 化 技 术
对 于 电 源 装 置 , 业 界 一 般 都 要 求 实 现 小 型 化 。 近 年 来 ,
特 别 是 信 息 、 通 信 领 域 对 高 功 率 密 度 化 的 要 求 日 益 增 长 , 其
要 求 表 现 为 在 容 量 不 变 的 情 况 下 减 小 尺 寸 , 或 者 在 尺 寸 不 变
的 情 况 下 提 高 容 量 。
母 线 变 换 器 是 在 通 信 装 置 中 将 前 端 电 源 ( 交 流 输 入 、 直
流 输 出 ) 的 输 出 电 压 变 换 成 中 间 母 线 电 压 (12 V 等 大 小 )
的 一 种 绝 缘 型 直 流 / 直 流 变 换 器 ⑵, 行 业 有 一 套 名 为 “ 砖
(brick)” 的 标 准 定 义 了 该 变 换 器 的 尺 寸 大 小 。 对 于 100 W
级 别 , 以 往 的 主 流 尺 寸 为 1/4 砖 , 而 今 , 这 一 变 换 器 的 尺
寸 已 逐 渐 被 1/8 砖 所 取 代 。 富 士 电 机 在 将 变 换 器 尺 寸 减 小
至 1/8 的 同 时 , 还 在 确 保 尺 寸 不 变 的 情 况 下 将 变 换 器 的 瓦
数 由 100 W 提 升 至 200 W。 图 4 所 示 为 200 W 母 线 变 换
器 的 外 形 。 该 变 换 器 的 外 形 尺 寸 为 22.8(W)×57.8(D)
×9.5(H), 额 定 输 入 电 压 为 48 V, 输 出 电 压 为 12 V。 为
实 现 装 置 的 高 功 率 密 度 化 , 富 士 电 机 采 用 以 下 技 术 。
图 4 200 W 母 线 变 换 器
专
辑
00
0
0 0 0 00
时 ()
aGDU
00
电 流 ()
200
0
电 流 波 形
电 流
平 电 流
2 电 流
200
2 电 流 波 形
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时 ()
bGDU
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 力 电 子 设 备 的 技 术 要 素
专
辑
利 用 多 层 印 刷 电 路 板 布 线 结 构 , 实 现 绝 缘 变 压 器 的 绕
组 的 超 薄 化 。 在 此 基 础 上 通 过 修 改 布 线 的 形 状 、 布 局 减 少
绕 组 的 电 阻 和 漏 感 , 从 而 抑 制 产 生 的 损 耗 。
利 用 电 路 板 布 线 , 实 现 半 导 体 开 关 单 元 等 发 热 部 件 的
散 热 功 能 。 为 保 证 散 热 效 果 , 富 士 电 机 通 过 调 整 配 线 形
式 , 大 大 提 高 了 水 平 方 向 ( 平 面 方 向 ) 与 垂 直 方 向 ( 层 的 方
向 ) 的 热 传 导 率 。
为 实 现 装 置 主 电 路 的 电 流 开 关 部 位 与 控 制 部 位 之 间 极
近 距 离 混 合 布 局 , 通 过 布 线 形 式 设 置 了 屏 蔽 单 元 , 并 在 基
板 各 层 之 间 打 出 空 洞 以 实 现 1 点 接 线 结 构 , 防 止 受 主 电
路 的 噪 音 干 扰 而 发 生 误 动 作 。
变 压 器 的 二 次 绕 组 侧 的 整 流 电 路 中 使 用 了 新 的 缓 冲 电
路 ( 电 压 抑 制 电 路 ), 从 而 确 保 器 件 能 采 用 低 损 耗 、 低 耐
压 的 半 导 体 器 件 。
现 在 , 富 士 电 机 正 在 推 出 输 出 功 率 的 系 列 产 品 , 并 进 一
步 将 上 述 技 术 推 广 到 其 他 机 型 。
控 制 技 术
为 提 高 带 电 动 机 驱 动 装 置 的 性 能 , 富 士 电 机 正 在 进 行 矢
量 控 制 、 状 态 观 测 理 论 等 应 用 技 术 的 研 发 。 本 文 将 介 绍 提 高
电 动 机 驱 动 装 置 性 能 的 技 术 — 永 磁 式 同 步 电 动 机 ( 永 磁 电
机 ) 的 无 磁 极 位 置 传 感 器 控 制 技 术 , 以 及 用 于 提 高 驱 动 装 置
性 能 的 起 重 机 防 振 动 控 制 技 术 。
4.1 电 动 机 驱 动 高 性 能 化 技 术
在 铁 路 车 辆 、 送 风 机 、 泵 类 等 产 品 领 域 , 比 异 步 感 应 电
机 更 小 、 效 率 更 高 的 永 磁 同 步 电 机 正 在 普 及 化 。 客 户 要 求 电
机 本 体 具 有 与 异 步 感 应 电 机 一 样 的 无 位 置 传 感 器 、 高 精 度 扭
矩 控 制 功 能 , 因 此 富 士 电 机 开 发 了 一 种 新 的 矢 量 控 制 技 术 ,
这 种 技 术 不 需 磁 极 位 置 传 感 器 就 能 实 现 控 制 功 能 。 本 文 将 介
绍 富 士 电 机 在 研 发 这 一 技 术 时 遇 到 的 课 题 — 提 高 低 速 条 件
下 的 控 制 性 能
⑷
。
若 要 在 低 速 条 件 下 实 现 电 机 稳 定 运 行 , 有 一 种 方 法 是 利
用 电 感 与 磁 极 位 置 的 相 关 函 数 的 特 性 。 这 种 方 法 是 在 通 过 外
加 高 频 电 压 信 号 的 情 况 下 检 测 出 电 压 与 电 流 的 信 息 以 及 电 感
的 变 化 , 从 而 推 断 出 磁 极 的 位 置 。 这 一 方 法 的 优 点 是 能 在 低
速 条 件 下 测 定 磁 极 位 置 , 并 实 现 良 好 的 测 定 精 度 。 但 它 也 有
缺 点 , 那 就 是 在 通 过 外 加 高 频 信 号 时 发 生 电 磁 噪 音 以 及 不 能
适 用 于 凸 极 性 较 小 的 电 机 。
富 士 电 机 正 在 研 发 一 种 能 在 低 速 条 件 下 , 通 过 高 精 度 测
定 技 术 推 测 出 磁 极 位 置 的 、 不 受 电 磁 噪 音 及 电 机 结 构 限 制 的
磁 通 量 观 测 器 技 术 。 磁 通 量 观 测 器 是 通 过 电 动 机 电 压 方 程 式
演 算 出 磁 通 量 来 推 定 磁 极 位 置 与 旋 转 速 度 的 一 种 方 法 。 如 图
5 所 示 , 它 由 磁 极 位 置 、 速 度 推 测 部 构 成 , 通 过 调 节 器 的 调
节 作 用 使 磁 极 位 置 的 误 差 降 至 零 , 使 磁 极 位 置 的 推 测 值 与 实
际 值 相 一 致 。 图 6 所 示 为 其 低 速 (2% 的 速 度 ) 情 况 下 的 扭
矩 特 性 。 当 扭 矩 在 -150% 至 +150% 范 围 内 时 , 能 保 证
较 好 的 特 性 精 度 。
4.2 驱 动 装 置 的 高 性 能 化 技 术
为 确 保 搬 运 机 械 、 机 床 等 机 械 类 为 负 载 的 驱 动 装 置 的 工
作 效 率 与 安 全 性 , 厂 家 必 须 对 它 的 机 械 振 动 加 以 控 制 。 本 文
将 为 您 介 绍 起 重 机 的 防 振 动 控 制 技 术 。
一 般 来 说 , 起 重 机 的 防 振 动 控 制 都 是 通 过 摄 像 头 检 测 振
动 角 度 来 实 现 的 。 但 由 于 摄 像 头 必 须 经 过 图 像 处 理 的 过 程 ,
所 以 它 无 法 保 持 振 动 角 度 检 测 与 电 机 的 控 制 演 算 拥 有 相 同 的
频 度 。 此 外 , 利 用 摄 像 头 检 测 所 发 生 的 延 迟 , 会 影 响 检 测 性
能 的 提 高 。
富 士 电 机 应 用 双 速 率 观 测 器 控 制 技 术 , 正 致 力 于 精 度 高 、
延 迟 时 间 短 的 振 动 角 推 测 技 术 的 开 发 。 如 图 7 控 制 系 统 构 成
图 所 示 , 振 动 角 观 测 器 包 括 两 个 部 分 : 与 电 机 控 制 同 步 进 行
推 测 演 算 的 高 频 度 观 测 器 ; 以 及 与 图 像 处 理 同 步 进 行 演 算 处
理 的 低 频 度 观 测 器 。 低 频 度 观 测 器 的 作 用 是 根 据 振 动 角 度
检 测 值 ( 包 括 图 像 处 理 演 算 延 时 ) 与 起 重 机 运 动 方 程 式 演 算
出 来 的 振 动 角 度 推 测 值 的 差 , 来 计 算 出 观 测 器 的 模 型 修 正 量 。
而 高 频 度 观 测 器 的 作 用 则 是 根 据 上 述 修 正 量 , 使 用 适 当 的 数
值 对 内 部 模 型 进 行 修 正 , 以 提 高 振 动 角 度 的 测 定 精 度 , 实 现
对 振 动 角 度 的 控 制 。 图 8 表 示 为 将 绳 索 长 度 减 少 15% 后 的
起 重 机 运 动 方 程 式 , 即 在 观 测 器 内 部 模 型 存 在 误 差 的 情 况 下 ,
试 验 装 置 得 出 的 振 动 角 度 控 制 评 估 结 果 。 在 这 种 情 况 下 , 只
要 低 频 度 观 测 器 能 有 效 修 正 模 型 , 就 能 有 效 地 控 制 振 动 角 度 。
图 6 扭 矩 特 性 (2% 速 度 )
图 5 无 磁 极 位 置 传 感 器 矢 量 控 制 结 构
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图 7
起 重 机 防 振 系 统 的 结 构
图 9 磁 性 器 件 设 计 工 具 的 结 构
专
辑
a
图 8
起 重 机 防 振 试 验 结 果
b
a
b
电 力 电 子 技 术 平 台
为 整 理 并 重 新 构 建 电 力 电 子 的 通 用 基 础 技 术 , 富 士 电 机
正 强 化 电 路 、 控 制 装 置 、 软 件 、 冷 却 、 结 构 、EMC 等 要 素
的 设 计 平 台 技 术 。 迄 今 为 止 富 士 电 机 已 将 该 平 台 应 用 于 不 间
断 电 源 、 变 频 器 、 开 关 电 源 、 机 车 驱 动 装 置 上 , 实 现 了 这 些
产 品 的 小 型 化 、 轻 量 化 , 并 缩 短 了 产 品 开 发 的 周 期 。
本 文 将 介 绍 电 力 电 子 设 备 必 须 的 磁 性 器 件 设 计 工 具 、 能
根 据 客 户 定 制 内 容 随 时 调 整 设 计 的 嵌 入 式 电 源 ( 包 括 开 关 电
源 ) 设 计 工 具 , 以 及 高 密 度 化 装 置 的 关 键 技 术 的 冷 却 设 计 工
具 。
5.1 磁 性 器 件 设 计 工 具
随 着 半 导 体 器 件 技 术 的 进 步 , 电 力 电 子 设 备 也 逐 步 实 现
了 高 功 率 密 度 化 。 在 这 一 背 景 之 下 , 主 要 器 件 中 的 变 压 器 、
电 抗 器 等 磁 性 部 件 的 体 积 比 例 与 发 生 损 耗 相 对 上 升 了 。 此 外 ,
近 年 来 材 料 价 格 上 涨 , 各 企 业 为 用 最 少 的 材 料 来 达 到 所 需 部
件 性 能 , 都 不 得 不 追 求 磁 性 器 件 的 最 佳 设 计 与 极 限 设 计 。
富 士 电 机 正 研 发 磁 性 器 件 的 设 计 工 具 以 及 高 性 价 比 、 高
品 质 的 电 力 电 子 设 备 。
图 9 所 示 为 磁 性 器 件 设 计 工 具 的 结 构 。 该 工 具 包 括 两 个
表 , 一 个 是 输 入 表 , 其 作 用 是 在 数 据 库 中 选 择 出 需 要 的 电 气
规 格 、 铁 心 材 料 及 尺 寸 等 参 数 。 另 一 个 表 则 为 特 性 演 算 表 ,
其 作 用 是 自 动 计 算 出 各 种 特 性 。 设 计 工 具 可 用 于 直 流 、 交 流
( 单 相 、 三 相 ) 电 抗 器 以 及 变 频 器 用 单 相 与 三 相 变 压 器 的 设 计 ,
能 自 动 演 算 出 电 感 、 间 隙 长 度 、 损 耗 ( 铁 损 与 铜 损 ) 等 相 关
特 性 。 另 外 , 该 工 具 还 能 根 据 铁 心 及 线 圈 的 损 失 情 况 计 算 出
实 际 使 用 状 态 下 各 部 位 的 温 度 上 升 大 小 , 并 在 短 时 间 内 找 出
最 佳 设 计 参 数 , 用 最 少 的 材 料 却 能 达 到 磁 性 部 件 所 要 求 的 性
能 及 可 靠 性 。
通 过 上 述 原 理 , 磁 性 器 件 设 计 工 具 能 够 通 过 预 测 器 件 性
能 , 在 设 计 阶 段 减 少 试 生 产 与 验 证 的 次 数 , 在 缩 短 产 品 研 发
周 期 的 同 时 实 现 材 料 少 量 化 及 器 件 小 型 化 。
5.2 嵌 入 式 电 源 自 动 设 计 工 具
为 满 足 客 户 定 制 要 求 , 各 企 业 都 推 出 了 多 种 规 格 的 嵌 入
式 电 源 产 品 。 根 据 每 一 个 客 户 对 规 格 的 不 同 要 求 , 厂 家 必 须
每 次 都 重 新 进 行 这 些 产 品 的 设 计 、 制 作 、 评 估 工 作 。 为 解 决
这 一 问 题 , 富 士 电 机 研 发 并 使 用 嵌 入 式 电 源 的 自 动 设 计 工 具 ,
从 而 保 证 能 迅 速 为 客 户 提 供 其 所 需 要 的 产 品 。
本 工 具 的 界 面 如 图 10 所 示 。 只 要 输 入 规 格 后 , 工 具 就
能 自 动 演 算 出 电 路 的 功 能 参 数 。 在 磁 性 器 件 设 计 方 面 , 可 根
据 算 出 的 电 路 参 数 来 计 算 并 选 择 绕 组 材 料 匝 数 、 铁 心 材 料 以
实 现 磁 性 器 件 的 低 损 耗 和 外 形 的 最 小 化 。 工 具 的 运 算 法 则 包
含 了 富 士 电 机 独 有 的 算 法 技 术 , 该 技 术 可 通 过 计 算 机 的 重 复
演 算 等 功 能 特 点 实 现 最 佳 设 计 效 果 。 工 具 的 设 计 结 果 可 反 映
到 波 特 图 和 电 路 仿 真 图 上 , 可 迅 速 确 认 出 电 路 的 稳 定 性 与 电
路 运 行 动 作 。 此 外 , 工 具 还 能 自 动 演 算 出 各 部 位 发 生 的 损 耗
与 温 度 的 上 升 , 反 映 到 热 设 计 上 。 在 设 计 结 束 之 后 , 可 将 设
计 与 解 析 等 一 系 列 演 算 结 果 保 存 到 一 个 文 件 中 , 以 便 以 后 能
对 设 计 过 程 进 行 追 溯 查 询 。
当 前 , 电 路 种 类 越 来 越 丰 富 , 企 业 可 充 分 利 用 各 种 自 动
设 计 工 具 来 设 计 电 源 产 品 。 使 用 工 具 不 但 可 缩 短 设 计 时 间 ,
还 可 减 少 设 计 时 发 生 的 错 误 , 缩 短 样 品 试 制 的 设 计 变 更 与 再
次 评 估 过 程 所 需 时 间 , 强 化 定 制 服 务 能 力 。 就 研 发 时 间 来 说 ,
使 用 工 具 可 比 过 去 的 设 计 方 法 平 均 节 省 下 20% 的 时 间 。
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电 力 电 子 设 备 的 技 术 要 素
图 10
嵌 入 式 电 源 设 计 工 具 概 要
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5.3 冷 却 设 计 工 具
以 往 的 电 力 电 子 设 备 的 冷 却 设 计 都 是 将 发 热 部 位 到 散 热
部 位 之 间 的 各 热 阻 代 入 到 散 热 计 算 公 式 , 继 而 计 算 出 稳 态 温
度 的 上 升 量 与 过 渡 温 度 的 上 升 量 。 但 高 密 度 、 大 规 模 产 品 的
部 件 布 局 与 结 构 比 较 复 杂 , 在 建 模 及 热 传 导 率 等 境 界 条 件 的
设 定 精 度 发 生 变 化 的 情 况 下 , 设 计 值 与 产 品 的 实 际 评 估 结 果
可 能 产 生 很 大 的 偏 离 。 此 外 , 测 定 半 导 体 模 块 接 合 部 位 的 局
部 温 度 分 布 与 散 热 器 内 部 细 微 空 间 的 风 速 分 布 是 一 件 比 较 困
难 的 工 作 , 因 此 必 须 利 用 三 维 热 流 体 解 析 模 型 进 行 仿 真 分 析 。
基 于 上 述 原 因 , 富 士 电 机 开 发 了 在 短 时 间 内 能 够 将 大 规
模 配 电 柜 内 气 流 分 布 以 及 小 到 单 个 半 导 体 器 件 内 部 芯 片 温 度
分 布 来 进 行 高 精 度 计 算 的 , 并 与 三 维 CAD 软 件 相 联 合 的 一
种 气 流 、 温 度 分 布 解 析 方 法 , 推 出 了 相 关 的 冷 却 设 计 工 具 。
图 11 所 示 为 电 力 电 子 设 备 冷 却 设 计 的 简 要 流 程 图 , 这
一 设 计 方 法 不 仅 能 计 算 出 高 精 度 的 损 耗 额 , 还 能 够 进 行 稳 态
与 非 稳 态 的 热 流 解 析 。 设 计 者 能 在 设 计 阶 段 掌 握 正 确 的 温 度
分 布 。 使 用 这 一 工 具 , 可 减 少 样 品 试 制 与 评 估 的 重 复 次 数 ,
缩 短 开 发 时 间 。
这 些 工 具 在 追 求 小 型 化 、 轻 量 化 、 廉 价 化 的 同 时 , 还 能
实 现 最 佳 设 计 , 确 保 高 可 靠 性 。
今 后 , 富 士 电 机 将 进 一 步 完 善 该 设 计 工 具 的 功 能 , 使 设
计 者 能 在 更 短 的 时 间 内 进 行 具 有 高 度 可 靠 性 的 冷 却 设 计 。
电 机 技 术
6.1 研 发 背 景 与 技 术 课 题
当 前 , 市 场 对 节 能 与 二 氧 化 碳 减 排 的 需 求 日 益 增 长 。 在
这 一 背 景 下 , 所 有 的 电 气 产 品 都 迎 来 了 提 高 效 率 的 机 遇 。 日
本 工 业 部 门 每 年 消 耗 掉 的 电 力 总 量 约 为 4000 亿 千 瓦 时 ,
而 其 中 电 机 类 产 品 的 消 耗 电 量 就 约 占 了 七 成 。 如 果 能 提 高 这
些 电 机 类 产 品 的 效 率 , 则 可 实 现 非 常 显 著 的 效 果 。 此 外 , 如
果 提 高 工 厂 等 单 独 用 电 单 位 的 电 机 类 产 品 效 率 , 可 实 现 二 氧
化 碳 的 减 排 , 控 制 电 力 费 用 , 降 低 电 力 设 备 的 容 量 , 其 结 果
图 11 冷 却 设 计 的 简 略 流 程 图
可 有 效 地 降 低 生 产 成 本 。
为 顺 应 以 上 潮 流 , 富 士 电 机 将 电 机 , 特 别 是 永 磁 电 机 以
及 驱 动 系 统 视 为 驱 动 装 置 事 业 战 略 的 重 要 部 分 , 积 极 地 进 行
技 术 研 发 。 如 图 12 所 示 , 永 磁 电 机 是 在 电 机 转 子 内 部 配 置
了 永 久 磁 铁 的 电 机 。 与 工 业 中 已 得 到 普 及 应 用 的 异 步 感 应 电
机 相 比 , 永 磁 电 机 转 子 内 部 的 损 失 大 幅 减 少 , 提 高 了 电 机 的
效 率 , 同 时 也 实 现 了 小 型 化 。 永 磁 电 机 的 另 外 一 个 特 征 就 是
设 计 的 自 由 度 较 高 , 适 合 嵌 入 于 其 他 设 备 之 中 。
然 而 , 永 磁 电 机 的 一 个 较 大 的 技 术 课 题 就 是 为 实 现 高 效
化 与 材 料 的 最 少 化 必 须 进 行 优 化 设 计 。 特 别 是 在 设 计 的 自 由
程 度 较 高 的 情 况 下 , 在 很 多 场 合 中 , 厂 家 必 须 对 永 磁 电 机 进
行 专 门 设 计 , 因 此 必 须 在 短 时 间 内 完 成 设 计 与 性 能 预 测 。 另
外 , 被 广 泛 采 用 的 高 性 能 钕 磁 铁 的 电 阻 率 较 低 , 因 此 磁 通 密
度 发 生 变 化 时 就 会 在 磁 铁 内 部 产 生 涡 流 。 由 涡 流 引 起 的 发 热
将 导 致 磁 铁 退 磁 。 因 此 , 永 久 磁 铁 的 最 大 耐 退 磁 量 也 是 一 个
重 要 的 设 计 项 目 。
针 对 这 些 课 题 , 富 士 电 机 研 发 出 了 下 列 设 计 平 台 并 将 其
应 用 到 设 计 工 作 之 中 , 以 推 动 永 磁 电 机 的 普 及 。
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电 力 电 子 设 备 的 技 术 要 素
图 12
永 磁 电 机 结 构
图 13 永 磁 电 机 设 计 平 台 运 行 画 面 示 例
专
辑
a
b
6.2 永 磁 电 机 设 计 平 台
为 能 在 短 时 间 内 完 成 永 磁 电 机 的 设 计 , 富 士 电 机 与 仿 真
手 段 相 结 合 建 立 了 设 计 平 台 。 图 13 所 示 为 这 一 平 台 的 一 个
运 行 画 面 。 该 平 台 具 有 以 下 特 征 :
⑴ 输 入 设 计 条 件
使 用 者 可 通 过 对 话 模 式 设 定 电 机 的 各 种 部 件 及 电 机 参 数 。
⑵ 设 计 计 算
设 计 者 可 参 考 软 件 数 据 库 中 富 士 电 机 多 年 来 积 累 的 设 计
方 针 及 技 术 经 验 。 另 外 , 软 件 还 可 通 过 最 新 的 磁 场 解 析 软 件
与 数 值 解 析 软 件 计 算 出 器 件 的 特 性 。 通 过 这 些 功 能 , 设 计 者
能 有 效 地 检 索 参 数 并 提 高 设 计 过 程 的 精 度 。
⑶ 输 出 设 计 结 果
设 计 者 可 用 图 表 将 参 数 设 计 结 果 表 示 出 来 , 也 可 将 相 关
信 息 毫 无 遗 漏 地 反 映 在 图 纸 上 。
⑷ 附 加 功 能
对 永 久 磁 铁 的 最 大 耐 退 磁 量 进 行 评 估 时 , 使 用 者 可 将 产
品 所 处 的 条 件 设 定 为 最 恶 劣 条 件 , 然 后 通 过 工 具 软 件 的 数 值
解 析 求 得 永 久 磁 铁 的 运 行 点 到 退 磁 界 限 有 多 远 的 距 离 。
富 士 电 机 已 通 过 多 次 实 际 测 试 验 证 了 软 件 设 计 与 计 算 功
能 精 度 的 可 靠 性 。
使 用 本 平 台 可 将 设 计 时 间 缩 短 至 以 前 的 1/3 左 右 , 并
且 能 够 保 证 产 品 的 最 佳 设 计 。 因 此 , 该 平 台 将 协 助 迅 速 对 客
户 要 求 规 格 的 产 品 作 出 报 价 , 保 证 厂 家 可 提 供 出 客 户 真 正 需
要 的 产 品 。
一 代 节 能 功 率 器 件 技 术 开 发 一 样 , 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 。
今 后 , 为 生 产 更 多 符 合 市 场 需 求 的 , 具 有 竞 争 力 的 产 品 ,
富 士 电 机 还 将 继 续 进 行 电 力 电 子 技 术 的 开 发 。
参 考 文 献
⑴ 川 村 逸 生 、 笹 川 清 明 , 工 业 用 电 力 电 子 技 术 的 现 状 及 展 望 , 富
士 时 报 , vol.80, no.2, 2007, p.100-105。
⑵ 分 散 电 源 系 统 的 最 新 动 向 , IEEJ journal, vol.125, no.12,
2005。
⑶ 分 散 供 电 系 统 的 直 流 - 直 流 变 换 器 , 富 士 时 报 , vol.81, no.1,
2008, p.27。
⑷ 黑 田 岳 志 等 , 通 过 磁 通 量 观 测 器 进 行 的 永 磁 同 步 电 动 机 无 位
置 传 感 器 控 制 , 2008 年 电 气 学 会 产 业 部 门 大 会 , 1-62, p.299-
304。
⑸ 金 子 贵 之 等 , 使 用 检 测 延 迟 补 偿 观 测 器 以 实 现 起 重 机 的 防
振 动 控 制 , 2008 年 电 力 相 关 学 会 关 西 支 部 联 合 大 会 专 题 讨 论 会 ,
S4-5。
⑹ 环 境 省 地 球 环 境 局 “2004 年 度 第 三 次 全 球 变 暖 对 策 技 术 研
讨 会 ” 资 料 。
中 村 一 夫
长 年 从 事 以 电 力 电 子 设 备 为 主 的 工 厂 管 理 工 作 。 现
负 责 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 技 术 研 发 本 部 电 力 电 子
研 发 中 心 领 导 一 职 。 日 本 电 气 学 会 会 员 。
后 记
本 文 介 绍 了 富 士 电 机 为 强 化 电 力 电 子 设 备 而 进 行 的 技 术
要 素 研 发 。
21 世 纪 是 能 源 与 环 境 的 世 纪 。 作 为 解 决 能 源 和 环 境 问
题 的 基 础 技 术 , 电 力 电 子 学 是 实 现 绿 色 电 能 利 用 与 控 制 简 单
化 的 一 个 必 不 可 少 的 途 径 。 我 们 相 信 电 力 电 子 技 术 还 将 与 新
笹 川 清 明
长 年 从 事 电 力 电 子 产 品 的 研 发 。 现 任 富 士 电 机 先 进
技 术 株 式 会 社 董 事 。 电 子 技 术 中 心 领 导 之 一 。 日 本
电 气 学 会 会 员 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
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驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 产 业 及 社 会 设 施 解 决 方 案 中 的
应 用
Drive and Power Supply Technology for Solutions in the Industrial and Public Sectors
西 乡 宏 治 Kouji Saigoh 山 卫 守 贵 博 Takahiro Yamaemori 中 川 雅 之 Masayuki Nakagawa
富 士 电 机 的 驱 动 装 置 涵 盖 了 10 kVA(400 级 ) 至 10 MVA(3.3 kv 级 ) 的 整 个 范 围 。 这 些 驱 动 系 统 都 导 入 了 伺 服 系 统 ,
满 足 了 产 业 及 社 会 设 施 领 域 对 产 业 设 备 制 造 过 程 所 提 出 的 各 种 要 求 ( 这 些 要 求 包 括 高 精 度 的 速 度 控 制 , 速 度 均 一 性 , 扭 矩 控 制 ,
高 速 配 合 性 等 )。 在 电 源 装 置 方 面 , 富 士 电 机 研 发 出 高 压 大 容 量 瞬 间 电 压 降 低 应 对 装 置 , 该 电 源 装 置 能 应 付 瞬 间 电 压 降 低 及 停
电 问 题 , 提 高 了 电 源 的 可 靠 性 。
Fuji Electric’s lineup of drive devices ranges from 10 kVA (400 V-class) to 10 MVA (3.3 kV-class). Drive systems, including servo systems,
support the high-precision speed control, speed matching performance, torque control and higher-speed response required for manufacturing
processes in plants for the industrial and public sectors. Higher reliability against instantaneous voltage drops and power failures is requested of
power supplies, and high-voltage large-capacity unintertuptible power supply units are being provided.
前 言
在 钢 铁 、 造 纸 、 石 化 等 制 造 业 为 先 导 的 产 业 工 厂 与 社 会
基 础 设 施 领 域 中 使 用 到 大 量 的 驱 动 装 置 与 电 源 装 置 , 而 器 件
技 术 的 发 展 及 微 型 处 理 器 的 高 速 化 与 多 功 能 化 , 促 进 了 驱 动
装 置 与 电 源 装 置 的 飞 跃 发 展 。
本 文 将 通 过 一 些 实 例 来 介 绍 富 士 电 机 驱 动 装 置 与 电 源 装
置 的 代 表 性 机 型 中 , 所 采 用 的 最 新 技 术 。
产 业 及 社 会 设 施 领 域 的 最 新 动 向 与 富 士 电 机 的
对 应 措 施
在 2008 年 7 月 召 开 的 北 海 道 洞 爷 湖 峰 会 上 , 作 为 对
气 候 变 化 的 相 应 措 施 , 与 会 各 国 就 2050 年 之 前 将 全 世 界
的 温 室 气 体 排 放 量 减 少 到 一 半 的 目 标 达 成 了 共 识 。
为 了 落 实 减 少 温 室 效 应 气 体 排 放 量 的 目 标 , 产 业 及 社 会
领 域 对 节 能 化 、 高 效 化 以 及 省 空 间 化 提 出 了 更 高 要 求 。
在 产 业 成 套 设 备 领 域 里 , 为 了 实 现 制 造 过 程 的 高 速 化 、
产 品 的 高 质 量 化 、 操 作 的 稳 定 化 , 对 驱 动 装 置 的 高 精 度 调 速 、
高 速 响 应 、 速 度 均 匀 性 及 扭 矩 控 制 的 高 精 度 化 提 出 了 更 高 的
要 求 。
此 外 , 随 着 信 息 交 流 技 术 的 发 展 , 加 快 了 电 脑 系 统 的 信
息 整 合 与 联 网 化 的 进 程 。 大 量 使 用 电 脑 系 统 的 产 业 与 社 会 领
域 的 大 规 模 系 统 若 要 实 现 稳 定 运 行 , 必 须 保 证 其 使 用 的 电 源
设 备 不 会 发 生 瞬 间 电 压 下 降 或 停 电 , 因 此 高 品 质 电 源 的 需 求
将 不 断 增 加 。 过 去 , 企 业 曾 使 用 低 压 不 间 断 电 源 等 多 种 方 法
来 达 到 这 一 目 标 。 防 止 发 生 瞬 间 电 压 下 降 或 停 电 需 要 较 高 的
设 备 购 置 费 用 与 维 护 费 用 , 且 负 荷 设 备 的 瞬 间 降 压 产 生 的 影
响 也 难 以 捕 捉 到 。 因 此 , 有 必 要 为 整 个 系 统 准 备 一 个 备 用 供
电 设 备 。
为 满 足 上 述 市 场 需 求 , 富 士 电 机 陆 续 推 出 了 高 效 、 可 靠 、
节 省 空 间 的 节 能 型 驱 动 装 置 , 机 械 成 套 设 备 用 高 性 能 驱 动 装
置 , 以 及 高 效 率 的 高 电 压 大 容 量 型 瞬 间 低 电 压 防 止 装 置 。 下
面 将 对 其 技 术 细 节 进 行 介 绍 。
有 助 于 节 能 解 决 方 案 的 驱 动 装 置
FRENIC4600 系 列 是 无 需 在 变 频 器 的 输 出 端 设 置 变 压
器 就 能 直 接 驱 动 高 压 电 机 的 驱 动 装 置 , 其 主 要 用 途 是 通 过 可
变 速 运 转 来 达 到 节 能 效 果 。 这 种 驱 动 装 置 一 般 用 于 风 机 、 泵 、
鼓 风 机 等 产 品 上 。 在 以 往 3 kV、6 kV 系 列 的 基 础 上 , 富 士
电 机 丰 富 了 产 品 种 类 , 推 出 了 输 出 电 压 为 10 kV、11 kV
对 应 IEC61800-4 规 格 的 驱 动 装 置 。 同 时 , 富 士 电 机 还 进
一 步 增 加 了 电 动 性 能 直 接 驱 动 产 品 的 种 类 。 表 1 所 示 为 高 压
变 频 器 FRENIC4600FM5e 的 规 格 。 此 外 , 现 在 的 6 kV
输 出 机 型 产 品 也 符 合 IEC 规 格 。 本 变 频 器 在 中 国 生 产 , 预
计 2009 年 将 与 中 国 及 世 界 各 国 的 用 户 见 面 。
3.1 提 水 泵 中 的 应 用 实 例
图 1 所 示 为 目 前 日 本 国 内 的 农 田 灌 溉 提 水 泵 。 因 提 水 泵
放 置 地 区 的 电 源 系 统 大 部 分 较 弱 , 解 决 电 动 机 启 动 时 的 电 压
变 动 问 题 便 成 了 一 个 技 术 课 题 。 虽 传 统 绕 组 式 电 动 机 二 次 电
阻 启 动 能 持 续 避 免 电 压 变 动 , 但 操 作 人 员 却 必 须 对 电 刷 进 行
维 护 。 若 在 本 提 水 泵 上 使 用 高 压 变 频 器 (560 kVA), 则 能
实 现 平 稳 启 动 并 解 决 电 压 变 动 问 题 , 达 到 节 能 效 果 。
3.2 冷 却 泵 中 的 应 用 实 例
下 面 将 介 绍 为 某 国 外 化 工 厂 家 提 供 的 冷 却 泵 实 例 。 以 往
的 做 法 是 以 工 业 用 电 运 行 高 压 电 动 机 , 通 过 阀 门 来 控 制 水 量 。
富 士 电 机 依 据 工 厂 的 生 产 量 , 对 高 压 电 动 机 (360 kW) 的
驱 动 频 率 进 行 了 可 变 速 处 理 , 从 而 实 现 了 节 能 效 果 。 这 一 措
施 的 具 体 效 果 为 : 在 驱 动 频 率 由 50 Hz 降 至 44 Hz 的 情 况
22(22)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 产 业 及 社 会 设 施 解 决 方 案 中 的 应 用
表 1 高 压 变 频 器 FRENIC4600FM5e 的 规 格
型 号
FRENIC4600FM5e
电 压 3 kV 6 kV 10 kV
设 备 容 量
(kVA)
350 500 700 1,050 1,350 1,600 2,350 3,200 4,750 420 500 600 700 860 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,100 2,360 2,700 3,200 4,700 6,400 9,500 1,200 1,700 2,300
专
辑
额
定
输
出
最 大 可 用
电 动 机
(KW)
额 定 电 流
(A)
额 定 超
负 荷
285 400 560 840 1,100 1,280 1,930 2,570 3,850 340 410 490 570 700 800 960 1,120 1,280 1,450 1,680 1,900 2,200 2,560 3,860 5,140 7,700 960 1,350 1,820
68 98 134 202 262 306 459 612 918 41 50 59 68 84 98 115 134 153 173 202 227 262 306 459 612 918 68 98 134
额 定 电 流 的 105%、1 分 钟
输
入
电
源
(
主
电
源
)
额 定 频 率
(Hz)
电 压 、
频 率
容 许 电 源
范 围
50/60 Hz
3,000/3,300 V,50/60 Hz 6,000/6,600 V、50/60 Hz
电 压 :±10%( 间 隔 不 平 衡 的 2% 以 内 )、 频 率 :±5%
10,000 V,
50 Hz
控
制
电
源
相 数 ,
电 压 ,
频 率
容 许 电 源
范 围
三 相 、200/220 V、50/60 Hz
电 压 :±10%、 频 率 :±5%
控 控 制 方 式
制
简 易 无 传 感 器 矢 量 控 制 V/F 恒 定 控 制
及 输 出 频 率
构
控 制 范 围
造
0.2 Hz〜50/60 Hz( 可 选 〜120 Hz)
冷 却 方 式 空 气 冷 却 ( 通 过 控 制 顶 部 风 机 强 制 风 冷 )
图 1
适 用 于 国 内 农 田 灌 溉 的 提 水 泵
图 2 设 备 驱 动 适 用 图
3,300
用 于 大 型 轧 钢 机 机
电 压 (V)
800
400
0
用 于 钢 棒 , 线 轧 钢 机 的 机
用 于 水 设 备
用 于 轧 钢 机
用 于 流 水 线
用 于 产 业
2 电 平
IBT 变 频 器
FRENIC4700 VM5
3 电 平
IBT 变 频 器
FRENIC4700
3 电 平
IBT 变 频 器
FRENIC4700 VM5
10 100
1,000 10,000
容 量 (kVA)
3 电 平
ICT 变 频 器
SINAMICS
SM150
下 , 能 实 现 29% 的 节 能 效 果 ; 而 驱 动 频 率 由 50 Hz 降 至
40 Hz 的 情 况 下 , 则 能 实 现 50% 的 节 能 效 果 。
有 助 于 产 业 设 备 制 造 解 决 方 案 的 驱 动 装 置
适 用 于 产 业 设 备 的 驱 动 装 置 因 设 备 不 同 而 各 有 区 别 。 输
出 容 量 范 围 小 至 几 kVA, 大 至 十 多 MVA, 相 差 很 大 。 因
此 它 对 控 制 方 法 ( 速 度 控 制 、 带 下 垂 特 性 的 速 度 控 制 、 扭
矩 控 制 、 复 式 驱 动 的 同 时 控 制 等 ) 以 及 控 制 精 度 ( 速 性 、 速
度 、 扭 矩 的 控 制 精 度 等 ) 的 要 求 也 多 种 多 样 。 富 士 电 机
目 前 已 经 推 出 了 以 下 产 品 。 由 10 〜 5,400 kVA 提 升 至
400 V 级 2 电 平 的 IGBT 变 频 器 FRENIC4000 系 列 , 由
1,200 〜16,000 kVA 提 升 至 800 V 级 3 电 平 的 IGBT 变
频 器 FRENIC4400 系 列 , 由 2,500 〜 7,500 kVA 提 升 到
3.3 kV 级 3 电 平 的 IGBT 变 频 器 FRENIC4000 系 列 。 此
外 , 富 士 电 机 还 研 制 出 了 10 MVA、3.3 kV、3 电 平 的
IGCT 变 频 器 SINAMICS SM150。
图 2 所 示 为 富 士 电 机 设 备 驱 动 适 用 图 , 表 2 所 示 为 设 备
驱 动 的 标 准 规 格 。
4.1 用 于 生 产 线 适 用 的 驱 动 装 置
FRENIC4000 系 列 驱 动 装 置 是 AC400 V 级 输 出 直 流
配 电 方 式 的 驱 动 装 置 , 因 此 能 够 实 现 矢 量 控 制 、 无 传 感 器 矢
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 产 业 及 社 会 设 施 解 决 方 案 中 的 应 用
表 2 标 准 设 备 驱 动 规 格
专
辑
型 号
项 目
FRENIC4000VM5 FRENIC4400VM5 FRENIC4700VM5
输 入 电 压 DC600 V DC1,200 V DC5,400 V
电 压 三 相 AC400 V 三 相 AC800 V 三 相 AC3,300 V
输 出
频 率 最 大 200 Hz 最 大 120 Hz 最 大 100 Hz
容 量 系 列
10、15、25、38、50、
75、100、150、225、
300、450、600、900 kVA
1,200、2,000 kVA 2,500 kVA
多 重 变 频 器
双 重 化 1,200、1,800 kVA
最 大 6 重 5,400 kVA
双 重 化 2,400、4,000 kVA
最 大 8 重 16,000 kVA
双 重 化 5,000 kVA
最 大 3 重 7,500 kVA
额 定
100% 持 续 ,
超 负 荷 最 大 量 150%、1 分 钟
100% 持 续 ,
超 负 荷 最 大 量 150%、1 分 钟
100% 持 续 ,
超 负 荷 最 大 量 150%、1 分 钟
运 行 模 式 4 象 限 4 象 限 4 象 限
上 位 传 输
PROFIBUS-DP、D 线
T 连 接 、SX 总 线
PROFIBUS-DP、D 线
T 连 接 、SX 总 线
PROFIBUS-DP、D 线
T 连 接 、SX 总 线
范 围 1 :1,000 1 :1,000 1 :1,000
控 制
磁 场 范 围 1 :4 1 :4 1 :4
精 度 速 度 ±0.01% 速 度 ±0.01% 速 度 ±0.01%
量 控 制 及 V/f 控 制 。 但 无 论 何 种 控 制 方 式 , 主 电 路 与 控 制
装 置 都 相 同 且 具 有 互 换 性 。 该 系 列 中 , 将 10 〜 300 kVA
驱 动 装 置 为 插 入 式 的 组 合 式 结 构 ,450 〜 900 kVA 作 为
柜 式 结 构 。 以 下 是 本 驱 动 装 置 的 主 要 特 征 。
1 个 面 最 多 能 容 纳 12 段 , 且 附 带 省 空 间 的 自 由 组 合
式 配 置
适 用 于 各 种 底 盘 总 线
按 标 准 进 行 配 备 的 、 适 用 于 扭 矩 控 制 、 观 测 控 制 等 各
种 驱 动 产 品 的 驱 动 装 置
卓 越 的 维 护 性
对 卷 状 钢 板 连 续 进 行 展 开 、 酸 洗 、 煅 烧 、 电 镀 等 表 面 处
理 , 再 重 新 制 成 卷 材 的 生 产 线 , 此 生 产 线 由 数 kW 的 卷 盘
装 置 到 数 百 kW 的 卷 盘 装 置 、 索 套 装 置 、 研 磨 装 置 等 装 置
构 成 。 因 要 使 用 数 百 台 的 滚 轮 装 置 运 送 钢 板 , 所 以 保 持 这 些
滚 轮 的 速 度 一 致 性 以 及 控 制 它 们 的 张 力 变 得 十 分 重 要 。 滚 轮
机 分 为 拉 伸 钢 板 与 通 过 钢 板 拉 伸 的 两 种 卷 盘 。 因 使 用 直 流 配
电 方 式 , 电 动 机 的 驱 动 与 再 生 能 量 可 通 过 直 流 线 传 播 , 所 以
可 缩 小 电 源 容 量 。 这 样 一 来 , 数 百 台 卷 盘 滚 轮 机 中 , 即 便 有
1 台 出 现 故 障 也 不 会 导 致 整 个 生 产 线 停 工 。 在 正 在 运 行 的 生
产 线 中 更 换 产 生 故 障 的 器 具 , 而 新 的 器 具 可 不 受 任 何 影 响 的
情 况 下 , 与 钢 板 以 相 同 速 度 同 时 运 转 。 此 外 , 富 士 电 机 还 生
产 了 适 用 于 中 小 设 备 的 小 容 量 变 换 器 。
4.2 用 于 钢 棒 轧 钢 主 机 的 驱 动 装 置
FRENIC4400 系 列 驱 动 装 置 是 采 用 AC800V 类 输 出
直 流 配 电 方 式 的 3 电 平 变 频 器 , 能 实 现 矢 量 控 制 与 V/f 控
制 。 与 2 电 平 变 频 器 相 比 ,3 电 平 变 频 器 因 输 出 梯 级 波 形 ,
故 能 降 低 输 出 高 谐 波 , 扭 矩 脉 动 以 及 电 动 机 线 圈 的 浪 涌 电 压 。
该 装 置 有 1,200 kVA 与 2,000 kVA 两 种 单 机 容 量 , 通 过
采 用 多 重 设 计 , 其 最 大 容 量 可 高 达 16,000 kVA。
钢 棒 及 线 材 轧 钢 设 备 采 用 直 流 配 电 形 式 , 连 续 设 置 了 十
几 台 数 百 kW 的 电 动 机 , 可 将 各 站 点 的 变 频 器 连 接 于 通 用
的 大 容 量 二 极 管 整 流 器 上 。 相 对 于 驱 动 容 量 而 言 , 本 产 品 的
再 生 容 量 较 小 , 所 以 只 需 配 备 小 容 量 的 再 生 变 换 器 。 在 设 备
减 速 过 程 中 电 能 会 在 电 源 一 侧 再 次 生 成 , 从 而 实 现 了 节 能 效
果 。
FRENIC4000 与 FRENIC4400 都 按 照 标 准 配 备 了 观
测 控 制 功 能 , 故 能 改 善 干 扰 问 题 并 抑 制 轴 心 的 离 心 振 动 。 此
外 , 在 使 用 观 察 器 的 情 况 下 , 即 便 惯 性 动 量 等 控 制 对 象 的 参
数 各 不 相 同 , 操 作 者 也 能 在 不 调 节 速 度 调 节 器 的 情 况 下 , 通
过 无 调 节 控 制 以 维 持 一 定 的 配 合 速 度 。 图 3 所 示 为 使 用 了
速 度 调 节 器 的 控 制 器 的 结 构 , 图 4 所 示 为 某 工 厂 运 用 富 士 电
机 产 品 对 钢 棒 轧 钢 设 备 的 轧 钢 机 速 度 进 行 控 制 时 的 效 果 。 正
如 两 图 所 示 , 即 使 两 种 控 制 对 象 每 小 时 的 定 数 相 差 约 6 倍 ,
材 料 放 入 时 的 干 扰 配 合 速 度 也 能 基 本 保 持 一 致 ( 恢 复 时 间 为
140 ms)。
4.3 用 于 大 型 轧 钢 机 主 机 的 驱 动 装 置
FRENIC4700 系 列 驱 动 装 置 是 AC3.3 kV 级 输 出 的 3
电 平 变 频 器 , 能 实 现 矢 量 控 制 。 本 产 品 采 用 PWM(Pulse
Width Modulation) 顺 变 器 与 逆 变 器 的 1 对 1 系 统 , 能 通
过 顺 变 器 与 逆 变 器 的 共 同 作 用 抑 制 从 驱 动 到 再 生 切 换 过 程 中
发 生 的 中 间 直 流 电 压 变 动 。 产 品 的 单 机 容 量 为 2,500 kVA,
因 其 具 有 多 重 特 性 , 故 可 实 现 7,500 kVA 的 最 大 容 量 。
当 电 压 范 围 超 过 上 述 容 量 时 , 用 户 可 选 用 输 出 量 为
10 MVA,3.3 kV 的 IGCT 3 电 平 变 频 器 SINAMICS-
SM150。 此 装 置 由 德 国 的 西 门 子 公 司 制 造 , 在 日 本 国 内 由
富 士 电 机 经 销 。
4.4 用 于 直 流 电 动 机 的 驱 动 装 置
虽 然 驱 动 装 置 的 主 流 逐 渐 演 变 为 交 流 电 动 机 + 变 频
器 的 形 式 , 但 现 在 仍 有 很 多 单 位 在 使 用 直 流 电 动 机 。 富
士 电 机 推 出 了 主 要 构 成 部 位 能 与 变 频 器 通 用 的 小 容 量
(DC220V75 kW 以 下 ,DC440150 kW 以 下 ) 电 机 产 品
“LEONIC-M Compact”。 该 产 品 考 虑 到 了 对 既 定 模 拟 控
制 式 可 控 硅 供 电 装 置 ( 富 士 电 机 产 DSR 系 列 ,LEONIC-U
24(24)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 产 业 及 社 会 设 施 解 决 方 案 中 的 应 用
图 3
无 调 节 控 制 器 的 结 构
图 5 大 容 量 伺 服 系 统
专
辑
图 4
钢 棒 轧 钢 机 的 无 调 节 控 制 效 果
图 6 驱 动 系 列 试 验 设 备 用 单 线 系 统 图
aNo.4
bNo.11
等 , 以 及 其 他 公 司 生 产 的 可 控 硅 供 电 装 置 ) 进 行 更 换 的 问 题 ,
不 仅 能 对 应 磁 场 总 线 , 还 能 通 过 模 拟 速 度 指 令 、 多 向 初 级 文
字 (tako-junereta) 等 方 式 实 现 速 度 反 馈 功 能 。
对 大 中 容 量 的 直 流 电 动 机 驱 动 装 置 , 我 们 正 在 研 发 能
与 主 要 控 制 装 置 通 用 的 LEONIC-M Compact 系 列 中 的
LEONIC-M700 产 品 。
LEONIC-M 系 列 不 仅 能 用 于 直 流 电 动 机 驱 动 , 同 时 也
能 用 作 直 流 电 压 电 源 。
提 供 新 解 决 方 案 的 驱 动 装 置
5.1 大 容 量 伺 服 系 统 的 研 发
作 为 驱 动 装 置 事 业 机 种 战 略 的 一 个 环 节 , 富 士 电 机 开 发
了 能 适 用 于 汽 车 、 建 筑 机 械 等 生 产 及 试 验 设 备 的 大 容 量 伺 服
系 统 。 将 通 用 伺 服 系 统 的 开 发 中 积 累 的 伺 服 技 术 用 于 大 容 量
伺 服 专 用 的 伺 服 控 制 器 , 再 加 上 富 士 电 机 的 工 厂 驱 动 用 变 频
器 FRENIC4000VM5, 实 现 了 可 多 轴 控 制 的 伺 服 系 统 ( 见
图 5)。 该 系 统 每 轴 可 利 用 FRENIC4000VM5 的 容 量 ( 单
机 容 量 900 kVA)。
5.2 建 筑 机 械 驱 动 类 试 验 设 备 用 驱 动 系 统 的 开 发
富 士 电 机 研 发 出 了 用 于 建 筑 机 械 驱 动 类 试 验 设 备 的 驱 动
系 统 。 该 类 试 验 设 备 的 配 置 呈 倒 T 形 , 由 建 筑 机 械 驱 动 端
与 车 轮 构 成 。 建 筑 机 械 驱 动 端 由 串 联 电 动 机 与 增 减 速 机 构 成 ,
而 其 车 轮 则 由 电 动 机 与 增 速 机 构 成 , 并 分 别 配 置 了 转 轴 扭 矩
检 查 器 。 图 6 为 已 研 发 的 建 筑 机 械 驱 动 系 列 试 验 设 备 的 单 线
系 统 图 。
无 论 被 试 验 机 的 性 能 如 何 , 建 筑 机 械 驱 动 系 列 试 验 设 备
所 使 用 的 驱 动 系 统 都 能 在 任 何 条 件 下 对 性 能 做 出 评 价 。 下 列
各 项 是 本 系 统 的 特 点 。
⑴ 电 动 机
840 kW 800/2,800 r/min×4 台 ( 两 个 转 轴 规 格 完
全 相 同 )( 包 括 转 轴 两 端 的 半 耦 合 器 )
为 对 应 从 停 止 状 态 达 到 2,800 r/ 分 的 试 运 转 , 开 发
人 员 采 用 了 高 强 度 轴 材 料 及 液 压 滚 轴
采 用 可 使 用 双 轴 ( 轴 径 115 mm) 的 特 殊 旋 转 传 感 器
采 用 能 承 受 高 速 运 转 、 适 用 于 抑 制 轴 电 压 的 接 地 器 件
非 摇 动 式 高 刚 性 的 普 通 笼 形 结 构
⑵ 驱 动 装 置
采 用 能 实 现 高 精 度 速 控 与 扭 矩 控 制 的 FRENIC4400
VM5 驱 动 装 置
采 用 高 精 度 扭 矩 检 查 器 对 转 轴 扭 矩 进 行 控 制
采 用 无 高 谐 波 设 计 , 避 免 冗 长 化 的 电 源 系 统
可 应 对 因 PWM 变 换 器 与 DB 振 动 式 变 流 器 的 再 生
电 力 处 理 而 产 生 的 多 种 实 验 条 件
25(25)

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驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 产 业 及 社 会 设 施 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
5.3 电 气 惯 性 系 统 的 研 发
在 汽 车 的 底 盘 测 力 计 及 变 试 验 装 置 方 面 , 研 发 人 员 已 对
以 往 的 飞 轮 ( 机 械 惯 性 ) 进 行 了 机 械 替 换 , 使 其 能 达 到 试 验
对 象 的 惯 性 质 量 。 但 近 年 来 , 业 界 常 用 的 方 法 还 是 通 过 控 制
变 频 器 的 方 法 来 模 拟 电 气 的 惯 性 ( 电 气 惯 性 )。 电 气 惯 性 式
试 验 机 的 惯 性 设 定 可 实 现 无 阶 段 调 控 , 具 有 设 置 面 积 小 、 安
装 成 本 低 等 多 项 优 点 。 因 此 , 社 团 法 人 汽 车 技 术 会 总 结 了 该
系 统 能 替 代 机 械 惯 性 式 底 架 测 力 计 的 各 性 能 要 点 , 并 将 这 一
内 容 写 入 JASO 技 术 文 件 。 此 后 , 富 士 电 机 也 基 于 以 往 的
变 速 机 试 验 机 的 电 气 惯 性 性 能 , 按 照 社 团 法 人 汽 车 技 术 会 总
结 的 要 点 , 开 始 着 力 于 电 气 惯 性 技 术 的 研 发 。
JASO 技 术 文 件 规 定 的 电 气 惯 性 式 底 架 测 力 计 的 要 点
如 表 3 所 示 。 此 外 , 通 过 每 50 ms 单 位 的 目 标 驱 动 力 及 扭
矩 检 验 值 求 得 的 测 量 驱 动 力 的 XY 坐 标 化 结 果 是 为 达 到 表
4 的 要 求 。 图 7 所 示 为 依 照 JISD1012 汽 车 燃 料 消 费 试 验
的 10.15 模 式 走 行 时 , 在 使 用 富 士 电 机 产 变 频 器 的 实 验 设
备 上 所 获 得 的 试 验 结 果 。 其 测 定 结 果 是 在 电 气 惯 性 比 例 为
-60%、200 % 时 得 出 的 。 无 论 哪 一 项 结 果 都 符 合 表 4 的
标 准 。
有 助 于 电 源 品 质 解 决 方 案 的 电 源 装 置
以 往 , 企 业 都 是 通 过 低 压 不 间 断 电 源 等 方 法 来 分 别 处 理
表 3 电 气 惯 性 式 底 盘 测 力 计 的 要 点
项 目 规 格 备 注
瞬 低 、 停 电 等 问 题 , 并 借 此 提 高 电 力 的 品 质 。 而 近 年 来 , 随
着 联 合 供 电 等 方 式 的 诞 生 , 供 电 方 式 呈 现 出 多 样 化 趋 势 。 在
生 产 工 厂 等 单 位 , 使 用 高 压 电 路 等 复 合 系 统 来 解 决 瞬 低 问 题
的 方 法 正 成 为 主 流 。
为 满 足 这 些 市 场 需 求 , 解 决 短 时 间 瞬 低 及 瞬 间 乃 至 长 时
间 的 停 电 问 题 , 富 士 电 机 开 始 生 产 高 效 率 、 高 可 靠 性 、 省 空
间 的 高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 UPS8000H 系 列 产 品 。 下 面
将 介 绍 这 一 产 品 。
6.1 高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 的 概 要
图 8 所 示 为 高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 的 外 观 , 表 5 是
其 基 本 规 格 , 图 9 是 其 系 统 结 构 。
本 高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 的 额 定 电 压 为 6.6 KV, 额
定 容 量 为 2,000 KV。 产 品 采 用 的 是 持 续 工 频 供 电 方 式 , 在
发 生 瞬 低 现 象 时 , 产 品 会 通 过 高 速 开 关 瞬 间 断 开 与 负 荷 及 工
频 用 系 统 的 连 接 , 并 通 过 储 存 装 置 实 现 备 用 电 力 运 行 效 果 。
6.2 优 点
⑴ 高 速 开 关
半 导 体 开 关 具 有 无 间 断 (2 ms 以 下 ) 高 速 切 换 功 能 ,
其 性 能 可 满 足 JEC-2433 的 Ⅱ 级 要 求 。 同 时 , 高 速 开 关 也
能 满 足 半 导 体 制 造 装 置 所 需 的 电 源 条 件 (SEMI-F47)。
机 械 式 开 关 采 用 了 开 放 式 电 弧 电 流 的 弧 形 消 弧 方 式 , 这
一 方 式 为 富 士 电 机 独 创 的 共 振 电 路 。 采 用 该 方 式 的 导 体 基
本 不 会 产 生 热 量 损 失 。 此 外 , 将 本 产 品 与 蓄 电 池 组 合 使
图 8 高 压 大 容 量 瞬 低 对 应 装 置 的 外 观 ( 本 体 )
电 气 惯 性 比 例
-60〜+200%
电 气 惯 性 比 例 % =
( 等 价 惯 性 - 机 械 固 定 惯 性 )
/ 机 械 固 定 惯 性 ×100
控 制 响 应 延 迟 0.1 秒 以 下 90% 的 响 应 时 间
表 4 电 气 惯 性 式 底 盘 测 力 计 的 评 价 项 目 及 标 准
项 目
标 准 偏 差
相 关 系 数
范 围
5% 以 内
0.98 以 上
倾 斜 线 性 回 归 1±0.02
截 距 线 性 回 归
±20 N
图 7 电 气 惯 性 验 证 结 果 ( 在 10.15 模 式 下 运 行 )
a 60 b 200
表 5 高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 的 基 本 规 格
项 目
仕 様
额 定 容 量
2,000 kVA/1,600 kW
冷 却 方 式
强 制 空 气 冷 却
切 换 时 间
2 ms 以 下
输 入 额 定 电 压
6,600 V/3,300 V
频 率
50/60 Hz
输 出 电 压 精 确 度 ±3%( 停 电 时 )
额 定 负 荷 力 比 率 0.8( 停 电 时 )
26(26)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 产 业 及 社 会 设 施 解 决 方 案 中 的 应 用
图 9
高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 的 系 统 构 成
专
辑
用 , 若 再 附 加 变 换 器 高 效 充 电 控 制 系 统 , 则 整 个 系 统 能 实 现
99.6% 以 上 ( 额 定 条 件 下 ) 的 效 率 。 并 且 , 因 装 置 本 身 就 具
有 省 电 功 能 , 用 来 处 理 装 置 热 量 损 耗 的 空 调 设 备 也 能 为 用 户
节 约 大 量 电 费 。
⑵ 停 电 时 的 不 间 断 化
本 装 置 能 在 0.5 ms 以 内 检 查 出 系 统 异 常 。 此 外 , 因 电
压 发 生 变 化 时 检 查 可 能 会 出 错 , 所 以 研 发 人 员 采 用 了 混 合 停
电 检 测 方 式 。 这 一 方 式 能 快 速 、 准 确 地 检 查 出 停 电 状 况 。 若
将 本 方 式 与 快 速 开 关 组 合 使 用 , 则 能 大 幅 度 降 低 过 度 输 出 电
压 的 变 动 。 同 时 , 装 置 还 能 对 因 瞬 低 产 生 的 负 荷 突 入 电 流 进
行 安 全 到 位 的 瞬 间 抑 制 , 从 而 确 保 电 源 的 稳 定 。
⑶ 并 联 运 行 、 高 可 靠 性
装 置 的 单 机 容 量 为 2,000 kVA, 若 将 数 量 增 加 至 6 台
并 联 , 则 能 应 对 多 种 负 荷 设 备 容 量 。 此 外 , 装 置 采 用 了 冗 长
式 系 统 , 从 而 实 现 了 高 可 靠 性 。
⑷ 应 对 大 范 围 的 停 电 补 偿 时 间
作 为 贮 能 装 置 , 本 装 置 采 用 了 短 时 间 充 电 、 高 输 出 、 高
寿 命 的 电 容 元 件 , 能 够 在 1 〜 数 秒 的 短 时 间 内 发 挥 补 偿 作
用 。 此 外 , 本 装 置 上 还 采 用 了 对 应 高 频 的 含 铅 蓄 电 池 , 不 但
能 应 对 瞬 低 , 还 能 应 对 长 达 五 分 钟 之 久 的 长 时 间 停 电 。 并 且
因 为 对 100% 全 电 压 下 降 也 可 进 行 补 偿 , 所 以 不 论 是 经 常
发 生 瞬 低 的 单 位 , 还 是 需 自 动 重 新 送 电 功 能 的 电 力 公 司 , 都
可 放 心 地 使 用 本 器 件 。
用 于 高 压 大 容 量 瞬 低 对 策 装 置 的 控 制 系 统 还 能 使 用 在 具
有 各 种 能 源 蓄 电 器 件 的 分 散 电 源 或 系 统 的 稳 定 化 装 置 上 。
今 后 , 富 士 电 机 将 在 已 推 出 的 低 压 不 间 断 电 源
UPS8000D 系 列 产 品 的 基 础 上 , 继 续 开 发 电 压 补 偿 、 高
谐 波 吸 收 等 的 无 功 功 率 附 加 功 能 , 并 将 其 产 品 化 。
后 记
置 与 电 源 装 置 。 富 士 电 机 将 通 过 驱 动 装 置 与 电 源 装 置 向 广 大
用 户 提 供 其 独 到 的 解 决 方 案 , 并 对 社 会 做 出 自 己 的 贡 献 。
参 考 文 献
⑴ 宫 下 勉 等 , 轧 钢 机 的 速 度 控 制 相 应 的 均 一 化 与 调 整 操 作 的 省
力 化 的 实 现 方 法 , 日 本 电 气 学 会 研 究 会 资 料 , MID-08-3, p.11-
16。
⑵ 社 团 法 人 汽 车 技 术 会 工 艺 图 纸 , 电 气 惯 性 式 底 盘 发 电 机 性 能
基 准 的 研 究 , JASO TP-06001, 2006 年 。
⑶ 市 中 良 和 等 , 高 性 能 矢 量 控 制 变 频 器 “FRENIC 5000VG7S”
的 控 制 技 术 , 富 士 时 报 , vol.76, no.08, 2003, p.461-464。
西 乡 宏 治
从 事 电 力 应 用 设 备 工 程 技 术 。 现 任 富 士 电 机 系 统 株
式 会 社 驱 动 事 业 本 部 驱 动 装 置 统 括 部 驱 动 系 统 技 术
第 一 部 部 长 , 日 本 电 气 学 会 会 员 。
山 卫 守 贵 博
从 事 交 流 可 变 速 驱 动 设 备 工 程 技 术 。 现 就 职 于 富 士
电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业 本 部 驱 动 统 括 部 驱
动 系 统 技 术 第 三 部 。
中 川 雅 之
从 事 设 施 电 机 设 备 工 程 技 术 。 现 任 富 士 电 机 系 统 株
式 会 社 产 业 设 备 事 业 本 部 第 一 统 括 部 设 施 电 机 技 术
部 主 查 。
以 上 介 绍 了 富 士 电 机 生 产 的 具 有 代 表 性 的 产 业 用 驱 动 装
27(27)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
Drive and Power Supply Technology for Solutions in the Transportation Sector
井 上 亮 二 Ryoji Inoue 尾 崎 觉 Satoru Ozaki 藤 田 昌 孝 Masanari Fujita
运 输 部 门 的 二 氧 化 碳 排 放 量 占 整 个 日 本 排 放 量 的 两 成 。 在 各 种 运 输 方 式 中 , 铁 路 与 船 舶 是 节 能 环 保 , 能 同 时 满 足 大 量 , 高
速 , 安 全 , 经 济 性 要 求 的 运 输 方 式 。 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 , 富 士 电 机 抢 占 市 场 先 机 , 积 极 研 发 节 能 环 保 技 术 , 为 社 会 奉 献 了
许 多 融 合 铁 路 车 辆 与 船 舶 的 驱 动 , 电 源 技 术 的 电 力 电 子 技 术 产 品 , 并 提 供 高 质 量 的 服 务 。
In the transportation sector which accounts for 20% of the CO2 emissions in all of Japan, the railroad and shipping modes of transport are
highly energy efficient, environmentally friendly, can handle large quantities, operate at high speeds, and are safe and cost effective. Fuji Electric is
actively moving forward with research and development, anticipating the market needs for energy savings and low environmental impact; and as a
solution for the transportation sector, provides power electronics products and services, based on its drive and power supply technology, for railroad
cars and ships that can contribute to society.
前 言
为 了 防 止 全 球 气 候 变 暖 , 世 界 各 国 都 在 采 用 不 同 的 方 法
抑 制 温 室 气 体 的 排 放 。 运 输 部 门 排 放 的 二 氧 化 碳 总 量 约 占 日
本 全 国 的 两 成 , 而 其 中 的 九 成 又 是 由 汽 车 排 放 的 。 铁 路 车 辆
与 船 舶 是 能 源 利 用 率 高 , 利 于 环 保 的 、 大 量 、 高 速 、 安 全 、
经 济 的 运 输 方 式 。 环 保 的 基 础 理 念 之 一 就 是 将 货 物 运 输 方 式
转 型 到 污 染 较 小 的 铁 路 车 辆 、 海 运 等 运 输 方 式 , 而 在 地 球 环
境 这 个 词 逐 渐 成 为 经 济 发 展 关 键 词 的 今 天 , 铁 路 车 辆 与 船 舶
将 变 得 更 为 重 要 , 并 将 持 续 发 展 。
为 了 满 足 市 场 对 节 能 与 环 保 产 品 的 迫 切 需 求 , 富 士 电 机
根 据 客 户 的 要 求 研 发 出 了 特 有 的 交 通 运 输 解 决 方 案 。 具 体 来
说 , 这 一 方 案 就 是 通 过 铁 路 车 辆 与 船 舶 的 驱 动 装 置 与 电 源 技
术 来 为 客 户 提 供 电 力 电 子 产 品 及 服 务 , 从 而 实 现 环 保 效 果 。
本 文 将 要 介 绍 的 是 富 士 电 机 在 铁 路 车 辆 与 船 舶 上 采 用 的 驱 动
装 置 与 电 源 技 术 中 的 电 力 电 子 技 术
⑴
。
交 通 运 输 解 决 方 案 领 域 的 最 新 需 求 与 富 士 电 机
的 对 策
2.1 铁 路 车 辆
现 在 的 铁 路 车 辆 不 但 要 求 其 电 力 电 子 设 备 具 有 安 全 性 、
可 靠 性 及 经 济 性 , 同 时 还 要 求 其 具 有 高 速 、 节 能 、 小 型 、 轻
量 、 节 省 维 护 时 间 、 舒 适 、 环 保 的 特 性 。 富 士 电 机 在 满 足 与
环 境 协 调 发 展 的 时 代 要 求 的 同 时 , 还 不 断 进 行 产 品 的 技 术 革
新 。
在 铁 路 车 辆 产 品 研 发 方 面 , 富 士 电 机 正 进 行 新 干 线 机 车
系 统 、 普 通 线 机 车 系 统 与 车 门 系 统 的 新 技 术 研 发 工 作 。 富 士
电 机 生 产 的 车 门 系 统 可 靠 性 高 , 其 安 全 性 达 到 了 国 际 水 准 。
这 些 产 品 在 日 本 国 内 与 国 外 市 场 享 有 较 高 声 誉 。
2.2 船 舶
在 船 舶 领 域 , 环 境 负 荷 较 高 的 陆 地 运 输 正 向 海 上 运 输 转
型 。 日 本 国 土 交 通 省 正 进 行 高 能 效 低 环 境 负 荷 的 新 一 代 内 航
船 舶 项 目 “ 超 经 济 船 舶 ” 的 研 发 与 推 广 工 作
⑵
。
与 原 有 船 舶 的 柴 油 发 动 机 驱 动 系 统 相 比 , 现 在 的 电 动 驱
动 系 统 在 环 保 、 经 济 性 、 操 作 性 、 省 力 、 防 振 、 防 噪 音 等 方
面 都 具 有 优 势 。 这 些 优 势 都 将 有 利 于 环 保 。
富 士 电 机 生 产 的 船 舶 电 动 驱 动 系 统 已 被 用 于 南 极 观 测 船
“ 富 士 ”、“ 白 濑 ”( 第 一 代 ) 与 日 本 防 卫 省 的 潜 水 艇 上 。 为 了 对
应 今 后 的 市 场 需 求 , 富 士 电 机 利 用 开 发 电 力 电 子 产 品 的 经 验
技 术 , 正 在 进 行 集 电 动 驱 动 和 辅 助 器 件 为 一 体 的 综 合 系 统 的
技 术 开 发 。
铁 路 车 辆
运 输 部 门 所 排 放 的 二 氧 化 碳 占 日 本 全 国 总 排 量 的 20%。
而 在 这 些 部 门 中 , 铁 路 车 辆 是 能 源 利 用 率 最 高 , 且 安 全 、 稳
定 的 大 型 运 输 工 具 。 富 士 电 机 研 发 的 最 新 电 力 电 子 技 术 已 被
用 于 电 动 控 制 系 统 上 , 这 一 系 统 将 有 助 于 为 社 会 提 供 更 加 利
于 环 保 、 更 有 利 于 人 类 生 活 的 运 输 解 决 方 案
⑶
。
3.1 新 干 线 提 速
新 干 线 是 日 本 最 具 代 表 性 的 铁 道 机 车 。 随 着 时 代 的 进 步 ,
新 干 线 上 也 相 继 采 用 了 各 种 最 新 技 术 。 从 最 初 的 东 海 道 新 干
线 0 型 机 车 到 图 1 所 示 的 最 新 N700 型 系 列 机 车 , 富 士 电
机 提 供 了 所 有 新 干 线 机 车 使 用 的 主 电 路 器 件 ( 主 变 压 器 、 主
变 换 装 置 、 主 电 动 机 ⑷ )。 下 面 将 介 绍 东 海 旅 客 铁 道 株 式 会 社
⑸⑹⑺
。
(JR 东 海 )N700 型 机 车 的 主 变 换 装 置
⑴ N700 型 新 干 线 车 辆 主 电 路 系 统
主 变 换 装 置
主 变 换 装 置 采 用 的 是 图 2 所 示 的 PWM(Pulse Width
28(28)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
图 1 N700 型 新 干 线 机 车 ( 照 片 由 JR 东 海 提 供 )
图 3 无 鼓 风 机 的 主 变 换 装 置 的 外 观 与 冷 却 原 理 ( 行 驶 过 程 中
的 气 流 方 向 )
东 方 向
专
辑
方 向
图 2
N700 型 机 车 主 变 换 装 置 的 结 构
行 驶 气 流
冷 却 气 流
C 60
变
变
主 电 动 机
Modulation) 转 换 器 与 VVVF(Variable Voltage Variable
Frequency) 变 频 器 的 构 造 , 由 并 联 的 四 台 主 电 动
机 与 一 台 VVVF 变 频 器 共 同 驱 动 。 本 产 品 采 用 两 种 主 变
换 装 置 。 一 种 是 TCI3 型 主 变 换 装 置 , 该 装 置 的 组 成 要 素
包 括 冷 媒 的 沸 腾 冷 却 与 鼓 风 机 的 强 制 风 冷 。 另 一 种 是 使 用
图 3 中 的 不 用 鼓 风 机 与 冷 媒 的 简 单 式 铝 冷 却 板 及 行 驶 风 冷
的 无 鼓 风 机 主 变 换 装 置 —TCI100 型 主 变 换 装 置 。
主 变 换 装 置 的 主 电 路 结 构 包 括 变 换 器 、 过 滤 冷 凝 器 、
变 频 器 三 个 部 分 。 其 中 , 变 换 器 与 变 频 器 采 用 的 是 三 级
结 构 。 为 提 高 效 率 并 减 轻 重 量 , 本 产 品 采 用 了 低 损 耗 的
无 缓 冲 器 电 路 模 式 。 该 模 式 通 过 高 耐 压 、 大 容 量 、 低 损
耗 的 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 模 块
(3,300 V,1,200 A) 实 现 了 高 效 率 化 与 轻 量 化 。
小 型 化 与 轻 量 化
TCI3 型 主 变 换 装 置 省 略 了 缓 冲 器 电 路 , 实 现 了 结 构
优 化 。 输 出 功 率 比 TCI2 约 提 高 了 10%, 体 积 与 重 量 分
别 减 小 了 3% 与 15%。
此 外 , 无 鼓 风 机 的 TCI100 型 主 变 换 装 置 比 TCI3 型
还 要 轻 12%。
⑵ 主 变 换 装 置 的 控 制
无 接 点 控 制 装 置
本 产 品 采 用 了 以 64 位 CPU 为 核 心 的 多 处 理 器 结 构 ,
能 通 过 多 个 路 径 进 行 高 速 、 高 精 度 的 控 制 演 算 处 理 , 还 能
收 发 驾 驶 指 令 , 并 传 送 运 行 状 态 的 检 测 信 息 。 这 些 功 能 可
确 保 列 车 的 高 性 能 控 制 。 富 士 电 机 通 过 最 新 的 微 电 子 与 数
据 通 信 等 专 业 技 术 减 少 了 部 件 的 数 量 , 并 丰 富 了 控 制 系 统
的 功 能 , 提 高 了 系 统 的 可 靠 性 。
变 换 器 与 变 频 器 的 控 制
三 级 变 换 器 有 一 个 弊 端 , 那 就 是 在 某 些 运 行 条 件 下 ,
直 流 中 性 点 收 到 的 、 来 自 正 极 与 负 极 的 过 滤 电 容 器 的 电 压
可 能 会 产 生 失 衡 现 象 , 部 分 元 件 可 能 会 受 到 过 大 电 压 的 冲
击 。 根 据 主 电 路 器 件 开 关 休 止 时 间 内 的 中 性 点 电 位 运 行 情
况 , 富 士 电 机 研 发 了 不 依 靠 电 力 与 电 流 的 极 性 就 能 对 中 性
点 电 位 进 行 控 制 的 技 术 , 并 将 这 类 产 品 投 入 到 了 实 际 运 用
之 中 。
电 机 控 制
要 控 制 机 车 提 速 系 统 , 就 必 须 对 主 电 机 的 力 行 扭 矩 与
再 生 扭 矩 进 行 控 制 , 并 保 证 良 好 的 配 合 速 度 与 精 度 。
在 产 业 领 域 中 , 企 业 一 般 通 过 矢 量 控 制 来 实 现 上 述 控
制 效 果 。 然 而 , 比 如 在 新 干 线 上 要 使 用 一 台 变 频 器 对 四 台
并 联 的 电 机 进 行 矢 量 控 制 是 极 为 困 难 的 。 富 士 电 机 基 于 一
次 磁 通 量 的 位 相 角 度 , 将 这 一 角 度 转 换 成 一 个 状 态 量 。 这
样 的 状 态 量 对 于 并 联 在 一 起 的 数 台 电 机 是 可 通 用 的 — 不
管 电 机 总 共 有 多 少 台 。 基 于 上 述 技 术 标 准 , 富 士 电 机 对 其
研 发 的 矢 量 控 制 应 用 到 实 际 之 中 , 并 实 现 了 良 好 的 控 制 效
果 。
3.2 辅 助 电 源 装 置
辅 助 电 源 装 置 可 给 空 调 装 置 与 照 明 设 备 提 供 稳 定 的 电 力 ,
而 这 些 装 置 正 是 维 持 机 车 内 部 舒 适 性 的 重 要 要 素 。 对 现 代 机
车 来 说 , 以 主 变 换 装 置 为 主 的 控 制 电 源 、 列 车 控 制 装 置 、 车
内 仪 表 等 IT 设 备 的 电 源 是 必 不 可 少 的 。
根 据 机 车 动 力 源 的 种 类 不 同 , 安 装 在 机 车 上 的 辅 助 电 源
装 置 的 结 构 也 大 不 相 同 。
⑴ 直 流 车 辆 辅 助 电 源 装 置
直 流 电 的 架 线 电 压 有 1,500 V、750 V、600 V。 必 须
根 据 架 线 电 压 及 装 置 的 要 求 输 出 容 量 和 规 格 , 选 用 于 电 路 结
构 及 主 电 路 相 匹 配 的 IGBT 的 最 佳 电 压 、 电 流 。
一 般 来 说 , 若 要 实 现 电 路 的 简 易 化 、 部 件 的 最 少 化 并 提
高 器 件 可 靠 性 , 就 应 采 用 IGBT 的 2 电 平 变 频 器 结 构 , 因
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
为 这 种 结 构 具 有 架 线 电 压 所 需 的 耐 压 功 能 。 此 外 , 作 为 直 流
1,500 V 架 线 , 通 过 在 适 用 于 1,700 V 耐 压 的 IGBT 的 变
频 器 元 件 2 群 的 直 流 输 入 端 处 采 用 串 联 连 接 , 且 每 个 群 的
变 频 器 元 件 输 出 端 上 添 加 输 出 变 压 器 , 则 能 实 现 变 频 器 载 波
频 率 的 高 频 化 , 并 能 降 低 变 频 器 的 噪 音 。 富 士 电 机 通 过 这 一
原 理 研 发 出 了 相 关 产 品 。 图 4 所 示 为 使 用 直 流 电 的 直 流 车 辆
的 主 电 路 结 构 图 。
⑵ 交 流 车 辆 辅 助 电 源 装 置
一 般 来 说 , 交 流 车 辆 的 制 冷 器 件 等 大 容 量 负 荷 是 由 主 变
压 器 直 接 供 电 的 。 而 辅 助 电 源 装 置 则 只 给 小 容 量 负 荷 提 供 电
力 , 包 括 指 示 灯 、 室 内 灯 、 控 制 电 源 等 部 位 。 这 些 小 容 量 器
件 是 机 车 中 最 需 要 引 起 重 视 的 负 荷 , 因 此 辅 助 电 源 装 置 必 须
具 有 较 高 的 可 靠 性 。
图 5 列 举 了 一 个 应 用 交 流 车 辆 辅 助 电 源 装 置 的 例 子 。 图
中 的 直 流 电 源 实 际 上 就 是 主 变 压 器 的 三 次 线 圈 的 单 相 交 流 电
源 , 只 是 设 计 人 员 通 过 二 极 管 整 流 器 与 IGBT 断 路 器 对 这 一
电 源 进 行 整 流 操 作 。 这 一 电 源 装 置 能 给 直 流 负 荷 直 接 供 电 。
另 外 , 这 一 电 源 输 出 的 直 流 电 源 在 受 到 IGBT 变 频 器 装 置 与
输 出 变 压 器 的 处 理 后 , 将 变 成 单 相 交 流 电 , 最 终 输 出 到 列 车
中 的 交 流 负 荷 上 。
⑶ 气 动 机 车 电 源 装 置
气 动 机 车 无 法 通 过 外 部 电 源 进 行 供 电 , 它 只 能 通 过 列 车
内 的 内 燃 结 构 驱 动 发 动 机 产 生 电 能 。 富 士 电 机 给 很 多 机 车 公
司 , 特 别 是 JR 旗 下 各 公 司 供 应 过 多 台 气 动 机 车 电 源 装 置 。
图 6 所 示 为 气 动 机 车 电 源 装 置 的 主 电 路 结 构 示 例 图 。 动
力 源 的 主 轴 驱 动 用 柴 油 发 动 机 的 转 速 根 据 运 行 状 况 的 变 化 进
行 相 应 调 整 。 该 发 动 机 内 置 定 速 旋 转 装 置 , 该 装 置 能 通 过 轴
心 的 转 动 来 产 生 转 速 固 定 的 轴 输 出 , 并 通 过 这 一 输 出 来 驱 动
三 相 交 流 发 电 机 , 获 取 具 有 固 定 频 率 的 交 流 电 力 。 通 过 这 一
过 程 产 生 的 交 流 电 力 将 直 接 被 供 给 到 空 调 装 置 等 的 负 荷 上 。
电 源 装 置 能 控 制 发 电 机 的 励 磁 , 从 而 确 保 发 电 机 的 输 出 电 压
不 变 , 并 通 过 交 直 流 变 换 功 能 给 控 制 装 置 等 部 位 提 供 直 流 电
力 。
⑷ 富 士 电 机 辅 助 电 源 装 置 的 特 征
高 性 能 控 制
即 使 在 架 线 电 压 发 生 急 剧 变 化 , 或 压 缩 机 的 通 断 电 过
程 中 发 生 负 荷 电 流 的 急 剧 变 化 , 以 及 负 荷 形 式 为 三 相 不 平
衡 负 荷 的 情 况 下 , 辅 助 电 源 装 置 也 必 须 能 够 提 供 不 含 有 波
形 变 化 与 电 压 变 动 的 稳 定 的 电 力 。 为 了 满 足 这 一 要 求 , 富
士 电 机 采 用 了 三 相 单 独 波 形 控 制 系 统 。 如 图 7 所 示 这 一 系
统 能 实 现 三 相 单 独 实 效 值 控 制 , 并 根 据 三 相 输 出 电 压 的 检
验 值 可 将 电 压 的 实 效 值 稳 定 在 一 定 大 小 。 另 外 , 该 系 统 还
同 时 采 用 了 三 相 单 独 瞬 间 控 制 结 构 。 这 一 结 构 能 在 负 荷 发
生 急 剧 变 化 时 抑 制 输 出 电 压 的 过 渡 变 动 。 如 此 一 来 , 在 架
线 电 压 与 负 荷 发 生 急 剧 变 化 时 , 电 压 仍 可 被 稳 定 控 制 , 而
输 出 电 压 的 误 差 也 会 低 于 ±1%。 通 过 这 一 技 术 , 能 够 保
证 波 形 的 变 化 率 停 留 在 1% 的 水 平 , 确 保 器 件 能 输 出 高
精 度 的 正 弦 波 电 压 。
高 可 靠 性
一 般 来 说 , 许 多 地 方 的 辅 助 电 源 最 多 也 不 会 超 过 两 到
三 台 , 而 少 的 情 况 下 可 能 只 有 一 台 。 正 因 如 此 , 一 旦 辅 助
电 源 发 生 故 障 , 会 造 成 伺 服 水 准 降 低 , 甚 至 引 起 机 车 停 运 。
富 士 电 机 采 用 了 变 频 器 与 控 制 器 件 同 时 发 挥 作 用 的 双
重 型 装 置 。 此 外 , 富 士 电 机 还 提 高 了 单 个 装 置 的 冗 长 性 ,
推 出 了 具 有 冗 长 系 统 的 辅 助 电 源 装 置 。 即 使 这 种 产 品 发 生
了 故 障 , 也 能 将 有 故 障 的 部 位 切 换 到 待 机 部 位 , 以 保 证 持
续 运 转 。 在 系 统 设 计 上 , 研 发 人 员 根 据 故 障 率 的 计 算 值 与
实 际 成 果 来 选 择 冗 长 化 部 位 。 通 过 这 些 程 序 选 出 的 系 统 是
⑼
图 4 直 流 车 辆 辅 助 电 源 装 置 的 主 电 路 结 构 示 例
图 6 气 动 机 车 电 源 装 置 的 主 电 路 结 构 示 例
图 5 交 流 车 辆 辅 助 电 源 装 置 的 主 电 路 结 构 示 例
图 7 高 性 能 辅 助 电 源 装 置 的 控 制 区 域 示 意 图
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
最 适 合 用 于 机 车 用 电 气 品 , 因 机 车 用 电 气 品 对 装 置 的 小 型
化 与 轻 量 化 要 求 特 别 严 格 。 东 日 本 旅 客 铁 道 株 式 会 社 (JR
东 日 本 ) 的 E721 类 交 流 一 般 车 辆 的 辅 助 电 源 装 置 也 是 采
用 了 以 上 技 术 。
高 功 能 化
在 机 车 方 面 , 富 士 电 机 为 提 高 机 车 的 使 用 效 果 及 维 修
效 率 , 导 入 了 IT 系 统 。 实 现 IT 系 统 需 导 入 数 据 传 输 功 能 ,
因 此 , 富 士 电 机 广 泛 采 用 了 物 理 层 为 RS-485, 传 输 顺
序 为 轮 流 检 测 系 统 的 结 构 。 为 提 高 机 车 传 输 系 统 的 性 能 ,
富 士 电 机 推 出 了 通 用 范 围 更 高 的 MODBUS on TCP/IP
协 议 的 机 车 传 送 系 统 。 这 一 产 品 作 为 双 层 机 车 的 辅 助 电 源
装 置 出 口 到 澳 大 利 亚 。 图 8 所 示 为 安 装 在 屋 顶 上 的 辅 助 电
源 装 置 的 外 观 。
3.3 车 门 系 统
对 乘 客 来 说 , 他 们 最 熟 悉 的 机 车 器 件 部 位 是 车 辆 的 侧 开
式 车 门 。 在 乘 车 的 高 峰 时 段 , 只 要 通 勤 列 车 的 多 个 车 门 中 有
一 个 发 生 故 障 , 那 么 整 个 列 车 的 运 行 就 很 可 能 马 上 会 受 到 影
响 。 因 此 , 与 机 车 中 的 其 他 电 气 品 相 比 , 车 门 器 件 必 须 具 有
更 高 的 安 全 性 与 可 靠 性 。 与 气 动 车 门 相 比 电 动 式 车 门 由 电 子
器 件 进 行 控 制 , 所 以 具 有 较 高 的 控 制 回 应 速 度 , 也 容 易 实 现
高 功 能 化 的 电 动 门 , 在 东 京 地 区 和 国 外 市 场 得 到 快 速 普 及 。
⑴ 电 动 车 门 与 线 性 车 门 的 特 征
电 动 车 门 的 优 点
电 动 车 门 不 需 配 置 气 动 机 车 门 所 需 要 的 空 气 配 管 , 且
使 用 很 多 年 后 仍 能 保 持 电 动 控 制 效 果 。 因 此 , 作 为 机 车 系
统 , 采 用 电 动 车 门 能 够 减 少 初 期 成 本 与 维 护 成 本 。 另 外 ,
富 士 电 机 的 控 制 器 的 功 能 灵 活 , 同 时 还 导 入 了 数 据 传 输 技
术 。 这 样 一 来 , 出 区 与 启 动 前 的 检 修 变 得 更 加 简 单 与 智 能
化 。 此 外 , 车 门 单 体 的 自 我 诊 断 功 能 也 得 到 了 改 进 。
动 力 传 输 结 构
以 前 的 电 动 车 门 都 采 用 了 将 转 动 式 电 机 转 换 成 车 门 直
线 运 动 的 结 构 , 且 常 常 通 过 滚 珠 螺 旋 法 发 挥 其 功 能 。 这 一
方 式 需 在 滑 动 部 位 进 行 润 滑 , 因 此 必 须 频 繁 地 进 行 加 油 。
此 外 , 后 面 将 要 谈 到 的 卡 紧 检 测 的 感 应 效 果 也 会 降 低 , 且
使 用 者 很 难 保 证 自 己 设 定 的 检 测 感 应 效 果 能 保 持 不 变 。
富 士 电 机 采 用 电 机 直 接 驱 动 车 门 , 实 现 了 车 门 的 直 线
运 动 。 这 样 , 车 门 的 驱 动 结 构 就 变 得 更 加 简 单 。 此 外 , 富
图 8 屋 顶 安 装 式 辅 助 电 源 装 置
⒀⒁
士 电 机 还 利 用 伺 服 技 术 推 出 了 具 有 高 控 制 性 能 的 车 门 产 品 。
锁 定 、 解 锁 结 构
为 了 保 证 车 门 关 闭 到 位 并 保 障 乘 客 安 全 , 富 士 电 机 在
机 车 车 门 产 品 上 采 用 了 锁 止 销 锁 定 结 构 。 此 外 , 富 士 电 机
还 在 车 门 上 配 备 了 解 锁 结 构 , 以 便 在 需 要 打 开 车 门 时 能 解
除 车 门 的 锁 定 状 态 。
安 全 性 能
由 于 近 年 来 , 大 楼 里 的 电 梯 与 车 辆 的 门 将 乘 客 夹 伤 的
事 故 经 常 发 生 , 人 们 便 开 始 重 视 车 门 的 安 全 性 能 。 富 士 电
机 的 车 门 采 用 微 电 子 计 算 机 进 行 电 子 控 制 , 这 一 控 制 系 统
能 根 据 车 门 的 速 度 等 控 制 信 息 进 行 高 感 应 度 的 车 门 夹 物 检
测 。 铁 路 车 辆 负 责 人 可 根 据 自 身 需 求 对 富 士 电 机 的 车 门 产
品 进 行 各 种 具 体 控 制 操 作 。
⑵ 线 性 车 门 的 产 品 实 例
单 电 机 驱 动 型 车 门
这 样 的 车 门 通 过 一 台 线 性 电 机 来 驱 动 车 门 , 可 驱 动 的
车 门 包 括 双 开 门 与 单 开 门 两 种 。JR 东 日 本 的 E231 系 列 、
E233 系 列 、E531 系 列 与 西 武 铁 道 的 30000 系 列 都 采
用 了 这 种 车 门 。 截 至 2008 年 年 末 的 统 计 所 示 , 这 样 的
车 门 约 有 14000 扇 正 在 使 用 之 中 。
双 开 门 中 的 一 扇 车 门 上 备 有 自 由 连 接 部 件 , 这 一 部 件
能 防 止 车 门 对 电 机 造 成 冲 击 。 这 扇 车 门 是 通 过 电 机 的 可 动
子 直 接 进 行 驱 动 的 。 而 另 外 一 扇 门 的 驱 动 方 向 与 可 动 子 刚
好 相 反 , 其 驱 动 过 程 通 过 支 架 与 齿 轮 结 构 ( 方 向 变 换 装 置 )
来 实 现 的 。 开 门 时 的 开 锁 动 作 采 用 了 根 据 线 性 电 机 的 驱 动
力 进 行 自 行 开 锁 的 方 法 。 图 9 所 示 为 车 门 系 统 结 构 。
在 东 海 道 线 的 E321 以 后 的 所 有 产 品 上 , 富 士 电 机
都 将 采 用 双 重 待 机 冗 长 方 式 。 这 一 方 式 包 括 信 号 的 输 入 输
出 接 口 、 控 制 电 路 、VVVF 变 频 器 。 机 车 即 使 发 生 故 障 ,
车 门 的 性 能 也 都 不 会 受 到 影 响 , 能 继 续 正 常 运 行 。
双 电 机 驱 动 型 车 门
这 种 产 品 是 通 过 两 台 线 性 电 机 来 分 别 驱 动 双 向 门 板 的
车 门 。 这 一 产 品 已 用 于 纽 约 都 市 交 通 局 (NYCT) 地 铁 的
R160 机 车 上 。 截 止 2008 年 年 末 , 这 种 产 品 总 共 出 货
4320 套 , 其 中 2000 多 套 的 产 品 正 在 使 用 之 中 。 图 10
所 示 为 NYCTR160 车 辆 与 车 门 系 统 的 简 要 结 构 。
为 了 在 直 流 37.5 V 的 电 源 发 生 电 压 变 动 时 确 保 器 件 的
运 行 稳 定 , 富 士 电 机 通 过 振 动 式 变 压 器 电 路 对 电 源 进 行 固 定
的 升 压 及 稳 定 化 处 理 。 在 处 理 完 成 后 , 这 一 电 源 的 电 力 将 被
输 送 至 变 频 器 上 。
此 外 , 有 些 客 户 比 较 重 视 车 门 规 格 的 安 全 性 , 要 求 各 功
能 可 独 立 实 现 。 为 了 满 足 这 些 客 户 的 需 求 , 富 士 电 机 在 产 品
中 采 用 了 螺 线 管 解 锁 结 构 。
专
辑
船 舶
在 日 本 国 内 的 运 输 部 门 中 , 国 内 航 道 海 运 的 能 源 利 用 率
仅 次 于 铁 路 车 辆 , 属 于 环 保 、 安 全 、 经 济 的 大 型 运 输 方 式 。
船 舶 的 运 输 活 动 量 ( 运 输 量 乘 以 距 离 ) 占 据 了 日 本 国 内 货 物
运 输 总 量 的 大 约 40%。
然 而 , 船 舶 运 输 中 存 在 船 员 高 龄 化 、 年 轻 船 员 不 足 、 劳
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
图 9 车 门 系 统 结 构
专
辑
图 10
NYCT R160 车 辆 与 车 门 系 统
等 特 点 , 能 够 发 挥 电 气 驱 动 装 置 上 述 特 点 的 产 品 今 后 应 会 在
越 来 越 多 的 船 舶 产 品 上 不 断 推 广
⑾
。
南 极 观 测 船 “ 富 士 ”、“ 白 濑 ”( 第 一 代 ) 与 防 卫 省 的 潜 水
艇 上 都 采 用 了 富 士 电 机 的 多 种 产 品 。 这 些 产 品 主 要 是 电 气 驱
动 装 置 、 轴 发 电 电 动 机 装 置 、 卷 扬 机 、 信 息 收 集 解 析 装 置 等
系 统 。 此 外 , 这 些 船 舶 上 还 采 用 了 富 士 电 机 公 司 的 可 变 速 驱
动 变 频 器 、 电 动 机 、 高 压 铸 型 变 压 器 、 真 空 切 断 器 、 电 磁 接
触 器 、 可 编 程 控 制 器 等 产 品 装 备 。
动 环 境 恶 劣 、 节 能 措 施 着 手 晚 等 问 题 。 为 了 加 强 环 保 , 提
高 物 流 效 率 并 提 高 对 海 运 方 式 的 利 用 , 日 本 国 土 交 通 省 从
2005 年 度 开 始 引 进 电 气 驱 动 系 统 , 并 计 划 在 日 本 国 内 航 线
的 船 舶 上 推 广 这 一 系 统
⑵
。
此 外 ,2008 年 改 定 了 《 能 源 使 用 合 理 化 的 相 关 法 律 》
( 节 能 法 ), 并 于 2009 年 4 月 开 始 实 施 。 该 法 规 定 , 总 运
输 能 力 超 过 两 万 吨 的 运 输 公 司 必 须 根 据 相 关 规 定 报 告 自 身
的 守 法 情 况 。 该 法 的 判 断 基 准 包 括 “ 使 用 优 越 的 运 输 设 备 ”。
具 体 来 说 , 这 一 基 准 包 括 了 “ 超 级 经 济 船 ”( 电 气 推 船 ) 与 “ 变
频 器 控 制 电 动 设 备 ” 等 , 而 这 样 的 判 断 基 准 都 是 行 之 有 效 的
从 电 气 驱 动 船 的 国 际 动 向 看 , 根 据 2007 年 度 的 劳 埃
德 统 计 数 据 , 欧 洲 造 船 厂 的 克 鲁 兹 客 船 、 韩 国 的 LNG 船 、
中 国 的 离 港 服 务 船 都 有 大 量 订 单 还 未 交 付 。 由 此 看 来 , 提 高
操 作 效 率 、 节 省 能 源 及 通 过 设 备 配 置 提 高 自 由 度 来 确 保 空 间
⑽
。
4.1 电 动 驱 动 船 舶 仿 真 技 术
最 近 , 以 内 航 船 舶 为 主 的 上 述 船 只 倾 向 于 采 用 各 种 电 动
驱 动 系 统 。 以 下 内 容 将 介 绍 仿 真 技 术 , 这 种 技 术 在 策 划 船 舶
的 电 动 驱 动 装 置 时 非 常 有 效 。
图 11 〜 图 13 所 示 为 包 括 原 动 机 在 内 的 发 电 设 备 、 电 动
驱 动 装 置 、 船 内 负 荷 、 螺 旋 桨 、 和 船 体 的 综 合 模 型 化 过 程 所
⑿
实 现 的 电 动 驱 动 船 仿 真 技 术 的 一 个 应 用 实 例 。 通 过 这 一 仿 真
技 术 , 相 关 人 员 能 获 得 螺 旋 桨 反 转 停 车 时 的 停 船 距 离 、 时 间 、
电 源 电 压 、 频 率 变 动 、 螺 旋 桨 制 动 倒 退 力 度 等 数 据 。 若 拥 有
这 些 数 据 , 相 关 人 员 就 能 在 船 体 , 螺 旋 桨 特 性 与 电 动 驱 动 装
置 ( 包 括 电 源 ) 的 特 性 中 选 取 最 有 利 于 船 舶 整 体 的 参 数 , 构
建 出 最 佳 的 系 统 。 在 电 动 驱 动 船 中 驱 动 螺 旋 桨 并 使 船 身 前 进
的 推 进 电 源 等 各 种 器 件 、 电 气 产 品 所 需 的 船 内 电 源 是 由 同 一
个 发 电 设 备 供 电 的 。 因 此 , 若 要 确 保 船 舶 的 操 纵 性 能 , 则
必 须 按 照 规 定 维 持 电 源 的 品 质 ( 频 率 、 电 压 等 )。 若 要 对 电
动 驱 动 船 的 性 能 进 行 评 价 , 仅 对 船 体 、 螺 旋 桨 进 行 单 独 仿
真 ( 不 考 虑 电 源 , 则 仅 包 括 船 速 变 化 与 螺 旋 桨 的 转 速 变 化 )
或 仅 对 电 动 系 进 行 单 独 仿 真 ( 当 发 生 单 纯 负 荷 变 动 的 情 况 下 ,
< 注 > 螺 旋 桨 反 转 停 车 , 螺 旋 桨 空 转 : 参 照 40 页 的 《 解 说 1》。
< 注 >
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驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
电 力 、 电 压 、 电 流 等 要 素 所 发 生 的 变 化 ) 是 不 够 的 , 必 须 要
对 发 电 设 备 、 螺 旋 桨 、 船 体 进 行 综 合 式 建 模 , 再 进 行 仿 真 操
作 。
最 后 的 要 点 是 , 必 须 对 仿 真 工 作 获 得 的 解 析 数 据 的 适 当
性 进 行 正 确 的 评 估 。 现 阶 段 已 知 的 是 , 当 电 源 产 生 高 频 波 与
短 路 故 障 时 仿 真 等 的 适 当 性 是 可 行 的 。 通 过 从 船 体 实 际 收 集
而 来 的 数 据 , 或 是 用 缩 小 模 型 等 工 具 进 行 的 实 验 后 取 得 的 数
据 与 仿 真 数 据 之 间 进 行 比 较 , 相 关 人 员 就 能 得 出 对 船 身 整 体
进 行 仿 真 操 作 的 适 当 性 。 今 后 , 随 着 电 气 驱 动 船 的 普 及 , 对
船 舶 产 品 进 行 测 量 后 获 得 的 数 据 将 不 断 积 累 。 从 而 , 仿 真 建
模 技 术 的 精 度 也 就 会 得 到 进 一 步 的 提 高 。
4.2 船 舶 解 决 方 案 示 例
图 14 所 示 为 船 舶 数 据 收 集 装 置 之 一 的 “f(s)NISDAS”。
这 一 装 置 的 组 成 部 分 包 括 电 气 驱 动 系 统 、 船 内 负 荷 以 及 用 来
收 集 GPS 等 数 据 的 可 编 程 控 制 器 及 电 脑 。 这 一 装 置 的 最 快
取 样 时 间 为 1 毫 秒 。 操 作 者 输 入 的 点 数 受 到 记 忆 器 件 的 容
量 与 取 样 时 间 的 大 小 限 制 。 图 15 为 收 集 数 据 的 示 例 图 。 在
该 图 中 , 船 舶 正 由 停 止 状 态 转 为 加 速 状 态 。 一 般 认 为 , 要 实
现 节 能 就 需 实 现 能 源 流 动 情 况 的 可 视 化 。 因 此 , 收 集 详 细 的
相 关 数 据 , 对 节 能 计 划 也 是 有 帮 助 的 。
富 士 电 机 还 推 出 了 其 他 一 些 解 决 方 案 , 包 括 电 气 集 尘 技
术 的 应 用 、 感 应 加 热 (IH) 锅 炉 、 小 型 高 性 能 变 频 器 等 用 于
船 舶 的 新 技 术 与 新 产 品 。 这 些 技 术 与 产 品 是 为 了 降 低 机 械 与
专
辑
图 11
电 动 驱 动 船 仿 真 模 型 示 例
图 12
< 注 >
仿 真 结 果 ( 螺 旋 桨 反 转 停 车 )
< 注 >
图 13 仿 真 结 果 ( 螺 旋 桨 空 转 )
33(33)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
驱 动 装 置 与 电 源 技 术 在 交 通 运 输 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
图 14
图 15
船 舶 数 据 收 集 装 置 示 例 图
锅 炉 的 煤 烟 以 及 为 提 高 液 压 器 件 的 维 护 效 率 而 采 用 电 动 液 压
器 件 等 要 求 而 提 出 的 。 今 后 , 富 士 电 机 将 根 据 船 主 、 造 船 厂 、
船 舶 机 械 制 造 厂 的 需 求 推 出 更 多 的 新 产 品 。
后 记
收 集 的 数 据 示 例
这 里 介 绍 了 输 送 解 决 方 案 中 的 铁 路 车 辆 与 船 舶 的 电 力 电
子 技 术 。 这 些 领 域 的 用 户 对 小 型 、 轻 量 、 高 性 能 、 多 功 能 、
减 轻 维 护 量 、 舒 适 性 、 节 能 环 保 功 能 的 需 求 日 益 高 涨 , 而 要
满 足 这 些 需 求 就 必 须 以 最 先 进 的 电 力 电 子 技 术 与 微 电 子 技 术
为 基 础 进 行 产 品 研 发 。 富 士 电 机 抢 先 把 握 了 节 能 , 环 保 的 市
场 需 求 , 积 极 地 进 行 研 发 活 动 。 今 后 , 富 士 电 机 将 继 续 推 出
新 的 产 品 , 不 断 为 社 会 做 出 贡 献 。
报 , vol.80, no.2, 2007, p.153-161。
⑷ 森 村 勉 、 关 雅 树 , 东 海 道 新 干 线 , 通 往 全 车 型 270 km/h 化
的 技 术 步 伐 ( 之 一 ), JREA, vol.46, no.5, 2003, p.20-24。
⑸ 田 中 守 、 吉 江 则 彦 , 东 海 道 山 阳 新 干 线 直 通 用 新 一 代 机 车
N700 系 列 量 产 先 行 试 作 车 的 概 要 , JREA, vol.48, no.6, 2005,
p.48-51。
⑹ 荻 原 善 泰 等 , 东 海 道 山 阳 新 干 线 直 通 用 新 一 代 机 车 N700 系
列 量 产 先 行 试 作 车 的 概 要 ⑶, R&M, 2005-8, p.4-8。
⑺ 井 上 亮 二 等 , N700 系 列 新 干 线 用 机 车 主 电 路 系 统 , 富 士 时 报 ,
vol.79, no.2, 2006, p.110-117。
⑻ 荻 原 善 泰 、 福 岛 隆 文 , 新 干 线 车 辆 用 行 驶 风 冷 ( 鼓 风 机 与
无 冷 媒 ) 式 主 变 换 装 置 的 研 发 , JREA, vol.48, no.10, 2005,
p.45-48。
⑼ 大 庭 政 利 等 , 普 通 线 机 车 辅 助 电 源 装 置 , 富 士 时 报 , vol.79,
no.2, 2006, p.118-122。
⑽ 2007 年 出 版 日 本 国 内 航 船 的 节 能 驱 动 方 式 , 财 团 法 人 节
能 中 心 。
⑾ 最 新 的 电 气 驱 动 系 统 的 调 查 报 告 , 2008 年 3 月 , 社 团 法 人 日
本 海 洋 工 程 学 会 。
⑿ 藤 田 昌 孝 、 西 田 英 幸 等 , 通 过 变 频 器 式 船 舶 电 动 驱 动 ⑹, 仿 真
技 术 , 日 本 海 洋 工 程 学 会 杂 志 , vol.41, no.1, 2006, p.95-100。
⒀ 尾 崎 觉 、 针 江 博 史 , 侧 开 式 线 性 车 门 的 研 发 与 概 要 , 铁 路 车 辆
工 业 , no.431, 2004-7, p.37-42。
⒁ 梅 泽 幸 太 郎 等 , 侧 开 式 线 形 门 器 件 , 富 士 时 报 , vol.79, no.2,
2006, p.128-133。
井 上 亮 二
长 期 从 事 铁 道 车 辆 、 船 舶 用 电 气 品 、 电 源 工 程 业 务 。
现 在 , 担 任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业 本
部 车 辆 、 特 机 、 电 源 统 括 部 长 。
尾 崎 觉
长 期 从 事 铁 道 车 辆 用 电 气 品 的 工 程 业 务 。 现 在 , 担
任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业 本 部 车 辆 、
特 机 、 电 源 统 括 部 车 辆 技 术 部 长 。 日 本 电 气 学 会 员 。
参 考 文 献
⑴ 田 中 滋 夫 , 交 通 , 特 机 领 域 展 开 的 最 新 技 术 与 举 措 , 富 士 时 报 ,
vol.79, no.2, 2006, p.106-109。
⑵ 电 气 驱 动 船 -Super Eco Ship Phasel- 独 立 行 政 法 人 铁 路
车 辆 建 设 , 运 输 设 施 整 备 支 援 机 构 。
⑶ 井 上 亮 二 、 大 庭 政 利 , 铁 路 车 辆 方 面 的 电 力 电 子 技 术 , 富 士 时
藤 田 昌 孝
长 期 从 事 船 舶 用 电 气 品 的 工 程 业 务 。 现 在 , 担 任 富
士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业 本 部 车 辆 、 特 机 、
电 源 统 括 部 特 机 部 担 当 部 长 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 源 技 术 在 能 源 与 环 境 解 决 方 案 中 的 应 用
Power Supply Technology for Energy and Environmental Solutions
专
辑
安 东 圭 司 Keiji Ando 松 原 正 刚 Masataka Matsubara 轻 部 邦 彦 Kunihiko Karube
富 士 电 机 利 用 自 身 雄 厚 的 电 力 电 子 技 术 提 出 了 能 源 与 环 境 解 决 方 案 。 例 如 : 在 网 络 数 据 中 心 上 , 富 士 电 机 不 仅 提 高 了 不 间
断 电 源 装 置 与 服 务 器 等 IT 设 备 的 内 置 电 源 电 路 的 效 率 , 同 时 还 提 出 了 空 调 相 关 设 备 的 节 能 方 案 。 在 产 业 领 域 , 富 士 电 机 提 供
了 以 电 梯 节 能 产 品 为 首 的 , 满 足 顾 客 需 求 的 紧 急 用 电 源 产 品 。 在 自 然 能 源 领 域 方 面 , 富 士 电 机 研 发 了 太 阳 能 电 池 用 高 效 电 力 调
节 器 大 大 地 提 高 了 节 能 效 率 , 为 环 境 保 护 做 出 了 卓 越 贡 献 。
Fuji Electric supplies power electronics technology for energy-saving solutions in the energy and environmental fields. For example, at an IDC
(internet data center), not only do we recommend increasing the efficiency of built-in power circuitry in such IT (information technology) devices as
UPS and servers, but also propose energy-saving solutions for air-conditioners and related equipment. In the industrial field, Fuji Electric provides
energy-saving solutions for elevators and also provides emergency power supplies that satisfy customer’s needs. In the natural energy field, Fuji
Electric helps lessen the burden on the environment through saving energy with high-efficiency power conditioners for use with solar cells.
前 言
1997 年 通 过 并 于 2005 年 开 始 生 效 的 《 京 都 议 定 书 》
中 规 定 , 在 2012 年 之 前 , 必 须 实 现 降 低 6% 温 室 气 体 排
量 ( 与 1990 年 相 比 ) 这 一 目 标 。 大 幅 减 少 消 耗 化 石 能 源 所
产 生 的 温 室 气 体 , 使 这 些 气 体 的 全 球 排 放 量 降 至 与 自 然 界 的
吸 收 量 相 同 的 水 平 的 同 时 , 追 求 富 裕 生 活 、 降 低 空 气 含 碳 量
是 当 今 世 界 的 潮 流 所 向 。
然 而 , 以 英 特 网 为 代 表 的 信 息 化 社 会 的 发 展 , 信 息 量
的 增 加 呈 现 出 爆 炸 性 趋 势 。 自 2003 年 起 之 后 的 三 年 之 内 ,
全 世 界 累 积 的 信 息 量 比 以 往 三 十 万 年 总 共 累 计 的 还 要 多 。 要
对 这 些 数 据 进 行 处 理 , 必 然 会 令 电 脑 的 电 力 消 费 急 剧 上 升 。
在 这 样 一 个 背 景 之 下 , 美 国 实 施 了 SOX 法 (Sarbanes-
Oxley Act 法 ), 而 日 本 也 修 改 了 本 国 的 商 法 , 且 开 始 对 相
关 企 业 进 行 管 理 ( 日 本 版 SOX 法 :《 金 融 商 品 交 易 法 》 的
一 部 分 规 定 )。 随 着 这 些 法 律 的 实 施 及 信 息 安 全 技 术 的 发
展 , 向 网 络 数 据 中 心 (Internet Data Center) 进 行 业 务 外
包 的 大 型 企 业 越 来 越 多 。 日 本 的 网 络 数 据 中 心 的 市 场 规 模 在
2012 年 将 达 到 3.3 兆 日 元 , 其 年 增 长 率 可 达 6%。
就 美 国 来 说 ,2006 至 2011 年 的 五 年 之 内 , 网 络 数 据
中 心 的 总 耗 电 量 增 加 了 一 倍 , 需 新 建 10 座 核 电 站 才 能 满 足
目 前 的 电 力 消 费 。 而 日 本 国 内 , 据 称 2025 年 的 英 特 网 上
来 往 的 信 息 量 将 增 加 至 约 现 在 的 两 百 倍 , 而 网 络 数 据 中 心 的
⑴
耗 电 量 也 会 达 到 现 在 的 2.5 倍 。 根 据 对 IT 设 备 耗 电 量 的 预
测 ,2025 年 日 本 全 国 的 耗 电 量 中 IT 设 备 的 耗 电 量 将 占 约
20%, 而 2006 年 这 一 数 值 仅 为 5% ⑵ 。
正 在 发 展 进 程 中 的 网 络 数 据 中 心 的 节 能 措 施 是 防 止 全 球
气 候 变 暖 的 一 个 重 要 环 节 , 并 且 对 IT 设 备 及 相 关 设 施 提 出
了 高 效 、 节 能 的 要 求 。
这 里 将 以 环 保 、 节 能 为 中 心 , 着 重 介 绍 富 士 电 机 在 网 络
数 据 中 心 方 面 的 节 能 成 果 。 同 时 , 还 将 介 绍 富 士 电 机 在 太 阳
能 发 电 、 低 含 碳 量 自 然 能 源 的 利 用 以 及 在 其 他 产 业 领 域 中 的
节 能 方 面 的 成 果 。
网 络 数 据 中 心 领 域 的 节 能 研 发
网 络 数 据 中 心 的 主 要 耗 电 量 中 ,IT 设 备 占 30%, 电 源
⑶
设 备 占 25%, 而 剩 下 的 45% 则 用 于 空 调 设 备 。 若 要 在 网
络 数 据 中 心 领 域 实 现 节 能 , 则 必 须 对 上 述 这 些 设 备 进 行 节 能
技 术 的 研 发 。
网 络 数 据 中 心 的 电 力 使 用 效 率 有 一 个 专 用 指 标 , 其 为
PUE(Power Usage Effectiveness)( 参 考 40 页 的 《 解 说
2》)。 通 常 , 网 络 数 据 中 心 的 PUE 大 小 约 为 2.5, 而 我 们
的 目 标 是 通 过 提 高 网 络 数 据 中 心 器 件 效 率 使 这 一 指 数 降 至 2
以 下 。
在 网 络 数 据 中 心 领 域 的 节 能 研 发 中 , 富 士 电 机 在 耗 电 量
大 的 空 调 关 联 设 备 上 不 仅 提 出 了 最 佳 空 调 系 统 计 划 。 同 时 ,
还 提 议 采 用 超 高 效 率 的 永 磁 式 同 步 电 动 机 ( 永 磁 电 机 )。 通
过 变 频 器 与 永 磁 电 机 的 结 合 , 将 效 率 提 高 到 94%, 从 而 达
到 节 能 效 果 。
此 外 , 在 电 源 装 置 的 节 能 方 面 , 采 用 低 能 耗 设 备 是 提 高
效 率 的 一 种 手 段 。 为 使 IT 设 备 的 供 电 装 置 — 不 间 断 电 源
也 具 有 与 采 用 低 能 耗 设 备 相 近 的 效 率 , 需 提 高 不 间 断 电 源 的
效 率 , 从 而 达 到 提 高 电 源 装 置 本 身 的 节 能 效 果 。
其 次 , 富 士 电 机 正 在 研 发 网 络 数 据 中 心 系 统 中 空 调 、 电
源 、IT 设 备 的 技 术 , 并 试 图 在 这 些 器 件 上 推 出 不 同 的 节 能
解 决 方 案 。 这 些 解 决 方 案 的 目 标 是 提 高 网 络 数 据 中 心 中 的 服
务 器 等 IT 设 备 内 部 电 源 电 路 的 效 率 并 降 低 这 些 电 路 的 耗 电
量 。
下 面 将 介 绍 富 士 电 机 利 用 电 力 电 子 技 术 进 行 电 源 及 IT
设 备 领 域 的 节 能 研 发 的 细 节 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 源 技 术 在 能 源 与 环 境 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
2.1 网 络 数 据 中 心 电 源 领 域 的 研 发
网 络 数 据 中 心 所 使 用 的 不 间 断 电 源 装 置 中 的 旧 机 型 , 其
效 率 一 般 在 91% 左 右 。 若 与 变 压 器 等 相 比 较 , 不 间 断 电 源
的 效 率 相 对 较 差 。 为 此 , 富 士 电 机 研 发 了 与 变 压 器 效 率 更 接
近 的 不 间 断 电 源 产 品 (UPS7000D 系 列 、UPS8000D 系 列 、
UPS8100D 系 列 )。
⑴ UPS7000D 系 列 产 品 的 特 点
与 以 往 的 不 间 断 电 源 相 比 , 这 一 系 列 的 产 品 取 消 了 绝 缘
变 压 器 , 从 而 提 高 了 效 率 。 在 500 kVA 机 型 上 , 此 系 列 产
品 实 现 了 95% 的 效 率 , 其 损 耗 也 比 以 往 的 下 降 了 45%。
通 过 在 网 络 数 据 中 心 上 使 用 主 流 产 品 —400 V 型 产 品 ,
使 产 品 的 占 地 面 积 降 至 原 来 的 70%, 确 保 顾 客 对 空 间 的 有
效 利 用 。 在 系 统 结 构 上 , 为 对 应 具 有 并 联 冗 长 系 统 与 待 机 冗
长 方 式 ( 此 方 式 最 近 逐 渐 成 为 主 流 ) 的 网 络 数 据 中 心 , 在 产
品 中 导 入 了 个 别 输 入 、 个 别 电 池 式 的 设 计 。
同 时 , 因 取 消 了 绝 缘 变 压 器 , 不 间 断 电 源 的 前 后 器 件 处
于 必 须 是 非 绝 缘 状 态 。 因 此 必 须 考 虑 到 地 线 的 协 调 性 。 此 外 ,
图 2 UPS8000D 系 列 的 切 换 特 性
图 1 UPS8000D 系 列 产 品 的 运 行 原 理
表 1 不 间 断 电 源 系 列 产 品 的 功 能 比 较
( 注 1)
UPS6000D 系 列
( 以 往 机 型 )
UPS7000D 系 列
UPS8000D 系 列
效 率 91% 95% 98%(ECO 模 式 下 )
设 置 面 积
( 注 2)
100 70 60 ( 注 3)
相 数 三 相 3 线 三 相 3 线 三 相 3 线
输 出 电 压 415 V 415 V 415 V
电 压 精 度
( 整 定 的 情 况 下 )
±1.0% 以 内 ±1.0% 以 内
AVR 模 式 下 :±2% 以 内
ECO 模 式 下 : 根 据 设 定 值 的 变 化 而 变 化
(±1~±5%)
输 出 频 率
50 Hz±1%
电 池 供 电 时 :±0.01%
50 Hz±1% 或 者 ±2%
电 池 供 电 时 :±0.01%
与 输 入 相 同
电 池 供 电 时 :±0.01%
负 荷 功 率 因 数
0.7( 延 迟 )〜1.0
额 定 0.8 或 者 0.9( 延 迟 )
0.7( 延 迟 )〜1.0
额 定 0.9( 延 迟 )
0.7( 延 迟 )〜1.0
额 定 1.0
过 渡 电 压 变 动
( 注 4)
±5% 以 内 ±5% 以 内 ±5% 以 内
电 压 波 形 失 真 率
2.5%
( 直 线 性 负 荷 100% 时 的 谐 波 总 和 的
平 方 的 平 均 值 )
5% 以 下
( 整 流 器 负 荷 100% 时 的 谐 波 总 和 的
平 方 的 平 均 值 )
2.5%
( 直 线 性 负 荷 100% 时 的 谐 波 总 和 的
平 方 的 平 均 值 )
5% 以 下
( 整 流 器 负 荷 100% 时 的 谐 波 总 和 的
平 方 的 平 均 值 )
5% 以 下
过 负 荷 耐 量
125% :10 分 钟
150% : 1 分 钟
125% :10 分 钟
150% : 1 分 钟
200% : 2 秒 钟
125% :10 分 钟
200% :1 分 钟
800% : 一 个 周 期
【 停 电 时 】
150% :10 秒
直 流 额 定 电 压 360 V 528 V 384 V
停 电 切 换 时 间 JEC-2433 1 级 标 准 JEC-2433 1 级 标 准 JEC-2433 1 级 标 准
( 注 1) 在 500kVA、415V、50Hz 机 型 上 的 比 较
( 注 2) 将 6000 系 列 调 整 到 100 时 的 数 值
( 注 3) 对 维 护 路 径 的 比 较 。 在 对 应 待 机 冗 长 的 情 况 下 则 不 需 维 护 路 径 , 预 计 将 采 用 与 7000 系 列 相 同 的 配 置
( 注 4) 负 荷 0 〜 100% 的 情 况 下
36(36)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 源 技 术 在 能 源 与 环 境 解 决 方 案 中 的 应 用
当 直 接 供 电 的 电 源 与 不 间 断 电 源 存 在 不 匹 配 的 输 入 电 源 有 区
别 时 , 则 需 要 在 不 同 的 接 地 系 统 之 间 进 行 切 换 操 作 。 此 时 ,
切 换 动 作 将 通 过 不 间 断 电 源 的 电 池 进 行 。
⑵ UPS8000D 系 列 /UPS8100D 系 列 的 特 征
以 往 的 不 间 断 电 源 是 先 将 交 流 电 源 转 成 直 流 , 再 将 直 流
转 成 交 流 的 方 法 。 这 样 的 方 式 下 输 出 的 最 终 电 流 会 产 生 较 大
损 耗 。 此 外 , 即 便 将 绝 缘 变 压 器 取 消 , 对 电 源 进 行 转 换 的 部
分 仍 会 占 用 一 部 分 功 率 , 而 这 部 分 功 率 的 大 小 不 可 忽 略 。
为 防 止 电 源 转 换 过 程 中 产 生 的 效 率 下 降 的 现 象 , 富 士
电 机 采 用 了 控 制 直 接 输 入 电 源 技 术 。 这 样 , 不 间 断 电 源 就
能 提 供 负 荷 设 备 所 需 的 电 源 , 同 时 还 能 将 效 率 提 高 至 98%
(500 kVA 型 ,ECO 模 式 下 ), 将 损 耗 降 低 至 原 来 的 78%。
如 图 1 所 示 , 在 一 般 运 行 状 况 下 , 上 述 产 品 将 对 输 入 电
源 进 行 AVR( 自 动 电 压 调 整 期 ) 补 偿 与 活 动 过 滤 器 补 偿 , 以
确 保 输 入 至 负 荷 器 件 的 电 源 的 稳 定 性 。 在 商 用 电 源 当 发 生 停
电 或 电 压 瞬 低 时 , 不 间 断 电 源 将 自 动 切 换 成 电 池 供 电 模 式 ,
以 确 保 稳 定 供 电 。
在 切 换 过 程 中 , 过 渡 电 压 的 特 性 如 图 2 所 示 。 此 时
UPS8000D 系 列 产 品 达 到 了 JEC-2433 所 规 定 的 最 严 格
的 1 级 标 准 , 并 具 有 与 常 用 变 频 器 供 电 方 式 相 同 的 特 性 。
本 产 品 系 列 包 括 两 种 , 一 种 是 规 格 大 于 100 kVA 的
不 间 断 电 源 8000D 系 列 , 另 一 种 则 是 不 具 有 AVR 功 能 的 、
低 于 75 kVA 的 UPS8100D 系 列 。
通 常 , 供 电 以 商 用 电 源 为 主 体 。 而 当 不 间 断 电 源 发 生 故
障 , 或 者 发 生 其 他 状 况 时 , 一 般 都 会 将 电 源 切 换 至 同 一 个 商
用 电 源 。 若 是 并 联 冗 长 系 统 , 则 不 会 有 问 题 , 但 在 待 机 冗 长
系 统 或 输 入 电 源 与 直 送 型 电 源 不 同 的 系 统 时 , 则 不 能 进 行 切
换 。2009 年 , 富 士 电 机 将 计 划 改 进 上 述 功 能 , 使 之 也 适 用
于 网 络 数 据 中 心 领 域 中 已 逐 渐 成 为 主 流 的 待 机 冗 长 方 式 , 进
一 步 扩 大 产 品 的 适 用 范 围 。
表 1 所 示 为 以 往 的 UPS6000D 系 列 产 品 与 这 里 介 绍 的
UPS7000D 以 及 UPS8000D 系 列 产 品 的 特 征 的 比 较 。 在
系 统 对 应 方 面 , 如 表 2 所 示 , 以 往 的 系 列 产 品 所 对 应 的 设 备
与 新 产 品 也 可 同 样 对 应 。
2.2 IT 设 备 领 域 的 研 发
电 脑 与 服 务 器 等 器 件 内 都 有 将 100 V 或 200 V 的 交 流
电 转 换 为 直 流 供 电 给 CPU 及 存 储 器 供 电 的 小 型 电 源 , 而 这
些 小 型 电 源 必 须 。
如 图 3 所 示 , 以 往 的 CPU、 存 储 器 等 设 备 的 操 作 电 压
为 3.3 V 与 5 V。 当 时 的 供 电 方 式 是 集 中 供 电 , 电 源 及 设 备
的 主 板 之 间 通 过 导 线 进 行 连 接 。
而 最 近 , 电 脑 与 服 务 器 的 运 行 电 压 降 至 1 V 左 右 , 配
线 与 主 板 的 配 线 方 式 也 会 对 电 感 有 影 响 , 并 阻 碍 负 荷 的 运
作 。 为 解 决 这 一 问 题 , 如 图 4 所 示 , 设 置 一 个 前 端 电 源 , 将
交 流 输 入 先 转 成 12 V 或 48 V 的 直 流 电 。 在 后 端 处 还 配 备
了 DC/DC 变 换 器 , 负 荷 尽 可 能 相 近 , 从 而 减 小 电 感 所 受 到
的 影 响 。 这 种 技 术 被 称 为 分 散 供 电 方 式 。
与 集 中 供 电 方 式 相 比 , 分 散 供 电 方 式 的 变 换 器 级 数 较 多
( 串 联 部 位 数 量 )。 因 此 , 分 散 供 电 方 式 的 变 换 效 率 较 差 , 不
利 于 节 能 。 然 而 , 客 户 却 要 求 分 散 供 电 器 件 具 有 与 集 中 供 电
器 件 相 同 、 甚 至 更 高 的 电 源 效 率 。 这 一 电 源 效 率 的 指 标 必
须 满 足 一 些 相 关 标 准 , 这 些 标 准 包 括 了 国 际 能 源 之 星 计 划
(Energy star)( 参 考 40 页 的 《 解 说 2》) 与 CSCI(Climate
Savers Computing Initiative)( 参 考 40 页 的 《 解 说 2》)。
为 满 足 上 述 规 定 , 富 士 电 机 进 行 了 新 产 品 的 研 发 。 这 些
产 品 中 包 括 变 换 电 路 、 开 关 元 件 、 配 线 结 构 等 领 域 中 的 先 进
技 术 。 下 面 是 一 个 关 于 前 端 电 源 及 总 线 变 频 器 的 例 子 。
⑴ 前 端 电 源
图 3 以 往 的 集 中 供 电 方 式
专
辑
表 2
单
击
不 间 断 电 源 各 个 系 列 的 系 统 相 应 比 较
项 目 ( 概 念 图 ) ( 注 1)
UPS6000D
系 列
( 以 往 机 型 )
UPS7000D
系 列
UPS8000D
系 列
○ ○ ○
并
联
冗
长
○ ○ ○
图 4 分 散 供 电 方 式 举 例
待
机
冗
长
○ ○ ○
( 注 2)
( 注 1) 在 500 kVA、415 V、50 Hz 机 型 上 进 行 的 比 较
( 注 2) 预 计 在 2009 年 度 开 始 实 现 功 能 对 应
37(37)

富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 源 技 术 在 能 源 与 环 境 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
图 5 中 所 示 为 输 出 电 压 为 12 V、 输 出 功 率 为 2 千 瓦 的
产 品 。
本 电 源 符 合 能 源 之 星 与 CSCI 严 格 规 定 下 的 效 率 , 可 在
负 荷 率 为 50% 时 实 现 92% 的 效 率 。 此 外 , 本 电 源 的 外 形
尺 寸 为 100(W)×375(D)×40(H)(mm)。
⑵ 总 线 变 频 器
图 6 所 示 为 总 线 变 换 器 , 该 产 品 的 输 入 电 力 为 48 V 直
流 电 , 输 出 电 力 为 12 V、200 W。
本 电 源 符 合 行 业 标 准 所 规 定 的 1/8 标 准 模 块 尺 寸 [22.8
(W)×57.8(D)×8.8(H)(mm)], 可 发 挥 92.5 % 的 效 率 。
产 品 每 单 位 体 积 的 输 出 电 力 为 16 W/cc, 具 有 高 效 率 及 高
密 度 的 特 点 。
现 在 , 富 士 电 机 正 在 研 究 控 制 电 路 的 数 字 化 。 这 不 仅 可
提 高 控 制 性 能 , 还 可 减 少 出 厂 检 验 时 的 试 验 工 数 , 使 器 件 多
机 种 化 发 展 。 此 外 , 我 们 计 划 与 富 士 电 机 集 团 的 电 子 器 件 部
门 进 行 合 作 , 研 究 如 何 将 新 器 件 [ 碳 化 硅 (SiC)MOSFET]
应 用 到 电 源 装 置 上 。
产 业 领 域 的 节 能 研 发
性 能 均 不 相 同 。 因 此 , 富 士 电 机 必 须 根 据 客 户 的 需 要 来 进 行
产 品 策 划 , 以 求 为 客 户 提 供 最 有 价 值 的 产 品 。
电 梯 行 业 对 安 全 的 意 识 不 断 增 强 , 新 安 装 的 七 成 电 梯 都
具 有 “ 停 电 时 能 使 电 梯 自 动 降 到 地 面 ” 的 装 置 。
以 往 的 技 术 是 在 电 梯 的 变 频 器 、 控 制 元 件 及 制 动 控 制 装
备 上 各 配 备 一 套 电 池 , 组 成 几 个 单 独 的 备 用 电 源 系 统 。 因 此 ,
电 梯 的 结 构 将 变 得 更 为 复 杂 、 电 源 元 件 增 多 及 维 护 工 作 变 得
较 为 繁 杂 。 此 外 , 在 电 梯 发 生 减 速 停 止 时 , 产 生 的 再 生 电 能
将 被 电 阻 消 耗 , 并 产 生 热 量 。
富 士 电 机 将 作 为 电 梯 的 紧 急 用 电 源 进 行 整 体 修 改 与 统 合 。
这 一 措 施 实 现 了 电 源 装 置 的 简 略 化 及 高 效 化 , 如 图 7 与 表 3
所 示 , 富 士 电 机 针 对 顾 客 需 求 , 提 出 了 构 筑 新 电 源 系 统 的 思
路 。 导 入 了 与 交 流 电 源 相 连 的 备 用 方 式 后 , 新 电 源 将 能 够 为
每 个 控 制 元 件 提 供 备 用 电 源 。
本 方 式 是 通 过 电 源 部 位 的 通 用 化 来 简 化 电 路 。 此 外 , 本
方 式 还 通 过 电 源 部 位 与 控 制 部 位 的 共 同 作 用 构 建 了 最 佳 的 电
梯 避 难 系 统 。 再 有 , 电 梯 升 降 过 程 中 产 生 的 再 生 电 力 能 够 被
有 效 地 吸 收 , 从 而 实 现 节 能 效 果 。
本 系 统 利 用 了 高 密 度 实 装 技 术 , 能 将 电 源 收 纳 至 电 梯 间
产 业 领 域 的 节 能 研 发 的 对 象 之 一 就 是 面 向 电 梯 行 业 的 复
合 电 源 产 品 。 根 据 用 户 的 不 同 需 求 , 产 品 系 统 结 构 、 器 件 及
图 7 电 梯 紧 急 用 电 源 示 例
图 5 FH2000U1
变 频 器
M
充 电 器
控 制 板
a
制 动
控 制
变 频 器
M
变 换 器
图 6 200 W 总 线 变 换 器
DC/DC
控 制 板
电 池
DC/DC
b
制 动
控 制
表 3 电 梯 用 紧 急 电 源 装 置 的 比 较
项 目
电 池 电 源
停 止 运 行 时 的
再 生 能 源
以 往 的 系 统
各 个 元 件 ( 电 梯 本 体 、 控 制 部 位 、
制 动 控 制 部 位 ) 单 位 上
都 要 有 电 源
电 阻 器 等 器 件 会 发 热
富 士 电 机 提 出 的
新 系 统
集 中 在 紧 急 用
电 源 一 部 位
用 于 电 池 的 充 电
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 源 技 术 在 能 源 与 环 境 解 决 方 案 中 的 应 用
的 控 制 板 内 。 这 一 技 术 实 现 了 以 往 的 电 梯 设 备 计 划 。
自 然 能 源 领 域 的 研 发
太 阳 能 发 电 、 风 力 发 电 等 新 能 源 领 域 中 使 用 的 电 力 调 节
器 是 这 一 领 域 的 代 表 性 产 品 。
在 日 本 国 内 , 大 多 家 庭 使 用 如 图 8 所 示 的 太 阳 能 发 电 。
今 后 , 太 阳 能 发 电 产 品 的 市 场 还 将 扩 大 。
各 电 力 公 司 相 继 公 布 了 大 规 模 太 阳 能 发 电 设 备 的 研 发 计
划 。 电 气 事 业 联 合 会 在 其 发 布 的 太 阳 能 发 电 普 及 计 划 中 表 示 ,
计 划 在 2020 年 之 前 通 过 10 家 电 力 公 司 在 30 个 地 区 设 置
14 万 千 瓦 的 太 阳 能 发 电 设 备 。
综 上 所 述 , 针 对 全 球 变 暖 与 二 氧 化 碳 减 排 问 题 , 从 国 内
外 的 家 用 小 规 模 到 大 规 模 的 太 阳 能 发 电 设 备 , 地 球 温 暖 化 防
止 和 二 氧 化 碳 减 排 放 得 到 了 广 泛 的 推 广 。
如 图 9 所 示 , 在 太 阳 能 发 电 系 统 中 , 太 阳 能 电 池 发 电 所
产 生 的 直 流 电 力 将 被 输 送 至 系 统 。 因 此 , 对 交 流 电 进 行 转 换
的 电 力 调 节 器 将 成 为 系 统 的 极 其 重 要 的 部 分 。
电 力 调 节 器 除 了 能 将 太 阳 能 电 池 产 生 的 直 流 电 转 换 成 交
流 电 , 可 发 挥 变 频 器 功 能 以 外 , 电 力 调 节 器 还 可 调 节 太 阳 能
电 池 的 负 荷 阻 抗 , 并 能 通 过 最 大 电 力 的 追 踪 控 制 功 能 实 现 电
力 的 最 大 化 。 同 时 , 因 电 力 调 节 器 具 有 系 统 保 护 功 能 及 防 止
单 独 运 行 的 功 能 , 因 此 它 不 会 对 系 统 的 交 流 电 带 来 不 良 影 响 。
图 8
⑷
日 本 国 内 的 太 阳 能 发 电 市 场 与 用 途
在 系 统 遇 到 停 电 时 , 电 力 调 节 器 能 安 全 地 停 止 运 行 。
富 士 电 机 对 表 4 中 的 大 容 量 及 中 容 量 的 电 力 调 节 器
导 入 了 系 列 化 设 计 , 并 推 出 了 薄 膜 式 非 晶 体 太 阳 能 电 池
“FWAVE” 以 及 以 太 阳 能 发 电 为 核 心 的 电 力 调 节 器 。 富 士 电
机 准 备 通 过 自 行 销 售 以 及 与 OEM 厂 家 的 合 作 , 不 断 开 拓 国
内 外 的 相 关 产 品 的 销 售 市 场 。
大 型 太 阳 能 发 电 系 统 与 家 用 太 阳 能 发 电 设 备 有 一 定 差 别 ,
这 一 差 别 对 电 力 系 统 具 有 较 大 的 影 响 。 要 实 现 太 阳 能 发 电 系
统 就 必 须 采 用 电 力 平 衡 技 术 。 电 力 平 衡 技 术 是 利 用 电 力 贮 藏
系 统 来 抑 制 自 然 能 源 剧 烈 的 电 力 变 动 的 一 种 技 术 。 此 外 , 以
NAS 电 池 为 代 表 的 大 电 量 贮 藏 系 统 也 必 须 通 过 电 力 调 节 器
来 实 现 直 流 电 与 交 流 电 之 间 的 切 换 。
富 士 电 机 活 用 电 力 电 子 技 术 , 不 断 推 出 各 种 调 节 器 系 类
产 品 。 同 时 , 还 利 用 电 力 系 统 的 同 步 协 调 技 术 , 不 断 推 出 太
阳 能 系 统 提 案 。
表 4 电 力 调 节 器 系 列
输 出 容 量
( 千 瓦 )
额 定 输 出
电 压
额 定 频 率
电 气 方 式
绝 缘 方 式
规 格
50 100 200 300 400 500 600
AC380 V/400 V/415 V
50/60 Hz
三 相 3 线 式 或 三 相 4 线 式
商 用 频 率 绝 缘 变 压 器 式
备 注
专
辑
输 出 功 率
输 出 电 流
变 化 率
额 定 输 入
电 压
输 入 电 压
范 围
0.95 以 上
综 合 5% 以 下 , 各 3% 以 下
DC500 V
DC0〜700 V
额 定
时 间
额 定
时 间
输 入 电 压
( 运 行 范 围 )
输 入 电 压
(MPPT 范 围 )
DC250〜600 V
DC250〜600 V
设 置 室 内 自 立 式
图 9
太 阳 能 发 电 系 统 的 结 构 示 例
电 缆 插 入
上 部 插 入
下 部
插 入 为
可 选 件
冷 却 方 式
电 板 宽 度
(mm)
强 制 空 气 冷 却
500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000
除
变 压 器
电 板 高 度
(mm)
1,950
电 板 深 度
(mm)
800
重 量 ( 千 克 ) 400 800 1,200 1,600 2,000 2,400
除
变 压 器
环 境 温 度 室 内 :−5〜+400 ℃
相 对 湿 度 30〜90%
高 度 1,000 m 以 下
不 能 有
结 冰
或 结 露
现 象
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
电 源 技 术 在 能 源 与 环 境 解 决 方 案 中 的 应 用
专
辑
后 记
这 里 对 富 士 电 机 采 用 自 己 在 电 力 电 子 技 术 方 面 的 强 项 ,
在 节 能 、 环 保 领 域 中 的 节 能 解 决 方 案 的 研 发 方 面 通 过 使 用 不
间 断 电 源 、IT 设 备 用 电 源 与 电 力 调 节 器 进 行 的 节 能 对 策 进
行 了 介 绍 。
今 后 , 富 士 电 机 将 继 续 在 空 调 、 电 源 、IT 设 备 等 领 域
进 行 相 关 节 能 技 术 的 研 发 。 同 时 , 富 士 电 机 还 将 在 网 络 数 据
中 心 领 域 努 力 构 建 系 统 性 的 节 能 解 决 方 案 。
参 考 文 献
⑴ 绿 色 IT 的 积 极 推 进 , 2008 年 10 月 , 经 济 产 业 省 商 务 信 息 政 策
局 ( 发 表 人 为 高 滨 航 )。
⑵ 经 济 产 业 省 , 对 信 息 通 信 设 备 的 创 新 节 能 技 术 的 期 待 , 绿 色 IT
讨 论 会 2007。
⑶ APC 白 皮 书 , #114《 实 现 能 源 高 效 利 用 的 数 据 中 心 的 结 构 》,
2006 年 。
⑷ Solarbuzz.
http://www.solarbuzz.com/( 参 考 2009-03-19)。
安 东 圭 司
从 事 以 电 力 电 子 技 术 为 何 新 的 节 能 , 环 保 事 业 的 策
划 及 研 发 。 现 担 任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 在 装
置 事 业 本 部 机 车 , 特 机 , 电 源 统 括 部 副 统 括 部 长 。
松 原 正 刚
从 事 以 不 间 断 电 源 为 主 题 的 电 源 设 备 的 策 划 , 研 发
及 调 配 。 现 任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 装 置 事 业
本 部 机 车 , 特 机 , 电 源 统 括 部 电 源 技 术 部 部 长 。
轻 部 邦 彦
从 事 高 频 交 流 电 源 与 直 流 稳 定 化 电 源 的 研 发 及 设 计 。
现 任 富 士 电 机 高 科 技 株 式 会 社 设 计 研 发 部 课 长 , 日
本 电 气 学 会 会 员 。
解 说 1
螺 旋 桨 反 转 停 车 , 螺 旋 桨 空 转
■ 螺 旋 桨 反 转 停 车
这 一 词 汇 指 的 是 螺 旋 桨 实 现 船 舶 全 速 前 进 到 停 止 ,
再 到 全 速 倒 退 的 过 程 , 也 就 是 说 船 舶 的 紧 急 停 止 操 作 。
“astern” 的 意 思 是 后 退 , 使 用 “crush” 这 个 词 的 原 因
是 , 操 作 者 即 使 知 道 推 进 装 置 可 能 会 损 坏 , 也 要 强 行 对
船 只 进 行 紧 急 停 止 操 作 。
■ 螺 旋 桨 空 转 (racing)
在 船 舶 的 航 行 过 程 中 , 天 气 不 好 的 情 况 下 螺 旋 桨 可
能 会 从 水 中 露 出 来 , 发 生 空 转 。 这 一 现 象 被 称 为 螺 旋 桨
“racing”。 发 生 这 种 情 况 时 , 螺 旋 桨 的 负 荷 会 发 生 急 速
的 增 减 。
解 说 2
PUE, 国 际 能 源 之 星 计 划 ( 能 源 之 星 ),CSCI
■ PUE(Power Usage Effectiveness)
PUE = 网 络 数 据 中 心 设 备 整 体 的 耗 电 量 ∕IT 设 备
的 耗 电 量
这 个 数 值 越 小 , 则 代 表 网 络 数 据 中 心 的 IT 设 备 以
外 的 设 备 所 消 耗 的 电 力 越 少 。
■ 国 际 能 源 之 星 计 划 ( 能 源 之 星 )
这 是 为 实 现 电 器 节 能 而 实 施 的 国 际 环 境 挂 牌 制 度 。
这 一 制 度 在 经 济 产 业 省 与 美 国 环 保 局 的 相 互 认 可 的 前 提
下 得 以 实 施 。 本 计 划 的 对 象 为 家 电 产 品 , 产 业 机 械 , 电
脑 等 , 涵 盖 范 围 较 广 。 且 本 计 划 根 据 装 置 的 电 源 效 率 ,
将 电 器 产 品 分 为 四 个 级 别 。 这 一 计 划 中 的 最 高 标 准 值 要
求 电 源 在 负 荷 率 为 50% 时 实 现 高 达 92 % 的 效 率 。
■ CSCI (Climate Savers Somputing InItiative)
谷 歌 公 司 与 英 特 尔 公 司 在 2007 年 创 建 了 Climate
Savers Computing Initiative (CSCI), 这 是 一 个 非
盈 利 团 体 , 参 加 者 是 环 保 意 识 较 高 的 消 费 者 , 企 业 及
环 保 团 体 。CSCI 的 目 标 是 研 发 , 引 进 , 利 用 更 有 效 的
技 术 , 从 而 改 善 电 脑 的 用 电 效 率 , 减 少 电 脑 不 运 行 时
的 耗 电 量 。 在 国 际 能 源 之 星 计 划 的 要 求 下 ,CSCI 将 在
2009 年 7 月 以 后 采 用 具 有 能 源 之 星 计 划 所 要 求 效 率 的
前 端 电 源 产 品 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
Latest Technology for General-purpose Inverters and Servo Systems
专
辑
酒 井 利 明 Toshiaki Sakai 奥 田 善 久 Yoshihisa Okuda 铁 谷 裕 司 Hiroshi Tetsutani
通 用 变 频 器 广 泛 应 用 于 风 机 、 泵 、 运 输 装 置 、 升 降 装 置 、 操 作 机 械 等 产 业 领 域 中 , 并 获 得 了 一 致 好 评 。 为 减 少 二 氧 化 碳 的
排 放 , 业 界 对 节 能 、 机 械 设 备 的 安 全 性 及 运 输 装 置 的 适 用 范 围 提 出 了 更 高 的 要 求 。 富 士 电 机 紧 紧 把 握 这 一 市 场 动 向 , 推 出 新 的
伺 服 系 统 产 品 , 这 些 产 品 在 具 有 高 性 能 的 同 时 , 还 简 化 了 系 统 结 构 , 提 高 了 系 统 的 易 用 性 , 缩 短 了 研 发 、 安 装 所 需 时 间 , 降 低
了 伺 服 系 统 的 整 体 成 本 。 文 章 对 伺 服 系 统 的 使 用 实 例 也 进 行 了 介 绍 。
General-purpose inverters have been used in a wide range of industrial fields, in applications with fans and pumps, transportation machinery,
elevators, processing machines and so on, and have achieved good results. Fuji Electric has developed a lineup of new products in response to
requests for further energy savings to reduce CO2 emissions, improved safety of equipment and machinery, and for a broader range of applications
to transportation machinery. We have also developed new servo system products that do not only emphasize performance, but also help reduce total
system cost, facilitate a simple system configuration, are easy to use, and enable a reduction in the development and setup time of a servo system.
This paper also presents several application examples.
前 言
图 1 通 用 变 频 器 的 产 品 系 列
在 产 业 领 域 里 , 通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 利 用 范 围 不 断
扩 大 , 设 备 与 装 置 也 都 在 朝 着 小 型 化 、 节 能 化 、 省 力 化 、 高
速 化 和 高 精 度 化 方 向 发 展 。 近 年 来 , 市 场 对 降 低 系 统 开 发 与
维 护 总 成 本 的 要 求 日 益 高 涨 。 为 满 足 这 一 要 求 , 厂 家 须 通 过
事 前 的 风 险 评 估 来 研 发 出 安 全 系 统 , 在 提 高 系 统 性 能 的 同 时 ,
简 化 系 统 结 构 , 加 强 系 统 的 易 用 性 。
为 顺 应 该 发 展 趋 势 满 足 市 场 需 求 , 富 士 电 机 不 断 推 出 通
用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 先 进 技 术 。 下 面 将 介 绍 这 一 研 发 领 域
中 的 最 新 技 术 与 应 用 实 例 。
产 品 系 列 介 绍
2.1 通 用 变 频 器
图 1 展 示 了 通 用 变 频 器 的 系 列 产 品 。
通 用 变 频 器 产 品 共 包 括 “FRENIC-Mini”、“FRENIC-
Multi”、“FRENIC-ECO”、“FRENIC-MEGA” 四 个 完 整 的
系 列 。
下 面 将 对 富 士 电 机 的 产 品 系 列 进 行 简 单 的 介 绍 。
⑴ FRENIC-Mini 系 列
这 一 产 品 系 列 采 用 紧 凑 型 设 计 , 适 用 于 3.7 kW 以 下 的
小 容 量 电 机 , 可 实 现 简 单 的 变 速 控 制 。
⑵ FRENIC-Multi 系 列
这 一 产 品 采 用 紧 凑 型 设 计 , 具 有 较 高 性 能 , 可 以 对 功 率
低 于 15 kW 的 中 小 容 量 电 机 进 行 变 速 控 制 。
⑶ FRENIC-Eco 系 列
满 足 了 HVAC(Heating Ventilation and Air Condi
tioning : 暖 气 换 气 空 调 控 制 ) 的 风 机 、 泵 等 空 调 用 装 置 的
控 制 要 求 , 适 用 于 对 功 率 低 于 560 kW 的 二 次 方 递 减 扭 矩
负 荷 的 控 制 , 属 于 特 定 用 途 产 品 。
⑷ FRENIC-MEGA 系 列
该 产 品 上 采 用 了 通 用 变 频 器 的 最 高 级 控 制 方 式 — 矢 量
控 制 , 能 满 足 630 kW 以 下 装 置 的 多 用 途 使 用 , 属 于 高 性 能 、
多 功 能 型 产 品 。
2.2 伺 服 系 统
图 2 展 示 了 伺 服 系 统 的 产 品 系 列 。
富 士 电 机 的 伺 服 器 包 括 FALDIC-α 系 列 、FALDIC-β
系 列 、FALDIC-W 系 列 及 现 在 的 主 要 机 种 ALPHA5 系 列 。
ALPHA5 系 列 产 品 的 容 量 范 围 为 0.05 〜 5 kW, 频 率
高 达 1,500 Hz, 是 当 前 该 行 业 中 最 高 水 准 的 产 品 , 被 广 泛
应 用 于 各 个 领 域 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
图 2 伺 服 系 统 的 产 品 系 列
图 3 永 磁 电 机 的 无 传 感 器 矢 量 控 制 模 块
专
辑
图 4 永 磁 电 机 驱 动 专 用 的 FRENIC-MEGA 系 列 产 品 及 标 准 永
磁 电 机 的 外 观
最 新 技 术 与 适 用 实 例
3.1 通 用 变 频 器
⑴ 同 步 驱 动 系 统
永 磁 同 步 电 机 与 传 统 感 应 电 机 相 比 更 加 高 效 且 节 能 减 排 。
下 面 介 绍 永 磁 同 步 电 机 以 及 由 永 磁 电 机 和 专 用 变 频 器 组 合 的
永 磁 同 步 驱 动 系 统 。
永 磁 电 机 驱 动 专 用 “FRENIC-MEGA 系 列 ”
用 于 永 磁 电 机 的 变 频 器 沿 用 了 以 往 优 秀 的 无 传 感 器 矢
量 控 制 技 术 , 在 无 传 感 器 条 件 下 实 现 对 永 磁 电 机 的 高 精 度
扭 矩 控 制 和 速 度 控 制 的 同 时 , 提 高 了 装 置 的 运 行 效 率 。
图 3 所 示 为 永 磁 电 机 的 无 传 感 器 矢 量 控 制 模 块 。
1 高 精 度 的 扭 矩 控 制 和 速 度 控 制
位 置 · 速 度 测 定 器 安 装 了 永 磁 电 机 用 电 压 方 程 式 模
块 , 它 可 以 根 据 电 压 指 令 值 和 实 际 电 流 值 来 测 算 出 转 子
的 速 度 和 磁 极 的 位 置 。 通 过 对 转 子 速 度 和 磁 极 位 置 进 行
正 确 的 扭 矩 演 算 实 现 了 高 精 度 的 扭 矩 控 制 和 速 度 控 制 。
2 高 效 运 行
本 控 制 方 式 能 通 过 磁 通 量 指 令 演 算 器 与 电 流 指 令 演
算 器 对 磁 通 量 进 行 控 制 , 以 最 小 电 流 值 实 现 最 大 扭 矩 ,
从 而 提 高 运 行 效 率 。
当 转 子 转 速 超 过 基 础 转 速 时 , 永 磁 电 机 的 末 端 电 压
( 按 照 速 度 比 例 分 配 的 感 应 电 压 ) 将 会 超 过 变 频 器 的 最
大 输 出 电 压 值 , 导 致 使 用 者 无 法 有 效 控 制 末 端 电 压 , 也
就 无 法 对 电 流 进 行 正 确 的 控 制 , 从 而 影 响 电 机 的 稳 定 运
行 。FRENIC-MEGA 系 列 产 品 通 过 控 制 磁 通 量 , 保 证
永 磁 电 机 的 末 端 电 压 不 会 超 过 变 频 器 的 最 大 输 出 电 压 。
因 此 , 设 备 运 转 的 稳 定 性 和 效 率 大 大 提 高 。
3 离 线 自 动 调 节 功 能
要 实 现 无 传 感 器 矢 量 控 制 和 高 效 运 行 , 就 须 掌 握 永
磁 电 机 的 电 气 常 量 信 息 ( 电 机 子 电 阻 、 电 感 、 诱 发 电 压 )。
FRENIC-MEGA 系 列 产 品 具 有 自 动 测 定 这 些 电 气 常 量
的 功 能 。
根 据 离 线 自 动 调 节 功 能 测 得 的 电 气 常 量 信 息 , 系 统
将 自 动 把 各 调 节 器 的 控 制 指 数 调 整 到 最 佳 值 。 用 户 不 需
要 进 行 繁 杂 的 参 数 设 定 , 方 便 发 挥 出 系 统 的 最 佳 效 率 。
此 外 , 这 一 功 能 还 能 对 具 有 高 速 永 磁 电 机 等 特 殊 规
格 的 永 磁 电 机 进 行 无 传 感 器 驱 动 。
永 磁 电 机
1 标 准 永 磁 电 机
永 磁 电 机 在 产 生 磁 场 方 面 不 发 生 能 量 损 失 , 转 子 部
分 产 生 的 热 能 也 非 常 少 , 所 以 与 传 统 感 应 电 机 相 比 能 量
损 失 非 常 少 。 此 外 , 因 为 定 子 容 积 缩 小 , 相 应 的 冷 却 需
求 也 随 之 降 低 , 可 以 大 大 缩 小 电 机 的 规 格 。 富 士 电 机 的
标 准 永 磁 电 机 比 标 准 感 应 电 机 一 般 要 小 1 〜 2 个 规 格 ,
体 积 平 均 减 少 35%, 质 量 则 平 均 减 少 达 40%, 实 现
了 小 型 化 与 轻 量 化 。 因 此 , 装 备 电 机 的 机 械 设 备 也 可 实
现 小 型 化 、 轻 量 化 。
此 外 , 标 准 永 磁 电 机 的 单 体 效 率 达 到 了
IEC60034-30 ⑴ 规 定 的 IE3 级 水 准 , 比 仅 达 到 IE1 级 要
求 的 标 准 感 应 电 机 具 有 更 好 的 节 能 减 排 效 果 。
该 类 产 品 有 三 相 200 V 系 列 和 三 相 400 V 系
列 , 其 容 量 范 围 分 别 为 11-90 kW(200V) 和 11-
300 kW(400 V)。 根 据 是 否 配 备 传 感 器 可 分 为 无 传 感
器 系 列 和 配 传 感 器 系 列 。
图 4 展 示 了 FRENIC-MEGA 系 列 及 标 准 永 磁 电 机 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
2 高 效 永 磁 电 机
下 面 将 介 绍 效 率 值 高 达 IE4 级 别 的 低 损 高 效 永 磁
电 机 。 该 产 品 的 一 个 重 要 特 征 就 是 拥 有 和 标 准 感 应 电 机
一 样 的 型 号 尺 寸 。 在 对 工 厂 及 各 种 机 械 设 备 进 行 电 机 升
级 的 时 候 , 因 为 一 般 永 磁 电 机 的 型 号 较 小 , 所 以 必 须 对
电 机 的 安 装 基 座 进 行 改 造 , 并 对 机 械 设 备 进 行 重 新 设 计 。
这 样 的 升 级 改 造 工 程 是 非 常 繁 杂 的 。 为 解 决 这 一 问 题 ,
富 士 电 机 将 该 系 列 永 磁 电 机 的 外 形 设 计 成 了 与 标 准 感 应
电 机 一 样 的 尺 寸 。 这 样 高 效 永 磁 电 机 与 标 准 永 磁 电 机 相
比 不 但 提 高 了 节 能 减 排 效 果 , 升 级 过 程 更 简 单 。
基 于 永 磁 电 机 的 这 些 优 点 , 富 士 电 机 的 一 个 客 户 将
其 工 厂 中 原 有 的 泵 与 空 调 设 备 使 用 的 75 kW 及 22 kW
的 标 准 感 应 电 机 (30 多 台 ) 更 新 成 驱 动 永 磁 电 机 的 专
用 FRENIC-MEGA 系 列 变 频 器 与 高 效 永 磁 电 机 所 组 成
的 电 机 系 统 。 完 成 这 一 更 新 后 , 该 工 厂 每 年 都 能 节 省
3,000 万 日 元 以 上 的 电 费 , 还 能 减 少 了 1,000 多 吨 的
二 氧 化 碳 排 量 。 同 时 , 该 公 司 还 计 划 对 其 他 设 备 依 次 进
行 更 新 换 代 。
高 效 永 磁 电 机 的 产 品 分 为 三 相 200 V 系 列 和 三 相
400 V 系 列 , 其 容 量 范 围 分 别 为 11〜 90 kW(200 V)
和 11〜160 kW(400 V), 该 系 列 产 品 均 无 速 度 传 感 器 。
⑵ 对 应 EN 954-1 安 全 规 格 第 3 类 (cat.3) 的 变 频 器
在 日 本 , 业 界 一 直 通 过 对 作 业 人 员 进 行 彻 底 的 安 全 教 育 、
危 险 物 的 隔 离 以 及 追 求 本 质 安 全 保 障 来 实 现 无 事 故 操 作 , 确
保 使 用 的 安 全 性 。 然 而 最 近 国 际 趋 势 却 在 发 生 变 化 , 正 如 国
际 安 全 规 格 ISO 12100( 机 械 的 安 全 性 基 本 概 念 · 设 计 的
一 般 原 则 ) 所 规 定 的 那 样 , 容 许 有 一 定 的 危 险 发 生 概 率 及 险
情 影 响 , 但 要 确 保 将 危 险 控 制 在 容 许 的 范 围 内 , 这 一 动 向 的
发 展 势 头 非 常 迅 猛 。
作 为 机 械 驱 动 装 置 的 变 频 器 也 不 例 外 , 变 频 器 自 身 必
须 要 具 有 安 全 规 格 中 所 规 定 的 各 种 功 能 。 通 常 要 求 变 频 器
必 须 符 合 以 欧 洲 安 全 规 格 。 下 面 将 介 绍 的 是 完 全 满 足 EN
954-1 安 全 规 格 要 求 的 变 频 器 。
安 全 规 格 体 系
安 全 规 格 体 系 如 图 5 所 示 。 机 械 类 产 品 所 遵 循 的 安 全
规 格 群 组 为 :A 基 本 安 全 规 格 、B 群 体 安 全 规 格 、C 个 别
机 械 安 全 规 格 。
机 械 安 全 性 的 基 本 概 念 · 设 计 的 一 般 原 则 (ISO
12100/JIS B 9700) 所 规 定 内 容 属 于 基 本 安 全 规 格 (A
图 5 安 全 规 格 体 系
规 格 ), 这 一 规 格 对 所 有 机 械 类 产 品 的 基 本 概 念 与 设 计 原
则 是 通 用 的 。
EN 954-1( 机 械 类 安 全 性 - 控 制 系 统 的 安 全 相 关 部
位 、 设 计 的 一 般 原 则 )、IEC 61508( 电 气 、 电 子 、 可 编
程 电 子 安 全 类 产 品 的 性 能 安 全 ) 所 规 定 的 安 全 规 格 是 群 体
安 全 规 格 (B 规 格 ), 这 一 规 格 是 特 定 领 域 机 械 通 用 的 安
全 法 则 及 安 全 装 置 规 格 。 群 体 安 全 规 格 参 考 了 个 别 安 全 规
格 (C 规 格 ) 的 内 容 , 而 C 规 格 是 针 对 特 定 机 械 提 出 的 详
细 安 全 规 格 。
适 用 安 全 规 格
适 用 安 全 规 格 为 EN 954-1 第 3 类 (cat.3) 与 IEC
60204-1( 机 械 类 的 安 全 性 - 机 械 的 电 气 装 置 、 一 般 要
求 事 项 ) 停 止 类 0 类 (cat.0), 也 适 用 于 FRENIC-Multi
及 FRENIC-MEGA。
当 专 用 安 全 端 子 接 收 到 安 全 信 号 时 , 变 频 器 会 进 入
扭 矩 off( 输 出 中 断 ) 状 态 。 这 一 状 态 适 用 于 停 止 类 0 类
(cat.0)( 非 控 制 停 止 ):“ 机 械 执 行 装 置 的 电 源 被 直 接 切 断
时 的 停 止 ”。
为 保 证 符 合 上 述 安 全 规 格 的 规 定 , 变 频 器 具 有 以 下 特
征 。
可 在 不 用 软 件 而 直 接 通 过 硬 件 进 行 输 出 中 断 操 作 。
硬 件 的 切 断 电 路 采 用 双 系 统 的 双 重 性 设 计
图 6 所 示 为 安 全 电 路 的 概 略 结 构 。
使 用 符 合 安 全 规 格 的 变 频 器 的 优 点
如 图 7 所 示 , 当 变 频 器 不 符 合 安 全 规 格 时 , 若 要 制 造 出
EN 954-1 第 3 类 (cat.3) 所 规 定 的 安 全 效 果 , 就 须 对 变
频 器 输 出 端 的 连 接 器 进 行 双 重 处 理 。 保 证 即 使 其 中 一 个 连 接
器 发 生 熔 着 也 不 影 响 整 体 安 全 性 能 。 与 此 相 比 , 硬 件 本 身 具
有 输 出 切 断 功 能 、 切 断 延 时 功 能 的 、 符 合 安 全 规 格 的 变 频 器
无 需 在 输 出 端 的 连 接 器 和 安 全 电 路 上 再 次 采 用 延 时 电 路 结 构 ,
只 需 采 用 和 以 往 产 品 类 似 的 结 构 就 能 够 实 现 安 全 电 路 功 能 。
此 外 ,EN 954-1 规 格 将 于 2009 年 末 失 效 , 届 时
将 由 新 的 整 合 规 格 ISO 13849-1 取 代 。 富 士 电 机 准 备 在
2009 年 年 内 推 出 符 合 ISO 13849-1 规 格 的 产 品 。
⑶ 具 有 定 位 、 防 振 控 制 功 能 的 FRENIC-MEGA
下 面 将 介 绍 的 是 主 要 适 用 于 搬 运 与 运 输 设 备 的 具 有 定 位 、
防 振 功 能 的 全 封 闭 控 制 变 频 器 。
如 图 8 所 示 , 在 需 要 进 行 定 位 控 制 的 运 输 装 置 上 安 装 变
图 6 安 全 电 路 的 概 要 结 构
专
辑
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通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
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频 器 时 , 通 常 都 会 采 用 半 封 闭 控 制 方 式 。 这 一 控 制 过 程 为 :
电 机 轴 上 的 解 码 器 发 出 的 位 置 信 号 被 传 输 到 上 级 可 编 程 控 制
器 与 用 户 专 门 研 发 出 的 控 制 面 板 , 经 控 制 面 板 测 算 出 具 体 位
置 , 再 对 变 频 器 发 出 频 率 指 令 。 对 移 动 物 体 的 车 轮 滑 动 产 生
机 械 类 误 差 , 且 该 误 差 不 可 忽 略 的 情 况 下 , 同 时 采 用 激 光
距 离 感 应 器 将 距 离 信 号 传 输 至 上 级 器 件 , 从 而 提 高 位 置 精 度 。
这 样 一 种 检 验 方 式 需 要 上 级 器 件 对 两 个 检 测 信 号 进 行 检 测 ,
因 此 须 在 这 些 器 件 上 配 备 计 数 元 件 与 读 取 电 路 。 配 备 计 数 元
件 与 读 取 电 路 将 导 致 整 个 系 统 的 造 价 偏 高 。 此 外 , 若 在 运 输
设 备 上 使 用 伺 服 器 设 置 解 码 器 并 采 用 全 封 闭 控 制 方 式 , 系 统
的 造 价 会 更 加 昂 贵 。
为 解 决 这 一 难 题 , 富 士 电 机 采 用 了 图 9 中 显 示 的 方 法 。
这 一 方 法 在 变 频 器 中 导 入 一 部 分 过 去 的 伺 服 技 术 , 实 现 了 以
下 的 控 制 方 法 。
导 入 伺 服 器 的 定 位 功 能
通 过 将 伺 服 器 的 定 位 功 能 导 入 到 变 频 器 , 可 以 用 较 低
的 成 本 实 现 定 位 控 制 。 其 基 本 功 能 如 下 。
1 对 目 标 位 置 的 设 定 数 据 ( 脉 冲 数 ) 与 检 测 所 得 的 位
置 信 号 偏 差 进 行 计 数 , 实 现 位 置 控 制
2 导 入 了 恢 复 原 点 、 超 行 程 处 理 、 位 置 预 置 等 功 能
3 导 入 了 各 种 输 入 、 输 出 信 号 、 其 中 包 括 位 置 控 制
的 有 效 / 无 效 输 入 、 位 置 数 据 选 择 输 入 、 定 位 完 成 输 出 、
超 过 行 程 检 测 等 。
应 用 激 光 距 离 感 应 器 的 全 封 闭 控 制
通 过 使 用 激 光 距 离 感 应 器 来 提 高 位 置 精 度 的 定 位 系 统
能 将 激 光 距 离 感 应 器 的 信 号 直 接 传 输 至 变 频 器 , 从 而 能 够
在 不 经 过 上 级 器 件 的 情 况 下 在 变 频 器 内 实 现 全 封 闭 控 制 。
这 样 利 用 很 低 的 成 本 就 能 构 建 出 精 度 较 高 的 系 统 。 对 于 以
往 那 些 单 使 用 变 频 器 则 性 能 不 足 , 使 用 伺 服 系 统 又 会 出 现
功 能 浪 费 的 设 备 , 可 以 大 力 推 广 这 种 控 制 方 式 。
图 9 显 示 了 FRENIC-MEGA 定 位 控 制 的 系 统 示 例 图 。
防 振 控 制
为 缩 短 作 动 时 间 , 大 型 运 输 装 置 需 要 通 过 迅 速 的 加 减
速 运 动 来 实 现 启 动 停 止 , 还 须 具 有 高 速 移 动 的 能 力 。 在 器
件 停 止 时 , 若 要 等 移 动 物 体 停 止 摇 动 后 再 开 始 下 一 个 工 位
的 操 作 , 那 么 作 动 时 间 就 会 延 长 。 为 了 抑 制 摇 动 现 象 , 相
关 人 员 对 上 级 可 编 程 控 制 器 的 速 度 模 式 进 行 改 造 , 研 发 出
了 能 够 在 客 户 端 进 行 防 振 控 制 的 技 术 。 但 由 于 移 动 物 体 的
大 小 、 高 度 、 刚 性 以 及 堆 积 货 物 的 高 低 位 置 、 重 量 等 条 件
对 振 动 大 小 的 影 响 较 大 , 防 振 控 制 的 调 整 较 为 复 杂 。
基 于 在 伺 服 防 振 控 制 方 面 的 成 功 经 验 , 富 士 电 机 研 发
出 了 能 够 对 该 类 移 动 物 体 振 动 行 之 有 效 的 防 振 控 制 技 术 。
这 一 技 术 能 缩 短 运 输 装 置 的 作 业 时 间 , 还 能 减 轻 用 户 所 需
支 付 的 防 振 控 制 成 本 。
图 10 所 示 为 防 振 控 制 实 测 数 据 的 效 果 比 较 。
通 过 上 述 方 式 , 富 士 电 机 不 光 给 变 频 器 增 加 了 定 位 功
能 , 还 加 装 全 封 闭 控 制 系 统 与 防 振 控 制 系 统 , 极 大 的 扩 展
了 变 频 器 在 搬 运 装 置 上 的 适 用 范 围 。
图 7 显 示 了 带 安 全 功 能 的 装 置 示 例 图
图 9 FRENIC-MEGA 定 位 控 制 系 统 示 例
( 全 封 闭 控 制 )
a
b
图 8 老 式 的 定 位 控 制 系 统 举 例
( 半 封 闭 控 制 )
图 10 防 振 控 制 实 测 数 据 的 效 果 比 较
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通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
3.2 伺 服 系 统
在 ⑴、⑵ 节 中 我 们 介 绍 了 一 些 能 简 化 结 构 、 降 低 总 成
本 的 伺 服 系 统 的 应 用 实 例 。 在 ⑶ 中 将 介 绍 的 是 按 顾 客 要 求
研 发 的 、 应 用 了 ALPHA5 系 列 的 控 制 系 统 的 定 位 情 况 。
⑴ 在 纸 质 围 巾 脱 模 机 上 的 运 用
本 项 要 介 绍 的 是 将 @E.Terminal 与 伺 服 系 统 组 合 而 成
的 简 约 控 制 系 统 。
老 式 系 统 概 要
在 烧 烤 店 等 单 位 , 为 防 止 食 用 油 沾 到 西 装 等 服 装 上 ,
人 们 经 常 要 在 脖 子 上 挂 一 张 纸 质 围 巾 。 而 纸 质 围 巾 脱 模
机 就 是 用 来 制 作 这 种 围 巾 的 机 械 。 图 11 显 示 为 该 机 械 的
结 构 概 略 图 。 一 台 纸 质 挡 板 脱 模 机 上 安 装 有 双 轴 伺 服 系 统 ,
其 中 一 轴 用 于 驱 动 送 料 滚 轮 , 另 外 一 轴 用 于 驱 动 切 割 滚 轮 。
其 中 , 送 料 滚 轮 驱 动 能 在 匀 速 条 件 下 传 输 材 料 , 而 切 割 滚
轮 则 与 送 料 滚 轮 同 期 运 行 , 并 按 照 设 定 形 状 切 割 出 一 张 张
的 纸 质 围 巾 。 纸 质 围 巾 分 成 人 用 与 儿 童 用 两 种 , 这 两 种 围
巾 的 切 割 尺 寸 互 不 相 同 。 因 此 脱 模 机 上 须 有 一 个 只 要 变 更
设 定 就 能 调 节 切 割 尺 寸 的 动 作 控 制 系 统 。
图 12 显 示 的 是 老 式 控 制 系 统 的 结 构 。
这 一 控 制 系 统 由 “ 可 编 程 操 作 显 示 器 ”、 动 作 控 制 器
与 伺 服 系 统 (2 轴 ) 组 成 。
在 组 装 上 述 机 械 之 前 有 两 件 事 须 完 成 , 第 一 是 要 使 用
专 用 PC 加 载 器 制 作 出 定 位 模 块 的 程 序 , 第 二 是 要 使 用 专
用 PC 加 载 器 对 伺 服 系 统 的 参 数 进 行 调 整 。 所 以 , 在 编 程
和 纠 错 方 面 要 花 费 不 少 的 时 间 。
图 11 纸 质 围 巾 脱 模 机 的 概 略 结 构
使 用 @E.Terminal 的 系 统 结 构
图 13 表 示 的 是 使 用 了 @E.Terminal 的 控 制 系 统 结
构 。
这 一 系 统 通 过 简 单 设 定 即 可 实 现 动 作 控 制 的 效 果 , 减
少 了 编 程 步 骤 , 简 化 了 设 备 。
图 14 所 示 为 从 规 格 讨 论 开 始 到 组 合 试 验 完 成 为 止 的
整 个 业 务 流 程 。 因 本 结 构 运 用 了 @E.Terminal 内 置 的 动
作 控 制 功 能 , 因 此 它 完 全 不 需 要 操 作 人 员 学 习 PC 加 载 器
的 操 作 , 省 去 了 动 作 编 程 步 骤 。 采 用 这 一 方 式 能 比 以 前 更
节 省 时 间 。
使 用 @E.Terminal 的 系 统 特 征
1 节 省 了 配 线 和 空 间
本 系 统 实 现 了 动 作 功 能 、 操 作 · 显 示 功 能 、 序 列 功
能 、 网 络 功 能 这 四 大 功 能 的 一 体 化 , 只 要 通 过 单 个 步 骤
就 能 连 线 到 控 制 器 件 。 因 此 , 本 系 统 在 最 大 程 度 上 节 省
了 配 线 和 空 间 。
2 通 过 简 单 设 定 即 可 实 现 动 作 控 制
操 作 者 只 要 在 @E.Terminal 画 面 上 对 每 个 轴 进 行
动 作 设 定 , 就 可 轻 松 地 实 现 复 杂 的 同 步 控 制 动 作 ( 例
如 :PTP、 比 率 同 步 、 连 续 切 断 、 转 动 切 断 等 )。
图 13 脱 模 机 控 制 系 统 结 构 ( 本 次 )
专
辑
图 14 组 合 试 验 完 成 前 的 业 务 流 程
图 12 脱 模 机 控 制 系 统 的 结 构 ( 以 往 )
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通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
图 15 固 定 尺 寸 切 断 机 系 统 结 构 ( 以 往 )
图 17 按 照 顾 客 所 要 求 规 格 制 作 的 控 制 系 统 的 定 位
专
辑
图 16 固 定 尺 寸 切 断 机 系 统 结 构 ( 新 产 品 )
3 简 化 了 调 整 、 维 护 操 作
画 面 涵 盖 了 伺 服 参 数 变 更 、 波 形 取 样 、 故 障 诊 断 、
异 常 情 况 记 录 等 内 容 , 操 作 人 员 在 现 场 进 行 调 整 与 维 护
时 无 需 再 使 用 伺 服 PC 加 载 器 。
⑵ 在 固 定 尺 寸 切 断 机 上 的 运 用
下 面 介 绍 的 是 能 降 低 系 统 的 总 成 本 的 带 定 位 功 能 的 伺 服
器 的 使 用 实 例 。
以 往 系 统 的 概 要
固 定 尺 寸 切 断 机 是 能 将 特 定 材 料 ( 铁 、 布 、 纸 、 胶 片
等 ) 按 照 设 定 好 的 长 度 进 行 切 断 处 理 的 机 械 。 通 常 来 说 ,
每 一 台 切 断 机 上 会 安 装 一 个 单 轴 的 伺 服 系 统 用 于 材 料 输 送
的 驱 动 。 根 据 切 断 材 料 的 材 质 不 同 , 用 户 可 选 用 大 型 或 者
小 型 的 切 断 机 。
图 15 显 示 为 老 式 的 固 定 尺 寸 切 断 机 的 系 统 结 构 。
当 可 编 程 控 制 器 获 得 启 动 信 号 , 伺 服 系 统 就 会 根 据 可
编 程 操 作 显 示 器 设 定 的 切 断 长 度 等 数 据 , 经 由 定 位 模 块 输
出 脉 冲 列 信 号 , 进 行 动 作 控 制 。
采 用 内 置 定 位 功 能 的 ALPHA5 系 列 产 品 的 系 统 结 构
图 16 为 使 用 了 ALPHA5 系 列 产 品 的 概 略 结 构 。
伺 服 系 统 ALPHA5 的 系 列 产 品 具 有 定 位 功 能 。 富 士
电 机 通 过 Modbus
< 注 >
RTU(RS-85) 通 信 在 该 产 品 上 连 接
了 可 编 程 操 作 显 示 器 与 伺 服 增 幅 器 , 因 此 该 产 品 不 需 再 使
用 以 往 的 定 位 模 块 。 通 过 这 一 方 法 , 使 得 该 产 品 的 系 统 结
构 变 得 非 常 简 单 , 线 路 长 度 和 成 本 大 幅 降 低 。
使 用 内 置 定 位 功 能 的 ALPHA5 的 系 统 的 特 征
1 可 根 据 用 途 不 同 而 进 行 调 整 的 定 位 功 能
ALPHA5 标 准 配 备 的 定 位 功 能 允 许 操 作 者 在 其 内
部 15 个 点 上 输 入 定 位 数 据 。 同 时 , 操 作 者 还 可 对 每 个
加 减 速 时 间 的 数 据 进 行 单 独 设 定 。 这 些 功 能 允 许 操 作 者
根 据 自 己 所 需 的 用 途 来 选 用 不 同 的 使 用 方 式 。
2 采 用 了 Modbus RTU(RS-485) 通 信 功 能
产 品 采 用 了 Modbus RTU(RS-485) 通 信 功 能 ,
使 操 作 者 能 从 外 部 进 行 定 位 数 据 的 设 定 与 参 数 的 调 整 。
本 通 信 功 能 采 用 开 放 式 网 络 设 计 , 操 作 者 能 通 过 简 单 步
骤 将 产 品 连 接 到 电 脑 、 可 编 程 控 制 器 、 触 摸 板 等 各 种 上
级 器 件 上 。
⑶ 按 顾 客 所 需 规 格 采 用 ALPHA5 设 计 的 控 制 系 统 的 定 位
本 文 介 绍 的 两 个 使 用 实 例 都 采 用 了 新 的 系 统 结 构 。 由 此 ,
以 往 那 些 全 部 使 用 动 作 控 制 器 的 动 作 结 构 模 块 也 能 针 对 顾 客
所 要 求 的 规 格 来 区 分 使 用 。
图 17 所 示 为 对 应 顾 客 所 需 规 格 的 控 制 系 统 的 定 位 情 况 。
后 记
本 文 介 绍 了 通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术 和 使 用 实
例 。 今 后 , 富 士 电 机 将 准 确 把 握 市 场 需 求 , 利 用 自 身 技 术 推
出 更 多 的 产 品 。
参 考 文 献
⑴ Rotating electric machines-Part30:Efficiency classes
of single-speed, three-phase, cage-induction motors
(IE-code)。
酒 井 利 明
从 事 伺 服 系 统 的 开 发 、 策 划 与 工 程 设 计 工 作 。 现 任
富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 事 业 本 部 驱 动 共 通 部 驱
动 装 置 技 术 部 伺 服 技 术 组 负 责 人 。
< 注 > Modbus :Schneider Automation Inc. 的 注 册 商 标 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
通 用 变 频 器 与 伺 服 系 统 的 最 新 技 术
奥 田 善 久
从 事 通 用 变 频 器 的 开 发 、 策 划 、 工 程 设 计 业 务 。 现
任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 事 业 本 部 驱 动 统 括 部
驱 动 装 置 技 术 部 变 频 器 技 术 组 负 责 人 。
铁 谷 裕 司
从 事 通 用 变 频 器 和 伺 服 系 统 的 开 发 、 策 划 、 工 程 设
计 工 作 。 现 任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 驱 动 事 业 本 部
驱 动 统 括 部 驱 动 装 置 技 术 部 部 长 。
专
辑
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
专
辑
Worldwide Service Development for Drive Systems and Predictive Maintenance
中 原 泰 男 Yasuo Nakahara 土 平 启 文 Hirofumi Tsuchihira 岩 崎 哲 之 Tetsuyuki Iwasaki
驱 动 系 统 行 业 中 , 技 术 革 命 与 产 品 更 新 换 代 的 速 度 极 快 。 富 士 电 机 为 了 应 对 市 场 需 求 的 迅 速 变 化 , 构 建 了 自 己 的 售 后 服 务
系 统 。 富 士 电 机 构 建 了 全 球 服 务 网 络 以 保 证 由 强 电 部 件 和 电 子 部 件 组 成 驱 动 系 统 的 长 期 、 稳 定 的 运 行 。 该 服 务 系 统 包 括 部 件 供
应 管 理 系 统 、 顾 客 信 息 管 理 系 统 及 远 程 监 控 系 统 , 这 些 系 统 中 融 入 了 变 频 器 诊 断 、 旋 转 设 备 绝 缘 诊 断 、 旋 转 设 备 振 动 诊 断 等 预
知 维 护 技 术 , 贯 穿 于 产 品 循 环 服 务 的 每 一 个 环 节 。
Drive systems enjoy a rapid rate of technological innovation and a frequent supply of new products. Fuji Electric has built a customer
service system capable of rapidly responding to such a changing landscape. A worldwide service network is provided to ensure that drive systems
configured from a combination of high-voltage and electronic components can operate stably for a long period of time. This service consists of
a component supply management system, a customer data management system and a remote monitoring system, and is provided as a lifecycle
service that combines such predictive maintenance technology as inverter diagnostics, rotating machinery insulation diagnostics, rotating machinery
vibration diagnostics, and so on.
前 言
富 士 电 机 的 驱 动 系 统 畅 销 海 内 外 。 公 司 技 术 革 新 迅 速 ,
产 品 更 新 频 繁 , 在 电 机 行 业 中 占 有 重 要 的 地 位 。 富 士 电 机 通
过 整 合 产 品 供 应 体 系 和 售 后 服 务 体 系 建 立 了 完 整 的 客 户 服 务
系 统 , 以 快 速 对 应 世 界 各 国 客 户 对 产 品 需 求 的 变 化 以 及 售 后
服 务 的 需 求 。
驱 动 系 统 由 变 频 器 等 驱 动 装 置 、 可 编 程 控 制 器 以 及 旋 转
设 备 等 强 电 装 置 和 各 种 电 子 元 器 件 构 成 , 结 构 复 杂 , 并 且 运
转 时 间 长 。 因 此 , 对 各 部 件 相 关 的 预 知 保 养 维 护 技 术 非 常 重
要 。
本 文 将 着 重 介 绍 对 驱 动 系 统 的 全 球 拓 展 中 , 在 售 后 服 务
方 面 客 户 的 需 求 及 课 题 , 并 介 绍 其 在 全 球 服 务 网 点 和 预 知 维
护 技 术 上 的 最 新 动 向 和 未 来 发 展 方 向 。
全 球 服 务 网 络
驱 动 系 统 在 产 业 设 备 中 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 为 了 在 产
品 循 环 过 程 中 对 产 品 进 行 稳 定 的 维 护 及 管 理 , 富 士 电 机 构 建
了 一 套 驱 动 系 统 全 球 服 务 网 络 , 为 世 界 各 国 客 户 提 供 细 致 、
图 1 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 网 络
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支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
周 到 的 售 后 服 务 。 图 1 所 示 为 主 要 服 务 网 点 的 所 在 位 置 。
2.1 服 务 网 络 概 要
该 服 务 体 系 的 功 能 包 括 紧 急 对 应 及 技 术 咨 询 受 理 功 能 、
发 生 故 障 时 保 证 维 修 及 时 到 位 的 部 件 供 应 和 修 理 功 能 、 以 及
对 顾 客 与 服 务 人 员 的 技 术 支 持 功 能 的 三 大 功 能 。 相 关 部 门 通
过 有 效 的 协 作 , 确 保 可 以 针 对 顾 客 需 求 进 行 及 时 有 效 的 对 应 。
图 2 所 示 为 这 些 功 能 的 组 成 结 构 。 这 些 功 能 由 三 大 服 务 支 持
系 统 共 同 支 撑 完 成 , 各 相 关 部 门 之 间 的 信 息 也 实 现 了 共 享 。
与 生 产 工 厂 直 接 相 连 的 、 准 确 提 供 部 件 的 “ 部 件 供 应
管 理 系 统 ”
对 顾 客 设 备 信 息 进 行 一 元 化 管 理 的 “ 顾 客 信 息 管 理 系
统 ”(CRM24)
提 高 维 护 效 率 、 加 快 维 修 速 度 的 “ 远 程 监 控 系 统 ”
下 面 , 我 们 将 对 这 三 个 支 持 系 统 进 行 详 细 介 绍 。
2.2 部 件 供 应 管 理 系 统
当 顾 客 的 生 产 设 备 发 生 紧 急 情 况 时 , 必 须 迅 速 提 供 用 于
图 3
部 件 供 应 管 理 系 统 与 部 件 的 传 递 路 线
更 换 的 部 件 或 成 品 备 件 。 富 士 电 机 配 备 了 图 3 所 示 的 部 件 供
应 管 理 系 统 , 对 部 件 从 库 存 到 修 理 完 成 的 整 个 过 程 进 行 管 理 。
通 过 这 一 系 统 , 富 士 电 机 能 够 在 必 要 时 更 快 地 为 顾 客 提 供 部
件 , 确 保 顾 客 的 设 备 正 常 稳 定 运 行 。 下 面 我 们 将 介 绍 该 系 统
的 特 征 。
⑴ 维 持 适 当 的 库 存 量 , 确 保 能 迅 速 提 供 相 关 部 件
部 件 供 应 管 理 系 统 的 一 个 重 要 功 能 就 是 随 时 保 持 适 当 的
库 存 量 。 当 紧 急 备 件 仓 库 中 的 变 频 器 部 件 不 够 时 , 该 仓 库 马
上 会 对 销 售 品 仓 库 发 出 出 库 指 令 , 从 而 保 证 库 存 数 量 充 足 。
一 旦 顾 客 的 器 件 发 生 故 障 , 富 士 电 机 能 够 随 时 迅 速 地 供 应 相
关 部 件 。
⑵ 对 部 件 诊 断 信 息 的 利 用
部 件 供 应 管 理 系 统 负 责 对 回 收 的 变 频 器 故 障 零 件 进 行 调
查 与 修 理 , 并 将 调 查 和 修 理 的 结 果 汇 报 给 顾 客 。 于 此 同 时 ,
该 系 统 还 将 对 部 件 诊 断 信 息 进 行 备 份 , 这 一 信 息 将 由 质 量 部
门 反 馈 到 生 产 部 门 与 研 发 部 门 , 这 些 部 门 将 通 过 这 些 信 息 对
下 一 批 产 品 进 行 改 进 。
2.3 顾 客 信 息 管 理 系 统 (CRM24)
⑴ 客 服 中 心 受 理 功 能
为 保 障 设 备 的 稳 定 运 行 , 当 顾 客 对 设 备 故 障 与 相 关 技 术
提 出 咨 询 时 , 富 士 电 机 须 随 时 进 行 应 对 。 富 士 电 机 内 部 设 有
24 小 时 365 天 全 天 候 受 理 顾 客 咨 询 的 客 服 中 心 及 变 频 器
专 业 技 术 咨 询 窗 口 , 受 理 体 制 非 常 完 善 。
⑵ CRM24 的 基 本 功 能
CRM 为 “ 客 户 关 系 管 理 ” 的 关 文 缩 写 。 图 4 所 示 的 客
服 中 心 的 主 要 系 统 CRM24, 能 对 顾 客 的 设 备 与 装 置 信 息 进
行 详 细 的 管 理 , 在 为 公 司 内 部 与 顾 客 提 供 设 备 维 护 及 管 理 相
关 信 息 的 同 时 , 确 保 发 生 故 障 时 , 能 够 进 行 迅 速 的 为 修 复 工
作 提 供 支 持 。
顾 客 信 息 / 装 置 信 息 管 理 功 能
为 了 维 持 顾 客 设 备 的 稳 定 运 行 , 富 士 电 机 将 已 售 出 器
件 的 清 单 、 维 护 / 故 障 信 息 、 图 纸 信 息 、 公 司 联 络 体 制 等
专
辑
图 2
服 务 体 系 的 功 能 和 组 成 结 构
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支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
专
辑
信 息 汇 总 制 成 电 子 数 据 表 。 这 些 数 据 都 是 与 顾 客 设 备 的 紧
急 对 应 、 维 护 对 应 工 作 息 息 相 关 。 富 士 电 机 通 过 这 种 信 息
管 理 功 能 对 设 备 和 器 件 的 信 息 进 行 长 期 的 一 元 化 管 理 , 以
保 证 顾 客 设 备 能 够 稳 定 运 行 。
此 外 , 富 士 电 机 还 与 专 业 技 术 咨 询 窗 口 进 行 合 作 , 以
保 证 支 持 工 作 更 加 细 致 周 到 。
FAQ 功 能 (Frequently Asked Questions)
这 一 功 能 可 以 帮 助 接 线 员 更 快 地 回 答 顾 客 提 出 的 驱 动
系 统 的 相 关 问 题 。FAQ 功 能 包 含 了 基 于 故 障 事 例 和 维 护
信 息 的 故 障 探 测 功 能 与 统 计 功 能 。 而 且 , 这 一 功 能 可 便 捷
地 制 作 出 各 种 统 计 图 表 , 在 将 这 些 图 表 作 为 技 术 资 料 用 于
回 答 客 户 咨 询 的 同 时 , 还 会 将 故 障 信 息 等 资 料 反 馈 到 产 品
研 发 部 门 。
⑶ 带 翻 译 功 能 的 CRM24
富 士 电 机 构 建 的 CRM24 具 有 翻 译 功 能 。 这 一 功 能 是
通 过 把 输 入 内 容 保 存 为 模 板 而 实 现 的 。 本 翻 译 功 能 能 翻 译 汉
语 和 英 语 , 其 翻 译 识 别 率 高 达 97%。 翻 译 功 能 有 助 于 驻 在
国 外 的 日 本 技 术 人 员 、 国 外 顾 客 与 日 本 国 内 顾 客 之 间 的 信 息
共 享 , 保 证 了 富 士 电 机 性 能 够 向 国 外 顾 客 提 供 像 日 本 国 内 一
样 的 服 务 。
图 4 顾 客 信 息 管 理 系 统 (CRM24)
2.4 远 程 监 视 系 统
⑴ 远 程 监 视 系 统 概 要
富 士 电 机 对 成 套 设 备 从 销 售 到 更 新 整 个 产 品 的 循 环 过 程
全 程 提 供 远 程 监 控 支 持 。 远 程 监 控 支 持 不 仅 包 括 掌 握 设 备 状
态 、 找 出 异 常 部 位 、 强 化 预 知 维 护 功 能 , 还 包 括 富 士 电 机 新
研 发 的 两 个 新 的 功 能 , 设 备 数 据 的 快 速 、 实 时 收 集 功 能 和 设
备 启 动 协 助 功 能 。 这 两 个 功 能 有 助 于 迅 速 找 出 设 备 异 常 的 所
在 部 位 , 提 高 设 备 运 行 的 稳 定 性 , 缩 短 设 备 启 动 所 需 要 的 时
间 。 表 1 显 示 为 远 程 监 控 的 主 要 功 能 。 富 士 电 机 的 远 程 监 控
系 统 适 用 于 整 个 电 机 系 统 , 包 括 变 频 器 、 可 编 程 控 制 器 以 及
控 制 系 统 。 同 时 , 实 现 了 客 服 中 心 、 本 地 监 视 系 统 和 现 场 终
端 (Web 终 端 ) 之 间 电 机 设 备 , 成 套 设 备 信 息 的 共 享 。 考 虑
到 各 国 的 通 信 条 件 与 安 全 级 别 可 能 不 尽 相 同 , 远 程 监 视 系 统
允 许 客 户 自 由 选 择 通 信 方 式 , 这 些 方 式 包 括 VPN(Virtual
Private Network)、 电 话 、 英 特 网 等 等 。 图 5 是 这 一 系 统
的 构 成 示 意 图 。
⑵ 远 程 监 控 模 块 的 功 能
富 士 电 机 新 研 发 了 远 程 监 控 模 块 , 以 实 现 成 套 设 备 中 各
装 置 与 设 备 监 视 系 统 之 间 的 连 接 。 今 后 , 富 士 电 机 将 在 所 有
产 品 上 都 安 装 该 模 块 。 这 类 模 块 分 内 置 型 和 外 挂 型 两 种 类 型 。
远 程 监 控 功 能 可 在 安 装 设 备 上 发 挥 平 台 作 用 , 有 利 于 实 现 设
图 5 远 程 监 控 系 统 的 构 成 图
表 1 远 程 监 控 的 主 要 功 能 与 效 果
图 6 变 频 器 远 程 监 控 模 块 的 结 构
功 能 对 象 内 容 效 果
基
本
功
能
新
功
能
找 出
设 备
异 常
所 在
预 知
维 护
功 能
收 集
成 套
设 备
数 据
协 助
启 动
功 能
掌 握
设 备
状 态
掌 握
成 套
设 备
状 态
远 距 离 收 集 成 套
设 备 中 某 设 备 的
异 常 点 及 异 常 原
因 的 数 据
检 查 出 可 能 导 致
异 常 的 问 题 , 收
集 、 积 累 数 据 以
进 行 老 化 程 度 诊
断
收 集 、 累 计 成 套
设 备 在 运 行 过 程
中 记 录 的 数 据
收 集 启 动 调 整 过
程 中 的 数 据 , 积
累 并 调 整 设 定 参
数
专 业 人 员 进 行 准 确 的 远
距 离 对 应 与 指 导 , 确 保
尽 快 消 除 异 常 状 态
专 业 人 员 不 再 需 赶 赴 现
场 , 提 高 了 对 应 效 率
预 防 故 障 的 发 生 , 保 证
设 备 使 用 的 持 续 稳 定
在 不 停 止 设 备 运 转 的 情
况 下 也 能 进 行 诊 断
为 保 证 成 套 设 备 的 稳 定
运 行 而 进 行 的 设 定 修 正
及 运 行 方 式 改 善
找 出 成 套 设 备 异 常 的 所
在 位 置
缩 短 成 套 设 备 启 动 所 需
时 间
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支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
备 的 小 型 化 , 并 能 提 高 监 视 质 量 。 下 面 我 们 将 介 绍 远 程 监 控
模 块 的 特 征 。 此 外 , 图 6 显 示 为 用 于 变 频 器 的 远 程 监 视 模 块
的 结 构 。
统 一 的 数 据 库 (DB) 和 协 议
收 集 、 积 累 下 来 的 设 备 数 据 被 分 类 储 存 到 统 一 的 远 程
监 控 模 块 数 据 库 中 。 此 外 , 远 程 监 控 模 块 与 外 部 的 通 信 并
不 依 赖 于 设 备 本 身 , 而 是 通 过 统 一 的 通 信 协 议 进 行 的 。
电 子 邮 件 发 信 功 能
当 检 查 到 设 备 存 在 异 常 状 况 时 , 系 统 能 通 过 远 程 监 控
模 块 向 相 关 人 员 发 送 电 子 邮 件 , 实 现 异 常 状 态 信 息 的 快 速
共 享 。
Web 监 视 功 能
远 程 监 视 模 块 中 安 装 了 Web 服 务 器 功 能 , 只 要 将 安
装 了 Web 浏 览 器 的 电 脑 接 入 英 特 网 , 操 作 人 员 就 可 对 设
备 进 行 远 程 监 控 与 调 整 。
⑶ 驱 动 系 统 的 远 程 监 控
图 7
使 用 变 频 器 远 程 监 控 模 块 的 系 统 示 例
图 7 所 示 为 使 用 了 变 频 器 远 程 监 控 模 块 的 成 套 设 备 的 系
统 事 例 。
富 士 电 机 的 客 服 中 心 将 通 过 统 一 的 通 信 协 议 收 集 来 自 远
程 控 制 模 块 的 变 频 器 数 据 。 操 作 者 在 本 地 监 控 设 备 的 Web
画 面 上 对 变 频 器 状 态 进 行 确 认 的 同 时 , 富 士 电 机 客 服 中 心 可
以 通 过 软 件 包 “f(s)NISDAS-x ⑴ ” 对 实 时 数 据 进 行 快 速 的 收
集 与 解 析 。
2.5 今 后 的 发 展 方 向
进 一 步 提 高 对 日 本 国 内 和 以 中 国 、 北 美 、 欧 洲 及 东 南 亚
为 中 心 的 国 外 客 户 服 务 水 平 , 强 化 应 急 供 应 体 制 及 顾 客 只 需
与 客 服 中 心 联 系 一 次 就 能 咨 询 到 需 要 的 所 有 回 答 的 信 息 一 元
化 应 对 体 制 (One Stop Channel)。 此 外 , 富 士 电 机 正 在
拓 宽 远 程 监 控 模 块 的 适 用 范 围 , 计 划 推 出 具 有 输 入 、 输 出 功
能 的 远 程 监 控 模 块 。
支 撑 驱 动 系 统 的 预 知 维 护 技 术
3.1 对 预 知 维 护 技 术 的 研 发
在 经 济 高 速 发 展 的 1970 年 代 安 装 的 设 备 即 将 步 入 更
新 换 代 阶 段 。 这 样 一 来 , 确 定 设 备 更 新 时 间 和 跟 新 顺 序 所 不
可 缺 少 的 老 化 诊 断 技 术 和 剩 余 使 用 寿 命 诊 断 技 术 就 显 得 尤 为
重 要 。 并 且 , 许 多 企 业 都 不 能 为 了 进 行 老 化 及 剩 余 使 用 寿 命
的 检 修 与 诊 断 而 将 设 备 停 止 运 行 , 都 希 望 能 研 发 出 在 设 备 正
常 运 行 条 件 下 也 能 对 设 备 进 行 诊 断 的 技 术 。
为 了 满 足 市 场 需 求 , 保 证 电 机 装 置 在 整 个 产 品 循 环 周 期
内 都 能 够 正 常 使 用 , 富 士 电 机 通 过 对 各 个 领 域 的 相 关 设 备 数
据 进 行 了 长 期 积 累 , 研 发 出 多 种 老 化 判 断 技 术 、 剩 余 寿 命 判
断 技 术 与 不 停 产 诊 断 技 术 。
在 驱 动 系 统 领 域 , 富 士 电 机 正 在 研 发 以 变 频 器 为 中 心 的
专
辑
表 2
⑵
驱 动 系 统 各 组 成 器 件 的 预 知 维 护 技 术
驱 动 装 置 、 旋 转 设 备 电 子 控 制 装 置 电 力 供 应 设 施
设
备
代
剩 表
余 性
使 老
用 化
寿 现
命 象
的 、
判
断
驱 动 装 置
功 率 半 导 体 的 老 化 诊 断
变 频 器 的 老 化 诊 断
旋 转 设 备
通 过 电 气 绝 缘 数 据 进 行 剩 余 使 用 寿 命 诊 断
物 理 化 学 的 老 化 诊 断
机 械 的 震 动 诊 断
通 印 刷 电 路 板
用 设 置 环 境 诊 断
部 件 解 析 诊 断
DCD、 可 编 程 控 制 器
RAS 解 析
电 池
短 时 间 放 电 法
装 置 通 用
绝 缘 电 阻
部 分 放 电
液 压 变 压 器
液 内 气 体 分 析
结 构 化 神 经 系 统 的 剩 余 寿 命 诊 断
干 式 变 压 器
光 反 射 式 老 化 诊 断
高 压 分 电 柜
红 外 线 测 温 绘 图
IV 线 老 化 判 断
断 路 器
开 关 特 性
真 空 度
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支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
专
辑
驱 动 装 置 与 旋 转 设 备 的 预 知 维 护 技 术 。
驱 动 系 统 的 代 表 性 预 知 维 护 技 术 如 表 2 所 示 。
为 对 驱 动 设 备 中 的 电 子 部 件 的 老 化 情 况 进 行 诊 断 , 富 士
电 机 进 行 了 多 个 试 验 , 其 中 包 括 集 成 电 路 元 件 的 开 封 试 验 与
半 导 体 闸 流 管 的 机 密 性 试 验 。 近 年 来 , 富 士 电 机 主 要 在 研 发
对 设 置 环 境 进 行 定 量 化 评 估 的 诊 断 技 术 。 对 于 长 期 运 行 的 通
用 变 频 器 , 富 士 电 机 研 发 出 一 种 能 在 不 停 止 设 备 运 行 的 情 况
下 进 行 剩 余 使 用 寿 命 诊 断 的 新 型 诊 断 系 统 。
富 士 电 机 对 旋 转 设 备 的 绝 缘 老 化 诊 断 主 要 由 两 部 分 组 成 。
一 部 分 是 通 过 电 气 绝 缘 诊 断 数 据 来 判 断 旋 转 设 备 的 剩 余 寿 命 ,
另 一 部 分 利 用 微 量 取 样 来 判 断 其 绝 缘 材 料 的 物 理 、 化 学 老 化
程 度 。 为 了 诊 断 旋 转 设 备 的 机 械 振 动 , 富 士 电 机 研 发 了 简 单 、
便 捷 的 无 线 感 应 振 动 诊 断 系 统 。
3.2 变 频 器 的 诊 断 技 术
近 年 来 , 工 厂 的 驱 动 装 置 使 用 的 变 频 器 与 通 用 变 频 器 被
当 作 设 备 驱 动 的 中 枢 结 构 受 到 了 广 泛 应 用 。 这 样 的 设 备 都 处
在 比 较 恶 劣 的 使 用 环 境 中 , 因 此 需 要 接 受 高 度 先 进 的 以 事 后
维 护 及 老 化 诊 断 技 术 为 核 心 的 预 知 维 护 工 作 。
⑴ 诊 断 技 术 的 概 要
富 士 电 机 开 发 了 表 3 所 示 的 各 种 变 频 器 诊 断 技 术 。
根 据 诊 断 技 术 的 诊 断 水 平 , 诊 断 工 作 分 为 三 种 , 分 别 为
一 次 诊 断 ( 基 于 设 备 的 调 查 、 观 察 及 诊 断 评 估 表 )、 二 次 诊
断 ( 进 行 计 量 、 试 验 ) 与 精 密 诊 断 。 在 诊 断 结 束 后 , 系 统 将
根 据 诊 断 结 果 为 使 用 者 推 荐 一 份 维 护 计 划 , 该 计 划 表 明 了 部
件 更 换 与 更 新 的 最 佳 时 间 。
⑵ 最 近 的 诊 断 技 术
下 面 将 介 绍 富 士 电 机 最 近 研 发 的 诊 断 技 术 。
通 用 变 频 器 剩 余 寿 命 的 简 易 诊 断 系 统
这 一 系 统 通 过 电 脑 对 通 用 变 频 器 的 电 解 电 容 与 冷 却 风
机 的 剩 余 寿 命 进 行 诊 断 。 这 一 系 统 通 过 阿 雷 尼 厄 斯 方 程 式
( 温 度 条 件 引 起 的 容 量 变 化 :10 °C 减 半 法 则 ) 计 算 出 电
解 电 容 的 剩 余 寿 命 , 并 通 过 轴 承 磨 损 的 寿 命 曲 线 计 算 出 冷
却 风 机 的 剩 余 寿 命 。 这 两 种 计 算 方 式 都 可 以 将 每 个 机 型 的
型 号 试 验 数 据 和 设 备 数 据 汇 入 数 据 库 , 从 而 提 高 诊 断 精 度 。
本 系 统 用 于 诊 断 10 年 前 售 出 的 富 士 电 机 通 用 变 频 器 的 剩
余 使 用 寿 命 。
以 下 是 这 一 系 统 的 特 征 。
1 在 变 频 器 运 行 过 程 中 , 在 现 场 就 能 简 单 地 进 行 不
停 机 诊 断 。
2 产 品 诊 断 系 统 保 留 了 旧 机 型 的 数 据 , 只 要 输 入 变
频 器 的 吸 入 温 度 、 运 行 效 率 、 负 荷 率 等 数 据 , 就 可 在
瞬 间 完 成 诊 断 。
3 每 天 可 诊 断 约 20 台 设 备 。
环 境 老 化 诊 断 技 术
系 统 可 对 变 频 器 的 电 路 板 进 行 环 境 老 化 的 定 量 评 估 ,
诊 断 腐 蚀 老 化 与 尘 埃 老 化 的 程 度 。
1 腐 蚀 老 化 诊 断
腐 蚀 性 气 体 会 腐 蚀 变 频 器 电 路 板 的 布 线 铜 箔 , 引
起 阻 抗 增 加 从 而 导 致 电 气 故 障 。 为 了 事 先 掌 握 到 这 些
现 象 , 富 士 电 机 推 出 了 根 据 设 备 所 处 环 境 中 的 气 体 浓
度 、 湿 度 、 使 用 状 况 来 判 断 设 备 寿 命 的 预 测 技 术 。
这 一 技 术 可 以 通 过 对 腐 蚀 试 验 与 腐 蚀 膜 的 厚 度 评
估 得 出 整 体 腐 蚀 老 化 诊 断 曲 线 。
图 8 所 示 为 被 腐 蚀 铜 片 的 断 面 图 , 图 9 所 示 为 腐
蚀 老 化 诊 断 的 总 曲 线 。
2 尘 埃 老 化 诊 断
当 电 路 板 上 含 有 海 盐 粒 子 的 尘 埃 发 生 堆 积 且 湿 度
达 到 一 定 程 度 时 , 布 线 间 的 阻 抗 就 会 降 低 , 从 而 引 起
电 气 类 设 备 的 误 动 作 。 为 预 防 这 一 问 题 , 富 士 电 机 研
发 出 了 一 种 新 的 预 测 技 术 , 这 一 技 术 能 利 用 特 定 环 境
下 的 等 价 盐 浓 度 、 尘 埃 堆 积 量 、 湿 度 等 使 用 状 况 的 数
据 推 测 出 产 品 发 生 故 障 的 大 致 时 间 。 这 一 技 术 可 分
析 出 导 致 设 备 误 动 作 的 尘 埃 堆 积 量 与 湿 度 之 间 的 关 系 ,
计 算 出 诊 断 尘 埃 老 化 的 总 曲 线 。 图 10 所 示 为 尘 埃 老
化 诊 断 的 总 曲 线 示 例 。
表 3 变 频 器 诊 断 技 术 一 览 表
步 骤 诊 断 等 级 诊 断 等 级 診 断 対 象 主 要 诊 断 部 位 诊 断 概 要
1 一 次 诊 断
专 业 诊 断 员
进 行 老 化 诊 断
剩 余 寿 命 的 简 易 诊 断 系 统
通 用 变 频 器
*
产 业 用 变 频 器
通 用 变 频 器
构 成 器 件 、 部 件 的 生 锈 、 变 色 、
振 动 、 废 品 、 维 护 品 状 况
有 寿 命 部 件 ( 主 电 路 电 场 电 容
器 、 印 刷 电 路 板 电 解 电 容 、 冷
却 风 机 的 老 化 诊 断 )
专 业 诊 断 员 根 据 诊 断 评 估 表 对 老 化 程 度 进 行
判 定 。 此 外 , 诊 断 员 还 将 对 产 品 作 废 与 维 护
部 件 可 否 提 供 的 情 况 进 行 整 理 。
利 用 变 频 器 的 简 易 老 化 诊 断 系 统 , 基 于 有 寿
命 部 件 的 使 用 状 况 ( 运 行 时 间 、 温 度 条 件 )
进 行 诊 断 。
环 境 诊 断
通 用 变 频 器
*
产 业 用 变 频 器
构 成 设 备 、 部 件 的 温 度 、 湿 度 、
气 体 、 尘 埃 、 腐 蚀 等
测 定 环 境 、 调 查 电 子 器 件 有 无 尘 土 、 腐 蚀 、
生 锈 等 状 态 , 判 断 厂 家 有 无 对 这 些 现 象 进 行
预 防 措 施 , 提 出 改 善 方 案 。 当 需 要 进 行 更 详
细 的 诊 断 时 , 可 以 回 收 诊 断 。
2 二 次 诊 断
环 境 老 化 诊 断 技 术
通 用 变 频 器
*
产 业 用 变 频 器
印 刷 电 路 板 的 温 度 、 湿 度 、 气
体 、 尘 埃 等 引 起 的 老 化
根 据 电 路 板 的 运 行 条 件 ( 温 度 、 湿 度 、 气 体 、
尘 埃 ) 计 算 出 电 路 板 的 老 化 程 度 和 剩 余 寿 命 。
器 件 老 化 诊 断
*
产 业 用 变 频 器
功 率 元 件 的 泄 露 、 电 流 气 密 性
根 据 元 件 泄 漏 的 电 流 大 小 判 断 出 发 生 老 化 的
元 件 位 置 , 再 更 换 成 特 性 相 符 的 元 件 , 维 持
整 个 器 件 的 品 质 。
*
3 精 密 诊 断 电 子 部 件 老 化 诊 断 产 业 用 变 频 器
* : 产 业 用 变 频 器 包 括 二 次 励 磁 装 置 、 发 动 机 电 动 机 组 装 置
晶 体 管 、 电 容 器 、IC 的 特 性
利 用 电 子 部 件 检 查 装 置 与 电 子 显 微 镜 , 观 察
增 幅 与 产 品 内 部 的 腐 蚀 、 电 腐 蚀 等 异 常 情 况
的 早 期 征 兆 , 提 出 对 应 方 案 。
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
3.3 旋 转 设 备 绝 缘 诊 断 技 术
富 士 电 机 利 用 长 年 来 研 发 的 旋 转 设 备 的 老 化 诊 断 与 剩 余
使 用 寿 命 诊 断 技 术 , 可 以 提 示 出 进 行 大 修 及 更 新 的 日 程 计 划 。
旋 转 设 备 诊 断 方 式 的 整 体 关 联 图 如 图 11 所 示 。 线 圈 绝
缘 性 能 老 化 是 设 备 老 化 的 原 因 之 一 , 这 一 老 化 现 象 基 本 决 定
了 旋 转 设 备 的 使 用 寿 命 。 下 面 将 介 绍 线 圈 绝 缘 性 能 诊 断 的 两
种 典 型 方 法 。
⑴ 通 过 电 气 绝 缘 性 能 诊 断 来 确 定 剩 余 使 用 寿 命
图 8 被 腐 蚀 铜 片 的 断 面 图
富 士 电 机 在 高 压 旋 转 设 备 线 圈 的 绝 缘 性 能 诊 断 方 面 有
许 多 成 功 经 验 。 可 以 将 老 化 的 旋 转 设 备 进 行 绝 缘 试 验 ( 直 流
吸 收 、 交 流 电 流 、tanδ、 部 分 放 电 ) 和 分 解 调 查 , 根 据 得
到 的 实 验 数 据 制 作 出 老 化 总 曲 线 , 从 而 可 以 计 算 出 高 精 度
(±10% 左 右 ) 剩 余 寿 命 值 。 图 12 所 示 为 运 用 电 气 绝 缘 诊
断 技 术 的 剩 余 使 用 寿 命 诊 断 系 统 的 结 构 图 。
⑵ 物 理 、 化 学 式 绝 缘 受 热 老 化 诊 断
线 圈 的 电 气 绝 缘 诊 断 方 式 也 有 无 法 诊 断 的 部 位 。 富 士 电
机 对 这 些 部 位 的 机 械 强 度 降 低 的 大 小 、 磨 损 程 度 及 过 热 导 致
的 变 质 程 度 进 行 定 量 化 诊 断 。 这 一 诊 断 方 法 需 要 从 补 强 材
料 等 绝 缘 材 料 中 抽 取 少 量 样 本 , 进 行 物 理 化 学 分 析 ( 热 分 析 、
红 外 线 分 析 等 )。 根 据 分 析 结 束 , 只 要 对 绝 缘 材 料 的 机 械 强
度 与 加 热 减 量 进 行 评 估 , 就 可 分 阶 段 的 判 定 设 备 的 剩 余 寿 命 。
专
辑
图 11 旋 转 设 备 诊 断 方 式 的 整 体 关 联 图
图 9
腐 蚀 老 化 诊 断 的 总 曲 线 示 例
图 12 电 气 绝 缘 诊 断 中 使 用 的 剩 余 寿 命 诊 断 系 统 的 结 构 图
图 10
尘 埃 老 化 诊 断 的 总 曲 线 示 例
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
专
辑
3.4 RFID 旋 转 设 备 振 动 诊 断 系 统
⑴ 旋 转 设 备 振 动 诊 断 的 现 状
驱 动 系 统 中 的 旋 转 设 备 多 用 于 设 备 的 重 要 部 位 。 因 此 ,
须 掌 握 这 些 旋 转 设 备 的 状 态 , 并 保 证 在 异 常 状 态 发 生 之 前 就
能 有 计 划 地 关 闭 设 备 , 进 行 检 修 。
振 动 诊 断 是 对 旋 转 设 备 进 行 机 械 诊 断 的 典 型 手 段 。 这 一
诊 断 方 法 分 为 移 动 式 手 动 诊 断 与 在 线 诊 断 两 种 。 手 动 诊 断 方
法 主 要 存 在 两 个 问 题 。 一 是 依 赖 于 维 护 人 员 的 个 人 技 术 , 二
是 在 危 险 环 境 下 进 行 诊 断 操 作 时 的 安 全 问 题 。 现 在 的 在 线 振
动 诊 断 系 统 属 于 有 线 系 统 , 因 此 这 一 系 统 的 造 价 昂 贵 , 只 能
用 于 大 规 模 的 旋 转 设 备 。 因 为 是 在 线 系 统 , 在 现 有 的 设 备 中
增 加 这 一 功 能 , 增 加 设 备 的 费 用 和 工 事 费 用 非 常 昂 贵 , 故 难
以 普 及 。
为 解 决 这 些 课 题 , 富 士 电 机 对 其 特 有 的 旋 转 设 备 诊 断 技
术 、 无 线 通 信 技 术 、MEMS(Micro Electro Mechanical
Systems) 技 术 进 行 融 合 , 研 发 出 了 引 入 RFID(Radio
Frequency Identification) 技 术 的 旋 转 设 备 振 动 诊 断 系 统 。
⑵ 系 统 介 绍
本 系 统 的 原 理 如 下 : 通 过 无 线 振 动 传 感 器 ( 该 振 动 传 感
器 搭 载 了 两 个 方 向 的 加 速 度 传 感 器 ) 向 负 责 诊 断 、 解 析 振 动
信 息 的 电 脑 发 出 微 弱 的 信 号 , 来 对 低 频 振 动 引 起 的 机 械 异 常
与 高 频 振 动 引 起 的 旋 转 轴 承 异 常 进 行 管 理 。 系 统 整 体 的 结 构
如 图 13 所 示 , 诊 断 对 象 和 系 统 规 格 如 表 4 所 示 。 此 外 , 本
产 品 还 获 得 过 日 本 成 套 设 备 维 护 协 会 2007 年 颁 发 的 成 套
设 备 维 护 (PM) 优 秀 产 品 奖 ( 研 发 奖 )。
系 统 结 构
该 系 统 由 诊 断 解 析 用 电 脑 与 其 他 三 个 装 置 组 成 。
1 诊 断 、 解 析 用 电 脑
发 出 振 动 数 据 的 收 集 指 令 , 对 振 动 数 据 进 行 收 集 及
管 理 。 最 多 可 连 接 2,000 台 无 线 传 感 器 。
2 网 络 适 配 器
最 多 能 连 接 到 30 台 收 发 信 息 装 置 。
3 收 发 信 息 装 置
最 多 能 与 20 台 传 感 器 实 现 通 信 。
4 无 线 振 动 传 感 器
搭 载 了 两 个 方 向 ( 垂 直 、 水 平 ) 的 加 速 度 传 感 器 ,
可 进 行 振 动 测 量 并 发 送 出 振 动 数 据 。
主 要 功 能
1 低 频 振 动 诊 断
参 照 ISO 的 规 定 根 据 振 动 条 件 对 机 械 异 常 进 行 判
定 ( 用 户 也 可 自 行 设 定 判 定 基 准 ), 并 按 时 间 序 列 显 示
图 13 RFID 旋 转 设 备 振 动 诊 断 系 统 的 整 体 结 构
表 4 诊 断 对 象 与 系 统 规 格
频 率 振 動 計 測 判 定 项 目 判 定 基 准
VEL( 速 度 ) 实 效 值 根 据 振 动 条 件 (ISO10816) 进 行 绝 对 值 判 定
诊 低 频
断 (10 〜 1,000 Hz)
对
象
DISP( 变 位 )
Peak O/A( 大 修 ) 根 据 倾 向 管 理 进 行 相 对 判 定
N/2N 成 分 ( 转 速 成 分 )
根 据 倾 向 管 理 进 行 相 对 判 定
2f 成 分 ( 电 磁 成 分 )
根 据 倾 向 管 理 进 行 相 对 判 定
高 频
(1 〜 7 kHz)
ACC( 加 速 度 )
实 效 值
Q 值 ( 轴 承 诊 断 评 估 值 )
根 据 倾 向 管 理 进 行 相 对 判 定
根 据 富 士 电 机 独 有 的 规 格 对 旋 转 轴 承 的 绝 对 值 进 行 判 定
系
统
规
格
诊 断 适 用 范 围
项 目
规 格
电 动 机 与 发 电 机 ( 一 般 旋 转 设 备 )、 转 速 (600 〜 3600 r/min)
定 速 旋 转 设 备 ( 变 速 过 程 中 有 一 部 分 无 法 判 定 )
通 信 距 离 最 大 20 m( 根 据 设 置 环 境 )
频 率 314.88 MHz( 特 定 小 电 力 , 无 线 )
测 定 对 象
感 应 器 / 低 频 率
感 应 器 / 高 频 率
低 频 ( 垂 直 / 水 平 方 向 ), 高 频
10 〜 1000 Hz/ 取 样 件 数 4,096 件
1 〜 7 kHz/ 取 样 件 数 4,096 件
防 尘 / 防 水 结 构 IP53( 室 外 简 易 对 策 级 别 )
安 装 螺 丝 固 定 方 式 (M5 的 螺 孔 )
电 池 寿 命 约 2 年 ( 每 周 取 样 一 次 的 情 况 下 )
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富 士 时 报 Vol.C1 No.1 2009
支 撑 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 与 预 知 维 护
测 定 信 息 ( 变 位 峰 值 、 频 率 成 分 、 电 磁 成 分 等 ) 从 而 实
现 倾 向 管 理 , 此 外 , 本 功 能 还 可 显 示 光 谱 。
2 高 频 振 动 诊 断
根 据 振 动 加 速 度 高 频 的 大 小 及 实 效 值 对 转 动 轴 承 的
异 常 情 况 进 行 判 定 , 并 以 时 间 序 列 显 示 加 速 度 实 效 值 ,
从 而 实 现 倾 向 管 理 。 此 外 , 本 功 能 还 可 显 示 光 谱 。
特 征 与 引 进 后 的 效 果
能 实 现 系 统 的 无 线 化 与 小 型 化 , 无 需 使 用 有 线 系 统 设
备 周 围 的 那 些 布 线 , 采 用 后 能 获 得 以 下 效 果 。
1 大 幅 度 降 低 了 设 备 费 用 与 工 期
与 以 往 相 比 , 可 减 少 1/3 至 1/2 的 成 本 。
2 降 低 了 对 已 有 设 备 的 更 新 、 改 装 和 扩 展 的 难 度 。
3 不 再 需 要 维 护 人 员 进 行 定 期 的 现 场 检 测 , 可 进 行 随
时 的 在 线 诊 断 , 提 高 了 诊 断 的 安 全 性 , 使 诊 断 更 加 省 力 ,
精 度 更 高 。
发 , 不 断 改 进 产 品 循 环 过 程 中 的 服 务 功 能 。
参 考 文 献
⑴ 梁 岛 贤 次 等 , 设 备 系 统 的 监 视 , 解 析 支 持 软 件 包 f(s)
NISDAS-x 的 开 发 , 日 本 电 气 学 会 金 属 产 业 研 究 会 , 2002 年 3 月
15 日 , MID-02-3。
⑵ 中 原 泰 男 等 , 支 持 能 源 解 决 方 案 的 产 品 循 环 过 程 服 务 , 富 士 时
报 , vol.81, No.3, 2008, p.227-231。
中 原 泰 男
从 事 电 机 器 件 的 工 程 研 发 与 售 后 服 务 的 技 术 研 发 工
作 。 现 任 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 营 业 总 部 技 术 服 务
副 室 长 。 工 程 师 ( 电 气 电 子 部 门 )。 日 本 电 气 学 会
会 员 。
专
辑
3.5 今 后 的 发 展 方 向
在 通 用 变 频 器 的 剩 余 使 用 寿 命 诊 断 方 面 , 富 士 电 机 在 努
力 扩 大 适 用 机 型 的 范 围 , 并 通 过 在 腐 蚀 老 化 、 尘 埃 老 化 领 域
已 获 得 的 成 果 来 进 一 步 提 高 诊 断 性 能 。 在 旋 转 设 备 振 动 诊 断
方 面 , 实 现 感 应 器 与 天 线 的 分 离 等 进 一 步 扩 展 诊 断 系 统 的 性
能 。
土 平 启 文
从 事 通 用 变 频 器 的 研 发 品 评 估 、 品 质 保 证 、 驱 动 产
品 服 务 策 划 工 作 。 现 任 富 士 电 机 株 式 会 社 驱 动 事 业
总 部 事 业 策 划 室 提 升 部 主 调 查 官 。
后 记
本 文 介 绍 了 支 持 驱 动 系 统 的 全 球 服 务 的 开 展 情 况 以 及 最
新 的 预 知 维 护 技 术 。 售 后 服 务 是 产 品 售 出 后 不 可 缺 少 的 支 持
工 作 。 富 士 电 机 着 力 于 服 务 网 络 的 完 善 与 预 知 维 护 技 术 的 研
岩 崎 哲 之
从 事 产 业 工 厂 远 程 监 控 系 统 与 客 服 中 心 运 用 系 统 的
研 发 工 作 。 现 在 富 士 电 机 系 统 株 式 会 社 营 业 总 部 技
术 服 务 室 客 服 中 心 主 管 。
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中 文 版
* 本 刊 记 载 的 公 司 名 称 及 产 品 , 有 可 能 是 各 相 关 公 司 的 商 标 或 注 册 商 标 。
富 士 时 报 ( 中 文 版 ) 第 1 卷 第 1
号
2009 年 10 月 30 日 印 刷
2009 年 11 月 3 日 发 行
编 辑 兼 发 行 人 重 兼 寿 夫
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富 士 电 机 控 股 株 式 会 社
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印 刷 处
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本 刊 所 载 论 文 是 在 日 本 发 行 的 富 士 时 报 82 卷 (2009 年 )2 号 “ 驱 动 装 置 与 电 源 技 术 专 辑 ” 的 翻 译 版 本 。( 版 权 所 有 , 侵 权 必 究 )
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2009 Fuji Electric Holdings Co. Ltd. Printed in China