富士時報 Vol.76 No.8 2003 コンパクト型インバータ「FRENIC-Mini シリーズ」 松本 吉弘（まつもと よしひろ） 石井 新一（いしい しんいち） 中西 孝司（なかにし たかし） まえがき グローバル対応を考え，従来機種になかった三相 400 V シリーズを追加した。 汎用インバータは，ファン・ポンプの省エネルギー化や また，顧客の多様な使われ方に対応できるように，これ 産業機械などの省力化，自動化といった幅広い用途に使わ までオプション対応であったが，EMC（Electromagnetic れており，要求される性能・機能により単純な可変速用途 Compatibility） フ ィ ル タ 内 蔵 品 ， 制 動 抵 抗 器 内 蔵 品 ， から高性能ベクトル制御を適用したシリーズまでがある。 RS-485 通信対応品を準標準シリーズとして開発した（図 今回開発した「FRENIC-Mini シリーズ」は小型・低価 格を狙った機種であるが，単純な可変速用途だけでなく水 ２参照） 。 表１にその機種バリエーションを示す。 平搬送などの，これまで上位機種で対応していた性能・機 能を低価格で実現した。また，ノイズ低減や鉛フリーはん 図２ EMC フィルタ内蔵品と制動抵抗器内蔵品 だの一部適用など環境への配慮，長寿命化など保守性の改 EMC フィルタ 善を行い，世界で広く使用できるグローバル製品とするこ 制動抵抗器 とをコンセプトとした。 本稿ではその特徴を中心に紹介する。 豊富な機種バリエーション 図１に FRENIC-Mini シリーズの外観を示す。今回開発 した FRENIC-Mini シリーズは，従来機種 FVR-C11 シ リーズの後継機種で，外形寸法を同一としている。 図１ FRENIC-Mini シリーズの外観 表１ FRENIC-Miniシリーズの機種バリエーション 機種分類 バリエーション 1 単相100 V 0.1/0.2/0.4/0.75 kW 2 単相200 V 0.1/0.2/0.4/0.75/1.5/2.2 kW 3 三相200 V 0.1/0.2/0.4/0.75/1.5/2.2/3.7 kW 4 三相400 V 0.4/0.75/1.5/2.2/3.7 kW 1 なし 全機種 2 内蔵タイプ 単相100 Vを除く全機種 1 なし 全機種 2 内蔵タイプ 1.5/2.2/3.7 kW （三相200 V/400 V） 1 なし 全機種 2 同一梱包 三相200 V/400 V （こんぽう） 電 源 電 圧 EMC フィルタ 制動抵抗器 内蔵 RS-485 通信対応 ：追加機種 松本 吉弘 石井 新一 中西 孝司 可変速駆動装置の開発・設計に従 交流可変速駆動装置の研究・開 可変速駆動装置の開発に従事。現 事。現在，機器・制御カンパニー 発・設計に従事。現在，機器・制 在，機器・制御カンパニー シス システム機器事業部 インバータ 御カンパニー システム機器事業 テム機器事業部 インバータ開発 開発生産センター 開発部次長。 部 インバータ開発生産センター 生産センター 開発部主任。電気 電気学会会員。 開発部マネージャー。技術士（電 学会会員。 気・電子部門） 。電気学会会員。 453（ 3 ） 富士時報 コンパクト型インバータ「FRENIC-Mini シリーズ」 Vol.76 No.8 2003 機種バリエーションは，従来機種では 17 機種に対し FRENIC-Mini シリーズでは 58 機種と大幅に増やし幅広 機能により，負荷変動（ステップ負荷）に対し高応答で安 定した運転を実現した。 図５にステップ負荷応答特性例を示す。 いニーズに対応した。 単純に機種をこのように増やすと，構成部品の種類が大 幅に増えるが，今回の開発では共通化設計と制御基板，電 さらに，電圧制御性能を向上し，低速域での回転むらを 当社比で約 1/2 に改善した。図６に回転むら特性例を示す。 源基板などの構成ユニットの機能分担を最適にし，ユニッ トの種類をほとんど増やさずに実現できた。 ３.２ 自動省エネルギー機能 図３の磁束推定器の推定値と誘導電動機電流から発生ト 高性能化技術 ルクを演算し，負荷に応じて最適な電圧を誘導電動機に印 加できるため，誘導電動機効率を最適に保てる。図７に省 市場要求である小容量汎用インバータのトルク特性の大 エネルギー効果特性例を示す。 幅な改善，自動省エネルギー機能，ストール防止機能など を搭載するために「簡易トルクベクトル制御」を開発した。 図５ ステップ負荷応答特性例 地球温暖化防止のための国際協定「京都議定書」を批准し たことなどからインバータの省エネルギー効果は注目され 負荷トルク ており，省エネルギー機能を小容量インバータにも搭載し た。 100 ％ 300 r/min 電動機回転速度 「簡易トルクベクトル制御」により，低速域でもパワフ 100 ％ 出力電流 ルな運転を実現させ，水平搬送機械・かくはん機への適用 を可能とした。また，省エネルギー機能によりファン・ポ ンプ用途でのさらなる高効率が図れる。図３に制御ブロッ 0 2.5 5 ク図を示す。 7.5 10 12.5 時間（s） ３.１ 簡易トルクベクトル制御 V/f 制御で運転される誘導電動機の磁束推定機能により， 図６ 回転むら特性例 負荷状態によらず，常に適切な電圧が印加でき，低速域に 始動トルク 150 ％（5 Hz 時）を達成した。 図４ に速度 ―トルク特性例を示す。また，滑り補償制御 周波数設定：5 Hz， V / 制御 f 10 r/min おいても滑らかで大きなトルクを発生できる。これにより， （a）FRENIC-Mini 10 r/min 図３ 制御ブロック図 制御器 f * 加減速 調節器 電流制限 調節器 電圧指令 演算 トルク 推定器 簡易磁束 推定器 v* PWM i det インバータ （b）従来機種 誘導 電動機 図７ 省エネルギー効果特性例 80 図４ 速度−トルク特性例 総合効率（％） トルク（％） 60 200 100 FRENIC-Mini 40 従来機種 20 0 0 500 1,000 回転速度（r/min） 454（ 4 ） 1,500 2,000 0 0 20 40 60 風量または流量 （％） Q 80 100 富士時報 コンパクト型インバータ「FRENIC-Mini シリーズ」 Vol.76 No.8 2003 図８ 電流制限動作特性例 図９ 鉛フリーはんだ使用 IGBT モジュール 負荷トルク 100 ％ 電動機回転速度 1,500 r/min 100 ％ 出力電流 0 2.5 5 7.5 10 12.5 時間（s） ３.３ 高速電流制限機能 表２ 「メンテナンス情報」による寿命判定の目安 高速電流制限機能を搭載したので，インパクト負荷にも トリップすることなく運転を継続できる。本機能と３.１節 で述べた滑り補償制御機能とにより水平搬送機械への適用 を容易にした。 図８に電流制限動作特性例を示す。 部 品 寿命予報の判定基準 主回路コンデンサ 工場出荷時のコンデンサ容量の85.0 %以下 プリント基板上の 電解コンデンサ 累積運転時間61,000時間以上 冷 却 フ ァ ン 累積運転時間61,000時間以上（1.5∼3.7 kW） 環境への配慮 メンテナンス性の向上 ４.１ EMC ノイズ低減 インバータから発生するノイズにより他の機器が誤動作 する場合があり，発生するノイズの低減が重要な課題であ ５.１ 冷却ファンの長寿命化 インバータ内部には冷却ファン，主回路コンデンサ，プ リント基板上の電解コンデンサなどの寿命部品があり，こ る。 イ ン バ ー タ か ら 発 生 す る ノ イ ズ は ， 主 回 路 の IGBT れらは，定期的に交換することを推奨している。 （Insulated Gate Bipolar Transistor）素子と制御電源の 従来機種での推奨標準交換年数は，冷却ファンが 3 年， FET（Field Effect Transistor）のスイッチングが主な原 主回路コンデンサが 5 年，プリント基板上の電解コンデン 因で，モジュールや配線と対地との浮遊容量などを通して サが 7 年と，冷却ファンの寿命が最も短かった。 伝導する伝導ノイズと電波として発生する放射ノイズがあ 例えば，インバータを 10 年使用する場合には，冷却 ファンを 3 回交換する必要があり，メンテナンス回数が多 る。 これまでの機種でも主回路の IGBT の電圧変化率 dV/dt を下げるなどのノイズ低減を行ってきた。 今回の FRENIC-Mini シリーズでは，制御電源の FET についても伝搬経路を絶つ構造にするなどの工夫をしてい くなっていた。 FRENIC-Mini シリーズでは長寿命冷却ファン（設計寿 命 7 年，40 ℃）を採用することにより，標準交換年数を 主回路コンデンサと同等以上にし，交換の手間を軽減した。 る。 また，ノイズ低減用の EMC フィルタはこれまでの機種 ではオプションとして外部に取り付ける構造であったが， 内蔵フィルタを開発し，欧州の EMC 規格（EN61800-3） に適合させた。 ５.２ 寿命判断機能 寿命部品である主回路コンデンサは，その寿命に伴い静 電容量が低下していく。この容量の低下は周囲温度や負荷 条件などの使用条件で大きく異なるため，単に使用年数で は判断できない。 ４.２ 鉛フリーはんだの適用 環境有害物質としての鉛は，2006 年には欧州で使用が 規制されるなど，今後使用できなくなる。 今回開発した FRENIC-Mini シリーズでは，鉛フリーは 。 んだを適用した IGBT モジュールを開発した（図９） 鉛フリーはんだの適用により，従来より熱抵抗，パワー サイクル特性も改善されている。 FRENIC-Mini シリーズでは寿命時期を判断する目的で， 電源遮断時に主回路コンデンサの放電時間を自動的に内部 で演算することで，初期値からの容量低下率を表示させた。 また，そのほかの寿命部品である制御電源の電解コンデ ンサ，冷却ファンについても，それぞれの累積運転時間を タッチパネルの「メンテナンス情報」で参照可能とした。 表２に各寿命部品の寿命判定の目安を示す。 455（ 5 ） 富士時報 コンパクト型インバータ「FRENIC-Mini シリーズ」 Vol.76 No.8 2003 表３ メニュー方式 図１０ 過負荷回避機能 メニュー 番号 メニュー LED 表示 1 機能コード・データ 設定 1.F_ _∼ 1.y_ _ 2 機能コード・データ 確認 2.rEF 工場出荷値状態から変更した 機能コードのみ表示 3 ドライブモニタ 3.oPE 運転情報の表示 4 I/Oチェック 内 容 出力周波数 機能コード・データの設定 OH1トリップ 5 メンテナンス情報 6 アラーム情報 7 データコピー （遠隔タッチパネル が必要） インバータ温度 4.i_o 外部インタフェース情報の表 示 5.CHE 保守・メンテナンス情報の表 示 6.AL アラーム履歴とアラーム発生 時の各種情報表示 7.CPy 機 能 コ ー ド・デ ー タ の 読 出 し，書込みおよびベリファイ 過負荷回避動作信号 去 4 回まで記憶可能とし，トラブル発生時に解析しやすく した。 標準タッチパネルのほかにオプションとして遠隔タッチ また，これらの寿命部品が表２の目安値に到達すると寿 パネルを準備しており，LED（Light Emitting Diode）に 命時期と判定し，トランジスタ出力から寿命予報信号を出 よる単位表示，状態表示とデータコピー機能が標準タッチ 力することができる。 パネルに対して追加されている。 高機能化 ６.２ 過負荷回避機能 ファン・ポンプなどの用途で連続運転中に，負荷や周囲 温度の状態でインバータが過熱しても保護停止させたくな ６.１ タッチパネル機能 従来の FVR-C11 シリーズのタッチパネルでは周波数な い場合がある。 どのモニタ機能とインバータの動作を決定するファンク 過負荷回避機能は図１０のように，インバータが冷却フィ シ ン加熱またはインバータ過負荷でトリップする前に，イン リーズではメンテナンス情報やアラーム情報などの表示情 バータの出力周波数を自動的に低下させ，トリップを回避 報を大幅に増加させるためメニューモードを採用した。 する機能で，今回新たに開発した機能である。 ションの設定機能が中心であったが，FRENIC-Mini メニューモードの各メニュー番号に対する内容を表３に あとがき 示す。 FVR-C11 シリーズに対し，機能コード・データ確認， ドライブモニタ，I/O チェック，メンテナンス情報，ア 以上，コンパクト型インバータ FRENIC-Mini シリーズ について，その特徴を紹介した。 ラーム情報の各メニューを追加した。 ドライブモニタ機能は出力電流など 10 種類，メンテナ 3.7 kW 以下の非常に価格競争の厳しい容量範囲の中で， ンス機能は累積運転時間など 12 種類，アラーム情報はア 今回の FRENIC-Mini シリーズを展開することにより 1 ク ラーム発生時の出力周波数など 19 種類のデータを表示可 ラス上の性能が要求される用途まで適用範囲が広がるとと 能としている。 もに，グローバルな展開が期待できる。 また，アラーム発生時の情報は，従来機種では過去 1 回 しか記憶できなかったが，FRENIC-Mini 456（ 6 ） シリーズでは過 今後とも，新しい技術，機能を積極的に取り入れ，より 良い商品開発に努めていきたい。 ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。