โซลูชันและกรณีศึกษา

ฟูจิพาวเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ช่วยประหยัดพลังงานและมอบความสะดวกสบายสูงสุดแก่รถไฟหัวกระสุนญี่ปุ่น “ชินคันเซ็น”

ภาพประกอบโดย Central Japan Railway Company

เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม 2020 รถไฟชินคันเซ็นสายโทไกโด N700S เริ่มให้บริการเชิงพาณิชย์หลังจากผ่านการเปลี่ยนรุ่นเต็มรูปแบบเป็นครั้งแรกในรอบ 13 ปี โดยที่นั่งแต่ละที่นั่งมีปลั๊กไฟแบบพกพาที่ผู้โดยสารสามารถชาร์จสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์อื่นๆ ได้ ขณะที่แต่ละตู้โดยสารจะมีจอ LCD ขนาดใหญ่ที่แสดงข้อมูลต่างๆ เช่น ตำแหน่งปัจจุบันและจุดหมายปลายทางของขบวนรถ พื้นที่วางขาในตู้โดยสารชั้นกรีนคาร์ (ชั้นเฟิร์สคลาส) เพิ่มขึ้น 15%

จุดมุ่งหมายของชินคันเซ็นคือการนำผู้โดยสารไปยังจุดหมายปลายทางในเวลาที่สั้นลงพร้อมความปลอดภัยและความสะดวกสบายที่มากขึ้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการพยายามลดการใช้พลังงานเพื่อป้องกันภาวะโลกร้อน N700S ใช้พลังงานน้อยกว่าครึ่งหนึ่ง* เมื่อเทียบกับชินคันเซ็น 0 Series ซึ่งเป็นชินคันเซ็นรุ่นแรก

“อินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลัก” คือหัวใจสำคัญของชินคันเซ็น

บริษัท ฟูจิ อิเล็คทริค ได้มีส่วนสนับสนุนในการพัฒนาชินคันเซ็นโดยใช้พลังงานไฟฟ้ามาตั้งแต่เริ่มมีชินคันเซ็น

อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าเป็นเทคโนโลยีที่ควบคุมไฟฟ้าได้อย่างเหมาะสม มีการใช้ไฟฟ้าในหลายพื้นที่ เช่น โรงงาน ทางรถไฟ ยานพาหนะ และเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน โดยทำหน้าที่เปลี่ยนประเภทของไฟฟ้า (กระแสสลับและกระแสตรง) และระดับไฟฟ้า (กระแสและแรงดันไฟ) ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

ระบบไฟฟ้ากำลังทำหน้าที่หลักในสองส่วนระหว่างวิวัฒนาการของชินคันเซ็น ซึ่งก็คือการประหยัดพลังงานและสร้างความสะดวกสบายในการเดินทาง สิ่งที่ทำให้ปัจจัยเหล่านี้เกิดขึ้นได้ก็คือ “อินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลัก” ซึ่งมักเรียกกันว่าหัวใจของชินคันเซ็น อุปกรณ์นี้จะแปลงไฟที่นำมาจากแพนโทกราฟและควบคุมมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนชินคันเซ็นได้อย่างเหมาะสมที่สุด

อินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลักซึ่งวางอยู่ใต้พื้นของชินคันเซ็นช่วยควบคุมมอเตอร์ได้อย่างเหมาะสม

รูปจำลองสร้างขึ้นโดยบริษัท Fuji Electric โดยได้รับความอนุเคราะห์จากบริษัท Central Japan Railway

“สารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้า” ที่กำหนดประสิทธิภาพการทำงานของอินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลัก

“เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า” เป็นอุปกรณ์สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าที่กำหนดประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลัก Fuji Electric เป็นผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าชั้นนำระดับโลกและมีข้อได้เปรียบในการแข่งขันเนื่องจากสามารถพัฒนาอินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลักและเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าภายในบริษัทได้อย่างครบวงจร

เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าจะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าและความถี่โดยการสลับ (เปิดและปิด) ไฟฟ้าอย่างละเอียดและซ้ำๆ ด้วยความเร็วสูง ซึ่งทำให้อินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลักสามารถควบคุมความเร็วในการหมุนของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำ

การลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการสลับเป็นความท้าทายในการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า เนื่องจากเชื่อมต่อโดยตรงกับอินเวอร์เตอร์ตัวแปลงพลังงานหลัก นอกจากนี้ การสูญเสียพลังงานจะถูกแปลงเป็นความร้อน ซึ่งส่งผลต่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า (ชิป) และส่วนรอบข้างของอุปกรณ์ รวมถึงวงจรไฟฟ้า จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีมาตรการแก้ไขในด้านคุณภาพ

ลดการสูญเสียพลังงานและควบคุมความร้อนด้วยเทคโนโลยีที่เป็นกรรมสิทธิ์

สารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่แม่นยำบนแผ่นเวเฟอร์รูปแผ่นดิสก์บางๆ การตัดแผ่นเวเฟอร์ให้เป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดไม่กี่มิลลิเมตรจะสร้างชิป จากนั้นชิปเหล่านี้จะถูกเชื่อมต่อด้วยสายไฟและบรรจุด้วยเรซินเพื่อสร้างโมดูล ชิปเหล่านี้จะถูกผสานเข้ากับอินเวอร์เตอร์ตัวแปลงหลักในรูปแบบของโมดูล

เพื่อลดการสูญเสียพลังงาน จึงมีวิธีการที่ใช้ประมวลผลชิปเพื่อให้แน่ใจว่าชิปมีความบางและระยะทางของการไหลของกระแสไฟฟ้าสั้นลง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุเวเฟอร์นั้นแข็งและเปราะ เวเฟอร์จึงอาจแตกร้าวในระหว่างกระบวนการผลิตเมื่อลดความหนาลงไปอีก

ด้วยแนวคิดนี้ ฟูจิ อิเล็คทริคจึงได้พัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผลที่เป็นเอกลักษณ์ ด้วยการลดผลกระทบที่เกิดกับเวเฟอร์ให้เหลือน้อยที่สุด เราจึงสามารถผลิตชิปที่บางลงได้ และลดการสูญเสียพลังงานลง นอกจากนี้ เรายังได้สร้างเทคโนโลยีแพ็คเกจที่สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งสองด้านของชิปที่ได้รับความร้อน โดยสลับไปเพื่อลดการเกิดความร้อน

โดยทั่วไปแล้ว จำเป็นต้องขยายกำลังเซมิคอนดักเตอร์เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลได้มากขึ้น (เพื่อเพิ่มกำลังขับ) อย่างไรก็ตาม นวัตกรรมทางเทคโนโลยีนี้ทำให้โมดูลสามารถเพิ่มกำลังขับ (เพิ่มความหนาแน่นของกำลังขับ) ได้ในขณะที่ยังคงขนาดเดิมไว้ ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในชินคันเซ็น N700S รุ่นล่าสุดนั้นสูงกว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่ติดตั้งใน Nozomi 300 Series รุ่นแรกที่เริ่มใช้งานในปี 1992 ประมาณสองเท่า

ลดการใช้พลังงานโดยทำให้อินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลักมีน้ำหนักเบาลง 70%

อินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลักติดตั้งอุปกรณ์ระบายความร้อนเพื่อลดความร้อนที่เกิดจากเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า ในช่วงแรกจะใช้พัดลมในการระบายความร้อน (ระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ) แต่การลดการสูญเสียพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าเพื่อลดการสร้างความร้อนทำให้สามารถใช้การระบายความร้อนตามธรรมชาติ (ระบายความร้อนโดยไม่ต้องใช้พัดลม) โดยใช้ลมที่กระทบกับขบวนรถไฟขณะเคลื่อนที่

ด้วยการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าและความก้าวหน้าของอุปกรณ์ระบายความร้อน เราจึงเปลี่ยนรูปลักษณ์ของอินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลักได้อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบ N700S กับซีรีส์ 300 ซึ่งเป็นรุ่นที่มีการเปิดตัวอินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลักเป็นครั้งแรก เอาต์พุตจากอินเวอร์เตอร์คอนเวอร์เตอร์หลักเพิ่มขึ้นมากกว่า 40% ในขณะที่น้ำหนักของตัวเครื่องลดลงประมาณ 70% ส่งผลให้การใช้พลังงานลดลง (เพื่อประหยัดพลังงาน) ในขณะที่รถไฟกำลังวิ่ง

■การเปลี่ยนแปลงในอินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลัก

ใช้เทคโนโลยีควบคุมสูงเพื่อการขับขี่ที่ปลอดภัยและสะดวกสบายยิ่งขึ้น

เมื่อพูดถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าของ Fuji Electric ปัจจัยสำคัญคือเทคโนโลยีการควบคุม ซึ่งทำงานร่วมกับเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า เทคโนโลยีการควบคุมประเภทหนึ่งคือ "การควบคุมเวกเตอร์" ซึ่งใช้กับอินเวอร์เตอร์ตัวแปลงหลัก
รถไฟจะเริ่มเคลื่อนที่ช้าๆ และเร่งความเร็วขึ้นทีละน้อย จากนั้นจะเคลื่อนที่ตามความลื่นของรางรถไฟที่เกิดจากฝนหรือเหตุการณ์อื่นๆ ที่คล้ายกัน โดยจะตรวจจับสถานการณ์จากปัจจัยต่างๆ เช่น ความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลไปยังมอเตอร์ และอัปเดตข้อมูลนี้ไปยังระบบควบคุมมอเตอร์ทันที

การทำงานเป็นทีมที่มั่นคงระหว่างแผนกและฐานการผลิต
การพัฒนาชินคันเซ็นอย่างต่อเนื่อง

เพื่อเพิ่มความสามัคคีของสมาชิกโครงการใน 6 แผนกของบริษัทซึ่งกระจายอยู่ตามโรงงานและสำนักงานต่างๆ จึงได้ออกแบบโลโก้ที่มีดาว 6 ดวงขึ้นมาเพื่อทำเป็นป้ายสำหรับให้สมาชิกเหล่านี้สวมใส่ตลอดเวลา ป้ายนี้เน้นย้ำถึงความปรารถนาอันแรงกล้าของสมาชิกที่จะมอบคุณภาพที่เกิน 5 ดาวให้กับลูกค้า

N700S มาพร้อมกับอินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลักที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า SiC* รุ่นล่าสุด และ Fuji Electric กำลังมีส่วนร่วมในการพัฒนาในฐานะหนึ่งในบริษัทสมาชิกหลัก อินเวอร์เตอร์แปลงไฟหลักของเราจะกะทัดรัดและน้ำหนักเบายิ่งขึ้นเพื่อพัฒนาชินคันเซ็นต่อไปในอนาคต

บริษัท Fuji Electric มุ่งมั่นที่จะสร้างทีมงานที่มีทรัพยากรบุคคลหลากหลาย และเผชิญกับความท้าทายต่างๆ โดยใช้ศักยภาพโดยรวมของทีมงานเหล่านี้ในนโยบายการจัดการของเรา สมาชิกของบริษัทจะพัฒนาทักษะที่สั่งสมมาจนถึงปัจจุบันร่วมกับลูกค้า และมีส่วนร่วมในการสร้างสังคมที่ยั่งยืนโดยทำงานร่วมกันเป็นทีมโดยการผลิตจากมุมมองของลูกค้า

*ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)

หน้าแรก