富士電機の鉄道研究開発センターがHILで新型車両を試験

導入

富士電機株式会社の田島様にお話を伺う機会を得ました。田島様は、同社鉄道機器研究開発部門において、電車用駆動インバータおよびモータドライブの設計・試験にTyphoon HIL社を導入されました。田島様に、試験にHILを活用する理由と方法について伺うため、いくつか質問をさせていただきました。以下、その詳細をぜひお読みください。

あなたの部署について少し教えていただけますか？

私たちは主に鉄道車両用のモータドライブの開発を行っています。チームは新幹線チームと在来線チームの2つに分かれており、私は在来線チームを担当しています。

Typhoon HIL ソリューションについて最初に知ったのは何ですか?

カンファレンスの展示会で、Typhoon HILのブースに立ち寄りました。そこでは、複数のモータードライブをエミュレートした、非常に優れたモータードライブのコントローラーハードウェアインザループ（C-HIL）デモを目にしました。鉄道アプリケーションでは複数のモーターとインバーターをエミュレートする必要があるため、Typhoon HIL604デバイスが1つのHILユニットで最大4つのモーターとインバーターをシミュレートできることを知って、大変感銘を受けました。

当初はどのように HIL を評価し、導入しましたか?

当初、購入を決定する前にHIL604リアルタイムデバイスを数ヶ月間評価することに決めました。これによりリスクを軽減することができました。評価期間を通じて、HIL604は非常に使いやすく、導入も迅速で、当社の技術要件をすべて上回っていることが十分に確認できたため、正式に導入を決定しました。

HILソリューションの導入における最初のステップは、テスト対象コントローラとHILのデジタルおよびアナログ入出力（IO）間のインターフェースを構築することでした。私は市販のブレイクアウトボードを使用し、カスタムケーブルを製作しました。ブレイクアウトボードの使用により、プロセスは大幅にスピードアップしました。

HIL テストを導入する前の主な課題は何でしたか?

高出力で唸りをあげるダイノベンチの横に座ってモーター駆動制御をテストするのは、決して楽しい作業ではありません。しかも、富士電機鈴鹿工場全体で200kWの電動モーターを収容できるダイノベンチはたった1台しかありません。

また、この高出力テストセルは電気鉄道開発に携わる他の多くのチームにも使用されているため、必要な時に利用できる設備を見つけるのは非常に困難です。たとえ設備が利用可能であったとしても、高出力テストベッドの設定には最大1か月かかるため、開発および検証プロセスに大きな遅延が生じます。

上記の課題に加えて、制御装置の検証には多くの動作条件（例えば、異なる列車の運行条件、異なるフィーダー電圧／インピーダンスのケース）が必要です。しかし、高出力の試験室では、これらの条件のごく一部しか再現できないため、テストの範囲は著しく制限されます。

HIL テストベッドについて詳しく教えていただけますか?

HIL604では、VVVFインバータ、電動モーター、フィーダーシステム、車体ダイナミクスがモデル化されています。実際のインバータコントローラは、カスタムインターフェースボードを介してTyphoon HIL604デバイスに直接接続されます。

チームで HIL テストを使用する主な利点は何ですか?

HILテストベッドが構築されると、24時間365日連続使用が可能になり、リモートアクセスも可能になります。高出力テストセルの代わりにHILを使用することで、より多くのケースをより頻繁に、実質的に継続的にテストすることができ、設計プロセスの非常に早い段階でテストを開始できます。

HIL を使用することで、より多くのケースをより頻繁にテストできるようになり、設計プロセスの非常に早い段階でテストを開始できます。

当社では、制御テストと検証のすべての段階で HIL テストベッドを広範に使用することで、多くの時間と費用を節約しています。フルパワー テストは最後にのみ使用しています。

さらに、既存の車両試験では、多くの高出力運転条件で試験を実施できなかったため、試験範囲に大きなギャップがあることが明らかになりました。これらの動作点をHILテストベッドでシミュレートすることで、試験範囲を大幅に改善することができました。概ね5日間かかっていたフルパワー試験が2日未満に短縮され、場合によっては開発と試験の時間を60%以上短縮できました。

高出力動作条件ではテストできない動作ポイントを HIL テストベッドでシミュレートすることで、テスト範囲を大幅に改善し、テスト時間を最大 60% 以上短縮することができました。

HILを使い始める前は、フルパワーハードウェアでテストを開始するのはかなりストレスがかかりました。1500Vという高電圧でテストを行うため、実際のコンバータの電力段を損傷しないように注意する必要がありました。今では、HILで徹底的にテストと動作検証を行った後にのみ、フルパワーテストに移行しています。これにより、高出力テストのストレスが軽減されています。現在、全テストの80%をHILテストベッドで、20%を高出力セットアップで実行しています。

HILによる徹底的な動作テストと検証が完了した後にのみ、フルパワーテストを実施します。これにより、高出力テストのストレスを軽減できます。

組織内で Typhoon HIL の使用をどのように拡大する予定ですか?

HILの活用は既に他の製品ラインにも拡大しています。産業用インバータのテストにはTyphoon HILを導入しました。今後は補助電源のテストにもHILを導入したいと考えています。また、HILを活用したテストの自動化にも取り組んでおり、完全なテスト自動化を目指しています。

クレジット

テキストl イヴァン・チェラノヴィッチ
ビジュアル| 富士電機
謝辞| この話を私たちにシェアしてくださったインタビュアーの杉山勇氏、インタビューを受けたアハメド氏、田島氏に感謝します。