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公開番号2020182257
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201105
出願番号2019081628
出願日20190423
発明の名称電源装置
出願人株式会社日立製作所
代理人ポレール特許業務法人
主分類H02J 9/06 20060101AFI20201009BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】
多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御可能である小型化の電源装置を提供する。
【解決手段】
電源装置が、多巻線トランス(20)と、これに接続される複数の電力変換器と、を備え、第1電力変換器は、整流器部(1,2,3)と、直流電力を交流電力に変換する変換器部(11,12,13)とを備え、整流器部の交流側は互いに直列接続されかつ外部交流系統(100)に接続され、整流器部の直流側は変換器部の直流側に接続され、平常時には、第1電力変換器および第2電力変換器(22)を制御して、外部交流系統からの電力が蓄電装置(32)に伝送され、かつ第1電力変換器および第3電力変換器(23)を制御して、外部交流系統からの電力が受電機器(33)に伝送され、停電時には、第2電力変換器および第3電力変換器を制御して、蓄電装置からの電力が受電機器に伝送される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
多巻線トランスと、
前記多巻線トランスに接続される複数の電力変換器と、
を備える電源装置において、
前記多巻線トランスが有する複数の第1巻線には、前記複数の電力変換器の内、複数の第1電力変換器が接続され、
前記第1電力変換器は、整流器部と、前記整流器部に接続され、直流電力を交流電力に変換する変換器部と、を備え、
複数の前記整流器部の交流側は、互いに直列接続されるとともに、外部交流系統に接続され、
前記整流器部の直流側は、前記変換器部の直流側に接続され、
前記変換器部の交流側は、前記第1巻線に接続され、
前多巻線トランスの第2巻線には、前記複数の電力変換器の内、第2電力変換器が接続され、
前記第2電力変換器の交流側が前記第2巻線に接続され、
前記第2電力変換器の直流側には蓄電装置が接続され、
前多巻線トランスの第3巻線には、前記複数の電力変換器の内、第3電力変換器が接続され、
前記第3電力変換器の交流側が前記第3巻線に接続され、
前記第3電力変換器の直流側には受電機器が接続され、
前記外部交流系統の平常時には、複数の前記第1電力変換器および前記第2電力変換器を制御することにより、複数の前記第1電力変換器と、前記複数の第1巻線と、前記第2巻線と、前記第2電力変換器とを介して、前記外部交流系統からの電力が前記蓄電装置に伝送され、
前記外部交流系統の平常時には、複数の前記第1電力変換器および前記第3電力変換器を制御することにより、複数の前記第1電力変換器と、前記複数の第1巻線と、前記第3巻線と、前記第3電力変換器とを介して、前記外部交流系統からの電力が前記受電機器に伝送され、
前記外部交流系統の停電時には、前記第2電力変換器および前記第3電力変換器を制御することにより、前記第2電力変換器と、前記第2巻線と、前記第3巻線と、前記第3電力変換器とを介して、前記蓄電装置からの電力が前記受電機器に伝送されることを特徴とする電源装置。
続きを表示(約 1,400 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電源装置において、
前記外部交流系統の停電時には、前記第1電力変換器の前記変換器部を動作させることを特徴とする電源装置。
【請求項3】
請求項2に記載の電源装置において、
複数の前記第1電力変換器における複数の前記変換器部は、直流側電圧がバランスするように制御されることを特徴とする電源装置。
【請求項4】
請求項2に記載の電源装置において、
複数の前記第1電力変換器における複数の前記変換器部は、交流側の電圧がバランスするように制御されることを特徴とする電源装置。
【請求項5】
請求項1に記載の電源装置において、
前記第1電力変換器の前記変換器部と前記第2電力変換器および前記第3電力変換器の各交流側の電圧は方形波交流電圧であり、
前記外部交流系統の平常時には、前記第2電力変換器が、前記第1電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第2電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御され、
前記外部交流系統の平常時には、前記第3電力変換器が、前記第1電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第3電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御され、
前記外部交流系統の停電時には、前記第3電力変換器が、前記第2電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第3電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御されることを特徴とする電源装置。
【請求項6】
請求項1に記載の電源装置において、
前多巻線トランスの第4巻線には、前記複数の電力変換器の内、第4電力変換器が接続され、
前記第4電力変換器の交流側が前記第4巻線に接続され、
前記第4電力変換器の直流側には発電装置が接続され、
前記外部交流系統の平常時には、前記第4電力変換器および前記第2電力変換器を制御することにより、前記第4電力変換器と、前記第4巻線と、前記第2巻線と、前記第2電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記蓄電装置に伝送され、
前記外部交流系統の平常時には、前記第4電力変換器および前記第3電力変換器を制御することにより、前記第4電力変換器と、前記第4巻線と、前記第3巻線と、前記第3電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記受電機器に伝送され、
前記外部交流系統の停電時には、前記第4電力変換器および前記第3電力変換器を制御することにより、前記第4電力変換器と、前記第4巻線と、前記第3巻線と、前記第3電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記受電機器に伝送されることを特徴とする電源装置。
【請求項7】
請求項1に記載の電源装置において、
前記受電機器が、負荷装置であることを特徴とする電源装置。
【請求項8】
請求項1に記載の電源装置において、
前記受電機器が、前記蓄電装置とは別の蓄電装置であることを特徴とする電源装置。
【請求項9】
請求項1に記載の電源装置において、
前記蓄電装置は電気自動車に搭載されることを特徴とする電源装置。
【請求項10】
請求項8に記載の電源装置において、
前記別の蓄電装置は電気自動車に搭載されることを特徴とする電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、外部系統および蓄電装置に接続され、受電機器に電力を供給する電源装置に関する。
続きを表示(約 9,500 文字)【背景技術】
【0002】
再生可能エネルギー発電や電気自動車の普及、蓄電装置の利用拡大に伴い、高品質の電力制御が可能でかつ小型の電源装置が要求されている。
【0003】
これに対し、非特許文献1(Fig.1(c))および特許文献1(Fig.1)に記載の従来技術が知られている。
【0004】
本従来技術では、モーターを駆動する電源装置において、トランスの複数の一次巻線の各々に、複数台の一次側電力変換器の内の一台の出力側が接続されるとともに、複数の一次側電力変換器の入力側が直列接続される。さらに、トランスの二次巻線には二次側電力変換器の入力側が接続される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
C. Gu, Z. Zheng, L. Xu, K. Wang and Y. Li, “Modeling and Control of a Multiport Power Electronic Transformer (PET) for Electric Traction Applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 915-927, February 2016.
【特許文献】
【0006】
米国特許出願公開第2002/0101747号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記従来技術では、一次側電力変換器および二次側電力変換器を備えることにより、トランスを小型化することができるとともに、トランスの一次側および二次側で電力を制御することができる。しかし、上記従来技術では、商用交流電源のような外部系統や、蓄電池のような蓄電装置など、多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御することについては、なんら考慮されていない。
【0008】
そこで、本発明は、多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御可能であるとともに小型化が可能な電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明による電源装置は、多巻線トランスと、多巻線トランスに接続される複数の電力変換器と、を備えるものであって、多巻線トランスが有する複数の第1巻線には、複数の電力変換器の内、複数の第1電力変換器が接続され、第1電力変換器は、整流器部と、整流器部に接続され、直流電力を交流電力に変換する変換器部と、を備え、複数の整流器部の交流側は、互いに直列接続されるとともに、外部交流系統に接続され、整流器部の直流側は、変換器部の直流側に接続され、変換器部の交流側は、第1巻線に接続され、多巻線トランスの第2巻線には、複数の電力変換器の内、第2電力変換器が接続され、第2電力変換器の交流側が第2巻線に接続され、第2電力変換器の直流側には蓄電装置が接続され、多巻線トランスの第3巻線には、複数の電力変換器の内、第3電力変換器が接続され、第3電力変換器の交流側が第3巻線に接続され、第3電力変換器の直流側には受電機器が接続され、外部交流系統の平常時には、複数の第1電力変換器および第2電力変換器を制御することにより、複数の第1電力変換器と、複数の第1巻線と、第2巻線と、第2電力変換器とを介して、外部交流系統からの電力が蓄電装置に伝送され、外部交流系統の平常時には、複数の第1電力変換器および第3電力変換器を制御することにより、複数の第1電力変換器と、複数の第1巻線と、第3巻線と、第3電力変換器とを介して、外部交流系統からの電力が受電機器に伝送され、外部交流系統の停電時には、第2電力変換器および第3電力変換器を制御することにより、第2電力変換器と、第2巻線と、第3巻線と、第3電力変換器とを介して、蓄電装置からの電力が受電機器に伝送される。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、電源装置を小型化できるとともに、外部交流系統と蓄電装置と受電機器との間で、電力フローをフレキシブルに制御できる。
【0011】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
実施例1である電源装置の回路構成図である。
単位変換器の主回路部の構成例を示す回路図である。
外部交流系統の平常時(第1モード)における、実施例1の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
第1モードにおける、実施例1の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。
第1モードにおける実施例1の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
外部交流系統の停電時(第2モード)における、本実施例1の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
第2モードにおける、実施例1の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。
第2モードにおける、実施例1の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
実施例2である電源装置の回路構成図である。
第1モードにおける、実施例2の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
第1モードにおける、実施例2の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。
第1モードにおける、実施例2の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例1〜2により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【実施例】
【0014】
図1は、本発明の実施例1である電源装置の回路構成図である。
【0015】
図1に示すように、本実施例1の電源装置は、複数の巻線(図1では6巻線)を備える多巻線トランス20と、多巻線トランス20の複数の巻線(n
11
〜n
23
)に接続される複数の電力変換器を備えている。
【0016】
多巻線トランス20においては、一個の磁性体コアに6個の独立した巻線(n
11
〜n
23
)が巻装されている。
【0017】
巻線n
11
には、単位変換器1と単位変換器11とからなる電力変換器が接続される。単位変換器1の直流側と単位変換器11の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器11の交流側が巻線n
11
に接続される。
【0018】
巻線n
12
には、単位変換器2と単位変換器12とからなる電力変換器が接続される。単位変換器2の直流側と単位変換器12の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器12の交流側が巻線n
12
に接続される。
【0019】
巻線n
13
には、単位変換器3と単位変換器13とからなる電力変換器が接続される。単位変換器3の直流側と単位変換器13の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器13の交流側が巻線n
13
に接続される。
【0020】
単位変換器1〜3の各交流側は、互いに直列接続され、高調波抑制用のリアクトル10を介して、外部交流系統100(例えば、商用交流電源)に接続される。本実施例1においては、このように、複数の単位変換器(1〜3)の各交流側が互いに直列接続されるので、トランスを介することなく、外部交流系統100からの電力を受電できる。また、複数の単位変換器(1〜3)で、外部交流系統100の電圧を分担するので、各単位変換器の主回路を構成する半導体素子の耐圧を低減できる。これらにより、電源装置が小型化できる。
【0021】
単位変換器1,2および3は、外部交流系統100からの交流電力を直流電力に変換する。単位変換器11,12,13は、それぞれ単位変換器1,2および3が出力する直流電力を、所定周波数および所定電圧の交流電力に変換して、それぞれ巻線n
11
,n
12
,n
13
に出力する。
【0022】
巻線n
21
には、単位変換器21からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器21の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、発電装置31に接続される。発電装置31は、太陽光発電装置や風力発電装置などの分散電源装置である。
【0023】
巻線n
22
には、単位変換器22からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器22の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、蓄電装置32に接続される。蓄電装置32は、蓄電器および充放電制御回路などを備える。蓄電器としては、蓄電池やキャパシタなどが適用される。
【0024】
巻線n
23
には、単位変換器23からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器23の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、受電機器である負荷装置33に接続される。
【0025】
単位変換器21は、発電装置31からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を巻線n
21
に出力する。
【0026】
単位変換器22は、巻線n
22
が出力する交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を蓄電装置32の受電電力として出力する。また、単位変換器22は、蓄電装置32からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を蓄電装置32から給電される電力として巻線n
22
に出力する。すなわち、単位変換器22は、双方向変換器として動作する。
【0027】
単位変換器23は、巻線n
23
が出力する交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を負荷装置33が受電する電力として出力する。
【0028】
本実施例1では、多巻線トランス20の複数の巻線の各々に電力変換器が接続されるので、電力変換器を制御することにより、給電側(外部交流系統100、発電装置31、蓄電装置32(放電時))と受電側(負荷装置33、蓄電装置32(充電時))の間の電力伝送を制御できる。後述するように、本実施例1では、単位変換器11〜12,21〜23の交流側の電圧V
11
〜V
13
,V
21
〜V
23
、すなわち巻線n
11
〜n
23
の端子電圧の位相を制御することにより、給電側と受電側の間の電力伝送が制御される。これにより、本実施例1の電源装置は、給電側と受電側の間の電力フローをフレキシブルに制御できる
また、多巻線トランス20の複数の巻線の各々に電力変換器が接続されるので、電力変換器におけるスイッチング周波数に応じて、多巻線トランス20を高周波化(例えば、1kH以上)することができる。したがって、多巻線トランス20が小型化できるので、電源装置を小型化できる。
【0029】
制御装置200は、単位変換器の直流側電圧(V

〜V

)の検出値、単位変換器の交流側の電圧すなわち巻線の端子間電圧(V
11
〜V
23
)の検出値、単位変換器の交流側の電流すなわち巻線に流れる電流(i
11
〜i
23
)の検出値に基づいて、単位変換器の交流側の電圧すなわち巻線の端子間電圧(V
11
〜V
23
)の指令値(V
11

〜V
23

)を作成する。これらの検出値は、図示されない電圧センサおよび電流センサによって検出される。なお、指令値(V
11

〜V
23

)は、単位変換器(11〜23)に与えられる。
【0030】
なお、図1では、制御装置200への入力として、便宜上、これら検出値のすべてが記載されているが、制御装置200は、制御装置200において動作する制御手段に応じた検出値を入力する。また、制御装置200は、電流・電圧の検出値に代えて、演算によって求められる推定値を用いてもよい。
【0031】
図2は、単位変換器1〜3,11〜13,21〜23の主回路部の構成例を示す回路図である。
【0032】
図2に示す構成例では、一つの半導体スイッチング素子(例えば、S

)および一つのダイオード(例えば、D

)が逆並列に接続され、一つのアームが構成される。二つのアームが直列に接続されて、一つのレグ(ハーフブリッジ回路)が構成される。さらに、二つのレグが並列に接続されて、単位変換器の主回路部となる単相フルブリッジ回路が構成される。各レグにおける二つのアームの直列接続点が単位変換器の交流側に位置し、二つのレグの並列接続の両端が単位変換器の直流側に位置する。
【0033】
半導体スイッチング素子S

〜S

として、図2の構成例では、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が適用されているが、これに限らず、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)や接合型バイポーラトランジスタが適用されてもよい。
【0034】
複数の単位変換器の内、単位変換器1〜3は、整流器として動作する。すなわち、単位変換器1〜3において、ダイオードD

〜D

は整流ダイオードとして動作する。なお、単位変換器1〜3における半導体スイッチング素子S

〜S

を動作することにより、高調波が低減されるとともに、力率が向上される。
【0035】
なお、単位変換器1〜3として、図2における半導体スイッチング素子S

〜S

が用いられない、単相のダイオード整流回路を適用してもよい。
【0036】
多巻線トランスを介して電力伝送を行う二つの単位変換器、すなわち給電側となる単位変換器11〜13および21並びに単位変換器22(ただし蓄電装置32の放電時)の内の一つの単位変換器と、受電側となる単位変換器22(ただし蓄電装置32の充電時)および単位変換器23の内の一つの単位変換器とは、多巻線トランス20とともに、いわゆるDAB(Dual Active Bridge)方式のDC/DCコンバータと同様の回路構成を備えている。このため、このような二つの単位変換器の交流側の電圧の位相差を制御することにより、二つの単位変換器間で伝送される電力を制御することができる。
【0037】
なお、単位変換器11〜23の各々が備える駆動制御装置(図示せず)によって、制御装置200が作成する電圧指令値V
11

〜V
23

に応じて、各単位変換器における半導体スイッチング素子S

〜S

がオン・オフ制御される。これにより、単位変換器11〜23は、交流側の電圧V
11
〜V
23
を、制御装置200が作成する電圧指令値V
11

〜V
23

になるように制御する。
【0038】
次に、本実施例1の電源装置の動作の概略について説明する。
【0039】
電源装置の動作は、外部交流系統100の平常時と停電時では異なる。そこで、以下の説明において、平常時および停電時における動作を、それぞれ、第1モードおよび第2モードと記す。
【0040】
第1モードでは、外部交流系統100側および発電装置31側から給電される電力が、蓄電装置32側(充電状態)および負荷装置33側で受電される。この場合、単位変換器11〜13の各々は、出力電圧(V
11
,V
12
,V
13
)を所定電圧(例えば、定格電圧)に制御し、単位変換器21は、出力電圧V
21
を所定電圧(例えば、定格電圧)の付近に制御する。また、単位変換器22は、交流側の電圧V
22
を所定電圧(例えば、定格電圧)の付近に制御するとともにV
22
の位相を制御して、蓄電装置32に充電する電力を出力する。単位変換器23は、交流側の電圧V
23
の位相を制御して、負荷装置33側で用いられる電力を出力する。
【0041】
第2モードでは、発電装置31側および蓄電装置32側(放電状態)から給電される電力が、負荷装置33側で受電される。この場合、単位変換器22は、交流側の電圧V
22
を所定電圧(例えば、定格電圧)に制御し、単位変換器21は、交流側の電圧V
21
を定格電圧の付近に制御する。また、単位変換器23は、交流側の電圧V
23
の位相を制御して、負荷装置で用いられる電力を出力する。
【0042】
ここで、単位変換器11〜13の各々は、交流側の電圧(V
11
,V
12
,V
13
)を所定電圧(例えば、定格電圧)の付近に制御する。
【0043】
これにより、単位変換器11〜13の直流側の電圧V

,V

,V

が、略一定値に制御される。このため、外部交流系統100の停電時に、蓄電装置32側からの電力の流入によるV

,V

,V

の増大が抑制される。したがって、単位変換器11〜13を構成する半導体スイッチング素子やダイオードに過電圧がかかることが防止されるので、電源装置の信頼性が向上する。また、半導体スイッチング素子やダイオードの耐圧を大きくする必要がないので、電源装置の電力損失や電源装置の大きさを低減できる。
【0044】
次に、第1モードおよび第2モードの各々について、本実施例1の電源装置の動作を具体的に説明する。
【0045】
図3は、第1モード、すなわち外部交流系統100の平常時における、本実施例1の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【0046】
図3に示すように、外部交流系統100側から給電される電力P
11
,P
12
,P
13
が、それぞれ多巻線トランス20の巻線n
11
,n
12
,n
13
に入力される。また、発電装置31側から給電される電力P
21
が、多巻線トランス20の巻線n
21
に入力される。電力P
11
〜P
13
およびP
21
は、巻線n
22
およびn
23
に伝送され、巻線n
22
およびn
23
から出力される。線n
22
およびn
23
からそれぞれ出力される電力P
22
およびP
23
は、それぞれ蓄電装置32および負荷装置33によって受電される。なお、電力P
22
によって、蓄電装置32が充電される。
【0047】
なお、本実施例1においては、多巻線トランス20の効率がほぼ100%であり、多巻線トランス20への総入力電力(P
11
+P
12
+P
13
+P
21
)と、多巻線トランス20からの総出力電力(P
22
+P
23
)は実質等しい。
【0048】
図4は、第1モード、すなわち外部交流系統100の平常時における、本実施例1の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図5は、第1モードにおける本実施例1の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【0049】
以下、図4に示す制御の流れについて、適宜、図5を参照しながら説明する。
【0050】
まず、ステップS11において、制御装置200(図1)は、発電装置31側から給電され多巻線トランス20の巻線n
21
へ入力される電力P
21
、および多巻線トランス20の巻線n
23
から出力され負荷装置33が受電する電力P
23
に応じて、外部交流系統100側からそれぞれ多巻線トランス20の巻線n
11
,n
12
,n
13
へ入力される電力P
11
,P
12
,P
13
、並びに多巻線トランス20から蓄電装置32側へ出力される電力P
22
を、式(1)の条件(P
11
+P
12
+P
13
+P
21
(多巻線トランス20への入力)=P
22
+P
23
(多巻線トランス20からの出力)から導出される)のもとで設定する。
(【0051】以降は省略されています)

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編成車両
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保安装置
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軌条車両
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制御装置
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電気機器
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鉄道車両
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ガス遮断器
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ガス遮断器
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直動電動機
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ガス遮断器
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光計測装置
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ガス遮断器
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ガス遮断器
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汚泥掻寄機
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ガス遮断器
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ガス遮断器
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位相調整器
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X線撮像装置
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半導体チップ
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エレベーター
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細胞製造装置
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映像生成装置
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静止誘導電器
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