JP2002078355A - 系統連系電力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却ファンに対するリアクタの冷却効果にば
らつきがあると運転限界温度が低くなるという課題。 【解決手段】 ラック０に実装され、直流電力を交流電
力に変換し系統に連係する系統連系電力変換器におい
て、冷却風を発生させる冷却用ファン１１、１２と、冷
却風に曝され発熱体である電力変換用のリアクタ１、
２、３、４と、リアクタ１、２、３、４より風上側に配
置された半導体スイッチ素子モジュール８、９および冷
却フィン１０とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池やバッテリ
ー等の直流電池の電力を交流電力に変換し系統と連係す
る電力変換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来のラックマウントタイプにお
ける太陽光発電用系統連系電力変換器の配置構成を示す
（ａ）下層上面図、（ｂ）正面図である。図５におい
て、１００は電力変換器本体、１、２、３、４は電力変
換用のリアクタ、５、６、７は電力変換用のコンデン
サ、８、９は電力変換用の半導体スイッチ素子モジュー
ル、１０は半導体スイッチ素子モジュール８、９の冷却
用の放熱フィン、１１、１２はこれら放熱部品である各
電力変換素子にラックの外の外気を吸込み対流させるた
めの冷却ファンである。

【０００３】１３は各電力変換素子の上方に配置され電
力変換器全体の制御を行なう制御回路、１４は装置の前
面に配置され太陽電池や系統との結線を行なうための端
子台である。また、０は電力変換器本体１００を収納す
るためのラックである。冷却ファン１１の風下にはリア
クタ１、２、３、４が配置され、冷却ファン１２の風下
には半導体スイッチ素子モジュール８、９およびその冷
却フィン１０が配置されている。

【０００４】電力変換器本体１００はラック０にネジ止
めされて収納され、太陽電池にて発電した直流電圧を端
子台１４から入力して交流電圧に変換し、端子台１４に
接続された系統に連係して系統側に送り込む。電力変換
時に電力変換器内部で発生した熱は電力変換器本体１０
０正面に横並びに配置された冷却ファン１１、１２によ
って発生する冷却風により後方より排気され、電力変換
器内部の温度上昇を押さえている。冷却ファン１１が主
にリアクタ１、２、３、４を冷却し、冷却ファン１２が
主に半導体スイッチ素子モジュール８、９を冷却してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】リアクタと半導体素子
の風路を分けた従来の電力変換器では、発熱量の大きな
リアクタは前後方で冷却ファンの寄与度が異なるために
温度差が非常に大きく、風上である前方のリアクタはま
だ温度余裕があるのに風下である後方のリアクタの温度
限界が近づくと電力変換器の運転限界となる。このた
め、周囲温度上昇に対する運転限界温度が低くなるとい
う問題点があった。

【０００６】また、リアクタは温度むらから後方のもの
の寿命が短くなり信頼性が低くなるという問題もある。
また、電力変換時の高リップル電流が流れ電磁波ノイズ
発生の大きなリアクタが前後方に並んで配置されるた
め、リアクタと端子台との距離が確保できず、高周波ノ
イズが機器の外部に出やすい構造となっていた。

【０００７】この発明はかかる問題点を解決するために
なされたもので、運転温度範囲が広く寿命の長い系統連
系電力変換器を得ることを目的とする。また、低ノイズ
な系統連系電力変換器を得ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る系統連系
電力変換器は、ラックに実装され、直流電力を交流電力
に変換し系統に連係する系統連系電力変換器において、
冷却風を発生させる冷却用ファンと、冷却風に曝され発
熱体である電力変換用のリアクタまたはトランスと、前
記リアクタまたはトランスより風上側に配置された電力
変換用の主素子の放熱部とを備えたものである。

【０００９】また、前記電力変換用のリアクタまたはト
ランスは前記電力変換用の主素子よりも高い耐熱温度に
設定されているものである。

【００１０】また、ラック前面側に配置され、系統との
結線を行なう端子台を備え、前記電力変換用のリアクタ
またはトランスをラック背面側に配置したものである。

【００１１】また、前記電力変換用のリアクタまたはト
ランスを三相対称とし、冷却風に対して並列配置したも
のである。

【００１２】また、冷却用ファンを複数横並びに配置し
たものである。

【００１３】また、ラックに対し複数並列に実装したも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態を図について説明する。図1はこの発明の一
実施の形態である三相非絶縁電力変換器および収納ラッ
クの配置構成を示す（ａ）下層上面図、（ｂ）正面図で
ある。図１において、１００は電力変換器本体、１、
２、３、４は電力変換用のリアクタ、５、６、７は電力
変換用のコンデンサ、８、９は電力変換用の半導体スイ
ッチ素子モジュール、１０は半導体スイッチ素子モジュ
ール８、９の冷却用の放熱フィン、１１、１２はこれら
放熱部品である各電力変換素子にラックの外の外気を吸
込み対流させるための冷却ファンである。

【００１５】１３は各電力変換素子の上方に配置され電
力変換器全体の制御を行なう制御回路、１４は装置の前
面配置され太陽電池や系統との結線を行なうための端子
台である。0は電力変換器本体１００を収納するための
ラックである。冷却ファン１１、１２に跨ってその風下
側には冷却フィン１０が配置され、半導体スイッチ素子
モジュール８、９は冷却ファン１２寄りの風下側に配置
されている。さらに、これら半導体スイッチ素子モジュ
ール８、９および冷却フィン１０の風下側で電力変換器
本体１００背面側にはリアクタ１、２、３、４が配置さ
れている。

【００１６】特に三相対称な電気構成のため略同じ形
状、同じ発熱量であるリアクタ１、２、３は電力変換器
本体１００最背面に冷却ファン１１、１２の幅にわたっ
て均等に並列配置されている。また、残りのリアクタ４
は半導体スイッチ素子モジュール８、９と並列に配置さ
れ、全体として風路上前後における発熱量が大きく偏ら
ないような配置構成となっている。また、端子台１４は
冷却ファン１１、１２と並列に電力変換器本体１００最
前面に配置され、従って、リアクタ１、２、３、４とは
対局の配置になる。２１、２２、２３はフィルタコンデ
ンサである。

【００１７】図2は図1の三相非絶縁電力変換装置を複数
台ラックに収納した場合の構成図である。図１で示した
電力変換器本体１００を複数台上下方向に並列にしてラ
ック０にマウントしてある。これら複数台の電力変換器
を並列運転することで各電力容量に対応するシステムを
組む。本ラックは建物のフロア、機械室、電気室等もし
くは屋外や屋上に設置された屋外盤の中に収容される。

【００１８】図3は図１における三相非絶縁電力変換器
の主回路構成図で、図1の各構成要素の電気的な結線関
係を示す。各構成要素の符号は図1に対応していおり、
その説明を省略する。図4は図１の三相非絶縁電力変換
器における半導体スイッチ素子モジュールの冷却状態を
示す概念図である。冷却ファン１２によって発生する冷
却風は半導体素子モジュール８、９の表面および冷却フ
ィン１０表面を流れる。

【００１９】次に動作について説明する。先ず図3を用
いて電力変換器の回路動作を説明する。太陽電池で発生
した80V〜500Vの直流電圧を端子台１４から取り込み、
取り込んだ直流電圧を一旦電解コンデンサ７に貯え、半
導体スイッチ素子モジュール９をスイッチングして340
〜730Vの直流電圧に昇圧し、電解コンデンサ５、６に貯
える。この昇圧回路は出力電圧を定電圧に保つ電圧制御
を行なう。この定電圧回路で得られる直流電圧を半導体
スイッチ素子モジュール８でスイッチングしてリップル
分を含んだ交流電圧を発生し、さらにリアクタ１、２、
３およびフィルタコンデンサ２１、２２、２３でリップ
ル分を吸収し系統電圧より若干高めの交流電圧に変換
し、太陽電池で得られた電力を三相200Vの系統に回生す
る。

【００２０】この直流交流変換回路は系統への出力電流
を目標値に合うよう制御する電流制御回路である。電力
変換器全体としてみた場合、出力電流は太陽電池からの
電力が最大となるよう出力目標電流を決定する制御とな
る。図3において、Ａ点、Ｄ点が図1における端子台１４
に相当する箇所である。また半導体スイッチ素子でのス
イッチングにより電力変換を行なっているため、B点、C
点がもっとも電気的にノイズを含んだ部分となる。図1
に示すように、本発明の実施の形態における構成では、
Ｂ、Ｃ点はリアクタ１、２、３、４の部分で、物理的に
電力変換器本体１００内で端子台１４であるＡ、Ｄ点に
対し対角の位置にある。

【００２１】通常電力変換器内での主な発熱部品は電力
変換用のリアクタ１、２、３、４と、半導体スイッチ素
子モジュール８、９である。電力変換ロスのほとんどが
これらの部品で発生する。そのためその他の部品は冷却
しなくても自己発熱で問題となることはない。電力変換
器全体の電力変換ロスは定格で5％程度となり定格10kW
の電力変換器の場合だと定格運転時約500W程度となる。
ラックマウントタイプである本実施の形態では電力変換
器本体１００前面が横長なため、図1に示すように角型
の冷却ファン１１、１２を前面に横向きに配置し放熱し
ている。

【００２２】図１で冷却ファン１１、１２により電力変
換器本体１００前面から外気を吸入し、その外気が冷却
風として先ず半導体スイッチ素子モジュール８、９およ
び冷却フィン１０通過することでこれらを冷却し、次に
リアクタ１、２、３、４を通過することでこれらを冷却
し、その後電力変換器本体１００背面から外部に排出さ
れる。また、電力変換器本体１００は図2に示されるよ
うに複数台がラック０に上下に並列収納されるが、正面
は外部にむき出しなのでシステム全体としてもラック０
前面から吸気する。また各電力変換器本体１００後方か
らの排気はラック０内部に排出されるが、ラック０自体
の後方側面、上方の各部に換気用の穴が空けられてお
り、そこから熱をラック外部に排出する。

【００２３】本実施の形態では冷却フィン１０の温度が
上昇した場合、冷却ファン１１、１２が運転される。電
力変換用の半導体スイッチ素子モジュール８、９はシリ
コン半導体でできており、動作保証温度が低く110℃程
度のため、放熱フィン１０との温度勾配を考慮し冷却フ
ァン１１、１２による冷却でフィン温度が90℃を超えな
いように運転される。この場合冷却フィン１０の風下側
の吹き出し温度は90℃以下となる。リアクタ１、２、
３、４は通常ワニスの耐熱温度が高く150℃まであるの
で、90℃の冷却フィン１０との吹き出し温度差は60℃確
保できる。このため半導体スイッチ素子モジュール８、
９および冷却フィン１０冷却後の風で充分リアクタ１、
２、３、４の冷却が可能である。

【００２４】本構成のようにしたことで、電力変換器本
体１００内には冷却ファン８、９によって発生する冷却
風の温度分布に合わせて耐熱温度の違う半導体スイッチ
素子モジュール８、９放熱用の冷却フィン１０と、リア
クタ１、２、３、４が効率的に配置され、電力変換器本
体１００内部温度を低く押さえることができ、周囲温度
上昇に対する運転温度範囲が広がり、夏場の最も発電量
の多い時にもより大きな出力が可能となり、発電能力の
高い電力変換器が得られる。そのため屋外や機械室等の
温度条件の厳しい環境の設置に適している。さらに配置
が温度分布にマッチしているため冷却効率も高い。

【００２５】また、各リアクタ１、２、３、４間での雰
囲気温度差が少なく、同じ耐熱性のリアクタで構成が可
能である。本実施の形態の電力変換器では三相対称な電
気的構成のため、リアクタ１、２、３については電気的
にも同じ値で良く、同一の部品で構成できるから、リア
クタの量産効果が期待できる。そのため全体コストに占
める割合の大きいリアクタを安価に得ることができる。
またリアクタ１、２、３、４の雰囲気温度が同じため、
リアクタの寿命もほぼ同じとなりリアクタの寿命特性が
同じならばメンテナンスのサイクルを少なくすることが
できる。

【００２６】さらにノイズ発生部分であるリアクタ１、
２、３、４を入出力部である端子台１４よりもっとも遠
い位置に配置できるため、機器からのノイズが出難い電
力変換器を得ることができる。ここで言うノイズとはリ
アクタから空中伝播する0.15MHz〜1GHzのノイズを意味
し、このノイズが入出力部付近の配線、端子台１４を伝
わり外部入出力線を伝播しシステム外部に伝播される。
入出力線がアンテナの役目を果たし最終的には、テレ
ビ、ラジオ、携帯電話等の電波使用機器に悪影響を及ぼ
す。本実施の形態では従来に比べリアクタと入出力部で
ある端子台との距離を約二倍にでき、理論上放射電界強
度は距離の二乗に比例することからして、ノイズの強度
を従来の約1/4に低減できる。また電力変換器本体１０
０からの出力ノイズを従来のものと同じ量で良いとする
と、ノイズ対策部品を小型、低価格化の方向に生かすこ
ともできる。

【００２７】また、複数のリアクタ１、２、３は複数の
冷却ファン１１、１２と平行に並列配置されている。冷
却ファンを複数並列配置することで、冷却風の幅方向の
分布がより均一になり、リアクタ１、２、３の冷却も均
一に行なえる。

【００２８】実施の形態2．上記実施の形態１では三相
出力の系統連系電力変換器について説明したが、単相や
その他の相数の電力変換器についても同様な構造で同様
な効果が得られる。

【００２９】実施の形態3．また、上記実施の形態1では
非絶縁方式の系統連系電力変換器について説明したが、
絶縁型の電力変換器についても絶縁トランスをリアクタ
の場合と同様にして放熱フィンの風下に配置すること
で、同様な効果が得られる。

【００３０】実施の形態４．また、実施の形態1ではラ
ックを自然排気としたが、ラック自身にもインバータユ
ニットの排気風量相当のファンをつけて電力変換器後方
からの排気を強制排気してもよく、同様の効果が得られ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ラッ
クに実装され、直流電力を交流電力に変換し系統に連係
する系統連系電力変換器において、冷却風を発生させる
冷却用ファンと、冷却風に曝され発熱体である電力変換
用のリアクタまたはトランスと、前記リアクタまたはト
ランスより風上側に配置された電力変換用の主素子の放
熱部とを備えたので、放熱量に応じた配置により運転温
度範囲の広い電力変換器が得られる。

【００３２】また、前記電力変換用のリアクタまたはト
ランスは前記電力変換用の主素子よりも高い耐熱温度に
設定されているので、耐熱温度に応じた配置により運転
温度範囲の広い電力変換器が得られる。

【００３３】また、ラック前面側に配置され、系統との
結線を行なう端子台を備え、前記電力変換用のリアクタ
またはトランスをラック背面側に配置したので、ノイズ
の影響が小さい電力変換器が得られる。

【００３４】前記電力変換用のリアクタまたはトランス
を三相対称とし、冷却風に対して並列配置したので、リ
アクタ量産性に優れた電力変換器が得られる。

【００３５】また、冷却用ファンを複数横並びに配置し
たので、並列配置したリアクタまたはトランスをより均
一に冷却できる。

【００３６】また、ラックに対し電力変換器本体を複数
並列に実装したので、それぞれの電力変換器が互いに熱
影響を受けにくくなり、冷却効率の向上と均一化が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１における電力変換器
を示す配置構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態１における電力変換器
を複数台ラックにマウントした状態を示す正面図であ
る。

【図３】 この発明の実施の形態１における電力変換器
の電力変換部を示す電気的な結線図である。

【図４】 この発明の実施の形態１における電力変換器
の半導体スイッチ素子モジュール付近を示す概念図であ
る。

【図５】 従来の電力変換器を示す配置構成図である。

【符号の説明】

０ ラック、 １、２、３、４ リアクタ、 ５、６、
７ 電解コンデンサ、８、９ 半導体スイッチ素子モジ
ュール、 １０ 放熱フィン、 １１、１２冷却ファ
ン、 １３ 制御回路、 １４ 端子台、 ２１、２
２、２３ コンデンサ、 １００ 電力変換器本体。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ラックに実装され、直流電力を交流電力
   に変換し系統に連係する系統連系電力変換器において、
   冷却風を発生させる冷却用ファンと、冷却風に曝され発
   熱体である電力変換用のリアクタまたはトランスと、前
   記リアクタまたはトランスより風上側に配置された電力
   変換用の主素子の放熱部とを備えたことを特徴とする系
   統連系電力変換器。
2. 【請求項２】 前記電力変換用のリアクタまたはトラン
   スは前記電力変換用の主素子よりも高い耐熱温度に設定
   されていることを特徴とする請求項１記載の系統連系電
   力変換器。
3. 【請求項３】 ラック前面側に配置され、系統との結線
   を行なう端子台を備え、前記電力変換用のリアクタまた
   はトランスをラック背面側に配置したことを特徴とする
   請求項１または２記載の系統連系電力変換器。
4. 【請求項４】 前記電力変換用のリアクタまたはトラン
   スを三相対称とし、冷却風に対して並列配置したことを
   特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の系統連系電
   力変換器。
5. 【請求項５】 冷却用ファンを複数横並びに配置したこ
   とを特徴とする請求項４に記載の系統連系電力変換器。
6. 【請求項６】 ラックに対し複数並列に実装したことを
   特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の系統連系電
   力変換器。