JP2016046967A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】循環ファンが動作しているときと停止しているときのいずれにおいても最適な出力抑制制御を行うことのできるパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】電力変換部２と、電力変換部２の動作を制御する制御部３と、電力変換部２及び制御部３を収容する回路収容空間を有する筐体４と、回路収容空間内の空気を循環させる循環ファン２７と、回路収容空間内の雰囲気温度及び／又は電力変換部２の一部を構成するパワーモジュール２３の温度を検出する温度センサ２５，３１とを備え、制御部３は、温度センサ２５，３１の検出温度が所定の閾値を超えると所定の出力抑制制御を行うとともに、循環ファン２７の動作状態に基いて前記閾値を変更するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルなどの発電部から入力する発電電力を変換するためのパワーコンディショナに関する。

例えば下記の特許文献１には、筐体内部のパワーデバイスを冷却体で冷却し、冷却体に熱的に接続した冷却フィンにファンが筐体内部の空気を循環通風して筐体内部の空気を冷却する閉鎖型の電力変換装置において、筐体内部の空気温度の異常を検出する温度監視部と、温度監視部による空気温度の異常検出に応じて装置出力を制限する制御部とを備えることによって、温度監視部が筐体内部の空気温度を監視し、ファンの故障停止により空気温度の異常が検出されると、制御部が装置出力を制限するように動作し、これにより筐体内部の空気中に放熱される発熱部品の発熱量が低減されるので、筐体内部の空気温度を下げることができる電力変換装置が開示されている。

この従来の電力変換装置の温度監視部は、特許文献１の段落番号００２３に記載されているように、デバイスメーカが推奨する電子部品の最高周囲温度に基づいて、または、内蔵するパワーデバイス１１または他の電気部品が許容する最高周囲温度に基づいて、空気温度異常を検出する温度が定められており、当該温度異常を検出する温度は固定されている。

特許第５２８７３６５号公報

上記従来の電力変換装置は、特許文献１の段落番号００３３に記載されているように、ファンが故障等により停止すると、冷却フィンによる集熱が行われなくなるので、電力変換装置内の雰囲気温度が急増するという構造を前提としたものである。

一方、本願出願人は、パワーデバイスとして発熱量の多いＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）を用い、このＩＰＭからの熱が回路収容空間内にできるだけ伝達されないようにするためにＩＰＭの冷却用のヒートシンクを回路収容空間外に設け、ＩＰＭから回路収容空間側に伝達されてきた熱が回路収容空間の一部に滞留することを防止するように筐体内部の空気を循環させる循環ファンを設けたパワーコンディショナの開発を行っている。この構成では、ファンの動作はヒートシンクによる冷却と直接関係が無いため、ファン動作時とファン停止時との間で上記従来技術のような急激な温度変化は期待できないとともに、上記最高周囲温度をファン停止時の状況に合わせて設定すると、ファン動作時においては許容範囲内であるにもかかわらず出力抑制制御が行われてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、循環ファンが動作しているときと停止しているときのいずれにおいても最適な出力抑制制御を行うことのできるパワーコンディショナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。

すなわち、本発明は、発電部から入力する電力を系統電力に連系する電力に変換する電力変換部と、該電力変換部の動作を制御する制御部と、前記電力変換部及び前記制御部を収容する回路収容空間を有する筐体と、前記回路収容空間内の空気を循環させる循環ファンと、前記回路収容空間内の雰囲気温度及び／又は前記電力変換部の一部を構成するパワーモジュールの温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は、前記温度センサの検出温度が所定の閾値を超えると所定の出力抑制制御を行うパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記循環ファンの動作状態に基いて前記閾値を変更するように構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明のパワーコンディショナによれば、循環ファンが動作しているか否かや、循環ファンの回転速度などの適宜の動作状態に基づいて出力抑制制御を行うための閾値を変更設定するように構成したので、循環ファンが動作することにより回路収容空間内温度が均一化されていることが前提の出力抑制制御による温度上昇抑制機能を、循環ファンの故障等による停止時においても機能させることが可能となる。

上記本発明のパワーコンディショナにおいて、前記循環ファンは、前記回路収容空間内の下部側の空気を上方に向けて送風するものであり、該循環ファンの上方には前記電力変換部の一部を構成する電解コンデンサが配置され、該電解コンデンサの側方には前記電力変換部の一部を構成するリアクトルが配置され、前記温度センサは前記循環ファンの下方の雰囲気温度を検出するものであってよい（請求項２）。かかる構成によれば、発熱体であるリアクトルからの熱が、熱に弱い電解コンデンサの周囲に滞留することを循環ファンにより効率的に防止することができるとともに比較的低い温度である回路収容空間の下部側の空気を循環ファンによって電解コンデンサに向けて送風することにより電解コンデンサを効率的に冷却できる。また、故障などによる循環ファンの停止時には、回路収容空間内で熱が上部側に滞留して、下部側の温度は循環ファン動作時よりも低下する傾向となるが、循環ファンの停止時には上記閾値を低く設定することによって電解コンデンサの周囲温度を検出する温度センサを追加することなく電解コンデンサの周囲温度が高くなりすぎることを防止し、該電解コンデンサの劣化促進を防止できる。

また、前記温度センサは、前記パワーモジュールの温度を検出するものであり、該パワーモジュールの上方には前記電力変換部の一部を構成する電解コンデンサが配置され、前記循環ファンは、前記回路収容空間内の下部側の空気を前記電解コンデンサに向けて送風するものであってよい（請求項３）。かかる構成によれば、回路収容空間内の下部側の比較的低温の空気を電解コンデンサに向けて送風することで、パワーモジュールから伝達される熱に電解コンデンサが曝されることを防止できる。また、故障などによる循環ファンの停止時には、上記閾値を循環ファンの動作時よりも低く設定変更することにより、パワーモジュールから回路収容空間に伝達される熱量も低く抑えることができ、これにより電解コンデンサ周辺温度をできるだけ低く抑えることができる。

上記したように、前記制御部は、前記循環ファンが動作していないときの前記閾値を、前記循環ファンが動作しているときの前記閾値よりも低い温度に設定することが好ましいが（請求項４）、装置構成や回路収容空間内の各部品の配置構成等により、前記循環ファンが動作していないときの前記閾値を、前記循環ファンが動作しているときの前記閾値よりも高い温度に設定することも可能である。

また、前記制御部は、前記循環ファンの回転速度が大きいほど前記閾値を高い温度に設定することもできる（請求項５）。これによれば、循環ファンの回転速度に応じて前記閾値を適切な値に設定することができる。

本発明の請求項１に係るパワーコンディショナによれば、循環ファンが動作しているか否かや、循環ファンの回転速度などの適宜の動作状態に基づいて出力抑制制御を行うための閾値を変更設定するように構成したので、循環ファンが動作することにより回路収容空間内温度が均一化されていることが前提の出力抑制制御による温度上昇抑制機能を、循環ファンの故障等による停止時においても機能させることが可能となる。

本発明の請求項２に係るパワーコンディショナによれば、発熱体であるリアクトルからの熱が、熱に弱い電解コンデンサの周囲に滞留することを循環ファンにより効率的に防止することができるとともに比較的低い温度である回路収容空間の下部側の空気を循環ファンによって電解コンデンサに向けて送風することにより電解コンデンサを効率的に冷却できる。また、故障などによる循環ファンの停止時には、回路収容空間内で熱が上部側に滞留して、下部側の温度は循環ファン動作時よりも低下する傾向となるが、循環ファンの停止時には上記閾値を低く設定することによって電解コンデンサの周囲温度を検出する温度センサを追加することなく電解コンデンサの周囲温度が高くなりすぎることを防止し、該電解コンデンサの劣化促進を防止できる。

本発明の請求項３に係るパワーコンディショナによれば、回路収容空間内の下部側の比較的低温の空気を電解コンデンサに向けて送風することで、パワーモジュールから伝達される熱に電解コンデンサが曝されることを防止できる。また、故障などによる循環ファンの停止時には、上記閾値を循環ファンの動作時よりも低く設定変更することにより、パワーモジュールから回路収容空間に伝達される熱量も低く抑えることができ、これにより電解コンデンサ周辺温度をできるだけ低く抑えることができる。

本発明の請求項４に係るパワーコンディショナによれば、故障などによる循環ファンの停止時の回路収容空間内の熱分布の変化に合わせた最適な閾値に設定変更することにより、循環ファン動作時においても停止時においても最適な温度上昇抑制機能を提供することができる。

本発明の請求項５に係るパワーコンディショナによれば、循環ファンの回転速度に応じて前記閾値を適切な値に設定することができる。

本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの概略正面図である。 同パワーコンディショナの概略縦断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナ１を示しており、該パワーコンディショナ１は太陽電池パネルなどの発電部（図示せず）から入力する直流電力を系統電力に連系する交流電力に変換・調整する電力変換部２と、該電力変換部２の動作を制御する制御部３と、これら電力変換部２及び制御部３を収容する筐体４とを備えている。

筐体４は、略方形筺状であって、図２に示すように前後方向中途部には仕切壁４１が設けられ、この仕切壁４１の前面側が電力変換部２及び制御部３を収容するための密閉された回路収容空間とされ、仕切壁４１の裏面側には後述するヒートシンク２４を収容する放熱通路が形成されており、ＩＰＭ２３から放熱された熱の多くは回路収容空間外のヒートシンク２４及び放熱通路を介して筐体４外に放熱されるようになっている。

電力変換部２は従来周知の構成であるので詳細説明を省略するが、主として、発電部から入力する直流電力を系統電圧に対応する所定電圧に昇圧してＤＣリンク部に出力するコンバータと、ＤＣリンク部から入力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、これらコンバータ及びインバータを駆動する駆動回路により構成されており、電力変換部２を構成する回路部品は、板面が縦方向となるように筐体４内に取り付けられた主基板２１上や主基板２１の周囲に配置されている。

コンバータは、一般的には、スイッチング素子のオンデューティ比を変化させることにより昇圧比を制御可能な昇圧チョッパ回路により構成され、該昇圧チョッパ回路はＩＧＢＴなどのパワーデバイス及びリアクトル２２を有している。インバータは、一般的には、フルブリッジ形の電圧形ブリッジインバータであり、４つのＩＧＢＴなどのパワーデバイスからなるスイッチング素子をＨブリッジ形に接続するとともに各スイッチング素子に帰還ダイオードを並列接続することにより構成され、いわゆる電流モード制御（電圧形インバータの電流制御）を行うことによって出力電流が制御されて、交流電力を出力する。これらインバータ及びコンバータを構成するパワーデバイス及び上記駆動回路はＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）２３に集約され、該ＩＰＭ２３は電力変換部２の主基板２１の裏面側の中央部に実装されている。また、ＩＰＭ２３の裏面側にはＩＰＭ２３を冷却するためのヒートシンク２４が設けられ、該ヒートシンク２４には、ＩＰＭ２３の温度を検出するためのＩＰＭ温度センサ２５が設けられている。一方、主基板２１の前面側の上部領域には、上記ＤＣリンク部や、その他のキャパシタを構成する複数の電解コンデンサ２６が実装されているとともに、主基板２１の前面側の中央部には、回路収容空間内の空気を循環させる循環ファン２７が取り付けられている。

この循環ファン２７は、回路収容空間内の下部側の空気を上方に向けて送風するものであり、該循環ファン２７の上方には上記電解コンデンサ２６が配置され、この電解コンデンサ２６の左右側方に上記リアクトル２２が配置されている。また、上記ＩＰＭ２３の上方に上記電解コンデンサ２６が配置され、循環ファン２７は、回路収容空間内の下部側の空気を電解コンデンサ２６に向けて送風するように構成されている。

制御部３は、主基板２１の前面側中央部の下部寄りの位置に板面を水平方向として取り付けられた制御基板により構成されており、該制御基板には、雰囲気温度センサ３１及びマイコンその他の回路部品（図示せず）が実装されている。該制御部３は、ＭＰＰＴ制御により発電電力が最大となるようコンバータ及びインバータの動作を制御するとともに、ＩＰＭ２３や電解コンデンサ２６などの回路部品を保護するために、ＩＰＭ温度センサ２５が検出するＩＰＭ温度（パワーモジュールの温度）が予め設定された第１の閾値を超えると電力変換部２の出力抑制制御を行うとともに、雰囲気温度センサ３１が検出する雰囲気温度が予め設定された第２の閾値を超えた場合にも電力変換部２の出力抑制制御を行うように構成されている。なお、本発明において、出力抑制制御は、出力を完全に停止させるものであってもよく、また、各閾値を超過した量に応じて徐々に出力を絞っていく制御であってもよい。さらに、各閾値を超過した量にかかわらず、各閾値を超過している間は徐々に出力を絞っていく制御であってもよい。

また、上記循環ファン２７を動作させるか停止させるかも制御部３によって制御され、循環ファン２７のホール素子などの回転検出センサの出力が制御部３に入力され、これにより、循環ファン２７を回転動作制御しているにもかかわらず循環ファン２７が回転していないことを制御部３によって検出可能となっている。そして、本実施形態では、循環ファン２７の回転動作制御中に循環ファン２７が回転動作しているときの第１及び第２の閾値と、循環ファン２７を回転動作制御しているにもかかわらず循環ファン２７が回転動作していないときの第１及び第２の閾値とを、異なる値に設定するよう制御部３が構成されている。

具体的には、例えば、電力変換部２の出力抑制制御を開始する第１の閾値は、循環ファン２７が動作しているときは９０℃に設定し、循環ファン２７が停止しているときは８５℃に設定することにより、循環ファン２７の動作中はＩＰＭ温度が９０℃を超えると徐々に出力を抑制していき、ＩＰＭ温度が１２０℃を超えると出力を完全停止させる一方、循環ファン２７の停止中はＩＰＭ温度が８５℃を超えると徐々に出力を抑制していき、ＩＰＭ温度が１１５度を超えると出力を完全停止させるよう制御することができる。

また、電力変換部２の出力抑制制御を開始する第２の閾値は、循環ファン２７が動作しているときは７０℃に設定し、循環ファン２７が停止しているときは６５℃に設定することにより、循環ファン２７の動作中は雰囲気温度が７０℃を超えると出力を完全停止させる一方、循環ファン２７の停止中は雰囲気温度が６５℃を超えると出力を完全停止させるよう制御することができる。なお、これらの各閾値は、予め実験によって求めておくことが好ましい。

上記本実施形態に係るパワーコンディショナ１によれば、発電出力中、循環ファン２７が動作していれば、循環ファン２７によって回路収容空間内の空気が循環されるため、発熱部となるＩＰＭ２３近傍の主基板２１の温度やリアクトル２２近傍の雰囲気温度が低下し、回路収容空間の下部側の雰囲気温度が上昇する。一方、循環ファン２７が停止していれば、ＩＰＭ２３近傍の主基板２１の温度やリアクトル２２近傍の雰囲気温度が上昇し、回路収容空間の下部側の雰囲気温度が低下する。このように、循環ファン２７が動作しているか否かによって、発電出力中の回路収容空間内の温度分布が変わってくるが、循環ファン２７の故障等による停止時には第１の閾値を低い温度に設定変更することでＩＰＭ温度を安全側に抑制制御し、これにより循環ファン２７停止時に熱が滞留する回路収容空間の上部領域が循環ファン２７動作時の温度よりも大きく上昇することを回避し、該上部領域に配置された電解コンデンサ２６が熱により劣化促進してしまうことを防止できる。さらに、循環ファン２７の停止時には第２の閾値を低い温度に設定変更することで、回路収容空間の下部側の雰囲気温度が循環ファン２７動作時より低い温度であっても出力抑制制御を開始させて、回路収容空間の上部側に配置された電解コンデンサ２６の周囲の雰囲気温度が上昇しすぎないように制御でき、電解コンデンサ２６が劣化促進してしまうことを防止できる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、循環ファン２７は、制御部３により動作制御されるものではなく、パワーコンディショナ１の電源オン時に常時通電されて回転駆動されるものであってもよく、制御部３は、通電時の循環ファン２７の回転動作状態を検出可能であれば良い。また、上記実施形態ではＩＰＭ温度センサ２５と雰囲気温度センサ３１のそれぞれの閾値を循環ファン２７の動作状態に基づいて変更する構成としたが、いずれか一方の閾値のみを変更するものであってもよく、また、ＩＰＭ温度センサ２５と雰囲気温度センサ３１のいずれか一方のみを設けた構成とすることもできる。また、上記実施形態では電力変換部を構成する回路部品としてＩＰＭを用いたが、駆動回路等を別構成としたパワーモジュールを用いることも可能である。

また、制御部３により循環ファン２７の回転速度を検出可能に構成し、制御部３が、循環ファン２７の回転速度に応じて線形的及び／又は段階的に上記各閾値を変更するように構成することもでき、この場合、回転速度が大きいほど各閾値を高い温度に設定することができる。

１ パワーコンディショナ
２ 電力変換部
２２ リアクトル
２３ パワーモジュール
２５ ＩＰＭ温度センサ
２６ 電解コンデンサ
２７ 循環ファン
３ 制御部
３１ 雰囲気温度センサ
４ 筐体

Claims (5)

1. 発電部から入力する電力を系統電力に連系する電力に変換する電力変換部と、該電力変換部の動作を制御する制御部と、前記電力変換部及び前記制御部を収容する回路収容空間を有する筐体と、前記回路収容空間内の空気を循環させる循環ファンと、前記回路収容空間内の雰囲気温度及び／又は前記電力変換部の一部を構成するパワーモジュールの温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は、前記温度センサの検出温度が所定の閾値を超えると所定の出力抑制制御を行うパワーコンディショナにおいて、
   前記制御部は、前記循環ファンの動作状態に基いて前記閾値を変更するように構成されていることを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記循環ファンは、前記回路収容空間内の下部側の空気を上方に向けて送風するものであり、該循環ファンの上方には前記電力変換部の一部を構成する電解コンデンサが配置され、該電解コンデンサの側方には前記電力変換部の一部を構成するリアクトルが配置され、前記温度センサは前記循環ファンの下方の雰囲気温度を検出するものであることを特徴とするパワーコンディショナ。
3. 請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記温度センサは、前記パワーモジュールの温度を検出するものであり、該パワーモジュールの上方には前記電力変換部の一部を構成する電解コンデンサが配置され、前記循環ファンは、前記回路収容空間内の下部側の空気を前記電解コンデンサに向けて送風するものであることを特徴とするパワーコンディショナ。
4. 請求項１，２又は３に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記循環ファンが動作していないときの前記閾値を、前記循環ファンが動作しているときの前記閾値よりも低い温度に設定することを特徴とするパワーコンディショナ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記循環ファンの回転速度が大きいほど前記閾値を高い温度に設定することを特徴とするパワーコンディショナ。

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