JP2016067163A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】筐体４内に、電力変換部２と、制御部３と、循環ファン２７と、ＩＰＭ温度センサ２５とを備えたパワーコンディショナ１において、循環ファン２７の撹拌能力が低下したことを検出可能にする。
【解決手段】系統連系動作制御中に循環ファン２７の回転数が異常に低速となったことを検出するとファン故障状態であると判定するとともに、系統連系動作制御中にＩＰＭ温度センサ２５の検出値に基づく出力抑制処理が頻発するとファン要点検状態であると判定するように制御部３を構成することにより、確実に故障状態である場合とは異なるエラーコードを記録可能とし、点検時の故障原因の特定や点検すべき箇所の確認を容易なものとする。
【選択図】図３

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。

一般的に、屋外用の太陽光発電用パワーコンディショナは防水・防塵仕様とするために密閉構造となっており、密閉された内部空間に収容された回路部品が過熱状態となることを防止するために従来より種々の提案がなされている。

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（パワーコンディショナ）が開示されている。

特許第５２８７３６５号公報

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からの熱が密閉された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。ＩＰＭ自体には温度保護回路が設けられており、ＩＰＭが上限温度に達するとその動作を自己停止するように構成されているが、ＩＰＭの温度保護回路が動作すると発電（コンバータおよびインバータの動作）が完全に停止してしまうため、本願出願人はＩＰＭ温度を検出するサーミスタなどの温度センサをＩＰＭの表面或いはＩＰＭを冷却するためのヒートシンクに取り付け、該温度センサの検出値が所定の閾値を超えると出力抑制制御を行うことによって、ＩＰＭが過熱状態となることを防止するようにしている。

しかし、循環ファンの経年劣化等によって、循環ファンに所定の駆動電圧を印加しても設計上のファン回転数が得られなくなることがあるが、循環ファンは発電動作に直接関係あるものではないため、単にファン回転数が低下したことをもってパワーコンディショナを停止すると、実用上は支障なくパワーコンディショナを運転可能であるにもかかわらず発電出力が停止し、当該パワーコンディショナを利用するユーザーの経済的利益を損なうという問題がある。

そこで、本発明は、ファン回転数が経年劣化等によって低下しても、可能な限り異常報知をすることなく発電出力を行うことができ、実際に動作に支障が生じるおそれのある場合に異常報知をすることが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、該電力変換部の系統連系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筐体と、該筐体内部の空気を循環するための若しくは前記電力変換部を構成する一部の構成部品を冷却するためのファンと、前記筐体内の所定温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は、前記ファンの動作を制御するとともに前記ファンの回転数を検出可能であるパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記温度センサの検出値に基づいて前記電力変換部の出力抑制処理を行う出力抑制手段と、系統連系動作制御中に前記ファンの回転数が所定の正常範囲外となったときにファン故障状態であると判定する第１異常判定手段と、系統連系動作制御中に前記温度センサの検出値に基づく出力抑制処理が頻発するとファン要点検状態であると判定する第２異常判定手段とを備え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、温度センサの検出値が所定の閾値を超えた場合などに電力変換部を構成する回路部品を保護するために出力抑制手段によって出力抑制処理を行うことができる。また、系統連系動作制御中に制御部がファンに駆動電圧を印加してもファンの回転数が異常値となった場合には、第１異常判定手段によってファン故障状態であると判定され、ファン故障状態であることを制御部内のメモリに記憶したり、所定の報知を行うことができる。また、ファン回転数が正常範囲内であっても、上記出力抑制処理が頻発したときは、ファンの何らかの異常によって温度センサの検出値が上昇していることが疑われるため、第２異常判定手段によってファン要点検状態であると判定させて、ファン要点検状態であることを制御部内のメモリに記憶したり、所定の報知を行うことによって、ユーザーに点検修理をすべきことを促すことができる。このように、ファンの回転数が異常値となったとはいえないけれども、実際に出力抑制処理が頻発したことによってファン要点検状態であると判定させることによって、実用上は支障なくパワーコンディショナを運転継続できる場合に無用な報知が行われることを回避し、継続して発電運転を行うことでユーザーの経済的利益を向上できる。

なお、「頻発」の基準は設計上の適宜のものであってよく、所定時間内（例えば数十分や数時間など）に所定回数以上出力抑制処理が発生したか否かや、前回の出力抑制処理が終了してさほど時間経過していないにも拘わらず再度の出力抑制処理が行われるということが数回連続しているなどであってよい。

上記本発明のパワーコンディショナにおいて、前記制御部の前記第２異常判定手段は、前記ファンの回転数が基準回転数から所定量以上低下していなければ前記ファン要点検状態であるとの判定を行わないように構成できる（請求項２）。これによれば、ファン回転数が十分に速い場合はファンが原因で出力抑制処理が頻発しているとは考えにくいため、ファン要点検状態であるとの判定を行わないことにより、故障原因を誤認させてしまうことを防止できる。

さらに、前記制御部は、前記基準回転数を記憶する記憶手段を備えるとともに、検出したファン回転数の最大値を前記記憶手段に記憶するように構成できる（請求項３）。これによれば、実際の稼働時のファン回転数の最大値を基準として、最大値と現在のファン回転数との差分若しくは割合に応じて上記判定を行わせることができる。

また、前記制御部は、前記ファンの積算動作時間を計測する積算動作時間計測手段をさらに備え、前記第２異常判定手段は、前記積算動作時間が所定時間を超え且つ系統連系動作制御中に前記温度センサの検出値に基づく出力抑制処理が頻発するとファン要点検状態であると判定するように構成できる（請求項４）。これによれば、ファンの積算動作時間が、ファンの耐用年数に応じて設定された所定時間（例えば数万時間など）に至っていなければ、経年劣化によるファンの異常発生は考え難いため、第２異常判定手段によるファン要点検状態であるとの判定が行われないようにすることにより、故障原因の特定を容易にすることができる。

また、前記制御部は、前記ファン要点検状態であると判定したとき、前記電力変換部の系統連系動作を継続したまま所定の異常報知を行うように構成することができる（請求項５）。より好ましくは、出力抑制状態で上記系統連系動作を継続するのがよい。これによれば、系統連系動作に直接的に関係のないファンの異常発生によって発電出力が停止することを回避できる。

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、温度センサの検出値が所定の閾値を超えた場合などに電力変換部を構成する回路部品を保護するために出力抑制手段によって出力抑制処理を行うことができる。また、系統連系動作制御中に制御部がファンに駆動電圧を印加してもファンの回転数が異常値となった場合には、第１異常判定手段によってファン故障状態であると判定され、ファン故障状態であることを制御部内のメモリに記憶したり、所定の報知を行うことができる。また、ファン回転数が正常範囲内であっても、上記出力抑制処理が頻発したときは、ファンの何らかの異常によって温度センサの検出値が上昇していることが疑われるため、第２異常判定手段によってファン要点検状態であると判定させて、ファン要点検状態であることを制御部内のメモリに記憶したり、所定の報知を行うことによって、ユーザーに点検修理をすべきことを促すことができる。このように、ファンの回転数が異常値となったとはいえないけれども、実際に出力抑制処理が頻発したことによってファン要点検状態であると判定させることによって、実用上は支障なくパワーコンディショナを運転継続できる場合に無用な報知が行われることを回避し、継続して発電運転を行うことでユーザーの経済的利益を向上できる。

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、ファン回転数が十分に速い場合はファンが原因で出力抑制処理が頻発しているとは考えにくいため、ファン要点検状態であるとの判定を行わないことにより、故障原因を誤認させてしまうことを防止できる。

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、実際の稼働時のファン回転数の最大値を基準として、最大値と現在のファン回転数との差分若しくは割合に応じて上記判定を行わせることができる。

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、ファンの積算動作時間が、ファンの耐用年数に応じて設定された所定時間（例えば数万時間など）に至っていなければ、経年劣化によるファンの異常発生は考え難いため、第２異常判定手段によるファン要点検状態であるとの判定が行われないようにすることにより、故障原因の特定を容易にすることができる。

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、系統連系動作に直接的に関係のないファンの異常発生によって発電出力が停止することを回避できる。

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。 同パワーコンディショナの回路構成ブロック図である。

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〜図３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Ｐ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の系統連系動作（電力変換動作）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、図３に示すように、発電部Ｐから入力する直流の発電電力を系統電圧に対応する所定電圧に昇圧するコンバータ５と、コンバータ５によって昇圧された発電電力を系統電力に連系する交流電力に変換するインバータ６によって主構成されている。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５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。このリアクトル２２は、図１に示すように、主基板２１の左右側方に配設されている。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、図１及び図２に示すように、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。該温度センサ２５は、適宜の信号入力回路を介して制御部３のマイコンのアナログ入力ポートに接続されるか、或いは、Ａ／Ｄ変換回路を介してマイコンのデジタル入力ポートに接続されている。

一方、主基板２１の前面側の上部領域には、電力変換部２に含まれる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、これにより、熱に弱い電解コンデンサ２６を積極的に冷却しつつ、回路収容空間内の空気を循環させて、温度の均一化を図っている。

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５及びインバータ６の動作を制御する。また、制御部３は、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の出力抑制処理を行うとともに、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の出力抑制処理を行う制御プログラム乃至制御回路（出力抑制手段３２）を備えている。なお、出力抑制処理は、一時的に出力を完全に停止させるものであってもよいが、各閾値を超過した量に応じて徐々に出力を絞っていくよう制御するものであってよく、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、電力変換部２の系統連系動作中は循環ファン２７を動作させることによって回路収容空間内の空気を循環させることにより温度の均一化を図る。また、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に入力されて、制御部３に備えられたカウンター（ファン回転数検出手段３３）によって循環ファン２７の回転数が検出されるとともに、循環ファン２７の積算動作時間を計測する時間計測プログラム乃至回路（積算動作時間計測手段３４）をも制御部３に具備されている。

さらに、制御部３は、系統連系動作制御中に循環ファン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の回転数が所定値未満の異常値（例えば、新品時３０００ｒｐｍの設計回転数の場合には５００ｒｐｍ未満）であることを制御部３が検出すると、循環ファン２７の故障状態であると判定する制御プログラム乃至制御回路（第１異常判定手段３５）を備えているとともに、系統連系動作制御中に上記出力抑制手段３２による出力抑制処理が頻発すると循環ファン２７の点検が必要なファン要点検状態であると判定する制御プログラム乃至制御回路（第２異常判定手段３６）を備えている。制御部３は、循環ファン２７の故障状態であると判定すると、記憶手段の所定の領域により構成されるファン故障フラグを立てる（故障状態である旨を記憶する）とともに、点検修理が必要であることをユーザに促すための所定の報知、例えば、表示装置による警告表示や警告音の出力など、を行う。

上記第２異常判定手段３６の一態様において、基準回転数を書き換え可能に記憶する記憶手段（ＲＡＭやフラッシュメモリなど）を備え、ファン回転数検出手段３３が検出する最大回転数（検出したファン回転数の最大値）を基準回転数として記憶手段に随時記憶更新しておき、ファン回転数検出手段３３が検出するファン回転数が、記憶手段に記憶された基準回転数から所定量以上低下しており、且つ、上記出力抑制手段３２による出力抑制処理が頻発すると、ファン要点検状態であると判定するように構成できる。より具体的には、ファン最大回転数が例えば３０００ｒｐｍであるとき、現在のファン回転数が２０００ｒｐｍ以下で、且つ、前回の出力抑制処理が終了してからさほど時間経過していない（例えば３０分未満）にも拘わらず再度出力抑制処理が行われることが数回（例えば３回）連続した場合に、ファン要点検状態であると判定させることができる。

上記第２異常判定手段３６の別の態様においては、積算動作時間計測手段３４が計測する循環ファン２７の積算動作時間が所定時間（例えば１万時間）を超え、且つ、系統連系動作制御中に上記出力抑制手段３２による出力抑制処理が頻発すると、ファン要点検状態であると判定するものとすることができる。かかる態様において、さらに、ファン回転数が基準回転数から所定量以上低下している場合にのみ、ファン要点検状態であると判定するように構成することもできる。

上記いずれの態様においても、第２異常判定手段３６がファン要点検状態であると判定すると、記憶手段の所定の領域により構成されるファン要点検フラグを立てる（ファン要点検状態であることを記憶する）などの所定の処理を行うように制御構成できる。これにより、修理業者やメーカーサポートがファン要点検フラグの状態を確認することによって、異常原因を容易に特定乃至推定することが可能となる。また、ファン要点検状態であると判定した以降、制御部３に備えられた適宜の表示装置に「要点検状態」であることを示す所定の異常報知を行うことによって、ユーザーに対して点検が必要な状態であることを認識させることができる。

第２異常判定手段３６がファン要点検状態であると判定しても、制御部３は出力抑制状態のまま電力変換部２の系統連系動作制御を継続させることができ、これにより、ＩＰＭ２３自体の保護回路が作動するまで発電によるメリットをユーザーに享受させることができる。

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、上記実施形態ではＩＰＭ温度センサ２５及び雰囲気温度センサ３１の両方の検出値に基づいて出力抑制処理を行うものとしたが、いずれか一方の温度センサ２５，３１のみに基づいて出力抑制処理を行うものであってもよい。また、上記実施形態では循環ファン２７の異常判定を行うものとしたが、ＩＰＭ放熱用ヒートシンク２４を冷却するための冷却ファンを設けて、この冷却ファンの異常判定に本発明を適用することができる。

１ パワーコンディショナ
２ 電力変換部
２３ パワーモジュール
２５ ＩＰＭ温度センサ
２７ 循環ファン
３ 制御部
３１ 雰囲気温度センサ
３２ 出力抑制手段
３３ ファン回転数検出手段
３４ 積算動作時間計測手段
３５ 第１異常判定手段
３６ 第２異常判定手段
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、該電力変換部の系統連系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筐体と、該筐体内部の空気を循環するための若しくは前記電力変換部を構成する一部の構成部品を冷却するためのファンと、前記筐体内の所定温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は、前記ファンの動作を制御するとともに前記ファンの回転数を検出可能であるパワーコンディショナにおいて、
   前記制御部は、前記温度センサの検出値に基づいて前記電力変換部の出力抑制処理を行う出力抑制手段と、系統連系動作制御中に前記ファンの回転数が所定の正常範囲外となったときにファン故障状態であると判定する第１異常判定手段と、系統連系動作制御中に前記温度センサの検出値に基づく出力抑制処理が頻発するとファン要点検状態であると判定する第２異常判定手段とを備え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、前記制御部の前記第２異常判定手段は、前記ファンの回転数が基準回転数から所定量以上低下していなければ前記ファン要点検状態であるとの判定を行わないことを特徴とするパワーコンディショナ。
3. 請求項２に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記基準回転数を記憶する記憶手段を備えるとともに、検出したファン回転数の最大値を前記記憶手段に記憶す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、前記ファンの積算動作時間を計測する積算動作時間計測手段をさらに備え、前記第２異常判定手段は、前記積算動作時間が所定時間を超え且つ系統連系動作制御中に前記温度センサの検出値に基づく出力抑制処理が頻発するとファン要点検状態であると判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、前記ファン要点検状態であると判定したとき、前記電力変換部の系統連系動作を継続したまま所定の異常報知を行うことを特徴とするパワーコンディショナ。

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