JP2016067164A

JP2016067164A - パワーコンディショナ

Info

Publication number: JP2016067164A
Application number: JP2014195680A
Authority: JP
Inventors: 善彦前川; Yoshihiko Maekawa; 若山　義洋; Yoshihiro Wakayama; 若山　　義洋; 恭平山口; Kyohei Yamaguchi
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-04-28

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、発電動作中にパワーコンディショナに備えられた温度検出回路の中途半端故障を検出可能にすることにより、発電効率を低下させることなく故障原因を容易に特定可能にする。
【解決手段】電力変換部２の系統連系動作中に循環ファン２７を動作させた状態でＩＰＭ温度センサ２５の検出値に変動が無い場合に循環ファン２７を停止させ、当該停止後もＩＰＭ温度センサ２５の検出値に変動が無ければＩＰＭ温度センサ２５を含む温度検出回路が中途半端故障状態であることをメモリに記憶するように制御部３を構成する。
【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。

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。

特許第５２８７３６５号公報

ところで、給湯器の技術分野においては、例えば特開２００１−０４１５６７号公報に記載されているように、温度センサの中途半端故障、すなわち、温度センサの検出値が正常範囲内において一定値で固着してしまう故障状態を検出する技術的手段が種々講じられているが、パワーコンディショナ内部の温度センサの中途半端故障の検出手段は従来設けられておらず、上記特許文献１の電力変換装置においても温度監視部の中途半端故障の検出手段は設けられていない。

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。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（コンバータ及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を冷却するための冷却フィンの表面に取り付け、該温度センサを含む温度検出回路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、上記ＩＰＭ温度を検出する温度検出回路が中途半端故障してしまうと、出力抑制制御がなされずにＩＰＭが過熱状態となってＩＰＭの温度保護回路が作動して異常停止してしまうことがあり、この場合、修理業者が故障発生原因を誤認してしまうことが懸念される。

そこで、本発明は、発電動作中にパワーコンディショナに備えられた温度検出回路の中途半端故障を検出可能にすることにより、発電効率を低下させることなく故障原因を容易に特定可能に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、該電力変換部を収容する筐体と、該筐体内部に設けられたファンと、該ファンの動作を制御する制御部と、前記筐体内の所定温度を検出するための温度検出回路とを備えるパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記電力変換部の系統連系動作中に前記ファンを動作させた状態で所定の第１判定時間にわたって前記温度検出回路の検出値に変動が無い場合に前記ファンを停止若しくは減速させ、当該停止若しくは減速後も所定の第２判定時間にわたって前記温度検出回路の検出値に変動が無ければ前記温度検出回路が第１故障状態であることを記憶手段に記憶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、ファン動作中に温度検出回路の検出値に変動がない場合に、ファンを停止若しくは減速させることで温度検出回路の検出値を変動させるため、電力変換部における電力変換動作を継続したまま温度検出回路の故障判定を行うことができ、発電効率を低下させることなく検出値が正常温度範囲内の一定値で固着するという温度検出回路の中途半端故障を検出できる。また、第１故障状態であることを記憶手段に記憶することにより、修理業者が記憶手段内を確認することによって、温度検出回路が中途半端故障していることを容易に判別でき、故障箇所の誤認によって不適切な修理が行われてしまうことを回避できる。

なお、上記ファンは、筐体内部の空間の上部に熱が滞留することを防止するべく筐体内部の空気を循環させる循環ファンとすることができ、その他、電力変換部の電力変換動作に直接的には関係の無い適宜のファンであってよい。また、上記温度検出回路は、筐体内の空間の所定部位の雰囲気温度を検出するものであってもよく、ＩＰＭの温度を検出するものであってもよく、その他適宜の部位の温度を検出するものとすることができる。上記循環ファンはＩＰＭを直接的に冷却するものではないが、循環ファンが停止すると筐体内部の上部に熱が滞留し、これによりＩＰＭ周囲の雰囲気温度が変化して、ＩＰＭの温度を検出する温度検出回路の検出値が変動することがあり、本発明はこのような構成のものも包含するものである。また、本発明において、「検出値に変動が無い」とは、実質的な意味で変動がないという趣旨であり、電気回路の各種特性やノイズ要因等による検出値の微小変動程度しかない状態も「検出値に変動が無い」場合に含む。

上記本発明のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記電力変換部の系統連系動作中、前記第１判定時間にわたって前記温度検出回路の検出値に変動が無いことを検出しなければ、前記ファンを動作させるように構成されているものとすることができる（請求項２）。これによれば、温度検出回路の検出値に変動があるときは常にファンを動作させることができる。

また、前記制御部は、前記温度検出回路が異常値を検出したとき前記温度検出回路が第２故障状態であることを記憶手段に記憶するように構成されており、前記第１故障状態であることの判定は、前記温度検出回路の検出値が正常範囲であるときに行われるものとすることができる（請求項３）。これによれば、温度検出回路の検出値が通常あり得ない異常値を検出したときは、温度検出回路のオープン故障や短絡故障などである旨の第２故障状態であることを記憶手段に記憶させることにより、温度検出回路の検出値が正常範囲である上記第１故障状態とは異なる故障状態であることを容易に修理業者に判別させることが可能となる。

また、前記電力変換部はＩＰＭなどのパワーモジュールを備え、前記温度検出回路は前記パワーモジュールの温度を検出するものとすることができる（請求項４）。これによれば、温度検出回路の検出値に基づいて電力変換部を出力抑制制御することができ、これによりパワーモジュールが過熱状態となることを回避できるとともに、温度検出回路が中途半端故障してパワーモジュールが内蔵保護回路によって停止したときでも、パワーモジュールの故障であるか温度検出回路の故障であるかを容易に修理業者が判別することができる。

また、前記筐体内には、前記電力変換部を収容する回路収容空間が設けられ、前記ファンは、前記回路収容空間内の空気を循環させる循環ファンであってよい（請求項５）。これによれば、回路収容空間内の空気を循環させることによって、回路収容空間の上部に熱が滞留することを防止して、上部に配置された回路部品を熱から保護することができる。

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、ファン動作中に温度検出回路の検出値に変動がない場合に、ファンを停止させることで温度検出回路の検出値を変動させるため、電力変換部における電力変換動作を継続したまま温度検出回路の故障判定を行うことができ、発電効率を低下させることなく検出値が正常温度範囲内の一定値で固着するという温度検出回路の中途半端故障を検出できる。また、第１故障状態であることを記憶手段に記憶することにより、修理業者が記憶手段内を確認することによって、温度検出回路が中途半端故障していることを容易に判別でき、故障箇所の誤認によって不適切な修理が行われてしまうことを回避できる。

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、温度検出回路の検出値に変動があるときは常にファンを動作させることができる。

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、温度検出回路の検出値が通常あり得ない異常値を検出したときは、温度検出回路のオープン故障や短絡故障などである旨の第２故障状態であることを記憶手段に記憶させることにより、温度検出回路の検出値が正常範囲である上記第１故障状態とは異なる故障状態であることを容易に修理業者に判別させることが可能となる。

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、温度検出回路の検出値に基づいて電力変換部を出力抑制制御することができ、これによりパワーモジュールが過熱状態となることを回避できるとともに、温度検出回路が中途半端故障してパワーモジュールが内蔵保護回路によって停止したときでも、パワーモジュールの故障であるか温度検出回路の故障であるかを容易に修理業者が判別することができる。

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、回路収容空間内の空気を循環させることによって、回路収容空間の上部に熱が滞留することを防止して、上部に配置された回路部品を熱から保護することができる。

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。同パワーコンディショナの循環ファンの動作制御フローチャートである。

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。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おり、かかる回路構成によってＩＰＭ温度検出回路が構成されている。

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。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の出力抑制制御を行うとともに、雰囲気温度センサ３１を含む雰囲気温度検出回路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、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、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によって検出すると、循環ファン２７の故障であると判定するように構成している。

制御部３は、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が、上記ＩＰＭ温度検出回路の検出値が正常温度範囲内で変動しなくなる中途半端故障の発生を検出するために、図３に示すように循環ファン２７の動作を制御しつつ故障判定を行うよう制御構成されている。

具体的には、制御部３は、電力変換部２の系統連系動作の開始とともに循環ファン２７の動作を開始させるとともに（ステップＳ１）、ＩＰＭ温度検出回路の検出値（ＩＰＭ温度）をメモリ（記憶手段）に記憶させてタイマーを初期化する（ステップＳ２）。次に、ＩＰＭ温度検出回路の検出値が記憶した温度から変動したか否かを判定し（ステップＳ３）、変動があれば上記ステップＳ２に戻り、変動がなければ上記タイマーのカウント時間が所定の第１判定時間（例えば３０分）以上であるか否かを判定し（ステップＳ４）、第１判定時間を経過していなければ上記ステップＳ３に戻り、第１判定時間を経過していれば循環ファン２７を停止させることによる故障判定動作制御を行う。

故障判定動作制御は、まず、タイマーを初期化するとともに循環ファン２７の動作を停止させる（ステップＳ５）。循環ファン２７の動作停止によりＩＰＭ温度検出回路の検出値が記憶した温度から変動すれば上記ステップＳ１に戻って通常通り循環ファン２７の動作を再開し、所定の第２判定時間（例えば３０分）循環ファン２７を停止させたままＩＰＭ温度検出回路の検出値が変動することを待機する（ステップＳ６，Ｓ７）。第２判定時間経過してもＩＰＭ温度の検出値に変動がなければ、ＩＰＭ温度検出回路が中途半端故障したと判定して、ＩＰＭ温度検出回路が中途半端故障した状態（第１故障状態）であることを制御部３はメモリ（記憶手段）に記憶するとともに、故障発生を示す故障報知を画面表示やエラー音等によって行う（ステップＳ８）。かかる故障報知を行った際に即座に発電停止させてもよいが、ＩＰＭ温度検出回路自体は発電に直接関係のあるものではないため、循環ファン２７の動作を再開させて（ステップＳ９）、発電動作を継続させることもできる。

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、系統連系動作中、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り、これにより、ＩＰＭ温度検出回路及び雰囲気温度検出回路の検出値が数℃程度変動する。この循環ファン２７停止時のＩＰＭ温度検出回路の検出値の若干量の変動に基づいてＩＰＭ温度検出回路の中途半端故障の検出を行うものであるから、故障検出用の別途のファンを設ける必要がなく、部品点数の削減やコスト低減を図ることができる。

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、循環ファン２７は、その回転数を制御部３によって制御可能なものであってもよく、この場合、温度検出回路の中途半端故障判定時に循環ファン２７を停止させずとも、温度検出回路の検出温度に影響が出る程度に循環ファン２７を減速させるように構成してもよい。また、雰囲気温度センサによって主構成される雰囲気温度検出回路の中途半端故障の検出に本発明を適用することも可能である。

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温度検出回路を構成するＩＰＭ温度センサ
２７循環ファン
３制御部
４筐体

Claims

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、該電力変換部を収容する筐体と、該筐体内部に設けられたファンと、該ファンの動作を制御する制御部と、前記筐体内の所定温度を検出するための温度検出回路とを備えるパワーコンディショナにおいて、
前記制御部は、前記電力変換部の系統連系動作中に前記ファンを動作させた状態で所定の第１判定時間にわたって前記温度検出回路の検出値に変動が無い場合に前記ファンを停止若しくは減速させ、当該停止若しくは減速後も所定の第２判定時間にわたって前記温度検出回路の検出値に変動が無ければ前記温度検出回路が第１故障状態であることを記憶手段に記憶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。
請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記電力変換部の系統連系動作中、前記第１判定時間にわたって前記温度検出回路の検出値に変動が無いことを検出しなければ、前記ファンを動作させ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。
請求項１又は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、前記温度検出回路が異常値を検出したとき前記温度検出回路が第２故障状態であることを記憶手段に記憶するように構成されており、前記第１故障状態であることの判定は、前記温度検出回路の検出値が正常範囲であるときに行われることを特徴とするパワーコンディショナ。
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、前記電力変換部はパワーモジュールを備え、前記温度検出回路は前記パワーモジュールの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。
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、前記筐体内には、前記電力変換部を収容する回路収容空間が設けられ、前記ファンは、前記回路収容空間内の空気を循環させる循環ファンであることを特徴とするパワーコンディショナ。