JP5914689B2 - ファン制御装置及びパワーコンディショナー - Google Patents

Description

本発明は、インバータ等に適用可能なファン制御装置、及びこのファン制御装置を用いたパワーコンディショナーに関する。

太陽光発電装置等の発電装置と系統電源（系統）間に配置されるパワーコンディショナー等には、インバータとともに、空冷用のファンとその制御部を含むファン制御装置が設けられている。パワーコンディショナーでは発電装置で発電された直流電力を交流電力に変換して系統に出力するが、その発電量は変化するのが通常である。特に、発電装置が太陽光発電装置であれば気象条件や時刻によって発電量が大きく変化する。発電量が変化すると内部のインバータ等での発熱量も変化するが、空冷のためのファンを常時オンしておくと、上記発熱量が小さい時にファンによる冷却が過剰となり、その分が無駄な電力消費となる。

そこで、従来は、複数の空冷器を設けておき、発電量に応じてオンする空冷器の数を制御し、発熱に応じた適切な冷却量を設定するようにしているものがある（特許文献１）

２０１１−３５９６８号公報

しかしながら、上記装置は、温度上昇が大きい要素であるインバータ部に空気流を直接当ててはいるが、空気流が筐体内で分散するようになっているため、流路損失が大きく、インバータ部に対する冷却効果を高めるには不十分である。

本発明の目的は、内部ファンとは別に温度上昇が大きいインバータ部の効果的な冷却を行うことが出来るファン制御装置及びこのファン制御装置を用いたパワーコンディショナーを提供することにある。

本発明の他の目的は、冷却電力を考慮したエネルギー利用効率を良くするファン制御装置及びこのファン制御装置を用いたパワーコンディショナーを提供することにある。

本発明ファン制御装置は、スイッチング素子を含むインバータが配置される筐体の内部に設けられ、前記筐体の内部に空冷用の空気流を形成する内部ファンと、
前記筐体の外周に設けられたダクトに吸気口と排気口がそれぞれ設けられ、前記ダクトの内部に露出した、前記スイッチング素子が取り付けられたヒートシンクと、
前記ダクトの吸気口に配置された吸気ファンと、
前記ダクトの排気口に配置され、且つ、前記ダクトの内部において前記ヒートシンクから前記排気口までの間に配置された排気ファンと、
前記内部ファン、吸気ファン、排気ファンを前記インバータの出力電力に応じて制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記出力電力が大きくなるに応じて前記排気ファンを前記吸気ファン及び前記内部ファンよりも先にオンし、前記内部ファン、吸気ファン、排気ファンの全てがオンしている状態から前記出力電力が小さくなるに応じて前記内部ファン及び前記吸気ファンを前記排気ファンよりも先にオフする。

吸気ファン及び排気ファンが内部に配置されたダクト構造により、これらのファンによって生成される冷却用の空気流は、温度上昇が最も大きいヒートシンクの冷却のみに利用される。また、制御部は、出力電力上昇時に冷却効果の高い排気ファンからオンし始める。出力電力下降時には逆に排気ファンを最後にオフするように各ファンのオンオフを制御する。これにより、ヒートシンクの冷却、すなわちインバータの冷却が効果的となり、また、出力電力上昇時及び下降時において冷却効率が高くなるようにファンのオンオフ制御を行うため無駄な電力消費がなくなる。

本発明では、前記制御部は、各ファンのオンオフ制御にヒステリシス特性を持たすことが可能である。ヒステリシス制御では、前記制御部は、前記排気ファン、前記吸気ファン、前記内部ファンのそれぞれをオンするときの出力電力の大きさよりも、前記排気ファン、前記吸気ファン、前記内部ファンのそれぞれをオフするときの出力電力の大きさが小さくなるように制御する。

ヒートシンクやその他の冷却対象物が一定の熱容量を持っているために、出力低下に遅れてそれらの温度が低下するが、上記ヒステリシス制御を行うことにより、出力低下時に、温度がまだ高い状態にもかかわらずファンをオフに制御してしまうということがなくなる。

本発明では、前記ダクトは、前記筐体の上面と背面全体を覆うように配置されている。

このような構成のため、ダクト自身が筐体の防水、防塵機能を果たすことになり、防水防塵のための対策が容易になる。

本発明では、ダクト構造により温度上昇の大きいヒートシンクに対する効果的な冷却が出来、且つ、冷却電力を考慮することによりエネルギー利用効率を良くすることが出来る。

本発明の実施形態であるパワーコンディショナーの外観図 ファン制御装置の構成図 パワーコンディショナーの機能的構成図 各ファンのオンオフシーケンスを示す図

図１は、本発明の実施形態であるパワーコンディショナーの外観図である。

パワーコンディショナー１は、図外の太陽光発電装置と商用電源系統（系統）間に接続され、太陽光発電装置で発電された電力を系統へ出力する機能を持つ。パワーコンディショナー１は、太陽光発電装置で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータ及び各種制御を行う制御部を備える本体部２と、本体部２の筐体の上面と背面（図の右側面）全体を覆うように設けられたダクト３とを備えている。

ダクト３は、全体としてＬ字形状であり、正面から見て水平な上辺部３０の左側に位置する端部には下方に向けて開口した矩形状のやや大きな吸気口３１が、正面から見て垂直な垂直辺部３２の底部に位置する端部には右側に向けて開口した矩形状のやや大きな排気口３３がそれぞれ設けられている。後述のように、このダクト３内には、吸気口３１の付近に吸気ファン１３（図２参照）が、排気口３３の付近には排気ファン１２（図２参照）がそれぞれ設けられている。吸気ファン１３と排気ファン１２は、それぞれダクト３の幅方向に６個配置され、吸気ファン１３と排気ファン１２がそれぞれ６個同時にオンオフ制御されることで、幅方向に広がっているダクト３内に流れる空気流が均一になるようにしている。ダクト３内に流れる空気流の方向は、同図の矢印で示す方向である。

ダクト３の垂直辺部３２には、上記排気ファン１２の上方に位置する箇所に後述のヒートシンク７がダクト３内に露出するように配置されている。ヒートシンク７は、本体部２内に設けられているインバータのスイッチング素子に取り付けられていて、熱伝導率が優れているためスイッチング素子の発熱を熱移動させ、周囲に放散する機能を持つ。そこで、このヒートシンク７を上記空気流の中に配置することで、このヒートシンク７を直接冷却することが出来、放熱効果を格段に高めることが出来る。

図１に示すように、ダクト３は本体部２の筐体の上面と背面全体を覆うように設けられているため、この覆われている本体部分については防水と防塵の効果を得られる。

同様に、吸気口３１は下方に開口しているため、この部分からの水滴等の浸入を防止出来る。特に、スイッチング素子や制御部等が配置される本体部２内に水滴や塵が浸入すると故障の原因となる場合があるが、本実施形態では本体部２は外部から密閉されており、外気にさらされるのはダクト３内に露出して設けられたヒートシンク７と、排気ファン１２及び吸気ファン１３だけなので、このような問題は生じない。

図２は、パワーコンディショナー１に設けられるファン制御装置の構成図である。

ファン制御装置は、ダクト３と、ダクト３の排気口３３付近に設けられる排気ファン１２と、ダクト３の吸気口３１付近に設けられる吸気ファン１３と、本体部２の内部のインバータ１０の近辺に設けられる内部ファン１４と、パワーコンディショナー１の各種制御を行う制御部１１とを備える。インバータ１０は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子８と、このスイッチング素子８に取り付けられるヒートシンク７とを備えており、ヒートシンク７は、排気ファン１２の上部に位置するようにダクト３の背面部３２内に露出している。上述のように、排気ファン１２と吸気ファン１３とは、それぞれ６個で構成され、６個の各ファンは空気流が図の矢印方向となるようにダクト幅方向に配置されている。

図１、図２に示すように、排気ファン１２、吸気ファン１３がオンすることで生成される空気流はヒートシンク７のみを流路としているため、空気流の流路損失は極めて小さい。このため、これらのファン１２，１３によるヒートシンク７の冷却効果は非常に高い。内部ファン１４は、密閉された本体２内部の空気を撹拌し、熱が局所的に溜まってしまうのを防止するために用いられる。

また、吸気ファン１３による冷却効果よりは、排気ファン１２による冷却効果の方が高い。その理由は、ヒートシンク７から排気口３３までの間に排気ファン１２が配置されているため、排気ファン１２によるヒートシンク７の放熱効果が、排気口３３までの距離が長い吸気ファン１３のそれよりは高いと言えるからである。

図３は、パワーコンディショナー１の機能的構成図である。

パワーコンディショナー１は、インバータ１０と、制御部１１とを備え、制御部１１には、排気ファン１２と、吸気ファン１３と、内部ファン１４を駆動させるリレーや電磁接触機などの回路が接続されている。インバータ１０には太陽光発電装置２０と系統２１（三相電力系統）が接続され、太陽光発電装置２０で発電された電力は直交変換された後、系統２１へ出力される。排気ファン１２、吸気ファン１３、内部ファン１４は系統２２（単相電力系統）の電力で駆動される。制御部１１は、インバータ１０の出力電流と出力電圧を電流センサ１５と電圧センサ１６で検出し、それらの値から出力電力を計算し、その大きさに応じて各ファンのオンオフ制御を行う。

次に制御部による各ファンのオンオフ制御について図４を参照して説明する。

図４は、インバータ１０の出力電力の大きさを横軸に設定したときの各ファンのオンオフシーケンスを示している。

上記シーケンスにおける各ファンのオンオフ条件は下記のとおりである。

（１）各ファンのオフ→オン条件
（Ａ）排気ファン１２→出力電力が定格値の１２％を上回った時点でオン。

（Ｂ）吸気ファン１３→出力電力が定格値の７７％を上回った時点でオン。

（Ｃ）内部ファン１４→出力電力が定格値の７７％を上回った時点でオン。

（２）各ファンのオン→オフ条件
（Ｄ）排気ファン１２→出力電力が定格値の７％を下回った時点から３分後でオフ。

（Ｅ）吸気ファン１３→出力電力が定格値の７２％を下回った時点から３分後でオフ。

（Ｆ）内部ファン１４→出力電力が定格値の７２％を下回った時点から３分後でオフ。

出力電力が定格の１０％付近から７０％程度までの大きさのときは、インバータ１０の発熱量の冷却は排気ファン１２で可能である。そこで、ダクト３内では、上記（Ａ）のように放熱効果の最も大きな排気ファン１２のみをオンする。この区間では吸気ファン１３、内部ファン１４の駆動電力が不要である。

出力電力が定格の８０％程度以上になると、インバータ１０の発熱量が大きくなってくる。そこで、この状態になると、上記（Ｂ）（Ｃ）のように、吸気ファン１３と内部ファン１４もオンする。

一方、出力電力が定格の８０％程度以上の状態から定格の７０％程度まで低下すると、インバータ１０の発熱量が低下してくるため吸気ファン１３と内部ファン１４をオフする。ただし、このときはヒートシンク７や内部の部品に熱容量があるために全体の温度はしばらく高いままである。そこで、シーケンスにはヒステリシスを持たせ、これらのファンをオフする出力電力の大きさを少し低めにする。上記の例で言えば、これらのファン１３、１４のオフ→オンは出力電力が定格値の７７％を上回った時点とするが、ファン１３、１４のオン→オフは出力電力が定格値の７２％を下回った時点とする。さらに、オフ時点の調整時間として３分間の遅れを設けている。

出力電力が定格の１０％付近まで低下すると、インバータ１０の発熱量は少なくなるため、排気ファン１２もオフする。ただし、このときはヒートシンク７や内部の部品に熱容量があるために全体の温度はしばらく高いままである。そこで、上記と同様にシーケンスにはヒステリシスを持たせ、排気ファン１２をオフする出力電力の大きさを少し低めにする。上記の例で言えば、排気ファン１２のオフ→オンは出力電力が定格値の１２％を上回った時点とするが、排気ファン１２のオン→オフは出力電力が定格値の７％を下回った時点とする。さらに、オフ時点の調整時間として３分間の遅れを設けている。

なお、上記７％、１２％、７２％、７７％の設定値や３分間の調整時間は任意に設定可能である。本実施例で有効なシーケンスは、出力電力が上がっていくときに最初に冷却効果の最も高い排気ファン１２をオンし、出力電力がさらに定格付近になると続いて吸気ファン１３と内部ファン１４をオンすることである。先に述べたように、ダクト３内では、ヒートシンク７の下方に排気ファン１２が配置され、ダクト３の吸気口３１付近に吸気ファン１３が配置されていることから、排気ファン１２によるヒートシンク７の放熱効果がより向上すると考えられる。そこで、上記のシーケンスとしている。

パワーコンディショナーのエネルギー利用効率は以下の式で表わされる。

Ｐｏｕｔ／（Ｐｉｎ+Ｐｃ）×１００％
Ｐｏｕｔは、パワーコンディショナーの交流出力電力、Ｐｉｎは、直流入力電力、Ｐｃは系統から入力するファン駆動電力を含んだ制御用電源電力である。

上記式から、Ｐｃが小さいほどエネルギー利用効率が高くなるため、出力電力に無関係にファンを駆動する方法に比して上記シーケンスで制御する方法の方が、全体の効率が高くなる。

以上のように、３箇所のファンを用い、出力電力の大きさに応じて各ファンのオンオフ制御を行っているため、放熱に必要なファンのみのオン制御が可能となり、無駄な電力消費をなくし全体としてのエネルギー利用効率が良くなる。

変形例として、出力電力の大きさに応じて各ファン１２，１３のオンする数も制御して良い。上記の例で言えば、例えば、（Ａ）において、出力電力が定格値の１２％を上回った時点から出力電力が大きくなるに応じてオンする排気ファン１２の数を段階的に増やす。また、（Ｄ）において、出力電力が定格値の７２％を下回った時点から出力電力が小さくなるに応じてオンしている排気ファン１２の数を段階的に減らし、出力電力が定格値の７％を下回った時点から３分後で最後の排気ファン１２をオフする。同様な制御を吸気ファン１３に対して行うことも可能である。このような制御でよりきめ細かい放熱制御が可能である。また、出力電力が大きくなるに応じて、排気ファン１２、吸気ファン１３、内部ファン１４をこの順にオンし、出力電力が小さくなるに応じて、内部ファン１４、吸気ファン１３、排気ファン１２をこの順にオフするようにしても良い。

１−パワーコンディショナー
２−本体部
３−ダクト
１０−インバータ
１１−制御部
１２−排気ファン
１３−吸気ファン
１４−内部ファン

Claims (4)

1. スイッチング素子を含むインバータが配置される筐体の内部に設けられ、前記筐体の内部に空冷用の空気流を形成する内部ファンと、
   前記筐体の外周に設けられたダクトに吸気口と排気口がそれぞれ設けられ、前記ダクトの内部に露出した、前記スイッチング素子が取り付けられたヒートシンクと、
   前記ダクトの吸気口に配置された吸気ファンと、
   前記ダクトの排気口に配置され、且つ、前記ダクトの内部において前記ヒートシンクから前記排気口までの間に配置された排気ファンと、
   前記内部ファン、吸気ファン、排気ファンを前記インバータの出力電力に応じて制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記出力電力が大きくなるに応じて前記排気ファンを前記吸気ファン及び前記内部ファンよりも先にオンし、前記内部ファン、吸気ファン、排気ファンの全てがオンしている状態から前記出力電力が小さくなるに応じて前記内部ファン及び前記吸気ファンを前記排気ファンよりも先にオフするファン制御装置。
2. 前記制御部は、前記排気ファン、前記吸気ファン、前記内部ファンのそれぞれをオンするときの出力電力の大きさよりも、前記排気ファン、前記吸気ファン、前記内部ファンのそれぞれをオフするときの出力電力の大きさが小さくなるように制御する、請求項１に記載のファン制御装置。
3. 前記ダクトは、前記筐体の上面と背面全体を覆うように配置されている請求項１または２に記載のファン制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかのファン制御装置と前記筐体とで構成され、外部から入力する発電電力を前記インバータで交流に変換して系統電源に出力するパワーコンディショナー。

Images