JP3618902B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源の直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を負荷に供給する系統連系インバータ装置の保護に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平２−７９７２０号公報に示される太陽光を電源としたインバータ装置では、図１２に示すようにインバータの各相の上下アームを構成するスイッチング素子のいずれか一方にヒューズを直列に接続して、スイッチング素子が壊れて短絡した場合、過大な直流短絡電流でヒューズが切れるので、これにより、他の健全なスイッチング素子や制御回路等を保護する方法が提案されている。
【０００３】
太陽光を電源とする直流電源は、図１３に太陽電池説明図を示すが、電圧−電流特性が一定値Ｉs 以上に上昇することなく、かつ太陽電池を回路内で短絡した場合、すなわち、
太陽電池の出力電圧がゼロとなった場合でも、極端に過大な電流が流れないので、ヒューズが切れず、他の健全なスイッチング素子や制御回路等を保護できないという問題点がある。
このような特性を示す直流電源としては、内部インピーダンスが高い直流電源や電流リミッターを設けている直流電源があるが、このような電源からの出力が短絡等の異常時に検出できず部分的な短絡が長時間続き全体の損傷等につながりかねず、装置の信頼性を著しく損ねるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、異常な温度となることを防止し、信頼性の高い装置を得ようというものである。
本発明は、確実な保護の動作を行って安心できるインバータ装置を得ようというものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
交流電力系統と接続され、電圧−電流特性が一定値以上に上昇することなくかつ出力電圧がゼロとなった場合でも極端に過大な電流が流れない直流電源の直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、電力変換手段、制御手段またはこれらを収納するケースの所定箇所の温度が異常となったことを検出する温度検出手段と、検出手段が温度異常を検出した場合に直流電源と電力変換手段とを遮断器により遮断させる制御手段とを有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態の一例を示す回路構成図であり、１は太陽電池である直流電源、２は平滑手段のコンデンサ、３Ａ〜３Ｄはインバータの電力変換を行うスイッチング素子、６は交流電力に変換された電力と連系して図示していない負荷に接続された交流電力系統である。
【００１８】
８は各スイッチング素子等を一体にまとめて構成されたスイッチング素子モジュール、９は直流電源と電力変換手段との間に設けられ駆動回路５により直流電力を遮断する直流遮断器、１０ａ〜１０ｃは温度ヒューズ、１１は制御回路、１２はリアクトルとコンデンサからなり、インバータの交流出力の高周波をカットして波形を改善するフィルター回路、１３はインバータ装置と交流電力系統との間に設けられ、系統側異常時にインバータを切り離す等、一方の異常復旧時に他方の影響により感電等しないように連系リレー駆動回路１４にて駆動される連系リレーである。
【００１９】
１５，１６，１７，１８は電流や電圧を検出する検出手段、５０は変動する直流電源の電圧を一定に制御する一定電圧制御素子であって、エネルギー蓄積手段５１と逆流防止手段５２とともに定電圧制御手段を形成している。５５は温度ヒューズ１０と接続されヒューズの動作を検出し制御回路に伝える検出端子である。
【００２０】
このように構成された回路において、太陽電池１は定電圧制御手段を介して系統連系インバータ装置のスイッチング素子３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄに接続され、これらのスイッチング素子等で構成され電力変換を行うインバータ装置は、直流電圧検出手段１８及び直流電流検出手段１７により入力した電圧、電流より太陽電池１の最適動作点を決定し、その動作点にてＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）によって、太陽電池１が発電した電力を系統電圧検出手段１６及び系統電流検出手段１５により系統電圧と同期した正弦波状の電流を交流電力系統６に供給するように制御回路５で制御されるべく構成されている。
【００２１】
このような装置において、例えば、スイッチング素子３Ａ，３Ｄが同時に短絡故障するとスイッチング素子には太陽電池１の短絡電流に略等しい電流が流れる。この短絡電流は従来例で説明した太陽電池の特性により、例えば電流ヒューズの溶断電流より少ないため電流ヒューズにより保護することは困難で短絡が続くとこの電流によりスイッチング素子が高温度になり発熱し損傷等の恐れがあった。
【００２２】
このような現象はインバータのスイッチング素子以外にも電解コンデンサ２や、一定電圧制御素子５０、各部の接続端子等の電気部品の異常時に発生するし、この回路構成中に示さないトランスやリアクトル等の部品や配線等通電により運転中通常の温度上昇を超えた高温になる箇所が電力変換手段だけでなく制御回路中にもインバータ装置には存在する。
異常時に高温となる箇所にヒューズ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ他を設けることにより異常時の高温を検出することができる。
【００２３】
図１の発明の動作を示す回路図において、温度ヒューズ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが切れていなければ、検出端子５５は、グランドに接地されているので、検出端子はＬｏｗレベルである。温度ヒューズが切れた場合は、検出端子は、制御回路の制御電源Ｖｃｃ、すなわちＨｉレベルとなる。これを検出して、制御回路は、直流遮断器駆動回路のトランジスタを駆動する。これにより、直流遮断器のコイルが動作して、直流遮断器は遮断状態になる。
このように太陽電池は、短絡してもヒューズが切れるような過大な短絡電流が流れないので、回路の保護を行うことができなかったが、インバータ異常時には、インバータ内の温度が上昇するので、これを温度ヒューズにより検出し、直流遮断器を遮断することによりインバータを保護することができ、安全性が向上する。
【００２４】
スイッチング素子の保護のために、図２の如くスイッチング素子モジュール８の放熱板２３に温度ヒューズを接触させて固定させることにより、確実に異常時の高温と運転時の差が検出でき、この温度差の中間で溶断するヒューズをインバータ装置ケース内に設けるとよい。
【００２５】
このヒューズの構造の例を図３に示す。
また、電解コンデンサ２や端子台２２等に対してはその近傍で部品よりは上方側にヒューズを近接して設けた例を図２に示す。
【００２６】
直流遮断器は通常サービス時には回路の開閉器として用い、保護装置として異常時の遮断にも使用する。
直流遮断器９を駆動動作させる電流が必要であり、直流遮断器駆動回路５にて、制御電源Ｖｃｃ（例えば１２Ｖ）にて動作させるとともに、図１において示す如く、直流遮断器９を遮断するためのコイルの電源を交流電力系統６からとる。スイッチング素子が壊れた場合は、直流側からコイルを駆動できるだけの電力がとれるかどうかわからないので、安定している系統から電源をとることにより、直流遮断器を確実に遮断することができて、安全性が向上する。
【００２７】
図１、図２において示す如く、温度ヒューズ１０をインバータ内に複数個設置し、個々の温度ヒューズを直列接続、片側端をグランドに接地し、もう一方を抵抗を介して制御電源Ｖｃｃに接続、制御回路は、抵抗と温度ヒューズ間の電圧レベルにより、温度ヒューズの溶断を判定する。
インバータ内の複数箇所の温度上昇を安価な回路で検出でき、インバータ内の複数の箇所の異常温度上昇を検出できるので安全性が向上する。
複数個の温度ヒューズは、スイッチング素子の放熱板とインバータの入力側に設けられた電解コンデンサの近傍、太陽電池とインバータ、交流電力系統とインバータを接続する端子台近傍に設置した例であるが、これにより、スイッチング素子の故障、電解コンデンサの経年劣化故障、端子台の工事不良による異常を直ちに検出でき安全性が向上する。
さらに、スイッチング素子の放熱板に設置する温度ヒューズは溶断温度が１２０度程度。電解コンデンサの近傍、端子台近傍に設置された温度ヒューズは溶断温度が９０度程度のものを使用する。
スイッチング素子の放熱板は、正常時でもある程度の温度上昇がある。一方、電解コンデンサ、端子台は正常であれば、温度上昇がそれほどない。放熱板の温度ヒューズは溶断温度が高いものを使用、電解コンデンサ、端子台は溶断温度が低いものを使用することにより、確実に素早く異常を検出でき、かつ、誤検出を防止できるので、安全性が向上するとともに、信頼性が向上する。
【００２８】
なお、ヒューズが放熱板に取り付けられる位置はスイッチング素子の近傍が望ましいが、少々離れていても熱伝導のよい放熱板であれば問題はない。
電解コンデンサは通常、複数設けられており、これらを一括して異常温度が検出できる位置として上部側のコンデンサ近傍に設けている。なお個々のコンデンサの温度異常を検出したければ接触検出させる。端子台は構造上可能であれば接触させてもよい。
【００２９】
温度ヒューズ３とヒューズを接続するリード線の接続は、図３の如くカシメにより圧着接続し、かつ、絶縁の為に、耐熱性の透明チューブを被せる。
温度ヒューズをインバータに取り付けられた後でも、ヒューズの溶断を区別できる記号をつけた表示部５４を透明チューブの内部に設けるなどにより目視により温度ヒューズの溶断温度を確認でき、複数のヒューズの溶断温度を変えても作業ミスを容易に発見することができ、インバータの信頼性が向上する。さらにこれらのヒューズを後からつけたり取り替えたりする場合でもミスのない作業が可能となる。
【００３０】
上記説明では複数のヒューズを直列に設けた例を示したが、ヒューズを並列に設けてもよいことは当然である。但し並列に設けた分だけ検出端子が必要になる。
また、上記は太陽電池の特性から説明したが一定電圧制御素子が故障した場合、例えば、この素子の短絡抵抗は０．１オーム〜１０オームレベルという如く故障状況により大巾に変わり短絡電流もこれに応じて流れることになる。このようなケースでは常時温度を計測し、検出された直流電圧と比較して温度が正常か異常かを判断するような直接または間接的に温度を計測する温度検出手段を設けてもよい。
【００３１】
図４，５（図４は立体図、図５は横から見た図）に示す如く、金属部に固定された端子台近傍に温度ヒューズを設置するときは、熱伝導性の悪い取り付け部材で温度ヒューズを金属部に固定する。
これにより、温度ヒューズに加わる熱が金属部に奪われることを防止できるので、端子台の異常による温度上昇を確実に検出でき安全性が向上する。
図４、図５の金属板の上に温度ヒューズを設けた例における温度特性図を図６に示す。
コードクリップ３４の熱伝導を温度ヒューズ１０の温度を示す特性図において、端子台の発熱を温度ヒューズにより検出するためにはコードクリップ３４の熱伝導率はおよそ２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である必要がある。コードクリップはフッ素樹脂（四フッ化エチレンポリマー）であり、端子台は熱硬化性樹脂である。
熱伝導率の単位は単位面積、単位長あたりの熱が伝わる割合であり、一般の樹脂の場合は１Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度であ。
【００３２】
交流電力系統側の異常時やインバータ側の異常時に両者を切り離す連系リレーは、パワーリレーであり、励磁電流が大きい。このリレーが動作を続けると発熱するので動作に余裕を持たせるためインバータ装置のケース内の通風箇所に設けるとよい。図７に示す如く、ケース２１の通気口３６は上面と下面に設けられ、自然対流を利用して下から上へ空気が流れケース内の発熱を放散している。
特に連系リレーのように発熱が大きくなる可能性のある装置は吸気口である底面の通気口付近に設け、これにより温度上昇を防止してインバータの安全性や信頼性の向上をはかることができる。なおリレー内部を風が下から上へ抜ける構造のものはケース底面に接触させても良いが底面と若干隙間を持たせる方が冷却効果が大きい。
【００３３】
図８はスイッチング素子モジュール外形説明図、図９はスイッチング素子モジュール側面図であって、各スイッチング素子とケース内の制御回路との接続をコネクター３７を介して行う構成を示す。
なお、ケース内に端子台２２を設けているが、これはインバータ装置とケースの外部とを接続する端子であって、コネクター３７はスイッチング素子のゲートを制御回路と接続し、スイッチング素子をＰＷＭ駆動するゲート信号を伝えている。
図９のモジュール外部に突出するゲート３８が回路構成図、図１のスイッチング素子のゲート５３である場合は、スイッチング素子基板６０の表面に設けたプリント配線でコネクター端子と接続する。
スイッチング素子のゲート端子に、コネクターを取り付けた基板を半田により取り付ける。基板はあらかじめコネクター端子とゲート端子が一対一の関係になるようにプリント配線されている。
このスイッチング素子基板６０はゲートに半田により固定しているだけでもよく、また、他の支持手段を追加してモジュールユニット８に設けて支持してもよい。
スイッチング素子は、複数の素子がモジュール化されているので、ゲート端子も複数個あるが、コネクターによりリード線の接続が一括してできるので、作業ミスがなく、かつ、作業性も向上する。
【００３４】
図１０，１１にインバータ装置を壁に取り付ける構成を示す。インバータ装置のケースは屋内のどこに設けてもよいが、壁に系統連系インバータ装置を取り付ける際に、系統連系インバータのケースに設けられた放熱用の通気口の上部を覆うような逆Ｌ字型の取り付け板を壁に設置して、この、逆Ｌ字型の取り付け板に系統連系インバータ装置を取り付ける。これにより、インバータ内部に水、埃等の進入を防ぐことができ、かつ、万一インバータ内部が高温になった場合でも、天井のように上部への影響を防ぐことができる。なお、ヒューズ等の温度検出手段の検出温度値は、故障発生が検出できれば装置の信頼性向上につながるため、例えば許容温度以上の温度に設定し、寿命が短くなったとしても検出が確実であれば安全性の高い装置が得られることになる。さらに直列遮断器が遮断されることにより、直流電力の供給が停止されるためインバータ装置が直流電力の不足を検出して連系リレーをオフさせ、これに応じてインバータ装置が連系リレーを動作させて系統から切り離されるので損傷の拡大を防ぐことができる。また上記の説明はヒューズを部品対応で設けることを説明したが、各部の特性から温度を演算する温度検出手段を設け異常を検出してもよいし、あるいはインバータ装置ケースに温度計測素子を設け全体の温度を常時検出し異常温度を検出てもよい。
【００３５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００３６】
電力変換手段または制御手段またはこれらを収納するケースの所定箇所の温度が異常であることを検出して直流遮断器を動作させ直流電流を遮断するので信頼性の高いインバータ装置が得られる。
【００３７】
この発明は、遮断器を動作させる電源として交流電力系統からとるので、安全性が一層増すことになる。
【００３８】
またこの発明は、温度検出手段を複数箇設置し、少なくとも１個が温度異
常を検出することにより遮断器を動作させるので、安全性を向上させることができる。
【００３９】
またこの発明は、ヒューズを直列に接続したので、安価に温度異常を検出できる。
【００４０】
またこの発明は、異常時に高温となる箇所に温度検出手段を設けるので、簡単に故障が発見できる。
【００４１】
またこの発明は、電気部品の近傍または接触させて温度検出手段を設けるので、確実に故障が発見できる。
【００４２】
またこの発明は、複数の温度検出手段の異常を検出する温度を各々個々に設けたので、装置内システム全体の安全性が一層高められる。
【００４３】
またこの発明は、スイッチング素子と他の部品との温度検出値を変えたので、誤動作を防止でき信頼性の高い装置が得られる。
【００４４】
またこの発明は、異常を検出する温度を検出手段に表示したので、製造途中等のミスを防止でき信頼性が高い装置が得られる。
【００４５】
またこの発明は、熱伝導しにくい部材で温度検出手段を固定するので、温度上昇を確実に検出でき、検出不良を防止できる。
【００４６】
またこの発明は、発熱の大きくなる連系リレーを放熱のよい位置に配置したので、安全性の高い装置が得られる。
【００４７】
またこの発明は、モジュール手段の表面にコネクターを設け接続する構成にしたので、作業性の高い、信頼性のある装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例を示すインバータ装置内部構造説明図である。
【図３】温度ヒューズ構造図である。
【図４】端子台構造斜視図である。
【図５】端子台構造側面説明図である。
【図６】温度特性図である。
【図７】ケース構造図である。
【図８】スイッチング素子モジュール外形説明図である。
【図９】スイッチング素子モジュール側面図である。
【図１０】インバータ装置取付説明図である。
【図１１】インバータ装置取付側面図である。
【図１２】従来の回路構成図である。
【図１３】太陽電池特性図である。
【符号の説明】
１ 太陽電池、２ 電解コンデンサ、３Ａ〜３Ｄ スイッチング素子、４Ａ，４Ｂ ヒューズ、５ 直流遮断器駆動回路、６ 交流電力系統、７ 負荷、８ スイッチング素子モジュール、９ 直流遮断器、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ ヒューズ、１１ 制御回路、１２ フィルター、１３ 連系リレー、１４ 連系リレー駆動回路、１５ 電流検出手段、１６ 電圧検出手段、１７ 電流検出手段、１８ 電圧検出手段、２１ 系統連系インバータ装置ケース、２２ 端子台、２３ 放熱板、２４ 基板、３１ リード線、３２ カシメ接続部、３３ 耐熱透明絶縁チューブ、３４ コードクリップ、３５ 金属板、３６ 通気口、３７ コネクター、３８ ゲート、３９ 半田付、４０ 壁、４１ 取付板、４２ 系合手段、５０ 一定電圧制御素子、５１ エネルギー蓄積手段、５２ 逆流防止手段、５３ ゲート、５４ 表示部、５５ 検出端子、６０ スイッチング素子基板。

Claims (1)

1. 交流電力系統と接続され、電圧−電流特性が一定値以上に上昇することなくかつ出力電圧がゼロとなった場合でも極端に過大な電流が流れない直流電源の直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、
   前記電力変換手段、前記制御手段またはこれらを収納するケースの所定箇所の温度が異常となったことを検出する温度検出手段と、
   前記検出手段が温度異常を検出した場合に前記直流電源と前記電力変換手段とを遮断器により遮断させる制御手段とを有する系統連系インバータ装置。

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