JP2004153979A

JP2004153979A - 太陽電池を用いた揚水装置

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Publication number: JP2004153979A
Application number: JP2002319378A
Authority: JP
Inventors: Masato Kawai; 政人川井; Kazuya Hiramoto; 和也平本
Original assignee: Ebara Corp; Ebara Densan Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Ebara Densan Ltd
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: JP4060687B2

Abstract

【課題】ポンプ駆動用モータとして効率の高いブラシレスモータを用い、該ブラシレスモータをロータの磁気位置検出手段を有さない安価な汎用インバータにて駆動できる太陽電池を用いた揚水装置を提供すること。
【解決手段】永久磁石を配置したロータと３相巻線を有するステータを具備したブラシレスモータと、該ブラシレスモータにより駆動されるポンプと、太陽電池の出力電力を電力変換しブラシレスモータに駆動電力を供給すると共にブラシレスモータの回転速度を制御する周波数変換器を備えた揚水装置において、ロータに配置された永久磁石の磁界が突極性を有するように構成され、運転周波数全域において各運転周波数におけるポンプの最大軸動力が該運転周波数におけるブラシレスモータの力率が最大となるモータ出力の１．５倍以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めた。
【選択図】図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を動力源とし永久磁石を配置したロータと多相（例えば三相）巻線を有するステータを具備するブラシレスモータにより駆動され、且つインバータ等の周波数変換器によってポンプを可変速運転できる太陽電池を用いた揚水装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池の直流出力電力をインバータにより交流電力に変換しポンプ装置等に供給することは、安定した電力供給が容易でない山間地等の僻地でも、給水・潅漑等が行えるようになり、その地域にとって極めて有用である。このような地域においては、エンジン駆動ポンプ等を用いて井戸等から揚水することも考えられるが、燃料の供給が必要であり、不便である。即ち、このようなエンジン駆動ポンプ等を用いた方式では、燃料供給が途絶えると給水停止に至る事態も考えられる。これに対して、太陽電池をエネルギー源とした場合は、燃料の供給を必要とせず、太陽光がある限りにおいて揚水することが可能であり極めて便利である。
【０００３】
この種の揚水装置は、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池と、該太陽電池から供給される直流電力をポンプの運転に適した交流電力に変換するインバータと、該インバータから交流電力の供給を受け起動するモータと、該モータで駆動されるポンプで構成されている。一般に揚水用のモータとポンプが一体となっているモータとポンプは、深井戸等の底部に設置され、モータを起動することにより揚水が行われる。そして揚水された水は地上のタンクに蓄積される。このように太陽電池を用いた揚水装置では、その日射量に対応して発生する電力により運転されるが、揚水された水が一旦タンクに蓄積されるため、必要に応じて使用することができる。
【０００４】
上記揚水装置に用いられるポンプとしては、一般に水中ポンプが用いられ、ポンプを駆動するモータには三相誘導電動機が用いられるのが一般的であり、インバータにより三相交流電力が供給される。太陽電池が供給可能な電力量は、日射量により変化する。このため、太陽電池の出力電力が最大電力となるようにモータに供給する周波数を制御する最大電力追跡制御が行われている。このような太陽電池を用いた揚水装置には、以下の事項が望まれる。
【０００５】
▲１▼太陽エネルギーを効率良く利用するために、システム全体として効率を最大限に高める必要がある。
【０００６】
▲２▼井戸の内部等にポンプを配置するため、ポンプの小型軽量化と共にポンプ自体が堅牢であり、故障のないことが望まれる。
【０００７】
▲３▼ポンプの運転に当る者等が手軽に運転できるようにその取り扱いが容易であることが必要である。
【０００８】
従来から、モータポンプの効率を上げるために、そのモータに高効率のブラシレスモータを用いることが考えられている。ブラシレスモータは、回転軸の回転角度に応じてインバータ巻線に供給する電流を切り替えて制御する。即ち、ブラシレスモータは検出された回転軸の回転角度に遂次合わせて、電流をモータ巻線に供給することで回転軸を回転させるものである。一般的には、回転軸の回転角度を、該回転軸の一部に固定した磁石と、その位置を検出するホール素子等の位置センサを用いて検出することが行われている。このため、回転軸の回転角度を検出するための位置センサや、これに付随したセンサ回路、回転軸の回転角度をインバータに伝えるためのセンサ配線等が必要である。
【０００９】
しかしながら、モータポンプは上述したように井戸の底部等に配置するため、上記のようなホール素子等の位置センサを用いた方式は配線が増えるため、井戸内部に設置する水中モータポンプには不適当であった。また、センサ素子及びセンサアンプ等の部品が増えると、それだけ故障の可能性も増大し、メンテナンスも必要となってくる。また、このようなセンサ配線を外部に露出しないようにするため、インバータを含めモータのケーシング内に設置してしまう方法もある。しかしながら、このようにモータケーシング内にインバータを設置すると、モータ自体のスペースが増大し、モータポンプ自体の構造が複雑となり、そのメンテナンスの負担も増大するという問題もある。
【００１０】
上述のような不都合を避けるため、近年ではポンプを駆動するモータにロータの磁気位置を検出するセンサを有しないセンサレスモータが用いられている。このセンサレスモータは磁気位置を検出するセンサを用いない替りに、ロータの回転中に発生する誘起電圧を通電していない相の巻線から検出し、その信号を基にロータの回転角度を推定し電流を供給する巻線を切り替えて制御する。しかしながら、この種のセンサレスブラシレスモータでは、誘起電圧を検出するための無通電相が必要になるため、汎用インバータ等で一般に使用される１８０度の正弦波通電方式では駆動が不可能であり、１２０度の矩形波通電を行っている。更に、通電する相を決定するための信号を処理する複雑な回路を必要とするため、高価、且つモータ毎に専用の駆動用インバータが必要になるという問題がある。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２１７３６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ポンプ駆動用モータとして効率の高いブラシレスモータを用い、該ブラシレスモータをロータの磁気位置検出手段を有さない安価な汎用インバータにて駆動できる太陽電池を用いた揚水装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、永久磁石を配置したロータと多相巻線を有するステータを具備したブラシレスモータと、該ブラシレスモータにより駆動されるポンプと、太陽電池の出力電力を電力変換し前記ブラシレスモータに駆動電力を供給すると共に前記ブラシレスモータの回転速度を制御する周波数変換器を備えた揚水装置において、ロータに配置された永久磁石の磁界が突極性を有するように構成され、運転周波数全域において各運転周波数におけるポンプの最大軸動力が該運転周波数におけるブラシレスモータが脱調を発生する出力以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたことを特徴とする。
【００１４】
上記のように、ブラシレスモータのロータに配置された永久磁石の磁界が突極性を有するように構成することにより、後に詳述するように、リラクタンストルクが得られ、ブラシレスモータに発生するトルクは磁石励磁による磁石トルクとリラクタンストルクの合成となり（図７参照）、該合成トルクの最大値におけるトルク角は９０度以上となる。この結果、ロータの磁極位置検出手段を有しない１８０度正弦波通電方式の一般的な汎用インバータであっても最も力率の良いトルク角９０度付近でブラシレスモータを駆動させることが可能となる。また、各運転周波数におけるポンプの所要最大出力がブラシレスモータが脱調を発生する出力以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたことにより、脱調を確実に回避することが可能となる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の太陽電池を用いた揚水装置において、周波数変換器がブラシレスモータに供給する電圧を、太陽電池から周波数変換器に供給される電圧によらず運転周波数毎に一定としたことを特徴とする。
【００１６】
一般にインバータ等の周波数変換器では、後に詳述するように、出力周波数が一定の場合であっても、入力電圧が変化した場合、出力電圧も変化してしまう。従って、太陽電池を電源とする場合その電源電圧が常に変動するため、その電圧変化に追従しＶ／Ｆ特性も変動してしまい脱調を回避できる最適なＶ／Ｆ特性を維持することができない。ここでは、周波数変換器がブラシレスモータに供給する電圧を、太陽電池から周波数変換器に供給される電圧によらず運転周波数毎に一定としたので、太陽電池を電源としても安定した運転が可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の太陽電池を用いた揚水装置において、ブラシレスモータのステータの多相巻線は三相巻線であり、運転周波数全域において各運転周波数におけるポンプの最大軸動力が該運転周波数におけるブラシレスモータの力率が最大となるモータ出力の１．５倍以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたことを特徴とする。
【００１８】
三相巻線のブラシレスモータを一般的な汎用インバータにて駆動した場合、後に詳述するように、脱調が発生するトルクτｍａｘと力率が最大となるトルクτ_９０の比はτｍａｘ／τ_９０＝１．５程度であることが実験的に確認されている（図７参照）。更に、ブラシレスモータの合成トルクは巻線に印加する電圧に従い増減する（図８参照）ので、ある周波数におけるポンプの所要最大トルクτｐｍａｘがτ_９０の１．５倍以内となるように運転周波数全域において運転周波数毎のモータ印加電圧を決定すれば、脱調を確実に回避することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る給水装置全体の概略構成を示す図である。本発明に係る給水装置は、図１に示すように、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池１と、インバータ２、井戸６の底部に設置されたモータポンプ３と、貯水タンク５を備えている。太陽電池１で発電された直流電力はインバータ２により、モータポンプ３にその運転に適した交流電力に変換し、供給される。
【００２０】
モータポンプ３は、ポンプとキャンドモータとが一体化された水中モータポンプであり、モータポンプ３を運転することにより、井戸６内の水は吐出管４を通って貯水タンク５に揚水され蓄えられる。貯水タンク５内の水は、バルブ７を開くことにより、配管８を介して所要の地域に供給される。
【００２１】
モータポンプ３のモータ部は、ロータに永久磁石を配置しステータより発生する回転磁界により回転するブラシレスモータであり、その主要部構成を図２に示す。ブラシレスモータはステータ１２と、該ステータ１２の中央部に配置されたロータ１１を具備する。
【００２２】
ステータ１２は、６スロットのステータコア１４の磁極部Ｕ_１、Ｕ_２、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｗ_１、Ｗ_２に突極集中巻により巻線１２ｕ_１、１２ｕ_２、１２ｖ_１、１２ｖ_２、１２ｗ_１、１２ｗ_２を巻回して構成している。そして図３に示すように、磁極Ｕ_１に巻かれた巻線１２ｕ_１と磁極Ｕ_２に巻かれた巻線１２ｕ_２とを直列に接続してＵ相巻線とし、磁極Ｖ_１に巻かれた巻線１２ｖ_１と磁極Ｖ_２に巻かれた巻線１２ｖ_２とを直列に接続してＶ相巻線とし、磁極Ｗ_１に巻かれた巻線１２ｗ_１と磁極Ｗ_２に巻かれた巻線１２ｗ_２とを直列に接続してＷ相巻線としている。そしてＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線を星型結線に接続している。
【００２３】
ロータ１１の外周には永久磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが設けられている。ここで等方性のボンド磁石リング（磁性粒子を樹脂で固めてリング状に形成した磁石）を用い、図４に示すように４極に正弦波状の着磁を施している。
【００２４】
上記のようにモータポンプのモータ部にブラシレスモータを用い、そのロータ１１に配置された永久磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの磁界が突極性を有するように構成すると、リラクタンストルクが得られる。モータに発生するトルクは図７に示すように、磁石励磁による磁石トルクＡと該リラクタンストルクＢの合成トルクＣとなり、該合成トルクＣの最大値、即ち最大合成トルクτｍａｘにおけるトルク角は９０度以上となる。この結果、ロータ１１の磁極位置検出手段を有しない１８０度正弦波通電式の一般的な汎用インバータであっても最も力率のよいトルク角９０度付近でブラシレスモータを駆動させることが可能となる。
【００２５】
インバータ２は、太陽電池１で発電された直流電力を制御装置１０の制御によりパルス幅変調にて交流電力に変換し、該交流電力をケーブル９を通してモータポンプ３に供給する。この時インバータ２は、日射量に応じて遂次変化する太陽電池１の発電量に応じてモータポンプ３に供給する周波数を変化させると共に、各周波数におけるポンプの最大軸動力が該周波数におけるブラシレスモータの力率が最大となるモータ出力の１．５倍以内となるように予め定められた出力周波数−出力電圧特性（Ｖ／Ｆ特性）に従い、供給する電圧を制御している。
【００２６】
ブラシレスモータを一般的な汎用インバータにて駆動した場合、脱調が発生するトルク、即ち最大合成トルクτｍａｘと力率が最大となるトルク角９０度におけるトルクτ_９０の比はτｍａｘ／τ_９０＝１．５程度であることが実験により確認されている。更に合成トルクＣは巻線に印加される電圧Ｖ１、Ｖ２に従い図８に示す如く増減するので、ある周波数におけるポンプの所要最大合成トルクτｍａｘがトルクτ_９０の１．５倍以内となるように、運転周波数全域において、運転周波数毎の印加電圧Ｖｉ、即ちインバータ２がモータポンプ３のブラシレスモータに供給する電圧を決定すれば、脱調を確実に回避することが可能となる。
【００２７】
ポンプ、特にモータとポンプが一体となった水中モータポンプなどの場合、ポンプの所要トルクを実測することは困難であるため、トルクを実測する代りにモータ出力をもって前述の印加電圧を決定するほうが安易である。即ち、モータの出力はトルクと回転数の積であるから、ポンプの最大軸動力がブラシレスモータの力率が最大となるモータ出力の１．５倍以内となるように印加電圧を決定すれば、上述と同様脱調を確実に回避することが可能となる。
【００２８】
図５は本実施形態におけるＶ／Ｆ特性を示す図である。図示するように、本Ｖ／Ｆ特性は、周波数０〜１００（Ｈｚ）の範囲では周波数の増加に対して一定の増加率で出力電圧を増加し、周波数１００（Ｈｚ）を越えるとより大きい増加率で出力電圧が増加する特性である。図６は該Ｖ／Ｆ特性にてブラシレスモータを実際に運転した場合の周波数の出力とモータ力率の関係を示す図である。図示するように、周波数を１００Ｈｚ、１３４Ｈｚ、１６７Ｈｚ、２００Ｈｚと変化させ、各周波数におけるポンプ軸動力範囲における力率を測定した。これにより各周波数におけるポンプ最大軸動力≦１．５Ｐｐｆｍａｘ（Ｐｐｆｍａｘ：力率最大となるモータ出力）となっていることがわかる。
【００２９】
なお、運転周波数毎にモータに供給する電圧を変化させる機能（Ｖ／Ｆ調整機能）は、一般的な汎用インバータが具備する機能であり、標準的に装備されている機能であるから、ブラシレスモータ専用のインバータを使用することなく、安価な一般的な汎用インバータを用いてブラシレスモータを脱調することなく運転することが可能となる。
【００３０】
通常パルス幅変調にて周波数変換を行うインバータなどの周波数変換器では、そのＶ／Ｆ特性は以下のように制御される。
ｄｕｔｙ比＝ｆ（Ｆ）、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／２^１／２ｄｕｔｙ比
ここで、
ｄｕｔｙ比：パルス幅変調におけるデューティー比
Ｆ：インバータ２の出力周波数（Ｈｚ）
Ｖｏｕｔ：出力周波数Ｆにおけるインバータ２の出力電圧（Ｖ_ＡＣ）
Ｖｉｎ：インバータ２の入力電圧（Ｖ_ＤＣ）
【００３１】
上記制御によれば、出力周波数Ｆが一定の場合であっても、入力電圧Ｖｉｎが変化した場合、インバータ２の出力電圧Ｖｏｕｔも変化してしまう。従って、太陽電池１を電源とする場合その電源電圧が常に変動するため、出力電圧Ｖｏｕｔもその電圧変化に追従しＶ／Ｆ特性も変動してしまい脱調を回避できる最適なＶ／Ｆ特性を維持することができない。そこでここ（請求項２に記載の発明）では、ブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を、太陽電池１からインバータ２に供給される電圧によらず運転周波数毎に一定とするため、Ｖ／Ｆ特性を以下のように制御している。ｄｕｔｙ比＝ｆ（Ｆ）、Ｖｏｕｔ＝Ｖｂ×ｄｕｔｙ比、Ｖｂ：定格周波数における指定電圧（ＶＡＣ）
これにより、常に出力電圧が変化している太陽電池を電源とした場合であっても、最適なＶ／Ｆ特性が保持できるため、ブラシレスモータを脱調の恐れなく安定して運転することが可能となる。
【００３２】
なお、上記例ではステータに三相巻線を有するブラシレスモータを例に説明したが、三相巻線に限定されるものではなく、三相以上であってもよい。要は、運転周波数全域において各運転周波数におけるポンプの最大軸動力が該運転周波数におけるブラシレスモータが脱調を発生する出力以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めればよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００３４】
請求項１に記載の発明によれば、ブラシレスモータのロータに配置された永久磁石の磁界が突極性を有するように構成し、運転周波数全域において各運転周波数におけるポンプの最大軸動力が該運転周波数におけるブラシレスモータが脱調を発生する出力以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたので、周波数変換器にロータの磁極位置検出を有しない安価なインバータを用いブラシレスモータを安定して運転することができる。
【００３５】
請求項２に記載の発明によれば、周波数変換器がブラシレスモータに供給する電圧を、太陽電池から周波数変換器に供給される電圧によらず運転周波数毎に一定としたので、常に出力電圧が変化している太陽電池を電源とした場合であっても、最適なＶ／Ｆ特性が維持できるから、ブラシレスモータを脱調の恐れなく安定して運転することができる。
【００３６】
請求項３に記載の発明によれば、三相巻線のブラシレスモータの各運転周波数におけるポンプの最大軸動力が該運転周波数におけるブラシレスモータの力率が最大となるモータ出力の１．５倍以内となるように周波数変換器がブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたので、周波数変換器にロータの磁極位置検出を有しない安価なインバータを用いブラシレスモータを安定して運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る給水装置全体の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータの主要部構成を示す図である。
【図３】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータの巻線の結線状態を示す図である。
【図４】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータのロータ着磁状況を示す図である。
【図５】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータのＶ／Ｆ特性を示す図である。
【図６】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータの周波数毎の出力と力率の関係を示す図である。
【図７】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータの特性状態を示す図である。
【図８】本発明に係る給水装置のポンプ駆動用ブラシレスモータの印加電圧変化時の特性状態を示す図である。
【符号の説明】
１太陽電池
２インバータ
３モータポンプ
４吐出管
５貯水タンク
６井戸
７バルブ
８配管
９ケーブル
１０制御装置
１１ロータ
１２ステータ
１４ステータコア

Claims

永久磁石を配置したロータと多相巻線を有するステータを具備したブラシレスモータと、該ブラシレスモータにより駆動されるポンプと、太陽電池の出力電力を電力変換し前記ブラシレスモータに駆動電力を供給すると共に前記ブラシレスモータの回転速度を制御する周波数変換器を備えた揚水装置において、
前記ロータに配置された永久磁石の磁界が突極性を有するように構成され、運転周波数全域において各運転周波数における前記ポンプの最大軸動力が該運転周波数における前記ブラシレスモータが脱調を発生する出力以内となるように前記周波数変換器が前記ブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたことを特徴とする太陽電池を用いた揚水装置。
請求項１に記載の太陽電池を用いた揚水装置において、
前記周波数変換器が前記ブラシレスモータに供給する電圧を、太陽電池から前記周波数変換器に供給される電圧によらず運転周波数毎に一定としたことを特徴とする太陽電池を用いた揚水装置。
請求項１又は２に記載の太陽電池を用いた揚水装置において、
前記ブラシレスモータのステータの多相巻線は三相巻線であり、前記運転周波数全域において各運転周波数における前記ポンプの最大軸動力が該運転周波数における前記ブラシレスモータの力率が最大となるモータ出力の１．５倍以内となるように前記周波数変換器が前記ブラシレスモータに供給する運転周波数毎の電圧を定めたことを特徴とする太陽電池を用いた揚水装置。