JP2004232606A

JP2004232606A - ポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法

Info

Publication number: JP2004232606A
Application number: JP2003024812A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Tajima; 正晴田島
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】配管系統の切り替えやバルブ開閉などに起因する流量変化によるポンプの圧力変動を抑えたポンプ駆動装置を提供する。
【解決手段】ポンプ駆動モータ６は、モータ電流Ｉとモータ回転数ωからポンプ室２を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数１）に基づいて推測し、流体の流量の変動によるポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路７を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、例えば、床暖房、給湯器などに用いられるポンプ駆動装置に係り、詳しくはポンプ室に配置され流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動するポンプ駆動モータとが組み付けられたポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
床暖房、給湯器などの電気製品には、流体を所定の圧力で送り出す遠心ポンプが用いられる。この遠心ポンプには、ポンプ室に流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根を回転駆動するポンプ駆動モータとが組み付けられたポンプ駆動装置が開発されている。
【０００３】
図６にポンプ駆動装置の一例を示す。ポンプ５１は、流体が通過する配管５２の一部に接続して設けられ、ポンプ室５３に回転羽根５４が回転可能に設けられている。回転羽根５４の回転軸とロータの回転軸とが連繋しており、ポンプ５１にポンプ駆動モータ（ブラシレスモータ）５５が組み付けられている。ポンプ駆動モータ５５は、安価なことからＡＣ（交流）モータが用いられていたが、長時間運転を行うため省エネルギー化や効率の改善が図れ、更には制御性の点で優れているＤＣ（直流）モータが用いられるようになってきた。
【０００４】
直流モータは、制御性が良い反面、効率良く運転するためには流体の圧力を一定なるように制御したり、流量に応じてポンプ出力を変化させる必要があった。このため、流体の圧力を測定する圧力センサ５７や流量を測定するための流量センサ５８などが設けられている。指令電圧演算回路５９は、例えば圧力指令値（電圧換算値）Ｐ_０と圧力センサ５７の検出値（電圧換算値）Ｐ_１との差が零（Ｐ_０−Ｐ_１＝０）となるように演算を行い、演算により得られた指令電圧をモータ制御回路６０へ出力する。モータ制御回路６０は、指令電圧と基準電圧との比較からモータ印加電圧を制御し、ポンプ駆動モータ５５の回転数を可変制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したポンプ駆動装置を、例えば床暖房システムなどに適用する場合、ポンプ５１に対して複数の可変バルブ部が並列に配管接続され、複数の配管系を切り替えて使用することが行われる。具体的には、可変バルブ部を部分的に開放して暖房するエリアを変化させることが行われる。このように配管系を切り替えた場合には、負荷系統数が変化するため１管路当たりを流れる流体の流量変化によるポンプの圧力変動が大きく、モータ回転数のみやモータを流れる電流値のみに基づく制御では、流体の圧力損失や消費電力が嵩みエネルギーの無駄が生じ易い。また、圧力センサ５７や流量センサ５８など比較的高価な部品が設けられているため製造コストが嵩む。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、配管系統の切り替えやバルブ開閉などに起因する流量変化によるポンプの圧力変動を抑え、省エネルギー化、小型化、低価格化を実現したポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
ポンプ室に配置され流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが一体に組み付けられたポンプ駆動装置において、ポンプ駆動モータは、モータ電流Ｉとモータ回転数ωからポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数１）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路を備えていることを特徴とする。
また、（数１）のＬω^２＝Ｍωと近似し、ポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数２）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路を備えていることを特徴とする。
また、モータ制御回路は、モータ電流値及びモータ回転数の検出により電圧換算値で（数１）若しくは（数２）にしたがって演算電圧値を算出する圧力演算回路と、該圧力演算回路により算出された演算電圧値と圧力指令電圧値との差を零とするように演算して得られたモータ指令電圧を出力する指令電圧演算回路とを備えていることを特徴とする。或いは、電流検出部から検出されたモータ電流Ｉと回転数検出部からの検出されたロータの実回転数に対応する回転周波数ωとを用いて（数１）若しくは（数２）にしたがって算出された理論揚程Ｈ_ｔｈと圧力指令に対応する揚程Ｈ_０との差を零とするように演算して得られたモータ指令電圧を出力する制御部を備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、ポンプ室に配置され流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置の制御方法において、モータ電流Ｉとモータ回転数ωを検出し、ポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数１）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御することを特徴とする。
また、（数１）のＬω^２＝Ｍωと近似し、ポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数２）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。
本実施例のポンプ駆動装置は、ポンプ室に回転羽根（ターボファン）が設けられた遠心式ポンプを用いたポンプ駆動装置について説明するものとする。
図１乃至図３はポンプ駆動装置の構成を示す回路図、図４はポンプの理論揚程を導出するための原理図、図５は流体の圧力と流量、消費電力と流量との関係を示すグラフ図である。
【００１０】
先ず、図１及び図２を参照してポンプ駆動装置の概略構成について説明する。
１はポンプであり、ポンプ室２より流体を送り出す回転羽根（ターボファン）３を備えている。ポンプ１は、流体を圧送りする配管４の一部に接続されている。配管４は、ポンプ１に対して直列に接続される場合、並列に接続される場合の何れも含まれる。配管４の一部にはバルブ部５が設けられており、バルブ部５を開閉することにより、配管４を流れる流体の流量を調整したり、配管系を選択することができるようになっている。
【００１１】
ポンプ１にはポンプ駆動モータ（直流ブラシレスモータ）６が一体に組み付けられている。ポンプ駆動モータ６は、ロータの回転軸が回転羽根３の回転軸と連繋してポンプ１を駆動するようになっている。本実施例ではポンプ駆動モータ６として三相のブラシレスモータ（例えばアウターロータ型モータ）が用いられる。
ポンプ駆動モータ６は、モータ電流Ｉとモータ回転数ωからポンプ室２を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数１）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路７を備えている。
（数１）
Ｈ_ｔｈ＝Ｌω^２−ＪＩ（Ｌ、Ｊ；回転羽根固有の定数）
【００１２】
また、モータ制御回路７は、回転数の変化が少ない領域では（数１）のω^２＝Ｍωと近似し、ポンプ室２を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数２）に基づいて推測し流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御するようになっている。
（数２）
Ｈ_ｔｈ＝Ｍω−ＪＩ（Ｍ、Ｊ；回転羽根固有の定数）
上述した数１及び数２は、モータ回転数と流量との相関関係は、直流モータの電動機軸トルクと電動機電流（モータ電流）は比例関係にあり、ポンプの搬送流量が増減すると軸トルクが増減することから、ポンプ１の搬送流量の増減はモータ電流より推測できる関係を前提として成り立つ。
【００１３】
ここで、モータ制御回路７の構成について説明する。図１及び図２において、電流検出部である電流検出回路８は回路を流れるモータ電流値を検出し、電圧換算値が圧力演算回路９に入力される。また、圧力演算回路９には、回転数検出部である回転数検出回路１０から実回転数に対応する実回転電圧値が入力される。圧力演算回路９は、入力されたモータ電流Ｉとモータ回転数ω（電圧換算値）から（数１）若しくは（数２）にしたがった演算を行って理論揚程Ｈ_ｔｈ（演算電圧値）を算出する。次いで指令電圧演算回路１１は圧力演算回路９で算出された演算電圧値Ｈ_ｔｈと、圧力指令値Ｈ_０との差を零とするように演算して得られたモータ指令電圧をモータ制御回路７へ出力する。
尚、ポンプ駆動モータ６の回転数は、ロータマグネットの磁極位置を対応する磁極検出素子（ホール素子）などの回転数検出器１２で検出される。この回転数検出器１２で検出された三相分の検出信号を合成器（ＦＧ）１３で合成し、合成信号を回転数検出回路１０でＦ−Ｖ変換して実回転数ωに対応する実回転電圧値に換算される。
【００１４】
モータ制御回路７は、指令電圧演算回路１１より入力された指令電圧と、三角波発信回路１４で生成した電圧とをコンパレータ１５により比較してＰＷＭ制御信号（パルス幅変調信号）を生成し、モータ印加電圧を制御する。三相分配回路１６は回転数検出器１２で検出されたポンプ駆動モータ６のロータ回転位置に応じて、トランジスタＱ１〜Ｑ６をＯＮ／ＯＦＦし、ステータコイル６ａに交番磁界を発生させるように通電電流を切り換え制御する。過電流検出器１７はポンプ駆動モータ６に流れる過電流を検出すると、トランジスタＱ１〜Ｑ６をＯＦＦして保護するようになっている。
【００１５】
図３はモータ制御回路の他例を示す。本実施例は、圧力演算回路９や指令電圧演算回路１１の替わりに制御部としてＣＰＵ（中央演算処理装置）１８やデジタルアナログ変換回路（ＤＡコンバータ（ＤＡＣ））１９が設けられている。電流検出回路８で検出されたモータ電流Ｉは、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）でアナログ信号からデジタル信号に変換されてＣＰＵ１８に入力される。また、回転数検出器１２で検出されたロータの磁極位置に基づいて、回転数検出回路１０においてモータ回転数ωが周波数カウンタによりカウントされ、カウント値（デジタル信号）がＣＰＵ１８に入力される。
【００１６】
ＣＰＵ１８は、モータ電流Ｉとモータ回転数ωとを用いて（数１）若しくは（数２）にしたがって算出された理論揚程Ｈ_ｔｈと圧力指令に対応する揚程Ｈ_０との差を零とするように演算を行う。この演算の結果得られたデジタル信号であるモータ指令電圧に基づいてＤＡコンバータ１９によりモータ指令電圧をアナログ信号に変換してモータ制御回路７へ出力する。モータ制御回路７は、入力された指令電圧と三角波発信回路１４で生成した電圧とをコンパレータ１５により比較してＰＷＭ制御信号（パルス幅変調信号）を生成し、モータ印加電圧を制御する。
【００１７】
ここで、図４に示すポンプの理論揚程を導出するための原理図を参照して上述した理論揚程Ｈ_ｔｈに近似できる根拠について説明する。一般に、遠心ポンプの理論揚程Ｈ_ｔｈは、以下のように与えられる。
図４において流体が回転羽根３の入口（半径ｒ_１）から出口（半径ｒ_２）へ移動する間に流体に作用したトルクＴは、流体の密度ρ、流量Ｑ、羽根入口の流入角度α_１、羽根出口の流出角度α_２、羽根入口の絶対速度ｖ_１、羽根出口の絶対速度ｖ_２、羽根入口の周速度ｕ_１、羽根出口の周速度ｕ_２、羽根入口の相対速度ｗ_１、羽根出口の相対速度ｗ_２、羽根出口のメリディアン速度ｖ_２ｍをとすると、
Ｔ＝ρＱ（ｖ_２ｒ_２ＣＯＳα_２−ｖ_１ｒ_１ＣＯＳα_１）
ポンプの動力Ｐ［Ｎ・ｍ／ｓ］は、

流体を流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］で全揚程をｈ［ｍ］だけ上げるのに必要な動力はρＱｇｈであるから、
Ｈ_ｔｈ＝（ｕ_２ｖ_２ＣＯＳα_２−ｕ_１ｖ_１ＣＯＳα_１）／ｇ…（１）
流体の予旋回が無いとした場合にα_１＝９０度でありＣＯＳα_１＝０となるため、（１）式は、図４の速度三角形、羽根出口の面積Ａ_２＝Ｑ／ｖ_２ｍを考慮すると、

（２）式によれば、流体が搬送される圧力は、羽根出口角β_２に対し−ｃｏｔβ_２の傾きで流量Ｑに比例して下がることが分かる。
【００１８】
回転羽根３を通過する流体に回転羽根３が与える力のモーメントの合計は、回転羽根３を外力で回すトルクＴに等しく、流体の比重をγとすると、
Ｔ＝γＱ（ｖ_２ｒ_２ＣＯＳα_２−ｖ_１ｒ_１ＣＯＳα_１）／ｇ…（３）
流体の予旋回が無いとした場合にα_１＝９０度でありＣＯＳα_１＝０となるため、（３）式は
Ｔ＝γＱｖ_２ｒ_２ＣＯＳα_２／ｇ…（４）
直流モータの場合は、トルクＴとモータ電流Ｉとの間には、
Ｔ＝Ｋ_ＴＩ…（５）
（Ｋ_Ｔ；トルク定数、Ｉ；モータ電流）
（５）式を（４）式に代入して整理すると、
Ｑ＝Ｋ_ＴＩｇ／γｖ_２ｒ_２ＣＯＳα_２…（６）
ここで、ｖ_２ＣＯＳα_２は図４の速度三角形の関係から

よって、

（７）式を（６）式に代入して、流量Ｑを求めると、
Ｑ＝Ｋ_ＴＩｇ（１＋ｔａｎα_２／ｔａｎβ_２）／γωｒ_２ ^２…（８）
（８）式を（２）式に代入すると、
Ｈ_ｔｈ＝ｒ_２ ^２ω^２／ｇ−Ｋ_Ｔｃｏｔβ_２（１＋ｔａｎα_２／ｔａｎβ_２）Ｉ／Ａ_２γｒ_２…（９）
【００１９】
羽根出口の流出角度α_２は流量及び圧力により変化するが、ポンプ１の比速度によっておよそ決まってしまうためｔａｎα_２は代表値を定数と扱っても問題はない。したがって、（９）式の第２項は定数となり、
Ｊ＝Ｋ_Ｔｃｏｔβ_２（１＋ｔａｎα_２／ｔａｎβ_２）／Ａ_２γｒ_２…（１０）
Ｊ；定数
とおける。
【００２０】
また、（９）式の第１項も、
Ｌ＝ｒ_２ ^２／ｇ…（１１）
Ｌ；定数
とおける。
【００２１】
よって、理論揚程Ｈ_ｔｈは、モータ回転数ωとモータ電流Ｉの関数として次式のように近似できる。
Ｈ_ｔｈ＝Ｌω^２−ＪＩ…（１２）
これは（数１）と一致している。モータ回転数とモータ電流を知ることで揚程Ｈを推測できることが分かる。
また、回転数の二乗（ω^２）は回転数の変化が少ない領域では、Ｌω^２＝Ｍω（Ｍ；定数）とおいても実用上差し支えない。この場合
Ｈ_ｔｈ＝Ｍω−ＪＩ…（１３）
と近似でき、（数２）と一致している。
【００２２】
次に、図５を参照して、ポンプ１を流れる流体の圧力と流量及び消費電力と流量との関係を示す。図５において曲線Ａは何らポンプ１の回転動作を制御しない場合の圧力Ｐ−流量Ｑ特性を示す。流量Ｑが増えるにしたがってポンプ内で圧力損失が大きくなったり、モータ負荷が増えてモータ回転数が減少するなどの様々な要因でポンプ圧力が減少する。
これに対し曲線Ｂは、本発明に係るモータ回転数とモータ電流を検出しつつモータ回転数ωを可変制御した場合の圧力Ｐ−流量Ｑ特性を示す。前述した（数２）により流体の圧力を推測してモータの回転数を補正することにより、配管系統の切り替えやバルブ開閉などに起因する流量変化によるポンプの圧力変動を略一定に抑え、圧力損失を少なくすることができる。
【００２３】
図５で破線Ｃはポンプ１の回転動作を制御しない場合の入力電力Ｗ−流量Ｑ特性を示す。ポンプの回転動作を何ら制御しない場合には、流量Ｑが少なくなればなるほど、無駄な電力消費が発生する。これに対し破線Ｄは本発明に係るモータ電流Ｉとモータ回転数ωとを検出し（数２）に基づいてモータ回転数ωを可変制御した場合の入力電力Ｗ−流量Ｑ特性を示す。本発明に係る駆動制御を行えば、ポンプ１を流れる流体の流量Ｑが多くなれば、モータ回転数ωを増やすように制御し、ポンプ１を流れる流体の流量Ｑが少なくなれば、モータ回転数ωを減じるように制御するので、無駄な電力消費を抑えることができ省エネルギー化を図ることができる。
また、モータ制御回路７に、圧力センサや流量センサなどの比較的高価な部品は不要であり、ポンプ駆動モータ６のモータ制御回路７の内部だけでポンプ１の流量に応じた圧力制御が行え、ポンプ駆動装置全体をコンパクトに設計できる。また、ポンプ１に接続する配管４の接続形態は直列や並列を問わず、バルブ部５の開閉状態やバルブ部５の数も問わないため、汎用性の高いポンプ駆動装置を提供できる。
【００２４】
以上、本発明の好適な実施例について述べてきたが、上述した実施例に限定されるのものではなく、例えば、遠心式ポンプに用いられる直流モータは、アウターロータ型でもインナーロータ型のいずれでも良い等、法の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係るポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法によれば、ポンプ駆動モータは、モータ電流Ｉとモータ回転数ωからポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを（数１）若しくは（数２）に基づいて推測し、流体の流量の変動によるポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路を備えているので、流量の変化により（数１）若しくは（数２）により流体の圧力変動を推測してモータの回転数を補正することにより、配管系統の切り替えやバルブ開閉などに起因する流量変化によるポンプの圧力変動を略一定に抑え、圧力損失を少なくすることができる。
また、ポンプを流れる流体の流量が多くなれば、モータ回転数を増やすように制御しポンプを流れる流体の流量が少なくなれば、モータ回転数を減じるように制御するので、無駄な電力消費を抑えることができ省エネルギー化を図ることができる。
また、モータ制御回路に圧力センサや流量センサなどの比較的高価な部品は不要であり、モータ制御回路内部だけでポンプの流量に応じた圧力制御が行え、ポンプ駆動装置全体をコンパクトに設計できる。
更には、ポンプに接続する配管の接続形態は直列や並列を問わず、バルブ部の開閉状態やバルブ部の数も問わないため、汎用性の高いポンプ駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポンプ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図２】ポンプ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図３】他例に係るポンプ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図４】ポンプの理論揚程を導出するための原理図である。
【図５】流体の圧力と流量、消費電力と流量との関係を示すグラフ図である。
【図６】従来のポンプ駆動装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１ポンプ
２ポンプ室
３回転羽根
４配管
５バルブ部
６ポンプ駆動モータ
７電流検出器
８電流検出回路
９圧力演算回路
１０回転数検出回路
１１指令電圧演算回路
１２回転数検出器
１３合成器
１４三角波発信回路
１５コンパレータ
１６三相分配回路
１７過電流検出器
１８ＣＰＵ
１９デジタルアナログ変換回路

Claims

ポンプ室に配置され流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置において、
ポンプ駆動モータは、モータ電流Ｉとモータ回転数ωからポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを下記（数１）に基づいて推測し、流体の流量の変動によるポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路を備えていることを特徴とするポンプ駆動装置。
（数１）
Ｈ_ｔｈ＝Ｌω^２−ＪＩ（Ｌ、Ｊ；回転羽根固有の定数）
前記（数１）のＬω^２＝Ｍωと近似し、ポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを下記（数２）に基づいて推測し、流体の流量の変動によるポンプ圧力の変動を抑えるよう制御可能なモータ制御回路を備えていることを特徴とする請求項１記載のポンプ駆動装置。
（数２）
Ｈ_ｔｈ＝Ｍω−ＪＩ（Ｍ、Ｊ；回転羽根固有の定数）
前記モータ制御回路は、モータ電流値及びモータ回転数の検出により電圧換算値で（数１）若しくは（数２）にしたがって演算電圧値を算出する圧力演算回路と、該圧力演算回路により算出された演算電圧値と圧力指令電圧値との差を零とするように演算して得られたモータ指令電圧を出力する指令電圧演算回路とを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のポンプ駆動装置。
前記モータ制御回路は、電流検出部から検出されたモータ電流Ｉと回転数検出部からの検出されたロータの実回転数に対応する回転周波数ωとを用いて（数１）若しくは（数２）にしたがって算出された理論揚程Ｈ_ｔｈと圧力指令に対応する揚程Ｈ_０との差を零とするように演算して得られたモータ指令電圧を出力する制御部を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のポンプ駆動装置。
ポンプ室に配置され流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置の制御方法において、
モータ電流Ｉとモータ回転数ωを検出し、ポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを下記（数１）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御することを特徴とするポンプ駆動装置の制御方法。
（数１）
Ｈ_ｔｈ＝Ｌω^２−ＪＩ（Ｌ、Ｊ；回転羽根固有の定数）
前記（数１）のＬω^２＝Ｍωと近似し、ポンプ室を流れる流体の理論揚程Ｈ_ｔｈを下記（数２）に基づいて推測し、流体の流量の変動によりポンプ圧力の変動を抑えるよう制御することを特徴とする請求項５記載のポンプ駆動装置の制御方法。
（数２）
Ｈ_ｔｈ＝Ｍω−ＪＩ（Ｍ、Ｊ；回転羽根固有の定数）