JP2005194970A

JP2005194970A - ポンプの吐出圧力制御方法及び装置

Info

Publication number: JP2005194970A
Application number: JP2004003780A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ito; 徹也伊東
Original assignee: Teral Kyokuto Inc
Current assignee: Teral Kyokuto Inc
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】インバータのような可変速制御手段によって、ポンプ駆動用モーターを速度制御し、給水管路内の圧力を目標圧力に保つ制御系を備えた給水装置において、ポンプの吐出圧力を安定的に制御する。
【解決手段】ポンプの回転数を変化させることにより、ポンプ吐出圧力を目標値に一致させるように制御する制御装置において、現在の回転数からｎ回転（ｎ＝１〜１００）変化させたときに、締切状態（流量＝０）のときの圧力がどの程度変化するかを求め、次いで締切状態のときに現在値を目標値に合わせるために何回転変化すればよいかをあらわす値を求め、これを定数Kで調整して回転数変化値を算出することにより、ポンプの回転数操作量（ΔＮ）を決定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、インバータのような可変速制御手段によって、ポンプ駆動用モーターを速度制御し、給水管路内の圧力を目標圧力に保つ制御系を備えた給水装置に関する。

ポンプの吐出圧力を制御するために、一般的にPI制御が用いられている。これは、目標値と現在値との偏差状況に応じ、比例計算および積分計算により操作量を決定して制御を行う方式である。ポンプ制御の場合、目標値（現在値）は吐出圧力，操作量はポンプの回転数である。特開平９−３０３２６９号公報には、制御手段が吐出圧力を所定の目標圧力に保つように回転速度をPI（比例積分）制御する手段と、PI制御におけるPI定数を負荷流量及び／又は流入圧力に応じて変化させる手段とを備えた可変速給水装置が開示されている。
特開平９−３０３２６９号公報

ポンプ（ここでは主に遠心ポンプを対象とする）の吐出圧力と回転数との関係は、一般に数１が適用されることが知られている。この関係より、回転数が高いときと低い場合では、同じ回転数幅を操作したときに、吐出圧力に対する影響が違うことが判る。この関係を図1に示した。図1では、回転数領域が高いとき、低いときのそれぞれで同じ回転数幅Xを変化させたとき、吐出圧力変化量がY1，Y2と大きく違うことが判る。

制御系へは目標値と現在値との偏差は圧力で入力され、それに伴う操作量を回転数で出力する場合、PI制御では、上記特性を反映した制御を行うことができない。これは、PI制御では、目標値と現在値との偏差量を比例・積分処理した結果で操作量が出力されるためで、運転する回転数範囲が大きく変化するような場合には、同じPI定数で適切に制御できる領域が限られてしまう。

そこでこの発明では、ポンプの吐出圧力制御方法において、現在の回転数から単位回転：ｎ（ｎ＝１〜１００）変化させたときに、締切状態（流量=0）のときの圧力がどの程度変化するかを求め、次いで締切状態のときに現在値を目標値に合わせるために何回転変化すればよいかをあらわす値を定数Kで調整して回転数変化値を算出することにより、ポンプの回転数操作量（ΔＮ）を決定することとした。このポンプの吐出圧力制御方法を用いた制御装置は、下記の式を演算する制御手段からなる。
Pm：ポンプを回転数Nmで運転した時の締切り圧力
Nm：ポンプ運転可能回転数の上限値
Nx：現在運転している回転数
Sv：吐出圧力の目標値
Pv：圧力センサにより検出した吐出圧力値
n：単位回転数（1〜100）
としたとき、回転数操作量（ΔN）を数２，数３により決定する。

この方法では、まず数３により現在の回転数から回転数をｎ回転変化させたときに、流量=0のときの吐出圧力がどの程度変化するかを表す近似値ΔPnを算出し、数２により目標値と現在値との差を
ΔPn/nで割ることにより、回転数変化量=操作量を算出する。（数２は数３を元に導出した数式である。）

なお、定数Kは、回転数指示間隔等により決定する。（実験では、回転数指令間隔0.5秒時に、K=0.1〜0.5の値を採用すると良好な制御特性を得られた。また、より高い制御特性を得るために、Ｋ値を一定値とせず適時切替えて使用することも考えられる。）数１で示した通り、ポンプの回転数と吐出圧力との関係は線形ではないが、数３により現在の運転回転数付近についてこの関係を線形と近似して傾きを決定することで、数２により目標値と現在値の偏差から回転数操作量を得ることができる。数２は比例制御に他ならないが、この比例乗数であるn/ΔPnを、数３により現在の回転数に応じて常に適切な値に保つことにより、適切な圧力制御を行うことができるのである。

この方法では、ポンプの定格回転数Nm，締切圧力Pmという2つのポンプ固有情報を必要とするが、PI制御の場合も比例定数，積分定数などの値が必要となるため、PI制御に対しあらかじめ用意しておく情報量は同等である。図２又は３に、上記方法を実施する制御装置及び可変速給水装置の基本構成を示す。

この発明の方法を用いた場合、ポンプの回転数域に影響されることなく、目標圧力と現在圧力との差を解消するための適切な回転数操作量を得ることができる。発明の方法では、締切時の回転数-圧力特性を使用しているため、流量が0ではない場合には“最適”な操作量を出力するものとはいえないが、ほぼ最適に近い値を出力できる。また、ポンプ性能データとして定格回転数および定格回転数時の締切圧力のみを保有すればよく、非常に簡潔で汎用的である。

この発明は、ポンプの運転回転数が広く変化するような使用方法のときに特に高い効果を得ることができる。たとえば、低揚程で流量範囲が広い負荷や、直結増圧給水装置のようにポンプ1次圧力が大きく変動する場合、同じ吐出圧力を維持するためのポンプ回転数が広く変化する。ここでは、後者の場合を例に、本発明の効果について説明する。

最高回転数:Nm=7200min^-1，締切圧力:Pm=78.1mの遠心ポンプで、ポンプ吸込側圧力Pin=20mおよび50mのそれぞれの場合について、目標圧力:SV=65m、流量270L/minで運転している状態から流量増加により吐出圧力が60mに低下したとき、吐出圧力を目標圧力に復帰させるためにポンプ回転数を操作するために本発明にて考案した回転数操作量算出方法を適用したときの効果を確認した。
Pin=20m,50mの各場合について、PV=65m，流量=270L/minのときの運転回転数はそれぞれ6000min^-1,3735min^-1であった。このときPV=60となった場合について、数２,数３を適用して、ΔNおよびΔPnを算出する。なお、ここではn=1，K=1.0とした。

Pin=20mの場合、回転数操作量は以下に示す、数４、数５のように算出される。

供試ポンプで回転数6000min-1、PV=60の状態から回転数を6000+ΔN1=6276としたとき、吐出圧力は64mとなり、ほぼSVと等しくなった。

Pin=50mの場合、回転数操作量は以下に示す数６、数７のように算出される。

供試ポンプで回転数3735min-1、PV=60の状態から回転数を3735+ΔN2=4177としたとき、吐出圧力は64mとなり、ほぼSVと等しくなった。

このように、本発明により考案された回転数算出方法を適用した場合、どのような回転数でポンプが運転している場合においても、負荷変動に対して的確な回転数操作量をアウトプットすることができ、制御を安定化させることができる。

これまでの説明では、数1内のKを固定値としていたが、K値を固定値ではなく、何らかの条件により切換えたり、関数化して適用することも考えられる。たとえば、SVとPVの偏差が広がっている場合にKを大きくとり（例：K=1.0）、縮まっている場合に小さくとる（例：K=0.1）などが考えられる。

遠心ポンプの回転数と吐出圧力との関係を示すグラフである。この発明の概要を示すブロック図である。この発明の可変速給水装置の基本構成を示す。

Claims

ポンプの回転数を変化させることにより、ポンプ吐出圧力を目標値に一致させるように制御する制御装置において、現在の回転数からｎ回転（ｎ＝１〜１００）変化させたときに、締切状態（流量＝０）のときの圧力がどの程度変化するかを求め、次いで締切状態のときに現在値を目標値に合わせるために何回転変化すればよいかをあらわす値を求め、これを定数Kで調整して回転数変化値を算出することにより、ポンプの回転数操作量（ΔＮ）を決定することを特徴とする、ポンプの吐出圧力制御方法。
ポンプの回転数を変化させることにより、ポンプ吐出圧力を目標値に一致させるように制御する制御装置において、ポンプの回転数操作量（ΔＮ）を、
Pm：ポンプを回転数Nmで運転した時の締切り圧力
Nm：ポンプ運転可能回転数の上限値
Nx：現在運転している回転数
Sv：吐出圧力の目標値
Pv：圧力センサにより検出した吐出圧力値
n：単位回転数（1〜100）
としたときに、数1，数2により決定する制御手段を設けたことを特徴とする、ポンプの吐出圧力制御装置。