JP2010053821A - ポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を低く抑えることができるポンプシステムを提供する。
【解決手段】ポンプシステムは、河川水や農業用水などの移送に使用される。本発明に係るポンプシステムは、電力系統から供給される電力を降圧する変圧器７と、変圧器７からの電力の供給を受けて動作する複数の電動機Ｍと、複数の電動機Ｍにそれぞれ連結された複数のポンプＰと、電力の供給を受けて動作する複数の付帯機器と、ポンプシステムの運転を制御する運転制御部１２とを備える。運転制御部１２は、複数の付帯機器の全てに電力を供給する通常運転モードと、複数の付帯機器の一部にのみ電力を供給する省電力モードとを切り替える機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、河川水や農業用水の移送に用いられるポンプシステム（ポンプ機場）に関するものである。

河川水や農業用水を移送するポンプシステムは、雨期や農作業時期に使用され、それ以外の時期においては運転を休止している場合が多い。特に大型のポンプシステムにおいては予想される最大の降雨量に基づいてポンプ容量（排水量）とポンプ台数が決められているため、年間の時期ごとにポンプの運転台数が異なるだけでなく、気象状況により年ごとに運転頻度（稼動ポンプ台数）が異なる。

ポンプシステムは、ポンプの付帯機器として、種々の計器や、結露防止用スペースヒータ、運転状態表示ランプなどを備えている。これらの付帯機器は、ポンプの運転状況によらず、常時電力が供給されているため、ポンプがほとんど運転されていない閑散期には無駄な電力が消費されていることになる。また、少ないポンプ台数で運転すると、ポンプシステム内の変圧器の効率が低下するという問題がある。すなわち、出力の大きい駆動機を有するポンプシステムなどの使用電力の総計が大きいポンプシステムにおいては、電力系統からの供給電力を降圧する変圧器には、最大使用電力に見合う大きな容量のものが使用されている。一般に、変圧器の容量に対して変圧器を流れる電流が小さい、つまり、使用電力が小さいと、変圧器の特性上、変圧器の効率が悪くなる。したがって、少ない台数のポンプを運転すると、電力の消費効率が悪くなり、必要以上の電力の給電により、維持管理費（使用電力費）が大きくなる。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、消費電力を低く抑えることができるポンプシステムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、液体を移送するポンプシステムにおいて、電力系統から供給される電力を降圧する変圧器と、前記変圧器からの電力の供給を受けて動作する複数の電動機と、前記複数の電動機にそれぞれ連結された複数のポンプと、電力の供給を受けて動作する複数の付帯機器と、前記ポンプシステムの運転を制御する運転制御部とを備え、前記運転制御部は、前記複数の付帯機器の全てに電力を供給する通常運転モードと、前記複数の付帯機器の一部にのみ電力を供給する省電力モードとを切り替える機能を有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ポンプシステムが前記省電力モードで運用されているときに、前記複数の付帯機器のうち、電力の供給を受けていない付帯機器に関連する前記電動機への始動指令を拒絶するインターロック機構を備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記変圧器は複数の変圧器であり、前記複数の電動機は、前記複数の変圧器のいずれかにそれぞれ電気的に接続されており、前記複数の変圧器の一次側および二次側には、遮断器がそれぞれ設置されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記複数の変圧器の二次側同士を連結する母線と、前記母線による連結を遮断する連結遮断器とをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の付帯機器には、前記複数の変圧器のいずれからも電力が供給されるように構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記変圧器は、主変圧器と、該主変圧器よりも容量の小さい副変圧器とから構成され、前記主変圧器と前記副変圧器とは互いに並列に接続されており、前記ポンプシステムが前記通常運転モードで運転されているときは前記主変圧器が使用され、前記ポンプシステムが前記省電力モードで運転されているときは前記副変圧器が使用されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の電動機のうち一部のみが稼動されている閑散運用期において、通常運転モードから省電力モードに切り替えることにより、必要としない付帯機器の一部への電力の供給を停止することができる。したがって、閑散期の電力の使用量を必要最小限まで削減でき、ランニングコストを低くすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。図１に示すように、このポンプシステムは、吸込水槽１内の水を汲み上げる複数のポンプＰと、これらのポンプＰをそれぞれ駆動する複数の電動機Ｍとを有している。図１に示す例では、６基のポンプＰおよび６基の電動機Ｍが設けられている。それぞれのポンプＰは減速機４を介して電動機Ｍに連結されている。

ポンプシステムは、電力系統に接続される受配電装置６と、受配電装置６からの電力を降圧する主変圧器７と、主変圧器７に接続され、各電動機Ｍの運転を制御する複数の（この例では６基の）電動機制御部８と、主変圧器７の出力電力をさらに降圧する所内変圧器１０と、所内変圧器１０の出力電力を後述する各種付帯機器に配電する配電制御部１１と、ポンプシステムの運転を制御する運転制御部１２とをさらに備えている。運転制御部１２は、配電制御部１１に接続されている。

図１に示すように、電動機制御部８は、各電動機Ｍにそれぞれ接続されており、各電動機Ｍの始動、停止（通常停止、故障時の緊急停止など）などの運転を制御する制御盤や、電動機Ｍの回転速度を制御する回転速度制御装置（インバータ装置、セルビウス装置等）などを含んでいる。

ポンプシステムは、上述した電動機Ｍ以外にも、電力の供給を受けて動作する種々の付帯機器を備えている。この付帯機器は、例えば、ポンプＰの吐出側に配置される吐出弁２０を操作するモータ２１、ポンプＰの内部が水で満たされているか否かを検出する満水検知器２２、ポンプＰの内の空気を排出して呼び水を導入する真空ポンプ２３を駆動するモータ２４、減速機４内で潤滑油を循環させるギヤポンプ２５を駆動するモータ２６、ポンプＰ内の落水を検知する落水検知器２８、吸込水槽１内の水位を計測する水位計２９などである。これらの他にも、図１には示されていないが、換気ファン、結露防止用スペースヒータ、吐出水槽の水位計、軸受温度計、圧力センサ、運転状態表示ランプ、故障表示ランプ、各種計器の計測値表示器、監視用カメラなどが付帯機器として備えられている。これらの付帯機器は、上述した配電制御部１１に接続されており、上述した運転制御部１２によって付帯機器の動作が制御されている。

このポンプシステムにおいては、必要とされる排水量に応じて稼働するポンプＰの台数が決定される。したがって、常に全てのポンプＰが稼働されるわけではなく、そのうちのいくつかが稼動されるか、またはいずれのポンプＰも稼働されない場合もある。そこで、本実施形態に係るポンプシステムは、電力の消費量を抑えるために、所定の付帯機器にのみ電力を供給する省電力モードでの運転が可能となっている。以下、ポンプシステムが備える運転モードの切り替え機能について説明する。

上述した運転制御部１２は、ポンプシステムの運転モードを切り替える２種類の切り替えスイッチを有している。第１の切り替えスイッチは、図２（ａ）に示すように、ポンプＰの運転制御を連動モードと単独モードとの間で切り替えるための制御モード切り替えスイッチ３１である。連動モードとは、ポンプＰを駆動する電動機Ｍと、ポンプＰの運転に関連する付帯機器が、ポンプＰが始動に至るまでの、予め設定された制御フローに基づき運転制御部１２によって連動制御されるモードであり、単独モードとは、ポンプＰを駆動する電動機Ｍと、ポンプＰの運転に関連する付帯機器とは運転制御部１２によっては連動制御されず、それぞれ手動で運転、停止操作されるモードである。単独モードでは、個々の付帯機器を手動操作で運転および停止させ、万が一、連動制御機能が故障した場合においても、最終的にポンプＰを手動にて運転させることが可能となっている。

第２の切り替えスイッチは、図２（ｂ）に示すように、上述した種々の付帯機器の運転を通常運転モードと省電力モードとの間で切り替える運転モード切り替えスイッチ３２である。通常運転モードとは、上述した全ての付帯機器に電力が供給され、運転可能な状態になっているモードであり、省電力モードとは、所定の付帯機器にのみ運転が可能なように電力が供給されるモードである。図３に示す表は、通常運転モードおよび省電力モードのときに電力が供給される付帯機器のリストの一例を示している。なお、省電力モード時の電力供給機器（運転可能な付帯機器）については、そのポンプシステムの運用方法や、設置環境（温度、湿度等）により、適宜設定されることが好ましい。

多くの排水量が必要とされない閑散期には、省電力モードに切り替えることにより、実質的に使用されない付帯機器への電力の供給を停止して、電力の消費量を削減することができる。また、異常気象などの突発的な降雨時においては、作業員（運用者）の判断により、省電力モードから通常運転モードにモードの切り替えスイッチの操作のみで切り替えることができるので、電力の供給を停止した個々の付帯機器の遮断器の復帰は必要なく、即座にポンプシステムを通常の運転が可能な状態に戻すことができる。つまり、突発的な降雨においても迅速な対応が可能であり、復帰遅れ（ポンプの始動遅れ）による浸水被害を未然に防止できる信頼性の高いポンプシステムとなる。

ここで、省電力モードのときは、水位計や温度計などの各種計器が作動していないため、この状態で休止中のポンプＰを始動すると、ポンプＰや電動機Ｍなどに重大な故障が起きるおそれがある。そこで、このような故障を未然に防ぐために、制御部１１または１２は、電力が供給されていない付帯機器に関連する電動機Ｍの始動指令（操作）を拒絶するインターロック機構を備えている。このインターロック機構は、付帯機器の電力供給状態と電動機Ｍの始動条件とを連動させる機構であり、電動機Ｍを始動させるためには、付帯機器に電力を供給することが必要条件となる。したがって、休止中の電動機Ｍを始動する場合には、省電力モードから通常運転モードに切り替わっていることが条件となる。このようなインターロック機構を設けることにより、ポンプシステムの運転の安全性を確保することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図４を参照して説明する。図４は本発明の第２の実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一または対応する要素には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。この実施形態では、複数の電動機Ｍは複数のグループに分割され、それぞれのグループに対応して複数の主変圧器が設けられている。各グループの電動機Ｍには、それぞれ対応する主変圧器から電力が供給されるようになっている。図４に示す例では、複数の電動機Ｍは２つのグループ（１グループにつき３台の電動機Ｍ）に分割されており、これらのグループにそれぞれ電力を供給する２つの主変圧器７Ａ，７Ｂが設けられている。これらの主変圧器７Ａ，７Ｂは、第１の実施形態に係る主変圧器７よりも小さい容量を有している。すなわち、主変圧器７Ａ，７Ｂは、それぞれ３台の電動機Ｍを駆動するだけの容量を有している。

主変圧器７Ａ，７Ｂには電動機制御部８Ａ，８Ｂがそれぞれ接続され、電動機制御部８Ａ，８Ｂを介して各グループの電動機Ｍに電力が供給される。それぞれの電動機Ｍの運転（起動、停止、回転速度など）は電動機制御部８Ａ，８Ｂによって制御される。それぞれの主変圧器７Ａ，７Ｂには所内変圧器１０Ａ，１０Ｂが接続されている。所内変圧器１０Ａ，１０Ｂには配電制御部１１が接続され、この配電制御部１１には運転制御部１２が接続されている。

主変圧器７Ａの一次側と二次側には、遮断器３０が設けられている。同様に、主変圧器７Ｂの一次側と二次側にも、遮断器３０が設けられている。多くの排水量を必要としない閑散期には、これら２つの主変圧器７Ａ，７Ｂのうちの一方の一次側または二次側に設けられている遮断器３０が開かれる。これにより、通常運転時よりも少ない台数の主変圧器で、少ない台数の電動機Ｍの運転・運用に対応することができる。

一般に、図５に示すように、負荷電流が少ないときは、変圧器の効率が悪くなる。図５において、銅損は負荷損であり、変圧器の一次巻線と二次巻線に電流が流れたときの抵抗損である。鉄損は無負荷損であり、変圧器の鉄心のヒステリシスや渦電流による損失を表している。変圧器の効率は、次の式から求められる。
変圧器の効率＝出力／（出力＋無負荷損＋負荷損）

ポンプがほどんと稼動されない閑散期では、使用電力の低下から変圧器の効率が悪くなるために、変圧器の損失分の電力を無駄に消費することになる。また、たとえ変圧器の二次側の負荷がない状態（無負荷状態）でも、鉄損分の電力量が消費されることとなる。そこで、閑散期には、複数の変圧器のうちの一部の（図４に示す例では主変圧器７Ａ，７Ｂのいずれか一方の）一次側または二次側に設けられている遮断器３０が開かれる。これにより、変圧器の負荷率が大きくなり変圧器の効率が良くなり、無駄な電力消費を削減することができる。

図４に示すように、主変圧器７Ａ，７Ｂの二次側にそれぞれ接続される電動機制御部８Ａ，８Ｂ同士は母線３５で連結されており、この母線３５には、母線３５による電気的連結を遮断する連結遮断器３６が設けられている。通常は、この連結遮断器３６は開かれており、主変圧器７Ａ，７Ｂのいずれかが故障したときに、連結遮断器３６が閉じられる。例えば、図４に示す例において、主変圧器７Ｂが故障し、Ｎｏ．２の電動機Ｍが故障した場合、主変圧器７Ａは３台の電動機Ｍを稼動させる容量を有しているにもかかわらず、２台の電動機Ｍのみの稼動しかできないことになる。そこで、連結遮断器３６を閉じることにより、故障している主変圧器７Ｂに連結されている３台の電動機Ｍのうちの１台を主変圧器７Ａによって運転させることができ、主変圧器の能力を最大限に発揮することが可能となる。

このように、主変圧器７Ａ，７Ｂのいずれかが故障した場合に、連結遮断器３６を閉じることは有効である。しかしながら、連結遮断器３６を常に閉じておくことは好ましくない。これは、主変圧器７Ａ，７Ｂの二次側に配置される電動機Ｍまたは配線が不具合を起こして過大な電流が配線系統に加わると、上位に位置する変圧器７Ａ，７Ｂの両方が故障してしまうおそれがあるからである。このような理由から、通常の運転時には連結遮断器３６を開いておき、主変圧器７Ａ，７Ｂのいずれかが故障したときに連結遮断器３６が閉じられる。

付帯機器には、いずれの主変圧器７Ａ，７Ｂからも電力が供給されるように構成することが好ましい。このように構成すれば、閑散期に休止させる主変圧器７Ａ，７Ｂを定期的に（例えば年ごとに）交互に変えることが可能となり、主変圧器７Ａ，７Ｂの稼働頻度を平準化させ、一方的な劣化を抑制することで主変圧器７Ａ，７Ｂの寿命を長くすることができる。なお、本実施形態においても、上述したインターロック機構を設けることが好ましい。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は本発明の第３の実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一または対応する要素には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。この実施形態では、主変圧器７と副変圧器７Ｃが互いに並列に設けられている。副変圧器７Ｃの容量は、主変圧器７の容量よりも小さく設定されている。より具体的には、主変圧器７は全ての電動機Ｍを駆動するのに十分な容量を有しており、その一方で、副変圧器７Ｃは一部の電動機Ｍを駆動する容量のみを有している。なお、閑散期においてポンプＰを駆動する必要がない場合においては、副変圧器７Ｃは維持管理用機器（照明、換気等）を駆動する容量のみを有する変圧器となる。

受配電装置６は、主変圧器７と副変圧器７Ｃとを切り替える図示しない変圧器切り替えスイッチ（変圧器の運用モード切り替えスイッチ）を有している。なお、この変圧器切り替えスイッチは、上述した運転モード切り替えスイッチ（第２の切り替えスイッチ）に連動して動作するようにしてもよい。具体的には、第２の切り替えスイッチを通常運転モードに切り替えると、副変圧器７Ｃの一次側または二次側の図示しない遮断器が作動して受配電装置６の出力電力は主変圧器７のみから送られ、副変圧器７Ｃは介さない。この場合、受配電装置６の出力電力は主変圧器７のみによって降圧され、二次側に接続されている電動機制御部８に主変圧器７から電力が送られる。一方、第２の切り替えスイッチを省電力モードに切り替えると、主変圧器７の一次側または二次側の図示しない遮断器が作動して受配電装置６の出力電力は副変圧器７Ｃのみから送られ、主変圧器７は介さない。この場合、受配電装置６の出力電力の降圧は副変圧器７Ｃによって行われる。したがって、閑散期に運転モードを省電力モードに切り替えることによって、付帯機器への電力供給が制限されるのみならず、変圧器を高効率で運用することができる。上述した変圧器切り替えスイッチは、受配電装置６に代えて、配電制御部１１または運転制御部１２に設けてもよい。なお、本実施形態においても、上述したインターロック機構を設けることが好ましい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

本発明の第１の実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。 図２（ａ）は、ポンプの運転制御を連動モードと単独モードとの間で切り替えるための制御モード切り替えスイッチを示す図であり、図２（ｂ）は付帯機器の運転を通常運転モードと省電力モードとの間で切り替える運転モード切り替えスイッチを示す図である。 通常運転モードおよび省電力モードのときに電力が供給される付帯機器のリストの一例を示す表である。 本発明の第２の実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。 変圧器の効率を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。

符号の説明

１ 吸込水槽
４ 減速機
６ 受配電装置
７ 主変圧器
８ 電動機制御部
１０ 所内変圧器
１１ 配電制御部
１２ 運転制御部
２０ 吐出弁
２１，２４，２６ モータ
２２ 満水検知器
３０ 遮断器
３１ 制御モード切り替えスイッチ
３２ 運転モード切り替えスイッチ
３５ 母線
３６ 連結遮断器

Claims (6)

1. 液体を移送するポンプシステムにおいて、
   電力系統から供給される電力を降圧する変圧器と、
   前記変圧器からの電力の供給を受けて動作する複数の電動機と、
   前記複数の電動機にそれぞれ連結された複数のポンプと、
   電力の供給を受けて動作する複数の付帯機器と、
   前記ポンプシステムの運転を制御する運転制御部とを備え、
   前記運転制御部は、前記複数の付帯機器の全てに電力を供給する通常運転モードと、前記複数の付帯機器の一部にのみ電力を供給する省電力モードとを切り替える機能を有することを特徴とするポンプシステム。
2. 前記ポンプシステムが前記省電力モードで運転されているときに、前記複数の付帯機器のうち、電力の供給を受けていない付帯機器に関連する前記電動機への始動指令を拒絶するインターロック機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
3. 前記変圧器は複数の変圧器であり、
   前記複数の電動機は、前記複数の変圧器のいずれかにそれぞれ電気的に接続されており、
   前記複数の変圧器の一次側および二次側には、遮断器がそれぞれ設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のポンプシステム。
4. 前記複数の変圧器の二次側同士を連結する母線と、
   前記母線による連結を遮断する連結遮断器とをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載のポンプシステム。
5. 前記複数の付帯機器には、前記複数の変圧器のいずれからも電力が供給されるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のポンプシステム。
6. 前記変圧器は、主変圧器と、該主変圧器よりも容量の小さい副変圧器とから構成され、
   前記主変圧器と前記副変圧器とは互いに並列に接続されており、
   前記ポンプシステムが前記通常運転モードで運転されているときは前記主変圧器が使用され、
   前記ポンプシステムが前記省電力モードで運転されているときは前記副変圧器が使用されることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。

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