JP2014031749A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新設ポンプに既設品と同じ周波数での駆動を指令しても、コントローラにより高効率電動機の出力を既設電動機と同等の出力とすると共に、消費電力の増大を防止するよう自動制御するポンプ装置を提供する。
【解決手段】ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転駆動する電動機と、外部との入出力を行なうと共に、前記電動機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換するに際し、前記コントローラに、周波数に関する制御データを記憶した記憶部と、外部からの指令に基いて前記記憶部から対応する制御データを取得して前記高効率電動機に供給する周波数を算出する演算部を設け、前記算出された周波数の電力を前記電力変換部から前記高効率電動機に供給するように構成されたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は電動機の交換前後の性能を同等に維持するポンプ装置に関する。

従来、ポンプ装置の駆動源として誘導電動機が主に使われていたが、現在では省エネ、高効率の電動機が求められ、すべりの少ない高効率電動機や、すべりのない永久磁石モータが採用されるようになっている。

既設の設備についても、省エネ化、高効率化を図るために、既設電動機の交換時に従来の電動機より高効率な電動機への切替えが行なわれることもある。特許文献１には、エレベータを対象として、既設の減速機付き電動機を新設の誘導電動機に交換して誘導電動機をVVVF（可変電圧可変周波数）装置に接続する例が示されている。

特開平５−２４７６７号公報

特許文献１の例では、既設の減速機付き電動機を誘導電動機に交換しているが、電動機のすべりについては問題とされていない。しかし、既設電動機と新設電動機の両者がすべりを有する電動機の場合、例えば、既設の誘導電動機を高効率電動機に代える場合、誘導電動機のすべりより高効率電動機のすべりが少ないため、既設誘導電動機と同じ周波数で高効率電動機を駆動させると、高効率電動機の方が大きな出力となり、性能（水量・揚程）が過剰になり、また、高効率・省エネであるはずの高効率電動機の消費電力が、交換したことによりかえって増すことがある。

ポンプ装置について図を用いて説明すると、図１は流量と吐出圧の関係を示すポンプのＱＨ特性と、流量と負荷電流の関係を示すＱＡ特性を示す図であり、ポンプ装置の電動機を同一の周波数で駆動指令したときの吐出圧と電力について説明する。１０は既設誘導電動機を用いた既設ポンプ装置の特性、１１は交換後の高効率電動機を用いた高効率ポンプ装置の特性、１２は永久磁石モータを用いたPMモータポンプ装置の特性、１３は既設ポンプの消費電流特性、１４は高効率ポンプの消費電流特性、１５は消費電流特性１３と１４の所定流量における電流差を示す。

既設電動機と交換後の高効率電動機へ同一指令周波数を与えたとき、特性１０、１１からすべりの大きい既設ポンプよりすべりの小さい高効率ポンプの吐出圧が高くなることが分かり、特性１２からすべりのないＰＭモータポンプの吐出圧が更に高くなることが分かる。また、特性１３、１４から従来ポンプより高効率ポンプの消費電流（電力）が電流差１５の分だけ大きくなることが分かる。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機へ交換した際に、既設電動機と同じ周波数の駆動を指令しても、コントローラにより高効率電動機の出力を既設電動機と同等の出力になるよう自動制御することにより、既電動機との性能の互換性を維持すると共に、消費電力の増大を防止して高効率運転するポンプ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転駆動する電動機と、外部との入出力を行なうと共に、前記電動機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、
既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換した際に、前記コントローラに、周波数に関する制御データを記憶した記憶部と、外部からの指令に基いて前記記憶部から対応する制御データを取得して前記高効率電動機に供給する周波数を算出する演算部を設け、前記算出された周波数の電力を前記電力変換部から前記高効率電動機に供給するように構成されたことを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部には、制御データとして前記既設電動機の周波数とこれに対応するすべり量が記憶され、
前記演算部は、外部からの周波数指令に基いて前記記憶部から対応するすべり量を取得し、このすべり量に基いて前記高効率電動機に供給する周波数を算出することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部は各々の負荷率および各々の周波数に対するすべりのデータを記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部は、ある周波数における負荷率に対するすべり割合のデータを記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部は、ある負荷率における周波数に対するすべり割合のデータを記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部は、周波数に対するすべりの割合のデータおよび負荷率に対するすべり割合を記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とする。

上記の課題を解決するために本発明は、ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転駆動する電動機と、外部との入出力を行なうと共に、前記電動機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、
既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換した際に、電動機の回転数を複数の値に切り替える外部スイッチを設け、前記コントローラに前記スイッチからの信号を処理する入力信号部と、前記外部スイッチで設定した回転数となるように周波数を演算する演算部を設け、前記演算された周波数の電力を前記電力変換部から前記高効率電動機に供給するように構成されたことを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記入力信号部は外部スイッチで切り替えられる回転数の割合を一時記憶し、前記演算部は切り替えられた回転数割合に基いて前記高効率電動機に供給する周波数を算出することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記外部スイッチは、大・中・小の３段階に回転数を切り替えることを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記外部スイッチは、前記回転電機の回転数を電力変換装置に入力される周波数より大きい周波数も含む複数の異なる値に切り替えることができることを特徴とする。

上記の課題を解決するために本発明は、ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転駆動する電動機と、前記回転電機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、
既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換した際に、前記コントローラに、前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、外部との入出力を行うと共に前記電力変換装置を介して前記高効率電動機の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は前記高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定したポンプ性能データを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されたポンプ性能データと前記電流検出部で検出された出力電流値に基いて、高効率電動機の出力が既設電動機の出力とほぼ一致するように周波数を算出する演算部を有することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部は前記高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定したポンプ性能データと顧客所望の吐出側圧力とを記憶し、
前記演算部は前記記憶部に記憶されたポンプ性能データと前記電流検出部で検出された出力電流値に基いてポンプの吐出側圧力を算出し、算出した吐出側圧力が顧客設定値と一致するように、前記電力変換装置より出力する周波数を変更することを特徴とする。

また、上記に記載のポンプ装置において、前記記憶部は前記高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定したポンプ性能データと顧客所望の吐出流量とを記憶し、
前記演算部は前記記憶部に記憶されたポンプ性能データと前記電流検出部で検出された出力電流値に基いてポンプの吐出流量を算出し、算出した吐出流量が顧客設定値と一致するように、前記電力変換装置より出力する周波数を変更することを特徴とする。

本発明によれば、既設電動機から高効率電動機に交換した際に、高効率電動機の出力を既設電動機と同等に制御して、消費電力の増大を防止することができる。

既設の従来ポンプと高効率ポンプのＱＨ特性およびＱＡ特性を示す説明図である。 本発明実施例１のブロック構成図である。 同じく制御フロー図である。 同じく記憶部の制御データ内容説明図（例１）である。 同じく記憶部の制御データ内容説明図（例２）である。 同じく記憶部の制御データ内容説明図（例３）である。 本発明実施例２のブロック構成図である。 同じく制御フロー図である。 本発明実施例３の制御フロー図である。 本発明実施例４のブロック構成図である。 本発明実施例５のブロック構成図である。 本発明実施例４の記憶部のデータ内容説明図である。 同じく制御フロー図である。 同じくＱＨカーブの説明図である。 同じくＱＡカーブの説明図である。

以下、本発明の実施態様として複数の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
実施例１では、予め記憶部に既設電動機が駆動された場合に発生する各々の負荷率および各々の周波数に対応したすべり量（回転数、ｒｐｍ）を、周波数に関する制御データとして記憶させておくものである。すなわち、既設電動機における各々の負荷率、各々の指令周波数に対するモータのすべり量を予め測定しておき、測定したすべりを記憶部に記憶する。高効率電動機が交換された際、演算部でその使用者が指示する周波数（指令周波数）と前記記憶されたすべりから、高効率電動機の出力が既設電動機の場合と同じとなるよう上記指令周波数からすべりの差分を減算し、実際に出力すべき周波数（出力周波数）を決定する。

図２において、符号１１０は既設の電動機から交換された高効率電動機であって、ポンプ部１３０を駆動する。符号１２０は上記高効率電動機１１０を制御するコントローラである。ポンプ部１３０はポンプケーシング内に羽根車（図示せず）を内蔵し、この羽根車が高効率電動機１１０で回転駆動される。これらポンプ部１３０、高効率電動機１１０、コントローラ１２０でポンプ装置が構成される。

コントローラ１２０は、外部との入出力を行なうと共に、高効率電動機の回転数を制御する制御基板からなる制御部１２４と、制御部１２４から出力される周波数を電力に変換する電力変換部１２３とを有する。制御部１２４には、あらかじめ制御データを記憶する記憶部１２２と、使用者が指示する指令周波数ＦＣと前記記憶部１２２に記憶された制御データとから、交換後の高効率電動機１１０に出力する周波数を演算する演算部１２１を有する。

記憶部１２２には、交換前にあらかじめ測定された既設電動機（図示せず）の各々の負荷率、各々の指令周波数とこれらに対する電動機のすべりが制御データとして記憶されている。具体的には２極電動機の場合について、図４に例１を示すように、各々の負荷率および各々の周波数に対応するすべり量（回転数、ｒｐｍ）を予め記憶しており、例えば、記憶部アドレス１０００に、すべり７ｒｐｍ、負荷率２５％、周波数１０Ｈｚ（６００ｒｐｍ）が記憶されている。

上記構成のポンプ装置の動作を図２と図３に基づいて説明する。先ず図２の制御部１２４に、外部から使用者が指示する指令周波数ＦＣが入力される。図３で示すと、１１００ステップで使用者が指示する指令周波数ＦＣの入力が行われる。次いで、１１０１ステップで、指令周波数ＦＣと一致する周波数とそのすべりデータが、記憶部１２２に存在するかの判定がなされる。

一致する周波数が存在しない（ＮＯ）場合には、１１０２ステップで指令周波数ＦＣに最も近い２つの周波数ＦＬ、ＦＳ、およびこれらの周波数で駆動した際のすべりデータＳＬ、ＳＳを取得する。例えば、負荷率が２５％で指令周波数ＦＣが５４Ｈｚであれば、図４に示される周波数６０Ｈｚの時のすべり４５ｍｉｎ^−１（ｒｐｍ）と、５０Ｈｚの時のすべり３７ｍｉｎ^−１を記憶部１２２から取り出す。ここで、周波数６０Ｈｚ、５０ＨｚをそれぞれＦＬ、ＦＳとし、６０Ｈｚ時のすべり４５ｍｉｎ^−１、５０Ｈｚ時のすべり３７ｍｉｎ^−１をそれぞれＳＬ、ＳＳとする。

次の１１０３ステップでは、１１０２ステップで取得したすべりデータＳＬ、ＳＳを用いて、演算部１２３により指令周波数ＦＣにおけるすべりＳＤを次式１で算出する。
ＳＤ＝｛（ＳＬ−ＳＳ）×（ＦＣ−ＦＳ）÷（ＦＬ−ＦＳ）｝＋ＳＳ・・・式１
図３の１１０１ステップでその指令周波数ＦＣと一致する周波数のすべりデータが存在する（ＹＥＳ）場合には、１１０４ステップでそのすべりデータをＳＤとして取得する。

次に、上記のステップ１１００で入力された指令周波数ＦＣと、前記１１０３ステップ及び１１０４ステップでそれぞれ算出されたすべりＳＤとに基いて、１１０５ステップで、出力周波数ＦＯを次式２より算出する。
ＦＯ＝ＦＣ−ＳＤ・・・式２
この出力周波数ＦＯは、既設電動機で指令周波数ＦＣを指定した際に、実際に運転する回転数に相当するため、すべりの少ない交換後の高効率電動機で周波数ＦＯを出力することは誘導電動機において、指令周波数ＦＣで運転することと近い状態となる。

ただし、高効率電動機にもすべりは存在するため、周波数ＦＯを出力するのでは、実際の回転数はさらに下がるために性能不足となる。そこで、前記既設電動機と同様に、交換後の高効率電動機における各々の負荷率および各々の周波数におけるすべりを予め記憶部に記憶しておき（図示せず）、既設電動機と同様にすべりを計算して、指令周波数ＦＣにおける高効率電動機でのすべりＳＤ’を算出して、
ＦＣ’＝ＦＯ＋ＳＤ’・・・式３
となる指令周波数ＦＣ’を求めて，高効率電動機に指令周波数ＦＣ’を与えることでより既設電動機の運転により近い運転状態とできる。

上記によれば、詳細にすべりを指定することができるので、精度の高い周波数で高効率電動機を制御でき、高効率電動機の出力を既設電動機にほぼ同じに制御して、消費電力の増大を防止することができる。

すべりのない永久磁石モータを用いたＰＭモータポンプ装置の場合には、式３による補正を行なう必要はない。

なお、記憶部１２２に記憶する内容は、図５の例２に示すように、基準とする一定の周波数（基底周波数）ＦＢを決めて、負荷率に対するすべりを表し、次式４によりＳＤを算出しても良い。図５では、基底周波数ＦＢが６０Ｈｚで、負荷率２５％のときのすべりが４５ｍｉｎ^−１で、負荷率５０％のときのすべりを９０ｍｉｎ^−１としている。
負荷率に対するすべりをＳＸとして、すべりＳＤは次式４で算出される。
ＳＤ＝ＳＸ×ＦＣ÷ＦＢ・・・式４
ここで、ＳＸは記憶部の記憶値にないときには、算出で求められる値で、例えば負荷率４０％であれば、負荷率５０％時のすべり９０ｍｉｎ^−１と、２５％時のすべり４５ｍｉｎ^−１から、次式５よりすべり５２ｍｉｎ^−１が算出できる。
｛（９０−４５）×（４０−２５）÷（５０−２５）｝＋４５＝７２・・・式５
或いは、記憶部に記憶する内容は、基準とするある一定の負荷率を決めて、周波数に対するすべりを表しても良い。前項と同様の算出方法となるため詳細の説明は割愛する。

上記の構成によれば、記憶部に記憶する制御データ量を少なくして、すべりを指定することができる。

さらには、記憶部に記憶する内容を図６の例３に示すように、基底周波数ＦＢに対するすべりの割合ＳＹとし、負荷率に対するすべりの割合ＳＺとし、負荷率をＬとして式６により算出しても良い。
ＳＤ＝ＳＹ×ＦＣ÷ＦＢ×Ｌ×ＳＺ÷１００・・・式６
上記の構成によれば、記憶部に記憶する制御データ量をさらに少なくして、すべりを指定することができる。

（実施例２）
次に本発明の実施例２を説明する。本実施例では、高効率電動機の回転数に関する制御データを複数の異なる値（割合）に切り替えることができる外部スイッチを備え、外部スイッチにより指定された制御データの回転数に該当する周波数を電力変換装置より出力するものである。高効率電動機の使用者が前記スイッチで指示する周波数を電力変換装置より出力することより、高効率電動機の出力が既設電動機の場合と同等となるようにする。

以下、本発明実施例２を添付の図を用いながら説明する。図７には実施例２のブロック構成図が示されている。図７において、符号２１０は既設の電動機から置き換えられた高効率電動機であって、ポンプ部２３０を回転駆動する。符号２２０は上記高効率電動機２１０を制御するコントローラである。ポンプ部２３０はポンプケーシング内に羽根車（図示せず）を内蔵し、この羽根車が高効率電動機２１０で回転駆動される。これらポンプ部２３０、高効率電動機２１０、コントローラ２２０でポンプ装置が構成される。

コントローラ２２０は、制御データとして電動機の回転数の割合を切り替える外部スイッチ２２４からの入力信号を処理する入力信号部２２２と使用者が前記外部スイッチで設定した回転数となるよう周波数を演算する演算部２２１とから構成される制御部２２５を有し、さらに演算された周波数による電力を出力する電力変換部２２３を有する。

入力信号部２２２は、外部スイッチ２２４で切り替えられた回転数の割合を一時保持する記憶機能（記憶部）を有し、一時保持しながらその回転数割合を前記演算部２２１に供給する。演算部２２１は、入力信号部２２２からの回転数割合に応じて、使用者が前記スイッチで設定した回転数となるよう周波数を演算し、電力変換部２２３は演算された周波数の電力を出力する。

図８により本実施例の制御フローを説明する。１２００ステップで商用電源（５０／６０Ｈｚ＝３０００ｍｉｎ^−１／３６００ｍｉｎ^−１）が入力され、１２０１ステップで、演算部２２１によりスイッチ２２４で選択された回転数の割合を判定する。回転数割合１００％（例えば６０Ｈｚにおける３６００ｍｉｎ^−１）が選択されている場合は、演算部２２１によって次の１２０２ステップで回転数３６００ｍｉｎ^−１を設定する。回転数割合９０％（例えば６０Ｈｚにおける３２４０ｍｉｎ^−１）が選択されている場合は、１２０３ステップで回転数３２４０ｍｉｎ^−１を設定する。回転数割合８０％（例えば６０Ｈｚにおける２８８０ｍｉｎ^−１）が選択されている場合は、１２０４ステップで回転数２８８０ｍｉｎ^−１を設定する。

１２０５ステップでは、設定した回転数に応じた出力周波数ＦＯが演算部２２１から出力され、電力変換部２２３で電力に変換されて高効率電動機２１０に出力される。

ここで、外部スイッチ２２４は、商用電源（５０／６０Ｈｚ＝３０００ｍｉｎ^−１／３６００ｍｉｎ^−１）を超える回転数を指示しても良い。高効率電動機２１０は、負荷状態によっては商用電源周波数以上での使用が可能なので、１１０％、１２０％をスイッチ２２４の選択に加えても良い。既設電動機をインバータ駆動していた場合には商用電源を超える周波数で運転されていることも有り得る。

本実施例によれば、スイッチによる分かり切換え易い操作で、周波数を簡単に指定することができる。

（実施例３）
次に、本発明実施例３を説明する。本実施例では、高効率電動機の制御データとしてすべり量を複数の異なる値（大、中、小）に切り替えることができるスイッチを備え、使用者による指令周波数から、スイッチにより指定されたすべり量を減算した回転数に該当する周波数の電力を電力変換装置より出力するものである。本実施例３の構成は図７のブロック図と同様である。

高効率電動機２３０の使用者が指示する周波数ＦＣ（指令周波数）、あるいは商用電源周波数と、前記スイッチ２２４により指定されたすべり量から、高効率電動機２３０の出力が既設電動機の場合と同じとなるよう指令周波数からすべり分を減算し、実際に出力すべき周波数（出力周波数）を決定する。

本実施例の実施例２と異なる点は、外部スイッチ２２４によって制御データとして指定されるものがすべり量であり、入力信号部２２２はスイッチ２２４によって指定されたすべり量（大、中、小）を一時保持する記憶機能（記憶部）を有し、一時保持しながらそのすべり量を前記演算部に供給する。演算部２２１は、入力信号部２２２から受信したすべり量（大、中、小）に応じて、前記スイッチ２２４により指定されたすべり量から、使用者が前記スイッチで設定した回転数となるよう周波数を演算し、電力変換部２２３は演算された周波数の電力を出力する。

図９により本実施例の制御フローを説明する。１３００ステップで指令周波数ＦＣが入力され、一方、演算部２２１により１３０１ステップでスイッチにより選択されたすべり量を判定する。すべり大（例えば６Ｈｚ分とする）が選択された場合は、１３０２ステップですべりＳＤを６Ｈｚに設定する。すべり中（例えば３Ｈｚ分とする）が選択された場合は、１３０３ステップでＳＤを３Ｈｚに設定する。すべり小（例えば１Ｈｚ分とする）が選択された場合は１３０４ステップでＳＤを１Ｈｚに設定する。

１３０５ステップで、演算部２２１により出力周波数ＦＯを次式６より算出する。
ＦＯ＝ＦＣ−ＳＤ・・・式７
次いで、１３０６ステップで、設定した回転数に応じた出力周波数ＦＯを演算部２２１から出力する。

ここで、外部スイッチは、すべり大（例えば６Ｈｚ分）、すべり中（例えば３Ｈｚ分）、すべり小（例えば１Ｈｚ分）の３段階が望ましい。すべり極大、大、中、小、極小の５段階など細分化することも可能であるが、実用性の面から細分化のメリットは乏しく、分かり易さのため３段階程度が良い。またスイッチの表現は「すべり」ではなく「トルク」としても良い。

本実施例によれば、スイッチによる更に分かり切換え易い操作で、周波数を簡単に指定することができる。

（実施例４）
本実施例４は、予め記憶部に制御データとして高効率電動機を用いたポンプの性能データ（各周波数にて運転した場合の、流量に対する吐出側圧力と流量に対する負荷電流値）を記憶させておくものである。

ポンプをある代表周波数１つ、或いは複数の周波数で運転した場合のポンプ性能データ（図１４の流量−吐出側圧力の曲線：ＱＨカーブと、図１５の流量−負荷電流値の曲線：ＱＡカーブ）を、予め測定しておき、測定した性能データを記憶部に記憶する。高効率電動機の使用者が指示する吐出側圧力と前記記憶された性能データから、出力が一定となるよう実際に出力すべき周波数（出力周波数）を決定する。

図１０は本実施例４のブロック構成図である。即ち、この図１０において符号４１０は高効率電動機を示し、符号４２０で示すコントローラが接続されている。

コントローラ４２０は高効率電動機４１０を搭載したポンプにおいて測定した、代表周波数１つ、或いは複数の周波数で運転した場合のポンプ性能データ（図１４の流量−吐出側圧力の曲線：ＱＨカーブと、図１５の流量−負荷電流値の曲線：ＱＡカーブ）を記憶する記憶部４２２と、電流を検出する電流検出部４２４と、前記電流検出部４２４で検出された負荷電流値と前記記憶部４２２に記憶されたポンプ性能データより、現在のポンプ装置の運転状態を把握し、さらに使用者が指示する吐出側圧力に、高効率電動機の出力が一致するよう最適な指令周波数を演算する演算部４２１とを持つ。演算部４２１と記憶部４２２で制御部４２５が構成される。

図１３には本実施例４の制御フローが示されている。１５００ステップで指令周波数ＦＣが入力され、１５０１ステップで、その指令周波数ＦＣと一致する周波数のポンプ性能データが存在するか判定する。存在しない（Ｎｏ）場合には、１５０３ステップで指令周波数ＦＣに最も近い周波数の性能データより以下ポンプ性能の近似計算を行ない、吐出側圧力ＨＣを求める。存在する（Ｙｅｓ）場合には、１５０２ステップで一致する周波数のポンプ性能データより吐出側圧力ＨＣを求める。

前記記憶部には、例えば図１２のように、制御データとして各々の周波数（Ｆ１、Ｆ２について示す）における流量（Ｑ）、吐出側圧力（Ｈ）、負荷電流値（Ａ）を記憶値として予め記憶しておく。これらの記憶値は、図１４のＱＨカーブと、図１５のＱＡカーブから読み取れる。そして、これらの記憶値と現在の負荷電流値から現在のポンプ運転状態を計算する。

まず、ポンプ性能として、周波数に対して流量が１次関数で、吐出側圧力が２次関数で、電流値が３次関数でそれぞれ比例する。これにより指令周波数ＦＣに近い記憶された周波数のポンプ性能曲線の各データより相似則で指令周波数における運転時のポンプ性能データを算出する。
まず式８、式９、式１０より相似則計算に用いる係数ＦＣ１、ＦＣ２、ＦＣ３を求める。
ＦＣ１＝（Ｆ１÷ＦＣ）・・・・式８
ＦＣ２＝（Ｆ１÷ＦＣ）^２・・・式９
ＦＣ３＝（Ｆ１÷ＦＣ）^３・・・式１０
例えば現在の指令周波数に対して最も近い周波数データがＦ１であれば、周波数Ｆ１で測定した揚程に関する性能データＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ１４、Ｈ１５に、それぞれＦＣ１を乗じてＨＣ１、ＨＣ２、ＨＣ３、ＨＣ４、ＨＣ５を求める。

同様に流量に関する性能データＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４、Ｑ１５に、それぞれＦＣ２を乗じてＱＣ１、ＱＣ２、ＱＣ３、ＱＣ４、ＱＣ５を求め、電流に関する性能データＡ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４、Ａ１５に、それぞれＦＣ３を乗じてＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３、ＡＣ４、ＡＣ５を求める。

近似は例えば、ニュートンの補完法や、ラグランジュの補完多項式より求められる。ニュートンの補間法を用いた場合、ＱＨカーブ（Ｈｉ（Ｑｉ））は、
Ｃ０ ＝ ＨＣ１
Ｃ１ ＝（ＨＣ２ − ＨＣ１）÷（ＱＣ２−ＱＣ１）
Ｃ２’ ＝（ＨＣ３ − ＨＣ１）÷（ＱＣ３−ＱＣ１）
Ｃ２ ＝（Ｃ２’ − ＨＣ２）÷（ＱＣ３−ＱＣ２）
Ｃ３’’ ＝（ＨＣ４ − ＨＣ１）÷（ＱＣ４−ＱＣ１）
Ｃ３’ ＝（Ｃ３’’− ＨＣ２）÷（ＱＣ４−ＱＣ２）
Ｃ３ ＝（Ｃ３’ − ＨＣ３）÷（ＱＣ４−ＱＣ３）
Ｃ４’’’＝（ＨＣ５ − ＨＣ１）÷（ＱＣ５−ＱＣ１）
Ｃ４’’ ＝（Ｃ４’’’−ＨＣ２）÷（ＱＣ５−ＱＣ２）
Ｃ４’ ＝（Ｃ４’’− ＨＣ３）÷（ＱＣ５−ＱＣ３）
Ｃ４ ＝（Ｃ４’ − ＨＣ４）÷（ＱＣ５−ＱＣ４）
とすると、
Ｈｉ（Ｑｉ）
＝Ｃ０
＋Ｃ１×（Ｑｉ−ＱＣ１）
＋Ｃ２×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）
＋Ｃ３×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）
＋Ｃ４×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＣ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）×（Ｑｉ−ＱＣ４）
・・・式１１
となる。

同様にＱＡカーブ（Ａｉ（Ｑｉ））は、
Ｃ５ ＝ ＡＣ１
Ｃ６ ＝（ＡＣ２ − ＡＣ１）÷（ＱＣ２−ＱＣ１）
Ｃ７’ ＝（ＡＣ３ − ＡＣ１）÷（ＱＣ３−ＱＣ１）
Ｃ７ ＝（Ｃ７’ − ＡＣ２）÷（ＱＣ３−ＱＣ２）
Ｃ８’’ ＝（ＡＣ４ − ＡＣ１）÷（ＱＣ４−ＱＣ１）
Ｃ８’ ＝（Ｃ８’’− ＡＣ２）÷（ＱＣ４−ＱＣ２）
Ｃ８ ＝（Ｃ８’ − ＡＣ３）÷（ＱＣ４−ＱＣ３）
Ｃ９’’’＝（ＡＣ５ − ＡＣ１）÷（ＱＣ５−ＱＣ１）
Ｃ９’’ ＝（Ｃ９’’’−ＡＣ２）÷（ＱＣ５−ＱＣ２）
Ｃ９’ ＝（Ｃ９’’− ＡＣ３）÷（ＱＣ５−ＱＣ３）
Ｃ９ ＝（Ｃ９’ − ＡＣ４）÷（ＱＣ５−ＱＣ４）
とすると、
Ａｉ（Ｑｉ）
＝Ｃ５
＋Ｃ６×（Ｑｉ−ＱＣ１）
＋Ｃ７×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）
＋Ｃ８×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）
＋Ｃ９×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＣ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）×（Ｑｉ−ＱＣ４）
・・・式１２
となる。

４次式の解法は困難である為、例えば代入法を用い、式１２より指令周波数ＦＣにおいて負荷電流値がＡＣである場合の流量ＱＣが求められ、また式１１より指令周波数ＦＣにおいて流量がＱＣである場合の吐出側圧力ＨＣを得られる。

このように算出した指令周波数でのポンプ性能データよりＱＨカーブ、ＱＡカーブを近似で求めることから、予め測定し、記憶するポンプ性能データは各周波数毎に５点ほどある事が望ましい。

周波数は前述の通り１つであっても構わないが、ＱＨカーブ、ＱＡカーブはポンプの相似則に完全に一致しないため、複数の運転周波数における性能データを保存し、その性能データの中から最も現在の運転周波数に近いデータを選択し、前述の性能データ換算処理を行うことで、ＱＨカーブ、ＱＡカーブをより正確に求め、結果として現在のポンプ運転状態を正確に把握することができる。

式１１、式１２よりＨＣを求め、これを使用者が指示する吐出側圧力に近づけるよう制御する。

１５０４ステップで現在の吐出圧ＨＣを確認する。吐出圧力ＨＣが予め設定した吐出側圧力に達しない場合には、１５０５ステップで指令周波数ＦＣに向けて加速する。１５０５ステップで加速した後、１５０７ステップで現在の運転周波数が指令周波数に達してしまっている（Ｙｅｓ）場合には、１５０８ステップで指令周波数を増やし、ステップ１５００に戻る。１５０７ステップで現在の運転周波数が指令周波数に達してしていない（Ｎｏ）場合には、１５００ステップに戻る。

吐出圧力ＨＣが予め設定した吐出側圧力に達した場合には、１５０６ステップでその瞬間の現在の出力周波数を指令周波数とし、１５００ステップに戻る。

１５０４ステップで吐出圧力ＨＣが予め設定した吐出側圧力を超過している場合には、１５０９ステップで指令周波数に向けて減速する。１５０９ステップで減速した後、１５１０ステップで現在の運転周波数が指令周波数に到達してしまっている（Ｙｅｓ）場合には、１５１１ステップで指令周波数を減らし、ステップ１５００に戻る。１５１０ステップで現在の運転周波数が指令周波数に到達していない（Ｎｏ）場合には、ステップ１５００に戻る。

高効率電動機の使用者が流量を設定した場合には式１２より流量を求め、同様に現在流量が設定流量に一致するように制御すれば良い。

本実施例によれば、ポンプ性能と設定圧力を基に回転数制御するので、製品仕様あるいは顧客所望性能を超過しないように制御することが容易にできる。

（実施例５）
本実施例５は、制御データとして予め記憶部に既設ポンプのポンプ性能データ（各周波数にて運転した場合の、流量に対する吐出側圧力と流量に対する負荷電流値）と高効率電動機を用いたポンプ装置のポンプ性能データを記憶させておくものである。

ポンプをある代表周波数１つ、或いは複数の周波数で運転した場合のポンプ性能データ（流量−吐出側圧力の曲線：ＱＨカーブと、流量−負荷電流値の曲線：ＱＡカーブ）を、予め測定しておき、測定した性能データを記憶部に記憶する。既設電動機ポンプにおけるポンプ運転時の吐出側圧力、流量、出力トルク、出力電流、出力周波数のいずれか２つ以上を設定することで高効率電動機の出力が既設電動機の出力と一致するよう実際に出力すべき周波数（出力周波数）を決定する。

図１１には本実施例５のブロック構成図が示されている。符号５１０は高効率電動機を示し、符号５２０で示すコントローラが接続されている。

コントローラ５２０は、既設電動機ポンプにおいて測定した、代表周波数１つ、或いは複数の周波数で運転した場合のポンプ性能データ（流量−吐出側圧力の曲線：ＱＨカーブと流量−負荷電流値の曲線：ＱＡカーブ）と、高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定した、代表周波数１つ、或いは複数の周波数で運転した場合のポンプ性能データ（流量−吐出側圧力の曲線：ＱＨカーブと流量−負荷電流値の曲線：ＱＡカーブ）を記憶する記憶部５２２を持つ。

また、コントローラ５２０は、吐出側圧力を検出する圧力検出部５２４と、前記圧力検出部５２４で検出された吐出側圧力と前記記憶部に記憶されたポンプ性能データより現在のポンプ装置の運転状態を把握し、さらに既設ポンプ装置の吐出側圧力と、高効率電動機の吐出側圧力が一致するよう最適な指令周波数を演算する演算部５２１を持つ。演算部５２１と記憶部５２２で制御部５２５が構成される。

式１１、式１２と既設ポンプ装置の運転状態、特に吐出側圧力を求め、図１３と同様の制御フローをもって吐出側圧力が同等となるように高効率電動機を制御する。圧力検出部の代わりに実施例４と同様に電流検出部を設けても良い。

本実施例によれば、ポンプ性能と設定圧力を基に回転数制御するので、製品仕様あるいは顧客所望性能を超過しないように制御することが容易にできる。

これらの実施態様は、高効率電動機として高効率な誘導電動機とコントローラの組み合わせを示したが、高効率電動機として永久磁石を用いた同期電動機とコントローラの組み合わせでもよく、さらに高効率電動機と既設電動機の取付寸法が一致する場合、既設品との置き換え作業性において利便性が増すのは自明である。さらにコントローラ部を含めた高効率電動機を用いたポンプ装置の外形寸法と、既設電動機のポンプ装置の外形寸法とが概ね一致する場合、より置き換え作業性において利便性が増すのは自明である。

１１０、２１０、４１０、５１０…高効率電動機、１２０、２２０、４２０、５２０…コントローラ、１２１、２２１、４２１、５２１…演算部、１２２、２２２、４２２、５２２…記憶部、１２３、２２３、４２３、５２３…電力変換部、１２４、２２５、４２５、５２５…制御部、１３０、２３０、４３０、５３０…ポンプ部、２２４…スイッチ、４２４…電流検出部、５２４…圧力検出部。

Claims (13)

1. ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、
   前記羽根車を回転駆動する電動機と、
   外部との入出力を行なうと共に、前記電動機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、
   既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換した際に、前記コントローラに、周波数に関する制御データを記憶した記憶部と、外部からの指令に基いて前記記憶部から対応する制御データを取得して前記高効率電動機に供給する周波数を算出する演算部を設け、前記算出された周波数の電力を前記電力変換部から前記高効率電動機に供給するように構成されたことを特徴とするポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置において、
   前記記憶部には、制御データとして前記既設電動機の周波数とこれに対応するすべり量が記憶され、
   前記演算部は、外部からの周波数指令に基いて前記記憶部から対応するすべり量を取得し、このすべり量に基いて前記高効率電動機に供給する周波数を算出することを特徴とするポンプ装置。
3. 請求項１または２に記載のポンプ装置において、
   前記記憶部は各々の負荷率および各々の周波数に対するすべりのデータを記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とするポンプ装置。
4. 請求項１または２に記載のポンプ装置において、
   前記記憶部は、ある周波数における負荷率に対するすべりのデータを記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とするポンプ装置。
5. 請求項１または２に記載のポンプ装置において、
   前記記憶部は、ある負荷率における周波数に対するすべりのデータを記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とするポンプ装置。
6. 請求項１または２に記載のポンプ装置において、
   前記記憶部は、周波数に対するすべりの割合のデータおよび負荷率に対するすべり割合を記憶し、前記演算部はすべりを考慮した周波数を電力変換装置より出力することを特徴とするポンプ装置。
7. ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、
   前記羽根車を回転駆動する電動機と、
   外部との入出力を行なうと共に、前記電動機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、
   既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換した際に、電動機の回転数に関する制御データを複数の値に切り替える外部スイッチを設け、前記コントローラに前記スイッチからの信号を処理する入力信号部と、前記外部スイッチで設定した制御データの回転数となるように周波数を演算する演算部を設け、前記演算された周波数の電力を前記電力変換部から前記高効率電動機に供給するように構成されたことを特徴とするポンプ装置。
8. 請求項７に記載のポンプ装置において、
   前記入力信号部は外部スイッチで切り替えられる回転数の割合を一時記憶し、前記演算部は切り替えられた回転数割合に基いて前記高効率電動機に供給する周波数を算出することを特徴とするポンプ装置。
9. 請求項７または８に記載のポンプ装置において、
   前記外部スイッチは、大・中・小の３段階に回転数を切り替えることを特徴とするポンプ装置。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載のポンプ装置において、
    前記外部スイッチは、前記回転電機の回転数を電力変換装置に入力される周波数より大きい周波数も含む複数の異なる値に切り替えることができることを特徴とするポンプ装置。
11. ポンプケーシング内に羽根車を有するポンプ部と、
    前記羽根車を回転駆動する電動機と、
    前記回転電機を周波数制御する電力変換部を有するコントローラをもつポンプ装置において、
    既設ポンプ装置の既設電動機を高効率電動機に交換した際に、前記コントローラに、前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、外部との入出力を行うと共に前記電力変換装置を介して前記高効率電動機の動作を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は前記高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定したポンプ性能データを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されたポンプ性能データと前記電流検出部で検出された出力電流値に基いて、高効率電動機の出力が既設電動機の出力とほぼ一致するように周波数を算出する演算部を有することを特徴とするポンプ装置。
12. 請求項１１に記載のポンプ装置において、
    前記記憶部は前記高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定したポンプ性能データと顧客所望の吐出側圧力とを記憶し、
    前記演算部は前記記憶部に記憶されたポンプ性能データと前記電流検出部で検出された出力電流値に基いてポンプの吐出側圧力を算出し、算出した吐出側圧力が顧客設定値と一致するように、前記電力変換装置より出力する周波数を変更することを特徴とするポンプ装置。
13. 請求項１１に記載のポンプ装置において、
    前記記憶部は前記高効率電動機を搭載したポンプにおいて測定したポンプ性能データと顧客所望の吐出流量とを記憶し、
    前記演算部は前記記憶部に記憶されたポンプ性能データと前記電流検出部で検出された出力電流値に基いてポンプの吐出流量を算出し、算出した吐出流量が顧客設定値と一致するように、前記電力変換装置より出力する周波数を変更することを特徴とするポンプ装置。

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