JP2019032026A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】１つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に、電源系統に必要な電流容量と各電動アクチュエータの総計の充電時間を最適化する。【解決手段】電動アクチュエータ１００は、電気エネルギーを蓄える蓄電部２と、外部から電源が供給される通電時に蓄電部２を充電する充電部３と、アクチュエータ全体を制御する制御部８とを備える。制御部８は、通電時に開度目標値に応じてバルブ２００の開度を制御し、停電時に蓄電部２に蓄積されているエネルギーを用いてバルブ２００を所望の開度位置まで動作させる。また、制御部８は、電源の投入時から、予め規定された充電の優先度に応じて決まる充電待機時間が経過した後に充電部３による蓄電部２の充電を開始させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電部に蓄えられている電気エネルギーによって停電時にモータを強制的に駆動しバルブを所定の開度位置までリターン動作させる電動アクチュエータに関するものである。

現在、停電時においてバルブを強制的に全閉方向へ動作させるためにスプリングを利用したスプリングリターン型のアクチュエータがある。スプリングリターン型のアクチュエータは、（I）バルブを駆動する負荷トルクに加えてスプリングを巻き上げるためのトルクを必要とし、大きなトルクを発生するモータが必要となり消費電力が大きくなる、（II）停電時の目標位置は全閉位置のみであり全開あるいは任意の位置に設定できない、（III）停電時の動作を制御するためのクラッチやブレーキなどの機構を必要とする、等の問題点を有している。

これらの問題点を解決できる手段として、電気２重層コンデンサなどの蓄電部に蓄えられている電気エネルギーによって停電時にモータを強制的に駆動しバルブを所定の開度位置までリターン動作させる電動アクチュエータが提案されている（特許文献１参照）。
このような電動アクチュエータによれば、モータの回転力を利用してスプリングを巻き上げる必要がなくなる。しかしながら、図１３に示すように、１つの電源系統３０１に複数の電動アクチュエータ３００−１〜３００−Ｎが接続されている場合、充電時間を短縮するために、電源投入時に各電動アクチュエータ３００−１〜３００−Ｎの蓄電部を一斉に充電しようとすると、図１４に示すように各電動アクチュエータ３００−１〜３００−Ｎに比較的大きな充電電流が流れることになり、配電盤３０２に大きな電流容量のブレーカーが必要になる、という問題点があった。

また、電源投入後に各電動アクチュエータ３００−１〜３００−Ｎの蓄電部を順番に充電しようとすると、充電時間が比較的長いため、図１５から明らかなように全ての電動アクチュエータ３００−１〜３００−Ｎの蓄電部を充電し終えるまでに長い充電時間が必要になる、という問題点があった。

特許第５７９３４００号明細書

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、１つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に、電源系統に必要な電流容量と各電動アクチュエータの総計の充電時間とを最適化することを目的とする。

本発明の電動アクチュエータは、外部から電源が供給される通電時に開度目標値に応じてバルブの開度を制御するように構成された開度制御部と、電気エネルギーを蓄えるように構成された蓄電部と、前記通電時に前記蓄電部を充電するように構成された充電部と、前記電源が遮断された停電時に前記蓄電部に蓄積されているエネルギーを用いて前記バルブを所望の開度位置まで動作させるように構成されたリターン制御部と、前記電源の投入時から、予め規定された充電の優先度に応じて決まる充電待機時間が経過した後に前記充電部による前記蓄電部の充電を開始させるように構成された充電制御部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の電動アクチュエータの１構成例は、前記優先度に対応する充電番号と前記蓄電部の充電に要する充電時間とを予め記憶する記憶部をさらに備え、前記充電制御部は、前記充電番号と前記充電時間とに基づいて前記充電待機時間を算出し、前記電源の投入時から前記充電待機時間が経過した後に前記充電部による前記蓄電部の充電を開始させることを特徴とするものである。

また、本発明の電動アクチュエータの１構成例は、１つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に電源系統から各電動アクチュエータへ流れる総計の電流が、許容される最大電流容量値以下で、かつ前記優先度が高い電動アクチュエータほど先に充電されるように、各電動アクチュエータが分類され、分類されたグループに対応する前記充電番号が前記記憶部に予め設定されていることを特徴とするものである。
また、本発明の電動アクチュエータの１構成例は、１つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に各電動アクチュエータの充電に要する総計の時間が、許容される最大充電時間以下で、かつ前記優先度が高い電動アクチュエータほど先に充電されるように、各電動アクチュエータが分類され、分類されたグループに対応する前記充電番号が前記記憶部に予め設定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、電源の投入時から、予め規定された充電の優先度に応じて決まる充電待機時間が経過した後に充電部による蓄電部の充電を開始させるようにしたので、１つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に、電源系統および配電盤に必要な電流容量と各電動アクチュエータの総計の充電時間とを最適化することができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータの制御部の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータの電源投入時の動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の第１の実施例に係る制御部の容量演算部の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータの通常時の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータが１つの電源系統に複数接続されているシステムの構成を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータが１つの電源系統に複数接続されている場合に電源系統に充電電流が流れる様子を説明する図である。 図８は、定電流充電方法を説明する図である。 図９は、ＲＣ直列回路による充電方法を説明する図である。 図１０は、グループ毎に電動アクチュエータの蓄電部の充電を行うときの最大充電時間を説明する図である。 図１１は、本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータの停電時の動作を説明するフローチャートである。 図１２は、本発明の第２の実施例に係る電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。 図１３は、１つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されているシステムの構成を示す図である。 図１４は、複数の電動アクチュエータの蓄電部を同時に充電する場合に電源系統に充電電流が一斉に流れる様子を説明する図である。 図１５は、複数の電動アクチュエータの蓄電部を順番に充電する場合に電源系統に充電電流が順番に流れる様子を説明する図である。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。電動アクチュエータ１００は、ボール弁やバタフライ弁等のバルブ２００に取り付けられ、電動調節弁として一体化される。また、電動アクチュエータ１００は、図示しないコントローラとの間で、情報の授受を行う。

電動アクチュエータ１００は、図示しない外部電源から供給される電源電圧からメイン電源電圧を生成するメイン電源部１と、電気エネルギーを蓄える電気２重層コンデンサからなる蓄電部２と、外部から電源が供給される通電時に蓄電部２を充電する充電部３と、蓄電部２の電圧を昇圧する昇圧部４と、外部からの電源の遮断を検出する停電検出部５と、メイン電源部１からのメイン電源電圧と昇圧部４からの昇圧電源電圧のうちどちらかを選択して出力するメイン電源切替部６と、コントローラからの開度目標信号を処理して制御部８へ開度目標値を出力する開度目標処理部７と、電動アクチュエータ全体を制御する制御部８と、制御系電源電圧を生成する制御電源部９と、駆動電圧に応じて動作するモータ１０と、制御部８からの制御信号に応じてモータ１０へ駆動電圧を出力するモータ駆動部１１と、モータ１０の出力を減速させてバルブ２００を操作する減速機１２と、バルブ２００の開度を測定する位置センサ１３とを備えている。モータ１０とモータ駆動部１１と減速機１２とは、駆動部１６を構成している。

図２は制御部８の構成を示すブロック図である。制御部８は、電源投入時から充電待機時間が経過した後に充電部３による蓄電部２の充電を開始させる充電制御部８０と、外部から電源が供給される通電時に開度目標値に応じてバルブ２００の開度を制御する開度制御部８１と、停電時に昇圧部４に対して昇圧イネーブル信号を出力する昇圧制御部８２と、停電時に蓄電部２に蓄積されているエネルギーを用いてバルブ２００を所望の開度位置まで動作させるリターン制御部８３と、情報記憶のための記憶部８４と、蓄電部２の容量を演算する容量演算部８５と、蓄電部２に蓄積されているエネルギーの値を演算する充電エネルギー演算部８６と、電源の投入時に開度目標値が示す位置から所望の開度位置までバルブ２００を動作させるのに必要なエネルギーの値を演算する必要エネルギー演算部８７とから構成される。

以下、本実施例の電動アクチュエータ１００の動作を説明する。図３は電源投入時の電動アクチュエータ１００の動作を説明するフローチャートである。
メイン電源部１は、図示しない外部電源から電源電圧が供給されると、この電源電圧から所定のメイン電源電圧を生成する（図３ステップＳ１００）。なお、外部電源から供給される電源電圧は交流でも直流でもよい。外部電源から供給される電源電圧が交流の場合には、メイン電源部１の内部で整流・平滑し、さらに降圧して所望のメイン電源電圧を生成すればよい。停電検出部５は、メイン電源部１からメイン電源電圧が供給されているため、停電検出信号は出力しない。

メイン電源切替部６は、停電検出部５からの停電検出信号の入力がないため、メイン電源部１からのメイン電源電圧を選択して出力する。これにより、メイン電源電圧がメイン電源切替部６を介して制御電源部９とモータ駆動部１１とに供給される。制御電源部９は、メイン電源電圧から所定の制御系電源電圧を生成する。制御電源部９から制御系電源電圧が供給されることにより、制御部８が起動する。

制御部８は、後述する動作のためのプログラムを記憶部８４から読み出すと共に、自装置と同一の電源系統に接続された複数の電動アクチュエータ内における自装置の優先度に対応する充電番号ＣＮと、蓄電部２の充電に要する標準的な時間を表す標準充電時間ＣＴ（一般的には蓄電部２の充電に要する最長の時間）とを読み出す初期設定処理を行う（図３ステップＳ１０１）。

制御部８の充電制御部８０は、記憶部８４から読み出した充電番号ＣＮと標準充電時間ＣＴとから充電待機時間ＣＷＴを次式のように算出する（図３ステップＳ１０２）。
ＣＷＴ＝ＣＮ×ＣＴ ・・・（１）

そして、充電制御部８０は、充電待機時間ＣＷＴが経過するまで待つ。充電制御部８０は、電源投入時（起動時）から充電待機時間ＣＷＴが経過すると（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、充電部３へ充電イネーブル信号を出力する（図３ステップＳ１０４）。この充電イネーブル信号の出力に応じて、充電部３は、メイン電源部１からのメイン電源電圧を入力とし、蓄電部２へ充電電流を出力して蓄電部２の充電を開始する。

また、制御部８が起動すると、制御部８の開度制御部８１は、開度目標処理部７からバルブ２００の開度目標値θ_ref（°）を取得する。開度目標処理部７は、メイン電源部１からメイン電源電圧の供給を受けて動作し、図示しないコントローラから開度目標信号を受信して、この開度目標信号が示す開度目標値θ_ref（°）を制御部８へ出力する。

次に、制御部８の容量演算部８５は、蓄電部２の容量を演算する（図３ステップＳ１０５）。本実施例では、蓄電部２として電気２重層コンデンサを用いているので、蓄電部２の容量値は、電気２重層コンデンサの静電容量値ＣＣ（Ｆ）である。容量演算部８５の動作を図４を用いて説明する。

まず、容量演算部８５は、充電開始から時間Ｔ１（ｓ）経過後の蓄電部２の蓄電電圧（電気２重層コンデンサの端子間電圧）ＣＶ１（Ｖ）を測定する（図４ステップＳ２００）。続いて、容量演算部８５は、充電開始から時間Ｔ２（ｓ）経過後の蓄電部２の蓄電電圧ＣＶ２（Ｖ）を測定する（図４ステップＳ２０１）。Ｔ２＞Ｔ１であることは言うまでもない。

そして、容量演算部８５は、測定した蓄電電圧ＣＶ１，ＣＶ２（Ｖ）を基に蓄電部２の容量値（電気２重層コンデンサの静電容量値）ＣＣ（Ｆ）を演算する。ここで、容量演算部８５は、充電部３による蓄電部２の充電方法が定電流充電方法の場合（図４ステップＳ２０２においてＹＥＳ）、以下の式（２）により容量値ＣＣ（Ｆ）を演算する（図４ステップＳ２０３）。

容量演算部８５は、定電流Ｉにより蓄電部２を充電する方法（定電流充電方法）の場合（ステップＳ２０２においてＹＥＳ）、式（２）により容量値ＣＣ（Ｆ）を演算する（図４ステップＳ２０３）。また、容量演算部８５は、充電部３の抵抗と蓄電部２の電気２重層コンデンサとからなるＲＣ直列回路により蓄電部２を充電する方法（充電電流が時間と共に変化する方法）の場合（ステップＳ２０２においてＮＯ）、以下の式（３）により容量値ＣＣ（Ｆ）を演算する（図４ステップＳ２０４）。

式（３）においてＲ（Ω）は充電部３の抵抗の抵抗値、Ｅは充電部３がＲＣ直列回路に印加する充電電源電圧値である。式（３）のｆ（ＣＣ）は、０＜ＣＣ＜ＣＣｍａｘに必ず、解をもつので、二分法やニュートン法などの数値解析で解を求めることにより、容量値ＣＣ（Ｆ）を演算することができる（ＣＣｍａｘ（Ｆ）は初期静電容量範囲の最大値）。以上で、容量演算部８５の処理が終了する。

次に、制御部８の充電エネルギー演算部８６は、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）を演算する。具体的には、充電エネルギー演算部８６は、蓄電部２の蓄電電圧ＣＶ（Ｖ）を測定する（図３ステップＳ１０６）。そして、充電エネルギー演算部８６は、容量演算部８５によって演算された蓄電部２の容量値ＣＣ（Ｆ）と測定した蓄電電圧ＣＶ（Ｖ）とを基に式（４）によりエネルギーＣＰ（Ｊ）を演算する（図３ステップＳ１０７）。

制御部８の必要エネルギー演算部８７は、現在の開度目標位置から所望の開度位置（本実施例では全閉位置）までバルブ２００をリターン動作させるのに必要なエネルギーである開度目標充電エネルギーＣＰｒｅｆ（Ｊ）を式（５）により演算する（図３ステップＳ１０８）。

式（５）において、ＭＴ（Ｎ．ｍ）はバルブ２００の既知の弁軸の負荷トルク値、Ｎ（ｒｐｍ）は減速機１２によって駆動されるバルブ２００の弁軸の既知の回転数、ＣＴＰ（Ｗ）は制御部８が消費する既知の電力値（停電時に動作するリターン制御部８６と昇圧制御部８５の消費電力値）、θ_open（°）はバルブ２００の全開開度値、Ｔ_open（ｓ）はバルブ２００が全閉位置から全開位置まで達するのに必要な既知の時間である全開動作時間値、η_mc（％）は減速機１２の既知の機械効率、η_mt（％）はモータ１０の既知の効率、η_ps（％）は昇圧部４の既知の効率である。トルクＭＴ（Ｎ．ｍ）と回転数Ｎ（ｒｐｍ）と全開動作時間Ｔ_open（ｓ）と減速機１２の機械効率η_mc（％）とモータ１０の効率η_mt（％）とは、駆動部１６の性能を表している。

制御部８の充電制御部８０は、ＣＰ＜ＣＰｒｅｆ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が開度目標充電エネルギーＣＰｒｅｆ（Ｊ）に達していない場合（図３ステップＳ１０９においてＮＯ）、バルブ２００のリターン動作に必要な充電が不十分と判断して、充電イネーブル信号の出力を継続し、充電部３による蓄電部２の充電を継続させる（図３ステップＳ１１０）。
こうして、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が開度目標充電エネルギーＣＰｒｅｆ（Ｊ）に達するまでステップＳ１０６〜Ｓ１１０の処理が繰り返し実行される。

制御部８の開度制御部８１は、ＣＰ≧ＣＰｒｅｆ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が開度目標充電エネルギーＣＰｒｅｆ（Ｊ）以上になると（ステップＳ１０９においてＹＥＳ）、開度目標値θ_refと位置センサ１３によって測定されたバルブ２００の開度の実測値（実開度）とを比較し、開度目標値θ_refと実開度とが一致するように、モータ駆動部１１へモータ制御信号を出力する。モータ駆動部１１は、モータ制御信号に応じてモータ１０へ駆動電圧を出力する。これにより、モータ１０が駆動され、このモータ１０の駆動力が減速機１２を介してバルブ２００の弁軸に伝わり、この弁軸に軸着された弁体を操作することによりバルブ２００の開度が調整される。こうして、バルブ２００の開度をθ_ref（°）にする（図３ステップＳ１１１）。位置センサ１３は、減速機１２を介してバルブ２００の弁軸の変位量を検出し、バルブ開度の実測値（実開度）を制御部８へ送る。

次に、制御部８の充電制御部８０は、ＣＰ＜ＣＰｈｉｇｈ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が所定の充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）に達していない場合（図３ステップＳ１１２においてＮＯ）、ステップＳ１０６に戻る。
こうして、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）に達するまでステップＳ１０６〜Ｓ１１２の処理が繰り返し実行される。

充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）は、全開位置から所望の開度位置（本実施例では全閉位置）までバルブ２００をリターン動作させるのに必要なエネルギーである全開リターン充電電力に、蓄電部２の自己放電するエネルギーの分を加えた値である。実用上は全開リターン充電電力の数十％増しの値に設定すればよい。

充電制御部８０は、ＣＰ≧ＣＰｈｉｇｈ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）以上になると（ステップＳ１１２においてＹＥＳ）、充電イネーブル信号の出力を停止し、充電部３による蓄電部２の充電を停止させる（図３ステップＳ１１３）。
以上で、電源投入時の制御部８の動作が終了し、以降は通常動作に移行する。

図５は通常時の電動アクチュエータ１００の動作を説明するフローチャートである。バルブ２００の開度をθ_ref（°）にする処理（図５ステップＳ３００）は、ステップＳ１１１で説明したとおりである。なお、コントローラは、必要に応じて開度目標値θ_ref（°）を適宜変更することは言うまでもない。

次に、制御部８の充電エネルギー演算部８６は、蓄電部２の蓄電電圧ＣＶ（Ｖ）を測定する（図５ステップＳ３０１）。そして、充電エネルギー演算部８６は、ステップＳ１０５において容量演算部８５によって演算された蓄電部２の容量値ＣＣ（Ｆ）とステップＳ３０１で測定した蓄電電圧ＣＶ（Ｖ）とを基に式（４）により、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）を演算する（図５ステップＳ３０２）。

制御部８の充電制御部８０は、ＣＰ≦ＣＰｌｏｗ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が所定の充電エネルギー下限値ＣＰｌｏｗ（Ｊ）以下の場合（図５ステップＳ３０３においてＹＥＳ）、充電部３へ充電イネーブル信号を出力し、充電部３による蓄電部２の充電を開始させる（図５ステップＳ３０４）。
こうして、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー下限値ＣＰｌｏｗ（Ｊ）を上回るまでステップＳ３００〜Ｓ３０４の処理が繰り返し実行される。

充電エネルギー下限値ＣＰｌｏｗ（Ｊ）は、全開位置から所望の開度位置（本実施例では全閉位置）までバルブ２００をリターン動作させるのに必要なエネルギーである全開リターン充電電力である。

充電制御部８０は、ＣＰ＞ＣＰｌｏｗ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー下限値ＣＰｌｏｗ（Ｊ）を上回ると（ステップＳ３０３においてＮＯ）、エネルギーＣＰ（Ｊ）が所定の充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）以上かどうかを判定する（図５ステップＳ３０５）。

充電制御部８０は、ＣＰ＜ＣＰｈｉｇｈ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）に達していない場合（ステップＳ３０５においてＮＯ）、充電イネーブル信号の出力を継続し、充電部３による蓄電部２の充電を継続させる（図５ステップＳ３０６）。
こうして、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）に達するまでステップＳ３００〜Ｓ３０６の処理が繰り返し実行される。

充電制御部８０は、ＣＰ≧ＣＰｈｉｇｈ、すなわち蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）以上になると（ステップＳ３０５においてＹＥＳ）、充電イネーブル信号の出力を停止し、充電部３による蓄電部２の充電を停止させ（図５ステップＳ３０７）、ステップＳ３００に戻る。以上の図５の処理が電源が遮断されるまで継続される。

次に、本実施例の充電番号ＣＮの設定方法について説明する。本実施例では、図６に示すように１つの電源系統１０１に複数の電動アクチュエータ１００−１〜１００−Ｎが接続されている場合に、電流容量と充電時間を最適化するために、各電動アクチュエータ１００−１〜１００−Ｎを複数のグループに分類して、グループ毎に異なる充電番号ＣＮを各電動アクチュエータ１００−１〜１００−Ｎに対して設定する。したがって、本実施例では、図７に示すようにグループ＃１，＃２，・・・，＃ｎ毎に蓄電部２の充電が行われる。

まず、電源系統１０１の電流容量値を重視する設計を行う場合には、電源系統１０１の許容される最大電流容量値ＬＭＩ（Ａ）と電動アクチュエータ１００の蓄電部２を充電する際に電源系統１０１から電動アクチュエータ１００に流れる電流の値ＣＩ（Ａ）とから、１つのグループに含まれる電動アクチュエータ１００の最大数ＧＣＮを次式のように計算する。
ＧＣＮ＝ＬＭＩ／ＣＩ ・・・（６）

なお、正確には式（６）の計算結果の小数点以下を切り捨てた整数値が、求める最大数ＧＣＮである。ここで、充電部３による蓄電部２の充電方法には、定電流充電方法と、充電部３の抵抗と蓄電部２の電気２重層コンデンサとからなるＲＣ直列回路により蓄電部２を充電する方法（充電電流が時間と共に変化する方法）とがある。

定電流充電方法の場合には、図８（Ａ）に示すように１００−ＧＣ１〜１００−ＧＣＮのＧＣＮ個の電動アクチュエータ１００のそれぞれに電源系統１０１から一定の電流ＣＩが流れるので、総計としてＬＭＩの電流が流れる（図８（Ｂ））。言い換えると、電源系統１０１からＧＣＮ個の電動アクチュエータ１００−ＧＣ１〜１００−ＧＣＮへ流れる総計の電流がＬＭＩ以下になるように、ＧＣＮを決定すればよい。

一方、ＲＣ直列回路による充電方法の場合には、図９（Ａ）に示すように１００−ＧＣ１〜１００−ＧＣＮのＧＣＮ個の電動アクチュエータ１００のそれぞれに最大でＣＩの電流が流れる。したがって、電源系統１０１からＧＣＮ個の電動アクチュエータ１００−ＧＣ１〜１００−ＧＣＮへ流れる総計の電流の最大値がＬＭＩ以下になるように、ＧＣＮを決定すればよい。

続いて、１つの電源系統１０１に接続されている電動アクチュエータ１００の台数Ｎと式（６）で計算したＧＣＮとに基づいてグループ数ＧＮを次式のように計算する。
ＧＮ＝Ｎ／ＧＣＮ ・・・（７）

なお、正確には式（７）の計算結果の小数点以下を切り上げた整数値が、求めるグループ数ＧＮである。台数Ｎの電動アクチュエータ１００の蓄電部２の充電に要する電源系統最大充電時間ＬＭＣＴは次式のようになる。
ＬＭＣＴ＝ＧＮ×ＣＴ ・・・（８）

式（８）は、図１０に示すようにグループ＃１〜＃ＧＮ毎に電動アクチュエータ１００の蓄電部２の充電を行うときの総計の充電時間がＬＭＣＴであることを示している。
こうして、設計者は、電源系統１０１から各電動アクチュエータ１００へ流れる総計の電流が、許容される最大電流容量値ＬＭＩ以下（１つのグループに含まれる電動アクチュエータ１００の台数が式（６）で計算されたＧＣＮ以下）で、かつ優先度が高い電動アクチュエータ１００ほど先に充電されるように、台数Ｎの電動アクチュエータ１００の各々をグループ＃１〜＃ＧＮのいずれかに分類し、分類したグループ＃１〜＃ＧＮに対応する充電番号ＣＮを各電動アクチュエータ１００−１〜１００−Ｎに対して予め設定しておけばよい。

次に、電源系統最大充電時間ＬＭＣＴを重視する設計方法について説明する。まず、許容される電源系統最大充電時間ＬＭＣＴと標準充電時間ＣＴとから、１つのグループに含まれる電動アクチュエータ１００の最大数ＧＣＮを次式のように計算する。
ＧＣＮ＝ＬＭＣＴ／ＣＴ ・・・（９）

すなわち、台数Ｎの電動アクチュエータ１００の蓄電部２の充電に要する総計の時間がＬＭＣＴ以下になるように、最大数ＧＣＮを決定すればよい。なお、式（６）の場合と同様に、式（９）の計算結果の小数点以下を切り捨てた整数値が、求める最大数ＧＣＮである。

続いて、１つの電源系統１０１に接続されている電動アクチュエータ１００の台数Ｎと式（９）で計算したＧＣＮとに基づいてグループ数ＧＮを式（７）により計算する。上記で説明したとおり、式（７）の計算結果の小数点以下を切り上げた整数値が、求めるグループ数ＧＮである。電源系統１０１の最大電流容量値ＬＭＩ（Ａ）は次式のようになる。
ＬＭＩ＝ＧＣＮ×ＣＩ ・・・（１０）

上記で説明したとおり、定電流充電方法の場合には、充電中のグループの各電動アクチュエータ１００のそれぞれに電源系統１０１から一定の電流ＣＩ（Ａ）が流れ、ＲＣ直列回路による充電方法の場合には、各電動アクチュエータ１００のそれぞれに最大でＣＩ（Ａ）の電流が流れる。

こうして、設計者は、各電動アクチュエータ１００の充電に要する総計の時間が、許容される電源系統最大充電時間ＬＭＣＴ以下（１つのグループに含まれる電動アクチュエータ１００の台数が式（９）で計算されたＧＣＮ以下）で、かつ優先度が高い電動アクチュエータ１００ほど先に充電されるように、台数Ｎの電動アクチュエータ１００の各々をグループ＃１〜＃ＧＮのいずれかに分類し、分類したグループ＃１〜＃ＧＮに対応する充電番号ＣＮを各電動アクチュエータ１００−１〜１００−Ｎに対して予め設定しておけばよい。

以上により、電流容量と充電時間を最適化する設計を行うことができ、この設計の結果に基づく充電番号ＣＮを各電動アクチュエータ１００に設定することができる。
なお、上記の優先度は、例えば電動アクチュエータ１００が設置される施設側の要求による決定される。

次に、停電時の動作について説明する。図１１は停電時の電動アクチュエータ１００の動作を説明するフローチャートである。
何らかの理由により外部電源（図６の配電盤１０２）からメイン電源部１への電源電圧供給が停止すると（図１１ステップＳ４００においてＹＥＳ）、メイン電源部１がメイン電源電圧を生成できなくなるため、停電検出部５は停電検出信号を出力する（図１１ステップＳ４０１）。

制御部８の昇圧制御部８２は、停電検出部５から停電検出信号が出力されると、直ちに昇圧部４に対して昇圧イネーブル信号を出力する（図１１ステップＳ４０２）。
この昇圧イネーブル信号の出力に応じて、昇圧部４は、蓄電部２の蓄電電圧（電気２重層コンデンサの端子間電圧）をメイン電源電圧と同等の値まで昇圧する（図１１ステップＳ４０３）。

メイン電源切替部６は、停電検出部５から停電検出信号が出力されると、昇圧部４からの昇圧電源電圧を選択して出力する（図１１ステップＳ４０４）。これにより、昇圧電源電圧がメイン電源切替部６を介して制御電源部９とモータ駆動部１１とに供給される。制御電源部９は、昇圧電源電圧を降圧して所定の制御系電源電圧を生成する。

次に、制御部８のリターン制御部８３は、所望の開度位置（本実施例では全閉位置）と位置センサ１３によって測定されたバルブ２００の実開度とが一致するように、モータ駆動部１１へモータ制御信号を出力する。モータ駆動部１１は、モータ制御信号に応じてモータ１０へ駆動電圧を出力する。これにより、モータ１０が駆動され、バルブ２００の開度が調整される。こうして、バルブ２００を所望の開度位置までリターン動作させることができる（図１１ステップＳ４０５）。

以上のように本実施例では、電源投入時から充電待機時間ＣＷＴが経過した後に充電部３による蓄電部２の充電を開始させるようにしたので、１つの電源系統１０１に複数の電動アクチュエータ１００が接続されている場合に、電源系統１０１および配電盤１０２に必要な電流容量と各電動アクチュエータ１００の総計の充電時間とを最適化することができる。

また、本実施例では、スプリングリターン型のアクチュエータと比較して、（I）スプリングを巻き上げるためのトルクを必要としない、（II）停電時のバルブの目標位置を全閉、全開あるいは任意の位置に設定することができる、（III）停電時の動作を制御するためのクラッチやブレーキなどの機構を必要としない、という利点がある。

本実施例により、電源系統１０１および配電盤１０２の電流容量を抑えることができるので、スプリングリターン型のアクチュエータを、種々の利点をもつ本実施例の電動アクチュエータに置き換えが可能であり、運用時の消費電力削減およびリターン時の制御に必要な機構の削減などにより環境負荷低減に貢献できる。さらに、スプリングリターン型のアクチュエータを採用している一般産業機器まで本実施例を拡大して適用できる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図１２は本発明の第２の実施例に係る電動アクチュエータの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の電動アクチュエータ１００ａは、メイン電源部１ａと、蓄電部２と、充電部３ａと、昇圧部４と、停電検出部５ａと、メイン電源切替部６と、開度目標処理部７と、制御部８と、制御電源部９と、モータ１０と、モータ駆動部１１と、減速機１２と、位置センサ１３と、外部電源（図６の配電盤１０２）から供給される電源電圧を整流する整流部１４と、整流部１４によって整流された直流電圧を平滑化する平滑部１５とを備えている。

第１の実施例は、外部電源から供給される電源電圧が例えばＡＣ８５Ｖ〜ＡＣ２６４Ｖという高電圧の場合に対応する例である。これに対して、本実施例は、外部電源から供給される電源電圧が例えばＡＣ２４Ｖという低電圧に対応する例である。
整流部１４は、外部電源からの交流電源電圧を整流する。平滑部１５は、整流部１４によって整流された脈流の直流電圧を平滑化する。

本実施例のメイン電源部１ａは、第１の実施例のメイン電源部１と同様にメイン電源電圧を生成するが、平滑部１５から出力される直流電源電圧を入力とする点が異なる。
充電部３ａは、第１の実施例の充電部３と同様に制御部８からの充電イネーブル信号に応じて蓄電部２の充電を行うが、平滑部１５から出力される直流電源電圧を入力とする点が異なる。

停電検出部５ａは、第１の実施例の停電検出部５と同様に電源の遮断を検出するが、平滑部１５から出力される直流電源電圧を入力とする点が異なる。
その他の構成は第１の実施例で説明したとおりである。

こうして、低電圧の外部電源に接続される電動アクチュエータにおいても第１の実施例と同様の効果を得ることができる。上記の例では、外部電源から供給される電源電圧が交流の場合で説明しているが、外部電源から供給される電源電圧が直流でもよいことは言うまでもない。

第１、第２の実施例では、各電動アクチュエータ１００，１００ａにおいて制御部８に容量演算部８５と充電エネルギー演算部８６とを設け、蓄電部２に蓄積されているエネルギーＣＰ（Ｊ）が充電エネルギー上限値ＣＰｈｉｇｈ（Ｊ）以上になったと判断した時点で、充電制御部８０が充電を停止させるようにしているが、充電開始から標準充電時間ＣＴが経過した時点で充電を停止させるようにしてもよく、第１、第２の実施例に限るものではない。

また、第１、第２の実施例では、蓄電部２における蓄電素子として電気２重層コンデンサを用いているが、これに限るものではなく、例えばリチウムイオンキャパシタなどの、蓄電できる素子であれば適用可能である。
また、第１、第２の実施例では、充電部３による蓄電部２の充電方法として、定電流充電方法とＲＣ直列回路による充電方法とを説明したが、ＣＩとＣＴが算出できる方法であれば、これら以外の充電方法であってもよい。
また、第１、第２の実施例では、充電番号ＣＮを記憶部８４で記憶しているが、充電番号ＣＮをディップスイッチで設定するようにしてもよい。この場合は、制御部８がディップスイッチの設定を読み取ることにより、充電番号ＣＮを取得すればよい。

第１、第２の実施例の制御部８は、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、電動アクチュエータの蓄電部を充電する技術に適用することができる。

１，１ａ…メイン電源部、２…蓄電部、３，３ａ…充電部、４…昇圧部、５，５ａ…停電検出部、６…メイン電源切替部、７…開度目標処理部、８…制御部、９…制御電源部、１０…モータ、１１…モータ駆動部、１２…減速機、１３…位置センサ、１４…整流部、１５…平滑部、１６…駆動部、８０…充電制御部、８１…開度制御部、８２…昇圧制御部、８３…リターン制御部、８４…記憶部、８５…容量演算部、８６…充電エネルギー演算部、８７…必要エネルギー演算部、１００，１００ａ…電動アクチュエータ、２００…バルブ、１０１…電源系統、１０２…配電盤。

式（５）において、ＭＴ（Ｎ．ｍ）はバルブ２００の既知の弁軸の負荷トルク値、Ｎ（ｒｐｍ）は減速機１２によって駆動されるバルブ２００の弁軸の既知の回転数、ＣＴＰ（Ｗ）は制御部８が消費する既知の電力値（停電時に動作するリターン制御部８３と昇圧制御部８２の消費電力値）、θ_open（°）はバルブ２００の全開開度値、Ｔ_open（ｓ）はバルブ２００が全閉位置から全開位置まで達するのに必要な既知の時間である全開動作時間値、η_mc（％）は減速機１２の既知の機械効率、η_mt（％）はモータ１０の既知の効率、η_ps（％）は昇圧部４の既知の効率である。トルクＭＴ（Ｎ．ｍ）と回転数Ｎ（ｒｐｍ）と全開動作時間Ｔ_open（ｓ）と減速機１２の機械効率η_mc（％）とモータ１０の効率η_mt（％）とは、駆動部１６の性能を表している。

Claims (4)

1. 外部から電源が供給される通電時に開度目標値に応じてバルブの開度を制御するように構成された開度制御部と、
   電気エネルギーを蓄えるように構成された蓄電部と、
   前記通電時に前記蓄電部を充電するように構成された充電部と、
   前記電源が遮断された停電時に前記蓄電部に蓄積されているエネルギーを用いて前記バルブを所望の開度位置まで動作させるように構成されたリターン制御部と、
   前記電源の投入時から、予め規定された充電の優先度に応じて決まる充電待機時間が経過した後に前記充電部による前記蓄電部の充電を開始させるように構成された充電制御部とを備えることを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 請求項１記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記優先度に対応する充電番号と前記蓄電部の充電に要する充電時間とを予め記憶する記憶部をさらに備え、
   前記充電制御部は、前記充電番号と前記充電時間とに基づいて前記充電待機時間を算出し、前記電源の投入時から前記充電待機時間が経過した後に前記充電部による前記蓄電部の充電を開始させることを特徴とする電動アクチュエータ。
3. 請求項２記載の電動アクチュエータにおいて、
   １つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に電源系統から各電動アクチュエータへ流れる総計の電流が、許容される最大電流容量値以下で、かつ前記優先度が高い電動アクチュエータほど先に充電されるように、各電動アクチュエータが分類され、分類されたグループに対応する前記充電番号が前記記憶部に予め設定されていることを特徴とする電動アクチュエータ。
4. 請求項２記載の電動アクチュエータにおいて、
   １つの電源系統に複数の電動アクチュエータが接続されている場合に各電動アクチュエータの充電に要する総計の時間が、許容される最大充電時間以下で、かつ前記優先度が高い電動アクチュエータほど先に充電されるように、各電動アクチュエータが分類され、分類されたグループに対応する前記充電番号が前記記憶部に予め設定されていることを特徴とする電動アクチュエータ。