JP2020110026A - ポンプ用のインバータ装置及びポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停電やポンプの異常等の事象が発生した場合にも、ポンプを徐々に減速させ停止させる。【解決手段】インバータ装置は、商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路からの直流電圧を平滑化するコンデンサと、コンデンサによって平滑化された直流電圧から交流電圧を生成するインバータ回路と、通常時にはコンデンサによって充電され、商用電源の使用不能時にはインバータ回路へ電力を供給する直流電源と、コンバータ回路への入力電圧を検知する電圧センサと、を備え、電圧センサによって商用電源が使用不能であることが検知されると、インバータ回路は、直流電源からの電力を用いて交流電圧を生成して当該交流電圧を前記モータへ供給し、制御回路は、モータの回転数が徐々に低下するようにインバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ用のインバータ装置及びポンプ装置に関する。

下水圧送用水中ポンプ等、特にポンプ吐出し管路が長い用途に使用される電動ポンプにおいて、運転中のポンプが急停止すると、吐出し管路中の水が水柱分離を起こし、これが原因でウォーターハンマー現象を引き起こし、強い圧力変動から管路が圧壊してしまうことがある。このウォーターハンマー現象を防止するための方法は幾つかあるが、通常ポンプモータの回転体にフライホイールを取付け、電源オフによるポンプ停止の際、フライホイールの慣性を利用して徐々に回転体を減速させ、水柱分離を回避しているのが一般的である。

しかしながら、必要なフライホイールの大きさは現場の吐出し管路によりさまざまであることから、モータポンプは大型化し、かつポンプメーカは都度特殊な対応が必要となっていた。また、取付けたフライホイールにより停止時の減速時間は長くなるが、一方でポンプ始動時も長い始動時間を要し、モータが誘導機の場合には電源オンから始動完了までの長い時間、大きな始動電流が流れるため、モータ容量や配電盤の電流容量等を通常より大きなものを用意し、しかも過電流保護装置の感度を鈍くする必要があった。

機械的なフライホイールの取付けを回避する方法として、汎用インバータでポンプを駆動する方法が一般に考えられる。汎用インバータにはソフトストップ制御機能があり、ポンプ停止時に任意の停止時間を設定し、機械的なフライホイールが無くともポンプを徐々に減速停止させることができる（例えば特許文献１参照）。

しかし、ポンプ運転中に停電やポンプ異常による過電流事象等が起きると、上記インバータのソフトストップ機能が失われ、機械的なフライホイールが付いていないと急速に停止してしまい、ウォーターハンマー対策機能が損なわれるという欠点があった。この欠点があるため、これまでインバータによるウォーターハンマー対策は実用に至っていないのが実情である。

特開２００２−３１０６４号公報

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、停電やポンプの異常等の事象が発生した場合にも、ポンプを徐々に減速させ停止させることにある。

本発明の第１の形態によれば、商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、前記コンバータ回路からの直流電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサによって平滑化された直流電圧から交流電圧を生成し、当該交流電圧をポンプ駆動用のモータへ供給するインバータ回路と、前記コンデンサ及び前記インバータ回路に接続された充放電可能な直流電源であって、通常時には前記コンデンサによって充電され、前記商用電源の使用不能時には前記インバータ回路へ電力を供給する直流電源と、前記コンバータ回路への入力電圧又は前記コンバータ回路からの出力電圧を検知する電圧センサと、を
備えるインバータ装置であって、前記インバータ回路は、前記モータへ供給する電圧及び周波数を制御するための制御回路を備え、前記電圧センサによって前記商用電源が使用不能であることが検知されると、前記インバータ回路は、前記直流電源からの電力を用いて交流電圧を生成して当該交流電圧を前記モータへ供給し、前記制御回路は、前記モータの回転数が徐々に低下するように前記インバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する、インバータ装置が提供される。

かかる形態のインバータ装置によれば、商用電源が使用不能である場合であっても、インバータ装置は内部の直流電源を利用したソフトストップモードで動作することができ、それによりモータを減速させながら停止させることができる。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、前記インバータ回路からの出力電流を検知する電流センサを更に備え、前記電流センサによって前記インバータ回路からの出力電流が所定の閾値電流よりも大きくなったことが検知されると、前記制御回路は、前記モータの回転数が徐々に低下するように前記インバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する。

かかる形態のインバータ装置によれば、モータにより駆動されるポンプ装置に異常が発生した場合に、インバータ装置はソフトストップモードへ移行し、これによりモータを減速させながら停止させることができる。

本発明の第３の形態によれば、第１の形態において、前記インバータ回路からの出力電流を検知する電流センサを更に備え、前記電流センサによって前記インバータ回路からの出力電流が所定時間以上継続して所定の閾値電流よりも大きくなったことが検知されると、前記制御回路は、前記モータの回転数が徐々に低下するように前記インバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する。

かかる形態のインバータ装置によれば、モータにより駆動されるポンプ装置に異常が発生した場合に、インバータ装置はソフトストップモードへ移行し、これによりモータを減速させながら停止させることができる。

本発明の第４の形態によれば、第２又は第３の形態において、前記所定の閾値電流は、前記モータの定格電流の１０１％〜１１０％の大きさである。

かかる形態のインバータ装置によれば、モータにより駆動されるポンプ装置に異常が発生した場合に、インバータ装置は早期にソフトストップモードへ移行することができ、それにより異常がポンプ装置に与える影響を軽減することができる。

本発明の第５の形態によれば、第１から第４のいずれか１つの形態において、前記モータは、三相交流モータであり、前記直流電源の容量は、前記三相交流モータの定格電流をＩとし、前記商用電源の使用不能時に前記制御回路が前記モータの回転数を徐々に低下させるための制御を行う継続時間をｔとしたとき、√３Ｉｔ以上である。

かかる形態のインバータ装置によれば、直流電源はインバータ装置がソフトストップモードで動作するのに必要な電力を賄うことができる。

本発明の第６の形態によれば、第１から第５のいずれか１つの形態のインバータ装置と、前記インバータ装置によって駆動されるモータと、を備えるポンプ装置が提供される。

かかる形態のポンプ装置によれば、商用電源が使用不能である場合であっても、インバ
ータ装置は内部の直流電源を利用したソフトストップモードで動作することができ、それによりモータを減速させながら停止させることができる。また、ポンプ装置に異常が発生した場合に、インバータ装置はソフトストップモードへ移行し、これによりモータを減速させながら停止させることができる。したがって、かかる形態のポンプ装置によれば、ポンプ装置が水中ポンプとして利用された場合に、停電やポンプの異常等の事象に対しても効果的にウォーターハンマー現象を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置の概略構成図である。 制御回路の動作モードの遷移を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るポンプ装置１０の概略構成図である。ポンプ装置１０は、商用三相交流電源２００から供給される交流電圧を所定の周波数及び大きさの交流電圧に変換して出力するインバータ装置１０１と、インバータ装置１０１の出力によって駆動される三相モータ１０９とを備える。ポンプ装置１０は、例えば、ピットの中に溜まった水を排水するための水中ポンプとして構成することができるが、他のタイプのポンプとして構成されてもよい。本実施形態のポンプ装置１０は、以下に詳述するように、運転停止時に、インバータ装置１０１からモータ１０９への通電を瞬時に遮断するのではなく、モータ１０９の回転を徐々に減速させていくことでモータ１０９を緩やかに停止させるソフトストップ機能をインバータ装置１０１に備えている。インバータ装置１０１のソフトストップ機能は、通常時にポンプ装置１０の運転を停止させる場合のみならず、停電が発生した場合、及びポンプ装置１０に異常が発生した場合にも作動する。

インバータ装置１０１は、三相交流電源２００からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路１０２と、コンバータ回路１０２から出力される直流電圧を平滑化するコンデンサ１０３と、コンデンサ１０３によって平滑化された直流電圧が入力され、その直流電圧から所定の周波数及び電圧値を持つ三相交流電圧を生成するインバータ回路１０５とを備える。インバータ回路１０５の出力電圧は三相モータ１０９へ供給され、三相モータ１０９は、入力された交流電圧の周波数に応じた回転数で回転駆動される。インバータ回路１０５は、インバータ回路１０５から出力する交流電圧の周波数及び大きさを制御するための制御回路１０６を備える。

図２は、制御回路１０６の動作モードの遷移を示す。図２の横軸は時間、縦軸はモータ１０９の回転数である。まずポンプ装置１０の運転開始時に、例えばポンプ装置１０の始動スイッチが押されると、制御回路１０６はソフトスタート制御を実施する。ソフトスタートモードでは、制御回路１０６は、モータ１０９の回転数が徐々に（例えば所定の時間変化率で）上昇していくように、インバータ回路１０５から出力する交流電圧の周波数及び大きさを変化させる。モータ１０９の回転数が所定の定常回転数に達すると、制御回路１０６は定常運転モードに入り、当該定常回転数を維持するようにインバータ回路１０５の出力を制御する。通常時、即ち停電やポンプ装置１０の異常が発生していない場合に、例えばポンプ装置１０の運転停止ボタンが押されると、制御回路１０６はソフトストップ制御を実施する。ソフトストップモードでは、制御回路１０６は、モータ１０９の回転数が徐々に（例えば所定の時間変化率で）低下していくように、インバータ回路１０５から出力する交流電圧の周波数及び大きさを変化させる。制御回路１０６は更に、停電が発生した場合、及びポンプ装置１０に異常が発生した場合にも、このようなソフトストップ制御を実施する。

図１に戻り、インバータ装置１０１は、直流電源１０４を更に備える。直流電源１０４は、充放電可能な蓄電池であり、例えばリチウムイオン電池を適用することができる。直流電源１０４は、図１に示されるように、コンデンサ１０３と並列に接続される。したがって、商用三相交流電源２００から正常に電力が供給されている間は、コンバータ回路１０２の出力電圧によって、直流電源１０４への充電が行われ、あるいは直流電源１０４の満充電状態が維持されるとともに、インバータ回路１０５へは、商用三相交流電源２００の交流電圧をコンバータ回路１０２で直流に変換した電圧が入力される。また、停電時など、商用三相交流電源２００が使用不能である場合には、コンバータ回路１０２で変換された直流電圧に代わって、直流電源１０４により供給される電圧がインバータ回路１０５へ入力されることで、インバータ回路１０５及びインバータ回路１０５内部の制御回路１０６は動作を継続することができる。

インバータ装置１０１はまた、コンバータ回路１０２への入力電圧又はコンバータ回路１０２からの出力電圧を検知する電圧センサ１０７を備える。制御回路１０６は、電圧センサ１０７によって検知された電圧に基づいて、商用三相交流電源２００が使用不能であるか否か、例えば停電が発生したか否かを判定することができる。制御回路１０６は、商用三相交流電源２００が使用不能であることを、例えば電圧センサ１０７の検知電圧が実質的にゼロであることに基づいて識別すると、前述のソフトストップ制御を実施する。なお、上述したように制御回路１０６及びインバータ回路１０５は、商用三相交流電源２００が使用不能である場合であっても、直流電源１０４から電力の供給を受けて動作することが可能である。これにより、商用三相交流電源２００が使用不能となると、インバータ装置１０１は、内部の直流電源１０４を利用したソフトストップモードで動作し、モータ１０９を減速させながら停止させることができる。

直流電源１０４の容量は、インバータ装置１０１が直流電源１０４を利用したソフトストップモードで動作している間（即ち、制御回路１０６がソフトストップ制御を開始してからモータ１０９が停止又は実質的に停止するまで）、インバータ回路１０５からモータ１０９へ電流を供給し続けるのに十分な容量である必要がある。例えば、制御回路１０６は、定常回転数で回転しているモータ１０９が所定時間ｔ（例えば数十秒〜数分）をかけて徐々に減速し停止するように、ソフトストップ制御を実施する。このとき、三相モータ１０９の定格電流をＩとすると、直流電源１０４の容量は√３Ｉｔ以上であればよい。

インバータ装置１０１は更に、インバータ回路１０５から出力される電流を検知する電流センサ１０８を備える。制御回路１０６は、電流センサ１０８によって検知された電流に基づいて、ポンプ装置１０に異常が発生したか否かを判定することができる。例えば、ポンプに異物が巻き込まれたり、ポンプの軸受が損傷したりすると、モータ１０９の回転に対する機械的な抵抗が増大することにより、インバータ回路１０５からの出力電流が増加し得る。制御回路１０６は、このようなポンプ装置１０の異常状態を、例えば電流センサ１０８の検知電流（即ちインバータ回路１０５の出力電流）が所定の閾値電流よりも大きくなったことに基づいて識別すると、前述のソフトストップ制御を実施する。異常の判定基準である閾値電流は、例えば、モータ１０９の定格電流の１０１％〜１１０％の大きさに設定することができる。制御回路１０６はまた、電流センサ１０８の検知電流が所定の閾値電流を超えたかどうかのみを異常の判断基準とするのではなく、電流センサ１０８の検知電流が所定時間（例えば１〜１０秒）以上継続して当該閾値電流を超えたことをもって、ポンプ装置１０に異常が発生したことを識別し、その場合に、ソフトストップ制御を実施するのであってもよい。このように、ポンプ装置１０に異常が発生すると、インバータ装置１０１はソフトストップモードへ移行し、これにより、モータ１０９を減速させながら停止させることができる。

本実施形態のインバータ装置１０１及びポンプ装置１０によれば、商用三相交流電源２
００が使用不能である場合であっても、インバータ装置１０１は内部の直流電源１０４を利用したソフトストップモードで動作することができ、それによりモータ１０９を減速させながら停止させることができる。また、ポンプ装置１０に異常が発生した場合に、インバータ装置１０１はソフトストップモードへ移行し、これによりモータ１０９を減速させながら停止させることができる。したがって、本実施形態のポンプ装置１０によれば、ポンプ装置１０が水中ポンプとして利用された場合に、停電やポンプの異常等の事象に対しても効果的にウォーターハンマー現象を防止することができる。

また、本実施形態のインバータ装置１０１により、フライホイールを付加した特殊なポンプモータが不要になる。従来のフライホイールを付加したポンプでは、フライホイールの設置方法、モータ容量、配電盤の電流容量が大きくなる等、また現場個別の対応でコスト増となっていたが、本実施形態によりポンプ装置１０の構成が簡素化され、システム全体として安価となる。

また、ポンプ異常が発生した際、従来のフライホイールを用いた構成よりも感度良く早期にポンプを停止することができるので、故障部位の拡散や重症化を防ぐことができ、メンテナンス費用を低減できる。また、インバータ装置１０１を使用したシステムであるため、大きな始動電流が流れないのみならず、通常運転時にポンプ吐出量に応じた可変速制御を行うことにより、従来方式より省エネ運転も可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

１０ ポンプ装置
１０１ インバータ装置
１０２ コンバータ回路
１０３ コンデンサ
１０４ 直流電源
１０５ インバータ回路
１０６ 制御回路
１０７ 電圧センサ
１０８ 電流センサ
１０９ 三相モータ
２００ 商用三相交流電源

Claims (6)

1. 商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路からの直流電圧を平滑化するコンデンサと、
   前記コンデンサによって平滑化された直流電圧から交流電圧を生成し、当該交流電圧をポンプ駆動用のモータへ供給するインバータ回路と、
   前記コンデンサ及び前記インバータ回路に接続された充放電可能な直流電源であって、通常時には前記コンデンサによって充電され、前記商用電源の使用不能時には前記インバータ回路へ電力を供給する直流電源と、
   前記コンバータ回路への入力電圧又は前記コンバータ回路からの出力電圧を検知する電圧センサと、
   を備えるインバータ装置であって、
   前記インバータ回路は、前記モータへ供給する電圧及び周波数を制御するための制御回路を備え、
   前記電圧センサによって前記商用電源が使用不能であることが検知されると、前記インバータ回路は、前記直流電源からの電力を用いて交流電圧を生成して当該交流電圧を前記モータへ供給し、前記制御回路は、前記モータの回転数が徐々に低下するように前記インバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する、
   インバータ装置。
2. 前記インバータ回路からの出力電流を検知する電流センサを更に備え、
   前記電流センサによって前記インバータ回路からの出力電流が所定の閾値電流よりも大きくなったことが検知されると、前記制御回路は、前記モータの回転数が徐々に低下するように前記インバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する、
   請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記インバータ回路からの出力電流を検知する電流センサを更に備え、
   前記電流センサによって前記インバータ回路からの出力電流が所定時間以上継続して所定の閾値電流よりも大きくなったことが検知されると、前記制御回路は、前記モータの回転数が徐々に低下するように前記インバータ回路から出力される電圧及び周波数を制御する、請求項１に記載のインバータ装置。
4. 前記所定の閾値電流は、前記モータの定格電流の１０１％〜１１０％の大きさである、請求項２又は３に記載のインバータ装置。
5. 前記モータは、三相交流モータであり、
   前記直流電源の容量は、前記三相交流モータの定格電流をＩとし、前記商用電源の使用不能時に前記制御回路が前記モータの回転数を徐々に低下させるための制御を行う継続時間をｔとしたとき、√３Ｉｔ以上である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のインバータ装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のインバータ装置と、
   前記インバータ装置によって駆動されるモータと、
   を備えるポンプ装置。
   

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