JP3930930B2 - インバータ付給水ポンプ装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータを使用した給水ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水道システムなどのポンプを用いた給水ポンプ装置では、需要側での給水圧力が常に一定に保たれるのが望ましい。このため従来よりポンプを可変速制御して吐出部での圧力を管路抵抗曲線に沿って変化させ、需要端での圧力がほぼ一定になるように制御が行われている。
【０００３】
図１〜図６にこのような給水ポンプ装置の一例を示す。図１において、１は吸込管、２−１，２−２は仕切弁、３はモータ４で駆動されるポンプ、５は逆止め弁、７は給水管６に備わる圧力タンク、同じく８は圧力タンク７近くの給水管６の圧力を検出し、これに応じた信号を出力する圧力センサ、９は圧力計である。図２はポンプ３の運転特性図であり、縦軸に圧力Ｈ、横軸に水量Ｑを取って表す。曲線Ａはポンプの運転速度を最高速度ＮmaxとしたときのＱ−Ｈ特性を示し、同じく曲線Ｂ，Ｃは運転速度をそれぞれＮoff，最低速度ＮminとしたときのＱ−Ｈ特性である。また、曲線Ｆは管路抵抗を考慮した目標圧力を表す曲線（以下管路抵抗曲線という）であり、これと曲線Ａ，Ｂ，Ｃとの交点での水量をそれぞれＱA,ＱB,０とする。通常は需要水量の変動に伴いポンプ吐出部がこの管路抵抗曲線Ｆ上にくるよう、無段階の運転制御を行っている。また、図中のＨ1はＮmin時の設定圧力、Ｈ2はＮmax時の設定圧力、Ｈonは設定始動圧力、Ｈoffは設定停止圧力である。
【０００４】
図３は制御回路を示し、ＰＷは電源、ＥＬＢは漏電遮断器、ＩＮＶはインバータであり、詳細な回路構成は図４に示すとおりである。また、ＣＯＮＳはコンソールであり、インバータＩＮＶに接続されており、周波数、電流などの値を表示すると共に、加減速時間などインバータのパラメータの設定を行うものである。ＳＳはスイッチ、ＳＴＸはインバータ始動用リレーでその接点が閉じるとインバータのＦＷ，ＣＯＭ端子が短絡されて始動指令となる。ＣＵは制御装置であり、安定化電源ユニットＡＶＲ、Ｄ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器、スイッチなどで構成されるデータ設定手段ＳＷ、入出力ポートＰＩＯ−１，ＰＩＯ−２，ＰＩＯ−３，演算ユニットＣＰＵ、メモリＭにより構成される。また、図５は図３に示す制御装置ＣＵが実行する処理のプログラムの一部であるポンプ圧力制御処理を示すフローチャートであり、メモリＭに記憶されている。同様に図６はインバータの加減速処理を示すフローチャートであり、図示していないインバータ内のメモリに記憶してある。
【０００５】
図７は加減速処理フローチャートを説明するための線図を示し、加速処理を例示したものである。即ち、横軸に時間（ｓ）、縦軸に周波数（Hz）を取って表わしており、直線Ｙは周波数（Hz）が時間（ｓ）の関数であることを示している。
【０００６】
図７に示された記号はそれぞれ次の意味を持つ。
【０００７】
ｆs（Hz）：基底周波数（例えばコンソールによってパラメータとして設定される。）
ｆ（Hz）：設定周波数（制御装置ＣＵより指令される）
ｆG（Hz）：インバータの現在の周波数
ta（s）：加速時間（例えばコンソールによってパラメータとして設定される。）
Δts（ms）：加減速処理の周期（例えば割り込み処理で、この周期毎に加減速処理が実行される。）
Δｆ（Hz）：インバータが加速時間ｔs（s）で0(Hz)から基底周波数ｆｓ（s）に到達することにしたときの、途中過程での１回の処理周期毎に指令される周波数制御幅であり、
Δｆ＝ｆs／（1000・ta／Δts） …………（１）
で与えられる。
【０００８】
さて、ポンプ３はモータ４によって回転駆動され、吸込管１から吸い込んだ水を逆止め弁５、仕切弁２−２を介して需要端に給水する。
【０００９】
さらに詳細に説明すると、図３において、漏電遮断器ＥＬＢを投入し、スイッチＳＳを閉じるとリレーＳＴＸが付勢し、インバータＩＮＶの運転準備が完了する。図１、図５において水を使用すると給水管６内の圧力Ｈが低下する。これを圧力センサ８が検出する（５０１ステップ）。次に検出した圧力が始動圧力Ｈon以下に達しているかを判定し（５０２ステップ）、達していなければ達するまで５０１〜５０２の処理を実行する。５０２ステップでＨon≧Ｈと判定され、５０９ステップでポンプが運転中であるかを判定し、停止中の時は５１０ステップでポンプが起動され次の５０３ステップへ処理が進められる。５１０ステップでは制御装置ＣＵよりインバータＯ−Ｌ端子にＮminの速度指令を発し運転指令する。５０３ステップでは目標圧力Ｈ0（詳細は説明を省いているが、図５の処理に入る前に予めＨ0は求められ、メモリに記憶してある。）と５０１ステップで検出した圧力とが比較判定される。
【００１０】
比較した結果次の１）〜３）のように処理される。
【００１１】
１）Ｈ0−Ｈ＞ａ（ａは不感帯を示す値であり、例えば本例では１bit）と判定された場合；
５０４ステップでインバータへ増速指令する。本例では現在の指令速度に１bitだけ増速して指令する（図３においてＣＰＵよりＰＩＯ−１、Ｄ／Ａを介してインバータＯ−Ｌ端子に速度指令）。この後５０５ステップでΔt時間の待ち時間処理を実行して５０１ステップへ戻る。
【００１２】
２）｜Ｈ0−Ｈ｜≦ａ（不感帯で例えば１bit）と判定された場合（給水圧力が目標圧力にほぼ到達）；
５０６ステップで次の処理時の目標圧力を周波数（指令速度）ｆに基づいて求め、値を更新する。
【００１３】
３）Ｈ0−Ｈ＜−ａと判定された場合；
５０７ステップで前述した１）と逆の減速処理を実行する。
【００１４】
上記１）〜３）のようにしてして指令された速度指令はインバータ内で次のように加減速処理される（図６参照）。
【００１５】
６０２ステップにおいて、設定周波数ｆ（図５の処理より指令されたもの）と現在のインバータ周波数ｆGと比較し、
１）一致している場合；６０７ステップへ抜ける。
【００１６】
２）ｆ＞ｆGと判定した場合；６０３ステップで前述の（１）式に基づいて１回の処理で実行する周波数制御幅Δｆを求め、次の６０４ステップで現在周波数ｆGにΔｆだけ増速処理して、６０７ステップに抜ける。
【００１７】
３）ｆ＜ｆGと判定した場合；１）の処理とは逆にΔｆだけの減速処理を実行して６０７ステップへ抜ける。
【００１８】
以上をΔts（ms）毎に処理を繰り返し、図２のポンプ運転特性図に示したように給水圧力が管路抵抗曲線Ｆ上にくるようになる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
このような給水ポンプ装置では、一般にポンプモータの起動応答性は犠牲にし、主としてコストの面からインバータの出力容量が決められており、このため起動時に得られるポンプ・モータの回転速度の立ち上がりは比較的ゆるやかなものとなっている。これは急加減速するとインバータがトリップすることもあるため、これを避けるための処置でもある。
【００２０】
このため、従来は以下のような問題点があった（図８参照）。
【００２１】
１）ポンプ起動時に使用水量が増加すると、図８の（ｂ）に示すように、目標圧力Ｈ0に一致することなく、給水圧力にオーバーシュートを生じ、収束せず発振する。このため給水系に大きな圧力変動を頻繁に与える。水の使用量が蛇口１〜２個程度と少ない場合は図８の（ａ）の如く、給水圧力が安定する。この発振現象はポンプ起動時に特に生じやすいが、これに限らず大きな使用水量の変化があると生じる場合がある。
【００２２】
２）給水管６の圧力センサ取り付け部（導水部分）に空気溜まりなどが生じると同様に発振現象が生じ、給水系に大きな圧力変動を頻繁に与える。
【００２３】
以上は前述したようにポンプの圧力制御処理系とインバータ加減速処理系が同期していないこと、これらの制御処理系に対してポンプ・モータの起動時の回転速度立ち上がりが遅れ要素となり、設定周波数ｆと現在周波数ｆGとが一致せず交番するため（発振するため）、給水圧力及び指令速度が共に発振するためである。また、圧力センサ部に空気溜まりを生じると、圧力が正しく検出されないので、この外乱により圧力制御処理系が乱され（圧力が低く検出されるので必要以上にポンプを増速する指令を発し、空気溜まりが解消すると急激に減速するように指令を発するように作用する）、引いてはインバータ加減速処理系が乱されて、給水圧力及び指令速度が発振を起こすためである。
【００２４】
このような発振を起こすのは、圧力制御処理系でインバータの指令速度を演算して、この指令速度をインバータに与えた後のインバータの加減速処理系が圧力処理系と無関係に処理され、圧力制御処理系から見ればインバータの加減速処理系は指令速度を与えるだけでその後がいわゆる野放し状態になっているのが一つの原因である（図６から分かるように、インバータの加減速処理系は圧力Ｈとは無関係にインバータの周波数を加減速処理している）。
【００２５】
一方、インバータの技術が進歩し、高機能、多機能となってきたため、図３に示す制御装置ＣＵをインバータＩＮＶと一体化して低価格化を実現していこうとの要求が出て来ている。
【００２６】
そこで本発明の目的は上記した従来技術の欠点を除き、ポンプの応答性が悪くても、また圧力センサに空気溜まりが生じても発振現象を生じることなく、給水圧力の安定した給水ポンプ装置を提供することにある。加えて制御装置をすべてインバータ一体として安価な給水ポンプ装置を提供することにある。
【００２７】
上記課題を解決するために、本願発明は、ポンプと、前記ポンプを駆動するインバータと、前記ポンプの吐出側の給水圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの信号に基づいてインバータへ運転速度指令を与えて前記給水圧力が目標圧力となるように圧力制御する制御装置とを備えたインバータ付給水ポンプ装置において、前記インバータの周波数が前記運転速度指令値に到達したことを知らせるアンサバック信号が、前記インバータから前記制御装置に送信され、前記制御装置は、前記目標圧力と前記給水圧力との差が予め定めた値より大きい場合であると共に前記アンサバック信号が送信された場合に、前記インバータへ周波数の増加又は減少させる運転速度指令を与えるようにしたものである。
また、上記のものにおいて、ポンプ運転中に、前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが比較され、前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが一致している場合には、前記インバータから前記制御装置に前記アンサバック信号が送信され、前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが一致していない場合には、前記アンサバック信号はリセットされ、前記インバータの周波数を増加又は減少させる運転速度指令が与えられると共に前記給水圧力の圧力制御がされるようにしたものであることが望ましい。
【００２８】
さらに、前記制御装置は、前記インバータからのアンサバック信号の有無を比較判定する比較判定部を備え、前記インバータは、前記給水圧力と前記目標圧力との一致を比較判定する比較判定部を備えたものであることが望ましい。
さらに、前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが一致しない場合であると共に前記給水圧力と前記目標圧力との差が予め定めた値以内にない場合に、前記インバータの周波数は増加又は減少されることが望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施例を図９〜図１２により説明する。
【００３０】
図９は図３に対し、入出力ポートＰＩＯ−４，Ａ／Ｄ変換器を追加し、インバータ速度指令到達信号をアンサバック信号ＡＮＳとして、インバータＦ，Ｌ端子からＣＰＵに送信するようにしたものである。図１０は制御装置ＣＰＵ内のプログラムの一部である圧力制御を示すフローチャートであり、図５に対し、アンサバック信号の有無判定部Ｘを追加したものである。図１１はインバータ内のプログラムの一部である加減速処理を示すフローチャートであり、図６に対し目標圧力Ｈ0と給水圧力とが一致しているかどうかの判定部Ｚを追加したものである。これらの詳細な動作について説明する。
【００３１】
今、図２において、水の使用がなく給水圧力がＨoffで停止しているものとする。この状態より水が使用されると給水圧力が低下し、始動圧力Ｈonに達するとポンプは始動し、インバータは始動し、周波数Ｎminを指令することになる。この処理を図１０、図１１を参照し説明する。図１０、図１１の処理は例えば割り込み処理Δｔｓ（ms）毎に実行される。９０１、９０２ステップで給水圧力Ｈを検出し、その圧力が始動圧力Ｈon以下であるかどうかを判定し、Ｈon以下でなければ９１０ステップへ抜ける（図１０）。１０１ステップにおいてポンプが運転中かどうかを判定し、運転していなければ１０９ステップへ抜ける（図１１）。
【００３２】
次に、９０２ステップでの判定がＨon≧Ｈと判定されると、９１１ステップでポンプが運転中であるかを判定し、運転中であれば９０６ステップ進む。停止中であれば９０３ステップでポンプ起動指令が出力され、９０６ステップの目標圧力Ｈ0と給水圧力Ｈとの比較判定処理へ進む。そして、ここでの判定結果により次の処理が実行される。
【００３３】
１）Ｈ0−Ｈ＞ａと判定した場合；
９０４ステップでインバータからのアンサバック信号の有無を判定し、無しと判定したら９１０ステップへ抜け、有りと判定したら９０５ステップで１ｂｉｔだけの増速処理を実行して９１０ステップへ抜ける。
【００３４】
２）｜Ｈ0−Ｈ｜≦ａと判定した場合；
従来技術図５の５０６ステップでの説明と同じであるから省略する。
【００３５】
３）Ｈ0−Ｈ＜−ａと判定した場合；
９０８ステップでインバータからのアンサバック信号の有無を判定し、無しと判定したら９１０ステップへ抜け、有りと判定したら９０９ステップで今度は１）の処理とは逆に１ｂｉｔだけ減速処理して９１０ステップへ抜ける（図１０）。
【００３６】
図１１において、１０１ステップでの判定で運転中と判定すると１０２ステップへ進み、ここで設定周波数ｆとインバータの現在周波数ＦGと比較判定する。判定結果により次の処理が実行される。
【００３７】
１）ｆ＞ｆGと判定した場合；
１１０ステップでアンサバック信号ＡＮＳをリセットし、１０３ステップで目標圧力Ｈ0と給水圧力Ｈとを比較し、｜Ｈ0−Ｈ｜≦ａと判定したら、給水圧力Ｈがほぼ目標圧力Ｈ0に等しいので、１０９ステップへ抜ける。｜Ｈ0−Ｈ｜＞ａと判定した場合には、給水圧力Ｈが目標圧力Ｈ0に一致していないので、１０４ステップへ進み、ここで前述した演算式（１）の処理を実行し、変速周波数幅Δｆを求める。続いて、１０５ステップで現在周波数ｆGにΔｆだけ増速処理を実行して１０９ステップへ抜ける。
【００３８】
２）ｆ＝ｆGと判定した場合；
１１２ステップでアンサバック信号ＡＮＳをセットし、加減速処理を実行せず１０９ステップへ抜ける。
【００３９】
３）ｆ＜ｆGと判定した場合；
１１１ステップでアンサバック信号ＡＮＳをリセットし、１０６ステップで目標圧力Ｈ0と給水圧力Ｈとを比較し、｜Ｈ−Ｈ0｜≦ａと判定したら、ほぼ給水圧力ＨがＨ0とが一致しているので１０９ステップへ抜ける。｜Ｈ−Ｈ0｜＞ａと判定した場合には給水圧力Ｈが目標圧力Ｈ0に一致していないので次の１０７ステップへ進み、ここで前述した演算式（１）の処理を実行し、速度周波数幅Δｆを求める。続いて、１０８ステップで現在周波数ｆGからΔｆだけ減速処理を実行して１０９ステップへ抜ける。
【００４０】
以上のようにポンプ制御処理部ではインバータからの速度指令に対する到達信号としてのアンサバック信号ＡＮＳを用い、この有無判定を実行し、アンサバック信号ＡＮＳが有る場合に限り変速すべく設定周波数ｆを変更する。インバータ加減速処理部では給水圧力Ｈが目標圧力Ｈ0と一致しているかの比較判定を設け、一致していないときに限り加減速処理を実行するようにしたものである。これによりポンプ制御処理系とインバータ加減速処理系は、相互の制御系で互いに同期がとれるようになり、従来ポンプ始動時及び圧力センサ部空気溜まりなどにより生じていた発振現象を解消することができる。
【００４１】
次に、第２の実施例を図１０、図１１、図１２により説明する。図１２は従来例の説明で使用した図４のインバータ装置に図３に示している制御装置ＣＵ、リレーＳＴＸの機能をソフトウェアとして組み込み、インバータ電源端子Ｒ、Ｓ、Ｔに漏電遮断器ＥＬＢを接続し、ＦＷ、ＣＯＭ１端子に起動用スイッチＳＳを接続してＡＮ、ＣＯＭ２端子に圧力センサＰＳの出力信号を接続したものである。
【００４２】
今、漏電遮断器ＥＬＢを投入し、スイッチＳＳを閉じると、インバータとしての運転準備が完了する。勿論、図示していないが、図１０、図１１のフローチャートに示したソフトウェアより上位にソフトウェアの全体から細部に渡る処理を統括するシステムソフト（例えばオペレーティングシステム）が組み込まれている。
【００４３】
このシステムソフトにより図１０のポンプ制御処理、図１１のインバータ加減速処理が周期的に規則正しく起動して処理される。実際の処理は前の実施例の説明と同様なので説明を省略する。
【００４４】
尚、この第２実施例の場合、インバータ装置に制御装置ＣＵ、リレーＳＴＸの機能が組み込まれているので、図１０のＸ部のインバータアンサバック信号有無判定の代わりに現在の周波数と設定周波数が一致しているかの判定を実行すればよい。
【００４５】
以上のように、この実施例によれば第１の実施例と同様に始動時に発振現象による頻繁な圧力変動が解消できるばかりでなく、ポンプ制御装置がインバータ一体となるため低コストかが実現できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば以下の効果が得られる。
【００４７】
（１）本願の第１の本発明によれば、圧力制御系及びインバータ加減速処理系の処理が同期化され、これにより圧力及び周波数が発振されることなく安定化され、即ち頻繁な圧力変動の生じることがなくなり安定した給水が得られる効果がある。
【００４８】
（２）本願の第２の本発明によれば、第１の発明の効果に加え更に、ポンプ制御装置をインバータと一体化でき、コンパクト、低価格、高信頼性のシステムが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の給水ポンプ装置である。
【図２】従来の給水ポンプ装置の運転特性図である。
【図３】従来の給水ポンプ装置の制御回路図である。
【図４】図３の実施例のインバータＩＮＶの詳細な回路構成を示す図である。
【図５】図３の実施例の制御装置ＣＵのプログラムの一部を示す図である。
【図６】図３の実施例のインバータＩＮＶの加減速処理を示すフローチャートである。
【図７】図６のフローチャートを説明するための線図である。
【図８】圧力変動（発振現象）を説明する図である。
【図９】本発明による給水ポンプ装置の具体的一実施例を示した図である。
【図１０】本発明による実施例の制御装置ＣＵのプログラムの一実施例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明による実施例のインバータＩＮＶのプログラムの一実施例を示すフローチャートである。
【図１２】本発明による給水ポンプ装置の他の具体的一実施例を示した図である。
【符号の説明】
１…吸込管、２−１…仕切弁、２−２…仕切弁、３…ポンプ、４…モータ、５…逆止め弁、６…給水管、７…圧力タンク、８…圧力センサ、９…圧力計、100…インバータ装置、10…、101…インバータ装置、ＰＷ…電源、ＥＬＢ…漏電遮断器、ＩＮＶ…インバータ（逆変換器）、ＣＯＮＳ…コンソール、ＳＳ…スイッチ、ＳＴＸ…インバータ始動用リレー、ＣＵ…制御装置、ＡＶＲ…安定化電源ユニット、Ｄ／Ａ…デジタル／アナログ変換器、Ａ／Ｄ…アナログ／デジタル変換器、ＳＷ…設定手段、ＰＩＯ−１，ＰＩＯ−２，ＰＩＯ−３…入出力ポート、ＣＰＵ，ＭＣＵ…演算装置（マイクロコンピュータ）、Ｍ…メモリ、ＣＮＶ…順変換器、ＲＳ，Ｒ１，Ｒ２…抵抗器、ＣＢ，Ｃ１…コンデンサ、ＣＴ１，ＣＴ２…電流検出器、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、ＦＴＣ…フォトカプラ、ＬＣＤ…表示回路、Ｇ…電流制御回路、ＰＳ…圧力センサ、ＳＨ…電流検出器（シャント抵抗）、Ｐ…直流電圧の正極、Ｎ…直流電圧の負極、Ｒ，Ｓ，Ｔ…三相電源のＲ相Ｓ相Ｔ相。

Claims (5)

1. ポンプと、
   前記ポンプを駆動するインバータと、
   前記ポンプの吐出側の給水圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサの信号に基づいてインバータへ運転速度指令を与えて前記給水圧力が目標圧力となるように圧力制御する制御装置とを備えたインバータ付給水ポンプ装置において、
   前記インバータの周波数が前記運転速度指令値に到達したことを知らせるアンサバック信号が、前記インバータから前記制御装置に送信され、
   前記制御装置は、前記目標圧力と前記給水圧力との差が予め定めた値より大きい場合であると共に前記アンサバック信号が送信された場合に、前記インバータへ周波数の増加又は減少させる運転速度指令を与えることを特徴とするインバータ付給水ポンプ装置。
2. 請求項１において、前記ポンプ運転中に、前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが比較され、
   前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが一致している場合には、前記インバータから前記制御装置に前記アンサバック信号が送信され、
   前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが一致していない場合には、前記アンサバック信号はリセットされ、
   前記インバータの周波数を増加又は減少させる運転速度指令が与えられると共に前記給水圧力の圧力制御がされることを特徴とするインバータ付給水ポンプ装置。
3. 請求項１において、前記制御装置は、前記インバータからのアンサバック信号の有無を比較判定する比較判定部を備え、
   前記インバータは、前記給水圧力と前記目標圧力との一致を比較判定する比較判定部を備えたことを特徴とするインバータ付給水ポンプ装置。
4. 請求項３において、前記インバータの周波数と前記運転速度指令値とが一致しない場合であると共に前記給水圧力と前記目標圧力との差が予め定めた値以内にない場合に、前記インバータの周波数は増加又は減少されることを特徴とするインバータ付給水ポンプ装置
5. ポンプの吐出側の給水圧力に基づいてインバータの周波数の速度を変え、前記給水圧力が目標圧力となるように制御するインバータ付給水ポンプ装置の運転方法において、
   前記インバータの周波数が前記運転速度指令値に到達したことを知らせるアンサバック信号が、前記インバータから前記制御装置に送信され、
   前記目標圧力と前記給水圧力との差が予め定めた値より大きい場合であると共に前記アンサバック信号が送信された場合に、前記インバータへ周波数の増加又は減少させる運転速度指令を与えることを特徴とするインバータ付給水ポンプ装置の運転方法。

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