JP3961932B2 - 水道用給液装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は水道用給液装置に係り、特に、インバータで駆動される複数台のポンプを並列に備え、水道本管に直結された水道用給液装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータを使用した給水装置は、インバータが高価であることから、図１７に示すようなバックアップ方式をとっている。即ち、インバータ駆動によってポンプ８を運転する場合、先ず電磁接触器１，３を投入し、インバータINVに運転及び速度指令信号を出力して運転する。この後、ポンプ９を運転する場合には、電磁接触器３を釈放するとともに、インバータ運転信号及び速度指令信号をリセットして、電磁接触器４を投入し、インバータ運転信号及び速度指令信号を出力する。
【０００３】
ところで、インバータは電源の変動や過負荷から保護するためにトリップすることがある。インバータがトリップした場合には、特開昭５９−１８８０９６号公報に記載のように、図１７の電磁接触器２または５を投入し商用電源に切り替えて運転し、給水を行っていくようにしてある。
【０００４】
また、給水量を多くするために２台同時運転する場合には、例えばポンプ８をインバータにより変速運転をしている際にポンプ９を並列運転する場合には、電磁接触器５を投入してポンプ９を商用電源で始動し定速で並列運転をする。さらに、並列運転したポンプを切り離す場合には、追従させた定速ポンプを停止させる。これに関する従来技術として、特開昭５９−５１１９３号公報記載のものががある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術においては、夜間時など使用水量の少ないときには、一旦ポンプを停止させている。しかし、ポンプを停止させる場合、図１８に示すような吐出圧力一定制御方式の例では、通常は圧力一定のため圧力タンク２１０には水が充満していない。そこで、使用水量が少なく制御系（図示省略）が停止すべきと判定したときは、圧力タンク２１０に水を充満するために、図１８に示すＮMINからＮSTまでポンプの運転速度を高めてから停止させるが、このため、給水圧力は、最悪条件でＨ４まで昇圧してしまう。さらに、２台目の定速運転させるポンプを始動／停止させる際には、並列始動圧力をＨ２，並列停止圧力をＨ１としているため、圧力変動が発生し、使用器具に悪影響を及ぼすことがある。
【０００６】
特に、水道本管に水道用給液装置を直結して運転する場合、上述した従来技術をそのまま適用することができない。それは、水道用給液装置を運転したときの水道本管の圧力変動を極力抑制する必要があるためである。従って、複数台のポンプを並列運転するときの圧力変動を従来に比べて更に抑制する必要がある。また、インバータがトリップしたときにポンプを商用電源で運転すると水道本管への圧力変動を制御することができなくなるため、これに対する対策も必要となる。
【０００７】
本発明の目的は、水道本管に直結した複数台のポンプを並列運転するときの圧力変動を抑制した水道用給液装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、水道本管に接続される吸込管と、
該吸込管から分岐される複数の分岐管と、
各分岐管の出口側を合流し需要側に接続される給水管と、
各分岐管毎に設けられ前記吸込管から吸い込んだ水を前記給水管側に吐き出す分岐管対応の複数のポンプと、
各ポンプを各々駆動するポンプ対応の電動機と、
各電動機対応に設けられた複数のインバータと、
前記ポンプの吐出側圧力を検出する圧力検出手段と、
第１のインバータに指令を出して第１のポンプを起動し、最高速度へ向かって増速し、前記第１のポンプが最高速度に達し、前記圧力検出手段が検出した給水圧力が、第１のポンプが最高速度でのＱ−Ｈ特性曲線と管路抵抗曲線とから求まる規定値よりも低下しているとき、第２のインバータによって第２のポンプを増速し、給水圧力が、第１のポンプが最高速度でのＱ−Ｈ特性曲線と管路抵抗曲線とから求まる規定値となるようにする制御手段と、
を設けたことで達成される。
【００１５】
【作用】
複数台のポンプを並列運転する場合やバックアップさせるときに、上述した対策を施すことで、圧力変動が抑制される。このため、水道用給液装置を水道本管に直結して運転しても、水道本管の圧力への影響が少なくて済む。また、１台のインバータが故障したとき、このインバータ対応のポンプに他のインバータを接続して運転可能としたため、ポンプを商用電源で直接運転するのではなく常にそのポンプ速度を制御できるため、水道本管の圧力変動を抑制することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１〜図１６を参照して説明する。
図１〜図１２は、本発明の第１実施例を示す図である。最近、図１，図２に示すように、水道用給液装置（以下、給水装置という。）を水道本管に直結して使用することが行われ始めている。この場合、水道本管に多数の給水装置が直結されるため、各給水装置のポンプ始動／停止による圧力変動の影響が水道本管に及ぶことが心配される。そのため、水道本管に直結して使用される給水装置は、ポンプの始動／停止による圧力変動が極小となることが必要であり、以下で述べる本発明の実施例に係る給水装置は、この圧力変動を極小とする技術を提供するものである。
【００１７】
図１は、本発明の第１実施例に係る給水装置の全体概略構成図である。この給水装置の２台のポンプ８，９は、水道本管に仕切り弁２０２を介して直接接続されたステンレス製の吸込管であって仕切り弁２０２下流で２本に分岐された分岐管部分に各々に取り付けられている。ポンプ８，９の下流には夫々逆止め弁２０６，２０７および仕切弁２０８，２０９が接続され、配管はそれらの下流で合流されて需要家に導かれる給水管２１３となっている。そして、この給水管２１３に、内部に空気溜りを持つ圧力タンク（ダイヤフラムタンクでもよい）２１０と、給水管２１３内の圧力に応じて圧力信号を発する圧力センサ２１１が接続される。
【００１８】
ポンプ８，９は、制御装置２１４で制御され、ポンプ８，９を駆動するモータＩＭ１，ＩＭ２の各回転速度を制御する２台のインバータと、これらのインバータを制御するマイクロコンピュータを有する制御回路とが制御装置２１４に内蔵されている。
【００１９】
図１２は、上述した実施例に係る給水装置の外観図である。この給水装置は、コンパクトなパッケージに収納され、取り扱いしやすいように構成されている。
【００２０】
図３は、図１に示す制御装置の動力回路部分を示す図であり、ＰＷは電源、４０１は配線遮断器、４０２ａ，４０３ａはそれぞれ１号機ポンプ８，２号機ポンプ９用の各々の電磁接触器の主回路接点、４０４，４０５は同じく各ポンプ８，９を駆動制御するインバータ、Ｎ１，Ｎ２は後で説明するが各インバータ４０４，４０５の速度を指令する信号であり、４０６ａ，４０７ａは各インバータ４０４，４０５の運転指令用の信号である。
【００２１】
図４は、図１に示す制御装置の制御回路を示しており、５０１は入り／切りを行うスッチ、５０２はトランス，ダイオードブリッジ，レギュレータなどで構成する安定化電源、５０９はマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する。）に前記電源を供給するための電源端子、５０３は電磁接触器４０２，４０３及びリレー４０６，４０７を開閉制御するためのインターフェースである。
【００２２】
電磁接触器４０２，４０３が投入されると、その接点すなわち図３に示す接点４０２ａ，４０３ａが閉じる。同じく、リレー４０６，４０７が励磁すると、その接点４０６ａ，４０７ａが閉じる。
【００２３】
５１０，５１１は、中央演算処理装置５１３の指令によりインバータ４０４，４０５に例えば、速度指令Ｎ１，Ｎ２を出力するためのインターフェースであり、Ｄ／Ａ変換器などにより構成される。
【００２４】
５１８は、後で説明するが、図５に示すように、予め定めた関係に圧力制御する際の目標値、例えばＨ０，Ｈ１を設定するためのスイッチであり、インタフェース５１２を介してＣＰＵ５１３に取り込む。同様に、５１９は、予め定めた指令速度である例えば変速指令から固定速指令またはその逆に切り替えるための速度ポイントを設定するためのスイッチであり、インターフェース５１６を介してＣＰＵ５１３に取り込む。さらに、５２０は、圧力センサ２１１の検出した給水管の圧力信号を取り込むためのインターフェースであり、ポート５１７を介してＣＰＵ５１３に取り込む。以上によりコントローラ５３０が構成される。
【００２５】
図５は、末端圧力一定制御を行った場合のポンプの運転特性を例示する線図であり、図１８と同一符号で示すものは同じ意味を持つ。６０５は配管などの抵抗曲線である。６０１〜６０４は、使用水量が変化した時、それぞれ運転速度を最高速度Ｎmax，Ｎ１，Ｎmin，…と仮想した時のＱ−Ｈ性能曲線と前記抵抗曲線との交点を示す。
【００２６】
以上のように構成したものの作動について図７を参照して説明する。今、図１，図５に於て、給水管２１３内（圧力タンク２１０も概略同圧力となっている。）の圧力がＨ３（ここでは始動圧力とする。）より高く、ポンプ８，９はいずれも停止しているものとする。又、この時、図３，図４の配線用遮断器４０１は投入され、スイッチ５０１は閉じて制御装置が作動し、待機状態にあるものとする。もちろん、Ｈ０，Ｈ１，Ｈ３，Ｎ１，Ｎ２などのデータは、予めスイッチ５１８，５１９から読み込まれ、メモリに格納してある（７０１ステップ）。
【００２７】
図示しない需要端の水栓を開くと、給水圧力が低下する。これを圧力センサ２１１により検出する（７０２ステップ）。この圧力センサ２１１の検出した圧力が始動圧力Ｈ３より低下していると、制御装置はポート５１５を介し、例えば、電磁接触器５０４，リレー５０６をＯＮする信号をインターフェース５０３に出力するとともに、インターフェース５１０から速度指令信号Ｎ１を出力する。これにより、一方のポンプ８が始動する。
【００２８】
この始動により、ポンプ８は、図５の点６０４で運転される。使用量が増大すると、抵抗曲線６０５上に沿って運転を続けてゆくが、一方、使用量が少なくなると、次第に減速して低速度ＮMIN運転を続ける（７０３ステップ）。
【００２９】
この状態を一定時間継続すると、７０４ステップの極低速度ＮMINのスタンバイ状態に移行する。この後、７０５ステップで一定時間タイミングをとった後、７０６ステップで圧力がＨ０以下か確認し、もし、以下になったら速度をＮMIN（７０７ステップ）に更新して７０３ステップより再度実行する。
【００３０】
Ｈ０以上の状態にあれば、コントローラより、今度は電磁接触器４０３、リレー５０７をＯＮする信号をインターフェース５０３から出力するとともに、インバータ４０５へ速度指令信号Ｎ２として、極低速度信号（ＮMINよりも小さい速度）を出力する。この状態では、ポンプの運転特性曲線は曲線６０８よりも下の方にあるため、ポンプは仕事せずアイドリング運転となり、給水圧力は所定の圧力（曲線６０５上の圧力）を保持している。一定時間後、先発して運転していたポンプ８を停止させる信号出力してポンプ８を停止させ、後に運転するポンプ９の低速スタンバイ運転を行い、待機させる。
【００３１】
使用量が増大し給水圧力がＨ０以下に下がり始めると、ポンプを増速してこれに対応する。使用量が更に増加すると、更にポンプを増速する。今運転中のポンプをポンプ８とすると、このポンプ８の運転速度が予め定めた速度Ｎ１に到達したとき、休止しているポンプ９を極低速度運転をするための信号４０２，４０６，５１０を出力する。
【００３２】
次に、増速及び増台時の作動について図６を用いて説明する。
１）先行機はその運転速度がＮminからＮ１へ増速し、且つ給水圧力が規定値Ｈｉより低下（確実に行なうにはここで、一定時間のタイミングをとり、真に規定値以下であることを確かめて次の動作に向かうのが良い。）したら、１００％Ｎに向かって増速を開始すると共に、追従機をＮmin以下で始動させる。
【００３３】
２）この後、給水圧力が規定値より低下するのに伴って、先行機は増速を続けるが、追従機はＮminの速度を維持する。ここで、追従機をＮminとするのは、給水圧力が目標値とする規定圧力より上昇しないようにするためである。
【００３４】
３）こうして、先行機が１００％Ｎに達し、且つ、一定時間が経過しても、給水圧力が規定値Ｈ３よりも低下する状態になったら、給水圧力が規定値Ｈ３となるように、追従機をＮminから１００％Ｎに向かって増速指令する。
【００３５】
次に、減速及び減台時の作動について説明する。
１）両方のポンプが共に１００％Ｎに達した場合、追従機の運転速度を１００％Ｎに固定する。
【００３６】
２）使用水量の減少に伴い、給水圧力が規定値より高くなると、先行機の速度を１００％ＮからＮminに向かって減速するように指令する。
【００３７】
３）更に、使用量が少なくなり、先行機の速度がＮminに達し且つ一定時間経過しても給水圧力が規定値Ｈ４より高い状態になったら、先行機の速度を極低速にし、しかるのちに先行機を停止させる。これは、停止時の過渡電流によるインバータの悪影響を排除するためである。
【００３８】
以上の作動を図８，図９のフローチヤートにより更に、詳細に説明する。
まず、ステップ８０１で給水圧力を検出し、給水圧力が規定圧力以下か否かを判定する（ステップ８０２）。規定圧力より高いときは減速処理に入り、規定圧力以下のときは先行機を増速し（ステップ８０３）、次のステップ８０４で先行機運転速度がＮ１に達しているか否かを判定する。先行機運転速度がＮ１以下であればステップ８０１へ戻り、Ｎ１以上であれば次の８０５ステップに進み、追従機をＮmin以下の速度で始動する。そして、この速度を維持する。
【００３９】
次に、ステップ８０６でΔｔの待ち時間処理を行ってから給水圧力を検出し（ステップ８０７）、この検出圧力が規定値以下かを判定する（ステップ８０８）。規定値以下の場合にはステップ８１５に進み、先行機の運転速度を検出し、８１６ステップで先行機の運転速度が最高速度Ｎmaxに達しているか判定する。Ｎmaxに達していれば、この時点より追従機の速度ロックを解除し、速度制御を再開するとともに先行機を最高速度Ｎmaxに固定する（８１８ステップ）。この状態ではポンプの運転点は図５の点６０２にあるので圧力変動は生じない。Ｎmaxに達していない場合には、追従機の速度をロックしたまま先行機の増速を行い（ステップ８１７）、ステップ８０６に戻る。
【００４０】
ステップ８０８で規定値以下ではないと判定された場合には、使用量が１台運転でまかなえるため、ステップ８０９で先行機の運転速度を検出し、この運転速度が最低速度Ｎminであるか否かを判定する（ステップ８１０）。Ｎmin以下であれば、図５の点６０４付近の状態にあるので、ステップ８１１でΔｔの待ち時間処理を行った後、ステップ８１３で圧力が規定圧力以上あるか否かを判定し、規定圧力以上のとき８１４ステップに進んで先行機を停止させ、追従機の速度ロックを解除して８０１ステップへもどり、ここより再び実行する。ステップ８１０でＮminでないと判定された場合には、先行機を減速して（ステップ８１２）、ステップ８０６に戻る。
【００４１】
ステップ８１８の次にステップ８１９に進み、Δｔの待ち時間処理を実行してから給水圧力を検出し（ステップ８２０）、次のステップ８２１でこの圧力検出値が規定値以下か否かを判定する。規定値より大きい場合には図９（ａ）のステップ８２２に進んで追従機の運転速度を検出し、この運転速度が最低速度Ｎminであるか否かを判定する（ステップ８２３）。最低速度Ｎminに達していれば、ステップ８２５のΔｔの待ち時間処理を実行した後に、８２６ステップで規定圧力Ｈ４以上か否かを判定する。判定した結果、図５のＨ４以上であれば、ステップ８２７で先行機をＯＦＦすると共に追従機の運転速度ロックを解除し、８０１ステップへ戻りここより再実行する。ステップ８２３でＮminに達していないと判定されたときはステップ８２４で減速処理を行い、ステップ８１９に戻る。
【００４２】
ステップ８２１で規定値以下と判定された場合には、図９（ｂ）のステップ８２８に進み、追従機の運転速度を検出し、この運転速度がステップ８２９の判定で最高速度Ｎmaxに達しているときは速度変更を行わず（ステップ８３１）、最高速度Ｎmaxに達していないときは増速処理を行って（ステップ８３０）から、ステップ８１９に戻る。
【００４３】
以上説明したようにポンプ制御を行えば、ポンプを停止させるとき先行して運転したポンプほど先に停止させることができるので、複数台のポンプの運転負担の等分化が図れる。
【００４４】
図１０（ａ）は、上述した本実施例に係る給水装置で各ポンプをインバータ制御したときの圧力変動が抑制される様子を示した図である。なお、比較のための図１０（ｂ）は、インバータ運転のポンプと定格運転のポンプを組み合わせた例であるが、切り替え時に定格運転のポンプが運転されると急激な圧力変動が発生することを示している。
【００４５】
本実施例では、図１１に示すように、受水槽を用いている現状の方式に比べ、水道本管の圧力が利用できるのでポンプの圧力は少なくて済み、省エネルギ化を図ることができる。
【００４６】
図１５は、本発明の第２実施例に係る給水装置の制御回路の構成図である。本実施例では、インバータへの速度指令信号を１点としている。今、使用水量が少なく、図５に示す極低速Ｎminで特性曲線６０９のもとで、ポンプ８が運転されているものとする。
【００４７】
この状態で使用水量の少ない状態を検出したら、もう一方のポンプを駆動するインバータ４０５の運転信号４０７をＯＮし、先行しているインバータと同じ速度指令信号Ｎを出力して両ポンプを共に極低速度で運転する。そして、一定時間後に、先行したポンプを停止させる。このようにした場合も、ラップさせてポンプの運転を切替えるので、圧力変動が生じないのはいうまでもなく、さらに速度指令信号が１点で済むので制御装置を安価に構成できる効果がある。
【００４８】
次に、本発明の第３実施例を、図１４，図１５により説明する
本実施例はインバータまたはポンプが故障した場合のバックアップを行うように給水装置を構成したものである。図１４は、図３の構成に加え、バックアップ時に切り替えるための電磁接触器接点を追加したもので、図１５は、図１４の電磁接触器の切り替えを行うために図４に切り替え回路として、モートルの過負荷保護用のサーマルリレー接点５２２，５２３およびインバータトリップ信号用接点５２４、５２５を追加したものである。また、これらの故障信号を入力するために制御装置５０８に入力ポート５２１を設けている。
【００４９】
このように構成したものにおいて、例えばインバータＩＮＶ１とＩＭ２が故障した場合には、電磁接触器４０２，４０３を釈放し、制御回路はＩＮＶ２を運転指令して、このインバータＩＮＶ２によりＩＭ１を運転しバックアップを行う。
【００５０】
同様に、ＩＮＶ２とＩＭ１が故障した場合も、電磁接触器４０２，４０３を釈放してＩＮＶ２を停止させ、電磁接触器４１１を投入し、制御回路はＩＮＶ１を運転指令してＩＭ２を運転し、バックアップを行う。
【００５１】
このようにすれば故障時に断水することなく信頼性が向上する。しかも、バックアップされたポンプのインバータにより速度制御されるため、水道本管圧力への圧力変動を抑制できる。
【００５２】
図１６は、本発明の第４実施例に係る給水装置の概略構成図である。
本実施例は、第１実施例の水道本管と給水装置との間に受水槽を設けたものであり、他の構成は第１実施例と同一である。図１６において、２０１は受水槽、２０２，２０３，２０８，２０９，２１２は仕切弁、２０４，２０５はそれぞれインバータで駆動されるポンプ、２０６，２０７は逆止め弁、２１０は内部に空気溜りを持つ圧力タンク（ダイヤフラムタンクでもよい）、２１１は給水管２１３に設けられここの圧力に応じて圧力信号を発する圧力センサである。
【００５３】
このように、上述した各実施例に係る給水装置は、水道本管に直結して用いるために構成されたが、受水槽を備えるものにも適用できるものである。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、水道本管に直結した複数台のポンプを並列運転するときの圧力変動を抑制することができる。また、インバータがトリップしたときでもポンプを商用電源で運転させずに済み圧力変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る給水装置の概略構成図である。
【図２】本実施例の給水装置を用いた給水システムの構成図である。
【図３】図１に示す制御装置の動力回路図である。
【図４】図１に示す制御装置の制御回路図である。
【図５】図１に示す給水装置により末端圧力一定制御の運転を行った場合の運転特性図である。
【図６】第１実施例における増速および増台時の動作を示す運転特性図である。
【図７】第１実施例における運転手順を示すフローチャートである。
【図８】第１実施例における運転手順を示すフローチャートである。
【図９】第１実施例における運転手順を示すフローチャートである。
【図１０】第１実施例における圧力変動抑制効果を説明する特性図である。
【図１１】第１実施例における省エネルギ効果を示す図である。
【図１２】第１実施例の給水装置の外観図である。
【図１３】本発明の第２実施例に係る給水装置の動力回路図である。
【図１４】本発明の第３実施例に係る給水装置の制御装置の動力回路図である。
【図１５】第３実施例における制御回路図である。
【図１６】本発明の第４実施例に係る給水装置の概略構成図である。
【図１７】従来の給水装置における制御装置の動力回路図である。
【図１８】従来の給水装置の運転特性図である。
【符号の説明】
２０２，２０３…仕切り弁、８，９…ポンプ、ＩＭ１，ＩＭ２…電動機、２１０…圧力タンク、２１１…圧力センサ、４０１…遮断器、４０２，４０３…電磁接触器、ＩＮＶ１，ＩＮＶ２…汎用インバ−タ、Ｎ１，Ｎ２…速度指令信号，４０６，４０７…インバータ運転指令信号，５０１…スイッチ，ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…デイップスイッチ、５０２…トランス、５０８…コントロ−ラ、５０３，５１０〜５１７…入出力装置、５１４…メモリ、５１３…中央演算処理装置、５０４〜５０７…リレー。

Claims (1)

1. 水道本管に接続される吸込管と、
   該吸込管から分岐される複数の分岐管と、
   各分岐管の出口側を合流し需要側に接続される給水管と、
   各分岐管毎に設けられ前記吸込管から吸い込んだ水を前記給水管側に吐き出す分岐管対応の複数のポンプと、
   各ポンプを各々駆動するポンプ対応の電動機と、
   各電動機対応に設けられた複数のインバータと、
   前記ポンプの吐出側圧力を検出する圧力検出手段と、
   第１のインバータに指令を出して第１のポンプを起動し、最高速度へ向かって増速し、前記第１のポンプが最高速度に達し、前記圧力検出手段が検出した給水圧力が、第１のポンプが最高速度でのＱ−Ｈ特性曲線と管路抵抗曲線とから求まる規定値よりも低下しているとき、第２のインバータによって第２のポンプを増速し、給水圧力が、第１のポンプが最高速度でのＱ−Ｈ特性曲線と管路抵抗曲線とから求まる規定値となるようにする制御手段と、
   を設けたことを特徴とする水道用給液装置。

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