JP4066128B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプ装置に係り、特にポンプを駆動する電動機に可変周波数電力を供給することでポンプを可変速駆動するインバータ装置を備えたポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機を可変速運転するインバータ装置を備えたポンプ装置は、省エネルギー等の観点から広く普及している。係るポンプ装置においては、商用電源周波数を全速として、インバータ装置によって周波数を下げて、これによりポンプの回転速度を下げて、設置現場における所要の揚程および流量（要項）に適合するように運転制御するのが一般的である。これにより、ポンプの設置現場において要求される揚程・流量に対して、適切な軸動力を供給することができる。
【０００３】
しかしながら、前記の方法ではインバータ装置が故障した場合に、インバータ装置を介さずに直接商用電源を電動機に供給すると、ポンプを駆動する電動機には商用電源周波数の電力が供給され、例えばボルテックスポンプのように大流量領域において軸動力が過大となるポンプでは、電動機が過負荷になって運転不能になる場合があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、インバータ装置が故障し、ポンプを駆動する電動機に商用電源を直接印加して運転した場合でも、ポンプの想定される運転領域で軸動力が過負荷にならず、運転できるようにしたポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のポンプ装置は、大流量領域で電動機の軸動力が大きくなるポンプと、前記ポンプに直接または減速機を介して接続され、前記ポンプを駆動する電動機と、商用電源に接続され、前記電動機に商用電源周波数よりも高い周波数の電力を供給するインバータ装置とを備えたポンプ装置であって、前記ポンプ装置は、前記電動機に商用電源周波数の電力が供給されても、ポンプの全ての運転領域において、電動機の軸動力が該電動機の軸動力容量を超えないポンプ装置であり、前記インバータ装置は、前記ポンプが要求される揚程および流量を満たすように前記電動機を増速駆動し、さらに、前記電動機の軸動力が該電動機の軸動力容量を超えることがないように前記電動機の軸動力を一定に制御することを特徴とするポンプ装置である。
【０００６】
ここで、前記ポンプは、大流量領域において軸動力が大きくなるため、軸動力一定制御運転を行う。軸動力一定制御運転と組み合わせることにより、前記ポンプを駆動するモータの容量を小さくすることができる。
【０００７】
本発明によれば、インバータ装置を備えたポンプ装置において、通常運転時にはインバータ装置より増速運転を行い、所要の要項（揚程および流量）を満足し、インバータ装置の故障等によりインバータ装置が切離され、商用電源が直接電動機に供給されても、軸動力が過負荷とならない。従って、インバータ装置の故障時にもポンプの運転が可能であり、これによりポンプの機能が失われることがなく、信頼性の高いポンプ装置とすることができる。
【０００８】
例えばボルテックスポンプなどには、大流量領域において軸動力が増大する傾向がある。従って、例えば河川の内水排除のように増水した河川の水を他の河川に送水するような用途においては、万一インバータ装置が故障しても、ポンプの運転が可能となるので、信頼性の高いポンプ装置とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態のポンプ装置を示す。例えば４００Ｖ、５０Ｈｚの三相商用交流電源１１にインバータ装置１３が接続され、インバータ装置１３は可変周波数・電圧の交流電力を電動機１５に供給する。電動機１５はポンプ等の流体機械１７に直接または減速機を介して接続され、流体機械１７は水等の流体を加圧圧送する。
【００１０】
ここでポンプ１７は、この実施の形態においては、例えば大雨等により高水位に達した河川の水を他の河川に排水する等の河川の内水排除に好適な、低揚程・大流量時に軸動力が大きくなる特性を持つボルテックスポンプである。係る河川の内水排除においては、ポンプの停止により水害を発生させた場合、地域に与える影響が大きいため高い信頼性が要求される。
【００１１】
インバータ装置１３は、商用電源よりも高い周波数で電動機を増速駆動するように、商用電源周波数よりも高い周波数の出力が可能であり、通常は商用電源周波数よりも高い周波数の電力を供給することで、所要の揚程および流量を満足し、前記インバータ装置を切離して商用電源周波数で前記ポンプを運転したときに、前記ポンプの運転領域において軸動力が過負荷とならないことを特徴としている。
【００１２】
増速時の周波数は、以下の手順により決められる。ポンプ１７と電動機１５との間に減速機を有する場合には、先ず、ポンプ１７の要項点（揚程、流量、軸動力など）を満たすポンプ回転速度Ｎ１を求め、次に、想定されるすべての運転領域において、軸動力が過負荷とならないポンプの回転速度Ｎ２を求める。そして電動機１５を商用電源周波数で運転した時に、ポンプ１７が回転速度Ｎ２で運転されるように減速比を選定する。要項点での通常運転時の回転速度は、商用電源周波数の（Ｎ１／Ｎ２）倍にてポンプ１７を運転するように出力周波数・電圧をインバータ装置１３に設定する。回転速度Ｎ１でポンプを運転すると、大流量領域において軸動力が増大し、電動機の容量を超える領域がある。このため、軸動力が過負荷となる大流量領域では軸動力一定制御にて運転するようにコントローラを設定する。軸動力一定制御は、例えば電動機の電流値が一定となるようにＰＩＤ制御することで行える。
【００１３】
ポンプと電動機が直結されている場合には、同様に増速時の運転周波数は以下の手順により求められる。先ず、ポンプ１７の要項点（揚程、流量、軸動力など）を満たすポンプ回転速度Ｎ３を求め、次に、想定されるすべての運転領域において、軸動力が過負荷とならないポンプの回転速度Ｎ４を相似側により求める。通常運転時（増速時）は、商用電源周波数の（Ｎ３／Ｎ４）倍にてポンプを運転し、軸動力が過負荷となる大流量領域では上述と同様に軸動力一定制御運転に切り換えて運転する。
【００１４】
本発明のポンプ装置の動作について、図２および図３を参照しながら説明する。ここで、図２は本発明の実施例を示すもので、図３はこれに対比する従来例を示したものである。
【００１５】
図２（ａ）において、曲線Ａはポンプ回転速度が上記Ｎ２またはＮ４の時の性能曲線であり、商用電源周波数でのポンプの回転速度における揚程・流量特性である。図２（ｂ）は流量Ｑに対する所要軸動力Ｌを示すもので、曲線Ａは前記インバータ装置を切離して商用電源周波数で前記ポンプを運転したときに、前記ポンプのすべての運転領域において軸動力が過負荷とならないようにポンプの回転速度が選定されている。ここで、図中の符号Ｌｂは電動機の軸動力容量を示す。従って、インバータ装置が故障等により、これを切離して商用電源を直接電動機に供給した場合には、想定されるすべての運転領域において電動機が過負荷状態となることがない。
【００１６】
これに対して、図３（ａ）に示す従来例においては、曲線Ａ，Ａ'が商用電源周波数における性能曲線を示し、図３（ｂ）に符号Ａ，Ａ'で示すように、特に大流量領域において軸動力が過負荷となる。即ち、この回転速度でポンプを運転すると、大流量領域において所要軸動力Ｌが増大し、電動機にその容量Ｌｂを超えた電流が流れ、電動機の過負荷の問題が生じる。従って、流量が軸動力容量Ｌｂを超える流量Ｑａに達すると、軸動力一定制御運転に切り換えるようにしている。軸動力一定制御運転は、図３（ｂ）の符号Ａ''に示すように、駆動用電動機の軸動力Ｌが、その容量Ｌｂを超えないように、軸動力Ｌが一定となるように制御する。具体的には、例えば電動機電流が一定となるように制御する。この軸動力一定運転制御により、大流量領域においても電動機の過負荷が防止される。
【００１７】
従来は、ポンプ使用場所における所要の要項（揚程、流量）を満足するように電源周波数から減速することにより性能曲線Ｂが決められていた。これにより、ポンプ使用場所の所要の要項を満足して、大流量領域においても、図３（ｂ）に曲線Ｂで示すように軸動力は電動機容量Ｌｂに到達せず、電動機の過負荷を生じることなく運転が可能である。
【００１８】
従って、従来のインバータ装置により駆動されるポンプにおいては、インバータ装置が故障等により動作不能となり、商用電源を直接電動機に供給する場合には、電動機は性能曲線Ａ，Ａ'に従って動作する。このため、流量がＱａ以上になると、図３（ｂ）に示すように軸動力Ｌが駆動用電動機の軸動力容量Ｌｂ以上となり、過負荷が生じることは上述したとおりである。
【００１９】
そこで、本発明の実施の形態では、前記インバータ装置を切離して商用電源周波数で前記ポンプを運転したときに、前記ポンプのすべての運転領域において軸動力が過負荷とならない回転速度を選定している。性能曲線Ａは、商用電源周波数で運転時の性能曲線であり、インバータ装置が故障して商用電源が電動機に直結された場合のポンプの性能曲線となる。この場合には、電動機の軸動力容量Ｌｂが流量Ｑａを超える大流量領域に到達してもその軸動力は電動機の容量Ｌｂ以下となり、ポンプの運転の継続が可能である。一方で、通常運転時には、所要の要項（揚程、流量）を満足する回転速度Ｎ１，Ｎ３に増速して、性能曲線Ｃに従って運転する。そして、この回転速度では、大流量領域では回転速度が一定の場合には、性能曲線Ｃ'で示されるようになり、この場合には流量Ｑａを超す大流量領域において軸動力Ｌが駆動用電動機の軸動力容量Ｌｂを超えるようになる。このため、上述したように軸動力一定制御運転を行い、これにより図２（ｂ）の曲線Ｃ''に示すように軸動力が駆動用電動機の軸動力容量Ｌｂを超えないようにする。
【００２０】
従って、インバータ装置１３が正常に作動している場合には、設置現場の所要の要項（揚程・流量）を満足し、且つ電動機１５の軸動力容量Ｌｂを超えない運転ができる。そして、インバータ装置が故障した場合に商用電源１１を直接電動機１５に供給する場合には、ポンプは性能曲線Ａに従って動作するので、大流量となっても、図２（ｂ）に示すように駆動用電動機の軸動力容量Ｌｂを超えることがない。従って、このような場合においても電動機の過負荷の問題が生ぜず、運転を継続することができる。
【００２１】
河川の内水排除に用いられるポンプにおいては、例えば河川が増水して危険水位に到達すると、この水を他の余裕のある河川または貯水池等に送水する必要がある。このようなポンプの運転領域が低揚程・大流量運転の状態である場合、駆動用電動機に最も負荷がかかることとなる。この状態下でインバータ装置が万一故障した場合には、ポンプの性能曲線はＣからＡに移行するので、排水能力は多少低下する。
【００２２】
なお、上記実施の形態では、低揚程・大流量側で軸動力が大きくなるポンプとして、例えば河川の内水排除に好適なボルテックスポンプの例について説明したが、高揚程・小流量側で軸動力が大きくなる場合も含めて、その他の形式のターボ形・容積形ポンプ、又は送風機等の流体機械についても、同様に本発明の趣旨が適用可能であることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ポンプを駆動するインバータ装置が故障して商用電源を直接供給した場合でも、ポンプを駆動する電動機の軸動力が過負荷となることがなく、ポンプの運転を継続することが可能となる。従って、インバータ装置を備えたポンプの信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のポンプ装置の概要を示した図である。
【図２】本発明の実施の形態のポンプ装置の（ａ）は性能曲線（流量・揚程特性）を示した図であり、（ｂ）は軸動力特性を示した図である。
【図３】従来のポンプ装置の（ａ）は性能曲線（流量・揚程特性）を示した図であり、（ｂ）は軸動力特性を示した図である。
【符号の説明】
１１ 商用電源
１３ インバータ装置
１５ 電動機
１７ ポンプ
Ａ 電源周波数運転時の性能曲線
Ｂ 減速運転時の性能曲線
Ｃ 増速運転時の性能曲線
Ｑ 流量
Ｑａ 大流量領域
Ｈ 揚程
Ｌ 軸動力
Ｌｂ 電動機の軸動力容量

Claims (2)

1. 大流量領域で電動機の軸動力が大きくなるポンプと、
   前記ポンプに直接または減速機を介して接続され、前記ポンプを駆動する電動機と、
   商用電源に接続され、前記電動機に商用電源周波数よりも高い周波数の電力を供給するインバータ装置とを備えたポンプ装置であって、
   前記ポンプ装置は、前記電動機に商用電源周波数の電力が供給されても、ポンプの全ての運転領域において、電動機の軸動力が該電動機の軸動力容量を超えないポンプ装置であり、
   前記インバータ装置は、前記ポンプが要求される揚程および流量を満たすように前記電動機を増速駆動し、さらに、前記電動機の軸動力が該電動機の軸動力容量を超えることがないように前記電動機の軸動力を一定に制御することを特徴とするポンプ装置。
2. 前記ポンプは、ボルテックスポンプであることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。

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