JP4417051B2 - ポンプ制御方法及びポンプ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、汚水、汚物、雑排水用水中ポンプ等のポンプ制御装置に関し、特に、ポンプ駆動用電動機の温度上昇、ポンプの機械的寿命を考慮したポンプ制御方法及びポンプ制御装置に関するものである。

通常、遠心ポンプの電流特性は図２に示すように、電流値Ｉが流量Ｑの増加と共に上昇する特性を持っている。そのため、小流量側での回転速度を定格電流値Ｉｓまで高めることで、ポンプ性能を向上させることが可能となる。従来の駆動用電動機の回転速度制御方法は図３に示すように、設定した最大周波数（最大許容周波数）（６０Ｈｚ）まで電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）を一定値βにして制御するか、若しくは、ある周波数（ここでは５０Ｈｚ）まで電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）を一定値αにし、途中のａ点から一定電圧（ここでは２００Ｖ）で制御していた。

これらの制御方法では、５０Ｈｚ用のポンプ駆動用電動機をその最大周波数６０Ｈｚまで可変速運転すると、５０Ｈｚ運転時のポンプ駆動用電動機の温度上昇が最適なポイントで運転されないことになる。これは、ポンプ駆動用電動機の温度上昇分布が、横軸に電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）を縦軸に電動機温度上昇（Ｔ）をとると、図５に示すような分布となり、ポンプ駆動用電動機の温度上昇が最低となる電圧／周波数の点（図５のｃ点）で運転しないためである。

特に、電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）を一定に制御した場合は、５０Ｈｚ運転時の電圧が下がっている為（図３のｂ点参照）、電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）は、非常に小さくなりポンプ駆動用電動機の温度上昇は高くなる（図５のｄ点参照）。時には、ポンプ駆動用電動機の耐熱クラス以上になる場合もある。従って、従来の制御方法で５０Ｈｚ用のポンプ駆動用電動機を利用し可変速運転させる事は、ポンプ駆動用電動機の寿命を短くするという欠点があった。これを防ぐため、可変速運転を行なうポンプは、最大周波数においてポンプ駆動用電動機の温度上昇を許容値内となるように羽根車を選定し対応しなければならなかった。

このため、最大周波数を６０Ｈｚに設定すると６０Ｈｚ用の羽根車を選定することになり、図２のような回転数制御によるポンプ性能の向上、即ち通常のポンプ性能曲線ｅから回転数制御によるポンプ性能曲線ｆへの向上が得られない。ポンプ性能を向上させる為には、最大周波数を６０Ｈｚ以上に設定する必要がある。
特開平７−１６７０８５号公報

上記のようにポンプ性能を向上させる為には、最大周波数を６０Ｈｚ以上に設定する必要があるが、通常、ポンプ駆動用電動機の設計は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで行なっている為、６０Ｈｚ以上でポンプ駆動用電動機を運転した場合、ポンプの回転速度が設計点より高くなる為、軸受、メカニカルシール等の寿命が短くなるという欠点がある。

また、ポンプ駆動用三相誘導電動機に、周波数・電圧変換装置から周波数Ｆと電圧Ｖの関係Ｖ／Ｆを一定とした電力を供給し、ポンプ駆動用三相誘導電動機の電流がポンプの運転揚程にかかわらず一定値となるように、ポンプの回転数を変化させ、電動機の有する電流容量を一杯に発揮してポンプの能力をフルに利用する技術が特許文献１に開示されている。

本発明はこの問題点を解決するためになされたもので、所定の第１周波数（例えば、５０Ｈｚ）用ポンプを使用し、該第１周波数より所定周波数高い最大周波数である第２周波数（例えば、６０Ｈｚ）まで可変させてもポンプ駆動用電動機の温度上昇により電動機に影響を及ぼさないポンプ制御方法及びポンプ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ポンプ駆動用電動機の電流値が予め設定した電流値付近となるように回転速度を制御するポンプ制御方法であって、所定の第１周波数用のポンプ駆動用電動機を該第１周波数より所定周波数高い第２周波数まで可変速運転し、且つ第１周波数での電圧／周波数の比をポンプ駆動用電動機の温度上昇が最小となる値とし、第１周波数から第２周波数間は電圧の増加分／周波数の増加分の比を一定値として制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ制御方法において、第１周波数は５０Ｈｚであり、第２周波数は６０Ｈｚであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、ポンプ駆動用電動機の電流値が予め設定した電流値付近となるように回転速度を制御する制御手段を具備するポンプ制御装置であって、制御手段は、所定の第１周波数用のポンプを該第１周波数より所定周波数高い第２周波数まで可変速運転し、且つ第１周波数での電圧／周波数の比を、ポンプ駆動用電動機の温度上昇が最小となる値とし、第１周波数から第２周波数間は電圧の増加分／周波数の増加分の比を一定値として制御する機能を具備することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のポンプ制御装置において、第１周波数は５０Ｈｚであり、第２周波数は６０Ｈｚであることを特徴とする。

各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。

請求項１及び２に記載の発明によれば、所定の第１周波数（例えば５０Ｈｚ）用のポンプを使用して該第１周波数から第２周波数（最大許容周波数）（例えば６０Ｈｚ）まで可変速運転する場合、第１周波数での運転点をポンプ駆動用電動機の温度上昇が最小となる電圧／周波数の比とすることで、電動機の温度上昇を抑えて運転することが可能となるポンプ制御方法を提供できる。また、ポンプを可変速運転を行なわないポンプと同じレベルで使用することが可能となる。

請求項３及び４に記載の発明によれば、制御手段は、所定の第１周波数用のポンプを第２周波数まで可変速運転し、且つ第１周波数での電圧／周波数の比を、ポンプ駆動用電動機の温度上昇が最小となる値とし、第１周波数から第２周波数間は電圧の増加分／周波数の増加分の比を一定値とする機能を具備するので、ポンプ駆動用電動機の温度上昇を抑えて運転することが可能となるポンプ制御装置を提供できる。また、可変速運転を行なわないポンプと同じレベルで使用することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るポンプ制御装置の構成例を示す図である。１は汚水、汚物、雑排水用の遠心水中ポンプであり、２は該水中ポンプ１を駆動するポンプ駆動用電動機である。３は該ポンプ駆動用電動機２に駆動電力を供給するインバータ、４はインバータを制御する制御部である。５はポンプ駆動用電動機２に供給される駆動電力の電流値を検出する電流センサ、６はポンプ駆動用電動機２に供給される駆動電力の電圧値を検出する電圧センサであり、該電流センサ５で検出された電流値Ｉ及び電圧センサ６で検出された電圧値Ｖは制御部４に入力される。また、制御部４には定格電流値Ｉｓを設定する電流設定部７、電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）を設定する電圧／周波数比設定部８、最大周波数設定部９が接続されている。

インバータ３にはＡＣ電源１０から交流電力が供給され、制御部４はポンプ駆動用電動機２の電流値Ｉが電流設定部７で予め設定した定格電流値Ｉｓ付近になるように水中ポンプ１の回転数を制御する。

国内においてこの種の水中ポンプを駆動するポンプ駆動用電動機は、通常、３定格（５０Ｈｚ／２００Ｖ、６０Ｈｚ／２００Ｖ、６０Ｈｚ／２２０Ｖ）のいずれで運転してもポンプ駆動用電動機２の温度上昇が耐熱クラス以上にならないように設計しているため、ポンプ駆動用電動機２の設計点が必ずしも３定格のいずれかにあるとは限らない。各運転点でのポンプ駆動用電動機２の温度分布は、横軸に３定格での電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）をとり、縦軸にそれに対応した温度上昇値（Ｔ）をとると前述のように図５に示すような分布となる。図５において、ポンプ駆動用電動機２の温度上昇値が一番低いｃ点が通常、ポンプ駆動用電動機２の設計ポイントとなる。

ここでは、ポンプの羽根車が５０Ｈｚ用を使用した場合の制御について説明する。水中ポンプ１の可変速制御にあたり、最大周波数（最大許容周波数）の設定をＦｓ＝６０Ｈｚとして最大周波数設定部９に設定している。制御部４は下記のようにポンプ駆動用電動機２を制御してポンプ１を制御する。

水中ポンプ１の流量（Ｑ）が小流量側では、図２に示すようにポンプ駆動用電動機２の電流値Ｉが定格電流値Ｉｓより低い為に最大周波数設定部９が設定した最大周波数Ｆｓ＝６０Ｈｚまで回転速度を上げることで、図２の通常のポンプ性能曲線ｅから回転数制御によるポンプ性能曲線ｆに性能を向上させる。また、水中ポンプ１の流量が大流量側では、ポンプ駆動用電動機２の電流値Ｉが定格電流値Ｉｓに近づく為、周波数が５０Ｈｚに近づいていく。５０Ｈｚの運転時には、横軸に３定格（５０Ｈｚ／２００Ｖ、６０Ｈｚ／２００Ｖ、６０Ｈｚ／２２０Ｖ）での電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ＝２００／５０，２００／６０，２２０／６０）をとり、縦軸にそれぞれの電動機温度上昇（Ｔ）をとったときに温度上昇が一番低い電圧／周波数の比（Ｖ／Ｆ）（図５のｃ点）で運転する。即ち、図４に示すように、周波数０〜５０Ｈｚ間を電圧／周波数比設定部８で設定した一定値の電圧／周波数比α１で運転し、５０Ｈｚで図５のｃ点での電圧値Ｖｃで運転し、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ間を電圧／周波数比設定部８で設定した一定値の電圧／周波数比α２で運転する。

上記のように水中ポンプ１を駆動するポンプ駆動用電動機２を制御することにより、５０Ｈｚ用のポンプでも可変速運転することが可能となる。また、最大周波数を６０Ｈｚ、即ち上記３定格（５０Ｈｚ／２００Ｖ、６０Ｈｚ／２００Ｖ、６０Ｈｚ／２２０Ｖ）の最も大きい周波数としている為、軸受、メカニカルシール等の機械的部品はこの回転数に耐え得るように設計されていることから、寿命が、可変速運転を行なわないポンプと同等となる。

また、ポンプやポンプ駆動用電動機の軸受、メカニカルシール等の機械的部品は、通常ポンプ駆動用モータの最大許容周波数（第２周波数）に耐え得るように設計されているから、可変速運転を行なわないポンプと同じレベルで使用することが可能となる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明に係るポンプ制御装置の構成例を示す図である。 ポンプの流量と電流値及び揚程の関係を示す図である。 従来のポンプ制御運転における周波数と電圧の関係を示す図である。 本発明と従来のポンプ制御運転における周波数と電圧の関係を示す図である。 電圧／周波数の比に対する電動機温度上昇の関係（温度分布）を示す図である。

１ 水中ポンプ
２ ポンプ駆動用電動機
３ インバータ
４ 制御部
５ 電流センサ
６ 電圧センサ
７ 電流設定部
８ 電圧／周波数比設定部
９ 最大周波数設定部
１０ ＡＣ電源

Claims (4)

1. ポンプ駆動用電動機の電流値が予め設定した電流値付近となるように回転速度を制御するポンプ制御方法であって、
   所定の第１周波数用のポンプ駆動用電動機を該第１周波数より所定周波数高い第２周波数まで可変速運転し、且つ第１周波数での電圧／周波数の比をポンプ駆動用電動機の温度上昇が最小となる値とし、第１周波数から第２周波数間は電圧の増加分／周波数の増加分の比を一定値として制御することを特徴とするポンプ制御方法。
2. 請求項１に記載のポンプ制御方法において、
   前記第１周波数は５０Ｈｚであり、前記第２周波数は６０Ｈｚであることを特徴とするポンプ制御方法。
3. ポンプ駆動用電動機の電流値が予め設定した電流値付近となるように回転速度を制御する制御手段を具備するポンプ制御装置であって、
   前記制御手段は、所定の第１周波数用のポンプを該第１周波数より所定周波数高い第２周波数まで可変速運転し、且つ第１周波数での電圧／周波数の比をポンプ駆動用電動機の温度上昇が最小となる値とし、第１周波数から第２周波数間は電圧の増加分／周波数の増加分の比を一定値として制御する機能を具備することを特徴とするポンプ制御装置。
4. 請求項３に記載のポンプ制御装置において、
   前記第１周波数は５０Ｈｚであり、前記第２周波数は６０Ｈｚであることを特徴とするポンプ制御装置。

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