JP4532876B2 - 給水方法 - Google Patents
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Description
この発明は、吐出圧力一定制御、あるいは、推定末端圧力一定制御によって水を使用個所へ供給する給水方法に関するものである。
従来の給水方法または給水装置は、吐出圧力一定、または、推定末端圧力一定の圧力制御を行っているため、給水負荷の変動に応じてモータの省エネ運転を行う制御、例えば、給水負荷が小さい時、モータの電圧を低下させてモータの効率を高める制御などが主たる圧力制御系の外乱として作用するので、省エネ運転制御を実施していない。
したがって、可変電圧・可変周波数電源、例えば、インバータの電圧／周波数特性を、Ｖ／Ｆ一定に設定して運転するのが普通であった。
もちろん、負荷トルクが想定される場合には、いわゆる、逓減トルク負荷特性に設定して運転することもあった。
したがって、可変電圧・可変周波数電源、例えば、インバータの電圧／周波数特性を、Ｖ／Ｆ一定に設定して運転するのが普通であった。
もちろん、負荷トルクが想定される場合には、いわゆる、逓減トルク負荷特性に設定して運転することもあった。
なお、給水装置以外のインバータによる可変速駆動の用途では、モータの運転周波数、負荷トルクのもとで、周波数および電圧を調整することにより、モータが最高効率となるいくつかの省エネ制御方式が提案され、実用に供されている。
例えば、モータの入力を計測してモータの負荷トルクを推定し、この負荷トルクおよび運転周波数から効率が最大になる電圧をモータの等価回路から計算し、モータの電圧をこの計算省エネ電圧に、ゆっくり移行させることにより、モータを省エネ運転する方法がある。
例えば、モータの入力を計測してモータの負荷トルクを推定し、この負荷トルクおよび運転周波数から効率が最大になる電圧をモータの等価回路から計算し、モータの電圧をこの計算省エネ電圧に、ゆっくり移行させることにより、モータを省エネ運転する方法がある。
また、負荷が軽負荷になった場合、例えば、定常状態になった場合、ある電圧のもとでのモータの効率を効率計算式で計算し、それが予想される最大効率よりも小さい場合には電圧を僅かな値だけ低下させ、先に求めた効率と比較し、効率が改善されていれば、さらに僅かな値だけ電圧を降下させるのを繰り返すことにより、その負荷と周波数のもとで最高効率になるモータの電圧を探索して決定する方法がある。
上述した方法は、モータの効率が最大になる電圧を運転中の負荷に応じてその都度計算して設定するので、正確で、汎用性が高い特長を有している。
しかし、給水装置におけるモータの場合、圧力制御を遂行中に電圧を調整すると、圧力制御の制御性能を低下させるため、採用しにくいという問題がある。
また、負荷が増加した場合、電圧をできるだけ早く復帰させ、十分な駆動トルクを発生させる必要があるが、そうすると、モータ速度が振動応答するという問題がある。
つまり、給水装置のように、圧力制御を遂行しつつ省エネ制御行う用途には、適用が困難であった。
しかし、給水装置におけるモータの場合、圧力制御を遂行中に電圧を調整すると、圧力制御の制御性能を低下させるため、採用しにくいという問題がある。
また、負荷が増加した場合、電圧をできるだけ早く復帰させ、十分な駆動トルクを発生させる必要があるが、そうすると、モータ速度が振動応答するという問題がある。
つまり、給水装置のように、圧力制御を遂行しつつ省エネ制御行う用途には、適用が困難であった。
この発明は、上記したような不都合を解消するためになされたもので、圧力制御の性能を低下させることなく、省エネ運転を行うことのできる給水方法を提供するものである。
この発明は、以下のような発明である。
（１）この発明の給水方法は、インバータを介してモータを駆動することにより、ポンプを作動させて給水する給水方法において、前記ポンプへの押し込み圧力と吐出側の圧力とから前記モータを駆動する各周波数における前記モータを駆動するのに最低必要なトルクを発生させる省エネベース電圧を演算する省エネベース電圧演算回路と、前記各周波数に基づくＶ／Ｆ（電圧／周波数）特性が一定となる電圧を出力するＶ／Ｆ一定電圧演算回路とを有し、前記インバータは、前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の出力電圧で前記モータを駆動して給水している状態で前記インバータに装備されている周波数一致信号で前記ポンプの圧力制御が定常状態に入ったことを検出すると前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の前記周波数一致信号の周波数における出力電圧値を、前記省エネベース電圧演算回路が演算した前記周波数一致信号の周波数における省エネベース電圧値にゆっくりと近付かせるように移行させて、前記モータを前記省エネベース電圧演算回路が演算した省エネベース電圧による駆動とし、また、前記インバータは、前記省エネベース電圧演算回路が演算した省エネベース電圧で前記モータを駆動している状態で定常状態が解除されると、前記周波数一致信号の周波数における省エネベース電圧値を前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の前記周波数一致信号の周波数における出力電圧値へゆっくりと近付かせるように移行させて、前記省エネベース電圧による前記モータ駆動を、前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の出力電圧による前記モータ駆動とする、ことを特徴とする。
（２）（１）の給水方法において、前記モータの周波数に基づく省エネ電圧を下記の式により求める省エネ電圧演算回路を有し、前記省エネ電圧が前記省エネベース電圧よりも高くなると前記省エネ電圧で前記モータを駆動する、ことを特徴とする。
（３）（２）の給水方法において、前記省エネ電圧は、前記モータの１次抵抗、鉄損抵抗、および、２次抵抗を温度補正して求めることを特徴とする。
（４）（２）または（３）の給水方法において、前記モータの各周波数における過励磁防止制限電圧を求め、前記省エネ電圧が前記過励磁防止制限電圧よりも高くなると、前記過励磁防止制限電圧で前記モータを駆動する、ことを特徴とする。
（１）この発明の給水方法は、インバータを介してモータを駆動することにより、ポンプを作動させて給水する給水方法において、前記ポンプへの押し込み圧力と吐出側の圧力とから前記モータを駆動する各周波数における前記モータを駆動するのに最低必要なトルクを発生させる省エネベース電圧を演算する省エネベース電圧演算回路と、前記各周波数に基づくＶ／Ｆ（電圧／周波数）特性が一定となる電圧を出力するＶ／Ｆ一定電圧演算回路とを有し、前記インバータは、前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の出力電圧で前記モータを駆動して給水している状態で前記インバータに装備されている周波数一致信号で前記ポンプの圧力制御が定常状態に入ったことを検出すると前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の前記周波数一致信号の周波数における出力電圧値を、前記省エネベース電圧演算回路が演算した前記周波数一致信号の周波数における省エネベース電圧値にゆっくりと近付かせるように移行させて、前記モータを前記省エネベース電圧演算回路が演算した省エネベース電圧による駆動とし、また、前記インバータは、前記省エネベース電圧演算回路が演算した省エネベース電圧で前記モータを駆動している状態で定常状態が解除されると、前記周波数一致信号の周波数における省エネベース電圧値を前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の前記周波数一致信号の周波数における出力電圧値へゆっくりと近付かせるように移行させて、前記省エネベース電圧による前記モータ駆動を、前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の出力電圧による前記モータ駆動とする、ことを特徴とする。
（２）（１）の給水方法において、前記モータの周波数に基づく省エネ電圧を下記の式により求める省エネ電圧演算回路を有し、前記省エネ電圧が前記省エネベース電圧よりも高くなると前記省エネ電圧で前記モータを駆動する、ことを特徴とする。
（３）（２）の給水方法において、前記省エネ電圧は、前記モータの１次抵抗、鉄損抵抗、および、２次抵抗を温度補正して求めることを特徴とする。
（４）（２）または（３）の給水方法において、前記モータの各周波数における過励磁防止制限電圧を求め、前記省エネ電圧が前記過励磁防止制限電圧よりも高くなると、前記過励磁防止制限電圧で前記モータを駆動する、ことを特徴とする。
この発明によれば、通常の給水状態から省エネの給水状態の移行、および、省エネの給水状態から通常の給水状態への移行が、圧力制御の制御機能を低下させることなく、モータ速度を振動させないようにスムーズに行える。
また、モータの負荷状態に応じてトルクを変更することにより、モータを常に最高効率で運転することになり、省エネ化が可能になる。
そして、省エネ電圧を求め、この省エネ電圧が省エネベース電圧よりも高くなると、省エネ電圧を省エネ出力電圧とするので、常に省エネ効果を得ることができる。
さらに、省エネ電圧を、モータの１次抵抗、鉄損抵抗、および、２次抵抗を温度補正して求めるので、モータをさらに効率よく運転することができ、使用環境に応じた効率的な運転ができ、さらなる省エネ化が可能になる。
そして、モータの各周波数における過励磁防止制限電圧を求め、省エネ電圧が過励磁防止制限電圧よりも高くなると、過励磁防止制限電圧を省エネ出力電圧とするので、モータの過励磁を防止でき、モータの寿命を長くすることができる。
また、モータの負荷状態に応じてトルクを変更することにより、モータを常に最高効率で運転することになり、省エネ化が可能になる。
そして、省エネ電圧を求め、この省エネ電圧が省エネベース電圧よりも高くなると、省エネ電圧を省エネ出力電圧とするので、常に省エネ効果を得ることができる。
さらに、省エネ電圧を、モータの１次抵抗、鉄損抵抗、および、２次抵抗を温度補正して求めるので、モータをさらに効率よく運転することができ、使用環境に応じた効率的な運転ができ、さらなる省エネ化が可能になる。
そして、モータの各周波数における過励磁防止制限電圧を求め、省エネ電圧が過励磁防止制限電圧よりも高くなると、過励磁防止制限電圧を省エネ出力電圧とするので、モータの過励磁を防止でき、モータの寿命を長くすることができる。
以下、この発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１はこの発明の一実施形態である給水装置の構成を示すブロック図である。
図１はこの発明の一実施形態である給水装置の構成を示すブロック図である。
図１において、１は水道管、２は給水配管を示し、この給水配管２は、水道管１の下流に接続され、給水本管３と、この給水本管３の途中に、並列に挿入された２本の給水分岐管４Ａ，４Ｂとで構成されている。
５はバイパス管を示し、給水分岐管４Ａ，４Ｂよりも上流の給水本管３と、給水分岐管４Ａ，４Ｂよりも下流の給水本管３とを接続するものである。
５はバイパス管を示し、給水分岐管４Ａ，４Ｂよりも上流の給水本管３と、給水分岐管４Ａ，４Ｂよりも下流の給水本管３とを接続するものである。
１１は吸い込み側圧力検出器を示し、水道管１に配設され、後述するポンプ１３Ａ，１３Ｂへの押し込み圧力ｈsuを検出して後述する補償圧力演算器２１ｂへ出力するものである。
１２は吸い込み側逆止め弁を示し、水道管１と給水配管２との間に配設され、給水配管２側から水道管１側へ水が逆流するのを防止するものである。
１３Ａ，１３Ｂはポンプを示し、ポンプ１３Ａは給水分岐管４Ａに配設され、ポンプ１３Ｂは給水分岐管４Ｂに配設されている。
１２は吸い込み側逆止め弁を示し、水道管１と給水配管２との間に配設され、給水配管２側から水道管１側へ水が逆流するのを防止するものである。
１３Ａ，１３Ｂはポンプを示し、ポンプ１３Ａは給水分岐管４Ａに配設され、ポンプ１３Ｂは給水分岐管４Ｂに配設されている。
１４Ａ，１４Ｂは吐出側逆止め弁を示し、吐出側逆止め弁１４Ａはポンプ１３Ａよりも下流の給水分岐管４Ａに、吐出側逆止め弁１４Ａよりも下流からポンプ１３Ａへ水が逆流しないように配設され、吐出側逆止め弁１４Ｂはポンプ１３Ｂよりも下流の給水分岐管４Ｂに、吐出側逆止め弁１４Ｂよりも下流からポンプ１３Ｂへ水が逆流しないように配設されている。
１５Ａ，１５Ｂは締め切り弁を示し、締め切り弁１５Ａは吐出側逆止め弁１４Ａよりも下流の給水分岐管４Ａに配設され、締め切り弁１５Ｂは吐出側逆止め弁１４Ｂよりも下流の給水分岐管４Ｂに配設されている。
１５Ａ，１５Ｂは締め切り弁を示し、締め切り弁１５Ａは吐出側逆止め弁１４Ａよりも下流の給水分岐管４Ａに配設され、締め切り弁１５Ｂは吐出側逆止め弁１４Ｂよりも下流の給水分岐管４Ｂに配設されている。
１６は圧力タンクを示し、締め切り弁１５Ａ，１５Ｂよりも下流の給水配管２に配設され、ポンプ１３Ａ，１３Ｂが起動して停止する頻度、すなわち、発停の頻度を少なくするため、所定量の加圧水を貯えるものである。
１７はバイパス逆止め弁を示し、バイパス管５に配設され、押し込み圧力ｈSUがポンプ１３Ａ，１３Ｂの運転が不要な位高圧となった場合にはバイパス逆止め弁１７が開き、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを運転する状態であれば、締め切り弁１５Ａ，１５Ｂよりも下流の給水本管３側からポンプ１３Ａ，１３Ｂよりも上流の給水本管３側へ加圧水が逆流するのを防止するためのものである。
１７はバイパス逆止め弁を示し、バイパス管５に配設され、押し込み圧力ｈSUがポンプ１３Ａ，１３Ｂの運転が不要な位高圧となった場合にはバイパス逆止め弁１７が開き、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを運転する状態であれば、締め切り弁１５Ａ，１５Ｂよりも下流の給水本管３側からポンプ１３Ａ，１３Ｂよりも上流の給水本管３側へ加圧水が逆流するのを防止するためのものである。
１８はフロースイッチを示し、圧力タンク１６よりも下流の給水配管２に配設され、図示を省略するが、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを起動、停止させるための小流量を検出するための流量を検出して補償圧力演算器２１ｂへ出力するものである。
１９は吐出側圧力検出器を示し、フロースイッチ１８よりも下流の給水配管２に配設され、給水の圧力ｈiを検出して後述する演算器２１ｃへ出力するものである。
１９は吐出側圧力検出器を示し、フロースイッチ１８よりも下流の給水配管２に配設され、給水の圧力ｈiを検出して後述する演算器２１ｃへ出力するものである。
２１は推定末端圧力一定制御部を示し、設定変更可能な最低設定圧力ｈsを出力する推定末端圧力設定器２１ａと、吸い込み側圧力検出器１１からの押し込み圧力ｈsuに基づいて推定末端圧力一定制御のための補償圧力Δｈを算出して出力する補償圧力演算器２１ｂと、推定末端圧力設定器２１ａからの最低設定圧力ｈsに補償圧力演算器２１ｂからの補償圧力Δｈを加え、その値から吐出側圧力検出器１９からの圧力ｈiを引いて出力する演算器２１ｃと、この演算器２１ｃからの出力に基づく周波数ｆ＊を出力する比例積分制御器２１ｄと、この比例積分制御器２１ｄからのディジタル信号の周波数ｆ＊をアナログ信号の周波数ｆaに変換して後述するインバータ４１Ａへ出力するＤ／Ａ（ディジタル・アナログ）変換器２１ｅと、比例積分制御器２１ｄからのディジタル信号の周波数ｆ＊をアナログ信号の周波数ｆbに変換して後述するインバータ４１Ｂへ出力するＤ／Ａ変換器２１ｆとで構成されている。
上記した補償圧力演算器２１ｂは、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの推定流量を演算する推定流量演算回路を内蔵し、推定流量の２乗に推定末端圧力一定目標圧力線の傾斜を決定する流量係数を乗じて補償圧力Δｈを算出する。
そして、補償圧力演算器２１ｂは、押し込み圧力ｈsuが規定値以上でなければ、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを駆動できないようにロックする。
また、補償圧力演算器２１ｂは、小流量検出から保圧、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを停止させるシーケンス制御機能の他、圧力検出、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの始動、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの自動交互運転シーケンス制御機能を内蔵している。
なお、以上の、推定末端圧力一定制御部２１の構成は、公知の推定末端圧力一定制御回路を構成している。
そして、補償圧力演算器２１ｂは、押し込み圧力ｈsuが規定値以上でなければ、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを駆動できないようにロックする。
また、補償圧力演算器２１ｂは、小流量検出から保圧、ポンプ１３Ａ，１３Ｂを停止させるシーケンス制御機能の他、圧力検出、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの始動、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの自動交互運転シーケンス制御機能を内蔵している。
なお、以上の、推定末端圧力一定制御部２１の構成は、公知の推定末端圧力一定制御回路を構成している。
３１は省エネ電圧演算部を示し、推定末端圧力一定制御部２１からの最低設定圧力ｈs、周波数ｆ＊に基づき、後述するように電圧Ｖa，Ｖbを算出してインバータ４１Ａ，４１Ｂへ出力するものである。
４１Ａ，４１Ｂはインバータを示し、インバータ４１Ａは推定末端圧力一定制御部２１からの周波数ｆa、および、省エネ電圧演算部３１からの電圧Ｖaに基づき、すなわち、インバータ４１Ａに設定されている周波数ｆaの電圧に、電圧Ｖaを加えた電圧で、モータ４２Ａを介してポンプ１３Ａを制御し、また、インバータ４１Ｂは推定末端圧力一定制御部２１からの周波数値ｆb、および、省エネ電圧演算部３１からの電圧Ｖbに基づき、すなわち、インバータ４１Ｂに設定されている周波数ｆbの電圧に、電圧Ｖbを加えた電圧で、モータ４２Ｂを介してポンプ１３Ｂを制御するものである。
図２は図１に示した省エネ電圧演算部の構成を示すブロック図、図３は図２に示した省エネ電圧演算部を説明するための省エネ電圧特性を示す特性図である。
図２において、省エネ電圧演算部３１は、省エネベース電圧演算回路３２と、省エネ電圧演算回路３３と、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４と、省エネ電圧演算回路３３からの省エネ電圧ＶCを所定の条件で選択する選択スイッチ３５と、省エネベース電圧演算回路３２からの省エネベース電圧ＶBと選択スイッチ３５を介した省エネ電圧ＶCとを比較し、高い方の電圧を電圧ＶBCとして出力する第１高電圧優先回路３６と、この第１高電圧優先回路３６の出力とＶ／Ｆ一定電圧演算回路３４からのＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとを比較し、高い方の電圧を出力する第２高電圧優先回路３７と、この第２高電圧優先回路３７からの出力を出力するとともに、所定の上限値、例えば、後述する過励磁防止制限電圧ＶEmax（図３における直線Ａ−Ｅ4の電圧）で出力をカットする可変電圧リミッタ３８と、この可変電圧リミッタ３８からのディジタル信号の電圧（省エネ出力電圧ＶENE）をアナログ信号の電圧Ｖaに変換してインバータ４１Ａへ出力するＤ／Ａ変換器３９Ａと、可変電圧リミッタ３８からのディジタル信号の電圧をアナログ信号の電圧Ｖbに変換してインバータ４１Ｂへ出力するＤ／Ａ変換器３９Ｂとで構成されている。
上記した選択スイッチ３５は、省エネ制御（運転）が開始（選択）されると、閉じて省エネ電圧ＶCを選択し、それ以外のときに開いて省エネ電圧ＶCを選択せずにゼロを出力する。
また、可変電圧リミッタ３８は、省エネ運転中のモータ４２Ａ，４２Ｂの過励磁を防止するために設けたもので、省エネ運転が選択されると、次のように動作する。
電圧ＶBCがモータ４２Ａ，４２Ｂの過励磁防止制限電圧ＶEmax以上ならば、省エネ出力電圧ＶENEを過励磁防止制限電圧ＶEmaxに制限する。
ただし、ＶEmax＝Ｋemax×ＶN×（ｆ＊／ｆN）で、かつ、ＶEmax≦ＶNとする。
ここで、ＶEmax：過励磁防止制限電圧（Ｖ）
Ｋemax：許容電圧係数で１．００〜１．１５（ただし、省エネ制御運転が選択されていない場合は、自動的に１．００に変更される。）
ＶN ：モータの定格電圧（Ｖ）
ｆN ：モータの定格周波数（Ｈｚ）
電圧ＶBCがモータ４２Ａ，４２Ｂの過励磁防止制限電圧ＶEmax以上ならば、省エネ出力電圧ＶENEを過励磁防止制限電圧ＶEmaxに制限する。
ただし、ＶEmax＝Ｋemax×ＶN×（ｆ＊／ｆN）で、かつ、ＶEmax≦ＶNとする。
ここで、ＶEmax：過励磁防止制限電圧（Ｖ）
Ｋemax：許容電圧係数で１．００〜１．１５（ただし、省エネ制御運転が選択されていない場合は、自動的に１．００に変更される。）
ＶN ：モータの定格電圧（Ｖ）
ｆN ：モータの定格周波数（Ｈｚ）
したがって、モータ４２Ａ，４２Ｂの定格電圧ＶNが２００Ｖ、モータ４２Ａ，４２Ｂの定格周波数ｆNが１２０Ｈｚで、許容電圧係数Ｋemaxが図３の一点鎖線Ａ−Ｅ4 （過励磁防止制限電圧ＶEmax）のように設定されていたとすれば、周波数が常用制御範囲の周波数ｎ12から周波数ｎ13まで変化すると、後述するするように、省エネ出力電圧ＶENEは、折れ線Ｅ1−Ｅ2−Ｅ3−Ｅ4−Ｄのように変化、制御される。
なお、第１高電圧優先回路３６から出力される電圧ＶBCと、Ｖ／Ｆ一定電圧電圧演算回路３４から出力されるＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとの関係が、ＶBC＞ＶV/Fとなった場合、出力される電圧を、ＶENE＝ＶV/Fとし、最大負荷状態であっても省エネ化を図れるようにしてもよい（ただし、省エネ出力電圧ＶENEは定格電圧ＶN以下である。）。
この場合、モータ４２Ａ，４２Ｂの定格電圧ＶNが２００Ｖ、モータ４２Ａ，４２Ｂの定格周波数ｆNが１２０Ｈｚで、Ｖ／Ｆ一定電圧ＶV/Fが図３の直線Ａ−Ｃ−Ｄのように設定されていたとすれば、周波数が常用制御範囲の周波数ｎ12から周波数ｎ13まで変化すると、後述するように、省エネ出力電圧ＶENEは、図３のＥ1−Ｅ2−Ｅ5−Ｄのように変化、制御される。
この制御は、ポンプを駆動するのに必要なトルクを満たし、かつ、段落〔００２２〕の制御より、特に、大流量域において、低電圧での運転、つまり、低トルクでの運転となるため、省エネ化が図れる。
この場合、モータ４２Ａ，４２Ｂの定格電圧ＶNが２００Ｖ、モータ４２Ａ，４２Ｂの定格周波数ｆNが１２０Ｈｚで、Ｖ／Ｆ一定電圧ＶV/Fが図３の直線Ａ−Ｃ−Ｄのように設定されていたとすれば、周波数が常用制御範囲の周波数ｎ12から周波数ｎ13まで変化すると、後述するように、省エネ出力電圧ＶENEは、図３のＥ1−Ｅ2−Ｅ5−Ｄのように変化、制御される。
この制御は、ポンプを駆動するのに必要なトルクを満たし、かつ、段落〔００２２〕の制御より、特に、大流量域において、低電圧での運転、つまり、低トルクでの運転となるため、省エネ化が図れる。
上記した省エネベース電圧演算回路３２は、推定末端圧力一定制御において、駆動トルク条件を満足できる最低制御電圧、例えば、負荷を駆動するのに要求されるトルクの１５０％以上の最大トルクを発生させる電圧を演算する。
なお、この電圧（省エネベース電圧ＶB）は、図３に示す直線（折れ線）Ａ−Ｅ1−Ｂとなる。
なお、この電圧（省エネベース電圧ＶB）は、図３に示す直線（折れ線）Ａ−Ｅ1−Ｂとなる。
そして、省エネベース電圧演算回路３２は、推定末端圧力一定制御部２１を構成する比例積分制御器２１ｄからの周波数ｆ＊から、図３に示す常用制御範囲における最低の周波数ｎ12（例えば、６０Ｈｚ）を引いた値を出力する減算器３２ａと、この減算器３２ａの出力がゼロ未満の場合はゼロを出力し、減算器３２ａの出力がゼロ以上の場合はその値を出力するとともに、所定の上限値（例えば、モータの定格周波数１２０Ｈｚ）で出力をカットするリミッタ３２ｂと、このリミッタ３２ｂの出力に、図３に示す直線Ｅ1−Ｂの傾斜係数、すなわち、〔（ｎ24−ｎ22）／（ｎ13−ｎ12）〕を掛けて出力する乗算器３２ｃと、この乗算器３２ｃの出力に、図３の周波数ｎ12における点Ｅ1の電圧ｎ22を加えて電圧ＶB1を出力する加算器３２ｄと、周波数ｆ＊から、図３に示す周波数ｎ11（例えば、３Ｈｚ）を引いた値を出力する減算器３２ｅと、この減算器３２ｅの出力がゼロ未満の場合はゼロを出力し、減算器３２ｅの出力がゼロ以上の場合はその値を出力するリミッタ３２ｆと、このリミッタ３２ｆの出力に、図３に示す直線Ａ−Ｅ1の傾斜係数、すなわち、〔（ｎ22−ｎ21）／（ｎ12−ｎ11）〕を掛けて出力する乗算器３２ｇと、この乗算器３２ｇの出力に、図３の周波数ｎ11における点Ａの電圧ｎ21を加えて電圧ＶB2を出力する加算器３２ｈと、この加算器３２ｈの出力か、加算器３２ｄの出力かを省エネベース電圧ＶB として出力する選択スイッチ３２ｉとで構成されている。
なお、選択スイッチ３２ｉの駆動手段の図示は省略するが、減算器３２ａの出力がゼロ以上であれば、加算器３２ｄの出力を選択し、減算器３２ａの出力がゼロ未満であれば、加算器３２ｈの出力を選択するように構成されている。
したがって、周波数ｆ＊がｎ12未満では加算器３２ｈが出力する電圧ＶB2となり、周波数ｆ＊がｎ12以上では加算器３２ｄが出力する電圧ＶB1となるので、省エネベース電圧演算回路３２は、図３に示す直線（折れ線）Ａ−Ｅ1−Ｂの省エネベース電圧ＶBを出力する。
したがって、周波数ｆ＊がｎ12未満では加算器３２ｈが出力する電圧ＶB2となり、周波数ｆ＊がｎ12以上では加算器３２ｄが出力する電圧ＶB1となるので、省エネベース電圧演算回路３２は、図３に示す直線（折れ線）Ａ−Ｅ1−Ｂの省エネベース電圧ＶBを出力する。
次に、省エネ電圧演算回路３３は、推定末端圧力一定制御部２１を構成する推定末端圧力設定器２１ａからの最低圧力設定ｈsから、推定末端圧力一定制御が可能な許容最低設定圧力ｈsminを引いた値を出力する減算器３３ａと、この減算器３３ａの出力がゼロ以下の場合はゼロを出力し、減算器３３ａの出力がゼロを越える場合はその値（Δｈs）を出力するリミッタ３３ｂと、このリミッタ３３ｂの出力に、最小自乗回帰直線の推定式の比例係数Ｃ1を掛けて出力する乗算器３３ｃと、この乗算器３３ｃの出力に、最小自乗回帰直線の推定式の定数Ｃ2を加えて出力する加算器３３ｄと、この加算器３３ｄの出力に、周波数ｆ＊を掛けて出力する乗算器３３ｅと、リミッタ３３ｂの出力に、最小自乗回帰直線の推定式の比例係数Ｃ3を掛けて出力する乗算器３３ｆと、この乗算器３３ｆの出力に、最小自乗回帰直線の推定式の定数Ｃ4を加えて出力する加算器３３ｇと、この加算器３３ｇの出力に、乗算器３３ｅの出力を加えて出力する加算器３３ｈと、この加算器３３ｈの出力か、ゼロかを省エネ電圧ＶCとして出力する選択スイッチ３３ｉとで構成されている。
なお、選択スイッチ３３ｉの駆動手段の図示は省略するが、減算器３３ａの出力がゼロ以上であれば、加算器３３ｈの出力を選択し、減算器３３ａの出力がゼロ未満であれば、ゼロを選択するように構成されている。
したがって、省エネ電圧演算回路３３は、図３に示す直線Ｐ−Ｑの省エネ電圧ＶCを出力する。
この省エネ電圧ＶCは、次の（１）式によって得られる。
したがって、省エネ電圧演算回路３３は、図３に示す直線Ｐ−Ｑの省エネ電圧ＶCを出力する。
この省エネ電圧ＶCは、次の（１）式によって得られる。
次に、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４は、省エネベース電圧演算回路３２を構成する減算器３２ａ（３４ａ）、リミッタ３２ｂ（３４ｂ）、減算器３２ｅ（３４ｅ）、および、リミッタ３２ｆ（３４ｆ）と、リミッタ３２ｂの出力に、図３に示す直線Ｃ−Ｄの傾斜係数（Ｖ／Ｆ一定の電圧を与える傾斜係数）、すなわち、〔（ＶN −ｎ23）／（ｎ13−ｎ12）〕を掛けて出力する乗算器３４ｃと、この乗算器３４ｃの出力に、図３の周波数ｎ12におけるＶ／Ｆ一定の電圧、つまり、ｎ23を加えて電圧ＶV/F1を出力する加算器３４ｄと、リミッタ３２ｆの出力に、図３に示す直線Ａ−Ｃの、低周波数での電圧補償を考慮したＶ／Ｆ一定制御における電圧の傾斜係数、すなわち、〔（ｎ23−ｎ21）／（ｎ12−ｎ11）〕を掛けて出力する乗算器３４ｇと、この乗算器３４ｇの出力に、図３の周波数ｎ11における点Ａの電圧ｎ21を加えて電圧ＶV/F2を出力する加算器３４ｈと、この加算器３４ｈの出力か、加算器３４ｄの出力かを出力する選択スイッチ３４ｉと、この選択スイッチ３４ｉの出力に、後述するソフト切換制御定数Ｓotを掛けてＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fを出力する乗算器３４ｊとで構成されている。
なお、選択スイッチ３４ｉの駆動手段の図示は省略するが、減算器３２ａの出力がゼロ以上であれば、加算器３４ｄの出力を選択し、減算器３２ａの出力がゼロ未満であれば、加算器３４ｈの出力を選択するように構成されている。
したがって、周波数ｆ＊がｎ12未満では加算器３４ｈが出力する電圧ＶV/F2となり、周波数ｆ＊がｎ12以上では加算器３４ｄが出力する電圧ＶV/F1となるので、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４は、図３に示す直線Ａ−ＤのＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fを出力する。
したがって、周波数ｆ＊がｎ12未満では加算器３４ｈが出力する電圧ＶV/F2となり、周波数ｆ＊がｎ12以上では加算器３４ｄが出力する電圧ＶV/F1となるので、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４は、図３に示す直線Ａ−ＤのＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fを出力する。
次に、ソフト切換制御定数Ｓotについて説明する。
まず、図示は省略されているが、通常制御状態において、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの圧力制御が定常状態に入ったことを、例えば、インバータ４１Ａ，４１Ｂに通常装備されている“周波数一致信号”で検出し、この状態が一定時間、例えば、５秒〜１０秒継続すると、通常制御から省エネ制御へと移行する。
そして、負荷状態が変動して省エネ制御が解除されると、省エネ制御から通常制御へ移行する。
まず、図示は省略されているが、通常制御状態において、ポンプ１３Ａ，１３Ｂの圧力制御が定常状態に入ったことを、例えば、インバータ４１Ａ，４１Ｂに通常装備されている“周波数一致信号”で検出し、この状態が一定時間、例えば、５秒〜１０秒継続すると、通常制御から省エネ制御へと移行する。
そして、負荷状態が変動して省エネ制御が解除されると、省エネ制御から通常制御へ移行する。
このように省エネ運転に移行する前のソフト切換制御定数Ｓotは、“１”に設定され、省エネ運転に移行すると、“１”から“０”へとゆっくりと直線的に、あるいは、１次遅れ関数的に変化して移行する。
そして、省エネ制御から通常制御へと移行するときのソフト切換制御定数Ｓotも、“０”から“１”へとゆっくりと直線的に、あるいは、１次遅れ関数的に変化して移行する。
したがって、演算設定される図３の直線Ａ−Ｄの傾斜は、ゆっくりと小さくなり、また、ゆっくりと大きくなってもとに戻る。
そして、省エネ制御から通常制御へと移行するときのソフト切換制御定数Ｓotも、“０”から“１”へとゆっくりと直線的に、あるいは、１次遅れ関数的に変化して移行する。
したがって、演算設定される図３の直線Ａ−Ｄの傾斜は、ゆっくりと小さくなり、また、ゆっくりと大きくなってもとに戻る。
次に、動作について説明する。
まず、給水を開始すると、推定末端圧力一定制御部２１は、その給水状態における各圧力ｈsu，ｈi，ｈs，Δｈに基づいて周波数ｆ＊を求め、インバータ４１Ａ，４１Ｂへ周波数ｆa，ｆbを出力する。
一方、給水の開始時、または、給水の非定常状態においては省エネ制御になっていないので、省エネ電圧演算部３１の選択スイッチ３５はオンにならない。
まず、給水を開始すると、推定末端圧力一定制御部２１は、その給水状態における各圧力ｈsu，ｈi，ｈs，Δｈに基づいて周波数ｆ＊を求め、インバータ４１Ａ，４１Ｂへ周波数ｆa，ｆbを出力する。
一方、給水の開始時、または、給水の非定常状態においては省エネ制御になっていないので、省エネ電圧演算部３１の選択スイッチ３５はオンにならない。
したがって、周波数ｆ＊がｎ12未満のときは、前述したように、省エネベース電圧演算回路３２から電圧ＶBとして図３に示す直線Ａ−Ｅ1の電圧が出力され、選択スイッチ３５から出力がないので、第１高電圧優先回路３６から直線Ａ−Ｅ1の電圧が電圧ＶBCとして出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４からＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ａ−Ｃの電圧が出力されるので、第２高電圧優先回路３７から直線Ａ−Ｅ1の電圧よりも大きい直線Ａ−Ｃの電圧が出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４からＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ａ−Ｃの電圧が出力されるので、第２高電圧優先回路３７から直線Ａ−Ｅ1の電圧よりも大きい直線Ａ−Ｃの電圧が出力される。
そして、図３に示す直線Ａ−Ｃの電圧は図３に示す直線Ａ−Ｅ4よりも小さいので、可変電圧リミッタ３８から直線Ａ−Ｃの電圧が省エネ出力電圧ＶENEとして出力され、このディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ａでアナログ信号の電圧Ｖaに変換されてインバータ４１Ａへ出力され、また、ディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ｂでアナログ信号の電圧Ｖbに変換されてインバータ４１Ｂへ出力され、モータ４２Ａ，４２Ｂを介してポンプ１３Ａ，１３Ｂを制御する。
しかし、周波数ｆ＊がｎ12以上のときは、前述したように、省エネベース電圧演算回路３２から電圧ＶBとして図３に示す直線Ｅ1−Ｂの電圧が出力され、選択スイッチ３５から出力がないので、第１高電圧優先回路３６から直線Ｅ1−Ｂの電圧が電圧ＶBCとして出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４からＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ｃ−Ｄの電圧が出力されるので、第２高電圧優先回路３７から直線Ｅ1−Ｂの電圧よりも大きい直線Ｃ−Ｄの電圧が出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４からＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ｃ−Ｄの電圧が出力されるので、第２高電圧優先回路３７から直線Ｅ1−Ｂの電圧よりも大きい直線Ｃ−Ｄの電圧が出力される。
そして、図３に示す直線Ｃ−Ｄの電圧は図３に示す直線Ａ−Ｅ4よりも小さいので、可変電圧リミッタ３８から直線Ｃ−Ｄの電圧が省エネ出力電圧ＶENEとして出力され、このディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ａでアナログ信号の電圧Ｖaに変換されてインバータ４１Ａへ出力され、また、ディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ｂでアナログ信号の電圧Ｖbに変換されてインバータ４１Ｂへ出力され、モータ４２Ａ，４２Ｂを介してポンプ１３Ａ，１３Ｂを制御する。
このようして給水している状態で定常状態になると、選択スイッチ３５がオンになることにより、省エネ電圧演算回路３３から直線Ｐ−Ｑの電圧が省エネ電圧ＶCとして出力され、ソフト切換制御定数Ｓotは“１”から“０”へとゆっくりと移行する。
なお、ソフト切換制御定数Ｓotが“１”から“０”へとゆっくりと移行すると、直線Ａ−Ｄの電圧は、ゆっくりと直線Ａ−Ｅ1−Ｂの電圧へと近づいて、直線Ａ−Ｅ1−Ｂの電圧よりも小さくなる。
なお、ソフト切換制御定数Ｓotが“１”から“０”へとゆっくりと移行すると、直線Ａ−Ｄの電圧は、ゆっくりと直線Ａ−Ｅ1−Ｂの電圧へと近づいて、直線Ａ−Ｅ1−Ｂの電圧よりも小さくなる。
したがって、省エネ制御（運転）の場合、周波数ｆ＊がｎ12未満のときは、前述したように、省エネベース電圧演算回路３２からＶ／Ｆ一定電圧ＶBとして図３に示す直線Ａ−Ｅ1の電圧が出力され、選択スイッチ３５から出力がないので、第１高電圧優先回路３６から直線Ａ−Ｅ1の電圧が電圧ＶBCとして出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４から電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ａ−Ｃの電圧が出力されるので、第２高電圧優先回路３７から直線Ａ−Ｅ1の電圧以上である直線Ａ−Ｃの電圧が出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４から電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ａ−Ｃの電圧が出力されるので、第２高電圧優先回路３７から直線Ａ−Ｅ1の電圧以上である直線Ａ−Ｃの電圧が出力される。
そして、図３に示す直線Ａ−Ｃの電圧は図３に示す直線Ａ−Ｅ4よりも小さいので、可変電圧リミッタ３８から直線Ａ−Ｃの電圧が省エネ出力電圧ＶENEとして出力され、このディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ａでアナログ信号の電圧Ｖaに変換されてインバータ４１Ａへ出力され、また、ディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ｂでアナログ信号の電圧Ｖbに変換されてインバータ４１Ｂへ出力され、モータ４２Ａ，４２Ｂを介してポンプ１３Ａ，１３Ｂを制御する。
しかし、周波数ｆ＊がｎ12以上のときは、前述したように、省エネベース電圧演算回路３２から電圧ＶBとして図３に示す直線Ｅ1−Ｂの電圧が出力され、選択スイッチ３５から直線Ｐ−Ｑの電圧が出力されるので、第１高電圧優先回路３６から折れ線Ｅ1−Ｅ2−Ｑ−Ｄの電圧が電圧ＶBCとして出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４からＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ｃ−Ｄの電圧が出力されるが、選択スイッチ３５がオンとなっているため、後述するソフト切換制御定数Ｓotが“０”となるので、第２高電圧優先回路３７から折れ線Ｅ1−Ｅ2−Ｑ−Ｄの電圧が出力される。
また、Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路３４からＶ／Ｆ一定電圧ＶV/Fとして図３に示す直線Ｃ−Ｄの電圧が出力されるが、選択スイッチ３５がオンとなっているため、後述するソフト切換制御定数Ｓotが“０”となるので、第２高電圧優先回路３７から折れ線Ｅ1−Ｅ2−Ｑ−Ｄの電圧が出力される。
そして、図３に示す折れ線Ｅ1−Ｅ2−Ｑ−Ｄの電圧は図３に示す直線Ａ−Ｅ4よりも一部が大きいので、可変電圧リミッタ３８から折れ線Ｅ1−Ｅ2−Ｅ3−Ｅ4−Ｄの電圧が省エネ出力電圧ＶENEとして出力され、このディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ａでアナログ信号の電圧Ｖaに変換されてインバータ４１Ａへ出力され、また、ディジタル信号の省エネ出力電圧ＶENEがＤ／Ａ変換器３９Ｂでアナログ信号の電圧Ｖbに変換されてインバータ４１Ｂへ出力され、モータ４２Ａ，４２Ｂを介してポンプ１３Ａ，１３Ｂを制御する。
このように省エネ制御で給水している状態で負荷が変動し、インバータ４１Ａ，４１Ｂからの周波数一致信号が解除されると、ソフト切換制御定数Ｓotは“０”から“１”へゆっくりと移行し、選択スイッチ３５がオフとなることにより、前述した通常制御へゆっくりと移行する。
なお、モータ４２Ａ，４２Ｂの周波数ｆ＊がｆc＊未満になると、直線Ａ−Ｅ1の省エネ出力電圧ＶENEは、上述したように、ソフト切換制御定数Ｓotが“０”から“１”へゆっくりと移行するので、折れ線Ａ−Ｃ−Ｄの電圧へ移行する。
以上説明したように、省エネベース電圧ＶBによって駆動トルク条件を満足させ、省エネ電圧ＶCによって省エネ条件を満足させ、また、過励磁防止制限電圧ＶEmaxによってモータ４２Ａ，４２Ｂが過励磁になることを防止することにより、給水装置の安全な省エネ運転が達成できる。
また、給水装置の省エネ制御で流量が頻繁に変動する場合、Ｖ／Ｆ一定電圧ＶV/Fによって圧力変動を抑制することができる。
また、給水装置の省エネ制御で流量が頻繁に変動する場合、Ｖ／Ｆ一定電圧ＶV/Fによって圧力変動を抑制することができる。
そして、許容電圧係数Ｋemaxが図３の直線Ａ−Ｅ4のように１．０以上に設定され、モータ４２Ａ，４２Ｂの周波数ｆ＊がｆc＊以上であれば、省エネ切換信号が発せられると、直ちに、折れ線Ｅ2−Ｅ3−Ｅ4−Ｄの電圧へ上昇するが、電圧上昇は最大でも１５％程度であり、圧力制御系に与える影響は少ない。
また、流量が増加した場合の省エネ電圧は、図３の直線Ｅ2−Ｑのように、Ｖ／Ｆ一定の電圧より高くなる。
したがって、モータ４２Ａ，４２Ｂの設計磁束密度に余裕ある場合には、その限度まで電圧を上昇させた方が、モータ４２Ａ，４２Ｂの効率がよくなる。
また、流量が増加した場合の省エネ電圧は、図３の直線Ｅ2−Ｑのように、Ｖ／Ｆ一定の電圧より高くなる。
したがって、モータ４２Ａ，４２Ｂの設計磁束密度に余裕ある場合には、その限度まで電圧を上昇させた方が、モータ４２Ａ，４２Ｂの効率がよくなる。
また、従来、負荷が低下する場合にモータ４２Ａ，４２Ｂの電圧を低下させる一方向だけの制御を行う省エネ制御に対して、この発明では、許容電圧係数Ｋemaxを１．０以上に設定できるようにし、負荷が増加する場合、モータ４２Ａ，４２Ｂの電圧を上昇させる方向の制御も行っているので、通常のＶ／Ｆ一定制御を行う場合に比べ、大流量域でモータの効率を高めることができる。
次に、推定末端圧力一定制御を行って給水装置のモータが最高効率となる電圧を決定する方法について説明する。
最初に、給水装置で給水流量が低下した場合、モータの電圧を調整すれば、モータの効率低下を改善できることについて説明する。
吐出圧力一定制御を行っている場合、例えば、図１の構成で、最低設定圧力ｈsを１００％揚程に設定し、補償圧力Δｈをゼロに設定した場合において、インバータをＶ／Ｆ一定に設定した場合と、電圧を調整して運転した場合の効率の比較例を表１に示す。
最初に、給水装置で給水流量が低下した場合、モータの電圧を調整すれば、モータの効率低下を改善できることについて説明する。
吐出圧力一定制御を行っている場合、例えば、図１の構成で、最低設定圧力ｈsを１００％揚程に設定し、補償圧力Δｈをゼロに設定した場合において、インバータをＶ／Ｆ一定に設定した場合と、電圧を調整して運転した場合の効率の比較例を表１に示す。
表１に示すように、流量が低下した場合のモータ効率は、１００％流量の時よりも確かに低下しているが、電圧を調整することにより、この効率の低下を少なくすることができることが分かる。
電圧を調整した場合の電圧は、その時の周波数で最大効率になる電圧を設定した場合を示している。
このように、流量とその時の周波数に応じてモータの電圧を調整すれば、従来のＶ／Ｆ一定の電圧で運転する場合よりも省エネ運転ができる。
この発明は、この原理を応用している。
電圧を調整した場合の電圧は、その時の周波数で最大効率になる電圧を設定した場合を示している。
このように、流量とその時の周波数に応じてモータの電圧を調整すれば、従来のＶ／Ｆ一定の電圧で運転する場合よりも省エネ運転ができる。
この発明は、この原理を応用している。
給水流量が変化した場合、その変化に応じてモータを最高効率で運転するためには、モータ効率がその周波数とトルクのもとで、最高になるモータの電圧を検討しなければならない。
そのためには、最初に、モータの負荷トルクをパラメータとして、モータのすべりと効率の関係を求めておく必要がある。
そのためには、最初に、モータの負荷トルクをパラメータとして、モータのすべりと効率の関係を求めておく必要がある。
図４は表１の給水装置におけるモータのすべりと効率の関係を負荷トルク０．２２５ｋｇ・ｍの場合と０．００９ｋｇ・ｍの場合について、モータのＴ形等価回路から計算した特性図である。
このように、モータの等価回路定数が与えられると、公知の計算方法によってすべりに対する効率特性が計算できる。
つまり、その時の最大効率を与えるモータのすべりが計算できる。
最大効率を与えるすべりが決定されると、同様に、モータの等価回路からその時のモータ電圧が計算できる。
このように、モータの等価回路定数が与えられると、公知の計算方法によってすべりに対する効率特性が計算できる。
つまり、その時の最大効率を与えるモータのすべりが計算できる。
最大効率を与えるすべりが決定されると、同様に、モータの等価回路からその時のモータ電圧が計算できる。
この計算を繰返すことにより、図５のように、最大効率を与えるモータ電圧（以下、“省エネ電圧”と記す。）と周波数の関係が、負荷トルクをパラメータにして計算できる。
この計算を遂行した結果、省エネ電圧に関して重要な特性が明かとなった。
つまり、負荷トルクが一定の場合、省エネ電圧と周波数は、ほぼ比例関係にある。
これを、最小自乗法による回帰直線を求めて確かめた。
この計算を遂行した結果、省エネ電圧に関して重要な特性が明かとなった。
つまり、負荷トルクが一定の場合、省エネ電圧と周波数は、ほぼ比例関係にある。
これを、最小自乗法による回帰直線を求めて確かめた。
表２は回帰直線式の比例係数および定数の結果である。
表２に示すように、モータトルク一定のもとでは、省エネ電圧は、周波数を変数とする直線方程式で推定できることが明かとなった。
つまり、比例係数Ａと定数Ｂを決定すれば、精度のよい省エネ電圧の推定ができる。
ここで、省エネ電圧の推定値をＶL（Ｖ）とすれば、
表２に示すように、モータトルク一定のもとでは、省エネ電圧は、周波数を変数とする直線方程式で推定できることが明かとなった。
つまり、比例係数Ａと定数Ｂを決定すれば、精度のよい省エネ電圧の推定ができる。
ここで、省エネ電圧の推定値をＶL（Ｖ）とすれば、
で、省エネ電圧が推定できることを示している。
しかしながら、このままでは、省エネ電圧の推定値ＶLを計算するため、比例係数Ａと定数Ｂをモータトルクによって変更しなければならない煩わしさがある。
そこで、比例係数Ａ、定数Ｂと、トルクとの関係を求めた。
図６、図７が比例係数Ａと定数Ｂとモータトルクとの関係を計算したものである。
図６、図７に示すように、比例係数Ａ、定数Ｂは、若干の誤差があるものの、実用的な値をモータトルクから推定できる。
しかしながら、このままでは、省エネ電圧の推定値ＶLを計算するため、比例係数Ａと定数Ｂをモータトルクによって変更しなければならない煩わしさがある。
そこで、比例係数Ａ、定数Ｂと、トルクとの関係を求めた。
図６、図７が比例係数Ａと定数Ｂとモータトルクとの関係を計算したものである。
図６、図７に示すように、比例係数Ａ、定数Ｂは、若干の誤差があるものの、実用的な値をモータトルクから推定できる。
以上の説明により、モータが決定し、モータのＴ形等価回路定数が与えられれば、省エネ電圧は、モータの周波数とモータトルクから推定できることが明かとなった。
次に、吐出圧力一定制御、または、推定末端圧力一定制御を行っている時のモータの周波数とトルクの関係を明らかにする。
図８は推定末端圧力一定制御を行っている場合のモータトルクと周波数の関係を計算したものである。
ただし、この計算では、モータトルクを、定格トルクをベースにしたパーユニット（ｐ．ｕ．）としている。
このトルクと周波数の関係を、前述の（２）式、図６、図７の結果に適用することにより、インバータに設定すべき省エネ電圧が図９のように計算できる。
つまり、最低設定圧力ｈsの値に応じて、図９の省エネ電圧の計算値を選択、設定するようにすれば、実際に、省エネ電圧の設定が可能である。
図８は推定末端圧力一定制御を行っている場合のモータトルクと周波数の関係を計算したものである。
ただし、この計算では、モータトルクを、定格トルクをベースにしたパーユニット（ｐ．ｕ．）としている。
このトルクと周波数の関係を、前述の（２）式、図６、図７の結果に適用することにより、インバータに設定すべき省エネ電圧が図９のように計算できる。
つまり、最低設定圧力ｈsの値に応じて、図９の省エネ電圧の計算値を選択、設定するようにすれば、実際に、省エネ電圧の設定が可能である。
さらに、この発明では、最低設定圧力ｈsの値に応じて図９の計算結果を選択する煩わしさから逃れるため、以上に述べた方法に準じて最低設定圧力ｈsの値をパラメータとする省エネ電圧の直線の回帰式を計算した。
この結果、図９の例では、最低設定圧力ｈsをパラメータとする、省エネ電圧の回帰直線式の比例係数Ａ’と定数Ｂ’は、表３のように計算された。
この結果、図９の例では、最低設定圧力ｈsをパラメータとする、省エネ電圧の回帰直線式の比例係数Ａ’と定数Ｂ’は、表３のように計算された。
つまり、省エネ電圧の推定値をＶL（Ｖ）とした場合、
で近似できることを示している。
ただし、比例係数Ａ’、定数Ｂ’は、（２）式の省エネ電圧の計算のように、モータトルクを使用する必要はなく、推定末端圧力一定制御の最低設定圧力ｈsによって決定される値である。
この最低設定圧力ｈsに対する係数Ａ’、定数Ｂ’は、同様に、直線の式で表すことができる。
このようにして計算される省エネ電圧（ＶL）を、図２では、省エネ電圧ＶCとして算出している。
ただし、比例係数Ａ’、定数Ｂ’は、（２）式の省エネ電圧の計算のように、モータトルクを使用する必要はなく、推定末端圧力一定制御の最低設定圧力ｈsによって決定される値である。
この最低設定圧力ｈsに対する係数Ａ’、定数Ｂ’は、同様に、直線の式で表すことができる。
このようにして計算される省エネ電圧（ＶL）を、図２では、省エネ電圧ＶCとして算出している。
つまり、最低設定圧力ｈsに変え、最低設定圧力ｈsと許容最低設定圧力ｈsminとの差Δｈsに比例係数Ｃ1を乗じ、定数Ｃ2を加えて比例係数Ａ’を計算する形になっている。
また、定数Ｂ’は、差Δｈsに比例係数Ｃ3を乗じ、定数Ｃ4を加えて演算している。
この演算は、図２の省エネ電圧演算回路３３で実行される（１）式の省エネ電圧ＶCが、省エネ電圧の推定式（３）式と同じであることを示している。
また、定数Ｂ’は、差Δｈsに比例係数Ｃ3を乗じ、定数Ｃ4を加えて演算している。
この演算は、図２の省エネ電圧演算回路３３で実行される（１）式の省エネ電圧ＶCが、省エネ電圧の推定式（３）式と同じであることを示している。
なお、説明に使用した図８、図９から計算した表３は、推定末端圧力一定制御の場合を示しているが、吐出圧力一定制御の場合のトルク、電圧、電圧の回帰直線式が同様に計算できることは明らかである。
例えば、その形は、最低設定圧力ｈsが０．９ｐ．ｕ．の特性から容易に推定できる。
例えば、その形は、最低設定圧力ｈsが０．９ｐ．ｕ．の特性から容易に推定できる。
ここで、比例係数Ｃ1，Ｃ3および定数Ｃ2，Ｃ4の具体的な数値について説明する。
まず、最低設定圧力ｈsと周波数とから各周波数におけるトルクを求める（この特性は、図８を参考にする。）。
そして、必要なトルクから比例係数Ａ、定数Ｂを求める（比例係数Ａは図６を参考にし、定数Ｂは図７を参考にする。）
次に、最低設定圧力ｈsをパラメータとしたときの周波数と省エネ電圧の１次直線式の比例係数Ａ’、定数Ｂ’は表３のようになる。
まず、最低設定圧力ｈsと周波数とから各周波数におけるトルクを求める（この特性は、図８を参考にする。）。
そして、必要なトルクから比例係数Ａ、定数Ｂを求める（比例係数Ａは図６を参考にし、定数Ｂは図７を参考にする。）
次に、最低設定圧力ｈsをパラメータとしたときの周波数と省エネ電圧の１次直線式の比例係数Ａ’、定数Ｂ’は表３のようになる。
そして、差Δｈs（最低設定圧力ｈs−許容最低設定圧力ｈsmin）と比例係数Ａ’との関係は図１０となり、また、差Δｈs（最低設定圧力ｈs−許容最低設定圧力ｈsmin）と定数Ｂ’との関係は図１１となる。
なお、計算における差Δｈsは、図２の省エネ電圧演算回路３３に準拠している。
次に、図１０に示した特性を直線近似式とすると、
なお、計算における差Δｈsは、図２の省エネ電圧演算回路３３に準拠している。
次に、図１０に示した特性を直線近似式とすると、
となり、また、図１１に示した特性を直線近似式とすると、
となる。
したがって、比例係数Ｃ1は０．０１７５、定数Ｃ2は０．０１５５、比例係数Ｃ3は−２．０１２５、定数Ｃ4は−０．７９９８となる。
したがって、比例係数Ｃ1は０．０１７５、定数Ｃ2は０．０１５５、比例係数Ｃ3は−２．０１２５、定数Ｃ4は−０．７９９８となる。
以上のように、この発明は、モータのＴ形等価回路定数をベースに、最高効率となるすべりを周波数とモータトルクから決定し、この結果をもとに省エネ電圧を計算しているので、モータの等価回路定数が、例えば、モータの温度上昇によって、変動した場合の問題、つまり、モータ定数変動に対する最高効率を与えるすべりの感度特性を検討しておかねばならない。
図１２はこの発明における感度解析の例を示している。
図１２から、モータの２次抵抗ｒ2’の変化によるすべりの変動が大きく、１．５倍の変動に対して１．３８倍変動している。
これ対して、１次抵抗ｒ1や鉄損抵抗ｒmの変動に対しては、２次抵抗ｒ2’の変化に対する感度より、かなり感度が低いことが分かる。
つまり、実用面から、２次抵抗ｒ2’の変化による最高効率すべりの変化を考慮した設計を行えばよいことが分かる。
ただし、図１２におけるｒ2’base、ｒmbase、ｒ1base、は、感度解析の基準値を示す。
図１２から、モータの２次抵抗ｒ2’の変化によるすべりの変動が大きく、１．５倍の変動に対して１．３８倍変動している。
これ対して、１次抵抗ｒ1や鉄損抵抗ｒmの変動に対しては、２次抵抗ｒ2’の変化に対する感度より、かなり感度が低いことが分かる。
つまり、実用面から、２次抵抗ｒ2’の変化による最高効率すべりの変化を考慮した設計を行えばよいことが分かる。
ただし、図１２におけるｒ2’base、ｒmbase、ｒ1base、は、感度解析の基準値を示す。
例えば、２次抵抗ｒ2’の変動がモータ温度上昇に依存する場合に対しては、モータの温度を検出し、図１２のような感度解析結果を利用して最高効率のすべりの変化から修整すべき電圧を計算し、省エネ電圧を自動的に修整するような制御を加えることができる。
これは、モータが大容量の場合に、価値ある方法となる。
これは、モータが大容量の場合に、価値ある方法となる。
吐出圧力一定制御または推定末端圧力一定制御を行っている時の必要トルクは、前述のように容易に計算できる。
したがって、必要トルクより十分大きな、例えば、１５０％以上のモータトルクを保証する省エネ最低電圧は、Ｔ形等価回路から容易に計算できる。
つまり、図３の直線Ｅ1−Ｂの電圧は、容易に決定できる。
したがって、必要トルクより十分大きな、例えば、１５０％以上のモータトルクを保証する省エネ最低電圧は、Ｔ形等価回路から容易に計算できる。
つまり、図３の直線Ｅ1−Ｂの電圧は、容易に決定できる。
図１３はこの発明における省エネ特性の試験結果の例を示している。
Ｖ／Ｆ一定制御に比べ、この発明の省エネ電圧制御が、低流量域で大きく効率を改善できていることが示されている。
なお、この試験では、最低設定圧力ｈsを０．７ｐ．ｕ．に設定し、許容電圧係数Ｋemaxを１．０に設定した場合を示している。
Ｖ／Ｆ一定制御に比べ、この発明の省エネ電圧制御が、低流量域で大きく効率を改善できていることが示されている。
なお、この試験では、最低設定圧力ｈsを０．７ｐ．ｕ．に設定し、許容電圧係数Ｋemaxを１．０に設定した場合を示している。
上記した実施例では、省エネ電圧ＶCを考慮して省エネ出力電圧ＶENEを求める例を示したが、例えば、第１高電圧優先回路３６への選択スイッチ３５を介した入力をＶ／Ｆ一定電圧演算回路３４の出力とし、第１高電圧優先回路３６の出力を直接Ｄ／Ａ変換器３９Ａ，３９Ｂへ出力する構成としても、同様な制御が可能となり、同様な効果を得ることができる。
１ 水道管
２ 給水配管
３ 給水本管
４Ａ，４Ｂ 給水分岐管
５ バイパス管
１１ 吸い込み側圧力検出器
１２ 吸い込み側逆止め弁
１３Ａ，１３Ｂ ポンプ
１４Ａ，１４Ｂ 吐出側逆止め弁
１５Ａ，１５Ｂ 締め切り弁
１６ 圧力タンク
１７ バイパス逆止め弁
１８ フロースイッチ
１９ 吐出側圧力検出器
２１ 推定末端圧力一定制御部
２１ａ 推定末端圧力設定器
２１ｂ 補償圧力演算器
２１ｃ 演算器
２１ｄ 比例積分制御器
２１ｅ，２１ｆ Ｄ／Ａ変換器
３１ 省エネ電圧演算部
３２ 省エネベース電圧演算回路
３２ａ，３２ｅ 減算器
３２ｂ，３２ｆ リミッタ
３２ｃ，３２ｇ 乗算器
３２ｄ，３２ｈ 加算器
３２ｉ 選択スイッチ
３３ 省エネ電圧演算回路
３３ａ 減算器
３３ｂ リミッタ
３３ｃ，３３ｅ 乗算器
３３ｄ，３３ｇ 加算器
３２ｆ 乗算器
３３ｈ 加算器
３３ｉ 選択スイッチ
３４ Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路
３４ｃ，３４ｇ 乗算器
３４ｄ，３４ｈ 加算器
３４ｉ 選択スイッチ
３４ｊ 乗算器
３５ 選択スイッチ
３６ 第１高電圧優先回路
３７ 第２高電圧優先回路
３８ 可変電圧リミッタ
３９Ａ，３９Ｂ Ｄ／Ａ変換器
４１Ａ，４１Ｂ インバータ
４２Ａ，４２Ｂ モータ
ｈsu 押し込み圧力
ｈi 圧力
ｈs 最低設定圧力
Δｈ 補償圧力
ｈsmin 許容最低設定圧力
Δｈs 差
ｆ＊ 周波数
ｆa，ｆb 周波数
ｆN モータの定格周波数
ｎ11〜ｎ13 周波数
Ｖa，Ｖb 電圧
ＶB 省エネベース電圧
ＶC 省エネ電圧
ＶBC 電圧
ＶV/F Ｖ／Ｆ一定電圧
ＶEmax 過励磁防止制限電圧
ＶENE 省エネ出力電圧
ＶN モータの定格電圧
ＶB1，ＶB2 電圧
ＶV/F1，ＶV/F2 電圧
ＶL 省エネ電圧の推定値
ｎ21〜ｎ24 電圧
Ｋemax 許容電圧係数
Ｓot ソフト切換制御定数
Ｃ1，Ｃ3 比例係数
Ｃ2，Ｃ4 定数
２ 給水配管
３ 給水本管
４Ａ，４Ｂ 給水分岐管
５ バイパス管
１１ 吸い込み側圧力検出器
１２ 吸い込み側逆止め弁
１３Ａ，１３Ｂ ポンプ
１４Ａ，１４Ｂ 吐出側逆止め弁
１５Ａ，１５Ｂ 締め切り弁
１６ 圧力タンク
１７ バイパス逆止め弁
１８ フロースイッチ
１９ 吐出側圧力検出器
２１ 推定末端圧力一定制御部
２１ａ 推定末端圧力設定器
２１ｂ 補償圧力演算器
２１ｃ 演算器
２１ｄ 比例積分制御器
２１ｅ，２１ｆ Ｄ／Ａ変換器
３１ 省エネ電圧演算部
３２ 省エネベース電圧演算回路
３２ａ，３２ｅ 減算器
３２ｂ，３２ｆ リミッタ
３２ｃ，３２ｇ 乗算器
３２ｄ，３２ｈ 加算器
３２ｉ 選択スイッチ
３３ 省エネ電圧演算回路
３３ａ 減算器
３３ｂ リミッタ
３３ｃ，３３ｅ 乗算器
３３ｄ，３３ｇ 加算器
３２ｆ 乗算器
３３ｈ 加算器
３３ｉ 選択スイッチ
３４ Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路
３４ｃ，３４ｇ 乗算器
３４ｄ，３４ｈ 加算器
３４ｉ 選択スイッチ
３４ｊ 乗算器
３５ 選択スイッチ
３６ 第１高電圧優先回路
３７ 第２高電圧優先回路
３８ 可変電圧リミッタ
３９Ａ，３９Ｂ Ｄ／Ａ変換器
４１Ａ，４１Ｂ インバータ
４２Ａ，４２Ｂ モータ
ｈsu 押し込み圧力
ｈi 圧力
ｈs 最低設定圧力
Δｈ 補償圧力
ｈsmin 許容最低設定圧力
Δｈs 差
ｆ＊ 周波数
ｆa，ｆb 周波数
ｆN モータの定格周波数
ｎ11〜ｎ13 周波数
Ｖa，Ｖb 電圧
ＶB 省エネベース電圧
ＶC 省エネ電圧
ＶBC 電圧
ＶV/F Ｖ／Ｆ一定電圧
ＶEmax 過励磁防止制限電圧
ＶENE 省エネ出力電圧
ＶN モータの定格電圧
ＶB1，ＶB2 電圧
ＶV/F1，ＶV/F2 電圧
ＶL 省エネ電圧の推定値
ｎ21〜ｎ24 電圧
Ｋemax 許容電圧係数
Ｓot ソフト切換制御定数
Ｃ1，Ｃ3 比例係数
Ｃ2，Ｃ4 定数
Claims (4)
- インバータを介してモータを駆動することにより、ポンプを作動させて給水する給水方法において、
前記ポンプへの押し込み圧力と吐出側の圧力とから前記モータを駆動する各周波数における前記モータを駆動するのに最低必要なトルクを発生させる省エネベース電圧を演算する省エネベース電圧演算回路と、
前記各周波数に基づくＶ／Ｆ（電圧／周波数）特性が一定となる電圧を出力するＶ／Ｆ一定電圧演算回路とを有し、
前記インバータは、前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の出力電圧で前記モータを駆動して給水している状態で前記インバータに装備されている周波数一致信号で前記ポンプの圧力制御が定常状態に入ったことを検出すると前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の前記周波数一致信号の周波数における出力電圧値を、前記省エネベース電圧演算回路が演算した前記周波数一致信号の周波数における省エネベース電圧値にゆっくりと近付かせるように移行させて、前記モータを前記省エネベース電圧演算回路が演算した省エネベース電圧による駆動とし、
また、前記インバータは、前記省エネベース電圧演算回路が演算した省エネベース電圧で前記モータを駆動している状態で定常状態が解除されると、前記周波数一致信号の周波数における省エネベース電圧値を前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の前記周波数一致信号の周波数における出力電圧値へゆっくりと近付かせるように移行させて、前記省エネベース電圧による前記モータ駆動を、前記Ｖ／Ｆ一定電圧演算回路の出力電圧による前記モータ駆動とする、
ことを特徴とする給水方法。 - 請求項１に記載の給水方法において、
前記モータの周波数に基づく省エネ電圧を数１により求める省エネ電圧演算回路を有し、
前記省エネ電圧が前記省エネベース電圧よりも高くなると前記省エネ電圧で前記モータを駆動する、
ことを特徴とする給水方法。
Ｖｃは、省エネ電圧
Δｈsは、最低設定圧力ｈsと許容最低設定圧力ｈsminとの差
Ｃ1，Ｃ3は、最小自乗回帰直線の推定式の比例係数
Ｃ2，Ｃ4は、最小自乗回帰直線の推定式の定数
ｆ＊は、最低設定圧力ｈsに補償圧力Δｈを加え、その値から給水の吐出側圧力ｈiを引いた出力に基づく周波数 - 請求項２に記載の給水方法において、
前記省エネ電圧は、前記モータの１次抵抗、鉄損抵抗、および、２次抵抗を温度補正して求める、
ことを特徴とする給水方法。 - 請求項２または請求項３に記載の給水方法において、
前記モータの各周波数における過励磁防止制限電圧を求め、
前記省エネ電圧が前記過励磁防止制限電圧よりも高くなると、前記過励磁防止制限電圧で前記モータを駆動する、
ことを特徴とする給水方法。
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Citations (7)
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| JPS6356195A (ja) * | 1986-08-25 | 1988-03-10 | Toshiba Corp | 冷凍装置 |
| JPH08128399A (ja) * | 1994-11-02 | 1996-05-21 | Takasago Thermal Eng Co Ltd | 流体輸送装置の制御方法 |
| JPH10176675A (ja) * | 1996-10-15 | 1998-06-30 | Sayama Seisakusho:Kk | 給水装置 |
| JPH10205483A (ja) * | 1997-01-27 | 1998-08-04 | Yaskawa Electric Corp | ポンプの推定末端圧力一定制御装置 |
| JPH10299664A (ja) * | 1997-04-21 | 1998-11-10 | Yaskawa Electric Corp | ポンプの運転制御装置 |
| JP2001304134A (ja) * | 2000-04-19 | 2001-10-31 | Shin Meiwa Ind Co Ltd | 電動ポンプ装置及びその制御方法 |
-
2003
- 2003-10-16 JP JP2003355844A patent/JP4532876B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2001304134A (ja) * | 2000-04-19 | 2001-10-31 | Shin Meiwa Ind Co Ltd | 電動ポンプ装置及びその制御方法 |
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