JP5612450B2 - ポンプ装置および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ装置および電力変換装置に関し、特に位置センサや速度センサを用いることなく、ポンプの回転方向を検出することができるポンプ装置および電力変換装置に関する。

中型ポンプおよび小型ポンプの駆動源としては、通常モータが使用される。このようなポンプを可変速駆動するために、電力変換装置が広く使用されている。電力変換装置は、コンバータ部およびインバータ部を有しており、商用電源から供給される交流電力をコンバータ部により直流電力に変換し、さらにインバータ部によって直流電力から所望の周波数の交流電力を生成する。可変周波数の交流電力は電力変換装置からモータに供給され、ポンプはモータによって可変速駆動される。

特開平８−６１２８７号公報

電力変換装置の出力端子とモータの入力端子との間の配線ミスなどに起因して、電力変換装置とモータとの結線が正しく行われていないと、ポンプが逆方向に回転してしまう。従来、ポンプの回転方向の確認は目視で行われていた。しかしながら、ポンプの運転中にその回転方向を目視により確認することは難しい。このため、回転速度が低いポンプ始動時またはポンプ停止時に回転方向を確認しなければならない。また、電力変換装置とポンプが必ずしも近くに配置されているとは限らない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、目視によらず、ポンプの回転方向を検出することができ、さらにはポンプを正方向に回転させることができるポンプ装置および電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、遠心羽根車を有するポンプと、前記ポンプを駆動するモータと、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータ部と、前記インバータ部の出力電力を制御して、前記ポンプの回転速度を制御する制御部とを備え、前記制御部は、演算処理部と、記憶部と、前記インバータ部から前記モータへ流れる出力電流を検出する電流検出部とを有し、前記演算処理部は、前記モータの定格回転速度よりも小さい所定の回転速度で前記ポンプを第１の回転方向に駆動しているときの出力電流と、前記ポンプを前記所定の回転速度で前記第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に駆動しているときの出力電流との差が所定値よりも大きい場合に、前記第１の回転方向および前記第２の回転方向のうち、出力電流のより小さい方を前記ポンプの正回転方向に決定するように構成され、前記記憶部は、前記正回転方向に決定された前記第１の回転方向または前記第２の回転方向を前記正回転方向として記憶するように構成されていることを特徴とするポンプ装置である。

本発明の好ましい態様は、前記差が前記所定値以下である場合には、前記所定の回転速度よりも大きい回転速度で前記ポンプを前記第１の回転方向および前記第２の回転方向に再度駆動することを特徴とする。

本発明の他の態様は、遠心羽根車を有するポンプを駆動するモータに可変周波数の電力を供給する電力変換装置であって、可変周波数の電力を出力するインバータ部と、前記インバータ部の出力電力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、演算処理部と、記憶部と、前記インバータ部からの出力電流を検出する電流検出部とを有し、前記演算処理部は、前記モータの定格回転速度よりも低い所定の回転速度で前記モータを第１の回転方向に駆動する電力を前記インバータ部から出力しているときの出力電流と、前記所定の回転速度で前記モータを前記第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に駆動する電力を前記インバータ部から出力しているときの出力電流との差が所定値よりも大きい場合に、前記第１の回転方向および前記第２の回転方向のうち、出力電流のより小さい方を前記モータの正回転方向に決定するように構成され、前記記憶部は、前記正回転方向に決定された前記第１の回転方向または前記第２の回転方向を前記正回転方向として記憶するように構成されていることを特徴とする。

ポンプが正回転方向に駆動されているときの該ポンプへの流体の負荷は、ポンプが逆方向に駆動されているときのそれよりも小さい。このようなポンプへの負荷は、インバータ部の出力電流の大きさに反映される。したがって、ポンプ（モータ）を第１の回転方向に駆動しているときの出力電流と、ポンプを第２の回転方向に駆動しているときの出力電力との比較結果から、ポンプの正回転方向を決定することができる。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置を示す図である。 電力変換装置の概略構成を示す図である。 電力変換装置のインバータ部を示す図である。 羽根車を示す図である。 図５（ａ）は羽根車を正方向に回転させたときの流体の流れを示す図であり、図５（ｂ）は羽根車を逆方向に回転させたときの流体の流れを示す図である。 ポンプが正方向に回転しているときの電力変換装置の出力電流と、ポンプが逆方向に回転しているときの電力変換装置の出力電流を示すグラフである。 ポンプの正回転方向を決定する方法の一例を示すフローチャートである。 ポンプの正回転方向を決定する方法の他の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るポンプ装置を示す図である。ポンプ装置は、配水管に接続されるポンプＰと、ポンプＰに連結されたモータＭと、モータＭに電力を供給する電力変換装置１０とを備えている。ポンプＰは、モータＭと同一の回転方向および同一の回転速度でモータＭにより駆動される。電力変換装置１０は、商用電源１に接続されている。図２は、電力変換装置１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、電力変換装置１０は、コンバータ部１１、インバータ部１２、ゲートドライブ部１３、センサ部１５、ＣＰＵ１６、記憶部１７、および操作通信部１９を備えている。

コンバータ部１１は、整流回路を有しており、商用電源１から供給される３相の交流電力を直流電力に変換するように構成されている。インバータ部１２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を有しており、コンバータ部１１によって変換された直流電力から３相の交流電力を生成する。ゲートドライブ部１３は、インバータ部１２の各スイッチング素子を開閉するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ部１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ部１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ部１２は可変周波数の交流電力を出力する。

センサ部１５は電流検出部２０を有している。この電流検出部２０は、インバータ部１２からの出力電力の各相の電流を検出して、その測定値（出力電流値）をＣＰＵ１６に送るように構成されている。なお、センサ部１５は、電流検出部２０のほかに、各相の電圧を検出する電圧検出部を有してもよい。さらに、センサ部１５は、ポンプＰの吐出圧力、流量などの制御対象を検出する各種センサを有してもよい。ＣＰＵ１６は、センサ部１５から送られる測定値や、操作通信部１９から送られる指令周波数信号などに基づいて、モータＭを所望の回転速度に制御するための演算処理部である。

記憶部１７は不揮発性のメモリであり、インバータ部１２の駆動および制御のために必要な各種パラメータや、制御プログラムなどが格納されている。また、記憶部１７には、吐出圧力制御などのポンプ運転制御に必要なプログラムや各種パラメータが記憶されている。さらに、後述するように、記憶部１７には、ポンプＰの正回転方向の情報が記憶される。

操作通信部１９は、電力変換装置１０の外部からの操作により、電力変換装置１０の運転を開始および停止し、また各種設定値を設定するように構成されている。また、操作通信部１９は、外部から指令周波数信号を受信し、また運転状況を示す信号を外部に出力するようになっている。操作通信部１９は、より上位の制御装置との接続を通信を介して行うように構成されてもよい。ＣＰＵ１６は、指令周波数信号を操作通信部１９から受け、ＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号はゲートドライブ部１３に送られ、ゲートドライブ部１３は、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ部１２のスイッチング素子を駆動するためのゲートドライブ信号を生成する。本実施形態では、インバータ部の出力電力を制御する制御部は、ＣＰＵ１６、記憶部１７、および電流検出部２０を少なくとも含んで構成される。

図３は、インバータ部１２を示す図である。図３に示すように、インバータ部１２は６つのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）Ｓ１〜Ｓ６が設けられており、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に並列にダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。符号Ｃ１はコンデンサである。

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５のエミッタは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のコレクタにそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５のコレクタは、コンバータ部１１（図２参照）から直流電力が供給される正極Ｐに接続され、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のエミッタは、負極Ｎに接続されている。スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２とを接続する接続ラインからＵ相の駆動電流Ｉｕが出力され、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４とを接続する接続ラインからＶ相の駆動電流Ｉｖが出力され、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６とを接続する接続ラインからＷ相の駆動電流Ｉｗが出力される。

スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、ゲートドライブ部１３で生成されるゲートドライブ信号により駆動され、これによりインバータ部１２は、三相の交流電力、すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電力を生成する。電流検出部２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに対応した３つの電流センサＣＴを有している。これら電流センサＣＴによって測定された電流値は、ゲイン調整部２５を通ってＣＰＵ１６に送られる。

図４は、ポンプＰが備える遠心羽根車３０を示す図である。図４に示すように、遠心羽根車３０は、放射状に延びる複数の翼３１を有している。翼３１は流体（通常は液体）を羽根車３０の径方向外側に押出すように、羽根車３０の周方向に対して傾斜している。このような翼３１の傾斜した形状により、羽根車３０が正方向に回転したときと、羽根車３０が逆方向に回転したときとでは、流体の吐き出し効率が異なる。

図５（ａ）は羽根車を正方向に回転させたときの流体の流れを示す図であり、図５（ｂ）は羽根車を逆方向に回転させたときの流体の流れを示す図である。羽根車３０が逆方向に回転しているとき、径方向外側への流体の流れを翼３１が抑制することとなる。このため、同じ回転速度で羽根車３０を回転させる場合において、正方向に回転しているときよりも、逆方向に回転しているときの方が、羽根車３０への負荷が大きくなり、流体の流量も減ってしまう。

このようなポンプ（羽根車）の回転方向の違いによる負荷の違いは、電力変換装置１０からの出力電流の違いとして表される。図６は、ポンプが正方向に回転しているときの電力変換装置１０の出力電流と、ポンプが逆方向に回転しているときの電力変換装置１０の出力電流を示すグラフである。図６の縦軸は出力電流を表し、横軸はインバータ部１２からの出力電力の周波数を表す。

この例におけるモータおよびポンプの定格回転速度は６０００ｍｉｎ^−１であり、図６は、モータおよびポンプを定格回転速度まで運転したときの出力電流の変化を示している。モータの極数は４であり、インバータ部１２からの出力電力が２００Ｈｚのときに、モータは６０００ｍｉｎ^−１で回転する。図６から分かるように、ポンプが正方向に回転しているときの出力電流は、逆方向に回転しているときの出力電力よりも低くなっている。また、ポンプが正方向に回転しているときの出力電流と、ポンプが逆方向に回転しているときの出力電力との差は、インバータ部１２からの出力電力の周波数が高くなるにしたがって大きくなる。この差は、出力電力の周波数に対して指数関数的に大きくなっている。

電力変換装置１０は、このようなポンプの回転方向に起因する出力電流の違いから、ポンプ（モータ）が正方向に回転しているか、または逆方向に回転しているかを決定する。より具体的には、ＣＰＵ１６は、ポンプ（モータ）を第１の回転方向に駆動する電力をインバータ部１２から出力しているときの出力電流と、ポンプ（モータ）を第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に駆動する電力をインバータ部１２から出力しているときの出力電流とを比較し、第１の回転方向および第２の回転方向のうち、出力電流のより小さい方をポンプ（モータ）の正回転方向に決定する。正回転方向に決定された第１の回転方向または第２の回転方向は、記憶部１７に記憶される。

次に、ポンプの正回転方向を決定する方法について説明する。以下に説明するポンプの正回転方向を決定するプロセスは、ポンプ装置を初めて起動するとき、またはポンプ装置の試運転時に、正回転方向決定モードでポンプ装置を運転することにより実行される。正回転方向決定のための運転モードと、通常の運転モードは、操作通信部１９での操作により切り換えることができる。

図７は、ポンプの正回転方向を決定する方法の一例を示すフローチャートである。ステップ１として、モータがその定格回転速度よりも低い回転速度で回転するように、ＣＰＵ１６は、指令周波数（出力電力の周波数についての指令値）をモータの定格周波数よりも低い周波数に設定する。これは、モータの定格回転速度（定格周波数）でポンプを逆方向に駆動すると、モータに供給される電流がモータの定格電流を超えてしまうおそれがあるからである。また、ポンプの羽根車に過大な負荷が加わる可能性もある。図７に示す例では、モータの定格回転速度の４分の１の回転速度でモータが駆動される。例えば、モータの定格周波数が２００Ｈｚのとき、ステップ１では、指令周波数を５０Ｈｚに設定する。

ステップ２では、ＣＰＵ１６により、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順番で交流電力の位相を制御し、ポンプ（モータ）を第１の回転方向に駆動する。ポンプを第１の回転方向に駆動しているときの出力電流（以下、出力電流Ｉａという）は、電流検出部２０によって検出される。ステップ３では、ＣＰＵ１６は、出力電流Ｉａを電流検出部２０から取り込み、次いで、ポンプを一時的に停止させる。ステップ４では、ＣＰＵ１６により、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相の順番で交流電力の位相を制御し、ポンプ（モータ）を第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に駆動する。ステップ５では、ＣＰＵ１６は、ポンプを第２の回転方向に駆動しているときの出力電流（以下、出力電流Ｉｂという）を電流検出部２０から取り込み、次いで、ポンプを一時的に停止させる。

次に、ステップ６では、ＣＰＵ１６は、第１の回転方向に対応する出力電流Ｉａと第２の回転方向に対応する出力電流Ｉｂとの差（絶対値）|Ｉａ−Ｉｂ|を所定の値Ｉhisと比較し、差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きいか否かを決定する。これは、出力電流Ｉａと出力電流Ｉｂとの間に有意の差があるか否かを判断することを目的としている。差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhis以下の場合は、ステップ７として、回転速度を所定の増加分だけ上げてモータを駆動し、ポンプを上記第１の回転方向に再度駆動する。具体的には、上記指令周波数を少しだけ高く設定して（例えば、定格周波数の４分の１だけ高くして、つまり上述の例では１００Ｈｚを指令周波数として）、ステップ２からのプロセスを繰り返す。このように、出力電流Ｉａと出力電流Ｉｂとの間に有意な差が出るまで、モータの回転速度、すなわちインバータ部１２の出力電流の周波数を少しずつ高くする。

差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きい場合は、ＣＰＵ１６は、出力電流Ｉａが出力電流Ｉｂよりも小さいか否かを決定する（ステップ８）。出力電流Ｉａが出力電流Ｉｂよりも小さい場合は、ＣＰＵ１６は、上記第１の回転方向がポンプの正回転方向であると決定し、記憶部１７は第１の回転方向をポンプの正回転方向として記憶する。一方、出力電流Ｉａが出力電流Ｉｂよりも大きい場合は、ＣＰＵ１６は、上記第２の回転方向がポンプの正回転方向であると決定し、記憶部１７は第２の回転方向をポンプの正回転方向として記憶する（ステップ９）。その後、正回転方向決定の運転モードを終了する。

上述のようにしてポンプの正回転方向が決定された後、通常のポンプ運転が行われる。この通常のポンプ運転の開始時には、ＣＰＵ１６は記憶部１７に記憶された正回転方向の情報を読み込み、ポンプ（モータ）を正回転方向に駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。ゲートドライブ部１３は、ＰＷＭ信号に基づいてインバータ部１２の各スイッチング素子を駆動し、これによりインバータ部１２により交流電力が生成される。モータはインバータ部１２から供給される交流電力により正方向に回転し、ポンプを正回転方向に駆動する。

このような方法によれば、目視によらずポンプ（モータ）の回転方向を検出することができる。また、電力変換装置１０とモータとの間の結線ミスなどに起因するポンプの逆回転を防ぐことができる。さらに、たとえＵ相、Ｖ相、Ｗ相の結線を誤ったとしても、結線し直すことなく、ポンプを正回転方向に駆動することができる。

なお、ステップ６では、ＣＰＵ１６は出力電流Ｉａと出力電流Ｉｂとの差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きいか否か判断しているが、差|Ｉａ−Ｉｂ|と、出力電流Ｉａと出力電流Ｉｂの平均Ｉaveとの比が所定の値よりも大きいか否かを判断してもよい。例えば、次の判定式を用いることができる。
|Ｉａ−Ｉｂ|／Ｉave＞Ｋ
ただし、Ｉaveは（Ｉａ＋Ｉｂ）／２であり、Ｋは所定の定数（例えば、０．３）である。

図７に示すフローチャートでは、ステップ６において差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも小さい場合は、処理がステップ２に戻る。このため、モータおよびポンプの第１の回転方向への駆動と第２の回転方向への駆動が交互に繰り返される。このような回転方向の切り替えを減らすことができる方法を次に説明する。

図８は、ポンプの正回転方向を決定する方法の他の例を示すフローチャートである。図８のステップ１〜ステップ４は、図７のステップ１〜ステップ４と同じである。ステップ５では、ポンプを第２の回転方向に駆動しているときのインバータ部１２からの出力電流Ｉｂを電流検出部２０により検出する。ポンプはそのままの回転速度で駆動される。

ステップ６では、ＣＰＵ１６は、出力電流Ｉａと出力電流Ｉｂとの差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きいか否かを決定する。差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きい場合は、後で説明するステップ１３の処理が行われる。一方、差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhis以下の場合は、ステップ７として、第２の回転方向を維持したまま、回転速度を所定の増加分だけ上げてモータを駆動する。具体的には、上記指令周波数を少しだけ高く設定して（例えば、定格周波数の４分の１だけ高くして）、モータを第２の回転方向に駆動する。ステップ８では、ＣＰＵ１６は、回転速度を上げてモータを第２の方向に駆動しているときの出力電流Ｉｂを電流検出部２０から取り込み、次いで、ポンプを一時的に停止させる。

ステップ９では、ステップ７と同じ回転速度でモータを第１の回転方向に駆動する。ステップ１０では、ＣＰＵ１６は、このときの出力電流Ｉａを電流検出部２０から取り込む。ステップ１１では、差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きいか否かをＣＰＵ１６により判定する。差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhis以下の場合は、ステップ１２として、回転速度を所定の増加分だけ上げる。その後、ステップ２からのプロセスを繰り返す。一方、差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きい場合は、以下に説明するステップ１３の処理が行われる。

上記ステップ６またはステップ１１において差|Ｉａ−Ｉｂ|が所定の値Ｉhisよりも大きいと判断された場合は、ＣＰＵ１６は、出力電流Ｉａが出力電流Ｉｂよりも小さいか否かを決定する（ステップ１３）。出力電流Ｉａが出力電流Ｉｂよりも小さい場合は、ＣＰＵ１６は、上記第１の回転方向がポンプの正回転方向であると決定し、記憶部１７は第１の回転方向をポンプの正回転方向として記憶する。一方、出力電流Ｉａが出力電流Ｉｂよりも大きい場合は、ＣＰＵ１６は、上記第２の回転方向がポンプの正回転方向であると決定し、記憶部１７は第２の回転方向をポンプの正回転方向として記憶する（ステップ１４）。その後、正回転方向決定の運転モードが終了する。

この方法によれば、ポンプの正回転方向を決定するプロセスにおいて、ポンプ（モータ）の回転方向を切り換える回数を少なくすることができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 商用電源
１０ 電力変換装置
１１ コンバータ部
１２ インバータ部
１３ ゲートドライブ部
１５ センサ部
１６ ＣＰＵ（演算処理部）
１７ 記憶部
１９ 操作通信部
２０ 電流検出部
３０ 遠心羽根車
３１ 翼

Claims (3)

1. 遠心羽根車を有するポンプと、
   前記ポンプを駆動するモータと、
   前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータ部と、
   前記インバータ部の出力電力を制御して、前記ポンプの回転速度を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、演算処理部と、記憶部と、前記インバータ部から前記モータへ流れる出力電流を検出する電流検出部とを有し、
   前記演算処理部は、前記モータの定格回転速度よりも小さい所定の回転速度で前記ポンプを第１の回転方向に駆動しているときの出力電流と、前記ポンプを前記所定の回転速度で前記第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に駆動しているときの出力電流との差が所定値よりも大きい場合に、前記第１の回転方向および前記第２の回転方向のうち、出力電流のより小さい方を前記ポンプの正回転方向に決定するように構成され、
   前記記憶部は、前記正回転方向に決定された前記第１の回転方向または前記第２の回転方向を前記正回転方向として記憶するように構成されていることを特徴とするポンプ装置。
2. 前記差が前記所定値以下である場合には、前記所定の回転速度よりも大きい回転速度で前記ポンプを前記第１の回転方向および前記第２の回転方向に再度駆動することを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
3. 遠心羽根車を有するポンプを駆動するモータに可変周波数の電力を供給する電力変換装置であって、
   可変周波数の電力を出力するインバータ部と、
   前記インバータ部の出力電力を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、演算処理部と、記憶部と、前記インバータ部からの出力電流を検出する電流検出部とを有し、
   前記演算処理部は、前記モータの定格回転速度よりも低い所定の回転速度で前記モータを第１の回転方向に駆動する電力を前記インバータ部から出力しているときの出力電流と、前記所定の回転速度で前記モータを前記第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に駆動する電力を前記インバータ部から出力しているときの出力電流との差が所定値よりも大きい場合に、前記第１の回転方向および前記第２の回転方向のうち、出力電流のより小さい方を前記モータの正回転方向に決定するように構成され、
   前記記憶部は、前記正回転方向に決定された前記第１の回転方向または前記第２の回転方向を前記正回転方向として記憶するように構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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