JP5747622B2 - 給水ポンプ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、給水ポンプの吸込側に圧力センサや流量センサを設置することなく押込圧力（給水ポンプの吸込側圧力）を検出し、推定末端圧力一定制御を行うようにした給水ポンプ制御装置に関するものである。

通常、ビルやマンションに設置される給水ポンプ制御装置では、給水ポンプの吐出側圧力を制御することにより、需要端における水圧をほぼ一定に制御する推定末端圧力一定制御が採用されている。
この推定末端圧力一定制御は、給水ポンプの吸込側に受水槽等が設置されていて押込圧力があまり変化しない給水管系統では支障なく適用可能である。しかし、給水管の途中に給水ポンプが直結されているような場合には、押込圧力が水の使用状態によって変化するため、給水ポンプの吐出側圧力を末端圧力一定になるように制御すると、要求給水量に対して最適な水量を供給することが困難である。

給水ポンプにおいては、揚程高さ（最大流量時の吐出側圧力）が明らかな場合、給水ポンプの吸込側に設置した圧力センサにより押込圧力を検出し、この押込圧力を適宜な数式に当てはめることで、給水ポンプの運転周波数と吐出側圧力との関係を示す簡易な周波数−圧力特性を得ることができる。この簡易な周波数−圧力特性に従い、推定末端圧力を一定にする吐出側圧力となるように給水ポンプの運転周波数を制御することにより、理論的には推定末端圧力一定制御が可能になる。

上記の方法によれば、最大流量時の吐出側圧力は簡易な周波数−圧力特性にほぼ一致するが、流量がゼロから最大値に至るまでの範囲では、流量と吐出側圧力との関係に誤差が発生する。
特に、ビルやマンションでは、給水ポンプを最大流量で長時間運転することはほとんどなく、通常は最大流量の半分以下で運転することが多い。従って、給水ポンプの実際の吐出側圧力と本来必要な吐出側圧力との間に誤差が生じやすく、結果として電気料金や水道料金の浪費を招き、省資源、省エネルギーに逆行するという問題がある。
また、実際の流量を検出する流量センサと吐出側の圧力センサとによる２つのアナログ検出値を用いて推定末端圧力一定制御を行うことも考えられるが、その場合には２個のセンサが必要である。

ここで、推定末端圧力一定制御による給水ポンプ制御装置としては、例えば特許文献１，２に記載されたものが公知となっている。
特許文献１に係る従来技術は、図５に示すように、ポンプＰを駆動するためのインバータ装置１０６及びモータＭと、給水管２００上のポンプＰの吸込側及び吐出側にそれぞれ設置された圧力センサ１０１，１０７と、圧力選択手段１０２と、目標圧力演算手段１０３と、回転速度制御手段１０４と、回転速度検出手段１０５と、を備えている。

特許文献１に係る従来技術では、目標圧力演算手段１０３が、モータＭの回転速度に応じた目標圧力信号Ｓ３を、吸込側の圧力信号Ｓ２Ｘを用いて求め、目標圧力信号Ｓ３を回転速度制御手段１０４に出力する。目標圧力演算手段１０３には、第１の設定圧力ＰＡと、圧力選択手段１０２からの圧力信号ＰＢＸが入力されている。圧力選択手段１０２は、第１の設定圧力ＰＡより小さい第２の設定圧力ＰＢ、及び、圧力信号Ｓ２Ｘのうち、大きい方を圧力信号ＰＢＸとして出力する。
回転速度制御手段１０４は、吐出側の圧力信号Ｓ２が目標圧力信号Ｓ３に一致するようにインバータ装置１０６の出力周波数を制御し、モータＭを運転する。
この従来技術によれば、吸込側の圧力信号Ｓ２Ｘが第２の設定圧力ＰＢを超えた場合に、設定圧力ＰＢを圧力信号Ｓ２Ｘに置き換えて運転を継続することにより、押込圧力が異常に高くなった場合でもポンプＰの吐出側圧力が低下することができる。

また、特許文献２に係る従来技術は、図６に示すように、ポンプＰの吸込側及び吐出側に設置された圧力センサ１０１，１０７と、減算器１０８と、最大周波数演算手段１０９及び最小周波数演算手段１１０と、末端目標圧力演算手段１１１と、移動平均手段１１２と、その出力である目標圧力と吐出側圧力検出値との偏差を求める減算手段１１３と、比例積分手段１１４と、その出力と実際のインバータ周波数ｆ_ｉｎとを加算してインバータ装置１０６の周波数指令値を求める加算手段１１５と、を備えている。
なお、最大周波数演算手段１０９には最大流量Ｑ_ｍａｘが入力され、末端目標圧力演算手段１１１には最大設定圧力Ｐ_ｍａｘ、最小設定圧力Ｐ_ｍｉｎ、及びインバータ周波数ｆ_ｉｎが入力されている。

特許文献２に係る従来技術では、ポンプＰの吐出圧と吸込圧との差圧ΔＰ及び最大流量Ｑ_ｍａｘから最大周波数ｆ_ｍａｘ及び最小周波数ｆ_ｍｉｎを求め、末端目標圧力演算手段１１１が、最大周波数ｆ_ｍａｘ、最小周波数ｆ_ｍｉｎ、最大設定圧力Ｐ_ｍａｘ、最小設定圧力Ｐ_ｍｉｎ及びインバータ周波数ｆ_ｉｎを用いて所定の数式により目標圧力Ｐを演算し、移動平均手段１１２により求めた目標圧力Ｐの移動平均値と吐出側圧力検出値との偏差を比例積分演算してインバータ周波数ｆ_ｉｎに加算することにより、インバータ装置１０６の周波数指令値を演算する。
この従来技術では、ポンプＰの吐出圧と吸込圧との差圧ΔＰに基づく最大周波数ｆ_ｍａｘ及び最小周波数ｆ_ｍｉｎを用いて目標圧力Ｐを演算しているため、外乱に影響されない高精度な推定末端圧力一定制御を可能にしている。

特開平５−１３３３４３号公報（段落［００１３］〜［００１９］、図１等） 特開２００１−１２３９６２号公報（段落［００１２］〜［００２６］、図１，図２等）

特許文献１，２に係る従来技術によれば、ポンプＰの吐出圧をほぼ一定に保って推定末端圧力一定制御を行うことが可能であるが、いずれもポンプＰの吸込側圧力を検出する圧力センサ１０１が必要不可欠であるため、設備全体のコストが高くなるという問題がある。
そこで、本発明の目的は、ポンプの吸込側の圧力センサや流量センサを不要にして給水ポンプ制御装置の低コスト化を可能にすることにある。
また、本発明の他の目的は、ポンプの吐出圧を所定値に制御して推定末端圧力一定制御を行い、省資源、省エネルギーを達成することにある。

本発明は、給水管に設置された給水ポンプの吐出側圧力が管路抵抗曲線上に位置するように、インバータ装置により給水ポンプの運転速度を制御して推定末端圧一定制御を行う給水ポンプ制御装置を前提としている。
そして、本発明においては、インバータ装置の出力周波数と消費電力との関係を示すＦ−Ｐ特性と実際の動作点との間に誤差がある場合に、ポンプの押込圧力があると判定する。この押込圧力がある場合には、Ｆ−Ｐ特性と実際の動作点との間の誤差（インバータ装置の出力周波数の誤差）を用いて、インバータ装置の出力周波数とポンプの吐出側圧力との関係を示す周波数−圧力特性の補正量を自動的に計算し、この補正量とポンプの吐出側圧力検出値とを用いて周波数−圧力特性を補正する。以後は、補正後の周波数−圧力特性に基づくＰＩＤ制御により、推定末端圧力一定制御を行う。

本発明によれば、ポンプの吸込側の圧力センサや流量センサを用いずにＦ−Ｐ特性上の押込圧力に相当する誤差を検出し、この誤差を用いて周波数−圧力特性を補正するため、設備の簡略化、低コスト化、省資源化が可能である。
また、周波数−圧力特性が管路抵抗曲線と一致することから、押込圧力分だけポンプの発生圧力を抑えて最適な回転数によりポンプを運転することができる。これにより、推定末端圧力一定制御を行う給水ポンプの省エネルギー運転が可能になる。

本発明の実施形態の全体的な構成を示すブロック図である。 図１において、ポンプの押込圧力がない場合のフィードバック制御系を等価的に示したブロック図である。 ポンプの押込圧力がない場合の流量−揚程特性（Ｑ−Ｈ特性）１の説明図である。 図４（ａ）はポンプの押込圧力がある場合の流量−揚程特性（Ｑ−Ｈ特性）２の説明図、図４（ｂ）は周波数−揚程特性（Ｆ−Ｈ特性）の説明図、図４（ｃ）は周波数−電力特性（Ｆ−Ｐ特性）の説明図である。 特許文献１に係る従来技術の構成図である。 特許文献２に係る従来技術の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態の全体的な構成を示すブロック図であり、インバータ制御部３００から出力される周波数指令ｆ^＊に基づいた周波数とこの周波数に対応した振幅の交流電圧をインバータ部４０１が発生してモータＭを駆動し、給水ポンプＰを運転する。なお、２００は給水用の給水管である。
インバータ制御部３００は、インバータ装置４００に内蔵された制御処理手段であり、例えばＣＰＵ、メモリ、ＰＩＤ調節器、Ａ／Ｄ変換器、入出力インターフェイス等によって構成され、このインバータ制御部３００とインバータ部４０１とによりインバータ装置４００が構成されている。

インバータ制御部３００において、周波数−圧力特性３０１は、ポンプＰの駆動周波数（インバータ部４０１の出力周波数）とポンプＰの吐出側圧力との関係を示す特性である。図１では、ポンプＰの押込圧力がない場合の周波数−圧力特性を実線により、押込圧力がある場合の周波数−圧力特性を破線により示してある。この実施形態では、ポンプＰの押込圧力がある場合に、押込圧力がない場合の周波数−圧力特性を補正して使用することを特徴としており、実線の特性を補正前の周波数−圧力特性、破線の特性を補正後の周波数−圧力特性ともいう。

補正前の周波数−圧力特性は、推定末端圧力一定制御を行うために給水管路に応じて予め設定された管路抵抗曲線と実質的に同一であり、この周波数−圧力特性は関数またはデータテーブルとしてメモリ（図示せず）に記憶されている。
ここで、管路抵抗曲線は、図３に示すように流量−揚程特性（Ｑ−Ｈ特性）ともいい、押込圧力がない場合の揚程はポンプ発生圧力に等しい。なお、便宜的に、図３に示す管路抵抗曲線を流量−揚程特性（Ｑ−Ｈ特性）１とする。

図１において、周波数−圧力特性３０１の吐出側圧力から選ばれた目標圧力は、ポンプＰの吐出側の圧力センサ４０２からの吐出側圧力検出値と共に、減算手段３０２に入力されている。減算手段３０２により算出された偏差は、ＰＩＤ制御手段３０３に入力され、その出力は切替手段３０９を介して加減速手段３０４に入力される。ここで、切替手段３０９は、後述するＦ−Ｐ特性誤差判定手段３０８によって動作が制御されるものであり、押込圧力がない平常時には、ＰＩＤ制御手段３０３の出力が切替手段３０９を介して加減速手段３０４に与えられるようになっている。また、切替手段３１１も、後述するＦ−Ｐ特性誤差判定手段３０８によって動作が制御されるものであり、「誤差なし」の場合に開路され、「誤差あり」の場合に閉路されるものである。

ＰＩＤ制御手段３０３は、上記偏差をゼロにするように比例・積分・微分演算を行う調節器によって構成されている。加減速手段３０４は、ＰＩＤ制御手段３０３の出力に基づいて周波数指令ｆ^＊を演算し、インバータ部４０１へ出力する。
ポンプＰの押込圧力がない場合のフィードバック制御系を等価的に示すと、図２のようになる。

また、図１において、３０５はインバータ部４０１の消費電力を算出する消費電力算出手段である。この消費電力算出手段３０５は、インバータ部４０１の内部で生成される電圧指令Ｖ^＊（あるいはインバータ部４０１の出力電圧検出値）とインバータ部４０１の出力電流検出値Ｉとに基づいてインバータ部４０１の消費電力を算出する。
３０６は、消費電力算出手段３０５により算出したインバータ部４０１の出力周波数と消費電力との関係を示す周波数−電力特性（Ｆ−Ｐ特性）であり、関数またはデータテーブルとしてメモリに記憶されている。このＦ−Ｐ特性３０６は、押込圧力の有無に関わらずほぼ一定であり、例えば図４（ｃ）に実線で示すような特性である。このＦ−Ｐ特性３０６は、ポンプＰの施工時やメンテナンス作業中の動作確認時に、インバータ部４０１の出力周波数に対するインバータ部４０１の消費電力を設定して記憶させる。このとき、ポンプＰの駆動軸動力をインバータ部４０１の消費電力に置き換えることにより、Ｆ−Ｐ特性３０６を作成することが可能である。

いま、ポンプＰの押込圧力がないと仮定すると、推定末端圧力一定制御を行うための所定の吐出側圧力を目標圧力としてＰＩＤ制御手段３０３が動作し、加減速手段３０４により周波数指令ｆ^＊が演算されてインバータ部４０１に与えられる。この時のインバータ部４０１の出力周波数と吐出側圧力との関係は、例えば図４（ｂ）の実線の周波数−圧力特性によって表すことができ、インバータ部４０１の周波数Ｆ_ａと吐出側圧力との関係は動作点Ａに保たれている。なお、インバータ部４０１の周波数は流量と比例するため、図４（ｂ）の実線の周波数−圧力特性は図３の管路抵抗曲線に一致している。

しかし、押込圧力がある場合、図３と図４（ａ）の管路抵抗曲線との比較から明らかなように、ポンプ発生圧力は、吸込側有効圧力としての押込圧力の分だけ少なくてよいはずである。ここで、図４（ａ）の管路抵抗曲線を、便宜的に流量−揚程特性（Ｑ−Ｈ特性）２とする。
しかしながら、押込圧力がある場合にインバータ部４０１の運転を動作点Ａにて継続すると、要求される給水量に対して余分にポンプＰを回転させることになり、インバータ部４０１、モータＭ及びポンプＰがエネルギーを浪費することになる。すなわち、この状態ではインバータ部４０１の図４（ｃ）のＦ−Ｐ特性の動作点が最適値から外れているので、動作点をＦ−Ｐ特性上へ復帰させる（つまり、周波数−圧力特性を補正する）必要がある。

図４（ｃ）において、押込圧力がある場合には、図４（ｂ）の動作点Ａに対応するインバータ部４０１の周波数Ｆ_ａと消費電力との関係は、図４（ｃ）の動作点Ｐ_ａに示すように実線で示したＦ−Ｐ特性からずれている。図１のＦ−Ｐ特性誤差判定手段３０８は、加減速手段３０４が出力する周波数指令ｆ^＊と消費電力算出手段３０５により求めた消費電力とから動作点Ｐ_ａを求め、この動作点Ｐ_ａとＦ−Ｐ特性との間にずれ（誤差）があるかどうかを判定する。その結果、動作点Ｐ_ａとＦ−Ｐ特性との間に所定値以上のずれがあると判定したときに、切替手段３０９を「誤差あり」側に切り替えると共に、切替手段３１１を閉路するための信号を出力する。

図４（ｃ）において、動作点Ｐ_ａのままで運転を継続することは、押込圧力に起因する消費電力の減少分ΔＰを考慮せずに周波数Ｆ_ａでインバータ部４０１を高速運転することになり、エネルギーの浪費につながる。これを解決するには、動作点を動作点Ｐ_ａからＦ−Ｐ特性上の動作点Ｐ_ｂに移動させればよい。
そこで、図１の周波数−圧力補正制御手段３０７は、動作点Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ間の周波数差ΔＦを算出し、この周波数差ΔＦを、切替手段３０９を介して加減速手段３０４に入力する。このとき、切替手段３０９は、Ｆ−Ｐ特性誤差判定手段３０８の動作によって「誤差あり」側に切り替わっている。

加減速手段３０４は、周波数差ΔＦに相当する信号を周波数指令ｆ^＊として周波数−圧力特性補正手段３１０に入力する。この周波数−圧力特性補正手段３１０には、圧力センサ４０２からの吐出側圧力検出値も入力されている。
このとき、切替手段３１１は閉路されており、周波数−圧力特性補正手段３１０は、周波数指令ｆ^＊及び吐出側圧力検出値から、全揚程を上限圧力として周波数−圧力特性３０１を図４（ｂ）に実線で示した補正前の周波数−圧力特性から図４（ｂ）に破線で示した補正後の周波数−圧力特性に補正する。補正後の周波数−圧力特性は関数またはデータテーブルとしてメモリ（図示せず）に記憶され、図１における周波数−圧力特性３０１を構成することになる。
その後、切替手段３０９が「誤差なし」側に接続されると共に切替手段３１１が開路され、補正後の周波数−圧力特性３０１に基づいて選ばれた目標圧力と圧力センサ４０２からの吐出側圧力検出値との偏差がＰＩＤ制御手段３０３に入力される。ＰＩＤ制御手段３０３の出力は切替手段３０９を介して加減速手段３０４に入力され、加減速手段３０４により周波数指令ｆ^＊が演算されてインバータ部４０１に与えられることになる。

以後は、補正後の周波数−圧力特性による目標圧力に従ったＰＩＤ制御により周波数指令ｆ^＊を生成し、インバータ部４０１の出力周波数を制御してポンプＰの吐出側圧力を目標圧力に保ち、推定末端圧力一定制御を行う。また、押込圧力に起因してＦ−Ｐ特性と動作点との間に誤差が発生する都度、上述した周波数−圧力特性の補正処理を繰り返せばよい。

なお、要求給水量またはポンプＰの押込圧力が変化し、これによって吐出側圧力が変化した場合、周波数−圧力特性の補正量が小さいと、動作点が図４（ｃ）のＦ−Ｐ特性から外れる。この場合は、動作点がＦ−Ｐ特性から外れたときの周波数差ΔＦを算出して、補正後の周波数−圧力特性の目標圧力を徐々に減少させ、動作点がＦ−Ｐ特性上に復帰するように周波数−圧力特性を再度補正すればよい。
これとは逆に、周波数−圧力特性の補正量が大きいと、動作点はＦ−Ｐ特性上に存在するが、給水量が不足することになる。この場合には、周波数−圧力特性の目標圧力を徐々に増加させていき、動作点がＦ−Ｐ特性から外れたときの周波数差ΔＦを算出して周波数と流量とが比例する関係を利用して周波数−圧力特性を補正し、図４（ａ）の管路抵抗曲線と対応させればよい。

２００：給水管
３００：インバータ制御部
３０１：周波数−圧力特性
３０２：減算手段
３０３：ＰＩＤ制御手段
３０４：加減速手段
３０５：消費電力算出手段
３０６：Ｆ−Ｐ特性
３０７：周波数−圧力補正制御手段
３０８：Ｆ−Ｐ特性誤差判定手段
３０９，３１１：切替手段
３１０：周波数−圧力特性補正手段
４００：インバータ装置
４０１：インバータ部
４０２：圧力センサ
Ｍ：モータ
Ｐ：給水ポンプ

Claims (4)

1. 給水管に設置された給水ポンプの吐出側圧力が管路抵抗曲線上に位置するように、インバータ装置により前記給水ポンプの運転速度を制御して推定末端圧一定制御を行う給水ポンプ制御装置において、
   前記給水ポンプの吐出側圧力を検出する圧力センサと、
   前記インバータ装置の出力周波数と前記吐出側圧力との関係を示す周波数−圧力特性を記憶する記憶手段と、
   前記インバータ装置の消費電力を算出する消費電力算出手段と、
   前記インバータ装置の出力周波数と消費電力との関係を示すＦ−Ｐ特性を記憶する記憶手段と、
   前記インバータ装置の出力周波数、消費電力、及び前記Ｆ−Ｐ特性に基づき、前記給水ポンプの押込圧力の有無を判定する判定手段と、
   前記判定手段により押込圧力ありと判定した場合に前記周波数−圧力特性を補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とする給水ポンプ制御装置。
2. 請求項１に記載した給水ポンプ制御装置において、
   前記周波数−圧力特性における前記吐出側圧力を目標圧力とし、この目標圧力と前記給水ポンプの吐出側圧力検出値との偏差に基づいて周波数指令を生成することを特徴とする給水ポンプ制御装置。
3. 請求項２に記載した給水ポンプ制御装置において、
   前記周波数指令と前記消費電力算出手段により算出した消費電力とから求めた動作点が前記Ｆ−Ｐ特性から所定値以上ずれているときに、前記判定手段により押込圧力ありと判定することを特徴とする給水ポンプ制御装置。
4. 請求項２または３に記載した給水ポンプ制御装置において、
   前記判定手段により押込圧力ありと判定した場合に、前記圧力センサにより得た吐出側圧力検出値と前記周波数指令とを用いて前記周波数−圧力特性を補正することを特徴とする給水ポンプ制御装置。

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