JP6000709B2 - 入力電流値演算機能を備えたポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ装置の入力電流値を演算する機能を備えたポンプ装置に関するものである。

ポンプを高い負荷で運転したり、ポンプに異物が噛み込んだりすると、ポンプ装置の入力電流が増大し、過電流状態となる。その結果、ブレーカや保護装置が作動し、ポンプが停止する。一旦ポンプが停止すると、ポンプ装置に接続された外部装置（例えば半導体製造装置など）の一部または全体が停止するため、生産性が著しく低下することがある。このようなポンプの停止を防ぐためには、ポンプ装置の入力電流を監視してポンプの運転を制御することが必要となる。

ポンプ装置の入力電流値を検出する方法について図１を参照しつつ説明する。図１は従来のポンプ装置を示す模式図である。図１に示すように、ポンプ装置１０１は、ポンプ２と、ポンプ２を駆動するモータ３と、モータ３の回転速度を制御するインバータ４と、インバータ４の動作を制御する制御装置５と、ポンプ装置１０１の入力電流値を検出する電流検出器６とを備えている。インバータ４は、商用電源８に接続されている。このポンプ装置１０１によれば、入力電流値はポンプ装置１０１内に設けられた電流検出器６によって検出される。しかしながら、電流検出器６は一般に大型で高価であるため、ポンプ装置１０１全体が大型化し、コストが増加するという問題があった。

特開２００８−５６４７号公報 特開２０１１−１８５１９０号公報 特開平６−１８９５９１号公報 特開平６−２１３５４２号公報

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、入力電流検出器を不要とし、小型かつ低コストのポンプ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、ポンプと、前記ポンプを駆動するモータと、前記モータの回転速度を制御するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御装置とを備えたポンプ装置において、前記インバータは、該インバータの出力電力値を演算する出力電力演算機能と、該インバータの入力電圧値を検出する入力電圧検出機能とを備えており、前記制御装置は、前記インバータの出力電力の複数のサンプル値に対応する複数の力率を記憶した記憶部を備えており、前記インバータにより演算された前記出力電力値と前記サンプル値とを比較して前記出力電力値に対応する力率を決定し、該決定された力率と、前記出力電力値と、前記入力電圧値とから前記ポンプ装置の入力電流値を演算し、前記記憶部には、前記ポンプ装置を実際に運転したときの力率と前記決定された力率との差を示す力率補正値と、複数の異なる入力電圧値と該入力電圧値に対応する複数の補正係数とが予め記憶されており、前記制御装置は、前記力率補正値を前記決定された力率に加算することで該力率を補正し、前記検出された入力電圧値と前記記憶された入力電圧値とを比較して前記検出された入力電圧値に対応する補正係数を決定し、前記決定された補正係数を前記補正された力率に乗算することで該力率をさらに補正することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記入力電圧値および前記出力電力値を通信またはアナログ信号伝達手段により前記インバータから前記制御装置に伝達することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御装置によって演算された前記入力電流値を外部に出力する出力装置をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプはドライ真空ポンプであることを特徴とする。

本発明によれば、制御装置は、インバータの出力電力値および入力電圧値と、インバータの出力電力値に対応する力率とから入力電流値を算出する。したがって、入力電流値を測定する電流検出器が不要となり、小型かつ低コストのポンプ装置を提供することができる。力率はインバータの出力電力値によって変化する。本発明によれば、出力電力値に従って変化する力率を予め取得し、これをデータとして記憶することにより、現在の出力電力値に対応する正確な力率を決定することができる。したがって、入力電流値の算出精度を向上させることができる。

従来のポンプ装置を示す模式図である。 本発明に係るポンプ装置の一実施形態の構成を示す模式図である。 ポンプ装置の入力電流値を演算する工程を示すフローチャートである。 予め取得した、出力電力の複数のサンプル値に対応する力率の一覧表（力率テーブル）の一例を示す図である。 インバータの入力電圧値およびこれに対応する補正係数の一覧表（電圧テーブル）の一例を示す図である。

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。なお、本実施形態では、ポンプをドライ真空ポンプとして説明する。図２は、本発明に係るポンプ装置１の一実施形態の構成を示す模式図である。図２に示すように、ポンプ装置１は、ポンプ２と、ポンプ２を駆動するモータ３と、モータ３の回転速度を制御するインバータ４と、インバータ４の動作を制御する制御装置１１とを備えている。インバータ４は、商用電源８に接続されている。インバータ４は、商用電源８からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、コンバータ部で変換された直流電力を可変周波数の交流電力に変換するインバータ部とから構成されている。インバータ４は、インバータ４の出力電力値を演算する出力電力演算機能と、インバータ４の入力電圧値を検出する入力電圧検出機能とを備えている。

インバータ４内の出力電力演算機能は、インバータ４内の電流検出器（図示せず）が検出した出力電流値と、インバータ４の出力電圧値とから出力電力値を算出するという機能である。インバータ４の出力電圧値は、インバータ４の出力周波数（回転速度）に比例するので、この出力周波数から演算により求めることができる。インバータ４の入力電圧値はコンバータ部により変換された直流電力の電圧値であり、この入力電圧値はインバータ４内の電圧検出器（図示せず）により検出される。インバータ４の出力電力値および入力電圧値は、通信またはアナログ信号伝達手段（図２の矢印で示す）により制御装置１１へ伝達される。制御装置１１は、以下に説明するように、ポンプ装置１の入力電流値を算出する機能を備えている。

図３はポンプ装置１の入力電流値を演算する工程を示す図である。三相交流電力の式より、インバータ４の出力電力値Ｗｏｕｔは、次の式で与えられる。
Ｗｏｕｔ＝√３・Ｖ・Ｉｉｎｖ・ｃｏｓθ・ηｉ （１）
ここで、Ｖはインバータ４の入力電圧値、Ｉｉｎｖはインバータ４の入力電流値、ｃｏｓθは力率、ηｉはインバータ効率である。出力電力値Ｗｏｕｔ、入力電圧値Ｖは、上述したように、インバータ４によって取得される。

インバータ４を駆動するとその内部で電力の損失が生じるため、出力電力値は入力電力値よりも若干減少する。インバータ効率ηｉは、減少した出力電力値と入力電力値との比率である。インバータ効率ηｉはインバータ４の固有値（定数）であり、予め制御装置１１の記憶部１２内に記憶されている。
上記式（１）から、インバータ４の入力電流値Ｉｉｎｖは、
Ｉｉｎｖ＝Ｗｏｕｔ／（√３・Ｖ・ｃｏｓθ・ηｉ） （２）
となる。

上記式（２）によれば、制御装置１１は、インバータ４の入力電流値Ｉｉｎｖを計算により求めることができる。しかしながら、ｃｏｓθで表される力率は、インバータ４の出力電力値Ｗｏｕｔによって変化する。そこで、制御装置１１は、記憶部１２に記憶している力率テーブルを用いて出力電力値Ｗｏｕｔに対応した力率を決定する。

力率の決定方法について図４を参照しつつ説明する。図４は、予め取得した、インバータ４の出力電力の複数のサンプル値に対応する複数の力率の一覧表（力率テーブル）の一例を示す図である。図４に示すように、力率テーブルには、インバータ４の出力電力の複数のサンプル値と、これらサンプル値に対応する複数の力率が示されている。この力率テーブルは、異なる複数の出力電力値での力率を測定器により実際に測定し、測定された力率を対応する出力電力値に関連付けることで作成される。力率テーブルは、このようにして予め作成され、記憶部１２に格納されている。

インバータ４の出力電力演算機能により出力電力値が演算されると、制御装置１１は、演算された出力電力値に対応する力率を力率テーブルから決定する。具体的には、制御装置１１は、演算された出力電力値と力率テーブル内の出力電力のサンプル値とを比較して出力電力値と同じ、または最も近いサンプル値を決定し、このサンプル値に対応する力率を演算された出力電力値の力率に決定する。

このように力率は力率テーブルに基づいて決定されるのであるが、ポンプ装置１の設置条件（例えば、配線長さなど）などにより、決定された力率と実際にポンプ装置１を運転したときの力率との間に誤差が生じる場合がある。このような力率の誤差を修正するため、以下に説明するように力率補正値を予め取得し、これを力率に加算することが好ましい。具体的には、所定の出力電力値で実際にポンプ装置１を運転したときの力率をあらかじめ用意した電力計または力率計などの測定器にて測定し、測定された力率と制御装置１１により決定された上記所定の出力電力値に対応する力率との差を力率補正値ｃｏｓθｓｅｔとして取得し、力率補正値ｃｏｓθｓｅｔを力率ｃｏｓθに加算することで、力率を補正する。このようにして予め取得された力率補正値ｃｏｓθｓｅｔは、記憶部１２に格納されている。

したがって、インバータ４の入力電流値Ｉｉｎｖは、
Ｉｉｎｖ＝Ｗｏｕｔ／｛√３・Ｖ・（ｃｏｓθ＋ｃｏｓθｓｅｔ）・ηｉ｝ （３）
となる。この力率補正値ｃｏｓθｓｅｔは固定値（定数）であり、ポンプ装置１の設置条件により変わりうる。以下、ｃｏｓθ＋ｃｏｓθｓｅｔをｃｏｓθ’と表す。

ポンプ装置１は、入力電圧がある程度変動しても運転できるように構成されている。しかしながら、入力電圧の変動に応じて力率も若干変化するため、入力電圧の変化に従って力率をさらに補正することが好ましい。そこで、制御装置１１は、記憶部１２に記憶している電圧テーブルを用いて入力電圧値に対応した補正係数αを決定し、この補正係数αを補正後の力率ｃｏｓθ’に乗算して力率をさらに補正する。

補正係数αの決定方法について図５を参照しつつ説明する。図５は、インバータ４の入力電圧値およびこれに対応する補正係数αの一覧表（電圧テーブル）の一例を示す図である。図５に示すように、電圧テーブルには、複数の異なる入力電圧値とこれに対応する複数の補正係数αが示されている。制御装置１１は、インバータ４により検出された入力電圧値と電圧テーブル内の入力電圧値とを比較し、検出された入力電圧値と同じ、または最も近い電圧テーブル内の入力電圧値を決定し、この入力電圧値に対応する補正係数αを決定する。そして、補正係数αを補正後の力率ｃｏｓθ’に乗算することで入力電圧値の変化に追従した力率を取得することができる。

電圧テーブルは、所定の基準入力電圧値（例えば、２００Ｖ）で実際にポンプ装置１を運転したときの基準力率をあらかじめ用意した電力計または力率計などの測定器にて測定し、基準入力電圧値とは異なる複数の入力電圧値でポンプ装置１を運転したときの力率を上記測定器にて測定し、上記基準力率をこの測定された力率に補正するための補正係数αを算出することにより作成される。電圧テーブルは、このようにして予め作成され、記憶部１２に格納されている。

したがって、インバータ４の入力電流Ｉｉｎｖは、
Ｉｉｎｖ＝Ｗｏｕｔ／（√３・Ｖ・ｃｏｓθ’・α・ηｉ） （４）
となる。以下、ｃｏｓθ’・αをｃｏｓθ’’と表す。

図２に示すように、制御装置１１は、商用電源８からポンプ装置１に供給された電力の一部で駆動される。そのため、ポンプ装置１の入力電流値には、制御装置１１に供給される電流値が含まれる。制御装置１１の入力電流値をＩｃとすると、ポンプ装置１の入力電流値Ｉは、
Ｉ＝Ｉｉｎｖ＋Ｉｃ （５）
である。入力電流値Ｉｃは、固定値としてインバータ４の記憶部１２に格納されている。
上記式（４）を上記式（５）のＩｉｎｖに代入すると、ポンプ装置１の入力電流値Ｉは、
Ｉ＝Ｗｏｕｔ／（√３・Ｖ・ｃｏｓθ’’・ηｉ）＋Ｉｃ （６）
となる。

上記式（６）は、記憶部１２に格納され、制御装置１１は上記式（６）に基づいて図３に示すようにポンプ装置１の入力電流値Ｉを演算する。制御装置１１は、力率テーブルに基づいて力率ｃｏｓθを決定し、さらに力率補正値ｃｏｓθｓｅｔおよび補正係数αを使用して力率ｃｏｓθを補正する。したがって、制御装置１１は、正確な入力電流値Ｉを得ることができる。さらに、ポンプ装置１に電流検出器６を設ける必要がなくなるため、小型かつ低コストのポンプ装置を提供することができる。

図２に示すように、ポンプ装置１は、制御装置１１で演算された入力電流値Ｉを外部の上位制御装置１５に出力する出力装置１６を備えている。上位制御装置１５は、出力装置１６から出力された入力電流値Ｉに基づいてポンプ装置１の運転を制御する。例えば、ポンプ装置１に対する負荷が増加して入力電流値Ｉが所定のしきい値に達した場合、上位制御装置１５はアラーム信号または運転制御信号をポンプ装置１に送信し、ポンプ装置１の運転を制御する。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。例えば、本発明におけるポンプはドライ真空ポンプに限られず、液体を扱うポンプにも適用できる。

１，１０１ ポンプ装置
２ ポンプ
３ モータ
４ インバータ
５，１１ 制御装置
６ 電流検出器
８ 商用電源
１２ 記憶部
１５ 上位制御装置
１６ 出力装置

Claims (4)

1. ポンプと、
   前記ポンプを駆動するモータと、
   前記モータの回転速度を制御するインバータと、
   前記インバータの動作を制御する制御装置とを備えたポンプ装置において、
   前記インバータは、
   該インバータの出力電力値を演算する出力電力演算機能と、
   該インバータの入力電圧値を検出する入力電圧検出機能とを備えており、
   前記制御装置は、
   前記インバータの出力電力の複数のサンプル値に対応する複数の力率を記憶した記憶部を備えており、
   前記インバータにより演算された前記出力電力値と前記サンプル値とを比較して前記出力電力値に対応する力率を決定し、該決定された力率と、前記出力電力値と、前記入力電圧値とから前記ポンプ装置の入力電流値を演算し、
   前記記憶部には、
   前記ポンプ装置を実際に運転したときの力率と前記決定された力率との差を示す力率補正値と、
   複数の異なる入力電圧値と該入力電圧値に対応する複数の補正係数とが予め記憶されており、
   前記制御装置は、前記力率補正値を前記決定された力率に加算することで該力率を補正し、前記検出された入力電圧値と前記記憶された入力電圧値とを比較して前記検出された入力電圧値に対応する補正係数を決定し、前記決定された補正係数を前記補正された力率に乗算することで該力率をさらに補正することを特徴とするポンプ装置。
2. 前記入力電圧値および前記出力電力値を通信またはアナログ信号伝達手段により前記インバータから前記制御装置に伝達することを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記制御装置によって演算された前記入力電流値を外部に出力する出力装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のポンプ装置。
4. 前記ポンプはドライ真空ポンプであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポンプ装置。

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