JP6018483B2 - ポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数のポンプユニットを備えたポンプシステムに関するものである。

特許文献１に開示されているように、ポンプの吐出管に設けられた逆流検出器により水の逆流を検出するポンプ装置が知られている。このポンプ装置は、ポンプ停止時に水の逆流が発生したことを検知すると、ポンプを強制的に運転するように構成される。このような構成によれば、逆流防止弁を設けることなく水の逆流を防止することが可能である。しかしながら、ポンプの吐出管に逆流検出器を設けることによりコストが高くなり、さらに、吐出管の周囲に設置用のスペースも必要となる。

永久磁石同期モータは、高効率かつメンテナンスフリーであることから、ポンプの駆動装置として広く使用されている。この永久磁石同期モータを可変速駆動するためには、ロータの回転位置を検出することが必要となる。従来から、ロータの位置センサを使用せずに永久磁石同期モータを駆動するための様々な方法が開発されている。例えば、特許文献２および特許文献３に開示されている方法では、モータの巻線に生じる誘起電圧からロータの位置を推定し、モータに流す電流を制御する。

モータを始動する状況には、停止している状態のモータを始動する場合のみならず、慣性または外部エネルギーにより自由回転しているモータを始動する場合も含まれる。例えば、モータに電力が供給されていないときであっても、ポンプ内を流れる液体により羽根車が水車としてモータを回転させることがある。このような場合は、インバータの出力電力の周波数をモータの誘起電圧の周波数に同期させてモータを始動する。しかしながら、モータの自由回転の速度が高すぎると、モータの同期始動に失敗することがあり、インバータはモータに渦電流を流してしまうおそれがある。このような問題は、上流側のポンプが運転されているときに、下流側のポンプに連結されたモータを始動する状況において特に起こりやすい。

特開平７−３５２９９号公報 特開平３−１５５３９３号公報 特開平５−８３９６５号公報

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、ポンプ配管に逆流検出器を設けることなく、ポンプ配管を流れる液体の逆流を検出することができるポンプシステム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、本発明の第１の態様は、ポンプおよび該ポンプを駆動するモータを有する複数のポンプユニットと、複数のポンプユニットの動作を制御する少なくとも１つのポンプコントローラとを備え、前記複数のポンプユニットは、液体が流れる配管を介して直列に接続されており、前記複数のポンプユニットは、それぞれ、前記モータの誘起電圧の相順から液体の逆流を検出する逆流検出器を備えており、前記逆流検出器は、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも高いときに発生する高位信号と、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも低いときに発生する低位信号とから構成される第１のパルス信号を生成する第１の電圧比較器と、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも高いときに発生する高位信号と、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも低いときに発生する低位信号とから構成される第２のパルス信号を生成する第２の電圧比較器と、第１のパルス信号のパルスエッジを検出する第１のパルスエッジ検出部と、第２のパルス信号のパルスエッジを検出する第２のパルスエッジ検出部と、第１のパルス信号のパルスエッジと第２のパルス信号のパルスエッジの順序から液体が逆流しているか否かを決定する状態決定部とを備えていることを特徴とするポンプシステムである。

本発明の好ましい態様は、前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのうちの下流側のポンプユニットの前記逆流検出器から逆流発生信号を受け取り、かつ上流側のポンプユニットの前記逆流検出器からは逆流発生信号を受け取っていない場合には、前記上流側のポンプユニットと前記下流側のポンプユニットとの間の前記配管から液体の漏洩が生じていると判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプコントローラは、前記上流側のポンプユニットのポンプが停止しているときに、前記下流側のポンプユニットの前記逆流検出器に液体の逆流を検出させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのそれぞれのポンプを、上流側のポンプから順に始動させることを特徴とする。

本発明の一参考例は、ポンプおよび該ポンプを駆動するモータを有する複数のポンプユニットと、複数のポンプユニットの動作を制御する少なくとも１つのポンプコントローラとを備え、前記複数のポンプユニットは、液体が流れる配管を介して直列に接続されており、前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのうちの下流側のポンプユニットのモータが所定の上限値よりも高い速度で自由回転しているときには、該下流側のモータの自由回転速度が前記所定の上限値以下となるまで、上流側のポンプユニットのポンプを減速させ、その後前記下流側のモータを始動させることを特徴とするポンプシステムである。
上記参考例の好ましい態様は、前記複数のポンプユニットは、それぞれ、前記モータの誘起電圧から前記モータの自由回転速度を決定する速度決定部を備えていることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのそれぞれのポンプを、上流側のポンプから順に始動させることを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、ポンプの吐出管に逆流検出器を設けることが不要であるので、コストを低くすることが可能であり、さらに、吐出管の周囲に設置用のスペースを設けることも不要となる。
本発明の上記参考例によれば、下流側のポンプの回転速度が低下するので、該下流側のポンプに連結されたモータをインバータにより始動することが可能となる。

ポンプシステムを構成するポンプユニットを示す模式図である。 ポンプおよびモータが正方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図である。 ポンプおよびモータが逆方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図である。 モータ状態検出部の一例を示すブロック図である。 本発明に係るポンプシステムの一実施形態を示す模式図である。 ポンプコントローラおよびモータ状態検出部の動作フローを示す図である。 不具合が発生した箇所を特定する方法を説明するためのフローチャートである。 本発明のポンプシステムの他の実施形態を示す模式図である。 本発明のポンプシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 図９に示すポンプシステムの各ポンプコントローラおよび各モータ状態検出部の動作を説明するためのフローチャートである。 電力変換装置の詳細を示すブロック図である。 インバータ制御部のブロック図である。 図１２に示すモータ状態検出部の詳細を示すブロック図である。 自由回転しているモータの角周波数（回転速度）を算出するフローチャートを示す図である。 パルスエッジの位相を示す図である。 モータの同期始動の動作を示すフローチャートである。 ポンプコントローラの処理フローを示すフローチャートである。 複数の電力変換装置のうちの１台から電力がポンプコントローラに供給される例を示す図である。 複数の電力変換装置から選択的に電力がポンプコントローラに供給される例を示す図である。

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。
図１は、ポンプシステムを構成するポンプユニットを示す模式図である。図１に示すように、ポンプユニット２は、液体が流れる配管３に接続されたポンプＰと、このポンプＰを駆動するモータＭと、このモータＭに可変周波数の電力を供給するインバータ１０と、モータＭの誘起電圧から液体の逆流を検出する逆流検出器としてのモータ状態検出部５０とを備えている。インバータ１０は、商用電源などの交流電源１に接続されている。ポンプＰは羽根車（図示せず）を備えており、モータＭによって回転される羽根車により配管３内の液体を矢印で示す方向に移送する。符号５は、モータＭを駆動するための電力変換装置を表し、インバータ１０、モータ状態検出部５０などを含んで構成される。

モータＭが停止しているときに配管３内の液体が逆流すると、ポンプＰが液体の流れにより回転し、ポンプＰに連結されているモータＭも回転する。本明細書では、モータＭが電力の供給を受けずに、外部の運動エネルギーまたは慣性により回転している状態を「自由回転」という。自由回転しているモータＭは、誘起電圧を発生する。モータ状態検出部５０は、モータＭに誘起される三相電圧、すなわちＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧の相順から液体の逆流を検出する。

図２はポンプＰおよびモータＭが正方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図であり、図３はポンプＰおよびモータＭが逆方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図である。図２に示すように、ポンプＰが正方向に回転しているとき、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧は、この順に１２０度の位相差をもって生成される。これに対し、図３に示すように、液体の逆流によりポンプＰが逆方向に回転しているとき、Ｕ相電圧、Ｗ相電圧、およびＶ相電圧は、この順に１２０度の位相差をもって生成される。このように、ポンプＰの回転方向、すなわち、液体の流れ方向によって、モータＭの誘起電圧の相順が異なる。モータ状態検出部５０は、モータＭの誘起電圧の相順から液体が逆流しているか否かを決定する。

図４は、モータ状態検出部５０の一例を示すブロック図である。モータ状態検出部５０は、Ｖ相電圧とＵ相電圧との差にしたがって第１のパルス信号Ｐ_ＵＶを生成する第１の電圧比較器５１Ａと、Ｗ相電圧とＶ相電圧との差にしたがって第２のパルス信号Ｐ_ＶＷを生成する第２の電圧比較器５１Ｂと、第１のパルス信号Ｐ_ＵＶのパルスエッジを検出する第１のパルスエッジ検出部５２Ａと、第２のパルス信号Ｐ_ＶＷのパルスエッジを検出する第２のパルスエッジ検出部５２Ｂと、第１のパルス信号Ｐ_ＵＶのパルスエッジと第２のパルス信号Ｐ_ＶＷのパルスエッジの順序から液体が逆流しているか否かを決定する状態決定部５５とを備えている。

第１の電圧比較器５１Ａは、Ｕ相の電圧とＶ相の電圧とを比較して、図２および図３に示すようなパルス信号Ｐ_ＵＶを生成する。具体的には、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも高いときは高位信号を発生し、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも低いときは低位信号を発生する。同様に、第２の電圧比較器５１Ｂは、Ｖ相の電圧とＷ相の電圧とを比較して、パルス信号Ｐ_ＶＷを生成する。すなわち、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも高いときは高位信号を発生し、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも低いときは低位信号を発生する。

図２および図３から分かるように、パルス信号Ｐ_ＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２は、Ｕ相の電圧とＶ相の電圧とが交差する点で現れ、パルス信号Ｐ_ＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４は、Ｖ相の電圧とＷ相の電圧とが交差する点で現れる。

電圧比較器５１Ａ，５１Ｂで生成されたパルス信号Ｐ_ＵＶおよびパルス信号Ｐ_ＶＷは、それぞれ第１のパルスエッジ検出部５２Ａおよび第２のパルスエッジ検出部５２Ｂに送られる。第１のパルスエッジ検出部５２Ａは、パルス信号Ｐ_ＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２を検出し、これら立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を状態決定部５５に送る。同様に、第２のパルスエッジ検出部５２Ｂは、パルス信号Ｐ_ＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４を検出し、これら立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を状態決定部５５に送る。以下、これらパルス信号Ｐ_ＵＶおよびパルス信号Ｐ_ＶＷの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを、総称してパルスエッジと呼ぶ。図２および図３から、モータＭの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れることが分かる。

図２から、ポンプＰが正方向に回転している、すなわち液体が上流側から下流側に流れているとき、モータＭの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ３，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ１がこの順に現れることが分かる。これに対して、ポンプＰが逆方向に回転している、すなわち液体が下流側から上流側に流れているとき、モータＭの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３がこの順に現れることが図３から分かる。したがって、状態決定部５５は、パルス信号Ｐ_ＵＶ，Ｐ_ＶＷのパルスエッジが現れる順序から、液体の逆流が発生しているか否かを決定することができる。すなわち、状態決定部５５は、パルスエッジＥ１，Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３がこの順に現れたときは、液体が逆方向に流れていることを示す逆流発生信号を外部に出力する。

ポンプシステムは、図１に示すポンプユニット２を複数備えた装置である。図５は、本発明に係るポンプシステムの一実施形態を示す模式図である。図５に示すように、ポンプシステムは、配管３を介して直列に接続された複数のポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、これらポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃの動作を制御するポンプコントローラ６０とを備えている。ポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、図１に記載のポンプユニット２と同じ構成であるので、その重複する説明を省略する。隣接する２つのポンプＰを接続する配管３には枝管４が接続されており、この枝管４には逆止弁６が設けられている。

ポンプコントローラ６０は、各ポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃの電力変換装置５に通信線７を介して接続されている。ポンプコントローラ６０は、ポンプＰの回転速度の指令値、ポンプ始動信号、ポンプ停止信号などの各種制御信号を通信線７を介してそれぞれのポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃに送信する。モータ状態検出部５０は、通信線７を介して逆流検出信号をポンプコントローラ６０に送信する。

ポンプコントローラ６０は、運転状態、故障などの各種運転情報を表示する表示器６１に接続されている。モータ状態検出部５０から逆流発生信号を受け取ると、ポンプコントローラ６０は表示器６１に逆流の発生を表示させる。さらに、ポンプコントローラ６０は、逆流発生信号に基づいて、配管３および／または逆止弁６の不具合が発生した箇所を特定し、その特定された不具合箇所を表示器６１に表示させる。図６は、このようなポンプコントローラ６０およびモータ状態検出部５０の動作フローを示す図である。

図７は、不具合が発生した箇所を特定する方法を説明するためのフローチャートである。ポンプコントローラ６０は、モータ状態検出部５０が逆流発生信号を発信したか否かを上流側のポンプユニットから順に確認し、逆流発生信号を発信したモータ状態検出部５０のポンプユニットを特定する。そして、ポンプコントローラ６０は、逆流発生信号を発信していないポンプユニットと、逆流発生信号を発信したポンプユニットとの間に、配管３および／または逆止弁６に不具合が発生したと判断し、不具合の発生および不具合の箇所を表示器６１に表示させる。このような不具合の具体例としては、逆止弁６の動作不良や配管３の亀裂による液体の漏洩などが挙げられる。

上流側のポンプが運転されていると、配管３および／または逆止弁６に不具合があっても、下流側のポンプでは液体の逆流が検出されないことがある。そこで、ポンプコントローラ６０は、上流側のポンプユニットのポンプが停止しているときに、下流側のポンプユニットのモータ状態検出部５０に液体の逆流を検出させることが好ましい。また、ポンプコントローラ６０は、直列に接続されている複数のポンプのうち上流側のポンプから順次始動させることが好ましい。例えば、ポンプコントローラ６０は、ポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃのポンプをこの順に始動させる。

図８は、本発明のポンプシステムの他の実施形態を示す模式図である。この実施形態では、ポンプコントローラ６０は通信線７ａを介して第１のポンプユニット２Ａに接続されており、第１のポンプユニット２Ａと第２のポンプユニット２Ｂと第３のポンプユニット２Ｃとは通信線７ｂを介して接続されている。その他の構成は、図５に示す実施形態と同様である。

図９は、本発明のポンプシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。この実施形態では、ポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、それぞれポンプコントローラ６０および表示器６１を備えている。ポンプコントローラ６０間は通信線７で接続されている。その他の構成は、図５に示す実施形態と同様である。

図１０は、図９に示すポンプシステムの各ポンプコントローラ６０および各モータ状態検出部５０の動作を説明するためのフローチャートである。この実施形態では、各ポンプコントローラ６０は、対応するモータ状態検出部５０からの逆流発生信号を監視するとともに、他のポンプユニットのモータ状態検出部５０からの逆流発生信号を監視している。より具体的には、各ポンプユニットのモータ状態検出部５０が逆流の発生を検出すると、その逆流発生信号を対応するポンプコントローラ６０が受信し、そのポンプコントローラ６０は逆流発生信号を他のポンプコントローラ６０に通信線７を通じて送信する。各ポンプコントローラ６０は、いずれかのポンプコントローラ６０から逆流発生信号を受け取ると、不具合の箇所を特定し、さらに表示器６１に逆流の発生および特定された不具合の箇所を表示する。

上述した各実施形態によれば、ポンプの吐出管に逆流検出器を設けることが不要であるので、コストを低くすることが可能であり、さらに、吐出管の周囲に設置用のスペースを設けることも不要となる。また、不具合の箇所が特定されるので、ポンプシステムのメンテナンスが容易になる。

図１１は、図１に示す電力変換装置５の詳細を示すブロック図である。図１１に示すように、電力変換装置５は、インバータ１０、電流測定器２０、電圧測定器２１、およびインバータ制御部１６を備えている。インバータ１０は、コンバータ回路１１、インバータ回路１２、ゲートドライブ回路１３を有している。コンバータ回路１１は整流回路を有しており、交流電源１から供給される三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。インバータ回路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、コンバータ回路１１によって変換された直流電力から三相の交流電力を生成する。ゲートドライブ回路１３は、インバータ回路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。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路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回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。

電流測定器２０は、インバータ回路１２から出力される三相電流を測定して、その測定値（出力電流信号）をインバータ制御部１６に送る。電圧測定器２１は、モータＭが発生する誘起電圧を測定して、その測定値（誘起電圧信号）をインバータ制御部１６に送る。

インバータ制御部１６は、電流測定器２０から送られる測定信号、およびポンプコントローラ６０から送られる周波数指令信号（速度指令信号）に基づいて、モータＭの回転速度を制御する。すなわち、インバータ制御部１６は、周波数指令信号をポンプコントローラ６０から受け、電流測定器２０からの測定信号に基づいてＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号はゲートドライブ回路１３に送られる。ゲートドライブ回路１３は、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ回路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。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路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回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。

図１２はインバータ制御部１６のブロック図である。インバータ制御部１６は、モータＭに供給する電流をトルク電流成分と磁化電流成分とに分解してこれらを独立に制御するベクトル制御部３０と、モータＭに発生する誘起電圧からモータＭの回転方向、位相、および回転速度を決定するモータ状態検出部５０とを有している。

インバータ１０の三相の出力電流は、電流測定器２０により測定される。測定された三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、３／２相変換部３２、静止／回転座標変換部３３により、回転座標系上の二相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換された後、磁化電圧制御部３４およびトルク電圧制御部３５に入力される。磁化電圧制御部３４は、磁化電流Ｉｄと磁化電流指令値Ｉｄ*との偏差を０とする磁化電圧指令値Ｖｄ*をＰＩ演算により求める。磁化電流指令値Ｉｄ*は、モータモデルを用いて算出された理想的な磁化電流である。トルク電圧制御部３５は、トルク電流Ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ*との偏差を０とするトルク電圧指令値Ｖｑ*をＰＩ演算により求める。

目標トルク電流決定部３７は、外部から入力された角速度指令値ω*と現在の角速度ωとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行なってトルク電流指令値Ｉｑ*を決定する。現在の角速度ωは、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に基づき、軸誤差推定器（ＰＬＬ）３８によって求められる。さらに、積分器３９により角速度ωから位相θが求められる。得られた位相θは、静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送られる。電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*は、回転／静止座標変換部４０および２／３相変換部４１を経て固定座標系上の三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換される。

ベクトル制御部３０は、これら三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に対応したＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をゲートドライブ回路１３に送る。ゲートドライブ回路１３は、三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に対応するＰＷＭ信号に基づいてゲートドライブ回路ＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子は、ゲートドライブ回路ＰＷＭ信号に基づいて動作（オン、オフ）される。このように、インバータ１０はベクトル制御部３０からの三相電圧指令値に基づいた電圧を生成し、これをモータＭに印加する。

ポンプが水道本管に直結された、いわゆる直結型の給水装置では、ポンプが停止しているときでも、水道本管からの液体の圧力により給水が行われることがある。したがって、インバータ１０によりモータＭが駆動されていないときであっても、ポンプ内を流れる液体によりポンプの羽根車およびこれに連結されたモータＭが回転することがある。このようにモータＭが自由回転している状態からインバータ１０によりモータＭを起動するためには、回転しているモータＭの誘起電圧の周波数および位相に同期した電圧をインバータ１０が生成する必要がある。

モータＭの自由回転は、瞬間的な停電の直後にも起こる。すなわち、モータＭがインバータ１０により駆動されている最中に瞬間的な停電が起こると、モータＭに電力が供給されていなくても、モータＭのロータは慣性によりしばらくの間は回転し続ける。停電が復旧した後に自由回転しているモータＭを起動するときは、モータＭの誘起電圧の周波数および位相に同期した電圧をインバータ１０が生成する必要がある。

このような自由回転しているモータＭとインバータ１０との同期始動を実現するために、電力変換装置５は、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧を測定し、その測定された電圧から自由回転しているモータの位相（磁極位置）および回転速度を推定し、その推定された位相および回転速度に基づいて、インバータ１０の制御を開始する。モータ状態検出部５０は、自由回転しているモータＭの誘起電圧から、モータＭの回転方向のみならず、以下に説明するように、モータＭの位相および回転速度を決定する。

図１３は、図１２に示すモータ状態検出部５０の詳細を示すブロック図である。電圧測定器２１は、インバータ１０とモータＭとを接続する三相の線の電圧を測定し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号を出力する。この三相の出力電圧信号は、自由回転しているモータＭの誘起電圧を示す信号である。出力電圧信号はゲイン調整器４９により増幅された後、第１の電圧比較器５１Ａ、第２の電圧比較器５１Ｂ、および状態決定部５５のＡＤコンバータ５５ａに送られる。

状態決定部５５は、上述したように、パルスエッジの順序からモータＭが逆方向に回転しているか否かを決定する。さらに、状態決定部５５は、第１のパルスエッジ検出部５２Ａまたは第２のパルスエッジ検出部５２Ｂからのパルスエッジ検出信号を受けると、以下に説明するように、モータＭの位相の特定および角周波数（すなわち回転速度のスカラー量）の計算を開始する。

図１４は、自由回転しているモータの角周波数（回転速度）を算出するフローチャートを示す図である。状態決定部５５は、パルスエッジ検出信号を受けると、現在の時刻ｔ_ｎを取得する。次に、状態決定部５５は、検出されたパルスエッジの位相（角度）θ_ｎを特定し、時刻ｔ_ｎにおけるモータの位相θ_ｎをベクトル制御部３０の積分器３９に送る。位相θ_ｎは、誘起電圧の１周期内に現れるパルスエッジごとに予め設定されている。すなわち、図１５に示すように、パルスエッジＥ１の位相は５／６π、パルスエッジＥ２の位相は−１／６π、パルスエッジＥ３の位相は−１／２π、パルスエッジＥ４の位相は１／２πに設定されている。

したがって、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ１であれば、状態決定部５５はモータの位相θ_ｎとして５／６πを積分器３９に送る。同様に、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ２であれば、状態決定部５５はモータの位相θ_ｎとして−１／６πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ３であれば、状態決定部５５はモータの位相θ_ｎとして−１／２πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ４であれば、状態決定部５５はモータの位相θ_ｎとして１／２πを積分器３９に送る。位相θ_ｎが入力されると、積分器３９は位相θを位相θ_ｎにリセットし（位相θを位相θ_ｎに置き換え）、位相θ_ｎを静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送る。

図１４に示すように、状態決定部５５は、前回パルスエッジを検出してからの経過時間Δｔと、現在の位相θ_ｎと、前回パルスエッジが検出されたときの位相θ_ｎ−１とから、自由回転しているモータの角周波数ω_ｎを次のように決定する。

このようにして、モータ状態検出部５０は、自由回転しているモータの位相θ_ｎおよび角周波数ω_ｎを決定する。したがって、モータ状態検出部５０は、自由回転するモータの誘導電圧から該モータの速度を検出する速度検出部として機能する。

図１５に示す三相電圧は、比較的大きな振幅を有する。しかしながら、自由回転しているモータの回転速度が低いときは、誘起電圧は小さくなる。このため、各相の電圧の波形に現れるノイズの影響で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点から決定されるパルス信号が不安定となる。結果として、モータの正確な位相や回転速度を得ることができない。一方、自由回転しているモータの回転速度が高すぎると、インバータ１０はモータの同期始動に失敗することがあり、インバータ１０はモータに渦電流を流してしまうおそれがある。

そこで、状態決定部５５は、モータの誘起電圧が小さいときにはモータを同期始動させない機能を有し、さらにモータの自由回転の速度が高すぎる場合には、過速度信号をポンプコントローラ６０に送信する機能を有している。

図１６は、モータの同期始動の動作を示すフローチャートである。インバータ１０の停止中にパルスエッジが検出されると（ステップ１）、タイマーが０にリセットされ、タイマーが始動される（ステップ２）。モータの出力電圧（誘起電圧）の測定値は、電圧測定器２１からＡＤコンバータ５５ａを介して状態決定部５５に取り込まれ、予め設定されたしきい値と比較される（ステップ３）。モータの出力電圧がしきい値以下であるときは、角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎは破棄され、角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎはいずれも０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ８）。

一方、モータの出力電圧がしきい値よりも大きいときは、上記数式（１）を用いて角周波数ω_ｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θ_ｎが特定される（ステップ４）。角周波数ω_ｎは、予め設定された上限値と比較される（ステップ６）。角周波数ω_ｎが上限値以下であるときは、ステップ４で取得された角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ８）。角周波数ω_ｎが上限値よりも大きいときは、状態決定部５５は、過速度信号をポンプコントローラ６０に送信する（ステップ７）。

過速度信号を受けると、ポンプコントローラ６０は上流側のポンプユニットのポンプを減速させる。例えば、第２のポンプユニット２Ｂの状態決定部５５から過速度信号がポンプコントローラ６０に送信されると、ポンプコントローラ６０は上流側の第１のポンプユニット２Ａのポンプを減速させる。上流側のポンプを減速させる理由は、上流側のポンプの運転により液体が下流側のポンプを自由回転させているからである。ポンプの減速は、上流側ポンプユニットのインバータ１０の出力電力の周波数を低下させるか、または上流側ポンプユニットのモータへの電力を停止させることにより達成される。このような上流側のポンプの減速は、上流側のポンプが停止するまで該ポンプを減速させることを含む。ステップ１からステップ４までのプロセスは、角周波数ω_ｎが上限値以下になるまで繰り返される。

角周波数ω_ｎに設定された上述の上限値は、インバータ１０がモータを同期始動させることができるモータの自由回転の速度に基づいて予め決定される。角周波数ω_ｎの上限値は０であってもよい。この場合、角周波数ω_ｎが０になるまで、すなわち下流側のモータおよびポンプが停止するまで、上流側のポンプを減速させる。このように、自由回転するモータの速度を上限値以下にまで下げることにより、インバータ１０によるモータの同期始動が可能となる。

角周波数ω_ｎが上限値以下になると（ステップ６のＮＯ）、得られた角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ８）。ベクトル制御部３０は、ポンプコントローラ６０から運転指令が入力したか否かを判断し（ステップ９）、運転指令が未入力の場合には、処理フローはステップ１に戻る。一方、運転指令が入力された場合には、自由回転しているモータの速度に同期してモータを始動させる（ステップ１０）。

本実施形態では、ステップ３でモータの出力電圧がしきい値より大きいかどうかを判断した後にステップ４で角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎが算出されるが、ステップ３とステップ４の順番を入れ替えて、先に角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎを算出してから、モータの出力電圧がしきい値より大きいかどうかを判断してもよい。

図１２に示すスイッチＳＷ１は、軸誤差推定器３８およびモータ状態検出部５０に接続されており、軸誤差推定器３８からの角周波数ω_Ｃおよびモータ状態検出部５０からの角周波数ω_ｎのうちのいずれか一方のみを選択的に通過させるように構成されている。したがって、目標トルク電流決定部３７および積分器３９に入力される角周波数ωとしては、角周波数ω_Ｃまたは角周波数ω_ｎのいずれかが採用される。ステップ９で運転指令が入力されたと判断されるまでは、スイッチＳＷ１を介してモータ状態検出部５０とベクトル制御部３０とが接続され、モータ状態検出部５０からの角周波数ω_ｎがベクトル制御部３０に入力され続ける。そして、運転指令が入力されたと判断されると、軸誤差推定器３８からの角周波数ω_ＣがスイッチＳＷ１を介して目標トルク電流決定部３７および積分器３９に送られ、ベクトル制御が行われる。

モータが回転していない場合は、パルスエッジは検出されない。したがって、ステップ１において、所定時間内にパルスエッジが検出されなかった場合には、タイマーがリセットされ（ステップ１１）、さらに角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎはいずれも０に設定される（ステップ５）。

上述したように、モータの出力電圧がしきい値以下のときは、得られた角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎは破棄され、角周波数ω_ｎおよび位相θ_ｎは０に設定される（ステップ５参照）。これは、モータの誘起電圧が小さいことに起因して、モータの出力電圧波形に現れたノイズがパルスエッジを生成したと考えられるからである。つまり、ノイズに起因して生成されたパルスエッジからは、実際のモータの回転速度および位相を決定することができない。

角周波数ω_ｎは、スイッチＳＷ１を介して目標トルク電流決定部３７および積分器３９に入力され、位相θ_ｎは積分器３９を介して回転／静止座標変換部４０および静止／回転座標変換部３３に入力される。そして、ベクトル制御部３０は、自由回転しているモータＭの位相および回転速度に同期した電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に従って電力を出力し、モータＭを始動させる（ステップ１０）。このようにして、電力変換装置５は、インバータ１０の出力電圧の周波数および位相を、自由回転しているモータの出力電圧の周波数および位相に同期させた状態で、モータを始動させることができる。

モータの回転速度が遅くなるほど、モータの誘起電圧は低くなる。このため、始動しようとするモータの回転速度が０または非常に低い場合は、モータの出力電圧が上記しきい値を上回ることができない。結果として、処理フローはステップ４に進むことができず、モータの同期始動ができない。そこで、上述したように、タイマーにより計測された時間が予め設定した時間を過ぎたときは、角周波数ω_ｎが０であると仮定してモータが始動される（図１６のステップ１１，５参照）。具体的には、パルスエッジが所定時間内に検出されなかった場合は、角周波数ω_ｎが０に設定される。このような処理ステップを処理フローに組み入れることにより、モータの回転速度が０または非常に低いときであってもモータが始動される。

本実施形態では、２つのパルス信号Ｐ_ＵＶおよびパルス信号Ｐ_ＶＷが生成されるので、誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れる。このパルスエッジが現れる順序から、モータの回転方向を決定することができる。具体的には、モータが正方向に回転しているときは、Ｅ３，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ１の順にパルスエッジが現れる。一方、具体的には、モータが逆方向に回転しているときは、Ｅ１，Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３の順にパルスエッジが現れる。したがって、状態決定部５５は、パルスエッジの順序からモータの回転方向を決定することができる。

図１７は、ポンプコントローラ６０の処理フローを示すフローチャートである。図１７において、符号Ｎ−１，Ｎは、それぞれ上流側、下流側を意味する。ポンプコントローラ６０がポンプの始動指令をポンプユニットＮに発信すると、ポンプユニットＮの状態決定部５５はモータの自由回転の速度、すなわち角周波数ω_ｎが所定の上限値以下であるかどうかを決定する。自由回転の速度が上限値よりも高い場合いは、ポンプユニットＮの状態決定部５５は過速度信号をポンプコントローラ６０に送信する。ポンプコントローラ６０は、過速度信号を受けて、上流側のポンプユニットＮ−１にそのポンプの減速指令を発信する。ポンプユニットＮ−１は減速指令を受けてポンプユニットＮ−１のポンプを減速させる。ポンプコントローラ６０は、再度ポンプの始動指令をポンプユニットＮに発信する。ポンプユニットＮのモータの自由回転の速度が上限値以下となるまで、上述のステップが繰り返される。このような始動方法によれば、ポンプが高速で自由回転している場合であっても、ポンプを確実に始動させることができる。

ポンプコントローラ６０は、直列に接続されている複数のポンプのうち上流側のポンプから順次始動させることが好ましい。例えば、図５に示すポンプコントローラ６０は、ポンプユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃのポンプをこの順に始動させる。仮に下流側のポンプから順次始動させると、下流側のポンプによって吸い上げられた液体が上流側のポンプの羽根車を回転させてしまい、それを止めるためにポンプコントローラ６０はさらに上流側のポンプを減速させてしまう。結果としてポンプコントローラ６０は自由回転していないポンプを減速させようとすることがある。このような制御動作を回避するために、上流側のポンプから順次始動させることが好ましい。

ポンプコントローラ６０への電力は、電力変換装置５と同様に、交流電源から供給されてもよく、または複数の電力変換装置５のうちの少なくとの１台から供給されてもよい。図１８は、複数の電力変換装置５のうちの１台から電力がポンプコントローラ６０に供給される例を示す図である。この例では、ポンプコントローラ６０は、１台の電力変換装置５に電力線６５を介して接続されており、この電力変換装置５から電力線６５を通じて電力が供給される。

図１９は、複数の電力変換装置から選択的に電力がポンプコントローラ６０に供給される例を示す図である。この例では、複数の電力変換装置５は、それぞれ複数の電力線６５を介してポンプコントローラ６０に接続されている。ポンプコントローラ６０は、これら電力変換装置５のうち予め定められた１台から電力の供給を受ける。ポンプコントローラ６０に電力を供給している電力変換装置５の電力供給システムが故障した場合には、別の電力変換装置５から電力がポンプコントローラ６０に供給されるようになっている。このような構成によれば、ポンプコントローラ６０への安定した電力供給が確保される。

なお、上述した実施形態に係るポンプシステムは、３つのポンプユニットを備えているが、本発明はこれら実施形態に限らず、２つ、または４つ以上のポンプユニットを備えたポンプシステムにも適用することが可能である。本発明に係るポンプシステムは、オフィスビルやマンションなどの建物に水を供給するための給水装置に好適に適用することが可能である。

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 交流電源
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ ポンプユニット
３ 配管
４ 枝管
５ 電力変換装置
６ 逆止弁
７ 通信線
１０ インバータ
１１ コンバータ回路
１２ インバータ回路
１３ ゲートドライブ部
１６ インバータ制御部
２０ 電流測定部
２１ 電圧測定部
３０ ベクトル制御部
５０ モータ状態検出部
５１Ａ，５１Ｂ 電圧比較器
５２Ａ，５２Ｂ パルスエッジ検出部
５５ 状態決定部
６０ ポンプコントローラ
６１ 表示器
６５ 電力線
Ｐ ポンプ
Ｍ モータ

Claims (7)

1. ポンプおよび該ポンプを駆動するモータを有する複数のポンプユニットと、
   複数のポンプユニットの動作を制御する少なくとも１つのポンプコントローラとを備え、
   前記複数のポンプユニットは、液体が流れる配管を介して直列に接続されており、
   前記複数のポンプユニットは、それぞれ、前記モータの誘起電圧の相順から液体の逆流を検出する逆流検出器を備えており、
   前記逆流検出器は、
   Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも高いときに発生する高位信号と、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも低いときに発生する低位信号とから構成される第１のパルス信号を生成する第１の電圧比較器と、
   Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも高いときに発生する高位信号と、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも低いときに発生する低位信号とから構成される第２のパルス信号を生成する第２の電圧比較器と、
   第１のパルス信号のパルスエッジを検出する第１のパルスエッジ検出部と、
   第２のパルス信号のパルスエッジを検出する第２のパルスエッジ検出部と、
   第１のパルス信号のパルスエッジと第２のパルス信号のパルスエッジの順序から液体が逆流しているか否かを決定する状態決定部とを備えていることを特徴とするポンプシステム。
2. 前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのうちの下流側のポンプユニットの前記逆流検出器から逆流発生信号を受け取り、かつ上流側のポンプユニットの前記逆流検出器からは逆流発生信号を受け取っていない場合には、前記上流側のポンプユニットと前記下流側のポンプユニットとの間の前記配管から液体の漏洩が生じていると判断することを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
3. 前記ポンプコントローラは、前記上流側のポンプユニットのポンプが停止しているときに、前記下流側のポンプユニットの前記逆流検出器に液体の逆流を検出させることを特徴とする請求項２に記載のポンプシステム。
4. 前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのそれぞれのポンプを、上流側のポンプから順に始動させ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システム。
5. 前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのうちの下流側のポンプユニットのモータが所定の上限値よりも高い速度で自由回転しているときには、該下流側のモータの自由回転速度が前記所定の上限値以下となるまで、上流側のポンプユニットのポンプを減速させ、その後前記下流側のモータを始動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のポンプシステム。
6. 前記複数のポンプユニットは、それぞれ、前記モータの誘起電圧から前記モータの自由回転速度を決定する速度決定部を備えていることを特徴とする請求項５に記載のポンプシステム。
7. 前記ポンプコントローラは、前記複数のポンプユニットのそれぞれのポンプを、上流側のポンプから順に始動させることを特徴とする請求項５または６に記載のポンプシステム。

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