JP7186781B2 - マルチポンプシステムおよびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチポンプシステムおよびその運転方法に関する。

マルチポンプシステムは、特に加熱回路において、ピーク時の水加熱要求に対処する目的で使用される。異なる台数のポンプを用いて異なる水圧動作点で運転することが可能である。総電力消費量は、作動中のポンプ台数に応じて決定される。システムの総合的な効率を最適化するためには、システムは、動作点によって決定される水力が最低電力で生成されるように、動作点のために作動するポンプ台数を常に選択する必要がある。

マルチポンプシステムは、例えば、高頻度で変動する圧力要求を有する利用環境で使用される。圧力要求が低い時は１台のポンプのみが作動する。圧力要求が増加すれば更なるポンプが起動される。最適なスイッチオン／オフ時間は、効率優先の方法に従い、吐出量（Ｑ）と吐出ヘッド（ｈ）に応じて決定される。ポンプがＱセンサまたはＨセンサを有する場合、ＱおよびＨは、動作点の推定によって決定される。この場合には、ＱおよびＨは、ポンプのＱ－Ｈ特性に基づいて、回転数（ｎ）と軸動力（Ｐ）から推定できる。

特許文献１は、両ポンプがデュアル動作において同期回転数で作動するデュアルポンプの運転方法を説明する。

特許文献２は、可変速加熱用循環ポンプの制御方法を説明する。ポンプの回転数は、制御曲線に沿って変更することができる。制御曲線は、加熱システムの加熱要求に従って適応させられる。加熱システムのパイプネットワーク抵抗は、加熱要求の指標として使用され得る。フラットおよびステップパイプネットワーク特性を連続的に決定するために、ポンプは、少なくとも２つの異なる回転数で動作させられる。制御曲線は、これらの決定されたパイプネットワーク特性に基づいて特定される。

特許文献３は、ポンプアセンブリの運転方法を説明する。このポンプアセンブリは、基本負荷ポンプとピーク負荷ポンプとを備える。ピーク負荷ポンプは、必要に応じてスイッチオンされる。この場合には、ポンプアセンブリは、所定の制御特性に従って駆動させられる。ポンプアセンブリは、上限値および下限値に従って２台のポンプまたは１台のポンプの何れかで動作させられる。

特許文献４は、送出圧力を記録するための圧力センサがポンプ装置の圧力側に配置されている、パイプライン系統内で液体を可変量で送出するために５台の並列接続遠心ポンプを有する構成を開示する。マイクロプロセッサシステムは、制御ポンプとして使用される可変速遠心ポンプの回転数に影響を及ぼすことによって、圧力センサの信号に従ってポンプ装置の送出圧力を制御する。

特許文献５は、パイプライン系統において可変量で液体を送出するための少なくとも２台の並列接続された遠心ポンプを有する圧力制御用のポンプ装置に関する。送出圧力を制御するための圧力センサは、ポンプ装置の圧力側に配置される。マイクロプロセッサシステムは、制御ポンプとして使用される少なくとも１台の可変速遠心ポンプの回転数に影響を及ぼすことによって圧力センサの信号に従ってポンプ装置の送出圧力を制御する。起動または停止操作があると、マイクロプロセッサシステムは、全てのアクティブな可変速制御ポンプの回転数設定値のそれによって生じた操作変数の時間特性、および圧力センサを用いて記録される結果として得られる送出圧力の時間特性を決定する。マイクロプロセッサシステムは、操作変数および制御された制御変数の時間特性から制御されたシステムの制御挙動のためにパラメータを計算する。

スイッチオンまたはオフ操作（以下、切換え操作という）の後に、推定送出量が、要求が変更されることなく、切換え操作前の送出量から逸脱する場合があることが実際に知られている。これには２つの原因が想定される。一つは、システム挙動が切換えの結果として変更されてしまう可能性があり、その結果、異なるＱが確立されてしまうことになる。もう一つは、Ｑは変更されていないが、デュアルポンプ動作の推定アルゴリズムが、特性の許容誤差により単一のポンプ動作から逸脱する可能性がある。後者のケースが生じる場合、切換え操作後に、新たに推定されたＱにより、新たにスイッチオンされたポンプが、直ちに再びスイッチオフにされ、永続的なスイッチオンおよびオフ（チャタリング）の状況が確立されるという結果が生じ得る。

ＥＰ０８６４７５５（Ｂ２） ＥＰ１３２３９８６（Ｂ１） ＥＰ２４６９０９４（Ａ２） ＤＥ２７５６９１６（Ａ１） ＤＥ１９８４２５６５（Ｂ４）

この永続的なチャタリングを阻止するために、切換え点の近くにヒステリシス（Ｑ_Hysteresis）が導入される。

本発明の目的は、可及的にエネルギー効率良くマルチポンプシステムを動作させることである。この方法は、最も長い可能なポンプの耐用年数を確実にする。また、可及的簡単に既存のシステムの方法を統合することも可能になる。さらに、この方法は、変更された動作条件に自らを適応させうる。さらに、ノイズ発生が低減されるべきである。

この目的は、主たる請求項の特徴を有する方法、および同等請求項の特徴を有するシステムによって実現される。好ましい変形例が従属項、明細書、および図面に明らかにされている。

この方法では、ポンプは、切換点に従ってスイッチオンおよびオフされる。以下で「ヒステリシス限界」とも呼ばれるスイッチング閾値は、切換点の周りに設定される。時間間隔内のスイッチング動作の頻度の測定が行われる。本発明によれば、スイッチング閾値は、スイッチング動作の頻度に従って変更される。

スイッチング閾値の最適化は、チャタリングを生じる狭すぎるスイッチング閾値や、エネルギー効率を損なう広すぎるスイッチング閾値が設定されるのを防ぐ。

本発明の特に有利な変形例では、先ず学習動作が行われ、スイッチング閾値が変更される。最適なスイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）は、この第１の段階において学習され継続的に最適化される。この方法の開始時におけるＱ_Hysteresisは比較的小さい。チャタリングが生じる度に、スイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）は増加する。スイッチング閾値が十分大きくなるとチャタリングは生じなくなる。これは、Ｑ_Hysteresisのさらなる増加が必要ないことを意味する。

本発明の好ましい変形例では、スイッチング閾値は、安定動作時にある点まで継続的に減少させられる。したがって、利用者がその挙動を短い周期で複数回変更する状況に対応することが可能である。この周期的な利用者の挙動は、制御によってチャタリングとして間違って解釈される場合があり、その結果として、Ｑ_Hysteresisは、誤って増加させられる。そのような誤った決定を是正するために、この方法は、Ｑ_Hysteresisは、それが指定される最小ヒステリシス限界に到達するまで、安定動作時に定速で継続的に減少させられる機能によって拡張される。

この方法では、ｎ台のポンプにおいて、（ｎ－１）個の上側スイッチング閾値および／または（ｎ－１）個の下側スイッチング閾値が、学習動作時に決定される。

スイッチオンされたポンプの選択が最も低い可能性のある総電力消費量に基づいて行われる場合、特に好都合であることが分かっている。この目標のために、先ず、第１の台数のポンプの電力消費量を決定することが可能である。次のステップにおいて、スイッチオンされたポンプ台数が変更され、この新しい台数のポンプの総電力消費量が決定される。この操作は、全ての可能性を含むように、すなわち、ただ１つのポンプを用いる動作から、必要な場合、本システムに設置された最大の可能性のある台数のポンプを伴う動作まで含むように、異なる台数のポンプで繰り返される。電力消費量を比較することによって、より低い総電力消費量を有するポンプの台数が選択される。

総合効率が最も高く、電力要求の合計が最も低いポンプの台数が、制御ユニットによって決定される。新しい台数のポンプにより少ない電力が要求される場合、この台数が維持される。より多くのエネルギーが要求される場合、ユニットは、システムを以前のポンプ台数に戻すように切り換える。ユニットは、システムが最もエネルギー効率が良いやり方で動作するポンプ台数を記憶する。したがって、ユニットは、そのエネルギー効率の観点で各マルチポンプシステムを最適化することができる。

本システムでは、構造的に同一のモータによって動作させられる構造的に同一のポンプが使用されることが好ましい。また、構造的に同一の周波数コンバータを使用することが好都合であると分かっている。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面の助けを借りて例示的な実施形態の説明を用いて明らかにされる。

複数のポンプを有するシステムを示す図である。 単一およびデュアルポンプ動作におけるＱ－Ｈ特性を示すグラフである。 異なる段階中のＱ_Hysteresisの変化を示す図である。

図１は、複数のポンプを有するシステム、例えば、並列接続された複数のポンプ１を備えるマルチポンプシステムを示す。例示の実施形態では、この場合には、遠心ポンプが使用される。各ポンプ１は、周波数コンバータ３と接続されているモータ２によって駆動される。例示の実施形態では、全てのポンプ１は、構造的に同一である。構造的に同一のモータ、および構造的に同一の周波数コンバータ３も使用される。

マルチポンプシステムは、主スイッチ４を有する。ユニット５は、このシステムのセンサ６の信号を記録する。さらに、ユニット５は、システムのアクチュエータと接続されている。例示の実施形態では、ユニット５は、自動化ユニットである。これは、制御ユニットとして設計され得る。

ユニット５は、異なる台数のポンプ１をスイッチオン／スイッチオフするように設計されている。ユニット５は、周波数コンバータ３によってそれぞれのポンプ１の電力を記録する。このシステムの総電力消費量は、作動中のポンプ１の台数に従って確立される。

総電力消費量は、まず、第１の台数のポンプ１について最適な切換え点を決定するために、例えば製造所における試作品に基づいてポンプを使用する前に決定することが好ましい。スイッチオンされたポンプ１の台数は変更され、新しい台数のポンプの総電力消費量が決定される。同等性を確保するために、新しい台数のポンプ１についての動作点は、前の台数のポンプ１に関する動作点に適合される。ポンプ１の回転数は、このために変更される。

ポンプ１の回転数は、一定に保たれる基準変数としての圧力または差圧に基づいて制御されることが好ましい。流量または圧力または差圧は、センサを用いずに推定することができ、またはセンサ６によって測定することができる。ポンプ１がスイッチオンされる場合、ユニット５は、実現される圧力または差圧が前の台数のポンプ１の場合と同じになるまでポンプ１の回転数を低下させる。ポンプ１の回転数は、周波数コンバータ３によって設定される。

ユニット５は、新しい台数のポンプ１の総電力消費量を前の台数のポンプ１の総電力消費量と比較する。このために、ユニット５は、好ましくはポンプが使用される前に異なる台数のポンプ１の総電力消費量が記憶される電子データ用メモリを有する。異なる電力消費量の比較が実行される。システムは、最低の総電力消費量となるポンプ１の台数に設定される。

ポンプのスイッチオンまたはスイッチオフは、切換点に従って行われる。スイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）は、ユニット５によってこの切換点の周りに指定される。ユニット５は、ある時間間隔内のスイッチング動作の頻度を測定し、これらのスイッチング動作の頻度に従ってスイッチング閾値を変更する。

本発明による方法は、マルチポンプシステムが極めてエネルギー効率良く動作させられることを可能にする。この方法は自主学習であるので、この方法のためにパラメータ化は必要とされない。システムは、到達した状態を記憶し、学習段階後に、最もエネルギー効率が良い条件を確立することができる。

本発明による方法では、システムは、例えば、一定の圧力または差圧に従って制御することができる。

永続的なチャタリング、すなわち、絶えず続くポンプ１のスイッチオンおよびオフを阻止するために、図２の例示によれば、最適な切換点の近くのスイッチング閾値が設けられ、これは、ヒステリシス限界（Ｑ_Hysteresis）とも呼ばれる。本発明による方法は、これらの限界を最適化する。

図３は、最適なヒステリシス（Ｑ_Hysteresis）がポンプ動作時に学習され、継続的に最適化されることを示す。２つのポンプを有するシステムの最初のスイッチオンの後、まず、Ｑ_Hysteresisはとても小さい（ａ）。チャタリングが生じる度に、Ｑ_Hysteresisは大きくなる（ｂ）。Ｑ_Hysteresisが十分に大きくなると、チャタリングはもはや生じなくなり、すなわち、ある時間間隔内の直接的なスイッチオフとスイッチオン（切換え）は行われず、したがって、Ｑ_Hysteresisのさらなる増加もない。ｎ個のポンプを有するシステムについては、ｎ－１個のヒステリシス限界が学習される。

本発明による方法は、利用者がその挙動を短い周期で複数回変更する状況が生じることも考慮に入れている。この周期的な利用者の挙動は、制御によってチャタリングとして間違って解釈される可能性があり、その結果として、Ｑ_Hysteresisは、誤って増加させられる。そのような誤った決定を訂正するために、この方法は、忘却機能によって拡充される。忘却は、Ｑ_Hysteresisが指定される最小ヒステリシス限界に到達するまで、Ｑ_Hysteresisが定速（ｃ）で継続的に減少させられると理解される。

システムがスイッチオンされた後、ヒステリシスＱ_Hysteresisは、最初はとても小さい。これは頻繁なチャタリングをもたらす。制御は、これを認識し、Ｑ_Hysteresisを増加させることによって応答する。Ｑ_Hysteresisは、総動作時間にわたって継続的に減少させられ、それにより、状況次第では過大な設定がなされていたＱ_Hysteresisを修正する。図面の左半分は、学習段階を示し、その間、Ｑ_Hysteresisは、その最適条件に徐々に増加する。最適条件に到達すると、安定挙動（図面の右半分）が確立される。この場合には、Ｑ_Hysteresisは、チャタリングが再び生じるまで継続的に減少させられる。この安定挙動が、とても長い期間にわたって観察される場合、最適なヒステリシスＱ_Hysteresisが知られ、学習アルゴリズムがスイッチオフにされ得る。

要するに、ポンプ１の制御ユニット５は、以下の２つの操作を実行する。一方では、チャタリングが生じるときにスイッチング閾値Ｑ_Hysteresisを鋭く増加させ、他方では、スイッチング閾値Ｑ_Hysteresisを継続的に減少させる。

Claims (10)

1. 少なくとも２つのポンプ（１）を有するシステムの運転方法であって、
   切換点に従って各ポンプをスイッチオンおよび／またはスイッチオフするステップと、
   前記切換点の周りにスイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）を指定するステップと、
   時間間隔内のスイッチング動作の頻度を測定するステップと、
   前記スイッチング動作の前記頻度に従って前記スイッチング閾値を変更するステップと、を含む方法。
2. 前記スイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）が、鋭く増加することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記スイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）は、スイッチング動作の前記頻度が所定以上になった場合に増加させられることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記スイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）が、継続的に減少させられることを特徴とする、請求項１～３の何れか一項に記載の方法。
5. ｎ台のポンプ（１）において、（ｎ－１）個の上側スイッチング閾値および／または（ｎ－１）個の下側スイッチング閾値（Ｑ_Hysteresis）が、学習動作時に決定されることを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載の方法。
6. スイッチオンされたポンプの選択が、最も低い可能性のある総電力消費量に基づいて行われることを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載の方法。
7. 少なくとも２台のポンプ（１）および少なくとも１つの制御ユニット（５）を有するシステムにおいて、前記ユニット（５）が、請求項１～６の何れか一項に記載の方法を実行するように設計されていることを特徴とする、システム。
8. 全てのポンプ（１）が、構造的に同一であることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ポンプ（１）を駆動させる全てのモータ（２）が、構造的に同一であることを特徴とする、請求項７または８に記載のシステム。
10. 前記ポンプ（１）を駆動させるモータ（２）と接続している全ての周波数コンバータ（３）が、構造的に同一であることを特徴とする、請求項７～９の何れか一項に記載のシステム。

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