JPH0439689B2

JPH0439689B2 -

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Publication number: JPH0439689B2
Application number: JP4599584A
Authority: JP
Priority date: 1984-03-10
Filing date: 1984-03-10
Publication date: 1992-06-30
Also published as: JPS60189519A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は給水設備の水量調節を行う制御装置に
関する。

給水設備では配管末端における使用者側におい
て所要の圧力、流量を得たい要請があり、使用流
量は変動するが所要の圧力を保持する必要があ
る。そして使用水量の変動に対しては変速モータ
により駆動したターボポンプの回転速度を変化さ
せることによつて対応していた。このような場合
には従来吐出圧力一定或は推定末端圧力一定等の
制御を行つている。

第１図は定圧制御の例で横軸に流量、縦軸に圧
力を示す。１はポンプ性能曲線である。この場合
はポンプの吐出圧力ｐは配管末端必要圧力p_oに最
大流量時の管路の圧力損失p_cを加えた圧力でポン
プの吐出圧力が一定圧力になるように回転速度を
制御している。しかしこの方法によると流量の二
乗に比例して変化する管路の抵抗のための配管末
端必要圧力p_oの変動は大きく、図の斜線で示す範
囲ではエネルギーの損失と観念される。

第１図と同座標で示す第２図で示す従来の制御
方法は末端推定圧力が一定になるように管路の圧
損を見込んでポンプ吐出圧力ｐを定める。管路の
圧力損失p_cの流量に対応する変化、即ち抵抗曲線
に従つてポンプ吐出圧力を変化させる。第２図で
はポンプを用いた給水設備で配管末端において所
要の圧力、流量を流量計を備えて流量計に対応す
る配管中の圧力損失を見込んでおいて配管末端必
要圧力に該見込みの圧力損失を加えた分をポンプ
吐出圧力としている。

この制御目標圧力の変化曲線をつくるためには
しめ切時の圧力のほかに、最大回転数（またはそ
のときの流量）を知る必要があるがこれを決定す
ることは難しい場合があり、この値がわからない
うちは運転、制御できないとなると汎用給水装置
として不備となる。

本発明はポンプ装置において制御目標圧力を制
御することによつて末端必要圧力がほぼ一定とな
るようなポンプ装置を提供することを目的とす
る。

本発明はポンプとこのポンプの吐出し側に連結
した給水管とこの給水管に連結した圧力検出手段
とポンプに連結しこれを駆動するモータと、ポン
プの回転速度を制御する回転速度制御手段と、ポ
ンプの回転速度を検出する速度検出手段をそな
え、前記回転速度制御手段が、前記速度検出手段
からの出力信号を入力信号として予め定められた
ポンプの回転速度とポンプの回転速度毎の制御目
標圧力との関係に基づいて対応する制御目標圧力
を出力する制御目標圧力出力部と、前記制御目標
圧力出力部からの出力信号と前記圧力検出手段か
らの出力信号とを入力信号としポンプの回転速度
の制御信号を出力する回転速度制御部と前記制御
目標圧力出力部における予め定められたポンプの
回転速度とポンプの回転速度毎の制御目標圧力と
の関係を設定する機能をもつ設定部とからなる可
変速給水装置において、可変速運転中の最大回転
数を記憶する記憶装置をもち前回最大回転数をこ
える正常な回転数が入力された時その最大回転数
の値を設定部に送りポンプの回転速度毎の制御目
標圧力との関係を再設定することができるように
したことを特徴とする可変速給水装置である。

本発明の実施態様の第１は最大回転数記憶装置
内に適切な最大回転数のデータがない場合あらか
じめ定められた一定時間はあらかじめ定められた
一定の目標圧力を出力し、一定時間後一定目標圧
力で運転していた時の最大回転数の値を用いて制
御目標圧力の適切な演算ができるようにした制御
目標圧力出力部を有することを特徴とする可変速
給水装置である。

本発明の実施態様の第２は最大回転数記憶装置
内に適切な最大回転数のデータがない場合あらか
じめ定められた一定時間はあらかじめ定められた
一定の目標圧力を出力し、一定時間後一定目標圧
力で運転していた時の最大回転数の値を用いて制
御目標圧力の適切な演算ができるようにした制御
目標圧力出力部を有することを特徴とする可変速
給水装置である。

以下、本発明の実施例について説明する。第３
図はターボポンプのような非圧縮型のポンプを用
いた給水設備の特性を立体座標で示す線図であ
る。縦軸にはポンプの回転速度（回転数）ωを規
定回転数を100として百分率で示し、横軸にポン
プの吐出量（流量）Ｑが表され、速度、吐出量の
座標の交点Ｍをとおり、これらの座標に直交して
ポンプ吐出圧力ｐを示す座標が示されている。

網目状に示されている特性曲面Ｓ上の並列する
ω−Ｑ曲線３群はポンプの回転速度と給水設備の
配管末端の吐出量の関係をポンプの吐出圧力を媒
介変数として表わしており、ω−Ｑ曲線３群に交
叉するｐ−ω曲線２群はポンプの回転速度とポン
プの吐出圧力の関係を流量Ｑを媒介変数として示
している。

特性曲面Ｓを所定吐出圧力を示すＰ座標軸を横
切りω−Ｑ座標を含む平面に平行な平面で切断す
ることにより各吐出圧力Ｐにおけるω−Ｑ曲線３
−ｉ（ｉ：１，２，・・・・）が該ω−Ｑ座標を含
む平面に平行な平面上で特性曲面Ｓの切断線とし
て得られる。

特性曲面Ｓを所定流量を示すＱ座標軸を横切り
Ｐ−ω座標を含む平面に平行な平面で切断するこ
とにより、Ｐ−ω座標を含む平面に平行な平面上
で吐出量Ｑに対応するＰ−ω曲線２が特性曲面Ｓ
の切断線として得られる。

特性曲面Ｓを水平面で切断すると水平面がω座
標を切る部分で示されるポンプ回転速度における
該水平面上に特性曲面Ｓの切断線として回転速度
ωiにおける修正Ｑ−Ｈ曲線（修正ポンプ性能曲
線）が得られる。

そこで本発明では原動機により駆動されるポン
プの吐出し側に給水管を連結し、給水管に圧力検
出手段とポンプの回転速度を検出する手段を備え
た可変速給水装置において、あらかじめポンプの
回転速度毎の給水管端における圧力に近づけるよ
うに見込んだ制御目標圧力を定めておいて、ポン
プ回転速度の変化にともなつて制御目標圧を変化
させる制御装置を備える。

上述した処より、あらかじめ流量が一定とした
ときの（普通は流量ゼロ「締めきり状態」）ポン
プの各回転速度における圧力値を記憶したデータ
テーブル（第３図中線ωB〜ωA）と、使用最大
流量時に必要末端圧力を出しているときのポンプ
回転速度と圧力値のデータ（第３図中点PA、
ωmax）を用いて各ポンプ回転速度毎の制御目標
圧力を決定することができる（第３図中線ωB〜
ωmax）。

次にかゝるポンプしめ切時のポンプ各回転速度
に対応する制御目標圧力を決定する実施例を示
す。

ω_x：回転速度 P_x：圧力 ω_x＝ｆ（P_x）：しめ切時の回転速度と圧力の
関係 P_A：使用最大水量時必要圧力 ω_MAX：使用最大水量時必要回転速度 ω_A：P_A時のしめ切における必要回転速度 P_B：しめ切時必要最低圧力 ω_B：P_B時の必要回転速度としたとき △ω＝ω_MAX−ω_A △Ｐ＝P_A−P_B であり、圧力P_A，P_Bの中間の点の制御目標圧力
の基準をP_nとすると P_n＝△Ｐ×α＋P_B（０≦α≦１）そして基準の制御目標圧力P_nに対応した流量を
生ずる回転速度をω_nとすると ω_n＝△ω×β＋ｆ（P_n）（０≦β≦１）こゝで K₁＝（P_n−P_B）／（ω_n−ω_B） K₂＝（P_A−P_n）／（ω_MAX−ω_n）とK₁，K₂を求め、あるポンプ回転速度ω_xに対す
る制御目標圧力SVを ω_x≦ω_B SV＝P_B ……(1) ω_B＜ω_x≦ω_n SV＝K₁×（ω_x−ω_B）＋P_B
……(2) ω_n＜ω_x≦ω_MAX SV＝K₂×（ω_x−ω_n）＋P_n
……(3) ω_MAX＜ω_x SV＝P_A ……(4) 上記(1)，(2)，(3)，(4)式にしたがつて決定する。

ここで、ω_MAX：使用最大水量時必要回転速度
は設計計算によつてあらかじめ求めておき入力す
ることもできるが、まえもつてわかつていなくて
も本装置を運転、制御したいという要請がある。
そこで前回最大回転数記憶装置内に適切な最大回
転数のデータがない場合あらかじめ定められた一
定時間はあらかじめ定められた一定の目標圧力を
出力し、一定時間後一定目標圧力で運転していた
時の最大回転数を用いて制御目標圧力の適切な演
算ができるようにした制御目標圧力出力部として
の機能を制御部２１は備える。

ここで前回最大回転数記憶装置内に適切な最大
回転数のデータがない場合とは電源が入れられた
直後等で前回最大回転数記憶装置内に最大回転数
のデータがない、またはノイズにより有りえない
データ（30000Hzとか、数字でないデータ）はあ
るが適切な最大回転数のデータではない場合であ
り、このような場合に本装置を現場へ据え付け
後、一定期間を常にSV＝P_Aとして運転させ、そ
の間の最大回転数をω_MAXとして一定時間終了後
上記(1)，(2)，(3)，(4)式にしたがつて制御する、と
いうのが本発明の一例である。

また、制御を(1)，(2)，(3)，(4)式にうつした後で
も最大回転数ω_MAXが変化した時、それにともな
つて制御演算式を修正できることも本発明の特徴
である。即ち、前回最大回転数を越える正常な回
転数が入力された時にその最大回転数の値を設定
部２１，２５に送り、ポンプの回転速度毎の制御
目標圧力SVとの関係を再設定することができる。
これを具体的にのべると、例えばポンプの実質的
な最大回転数は通常50Hz（又は60Hz）であるが使
用者側の定格に応じて、制御の最大値は50Hz以下
の適切な値が存在する。

適切な値とはポンプを回転速度制御して給水し
実際に回転数が最大に上がつた点と考えられる。
ここで上記の前回最大回転数を越える正常な回転
数が入力された時にとは、ある50Hz以下のω_nax
（仮に45Hzとする）にて前記式(1)〜(4)に示すやり
方で制御目標圧力SVを演算しながら、運転して
いたとき式(4)の領域で運転した。つまりポンプの
回転が47Hzまで上がつた、言いかえれば前回最大
回転数（ω_nax＝45Hz）を越える回転数が入力さ
れた場合ということを言う。正常な回転数とはこ
こではたとえば50Hz以下（又は60Hz以下）のこと
で、ノイズなどによりデータが書き換わり制御上
有りえない異常な値（30000Hzとか、数字でない
データ）でない回転数という意味であり、又、そ
の最大回転数の値（上記例では47Hz）を設定部２
１，２５に送り、ポンプの回転速度毎の制御目標
圧力SVとの関係を再設定することができるとは
式(1)〜(4)に示す制御目標圧力SV算出式を47Hzに
より作り直し、その後の式(1)，(2)，(3)，(4)にした
がつて制御するということを意味する。

回転数ωは水の使われかたによつて様々に変化
します。水が最大につかわれた時に、最大回転数
となります。もし、もつと水が使われてこんどは
47Hzが49Hzになつたときは、またその最大回転数
の値（49Hz）を設定部２１，２５に送り、ポンプ
の回転速度毎の制御目標圧力SVとの関係を再設
定する。ただし1000Hzのように正常でない回転数
となつた時は再設定しない。

更に、特許請求の範囲の第３項に対応する構成
としては、適切な最大回転数のデータが最大回転
数記憶装置２６，３２より得られない場合、あら
かじめ定められた回転数をかりの最大回転数とし
てポンプ回転数とポンプ回転数毎の制御目標圧力
を設定する機能を備えた設定部（制御部２１、中
央演算処理装置２５）を備えており、ノイズ等で
最大回転数のデータが130Hzや数字でないデータ
となつた場合に初期値（例えばHZA＋５Hz）に
戻すことができる。

第４図はポンプ装置を示すフローシートであ
る。周波数を変えて回転数の制御を行うモータ１
１により駆動されるポンプ１２には水源１３から
吸水管１４を通じて水を汲み上げ該水を昇圧して
吐出管１５に吐出する。吐出管１５中の圧力は出
力検出手段として圧力検出器１６にて圧力を検出
され、逆止弁１７、仕切弁１８を介して給水管１
９にて需要側へ送られる。

圧力検出器１６にて検出したポンプ１２の吐出
圧力の信号は制御部２１に送られるようになつて
いる。制御部２１からは周波数信号が出力され、
例えばサイリスタ変換方式の周波電源を得るイン
バータ２２に入力され、インバータ２２は所要周
波数を出力してモータ１１に送りモータ１１を所
要速度で運転する。インバータ２２で発生しモー
タ１１へ送られる周波数は制御部２１で用いられ
るようになつている。ただし、図では説明のた
め、インバータ２２の周波数が制御部２１へ送ら
れるものとして説明してあり、インバータ１１は
又ポンプ１２の速度検出手段としてある。即ち、
モータ１１は制御部２１とインバータ１１からな
る回転速度制御手段により可変速となつている。

制御部２１はマイクロコンピユータが用いられ
ており、制御部２１の構成はインバータ２２への
出力信号を入力信号として予め定められたポンプ
の回転速度とポンプの回転速度毎の制御目標圧力
との関係に基づいて対応する制御目標圧力を出力
する制御目標圧力出力部と制御目標圧力出力部か
らの出力信号と前記圧力検出手段たる圧力検出器
１６からの出力信号とを入力信号としポンプの回
転速度の制御信号を出力する回転速度制御部と前
記制御目標圧力出力部における予め定められたポ
ンプの回転速度とポンプの回転速度毎の制御目標
圧力との関係を設定する機能をもつ設定部と可変
速運転中の最大回転数を記憶する記憶装置を含
み、最大回転数の値を設定部に送り、ポンプの回
転速度毎の制御目標圧力との関係を再設定するこ
とができるようになつているものである。そして
予め、ポンプ装置の締切り時のポンプ回転速度と
ポンプ吐出圧力の関係、必要最大流量時のポンプ
の回転速度及び上述においてのべた制御目標圧力
の算出を行う命令が記憶された記憶装置をも備え
ている。

第５図は動作を示すフローチヤートである。

圧力検出器１６は使用流量の変化に伴つて変化
する。即ち、使用流量の増減に伴ない圧力検出器
１６の示す圧力信号Ｓ１の値は減増する。圧力検
出器１６の示した圧力信号Ｓ１は制御部２１に送
られる。

制御部２１ではインバータ２２より送られた信
号Ｓ２がルーチン１００へ送られ、既にのべたよ
うにしてルーチン１００ではしめ切時ポンプ圧力
−周波数特性、最大流量時周波数圧力（最大流量
時電圧）、設定時しめ切必要圧P_B、最大流量時必
要圧P_A等を用いて制御目標圧力SVを演算する。
そして求められた制御目標圧力SVはルーチン１
０１で圧力信号Ｓ１と制御目標圧力SVの差及び
差の変化速度等から、ポンプ吐出圧力Ｐが制御目
標圧力SVに近ずくように周波数出力信号が求め
られ（PI演算）、インバータ２２に出力される。
制御部２１はインバータ２２を介してモータ１１
を変速して圧力検出器１６の示す圧力値の変化方
向と反対方向に変化させる。そしてかゝる制御は
圧力検出器１６が示す圧力が上述で求めた制御目
標圧力SVになるように行われ、モータ１１従つ
てポンプ１２の回転速度と圧力検出器１６の検出
圧力が対応して変化する。

第６図は制御装置を示すブロツク図である。圧
力検出器１６の信号Ｓ１、インバータ２２の周波
数信号Ｓ２はインターフエース２４を介してマイ
クロコンピユータに入力され、これらの値及び記
憶装置２６に記憶してある前述したポンプ締切時
の圧力−速度等のデータと算式を用いて中央演算
処理装置２５にて制御目標圧力SVになるように
周波数が算出されインターフエース２４を介して
インバータ２２に出力されてインバータ２２は制
御目標圧力SVになるようにポンプ１２を運転す
べくモータ１１の回転速度を制御する。記憶装置
２６は一般の記憶装置であり、最大回転数をも記
憶する装置でもあり、インバータ２２の出力周波
数信号はインターフエース２４を介して該最大回
転数記憶装置に記憶される。

実例について示すと第７図の如くである。第７
図では使用最大流量時圧力＝４Kg／cm²ポンプしめ
切時必要最低圧力P_A＝２Kg／cm²として横軸に流
量Ｑ、縦軸に圧力Ｐを示す。α＝0.5、β＝0.6で
計算された制御目標圧力は曲線２３に示され、末
端圧力P_o＝P_Bがほぼ一定となつている。

第８図は第４図に示した実施例の回転速度制御
手段の制御部２１にワイヤードロジツクの電子回
路を用いた場合のブロツク図であつてポンプしめ
切状態におけるポンプの回転速度と吐出圧力値の
関係及び必要最大流量を必要圧力で供給している
状態におけるポンプの回転速度から得られた定数
ｋを関数発生器２７に入力し、そして、関数発生
器２７、加算器２８、圧力設定器２９では回転速
度の入力を受けて制御目標圧力を演算し調節計３
０へ入力し、調節計３０では圧力センサ３１から
得られる系の圧力と制御目標圧力とを例えばPI
演算し、モータに対して回転速度の操作信号を出
力するものである。

最大回転数記憶装置３２では安定した可変速制
御中の最大回転数の値を記憶し必要に応じて換算
定数へフイードバツクする。

以上のように本発明はポンプを備える給水装置
において、あらかじめポンプの回転速度毎の制御
目標圧力を定め（あるいは回転速度より制御目標
圧力を演算する関数を定め）回転速度の変化にと
もなつて制御目標圧力を変化させる制御装置を備
えたから、ポンプ吐出圧力一定で制御するような
エネルギ損失がない。

給水設備毎に個別に実測して制御を行うような
労力と時間のかゝる方法を必要としないで、配管
末端圧力をほぼ一定に保つことができる。

制御目標圧力出力部における予め定められたポ
ンプの回転速度とポンプの回転速度毎の制御目標
圧力との関係が、ポンプのしめ切時及び系に対し
て所定の流量を流した時のそれぞれの状態におけ
るポンプの回転速度及び吐出圧力値に基づいて関
数又はデータテーブルの状態で設定するようにし
てあるからポンプのしめ切時のポンプ回転速度と
吐出圧力値が分れば使用最大流量時のポンプ回転
速度のデータは必要に応じて自動的にサンプリン
グされるから、ポンプの各回転速度において給水
末端の圧力を一定に制御することができるのでポ
ンプの回転速度制御手段へ入力するのに付融通性
が大である。

ポンプ回転速度により制御目標圧力を定める方
法としてあらかじめポンプしめ切時の各回転速度
における圧力値を記憶したデータテーブルと使用
最大水量時の必要圧力を出している時の回転速度
と圧力値のデータを用いて各回転速度毎の制御目
標圧力を得る制御装置を備え、ポンプ締切り時の
ポンプ回転速度−吐出圧力特性はポンプにより殆
んど変らないから、マイクロコンピユータの記憶
装置に予め記憶させておくことができ、量産され
るような給水装置に適する。そして使用最大水量
時の必要圧力を出しているときの回転速度は管路
の圧力損失を計算することによつても得られるし
一定時間使用最大水量時の必要圧力で、圧力一定
制御運転させることによつて自動的に記憶される
から、簡単に得ることができて、その結果各ポン
プ回転速度における制御目標圧力SVを求め制御
できるから制御が極めて簡単である。このような
制御目標圧力SVは式(1)〜(4)を用いる場合は常数
α，βを適当に定めることにより求めることがで
きる。第８図の実施例においても上述と同等の効
果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の制御方法を示す線図、
第３図は給水設備の特性を立体座標で示す線図、
第４図は本発明に用いられる給水設備のフローチ
ヤート、第５図は本発明のフローチヤート、第６
図は本発明のブロツク図、第７図は本発明の実験
例を示す線図、第８図は電子回路によるブロツク
図である。１……ポンプ性能曲線、２……Ｐ−ω曲線、３
……ω−Ｑ曲線、１１……モータ、１２……ポン
プ、１３……水源、１４……吸込管、１５……吐
出管、１６……圧力検出器、１７……逆止弁、１
８……仕切弁、１９……給水管、２１……制御
部、２２……インバータ、２４……インターフエ
ース、２５……中央演算処理装置、２６……メモ
リ、３２……最大回転数記憶装置、１００，１０
１……ルーチン、Ｍ……座標の交点、Ｐ，P_x…
…吐出圧力、P_A……最大流量時必要圧、P_B……
設定時しめ切必要圧、P_c……圧力損失、P_o……
配管末端必要圧力、△P_x……配管の損失圧力、
Ｑ……吐出量（流量）、Q_x……流量、Ｓ……特性
曲面、Ｓ１……圧力信号、Ｓ２……信号、SV…
…制御目標圧力、ω，V_x……回転速度、ω_x……
回転速度。

Claims

【特許請求の範囲】１ポンプ１２とこのポンプ１２の吐出し側に連
結した給水管１５とこの給水管に連結した圧力検
出手段１６とポンプに連結しこれを駆動するモー
タ１１と、ポンプの回転速度を制御する回転速度
制御手段２１，２２と、ポンプの回転速度を検出
する速度検出手段２２と、前記回転速度制御手段
２１，２２が前記速度検出手段２２からの出力信
号を入力信号として予め定められたポンプの回転
速度とポンプの回転速度毎の制御目標圧力との関
係に基づいて対応する制御目標圧力SVを出力す
る制御目標圧力出力部２１，１００，２５と前記
制御目標圧力出力部２１，１００，２５からの出
力信号と前記圧力検出手段１６からの出力信号と
を入力信号としポンプの回転速度の制御信号を出
力する回転速度制御部２１，１０１，２５と前記
制御目標圧力出力部２１，１００，２５における
予め定められたポンプ１２の回転速度とポンプ１
２の回転速度毎の制御目標圧力との関係を設定す
る機能をもつ設定部２１，２５とからなる可変速
給水装置において、可変速運転中の最大回転数を
記憶する記憶装置２６，３２をもち、前回最大回
転数をこえる正常な回転数が入力された時その最
大回転数の値を設定部２１，２５に送り、ポンプ
の回転速度毎の制御目標圧力SVとの関係を再設
定することができるようにしたことを特徴とする
可変速給水装置。２最大回転数記憶装置２６，３２内に適切な最
大回転数のデータがない場合あらかじめ定められ
た一定時間はあらかじめ定められた一定の目標圧
力を出力し、一定時間後一定目標圧力で運転して
いた時の最大回転数の値を用いて制御目標圧力の
適切な演算ができるようにした制御目標圧力出力
部２１，１００，２５を有することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の可変速給水装置。３適切な最大回転数のデータが最大回転数記憶
装置２６，３２より得られない場合、あらかじめ
定められた回転数をかりの最大回転数としてポン
プ回転数とポンプ回転数毎の制御目標圧力を設定
する機能を備えた設定部２１，２５を有する特許
請求の範囲第１項記載の可変速給水装置。