JPH10281322A - 交流電動弁の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量変化が小さく負荷トルクが小さな開度に
おいては定格周波数以上で速く開閉でき、流量変化が大
きく負荷トルクが大きい開度においては定格周波数又は
それ以下の周波数で遅く開閉させることができる交流電
動弁の駆動制御装置を提供する。 【解決手段】 弁本体を開閉駆動する交流電動機Ｍと、
交流電動機Ｍのインバータ４０と、運転中の交流電動機
Ｍの負荷トルクを推定し交流電動機Ｍの最大出力トルク
が負荷トルクよりも所定の倍率だけ高くなるインバータ
周波数であって且つ弁開度が所定の開度より小さい場合
は交流電動機Ｍの定格周波数又はそれ以下の周波数のも
のを又弁開度が所定の開度より大きい場合は定格周波数
以上の周波数のものを求め該インバータ周波数にて交流
電動機Ｍによる弁本体の弁開閉速度を制御するインバー
タ制御部５０とを具備する。倍率は弁本体の開度を複数
の区間に区切って各区間毎に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は各種管路を開閉する
のに使用される交流電動弁に関し、特に該交流電動弁の
駆動制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種管路、例えば水道管，下水
管，化学工業プロセス用各種配管，ガス管，空気管，蒸
気管等には、これを開閉するのに弁（例えばバタフライ
弁，スルース弁，ロート弁，ボール弁等）が取り付けら
れている。

【０００３】そしてこれら弁の開閉駆動は、弁本体に取
り付けた交流電動機に交流電圧を印加することによって
行われる。具体的な駆動制御装置には以下のようなもの
がある。

【０００４】(1) 交流電動機に一定周波数の交流を印加
することで、弁本体を略一定速度で開閉する装置。

【０００５】(2) 流量の時間的変化率を小さくするた
め、弁開度の変化に対し流量変化の大きい開度におい
て、弁を寸動停止を繰り返して遅く動作させる装置。

【０００６】(3) インバータで制御された交流電動機で
駆動される弁において、開度区間毎にインバータ周波数
を決定し開閉速度を制御する装置。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記(1)
の弁本体を一定速度で開閉させる装置であれ、(2) の弁
本体の開閉速度を２種類とする装置であれ、交流電動機
の出力には十分に余裕があり、実際には交流電動機の能
力に比べて全体としてかなり遅い速度でその開閉が行わ
れていた。このため開閉に要する時間が長くなり、例え
ば配管内を流れる流体の逆流量などが多くなっていた。

【０００８】上記不都合を解消するため弁本体の開閉速
度を速くすると、こんどは弁本体の全閉近傍領域におい
て水撃などの過渡現象が生じてしまう。

【０００９】また上記(3) の弁本体のように、開度区間
毎にインバータ周波数を設定して開閉速度を制御する装
置はあったが、電動機の出力トルクは、設定周波数に応
じて大きく変動する。また弁の必要トルクは開度によっ
て大きく変動する。開度以外にも使用圧力や錆の有無、
パッキンの締め具合によっても大きく変動する。この
為、周波数を設定する方法では適正な設定周波数を選択
することが難しかった。

【００１０】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
ありその目的は、弁操作に必要な適正な電動機出力トル
クを維持しつつ流量変化が大きな弁開度が小さい所では
定格周波数以下で遅く開閉し、流量変化が小さな弁開度
が大きい所では定格周波数以上で速く開閉することがで
きる交流電動弁の駆動制御装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明は、弁本体を開閉駆動する交流電動機と、前記
交流電動機のインバータと、運転中の前記交流電動機の
負荷トルクを推定し交流電動機の最大出力トルクが負荷
トルクよりも所定の倍率だけ高くなるインバータ周波数
であって且つ弁開度が所定の開度より小さい場合は交流
電動機の定格周波数以下の周波数を又弁開度が所定の開
度より大きい場合は定格周波数以上の周波数を求め該イ
ンバータ周波数にて交流電動機による弁本体の弁開閉速
度を制御するインバータ制御部とを具備して構成した。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用する交流
駆動弁の概略構成図である。同図に示すように交流駆動
弁の弁本体１０は管路５中に該管路５を開閉するように
取り付けられている。そして弁本体１０には弁本体１０
を開閉駆動する交流電動機Ｍと、交流電動機Ｍの回転数
を制御するインバータ装置３０が取り付けられている。

【００１３】弁本体１０は交流電動機Ｍによって管路５
を開閉する構造のものであり、この実施形態ではスルー
ス弁を用いている。

【００１４】次に交流電動機Ｍとしては、拘束された状
態で最大のトルクを発生する性能を具備するトルクモー
タが使用されている。図２は交流電動機Ｍの出力軸の回
転速度と出力トルクとの関係を示す図である。なお同図
には、交流電動機Ｍへの入力インバータ周波数が異なる
場合のトルク曲線を複数本示しており、図に示すパーセ
ント表示は、定格周波数（例えば５０ヘルツ）に対して
のパーセントを示している（例えば１００％は５０ヘル
ツ、５０％は２５ヘルツ、２００％は１００ヘルツ）。

【００１５】同図に示すようにこの交流電動機Ｍは、入
力インバータ周波数が同一の場合は、出力軸の回転速度
が低いほどトルクが大きくなる特性を有している。また
この交流電動機Ｍの最大出力トルク（即ち回転速度が０
のときの出力トルク）が最大になる入力インバータ周波
数は定格周波数（１００％）のときであり、該定格周波
数よりも大きくても小さくても最大出力トルクは小さく
なることがわかる。言い替えれば定格周波数以外の周波
数にかかる最大トルクは、該定格周波数より小さい周波
数と大きい周波数の２種類が存在する。

【００１６】次に図３は前記インバータ装置３０の一構
成例を示す図である。

【００１７】インバータ装置３０は、インバータ４０
と、インバータ制御部５０と、外部から下記する倍率値
を入力するのに用いる操作パネル７０とを具備してい
る。

【００１８】インバータ制御部５０は、少なくとも処理
装置５１と記憶装置５３とを具備している。またこのイ
ンバータ制御部５０には、弁本体１０から入力される弁
全開信号又は弁全閉信号又は弁開度によって流量変化の
大きい領域と小さい領域を区切る開度３０％信号（この
実施形態では弁開度が３０％以下のときを流量変化の大
きい領域、３０％以上のときを流量変化の小さい領域と
している）や、コンバータ８０からインバータ４０に入
力される入力電圧のモニタ電圧値や、インバータ４０か
ら交流電動機Ｍに出力される出力電流のモニタ電流値
や、操作パネル７０からの設定倍率信号等が入力され
る。

【００１９】一方記憶装置５３には、このインバータ制
御部５０によって行われる各種制御プログラムや各種制
御データが記憶されている。

【００２０】そして前記インバータ制御部５０は、前記
インバータ４０から前記交流電動機Ｍに印加されるイン
バータ周波数を可変制御することで交流電動機Ｍによる
弁本体１０の弁開閉速度を変化させるのであるが、その
際、前記インバータ制御部５０は、前記交流電動機Ｍの
負荷トルクを推定し、交流電動機Ｍの最大出力トルクが
該負荷トルクよりも所定の倍率だけ高くなるインバータ
周波数を求め、該インバータ周波数にて前記交流電動機
Ｍの回転速度を制御する。

【００２１】なお上記インバータ周波数を選定する際
に、開度０〜３０％においては定格周波数以下の範囲
で、３０〜１００％においては定格周波数以上（但し上
限周波数以下）の範囲で選定する。

【００２２】これによって流量変化が大きく負荷トルク
が大きくなる弁開度、即ち弁開度０〜約３０％の範囲で
はインバータ４０の出力周波数を定格周波数以下の周波
数で遅く開閉運転し、流量変化が小さく負荷トルクが小
さくなる弁開度、即ち弁開度約３０〜１００％の範囲で
は出力周波数を定格周波数以上の周波数で速く開閉運転
するように制御することとしている。

【００２３】以下図６に示す概略制御フロー図等を用い
て上記制御の内容を説明する。

【００２４】即ちまず交流電動機Ｍを始動して、そのイ
ンバータ周波数を交流電動機Ｍの定格周波数まで上げ
る。（ステップ１）。

【００２５】次に定格周波数運転時の交流電動機Ｍの負
荷トルクを推定して算出する（ステップ２）。その算出
方法は、例えば以下のように行う。

【００２６】即ち予め図７に示すような電動機特性
（〔電動機回転数−出力トルク曲線〕と〔電動機回転数
−電流曲線〕）を、各周波数毎に記憶装置５３に記憶し
ておく（図には何れか１つの周波数にかかる電動機特性
のみを示している）。

【００２７】そしてまず前記図３に示すようにインバー
タ４０から電動機Ｍへの出力からインバータ制御部５０
へ入力されるモニタ電流値を前記〔電動機回転数−電流
曲線〕に当てはめて電動機Ｍの電動機回転数を推定し、
該電動機回転数を前記〔電動機回転数−出力トルク曲
線〕に当てはめて電動機Ｍの負荷トルクを推定する。

【００２８】前記推定した負荷トルク−弁開度の具体例
を図４に実線で示しておく。

【００２９】次に算出した負荷トルク値に予め設定して
おいた所定倍率（例えば弁開度が０〜３０％の場合は
１．４倍、弁開度が３０〜１００％の場合は２．０倍）
だけ掛けたトルク値を算出し（図４に点線で示す）（ス
テップ３）、このトルク値が交流電動機Ｍの最大出力ト
ルクとなるインバータ周波数（この交流電動機Ｍはトル
クモータなので最大出力トルクはモータ回転数ゼロのと
きに発生する）を予め記憶装置５３に記憶しておいた図
２に示すデータから算出する（ステップ４）。なおステ
ップ４において算出するインバータ周波数は、弁開度０
〜３０％においては定格周波数以下のものを選択し、弁
開度３０〜１００％においては定格周波数以上のものを
選択する。そして算出したインバータ周波数によって交
流電動機Ｍを運転制御する（ステップ５）。

【００３０】ここで具体例を説明する。 〔弁開度が０％から３０％まで〕弁開度が０％のときは
まず、電動機Ｍに印加するインバータ周波数を定格周波
数まで立ち上げる。

【００３１】次に定格周波数まで立ち上げたときのモニ
タ電流値を用いて前記ステップ２の方法により、負荷ト
ルクがＢ０であると推定する（図４参照）。次に倍率
１．４を掛けた値Ａ１を求める（ステップ３）。

【００３２】次に予め記憶装置５３に記憶しておいた図
５に示すデータ（図２と同じデータ）から、前記値Ａ１
が最大トルク値となる交流電動機Ｍへのインバータ周波
数ｆ１を求める（ステップ４）。なお前述の通り値Ａ１
が最大トルク値となるインバータ周波数は定格周波数よ
り小さいものと大きいものの２種類があるが、開度が３
０％以下であるから定格周波数以下の周波数の中から求
める。

【００３３】そしてこの交流電動機Ｍにインバータ周波
数ｆ１を印加する（ステップ５）。そのときの推定され
た負荷トルクはＢ０なので、実際には交流電動機Ｍは図
５に示す点Ｂ１における回転速度で運転されることとな
る。つまり定格周波数で運転するよりも遅い回転速度で
運転される。

【００３４】以降弁開度が３０％以上であるという信号
がインバータ制御部５０に入力されるまで、負荷トルク
が減少するに従って同様の制御を繰り返し、例えば点Ｂ
２（周波数ｆ２）までインバータ周波数が落ちてくる
（Ｂ１→Ｂ２）。

【００３５】〔弁開度が３０％から１００％まで〕弁開
度が３０％以上になった場合は弁本体１０からの信号に
よってインバータ制御部５０が検知する。そして前記ス
テップ２の方法によって負荷トルクがＢ２であると推定
され（図４参照）、この値に倍率２．０を掛けた値Ａ３
を求める（ステップ３）。

【００３６】次に図５に示すデータの内、定格周波数以
上の周波数の中から、前記値Ａ３が最大トルク値となる
交流電動機Ｍへのインバータ周波数ｆ３を求める（ステ
ップ４）。

【００３７】そこでこの交流電動機Ｍにインバータ周波
数ｆ３を印加するが（ステップ５）、そのときの推定さ
れた負荷トルクはＢ２なので、実際には交流電動機Ｍは
点Ｂ３の回転数まで増速し運転される。

【００３８】以降予め設定した上限周波数ｆ４（例えば
定格周波数の２００％の周波数）まで、負荷トルクが減
少するに従って同様の制御を繰り返し（Ｂ３→Ｂ４）、
上限周波数ｆ４になった場合はその周波数のまま弁全開
まで駆動され停止される。（Ｂ４→Ｂ５）。

【００３９】つまり上記実施形態によれば、弁開度が０
％〜約３０％の範囲では交流電動機Ｍの定格周波数と同
じインバータ周波数以下のインバータ周波数が交流電動
機Ｍに印加されて遅く弁本体１０が開かれ、一方弁開度
が約３０〜１００％の範囲では定格周波数以上の高いイ
ンバータ周波数が交流電動機Ｍに印加されて弁本体１０
は急速に開かれるように制御されている。

【００４０】尚上記実施形態では倍率を弁開度３０％の
所で切り換えたが、該倍率は全ての弁開度で一定として
も良く、逆に他の弁開度の所でも必要に応じて切り換え
ても良い。該倍率を弁開度区間毎に任意に設定すること
により、所定の特性の弁開閉速度が得られる。

【００４１】又電動機のモニタ電流値を「電動機回転数
−電流曲線」に当てはめて、電動機回転数を推定し、そ
の回転数を「電動機回転数−出力トルク曲線」に当ては
めて電動機の負荷トルクを推定した後、設定したい回転
数で負荷トルクと出力トルクが等しくなる周波数を演算
により求め制御する事もできる。

【００４２】以上のように制御する理由を以下に説明す
る。即ちスルース弁の各開度における負荷トルクは、図
４の実線に推定されるような曲線となる。即ち開度０％
付近（即ち開度の変化に対して流量変化の大きい領域）
の負荷トルクは大きく、開度が大きくなるに従って（即
ち開度の変化に対して流量変化が小さくなるに従って）
その負荷トルクは急速に減少する。

【００４３】そして本発明は負荷トルクの大きい開度０
％〜３０％付近では弁本体１０の開閉速度を遅くするこ
とで水撃を防止できる。一方負荷トルクの小さい開度３
０％以上の領域では弁本体１０の開閉速度を速くするこ
とで、弁本体１０全体の開閉時間を短縮することができ
る。

【００４４】なお弁本体１０としてスルース弁ではな
く、バタフライ弁を使用した場合は、その推定される負
荷トルク−弁開度の関係は図８に示すような曲線とな
る。同図に示すようにバタフライ弁の場合、前記スルー
ス弁と異なって、その中間開度において、流体トルクに
より、負荷トルクの大きくなる部分が発生する。

【００４５】そしてこの場合であっても、前記スルース
弁の場合と同様に制御することで、負荷トルクに見合っ
たインバータ周波数で交流電動機Ｍを効率良く運転制御
できる。

【００４６】以上本発明の実施形態を説明したが、本発
明はこれら実施形態に限定されるものではなく、例えば
以下のような種々の変形も可能である。 弁本体は、上記構造のものに限定されず、例えばロー
ト弁，ボール弁等、他の種々の弁本体にも適用できる。

【００４７】又開度区間毎にインバータ周波数を設定
し、開閉速度を制御する既知の方法と組合せて、電動機
トルクが設定した周波数では不足する場合に本方式に切
替えて制御することもできる。

【００４８】インバータ制御部による交流電動機の負
荷トルクの推定方法は、上記実施形態の推定方法に限定
されず、他の種々の方法が考えられることは言うまでも
ない。

【００４９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、負荷トルクに応じたインバータ周波数にて電動機を
運転することで電動機の能力を好適に活かすことがで
き、同時に負荷トルクが大きく且つ小さい弁開度におい
ては定格周波数以下のインバータ周波数で運転すること
により弁本体の開閉速度を遅くし水撃を防止でき、一方
負荷トルクが小さく且つ大きい弁開度においては定格周
波数以上の周波数で運転することにより弁本体の開閉速
度を速くすることで弁全体の開閉時間を短縮することが
できるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する交流駆動弁の概略構成図であ
る。

【図２】交流電動機Ｍの出力軸の回転速度とトルクとの
関係を示す図である。

【図３】インバータ装置３０の一構成例を示す図であ
る。

【図４】推定した負荷トルク−弁開度の具体例を示す図
である。

【図５】制御の具体的内容を説明する説明図である。

【図６】概略制御フロー図である。

【図７】ある周波数における電動機特性（〔電動機回転
数−出力トルク曲線〕と〔電動機回転数−電流曲線〕）
を示す図である。

【図８】バタフライ弁の場合の推定される負荷トルク−
弁開度の具体例を示す図である。

【符号の説明】

１０ 弁本体 ４０ インバータ ５０ インバータ制御部 Ｍ 交流電動機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁本体を開閉駆動する交流電動機と、 前記交流電動機のインバータと、運転中の前記交流電動
   機の負荷トルクを推定し交流電動機の最大出力トルクが
   負荷トルクよりも所定の倍率だけ高くなるインバータ周
   波数であって且つ弁開度が所定の開度より小さい場合は
   交流電動機の定格周波数又はそれ以下の周波数をまた弁
   開度が所定の開度より大きい場合は定格周波数以上の周
   波数を求め該インバータ周波数にて交流電動機による弁
   本体の弁開閉速度を制御するインバータ制御部とを具備
   することを特徴とする交流電動弁の駆動制御装置。
2. 【請求項２】 前記倍率は、前記弁本体の開度を複数の
   区間に区切って各区間毎に設定することを特徴とする請
   求項１記載の交流電動弁の駆動制御装置。