JPWO2019008758A1 - 流体移送システム、流体移送システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の低下を抑制することが可能な流体移送システムを提供する。【解決手段】ポンプシステム１は、流体を移送するポンプ３と、複数の巻線４１，４２を備え、ポンプ３を駆動するモータ４と、複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替える巻線切替器６と、速度指令Ｓｐに基づいてモータ４に電力を供給してポンプ３の速度を制御する電力変換部５と、速度指令Ｓｐに基づいて複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替えるように、巻線切替器６を制御する制御部８とを有する。

Description

開示の実施形態は、流体移送システム及び流体移送システムの制御方法に関する。

特許文献１には、水を加圧して送水するポンプと、ポンプに電力を供給してポンプを任意の回転速度で運転する周波数変換器と、ポンプの回転速度を制御する制御部を備えた給水装置が記載されている。

国際公開第２０１２／０９９２４２号公報

周波数変換器によってポンプの回転速度を制御し、ポンプの吐出流量を変化させた場合、低流量域においてポンプ効率が低下することが知られている。しかしながら、上記従来技術ではポンプ効率については何ら考慮されていなかった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、効率の低下を抑制することが可能な流体移送システム及び流体移送システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、流体を移送する流体移送装置と、複数の巻線を備え、前記流体移送装置を駆動するモータと、前記複数の巻線の接続状態を切り替える巻線切替器と、速度指令に基づいて前記モータに電力を供給する電力変換部と、前記速度指令に基づいて前記複数の巻線の接続状態を切り替えるように、前記巻線切替器を制御する制御部と、を有する流体移送システムが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、流体を移送する流体移送装置と、複数の巻線を備え、前記流体移送装置を駆動するモータと、前記複数の巻線の接続状態を切り替える巻線切替器と、速度指令に基づいて前記モータに電力を供給する電力変換部と、を有する流体移送システムの制御方法であって、前記速度指令に基づいて前記複数の巻線の接続状態を切り替えること、を有する流体移送システムの制御方法が適用される。

本発明の流体移送システム等によれば、効率の低下を抑制することができる。

ポンプシステムの全体構成の一例を表す説明図である。 モータ制御システムの回路構成の一例を表す説明図である。 モータ特性の一例を表す説明図である。 ポンプ特性の一例を表す説明図である。 モータ効率とポンプ効率の関係の一例を表す説明図である。 制御部による制御内容の一例を表す説明図である。 制御部による制御内容の他の例を表す説明図である。 制御部による制御内容のさらに他の例を表す説明図である。 流体の物理量を使用する変形例に係るポンプシステムの全体構成の一例を表す説明図である。 巻線切替器を別の回路構成とした変形例に係るモータ制御システムの回路構成の一例を表す説明図である。 制御部のハードウェア構成の一例を表す説明図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜１．ポンプシステムの全体構成＞
まず、図１を参照しつつ、本実施形態に係るポンプシステム１の全体構成の一例について説明する。

図１に示すように、ポンプシステム１（流体移送システムの一例）は、モータ制御システム２と、ポンプ３とを有する。モータ制御システム２は、モータ４と、電力変換部５と、巻線切替器６と、電流センサ７と、制御部８とを有する。

ポンプ３（流体移送装置の一例）は、モータ４により駆動されて流体を移送する。本明細書における「流体」には、液体、気体、それらの混合物（例えばミスト状の液体を混合した気体など）等が含まれる。また、本明細書における「ポンプ」は、流体を移送可能な装置であれば特に限定されるものではなく、例えば非容積式のポンプ（遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等）、容積式のポンプ（ピストンポンプ、歯車ポンプ、ねじポンプ、真空ポンプ等）、非容積式のコンプレッサ・送風機（遠心式、軸流式等）、容積式のコンプレッサ・送風機（ピストン式、ダイヤフラム式、ルーツ式等）等が含まれる。

モータ４は、複数の巻線を備えており、ポンプ３を駆動する。本実施形態では、モータ４は例えば３相交流モータであり、３相交流電力の相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ごとに設けられた第１巻線４１（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ）及び第２巻線４２（４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ）を有する。モータ４は、同期型及び誘導型のいずれでもよいし、回転型及び直動型のいずれでもよい。

電力変換部５は、直流電力を３相の交流電力に変換してモータ４に出力する。電力変換部５に入力される直流電力は、例えば交流電源（図示省略）から供給される交流電力をコンバータ（図示省略）により電力変換して生成してもよいし、例えば直流発電機やバッテリ等（図示省略）から供給されてもよい。電力変換部５は、図示しない制御部と、電力変換回路（図２参照）とを有する。電力変換部５の制御部は、図示しない上位コントローラからの速度指令Ｓｐに基づいて所望の周波数の３相交流電力を発生するように電力変換回路を制御し、モータ４に電力を供給する。これにより、モータ４及びポンプ３の速度が制御される。本明細書における「速度」は、モータ４及びポンプ３が回転型である場合には回転速度（単位時間当たりの回転数）、モータ４及びポンプ３が直動型である場合にはストローク速度（単位時間当たりのストローク数）である。

巻線切替器６は、制御部８からの切替指令Ｓｗに基づいてモータ４の複数の巻線の接続状態を切り替える。本実施形態では、巻線切替器６は、電力変換部５から出力された電力が、第１巻線４１のみに供給される接続状態（以下、「第１接続状態」ともいう）と、第１巻線４１及び第２巻線４２の両方に供給される接続状態（以下、「第２接続状態」ともいう）と、を切り替える。

電流センサ７は、電力変換部５から上記巻線切替器６により接続状態となった巻線に流れる交流電流を各相ごとに検出し、検出した電流Ｄｃを制御部８に送信する。電流センサ７は、例えばモータ４に内蔵されてもよいし、モータ４の外部に設置されてもよい。

制御部８は、巻線切替器６に切替指令Ｓｗを送信し、図示しない上位コントローラからの速度指令Ｓｐ及び電流センサ７からの電流Ｄｃのうちの少なくとも速度指令Ｓｐに基づいて、上記第１接続状態と第２接続状態が切り替わるように巻線切替器６を制御する。制御部８は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータとして構成される（後述の図１０参照）。

なお、上述したポンプシステム１の構成は一例であり、上述の内容に限定されるものではない。例えば、電力変換部５や巻線切替器６が制御部８を一体的に備えた構成としてもよい。この場合、制御部８と電力変換部５の図示しない制御部とを共通化してもよい。また例えば、上記構成に加えて、ポンプ３によって移送される流体の物理量（例えば流量、圧力、密度、粘度、濃度、温度等）を検出する物理量センサを設けてもよい（後述の図８参照）。

＜２．モータ制御システムの回路構成＞
次に、図２を参照しつつ、モータ制御システム２の回路構成の一例について説明する。なお、電力変換部５の制御部については図示を省略している。

図２に示すように、電力変換部５は、一対の直流母線５１Ａ，５１Ｂと、平滑コンデンサ５２と、スイッチング素子５３Ａ〜５３Ｆとを有する。直流母線５１Ａ，５１Ｂは、図示しないコンバータ又は図示しない直流発電機やバッテリ等の正極及び負極にそれぞれ接続されている。平滑コンデンサ５２の両端部は、直流母線５１Ａ，５１Ｂにそれぞれ接続されている。スイッチング素子５３Ａとスイッチング素子５３Ｂ、スイッチング素子５３Ｃとスイッチング素子５３Ｄ、スイッチング素子５３Ｅとスイッチング素子５３Ｆは、互いに電気的に直列に接続されており、各組の両端部が直流母線５１Ａ，５１Ｂにそれぞれ接続されている。各スイッチング素子５３Ａ〜５３Ｆは、例えばＳｉＣやＧａＮ等の半導体により構成されている。

スイッチング素子５３Ａ〜５３Ｆは、図示しない上位コントローラからの速度指令Ｓｐに応じて、直流母線５１Ａ側から直流母線５１Ｂ側への電流を通す状態と遮断する状態とを切り替える。これにより、電力変換部５は、上位コントローラからの速度指令Ｓｐに応じてモータ４に３相交流電力を出力する。

モータ４は、３相交流電力の相ごとに上述した第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ及び第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを有する。第１巻線４１と第２巻線４２は、電気的に直列に接続されている。第１巻線４１の一方側は、電流センサ７を介して電力変換部５に接続されている。また、第１巻線４１の他方側と第２巻線４２の一方側との間の中間部は、巻線切替器６のダイオードブリッジ６１に接続されている。また、第２巻線４２の他方側は、巻線切替器６のダイオードブリッジ６２に接続されている。

巻線切替器６は、モータ４の第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの他方側から出力される３相の交流電力を整流するための６つのダイオード６１Ａ〜６１Ｆを備えた上述のダイオードブリッジ６１を有する。また、巻線切替器６は、モータ４の第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの他方側を短絡させるためのスイッチング素子６３と、モータ４の第１巻線４１を保護するためのコンデンサ６４とを有する。上記スイッチング素子６３は、例えばＳｉＣやＧａＮ等の半導体により構成されている。また、ダイオードブリッジ６１の直流出力側には、２つのダイオード６５Ａ，６５Ｂが設けられている。ダイオードブリッジ６１と、スイッチング素子６３と、コンデンサ６４と、電力変換部５の平滑コンデンサ５２とは、互いに電気的に並列となるように接続されている。

また、巻線切替器６は、モータ４の第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの他方側から出力される３相の交流電力を整流するための６つのダイオード６２Ａ〜６２Ｆを備えた上述のダイオードブリッジ６２を有する。また、巻線切替器６は、モータ４の第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの他方側を短絡させるためのスイッチング素子６６と、モータ４の第２巻線４２を保護するためのコンデンサ６７とを有する。上記スイッチング素子６６は、例えばＳｉＣやＧａＮ等の半導体により構成されている。また、ダイオードブリッジ６２の直流出力側には、２つのダイオード６８Ａ，６８Ｂが設けられている。ダイオードブリッジ６２と、スイッチング素子６６と、コンデンサ６７と、電力変換部５の平滑コンデンサ５２とは、互いに電気的に並列となるように接続されている。

スイッチング素子６３，６６は、制御部８からの切替指令Ｓｗに応じて、第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの他方側の短絡及び開放と、第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの他方側の短絡及び開放とを切り替える。第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの他方側が短絡され、且つ、第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの他方側が開放された場合には、電力変換部５の出力電力が第１巻線４１のみに供給される第１接続状態となる。反対に、第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの他方側が開放され、且つ、第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの他方側が短絡された場合には、電力変換部５の出力電力が第１巻線４１及び第２巻線４２の両方に供給される第２接続状態となる。このようにして、巻線切替器６は、制御部８からの切替指令Ｓｗに応じて、上述した第１接続状態と第２接続状態とを切り替える。

なお、上述したモータ制御システム２の回路構成は一例であり、上述の内容に限定されるものではない。例えば、巻線切替器６のスイッチング素子６３，６６を電磁開閉器等の機械的スイッチとしてもよい。仮にモータ制御システム２を電気自動車（ＥＶ）等に適用する場合には、巻線切替時のモータのショックを軽減して乗り心地に影響を与えないようにするために高速な応答性を備えた半導体スイッチング素子とするのが好ましい。しかし本実施形態のようにポンプシステムに適用する場合には、ポンプの運転に支障がなければ多少のショックは許容されるため、電磁開閉器等の機械的スイッチとすることも可能である。

また、巻線切替器６の回路構成を、分離された第１巻線４１と第２巻線４２との間に電力変換部５と同様の回路構成を備えた切替回路を設けた構成（いわゆる交流切替方式）としてもよい（後述の図９参照）。また、電力変換部５として、交流電力を直接、振幅や周波数が異なる交流電力に変換するマトリクスコンバータを用いてもよい。

＜３．モータ特性とポンプ特性＞
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照しつつ、モータ特性とポンプ特性の一例について説明する。

まず、図３Ａを用いてモータ特性について説明する。巻線切替器６により、第１巻線４１及び第２巻線４２の両方が接続された第２接続状態に切り替えられた場合、モータ４の駆動力に寄与する巻線数が増大する。このため、図３Ａの左側に示すように、モータ４は、大きなトルクを出力可能である一方、出力可能な速度は低めに制限される、低速モータの特性を備える。この低速モータの特性により出力可能なトルク及び速度の範囲を図中に出力可能範囲Ｏｍ１として示す。この場合、モータ効率の高い領域（例えば９０％以上）を表す高効率範囲Ｈｍ１は、低速領域において広いトルク範囲に亘る。

一方、巻線切替器６により、第１巻線４１のみが接続された第１接続状態に切り替えられた場合、モータ４の駆動力に寄与する巻線数が減少する。このため、図３Ａの中央に示すように、モータ４は、低速から高速に亘る幅広い速度範囲においてトルクを出力可能である一方、出力可能なトルクは小さめに制限される、高速モータの特性を備える。この高速モータの特性により出力可能なトルク及び速度の範囲を図中に出力可能範囲Ｏｍ２として示す。この場合、モータ効率の高い領域（例えば９０％以上）を表す高効率範囲Ｈｍ２は、低トルク領域において幅広い速度範囲に亘る。

モータ４は、巻線切替器６により上記第１接続状態及び第２接続状態のいずれにも切り替え可能であることから、図３Ａの右側に示すように、モータ４は、上述の低速モータの特性と高速モータの特性とを兼ね備える。この低速モータと高速モータの特性を兼ね備えた場合の出力可能なトルク及び速度の範囲を図中に出力可能範囲Ｏｍ３として示す。その結果、モータ効率の高い領域（例えば９０％以上）を表す高効率範囲Ｈｍ３は、低速領域において幅広いトルク範囲に亘り、且つ、低トルク領域において幅広い速度範囲に亘る。このように、モータ制御システム２においては、モータ４の高効率範囲を拡張できる。

次に、図３Ｂを用いてポンプ特性について説明する。図３Ｂの左側に示すポンプ特性は、図３Ａの左側に示すモータ特性に対応している。すなわち、巻線切替器６により第２接続状態に切り替えられた場合、上述のようにモータ４が低速モータの特性を備える。このため、図３Ｂの左側に示すように、ポンプ３は、高い揚程まで吐出可能である一方、吐出可能な流量は低めに制限される、低流量ポンプの特性を備える。この低流量ポンプの特性により吐出可能な揚程及び流量の範囲を図中に吐出可能範囲Ｏｐ１として示す。この場合、ポンプ効率の高い領域（例えば９０％以上）を表す高効率範囲Ｈｐ１は、低流量領域において広い揚程範囲に亘る。

図３Ｂの中央に示すポンプ特性は、図３Ａの中央に示すモータ特性に対応している。すなわち、巻線切替器６により第１接続状態に切り替えられた場合、上述のようにモータ４は高速モータの特性を備える。このため、図３Ｂの中央に示すように、ポンプ３は、低流量から高流量に亘る幅広い流量範囲において運転可能である一方、吐出可能な揚程は低めに制限される、高流量ポンプの特性を備える。この高流量ポンプの特性により吐出可能な揚程及び流量の範囲を図中に吐出可能範囲Ｏｐ２として示す。この場合、ポンプ効率の高い領域（例えば９０％以上）を表す高効率範囲Ｈｐ２は、低揚程領域においてやや幅広い流量範囲（低流量域以外の中流量〜高流量の範囲）に亘る。

図３Ｂの右側に示すポンプ特性は、図３Ａの右側に示すモータ特性に対応している。すなわち、上述のようにモータ４は、低速モータの特性と高速モータの特性とを兼ね備える。このため、図３Ｂの右側に示すように、ポンプ３は、低流量ポンプの特性と高流量ポンプの特性とを兼ね備える。この低流量ポンプと高流量ポンプの特性を兼ね備えた場合の吐出可能な揚程及び流量の範囲を図中に吐出可能範囲Ｏｐ３として示す。その結果、ポンプ効率の高い領域（例えば９０％以上）を表す高効率範囲Ｈｐ３は、低流量領域において幅広い揚程範囲に亘り、且つ、低揚程領域において幅広い流量範囲に亘る。このように、ポンプシステム１においては、ポンプ３の高効率範囲を拡張できる。

＜４．モータ効率とポンプ効率＞
次に、図４を参照しつつ、モータ効率とポンプ効率の関係の一例について説明する。

図４に示すように、モータ４への入力（入力電力）をＭＩ、モータ４の損失をＭＬとすると、入力ＭＩから損失ＭＬを差し引いた部分がモータ４の出力（機械出力）ＭＯとなる。この場合、モータ効率ＭＥは、入力ＭＩに対する出力ＭＯの比を百分率（％）で表した値となる。なお、損失ＭＬは、例えば機械損、鉄損、銅損等である。

ポンプシステム１においては、モータ４の出力ＭＯがポンプ３への入力（機械入力）ＰＩとなる。ポンプ３の損失をＰＬとすると、入力ＰＩから損失ＰＬを差し引いた部分がポンプ３の出力（機械出力）ＰＯとなる。この場合、ポンプ効率ＰＥは、入力ＰＩに対する出力ＰＯの比を百分率（％）で表した値となる。なお、損失ＰＬは、例えば機械損失、水力損失、漏れ損失等である。

ポンプシステム１においては、モータ効率ＭＥが高くなるとポンプ３への入力ＰＩも相対的に大きくなる。ここで、ポンプ３が容積式である場合、ポンプの損失ＰＬは流量等によらずに略一定（低流量域での損失の増加は非常に少ない）である。このため、モータ効率ＭＥが高いほど（ポンプ３への入力ＰＩが大きいほど）ポンプ効率ＰＥについても高くなるので、モータ効率を向上することによるポンプ効率（低〜高流量域）を向上させる効果は特に大きい。一方、ポンプ３が非容積式である場合、ポンプの損失ＰＬのうち、機械損失や水力損失は流量等によらずに略一定であるが、漏れ損失は中流量〜高流量域では変動は少ないが低流量域で増大する性質を有する。このため、上述の図３Ｂの中央に示すように、高流量ポンプの特性において低流量域では効率が低下する。但し、漏れ損失の変動が少ない流量域ではポンプの損失ＰＬが略一定となるため、上記容積式の場合と同様、モータ効率ＭＥが高いほどポンプ効率ＰＥについても高くなる。したがって、本発明は容積式及び非容積式のポンプのいずれに対しても有効であるが、特に容積式のポンプに対して有効であり、好適である。

＜５．制御部の制御内容＞
次に、図５〜図７を参照しつつ、制御部８による巻線切替制御の一例について説明する。なお、制御部８による以下の制御内容は、後述するＣＰＵ９０１（図１０参照）が実行するプログラムにより実装される。但し、制御内容の一部又は全部がＡＳＩＣやＦＰＧＡ、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。

（５−１．第１接続状態から第２接続状態へ切り替え）
図５は、第１接続状態から第２接続状態に切り替える例である。図５に示すように、ステップＳ１０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１のみが接続された第１接続状態とする。これにより、モータ４は高速モータの特性となり、ポンプ３は高流量ポンプの特性となる。

ステップＳ２０では、制御部８は、速度指令Ｓｐが所定の第１しきい値ＴＶ１よりも小さいか否か、又は、電流Ｄｃが所定の第２しきい値ＴＶ２よりも大きいか否か、又は、速度指令Ｓｐが上記第１しきい値ＴＶ１よりも小さく、且つ、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも大きいか否か、を判定する。第１しきい値ＴＶ１は、例えば図３Ｂの右側に示すように、低流量ポンプの最大流量である流量Ｆ１に対応したモータ速度（速度指令）である。また例えば、第２しきい値ＴＶ２は、高流量ポンプの最大揚程である揚程Ｔ１に対応したモータ電流である。上記３つの判定条件のいずれかが満たされるまで本ステップを繰り返し（Ｓ２０：ＮＯ）、上記３つの判定条件のいずれかが満たされた場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、次のステップＳ３０に移る。

ステップＳ３０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１及び第２巻線４２の両方が接続された第２接続状態に切り替える。これにより、モータ４は低速モータの特性となり、ポンプ３は低流量ポンプの特性となる。以上により、本フローを終了する。

上記制御内容により、例えばモータ４を高速モータの特性としてポンプ３を高速駆動させている状態（高流量域）から、モータ４の速度を減少させてポンプ３の流量を減少させた場合に、ポンプ３が低流量ポンプの特性に切り替わるので、低流量域におけるポンプ効率の低下を抑制できる。

また例えば、上記高流量域において、例えば流体の濃度、密度、粘度等が上昇したことに起因してモータ４の出力トルク（電流Ｄｃ）が増大した場合には、ポンプ３が低流量ポンプの特性に切り替わるので、必要な揚程を確保してポンプ３の駆動を継続できる。またこのとき、流量を減少させるので、例えば流体の処理装置（スラリー処理装置等）を過剰な負荷を想定して設計する必要がなくなり、最適設計することが可能となる。さらに、例えば異物の噛み込みや目詰まり等に起因してモータの出力トルク（電流Ｄｃ）が増大した場合には、流量を減少させることで過電流の発生や装置の破損、故障等を防止でき、安全性や信頼性を向上できる。

（５−２．第２接続状態から第１接続状態へ切り替え）
図６は、上記図５とは反対に、第２接続状態から第１接続状態に切り替える例である。図６に示すように、ステップＳ１１０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１及び第２巻線４２の両方が接続された第２接続状態とする。これにより、モータ４は低速モータの特性となり、ポンプ３は低流量ポンプの特性となる。

ステップＳ１２０では、制御部８は、速度指令Ｓｐが上記第１しきい値ＴＶ１よりも大きいか否か、又は、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも小さいか否か、又は、速度指令Ｓｐが上記第１しきい値ＴＶ１よりも大きく、且つ、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも小さいか否か、を判定する。上記３つの判定条件のいずれかが満たされるまでは本ステップを繰り返し（Ｓ１２０：ＮＯ）、上記３つの判定条件のいずれかが満たされた場合には（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、次のステップＳ１３０に移る。

ステップＳ１３０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１のみが接続された第１接続状態に切り替える。これにより、モータ４は高速モータの特性となり、ポンプ３は高流量ポンプの特性となる。以上により、本フローを終了する。

（５−３．第１接続状態、第２接続状態、第１接続状態の順で切り替え）
図７は、ポンプ３が例えば容積式ポンプ（例えば真空ポンプ）やコンプレッサ等である場合に好適な例である。本フローは、例えばポンプ３の起動時に開始される。

図７に示すように、ステップＳ２１０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１のみが接続された第１接続状態とする。これにより、モータ４は高速モータの特性となり、ポンプ３は高流量ポンプの特性となる。

ステップＳ２２０では、制御部８は、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも大きいか否かを判定する。電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも小さい場合には本ステップを繰り返し（Ｓ２２０：ＮＯ）、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも大きくなった場合には（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、次のステップＳ２３０に移る。

ステップＳ２３０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１及び第２巻線４２の両方が接続された第２接続状態に切り替える。これにより、モータ４は低速モータの特性となり、ポンプ３は低流量ポンプの特性となる。

ステップＳ２４０では、制御部８は、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも小さいか否かを判定する。電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも大きい場合には本ステップを繰り返し（Ｓ２４０：ＮＯ）、電流Ｄｃが上記第２しきい値ＴＶ２よりも小さくなった場合には（Ｓ２４０：ＹＥＳ）、次のステップＳ２５０に移る。

ステップＳ２５０では、制御部８は巻線切替器６を制御して、第１巻線４１のみが接続された第１接続状態に切り替える。これにより、モータ４は高速モータの特性となり、ポンプ３は高流量ポンプの特性となる。以上により、本フローを終了する。

上記制御内容により、次のような効果を得る。例えば、真空ポンプやコンプレッサ等における容積式のポンプ３の場合、起動時は大気圧との差圧が低いため低トルクで高速駆動して大流量を移送し、差圧が大きくなるにつれてトルクが上昇するので高トルクで低速駆動して流量を減少させ、所定の圧力を維持する、といった運転が行われる。その後、差圧が低くなった場合には再び低トルクで高速駆動して大流量を移送し、同様の運転を繰り返す。したがって、上記制御内容によれば、上記の運転に対応するようにポンプの特性を高流量ポンプ、低流量ポンプ、高流量ポンプと切り替えることができるので、高い効率を維持しながらポンプ３を運転することができる。

また、巻線切替を行わない一般的なポンプに比べて、モータ４のトルク及び速度（ポンプ３の揚程及び流量に相当）について幅広い領域に対応することができる。例えば、流量変動への対応、圧力（揚程）変動への対応、流体密度の異なる各種流体への対応、流体粘度の異なる各種流体への対応、スラリー濃度等濃度の異なる各種流体への対応、温度変化によって生じる流体特性の変化への対応等、柔軟な対応が可能となる。

＜６．本実施形態による効果の例＞
以上説明したように、本実施形態のポンプシステム１は、流体を移送するポンプ３と、複数の巻線４１，４２を備え、ポンプ３を駆動するモータ４と、複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替える巻線切替器６と、速度指令Ｓｐに基づいてモータ４に電力を供給してポンプ３の速度を制御する電力変換部５と、速度指令Ｓｐに基づいて複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替えるように、巻線切替器６を制御する制御部８とを有する。

これにより、モータ４の速度に応じて複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替えることにより、モータ４の速度変化に応じてモータ効率を最適化することができる。これにより、ポンプ３における流量の幅広い範囲においてポンプ効率の低下を抑制することが可能となる。したがって、特に流量が変動する条件でポンプ３が運転される場合に、大幅な省電力化を実現できる。

また、本実施形態において、複数の巻線４１，４２が第１巻線４１及び第２巻線４２を含み、制御部８が、第１巻線４１が接続された状態から、速度指令Ｓｐが所定の第１しきい値ＴＶ１よりも小さくなった場合に、第１巻線４１及び第２巻線４２が接続された状態に切り替えるように、巻線切替器６を制御する場合には、次のような効果を得る。

上記制御により、例えばモータ４を高速モータの特性としてポンプ３を高速駆動させている状態（高流量域）から、モータ４の速度を減少させてポンプ３の流量を減少させた場合に、ポンプ３が低流量ポンプの特性に切り替わるので、低流量域におけるポンプ効率の低下を抑制できる。

また、本実施形態において、ポンプシステム１が、接続された状態の巻線の電流を検出する電流センサ７をさらに有し、制御部８が、速度指令Ｓｐと検出された電流Ｄｃに基づいて複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替えるように、巻線切替器６を制御する場合には、次のような効果を得る。

すなわち、モータ４の速度及び電流Ｄｃに応じて複数の巻線４１，４２の接続状態を切り替えることにより、モータ４の速度変化及びトルク変化に応じてモータ効率を最適化することができる。これにより、ポンプ３における流量及び揚程の幅広い範囲において効率の低下を抑制することが可能となる。したがって、特に流量や揚程が変動する条件でポンプ３が運転される場合に、大幅な省電力化を実現できる。

また、本実施形態において、複数の巻線４１，４２が第１巻線４１及び第２巻線４２を含み、制御部８が、第１巻線４１が接続された状態から、電流Ｄｃが所定の第２しきい値ＴＶ２よりも大きくなった場合に、第１巻線４１及び第２巻線４２が接続された状態に切り替えるように、巻線切替器６を制御する場合には、次のような効果を得る。

上記制御により、例えばモータの第１巻線４１を接続させてポンプ３を高速駆動させている状態（高流量域）において、モータ４の出力トルクが増大した場合に第１巻線４１及び第２巻線４２に切り替えることにより、高い効率を維持しながら、ポンプ３の流量を減少させつつ揚程を増大させることができる。

これにより、例えば高流量ポンプの特性において水処理設備等において流体中のスラリー濃度が上昇したことに起因してモータ４の出力トルク（電流Ｄｃ）が増大した場合には、低流量ポンプの特性に切り替えることで必要な揚程を確保させ、ポンプ３の駆動を継続できる。また、流量を減少させることで過剰な負荷を想定してスラリー処理装置を設計する必要がなくなり、最適設計することが可能となる。また、例えば異物の噛み込みや目詰まり等に起因してモータ４の出力トルク（電流Ｄｃ）が増大した場合には、流量を減少させることで過電流の発生や装置の破損、故障等を防止でき、安全性や信頼性を向上できる。

また、本実施形態において、ポンプ３が容積式のポンプやコンプレッサであり、制御部８が、ポンプ３の起動時に第１巻線４１が接続された状態に切り替え、電流Ｄｃが第２しきい値ＴＶ２よりも大きくなった場合に第１巻線４１及び第２巻線４２が接続された状態に切り替え、電流Ｄｃが第２しきい値ＴＶ２よりも小さくなった場合に第１巻線４１が接続された状態に切り替えるように、巻線切替器６を制御する場合には、次のような効果を得る。

例えば真空ポンプやコンプレッサ等における容積式のポンプは、起動時は大気圧との差圧が低いため低トルクで高速駆動して大流量を移送し、差圧が大きくなるにつれてトルクが上昇するので高トルクで低速駆動して流量を減少させ、所定の圧力を維持する。その後、差圧が低くなった場合には再び低トルクで高速駆動して大流量を移送し、同様の運転を繰り返す。したがって、本実施形態によれば上記の運転に対応するように第１巻線４１、第１巻線４１及び第２巻線４２、第１巻線４１の切り替えを実行することにより、高い効率を維持しながら運転することができる。

＜７．変形例＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例について説明する。

（７−１．流体の物理量を使用する場合）
図８を参照しつつ、本変形例に係るポンプシステム１Ａの全体構成の一例について説明する。

図８に示すように、ポンプシステム１Ａは、上述したポンプシステム１の構成に加えて、ポンプ３によって移送される流体の物理量を検出する物理量センサ９を有する。本明細書における「物理量」には、例えば流量、圧力、密度、粘度、濃度、温度等が含まれ、「物理量センサ」には、例えば流量計、圧力計、密度計、粘度計、濃度計、温度計等が含まれる。

物理量センサ９は、例えばポンプ３の吐出口（図示省略）や吸込口（図示省略）、あるいは、吐出口や吸込口に接続された配管やチューブ（図示省略）における検出する物理量に好適な適宜の場所等に設置される。なお、物理量センサ９の数は単数でも複数でもよい。物理量センサ９は、検出した物理量Ｐｑを制御部８に送信する。

これにより、制御部８は、前述の図５〜図７に示す制御を実行する際に、例えば速度指令Ｓｐに加えて流量を判定要素として用いたり、電流Ｄｃに加えて又は代えて圧力や密度、粘度、濃度等を判定要素として用いたり、新たに温度を判定要素に加えることが可能となる。その結果、ポンプ３が使用される流体移送システム（図示省略）への適合性がより高い巻線切替制御を行うことが可能となる。物理量を判定要素とした具体例としては、例えば以下のような場合が考えられる。

（７−１−１．ポンプ３の吐出圧（揚程）を変動させる場合（圧力・流量を判定要素とする場合））
例えば吐出圧が変動する条件でポンプ３を運転する場合、物理量センサ９として圧力センサがポンプ３の吐出口近傍に設けられる。このとき、流量センサがポンプ３の吐出口側等に設けられてもよい。そして、低吐出圧の場合は所定の低圧力側設定値、高吐出圧の場合は所定の高圧力側設定値が設定される。例えば、低吐出圧から高吐出圧に切り替える際は、圧力設定値が低圧力側設定値から高圧力側設定値に切り替わり、所定の流量を確保するように圧力の上昇に応じて巻線切替制御が実行され、高圧力側設定値を維持するようにポンプ３の運転（モータ４の制御）が行なわれる。

実質的な物理量を監視することにより、精度良く巻線切替制御を行なうことができるとともに、一般的なポンプに比べ幅広い領域での吐出圧（揚程）の変動が可能である。

（７−１−２．ポンプ３（送風機）の吐出流量を変動させる場合（流量・圧力を判定要素とする場合））
例えばポンプ３（送風機）から吐出する空気等を水槽の底部から水中に散気する場合、物理量センサ９として流量センサがポンプ３（送風機）の吐出側等に設けられる。このとき、圧力センサがポンプ３（送風機）の吐出口近傍に設けられてもよい。低流量の場合は所定の低流量側設定値、高流量の場合は所定の高流量側設定値が設定される。例えば、高流量から低流量に切り替える際は、流量設定値が高流量側設定値から低流量側設定値に切り替わり、所定の圧力（水深等に対応する圧力）を確保するように流量の低下に応じて巻線切替制御が実行され、低流量側設定値を維持するようにポンプ３（送風機）の運転（モータ４の制御）が行なわれる。

上記と同様、実質的な物理量を監視することにより精度良く巻線切替制御を行なうことができる。また、一般的なポンプ（送風機）では、低流量（低速度）領域では水深や配管抵抗等に対応する吐出圧力を維持するためのモータのトルクを確保できない場合があり、流量の変動領域が狭くなるが、上記の巻線切替制御により、一般的なポンプ（送風機）に比べ幅広い領域での流量の変動が可能である。

また本変形例によれば、例えば流量計や圧力計等の物理量センサは、通常、ポンプ３が使用される流体処理システムにおいて予め設置されている。このような既存設備を流用することで、新たに物理量センサを設置する必要が無くなりコストを削減できる。

（７−２．巻線切替器の別の回路構成）
図９を参照しつつ、本変形例に係るモータ制御システム２Ａの全体構成の一例について説明する。なお、図９において、前述の図２と同様の構成には同符号を付し、説明を省略する。

モータ制御システム２Ａでは、第１巻線４１と第２巻線４２とが互いに分離した状態でモータ４Ａに内蔵されている。第１巻線４１の一方側は、電流センサ７を介して電力変換部５に接続されている。また、第１巻線４１の他方側と第２巻線４２の一方側とは、個別に巻線切替器６Ａに接続されている。また、第２巻線４２の他方側は、第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ同士が互いに電気的に接続され、中性点ＮＰ１を構成する。

巻線切替器６Ａは、三相交流電力の相ごとに設けられた３つのスイッチング素子６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃと、３つのスイッチング素子６９Ｄ，６９Ｅ，６９Ｆとを有する。各スイッチング素子６９Ａ〜６９Ｆは、例えばＳｉＣやＧａＮ等の半導体により構成されるが、前述のように電磁開閉器等の機械的スイッチとしてもよい。スイッチング素子６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃの一方側は互いに電気的に接続され、中性点ＮＰ２を構成する。スイッチング素子６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃの他方側と、スイッチング素子６９Ｄ，６９Ｅ，６９Ｆの一方側とは、第１巻線４１の他方側にそれぞれ接続されている。また、スイッチング素子６９Ｄ，６９Ｅ，６９Ｆの他方側は、第１巻線４１の一方側にそれぞれ接続されている。

スイッチング素子６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃは、制御部８からの切替指令Ｓｗに応じて、バイパス回路６０から第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃへの電流を通す状態と、バイパス回路６０から第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃへの電流を遮断する状態とを、切り替える。スイッチング素子６９Ｄ，６９Ｅ，６９Ｆは、制御部８からの切替指令Ｓｗに応じて、第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃから第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃへの電流を通す状態と、第１巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃから第２巻線４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃへの電流を遮断する状態とを、切り替える。

例えばスイッチング素子６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃが閉成され、且つ、スイッチング素子６９Ｄ，６９Ｅ，６９Ｆが開成された場合には、電力変換部５の出力電力が第１巻線４１のみに供給される第１接続状態となる。反対に、例えばスイッチング素子６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃが開成され、且つ、スイッチング素子６９Ｄ，６９Ｅ，６９Ｆが閉成された場合には、電力変換部５の出力電力が第１巻線４１及び第２巻線４２の両方に供給される第２接続状態となる。このようにして、巻線切替器６は、制御部８からの切替指令Ｓｗに応じて、上述した第１接続状態と第２接続状態とを切り替える。

本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得る。

なお、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

＜８．制御部のハードウェア構成例＞
次に、図１０を参照しつつ、上述した制御部８のハードウェア構成例について説明する。

図１０に示すように、制御部８は、例えば、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ等の特定の用途向けに構築された専用集積回路９０７と、入力装置９１３と、出力装置９１５と、記録装置９１７と、ドライブ９１９と、接続ポート９２１と、通信装置９２３とを有する。これらの構成は、バス９０９や入出力インターフェース９１１を介し相互に信号を伝達可能に接続されている。

プログラムは、例えば、ＲＯＭ９０３やＲＡＭ９０５、記録装置９１７等に記録しておくことができる。

また、プログラムは、例えば、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、各種のＣＤ・ＭＯディスク・ＤＶＤ等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブルな記録媒体９２５に、一時的又は非一時的（永続的）に記録しておくこともできる。このような記録媒体９２５は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することもできる。この場合、これらの記録媒体９２５に記録されたプログラムは、ドライブ９１９により読み出されて、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。

また、プログラムは、例えば、ダウンロードサイト・他のコンピュータ・他の記録装置等（図示せず）に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、ＬＡＮやインターネット等のネットワークＮＷを介し転送され、通信装置９２３がこのプログラムを受信する。そして、通信装置９２３が受信したプログラムは、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。

また、プログラムは、例えば、適宜の外部接続機器９２７に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、適宜の接続ポート９２１を介し転送され、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。

そして、ＣＰＵ９０１が、上記記録装置９１７に記録されたプログラムに従い各種の処理を実行することにより、上記の図５〜図７等に示す制御内容が実現される。この際、ＣＰＵ９０１は、例えば、上記記録装置９１７からプログラムを直接読み出して実行してもよいし、ＲＡＭ９０５に一旦ロードした上で実行してもよい。更にＣＰＵ９０１は、例えば、プログラムを通信装置９２３やドライブ９１９、接続ポート９２１を介し受信する場合、受信したプログラムを記録装置９１７に記録せずに直接実行してもよい。

また、ＣＰＵ９０１は、必要に応じて、例えばマウス・キーボード・マイク（図示せず）等の入力装置９１３から入力する信号や情報に基づいて各種の処理を行ってもよい。

そして、ＣＰＵ９０１は、上記の処理を実行した結果を、例えば表示装置や音声出力装置等の出力装置９１５から出力してもよく、さらにＣＰＵ９０１は、必要に応じてこの処理結果を通信装置９２３や接続ポート９２１を介し送信してもよく、上記記録装置９１７や記録媒体９２５に記録させてもよい。

１ ポンプシステム（流体移送システム）
１Ａ ポンプシステム（流体移送システム）
３ ポンプ（流体移送装置）
４ モータ
４Ａ モータ
５ 電力変換部
６ 巻線切替器
６Ａ 巻線切替器
７ 電流センサ
８ 制御部
９ 物理量センサ
４１ 第１巻線（複数の巻線）
４２ 第２巻線（複数の巻線）
Ｄｃ 電流
Ｐｑ 物理量
Ｓｐ 速度指令
ＴＶ１ 第１しきい値
ＴＶ２ 第２しきい値

Claims (7)

1. 流体を移送する流体移送装置と、
   複数の巻線を備え、前記流体移送装置を駆動するモータと、
   前記複数の巻線の接続状態を切り替える巻線切替器と、
   速度指令に基づいて前記モータに電力を供給する電力変換部と、
   前記速度指令に基づいて前記複数の巻線の接続状態を切り替えるように、前記巻線切替器を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする流体移送システム。
2. 前記複数の巻線は、
   第１巻線及び第２巻線を含み、
   前記制御部は、
   前記第１巻線が接続された状態から、前記速度指令が所定の第１しきい値よりも小さくなった場合に、前記第１巻線及び前記第２巻線が接続された状態に切り替えるように、前記巻線切替器を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の流体移送システム。
3. 接続された状態の前記巻線の電流を検出する電流センサをさらに有し、
   前記制御部は、
   前記速度指令と前記電流に基づいて前記複数の巻線の接続状態を切り替えるように、前記巻線切替器を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体移送システム。
4. 前記複数の巻線は、
   第１巻線及び第２巻線を含み、
   前記制御部は、
   前記第１巻線が接続された状態から、前記電流が所定の第２しきい値よりも大きくなった場合に、前記第１巻線及び前記第２巻線が接続された状態に切り替えるように、前記巻線切替器を制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載の流体移送システム。
5. 前記流体移送装置は、
   容積式の流体移送装置であり、
   前記制御部は、
   前記流体移送装置の起動時に前記第１巻線が接続された状態に切り替え、前記電流が前記第２しきい値よりも大きくなった場合に前記第１巻線及び前記第２巻線が接続された状態に切り替え、前記電流が前記第２しきい値よりも小さくなった場合に前記第１巻線が接続された状態に切り替えるように、前記巻線切替器を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の流体移送システム。
6. 前記流体移送装置によって移送される前記流体の物理量を検出する物理量センサをさらに有し、
   前記制御部は、
   少なくとも前記速度指令と前記物理量に基づいて前記複数の巻線の接続状態を切り替えるように、前記巻線切替器を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体移送システム。
7. 流体を移送する流体移送装置と、
   複数の巻線を備え、前記流体移送装置を駆動するモータと、
   前記複数の巻線の接続状態を切り替える巻線切替器と、
   速度指令に基づいて前記モータに電力を供給する電力変換部と、
   を有する流体移送システムの制御方法であって、
   前記速度指令に基づいて前記複数の巻線の接続状態を切り替えること、
   を有することを特徴とする流体移送システムの制御方法。

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