(57)【要約】【課題】本発明は、吐出圧力一定、または、推定末端圧力一定制御によって制御されている可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプが複数台並列運転する場合、並列運転されるポンプの揚程−流量特性にばらつきがある場合でも、それぞれポンプの流量を自動的に調整し、ポンプの分担流量を均一化するポンプ流量制御方法およびポンプ流量制御システムに関するものである。【解決手段】本発明のポンプ流量制御方法またはポンプ流量制御装置は、ポンプの揚程−流量を表す二次近似式より、前記各ポンプ毎の分担流量を演算し、前記ポンプの全ての分担流量を合計して全流量を求め、前記値を並列運転中のポンプ台数で割算することによって、ポンプ１台当たりが分担すべき平均流量を求める。前記ポンプの平均流量は、前記各ポンプの設定流量として設定する設定手段に設けられ、各ポンプの演算流量と比較され、その偏差が小さくなるように、PIまたはPIDコントローラによって、各ポンプのインバータ周波数を調整する。【選択図】図２
2010019223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧・可変周波数電源にて制御される電動機で駆動する可変速ポンプを複数台並列運転し、前記ポンプ圧力を吐出圧力一定制御、または、推定末端圧力一定制御方式によって制御するポンプ流量制御方法において、
各ポンプのそれぞれの周波数指令、あるいは、前記各ポンプ用インバータの周波数と、前記各ポンプの揚程―流量特性を表す二次近似式と、前記ポンプの正味発生揚程とによって、それぞれのポンプの流量を演算するとともに、それぞれの流量を合計し、
前記ポンプ台数で割算することによって、前記ポンプ１台当たりの平均流量を求め、
前記ポンプ１台当たりの平均流量を設定流量とし、前記各ポンプの設定流量の演算値とそれぞれ比較することにより、それぞれの偏差が小さくなるように、PIまたはPID制御によって、インバータの周波数を補正するように構成した流量制御のマイナーループを置き、
一つ一つのポンプの揚程−流量特性に、ばらつきがあっても、それぞれのポンプ分担流量をほぼ等しく制御できるようにしたことを特徴とするポンプ流量制御方法。
【請求項２】
可変電圧・可変周波数電源にて制御される電動機で駆動する可変速ポンプを複数台並列運転し、前記ポンプ圧力を吐出圧力一定制御、または、推定末端圧力一定制御方式によってそれぞれのポンプを制御するポンプ流量制御システムにおいて、
各ポンプのそれぞれの周波数指令、あるいは、各ポンプ用インバータの周波数と、各ポンプの揚程―流量特性を表す二次近似式と、ポンプの正味発生揚程とによって、それぞれのポンプの流量を演算するとともに、それぞれのポンプの流量を合計する全流量演算回路と、
前記全流量演算回路の演算結果をポンプ台数で割算することによって、前記ポンプ１台当たりの平均流量を求める平均流量演算回路と、
前記平均流量演算回路によって演算された平均流量を設定流量とし、前記の各ポンプの流量の演算値とをそれぞれ比較することにより、それぞれの偏差が小さくなる様に、PIまたはPID制御によって、インバータの周波数を補正する様に構成した流量制御のマイナーループからなる流量制御回路と、
を少なくとも備え、前記流量制御回路によってポンプの分担流量をほぼ等しく制御できるようにしたことを特徴とするポンプ流量制御システム。
【請求項３】
ポンプ流量制御システムは、
前記流量制御回路の出力を設定された値以下に制限できるリミッタ回路と、前記流量制御回路の制御動作に過大な外乱を与えない圧力制御回路とを少なくとも備えていることを特徴とする請求項２に記載されたポンプ流量制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吐出圧力一定、または、推定末端圧力一定制御によって制御されている可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプが複数台並列運転する場合、並列運転されるポンプの揚程−流量特性にばらつきがある場合であっても、それぞれポンプの流量を自動的に調整し、ポンプの分担流量を均一化するポンプ流量制御方法およびポンプ流量制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術において、可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプは、複数台を並列運転する場合、各ポンプの揚程−流量特性にばらつきの少ないポンプを選定し、各ポンプの分担流量がほぼ等しくなるように構成していた。このために、多数のポンプの並列運転、たとえば、１０台のポンプの並列運転は、各ポンプの揚程−流量特性にバラツキがあり、各ポンプの分担流量にアンバランスが生じ、並列運転が困難であった。多数のポンプの並列運転は、たとえば、特開２００８−１４２３０号公報に記載されている。
【特許文献１】特開２００８−１４２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上のような課題を解決するために、本発明は、吐出圧力一定制御、または、推定末端圧力一定制御によって、多数のポンプを並列運転する給水システムにおいて、各ポンプの揚程−流量特性に、ばらつきがあっても、各ポンプの流量を自動的に調整し、各ポンプの流量を均等化するポンプ流量制御方法またはポンプ流量制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のポンプ流量制御方法またはポンプ流量制御装置は、ポンプの揚程−流量を表す二次近似式より、前記各ポンプ毎の分担流量を演算し、前記ポンプの全ての分担流量を合計して全流量を求め、前記値を並列運転中のポンプ台数で割算することによって、ポンプ１台当たりが分担すべき平均流量を求める。そして、前記ポンプの平均流量は、前記各ポンプの設定流量として設定する設定手段に設けられる。
【０００５】
次ぎに、前記設定流量と各ポンプの演算流量とは、比較され、その偏差が小さくなるように、PIまたはPIDコントローラによって、各ポンプのインバータ周波数を調整して、各ポンプの分担流量が等しくするように流量制御装置により制御される。さらに、前記PIまたは、PID制御器は、出力を制限するリミッタ回路が置かれ、流量制御動作が、ポンプの圧力制御系の過大な外乱とならないように制御する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、並列運転する各ポンプの揚程−流量特性に、バラツキがあっても、各ポンプの分担流量を自動的に均等化する流量制御によって、各ポンプの分担流量が均等化され、正確な推定末端圧力一定制御、あるいは、吐出圧力一定制御が遂行できる。特に、本発明によれば、ポンプ特性および定格の異なるポンプの並列運転に拡張することができる。
【０００７】
本発明によれば、ポンプ特性の異なる同一定格のポンプを多数並列運転することにより、大流量給水システムを構築することができ、ポンプ機種を少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を、可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプ３台の並列運転方式の直結給水システムに応用した場合の全体構成図を示している。図１において、本発明の流量演算・流量制御ブロックFLBAL４１は、図２において、詳細が後述される。
【０００９】
図１において、３台のポンプ１、２、３は、インバータ２１、２２、２３によって可変電圧、可変周波数制御される電動機１６、１７、１８によって駆動される。図１に示すポンプ駆動回路は、逆止弁４、６、８、締切弁５、７、９、水道本管への逆流を防止する逆止弁１０、バイパス逆流防止弁１１が３台のポンプ１、２、３に対して設置され、推定末端圧力一定制御によって、前記ポンプより下流側に、所定の圧力で給水運転が出来るように構成されている。
【００１０】
前記ポンプ駆動回路は、ポンプ停止時圧力を保持するための圧力タンク１２、および流量が規定流量以下になったことを検出するフロースイッチ１３が設けられている。但し、前記圧力タンク１２、フロースイッチ１３の作用は、本発明の作用に直接関係しないので、以後の説明で、省略している。圧力設定３１−５は、推定末端圧力一定制御の最小揚程hS0（ｐ.ｕ.）を設定するもので、本発明の流量演算・流量制御回路ブロックFLBAL４１によって演算された管路摩擦損失揚程Δｈ（ｐ.ｕ.）を加算することにより、圧力設定hS0（ｐ.ｕ.）＋Δｈ（ｐ.ｕ.）を生成する。
【００１１】
前記圧力設定hS0（ｐ.ｕ.）＋Δｈ（ｐ.ｕ.）は、吐出圧力検出器１４の出力hIと比較され、その偏差は、PIDまたはPIコントローラ３１−１によって増幅され、インバータに対する周波数指令ｆ0を出力する。前記周波数指令ｆ0は、本発明の流量演算・流量制御ブロックFLBAL４１を経由して、それぞれのD/A変換器３１−２、３１−３、３１−４に与えられる。それぞれのD/A変換器の出力は、インバータ２１、２２、２３に周波数指令f1S、f2S、f3Sを与え、それぞれのポンプの速度を調整することにより、推定末端圧力一定制御を構成している。
【００１２】
吸込圧力検出器１５は、吸込み側水道本管の圧力を検出するもので、ポンプ吐出圧力との差を演算するために使用される。また、図示していないが、水道本管側の圧力が規定圧力以上の時のみ、ポンプが運転出来るようにインターロックするために使用される。ポンプの並列投入運転や解列運転、また、ポンプ吐出側圧力低下によってポンプを自動始動する制御、保圧運転制御、上記の本管圧力低下時のポンプ運転阻止制御等は、公知のシーケンス制御によって実施される。従って、本発明では、これ等の制御機能や作用については、説明を省略している。
【００１３】
次に、本発明の流量演算・流量制御ブロックFLBAL４１について、その構成と動作を図２において説明する。一次遅れ関数発生器４１−１、４１−２、４１−３は、コントローラ３１からそれぞれのポンプの周波数指令f1(p.u.)、f2(p.u.)、f3(p.u.)の入力を受け取り、予め設定された時定数で、二乗演算器４１−４、４１−５、４１−６に、信号を伝達する。係数器４１−７、４１−８、４１−９は、ポンプの締切り揚程を設定する。図２において、前記係数器４１−７、４１−８、４１−９は、それぞれのポンプの係数をa1、a2、a3に設定する。
【００１４】
流量係数器４１−１０、４１−１０、４１−１２は、ポンプの流量の二乗に対する圧力降下の係数（以下、本発明では、流量係数と表記する。）の逆数を設定する係数器で、1/b1、1/b2、1/b3に設定されている。根演算器４１−１３、４１−１４、４１−１５は、流量計数器４１−１０、４１−１１、４１−１２の出力の平方根を演算する。図２に示すように、それぞれ、q1(p.u.)、q2(p.u.)、q3(p.u.)を出力する。前記出力q1(p.u.)、q2(p.u.)、q3(p.u.)は、図示のように、加算され、二乗演算器４１−１６によって、二乗され、推定末端圧力一定制御の管路の圧力降下を設定する係数器４１−１７に与えられる。
【００１５】
係数器４１−１７は、係数kqが設定されている場合、その出力は、kq×（q1(p.u.)＋q2(p.u.)＋q3(p.u.)）2＝Δh0となる。演算形リミッタ４１−１８は、図１の圧力設定器３１−５によって設定されたhS0（p.u.)にΔh0の値が加算された結果、もし、その値が1.00(p.u.)を超えた場合、hS0＋Δh0≦1.00を満足するよう、Δh0を制限した値Δhに変換する働きをする。これは、管路の圧力降下係数を誤って過大に設定した場合でも、ポンプの吐出圧力を定格圧力以下に制限するためのものである。
【００１６】
このような構成によって、揚程―流量特性にばらつきがあるポンプ３台を並列運転した場合、各ポンプの分担流量が演算され、３台のポンプの合計流量が演算出来る。根演算器４１−１３、４１−１４、４１−１５は、それぞれのポンプの分担流量q1(p.u.)、q2(p.u.)、q3(p.u.)が求まり、また、演算形リミッタ４１−１８の出力に、推定末端圧力一定制御の目標圧力曲線を生成するに必要な管路の圧力降下、Δｈ (p.u.)が生成される。
【００１７】
前記圧力は、流量設定器３１−５の最小圧力設定に加算され、かくて、ポンプの全流量に対応した推定末端圧力（揚程）一定制御の目標曲線が、ｈS0＋Δｈ
(p.u.)として生成される。本発明の図１において、各インバータに周波数指令を与えるD/A変換器３１−２、３１−３、３１−４の入力信号、ｆ1、ｆ2、ｆ3によって、Δｈ (p.u.)を生成する。本発明では、圧力制御用PIまたはPIDコントローラ３１−１の出力ｆ0とｆ1、ｆ2、ｆ3間にそれぞれ、Δｆ1、Δｆ2、Δｆ3の加算回路が挿入される。
【００１８】
図２の逆数設定係数器４１−１９は、並列運転されているポンプ台数の逆数を設定する係数器で、前記ポンプが３台並列運転されている時には、１／３に設定される。つまり、合計流量q1(p.u.)+q2(p.u.)+q3(p.u.)の１／３がqsとして設定される。この設定流量qsは、前記根演算器４１−１３、４１−１４、４１−１５の出力である、q1(p.u.)、q2(p.u.)、q3(p.u.)とそれぞれ比較され、その偏差は、流量制御用PIまたはPIDコントローラ４１−２０、４１−２１、４１−２２に与えられる。
【００１９】
前記流量制御用PIまたはPIDコントローラ４１−２０、４１−２１、４１−２２の出力側に置かれたリミッタ回路４１−２３、４１−２４、４１−２５は、流量制御用PIまたは、前記PIDコントローラの出力を設定された値以下に制限する。これは、流量制御系が圧力制御系に不必要な外乱を与えないように考慮したものである。このように構成することにより、流量バランス制御が遂行される。例えば、もし、q1＞qsならば、Δq1＜0になり、Δf1＜0になり、インバータ周波数をΔf1だけ低下させ、q1を低下せしめ、q1が、ほぼqsに等しくなるように制御する。
【００２０】
流量制御用PIまたはPIDコントローラの比例ゲイン、積分時定数は、一次遅れ関数発生器４１−１、４１−２、４１−３に設定されている遅れ時定数と比較的に大きな管路の時定数を考慮して、設定する。例えば、比例ゲインを１．０以下にし、積分時定数を２．０ｓｅｃ程度にすれば、通常の直送給水システムでは、安定な流量制御が遂行される。図３に示すグラフは、流量と時間の関係で積分時定数が短い場合（イ）と、積分時定数が適当な場合（ロ）のシミュレーション例を示したものである。
【００２１】
図４と図５に示す実施例は、図１、図２と異なる実施例を示したものである。図１では、各インバータとの信号授受を簡単にするために、流量演算・流量制御ブロック４１では、ポンプの速度を推定するために、ポンプの周波数指令、f1、f2、f3を使用している。もし、この周波数指令と実際のインバータ周波数が何等かの理由で相違する場合には、ポンプ速度の推定に誤差を生ずることになる。たとえば、インバータ動作の不良が発生しておれば、該当ポンプの速度は、指令周波数で推定演算した速度と異なった速度になる。結果として、正確な流量演算が出来なくなる。図２、図５は、この問題を解決するための発明である。ここでは、流量を演算する周波数をインバータ周波数指令ではなくて、実際のインバータの周波数f1V、f2V、f3Vを使用している。
【００２２】
図４、図５の構成は、流量演算・流量制御ブロック４１を、流量演算・流量制御ブロック４２に変更しているのみで、その作用、動作は、図１、図２に準じたものとなる。但し、前述のように、図２では、流量演算を周波数指令であるf1、f2、f3を使用しているが、図４では、インバータ側から実際の周波数、f1V、f2V、f3Vをフィードバックしている。
【００２３】
図５の実施例では、インバータ側からアナログ信号で与えられたインバータ周波数を、A/D変換器４２−２６、４２−２７、４２−２８のを介して、インバータ周波数として取り込み、演算している。流量演算・流量制御ブロック４２の詳細は、流量演算の入力をインバータ側から実際の周波数、f1V、f2V、f3Vに変更している点を除けば、その動作、作用は、流量演算・流量制御ブロック４１と全く同様である。つまり、図５に示す符合し４２−１から４２−２５までは、図２に示す符号４１−１から、４１−２５に対応している。このように構成することにより、ポンプ速度の推定がより確実なものとなる。
【００２４】
また、異常発見が容易になる特徴が生まれる。例えば、図示していないが、流量制御用PIまたは、PIDコントローラの出力側に置かれたリミッタ４２−２３、４２−２４、４２−２５の出力を監視する手段を置く。このようにすることにより、もし、ポンプを並列投入後、該ポンプのリミッタの出力が所定の時間経過しても、制限値のままであれば、ポンプ故障として検出出来る。よって、故障警報を発する共に、待機ポンプを自動起動する等の対策が可能になる。つまり、断水の機会を減ずる制御を構成することができる。
【００２５】
以上の説明では、３台ポンプの場合を示したが、３台以上のポンプの並列運転の場合に対しても適用出来ることは明らかである。特に、例えば、並列ポンプが８台以上と云うように、多数のポンプを並列運転するような場合には、揚程―流量特性にばらつきを避けることが難しくなる。このような場合にも、本発明の方式を採用すれば、流量分担が均等化され、安全で正確な推定末端圧力一定制御が遂行される。
【００２６】
また、本発明の方式は、吐出圧力一定制御にも適用できる。この場合は、推定末端圧力一定制御の目標曲線を、ｈS0＋Δｈ  (p.u.)＝ｈS0＋Kq (q1 ＋q2＋q3)2  (p.u.)において、Kq＝0に設定し、ｈS0を必要な吐出圧に設定変更するだけで良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用した３台ポンプの推定末端圧力一定制御を行いつつ、流量制御を行う場合の全体構成を示している。（実施例１）
【図２】本発明の本発明の流量演算・流量制御ブロックを説明するための図である。
【図３】（イ）は流量と時間の関係で積分時定数が短い場合、（ロ）は積分時定数が適当な場合を説明するための図である。
【図４】本発明の異なる実施例の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の異なる実施例である流量演算・流量制御ブロックを説明するための図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、２、３・・・ポンプ
４、６、８・・・逆止弁
５、７、９・・・締切弁
１０・・・逆流防止用逆止弁
１１・・・バイパス逆流防止弁
１２・・・圧力タンク
１３・・・フロースイッチ
１４・・・吐出圧力検出器
１５・・・吸込圧力検出器
１６、１７、１８・・・ポンプ
２１、２２、２３・・・インバータ
３１・・・コントローラ
４１、４２・・・流量演算・流量制御ブロック
【図１】
2010019223.tif 000003
【図２】
2010019223.tif 000004
【図３】
2010019223.tif 000005
【図４】
2010019223.tif 000006
【図５】
2010019223.tif 000007