(57)【要約】【課題】自由回転しているモータを減速させることなく滑らかに始動させることができ、かつモータの誘起電圧がインバータに印加されることを防止することができるポンプ装置を提供する。【解決手段】ポンプ装置は、ポンプＰと、ポンプＰに連結されたモータＭと、モータＭを駆動するインバータ１０と、モータＭに発生した誘起電圧から、自由回転するモータＭの回転速度を検出するモータ状態検出部５０と、ポンプＰの吐出し圧力と所定の目標圧力との差分を最少とするためのモータＭの速度指令値を生成するポンプ制御部６０と、モータＭが速度指令値で回転するために必要な電圧指令値を算出するインバータ制御部１６とを備える。ポンプ制御部６０は、モータ状態検出部５０によって検出されたモータＭの回転速度を速度指令値の初期値として使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプと、
前記ポンプに連結されたモータと、
前記モータを駆動するインバータと、
前記モータに発生した誘起電圧から、自由回転する前記モータの回転速度を検出するモータ状態検出部と、
前記ポンプの吐出し圧力と所定の目標圧力との差分を最少とするための前記モータの速度指令値を生成するポンプ制御部と、
前記モータが前記速度指令値で回転するために必要な電圧指令値を算出し、該電圧指令値を前記インバータに送信するインバータ制御部とを備え、
前記ポンプ制御部は、前記モータ状態検出部によって検出された前記モータの回転速度を前記速度指令値の初期値として使用することを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
前記モータ状態検出部は、前記モータから発生する誘起電圧から、自由回転する前記モータの回転方向をさらに検出することを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を移送するポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータは、高効率かつメンテナンスフリーであることから、ポンプを駆動するモータとして広く使用されている。建物に水を供給する給水装置では、ポンプの吐出し圧力が所定の目標圧力に維持されるように、インバータを介してモータがポンプ制御部によって制御される。より具体的には、ポンプ制御部は、現在の吐出し圧力と目標圧力との差分を最小とするための速度指令値を算出し、これをインバータ制御部に送る。インバータ制御部は、モータが速度指令値で回転するために必要な電圧指令値を算出し、この電圧指令値をインバータに送信する。さらに、インバータは電圧指令値に対応する電圧をモータに印加し、これによりポンプの吐出し圧力が所定の目標圧力に維持されるようにモータが回転される。
【０００３】
モータの始動時には、通常、速度指令値の初期値として０［ｍｉｎ−１またはＨｚまたはω］がインバータ制御部に入力される。モータは、停止状態から速度指令値の増加に従って徐々に増速していく。しかしながら、モータを始動する状況には、停止している状態のモータを始動する場合のみならず、慣性または外部エネルギーにより自由回転しているモータを始動する場合も含まれる。例えば、モータに電力が供給されていないときであっても、ポンプ内を流れる液体により羽根車が水車としてモータを回転させることがある。モータの自由回転は、瞬間的な停電の直後にも起こる。すなわち、モータがインバータにより駆動されている最中に瞬間的な停電が起こると、モータに電力が供給されていなくても、モータは慣性によりしばらくの間は回転し続ける。
【０００４】
モータが自由回転している状態で速度指令値０がインバータ制御部に入力されると、モータは一旦減速してから目標圧力に向かって加速することになる。さらに、インバータの出力電圧がモータの誘起電圧よりも低い場合には、モータの誘起電圧がインバータに印加され、最悪の場合には、インバータに内蔵されたコンデンサを破壊することもありうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１２／１３３８８７号
【特許文献２】特開２００４−１５９５００号公報
【特許文献３】特開２００５−１３７１０６号公報
【特許文献４】特開２０１１−０１９３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、自由回転しているモータを減速させることなく滑らかに始動させることができ、かつモータの誘起電圧がインバータに印加されることを防止することができるポンプ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】
【０００７】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ポンプと、前記ポンプに連結されたモータと、前記モータを駆動するインバータと、前記モータに発生した誘起電圧から、自由回転する前記モータの回転速度を検出するモータ状態検出部と、前記ポンプの吐出し圧力と所定の目標圧力との差分を最少とするための前記モータの速度指令値を生成するポンプ制御部と、前記モータが前記速度指令値で回転するために必要な電圧指令値を算出し、該電圧指令値を前記インバータに送信するインバータ制御部とを備え、前記ポンプ制御部は、前記モータ状態検出部によって検出された前記モータの回転速度を前記速度指令値の初期値として使用することを特徴とするポンプ装置である。
本発明の好ましい態様は、前記モータ状態検出部は、前記モータから発生する誘起電圧から、自由回転する前記モータの回転方向をさらに検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、モータは、自由回転している現在の回転速度から徐々に加速される。したがって、モータが一旦減速したり、モータの誘導電圧がインバータに印加されることが防止される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のポンプ装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】ポンプおよびモータが正方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図である。
【図３】ポンプおよびモータが逆方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図である。
【図４】モータ状態検出部の一例を示すブロック図である。
【図５】自由回転しているモータの回転速度（角周波数）を算出するフローチャートを示す図である。
【図６】パルスエッジの位相を示す図である。
【図７】図１に示すインバータの詳細を示すブロック図である。
【図８】インバータ制御部のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明のポンプ装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、ポンプ装置は、液体が流れる配管３に接続されたポンプＰと、このポンプＰに連結されたモータＭと、このモータＭに可変周波数の電圧を印加してモータＭを駆動するインバータ１０と、インバータ１０からモータＭに印加される電圧を測定する電圧測定器２１とを備えている。インバータ１０は、商用電源などの交流電源１に接続されている。ポンプＰは羽根車（図示せず）を備えており、モータＭによって回転される羽根車により配管３内の液体を矢印で示す方向に移送する。
【００１１】
ポンプ装置は、さらに、インバータ１０を制御するインバータ制御部１６と、インバータ制御部１６にモータＭの速度指令値を送信するポンプ制御部６０と、ポンプＰの吐出し圧力を測定する圧力センサ（圧力測定器）４とを備えている。圧力センサ４は、配管３に取り付けられている。圧力センサ４はポンプ制御部６０に接続されており、吐出し圧力の測定値はポンプ制御部６０に送られるようになっている。
【００１２】
ポンプ制御部６０は、吐出し圧力の測定値と予め設定された目標圧力との差分を算出し、この差分を最小にするためのモータＭの速度指令値を算出する。インバータ制御部１６は、ポンプ制御部６０から速度指令値を受信し、モータＭがこの速度指令値で回転するために必要な電圧指令値を生成する。インバータ１０は、この電圧指令値を受信し、この電圧指令値で示される電圧を生成し、モータＭに印加する。このようにして、モータＭはポンプＰを回転させて、目標圧力を達成する。
【００１３】
モータＭが停止しているときに配管３内を液体が流れると、ポンプＰが液体の流れにより回転し、ポンプＰに連結されているモータＭも回転する。さらに、モータＭがインバータ１０により駆動されている最中に瞬間的な停電が起こると、モータＭに電力が供給されていなくても、モータＭのロータは慣性によりしばらくの間は回転し続ける。本明細書では、モータＭが電力の供給を受けずに、外部の運動エネルギーまたは慣性により回転している状態を「自由回転」という。
【００１４】
自由回転しているモータＭは、誘起電圧を発生する。このモータＭに発生した誘起電圧は、電圧測定器２１によって測定される。ポンプ装置は、モータＭの誘起電圧からモータＭの回転速度および回転方向を決定するモータ状態検出部５０をさらに備えている。このモータ状態検出部５０は、モータＭに誘起される三相電圧、すなわちＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧の位相の時間変化から、自由回転しているモータＭの回転速度を検出し、さらにＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧の相順からモータＭの回転方向を検出する。
【００１５】
図２はポンプＰおよびモータＭが正方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図であり、図３はポンプＰおよびモータＭが逆方向に自由回転しているときの三相電圧を示す図である。図２に示すように、ポンプＰが正方向に回転しているとき、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧は、この順に１２０度の位相差をもって生成される。液体の逆流によりポンプＰが逆方向に回転しているときは、図３に示すように、Ｕ相電圧、Ｗ相電圧、およびＶ相電圧は、この順に１２０度の位相差をもって生成される。このように、ポンプＰの回転方向、すなわち、モータＭの回転方向によって、モータＭの誘起電圧の相順が異なる。モータ状態検出部５０は、モータＭの誘起電圧の相順からモータＭの回転方向を決定する。
【００１６】
図４は、モータ状態検出部５０の一例を示すブロック図である。モータ状態検出部５０は、Ｖ相電圧とＵ相電圧との差にしたがって第１のパルス信号ＰＵＶを生成する第１の電圧比較器５１Ａと、Ｗ相電圧とＶ相電圧との差にしたがって第２のパルス信号ＰＶＷを生成する第２の電圧比較器５１Ｂと、第１のパルス信号ＰＵＶのパルスエッジを検出する第１のパルスエッジ検出部５２Ａと、第２のパルス信号ＰＶＷのパルスエッジを検出する第２のパルスエッジ検出部５２Ｂと、第１のパルス信号ＰＵＶのパルスエッジと第２のパルス信号ＰＶＷのパルスエッジの時間変化および順序からモータＭの回転速度および回転方向を決定する状態決定部５５とを備えている。
【００１７】
第１の電圧比較器５１Ａは、Ｕ相の電圧とＶ相の電圧とを比較して、図２および図３に示すようなパルス信号ＰＵＶを生成する。具体的には、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも高いときは高位信号を発生し、Ｖ相の電圧がＵ相の電圧よりも低いときは低位信号を発生する。同様に、第２の電圧比較器５１Ｂは、Ｖ相の電圧とＷ相の電圧とを比較して、パルス信号ＰＶＷを生成する。すなわち、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも高いときは高位信号を発生し、Ｗ相の電圧がＶ相の電圧よりも低いときは低位信号を発生する。
【００１８】
図２および図３から分かるように、パルス信号ＰＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２は、Ｕ相の電圧とＶ相の電圧とが交差する点で現れ、パルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４は、Ｖ相の電圧とＷ相の電圧とが交差する点で現れる。
【００１９】
電圧比較器５１Ａ，５１Ｂで生成されたパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷは、それぞれ第１のパルスエッジ検出部５２Ａおよび第２のパルスエッジ検出部５２Ｂに送られる。第１のパルスエッジ検出部５２Ａは、パルス信号ＰＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２を検出し、これら立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を状態決定部５５に送る。同様に、第２のパルスエッジ検出部５２Ｂは、パルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４を検出し、これら立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を状態決定部５５に送る。以下、これらパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを、総称してパルスエッジと呼ぶ。図２および図３から、モータＭの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れることが分かる。
【００２０】
図２から、モータＭが正方向に回転しているとき、モータＭの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ３，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ１がこの順に現れることが分かる。これに対して、モータＭが逆方向に回転しているとき、モータＭの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３がこの順に現れることが図３から分かる。したがって、状態決定部５５は、パルス信号ＰＵＶ，ＰＶＷのパルスエッジが現れる順序から、モータＭの回転方向を決定することができる。すなわち、状態決定部５５は、パルスエッジＥ３，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ１がこの順に現れたときは、モータＭが正方向に回転していることを示す回転方向信号を出力し、パルスエッジＥ１，Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３がこの順に現れたときは、モータＭが逆方向に回転していることを示す回転方向信号を出力する。回転方向信号は、ポンプ制御部６０に送られる。
【００２１】
状態決定部５５は、上述したように、パルスエッジの順序からモータＭの回転方向を決定する。さらに、状態決定部５５は、第１のパルスエッジ検出部５２Ａまたは第２のパルスエッジ検出部５２Ｂからのパルスエッジ検出信号を受けると、以下に説明するように、モータＭの位相の特定および角周波数（すなわち回転速度のスカラー量）の計算を開始する。
【００２２】
図５は、自由回転しているモータＭの回転速度（角周波数）を算出するフローチャートを示す図である。状態決定部５５は、パルスエッジ検出信号を受けると、現在の時刻ｔｎを取得する。次に、状態決定部５５は、検出されたパルスエッジの位相（角度）θｎを特定し、時刻ｔｎにおけるモータＭの位相θｎをインバータ制御部１６に送る。位相θｎは、誘起電圧の１周期内に現れるパルスエッジごとに予め設定されている。すなわち、図６に示すように、パルスエッジＥ１の位相は５／６π、パルスエッジＥ２の位相は−１／６π、パルスエッジＥ３の位相は−１／２π、パルスエッジＥ４の位相は１／２πに設定されている。
【００２３】
図５に示すように、状態決定部５５は、現在の位相θｎと、前回パルスエッジが検出されたときの位相θｎ−１と、前回パルスエッジを検出してから現在のパルスエッジを検出するまでの経過時間Δｔ（＝ｔｎ−ｔｎ−１）とから、自由回転しているモータＭの回転速度ωｎを次のように決定する。
【数１】
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このようにして、モータ状態検出部５０は、自由回転しているモータＭの位相θｎ、回転速度ωｎ、および回転方向を決定する。したがって、モータ状態検出部５０は、自由回転するモータＭの誘導電圧からモータＭの速度を検出する速度検出部として機能する。このようにして検出されたモータＭの回転速度および回転方向はポンプ制御部６０に送られ、モータＭの位相はインバータ制御部１６に送られる。
【００２４】
ポンプ制御部６０は、圧力センサ４から送られてくる吐出し圧力の測定値と、ポンプ制御部６０に記憶されている所定の目標圧力とを比較し、吐出し圧力の測定値と目標圧力との差分を最小にするための速度指令値を算出し、その速度指令値をインバータ制御部１６に送信する。モータＭを始動させるとき、モータ状態検出部５０によって検出された回転速度は、速度指令値の初期値として使用される。この初期値は、モータＭの始動時のモータＭの状態によって変わる。すなわち、モータＭが停止している場合は初期値は０であり、モータＭが自由回転している場合は初期値は０以外の値となる。
【００２５】
このようにモータ状態検出部５０によって検出された回転速度を速度指令値の初期値として使用することで、ポンプ制御部６０は、自由回転しているモータＭの回転速度に基づいて最適な速度指令値を決定することができる。したがって、モータＭは、自由回転している現在の回転速度からスムーズに増速することができる。
【００２６】
モータＭの始動時にモータＭが逆回転している場合は、モータＭを逆回転で始動し、その後、モータＭを正方向に徐々に加速させる。これは、逆回転しているモータＭに正方向に回転させる回転磁界を発生させると、逆位相の電圧をモータＭに印加することになり、モータＭが脱調しインバータ１０に過電流が流れてしまうことがあるからである。本実施形態では、上述したように、自由回転しているモータＭの回転方向が検出されるので、モータＭが逆回転している場合におけるインバータ１０への過電流を防止することができる。さらに、時計周りを正方向とするモータ、および反時計回りを正方向とするモータのいずれのタイプのモータも使用することが可能となる。
【００２７】
図７は、図１に示すインバータ１０の詳細を示すブロック図である。図７に示すように、インバータ１０は、コンバータ回路１１、インバータ回路１２、ゲートドライブ回路１３を有している。コンバータ回路１１は整流回路を有しており、交流電源１から供給される三相の交流電力を直流電力に変換するように構成されている。インバータ回路１２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を有しており、コンバータ回路１１によって変換された直流電力から三相の交流電力を生成する。ゲートドライブ回路１３は、インバータ回路１２の各スイッチング素子を開閉するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。
【００２８】
電流測定器２０は、インバータ回路１２から出力される三相電流を測定して、三相電流の測定値（出力電流信号）をインバータ制御部１６に送る。インバータ制御部１６は、電流測定器２０から送られる測定値、およびポンプ制御部６０から送られる速度指令値に基づいて、モータＭの回転速度を制御する。すなわち、インバータ制御部１６は、速度指令値をポンプ制御部６０から受け、電流測定器２０からの測定信号に基づいてＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号はゲートドライブ回路１３に送られる。ゲートドライブ回路１３は、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ回路１２のスイッチング素子を駆動するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。
【００２９】
図８はインバータ制御部１６のブロック図である。インバータ制御部１６は、モータＭに供給する電流をトルク電流成分と磁化電流成分とに分解してこれらを独立に制御するベクトル制御部である。
【００３０】
インバータ１０の三相の出力電流は、電流測定器２０により測定される。測定された三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、３／２相変換部３２、静止／回転座標変換部３３により、回転座標系上の二相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換された後、磁化電圧制御部３４およびトルク電圧制御部３５に入力される。磁化電圧制御部３４は、磁化電流Ｉｄと磁化電流指令値Ｉｄ*との偏差を最小とする磁化電圧指令値Ｖｄ*をＰＩ演算により求める。磁化電流指令値Ｉｄ*は、モータＭモデルを用いて算出された理想的な磁化電流である。トルク電圧制御部３５は、トルク電流Ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ*との偏差を最小とするトルク電圧指令値Ｖｑ*をＰＩ演算により求める。
【００３１】
目標トルク電流決定部３７は、ポンプ制御部６０から入力された速度指令値ω*と現在の速度ωとの偏差を最小するためのトルク電流指令値Ｉｑ*を決定する。現在の回転速度ωは、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に基づき、軸誤差推定器（ＰＬＬ）３８によって求められる。さらに、積分器３９により回転速度ωから位相θが求められる。得られた位相θは、静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送られる。電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*は、回転／静止座標変換部４０および２／３相変換部４１を経て固定座標系上の三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換される。
【００３２】
インバータ制御部１６は、これら三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に対応したＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をゲートドライブ回路１３に送る。ゲートドライブ回路１３は、三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に対応するＰＷＭ信号に基づいてゲートドライブ回路ＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子は、ゲートドライブ回路ＰＷＭ信号に基づいて動作（オン、オフ）される。このように、インバータ１０はインバータ制御部１６からの三相電圧指令値に基づいた電圧を生成し、これをモータＭに印加する。
【００３３】
モータＭが自由回転している状態でモータＭを始動させるときは、モータ状態検出部５０からモータＭの位相θｎが積分器３９に入力される。上述したように、パルスエッジＥ１の位相は５／６π、パルスエッジＥ２の位相は−１／６π、パルスエッジＥ３の位相は−１／２π、パルスエッジＥ４の位相は１／２πに設定されている。したがって、状態決定部５５によって検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ１であれば、状態決定部５５はモータＭの位相θｎとして５／６πを積分器３９に送る。同様に、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ２であれば、状態決定部５５はモータＭの位相θｎとして−１／６πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ３であれば、状態決定部５５はモータＭの位相θｎとして−１／２πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ４であれば、状態決定部５５はモータＭの位相θｎとして１／２πを積分器３９に送る。
【００３４】
位相θｎが入力されると、積分器３９は位相θを位相θｎにリセットし（位相θを位相θｎに置き換え）、位相θｎを静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送る。このように、自由回転しているモータＭの位相θｎに基づいてベクトル制御が開始されるので、インバータ制御部１６はモータＭの脱調を防ぎつつモータＭを始動させることができる。
【００３５】
本実施形態におけるインバータ制御部１６は、ベクトル制御方法によってインバータを制御するように構成されているが、本発明はこの例に限らず、インバータ制御部１６は、Ｖ／ｆ制御方法によってインバータを制御するように構成されていてもよい。
【００３６】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１    交流電源
３    配管
４    圧力センサ
１０    インバータ
１１    コンバータ回路
１２    インバータ回路
１３    ゲートドライブ部
１６    インバータ制御部
２０    電流測定部
２１    電圧測定部
５０    モータ状態検出部
５１Ａ，５１Ｂ    電圧比較器
５２Ａ，５２Ｂ    パルスエッジ検出部
５５    状態決定部
６０    ポンプ制御部
Ｐ      ポンプ
Ｍ      モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014231823.tif 000008
【図６】
2014231823.tif 000009
【図７】
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【図８】
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