(57)【要約】  本開示のポンプシステムは、例示的な実施形態において、第１レベルにある液体を第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプ(10)と、ポンプを動作させるモータ(20)と、モータに電力を供給するモータ駆動装置(30)と、電力をモニタする測定回路(40)と、第１レベルと第２レベルとの差異によって規定される揚程とモータの単位時間あたりの回転数および電力との関係を規定する第１データ、ならびに、ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と揚程および電力との関係を規定する第２データが格納された記憶装置(60)と制御装置(70)とを備える。制御装置は、回転数の測定値または推定値と電力のモニタ値とに基づいて第１データから揚程の推定値を決定し、揚程の推定値と電力のモニタ値とに基づいて第２データから前記吐出し量の推定値を決定し、吐出し量の前記推定値を出力する。
2018173563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レベルにある液体を前記第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプと、
前記ポンプを動作させる永久磁石同期モータと、
前記永久磁石同期モータに電気的に接続され、前記永久磁石同期モータに電力を供給するモータ駆動装置と、
前記永久磁石同期モータおよび前記モータ駆動装置の少なくとも一方に電気的に接続され、前記電力をモニタする測定回路と、
前記第１レベルと前記第２レベルとの差異によって規定される揚程と前記永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および前記電力との関係を規定する第１データ、ならびに、前記ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と前記揚程および前記電力との関係を規定する第２データが格納された記憶装置と、
前記モータ駆動装置、前記測定回路、および前記記憶装置に接続された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第１データから前記揚程の推定値を決定し、
前記揚程の前記推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第２データから前記吐出し量の推定値を決定し、前記吐出し量の前記推定値を出力する、ポンプシステム。
【請求項２】
前記第１データおよび前記第２データのそれぞれは、テーブルまたは式によって表現されている、請求項１に記載のポンプシステム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記揚程の推定値を決定したとき、前記揚程の前記推定値を前記記憶装置または他の記憶装置に保存し、
前記吐出し量の推定値を決定するときは、保存されている前記揚程の前記推定値を読み出し、前記電力のモニタ値を前記測定回路から取得する、請求項１または２に記載のポンプシステム。
【請求項４】
前記制御装置は、１日に少なくとも１回、前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とを取得し、前記揚程の前記推定値を更新する、請求項３に記載のポンプシステム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記回転数および前記電力の変動が所定レベル以下のときに、前記回転数の測定値または推定値および前記電力のモニタ値を取得し、前記揚程の推定値を決定する、請求項１から４のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記吐出し量の推定値を決定して前記吐出し量の前記推定値を出力するとき、ポンプ起動後に前記液体が前記第１レベルから前記第２レベルに初めて汲みあげられるまでの液体量に相当する値を前記吐出し量の前記推定値から差し引いて前記推定値を補正する、請求項１から５のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項７】
前記制御装置に接続された通信装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記吐出し量の前記推定値を含む情報を前記通信装置から外部に送信する、請求項１から６のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記吐出し量の前記推定値を含む前記情報を前記通信装置から外部に周期的に送信する、請求項７に記載のポンプシステム。
【請求項９】
前記制御装置は、外部からの要求に応答して、前記吐出し量の前記推定値を含む前記情報を前記通信装置から外部に送信する、請求項７または８に記載のポンプシステム。
【請求項１０】
前記電力の供給源として機能する発電装置または蓄電装置をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項１１】
前記発電装置は太陽電池パネルを含む、請求項１０に記載のポンプシステム。
【請求項１２】
前記第１データおよび前記第２データは、出荷段階から前記記憶装置に格納されている、請求項１から１１のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項１３】
前記第１データは、前記揚程の予め選択された複数の値のそれぞれについて前記回転数と前記電力との関係を規定する数値データを含み、
前記制御装置は、前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とを取得した後、前記数値データに基づいて、前記揚程の予め選択された前記複数の値から計算によって前記揚程の推定値を算出する、請求項１から１２のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記第１データおよび前記第２データの少なくとも一方を補正して用いる、請求項１から１３のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項１５】
前記制御装置は、前記モータ駆動装置を制御する信号を生成し、前記信号を前記モータ駆動装置に送出する、請求項１から１４のいずれかに記載のポンプシステム。
【請求項１６】
前記制御装置は、前記太陽電池パネルの発電量に応じて、前記モータ駆動装置を制御する信号を生成し、前記信号を前記モータ駆動装置に送出する、請求項１１に記載のポンプシステム。
【請求項１７】
ポンプシステムとともに用いられるポンプ流量推定装置であって、前記ポンプシステムは、第１レベルにある液体を前記第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプと、前記ポンプを動作させる永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータに電気的に接続され、前記永久磁石同期モータに電力を供給するモータ駆動装置とを有しており、
前記ポンプ流量推定装置は、
前記永久磁石同期モータおよび前記モータ駆動装置の少なくとも一方に電気的に接続され、前記電力をモニタする測定回路と、
前記第１レベルと前記第２レベルとの差異によって規定される揚程と前記永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および前記電力との関係を規定する第１データ、ならびに、前記ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と前記揚程および前記電力との関係を規定する第２データが格納された記憶装置と、
前記モータ駆動装置、前記測定回路、および前記記憶装置に接続された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第１データから前記揚程の推定値を決定し、
前記揚程の前記推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第２データから前記吐出し量の推定値を決定し、前記吐出し量の前記推定値を出力する、ポンプ流量推定装置。
【請求項１８】
第１レベルにある液体を前記第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプと、前記ポンプを動作させる永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータに電気的に接続され、前記永久磁石同期モータに電力を供給するモータ駆動装置とを備えるポンプシステムにおけるポンプ流量推定方法であって、
前記第１レベルと前記第２レベルとの差異によって規定される揚程と前記永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および前記電力との関係を規定する第１データを用いて、前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とから、前記揚程の推定値を決定し、
前記ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と前記揚程および前記電力との関係を規定する第２データを用いて、前記揚程の前記推定値と前記電力のモニタ値とかせ、前記吐出し量の推定値を決定する、ポンプ流量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ポンプシステム、ポンプ流量推定装置およびポンプ流量推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にポンプの流量測定は流量計を用いて行われる。特開２００９−２８８２３１号公報は、流量計を用いずに流量を推定する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８８２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特開２００９−２８８２３１号公報に開示されている技術では、吸水槽の水位レベルとポンプ中心レベルとの高低差である吸込み実揚程が既知の一定値であることを前提として流量の推定が行われる。しかし、ポンプで例えば井戸の水を汲みあげる場合、井戸の水位は季節によって異なり、また、周りにある他の井戸の汲みあげ状況に応じても大きく変化し得る。言い換えると、上記の吸込み実揚程が一定値であるという仮定は成立しない。従って、上記の流量推定方法には、井戸のように水位が変化する状況で正確な流量推定ができないという課題がある。一方、流量を正確に測定できる流量計は一般に高価である。例えば発展途上にある国々において、多数の深井戸からポンプによって汲みあげた水を灌漑に利用するためには、高価な流量計を用いずにポンプ流量を正確に推定する技術が求められる。【０００５】
本開示の実施形態は、揚程が変化し得る場合でも流量計を用いずに正確度の高い流量推定が可能なポンプシステム、ポンプ流量推定装置およびポンプ流量推定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のポンプシステムは、例示的な実施形態において、第１レベルにある液体を前記第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプと、前記ポンプを動作させる永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータに電気的に接続され、前記永久磁石同期モータに電力を供給するモータ駆動装置と、前記永久磁石同期モータおよび前記モータ駆動装置の少なくとも一方に電気的に接続され、前記電力をモニタする測定回路と、前記第１レベルと前記第２レベルとの差異によって規定される揚程と前記永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および前記電力との関係を規定する第１データ、ならびに、前記ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と前記揚程および前記電力との関係を規定する第２データが格納された記憶装置と、前記モータ駆動装置、前記測定回路、および前記記憶装置に接続された制御装置とを備える。前記制御装置は、前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第１データから前記揚程の推定値を決定し、前記揚程の前記推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第２データから前記吐出し量の推定値を決定し、前記吐出し量の前記推定値を出力する。【０００７】
本開示のポンプ流量推定装置は、例示的な実施形態において、ポンプシステムとともに用いられるポンプ流量推定装置であって、前記ポンプシステムは、第１レベルにある液体を前記第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプと、前記ポンプを動作させる永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータに電気的に接続され、前記永久磁石同期モータに電力を供給するモータ駆動装置とを有している。前記ポンプ流量推定装置は、前記永久磁石同期モータおよび前記モータ駆動装置の少なくとも一方に電気的に接続され、前記電力をモニタする測定回路と、前記第１レベルと前記第２レベルとの差異によって規定される揚程と前記永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および前記電力との関係を規定する第１データ、ならびに、前記ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と前記揚程および前記電力との関係を規定する第２データが格納された記憶装置と、前記モータ駆動装置、前記測定回路、および前記記憶装置に接続された制御装置とを備える。前記制御装置は、前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第１データから前記揚程の推定値を決定し、前記揚程の前記推定値と前記電力のモニタ値とに基づいて、前記記憶装置に格納された前記第２データから前記吐出し量の推定値を決定し、前記吐出し量の前記推定値を出力する。【０００８】
本開示のポンプ流量推定方法は、例示的な実施形態において、第１レベルにある液体を前記第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプと、前記ポンプを動作させる永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータに電気的に接続され、前記永久磁石同期モータに電力を供給するモータ駆動装置とを備えるポンプシステムにおけるポンプ流量推定方法であって、前記第１レベルと前記第２レベルとの差異によって規定される揚程と前記永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および前記電力との関係を規定する第１データを用いて、前記回転数の測定値または推定値と前記電力のモニタ値とから前記揚程の推定値を決定し、前記ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と前記揚程および前記電力との関係を規定する第２データを用いて、前記揚程の前記推定値と前記電力のモニタ値とから前記吐出し量の推定値を決定する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示のポンプシステムの実施形態によれば、実揚程が変化しても正確度の高い流量の推定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、水中ポンプによる液体の汲みあげを模式的に示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、５個の異なる揚程（Ｈ＝ｈ１、ｈ２、・・・、ｈ５）ごとに、モータの回転数Ｒとモータの消費電力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、より多数の異なる揚程（Ｈ＝ｈ０、・・・、ｈｐ、・・・、ｈｎ）ごとに、モータの回転数Ｒとモータの消費電力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、５個の異なる揚程（Ｈ＝ｈ１、ｈ２、・・・、ｈ５）ごとに、ポンプ吐出し量Ｑとモータの消費電力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、より多数の異なる揚程（Ｈ＝ｈ０、・・・、ｈｐ、・・・、ｈｎ）ごとに、ポンプ吐出し量Ｑとモータの消費電力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、本開示によるポンプシステムの例を示すブロック図である。
【図５】図５は、本開示によるポンプシステムの実施形態の構成例を模式的に示す図である。
【図６】図６は、本開示の実施形態において、水位の変化を模式的に示す図である。
【図７】図７は、本開示の実施形態に用いられ得るコントロールユニットの内部構成の例を示す図である。
【図８】図８は、本開示の実施形態に用いられ得るインバータ回路の構成例を示す図である。
【図９】図９は、本開示のポンプシステムで実行され得る動作の一部を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本開示のポンプシステムで実行され得る動作の他の一部を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本開示によるポンプシステムの変形例を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、本開示の実施例における電力（発電電力およびモータ消費電力）の時間依存性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本開示の実施例における流量の推定値および揚程の推定値の時間依存性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、本開示の実施例におけるモータ回転数および流量の時間依存性を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本開示の実施例における流量の推定値、および流量計で測定された流量の値（比較例）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜流量推定の基本原理＞
本開示のポンプシステムの実施形態を説明する前に、本開示のポンプシステムで実行するポンプ流量推定の基本原理を説明する。
【００１２】
本発明者らは、第１レベルにある液体を第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげるポンプシステムにおいて、ポンプ流量の推定に必要な「揚程」を、モータの消費電力およびモータの単位時間あたりの回転数から求め得ることを見いだした。本明細書における「揚程」の用語は、第１レベルと第２レベルとの差異（高低差）によって規定される。また本明細書では「モータの単位時間あたりの回転数」を単に「モータの回転数」または「モータ速度」と称することがある。
【００１３】
図１は、第１液槽１１Ｌに蓄えられた液体１２を揚水管１３で汲みあげ、第２液槽１１Ｕに与える構成例を模式的に示す図である。ポンプユニット１００は、後に詳しく説明するように、ポンプとモータとを有し、第１液槽１１Ｌの液体内に完全に浸かった状態で動作する。ポンプユニット１００のポンプは、例えばインペラなどの不図示の羽根を有している。この羽根はモータの回転軸と機械的に連結され、モータの回転に応じて回転する。ポンプユニット１００の不図示の吸い込み口から吸い込まれた液体１２は、ポンプユニット１００によって揚水管１３の内部を上方に押しあげられる。図示される例においては、第１液槽１１Ｌの液面のレベル（第１レベル）Ｌ１から、汲みあげの最高位置（第２レベル）Ｌ２までの高低差Ｈが実揚程である。
【００１４】
ポンプユニット１００が例えば深井戸の水を汲みあげる場合、ポンプユニット１００が液体に与えるエネルギの大部分は位置エネルギの増加に転化する。しかし、残りのエネルギは管内損失および流体運動エネルギとして消費され得る。管内損失および流体運動エネルギを無視できる場合、第１レベルと第２レベルとの高低差（実揚程）を全揚程として扱うこともできる。一方、管内損失などを無視できない場合は、本開示における「揚程」として、例えば管内損失を実揚程に加算した値を用いればよい。以下、簡単のため、管内損失などが無視できる場合、すなわち「全揚程」が「実揚程」に等しいと近似できる例を説明する。また、単なる「揚程」の用語は「実揚程」を意味するものとする。
【００１５】
図２Ａは、複数の異なる揚程（Ｈ＝ｈ１、ｈ２、・・・、ｈ５）ごとに、モータの回転数Ｒとモータの消費電力Ｐとの関係を示すグラフである。ここで、ｈ１<ｈ２<ｈ３<ｈ４<ｈ５の不等式が成立する。図２Ａに示されるように、各揚程（Ｈ＝ｈ１、ｈ２、・・・、ｈ５）で、モータの回転数Ｒは消費電力Ｐの増加に伴って増大する。また、モータの回転数Ｒが同じでも、揚程Ｈが大きくなるほど、モータの消費電力Ｐは増大する。なお、前述したように、モータの回転数Ｒは、モータの単位時間あたりの回転数であり、典型的には、１分あたりの回転数（単位：ｒｐｍ）である。
【００１６】
図２Ａのグラフは、揚程Ｈとモータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係を表現しているといえる。本開示においてポンプ流量または吐出し量を推定するには、まず、揚程Ｈとモータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係を示すデータを、実験またはシミュレーションにより、取得しておき、このデータを参照して、回転数Ｒおよび消費電力Ｐから揚程Ｈの値を決定する。
【００１７】
図２Ａのグラフに示されるデータでは、揚程Ｈが離散的かつ疎である。より多数の異なる揚程についてモータの回転数Ｒと消費電力Ｐとの関係を実験などによって求めることもできる。しかし、図２Ａのグラフに示されるデータの補間処理を実行することにより、更の他の多数の揚程についてモータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係を取得することもできる。図２Ｂのグラフは、図２Ａのデータから補完処理によって得られた極めて多数の揚程（Ｈ＝ｈ０からｈｎ）ごとにモータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係を示す曲線を示している。図２Ｂのグラフでは、揚程Ｈは密であり、補完回数の極限では連続し得る。このグラフにおける揚程Ｈの間隔またはピッチは、揚程の推定値の分解能に相当する。分解能として例えば０．５メールが設定される場合、０．５メートルずつ異なる複数の揚程について、モータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係を求めればよい。揚程の想定される変動の幅が例えば１０メートルから６０メートルの場合、揚程については、Ｈ＝１０、１０．５、１１、１１．５、・・・、５５．５、６０メートルのそれぞれについて、モータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係を決定しておけばよい。
【００１８】
揚程Ｈとモータ回転数Ｒおよび消費電力Ｐとの関係は、近似関数Ｆ１（Ｒ，Ｐ）によっても表現され得る。このような近似関数Ｆ１（Ｒ，Ｐ）を用いれば、モータの回転数Ｒおよび消費電力Ｐを与えると、揚程Ｈが算出される。
【００１９】
近似関数を用いる代わりに、ルックアップテーブルなどのテーブルによって上記の関係を表現することもできる。図２Ｂを参照して、回転数Ｒ＝Ｒｐおよび消費電力Ｐ＝Ｐｐが与えられたときの、揚程Ｈの決定の仕方を説明する。回転数Ｒ＝Ｒｐを示す矢印と消費電力Ｐ＝Ｐｐを示す矢印とが交差する位置（ドット）を通過する曲線が破線で示されている。この破線の曲線は、揚程Ｈ＝ｈｐのときにおける回転数Ｒと消費電力Ｐとの関係を示している。このことから、揚程Ｈはｈｐであると推定できる。前述のテーブルは、回転数Ｒおよび消費電力Ｐの可能なセットのそれぞれに対して揚程Ｈの値が割り当てられた構成を有している。
【００２０】
上記の近似関数（数式）およびテーブルは、いずれも、揚程とモータの回転数および消費電力との関係を規定するデータ（第１データ）である。揚程とモータの回転数および消費電力との関係を規定する第１データがあれば、ポンプシステムの動作時において、モータの回転数および消費電力から、揚程を推定することができる。深井戸のように水位を実際に測定することが困難な状況でも、本開示によれば高い精度で揚程の推定が可能になる。なお、モータの回転数および消費電力は、永久磁石同期モータの制御アルゴリズムを実行する際に、容易に測定または推定することができる。また、モータの消費電力は、モータに供給される電力（供給電力）に略一致するため、本開示においては、モータの消費電力は、モータに供給される電力（供給電力）と等価的に扱われてもよい。
【００２１】
図３Ａは、複数の異なる揚程（Ｈ＝ｈ１、ｈ２、・・・、ｈ５）ごとに、モータの消費電力Ｐとポンプ吐出し量Ｑとの関係を示すグラフである。ポンプ吐出し量Ｑは、所定時間あたりの吐出し量である。所定時間を１分とするとき、所定時間あたりの吐出し量は、リットル／分または立方メートル／分の単位で表される「流量（ｆｌｏｗ  ｒａｔｅ）」に相当する。図３Ａおよび図３Ｂのグラフにおける縦軸の「吐出し量Ｑ」は、１分あたりの吐出し量（単位：リットル／分）であり、ポンプの流量に相当する。縦軸のスケールは任意である。横軸の単位は、例えばワットであり、そのスケールも任意である。
【００２２】
図３Ａのデータは、異なる複数の揚程ごとに、モータの消費電力Ｐとポンプ吐出し量Ｑとの関係を実測することによって取得できる。図３Ｂは、図３Ａのデータを補完して作成されたグラフを示している。図３Ｂのグラフは、ポンプ吐出し量Ｑと揚程Ｈおよびモータ消費電力Ｐとの関係を示している。この関係に基づくと、ポンプ吐出し量Ｑは近似関数Ｆ２（Ｐ，Ｈ）によって表現され得る。このような近似関数Ｆ２（Ｐ，Ｈ）を用いれば、モータの消費電力Ｐおよび揚程Ｈを与えると、ポンプ吐出し量Ｑが算出される。
【００２３】
近似関数を用いる代わりに、ルックアップテーブルなどのテーブルによって上記の関係を表現することもできる。図３Ｂを参照して、揚程Ｈ＝ｈｐおよび消費電力Ｐ＝Ｐｐが与えられたときの、ポンプ吐出し量Ｑの決定の仕方を説明する。揚程Ｈ＝ｈｐの曲線（破線）と消費電力Ｐ＝Ｐｐを示す矢印とが交差する位置（ドット）を求める。この位置（ドット）におけるポンプ吐出し量Ｑの読み、すなわちＱ＝Ｑｐがポンプ吐出し量Ｑの推定値である。
【００２４】
このように本開示のポンプシステムによれば、ポンプの流量またはポンプ吐出し量を求めるために、まず、モータの回転数および消費電力に基づいて揚程の推定を行う。このため、例えば井戸の水位が周辺地域の汲みあげ状況、季節によって変化しても、それに伴う揚程の変化が考慮された、正確度の高いポンプ吐出し量の推定が実現する。
【００２５】
なお、深井戸において、水中ポンプにモータの回転数検出センサを取り付けるには、センサ用の長いケーブル配線が必要であるため、敷設の手間およびコストが増加するという問題がある。しかし、センサレスのベクトル制御によって動作する永久磁石同期モータによれば、回転数検出センサを水中ポンプに取り付けなくとも、モータの回転数を正確に求めることが可能である。また、モータの消費電力も、モータ駆動装置の回路によって測定可能であるため、特別の装置を水中ポンプに取り付ける必要もない。
【００２６】
上記の説明から明らかなように、本開示における「揚程」は、現実の揚程の変動を流量の推定に反映させるパラメータであると解釈することもできる。従って、揚程の推定値が、第１レベルから第２レベルまでの距離Ｈの現実の値に一致している必要はない。
【００２７】
なお、モータの消費電力は、モータに供給される電力から「損失」を差し引いた値を持つ。この損失の大部分はケーブルのジュール熱である。ケーブルによる損失の大きさは、モータに供給される電力の数パーセント程度である。このため、損失は無視することもできる。また、個々のポンプシステムにおいて、ケーブルの長さおよび導体部の比抵抗は変動しないため、損失の原因となる抵抗の大きさは一定値と取り扱える。モータの消費電力とモータに供給される電力との関係も単純な関係（例えば比例関係）で近似できる。本願では、モータの消費電力を例として本開示の動作を説明するが、前述したように、モータの所費電力とモータに供給される電力とは等価に扱うことができ、両者を区別する意義はない。
【００２８】
＜ポンプシステムの基本構成＞
以下、図４を参照して、本開示のポンプシステムの基本構成例を説明する。
【００２９】
図４は、本実施形態におけるポンプシステム１０００の一例を示している。図示される例において、ポンプシステム１０００は、ポンプユニット１００とコントロールユニット２００とを備えている。
【００３０】
ポンプユニット１００は、ポンプ１０と、ポンプ１０を動作させるモータ２０とを有している。本実施形態におけるポンプ１０は、水中に浸かった状態で使用される水中ポンプである。本開示のポンプシステムは、深井戸の水の汲みあげに好適に用いられ得るが、汲みあげの対象は水に限定されず、湯、石油、その他の液体であってもよい。ポンプ１０は、図４には記載されていない揚水管を用いて第１レベルにある液体を第１レベルよりも高い第２レベルに汲みあげることができる。揚程は、図１を参照して説明したように、第１レベルと第２レベルとの差異（高低差）によって規定される。
【００３１】
モータ２０は、永久磁石同期モータである。永久磁石同期モータの典型例は、ブラシスレＤＣモータである。モータ２０は、水中での動作が可能な構成を備えている。好ましい態様において、モータ２０は、ホール素子、ロータリエンコーダなどの回転位置検出センサを有していない「センサレス型」である。
【００３２】
コントロールユニット２００は、通常、地上に設置されて使用される。コントロールユニット２００は、モータ２０に電力を供給してモータ２０を駆動するモータ駆動装置３０と、この電力（消費電力）をモニタする測定回路４０とを備えている。
【００３３】
モータ駆動装置３０は、ケーブル５０によってモータ２０に電気的に接続されている。簡単のため、ケーブル５０は１本の線で図示されているが、現実のケーブル５０は、例えばＵ、Ｖ、Ｗ相の電流がそれぞれ流れる複数の配線の束であり得る。ケーブル５０は、不図示の水位計に接続される配線を含んでいてもよい。モータ駆動装置３０の典型例は、インバータ回路を含む。インバータ回路は、複数のスイッチング素子が相互に接続されたブリッジ回路を含み、直流電源から複数相の交流電力を生成することができる。モータ駆動装置３０は、インバータ回路における各スイッング素子のゲートを駆動するゲートドライバ回路を含み得る。ゲートドライバ回路は、後述する制御装置７０に含まれていてもよい。
【００３４】
測定回路４０は、モータ２０およびモータ駆動装置３０の少なくとも一方に電気的に接続されている。測定回路４０は、モータ駆動装置３０からモータ２０に供給される電力（モータの消費電力）をモニタする。この電力（モータの消費電力）は、モータ２０に印加される電圧とモータ２０を流れる電流とから求めることができる。一般に、モータに印加される電圧とモータを流れる電流は、ブラシレスＤＣモータなどの永久磁石同期モータを駆動するときに測定される。このため、電力をモニタするための測定回路４０を用いることは、特に装置の構成を複雑にすることはなく、製造コストの増加も生じない。測定回路４０は、電圧を測定する回路と電流を測定する回路とに分離されていてもよい。図４の例において、測定回路４０はモータ駆動装置３０およびケーブル５０に接続されているが、測定回路４０の接続先は、この例に限定されない。
【００３５】
本実施形態におけるポンプシステム１０００は、さらに記憶装置６０および制御装置７０を備えている。図示されている例において、記憶装置６０および制御装置７０は、コントロールユニット２００の内部に設けられている。記憶装置６０の典型例は半導体メモリであるが、記憶装置６０は、他の記憶媒体から構成されていてもよい。また、図において、記憶装置６０は１個のブロックとして記載されているが、記憶装置６０は複数のメモリデバイスを含んでいてもよい。記憶装置６０を構成する複数のメモリデバイスは、異なる種類の記憶媒体、例えば、ＥＥＰＲＯＭ、ソリッドステートドライブ、ハードディスクドライブなどの不揮発性メモリデバイス、およびＲＡＭなどの揮発性メモリデバイスを含み得る。複数のメモリデバイスの一部が着脱可能なメモリデバイスであってもよい。
【００３６】
制御装置７０の典型例は、１個または複数の半導体集積回路チップから構成された半導体装置である。本実施形態における制御装置７０の主要部は、市販のマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）から実現され得る。制御装置７０と記憶装置６０とが別々の電子部品である必要はない。記憶装置６０の少なくとも一部が、制御装置７０を構成する半導体チップとともに１個の半導体パッケージ内に搭載されていてもよい。
【００３７】
記憶装置６０には、揚程とモータ２０の回転数および消費電力との関係を規定する第１データが格納されている。第１データを用いることにより、モータ２０の回転数および消費電力から、揚程の推定値を決定することができる。モータ２０の回転数、すなわちモータ速度は、モータ２０に取り付けられたロータ位置センサによっても検出され得るが、本実施形態で使用されているモータ２０は、ロータ位置センサを備えていないセンサレス型である。このため、本実施形態では、ベクトル制御アルゴリズムを実行する過程で推定されるロータの回転位置からモータ速度（回転数）の推定値を取得する。
【００３８】
記憶装置６０には、ポンプ１０による所定時間あたりの吐出し量（ポンプ流量）と揚程およびモータ消費電力との関係を規定する第２データも格納されている。第２データを用いることにより、揚程および消費電力から、ポンプ１０による所定時間あたりの吐出し量の推定値を決定することができる。
【００３９】
ある好ましい態様において、第１データおよび第２データは、ポンプシステムの出荷段階から記憶装置６０に格納されている。しかし、ポンプシステム１０００が現場に設置されたとき、または、それ以降に、第１データおよび第２データが記憶装置６０に書き込まれてもよい。また、第１データおよび第２データの内容が、ポンプシステム１０００の設置後にアップデートされたり、部分的に修正されたりしてもよい。
【００４０】
制御装置７０は、バスラインまたは他の配線などにより、モータ駆動装置３０、測定回路４０、および記憶装置６０に接続されている。制御装置７０は、モータ速度の測定値または推定値とモータ消費電力のモニタ値とに基づいて、記憶装置６０に格納された第１データから揚程の推定値を決定する。制御装置７０は、揚程の推定値を決定したとき、揚程の推定値を記憶装置６０または他の記憶装置に保存する。また、制御装置７０は、揚程の推定値とモータ消費電力のモニタ値とに基づいて、記憶装置６０に格納された第２データから吐出し量の推定値を決定し、吐出し量の推定値を出力する。なお、吐出し量の推定値を決定するときは、保存されている揚程の推定値を記憶装置から読み出し、モータ消費電力のモニタ値を測定回路から取得する。
【００４１】
第１データは、必ずしも図２Ｂに示されているような補間後のデータである必要はない。例えば図２Ａに示されるように、揚程の予め選択された比較的少数の値（例えば５から１０個）のそれぞれについて回転数と電力との関係を規定する数値データを含んでいてもよい。この場合、制御装置７０は、回転数の測定値または推定値と電力のモニタ値とを取得した後、この数値データに基づいて、揚程の予め選択された複数の値から、例えば補間計算により、揚程の推定値を算出することができる。
【００４２】
図４に示される例において、ポンプシステム１０００は、さらに通信装置８０および発電装置９０を備える。モータへの電力供給源としては、発電装置９０に加えて、または発電装置９０の代わりに、二次電池などの蓄電装置を備えていてもよい。
【００４３】
通信装置８０は、制御装置７０に接続されている。通信装置８０は、無線および／または有線により、インターネットその他のネットワークに接続され得る。通信装置８０を介してポンプシステム１０００と通信する外部の機器の例は、スマートフォンなどの携帯端末、およびクラウドサーバとして機能し得るコンピュータなどを含み得る。
【００４４】
制御装置７０は、１日に少なくとも１回、回転数の測定値または推定値と電力のモニタ値とを取得し、揚程の推定値を更新する。制御装置７０は、ポンプ１０による単位時間あたりの吐出し量の推定値を含む情報を通信装置８０から外部に送信し得る。また、制御装置７０は、ポンプ１０による単位時間あたりの吐出し量（流量）の推定値を含む情報を通信装置８０から外部に周期的に送信してもよいし、外部からの要求に応答して送信してもよい。吐出し量の推定値を含む情報は、例えば、１日あたりの吐出し量、１時間あたりの吐出し量、数分ごとの吐出し量を含み得る。このような情報は、モータ２０の消費電力、回転数などに関する他のモータ情報を含んでいてよい。このように本開示のポンプシステムによれば、通信装置８０を用いることにより、遠隔からでもポンプの吐出し量（流量）などをモニタすることが可能になる。
【００４５】
制御装置７０は、発電装置９０にも接続されている。好ましい態様において、発電装置９０の動作を制御するようにプログラムされている。発電装置９０は、モータ駆動装置３０の電力を供給する。発電装置９０の例は、太陽電池（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌｓ）パネルを含む太陽光発電装置であり、直流電力をモータ駆動装置３０に供給する。発電装置９０の代わりに蓄電装置がモータ駆動装置３０に接続されている場合も、蓄電装置からモータ駆動装置３０には直流電力が供給される。
【００４６】
発電装置９０を用いることなく、系統（グリッド）から直接または間接的にモータ駆動装置３０に電力が供給されてもよい。その場合、交流を直流に変換する回路がモータ駆動装置３０の前段または内部に設けられ得る。
【００４７】
制御装置７０は、揚程および吐出し量の推定に必要な動作を行うだけではなく、モータ制御および発電制御に必要な動作を行うこともできる。すなわち、制御装置７０は、モータ駆動装置３０を制御する信号を生成し、この信号をモータ駆動装置３０に送出する。また、制御装置７０は、発電装置９０太陽電池パネルの発電量に応じて、モータ駆動装置を制御する信号を生成する。
【００４８】
＜実施形態＞
１．構成
以下、本開示のポンプシステムの非限定的で例示的な実施形態を説明する。
【００４９】
図５は、太陽電池パネルがポンプシステムの発電機能を担う実施形態（ソーラポンプシステム）の構成例を模式的に示している。
【００５０】
本実施形態におけるポンプシステム２０００は、井戸４００の底近くに位置するポンプ１０およびモータ２０を含むポンプユニット１００と、ポンプユニット１００に接続された揚水管１３と、地上に位置するコントロールユニット２００と、ポンプユニット１００に供給する電力を生成する太陽電池パネル３００とを備えている。揚水管１３の長さは、例えば１０メートル以上１００メートル以下であり得る。
【００５１】
ポンプ１０は、揚水管１３を介して、第１レベルＬ１にある水を第１レベルＬ１よりも高い第２レベルＬ２に汲みあげることができる。第１レベルＬ１から地面Ｇまでの距離をＨ１、地面Ｇから第２レベルＬ２までの距離をＨ２とすると、揚程Ｈは、Ｈ１＋Ｈ２で示される。図６は、本実施形態のポンプシステム２０００において、第１レベルＬ１で示される井戸の水位が図５の例に比べて低下した状態を模式的に示している。井戸の水位が変動すると、第１レベルＬ１から地面Ｇまでの距離Ｈ１が変化するため、地面Ｇから第２レベルＬ２までの距離Ｈ２が一定であっても、揚程Ｈが変化する。揚程Ｈが変化することは、吐出し量の推定を行うとき、図３Ｂのグラフに示される曲線群から選択するべき曲線を変更することを必要とする。本実施形態によれば、モータ２０の動作状態を地上でモニタすることにより、前述した第１データに基づいて揚程Ｈの推定値を取得することができる。このため、揚程Ｈの変動に応じて、適切な式またはテーブルを選択して正確度が向上した吐出し量の推定が実現する。
【００５２】
井戸４００の上部は蓋１５で閉じられている。揚水管１３の一端はポンプユニット１００に接続され、他端は吐出管１４に接続されている。吐出管１４の先は、水を貯えるタンク、または灌漑用水路などに水を吐きだすように配置される。ケーブル５０は、蓋１５の開口孔を通ってポンプユニット１００内のモータ２０と地上のコントロールユニット２００とを電気的に接続している。
【００５３】
太陽電池パネル３００は、地面Ｇに固定された台６２の支柱６４によって支持されている。太陽電池パネル３００を含む発電装置は、コントロールユニット２００に電気的に接続されている（図４参照）。図５に示されている例では、コントロールユニット２００も支柱６４によって支持されている。図に記載されている地面Ｇは平坦であるが、地面Ｇは傾斜していたり、起伏を有していたりしてもよい。
【００５４】
コントロールユニット２００の内部構成は、図４を参照して説明したように、モータ駆動装置３０と、測定回路４０と、記憶装置６０と、制御装置７０と備えている。図４の通信装置８０の回路部分は、コントロールユニット２００と同一の筐体内に設けられており、通信装置８０のアンテナは図示されていない。図４の発電装置９０が図５に示されるような太陽電池パネル３００を含む場合、太陽電池パネル３００が生成する電力を制御するための公知の発電制御回路（不図示）がコントロールユニット２００に付加され得る。発電制御回路は、降圧回路または昇圧回路などのコンバータを含み得る。好ましい実施形態において、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｅｒ：最大電力点追従）制御が行われる。ＭＰＰＴ制御に必要な演算の一部または全部は、図４の制御装置７０が実行してもよい。ＭＰＰＴ制御に必要な演算は他のマイクロコントローラ（不図示）が行ってもよい。
【００５５】
太陽電池パネル３００の発電量は太陽高度に応じて変化する。このため、本実施形態における制御装置７０は、太陽電池パネル３００の発電量に応じてモータ駆動装置３０を制御する信号を生成する。太陽高度が高く、太陽電池パネル３００の発電量が相対的に多いとき、モータ２０は、その消費電力が大きくなるようにモータ駆動装置３０によって駆動される。
【００５６】
図７を参照して、本実施形態におけるコントロールユニット２００の構成例を説明する。図７に示される例において、コントロールユニット２００は、モータ駆動装置３０として機能するインバータ回路３０Ａと、測定回路４０として機能する電流測定器４０Ａおよび電圧測定器４０Ｂと、制御装置７０として機能する半導体集積回路７２とを有している。半導体集積回路７２は、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）７０Ａと、メモリ４６と、Ａ／Ｄ変換回路４２、４４とをさらに有している。
【００５７】
インバータ回路３０Ａは、ステータ２０Ｓおよびロータ２０Ｒを有するブラシレスＤＣモータ２０Ａに電気的に接続されている。より詳細には、ステータ２０ＳはＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線を有しており、それぞれ、インバータ回路３０ＡのＵ相出力、Ｖ相出力、およびＷ相出力に電気的に接続されている。
【００５８】
図８は、インバータ回路３０Ａの基本構成を示す図である。インバータ回路３０Ａは、モータ２０Ａの３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の巻線に電気的に接続されている。図８に例示されるインバータ回路３０Ａは、フルブリッジインバータを備える汎用的なインバータ回路であり、一般的には、直流電源５００に接続されて使用され得る。前述した発電装置９０が直流電源５００として機能する。ＭＰＰＴ制御を行うため、直流電源５００が出力する電圧は、太陽電池パネルの発電量に応じて変化し得る。
【００５９】
図８のインバータ回路３０Ａは、スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3を備えている。スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3は、それぞれ、例えば還流ダイオードを内蔵したＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または、還流ダイオード素子が並列的に接続されたＭＯＳＦＥＴであり得る。ＭＯＳＦＥＴの代わりに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられてもよい。これらのスイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3は、３相のフルブリッジ回路を構成している。スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3のそれぞれのゲート電極（ゲート端子）は、図７のＭＣＵ７０Ａに接続されている。
【００６０】
より詳細には、スイッチング素子ＨＳ1およびＬＳ1は、直流電源５００の正側に接続されたハイサイドラインＰＬと、負側に接続されたローサイドラインＮＬとの間で第１の接続点Ｎ１を介して直列に接続されている。第１の接続点Ｎ１は、ステータ２０ＳにおけるＵ相巻線の一端に接続されている。スイッチング素子ＨＳ2およびＬＳ2は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第２の接続点Ｎ２を介して直列に接続されている。第２の接続点Ｎ２は、ステータ２０ＳにおけるＶ相巻線の一端に接続されている。スイッチング素子ＨＳ3およびＬＳ3は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第３の接続点Ｎ３を介して直列に接続されている。第３の接続点Ｎ３は、ステータ２０ＳにおけるＷ相巻線の一端に接続されている。
【００６１】
この例において、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の巻線は、Ｙ結線またはデルタ結線によって接続されている。このため、例えばＵ相巻線に電流を流すとき、その電流は、Ｖ相巻線およびＷ相巻線の少なくとも一方を通って帰還する必要がある。
【００６２】
インバータ回路３０Ａにおけるスイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3の開閉は、典型的には、ＭＣＵ７０Ａが形成するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号に応じて制御され得る。ＰＷＭ信号のデューティを周期的に変化させることにより、擬似的正弦波の波形を持つ交流電圧をＵ相、Ｖ相、およびＷ相巻線に印加することができる。
【００６３】
ロータ２０Ｒは複数の永久磁石（不図示）を有している。インバータ回路３０Ａからステータ２０ＳのＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線のそれぞれに交流電圧が印加されることにより、ロータ２０Ｒが回転する。ロータ２０Ｒの回転速度、すなわち単位時間あたりの回転数は、ステータ２０ＳのＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線のそれぞれに印加される交流電圧の周波数によって可変に制御され得る。
【００６４】
ステータ２０ＳのＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線のそれぞれを流れる電流の大きさは電流測定器４０Ａによって測定される。電流測定器４０Ａの測定結果は、半導体集積回路７２のＡ／Ｄ変換回路４２に入力される。電流測定器４０Ａの構成および接続は、図示される例に限定されず、任意である。
【００６５】
モータ２０Ａに印加される電圧の大きさは、インバータ回路３０Ａに与えられる電圧、すなわちハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間の電圧の大きさによって規定される。この電圧は、電圧測定器４０Ｂによって測定される。電圧測定器４０Ｂの測定結果は、半導体集積回路７２のＡ／Ｄ変換回路４４に入力される。電圧測定器４０Ｂの構成および接続は、図示される例に限定されず、任意である。電圧測定器４０Ｂは、電圧保護回路の機能も果たし得る。
【００６６】
再び図７を参照する。ＭＣＵ７０Ａは、Ａ／Ｄ変換回路４２、４４の出力を受け取る。ＭＣＵ７０Ａは、メモリ４６に記録されているプログラムに従って種々のアルゴリズムを実行する。これらのアルゴリズムは、モータ２０Ａの制御アルゴリズムを含む。モータ制御アルゴリズムの典型例は、ベクトル制御アルゴリズムである。センサレス・ベクトル制御アルゴリズムによれば、モータの動作状態をモニタするため、モータの電流値、電圧値、および回転数などを例えば５０マイクロ秒ごとにセンシングする。具体的には、電流測定器４０Ａによって検出される電流の大きさに基づいて、ロータ２０Ｒの回転位置および回転速度を高い正確度で推定することができる。このようにして、本実施形態のＭＣＵ７０Ａは、ロータ２０Ｒの回転速度の推定値、言い換えると、単位時間あたりのモータ回転数の推定値を取得する。この回転数の推定値は、モータ２０Ａの制御のためだけではなく、ＭＣＵ７０Ａによる揚程の推定にも利用される。
【００６７】
ＭＣＵ７０Ａは、Ａ／Ｄ変換回路４２、４４の出力に基づいてモータ２０Ａの消費電力の値を取得することができる。この消費電力は、揚程の推定、および吐出し量の推定の両方に用いられる。
【００６８】
メモリ４６は、前述した第１データおよび第２データを格納する記憶装置６０として機能してもよい。また、このような記憶装置６０は、メモリ４６とは別のメモリデバイスから構成されていてもよい。
【００６９】
２．流量推定の動作
次に、図９および図１０を参照して、本実施形態におけるポンプシステム２０００の流量推定動作の一例を説明する。また、適宜、図４、図５および図７も参照する。
【００７０】
まず図９を参照する。ポンプシステム２０００を起動すると、ステップＳ１において、図７のＭＣＵ７０Ａは、図４の記憶装置６０（または図７のメモリ４６）から揚程の起動前設定値を読み込む。起動前設定値は、固定されたデフォルト値であってもよいし、前回の動作終了時点で記憶装置６０などに記録されていた揚程の推定値であってもよい。
【００７１】
ステップＳ２において、ＭＣＵ７０Ａは、第１規定時間を経過したか否かを判定する。時間の計測は、例えばＭＣＵ７０Ａが備える不図示のタイマによるカウント値に基づいて実行され得る。第１規定時間は、例えば１秒である。Ｙｅｓの場合、ステップＳ３に進む。Ｎｏの場合、第１規定時間を経過するまで、ステップＳ２の判定が繰りかえされる。
【００７２】
ステップＳ３において、ＭＣＵ７０Ａは、モータ電流の測定値を取得する。ステップＳ４において、ＭＣＵ７０Ａは、モータ電圧の測定値を取得する。これらの測定値の取得（モニタ）は、図７に示される電流測定器４０Ａおよび電圧測定器４０Ｂによって行われ得る。モータの電流および電圧の測定値からはモータの消費電力が定まる。ステップＳ５において、ＭＣＵ７０Ａは、モータ回転数の推定値を取得する。モータ回転数の推定値は、ＭＣＵ７０Ａが実行するベクトル制御の処理中に取得され得る。ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の順序は、特に限定されず、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５が同時に実行されてもよい。
【００７３】
ステップＳ６において、ＭＣＵ７０Ａは、モータ動作の安定度チェックを行う。より詳細には、ＭＣＵ７０Ａは、例えばモータの回転数、入力電力、および消費電力の大きさおよび／または変動に基づいて、モータの制御動作が正常であるか否かを監視しているため、これらの値に応じてモータ動作の安定度を評価することができる。モータ動作が安定状態にないと判定されたときは、ステップＳ１０に進み、前回の揚程推定値を読み出す。なお、モータの回転数、入力電力、および消費電力の大きさは、センサレス・ベクトル制御を実行する過程において、例えば５０マイクロ秒間隔で検出される。このため、モータの動作に異常が発生したときは、図９に示されるフローとは別に迅速に検出される。また、ステップＳ３からＳ５におけるモータの電流値、電圧値、および回転数の取得は、モータのベクトル制御を行うために取得した測定値または推定値の例えば１分間における平均値であり得る。
【００７４】
ステップＳ７において、ＭＣＵ７０Ａは、第２規定時間を経過したか否かを判定する。第２規定時間は、例えば１０分である。Ｙｅｓの場合、図１０のステップＳ８に進む。Ｎｏの場合、第２規定時間を経過するまで、ステップＳ２からステップＳ７までの処理が繰りかえされる。ポンプシステムの設計者が第２規定時間を変更することにより、揚程推定値の更新間隔が調整される。
【００７５】
ステップＳ８において、ＭＣＵ７０Ａは、モータ動作が本開示の流量推定処理を行うために充分に安定した状態にあるか否かを判定する。Ｙｅｓの場合、ステップＳ９に進む。Ｎｏの場合、揚程の推定は行わず、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、ＭＣＵ７０Ａが前回の処理によって取得されて記憶装置に記録されている揚程の推定値を記憶装置から読み出す。ポンプシステムの起動直後、停止直前、または日照変動が激しいときなど、モータの消費電力および回転数が変動する場合がある。このような場合は、揚程の推定を実行しないことが好ましい。本実施形態では、ステップＳ８において、ＭＣＵ７０Ａは、モータ動作が安定しているか否かを判定し、モータ動作が安定しているときを選択して揚程の推定値を取得する。揚程は短時間（例えば１０分以下の時間）では大きく変化しないため、モータの動作が安定しているときを選択して揚程の推定値を取得し、モータの動作が安定するまでの過渡期間は、その推定値を継続的に使用しつづけても大きな誤差は生じない。動作が安定しているか否かは、例えばモータの回転数および電力の変動が所定レベル以下か否かによって判定可能である。
【００７６】
ステップＳ９において、ＭＣＵ７０Ａは、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５で得たモータの消費電力のモニタ値およびモータ回転数の推定値から、第１データを参照して、揚程の推定値を取得する。具体記には、ＭＣＵ７０Ａが、図４の記憶装置６０または図７のメモリ４６から第１データの数値を読み出す。この数値は、第１データがテーブル形式の場合、モータの消費電力のモニタ値およびモータ回転数の推定値に対応する揚程の値である。第１データが揚程算出のための数式を規定する係数のセットを含んでいる場合、ＭＣＵ７０Ａは、当該係数のセットを第１データから得て、揚程の推定値を求めるための演算を実行する。
【００７７】
ステップＳ１１において、ＭＣＵ７０Ａは、取得した現在の揚程の推定値と前回の揚程推定値との差異が規定値以下か否かを判定する。この規定値は、例えば２メートルである。Ｙｅｓの場合、ステップＳ１２に進み、ＭＣＵ７０Ａが揚程推定値を更新する。Ｎｏの場合、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３において、ＭＣＵ７０Ａは、最新の揚程推定値と前回の揚程推定値との差異の正負に応じて、前回の揚程推定値から規定値（例えば２メートル）だけ増加または減少させた値に更新する。このような処理を行うことにより、１度の更新によって変化し得る揚程変化量を規制することができる。前述したように揚程が短時間で大きく変動することは稀であり、規制範囲を超える大きな変動は、測定または計算のエラーに起因している可能性があるからである。
【００７８】
ステップＳ１４において、ＭＣＵ７０Ａは、揚程の推定値およびモータの消費電力から、第２データを参照して、流量（吐出し量）の推定値を取得する。ステップＳ１４の処理を行った後、図９のステップＳ２に戻る。
【００７９】
上記の例では、モータの消費電力のモニタ値および回転数の推定値は１分ごとに取得され、揚程の推定値は１０分ごとに更新される。揚程の推定値が更新されると、流量の推定値が取得される。
【００８０】
この例におけるポンプ流量推定方法よれば、流量の推定値が１０分ごとに得られる。例えば時刻ｔに取得された流量の推定値がｑ（ｔ）リットル／分であったとすると、１０分間の吐出し量は、ｑ（ｔ）×リットルである。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間に取得された流量の推定値を積算すると、その期間における合計吐出し量を求めることができる。例えば、毎日、ポンプシステムが稼働している時間の合計吐出し量（１日に汲みあげた水の総量）を求めることができる。
【００８１】
太陽光発電によって動作するポンプシステムは、発電しない夜間は停止する。このため、毎日、その日最初に起動するときは、ポンプシステムの揚水管内に水がないという状態が生じ得る。そのため、起動後、ポンプから揚水管の吐出口まで水が押し上げられていく期間は、ポンプシステムから水は吐出されない。従って、現実の吐出し量の積算値を求めるとき、起動直後に取得される吐出し量の推定値は計算に含めるべきではない。本実施形態では、制御装置が、吐出し量の推定値を決定して吐出し量の前記推定値を出力するとき、ポンプ起動後に液体が第１レベルから第２レベルに初めて汲みあげられるまでの液体量に相当する値を吐出し量の推定値から差し引く。このため、起動後、空であった揚水管の内部が水で満たされて吐出しが始まるまでの時間を求め、その時間においては、モータの消費電力に関わらず、合計吐出し量（水量）の積算を実行しない。空であった揚水管の内部が水で満たされて吐出しが始まるまでの時間は、揚水管などの配管の長さに応じて算出され得る。このような処理の内容は、図７のＭＣＵ７０Ａの動作を規定するプログラムによって決定され得る。
【００８２】
なお、上記の実施形態において「ポンプ流量推定装置」として機能する部品のセットが、ポンプユニット１００から分離して製造販売されてもよい。このようなポンプ流量推定装置は、永久磁石同期モータおよびモータ駆動装置の少なくとも一方に電気的に接続され、電力をモニタする測定回路と、第１レベルと第２レベルとの差異によって規定される揚程と永久磁石同期モータの単位時間あたりの回転数および電力との関係を規定する第１データ、ならびに、ポンプによる所定時間あたりの吐出し量と揚程および電力との関係を規定する第２データが格納された記憶装置と、モータ駆動装置、前記測定回路、および記憶装置に接続された制御装置とを備える。この制御装置は、前述した制御装置と同様に、回転数の測定値または推定値と電力のモニタ値とに基づいて、記憶装置に格納された第１データから揚程の推定値を決定し、揚程の推定値と電力のモニタ値とに基づいて、記憶装置に格納された第２データから吐出し量の推定値を決定し、吐出し量の前記推定値を出力する。
【００８３】
＜変形例１＞
図１１は、設置現場で配管（揚水管１３および吐出管１４）の長さが当初の設計値から変更された例を示している。揚水管１３の上端が上昇すると、地面Ｇから第２レベルＬ２までの距離Ｈ２が長くなる。このことは、Ｈ１＋Ｈ２で示される揚程（実揚程）Ｈの増加を招く。一方、吐出管１４が水平横方向に延びることは、Ｈ１＋Ｈ２で示される揚程（実揚程）Ｈを変化させない。しかし、吐出管１４が長くなると、管内損失が無視できる範囲を超えて増加する可能性がある。このようなことに起因して、第１データおよび第２データを作製したときの揚程（Ｈ＝ｈ１、ｈ２、・・・、ｈ５）と、実際に設置されたポンプシステムにおける揚程との間に差異が発生し得る。
【００８４】
このような差異によって吐出し量の推定に大きな誤差が生じないようにするためには、現場にポンプシステムを設置したとき、水量計または流量計を用いて、ポンプ動作時における吐出し量（流量）を実測することが好ましい。この場合、ポンプシステムの動作時に取得された吐出し量（流量）の推定値と実測値と比較し、推定値が実測値に近づくように補正を実行しればよい。このような補正は、第１データおよび第２データを規定する数式またはテーブルを補正する方法、または、前述した方法で推定された値に補正量を加算したり、補正係数を掛けたりする方法を用いて実現し得る。実測値と推定値との差の原因が揚程の推定誤差に起因する場合、第１データを参照して得られた揚程の推定値を補正するだけで、流量推定の正確度を高めることもできる。
【００８５】
なお、上記の実施形態では、インバータ回路を含むモータ駆動装置３０が地上に位置するコントロールユニット２００に配置されているが、本開示のポンプシステムは、この例に限定されない。モータ駆動装置３０の一部または全部がポンプユニット１００内に配置されていてもよい。１個のモータモジュールがモータ２０およびモータ駆動装置３０を備えていてもよい。このようなモータモジュールがポンプユニット１００内に配置される場合、ポンプユニット１００から地上に延びるケーブルには、発電装置に接続された電源線と、制御装置に接続された信号線とが含まれ得る。
【００８６】
＜実施例＞
図１２は、本開示の実施形態におけるポンプシステム２０００について、電力および出力の時間依存性を示すグラフである。横軸は時間であり、１日のうちの日の出から日の入りまでの期間を示している。縦軸は、電力である。グラフ中の破線は、太陽電池パネルを備える発電装置が作り出す電力（単位時間あたりの発電量）を示し、実線はモータの消費電力を示している。これらの電力は相互に略等しい大きさを持ち、１日のうちでも大きく変化する。太陽光による単位時間あたりの発電量は、太陽高度および雲の拡がり状態にも依存する。
【００８７】
図１３は、本開示の実施形態におけるポンプシステム２０００によって得られた流量の推定値および揚程の推定値を示すグラフである。左側の縦軸は流量の推定値であり、右側の縦軸は揚程の推定値である。横軸は時間であり、１日のうちの日の出から日の入りまでの期間を示している。このグラフからは、揚程の推定値が安定して約３０メートルを示している期間（安定期間）と、その期間の前後に不安定に変動する期間（不安定期間）とが観察される。モータに供給される電力が小さすぎると、モータの制御動作は不安定になる。グラフに示されるような不安定期間に取得された揚程の推定値は、揚程の現実の値から大きく異なり得るため、流量の推定に用いることは好ましくない。図９および図１０を参照しながら説明した手順に従えば、このような不安定期間に揚程の推定値の更新は行わない。
【００８８】
なお、図１３に示される例では、流量が図１２に示されるモータ消費電力に応じて増減している。揚程が実質的に一定であるときは、モータに供給される電力が大きいほど、モータの消費電力が増加し、流量（単位時間あたりの吐出し量）も増加する。
【００８９】
図１４は、モータ回転数（１分あたりの回転数）および流量（１分あたりの吐出し量）の時間依存性を示すグラフである。図１４に示されている流量のデータは、図１３に示されている流量のデータに等しい。この例では、揚程が実質的に一定であるため、モータの回転数に応じて流量が変化している。
【００９０】
図１５は、本開示の実施形態におけるポンプシステム２０００によって推定された流量、および流量計で測定された流量の値（比較例）のモータ消費電力依存性を示すグラフである。本実施形態によれば、モータ消費電力が１５００ワットを超えるとき、流量の推定値と実測値との間の誤差は約５％以下であった。
【００９１】
本実施例のポンプシステムによれば、流量計を備えることなく、高い正確度で流量、すちわち所定時間あたりの吐出し量を推定することができる。この推定の正確度は、揚程が変化しても維持されるため、従来技術に比べて毎日または所定時間ごとの井戸くみ上げ量を正確にモニタすることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本開示のポンプシステムは、流量計を必要とせず、揚程が変化する状況でも吐出し量を高い正確度でモニタすることができる。このため、井戸から水を汲みあげて灌漑または飲用に供する用途に利用され得る。また、本開示のポンプシステムは、井戸水の汲みあげに限定されず、液体を汲みあげることが求められる種々の装置またはシステムに利用され得る。
【符号の説明】
【００９３】
１０・・・ポンプ、１１Ｌ・・・第１液槽、１１Ｕ・・・第２液槽、１２・・・液体（水）、１３・・・揚水管、１４・・・吐出管、１５・・・井戸の蓋、２０・・・モータ、３０・・・モータ駆動装置、３０Ａ・・・インバータ回路、４０・・・測定回路、４０Ａ・・・電流測定回路、４０Ｂ・・・電圧測定回路、５０・・・ケーブル、６０・・・記憶装置、７０・・・制御装置、８０・・・通信装置、９０・・・発電装置、１００・・・ポンプユニット、２００・・・コントロールユニット、３００・・・太陽電池パネル、１０００・・・ポンプシステム、２０００・・・ポンプシステム
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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