(57)【要約】【課題】ケーブルから輻射されるノイズを低減することが可能な給水ユニット及び給水設備を提供すること。【解決手段】給水ユニット３は、直流中間電圧を変化させるスイッチング回路３２、及び、水中ポンプ２のモータ２ｂの回転速度を可変させるインバータ３４を有する、ＰＡＭ方式のコンバータ部２３と、水中ポンプ２及びインバータ３４を接続するケーブル１８と、スイッチング回路３２の一次側に設けられた電源入力部２４と、スイッチング回路３２を制御して直流中間電圧を変化させるとともに、インバータ３４のスイッチング周波数を変化させてモータ２ｂの回転速度を変化させる制御部２１と、を備える構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流中間電圧を変化させるスイッチング回路、及び、水中ポンプのモータの回転速度を可変させるインバータを有する、ＰＡＭ方式のコンバータ部と、
前記水中ポンプ及び前記インバータを接続するケーブルと、
前記スイッチング回路の一次側に設けられた電源入力部と、
前記スイッチング回路を制御して前記直流中間電圧を変化させるとともに、前記インバータのスイッチング周波数を変化させて前記モータの回転速度を変化させる制御部と、
を備えることを特徴とする給水ユニット。
【請求項２】
前記コンバータ部は、スイッチング周波数を可変可能に構成された共振回路を有し、
前記共振回路は、設置場所における中波放送の周波数を回避した前記スイッチング周波数に設定されることを特徴とする請求項１に記載の給水ユニット。
【請求項３】
前記電源入力部は、コモンモードチョークコイルと、前記コモンモードチョークコイルの二次側の各相にバイパスして設けられたラインバイパスコンデンサと、前記ラインバイパスコンデンサの二次側で合流する合流部の二次側に設けられた可変抵抗と、前記可変抵抗の二次側に設けられたアース端子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の給水ユニット。
【請求項４】
前記可変抵抗及び前記アース端子の間に設けられ、両端の電圧を測定可能な抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の給水ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一の給水ユニットと、
前記水中ポンプと、
を備えることを特徴とする給水設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを用いた給水ユニット及び給水設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
井戸水の揚水に用いられる給水装置として、井戸に配置される水中ポンプと、地上に配置され、水中ポンプを制御するインバータを有する給水ユニットと、を備えている。
【０００３】
このような給水ユニットは、ＰＷＭ制御方式のインバータと水中ポンプのモータを接続するケーブルが、水中ポンプから地上に向かって井戸内に略垂直に配置され、地上において、井戸から給水ユニットまで略水平に配置される。このようなケーブルは、図６に示すようなＰＷＭ制御方式の電圧スイッチングによりノイズを輻射するが、当該ノイズの周波数がラジオ放送の中波放送の周波数帯にあると、ケーブルから輻射されるノイズが中波放送に混信する、という問題がある。
【０００４】
そこで、ノイズ対策として、インバータの入力側にノイズフィルタを設け、整流後段にリアクタを設け、出力側に零相リアクトル等のノイズフィルタを設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、電力変換器から負荷へ供給する出力ケーブルを、ノイズ伝搬を抑制するシールドケーブルとし、シールドケーブルのシールドの片端を接地極に設置する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、ＰＷＭ制御方式のインバータの三相出力段にコモンモードチョークコイルを取り付け、ケーブルのモータ近傍に位置する部位にコンデンサをデルタ接続する技術も知られている（例えば、特許文献３参照）。この技術は、モータの近傍のケーブルに接続されたコンデンサが、ケーブルのインダクタンス成分と共にＬＣフィルタを構成し、中波放送の周波数帯域のノイズ成分を減衰させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０６５４６３号公報
【特許文献２】特開２００２−２８１７６５号公報
【特許文献３】特開２００６−０４２４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した給水ユニットでは、以下の問題があった。即ち、特許文献１の技術では、インバータの入力側にノイズフィルタを設ける構成であることから、水中ポンプ及びインバータを接続するケーブルからの輻射ノイズを充分に抑制することはできない虞がある。
【０００９】
また、特許文献２の技術では、防水性を持ったケーブルをシールド線とすると製造コストが増加するという問題がある。特に、給水ユニットから水中ポンプまでの長さが長くなるにつれて製造コストが増加する。例えば、シールドケーブルの代わりに金属電線管にケーブルを収納することも考えられるが、適用できる条件下や効果は限定的なものである。
【００１０】
また、特許文献３の技術では、ケーブルの長さに応じて、セラミックコンデンサの静電容量値を選択する必要があるなど、設置のための設定が必要となる。また、給水ユニットのインバータを有する電装部には、交流電源部から入力側へ高調波電流の流出を防止するため、ノイズフィルタを設ける必要がある。しかし、アースに接続されるラインバイパスコンデンサは、電気用品安全法の漏れ電流基準値である１ｍＡ未満となるよう、小さなコンデンサ容量を選定せざるを得ず、アース側へ高調波ノイズを逃がす効果を向上させることができない。また、宅内配線のアースと給水ユニットのアースを共用とすると、宅内配線のアースへ高調波ノイズが伝導し、建築物の金属体が発振アンテナとなって室内でのラジオの聴取が困難となる虞もある。
【００１１】
そこで本発明は、ケーブルから輻射されるノイズを低減することが可能な給水ユニット及び給水設備を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の給水ユニット及び給水設備は、次のように構成されている。
【００１３】
本発明の一態様によれば、給水ユニットは、直流中間電圧を変化させるスイッチング回路、及び、水中ポンプのモータの回転速度を可変させるインバータを有する、ＰＡＭ方式のコンバータ部と、前記水中ポンプ及び前記インバータを接続するケーブルと、前記スイッチング回路の一次側に設けられた電源入力部と、前記スイッチング回路を制御して前記直流中間電圧を変化させるとともに、前記インバータのスイッチング周波数を変化させて前記モータの回転速度を変化させる制御部と、を備える。
【００１４】
本発明の一態様によれば、給水設備は、上述の給水ユニットと、水中ポンプと、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ケーブルから輻射されるノイズを低減することが可能な給水ユニット及び給水設備を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る給水設備の構成を示す断面図。
【図２】同給水設備に用いられる給水ユニットの制御盤の構成を示すブロック図。
【図３】同制御盤のコンバータ部の構成を模式的に示す説明図。
【図４】同制御盤の電源入力部の構成を示す回路図。
【図５】同制御盤のＰＡＭ制御方式のインバータの出力電圧を示す説明図。
【図６】従来のＰＷＭ制御方式のインバータの出力電圧を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係る給水ユニット３を用いた給水設備１を、図１乃至図４を用いて説明する。  
図１は本発明の一実施形態に係る給水設備１の構成を示す断面図、図２は給水設備１に用いられる給水ユニット３の制御盤１９の構成を示すブロック図、図３は制御盤１９のコンバータ部２３の構成を模式的に示す説明図、図４は制御盤１９の電源入力部２４の構成を示す回路図である。
【００１８】
図１に示すように、給水設備１は、井戸等に配置される水中ポンプ２と、陸上に設置される給水ユニット３と、を備えている。
【００１９】
水中ポンプ２は、ポンプ２ａと、ポンプ２ａに接続されたモータ２ｂと、を備えている。
【００２０】
給水ユニット３は、ベース１１と、ベース１１に一体に設けられた連結管１２と、連結管１２の一次側に設けられた吸込フランジ１３と、連結管１２の二次側に設けられた吐出フランジ１４と、連結管１２及び吸込フランジ１３の間に設けられた逆止弁１５と、逆止弁１５の二次側に設けられたセンサー部１６と、センサー部１６の二次側に設けられたアキュムレータ１７と、水中ポンプ２に接続されるケーブル１８と、ベース１１に設けられた制御盤１９と、を備えている。
【００２１】
給水ユニット３は、その一次側が配管１００を介して流体的に水中ポンプ２のポンプ２ａに接続される。給水ユニット３は、ケーブル１８を介して電気的に水中ポンプ２のモータ２ｂに接続される。また、給水ユニット３は、二次側に配管１００を介して流体的に、建造物１１０に設けられた蛇口１１１やシャワーヘッド、又は、農業用の水路等の給水先１２０が接続される。
【００２２】
ベース１１は、連結管１２とともに、樹脂材料を用いた射出成形により形成される。ベース１１は、その上面に制御盤１９を固定する。ベース１１は、例えば、ベース１１上の構成品を覆うカバーが設けられる。
【００２３】
連結管１２は、一次側が二次側よりも流路面積が大きく構成されるとともに、一次側から二次側に向かう中途部で縮径し、流路面積が小さく構成される。連結管１２は、例えば、ベース１１上に一体に構成される。
【００２４】
吸込フランジ１３は、連結管１２の一次側の端部に固定される。吸込フランジ１３は、水中ポンプ２に接続される配管１００を固定可能に構成される。吸込フランジ１３は、連結管１２と対向する端面に逆止弁１５を固定可能に構成される。
【００２５】
吸込フランジ１３は、連結管１２側の端部に逆止弁１５と当接する座面を有する。吐出フランジ１４は、連結管１２の二次側の端部に固定される。吐出フランジ１４は、給水先１２０に接続される配管１００を固定可能に構成される。
【００２６】
逆止弁１５は、吸込フランジ１３及び連結管１２の間に設けられる。逆止弁１５は、連結管１２から一次側の水中ポンプ２に向かう逆流を防止可能に構成される。
【００２７】
センサー部１６は、基部と、圧力センサと、流量センサと、温度センサと、を備えている。センサー部１６は、基部に、圧力センサ、流量センサ及び温度センサが一体に組み立てられることで構成される。
【００２８】
制御盤１９は、ベース１１上に固定される。図２に示すように、制御盤１９は、制御部２１と、記憶部２２と、コンバータ部２３と、電源入力部２４と、入力インターフェイス（以下、入力Ｉ／Ｆ）２５と、を備えている。また、制御盤１９は、外部から電力を供給する電源ケーブル２６を備える。
【００２９】
制御部２１は、マイコンとその周辺回路により構成されている。記憶部２２は、水中ポンプ２を駆動するプログラム等が記憶されている。
【００３０】
コンバータ部２３は、ＰＡＭ方式のコンバータである。図３に示すように、コンバータ部２３は、整流器３１と、スイッチング回路３２と、共振回路３３と、インバータ３４と、を備えている。
【００３１】
整流器３１は、電源入力部２４に接続される。整流器３１は、交流電圧を直流電圧に変換する。
【００３２】
スイッチング回路３２は、スイッチング素子４１、モータ２ｂの速度指令から直流電圧を演算する直流電圧演算部４２、及び、整流器３１へ入力される電圧を判定する判定部４３を備えている。スイッチング回路３２は、直流電圧を変化させるとともに、インバータ３４で出力する周波数を変化させる。即ち、ＰＡＭ制御方式により、図５（ａ）に示すように、出力周波数が高い場合は、直流電圧を高くし、図５（ｂ）に示すように、インバータ３４の出力周波数が低い場合は直流電圧を低くすることで、モータ２ｂの磁気飽和を生じることなく、周波数制御を行うことが可能となる。
【００３３】
共振回路３３は、コンデンサ４５と、可変抵抗と、を有する。共振回路３３は、可変抵抗の抵抗値を調整することで、スイッチング周波数を可変可能に構成される。共振回路３３は、例えば、スイッチング周波数を１０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの範囲で可変可能に構成される。
【００３４】
インバータ３４は、ケーブル１８を介してモータ２ｂに接続される。インバータ３４は、スイッチング回路３２から入力される電圧に基づいて周波数を可変させてモータ２ｂを駆動する。インバータ３４は、例えば、３０Ｈｚ乃至９０Ｈｚの範囲で周波数を可変する。
【００３５】
図４に示すように、電源入力部２４は、一次側が電源ケーブル２６に接続され、二次側が整流器３１に接続される。電源入力部２４は、コモンモードチョークコイル５１と、コモンモードチョークコイル５１の二次側の各相にバイパスして設けられた二つのラインバイパスコンデンサ５２と、各ラインバイパスコンデンサ５２の二次側が合流する合流部５３と、合流部５３の二次側に設けられた可変抵抗５４と、可変抵抗５４の二次側に設けられた抵抗５５と、を備えている。電源入力部２４は、抵抗５５の二次側に接続されたアース端子５６を備えている。
【００３６】
コモンモードチョークコイル５１は、例えば、コアと、コアにそれぞれ巻回された二本の導線により構成される。コモンモードチョークコイル５１は、ノイズを区別するノイズフィルタを構成する。
【００３７】
ラインバイパスコンデンサ５２は、ノイズ成分を二次側に流すノイズフィルタを構成する。ラインバイパスコンデンサ５２は、例えば、コンデンサ容量が０．２ｕＦに構成される。
【００３８】
合流部５３は、各相に接続されたラインバイパスコンデンサ５２の二次側の回路を合流させる。
【００３９】
可変抵抗５４は、アース端子５６側の漏れ電流を１ｍＡ未満に調整可能に構成される。ここで、１ｍＡ未満とは、電気用品安全法の基準値の範囲である。可変抵抗５４は、例えば、抵抗値が１ｋΩに設定される。可変抵抗５４は、給水ユニット３の設置現場において、アース端子５６を設置した際に、可変抵抗の抵抗値を低下させることが可能に構成される。
【００４０】
抵抗５５は、漏れ電流測定用の固定抵抗である。抵抗５５は、例えば、抵抗値が１ｋΩに設定される。抵抗５５は、測定装置により、抵抗５５の両端の電圧を測定可能に構成される。
【００４１】
通信Ｉ／Ｆ２５は、圧力センサ、流量センサ及び温度センサに接続可能に構成される。また、通信Ｉ／Ｆ２５は、記憶部２２のプログラムの書き換え等のための外部機器等に接続可能に構成される。
【００４２】
このように構成された給水設備１の給水ユニット３の制御盤１９は、制御部２１がコンバータ部２３を制御することで、直流中間電圧を変化させるＰＡＭ制御を行い、インバータ３４のスイッチング周波数を変化させるとともに、モータ２ｂの回転速度を変化させる。例えば、制御部２１は、コンバータ部２３に設けられたスイッチング回路３２のスイッチング素子４１をチョッパ動作させることで、直流中間電圧を変化させるＰＡＭ制御を行う。
【００４３】
また、制御部２１は、記憶部２２に記憶されたプログラムにより、各センサで検出した情報に基づいて、ＰＡＭ制御によりインバータ３４を制御し、水中ポンプ２を吐出圧力が一定となるように制御する。
【００４４】
このように構成された給水設備１によれば、給水ユニット３の制御盤１９により、インバータ３４の周波数を３０Ｈｚ乃至９０Ｈｚとすることで、ケーブル１８からラジオ放送の中波放送の周波数帯のノイズが輻射されることを防止可能となる。
【００４５】
また、制御盤１９は、共振回路３３の可変抵抗の抵抗値を調整して共振回路３３のスイッチング周波数を可変することで、共振回路３３から発生する３０ＭＨｚ以下の高調波ノイズの周波数を調整することが可能となる。これにより、当該ノイズの周波数を、給水ユニット３を設置する場所におけるラジオの中波放送の周波数と異なる周波数に可変させることが可能となり、ラジオの中波放送に当該ノイズが混信することを防止できる。
【００４６】
ここで、調整する周波数範囲としては、例えば、共振回路３３の周波数を１０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの範囲内で、設置場所におけるラジオの中波放送の周波数を回避した周波数に設定すればよい。また、共振回路３３の可変抵抗の抵抗値を調整する構成とすることで、抵抗値を連続可変とすることが可能となり、ランダムなピークを有し、且つ、広範囲な高周波ノイズの周波数であっても、容易にノイズの周波数を調整することが可能となる。
【００４７】
また、電源入力部２４は、コモンモードチョークコイル５１を設け、コモンモードチョークコイル５１の２次側の各相にそれぞれラインバイパスコンデンサ５２を接続し、各相のラインバイパスコンデンサ５２をアース端子５６に接続している。また、接地側への漏れ電流が１ｍＡ未満となるようにラインバイパスコンデンサ５２を設定するとともに、ラインバイパスコンデンサ５２とアース端子５６との間に可変抵抗５４を設ける。
【００４８】
このような構成とすることで、給水ユニット３の設置作業時において、アース端子５６を設置させる際に、可変抵抗５４の抵抗値を低下させて、可変抵抗５４と接地抵抗との直列抵抗値を低減することが可能となる。これにより、各相のラインバイパスコンデンサ５２から可変抵抗５４を介してアース端子５６側へ高調波ノイズを逃がして、電源ケーブル２６から外部へ伝導する伝導ノイズ、及び、延設された電源ケーブル２６からの輻射ノイズを低減することが可能となる。
【００４９】
また、電源入力部２４は、各相のラインバイパスコンデンサ５２を、可変抵抗５４及び抵抗５５を介してアース端子５６に接続する構成とすることで、給水ユニット３の設置作業時に、アース端子５６を接地した際に、抵抗５５の両端の電圧（１Ｖ＝１ｍＡ)を測定することにより、簡易的に漏れ電流を測定することが可能となる。なお、漏れ電流の測定には、測定装置を用いるが、抵抗５５の抵抗値の誤差を考慮して、漏れ電流が概ね０．７ｍＡ（＝０．７Ｖ）程度になるよう、可変抵抗５４を調整してもよい。これにより、測定装置として、精度の高い高価な測定装置を用いることなく、漏れ電流を確認することが可能となる。
【００５０】
上述したように本発明の一実施形態に係る給水設備１によれば、給水ユニット３は、ケーブル１８や電源ケーブル２６から輻射されるノイズを低減することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では、共振回路３３は、可変抵抗により抵抗値を調整することで、高周波ノイズの周波数を調整可能な構成としたがこれに限定されない。例えば、コンバータ部２３の共振回路３３を、電圧ゼロにてスイッチングするソフトスイッチング方式とし、コンバータ部の直流中間電圧ゼロにてターンオンし、電気角が１８０°進んだ直流中間電圧ゼロにてターンオフする半波共振回路、又は、電気角が３６０°進んだ直流中間電圧ゼロにてターンオフする全波共振回路としてもよい。このような構成とすることで、コンバータ部２３の共振回路３３で発生する高調波ノイズをさらに低減することが可能となる。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１…給水設備、２…水中ポンプ、２ａ…ポンプ、２ｂ…モータ、３…給水ユニット、１１…ベース、１２…連結管、１３…吸込フランジ、１４…吐出フランジ、１５…逆止弁、１６…センサー部、１７…アキュムレータ、１８…ケーブル、１９…制御盤、２１…制御部、２２…記憶部、２３…コンバータ部、２４…電源入力部、２５…通信インターフェイス、２６…電源ケーブル、３１…整流器、３２…スイッチング回路、３３…共振回路、３４…インバータ、４１…スイッチング素子、４２…直流電圧演算部、４３…判定部、４５…コンデンサ、５１…コモンモードチョークコイル、５２…ラインバイパスコンデンサ、５３…合流部、５４…可変抵抗、５５…抵抗、５６…アース端子、１００…配管、１１０…建造物、１１１…蛇口、１２０…給水先。
【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】
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【図６】
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