(57)【要約】【課題】効率のよい制御装置一体型モータポンプを提供する。【解決手段】制御装置一体型モータポンプは、ポンプ１と、ポンプ１を駆動するモータ２と、モータ２を制御する制御装置３と、ポンプの吐出側の流体の圧力を測定する吐出側圧力測定器１６とを備える。制御装置３はモータ２のモータケーシングに取り付けられる。制御装置３は、商用周波数以上の周波数を含む帯域内の周波数を持つ交流電力を生成するインバータ２５と、ポンプ１の運転を制御するためのトルク指令値を生成するポンプ制御部３０と、トルク指令値を受けてインバータ２５への電圧指令値を決定するベクトル制御部４０とを有する。モータ２は、複数の永久磁石２０を持つ回転子を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧ポンプと、
前記加圧ポンプを駆動するモータと、
前記モータを制御する制御装置と、
前記ポンプの吐出側の流体の圧力を測定する吐出側圧力測定器とを備え、
前記制御装置は前記モータのモータケーシングに取り付けられており、
前記加圧ポンプは、
前記モータの回転軸に固定された羽根車と、
前記羽根車を収容するポンプケーシングとを有し、
前記制御装置は、
商用周波数以上の周波数を含む帯域内の周波数を持つ交流電力を生成するインバータと、
前記ポンプの運転を制御するためのトルク指令値を生成するポンプ制御部と、
前記トルク指令値を受けて前記インバータへの電圧指令値を決定するベクトル制御部とを有し、
前記モータは、複数の永久磁石を持つ回転子を有することを特徴とする制御装置一体型モータポンプ。
【請求項２】
前記ポンプ制御部は、前記加圧ポンプによって加圧された前記流体の供給先の末端圧力を、前記加圧ポンプの吐出流量に拘わらず略一定にするための目標圧力を演算する推定末端圧力一定制御動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【請求項３】
前記制御装置は、前記インバータから前記モータに供給される三相電流を検出する電流検出器をさらに有し
前記ベクトル制御部は、
前記電流検出器で検出された三相電流を二相回転座標系上の励磁電流およびトルク電流に変換する３／２相変換部と、
前記ポンプ制御部からの前記トルク指令値を励磁電流指令値とトルク電流指令値とに変換する指令変換部と、
前記励磁電流と前記励磁電流指令値との偏差を０とするためのｄ軸電圧指令値、および前記トルク電流成分と前記トルク電流成分指令値との偏差を０とするためのｑ軸電圧指令値を演算する電流制御部と、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を三相固定座標系上の三相電圧指令値に変換する２／３相変換部と、
前記回転子の角周波数と位相を演算する位相演算部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【請求項４】
前記モータは、前記永久磁石が前記回転子に埋め込まれた埋め込み永久磁石型モータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記モータの入力電力と前記インバータの入力電力を演算する電力演算部と、
前記電力演算部で演算された電力を積算して単位時間当たりの電力量を計算する電力積算部と、
前記電力量を表示する電力量表示部とをさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記電力量をもとに、二酸化炭素排出量を計算する二酸化炭素排出量計算部と、
前記二酸化炭素排出量を表示する二酸化炭素排出量表示部とをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【請求項７】
前記ポンプ制御部は、前記末端圧力をほぼ一定に調節するための前記加圧ポンプの吐出し流量と吐出し圧力との関係を記憶する記憶部を有し、実際の流量に対応して、前記吐出側圧力測定器で測定された前記流体の圧力が前記関係に従った圧力となるように前記トルク指令値を演算することを特徴とする請求項２に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【請求項８】
前記ポンプ制御部は、前記加圧ポンプの吐出し圧力を一定にする吐出圧力一定制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型モータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置一体型モータポンプに係り、特にモータをベクトル制御に基づいて制御する制御装置を一体に備えたモータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータポンプは、ポンプの駆動源としてモータを備えたポンプである。このモータポンプは様々な用途に使用され、例えば、建物に水を供給する給水装置として使用される。モータの運転は、インバータを有する制御装置によって制御される。インバータは、モータに供給する電流の周波数を変えることで、モータの回転速度を増減する。モータの制御方法としては、応答性に優れたトルク制御を可能とするベクトル制御が知られている。このベクトル制御は、モータに流れる電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに分解し、それぞれを独立して制御する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５７６２３号公報
【特許文献２】特開平９−９７００号公報
【特許文献３】特開平７−２４５９８１号公報
【特許文献４】特開平１１−２０６１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ポンプ駆動用モータとしては、誘導モータが使用されているため、巻線方法が分布巻となり、小型化や導線使用量の削減などには限界がある。そのため、モータポンプ全体のコンパクト化や一体型構成を達成するのが難しかった。さらに、励磁エネルギーの供給が必要であるため、効率向上の面でも課題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、効率のよい制御装置一体型モータポンプ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】
【０００６】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、加圧ポンプと、前記加圧ポンプを駆動するモータと、前記モータを制御する制御装置と、前記ポンプの吐出側の流体の圧力を測定する吐出側圧力測定器とを備え、前記制御装置は前記モータのモータケーシングに取り付けられており、前記加圧ポンプは、前記モータの回転軸に固定された羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングとを有し、前記制御装置は、商用周波数以上の周波数を含む帯域内の周波数を持つ交流電力を生成するインバータと、前記ポンプの運転を制御するためのトルク指令値を生成するポンプ制御部と、前記トルク指令値を受けて前記インバータへの電圧指令値を決定するベクトル制御部とを有し、前記モータは、複数の永久磁石を持つ回転子を有することを特徴とする制御装置一体型モータポンプである。
【０００７】
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ制御部は、前記加圧ポンプによって加圧された前記流体の供給先の末端圧力を、前記加圧ポンプの吐出流量に拘わらず略一定にするための目標圧力を演算する推定末端圧力一定制御動作を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御装置は、前記インバータから前記モータに供給される三相電流を検出する電流検出器をさらに有し前記ベクトル制御部は、前記電流検出器で検出された三相電流を二相回転座標系上の励磁電流およびトルク電流に変換する３／２相変換部と、前記ポンプ制御部からの前記トルク指令値を励磁電流指令値とトルク電流指令値とに変換する指令変換部と、前記励磁電流と前記励磁電流指令値との偏差を０とするためのｄ軸電圧指令値、および前記トルク電流成分と前記トルク電流成分指令値との偏差を０とするためのｑ軸電圧指令値を演算する電流制御部と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を三相固定座標系上の三相電圧指令値に変換する２／３相変換部と、前記回転子の角周波数と位相を演算する位相演算部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記モータは、前記永久磁石が前記回転子に埋め込まれた埋め込み永久磁石型モータであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御装置は、前記モータの入力電力と前記インバータの入力電力を演算する電力演算部と、前記電力演算部で演算された電力を積算して単位時間当たりの電力量を計算する電力積算部と、前記電力量を表示する電力量表示部とをさらに有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記制御装置は、前記電力量をもとに、二酸化炭素排出量を計算する二酸化炭素排出量計算部と、前記二酸化炭素排出量を表示する二酸化炭素排出量表示部とをさらに有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ制御部は、前記末端圧力をほぼ一定に調節するための前記加圧ポンプの吐出し流量と吐出し圧力との関係を記憶する記憶部を有し、実際の流量に対応して、前記吐出側圧力測定器で測定された前記流体の圧力が前記関係に従った圧力となるように前記トルク指令値を演算することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ制御部は、前記加圧ポンプの吐出し圧力を一定にする吐出圧力一定制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、永久磁石により励磁を補うので、励磁に必要なエネルギーが不要となり、その結果、効率が向上する。
また、固定子巻線は集中巻きを採用するので、巻線全体の体積やコイルエンドを小さくすることができる。その結果、銅損を減少させて効率が向上し、さらにはモータの小型化が可能となる。
さらには、商用周波数未満の範囲に加えて、商用周波数以上の範囲を含めた可変速運転をベクトル制御によって行なうことにより、負荷（例えば、吐出し圧力）に合わせた効率のよい運転が可能となる。
また、埋め込み永久磁石型モータとすることによって、次のような効果を得ることができる。永久磁石が回転子の内部に配置されるので、機械的強度が確保され、特に、永久磁石の飛散を確実に防止することができる。また、リラクタンストルクを活用できるので、トルク特性が向上する。さらに、磁気回路の突極性が大きく、回転子の磁極位置を検出することが容易となり、センサレス制御をより容易に実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御装置一体型モータポンプを示す断面図である。
【図２】図１に示すモータポンプの側面図である。
【図３】図１に示すモータの概略断面図である。
【図４】制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本実施形態に係るモータポンプを給水装置に適用した場合の構成を示す模式図である。
【図６】推定末端圧力一定制御を説明するための運転特性曲線図である。
【図７】ポンプの決められた流量におけるポンプの回転速度と全揚程との関係を示すテーブルデータを示す図である。
【図８】ポンプの動作点を説明するための図である。
【図９】締切運転状態の検出の原理を示すＱＨ線図である。
【図１０】締切運転状態を検出するフロー図である。
【図１１】ポンプの締切運転状態の他の検出方法を示すＱＨ線図である。
【図１２】デジタルサンプリング方式による有効電力の測定原理を示す図である。
【図１３】総和平均方式による有効電力の測定原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る制御装置一体型モータポンプについて図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置一体型モータポンプを示す断面図であり、図２は、図１に示すモータポンプの側面図である。図１および図２に示すように、制御装置一体型モータポンプは、モータ２に制御装置３が取り付けられたタイプのポンプ装置であり、ポンプ１、モータ２、制御装置３が一体的に組み立てられた構造を有している。ポンプ１は、モータ２の回転軸５に固定された羽根車７を有している。この羽根車７は、ポンプケーシング１０によって形成されたボリュート室１１内に配置されている。ポンプケーシング１０は、ボリュート室１１に連通する吸込口１０ａおよび吐出口１０ｂを有している。モータ２により羽根車７を回転させると、水などの液体は吸込口１０ａからボリュート室１１に導入され、ここで加圧され、そして吐出口１０ｂから排出される。羽根車７とモータ２との間にはメカニカルシール８が配置されており、これにより液体がモータ２に浸入することを防いでいる。
【００１３】
ポンプケーシング１０の吸込口１０ａには、液体の吸込側圧力を計測する吸込側圧力センサ１４が取り付けられている。吐出口１０ｂには、逆止弁１５が接続されており、さらに逆止弁１５の吐出側には吐出側圧力センサ１６が接続されている。この吐出側圧力センサ１６は、ポンプ１の吐出側の液体の圧力を計測するセンサである。吸込側圧力センサ１４および吐出側圧力センサ１６の出力信号は、図示しない信号線を介して制御装置３に送られる。
【００１４】
制御装置３は、モータケーシング１２の外面に固定されている。制御装置３は、吐出側圧力センサ１６の出力信号に基づき、モータ２に供給する電流を制御する。制御装置３の下部には、電力線入口１３が設けられており、商用電源などの入力電源からの電力線と、圧力センサ１４，１６の上記信号線は、この電力線入口１３から制御装置３の内部に導入される。
【００１５】
図３は、図１に示すモータ２の概略断面図である。モータ２は、回転子２ａと固定子２ｂとを備えており、これらはモータケーシング１２内に収容されている。回転子２ａは回転軸５に固定されており、固定子２ｂはモータケーシング１２の内周面に固定されている。回転子２ａは、その内部に埋設された複数の永久磁石２０を有している。固定子２ｂは、制御装置３から供給される電流から回転磁界を形成し、この回転磁界によって回転子２ａおよび回転軸５が回転する。
【００１６】
図４は制御装置３の構成を示すブロック図である。制御装置３は、モータ２に供給される電圧を生成するインバータ２５と、ポンプ１の運転を所定の制御モードに従って制御するポンプ制御部３０と、インバータ２５への電圧指令値を決定するベクトル制御部４０とを備えている。ポンプ制御部３０は、ポンプ１の吐出側圧力が所定の目標圧力となるためのトルク指令値τ*を生成し、ベクトル制御部４０はこのトルク指令値τ*を受け、公知のベクトル制御手法によってインバータ２５への電圧指令値を決定する。インバータ２５は、ベクトル制御部４０からの電圧指令値に従って交流電力を生成する。
【００１７】
ポンプ制御部３０の制御モードは、モータポンプの用途に応じて決定される。例えば、本モータポンプを給水装置として使用する場合には、制御モードとしては、推定末端圧力一定制御、吐出圧力一定制御、少水量停止制御、差圧一定制御、吐出流量一定制御などが挙げられる。これら制御モードについては後述する。
【００１８】
次に、ベクトル制御部４０について詳細に説明する。インバータ２５からモータ２に供給される三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは電流検出器４２によって測定され、その測定値は３／２相変換部４５に送られる。この３／２相変換部４５は、三相固定座標系（ｕ−ｖ−ｗ軸）上の三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを二相固定座標系（α−β軸）上の二相電流Ｉα，Ｉβに変換し、さらにこれを二相回転座標系（ｄ−ｑ軸）上の二相電流、すなわち励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑに変換する。
【００１９】
トルク指令値τ*は、指令変換部４７に入力され、ここで励磁電流指令値Ｉｄ*およびトルク電流指令値Ｉｑ*に変換される。指令変換部４７には、励磁電流設定部４８が接続されている。この励磁電流設定部４８は、励磁電流指令値Ｉｄ*を指定する入力器である。励磁電流指令値Ｉｄ*は、モータ２の特性に依存して決定されるものであり、例えば、モータ２の無負荷電流を励磁電流の設定値として使用することができる。指令変換部４７には、モータ２の定数（ＲやＬなどのモータ２に依存した固定値）を記憶したメモリ４９が接続されている。この定数は図示しない入力部からメモリ４９に入力される。なお、メモリ４９は指令変換部４７に内蔵してもよい。指令変換部４７は、メモリ４９に記憶されたモータ２の定数と、励磁電流設定部４８で設定された励磁電流指令値Ｉｄ*とから、トルク電流指令値Ｉｑ*を算出する。この算出は公知の方法を用いて実行することができる（例えば、特許文献２参照）。
【００２０】
モータ２の定数は、モータ仕様書やモータ試験成績証などから取得することができる。既知の定数を手動で入力部に入力する方法に代えて、制御装置３は、モータ２を所定の動作パターンで駆動し、そのモータ２の動作結果からモータ２の定数を自動的に測定するオートチューニング機能を有してもよい。より具体的には、モータ２の定格電圧や定格周波数を初期値入力部５０に入力した上で、モータ２に定格範囲内の可変電圧をインバータ２５から印加し、各条件（電圧／周波数）でのモータ定数を演算し、メモリ４９に記憶する。
【００２１】
３／２相変換部４５で変換されたトルク電流Ｉｑと、指令変換部４７で変換されたトルク電流指令値Ｉｑ*は、位相演算部５２に入力され、ここでモータ２の回転子２ａの角周波数ωおよび位相θが求められる。より具体的には、トルク電流Ｉｑおよびトルク電流指令値Ｉｑ*は位相演算部５２の減算器５３に入力され、ここでトルク電流Ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ*との偏差が算出される。この偏差は積分器（ＰＩ制御器）５４に入力され、積分器５４からは回転子２ａの角周波数ωが出力される。この角周波数ωはさらに積分器５５に入力され、この積分器５５から回転子２ａの位相θが出力される。
【００２２】
励磁電流指令値Ｉｄ*、トルク電流指令値Ｉｑ*、励磁電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑ、および角周波数ωは、電流制御部５８に入力される。電流制御部５８は、励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑが、励磁電流指令値Ｉｄ*およびトルク電流指令値Ｉｑ*に追従するようなｄ軸電圧指令値Ｖｄ*およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を生成する。すなわち、電流制御部５８は、励磁電流Ｉｄと励磁電流指令値Ｉｄ*との偏差が０となるようなｄ軸電圧指令値Ｖｄ*を計算し、さらにトルク電流Ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ*との偏差が０となるようなｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を計算する。
【００２３】
電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*および位相θは、２／３相変換部５９に入力され、ここで三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換される。より具体的には、二相回転座標系（ｄ−ｑ軸）上の電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*は、二相固定座標系（α−β軸）上の電圧指令値Ｖα*，Ｖβ*に変換され、さらに三相固定座標系（ｕ−ｖ−ｗ軸）上の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換される。この電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*はインバータ２５の駆動回路２６に入力される。このように、ベクトル制御部４０は、モータ２に供給される三相電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに分解し、これら電流成分を独立に制御する。
【００２４】
インバータ２５は、電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を受け、商用周波数以上の周波数を含む帯域内の周波数を持つ交流電力を生成する。インバータ２５は、商用電源などの入力電源からの交流電流を直流電流に変換するＡＣ／ＤＣ変換部２７と、変換された直流電流をさらに交流電流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部２８をさらに備えている。インバータ２５の駆動回路２６は、ＰＡＭ方式やＰＷＭ方式などの電圧制御方法に従って、ＤＣ／ＡＣ変換部２８を制御する。これにより、ＤＣ／ＡＣ変換部２８は電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に応じた三相電力を生成し、この三相電力をモータ２に印加する。インバータ２５は、ベクトル制御部４０からの指令に基づいて、商用周波数未満の範囲に加えて、商用周波数以上の範囲を含めた広い周波数帯域での交流電力を生成するので、負荷（例えば、吐出し圧力）に合わせた効率のよい運転が可能となる。
【００２５】
上述したトルク指令値τ*は、ポンプ制御部３０で生成される。このトルク指令値τ*はポンプ制御部３０の制御モードによって変わる。例えば、ポンプ制御部３０が、吐出圧力一定制御を行うように構成されている場合、吐出側圧力センサ１６の測定値（すなわち、ポンプ１の実際の吐出側の圧力）と予め設定された目標圧力との偏差を減算器３２で算出し、その偏差がゼロとなるような目標回転速度をＰＩ制御器３３で算出し、その目標回転速度と角周波数ωから求められる現在の回転速度との偏差を減算器３４で算出し、その偏差がゼロとなるようなトルク指令値τ*をＰＩ制御器３５で算出する。
【００２６】
図５は、本実施形態に係るモータポンプを給水装置に適用した場合の構成を示す模式図である。図５に示すように、ポンプ１の吸込側には圧力センサ１４が配置され、ポンプ１の吸込側圧力が測定される。逆止弁１５の吐出側にはフロースイッチ１９配置され、さらにその吐出側には圧力センサ１６および圧力タンク１８が配置されている。圧力センサ１６は、ポンプ１の吐出側圧力（すなわち、給水装置に加わる背圧）を測定する。
【００２７】
逆止弁１５は、ポンプ１が停止したときの水の逆流を防止するための弁である。フロースイッチ１９はポンプ１からの吐出流量が所定の値にまで低下したことを検知する流量検知器である。圧力センサ１４は、ポンプの吸込側圧力を測定するための水圧測定器である。圧力タンク１８は、ポンプ１が停止している間の吐出側圧力を保持するための圧力保持器である。
【００２８】
フロースイッチ１９、圧力センサ１４、および圧力センサ１６は、制御装置３に信号線を介して接続されている。フロースイッチ１９により水の流量が所定の値にまで低下したことが検知されると、制御装置３は少水量停止動作を行うように構成されている。具体的には、ポンプ１の運転速度を一時的に上げ、吐出側圧力を所定の停止圧力にまで昇圧してからポンプ１の運転を停止させる。一方、吐出側圧力が所定の始動圧力にまで低下すると、制御装置３はポンプ１の運転を開始させる。
【００２９】
給水装置として使用されるモータポンプにおいては、圧力センサ１６の出力信号に基づいて、ポンプ１がインバータ２５によって可変速駆動される。一般的には、圧力センサ１６により測定された圧力信号（すなわち、ポンプ１の吐出し圧力）が設定された目標圧力と一致するようにポンプ１の運転速度を制御する吐出圧力一定制御や、目標圧力を管路抵抗に応じて変化させることにより末端の給水栓における供給水圧を一定に制御する推定末端圧力一定制御などが行われる。
【００３０】
ここで、推定末端圧力一定制御について、図６の運転特性曲線図を参照して説明する。図６において、横軸は水量すなわち流量であり、縦軸はヘッドすなわち揚程（以下適宜「圧力」ともいう）であり、曲線Ｎｘはポンプ１の回転速度を一定としたときの運転特性を示す。抵抗曲線Ｒは、ポンプ１から給水末端（例えば給水栓）までの使用水量に応じた管路抵抗であり、末端圧力をほぼ一定に調節するためのポンプ１の吐出し流量とポンプ１の吐出し圧力との関係を示す曲線である。この抵抗曲線Ｒは、ポンプ制御部３０の記憶部３８に記憶されている。
【００３１】
推定末端圧力一定制御においては、使用水量に応じた（抵抗曲線Ｒで示される）管路抵抗を考慮して、ポンプ１の回転速度が制御される。すなわち、ポンプ１の吐出し圧力が抵抗曲線Ｒに沿って変化するように圧力センサ１６の測定値に基づいてポンプ１の回転速度が制御される。すなわち、ポンプ制御部３０では、流量Ｑと抵抗曲線Ｒとによって決定される目標圧力と、吐出側圧力センサ１６の測定値との偏差を減算器３２（図４参照）で算出し、その偏差がゼロとなるような目標回転速度をＰＩ制御器３３で算出し、その目標回転速度と現在の回転速度との偏差を減算器３４で算出し、その偏差がゼロとなるようなトルク指令値τ*をＰＩ制御器３５で算出する。流量Ｑは、ポンプ１の回転速度から間接的に求めることができる。
【００３２】
図６の例では、ポンプ１の回転速度は、Ｎａ（最大水量時に目標推定末端圧力を達成するための回転速度）とＮｂ（水量０のとき上記目標推定末端圧力を達成するための回転速度）との間で制御される。例えば、流量Ｑ１では、ポンプ１は回転速度Ｎｃで運転される。図６のＰａは、最大水量時に目標推定末端圧力を達成するために必要なポンプ１の吐出圧力であり、Ｐｂは、水量０時に目標推定末端圧力を達成するために必要なポンプ１の吐出圧力である。
【００３３】
推定末端圧力一定制御では、ポンプ１の回転速度からポンプ１の吐出し流量を推定し、その流量に対応する目標圧力を決定する。しかしながら、ポンプ１の回転速度とポンプ１の吐出し流量との関係は、ポンプ１の吸込側圧力に依存して変化するため、ポンプ１の吸込側圧力が変動すると、正確な吐出し流量が推定できなくなってしまう。そこで、ポンプ制御部３０は、吸込側圧力センサ１４で測定されたポンプ１の吸込側圧力に基づいて、推定吐出し流量を補正するように構成されている。
【００３４】
ポンプ制御部３０が実行するポンプ運転の制御モードとしては、吐出圧力一定制御のほかにも、推定末端圧力一定制御、差圧一定制御、吐出流量一定制御などが挙げられる。これら制御モードは、制御モード設定部３７からポンプ制御部３０に指令される。ユーザーは、制御モード設定部３７を介して所望の制御モードを選択することができる。
【００３５】
ここで、差圧一定制御とは、ポンプ１の吸込側圧力と吐出側圧力との差圧を一定に保つ制御である。この制御の場合は、吸込側圧力センサ１４で計測されたポンプ１の吸込側圧力と、吐出側圧力センサ１６で計測されたポンプ１の吐出側圧力との差圧を算出し、この差圧と予め設定されている目標差圧との偏差を減算器３２で算出し、その偏差がゼロとなるような目標回転速度をＰＩ制御器３３で算出し、その目標回転速度と現在の回転速度との偏差を減算器３４で算出し、その偏差がゼロとなるようなトルク指令値τ*をＰＩ制御器３５で算出する。
【００３６】
吐出流量一定制御とは、ポンプ１の吐出流量を一定に維持する制御である。この吐出流量一定制御について図７および図８を参照して説明する。まず、ポンプ１の吐出し流量を目標流量Ｑ１に固定したときのポンプ１の回転速度Ｎと全揚程との関係を示すテーブルデータを取得する。図７は得られたテーブルデータを示す。ポンプ１の回転速度Ｎと全揚程との関係を示すテーブルデータは、実測により求められる。具体的には、吐出し流量をＱ１に固定した条件下で、様々な回転速度でポンプ１を運転したときの全揚程を測定することによりテーブルデータが求められる。図８は、ポンプ１の吐出し流量と吐出し圧力との関係を示すグラフである。ここでは、説明の簡略化のために、吸込圧力が０として説明する。吸込圧力が０であるとき（すなわち、吸込側圧力センサ１４の計測値が０であるとき）、吐出し圧力は、全揚程に等しい。
【００３７】
図８において、符号ＳＣは、システムの抵抗および損失から決定されるシステムカーブを示す。ポンプ１の回転速度がＮ２であるとき、ポンプ１の運転点は、回転速度Ｎ２のときの運転特性曲線とシステムカーブＳＣとの交点Ａとなる。この運転点Ａでの吐出し圧力は、吸込側圧力が０である条件下では、全揚程（実測全揚程）を示す。一方、図７のテーブルデータでは、ポンプ１の回転速度がＮ２であるときの全揚程（目標全揚程）はＰＢである。そこで、実測全揚程と、そのときの回転速度に対応したテーブルデータ上の目標全揚程との偏差が０となるようにポンプ１の回転速度を増加または減少させる。具体的には、実測全揚程とテーブルデータ上の目標全揚程との偏差を減算器３２（図４参照）で算出し、その偏差がゼロとなるような目標回転速度をＰＩ制御器３３で算出し、その目標回転速度と現在の回転速度との偏差を減算器３４で算出し、その偏差がゼロとなるようなトルク指令値τ*をＰＩ制御器３５で算出する。
【００３８】
ポンプ１を上記のように制御することにより、ポンプ１の吐出し側に定流量弁を設けなくても吐出し流量を一定にすることができる。またポンプ１の吐出し圧力が使用される負荷、即ちシステムカーブＳＣに合致してポンプ１を運転できるから、定流量弁を用いる場合のように、定流量弁の圧力損失が大きく、ポンプ１の吐出し圧力の調整が難しいという問題が解決でき、最適な運転が可能となる。例えば、システムカーブが図８の点線ＳＣ’の場合はポンプ１は交点イで運転されることになる。
【００３９】
ポンプ制御部３０は、ポンプ１の回転速度とその締切圧力との関係のデータテーブルをさらに備えている。このデータテーブルは、ポンプ１の吐出側のバルブ（図示せず）を閉じて締切状態として、ポンプ１の回転速度を徐々に上げていき、その時の回転速度と吐出側圧力センサ１６で測定される締切圧力とを計測することにより作成される。このデータテーブルは、ポンプ制御部３０の記憶部３８に記憶される。なお、使用するポンプ１の特性曲線は予め判明している場合が多い。この場合には既知の特性曲線から、ポンプ１の回転速度とその締切圧力とのデータテーブルの作成を行い、これをポンプ制御部３０の記憶部３８に記憶するようにしてもよい。また、給水装置においては、他の制御項目、例えば推定末端圧力一定制御においては、別途ポンプ回転速度とその締切圧力とのデータが必要となる。このため、別途準備されたデータテーブルを利用してもよい。
【００４０】
図９は、締切運転状態の検出の原理を示すＱＨ線図である。現在の運転状態は、吐出側圧力Ｐ、水量Ｑであるとする。このときポンプ１の回転速度がＮ＋であり、この回転速度における締切圧力がＰ＋であるとする。このように、通常の給水流量がある場合には、動作点の検出圧力Ｐと、そのときの回転速度Ｎ＋に対応する締切圧力Ｐ＋は、必ず
Ｐ＋＞Ｐ
という関係になる。
【００４１】
これに対して、吐出側圧力Ｐが一定で、水量Ｑが殆どゼロとなった場合には、いわゆる締切運転状態となる。逆止弁１５は一方通行の弁であるので、逆止弁１５の下流側の圧力が目標圧力よりも僅かに高い状態となる場合がある。このような場合には、検出圧力が目標圧力を上回るので、ポンプ１には減速指令が与えられる。しかしながら、締切運転状態においてはポンプ速度が低下しても吐出側圧力は逆止弁１５に保持されて目標圧力以下には下がらない。このため、回転速度がＮ−まで低下したときに対応する締切圧力Ｐ−は、検出圧力Ｐよりも低い。即ち、
Ｐ＞Ｐ−
という関係になる。これにより給水流量がゼロの完全な締切運転状態と判断することができる。
【００４２】
図１０は、上述した締切運転状態を検出するフロー図である。まず、圧力センサ１６による現在の吐出側圧力Ｐと、現在の回転速度Ｎに対応したポンプ締切圧力Ｐｘの関係が判断される。図９に示すように現在の給水流量がＱであり、検出された吐出側圧力がＰであるとする。現在の回転速度Ｎ＋に対して、その対応する締切時の圧力Ｐ＋は、現在の検出圧力Ｐよりも大である。従って、この状態はポンプ１が締切運転状態ではないと判断され、通常運転が継続される。これに対して、水量Ｑがゼロとなり、締切運転状態となると、逆止弁１５により吐出側圧力が保持され、目標圧力Ｐ以下に下がらなくなる。この場合には、ポンプ１の吐出側圧力を低下させるように回転速度の減速指令がポンプ１に与えられる。そして、ポンプ１の回転速度が低下していき、回転速度に対応する締切圧力Ｐｘが、
Ｐ＞Ｐｘ
という関係となる。このような状態はポンプ１の締切運転状態であると判断され、少水量停止動作にはいる。より好ましくは、この状態をタイマ等で所定の時間検出して、この状態が継続することをもってポンプ締切運転状態と判断する。
【００４３】
図１１は、ポンプ１の締切運転状態の他の検出方法を示すＱＨ線図である。この検出方法においては、締切運転時における目標圧力ＰＢに対応した回転速度ＨｚＢに減少した時に、ポンプ１の回転速度をその回転速度ＨｚＢよりも少し低い回転速度（ＨｚＢ−１Ｈｚ）まで低下させる。そして、その時点で吐出側圧力センサ１６の検出圧力が所定値（例えば、ＰＢ−１ｍ）以下に低下するか否かを一定時間監視する。検出圧力が低下しない場合には、ポンプ１の回転速度を低下させても逆止弁１５により吐出側圧力センサ１６の検出圧力が変化しないので、締切運転状態であると判断する。そして、ポンプ１の少水量停止動作が行われる。この少水量停止動作では、締切運転検出時の圧力ＰＢに対して、例えば＋３ｍ程度の吐出圧力となるように、回転速度をＨｚＢ′に上げて一定時間運転し、その後ポンプ１を停止させる。一方、ポンプ１の回転速度を下げて運転して、圧力センサ１６による検出圧力が低下する場合には、完全な締切運転状態ではないので、ポンプ１の通常運転を継続する。
【００４４】
少水量停止動作は、吐出圧力をＰＢ＋３ｍに上げて蓄圧運転を行う。少水量停止動作中に、ポンプ１の回転速度が対応した締切運転速度ＨｚＢ′よりも１Ｈｚ以上大きくなった場合には、ポンプ１を通常運転に戻して運転する。通常の少水量停止動作では、ポンプ１は目標圧力（ＰＢ＋３ｍ）で、これに対応した回転速度ＨｚＢ′で運転される。しかしながら、この少水量停止動作中に給水流量が増加した場合には、締切運転状態が解除されたと考えられ、ポンプ１は少水量停止動作から通常運転に戻る。
【００４５】
図４に戻って、制御装置３が備える消費電力表示機能について説明する。制御装置３は、図４に示すように、電力演算部６１を備えている。この電力演算部６１は、インバータ２５に入力される電力を計算するインバータ入力電力演算部６１Ａと、モータ２に入力される電力を計算するモータ入力電力演算部６１Ｂとを有している。インバータ２５は、その入力側は例えば三相２００Ｖの５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用交流電源に接続され、その出力側はモータ２に接続され、任意の交流周波数及び電圧の電力を供給する。入力電源からの三相電力はＡＣ／ＤＣ変換部２７に入力される。ＡＣ／ＤＣ変換部２７で変換された直流電力の電流および電圧は電流検出器６３および電圧検出器６４によって測定される。測定された電流および電圧はインバータ入力電力演算部６１Ａに入力され、ここで電力が計算される。
【００４６】
モータ２に入力される三相電力の電流及び相間電圧は、それぞれ電流検出器４２および電圧検出器４３により検出される。三相のうち少なくとも二相の電流および電圧を測定すればよい。測定された電流および電圧はモータ入力電力演算部６１Ｂに入力され、モータ入力電力演算部６１Ｂはこれらの電流及び電圧からモータ２に供給される有効電力の電力値を計算する。
【００４７】
図１２は、デジタルサンプリング方式による有効電力の測定原理を示す。電圧検出器４３の出力値から電圧波形のサンプリング結果が図１２（ａ）に示すように得られる。同様に電流検出器４２の出力値から電流波形のサンプリング結果が図１２（ｂ）に示すように得られる。一般に有効電力は、電圧と電流の瞬時値の積である瞬時電力を積分し、一周期Ｔで平均したものとして次式で表される。
【００４８】
【数１】
2011185190.tif 000003
【００４９】
上式の右側の近似式から、有効電力はサンプル周期Δｔの幅をもつｋ（＝Ｔ／Δｔ）個の瞬時電力の短冊の総和（１周期分）を周期Ｔで平均化することにより得られる。このような式の内容をモータ入力電力演算部６１Ｂがほぼそのまま実行することで、デジタルサンプリング方式による電力の計測が可能である。実際には、波形測定時間は測定精度を上げるため１周期分より長く設定される場合が多い。また、Δｔは数十μｓ程度が一般的で、その逆数がサンプリング周波数になる。また、上式は一相当たりの電力であるので、三相の場合は３倍になる。
【００５０】
図１３は、総和平均方式による有効電力の測定原理を示す。電圧検出器４３及び電流検出器４２の出力である電圧入力波形及び電流入力波形は図１３（ａ）に示すようになる。有効電力は次式に示すように、電圧と電流の瞬時値の積を１周期（あるいはｎ周期）の時間で積分して周期で割ったものである。
【００５１】
【数２】
2011185190.tif 000004
【００５２】
そこで、電圧及び電流の入力波形の１周期分（あるいはｎ周期分）を正確にサンプリングする必要がある。この方式では、図１３（ｂ）に示すように電流入力波形を基準としたゼロクロス信号を用いて電圧、電流の入力波形の周期とサンプリング期間を同期させることによって実現している。有効サンプル期間内の電圧と電流の瞬時値の積を上式の近似式を用いて平均化することによって、有効電力が求められる。サンプリングによる近似式を以下に示す。尚、電流入力信号が小さいときは電圧波形のゼロクロス信号が基準になる。
【００５３】
【数３】
2011185190.tif 000005
【００５４】
電力演算部６１は、インバータ入力電力演算部６１Ａおよびモータ入力電力演算部６１Ｂで求められた電力を合算し、その内部に設けられた記憶装置（図示せず）に記憶する。電力演算部６１によって求められた電力は、電力積算部６６に入力される。この電力積算部６６は、逐次記憶される電力値を一定時間ごとに積算し、単位時間の積算値を算出することにより、単位時間当たりの電力量（ｋｗｈ）を算出することができる。そしてこれを電力量表示部６７に出力し、電力量表示部６７は単位時間当たりの電力量（ｋｗｈ）を表示する。
【００５５】
電力積算部６６によって計算された電力量（ｋｗｈ）は、電力料金計算部６８および二酸化炭素排出量計算部７３に入力される。電力料金計算部６８には、電力料金記憶部７０が接続され、さらに電力料金入力部７１が接続されている。電力料金入力部７１は、例えばテンキーなどの入力装置であり、単位電力量当たりの電力料金の入力が可能となっている。単位電力量当たりの電力料金は、電力会社によって異なるため、利用している電力会社に応じた電力料金がユーザーによって設定される。入力された単位電力量当たりの電力料金は、電力料金記憶部７０に記憶される。電力料金計算部６８は、記憶されている単位電力量当たりの電力料金と、電力積算部６６によって算出された電力量（ｋｗｈ）とを乗算することにより、電力料金を計算する。電力料金計算部６８で求められた電力料金は電力料金表示部６９に送られ、ここで電力料金が表示される。基本料金や夜間料金等の差がある場合には、電力料金計算部６８内の時計機能を利用して、夜間と昼間の積算電力量を別々に記憶しておき、それぞれの時間帯別の料金に合わせた電力料金を算出することも可能である。
【００５６】
二酸化炭素排出量計算部７３には、二酸化炭素排出係数を記憶する二酸化炭素排出係数記憶部７４が接続されており、さらに二酸化炭素排出係数記憶部７４には、二酸化炭素排出係数を入力するための二酸化炭素排出係数入力部７５が接続されている。二酸化炭素排出係数とは、電気器機の消費電力から二酸化炭素の排出量を算出するための係数であり、単位電力量（ｋＷｈ）あたりの二酸化炭素排出量（ｔ：トン）を表す数値である（単位：ｔ−ＣＯ２／ｋＷｈ）。この係数は、電力会社別に異なり、また年によっても異なる。二酸化炭素排出係数は、各電力会社によって毎年公表される。
【００５７】
ユーザーが、二酸化炭素排出係数を二酸化炭素排出係数入力部７５に入力すると、二酸化炭素排出係数は二酸化炭素排出係数記憶部７４に記憶され、二酸化炭素排出量計算部７３は、記憶された二酸化炭素排出係数と、電力積算部６６で算出された電力量とから、単位時間当たりの二酸化炭素排出量を計算する。求められた二酸化炭素排出量は、二酸化炭素排出量表示部７６に送られ、ここで表示される。
【００５８】
以上説明した本発明のモータポンプは、上記実施の形態に限定されるものではなく、また図示例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１    ポンプ
２    モータ
３    制御装置
７    羽根車
１５    逆止弁
１６    吐出側圧力センサ
２５    インバータ
３０    ポンプ制御部
４０    ベクトル制御部
【図１】
2011185190.tif 000006
【図２】
2011185190.tif 000007
【図３】
2011185190.tif 000008
【図４】
2011185190.tif 000009
【図５】
2011185190.tif 000010
【図６】
2011185190.tif 000011
【図７】
2011185190.tif 000012
【図８】
2011185190.tif 000013
【図９】
2011185190.tif 000014
【図１０】
2011185190.tif 000015
【図１１】
2011185190.tif 000016
【図１２】
2011185190.tif 000017
【図１３】
2011185190.tif 000018