(57)【要約】【課題】ポンプの回転数を低回転にしても運転でき、異物等が噛み込んでもこれを容易に取り除くことができる低コストの水中モータポンプを提供すること。【解決手段】水中で使用する電動モータＭを備えた水中モータポンプである。電動モータＭの一次側にベクトル制御手段２０を付加した周波数変換装置１０を接続し、電動モータＭへの供給周波数を商用電源周波数よりも小さい周波数にする。電動モータＭへの供給電流値が、定常運転時の電動モータＭへの供給周波数における正常電流値より所定値以上に上昇した場合は、電動モータＭを一旦停止して電動モータＭを逆方向へ回転させ、その後再び正常回転方向に回転させることによって、ポンプへの異物等の噛み込みを取り去る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中で使用する電動モータを備えた水中モータポンプにおいて、
前記電動モータの一次側にベクトル制御手段を付加した周波数変換装置を接続し、この周波数変換装置は、前記電動モータへの供給周波数を商用電源周波数よりも小さい周波数にすることを特徴とする水中モータポンプ。
【請求項２】
前記電動モータの極数を２極又は４極又は６極とし、且つこの電動モータの回転数の範囲を５０ｍｉｎ−１〜６００ｍｉｎ−１としたことを特徴とする請求項１に記載の水中モータポンプ。
【請求項３】
前記水中モータポンプは、電動モータへの供給電流値が、定常運転時の電動モータへの供給周波数における正常電流値より所定値以上に上昇した場合には、電動モータを一旦停止して電動モータを逆方向へ回転させ、その後再び正常回転方向に回転させる手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の水中モータポンプ。
【請求項４】
前記所定値は、正常電流値の１５０％の電流値であることを特徴とする請求項３に記載の水中モータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中で使用する電動モータを備えた水中モータポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水中電動モータを使用する水中モータポンプは、河川、湖沼や下水処理設備等の水深が十分ある場所において使用されている。一方ポンプの揚水量を時間的に変化させる必要がある場合は、ポンプ吐出管路に設けられた制御弁で揚水量を制御するより、ポンプの回転数を変化させて揚水量を制御する方が、全体効率が上昇して省エネルギー効果がある。
【０００３】
従来、ポンプの回転数を無段階に変化させるには、主に電圧をＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式で変換するインバータ式周波数変換装置により、水中にある電動モータの入力周波数を変えて、電動モータの回転数を変化させる方式を採用する場合が多い。
【０００４】
例えば、曝気槽に使用される水中モータポンプは、一般にエアレータと称して槽内にある液体の攪拌と空気混入を行うが、このときポンプの入口或いは出口側に外部から空気を供給して液体と混合させて、槽内の処理液を混合しながら空気（酸素）を混合させる。このときは、酸素混入率の多少により、ポンプの回転数を変化させ、変化後の回転数を一定に保つ。
【０００５】
しかしながら上記インバータ式周波数変換装置を用いてポンプの回転数を変化させる場合には、周波数が低くなると、例えトルクブースト方式を採用しても、電動機の出力トルクには限界があり、低回転数では電流値が大きくなりすぎて、運転不能に陥る場合が多かった。
【０００６】
一方固形粒子や繊維状の異物が混入している液体を揚水する場合等には、ポンプ羽根車に異物が噛み込み、その運転が阻害される場合があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、ポンプの回転数を低回転にしても運転でき、また異物等が噛み込んでもこれを容易に取り除くことができる低コストの水中モータポンプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、水中で使用する電動モータを備えた水中モータポンプにおいて、前記電動モータの一次側にベクトル制御手段を付加した周波数変換装置を接続し、この周波数変換装置は、前記電動モータへの供給周波数を商用電源周波数よりも小さい周波数にすることを特徴とする水中モータポンプである。これによってポンプを低回転で運転することが可能になった。
【０００９】
また請求項２に記載の発明は、前記電動モータの極数を２極又は４極又は６極とし、且つこの電動モータの回転数の範囲を５０ｍｉｎ−１〜６００ｍｉｎ−１としたことを特徴とする請求項１に記載の水中モータポンプである。
【００１０】
また請求項３に記載の発明は、前記水中モータポンプは、電動モータへの供給電流値が、定常運転時の電動モータへの供給周波数における正常電流値より所定値以上に上昇した場合には、電動モータを一旦停止して電動モータを逆方向へ回転させ、その後再び正常回転方向に回転させる手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の水中モータポンプである。これによって異物等の噛み込みに際して、これを取り去ることも可能になった。
【００１１】
また請求項４に記載の発明は、前記所定値は、正常電流値の１５０％の電流値であることを特徴とする請求項３に記載の水中モータポンプである。この電流値は、異物等を噛み込んだと判断するに十分な数値である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を適用してなる水中モータポンプの電動モータＭへの電源供給回路を示すブロック図である。同図に示すように水中モータポンプの電動モータＭには、商用電源から周波数変換装置１０を介して所定の周波数の三相電源が供給されており、一方周波数変換装置１０はベクトル制御手段２０によってその周波数が制御される。ベクトル制御手段２０にはこの水中モータポンプを運転制御する運転制御手段３０から速度・回転方向指令が入力される。
【００１３】
ここで電動モータＭとしてこの実施形態では２極又は４極又は６極の誘導電動機が使用されている。この電動モータＭの負荷側には図示しない水中ポンプが接続されており、水中モータポンプを構成している。電動モータＭとしては誘導型の他に、同期型電動機を用いても良い。一方ポンプは立型・横型の何れでも良く、エアレータ形式のものも含む。
【００１４】
次に周波数変換装置１０はこの実施形態では電圧型ＰＷＭ方式インバータが使用されている。電圧型ＰＷＭ方式インバータは、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）による電圧型インバータである。電圧型インバータは出力インピーダンスが小さく、負荷条件に従った出力電流が流れるため誘導電動機や同期電動機の可変速電源として用いて好適である。なお電圧型インバータの代わりに電流型インバータを用いても良い。
【００１５】
次にベクトル制御手段２０は磁界検知センサ２１，２３からの検知信号を用いて電動モータＭの磁束と電機子電流の交差の状態を制御し、電動モータＭの力率を改善することにより、低回転数でも電動モータＭの出力トルクがポンプの必要とする動力より大きくなるように制御するものである。なおベクトル制御手段としては、前述したセンサ２１，２３からのインプットを必要とするフィードバック制御方式の他に、適応型オブザーバを用いたセンサレス制御方式も適用できる。
【００１６】
ここで本発明においては、電動モータＭの一次側にベクトル制御手段２０を付加した周波数変換装置１０を接続したので、以下のような利点が得られる。
▲１▼負荷が急変しても、すばやくそれに対応してトルクを増加することができるため、回転数変動を小さくできる。即ち負荷変動に対してほぼ同一回転数を保つことができる。
【００１７】
▲２▼従来の周波数変換装置に付加されていたトルクブースト方式より、低回転で大きなトルクを出力可能である。従ってポンプを低回転で運転しても運転不能に陥ることはない。即ち電動モータＭの回転数を５０〔ｍｉｎ−１〕としても、ポンプの運転が可能になった。
【００１８】
▲３▼ベクトル制御により力率が改善されるため、電動モータＭのモータコアを小型化できて水中モータが小型化できる。
【００１９】
図２は上記水中モータポンプの回転数制御方法の一例を示す制御フロー図である。同図及び図１において、まず運転制御手段３０は、この水中モータポンプを使用している使用状態に応じて所定の回転数となるようにベクトル制御手段２０に信号を出力し、電動モータＭをその回転数（供給周波数）で運転するように制御する（ステップ１）。電動モータＭの回転数の範囲は５０〔ｍｉｎ−１〕〜６００〔ｍｉｎ−１〕とし、その範囲内で変更できるようにする。なお水中モータポンプは水の揚水・排水用や、エアレータ用等として用いられる。
【００２０】
次にリトライ回数ｎ＝０をセットした後（ステップ２）、運転している電動モータＭへの供給電流値が、そのときの供給周波数における正常電流値よりも１５０％以上に上昇した場合、ポンプが異物等を噛み込んで電流値が増加した（電流値異常）と判断し（ステップ３）、リトライ回数ｎに「１」を加算した後（ステップ４）、前記リトライ回数ｎが予め定めた所定の回数Ｎになったか否かを判定し（ステップ５）、なっていなければ電動モータＭを一旦停止した後（ステップ６）、電動モータＭを逆方向に１〜２分間回転させ（ステップ７）、一旦停止した後（ステップ８）、再び正常回転方向に回転させる（ステップ９）。即ちポンプに異物等を噛み込んだ場合は、一旦ポンプを逆回転し、その後正常運転に戻すことで異物等がとれる場合があるので、そのための動作を行うのである。
【００２１】
そしてポンプに噛み込んだ異物等がとれたか否かを、再びステップ３で判断し、とれていれば正常運転（ステップ１）に戻し、とれていなければ再びポンプの逆回転を行い、逆回転動作が所定のリトライ回数Ｎに達したら（ステップ５）運転制御手段３０は電動モータＭに運転停止を指示し、同時に異常停止したことを異常信号として外部（制御盤等）に出力する（ステップ１０）。
【００２２】
なお上記実施形態において、電動モータＭの極数を２極又は４極又は６極とし、且つこの電動モータＭの回転数の範囲を５０〔ｍｉｎ−１〕〜６００〔ｍｉｎ−１〕としたのは以下の理由による。即ち電動モータＭの回転数の範囲を５０〔ｍｉｎ−１〕〜６００〔ｍｉｎ−１〕としたのは、この範囲が一般に水中ポンプの羽根車の実用的な回転数の範囲（即ちこれは電動モータＭの回転数の範囲と同じ）だからである。また電動モータＭの極数を２極又は４極又は６極としたのは、市販製があり、８極以上の電動モータに比べてコストが安いからである。
【００２３】
ここで極数Ｐ、周波数ｆ〔Ｈｚ〕、同期したときの回転数ｎ〔ｍｉｎ−１〕の間には、
ｎ＝１２０ｆ／Ｐ
という関係があるので、極数と同期した回転数との間には以下の関係がある。
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【００２４】
従って商用電源で電動モータＭを駆動し、６００〔ｍｉｎ−１〕以下の回転数を出す場合、少なくとも１０極以上の電動モータが必要となる。しかしながら１０極以上の電動モータはサイズが大きくなり、また市販製が少ないためコストアップにつながる。
【００２５】
一方市販製がありコストの安い２，４，６極の電動モータを商用電源で駆動する場合、そのままでは回転数が高いので、歯車減速機が必要となるが、そうすると電動モータ＋減速機の組み合わせでコストアップとなってしまう。
【００２６】
そこで本実施の形態においては、ベクトル制御手段２０を負荷した周波数変換装置１０を使用することで、２，４，６極の電動モータＭを直接低速回転で運転することとし、低コストで５０ｍｉｎ−１〜６００ｍｉｎ−１の回転数を得るようにしたのである。
【００２７】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能であり、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば電動モータＭへの供給電流値として、定常運転時の電動モータＭへの供給周波数における正常電流値よりも１５０％以上の供給電流値は、ポンプが異物等を噛み込んだと判断するに十分な供給電流値であるが、場合によっては１５０％以外の数値でも良く、要は正常電流値より所定値以上に上昇してポンプが異物等を噛み込んだと判断できる供給電流値であればよい。また場合によっては減速機を用いても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、ポンプを低回転で運転することが可能になった上、異物等の噛み込みに際して、逆回転させてこれを取り去ることも可能になり、水中モータポンプの応用範囲が広がった。また電動モータとしてコストの安い２極又は４極又は６極の電動モータを減速機を用いることなく使用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を適用してなる水中モータポンプの電動モータＭへの電源供給回路を示すブロック図である。
【図２】水中モータポンプの回転数制御方法の一例を示す制御フロー図である。
【符号の説明】
Ｍ  電動モータ
１０  周波数変換装置
２０  ベクトル制御手段
２１，２３  磁界検知センサ
３０  運転制御手段
【図１】
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【図２】
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