JP6134800B2 - ポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は同期電動機を制御するインバータを使用するポンプシステムに関する。

従来、ポンプの駆動源として誘導電動機が主に使われていたが、現在では省エネ、高効率の観点から、永久磁石を用いた同期電動機が採用されるようになっている。同期電動機の中でも磁極位置センサを備えていない電動機は、磁極位置センサの故障の恐れがなく、また価格的にも安く抑えられるメリットがある。

一方で、磁極位置センサなしの同期電動機の場合、電動機を制御するインバータが認識している回転数と、実際の電動機の回転数が一致しない脱調と呼ばれる現象が発生し、負荷が回転せず、仕事をしない状態となる恐れがある。ポンプの場合には、所望の給水を行なうことが出来ず、飲料水の断水や、設備の停止を発生させる恐れがある。

例えば、以下の特許文献１によれば、電動機の軸誤差の推定演算より、電動機の回転状態の異常検知が可能であるとしている。

特開２０１２−６０７８１号公報

しかしながら、脱調している状態においても電動機には誘起電圧分の電流が流れ、その電流値は正常回転状態での電流値とほぼ同等である。そのため特許文献１に記載の、電圧指令値と電流検出値から軸誤差を推定する方法では、電流値の変化が微小であるために脱調を検出することは難しい。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、ポンプシステムにおいて、脱調を簡単に検出し、必要に応じて電動機を再始動することで、負荷を安定駆動させ、給水を継続することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、一例として、ポンプケーシング内に設けられた羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転駆動する同期電動機と、前記同期電動機を制御するインバータと、を有するポンプシステムであって、前記インバータは、前記ポンプ部の吐き出し側に設けられた水圧を検出する圧力検出手段からの信号を入力する信号入力部と、前記同期電動機の回転数を決定する演算処理部と、前記演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、前記同期電動機に駆動電流を供給する電力変換装部と、を有し、前記演算処理部は、前記圧力検出手段からの信号により、所定値以上の圧力の変化を検出したときに、前記同期電動機を停止し、再始動する処理を行い、1回目の再始動で前記同期電動機が正常に起動しない場合は、前記1回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率とは異なる増加率により第２回目の再始動を行う。

本発明により、脱調が発生し、負荷が回転せず仕事をしない状態となった場合にも、速やかに電動機を再始動し、負荷を駆動させ、仕事を継続することができる。よって安定した給水を行なうことが出来る。

本発明の実施形態におけるポンプシステムの全体構成 本発明の実施形態におけるインバータ内部の構成 本発明の実施形態における記憶部のデータ内容 本発明の第１の実施形態におけるポンプの一定速度運転における制御フロー 本発明の第１〜３の実施形態における異常時処理の制御フロー 本発明の第１の実施形態における自動給水装置の給水圧力一定自動運転における制御フロー 本発明の２の実施形態におけるポンプの一定速度運転における制御フロー 本発明の２の実施形態における自動給水装置の給水圧力一定自動運転における制御フロー 本発明の第３の実施形態における自動給水装置の給水圧力一定自動運転の制御フロー 本発明の第３の実施形態におけるポンプ特性計算処理の制御フロー（例１） 本発明の第３の実施形態におけるポンプ特性計算処理の制御フロー（例２） 本発明の第１の実施形態における脱調による圧力変化の説明図 本発明の第２の実施形態においける脱調による圧力変化と負荷電流値変化の説明図 本発明の第２の実施形態におけるポンプ特性の説明図 本発明の第３の実施形態におけるポンプ特性の説明図１ 本発明の第３の実施形態におけるポンプ特性の説明図２

本発明の第１の実施形態は、ポンプ駆動中の同期電動機において、ポンプ２次側圧力の変化により異常（脱調）を検出するものである。

ポンプ２次側圧力を確認し、その変化量が所定値を超えた場合には一度ポンプを停止させ、再起動した後、再度ポンプ２次側圧力を確認し、２次側圧力が所定値に達した場合には脱調していたと判断する。

まず、図１には本発明のポンプシステムの全体構成が示されている。図１においてポンプケーシング内に羽根車が設けられたポンプ１０は電動機２０で駆動されている。電動機２０は磁極位置センサを備えない同期電動機である。さらに電動機２０にはインバータ３０が接続されていて、インバータ３０が出力電流の周波数を変化させることで、電動機２０の回転数を変化させ駆動する。ポンプ１０の二次側配管に圧力検出手段１１を設け、ポンプ吐出側圧力を検出する。

図２にはインバータ３０の内部構成が示されている。インバータ３０に供給される電源を受ける受電部に交流−直流変換部３１が接続され、受電した交流電源は直流電圧に変換される。この直流電圧を直流−交流変換部３２で、演算処理部３４により指示された周波数の交流電源に再変換する。負荷の回転数を変更する場合には信号入力部３３に信号を入力する。入力した信号に応じて演算処理部３４で出力する周波数を決定し、直流−交流変換部３２にその周波数の交流電源を生成するよう指示を出す。演算処理部３４で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶部３５に予め記憶しておき、演算処理部３４は必要に応じて記憶部３５のメモリ内容の読み出し、書き込みを行なう。

図３には揮発性メモリと不揮発性メモリで構成される記憶部３５に記憶される内容を示す。尚、インバータ３０の内部に記憶部を持たず、インバータ外部に記憶装置を取り付けて代用しても差し支えない。

揮発性メモリの１０００番地には異常判定を開始する際の回転数（電動機への指令周波数）ＨｚＮを記録する。１００１番地には異常判定を開始する際のポンプ２次側の圧力（吐出側圧力）ＨＮを記録する。１００２番地の制御パラメータは第１の実施形態では使用しない。１００３番地には異常判定処理を行なう周期を設定するタイマの残り時間ＴＮ１を記憶し、１００４番地には異常の発生頻度を確認するためのタイマの残り時間ＴＮ２を記憶する。１００５番地には異常判定を行なった結果、再始動を実施した回数ＣＮを記憶する。１００６番地から１００９番地の制御パラメータは本発明の第１の実施形態では使用しない。１０１０番地には、当初のポンプ２次側の圧力（吐出側圧力）Ｈｍを記憶する。１０１１番地には、ポンプの再始動時（１回目）の周波数の増加率Ｄ１、１０１２番地には、ポンプの再始動時（２回目以降）の周波数の増加率Ｄ２を記憶する。

不揮発性メモリの２００１番地には異常判定処理において判定に使用するポンプ２次側の圧力基準値ＨＤＧを予め記憶しておく。２００２番地の制御パラメータは本発明の第１の実施形態では使用しない。２００８番地には異常判定処理を行なう周期ＴＭ１を予め記憶しておく。２００９番地には異常の発生頻度を確認するためのタイマの設定時間ＴＭ２を予め記憶しておく。

２０１０番地には異常判定機能の実行有無を選択するパラメータＳＬＤを予め記憶しておく。ユーザがＳＬＤを０に設定した場合には異常判定処理を行なわず、ユーザがＳＬＤを１に設定した場合には条件が成立した時点で異常判定処理を実行する。３１００番地から３２１５番地の制御パラメータは第１の実施形態では使用しない。

７００１番地には、再始動実施回数が、予め７００２番地に記憶された回数ＡＬＥに達した場合に故障信号を出力するか否かを選択するパラメータＳＬＡを予め記憶しておく。８００１番地には、異常判定処理にて異常と判断された場合に電動機の再始動を許可するか否かを選択するパラメータＳＬＲを予め記憶しておく。８００２番地には自動再始動の許可上限回数ＲＳＥを予め記憶しておき、再始動実施回数ＣＮがＲＳＥを超える場合には電動機の再始動を許可せず、電動機を停止させたままとする。

本実施形態の場合、７００１番地のＳＬＡを１に、７００２番地のＡＬＥを２に、８００１番地のＳＬＲを１に、８００２番地のＲＳＥを１に設定するのが良い。偶発的な脱調による羽根車の回転停止に起因する圧力低下の際には、圧力低下が１回だけ起きる。この時は故障信号を発することなくポンプを再始動させ、給水を継続することが出来る。脱調以外の要因、例えば吐出側配管の破損などで吐出側圧力が低下している場合や、ポンプが落水している場合には複数回の圧力低下が起きる。この時は故障信号を出力し、異常を知らせ、ポンプを再始動させることなく停止させることで、ポンプや関連設備の保護を行なうことができる。

但し、例えば、異物による脱調等の場合は、脱調であっても繰り返し起こることがある。このような場合も、上記の脱調以外の要因の場合と同様に、ポンプや関連設備の保護を行うために、必要以上にポンプを再始動させることなく停止させる。

９００１番地には自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合において、目標とする給水圧力値ＨＳを予め記憶しておき、ポンプ１０の二次側配管に設けた圧力検出手段１１の検出値がＨＳと一致するよう回転数を自動制御する。

図４にはポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合の本発明の第1の実施形態の制御フローが示されている。

１０１ステップにおいて運転を開始した後、１０２ステップで指定した速度に到達した速度に到達し、その時点の吐出側圧力値Ｈｍを揮発性メモリ１０１０番地に記憶する。（１０３ステップ）１０４ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。脱調判定機能が選択されている場合は以下のステップを行う。１０５ステップで不揮発性メモリ２００８番地に予め記憶しておいた異常判定の周期用タイマＴＭ１の設定値を、揮発性メモリ１００３番地のタイマ１の残り時間ＴＮ１に記憶し、ＴＮ１のカウントダウンを開始する。１０９ステップでタイマＴＮ１のカウントが終了していない場合はタイマＴＮ１のカウント終了を待ち１０９ステップに戻り、タイマＴＮ１のカウントが終了している場合は、１３４ステップで現在の吐出側圧力を揮発性メモリ１００１番地にＨＮとして記憶する。１４０ステップでＨｍとＨＮの差が不揮発性メモリ２００１番地に予め記憶しておいたＨＤＧ未満であるか否か判断する。

ＨｍとＨＮの差がＨＤＧ未満である場合は、１６０ステップで正常と判断して、１６５ステップで揮発性メモリ１００５番地の再始動実施回数ＣＮを０にする。１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１０９ステップに戻る。

ＨｍとＨＮの差が、ＨＤＧ以上の場合には脱調の可能性があるので異常と判断し、１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１８１ステップでタイマのカウントを再開して、１０９ステップに戻る。図４ではＨｍは不変としているが、ステップ１８１の時点で、Ｈｍの値にＨＮの値をコピーすることで更新してもよい。

図１２の通り、ポンプがある一定の回転数で運転している状態で脱調が発生すると、ポンプが揚水する能力が失われるため、ポンプの吐出側圧力は大きく低下する。圧力がどの程度まで低下するかはポンプの吸い込み条件（１次側の状態）によって変化するため、吸い込み条件を考慮して吐出側圧力の判断基準値ＨＤＧを決めると良い。

本発明では、ポンプの吐出側圧力が大きく低下した場合に、ポンプを停止させ再始動を行う。１回目の再始動で正常な状態とならずに吐出側圧力が低下する場合は２回目以降の再始動を行う。ここで、１回目の再始動における同期電動機の回転数を示す指令周波数の増加率は、２回目以降の再始動における指令周波数の増加率よりも小さく設定している。これは、発生した異常が偶発的な脱調である場合は、１回目の再始動で緩やかに指令周波数を増加させることで正常な状態に復帰させることが容易であるからである。１回目の再始動で正常状態に戻った場合は、吐出側圧力は大きく低下した原因は脱調であったと判断できる。図示はしないが、圧力の変化の原因は脱調であるとして、その情報を外部へ出力或いは表示してもよい。

一方、１回目の再始動で正常状態に戻らない場合は、空気溜り等が原因の異常である場合があり、この場合は、２回目以降の再始動で指令周波数の増加率を大きくし、再始動を繰り返すことで異物を除くことができる場合がある。

図１２の例では、１回目の再始動における指令周波数の増加率を２回目の再始動における指令周波数の増加率よりも小さくしたが、２回目の再始動における周波数の増加率を１回目の再始動における周波数の増加率よりも小さくすることも可能である。例えば、偶発的な脱調が原因であっても、周波数の増加率が大きい再始動とすることで、早く正常状態に戻すことができる。２回目以降は、偶発的な脱調について１回目の再始動での正常状態への復帰が失敗したときのために、予備的に緩やかな指令周波数の増加率としておくことも考えられる。

図５には１７０ステップの異常時処理の詳細が示されている。３００ステップで異常と判断した後、３０１ステップで現在の再始動実施回数を更新し、揮発性メモリ１００５番地の記憶値に１を加え、３０２ステップでポンプを停止させる。３０３ステップで不揮発性メモリ７００１番地に予め記憶しておいた故障信号の出力有無を選択するパラメータＳＬＡを確認し、ＳＬＡが０に設定されている場合には３０６ステップで故障信号の出力なしとして３０６ステップに進む。ＳＬＡが１に設定されている場合には、３０４ステップで不揮発性メモリ７００２番地に予め記憶しておいた故障信号を出力開始する異常検出回数ＡＬＥと、揮発性メモリ１００５番地に記憶されている現在の再始動実施回数ＣＮを比較し、ＡＬＥがＣＮ以上である場合には３０５ステップで故障信号を出力する。ＡＬＥがＣＮ未満である場合には３０６ステップで故障信号の出力なしとして３０７ステップに進む。

３０７ステップで再始動の許可を確認する。再始動許可の条件は再始動実施回数や頻度、或いは機器の特性や使用用途によって変えるのが望ましい。不揮発性メモリ８００１番地に予め記憶しておいた自動再始動の許可を選択するパラメータＳＬＲを確認し、再始動を許可する場合は３０８ステップに進み、許可しない場合には３０９ステップに進みリセット指示の入力を待つ。３０８ステップで、異常の検出回数が１回以下の場合は、３１０ステップで不揮発性メモリ１０１１番地に予め記憶しておいた再始動時の指令周波数の増加率をＤ１に設定する。異常の検出回数が２回以上の場合は、３１１ステップで不揮発性メモリ１０１２番地に予め記憶しておいた再始動時の指令周波数の増加率をＤ２に設定する。

また、図５には記載しないが、自動再始動の許可上限回数ＲＳＥと、揮発性メモリ１００５番地に記憶されている現在の再始動実施回数ＣＮを比較し、ＲＳＥがＣＮを超過する場合には手動操作にてリセット指示してもよい。

再始動許可の条件に頻度を加える場合には、異常を検出した時点で不揮発性メモリ２００９番地に予め記憶しておいた異常頻度の確認用タイマＴＭ２の設定値を、揮発性メモリ１００４番地のタイマ２残り時間ＴＮ２に記憶し、ＴＮ２をカウントダウンする。ＴＮ２が０になる前に、再び異常を検出した場合には再起動を許可しないという条件を加えれば良い。例えばＴＮ２を１時間と設定すれば、１時間以内に２回異常を検出した場合は、その原因は、偶発的な脱調ではなく、外部要因によるものと推定することができる。

図６には自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合の本発明の制御フローが示されている。

１００ステップにおいて吐出側圧力の低下を検出すると１０１ステップにおいて運転を開始した後、１０２ステップで指定した速度に到達する。１０４ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。脱調判定機能の選択が確認された場合は、１３０ステップで現在の吐出側圧力が不揮発性メモリ９００１番地に予め記憶しておいた目標圧力ＨＳより高いか判断する。現在の吐出側圧力が目標圧力ＨＳより高い場合には１３１ステップで減速の指示を行なう。減速の指示が行なわれると１３２ステップで出力周波数を変更する。逆に現在の吐出側圧力が目標圧力ＨＳより低い場合には１３３ステップで加速の指示を行なう。加速の指示が行なわれると、１３５ステップで出力周波数を変更する。

次に、１０５ステップで不揮発性メモリ２００８番地に予め記憶しておいた脱調判定の周期用タイマＴＭ１の設定値を、揮発性メモリ１００３番地のタイマ１残り時間ＴＮ１に記憶し、ＴＮ１のカウントダウンを開始する。１０９ステップでＴＮ１のカウントダウンの終了を確認した後に、１３４ステップで現在の吐出側圧力ＨＮを保存し、１４２ステップでＨＮと目標圧力ＨＳの差がＨＤＧ未満であるか否か判断する。

吐出側圧力ＨＮとＨＳの差がＨＤＧ未満である場合は、１６０ステップで正常と判断して、１６５ステップで揮発性メモリ１００５番地の再起動実施回数ＣＮを０にする。そして１３０ステップに戻る。

吐出側圧力とＨＳの差が、ＨＤＧ以上の場合には脱調の可能性ありと判断し、１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１３０ステップに戻る。

１７０ステップの異常時処理はポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合と同様の制御フロー（図５）となるため、説明を割愛する。

本発明の第２の実施形態は、ポンプ駆動中の同期電動機において、ポンプ２次側圧力の変化と負荷電流値の変化により脱調を検出するものである。

ポンプ２次側圧力が低下した場合に、ポンプ負荷電流値が一定値を超えない場合には脱調している可能性があると判断し、電動機を再起動することで再び正常な運転を開始する。構造は第1の実施形態と同じく図１、図２の構成となる。

図３には記憶部に記憶する、揮発性メモリの内容と不揮発性メモリの内容を示す。 メモリの内容は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、１００２番地には脱調判定を開始する際のポンプ２次側の負荷電流値ＡＮを記録する。

図７にはポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合の本実施形態の制御フローが示されている。

１０１ステップにおいて運転を開始する。１０２ステップで指定した速度に到達した後、１０３ステップで当初の吐出側圧力Ｈｍを揮発性メモリの１０１０番地に保存する。１０４ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。脱調判定機能が選択されている場合は、１０５ステップでタイマのカウントを開始する。１０９ステップでタイマカウントが終了したことを確認し、ステップ１０６で現在の吐出側圧力を揮発性メモリ１００１番地にＨＮとして記憶する。さらに１０７ステップで現在の負荷電流値を揮発性メモリ１００２番地にＡＮとして記憶する。

図１３に示すように、脱調している状態においても電動機には誘起電圧分の電流が流れ、正常回転状態での値とほぼ同等の電流が流れる。脱調が発生すると、ポンプが揚水する能力が失われるため、ポンプの吐出側圧力は大きく低下するが、負荷電流値は大きく変わらない。

図１４に一般的なポンプ特性が示されている。ある任意の周波数ＨｚＮで運転している場合、吐き出し流量Ｑａにおいて吐出側圧力はＨａとなり、負荷電流値はＡａとなる。ここで、吐き出し流量がＱａからＱｂに増加した場合、吐出側圧力はＨｂに減り、負荷電流値はＡｂに増加する。吐出側圧力が減少すると、負荷電流値は増加するという関係が読み取れる。

よって、１４３ステップでＨＮ−ＨｍがＨＤＧ以上である場合、１６０ステップで正常と判断して、１０５ステップに戻る。

ＨＮ−ＨｍがＨＤＧ未満である場合は、１４４ステップで現在の負荷電流値がＡＮ＋ＡＤＧ以上であるか判断し、ＡＮ＋ＡＤＧ以上である場合には１６１ステップで正常と判断して、１０５ステップに戻る。

ＡＮ＋ＡＤＧ未満である場合には脱調と判断し、１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１０５ステップに戻る。図１３の状態において、脱調であることを早く検出し、再始動を早く行うことで、圧力が大きく低下する前に、正常な状態へ復帰することができる。これにより、脱調による給水への影響を最小限にすることができる。１７０ステップの異常時処理は、第1の実施形態と同様であり図５に示される。

図８には自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合の本発明の制御フローが示されている。

１００ステップにおいて吐出側圧力の低下を検出すると１０１ステップにおいて運転を開始する。１０３ステップで指定した速度に到達した後、１０４ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。脱調判定機能の選択確認処理の後、１０７ステップで現在の負荷電流値を揮発性メモリ１００２番地にＡＮとして記憶する。１３０ステップで吐出側圧力が不揮発性メモリ９００１番地に予め記憶しておいた目標圧力ＨＳより高いか判断する。吐出側圧力が目標圧力ＨＳより高い場合には１３１ステップで減速の指示を行なう。減速の指示が行なわれると１３２ステップで出力周波数を変更する。逆に吐出側圧力が目標圧力ＨＳより低い場合には１３３ステップで加速の指示を行なう。加速の指示が行なわれると、１３４ステップで現在の吐出側圧力を揮発性メモリ１００１番地にＨＮとして記憶した後、１３５ステップで出力周波数を変更する。

指示した速度に到達した場合は、１４３ステップに進む。以下、１４３ステップ以降は、ポンプを一定の速度（一定の回転数、一定周波数）で運転する場合（図７）と同様の制御フローとなるため、説明を割愛する。

第２の実施形態では、吐出側圧力と負荷電流値を組み合せることによって、より正確に脱調の検出が可能となる。

次に本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、ポンプの特性データを記憶部に記憶しておき、ポンプ運転中の運転周波数（指令周波数）における吐出側圧力、または負荷電流値が、特性データより算出された値と一致するか否かを比較することにより脱調を検出するものである。

ポンプの特性データより算出された吐出側圧力と検出された吐出側圧力、またはポンプの特性データより算出された負荷電流値と検出された負荷電流値の差が判定基準値を超過する場合には異常と判断し、電動機を再始動することで再び正常な運転を開始する。

まず、構造は第１の実施形態と同じく図１、図２の構成となる。図３には記憶部に記憶する、揮発性メモリの内容と不揮発性メモリの内容を示す。

揮発性メモリの１００６番地にはポンプ特性計算処理によって求めた計算上の吐出側圧力ＨＣを記憶する。同じように１００７番地にはポンプ特性計算処理によって求めた計算上の負荷電流値ＡＣを記憶する。１００８番地にはポンプ特性計算処理によって求めた計算上の流量ＱＣを記憶する。１００９番地にはポンプ特性計算処理で求めた結果と実際の検出値の差が判定基準値以内であるか否かを判断して結果を記憶する。算出値と検出値が一致する場合は０を記憶し、算出値と検出値が一致しない場合には１を記憶する。

不揮発性メモリの３１００番地から３２１５番地にはポンプ特性データを記録する。ポンプのある任意の周波数（３１１５番地に記録）での運転における測定点１における揚程（３１００番地に記録）、流量（３１０１番地に記録）、電流（３１０２番地に記録）、測定点２における揚程（３１０３番地に記録）、流量（３１０４番地に記録）、電流（３１０５番地に記録）、と同様に測定点３、測定点４における揚程、流量、電流、測定点５における揚程（３１１２番地に記録）、流量（３１１３番地に記録）、電流（３１１４番地に記録）、を予め不揮発性メモリに記憶する。３１００番地から３２１５番地に記憶するポンプ特性データの関係を図に示すと図１５の通りとなる。

ポンプ特性データは１組でも良いが、ポンプ特性計算処理において現在の周波数と予め記録されたポンプ特性データの周波数は近い方が良いため、他の周波数（３２１５番地に記録）での測定点１〜５における揚程、流量、電流を記憶するとより良い。周波数は２つではなく、３つ以上の周波数とそれに対応するデータを保存するとさらに良いことは言うまでもない。

その他の使用する揮発性メモリ、不揮発性メモリの内容は第１、第２の実施形態と同様であるため、説明を割愛する。

図９には自動給水装置で給水圧力一定となるよう自動運転する場合の本発明の制御フローが示されている。

１００ステップにおいて吐出側圧力の低下を検出すると１０１ステップにおいて運転を開始する。１０３ステップで指定した速度に到達した後、１０４ステップで脱調判定機能の選択確認処理を行なう。その後、１３０ステップで吐出側圧力が不揮発性メモリ９００１番地に予め記憶しておいた目標圧力ＨＳより高いか判断する。吐出側圧力が目標圧力ＨＳより高い場合には１３１ステップで減速の指示を行なう。減速の指示が行なわれると１３２ステップで出力周波数を変更する。逆に吐出側圧力が目標圧力ＨＳより低い場合には１３３ステップで加速の指示を行なう。加速の指示が行なわれると１３５ステップで出力周波数を変更する。

１５１ステップで現在の吐出側圧力を揮発性メモリ１００１番地にＨＮとして記憶した後、１５２ステップで現在の負荷電流値を揮発性メモリ１００２番地にＡＮとして記憶する。１５３ステップで現在の指令周波数を揮発性メモリ１０００番地にＨｚＮとして記憶した後、１５４ステップでポンプ特性計算処理を行なう。

１５５ステップで現在の出力（検出値）と計算結果（算出値）が一致するか判断する。一致する場合（揮発性メモリ１００９番地に記憶された値ＣＳが０である場合）は１６０ステップで正常と判断して、１０３ステップに戻る。現在の出力（検出値）と計算結果（算出値）が一致しない場合（ＣＳが１である場合）は、脱調と判断し、１７０ステップの異常時処理を行ない、再始動処理が行なわれた後に、１８０ステップでポンプを再始動させ、１０３ステップに戻る。

１７０ステップの異常時処理はこれまでと同様であるため、説明を割愛する。

図１０には１５４ステップのポンプ特性計算処理の詳細（例１）が示されている。

４００ステップで揮発性メモリ１０００番地からＨｚＮを、１００１番地からＨＮを、１００２番地からＡＮを読み出す。

詳細は後に記述するが、４０１ステップでＨｚＮと不揮発性メモリ３１００番地から３２１５番地に予め記録されている特性データから、現在の指令周波数ＨｚＮにおけるポンプ特性カーブを算出する。

４１１ステップで算出したポンプ特性カーブと現在の吐出側圧力ＨＮから、現在の流量ＱＣを算出する。４１２ステップで算出した流量ＱＣと現在の指令周波数ＨｚＮから、その流量ＱＣにおける計算上の負荷電流値ＡＣを求める。４１３ステップで、現在の負荷電流値ＡＮと、計算上の負荷電流値ＡＣの差が、不揮発性メモリ２００２番地に予め保存したＡＤＧより小さいか確認し、ＡＮとＡＣの差がＡＤＧ以内である場合には４３１ステップで現在の出力は計算結果と一致しているとし、揮発性メモリ１００９番地の計算結果との比較ＣＳに０を記憶する。ＡＮとＡＣの差がＡＤＧを超える場合には、４３２ステップで現在の出力と計算結果は不一致であるとし、ＣＳに１を記憶する。処理終了後に１５５ステップに進む。

図１１には１５４ステップのポンプ特性計算処理の他の例（例２）が示されている。
図１０（例１）では４１１ステップで吐出側圧力から流量ＱＣを算出し、４１２ステップで負荷電流値ＡＣを算出し、４１３ステップで現在の負荷電流値ＡＮと、計算上の負荷電流値ＡＣを比較する。
それに対し、図１１（例２）では４２１ステップで負荷電流値から流量ＱＣを算出し、４２２ステップで吐出側圧力ＨＣを算出し、４１３ステップで現在の吐出側圧力ＨＮと、計算上の吐出側圧力ＨＣを比較する。

ポンプ特性計算処理について、さらに詳しく説明する。記憶部に予め記録された各々の周波数における流量と吐出側圧力、負荷電流値と現在の吐出側圧力ＨＮまたは負荷電流値ＡＮから現在のポンプ運転状態を計算する。

まず、現在の指令周波数ＨｚＮと一致する周波数のポンプ特性データが存在するか確認する。存在しない場合には指令周波数ＨｚＮに最も近い周波数における性能データよりポンプ性能の近似計算を行なう（図１０または図１１の４００ステップに該当）。ポンプ性能は周波数に対して流量は１次関数で比例し、吐出側圧力は２次関数で比例し、電流値は３次関数で比例する。これより指令周波数ＨｚＮに近い予め記憶された周波数のポンプ特性の各データより相似則で現在の指令周波数ＨｚＮにおける運転時のポンプ特性データを算出する。

まず式１、式２、式３より相似則計算に用いる係数ＦＣ１、ＦＣ２、ＦＣ３を
ＦＣ１＝（Ｆ１÷ＦＣ） ・・・式１
ＦＣ２＝（Ｆ１÷ＦＣ）^２ ・・・式２
ＦＣ３＝（Ｆ１÷ＦＣ）^３ ・・・式３
と求める。

例えば現在の指令周波数ＨｚＮに対して最も近い周波数データが３１１５番地に記録されたＨｚ１であれば、周波数Ｈｚ１で測定した揚程に関する性能データＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ１４、Ｈ１５（３１００、３１０３、…、３１１２番地に記録されている）に、それぞれＦＣ１を乗じてＨＣ１、ＨＣ２、ＨＣ３、ＨＣ４、ＨＣ５とする。同様に、流量に関する性能データＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４、Ｑ１５（３１０１、３１０４、…、３１１３番地に記録されている）に、それぞれＦＣ２を乗じてＱＣ１、ＱＣ２、ＱＣ３、ＱＣ４、ＱＣ５とする。さらに、電流に関する性能データＡ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４、Ａ１５（３１０２、３１０５、…、３１１４番地に記録されている）に、それぞれＦＣ３を乗じてＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３、ＡＣ４、ＡＣ５とする。

近似は、例えばニュートンの補完法や、ラグランジュの補完多項式より求められる。ニュートンの補間法を用いた場合、吐き出し流量に対する吐出側圧力の特性曲線：ＱＨカーブ（Ｈｉ（Ｑｉ））は、
Ｃ０ ＝ ＨＣ１
Ｃ１ ＝（ＨＣ２ − ＨＣ１）÷（ＱＣ２−ＱＣ１）
Ｃ２’ ＝（ＨＣ３ − ＨＣ１）÷（ＱＣ３−ＱＣ１）
Ｃ２ ＝（Ｃ２’ − ＨＣ２）÷（ＱＣ３−ＱＣ２）
Ｃ３’’ ＝（ＨＣ４ − ＨＣ１）÷（ＱＣ４−ＱＣ１）
Ｃ３’ ＝（Ｃ３’’− ＨＣ２）÷（ＱＣ４−ＱＣ２）
Ｃ３ ＝（Ｃ３’ − ＨＣ３）÷（ＱＣ４−ＱＣ３）
Ｃ４’’’＝（ＨＣ５ − ＨＣ１）÷（ＱＣ５−ＱＣ１）
Ｃ４’’ ＝（Ｃ４’’’−ＨＣ２）÷（ＱＣ５−ＱＣ２）
Ｃ４’ ＝（Ｃ４’’− ＨＣ３）÷（ＱＣ５−ＱＣ３）
Ｃ４ ＝（Ｃ４’ − ＨＣ４）÷（ＱＣ５−ＱＣ４）
とすると、
Ｈｉ（Ｑｉ）
＝Ｃ０
＋Ｃ１×（Ｑｉ−ＱＣ１）
＋Ｃ２×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）
＋Ｃ３×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）
＋Ｃ４×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＣ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）×（Ｑｉ−ＱＣ４）
・・・式４
と求められる。

同様に吐き出し流量に対する負荷電流値の特性曲線：ＱＡカーブ（Ａｉ（Ｑｉ））は、
Ｃ５ ＝ ＡＣ１
Ｃ６ ＝（ＡＣ２ − ＡＣ１）÷（ＱＣ２−ＱＣ１）
Ｃ７’ ＝（ＡＣ３ − ＡＣ１）÷（ＱＣ３−ＱＣ１）
Ｃ７ ＝（Ｃ７’ − ＡＣ２）÷（ＱＣ３−ＱＣ２）
Ｃ８’’ ＝（ＡＣ４ − ＡＣ１）÷（ＱＣ４−ＱＣ１）
Ｃ８’ ＝（Ｃ８’’− ＡＣ２）÷（ＱＣ４−ＱＣ２）
Ｃ８ ＝（Ｃ８’ − ＡＣ３）÷（ＱＣ４−ＱＣ３）
Ｃ９’’’＝（ＡＣ５ − ＡＣ１）÷（ＱＣ５−ＱＣ１）
Ｃ９’’ ＝（Ｃ９’’’−ＡＣ２）÷（ＱＣ５−ＱＣ２）
Ｃ９’ ＝（Ｃ９’’− ＡＣ３）÷（ＱＣ５−ＱＣ３）
Ｃ９ ＝（Ｃ９’ − ＡＣ４）÷（ＱＣ５−ＱＣ４）
とすると、
Ａｉ（Ｑｉ）
＝Ｃ５
＋Ｃ６×（Ｑｉ−ＱＣ１）
＋Ｃ７×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）
＋Ｃ８×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＮ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）
＋Ｃ９×（Ｑｉ−ＱＣ１）×（Ｑｉ−ＱＣ２）×（Ｑｉ−ＱＣ３）×（Ｑｉ−ＱＣ４）
・・・式５
と求められる（式４が図１０の４０１ステップ、式５が図１１の４０１ステップに該当する）。ＱＨカーブ（Ｈｉ（Ｑｉ））と、ＱＡカーブ（Ａｉ（Ｑｉ））を図に示すと図１６のようになる。

４次式の解法は困難である為、例えば代入法を用い、式５より指令周波数ＨｚＮにおいて負荷電流値がＡＣである場合の流量ＱＣが求められ（図１１の４２１ステップに該当する）、また、式４より指令周波数ＨｚＮにおいて流量がＱＣである場合の吐出側圧力ＨＣを得られる（図１１の４２２ステップに該当する）。

このように指令周波数ＨｚＮに最も近いポンプ特性データよりＱＨカーブ、ＱＡカーブを近似で求めることから、予め測定し、記憶しておくポンプ特性データは周波数毎に５点ほどある事が望ましい。

前述の通り、予め測定し、記憶しておくポンプ特性データの周波数は１つであっても構わないが、ＱＨカーブ、ＱＡカーブはポンプの相似則に完全には一致しないため、複数の運転周波数における特性データを保存し、その特性データの中から現在の運転周波数に最も近いデータを選択し、前述の特性データ計算処理を行なうことで、ＱＨカーブ、ＱＡカーブをより正確に求め、結果として現在のポンプ運転状態を正確に把握することができる。

第１及び第２の実施形態では、予めポンプ特性データを記憶する必要がないため簡易であり、運転中での変化に基づいて脱調判定を行なうため、経年劣化によるポンプの特性の変化にも影響されることがない点で優れているが、第３の実施形態では、上記のように予め測定し、記憶したポンプ特性データと実際の運転状態を比較することにより、正確に短時間で異常を検出することができる点で優れている。

Claims (8)

1. ポンプケーシング内に設けられた羽根車を有するポンプ部と、
   前記羽根車を回転駆動する同期電動機と、
   前記同期電動機を制御するインバータと、を有するポンプシステムであって、
   前記インバータは、
   前記ポンプ部の吐き出し側に設けられた水圧を検出する圧力検出手段からの信号を入力する信号入力部と、
   前記同期電動機の回転数を決定する演算処理部と、
   前記演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、
   前記同期電動機に駆動電流を供給する電力変換装部と、を有し、
   前記演算処理部は、前記圧力検出手段からの信号により、所定値以上の圧力の低下を検出したときに、前記同期電動機を停止し、再始動する処理を行い、1回目の再始動で前記同期電動機が正常に起動しない場合は、前記1回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率とは異なる増加率により第２回目の再始動を行うことを特徴とするポンプシステム。
2. 請求項１記載のポンプシステムにおいて、
   前記演算処理部において、所定値以上の圧力の低下を検出し、前記同期電動機を再起動した後、第1回目の再始動において、圧力検出手段の検出値が正常範囲に戻った場合に、圧力の低下の原因を脱調と判断し脱調を示す信号を外部に出力することを特徴とするポンプシステム。
3. 請求項１記載のポンプシステムにおいて、
   前記演算処理部は、前記圧力検出手段からの信号により、所定値以上の圧力の低下を検出し、かつ負荷電流値が所定値以下であるときに、
   前記同期電動機を停止し、再始動する処理を行い、1回目の再始動で前記同期電動機が正常に起動しない場合は、前記1回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率とは異なる増加率により第２回目の再始動を行うことを特徴とするポンプシステム。
4. 請求項１記載のポンプシステムにおいて、
   前記演算処理部は、再始動した回数が所定回数を超えた場合に、故障信号を出力することを特徴とするポンプシステム。
5. 請求項１記載のポンプシステムにおいて、
   前記1回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率は、第２回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率より小さいことを特徴とするポンプシステム。
6. ポンプケーシング内に設けられた羽根車を有するポンプ部と、
   前記羽根車を回転駆動する同期電動機と、
   前記同期電動機を制御するインバータと、を有するポンプシステムであって、
   前記インバータは、
   前記ポンプ部の吐き出し側に設けられた水圧の低下を検出する圧力検出手段からの信号を入力する信号入力部と、
   前記同期電動機の回転数を決定する演算処理部と、
   前記演算処理部で行なう演算に必要な制御パラメータを記憶する記憶部と、
   前記同期電動機に駆動電流を供給する電力変換装部とを有し、
   前記記憶部に、予め複数の前記同期電動機の回転数と、その回転数における吐き出し流量に対する吐出側圧力特性と、吐き出し流量に対する負荷電流値特性を記憶しておき、
   前記演算処理部において、実際の回転数と吐出側圧力と負荷電流値の関係が前記記憶部に記憶された特性から逸脱した場合に、前記同期電動機を停止し、再始動する処理を行い、1回目の再始動で前記同期電動機が正常に起動しない場合は、前記1回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率とは異なる増加率により第２回目の再始動を行うことを特徴とするポンプシステム。
7. 請求項６記載のポンプシステムにおいて、
   前記演算処理部は、再始動した回数が所定回数を超えた場合に、故障信号を出力することを特徴とするポンプシステム。
8. 請求項６記載のポンプシステムにおいて、
   前記1回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率は、第２回目の再始動時の前記同期電動機の回転数の増加率より小さいことを特徴とするポンプシステム。

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