特表 2017-523757 ポンプ用同期リラクタンスモータの制御方法及び同期リラクタンスモータを有するポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2017-523757(P2017-523757A)

(43)【公表日】2017年8月17日

(54)【発明の名称】ポンプ用同期リラクタンスモータの制御方法及び同期リラクタンスモータを有するポンプ

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/024 20160101AFI20170721BHJP

   F04B 49/06 20060101ALI20170721BHJP

   F04B 49/00 20060101ALI20170721BHJP

   H02P 25/08 20160101ALI20170721BHJP

【ＦＩ】

   H02P25/024

   F04B49/06 311

   F04B49/00 Z

   H02P25/08

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-504715(P2017-504715)

(86)(22)【出願日】2015年7月29日

(85)【翻訳文提出日】2017年3月27日

(86)【国際出願番号】EP2015067380

(87)【国際公開番号】WO2016016304

(87)【国際公開日】20160204

(31)【優先権主張番号】102014214952.5

(32)【優先日】2014年7月30日

(33)【優先権主張国】DE

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US

(71)【出願人】

【識別番号】591040649

【氏名又は名称】カーエスベー・アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＫＳＢ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【弁理士】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100170379

【弁理士】

【氏名又は名称】徳本 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100180231

【弁理士】

【氏名又は名称】水島 亜希子

(72)【発明者】

【氏名】ゴンターマン，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】シャープ，ヨッヘン

【テーマコード（参考）】

3H145

5H501

5H505

【Ｆターム（参考）】

3H145AA06

3H145AA12

3H145AA23

3H145AA42

3H145BA01

3H145CA21

5H501AA05

5H501CC05

5H501DD09

5H501HB07

5H501HB16

5H501KK07

5H501LL42

5H505AA01

5H505CC05

5H505DD11

5H505EE43

5H505EE49

5H505HB01

5H505KK08

5H505LL48

5H505MM10

(57)【要約】

本発明は、ポンプ用、特に遠心ポンプ用の同期リラクタンスモータの制御方法に関し、上記モータは該同期リラクタンスモータをＶ／ｆ制御する可変周波数変換器を備える。また本発明は少なくとも１つの同期リラクタンスモータと前記モータの制御のための可変周波数変換器とを備えたポンプ、特に遠心ポンプに関し、上記可変周波数変換器はＶ／ｆ可変周波数変換器である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプ用、特に遠心ポンプ用の可変周波数変換器（７０）を備えた同期リラクタンスモータ（１０）の制御方法において、
前記可変周波数変換器（７０）が前記同期リラクタンスモータ（１０）をＶ／ｆ制御することを特徴とする方法。

【請求項2】

前記Ｖ／ｆ可変周波数変換器は、開制御回路において動作することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記Ｖ／ｆ可変周波数変換器の周波数に対する電圧比は、前記同期リラクタンスモータ（１０）の使用に応じて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記Ｖ／ｆ比は、始動トルクを克服でき、低回転速度で前記同期リラクタンスモータ（１０）にてエネルギー消費する過度な磁化が生じないような静的二次関係とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記Ｖ／ｆ可変周波数変換器の設定回転速度は、前記モータの実際の回転速度及び／または前記モータの回転速度を用いて間接的に閉ループ制御されるポンプ使用のプロセス変数の関数として決定されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記Ｖ／ｆ可変周波数変換器は、前記モータの実際の回転速度及び／または間接的に閉ループ制御される前記プロセス変数の異常が検出された場合、前記同期リラクタンスモータ（１０）の作動を所定の時間中断させることを特徴とする請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記間接的に閉ループ制御されるプロセス変数は圧力、好ましくは、差圧、特に好ましくは、終端圧力と前記ポンプの吸入圧力との差圧であり、
該圧力は理想的には圧力ポート及び／または前記ポンプ近くの圧力ライン及び／または加熱システムの接続部において測定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。

【請求項8】

少なくとも１つの同期リラクタンスモータ（１０）と、前記モータを制御するための１つの可変周波数変換器（７０）と、を備えたポンプ、特に遠心ポンプにおいて、
前記可変周波数変換器（７０）は、Ｖ／ｆ可変周波数変換器であることを特徴とするポンプ。

【請求項9】

請求項１〜７の何れか１項に記載の方法を実施するための手段を有する請求項８に記載のポンプ。

【請求項10】

同期リラクタンス装置、好ましくはポンプ、特に請求項８または９に記載のポンプを駆動するための同期リラクタンス装置を作動するＶ／ｆ可変周波数変換器の使用。

【請求項11】

加熱用循環ポンプ及び／または給水循環ポンプ及び／またはウェットランナとして請求項８または９に記載のポンプを使用する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポンプ用、特に遠心ポンプ用の可変周波数変換器を備えた同期リラクタンスモータの制御方法に関する。また、本発明は同方法を実施するためのポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、同期リラクタンスモータを安定的に動作させるために、ベクトル制御により動作する可変周波数変換器が用いられている。モータとパワーエレクトロニクスの組み合わせの特徴としては、モータが磁束障壁部を備えたロータを有しており、外周に沿って生じる磁気抵抗の異方性に基づき、いわゆるリラクタンス力によってトルクが発生する。

【0003】

このようなモータ設計では、モータの動作中にスリップが生じないが、負荷に依存する角変位（負荷角）は所定の最大値を超えてはならず、さもなければ、モータが脱調して止まってしまう虞がある。

【0004】

最適なエネルギー調整を行うために、電流の磁束形成及びトルク発生要素は変換器によって、具体的にはロータ位置の関数として、それぞれ別個に閉ループ制御される。一方、この位置はセンサを用いた、あるいは用いない様々な方法によって決定でき、様々な方法は、例えばシュレーデルによるＩＮＦＯＲＭ法、ＲＥＥＬによるＩＮＪＥＣＴＩＯＮ法、またはケンネル（ミュンヘン工科大学）によるＡＲＢＩＴＲＡＲＹ ＩＮＪＥＣＴＩＯＮ法などである。

【0005】

上記方法によれば、ロータ位置を測定するセンサは不要であるので、システムの故障は低減する。しかし、これらの方法は、測定変数の複雑な分析を必要とする。変換器を用いてロータ位置を測定するには、決定された電流値に基づいて現在のモータ位置を決定するために、変換器の出力において少なくとも２つの電流測定値が必要である。さらに、変換器は、モデル化のために高い計算力を必要とする。このため、変換器のハードウェア機器は、一般に、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を有する。

【0006】

しかしながら、このようなＤＳＰの使用は高価であり、モータ制御のためのコスト及び最終用途、例えば、ポンプに適用するためのコストを大幅に増加させる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従って、本発明の目的は、ポンプ用同期リラクタンスモータを制御するための変換器の構成を簡素化することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的は、請求項１の特徴に準じる方法によって達成される。この方法の好適な改良例は、主請求項に従属する従属請求項の主題である。

【0009】

請求項１によればポンプ用、特に遠心ポンプ用の可変周波数変換器を用いた同期リラクタンスモータの制御方法が提案される。本発明によれば、上記同期リラクタンスモータは、上記可変周波数変換器によってＶ／ｆ制御（電圧／周波数一定制御）される。その結果、モータは従来のように電流変数の関数として閉ループ制御されず、その代り、特に開制御回路によって開ループ制御されるのみである。同期リラクタンスモータのＶ／ｆ制御により、予め行う電流測定や、それに伴うモータモデルの算出は不要となる。高品質のＤＳＰを用いる必要がなく、より低コストの変換器を代わりに設置できる。

【0010】

高エネルギー効率の観点から同期リラクタンス装置の磁化を予測可能な負荷挙動へと最適化するように、電圧と周波数の比を最適な制御に応じて設定するのが好ましい。これにより、エネルギー効率が最も高く効果的な同期リラクタンス装置の作動が実現されるように、Ｖ／ｆ動作に必要な特徴曲線がポンプ使用の関数として作成される。

【0011】

理想的には、Ｖ／ｆ比は、具体的には、始動トルクを克服でき、低回転速度では同期リラクタンス装置のモータにおいてエネルギーを消費する過度な磁化が生じないような静的二次関係（statisch-quadratischen Zusammenhang）とする。低い動的特性を特徴とするポンプ、特に、短時間におけるトルク変動が少ないことを特徴とする用途の場合は、対応する比率を用いるのが好ましい。この場合、要求トルクと回転速度の比は二次関係とし、このため、対応する二次関係を変換器のＶ／ｆ比としても規定できる。

【0012】

本発明の一実施形態において、Ｖ／ｆ変換器の設定回転速度は、モータの実際の回転速度及び／またはモータの回転速度を用いて間接的に閉ループ制御されるポンプ使用のプロセス変数の関数として決定される。該設定回転速度は好適なＶ／ｆ比を設定回転速度の関数として定めるＶ／ｆ変換器のデフォルト値として用いられる。インバータを作動させるための、対応するパルス幅変調電圧パルスがＰＷＭ変調器内で設定周波数及び電圧値から生成される。

【0013】

特に急激な負荷変動が生じた場合のモータの動作安定性は、同期リラクタンスモータのＶ／ｆ制御により著しく低下し、最大磁極ホイール角度を超えてしまうことでロータがステップから外れる（脱調する）危険がある。モータの脱調はモータ回転速度異常やモータの回転速度、例えば出力圧力によって間接的に閉ループ制御されるポンプのプロセス変数の異常を通じて検知することができる。これにより、ロータがステップから脱落した場合、これは変換器の回転速度によって間接的に閉ループ制御されるプロセス変数の変化を通じて検出され、また静止状態からの再始動によりモータの通常動作を再開し得る。この点において、同期リラクタンスモータの作動はモータの静止状態が確定するまでは行われない。

【0014】

間接的に閉ループ制御されるプロセス変数が測定圧力の場合、好ましくは差圧が測定され、特には終端圧力とポンプの吸入圧力との差を求める。圧力は理想的にはポンプの圧力ポート及び／またはポンプ近くの圧力ライン及び／またはポンプが用いられる加熱システムの接続部において測定される。

【0015】

上述した本発明の方法に加えて、本発明は少なくとも１つの同期リラクタンスモータとモータを制御するための可変周波数変換器を備えたポンプ、特に遠心ポンプに関する。本発明によれば、ポンプに用いられる上記可変周波数変換器はＶ／ｆ可変周波数変換器である。同期リラクタンスモータの閉ループ制御のために高品質のＤＳＰを用いる代わりに、同期リラクタンスモータの制御のみを行う、よりコスト効率の良いＶ／ｆ可変周波数変換器を用いる。本発明に係るポンプの利点及び特性は明らかに本発明に係る方法の利点及び特性に対応しており、この理由から、ここでは、重複する説明を省略することにする。

【0016】

上記使用されるＶ／ｆ可変周波数変換器は、ポンプ内部に組み込まれるか、または、外部Ｖ／ｆ可変周波数変換器として接続されてもよい。

【0017】

特に、上記ポンプは、本発明に係る方法を実施するための手段、例えば、差圧発生器や外部の差圧発生器と通信するための通信手段を有する。評価部はポンプのＶ／ｆ可変周波数変換器のための対応する設定回転速度を、検出した差圧の関数として生成できる。

【0018】

さらに、本発明は同期リラクタンスモータ（好ましくはポンプ、特に本発明に係るポンプ、を駆動するための同期リラクタンス装置）を作動させるためのＶ／ｆ可変周波数変換器の使用方法に関する。

【0019】

本発明はまた、加熱用循環ポンプ（暖房用循環ポンプ）、及び／または、給水循環ポンプ、及び／または、ウェットランナ（Nasslaufer）として、本発明に係るポンプを使用する方法に関する。本発明のポンプは通常、負荷挙動の低い動的特性を特徴とする用途に供するが、それ以外の要求される始動トルクが低い用途にも使用される。

【0020】

特に、加熱／冷却用途の場合、比較的緩やかな温度変化により動作が短時間中断しても重大な問題とはならない。したがって、ポンプにおける同期リラクタンスモータの従来の作動に比べて単純化された解決手段では不安定となるモータ操作を、大きな制限なしに適用できる。よって、本発明による解決手段はより好ましいものである。

【0021】

以下、図面に示す例示実施形態を用いて、本発明のさらなる利点および特性についてより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】従来技術によるポンプ用同期リラクタンスモータの閉ループ式モータ制御システムのブロック図である。

【図2】ポンプ用同期リラクタンスモータに用いられる本発明の開ループ式モータ制御システムのブロック図である。

【図3】ポンプ用同期リラクタンスモータの開ループ式Ｖ／ｆ制御システムが取り得る特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は従来技術による、安定した動作のための同期リラクタンスモータ１０の従来の閉ループ式モータ制御システムのブロック図である。同期リラクタンスモータ１０に印加される交流電圧はブロック１において整流され、コンデンサ２によって平滑化される。可変周波数変換器のＤＳＰ１２は、整流電圧Ｕと設定回転速度ηとを入力変数として受信する。設定回転速度ηはブロック７により利用可能とされ、かつ、ブロック７において測定した差圧Δｐに基づいて決定される。差圧Δｐは、差圧発生器６によって測定される。

【0024】

さらに、ＤＳＰ１２は、変換器の出力、すなわち同期リラクタンスモータ１０の入力において測定された２つの電流成分ｉ_１，ｉ_２を入力変数として受信する。ロータの位置は、測定された電流変数ｉ_１，ｉ_２を用いて、センサを用いずＤＳＰ１２において算出できる。しかし、これには、モータモデル８をさらなる入力変数として必要とする。

【0025】

ＤＰＳ１２は閉ループ制御されたＰＷＭ信号を出力信号として同期リラクタンスモータ１０のインバータ３に送信し、ＰＷＭ信号は検出電流ｉ_１，ｉ_２、モータ電圧Ｕ及び設定回転速度ηの関数として明確に閉ループ制御される。

【0026】

図１に示す可変周波数変換器の実現のためには、十分な計算力を有する高品質のＤＳＰ１２が必要である。

【0027】

図２は、ポンプ用同期リラクタンスモータ１０を作動させるための本発明に係る方法を示す。図１と図２において、同じ構成要素には同じ参照符号を付す。本発明の設計によれば、モータ制御はＶ／ｆ制御のみであるため、高価なＤＳＰ１２は不要となる。これは、同期リラクタンスモータ１０が使用されるＶ／ｆ可変周波数変換器によってのみ作動されること意味する。この動作では、ロータ位置の決定は完全に省略できる。したがって、図１に示すような電流測定とモータモデルの算出は不要となる。可変周波数変換器７０は、測定された差圧Δｐ及びブロック８０内の個々の圧力値ｐ_１の関数として決定される設定目標回転速度ηを受信する。設定回転速度ηに基づき、Ｖ／ｆ特性曲線に従ってＰＷＭ信号が生成され、同期リラクタンス装置４０の制御に用いられる。

【0028】

図２に示す制御方法は、特に遠心ポンプに用いられる。これは遠心ポンプが、駆動技術の観点において低始動トルクと低動的特性を実現した、すなわち、短時間におけるトルク変動が少ない、正常動作する要素であるとみなされるためである。さらに、要求トルクと回転速度の比は二次関係とする。これにより、変換器７０のＶ／ｆ比を静的二次関係として定義でき、始動トルクの克服が保証されるが、低回転速度でも、モータにエネルギー消費させる過度な磁化が生じない。

【0029】

対応するＶ／ｆ特性曲線の例を図３に示す。低回転速度で安定した動作を可能とするために低回転速度で二次関係から離脱することはいわゆるブーストプロセスと呼ばれる。

【0030】

原則として遠心ポンプ用の変換器は、それ自体がループ端として回転速度の閉ループ制御を行うのではなく、むしろ閉ループ圧力制御システムを実現するために用いられる。圧力は、圧力ポートまたはポンプ近くの圧力ラインまたは接続部の圧力センサ６によって測定される。起こりにくいとは考えられるが、例えば、搬送媒体の汚れなどによるトルク変動でロータが脱調した場合には、変換器７０は圧力降下を検出し、モータ１０を短時間オフにする。この場合、搬送媒体はモータ１０を強く制動し、短時間の後に静止状態にする。この短い所定時間の後、静止状態から再始動が起こる。特に、加熱／冷却用途では、比較的緩やかな温度変化により動作が短時間中断しても重大な問題とはならない。

【0031】

図２に示すモータ制御システムは、好ましくは、加熱用循環ポンプ、給水循環ポンプまたはウェットランナに使用される。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】