| 【発明の名称】 |
マンホールポンプの自家発電始動方式 |
| 【発明者】 |
【氏名】藤本 学
【氏名】冨士 邦彦
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| 【要約】 |
【課題】自家発電装置を備えたマンホールポンプシステムにおいて、誘導電動機の始動電流を低減して、発電装置の容量の大型化を阻止する。
【解決手段】マンホール内に設けたポンプ１２と誘導電動機１１と機械式水位計５２と、マンホール外に設けた発電機４７と原動機４５とスタータモータ４２と電力貯蔵手段４１と開閉器３３とを設けたマンホールポンプシステムにおいて、機械式水位計５２によりマンホール内の水位が上昇したことを感知して発電機４７の運転を開始し、発電機４７が定格運転に達する前に開閉器３３を閉じて誘導電動機１１の運転を開始することによって、誘導電動機の始動電流を発電機の容量内に収めるようにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 マンホール内に設けたポンプおよび該ポンプを駆動する誘導電動機と、マンホール外に設けた前記誘導電動機の電源となる発電機と、該発電機を駆動する原動機と、該原動機を始動するスタータモータと、該スタータモータ用電力貯蔵手段を有するマンホールポンプシステム。
【請求項２】 マンホール内に機械式水位検出手段を設け、該水位検出手段によりマンホール内の水位が上昇したことを感知して前記発電機の運転を開始するようにした請求項１に記載のマンホールポンプシステム。
【請求項３】 前記誘導電動機と前記発電機の間にスタータモータ用の電力貯蔵手段を電源とする開閉器を設け、該発電機が定格運転に達する前に前記開閉器を閉じて前記誘導電動機の運転を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマンホールポンプシステム。
【請求項４】 前記誘導電動機の保護回路を設け、前記発電機の出力が定格に達した後に該保護回路を動作させるようにした請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマンホールポンプシステム。
【請求項５】 マンホール内に設けたポンプおよび該ポンプを駆動する誘導電動機と、マンホール外に設けた前記誘導電動機の電源となる発電機と、該発電機を駆動する原動機と、該原動機を始動するスタータモータと、該スタータモータ用電力貯蔵手段と、前記誘導電動機と前記発電機とを閉路するスタータモータ用の電力貯蔵手段を電源とする開閉器とを有するマンホールポンプシステムにおける誘導電動機の始動方法であって、前記発電機の始動時に発電機が定格運転に達する前に前記開閉器を閉路して前記誘導電動機を始動することを特徴とするマンホールポンプシステムの誘導電動機の始動方法。
【請求項６】 前記マンホール内にマンホール内の水位を検出する機械式水位検出手段を設け、該水位検出手段によりマンホール内の水位が上昇したことを感知して前記発電機の運転を開始するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のマンホールポンプシステムの誘導電動機の始動方法。
【請求項７】 前記誘導電動機の保護回路を設け、前記発電機の出力が定格に達した後に該保護回路を動作させるようにした請求項５または請求項６に記載のマンホールポンプシステムの誘導電動機の始動方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原動機と発電機からなる自家発電装置を併設したマンホールポンプシステムの構成および制御方法に関する。
【０００２】さらに、本発明は、マンホールポンプを自家発電装置を用いて運転する際、ポンプ駆動用の誘導電動機が加速している間の電流を電動機の定格電流以下に抑えることにより、自家発電装置の容量を従来の始動方式に比べ約半減することのできる自家発電装置を併設したマンホールポンプシステムの構成及び制御方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】マンホールポンプは、公共下水道用、集落排水用および雨水用などの排水・下水道網における中継ポンプとして利用されている。このような排水・下水道網では、通常自然落下を利用して排水や下水を下流に流しているが、網が大きくなると下流側の深度が深くなり、建設費の高騰や、保守が困難となるなどの問題を引き起こすので、排水・下水道網中に商用電源によって駆動される誘導電動機を用いたポンプにより排水・下水の水位を揚げるマンホールポンプを設けることが行われている。
【０００４】このようなマンホールポンプのシステム構成を図４を用いて説明する。マンホールポンプシステムは、水中ポンプ１０と、制御盤３０と、マンホール５０とを有して構成される。水中ポンプ１０は電動機とポンプを一体化して構成され、水中での使用に耐えるように構成され、マンホール５０内に設置されている。マンホール５０には、中間の位置に設けた流入管５５と、流入管より高い位置に設けた送水管５７を有しており、流入管５５からは上流から排水・下水が流入し、送水管５７からはポンプ１０によって圧力を高められた排水・下水が送出される。さらに、マンホール５０内にはマンホール内の水位を検出する水位検出手段５１とバックアップ用の機械式水位計５２が設けられている。制御盤３０には、商用電源が引きこまれており、水位検出手段が検出したマンホール内の水位によって水中ポンプの運転を制御する制御回路と、電動機への電力供給を司る開閉器と、電動機の保護回路が設けられている。
【０００５】このようなマンホールポンプシステムにあっては、商用電源が停電した場合にも排・下水道網を機能させることが要求される場合には、マンホールポンプシステムに自家発電装置を設け、商用電源の停電時には自家発電気から電力を供給してポンプを運転できるようにすることが考えられる。
【０００６】自家発電機を用いてポンプを駆動する場合には、先ず、自家発電機の原動機を始動させ、この原動機によって駆動される発電機の出力が定格に達してから誘導電動機を始動させてポンプを動作させることが考えられる。
【０００７】ところで、誘導電動機に電力を供給する自家発電機の容量は、負荷の連続容量、等価逆相電流、および始動加速容量により決まる。マンホールポンプでは、負荷がポンプであるので加速容量は小さく、一般的に高調波の発生は少ないので等価逆相電流も問題とはならない。
【０００８】一方、誘導電動機は、直入れの場合定格電流の６〜９倍の始動電流が流れるので、このような始動電流に耐えるためには、自家発電装置の容量を大きくすることが必要となる。このことは、自家発電装置を構成する原動機や発電機の容量の増大を招き、制御盤の大型化を引き起こすなど種々の問題を有している。
【０００９】誘導電動機の始動電流を低減する方法としては、Ｙ−Δ切換方式、ＣＣＴ方式、リアクトル始動方式、静止形減電圧始動方式を用いる方式、またインバータを用いる方式などがある。
【００１０】Ｙ−Δ切換方式およびＣＣＴ方式では、始動電流は直入れのときと比べ１／３程度になる。しかし、この方式でもＹからΔへの切換時には電動機の定格電流の２倍程度の始動電流が流れ、また、接続には口出線が６本必要となる。マンホールポンプに用いる誘導電動機の容量は主に０．４〜１５ｋＷ程度であり、この容量の誘導電動機には口出線は３本のものが多い。
【００１１】リアクトル始動方式では、必要加速トルクを考慮すると、始動電流が直入れのときと比べ１／２までしか減らないので、定格電流の３倍の始動電流が流れてしまうことになる。
【００１２】静止形減電圧始動方式を用いる方法では、実行値としては始動電流が低減されるが、位相制御でのピーク電流は変わらないので、結局自家発電装置の容量を小さくすることはできない。
【００１３】インバータを用いた方式では、始動電流を定格電流以下に低減することができるが、高調波電流が発生するので、自家発電装置を電源とする場合は等価逆相電流を考慮する必要が生じ、自家発電装置を小さくすることはできない。
【００１４】上記従来例の自家発電装置を具備したマンホールポンプにおいては、始動方式を工夫することによって、自家発電装置が定格に達した後に直入れする場合よりは始動電流が低減されるが、依然として定格電流の２〜３倍の始動電流が流れる。
【００１５】また、上記インバータを用いた起動方式を用いた場合には、始動電流を定格電流より小さくすることができるが、等価逆相電流が増加してしまうという問題がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、原動機と発電機からなる自家発電装置を具備したマンホールポンプシステムにおいて、誘導電動機の始動電流が自家発電装置の定格以内となるようにしたマンホールポンプシステムの構成およびマンホールポンプシステムの誘導電動機の始動方法を提供することを発明が解決しようとする課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、マンホールポンプシステムにおいて、自家発電装置が定格運転になる前に、ポンプ駆動用の誘導電動機を自家発電装置に接続するようにした。このことによって、発電機の出力電圧Ｖ／周波数Ｆ一定で加速するという特性を利用することにより、誘導電動機を定格電流以下で加速することができる。
【００１８】本発明は、マンホールポンプシステムを、マンホール内に設けたポンプおよび該ポンプを駆動する誘導電動機と、マンホール外に設けた前記誘導電動機の電源となる発電機と、該発電機を駆動する原動機と、該原動機を始動するスタータモータと、該スタータモータ用電力貯蔵手段とを有して構成する。
【００１９】また、本発明は、上記マンホールポンプシステムにおいて、マンホール内に機械式水位検出手段を設け、該水位検出手段によりマンホール内の水位が上昇したことを感知して前記発電機の運転を開始するようにした。
【００２０】さらに、本発明は、上記マンホールポンプシステムにおいて、前記誘導電動機と前記発電機の間にスタータモータ用の電力貯蔵手段を電源とする開閉器を設け、該発電機が定格運転に達する前に前記開閉器を閉じて前記誘導電動機の運転を開始するようにした。
【００２１】本発明は、上記マンホールポンプシステムにおいて、前記誘導電動機の保護回路を設け、前記発電機の出力が定格に達した後に該保護回路を動作させるようにした。
【００２２】本発明は、マンホール内に設けたポンプおよび該ポンプを駆動する誘導電動機と、マンホール外に設けた前記誘導電動機の電源となる発電機と、該発電機を駆動する原動機と、該原動機を始動するスタータモータと、該スタータモータ用電力貯蔵手段と、前記誘導電動機と前記発電機とを閉路するスタータモータ用の電力貯蔵手段を電源とする開閉器とを有するマンホールポンプシステムにおける誘導電動機の始動方法であって、前記発電機の始動時に発電機が定格運転に達する前に前記開閉器を閉路して前記誘導電動機を始動するようにした。
【００２３】また、本発明は、上記マンホールポンプシステムの誘導電動機の始動方法において、前記マンホール内にマンホール内の水位を検出する機械式水位検出手段を設け、該水位検出手段によりマンホール内の水位が上昇したことを感知して前記発電機の運転を開始するようにした。
【００２４】さらに、本発明は、上記マンホールポンプシステムの誘導電動機の始動方法において、前記誘導電動機の保護回路を設け、前記発電機の出力が定格に達した後に該保護回路を動作させるようにした。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図１から図３を用いて説明する。
【００２６】図１は本発明を説明するためのマンホールポンプのシステム構成を示す図を、図２は本発明によるマンホールポンプシステムの自家発電装置による始動時のＰＡＤ図を、図３は発電機のＶ／Ｆ特性を示す図をそれぞれ示している。
【００２７】図１に示すように、本発明にかかるマンホールポンプシステムは、誘導電動機１１と、誘導電動機１１によって駆動されるポンプ１２と、水位検出手段５１と、機械式水位計５２と、電力貯蔵手段４１と、スタータモータ４２と、原動機４５と、発電機４７と、開閉器３３と、開閉器３５と、開閉器３７と、保護回路３９とを有して構成される。
【００２８】誘導電動機１１は、商用電源または発電機４７から電力が供給されて動作する。
【００２９】ポンプ１２は、誘導電動機１１によって駆動され、マンホール５０内の排水・下水を送水管５７へ送出する。
【００３０】制御回路３１は、電力貯蔵手段４１から電力が供給されて動作する。制御回路３１は、商用電源の停電時に、機械式水位計５２がマンホール５０内の水位が規定の高さを超えたことを検出したときに、電力貯蔵手段４１からスタータモータ４２へ電力を供給して原動機４５を起動する。また、制御回路３１は、機械式水位計５２が、マンホール５０内の水位が規定の高さを超えたことを検出したときに誘導電動機１１に電力を供給するように動作し、マンホール５０内の汚水がほとんどなくなったときに誘導電動機１１への電力供給を断つように動作する。さらに、制御回路３１は、誘導電動機１１へ供給される電圧が定格電圧に達したのちに保護回路３９に電力を供給するように動作する。
【００３１】開閉器３３は、電力貯蔵手段４１を電源として動作し、商用電源の停電時に、発電機１１が発電を開始した後出力が定格に達する以前に、誘導電動機１１と発電機４７を閉路する発電機閉路用開閉器として働く【００３２】開閉器３５は、商用電源を電源として動作し、商用電源の健常時にマンホール５０内の水位が規定値以上になったとき商用電源を誘導電動機１１に閉路する商用電源閉路用開閉器として働く。
【００３３】開閉器３７は、発電機４７が定格運転になり制御電源が確立した後、保護回路３９に電力を供給するための開閉器として働く。
【００３４】保護回路３９は、誘導電動機１１の過負荷時に誘導電動機１１への電力供給を停止して誘導電動機１１を保護する働きを有している。
【００３５】電力貯蔵手段４１は、電力を貯蔵する能力を有しており、商用電源などから常時充電されるバッテリーなどから構成される。この電力貯蔵手段４１は、スタータモータ４２へ駆動電力を供給するとともに、制御回路３１と開閉器３３へ動作電力を供給する。
【００３６】スタータモータ４２は、停電時に機械式水位計５２が閉路すると、電力貯蔵手段４１から電力が供給されて駆動され、原動機４５を起動させる【００３７】原動機４５は、停電時にスタータモータ４３に駆動されて運転を開始し、発電機４７を駆動する。
【００３８】発電機４７は、商用電源が停電のとき原動機４５により駆動され誘導電動機１１を駆動する電力を発生する。
【００３９】水位検出手段５１は、商用電源の健常時に、マンホール５０内の水位を感知して、開閉器３５を閉路するように働く。
【００４０】機械式水位計５２は、商用電源の健常時に水位検出手段５１がマンホール５０内の水位が規定の水位を超えたことを検出できなかったときに、開閉器３５を閉路するように働く。さらに、機械式水位計５２は、停電時にマンホール５０内の水位を感知して、スタータモータ４２の起動スイッチとして働く【００４１】このようなマンホールポンプシステムにおいて、商用電源が停電している場合を考える。商用電源が停電しているときには、開閉器３３および開閉器３５ならびに開閉器３７は開路している。マンホール５０内の水位が上昇し、規定の高さを超えると機械式水位計５２が動作する。制御回路３１は、この機械式水位計５２の動作と商用電源が停電していることを条件として、スタータモータ４２を使って原動機４５を駆動して発電機４７の運転を開始指せる。開閉器３３は発電機４７が運転を開始した直後に閉路する。
【００４２】このような構成を有する、マンホールポンプシステムの自家発電による始動時の制御を図２を用いて説明する。まず、機械式水位計５２の動作を監視してマンホール５０内の水位が規定の高さを超えたか否かを判断する（Ｓ１）。マンホール５０内の水位が規定の高さを超えたときには、商用電源が停電中であるか否かを判定する（Ｓ２）。商用電源が停電中であるときには、電力貯蔵手段４１から電力を供給してスタータモータ４２を始動する（Ｓ３）と、回転型原動機４５が始動する（Ｓ４）。これによって、原動機４５に直結された発電機４７が始動する(Ｓ５)。
【００４３】発電機４７が始動した直後に開閉器３３を閉路して発電機１１から誘導電動機４７へ電力を供給する(Ｓ６)。これにより誘導電動機１１が始動する(Ｓ７)が、発電機４７の出力周波数Ｆと出力電圧Ｖはともに低いので、誘導電動機１１の電流は発電機４７の定格電流値以下に維持されるとともに、トルクは一定に保たれる。
【００４４】発電機４７の運転が確立したか（定格電圧・定格周波数となったか）否かを監視し（Ｓ８）、運転が確立したときには、開閉器３７を閉路して保護回路３９に電力を供給する（Ｓ９）。
【００４５】ステップＳ２において、商用電源が停電していないときには、開閉器３５が閉じて(Ｓ１０)、誘導電動機１１を始動する（Ｓ１１）とともに、開閉器３７を閉路して保護回路３９に電力を供給する（Ｓ１２）。
【００４６】発電機４７の出力電圧Ｖと周波数Ｆは、図３に示すようにＶ／Ｆ一定で加速する。すなわち、起動時には出力電圧は低く速度が高くなるに従って(周波数が上がるに従って)一定の比で出力電圧が上昇し、所定時間が経過して定格速度に達した時点で定格電圧を出力する。ところで、誘導電動機１１の電流は、電源の電圧に比例する。一方、誘導電動機１１のトルクは、電源の電圧と周波数の比の２乗に比例する。
【００４７】したがって、発電機４７の起動直後の回転速度(周波数)は低くの出力電圧は低いので、誘導電動機１１は滑りＳが最大であるにもかかわらず電流は発電機１１の定格を超えることがなく、発電機４７の速度が上がるに従って出力電圧が上昇するが、誘導電動機１１の滑りＳが減少しているので電流は低下し始めており発電機１１の定格を超えることがない。しかも、発電機４７の出力電圧Ｖと周波数Ｆは一定であるので、誘導電動機１１のトルクは落ちることがなくポンプ１２を駆動することができる。
【００４８】このように、本発明によれば、発電機４７の加速時のＶ／Ｆ特性を用いることにより誘導電動機１１のトルクを落とすことなく始動電流のみ低減することができる。
【００４９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば原動機と発電帰途からなる自家発電機を備えたマンホールポンプシステムにおいて、発電機の始動時に自家発電装置の定格出力に達する以前に誘導電動機を始動させることにより、発電機の出力電圧Ｖ／周波数Ｆが一定で加速する特性を利用して、低い出力電圧のときに誘導電動機を始動することができ始動電流を発電機の定格以内に押さえることができる。したがって、誘導電動機の始動電流を定格電流以下に抑制することができ自家発電装置の容量を小さくすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月１日（１９９９．１１．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９５９１３
【弁理士】
【氏名又は名称】沼形 義彰 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３２６４８（Ｐ２００１−１３２６４８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３１０８４０ |
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