電動弁駆動システム
【課題】無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができる電動ボール弁駆動システムを提供する。
【解決手段】電動ボール弁駆動システム１０は、目標開度Ｎｄを設定する目標開度設定部１１と、目標開度Ｎｄとボール弁３２の現在開度Ｎａとを入力して両者間の開度差分ΔＮを求める加算部１３と、開度差分ΔＮに基づいて単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルス幅を演算するパルス幅演算部１４、ボール弁３２のヒステリシス相当駆動時間を求めて駆動パルス幅を補正するヒステリシス補正部１６と、求めた駆動パルス幅を有する駆動パルスをＳＳＲ２０に出力する駆動パルス出力部１９と、駆動パルスを単相誘導電動機３１に出力し、単相誘導電動機３１を駆動するＳＳＲ２０と、を備える。
【解決手段】電動ボール弁駆動システム１０は、目標開度Ｎｄを設定する目標開度設定部１１と、目標開度Ｎｄとボール弁３２の現在開度Ｎａとを入力して両者間の開度差分ΔＮを求める加算部１３と、開度差分ΔＮに基づいて単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルス幅を演算するパルス幅演算部１４、ボール弁３２のヒステリシス相当駆動時間を求めて駆動パルス幅を補正するヒステリシス補正部１６と、求めた駆動パルス幅を有する駆動パルスをＳＳＲ２０に出力する駆動パルス出力部１９と、駆動パルスを単相誘導電動機３１に出力し、単相誘導電動機３１を駆動するＳＳＲ２０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動弁を駆動する電動弁駆動システムに係り、特に、単相誘導電動機を使用した電動弁駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の流量を調節する流量調節弁には、グローブ弁、サンダース弁、バタフライ弁、ボール弁等、基本構造の違いにより多種多様なものがある。これらの弁を電気的に開閉する電動弁を駆動する駆動装置としては、例えば、特許文献１および２に記載されたものが知られている。
【０００３】
特許文献１記載のものは、電動弁を開閉駆動する電動モータと、電動モータの回転規制を行う電磁ブレーキとを備えている。この構成により、特許文献１記載のものは、電磁ブレーキが電動モータを所定の位置に停止させることにより、電動弁の開閉制御を行うことができるようになっている。
【０００４】
特許文献２記載のものは、電動弁を開閉駆動する交流モータと、交流モータを駆動するインバータと、電動弁の開度を検出する開度検出器と、開度検出器が出力する電動弁の開度信号をフィードバックして電動弁の開度区間ごとに交流モータのトルクを制御する制御部とを備えている。この構成により、特許文献２記載のものは、電動弁の開度区間ごとに必要とされる交流モータのトルクに対し、交流モータが必要以上のトルクを出さないよう制御することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２９２８７７号公報
【特許文献２】特開２００９−８１９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載のものは、電磁ブレーキにより電動モータを所定の位置に停止させる構成となっているので、装置の構造が複雑化するとともに、無駄なエネルギーを消費するという課題があった。
【０００７】
また、特許文献２記載のものは、インバータをフィードバック制御することにより交流モータを駆動して電動弁を開閉制御する構成となっているので、装置の構造が複雑化するという課題があった。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができる電動弁駆動システム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】
【０００９】
本発明の電動弁駆動システムは、フィードバックループを高速応答が可能なデジタルコントローラに置き、流量制御プロセスの制定時間の影響を無くすことで電動弁の動作回数を減らすことができる。一般に、長い配管中の流量制御の応答は、バルブ開度の変化に対して、ステップ応答で数十秒、制定時間で数分かかることがある。本電動弁駆動システムは、制定後の流量を見越して電動弁を駆動することができる。
【００１０】
本発明の電動弁駆動システムは、電動弁を開閉する誘導電動機を駆動する電動弁駆動システムであって、前記電動弁の開度を設定するための目標開度と前記電動弁の現在の開度である現在開度との差を示す開度差分を算出する開度差分算出手段と、前記誘導電動機を駆動する交流電力を駆動パルスによって供給する交流電力供給手段と、前記誘導電動機が前記電動弁を全閉状態から全開状態まで変化させるのに要する時間を示す全開駆動時間と、前記電動弁の全開状態での開度に対する前記開度差分の比率と、前記誘導電動機に交流電力を所定時間供給した後に慣性により前記誘導電動機が作動する時間を示す惰性走行時間とに基づいて前記駆動パルスのパルス幅を演算するパルス幅演算手段と、を備えた構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の電動弁駆動システムは、パルス幅演算手段が演算したパルス幅を有する駆動パルスを誘導電動機に供給することにより、誘導電動機をパルスモータのように駆動することができるので、待機電力を消費せず、パルスモータが必要とするような駆動回路も不要となる。したがって、本発明の電動弁駆動システムは、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができる。
【００１２】
本発明の電動弁駆動システムは、前記電動弁は、開弁作動と閉弁作動とにヒステリシスを有するものであって、前記電動弁を駆動して前記ヒステリシスを補正する時間を示すヒステリシス相当駆動時間を算出し、算出した前記ヒステリシス補正値により前記駆動パルスのパルス幅を補正するヒステリシス補正手段をさらに備えた構成を有している。
【００１３】
この構成により、本発明の電動弁駆動システムは、ヒステリシス補正手段により電動弁のヒステリシスを補正することができる。
【００１４】
本発明の電動弁駆動システムは、前記交流電力供給手段は、前記電動弁に印加する電圧がゼロ点と交差する時刻から、前記電圧の位相が前記時刻より９０度遅れた時刻であって前記電動弁に供給する電流がゼロ点と交差する時刻までの期間の電圧パルスおよび電流パルスを前記駆動パルスによって前記誘導電動機に供給するものである構成を有している。
【００１５】
この構成により、本発明の電動弁駆動システムは、誘導電動機をパルスモータのように駆動することができる。
【００１６】
本発明の電動弁駆動システムは、前記誘導電動機が、単相籠形誘導電動機からなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができるという効果を有する電動弁駆動システムを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る電動ボール弁駆動システムの一実施形態におけるブロック構成図である。
【図２】本発明に係る電動ボール弁駆動システムのハードウエア構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおいて、第１ＳＳＲの機能についての説明図である。
【図４】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおいて、単相誘導電動機を駆動する駆動パルスについての説明図である。
【図５】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおいて、駆動パルスによる電動機の動作を示す模式図である。
【図６】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける惰性走行時間の求め方の説明図である。
【図７】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおけるメインルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の全開処理のフローチャートである。
【図９】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の全閉処理のフローチャートである。
【図１０】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の開処理のフローチャートである。
【図１１】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の閉処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本実施形態では、本発明に係る電動弁駆動システムを、ボール弁を電気的に開閉する電動ボール弁駆動システムに適用した例を挙げる。この電動ボール弁駆動システムは、流体の流量を調節する流量調節弁としてのボール弁と、このボール弁を駆動する駆動手段としての単相誘導電動機とを備えている。以下、本発明の実施形態を説明する前に、ボール弁および単相誘導電動機を採用した背景について説明する。
【００２０】
例えば、温水と冷水とを混合して希望する温度と流量の温水を得る冷温水混合設備において、これらの流量調節弁を電子計算機で制御するシステムを構成するとき、従来使用されている流量調節弁は、アナログ信号またはデジタル信号のインターフェイスを持つポジショナーを取り付けた空気式調節弁、または、同様のインターフェイスを持つ制御装置付きの電動調節弁が使用される。これらの従来型調節弁は、フィードバック制御を前提として設計されているため、インターフェイスつまり、補助制御装置は常に動作状態で運用される。このことは、個々の調節弁は相応の待機電力を消費し、調節弁の数が多いシステムでは相当の待機電力を消費する。
【００２１】
しかしながら、近年において叫ばれている低炭素社会、グリーン対応、省エネルギー等のキーワードで代表されるように、不要な待機電力を低減する方向にあるため、従来型調節弁の構成は好ましいものではない。
【００２２】
そこで、本発明者は、無駄なエネルギー消費を抑制するという観点から、流量調節弁の駆動手段および流量調節弁について検討した。
【００２３】
（流量調節弁の駆動手段）
無駄なエネルギーを消費しない電子計算機制御システムを構築するための流量調節弁の駆動手段には次のような性能が要求される。
（１）待機電力を極力消費しない制御方式であること。
（２）操作量をデジタル方式で設定できる（計算機から直接操作できる）。
（３）大型弁を操作する大きな駆動力を発生できる。
（４）補助制御装置、コントローラ、変換器等（インターフェース）を簡略化できる。
【００２４】
まず、上記（１）について検討する。例えば、互いに９０°の位相角で取り付けられた２組の励磁巻線に対して進相コンデンサーの位置を切り替えることで回転方向を切り替えることが可能な単相誘導電動機を適用することを考える。以後、このような単相誘導電動機を可逆型の単相誘導電動機と呼ぶことにする。可逆型の単相誘導電動機は、停止中に待機電力を消費しない。一方、参考のためにパルスモータを用いて弁を制御する場合の待機電力を考える。パルスモータ自体は、駆動電圧を取り除いても現在位置を保持する性質を持つのでそれ自体は待機電力を消費しない。しかし、パルスモータの複雑な駆動回路は多くの待機電力を消費する。したがって、上記（１）についてはパルスモータより、むしろ可逆型の単相誘導電動機の方が優れている。
【００２５】
次に、上記（２）について検討する。可逆型の単相誘導電動機それ自体は、本来、デジタル操作とは無縁である。参考のためにパルスモータと比較してみる。パルスモータは歩進型であるため、操作信号は本来デジタル方式である。したがって、上記（２）については、本来、パルスモータが優れているが、本発明では、後述するように可逆型の単相誘導電動機をパルスモータのように駆動することで、駆動力が大きい、補助制御装置が不要、等の可逆型の単相誘導電動機の特徴を生かした制御システムを構築できる。
【００２６】
次に、上記（３）について、可逆型の単相誘導電動機とパルスモータとを比較してみる。可逆型の単相誘導電動機に比べてパルスモータは構造上の理由により大きな駆動力は期待できない。また、駆動力の限界を超えると脱調と呼ばれる現象を生じ駆動できなくなる。また、パルスモータは複雑な駆動回路を必要とするが、これらの駆動回路は大電力には向かない。したがって、上記（３）については可逆型の単相誘導電動機が優れている。
【００２７】
次に、上記（４）について、可逆型の単相誘導電動機とパルスモータとを比較してみる。本発明による可逆型の単相誘導電動機は、特別な補助制御装置を必要としない。一方、パルスモータは複雑な駆動回路を必要とする。したがって、（４）の補助制御装置の要否については、可逆型の単相誘導電動機が優れている。
【００２８】
（流量調節弁）
無駄なエネルギーを消費しない電子計算機制御システムを構築するための流量調節弁には次のような性能が要求される。
（１）全開時の圧力損失が小さい。
（２）設定された開度を維持するためにエネルギーを消費しない。
（３）操作信号に対する流量係数を正確に算出できる。
（４）操作信号に対する流量の再現性に優れている。
（５）操作信号を一度上げて元に戻した時に流量が正確に元の値に戻る。
【００２９】
上記の要求に対して、ボール弁の場合を検討する。全開時のボール弁の流体通過面積は同一口径の配管の断面積に等しく、弁の挿入による圧損は限りなくゼロに等しい。したがって、ボール弁は、上記（１）の要求を満足する。
【００３０】
次に、ボール弁は、それ自体で、流体の反力に対して一定の開度を維持できる構造を持つ。サンダース弁その他の多くの流量制御弁は、流体の圧力を押し戻すために、空気圧等の何らかの方法で常に弁を抑える方向の力を必要とする。この点、ボール弁は、一定の開度を維持するためにエネルギーを必要としない。以上のことから、ボール弁は、上記（２）の要求を満足する。
【００３１】
また、ボール弁は、構造が簡単であるために操作軸の回転角と流体通過断面積との関係を明解な数式で表現できる。このことは、目標流量に対応した操作量（弁の操作回転角）を算出できる可能性を示す。目標流量に対する操作量を演算により求めて設定することでフィードバック方式に比べて早く収斂させるこができる。したがって、ボール弁は、上記（３）の要求を満足する。
【００３２】
次に、上記（４）について検討する。ボール弁の有効な操作領域は、閉側２０％の締め切り域と開側２０％の飽和域を除いた、概ね６０％と狭くなる。したがって、ボール弁は、急峻な立ち上がり特性を持つことから、一般に制御用途に向かないと言われている。この点、ボール弁は、上記（４）の要求を満足しない。
【００３３】
更に、ボール弁は、駆動部減速機のバックラッシュ、駆動軸と弁体との遊びに起因するヒステリシスを生じる。ヒステリシスが存在すると上昇方向に操作した量だけ下方に戻したとき、元の流量に戻らない。つまり、ボール弁は、上記（５）の要求を満足しない。
【００３４】
そこで、本発明者は、ボール弁に関して、ソフトウエアによる補正により、上記（４）および（５）の要求を満足させ、待機電力が比較的少ない制御システムを実現した。
【００３５】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００３６】
まず、本発明に係る電動ボール弁駆動システムの実施形態における構成について説明する。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０は、電動ボール弁３０を駆動するものである。この電動ボール弁駆動システム１０は、本発明に係る電動弁駆動システムを構成する。
【００３８】
電動ボール弁駆動システム１０は、目標開度設定部１１、目標開度判定部１２、加算部１３、パルス幅演算部１４、回転方向判定部１５、ヒステリシス補正部１６、現在開度取得部１７、全開全閉処理部１８、駆動パルス出力部１９、半導体リレー（ＳＳＲ）２０、を備える。
【００３９】
電動ボール弁３０は、可逆型の単相誘導電動機３１、ボール弁３２を備える。この電動ボール弁３０は、本発明に係る電動弁を構成する。単相誘導電動機３１は、例えば、６０ヘルツの商用電源（１００ボルト）で駆動される単相籠形誘導電動機からなる。ボール弁３２は、例えば、樹脂製の弁体および樹脂製の弁軸を有する。なお、単相誘導電動機３１に代えて、例えば三相誘導電動機を用いてもよい。この場合は、三相交流用の半導体リレーを用いる。また、ボール弁３２は、樹脂製に限定されず、例えば金属製であってもよい。
【００４０】
目標開度設定部１１は、ボール弁３２を所定の開度に設定するための目標開度Ｎｄを設定するようになっている。この目標開度Ｎｄは、ボール弁３２の全閉状態を示す０から、全開状態を示す１００までの値で表される。
【００４１】
具体的には、目標開度設定部１１は、例えば、ボール弁３２に接続された流量計が取得する現在流量値と、作業者が設定した流量設定値とを入力し、電動ボール弁３０による流量操作量を求めるようになっている。また、目標開度設定部１１は、流量操作量と目標開度Ｎｄとの関係を示す流量開度変換データを予め記憶しており、求めた流量操作量を流量開度変換データに基づいて目標開度Ｎｄに変換するようになっている。また、流量操作量と目標開度Ｎｄとの関係が数式で表現できる場合は、演算により流量操作量を目標開度Ｎｄに変換する。
【００４２】
目標開度判定部１２は、目標開度設定部１１によって設定された目標開度Ｎｄの範囲を判定するとともに、０＜Ｎｄ＜１００のときは目標開度Ｎｄのデータを加算部１３に出力し、Ｎｄ＝０またはＮｄ＝１００のときは目標開度Ｎｄのデータを全開全閉処理部１８に出力するようになっている。
【００４３】
加算部１３は、目標開度Ｎｄと、ボール弁３２の現在の開度を示す現在開度Ｎａとを入力し、両者間の開度差分ΔＮ（＝Ｎｄ−Ｎａ）を求めるようになっている。ここで、現在開度Ｎａは、ボール弁３２の全閉状態を示す０から、全開状態を示す１００までの値で表される。したがって、開度差分ΔＮは、０〜１００で表される。
【００４４】
パルス幅演算部１４は、［数１］および［数２］により、ＳＳＲ２０を介して単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルス幅を演算するようになっている。このパルス幅演算部１４は、本発明に係るパルス幅演算手段を構成する。
【００４５】
［数１］
駆動パルス幅（秒） ＝ 駆動時間（秒） − 惰性走行時間（秒）
【００４６】
［数２］
駆動時間（秒） ＝ 全開駆動時間（秒） × 開度差分ΔＮ／１００
【００４７】
ここで、全開駆動時間とは、単相誘導電動機３１が、ボール弁３２の全閉状態（開度０％）から全開状態（開度１００％）にするまでに要する駆動時間をいう。なお、全開状態および全閉状態は、ぞれぞれ、後述する開リミットスイッチ３７および閉リミットスイッチ３８によって検出される構成となっている。また、惰性走行時間についても後述する。
【００４８】
回転方向判定部１５は、開度差分ΔＮをゼロにする方向にボール弁３２を回転させる回転方向を判定するようになっている。例えば、回転方向判定部１５は、開度差分ΔＮの符号が正の場合はボール弁３２を開く方向（以下「正転方向」という。）に単相誘導電動機３１を動作させる必要があると判定する。一方、回転方向判定部１５は、開度差分ΔＮの符号が負の場合はボール弁３２を閉じる方向（以下「逆転方向」という。）に単相誘導電動機３１を動作させる必要があると判定する。そして、回転方向判定部１５は、正転または逆転を示す情報をヒステリシス補正部１６に出力する。
【００４９】
ヒステリシス補正部１６は、単相誘導電動機３１の回転方向を前回とは逆の回転方向に変えてボール弁３２を動かし始めるときに、単相誘導電動機３１の回転とともにボール弁３２の弁体が一時的に動かないヒステリシスを補正するためのヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）を算出するようになっている。このヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）の算出については後述する。
【００５０】
また、ヒステリシス補正部１６は、ヒステリシスを補正する場合は、算出したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）に基づき、パルス幅演算部１４が演算した駆動パルス幅を補正するようになっている。ヒステリシス補正部１６からの駆動パルス幅のデータは駆動パルス出力部１９に出力される。
【００５１】
また、ヒステリシス補正部１６は、駆動パルス出力部１９に出力した駆動パルス幅のデータによりボール弁３２の弁体の位置情報を取得して、この位置情報を現在開度取得部１７に出力するようになっている。なお、ヒステリシス補正部１６は、本発明に係るヒステリシス補正手段を構成する。
【００５２】
現在開度取得部１７は、ヒステリシス補正部１６からの弁体の位置情報、後述する開リミットスイッチ３７および閉リミットスイッチ３８からの開リミット信号および閉リミット信号に基づき、ボール弁３２の現在開度Ｎａを取得するようになっている。
【００５３】
全開全閉処理部１８は、ボール弁３２を全開する処理、または全閉する処理を行うようＳＳＲ２０を駆動するようになっている。
【００５４】
駆動パルス出力部１９は、ヒステリシス補正部１６および全開全閉処理部１８から、単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルス幅のデータを入力し、入力した駆動パルス幅を有する駆動パルスをＳＳＲ２０に出力するようになっている。この駆動パルス出力部１９は、本発明に係る交流電力供給手段を構成する。
【００５５】
ＳＳＲ２０は、駆動パルス出力部１９からの駆動パルスを単相誘導電動機３１に出力し、単相誘導電動機３１を駆動するようになっている。
【００５６】
図２は、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０のハードウエア構成を示すブロック図である。電動ボール弁駆動システム１０は、作業者が操作するパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」と記す。）４１にＬＡＮを介して接続され、ＳＳＲ２０を制御するデジタルコントローラ４２を備え、電動ボール弁３０を駆動するようになっている。ＳＳＲ２０は、第１ＳＳＲ２１、第２ＳＳＲ２２、第３ＳＳＲ２３、第４ＳＳＲ２４を備える。
【００５７】
デジタルコントローラ４２は、プログラムを記憶する記憶部（図示省略）を有し、この記憶部にインストールされたプログラムを実行することにより、図１に示した目標開度設定部１１、目標開度判定部１２、加算部１３、パルス幅演算部１４、回転方向判定部１５、ヒステリシス補正部１６、現在開度取得部１７、全開全閉処理部１８、駆動パルス出力部１９として機能するものである。
【００５８】
電動ボール弁３０は、ボール弁３２を正転方向に単相誘導電動機３１を駆動する正転方向駆動コイル３４、ボール弁３２を逆転方向に単相誘導電動機３１を駆動する逆転方向駆動コイル３５、正転方向駆動コイル３４と逆転方向駆動コイル３５との間に設けられたセンタータップ３６を有する。
【００５９】
また、電動ボール弁３０には、ボール弁３２の全開状態に相当する機械的位置に開リミットスイッチ３７が設けられ、ボール弁３２の全閉状態に相当する機械的位置に閉リミットスイッチ３８が設けられている。開リミットスイッチ３７および閉リミットスイッチ３８は、単相誘導電動機３１の回転軸に取り付けられたカムにより、それぞれ、開上限および閉下限の位置で動作するようになっている。
【００６０】
開リミットスイッチ３７は、第３ＳＳＲ２３に接続された第１出力端子３７ａ、正転方向駆動コイル３４に接続された第２出力端子３７ｂ、第１ＳＳＲ２１に接続された入力端子３７ｃを有する。開リミットスイッチ３７において、ボール弁３２が全開状態以外の状態にあるときは入力端子３７ｃと第２出力端子３７ｂとが接続され、ボール弁３２が全開状態にあるときは入力端子３７ｃと第１出力端子３７ａとが接続される。以下、入力端子３７ｃと第２出力端子３７ｂとが接続された状態を開リミットスイッチ３７のオフ状態といい、入力端子３７ｃと第１出力端子３７ａとが接続された状態を開リミットスイッチ３７のオン状態という。
【００６１】
閉リミットスイッチ３８は、第４ＳＳＲ２４に接続された第１出力端子３８ａ、逆転方向駆動コイル３５に接続された第２出力端子３８ｂ、第２ＳＳＲ２２に接続された入力端子３８ｃを有する。閉リミットスイッチ３８において、ボール弁３２が全閉状態以外の状態にあるときは入力端子３８ｃと第２出力端子３８ｂとが接続され、ボール弁３２が全閉状態にあるときは入力端子３８ｃと第１出力端子３８ａとが接続される。以下、入力端子３８ｃと第２出力端子３８ｂとが接続された状態を閉リミットスイッチ３８のオフ状態といい、入力端子３８ｃと第１出力端子３８ａとが接続された状態を閉リミットスイッチ３８のオン状態という。
【００６２】
第１ＳＳＲ２１は、ボール弁３２の開制御を行うための開信号をデジタルコントローラ４２から入力したとき、例えば６０ヘルツ、１００ボルトの交流電圧を正転方向駆動コイル３４に印加するようになっている。その結果、単相誘導電動機３１は、ボール弁３２を正転方向に回転するよう駆動される。
【００６３】
第２ＳＳＲ２２は、ボール弁３２の閉制御を行うための閉信号をデジタルコントローラ４２から入力したとき、１００ボルトの交流電圧を逆転方向駆動コイル３５に印加するようになっている。その結果、単相誘導電動機３１は、ボール弁３２を逆転方向に回転するよう駆動される。
【００６４】
第３ＳＳＲ２３は、開リミットスイッチ３７がオフ状態からオン状態に変化したとき、ボール弁３２の全開状態を示す開リミット信号をデジタルコントローラ４２に出力するようになっている。
【００６５】
第４ＳＳＲ２４は、閉リミットスイッチ３８がオフ状態からオン状態に変化したとき、ボール弁３２の全閉状態を示す閉リミット信号をデジタルコントローラ４２に出力するようになっている。
【００６６】
次に、第１ＳＳＲ２１の機能について図３に基づき説明する。
【００６７】
図３の上段は単相誘導電動機３１に印加される電源電圧、図３の中段は単相誘導電動機３１に流れる誘導負荷電流、図３の下段はデジタルコントローラ４２から第１ＳＳＲ２１に出力されるボール弁３２を開くための駆動パルス（図２では開信号と記載）の一例を示す。図示のように、誘導負荷電流は、その位相が電源電圧よりも９０度遅れている。
【００６８】
図３の下段に示すように、時刻Ｔ１からＴ３までの期間でオン状態にある開信号を第１ＳＳＲ２１が入力した場合、単相誘導電動機３１は、第１ＳＳＲ２１のゼロクロス特性により、時刻Ｔ２からＴ４までの期間の電圧および電流で駆動される。
【００６９】
具体的には、第１ＳＳＲ２１は、時刻Ｔ１では単相誘導電動機３１に電圧を印加せず、電源電圧がゼロクロスする時刻Ｔ２まで待って単相誘導電動機３１に電圧を印加する。また、第１ＳＳＲ２１は、時刻Ｔ３では単相誘導電動機３１への電圧印加を停止せず、誘導負荷電流がゼロクロスする時刻Ｔ４まで待って単相誘導電動機３１への電圧印加を停止する。その結果、単相誘導電動機３１は、図３に示した斜線領域の電圧および電流による電力が供給されて駆動されることとなる。
【００７０】
斜線領域の電圧および電流の信号は、６０ヘルツの商用電源を使用する場合、６０ヘルツの１／４サイクル時間である４．１６ミリ秒の時間幅を有する。したがって、第１ＳＳＲ２１が駆動できる最小時間幅は、４．１６ミリ秒である。第１ＳＳＲ２１は、この６０ヘルツの１／４サイクル時間の信号（以下「１／４サイクル波形」という。）に６０ヘルツの１／２サイクル時間の整数倍の時間（以下「１／２サイクル波形」という。）で単相誘導電動機３１を駆動するものである。その様子を図４に示す。
【００７１】
なお、単相誘導電動機３１に供給される電圧および電流は、図３に示した斜線領域に限定されない。例えば、電源電圧の立ち下がり時にゼロクロスする時刻から１／４サイクル経過するまでの時間の電力で単相誘導電動機３１を駆動する構成でもよい。具体的には、接点摩耗、応答遅れ、又はスイッチングノイズ発生等が許されるシステムにおいては有接点リレーを用いることが可能であり、その際は図３に示した波形と異なるが、同等の電力であれば単相誘導電動機３１を駆動できる。
【００７２】
次に、図４を用いて、単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルスと実際に単相誘導電動機３１に供給される電圧と電流の波形について説明する。ここでは、電源周波数を６０ヘルツとする。
【００７３】
図４において、ｎは、電源投入後に発生する１つ目の１／４サイクル波形の終端を起点として、半サイクル単位ごとのタイミングを表す整数である。例えば、全開駆動時間が１２．５秒であるとき、ｎ＝１５００である。このｎは、全閉から全開までを１５００パルスで駆動するパルスモータの駆動パルス数に似ている。
【００７４】
図４に示すように、ｎ番目の駆動時間は（２ｎ＋１）／２４０秒である。例えば、時刻Ｔ０で第１ＳＳＲ２１を介して起動した単相誘導電動機３１が停止できるタイミングは、第１ＳＳＲ２１がゼロクロス特性を有するので、ｎ＝１、２、３、４に対応する１２．４９、２０．８３、２９．１６、３７．５０ミリ秒の駆動時間となる。従って、Ｔ０からＴ３までのパルス幅を有する駆動パルスで第１ＳＳＲ２１を駆動すれば、第１ＳＳＲ２１はＴ０からＴ３までのｎ＝４に対応した３７．５ミリ秒間だけ単相誘導電動機３１を駆動することになる。図１に示したパルス幅演算部１４により算出されたパルス幅にまるめ誤差などの演算誤差を含む場合においても、例えば、パルス幅Ｔ０からＴ２の演算誤差がＴ１とＴ３との間であれば、駆動結果はＴ３となる。ここで、ｎは演算誤差を含む駆動パルスを正規化する作用を持つ。
【００７５】
また、前述のように、接点摩耗、応答遅れ、又はスイッチングノイズ発生等が許されるシステムにおいては、ｎに対応した（２ｎ＋１）／２４０秒の駆動時間を有接点リレーを用いて単相誘導電動機３１を駆動することもできる。
【００７６】
前述した駆動パルスのパルス幅をパルス幅演算部１４（図１参照）が求め、第１ＳＳＲ２１を動作させることにより単相誘導電動機３１を駆動することができる。
【００７７】
なお、以上の説明では第１ＳＳＲ２１を例に挙げて説明したが、第２ＳＳＲ２２も第１ＳＳＲ２１と同様に動作（但し閉方向に動作）するものであるので、説明を省略する。
【００７８】
次に、駆動パルスによる電動機の動作について図５に示した模式図を用いて説明する。一般に電動機を起動して停止させるとき、電動機は、図示のように、加速域を経て、定速域で一定速度に達し、慣性による減速域を経て停止する。電動ボール弁３０の制御に際し、制御可能な変数は、駆動時間Ｔｏｎである。減速期間中の作動量は惰性走行時間Ｔｏｒである。図示のように、駆動時間Ｔｏｎと惰性走行時間Ｔｏｒとを合わせた時間が実走行時間ＴｒｕｎＡｃｔとなる。
【００７９】
図６を用いて惰性走行時間の求め方を説明する。全閉リミット位置から全開リミット位置までを１回の動作で駆動する場合は、Ｎ＝１とする。このとき、単相誘導電動機３１が実際に有効に走行した時間を実開閉時間Ｔａｏとする。実開閉時間Ｔａｏは、駆動信号により定速走行した駆動時間Ｔｏｎ（１）と惰性走行時間Ｔｏｒとの和である。
【００８０】
同様に２回の動作、すなわち、５０％の走行を２回繰り返し１００％となるように駆動する場合は、Ｎ＝２である。この時、実開閉時間Ｔａｏは、駆動信号により定速走行した駆動時間Ｔｏｎ（２）と惰性走行時間Ｔｏｒとの総和である。
【００８１】
更に、１％刻みで１００回駆動することで全閉から全開まで駆動する場合は、Ｎ＝１００である。この場合も、実開閉時間Ｔａｏは、駆動信号により定速走行した駆動時間Ｔｏｎ（１００）と惰性走行時間Ｔｏｒとの総和である。
【００８２】
例えば、以下のように行う。まず、惰性走行時間Ｔｏｒをゼロとし、開度差分ΔＮを全開度の１％として１％刻みで閉状態から開状態まで単相誘導電動機３１を駆動する。このとき、惰性走行時間Ｔｏｒが発生するので、１００回より以前に１００％（全開）に達する。閉状態から開状態までの駆動時間が１２．５秒であるとき、１％に相当する駆動時間は、１２５ミリ秒である。惰性走行時間Ｔｏｒがゼロであれば、１％×１００回で閉から開に達する。ここで、１％×７０回（７０％に相当）で閉状態から開状態に達した場合の惰性走行時間Ｔｏｒを算出する。駆動時間Ｔｏｎ＝１２５×７０＝８７５０ミリ秒に対して１２５００ミリ秒間駆動したことになる。７０回に相当する惰性走行時間Ｔｏｒ＝１２５００−８７５０＝３７５０ミリ秒となり、１回（１％駆動）に相当する惰性走行時間Ｔｏｒ＝３７５０÷７０＝５３．５７ミリ秒となる。
【００８３】
次に、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０の動作について図７〜図１１に基づき説明する。最初に、図７に基づきメインルーチンについて説明する。
【００８４】
まず、デジタルコントローラ４２は、目標開度Ｎｄが入力されたか否かを判断する（ステップＳ１１）。例えば、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２に接続された流量計が取得する現在流量値と、作業者がＰＣ４１を操作して入力した流量設定値から、目標とする流量操作量を計算し、流量開度変換データを用いて目標開度Ｎｄを求める。
【００８５】
次に、デジタルコントローラ４２は、Ｎｄ＝１００であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。
【００８６】
ステップＳ１２において、Ｎｄ＝１００である場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の全開処理（ステップＳ２０）を行う。一方、Ｎｄ＝１００でない場合は、デジタルコントローラ４２は、Ｎｄ＝０であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。
【００８７】
ステップＳ１３において、Ｎｄ＝０である場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の全閉処理（ステップＳ３０）を行う。一方、Ｎｄ＝０でない場合は、デジタルコントローラ４２は、開度差分ΔＮを算出する（ステップＳ１４）。
【００８８】
次に、デジタルコントローラ４２は、ΔＮ＝０であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。
【００８９】
ステップＳ１５において、ΔＮ＝０である場合は、デジタルコントローラ４２は、ステップＳ１１に戻る。一方、ΔＮ＝０でない場合は、デジタルコントローラ４２は、［数１］および［数２］により、駆動パルス幅を演算する（ステップＳ１６）。
【００９０】
次に、デジタルコントローラ４２は、ΔＮ＞０であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。
【００９１】
ステップＳ１７において、ΔＮ＞０である場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の開処理（ステップＳ４０）を行う。一方、ΔＮ＞０でない場合、すなわちΔＮ＜０の場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の閉処理（ステップＳ５０）を行う。
【００９２】
そして、デジタルコントローラ４２は、ステップＳ４０およびステップＳ５０の処理を実行した後、現在開度Ｎａを更新し（ステップＳ１８）、更新した現在開度Ｎａを記憶し、ステップＳ１１に戻る。
【００９３】
次に、図８に基づき、弁の全開処理（ステップＳ２０）について説明する。
【００９４】
まず、デジタルコントローラ４２は、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオフ（ステップＳ２１）にした後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機し（ステップＳ２２）、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオン（ステップＳ２３）にする。ここで、上記所定時間は、６０ヘルツの半サイクル時間である８．３ミリ秒以上であればよい。このステップＳ２１〜Ｓ２３の処理は、第１ＳＳＲ２１と第２ＳＳＲ２２とが同時にオンして誤動作の原因となることを回避するために行う。
【００９５】
次に、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１に駆動パルスを出力する（ステップＳ２４）。
【００９６】
次に、デジタルコントローラ４２は、開リミットスイッチ３７がオン状態（全開状態）になったか否かを判断する（ステップＳ２５）。
【００９７】
ステップＳ２５において、開リミットスイッチ３７がオン状態でない場合は、ステップＳ２４に戻る。一方、ステップＳ２５において、開リミットスイッチ３７がオン状態である場合は、デジタルコントローラ４２は、現在開度Ｎａに"１００"を代入する（ステップＳ２６）。
【００９８】
そして、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"１"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"０"をそれぞれ代入して（ステップＳ２７）、メインルーチンに戻る。
【００９９】
ここで、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）および開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）は、ボール弁３２の回転方向が変わるときに生じるヒステリシスを補正するためのフラッグであって、ともに"０"または"１"の値をとる。単相誘導電動機３１がボール弁３２を正転方向に作動した場合は、デジタルコントローラ４２は、ステップＳ２５に示した処理を行う。一方、単相誘導電動機３１がボール弁３２を逆転方向に作動したときは、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"０"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"１"をそれぞれ代入する処理を行う。
【０１００】
次に、図９に基づき、弁の全閉処理（ステップＳ３０）について説明する。
【０１０１】
まず、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオフ（ステップＳ３１）にした後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機し（ステップＳ３２）、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオン（ステップＳ３３）にする。
【０１０２】
次に、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１に駆動パルスを出力する（ステップＳ３４）。
【０１０３】
次に、デジタルコントローラ４２は、閉リミットスイッチ３８がオン状態（全閉状態）になったか否かを判断する（ステップＳ３５）。
【０１０４】
ステップＳ３５において、閉リミットスイッチ３８がオン状態でない場合は、ステップＳ３４に戻る。一方、ステップＳ３５において、閉リミットスイッチ３８がオン状態である場合は、デジタルコントローラ４２は、現在開度Ｎａに"０"を代入する（ステップＳ３６）。
【０１０５】
そして、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"０"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"１"をそれぞれ代入して（ステップＳ３７）、メインルーチンに戻る。
【０１０６】
次に、図１０に基づき、弁の開処理（ステップＳ４０）について説明する。
【０１０７】
まず、デジタルコントローラ４２は、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）＝０か否かを判断する（ステップＳ４１）。すなわち、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の前回の回転方向が正転方向であったか否かを判断する。
【０１０８】
ステップＳ４１において、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）＝０（前回は正転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、ヒステリシスの補正を行わず、後述のステップＳ４４に進む。
【０１０９】
一方、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）＝１（前回は逆転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、［数３］に示したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）を算出する（ステップＳ４２）。
【０１１０】
［数３］
DRIVE_HIS（秒） = OP_HIS_FLG ×HIS_VALUE（秒）
【０１１１】
ここで、ヒステリシス補正設定値（HIS_VALUE）は、ヒステリシスを補正するための補正値であって、予め実験により求めておく値である。このヒステリシス補正設定値（HIS_VALUE）は、例えば、ボール弁３２の全開駆動時間の５％〜７％程度に相当する駆動時間で表される。
【０１１２】
次に、デジタルコントローラ４２は、［数４］に基づき、算出したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）により駆動パルス幅を補正する（ステップＳ４３）。
【０１１３】
［数４］
駆動パルス幅（秒） ＝ 駆動パルス幅（秒） ＋ DRIVE_HIS（秒）
【０１１４】
次に、デジタルコントローラ４２は、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオフ（ステップＳ４４）した後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機する（ステップＳ４５）。その後、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオンし（ステップＳ４６）、第１ＳＳＲ２１から駆動パルスを出力する（ステップＳ４７）。
【０１１５】
次に、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の弁体の位置情報を取得し（ステップＳ４８）、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"１"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"０"をそれぞれ代入して（ステップＳ４９）、メインルーチンに戻る。
【０１１６】
次に、図１１に基づき、弁の開処理（ステップＳ５０）について説明する。
【０１１７】
まず、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）＝０か否かを判断する（ステップＳ５１）。すなわち、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の前回の回転方向が逆転方向であったか否かを判断する。
【０１１８】
ステップＳ５１において、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）＝０（前回は逆転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、ヒステリシスの補正を行わず、後述のステップＳ５４に進む。
【０１１９】
一方、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）＝１（前回は正転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、［数５］に示したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）を算出する（ステップＳ５２）。
【０１２０】
［数５］
DRIVE_HIS（秒） = CL_HIS_FLG ×HIS_VALUE（秒）
【０１２１】
次に、デジタルコントローラ４２は、前述の［数４］に基づき、算出したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）により駆動パルス幅を補正する（ステップＳ５３）。
【０１２２】
次に、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオフ（ステップＳ５４）した後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機する（ステップＳ５５）。その後、デジタルコントローラ４２は、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオンし（ステップＳ５６）、第２ＳＳＲ２２から駆動パルスを出力する（ステップＳ５７）。
【０１２３】
次に、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の弁体の位置情報を取得し（ステップＳ５８）、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"０"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"１"をそれぞれ代入して（ステップＳ５９）、メインルーチンに戻る。
【０１２４】
以上のように、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０は、パルス幅演算部１４が演算したパルス幅を有する駆動パルスを単相誘導電動機３１に供給することにより、単相誘導電動機３１をパルスモータのように駆動することができる。
【０１２５】
その結果、電動ボール弁駆動システム１０は、パルスモータでは実現不可能であった大電力駆動系のデジタル制御が実現でき、更にＰＣ４１およびデジタルコントローラ４２により単相誘導電動機３１を直接駆動することで、補助制御装置を排除し、待機電力を発生しない駆動系が実現できる。
【０１２６】
したがって、電動ボール弁駆動システム１０は、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成でボール弁３２を駆動することができる。
【０１２７】
また、電動ボール弁駆動システム１０は、ボール弁３２のヒステリシスを補正するためのヒステリシス相当駆動時間を算出し、ヒステリシス相当駆動時間により駆動パルスのパルス幅を補正するヒステリシス補正部１６を備えるので、ボール弁３２のヒステリシスを考慮してより正確な制御をソフトウエアにより実現することができる。したがって、電動ボール弁駆動システム１０は、ボール弁３２の操作量の変化を流量の変化に正確に反映することができる。
【０１２８】
また、電動ボール弁駆動システム１０は、操作量を示す操作信号に対する流量係数を正確に算出できるボール弁３２の特徴を利用して、目標流量に対する操作量を前もって演算により求めて設定することでフィードバック方式に比べて早く収斂させることができる。
【０１２９】
さらに、電動ボール弁駆動システム１０は、全開時の圧損が小さいボール弁３２を使うことで給水ポンプの容量を小さくでき、全体として待機電力が少ない省エネルギーシステムを構築できる。
【０１３０】
なお、前述の実施形態において、本発明に係る電動弁駆動システムを電動ボール弁駆動システムに適用した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の電動弁にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上のように、本発明に係る電動弁駆動システムは、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができるという効果を有し、流体の流量を調節する電動弁を駆動する電動弁駆動システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０ 電動ボール弁駆動システム（電動弁駆動システム）
１１ 目標開度設定部
１２ 目標開度判定部
１３ 加算部（開度差分算出手段）
１４ パルス幅演算部（パルス幅演算手段）
１５ 回転方向判定部
１６ ヒステリシス補正部（ヒステリシス補正手段）
１７ 現在開度取得部
１８ 全開全閉処理部
１９ 駆動パルス出力部（交流電力供給手段）
２０ ＳＳＲ
２１ 第１ＳＳＲ
２２ 第２ＳＳＲ
２３ 第３ＳＳＲ
２４ 第４ＳＳＲ
３０ 電動ボール弁（電動弁）
３１ 単相誘導電動機
３２ ボール弁
３４ 正転方向駆動コイル
３５ 逆転方向駆動コイル
３６ センタータップ
３７ 開リミットスイッチ
３７ａ 第１出力端子
３７ｂ 第２出力端子
３７ｃ 入力端子
３８ 閉リミットスイッチ
３８ａ 第１出力端子
３８ｂ 第２出力端子
３８ｃ 入力端子
４１ ＰＣ
４２ デジタルコントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動弁を駆動する電動弁駆動システムに係り、特に、単相誘導電動機を使用した電動弁駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の流量を調節する流量調節弁には、グローブ弁、サンダース弁、バタフライ弁、ボール弁等、基本構造の違いにより多種多様なものがある。これらの弁を電気的に開閉する電動弁を駆動する駆動装置としては、例えば、特許文献１および２に記載されたものが知られている。
【０００３】
特許文献１記載のものは、電動弁を開閉駆動する電動モータと、電動モータの回転規制を行う電磁ブレーキとを備えている。この構成により、特許文献１記載のものは、電磁ブレーキが電動モータを所定の位置に停止させることにより、電動弁の開閉制御を行うことができるようになっている。
【０００４】
特許文献２記載のものは、電動弁を開閉駆動する交流モータと、交流モータを駆動するインバータと、電動弁の開度を検出する開度検出器と、開度検出器が出力する電動弁の開度信号をフィードバックして電動弁の開度区間ごとに交流モータのトルクを制御する制御部とを備えている。この構成により、特許文献２記載のものは、電動弁の開度区間ごとに必要とされる交流モータのトルクに対し、交流モータが必要以上のトルクを出さないよう制御することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２９２８７７号公報
【特許文献２】特開２００９−８１９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載のものは、電磁ブレーキにより電動モータを所定の位置に停止させる構成となっているので、装置の構造が複雑化するとともに、無駄なエネルギーを消費するという課題があった。
【０００７】
また、特許文献２記載のものは、インバータをフィードバック制御することにより交流モータを駆動して電動弁を開閉制御する構成となっているので、装置の構造が複雑化するという課題があった。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができる電動弁駆動システム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】
【０００９】
本発明の電動弁駆動システムは、フィードバックループを高速応答が可能なデジタルコントローラに置き、流量制御プロセスの制定時間の影響を無くすことで電動弁の動作回数を減らすことができる。一般に、長い配管中の流量制御の応答は、バルブ開度の変化に対して、ステップ応答で数十秒、制定時間で数分かかることがある。本電動弁駆動システムは、制定後の流量を見越して電動弁を駆動することができる。
【００１０】
本発明の電動弁駆動システムは、電動弁を開閉する誘導電動機を駆動する電動弁駆動システムであって、前記電動弁の開度を設定するための目標開度と前記電動弁の現在の開度である現在開度との差を示す開度差分を算出する開度差分算出手段と、前記誘導電動機を駆動する交流電力を駆動パルスによって供給する交流電力供給手段と、前記誘導電動機が前記電動弁を全閉状態から全開状態まで変化させるのに要する時間を示す全開駆動時間と、前記電動弁の全開状態での開度に対する前記開度差分の比率と、前記誘導電動機に交流電力を所定時間供給した後に慣性により前記誘導電動機が作動する時間を示す惰性走行時間とに基づいて前記駆動パルスのパルス幅を演算するパルス幅演算手段と、を備えた構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の電動弁駆動システムは、パルス幅演算手段が演算したパルス幅を有する駆動パルスを誘導電動機に供給することにより、誘導電動機をパルスモータのように駆動することができるので、待機電力を消費せず、パルスモータが必要とするような駆動回路も不要となる。したがって、本発明の電動弁駆動システムは、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができる。
【００１２】
本発明の電動弁駆動システムは、前記電動弁は、開弁作動と閉弁作動とにヒステリシスを有するものであって、前記電動弁を駆動して前記ヒステリシスを補正する時間を示すヒステリシス相当駆動時間を算出し、算出した前記ヒステリシス補正値により前記駆動パルスのパルス幅を補正するヒステリシス補正手段をさらに備えた構成を有している。
【００１３】
この構成により、本発明の電動弁駆動システムは、ヒステリシス補正手段により電動弁のヒステリシスを補正することができる。
【００１４】
本発明の電動弁駆動システムは、前記交流電力供給手段は、前記電動弁に印加する電圧がゼロ点と交差する時刻から、前記電圧の位相が前記時刻より９０度遅れた時刻であって前記電動弁に供給する電流がゼロ点と交差する時刻までの期間の電圧パルスおよび電流パルスを前記駆動パルスによって前記誘導電動機に供給するものである構成を有している。
【００１５】
この構成により、本発明の電動弁駆動システムは、誘導電動機をパルスモータのように駆動することができる。
【００１６】
本発明の電動弁駆動システムは、前記誘導電動機が、単相籠形誘導電動機からなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができるという効果を有する電動弁駆動システムを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る電動ボール弁駆動システムの一実施形態におけるブロック構成図である。
【図２】本発明に係る電動ボール弁駆動システムのハードウエア構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおいて、第１ＳＳＲの機能についての説明図である。
【図４】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおいて、単相誘導電動機を駆動する駆動パルスについての説明図である。
【図５】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおいて、駆動パルスによる電動機の動作を示す模式図である。
【図６】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける惰性走行時間の求め方の説明図である。
【図７】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおけるメインルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の全開処理のフローチャートである。
【図９】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の全閉処理のフローチャートである。
【図１０】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の開処理のフローチャートである。
【図１１】本発明に係る電動ボール弁駆動システムにおける弁の閉処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本実施形態では、本発明に係る電動弁駆動システムを、ボール弁を電気的に開閉する電動ボール弁駆動システムに適用した例を挙げる。この電動ボール弁駆動システムは、流体の流量を調節する流量調節弁としてのボール弁と、このボール弁を駆動する駆動手段としての単相誘導電動機とを備えている。以下、本発明の実施形態を説明する前に、ボール弁および単相誘導電動機を採用した背景について説明する。
【００２０】
例えば、温水と冷水とを混合して希望する温度と流量の温水を得る冷温水混合設備において、これらの流量調節弁を電子計算機で制御するシステムを構成するとき、従来使用されている流量調節弁は、アナログ信号またはデジタル信号のインターフェイスを持つポジショナーを取り付けた空気式調節弁、または、同様のインターフェイスを持つ制御装置付きの電動調節弁が使用される。これらの従来型調節弁は、フィードバック制御を前提として設計されているため、インターフェイスつまり、補助制御装置は常に動作状態で運用される。このことは、個々の調節弁は相応の待機電力を消費し、調節弁の数が多いシステムでは相当の待機電力を消費する。
【００２１】
しかしながら、近年において叫ばれている低炭素社会、グリーン対応、省エネルギー等のキーワードで代表されるように、不要な待機電力を低減する方向にあるため、従来型調節弁の構成は好ましいものではない。
【００２２】
そこで、本発明者は、無駄なエネルギー消費を抑制するという観点から、流量調節弁の駆動手段および流量調節弁について検討した。
【００２３】
（流量調節弁の駆動手段）
無駄なエネルギーを消費しない電子計算機制御システムを構築するための流量調節弁の駆動手段には次のような性能が要求される。
（１）待機電力を極力消費しない制御方式であること。
（２）操作量をデジタル方式で設定できる（計算機から直接操作できる）。
（３）大型弁を操作する大きな駆動力を発生できる。
（４）補助制御装置、コントローラ、変換器等（インターフェース）を簡略化できる。
【００２４】
まず、上記（１）について検討する。例えば、互いに９０°の位相角で取り付けられた２組の励磁巻線に対して進相コンデンサーの位置を切り替えることで回転方向を切り替えることが可能な単相誘導電動機を適用することを考える。以後、このような単相誘導電動機を可逆型の単相誘導電動機と呼ぶことにする。可逆型の単相誘導電動機は、停止中に待機電力を消費しない。一方、参考のためにパルスモータを用いて弁を制御する場合の待機電力を考える。パルスモータ自体は、駆動電圧を取り除いても現在位置を保持する性質を持つのでそれ自体は待機電力を消費しない。しかし、パルスモータの複雑な駆動回路は多くの待機電力を消費する。したがって、上記（１）についてはパルスモータより、むしろ可逆型の単相誘導電動機の方が優れている。
【００２５】
次に、上記（２）について検討する。可逆型の単相誘導電動機それ自体は、本来、デジタル操作とは無縁である。参考のためにパルスモータと比較してみる。パルスモータは歩進型であるため、操作信号は本来デジタル方式である。したがって、上記（２）については、本来、パルスモータが優れているが、本発明では、後述するように可逆型の単相誘導電動機をパルスモータのように駆動することで、駆動力が大きい、補助制御装置が不要、等の可逆型の単相誘導電動機の特徴を生かした制御システムを構築できる。
【００２６】
次に、上記（３）について、可逆型の単相誘導電動機とパルスモータとを比較してみる。可逆型の単相誘導電動機に比べてパルスモータは構造上の理由により大きな駆動力は期待できない。また、駆動力の限界を超えると脱調と呼ばれる現象を生じ駆動できなくなる。また、パルスモータは複雑な駆動回路を必要とするが、これらの駆動回路は大電力には向かない。したがって、上記（３）については可逆型の単相誘導電動機が優れている。
【００２７】
次に、上記（４）について、可逆型の単相誘導電動機とパルスモータとを比較してみる。本発明による可逆型の単相誘導電動機は、特別な補助制御装置を必要としない。一方、パルスモータは複雑な駆動回路を必要とする。したがって、（４）の補助制御装置の要否については、可逆型の単相誘導電動機が優れている。
【００２８】
（流量調節弁）
無駄なエネルギーを消費しない電子計算機制御システムを構築するための流量調節弁には次のような性能が要求される。
（１）全開時の圧力損失が小さい。
（２）設定された開度を維持するためにエネルギーを消費しない。
（３）操作信号に対する流量係数を正確に算出できる。
（４）操作信号に対する流量の再現性に優れている。
（５）操作信号を一度上げて元に戻した時に流量が正確に元の値に戻る。
【００２９】
上記の要求に対して、ボール弁の場合を検討する。全開時のボール弁の流体通過面積は同一口径の配管の断面積に等しく、弁の挿入による圧損は限りなくゼロに等しい。したがって、ボール弁は、上記（１）の要求を満足する。
【００３０】
次に、ボール弁は、それ自体で、流体の反力に対して一定の開度を維持できる構造を持つ。サンダース弁その他の多くの流量制御弁は、流体の圧力を押し戻すために、空気圧等の何らかの方法で常に弁を抑える方向の力を必要とする。この点、ボール弁は、一定の開度を維持するためにエネルギーを必要としない。以上のことから、ボール弁は、上記（２）の要求を満足する。
【００３１】
また、ボール弁は、構造が簡単であるために操作軸の回転角と流体通過断面積との関係を明解な数式で表現できる。このことは、目標流量に対応した操作量（弁の操作回転角）を算出できる可能性を示す。目標流量に対する操作量を演算により求めて設定することでフィードバック方式に比べて早く収斂させるこができる。したがって、ボール弁は、上記（３）の要求を満足する。
【００３２】
次に、上記（４）について検討する。ボール弁の有効な操作領域は、閉側２０％の締め切り域と開側２０％の飽和域を除いた、概ね６０％と狭くなる。したがって、ボール弁は、急峻な立ち上がり特性を持つことから、一般に制御用途に向かないと言われている。この点、ボール弁は、上記（４）の要求を満足しない。
【００３３】
更に、ボール弁は、駆動部減速機のバックラッシュ、駆動軸と弁体との遊びに起因するヒステリシスを生じる。ヒステリシスが存在すると上昇方向に操作した量だけ下方に戻したとき、元の流量に戻らない。つまり、ボール弁は、上記（５）の要求を満足しない。
【００３４】
そこで、本発明者は、ボール弁に関して、ソフトウエアによる補正により、上記（４）および（５）の要求を満足させ、待機電力が比較的少ない制御システムを実現した。
【００３５】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００３６】
まず、本発明に係る電動ボール弁駆動システムの実施形態における構成について説明する。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０は、電動ボール弁３０を駆動するものである。この電動ボール弁駆動システム１０は、本発明に係る電動弁駆動システムを構成する。
【００３８】
電動ボール弁駆動システム１０は、目標開度設定部１１、目標開度判定部１２、加算部１３、パルス幅演算部１４、回転方向判定部１５、ヒステリシス補正部１６、現在開度取得部１７、全開全閉処理部１８、駆動パルス出力部１９、半導体リレー（ＳＳＲ）２０、を備える。
【００３９】
電動ボール弁３０は、可逆型の単相誘導電動機３１、ボール弁３２を備える。この電動ボール弁３０は、本発明に係る電動弁を構成する。単相誘導電動機３１は、例えば、６０ヘルツの商用電源（１００ボルト）で駆動される単相籠形誘導電動機からなる。ボール弁３２は、例えば、樹脂製の弁体および樹脂製の弁軸を有する。なお、単相誘導電動機３１に代えて、例えば三相誘導電動機を用いてもよい。この場合は、三相交流用の半導体リレーを用いる。また、ボール弁３２は、樹脂製に限定されず、例えば金属製であってもよい。
【００４０】
目標開度設定部１１は、ボール弁３２を所定の開度に設定するための目標開度Ｎｄを設定するようになっている。この目標開度Ｎｄは、ボール弁３２の全閉状態を示す０から、全開状態を示す１００までの値で表される。
【００４１】
具体的には、目標開度設定部１１は、例えば、ボール弁３２に接続された流量計が取得する現在流量値と、作業者が設定した流量設定値とを入力し、電動ボール弁３０による流量操作量を求めるようになっている。また、目標開度設定部１１は、流量操作量と目標開度Ｎｄとの関係を示す流量開度変換データを予め記憶しており、求めた流量操作量を流量開度変換データに基づいて目標開度Ｎｄに変換するようになっている。また、流量操作量と目標開度Ｎｄとの関係が数式で表現できる場合は、演算により流量操作量を目標開度Ｎｄに変換する。
【００４２】
目標開度判定部１２は、目標開度設定部１１によって設定された目標開度Ｎｄの範囲を判定するとともに、０＜Ｎｄ＜１００のときは目標開度Ｎｄのデータを加算部１３に出力し、Ｎｄ＝０またはＮｄ＝１００のときは目標開度Ｎｄのデータを全開全閉処理部１８に出力するようになっている。
【００４３】
加算部１３は、目標開度Ｎｄと、ボール弁３２の現在の開度を示す現在開度Ｎａとを入力し、両者間の開度差分ΔＮ（＝Ｎｄ−Ｎａ）を求めるようになっている。ここで、現在開度Ｎａは、ボール弁３２の全閉状態を示す０から、全開状態を示す１００までの値で表される。したがって、開度差分ΔＮは、０〜１００で表される。
【００４４】
パルス幅演算部１４は、［数１］および［数２］により、ＳＳＲ２０を介して単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルス幅を演算するようになっている。このパルス幅演算部１４は、本発明に係るパルス幅演算手段を構成する。
【００４５】
［数１］
駆動パルス幅（秒） ＝ 駆動時間（秒） − 惰性走行時間（秒）
【００４６】
［数２］
駆動時間（秒） ＝ 全開駆動時間（秒） × 開度差分ΔＮ／１００
【００４７】
ここで、全開駆動時間とは、単相誘導電動機３１が、ボール弁３２の全閉状態（開度０％）から全開状態（開度１００％）にするまでに要する駆動時間をいう。なお、全開状態および全閉状態は、ぞれぞれ、後述する開リミットスイッチ３７および閉リミットスイッチ３８によって検出される構成となっている。また、惰性走行時間についても後述する。
【００４８】
回転方向判定部１５は、開度差分ΔＮをゼロにする方向にボール弁３２を回転させる回転方向を判定するようになっている。例えば、回転方向判定部１５は、開度差分ΔＮの符号が正の場合はボール弁３２を開く方向（以下「正転方向」という。）に単相誘導電動機３１を動作させる必要があると判定する。一方、回転方向判定部１５は、開度差分ΔＮの符号が負の場合はボール弁３２を閉じる方向（以下「逆転方向」という。）に単相誘導電動機３１を動作させる必要があると判定する。そして、回転方向判定部１５は、正転または逆転を示す情報をヒステリシス補正部１６に出力する。
【００４９】
ヒステリシス補正部１６は、単相誘導電動機３１の回転方向を前回とは逆の回転方向に変えてボール弁３２を動かし始めるときに、単相誘導電動機３１の回転とともにボール弁３２の弁体が一時的に動かないヒステリシスを補正するためのヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）を算出するようになっている。このヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）の算出については後述する。
【００５０】
また、ヒステリシス補正部１６は、ヒステリシスを補正する場合は、算出したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）に基づき、パルス幅演算部１４が演算した駆動パルス幅を補正するようになっている。ヒステリシス補正部１６からの駆動パルス幅のデータは駆動パルス出力部１９に出力される。
【００５１】
また、ヒステリシス補正部１６は、駆動パルス出力部１９に出力した駆動パルス幅のデータによりボール弁３２の弁体の位置情報を取得して、この位置情報を現在開度取得部１７に出力するようになっている。なお、ヒステリシス補正部１６は、本発明に係るヒステリシス補正手段を構成する。
【００５２】
現在開度取得部１７は、ヒステリシス補正部１６からの弁体の位置情報、後述する開リミットスイッチ３７および閉リミットスイッチ３８からの開リミット信号および閉リミット信号に基づき、ボール弁３２の現在開度Ｎａを取得するようになっている。
【００５３】
全開全閉処理部１８は、ボール弁３２を全開する処理、または全閉する処理を行うようＳＳＲ２０を駆動するようになっている。
【００５４】
駆動パルス出力部１９は、ヒステリシス補正部１６および全開全閉処理部１８から、単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルス幅のデータを入力し、入力した駆動パルス幅を有する駆動パルスをＳＳＲ２０に出力するようになっている。この駆動パルス出力部１９は、本発明に係る交流電力供給手段を構成する。
【００５５】
ＳＳＲ２０は、駆動パルス出力部１９からの駆動パルスを単相誘導電動機３１に出力し、単相誘導電動機３１を駆動するようになっている。
【００５６】
図２は、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０のハードウエア構成を示すブロック図である。電動ボール弁駆動システム１０は、作業者が操作するパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」と記す。）４１にＬＡＮを介して接続され、ＳＳＲ２０を制御するデジタルコントローラ４２を備え、電動ボール弁３０を駆動するようになっている。ＳＳＲ２０は、第１ＳＳＲ２１、第２ＳＳＲ２２、第３ＳＳＲ２３、第４ＳＳＲ２４を備える。
【００５７】
デジタルコントローラ４２は、プログラムを記憶する記憶部（図示省略）を有し、この記憶部にインストールされたプログラムを実行することにより、図１に示した目標開度設定部１１、目標開度判定部１２、加算部１３、パルス幅演算部１４、回転方向判定部１５、ヒステリシス補正部１６、現在開度取得部１７、全開全閉処理部１８、駆動パルス出力部１９として機能するものである。
【００５８】
電動ボール弁３０は、ボール弁３２を正転方向に単相誘導電動機３１を駆動する正転方向駆動コイル３４、ボール弁３２を逆転方向に単相誘導電動機３１を駆動する逆転方向駆動コイル３５、正転方向駆動コイル３４と逆転方向駆動コイル３５との間に設けられたセンタータップ３６を有する。
【００５９】
また、電動ボール弁３０には、ボール弁３２の全開状態に相当する機械的位置に開リミットスイッチ３７が設けられ、ボール弁３２の全閉状態に相当する機械的位置に閉リミットスイッチ３８が設けられている。開リミットスイッチ３７および閉リミットスイッチ３８は、単相誘導電動機３１の回転軸に取り付けられたカムにより、それぞれ、開上限および閉下限の位置で動作するようになっている。
【００６０】
開リミットスイッチ３７は、第３ＳＳＲ２３に接続された第１出力端子３７ａ、正転方向駆動コイル３４に接続された第２出力端子３７ｂ、第１ＳＳＲ２１に接続された入力端子３７ｃを有する。開リミットスイッチ３７において、ボール弁３２が全開状態以外の状態にあるときは入力端子３７ｃと第２出力端子３７ｂとが接続され、ボール弁３２が全開状態にあるときは入力端子３７ｃと第１出力端子３７ａとが接続される。以下、入力端子３７ｃと第２出力端子３７ｂとが接続された状態を開リミットスイッチ３７のオフ状態といい、入力端子３７ｃと第１出力端子３７ａとが接続された状態を開リミットスイッチ３７のオン状態という。
【００６１】
閉リミットスイッチ３８は、第４ＳＳＲ２４に接続された第１出力端子３８ａ、逆転方向駆動コイル３５に接続された第２出力端子３８ｂ、第２ＳＳＲ２２に接続された入力端子３８ｃを有する。閉リミットスイッチ３８において、ボール弁３２が全閉状態以外の状態にあるときは入力端子３８ｃと第２出力端子３８ｂとが接続され、ボール弁３２が全閉状態にあるときは入力端子３８ｃと第１出力端子３８ａとが接続される。以下、入力端子３８ｃと第２出力端子３８ｂとが接続された状態を閉リミットスイッチ３８のオフ状態といい、入力端子３８ｃと第１出力端子３８ａとが接続された状態を閉リミットスイッチ３８のオン状態という。
【００６２】
第１ＳＳＲ２１は、ボール弁３２の開制御を行うための開信号をデジタルコントローラ４２から入力したとき、例えば６０ヘルツ、１００ボルトの交流電圧を正転方向駆動コイル３４に印加するようになっている。その結果、単相誘導電動機３１は、ボール弁３２を正転方向に回転するよう駆動される。
【００６３】
第２ＳＳＲ２２は、ボール弁３２の閉制御を行うための閉信号をデジタルコントローラ４２から入力したとき、１００ボルトの交流電圧を逆転方向駆動コイル３５に印加するようになっている。その結果、単相誘導電動機３１は、ボール弁３２を逆転方向に回転するよう駆動される。
【００６４】
第３ＳＳＲ２３は、開リミットスイッチ３７がオフ状態からオン状態に変化したとき、ボール弁３２の全開状態を示す開リミット信号をデジタルコントローラ４２に出力するようになっている。
【００６５】
第４ＳＳＲ２４は、閉リミットスイッチ３８がオフ状態からオン状態に変化したとき、ボール弁３２の全閉状態を示す閉リミット信号をデジタルコントローラ４２に出力するようになっている。
【００６６】
次に、第１ＳＳＲ２１の機能について図３に基づき説明する。
【００６７】
図３の上段は単相誘導電動機３１に印加される電源電圧、図３の中段は単相誘導電動機３１に流れる誘導負荷電流、図３の下段はデジタルコントローラ４２から第１ＳＳＲ２１に出力されるボール弁３２を開くための駆動パルス（図２では開信号と記載）の一例を示す。図示のように、誘導負荷電流は、その位相が電源電圧よりも９０度遅れている。
【００６８】
図３の下段に示すように、時刻Ｔ１からＴ３までの期間でオン状態にある開信号を第１ＳＳＲ２１が入力した場合、単相誘導電動機３１は、第１ＳＳＲ２１のゼロクロス特性により、時刻Ｔ２からＴ４までの期間の電圧および電流で駆動される。
【００６９】
具体的には、第１ＳＳＲ２１は、時刻Ｔ１では単相誘導電動機３１に電圧を印加せず、電源電圧がゼロクロスする時刻Ｔ２まで待って単相誘導電動機３１に電圧を印加する。また、第１ＳＳＲ２１は、時刻Ｔ３では単相誘導電動機３１への電圧印加を停止せず、誘導負荷電流がゼロクロスする時刻Ｔ４まで待って単相誘導電動機３１への電圧印加を停止する。その結果、単相誘導電動機３１は、図３に示した斜線領域の電圧および電流による電力が供給されて駆動されることとなる。
【００７０】
斜線領域の電圧および電流の信号は、６０ヘルツの商用電源を使用する場合、６０ヘルツの１／４サイクル時間である４．１６ミリ秒の時間幅を有する。したがって、第１ＳＳＲ２１が駆動できる最小時間幅は、４．１６ミリ秒である。第１ＳＳＲ２１は、この６０ヘルツの１／４サイクル時間の信号（以下「１／４サイクル波形」という。）に６０ヘルツの１／２サイクル時間の整数倍の時間（以下「１／２サイクル波形」という。）で単相誘導電動機３１を駆動するものである。その様子を図４に示す。
【００７１】
なお、単相誘導電動機３１に供給される電圧および電流は、図３に示した斜線領域に限定されない。例えば、電源電圧の立ち下がり時にゼロクロスする時刻から１／４サイクル経過するまでの時間の電力で単相誘導電動機３１を駆動する構成でもよい。具体的には、接点摩耗、応答遅れ、又はスイッチングノイズ発生等が許されるシステムにおいては有接点リレーを用いることが可能であり、その際は図３に示した波形と異なるが、同等の電力であれば単相誘導電動機３１を駆動できる。
【００７２】
次に、図４を用いて、単相誘導電動機３１を駆動する駆動パルスと実際に単相誘導電動機３１に供給される電圧と電流の波形について説明する。ここでは、電源周波数を６０ヘルツとする。
【００７３】
図４において、ｎは、電源投入後に発生する１つ目の１／４サイクル波形の終端を起点として、半サイクル単位ごとのタイミングを表す整数である。例えば、全開駆動時間が１２．５秒であるとき、ｎ＝１５００である。このｎは、全閉から全開までを１５００パルスで駆動するパルスモータの駆動パルス数に似ている。
【００７４】
図４に示すように、ｎ番目の駆動時間は（２ｎ＋１）／２４０秒である。例えば、時刻Ｔ０で第１ＳＳＲ２１を介して起動した単相誘導電動機３１が停止できるタイミングは、第１ＳＳＲ２１がゼロクロス特性を有するので、ｎ＝１、２、３、４に対応する１２．４９、２０．８３、２９．１６、３７．５０ミリ秒の駆動時間となる。従って、Ｔ０からＴ３までのパルス幅を有する駆動パルスで第１ＳＳＲ２１を駆動すれば、第１ＳＳＲ２１はＴ０からＴ３までのｎ＝４に対応した３７．５ミリ秒間だけ単相誘導電動機３１を駆動することになる。図１に示したパルス幅演算部１４により算出されたパルス幅にまるめ誤差などの演算誤差を含む場合においても、例えば、パルス幅Ｔ０からＴ２の演算誤差がＴ１とＴ３との間であれば、駆動結果はＴ３となる。ここで、ｎは演算誤差を含む駆動パルスを正規化する作用を持つ。
【００７５】
また、前述のように、接点摩耗、応答遅れ、又はスイッチングノイズ発生等が許されるシステムにおいては、ｎに対応した（２ｎ＋１）／２４０秒の駆動時間を有接点リレーを用いて単相誘導電動機３１を駆動することもできる。
【００７６】
前述した駆動パルスのパルス幅をパルス幅演算部１４（図１参照）が求め、第１ＳＳＲ２１を動作させることにより単相誘導電動機３１を駆動することができる。
【００７７】
なお、以上の説明では第１ＳＳＲ２１を例に挙げて説明したが、第２ＳＳＲ２２も第１ＳＳＲ２１と同様に動作（但し閉方向に動作）するものであるので、説明を省略する。
【００７８】
次に、駆動パルスによる電動機の動作について図５に示した模式図を用いて説明する。一般に電動機を起動して停止させるとき、電動機は、図示のように、加速域を経て、定速域で一定速度に達し、慣性による減速域を経て停止する。電動ボール弁３０の制御に際し、制御可能な変数は、駆動時間Ｔｏｎである。減速期間中の作動量は惰性走行時間Ｔｏｒである。図示のように、駆動時間Ｔｏｎと惰性走行時間Ｔｏｒとを合わせた時間が実走行時間ＴｒｕｎＡｃｔとなる。
【００７９】
図６を用いて惰性走行時間の求め方を説明する。全閉リミット位置から全開リミット位置までを１回の動作で駆動する場合は、Ｎ＝１とする。このとき、単相誘導電動機３１が実際に有効に走行した時間を実開閉時間Ｔａｏとする。実開閉時間Ｔａｏは、駆動信号により定速走行した駆動時間Ｔｏｎ（１）と惰性走行時間Ｔｏｒとの和である。
【００８０】
同様に２回の動作、すなわち、５０％の走行を２回繰り返し１００％となるように駆動する場合は、Ｎ＝２である。この時、実開閉時間Ｔａｏは、駆動信号により定速走行した駆動時間Ｔｏｎ（２）と惰性走行時間Ｔｏｒとの総和である。
【００８１】
更に、１％刻みで１００回駆動することで全閉から全開まで駆動する場合は、Ｎ＝１００である。この場合も、実開閉時間Ｔａｏは、駆動信号により定速走行した駆動時間Ｔｏｎ（１００）と惰性走行時間Ｔｏｒとの総和である。
【００８２】
例えば、以下のように行う。まず、惰性走行時間Ｔｏｒをゼロとし、開度差分ΔＮを全開度の１％として１％刻みで閉状態から開状態まで単相誘導電動機３１を駆動する。このとき、惰性走行時間Ｔｏｒが発生するので、１００回より以前に１００％（全開）に達する。閉状態から開状態までの駆動時間が１２．５秒であるとき、１％に相当する駆動時間は、１２５ミリ秒である。惰性走行時間Ｔｏｒがゼロであれば、１％×１００回で閉から開に達する。ここで、１％×７０回（７０％に相当）で閉状態から開状態に達した場合の惰性走行時間Ｔｏｒを算出する。駆動時間Ｔｏｎ＝１２５×７０＝８７５０ミリ秒に対して１２５００ミリ秒間駆動したことになる。７０回に相当する惰性走行時間Ｔｏｒ＝１２５００−８７５０＝３７５０ミリ秒となり、１回（１％駆動）に相当する惰性走行時間Ｔｏｒ＝３７５０÷７０＝５３．５７ミリ秒となる。
【００８３】
次に、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０の動作について図７〜図１１に基づき説明する。最初に、図７に基づきメインルーチンについて説明する。
【００８４】
まず、デジタルコントローラ４２は、目標開度Ｎｄが入力されたか否かを判断する（ステップＳ１１）。例えば、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２に接続された流量計が取得する現在流量値と、作業者がＰＣ４１を操作して入力した流量設定値から、目標とする流量操作量を計算し、流量開度変換データを用いて目標開度Ｎｄを求める。
【００８５】
次に、デジタルコントローラ４２は、Ｎｄ＝１００であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。
【００８６】
ステップＳ１２において、Ｎｄ＝１００である場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の全開処理（ステップＳ２０）を行う。一方、Ｎｄ＝１００でない場合は、デジタルコントローラ４２は、Ｎｄ＝０であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。
【００８７】
ステップＳ１３において、Ｎｄ＝０である場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の全閉処理（ステップＳ３０）を行う。一方、Ｎｄ＝０でない場合は、デジタルコントローラ４２は、開度差分ΔＮを算出する（ステップＳ１４）。
【００８８】
次に、デジタルコントローラ４２は、ΔＮ＝０であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。
【００８９】
ステップＳ１５において、ΔＮ＝０である場合は、デジタルコントローラ４２は、ステップＳ１１に戻る。一方、ΔＮ＝０でない場合は、デジタルコントローラ４２は、［数１］および［数２］により、駆動パルス幅を演算する（ステップＳ１６）。
【００９０】
次に、デジタルコントローラ４２は、ΔＮ＞０であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。
【００９１】
ステップＳ１７において、ΔＮ＞０である場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の開処理（ステップＳ４０）を行う。一方、ΔＮ＞０でない場合、すなわちΔＮ＜０の場合は、デジタルコントローラ４２は、後述する弁の閉処理（ステップＳ５０）を行う。
【００９２】
そして、デジタルコントローラ４２は、ステップＳ４０およびステップＳ５０の処理を実行した後、現在開度Ｎａを更新し（ステップＳ１８）、更新した現在開度Ｎａを記憶し、ステップＳ１１に戻る。
【００９３】
次に、図８に基づき、弁の全開処理（ステップＳ２０）について説明する。
【００９４】
まず、デジタルコントローラ４２は、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオフ（ステップＳ２１）にした後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機し（ステップＳ２２）、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオン（ステップＳ２３）にする。ここで、上記所定時間は、６０ヘルツの半サイクル時間である８．３ミリ秒以上であればよい。このステップＳ２１〜Ｓ２３の処理は、第１ＳＳＲ２１と第２ＳＳＲ２２とが同時にオンして誤動作の原因となることを回避するために行う。
【００９５】
次に、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１に駆動パルスを出力する（ステップＳ２４）。
【００９６】
次に、デジタルコントローラ４２は、開リミットスイッチ３７がオン状態（全開状態）になったか否かを判断する（ステップＳ２５）。
【００９７】
ステップＳ２５において、開リミットスイッチ３７がオン状態でない場合は、ステップＳ２４に戻る。一方、ステップＳ２５において、開リミットスイッチ３７がオン状態である場合は、デジタルコントローラ４２は、現在開度Ｎａに"１００"を代入する（ステップＳ２６）。
【００９８】
そして、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"１"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"０"をそれぞれ代入して（ステップＳ２７）、メインルーチンに戻る。
【００９９】
ここで、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）および開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）は、ボール弁３２の回転方向が変わるときに生じるヒステリシスを補正するためのフラッグであって、ともに"０"または"１"の値をとる。単相誘導電動機３１がボール弁３２を正転方向に作動した場合は、デジタルコントローラ４２は、ステップＳ２５に示した処理を行う。一方、単相誘導電動機３１がボール弁３２を逆転方向に作動したときは、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"０"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"１"をそれぞれ代入する処理を行う。
【０１００】
次に、図９に基づき、弁の全閉処理（ステップＳ３０）について説明する。
【０１０１】
まず、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオフ（ステップＳ３１）にした後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機し（ステップＳ３２）、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオン（ステップＳ３３）にする。
【０１０２】
次に、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１に駆動パルスを出力する（ステップＳ３４）。
【０１０３】
次に、デジタルコントローラ４２は、閉リミットスイッチ３８がオン状態（全閉状態）になったか否かを判断する（ステップＳ３５）。
【０１０４】
ステップＳ３５において、閉リミットスイッチ３８がオン状態でない場合は、ステップＳ３４に戻る。一方、ステップＳ３５において、閉リミットスイッチ３８がオン状態である場合は、デジタルコントローラ４２は、現在開度Ｎａに"０"を代入する（ステップＳ３６）。
【０１０５】
そして、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"０"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"１"をそれぞれ代入して（ステップＳ３７）、メインルーチンに戻る。
【０１０６】
次に、図１０に基づき、弁の開処理（ステップＳ４０）について説明する。
【０１０７】
まず、デジタルコントローラ４２は、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）＝０か否かを判断する（ステップＳ４１）。すなわち、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の前回の回転方向が正転方向であったか否かを判断する。
【０１０８】
ステップＳ４１において、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）＝０（前回は正転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、ヒステリシスの補正を行わず、後述のステップＳ４４に進む。
【０１０９】
一方、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）＝１（前回は逆転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、［数３］に示したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）を算出する（ステップＳ４２）。
【０１１０】
［数３］
DRIVE_HIS（秒） = OP_HIS_FLG ×HIS_VALUE（秒）
【０１１１】
ここで、ヒステリシス補正設定値（HIS_VALUE）は、ヒステリシスを補正するための補正値であって、予め実験により求めておく値である。このヒステリシス補正設定値（HIS_VALUE）は、例えば、ボール弁３２の全開駆動時間の５％〜７％程度に相当する駆動時間で表される。
【０１１２】
次に、デジタルコントローラ４２は、［数４］に基づき、算出したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）により駆動パルス幅を補正する（ステップＳ４３）。
【０１１３】
［数４］
駆動パルス幅（秒） ＝ 駆動パルス幅（秒） ＋ DRIVE_HIS（秒）
【０１１４】
次に、デジタルコントローラ４２は、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオフ（ステップＳ４４）した後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機する（ステップＳ４５）。その後、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオンし（ステップＳ４６）、第１ＳＳＲ２１から駆動パルスを出力する（ステップＳ４７）。
【０１１５】
次に、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の弁体の位置情報を取得し（ステップＳ４８）、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"１"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"０"をそれぞれ代入して（ステップＳ４９）、メインルーチンに戻る。
【０１１６】
次に、図１１に基づき、弁の開処理（ステップＳ５０）について説明する。
【０１１７】
まず、デジタルコントローラ４２は、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）＝０か否かを判断する（ステップＳ５１）。すなわち、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の前回の回転方向が逆転方向であったか否かを判断する。
【０１１８】
ステップＳ５１において、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）＝０（前回は逆転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、ヒステリシスの補正を行わず、後述のステップＳ５４に進む。
【０１１９】
一方、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）＝１（前回は正転方向）の場合は、デジタルコントローラ４２は、［数５］に示したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）を算出する（ステップＳ５２）。
【０１２０】
［数５］
DRIVE_HIS（秒） = CL_HIS_FLG ×HIS_VALUE（秒）
【０１２１】
次に、デジタルコントローラ４２は、前述の［数４］に基づき、算出したヒステリシス相当駆動時間（DRIVE_HIS）により駆動パルス幅を補正する（ステップＳ５３）。
【０１２２】
次に、デジタルコントローラ４２は、開駆動用のＳＳＲである第１ＳＳＲ２１の出力をオフ（ステップＳ５４）した後、所定時間（例えば１０ミリ秒）待機する（ステップＳ５５）。その後、デジタルコントローラ４２は、閉駆動用のＳＳＲである第２ＳＳＲ２２の出力をオンし（ステップＳ５６）、第２ＳＳＲ２２から駆動パルスを出力する（ステップＳ５７）。
【０１２３】
次に、デジタルコントローラ４２は、ボール弁３２の弁体の位置情報を取得し（ステップＳ５８）、閉ヒステリシスフラッグ（CL_HIS_FLG）に"０"を、開ヒステリシスフラッグ（OP_HIS_FLG）に"１"をそれぞれ代入して（ステップＳ５９）、メインルーチンに戻る。
【０１２４】
以上のように、本実施形態における電動ボール弁駆動システム１０は、パルス幅演算部１４が演算したパルス幅を有する駆動パルスを単相誘導電動機３１に供給することにより、単相誘導電動機３１をパルスモータのように駆動することができる。
【０１２５】
その結果、電動ボール弁駆動システム１０は、パルスモータでは実現不可能であった大電力駆動系のデジタル制御が実現でき、更にＰＣ４１およびデジタルコントローラ４２により単相誘導電動機３１を直接駆動することで、補助制御装置を排除し、待機電力を発生しない駆動系が実現できる。
【０１２６】
したがって、電動ボール弁駆動システム１０は、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成でボール弁３２を駆動することができる。
【０１２７】
また、電動ボール弁駆動システム１０は、ボール弁３２のヒステリシスを補正するためのヒステリシス相当駆動時間を算出し、ヒステリシス相当駆動時間により駆動パルスのパルス幅を補正するヒステリシス補正部１６を備えるので、ボール弁３２のヒステリシスを考慮してより正確な制御をソフトウエアにより実現することができる。したがって、電動ボール弁駆動システム１０は、ボール弁３２の操作量の変化を流量の変化に正確に反映することができる。
【０１２８】
また、電動ボール弁駆動システム１０は、操作量を示す操作信号に対する流量係数を正確に算出できるボール弁３２の特徴を利用して、目標流量に対する操作量を前もって演算により求めて設定することでフィードバック方式に比べて早く収斂させることができる。
【０１２９】
さらに、電動ボール弁駆動システム１０は、全開時の圧損が小さいボール弁３２を使うことで給水ポンプの容量を小さくでき、全体として待機電力が少ない省エネルギーシステムを構築できる。
【０１３０】
なお、前述の実施形態において、本発明に係る電動弁駆動システムを電動ボール弁駆動システムに適用した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の電動弁にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上のように、本発明に係る電動弁駆動システムは、無駄なエネルギー消費を抑制し、簡単な構成で電動弁を駆動することができるという効果を有し、流体の流量を調節する電動弁を駆動する電動弁駆動システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０ 電動ボール弁駆動システム（電動弁駆動システム）
１１ 目標開度設定部
１２ 目標開度判定部
１３ 加算部（開度差分算出手段）
１４ パルス幅演算部（パルス幅演算手段）
１５ 回転方向判定部
１６ ヒステリシス補正部（ヒステリシス補正手段）
１７ 現在開度取得部
１８ 全開全閉処理部
１９ 駆動パルス出力部（交流電力供給手段）
２０ ＳＳＲ
２１ 第１ＳＳＲ
２２ 第２ＳＳＲ
２３ 第３ＳＳＲ
２４ 第４ＳＳＲ
３０ 電動ボール弁（電動弁）
３１ 単相誘導電動機
３２ ボール弁
３４ 正転方向駆動コイル
３５ 逆転方向駆動コイル
３６ センタータップ
３７ 開リミットスイッチ
３７ａ 第１出力端子
３７ｂ 第２出力端子
３７ｃ 入力端子
３８ 閉リミットスイッチ
３８ａ 第１出力端子
３８ｂ 第２出力端子
３８ｃ 入力端子
４１ ＰＣ
４２ デジタルコントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動弁を開閉する誘導電動機を駆動する電動弁駆動システムであって、
前記電動弁の開度を設定するための目標開度と前記電動弁の現在の開度である現在開度との差を示す開度差分を算出する開度差分算出手段と、
前記誘導電動機を駆動する交流電力を駆動パルスによって供給する交流電力供給手段と、
前記誘導電動機が前記電動弁を全閉状態から全開状態まで変化させるのに要する時間を示す全開駆動時間と、前記電動弁の全開状態での開度に対する前記開度差分の比率と、前記誘導電動機に交流電力を所定時間供給した後に慣性により前記誘導電動機が作動する時間を示す惰性走行時間とに基づいて前記駆動パルスのパルス幅を演算するパルス幅演算手段と、を備えた電動弁駆動システム。
【請求項２】
前記電動弁は、開弁作動と閉弁作動とにヒステリシスを有するものであって、
前記電動弁を駆動して前記ヒステリシスを補正する時間を示すヒステリシス相当駆動時間を算出し、算出した前記ヒステリシス補正値により前記駆動パルスのパルス幅を補正するヒステリシス補正手段をさらに備えた請求項１に記載の電動弁駆動システム。
【請求項３】
前記交流電力供給手段は、前記電動弁に印加する電圧がゼロ点と交差する時刻から、前記電圧の位相が前記時刻より９０度遅れた時刻であって前記電動弁に供給する電流がゼロ点と交差する時刻までの期間の電圧パルスおよび電流パルスを前記駆動パルスによって前記誘導電動機に供給するものである請求項１または請求項２に記載の電動弁駆動システム。
【請求項４】
前記誘導電動機が、単相籠形誘導電動機からなる請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動弁駆動システム。
【請求項１】
電動弁を開閉する誘導電動機を駆動する電動弁駆動システムであって、
前記電動弁の開度を設定するための目標開度と前記電動弁の現在の開度である現在開度との差を示す開度差分を算出する開度差分算出手段と、
前記誘導電動機を駆動する交流電力を駆動パルスによって供給する交流電力供給手段と、
前記誘導電動機が前記電動弁を全閉状態から全開状態まで変化させるのに要する時間を示す全開駆動時間と、前記電動弁の全開状態での開度に対する前記開度差分の比率と、前記誘導電動機に交流電力を所定時間供給した後に慣性により前記誘導電動機が作動する時間を示す惰性走行時間とに基づいて前記駆動パルスのパルス幅を演算するパルス幅演算手段と、を備えた電動弁駆動システム。
【請求項２】
前記電動弁は、開弁作動と閉弁作動とにヒステリシスを有するものであって、
前記電動弁を駆動して前記ヒステリシスを補正する時間を示すヒステリシス相当駆動時間を算出し、算出した前記ヒステリシス補正値により前記駆動パルスのパルス幅を補正するヒステリシス補正手段をさらに備えた請求項１に記載の電動弁駆動システム。
【請求項３】
前記交流電力供給手段は、前記電動弁に印加する電圧がゼロ点と交差する時刻から、前記電圧の位相が前記時刻より９０度遅れた時刻であって前記電動弁に供給する電流がゼロ点と交差する時刻までの期間の電圧パルスおよび電流パルスを前記駆動パルスによって前記誘導電動機に供給するものである請求項１または請求項２に記載の電動弁駆動システム。
【請求項４】
前記誘導電動機が、単相籠形誘導電動機からなる請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電動弁駆動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−２４６０（Ｐ２０１３−２４６０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３１０２９（Ｐ２０１１−１３１０２９）
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（５０９１４８８６５）旭国際テクネイオン株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（５０９１４８８６５）旭国際テクネイオン株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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