JPH02146268A - ポンプの逆流検出装置及び揚水設備のポンプ運転制御装置並びに可変速揚水発電電動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、比較的大容量のポンプの運転制御に係り、特
に、揚水発電所などにおける可変速ポンプ水車に好適な
ポンプの逆流検出方法及び揚水設備のポンプ運転制御方
法に関する。

［従来の技術］ 揚水発電所などでは、従来から、発電用の水車をポンプ
とし、発電機を電動機として運転することにより揚水を
行なうようにするのが一般的であるが、このとき、ポン
プには、一般に、その特性の高揚程側で、第３図に、破
線で囲っである範囲ａで示すような逆流特性（部分的に
、ｄ　Ｈ／ｄ　Ｑが負の値を示す特性）を表わす場合が
あることが知られている。

しかしながら、従来は、このようなポンプの逆流特性に
ついては、特に配慮はされておらず、このような逆流特
性の存在を前提として、そのような運転領域には近づか
ないように、特に全ｍ程に対して充分な余裕をもった制
御を行なうことで対処がされていた。

また、特頴昭６１−２６６９４号の出願に係る発明では
、可変速ポンプの負荷を増加させるときには、その運転
領域が、過渡的にも上記した逆流特性を示す領域に落ち
込まないようにするため。

まず、即動入力を増加させ、回転速度を上げてから、そ
こで案内羽根開度を増加させる方法について開示し、加
えて、このとき、負荷を減少させる場合には、案内羽根
開度と回転速度の減少操作とは同時に行なうものの、案
内羽根開度の減少操作の方を回転速度の減少操作終了よ
りも早くする方法について提案している。

一方、複数台のポンプを有し、かつ、これら複数のポン
プの上流と下流の少なくとも一方の管路（圧力水路）を
共有している揚水設備でのポンプの運転方法についても
１、上記した逆流特性による特有の影響が考えられ、特
に全揚程Ｈが急激に増前方向に振られた場合には、この
逆流特性への落ち込みの可能性が多くなるが、こうした
場合での制御については、特に提案はなされていなかっ
た。

さらに、特願昭５９−２７１６１２号の出願に係る発明
では、ポンプの起動時、すなわちポンプを締切状態から
所望の負荷のもとての本格的可変速揚水運転へと移行さ
せようとする場合、次第に増加させられてゆく案内羽根
開度に見合って階段状に回転速度を上げてゆき、最終的
に該所望負荷での適正回転速度と適正案内羽根開度を達
成するポンプの起動方法について開示している。なお、
この発明でも１本格的に可変速運転に入ってからの制御
方法については、特に何も開示していない。

このような、揚水設備の運転制御については、さらに特
願昭６０−１４９１８号の出願に係る発明にも開示があ
り、ここではポンプの上貯水池の水位と下貯水池の水位
との水位差が所望値を超過したら、この超過分に応じて
ポンプの回転速度を上げ、補正を行なうという技術につ
いて開示している。

なお、この種の技術として関連するものとしては、他に
も特開昭５３−１４７１４５号公報を挙げることができ
る。

［発明が解決しようとする課題］ ここで、このような、ポンプの逆流特性について説明す
ると、上記した第３図は、ポンプの案内羽根開度を一定
に保ったときの特性曲線で、横軸は揚水量Ｑを、そして
縦軸は全揚程Ｈを表わしたもので、この第３図から明ら
かなように、ポンプの揚水運転時での、特性曲線上での
運転状態の推移は、揚程ＨがＨαのとき、Ａα点、Ｈβ
のとき、八βとなるが、この後、ＨｘでＡ　ｘ　１点に
到ったところで、ここからは、僅かでもＨが上昇すると
、いきなりＡｘ２点に移り、揚水量Ｑが急減し、その後
、さらにＨが上昇してＨγになるとＱは再び増加してＡ
γ点になるのである。

この逆流特性の凹み（ハンプ）の程度は、第４図に示す
ように、案内羽根開度によって変化するが、明確に凹み
が現れなくても、このような領域の近傍では、ポンプの
ランナーでの水流が不安定になっていることから、大な
り小なり同様な問題が発生していると考えてよい、なお
、この第４図は、第３図と同様に、全揚程Ｈに対する揚
水量Ｑの関係を表わしたものであるが、特に、この第４
図では、案内羽根開度Ｙをパラメータとして描いたもの
であり、ここで、Ｙ□＞　Ｙ　２　＞　Ｙ　３　＞　’
ｖ　４となっている。

次に、このような逆流特性が現れる原因について説明す
ると、第５図、第６図に示すように、ポンプの揚程が高
くなると、ポンプランナー内での水流に、その半径方向
での偏りが現われ、逆方向の水流１０４．１０５が発生
してしまうからである。なお、これら第５図、第６図に
おいて、１０１はポンプランナー、１０２はランナーの
バンド部、１０３は同じくクラウン部、１０７はランナ
ーの羽根部であり、１０７Ａ、１０７Ｂは羽根の面を表
わす。

従って、逆方向の水流１０４はランナー１０１内での水
流の出口部に発生したものを、そして逆方向の水流１０
５は、入口部に発生したものを、それぞれ表わす。

そして、このような状態では、水流は羽根の面１０７Ａ
、１０７Ｂから剥離し、いわゆる失速状態になることも
、考えられる。

しかして、上記した従来技術では、このような逆流特性
について特に配慮がされておらず、ポンプの運転状態が
、この逆流運転領域に入ってしまったことの確実な検出
や、このような領域に入り込まないようにする制御方法
については、何も開示していないという問題があった。

本発明の目的は、揚水発電所などの揚水設備におけるポ
ンプやポンプ水車の揚水運転時での逆流特性の確実な検
出を可能にしたり、どのような揚水設備でどのような運
転制御を行なっても、常に確実に、ポンプの運転状態が
逆流運転領域に落ち込まないようにしたり、さらには、
このように、ポンプの運転状態が逆流運転領域に落ち込
んでしまったときでの、正常な運転領域への移行を可能
にする検出方法や制御方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的のあるものは、ポンプ吐出側水圧変動を検出し
、この検出信号に含まれている所定のスペクトル分布を
監視することにより達成される。

また、他の目的は、管路を共有する複数のポンプを有す
る場合、他のポンプの運転状態をも考慮し、他のポンプ
の運転変化に先立って、または、同時に、当該ポンプの
案内羽根開度を制御することにより達成される。

さらに別の目的は、ポンプが逆流運転領域に突入したこ
とを判別する検出手段を設け、ポンプの回転速度を一時
的に増加させたり、案内羽根開度を一時的に絞り込む、
一種のバイアス制御を適用することにより達成される。

［作用］ ポンプ吐出側水圧変動に含まれている所定のスペクトル
分布は、ポンプが逆流運転領域に入ったときだけ現われ
るから、これを検出するだけで確実に検出ができる。

また、複数のポンプが管路を共有する場合でも、他のポ
ンプの運転状態を考慮した制御になるから、逆流運転領
域に落ち込む虞れを無くすことができ机 さらに、ポンプが逆流運転領域に落ち込んでしまったと
きでも、バイアス制御により自動的に定常運転領域に復
帰できる。

［実施例］ 以下、本発明によるポンプの逆流検出方法及び揚水設備
のポンプ運転制御方法について、図示の実施例により詳
細に説明する。

まず１本発明の第１の実施例を第１図に示す。

この第１図において、５０はポンプの吐出側水圧検出器
で、第５図に示したように、ポンプランナーの上カバー
に設けられている。

５１は周波数分析器で、吐Ｘ！１Ｊ（ＩＩ水圧検出器５
０からの出力信号ｅｖを入力して周波数分析する働きを
し、周波数分析部５１Ａとスペクトル出力部５１Ｂとで
構成されている。

５２は逆流判定部で、比較手段５２Ａと逆流判定手段５
２Ｂ、それに正常運転判定手段５２Ｇで構成されている
。

５３はアラーム動作を行なわせるための保護警報装置で
ある。

次に、この実施例の動作について説明する。

ポンプが運転中は、そのケーシング内での水圧も常に脈
動しており、これが吐出側水圧検出器５０により検出さ
れ、所定の周波数成分を含む出力信号ｅＶが発生されて
いる。

ところで、この吐出側水圧変動に含まれる周波数成分は
、通常の運転状態では、一般に、そのスペクトル分布が
、第７図（ａ）に示すように、５〜１ＯＨｚの、比較的
高い周波数範囲にある９しかるに、逆流運転領域では、
第５図、第６図で説明したように、ポンプケーシング内
での水流に逆方向の水流１０４，１０５が現れるため、
−転して、第７図（ｂ）に示すように、約ＩＨｚ程度の
比較的低い周波数で、しかもかなりレベルの大きい周波
数成分を含むようになる。すなわち、このような逆方向
の水流１０４，１０５は、第５図。

第６図から明らかなように、回転しているポンプランナ
ー内で発生しているものであるから、その生成状態はか
なり不安定なもので、周期的に消滅を繰り返し、上記し
たように、例えばＩＨｚ程度の低い周波数で、しかしな
がら、かなりのレベルで発生することになると考えられ
るのである。

そこで１周波数分析器５１内のスペクトル出力部５１Ｂ
で、このような約ＩＨｚ近傍のスペクトル成分を重点的
に抽出するようにしてやれば、ポンプの運転状態が逆流
運転領域に入ったときには、それまでの正常な運転時で
はｆ、□周波数以上の成分が支配的であったスペクトル
分布が、逆流運転領域では、周波数ｆａｔ〜ｆＦＩ□の
範囲の成分がかなりのレベルを持って現れるようになる
ので、これを判定手段５２Ａに入力し、その周波数ｆＨ
が所定の範囲ｆ□１〜ｆ、（２にあることと、そのレベ
ルＺが所定の設定値Ｚ□以上あることとの判定を行なっ
てやれば、通常は正常運転判定手段５２Ｃに信号が与え
られているが、逆流運転領域に入ると逆流判定手段５２
Ｂに信号が入力され、逆流検出を確実に得ることができ
るのである。なお、この逆流の検出は保護警報装置５３
を動作させ、アラームが実行されることになる。

従って、この実施例によれば、ポンプ運転中での逆流の
発生を常時自動的に監視し、確実に逆流の発生を検出す
ることができる。

次に、本発明の他の一実施例を第２図に示す。

この実施例は、逆流発生によるスペクトル分布の変化を
、周波数分析処理１こよる代りに、共振回路を用いて強
調し、抽出するようにしたもので。

図において、５４は共振回路、５２Ｄ、５２Ｅは判定手
段であり、その他は第１図の実施例と同じである。

共振回路５４はコイルなどによるインダクタンスと、コ
ンデンサなどによるキャパシタの組合わせからなり、吐
出側水圧検出器５０からの信号ｅｖを取り込み、特定の
周波数範囲ｆＨ１〜ｆ９□内にある信号成分だけを強調
して出力信号ｅ２を発生する働きをする。

判定手段５２Ｄは、信号ｅ２を入力し、そのレベル１８
２１が所定値８７□以上あるか否かを判断する働きをす
る。

同じく、判定手段５２Ｅは、レベル１ｅ２１が所定値８
２□以上あったことを条件とし、さらにこのとき、この
信号が所定時間ｔ２以上の継続時間を有するか否かを判
断する働きをする。

従って、この実施例によっても、ポンプの運転状態が逆
流運転領域に入ったことを確実に検出することができる
。

なお、これらの実施例における。逆流現像発生時でのス
ペクトル周波数範囲ｆＨ，〜ｆ４□の設定については、
適用すべきポンプについて、適当に定める必要があるの
はいうまでもない。

次に、第８図は本発明による揚水設備のポンプ運転制御
方法が適用された可変速揚水発電プラントを示したもの
で、図において、１は交流′重力系統、２は発電電動機
、３は電力変換器、４はポンプ水車、５は回転速度検出
器、６は電力検出器、７は電力制御器である。なお、電
力制御のための交流励磁回路については、この実施例の
説明では特に必要としないので、ここでは省略する。

第９図は、この実施例における制御ブロック図で、以下
、これら第８図と第９図を併用して、動作の説明を行な
う。

図において、Ｐｏは外部から与えられる電力指令、１２
は回転速度関数発生器で、この電力指令Ｐ、と、その時
点でのポンプ水車４の上下貯水池の単純な水位差、すな
わち総落差Ｈｃ＋とを回転速度関数発生器１２に入力し
て、このときの適正回転速度Ｎ１を演算する。

この回転速度関数発生器１２からの適正回転速度Ｎ、と
、回転速度検出器５からの実回転速度Ｎとを加算器１８
で比較し、その差を電力制御補正信号発生器１６に入力
し、補正信号εを発生するようになっている。

従って、この回転速度関数発生器１２、加算器１８と、
電力制御補正信号発生器１６、電力制御器７、電力変換
器３、発ｆ！！電動機２、それに慣性モーメントＧＤ”
により回転速度制御用の負帰還ループ制御系が形成され
ることになる。なお、ここで、慣性モーメントＧＤ２は
、発ｆｌ電動機２とポンプ水車４を含む回転部分全体の
慣性モーメントを代表させるために記載したブロックで
、このような機器が存在する訳ではない。

また、ここで、電力制御補正信号発生器１６には積分要
素が設けられている。

電力制御補正信号発生器１６から発生される補正信号ε
は加算器１９により′重力指令Ｐ０と加算され、合成信
号Ｐ０＋ｉとなり、さらにこの合成信号Ｐ十εは発電電
動機２の実出力ＰＭと、加算器２０により比較され、こ
の結果、電力制御器７、電力変換器３、発電電動機２、
それに実出力Ｐ。

からなる電力制御用の負帰還ループ制御系が形成される
ことになり、このため、電力制御器７には、合成信号Ｐ
、＋ｓと実出力Ｐ１．Ｉの偏差を定常時にはゼロに収斂
するために必要な積分要素が含まれている。

１３は案内羽根開度関数発生器で、上記電力指令Ｐ０と
総落差Ｈａを入力して、そのときの適正案内羽根開度Ｙ
＆を演算する働きをするもので、その出力である適正案
内羽根開度Ｙ、は加算器２１で案内羽根開度補正信号Δ
Ｙ、と合算され、更に案内羽根制御器９の出力である実
際の案内羽根開度Ｙと比較され、この結果、案内羽根制
御用の負帰還ループ制御系が形成されることになる。そ
して、このとき、案内羽根制御器９に含まれる積分要素
により、合算値（Ｙ、＋ΔＹよ）と実案内羽根間度Ｙと
の偏差がゼロに収斂するように、案内羽根の開度が制御
されることになる。なお、上記した案つ羽根開度補正信
号ΔＹ、は、後述するように、逆流状態から脱出させよ
うとするときだけ所定値となり、正常な運転状態に戻る
につれてゼロになる。

このように、上記回転速度制御用の負帰還ループ制御系
により Ｎ　＝　Ｎａ が、電力制御用の負帰還ループ制御系によりＰ　Ｍ＝　
Ｐ　ｏ十ε がそれぞれ演算され、さらに、上記案内羽根開度制御用
の負帰還ループ制御系により Ｙ＝Ｙ、＋ΔＹ＆ が演算され、それぞれの定常時での制御値が与えられる
ことになる。

ここで、ポンプ水車４への機械的入力ＰＰと、発電電動
機２へ供給されている電気的入力ＰＦｌとの偏差は、こ
れらの機器の回転部分による総合的な慣性モーメントＧ
Ｄ”に入力されるものと考えられる。

ところで、この慣性モーメントＧＤ”は一種の積分要素
と見做すことができる。

また、上記した回転速度関数発生器１２、加算器１８と
、電力制御補正信号発生器１６、電力制御器７、電力変
換器３１発電電動機２、それに慣性モーメントＧＤ”か
らなる回転速度制御用の負帰還ループ制御系は実回転速
度Ｎを帰還しているので、結果的には、機械的入力ＰＰ
と電気的入力ＰＭの偏差がゼロになるように働く。すな
わち、定常時には ＰＭ＝Ｐ。

となる。

さらに、上記関数発生器の誤差（これは、極めて小さく
できる）を無視すれば、Ｙ＆＝Ｐｏ相当になるので、Ｐ
Ｐは元々Ｐｏ相当に、すなわちＰ、＝Ｐ０に制御される
筈である。

そこで、上記を纏めると、 Ｐ、＝ＰＰ＝ＰＭ＝Ｐ、＋ε となり、電力補正信号εは最終的にはゼロに収斂制御さ
れ、結局、外部からの電力指令Ｐ。に応じて実際の入力
ＰＭを制御することができることになる。

次に、本発明による揚水設値のポンプ運転制御方法につ
いて説明する・ 本発明が適用された可変速揚水発電プラントでは、第１
０図に示すように、ポンプ水車４が複数台、例えば他の
ポンプ水車４Ｅで示すように、合計２台設置されており
、かつ、これら複数台のポンプ水車がその水圧管路の少
なくとも一部を共用していて、例えば図示のように、上
流に共通管路４Ａと分岐管路４Ｂ、４Ｄを有しているも
のとする。なお、４Ｇ、４Ｆは下流の管路である。

そうすると、いま、一方のポンプ水車、例えばポンプ水
車４が揚水運転中、他方のポンプ水車４Ｅが揚水モード
で運転を開始したり、或いは揚水運転中に、その揚水量
を急変させる制御操作を行なったり、さらには、水車モ
ードで運転中、その８力を急変させる制御操作を行なっ
たりしたとすると、このポンプ水車４Ｅに結合している
管路４Ｄ内の水圧が急変するが、このとき、共通管路４
Ａが存在するため、この管路４Ｄ内での圧力変化が他方
の管路４Ｂ内に伝播され、この結果、第４図に示すよう
に、揚水運転中のポンプ水車４による全揚程Ｈを、例え
ばＨａからＨｌまで、ΔＨだけ上昇させてしまうことが
ある。

既に第３図で説明したように、ポンプの運転特性には逆
流運転特性があるため、上記したように、圧力変動が現
れると、ポンプ水１４の運転状態が逆流運転状態に落ち
込んでしまう虞れを生じる。

すなわち、いま、ポンプ水車４の案内羽根開度が第３図
のＹ３にあったとすると、上記した、他方のポンプ水車
４Ｅによる揚程変化ΔＨにより、このポンプ水車４の運
転点はたちまち逆流運転状態に落ち込んでしまうことに
なる。

さらに詳しく説明すると、まず第１１図は、通常の制御
状態での説明で、いま、同図（ａ）に示すように１時点
ｔ０で発電電動機駆動出力指令（ｔｌＩｉ力指令）Ｐｏ
がステップ状に立上げられたとすると、これに応じて、
まず、同図（ｇ）に示すように、僅かの遅れを持って電
動機出力Ｐ。が立上る。

そして、以下、同図（ｂ）〜（ｆ）に示すように、適正
案内羽根開度指令Ｙａ、適正回転速度指令Ｎ！。

案内羽根開度Ｙ、ポンプ入力ＰＰ、そして回転速度Ｎが
応答する。すなわち、まず、適正案内羽根開度指令Ｙλ
に対する案内羽根開度Ｙの応答は（ｄ）に示すようにな
るが、この応答に直線部分があるのは、案内羽根の開閉
速度がサーボ系の応答速度により制限を受けるからであ
る。なお、この速度制限は、油圧サーボ系での配圧弁の
ストロークなどで制限を受ける。

ポンプの回転速度Ｎは、（ｇ）図の電動機出力ＰＭと、
（ｅ）図のポンプ人力ＰＰとの差によって加速され、（
ｆ）図に示すようにして上昇してゆき、最終的にＮ＝Ｎ
＆となったところで定速度になる。なお、このときでの
ポンプ人力ｐｐは、案内羽根開度Ｙの上昇と回転速度Ｎ
の上昇の双方の増加分が加算されたものとなるので、（
ｅ）図に示すように、これもかなり緩やかになる。

また、（ｆ）図では１回転速度Ｎの変化は、緩やかでは
あるが、とにかく安定したものとなっているが、これは
、電力制御補正信号発生器１６にかなりのダンピング機
能が付与されているからである。なお、このためには、
この電力制御補正信号発生器１６を比例要素と積分要素
の並列回路で構成し、それらによるゲインを適切に選ぶ
ようにすればよい。

次に、上述のように、ポンプ水車４が揚水運転中に、他
のポンプ水車４Ｅによる水圧変動ΔＨの影響で逆流特性
の中に落ち込んでしまったとする。

すなわち、第１２図に示すように、いま、ポンプ水車４
が案内羽根開度Ｙ、で運転点Ａ。。での運転状態から、
運転点Ａ。３に落ち込んでしまったとする。

これは、水圧変動ΔＨにより、運転点は案内羽根開度Ｙ
、の特性に沿って、−旦はＡ６．に移るが、この後、水
圧変動ΔＨが消滅してもとの揚程Ｈ１に戻ったとき、こ
の運転点Ａ。１は極大点なので、運転点Ａ０゜と運転点
Ａ。２の２点のいずれにも移行できるが、もし、運転点
Ａ０．に移行したとすると、この運転点Ａ。２は不安定
点なので、直ちに運転点へ〇、に移ってしまうのである
。なお、この運転点Ａ０２の近傍領域を逆流運転領域と
いうことは、既に説明したとおりである。

しかして、このときでも、積分要素を含む電力制御補正
信号発生器１６による制御は、依然として継続されてい
るので、Ｎ＝Ｎ□の運転条件も依然として保たれており
、同時にＹ＝Ｙ、の条件も保たれている。ただし、ポン
プ人力ＰＰは、この間に自動的にＰ。ＩｌからΔＰだけ
減少してしまっているので、 ＰＰ”Ｐｏｏ−ΔＰ＝Ｐ、＝Ｐ、−ｉ の関係となり、正常時にはε＝０となるべきものが、こ
のときには、ε＝ΔＰとなって現れてしまう。

そこで、本発明の一実施例では、このような逆流運転状
態に落ち込んだまま運転が継続されてしまわないように
するため、このＥの大きさを監視して逆流検出を行ない
、この結果により所定の制御を実行するようになってい
る。なお、この検出は、更に一般的にいえば、実施例電
動機出力ＰＭ又はこれに相当する信号と、回転速度Ｎ又
はこれに相当する信号、それに案内羽根開度Ｙ又はこれ
に相当する信号の組合わせから逆算して逆流判定をする
のである。

第１３図はこの逆流判定の一実施例で、この図に示すよ
うに、論理判断４ＯＡで、所定値ε□を用いて ε〉ε１ｏｒさくε。

を判断し、脱出信号ΔＹ＆を加えるか、取り除くかを決
定するのである。

第１４図は逆流判定の他の一実施例で、この場合は、ま
ず論理判断４ＯＡのあと、さらに論理判断４０Ｂを実行
し、Ｅの異常状態が所定のｔε時間以上継続したことを
条件として脱出信号ΔＹよを加えるか、取り除くかを決
定するようにしだものである。

次に、この脱出信号ΔＹ＆を用いた脱出制御について説
明する。

この逆流検出は、第８図、第９図に示されている逆流検
出器４０によって行なわれ、第１３図又は第１４図に示
すようにして逆流状態突入を判定する。そして、この結
果、逆流状態突入により脱出信号ΔＹ＆が発生されると
、これが案内羽根開度補正信号ΔＹ１として、案内羽根
開度関数発生器１３から発生される適正案内羽根開度Ｙ
、から減算される（第８図、第９図）。

上記したように、このときのポンプ水車４の運転状態は
、第１２図の案内羽根開度Ｙ、による特性上にあり、か
つ、このときは逆流発生が検出されたのであるから、ポ
ンプ水車４の運転点はそれまでのＡ。。点からＡ。３点
に移行しており、ポンプ水車の入力Ｐｐ＋ＪＰ０３点に
ある。

そこで、この運転状態で、上記したように、案内羽根開
度補正信号ΔＹａ、が減算され、案内羽根開度がＹ３か
らＹ、に減少させられると、ポンプ水車４の運転状態は
、第１２図での案内羽根開度Ｙ３による特性上から案内
羽根開度Ｙ４による運転状態に移り、このため、その運
転点もＡ、、□点からＡ。４点に移行され、ポンプ水車
の入力Ｐｐ＋）Ｐｏ、点からＰ。４点に移される。

このときの変化のほとんどは、Ｈ＝Ｈ，の下で、このＱ
Ｈ特性曲線が３値関数をとる場合から１値関数に戻る案
内羽根開度を通過したときに生じる。

ここで、この案内羽根開度ＹのΔＹ＆の意図的な絞り込
みを行なったときでの動作について、第１５図により説
明する。

まず、第１５図の時点ｔ□□て案内羽根開度Ｙの絞り込
みが開始し、続く時点ｔｘｚで、Ｉ−Ｉ＝Ｈ＆の条件の
下でのＱＨ特性曲線の３値関数から１値関数への戻りが
生じ、ポンプ水車４の入力ＰＩ、が急噌する。これは、
（ｄ）、　（ｅ）に示されている。

このとき、当然のこととして、（ｇ）に示すように、発
電電動機２の出力Ｐ０もポンプ水車４の入力ＰＰに追従
しようとするが、これには若干の遅れが伴うので、この
結果として回転速度Ｎが、（ｆ）に示すように、−時的
に低下するが、やがてυＩ＃系の応答により、Ｎ＝Ｎ、
に復帰する。

第１２図に戻り、上記時点ｔｌｌで、案内羽根開度補正
信号ΔＹよを取り除き、案内羽根開度をゆっくりと拡大
して、元の開度Ｙ、に戻すと、これで運転点は案内羽根
開度Ｙ、の特性曲線上のＡ。４から案内羽根開度Ｙ３の
上のＡ　Ｑ　Ｑへ復帰させられ、逆流運転状態から定常
運転状態に戻すことができる。

従って、この実施例によれば、ポンプ水車４が逆流運転
状態に落ち込むと、これが自動的に検出され、かつ、こ
れに伴って自動的に案内羽根開度の絞り込みと、それに
続く元の開度への復帰制御が遂行され、安定した運転１
！続を保証することができる。

次に、本発明の他の一実施例について、説明する。

まず、第１６図は、上述の案内羽根開度補正信号ΔＹユ
による逆流脱出方法を、−次励磁形可変速機による揚水
プラントに適用した場合の実施例で５図において、６は
電力検出器、１０は同期電動機、１１は位相検出器、１
７は一次回路に設けた周波数変換器であり、その他は第
８図の実施例と同じである。

従って、この実施例は、第８図の実施例における二次励
磁による可変連発電電１．ＩＪ機２の代わりに。

−次励磁により可変速運転される同期電動機１０を用い
た点が異なるだけなので、その詳しい説明は省略する。

次に、第１７図は、本発明による逆流脱出方法のさらに
別の一実施例で、上述の案内羽根開度補正信号ΔＹよに
よる方法に代えて、回転速度Ｎを変化させる方法を採用
したもので、このため、脱出信号ΔＮよを回転速度補正
信号としたもので、まず、逆流検出器４０が逆流運転状
態に落ち込んだことを検出したら、適正回転速度Ｎａを
所定値だけ低下させるための脱出信号ΔＮａを、第１８
図又は第１９図のいずれかの方法により発生させる。な
お、この第１８図は第１３図に対応し、第１９図は第１
４図に対応するものなので、説明は省略する。

この結果、ポンプ水車４の回転速度Ｎが脱出信号ΔＮ１
分だけ上昇し、案内羽根開度Ｙ３におけるＱＨ運転曲線
が、第１２図に示すように、右上に移動してＹ、″で示
すようになり、Ｈ＝Ｈユにおける運転点はＡ　（１３か
ら八〇、に、そしてポンプ水車４の入力ＰＰはＰｏ、に
それぞれ急上昇する。なお、この変化の大半の原因は、
同じ＜Ｈ＝Ｈユの下でのＱＨ特性が２値関数から１値関
数に戻る回転速度Ｎを通過することによる。

このときの動作を第２０図のタイミングチャートで説明
すると、この図の（Ｃ）に示すように、時点１１１で回
転速度指令Ｎよに対する脱出信号ΔＮ。

の足し込みにより、電力制御補正信号発生器１６は、同
図（ｇ）に示すように、回転速度Ｎを上昇させるべく電
動機出力ＰＭを増加させる。こうして回転速度Ｎが、同
図（ｆ）に示すように、上昇してゆくと、この回転速度
Ｎの増加に伴ってポンプ水車４の入力ＰＰも増加してゆ
く。ここで、この脱出信号ΔＮ、の大きさは所定値とし
であるので、これを、どんな条件の下でも逆流運転状態
から脱出できるような大きさにしておく。従って、電動
機出力Ｐ１．ｌはＰｏよりも大きめとなり、補正信号Ｅ
は正の値をとる。

この後、時点シ０．に到ったら、ここで、脱出信号ΔＮ
つの加算を除き、回転速度Ｎを緩やかに低下させ、元の
回転速度Ｎ、に戻してやれば、これにより運転点はＡ　
１４からＡ、。に戻り、ポンプ水車４の入力ＰＰもＰｏ
、からＰ、。へ復帰し、定常運転状態に戻すことができ
る。

ところで、この第１７図の実施例は、発ｉｉ電動機２と
して二次励磁形可変速機を用いた場合のものであるが、
さらに本発明の一実施例として、第２１図にｍへ励磁形
可変速発電電動機１０として用いた例を示す。なお、こ
の実施例は、第１６図の実施例と同様なので、その詳し
い説明は省略する。

ここで、以上の第８図から第２１図で説明した実施例は
、いずれも、逆流運転状態になったことを検出したら、
ポンプ水車の運転状態を、そのときの運転指令値から所
定値だけ強制的に変化させるようにしたものであり、こ
の制御のことをバイアス制御と定義することにしている
のであるが、次に、複数台のポンプがその圧力管路の少
なくとも一部を共用する揚水設備において、ポンプの運
転状態を変化させる場合に、予め複数台のポンプの制御
状態を勘案することにより、逆流運転状態への落ち込み
を生じないようにした本発明の実施例について、以下に
説明する。

既に説明したように、第８図および第９図のシステムが
複数台設置され、かつ、それらのポンプ水車４と４Ｅが
、第１０図に示すように、共通管路４Ａを有していたと
すると、相互にポンプ水車の運転状態が影響し合い、例
えば一方のポンプ水車４が揚水運転中、他方のポンプ水
車４Ｅが揚水モードで起動したり、揚水モードで運転中
、その揚水量を急変させたり、或いは水車モードで出力
を急低下させるなどの操作が行なわれたとすると、これ
も上記したように、ポンプ水車４が逆流運転状態に落ち
込んでしまう虞れを生ずる。

そこで、以下の実施例では、複数台のポンプ水車の一方
、例えばポンプ水車４が、案内羽根開度Ｙ、の揚水モー
ドで運転中、他方のポンプ水車４Ｅの運転状態を変化さ
せようとするときには、それに先立って、或いは、それ
と同時に、まず、方のポンプ水車４の案内羽根開度を、
Ｙ、がらＹ。

へ、−時的に、所定値ΔＹ、たけ絞り込む制御を実行す
るように構成する。すなわち、第１２図の特性曲線Ｙ、
からＹ４へ、−時的に運転特性を変化させるようにする
のである。

なお、このときの所定値ΔＹａの大きさとしては、一定
幅のものとしてもよく、或いは、このときの制御の原因
となったポンプ水車４Ｅの運転変化幅に応じて、それの
所定の関数で定まる可変値となるようにしてもよい。

次に、この実施例の動作について説明する。

このときの、ポンプ水車４の制御系への、所定値ΔＹ＆
の入力方法は、第１図で説明した実施例と同じで、加算
器２１を介して行なわれるが、まず、これによる通常時
での動作を第２２図のタイミングチャートで説明する。

この第２２図は、同図（ａ）に示すように、時点ｔ。

で駆動出力指令Ｐ。がステップ状に立上げられた場合の
動作応答を対象としたもので、これに応じて、まず電動
機出力Ｐ□が、僅かの遅れを伴って立上る（（ｇ）図）
。同様に、案内羽根開度関数発生器１３からの信号Ｙａ
や、回転速度関数発生器１２からの出力イａ号Ｎうも、
これらにそれぞれ固有の、或いは予め付与されている所
定の時定数を伴って立上ってゆ＜　（（ｂ）　、　（ｃ
）図）。

一方、この信号Ｙ、に対する実際の案内羽根開度Ｙの応
答は、機械系が持つ応答特性のため、同図（ｄ）に示す
ようになる。なお、この（ｄ）に示す案内羽根開度Ｙの
応答に直線部分があるのは、案内羽根開度制御用のサー
ボモータの速度制限（これは、案内羽根配圧弁のストロ
ーク制限などにより定まる）を受けている場合を示して
いる。

ポンプ水車４の回転速度Ｎは、同図（ｇ）に示す電動機
出力ＰＭと、同図（ｅ）に示すポンプ人力Ｐ。

との差によって加速され、図（ｆ）に示すようにして上
昇し、Ｍ終的に、Ｎ＝Ｎ、に収斂する。なお、このポン
プ人力ＰＰは、案内羽根開度Ｙの上昇と、回転速度Ｎの
上昇の両方による増分が加算され、同図（ｅ）のように
して増大することになる。

一方、回転速度Ｎの変化は、同図（ｆ）に示されている
ように、かなり緩やかで、しかし安定したものとなって
いるが、これは、上述のように電力制御補正信号発生器
１６を比例要素と積分要素の並列回路で構成し、これら
のゲインを適切に選択したことにより、所定のダンピン
グ作用を与えているためである。

次に、管路を共有する他のポンプ水車、すなわち、この
ときにはポンプ水車４Ｅの運転状態を変化させようとす
る場合での制御動作について、説明する。

ここで、まず、上述の所定値ΔＹよの付与による補正制
御について、第２３図のタイミングチャートにより説明
する。

この第２３図において、いま、時点ｔ工、で、同図（ｂ
）に示すように、適正案内羽根開度指令Ｙユが所定値Δ
Ｙ１だけ一時的に補正されたとする。

そうすると、これにより、案内羽根開度Ｙが同図（ｄ）
のように、絞り込まれ、ポンプ人力Ｐｐも同図（ｅ）の
ように減少され、この結果、回転速度Ｎが同図（ｆ）の
ように、僅かではあるが、過渡的に上昇する。

そこで、この回転速度上昇を抑えようとして、発電電動
機出力Ｐ９が一時的に減少する制御機能が得られること
になる（第２３図（ｇ））。

一方、このようにして、時点ｔ工２で動作が安定した後
、同図（ｂ）の時点ｔ□３に到り、ここで所定値ΔＹ１
が取り除かれたとすると、今度は、以上の動作とは反対
の動作となり、復元制御動作が得られることが判る。な
お、この所定値ΔＹａを取り除くべき時点ｔ１ｆｆにつ
いては、第１２図に示すΔＨの変動が収まった時点し、
２以降となるように選ぶ必要がある。

ところで、この実施例が適用されるシステムの制御系の
構成は、第８図、第９図、それに第１６図のいずれかと
同じで良いが、このときの所定値ΔＹａの１１ノ御につ
いては、種々の方法があり、以下、これらについて説明
する。

まず、この所定値ΔＹ＆の値については、上述のように
、一定値としてもよく、或いは他号機の運転制御状態、
特に、それにより当該ポンプ水車の全揚程上昇を伴うよ
うな流量変化操作の幅や、速度に関連した可変値となる
ようにしてもよい。

なお、簡略化して、当該ポンプ水車の案内羽根開度如何
にかかわらず、他号機の運転状態変化に伴ってハンプ特
性落ち込みが懸念されるような場合には、常に一定の小
幅の開度で案内羽根を絞り込むように定めておくように
しても良い。しかして、このような簡略化を行なったと
きには、場合によっては、他号機の運転状態の変化レー
トの抑制について配慮が必要になることも考えられるの
で。

注意すべきである。

次に、このような所定値ΔＹａの付与操作について説明
すると、この操作はオペレータが手動で行なうようにし
ても良く、或いは当該ポンプ水車の案内羽根開度の一時
的な絞り込みを、他号機の運転状態変化操作に対する一
種のインターロック条件となすようにしても良い。

勿論、当該ポンプ水車の全揚程を上げる方向に他号機の
運転状態を制御しようとするときには、自動的に他号機
自体の操作に先立つ・て、又は、それと同時に、当該ポ
ンプ水車に指令信号を供給し、上記した所定値ΔＹ、の
付与操作が実行されるようにしても良く、以下、このよ
うにした実施例について、説明する。

第２４図は、他号機の運転状態を変化させるような操作
、特に揚水モード運転時での入力Ｐ８□を増加させる操
作に応じて、当該号機の案内羽根開度補正信号ΔＹ＆の
発生回路を示す一実施例で、図において３０．３１は加
算器、３２．３３はそれぞれ積分器（又は、同様な入力
側エラー排除機能を有する回路）である。なお、Ｐｘ□
は、実際に他号機に入力されることになる入力変化指令
を表わす。

この回路を用いることにより、第２５図に示す動作が得
られる。すなわち、時点ｔ□、で、成る号機に対する指
令入力Ｐつ、がステップ状に立上った場合でも、この指
令人力Ｐｘ１の立上りとほとんど同時に積分器３３の働
きにより、信号ΔＹ、が図示のように立上り、他の号機
の案内羽根開度Ｙ４を Ｙ、−ΔＹ１ に変化させる。

一方、このとき、積分器３２の働きにより、実際の他号
機の入力指令Ｐｘ２の立上りも、一応は緩やかに抑えら
れるが、やはり共通管路、例えば第１０図の場合では、
管路４Ａの存在による圧力上昇ΔＨは免れない。

しかしながら、この実施例によれば、上記したように、
時点しい、での指令人力Ｐｘ０のステップ状の立上りに
よる信号ΔＹ、の立上りの方が急激に現れるように構成
されているため、充分に逆流運転領域への落ち込みを抑
えることができる。なお、この第２４図の実施例で、積
分器３３のゲインＫｘ２については、入力ＰＸ１の立上
り時だけ所定値となり、それの立下り時には無限大（又
は極めて太きな値）を示すように構成すれば良い。

また、この実施例では、信号ΔＹ、がそのまま使用され
るようになっているが、これに代え、不感帯回路などを
介してがら１例えば第１図のシステムでの信号ΔＹよと
して使用するようにしてもよい。

このような実施例によれば、有害な圧力変動を生じそう
な場合に限ってだけ、この第２４図の回路による機能が
作用するようにでき、余分な影響を排除できる。

なお、以上の実施例では、当該ポンプ水車の全揚程Ｈの
上昇に伴う他号機の操作、すなわち、揚水モードでの揚
水量を増加させる操作や、水車モードでの流量減少操作
についてだけ説明したが、制御操作の如何を問わず、と
にがくその後の水撃作用の揺り返しなどにより、当該ポ
ンプ水車の全揚程に上昇を与える虞れのある場合なら、
どのような場合でも本発明が適用可能なことは言うまで
もない。

［発明の効果］ 本発明によれば、次のような効果を得ることができる。

（１）複雑なポンプの逆流現象を的確に、かつ容易に、
しかも確実に検出することができるから。

可変速揚水発′？ｒ！設僅の保護方式に適用して、適切
な制御を保つことができる。

（２）　　まず、逆流特性への突入回避のために必要な
、運転制御の余裕制御範囲を切り詰めることができるか
ら、本来の可変速運転範囲を広くすることができる。す
なわち、全揚程でいえば、当該ポンプの能カー杯まで使
用可能にすることができる。

（３）　　それに、可変速揚水設備が逆流運転領域に落
ち込んだままで運転継続されてしまう虞れがなくなるか
ら、充分な保護機能を得ることができる。

（４）圧力管路を共有する複数台のポンプ設備において
、他のポンプなどからの水撃作用による圧力上昇に際し
ても、逆流運転領域に落ち込むのが確実に防止でき、安
定した運転が保証される。

（５）複数台のポンプ水車による揚水発電設備などでは
、その経済的見地から、圧力管路の共有が極めて有利で
ある。しかるに１本発明によれば、このような場合でも
安定した運転が保証されるため、圧力管路の共用化によ
るローコスト化を充分に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるポンプの逆流検出方法の一実施例
を示す制御ブロック図、第２図は同じく他の一実施例を
示す制御ブロック図、第３図は逆流特性の説明図、第４
図はポンプの運転特性図。 第５図及び第６図は逆流現象の説明図、第７図は検出信
号の波形図、第８図は本発明による揚水設備のポンプ運
転制御方法の一実施例が適用されたシステムのブロック
図、第９図は同じく制御ブロック図、第１０図は圧力管
路の説明図、第１１図は動作説明用のタイミングチャー
ト、第１２図は制御特性図、第１３図及び第１４図は検
出手段の実施例を示すブロック図、第１５図は動作説明
用のタイミングチャート、第１６図及び第１７図はそれ
ぞれ本発明の一実施例が適用されたシステムのブロック
図、第１８図及び第１９図はそれぞれ検出手段のさらに
別の実施例を示すブロック図、第２０図は動作説明用の
タイミングチャート、第２１図は本発明が適用されたシ
ステムのさらに別の例を示すブロック図、第２２図及び
第２３図はそれぞれ動作説明用のタイミングチャート、
第２４図は補正信号の発生回路の一実施例を示すブロッ
ク図、第２５図はその動作説明用のタイミングチャート
である。 １・・・・・・交流電力系統、２・・・・・・発電電動
機、３・・・・電力変換器、４・・・・・・ポンプ水車
、４Ａ・・・・・共通管路、５・・・・・・回転速度検
出器、６・・・・・電力検出器、７・・・・・・電力制
御器、９・・・・・・案内羽根制御器、１２・・・・・
・回転速度関数発生器、１３・・・・案内羽根開度関数
発生器、１６・・・・・・電力制御補正信号発生器、５
０・・・・・・吐出側水圧検出器、５１・・・・周波数
分析器、５２・・・・・・逆流判定部。 第１図 第２図 第 図 第 図 全揚程Ｈ 交互電力Ｆ代 信号Ｊ＆引各 第 図 第 図 第 図 （ａ） （ｂ） 第 １０図 第 図 第　ヱ１　図 ｔ。 第１３ 図 第 図 ｔｏ　ｔ１２ 第１７図 第１６因 ΔＹａ 第１８図 ε ：、ニー：、　２２　　口 ｔ。 第 凹 ヒ１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ポンプの吐出側水圧変動を検出する検出手段と、こ
   の圧力検出手段の出力信号に含まれる振動成分を対象と
   する信号解析手段とを備え、ポンプの吐出側水圧変動に
   伴つて発生する検出信号波形が所定のスペクトル分布を
   呈したことにより、ポンプの運転領域が逆流運転領域に
   入つたことを検出するように構成したことを特徴とする
   ポンプの逆流検出方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記ポンプの吐出
   側水圧変動を検出する検出手段が、ポンプに現れる機械
   的振動及びポンプが発生する騒音の少なくとも一方を対
   象とする検出手段で構成されていることを特徴とするポ
   ンプの逆流検出方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記信号解析手段
   が周波数分析機能を備え、この周波数分析結果に基づい
   て上記所定のスペクトル分布が現れたことを検出するよ
   うに構成されていることを特徴とするポンプの逆流検出
   方法。 ４、特許請求の範囲第１項において、上記信号解析手段
   が共振回路を備え、上記検出信号波形中に所定の周波数
   成分が所定のレベル以上現れたことにより、該検出信号
   波形が上記所定のスペクトル分布を呈するようになつた
   ことを検出するように構成したことを特徴とするポンプ
   の逆流検出方法。 ５、可変速駆動されるポンプを備えた揚水設備において
   、上記ポンプの運転状態が逆流運転領域に入つたことを
   検出する逆流検出手段と、該ポンプの運転状態を運転指
   令値から所定値だけ強制的に変化させるバイアス運転制
   御手段とを設け、逆流検出時に該バイアス運転制御手段
   を作動させることにより、逆流運転領域にあるポンプの
   運転状態を定常領域に復帰させるように構成したことを
   特徴とする揚水設備のポンプ運転制御方法。 ６、特許請求の範囲第５項において、上記バイアス運転
   制御手段による上記可変速ポンプの運転制御が、そのと
   きの運転指令によるポンプの回転速度を所定値だけ上げ
   、所定時間後に元の回転速度に戻す制御となるように構
   成したことを特徴とする揚水設備のポンプ運転制御方法
   。 ７、特許請求の範囲第５項において、上記バイアス運転
   制御手段による上記可変速ポンプの運転制御が、そのと
   きの運転指令によるポンプの案内羽根開度を所定値だけ
   減少させ、所定時間後に元の開度に復帰させる制御とな
   るように構成したことを特徴とする揚水設備のポンプ運
   転制御方法。 ８、特許請求の範囲第５項において、上記逆流検出手段
   が、上記ポンプに対する運転指令値と実運転検出値との
   偏差を検出し、この偏差が所定値を越えたことにより、
   ポンプが逆流運転領域に入つたことを検出するように構
   成されていることを特徴とする揚水設備のポンプ運転制
   御方法。 ９、圧力水路の一部を共用する少なくとも２のポンプを
   備えた揚水設備において、上記複数のポンプのそれぞれ
   に対する運転指令を解析する監視手段と、上記複数のポ
   ンプのそれぞれの案内羽根開度を一時的に所定値まで絞
   り込む補正制御手段を設け、上記複数のポンプの少なく
   とも１の運転状態が所定の変化速度以上の割合で変化す
   るであろうことを検出したときには、残りの少なくとも
   １のポンプに対する上記補正制御手段による補正制御を
   作動させるように構成したことを特徴とする揚水設備の
   ポンプ運転制御方法。 １０、特許請求の範囲第９項において、上記補正制御手
   段による一時的な案内羽根開度の絞り込み期間が、この
   補正制御手段による補正制御開始後、上記圧力水路内で
   の水撃作用が収まるまでの期間となるように構成したこ
   とを特徴とする揚水設備のポンプ運転制御方法。 １１、特許請求の範囲第９項において、上記運転指令が
   、ポンプ起動又はポンプ入力急増のいずれかの指令とな
   るように構成したことを特徴とする揚水設備のポンプ運
   転制御方法。