JPH02196170A - ペルトン水車の電動サーボ制御装置 - 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】 Ａ、産業６．１：の利用分野 本発明は、発電所等で使用されるペルトン水車の電動サ
ーボ制御装置に関し、特に流１制御を行いながら水車の
速度制御を行う電動サーボ制御装置に関する。

Ｂ１発明の概要 本発明は、発電所等で使用されろペルトン水車の電動サ
ーボ制御装置において、 調速制御部とデフレクタ開度追従制御部とニードル開度
設定部とを備えることにより、ペルトン水車のニードル
とデフレクタを機械的に分離し、独立的に制御をかけ、
その際に生じる調定率運転、速度変動率及びニードル開
度制御等の課題を解決し、流量制御を行いつつ速度制御
を行う技術を開示するものである。

Ｃ９従来の技術 発電所等で使用されるペルトン水車は、通常、水車への
入力水量を調整するニードルと、該水車の停止時にその
入力水を遮断するデフレクタとを備えていて、ノズルの
本数や対数に拘わらず、それらの開度を機械的に一定の
関係に保ちながら制御するのが普通であった。

Ｄ１発明が解決しようとする課題 近年、流れ込み発電所等で、建設コストを低減するため
に余水路の省略やヘッドタンクの小規模化が進められる
ようになった。しかし、ペルトン水車を採用している発
電所でその方針に沿った制御を行うには、水が水車へ流
入してきた当初からニードルによって流量制御を行いつ
つデフレクタによって水車の起動、加速、並列動作等の
制御を行わせる必要があるのに、従来のペルトン水車は
ニードルとデフレクタが機械的に連結されているためニ
ードルによって速度制御が行われるので、起動前から流
量制御を行うことは難しかった。

本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、
ペルトン水車のニードルとデフレクタを機械的に分離し
、独立的に制御をかけ、その際に生じる調定率運転、速
度変動率及びニードル開度制御等の課題を解決し、流量
制御を行いつつ速度制御を行う電動サーボ制御装置を提
供することを目的としている。

Ｅ１課題を解決するための手段 本発明における上記課題を解決するための手段は、水車
への入力水量を調整するニードルと人力水を遮断するデ
フレクタとを備え、電動サーボにより調速機制御を行う
ペルトン水車の電動サーボ制御装置において、調速制御
部とデフレクタ開度追従制御部とニードル開度設定部と
を備え、ニードルとデフレクタとを機械的に分離し、そ
れぞれ独立に制御する電動サーボ制御装置とするもので
あり、そのデフレクタ開度追従制御部はニードル開度よ
りノズルのジェット径を算出し、デフレクタ開度に関数
を与え、デフレクタを所定の位置に制御するものであり
、そのニードル開度設定部はノズルの対数に拘わらず所
要値のニードル開度指令を出力する乙のであり、その調
速制御部は水車の発電電力により速度調定率を演算し、
ノズルの本数に無関係に一定の調定率運転を行うもので
あることを好適としている。

Ｆ、作用 本発明では、ペルトン水車のニードルとデフレクタとを
機械的に分離、独立させ、ＰＩＤ式電動サーボ制御装置
を使用してニードルとデフレクタの制御に電気的な関連
性を持たせ、水車の起動。

加速、並列動作等はＰＩＤ式調速機でデフレクタを速度
制御を行い、その間ニードルは任意開度とし、水車発電
機が系統と並列した後はニードルを制御して負荷調整を
行うものである。

ＰＩＤ装置は、プロセス等を対象とするフィ・−ドパツ
ク制御によく用いられろ調節機器で、比較（Ｐ）、積分
（１）１微分（Ｄ）の各回路で成り、対象となる制御系
の動作特性上の各パラメータを最適値に調整することに
より効果的な制御を行うことができる。

本発明の装置は、調速制御部とデフレクタ［１ｔ１度追
従制御部とニードル開度設定部とを備えていて、調速制
御部は水車の回転速度とデフレクタ開度とを制御し、ニ
ードル開度設定部はニードル開度を制御する。デフレク
タ開度はデフレクタ開度追従制御部を介して調速制御部
へフィードバックされるが、該デフレクタ開度追従制御
部にはニードル開度もフィードバックされて、前記電気
的関連性を付与４′る。

負荷を有する状態で水車発電機制御システムに故障が発
生（また場合は、水車の速度」−昇をできるだけ抑える
ためデフレクタを急閉鎖させるが、流量制御は続行する
のでニードルを閉鎖させない。

このとき、速度上昇を低く抑えるために、デフレクタ開
度をノズルのジェット径の近接位置に保つ必要かある。

Ｇ、実施例 以下、図面を参照１．て、本発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図は、本発明による２射式ペルトン水車の電動サー
Ｉ；制御装置の一実施例を示す構成図である。同図に示
す電動サーボ制御装置は、ニードルとデフレクタを機械
的に分離させ、かつノズルのジェット径に近接した位置
にデフレクタを制御するしのである。図中、１，２及び
３は負荷調整用のパラメータ設定器、４はＰ　Ｉ　り調
速制御部、５はＰ　Ｉ　Ｉ）開度制御部、６は電流制御
部、７はインバータ、８はデフレクタ開度追従制御部、
９はニードル開度設定部、ＩＯは水車、ｉｔはデフレク
タサーボリターン、１２及び１３はニードルサーボリタ
ーン、１４は速度検出用信号発生器のスピード、シグナ
ル、ジェネレータ（ＳＳＧ）である。

ＰＩＤ調速制御１４は、水車調速用のパラメータ設定器
１からの信号及びデフレクタ開度設定用のパラメータ設
定器２からの信号に基づいてデフレクタの開度を制御し
、ニードル開度設定部９は、ニードル開度設定用のパラ
メータ設定器３からの信号に基づいてニードルの開度を
制御する。それらの制御は、ｌ′ｌ　Ｉ）開度側位１１
部５．電流制御部６及びインバータ７を介して行われる
。水車ｌＯの回転に連動４゛るスピード、シグナル２ジ
エネレータ１４からの信号はＰＩＤＩＤ側速制御にフィ
ードバックされる。デフレクタサーボリターン１１から
の信号は自系のＰ　Ｉ　Ｉ）開１ｙ制御部５にフィード
バックされるとノ（に、デフレクタ開度追従制御部８を
介（５て、デフレクタ開度設定用のパラメータ設定器２
へも入力される。ニードル開度の制御は、可能な対数に
対応（７て２系統が設定され、いずれもニードルサーボ
リターン１２又は１３からの信号を自系のＰＩＤ開度制
御部５にフィードバックすると共に前記デフレクタ開度
追従制御部８へも入力する。

第２図は、実施例のデフレクタ開度追従制御部の−例を
示す構成図である。図中のデフレクタ開度追従制御部８
は第１図に示したものと同じで、デフレクタをニードル
開度に応じて追従させる。

同図において、デフレクタ開度追従制御部８は、デフレ
クタ開度演算部１５とノズルのジェット径演算部１６と
バイアス部Ｉ７と比較演算部１８とで構成され、前記デ
フレクタサーボリターン１１とニードルサーボリターン
Ｉ２及び１３から信号を入力され、演算結果を第２のパ
ラメータ設定器２へ出力する。

デフレクタサーボに対するデフレクタ開度及びニードル
サーボ開度に対する水のジェット径の特性は直線でない
ので、デフレクタサーボリターンｔｉの出力により前記
デフレクタ開度演算部１５でデフレクタ開度の演算を行
い、ニードルサーボリターン１２．１３の出力によりノ
ズルジェット径演算部１６でジェット径の演算を行う。

更に、水量や運用によっては、ノズルの本数、いずれの
ノズルを先に使用するか、ニードル自体のサーボ開度に
対するジェット径の違い等の課題が生じるので、ジェッ
ト径に対する選択を優先させる比較演算部１８が配設さ
れていて、それとデフレクタ開度との比較を行い、デフ
レクタに水がかかるのを防ぐ余裕を与える所定の関数の
バイアス部１７を配設し、演算結果によりデフレクタ開
度設定用のパラメータ設定器２を動かして、ノズル本数
やニードル開度に関係なく常時デフレクタをジェット径
＋αの近接位置に保ち、故障の際に素早く水をさえぎる
ようにしている。

第３図は実施例のニードル開度設定部の一例を示す回路
図で、第４図は該回路上の各点の、ＯＯ及び０における
電圧特性図である。負荷調整はニードル制御により行わ
れるが、ニードル開度用のパラメータ設定器３の設定位
置はノズル本数によって異なる。図中３１及び３２が設
定制御部で、この設定制御部がない場合は選択スイッチ
３３により１射又は２射の開度設定が切り換えられるが
、例えば２射選択でニードルを１００％〜５０％に開度
設定した状態で２射から１射へ切り換えられると、第４
図の０点の特性で明らかなように、ｌ射二ニドル開度設
定は１００％以上の開度設定指令が発せられることにな
り、サーボモータは１００％開度以上に開こうとして無
理がかかる。しかし、本実施例では前記設定制御部３１
及び３２が配設されているので、ｌ射に切り換えられて
も１００％開度以上の開度設定指令が発せられることは
ない。

前記パラメータ設定器３は、２射時はニードル開度が１
００％で設定電圧１００％になるように調整され、！射
時は０点で２射時のゲインを倍にするように調整されて
いるので、ｌ対峙は０点が５０％でニードル全開になる
。そこで、ｌ対峙にパラメータ設定器３が５０％設定位
置以上になる場合は開度設定１００％以上の出力に対す
るキャンセル回路を設ければよく、パラメータ設定器３
の位置に対応させ、第４図のθ点特性で斜線部により示
す余分な出力に対して、第４図の０点特性で示す如くそ
の分を反転させて加えれば、余分な分が打ち消され、第
４図の０点特性で示すように、前記位置が５０％以上に
なっても、開度設定値は１００％のままである。

第５図はＰＩＤ式電動制御部の一例を示す構成図で、負
荷分担などに関係するガバナーフリーの調定率運転を行
うものである。図中、■は第１のパラメータ設定器（６
５１’？　）、４は前記ＰＩＤＩＤ制定制御部１はサー
ボ開度制御部、５２は電動機制御部、５３はサーボモー
タ、５４は水理系、５５は水車発電機、５６は電流帰還
部、５７は剛性復元部、５８は速度調定率調節部、５９
は速度検出部、６０は電力変換部である。従来は水理系
５４に対するデフレクタサーボリターン１１から得た剛
性復元に速度垂下率を採って速度調定率としていたが、
本発明ではニードルとデフレクタに機械的結合がないの
で、デフレクタの剛性復元を利用することができ４゛、
そこで水車発電機５５の有効１．力を利用することとし
、それを速度調定率に換算してＰ　Ｉ　Ｄ調速制御部４
に加えるようにしている。

第６図は本発明の速度調定率回路の−・例を示す構成図
で、図中、６１及び６２はアンプ、６３は出力部、６４
は電力／電圧変換部、６５は？ππ圧電電圧変換部６６
は周波数／電圧変換部である。

ここで、系統に並列される曲はパラメータ設定器（６５
Ｒ）及び回転検出により制御され、系統に並列したあと
は系統の周波数変化が僅かなので、パラメータ設定を変
化させるとその分だけ電力が変化１．て安定し、パラメ
ータ設定が一定であれば周ＩＩ数の変化は負荷の変化に
対応４゛る。

上記は、ペルトン水車の２財力式に対する説明であるが
、勿論それに限定されるしのではなく、２射以」−のら
のに対してし適用可能であることはごうまでもない。

このように、本発明の実施例では、デフレクタとニード
ルを独ｉ：ｌ：　１．、て制御さ４１゛ることにより水
車の流出量を自由に１ｌｌｌ整できるので、水槽から水
を流出さＵ−ずに済み、余水路の省略やヘッドタンクの
小規模化に対応することが容易である。まノ゛；、デフ
レクタだけの速度制御なので、調速機として安定１２、
デフレクタが常時ノズルのジェット径に近接した位置に
あるので、故障が発生した場合にデフレクタを急閉鎖（
７てジエッ）・流を遮る時間が速くなり、水車の速度変
動率を小ざくでき、機械の摩耗ら少なくなる。更に、ニ
ードルの開度設定が１００％以上にならないので、ニー
ドルサーボを全開へ押１．付けるといった無理な力がか
からず、強度的にメリットが生じる。ぞし、て、ニード
ル７７′デフレクタ分離型でＧ調定率運転がり能になり
、負荷分担や系統周波数安定化の方向へ寄与するっＨ，
発明の効果 以−１−１説明したとおり、本発明によれば、ペルトン
水車のニードルとデフレクタを機械的に分離して独立的
に制御をかけ、その際に生じる調定率運転や速度変動率
やニードル開度制御等の課題を解決し、流量制御を行い
つつ速度制御を行うペルトン水車の電動サーボモータ制
御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図はデフレク
タ開度追従制御部の構成図、第３図はニードル開度設定
部の回路図、第４図はその回路−１−各点の特性図、第
５図はＰＭＤ式電動電動制御部成図、第６図は速度調定
率回路の構成図である。 １．２．３・・・パラメータ設定器、４・・・ＰＩＤ調
速制御部、５・・・ＰＩＤ開度制御部、６・・・電流制
御部、７・・・インバータ、８・・・デフレクタ開度追
従制御部、９・・・ニードル開度設定部、ｌＯ・・・水
車、１１・・・デフレクタサーボリターン、１２．１３
・・・ニードルサーボリターン、Ｉ４・・・ＳＳＧ、１
５・・・デフレクタ開度演算部、１６・・・ノズルジェ
ット径演算部、１７・・・バイアス部、１８・・・比較
演算部、３１．３２・・・設定制御部。 外２名 第４図 設定制御回路の特性図 パラメータ設定器の設定 パラメータ設定器の設定 パラメータ設定器の設定 パラメータ設定器の設定

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）水車への入力水量を調整するニードルと入力水を
   遮断するデフレクタとを備え、電動サーボにより調速機
   制御を行うペルトン水車の電動サーボ制御装置において
   、調速制御部とデフレクタ開度追従制御部とニードル開
   度設定部とを備え、ニードルとデフレクタとを機械的に
   分離し、それぞれ独立に制御することを特徴とするペル
   トン水車の電動サーボ制御装置。
2. （２）ニードル開度よりノズルのジェット径を算出し、
   デフレクタ開度に関数を与え、デフレクタを所定の位置
   に制御するデフレクタ開度追従制御部を備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のペルトン水車の
   電動サーボ制御装置。
3. （３）水車の発電電力により速度調定率を演算し、ノズ
   ルの本数に無関係に一定の調定率運転を行う調速制御部
   を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第
   ３項までに記載のペルトン水車の電動サーボ制御装置。