JPH0454285A - 可動羽根水車の制御装置 - 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】 【産業上の利用分野】

この発明は、水路式発電所で、カム機構によりガイドベ
ーン開度とランナ羽根開度とを制御する可動羽根水車の
制御装置に関する。

【従来の技術】

昔からサージウニイブ防止については色々検討されてい
るが、−例としては、ヨーロッパ等では船舶が通るよう
な大きな河で、カブラン水車やバルブ水車を建設する場
合は、船の航行に支障を来さないようにサージウニイブ
を抑えた。即ち水車負荷遮断に際し水車の最大流量の４
０％程度に流量変化を抑えている。流量変化を抑える方
法としては、水車が負荷遮断された場合、ガバナーによ
りガイドベーンは急閉するが、これを途中でブロックし
流量の変化を制限している。これによりサージウニイブ
量が抑えられる。ブロック−した後はダッシュポットに
より緩閉鎖する。従来の方式はこのダッシュポットを使
用していたため、ダッシュポットから油が抜ける等信転
性が乏しい面があった。このダッシュポットが故障する
と水面は急上昇する。 また、上記に述べた様に負荷遮断の際ダムゲートが故障
によりダムゲートが開かない場合、サージウニイブによ
り水路壁を破壊する危険があった。 この水位変化分を小さくするために水車の最大流量を絞
って運転していた。このため、水車の年間発生電力量を
少なくすることになる。 第２図は従来の可動羽根水車の制御装置の系統図である
。図において、Ｃは閉方向、０は開方向を示す、補助サ
ーボモータエは、ピストン下部に常時圧油が加わってい
て、ピストン上部にかかるパイロットバルブからの圧油
の出入りによって制御され、コンバータ２の開動作によ
りパイロットバルブが下がると、圧油は補助サーボモー
タ１のピストンの上側に入り、これを押し下げ開方向に
動作する。 コンバータ２は、マグネットソレノイドのリング状の隙
間の中にムービングコイルが軸方向に移動できるように
取付けられている。ムービングコイルはアルミ類のリン
グに制御巻線が巻かれていて、配線コネクタを通って電
気ガバナとシールド線により接続されている。電気ガバ
ナからの制御電流はムービングコイルに入り、流れ方向
の切り換えにより上向（閉方向）または下向（開方向）
に変位する。 負荷制限制御弁４及び負荷制限モータ６を備えた負荷制
限装置は、水車起動時には７７Ｍによりガイドベーンを
全閉位置から起動開度まで開いたり、ガバナ運転時に一
定限度以下に出力を制限する場合に使用される。負荷制
限運転をする場合はコンバータ２に開方向の電流を常時
与えて圧油が負荷制限制御弁４を通じ補助サーボモータ
１に供給される。この状態で負荷制限用モータ７７Ｍを
駆動しウオームギヤによって減速されたねじ軸の回転に
より支点を上向（開方向）または下向（閉方向）に動作
させる。負荷制限制御弁４にはコンバータ２からの制御
油は自動手動切換弁及びポートを通って補助サーボモー
タｌへ供給される。ガバナ運転状態で負荷を一定限度以
下に制限する場合、ガバナの開動作により補助サーボモ
ータ１が開くとレバーの支点が固定された状態で補助サ
ーボモータ１からのリターン動作により支点が下がる。 従って支点の設定位置以上に補助サーボモータ１が開こ
うとする場合は、パイロットステムが中立位置から下へ
ずれるので、補助サーボモータのピストンの上側の圧油
は排出され、補助サーボモータの開動作を制限する。１
７は、補助サーボモータｌ、コンバータ２．負荷制限制
御弁４．絞り５ａ、、５ｂ、負荷制限モータ６を含むア
クチュエータ１．１８はランナサーボモータ復帰機構、
１９は電気ガバナである。 第３図は可動羽根水車の一定落差における性能を示す図
である。横軸は流量（％）、縦軸はタービン効率η及び
ガイドベーン開度ａ。を示す。図においてφはランナ羽
根開度である。二重丸は各ランナ羽根開度φに対する無
負荷運転時の流量及びガントベーン開度を示す０図の実
線は通常運転を示し、図の点線はランナ羽根開度一定の
場合の水車流量と水車効率との関係及水車流量とガイド
ベーン開度との関係を示す。通常の運転状態では、ラン
ナ羽根開度φとガイドベーン開度ａａとを水車効率が最
高の効率となるようにカム機構である通常運転カム１０
によって組合わせる。この状態をオンカムという。 第４図は、一定落差におけるランナ羽根開度φとガイド
ベーン開度ａ、との関係を示し、ｎｏは定格回転速度、
ｎは回転速度を示す。図において、曲線Ａ＋　　Ａｘは
通常運転（オンカム状態）、曲線Ｂ、−Ｂ、は無負荷で
定格回転速度の場合、Ｃ３−Ｃｔは無負荷で定格回転速
度の１．１倍の場合、曲線Ｄ＋　　Ｄｉは無負荷で定格
回転速度の１，２倍の場合を示す、この図から同一のラ
ンナ羽根開度において、油負荷におけるガイドベーン開
度は、オンカム状態のガイドベーン開度に対し定格回転
速度において４０〜３５％、定格回転速度の１．１倍の
回転速度において４５〜４０％であ−る。 第５図は一定落差において、ランナ羽根開度φと流量Ｑ
との関係を示す特性図で、曲線Ａ、−Ａ。 は通常運転（オンカム状態）、曲線Ｂ、−Ｂ、は無負荷
で定格回転速度の場合、Ｃ，−Ｃ，は無負荷で定格回転
速度の１．１倍の場合、曲線り、−Ｄ２は無負荷で定格
回転速度の１．２倍の場合を示す。 この図から同一ランナ羽根開度において、無負荷時の流
量はオンカム状態の流量に対し、定格回転速度のとき４
５％、定格回転速度の１．１倍の回転速度のとき５５％
である。 第６図は一部落差、ランナ羽根開度一定の場合のガイド
ベーン開度を指標とする水車回転速度と流量との関係を
示す。図において、Ａｔ　、Ｂ＋　。 Ｃ＋、Ｄ＋点は第５図のＡｔ　、Ｂ＋　、Ｃ＋　、Ｄ＋
点と一致する。無負荷条件を示す線より左側は加速度領
域即ち負荷状態、無負荷条件を示す線より右側は減速領
域即ち無負荷時の無拘束速度になった状態を示す。この
図から回転速度が定格回転速度より上昇すると無負荷時
のガイドベーン開度及び流量がそれぞれ大きくなること
が判る。 以下制御装置の動作を説明する。補助サーボモータ１の
開側の圧油は電気ガバナにより制御されるコンバータ２
により負荷制限制御弁４を経て供給されるかまたは排油
される。従って補助サーボモータ１のストロークはガバ
ナによって制御され、主機がガバナーフリー運転時（ま
たは無負荷時）は速度制御が自動的に行われる。補助サ
ーボモータ１の開閉時間はコンバータ２の絞り５ａ、５
ｂにより設定される。主機が電力系統に並列投入された
後、速度調整装置６５Ｐは自動的にガイドベーン開度１
００％において、主機が定格回転速度となるように設定
する。ガバナは垂下特性を持っているため、ガイドベー
ン開度の全領域にわたってコンバータ２には常に開指令
が与えられ、補助サーボモータ１の開側には常にコンバ
ータ２から圧油が供給されるため、補助サーボモータ１
は負荷制限制御弁４及び負荷制限モータ６によって制御
される。ガイドベーンサーボモータ１６ばガイドベーン
配圧弁７によって制御し、ガイドベーンの開度は補助サ
ーボモータ１の開度に追従する。 ガイドベーンの開閉時間は絞り８ａ、８ｂにより設定さ
れる。 通常運転時、ランナ羽根開度は、ランナ羽根配圧弁９に
より制御され、ライナ羽根開度とガイドベーン開度との
関係は通常運転カム１０によって設定され、第４図の曲
線ＡＩ　Ａｔ上を推移する。 ランナ羽根の開閉時間は絞りｌｌａ、Ｉｌｂにより設定
される。

【発明が解決しようとする課題】 水路式で上流の水位が所定値を越えたときはフロート式
の水位制御装置によりダムゲートを自動的に開いて放流
するとともに、可動羽根水車を備えた発電所において、
ダムゲートが開かない場合、水位の急上昇により水路壁
を破壊するという問題があった。 また、従来可動羽根を用いた大きな河で水車の負荷遮断
時には、ガバナーによりガドベーンが象、閉するが、こ
れを途中でブロックし、ブロック後はダッシュポットに
より緩閉類していたが、ダ・ンシュボットから油が抜け
る等の問題があった。 上記の発電所では水路流量に応じて流量を発電に利用す
るように発電所出力を制御することが望まれていた。従
って系統の周波数変動に応じて発電所出力が変動するガ
バナフリー運転は行わず、負荷制限運転を行う必要があ
り、この負荷制限装置を利用して負荷遮断時に流量の象
、変分を小さく抑え、かつダッシュポットを使わない装
置が望まれていた。 この発明は、水路式発電所で負荷遮断時に、可動羽根水
車の流量の急変骨を少なく抑える制御装置を提供するこ
とを目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的は、水路式発電所で、カム機構によりガイドベ
ーン開度とランナ羽根開度とを制御する可動羽根水車の
制御装置において、補助サーボモータに連結された負荷
制限装置と電気ガバナに接続されたコンバータとの間に
結合された出力下限制御弁と、速度上昇したとき作動す
る制御機と、この制御機により切替え操作される無負荷
運転用カムとを設け、負荷遮断時に、ガイドベーンが急
閉鎖する開度を前記出力下限制御弁により制限するとと
もに、前記制御機からの信号により前記カム機構を無負
荷運転用カムに切替え、前記無負荷運転用カムによりラ
ンナ羽根開度及びガイドベーン開度を制御し、ガイドベ
ーンを定められた部分開度だけ象、閉鎖した後、定めら
れた回転速度に一旦収斂させてから、ランチ羽根及びガ
イドベーンを緩閉鎖させることによって達成される。

【作　用】

この発明は、可動羽根水車を備えた発電所において、負
荷制限装置と補助サーボモータとの間に出力加減制御弁
を設け、負荷遮断時にガイドベーンを急閉鎖するとき、
速度上昇を検出したガバナーの作用及びコンバータによ
って補助サーボモータの開側の圧油は排出され、補助サ
ーボモータは栄、閉されるが、補助サーボモータの閉動
作は下限制御弁の作動によって負荷制限制御弁によって
ブロックされ、負荷遮断前の開度より定められた部分開
度だけ閉じ、その開度以下には閉鎖しないようにする。 即ち流量の急減少量は、水車最大流量の５０％以下とな
る。負荷遮断後のガイドベーンの開度はガバナの作用に
より通常運転時の開度と無負荷で定格回転速度の１１０
％回転速度における開度との間で揺動し、最終的には、
定格回転速度の１１０％の回転速度のランナ羽根開度と
ガイドベーン開度との関係を保ち、回転速度は設定され
た通り定格の１１０％に落ち着く。 一方、負荷遮断と同時にガバナーにより速度上昇を検出
し、制御機の電磁弁が付勢されて、ランナ羽根配圧弁の
サーボモータの上部の圧油は排出され、通常運転用レバ
ーは押し上げられて通常運転カムは引き離され、代わり
に無負荷運転用カムが有効となる。その結果無負荷運転
用カムにより設定される開度までランナ羽根を開くよう
指令が出され、ランナ羽根は一時的に設定により１０％
開いて、その後定格回転速度の１１０％の速度、無負荷
の場合のランチ羽根開度とガイドベーン開度との関係が
保たれる。所定の時間の時間を経過した後、回転速度を
定格の１１０％に保ちなからランナ羽根及びガイドベー
ンを緩閉鎖させるので、流量の急変を抑えることができ
る。最終的にはガイドベーン開度を無負荷開度にして、
定格回転速度に到達させる。

【実施例１ 以下図に基づいてこの発明の詳細な説明する。 第１図はこの発明の実施例による可動羽根水車の制御装
置の系統図で、図は通常運転状態を示す。 第１図において第２図と同じ部位は同じ符号を付してい
る。 補助サーボモータ１、コンバータ２、負荷制限制御弁４
、絞り５ａ、５ｂ、負荷制限モータ６、ガイドベーン配
圧弁７、絞り８ａ、８ｂ、ランナ羽根配圧弁９、通常運
転カム１０、絞りｌｌａ。 １　ｌ　ｂ、サーボモータ１２、絞り切替装置１５、ガ
イドベーンサーボモータ１６、アクチュエータ１７、ラ
ンナサーボモータ復帰機構１８、電気ガバナ１９につい
ては従来と同様なので説明を省略する。 この発明の実施例による可動羽根水車の制御装置は、補
助サーボモータ１に連結された負荷制限装置４と電気ガ
バナ１９に接続されたコンバータ２との間に結合された
出力加減弁３と、速度を検出する制御機であるサージウ
ニイブコントローラ２０と、このサージウニイブコント
ローラ２０により切替え操作される無負荷運転用カム１
３を備えた。 以下この可動羽根水車の制御装置の動作を説明する。通
常の運転は従来と同様に行われ、補助サーボモータｌの
開側の圧油は電気ガバナ１９により制御されるコンバー
タ２により負荷制限制御弁４を経て供給されるかまたは
排油される。従って補助サーボモータｌのストロークは
ガバナによって制御され、主機がガバナーフリー運転時
（または無負荷時）は速度制御が自動的に行われる。補
助サーボモータｌの開閉時間はコンバータ２の絞り５ａ
、５ｂにより設定される。主機が電力系統に並列投入さ
れた後、速度調整装置６５Ｐは自動的にガイドベーン開
度１００％において、主機が定格回転速度となるように
設定する。ガバナは垂下特性を持っているため、ガイド
ベーン開度の全領域にわたってコンバータ２には常に開
指令が与えられ、補助サーボモータ１の開側には常にコ
ンバータ２から圧油が供給されるため、補助サーボモー
タ１は負荷制限制御弁４及び負荷制限モータ６によって
制御される。ガイドベーンサーボモータ１６はガイドベ
ーン配圧弁７によって制御し、ガイドベーンの開度は補
助サーボモータ１の開度に追従する。ガイドベーンの開
閉時間は絞り８ａ。 ８ｂにより設定される。 通常運転時、ランナ羽根開度は、ランナ羽根配圧弁９に
より制御され、ランナ羽根開度とガイドベーン開度との
関係は通常運転カム１０によって設定され、第４図の曲
線Ａ、−Ａ２上を推移する。 ランナ羽根の開閉時間は絞りｌｌａ、ｌｌｂにより設定
される。 次に負荷遮断時の制御装置の動作について説明する。負
荷遮断が発生すると、電気ガバナ１９によって水車の速
度上昇を検出し、電気ガバナ１９及びコンバータ２によ
って補助サーボモータ１の開側の圧油は排出され、補助
サーボモータ１は急閉されるが、補助サーボモータ１の
閉動作は出力加減制御弁３によってブロックされ、負荷
遮断前の開度より定められた部分開度Δａ０だけ閉し、
これ以上は閉鎖しない。 負荷遮断後のガイドベーンの開度ａ。とランナ羽根開度
φとの関係は、第４図の曲線Ｃ，−Ｈにより、この開度
に対応する流量は第５図の曲線Ｃ１−Ｅに示されている
。従って流量の急減少量は水車最大流量の５０％以下と
なる。負荷遮断後ガイドベーンの開度は第４図の曲線Ａ
、−Ａ２及び曲線Ｃ，−Ｃ，の間で揺動し、最終的には
第４図の曲線Ｃ，−Ｃ，におけるランナ羽根開度、ガイ
ドベーン開度になり、水車の回転速度は１１０％に落ち
着く。 一方、負荷遮断と同時に電気ガバナ１９により速度上昇
を検出し、す、−ジウエイブコントローラ２０の電磁弁
が付勢されてサーボモータ１２の上部の圧油は排出され
、通常運転レバーは押し上げられて、ランナ羽根配圧弁
９と通常運転カム１゜との連結は断たれ、代わりに無負
荷運転用カムカム１３が有効となる。その結果ランナ羽
根開度φとガイドベーン開度ａ０とは第４図の曲線Ｃｌ
Ｏ２の関係を保つ。即ち全開出力（ランナ羽根開度１０
０％、ガイドベーン開度１００％）運転状態から負荷遮
断すると、ガイドベーン開度は４５％に急減するが、無
負荷用カム１３で設定される開度（第４図の曲線Ｃ，−
Ｃ，）までランナ羽根を開くようランナ羽根配圧弁から
圧油が送られるので、ランナ羽根は一時的に、無負荷運
転用カム１３により設定される開度約１０％開いてＣ１
に達し、その後第４図、第５図の０１点の状態に落ち着
く。所定の時間を経過した後、回転速度を定格の１１０
％に保ちながらランナ羽根及びガイドベーンを緩閉類さ
せる。 第７図はこの発明の実施例による制御装置を用いて、全
負荷遮断後３０秒たってから負荷制限を全ストローク６
０秒の割りで閉鎖する場合の過渡現象を示す図である。 第７図において、横軸は全負荷遮断後の経過時間（秒）
、縦軸は回転速度ｎ。 流量Ｑ、ガイドベーン開度ａｏ、　ランナ羽根開度φの
％を示す。第７図において、ガバナによる設定速度（１
００％〜１０３％）は無負荷カム１３によって設定され
る速度例えば１１０％より低いためガバナは補助サーボ
１の開側の圧油を排出する作用をもつ。従って負荷制限
制御装置４の下げ動作に応じて補助サーボモータ１を作
動させてガイドベーンを緩やかに閉じる。ガイドベーン
とランナ羽根とは第４図の曲線Ｃ，−Ｃ，に沿ってラン
ナ羽根を閉じていき、ランチ羽根開度０に対応する無負
荷のガイドベーン開度Ｃ２に到達する。 ここでサージウニイブコントローラ２０は切り離され、
ガバナの作用によって通常の無負荷状態になり安定する
。 図のＡ２点で全負荷遮断するとともにサージウニイブコ
ントローラ２０をオフし、ランナ羽根開度φを全閉とし
Ｃ１点に達する。 以上は負荷制限運転を前提としたが、当然のことながら
５０％負荷以下ならばガバナーフリー運転をすることも
可能である。なお、サーボモータ１４は水車起動時及び
停止時にランチ羽根を全開する装置、絞り切替装置１５
はガイドベーン閉動作に腰折を与える装置である。 【発明の効果】 この発明によれば、負荷制限装置と補助サーボモータと
の間に出力制限制御弁を設け、負荷遮断時に速度上昇を
検出してガバナ及びコンバータによって補助サーボモー
タの開側の圧油は排出され補助サーボモータは急閉され
るが、下限制御弁の作動によって負荷制限制御弁により
補助サーボモータの動作がブロックされ、ガイドベーン
は負荷遮断前の開度より定められた部分開度だけ閉じ、
その開度以下には閉鎖しない。 負荷遮断後のガイドベーンの開度は、ガバナの着く。一
方負荷遮断と同時にガバナにより速度上昇を検出して開
度制御機が作動して通常運転カムを無負荷運転カムに切
替え、ランナ羽根は一時的に１０％開いて、その後定格
回転速度の１１０％の速度、無負荷におけるガイドベー
ン開度とランナ羽根開度との関係が保たれる。所定の時
間を経過した後ガイドベーンを閉鎖させるため水位の２
、上昇を抑えるとともに、流量の急変を避けることがで
きる。従ってこの装置によれば、水路壁を壊す恐れがな
い。また、ダッシュポットを用いないので、無負荷運転
カムは負荷遮断時に確実に動作し、制御装置の信軌性を
高める。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例による可動羽根水車の制御装
置の系統図、第２図は従来の可動羽根水車の制御装置の
系統図、第３図は可動羽根水車の一定落差における性能
を示す図、第４図は可動羽根水車の一定落差におけるラ
ンナ羽根開度とガイドベーン開度との関係を示す図、第
５図は可動羽根水車の一定落差におけるランナ羽根開度
と流量との関係を示す図、第６図は可動羽根水車の一定
落差及びランナ羽根開度一定の場合におけるガイドベー
ン開度を指標とする回転速度と流量との関係を示す図、
第７図はこの発明の実施例による制御装置を用いて負荷
遮断した場合の過渡現象を示す図である。 １：補助サーボモータ、２：コンバータ、３：出力下限
制御弁、４：負荷制限制御弁、６：負荷制限モータ、７
：ガイドベーン配圧弁、９：ランナ羽根配圧弁、１ｏ：
通常運転カム、１２゜１４：サーボモータ、１３：無負
荷運転用カム、１６：ガイドベーンサーボモータ、１９
：電気ガバナ、２０：制ｍ機であるサージウニイブコン
トローラ。 ａｏ　ニガイドベーン開度、Ｈ：落差、ｎ：回転速度、
Ｑ：流量、η：効率、φ：ランナ羽根開度。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）水路式発電所で、カム機構によりガイドベーン開度
   とランナ羽根開度とを制御する可動羽根水車の制御装置
   において、補助サーボモータに連結された負荷制限装置
   と電気ガバナに接続されたコンバータとの間に結合され
   た出力下限制御弁と、速度上昇したとき作動する制御機
   と、この制御機により切替え操作される無負荷運転用カ
   ムとを設け、負荷遮断時に、ガイドベーンが急閉鎖する
   開度を前記出力下限制御弁により制限するとともに、前
   記制御機からの信号により前記カム機構を無負荷運転用
   カムに切替え、前記無負荷運転用カムによりランナ羽根
   開度及びガイドベーン開度を制御し、ガイドベーンを定
   められた部分開度だけ急閉鎖した後、定められた回転速
   度に一旦収斂させてから、ランナ羽根及びガイドベーン
   を緩閉鎖させることを特徴とする可動羽根の水車制御装
   置。