JPH06257552A - デフレクタ放流用電気式調速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】余水路省略水力発電所におけるペルトン水車の
ニードルおよびデフレクタの各制御ループが独立してお
らず事故復旧後の系統への再並入時点の制御が不安定に
なることを防ぐ。 【構成】ノズルの開度指令値を上部水槽水位調節用の開
度設定器７で与え、デフレクタの開度指令値を系統並入
前および並入直後には速度調節器の出力値で与えること
で、定常発電を行う迄はノズルとデフレクタの開度制御
系を互いに独立化して並入時点の制御を安定化し、定常
発電時には速度調節器の出力上限値をデフレクタ上限開
度リミッタによってノズル開度に応じた上限値に制限す
ることで従来と同様デフレクタ開度をノズル開度に応じ
た最適位置に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、余水路の省略された流
れ込み発電所（つまり常時は上流からの流入水を全て水
車に導いて発電し、水車を停止またはその負荷を軽減し
たいときはデフレクタでジェット噴流をペルトン水車か
ら反らし下流へ放流する方式の発電所）におけるペルト
ン水車発電機の電気式調速装置に関する。なお以下各図
において同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来技術としては本出願人の先
願になる特開昭６１−２００３８１号がある。次にこの
先願の技術を説明する。

【０００３】ペルトン水車の構造要部の概要を図３に示
す。同図において図示しないヘッドタンクから水を導く
導水管３１には複数に分岐した分岐管３２，３２ａが設
けられている。分岐管３２，３２ａにはそれぞれ先端に
ニードル３３が設けられたニードルシャフト３３ａが曲
管３４，３４ａをそれぞれ貫通しノズルパイプ３５，３
５ａに設けられた図示しない軸受によって支持され、図
示しない駆動装置により往復動される。ニードルシャフ
ト３３ａの往復動によりニードル３３はノズル３６，３
６ａに挿入，引抜きされ、ノズルの開度が調整され、ヘ
ッドタンクからの水流をこの開度でジェット水流として
噴出する。このジェット水流はランナ３７に多数設けら
れたバケット３７ａに当たり、ランナ３７を矢印の方向
に回転させる。そしてランナ３７の軸３７ｂに結合した
発電機を駆動し電力を取り出すことができる。

【０００４】デフレクタ３８はノズルを覆うように回動
可能に設けられており、デフレクタ追尾制御器１０を介
しニードルとデフレクタとの相関特性によりニードルと
デフレクタとの位置が最適関係になるように（つまり発
電時には常時、デフレクタが噴流を全て水車に当てるよ
うにしながら、噴流を（水車に対し）反らす必要が生じ
た時には無駄時間なくその動作ができる位置に待機する
ように）している。なお系統遮断時にノズルから噴出す
るジェット水流の方向を変えるようにデフレクタは前記
ノズルを覆うことにより、ランナの異常回転速度上昇や
水圧鉄管の急激な圧力上昇を防止している。流れ込み発
電所におけるペルトン水車ではヘッドタンクに水位調節
器を設け、水位に応じてニードルとノズルとの開度が調
節され、この開度から噴出するジェット水流に応じた電
力がランナ３７を介して発電機により取出され、いわゆ
る水位調整運転（水調運転とも略す）が行われる。この
場合発電機の周波数は並入された電力網の周波数になっ
ている。

【０００５】なお、ペルトン水車の回転数を設定，制御
する周波数設定器，制御器等が設けられ電力網から解列
された時の無負荷運転時の水車の回転数を設定，制御す
るようにしている。

【０００６】以上のようなペルトン水車の水調運転にお
いて電力網からの系統遮断時にはデフレクタを急閉鎖さ
せて、ノズルから噴出するジェット水流の方向を変化さ
せてランナのバケットに当たらぬようにしてランナの回
転数の上昇を押えるとともにニードルも閉鎖するように
している。

【０００７】つぎに水調運転における前記先願のペルト
ン水車の制御回路について説明する。図２はペルトン水
車の制御回路（つまり電気式調速装置）の要部回路図で
ある。同図において二群の分岐管に設けられたニードル
はそれぞれ開度調節器２，２ａにより調節されるサーボ
モータ１，１ａにより往復動し、ノズルに挿入，引抜き
されてニードルの開度が調節され、それぞれ開度検出器
３，３ａにより開度が検出される。またデフレクタは開
度調節器５により調節され、サーボモータ４によりノズ
ルを覆うように回動され、その開度を示す開度検出器６
により開度が検出される。

【０００８】ここで切替スイッチ２３は回路２０と２１
との間および回路２０と回路２２とに設けられ、周波数
検出器１７が検出するランナの回転数上昇に連動するス
イッチである。この切替スイッチ２３は通常の水調運転
時はスイッチ接点２３ａは開，２３ｂと２３ｃはともに
閉になっており、周波数検出器１７により検出するラン
ナの回転数が上昇するとスイッチ接点２３ａは閉、２３
ｂと２３ｃはともに開になる。

【０００９】従って水調運転時には、ペルトン水車に送
水するヘッドタンクの水位により制御され水位を調整す
る水位調節開度設定器７は閉状態のスイッチ接点２３
ｂ，２３ｃを介し加算器８，８ａにて開度検出器３，３
ａからの検出開度がフィードバックされてサーボモータ
１，１ａによりニードルの往復動を制御している。また
前記水位調節開度設定器７は同様にスイッチ接点２３
ｂ，デフレクタ追尾制御器１０，加算器２７を介して加
算器９にてデフレクタの開度検出器６からの検出開度が
フィードバックされてサーボモータ４によりデフレクタ
の開度を制御している。

【００１０】一方電力網から切離された無負荷運転時の
ランナの回転数を設定，制御するための周波数設定器１
１は加算器１２，１３、ＰＩＤ制御器１４を経て一方は
スイッチ接点２３ｃおよび加算器８，８ａを経てサーボ
モータ１，１ａに、他方はデフレクタ追尾制御器１０と
加算器２７および９を経てサーボモータ４に接続されて
いる。そして加算器１３には開度検出器３，３ａからの
検出開度を加算器１５にて演算し、これを剛性復原制御
器１６を介して加算器１３にフィードバックしている。
なお周波数検出器１７からの検出周波数を加算器１２に
フィードバックしている。

【００１１】上記のような制御回路においてペルトン水
車の水調運転ではヘッドタンクの水位を調整する水位調
節開度設定器７によりニードルはサーボモータ１，１ａ
によりヘッドタンクの水位が調節されるようにニードル
の開度が保持され、分岐管に送られた水をこの開度から
ジェット水流となって噴出させている。そしてこのジェ
ット水流はランナのバケットに当たり、送水量に応じた
電力を発電機より取り出している。

【００１２】一方デフレクタはデフレクタ追尾制御器１
０によりニードルとデフレクタの最適位置が保たれてサ
ーボモータ４によりデフレクタは回動して位置決めされ
ている。

【００１３】ここで系統遮断が生じ、ランナの回転速度
が上昇すると周波数検出器１７は回転数上昇を検出し、
前述のようにスイッチ接点２３ｂ，２３ｃを開にし２３
ａを閉にすることにより回路２１と２０および２２と２
４は切離されるとともに回路２０と２４とは接続され
る。したがってニードルは水位調節開度設定器７からの
信号により開度調節器２と２ａ，サーボモータ１と１
ａ，開度検出器３と３ａ，剛体復原制御器１６とからな
る回路によりそれぞれのニードルの開度が調整され、ヘ
ッドタンクからの水流はこの開度で放流されてヘッドタ
ンクの水位は保持される。これと同時にデフレクタは周
波数設定器１１，周波数検出器１７，ＰＩＤ制御器１
４，開度調節器５，サーボモータ４，開度検出器６から
なる回路によりノズルから噴出するジェット水流を覆っ
て方向を変化させてランナの異常回転数上昇を防ぎ、ま
た周波数設定器，ＰＩＤ制御器等の作用によりデフレク
タはジェット水流の一部をランナに噴出させる開度を保
ち、設定した無負荷運転時の回転数を保持する。この場
合、なるべく周波数不感帯制御器２６を回路２８と加算
器２７との間に挿入してデフレクタの揺動を少なくして
いる。

【００１４】なお電力網への並入は保持された無負荷運
転時の回転数により直ちに行われ、並入後は切替スイッ
チ２３を切替えて通常運転を行う。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の余
水路省略水力発電所のペルトン水車用電気式調速装置
は、デフレクタ制御ループとニードル制御ループとを分
離しておらず、且つ水位調節開度設定器７も１個で実施
しており、系統しゃ断などの事故時には、開度設定器７
の制御対象をニードルに、速度制御ループの制御対象を
デフレクタにそれぞれ切り換えて制御している。しかし
ながらこのような電気式調速装置では、以下の問題があ
る。

【００１６】事故復旧後の系統への再並入のためのこ
の再並入前の水車調速モードにおいて、デフレクタはＰ
ＩＤ制御器１４の出力によりデフレクタ追尾制御器１０
を介して開度制御されるが、デフレクタ追尾制御器１０
は系統への並入後のニードル開度に対応すべき特性に選
ばれているので、この再並入前のデフレクタの低開度時
にはゲインが高すぎて水車に対する微妙な水流調整がで
きない。

【００１７】系統への再並入後、速度制御ループによ
る開度指令値の制御対象がデフレクタのみから、ニード
ルおよびデフレクタに切り換わり並行制御となるが、再
並入直後の無負荷または軽負荷時（低開度時）には開度
指令値はＰＩＤ制御器１４の出力として定められ、その
後徐々に開度を上げ（つまり負荷を増大させ）定常状態
となったとき、開度指令値はＰＩＤ制御器１４の出力値
の上限を規制する水位調節開度設定器７の出力値なる。
従って再並入の直後ＰＩＤ制御器１４の出力する開度指
令値が水位調節開度設定器７の値に追従するまでの間、
ニードルを絞り込むことになり不要な動作をする。ま
た、これにより上部水槽の水位変動を引き起こし好まし
くない。そこでこの発明の課題はこれらの問題を解消し
操作性能および制御性能を向上させたデフレクタ放流用
電気式調速装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の電気式調速装置は『ペルトン水車発電
機のランナ（３７など）へジェット水流を噴出するノズ
ル（３６，３６ａなど）の開度がノズル開度指令値に等
しくなるようにニードル（３３など）の挿入，引抜を可
変操作するノズル開度制御手段（加算器８，８ａ、開度
調節器２，２ａ、サーボモータ１，１ａ、開度検出器
３，３ａなど）、

【００１９】前記ジェット水流の方向を前記ランナの方
向から反らすデフレクタ（３８，３８ａなど）の開度が
デフレクタ開度指令値に等しくなるように前記デフレク
タの姿勢を可変操作するデフレクタ開度制御手段（加算
器９，開度調節器５，サーボモータ４，開度検出器６な
ど）、

【００２０】少なくとも（周波数設定器１１，周波数検
出器１７，加算器１２などを介して得られる）前記発電
機の速度偏差を０とするように該偏差をＰＩＤ演算増巾
し、開度指令値として出力するＰＩＤ調節手段（ＰＩＤ
制御器１４など）を備えたデフレクタ放流用電気式調速
装置において、

【００２１】前記ノズル開度指令値を前記ノズルに送水
するヘッドタンクの水位を調節するための水位調節開度
設定器（７など）より与え、

【００２２】少なくとも系統への前記発電機の並入前お
よび並入直後は（上限開度演算器１０６などを介し）前
記デフレクタ開度指令値を前記ＰＩＤ調節手段の出力す
る開度指令値とするようにし』、また

【００２３】請求項２の電気式調速装置は前記請求項１
に記載の電気式調速装置において、『前記ＰＩＤ調節手
段の出力する開度指令値の上限値を前記ノズルの開度に
応じた所定値に制限する手段（高値選択器１１４，デフ
レクタ上限開度リミッタ１１３など）を備えた』ものと
する。

【００２４】

【作 用】余水路省略水力発電所に使用されるペルトン
水車のデフレクタとニードルは、通常のペルトン水車の
ものと違って、デフレクタは並入前の速度調整を主な機
能とし、ニードルは水車の速度に関わらず上部水槽への
水の流入量に応じて使用水量を制御する流量調整を主な
機能とする事に着目し、系統並入前および並入直後にお
いてはデフレクタ開度を操作して速度を制御する速度制
御ループと、ニードル開度を制御する開度制御ループと
を分離し、デフレクタ開度指令値を速度調節器（ＰＩＤ
制御器）の出力値で与え、ニードル開度指令値を上部水
槽水位調節用の開度設定器７で与えることで、系統と切
り離された状態においてデフレクタとニードルの制御ル
ープが相互に干渉しない構成とし、並入時点の制御を安
定化した。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の一実施例としての構成を示す
ブロック図で図２に対応するものである。同図におてい
は基本的にはニードルの開度は従来の水位調節開度設定
器７の指令によって定めれらている。他方、デフレクタ
の開度は系統への並入の前および直後には速度制御用の
ＰＩＤ制御器１４の出力によって指令され、定常運転時
にはデフレクタ上限開度リミータ１１３，上限開度演算
器１０６を介して従来と同様、ニードルの開度に対応す
る最適開度値に指令される。従って系統並入の前および
直後にはニードルの開度制御ループとデフレクタの開度
制御ループは互いに独立になる。

【００２６】なお図１においてデフレクタの制御系にお
ける上限開度演算器１０６は、速度調整指令（ＰＩＤ制
御器１４の出力）と、起動・停止用デフレクタ開度制限
設定器１０５の指令と、デフレクタ上限開度リミッタ１
１３から与えられるニードルとの相関開度の３値のうち
の最も低い値を、デフレクタの開度指令値として出力す
る。

【００２７】ここで起動・停止用デフレクタ開度制限設
定器１０５は水車の起動または停止時に手動または自動
で操作される設定器で、水車の停止時にはこの設定器１
０５の出力を０％（開度）とすることで、ＰＩＤ制御器
１４およびデフレクタ上限開度リミッタ１１３の出力に
優先してデフレクタ開度を０とすることができる。他
方、水車の起動時にはこの設定器１０５の出力を速やか
に１００％とすることで実質的な開度指令には無関係と
し、デフレクタの開度をＰＩＤ制御器１４の出力に追従
させる。

【００２８】なお加算器１３，剛性復原演算器１６，割
算器１０７，負荷設定器１１１，加算器１２０はこの電
気式調速装置に周知の剛性復原機能（速度垂下特性）を
持たせるためのものであり、本発明とは直接無関係であ
る。

【００２９】次にニードルの制御系において、高値選択
器１１４は１群ニードルの開度検出器３または２群ニー
ドルの開度検出器３ａの何れか大きい方の開度検出値１
１４ａを選択してデフレクタ上限開度リミッタ１１３に
与える。

【００３０】デフレクタ上限開度リミッタ１１３は入力
したニードル開度検出値１１４ａに対応した最適のデフ
レクタの開度を演算して上限値１１３ａとして上限開度
演算器１０６を与えることで、ＰＩＤ制御器１４の出力
の上限値を定める。従って定常の発電時にはデフレクタ
の開度はこの上限値となるように制御される。

【００３１】このようにしてデフレクタは周波数設定器
１１と周波数検出器１７および剛性復原演算器１６から
得られた偏差をＰＩＤ制御器１４により演算し上限開度
演算器１０６を通した最適開度に、すなわち系統並入
前、および直後においては、ニードル制御系とは無関係
にＰＩＤ制御器１４の出力値としての開度に、そして並
入後の定常時にのみ、デフレクタ上限開度リミッタ１１
３の出力値１１３ａ、すなわちニードル開度に対応した
最適の開度にそれぞれ制御される。

【００３２】他方、ニードルは上部水槽への流入量に応
じて（または、上部水槽の水位に応じて）調整されるニ
ードル水位調節開度設定器７によってのみ定まる開度に
制御されるため、通常の電気式調速装置と違い周波数の
信号により影響を受けない。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ノズル開度を制御する
開度制御ループとデフレクタ開度の制御を介して速度を
制御する速度制御ループとを系統並入前および並入直後
においては互いに独立となるようにしたので、系統並入
時点におけるノズル，デフレクタそれぞれの制御を安定
化し、従来のような不要なニードルの絞り込みによる上
部水槽の水位変動等を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての構成を示すブロック
回路図

【図２】図１に対応する従来のブロック回路図

【図３】ペルトン水車構造の要部の部分断面図

【符号の説明】

１ ニードルのサーボモータ １ａ ニードルのサーボモータ ２ 開度調節器 ２ａ 開度調節器 ３ 開度検出器 ３ａ 開度検出器 ４ デフレクタのサーボモータ ５ デフレクタの開度調節器 ６ デフレクタの開度検出器 ７ 水位調節開度設定器 ８ 加算器 ８ａ 加算器 ９ 加算器 １１ 周波数設定器 １２ 加算器 １４ ＰＩＤ制御器 １７ 周波数検出器 ３２ 分岐管 ３２ａ 分岐管 ３３ａ ニードル ３６ ノズル ３６ａ ノズル ３７ ランナ ３８ デフレクタ ３８ａ デフレクタ １０６ 上限開度演算器 １１３ デフレクタ上限開度リミッタ １１４ 高値選択器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ペルトン水車発電機のランナへジェット水
   流を噴出するノズルの開度がノズル開度指令値に等しく
   なるようにニードルの挿入，引抜を可変操作するノズル
   開度制御手段、 前記ジェット水流の方向を前記ランナの方向から反らす
   デフレクタの開度がデフレクタ開度指令値に等しくなる
   ように前記デフレクタの姿勢を可変操作するデフレクタ
   開度制御手段、 少なくとも前記発電機の速度偏差を０とするように該偏
   差をＰＩＤ演算増巾し開度指令値として出力するＰＩＤ
   調節手段を備えたデフレクタ放流用電気式調速装置にお
   いて、 前記ノズル開度指令値を前記ノズルに送水するヘッドタ
   ンクの水位を調節するための水位調節開度設定器より与
   え、 少なくとも系統への前記発電機の並入前および並入直後
   は前記デフレクタ開度指令値を前記ＰＩＤ調節手段の出
   力する開度指令値とするようにしたことを特徴とするデ
   フレクタ放流用電気式調速装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電気式調速装置におい
   て、前記ＰＩＤ調節手段の出力する開度指令値の上限値
   を前記ノズルの開度に応じた所定値に制限する手段を備
   えたことを特徴とするデフレクタ放流用電気式調速装
   置。