JPS6360226B2

JPS6360226B2 -

Info

Publication number: JPS6360226B2
Application number: JP56116253A
Authority: JP
Priority date: 1981-07-23
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1988-11-22
Also published as: JPS5818595A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は可変速水力回転機械の運転方法に係
り、特に発電電動機または電動機に接続されたポ
ンプ、ポンプ水車等の可変速水力回転機械を広範
囲の運転領域において最良の条件で運転するのに
好適な運転方法に関するものである。

この種水力回転機械においては、実機と同じ幾
何学的形状を有する模型との間に相似則が成り立
つことが知られている。したがつて、一般的には
実験室において模型試験を行い、その結果から相
似則を用いて実機性能を予測するようにしてい
る。

第１図は案内羽根を有する水力回転機械の一般
的な模型ポンプ性能を示す線図である。第１図に
おいて、１は案内羽根の開度を固定した場合の模
型試験回転速度Nmにおける模型試験落差Hmと
模型試験流量Qmとの関係を示す模型固有の特性
曲線である。また、２は上記特性に対応する模型
効率（ηm）曲線である。水力回転機械のポンプ
運転においては、一般的に上記の効率曲線の最高
効率点を結んだ包絡曲線４に対応する模型落差―
流量包絡曲線３に沿つて運転される。５は模型落
差―流量包絡曲線３に対応する模型キヤビテーシ
ヨン性能（σ_pri）包絡曲線である。

上記した相似則の一般式を下記に示す。

Ｈ＝（Ｎ／Nm・Ｄ／Dm）²Hm ……(1) Ｑ＝Ｎ／Nm（Ｄ／Dm）³Qm ……(2) ここに、Ｎ：実機回転速度 Nm：模型試験における回転速度Ｄ；実機の代表寸法 Dm；模型の代表寸法（Ｄに対応）Ｈ；実機落差 Hm；模型試験における落差Ｑ；実機流量 Qm；模型試験における流量ところで、回転速度一定として運転される水力
回転機械においては、水位条件より定まる最高落
差に対し第１図の包絡曲線３上に模型試験落差を
一点定めることにより、(1)式より実機寸法Ｄが定
まる（Nm，Dm，Ｎは既知）。また、この結果、
最低運転落差の場合は、(1)式において、Nm，
Dm，ＮおよびＤがわかつているから、実機最低
落差に対応する模型試験落差が第１図の包絡曲線
３から一義的に定まる。したがつて、実機運転落
差に対応する水力回転機械固有の運転範囲が模型
試験での特性曲線上から定まる。そして第１図に
矢印×で示した範囲が一般的実機運転範囲とな
る。なお、第１図のａ点は実機最高落差相当の模
型試験落差、ｂ点は実機最低落差相当の模型試験
落差であり、実機運転範囲はこの範囲となる。こ
れにともない、回転速度を一定とする従来の運転
においては、第１図の模型最高効率のＢ点以外の
部分については、Ｂ点にくらべて効率が落ち、ま
た、キヤビテーシヨン性能が最も良いｃ点にくら
べた場合、この点に対応する落差以外の範囲は、
キヤビテーシヨン性能が悪くなるという欠点を生
ずる。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、水位条件により落差が変化し
ても模型試験によつて得られるポンプ性能上の一
点で運転することができる可変速水力回転機械の
運転方法を提供することにある。

本発明の特徴は、水位条件によつて定まる落差
の平方根に比例した回転数信号を得る手段を設
け、この手段からの回転数信号により、この回転
数になるように運転するようにした点にある。

以下本発明の方法の一実施例を第２図ないし第
６図を用いて詳細に説明する。

第２図は本発明の運転方法の一実施例を説明す
るための装置のブロツク線図で、可変速水力回転
機械がポンプ水車の場合の例を示してある。第２
図において、６は水位条件によつて定まる落差Ｈ
に相当する落差信号からそれの平方根に比例して
変わる回転速度信号を得る信号変速器で、信号変
換器６で得られた回転速度信号をサイクロコンバ
ータ等の回転速度制御器７に与え、この回転速度
制御器７において、回転速度信号を運転すべき回
転速度に対応する周波数に変換し、ポンプ運転の
場合は、その周波数により発電電動機８の回転速
度を制御する。一方、上記の回転速度信号により
ポンプ水車調速機９を介してポンプ水車１０の案
内羽根の開度を制御する。この一連の制御動作を
第３図および第４図を用いてさらに詳しく説明す
る。

第３図は、第２図におけるポンプ水車１０およ
び発電電動機８の機器構成を説明するための図を
示し、第４図は、第２図におけるポンプ水車調速
機９の機器構成を説明するためのブロツク図を示
す。第３図において、２２は、水車運転時におい
ては図示にない上ダムからの水を図示にない導水
路管を経てランナ２１へ導き、また、ポンプ運転
時においてはランナ２１からの水を図示にない導
水路管を経て図示しない上ダムへ導くためのケー
シングを示し、２３は、水車運転時においてはラ
ンナ２１からの水を図示にない下ダムへ導き、ま
た、ポンプ運転時においては図示にない下ダムか
らの水をランナ２１へ導くためのドラフトチユー
ブを示す。ランナ２１は、水車運転時にはケーシ
ング２２から導入される水によつて回転し、水の
持つ位置のエネルギーを回転力（トルク）に変換
する働きをし、また、ポンプ運転時には、発電電
動機８から得られる回転力によつて図示にない下
ダムからの水を図示しない上ダムへ揚水、すなわ
ち、回転力を水の持つ位置エネルギーに変換する
働きをする。２４は案内羽根（ガイドベーン）を
示し、水車運転時にはケーシング２２からランナ
２１へ導入される水量を制御し、ポンプ運転時に
はランナ２１からケーシング２２へ吐出される揚
水量を制御する働きをする。３０はランナ２１と
発電電動機ローター２７を直結している主軸を示
し、水車運転時はランナ２１の回転力を発電電動
機８へ、また、ポンプ運転時は発電電動機８の回
転力をランナ２１へ伝達する働きをする。発電電
動機８において、２８はステータ、２７はロータ
ーを示し、２９は、ローター側に回転磁極を発生
させるためのコイルを示す。回転速度制御器７に
おいて、落差Ｈの平方根に比例した回転速度信号
は、発電電動機ローター２７の回転が回転速度信
号と一致するような周波数３７に変換されコイル
２９に入力される。すなわち、コイル２９には、
発電電動機ローター２７の回転速度が落差Ｈの平
方根に比例した回転速度となるような回転磁極が
発生するようになつている。

次に、第４図を用いてポンプ水車調速機９の機
能について説明する。４１は電気的信号を機械的
信号に変換するための信号変換器、４２は油圧で
作動する補助サーボモータ４３の圧油の流入、排
出を制御するための一次配圧弁、４４および４５
はそれぞれ速度調定率装置とダンピング装置、４
６は油圧で作動する主サーボモータ３１の圧油の
流入、排出を制御するための二次配圧弁を示す。
二次配圧弁４６と主サーボモータ３１で形成され
るサーボ機構は、一次配圧弁４２と補助サーボモ
ータ４３とで形成されるサーボ機構の信号増巾機
構としての役割を果しており、案内羽根２４は主
サーボモータ３１により開閉動作される。

次に、ポンプ運転時についてその具体的制御動
作を説明する。信号変換器６により落差Ｈの平方
根に比例した回転速度信号に変換された信号（電
気信号）３３は回転速度制御器７で該回転速度信
号に一致または逆比例した周波数に変換されてロ
ーター２７のコイル２９へ送られ、コイル２９内
に落差Ｈの平方根に比例した回転磁極を発生させ
る。ステータ２８には電力系統入力３９より三相
交流が入力されステータ２８に回転磁界を発生さ
せている。ローター側回転磁極とステータ側回転
磁界とによりローター２７には回転力（トルク）
が発生し、その場合のローター２７の回転速度は
ステータ側回転磁界の廻る速度とローター側回転
磁極の廻る速度の相対的差分で決まる回転速度と
なる。従つて、ローター２７と主軸３０を介して
直結しているランナ２１の回転速度も前記回転速
度となる。一方、信号３３はポンプ水車調速機９
の信号比較器５８に回転速度目標値として送られ
ると同時に比較器６４に送られる。比較器６４よ
り出力された信号６２により負荷調整用配圧弁６
１の図示にないプランジヤーが作動する。

負荷調整用配圧弁６１のプランジヤー動作によ
り、補助サーボモータ４３は油圧を媒体として動
作する。この補助サーボモータ４３の動作位置信
号５２は比較器６４にフイードバツクされるよう
になつており、補助サーボモータ４３の動作量が
信号３３の大きさと等しくなつたときその動作を
終了し、案内羽根２４の開度が変化後の落差Ｈの
平方根に比例した回転速度に対し最適な開度とな
るような位置となるようになつている。ポンプ運
転の場合、速度調定率装置４４とダンピング装置
４５はオフ状態になつている。補助サーボモータ
ストローク信号５２は信号増巾機構として設けら
れている主サーボ機構に伝達され、二次配圧弁４
６の図示にないプランジヤーを動作させる。二次
配圧弁４６のプランジヤー動作により、主サーボ
モータ３１は油圧を媒体として動作する。フイー
ドバツク機構により主サーボモータ３１は補助サ
ーボモータストローク信号５２の大きさと等しく
なつた時その動作を終了し、変化後の補助サーボ
モータ位置と合致した位置となる。主サーボモー
タ３１は案内羽根操作機構３５を介して案内羽根
２４に連結されており、案内羽根は変化後の落差
Ｈの平方根に比例した回転速度に対し最適な開度
となる。

第５図は第２図の信号変換器６の一例を示す構
造説明図である。第５図においては、落差信号を
第１の信号変換素子１１に与えて回転量に変換
し、それによりカム１２を回転させ、カム１２に
よつて落差信号の平方根に比例した直線変位を得
て、この直線変位を差動トランス等からなる第２
の信号変換素子１３により電気信号に変換し、落
差信号の平方根に比例した回転速度信号を得るよ
うに構成してある。

上記した本発明の実施例のように、ポンプ水車
１０を可変速度で運転し、しかも、その回転速度
Ｎを常に回転速度の２乗が実機運転落差範囲内の
落差Ｈに比例するように選択すると、上記した(1)
式において、Nm，Dmはすでに定まつているか
ら、実機寸法Ｄが決まれば、一義的にHmが決定
される。したがつて、模型試験で得られた模型ポ
ンプ性能上の一点ですべての落差における運転が
可能になる。

そのため、例えば、水力発電設備の運用条件を
考慮し、機器寸法を最小にすることが最も経済的
と判断される場合は、第６図に示す模型ポンプ性
能を示す線図上で、振動等を考慮した運転可能な
最大の落差Hmを得るＡ点を運転点とする実機寸
法として機器寸法を最小にすることが可能にな
る。なお、この場合、第６図のＡ点に相当する落
差Hmが得られるように、実機運転落差Ｈの平方
根に比例した回転速度信号を得るときの比例常数
を決めるようにする。

また、運用上効率を良くすることが最も経済的
と判断される場合は、第６図に示す線図上で、最
高効率を得るＢ点を選定して実機寸法を決定し、
Ｂ点に相当する落差Hmが得られるように可変速
運転することにより、最高効率運転が可能にな
る。

また、一般的に水力回転機械の吸出し高さは、
下池水位に対する機器の据付高さを意味し、キヤ
ビテーシヨン性能から必要吸出し高さを定めるこ
とにより、下池水位に対する機器据付位置が決定
される。水力回転機械の建屋に関する木工費の点
から、吸出し高さを最小にすることが最も経済的
と判断される場合は、第６図に示す線図上で、キ
ヤビテーシヨン性能が最小となるＣ点を選定して
実機寸法を決定し、最も経済的な設備とすること
が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、水位条
件により落差が変化しても模型試験によつて得ら
れるポンプ性能上の一点で運転することができ、
水力回転機械の経済的設計が可能になるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は案内羽根を有する水力回転機械の一般
的な模型ポンプ性能を示す線図、第２図は本発明
の水力回転機械の運転方法の一実施例を説明する
ための装置のブロツク線図、第３図は第２図おけ
るポンプ水車および発電電動機の機器構成を説明
するための図、第４図は第２図におけるポンプ水
車調速機の機器構成を説明するためのブロツク
図、第５図は第２図の信号変換器の一例を示す構
造説明図、第６図は本発明の効果を説明するため
の具体的運転点を示した模型ポンプ性能を示す線
図である。６…信号変換器、７…回転速度制御器、８…発
電電動機、９…ポンプ水車調速機、１０…ポンプ
水車、２４…案内羽根（ガイドベーン）、２９…
コイル、３０…主軸、３１…主サーボモータ、３
５…案内羽根操作機構、４１…信号変換器、４２
…一次配圧弁、４３…補助サーボモータ、４４…
速度調定率装置、４５…ダンピング装置、４６…
二次配圧弁、４８，５６〜５８，６４…比較器、
６１…負荷調整用配圧弁。

Claims

【特許請求の範囲】１ポンプ，ポンプ水車等の可変速水力回転機械
を運転するときに、水位条件によつて定まる落差
の平方根に比例した回転数信号を得る手段を設
け、該手段からの回転数信号の回転数になるよう
に運転することを特徴とする可変速水力回転機械
の運転方法。２前記回転数信号を得る手段が可変速水力回転
機械の模型試験によつて得られるポンプ性能上の
機器寸法を最小にする一点、最高効率を得る一
点、キヤビテーシヨン発生を最小にする一点もし
くは上記いずれかの一点の近傍の綜合的に最適な
一点を運転点とする回転数信号を得るように構成
してある特許請求の範囲第１項記載の可変速水力
回転機械の運転方法。