JPS642787B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水車のガイドベーンを操作するガバナ
の制御装置に係り、特にメジヤーループの速度制
御系の内側に開度制御系と閉鎖速度制御系とのマ
イナーループを設けることによつて、任意の閉鎖
速度特性が得られしかも全開より全閉（又は全閉
より全開）えの切換えを何らシヨツクなく行な
え、制御性がよい制御装置を提供しようとするも
のである。

水車のガイドベーンの開度を操作するものとし
て、例えば速度制御系をメジヤーループとし、こ
の制御系の内側にコンバーター配圧弁−サーボモ
ータを主体とした油圧サーボ系を配して、ガイド
ベーンの開度を操作することによつて水車の起動
および加速制御、さらには所定の負荷遮断を行な
う電気式ガバナなるものはよく知られている所で
ある。かかるガバナの制御装置によつて水車の起
動−加速−減速−停止と云う一連のモードを行な
う場合の、時間の経違に対するガイドベーンの開
度θおよび操作速度Ｖの特性を示したものが第１
図で、この特性図で実線はガイドベーンの開度特
性を示し、同様に破線はガイドベーンを操作する
操作速度特性を示している。この特性図より明ら
かなように、水車を所定の定格回転数まで加速す
るには、一定の操作出力を以つて図示するような
操作速度V₀を与えてガイドベーンの開度を全開
まで操作すればよく、これに対して所定の負荷遮
断を行なうべくガイドベーンの開度を全閉の位置
まで閉鎖する場合には、破線で示すようなV₁−
V₂−V₃なる操作速度特性が得られるべく所定の
操作出力を与えれば、実線で示すような所望の閉
鎖速度特性が得られ水圧管の圧力上昇も所定の範
囲内に抑えることができる。かかる一連のモード
で重要なことは負荷遮断時の閉鎖モードである。
この閉鎖モードは図示する如く不動時間τと第１
の閉鎖時間T₁、第２の閉鎖時間T₂と緩衝時間
T₃、さらには第１の閉鎖時間T₁の一部と第２の
閉鎖時間T₂とを含めた等価閉鎖時間Tcとで区分
され、このような閉鎖時間で表わせる閉鎖速度特
性のパターン如何によつては水圧管の圧力が急上
昇し、重大事故を誘発することにもなりかねな
い。従つて従来では、例えば配圧弁の機械的に定
まる配油のポート位置と、油量を決定するポート
径の調整とで所望の閉鎖速度特性を得るようにし
ているが、しかし乍らポートの位置は一度決定す
ると変更できないものであり、特に変更するには
設計および製作の変更を伴ない非常に面倒であ
る。又、ポート径を調整して油量を絞る場合は、
油温によつて油の粘性が変りガイドベーンを操作
する操作出力そのものが変化してしまうと云うよ
うに保守面で非常に煩雑化することである。かか
る問題点を解決する方法として、例えば特開昭54
−142440号（特願昭53−50394号）で提案されて
いるように、メジヤーループの速度制御系にマイ
ナーループの閉鎖速度制御系なるものを設けて、
この閉鎖速度制御系にガイドベーンの開度検出信
号を基にした閉鎖速度指令を発生するパターン発
生回路を挿入し、このパターン発生回路の可変抵
抗器群を調整することによつて、任意の閉鎖速度
特性のものが得られるようにしたものであるが、
この方法は、得られる閉鎖速度特性そのものが油
圧系の油に依存性がないようにし自由度の高い装
置を実現した点で画期的ではあるが、所定の閉鎖
モード時に於て開度制御系を開路して閉鎖速度制
御系を新たに挿入するものであるから、ガイドベ
ーンの全開より全閉えの切換え時さらには全閉よ
り全開えの切換え時の過渡期に、制御系えのシヨ
ツクが大きく閉鎖出力が大きく変動するとか動作
上の安定性が悪い。さらに閉鎖モード時は開度制
御系を開路するものであるから、開度そのものの
制御性が悪くなると云うことである。

本発明はこの点に鑑みて発明されたものであつ
て、特に本願はマイナーループを開度制御系と閉
鎖速度制御系とで構成したことを一大特徴とし以
下第２図の実施例に基づき詳述する。

同実施例で１は水車の速度指令を与える速度設
定器で、２はその構成は図示しないがパイロツト
発電機より送出されるパルス信号群を直流レベル
の電圧信号に変換し水車の回転数を取出す速度検
出回路で、３は所定の剛性復原量と弾性復原量と
の各信号を与える為の剛性復原−弾性復原量発生
回路で、４は速度設定指令信号と剛性復原量、弾
性復原量とを比較する為の比較回路で、５は速度
誤差電圧を一旦増幅する為の速度制御用増幅器
で、６はガイドベーンの開方向の操作時間を設定
する設定回路で、この回路は操作時間設定器VR₁
−抵抗R₁〜R₃−高利得増幅器A₁とで構成される。
７はガイドベーンの開度を検出する開度検出回路
で、８は可変リミツター回路を備えた開度制御用
増幅器で、この増幅器は抵抗R₁₅〜R₁₈よりなる
可変リミツター回路と、入力抵抗R₄〜R₅−帰還
抵抗R₆−ダイオードD₁〜D₂−高利得増幅器A₂よ
りなる増幅回路とで構成される。９は所望の閉鎖
速度特性のパターンを発生するパターン発生回路
で、この回路は最低操作速度に到達した時点での
開度を設定する開度設定器VR₂と、最低操作速度
指令を与える最低操作速度設定器VR₄と、最高操
作速度指令を与える最高操作速度設定器VR₅と、
特に第１図に示す等価閉鎖時間Tcでの操作出力
のゲインを調整するゲイン調整用設定器VR₃と、
入力抵抗R₇〜R₉及びR₁₁〜R₁₃−帰還抵抗R₁₀，
R₁₄−ダイオードD₃〜D₅−高利得増幅器A₃〜A₄
とでそれぞれ構成される。１０は開度検出信号を
微分して所望のの閉鎖速度信号を取出す為の閉鎖
速度検出回路で、この回路は微分用コンデンサ
C₁−入力抵抗R₁₉−帰還抵抗R₂₀−高利得増幅器
A₅とでそれぞれ構成される。１１は閉鎖速度の
誤差電圧を一旦増幅する為の閉鎖速度制御用増幅
器で、この増幅器は入力抵抗R₂₁〜R₂₃−帰還抵
抗R₂₄−積分用コンデンサC₂−高利得増幅器A₆−
積分回路の時定数を調整する可変抵抗VR₆とでそ
れぞれ構成される。

以上のように構成される本実施例の動作を第３
図〜第６図に示す各特性図を参照し乍ら述べる
と、先ず水車を所定の定格回転数まで起動−加速
する場合は、第２図のパターン発生回路９が開路
状態にあつて速度設定器１より所定の速度指令信
号が比較回路４に、又、所定のガイドベーン開方
向の操作時間指令電圧が操作時間設定回路６より
リミツター回路の抵抗R₁₅−R₁₆にそれぞれ与え
られる。このように所定の速度設定指令信号と操
作時間指令信号とが入力されると、起動時は水車
の速度検出信号とガイドベーンの開度検出信号と
は共に零であるので、速度指令電圧がそのままメ
ジヤーループの速度制御用増幅器５→マイナール
ープの開度制御用増幅器８の経路を介して与えら
れ、高利得増幅器A₂の出力電圧値がVt・R₁₅／
R₁₆（但しVtは操作時間設定回路６の指令電圧を、
R₁₅−R₁₆は各抵抗の抵抗値をそれぞれ示す）な
る電圧に達するまで、高利得増幅器A₂の出力が
Vt・R₁₅／R₁₆なる最大のリミツト電圧に制限さ
れ、このリミツト電圧を基に第２のマイナールー
プの閉鎖速度制御用増幅器１１および図示しない
サーボ系を介してガイドベーンの開度が開かれて
行き、水車は起動され加速されて行く。水車が加
速され始めると速度指令電圧と速度検出信号とに
速度誤差電圧を生じ始め、この速度誤差電圧を増
幅した開度指令電圧と開度検出回路７より与えら
れる開度検出信号との開度誤差電圧を増幅した高
利得増幅器A₂の出力は、上記リミツト電圧値
Vt・R₁₅／R₁₆より依然として大きいので、この
リミツト電圧に制限された電圧を以つてガイドベ
ーンの開度が急速に開かれて行き水車は定格回転
数まで急激に加速されて行く。なお定格回転数に
達するまでのガイドベーンの操作時間は、操作時
間設定器VR₁で任意に設定されることは申すまで
もない。さて開度制御用増幅器８の高利得増幅器
A₂の出力がリミツト電圧値Vt・R₁₅／R₁₆より低
くなると、マイナーループの閉鎖速度制御用増幅
器１１に入力される速度指令電圧はリミツト電圧
より解放され、この指令電圧がそのまま閉鎖速度
制御系および図示しないサーボ系に与えられて加
速状態は除々に緩められて行つて遂には定格回転
数に達することになる。

次に所定の負荷遮断時の閉鎖モードについて説
明するに、閉鎖モード時に於ては第２図に示す操
作時間設定回路６が開路状態にあつて、速度設定
器１より所定の全閉指令（開度零を示す）が比較
回路４に、又、最低操作速度設定器VR₄より第３
図に示すような特性の指令電圧が加算器の高利得
増幅器A₄に、さらに最高操作速度設定器VR₅よ
り加算器の高利得増幅器A₄に所定の電圧がそれ
ぞれ入力される。このように各指令電圧が入力さ
れると、負荷遮断を開始するまではガイドベーン
の開度は略全開の位置にあつて、水車は定格回転
数で回転しているので、全閉を意味する速度指令
電圧と速度検出信号の電圧との速度誤差電圧は起
動時とは全く逆の最大の負電圧となつている。こ
の速度誤差電圧がメジヤーループの速度制御用増
幅器５および第１のマイナーループの開度制御用
増幅器８の経路を通して入力され、増幅した速度
誤差電圧と開度検出回路７より入力される開度検
出信号との開度誤差電圧を基にガイドベーンの開
度は閉方向に閉じられて行く訳であるが、この開
度誤差電圧が閉鎖モード時はパターン発生回路９
より出力されるパターン指令電圧に規制されるよ
うになる。即ちパターン発生回路９は入力抵抗
R₉を介して入力される開度検出信号を基に、こ
の開度検出信号と開度設定器VR₂より与えられる
最低操作速度到達時の開度指令電圧とを高利得増
幅器A₃で比較し、この開度誤差電圧を増幅した
信号と最低操作速度設定器VR₄より入力される第
３図に示す特性の指令電圧とを、高利得増幅器
A₄の加算器で加算するようにする。ここでガイ
ドベールの最低操作速度到達時の開度位置を設定
する開度指令電圧と開度検出信号との開度誤差電
圧の特性は、第４図の特性図で示すようにガイド
ベーンの開度θが除々に閉じられて行くのに応じ
て直線的に低下して行き、設定した開度位置
θminに到達した時点で零となる特性であつて、
この特性の傾きはゲイン調整用設定器VR₃でその
ゲインを調整するようにすれば、第４図の特性図
に示すように任意に変えることができる。かかる
開度誤差電圧の操作速度出力と第３図に示す最低
操作速度出力とを高利得増幅器A₄の加算器で加
算するものであるから、開度位置に対しての操作
速度出力は第５図の実線で示すような特性となつ
て、この操作速度出力が開度制御用増幅器８のリ
ミツト電圧を決定することになる。従つて閉鎖モ
ードに移行した時点より所定期間は、第４図の特
性に示す操作速度出力と第３図の特性に示す操作
速度出力とを加算した値が、最高操作速度設定器
VR₅で設定したリミツト電圧値より大きいので、
このリミツト電圧に制限された第５図に示す最大
操作速度出力V₁が第２図の開度制御用増幅器８
の各抵抗R₁₇−R₁₈に与えられ、これら抵抗器R₁₇
−R₁₈で開度制御用増幅器のリミツト電圧V_HがV_H
＝V₁・R₁₇／R₁₈なる式（但しV₁は最大操作速度
出力電圧をR₁₇，R₁₈は各抵抗値をそれぞれ示す）
で決定されて、速度誤差電圧を増幅した開度指令
電圧と開度検出信号との開度誤差電圧を増幅した
閉鎖速度指令信号が、上記リミツト電圧V_Hに制
限されて閉鎖速度制御用増幅器１１に入力され、
この閉鎖速度指令信号と閉鎖速度検出回路１０よ
り入力される速度検出信号との速度誤差電圧を基
に、ガイドベーンの開度が閉方向に操作されるこ
とになる。従つて閉鎖モードに移行した時点の閉
鎖速度指令信号は最大出力であるので、ガイドベ
ーンの開度は第６図の第１の閉鎖時間T₁に示す
如く急激に閉鎖されて行く。このようにガイドベ
ーンの開度が急激に閉鎖されていつてパターン発
生回路９の加算器の出力電圧（これは第３図の出
力電圧と第４図の出力電圧とを加算した電圧値を
示す）が、設定器VR₅で設定した最大操作速度指
令のリミツト電圧以下になると、当該加算器の加
算出力がそのまま第２図の開度制御用増幅器８に
導びかれてリミツト電圧が新たに設定されること
になる。このリミツト電圧は上記したように加算
器の出力電圧を分圧したものであり、しかも加算
器の出力電圧は第５図の実線で示す特性の如く開
度θの閉鎖度合に応じて除々に低下して行くもの
であるから、開度制御用増幅器８のリミツト電圧
の低下に応じて閉鎖速度指令電圧も次第に低下し
て行き、この指令電圧通りにガイドベーンの閉鎖
速度も低下して行く。かかる状態を示したものが
第６図の第２の閉鎖時間T₂であつて、この第６
図より明らかなようにガイドベーンの操作速度出
力電圧V₄の直線的な低下に応じて、ガイドベー
ンの開度は放物線のループを描いて閉鎖して行
く。このように開度が放物線を描いて閉鎖して行
く主たる要因は、本発明に於てはパターン発生回
路９の設定器VR₃で開度位置に応じた操作速度出
力電圧のゲインを第４図の特性図で示す如く任意
に可変できるので、このゲインを適宜な値に調整
すれば所望の閉鎖速度特性のものが得られるよう
になる。又、本発明によれば最高操作速度を設定
器VR₅で最低操作速度を他方の設定器VR₄でそれ
ぞれ与えるようにしているので、これら設定器
VR₄，VR₅を適宜な位置に調整すれば、第５図の
破線で示すように開度θに対する操作速度特性は
任意のものが得られその自由度は非常に大きい。
さて第６図の特性図で示す第２の閉鎖時間T₂で
の操作も次第に終了点に近づき、ガイドベーンの
開度θが最低操作速度に対応した位置まで閉鎖さ
れると、開度検出信号と設定器VR₂で設定した開
度指令電圧との偏差が零となつて、加算器の高利
得増幅器A₄には設定器VR₄で設定した第３図に
示す特性の操作速度出力信号のみが入力されるこ
とになる。この開度位置を示したものが第４図お
よび第５図の開度θminで、かかる開度位置θmin
の時点で出力される最低操作速度出力電圧V₃を
分圧したリミツト電圧V₃・R₁₇／R₁₈に対して、
速度指令電圧と速度検出信号との速度誤差電圧を
増幅した高利得増幅器A₂の出力電圧の方が依然
として大きいので、上記リミツト電圧値V₃・
R₁₇／R₁₈に制限された電圧が、閉鎖速度指令電
圧として第２のマイナーループの閉鎖速度制御用
増幅器１１に入力され、その後はこの閉鎖速度指
令信号と１０の速度検出回路より導びかれる閉鎖
速度検出信号との速度誤差電圧を以つて、ガイド
ベーンの開度が全閉の位置まで閉鎖されることに
なる。この状態を示したものが第６図の緩衝閉鎖
時間T₃であつて、このT₃での特性をみれば明ら
かなようにガイドベーンの開度θは除々に閉鎖さ
れて行くことが理解できる。さてガイドベーンの
開度θが全閉の位置近くまで閉鎖されて行き、開
度制御用増幅器８の高利得増幅器A₂で増幅した
速度誤差電圧がV₃・R₁₇／R₁₈なるリミツト電圧
より低くなると、リミツト状態は解除され増幅器
A₂の速度誤差電圧がそのまま閉鎖速度制御用増
幅器１１に入力され、その後は閉鎖速度指令信号
としての速度誤差電圧と１０の検出回路より導び
かれる閉鎖速度検出信号との偏差量を基に、この
偏差量を零にすべく図示しないサーボ系を介して
ガイドベーンの開度が閉鎖されて行き、全閉の位
置まで自動的にコントロールされるものである。

以上のように本発明に於ては、メジヤーループ
の速度制御系の内側に第１のマイナーループの開
度制御系と第２のマイナーループの閉鎖速度制御
系とをそれぞれ設けて、負荷遮断時の閉鎖モード
でのガイドベーンを操作するものであるからし
て、以下に示すように種々の効果を奏すものであ
る。

閉鎖モード時さらには開き方向の加速制御時
を問わずマイナーループの開度制御系を挿入し
たままで、ガイドベーンの開度を操作するもの
であるから、特に閉鎖モードでの制御性がよく
且つ非常に安定性のある制御装置を提供するこ
とができる。

ガイドベーンの閉鎖速度特性はパターン発生
回路で任意のものが得られるので、その自由度
は非常に大きく、又、操作が非常に容易な制御
装置を提供することができる。

理想的な閉鎖速度特性のものが容易に得られ
るので、閉鎖モード時にみられる水圧管の圧力
の異常上昇を完全に解決することができ、非常
に安定性の高い装置を実現することができる。

加速モード時と閉鎖モード時との切換えは、
開度制御系は挿入したままで行なうので、切換
え時にみられる制御系えのシヨツクは何らなく
特に動作面で優れた装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は水車の加速モードと閉鎖モードとに於
けるガイドベーンの操作速度出力と開度との対応
関係を示す一般的な特性図、第２図は本発明によ
る一実施例を示すガバナ制御装置の具体的な回路
構成図、第３図は本発明に係る最低操作速度設定
器の開度と出力電圧との対応関係を示す特性図、
第４図は本発明に係る開度制御用増幅回路の開度
と出力電圧との対応関係を示す特性図、第５図は
本発明に係るパターン発生回路の開度と出力電圧
との対応関係を示す特性図、第６図は本発明によ
る閉鎖モードでの動作特性を示す操作速度出力と
開度との対応関係図。 １は速度設定器、２は速度検出回路、３は剛性
復原量−弾性復原量発生回路、６は操作時間設定
回路、７は開度検出回路、８は開度制御用増幅
器、９はパターン発生回路、１０は閉鎖速度検出
回路、１１は閉鎖速度制御用増幅器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 速度設定指令信号と逆極性で入力される速度
   検出信号、剛性復原量、弾性復原量との速度誤差
   電圧を基に水車の速度を制御するメジヤーループ
   の速度制御系と、入力される開度検出信号を基に
   実開度とガイドベーン操作速度出力との対応関係
   をパターン化し、パターン化した操作速度出力で
   開度制御用増幅器の最大出力電圧を制限するパタ
   ーン発生回路と、速度制御系より入力される開度
   設定指令信号と開度検出信号との開度誤差電圧を
   基にガイドベーンの開度を操作し、且つ閉鎖モー
   ド時に上記パターン発生回路より出力される操作
   速度出力で、開度誤差電圧を増幅した開方向−閉
   方向の操作速度指令信号の最大値が制限される第
   １のマイナーループの開度制御系と、ガイドベー
   ンの操作速度を検出した操作速度検出信号と開度
   制御系より入力される開方向−閉方向の操作速度
   指令信号と速度誤差電圧を基に、ガイドベーンの
   操作速度を制御する第２のマイナーループの操作
   速度制御系とで構成したことを特徴とするガバナ
   の制御装置。