JPS6358263B2

JPS6358263B2 -

Info

Publication number: JPS6358263B2
Application number: JP56092253A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiko Takakusaki; Keizo Kikuchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-06-17
Filing date: 1981-06-17
Publication date: 1988-11-15
Also published as: US4487549A; JPS57210170A; EP0067453A3; EP0067453B1; EP0067453A2; DE3279580D1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、水力機械の運転制御装置に係り、特
に同一軸上に複数個のランナを配設するととも
に、各ランナの外周にそれぞれ可動流量調整羽根
を配設し、かつ前記各可動流量調整羽根を開閉制
御して一定出力を得られるようにした水力機械の
運転制御装置に関する。

一般に、水力機械は、水の位置エネルギー・速
度エネルギーなどを利用し、あるいは水の需要場
所に水を搬送したりするものであり、水力発電所
の水車として、あるいはポンプなどとして用いら
れている。ところで、最近では、ピーク電力需要
に応答するために揚水発電所の建設が多くなつて
きている。この揚水発電所は、年々高落差、高揚
程化する傾向にあり、これに伴い、水力機械とし
てのポンプ水車は同一軸上に複数のランナを配
し、もつて１台のポンプ水車を形成した、いわゆ
る多段ポンプ水車が提供されている。この多段ポ
ンプ水車は、構造上の大きな特徴を有しており、
その特徴としては１台のポンプ水車に複数のラン
ナ及び可動流量調整羽根（以下、ガイドベーンと
言う）を有していることにある。複数のランナは
すべて、全落差又は全揚程を等分に分担するよう
に設計され、あるいは、同一の流体特性を持つよ
うに設計されるのが一般的である。したがつて、
複数のガイドベーンは同期制御されることが必要
である。

第１図は上述した従来の水力機械及びその運転
制御装置を示す説明図である。この図に示すよう
に、水力機械としてのポンプ水車１は次のように
構成されている。すなわち、ポンプ水車１の主軸
２は回転可能に設けられており、この主軸２には
複数（この実施例では二個）のランナ３及び４が
同一軸上に上下段に設けられている。この上段ラ
ンナ３は、その外周に渦巻ケーシング５が設けら
れるとともに、その下部にリターンガイド６が接
続されている。このリターンガイド６の他端部
は、下段ランナ４の外周に配設されており、この
下段ランナ４の下部に吸出管ライナ７が設けられ
ている。この吸出管ライナ７は下ダム（図示せ
ず）に接続されるとともに、前記渦巻ケーシング
５は図示しない配管を介して上ダム（図示せず）
に接続されている。さらに、渦巻ケーシング５内
には、前記上段ランナ３の外周部に沿つて上段ガ
イドベーン８が設けられており、また、リターン
ガイド６の下端内部には下段ランナ４の外周部に
沿つて下段ガイドベーン９が設けられている。な
お、符号１０は上段上カバー、１１は上段下カバ
ー、１２は下段下カバーである。そして、上ダム
からの水は、配管を介して渦巻ケーシング５、上
段ガイドベーン８を介して上段ランナ３に導かれ
るようになつており、次いで上段ランナ３より吐
出された水はリターンガイド６によつて整流され
た後に、下段ガイドベーン９を介して下段ランナ
４に導かれ、さらに、下段ランナ４より吸出管ラ
イナ７を介して図示しない下ダムに放出されるよ
うになつている。しかし、このような二段ポンプ
水車１の上段及び下段ガイドベーン操作機構を同
期制御するためには、図示の従来技術による二段
ポンプ水車運転制御ブロツク図に示す如く、上段
ガイドベーン８を操作するための上段サーボモー
タ２０とその制御装置（以下上段調速機と言う）
３０及び、下段ガイドベーン９を操作するための
下段サーボモータ４０とその制御装置（以下下段
調速機と言う）５０が必要である。すなわち、回
転軸上に設けられた回転数検出手段としての発電
電動機１３からの発電電動機回転数信号１４は、
上段及び下段調速機３０及び５０にそれぞれ取込
まれるようになつており、これら調速機３０及び
５０は、前記回転数信号１４と上段回転数目標値
３１及び下段回転数目標値５１をそれぞれ比較
し、これら比較した結果得られた回転数偏差信号
に基づいて主軸２の回転数が回転目標値となるよ
うな指令出力３２及び５２をそれぞれ取出せるよ
うになつている。これら信号３２及び５２に基づ
いて、上段及び下段サーボモータ２０及び４０は
駆動されるようになつており、これらのサーボモ
ータ２０及び４０は、上段サーボモータストロー
ク信号２１を上段ガイドベーン８に加え、かつ下
段サーボモータストローク信号４１を下段ガイド
ベーン９に加えるようになつている。

さらに第２図を参照しながら詳説すると、二段
ポンプ水車１の出力１５は電力系統負荷１６によ
り可変するので、これらの加え合わされた出力が
発電電動機１３に供給されるようになつている。
この発電電動機１３は前述したように回転数検出
手段として作用するものであり、その発電電動機
回転数信号１４を各調速機３０及び５０に供給す
るように接続されている。上段調速機３０は取込
んだ発電電動機回転数信号１４と上段回転数目標
値３１とを加え合わせ点３３Ａにおいて加えて回
転数偏差信号S₁₁を形成し、かつ、この回転数偏
差信号S₁₁加え合わせ点３３Ｂを介して供給した
電気機械信号変換器３４により機械信号として、
この電気機械信号変換器３４により機械出力とな
つた信号を一次配圧弁３５を介して補助サーボモ
ータ３６に供給し、この補助サーボモータ３６の
出力ストローク信号S₁₂を速度調定率装置３７、
ダンピング装置３８及び加え合わせ点３３Ｃに加
え、この加え合わせ点３３Ｃにおいて補助サーボ
モータ３６の出力信号とサーボモータストローク
信号２１とを加え合わせて第二次配圧弁３９を駆
動して指令出力３２を得るようにし、かつ速度調
定率装置３７及びダンピング装置３８を介して得
た信号を加え合わせ点３３Ｄ及び加え合わせ点３
３Ｂを介して電気機械信号変換器３４にフイード
バツクして一定目標回転数となるような指令出力
３２を出力できるように構成されている。また、
下段調速機５０は、上述と同一構成であるので、
符号の説明をし構成の説明を省略する。すなわ
ち、下段調速機５０は、下段回転数目標値５１、
指令出力５２、加え合わせ点５３Ａ〜５３Ｄ、回
転数偏差信号S₂₁、電気機械信号変換器５４、一
次配圧弁５５、補助サーボモータ５６、出力スト
ローク信号S₂₂、速度調定率装置５７、ダンピン
グ５８及び二次配圧弁５９とを含んで構成されて
いる。

以上のように構成された従来の水力機械の運転
制御装置は、上下段ガイドベーン８及び９をそれ
ぞれ上下段調速機３０及び５０で調整してポンプ
水車１の回転速度及び出力１５を一定に維持する
ものである。この出力１５は、周知の通り電力系
統負荷１６により変動するものである。ここで、
調速機３０又は５０の作動を簡単に説明すると、
いま、規定回転速度であれば、回転数偏差信号は
零となるが、回転速度が上昇すると回転数偏差信
号S₁₁が発生して電気機械信号変換器３４に供給
される。すると、その回転数偏差信号S₁₁は機械
信号に変換されて一次配圧弁３５に加えられる。
これにより一次配圧弁３５が作動し、補助サーボ
モータ３６を駆動するので、補助サーボモータ３
６は出力ストローク信号S₁₂を出力する。この出
力ストローク信号S₁₂は速度調定率装置３７、ダ
ンピング装置３８をそれぞれ介して電気機械信号
変換器３４にフイードバツクされる。一方、前記
ストローク信号S₁₂は、二次配圧弁３９を駆動し
て上段サーボモータ２０を駆動するので、このサ
ーボモータ２０は上段サーボモータストローク信
号２１を出力し上段ガイドベーン８を駆動して水
口開度を減少させる。このサーボモータ２０の出
力なる上段サーボモータストローク信号２１が、
補助サーボモータ３６のストローク信号S₁₂に比
例した位置まで動くと、二次配圧弁３９が中立位
置に復帰して、上段サーボモータ２０はその動き
を停止する。このように動作するものである。一
方、回転速度が下降したときは、上段ガイドベー
ン８が開放する方向に動くように各部要素が動作
するのである。なお下段調速機５０及び下段サー
ボモータ４０は、上段調速機３０及び上段サーボ
モータ２０と同様に作動するものである。

このように従来の運転装置を多段ポンプ水車に
適用した場合の欠点は、二段ポンプ水車の場合に
は２台の調速機、三段ポンプ水車の場合には３台
の調速機というように、複数台の調速機を必要と
するということが価額面で単段ポンプ水車に用い
る調速機の２倍、３倍というように複数倍になつ
てしまうということになる。一方、各段ガイドベ
ーンの同期性という面で考えてみると、各段のガ
イドベーンがそれぞれ独立した調速機を有すると
いうこと、つまり、発電電動機からの回転数信号
をそれぞれ独立してとらえ、その信号に応じて各
段ガイドベーンを独立に制御するということで、
各段ガイドベーン間の同期性はチヤツクされな
い。したがつて、各調速機の製作上から生ずる若
干の性能差によつて、各段ガイドベーンの開度を
完全に同期させることは困難であつた。加えて、
複数台の調速機を１台のポンプ水車に設けるとい
うことは、制御要素の増加となり信頼性を低下さ
せるという欠点もあつた。

本発明の目的は、上気した従来技術の欠点を解
消し、多段ポンプ水車の各段ガイドベーンを同期
制御させるとともに、低コストにして信頼性を高
めた水力機械の運転制御装置を提供するにある。

本発明は上記目的を達成するため、回転可能に
設けられた軸上に複数個のランナを配し、かつこ
れらのランナの外周に設けたガイドベーンを備え
た水力機械に接続した回転数検出手段としての発
電電動機からの回転数信号を調速機に取込み、そ
の信号と目標値とを比較して回転数偏差信号を形
成し、この偏差信号に基づいて任意のガイドベー
ンの開閉動を制御し、他のガイドベーンは前記任
意のガイドベーンの信号に基づいて従属制御され
るようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳説
するが、その前に第１図に示す水力機械について
再度簡単に説明する。第１図に示すポンプ水車１
は、前述したように、水車側運転時において、図
示にない上ダムからの水は渦巻ケーシング５、上
段ガイドベーン８を通して上段ランナ３に導かれ
る。さらに上段ランナ３により吐出された水はリ
ターンガイド６によつて整流され下段ガイドベー
ン９を通して下段ランナ４に導かれる。下段ラン
ナ４より吐出された水は吸出管ライナ７（吸出管
ライナ７と同一）を通して図示にない下ダムに放
出される。ここで注目すべきことは、上段ランナ
３及び下段ランナ４は、全落差を等分に分担し、
かつ同一の流体特性を持つように設計されている
という点である。したがつて、上段ランナ３への
流水量を調整するように設けられた上段ガイドベ
ーン８と下段ランナ４への流水量を調節するよう
設けられた下段ガイドベーン９とは完全同期制御
される必要があるのである。

上記は水車側運転時について説明したが、ポン
プ側運転時については、下ダムからの水が吸出管
ライナ７を通して水車側とは逆方向の流れによつ
て上ダムに揚水されるということと、ランナ３及
び４の回転方向が水車側と逆方向になるというこ
とだけで上下ランナの揚程分担及び流体特性とし
ては水車側と何ら変るところはない。

次に、本発明の一実施例を説明する。

第３図及び第４図は本発明に係る水力機械の運
転制御装置を示すブロツク図である。第３図は上
段ガイドベーンを主制御対象とし下段ガイドベー
ンを従制御対象とした場合のブロツク図を示し、
第４図は下段ガイドベーンを主制御対象とし上段
ガイドベーンを従制御対象とした場合のブロツク
図を示している。これらの図において、従来例と
同一構成要素には同一の符号を付しその説明を省
略する。

第３図に示すブロツク図において、水力機械の
運転制御装置は、水力機械としてのポンプ水車１
からの回転数を検出する回転検出手段としての発
電電動機１３の発電電動機回転数信号１４を調速
機７０に取込み、この調速機７０において発電電
動機回転数信号１４を回転数目標値７１と比較
し、回転数偏差信号S₀₁を形成し、この回転数偏
差信号S₀₁に基づいて、ある任意のランナ廻りに
配設されたガイドベーン（例えば上段ガイドベー
ン８）を制御するとともに、他のランナ廻りに配
設されたガイドベーン（例えば下段ガイドベーン
９）を、前記任意のガイドベーン（この例では、
上段ガイドベーン８である）の開度位置信号に基
づいて従属的に制御するように構成されたもので
ある。さらに述べると、本発明は特に調速機７０
に特徴があり、この調速機７０は、任意のガイド
ベーンの開度を制御するための主制御系と、この
任意ガイドベーンの開度位置信号に基づいて他の
ガイドベーンの開度を従属的に制御する従属系と
から構成されている。

すなわち、調速機７０において、その主制御系
は、取込んだ発電電動機回転数信号１４と回転数
目標値７１とを加え合わせ点７３Ａで加え合わ
せ、回転数偏差信号S₀₁を形成し、この回転数偏
差信号S₀₁を加え合わせ点７３Ｂを介して電気機
械信号変換器７４に供給し、この電気機械信号変
換７４により機械信号とし、この信号により一次
配圧弁７５を作動させ補助サーボモータ７６を駆
動し、この補助サーボモータ７６からストローク
信号S₀₂を出力し、かつ、このストローク信号S₀₂
を加え合わせ点７３Ｃ、速度調定率装置７７及び
ダンピング装置７８に加えるとともに、二次配圧
弁７９を駆動して指令出力７２を得るようにし、
この指令出力７２で上段サーボモータ２０を駆動
するとともに、前記速度調定率装置７７及びダン
ピング装置７８を介して加え合わせ点７３Ｂにフ
イードバツクをかけるように構成したものであ
る。また、調速機７０の従属制御系は、第３図に
示すように、補助サーボモータ７６のストローク
信号S₀₂をカム（又はレバー）８０を介して加え
合わせ点７３Ｅの出力を二次配圧弁７９Ａに加
え、この出力によりこの二次配圧弁７９Ａの指令
出力７２Ａを得るようにし、この指令出力７２Ａ
で下段サーボモータ４０を駆動するとともに、そ
の下段サーボモータストローク信号４１を加え合
わせ点７３Ｅにフイードバツクするようになつて
おり、かつ、前記カム（又はレバー）８０が前記
ストローク信号S₀₂（すなわち、ガイドベーン開度
位置信号）を他のガイドベーンの開度目標値とし
て伝達せしめる作用をするように構成されてい
る。

上述のように構成された実施例の作用を以下に
説明する。

第３図に示すように水車側運転時における具体
的制御動作について説明するものとする。定常運
転時電力系統からの電力系統負荷１６と二段ポン
プ水車の出力１５とは平衡しており、したがつて
発電電動機回転数信号１４は回転数目標値７１と
等しくなつている。いま、電力系統負荷１６が増
加したとすると、発電電動機回転数信号１４は回
転数目標値７１より低くなり、この回転数偏差信
号S₀₁は電気機械信号変換器７４により機械的信
号に変換され、一次配圧弁７５の図示しないプラ
ンジヤーを上動させる。この一次配圧弁７５のプ
ランジヤー上動により、上段補助サーボモータ７
６は油圧を媒体として開方向に動作する。この補
助サーボモータ７６のストローク信号（動作位置
信号）S₀₂は、速度調定率装置７７及びダンピン
グ装置７８を通して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７６の動作量が回
転数偏差信号S₀₁の大きさと等しくなつた時その
動作を終了し、変化後の電力系統負荷に合致した
位置となる。補助サーボモータ７６のストローク
信号S₀₂は信号増巾機構として設けられているサ
ーボ機構に伝達され、二次配圧弁７９の図示しな
いプランジヤーを上動させる。二次配圧弁７９の
プランジヤー上動により、上段サーボモータ２０
は油圧を媒体として開方向に動作する。フイード
バツク機構により上段サーボモータ２０は補助サ
ーボモータ７６のストローク信号S₀₂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７６の位置と合致した位置となる。
上段サーボモータ２０は図示しないガイドベーン
操作機構を通して上段ガイドベーン８に連結され
ており、上段ガイドベーン８は変化後の電力系統
負荷１６に合致した開度位置となる。

一方、補助サーボモータ７６のストローク信号
S₀₂は、下段ガイドベーン９の開度位置がその全
開度範囲において常に上段ガイドベーン８の開度
位置と同期するように形成されたカム（又はレバ
ー）８０に伝達される。このカム８０からの信号
は信号増巾機構として設けられている下段サーボ
機構に伝達され、下段二次配圧弁７９Ａの図示し
ないプランジヤーを上動させる。二次配圧弁７９
Ａのプランジヤー上動により、下段サーボモータ
４０は油圧を媒体として開方向に動作する。フイ
ードバツク機構により、下段サーボモータ４０は
カム８０からの信号の大きさと等しくなつた時そ
の動作を終了する。このカム８０の形状は、上段
ガイドベーン８とその全開度範囲において完全同
期するように形成されているので、動作終了後の
下段サーボモータ位置は上段サーボモータ位置と
完全に一致した位置となる。下段サーボモータ４
０は図示しないガイドベーン操作機構を通して下
段ガイドベーン９に連結されており、下段ガイド
ベーン９の開度位置は上段ガイドベーン８の開度
位置と完全に同一（同期がとれる）となる。

以上の如く、上段ガイドベーン８は単段ポンプ
水車の場合と全く同様に、二段ポンプ水車１の出
力１５と電力系統負荷１６との差によつて生ずる
発電電動機回転数（変化）信号１４により、その
信号に応じて独立制御され、下段ガイドベーン９
は上段ガイドベーン８の開度位置に合致するよう
に従属制御される。

上記は水車側運転時について説明したがポンプ
側運転時についても、電力系統からの負荷が電力
系統からの入力となり、発電電動機が電動機とし
て使用され、二段ポンプ水車がポンプとして使用
されるだけで制御上の原理は全く同様である。

第４図は、第３図における上段がガイドベーン
８の代りに下段ガイドベーン９を主制御対象と
し、下段ガイドベーン９の代りに上段ガイドベー
ン８を従制御対象としたブロツク図であり、制御
原理は上記説明と全く同様である。つまり、サー
ボモータ２０及び４０とガイドベーン８及び９と
の接続を第３図と逆にしただけである。

上記各実施例によれば、上段及び下段ガイドベ
ーン８及び９を制御するための制御要素（但し上
段及び下段サーボモータは除く）をすべて、１つ
のキユービクルに集納できる（電気制御要素を別
キユービクルに別ける場合は２つのキユービク
ル）という利点がある。このようにすることによ
り、価額面で単段ポンプ水車の調速機とさほど遜
色のないものとなる。また、従来技術に比べ制御
要素も大幅に減少するということで信頼性の向上
にもなることはいうまでもない。

上記実施例においては、複数のランナはすべ
て、全落差又は全揚程を等分に分担しかつすべて
のランナは同一流体特性を持つように設計されて
いるという場合について述べているが、各段に配
置されるランナが異なつた落差又は揚程と分担
し、かつ異なつた流体特性を有するよう設計され
る場合もある。この場合は、上記第３図及び第４
図において、カム（又はレバー）８０を適当形状
に形成することによつて、任意開度状態において
上段ガイドベーン８の開度と下段ガイドベーン９
の開度の間にあるべき関係を持たせることができ
る。また、カム（又はレバー）８０の機械的信号
は、折線特性等を使つて電気的信号に置き換える
こともできる。これらはすべて本発明の範囲内に
あることは勿論である。

本発明は、以上のように、同一軸上に複数個の
ランナを配設し、かつ該ランナの外周にそれぞれ
可動流量調整羽根を配設した水力機械の回転数信
号を調速機に取込み、この信号と目標値とを比較
して得た回転数偏差信号に基づいて任意の可動流
量調整羽根を独立に制御するとともに、他の可動
流量調整羽根は前記任意の可動流量調整羽根の開
度信号に基づいて従属制御されるようにしてなる
ので、各段の可動流量調整羽根の開度を同期させ
ることができるとともに、低コスト化が図れ、か
つ信頼性を向上させることができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の二段ポンプ水車及びこれの運転
制御装置の説明図、第２図は従来技術による二段
ポンプ水車運転制御ブロツク図、第３図は本発明
に係る水力機械の運転制御装置の一実施例を示す
ブロツク図、第４図は同他の実施例を示すブロツ
ク図である。３，４……ランナ、８，９……ガイドベーン、
１４……発電電動機回転数、２０，４０……サー
ボモータ、７０……調速機、７１……目標値、
S₀₁……回転数偏差信号。

Claims

【特許請求の範囲】

１同一軸上に複数個のランナを配設し、かつ、
該ランナの外周にそれぞれ該ランナの流水量を調
整する可動流量調整羽根を配設した水力機械と、
この水力機械の回転数を検出する回転数検出手段
と、この回転数検出手段からの回転数信号を取込
み、目標値と比較して回転数偏差信号を形成し、
この回転数偏差信号に基づいてある任意のランナ
廻りに配置された可動流量調整羽根の開閉動を制
御し、かつ他のランナ廻りに配置された可動流量
調整羽根の開閉動を、前記任意の可動流量調整羽
根の開度位置に同期させるよう従属制御せしめる
調速機と、この調速機からの出力に基づいて各可
動流量調整羽根を開閉駆動するサーボモータとを
備えてなる水力機械の運転制御装置。