JP2010509537A - 可逆水力発電装置 - Google Patents

Abstract

タービンとして逆動し得る遠心ポンプからなる水力機械、および外側パイプにおける水の循環方向に関係なく、水力機械において、水の循環を可能にする、分岐または接続ダクトならびに電動バルブを持つ水力回路を備える水力ユニットと、水力機械に連結され、非同期発電機として逆動し得る非同期モータからなる電気機械と、バルブを調節等するためのプログラム可能なコントローラ、および循環方向に応じた水力機械の下方流の圧力または流量が、少なくとも一セットポイント値に安定化等されるように、電気機械の回転速度を調節等するための電子バリエータを備える電子システムと、を有することを特徴とする外側パイプに設置され得る可逆水力発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電設備の分野に関するものである。

長い間、一方では、ウォータシュートの効果に基づく電気エネルギ生産用ユニットを形成する水力発電設備が、他方では、電気モータの効果に基づく揚水用ユニットを形成する水力発電設備が知られていた。

更に、混合水力発電設備は、以下の特許文献米国特許第２，９６２，５９９号および第３，６１４，２６８号において提案されている。

文献米国特許第２，９６２，５９９号では、高所貯水槽から低所貯水槽へ水を流すこと、およびその逆も可能とする水力設備について記述している。この設備は、２つの部分を備えるメインパイプからなり、その一方は高所貯水槽に接続され、もう一方は低所貯水槽に接続されており、それらの間には、２つの分岐デフレクタを経由して、並列に設置され、第２のダクトを経由してお互いに接続された２つのダクトが備えられる。この第２のダクトには、電気要素に回転可能に接続された水力要素が設置される。

デフレクタの第１の閉止位置において、水は、水力要素を一方向に通過する間、高所貯水槽から低所貯水槽へ移動することができ、この水力要素は、発電機を構成する電気要素を駆動するためのタービンを形成する。このデフレクタの第１の位置は、電力源において電気エネルギが必要となる時、例えば、ユーザからの需要の高い期間中に、採用される。

デフレクタの第２の閉止位置において、水は、水力要素を前述と同一方向に通過する間、低所貯水槽から高所貯水槽へ移動することができ、その時、この水力要素は、その時電気モータ構成する電気要素によって駆動するポンプを形成する。このデフレクタの第２の位置は、主電力源が電気エネルギが供給源であり得る時、例えば、ユーザからの需要の低い期間に、採用される。

デフレクタが開放位置にある時、水は、水力要素を通過することなく、並列ダクトを通って、高所貯水槽から低所貯水槽へ直接移動する。このデフレクタの開放位置は漏出の理由から採用されても良い。

文献米国特許第３，６１４，２６８号では、高所貯水槽から低所貯水槽へ直接接続するシングルパイプ上に設置される、電気要素に接続される水力要素を備える水力設備を記述する。高所貯水槽から低所貯水槽への水の循環方向において、水力要素は、同期発電機を形成する同期電気要素を駆動するためのタービンを形成する。低所貯水槽から高所貯水槽への水のもう一つの循環方向において、水力要素は、同期モータを形成する電気要素によって駆動されるポンプを形成する。電気回路は、バルブに従って動くタービンモードにおいても、そしてインバータの周波数に従って動くポンプモードにおいても、水力要素および電気要素の共通軸の一定回転速度の維持を可能にする。

米国特許第２，９６２，５９９号 米国特許第３，６１４，２６８号

本発明の一つの目的は、パイプ、例えば、未処理水または飲料水の水力ネットワークのパイプに設置され得る水力発電装置であって、特に水力ネットワークと関係がある必要な条件に依存して、水が、このパイプ内を一方向または他方向に循環させられる水力発電装置を提供することであっても良い。

本発明のもう一つの目的は、水力ネットワークにおいて、この水力ネットワークの動作を最適化するために、水循環パイプの一方向もしくは他方向の圧力状態、および／または流量を順応させ、結果として、変化、維持、減少、もしくは、対照的に、増加させることができる水力発電装置を提案することであっても良い。

本発明のもう一つの目的は、特に、水力ネットワークに関連する必要な条件に依存して、電気エネルギの消費または生産が可能な水力発電装置を提案することであっても良い。

本発明による可逆水力発電装置は、外側パイプに設置可能であり、
タービンとして逆動し得る遠心ポンプを含む水力機械、および前記外側パイプにおける水の循環方向に関係なく、前記水力機械において、一方向または他方向の水の循環を可能にする、分岐および／または接続ダクトならびに電動バルブを持つ水力回路を備える水力ユニットと、
前記水力機械に連結され、非同期発電機として逆動し得る非同期モータからなる電気機械と、
前記バルブを調節および／または調整するためのプログラム可能なコントローラ、および循環方向に応じた前記水力機械の下方流の圧力および／または流量が、少なくとも一セットポイントの値に安定化されるか、または調節されるように、前記電気機械の回転速度を調節および／または調整するための電子バリエータ（ｖａｒｉａｔｏｒ）を備える電子システムと、
を有しても良い。

本発明によれば、前記水力回路は、前記水力機械に対して、対称性を持っても良い。

本発明によれば、前記水力機械の本体は、対称的なダクトを備えても良い。

本発明によれば、前記電子システムは、前記主電力源と前記電気機械との間に設置され、かつ非同期モータとして動作中は、前記電気機械の回転速度の調節及び／または調整を行い、非同期発電機として動作中の場合においては、前記主電力源を電気的に適合させるフォークワドラント（ｆｏｕｒ‐ｑｕａｄｒａｎｔ）電子バリエータを備えても良い。

本発明によれば、前記電子バリエータは、上流から下流にかけて設置された整流器およびインバータをそれぞれ備える並列な２つのラインと、前記ラインどちらか１つ、またはもう１つで、前記電気機械および前記主電力源を接続するよう設計されたスイッチと、を有しても良い。

本発明によれば、前記電子システムは、前記水力機械のいずれかの側に配置され、前記プログラム可能なコントローラに接続される圧力および／または流量センサを備えても良い。

本発明によれば、前記電子システムは、前記プログラム可能なコントローラに接続された前記水力機械の方向、および／または回転速度、および／またはトルクを感知するセンサを備えても良い。

本発明によれば、前記電子システムは、前記電気機械の電圧、および／または電流、および／または、周波数、および／または熱特性を感知するセンサを備えても良い。

本発明によれば、前記水力回路は、前記外側パイプの２つの部分の間に挿入された２つの並列分岐ダクトと、その端部が前記分岐ダクトに接続された少なくとも１つの接続ダクトとを備え、前記水力機械は、この接続ダクトに設置され、かつ前記接続ダクトの端部のいずれかの側に形成された前記分岐ダクトの部分にそれぞれ配置された４つの電動バルブを備えても良い。

本発明によれば、いくつかの電気機械に接続された水力機械が、それぞれ設置されたいくつかの並列接続ダクトが備えられても良い。

本発明によれば、前記接続ダクトにおいて、いくつかの電気機械、またはトランスミッションを経て１つの電気機械に直列接続されたいくつかの水力機械が備えられても良い。

本発明は、その様々な実施形態において、水力発電装置およびその動作モードを学ぶ上でよりよく理解され、限定されない例としてよりよく説明され、以下の図においてよりよく示される。

図１は、本発明に係る装置の外観斜視図を示す。 図２は、本発明に係る水力ユニットの概略図を示す。 図３〜図８は、前記水力ユニットにおける水循環の様々なモードを示す。 図９は、前記水力ユニットのバルブの動作モードを集約した表である。 図１０は、装置の電気および電子システムの概略図を示す。

図１および図２を参照すると、水力発電装置１は、装置の外にある、水力ネットワークのパイプ３に設置された水力ユニット２、電気機械４、および、電気電子システム５を含むことが示されていると分かる。

水力ユニット２は、シャフト７を経由して電気機械４に接続する水力機械６、および水力回路８を含む。

水力回路８は、２つの対向端部ダクト９および１０の間で並列に設置される２つの分岐ダクト１１および１２と、その端部が前記分岐ダクトに接続され、その上に水力機械６が設置される接続ダクト１３と、を含む。

対向ダクト９および１０の端部は、フランジ１６および１７によって外側パイプ３の２つの対向部分１４および１５に接続される。

水力ユニット２も、４つの電動バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４を含み、それらは、接続ダクト１３の端部の両側において形成される分岐ダクト１１および１２の分岐上に、個々に設置される。

図において示される配置によると、外側パイプ３の部分１４および１５は、一直線上に並んでおり、対向端部ダクト９および１０と、対向端部ダクト９および１０に隣接し、バルブＶ１およびＶ２が備え付けられた分岐ダクト１１の部分１１ａおよび分岐ダクト１２の部分１２ａと、接続ダクト１３とは、外側パイプ３の部分１４および１５に整列されており、電動バルブＶ３およびＶ４が備え付けられた、分岐ダクト１１のもう一方の部分１１ｂおよび分岐ダクト１２のもう一方の部分１２ｂは、Ｕ字型を形成するよう、延在している。

水力ユニット２も、その端部において、圧力Ｐ１８およびＰ１９に対応する信号を伝送する、対向端部ダクト９および１０に設置された圧力センサ１８および１９が備え付けられる。

有利なことには、水力機械６は、タービンとして逆動され得る遠心ポンプから構成されても良いし、電気機械４は、非同期発電機として逆動され得る非同期モータから構成されても良い。

ここでは、図３〜図８を参照して、装置１の様々なモードが、電動バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４の様々な状態に従って説明されるであろう。

すべての図において、端部ダクト９と連結している外側パイプの部分１４が、左側にあり、端部ダクト１０と連結している外側パイプの部分１５が、右側にあることが考えられるであろう。

水が参照符号Ｓ１の方向に接続ダクト１３内を左から右へ循環する時、水力機械は、電気モータとして働く電気機械４によって駆動され、ポンプとして働き、もう一方の、水が参照符号Ｓ２の方向に接続ダクト１３内を右から左へ循環する時、水力機械はタービンとして働き、発電機として働く電気機械４を駆動することも考えられるであろう。

水が外側パイプ３内を左から右へ循環する時、水が参照符号ＳＣ１の方向へ循環して、水はこのパイプの部分１４から部分１５へ移動し、水が外側パイプ３内を右から左へ循環する時、水が参照符号ＳＣ２の方向へ循環して、水はこのパイプの部分１５から部分１４へ移動することも考えられるであろう。

［状況１］
図３および図４に示されるように、バルブＶ１およびＶ３が開かれ、バルブＶ２およびＶ４が閉じられると、外側パイプ３内を一方向または他方向に循環することができる水は、分岐ダクト１２は閉じられているため、分岐ダクト１１を通過して、水力回路８を通って、一方向または他方向に移動する。従って、水は、接続ダクト１３を通って移動することができず、その結果、水は、水力機械６を通過しない。

この循環モードと関連するのは、水力機械６が回転せず、結果として電気機械４が回転しないようなバイパスとしての動作モードである。センサ１８および１９によって検出される圧力Ｐ１８およびＰ１９は、おおよそ等しい。

上記のケースは、図９において、方向ＳＣ１については表のラインＬ１に、方向ＳＣ２については表のラインＬ４に示されている。

対称的に、バルブＶ１およびＶ３が閉じられ、バルブＶ２およびＶ４が開かれ、その結果として、水がダクト１２を通過する時、同等の動作モードも実現される。

［状況２］
図５および図６に示されるように、バルブＶ１およびＶ２が開かれ、バルブＶ３およびＶ４が閉じられると、外側パイプ３内を一方向または他方向に循環することができる水は、分岐ダクト１１の部分１１ｂおよび分岐ダクト１２の部分１２ｂには循環しないが、分岐ダクト１１の部分１１ａ、分岐ダクト１２の部分１２ａ、および接続ダクト１３に入り、水力機械６を通って移動し、水力回路８を一方向または他方向に循環する。

図５のケースにおいて、水は、外側パイプ３内を方向ＳＣ１に、そして、水力機械６を方向Ｓ１に循環する。その結果、水力機械６はポンプとして働き、電気モータとして働く電気機械４によって駆動される。このケースは、図９の表のラインＬ２に示されている。

図６のケースにおいて、水は、外側パイプ３内を方向ＳＣ２に、そして、水力機械６を方向Ｓ２に循環する。その結果、水力機械６は、タービンとして働き、発電機として働く電気機械４を駆動する。このケースは、図９の表のラインＬ６上に示されている。

上記２つのケースにおいて、センサ１９によって伝送される圧力Ｐ１９は、センサ１８によって伝送される圧力Ｐ１８よりも高い。

［状況３］
図７および図８に示される通り、バルブＶ１およびＶ２が閉じられ、バルブＶ３およびＶ４が開かれる時、外側パイプ３内を一方向または他方向に循環することができる水は、水力機械６を通過し、分岐ダクト１１の部分１１ａおよび分岐ダクト１２の部分１２ａには循環しないが、分岐ダクト１１の部分１１ｂ、分岐ダクト１２の部分１２ｂ、および接続ダクト１３に入り、水力回路８を一方向または他方向に循環する。

図７の状況において、水は、外側パイプ３内を方向ＳＣ２に、そして、水力機械６内を方向Ｓ１に循環する。その結果、水力機械６はポンプとして働き、電気モータとして働く電気機械４によって駆動される。このケースは、図９の表のラインＬ５に示されている。

図８のケースにおいて、水は、外側パイプ３内を方向ＳＣ１に、そして、水力機械６内を逆の方向Ｓ２に循環する。その結果、水力機械６はタービンとして働き、発電機として働く電気機械４を駆動する。このケースは、図９の表のラインＬ３に示されている。

上記ケースの両方において、センサ１８によって伝送される圧力Ｐ１８は、センサ１９によって伝送される圧力Ｐ１９よりも高い。

水力機械６がタービンとして駆動する図６および図８のケースにおいて、バルブＶ３またはＶ２は、完全に閉じられているのではなく、特定量のバイパス水を通過させるために開口を調節された方が有利となり得る。

前述の様々な動作モードは、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４の様々な状態に関連して、外側パイプ３を含む水力ネットワークの必要な条件、このパイプ内の所望の循環方向に関する必要な条件、およびこのパイプの部分１４および１５の一方、または両方における圧力に関する、つまり、圧力Ｐ１８、若しくは圧力Ｐ１９、または両方に関する所望の条件の結果であっても良い。

前述の結果として、装置１は、概して、電気エネルギをそれほど多く消費するのではなく、むしろそれを生産することを目的として、このダクト内の水の循環方向に関係なく、水パイプにおいて、いかなる時も流量および圧力の組み合わせを調和的に組み合わせるために設計される。

装置１は、有利にも、以下のように、水力ネットワークのパイプおよび水力発電コンバータにおいて、流量−圧力アダプタを構成しても良い。
‐外側パイプ３において、非常に大きな流量および圧力がある時、装置１は、水力機械６を電気機械４を駆動するタービンとして動作させ、水力駆動力を電気エネルギに変換することにより、それらを減少させる。
‐または、これとは対照的に、外部からくる電気駆動力から、装置１は、流量および圧力を増加することによって、電気駆動力を水力エネルギへ変換する。このとき水力機械６は、ポンプとして働き、電気モータとして働く電気機械４によって駆動される。

もし、装置１が専ら圧力を「破り」、流量を制限するために使われるとすれば、発電は非常に重要になる。この装置を通して推進される考えは、第一にパイプ内における流量および圧力の完全な調整を達成し、次にその状況におけるエネルギ損失を回収することからなる。

装置１もまた、流量および圧力を上昇させることを可能にする。これは、その時、全方向における圧力および流量の調整を与え、そして、それは、外側ウォータネットワークの特性の事前に学習された前提条件の関数として、状況に応じて修正されても良い。

装置１は、有利にも、どのパイプ３でも、特に、直径が７００ｍｍまで、およびこれを超える直径を持つパイプに設置されても良い。

構造の観点からすると、装置１は、適切に配置され、かつ保護された、水力機械的、電気的、かつ電子的部品であって、溶接フレームに保持された個別の支持部材に設置された部品からなる均一な平行六面体アセンブリの形を採っても良い。

特に、水力ユニット２が底部に配置され、一方、電気機械４、および電気電子部が上部に配置される事は、有利である。この配置は、それに良い位置を与える。それらの部分どれか一つにおける事故の場合にも、水と電気との間には、何の相互作用も生じない。図１に示される通り、概略輸送フレームは、それに適合した土木構造物にしっかり取り付けられても良い。

以下の考慮の結果、タービンとして逆動され得る遠心ポンプによって形成される水力機械６が精選される。

タービンモードにおいては、圧力および流量を制限するために、電気機械６に連結しているようなポンプは、シャフトから集められ得る許容機械力特性を提供する。静水圧をこの種のポンプの排出に適用することで、後者（この種のポンプ）は、もし必要であればおおよそ８０％程度の許容水力効率を有するタービンとなる。

本体および回転子での発散はかなり小さく、これにより、両方向において、それは、効率的となる。

水力ユニット２は、鋳造され、または溶接された大部分の部品を持つ、一体型形状にすることによって最適化がなされても良い。

一応用例において、特に、圧力および流量の望ましい変化に依存して、選択は、ボリュートに垂直軸、回転子および２つのサクションアイを有するパーティングライン構造遠心ポンプに関係するであろう。そのような適応遠心ポンプは、一方では、その回転軸、およびそのボリュートの単純だが有効な形状のため、他方では、可変回転速度の可能性のため、圧力および流量の非常に精緻な変化を許容する。この速度は、ポンプとしての電気機械の最大速度に関して、タービンとしておおよそ２／３の最適効率を持たせるために、おおよそその１／３の速度まで減らされる。

水力回路８は、好ましくは、以下の特徴を有する。

それ（水力回路８）は、得られるべき圧力値および流量値、ならびに水の循環方向に関わりなく常に動作可能に配置された一連の水力機械部分からなる。その構造は、一方では、全ての可能な外側の組み合わせと適合し、他方では、ポンプとしてまたはタービンとして吸入および排出に課された水の吸入口方向において、内部に関して適合する。

好ましくは、水力回路８のダクトは、一方では、部品の数を制限し、コンパクトな水力発電ユニットを得るために、他方では、より効率の良いさらなる流体回路を得るために、水力機械部の本体を持つ本体を形成する。

図１〜図８に示されるように、好ましい実施形態によると、水力回路８は、水力機械６の回転部の中心に対して対称によって作られる。

ダクトの配列は、水力機械の回転子が回転する空間のいずれの側においても、分岐ダクト１１の同一部分１１ａおよび分岐ダクト１２の同一部分１２ａと、同一の対向端部ダクト９および１０とによって構成される。

分岐ダクト１１の部分１１ｂおよび分岐ダクト１２の部分１２ｂは、水力機械６の回転部の中心に関して、同一で、かつ対称である。それらは、部分１１ａおよび１２ａに垂直な同一の部分１１ｃおよび１２ｃと、前記ダクトの配列に並列な同一部分１１ｄおよび１２ｄと、部分１１ｄおよび１２ｄに同一の鈍角、ならびに部分１２ａおよび１１ａに同一の鋭角を形成するように傾斜する同一部分１１ｅおよび１２ｅとを有する。

以下の考慮の結果、非同期、単相、または三相発電機として逆動され得る非同期モータからなる電気機械４が精選される。

こうした機械は、交流電源によって供給される巻線を含む固定子（固定部分、筺体）と、供給されない一連の巻線か、または「かご型」と呼ばれるより標準的な短絡回路の伝導性の棒のいずれかを含む回転子（回転部分）とからなる。

固定子巻線に交流電流によって電力が供給されると、それらは回転磁場をつくる。固定子は、誘導によって回転子に供給する。この回転子は、この磁場の速度とほぼ同じ速度で回転する誘導電流の拠点である。回転子が固定子磁場より速く回転するとき、この機械は発電機となる。モータモードにおいて、回転子は、同期の速度よりもわずかにゆっくりと回転する。そのような機械の利点は、電力が供給される回転子を必要としないことである。これは、その設計を単純化する。集電器（コレクタ）もないため、このレベルでは、メンテナンスもない。固定子のポール（極）の対の数が、１分あたりの回転速度（ｎ）を決定する。

図１０を参照し、ここで、電気電子システム５を説明する。

この電気電子システム５の目的は、交流外側主電力源２０と電気機械４との間の電気的交換を管理し、水力ネットワークの水力需要への循環方向の採用、ならびに外側パイプ３における圧力および流量の適応を保証するために、電動バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４を選択的に制御することである。

本質的に、電気電子システム５は、電子バリエータ２１、およびプログラム可能なコントローラ２２を含む。

電子バリエータ２１は、２つの並列ライン２３および２４からなり、それらは、電気機械４、および電子スイッチング回路３０によって外側主電力源２０に接続しており、フォークワドラント構造として知られる構造を形成するように、上流から下流にかけて配置された整流器２５および２６、ならびにインバータ２７および２８をそれぞれ備える。加えて、プログラム可能なコントローラ２２は、ライン２３またはライン２４のどちらか一方を経由して電気機械４および外側主電力源２０に接続するために、ライン２９を経由してスイッチ３０の制御入力に接続される。

プログラム可能なコントローラ２２は、外側パイプ３における、方向ＳＣ１または方向ＳＣ２である所望の循環方向を示すＳｃｉ信号、ならびに圧力センサ１８および１９における所望の圧力を示すセットポイント信号Ｐ１８ｒおよびＰ１９ｒを含む外部信号に支配される。

プログラム可能なコントローラ２２は、センサ１８および１９から発生する圧力信号Ｐ１８およびＰ１９、電気機械４および水力機６に接続するシャフト７の回転速度のセンサから発生するＳｖ信号、ならびにこのシャフトのトルクセンサから発生するＳｔ信号を受信する。

プログラム可能なコントローラ２２は、電動バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４、ならびに電子スイッチング回路３０を制御するための信号を伝送するためにプログラムされており、これは、所望の循環方向が設定され、圧力Ｐ１８およびＰ１９が、状況に応じて、所望のセットポイント圧Ｐ１８ｒおよびＰ１９ｒの、どちらか一方、または両方に向かうように、前述の動作を選択的に設定するためである。

図５において、接続ダクト１３の方向Ｓ１、および外側ダクト３の方向ＳＣ１に相当する、ポンプとして水力機械６を動作する場合において、プログラム可能なコントローラ２２は、圧力センサ１９によって測定される下方流圧力Ｐ１９がセットポイント圧Ｐ１９ｒに到達して、維持されるように、電気バリエータ２１によって、電気モータとして電気機械４を動作するようプログラムされている。

図７において、接続ダクト１３の方向Ｓ１、および外側ダクト３の方向ＳＣ２に相当する、ポンプとして水力機械６を動作する場合において、プログラム可能なコントローラ２２は、圧力センサ１８によって測定される下方流圧力Ｐ１８がセットポイント圧Ｐ１８ｒに到達して、維持されるように、電気バリエータ２１によって、電気モータとして電気機械４を動作するようプログラムされている。

図６において、接続ダクト１３の方向Ｓ２、および外側ダクト３の方向ＳＣ２に相当する、タービンとして水力機械６を動作する場合において、プログラム可能なコントローラ２２は、バルブＶ３の孔を制御し、測定された上昇流圧力Ｐ１９を考慮することによって、圧力センサ１８によって測定される下方流圧力Ｐ１８がセットポイント圧Ｐ１８ｒに到達して、維持されるように、電気バリエータ２１によって、発電機として電気機械４を動作するようプログラムされている。

図８において、接続ダクト１３の方向Ｓ２、および外側ダクト３の方向ＳＣ１に相当する、タービンとして水力機械６を動作する場合において、プログラム可能なコントローラ２２は、バルブＶ２の孔を制御し、測定された上昇流圧力Ｐ１８を考慮することによって、圧力センサ１９によって測定される下方流圧力Ｐ１９がセットポイント圧Ｐ１９ｒに到達して、維持されるよう、電気バリエータ２１によって、発電機として電気機械４を動作するようプログラムされている。

概して、ある動作状態から新しい動作状態に切り替える必要がある時、プログラム可能なコントローラ２２は、初期遷移時において、図３、若しくは図４のバイパス状態にバルブを配置または調整し、そして、２度目の遷移時においては、特定の安定化時間の後、好ましくは徐々に、この新しい動作状態に対応する状況にバルブを配置または調整するよう順序良くプログラムされるのが望ましい。

電子システムの構造は、以下の考慮すべき事項とリンクしている。

圧力および流量の調整、ならびに速度の変化は、水力機械の回転方向によって行われる。エネルギは、電気機械に接続されたシャフトによって変換される。水力発電ユニットによって消費、または生産されるエネルギを制御および調整するために、使用は、好ましくは、シャフト７の状態の２つの物理的な大きさ、すなわち、そのトルクとその回転速度によってなされる。ポンプまたはタービンの状態を与える回転方向、回転速度の強度およびトルクの強度は、「クワドラント」と呼ばれる、動作の４つの特性ゾーンを定義する。２つは、ポンプ（モータ）として、またはタービン（発電機）としての２つの基本的動作に対応する。他の２つは、ポンプ動作またはタービン動作における、水力発電ユニットの加速または減速の移行フェーズに対応する。

装置１がポンプ動作か、またはタービン動作かによって、外側主電力源２０からの電気駆動力の機械的エネルギへの変換が起こるか、または外側主電力源２０へ電気エネルギとして伝送される水力駆動力の変換が起こる。

ポンプとして動作する場合、装置１は、その時、外側主電力源２０から供給される電気エネルギを消費する。

電子バリエータ２１のおかげで、突然の起動および遮断の時における動作衝撃が無い。

プログラム可能なコントローラ２２は、外側ダクト３における正確な流量および正確な圧力を得るために、電気モータ４の回転速度、従ってポンプ６の回転速度で駆動する電子バリエータ２１へ命令を伝達する。電子バリエータ２１は、モータの速度を変えるだけでなく、徐々に起動または終了することも可能とする。漸近的な加速または減速勾配とともに、起動およびハンマリングの超過電圧、ならびに電力消費は大幅に減少する。

非同期モータの可変速度は、固定子の巻線に可変周波数の電圧および交番電流を供給することよって達成される。主電力源２０から例えば、５０ヘルツ等の固定周波数の交流電源を用いて、数ヘルツから６０ヘルツまでの可変周波数の新しい電源が生成される。動作原理は、主電力源２０の交流電圧を整流し、それから、得られた直流を、可変周波数の電圧をモータへ伝送するインバータに供給し、これによってモータを可変速度とすることから成る。非同期モータのための電子バリエータ２１は、「周波数コンバータ」と呼ばれており、例えば３８０Ｖから６００Ｖへ、またはそれ以上の電圧間等、主電力源２０からの電圧を可変な周波数および振幅を有する電圧システムへと変換する。周波数はその時、モータの速度を決定し、トルクに作用する電圧を決定する。

他のケースにおいて、流量および圧力を減ずるために、外側パイプ３の「水を減速させる」ことが望ましい時は、水力駆動力は電気エネルギに変換され、主電力源２０へ送られる。非同期電気機械４は、交流非同期発電機となる。装置１は、その時、タービンとして動作する。

技術的な問題に関係する限り、タービンの動作において、電子バリエータ２１は、交流主電力源２０へ送られる安定した電流および電圧を発生させることができる。

巻線形回転子を持たないかご形非同期機械の特性は、主電力源２０からその磁化に必要な電圧を引き出すことが必要なことである。

発電機の回転速度が可変であるので、主電力源２０に関するその端子の電圧は、有利に取扱われるが、他方、その可変周波数は、発電とは両立しない。このように、ライン２３および２４の整流器およびインバータは、上流から下流にかけて配置される。この過程は、逆転される。主電力源２０によりパルス状にされ、発電機となった電気機械によって伝送される交流電圧は、整流器２６によって整流され、それから、主電力源２０に、例えば５０ヘルツの周波数で交流発電力の生成を順に与えるインバータ２８を通る。

図１０の略図において、プログラム可能なコントローラおよびライン２９を通る汎用の制御値に基く最適化された内部スイッチングロジックを用いて、ライン２３は、モータとしての動作を目的とし、ライン２４は、発電機としての動作を目的としていることに注目することができる。

装置１のいずれかの側に、外側パイプ３の２つの部分１４および１５における流量に応じた水力圧力曲線を事前に設定し、プログラム可能なコントローラ２２においてこれらの曲線を記憶させ、圧力センサ１８および１９を経て圧力を計測することは、装置１を記憶されたプログラムに従って動作させるのに十分である。

バルブは、それらの設定を確認する指示器を有していても良い。プログラム可能なコントローラ２２は、制御された加速または減速を実行するために構成されても良い。電子バリエータ２１は、ユニットを強力に、そして可逆にするクワドラントアセンブリがもたらした最適化された効率を常に維持することを可能とする。

変形例によれば、いくつかの電気機械に接続された水力機械がそれぞれ設置された、いくつかの接続ダクト１３を並列に設けることができる。もう一方の変形例によれば、接続ダクト１３に、いくつかの電気機械またはトランスミッションを経由して１つの電気機械と直列に接続されたいくつかの水力機械を設けることができる。

１ 水力発電装置
２ 水力ユニット
３ 外側パイプ
４ 電気機械
５ 電気電子システム
６ 水力機械
７ シャフト
８ 水力回路
９、１０ 対向端部ダクト
１１、１２ 分岐ダクト
１３ 接続ダクト
１４、１５ 対向部分
１６、１７ フランジ
１８、１９ 圧力センサ
２０ 主電力源
２１ 電子バリエータ
２２ プログラム可能なコントローラ
２３、２４ 並列ライン
２５、２６ 整流器
２７、２８ インバータ
２９ ライン
３０ スイッチ

Claims (10)

1. 外側パイプに設置され得る可逆水力発電装置であって、
   タービンとして逆動し得る遠心ポンプからなる水力機械（６）、および前記外側パイプにおける水の循環方向に関係なく、前記水力機械において、一方向または他方向の水の循環を可能にする、分岐および／または接続ダクト（１１、１２、１３）ならびに電動バルブ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４）を持つ水力回路（８）を備える水力ユニット（２）と、
   前記水力機械（６）に連結され、非同期発電機として逆動し得る非同期モータからなる電気機械（４）と、
   前記バルブを調節および／または調整するためのプログラム可能なコントローラ（２２）、および循環方向に応じた前記水力機械の下方流の圧力および／または流量が、少なくとも一セットポイントの値に安定化されるか、または調節されるように、前記電気機械の回転速度を調節および／または調整するための電子バリエータ（２１）を備える電子システム（５）と、
   を有することを特徴とする可逆水力発電装置。
2. 前記水力回路（８）は、前記水力機械に対して、対称性を持つ請求項１に記載の装置。
3. 前記水力機械（６）の本体は、対称的なダクトを備える請求項１または２に記載の装置。
4. 前記電子システム（５）は、前記主電力源（２０）と前記電気機械（４）との間に設置され、かつ非同期モータとして動作中の場合においては、前記電気機械の回転速度の調節および／または調整を行い、非同期発電機として動作中の場合においては、前記主電力源（２０）を電気的に適合させるフォークワドラント電子バリエータ（２１）を備える、請求項１〜３のいずれか１つに記載された装置。
5. 前記電子バリエータ（２１）は、上流から下流にかけて設置された整流器（２５、２６）およびインバータ（２７、２８）をそれぞれ備える並列な２つのライン（２３、２４）と、前記ラインのどちらか１つ、またはもう１つで、前記電気機械（４）および前記主電力源（２０）を接続するように設計されたスイッチ（３０）と、を有する請求項４に記載の装置。
6. 前記電子システムは、前記水力機械のいずれかの側に配置され、前記プログラム可能なコントローラに接続された圧力および／または流量センサを備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記電子システムは、前記プログラム可能なコントローラに接続された前記水力機械の方向および／または回転速度および／またはトルクを感知するセンサを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記電子システムは、前記電気機械の電圧および／または電流および／または周波数、および／または熱特性を感知するセンサを備える請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記水力回路は、前記外側パイプ（３）の２つの部分の間に挿入された２つの並列分岐ダクト（１１，１２）と、その端部が前記分岐ダクトに接続された少なくとも１つの接続ダクト（１３）とを備え、前記水力機械は、この接続ダクトに設置され、かつ前記接続ダクト（１３）の端部のいずれかの側に形成された前記分岐ダクトの部分にそれぞれ設置された４つの電動バルブ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４）を備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. いくつかの電気機械に接続された水力機械が、それぞれ設置されたいくつかの並列接続ダクト、または、前記接続ダクト１３において、いくつかの電気機械、もしくはトランスミッションを経て１つの電気機械に直列接続されたいくつかの水力機械を有する請求項９に記載の装置。

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