JP3357962B2 - 可変速水車発電装置及び可変速水車の運転方法 - Google Patents
可変速水車発電装置及び可変速水車の運転方法Info
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Description
プ水車に係り、可変速の発電機又は発電電動機を有する
可変速水車発電装置及び可変速水車の運転方法に関す
る。
特開昭57−113971号公報に、落差及び負荷に応
じて水車又はポンプ水車の水力性能上における最高効率
値あるいはその近傍値を得る回転速度を選択する装置を
備えた水力発電設備が開示されている。そしてこの公知
例では、落差・負荷に応じて水車又はポンプ水車の持つ
固有の水力特性をもとに最も高い効率で機器の運転を可
能とする運転方法が開示されている。すなわち、ポンプ
水車の水力特性を、横軸を単位回転速度n1=n/√H
(n:回転速度、H:落差)、縦軸を単位流量Q1=Q
/√H(Q:流量、H:落差)にとったグラフ上に複数
の等効率曲線で表わした際、与えられた落差Hと、流量
QとよりQ1=Q/√Hを求め、水車特性上のこのQ1一
定の線上で効率が最高になるn1を選択し、これにより
n=n1√Hを求めるものである。また、特開昭62−
071497号公報には、可変速水車発電装置の制御装
置が開示されている。水車特性関数発生器を備えている
が、その中で最適回転数指令と最適案内羽根開度指令を
演算する方法については最高効率で運転するためと記載
してあるのみである。したがって、従来の技術では、本
発明の対象とする振動・騒音特性から見た最適回転数や
ガイドベ−ン開度を決定する手段あるいは運転方法が欠
除している。
装置にあっては、最高効率ライン上で運転させようとす
ると、水圧脈動・振動・騒音が大きく、また、水車ラン
ナ入口でキャビテ−ションが発生してランナの壞食が進
み、水車の寿命を縮める原因となる問題があった。
して、水車ランナの寿命を延ばし運転中の振動・騒音を
抑え、水車特性関数発生器により水車振動特性から見た
最適回転数を決めるのに好適な可変速水車発電装置及び
可変速水車の運転方法を提供することにある。
口の水圧脈動が極小となり、入口キャビテ−ションが発
生しないランナ無衝突流入状態を具体的に定める手段を
提供することにある。
ブの水圧脈動が極小となるドラフト無旋回ラインを具体
的に定める手段を提供することにある。
め、本発明に係る可変速水車発電装置は、可変速の水車
又はポンプ水車と、可変速の水車又はポンプ水車に直結
された可変速の発電機又は発電電動機とを有する可変速
水車発電装置において、水車又はポンプ水車固有の水力
特性を、横軸に単位回転速度と縦軸に単位出力をとって
等効率曲線で表わした際、ランナ水車入口における振動
・騒音が小さくなるランナ無衝突流入ラインとドラフト
チュ−ブ内部の流れがほぼ無旋回になり水圧脈動・騒音
が小さくなるドラフト無旋回ラインとのなす角度の二等
分線と、二等分線と単位出力に対し最高効率を与える単
位回転速度を結んだ最高効率ラインとのなす角度の第2
の二等分線と、第2の二等分線と二等分線とに挟まれる
領域又は二等分線を介して接する領域に最適運転ライン
を設定し、落差・出力に応じて最適運転ライン上の最適
回転速度及び最適ガイドベ−ン開度を演算する水車特性
関数発生器を備えてなる構成とする。
等分線と第2の二等分線とにより挟まれる三角帯の底辺
幅のほぼ60%の底辺幅を有する三角帯に形成されてい
る構成でもよい。
ラインに沿い最高効率ラインより10単位回転速度高い
側へほぼ平行に移動して形成した構成でもよい。
率曲線上の任意の単位回転速度に対し、最高効率を与え
る単位出力を結んで形成した構成でもよい。
可変速の発電機又は発電電動機に直結された可変速の水
車又はポンプ水車を運転する可変速水車の運転方法にお
いて、水車又はポンプ水車固有の水力特性を、横軸に単
位回転速度と縦軸に単位出力をとって等効率曲線で表わ
した際、ランナ水車入口における振動・騒音が小さくな
るランナ無衝突流入ラインとドラフトチュ−ブ内部の流
れがほぼ無旋回になり水圧脈動・騒音が小さくなるドラ
フト無旋回ラインとのなす角度の二等分線と、二等分線
と単位出力に対し最高効率を与える単位回転速度を結ん
だ最高効率ラインとのなす角度の第2の二等分線と、第
2の二等分線と二等分線とに挟まれる領域又は二等分線
を介して接する領域に最適運転ラインを設定し、水車特
性関数発生器により発電所の落差・出力に応じて最適運
転ライン上の最適回転速度及び最適ガイドベ−ン開度を
演算し運転する構成とする。
等分線と第2の二等分線とにより挟まれる三角帯の底辺
幅のほぼ60%の底辺幅を有する三角帯に形成されてい
る構成でもよい。
ラインに沿い最高効率ラインより10単位回転速度高い
側へほぼ平行に移動して形成する構成でもよい。
率曲線上の任意の単位回転速度に対し、最高効率を与え
る単位出力を結んで形成する構成でもよい。
速度n11=n/√H・D(n:回転速度、H:落差、D:
ランナ径)、縦軸を単位流量Q11=Q/√H/D2(Q:
流量、H:落差、D:ランナ径)で表した水車等効率曲
線A上に、ランナ水車入口部(プライミング部)の水圧
脈動の大きさΔH/Hを、一定回転速度Jごとに円の大
きさで示したものである。プライミング水圧脈動が極小
となるランナ無衝突流入ラインCは最高効率ラインBと
は一致せず、最高効率ラインBよりほぼn11にして10
単位回転速度だけ、高n11側へほぼ平行移動した位置に
存在する。これは、ランナ羽根入口の無衝突流入に関し
た現象である。図6は、単位落差当りの速度で示したラ
ンナ羽根入口の速度三角形である。図中、Uはランナ羽
根入口における周速、Cはガイドベ−ンからランナに向
かう絶対流速、Wは回転するランナから見た相対流速で
ある。今、単位回転速度がn11*のとき、ランナ羽根入
口が無衝突流入になっていると仮定する。一般には、単
位回転速度n11*がこれより若干小さいn11**におい
て(n11**<n11*)、ランナへの相対流入角β**
がより大きくなり(β**>β*)、ランナ羽根入口に
おいて羽根が仕事をするので効率が上昇する。従って、
逆に、プライミング水圧脈動が小さい良好な運転特性を
得るためには、最高効率ラインBを離れて、よりランナ
無衝突流入ラインCに近いところで運転するのが望まし
い。また、ランナ無衝突流入ラインでは、水車入口キャ
ビテ−ションの発生もなく、キャビテ−ションによる壞
食の進行もないことが保証される。
11=n/√H・D(n:回転速度、H:落差、D:ランナ
径)、縦軸を単位流量Q11=Q/√H/D2(Q:流量、
H:落差、D:ランナ径)で表した水車等効率曲線上
に、ドラフトチュ−ブ水圧脈動の大きさを円の大きさで
示したものである。図7より明らかなように、ドラフト
無旋回ラインDは最高効率ラインBより離れており、こ
れと交叉している。図8は、一般的なフランシス型水車
あるいはポンプ水車の水車効率特性を、横軸を単位流量
Q11にとって表したものである。よく知られているよう
に、最高効率点においてはランナから流出する流れは無
旋回の状態でドラフトチュ−ブへ流入し、水圧脈動も小
さい。一方、これより低い流量においてはランナと同じ
方向へ旋回した流れがドラフトチュ−ブヘ流入し、この
旋回流れの増大にしたがって水圧脈動も大きくなる。ま
た、一方、最高効率点より大きい流量においては、ラン
ナと逆方向に回転した流れがドラフトチュ−ブに流入
し、やはり最高効率点から離れれば離れるほど、ドラフ
トチュ−ブ水圧脈動は大きくなる。つまり、ドラフトチ
ュ−ブ水圧脈動はランナから流出する流れの旋回の大き
さに依存しており、ドラフト無旋回の状態で水圧脈動は
極小となり、また、その位置でほぼ効率も最大値をむか
える。この状況を図7に示す水車等効率曲線上に移し替
えて見ると、図7におけるドラフト無旋回ラインDつま
りドラフト水圧脈動極小ラインDは、前記水車等効率曲
線上において、任意のn11に対し、最高効率となるQ11
を結んだ線と考えることもできる。図7より明らかなよ
うに、ドラフト無旋回ラインDは最高効率ラインBとは
離れており、よりドラフト無旋回ラインDに近づいた所
で運転する方がドラフト水圧脈動は小さくなることがわ
かる。
転させることにより、最高効率ラインよりもランナ無衝
突流入ライン又はドラフト無旋回ラインに近づく方向に
なるため、水圧脈動を減少させ振動・騒音が抑えられ
る。
する。図1に示すように、可変速の水車又はポンプ水車
と、可変速の水車又はポンプ水車に直結された可変速の
発電機又は発電電動機とを有する可変速水車発電装置に
おいて、水車又はポンプ水車固有の水力特性を、横軸に
単位回転速度と縦軸に単位出力をとって等効率曲線で表
わした際、ランナ水車入口における振動・騒音が小さく
なるランナ無衝突流入ラインCとドラフトチュ−ブ内部
の流れがほぼ無旋回になり水圧脈動・騒音が小さくなる
ドラフト無旋回ラインDとのなす角度の二等分線Eと、
二等分線Eと単位出力に対し最高効率を与える単位回転
速度を結んだ最高効率ラインBとのなす角度の第2の二
等分線Kと、第2の二等分線Kと二等分線Eとに挟まれ
る領域L又は二等分線を介して接する領域Fに最適運転
ラインGを設定し、落差・出力に応じて最適運転ライン
G上の最適回転速度及び最適ガイドベ−ン開度を演算す
る水車特性関数発生器(図示しない)を備えてなる構成
とする。
を単位出力P11にとった水車等効率曲線を示し、縦軸の
単位出力P11は単位流量Q11としても同じである。なぜ
なら、P11=Q11ηρgの関係があり、P11とQ11とは
一対一に対応しているからである。任意のP11に対して
最高効率を与えるn11を結んだ最高効率ラインB、ラン
ナ無衝突流入ラインC及びドラフト無旋回ラインDが図
示されており、ランナ無衝突流入ラインCとドラフト無
旋回ラインDとは、予めモデルテスト等によって、個々
のポンプ水車に対し求めておくのが望ましい。しかし、
そのデ−タがない場合は、以下のように定めることもで
きる。 (1)ランナ無衝突流入ラインCは最高効率ラインBを
n11にして10単位回転速度だけ高n11側へずらす。 (2)ドラフト無旋回ラインDは任意のn11に対し最高
効率を与えるP11を結んだラインとする。ランナ無衝突
流入ラインCとドラフト無旋回ラインDとは直線である
必要はない。 次に、ランナ無衝突流入ラインCとドラフト無旋回ライ
ンDとのなす角度の二等分線をEとする。ランナ無衝突
流入ラインCとドラフト無旋回ラインDのどちらか一
方、あるいは両方が直線ではない時は、ランナ無衝突流
入ラインCとドラフト無旋回ラインDとに内接する円を
多数描き、その中心を結び二等分線Eとする。
きた三角帯の領域Lの幅を0〜1(二等分線Eを0)と
する。このとき、−0.3〜0.5の間の領域をL,F
とし、領域L又はFの中に一本の最適運転ラインGを引
く。つまり二等分線Eと最高効率ラインBとのなす角度
の第2の二等分線Kと、第2の二等分線Kと二等分線E
とに挟まれる領域L又は二等分線を介して接する領域F
に最適運転ラインGを設定する。二等分線Eを介して接
する領域Fは、二等分線Eと第2の二等分線Kとにより
挟まれる三角帯の底辺幅のほぼ60%の底辺幅を有する
三角帯に形成されているものとする。可変速水車あるい
はポンプ水車は、以下のように運転される。すなわち、
任意の発電所出力指令P0、その時点の発電所の落差H
に対してP11を(1)式により計算する。
n11を求め、このn11よりna=n 11√H/Dの式に基
づいて得られる最適回転速度naを求める。水車はこの
最適回転速度で運転するよう制御される。また、ガイド
ベ−ン開度については、最適運転ラインG上のP11に対
するガイドベ−ン開度を求め、このガイドベ−ン開度で
運転するよう制御される。
の実施例を図2を参照しながら説明する。図2は、可変
速水車発電装置の制御装置の構成例を示すものである。
図2において、誘導機1はその回転子に直結された水車
2によって回転駆動され、誘導機1の2次巻線1bには
周波数変換器(図示しない)を備えた2次励磁制御装置
3により誘導機1の回転速度に応じて所定の位相に調整
された交流励磁電流が供給され、誘導機1の1次巻線1
aからは交流系統4と等しい周波数の交流電力が出力さ
れるように可変速運転が行なわれる。水車特性関数発生
器5は、外部から与えられる発電所出力指令P0と水位
検出信号H0とを入力し、最適運転ライン上の最適回転
速度と最適ガイドベ−ン開度とを演算して最適回転速度
指令naと最適ガイドベ−ン開度指令Yaとを発生す
る。スリップ位相検出器7は、交流系統4の電圧位相と
電気角とで表した誘導機1の2次側回転位相の差に等し
いスリップ位相Spを検出する。スリップ位相検出器7
の回転子は誘導機1の1次巻線1aと並列に接続された
3相巻線が設けられ、スリップ位相検出器7の固定子側
には電気角でπ/2だけ異なる位置にホ−ルコンバ−タ
(図示しない)がそれぞれ1個設けられていて、誘導機
1の2次側から見た交流系統4の電圧位相の一致した信
号がホ−ルコンバ−タより検出され、スリップ位相Sp
に変換される。外部発電出力指令P0は水車特性関数発
生装置5に入力されるとともに、2次励磁制御装置3へ
の発電出力指令として入力される。この誘導機出力指令
Pgとスリップ位相検出器7のスリップ位相信号Spと
は2次励磁制御回路3に入力され、有効電力検出器9で
検出される誘導機1の水車出力Pの検出信号が誘導機出
力指令Pgに等しくなるように誘導機1の2次側巻線1
bに供給する交流励磁電流を制御する。回転速度制御装
置16は、水車特性関数発生器5からの最適回転速度指
令naと、回転速度検出器6からの回転速度検出信号N
とを比較しガイドベ−ン開度補正信号ΔYを出力する。
水車特性関数発生器5からの最適ガイドベ−ン開度指令
Yaは加算器21によってガイドベ−ン開度補正信号Δ
Yと加算されてガイドベ−ン駆動装置10に入力され、
ガイドベ−ン開度11を調節することにより水車出力P
を制御する。
される最適回転速度指令naを与える関数の一例を図3
に示す。図3はいくつかの落差Hに対して、各水車出力
Pごとに最適回転速度naを与える曲線を示している。
ここに与えられた落差の中間の落差に対しては、この関
数群を補間することによって最適回転速度naを得る。
これらの曲線は次のようにして求められる。すなわち、
ある落差H、水車出力Pに対して、単位出力P11を
(2)式により求める。
P11に対する単位回転速度n11を読む。このn11より、
n=n11√H/Dの式に基づいて最適回転速度naを求
める。いくつかの落差に対してこの操作を繰り返すこと
により図3に示される関数群が得られる。低落差の場
合、高落差に比べて、同じ水車出力を得ようとすると単
位出力P11は大きくなるため、最適運転ラインG上で求
められる最適回転速度naも高くなるのが一般的な特徴
である。また、図3に示すように、一般には可変速水車
発電装置の最低回転速度が存在する。さらに、図3にお
いて点線で示される従来の最高効率ラインを用いた場合
に比べて、同じく図3に実線で示される本発明による最
適運転ラインを用いた場合は、同じP11に対してより高
いn11を選ぶため、最適回転数はより高めに設定される
という特徴がある。また、同じ発電機出力に対して可変
速発電機の回転速度が高めになるということは、トルク
が減少することと同じであり、電流が減少するので発電
機設計が容易になるという効果もある。
に入力される最適ガイドベ−ン開度指令Yaを与える関
数の一例を図4に示す。図4はいくつかの落差に対し
て、各水車出力Pごとに最適ガイドベ−ン開度Yaを与
える曲線を示している。ここに与えられた落差の中間の
中落差に対しては、この関数群を補間することによって
最適ガイドベ−ン開度Yaを得る。これらの曲線は次の
ようにして求められる。すなわち、ある落差H、ガイド
ベ−ン開度Yに対して、図1に示す最適運転ラインG上
でP11とn11とを読む。これらより、n=n11√H/D
および(3)式に基づいて最適回転速度naと水車出力
Pとを求める。
すことにより図4に示される関数群が得られる。低落差
の場合、高落差に比べて、同じ水車出力を得ようとする
と単位出力P11は大きくなるため、最適運転ラインG上
で求められる最適ガイドベ−ン開度Yaも高くなるのが
一般的な特徴である。図4において点線で示される従来
の最高効率ラインを用いた場合に比べて、同じく図4に
実線で示される本発明による最適運転ラインを用いた最
適ガイドベ−ン開度は、より高めに設定されるという特
徴がある。
プ水車を最適運転ライン上で運転するため、水車効率の
大幅な犠牲を抑制して、振動・騒音の小さい状態で運転
することができる。また、振動・騒音の小さい状態で運
転される結果、水車の寿命を延ばすことができる効果が
ある。
示すグラフである。
数の例を示すグラフである。
である。
ラフである。
フである。
Claims (5)
- 【請求項1】 可変速の水車又はポンプ水車と、該可変
速の水車又はポンプ水車に直結された可変速の発電機又
は発電電動機とを有する可変速水車発電装置において、
前記水車又はポンプ水車固有の水力特性を、横軸に単位
回転速度と縦軸に単位出力をとって等効率曲線で表わし
た際、ランナ水車入口における振動・騒音が小さくなる
ランナ無衝突流入ラインとドラフトチュ−ブ内部の流れ
がほぼ無旋回になり水圧脈動・騒音が小さくなるドラフ
ト無旋回ラインとのなす角度の二等分線と、該二等分線
と単位出力に対し最高効率を与える単位回転速度を結ん
だ最高効率ラインとのなす角度の第2の二等分線と、該
第2の二等分線と前記二等分線とに挟まれる領域又は該
二等分線を介して接する領域に最適運転ラインを設定
し、落差・出力に応じて該最適運転ライン上の最適回転
速度及び最適ガイドベ−ン開度を演算する水車特性関数
発生器を備えてなることを特徴とする可変速水車発電装
置。 - 【請求項2】 請求項1記載の可変速水車発電装置にお
いて、二等分線を介して接する領域は、該二等分線と第
2の二等分線とにより挟まれる三角帯の底辺幅のほぼ6
0%の底辺幅を有する三角帯に形成されていることを特
徴とする可変速水車発電装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の可変速水車発電装置にお
いて、ランナ無衝突流入ラインを、最高効率ラインに沿
い該最高効率ラインより10単位回転速度高い側へほぼ
平行に移動して形成したことを特徴とする可変速水車発
電装置。 - 【請求項4】 請求項1記載の可変速水車発電装置にお
いて、ドラフト無旋回ラインを、水車等効率曲線上の任
意の単位回転速度に対し、最高効率を与える単位出力を
結んで形成したことを特徴とする可変速水車発電装置。 - 【請求項5】 可変速の発電機又は発電電動機に直結さ
れた可変速の水車又はポンプ水車を運転する可変速水車
の運転方法において、前記水車又はポンプ水車固有の水
力特性を、横軸に単位回転速度と縦軸に単位出力をとっ
て等効率曲線で表わした際、ランナ水車入口における振
動・騒音が小さくなるランナ無衝突流入ラインとドラフ
トチュ−ブ内部の流れがほぼ無旋回になり水圧脈動・騒
音が小さくなるドラフト無旋回ラインとのなす角度の二
等分線と、該二等分線と単位出力に対し最高効率を与え
る単位回転速度を結んだ最高効率ラインとのなす角度の
第2の二等分線と、該第2の二等分線と前記二等分線と
に挟まれる領域又は該二等分線を介して接する領域に最
適運転ラインを設定し、水車特性関数発生器により発電
所の落差・出力に応じて該最適運転ライン上の最適回転
速度及び最適ガイドベ−ン開度を演算することを特徴と
する可変速水車の運転方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21116693A JP3357962B2 (ja) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | 可変速水車発電装置及び可変速水車の運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21116693A JP3357962B2 (ja) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | 可変速水車発電装置及び可変速水車の運転方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0763154A JPH0763154A (ja) | 1995-03-07 |
JP3357962B2 true JP3357962B2 (ja) | 2002-12-16 |
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ID=16601504
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP21116693A Expired - Lifetime JP3357962B2 (ja) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | 可変速水車発電装置及び可変速水車の運転方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3357962B2 (ja) |
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CN101560940B (zh) * | 2009-05-27 | 2010-04-21 | 南京星飞冷却设备有限公司 | 应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机 |
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-
1993
- 1993-08-26 JP JP21116693A patent/JP3357962B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH0763154A (ja) | 1995-03-07 |
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