JP6119404B2

JP6119404B2 - 流体装置

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Publication number: JP6119404B2
Application number: JP2013094423A
Authority: JP
Inventors: 淳須原; 知己阪本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP2014214711A

Description

本発明は流体装置に関し、特に、水車などの流体機械と、この流体機械の回転軸に連結された回転電気機械とを有し、水などの流体により流体機械を回転駆動して回転電気機械を発電機として発電するものに関する。

従来、この種の流体装置として、特許文献１に示す発電装置がある。この発電装置では、水車などの流体機械を流体で駆動して回転電気機械を発電機として発電させるに際し、該発電機を電気的に制御する制御装置により該発電機の回転数を逐次変更し、その変更毎の発電電力を測定して、それ等の発電電力が増大するように上記発電機の回転数を制御することにより、発電機の最大発電電力点を探索しながら運転する技術が知られている。

また、同従来技術では、水車の駆動力（具体的には水車への流量及び落差）と最大発電電力点となる発電機の回転数（指令周波数）との関係を予めテーブルや関数として記憶しておき、発電装置の運転開始時に、無拘束運転時（発電開始前）での回転数により水車の駆動力を推定し、その推定した駆動力において最大発電電力点となる発電機の回転数を上記テーブルや数式により決定し、この決定した回転数で発電機を運転することにより、発電機を早期に最大発電電力点に制御する技術を採用している。

特開２００５−１７６４９６号公報

ところで、水車などの流体機械に流体を供給する管路では、その配管系に応じた流体流れに対する抵抗（配管ロス）が存在し、管路に流れる流量が増大するほど管路の有効落差は小さくなる。従って、上記発電装置が接続される管路には、その抵抗に応じた管路固有の流動抵抗特性線（システムロスカーブ）があり、水車はこの流動抵抗特性線上を運転点として動作する。管路の抵抗は経年使用により変化し、総落差も使用状態に応じて変動するため、管路の流動抵抗特性線も使用状態や経年使用に伴い変動する。

しかしながら、上記従来の発電装置では、水車の駆動力と最大発電電力点となる発電機の回転数との関係を求めたテーブルや関数が固定されているため、そのテーブルや関数上の最大発電電力点が、変動後の管路の流動抵抗特性線上の最大発電電力となる運転点と相違し、管路の経年使用に伴う変動に対応できず、実際上は発電機を最大発電電力点で運転できない欠点がある。

本発明は、上記欠点に鑑み、その目的は、流体機械を回転駆動して回転電気機械を発電機として発電する流体装置において、管路の流動抵抗特性線を固定せず、運転後も適切な流動抵抗特性線を得ることにある。

上記目的を達成するため、第１の発明の流体装置は、落差を有する管路系(1)に配置される流体機械(T)と、上記流体機械(T)に連結された回転電気機械(G)とを備えた流体装置であって、上記管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の流動抵抗特性線に基づいて上記回転電気機械(G)の運転を制御する制御手段(20)と、本流体装置の設置後の運転中に、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を修正する特性線修正手段(40)とを備え、上記特性線修正手段(40)は、上記制御手段(20)を使用して、上記回転電気機械(G)の回転速度又はトルクを変更して、予め定めた配管モデルに基づいて上記管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の流動抵抗特性線を測定する特性測定手段(41)を備えることを特徴とする。

上記第１の発明の流体装置では、使用する管路の総落差が使用状態によって変化したり、経年使用によって管路抵抗が増大しても、その管路の流動抵抗特性線が運転中において修正されるので、制御手段による回転電気機械の運転制御が適切になって、例えばその回転電気機械を常に最大発電力で効率良く運転することが可能である。

上記第１の発明の流体装置では、運転中に、特性測定手段が回転電気機械(G)の回転速度又はトルク値を変更して、管路の流動抵抗特性線を測定するので、使用する管路の使用状態や経年劣化があっても、適切な流動抵抗特性線が得られる。

第２の発明は、上記流体装置において、上記予め定めた配管モデルは、上記管路系(1)の流量の２乗に比例して管路抵抗が増加する曲線で表現されることを特徴とする。

上記第２の発明では、管路の流動抵抗特性線の測定に際し、その特性線の実際の変化傾向を良好に表現した配管モデルを用いるので、少なくとも２つの運転点を測定するだけで、管路の流動抵抗特性線を精度良く推定することが可能である。

第３の発明は、上記流体装置において、上記特性測定手段(41)は、上記流体機械(T)が管路系(1)からの流体を受けて駆動される水車領域を規定する回転電気機械(G)のトルク零値と回転速度零値との範囲において、回転電気機械(G)の回転速度(N)又はトルク(T)を運転中において変更することを特徴とする。

上記第３の発明では、流体機械の水車領域、すなわち回転電気機械の発電領域において、測定する２つ以上の運転点間を広くできるので、管路の流動抵抗特性線の推定を精度良くできる。

第４の発明は、上記流体装置において、上記特性測定手段(41)は、トルク零値近傍の領域では回転電気機械(G)のトルクを変更して、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を測定することを特徴とする。

上記第４の発明では、トルク零値近傍の領域で運転点を測定するに際しては、そのトルク零値の領域を超えて回転電気機械(発電機)が発電領域から力行領域に移行しないよう考慮する必要があるが、発電機の回転速度を徐々に上げて行く場合に比して、発電機のトルク値を零値近傍の正値に制御すれば良いので、制御が容易で短時間で運転点を測定できる。

第５の発明は、上記流体装置において、上記特性測定手段(41)は、回転速度零値近傍の領域では回転電気機械(G)の回転速度を変更して、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を測定することを特徴とする。

上記第５の発明では、回転速度零値近傍の領域で運転点を測定するに際しては、その回転速度零値の領域を超えて回転電気機械(発電機)が逆回転しないよう考慮する必要があるが、発電機のトルクを徐々に上げて行く場合に比して、発電機の回転速度値を零値近傍の正値に制御すれば良いので、制御が容易で短時間で運転点を測定できる。

第６の発明は、上記流体装置において、上記回転電気機械(G)の回転速度(N)、トルク(T)及び発電力(P)並びに管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の特性マップ(M)を有し、上記特性線修正手段(40)は、修正した管路系(1)の流動抵抗特性線の値を上記特性マップ(M)上に記録し、上記制御手段(20)は、上記特性マップ(M)上の管路系(1)の流動抵抗特性線に基づいて、その流動抵抗特性線上の任意の有効落差(H)及び流量(Q)になるように、上記回転電気機械(G)の運転を制御することを特徴とする。

上記第６の発明では、回転電気機械の回転速度(N)、トルク(T)及び発電力(P)並びに管路の有効落差(H)及び流量(Q)の特性マップ上に、測定した管路の流動抵抗特性線の値が記録されるので、その流動抵抗特性線上の任意の有効落差値及び流量値の運転点になるよう、回転電気機械を制御することが可能である。

第７の発明は、上記流体装置において、上記制御手段(20)は、上記管路系(1)の流動抵抗特性線上の任意の有効落差(H)及び流量(Q)として、上記流体装置の最大出力又は最大効率運転状態となる有効落差及び流量を選択して、上記回転電気機械(G)を運転することを特徴とする。

上記第７発明では、流体装置が最高効率で最大出力又は最大効率となる状態で回転電気機械を運転することができる。

第８の発明は、上記流体装置において、上記特性測定手段(41)は、上記回転電気機械(G)の上記特性マップ(M)上の運転点が、所定の有効落差及び流量から所定値以上変化したとき、上記管路系(1)の流動抵抗特性線の測定を開始することを特徴とする。

上記第８の発明では、回転電気機械（発電機）の運転中において、例えば回転電気機械が最大発電力となっている運転点が所定値以上変動したときには、管路の総落差や管路の抵抗（配管ロス）が使用状態や経年使用により変動したと判断して、直ちに管路の流動抵抗特性線の測定が開始されるので、応答性良く管路の流動抵抗特性線を修正できる。

第９の発明は、上記流体装置において、上記制御手段(20)は、上記特性測定手段(41)が測定した管路系(1)の流動抵抗特性線と、以前に測定した管路系(1)の流動抵抗特性線との差に基づいて、異常判断又は上記回転電気機械(G)の運転の続行可否を判断することを特徴とする。

第１０の発明は、上記流体装置において、上記制御手段(20)は、上記特性測定手段(41)が測定した管路系(1)の流動抵抗特性線と、以前に推定した管路系(1)の流動抵抗特性線との差が所定値未満のとき、管路系(1)の経年劣化と判断して、上記回転電気機械(G)の運転を続行することを特徴とする。

第１１の発明は、上記流体装置において、上記制御手段(20)は、上記特性測定手段(41)が測定した管路系(1)の流動抵抗特性線と、以前の管路系(1)の流動抵抗特性線との差が所定値以上のとき、異常と判断して、上記回転電気機械(G)の運転を停止することを特徴とする。

上記第９〜１１の発明では、新たに測定した管路の流動抵抗特性線と以前の流動抵抗特性線との差に応じて、管路の経年劣化か異常かを判断することが可能になる。特に、上記２つの流動抵抗特性線間の差が所定未満であれば、経年劣化と判断して、新たに測定した流動抵抗特性線に基づいた回転電気機械（発電機）の例えば最大発電力での運転続行が可能である。一方、２つの流動抵抗特性線間の差が所定値を超える場合には、管路などの異常と判断して、回転電気機械の運転を停止させることができる。

第１２の発明は、落差を有する管路系(1)に配置される流体機械(T)と、上記流体機械(T)に連結された回転電気機械(G)とを備えた流体装置であって、上記管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の流動抵抗特性線に基づいて上記回転電気機械(G)の運転を制御する制御手段(20)と、本流体装置の設置後の運転中に、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を修正する特性線修正手段(40)とを備え、上記回転電気機械(G)の回転速度(N)、トルク(T)及び発電力(P)並びに管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の特性マップ(M)を有し、上記特性線修正手段(40)は、修正した管路系(1)の流動抵抗特性線の値を上記特性マップ(M)上に記録し、上記制御手段(20)は、上記特性マップ(M)上の管路系(1)の流動抵抗特性線に基づいて、その流動抵抗特性線上の任意の有効落差(H)及び流量(Q)になるように、上記回転電気機械(G)の運転を制御し、上記制御手段(20)は、回転電気機械(G)の回転速度の減速勾配に応じてトルク指令値(T)の変化勾配に制限を加えることを特徴とする。

上記第１２の発明では、回転電気機械の回転速度の減速勾配が大きくて回転速度が急に零値に近づく際には、トルク指令値の変化勾配を小さく制限できるので、回転電気機械の逆回転を防止することが可能である。

上記第１の発明の流体装置によれば、使用する管路の流動抵抗特性線が管路の総落差の変化や経年使用に応じて変動しても、回転電気機械の運転制御を適切にできて、例えばその回転電気機械を最大発電力で効率良く運転することが可能である。

上記第１の発明の流体装置によれば、運転中に管路の流動抵抗特性線を測定するので、使用する管路の使用状態による変化や経年劣化があっても、適切な流動抵抗特性線が得られる。

上記第２の発明の流体装置によれば、少なくとも２つの運転点を測定するだけで、管路の流動抵抗特性線を精度良く推定することが可能である。

上記第３の発明の流体装置によれば、管路の流動抵抗特性線の推定を精度良くできる。

上記第４及び第５の発明の流体装置によれば、制御が容易で短時間で運転点を測定できる。

上記第６の発明の流体装置によれば、測定した流動抵抗特性線上の任意の有効落差値及び流量値の運転点になるように回転電気機械を制御することが可能である。特に、第７の発明の流体装置によれば、回転電気機械（発電機）を最大出力又は最大効率となる運転点で運転できる。

上記第８の発明の流体装置によれば、管路の総落差や管路の抵抗（配管ロス）が使用状態や経年使用により変動したと判断したときには、直ちに管路の流動抵抗特性線を修正できる。

上記第９〜１１の発明の流体装置によれば、管路の流動抵抗特性線の変動の大きさに応じて、回転電気機械（発電機）の最大発電力点での運転続行や、運転の続行可否を適切に判断することが可能である。

上記第１２の発明の流体装置によれば、運転中での回転電気機械の運転点の変更に際して、回転電気機械の逆転を防止できる。

図１は実施形態に係る流体装置を含む管路系の全体構成を示す概略図である。図２は同流体装置の回転電気機械の制御系及び電源連系を示すブロック図である。図３は同流体装置に備える制御装置に予め記憶する特性マップを示す図である。図４は同制御装置に備える最適運転制御装置の内部構成を示すブロックズである。図５は同制御装置が特性線修正手段として動作する場合の制御フローチャートを示す図である。図６は最大発電力・最大効率の運転点近傍での回転電気機械の回転速度の変化勾配を説明する図である。図７(a)は総落差及び管路抵抗が変化したシステムロスカーブを示す図、同図(b)は管路抵抗のみが変化したシステムロスカーブを示す図、同図(c)は総落差のみが変化したシステムロスカーブを示す図である。図８はシステムロスカーブを測定する際の運転点の変更の様子を示す図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、又はその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１は、流体装置を含む管路系の全体概略構成を示す。同図において、管路系(1)の上流端には水（流体）の貯留槽(2)が配置され、下流端には受水槽(3)が配置される。上記管路系(1)の途中には、本流体装置(A)の水車（流体機械）(T)が配置され、この水車(T)の回転軸(9)には回転電気機械(G)が接続されている。また、管路系(1)の上記水車(T)の上流側及び下流側には、各々、流量調整弁(5)、(6)が配置される。尚、図１では、これ等の流量調整弁(5)、(6)でもって管路系(1)全体の水流に対する管路抵抗（配管ロス）をも表現することとする。

上記図１の管路系(1)では、貯留槽(2)の水面から受水槽(3)の水面までの落差が総落差(Ho)であり、貯留槽(2)の水が管路系(1)を経て受水槽(3)に至るまでの管路抵抗に相当する落差を上記総落差(Ho)から減じた落差が水車(T)での有効落差(H)である。

図２は、上記回転電気機械(G)の制御系及び電源連系を示す。同図において、コンバータ部(13)により直流出力に変換された後、平滑コンデンサ(12)により平滑され、系統連系装置(11)に出力される。

更に、(20)は上記コンバータ部(13)を制御する制御装置(制御手段)であって、内部には、予め、図３に示す特性マップ(M)が記憶されている。この特性マップ(M)は、縦軸を水流の有効落差(H)、横軸を水車(T)に供給される流量(Q)としている。この特性マップ(M)において、回転電気機械(G)は、その負荷をかけずトルク零値(T=0)とした場合の無拘束速度曲線と回転数零値(N=0)の等速度曲線との間の領域を水車(T)が水流により回転する水車領域として、この水車領域において、回転電気機械(G)が水車(T)により回転駆動されて発電機として運転されるのを基本とする。上記無拘束速度曲線のマップ左側の領域は、回転電気機械(G)が電動機として水車(T)を回転駆動する力行領域である。

上記水車領域において、複数の等トルク曲線は上記無拘束速度曲線(T=0)に沿い、マップ上、流量(Q)の増大に応じてトルク値も増大する。また、複数の等速度曲線は回転数零値(N=0)の等速度曲線に沿い、有効落差(H)が大きくなるほど回転数も上昇する。更に、破線で示した等発電力曲線は下に凸な二次曲線であって、有効落差(H)及び流量(Q)の増大に応じて発電力も増大する。この複数の等発電力曲線の頂点を結ぶ曲線(E)は、回転電気機械(G)が発電機として最大発電力（最大出力）を得る最大発電力曲線である。このＨ−Ｑマップ上に回転電気機械(G)のトルク(T)、回転速度(N)、発電力(P)を記録した特性マップ(M)は、本流体装置に接続される管路系(1)とは無関係であり、本流体装置固有の特性マップである。

そして、上記特性マップ(M)に、実際の運転で測定したシステムロスカーブ(S)を記録する。このシステムロスカーブ(S)は、図１に示した管路系(1)に固有の曲線であって、流量(Q)=０のとき有効落差(H)が総落差(Ho)であり、流量(Q)の増大に応じて有効落差(H)が二次曲線的に減少する特性を持ち、その曲率は図１の管路系(1)固有の値を持つ。

図２に戻って、上記制御装置(20)の内部には、速度検出器(21)と、最適運転制御装置(22)と、速度制御器(23)と、トルク制御器(24)と、電流制御器(25)と、選択器(26)とが備えられる。最適運転制御装置(22)は、上記速度検出器(21)で検出した回転速度と、トルク制御器(24)からのトルク値とに基づいて、これ等の回転速度及びトルク値に対応する上記特性マップ(M)上の運転点（有効落差(H)及び流量(Q)）を演算し、この運転点から、最大発電力となるシステムロスカーブ(S)上の運転点になるように、トルク指令値又は回転速度指令値を演算する。また、最適運転制御装置(22)は、運転状態に応じて速度制御かトルク制御かを選択器(26)で切り替える。

上記制御装置(20)の最適運転制御装置(22)の内部構成を図４に示す。最適運転制御装置(22)は、流量演算部(30)と、有効落差演算部(31)と、最適運転指令演算器(32)とを有する。上記流量演算部(30)は、図２の速度検出器(21)からの回転速度(N)と、トルク制御器(24)からのトルク値(T)とを受けて、図３の特性マップ(M)上のこれ等の回転速度(N)及びトルク値(T)で決まる回転電気機械(G)の運転点での流量(Q)を演算する。また、有効落差演算部(31)は、上記流量演算部(30)の内部演算値と上記速度検出器(21)からの回転速度(N)とを受け、この流量(Q)及び回転速度(N)で決まる特性マップ(M)上の運転点での有効落差(H)を演算する。更に、最適運転指令演算器(32)は、上記流量演算部(30)で演算された流量(Q)と有効落差演算部(31)で演算された有効落差(H)とに基づいて、これ等の流量(Q)と有効落差(H)とで決まる特性マップ(M)上の水車(T)の運転点からシステムロスカーブ(S)上で最大発電力となる運転点に移動するためのトルク指令値又は回転速度指令値を演算する。

そして、上記制御装置(20)は、更に、本流体装置の運転中において、上記回転電気機械(G)の回転速度(N)又はトルク値(T)を変更して、システムロスカーブ(S)を修正し、その修正したシステムロスカーブ(S)を特性マップ(Ｍ)に記録して更新し、この更新したシステムロスカーブ(S)に基づいて回転電気機械(G)の運転を制御する特性線修正手段としても機能する。この特性線修正手段による制御の詳細を図５に示す。

図５は、特性線修正手段(40)の制御を示すフローチャート図である。同図では、ステップＳ１において、特性マップ(M)上の運転点が流体装置の最大発電力曲線(E)上の点になるように、回転電気機械(G)の回転数(N)又はトルク(T)を逐次探索制御（ＭＰＰＴ制御、Maximum Power Point Track制御）しており、これにより、回転電気機械(G)はステップＳ２において特性マップ(M)の最大発電力曲線(E)上の所定の運転点で運転されている。このような運転状態において、ステップＳ３以降でシステムロスカーブ(S)の測定の要否を判断する。尚、本実施形態では最大発電力の運転状態においてシステムロスカーブ(S)の測定の要否を判断するが、この運転状態に限らず、特性マップ(M)上の水車領域内の任意の一点で運転している状態でシステムロスカーブ(S)の測定の要否を判断しても良いのは勿論である。

そして、システムロスカーブ(S)の測定の要否について、ステップＳ３では、上記最大発電力の運転状態において、速度検出器(21)で検出した回転電気機械(G)の回転速度(N)と、トルク制御器(24)からのトルク値(T)をモニタすると共に、これ等の回転速度(N)及びトルク(T)から回転電気機械(G)の発電力(P)を演算し、回転速度(N)及びトルク(T)の情報で決まる特性マップ(M)上の運転点の流量(Q)及び有効落差(H)に変換する。その後、ステップＳ４では、この変換した流量(Q)及び有効落差(H)の運転点が最大発電力曲線(E)上にあるか否かを判断し、最大発電力曲線(E)上にない逸脱時の場合には、管路系又は本流体装置の制御系の異常時又は故障時と判断して、ステップＳ５で異常アラートを発令する。

一方、現在の運転点が最大発電力曲線(E)上にある場合には、管路系(1)及び本流体装置の制御系の正常時と判断して、ステップＳ６において上記モニタした回転電気機械(G)の回転速度(N)、トルク(T)及び発電力(P)を各々前回値と減算し、その各々の差分である経時変化量を各々予め定めた所定値と比較して、何れかの経時変化量が所定値未満の場合には、上記ステップＳ１に戻って運転点が最大発電力曲線(E)上の点になるように、回転電気機械(G)の回転数(N)又はトルク(T)を逐次探索制御（ＭＰＰＴ制御）する。一方、何れかの経時変化量が所定値以上の場合には、ステップＳ７以降でシステムロスカーブ(S)を測定し、再作成することとする。尚、本実施形態では、回転数(N)、トルク(T)又は発電力(P)の前回値と今回値との差分（経時変化量）の大小でシステムロスカーブ(S)の測定の要否を判断したが、これに限定されず、例えば設定時間の経過毎にシステムロスカーブ(S)の測定を開始しても良いし、外部からの測定開始信号を任意のタイミングで受けて開始しても良い。更に、流量(Q)が設定流量になるように運転点を変更する要求がある際には、これと同時にシステムロスカーブ(S)の測定を開始しても良い。

そして、上記ステップＳ６でシステムロスカーブ(S)の測定、再作成の必要時には、ステップＳ７において、トルク制御器(24)へのトルク指令値(T)を、最初は、現在の繰返し回数(Nr)(Nr=1〜3、初期値＝０)・現在トルク値(To)の１０％値（０．１・Ｎｒ・Ｔｏ）に設定して、回転電気機械(G)を運転する。その後、ステップＳ８で所定時間の間、運転状態が安定するまで待ち、ステップＳ９において速度検出器(21)で検出した回転電気機械(G)の回転速度(N)と、トルク制御器(24)からのトルク(T)をモニタすると共に、これ等の回転速度(N)及びトルク(T)から回転電気機械(G)の発電力(P)を演算し、これ等の回転速度(N)及びトルク(T)の情報で決まる特性マップ(M)上の運転点の流量(Q)及び有効落差(H)に変換する。そして、ステップＳ１０で繰返し回数(Nr)の値を判断し、繰返し回数(Nr)が設定値（例えば３）以下（Nr≦3）の場合には、ステップＳ１１で繰返し回数(Nr)に１値を加算（Nr=Nr+1）した後、ステップＳ７に戻って以上の運転点の変更を繰り返す。一方、繰返し回数(Nr)が設定値（＝３）を超えた（Nr>3）場合には、ステップＳ１２に進んで、上記複数回（Nr+1回）得られた運転点のデータを用いてシステムロスカーブ(S)を推定する。

尚、上記複数個の運転点のデータ取得については、特性マップ(M)上の水車領域で運転点を変更するので、トルク指令値(T)は無拘束速度曲線のＴ＝０％以上の値に設定する。また、運転点の変更に際し、トルク指令値(T)は１０％ずつ増大させたが、１５％又は２０％ずつ変更しても良く、予め定めた所定％値を採用すれば良い。更に、トルク指令値(T)を変更するのに代えて、回転速度(N)を変更したり、これ等を組み合わせて変更しても良い。加えて、運転状態の安定を待つ必要がない場合には、変更する制御値が目標値に至るまでの複数の運転データを逐次記録し、これ等の運転データをもシステムロスカーブ(S)の推定に活用しても良い。また、上記繰返し回数(Nr)は本実施形態では所定値（“３”値）に設定したが、“１”値に設定して、少なくとも２つの運転点のデータを取得すればシステムロスカーブ(S)の推定が可能である。繰返し回数(Nr)をＮｒ≧２とすればシステムロスカーブ(S)の推定精度は向上する。

また、特性マップ(M)の水車領域において、トルク零値近傍の領域で運転点のデータを取得する場合には、回転電気機械(G)をトルク制御することが望ましい。すなわち、システムロスカーブ(S)上をトルク零値(T=0)近傍の領域に向かって運転点を変更するに際して、回転電気機械(G)を回転速度制御する場合には、図３の特性マップ(M)から判るように回転速度(N)を上昇制御する必要が生じるが、この場合には、力行領域に移行しないように回転速度(N)を徐々に上昇制御する必要が生じ、運転点の変更に時間を要することになる。一方、トルク制御の場合には、トルク指令値を零値近傍の正値に設定すれば良く、運転点の変更を応答性良く行うことが可能である。

一方、回転速度零値近傍の領域で運転点のデータを取得する場合には、回転電気機械(G)を回転速度制御することが望ましい。すなわち、システムロスカーブ(S)上を回転速度零値(N=0)近傍の領域に向かって運転点を変更するに際し、回転電気機械(G)をトルク制御する場合には、トルク(T)を上昇制御する必要が生じるが、この場合には、回転電気機械(G)が逆回転しないようにトルク(T)を徐々に上昇制御する必要が生じ、運転点の変更に時間を要することになる。一方、回転速度制御の場合には、回転速度指令値を零値近傍の正値に設定すれば逆回転を確実に防止しつつ、運転点の変更を応答性良く行うことが可能である。

そして、取得した複数の運転点のデータに基づくシステムロスカーブ(S)の推定について、具体的には、ステップＳ１２において、予め記憶した配管モデルを使用して新たなシステムロスカーブ(S)を算出する。この配管モデルは、図３に示したシステムロスカーブ(S)から判るように流量(Q)の２乗に比例して有効落差(H)が減少する特性、すなわち、流量(Q)の２乗に比例して管路抵抗が増大する特性から、この特性曲線としてテーブル又は数式で表現されている。そして、上記取得した複数の運転点のデータと上記特性曲線の配管モデルとに基づいて、管路系(1)の総落差(Ho)及び配管抵抗係数を推定すると共に、上記取得した複数の運転点間のデータを補間して、新たなシステムロスカーブ(S)を導出する。

その後は、ステップＳ１３において、上記新たに得られたシステムロスカーブ(S)が異常か否かを判定する。この判定は、例えば、得られたシステムロスカーブ(S)上の総落差(Ho)が設定範囲内か否か、配管抵抗値が設定範囲内か否かなどにより行う。この判定の結果、設定範囲外への逸脱が認められた場合には、新たに得られたシステムロスカーブ(S)の異常と判断して、ステップＳ１４において、異常アラートを発令する。

一方、総落差(Ho)や配管抵抗値が設定範囲内の場合には、新たに得られたシステムロスカーブ(S)が正常であり、管路系(1)の経年劣化時と判断して、回転電気機械(G)の運転を続行することとして、ステップＳ１４において、その得られたシステムロスカーブ(S)を以前のシステムロスカーブ(S)と置換し、図３の特性マップ(M)に記録する。そして、ステップＳ１に戻って、特性マップ(M)上で上記新たに得られたシステムロスカーブ(S)に基づいて、このシステムロスカーブ(S)上で最大発電力となる運転点（すなわち、最大発電力曲線(E)との交点）で運転するように、この運転点である有効落差(H)及び流量(Q)をその運転点の回転速度(N)又はトルク値(T)に変換して、回転電気機械(G)をこの指令値に向かって制御した後、回転電気機械(G)の実際の発電力が最大となるように回転電気機械(G)の回転速度(N)及びトルク値(T)を逐次制御する。尚、本実施形態では、回転電気機械(G)を最大発電力となる点で運転するよう制御したが、この制御に代えて、例えば最大発電力曲線(E)に代えて本流体装置が最大効率で運転する最大効率曲線を用意し、回転電気機械(G)をこの最大効率曲線とシステムロスカーブ(S)との交点で運転する場合など、新たに得たシステムロスカーブ(S)上の任意の運転点にて運転する場合には、その運転点での有効落差(H)及び流量(Q)を回転速度(N)又はトルク値(T)に変換して、回転電気機械(G)をこの指令値に制御する。

上記図５に示したフローチャートにおいて、ステップＳ７〜Ｓ１２により、回転電気機械(G)のトルク値(T)を複数回変更して、特性マップ(M)上の複数の運転点データ（回転速度(N)、トルク値(T)及び発電力(P)）を取得し、それ等の運転点データと予め定めた流量(Q)と有効落差(H)との二次曲線の配管モデルに基づいて、管路系(1)のシステムロスカーブ（流動抵抗特性線）(S)を測定する特性測定手段(41)を構成する。

尚、通常運転時において、最大発電力曲線(E)を超えて運転点を変更する場合には、図６に詳示するように、回転速度零値(N=0)の等回転速度曲線に向かって回転速度の減速勾配が急峻となる。従って、トルク制御により最大効率点を探索する場合などでは、回転電気機械(G)が逆回転することがないように、その回転速度(N)及びその速度変化量を常に監視し、その監視した回転速度の減速勾配に応じて、与えるトルク指令値(T)の変化勾配に制限を加えることが望ましい。

＜本実施形態の効果＞
従って、本実施形態では、本流体装置が接続される管路系(1)は、その使用状態によって総落差(Ho)が変化したり、経年使用に伴い管路抵抗が増大する。その結果、管路系(1)のシステムロスカーブ(S)は、図７(ａ)に示すように本流体装置の設置当初のシステムロスカーブ(S)から、総落差(Ho)及び管路抵抗が共に変化した同図に破線で示すシステムロスカーブ(S1)に変化したり、同図(b)に示したように設置当初のシステムロスカーブ(S)から、総落差(Ho)は変化しないが管路抵抗が増大する同図に一点鎖線で示すシステムロスカーブ(S2)、(S3)に変化したり、同図(c)に示したように設置当初のシステムロスカーブ(S)から、管路抵抗はほぼ変化しないが総落差(Ho)が変化する同図に二点鎖線で示すシステムロスカーブ(S4)、(S5)に変化する。その結果、従来のように設置当初のシステムロスカーブ(S)のみを使用する場合には、図８に示したように設置当初のシステムロスカーブ(S)上の最大発電力運転点(X)で運転するように制御しても、その後、太実線で示す変化後のシステムロスカーブ(So)上の最大発電力運転点(Y)まで発電力を逐次比較しながら探索するＭＰＰＴ制御を行う必要があり、応答性の点で問題がある。

しかし、本実施形態では、回転電気機械(G)のトルク値(T)が複数回変更されて、図８に示したように運転点が水車領域内で複数回（同図では４回）(Z1)〜(Z4)だけ変更され、この４つの運転点データと予め定めた配管モデルとに基づいて新たなシステムロスカーブ(So)が測定される。そして、この新たなシステムロスカーブ(So)に基づいてこのカーブ(So)上の最大発電力運転点(Y)で運転するように回転電気機械(G)の回転速度(N)又はトルク値(T)が制御されるので、応答性が良い。

また、上記新たなシステムロスカーブ(So)の予測に際し、複数の運転点データの取得を水車領域内で離れた２点以上の運転点で行えば、予測精度が向上する。特に、水車領域内の無拘束速度曲線(トルク零曲線(T=0))の近傍に運転点を変更する場合には、トルク制御を行うので、回転速度制御のように力行領域に移行しないよう漸増を繰り返す必要がなく、応答性が良い。一方、水車領域内の回転速度零曲線(N=0))の近傍に運転点を変更する場合には、回転速度制御を行うので、トルク制御のように逆回転にならないよう漸増を繰り返す必要がなく、応答性が良い。尚、運転点の変更に際し、トルク制御か回転速度制御かの何れを選択するかは、水車領域において最大発電力曲線(E)から無拘束速度曲線(T=0)に向かう方向に運転点を変更する場合には、回転速度(N)を上昇させる方向であるので、トルク制御を選択し、一方、最大発電力曲線(E)から回転速度零曲線(N=0)に向かう方向に運転点を変更する場合には、トルク(T)を増大させる方向であるので、回転速度制御を選択する。

そして、上記のようにシステムロスカーブ(So)を測定すれば、上記測定時点での管路系(1)の総落差(H)を推定できるので、貯留槽(2)に水位計や圧力計などのセンサが不要である。従って、例えば推定した総落差(H)が低い場合には、貯留槽(2)の水位を増量調整して管路系(1)が最大落差になるまでの間、回転電気機械(G)の運転を停止する制御を上記センサを要することなく行うことが可能である。

更に、新たに測定したシステムロスカーブ(So)によって管路系(1)の配管ロスを推測できるので、配管ロスを計測するために流量計などを使用する必要がない。

また、本実施形態では、特性マップ(M)上に常に管路系(1)の使用状態や経年劣化に対応した適切なシステムロスカーブ(S)が記録されるので、このシステムロスカーブ(S)上の任意の流量(Q)及び有効落差(H)の動作点を目標とする場合にも、回転電気機械(G)をこの動作点での回転速度(N)、トルク値(T)に制御するだけで、その目標運転点で運転することが可能である。しかも、特性マップ(M)は、回転速度(N)、トルク値(T)、発電力(P)、有効落差(H)及び流量(Q)を要素としており、回転電気機械(G)の運転は目標とする有効落差(H)及び流量(Q)に対応する回転速度(N)、トルク値(T)に制御すればよい。これ等の回転速度(N)、トルク値(T)、発電力(P)は、インバータ(13)を制御する制御装置(20)内で把握できるので、外部センサを必要としない。

(その他の実施形態)
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、運転点の変化量が所定値を超える場合に、特性測定手段(41)によって回転電気機械(G)のトルク値(T)を積極的に複数回変更して、システムロスカーブ(So)を測定し、再作成したが、本発明の特性線修正手段(40)はこの動作に限定されず、例えば通常運転時において最大電力探索制御（ＭＰＰＴ制御）により運転点が変化する毎に、この変化した運転点のデータに基づいてシステムロスカーブ(S)を補正して、管路系(1)の変化に応じた適切なシステムロスカーブ(S)に修正する動作をも含む。

また、図３に示した特性マップ(M)は、テーブルや数式で表現しても良い。

更に、特性マップ(M)に記録する当初のシステムロスカーブ(S)は、本流体装置を管路系(1)に設置する際に、上記特性測定手段(41)を利用して測定すれば、水位センサや流量センサが不要である効果が生じるが、これ等のセンサを用いて測定しても良いのは勿論である。

加えて、本流体装置を接続する管路系は、図１に示した管路系(1)に限定されず、例えば水車(T)に並列に流量調整弁を接続した管路系など、種々の管路系を接続可能である。

以上説明したように、本発明は、運転中に、接続される管路系の流動抵抗特性線を修正したので、接続される管路の総落差や管路抵抗の経年変化があっても、常に回転電気機械の運転制御を適切にして、例えばその回転電気機械を素早く最大発電力で効率良く運転することができ、水車などの流体機械及びその回転軸に接続された回転電気機械を有する流体装置に適用して、有用である。

１管路系
２貯留槽
３受水槽
Ａ流体装置
５、６流量調整弁
９回転軸
Ｔ水車（流体機械）
Ｇ回転電気機械
１０電源
１１系統連系装置
１２平滑コンデンサ
１３コンバータ部
２０制御装置（制御手段）
２１速度検出器
２２最適運転制御装置
２３速度制御器
２４トルク制御器
２５電流制御器
２７電流センサ
３０流量演算部
３１落差演算部
３２最適運転指令演算部
４０特性線修正手段
４１特性測定手段

Claims

落差を有する管路系(1)に配置される流体機械(T)と、上記流体機械(T)に連結された回転電気機械(G)とを備えた流体装置であって、
上記管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の流動抵抗特性線に基づいて上記回転電気機械(G)の運転を制御する制御手段(20)と、
本流体装置の設置後の運転中に、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を修正する特性線修正手段(40)とを備え、
上記特性線修正手段(40)は、
上記制御手段(20)を使用して、上記回転電気機械(G)の回転速度又はトルクを変更して、予め定めた配管モデルに基づいて上記管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の流動抵抗特性線を測定する特性測定手段(41)を備える
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項１記載の流体装置において、
上記予め定めた配管モデルは、
上記管路系(1)の流量の２乗に比例して管路抵抗が増加する曲線で表現される
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項２記載の流体装置において、
上記特性測定手段(41)は、
上記流体機械(T)が管路系(1)からの流体を受けて駆動される水車領域を規定する回転電気機械(G)のトルク零値と回転速度零値との範囲において、回転電気機械(G)の回転速度(N)又はトルク(T)を運転中において変更する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項３記載の流体装置において、
上記特性測定手段(41)は、
トルク零値近傍の領域では回転電気機械(G)のトルクを変更して、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を測定する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項３記載の流体装置において、
上記特性測定手段(41)は、
回転速度零値近傍の領域では回転電気機械(G)の回転速度を変更して、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を測定する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項１〜５の何れか１項に記載の流体装置において、
上記回転電気機械(G)の回転速度(N)、トルク(T)及び発電力(P)並びに管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の特性マップ(M)を有し、
上記特性線修正手段(40)は、修正した管路系(1)の流動抵抗特性線の値を上記特性マップ(M)上に記録し、
上記制御手段(20)は、上記特性マップ(M)上の管路系(1)の流動抵抗特性線に基づいて、その流動抵抗特性線上の任意の有効落差(H)及び流量(Q)になるように、上記回転電気機械(G)の運転を制御する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項６記載の流体装置において、
上記制御手段(20)は、
上記管路系(1)の流動抵抗特性線上の任意の有効落差(H)及び流量(Q)として、上記流体装置の最大出力又は最大効率運転状態となる有効落差及び流量を選択して、上記回転電気機械(G)を運転する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項６又は７記載の流体装置において
上記特性測定手段(41)は、
上記回転電気機械(G)の上記特性マップ(M)上の運転点が、所定の有効落差及び流量から所定値以上変化したとき、上記管路系(1)の流動抵抗特性線の測定を開始する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項８記載の流体装置において、
上記制御手段(20)は、
上記特性測定手段(41)が測定した管路系(1)の流動抵抗特性線と、以前に測定した管路系(1)の流動抵抗特性線との差に基づいて、異常判断又は上記回転電気機械(G)の運転の続行可否を判断する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項９記載の流体装置において、
上記制御手段(20)は、
上記特性測定手段(41)が測定した管路系(1)の流動抵抗特性線と、以前に推定した管路系(1)の流動抵抗特性線との差が所定値未満のとき、管路系(1)の経年劣化と判断して、上記回転電気機械(G)の運転を続行する
ことを特徴とする流体装置。
上記請求項９記載の流体装置において、
上記制御手段(20)は、
上記特性測定手段(41)が測定した管路系(1)の流動抵抗特性線と、以前の管路系(1)の流動抵抗特性線との差が所定値以上のとき、異常と判断して、上記回転電気機械(G)の運転を停止する
ことを特徴とする流体装置。
落差を有する管路系(1)に配置される流体機械(T)と、上記流体機械(T)に連結された回転電気機械(G)とを備えた流体装置であって、
上記管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の流動抵抗特性線に基づいて上記回転電気機械(G)の運転を制御する制御手段(20)と、
本流体装置の設置後の運転中に、上記管路系(1)の流動抵抗特性線を修正する特性線修正手段(40)とを備え、
上記回転電気機械(G)の回転速度(N)、トルク(T)及び発電力(P)並びに管路系(1)の有効落差(H)及び流量(Q)の特性マップ(M)を有し、
上記特性線修正手段(40)は、修正した管路系(1)の流動抵抗特性線の値を上記特性マップ(M)上に記録し、
上記制御手段(20)は、上記特性マップ(M)上の管路系(1)の流動抵抗特性線に基づいて、その流動抵抗特性線上の任意の有効落差(H)及び流量(Q)になるように、上記回転電気機械(G)の運転を制御し、
上記制御手段(20)は、
回転電気機械(G)の回転速度の減速勾配に応じてトルク指令値(T)の変化勾配に制限を加える
ことを特徴とする流体装置。