JPH01147165A - ペルトン水車の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水力発電所におけるペルトン水車の制御装置に
係り、特に余水吐き及びこれに連らなる余水路を省略し
た中小規模の水力発電所に好適なペルトン水車の制御装
置に関する。

〔従来の技術〕

第４図に従来一般のペルトン水車およびその制御装置の
構成例を示し、以下にその概要を説明する。

まず、水の流れは次の通りである。第４図において、上
水槽（図示せず）から導水された圧力水は曲り管１に導
かれてノズル２に供給される。この圧力水はノズル２に
より高速のジェット水流となってランナ３の外周に設け
られたバケットに噴出される。そのジェット水流のもつ
衝撃力の作用によりランナ３が回転し、これに連結され
た発電機（図示せず）を回して仕事を終える。＠出した
水は放水路に炉出される。上記ジェット水流の流量を調
節してランナ３の回転速度を調節するのがデフレクタ６
である。

以上の構成において、従来のペルトン水車の速度制御は
デフレクタ６の開度調節を主とし、これに追従してノズ
ル２のニードルの開度調節を行うようになっているのが
普通である。したがって、制御系はデフレクタ制御系と
ニードル制御系の二つに大別される。

デフレクタ制御系において、スピードガバナ９からの電
気信号がコンバータ１０により機械出力に変換され、そ
の機械出力はスプールｌｌａを通じて配圧弁１１を駆動
する。配圧弁１１からの圧油は管路２２ａ、２２ｂを通
じてデフレクタサーボモータフのピストン７ａを駆動し
、その駆動力はロッド８およびアーム６ａを介してデフ
レクタ６を回動させる。このようにして、スピードガバ
ナ９からの調速信号によりデフレクタ６の開度調節が行
われ、その開度に応じたノズル２からのジェット水流が
偏流されて所望の速度でランナ３が回転する。符号１２
はデフレクタ６の開度をフィードバック制御するための
リターン装置であり、その検出信号がスピードガバナ９
に入力される。

次に、ニードル制御系において、デフレクタ６の操作量
はアーム６ａおよびリンク機構を介して追尾カム１３に
伝達され、その追尾カム１３の回動に追従してニードル
配圧弁１４のロッド１４ａを進退駆動する。この進退駆
動によって圧油が管路２１ａ、２１ｂを通じてニードル
サーボモータ５のピストン５ａに作用する。ピストン５
ａにはロッド４ａが連結され、ロッド４ａの進退運動が
ノズル２の軸芯に挿通されたニードル４を進退せしめ、
これによってノズル２の先端開口面積を変化させて噴出
流量を調整するようになっている。

なお、１７はローラ１６を追尾カム１３に押圧するため
のスプリング、１８はロッド４ａの位置をフィードバッ
クするためのリターン軸である。

以上のように、水車の速度上昇（または下降）時の速度
制御はデフレクタ６の開度調節によりノズル２からのジ
ェット水流を偏向させることで行ない、一方ではこのデ
フレクタ６の動きに追従連動させてニードル４の開度を
小さく（または太きく）することにより水車の回転速度
を規定値内に制御するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように、従来のペルトン水車の速度制御はデフ
レクタを主に行ない、これに追従させてニードルを制御
するものであった。この場合、発電所において負荷の遮
断が生じたとき、まずデフレクタ６を急閉鎚させてラン
ナ３の速度上昇を抑制し、つづいてニードル４をデフレ
クタ６との相対関係で決まる位置まで綬閉鎖させて負荷
変動に応じて自動制御することができる。

しかし、ここで問題となるのは、発電所の建設費を低減
させる等の理由で余水吐き及びこれに連らなる余水路を
省略する場合に、上記従来の制御装置ではニードルの閉
鎖により生じる余水を円滑に放流することができず、導
水路内の水の充満が生じるため当該導水路を圧力随道と
しなければならず、結局建設費の低減にあまり寄与しな
い点である。

そこで、本発明は余水路を省略した水力発電所において
、余水吐きを円滑に行なうとともに水車の速度を任意に
制御しうるペルトン水車の制御装置を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は外周に複数のバケ
ットを有して回転するランナと、開度調節可能なニード
ルを有して前記バケットに上水槽からの導水をジェット
水流に変えて噴出するノズルと、前記バケットをノズル
との間に設けられて前記ジェット水流を偏流される開度
調節可能なデフレクタとを備えたペルトン水車の制御装
置において、前記上水槽水位に応じて前記ニードルの開
度を制御する水位調整装置と、前記ランナの回転速度に
応じて前記デフレクタの開度を制御する回転速度調整装
置とをそれぞれ独立に設けたことを特徴とするものであ
る。

〔作用〕 上記本発明の構成によれば、水位調整装置はデフレクタ
の開度とは無関係に上水槽の水位に基づいてノズルのニ
ードル開度を制御して余水が生じた場合でも速やかにこ
れをノズルから放流する。

一方、回転速度調整装置は水車の回転速度に基づいてデ
フレクタの開度を調節するので、余水の増加に伴うノズ
ルからの噴出流量の増加によって生じる回転速度の上昇
が生じたとしてもニードル開度とは直接の関り合いをも
っことなく水車を規定速度に制御することができる。

このように、余水路を省略した水力発電所において円滑
に余水を放流しながら、水車の回転速度を適正に制御す
ることができる。

〔実施例〕

次に、本発明に係る実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に本発明の実施例を示す、なお、この第１図にお
いて、第４図（従来例）と重複する部分には同一の符号
を附してその詳細な説明を省略する。

本実施例と従来例とで異なる点は、ニードル４の制御系
とデフレクタ６の制御とが互いに独立に構成されている
点である。すなわち、第１図と第４図を比較すればわか
るように、本実施例においては従来のような追尾カム１
３およびローラ１６からなる追従連動機構を有しておら
ず、ロッド４ａに取付けられたリターン軸１８にフィー
ドバック用のリターン装置２３がリンクされ、その出力
信号が水位調整装置１９に入力されるようになっている
。水位調整装置１９は、第２図において後述するように
、上水槽２７に設けられた水位発信器２６の検出信号Δ
Ｈに基づいて水位変化分を調整する制御信号をコンバー
タ２０に出力する。

コンバータ２０は水位調整器１９からの制御信号を機械
的出力に変換し、スプール軸１４ａを駆動する。そして
、ニードル配圧弁１４を切換えて圧油を管路２１ａ、２
１ｂを通じてニードルサーボモータ５に送り、ニードル
４の開度調節を行なうものである。

次に、制御動作を説明する。第２図に本実施例によるニ
ードル制御系とデフレクタ制御系のブロック図を示し、
第３図に各部動作波形を示す。

まず、発電所が休止状態にあるとき、水位調整装置１９
には停止信号Ｏが入力されているので水位調整装！１９
は制御信号を出力せず、ニードル４は全開状態であり、
すなわちニードル開度ＦｎはＯである（第３図（ｄ））
。一方、速度調整装置であるスピードガバナ９には開度
設定値Ｆｅ＝０の信号が入力され、デフレクタ６も全閉
状態、すなわちデフレクタ開度Ｆｄも０である（第３図
（ｅ））。

発電所起動指令Ａが与えられ、取水ゲート開指令か発せ
られると、取水ゲート（図示せず）が開き始める（第３
図（ａ））、取水した水が上水槽２７に到着し、上水槽
２７の水位が上昇して運転可能水位に達すると（第３図
（ｃ））、水車起動指令Ｂが発せられる。上水槽２７の
水位は水位発信器２６により検出される。水位調整装置
１９には停止指令０に代わって運転指令Ｐが入力され、
。

これにより水位調整装置１９が制御動作を開始する。

水位′ｉＡ整装置１つは水位発信器２６からの検出信号
に基づいて、当該水位変動ΔＨに応じたニードル開度制
御信号を出力する。この制御信号はコンバータ２０、配
圧弁１４、ニードルサーボモータ５を介してニードル４
に与えられる。ニードル４は、水位変動ΔＨに応じた開
度に開かれ（第３図（ｄ））、対応する流量の圧力水が
ノズル２から噴出される。一方、このときスピードガバ
ナ９に入力される開度設定値Ｆｅを起動開度としデフレ
クタ６の開度を起動開度まで開く（第３図（ｅ））、か
くして水車が起動され、水車の回転速度Ｎは規定速度に
向けて上昇する（第３図（ｆ））。

水車の回転速度Ｎがほぼ規定値に達すると（第３図（ｅ
））、スピードガバナ９が速度制御を開始する。スピー
ドガバナ９は速度検出器からの検出信号により速度変動
ΔＦを補正する制御信号を出力する。コンバータ１０は
その制御信号を機械的出力に変換し、配圧弁１１、デフ
レクタサーボモータ７を通じてデフレクタ６の開度を調
整する（第３図（ｅ））。このデフレクタ６の開度で決
まるジェット水流分だけランナ３のバケットに偏流され
て作用せしめ、他の余水は放出路に放流する。この放流
はデフレクタ放流と呼ばれる。このようにして水車の回
転速度Ｎは規定値になるよう一定に制御される。

この間、ニードル４は上水槽２７の水位の上昇につれて
開度を開くよう制御されるが、当該水車に連結された発
電機を電力系統に並列投入するために、上水槽２７の水
位が制限値内にあることを条件としてニードル４の動き
がロックされる（第３図（ｄ）のＬ参照）、このロック
は水位調整装置１９へのロック信号りにより行われる。

このロックは安定した発電量の状態で系統の周波数に揃
速して並列される。すなわち、ニードルのロックは、水
車発電機を系統周波数に揃速し系統に並入する過程で行
なう、並入操作時はランナに作用する水流を調整し水車
発電機の周波数（回転速度）と系統周波数との差分を１
／４Ｈ２あるいは１／８Ｈ２以内に制御する必要がある
。一方、ニードル４は上水槽水位を一定に保つため、上
水槽水位の上昇低下に追随した流量制御を、又、デフレ
クタ６はランナ３に作用する水流の制御をになっている
が、系統並列時のような厳しい周波数制御を要求される
運転に於いては、前述のようなニードル制御ではニード
ル開度（氷水槽水位の変動に伴なう開度変化）の変化に
伴いランナ３に作用する水流が変化し、系統周波数への
揃速及び並入操作に時間を要することになる。そのため
、系統並入操作時はニードル４からの水流を一定にして
おいて、デフレクタ６のみでランナに作用する水流を調
整して揃速及び並入操作を容易にかつ迅速に行なうため
、ニードルをロックする。

電力系統への並列投入が完了すると、ニードル４に対す
るロック信号りは解除され、再び水位調整運転に入る。

同時にデフレクタ６は全開の開度に操作され（第３図（
ｅ））、圧力水の流量に応じた送電運転が行われる。

次に、負荷の急変時の動作を説明する。通常運転時に電
力系統に生じた事故等により負荷が急減して水車の回転
速度Ｎが急上昇した場合（第３図（ｆ）のＥ参照）、ス
ピードガバナ９はデフレクタ６を急閉しく第３図（ｅ）
）、回転速度Ｎの上昇を抑制する。つづいて、そのとき
のデフレクタ開度で規定速度を安定に維持して運転を継
続する。

事故が回復して送電可能状態に復旧すると、再並列Ｇと
し、デフレクタ６を開いて再び送電に移行する。この、
ニードル４には流入流量に応じて水位調整のための制御
が続行される。なお、回転速度Ｎはランナ３の主軸３２
に設けられた回転速度検出器３３により検出される。

一方、発電所内の内部事故等により急停止指令Ｍが出さ
れると、開度設定ｆｌｉ　Ｆ　ｅをＯとすることにより
デフレクタ６を急閉鎖しく第３図（ｅ））、水車を停止
に移行させる。それと同時に取水ゲートに閉鎖指令を出
して閉鎖する（第３図（ａ））。

しかし、取水ゲートの急閉鎖は河川水位の急上昇を招来
する危険があるため、緩閉鎖とする。ｇ閉鎖とすると、
その時間分だけ上水槽２７に依然として水が流入しつづ
けることになる。そこで、デフレクタ６を全閉としてラ
ンナ側への圧力水は全て放水路側へ偏流させた状態でニ
ードル４を開けつづけてノズル２からの放水を続行する
。上水槽２７の水位が停止水位に達した段階で水位調整
装置１９に停止指令０を入力してニードル４を全開とす
る（第３図（ｄ））。

以上に述べたように、余水路を省略した水力発電所にあ
って、上水槽２７の水位を常に規定水位以下になるよう
ニードル４の制御によりノズル２から余水を放流しつつ
、水車の回転速度を所望の値に制御することができる。

なお、第２図において、ニードル４とデフレクタ６の出
力を低値優先２８でランナ３に与えられているのは、次
の通りである。すなわち、ランナ３に作用する水流は水
車発電機が系統に並入するまではデフレクタ６により、
ス、系統に並入後はデフレクタ６は全開位置に保持され
、水流はニードル４によって調整される。水車発電機の
起動から並入までは上水Ｗｉ２７に流れ込む流量より少
ない流産で良いため、ニードル４から噴射される水流の
一部がランナ３に作用し、残りはデフレクタ６により返
水される。並列後はデフレクタ６は全開位置に保持され
、ランナ３に作用する水流はニードル４によってのみ調
整されている。すなわち、これをデフレクタ６、ニード
ル４の開度面で見れば、常にニードル４、デフレクタ６
のいずれか小さい方の開度に見合った水流がランナ３に
作用しており、常に低値優先となるからである。

なおまた、第２図における回転体時定数は、速度設定値
（又は系統周波数）と回転体周波数との偏差（△Ｆ）は
ランナ３に作用する水流の大小によって増減する発電機
出力２９と負荷３０との差分及び回転体が保有する慣性
（回転体の時定数）によって時間遅れをもって現われる
ことを示す。

また、水車の調速運転はデフレクタ６により行ない、ニ
ードル４の操作とは切離して制御されるので、ニードル
４の開閉操作に伴う水圧の変動を生じることがなく、短
時間で水車の回転速度を安定化することができ、したが
って制御応答性の良好な単独運転を可能とし、かつ短時
間で電力系統への並列投入を可能とする。

加えて、上水槽２７への流入水流（又は水位）に応じた
ニードル開度に制御するため、デフレクタ６を開放する
ことで短時間で負荷運転に移行できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、上水槽水位に応じ
てニードル開度を制御する水位調整装置と、ランナの回
転速度に応じてデフレクタ開度を制御する回転速度調整
装置とをそれぞれ独立に設けたことにより、余水路を省
略した水力発電所において上水槽に生じる余水吐きをペ
ルトン水車の速度制御性を損うことなく、円滑がつ確実
に行うことができ、所期の目的を達成することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すペルトン水車およびその
制御系の構成図、第２図は本発明の実施例の詳細を示す
ブロック図、第３図は各部の動作波形を示すタイムチャ
ート、第４図は従来の制御系の構成図である。 ２・・・ノズル、３・・・ランナ、４・・・ニードル、
５・・・ニードルサーボモータ、６・・・デフレクタ、
７・・・デフレクタサーボモータ、９・・・スピードガ
バナ、１１・・・配圧弁、１４・・・配圧弁、２７・・
・上水槽。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外周に複数のバケットを有して回転するランナ、と
   開度調節可能なニードルを有して前記バケットに上水槽
   からの導水をジェット水流に変えて噴出するノズルと、
   前記バケットをノズルとの間に設けられて前記ジェット
   水流を偏流される開度調節可能なデフレクタ、とを備え
   たペルトン水車の制御装置において、 前記上水槽水位に応じて前記ニードルの開度を制御する
   水位調整装置と、前記ランナの回転速度に応じて前記デ
   フレクタの開度を制御する回転速度調整装置とをそれぞ
   れ独立に設けたことを特徴とするペルトン水車の制御装
   置。