JPH06153599A - 水車発電機の調速制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 水車水口の開閉機構（流入水量制御設備）を
省略し、水車のトルクを電磁クラッチを介して発電機に
伝達し、この電磁クラッチのトルク伝達力を無段階に制
御することにより調速制御を行う水車発電機の調速制御
装置を得ること。 【構成】 水車ＷＴと、この水車に回転駆動される水車
発電機ＳＧと、前記水車と前記水車発電機との間に設け
られ、前記水車の回転力を前記水車発電機に無段階に伝
達し得る制御可能なクラッチＰＣと、前記水車発電機に
駆動され、水車発電機の回転速度に応ずる速度信号を出
力する速度検出器ＴＧと、前記速度信号を入力され、こ
の速度信号と前記水車発電機の予定の回転速度との偏差
に応ずる制御信号を出力するクラッチ制御装置１０とか
ら構成し、前記制御信号により前記制御可能なクラッチ
を制御して、前記水車発電機の回転速度を前記予定の回
転速度に一致させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水力発電所に設置され
る水車発電機（以下発電機と記す）の調速制御装置の改
良に関し、特に水車と発電機との間に、トルク伝達力を
無段階に制御出来る電磁クラッチ例えばパウダ−クラッ
チを設け、このクラッチのトルク伝達力を制御すること
により、発電機の回転速度を所望の速度に制御すること
を特徴とする水車発電機の調速制御装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、水力発電所の調速制御装置は、水
車主軸と発電機主軸とが直結され、水車と発電機とは実
質的に一体に構成されているため、水車の回転速度を制
御して間接的に発電機の回転速度を制御していた。

【０００３】水車の回転速度制御は、周知の様に、水圧
管を介して水車のケ−シング又はノズルパイプ内に導入
され、更に水車のランナに流入する水量を調節して行っ
ている。この流入水量の制御を実施するための設備とし
て、フランシス，カプラン及びクロスフロ−水車等には
ガイドベ−ンが設けられ、ペルトン水車にはニ−ドル及
びデフレクタが設けられている。

【０００４】近年、注目され開発が盛んに行われる様に
なった出力容量の小さい小水力発電所に設置される小容
量水車に於ても、流入水量の制御設備に関しては、大容
量水車と異なるところは無く、水車の種類に応じ、ガイ
ドベ−ン又はニ−ドル及びデフレクタを必要とする。そ
して、これらの流入水量制御設備の水車全体に占めるコ
ストの割合は、水車容量が小さくなるにつれて高くなる
傾向にある。

【０００５】又、水車容量が小さくなると当然のことな
がら、ガイドベ−ンの高さ，その設置間隔も狭くなり、
ガイドベ−ンの隙間等に流入水中に混入したごみ等が引
掛り易く、水車出力を低下させる原因となっている。

【０００６】更に、小容量水力発電所に於ては、発電所
の土木建設費を安価にするために、最近は水圧管に樹脂
製管を採用する場合が多くなり、その強度上の問題か
ら、発電機の負荷遮断時等に要求される水車水口の急閉
鎖速度を、あまり早くすることが出来なくなっている。
このため、発電機の許容過速度値は、従来よりも大きな
値を考慮する必要が生じ、この許容過速度値に対し、従
来にも増してより高い強度が発電機に要求される様にな
っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する問題点は、小容量水車に於ては、流入水量制御設備
の水車全体に占めるコストの割合は、水車容量が小さく
なるにつれて高くなり、流入水中に混入したごみ等が引
掛り易く、特に水圧管に樹脂製管を採用する場合には、
水車に回転駆動される発電機の許容過速度に対する強度
を増大する必要があることである。

【０００８】従って本発明の目的は、上記諸問題点を解
決すべく、水車水口の開閉機構（流入水量制御設備）を
省略し、水車のトルクを電磁クラッチを介して発電機に
伝達し、この電磁クラッチのトルク伝達力を無段階に制
御することにより調速制御を行う水車発電機の調速制御
装置を得ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、水車と、この水車に回転駆動される水車発電
機と、前記水車と前記水車発電機との間に設けられ、前
記水車の回転力を前記水車発電機に無段階に伝達し得る
制御可能なクラッチと、前記水車発電機に駆動され、水
車発電機の回転速度に応ずる速度信号を出力する速度検
出器と、前記速度信号を入力され、この速度信号と前記
水車発電機の予定の回転速度との偏差に応ずる制御信号
を出力するクラッチ制御装置とから構成し、前記制御信
号により前記制御可能なクラッチを制御して、前記水車
発電機の回転速度を前記予定の回転速度に一致させるこ
とを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】水車水口の開閉機構を省略し、水車と発電機と
の間に、トルク伝達力を無段階に制御出来るクラッチを
設け、このクラッチのトルク伝達力を制御することによ
り、発電機の回転速度を所望の速度に制御する。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を説明する。図
１は、本発明を横軸水車に適用した場合の一実施例を示
す図であり、図示の都合から、図１（ａ），図１（ｂ）
に２分割し、図１（ａ）の下部と図１（ｂ）の上部と
は、理解を容易にするために一部を重複して示してあ
る。図１（ａ）は、本発明制御装置の起動・停止制御部
（通常発電機盤に設けられる）の接続図であり、図１
（ｂ）は、上記重複部分を除くと、発電機の調速制御部
のブロック図であり、本発明の主要部である。

【００１２】順序は逆になるが先ず、図１（ｂ）に於
て、符号ＷＴは横軸水車であり、そのランナＲＮは水圧
管ＰＳ，水車入口弁Ｖを介して導入される流水により回
転駆動され、流水は吸出し管ＤＴより排出される。ＳＧ
は、この水車ＷＴに回転駆動される発電機であり、水車
ＷＴのランナＲＮと発電機ＳＧの各々の主軸は、そのト
ルク伝達力が無段階に制御し得る電磁クラッチ例えばパ
ウダ−クラッチＰＣを介して連結される。

【００１３】発電機ＳＧには、その回転速度を検出する
ための速度検出器ＴＧが設けられ、その電力出力端子
は、導線Ｌに接続された並列用しゃ断器ＣＢを介して図
示しない電力系統に接続される。導線Ｌには、発電機Ｓ
Ｇの出力電力を検出するための計器用変流器ＣＴ，計器
用変圧器ＰＴの各々の１次巻線が接続され、それらの各
々の２次巻線は電力リレ−Ｒに接続される。

【００１４】全体を一点鎖線で囲み符号１０で示す装置
は、パウダ−クラッチＰＣのトルク伝達力を無段階に制
御するパウダ−クラッチ制御装置で、回転速度信号変換
回路１１、比較器１２、ＰＩＤ演算回路１３、パウダ−
クラッチドライブ回路１４、ＯＮ状態変化検出回路（以
下ＯＮ状変回路と記す）１５、基準値設定器１６、アン
ド（ＡＮＤ）回路１７及び速度設定器１８から構成され
る。

【００１５】回転速度信号変換回路１１には、速度検出
器ＴＧにより検出された発電機ＳＧの速度信号ＴＧａが
入力され、この速度信号ＴＧａは、クラッチ制御装置１
０に適合する信号レベルに変換されて出力され、比較器
１２の一方の入力端子に帰還信号として入力される。比
較器１２の他方の入力端子には、後述する速度設定器１
８の出力（予め設定された発電機ＳＧの無負荷定格速
度）が基準信号として入力され、比較器１２は両入力の
偏差をＰＩＤ演算回路１３に出力する。ＰＩＤ演算回路
１３は、入力された上記偏差に、ＰＩＤ演算を施した値
をパウダ−クラッチドライブ回路１４に出力する。

【００１６】１５は、ＯＮ状変検出回路で、後述する図
１（ａ）にその接続図を示す本発明制御装置の起動・停
止制御部（通常図示しない発電機盤に設けられる）の主
制御開閉器１の 運転 接点の閉路操作，その他の条件
成立により送出される発電機ＳＧの調速制御運転指令６
５Ａ（連続信号）が入力される。ＯＮ状変検出回路１５
は、この入力により入力信号がＯＦＦからＯＮに変化し
たことを検出し、その常開接点１５ａを閉路して、パウ
ダ−クラッチドライブ回路１４の出力端子をパウダ−ク
ラッチＰＣに接続すると共にプリセット信号を出力し、
このプリセット信号をアンド回路１７の一方の端子に入
力する。

【００１７】基準値設定器１６には基準値（設定された
発電機ＳＧの無負荷定格速度）が設定されており、この
基準値はアンド回路１７の他方の端子に入力されてい
る。アンド回路１７の出力は速度設定器１８に出力さ
れ、速度設定器１８には、上記基準値が設定され、この
基準値は前述の様に、比較器１２の他方の入力端子に加
えられる。

【００１８】尚、６５Ａ，６６Ａは共に、後述する図１
（ａ）に示す起動・停止制御部より送出される制御指令
を示し、理解を容易にするために特に重複して記載した
ものであり、６５Ａは発電機ＳＧの調速制御運転指令、
６６Ａは発電機ＳＧの停止時負荷減指令である。又、１
９は、本願発明が適用される水力発電所に、一般に設置
される発電機の負荷調整装置又は回転速度調整装置であ
り、速度設定器１８に夫々の調整制御のための 増・減
指令を送出する。

【００１９】次に、図１（ａ）は、本発明制御装置の起
動・停止制御部（通常発電機盤に設けられる）の接続図
であり、単に本発明の関連機器を含めた全体像を示すた
めに記載したものであるので、その詳細な説明は省略す
る。

【００２０】図１（ａ）に於て、Ｐ，Ｎは制御回路母線
である。１，１は主制御開閉器で、その 運転・停止
接点を交互に閉路することにより、主制御用キ−プリレ
−１Ｘを交互に付勢して ＯＮ・ＯＦＦ 切換作動さ
せ、その３個のｂ接点（常閉接点）１Ｘｂとａ接点（常
開接点）１Ｘａとを 開・閉 させる。

【００２１】８６ａは、水車ＷＴを停止すべき何等かの
理由（通常は故障）が発生した時に作動する閉塞リレ−
（本体は図示せず）の３個の手動復帰ａ接点であり、Ｖ
Ｘａは、図１（ｂ）に記した水車入口弁Ｖの全開を検出
して作動する全開検出リレ−（本体は図示せず）のａ接
点である。

【００２２】ＴＣｂ，ＴＣａ（２個）は、図１（ｂ）に
記した並列用しゃ断器ＣＢの開閉に連動して開閉する補
助接点で、ＴＣｂはｂ接点，ＴＣａはａ接点である。Ｔ
Ｃは並列用しゃ断器ＣＢの引外コイルで、その通電によ
り並列用しゃ断器ＣＢを開路させる。

【００２３】６５Ｘは調速制御用キ−プリレ−であり、
上記各接点の開閉状態の組合わせにより定まる条件成立
で付勢されて ＯＮ・ＯＦＦ 切換制御され、ＯＮ切換
動作でそのａ接点（６５Ｘａ）を閉路し、図１（ｂ）に
記したパウダ−クラッチ制御装置１０に発電機ＳＧの調
速制御運転指令６５Ａ（連続信号）を送出し、ＯＦＦ切
換動作でそのａ接点（６５Ｘａ）を開路し、調速制御運
転指令６５Ａを解除する。

【００２４】Ｒｂ，Ｒａは、図１（ｂ）に記した電力リ
レ−Ｒのｂ接点，ａ接点で、電力リレ−Ｒの動作時（発
電機ＳＧが図示しない電力系統に接続され、その出力電
力を電力系統に送出時）に開閉する。６６Ｘは断続リレ
−であり、上記各接点の開閉状態の組合わせにより定ま
る条件により制御され、条件成立で付勢されて ＯＮ動
作状態となり，条件不成立で付勢は解除されＯＦＦされ
る。ＯＮ動作状態では、そのａ接点６６Ｘａを予定の周
期で反復開閉し、図１（ｂ）に記したパウダ−クラッチ
制御装置１０に停止時負荷減指令６６Ａを反復送出し、
ＯＦＦされると、ａ接点６６Ｘａは反復開閉動作を停止
し開路して図示の状態となる。

【００２５】以下、上記構成の本発明に係る水車発電機
の調速制御装置の作用を説明する。調速制御装置の起動
に先立って、水車ＷＴには水圧管ＰＳ，全開している水
車入口弁Ｖを介して流水が導入され、水車ＷＴは略々無
拘束速度で回転している。この時、パウダ−クラッチド
ライブ回路１４の出力は、ＯＮ状変回路１５には調速制
御運転指令６５Ａの入力が無く、そのａ接点１５ａは図
示の様に開路しているから、パウダ−クラッチＰＣには
加えられず、パウダ−クラッチＰＣの出力（トルク伝達
力）は０である。従って、水車ＷＴのトルクは発電機Ｓ
Ｇには伝達されず、発電機ＳＧは停止している。

【００２６】次に、発電機ＳＧを起動するには、主制御
開閉器１［図１（ａ）］の運転接点を閉操作し、主制御
用キ−プリレ−１Ｘを付勢しＯＮ側に切換え、そのａ接
点１Ｘａを閉路させる。ａ接点１Ｘａの閉路と、水車入
口弁Ｖ全開（全開検出リレ−のａ接点ＶＸａの閉路）を
条件に、調速制御用キ−プリレ−６５Ｘを付勢しＯＮ側
に切換え、そのａ接点６５Ｘａを閉路させ、ＯＮ状変回
路１５［図１（ｂ）］に調速制御運転指令６５Ａを入力
する。ＯＮ状変回路１５は、その入力信号がＯＦＦ状態
からＯＮ状態に変化したことを検出しその常開接点１５
ａを閉路して、パウダ−クラッチドライブ回路１４の出
力端をパウダ−クラッチＰＣに接続すると共にプリセッ
ト信号を出力し、このプリセット信号をアンド回路１７
の一方の端子に入力する。基準値設定器１６には基準値
（予め設定された発電機ＳＧの無負荷定格速度）が設定
されており、この基準値はアンド回路１７の他方の端子
に入力されているからアンド条件が成立し、アンド回路
１７の出力は速度設定器１８に出力され、速度設定器１
８には上記基準値が設定され、更にこの基準値は比較器
１２に加えられる。

【００２７】前述の様に、この時点では、発電機ＳＧは
未だ起動（回転）していないので、速度検出器ＴＧから
の速度信号ＴＧａは０であり、回転速度信号変換回路１
１の出力も０であるから、比較器１２への入力信号は、
前述の速度設定器１８から加えられる発電機ＳＧの無負
荷定格速度に相当する基準値のみである。従ってＰＩＤ
演算回路１３には、上記の基準値が加えられ、ＰＩＤ演
算回路１３は、この基準値にＰＩＤ演算を施した値をパ
ウダ−クラッチドライブ回路１４にその制御信号として
出力する。パウダ−クラッチドライブ回路１４は、入力
された制御信号に応じて、既に閉路しているＯＮ状変回
路１５のａ接点１５ａを介してパウダクラッチＰＣに励
磁電流を与えこれを制御し、トルク伝達力を発生させ、
発電機ＳＧを起動する。但しこの場合、発電機ＳＧの起
動の際の衝撃を緩和するために、ＰＩＤ演算回路のＰ
（比例）ゲインは小さく、Ｉ（積分）時定数は大きく選
ぶ必要がある。

【００２８】発電機ＳＧが起動し回転を開始すると速度
検出器ＴＧも回転を開始し、発電機ＳＧの回転速度に応
ずる速度信号ＴＧａを発生する。この速度信号ＴＧａ
は，回転速度信号変換回路１１を介して変換され比較器
１２に入力されるから、その出力は発電機ＳＧの加速に
応じて徐々に減少して行く。この様にして、パウダクラ
ッチＰＣのトルク伝達力を、発電機ＳＧの加速に応じて
ＰＩＤ演算回路１３を介して適宜に制御し、発電機ＳＧ
を徐々に加速して基準値（無負荷定格速度）まで昇速さ
せる。

【００２９】発電機ＳＧが無負荷定格速度に達した後、
図示しない自動同期装置を使用し、同装置に内臓された
自動揃速装置から速度設定器１８へ増速又は減速指令を
与えて、パウダクラッチＰＣのトルク伝達力を制御する
ことにより発電機ＳＧの速度を制御し、更に図示しない
自動電圧調整装置により発電機ＳＧに励磁を与えその出
力電圧を制御し、その出力電圧，出力電圧周波数及び出
力電圧位相を図示しない電力系統の夫々の値に一致さ
せ、並列用しゃ断器ＣＢを閉路して発電機ＳＧを電力系
統に並入する。

【００３０】発電機２を電力系統に並入した後は、自動
負荷調整装置１９から速度設定器１８へ増速指令を与
え、上記と同様にして、パウダクラッチＰＣのトルク伝
達力を制御（増加）し、発電機ＳＧに順次負荷を負わせ
所定の負荷とし、所定の出力電力を電力系統に送出させ
て定常の運転状態に入れる。発電機ＳＧが電力系統に電
力の送出を開始すると、電力リレ−Ｒはこれを検出して
動作し、そのａ接点Ｒａを閉路しｂ接点Ｒｂを開路す
る。

【００３１】次に、発電機ＳＧを普通停止するには、主
制御開閉器１［図１（ａ）］の停止接点を閉操作し、主
制御用キ−プリレ−１Ｘを付勢してＯＦＦ側に切換え、
そのｂ接点１Ｘｂを閉路させる。この時点では、発電機
ＳＧは定常運転状態にあり、並列用しゃ断器ＣＢは閉路
の状態にあるから、その補助ｂ接点ＴＣｂは開路，補助
ａ接点ＴＣａは閉路しており、同様に、電力リレ−Ｒも
動作状態にあるからそのａ接点Ｒａも閉路している。従
って、ｂ接点１Ｘｂが閉路しても調速制御用キ−プリレ
−６５Ｘの動作状態は不変であり、他のｂ接点１Ｘｂの
閉路により、断続リレ−６６Ｘは付勢され動作を開始
し、そのａ接点６６Ｘａを予定の周期で反復開閉して停
止時負荷減指令６６Ａを速度設定器１８［図１（ｂ）］
に反復入力する。

【００３２】速度設定器１８の設定値は、停止時負荷減
指令６６Ａが入力される毎に減少して比較器１２の出力
は負に転ずるから、パウダクラッチＰＣのトルク伝達力
も徐々に減少し、発電機ＳＧは負荷を徐々に低下して無
負荷となり、電力系統への送出電力もＯとなって（電力
系統の周波数に応ずる）無負荷定格速度で回転を継続す
る。発電機ＳＧの送出電力がＯになると電力リレ−Ｒは
復帰し、そのａ接点Ｒａは開路し，ｂ接点Ｒｂは閉路す
る。

【００３３】電力リレ−Ｒのａ接点Ｒａが開路すると断
続リレ−６６Ｘの付勢は解除され、そのａ接点６６Ｘａ
は開路し、速度設定器１８への入力である停止時負荷減
指令６６Ａも消滅するから、速度設定器１８への入力は
０となる。同時にｂ接点Ｒｂの閉路により並列用しゃ断
器ＣＢの引外コイルＴＣが付勢され、並列用しゃ断器Ｃ
Ｂが開路され、発電機ＳＧを電力系統から解列する。

【００３４】並列用しゃ断器ＣＢが開路すると、そのａ
接点ＴＣａも開路し、そのｂ接点ＴＣｂは閉路するか
ら、調速制御用キ−プリレ−６５Ｘは付勢されＯＦＦ側
に切換られ、図示の状態に復帰（ａ接点６５Ｘａは開
路）する。従って、ＯＮ状変回路１５への入力である調
速制御運転指令６５Ａは消滅し、ＯＮ状変回路１５は不
動作となりそのａ接点１５ａは開路され、パウダ−クラ
ッチＰＣの励磁制御は解除されてトルク伝達力は０とな
るから、発電機ＳＧは水車ＷＴから切離され徐々に停止
する。

【００３５】一方、ＯＮ状変回路１５の不動作によりア
ンド回路１７への出力は消滅し、そのアンド条件は不成
立となるから、基準値設定器１６から速度設定器１８に
加えられていた基準値（発電機ＳＧの無負荷定格速度）
は消滅し、一連の発電機ＳＧの普通停止操作は完了す
る。

【００３６】発電機ＳＧを急停止するには、閉塞リレ−
（本体は図示せず）の３個の手動復帰ａ接点８６ａを閉
路し、主制御用キ−プリレ−１Ｘ，調速制御用キ−プリ
レ−６５ＸをＯＦＦ側に切換えると共に、並列用しゃ断
器ＣＢの引外コイルＴＣを付勢してこれを開路（夫々を
図示の状態と）し、調速制御運転指令６５Ａ，停止時負
荷減指令６６Ａを消滅させて、前述と同様に、パウダ−
クラッチＰＣの励磁制御を解除しパウダ−クラッチＰＣ
の出力を解放し、同時に発電機ＳＧを電力系統から解列
し徐々に停止させる。

【００３７】上記は、本発明を横軸水車に適用した場合
に就いての説明であるが、本発明は上記実施例にのみ限
定されるものではなく、例えば、電磁クラッチ制御装置
は、アナログ回路，ディジタル回路又はマイクロコンピ
ュ−タのソフトウエア等でも実現することが出来、又そ
の制御方法も任意でよく、更に必要に応じて、電磁クラ
ッチと発電機との間に増速機を設けても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上、本発明に就いて詳細に説明した
が、本発明によれば、水車水口の開閉機構（流入水量制
御設備）を省略し、水車のトルクを電磁クラッチを介し
て発電機に伝達し、この電磁クラッチのトルク伝達力を
無段階に制御することにより水車発電機の調速制御を行
うようにしたから、水力発電所の建設費を低廉に抑える
ことが可能となり、又ガイドベ−ンを省略したので、木
の葉等による水車のごみ詰まりの発生が少なくなり、水
車の保守に要する手間と時間との削減が出来る。更に、
水車の急停止に際しては、電磁クラッチの出力解放によ
り水車から発電機を急速に分離することが出来るから、
発電機の許容最大過速度を低値に抑えることが出来るの
で、発電機本体の強度設計上有利であり、発電機軸受け
の設計にも有利となり発電機を安価に製作することが出
来る等の利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１（ａ）】本発明制御装置の起動・停止制御部の接
続図。

【図１（ｂ）】本発明制御装置の発電機の調速制御部の
ブロック図。

【符号の説明】

ＷＴ……水車、 ＰＣ……パウダ−クラッチ、 ＳＧ……水車発電機、 ＴＧ……速度検出器、 １０……クチッチ制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水車と、この水車に回転駆動される水車
   発電機と、前記水車と前記水車発電機との間に設けら
   れ、前記水車の回転力を前記水車発電機に無段階に伝達
   し得る制御可能なクラッチと、前記水車発電機に駆動さ
   れ水車発電機の回転速度に応ずる速度信号を出力する速
   度検出器と、前記速度信号を入力され、この速度信号と
   前記水車発電機の予定の回転速度との偏差に応ずる制御
   信号を出力するクラッチ制御装置とから成り、前記制御
   信号により前記制御可能なクラッチを制御して、前記水
   車発電機の回転速度を前記予定の回転速度に一致させる
   ことを特徴とする水車発電機の調速制御装置。