JPH08116696A

JPH08116696A - 水車調速機

Info

Publication number: JPH08116696A
Application number: JP6251090A
Authority: JP
Inventors: Haruo Tsubota; 治夫坪田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 1996-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】水車調速機が安定して運転中、急激に無負荷
となり水車回転速度が急激に上昇し、規程回転数までの
収束時間が長くかかるのを防止する。【構成】速度検出助勢器１１を設け、速度検出器１０
からの速度信号の速度変化率を算出し、その速度変化率
が所定値以上の大きさであると演算増幅器８へ実際の速
度より見かけ上大きくなるよう出力する。この出力は負
の出力であるので、演算増幅器８の出力も負の方向に大
きくなり、制御器（電気油圧変換器）９を介してガイド
ベーンサーボモータ４を操作しガイドベーン開度を急速
に小さくして水車回転速度の急激な上昇を押さえる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、水車発電機の水車調
速機に関するもので、特に水車発電機の回転速度の安定
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９に従来の水車調速機のブロック図を
示す。図において、１は水車、２は水車１の軸に直結さ
れたＳＳＧ（Speed Signal Generator）部で、ＳＳＧイ
ンダクタ２ａが水車１で回転され、ＳＳＧプローブ２ｂ
がこの回転速度に比例した周波数の信号を出力する。３
はガイドベーン開度検出器で、ガイドベーンサーボモー
タ４の連動機構に直結されているポテンショメータ等で
構成され、その出力はガイドベーン開度として電気信号
に変換され出力される。

【０００３】５は電動式ポテンショメータ等の速度／負
荷設定器で、発電機系統並列までは速度設定器として、
系統並列後は負荷設定器として使用される。６は弾性復
原部（ダンピング設定部）で、無負荷時（系統並列前）
弾性復原器６ａと負荷時（系統並列後）弾性復原器６
ｂ、および、切換接点６ｃを有し、所要のダンピング強
さ、および時定数を設定し、水車１の回転速度または負
荷制御の行き過ぎをなくし、調速機制御系を安定にす
る。切換接点６ｃは、無負荷時、負荷時で切り替えられ
る外部接点（例えば系統並列用遮断器接点）を用い切り
換えるよう構成されている。一般に同じ入力変化があれ
ば負荷時より無負荷時の方が時定数が大きい。

【０００４】７は剛性復原器で所要の速度垂下率を設定
するものであり、速度垂下率はガイドベーン開度検出器
３の出力を抵抗で分圧することにより得られる。８は演
算増幅器で、速度／負荷設定、弾性および剛性復原、回
転速度の各信号を加え合わせ、その偏差信号を入力とし
出力するものである。各入力信号がバランスしていると
（発電機が設定された速度あるいは負荷のとき）、出力
は零であり、このとき調速機としては、上げ下げのいか
なる動作もしない。

【０００５】９は制御器で、磁界の中にコイルをおいて
コイルに流れる電流（この電流は前段の演算増幅器８よ
り供給される）によって機械的変位を得る電気油圧変換
器である。１０は速度検出器で、この場合周波数検出器
が用いられる。２０は水車１で駆動される発電機であ
る。

【０００６】次に動作について説明する。発電機２０が
系統に並列される前、すなわち速度運転時は演算増幅器
８には速度検出器１０、速度／負荷設定器５、無負荷時
弾性復原器６ａ、剛性復原器７の出力が与えられる。こ
の時は水車の速度は速度／負荷設定器５により制御され
る。速度が設定値にバランスしているときは、演算増
幅器８の出力は零であり、速度が設定値よりずれると、
演算増幅器８にはそれに見合った偏差信号が現れ、速度
が設定値に達するまで調速機は動作する。

【０００７】発電機２０が系統に並列されると、その周
波数は系統によって決定され、特別な場合でない限り、
ほぼ規定周波数である。発電機系統並列操作はガイドベ
ーン開度によって行われる。演算増幅器８には速度検出
器１０、速度／負荷設定器５、負荷時弾性復原器６ｂ
（接点６ｃにより無負荷時弾性復原器６ａから切り換え
られる。）、剛性復原器７の各出力が与えられるが、速
度検出器１０の出力は一定であり、また、発電機系統並
列後の速度調整は負荷調整を意味し、前記のような状態
で速度／負荷設定器５を操作すると、それに見合った負
荷（すなわちサーボモータ開度）となるまで調速機は動
作する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の水車調速機は以
上のように構成されているので、負荷遮断等演算増幅器
８に大きな制御偏差が入った場合に、水車回転速度の安
定を得る目的で設けている弾性復原器６ｂの出力が制御
偏差を小さくする方向に働くため、調速機の応動が遅く
なると共に水車回転速度の安定までに時間を要する問題
点があった。

【０００９】図１０において、負荷遮断時のタイムチャ
ートを示す。横軸に時間をとった場合実線で示すよう負
荷遮断時に遮断器がＯＦＦすると水車回転数Ｎは上昇
し、演算増幅器８からはガイドベーンへの閉指令は出て
いるが弾性復原器６ｂの出力が大きいため、弾性復原器
６ｂには開方向への制御となるため、水車回転数の上昇
が大きく、規定回転数への復帰時間も長くかかるように
なる。

【００１０】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、水車回転速度変化に対する応
答性並びに収束の速い水車調速機を得ることを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（１）この発明に係る水車調速機は、水車発電機の回転
速度とガイドベーンの開度とに応じてフィードバック
し、そのフィードバック値と所定の速度設定値との偏差
に応じてガイドベーン開度を調整する水車調速機におい
て、上記発電機の回転速度の速度変化率に応じてガイド
ベーン開度を補正する補正手段を備えたものである。

【００１２】（２）補正手段は速度変化率が所定値以上
でガイドベーン開度を補正する手段としたものである。

【００１３】（３）水車発電機の回転速度とガイドベー
ンの開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバ
ック値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベー
ン開度を調整する水車調速機において、上記ガイドベー
ンの開度変化の変化速度に応じてガイドベーン開度を補
正する補正手段を備えたものである。

【００１４】（４）補正手段は開度変化の変化速度が所
定値を超えると弾性復原量を小さくし、変化速度が所定
値以下では弾性復原量を大きくしてガイドベーンの開度
を補正する手段としたものである。

【００１５】（５）水車発電機の回転速度とガイドベー
ンの開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバ
ック値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベー
ン開度を調整する水車調速機において、上記ガイドベー
ンの開度変化量に応じてガイドベーン開度を補正する補
正手段を備えたものである。

【００１６】（６）補正手段は開度変化量が所定値を超
えると弾性復原量を制限してガイドベーンの開度を補正
する手段としたものである。

【００１７】（７）水車発電機の回転速度とガイドベー
ンの開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバ
ック値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベー
ン開度を調整する水車調速機において、上記ガイドベー
ンの開度の大小に応じてガイドベーン開度を補正する補
正手段を備えたものである。

【００１８】（８）補正手段はガイドベーン開度の大き
さに応じて弾性復原量を小さくしてガイドベーンの開度
を補正する手段としたものである。

【００１９】（９）上記（１）（３）（５）（６）の補
正手段の内、少なくとも二つの補正手段を選択して構成
したものである。

【００２０】（１０）上記（２）（４）（６）（８）の
補正手段の内、少なくとも二つの補正手段を選択して構
成したものである。

【００２１】

【作用】

（１）この発明の水車調速機は、補正手段で発電機の回
転速度の速度変化率に応じてガイドベーン開度を補正す
る。

【００２２】（２）補正手段は速度変化率が所定値以上
でガイドベーン開度を補正する。

【００２３】（３）補正手段はガイドベーンの開度変化
の変化速度に応じてガイドベーン開度を補正する。

【００２４】（４）補正手段は開度変化の変化速度が所
定値を超えると弾性復原量を小さくし、変化速度が所定
値以下では弾性復原量を大きくしてガイドベーンの開度
を補正する。

【００２５】（５）補正手段はガイドベーンの開度変化
量に応じてガイドベーン開度を補正する。

【００２６】（６）補正手段は開度変化量が所定値を超
えると弾性復原量を制限してガイドベーンの開度を補正
する。

【００２７】（７）補正手段はガイドベーンの開度の大
小に応じてガイドベーン開度を補正する。

【００２８】（８）補正手段はガイドベーン開度の大き
さに応じて弾性復原量を小さくしてガイドベーンの開度
を補正する。

【００２９】（９）上記（１）（３）（５）（６）の補
正手段の内、少なくとも二つの補正手段を選択してガイ
ドベーン開度を補正する。

【００３０】（１０）上記（２）（４）（６）（８）の
補正手段の内、少なくとも二つの補正手段を選択してガ
イドベーン開度を補正する。

【００３１】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例１を図に基づいて説
明する。図１に水車調速機のブロック図を示す。図にお
いて、１〜１０，２０は図９と同一であるので説明を省
略する。１１は速度検出助勢器で、速度検出器１０の出
力の変化率を算出し、その変化率が所定値以上であると
所定の出力を送出する。この速度検出助勢器１１はな
お、図９の無負荷時と負荷時の弾性復原器６ａ，６ｂは
図１では弾性復原器６ｄで置き換えており、両者を含ん
でいて入力変化に対し時間遅れ（時定数）を持って追従
する。

【００３２】次に動作について説明する。負荷遮断等の
水車回転速度に大きな変化があった場合、その速度変化
は速度検出助勢器１１に入力され、その速度変化の時間
的変化率を算出し、水車回転速度変化の大きさを判定し
所定の変化率以上の場合に演算増幅器８へ実際の速度よ
り見かけ上大きくなるよう出力する。この出力は負の出
力であるので、演算増幅器８の出力も負の方向に大きく
なり、水車回転速度の上昇を押さえることができる。

【００３３】一方、所定の変化率以下の場合には演算増
幅器８へは速度検出助勢器１１の出力は出ないので、弾
性復原器６ｄが良好に働き水車回転速度の収束時間を速
くすることができる。

【００３４】上記の例では急激に無負荷になった場合を
説明したが、この実施例の回路は負荷が急増した場合は
上記例と反対に動作し回転数の低下を少なくすると共
に、即応性のある速度の復原が行われる。

【００３５】上記速度検出助勢器１１の回路の一例を図
２（ａ）にその特性を図２（ｂ）に示す。図のように速
度検出助勢器１１は、微分回路１１ａと判定回路１１ｂ
で構成し、入力に変化（負荷遮断）があると、微分回路
１１ａで入力の微分値（速度変化率）ｄを出力する。そ
して判定回路１１ｂでは、｜ｄ｜≦｜ａ｜の時、出力０｜ｄ｜＞｜ａ｜の時、ｄの値に比例した出力のような特性を持つ。つまり±ａの不感帯を有する特性
を有し、｜±ａ｜以上の速度変化率があれば、その速度
変化率に応じて出力し応答を速くするように作用する。

【００３６】上記の速度検出助勢器１１は、速度検出器
１０からの速度の変化率を算出し、その速度変化率が所
定値以上であると所定の出力を送出するようにしたが、
所定値以上であるとその速度変化率に応じて出力が増大
するようにしてもよい。つまり、不感帯を有する増幅器
の機能を持たせてもよい。また、上記所定値を設けず
に、速度変化率に応じて出力を増大（例えば、比例的
に、または、自乗曲線のような２次曲線で）させてもよ
い。

【００３７】実施例２．この発明の実施例を図３に示
す。図において、図１で示す水車調速機のブロック図の
弾性復原器６ｄに換えて、変化率応動形弾性復原切換器
６ｅを設けている。この変化率応動形弾性復原切換器６
ｅは、ガイドベーン開度検出器３の開度信号を入力し、
その開度の変化量（ポテンショメータを使用の場合はそ
の移動量）の単位時間当たりの変化率、つまり開度の変
化速度（移動速度）を演算し、ガイドベーン開度検出器
３の開度の変化速度（移動速度）の大きさを判定し、所
定の速度を超えたの場合は弾性復原量を小さくし、所定
の速度以下の場合は弾性復原量を大きくしたものに切り
替え出力する。

【００３８】この変化率応動形弾性復原切換器６ｅを用
いると、負荷遮断等でガイドベーン開度検出器３の開度
の変化速度（移動速度）が大きい時には、弾性復原量を
小さくして水車回転速度の上昇を押さえることができ、
ガイドベーン開度検出器３の開度の変化速度（移動速
度）が小さくなれば、弾性復原量を大きくして水車回転
速度の収束の時間を速くすることができる。

【００３９】上記変化率応動形弾性復原切換器６ｅの回
路の一例を図４（ａ）にその特性を図４（ｂ）に示す。
図のように変化率応動形弾性復原切換器６ｅは、微分回
路６ｍと判別回路６ｎで構成し、入力に変化（ガイドベ
ーン開度変化）があると、微分回路６ｍで入力の微分値
（開度の変化速度）ｓを出力する。この場合ｓの値は負
（−ｓ）となる。そして判別回路６ｎでは、｜ｄ｜＜｜ａ｜の時、ゲイン大｜ａ｜≦｜ｄ｜≦｜ｂ｜の時、ゲイン中｜ｄ｜＞｜ａ｜の時、ゲイン小のような特性を持つ。ガイドベーンの開度の速度が大き
くなるほど、弾性復原量を抑制し、応答を速くする。

【００４０】上記の例ではガイドベーン開度の変化速度
が大きいときと、小さいときとで弾性復原量を切り換え
たが、変化速度の大小に応じて連続的に弾性復原量を増
減させてもよい。また、段階的（ステップ状）に増減さ
せてもよい。

【００４１】実施例３．この発明の実施例を図５に示
す。図のように、弾性復原器６ｄの出力側に、弾性復原
制限器６ｆを設けたものである。この弾性復原制限器６
ｆは弾性復原器６ｄの弾性復原量が所定量より大きいと
制限し、所定量以下であると制限しないようリミッター
の役目をするものである。

【００４２】水車負荷運転時等においては、水車１は発
電機２０を経由して電力系統と接続されているため、水
車自体が大きなダンピングを持っていることとなり、速
度検出器１０の出力変動も僅少である。この状態では演
算増幅器８の制御出力も小さいため、ガイドベーン変化
量は少なく、弾性復原器６ｄの出力は弾性復原制限器６
ｆに制限されず、適切なダンピングが演算増幅器８に入
力される。

【００４３】この状態で負荷遮断が発生すると、水車１
は系統側のダンピングが無くなり、速度検出器１０の出
力は水車の回転上昇につれて増大し、演算増幅器８から
はガイドベーン閉指令が出力し、ガイドベーン閉方向に
大きく変化する。ガイドベーン変化量が大きいため、弾
性復原器６ｄは大きなダンピングを演算増幅器８に与え
ようとするが、弾性復原制限器６ｆにより制限されるた
め不要なダンピングが演算増幅器８に与えられることが
防止できる。

【００４４】この改善結果を図１０のタイムチャートに
示し、図の点線のように改善される。この改善は、実施
例１，２，４においても同様に改善される。以上のよう
に、ガイドベーン開度変化量が大きくなっても、過度の
ダンピングが演算増幅器８へ与えられることが無いた
め、速応性に優れたガイドベーン制御が行える。

【００４５】弾性復原制限器６ｆの特性を図６に示す。
弾性復原器６ｄから弾性復原量ｆが入力されると、その
出力は、｜ｄ｜≦｜ｃ｜の時、比例出力｜ｄ｜＞｜ｃ｜の時、出力一定の特性を持つ。即ち、弾性復原量が｜±ｃ｜を超えると
その出力を一定に規制し、応答を速くするように働く。

【００４６】上記の弾性復原制限器６ｆは弾性復原器６
ｄの弾性復原量が所定量より大きいと制限し、所定量以
下であると制限しないようにしたが、弾性復原量が所定
量より大きい場合の制限量は、一定量でなくても弾性復
原量に応じて、例えば、勾配の緩い比例直線で変化する
ようにしてもよく。または、所定の曲線（＋側では上に
凸の曲線、−側では下に凸の曲線）で制限するようにし
てもよい。また、弾性復原量の所定量を設けず、弾性復
原量の大小に応じて制限量を連続的（例えば、＋側では
上に凸の曲線、−側では下に凸の曲線）に、または、段
階的に変化させてもよい。

【００４７】実施例４．この発明の実施例を図７に示
す。図のように、弾性復原部６にゲイン連続可変形弾性
復原器６ｇとこのゲインを調整するゲイン決定関数器６
ｈとを設けたものである。

【００４８】ゲイン連続可変形弾性復原器６ｇのゲイン
決定関数器６ｈの特性例として図８のように設定してお
く、水車１のダンピングは調速機の持っている弾性復原
器６ｇによるものと、系統に接続されることにより得ら
れるダンピングの２種類が考えられるが、本方式では系
統から与えられているダンピングの強さをガイドベーン
開度検出器３で検出し、ガイドベーン開度が大きい領域
では系統からのダンピングが強いため、自装置から演算
増幅器８へ与える弾性復原は小さくする。

【００４９】逆に、ガイドベーン開度が小さい領域では
系統からのダンピングが期待できないため、自装置から
演算増幅器８へ大きな弾性復原量を与える。このゲイン
がガイドベーン開度により連続的に変化するため、負荷
遮断直後等、ガイドベーンを急速に閉鎖する必要がある
場合においても、オーバーダンピングとならず良好な速
応性が得られる。

【００５０】以上のように、どのような水車運転状態に
あっても常に最適な弾性復原量が得られる。

【００５１】なお、図８のゲインの傾斜はゲイン決定関
数器６ｈによって自由に変化させることができる。ま
た、この特性は１次曲線であるが、２次曲線やその他の
関数曲線などそのシステムに適合したものでよく、ま
た、段階的に変化させてもよい。

【００５２】実施例５．上記四つの実施例は組み合わせ
ても実施することができる。即ち、四つの実施例の内、
任意の二つ以上の実施例を選択して組み合わせて構成し
てもよく、その効果はそれぞれの実施例の効果を組み合
わせたものとなる。

【００５３】

【発明の効果】

（１）以上のように、この発明によれば、水車回転速度
の変化率により水車速度を補正するようにしたので、水
車回転速度変化の大きい場合速応度の向上が得られる効
果がある。

【００５４】（２）水車回転速度の速度変化率が所定値
以上でガイドベーン開度を補正するようにしたので、水
車回転速度変化の大きい場合速応度の向上が得られる効
果がある。

【００５５】（３）ガイドベーンの開度変化の変化速度
に応じてガイドベーン開度を補正するようにしたので、
水車回転速度の制御の速応性、安定性の向上が得られる
効果がある。

【００５６】（４）開度変化の変化速度が所定値を超え
ると弾性復原量を小さくし、変化速度が所定値以下では
弾性復原量を大きくしてガイドベーンの開度を補正する
ようにしたので、最適な弾性復原量が得られ、水車回転
速度の制御の速応性、安定性の向上が得られる効果があ
る。

【００５７】（５）ガイドベーンの開度変化量に応じて
ガイドベーン開度を補正するようにしたので、急速制御
が必要な際も、速応性に優れた水車調速機が得られる効
果がある。

【００５８】（６）ガイドベーンの開度変化量が所定値
を超えると弾性復原量を制限してガイドベーンの開度を
補正するようにしたので、急速制御が必要な際も、速応
性に優れた水車調速機が得られる効果がある。

【００５９】（７）ガイドベーンの開度の大小に応じて
ガイドベーン開度を補正するようにしたので、安定性と
速応性に優れた水車調速機が得られる効果がある。

【００６０】（８）ガイドベーン開度の大きさに応じて
弾性復原量を小さくしてガイドベーンの開度を補正する
ようにしたので、安定性と速応性に優れた水車調速機が
得られる効果がある。

【００６１】（９）補正手段を組み合わせるようにした
ので、それぞれの手段の効果を組み合わせた効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による水車調速機のブロ
ック図を示す。

【図２】この発明の実施例１による速度検出助勢器の
ブロック図を示す。

【図３】この発明の実施例２による水車調速機のブロ
ック図を示す。

【図４】この発明の実施例２によるの変化率応動形弾
性復原切換器ブロック図を示す。

【図５】この発明の実施例３による水車調速機のブロ
ック図を示す。

【図６】この発明の実施例３による弾性復原制限器の
特性図を示す。

【図７】この発明の実施例４による水車調速機のブロ
ック図を示す。

【図８】この発明の実施例４によるゲイン決定関数器
の特性図を示す。

【図９】従来の水車調速機のブロック図を示す。

【図１０】負荷遮断時のタイムチャートを示す。

【符号の説明】

１水車、２ＳＳＧ部、２ａＳＳＧインダクタ、２
ｂＳＳＧプローブ、３ガイドベーン開度検出器、４
ガイドベーンサーボモータ、５速度／負荷設定器、
６弾性復原部、６ａ無負荷時弾性復原器、６ｂ負
荷時弾性復原器、６ｃ系統並列用遮断器接点、６ｄ
弾性復原器、６ｅ変化率応動形弾性復原切換器、６ｆ
弾性復原制限器、６ｇゲイン連続可変形弾性復原
器、６ｈゲイン決定関数器、７剛性復原器、８演
算増幅器、９制御器、１０速度検出器、１１速度
検出助勢器、２０発電機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水車発電機の回転速度とガイドベーンの
開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバック
値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベーン開
度を調整する水車調速機において、上記発電機の回転速
度の速度変化率に応じてガイドベーン開度を補正する補
正手段を備えたことを特徴とする水車調速機。
【請求項２】請求項１において、補正手段は速度変化
率が所定値以上でガイドベーン開度を補正する手段とし
たことを特徴とする水車調速機。
【請求項３】水車発電機の回転速度とガイドベーンの
開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバック
値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベーン開
度を調整する水車調速機において、上記ガイドベーンの
開度変化の変化速度に応じてガイドベーン開度を補正す
る補正手段を備えたことを特徴とする水車調速機。
【請求項４】請求項３において、補正手段は開度変化
の変化速度が所定値を超えると弾性復原量を小さくし、
変化速度が所定値以下では弾性復原量を大きくしてガイ
ドベーンの開度を補正する手段としたことを特徴とする
水車調速機。
【請求項５】水車発電機の回転速度とガイドベーンの
開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバック
値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベーン開
度を調整する水車調速機において、上記ガイドベーンの
開度変化量に応じてガイドベーン開度を補正する補正手
段を備えたことを特徴とする水車調速機。
【請求項６】請求項５において、補正手段は開度変化
量が所定値を超えると弾性復原量を制限してガイドベー
ンの開度を補正する手段としたことを特徴とする水車調
速機。
【請求項７】水車発電機の回転速度とガイドベーンの
開度とに応じてフィードバックし、そのフィードバック
値と所定の速度設定値との偏差に応じてガイドベーン開
度を調整する水車調速機において、上記ガイドベーンの
開度の大小に応じてガイドベーン開度を補正する補正手
段を備えたことを特徴とする水車調速機。
【請求項８】請求項７において、補正手段はガイドベ
ーン開度の大きさに応じて弾性復原量を小さくしてガイ
ドベーンの開度を補正する手段としたことを特徴とする
水車調速機。
【請求項９】請求項１，３，５，７の補正手段の内、
少なくとも二つの補正手段を選択して構成したことを特
徴とする水車調速機。
【請求項１０】請求項２，４，６，８の補正手段の
内、少なくとも二つの補正手段を選択して構成したこと
を特徴とする水車調速機。