JPS5845726B2 - 水車調速機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は発電機を駆動する水車を規定回転数に維持す
る電気式調速機に関するものである。

この種の調速機の回路構成を第１図に示す。

図１こおいて、１は発電機を駆動する水車、２はこの水
車１に直結された回転数検出用発電機、３は速度継電器
で、上記回転数検出用発電機２の出力を監視するための
ものであり、水車１が規定回転数の８０〜９０％以上に
なったときに閉路する接点３ａと開路する接点３ｂを有
する。

４は回転数検出用発電機２の交流出力を回転数に比例し
た直流電圧に変換する回転数変換器、５は回転数（周波
数）設定器、６はＰＩＤ増幅部で、比例増幅器６Ａ、定
常誤差を零にする積分増幅器６Ｂ、制御の応答速度を早
くするための微分増幅器６Ｃ及びこれらの比例Ｐ１積分
Ｌ１微分りの信号を加算する加算増幅器６Ｄ等により構
成されており、その詳細は後述する。

７は起動時ＰＩＤ増幅部６が切離されているとき起動の
ための開指令を出す回路、８は電気信号を機械的変位に
変換する制御器、９は制御器８の出力をさらに機械的に
増幅する補助サーボモータ、１０は水車１の案内羽根を
駆動するに充分な力まで増幅する主サーボモータ、１１
は負荷設定器、１２は速度垂下率設定器である。

第２図は前記ＰＩＤ増幅部６の詳細な回路構成を示すも
ので、６Ａ−Ｒ１及び６Ａ−Ｒ２は比例増幅器６Ａのゲ
イン（利得）設定器、６Ｂ−Ｒ１及び６Ｂ−Ｒ２は積分
増幅器６Ｂのゲイン設定器、６Ｃ−Ｒ１及び６Ｃ−Ｒ２
は微分増幅器６Ｃのゲイン設定器、６Ｒ１及び６Ｒ２は
各ゲイン設定器を選択するための継電器、６Ｒｉａ、６
Ｒ２ａは継電器６Ｒ１，６Ｒ２の常開接点、５２ａ、５
２ｂは系統並列しゃ断器の補助接点で、５２ａは常開接
点、５２ｂは常閉接点である。

＋は直流電源の正極、−は直流電源の負極、１３は直流
定電圧電源装置で、水車１が定格回転数の約３０％以上
で回転しているときはＰＩＤＩＤＩＤＩＤ増幅型適正電
力を供極するようになっている。

上記の回路構成（こおいては、水車１の回転数はその主
軸に直結された回転数検出用の永久磁石発電機２により
交流の回転数に比例した周波数ｌこ変換される。

この信号が回転数変換器４にて回転数に比例した直流電
圧に変換され、速度設定器５Ｉこよる設定信号との偏差
信号となって、後述するフィードバック量、すなわち速
度垂下率設定器１２の出力信号と加算される。

この加算信号がＰＩＤＩＤ増幅部加わると、入力信号の
代数和を零（こするような調節信号がＰＩＤＩＤ増幅部
出力として出され、制御器８に与えられる。

この調節信号は制御器８で機械的変位に変換され、補助
サーボモータ９、主サーボモータ１０にて順次増幅され
る。

この増幅出力により水車１のガイドベーン（図示せず）
が制御されてその回転数が調整される。

なお、補助サーボモータ９の出力（実負荷に比例する信
号）と負荷設定器１１の設定出力とを比較し、た偏差出
力を速度垂下率設定器１２で分圧してＰＩＤＩＤＩＤＩ
Ｄ増幅零入力わゆるフィードバックする。

如上の回転数調整動作時ｌこＰＩＤＩＤ増幅部は、比例
、積分、微分のゲインは補助継電器６Ｒ１゜６Ｒ２によ
り、水車が無負荷のとき（系統並列しゃ断器がオフのと
き）と、他の電力系統と並列にしているときとで切換え
て使用される。

この切換えの目的は、水車１によって駆動される発電機
の無負荷あるいは単独運転時は水車及び発電機の慣性が
太きいため、比例及び積分のゲインを下げ、微分のゲイ
ンは稍々大きくする程度にして回転数あるいは周波数制
御の安定性Ｉこ重点を置いた設定とし、並列運転時は他
の電力系統との同期化力により慣性は見掛は上減少して
安定性が増すため、逆に比例及び積分のゲインを上げ、
微分のゲインは無負荷時とあまり変わらないか、稍々小
さくする程度として負荷設定器１１１Ｃよる負荷変化に
対する連応性に重点を置いた設定とすること番こより、
水車の運転状態に適した調節機能を発揮させることＩこ
ある。

なお、直流定電圧電源装置１３は定格回転数の約３０％
から通常の過速度まで常【こ適正な電圧【こ制御される
。

また、通常積分増幅器６Ｂの出力と補助サーボモータ９
の出力が加算増幅器６１］こ入力として加っているが、
平常運転時は各々同一値、逆極性となって打ち消し合う
特性となっている。

このように上記構成の水車調速機は定常運転時にはＰＩ
Ｄ調速機能によって良好な制御特性をもって回転数の調
整を行うことができるが、水車起動時における動作ｌこ
問題がある。

すなわち、水車１を起動するため（こ速度設定器５を零
から定格回転数に設定したとすると、最初回転数変換器
４の出力は、水車１及び回転数検出用発電機２が停止し
ているため零であり、ＰＩＤＩＤ増幅部水車１を定格回
転数にするような調節信号（ガイドベーン開指令）を制
御器８に与え、補助サーボモτす９及び主サーボモータ
１０を介して水車のガイドベーンを開き、水車を起動し
て加速する。

水車が定格回転数になれば、回転数変換器４の出力は、
速度設定器５の出力とバランスし、ＰＩＤＩＤＩＤＩＤ
増幅零入力って調節動作は終了する。

ところが、積分増幅器６Ｂの出力は、水車１が定格回転
数になるまでの期間上述したようｌこ回転数変換器４の
出力と速度設定器５の出力を比較した偏差信号（上げ信
号）が大きく、長いので、その過大な入力によって過積
弁状態を呈し、その出力は開指令が本来のものより大き
くなっており、ＰＩＤＩＤＩＤＩＤ増幅零入力てガイド
ベーン閉指令を出すことを要求されても積分器の出力は
しばらくは打ち勝つことができず、開指令を継続するか
ら、水車１は定格回転数を越え、大きくオーバーシュー
トした後定格回転数に落ち着くようになる（第３図に示
す起動特性の曲線Ａ参照）。

もちろん、水車起動時は補助継電器６Ｒ２が動作してい
るため、積分増幅器６Ｂのゲインは発電機と他の電力系
統との並列運転時ｌこ比べて小さい訳であるが、これを
極端に下げ過ぎると、定常運転時に調速機能の安定性が
維持できないので、積分増幅器６Ｂのゲインをあまり小
さくすることはできない。

これは起動時間が長くなるだけでなく、積分増幅器のゲ
イン如何によってはオーバーシュートによって水車の過
速度継電器（図示せず）が動作し、水車急停止となって
起動を失敗することがあんこの発明は上記の問題点を解
消し、円滑に起動を行うことができ、かつ定常運転時に
は良好に回転数調整を行い得る水車調速機を提供するこ
とを目的とする。

この発明ｌこ係る水車調速機は、落差を基準とする信号
発生回路を設け、かつ水車起動時に落差に基づく信号を
通常の速度信号（こ代えてＰＩＤ増幅部の積分増幅器（
こ加えるような切換回路を設けたことを特徴とするもの
であって、以下これを第４図に示す実施例に基づいて説
明する。

第４図はこの発明の主要部を示すものであって、他の回
路構成は従来と同様である。

図中、６はＰＩＤ増幅部で、積分増幅器６Ｂ、ゲイン設
定器６Ｂ−Ｒ１、６Ｂ−Ｒ２、継電器の常開接点６Ｒ１
ａ 、６Ｒ２ａ等で構成されているが、この発明では積
分増幅器６Ｂの入力側に補助リレー２９の常開接点２９
ａ１が挿設されている。

２０は速度リレ、−で、水車の定格回転数以上のとき動
作してその常開接点２０ａが閉路する。

２１は発電所の上水槽と放水路の間の有効落差をこれに
比例した電気量に変換する変換器、２２は定格落差設定
器、２３は定格落差信号を実際の有効落差で除算する割
算器、２５は無負荷定格落差のときのガイドベーン開度
設定器（水車の効率によって違ってくるが、通常は全開
の４〜５％開度に設定する）、２６は乗算器で、この出
力がガイドベーン開度信号となる。

２７はガイドベーン開度信号と積分増幅器６Ｂの出力と
の偏差を増幅する増幅器、２８は極性変換増幅器、２９
は補助リレー３０は主側Ｎ回路開閉器で、水車１を起動
とするとき閉とし、停止時に開となるコントロールスイ
ッチの接点を用いる。

２９ａ１，２９ａ２は前記リレー２９の常開接点、２９
ｂはリレー２９の常閉接点で、常開接点２９ａ１と共番
こ積分増幅器６Ｂの入力信号の切換回路を構成している
。

また、常開接点２９ａ２はリレー２０の接点２０ａと並
列に接続されてリレー２９の自己保持回路を構成してお
り、リレー２９は一度定格回転数に達した後は停止する
まで、たとえその間に回転数が減少しても動作状態が維
持される。

次ｌこ上記構成の調速機の動作について説明する。

水車起動時にＰＩＤ増幅部６番こは定格回転数に達する
まで「回転数上げ」の偏差信号が入り、それがＰＩＤ調
速機能によって調節信号とされ、補助サーボモータ９、
主サーボモータ１０等が駆動される。

この場合、速度リレー２０はまだオフしてあり、したが
って補助リレー２９も消勢状態にあってその常開接点２
９ａ１，２９ａ２は開、常閉接点２９ｂは閉となってい
る。

すなわち、積分増幅器６Ｂの入力信号は常閉接点２９ｈ
を経て乗算器２６側のものとなる。

このときの信号は、無負荷のガイドベーン開度が有効落
差に反比例して変化するため、除算器２３及び乗算器２
６でその補正が行われている。

例えば、落差が大きくなればガイドベーン開度を小さく
シ、落差が小さくなればガイドベーン開度を大きくする
。

換言すると、落差変換器２１の出力で定格落差設定器２
２の出力が割算され、その出力が乗算器２６でガイドベ
ーン開度設定器２５の設定信号と乗算される。

これによってガイドベーン開度設定器２５の信号に対し
て落差が大きくなれば小さくなり、また落差が小さくな
れば大きくなるような信号の合成が乗算器２６で行われ
る。

この乗算器２６の出力は積分増幅器６Ｂの出力とはその
極性が反対であり、その偏差信号が増幅器２７で増幅さ
れ、極性変換増幅器２８で極性が変換されて起動時のみ
積分増幅器６Ｂの入力となり、乗算器２６と積分増幅器
６Ｂの出力の絶対値が同一になるように制御される。

第５図Ａ、Ｂは積分増幅器６Ｂの動作状態を説明するも
ので、第５図Ａは有効落差の変化が補正されない場合で
ある。

曲線Ａ１のように定格落差時回転数Ｎ１で電源を活かし
、ちょうど定格回転数Ｎ。

でオーバーシュートがないようｌこＮ１を設定しても、
有効落差が変化する之、曲線Ａ２．Ａ３のような動作と
なる。

これは有効落差が小さくなると起動時間が長くなりＡ２
、有効落差が大きくなるとオーバーシュートが発生する
Ａ３ことを示している。

一方、第５図Ｂはこの発明のようＥこ有効落差の変化を
補正した場合であり、Ｂ１は定格落差時の無負荷開度相
当のガイドベーン開度とした動作状態、Ｂ２は有効落差
が小さくなったときの動作状態、Ｂ３は有効落差が大き
くなったときの動作状態である。

起動時は電源が活きると、積分増幅器６Ｂのゲイン設定
器６Ｂ−Ｒ１，６Ｂ−Ｒ２とは別の信号により積分を行
うため、従来のものより早く積分を行うことができ、有
効落差の変化を補正していルノで、有効落差が大きくな
ってもオーバーシュートを生じることなく定格回転数ｌ
こ上昇させることができる。

また、定格回転数に達するとリレー２０が動作して起動
から平常運転へと円滑ζこ切換わる。

その時点は第５図ＢのＮｏ点である。すなわち、ガイド
ベーン開度設定器２５を、水車据付時に調整セットする
と、オーバーシュートの発生しない水車調速が可能であ
り、そのときの起動特性は第３図の曲線Ｂのようなもの
になる。

なお、上記実施例では割算器２３、乗算器２６を使用し
たが、有効落差があまり変化しない場合（±１０％以下
程度）には、割算器２３は偏差を求める通常の演算増幅
器に、また乗算器２６はガイドベーン開度設定器２５に
対して和とか差になる演算増幅器に代えて簡略化し、模
擬させても実用上差支えない。

以上のようにこの発明ｆこよれば、水車起動時に水車が
定格回転数ｌこなるまでは積分機能を有効落差ｌこ基づ
く信号源側ｌこ切換えて制御するようにしたので、過積
外に起因するオーバーシュートが完全になくなり、また
落差が変化しても補正によってオーバーシュートが発生
したり、起動時間が長くなる等の機能低下が防止され、
しかも定常運転時にはＰＩＤ増幅部の機能を活かして連
応性にすぐれた運転特性が得られる。

また、定格回転数１こなってから積分増幅器の入力を切
換えるため、円滑な切換えが可能である。

さらｌこ、効率の異なる水車であっても、ガイドベーン
開度設定器の設定を据付時ｌこ調整するだけで簡単ｌこ
適用することができる等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の水車調速機のブロック図、第２図は同調
速機におけるＰＩＤ増幅部の回路図、第３図は水車の起
動特性図、第４図はこの発明ｌこ係ろ水車調速機の一実
施例を示す要部の回路図、第５図Ａ、Ｂは積分増幅器の
動作状態説明図である。 ２０・・・速度リレー、２１・・・落差変換器、２２・
・・定格落差設定器、２３・・・割算器、２５・・・ガ
イドベーン開度設定器、２６・・・乗算器、２７・・・
偏差増幅器、２９・・・補助リレー、６・・・ＰＩＤ増
幅部、６Ｂ・・・積分増幅器。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水車の回転数の検出信号と回転数設定信号とを比較
   した偏差信号及びフィードバック信号を、比例、積分及
   び微分動作を行う調節部に加えて調節信号を得、この調
   節信号に基づいて水車のガイドベーン開度を調節して回
   転数を調整する水車調速機において、水車の定格回転数
   を検出して次の停止まで自己保持する第１の回路と、定
   格落差を実際の有効落差で除した後、定格落差無負荷時
   のガイドベーン開度相当の信号に乗算する第２の回路と
   を備え、起動時第１の回路で定格回転数以上を検出する
   までは、前記調節部の積分増幅器の入力を切離して第２
   の回路の出力信号に積分増幅器の出力を追従させ、第１
   の回路で定格回転数を検出したとき積分増幅器の入力を
   回転数信号側に切換えるよう（こしたことを特徴とする
   水車調速機。