JPS6129983Y2 - - Google Patents

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JPS6129983Y2
JPS6129983Y2 JP1979151404U JP15140479U JPS6129983Y2 JP S6129983 Y2 JPS6129983 Y2 JP S6129983Y2 JP 1979151404 U JP1979151404 U JP 1979151404U JP 15140479 U JP15140479 U JP 15140479U JP S6129983 Y2 JPS6129983 Y2 JP S6129983Y2
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water turbine
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

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  • Control Of Water Turbines (AREA)
  • Control Of Velocity Or Acceleration (AREA)

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は発電用水車のガイドベーンを電動機で
開閉操作して水車の回転数を一定に制御する電動
式調速装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to an electric speed governor that controls the rotational speed of a water turbine to be constant by opening and closing the guide vanes of a water turbine for power generation using an electric motor.

従来、発電用水車の回転数を一定に保つための
調速装置としては水車のガイドベーンを油圧式サ
ーボメータで開閉制御する機構のものが殆んどで
あつた。
Conventionally, most speed governors for keeping the rotational speed of power generating water turbines constant have been mechanisms in which the guide vanes of the water turbines are controlled to open and close using hydraulic servometers.

一方、電動機でガイドベーンを操作する装置も
あるが、この種の電動式操作装置は単に決められ
た開度までゲートを開いたり或いは閉じたりする
機能を有するだけであり、したがつて水車の回転
数を一定に保つための調速装置として用いられる
事はなかつた。第1,2図はこの種の電動式操作
装置のうちウオームギヤ式の機構を示し、両図に
示すように、ゲートリンク(図示せず)に接続さ
れるガイドベーン操作用のゲートシヤフト1にウ
オームホイール2が軸着され、このウオームホイ
ール2に噛合するウオーム3が減速用のギヤ4,
5を介して電動機6に駆動される構成をとり、ゲ
ートシヤフト1に固設した指針7と固定の目盛板
8とでガイドベーン(図示せず)の開度を検知す
るようになつている。そしてガイドベーン開閉の
操作は、ゲートシヤフト1の近くに電動機6を正
逆回転及び停止させるスイツチ(図示せず)を設
け、操作員が指針7を見ながらこのスイツチを
ON/OFFして開度を設定するのである。したが
つて開閉操作のためにはその都度ゲートシヤフト
1の所まで操作員が行かねばならず非常に面倒で
あると共に、この操作で水車の回転数を常に一定
に保つことは事実上困難である。なお、第1,2
図中、9は基礎、10はベツド、11はゲートシ
ヤフトブラケツト、12はウオームブラケツト、
13は目盛板支持金具である。
On the other hand, there is a device that operates the guide vane using an electric motor, but this type of electric operating device only has the function of opening or closing the gate to a predetermined opening degree, and therefore the rotation of the water turbine cannot be controlled. It was never used as a speed governor to keep the number constant. Figures 1 and 2 show a worm gear type mechanism among this type of electric operating device, and as shown in both figures, a worm is connected to a gate shaft 1 for operating a guide vane connected to a gate link (not shown). A wheel 2 is attached to the shaft, and a worm 3 meshing with the worm wheel 2 is connected to a gear 4 for deceleration.
The opening of the guide vane (not shown) is detected using a pointer 7 fixed to the gate shaft 1 and a fixed scale plate 8. To open and close the guide vane, a switch (not shown) is provided near the gate shaft 1 that rotates the electric motor 6 in forward and reverse directions and stops it, and the operator operates this switch while looking at the pointer 7.
The opening degree is set by turning it ON/OFF. Therefore, the operator must go to the gate shaft 1 each time to perform opening/closing operations, which is extremely troublesome, and it is practically difficult to keep the rotational speed of the water turbine constant at all times with this operation. . In addition, the first and second
In the figure, 9 is the foundation, 10 is the bed, 11 is the gate shaft bracket, 12 is the worm bracket,
13 is a scale plate support metal fitting.

本考案は電動式の調速装置を提供することを目
的とするもので、本考案の調速装置は、電動機の
回転運動をボールネジとボールナツトを使つた機
構で直線運動に変換するアクチユエータを用いて
ガイドベーンを操作し、更に、電動機の回転制御
としては水車の回転数をパルスで検出し、加速度
を一定とすると共に、アクチユエータの動作位置
を検出して電動機を速応制御する制御回路を使用
して負荷に拘らず水車の回転数を一定にさせるよ
うにしたものである。以下図面第3〜7図に示す
一実施例に基づいて本考案を詳細に説明する。
The purpose of the present invention is to provide an electric speed governor.The speed governor of the present invention uses an actuator that converts the rotational motion of an electric motor into linear motion using a mechanism using a ball screw and a ball nut. In addition to operating the guide vane, a control circuit is used to control the rotation of the electric motor by detecting the rotation speed of the water turbine in pulses, keeping the acceleration constant, and detecting the operating position of the actuator to quickly control the electric motor. This allows the rotation speed of the water turbine to be constant regardless of the load. The present invention will be described in detail below based on an embodiment shown in FIGS. 3 to 7 of the drawings.

第3図はガイドベーン操作用アクチユエータの
一部断面を含む構成図である。図において、14
はボールネジ、15はこれと螺合する2個のボー
ルナツトであり、ボールネジ14は基礎9上に固
設したフレーム16内に軸受17で軸支して取付
けてある。2個のボールナツト15はフレーム1
6内周と摺動するスライド軸18内にスペーサ1
9を介在させ且つリングキー20を用いて嵌着さ
せてあり、ボールナツト15によりスライド軸1
8が前後動するようになつている。21は上部の
電動機6と一体化された減速機であり、この減速
機21をフレーム16の左側に取付けその出力軸
22とボールネジ14の基端とをカツプリング2
3で連結してある。前記スライド軸18の先端に
は外周をネジ切りしたスライドヘツド24を固着
し、ストロークを調整するためのストツパ25,
26を螺着させてある。ストロークの基準のため
にブラケツト27をフレーム16の右側に取付け
てあり、このブラケツト27の上部にはスライド
位置を検出するためのポテンシヨメータや差動ト
ランス等の位置検出器28を設置し、位置検出器
28の軸29とスライドヘツド24とをアーメ3
0で接続してある。またスライド軸18の基端に
は一端がフレーム16に接続されたコイルスプリ
ング31の他端をロツド32を介して接続してあ
る。33はゲートシヤフト1の上端部に軸着した
ゲートシヤフトアームであり、このゲートシヤフ
トアーム33とスライドヘツド24とを連結治具
34によつて連結してある。なお第3図中、35
はゲートシヤフト1を軸支する軸受である。また
第4図にボールナツト15の内部を示し、36は
ボール、37はキヤツプである。更に、第5図に
アクチユエータとゲートシヤフト1との連結部分
を上方から示してある。
FIG. 3 is a configuration diagram including a partial cross section of the actuator for operating the guide vane. In the figure, 14
Reference numeral 15 indicates a ball screw, and 15 indicates two ball nuts that are screwed together. Two ball nuts 15 are frame 1
6 Spacer 1 is placed inside the slide shaft 18 that slides on the inner circumference.
9 and is fitted using a ring key 20, and the slide shaft 1 is secured by a ball nut 15.
8 is designed to move back and forth. Reference numeral 21 denotes a reducer integrated with the upper electric motor 6. This reducer 21 is attached to the left side of the frame 16, and its output shaft 22 and the base end of the ball screw 14 are connected by coupling 2.
It is connected by 3. A slide head 24 whose outer periphery is threaded is fixed to the tip of the slide shaft 18, and a stopper 25 for adjusting the stroke,
26 is screwed on. A bracket 27 is attached to the right side of the frame 16 to serve as a stroke reference, and a position detector 28 such as a potentiometer or differential transformer is installed on the top of this bracket 27 to detect the slide position. The shaft 29 of the detector 28 and the slide head 24 are connected to the arm 3.
It is connected with 0. Further, one end of a coil spring 31 is connected to the frame 16 and the other end of the coil spring 31 is connected to the base end of the slide shaft 18 via a rod 32. Reference numeral 33 denotes a gate shaft arm pivotally attached to the upper end of the gate shaft 1, and the gate shaft arm 33 and the slide head 24 are connected by a connecting jig 34. In addition, in Figure 3, 35
is a bearing that pivotally supports the gate shaft 1. FIG. 4 shows the inside of the ball nut 15, where 36 is a ball and 37 is a cap. Furthermore, FIG. 5 shows the connecting portion between the actuator and the gate shaft 1 from above.

このようなアクチユエータにおいて、今電動機
6を正転若しくは逆転させると、減速機21を介
してボールネジ14が正転若しくは逆転し、これ
に伴つてボールナツト15とともにスライド軸1
8及びスライドヘツド24が前後に直線運動し、
その結果連結治具34を介して連結されたゲート
シヤフトアーム33がガイドベーンの開方向若し
くは閉方向にゲートシヤフト1を回動させる。こ
の場合電動機6はブレーキ付きとしてあり、電源
がOFFの時にはブレーキが掛かるようにしてあ
る。これは、通常ガイドベーン自身は閉まる方向
に付勢して設計されているため、万一電源が落ち
た時にはガイドベーンからの力でアクチユエータ
が戻りガイドベーンが自動的に閉じるようにする
ためである。従来のウオームギヤ式の電動操作装
置ではガイドベーン側からの動力伝達はできず、
電源が落ちた時はガイドベーンはロツクされてし
まつた。ガイドベーン開閉の最大ストロークはス
トツパ25,26の位置調整で任意に調整でき、
ストツパ25,26がブラケツト27に当る時の
衝撃はコイルスプリング31によつて吸収・緩和
される。
In such an actuator, when the electric motor 6 is rotated forward or backward, the ball screw 14 rotates forward or backward via the reduction gear 21, and the ball nut 15 and the slide shaft 1 are rotated forward or backward.
8 and the slide head 24 move linearly back and forth,
As a result, the gate shaft arm 33 connected via the connecting jig 34 rotates the gate shaft 1 in the opening or closing direction of the guide vane. In this case, the electric motor 6 is equipped with a brake, which is applied when the power is turned off. This is because the guide vanes themselves are normally designed to be biased in the closing direction, so in the unlikely event of a power failure, the actuator is returned by the force from the guide vane, causing the guide vane to automatically close. With conventional worm gear type electric operating devices, it is not possible to transmit power from the guide vane side,
When the power goes out, the guide vanes are locked. The maximum stroke of the guide vanes can be adjusted by adjusting the positions of the stoppers 25 and 26.
The impact when the stoppers 25, 26 hit the bracket 27 is absorbed and mitigated by the coil spring 31.

次に、斯かる構成及び動作のアクチユエータを
制御して水車の回転数を一定に保つ制御ブロツク
図の各例を第6図及び第7図に示す。第6図と第
7図の制御ブロツク図は第3図の電動機6が誘導
電動機6aであるか直流電動機6bであるかが異
なり、誘導電動機6aにはインバータ38を前置
して直流電源駆動とさせることにより同一の制御
回路となつている。したがつて第6図について以
下説明をする。
Next, FIGS. 6 and 7 show examples of control block diagrams for controlling the actuator of such a configuration and operation to keep the rotational speed of the water turbine constant. The control block diagrams in FIGS. 6 and 7 differ in whether the motor 6 in FIG. 3 is an induction motor 6a or a DC motor 6b, and the induction motor 6a is equipped with an inverter 38 and driven by a DC power source. By doing so, the same control circuit is created. Therefore, FIG. 6 will be explained below.

第6図において(第7図も同様である)、39
は回転数設定器、40,41,42及び43は第
1、第2、第3及び第4の各差動増幅器、44,
45及び46は第1、第2及び第3の各増幅器、
47は第3図に示したアクチユエータ、48は水
車、49は水車48若しくは該水車48に接続さ
れた発電機の回転数をパルスで検出するパルス検
出器、50及び51は単位時間当りのパルス数を
電圧に変換する周波数/電圧(F/V)コンバー
タ、52はF/Vコンバータ51の出力変化率を
算出して水車48の回転数の加速度を検知する加
速度変換回路である。この制御系はガイドベーン
の開度、水車48若しくは発電機の回転数及び電
動機6a,6bの回転数をフイードバツクするも
のである。電動機6a,6bを駆動する第3増幅
器46に第4差動増幅器43を介して位置検出器
28の出力がフイードバツクするマイナループに
よつて電動機6a,6bの電流を適応制御させて
ある。そして、F/Vコンバータの出力と回転数
設定器39の出力との差を第1差動増幅器40で
とつて水車48の回転数を一定とするフイードバ
ツクループを構成し、位置検出器28の出力と第
1差動増幅器40の差出力との差を第2差動増幅
器41でとつて位置検出器28の位置に比例して
制御するフイードバツクループを構成し、更に加
速度変換回路52の出力と第1増幅器44を経た
第2差動増幅器41からの差出力との差を第3差
動増幅器42でとつて水車48の回転が一定の加
速度で変化するよう過渡状態を制御して系の安定
化を図るフイードバツクループを構成してある。
即ち、水車48からパルス検出器49で回転数を
パルスとして検出し、これをF/Vコンバータ5
0,51で電圧値に変換してから図示しない周知
の微分、積分、比例の回路を経て回転数設定器3
9からの設定値と比較することにより、設定値と
実際の回転数との間に差があればその差に応じて
PID動作で電動機6a,6bを任意の速度で駆動
してアクチユエータを動かし、ガイドベーンを閉
じるか開くかの操作をして水車48の回転数を設
定値通りに保つことになる。この場合、加速度一
定の制御がされるので過渡状態での回転数制御が
安定である。
In Figure 6 (the same applies to Figure 7), 39
is a rotation speed setting device; 40, 41, 42 and 43 are first, second, third and fourth differential amplifiers; 44,
45 and 46 are first, second and third amplifiers,
47 is the actuator shown in FIG. 3, 48 is a water wheel, 49 is a pulse detector that detects the rotation speed of the water wheel 48 or the generator connected to the water wheel 48 by pulses, and 50 and 51 are the number of pulses per unit time. 52 is an acceleration conversion circuit that calculates the rate of change in the output of the F/V converter 51 and detects the acceleration of the rotation speed of the water turbine 48. This control system feeds back the opening degree of the guide vane, the rotation speed of the water turbine 48 or the generator, and the rotation speed of the electric motors 6a, 6b. The currents of the motors 6a, 6b are adaptively controlled by a minor loop in which the output of the position detector 28 is fed back via the fourth differential amplifier 43 to the third amplifier 46 that drives the motors 6a, 6b. A first differential amplifier 40 takes the difference between the output of the F/V converter and the output of the rotation speed setter 39 to form a feedback loop that keeps the rotation speed of the water turbine 48 constant. A second differential amplifier 41 calculates the difference between the output of The difference between the output of A feedback loop is constructed to stabilize the system.
That is, the rotation speed is detected as a pulse from the water turbine 48 by the pulse detector 49, and this is detected by the F/V converter 5.
After converting into a voltage value at 0.51, it is passed through a well-known differential, integral, and proportional circuit (not shown) to the rotation speed setting device 3.
By comparing with the set value from 9, if there is a difference between the set value and the actual rotation speed, the
The actuator is moved by driving the electric motors 6a and 6b at a desired speed using PID operation, and the rotation speed of the water turbine 48 is maintained at the set value by closing or opening the guide vane. In this case, since the acceleration is controlled to be constant, the rotational speed control in a transient state is stable.

以上実施例とともに具体的に説明したように、
本考案の調速装置によれば、油圧装置が不要なの
で設置面積が大幅に狭く、保守が容易で、且つ設
備費が大幅に安い。また電動機を制御することに
よつてガイドベーンの開閉を行うので簡単に精度
の高い調速装置が得られる。この制御には加速度
一定の制御を使用しているので系が安定である。
更に、アクチユエータとしてはボールネジ機構を
使用したので動力伝達が可逆的であり、電源が落
ちた場合でもガイドベーンがロツクされることが
ない。
As specifically explained above with the examples,
According to the speed governor of the present invention, since a hydraulic device is not required, the installation area is significantly smaller, maintenance is easier, and equipment cost is significantly lower. Furthermore, since the guide vanes are opened and closed by controlling the electric motor, a highly accurate speed governor can be easily obtained. This control uses constant acceleration control, so the system is stable.
Furthermore, since a ball screw mechanism is used as the actuator, power transmission is reversible, and the guide vane will not be locked even if the power is turned off.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図及び第2図はガイドベーンの開閉に供さ
れた従来の電動式操作装置の平面図及び一部断面
を含む側面図である。第3〜7図は本考案の実施
例に係り、第3図はアクチユエータの一部断面を
含む側面図、第4図はボールナツト内部の説明
図、第5図は第3図のA部分の平面図、第6,7
図は夫々制御回路のブロツク図である。 図面中、1はゲートシヤフト、6は電動機、6
aは誘導電動機、6bは直流電動機、14はボー
ルネジ、15はボールナツト、16はフレーム、
17は軸受、18はスライド軸、21は減速機、
24はスライドヘツド、28は位置検出器、33
はゲートシヤフトアーム、34は連結治具、38
はインバータ、39は回転数設定器、40,4
1,42,43は差動増幅器、44,45,46
は増幅器、47はアクチユエータ、48は水車、
49はパルス検出器、50,51は周波数/電圧
コンバータ、52は加速度変換回路である。
1 and 2 are a plan view and a partially sectional side view of a conventional electric operating device used to open and close a guide vane. 3 to 7 relate to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a side view including a partial cross section of the actuator, FIG. 4 is an explanatory view of the inside of the ball nut, and FIG. 5 is a plan view of part A in FIG. 3. Figures 6 and 7
Each figure is a block diagram of the control circuit. In the drawing, 1 is a gate shaft, 6 is an electric motor, 6
a is an induction motor, 6b is a DC motor, 14 is a ball screw, 15 is a ball nut, 16 is a frame,
17 is a bearing, 18 is a slide shaft, 21 is a reduction gear,
24 is a slide head, 28 is a position detector, 33
is the gate shaft arm, 34 is the connection jig, 38
is the inverter, 39 is the rotation speed setting device, 40, 4
1, 42, 43 are differential amplifiers, 44, 45, 46
is an amplifier, 47 is an actuator, 48 is a water wheel,
49 is a pulse detector, 50 and 51 are frequency/voltage converters, and 52 is an acceleration conversion circuit.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 電動機をガイドベーン開閉の動力源とし、この
電動機の回転を制御して発電用水車の回転数を一
定に保つ調速装置において、フレーム内の軸受で
軸支され前記電動機で回転駆動されるボールネジ
と、このボールネジと螺合したボールナツトと、
このボールナツトが一体に設けられており前記フ
レーム内に摺動可能に収納されたスライド軸と、
このスライド軸とガイドベーン操作用のゲートシ
ヤフト間を連結する連結治具及びゲードシヤフト
アームとからアクチユエータが構成されると共
に、前記電動機を制御する回路に水車の回転数を
パルスで検出するパルス検出器と、パルス数を電
圧に変換するコンバータと、コンバータ出力の変
化率を算出する加速度変換回路とを含むフイード
バツクループが設けられていると共に、前記アク
チユエータの動作位置を検出する位置検出器を含
みこれの検出信号をフイードバツクするループが
設けられていることを特徴とする発電用水車の調
速装置。
In a speed governor that uses an electric motor as the power source for opening and closing the guide vanes and controls the rotation of this electric motor to keep the rotation speed of the power generation water turbine constant, a ball screw is supported by a bearing in a frame and rotated by the electric motor. , a ball nut screwed with this ball screw,
a slide shaft integrally provided with the ball nut and slidably housed within the frame;
An actuator is composed of a connecting jig and a gate shaft arm that connect this slide shaft and a gate shaft for operating the guide vane, and a pulse detector that detects the rotation speed of the water turbine in pulses is added to the circuit that controls the electric motor. and a feedback loop including a converter that converts the number of pulses into voltage, and an acceleration conversion circuit that calculates the rate of change of the converter output, and also includes a position detector that detects the operating position of the actuator. A speed governor for a water turbine for power generation, characterized in that a loop is provided to feed back a detection signal of the governor.
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