JPS62282171A - 可変速揚水システム - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は可変速揚水システムに係り、特に駆動電動機に
誘導電動機を用い、この駆動電動機の同期速度（すべり
零相光）附近の駆動出力調整を最小の周波数変換器容量
で運転可能にする可変速揚水シテスムレこ関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来の同期発電電動機を使用する揚水発電システムでは
、ポンプ水車の回転数は発電運転でも揚水運転でも同一
の一定値に固定される。従って発電運転の場合その時の
落差条件下で、所望の発電量を得るようにすれば一義的
にポンプ水車のガイドベーン開度が決まり、従ってその
時の運転効率は水車の固有の特性で決まってしまう。そ
して、結果的には最高効率点から大きく離れた運転点で
運転せざるをえない場合がでてくる。

揚水運転の場合は、ガイドベーン開度が最適点（その時
の落差の下で最高の効率を与える開度）を離れると、ポ
ンプの固有特性のため効率の落ち込みが激しく事実上最
適点を離れることはできず自由度が全くない。

即ち、落差によって決まる一定開度運転によらざるを得
ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このことは、該揚水発電システムは、電力系統側から見
れば、揚水運転中は全く調整の効かない単純負荷により
、電力系統の電力需給アンバランスを改善するような調
整は一切期待できないことになる。

こういう従来技術の背景を踏まえて、ポンプ水車の回転
数を可変にし、ポンプ／水車側の自由度を増すための検
討や提案がなされつつある。

例えば昭和５９年電気学会全国大会論文Ｎｎ５５３「大
容量同期電動機の可変速運転特性」がある。

但し乍ら揚水運転時の具体的な制御の方法について触れ
た公知例は全くなかった。

他方可変速駆動電動機単独では第１図の様に。

一次巻線及び二次巻線を有し、−次巻線を電力系統に接
続し、二次巻線をサイクロコンバーター等によって交流
励磁することにより回転子を同期速度から離れた任意の
速度で回転せしめるというタイプのものが公知となって
いる。

本発明はこの種の可変速電動機を揚水ポンプに組合わせ
た場合を対象にしている。

尚この種の可変速電動機においては、同期速度附近で運
転する場合を考えてみると次の様な問題がある。即ち可
変速の交流励磁をするサイクロコンバーターは逆並列の
交換器より構成されるが同期速度附近では電流が長い間
片側の変換器に集中することになり、熱上昇を伴うので
、結果的にサイクロコンバーターの電流容量は大幅に低
下することになる。

この様にサイクロコンバーターの容量低下を生ずる回転
速度範囲は、サイクロコンバーターの禁止帯と呼ばれる
。

当然乍ら禁止帯を認めて、即ちこの中では運転しないこ
とを条件に設計したサイクロコンバーターの容量は禁止
帯を認めず、即ちこの中でも運転できるように設計した
サイクロコンバーターの容量に比べれば格段に大きいこ
とになる。

このため従来技術では禁止帯有で設計し、サイクロコン
バーターを経済設計し、その代り禁止帯内での駆動出力
調整を諦めるか、又は逆に一切の運転制限領域を設けず
、即ち禁止帯熱で設計し高価なサイクロコンバーターを
認めるかのいずれかの選択しかなかった。

な こういう背景から禁止帯回避の実害が　さくかつサイク
ロコンバーターの経済設計が可能な可変速揚水システム
の開発が要望されていた。

本発明は以上の背景に鑑みなされたもので、その目的と
するところは、禁止帯回避の実害がほとんどなくサイク
ロコンバーターの経済設計が実現できる可変速揚水シス
テムを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の可変速揚水システムは一次巻線及び二次巻線を
有し一次巻線を電力系状に接続し二次巻線を交流励磁し
て可変速運転される駆＠電動機と、該駆！ａ電動機によ
って駆動されるポンプと該ポンプの吐出流量を調整する
ガイドベーンと外部より与えられる駆動出力指令信号と
実際の駆動出力を比較して、この偏差をゼロならしめる
ように該駆′１ｊＪｆｆｉ動機の駆動出力を制御する第
１の制御装置と、少くとも駆動出力指令を直接又は間接
的に入力して最適回転速度指令を与える最適回転速度設
定器と該最適回転速度と実際の回転速度との偏差を導出
してこれをゼロならしめるように制御する第２の制御装
置と、少くとも該駆動出力指令信号を直接又は間接に入
力して最適ガイドベーン開度指令を与える最適ガイドベ
ーン開度設定器と該最適ガイドベーン開度指令と実際の
ガイドベーン開度との偏差を導出してこれをゼロならし
めるように制御する第３の制御装置と、前記最適回転速
度指令を同期速度（すにり零相当回転）附近の所定の回
転速度バンド（禁止帯）には入らぬよう避けて設定する
ようにする第４の制御装置より構成される。

〔作用〕

尚駆動出力指令に応じて決る最適回転速度指令がもし禁
止帯内に入る可能性がある場合には駆動出力指令を自動
修正し、修正後の回転速度指令が該禁止帯の下又は上へ
外れるように制御する補正回路を備えた可変速揚水シス
テムも提供する。

更に前記最適回転速度指令を該禁止帯の下の値から上の
値へ、又は逆に上の値から下の値へ該禁止帯を横切って
設定変更する場合、禁止帯内にある限り禁止帯外に比べ
てす速く設定値が変化し、す速く禁止帯通過ができるよ
うにした可変速揚水システムも提供する。

又実際の回転速度Ｎが禁止帯に入り込もうとした場合に
はこれを蹴り戻す方法も提供する。

〔実施例〕

第１図は、可変速駆動装置の一例として交流励磁同期機
を用いた場合の可変速揚水システムの原理説明図であり
、−次、二次側共、３相巻線からなる。

同図で、１が固定子を、２が回転子を示す。

５　ａ　−５ｃは固定子のａ、ｂ、ｃの相巻線を２２ａ
〜２２ｃは回転子のａ、ｂ、ｃを相巻線を示す。

更に定格周波数をＪ、すべりをＳとすると１回転子の速
度はＪ（１−ｓ）であり１回転子の励磁巻線をす八りＳ
の周波数で励磁することにより、回転子の回転磁界はす
べり零（同期速度）で回転し、固定子の回転磁界の速度
と同一になる回転子の回転数を測定しすべり周波数を検
出し、すべり周波数に応じた電圧を発生させ、２次巻線
を励磁する制御器３を示している。このようにすること
により、任意の回転数で運転を行っても、常に電磁子巻
線には、系Ｍ周波数と同一の回転磁界を発生させること
ができる。すなわち、回転子の回転磁界は ｆ　　（１−ｓ）　　＋ｆｓ＝ｆ　　　　　・・・　（
１）となり、回転子にはすべりがあるにもかがわらず、
定格周波数の出力が得られることになる。この原理に基
づき、揚水運転中にも外部からの指令信号に応じて電動
機出力を調整可能にした経済設計のサイクロコンバータ
ーを備えた可変速揚水システムを提案しようとするのが
本願の主旨である。

第２図は、本システムの具体例を示すものであり、可変
速機が系統に接続運転している場合を示しである。１０
は電力系統を、１，２は第１図と同一の固定子及び回転
子を示している。電動機出力指令ＰＯＥが与えられると
、電動機出力指令ＰＯＥは位相角算出部１６へ与えられ
る。３０は電動機出力指令ＰＯＥとその時の揚程Ｈを入
力としてこの条件下で最適の回転速度（ＮＯＰＴ　）を
出力する最適回転速度関数発生器である。３１はＮ　Ｑ
ＰＴと実際の回転速度Ｎとの偏差を導出する加算部であ
る。

加算部３１より出力された回転速度偏差信号は３２のＰ
ＩＤ？ｉＬ算回路を備えた（一般的には少なくとも■要
素を備えた演算回路であればよい）ガイドベーン開度補
正信号回路に入る。

他方３３は電動機出力指令ＰｏＩ：及び揚程信号Ｈを入
力として最適のガイドベーン開度信号Ｙ　ＯＰＴを出力
する最適ガイドベーン開度関数発生器である。３３より
出力されるＹ　ＯＰＴ　と３２のガイドベーン開度補正
信号回路より出力されるガイドベーン開度補正信号ΔＹ
Ｎの合成信号がガイドベーンを操作する油圧サーボ機構
１４に与えられ、ポンプを通過する水量がＴＡ整される
。第４図はＰＯＥとＨを入力として最適ガイドベーン開
度Ｙ　ＯＰＴ　を出力する最適ガイドベーン開度関数発
生器の例図である。尚Ｙδ＞Ｙ２＞Ｙｌの関係があり図
の様に入力がＨｒ　、　ＰＯＥＩの時はＹ　ＯＰＴは、
Ｙ２とＹ３の補間で求める。第５図はＰｏＥとＨを入力
として最適回転速度Ｎ　ＯＰＴを出力する最適回転速度
関数発生器の例図である。尚Ｎ３　＞Ｎ２　＞Ｎｔの関
係があり図の様に入力がＨｌ　、　ＰＯＥＩの時はＮ０
ＰＴはＮ２とＮ３の補間で求める。

ところがポンプの負荷動力Ｐには、その時の回転速度Ｎ
とガイドベーン開度Ｙ、揚程Ｈによって決まる。この負
荷動力ＰＨと電動機出力Ｐεに差があればこの差ＰＥ　
　ＰＭによってポンプ回転部およびポンプ軸に直結され
た電動機の回転子、主軸等の回転部は加速されたり減速
されたりする。

回転速度Ｎが上昇すれば、加算器３１．ガイドベーン開
度補正信号回路３２を介してガイドベーン開度指令が大
きくなりポンプの負荷動力ＰＭも増加してＰＨ−Ｐｓ　
＝ＯになったとこでＮの上昇は止む。１１は速度検出器
を示し１９は電流変成器を、２０は電圧変成器を示し、
２１で電流変成器１９及び電圧変成器２０の出力をもと
に有効電力を算出する。１６１ま２次巻線の位相角算出
部であり、２１の出力及び出力指令ＰＯＥにより位相角
が算出される。１７は、実際の回転速度Ｎを考慮して２
次巻線の励磁量を設定する設定部であり、１８は励磁量
の電圧値を制御する電圧調整部を示す。２３ａ、２３ｂ
、２３ｃは、１７で設定した励磁量をａ、ｂ、ｃ相に用
いるために移相する移相部である。２２ａ、２２ｂ、２
２ｃは、移相部２３ａ〜２３ｃで移相した励磁量でａ、
ｂ、ｃ相を励磁する励磁巻線である。このように、電力
制御指令値と実際の出力との差より、２次巻線の位相角
を算出して制御を行う。ここで第２図の１１゜１７．２
３ａ−ｃは、第１図の３，４に相当する。

尚第２図の１８は、第１５図には図示されていないが実
際の電圧を検知し、復元する復元機能である。

揚水発電プラントには、フランシス形ポンプ水車が広く
使用されるが、フランシス形ポンプ水車のポンプ入力と
効率との関係は、第３図のように示される。同図は、横
軸にポンプ入力、縦軸に効率をとり１回転速度をパラメ
ータポンプ入力として示したものである。ＰＬ　、Ｐｘ
はポンプ入力を、ηＩ、η２は効率を、Ｎ工、Ｎ２は回
転速度を、Ｙｌ、Ｙｌは弁開度を示す。入力Ｐ１では回
転速度Ｎ１−弁開度Ｙ１で、入力Ｐ２では回転速度ＮＺ
、弁開度Ｙ２で、それぞれの入力における最適効率ηＬ
、η２となることを示している。このように出力によっ
て、効率が最高となる回転速度は異なっており、これら
の最高効率の点で運転する必要がある。　電動機の入力
は交流励磁電流の位相を調整して制御する。同時に交流
励磁電流の振幅を調整して入力電圧を制御する構成とし
ている。

前述では最適ガイドベーン関数発生器３２や最適回転速
度関数発生器３０は各々揚程Ｈと出力指令ＰＯＥを入力
しているが他方で位相角算出部１６等により、実際の電
動機出力ＰはＰｏ２と同じしこなるよう絶えず制御され
ているので、Ｐｏ巳の代りにＰを入力してもその効果は
実質的に変らない。

ところでポンプ特性から決まる最適回転速度Ｎ　ＯＰＴ
が第６図のように禁止帯に入る可能性がある場合には予
め決めたルールに従って駆動出力ＰＥを自動修正して結
果的に回転速度指令Ｎ０ＦＴが禁止帯の下限（Ｎ、Ｉｎ
）が上限（Ｎ−ａりになるよう修正設定を行う。

第６図は揚ａ　Ｈ１の下で駆動出力指令Ｐ　ＯＦ２が与
えられる場合でそのままでは回転速度指令Ｎ　ＯＰＴは
禁止帯上限のＮ、□と下限のＮｏ、の補間で決まること
になるが駆動出力指令をＰＯＥ２→ＰＯε３又はＰｏ２
ｚ−＋Ｐｏｅａに自動修正せしめ結果的に回転速度指令
としてはＮｍａｘ又はＮ　ａ　＋　ｎ　とする。尚禁止
帯は僅か１〜２％のバンドであるのでこれを補正するた
めに必要なＰ○巳補正も僅かで済む。

更に最適回転速度Ｎ０ＰＴ　を禁止帯の上から下へ、又
は逆に下から上へ禁止帯を横切って設定する場合、第７
図のように禁止帯通過中１よす速く変化させ（禁止帯外
の設定速度より速くなるように自動切換させて）該禁止
帯をす速く通過するようにする。

更に第６図の様に最適回転速度指令Ｎ　ＯＰＴ　を禁止
帯の外に決めても実際の回転速度Ｎが制御誤差等によっ
て禁止帯に定常的に入り込もうとしたり、回転速度Ｎが
禁止帯外のＮ　ＯＰＴに収れんする過程で波形状に一時
的に禁止帯に入り込もうとする場合これを禁止帯の外へ
と蹴り返す制御も設ける。

具体的には第８図の様にＮが上昇し乍ら下から禁止帯に
突入した場合には、図の様にＮ　＊　１ｎ附近でＮの上
昇に応じて駆動出力指令ＰＯＥを最大でＰＥｍａＸ分減
少せしめる信号を発生せしめる。

そしてＮを蹴り下げる。

逆に、Ｎが下降し乍ら上から禁止帯に突入した場合は図
のようにＮ　１１　ａ　ｘ附近でＮ下降に応じて駆動出
力指令ＰＯεを最大でＰＥｍａｘ分増加せしめる。

尚ＰＥ＋ｎａ工は目的から考えて定格出力に比へ格段に
小さな値でよい。

以上によって禁止帯を確実に回避したり、す速く通過さ
せることができるのでサイクロコンバーターを経済設計
しても構わない。

前述の第２図の説明では最適回転速度制御をポンプ側に
掛けた例を対象にしているが、電動機側に掛け、即ち電
動機を（Ｎ−ＮＯρＴ）をゼロにならしめるような制御
信号と（電動機出力ＰＥ　　＠動機出力指令ＰｏＥ）を
ゼロならしめるような制御信号を合成した信号で電動機
を制御する方式にも本発明は応用できる。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明によれば禁止帯の実害がほとんどなく
、サイクロコンバーターの経済設計が実現できる可変速
揚水システムが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２次励磁付可変速揚水発電システムの原理説明
図、第２図は本発明の２次励磁付可変速揚水発電システ
ムの一例、第３図は可変速揚水発電プラントの出力と効
率の関係例を示す図であり、第４図は最適ガイドベーン
開度関数発生器の例図、第５図は最適回転速度関数発生
器の例図、第６図は禁止帯回避のための駆動出力指令修
正のための説明図、第７図は最適回転速度Ｎ　ＯＰＴの
禁止帯通過方法の説明図、第８図は禁止帯蹴り返し回路
の一例を示す図である。 １・・・固定子、２・・・回転子、３・・・すべり検出
部、４・・・電圧発生部、５８〜５ｃ・・・固定子のａ
、ｂ、ｃ相巻線、２２ａ〜２２ｃ・・・回転子のａ、ｂ
、ｃ相巻線、１０・・・系統、１１・・・速度検出器、
１４・・・サーボ系、１５・・・遅延回路、１６・・・
２次巻線位相角算出部、１７・・・２次巻線励磁量設定
部、１８・・電圧１蘭整部、１９・・・電流変成器、２
０・・電圧変成器。 ２１−有効電力導出部、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ・・・
２次励磁のａ、ｂ、ｃ相巻線、Ｆｏｅ・・・出力指令値
、Ｎ−＝回転速度、２３　ａ　、　２３　ｂ　、　２３
　ｃ　−移相部、Ｎ０ＰＴ・・・最適回転速度信号、　
ＹＯＰＴ　　・・最適ガイドベーン開度信号、３０・・
・最適回転速度関数発生器、３１・・・加算部、３２・
・・ガイドベーン開度補正信号回路、３３・・・最適ガ
イドベーン開度関数発生器、３４・・・加算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一次巻線及び二次巻線を有し一次巻線を電力系統に
   接続し二次巻線を交流励磁して可変速運転される駆動電
   動機と、該駆動電動機によって駆動されるポンプと該ポ
   ンプの吐出流量を調整するガイドベーンと外部より与え
   られる駆動出力指令信号と実際の駆動出力を比較して、
   この偏差をゼロならしめるように該駆動電動機の駆動出
   力を制御する第１の制御装置と、少くとも駆動出力指令
   を直接又は間接的に入力して最適回転速度指令を与える
   最適回転速度設定器と該最適回転速度と実際の回転速度
   との偏差を導出してこれをゼロならしめるように制御す
   る第２の制御装置と、少くとも該駆動出力指令信号を直
   接又は間接に入力して最適ガイドベーン開度指令を与え
   る最適ガイドベーン開度設定器と該最適ガイドベーン開
   度指令と実際のガイドベーン開度との偏差を導出してこ
   れをゼロならしめるように制御する第３の制御装置と、
   前記最適回転速度指令を同期速度（すべり零相当回転）
   附近の所定の回転速度バンド（禁止帯）には入らぬよう
   避けて設定するようにする第４の制御装置を備えた可変
   速揚水システム。