JPS636751B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水車ガイドベーンの制御装置に関す
る。

反動水車発電機の出力制御のためのガイドベー
ン開度制御には、ガイドベーン作動による圧力配
管等での水圧の上昇、下降の変動を防ぐために、
ガイドベーンの開き時間及び閉鎖時間が規定され
る。開き時間は指定した出力における開度まで水
口を動かすに要する最短時間として定められ、閉
鎖時間は第１図に示すように３段階の操作時間、
即ち第１閉鎖時間T₁と第２閉鎖時間T₂と緩衝閉
鎖時間Thとで異なる傾斜（開度変化率）で定め
られ、ある水口開度から無負荷開度になるまでに
要する時間T₁＋T₂＋Thが閉鎖時間と定められ
る。τは不動時間、Tcは等価閉鎖時間と呼ばれ
る。

こうしたガイドベーンの開き時間、閉鎖時間特
性を得るためのガイドベーン制御は、例えば閉鎖
には水口開度を検出し、該水口開度が各閉鎖時間
T₁、T₂、Thの始点開度になるときにガイドベー
ン開度操作時間をステツプ状に切換える方法でな
され、具体的には油圧の配圧弁に組込まれる油圧
調節用ボートの面積とその位置を水口開閉機構操
作用のサーボモータの位置に対応して加減する機
械式のものであつた。この機械式にあつてはサー
ボモータの位置との対応の調整、ポート面積の加
減機構の設計の難しさ、複雑な機構、ポート面積
変更の不便さ等の問題がある。

この機械式制御装置に対して、ガイドベーンの
操作を電動機による電気式調速機とすることは油
圧機械におけるポート面積の加減機構に相当する
電動機のステツプ的速度変化を得るのが困難にな
る。

本発明は上記問題点を解消するためになされた
もので、ガイドベーンの操作時間の変動すなわち
ガイドベーン実動ストロークの時間的変化をスト
ロークの実動速度として検出し、ガイドベーンス
トロークに対応するガイドベーンの速度パターン
を水口開度に対応した開き時間、閉鎖時間から設
定し、この設定でガイドベーン開度制御信号を制
限したメジヤーループの自動制御系と、該ガイド
ベーン開度制御信号を速度指令としてガイドベー
ン開度の速度制御を行うマイナループの自動制御
系とを設け、安定したガイドベーン操作を可能に
した制御装置を提供することを目的とする。

第２図は本発明の一実施例を示す系統構成図で
ある。１はガイドベーン開度指令θsが与えられる
ガイドベーン開度制御部であり、その出力は可変
リミツタ回路を通してガイドベーン実動速度制御
部２の比較入力にされ、該制御部２の出力は電圧
−電流変換部３を通して変換される電流信号とし
てガイドベーン駆動部４のコンバータ４₁の入力
にされ、コンバータ４₁の機械出力は配圧弁４₂の
駆動源とされ、配圧弁４₂の油圧方向切換によつ
てサーボモータ４₃の駆動がなされる。サーボモ
ータ４₃の位置出力はポテンシヨメータ４₄により
検出され、この検出信号はガイドベーン開度検出
信号として開度−電圧変換部５において電圧信号
θxに変換されてガイドベーン開度制御部１への
帰還信号にされると共に微分回路構成にされるガ
イドベーン開度速度（開度実動速度）検出部６の
入力及びガイドベーン開度に対応するガイドベー
ン速度パターンを発生する速度パターン指令部７
の入力にされる。ガイドベーン開度速度検出部６
の出力dθx／dtにはガイドベーン実動速度制御部
２への帰還入力とされ、速度パターン指令部７の
速度設定出力はガイドベーン開度制御部１の速度
制限入力にされる。

こうした構成により、ガイドベーン開度制御部
１に具える可変リミツタ回路のリミツタ値を速度
パターン指令部７が設定するガイドベーン開度
θxに対応した開き・閉鎖時間設定値により可変
とし、ガイドベーン開度制御部１の出力をガイド
ベーン実動速度指令としてその検出値dθx／dtを
突合わせる実動速度制御系をマイナループとして
ガイドベーン開き時間及び閉鎖時間に所期の特性
を得る。

第３図は第２図における要部の具体的構成を示
す。ガイドベーン開度制御部１は、演算増幅器１
_１と演算抵抗１₁，１₃，１₄により加算増幅器を構
成し、ダイオード１₅，１₆と可変抵抗１₇、分圧
抵抗１₈，１₉によりガイドベーンの開き方向と閉
鎖方向の開度についてリミツタ機能が付加され
る。ガイドベーン実動速度制御部２は演算増幅器
２₁と演算抵抗２₂，２₃，２₄と帰還コンデンサ２₅
等によりガイドベーン開度速度指令と検出速度の
偏差に対するPI動作になる比例積分器に構成に
される。ガイドベーン開度の実動速度検出部６は
演算増幅器６₁と入力コンデンサ６₂、帰還抵抗６
_３によりガイドベーン開度速度を検出する微分回
路に構成される。

速度パターン指令部７は、演算増幅器７₁と抵
抗７₂，７₃，７₄と電圧設定用可変抵抗器７₅と利
得調整用可変抵抗器７₆と整流用ダイオード７₇，
７₈により負出力は零に制限し正出力には入力偏
差に比例した出力を得る第１のリミツタ回路が設
けられ、このリミツタ回路の出力を入力として演
算増幅器７₉と抵抗７₁₀，７₁₁，７₁₂と設定用可変
抵抗器７₁₃、整流用ダイオード７₁₄、可変抵抗器
７₁₅とにより負出力にリミツタ機能を有して正出
力に比例した出力を得る第２のリミツタ回路が設
けられる。

以下、第３図に示す構成によりガイドベーンの
開度制御動作を説明する。ガイドベーン開度指令
θsの電圧極性を正、ガイドベーンの開度検出電
圧θxの電圧極性を負に設計して制御系を構成
したとする。ガイドベーンの開き制御になる指令
電圧θs＋検出電圧θx＞０の場合、演算増幅器１₁
の出力電圧V₁は負極性になるがその最大値は可
変抵抗器１₇の設定値で制限される。この可変抵
抗器１₇はガイドベーン開度の開き時間の最高速
度設定用にされ、この設定値に制限されたガイド
ベーン実動速度指令は制御部２に与えられ、該制
御部２は実動速度検出部６の速度検出値を帰還信
号とする速度制御を行う。

従つて、ガイドベーンの開き制御において、指
令電圧θsと検出電圧θxの偏差が可変抵抗器１₇の
設定値に相当する値以上にあるときには出力電圧
V₁は該設定値に制限され、この設定値を速度指
令とする制御部２によつてガイドベーンの開きが
その速度制御で行われる。そして、ガイドベーン
の開度が指令電圧θsに相当する値に近づいたと
き、指令電圧θsと検出電圧θxとの偏差が可変抵
抗器１₇の設定値に相当する値以下になり、指令
電圧θsと検出電圧θxの偏差に応じたガイドベー
ン開度制御に戻る。このように、ガイドベーン開
き制御では、通常状態ではガイドベーン開度制御
部１による開度制御によつて開度指令電圧θsに検
出電圧θxが追従し、指令電圧θsと検出開度θxの
偏差が大きいときには開度制御部１の出力電圧
V₁が可変抵抗器１₇の設定値に制限され、この設
定値に相当する速度でガイドベーン実動速度制御
部２による速度制御がなされ、この速度制御は規
定されるガイドベーン開き時間の最高速度に制限
された一定速度、一定開き時間になる。

次に、ガイドベーンの閉鎖制御になる指令電圧
θs＋検出電圧θx＜０の場合、演算増幅器１₁の出
力電圧V₁は正極性になるが、その電圧は速度パ
ターン指令部７の出力電圧と抵抗１₈，１₉による
分圧比で決めるリミツタ値に制限される。このと
きの開度制御部１の出力電圧はガイドベーンの閉
鎖時間設定値となつて実動速度制御部２の速度制
御指令として与えられ、ガイドベーン開き制御と
同様に指令電圧θsと検出電圧θxの偏差がリミツ
タ値より小さいときにはガイドベーン開度制御に
なり、リミツタ値を越えるときには実動速度制御
になる。

ここで、速度制御指令、即ちガイドベーン閉鎖
時間指令は速度パターン指令部７の出力電圧によ
つて変化する。速度パターン指令部７の出力電圧
V₇は、ガイドベーン開度θxに対応して非線形化
したパターンになり、ガイドベーン開度に応じて
実動速度パターンを所期の閉鎖時間特性に合わせ
るよう設定される。速度パターン指令部７による
パターン電圧発生は第４図を参照すれば次のよう
になる。

ガイドベーン開度検出電圧θxは負極性にあり、
可変抵抗器７₅に設定する正極性電圧V₅よりも絶
対値で低い場合には演算増幅器７₁の出力電圧V₈
がダイオード７₇により零になるリミツタ動作に
なる。従つて、速度パターン指令部７の出力電圧
V₇は可変抵抗器７₁₃と抵抗７₁₁，７₁₂で決まる電
圧、即ち可変抵抗器７₁₃に設定する電圧に比例し
た一定値になる。この電圧V₇によつて開度制御
部１の出力電圧リミツト値Vx₁も決まり、該リミ
ツト電圧によるガイドベーン閉鎖速度が設定さ
れ、この設定値は第１図の緩衝閉鎖時間Thに相
当する水口開度変化率になるよう低速度のガイド
ベーン操作に設定する。

次に、開度検出電圧θxが可変抵抗器７₅に設定
する電圧V₅以上にあるとき、即ち第４図におけ
る開度θx₁以上θx₂以下にあるとき、演算増幅器７
_１の出力電圧V₈は抵抗７₂，７₃，７₄及び可変抵抗
器７₆で決まる増幅度θx−V₅に比例した電圧にな
る。この電圧V₈は可変抵抗器７₁₃で設定する電圧
と加算され、速度パターン指令部７の出力電圧
V₇は開度に比例して負方向に増大し、ガイドベ
ーン開度制御部１の出力電圧V₁のリミツト値も
開度に比例して正方向に増大する。従つて、開度
に比例した速度によるガイドベーン閉鎖速度にな
り、この閉鎖速度は第１図の第２閉鎖時間T₂に
相当する水口開度変化率になるよう設定する。

次に、開度検出電圧θxが全開に近づき、演算
増幅器７₁の出力電圧V₈と可変抵抗器７₁₃の設定
電圧の加算値が可変抵抗器７₁₅に設定する電圧を
越えるとき、即ち第４図における開度θx₂を越え
るとき、速度パターン指令部７の出力電圧V₇は
可変抵抗器７₁₅に設定するリミツト値に固定さ
れ、ガイドベーン開度制御部１の出力電圧V₁の
リミツト値も最大値Vx₂に固定される。従つて、
ガイドベーン閉鎖速度は第１図の第１閉鎖時間
T₁に相当する水口開度変化率になるよう設定す
る。

このように、速度パターン指令部７によつて
夫々設定する閉鎖速度によるガイドベーンの実動
速度制御は、水口開度に応じてθ₁₀₀（全開）から
θx₂までは一定最大閉鎖速度に、θx₂からθx₁まで
は連続的に変る閉鎖速度、θx₁からθ₀（全閉）まで
は一定最低閉鎖速度にし、開度指令θsに近づいた
開度θxでは両者の比較による開度制御にして水
口開度に適切な安定したガイドベーン操作にな
る。

すなわち、速度パターン指令部７の出力電圧
V₇は第４図に実線で示す特性になり、これによ
り水口開度特性も第１図実線で示すようになり、
従来の特性（第１図中の一点鎖線及び第４図中の
一点鎖線部分V₇′）のものに較べて水口開度及び
圧力ΔPの変化に急変がなくなる。

以上のとおり、本発明による水車ガイドベーン
の制御装置は、開度指令θsに対して検出開度θx
がある値以上あるときにはガイドベーンの速度制
御に切換え、その速度制御も水口開度に対応した
開き時間又は閉鎖時間になるよう制御し、開度指
令θsに近づいたときに開度制御に戻すため、サー
ボモータ操作のための配圧弁におけるポート面積
加減手段等を不要にするなどガイドベーン駆動部
４を簡略化し得るし該駆動部４を電動機による電
気式調速機に容易に変更し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は水車の閉鎖時間を説明するための特性
図、第２図は本発明の一実施例を示す系統構成
図、第３図は第２図の要部回路図、第４図は第３
図の動作を説明するための特性図である。 １……ガイドベーン開度制御部、２……ガイド
ベーン実動速度制御部、３……電圧−電流変換
部、４……ガイドベーン駆動部、５……開度−電
圧変換部、６……ガイドベーン開度速度検出部、
７……速度パターン指令部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水車ガイドベーン開度指令θsとガイドベーン
   開度検出値θxとの偏差に比例したガイドベーン
   の開度制御信号を得る演算回路と、該開度制御信
   号の負極性最大値をガイドベーン開き時間設定値
   として制限する第１のリミツタ回路と、該開度制
   御信号の正極性最大値をガイドベーン閉鎖時間設
   定値として外部信号によつて制限する第２のリミ
   ツタ回路とを有する開度制御部１と、 この開度制御部１の出力を速度指令としてガイ
   ドベーン開度速度dθs／dtと比較し、該速度指令
   が前記第１又は第２のリミツタ回路で制限されて
   いないときには該速度指令に応じた速度制御演算
   をし、制限されるときにはその制限値に従つた一
   定速度制御演算を行つてガイドベーン操作信号を
   取出す実動速度制御部２と、 ガイドベーン開度検出値θxが第１の設定器７₅
   の設定値より低いときに出力零で高いときに偏差
   に比例した信号を得る第１のリミツタ回路と、こ
   のリミツタ回路の出力と第２の設定器７₁₃の設定
   値とを加算した値が第３の設定器７₁₅の設定値以
   下にあるときに該加算値に比例した信号を得、該
   設定値を越えるときに第３の設定器７₁₅の設定値
   に制限して前記開度制御部１の外部信号とする第
   ２のリミツタ回路とを有する速度パターン指令部
   ７とを備えたことを特徴とする水車ガイドベーン
   の制御装置。