JP3752110B2 - 発電機用水車の調速機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機を駆動する水車の調速制御を行う発電機用水車の調速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、運転中の水車発電機を系統から解列（水車負荷遮断）すると、負荷から解列されることにより水車の回転速度が上昇するため、調速機の作用によって水車のガイドベーンは急閉され、回転上昇を抑えられる。このようにガイドベーンが急閉されると、水撃作用によって水圧管内の水圧が異常に上昇したり、また、過渡的に水車の入出力バランスが崩れて水車の回転速度が上昇するため、ガイドベーンの閉鎖速度を途中から遅くした「２段腰折れ」と言われる閉鎖方式が採用されている。
【０００３】
上述した２段腰折れ閉鎖方式を実現するための調速機として、例えば図１１に示されたようなものが知られている。調速機１００は、ガイドベーン（図示せず）と機械的に接続される油圧サーボモータ１０１と、圧油装置（図示せず）から送られてくる圧油を調整して油圧サーボモータ１０１に供給、あるいは油圧サーボモータ１０１から排出する配圧弁１０２と、油圧サーボモータ１０１の作動位置を検出する位置検出器（マイクロスイッチ）１０３とを有している。配圧弁１０２は、油圧サーボモータ１０１の開側油室１０１ａに圧油を供給すると共に油圧サーボモータ１０１の閉側油室１０１ｂから圧油を排出する状態と開側油室１０１ａから圧油を排出すると共に閉側油室１０１ｂに圧油を供給する状態とを切替える。油圧サーボモータ１０１は、開側油室１０１ａに圧油が供給されると共に閉側油室１０１ｂから圧油が排出されることによりガイドベーンを開作動させ、閉側油室１０１ｂに圧油が供給されると共に開側油室１０１ａから圧油が排出されることによりガイドベーンを閉作動させる。
【０００４】
開側油室１０１ａから配圧弁１０２を介して排出される圧油の排出通路は第１排出通路１０４と第２排出通路１０５とに分れて設けられており、第１排出通路１０４には圧油が作用することにより第１排出通路１０４の通路断面積を減少させる第１閉側絞り１０６が、第２排出通路１０５には圧油が作用することにより第２排出通路１０５の通路断面積を減少させる第２閉側絞り１０７が各々設けられている。第１閉側絞り１０６への圧油の供給状態は第１電磁ソレノイド弁１０８により制御されており、第１電磁ソレノイド弁１０８が励磁されることにより圧油が第１閉側絞り１０６に供給されて、第１排出通路１０４の通路断面積が減少する。第２閉側絞り１０７への圧油の供給状態は第２電磁ソレノイド弁１０９により制御されており、第２電磁ソレノイド弁１０９が励磁されることにより圧油が第２閉側絞り１０７に供給されて、第２排出通路１０５の通路断面積が減少する。図１１においては、第１電磁ソレノイド弁１０８及び第２電磁ソレノイド弁１０９が非励磁とされた状態を示している。
【０００５】
次に、図１２を用いて、調速機１００におけるガイドベーンの２段腰折れ閉鎖方式について説明する。例えば、ガイドベーンの開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合、位置検出器１０３がガイドベーンの開度が例えば７０％となる状態を検出するまでは、第１電磁ソレノイド弁１０８及び第２電磁ソレノイド弁１０９を非励磁とする。これにより、圧油は第１排出通路１０４及び第２排出通路１０５を介して排出され、ガイドベーンの閉鎖速度は第１速度（５秒／１００％）となる（図１２において、領域Ａの部分）。位置検出器１０３がガイドベーンの開度が例えば７０％となる状態を検出すると、第１電磁ソレノイド弁１０８及び第２電磁ソレノイド弁１０９を励磁する。これにより、第１排出通路１０４及び第２排出通路１０５の通路断面積が減少し、圧油の排出量が制限され、ガイドベーンの閉鎖速度は第１速度より遅い第２速度（４０秒／１００％）となる（図１２において、領域Ｂの部分）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することが可能な発電機用水車の調速機を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの調査研究の結果、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制するためには、ガイドベーンの閉鎖速度を３段以上の閉鎖方式にて制御することが有効であることが判明した。しかしながら、上述した構成の調速機において３段以上の閉鎖方式を実現するためには、閉鎖方式の段数に応じて電磁ソレノイド弁及び閉側絞りを設ける必要があり、調速機の構成が複雑となり、コスト上昇を招く恐れがある。更に、複数の電磁ソレノイド弁の励磁／非励磁を切替えるため、制御系の信頼性が低下する恐れもある。
【０００８】
このため、本発明による発電機用水車の調速機は、開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、開側油室に圧油を供給すると共に閉側油室から圧油を排出する状態と開側油室から圧油を排出すると共に閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、通路断面積が変更されることにより、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、可変絞り手段における通路断面積を変更する比例制御弁と、ガイドベーンの開度を検出するガイドベーン開度検出手段と、ガイドベーン開度検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する制御手段とを有していることを特徴としている。
【０００９】
上述の発電機用水車の調速機によれば、制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１０】
また、制御手段は、ガイドベーンの開度が所定の第１開度に到達するまでの間、所定の第１速度にてガイドベーンを閉鎖し、ガイドベーンの開度が第１開度から所定の第２開度に到達するまでの間、第１速度より遅い所定の第２速度にてガイドベーンを閉鎖し、更に、ガイドベーンの開度が第２開度から全閉となるまでの間、第１速度より遅い所定の第３速度にてガイドベーンを閉鎖するように、比例制御弁を制御することが好ましい。この場合、ガイドベーンが開度に応じて、第１速度、第２速度及び第３速度のいずれかの閉鎖速度にて閉鎖される。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく３段腰折れ方式が実現され、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１１】
また、本発明者らは、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制するために、ガイドベーンの閉鎖速度を水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応して制御すること有効であることも見出した。しかしながら、上述した構成の調速機においてガイドベーンの閉鎖速度を水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した制御を実現するためには、多数組の電磁ソレノイド弁及び閉側絞りを設ける必要があり、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した制御を実現することは極めて難しい。
【００１２】
このため、本発明による発電機用水車の調速機は、開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、開側油室に圧油を供給すると共に閉側油室から圧油を排出する状態と開側油室から圧油を排出すると共に閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、通路断面積が変更されることにより、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、可変絞り手段における通路断面積を変更する比例制御弁と、水車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、水車より上流側の水圧管内の水圧を検出する水圧検出手段と、回転速度検出手段及び水圧検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する制御手段とを有していることを特徴としている。
【００１３】
上述の発電機用水車の調速機によれば、制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１４】
また、制御手段は、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度と所定の設定値との差に基づいて、差の小さい場合には大きい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する回転速度対応制御部と、水圧検出手段にて検出された水圧管内の水圧と所定の設定値との差に基づいて、差が大きい場合には小さい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する水圧対応制御部と、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度に応じて、回転速度対応制御部による制御と水圧対応制御部による制御とを切替える制御部切替え手段とを有していることが好ましい。この場合、水車負荷遮断時の水車の回転速度上昇、あるいは、水圧管内の水圧上昇が設定値内に抑えられる閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されるため、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１５】
また、本発明による発電機用水車の調速機は、開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、開側油室に圧油を供給すると共に閉側油室から圧油を排出する状態と開側油室から圧油を排出すると共に閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、通路断面積が変更されることにより、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、可変絞り手段における通路断面積を変更する比例制御弁と、ガイドベーンの開度を検出するガイドベーン開度検出手段と、水車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、水車より上流側の水圧管内の水圧を検出する水圧検出手段と、ガイドベーン開度検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する第１制御手段と、回転速度検出手段及び水圧検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する第２制御手段と、第１制御手段による制御と第２制御手段による制御とを切替える切替え手段とを有していることを特徴としている。
【００１６】
上述の発電機用水車の調速機によれば、切替え手段により第１制御手段による制御、あるいは、第２制御手段による制御が切替えられ、第１制御手段による制御に切替えられている際には、第１制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。一方、第２制御手段による制御に切替えられている際には、第２制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、より適切な制御に切替えて、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１７】
また、第１制御手段は、ガイドベーンの開度が所定の第１開度に到達するまでの間、所定の第１速度にてガイドベーンを閉鎖し、ガイドベーンの開度が第１開度から所定の第２開度に到達するまでの間、第１速度より遅い所定の第２速度にてガイドベーンを閉鎖し、更に、ガイドベーンの開度が第２開度から全閉となるまでの間、第２速度より遅い所定の第３速度にてガイドベーンを閉鎖するように、比例制御弁を制御することが好ましい。この場合、ガイドベーンが開度に応じて、第１速度、第２速度及び第３速度のいずれかの閉鎖速度にて閉鎖される。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく３段腰折れ方式が実現され、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１８】
また、第２制御手段は、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度と所定の設定値との差に基づいて、差の小さい場合には大きい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する回転速度対応制御部と、水圧検出手段にて検出された水圧管内の水圧と所定の設定値との差に基づいて、差が大きい場合には小さい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する水圧対応制御部と、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度に応じて、回転速度対応制御部による制御と水圧対応制御部による制御とを切替える制御部切替え手段とを有していることが好ましい。この場合、水車負荷遮断時の水車の回転速度上昇、あるいは、水圧管内の水圧上昇が設定値内に抑えられる閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されるため、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１９】
また、可変絞り手段は、通路断面積を変更する可変絞り部と、可変絞り部の通路断面積を変更させる可変絞り用油圧サーボモータとを有しており、比例制御弁は、可変絞り用油圧サーボモータへの圧油の供給状態を制御することが好ましい。この場合、可変絞り手段における通路断面積を変更し得る構造を簡易且つ低コストで実現可能となる。
【００２０】
また、可変絞り手段よりも開側油室からの圧油の排出方向で見て下流側に設けられ、ガイドベーンが所定の速度にて閉鎖されるように通路断面積が規定された固定絞り部を有していることが好ましい。この場合、可変絞り手段が故障した場合においても、ガイドベーンが固定絞り部における通路断面積に対応した所定の閉鎖速度にて閉鎖されるので、水圧管内の水圧の異常上昇、あるいは、水車の回転速度の異常上昇を抑制することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明による発電機用水車の調速機の実施形態が用いられた、水力発電所の全体構成を示している。水力発電所１は、上下ダム２，３、サージタンク４、水車５、発電機６、導水路７、水圧管８などから構成される。上ダム２から導水路７を通ってサージタンク４まで導かれた水は水圧管８により一気に下降し、入り口弁９を通って１号機の水車５に入る。水圧管８から送られる高圧の水は、ケーシング１０を通ってガイドベーン１１に導かれ、ランナ１２を回転駆動する。ランナ１２は発電機６に接続されており、ランナ１２の回転が発電機６に伝わることにより、発電が行われる。ランナ１２を回転駆動してエネルギを失った水は、吸出し管１３により減速され、放水路１４を通って下ダム３に放流される。水圧管８は途中から分岐しており、高圧の水を図示しない２号機の水車に導いている。２号機の水車のランナを回転駆動してエネルギを失った水は、放水路１４の途中にて合流し、下ダム３に放流される。
【００２３】
発電機６を駆動する水車５の調速制御は、ガイドベーン１１の開度を調節し、水車５に流入する水量を変化させることにより行われている。ガイドベーン１１の開度は、設定された回転数（周波数）あるいは負荷のもとで水車５が作動するように調速機１５により自動的に制御される。ガイドベーン１１の開閉はリンク機構（図示せず）と油圧サーボモータ２０により行われ、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴがガイドベーン１１に伝達されることにより、ガイドベーン１１が開閉作動されることになる。発電機６には、信号発電機（図示せず）を介して、回転速度検出手段としての周波数検出器１６が接続されており、この周波数検出器１６はランナ１２（水車５）の回転速度を検出している。周波数検出器１６にて検出されたランナ１２の回転速度は、電気信号に変換されて調速機１５に送られる。入り口弁９下流のケーシング１０には、水圧検出手段としての水圧検出器１７が設けられており、この水圧検出器１７はケーシング１０内の水圧を検出することで、間接的に水圧管８内の水圧を検出している。水圧検出器１７にて検出された水圧管８内の水圧は、電気信号に変換されて調速機１５に送られる。なお、水圧検出器１７は、水圧管８内の水圧を直接的に検出するように、水圧管８に設けるようにしてもよい。
【００２４】
調速機１５は、図２に示されるように、ガイドベーン１１と機械的に接続される油圧サーボモータ２０と、圧油装置（図示せず）から送られてくる圧油を調整して油圧サーボモータ２０に供給、あるいは油圧サーボモータ２０から排出する配圧弁２１とを有している。配圧弁２１は、電気油圧変換機構（図示せず）とリンク機構２２を介して接続されていると共に、圧油装置からの圧油供給通路２３と、開側排油通路２４と、閉側排油通路２５とが接続されている。配圧弁２１は、油圧サーボ機構（図示せず）の動作により、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａに圧油を供給すると共に油圧サーボモータ２０の閉側油室２０ｂから圧油を排出する状態と、開側油室２０ａから圧油を排出すると共に閉側油室２０ｂに圧油を供給する状態とに切替えられる。油圧サーボモータ２０は、開側油室２０ａに圧油が供給されると共に閉側油室２０ｂから圧油が排出されることによりガイドベーン１１を開作動させ、閉側油室２０ｂに圧油が供給されると共に開側油室２０ａから圧油が排出されることによりガイドベーン１１を閉作動させる。油圧サーボモータ２０には、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴを検出するための第１位置検出器（ＬＶＤＴ）２６が設けられており、この第１位置検出器２６は、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴを検出することで、間接的にガイドベーン１１の開度を検出しており、各請求項におけるガイドベーン開度検出手段を構成している。
【００２５】
ガイドベーン１１の開作動は、配圧弁２１が図２において下側に移動することにより、圧油が油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａに供給され、油圧サーボモータ２０が図２において右側にストロークすることにより行われる。このとき、閉側油室２０ｂ内の圧油は、配圧弁２１及び開側排油通路２４を通して排出される。この開側排油通路２４には、所定の通路断面積を有する開側固定絞り２７が設けられており、開側固定絞り２７により圧油の排出量が制限されて、ガイドベーン１１の閉鎖速度が機械的に規定される。また、ガイドベーン１１の閉作動は、配圧弁２１が図２において上側に移動することにより、圧油が油圧サーボモータ２０の閉側油室２０ｂに供給され、油圧サーボモータ２０が図２において左側にストロークすることにより行われる。このとき、開側油室２０ａ内の圧油は、配圧弁２１及び閉側排油通路２５を通して排出される。この閉側排油通路２５には、所定の通路断面積を有する閉側固定絞り２８と、通路断面積を変更可能な閉側可変絞り２９とが設けられており、閉側固定絞り２８及び閉側可変絞り２９により圧油の排出量が制限されて、ガイドベーン１１の閉鎖速度が機械的に規定される。閉側固定絞り２８は、閉側排油通路２５における圧油の排出方向で見て、閉側可変絞り２９よりも下流側に設けられている。ここで、閉側固定絞り２８は各請求項における固定絞り部を構成しており、閉側可変絞り２９は各請求項における可変絞り部を構成している。
【００２６】
閉側固定絞り２９における通路断面積は、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大の状態にてガイドベーン１１が全開から全閉まで閉鎖された場合に、ガイドベーン１１の閉鎖速度が、水圧管８の水圧が水圧管８の降伏応力を超えないような閉鎖速度（例えば、５秒／１００％）となるように設定されている。
【００２７】
調速機１５は、更に、可変絞り用油圧サーボモータ３０、比例制御弁３１、比例制御弁制御部３２とを有している。可変絞り用油圧サーボモータ３０は、閉側可変絞り２９と機械的に接続されており、開側油室３０ａと閉側油室３０ｂとを有している。比例制御弁３１は、圧油装置から送られてくる圧油を調整して可変絞り用油圧サーボモータ３０に供給、あるいは可変絞り用油圧サーボモータ３０から排出するためのスプール弁３１ａを有しており、比例制御弁制御部３２から出力された制御信号が入力されて、この制御信号に応じてスプール弁３１ａの位置を制御している。スプール弁３１ａは、中立位置を保つように１組のばね３１ｂ，３１ｂから付勢力が与えられており、いずれか一方の付勢力に抗してその位置が変更される。比例制御弁３１（スプール弁３１ａ）は、比例制御弁制御部３２からの制御信号に応じて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給すると共に可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂから圧油を排出する状態と、開側油室３０ａから圧油を排出すると共に閉側油室３０ｂに圧油を供給する状態とに切替えられる。可変絞り用油圧サーボモータ３０には、可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークを検出するための第２位置検出器（ＬＶＤＴ）３３が設けられている。ここで、閉側可変絞り２９及び可変絞り用油圧サーボモータ３０は、各請求項における可変絞り手段を構成している。
【００２８】
可変絞り用油圧サーボモータ３０は、開側油室３０ａに圧油が供給されると共に閉側油室３０ｂから圧油が排出されることにより、通路断面積を大きくするように閉側可変絞り２９を作動させ、閉側油室３０ｂに圧油が供給されると共に開側油室３０ａから圧油が排出されることにより、通路断面積を小さくするように閉側可変絞り２９を作動させる。閉側可変絞り２９は、可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークに応じて、閉側可変絞り２９における通路断面積が変更されることになる。閉側可変絞り２９の通路断面積を大きくする方向への作動は、スプール弁３１ａが図２において下側に移動することにより、圧油が可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに供給され、可変絞り用油圧サーボモータ３０が図２において上側にストロークすることにより行われる。このとき、閉側油室３０ｂ内の圧油は排出される。また、閉側可変絞り２９の通路断面積を小さくする方向への作動は、スプール弁３１ａが図２において上側に移動することにより、圧油が可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂに供給され、可変絞り用油圧サーボモータ３０が図２において下側にストロークすることにより行われる。このとき、開側油室３０ａ内の圧油は、排出される。
【００２９】
比例制御弁制御部３２には、第１位置検出器２６、第２位置検出器３３、水圧検出器１７及び周波数検出器１６からの出力信号が入力されている。比例制御弁制御部３２では、これら第１位置検出器２６、第２位置検出器３３、水圧検出器１７及び周波数検出器１６からの出力信号に基づいて演算を行い、比例制御弁３１を制御する制御信号としての出力信号を出力している。
【００３０】
比例制御弁制御部３２は、第１制御部４１、第２制御部４２、第１切替え器４３、演算増幅器４４、開閉器４５とを有している。第１制御部４１は、ガイドベーン１１を３段腰折れ閉鎖方式にて閉鎖するためのもので、第１位置検出器２６及び第２位置検出器３３からの出力信号が入力されており、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための制御信号を出力する。油圧サーボモータ２０はガイドベーン１１と機械的に接続されているため、比例制御弁制御部３２から出力される制御信号により、結果的に、ガイドベーン１１の閉鎖速度が制御されることになる。ここで、第１制御部４１は、各請求項における第１制御手段を構成している。
【００３１】
第２制御部４２は、無段腰折れ閉鎖方式にて閉鎖するためのもので、回転速度対応制御部５１と水圧対応制御部５２とを有している。回転速度対応制御部５１には周波数検出器１６からの出力信号が入力されており、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための信号を出力する。水圧対応制御部５２には水圧検出器１７からの出力信号が入力されており、同様に、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための信号を出力する。回転速度対応制御部５１及び水圧対応制御部５２からの出力信号は、第２切替え器５３に入力される。第２切替え器５３には、回転速度対応制御部５１からの出力信号も入力されており、この回転速度対応制御部５１からの出力信号に基づいて、回転速度対応制御部５１からの出力信号と水圧対応制御部５２からの出力信号のうち、いずれか一方の出力信号を第２制御部４２の出力信号として選択して、出力する。ここで、第２制御部４２は、各請求項における第２制御手段を構成している。
【００３２】
第１切替え器４３には、第１制御部４１及び第２制御部４２からの出力信号が入力されており、いずれか一方の出力信号を選択して、演算増幅器４４に対して出力する。第１切替え器４３においては、水力発電所１の運用上、第１制御部４１及び第２制御部４２からの出力信号のうちどちらかを選択するかが、予め選択されるように構成されており、水力発電所１の運転中には切替えられるようには構成されていない。ここで、第１切替え器４３は、各請求項における切替え手段を構成している。
【００３３】
演算増幅器４４には、第１切替え器４３からの出力信号及び比例制御弁３１からの帰還信号が入力されており、最終的に、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための制御信号が開閉器４５を介して比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、この制御信号により制御されて、スプール弁３１ａの位置を変更する。開閉器４５は、通常、閉状態が選択されている。しかしながら、ガイドベーン１１が最大速度である閉側固定絞り２８により規定された第１速度（５秒／１００％）で常に閉鎖されたとしても、水圧上昇が水圧管８の保証値より小さい、例えば、他号機（２号機）が停止している状態、自号機（１号機）が部分負荷にて運転している状態、又は、上ダム２の水位が最下位にある状態等の場合には、開閉器４５にて開状態が選択される。開閉器４５が開状態にあるときには、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。
【００３４】
第１制御部４１は、図３に示される制御特性を有している。第１切替え器４３にて第１制御部４１からの出力信号を出力するように、第１制御部４１による制御が選択されている場合、ガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされると、第１制御部４１は、第１位置検出器２６がガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）となる油圧サーボモータ２０のストロークを検出するまでは、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる（図３において、領域Ａ１の部分）ように出力信号を生成する。生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる。
【００３５】
第１位置検出器２６が、ガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）となる状態を検出すると、第１制御部４１は、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度より遅い第２速度（４０秒／１００％）となる（図３において、領域Ｂ１の部分）ように出力信号を生成する。生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を最下側の位置から図２において上方に移動させて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂにも圧油を供給するようにし、閉側可変絞り２９の通路断面積を小さくするように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側可変絞り２９により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第２速度（４０秒／１００％）となる。このとき、第２位置検出器３３から出力される可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークに基づいて、第２速度（４０秒／１００％）が維持されるように制御がなされる。
【００３６】
第１位置検出器２６が、ガイドベーン１１の開度が第２開度（４０％）となる状態を検出すると、第１制御部４１は、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第２速度より遅い第３速度（１５０秒／１００％）となる（図３において、領域Ｃ１の部分）ように出力信号を生成する。生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において上方に更に移動させて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂに圧油を供給するようにし、閉側可変絞り２９の通路断面積を更に小さくするように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側可変絞り２９により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第３速度（１５０秒／１００％）となる。このとき、第２位置検出器３３から出力される可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークに基づいて、第３速度（１５０秒／１００％）が維持されるように制御がなされる。
【００３７】
回転速度対応制御部５１は、図４に示される制御特性を有しており、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と所定の設定値としての保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎを算出し、この差ｎに基づいて、油圧サーボモータ２０の作動速度、すなわちガイドベーン１１の閉鎖速度を制御するための出力信号を生成する。回転速度対応制御部５１は、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが小さい場合には、大きい場合に比して、油圧サーボモータ２０の作動速度が早くなるように制御することになる。
【００３８】
水圧対応制御部５２は、図５に示される制御特性を有しており、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と所定の設定値としての保証値（Ｐｍａｘ）との差εを算出し、この差εに基づいて、油圧サーボモータ２０の作動速度、すなわちガイドベーン１１の閉鎖速度を制御するための出力信号を生成する。水圧対応制御部５２は、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εが大きい場合には、小さい場合に比して、油圧サーボモータ２０の作動速度が早くなるように制御することになる。
【００３９】
第２切替え器５３は、回転速度対応制御部５１から出力される、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎを表す信号に基づいて、回転速度対応制御部５１からの出力信号と水圧対応制御部５２からの出力信号のうち、いずれか一方を選択する。詳細には、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１以下となった場合に、回転速度対応制御部５１による制御が選択されて、回転速度対応制御部５１からの出力信号が出力される。周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１に到達するまでは、水圧対応制御部５２による制御が選択されて、第２切替え器５３からは水圧対応制御部５２からの出力信号が出力される。周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１に到達した後は、回転速度対応制御部５１による制御が選択されて、第２切替え器５３からは回転速度対応制御部５１からの出力信号が出力される。ここで、第２切替え器５３は、各請求項における制御部切替え手段を構成している。
【００４０】
第１切替え器４３にて第２切替え器５３からの出力信号を出力するように、第２制御部４２による制御が選択されている場合、第２切替え器５３からの出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、スプール弁３１ａを制御信号に対応した位置に移動させて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａあるいは閉側油室３０ｂに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積を変更するように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側可変絞り２９により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が、水車５（ランナ１２）の回転速度あるいは、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧に基づいて制御されることになる。
【００４１】
以下、図６〜図１０に基づいて、本実施形態における調速機１５の動作について説明する。まず、調速機１５の全体構成について、図６に示されるブロック図に基づいて説明する。調速機１５は、負荷設定器（６５Ｐ）６１、周波数設定器（６５Ｆ）６２、ＰＩＤ演算部６３、油圧サーボモータ（１／Ｓ）２０を有している。
【００４２】
負荷設定器６１は、結合器６４及び結合器６５を順に介してＰＩＤ演算部６３に接続される。周波数設定器６２は結合器６５を介してＰＩＤ演算部６３に接続される。ＰＩＤ演算部６３は、比例動作を行う比例器（Ｐ）、微分動作を行う微分器（Ｄ）及び積分動作を行う積分器（Ｉ）を有している。ＰＩＤ演算部６３は、結合器６６及び利得（Ｋ）６７を順に介して速度変換部６８に接続される。速度変換部６８は、切替え器（ＳＷＴ）６９を介して油圧サーボモータ２０に接続される。油圧サーボモータ２０のストロークＳＴは、ガイドベーン１１に伝えられると共に、第１位置検出器２６にて検出されて、結合器６４及び結合器６６に接続されている。周波数検出器１６の出力端子は結合器６５及び結合器７０に接続されている。結合器７０には、保証値設定器７１が接続されており、更に結合器７０は速度変換部７２に接続されている。水圧検出器１７の出力端子は結合器７３に接続されている。結合器７３には、保証値設定器７４が接続されており、更に結合器７３は速度変換部７５に接続されている。速度変換部７２及び速度変換部７５は、第２切替え器５３に接続されている。利得６７は、速度変換部７６にも接続されている。第２切替え器５３及び速度変換部７６は、第１切替え器４３に接続されており、この第１切替え器４３は切替え器６９に接続されている。速度変換部７６は、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴが、７０％以上の場合に速度変換部６８の特性ａ１を選択し、７０％より小さい場合に速度変換部６８の特性ａ２を選択するように構成されている。
【００４３】
上述した構成においては、負荷設定器６１からの出力信号は、結合器６４に加算入力される。結合器６４には、第１位置検出器２６からの出力信号も減算入力され、負荷設定器６１からの出力信号と第１位置検出器２６からの出力信号とが結合されて結合器６５に出力される。結合器６５には、周波数設定器６２からの出力信号が加算入力されると共に、周波数検出器１６からの出力信号が減算入力され、結合器６４からの出力信号と、周波数設定器６２からの出力信号と、周波数検出器１６からの出力信号とが結合されてＰＩＤ演算部６３に出力される。ＰＩＤ演算部６３からの出力信号は、利得６７を介して速度変換部６８に入力され、速度変換部６８からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｖが出力される。また、ＰＩＤ演算部６３からの出力信号は、利得６７を介して速度変換部７６に入力され、速度変換部７６からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｘが第１切替え器４３に出力される。
【００４４】
周波数検出器１６からの出力信号は、結合器７０に減算入力される。結合器７０には、保証値設定器７１からの出力信号も加算入力され、周波数検出器１６からの出力信号と保証値設定器７１からの出力信号とが結合されて速度変換部７２に出力される。速度変換部７２からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｎが出力される。水圧検出器１７からの出力信号は、結合器７３に減算入力される。結合器７３には、保証値設定器７４からの出力信号も加算入力され、水圧検出器１７からの出力信号と保証値設定器７４からの出力信号とが結合されて速度変換部７５に出力される。速度変換部７５からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｐが出力される。速度変換部７２から出力された油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｎ、及び、速度変換部７５から出力された油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｐは、第２切替え器５３に入力され、いずれか一方の信号が信号Ｙとして第１切替え器４３に出力される。
【００４５】
第１切替え器４３からは、信号Ｘと信号Ｙのうち、いずれか一方が切替え器６９に出力される。そして、切替え器６９からは、速度変換部６８から出力された油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｖと、第１切替え器４３から出力された信号（信号Ｘと信号Ｙのうち、いずれか一方）とを比較して、小値となる方が油圧サーボモータ２０に出力される。
【００４６】
次に、調速機１５の動作を説明する。ここでは、第１切替え器４３において、信号Ｙが選択される、すなわち、第２制御部４２（回転速度対応制御部５１、あるいは、水圧対応制御部５２）による制御が選択された場合について説明する。
【００４７】
図７は、１号機及び２号機のガイドベーン１１の開度が１００％の状態で、１号機及び２号機において水車負荷遮断がなされた場合を示している。
【００４８】
水車負荷遮断がなされると、負荷から解列されることにより水車５（ランナ１２）の回転速度が上昇するため、調速機１５（ＰＩＤ演算部６３）の作用によってガイドベーン１１は急閉される。このとき、信号Ｙ（信号Ｐ）に比して信号Ｖの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｖが選択されることになる。すなわち、第２制御部４２にて生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる（図７において、Ｄ１の領域）。
【００４９】
ガイドベーン１１の閉鎖に伴い、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が上昇する。水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値Ｐｍａｘとの差εが設定値ε１となると（時刻Ｔ１）、信号Ｖに比して信号Ｙの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｙが選択されることになる。この時点では、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値Δｎｍａｘとの差ｎがｎ１より大きく、ｎ１に到達していないため、第２切替え器５３では、信号Ｐが選択されて、出力されることになる。すなわち、水圧対応制御部５２にて生成された出力信号が、第２制御部４２の出力信号として出力され、この出力信号が制御信号として比例制御弁３１に入力される。水圧対応制御部５２にて生成された出力信号は、図５に示されるように、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εに応じた大きさを有しており、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を水圧対応制御部５２にて生成された出力信号の大きさに対応した位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂにも圧油を供給し始める。可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂへの圧油の供給により、可変絞り用油圧サーボモータ３０がストロークして、閉側可変絞り２９の通路断面積が、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εに対応した通路断面積となり、結果的に、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εに対応したガイドベーン１１の閉鎖速度が得られることになる。（図７において、Ｄ２の領域）。
【００５０】
その後、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１に到達すると（時刻Ｔ２）、第２切替え器５３では、信号Ｎが選択されて、出力されることになる。なお、この時点でも、信号Ｖに比して信号Ｙの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｙが選択される。すなわち、回転速度対応制御部５１にて生成された出力信号が、第２制御部４２の出力信号として出力され、この出力信号が制御信号として比例制御弁３１に入力される。回転速度対応制御部５１にて生成された出力信号は、図４に示されるように、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎに応じた大きさを有しており、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を回転速度対応制御部５１にて生成された出力信号の大きさに対応した位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂにも圧油を供給し始める。可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂへの圧油の供給により、可変絞り用油圧サーボモータ３０がストロークして、閉側可変絞り２９の通路断面積が、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎに対応した通路断面積となり、結果的に、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎに対応したガイドベーン１１の閉鎖速度が得られることになる。（図７において、Ｄ３の領域）。
【００５１】
ガイドベーン１１が更に閉鎖されて、ガイドベーン１１の開度が小さくなり、水車５（ランナ１２）の回転速度が低下すると、信号Ｙに比して信号Ｖ（信号Ｎ）の方が小値となるため（時刻Ｔ３）、切替え器６９では信号Ｖが選択されることになる。すなわち、ＰＩＤ演算部６３からの出力信号に基づいて油圧サーボモータ２０が制御されることにより、ガイドベーン１１が閉鎖されて（図７において、Ｄ４の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ４）。
【００５２】
このように、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合において、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧及び水車５（ランナ１２）の回転速度が、各々の保証値（Ｐｍａｘ）（Δｎｍａｘ）を越えることなく、ガイドベーン１１が閉鎖される。
【００５３】
図８は、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態において、水車負荷遮断がなされた場合を示している。
【００５４】
水車負荷遮断がなされると、負荷から解列されることにより水車５の回転速度が上昇するため、調速機１５（ＰＩＤ演算部６３）の作用によってガイドベーン１１は急閉される。このとき、信号Ｙ（信号Ｐ）に比して信号Ｖの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｖが選択されることになる。すなわち、第２制御部４２にて生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる。
【００５５】
ガイドベーン１１の閉鎖に伴い、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が上昇するが、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇は緩やかになり、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差ε２は設定値ε１に達することはなく（ε２＞ε１）、また、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎ２も設定値ｎ１に達することはない（ｎ２＞ｎ１）。このため、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）とされた状態が維持される（図８において、Ｅ１の領域）。ガイドベーン１１が更に閉鎖され、ガイドベーン１１の開度が小さくなると（時刻Ｔ５）、ガイドベーン１１は、速度変換部６８の特性に従って、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）より遅い閉鎖速度にて閉鎖され（図８において、Ｅ２の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ６）。
【００５６】
このように、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合において、速やかにガイドベーン１１が閉鎖される（Ｔ４＞Ｔ６）。１号機のみを水車負荷遮断するので、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代には、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、余裕があり、ガイドベーン１１の閉鎖速度を第１速度（５秒／１００％）としても、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が、各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）を越えることはない。
【００５７】
図９は、１号機及び又は２号機をガイドベーン１１の開度が５０％の状態において、水車負荷遮断がなされた場合を示している。
【００５８】
水車負荷遮断がなされると、負荷から解列されることにより水車５の回転速度が上昇するため、調速機１５（ＰＩＤ演算部６３）の作用によってガイドベーン１１は急閉される。このとき、信号Ｙ（信号Ｐ）に比して信号Ｖの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｖが選択されることになる。すなわち、第２制御部４２にて生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる。
【００５９】
ガイドベーン１１の閉鎖に伴い、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が上昇するが、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇は、更に緩やかになり、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差ε３は設定値ε１よりも更に小さくなり（ε３≫ε１）、また、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎ３も設定値ｎ１よりかなり小さい（ｎ３≫ｎ１）。このため、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）とされた状態が維持される（図９において、Ｆ１の領域）。ガイドベーン１１が更に閉鎖され、ガイドベーン１１の開度が小さくなると（時刻Ｔ７）、ガイドベーン１１は、速度変換部６８の特性に従って、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）より遅い閉鎖速度にて閉鎖され（図９において、Ｆ２の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ８）。
【００６０】
このように、１号機及び又は２号機をガイドベーン１１の開度が５０％の状態で水車負荷遮断がなされた場合、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合と同様に、速やかにガイドベーン１１が閉鎖される（Ｔ４＞Ｔ８）。ガイドベーン１１の開度が５０％の状態から水車負荷遮断するので、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代には、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、余裕があり、ガイドベーン１１の閉鎖速度を第１速度（５秒／１００％）としても、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が、各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）を越えることはない。
【００６１】
比較例として、図１０に、従来の２段腰折れ閉鎖方式を採用した場合を示す。
【００６２】
１号機及び２号機のガイドベーン１１の開度が１００％の状態で、１号機及び２号機において水車負荷遮断がなされると、ガイドベーン１１の開度が７０％に達するまでの間（図１０において、Ｇ１の領域）、ガイドベーン１１は第１速度（５秒／１００％）の閉鎖速度にて閉鎖される。その後、ガイドベーン１１の開度が７０％に達した時点で（時刻Ｔ９）、第２速度（４０秒／１００％）の閉鎖速度にて閉鎖され（図１０において、Ｇ２の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ１０）。
【００６３】
従来の２段腰折れ閉鎖方式では、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差が設定値ε１以上とならないように、また、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差も設定値ｎ１以上とならないように、ガイドベーン１１の閉鎖速度が設定されており、図１０に示されるように、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇は抑制される。しかしながら、従来の２段腰折れ閉鎖方式では、水車５（ランナ１２）の回転速度あるいは水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代に余裕がある場合においても、予め設定された閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されるので、ガイドベーン１１が全閉されるまでの時間が長くなる（Ｔ６＜Ｔ１０，Ｔ８＜Ｔ１０）。
【００６４】
このように、第１切替え器４３により第１制御部４１による制御と第２制御部４２による制御のうち、いずれか一方の制御が選択され、第１制御部４１による制御が選択されている際には、第１制御部４１が第１位置検出器２６により検出された油圧サーボモータ２０のストロークに応じて比例制御弁３１を制御することにより、可変絞り用油圧サーボモータ３０を介して閉側可変絞り２９における通路断面積が変更されて、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａから配圧弁２１を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、油圧サーボモータ２０のストローク、すなわちガイドベーン１１の開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されることになる。一方、第２制御部４２による制御に切替えられている際には、第２制御部４２が水圧検出器１７により検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧及び周波数検出器１６により検出された水車５（ランナ１２）の回転速度に応じて比例制御弁３１を制御することにより、可変絞り用油圧サーボモータ３０を介して閉側可変絞り２９における通路断面積が変更されて、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａから配圧弁２１を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧及び水車５（ランナ１２）の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されることになる。これにより、調速機１５の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００６５】
水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇を抑制することにより、水圧管８、ケーシング１０等を設計する際に考慮すべき最大水圧が小さくなり、水圧管８、ケーシング１０等の板厚を薄くして設計することが可能となる。この結果、水力発電所１の建設費を低減することができる。また、サージタンク４を有している水力発電所１においては、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇を抑制することにより、サージタンク４の容積を小さくすることが可能となり、水力発電所１の建設費を更に低減することができる。また、水車負荷遮断時における水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することにより、発電機６の慣性モーメントＧＤ2を小さくしても水車５の回転速度変動を小さくできるので、水車５の軽量化及び低コスト化を図ることができると共に、水車５の疲労強度上の信頼性及び速応性を向上することができる。
【００６６】
また、第１切替え器４３により第１制御部４１による制御と第２制御部４２による制御のうち、いずれか一方の制御が選択されるので、水力発電所１の運転に対して、より適切な制御を選択することができる。
【００６７】
また、第１制御部４１は、第１位置検出器２６により検出された油圧サーボモータ２０のストロークＳＴに基づいて、ガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）に到達するまでの間、第１速度（５秒／１００％）にてガイドベーン１１を閉鎖し、ガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）から第２開度（４０％）に到達するまでの間、第１速度より遅い第２速度（４０秒／１００％）にてガイドベーン１１を閉鎖し、更に、ガイドベーン１１の開度が第２開度（４０％）から全閉（０％）となるまでの間、第２速度より遅い第３速度（１５０秒／１００％）にてガイドベーン１１を閉鎖するように、比例制御弁３１を制御し、閉側可変絞り２９における通路断面積を変更して、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａから配圧弁２１を介して排出される圧油の排出量を調整するので、ガイドベーン１１が、ガイドベーン１１の開度（油圧サーボモータ２０のストロークＳＴ）に応じて、第１速度、第２速度及び第３速度の順にて閉鎖される。これにより、調速機１５の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく３段腰折れ方式が実現され、水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００６８】
また、第２制御部４２は、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差に基づいて、この差の小さい場合には大きい場合に比してガイドベーン１１の閉鎖速度が早くなるように比例制御弁３１を制御する回転速度対応制御部５１と、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差に基づいて、差が大きい場合には小さい場合に比してガイドベーン１１の閉鎖速度が早くなるように比例制御弁３１を制御する水圧対応制御部５２と、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）内の回転速度に応じて、回転速度対応制御部５１による制御と水圧対応制御部５２による制御とを選択する第２切替え器５３とを有しているので、水車負荷遮断時の水車５（ランナ１２）の回転速度上昇、あるいは、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇が各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）内に抑えられる閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されるため、水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００６９】
また、閉側排油通路２５に、通路断面積を変更可能な閉側可変絞り２９を設けると共に、この閉側可変絞り２９における通路断面積を変更させるための可変絞り用油圧サーボモータ３０を設け、比例制御弁３１は、可変絞り用油圧サーボモータ３０への圧油の供給状態を制御するように構成しているので、閉側排油通路２５の通路断面積を変更し得る構造を簡易且つ低コストで実現可能となる。
【００７０】
また、閉側排油通路２５における圧油の排出方向で見て閉側可変絞り２９よりも下流側に、所定の通路断面積を有する閉側固定絞り２８を設け、この閉側固定絞り２８における通路断面積が、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大の状態にてガイドベーン１１が全開から全閉まで閉鎖された場合に、ガイドベーン１１の閉鎖速度が、水圧管８の水圧が水圧管８の降伏応力を超えないような閉鎖速度（第１速度（５秒／１００％））となるように設定されているので、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大の状態にて故障した場合においても、ガイドベーン１１が閉側固定絞り２８における通路断面積に対応した閉鎖速度（第１速度（５秒／１００％））にて閉鎖されるので、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の異常上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度の異常上昇を抑制することができる。
【００７１】
また、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εが設定値ε１となると、水圧対応制御部５２による制御が選択され、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１となると、回転速度対応制御部５１による制御が選択されるので、１号機及び又は２号機をガイドベーン１１の開度が５０％の状態で水車負荷遮断がなされた場合、あるいは、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合のように、負荷が低い状態にて水車負荷遮断された場合には、ガイドベーン１１を全閉とするまでの期間が短くなり、速やかにガイドベーン１１を閉鎖することができる。この結果、過渡現象の収束も早くなり、次の起動指令に対する待機状態に迅速に移行することができると共に、水車５の信頼性の低下を抑制することができる。なお、負荷が低い状態にて水車負荷遮断された場合には、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代には、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、余裕があり、ガイドベーン１１の閉鎖速度を第１速度（５秒／１００％）としても、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が、各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）を越えることはない。
【００７２】
なお、本実施形態においては、第１制御部４１及び第２制御部４２を設け、第１切替え器４３により第１制御部４１による制御と第２制御部４２による制御のうち、いずれか一方の制御を選択し得るように構成しているが、第１制御部４１と第２制御部４２のうちいずれか一方のみを設け、比例制御弁３１を制御するように構成してもよい。
【００７３】
また、本実施形態においては、調速機１５又は比例制御弁制御部３２の各要素を個別に構成することとしているが、ディジタル式制御装置を用い、これらの要素を当該制御装置中のソフトウェアにて構成してもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、請求項１に記載の発電機用水車の調速機によれば、制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００７５】
また、請求項３に記載の発電機用水車の調速機によれば、制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００７６】
また、請求項５に記載の発電機用水車の調速機によれば、切替え手段により第１制御手段による制御、あるいは、第２制御手段による制御が切替えられ、第１制御手段による制御に切替えられている際には、第１制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。一方、第２制御手段による制御に切替えられている際には、第２制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、より適切な制御に切替えて、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態が用いられた、水力発電所の全体構成図である。
【図２】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態を示す要部構成図である。
【図３】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態に含まれる、第１制御部における制御特性を示す図表である。
【図４】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態に含まれる、回転速度対応制御部における制御特性を示す図表である。
【図５】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態に含まれる、水圧対応制御部における制御特性を示す図表である。
【図６】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図８】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図９】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図１０】従来の発電機用水車の調速機における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図１１】従来の発電機用水車の調速機を示す要部構成図である。
【図１２】従来の発電機用水車の調速機における、ガイドベーンの閉鎖特性を示す図表である。
【符号の説明】
１…水力発電所、４…サージタンク、５…水車、６…発電機、８…水圧管、１０…ケーシング、１１…ガイドベーン、１２…ランナ、１５…調速機、１６…周波数検出器、１７…水圧検出器、２０…油圧サーボモータ、２０ａ…開側油室、２０ｂ…閉側油室、２１…配圧弁、２３…圧油供給通路、２４…開側排油通路、２５…閉側排油通路、２６…第１位置検出器、３０…可変絞り用油圧サーボモータ、３０ａ…開側油室、３０ｂ…閉側油室、３１…比例制御弁、３１ａ…スプール弁、３２…比例制御弁制御部、３３…第２位置検出器、４１…第１制御部、４２…第２制御部、４３…第１切替え器、４４…演算増幅器、４５…開閉器、５１…回転速度対応制御部、５２…水圧対応制御部、５３…第２切替え器、６１…負荷設定器、６２…周波数設定器、６３…ＰＩＤ演算部、６８…速度変換部、６９…切替え器、７１…保証値設定器、７２…速度変換部、７４…保証値設定器、７５…速度変換部、７６…速度変換部、１００…調速機、１０１…油圧サーボモータ、１０１ａ…開側油室、１０１ｂ…閉側油室、１０２…配圧弁、１０３…位置検出器、１０４…第１排出通路、１０５…第２排出通路、１０６…第１閉側絞り、１０７…第２閉側絞り、１０８…第１電磁ソレノイド弁、１０９…第２電磁ソレノイド弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機を駆動する水車の調速制御を行う発電機用水車の調速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、運転中の水車発電機を系統から解列（水車負荷遮断）すると、負荷から解列されることにより水車の回転速度が上昇するため、調速機の作用によって水車のガイドベーンは急閉され、回転上昇を抑えられる。このようにガイドベーンが急閉されると、水撃作用によって水圧管内の水圧が異常に上昇したり、また、過渡的に水車の入出力バランスが崩れて水車の回転速度が上昇するため、ガイドベーンの閉鎖速度を途中から遅くした「２段腰折れ」と言われる閉鎖方式が採用されている。
【０００３】
上述した２段腰折れ閉鎖方式を実現するための調速機として、例えば図１１に示されたようなものが知られている。調速機１００は、ガイドベーン（図示せず）と機械的に接続される油圧サーボモータ１０１と、圧油装置（図示せず）から送られてくる圧油を調整して油圧サーボモータ１０１に供給、あるいは油圧サーボモータ１０１から排出する配圧弁１０２と、油圧サーボモータ１０１の作動位置を検出する位置検出器（マイクロスイッチ）１０３とを有している。配圧弁１０２は、油圧サーボモータ１０１の開側油室１０１ａに圧油を供給すると共に油圧サーボモータ１０１の閉側油室１０１ｂから圧油を排出する状態と開側油室１０１ａから圧油を排出すると共に閉側油室１０１ｂに圧油を供給する状態とを切替える。油圧サーボモータ１０１は、開側油室１０１ａに圧油が供給されると共に閉側油室１０１ｂから圧油が排出されることによりガイドベーンを開作動させ、閉側油室１０１ｂに圧油が供給されると共に開側油室１０１ａから圧油が排出されることによりガイドベーンを閉作動させる。
【０００４】
開側油室１０１ａから配圧弁１０２を介して排出される圧油の排出通路は第１排出通路１０４と第２排出通路１０５とに分れて設けられており、第１排出通路１０４には圧油が作用することにより第１排出通路１０４の通路断面積を減少させる第１閉側絞り１０６が、第２排出通路１０５には圧油が作用することにより第２排出通路１０５の通路断面積を減少させる第２閉側絞り１０７が各々設けられている。第１閉側絞り１０６への圧油の供給状態は第１電磁ソレノイド弁１０８により制御されており、第１電磁ソレノイド弁１０８が励磁されることにより圧油が第１閉側絞り１０６に供給されて、第１排出通路１０４の通路断面積が減少する。第２閉側絞り１０７への圧油の供給状態は第２電磁ソレノイド弁１０９により制御されており、第２電磁ソレノイド弁１０９が励磁されることにより圧油が第２閉側絞り１０７に供給されて、第２排出通路１０５の通路断面積が減少する。図１１においては、第１電磁ソレノイド弁１０８及び第２電磁ソレノイド弁１０９が非励磁とされた状態を示している。
【０００５】
次に、図１２を用いて、調速機１００におけるガイドベーンの２段腰折れ閉鎖方式について説明する。例えば、ガイドベーンの開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合、位置検出器１０３がガイドベーンの開度が例えば７０％となる状態を検出するまでは、第１電磁ソレノイド弁１０８及び第２電磁ソレノイド弁１０９を非励磁とする。これにより、圧油は第１排出通路１０４及び第２排出通路１０５を介して排出され、ガイドベーンの閉鎖速度は第１速度（５秒／１００％）となる（図１２において、領域Ａの部分）。位置検出器１０３がガイドベーンの開度が例えば７０％となる状態を検出すると、第１電磁ソレノイド弁１０８及び第２電磁ソレノイド弁１０９を励磁する。これにより、第１排出通路１０４及び第２排出通路１０５の通路断面積が減少し、圧油の排出量が制限され、ガイドベーンの閉鎖速度は第１速度より遅い第２速度（４０秒／１００％）となる（図１２において、領域Ｂの部分）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することが可能な発電機用水車の調速機を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの調査研究の結果、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制するためには、ガイドベーンの閉鎖速度を３段以上の閉鎖方式にて制御することが有効であることが判明した。しかしながら、上述した構成の調速機において３段以上の閉鎖方式を実現するためには、閉鎖方式の段数に応じて電磁ソレノイド弁及び閉側絞りを設ける必要があり、調速機の構成が複雑となり、コスト上昇を招く恐れがある。更に、複数の電磁ソレノイド弁の励磁／非励磁を切替えるため、制御系の信頼性が低下する恐れもある。
【０００８】
このため、本発明による発電機用水車の調速機は、開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、開側油室に圧油を供給すると共に閉側油室から圧油を排出する状態と開側油室から圧油を排出すると共に閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、通路断面積が変更されることにより、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、可変絞り手段における通路断面積を変更する比例制御弁と、ガイドベーンの開度を検出するガイドベーン開度検出手段と、ガイドベーン開度検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する制御手段とを有していることを特徴としている。
【０００９】
上述の発電機用水車の調速機によれば、制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１０】
また、制御手段は、ガイドベーンの開度が所定の第１開度に到達するまでの間、所定の第１速度にてガイドベーンを閉鎖し、ガイドベーンの開度が第１開度から所定の第２開度に到達するまでの間、第１速度より遅い所定の第２速度にてガイドベーンを閉鎖し、更に、ガイドベーンの開度が第２開度から全閉となるまでの間、第１速度より遅い所定の第３速度にてガイドベーンを閉鎖するように、比例制御弁を制御することが好ましい。この場合、ガイドベーンが開度に応じて、第１速度、第２速度及び第３速度のいずれかの閉鎖速度にて閉鎖される。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく３段腰折れ方式が実現され、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１１】
また、本発明者らは、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制するために、ガイドベーンの閉鎖速度を水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応して制御すること有効であることも見出した。しかしながら、上述した構成の調速機においてガイドベーンの閉鎖速度を水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した制御を実現するためには、多数組の電磁ソレノイド弁及び閉側絞りを設ける必要があり、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した制御を実現することは極めて難しい。
【００１２】
このため、本発明による発電機用水車の調速機は、開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、開側油室に圧油を供給すると共に閉側油室から圧油を排出する状態と開側油室から圧油を排出すると共に閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、通路断面積が変更されることにより、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、可変絞り手段における通路断面積を変更する比例制御弁と、水車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、水車より上流側の水圧管内の水圧を検出する水圧検出手段と、回転速度検出手段及び水圧検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する制御手段とを有していることを特徴としている。
【００１３】
上述の発電機用水車の調速機によれば、制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１４】
また、制御手段は、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度と所定の設定値との差に基づいて、差の小さい場合には大きい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する回転速度対応制御部と、水圧検出手段にて検出された水圧管内の水圧と所定の設定値との差に基づいて、差が大きい場合には小さい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する水圧対応制御部と、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度に応じて、回転速度対応制御部による制御と水圧対応制御部による制御とを切替える制御部切替え手段とを有していることが好ましい。この場合、水車負荷遮断時の水車の回転速度上昇、あるいは、水圧管内の水圧上昇が設定値内に抑えられる閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されるため、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１５】
また、本発明による発電機用水車の調速機は、開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、開側油室に圧油を供給すると共に閉側油室から圧油を排出する状態と開側油室から圧油を排出すると共に閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、通路断面積が変更されることにより、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、可変絞り手段における通路断面積を変更する比例制御弁と、ガイドベーンの開度を検出するガイドベーン開度検出手段と、水車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、水車より上流側の水圧管内の水圧を検出する水圧検出手段と、ガイドベーン開度検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する第１制御手段と、回転速度検出手段及び水圧検出手段からの出力信号に応じて、比例制御弁を制御する第２制御手段と、第１制御手段による制御と第２制御手段による制御とを切替える切替え手段とを有していることを特徴としている。
【００１６】
上述の発電機用水車の調速機によれば、切替え手段により第１制御手段による制御、あるいは、第２制御手段による制御が切替えられ、第１制御手段による制御に切替えられている際には、第１制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。一方、第２制御手段による制御に切替えられている際には、第２制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、より適切な制御に切替えて、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１７】
また、第１制御手段は、ガイドベーンの開度が所定の第１開度に到達するまでの間、所定の第１速度にてガイドベーンを閉鎖し、ガイドベーンの開度が第１開度から所定の第２開度に到達するまでの間、第１速度より遅い所定の第２速度にてガイドベーンを閉鎖し、更に、ガイドベーンの開度が第２開度から全閉となるまでの間、第２速度より遅い所定の第３速度にてガイドベーンを閉鎖するように、比例制御弁を制御することが好ましい。この場合、ガイドベーンが開度に応じて、第１速度、第２速度及び第３速度のいずれかの閉鎖速度にて閉鎖される。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく３段腰折れ方式が実現され、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１８】
また、第２制御手段は、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度と所定の設定値との差に基づいて、差の小さい場合には大きい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する回転速度対応制御部と、水圧検出手段にて検出された水圧管内の水圧と所定の設定値との差に基づいて、差が大きい場合には小さい場合に比してガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように比例制御弁を制御する水圧対応制御部と、回転速度検出手段にて検出された水車の回転速度に応じて、回転速度対応制御部による制御と水圧対応制御部による制御とを切替える制御部切替え手段とを有していることが好ましい。この場合、水車負荷遮断時の水車の回転速度上昇、あるいは、水圧管内の水圧上昇が設定値内に抑えられる閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されるため、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００１９】
また、可変絞り手段は、通路断面積を変更する可変絞り部と、可変絞り部の通路断面積を変更させる可変絞り用油圧サーボモータとを有しており、比例制御弁は、可変絞り用油圧サーボモータへの圧油の供給状態を制御することが好ましい。この場合、可変絞り手段における通路断面積を変更し得る構造を簡易且つ低コストで実現可能となる。
【００２０】
また、可変絞り手段よりも開側油室からの圧油の排出方向で見て下流側に設けられ、ガイドベーンが所定の速度にて閉鎖されるように通路断面積が規定された固定絞り部を有していることが好ましい。この場合、可変絞り手段が故障した場合においても、ガイドベーンが固定絞り部における通路断面積に対応した所定の閉鎖速度にて閉鎖されるので、水圧管内の水圧の異常上昇、あるいは、水車の回転速度の異常上昇を抑制することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明による発電機用水車の調速機の実施形態が用いられた、水力発電所の全体構成を示している。水力発電所１は、上下ダム２，３、サージタンク４、水車５、発電機６、導水路７、水圧管８などから構成される。上ダム２から導水路７を通ってサージタンク４まで導かれた水は水圧管８により一気に下降し、入り口弁９を通って１号機の水車５に入る。水圧管８から送られる高圧の水は、ケーシング１０を通ってガイドベーン１１に導かれ、ランナ１２を回転駆動する。ランナ１２は発電機６に接続されており、ランナ１２の回転が発電機６に伝わることにより、発電が行われる。ランナ１２を回転駆動してエネルギを失った水は、吸出し管１３により減速され、放水路１４を通って下ダム３に放流される。水圧管８は途中から分岐しており、高圧の水を図示しない２号機の水車に導いている。２号機の水車のランナを回転駆動してエネルギを失った水は、放水路１４の途中にて合流し、下ダム３に放流される。
【００２３】
発電機６を駆動する水車５の調速制御は、ガイドベーン１１の開度を調節し、水車５に流入する水量を変化させることにより行われている。ガイドベーン１１の開度は、設定された回転数（周波数）あるいは負荷のもとで水車５が作動するように調速機１５により自動的に制御される。ガイドベーン１１の開閉はリンク機構（図示せず）と油圧サーボモータ２０により行われ、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴがガイドベーン１１に伝達されることにより、ガイドベーン１１が開閉作動されることになる。発電機６には、信号発電機（図示せず）を介して、回転速度検出手段としての周波数検出器１６が接続されており、この周波数検出器１６はランナ１２（水車５）の回転速度を検出している。周波数検出器１６にて検出されたランナ１２の回転速度は、電気信号に変換されて調速機１５に送られる。入り口弁９下流のケーシング１０には、水圧検出手段としての水圧検出器１７が設けられており、この水圧検出器１７はケーシング１０内の水圧を検出することで、間接的に水圧管８内の水圧を検出している。水圧検出器１７にて検出された水圧管８内の水圧は、電気信号に変換されて調速機１５に送られる。なお、水圧検出器１７は、水圧管８内の水圧を直接的に検出するように、水圧管８に設けるようにしてもよい。
【００２４】
調速機１５は、図２に示されるように、ガイドベーン１１と機械的に接続される油圧サーボモータ２０と、圧油装置（図示せず）から送られてくる圧油を調整して油圧サーボモータ２０に供給、あるいは油圧サーボモータ２０から排出する配圧弁２１とを有している。配圧弁２１は、電気油圧変換機構（図示せず）とリンク機構２２を介して接続されていると共に、圧油装置からの圧油供給通路２３と、開側排油通路２４と、閉側排油通路２５とが接続されている。配圧弁２１は、油圧サーボ機構（図示せず）の動作により、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａに圧油を供給すると共に油圧サーボモータ２０の閉側油室２０ｂから圧油を排出する状態と、開側油室２０ａから圧油を排出すると共に閉側油室２０ｂに圧油を供給する状態とに切替えられる。油圧サーボモータ２０は、開側油室２０ａに圧油が供給されると共に閉側油室２０ｂから圧油が排出されることによりガイドベーン１１を開作動させ、閉側油室２０ｂに圧油が供給されると共に開側油室２０ａから圧油が排出されることによりガイドベーン１１を閉作動させる。油圧サーボモータ２０には、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴを検出するための第１位置検出器（ＬＶＤＴ）２６が設けられており、この第１位置検出器２６は、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴを検出することで、間接的にガイドベーン１１の開度を検出しており、各請求項におけるガイドベーン開度検出手段を構成している。
【００２５】
ガイドベーン１１の開作動は、配圧弁２１が図２において下側に移動することにより、圧油が油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａに供給され、油圧サーボモータ２０が図２において右側にストロークすることにより行われる。このとき、閉側油室２０ｂ内の圧油は、配圧弁２１及び開側排油通路２４を通して排出される。この開側排油通路２４には、所定の通路断面積を有する開側固定絞り２７が設けられており、開側固定絞り２７により圧油の排出量が制限されて、ガイドベーン１１の閉鎖速度が機械的に規定される。また、ガイドベーン１１の閉作動は、配圧弁２１が図２において上側に移動することにより、圧油が油圧サーボモータ２０の閉側油室２０ｂに供給され、油圧サーボモータ２０が図２において左側にストロークすることにより行われる。このとき、開側油室２０ａ内の圧油は、配圧弁２１及び閉側排油通路２５を通して排出される。この閉側排油通路２５には、所定の通路断面積を有する閉側固定絞り２８と、通路断面積を変更可能な閉側可変絞り２９とが設けられており、閉側固定絞り２８及び閉側可変絞り２９により圧油の排出量が制限されて、ガイドベーン１１の閉鎖速度が機械的に規定される。閉側固定絞り２８は、閉側排油通路２５における圧油の排出方向で見て、閉側可変絞り２９よりも下流側に設けられている。ここで、閉側固定絞り２８は各請求項における固定絞り部を構成しており、閉側可変絞り２９は各請求項における可変絞り部を構成している。
【００２６】
閉側固定絞り２９における通路断面積は、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大の状態にてガイドベーン１１が全開から全閉まで閉鎖された場合に、ガイドベーン１１の閉鎖速度が、水圧管８の水圧が水圧管８の降伏応力を超えないような閉鎖速度（例えば、５秒／１００％）となるように設定されている。
【００２７】
調速機１５は、更に、可変絞り用油圧サーボモータ３０、比例制御弁３１、比例制御弁制御部３２とを有している。可変絞り用油圧サーボモータ３０は、閉側可変絞り２９と機械的に接続されており、開側油室３０ａと閉側油室３０ｂとを有している。比例制御弁３１は、圧油装置から送られてくる圧油を調整して可変絞り用油圧サーボモータ３０に供給、あるいは可変絞り用油圧サーボモータ３０から排出するためのスプール弁３１ａを有しており、比例制御弁制御部３２から出力された制御信号が入力されて、この制御信号に応じてスプール弁３１ａの位置を制御している。スプール弁３１ａは、中立位置を保つように１組のばね３１ｂ，３１ｂから付勢力が与えられており、いずれか一方の付勢力に抗してその位置が変更される。比例制御弁３１（スプール弁３１ａ）は、比例制御弁制御部３２からの制御信号に応じて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給すると共に可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂから圧油を排出する状態と、開側油室３０ａから圧油を排出すると共に閉側油室３０ｂに圧油を供給する状態とに切替えられる。可変絞り用油圧サーボモータ３０には、可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークを検出するための第２位置検出器（ＬＶＤＴ）３３が設けられている。ここで、閉側可変絞り２９及び可変絞り用油圧サーボモータ３０は、各請求項における可変絞り手段を構成している。
【００２８】
可変絞り用油圧サーボモータ３０は、開側油室３０ａに圧油が供給されると共に閉側油室３０ｂから圧油が排出されることにより、通路断面積を大きくするように閉側可変絞り２９を作動させ、閉側油室３０ｂに圧油が供給されると共に開側油室３０ａから圧油が排出されることにより、通路断面積を小さくするように閉側可変絞り２９を作動させる。閉側可変絞り２９は、可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークに応じて、閉側可変絞り２９における通路断面積が変更されることになる。閉側可変絞り２９の通路断面積を大きくする方向への作動は、スプール弁３１ａが図２において下側に移動することにより、圧油が可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに供給され、可変絞り用油圧サーボモータ３０が図２において上側にストロークすることにより行われる。このとき、閉側油室３０ｂ内の圧油は排出される。また、閉側可変絞り２９の通路断面積を小さくする方向への作動は、スプール弁３１ａが図２において上側に移動することにより、圧油が可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂに供給され、可変絞り用油圧サーボモータ３０が図２において下側にストロークすることにより行われる。このとき、開側油室３０ａ内の圧油は、排出される。
【００２９】
比例制御弁制御部３２には、第１位置検出器２６、第２位置検出器３３、水圧検出器１７及び周波数検出器１６からの出力信号が入力されている。比例制御弁制御部３２では、これら第１位置検出器２６、第２位置検出器３３、水圧検出器１７及び周波数検出器１６からの出力信号に基づいて演算を行い、比例制御弁３１を制御する制御信号としての出力信号を出力している。
【００３０】
比例制御弁制御部３２は、第１制御部４１、第２制御部４２、第１切替え器４３、演算増幅器４４、開閉器４５とを有している。第１制御部４１は、ガイドベーン１１を３段腰折れ閉鎖方式にて閉鎖するためのもので、第１位置検出器２６及び第２位置検出器３３からの出力信号が入力されており、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための制御信号を出力する。油圧サーボモータ２０はガイドベーン１１と機械的に接続されているため、比例制御弁制御部３２から出力される制御信号により、結果的に、ガイドベーン１１の閉鎖速度が制御されることになる。ここで、第１制御部４１は、各請求項における第１制御手段を構成している。
【００３１】
第２制御部４２は、無段腰折れ閉鎖方式にて閉鎖するためのもので、回転速度対応制御部５１と水圧対応制御部５２とを有している。回転速度対応制御部５１には周波数検出器１６からの出力信号が入力されており、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための信号を出力する。水圧対応制御部５２には水圧検出器１７からの出力信号が入力されており、同様に、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための信号を出力する。回転速度対応制御部５１及び水圧対応制御部５２からの出力信号は、第２切替え器５３に入力される。第２切替え器５３には、回転速度対応制御部５１からの出力信号も入力されており、この回転速度対応制御部５１からの出力信号に基づいて、回転速度対応制御部５１からの出力信号と水圧対応制御部５２からの出力信号のうち、いずれか一方の出力信号を第２制御部４２の出力信号として選択して、出力する。ここで、第２制御部４２は、各請求項における第２制御手段を構成している。
【００３２】
第１切替え器４３には、第１制御部４１及び第２制御部４２からの出力信号が入力されており、いずれか一方の出力信号を選択して、演算増幅器４４に対して出力する。第１切替え器４３においては、水力発電所１の運用上、第１制御部４１及び第２制御部４２からの出力信号のうちどちらかを選択するかが、予め選択されるように構成されており、水力発電所１の運転中には切替えられるようには構成されていない。ここで、第１切替え器４３は、各請求項における切替え手段を構成している。
【００３３】
演算増幅器４４には、第１切替え器４３からの出力信号及び比例制御弁３１からの帰還信号が入力されており、最終的に、油圧サーボモータ２０の作動速度を制御するための制御信号が開閉器４５を介して比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、この制御信号により制御されて、スプール弁３１ａの位置を変更する。開閉器４５は、通常、閉状態が選択されている。しかしながら、ガイドベーン１１が最大速度である閉側固定絞り２８により規定された第１速度（５秒／１００％）で常に閉鎖されたとしても、水圧上昇が水圧管８の保証値より小さい、例えば、他号機（２号機）が停止している状態、自号機（１号機）が部分負荷にて運転している状態、又は、上ダム２の水位が最下位にある状態等の場合には、開閉器４５にて開状態が選択される。開閉器４５が開状態にあるときには、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。
【００３４】
第１制御部４１は、図３に示される制御特性を有している。第１切替え器４３にて第１制御部４１からの出力信号を出力するように、第１制御部４１による制御が選択されている場合、ガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされると、第１制御部４１は、第１位置検出器２６がガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）となる油圧サーボモータ２０のストロークを検出するまでは、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる（図３において、領域Ａ１の部分）ように出力信号を生成する。生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる。
【００３５】
第１位置検出器２６が、ガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）となる状態を検出すると、第１制御部４１は、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度より遅い第２速度（４０秒／１００％）となる（図３において、領域Ｂ１の部分）ように出力信号を生成する。生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を最下側の位置から図２において上方に移動させて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂにも圧油を供給するようにし、閉側可変絞り２９の通路断面積を小さくするように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側可変絞り２９により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第２速度（４０秒／１００％）となる。このとき、第２位置検出器３３から出力される可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークに基づいて、第２速度（４０秒／１００％）が維持されるように制御がなされる。
【００３６】
第１位置検出器２６が、ガイドベーン１１の開度が第２開度（４０％）となる状態を検出すると、第１制御部４１は、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第２速度より遅い第３速度（１５０秒／１００％）となる（図３において、領域Ｃ１の部分）ように出力信号を生成する。生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において上方に更に移動させて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂに圧油を供給するようにし、閉側可変絞り２９の通路断面積を更に小さくするように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側可変絞り２９により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第３速度（１５０秒／１００％）となる。このとき、第２位置検出器３３から出力される可変絞り用油圧サーボモータ３０のストロークに基づいて、第３速度（１５０秒／１００％）が維持されるように制御がなされる。
【００３７】
回転速度対応制御部５１は、図４に示される制御特性を有しており、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と所定の設定値としての保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎを算出し、この差ｎに基づいて、油圧サーボモータ２０の作動速度、すなわちガイドベーン１１の閉鎖速度を制御するための出力信号を生成する。回転速度対応制御部５１は、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが小さい場合には、大きい場合に比して、油圧サーボモータ２０の作動速度が早くなるように制御することになる。
【００３８】
水圧対応制御部５２は、図５に示される制御特性を有しており、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と所定の設定値としての保証値（Ｐｍａｘ）との差εを算出し、この差εに基づいて、油圧サーボモータ２０の作動速度、すなわちガイドベーン１１の閉鎖速度を制御するための出力信号を生成する。水圧対応制御部５２は、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εが大きい場合には、小さい場合に比して、油圧サーボモータ２０の作動速度が早くなるように制御することになる。
【００３９】
第２切替え器５３は、回転速度対応制御部５１から出力される、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎを表す信号に基づいて、回転速度対応制御部５１からの出力信号と水圧対応制御部５２からの出力信号のうち、いずれか一方を選択する。詳細には、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１以下となった場合に、回転速度対応制御部５１による制御が選択されて、回転速度対応制御部５１からの出力信号が出力される。周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１に到達するまでは、水圧対応制御部５２による制御が選択されて、第２切替え器５３からは水圧対応制御部５２からの出力信号が出力される。周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１に到達した後は、回転速度対応制御部５１による制御が選択されて、第２切替え器５３からは回転速度対応制御部５１からの出力信号が出力される。ここで、第２切替え器５３は、各請求項における制御部切替え手段を構成している。
【００４０】
第１切替え器４３にて第２切替え器５３からの出力信号を出力するように、第２制御部４２による制御が選択されている場合、第２切替え器５３からの出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、スプール弁３１ａを制御信号に対応した位置に移動させて、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａあるいは閉側油室３０ｂに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積を変更するように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側可変絞り２９により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が、水車５（ランナ１２）の回転速度あるいは、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧に基づいて制御されることになる。
【００４１】
以下、図６〜図１０に基づいて、本実施形態における調速機１５の動作について説明する。まず、調速機１５の全体構成について、図６に示されるブロック図に基づいて説明する。調速機１５は、負荷設定器（６５Ｐ）６１、周波数設定器（６５Ｆ）６２、ＰＩＤ演算部６３、油圧サーボモータ（１／Ｓ）２０を有している。
【００４２】
負荷設定器６１は、結合器６４及び結合器６５を順に介してＰＩＤ演算部６３に接続される。周波数設定器６２は結合器６５を介してＰＩＤ演算部６３に接続される。ＰＩＤ演算部６３は、比例動作を行う比例器（Ｐ）、微分動作を行う微分器（Ｄ）及び積分動作を行う積分器（Ｉ）を有している。ＰＩＤ演算部６３は、結合器６６及び利得（Ｋ）６７を順に介して速度変換部６８に接続される。速度変換部６８は、切替え器（ＳＷＴ）６９を介して油圧サーボモータ２０に接続される。油圧サーボモータ２０のストロークＳＴは、ガイドベーン１１に伝えられると共に、第１位置検出器２６にて検出されて、結合器６４及び結合器６６に接続されている。周波数検出器１６の出力端子は結合器６５及び結合器７０に接続されている。結合器７０には、保証値設定器７１が接続されており、更に結合器７０は速度変換部７２に接続されている。水圧検出器１７の出力端子は結合器７３に接続されている。結合器７３には、保証値設定器７４が接続されており、更に結合器７３は速度変換部７５に接続されている。速度変換部７２及び速度変換部７５は、第２切替え器５３に接続されている。利得６７は、速度変換部７６にも接続されている。第２切替え器５３及び速度変換部７６は、第１切替え器４３に接続されており、この第１切替え器４３は切替え器６９に接続されている。速度変換部７６は、油圧サーボモータ２０のストロークＳＴが、７０％以上の場合に速度変換部６８の特性ａ１を選択し、７０％より小さい場合に速度変換部６８の特性ａ２を選択するように構成されている。
【００４３】
上述した構成においては、負荷設定器６１からの出力信号は、結合器６４に加算入力される。結合器６４には、第１位置検出器２６からの出力信号も減算入力され、負荷設定器６１からの出力信号と第１位置検出器２６からの出力信号とが結合されて結合器６５に出力される。結合器６５には、周波数設定器６２からの出力信号が加算入力されると共に、周波数検出器１６からの出力信号が減算入力され、結合器６４からの出力信号と、周波数設定器６２からの出力信号と、周波数検出器１６からの出力信号とが結合されてＰＩＤ演算部６３に出力される。ＰＩＤ演算部６３からの出力信号は、利得６７を介して速度変換部６８に入力され、速度変換部６８からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｖが出力される。また、ＰＩＤ演算部６３からの出力信号は、利得６７を介して速度変換部７６に入力され、速度変換部７６からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｘが第１切替え器４３に出力される。
【００４４】
周波数検出器１６からの出力信号は、結合器７０に減算入力される。結合器７０には、保証値設定器７１からの出力信号も加算入力され、周波数検出器１６からの出力信号と保証値設定器７１からの出力信号とが結合されて速度変換部７２に出力される。速度変換部７２からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｎが出力される。水圧検出器１７からの出力信号は、結合器７３に減算入力される。結合器７３には、保証値設定器７４からの出力信号も加算入力され、水圧検出器１７からの出力信号と保証値設定器７４からの出力信号とが結合されて速度変換部７５に出力される。速度変換部７５からは、油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｐが出力される。速度変換部７２から出力された油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｎ、及び、速度変換部７５から出力された油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｐは、第２切替え器５３に入力され、いずれか一方の信号が信号Ｙとして第１切替え器４３に出力される。
【００４５】
第１切替え器４３からは、信号Ｘと信号Ｙのうち、いずれか一方が切替え器６９に出力される。そして、切替え器６９からは、速度変換部６８から出力された油圧サーボモータ２０の作動速度を表す信号Ｖと、第１切替え器４３から出力された信号（信号Ｘと信号Ｙのうち、いずれか一方）とを比較して、小値となる方が油圧サーボモータ２０に出力される。
【００４６】
次に、調速機１５の動作を説明する。ここでは、第１切替え器４３において、信号Ｙが選択される、すなわち、第２制御部４２（回転速度対応制御部５１、あるいは、水圧対応制御部５２）による制御が選択された場合について説明する。
【００４７】
図７は、１号機及び２号機のガイドベーン１１の開度が１００％の状態で、１号機及び２号機において水車負荷遮断がなされた場合を示している。
【００４８】
水車負荷遮断がなされると、負荷から解列されることにより水車５（ランナ１２）の回転速度が上昇するため、調速機１５（ＰＩＤ演算部６３）の作用によってガイドベーン１１は急閉される。このとき、信号Ｙ（信号Ｐ）に比して信号Ｖの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｖが選択されることになる。すなわち、第２制御部４２にて生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力され、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる（図７において、Ｄ１の領域）。
【００４９】
ガイドベーン１１の閉鎖に伴い、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が上昇する。水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値Ｐｍａｘとの差εが設定値ε１となると（時刻Ｔ１）、信号Ｖに比して信号Ｙの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｙが選択されることになる。この時点では、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値Δｎｍａｘとの差ｎがｎ１より大きく、ｎ１に到達していないため、第２切替え器５３では、信号Ｐが選択されて、出力されることになる。すなわち、水圧対応制御部５２にて生成された出力信号が、第２制御部４２の出力信号として出力され、この出力信号が制御信号として比例制御弁３１に入力される。水圧対応制御部５２にて生成された出力信号は、図５に示されるように、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εに応じた大きさを有しており、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を水圧対応制御部５２にて生成された出力信号の大きさに対応した位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂにも圧油を供給し始める。可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂへの圧油の供給により、可変絞り用油圧サーボモータ３０がストロークして、閉側可変絞り２９の通路断面積が、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εに対応した通路断面積となり、結果的に、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εに対応したガイドベーン１１の閉鎖速度が得られることになる。（図７において、Ｄ２の領域）。
【００５０】
その後、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１に到達すると（時刻Ｔ２）、第２切替え器５３では、信号Ｎが選択されて、出力されることになる。なお、この時点でも、信号Ｖに比して信号Ｙの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｙが選択される。すなわち、回転速度対応制御部５１にて生成された出力信号が、第２制御部４２の出力信号として出力され、この出力信号が制御信号として比例制御弁３１に入力される。回転速度対応制御部５１にて生成された出力信号は、図４に示されるように、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎに応じた大きさを有しており、比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を回転速度対応制御部５１にて生成された出力信号の大きさに対応した位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂにも圧油を供給し始める。可変絞り用油圧サーボモータ３０の閉側油室３０ｂへの圧油の供給により、可変絞り用油圧サーボモータ３０がストロークして、閉側可変絞り２９の通路断面積が、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎに対応した通路断面積となり、結果的に、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎに対応したガイドベーン１１の閉鎖速度が得られることになる。（図７において、Ｄ３の領域）。
【００５１】
ガイドベーン１１が更に閉鎖されて、ガイドベーン１１の開度が小さくなり、水車５（ランナ１２）の回転速度が低下すると、信号Ｙに比して信号Ｖ（信号Ｎ）の方が小値となるため（時刻Ｔ３）、切替え器６９では信号Ｖが選択されることになる。すなわち、ＰＩＤ演算部６３からの出力信号に基づいて油圧サーボモータ２０が制御されることにより、ガイドベーン１１が閉鎖されて（図７において、Ｄ４の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ４）。
【００５２】
このように、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合において、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧及び水車５（ランナ１２）の回転速度が、各々の保証値（Ｐｍａｘ）（Δｎｍａｘ）を越えることなく、ガイドベーン１１が閉鎖される。
【００５３】
図８は、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態において、水車負荷遮断がなされた場合を示している。
【００５４】
水車負荷遮断がなされると、負荷から解列されることにより水車５の回転速度が上昇するため、調速機１５（ＰＩＤ演算部６３）の作用によってガイドベーン１１は急閉される。このとき、信号Ｙ（信号Ｐ）に比して信号Ｖの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｖが選択されることになる。すなわち、第２制御部４２にて生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる。
【００５５】
ガイドベーン１１の閉鎖に伴い、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が上昇するが、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇は緩やかになり、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差ε２は設定値ε１に達することはなく（ε２＞ε１）、また、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎ２も設定値ｎ１に達することはない（ｎ２＞ｎ１）。このため、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）とされた状態が維持される（図８において、Ｅ１の領域）。ガイドベーン１１が更に閉鎖され、ガイドベーン１１の開度が小さくなると（時刻Ｔ５）、ガイドベーン１１は、速度変換部６８の特性に従って、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）より遅い閉鎖速度にて閉鎖され（図８において、Ｅ２の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ６）。
【００５６】
このように、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合において、速やかにガイドベーン１１が閉鎖される（Ｔ４＞Ｔ６）。１号機のみを水車負荷遮断するので、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代には、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、余裕があり、ガイドベーン１１の閉鎖速度を第１速度（５秒／１００％）としても、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が、各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）を越えることはない。
【００５７】
図９は、１号機及び又は２号機をガイドベーン１１の開度が５０％の状態において、水車負荷遮断がなされた場合を示している。
【００５８】
水車負荷遮断がなされると、負荷から解列されることにより水車５の回転速度が上昇するため、調速機１５（ＰＩＤ演算部６３）の作用によってガイドベーン１１は急閉される。このとき、信号Ｙ（信号Ｐ）に比して信号Ｖの方が小値となるため、切替え器６９では、信号Ｖが選択されることになる。すなわち、第２制御部４２にて生成された出力信号は、演算増幅器４４を介して制御信号として比例制御弁３１に出力される。比例制御弁３１は、スプール弁３１ａの位置を図２において最下側の位置として、可変絞り用油圧サーボモータ３０の開側油室３０ａに圧油を供給し、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大となるように可変絞り用油圧サーボモータ３０をストロークさせる。この結果、閉側排油通路２５からの圧油の排出量は、閉側固定絞り２８により規定され、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）となる。
【００５９】
ガイドベーン１１の閉鎖に伴い、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が上昇するが、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇は、更に緩やかになり、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差ε３は設定値ε１よりも更に小さくなり（ε３≫ε１）、また、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎ３も設定値ｎ１よりかなり小さい（ｎ３≫ｎ１）。このため、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）とされた状態が維持される（図９において、Ｆ１の領域）。ガイドベーン１１が更に閉鎖され、ガイドベーン１１の開度が小さくなると（時刻Ｔ７）、ガイドベーン１１は、速度変換部６８の特性に従って、ガイドベーン１１の閉鎖速度が第１速度（５秒／１００％）より遅い閉鎖速度にて閉鎖され（図９において、Ｆ２の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ８）。
【００６０】
このように、１号機及び又は２号機をガイドベーン１１の開度が５０％の状態で水車負荷遮断がなされた場合、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合と同様に、速やかにガイドベーン１１が閉鎖される（Ｔ４＞Ｔ８）。ガイドベーン１１の開度が５０％の状態から水車負荷遮断するので、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代には、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、余裕があり、ガイドベーン１１の閉鎖速度を第１速度（５秒／１００％）としても、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が、各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）を越えることはない。
【００６１】
比較例として、図１０に、従来の２段腰折れ閉鎖方式を採用した場合を示す。
【００６２】
１号機及び２号機のガイドベーン１１の開度が１００％の状態で、１号機及び２号機において水車負荷遮断がなされると、ガイドベーン１１の開度が７０％に達するまでの間（図１０において、Ｇ１の領域）、ガイドベーン１１は第１速度（５秒／１００％）の閉鎖速度にて閉鎖される。その後、ガイドベーン１１の開度が７０％に達した時点で（時刻Ｔ９）、第２速度（４０秒／１００％）の閉鎖速度にて閉鎖され（図１０において、Ｇ２の領域）、その後全閉とされる（時刻Ｔ１０）。
【００６３】
従来の２段腰折れ閉鎖方式では、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差が設定値ε１以上とならないように、また、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差も設定値ｎ１以上とならないように、ガイドベーン１１の閉鎖速度が設定されており、図１０に示されるように、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇は抑制される。しかしながら、従来の２段腰折れ閉鎖方式では、水車５（ランナ１２）の回転速度あるいは水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代に余裕がある場合においても、予め設定された閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されるので、ガイドベーン１１が全閉されるまでの時間が長くなる（Ｔ６＜Ｔ１０，Ｔ８＜Ｔ１０）。
【００６４】
このように、第１切替え器４３により第１制御部４１による制御と第２制御部４２による制御のうち、いずれか一方の制御が選択され、第１制御部４１による制御が選択されている際には、第１制御部４１が第１位置検出器２６により検出された油圧サーボモータ２０のストロークに応じて比例制御弁３１を制御することにより、可変絞り用油圧サーボモータ３０を介して閉側可変絞り２９における通路断面積が変更されて、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａから配圧弁２１を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、油圧サーボモータ２０のストローク、すなわちガイドベーン１１の開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されることになる。一方、第２制御部４２による制御に切替えられている際には、第２制御部４２が水圧検出器１７により検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧及び周波数検出器１６により検出された水車５（ランナ１２）の回転速度に応じて比例制御弁３１を制御することにより、可変絞り用油圧サーボモータ３０を介して閉側可変絞り２９における通路断面積が変更されて、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａから配圧弁２１を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧及び水車５（ランナ１２）の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されることになる。これにより、調速機１５の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００６５】
水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇を抑制することにより、水圧管８、ケーシング１０等を設計する際に考慮すべき最大水圧が小さくなり、水圧管８、ケーシング１０等の板厚を薄くして設計することが可能となる。この結果、水力発電所１の建設費を低減することができる。また、サージタンク４を有している水力発電所１においては、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇を抑制することにより、サージタンク４の容積を小さくすることが可能となり、水力発電所１の建設費を更に低減することができる。また、水車負荷遮断時における水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することにより、発電機６の慣性モーメントＧＤ2を小さくしても水車５の回転速度変動を小さくできるので、水車５の軽量化及び低コスト化を図ることができると共に、水車５の疲労強度上の信頼性及び速応性を向上することができる。
【００６６】
また、第１切替え器４３により第１制御部４１による制御と第２制御部４２による制御のうち、いずれか一方の制御が選択されるので、水力発電所１の運転に対して、より適切な制御を選択することができる。
【００６７】
また、第１制御部４１は、第１位置検出器２６により検出された油圧サーボモータ２０のストロークＳＴに基づいて、ガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）に到達するまでの間、第１速度（５秒／１００％）にてガイドベーン１１を閉鎖し、ガイドベーン１１の開度が第１開度（７０％）から第２開度（４０％）に到達するまでの間、第１速度より遅い第２速度（４０秒／１００％）にてガイドベーン１１を閉鎖し、更に、ガイドベーン１１の開度が第２開度（４０％）から全閉（０％）となるまでの間、第２速度より遅い第３速度（１５０秒／１００％）にてガイドベーン１１を閉鎖するように、比例制御弁３１を制御し、閉側可変絞り２９における通路断面積を変更して、油圧サーボモータ２０の開側油室２０ａから配圧弁２１を介して排出される圧油の排出量を調整するので、ガイドベーン１１が、ガイドベーン１１の開度（油圧サーボモータ２０のストロークＳＴ）に応じて、第１速度、第２速度及び第３速度の順にて閉鎖される。これにより、調速機１５の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく３段腰折れ方式が実現され、水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００６８】
また、第２制御部４２は、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差に基づいて、この差の小さい場合には大きい場合に比してガイドベーン１１の閉鎖速度が早くなるように比例制御弁３１を制御する回転速度対応制御部５１と、水圧検出器１７にて検出された水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差に基づいて、差が大きい場合には小さい場合に比してガイドベーン１１の閉鎖速度が早くなるように比例制御弁３１を制御する水圧対応制御部５２と、周波数検出器１６にて検出された水車５（ランナ１２）内の回転速度に応じて、回転速度対応制御部５１による制御と水圧対応制御部５２による制御とを選択する第２切替え器５３とを有しているので、水車負荷遮断時の水車５（ランナ１２）の回転速度上昇、あるいは、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇が各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）内に抑えられる閉鎖速度にてガイドベーン１１が閉鎖されるため、水車負荷遮断時における水圧管８（ケーシング１０）内の水圧上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００６９】
また、閉側排油通路２５に、通路断面積を変更可能な閉側可変絞り２９を設けると共に、この閉側可変絞り２９における通路断面積を変更させるための可変絞り用油圧サーボモータ３０を設け、比例制御弁３１は、可変絞り用油圧サーボモータ３０への圧油の供給状態を制御するように構成しているので、閉側排油通路２５の通路断面積を変更し得る構造を簡易且つ低コストで実現可能となる。
【００７０】
また、閉側排油通路２５における圧油の排出方向で見て閉側可変絞り２９よりも下流側に、所定の通路断面積を有する閉側固定絞り２８を設け、この閉側固定絞り２８における通路断面積が、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大の状態にてガイドベーン１１が全開から全閉まで閉鎖された場合に、ガイドベーン１１の閉鎖速度が、水圧管８の水圧が水圧管８の降伏応力を超えないような閉鎖速度（第１速度（５秒／１００％））となるように設定されているので、閉側可変絞り２９の通路断面積が最大の状態にて故障した場合においても、ガイドベーン１１が閉側固定絞り２８における通路断面積に対応した閉鎖速度（第１速度（５秒／１００％））にて閉鎖されるので、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の異常上昇、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度の異常上昇を抑制することができる。
【００７１】
また、水圧管８（ケーシング１０）内の水圧と保証値（Ｐｍａｘ）との差εが設定値ε１となると、水圧対応制御部５２による制御が選択され、あるいは、水車５（ランナ１２）の回転速度と保証値（Δｎｍａｘ）との差ｎが設定値ｎ１となると、回転速度対応制御部５１による制御が選択されるので、１号機及び又は２号機をガイドベーン１１の開度が５０％の状態で水車負荷遮断がなされた場合、あるいは、１号機のみガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断がなされた場合のように、負荷が低い状態にて水車負荷遮断された場合には、ガイドベーン１１を全閉とするまでの期間が短くなり、速やかにガイドベーン１１を閉鎖することができる。この結果、過渡現象の収束も早くなり、次の起動指令に対する待機状態に迅速に移行することができると共に、水車５の信頼性の低下を抑制することができる。なお、負荷が低い状態にて水車負荷遮断された場合には、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧の上昇代には、１号機及び２号機をガイドベーン１１の開度が１００％の状態で水車負荷遮断した場合に比して、余裕があり、ガイドベーン１１の閉鎖速度を第１速度（５秒／１００％）としても、水車５（ランナ１２）の回転速度及び水圧管８（ケーシング１０）内の水圧が、各々の保証値（Ｐｍａｘ），（Δｎｍａｘ）を越えることはない。
【００７２】
なお、本実施形態においては、第１制御部４１及び第２制御部４２を設け、第１切替え器４３により第１制御部４１による制御と第２制御部４２による制御のうち、いずれか一方の制御を選択し得るように構成しているが、第１制御部４１と第２制御部４２のうちいずれか一方のみを設け、比例制御弁３１を制御するように構成してもよい。
【００７３】
また、本実施形態においては、調速機１５又は比例制御弁制御部３２の各要素を個別に構成することとしているが、ディジタル式制御装置を用い、これらの要素を当該制御装置中のソフトウェアにて構成してもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、請求項１に記載の発電機用水車の調速機によれば、制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００７５】
また、請求項３に記載の発電機用水車の調速機によれば、制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【００７６】
また、請求項５に記載の発電機用水車の調速機によれば、切替え手段により第１制御手段による制御、あるいは、第２制御手段による制御が切替えられ、第１制御手段による制御に切替えられている際には、第１制御手段がガイドベーンの開度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、開度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。一方、第２制御手段による制御に切替えられている際には、第２制御手段が水圧管内の水圧及び水車の回転速度に応じて比例制御弁を制御することにより、可変絞り手段における通路断面積が変更されて、開側油室から配圧弁を介して排出される圧油の排出量が調整されるので、水圧管内の水圧及び水車の回転速度に対応した閉鎖速度にてガイドベーンが閉鎖されることになる。これにより、より適切な制御に切替えて、調速機の構成の複雑化、及び、コストの上昇を招くことなく、水車負荷遮断時における水圧管内の水圧上昇、あるいは、水車の回転速度上昇を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態が用いられた、水力発電所の全体構成図である。
【図２】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態を示す要部構成図である。
【図３】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態に含まれる、第１制御部における制御特性を示す図表である。
【図４】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態に含まれる、回転速度対応制御部における制御特性を示す図表である。
【図５】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態に含まれる、水圧対応制御部における制御特性を示す図表である。
【図６】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図８】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図９】本発明による発電機用水車の調速機の実施形態における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図１０】従来の発電機用水車の調速機における、ガイドベーン開度、水車の回転速度及び水圧管内の水圧の変化を示す図表である。
【図１１】従来の発電機用水車の調速機を示す要部構成図である。
【図１２】従来の発電機用水車の調速機における、ガイドベーンの閉鎖特性を示す図表である。
【符号の説明】
１…水力発電所、４…サージタンク、５…水車、６…発電機、８…水圧管、１０…ケーシング、１１…ガイドベーン、１２…ランナ、１５…調速機、１６…周波数検出器、１７…水圧検出器、２０…油圧サーボモータ、２０ａ…開側油室、２０ｂ…閉側油室、２１…配圧弁、２３…圧油供給通路、２４…開側排油通路、２５…閉側排油通路、２６…第１位置検出器、３０…可変絞り用油圧サーボモータ、３０ａ…開側油室、３０ｂ…閉側油室、３１…比例制御弁、３１ａ…スプール弁、３２…比例制御弁制御部、３３…第２位置検出器、４１…第１制御部、４２…第２制御部、４３…第１切替え器、４４…演算増幅器、４５…開閉器、５１…回転速度対応制御部、５２…水圧対応制御部、５３…第２切替え器、６１…負荷設定器、６２…周波数設定器、６３…ＰＩＤ演算部、６８…速度変換部、６９…切替え器、７１…保証値設定器、７２…速度変換部、７４…保証値設定器、７５…速度変換部、７６…速度変換部、１００…調速機、１０１…油圧サーボモータ、１０１ａ…開側油室、１０１ｂ…閉側油室、１０２…配圧弁、１０３…位置検出器、１０４…第１排出通路、１０５…第２排出通路、１０６…第１閉側絞り、１０７…第２閉側絞り、１０８…第１電磁ソレノイド弁、１０９…第２電磁ソレノイド弁。
Claims (6)
- 開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、
前記開側油室に圧油を供給すると共に前記閉側油室から圧油を排出する状態と前記開側油室から圧油を排出すると共に前記閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、前記油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、
通路断面積が変更されることにより、前記開側油室から前記配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、前記ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、
前記可変絞り手段における前記通路断面積を変更する比例制御弁と、
前記水車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記水車より上流側の水圧管内の水圧を検出する水圧検出手段と、
前記回転速度検出手段及び前記水圧検出手段からの出力信号に応じて、前記比例制御弁を制御する制御手段とを有し、
さらに、前記制御手段は、
前記回転速度検出手段にて検出された前記水車の回転速度と所定の設定値との差に基づいて、前記差の小さい場合には大きい場合に比して前記ガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように前記比例制御弁を制御する回転速度対応制御部と、
前記水圧検出手段にて検出された前記水圧管内の水圧と所定の設定値との差に基づいて、前記差が大きい場合には小さい場合に比して前記ガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように前記比例制御弁を制御する水圧対応制御部と、
前記回転速度検出手段にて検出された前記水車の回転速度に応じて、前記回転速度対応制御部による制御と前記水圧対応制御部による制御とを切替える制御部切替え手段とを有していることを特徴とする発電機用水車の調速機。 - 開側油室と閉側油室とを有し、水車のガイドベーンを開閉作動させる油圧サーボモータと、
前記開側油室に圧油を供給すると共に前記閉側油室から圧油を排出する状態と前記開側油室から圧油を排出すると共に前記閉側油室に圧油を供給する状態とを切替えて、前記油圧サーボモータを制御する配圧弁とを備えた発電機用水車の調速機であって、
通路断面積が変更されることにより、前記開側油室から前記配圧弁を介して排出される圧油の排出量を調整して、前記ガイドベーンの閉鎖速度を制御する可変絞り手段と、
前記可変絞り手段における前記通路断面積を変更する比例制御弁と、
前記ガイドベーンの開度を検出するガイドベーン開度検出手段と、
前記水車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記水車より上流側の水圧管内の水圧を検出する水圧検出手段と、
前記ガイドベーン開度検出手段からの出力信号に応じて、前記比例制御弁を制御する第１制御手段と、
前記回転速度検出手段及び前記水圧検出手段からの出力信号に応じて、前記比例制御弁を制御する第２制御手段と、
前記第１制御手段による制御と前記第２制御手段による制御とを切替える切替え手段とを有していることを特徴とする発電機用水車の調速機。 - 前記第１制御手段は、
前記ガイドベーンの開度が所定の第１開度に到達するまでの間、所定の第１速度にて前記ガイドベーンを閉鎖し、前記ガイドベーンの開度が前記第１開度から所定の第２開度に到達するまでの間、前記第１速度より遅い所定の第２速度にて前記ガイドベーンを閉鎖し、更に、前記ガイドベーンの開度が前記第２開度から全閉となるまでの間、前記第２速度より遅い所定の第３速度にて前記ガイドベーンを閉鎖するように、前記比例制御弁を制御することを特徴とする請求項２に記載の発電機用水車の調速機。 - 前記第２制御手段は、
前記回転速度検出手段にて検出された前記水車の回転速度と所定の設定値との差に基づいて、前記差の小さい場合には大きい場合に比して前記ガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように前記比例制御弁を制御する回転速度対応制御部と、
前記水圧検出手段にて検出された前記水圧管内の水圧と所定の設定値との差に基づいて、前記差が大きい場合には小さい場合に比して前記ガイドベーンの閉鎖速度が早くなるように前記比例制御弁を制御する水圧対応制御部と、
前記回転速度検出手段にて検出された前記水車の回転速度に応じて、前記回転速度対応制御部による制御と前記水圧対応制御部による制御とを切替える制御部切替え手段とを有していることを特徴とする請求項２に記載の発電機用水車の調速機。 - 前記可変絞り手段は、通路断面積を変更する可変絞り部と、前記可変絞り部の前記通路断面積を変更させる可変絞り用油圧サーボモータとを有しており、
前記比例制御弁は、前記可変絞り用油圧サーボモータへの圧油の供給状態を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電機用水車の調速機。 - 前記可変絞り手段よりも前記開側油室からの圧油の排出方向で見て下流側に設けられ、前記ガイドベーンが所定の速度にて閉鎖されるように通路断面積が規定された固定絞り部を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電機用水車の調速機。
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