JPH01200064A - 水車の制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水力発電所の水車制御装置に係り、特に電動サ
ーボモータを用いた調速機の改良に関する。

〔従来の技術〕

従来一般に、水車の調速機の駆動源には、油圧サーボモ
ータが用いられている。しかし、油圧サーボモータは油
を作動流体として用いるものであるため、その付属設備
（配圧弁、配管等）が大間りなものとなり、また油漏れ
に対するメンテナンスが必要となる。そこで、最近では
メンテナンスが簡単で、制御性のよい電動サーボモータ
が用いられる傾向にある。

第４図に電動サーボモータを用いた従来の水・車制御系
の例をブロック図で示す、この第４図に示すように、ス
ピードレギュレータ１には系統負荷に見合う速度設定信
号Ｃおよび速度検出器７からの速度フィードバック信号
Ｎが入力される。スピードレギュレータ１は速度設定信
号Ｃと実際の速度フィードバック信号Ｎとの偏差をゼロ
に修正する制御信号を出力し、ドライバ２を介して電動
サーボモータ３に与える。電動サーボモータ３は与えら
れた制御値に対応する操作量だけ回転して水車４の水口
開閉ａ構（図示せず）を操作する。

ここで、従来の電動サーボモータ３とその動力伝達機構
の例を第５図に示す、すなわち、電動サーボモータ３の
回転軸には小歯車２０が取付けられ、これに大歯車２１
が歯合している。大歯車２１の回転軸２２にはねじ部２
２ａが設けられ、このねじ部２２ａが操作アーム１０に
連結された操作量２３のスライダ２４に螺合している。

このように電動サーボモータ３の回転力は小歯車２０、
大歯車２１を介して回転軸２２に伝達され、かつスライ
ダ２４により直線運動に変換されて操作アアーム１０の
俯仰位置を調整するようになっている。

この操作により、水口の開度が調節され、対応する流量
の水が水車４のランナに供給されて発電機６が回転する
。実際には系統負荷に接続されて運転されるので、対応
する負荷分が損失分として加算要素５に与えられる。こ
のようにして調節された発電機６の回転速度は速度検出
器７により検出され、そのフィードバック信号Ｎがスピ
ードレギュレータ１に帰還されて上記制御動作が引き続
き行なわれる。

〔発明が解決しようとする課題〕 上述したように、電動サーボモータ３にはスピードレギ
ュレータ１からの制御信号をドライバ２を介して与えら
れる。この制御時において、電動サーボモータ３に要求
される操作力は水口の開度や操作方向によっても異るが
、水車容量が増大するほど大きくなる。また安全上から
自動閉鎖するよう特別に閉鎖力を付加する構成とすると
、その付加された分だけさらに操作力が必要となる。

一方、電動サーボモータ３に要求される操作速度の最大
値は、負荷が急減したときの速度上昇と水口閉鎖に伴う
水圧上昇などの許容値によって決まってくるが、速度お
よび水圧の上昇値は水力設備の安全とコストに深いかか
わりがあるので水圧値が許容される範囲で急速に閉鎖し
て水圧値を低く押える必要がある。

しかし、電動サーボモータ３の操作力と操作速度とは互
に相矛盾する関係にあり、操作力を大きくしようとする
と操作速度を低下せざるを得す、逆に操作速度を大きく
とろうとすると操作力を小さくせざるを得ない。

このことを、電動サーボモータ３に付設された動力伝達
機構の点からみると、小歯車２０と大歯車２１の減速比
は操作速度の最大値によって決まり、操作速度が早いほ
ど減速比が小さくなり、その分を補うためには大きな操
作力を出力しうる大容量の電動サーボモータが必要とな
る。しかし、電動サーボモータには応答性が良い特殊な
制御電動機が使用されるので電動機の容量に制限がある
。

したがって、閉鎖速度が早くなると設備費゛が増大し、
結局電動サーボモータは比較的小容量の水車にしか適用
できないという問題があった。

現在のところ、電動サーボモータ３の容量は７．５ｋｗ
程度までであるが、２０ｋｗ以上のものが開発されつつ
あり、電動サーボモータの普及は拡大しつつある。しか
し、水力発電所では信頼性の点、特に負荷しゃ断時の安
全性確保の面から、電動サーボモータ３の非常用駆動電
源としてバッテリ電源を備える必要があり、電動サーボ
モータのの大容量化は電源設備のコスト上昇、メンテナ
ンス等の点で問題となる。

そこで、本発明は小容量の電動サーボモータであっても
実用上差支えない応答性で大きな操作力を発揮すること
ができ、その適用範囲を拡大しうる水車制御装置を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための１段〕 上記従来の課題点を解決し、本発明の目的を達成するた
めに、本発明は、水車の回転速度が異常上昇した場合に
電動サーボモータの操作力を切離し、別に水口開閉操作
機構に付加した閉鎖力を作用せしめて水口を急速閉鎖さ
せるようにしたものである。

すなわち、本発明は、水車の水口開閉機構に連結され、
前記水車の速度検出値に応じて調速を行う電動サーボモ
ータと、前記電動サーボモータの駆動力を切離す遮断部
と、水口閉鎖速度制限装置とを備え、前記遮断部による
切離し動作時に前記水口開閉機構に附加した閉鎖力によ
り前記水口を閉鎖するようにした水車の制御装置におい
て、前記遮断部を水車の速度上昇の検出信号により動作
させるようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明のより具体的な態様では、前記遮断部の動
作点は水車の水口開度に応じて適宜変更可能とすること
ができる。

また、遮断部の動作により電動サーボモータの操作力が
切離されているときは、電動サーボモータに閉鎖信号の
みを与えるようにする。

〔作用〕

上記本発明の構成によれば、通常調速動作時においては
水車の速度検出値に応じて電動サーボモータにより調速
を行なう、水車の速度上昇時には速度検出信号に基づい
て遮断部の動作で電動サーボモータの操作力を切離し、
水口閉鎖機構に別途付加された閉鎖力をもって水口を閉
鎖する。

このように、通常調速時には電動サーボモータにより水
口の開閉操作を行ない、急速閉鎖時には水口開閉操作機
構に別途付加された閉鎖力をもって水口を急速開銀する
、というように役割分担を図る。このことにより電動サ
ーボモータにはそれ程の高速性は必要ではなくなり、そ
の結果、従来のような小容量の水車への適用に止まらず
活用範囲を拡げることができる。

〔実施例〕

次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に、本発明の実施例を示す。

第１図において、水車４の水口には水口を直接開閉する
ための水口開閉機構（詳細図示せず）の操作アーム８が
回動可能に設けられている。この操作アーム８の先端は
リンク９を介して鉛直方向に俯仰動作可能に設けられた
Ｌ字状の操作アーム１０に連結されている。この操作ア
ーム１０の先端には重錘１１が取付けられている。また
、操作アーム１０には調速操作部１２が連結されていて
調速動作に伴う水口開閉を行うべく操作アーム１０を上
下動（すなわち、鉛直方向に俯仰動作）させるようにな
っている、調速操作部１２はその底部においてベース１
３に回動可能に支承されている。また、ベース１３の開
放端は急閉鎖用レバー１４の突部１５上に係止されてい
る。急閉鎖用レバー１４はその下端において回動自在に
軸支され、上端は急閉鎖作用ソレノイド１６の伸縮ロッ
ド１７に連結されている。この急閉鎖用レバー１４は自
動復帰用スプリング１８により通常時に当該急閉鎖用レ
バー１４がベース１３側に位置するように付勢されてい
る。つまり、通常時にはベース１３が急閉鎖用レバー１
４の突部１５上に係止保持され、急閉鎖時には引き外さ
れて電動サーボモータ３の操作力を切離すことになる。

１９は急閉鎖用レバー１４の位置検出器となるリミット
スイッチである０以上の急閉鎖用レバー１４、突部１５
、急閉鎖用ソレノイド１６および自動復帰用スプリング
１８は電動サーボモータ３の操作力を急閉鎖時に切離す
ための遮断部を構成する。

上記調速操作部１２とソレノイド１６にはスピードレギ
ュレータ１からの制御信号が与えられ、ソレノイド１６
は急閉鎖時に、調速操作部１２は通常調速時にそれぞれ
作用するようになっている。

調速操作部１２は、従来と同様であり、第５図に示すよ
うに、電動サーボモータ３を駆動源とし、動力伝達ｍ構
を介して操作アーム１０に連結されている。すなわち、
電動サーボモータ３の回転軸には小歯車２０が取付けら
れ、これに大歯車２１が歯合している。大歯車２１の回
転軸２２にはねじ部２２ａが設けられ、このねじ部２２
ａが操作アーム１０に連結された操作部２３のスライダ
２４に螺合している。このように電動サーボモータ３の
回転力は小歯車２０、大歯車２１を介して回転軸２２に
伝達され、かつスライダ２４により直線運動に変換され
て操作アーム１０の俯仰位置を調整するようになってい
る。　　　　　゛ここで、小歯車２０と大歯車２１は電
動サーボモータ３の回転力を増幅する作用をなす、この
小歯車２０と大歯車２１のギヤ比により、水口開閉操作
速度と操作力が決定される。操作速度の最大値は負荷が
急減したときの速度上昇と閉鎖に伴う水圧管内の水圧上
昇の許容値によって決まる。この操作速度は、いわば調
速機の制御応答性を左右するものであるが、小容量のサ
ーボモータ３の回転力を有効に活用して大きな操作力を
得るためにはギヤ比をある程度大きくしなければならず
、ギヤ比を大きくとることは操作速度が遅くなるという
相反する結果を招くこととなる。

そこで、本発明の実施例においては、要求される大きな
速度の閉鎖は電動サーボモータ３以外の閉鎖手段（すな
わち、重錘）で行っているので電動サーボモータ３はそ
れ（急速閉鎖）以外の比較的ゆっくりした速度にするこ
とができ、その分だけ必要な操作力を多く得ることがで
きる０例えば操作力が２倍となっても急閉鎖時間が２．
５秒のとき電動サーボの操作時間を３０秒にできれば伝
達効率が変らないとして電動機容量は１／６となり同一
容量の電動機であれば６倍の操作力を得ることが可能と
なる。

再び、第１図にもどって、符号２５は閉鎖速度調整用の
液圧シリンダを示している。この液圧シリンダ２５は可
変絞り部２６を有し、可変絞り部２６を調整することに
より閉鎖速度を安全な値にすることが可能となっている
。ピストン２７の底部にはストッパ２８が設けられ、水
口の全閉位置においてシリンダ２５の底面に接触し、電
動サーボモータ３の全閉位置（操作桿２３が引込んだ位
置）において、ベース１３と急閉鎖用レバー１４の突部
１５との間に若干の間隙を設けて急閉鎖レバー１４の元
位置への復帰が円滑に行われるようになっている。

また、操作アーム１０にはワイヤ２つを介して水口開度
検出器３０が取付けられ、その検出信号Ｆがレギュレー
タ１に帰還されるようになっている。つまり、この検出
信号は電動サーボモータ３の位置信号と等価である。

次に、第２図、第３図を参照して動作を説明する。

まず、起動前の状態（第３図Ａ）では、電動サーボモー
タ１は操作桿２３を最小に引込ませて操作アーム８を全
閉位置に引きつけている。このとき急閉鎖用レバー１４
はスプリング１８により押されているので直立し、その
突出部１５上にベース１３が係止された状態となってい
る。また、液圧シリンダ２５のストッパ２８は当該シリ
ンダ２５の内底部に当接している。リミットスイッチ１
９はＯＦＦ　（開）となっている。

次に、起動時（第３図Ｂ）において、スピードレギュレ
ータ１に制御指令としての速度設定信号Ｃが与えられる
と、スピードレギュレータはその速度設定信号Ｃに対応
する制御信号Ｓを出力し、ドライバ２を介して電動サー
ボモータ３に与える。

これにより、電動サーボモータ３は水口開度を速度設定
信号Ｃに追従させるべく回転する。この回転力は小歯車
２０、大歯車２１を介して操作桿２３に伝えられる。こ
のとき、小歯］Ｉ２０と大歯車２１のギヤ比が適正に選
択されていることにより小容量の電動サーボモータ３で
も大きな操作力を出すことが可能となる。操作桿２３は
所定ストローク分操作アーム１０を押上げ、操作アーム
８を回動させる。これにより、所定量の水が水車４に与
えられ、水車４は起動される。

水車４が与えられた設定速度Ｃに達すると、水車４によ
り発電機６は系統負荷に並列投入され（第３図Ｃ）、そ
の負荷に見合うようにスピードレギュレータ１により電
動サーボモータ３、操作アーム１０、リンク９、操作ア
ーム８の経路で調整動作が行われる。この通常時での調
速動作は、スピードレギュレータ１がら回転速度検出器
７に至るフィードバックルーズにより電動サーボモータ
３を介して行われる。

次に、負荷が急減すると、発電機６の回転速度が急上昇
する（第３図Ｄ）、これを抑制するため、急閉信号Ｓ２
がソレノイド１６およびスピードレギュレータ１に入力
される。すると、ソレノイド６はスプリング１８の付勢
力に抗して急閉鎖用レバー１４を引きつける。なお、こ
の急閉鎖信号Ｓ２は水車の水口開度によって酷く継電器
Ｒにより断路するか、あるいは信号が通過できるレベル
を変え、無負荷開度附近では速度変動に鈍感になるよう
になっている。このとき、リミットスイッ千１つが閉じ
、ｍ電器Ｒ２が付勢されるのでスピードレギュレータ１
とドライバ２との間に設けられた接点３１が切替り、閉
鎖信号Ｓ１がドライバ２に入力され、電動サーボモータ
３は操作アーム１０が下降するように動作しようとする
。しかし、急閉摂用レバー１４が引きつけられることに
より、突部１５によるベース１３の係止が外れ、電動サ
ーボモータ３による操作力は遮断される。このとき、電
動サーボモータ３による操作力に代わって重錘１１の重
みにより操作アーム１０は調速操作部１２とともに下方
に急速に回動する。この回動は水口操作アーム８を急閉
鎖するように作用する。

との重錘１１による操作アーム１０の回動速度は調速操
作部１２の電動サーボモータ３による閉鎖速度よりも早
く、したがって水口閉鎖に寄与する操作力は主に重錘１
１の重みによるものである。

この状態を水口開度で比較すると、第３図に示すように
、重錘１１により閉鎖した場合の水口開度変化Ｗ（実線
）は電動サーボモータ３により閉鎖した場合の水口開度
変化Ｍ（破線）に比べて速いことがわかる。なお、この
ときの操作アーム１０の回動速度（急閉鎖速度）は液圧
シリンダ２５の可変絞り２６の調節によりか１整可能で
ある。

このようにして、−旦、電動サーボモータ３の操作力が
切離され、最初に重錘１１の作用により操作アーム１０
が下方に回動し、これとともに当該操作アーム１０に連
結されているベース１３は、−旦、床面近傍まで落下す
る。しかし、このとき電動サーボモータ３は依然として
操作部２３が下降するように作用しているので調速操作
部１２は自らを引上げる形で上昇する。そして、ベース
１３は急閉鎖レバー１４の突部１５の上方に若干の間隙
が生じる位置（調速操作部１２の全開位置に相当する。

）まで引き上げられ、その位置にて待機する。この若干
の間隙は液圧シリンダ２５のストッパ２８により確保さ
れることは先に述べた通りである。

水口の開度が開度比教値Ｘ１以下まで減少すると（第３
図Ｅ）、継電器Ｒ（第２図）が復帰してソレノイド１６
を解磁する。それによって急閉鎖レバー１４はスプリン
グ１８の付勢力により押しもどされる。電動サーボモー
タが全閉すると、突部１５がベース１３の下側に入り込
む、この位置が定まった状態でリミットスイッチ１９は
継電器Ｒ２を消勢して接点３１を通常の制御信号Ｓ側に
切替える。これにより、電動サーボモータ３は再びスピ
ードレギュレータ１の制御下に入って並列投入前の状態
（第３図Ａ）に復帰する。以下、同様の動作が繰返し行
われる。

なお、第２図において、Ｓ２は速度上昇時に継電器Ｒを
介してソレノイド１６に与えられる閉鎖信号を示してい
る。３２は閉鎖信号Ｓ２の増幅器である。閉鎖信号には
このほかに加速度、スピードレギュレータの閉鎖信号、
発電機の送電電力または電流の減少量と減少速度などが
ある。また、Ｘは速度上昇の上限値を定める速度上昇設
定値である。又、Ｓ３は電動サーボモータの故障および
他の急停止条件で急閉鎖するため、スピードレギュレー
タ１およびソレノイド１６に与える急停止信号を示して
いる。

以上を要約すると、通常の調速動作は小容量の電動サー
ボモータ３により調速制御を行うことができ、事故時等
における急閉鎖動作は重錘の力を借りて行うことができ
、かつ、急閉時には重錘１１および電動サーボモータ３
の双方が作用する。

発電所の安全を左右する閉動作についてみると、重錘１
１を用いた急速閉鎖装置は構造が簡単であるため、故障
が少なく、重力、水力など確実なエネルギで閉鎖可能で
ある。しかも、電動サーボモータ３と重錘１１で２１ｆ
化されているなめ信頼性を向上しうる。

さらに、水力発電所は制御用として蓄電池電源を備えて
おり、電動サーボモータも負荷遮断の停電に対応ずべく
この直流電力を使用することが少なくなく、ドライバ、
電動機などはこの電源の電圧に合せた特別なものにしな
ければならないし、電動機容量の増加に併い電源設備の
拡大が必要になるなど、コストの増大を招いていたが、
小容量の電動サーボモーターでよく、さらに負荷しゃ断
接、停電が回復するまで停止する発電所では急閉鎖用ソ
レノイド１６だけを直流操作すれば良いので電源設備も
小型で済み、設備費の低減ができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、−急速閉鎖時に
おいては電動サーボモータとは別に設けられたｒＡ鋳方
力付加手段より水口操作アームを駆動するので、電動サ
ーボモータ自身の負担は少なくてよく、通常調速動作時
においては許容しうる制御応答性で必要な水口操作力を
得ることができ、その結果小容量の電動サーボモータで
大容量の水車の制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る水車の制御装置の全体構成を示す
構成図、第２図は本発明に係る水車の制御装置の制御ブ
ロック図、第３図はその制御動作を示すタイムチャート
、第４図は従来の水車の制御装置のｆｌｉｌＪｌｌ＋ブ
ロック図、第５図は一般に水車制御装置に用いられる電
動サーボモータによる調速操作部の詳細を示す要部拡大
断面図である。 １・・・スピードレギュレータ、３・・・電動サーボモ
ータ、４・・・水車、６・・・発電機、７・・・速度検
出器、１０・・・操作アーム、１１・・・重錘、１２・
・・調速操作部、１３・・・ベース、１４・・・急閉鎖
用レバー、１５・・・突部、２０・・・小歯車、２１・
・・大歯車、２２・・・回転軸、２２ａ・・・ねじ部、
２３・・・操作部、Ｓ・・・調速制御信号、Ｓｌ・・・
急閉信号、Ｓ３・・・急停止信号、Ｃ・・・速度設定信
号、Ｎ・・・速度フィードバック信号。 出願人代理人　　石　　川　　泰　　男第　　５　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水車の水口開閉機構に連結され、前記水車の速度検出値
   に応じて調速を行う電動サーボモータと、前記電動サー
   ボモータの駆動力を切離す遮断部と、水口閉鎖速度制限
   装置とを備え、前記遮断部による切離し動作時に前記水
   口開閉機構に附加した閉鎖力により前記水口を閉鎖する
   ようにした水車の制御装置において、 前記遮断部を水車の速度上昇の検出信号により動作させ
   るようにしたことを特徴とする水車の制御装置。