(57)【要約】【課題】簡単な構成で水車の回転速度を連続的に高精度で行うことのできる調速機を提供すること。【解決手段】水車のランナ６８の外周に配置され、ランナ６８に流入される水量を調節するガイドベーン６２と、ガイドベーン６２の開度調整を一斉に行う油圧サーボ機構６０と、油圧サーボ機構６０への圧油の供給調整をピストン弁５８ｆの往復直線運動によって行う配圧機構５８と、を有し、配圧機構５８のピストン弁５８ｆの移動制御をブラシレスモータ１２の回転制御によって行うように構成した。従って、フローティングレバー等の機械的な動きに見られる遊びやガタ等の問題は殆ど発生しないため、非常に簡単な構成で水車の回転速度の調整を連続的に高精度で行うことが可能となる。また、機構が簡単になるためメンテナンスも容易となる。【選択図】図１
2010007488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流によって回転される水車のランナの周囲に形成された水の流入通路に複数配置され、開度が調整されることで前記ランナへの水量を調節するガイドベーンと、
該ガイドベーンに連結され、該ガイドベーンの開度調整を一斉に行う油圧サーボ機構と、
該油圧サーボ機構への圧油の供給調整をピストン弁の往復直線運動によって行う配圧機構と、を有する調速機において、
前記配圧機構のピストン弁の前記往復直線運動の移動制御は駆動源であるブラシレスモータの回転制御によって行われることを特徴とする調速機。
【請求項２】
前記ブラシレスモータによる前記ピストン弁の前記往復直線運動の移動制御は、前記水車の慣性を考慮して定められた時間の関数に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の調速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調速機、特に水力発電における発電機水車の回転速度を調整する調速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電において、調速機は発電機水車（単に水車と記す）の回転速度若しくは回転数を調整する装置である。発電機負荷が一定であれば水車は規定回転速度で運転されるが、発電機負荷が変化すると水車の回転速度はその変化に応じて調整される。調速機は、その必要な調整分に応じて動作し、水車が所定の回転速度を保つように水車のランナの外周に配列されたガイドベーンを開閉させて、即ち流入通路の開度を変化させてランナに流入される水量を加減するように構成されている。
【０００３】
図３は、従来の調速機の概略構成図である。調速機５０は、コンバータ５２、負荷制限モータ５４、フローティングレバー５６、配圧機構５８、油圧サーボ機構６０等から構成される。電気的な制御信号Ｓがコンバータ５２により機械的な変位に変えられ、その変位により配圧機構５８、油圧サーボ機構６０を用いてガイドベーン６２の開度調整が行われるようになっている。以下、制御信号Ｓ、フローティングレバー５６の動作について説明する。
【０００４】
制御信号Ｓは、ガイドベーン６２の開度調整に関する電気信号であり、発電機負荷が変化すると生成される。制御信号Ｓの極性はガイドベーン６２を開方向又は閉方向に調整するときに変化させ、制御信号Ｓの強さはガイドベーン６２の開又は閉の程度に応じて変化させる。前述のように、ガイドベーン６２の開度調整により、流入通路の開度が変化し、開度に応じた水量がランナ６８に注入され、水車の回転速度が所定の回転速度になるように規制される。
【０００５】
コンバータ５２は、制御信号Ｓが入力されるとその極性及び強さに応じて、コンバータ５２のピストン軸５２ａの出し入れを行うように構成されている。制御信号Ｓの極性を変えるとピストン軸５２ａの移動方向が変わり、制御信号Ｓの強さに応じてピストン軸５２ａの移動量が変化する。
【０００６】
コンバータ５２のピストン軸５２ａの先端部Ｅ１は、配圧機構５８のピストン軸５８ａの先端部Ｅ２と、フローティングレバー５６を介して接続されており、それぞれの先端部Ｅ１、Ｅ２はフローティングレバー５６の途中位置に設けられた支点Ｏを中心にして、図３上では上下に連動するように構成されている。即ち、コンバータ５２のピストン軸５２ａの先端部Ｅ１が下に移動すると、配圧機構５８のピストン軸５８ａの先端部Ｅ２は上に移動し、所謂シーソー運動する。
【０００７】
フローティングレバー５６により、配圧機構５８のピストン軸５８ａが図３上の下方に移動すると、配圧機構５８のピストン弁５８ｆが移動し、配圧機構５８の入力管５８ｂから流入した圧油は、出力管Ｂ（５８ｄ）に流出される。その出力管Ｂ（５８ｄ）は油圧サーボ機構６０の入力部Ｂ（６０ｄ）に接続されているので、油圧サーボ機構６０のピストン軸６０ａは左に移動する。ここで、ピストン軸６０ａの先端部Ｅ３はガイドベーン開閉機構６２ａに接続されているのでガイドベーン６２は閉まることとなる。
【０００８】
上述のように、制御信号Ｓにより配圧機構５８のピストン軸５８ａの先端部Ｅ２が移動すると、ガイドベーン６２が開又は閉方向に動くが、回転している水車は慣性を持ち、回転速度の増加又は減少はガイドベーン６２の開閉動作よりも遅れるため、フローティングレバー５６の支点Ｏの位置をそのままにしておくと、ガイドベーン６２は閉じ過ぎ又は開き過ぎとなる。この様な状態では、水車の回転速度が一旦減少又は増加した後に、調速機５０が再び増加又は減少させる方向に動作するため具合が悪い。
【０００９】
そこで、フィードバック部６４により、フローティングレバー５６の支点Ｏの位置を変えて配圧機構５８を一旦遮断し、ガイドベーン６２が適切に開又は閉となったときに、フローティングレバー５６の支点Ｏの位置を元に戻し、ガイドベーン６２が閉じ過ぎ又は開き過ぎとならないように制御している。例えば、フローティングレバー５６により配圧機構５８のピストン軸５８ａの先端部Ｅ２が上げられた場合、適切な時間経過後に支点Ｏを下げ、配圧機構５８の動作を一旦遮断し、その後支点を元に戻しつつ制御信号Ｓの強さを変えることで、ガイドベーン６２が閉じ過ぎ又は開き過ぎとならないようにしている。
【００１０】
なお、フローティングレバー５６の支点Ｏに接続されている負荷制限モータ５４によっても支点Ｏの位置が変えられる構成を有しており、例えば、負荷制限モータ５４により支点Ｏが上げられるとガイドベーン６２は閉じる方向に動作し、水車の回転速度は遅くなるように設定される。即ち、負荷制限モータ５４によって発電機の負荷が制限されることとなる。
【００１１】
以上で説明したように、従来の調速機５０は、制御信号Ｓに基づいて設定されるフローティングレバー５６の機械的な動きによってガイドベーン６２の開度を調整する構成になっている。なお、フローティングレバーを省略した調速機の構成例として特許文献１を挙げることができる。この特許文献１の調速機は、電気信号を機械的な変位に変化する制御器と、機械的な変位を増幅する作動ピストン部と、増幅された機械的な変位が直接入力され、水車のガイドベーンを開閉する油圧サーボ機構に供給する圧油の流量を制御する配圧機構とを備えている。従って、ガイドベーンの開閉機構を動かす配圧機構はフローティングレバーの機械的な動きではなく、作動ピストン部のピストンの動きにより制御される構成を有している。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２０７９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術の図３に示したようなフローティングレバーの機械的な動きにより配圧機構を制御する方法は、構成部品が多く、複雑な構成を有している。然も、フローティングレバーの機械的な動きには、所謂遊びやガタ等が存在し、水車の回転速度を連続的に高精度で制御することが難しいという問題があった。更に、構成が複雑な故に、保守点検は熟練者でないと難しいという問題もあった。
【００１４】
一方、特許文献１の構成においては、配圧機構を直接に制御器で制御することが不可能なために増幅器として作用する作動ピストン部が必要不可欠であり、従って構成が簡単とは言えない。また、電気信号が機械的な動きに変換され、その機械的な変位によって配圧機構を制御しているので、フローティングレバーを用いた制御と基本的に同じであって、機械的な可動部は減っているものの機械的な動きに伴う遊びやガタ等により水車の負荷を連続的に高精度に制御することは難しいと考えられる。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で水車の回転速度調整を連続的に高精度で行うことのできる調速機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の調速機は、
水流によって回転される水車のランナの周囲に形成された水の流入通路に複数配置され、開度が調整されることで前記ランナへの水量を調節するガイドベーンと、該ガイドベーンに連結され、該ガイドベーンの開度調整を一斉に行う油圧サーボ機構と、該油圧サーボ機構への圧油の供給調整をピストン弁の往復直線運動によって行う配圧機構と、を有する調速機において、前記配圧機構のピストン弁の前記往復直線運動の移動制御は駆動源であるブラシレスモータの回転制御によって行われることを特徴とする。
【００１７】
斯かる構成を採用することにより、ガイドベーンに連結され、ガイドベーンの一斉開度調整を行う油圧サーボ機構への圧油の供給調整を行う配圧機構のピストン弁の往復直線運動の移動制御は、ブラシレスモータの回転制御によって行われるので、コンバータ、負荷制限モータ、フローティングレバー、フィードバック部は不要となり、機械的な動きに見られる遊びやガタ等の問題は殆ど発生しない。従って、非常に簡単な構成で水車の回転速度の調整を連続的に高精度で行うことが可能である。また、保守管理についても調速機の構成が簡単になり、特に熟練者でなくても行うことが可能である。
【００１８】
更に、配圧機構の容量に応じてブラシレスモータの容量を選択できるため、補助配圧機構を必要とする複雑な構成を避けることが可能である。即ち、配圧機構の容量が大きくても補助配圧機構を設ける構成は必要でなく、最適なブラシレスモータを選択すれば良いので、全体構成を簡単にすることが可能である。但し、ブラシレスモータの容量が限られている場合には、補助配圧機構が必要な場合もある。
【００１９】
請求項２に記載の調速機は、請求項１に記載の調速機において、
前記ブラシレスモータによる前記ピストン弁の前記往復直線運動の移動制御は、前記水車の慣性を考慮して定められた時間の関数に基づいて行われることを特徴とする。
【００２０】
従って、発電機負荷が変化したときに、その後に必要とされる配圧機構のピストンの移動量Ｓは、水車の慣性を考慮に入れて経過時間Ｔと共に適宜に設定されるので、ガイドベーンを開け過ぎ又は閉め過ぎることがなく、また所謂ハンチング、レーシング、ジャンピングが発生しないように適切に決められる。従って、水車の速度を連続的に高精度に制御することが可能である。なお、時刻Ｔと必要な移動量Ｓとの関係は、数式で表されるのが好ましいが、移動量Ｓが表で与えられても良い。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の調速機によれば、ガイドベーンの開度調整を一斉に行う油圧サーボ機構を制御する配圧機構のピストン弁の移動制御は、ブラシレスモータの回転制御によって行われるので、フローティングレバー等の機械的な移動に伴うガタや遊びが殆どなく、簡単な構成で水車の回転速度の調整を連続的に高精度に行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を、以下図面を参照しながら詳述する。図１は、本発明の調速機の概略構成図である。調速機１０は、ブラシレスモータ１２、配圧機構５８、油圧サーボ機構６０等から構成される。従来の調速機の構成から、コンバータ、負荷制限モータ、フローティングレバー、フィードバック部を取り除き、配圧機構５８のシリンダ軸５８ａにブラシレスモータ１２を取り付け、ピストン弁５８ｆの移動制御をブラシレスモータ１２の回転制御により行う構成になっている。
【００２３】
ブラシレスモータ１２は、その名の通りブラシがないモータである。通常のブラシモータは、機械的にプラスマイナスを反転させ、流す電力で出力を制御しており、ブラシとコミュニテータとの接触により摩擦が生じて寿命が或程度定まっている。しかし、モータの構造は部品点数が多く複雑であるが、制御は流す電流で制御すれば良いので比較的簡単であるという特徴がある。一方、ブラシレスモータ１２は、構造的には３相の交流モータに類似しており、比較的簡単な構造で部品点数も少なく、摩擦が発生する部分は軸受けのみであり、ブラシモータに比べ寿命が格段に長い。更に、摩擦も特に少ないため、効率が良い。しかし、制御はブラシモータの機械式に対し、電気的にプラスマイナスを反転させる必要があるため複雑であり、コンピュータ等により制御されるのが一般的である。
【００２４】
ブラシレスモータ１２と配圧機構５８のピストン軸５８ａの先端部Ｅ２との接続は、通常の回転運動を往復直線運動に変える機構を用いて行うことができる。例えば、各種のギア等を用いることができる。ここで、ブラシレスモータ１２の回転がギア等の機構を用いて往復直線運動に変えられ、配圧機構５８のピストン弁５８ｆの移動を制御するように構成されるので、厳密に言えばギア等による機械的なガタや遊びが存在することになるが、フローティングレバーを用いた従来の構成に比べれば、ガタや遊びは遙に少ない構成になっている。
【００２５】
また、ブラシレスモータ１２により配圧機構５８のピストン弁５８ｆを移動させるために、それに応じた最適な出力を有するブラシレスモータ１２を選択する必要がある。ブラシレスモータ１２の出力容量、規格等については数多くあり、制御する配圧機構５８の容量に応じて適宜選択することが可能である。従って、配圧機構５８の容量に応じてブラシレスモータ１２の容量を選択できるため、補助配圧機構を必要とする複雑な構成を避けることが可能である。即ち、配圧機構５８の容量が大きくても最適なブラシレスモータ１２を選択すれば補助配圧機構を設ける構成は必要でなく、全体構成を簡単にすることが可能である。
【００２６】
ここで、ブラシレスモータ１２により配圧機構５８のピストン軸５８ａを移動させると、配圧機構５８のピストン弁５８ｆが移動し、配圧機構５８の入力管５８ｂから供給された圧油が、出力管Ａ（５８ｃ）又は出力管Ｂ（５８ｄ）の何れか一方に流出される。出力管Ａ（５８ｃ）は油圧サーボ機構６０の入力部Ａ（６０ｃ）に接続されており、出力管Ｂ（５８ｄ）は油圧サーボ機構６０の入力部Ｂ（６０ｄ）に接続されている。
【００２７】
入力部Ａ（６０ｃ）から圧油が供給されると油圧サーボ機構６０のピストン弁６０ｂは図１上で右に移動し、ピストン軸６０ａも右に移動する。ピストン軸６０ａの先端部Ｅ３にはガイドベーン６２の開閉機構６２ａが連結されており、ピストン軸６０ａが右に移動した結果としてガイドベーン６２は開動作を行うこととなる。一方、入力部Ｂ（６０ｄ）から圧油が供給されると油圧サーボ機構６０のピストン弁６０ｂは図上で左に移動し、ピストン軸６０ａも左に移動する。その結果として、ガイドベーン６２は閉動作を行うこととなる。
【００２８】
なお、ガイドベーン６２はケーシング６６内、主軸７０に直結された水車のランナ６８の外周に配置されており、主軸７０には発電機（図示していない）が接続されている。前述のように、ガイドベーン６２の開度を大きくするとランナ６８に流入される水量が多くなり、水車の回転速度は上がることとなる。なお、ランナ６８に流入した水は吸出菅７２を介して排出される。
【００２９】
上述の油圧サーボ機構６０のピストン軸６０ａの先端部Ｅ３に接続されているガードベーンの開閉機構６２ａ、その機構により開閉されるガイドベーン６２は図３と同様であり、また、ガイドベーン６２によって調整された水量が流入するランナ６８やランナ６８に直結されている主軸７０、主軸７０に接続されている発電機（図示していない）等も図３と同様である。
【００３０】
次に、図２は、本発明の調速機の制御フローの一例である。水車が一定の回転速度で回転していた場合に、発電機負荷が変化した場合を想定している。変化した発電機負荷に対して必要な回転速度（所定の回転速度）をＶとする。まず、水車の回転速度が計測される（ステップＳ１）。その回転速度が所定の回転速度か否か判別され（ステップＳ２）、所定の回転速度であれば所定時間経過するのを待って（ステップＳ３）再び回転速度が計測される。所定の回転速度でない場合には、配圧機構５８のピストン弁５８ｆの設定時間内の必要な移動量Ｓ、即ちＳ−Ｔ曲線を設定する（ステップＳ４）。このＳ−Ｔ曲線により、設定時間Ｔｐ内で所定の回転速度Ｖになるように、ピストン弁５８ｆの必要な移動量Ｓが、現時点での時刻を０として、時刻０〜Ｔｐの間で設定される。この必要な移動量Ｓは、水車の慣性を考慮に入れて、所謂ハンチング、レーシング、ジャンピングが発生しないように適切に決められる。
【００３１】
ここで、Ｔ−Ｓ曲線内には、従来の負荷制限モータの作用を含めることも可能である。即ち、負荷を制限する必要が生じた場合には、水車がそれに応じた所定の回転速度になるように、その情報をＴ−Ｓ曲線に含めることができる。
【００３２】
そして、ブラシレスモータ１２の回転制御により、配圧機構５８のピストン弁５８ｆの移動制御が行われる（ステップＳ５）。具体的には、時刻Ｔに対して配圧機構５８のピストン弁５８ｆの必要な移動量が決められているので、その移動を完了するまで、ブラシレスモータ１２は配圧機構５８のピストン弁５８ｆの制御を行う。その後、時刻Ｔが設定時間Ｔｐ内かどうか判別され（ステップＳ６）、時刻Ｔが設定時間Ｔｐより小さい又は等しい場合には、再度ブラシレスモータの制御を上記のＳ−Ｔ曲線に応じて行う。時刻Ｔが設定時間Ｔｐ以上の場合には、調速機１０の制御を中止するかどうかを判別し（ステップＳ７）、調速機１０の制御を中止する場合を除いて、再度速度計測が行われ上記と同様の制御が繰り返される。通常は上記のループを繰り返して制御が行われ、異常等が発生した場合及びその他の必要に応じて調速機１０の制御が中止される。
【００３３】
なお、配圧機構５８のピストン弁５８ｆの必要な移動量Ｓと時刻Ｔとの関係、即ちＳ−Ｔ曲線は、時刻０〜Ｔｐの範囲内でＳを一定とすることはなく、水車の慣性を考慮に入れて、またガイドベーン６２が開き過ぎ又は閉じ過ぎないように、例えば時間Ｔに反比例するように、又はＴの自乗に反比例するように設定することができる。更に、移動量Ｓを時刻Ｔに関して複雑な関数で設定することも可能である。なお、移動量Ｓの時刻Ｔに対する表を作成しておき、バッチ処理的に移動制御することも可能である。このようにして、調速機１０は水車の回転速度を連続的に高精度で制御することが可能である。
【００３４】
上記の実施の形態に係る調速機によれば、従来の調速機の構成から、コンバータ、負荷制限モータ、フローティングレバー、フィードバック部を取り除き、配圧機構のピストン弁の往復直線運動の移動制御をブラシレスモータの回転制御により行う構成になっているため、簡単な構成で水車の回転速度を連続的に高精度に行うことが可能である。更に、構成が簡単な故に、保守点検も熟練者でなくとも行うことが可能あり、メンテナンス費用を削減することが可能である。
【００３５】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、油圧サーボ機構を制御するのに配圧機構は１台である構成を示したが、容量の小さなブラシレスモータを用いる場合には配圧機構を２台で構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の調速機の概略構成図である。
【図２】本発明の調速機の制御フローの一例である。
【図３】従来の調速機の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１２  ブラシレスモータ
５２  コンバータ
５４  負荷制限モータ
５６  フローティングレバー
５８  配圧機構
５８ｆ  ピストン弁
６０  油圧サーボ機構
６２  ガイドベーン
６８  ランナ
【図１】
2010007488.tif 000003
【図２】
2010007488.tif 000004
【図３】
2010007488.tif 000005