(57)【要約】【課題】水力発電所の水車調速機において、電気−機械コンバータ５に接続されたパイロット弁８が操作油中の異物による起動時固渋が発生し制御不能になることを抑制することを目的とする。【解決手段】水車停止中、水車調速機が周波数応答的に追従できる周波数（１０Ｈｚ以下）で電気−機械コンバータ５に接続されたパイロット弁８を強制的に開閉させ油を水車運転中と同様に流れるようにすることで油中異物が堆積することを抑制して水車起動時の動作不良を防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を機械信号に変換するコンバータと、
該コンバータにより駆動され油圧を切り替えるパイロット弁と、
該パイロット弁の油圧切り替え動作により移動制御されるメーンプランジャーを有し、該メーンプランジャーの移動により油圧を水車のガイドベーン駆動機器に供給又はガイドベーン駆動機器から排油する主配圧弁とを備え、
前記水車停止中、前記メーンプランジャーを所定の閉位置に保持した状態で、前記パイロット弁が周波数応答的に追従可能な周期で該パイロット弁を前記コンバータにより強制的に開閉駆動することを特徴とする水車調速機。
【請求項２】
電気信号を機械信号に変換するコンバータと、
該コンバータにより駆動され油圧を切り替えるパイロット弁と、
該パイロット弁の油圧切り替え動作により移動制御されるメーンプランジャーを有し、該メーンプランジャーの移動により油圧を水車のガイドベーン駆動機器に供給又はガイドベーン駆動機器から排油する主配圧弁と、
前記コンバータに制御信号を与える調速機制御装置とを備えた水車調速機において、
前記調速機制御装置は、前記水車停止信号及び前記ガイドベーン駆動機器の全閉信号の受けて、前記パイロット弁が周波数応答的に追従可能な周期で該パイロット弁を開閉駆動する信号を前記コンバータに与える開閉信号発生装置を備えることを特徴とする水車調速機。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記パイロット弁を開閉駆動させる周期は１０Ｈｚ以下である水車調速機。
【請求項４】
請求項１又は２において、水車起動時、前記メーンプランジャーの位置が全開位置にあること検出した場合、水車を停止させるようにした水車調速機。
【請求項５】
電気信号を機械信号に変換するコンバータ、
該コンバータにより駆動され油圧を切り替えるパイロット弁、
該パイロット弁の油圧切り替えにより移動制御されるメーンプランジャーを有し、該メーンプランジャーの移動により油圧を油圧駆動機器に供給又は油圧駆動機器から排油する主配圧弁を備え、
前記メーンプランジャーを所定の位置に保持した状態で、前記パイロット弁が周波数応答的に動作可能な周期で前記コンバータにより前記パイロット弁を開閉駆動させるようにした油圧式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車調速機に係り、特に、電気信号を機械信号に変換するコンバータを有した油圧操作の水車調速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用水車の回転速度の制御には水車調速機が使用されている。水車調速機用アクチュエータの駆動方式には油圧により制御する方式と電動で制御する二種類の制御方式がある。
【０００３】
電動式アクチュエータは比較的小型の水車に約２０年程度前から適用されている。それ以前に製作された調速機及び大型の水車の制御には油圧式アクチュエータが採用されている。国内外の水力発電所のほとんどの調速機は、油圧式アクチュエータが採用されている。
【０００４】
油圧式アクチュエータの操作油としてはタービン油が使用されている。水力発電所の場合、操作油であるタービン油の交換周期は規定されておらず、交換するか否かに関してはエンドユーザの判断によっているのが実情である。このため、ある程度運転された発電所では、油圧機器の摺動摩耗粉や空気に触れることによる酸化などの影響で操作油が汚れた状態で機器を動作させている状態にある。
【０００５】
他方、近年デジタル機器の発展で水車調速機もデジタル式に切り替わってきており追従性，制御性の向上が図られている。また、この追従性，制御性の向上は、上述する操作油の異物に対しても敏感となり、動作不良を起こしやすくなることにつながる。
【０００６】
この対策としては、アクチュエータ用制御油圧の入口にストレーナを設置してゴミを除去する、静電浄油器により異物を除去する、マグネットを集油タンクにいれて金属粉を除去するなどの対策がとられている。また、パイロット弁が異物により固渋することを防止するため、電気−機械コンバータに微振動を常時与え、パイロット弁も常時微振動させる対策がなされている。この微振動は、周波数１００Ｈｚから２００Ｈｚである。
【０００７】
尚、微振動を与えて弁が固渋することを抑制するものとしては特許文献１〜６に記載のようなものがある。
【０００８】
【特許文献１】実開昭５７−１１３１０号
【特許文献２】実開昭５８−８２４８０号
【特許文献３】実開平０２−６１１８７号
【特許文献４】実用新案登録第２５７７４５８号
【特許文献５】特許第２６９３６００号
【特許文献６】特開平０９−１３７７７１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
水車運転中においては、制御信号によりパイロット弁が制御され、長時間パイロット弁が停止して油圧を切り替えないことはないため、油中の異物がパイロット弁周辺に沈殿堆積することはない。このため、微振動を与えてパイロット弁をわずかに動作することで固渋を防止することができる。また、水車停止中、即ちパイロット弁がある位置に停止している状態においても、微振動を与えることによりパイロット弁自身の固渋は防止できる。
【００１０】
しかし、油圧式アクチュエータの周波数応答は約１０Ｈｚ程度であることから、周波数の大きな信号を与えても周波数応答的に追従できず、現状の位置でほとんどストロークすることなく振動する状態である。周波数応答的に追従できないことからパイロット弁が動作し油圧を切り替えることがない。このため、油中の異物がパイロット弁周辺に沈殿堆積し、次の水車起動時にパイロット弁が動作できず起動渋滞に発展する可能性がある。
【００１１】
また、機械的な固渋等によりアクチュエータが動作不能となったことを検出する保護機能としては、指令信号に対するガイドベーンサーボモータの帰還信号との偏差が規定値以上、一定時間継続で保護出力し、水車を停止させる保護装置はあったが、水車起動時に限定すると従来の保護装置ではカバーしきれない部分がある。即ち、起動時は系統に並列する前であり、ガイドベーンサーボモータが指令信号より過開すると短時間のうちに過速度状態まで回転速度が上昇し、水車及び水車に接続された発電機に重大な損傷を及ぼす可能性がある。
【００１２】
本発明は、水力発電所の水車調速機（油圧式アクチュエータ）において、コンバータに接続されたパイロット弁が操作油中の異物による起動時固渋が発生し制御不能になることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、水車停止中、パイロット弁が周波数応答的に動作可能な周波数でパイロット弁を開閉動作させることにより上記目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の油圧式アクチュエータは、水車停止（主機停止）を条件にコンバータに周波数応答的に追従可能な周波数で開閉信号を与え、パイロット弁を切り替え、油が流れる状態とするので、水車停止中，操作油中の異物の沈殿堆積が抑制され、起動時固渋発生が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いながら本発明の実施例を説明する。
【００１６】
図２は一般的な油圧式水車調速機アクチュエータの系統図の一例である。この図２を用いて一般的な水車運転中、停止中のアクチュエータの動作について説明する。また、図２は水車運転中の状態を示している。
【００１７】
電気−機械コンバータ５は、調速機制御盤（制御装置）７と電気的に接続され、調速機制御盤７の指令により動作し、電気信号を機械信号に変換する変換器である。電気−機械コンバータ５は機械的にパイロット弁８に接続されている。パイロット弁８は電気−機械コンバータ５の動作により図中上下方向に動作する。図２ではパイロット弁８の上動を開方向，下動を閉方向と定義する。
【００１８】
水車運転停止用電磁弁１２は、上位の制御装置（図示省略）から運転，停止指令を受けて、電気的に切り替わる電磁弁である。水車運転中の場合、図２の（ｃ）側に切り替わっているため、ストレーナを経由した電磁弁制御油圧１４は油圧切替弁１１の下方(ＨＹＤ)に作用し、油圧切替弁１１は図２の（ｂ）側に切り替わる。
【００１９】
ストレーナを経由したアクチュエータ制御油圧１３は、パイロット弁８の（ヘ）、及び、油圧を増幅し、油圧駆動機器であるガイドベーンサーボモータ（図示省略）を開閉制御する主配圧弁１０の（ト）に作用している。この状態で、調速機制御盤７から開指令が電気−機械コンバータ５に入力されると、パイロット弁８は開側、即ち図２において上方に動作する。パイロット弁８が上動することでパイロット弁８の（ヘ）に作用していた制御油圧は（イ）側に通じ、更に油圧切替弁１１を経由して図２の（ハ）を通り主配圧弁１０の（チ）に作用する。主配圧弁１０に組み込まれたメーンプランジャー９の油圧（ト）と（チ）が作用するピストン部分は、面積差が設けられており、油圧（チ）が作用する方の面積が大きいことから、メーンプランジャー９の（ト）に作用する油圧に打ち勝ってメーンプランジャー９を上動させる。メーンプランジャー９が上動すると、ガイドベーンサーボモータ駆動油圧１５は、主配圧弁１０の開ポートから油圧をガイドベーンサーボモータ（図示省略）へ供給する。逆にガイドベーンサーボモータの閉側の油圧は主配圧弁１０の閉ポートに戻ってきて排油される。
【００２０】
次に閉動作について説明する。調速機制御盤７から閉指令が電気−機械コンバータ５に入力されると、パイロット弁８は閉側、即ち図２において下方に動作する。パイロット弁８が下動することで主配圧弁１０の（チ）に作用していた油圧は、図２に示す（ハ），
（イ），（ロ）の経路で排油されるため、メーンプランジャー９は主配圧弁１０の（ト）に作用している油圧により下方、即ち閉動作する。メーンプランジャー９が下動すると、ガイドベーンサーボモータ駆動油圧１５は主配圧弁１０の閉ポートから油圧をガイドベーンサーボモータ（図示省略）へ供給する。逆にガイドベーンサーボモータの開側の油圧は主配圧弁１０の開ポートに戻ってきて排油される。水車運転中は指令信号に応じて制御され、上述の開動作及び閉動作が繰り返される。
【００２１】
次に水車停止（主機停止）中の動作について説明する。主機停止の場合、水車運転停止用電磁弁１２は、上位の制御装置（図示省略）から停止指令を受けて、図の（ｄ）側に切り替わる。このため油圧切替弁１１の下方（ＨＹＤ）に作用していた油圧は（ホ）へ排油されるため、油圧切替弁１１の上方に設けられたバネ力により図の（ａ）側に切り替わる。このため図２の（イ）の油圧はブロックされ、図２の（ハ）には通じないようになる。他方、主配圧弁１０の（チ）に作用していた油圧は油圧切替弁１１が（ａ）側に切り替わることで常時（ニ）へ排油状態となることから、主配圧弁１０は閉動作を継続した状態となる（メーンプランジャー９は所定の閉位置に保持される。）。次に水車停止によりパイロット弁８は調速機制御盤７からの指令により電気−機械コンバータ５の信号によって定められた閉位置に保持された状態となる。このため、パイロット弁８の（ヘ）に作用している油圧は油が流れる道が閉ざされた状態となり、油中の異物が沈殿堆積する可能性が生じることになる。この油中の沈殿堆積は後述する本発明の実施例によって抑制される。
【００２２】
図１を用いて本発明の一実施例を説明する。図１は本発明の調速機に用いられる制御装置の一実施例を示している。
【００２３】
図１において、３−ｂは水車停止信号、４−ｂはガイドベーンサーボモータ(図示省略)の全閉信号である。切り替えスイッチ２は水車停止信号３−ｂとガイドベーン全閉信号４−ｂのアンド条件で切り替わる機能を有している。通常の制御信号６は、水車停止信号３−ｂとガイドベーン全閉信号４−ｂのアンド条件が成立しない場合、電気−機械コンバータ５に送られる。他方、水車停止信号３−ｂとガイドベーン全閉信号４−ｂのアンド条件が成立すれば、開閉信号発生装置１の信号が電気−機械コンバータ５に送られるようになる。開閉信号発生装置１は周波数と出力信号量を任意に設定できる機能を有している。一般的に水車用調速機は電力系統の周波数変動を検出し、設定された周波数となるよう作用する機能を有しているが、その周波数応答性能は約１０Ｈｚ程度で充分である。即ち、
１０Ｈｚ以上の周波数が入力されれば、ゲインの低下，位相に遅れを生じ与えられた信号通りに動作できなくなる。本発明の開閉信号発生装置１の周波数調整範囲は１０Ｈｚ以下が好ましい。即ちアクチュエータ側が充分に指令信号に追従できる周波数とする。また、出力信号は図２に示すパイロット弁８の（ヘ）に作用している油圧が（イ）側に通じる信号以上、（イ）の油圧が（ロ）から排油される信号以下の信号、即ち、パイロット弁が開閉動作する出力信号とされる。開閉信号発生装置１はこの出力信号を上述した周波数で切り替える機能を有する。
【００２４】
水車停止信号３−ｂは図２に示す水車運転停止用電磁弁１２の停止信号と同一信号であり、水車停止信号３−ｂが動作すれば上記説明した如くガイドベーンサーボモータは全閉となり、この状態は水車停止中継続される。更に切り替えスイッチ２の条件であるガイドベーン全閉信号４−ｂとのアンド条件で切り替えスイッチ２が切り替えられる。切り替えスイッチ２が切り替えられ、開閉信号発生装置１の信号が電気−機械コンバータ５に出力され、アクチュエータが追従できる周波数で電気−機械コンバータ５駆動されたとしてもガイドベーンサーボモータが開閉動作することは無い。これはガイドベーンサーボモータを開動作させるためには主配圧弁１０が開側に切り替わる必要があるが、上述したように水車運転停止用電磁弁１２が停止側（図２の（ｄ）側）に切り替わった状態にあるため、油圧切替弁１１も図の（ａ）側に切り替わり、パイロット弁８からの制御油圧（イ）をブロックし、主配圧弁１０の開側油圧（ハ）を排油した状態が継続しているからである。従ってパイロット弁８を図２に示す（ヘ）の油圧を（イ）に通油、（イ）の油圧を（ロ）に排油するようにパイロット弁８を開閉動作させることが出来るので、パイロット弁８の内部は水車停止中も運転中と同様油圧が常に流れる状態となることから、油中異物が沈殿堆積することを防止することが出来る。
【００２５】
上述の実施例によれば、水力発電所の油圧式調速機において操作油中異物による動作不良を防止することが出来るので、信頼性の高い水車調速機を提供することが出来る。更に、既設のアクチュエータの改造無しで、アクチュエータを制御する電気的な制御装置側に機能を追加するだけで実現可能であることから、実施する場合の改造範囲が少なくてすむという利点がある。
【００２６】
上述の実施例では、水車のガイドベーンの開度を制御する水車調速機について説明したが、ガイドベーンサーボモータに変えて他の油圧駆動機器を制御する油圧式アクチュエータにも適用可能である。
【００２７】
次に、上述のよう対策を施しても、起動時、万一、パイロット弁８が動作不能となった場合に水車及び発電機を保護する実施例について図３を用いて説明する。
【００２８】
本実施例では、メーンプランジャー９の位置を検出して、起動時にガイドベーンが全開状態となる異常状態を判断し、水車を安全に停止させる保護機能を設けたものである。尚、本実施例の構成は、上述の開閉信号発生装置１を設けない場合にも適用可能である。
【００２９】
図３の実施例は、万一図２に示すパイロット弁８が開側で固渋した時の保護回路の一例である。保護回路監視時間用タイマー１６は水車運転信号３−ａとガイドベーン全閉ＯＦＦ信号４−ａのアンド条件でカウントを開始する。図２に示すパイロット弁８が固渋した場合、水車本体及び水車に接続された発電機を最も損傷させる可能性があるのは水車が起動するときである。これは水車が起動し系統に接続された後は水車の出力に比較し系統側が非常に強いことから例えガイドベーンサーボモータが全開まで勝手に開いたとしても水車及び発電機の回転速度が上昇することはほとんど無いが、系統に接続される前の状態においてはガイドベーンサーボモータが全開まで開動作すると急速に回転速度が上昇し過速度状態となり、水車，発電機を損傷させる可能性があるからである。このため保護回路監視時間用タイマー１６は系統接続までの時間に設定されている。即ち、保護回路監視時間用タイマー１６は本保護回路の監視時間設定用のタイマーである。メーンプランジャー全開位置確認タイマー１８は、図２に示すメーンプランジャーストローク検出器１７の信号で検出されるメーンプランジャー全開信号１７−ａと保護回路監視時間用タイマー１６がタイムアップしていないことを条件に動作する。このメーンプランジャー全開位置確認タイマー１８は、本保護監視時間内にメーンプランジャーが全開となったことを確認する目的で設けられる。補助リレー１９はメーンプランジャー全開位置確認タイマー１８の接点１８−ａで動作し、補助リレー１９の接点１９−ａを上位制御装置２０へ接点出力し、水車を停止させる。これにより、図２の水車運転停止用電磁弁１２に停止指令が与えられ上述の動作で水車を停止させることができる。従って、本実施例の回路によればメーンプランジャー９の位置が全開（必ずしも機構的に全開である必要なく水車や発電機に影響を与える過速度になるおそれを防ぐに十分な開度）になった後、短時間で水車を停止させることが出来るので、水車，発電機が過速度状態となることを防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例の水車調速機における制御装置の回路である。
【図２】水車調速機の動作を説明するための系統図である。
【図３】本発明の実施例の水車調速機の保護回路である。
【符号の説明】
【００３１】
１…開閉信号発生装置、２…切り替えスイッチ、３−ａ…水車運転信号、３−ｂ…水車停止信号、４−ａ…ガイドベーン全閉ＯＦＦ信号、４−ｂ…ガイドベーン全閉信号、５…電気−機械コンバータ、６…従来の制御信号、７…調速機制御盤、８…パイロット弁、９…メーンプランジャー、１０…主配圧弁、１１…油圧切替弁、１２…水車運転停止用電磁弁、１３…アクチュエータ用制御油圧、１４…電磁弁用制御油圧、１５…ガイドベーンサーボモータ用駆動油圧、１６…保護回路監視時間用タイマー、１７…メーンプランジャーストローク検出器、１７−ａ…メーンプランジャー全開信号、１８…メーンプランジャー全開位置確認タイマー、１９…補助リレー、２０…上位制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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