(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る主配圧弁及び前記主配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置を制御する調速制御装置において、
前記主配圧弁の特性を模擬する主配圧弁特性模擬処理を行なうと共に、この処理結果を前記主配圧弁の実開度の代わりにフィードバックの値として用いることを特徴とする調速制御装置の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の調速制御装置の制御方法において、前記主配圧弁の特性を模擬した主配圧弁開度と実ガイドベーン開度との相関関係を監視し、この監視結果が通常状態と異なった場合にアラームを出力する相関異常検出処理を行なうことを特徴とする調速制御装置の異常検出方法。
【請求項３】
請求項２記載の調速制御装置の異常検出方法において、前記主配圧弁の特性を模擬した主配圧弁開度を用いてガイドベーン開度を模擬するサーボモータ特性模擬処理と、実ガイドベーン開度との差異を検出する偏差検出処理と、この偏差を所定の異常判断値と比較して主配圧弁制御異常を検出する比較処理とを行なうことを特徴とする調速制御装置の異常検出方法。
【請求項４】
請求項３記載の調速制御装置の異常検出方法において、検出する主配圧弁制御異常が一定時間以上継続することを確認するタイマを設けて主機を停止させるための警報出力を行なうことを特徴とする調速制御装置の異常検出方法。
【請求項５】
請求項２記載の調速制御装置の異常検出方法において、前記主配圧弁の特性を模擬した主配圧弁開度を用いてガイドベーン開度を模擬するサーボモータ特性模擬処理と、その出力の変化を算出・記憶する変化パターン算出処理と、実ガイドベーン開度の変化を算出・記憶する変化パターン算出処理とその各々の変化について変化率，変化パターンを比較してその差異が所定の異常判定値異常の場合にガイドベーン開度の差異を検出する偏差検出処理と、この偏差を所定の異常判断値と比較して主配圧弁制御変化パターン異常を検出する変化パターン比較処理とを設けることを特徴とする調速制御装置の異常検出方法。
【請求項６】
主配圧弁開度偏差と実主配圧弁開度と実ガイドベーン開度とを夫々入力し、それらの相関関係のチェックを行ない、前記相関関係に異常があった場合に、当該相関異常を検出する相関関係チェック処理を設け、
前記主配圧弁開度入力異常と相関関係異常とのいずれかが発生した場合に出力する主配圧弁制御異常信号を検出して、前記主配圧弁制御のためのフィードバック値を切換える切換処理を設けることを特徴とする請求項１記載の調速制御装置の制御方法。
【請求項７】
フィードバック機構をもったガイドベーン操作装置に対応した調速制御装置にコンバータ・配圧弁特性模擬処理を設けることを特徴とする請求項５記載の調速制御装置の異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電所の水車に適用する調速制御装置において、機構部を簡素化した調速制御装置の制御方法及び異常検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な水力機械においては、上池からの水がランナへ流入する入口部付近に複数のガイドベーンが設けられており、これらの開度を任意に調整することで水力機械の回転数を制御している。これらの複数のガイドベーンは夫々リンク機構によって接続されており、サーボモータを作動させることで、全てのガイドベーンが一斉に同じ開度に調整されるよう構成されている。
【０００３】
サーボモータには大きく分けると油圧式及び電動式の２種類があり、最近では、メンテナンス性等の利点が大きい電動式のサーボモータを小型の水力機械に対して適用する例も見られるが、大型の水力機械などにおいては油圧式サーボモータが用いられるのが通常である。
【０００４】
図７に従来の油圧式のサーボモータによるガイドベーンの操作装置の概略模式図を示す。図７において、サーボモータ１は油圧式ピストン２とこれに接続されたピストンロッド３及びこれらを収納するシリンダ４からなり、シリンダ４内は油圧式ピストンによって開側シリンダ室４ａ，閉側シリンダ室４ｂに仕切られている。
【０００５】
そして、開側シリンダ室４ａ及び閉側シリンダ室４ｂ内の油圧を調整し、圧油の出し入れを行なうことによって油圧式ピストン２及びピストンロッド３が直線運動を行なう。そして油圧式ピストン２及びピストンロッド３は、水車５に設けられたガイドベーン６とリンク機構により接続されている。
【０００６】
即ち、サーボモータ１の油圧式ピストン２を動作させる（以下単に、「サーボモータ１を動作させる」とも言う）ことにより、ガイドベーン６の開度が調整され、水車５のランナ７及びこれと直結した発電機８の回転速度が調整される。
【０００７】
ここで、図７においては、油圧式ピストン２とガイドベーン６の動作は、シリンダ室４ａに圧油が流入しシリンダ室４ｂから圧油が排出される場合に油圧式ピストン２が図の右方向に動いてガイドベーン６が開動作し、シリンダ室４ｂに圧油が流入しシリンダ室４ａから圧油が排出される場合は油圧式ピストン２が図の左方向に動いてガイドベーン６が閉動作するようになっている。
【０００８】
又、水車５には、ランナ７及びこれに直結した発電機８の回転数を速度信号として検出する速度検出手段として、回転軸に歯車１０が取り付けられ、電磁ピックアップ１１が歯車の回転数を電気信号として検出し、これを速度信号として出力している。そして、ガイドベーン操作装置においては、種々の油圧制御弁が配置されている。
【０００９】
次に、これらの油圧制御弁を動作させ、サーボモータ１を動作させる機構について述べる。圧油タンク２０には、高圧の圧油が貯められるとともに、この圧油の流路となる油管が接続されている。そして圧油は油管を通じて各油圧制御弁に導かれており、これらの油圧制御弁の切換によって最終的にサーボモータ１に圧油が供給されるよう構成されている。
【００１０】
サーボモータ１の開側シリンダ室４ａ，閉側シリンダ室４ｂには、圧油の出し入れを行なうための油管である開側操作管３０ａ，閉側操作管３０ｂの一端が夫々接続されている。そして、開側操作管３０ａ及び閉側操作管３０ｂの他端は主配圧弁２１に接続されている。
【００１１】
主配圧弁２１には、圧油タンク２０より圧油が供給されると共に、排油ポートが設けられており、圧油タンク２０からの圧油を開側操作管３０ａもしくは閉側操作管３０ｂへ供給するか、又はこれら全ての油管を閉塞させて開側シリンダ室４ａ，閉側シリンダ室４ｂ及び圧油タンク２０内の油圧を保持することができる。ここで、主配圧弁２１はスプール弁などの開度調整の可能な切換弁であるのが普通である。
【００１２】
主配圧弁２１の弁体にはコントロールピストン２２が連結されており、主配圧弁２１の開度調整はコントロールピストン２２へ圧油を送ることによって行なわれる。そして、コントロールピストン２２へ送られる圧油の制御は、パイロットバルブ２３によって行なう。
【００１３】
即ち、コントロールピストン２２のシリンダの両端にはコントロールピストン開側操作管２２ａ及びコントロールピストン閉側操作管２２ｂが取り付けられており、この２本の油管はパイロットバルブ２３へ接続される構成となっている。
【００１４】
ここで、パイロットバルブ２３も主配圧弁２１同様、スプール弁などの開度調整の可能な切換弁であり、パイロットバルブ２３の弁体と、各油管が接続されるポートとの隙間には、シートバルブ２３ａが挟まれている。このシートバルブ２３ａは変位することによって、各ポートの位置を上下させることに相当する作用を持つものであり、下部よりバネによって支持されている。
【００１５】
更に、コントロールピストン２２にはコントロールピストン２２の変位に応じて動作するレターンアーム２４が取り付けられており、レターンアーム２４の一端は、パイロットバルブの上方に延伸され、前述したパイロットバルブ２３のシートバルブ２３ａを上方から押さえつけるように構成されている。
【００１６】
これらの主配圧弁２１，コントロールピストン２２，パイロットバルブ２３，シートバルブ２３ａ及びレターンアーム２４の作用について以下に述べる。ガイドベーン６を開動作させる場合開側シリンダ室４ａに圧油を送ればよいので、パイロットバルブ２３の弁体を上方に変位させて、コントロールピストン開側操作管２２ａからコントロールピストン２２へ圧油を送り、コントロールピストン２２とこれに連結された主配圧弁２１の弁体を上方に変位させればよい。
【００１７】
このとき、コントロールピストン２２の変位に伴なってレターンアーム２４も上方に変位し、これによってシートバルブ２３ａも上方に変位する。シートバルブ２３ａの変位は、パイロットバルブ２３のポート位置を変位させることと同じ作用を有するため、シートバルブ２３ａが上方に変位するとパイロットバルブ２３は中正位置に戻される。
【００１８】
これによってパイロットバルブ２３からコントロールピストン開側操作管２２ａへの圧油の流れが遮断され、コントロールピストン２２及び主配圧弁２１は、そのときの開度で停止する。そして、このような作用によってガイドベーン６は必要量だけ変位し、その開度を保つことができるようになっている。
【００１９】
つまり、レターンアーム２４の動作は、パイロットバルブ２３の弁体とシートバルブ２３ａの関係を中正位置に戻す復原運動を行なわせるものであり、この復原量によってコントロールピストン２２の動作量が決定される。上述したように、ランナ７及び発電機８の回転数を調整するためのガイドベーン６の開度は、油圧によって制御される。
【００２０】
しかし、最終的な制御対象である回転数は電気信号として検出され、差動トランス５１で検出したガイドベーン開度と共にレギュレータ１２へ入力し速度制御又は負荷制御のための制御演算を行ない、算出した制御信号はレギュレータ１２から電気信号として出力される。この電気信号を油圧の信号に変換するものがコンバータ１３である。
【００２１】
この際のレギュレータ１２の演算処理概要を図８に示す。なお、図８は速度制御の場合を例として示している。実速度１１ａは入力する際に入力チェック処理１３０で入力レベルのチェックを行ない、入力範囲外で一定時間以上継続すると速度信号入力異常１３０ａを検出する。
【００２２】
入力チェックで正常な信号は実速度信号１１ａｃとして目標速度１００との速度偏差１０１を算出する。この速度偏差１０１を制御演算処理１０２で演算し制御目標値１０３を算出する。図８では制御演算がＰＩＤ演算を例としている。差動トランス５１で検出した実ガイドベーン開度５１ａは入力する際に入力チェック処理１３１で入力レベルのチェックを行ない、入力範囲外で一定時間以上継続するとガイドベーン開度入力異常１３１ａを検出する。
【００２３】
入力チェックで正常な信号は実ガイドベーン開度信号５１ａｃとして制御目標値１０３との開度偏差１０４を算出する。この開度偏差１０４を出力レベルに合わせるゲインＫｂと乗算し制御信号１０７をコンバータへ出力する。このレギュレータ１２では制御の異常を検出するために、入力レベルチェックの他に開度偏差が一定時間以上継続した際に、偏差大継続検出処理１３２を実施する場合もある。
【００２４】
異常検出時は偏差大継続信号１３２ａが出力される。ここで、ガイドベーン開度入力異常１３１ａと偏差大継続信号１３２ａのいずれかが異常な場合は、開度制御ループ異常１３３である。この開度制御ループ異常１３３や速度信号入力異常１３０ａの場合は、調速制御の継続が困難であり調速制御異常１３４を出力する。この調速制御異常１３４を出力すると運転継続が困難なため急停止により主機を停止する。
【００２５】
コンバータ１３内には、図示しないが永久磁石による磁場とこの磁場の中に制御コイルが設けられており、制御コイルはコネクティングロッド１３ａに接続されている。そしてレギュレータ１２からのアナログ信号は電流として制御コイルに流されることで、コンバータスプリング１３ｂからの反力とのバランスが崩れて、コネクティングロッド１３ａが変位する。
【００２６】
即ち、コンバータ１３はレギュレータ１６からの電気信号を機械的な変位に変換する装置である。そして、コネクティングロッド１３ａはパイロットバルブ２３の弁体と接続されており、パイロットバルブ２３は、コンバータ１３が発生する機械的な変位によって操作される。又、これらのガイドベーン操作装置にはこれら以外に種々の安全装置などが設けられており、水力機械に異常が生じた際にも安全に停止ができるように構成されている。
【００２７】
急停止弁２５は水車５のランナ７を緊急に停止させる際にガイドベーン６を強制的に閉鎖するための弁である。急停止弁２５には弁体の変位に応じて変位するアーム２５ａがコネクティングロッド１３ａの方向へ取り付けられており、急停止弁２５が下側に最大変位した場合に、コネクティングロッド１３ａ及びパイロットバルブ２３を下方に最大変位させることができるようになっている。
【００２８】
そして、急停止弁２５への油管には電磁弁２６が設けられ、電磁弁２６が励磁されると急停止弁２５の下側に油圧が作用するように構成されている。通常運転時は、電磁弁２６は励磁されており、急停止弁２５は上側へ持ち上げられており、コネクティングロッド１３ａ及びパイロットバルブ２３の変位が拘束されることはない。
【００２９】
しかし、水車５の異常によって図示しない保護継電器などが動作すると、電磁弁２６の励磁が解かれ、バネの作用によって流路が切り換えられる。すると急停止弁２５が下方に最大変位するため、アーム２５ａの作用によってコネクティングロッド１３ａ及びパイロットバルブ２３を下方に最大変位させ、ガイドベーン６を強制的に閉鎖方向へ最大変位させる。
【００３０】
又、例えば送電線への落雷等により瞬時に発電機８の負荷が遮断された場合、水車５のランナ７及び発電機８の回転数は急速に上昇する。そして、この場合にも上述のようにガイドベーン６は閉鎖方向に最大変位することとなるが、ガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖する場合、水車５に流れていた水流を急激に遮断することになる。
【００３１】
したがって、水車５へ水を導く水圧鉄管などに水撃現象を生じることになり、ガイドベーン操作装置にはガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖する直前に閉鎖速度を緩やかにする、つまりガイドベーン６を緩閉鎖させる機構が設けられている。次にこのガイドベーン６の緩閉鎖について述べる。
【００３２】
主配圧弁２１とサーボモータ１の開側シリンダ室４ａとを接続する圧油流路の途中には緩閉鎖弁２７と逆止弁２８が並列に設けられており、この逆止弁２８は主配圧弁２１から開側シリンダ室４ａへの流れが自由になる向きで配置されている。即ち、ガイドベーン６の開操作の際には、緩閉鎖弁２７をバイパスして主配圧弁２１から開側シリンダ室４ａへ圧油が自由に流入できるようになっている。
【００３３】
緩閉鎖弁２８は圧油タンク２０からの油圧によって動作する絞り弁である。そして、緩閉鎖弁２８を動作させる圧油を圧油タンク２０から供給する油管の途中には、緩閉鎖弁用配圧弁２９が設けられている。この緩閉鎖弁用配圧弁２９は、下部に設けられたカム４０が回転することによって弁体がバネ力に抗して押し上げられ、これにより圧油流路を開くように切り替わって緩閉鎖弁２７を動作させるものである。
【００３４】
そして、カム４０の回転中心はレターンシャフト４１となっており、レターンシャフト４１の他端には、２枚の扇形アーム４２ａ，４２ｂが略対向して設けられている。そして一方の扇形アーム４２ａにはワイヤ４３ａを介して重錘４４が取り付けられており、他方の扇形アーム４２ｂにもワイヤ４３ｂが取り付けられている。
【００３５】
そして、このワイヤ４３ｂは複数のプーリ４５を介してサーボモータ１のピストンロッド３に取り付けられている。即ち、重錘４４の作用により扇形アーム４２ｂのワイヤ４３ｂには常に張力が発生しており、サーボモータ１が動作してピストンロッド３が変位すると、その変位が扇形アーム４２ｂ，４２ａへとワイヤ４３ｂを介して伝えられレターンシャフト４１が回転し、したがってカム４０も回転する。
【００３６】
ここで、サーボモータ１のピストンロッド３はガイドベーン６とリンクしているので、ピストンロッド３の変位はガイドベーン６の実開度を示している。即ち、ワイヤ４３ａ，４３ｂ及び扇形アーム４２ａ，４２ｂによってガイドベーン６の実開度は、レターンシャフト４１及びカム４０の回転角度の情報となり、これによって緩閉鎖弁２７の動作が制御されている。
【００３７】
つまり、図７に示したガイドベーン操作装置において、ガイドベーン６が閉鎖すると、油圧シリンダのピストンロッド３が図の左方向へ変位するが、ガイドベーン６の開度がある開度になると、上述のワイヤ４３ｂ，扇形アーム４２ｂ及びレターンシャフト４１等の作用によってカム４０が回転して緩閉鎖弁用配圧弁２９を切り換え、緩閉鎖弁２７が動作するようになっている。
【００３８】
このとき、ガイドベーン６は閉鎖中であるので、サーボモータ１の開側シリンダ室４ａ内の圧油が開側操作管３０ａを通って排出されているが、逆止弁２８の作用によりこの圧油は全てが緩閉鎖弁２７へ導かれてその流量を絞られる。したがって油圧式ピストン２の動作は緩やかになり、ガイドベーン６が緩閉鎖する。よってこれらの作用により、サーボモータ１が最大変位でガイドベーン６を閉鎖させた場合でも、ガイドベーンが全閉する手前で緩閉鎖させ、水車５へ水を導く水圧鉄管などに水撃現象が生じることを防いでいる。
【００３９】
以上述べたように、水車５の回転速度の制御は、電磁ピックアップ１１に検出された速度信号をレギュレータ１２に入力し、制御演算結果による電気的な制御信号を機械的な変位に変換し、これを基に主配圧弁２１，コントロールピストン２２，パイロットバルブ２３等の各油圧切換弁を制御してサーボモータ１を動作させ、これによってガイドベーン６の開度を調整することで行なわれている。更に緊急停止時にガイドベーン６を強制的に閉鎖させる急停止弁２５やガイドベーン６が、最大変位で完全に閉鎖することを防ぐ緩閉鎖弁２７などを適切に制御することによって、安全に水車５を運転できるように構成されている。
【００４０】
ここで、主配圧弁２１の制御を行なう構成は非常に複雑な機構を用いているため価格が高価になる上、据付時の調整やオーバーホール時の再調整が煩雑であり長い時間を要することなどから、最近では、主配圧弁２１の制御機構を簡素化しレギュレータでのソフト処理にて対応する構成としたものがある。
【００４１】
図９にそのハード構成例、図１０にレギュレータの処理概要を示す。なお、図９において図７と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。図９に示したガイドベーン操作装置は、図７におけるパイロットバルブ２３とコンバータ１３を省略したものである。
【００４２】
したがって、電気−油圧サーボ弁である主配圧サーボ弁１５によってコントロールピストン２２を動作させ、図７で示したレターンアーム２４による復原動作に代わって、コントロールピストン２２の変位を差動トランス５０により検出し、この検出信号をレギュレータ１２に入力して電磁ピックアップ１１からの速度信号との比較演算を行ない、主配圧サーボ弁１５を制御する信号を出力するように構成したものである。
【００４３】
図１０が図９に示すレギュレータの処理内容を示す概要図であり、レギュレータ１２ａでは、図８に示した従来の処理に以下を追加して処理している。先ず、差動トランス５０で検出した主配圧弁開度５０ａを入力し、入力する際に入力チェック処理１４０で入力レベルのチェックを行ない、入力範囲外で一定時間以上継続すると主配圧弁開度入力異常１４０ａを検出する。
【００４４】
入力チェックで正常な信号は実主配圧弁開度信号５０ａｃとして、開度偏差１０４から換算された主配圧弁目標開度１０５との主配圧弁開度偏差１０６を算出する。この主配圧弁開度偏差１０６を出力レベルに合わせるゲインＫｂと乗算し、制御信号１０７をコンバータへ出力する。
【００４５】
なお、主配圧弁の動作異常を検出するために主配圧弁開度偏差１０６を偏差大継続検出処理１４１で監視し、一定時間以上で主配圧弁偏差大継続１４１ａを検出する。主配圧弁開度入力異常１４０ａ，主配圧弁偏差大継続１４１ａのいずれかが異常の場合は、主配圧弁の制御の継続が困難であり主配圧弁制御異常１４２を検出する。この主配圧弁制御異常１４２を従来の異常に加えて調速制御異常１３４を出力すると、運転継続が困難なため急停止により主機を停止する。
【００４６】
主配圧サーボ弁１５は、圧油タンク２０からの圧油管と排油管が接続されており、レギュレータ１２からの信号に対応する圧油をコントロールピストン２２のコントロールピストン開側操作管２２ａへ送る。そして一方のコントロールピストン閉側操作管２２ｂも圧油タンク２０と接続されており、コントロールピストン２２はコントロールピストン開側操作管２２ａ内の圧油の発生する力と、コントロールピストン閉側操作管２２ｂ内の圧油が発生する力とのバランスによってその変位が制御されている。
【００４７】
そして、コントロールピストン開側操作管２２ａの途中には、電磁弁である急停止弁１６が設けられている。この急停止弁１６は、緊急停止の際に励磁されることによって、コントロールピストン開側操作管２２ａを排油管に接続して圧力を開放することで、コントロールピストン２２を下方へ最大変位させ、これによってガイドベーン６を急閉鎖するように作用するものである。
【００４８】
又、緩閉鎖弁についても機構部を削減するため、緩閉鎖弁を電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁とする。緩閉鎖弁２７は、緩閉鎖制御弁１７の変位によってよってその開度が調整される可変絞り弁となっており、この緩閉鎖制御弁１７は、緩閉鎖弁２７と連結するピストン及びこのピストンを収納するシリンダによって構成されている。
【００４９】
緩閉鎖制御弁１７のシリンダ内はピストンによって上側シリンダ室と下側シリンダ室に隔てられており、下側シリンダ室には緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａが接続され、上側シリンダ室には緩閉鎖制御弁閉側操作管１７ｂが接続されている。そして、この緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａは緩閉鎖弁閉鎖弁１９を介して電気−油圧サーボ弁である緩閉鎖サーボ弁１８に接続されており、緩閉鎖制御弁閉側操作管１７ｂは圧油タンク２０と連通するように接続されている。
【００５０】
更に、緩閉鎖サーボ弁１８には、圧油タンク２０からの油管が接続されるポートと排油管が接続される排油ポートが設けられると共に、レギュレータ１２ａに接続されてレギュレータ１２ａからの制御信号を受けるようになっている。
【００５１】
又、ピストンロッド３には油圧式ピストン２の変位を検出する差動トランス５１が設けられ、同様に緩閉鎖制御弁１７にはピストンの変位を検出する差動トランス５２が設けられており、差動トランス５１，５２からの信号がレギュレータ１２ａに入力されるように構成されている。
【００５２】
ここで、ガイドベーン６の実開度情報は、ガイドベーン６の動作とリンクしている油圧式ピストン２の変位を差動トランス５１を用いて検出することで得られ、緩閉鎖制御弁１７の実開度情報は、緩閉鎖弁２７と連結された緩閉鎖制御弁１７のピストンの変位を差動トランス５２によって検出することで得られる。
【００５３】
又、緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａの途中に設けられた緩閉鎖弁閉鎖弁１９は、緩閉鎖弁２７の制御異常が生じた時などに緩閉鎖弁２７を強制的に作動させるための電磁弁であり、通常運転時は図９のように緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａを連通させている。そして、緩閉鎖弁２７の制御異常や、ガイドベーン６が所定の開度に達しても緩閉鎖弁２７が動作しないことなどが検出されると、緩閉鎖弁閉鎖弁１９が励磁され、緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａを排油管に接続するように切り換える。
【００５４】
緩閉鎖サーボ弁１８の上側シリンダ室には圧油タンク２０から圧油が供給されているので、この切り換えによって緩閉鎖サーボ弁１８の下側シリンダ室内の圧油は排油され、緩閉鎖サーボ弁１８は下側に最大変位する。従って緩閉鎖弁２７が作動し、ガイドベーン６が緩閉鎖する。
【００５５】
【発明が解決しようとする課題】
主配圧弁２１の制御機構を簡素化しレギュレータでのソフト処理にて対応する構成としたものは以上のような構成であるため、機構部は従来に比べて簡素化される。しかし、レギュレータは主配圧弁の開度を入力するために入力回路が増加すると共にソフト処理も増加する。又、入力が追加となり異常検出個所が多くなるため異常検出により主機が停止し稼働率が低下する可能性が増加する。
【００５６】
ここで使用する主配圧弁は構造的に簡単であり、この主配圧弁の制御異常が発生する場合はその発生要因は主配圧弁自体ではなく、差動トランスの故障・断線、途中の接続ケーブルの断線・接触不良等の計測回路の確率が高く、計測回路を取り付けることにより、稼働率を低下させる恐れがある。又、主配圧弁の実開度を検出するための差動トランス取り付けが必要であり、接続ケーブルの保持なども構造的に考慮する必要がある。
【００５７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、機構部の更なる簡素化と従来装置の入力回路と同様構成で対応可能とすることにより、更なる信頼度向上、経済性向上を可能とする調速制御装置の制御方法を提供すること及び保守性向上を可能とする異常検出方法を提供することを目的している。
【００５８】
【課題を解決するための手段】
本発明の［請求項１］に係る調速制御装置の制御方法は、水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る主配圧弁及び前記主配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置を制御する調速制御装置において、前記主配圧弁の特性を模擬する主配圧弁特性模擬処理を行なうと共に、この処理結果を前記主配圧弁の実開度の代わりにフィードバックの値として用いるようにした。
【００５９】
本発明の［請求項２］に係る調速制御装置の異常検出方法は、［請求項１］において、前記主配圧弁の特性を模擬した主配圧弁開度と実ガイドベーン開度との相関関係を監視し、この監視結果が通常状態と異なった場合にアラームを出力する相関異常検出処理を行なうようにした。
【００６０】
本発明の［請求項３］に係る調速制御装置の異常検出方法は、［請求項２］において、前記主配圧弁の特性を模擬した主配圧弁開度を用いてガイドベーン開度を模擬するサーボモータ特性模擬処理と、実ガイドベーン開度との差異を検出する偏差検出処理と、この偏差を所定の異常判断値と比較して主配圧弁制御異常を検出する比較処理とを行なうようにした。
【００６１】
本発明の［請求項４］に係る調速制御装置の異常検出方法は、［請求項３］において、検出する主配圧弁制御異常が一定時間以上継続することを確認するタイマを設けて主機を停止させるための警報出力を行なうようにした。
【００６２】
本発明の［請求項５］に係る調速制御装置の異常検出方法は、［請求項２］において、前記主配圧弁の特性を模擬した主配圧弁開度を用いてガイドベーン開度を模擬するサーボモータ特性模擬処理と、その出力の変化を算出・記憶する変化パターン算出処理と、実ガイドベーン開度の変化を算出・記憶する変化パターン算出処理とその各々の変化について変化率，変化パターンを比較してその差異が所定の異常判定値異常の場合にガイドベーン開度の差異を検出する偏差検出処理と、この偏差を所定の異常判断値と比較して主配圧弁制御変化パターン異常を検出する変化パターン比較処理とを設けるようにした。
【００６３】
本発明の［請求項６］に係る調速制御装置の制御方法は、請求項１記載の調速制御装置の制御方法において、主配圧弁開度偏差と実主配圧弁開度と実ガイドベーン開度とを夫々入力し、それらの相関関係のチェックを行ない、前記相関関係に異常があった場合に、当該相関異常を検出する相関関係チェック処理を設け、前記主配圧弁開度入力異常と相関関係異常とのいずれかが発生した場合に出力する主配圧弁制御異常信号を検出して、前記主配圧弁制御のためのフィードバック値を切換える切換処理を設けるようにした。
【００６４】
本発明の［請求項７］に係る調速制御装置の異常検出方法は、請求項５記載の調速制御装置の異常検出方法において、フィードバック機構をもったガイドベーン操作装置に対応した調速制御装置にコンバータ・配圧弁特性模擬処理を設けるようにした。
【００６５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明による第１の実施の形態の調速制御装置の制御方法を示す概略処理図である。図１において、図１０と同一処理部分については同一符号を付して説明を省略する。なお、図１におけるハード構成は図９に示す従来例と同様であるため、説明を省略する（以下同じ）。
【００６６】
本実施の形態の処理上の特徴点は、主配圧弁特性模擬処理１５０を設けたことである。つまり、図１０に示す従来のレギュレータ１２ａの処理において、主配圧弁開度５０ａを取り込み入力チェック処理１４０を行なった実主配圧弁開度５０ａｃを主配圧弁制御のフィードバック（図１０の一点鎖線で囲んだ部分）の代わりに、図１に示す主配圧弁特性模擬処理１５０を設け、その出力である模擬主配圧弁開度５０ａｓを主配圧弁制御のフィードバックとして用いている点である。その他の処理内容は図１０と同様である。
【００６７】
次に作用について説明する。主配圧弁開度偏差１０６を実際の主配圧弁特性として遅れ時間要素などをもった主配圧弁特性模擬処理１５０に入力する。この主配圧弁特性は機構部が簡素化されており、ほとんど経年的な変化がなく通常状態では、主配圧弁特性模擬処理１５０の出力である模擬主配圧弁開度５０ａｓは実主配圧弁開度５０ａｃと同様の値となる。
【００６８】
上記実施の形態によれば、図９に示す従来構成では必要である主配圧弁の開度を検出するための差動トランス５０及び接続ケーブルが不要となって、機構部の更なる削減・簡素化が図れる。又、レギュレータ１２へその信号を取り込むための入力回路が不要となる。
【００６９】
更に、主配圧弁が正常で主配圧弁の開度検出回路に故障，断線，接続不良などが発生した場合に停止せず運転継続できるため、稼働率の向上もはかれる。これらにより機構部を含めた経済性向上，信頼度向上を図るという効果がある。なお、説明は速度制御を例に図示したが負荷制御についても主配圧弁制御部分は同じであり本発明が当然適用できる。
【００７０】
（第２の実施の形態）
図２は本発明による第２の実施の形態の調速制御装置の異常検出方法を示す概略処理図である。図２において、図１と同一機能部分については同一符号を付して説明を省略する。図２が図１と異なる部分は一点鎖線で囲んだ相関異常検出処理１５１を付加した点であり、その他の構成は図１と同様である。
【００７１】
したがって構成としては、図２に示す様に主配圧弁特性模擬処理１５０の出力である模擬主配圧弁開度５０ａｓと、実ガイドベーン開度５１ａｃの相関異常を検出する相関異常検出処理１５１を設け、主配圧弁の動作と実ガイドベーン開度５１ａｃの動作の相関関係が異常な場合に、主配圧弁自体の異常，サーボモータ異常，ガイドベーン開度の計測回路異常のいずれかを要因とした主配圧弁制御異常１５１ａを検出する。
【００７２】
次に作用について説明する。サーボモータは主配圧弁の動作結果の積算結果として相関関係があるため、各個所が正常動作中の場合は一定の相関関係を保つ。このため、主配圧弁開度偏差１０６から算出する模擬主配圧弁開度５０ａｓと、実ガイドベーン開度５１ａｃの相関関係を確認することで主配圧弁が実際に動作異常となった場合でも、図１０で実施していた主配圧弁のための異常検出処理である入力チェック１４０と偏差大継続処理１４１で検出する異常と同等に異常検出することが可能となる。
【００７３】
（第３の実施の形態）
図３は本発明による第３及び第４の実施の形態の調速制御装置の異常検出方法を示す概略処理図である。なお、図３は相関異常検出処理部分を主として示す。又、図３において、図２と同一機能部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００７４】
そして構成としては、図３に示す様に第２の実施の形態の相関異常検出処理として、模擬主配圧弁開度５０ａｓを入力して模擬ガイドベーン開度１５２ａを算出するサーボモータ特性模擬処理１５２を設ける。この算出した模擬ガイドベーン開度１５２ａと実ガイドベーン開度５１ａｃの偏差１５４を演算処理１５３で行ない、この偏差１５４の偏差が一定範囲以上の場合に比較処理１５５により主配圧弁制御異常１５１ａを算出する。図３では偏差の絶対値を比較する方式を例として示す。
【００７５】
次に作用について説明する。主配圧弁特性模擬処理１５０は模擬主配圧弁開度５０ａｓを算出する。通常動作ではこの値と実際のガイドベーン開度を取り込んだ実ガイドベーン開度５１ａｃは大きな偏差を生じない。しかし、主配圧弁自体の動作異常やサーボモータの動作異常などが発生すると、実際の機器の動作が通常と異なり大きな偏差となることがある。これにより主配圧弁〜ガイドベーン開度の計測回路間の異常発生を早期の検出できる。
【００７６】
本実施の形態によれば、図１０に示す従来装置に比べて少ない入力項目により、機構部〜ガイドベーン開度の計測回路までの異常を従来と同等に検出可能である。
【００７７】
（第４の実施の形態）
本実施の形態では図３に示す様に第３の実施の形態の主配圧弁制御異常１５１ａが一定時間以上継続することをタイマ１５６で検出して、主配圧弁制御異常継続１５６ａを出力するようにしている。そして、これを従来の偏差大継続１３２ａの代わりに用いてることにより、開度制御ループ異常１３３を出力して主機を停止するものである。
【００７８】
次に作用について説明する。主配圧弁制御異常１５１ａが一過的に検出されるが、タイマ１５６が動作する前に通常状態へ復帰する場合は、経年的な特性変化であり、主機の運転継続が可能である。しかし、継続的に主配圧弁制御異常１５１ａを検出する場合は、機構部などが実際に動作異常となっているため、開度制御ループ異常１３３を出力する。
【００７９】
本実施の形態によれば、経年的な変化が発生した場合は、主配圧弁制御異常１５１ａが継続する前に一過性のアラームとなる可能性が高く、特性点検などを促すことができる。又、実際の機構部の異常発生時には安全に主機を停止することができる。又、サーボモータの特性模擬の精度を高くすることにより、従来の偏差大継続による異常検出より早期に異常兆候を検出することもできる。
【００８０】
（第５の実施の形態）
図４は第５の実施の形態の調速制御装置の異常検出方法を示す概略処理図である。なお、図４は相関異常検出処理部分のみを主として示す。又、図４において、図２，図３と同一機能部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００８１】
そして構成としては、図４に示す様に第２の実施の形態の相関異常検出処理として、模擬主配圧弁開度５０ａｓを入力して模擬ガイドベーン開度１５２ａを算出するサーボモータ特性模擬処理１５２と、模擬ガイドベーン開度１５２ａの時間的な変化をとらえる変化パターン算出処理１５７と、実ガイドベーン開度５１ａｃの時間的な変化をとらえる変化パターン算出処理１５８と、変化パターン算出処理からの夫々の出力である模擬ガイドベーン開度変化１５７ａ，実ガイドベーン開度変化１５８ａを夫々取り込み、これらの変化パターンを比較して一定以上の差異があった場合に、主配圧弁制御変化パターン異常１５１ｂを出力する変化パターン比較処理１５９を設けている。
【００８２】
次に作用について説明する。サーボモータ特性模擬処理１５２により通常のサーボモータ特性の場合に、到達するガイドベーン開度値を模擬ガイドベーン開度１５２ａとして算出する。変化パターン処理１５７では、前記模擬ガイドベーン開度１５２ａの変化を記憶すると共に変化率を算出する。
【００８３】
変化パターン算出処理１５８でも同様に、実ガイドベーン開度５１ａｃの変化を記憶すると共に、その変化率を算出する。主配圧弁，サーボモータなどの機構部が通常通りであれば、夫々の変化のパターンは類似しており大きな差異は発生しない。
【００８４】
しかし、機構部のいずれかに異常あり動作不良などとなった場合は、模擬ガイドベーン開度１５２ａの変化は従来通りであるが、実ガイドベーン開度５１ａｃはその変化がなかったり継続してしまうことがある。このため、機構部が故障して動作しない場合はの変化率の変化が無く模擬ガイドベーン開度１５２ａの変化率との間に大きな差異を検出することになり異常を検出できる。
【００８５】
又、機構部の特性が大きく異なった場合は、模擬ガイドベーン開度１５２ａが示す所定の動作特性で安定するはずが、実ガイドベーン開度５１ａｃの示す変化パターンでは安定位置とならずに変化が継続したり、変化率が所定範囲外（急変化又は緩やかな変化）となるため、不動作以外の異常についても検出できる。なお、異常検出に用いた変化パターンについては、夫々の変化パターン算出処理データを図示しない記憶処理にて保存し、異常個所の推定データに用いることもできる。
【００８６】
本実施の形態によれば、変化パターンを比較することにより偏差大継続を監視するより早期に、異常を検出することができる。又、異常検出した際の変化パターンを確認することにより機構部の不動作，特性変化など不適合内容を推定することもできる。
【００８７】
（第６の実施の形態）
図５は第６の実施の形態の調速制御装置の制御方法を示す概略処理図である。そして、本実施の形態では運転継続可能な個所の異常発生時にはアラームを出力して保守を促すようにするものである。そのために相関関係チェック処理１６０と切換え処理１６１とを設けたものである。
【００８８】
即ち、相関関係チェック処理１６０には主配圧弁開度偏差１０６と実ガイドベーン開度５１ａｃと実主配圧弁開度５０ａｃとを入力することにより、それらの相関関係チェックを行ない、これによって相関関係の異常があった場合には、相関異常１６０ａを出力するようにする。
【００８９】
又、既に説明済である主配圧弁開度入力異常１４０ａと前記相関異常１６０ａのいずれかが発生した際にも出力する回路を設けて、これによる出力、即ち、主配圧弁制御異常信号１４２を出力するようにした。そして、切換え処理１６１では前記主配圧弁制御異常信号１４２によって主配圧弁制御に使用するフィードバック値５０ａｃｓの値を切換えるように構成した。
【００９０】
次に作用について説明する。先ず、機構部が通常状態の場合は従来装置と同様に、主配圧弁開度を取り込んだ制御を実施による運転を実施する。次に、機構部の内で主配圧弁開度の計測回路（差動トランス，配線，入力回路など）が異常で、実際の主配圧弁は正常な場合は、主配圧弁開度偏差１０６と実ガイドベーン開度５１ａｃの相関関係は継続性があるが、これらと実主配圧弁開度５０ａｃの相関関係は不連続なものとなる。
【００９１】
このため、夫々の相関関係を確認することにより主配圧弁開度の計測回路の異常を検出できる。この際には実機の制御は継続可能であるため、切換え処理１６１により主配圧弁制御に使用するフィードバック値５０ａｃｓとして、実主配圧弁開度５０ａｃの代わりに模擬主配圧弁開度５０ａｓを用いるよう切換えを行なう。
【００９２】
本実施の形態によれば、正常時は従来の制御装置と同様の処理内容とし、運転継続可能な個所の異常が発生した際には異常についてのアラームを出力し保守を促すと共に運転継続が可能となる。これは、主配圧弁の構造が複雑である場合に適用することにより稼働率を向上できる。
【００９３】
（第７の実施の形態）
図６は第７の実施の形態の調速制御装置の異常検出方法を示す概略処理図である。なお、図６において、図４と同一機能部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態では変化パターンを比較することにより、偏差大継続を監視するよりも早期に、異常検出するようにしたものである。図６が図４に対して有する構成上の特徴点は、コンバータ配圧弁特性模擬処理を設けた点である。その他は図４と同様である。
【００９４】
次に作用について説明する。図７に示す機構部に対応するコンバータ・配圧弁特性模擬処理１７０によりサーボモータへの操作量１７０ａを算出する。この操作量１７０ａによりサーボモータ特性模擬処理１７１により模擬ガイドベーン開度１７１ａを算出する。この他の処理は第５の実施の形態と同様である。
【００９５】
本実施の形態によれば、変化パターンを比較することにより偏差大継続を監視するより早期に異常を検出することができる。又、異常検出した際の変化パターンを確認することにより、機構部の不動作，特性変化など不適合内容を推定することもできる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば主配圧弁開度の代わりにソフトにて主配圧弁特性を模擬し、これを主配圧弁開度のフィードバックとして用いているので、機構部の簡素化ができ、信頼性及び経済性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る調速制御装置の概略処理図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る調速制御装置の概略処理図。
【図３】本発明の第３，第４の実施の形態に係る異常検出処理の概略処理図。
【図４】本発明の第５の実施の形態に係る異常検出処理の概略処理図。
【図５】本発明の第６の実施の形態に係る調速制御装置の概略処理図。
【図６】本発明の第７の実施の形態に係る異常検出処理の概略処理図。
【図７】機構部によりフィードバックを行なう従来のガイドベーン操作装置の概略模式図。
【図８】図７に対応した従来の従来の調速制御装置の概略処理図。
【図９】機構部を簡素化した構成の従来のガイドベーン操作装置の概略模式図。
【図１０】従来の調速制御装置の概略処理図。
【符号の説明】
１          サーボモータ
１ｆ        サーボモータ特性
２          油圧式ピストン
３          ピストンロッド
４          シリンダ
４ａ        開側シリンダ室
４ｂ        閉側シリンダ室
５          水車
５ｆ        水車特性
６          ガイドベーン
７          ランナ
８          発電機
１１        電磁ピックアップ
１１ａ，１１ａｃ        実速度
１２，１２ａ，１２ｂ    レギュレータ
１３        コンバータ
１５        主配圧サーボ弁
１６，２５    急停止弁
１７        緩閉鎖制御弁
１８        緩閉鎖サーボ弁
１９        緩閉鎖弁閉鎖弁
２０        圧油タンク
２１        主配圧弁
２２        コントロールピストン
２２ｆ      主配圧弁特性
２３        パイロットバルブ
２４        レターンアーム
２７        緩閉鎖弁
２８        逆止弁
２９        緩閉鎖弁用配圧弁
４０        カム
４１        レターンシャフト
４２ａ，４２ｂ      扇型アーム
４３ａ，４３ｂ      ワイヤ
４４        重錘
４５        プーリ
５０，５１，５２    差動トランス
５０ａ，５０ａｃ    主配圧弁開度
５０ａｓ    模擬主配圧弁開度
５１ａ，５１ａｃ    ガイドベーン開度
５１ａｓ    模擬ガイドベーン開度
８０ｆ      水路特性
１００      速度目標値
１０１      速度偏差
１０２      ＰＩＤ演算処理
１０３      制御目標値
１０４      開度偏差
１０５      主配圧弁目標開度
１０６      主配圧弁開度偏差
１０７      制御信号
１０８      主配圧弁制御フィードバック
１３０，１３１，１４０      入力チェック処理
１３０ａ，１３１ａ，１４０ａ      入力異常
１３２，１４１    偏差大継続検出処理
１３３      開度制御ループ異常
１３４      調速制御異常
１５０      主配圧弁特性模擬処理
１５１      相関異常検出処理
１５１ａ    主配圧弁制御異常
１５１ｂ    主配圧弁制御変化パターン異常
１５２      サーボモータ特性模擬処理
１５２ａ    模擬ガイドベーン開度
１５５      比較処理
１５６      タイマ
１５７，１５８    変化パターン算出処理
１５９      変化パターン比較処理
１６０      相関関係チェック処理
１６０ａ    相関異常
１６１      切換え処理
１７０      コンバータ・配圧弁特性模擬
１７１      サーボモータ特性模擬
１７１ａ    模擬ガイドベーン開度
【図１】
0004177579.tif 000002
【図２】
0004177579.tif 000003
【図３】
0004177579.tif 000004
【図４】
0004177579.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004177579.tif 000007
【図７】
0004177579.tif 000008
【図８】
0004177579.tif 000009
【図９】
0004177579.tif 000010
【図１０】
0004177579.tif 000011