JP2008111438A - 電動式油圧増幅器用閉ループ手動制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧増幅器は、水力発電タービンを動作させるサーボモータの制御に適用される場合には、電子制御されるのが典型的である。電子制御式油圧増幅器が故障した場合に（コンピュータ制御装置によって）自動的に起動される機械制御方法を与える。
【解決手段】冗長制御装置（たとえば、バックアップ機械式制御装置）として、手動で操作される閉ループサーボモータ制御装置に制御入力（たとえば、手動調節が可能な設定点）およびサーボモータからのフィードバック入力が、バックアップ機械式制御装置によって使用される。制御入力は、機械式複数段階フィードバック系とともに、機械式制御装置を位置決めし、その出力状態を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電タービンおよび水力発電機のシステムの調速機分配弁の制御など、種々の用途向けのサーボモータや弁を制御するために使用されるような電子制御式油圧増幅器に関する。

油圧増幅器は、水力発電タービンを動作させるサーボモータの制御に適用される場合には、電子制御されるのが典型的である。このような油圧増幅器は、水力発電システム内の管路を流れる水の流量を調節するサーボモータを作動させることが可能である。油圧増幅器は、コンピュータ制御システムによって電子制御される。この制御システムは、油圧増幅器を作動させる電気信号を発生させ、それによって油圧増幅器は、送水弁を調節するサーボモータを油圧駆動する。

油圧増幅器が故障すると、調速機分配弁とそれに関連する水力タービンとが動作しなくなる可能性がある。電子制御システムは、時々故障し、それによって、１つまたは複数の油圧増幅器の制御が不適正になる。クリティカルなプロセスの場合、既存の電子制御式油圧増幅器は、能動的な機械制御機能を欠く冗長電子制御システムまたは開ループの機械式方法を利用する。電子制御式油圧増幅器が、この増幅器によって制御されるサーボモータの主出力段階からパイロット段階への機械式内部フィードバック制御（内部ループフィードバック）の備えを有することは典型的ではない。代替動作モードとして電子制御なしで動作することが可能な電子制御式油圧増幅器が、長年にわたって望まれている。
米国特許第４，７１６，７２３号公報 米国特許第５，０１４，６６７号公報 米国特許第６，１８９，３１２号公報 "Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ − Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ"， Ｗｏｏｄｗａｒｄ， Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ８９００７Ｈ， １９８３， ４ ｐａｇｅｓ．

電子制御式油圧増幅器制御装置に対する冗長制御装置（たとえば、バックアップ機械式制御装置）として、手動で操作される閉ループサーボモータ制御装置を開発した。このバックアップ機械式制御装置は、制御を、電子制御式油圧増幅器から手動調節が可能な機械式制御装置に移すことを想定したものである。サーボモータへの油圧流体の流れを調節するために、制御入力（たとえば、手動調節が可能な設定点）およびサーボモータからのフィードバック入力が、バックアップ機械式制御装置によって使用される。制御入力は、機械式複数段階フィードバック系とともに、機械式制御装置を位置決めし、その出力状態を制御する。

油圧制御式システムのための機械式制御装置（たとえば、機械式パイロット弁）が開発され、この制御装置は、内部チャンバ、油圧流体入力穴、および油圧流体出力穴を含む弁ハウジングであって、油圧流体出力穴が、油圧制御式システムに接続可能である、弁ハウジングと、ブッシング穴を有し、内部チャンバ内に取り付けられたブッシングであって、ブッシング穴が、油圧流体入力穴および油圧流体出力穴と並ぶように、あるいは並ばないように動くことが可能であることによって、ブッシング穴が油圧流体入力穴および油圧流体出力穴と並んだときに油圧流体が弁を通って流れることを可能にする、ブッシングと、油圧制御式システムの第１の動作状態に基づいて、内部チャンバ内のブッシングを動かすように結合されたブッシングアクチュエータと、ブッシング内に摺動可能に取り付けられ、流路を有するパイロット弁であって、パイロット弁がブッシング内の第１の位置にあるときに油圧流体がブッシングを通って流れることを可能にし、ブッシング内の第２の位置にあるときに油圧流体の流れを阻止する、パイロット弁と、油圧制御式システムの設定点と第２の動作状態とが比較されて生成される誤差信号に基づいて、第１の位置と第２の位置との間でパイロット弁を動かすように結合されたパイロット弁アクチュエータと、を含む。

送水弁を制御する油圧制御式サーボモータのための機械式制御装置が開発され、この制御装置は、内部チャンバ、油圧流体入力穴、および油圧流体出力穴を含む弁ハウジングであって、油圧流体出力穴が、油圧制御式システムの油圧流体入力穴に接続可能である、弁ハウジングと、ブッシング入力穴およびブッシング出力穴を有し、内部チャンバ内に摺動可能に取り付けられたブッシングであって、ブッシング入力穴およびブッシング出力穴が、油圧流体入力穴および油圧流体出力穴と並ぶように、あるいは並ばないように動くことが可能であることによって、ブッシング入力穴およびブッシング出力穴が油圧流体入力穴および油圧流体出力穴と並んだときに油圧流体が弁を通って流れることを可能にする、ブッシングと、油圧制御式システムの第１の動作状態に基づいて、内部チャンバ内のブッシングを動かすように結合されたブッシングレバーアームと、ブッシング内に摺動可能に取り付けられ、流路を有するパイロット弁であって、流路は、ブッシング入力穴およびブッシング出力穴と並んだときに油圧流体がブッシングを通って流れることを可能にし、ブッシング入力穴およびブッシング出力穴と並ばなくなったときにブッシングを通る流れを減らす、パイロット弁と、誤差信号に基づいて、パイロット弁を動かすように結合されたパイロット弁レバーアームであって、誤差信号は、油圧制御式システムの設定点と第２の動作状態との間でパイロット弁レバーアームを平衡させることによって生成される、パイロット弁レバーアームと、を含む。

油圧制御式システムを制御する方法が開発され、この方法は、電子制御式油圧増幅器を使用して、油圧制御式システムに油圧流体を印加するステップと、制御を、電子制御式油圧増幅器から機械制御式油圧弁制御装置に切り替えるステップと、機械制御式油圧弁制御装置の所望の設定点を設定するステップと、その所望の設定点と、油圧制御式システムの実際の動作状態との間の誤差信号を決定するステップと、その誤差信号を機械制御式油圧弁制御装置に印加するステップであって、機械制御式油圧弁制御装置が、誤差を減らすように、油圧制御式システムへの油圧流体の流れを調節する、ステップと、を含む。

この方法はさらに、誤差信号の決定に使用される実際の動作状態とは別の、油圧制御式システムの動作状態を表すフィードバック状態を機械制御式油圧弁制御装置に印加して、油圧流体の流れの二次調節を行うステップを含むことが可能である。この方法は、送水弁を制御するサーボモータを制御するステップを含むことが可能であり、所望の設定点は、送水弁の動作位置を決定するサーボモータの変位である。この方法はさらに、油圧増幅器主スプールの変位を表すフィードバック状態を機械制御式油圧弁制御装置に印加して、油圧流体の流れの二次調節を行うステップを含むことが可能である。さらに、この方法は、機械制御式油圧弁への油圧流体の流れを遮断して、電子制御式油圧増幅器を作動させるステップを含むことが可能である。この方法は、誤差信号が弁ハウジングの出力穴からの油圧流体の流れと相互に関連する閉ループフィードバック制御を確立する。

電子制御式油圧増幅器のサーボモータ制御を機械式制御装置に移す方法およびシステムを開発した。この機械式制御装置は、サーボモータ用機械式位置決め回路を与える比例アクチュエータ（たとえば、手動パイロット弁）および機械式内部フィードバックを含む。この機械式制御装置は、電子制御式油圧増幅器が故障した場合に（コンピュータ制御装置によって）自動的に起動される機械制御方法を与える。

図１は、電子制御式パイロット弁１２用の冗長制御装置として働く機械制御式パイロット弁１０の概略図である。両方のパイロット弁１０、１２を使用して、サーボモータ１４または他の油圧システムを作動させる油圧増幅器１５（の、たとえば、主段階）を制御することが可能である。サーボモータ１４は、大流量（たとえば、毎分１０００ガロン（約３７８５リットル））の油を通過させる水力発電システム（たとえば、タービン）の調速機分配弁を制御することが可能である。

サーボモータ１４の動作位置は、主段階油圧増幅器１５によって制御される。増幅器１５は、流体管路１６を介してサーボモータの入力に油圧流体（たとえば、油流）を印加することによってサーボモータ１４を制御する。主段階油圧増幅器１５によってサーボモータ１４に印加される油圧流体の流量によって、サーボモータの動作設定が決定される。パイロット弁１０、１２は、フィードバック信号（たとえば、サーボモータの変位５４および変位速度１３）をサーボモータの油圧制御の調節量に変換する。実質的に、フィードバック信号は、サーボモータ１４を制御するために増幅される。フィードバック信号は、電子制御式パイロット弁１２が動作中であるか、機械制御式パイロット弁１０が動作中であるかに応じて、電気式または機械式であってよい。

通常動作時には、電子制御式パイロット弁１２は、油圧増幅器主段階１５およびサーボモータ１４を作動させ、機械式パイロット弁１０は非動作状態である。制御装置１８（たとえば、電気計算機）が、電子制御式パイロット弁１２を動作させる。機械式パイロット弁は、油供給源２０から機械式パイロット弁１０の入力２２への油圧流体の流れを遮断することによって、非動作状態になる。電子制御式パイロット弁１２の代わりに機械式パイロット弁１０が使用されなければならない、と、制御装置１８が決定した場合は、供給源２０からの加圧された油圧流体が、機械式パイロット弁１０の入力２２に印加される。たとえば、制御装置１８は、弁２４を作動させて機械式パイロット弁１０に油圧を印加することが可能である。同様に、弁２５の切り換えによって、制御を電子制御式パイロット弁１２から機械式パイロット弁１０に切り替えることが可能である（この場合の制御は、油圧増幅器主段階１５に対する油圧流体の流れの制御である）。

制御装置１８は、電子制御式パイロット弁１２が、故障したと判断されたか、所定範囲の外で動作しているか、保守または交換のためにオフラインになった場合に、機械制御式パイロット弁１０に切り替えることが可能である。電子制御式パイロット弁１２が再び動作可能になると、制御装置は、パイロット弁１２を作動させ、機械式パイロット弁１０への油圧流体の流れを遮断する。電子制御式パイロット弁１２と機械制御式パイロット弁１０との間の移行には、油圧流体圧力を油圧増幅器主段階１５に印加し、電子パイロット弁１２のオン／オフを切り替える切り換え弁２５を伴うため、移行は円滑であり、複雑ではない。機械制御式パイロット弁１０が切り離された場合、弁１０に対する油供給源２０が、切り替え弁２４を介してオフにされる。

機械制御式パイロット弁１０は、供給源２０から油圧増幅器主段階１５への油圧流体の流れを調整する。機械式パイロット弁は、油圧油入力穴２２と油出力穴２６とを含む弁ハウジング２７を含む。油圧油出力穴２６は、油圧線１６によって、油圧増幅器主段階１５と接続される。

弁ハウジング２７は、円筒形内部チャンバ２８を含む金属製円筒であることが可能である。内部チャンバ２８は、チャンバの下部領域にしみ込んだ油を排出する油圧流体排出穴３０を含む。チャンバ２８の上端は、円筒形ブッシング３２（たとえば、スリーブ）およびパイロット弁３４（たとえば、ピストン）を収容するために開いている。

ブッシング３２は、小さな排出口がある以外は閉じている底面を有する中空円筒スリーブであることが可能であり、その排出口によって、いくらかの油圧流体がチャンバの下部領域にしみ込んで、コイルばね３６への注油になることが可能である。ブッシング３２は、弁ハウジングのチャンバ２８内で上下に摺動する。コイルばねが、弁ハウジング内でブッシングを上方にかたよらせる。ブッシング３２の上部は、ブッシングを弁ハウジング２７のチャンバ２８内に位置決めするレバーアーム３８に、枢動可能に接続される。チャンバ内のブッシングの位置は、油圧増幅器主スプールの動きに応答するレバーアーム３８によって決定される。

ブッシング３２は、側面入力穴４０および側面出力穴４２を含む。これらの穴は、チャンバ２８内で、ブッシングとともに上下に摺動する。プランジャランド４５によってブッシング出力穴４２の覆いがはずれたときに、油圧流体が弁を流れる。出力穴２６を油が流れると、油圧増幅器主スプールが動作する。プランジャランド４５およびブッシング出力穴４２が並ぶと、油が流れなくなり、油圧増幅器主スプールが静止する。

パイロット弁３４は、ブッシング３２内で上下に動くことが可能である。パイロット弁は、ブッシングを通る油圧流体の流れを調整し、したがって、弁２４を通る油圧流体の流れを調整する。パイロット弁は、弁ハウジングを通る油圧流体の流量を主に決定することが可能である。パイロット弁は、ブッシングの入力穴４０から出力穴４２への油圧流体の流れを調整する首領域４４、貫流穴、または他の流路機能を有する。油圧流体は、パイロット弁の首領域がブッシングの入力穴４０／出力穴４２と並んだときに、ブッシングを通って流れることが可能である。パイロット弁の首領域４４がブッシングの出力穴４２と並ばなくなり、パイロット弁の制御ランド４５がブッシングの出力穴４２と並んだときに、油圧流体の、ブッシング（および、したがって、弁２４）を通る流れが阻止される。ブッシングを通る油圧流体の流量は、スリーブ内でパイロット弁を動かすことにより、調整可能である。パイロット弁の首領域が、ブッシングの入力穴／出力穴と並ぶ位置に向かって動くにつれ、スリーブを通る油圧流体の可能な流量が増える。首領域は、パイロット弁がブッシングに対して動くにつれて油圧流体の流量が徐々に変化するような形状であることが可能である。

チャンバ２８内のパイロット弁３４の位置は、アクチュエータレバーアーム４６によって制御される。チャンバ内のブッシング（たとえば、スリーブ）の位置は、レバーアーム３８によって決定される。ブッシング内のパイロット弁の相対的な位置は、レバーアーム３８、４６の両方に依存する。

一実施形態では、パイロット弁レバーアーム（たとえば、アクチュエータ）４６の動きによって、弁を通る油圧流体の流量が変化する。応答として、ブッシング用レバーアーム（たとえば、アクチュエータ）３８が、ブッシング出力穴４２とパイロット弁ランド４５との間の並び関係を回復して、油圧増幅器主スプールの動きを阻止する。この、機械式で達成される、油圧増幅器の回復（フィードバック）により、機械式制御装置は、平衡状態にない入力または出力関係に対し、応答として修正操作を行うことが可能である。

弁を通る油圧流体の流量は、ブッシング３２およびパイロット弁３４の互いに対する位置と、弁ハウジングのチャンバ２８内のブッシングの相対的な位置とに依存する。ブッシング内の弁の位置は、弁を通る油圧流体の流れに支配的影響を及ぼすであろう。チャンバ内のブッシングの位置の、油圧流体の流れに対する影響は、あまり支配的でないであろう。

レバーアーム４６（たとえば、フローティングレバー）は、所望の設定点４８とサーボモータ１４の実際の位置５０との間の相対的な関係に基づいて、弁チャンバ２８内のパイロット弁を位置決めする。サーボモータの位置は、送水弁１５の位置を決定する。サーボモータの所望の動作位置は、（弁１５の所望の位置と相互に関連する）サーボモータの所望の最終的な位置であってよい。所望の設定点は、手動制御装置５２によって手動で入力されるか、制御装置１８によって自動的に設定されることが可能である。サーボモータの実際の位置は、サーボモータの実際の位置を表すフィードバック信号５４（たとえば、ランプ信号）であることが可能である。所望の設定点４８とサーボモータの実際の最終的な位置との差は、レバーアーム４６の位置のかたちで反映され、チャンバ２８内のパイロット弁３４の位置を決定する誤差信号５６として印加される。パイロット弁１２は、誤差信号５６の値に応じて、弁（穴２６）からの油圧流体の流れを調整することによって油圧増幅器主段階１５の主スプールを動かすよう、位置決めされる。

油圧増幅器１５の主スプールからの機械式位置フィードバック信号５８（たとえば、主スプール変位速度フィードバック１３）により、油圧増幅器主段階の安定動作を維持する内部ループフィードバックが操作される。フィードバック信号５８は、油圧増幅器主段階１５への油圧流体の流れを減らすよう、ブッシング３２を動かすことが可能である。フィードバック信号５８は、パイロット弁ブッシング（スリーブ）用レバー３８を作動させる。

機械式増幅器１０は、電子制御式パイロット弁１２の制御機能のいくつかをエミュレートする比例アクチュエータであることが可能である。機械制御式増幅器１０は、手動設定点４８、５２を設定することにより、制御される。機械制御式パイロット弁１０は、通常は電子制御式パイロット弁１２によって提供される制御機能（遮断保護および制御など）、ならびに、監視と、通常制御（電子制御式パイロット弁１２）から手動制御（機械制御式パイロット弁１０）へのスキーム切り替えとの統合を、提供するために使用されることが可能である。電子制御式パイロット弁１２から機械式パイロット弁１０への移行は、油供給源２０とパイロット弁と油圧増幅器主段階１５とを結合する油圧弁２４、２５を切り替えることを含む。

機械制御式増幅器１０は、電子制御式油圧増幅器を妨害または混乱させない手動制御回路を実装することと、個々の構成要素（たとえば、電子制御式油圧増幅器およびサーボモータ）の構成に基づいて、通常の電子制御と手動制御とを切り替える制御機能を柔軟に実装することと、通常の制御モードと手動制御モードとの両方に使用可能な種々の遮断制御を実装することと、電力が供給されない場合に、完全に機械式である、手動による解決策によって、サーボモータ制御機能を動作させることと、を実現することが可能である。

現時点で最も実用的であり好ましいと考えられている実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求項の趣旨および範囲に含まれる種々の修正および等価な構成を包含することを意図するものであることを理解されたい。

電子制御式油圧増幅器に対する冗長システムである機械式制御装置の概略図である。

Claims (10)

1. 油圧制御式システム用の機械式制御装置（１０）であって、
   内部チャンバ（２８）、油圧流体入力穴（２２）、および油圧流体出力穴（２６）を含む弁ハウジング（２７）であって、前記油圧流体出力穴が、前記油圧制御式システム（１４、１５）に接続可能である、弁ハウジング（２７）と、
   ブッシング穴（４０、４２）を有し、前記内部チャンバ内に取り付けられたブッシング（３２）であって、前記ブッシング穴が、パイロット弁（３４）の制御ランド（４４）と並ぶように、あるいは並ばないように動くことが可能であることによって、前記弁を通る油圧流体の流れを制御する、ブッシング（３２）と、
   前記油圧制御式システムの第１の動作状態（１３、５８）に基づいて、前記内部チャンバ内の前記ブッシングを動かすように結合されたブッシングアクチュエータ（３８）と、
   前記ブッシング内に摺動可能に取り付けられ、流路（４４）を有する前記パイロット弁（３４）であって、該パイロット弁が前記ブッシング内の第１の位置にあるときに油圧流体が前記ブッシングを通って流れることを可能にし、前記ブッシング内の第２の位置にあるときに油圧流体の流れを阻止する、前記パイロット弁（３４）と、
   前記油圧制御式システムの設定点（４８）と第２の動作状態（５４）とが比較されて生成される誤差信号（５６）に基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間で前記パイロット弁を動かすように結合されたパイロット弁アクチュエータ（４６）と、
   を備える機械式制御装置。
2. 前記油圧制御式システムは、送水弁を制御するサーボモータ（１４）である、請求項１に記載の機械式制御装置。
3. 前記第１の動作状態（５４）は、前記送水弁を制御するために印加される前記サーボモータの変位であり、前記第２の動作状態（１３、５８）は、前記サーボモータの変位の速度である、請求項２に記載の機械式制御装置。
4. 油圧流体の供給源（２０）が、前記弁ハウジングの前記油圧流体入力穴（２２）に接続されることが可能である、機械式制御装置（１０）であって、加圧された油圧流体を前記油圧流体入力穴に印加することによって作動する、請求項１に記載の機械式制御装置。
5. 前記設定点（４８）は、手動で（５２）設定される設定点である、請求項１に記載の機械式制御装置。
6. 機械式油圧増幅器である、請求項１に記載の機械式制御装置。
7. 閉ループフィードバック制御装置であって、前記誤差信号（５６）は、前記弁ハウジングの前記出力穴からの油圧流体の流れと相互に関連する、請求項１に記載の機械式制御装置。
8. 油圧制御式システム（１５、１４）を制御する方法であって、
   電子制御式油圧増幅器（１２）を使用して、前記油圧制御式システムに油圧流体（１６）を印加するステップと、
   制御を、前記電子制御式油圧増幅器から機械制御式油圧弁制御装置（１０）に切り替える（２４、２５）ステップと、
   前記機械制御式油圧弁制御装置の所望の設定点（４８、５２）を設定するステップと、
   前記所望の設定点と、前記油圧制御式システムの実際の動作状態（５４）との間の誤差信号（５６）を決定するステップと、
   前記誤差信号を前記機械制御式油圧弁制御装置に印加して（３４）、前記機械制御式油圧弁制御装置が前記誤差を減らすように前記油圧制御式システムへの前記油圧流体の流れを調節するステップと、
   を含む方法。
9. 平衡状態にない入力状態または出力状態に対する前記油圧制御式システムの修正操作を可能にするフィードバック状態(13、58)を、前記機械制御式油圧弁制御装置に印加して、前記油圧流体の流れの二次調節を行うステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記油圧制御式システムは、送水弁を制御するサーボモータ（１４）であり、前記所望の設定点（４８）は、前記送水弁の動作位置を決定する、前記サーボモータの変位である、請求項８に記載の方法。

Images