JP2009127438A - スタータ制御装置及びガスタービン発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動専用のスタータ及びバッテリを別途備えるガスタービンの起動時において、スタータのトルク低下を防止して確実にガスタービンを起動する。
【解決手段】ガスタービンの起動用スタータとして使用され、バッテリを電源とする直流モータの制御装置であって、前記バッテリから前記直流モータに流れるモータ電流と所定の電流目標値とが一致するように前記モータ電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタータ制御装置及びガスタービン発電装置に関する。

周知のように、ガスタービン発電装置とは、発電機とガスタービンとを軸結合し、ガスタービンの駆動によって発電機を回転させることで電力を生成するものである。このようなガスタービン発電装置には、ガスタービンを起動するために発電機をスタータとして使用するタイプと、起動専用のスタータ（直流モータ）及びバッテリを別途備え、バッテリからスタータに電力を供給してスタータを駆動することによりガスタービンを起動するタイプとが存在する。

従来では、起動専用のスタータ及びバッテリを別途備えるタイプのガスタービン発電装置の場合、バッテリとスタータとの間の電流経路に抵抗を挿入するか否かをスイッチのオン／オフによって切替える構成を採用し、ガスタービンの起動開始時にはバッテリとスタータとの間の電流経路に抵抗を挿入することでスタータに流れるモータ電流を制限し、ある程度スタータ（ガスタービン）の回転数が上昇した後に、スイッチの切替えにより電流経路から抵抗を外してバッテリとスタータとを電気的に直結することによりモータ電流を段階的に制御することが一般的である。
なお、ガスタービン発電装置の起動に関する技術に関しては、下記特許文献１〜４を参照されたい。
特開２００２−３０９４３号公報 特開２００３−４１９０６号公報 特許第３９２４１４１号公報 特許第３８９４６２３号公報

上記のようなガスタービン起動用のスタータは数百Ａ程度の大電流仕様であるため、バッテリケーブル（電流経路）の電圧降下が大きくなり、モータトルクが低下してしまい、確実なガスタービン起動の障害になるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、起動専用のスタータ及びバッテリを別途備えるガスタービンの起動時において、スタータのトルク低下を防止して確実にガスタービンを起動することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、スタータ制御装置に係る第１の解決手段として、ガスタービンの起動用スタータとして使用され、バッテリを電源とする直流モータの制御装置であって、前記バッテリから前記直流モータに流れるモータ電流と所定の電流目標値とが一致するように前記モータ電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することを特徴とする。

また、スタータ制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記モータ電流を検出する電流センサと、半導体スイッチング素子のオン／オフ動作によって前記モータ電流のデューティ比を変化させる直流変換回路と、前記モータ電流と前記電流目標値とが一致するように前記半導体スイッチング素子のオン／オフ制御用のＰＷＭ信号を生成し、当該ＰＷＭ信号を前記半導体スイッチング素子に出力する信号処理回路と、を具備することを特徴とする。

また、スタータ制御装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記信号処理回路は、前記直流モータの動作開始時において、前記モータ電流が前記電流目標値に到達するまでの立ち上がり時間を規定するソフトスタート設定値を基に、前記直流モータの動作開始時から前記立ち上がり時間経過後に前記モータ電流が前記電流目標値に到達するように前記ＰＷＭ信号を生成することを特徴とする。

また、スタータ制御装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段
において、前記信号処理回路は、上位制御装置から前記ガスタービンの回転数が燃焼開始回転数に到達したことを報知する信号が入力された場合、前記ＰＷＭ信号の出力を停止し、前記半導体スイッチング素子をオン状態に維持するためのオン信号を出力することを特徴とする。

また、スタータ制御装置に係る第５の解決手段として、上記第２〜第４のいずれかの解
決手段において、前記直流変換回路は、一端が起動用スイッチまたは突入電流防止回路を介して前記バッテリの正極端子と接続され、他端が前記バッテリの負極端子と接続されたコンデンサと、カソード端子が前記コンデンサの一端及び前記直流モータの正極端子と接続され、アノード端子が前記直流モータの負極端子と接続されたダイオードと、Ｎチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴ（Positive Metal Oxide Semiconductor−Field Effective Transistor）であり、ドレイン端子が前記ダイオードのアノード端子と接続され、ソース端子が前記コンデンサの他端と接続され、ゲート端子が前記信号処理回路の出力端子と接続された前記半導体スイッチング素子と、を有することを特徴とする。

さらに、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第１の解決手段として、ガスタービンと、前記ガスタービンと軸結合された発電機と、バッテリと、前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、前記ガスタービンと前記直流モータとの軸結合／非結合を切り替えるためのクラッチ装置と、前記バッテリと前記直流モータとの電気的接続／非接続を切り替えるための起動用スイッチと、上述のいずれかの解決手段を有するスタータ制御装置と、前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記クラッチ装置、前記起動用スイッチ及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、を具備することを特徴とする。

また、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第２の解決手段として、ガスタービンと、前記ガスタービンと軸結合された発電機と、バッテリと、前記ガスタービンと軸結合されていると共に前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、上述のいずれかの解決手段を有するスタータ制御装置と、前記バッテリと前記直流モータ及び前記スタータ制御装置との電気的接続／非接続を切り替えるための起動用スイッチと、前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記起動用スイッチ及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、を具備することを特徴とする。

また、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第３の解決手段として、ガスタービンと、前記ガスタービンと軸結合された発電機と、バッテリと、前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、前記ガスタービンと前記直流モータとの軸結合／非結合を切り替えるためのクラッチ装置と、上述のいずれかの解決手段を有するスタータ制御装置と、前記バッテリと前記スタータ制御装置との間に設けられた突入電流防止回路と、前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記クラッチ装置、前記突入電流防止回路及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、を具備することを特徴とする。

また、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第４の解決手段として、ガスタービンと、前記ガスタービンと軸結合された発電機と、バッテリと、前記ガスタービンと軸結合されていると共に前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、上述のいずれかの解決手段を有するスタータ制御装置と、前記バッテリと前記スタータ制御装置との間に設けられた突入電流防止回路と、前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記突入電流防止回路及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、を具備することを特徴とする。

また、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第５の解決手段として、上記第３また
は第４の解決手段において、前記突入電流防止回路は、一端が前記スタータ制御装置の入力端子と接続された抵抗器と、２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の他端と接続された第１の２端子スイッチと、２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の一端と接続された第２の２端子スイッチと、を有し、上位制御装置の制御の下、前記第１の２端子スイッチは前記ガスタービンの起動開始時にオン状態に制御され、前記第２の２端子スイッチは前記第１の２端子スイッチがオン状態になってから所定時間経過後にオン状態に制御されることを特徴とする。

また、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第６の解決手段として、上記第３また
は第４の解決手段において、前記突入電流防止回路は、一端が前記スタータ制御装置の入力端子と接続された抵抗器と、２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の他端と接続された第１の２端子スイッチと、２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の一端と接続された第２の２端子スイッチと、を有し、上位制御装置の制御の下、前記第１の２端子スイッチは常時オン状態に制御され、前記第２の２端子スイッチは前記ガスタービンの起動開始時にオン状態に制御されることを特徴とする。

また、本発明では、ガスタービン発電装置に係る第７の解決手段として、上記第３また
は第４の解決手段において、前記突入電流防止回路は、一端が前記スタータ制御装置の入力端子と接続され、他端が前記バッテリの正極端子と接続された抵抗器と、２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の一端と接続された２端子スイッチと、を有し、上位制御装置の制御の下、前記２端子スイッチは前記ガスタービンの起動開始時にオン状態に制御されることを特徴とする。

本発明によれば、前記バッテリから前記直流モータに流れるモータ電流と所定の電流目標値とが一致するように前記モータ電流をＰＷＭ制御するため、ガスタービン起動用のスタータとして使用される直流モータのトルク低下を防止することができ、その結果、確実にガスタービンを起動することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係るガスタービン発電装置の構成概略図である。この図１に示すように、第１実施形態に係るガスタービン発電装置は、ガスタービン１０、発電機２０、ギア３０、クラッチ装置４０、スタータ５０、回転数計測器６０、上位制御装置７０、バッテリ８０、起動用スイッチ９０及びスタータコントローラ（スタータ制御装置）１００から構成されている。

ガスタービン１０は、圧縮機１１、燃焼器１２、燃料制御弁１３及びタービン１４を備えている。圧縮機１１は、タービン１４と同軸結合されており、タービン１４と同期回転することにより圧縮空気を生成して燃焼器１２に供給する。燃焼器１２は、圧縮機１１から供給される圧縮空気と燃料制御弁１３を介して供給される燃料とを混合燃焼させ、当該混合燃焼によって発生する高温高圧の燃焼ガスをタービン１４に供給する。燃料制御弁１３は、上位制御装置７０から入力される燃料流量制御信号によって弁の開度が制御される電磁弁であり、上記燃料流量制御信号によって指示される流量の燃料を燃焼器１２に供給する。

タービン１４は、ギア３０を介して発電機２０と軸結合されており、燃焼器１２から供給される燃焼ガスにより回転することで発電機２０及び圧縮機１１を回転させる。発電機２０は、ギア３０を介して軸結合されたタービン１４が回転することにより電力を発生する。ギア３０は、タービン１４と発電機２０とを軸結合させると共に、タービン１４とクラッチ装置４０とを軸結合させる役割を担うギアである。クラッチ装置４０は、図示しないクラッチ板により、タービン１４とスタータ５０（具体的にはアーマチュア５１）との軸結合／非結合を切り替えるためのものであり、この切り替えは上位制御装置７０の制御により行われる。

スタータ５０は、ガスタービン１０の起動用スタータとして使用され、バッテリ８０を電源とする直流モータであり、アーマチュア５１及び界磁コイル５２を備えている。アーマチュア５１は、クラッチ装置４０と軸結合されていると共に、一端はスタータ５０の正極端子５０ａと接続され、他端は界磁コイル５２の一端と接続されており、界磁コイル５２による電磁誘導によって回転する。界磁コイル５２は、アーマチュア５１の励磁用コイルであり、一端はアーマチュア５１の他端と接続され、他端はスタータ５０の負極端子５０ｂと接続されている。また、スタータ５０の正極端子５０ａはスタータコントローラ１００の第２端子１００ｂと接続され、負極端子５０ｂはスタータコントローラ１００の第３端子１００ｃと接続されている。このスタータ５０の正極端子５０ａと負極端子５０ｂとの間に流れる電流（モータ電流）は、後述するスタータコントローラ１００によって制御されている。

回転数計測器６０は、タービン１４の回転数を計測し、回転数計測値を上位制御装置７０に出力する。上位制御装置７０は、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基にガスタービン１０の運転状態を制御する（具体的には燃料制御弁１３の制御によって燃焼器１２に供給する燃料の流量を制御する）と共に、ガスタービン１０の起動時にはクラッチ装置４０、起動用スイッチ９０及びスタータコントローラ１００を制御する。

バッテリ８０は、スタータ５０の電源として使用されるものであり、正極端子は起動用スイッチ９０の一方の端子と接続され、負極端子はスタータコントローラ１００の第１端子１００ａと接続されている。起動用スイッチ９０は、上位制御装置７０の制御の下、２端子間の接続／非接続（つまりバッテリ８０とスタータ５０との電気的接続／非接続）を切り替えるスイッチであり、その一方の端子はバッテリ８０の正極端子と接続され、他方の端子はスタータコントローラ１００の第２端子１００ｂ及びスタータ５０の正極端子５０ａと接続されている。

スタータコントローラ１００は、スタータ５０に流れるモータ電流と所定の電流目標値とが一致するように上記モータ電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するものであり、直流変換回路１１０、電流センサ１２０、電流目標値設定盤１３０及び信号処理回路１４０を備えている。

直流変換回路１１０は、コンデンサ１１１、還流ダイオード１１２及び半導体スイッチング素子１１３から構成されている。コンデンサ１１１は、バッテリ８０の電圧保持用のコンデンサであり、その一端は還流ダイオード１１２のカソード端子及び電流センサ１２０を介して第２端子１００ｂ（つまりスタータ５０の正極端子５０ａ）と接続されており、他端は第１端子１００ａ（つまりバッテリ８０の負極端子）及び半導体スイッチング素子１１３のソース端子と接続されている。

還流ダイオード１１２は、半導体スイッチング素子１１３がオフ状態の時にスタータ５０にモータ電流を流すためのダイオードであり、カソード端子はコンデンサ１１１の一端及び電流センサ１２０を介して第２端子１００ｂ（つまりスタータ５０の正極端子５０ａ）と接続されており、アノード端子は第３端子１００ｃ（つまりスタータ５０の負極端子５０ｂ）及び半導体スイッチング素子１１３のドレイン端子と接続されている。半導体スイッチング素子１１３は、Ｎチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴ（Positive Metal Oxide Semiconductor−Field Effective Transistor）であり、ドレイン端子は還流ダイオード１１２のアノード端子及び第３端子１００ｃと接続され、ソース端子はコンデンサ１１１の他端及び第１端子１００ａと接続され、ゲート端子は信号処理回路１４０（具体的にはＰＷＭ信号生成部１４３）の出力端子と接続されている。

電流センサ１２０は、スタータ５０に流れるモータ電流を検出し、モータ電流検出値Ｉｆｂを信号処理回路１４０（具体的には差分器１４１）に出力する。電流目標値設定盤１３０は、図示しないテンキー等の数値入力キーや表示パネルなどを備えており、数値入力キーの操作によって設定された電流目標値Ｉｒｆ０を信号処理回路１４０（具体的には差分器１４１）に出力する。

信号処理回路１４０は、差分器１４１、ＰＩ演算部１４２及びＰＷＭ信号生成部１４３から構成されている。差分器１４１は、電流センサ１２０から入力されるモータ電流検出値Ｉｆｂと、電流目標値設定盤１３０から入力される電流目標値Ｉｒｆ０との差分、つまり偏差量をＰＩ演算部１４２に出力する。ＰＩ演算部１４２は、差分器１４１から入力されるモータ電流検出値Ｉｆｂと電流目標値Ｉｒｆ０との偏差量を基にＰＩ（比例−積分）演算を行い、当該偏差量が零になるように、つまりモータ電流と電流目標値とが一致するように操作量を算出してＰＷＭ信号生成部１４３に出力する。

ＰＷＭ信号生成部１４３は、ＰＩ演算部１４２から入力される操作量を基に、モータ電流と電流目標値とが一致するように半導体スイッチング素子１１３のオン／オフ制御用のＰＷＭ信号を生成し、当該ＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子１１３のゲート端子に出力する。また、このＰＷＭ信号生成部１４３は、第４端子１００ｄを介して、上位制御装置７０からガスタービン１０の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを報知する信号が入力された場合、ＰＷＭ信号の出力を停止し、半導体スイッチング素子１１３をオン状態に維持するためのオン信号を出力する。

続いて、上記のように構成された第１実施形態に係るガスタービン発電装置の動作、特にガスタービン１０の起動時の動作について図２を参照して説明する。図２は、ガスタービン１０（つまりスタータ５０）の回転数と、スタータ５０に流れるモータ電流と、半導体スイッチング素子１１３のスイッチング状態と、起動用スイッチ９０及びクラッチ装置４０のコンタクト状態との時間的対応関係を示すタイミングチャートである。

図２において、時刻Ｔ１がガスタービン１０の起動開始時刻であると想定すると、上位制御装置７０は、時刻Ｔ１に起動用スイッチ９０及びクラッチ装置４０のコンタクト状態をオンに切り替える。つまり、起動用スイッチ９０はオン状態となってバッテリ８０とスタータ５０及びスタータコントローラ１００が電気的に接続されると共に、クラッチ装置４０によってスタータ５０（アーマチュア５１）とタービン１４とが軸結合される。

また、上位制御装置７０は、時刻Ｔ１において、ＰＷＭ信号生成部１４３にＰＷＭ信号の生成を指示するための信号を出力する。これにより、ＰＷＭ信号生成部１４３は、ＰＩ演算部１４２から入力される操作量に応じたＰＷＭ信号を生成して半導体スイッチング素子１１３のゲート端子に出力する。このようなＰＷＭ信号に応じて半導体スイッチング素子１１３のオン／オフ動作が行われることによりモータ電流のデューティ比が制御され、スタータ５０には常に電流目標値Ｉｆｂと一致するモータ電流が流れることになる。上記のような電流目標値Ｉｆｂと一致するモータ電流に応じて発生するモータトルクによってスタータ５０（ガスタービン１０）は回転を開始し、時間の経過と共に回転数は上昇していく。

そして、上位制御装置７０は、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基に、時刻Ｔ２にガスタービン１０（スタータ５０）の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを検知すると、燃料制御弁１３に燃料流量制御信号を出力して所定流量の燃料を燃焼器１２に供給し、圧縮空気と燃料との混合燃焼を開始する。これにより、タービン１４には燃焼ガスが供給され、ガスタービン１０は自立運転を開始する。また、上位制御装置７０は、ガスタービン１０の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを検知すると、ＰＷＭ信号生成部１４３にガスタービン１０の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを報知する信号を出力する。これにより、ＰＷＭ信号生成部１４３は、ＰＷＭ信号の出力を停止し、半導体スイッチング素子１１３をオン状態に維持するためのオン信号を出力する。

このように、時刻Ｔ２以降は、半導体スイッチング素子１１３はオン状態に維持されるため、スタータ５０はバッテリ８０により定電圧駆動されることになる。ここで、ガスタービン１０は自立運転を開始しているため、ガスタービン１０の回転数の方がスタータ５０の回転数より高くなってくるとスタータ５０にて回生現象が発生し、モータ電流は時間の経過と共に（ガスタービン１０の回転数の方が高くなるに従って）次第に減少していくことになる。

そして、上位制御装置７０は、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基に、時刻Ｔ３にガスタービン１０の回転数が切離し回転数に到達したことを検知すると、起動用スイッチ９０及びクラッチ装置４０のコンタクト状態をオフに切り替える。つまり、バッテリ８０とスタータ５０との電気的接続を切断してスタータ５０の駆動を停止すると共に、スタータ５０とガスタービン１０との軸結合を切離し、ガスタービン１０の単独運転を開始する。上位制御装置７０は、時刻Ｔ３以降、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基に燃焼器１２に供給する燃料流量を制御し、ガスタービン１０の回転数を所定の運転回転数まで上昇させる。

以上のように、第１実施形態によれば、ガスタービン１０の起動時において、モータ電流は電流目標値と常に一致するようにＰＷＭ制御される、つまりスタータ５０は定電流駆動されるため、スタータ５０のトルク低下を防止することができ、その結果、確実にガスタービンを起動することが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係るガスタービン発電装置について説明する。
上記第１実施形態に係るガスタービン発電装置では、起動スイッチ９０をオンに切り替えた際に、スタータコントローラ１００のコンデンサ１１１を介して突入電流が流れるという問題がある。以下説明する第２実施形態に係るガスタービン発電装置は、このような突入電流を防止する構成を採用したものである。

図３は、第２実施形態に係るガスタービン発電装置の構成概略図である。なお、この図３において、図１（第１実施形態）と同様の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。図３に示すように、第２実施形態に係るガスタービン発電装置において、第１実施形態と異なる点は、起動スイッチ９０の代わりに突入電流防止回路９０’が設けられている点である。

突入電流防止回路９０’は、抵抗器９１、第１スイッチ（第１の２端子スイッチ）９２及び第２スイッチ（第２の２端子スイッチ）９３から構成されている。抵抗器９１は、所定の抵抗値を有する抵抗素子から構成され、その一端はスタータコントローラ１００の第２端子１００ｂ（つまりスタータ５０の正極端子５０ａ）と接続されている。第１スイッチ９２は、上位制御装置７０による制御の下、２端子間の接続／非接続を切り替える２端子スイッチであり、一方の端子はバッテリ８０の正極端子と接続され、他方の端子は抵抗器９１の他端と接続されている。第２スイッチ９３は、上位制御装置７０による制御の下、２端子間の接続／非接続を切り替える２端子スイッチであり、一方の端子はバッテリ８０の正極端子と接続され、他方の端子は抵抗器９１の一端（スタータコントローラ１００の第２端子１００ｂ）と接続されている。

続いて、上記のように構成された第２実施形態に係るガスタービン発電装置の動作、特にガスタービン１０の起動時の動作について図４を参照して説明する。図４は、ガスタービン１０（つまりスタータ５０）の回転数と、スタータ５０に流れるモータ電流と、半導体スイッチング素子１１３のスイッチング状態と、第１スイッチ９２のコンタクト状態と、第２スイッチ９３及びクラッチ装置４０のコンタクト状態と、コンデンサ１１１のコンデンサ電圧との時間的対応関係を示すタイミングチャートである。

図４において、時刻Ｔ１がガスタービン１０の起動開始時刻であると想定すると、上位制御装置７０は、時刻Ｔ１に第１スイッチ９２をオン状態に切り替える。これにより、抵抗器９１を介してバッテリ８０の正極端子とスタータコントローラ１００の第２端子１００ｂ及びスタータ５０の正極端子５０ａとが電気的に接続される。この時、半導体スイッチング素子１１３はオフ状態であるため、スタータ５０にモータ電流は流れないが、コンデンサ１１１はバッテリ８０の電圧によって充電される。ここで、抵抗器９１がコンデンサ１１１と直列接続されているため、図２に示すようにコンデンサ電圧は緩やかに上昇することになり、コンデンサ１１１を介して流れる突入電流を防止することができる。

そして、上位制御装置７０は、時刻Ｔ１から所定時間経過後の時刻Ｔ２に、第２スイッチ９３及びクラッチ装置４０のコンタクト状態をオンに切り替える。つまり、第２スイッチ９３はオン状態となってバッテリ８０とスタータ５０及びスタータコントローラ１００が電気的に直結されると共に、クラッチ装置４０によってスタータ５０（アーマチュア５１）とタービン１４とが軸結合される。ここで、時刻Ｔ２は、時刻Ｔ１からコンデンサ電圧がバッテリ電圧まで十分充電されたと予測される時間に設定されている。

また、上位制御装置７０は、時刻Ｔ２において、ＰＷＭ信号生成部１４３にＰＷＭ信号の生成を指示するための信号を出力する。これにより、ＰＷＭ信号生成部１４３は、ＰＩ演算部１４２から入力される操作量に応じたＰＷＭ信号を生成して半導体スイッチング素子１１３のゲート端子に出力する。このようなＰＷＭ信号に応じて半導体スイッチング素子１１３のオン／オフ動作が行われることによりモータ電流のデューティ比が制御され、スタータ５０には常に電流目標値Ｉｆｂと一致するモータ電流が流れることになる。上記のような電流目標値Ｉｆｂと一致するモータ電流に応じて発生するモータトルクによってスタータ５０（ガスタービン１０）は回転を開始し、時間の経過と共に回転数は上昇していく。

そして、上位制御装置７０は、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基に、時刻Ｔ３にガスタービン１０（スタータ５０）の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを検知すると、燃料制御弁１３に燃料流量制御信号を出力して所定流量の燃料を燃焼器１２に供給し、圧縮空気と燃料との混合燃焼を開始する。これにより、タービン１４には燃焼ガスが供給され、ガスタービン１０は自立運転を開始する。また、上位制御装置７０は、ガスタービン１０の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを検知すると、ＰＷＭ信号生成部１４３にガスタービン１０の回転数が燃焼開始回転数に到達したことを報知する信号を出力する。これにより、ＰＷＭ信号生成部１４３は、ＰＷＭ信号の出力を停止し、半導体スイッチング素子１１３をオン状態に維持するためのオン信号を出力する。

このように、時刻Ｔ３以降は、半導体スイッチング素子１１３はオン状態に維持されるため、スタータ５０はバッテリ８０により定電圧駆動されることになる。ここで、ガスタービン１０は自立運転を開始しているため、ガスタービン１０の回転数の方がスタータ５０の回転数より高くなってくるとスタータ５０にて回生現象が発生し、モータ電流は時間の経過と共に（ガスタービン１０の回転数の方が高くなるに従って）次第に減少していくことになる。

そして、上位制御装置７０は、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基に、時刻Ｔ４にガスタービン１０の回転数が切離し回転数に到達したことを検知すると、第１スイッチ９２、第２スイッチ９３及びクラッチ装置４０のコンタクト状態をオフに切り替える。つまり、バッテリ８０とスタータ５０との電気的接続を切断してスタータ５０の駆動を停止すると共に、スタータ５０とガスタービン１０との軸結合を切離し、ガスタービン１０の単独運転を開始する。上位制御装置７０は、時刻Ｔ４以降、回転数計測器６０から入力される回転数計測値を基に燃焼器１２に供給する燃料流量を制御し、ガスタービン１０の回転数を所定の運転回転数まで上昇させる。

以上のように、第２実施形態によれば、ガスタービン１０の起動時において、スタータコントローラ１００の内部にバッテリ電圧保持用のコンデンサ１１１が設けられている場合であっても、ガスタービンの起動時において発生する突入電流を防止することが可能である。また、第１実施形態と同様に、スタータ５０のトルク低下を防止するという効果も勿論得ることができる。

また、本発明は上記実施形態に限定されることなく、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記第１及び第２実施形態では、電流目標値Ｉｒｆ０とモータ電流検出値Ｉｆｂとの偏差量を基に操作量をＰＩ演算していたが、これによると図２及び図４からわかるように、モータ電流は急激に立ち上がることになり、スタータ５０に機械的なショックが発生する可能性がある。図５に、上記のようなスタータ５０に発生する機械的ショックを低減することが可能なスタータコントローラ１００の変形例を示す。なお、図５では図１と区別するためにスタータコントローラ１００の符号を１００’としている。また、図５において図１と同様の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図５に示すように、本変形例におけるスタータコントローラ１００’は、ソフトスタート設定盤１３１と電流指令値生成部１３２とを新たに備えている。ソフトスタート設定盤１３１は、図示しないテンキー等の数値入力キーや表示パネルなどを備えており、数値入力キーの操作によって設定されたソフトスタート設定値Ｔｓｆを電流指令値生成部１３２に出力する。ここで、ソフトスタート設定値Ｔｓｆとは、モータ電流が電流目標値Ｉｒｆ０に到達するまでの立ち上がり時間を規定する値を指す。電流指令値生成部１３２は、電流目標値設定盤１３０から入力される電流目標値Ｉｒｆ０と、ソフトスタート設定盤１３１から入力されるソフトスタート設定値Ｔｓｆとを基に、図６に示すように、ランプ状に増大すると共にソフトスタート設定値Ｔｓｆの経過後に電流目標値Ｉｒｆ０に到達するような電流指令値Ｉｒｅｆを生成して差分器１４１に出力する。

つまり、本変形例では、差分器１４１は電流検出値Ｉｆｂと電流指令値Ｉｒｅｆとの偏差量を出力し、ＰＩ演算部１４２はその偏差量を基にＰＩ（比例−積分）演算を行い、当該偏差量が零になるように、つまりモータ電流と電流指令値Ｉｒｅｆとが一致するように操作量を算出してＰＷＭ信号生成部１４３に出力する。従って、本変形例では、スタータ５０の動作開始時からソフトスタート設定値で規定される立ち上がり時間（Ｔｓｆ）経過後にモータ電流が電流目標値Ｉｒｆ０に到達するようにＰＷＭ信号が生成され、モータ電流は図６に示す電流指令値Ｉｒｅｆと同様にランプ状に増大することになり、スタータ５０の機械的なショックを防止することができる。なお、本変形例は、第１実施形態（図１）だけでなく、第２実施形態（図４）にも適用しても良い。

（２）上記第２実施形態では、ガスタービンの起動開始時刻Ｔ１に第１スイッチ９２をオン状態に切り替え、コンデンサ１１１のコンデンサ電圧がバッテリ電圧まで十分に充電されてから第２スイッチ９３をオン状態に切り替えてＰＷＭ制御を開始していたが、この場合、コンデンサ電圧がバッテリ電圧まで充電されるまでスタータを駆動することができず、ガスタービンの起動時間が長くなる。そこで、図７に示すように、第１スイッチ９２のコンタクト状態を常時オン状態に制御するようにしても良い。このようにすることにより、コンデンサ電圧を常にバッテリ電圧まで充電された状態に維持することができ、その結果、任意の時刻に第２スイッチ９３をオン状態に切り替えてＰＷＭ制御を開始することができ、ガスタービンの起動時間を短縮することができる。
また、上記と同様の効果を得るために、図８に示すように、第１スイッチ９２を削除して抵抗器９１とバッテリ８０とを直結するような構成を採用しても良い。

（３）上記第１及び第２実施形態では、半導体スイッチング素子１１３として、ＭＯＳ−ＦＥＴを使用したが、例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＧＴＯ(Gate Turn Off thyristor)等、他の電力用半導体スイッチング素子を使用しても良い。また、直流変換回路１１０としては、降圧チョッパ回路、昇圧チョッパ回路、昇降圧チョッパ回路、フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、フライバックコンバータ、ＭＯＳ−ＦＥＴ同期整流回路など、半導体スイッチング素子のオン／オフ動作によりモータ電流のデューティ比を変化させることで電流制御を行うことが可能な回路であれば使用することができる。

（４）上記第２実施形態では、突入電流防止回路９０’として抵抗器９１を用いた回路を例示したが、例えば、抵抗器９１の代わりにサーミスタを用い、サーミスタの抵抗値が温度と反比例することを利用して自立的に突入電流を抑制するような構成としても良い。このように自立的に突入電流を抑制する素子として、インダクタンス分を持つコイル等を用いても良い。

（５）上記第１及び第２実施形態では、スタータ５０とガスタービン１０とがクラッチ装置４０を介して軸結合される場合を例示して説明したが、クラッチ装置４０を設けずにスタータ５０とガスタービン１０とを直接軸結合するような構成を採用しても良い。この場合、ガスタービン１０の単独運転開始後は、スタータ５０はフリーラン状態となる。

（６）上記第１及び第２実施形態では、スタータコントローラ１００（１００’）をガスタービン発電装置に使用した場合を想定して説明したが、その他ガスタービンを備える装置または設備においてスタータをガスタービンの起動用に使用する場合であれば、本実施形態に係るスタータコントローラ１００（１００’）を使用することができる。

（７）上第１及び第２記実施形態では、スタータコントローラ１００（１００’）に、電流目標値設定盤１３０やソフトスタート設定盤１３１を設け、手動操作により電流目標値Ｉｒｆ０やソフトスタート設定値Ｔｓｆを設定したが、例えば上位制御装置７０からこれら電流目標値Ｉｒｆ０やソフトスタート設定値Ｔｓｆをスタータコントローラ１００（１００’）に入力するような構成としても良い。

本発明の第１実施形態に係るガスタービン発電装置の構成概略図である。 本発明の第１実施形態に係るガスタービン発電装置の動作説明図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン発電装置の構成概略図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン発電装置の動作説明図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係るガスタービン発電装置の変形例に関する第１説明図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係るガスタービン発電装置の変形例に関する第２説明図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン発電装置の変形例に関する第１説明図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン発電装置の変形例に関する第２説明図である。

符号の説明

１０…ガスタービン、１１…圧縮機、１２…燃焼器、１３…燃料制御弁、１４…タービン、２０…発電機、３０…ギア、４０…クラッチ装置、５０…スタータ、５１…アーマチュア、５２…界磁コイル、６０…回転数計測器、７０…上位制御装置、８０…バッテリ、９０…起動用スイッチ、９０’…突入電流防止回路、９１…抵抗器、９２…第１スイッチ、９３…第２スイッチ、１００、１００’…スタータコントローラ、１１０…直流変換回路、１１１…コンデンサ、１１２…還流ダイオード、１１３…半導体スイッチング素子、１２０…電流センサ、１３０…電流目標値設定盤、１４０…信号処理回路、１４１…差分器、１４２…ＰＩ演算部、１４３…ＰＷＭ信号生成部、１３１…ソフトスタート設定盤、１３２…電流指令値生成部

Claims (12)

1. ガスタービンの起動用スタータとして使用され、バッテリを電源とする直流モータの制御装置であって、
   前記バッテリから前記直流モータに流れるモータ電流と所定の電流目標値とが一致するように前記モータ電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することを特徴とするスタータ制御装置。
2. 前記モータ電流を検出する電流センサと、
   半導体スイッチング素子のオン／オフ動作によって前記モータ電流のデューティ比を変化させる直流変換回路と、
   前記モータ電流と前記電流目標値とが一致するように前記半導体スイッチング素子のオン／オフ制御用のＰＷＭ信号を生成し、当該ＰＷＭ信号を前記半導体スイッチング素子に出力する信号処理回路と、
   を具備することを特徴とする請求項１記載のスタータ制御装置。
3. 前記信号処理回路は、前記直流モータの動作開始時において、前記モータ電流が前記電流目標値に到達するまでの立ち上がり時間を規定するソフトスタート設定値を基に、前記直流モータの動作開始時から前記立ち上がり時間経過後に前記モータ電流が前記電流目標値に到達するように前記ＰＷＭ信号を生成することを特徴とする請求項２記載のスタータ制御装置。
4. 前記信号処理回路は、上位制御装置から前記ガスタービンの回転数が燃焼開始回転数に到達したことを報知する信号が入力された場合、前記ＰＷＭ信号の出力を停止し、前記半導体スイッチング素子をオン状態に維持するためのオン信号を出力することを特徴とする請求項２または３に記載のスタータ制御装置。
5. 前記直流変換回路は、
   一端が起動用スイッチまたは突入電流防止回路を介して前記バッテリの正極端子と接続され、他端が前記バッテリの負極端子と接続されたコンデンサと、
   カソード端子が前記コンデンサの一端及び前記直流モータの正極端子と接続され、アノード端子が前記直流モータの負極端子と接続されたダイオードと、
   Ｎチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴ（Positive Metal Oxide Semiconductor−Field Effective Transistor）であり、ドレイン端子が前記ダイオードのアノード端子と接続され、ソース端子が前記コンデンサの他端と接続され、ゲート端子が前記信号処理回路の出力端子と接続された前記半導体スイッチング素子と、
   を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のスタータ制御装置。
6. ガスタービンと、
   前記ガスタービンと軸結合された発電機と、
   バッテリと、
   前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、
   前記ガスタービンと前記直流モータとの軸結合／非結合を切り替えるためのクラッチ装置と、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスタータ制御装置と、
   前記バッテリと前記直流モータ及び前記スタータ制御装置との電気的接続／非接続を切り替えるための起動用スイッチと、
   前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記クラッチ装置、前記起動用スイッチ及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、
   を具備することを特徴とするガスタービン発電装置。
7. ガスタービンと、
   前記ガスタービンと軸結合された発電機と、
   バッテリと、
   前記ガスタービンと軸結合されていると共に前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスタータ制御装置と、
   前記バッテリと前記直流モータ及び前記スタータ制御装置との電気的接続／非接続を切り替えるための起動用スイッチと、
   前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記起動用スイッチ及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、
   を具備することを特徴とするガスタービン発電装置。
8. ガスタービンと、
   前記ガスタービンと軸結合された発電機と、
   バッテリと、
   前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、
   前記ガスタービンと前記直流モータとの軸結合／非結合を切り替えるためのクラッチ装置と、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスタータ制御装置と、
   前記バッテリと前記スタータ制御装置との間に設けられた突入電流防止回路と、
   前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記クラッチ装置、前記突入電流防止回路及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、
   を具備することを特徴とするガスタービン発電装置。
9. ガスタービンと、
   前記ガスタービンと軸結合された発電機と、
   バッテリと、
   前記ガスタービンと軸結合されていると共に前記ガスタービンの起動用スタータとして使用され、前記バッテリを電源とする直流モータと、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスタータ制御装置と、
   前記バッテリと前記スタータ制御装置との間に設けられた突入電流防止回路と、
   前記ガスタービンの運転状態を制御すると共に、前記突入電流防止回路及び前記スタータ制御装置を制御する上位制御装置と、
   を具備することを特徴とするガスタービン発電装置。
10. 前記突入電流防止回路は、
    一端が前記スタータ制御装置の入力端子と接続された抵抗器と、
    ２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の他端と接続された第１の２端子スイッチと、
    ２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の一端と接続された第２の２端子スイッチと、を有し、
    上位制御装置の制御の下、前記第１の２端子スイッチは前記ガスタービンの起動開始時にオン状態に制御され、前記第２の２端子スイッチは前記第１の２端子スイッチがオン状態になってから所定時間経過後にオン状態に制御されることを特徴とする請求項８または９に記載のガスタービン発電装置。
11. 前記突入電流防止回路は、
    一端が前記スタータ制御装置の入力端子と接続された抵抗器と、
    ２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の他端と接続された第１の２端子スイッチと、
    ２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の一端と接続された第２の２端子スイッチと、を有し、
    上位制御装置の制御の下、前記第１の２端子スイッチは常時オン状態に制御され、前記第２の２端子スイッチは前記ガスタービンの起動開始時にオン状態に制御されることを特徴とする請求項８または９に記載のガスタービン発電装置。
12. 前記突入電流防止回路は、
    一端が前記スタータ制御装置の入力端子と接続され、他端が前記バッテリの正極端子と接続された抵抗器と、
    ２端子の内一方の端子が前記バッテリの正極端子と接続され、他方の端子が前記抵抗器の一端と接続された２端子スイッチと、を有し、
    上位制御装置の制御の下、前記２端子スイッチは前記ガスタービンの起動開始時にオン状態に制御されることを特徴とする請求項８または９に記載のガスタービン発電装置。

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