(57)【要約】【課題】非常用ガスタービン発電装置を全体として従来よりも小型化する。【解決手段】永久磁石型発電機１と、該永久磁石型発電機１の回転軸に出力軸が直結するガスタービン２と、該ガスタービン２を起動させる起動装置４と、永久磁石型発電機１の出力を系統電力の仕様に変換する電力変換器３とを具備する。【選択図】図１
2009281249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
該発電機の回転軸に出力軸が直結するガスタービンと、
該ガスタービンを起動させる起動装置と、
発電機の出力を系統電力の仕様に変換する電力変換器と
を具備することを特徴とする非常用ガスタービン発電装置。
【請求項２】
起動装置は、発電機の出力に駆動電流を供給することにより発電機を電動機として機能させてガスタービンを起動させることを特徴とする請求項１記載の非常用ガスタービン発電装置。
【請求項３】
電力変換器は、双方向に電力変換が可能なインバータを備え、
起動装置は、インバータを介して発電機に駆動電流を供給して電動機として回転駆動してガスタービンを起動させることを特徴とする請求項１記載の非常用ガスタービン発電装置。
【請求項４】
発電機は、永久磁石同期発電機であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の非常用ガスタービン発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非常用ガスタービン発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震等の非常時に起動して負荷に電力を供給する非常用発電装置には、ガスタービンによって駆動されるものがある。このような非常用ガスタービン発電装置では、巻線型の同期発電機とガスタービンとを減速機を介して機械的に接続し、高速回転（数万ｒｐｍ）のガスタービンの動力を減速機によって比較的低回転（数千ｒｐｍ）に変換して同期発電機を回転駆動する。すなわち、従来の非常用ガスタービン発電装置では、ガスタービンの高効率な回転数と同期発電機の定格回転数とが相違するために、減速機を介して同期発電機とガスタービンとを接続する構成を採用している。
例えば下記特許文献１、２には、ガスタービンを用いた発電装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−０４１９０６号公報
【特許文献２】特許第３９２４１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記従来技術では、同期発電機とガスタービンとの間に減速機が介在するので、非常用ガスタービン発電装置の全体的な長さを短くすることに限界があった。非常用発電装置は、常時使用するものではなく極稀に発生する非常時にのみ使用されるものなので、非常用発電装置が設置される設備のスペース効率の観点から設置スペースを極力小さくすることがユーザから要求されているが、従来の非常用ガスタービン発電装置は、このような市場の要求に十分に答えることができなかった。また、上記従来技術では、同期発電機として巻線型の同期発電機を採用していたので、上述した全体的な長さだけではなく、装置が全体として大型化するため、上記従来技術は、市場の要求に十分に答えることができなかった。
すなわち、非常用ガスタービン発電装置において、同期発電機、減速機及びガスタービン等の機械的な構成要素は小型化に限界があり、非常用ガスタービン発電装置のさらなる小型化を阻む要因となっている。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、非常用ガスタービン発電装置を全体として従来よりも小型化することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、永久磁石型発電機と、該永久磁石型発電機の回転軸に出力軸が直結するガスタービンと、該ガスタービンを起動させる起動装置と、永久磁石型発電機の出力を系統電力の仕様に変換する電力変換器とを具備する、という手段を採用する。
【０００６】
第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、起動装置は、永久磁石型発電機の出力に駆動電流を強制的に供給することにより永久磁石型発電機を永久磁石型電動機として機能させてガスタービンを起動させる、という手段を採用する。
【０００７】
第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、電力変換器は、双方向に電力変換が可能なインバータを備え、起動装置は、インバータを介して発電機に駆動電流を供給して電動機として回転駆動してガスタービンを起動させる、という手段を採用する。
【０００８】
第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか一の解決手段において、発電機は、永久磁石同期発電機である、という手段を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガスタービンの出力軸が発電機の回転軸に直結されているので、減速機を介してガスタービンと発電機とを連結する従来技術よりもガスタービンと発電機とを近接することが可能であり、よって全体的な長さを従来よりも短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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実施形態に係る非常用ガスタービン発電装置Ａのシステム構成を示すブロック図である。この非常用ガスタービン発電装置Ａは、図示するように永久磁石型同期発電機１、ガスタービン２、電力変換器３及び起動装置４を備えている。また、電力変換器３は、整流器３ａ、中間コンデンサ３ｂ及び系統連系用インバータ３ｃを備えており、起動装置４は、バッテリ４ａ、駆動装置４ｂ、４ｃスタータモータ及び減速器４ｄを備えている。
【００１１】
永久磁石型同期発電機１は、回転子に永久磁石を用いた同期発電機であり、ガスタービン２によって駆動されることにより商用周波数よりも高周波な交流電力を発生する。ガスタービン２は、周知のように燃焼ガスをタービンに吹き付けることによって発生した回転動力を出力軸から取り出す動力発生源であり、上記出力軸が永久磁石型同期発電機１の回転軸に直結されている。このようなガスタービン２の定常回転数は数万ｒｐｍであり、よって永久磁石型同期発電機１の同期速度もガスタービン２の定常回転数と同様な数万ｒｐｍとなる。上記永久磁石型同期発電機１は、数万ｒｐｍの同期速度出回転することにより、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用周波数よりも高周波な交流電力を発生する。
【００１２】
一例として、ガスタービン２の定常回転数（＝永久磁石型同期発電機１の同期速度）が５４０００ｒｐｍ、かつ、永久磁石型同期発電機１の極数が４極の場合、永久磁石型同期発電機１が出力する交流電力の周波数は１８００Ｈｚとなる。６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚの商用電力を出力する一般の同期発電機は、極数が４極であり、よって同期回転数が１５００ｒｐｍあるいは１８００ｒｐｍである。これに対して、本非常用ガスタービン発電装置Ａにおける永久磁石型同期発電機１は、数万ｒｐｍで回転するガスタービン２によって直接駆動されるため、商用電力の周波数よりも大幅に高い周波数の交流電力を発生する。
【００１３】
電力変換器３は、上記永久磁石型同期発電機１から入力された交流電力を系統電力の仕様の交流電力、つまり６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚの２００Ｖ三相交流電力に変換する交流入力・交流出力の電力変換器である。このような電力変換器３の構成要素である整流器３ａは、永久磁石型同期発電機１から入力された交流電力を直流電力に変換して中間コンデンサ３ｂに出力する。この中間コンデンサ３ｂは、上記整流器３ａから入力された直流電力を充電する一方、放電して系統連系用インバータ３ｃに出力する。系統連系用インバータ３ｃは、上記中間コンデンサ３ｂから入力された直流電力を６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚの２００Ｖ三相交流電力に変換して電力系統に出力する。
【００１４】
起動装置４は、停止状態のガスタービン２を起動させる装置である。この起動装置４の構成要件であるバッテリ４ａは、２４Ｖ〜９０Ｖ程度の直流電力を出力する電源であり、駆動装置４ｂに直流電力を供給する。駆動装置４ｂは、上記バッテリ４ａから入力される直流電力に基づいてスタータモータ４ｃを駆動する電力回路である。スタータモータ４ｃは、上記駆動装置４ｂによって駆動される直流モータであり、出力軸が減速器４ｄに接続されている。減速器４ｄは、入力軸が上記スタータモータ４ｃに接続される一方、出力軸が出力軸がガスタービン２の出力軸（永久磁石型同期発電機１の回転軸）に接続されており、上記スタータモータ４ｃの回転を減速してガスタービン２に伝達する。
【００１５】
次に、このように構成された本非常用ガスタービン発電装置Ａの動作についてさらに詳しく説明する。
【００１６】
本非常用ガスタービン発電装置Ａは、地震等の非常時に起動して電力会社から供給される商用電力に代わって、電力系統に接続された負荷に電力を供給するものである。したがって、通常時には動力源であるガスタービン２が停止しており、本非常用ガスタービン発電装置Ａが設置された設備（例えばビル等の建物）に対する商用電源からの給電が遮断すると、起動装置４の主電源スイッチが投入される。
【００１７】
この結果、起動装置４のバッテリ４ａから駆動装置４ｂに直流電力が供給されてスタータモータ４ｃが回転を開始し、当該スタータモータ４ｃの回転動力が減速器４ｄを介してガスタービン２の出力軸に伝達されることによりガスタービン２が起動する。そして、このようにしてガスタービン２が起動することにより、当該ガスタービン２の出力軸に直結された永久磁石型同期発電機１の回転軸が回転することにより永久磁石型同期発電機１から電力変換器３に高周波の交流電力が出力される。そして、この高周波の交流電力は、電力変換器３によって商用の三相交流電力に変換されて電力系統に出力される。
【００１８】
このような本非常用ガスタービン発電装置Ａによれば、ガスタービン２の出力軸が永久磁石型同期発電機１の回転軸に直結されているので、減速機を介してガスタービンと発電機とを連結する従来技術よりもガスタービン２と永久磁石型同期発電機１とを近接することが可能であり、よって全体的な長さを従来よりも短くすることができる。
また、ガスタービン２の出力軸が永久磁石型同期発電機１の回転軸に直結されることに同期発電機の同期速度が速くなるので、従来の巻線型の同期発電機に代えて比較的小型に構成できる永久磁石型同期発電機１を用いることが可能である。これによって全体的な構成を従来よりも小型化することができる。
【００１９】
〔第２実施形態〕
図２は、第２実施形態に係る非常用ガスタービン発電装置Ｂのシステム構成を示すブロック図である。
上記第１実施形態における起動装置４は、減速機４ｄによってガスタービン２に軸結合されたスタータモータ４ｃを用いるものであるが、減速機４ｄやスタータモータ４ｃも機械要素であり装置のさらなる小型化の障害である。本第２実施形態に係る非常用ガスタービン発電装置Ｂは、永久磁石型同期発電機１を電動機として機能させることにより減速機４ｄやスタータモータ４ｃを削除したものである。
【００２０】
すなわち、非常用ガスタービン発電装置Ｂは、図示するように、バッテリ４ａ、起動用インバータ４ｅ及び永久磁石型同期発電機１から構成された起動装置４Ａを備えるものである。起動用インバータ４ｅは、出力端が永久磁石型同期発電機１の出力端に接続され、バッテリ４ａから直流電力を三相交流電力に変換して永久磁石型同期発電機１に駆動電流として出力することにより当該永久磁石型同期発電機１を電動機として回転駆動し、もってガスタービン２を起動させる。
【００２１】
このような非常用ガスタービン発電装置Ｂでは、減速機４ｄ及びスタータモータ４ｃに代えて起動用インバータ４ｅを構成要素とするが、起動用インバータ４ｅは電気要素であり、また比較的小容量のもので十分なので、全体としての装置構成を非常用ガスタービン発電装置Ａよりも小型化することができる。
【００２２】
〔第３実施形態〕
図３は、第３実施形態に係る非常用ガスタービン発電装置Ｃのシステム構成を示すブロック図である。この非常用ガスタービン発電装置Ｃは、上記第２実施形態に係る非常用ガスタービン発電装置Ｂをさらに小型化したものである。すなわち、本非常用ガスタービン発電装置Ｃは、整流器３ａに代えて双方向に電力変換が可能な三相インバータ３ｄを備え、この三相インバータ３ｄにスイッチ４ｆを介してバッテリ４ａの直流電力を印加することにより、三相インバータ３ｄによって永久磁石型同期発電機１を電動機として機能させるものである。
【００２３】
このような非常用ガスタービン発電装置Ｃでは、始動時においてスイッチ４ｆが閉じてバッテリ４ａの直流電力が三相インバータ３ｄに印加されることにより永久磁石型同期発電機１が電動機として回転駆動され、もってガスタービン２が起動する。そして、ガスタービン２が起動するとスイッチ４ｆが開状態となり、永久磁石型同期発電機１が発電した三相交流電力が三相インバータ３ｄに入力されて直流電力に変換されて中間コンデンサ３ｂに充電される。そして、この中間コンデンサ３ｂから放電した直流電力が系統連系用インバータ３ｃによって商用の三相交流電力に変換されて系統に出力される。
【００２４】
このような非常用ガスタービン発電装置Ｃによれば、三相インバータ３ｄが、ガスタービン２の起動時には電動機としての永久磁石型同期発電機１を駆動するための駆動装置として機能し、起動後の発電時には永久磁石型同期発電機１は発電した三相交流電力を直流電力に変換する電力変換器として機能する、つまり１つの三相インバータ３ｄが駆動装置及び電力変換器の機能を併せ持つので、第２実施形態における起動用インバータ４ｅのように、永久磁石型同期発電機１を電動機として駆動するための専用の駆動装置を設ける必要がないので、さらなる小型化を実現することができる。
【００２５】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）第１、第２実施形態における整流器３ａを第３実施形態における三相インバータ３ｄに置き換えても良い。
（２）上記各実施形態では、発電機として永久磁石型同期発電機１を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。永久磁石型同期発電機１に代えて、永久磁石型誘導発電機や巻線型の誘導機や同期機を用いても良い。
（３）上記各実施形態は、三相交流を系統に出力する非常用ガスタービン発電装置Ａ〜Ｃに関するものであるが、単相交流を系統に出力する非常用ガスタービン発電装置にも本願発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる非常用ガスタービン発電装置Ａのシステム構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる非常用ガスタービン発電装置Ｂのシステム構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係わる非常用ガスタービン発電装置Ｃのシステム構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
Ａ〜Ｃ…非常用ガスタービン発電装置、１…永久磁石型同期発電機、２…ガスタービン、３…電力変換器、３ａ…整流器、３ｂ…中間コンデンサ、３ｃ…系統連系用インバータ、３ｄ…三相インバータ、４…起動装置、４ａ…バッテリ、４ｂ…駆動装置、４ｃ…スタータモータ、４ｄ…減速器、４ｅ…起動用インバータ、４ｆ…スイッチ
【図１】
2009281249.tif 000003
【図２】
2009281249.tif 000004
【図３】
2009281249.tif 000005