CN107208537B - 涡轮电力涡轮复合系统 - Google Patents

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Abstract

来自发动机(16、16')的废气(28)被输入涡轮复合装置(20)，驱动其中的叶轮机转子(48)，叶轮机转子(48)驱动发电机(56、56.1、56.1'、126、126'、126”)，后者的输出被用于电驱动感应电动机(104、104')，感应电动机(104、104')的转子(106)被机械联接至所述发动机(16、16')，以将功率回收至所述发动机(16、16')。所述涡轮复合装置(20)还包括废气门阀(36、36')，以使得所述废气(28)绕过所述叶轮机转子(48)。一旦起动，则所述废气门阀(36、36')打开，并且所述发电机可与所述发动机(16、16')解除联接。当所述发电机(56、56.1、56.1'、126、126'、126”)的频率(f发电机)满足或超过所述感应电动机(104、104')的频率(f电动机)时，所述发电机(56、56.1、56.1'、126、126'、126”)可通过接触器(110、110')的闭合、电控离合器(124)的接合，或通过固态开关(125)或控制系统或交流激励信号(130)联接至所述发动机(16、16')。废气门阀(36、36')的闭合使得所述发电机(56、56.1、56.1'、126、126'、126”)从所述废气(28)回收功率。

Description

涡轮电力涡轮复合系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月3日提交的在前美国临时申请号62/111,208的权益，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
技术领域
本申请涉及用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统、以及从来自内燃机的废气流回收功率的方法。
背景技术
EP1848084A1公开了一种涡轮发电机速度监控器，用于确定涡轮发电机的转子或轴的速度的下限阈值和上限阈值。该速度检测器检测与涡轮发电机相关联的转子或轴的速度数据或速度信号。涡轮发电机控制器基于检测到的速度数据或速度信号来控制涡轮发电机的输出电流，以控制转子或轴的旋转速度。电压监控器为发电机建立电压下限和电压上限。电压检测器检测与发电机相关联的输出电压电平。电动机/发电机控制器通过基于检测到的输出电压电平调用电动机模式和发电机模式中的至少一种来控制发电机电气输出的输出电压电平，以维持期望的工作电压范围。
然而，该涡轮发电机速度监控器还存在很大改进的空间。
发明内容
根据本申请的第一方面，提供了一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，所述涡轮复合系统包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自从所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流，当开始所述涡轮复合系统的操作时，对所述废气流的划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴。
根据本申请的第二方面，提供了一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，所述涡轮复合系统包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自从所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴，所述发电机包括多相交流同步发电机，所述感应电动机包括多相感应电动机，所述多相感应电动机的相数至少为三并且等于所述交流同步发电机的相数，并且所述多相感应电动机的每相都与所述多相交流同步发电机的对应相电关联。
根据本申请的第三方面，提供了一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，所述涡轮复合系统包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自从所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴，所述发电机包括多相感应发电机，所述感应电动机包括多相感应电动机，所述多相感应电动机的相数至少为三并且等于所述多相感应发电机的相数，并且所述多相感应电动机的每相都与所述多相感应发电机的对应相电关联；
f.多相感应发电机逆变器；和
g.感应电动机转速传感器，其中，所述多相感应发电机逆变器产生多相激励信号，所述多相激励信号的频率响应于来自所述感应电动机转速传感器的转速信号，并且所述多相激励信号的每相都与所述多相感应发电机的对应相电关联。
根据本申请的第四方面，提供了一种从来自内燃机的废气流回收功率的方法，包括：
a.接收来自所述内燃机的废气流；
b.对将来自所述内燃机的所述废气流划分为所述废气流的第一部分和余下的第二部分进行控制，其中，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每一部分都不大于或等于所述废气流，并且小于或等于全部所述废气流；
c.如果所述废气流的所述第一部分大于零，则使得所述废气流的所述第一部分撞击在叶轮机转子的多个叶片上；
d.如果所述废气流的所述余下的第二部分大于零，则使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
e.如果所述废气流的所述第一部分大于零，则响应于撞击在所述叶轮机转子的所述多个叶片上的所述废气流的所述第一部分，而利用所述叶轮机转子驱动发电机；
f.将所述发电机的电输出可操作地耦接至感应电动机，以利用由所述发电机产生的电力对感应电动机供电；以及
g.将所述感应电动机的输出轴可操作地机械联接至所述内燃机的输出轴，以从所述废气流的所述第一部分回收功率，其中，当开始从所述废气流的所述第一部分回收功率的操作时，对所述废气流的所述划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀。
根据本申请的第五方面，提供了一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自从所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴；
f.用于将从所述发电机至所述内燃机的动力流解耦的装置；
g.相电流传感器，其中，所述相电流传感器响应于将所述发电机的相电连接至所述感应电动机的对应相的导体内的相电流的测量值来产生相电流信号；和
h.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述相电流传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述相电流信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
附图说明
在附图中：
图1示出包括与柴油电力发电机系统协作的涡轮电力涡轮复合系统的发电机组；
图2示出图1中所示的涡轮电力涡轮复合系统的涡轮复合器的纵向截面图；
图3示出图1和图2中所示的涡轮复合器的等轴外部图；
图4示出废气门阀(wastegate volve)，其包括与通过气缸进口管的气缸壁的多个孔口协作的“腹带”废气门。
图5示出图4中所示的废气门阀的横截面图；
图6示出包括涡轮电力涡轮复合系统的第一方面的发电机组的方框图；
图7示出根据图6中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第一方面的三相发电机的示意性方框图，该三相发电机通过接触器可操作地联接至三相感应电动机；
图8示出用于控制图1-图7中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第一方面的激活的过程的流程图；
图9a示出用于控制图1-图7中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第一方面的失活的过程的第一实施例的流程图；
图9b示出用于控制图1-图7中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第一方面的失活的过程的第二实施例的流程图；
图10示出包括涡轮电力涡轮复合系统的第二方面的发电机组的方框图；
图11示出用于控制图10中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第二方面的激活的过程的流程图；
图12a示出用于控制图10中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第二方面的失活的过程的第一实施例的流程图；
图12b示出用于控制图10中所示的涡轮电力涡轮复合系统的第二方面的失活的过程的第二实施例的流程图；
图13示出包括涡轮电力涡轮复合系统的第三方面的发电机组的方框图；
图14示出包括涡轮电力涡轮复合系统的第四方面的发电机组的方框图；
图15示出根据图14的涡轮电力涡轮复合系统的第四方面的与相关联的感应发电机逆变器协作的三相异步发电机的示意性方框图，该三相异步发电机可操作地联接至三相感应电动机；
图16示出根据图14的涡轮电力涡轮复合系统的第四方面的三相异步发电机的示意性方框图，该三相异步发电机可操作地联接至相关联的感应发电机逆变器；
图17示出感应发电机逆变器的一个实施例的方框图；
图18示出用于在电动运行模式下运行的一般感应电动机的根据相对于相关联的同步速度的转速的轴扭矩图；
图19示出用于在跨越发电、电动和制动运行模式的一系列转速上的感应机器的根据相对于相关联的同步速度的转速的轴扭矩图；
图20示出用于控制根据图6、图10、图13或图14的第一方面至第四方面中的任一方面的普通涡轮电力涡轮复合系统的激活的过程的流程图；
图21a示出用于控制根据图6、图10、图13或图14的第一方面至第四方面中的任一方面的普通涡轮电力涡轮复合系统的失活的过程的第一实施例的流程图；以及
图21b示出用于控制根据图6、图10、图13或图14的第一方面至第四方面中的任一方面的普通涡轮电力涡轮复合系统的失活的过程的第二实施例的流程图。
具体实施方式
参考图1，涡轮电力涡轮复合系统10与包括柴油电力发电机系统14的发电机组12协作，柴油电力发电机系统14包括柴油发动机16，例如柴油发动机16'，该柴油发动机16'与相关联的发电机组主发电机18可操作地联接，其中，主发电机18通过发电机组发动机16、16'的曲柄轴的旋转而被驱动，即旋转，并且进行发电，以在发电机组12外使用。还参考图2-图7，涡轮电力涡轮复合系统10包括涡轮复合器20，该涡轮复合器20具有进口22和出口24(其中，图2和图3的进口22和出口24的相对左右方向相对于图1的示出的进口22和出口24相反)，涡轮复合器20的进口22可操作地联接至发电机组发动机16、16'的废气排出管26，并且用于由此将废气28接收到具有多个穿过圆筒形壁34的孔口32的进口管30中，所述多个孔口构成相关联的废气门阀36的一部分，其控制废气28是否可流经其中。
例如，参考图4和图5，“腹带”废气门阀36'包括与进口管30的圆筒形壁34的有孔部分协作的“腹带”废气门37。“腹带”废气门37包括形成为绕进口管30的孔口32和环状圆筒形壁34的大致开口端环状圆筒壳的柔性金属带。“腹带”废气门37由一对相关联的径向引导凸缘38轴向地固位，所述径向引导凸缘38从圆筒形壁34沿着“腹带”废气门37的前后方向的径向向外延伸。径向引导凸缘38包括多个荷叶边开口39，从该多个荷叶边开口39中移除至少一个径向引导凸缘38的材料。“腹带”废气门37的端部37.1、37.2联接至废气门致动机构40，例如被相关联的线性废气门阀致动器41致动的剪刀式废气门致动机构40'。当废气门阀致动器41延伸(如图4中所示，以及如图5中的主要位置所示)时，相关联的剪刀式废气门致动机构40'增大由“腹带”废气门37形成的相关联的圆筒壳体的有效直径，由此在进口管30的圆筒形壁34的外部和“腹带”废气门37的内部之间产生环状间隙42，废气28可穿过该环状间隙42流动，并且废气28可从该环状间隙42通过相关联的荷叶边开口39从“腹带”废气门阀36'排出。当废气门阀致动器41收缩(如图5中的替选位置所示)时，相关联的剪刀式废气门致动机构40'减小“腹带”废气门37的相关联的圆筒壳体的有效直径，直到完全收缩时，“腹带”废气门37被绕进口管30的圆筒形壁34紧密地约束，由此阻塞每个孔口32，以便阻塞废气28流经其中。
可替选地，废气门阀36能够通过包括数目类似于多个孔口32的多个第二孔口的废气门带实施，其中废气门带被相关联的废气门阀制动机构40相对于圆筒形壁34旋转定位，以控制圆筒形壁34中的孔口32与对应的第二多个孔口的相对对齐，由此控制相关联的废气门阀36的有效开启面积，废气门阀36能够从所有的孔口32都被废气门带的对应的无孔口部分阻塞而完全闭合至所有孔口32都与废气门带的对应的第二孔口对齐而完全开启。
随着废气门阀36闭合，名义上进入涡轮复合器20的进口22的所有废气28.1都被轴向地引导穿过进口管30，并且一旦从进口管30离开，则流经包括处于相关联的叶轮机转子48上游的多个叶片46的相关联的涡轮喷嘴44。涡轮喷嘴44的进口侧44.1包括半球罩50，该半球罩50提供将撞击在其上的部分废气28引导到叶片46上并且穿过涡轮喷嘴44之间的开口。然后，离开涡轮喷嘴44的废气28.2撞在叶轮机转子48的叶片48.1上，从而引起其作为响应的旋转。叶轮机转子48被转子轴52，(例如通过键入叶轮机转子48的转子轴52)可操作地联接至同步交流发电机56的转子54，以便提供从叶轮机转子48至同步交流发电机56的转子轴52的扭矩传递。例如，在一组实施例中，同步交流发电机56包括永磁体交流发电机56.1，例如三相永磁体交流发电机56.1'(例如，径向磁通量设计的)，或更一般的是包括至少三相的多相永磁体交流发电机。
通过相关联的一组定子绕组58从同步交流发电机56提取电功率，例如三相交流功率，该定子绕组58相对于例如通过多个支柱62而从涡轮复合器20的外壳管64内部并且由其支撑的相关联的铁芯外壳结构60相对地固定。因此，叶轮机转子48响应于与离开涡轮喷嘴44的废气28.2的相互作用的旋转引起同步交流发电机56的转子54相对于其定子绕组58旋转，这使得从定子绕组58产生交流功率。随着其相互作用，离开叶轮机转子48的废气28.3被通过环状废气管66排出，该环状废气管66在铁芯外壳结构60的前端部60.1处围绕铁芯外壳结构60，其中，环状废气管66的外部壳体68通过其中的多个相关联的支柱70而从铁芯外壳结构60悬垂，其中，围绕叶轮机转子48的涡轮罩72从环状废气管66的外部壳体68向前延伸。离开环状废气管66的废气28.4被排入环状室74，所述环状室74围绕铁芯外壳结构60，并且与涡轮复合器20的出口24以及废气门阀36的“腹带”圆筒型废气门37两者流体连通。
随着废气门阀36开启，进入涡轮复合器20的进口22的废气28.1能够径向地流经孔口32，并且进入废气门阀36的环状间隙42中，穿过相关联的径向引导凸缘38的荷叶边开口39，然后直接进入环状室74，因此绕过叶轮机转子48，叶轮机转子48将不受其影响，否则叶轮机转子48从所流经的废气28、28.2、28.3提取功率。
同步交流发电机56位于铁芯外壳结构60的敞开端腔体76内，铁芯外壳结构60的前端部60.2被与其固定的端帽78封闭。转子轴52的向前部52.1被从其悬垂的套管轴承80从铁芯外壳结构60的前端部60.1内旋转地支撑，并且转子轴52的后部52.2被滚动元件轴承82从端帽78旋转地支撑，其中转子轴52被对应的相应的前部84.1和后部84.2在同步交流发电机56与套管80和滚动元件轴承82每一个之间的位置处相对于铁芯外壳结构60密封。铁芯外壳结构60包括环状冷却剂腔体86，该环状冷却剂腔体86与在对应的支柱62和外壳管64内并且穿过其延伸的冷却剂进口88和出口90端口流体连通，其中，通往冷却剂进口端口88的冷却剂流入并且流经环状冷却剂腔体86，并且流出冷却剂出口端口90，以便从废气28的热或其运行来对同步交流发电机56和相关联的套管80与滚动元件轴承82进行冷却。铁芯外壳结构60还包括为套管80和滚动元件轴承82的润滑而提供的内部润滑通道和腔体，这些内部润滑通道和腔体与在其中并且从其中提供相应的润滑剂源和接收端的对应的支柱62和外壳管64内延伸并且穿过其延伸的对应的端口流体连通。进口管30的向前延伸件30.1的外部通过响应于相关联的组件的热感应膨胀和收缩提供进口管30相对于外壳管64的平移的一个或更多活塞环密封件92密封至外壳管64的内部。
参考图3，根据一个实施例，废气门阀36由废气门致动机构40的气动废气门阀致动器41'响应于来自电控三向阀98响应于相关联的废气门控制信号99的气动致动信号96控制。气动废气门阀致动器41'包括弹簧偏压隔膜，该弹簧偏压隔膜被可操作地联接至“腹带”废气门阀36，以便响应于隔膜的位移提供相关联的“腹带”废气门37相对于进口管30的定位，而隔膜的位移响应于其中的压差，其中弹簧偏压起偏压“腹带”废气门37的作用，使得相关联的“腹带”废气门阀36完全开启，隔膜的一侧通往大气，并且隔膜的另一侧上的压力受气动致动信号96控制。随着电控三向阀98完全ON，由来自发电机组发动机16、16'的涡轮增压器的涡轮增压器增压压力102提供气动致动信号96，这引起废气门阀36变为完全闭合；并且随着电控三向阀98完全OFF，气动致动信号96通往大气100，以便响应于相关联的弹簧偏压提供废气门阀36变为完全开启。可替选地，气动废气门阀致动器41'能够被构造成响应于真空而非正计量压力。进一步可替选地，能够通过其它类型的致动器，例如电动机械或液压致动器控制废气门致动机构40。废气门阀36的孔口32和荷叶边开口39的共同有效开口面积被构造成当废气门阀36开启时提供在无负载状态下足以流经其中，例如足以使得同步交流发电机56、56.1、56.1'的结果转速在涡轮电力涡轮复合系统10起动期间，或当相关联的电负载在正常运行期间或故障情况引起的不存在或被从其中移除时都不超过安全运行阈值，或防止叶轮机转子48超速。
参考图1、图6和图7，涡轮复合器20的同步交流发电机56、56.1、56.1'被用于驱动感应电动机104，而感应电动机104的转子106例如通过变速箱108(在图6中称为G/B)机械地联接至发电机组发动机16、16'的曲柄轴，以便提供感应电动机104向发电机组发动机16、16'供应机械轴动力。因此，涡轮复合器20通过首先使用同步交流发电机56、56.1、56.1'从发电机组发动机16、16'的废气28回收功率，以将废气28的流体功率转化为交流电功率，然后使用感应电动机104将该交流电功率转化为机械轴动力，机械轴动力能够被用于补充发电机组发动机16、16'的机械轴动力，以驱动相关联的发电机组主发电机18或能够被单独地使用。
根据涡轮电力涡轮复合系统10、10.1的第一方面，如图1、图6和图7中所示，同步交流发电机56、56.1、56.1'通过受控制器112控制的相关联的接触器110直接地连接至感应电动机104。更特别地，三相永磁体交流发电机56.1'的每一相A、B、C都通过相关联的三极接触器110'，更一般地通过包括至少三相的多相感应电动机或相关联的多相接触器对应的相应触点110A、110B、110C直接地连接至对应的三相感应电动机104'的对应相A、B、C，其中相的数目与相关联的多相永磁体交流发电机的相数目相同。
永磁体交流发电机56.1、56.1'产生具有如下特征的输出：电压和频率之间为相对固定关系(即特征在于，第一阶无负载和温度影响，输出电压随着频率线性增大，对驱动感应电动机极好)，因此提供直接地运行感应电动机104、104'的输出。因此，当与其直接连接时，永磁体交流发电机56.1、56.1'是向感应电动机104、104'直接地提供同步频率的同步机。可替选地，同步交流发电机56能够被实施为现场控制同步交流发电机。
同步交流发电机56、56.1、56.1'包括第一转速或频率传感器114，例如提供对其转速的感测的对应的单独的转速感测绕组114'。类似地，感应电动机104、104'还包括第二转速或频率传感器116，例如提供对其转速的感测的对应的单独的转速感测绕组116'。第一和第二转速或频率传感器114、116被可操作地联接至控制器112，控制器112响应于分别从其中产生的相应的第一和第二转速或频率信号118、120提供对废气门阀36和接触器110、110'的控制。更特别地，控制器112响应于第一和第二转速或频率信号118、120，并且如下文更充分地描述的，还响应于代表被同步交流发电机56、56.1、56.1'对于一个相关联的相A、B、C供应至感应电动机104、104'的相电流I相的相电流信号122产生用于控制废气门阀36的废气门控制信号99以及用于控制接触器110、110'的接触器控制信号121两者。
例如，第一转速或频率传感器114或者第二转速或频率传感器116中的任一个或两者能够通过附接至同步交流发电机56、56.1、56.1'或感应电动机104、104'的对应的轴的转速传感器实施。例如，这种转速传感器能够包括磁或光学感测技术，例如但是不限于使用与齿轮协作的磁性拾取器(megnetic pick)、分解器、同步机、与轴相关联的反射器协作的光学编码器或光电探测器。转速传感器响应于被以速度测量值或相关联的交流信号形式感测的轴的相关联转速产生对应的第一转速或频率信号118或者第二转速或频率信号120，该相关联的交流信号具有取决于对应的相关联轴的转速以及转速传感器的相关联有效极数，即来自转速传感器的被感测到的相关联轴每次旋转的结果相关联信号的周期数。可替选地，第一转速或频率传感器114或者第二转速或频率传感器116能够通过对应的第一转速114'或第二转速116'感测绕组实施为对应的相关联单独绝缘定子绕组，或分别作为同步交流发电机56、56.1、56.1'或感应电动机104、104'的相A、B、C的一个或更多对应的相关联的定子绕组。
参考图8，根据用于控制包括涡轮电力涡轮复合系统10、10.1的第一方面的发电机组12起动的起动程序800，在步骤(802)中，废气门阀36开始开启(即，电控三向阀98被定位成使得气动致动信号96作用在其上的气动废气门阀致动器41'通往大气100)以便提供废气28相对不受阻碍地流经涡轮复合器20，而不作用在叶轮机转子48上。在步骤(804)中，接触器110、110'也开始开启，以便防止从同步交流发电机56、56.1、56.1'提取电功率。因此，废气28、28.1、28.2能够流经涡轮喷嘴44，并且穿过叶轮机转子48而损失不大。因此，根据步骤(804)，流经涡轮复合器28的废气28将绕过叶轮机转子48或流经其中，而不引起从同步交流发电机56、56.1、56.1'提取电功率，以便在废气排出管26中提供最小回压，因此不阻碍发电机组发动机16、16'起动(如果还未运行)。然后，在步骤(806)中，如果未起动，则起动发电机组发动机16、16'；并且，如果还未以额定速度运行，则发电机组发动机16、16'以额定速度运行，以便提供通过发电机组主发电机18产生电功率。然后，在步骤(808)中，废气门阀36通过电控三向阀98的定位而完全闭合，以便通过涡轮增压器增压压力102提供作用在气动废气门阀致动器41'上的气动致动信号96，这基本上引起进入涡轮复合器20的进口22的所有废气28.1都流经涡轮喷嘴44并且穿过叶轮机转子48，由此引起叶轮机转子48旋转加速。同时，随着发电机组发动机16、16'根据步骤(806)以额定速度运行，感应电动机104、104'的转子106将被发电机组发动机16、16'通过相关联的变速箱108以对应的额定转速驱动，对应的额定转速被相关联的第二转速或频率传感器116感测，相关联的结果第二转速或频率信号120的值被称为f电动机。
同步交流发电机56、56.1、56.1'的输出频率与其转速直接成比例，并且所产生的电压的波形通过定义而与同步交流发电机56、56.1、56.1'的旋转位置同步。当以对应的相关联同步频率低于同步交流发电机56、56.1、56.1'的输出频率称为“频率滑差”的一定频率差的转速运行时，感应电动机104、104'将在同步交流发电机56、56.1、56.1'上起负载的作用，其中频率滑差的量视需要随着负载增大，以便在驱动同步交流发电机56、56.1、56.1'的转子轴52中产生所需扭矩。在无负载条件下，频率滑差将接近于零，但是由于感应电动机104、104'中的寄生损失、摩擦和风阻非零。在无负载条件下，感应电动机104、104'与同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速比受相应的电机的极数的比支配，感应电动机104、104'与同步交流发电机56两者都以近似相同频率运行，其中由于感应电动机104、104'运行中固有的滑差，同步交流发电机56、56.1、56.1'产生的激励信号将与感应电动机104、104'的对应的旋转频率不同。因此，同步交流发电机56、56.1、56.1'的极数与感应电动机104、104'的极数的比使得感应电动机104、104'的速度相对于同步交流发电机56、56.1、56.1'速度得以充分降低，以便继而提供感应电动机104、104'与发电机组发动机16、16'的机械相互作用，以便提供将来自流经涡轮复合器20的废气的功率作为机械轴动力回收至发电机组发动机16、16'。
在步骤(810)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的输出频率被相关联的第一转速或频率传感器114感测，以便产生对应的第一转速或频率信号118(称为f发电机)，该信号被与对应的第二转速或频率信号120，即与和感应电动机104、104'相关联的fMOTOR相比。如果在步骤(812)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机(指示预期的正“频率滑差”条件)，则在步骤(814)中，接触器110、110'闭合，以便使同步交流发电机56、56.1、56.1'直接电连接至感应电动机104、104'。否则，该过程回到步骤(810)重复进行，直到步骤(812)的条件被满足。更特别地，对于三相系统，在步骤(814)中，三极接触器110'的每个触点110A、110B、110C都闭合，以便将三相永磁体交流发电机56.1'的每一相A、B、C都连接至三相感应电动机104'的相应的对应相A、B、C。处于同步交流发电机56和感应电动机104、104'的频率相等的点或附近的接触器110、110'的闭合导致以接近零相电流的相关联接触闭合。在三相永磁体交流发电机56.1'的相A、B、C连接至三相感应电动机104'的对应相A、B、C之后，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速将继续增大，从而导致“频率滑移”对应地增大，这引起同步交流发电机56、56.1、56.1'发电，并且将功率传输至三相感应电动机104'，这继而导致同步交流发电机56、56.1、56.1'的扭矩需求增大，这使得叶轮机转子48和同步交流发电机56、56.1、56.1'的转子54之间的转子轴52中的扭矩增大，该扭矩起使叶轮机叶片48加速或减速的作用，直到达到平衡为止，其中“频率滑差”和转子轴52中的相关联的扭矩对应于被从同步交流发电机56、56.1、56.1'输送至感应电动机104、104'的功率水平，该功率水平导致响应于来自通过相关联的变速箱108以发电机组发动机16、16'的转速作用在发电机组发动机16、16'上的感应电动机104的转子106的扭矩而由发电机组发动机16、16'回收相关联的机械轴动力。
控制器112被设计成当同步交流发电机56、56.1、56.1'与相关联的运行频率与感应电动机104、104'同步或接近同步时改变接触器110、110'的切换状态。虽然当同步交流发电机56、56.1、56.1'未与感应电动机104、104'同步时，例如由于故障模式导致的接触器110、110'的意外闭合或开启将引起与相关联的速度或频率差的量成比例的电弧，但是接触器110、110'的触点110A、110B、110C将被设计成适应这些事件，假设这些事件不频繁的话。
因此，涡轮电力涡轮复合系统10、10.1自我调节，因为随着感应电动机104、104'提供给发电机组发动机16、16'的扭矩增大，感应电动机104、104'中的相关联的相电流增大，这继而提高同步交流发电机56、56.1、56.1'的负载，引起叶轮机转子48上的扭矩需求增大，这继而导致叶轮机转子48和同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速减小，这继而导致由感应电动机104、104'提供给发电机组发动机16、16'的扭矩减小。在每种运行条件下，都应存在一个稳定点，在该稳定点中，“频率滑差”导致稳定的发电机组发动机16、16'的负载条件并且发电机组发动机16、16'的轴扭矩减小一些百分比，这继而由于从来自其中的废气28中的废热回收的能量而降低发电机组发动机16、16'的燃料消耗，例如，如图2中所示，导致涡轮复合器20的出口24处的废气28.5的温度相对于出口22处的温度降低。
假定废气门阀36和接触器110、110'两者都在下一次起动之前打开，发电机组发动机16、16'可被停机，而不首先将涡轮电力涡轮复合系统10、10.1与发电机组发动机16、16'解除联接(即通过打开废气门阀36和接触器110、110')。
可替选地，参考图9a和图9b，涡轮电力涡轮复合系统10、10.1可被失能，而不首先使发电机组发动机16、16'停机。参考图9a，根据用于使涡轮电力涡轮复合系统10、10.1的第一方面解耦的停机过程900的第一实施例，从步骤(902)开始，通过发电机组发动机16、16'运行并且废气门阀36和接触器110、110'两者都关闭，在步骤(904)中，废气门阀36打开，以便防止在从同步交流发电机56、56.1、56.1'移除相关联的电负载时叶轮机转子48的随后的超速。因此，废气28绕过叶轮机转子48，然后，叶轮机转子48从同步交流发电机56、56.1、56.1'的相关联频率f发电机超过感应电动机104、104'的频率f电动机“频率滑差”的初始水平的转速减速。在步骤(906)中，相关联的第一转速或频率传感器114感测的同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的输出频率f发电机被与相关联的第二转速或频率传感器116感测的感应电动机104、104'的转速或对应的频率f电动机比较。如果在步骤(908)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的输出频率f发电机低于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机(指示负相关相电流)，则在步骤(910)中，接触器110、110'打开，以便将同步交流发电机56、56.1、56.1'与感应电动机104、104'断开。否则，该过程回到步骤(906)重复进行，直到步骤(908)的条件被满足。
当同步交流发电机56、56.1、56.1'与感应电动机104、104'的频率f发电机、f电动机相等或接近相等时，步骤(814)和(910)中的接触器110、110'的状态变化提供了相关联的相电流在零或接近零处切换，这提供了对接触器110、110'的相关联的触点110A、110B、110C的稳定性的改进。
可替选地，参考图9b，用于对涡轮电力涡轮复合系统10、10.1的第一方面解耦的停机过程900'的第二实施例与上文对停机过程900的第一实施例相同，除了第一实施例900的步骤(906)和(908)分别被第二实施例900'的步骤(912)和(914)所代替之外，后者提供了对于一个对应相A、B、C的响应于从同步交流发电机56、56.1、56.1'至感应电动机104、104'的相电流I相(来自于相关联的相电流传感器123)的测量值，明确地确定何时打开接触器110、110'。例如，相电流传感器123可包括或被实施成变流器123'。更特别地，在上述步骤(904)之后，在步骤(912)中，一个相A、B或C的从同步交流发电机56、56.1、56.1'至感应电动机104、104'的相电流I相被相电流传感器123明确地测量，而接触器110、110'闭合。然后，在步骤(914)中，如果相电流I相小于阈值，则在步骤(710)中，接触器110、110'打开。否则，过程重复步骤(912)，直到步骤(914)的条件被满足为止。因此，停机过程900'的第二实施例明确地提供了在零或接近零的电流条件下打开接触器110、110'，这提供了使穿过接触器110、110'的触点110A、110B、110C的电弧最小化。
参考图10，根据涡轮电力涡轮复合系统10、10.2的第二方面，同步交流发电机56、56.1、56.1'被直接地连接至感应电动机104、104'，后者通过电控离合器124可操作地连接至齿轮箱108，当被响应于控制器112产生的离合器控制信号124'激活时，电控离合器124提供从感应电动机104的转子至变速箱108的扭矩传递；并且当被失活时，电控离合器124提供感应电动机104的转子106与变速箱108的解耦，因此与发电机组发动机16、16'解耦。更特别地，通过被直接地连接至感应电动机104、104'的同步交流发电机56、56.1、56.1'，三相永磁体交流发电机56.1'的每一相A、B、C都被直接地连接至三相感应电动机104'的对应相A、B、C。电控离合器124提供感应电动机104、104'是否被联接至发电机组发动机16、16'，因此感应电动机104、104'是否能够消耗来自三相永磁体交流发电机56.1'的大部分功率的控制。因此，电控离合器124提供是否大部分功率都能够被从同步交流发电机56、56.1、56.1'传输至感应电动机104、104'的有效控制，正如在涡轮电力涡轮复合系统10、10.1的第一方面的背景下接触器110、110'所提供的一样。
更具体地，参考图11，根据用于控制包括涡轮电力涡轮复合系统10、10.2的第二方面的发电机组12起动的起动过程1100，在步骤(1102)中，废气门阀36开始开启，以便提供废气28相对不受阻碍地流经涡轮复合器20，而不作用在叶轮机转子48上。在步骤(1104)中，电控离合器124被失活，以便防止感应电动机104、104'的机械负载，这因此防止从同步交流发电机56、56.1、56.1'提取超过少量的电功率。因此，废气28、28.1、28.2能够流经涡轮复合器20，而不存在大量能量损失。因此，根据步骤(1104)，流经涡轮电力涡轮复合系统10、10.2的废气28将绕过叶轮机转子48或流经其中，而不在同步交流发电机56、56.1、56.1'上引起大的电负载，以便在废气排出管26中提供最小回压，并且因此如果发电机组发动机16、16'还未运行，则不阻碍发电机组发动机16、16'起动。然后，在步骤(1106)中，如果还未起动，则发电机组发动机16、16'起动；并且如果还未以额定速度运行，则发电机组发动机16、16'以额定速度运行，以便提供通过发电机组主发电机18产生电功率。随着电控离合器124根据步骤(1104)开始失活，如果发电机组发动机16、16'在步骤(1106)中起动，则尽管废气门阀36打开，感应电动机104、104'将取决于离开涡轮喷嘴44的废气28.2引起叶轮机转子48旋转的程度而开始变为固定或已经固定。
在步骤(1108)中，相关联的第一转速或频率传感器114感测的同步交流发电机56、56.1、56.1'的第一转速或频率信号118被与和感应电动机104、104'相关联的对应第二转速或频率信号比较。如果在步骤(1110)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机(指示预期的正“频率滑差”条件)，则在步骤(1112)中，电控离合器124被激活，以便提供感应电动机104、104'(已经直接地电连接同步交流发电机56、56.1、56.1')对同步交流发电机56、56.1、56.1'加载，同步交流发电机56、56.1、56.1'继而对叶轮机转子48加载，如果旋转则开始引起其旋转减速。然后，在步骤(1114)中，废气门阀36完全闭合，这基本引起进入涡轮复合器20的进口22的所有废气28.1都流经涡轮喷嘴44并且穿过叶轮机转子48，由此引起叶轮机转子48旋转加速，以便提供使叶轮机转子48达到平衡速度，在平衡速度下，如上所述，转子轴52中的“频率滑差”和相关联的扭矩对应于从同步交流发电机56、56.1、56.1'输送至感应电动机104、104'的功率水平。否则，从步骤(1110)开始，如果同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机不大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机，则在步骤(1116)中，废气门阀36闭合，这引起进入涡轮复合器20的进口22的废气28.1流经涡轮喷嘴44并且穿过叶轮机转子48，由此引起叶轮机转子48旋转加速，以便提供使同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机变为大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机。然后，起动过程1100继续步骤(1108)，并且如上所述地从其中继续。
假定在下一次起动之前，废气门阀36打开，并且电控离合器124失活，则发电机组发动机16、16'可被停机，而不首先将涡轮电力涡轮复合系统10、10.2与发电机组发动机16、16'解耦(即通过打开废气门阀36并且失活电控离合器124)。
可替选地，参考图12a和图12b，涡轮电力涡轮复合系统10、10.2可被失能，而不首先使发电机组发动机16、16'停机。参考图12a，根据用于使涡轮电力涡轮复合系统10、10.2的第二方面解耦的停机过程1200的第一实施例，从步骤(1202)开始，随着发电机组发动机16、16'运行，废气门阀36闭合并且电控离合器124被激活，在步骤(1204)中，废气门阀36打开，以便防止在从同步交流发电机56、56.1、56.1'移除相关联的电负载时叶轮机转子48的随后的超速。因此，废气28绕过叶轮机转子48，然后，叶轮机转子48从同步交流发电机56、56.1、56.1'的相关联的频率f发电机超过感应电动机104、104'的频率f电动机“频率滑差”的初始量的转速减速。在步骤(1206)中，相关联的第一转速或频率传感器114感测的同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的输出频率f发电机被与相关联的第二转速或频率传感器116感测的感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机比较。如果并且当在步骤(1208)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的输出频率f发电机低于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机时(指示负相关相电流)，则在步骤(1210)中，电控离合器124被失活，以便将感应电动机104、104'与发电机组发动机16、16'断开，由此有效地从同步交流发电机56、56.1、56.1'移除电负载。否则，该过程回到步骤(1206)重复进行，直到步骤(1208)的条件被满足。
可替选地，参考图12b，用于对涡轮电力涡轮复合系统10、10.2的第二方面解耦的停机过程1200'的第二实施例与上文对停机过程1200的第一实施例相同，除了第一实施例1200的步骤(1206)和(1208)分别被第二实施例1200'的步骤(1212)和(1214)所代替之外，后者提供了确定何时对于一个对应相A、B、C响应于从同步交流发电机56、56.1、56.1'至感应电动机104、104'的相电流I相(来自于相关联的相电流传感器123、123')的测量值而明确地失活电控离合器124。更特别地，在上述步骤(1204)之后，在步骤(1212)中，一个相A、B或C的从同步交流发电机56、56.1、56.1'至感应电动机104、104'的相电流I相被相电流传感器123、123'明确地测量，而电控离合器124被激活。然后，在步骤(1214)中，如果相电流I相小于阈值，则在步骤(1210)中，电控离合器124被失活。否则，过程重复步骤(1212)，直到满足步骤(1214)的条件为止。因此，停机过程1200'的第二实施例明确地提供了用于在零或接近零的电流条件下失活电控离合器124。
参考图13，根据涡轮电力涡轮复合系统10、10.3的第三方面，同步交流发电机56、56.1、56.1'通过固态开关系统125(或更一般地，通过固态控制系统)连接至感应电动机104、104'，后者处于控制器112的控制下，并且可选地还通过相关联的接触器110、110'(也处于控制器112的控制下)处于同步交流发电机56、56.1、56.1'和固态开关系统125之间，或处于固态开关系统125和感应电动机104、104'之间。涡轮电力涡轮复合系统10、10.3的第三方面在两者之间的公共元件方面与上文对涡轮电力涡轮复合系统10、10.3的第一方面所述的操作相同。固态开关系统125提供根据已知控制系统设计实践，响应于同步交流发电机56、56.1、56.1'的频率、输出电压或输出功率、感应电动机104、104'的频率或相电流的测量值主动地限制每一相A、B、C中的电流(即，相关联的相电流)，以便比否则可能的无固态开关系统125的情况更快地实现稳定性。例如，相电流的量将影响相关联的速度控制系统的整体开环增益，这将影响相关联的速度控制系统的稳定性。固态开关系统125响应于功率或相电流切换提供另外的扭矩控制，以便控制从同步交流发电机56、56.1、56.1'至感应电动机104、104'的有效电流水平，以便提高稳定性，或提供同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速与感应电动机104、104'的转速的比的控制，以便提供更高运行效率。如果固态开关系统125被构造成提供将相关联的相电流完全切断，则接触器110、110'将是可选的。与第一方面10.1和第二方面10.2相同，根据第三方面10.3，相电流的最大水平也受同步交流发电机56、56.1、56.1'和感应电动机104、104'之间的“频率滑差”限制。
参考图14和图15，根据涡轮电力涡轮复合系统10、10.4的第四方面，同步交流发电机56、56.1、56.1'被异步交流发电机126代替，例如感应发电机126'，例如三相感应发电机126”，或更一般地，包括至少三相的多相感应发电机，其中相的数目与对应的上述多相感应电动机相同，该多相感应电动机相同被直接地连接至感应电动机104、104'，其中相关联的感应发电机逆变器128在控制器112的控制下提供对感应发电机126'、126”的激励。在感应发电机逆变器128将不提供用于防止通过异步交流发电机126、126'、126”发电的程度上，后者可被可选地以与上文对涡轮电力涡轮复合系统10、10.1的第一方面所述的相同的方式通过相关联的接触器110、110'在控制器112的控制下与发电机126'、126”互联。
感应发电机126'、126”在构造上与感应电动机类似，但是为了发电，其以高于与被同时应用于其相A、B、C的交流激励130相关联的同步速度旋转，否则的话其不能在不存在所应用的交流激励130的情况下发电。交流激励130由感应发电机逆变器128以低于对应于同步交流发电机56的转速的同步频率的频率产生，该感应发电机逆变器128从DC电源132(例如电池132')提供电功率产生频率可控的三相功率。
例如，参考图16和图17，根据一组实施例，感应发电机逆变器128包括激励频率控制系统134，所述激励频率控制系统134提供对被应用于异步交流发电机126、126'、126”的相A、B、C的交流激励130的频率控制。更特别地，频率命令信号136通过从来自异步交流发电机126、126'、126”的转速传感器114的转速信号146的转速-频率转换144确定的同步频率信号142减去138频率滑差命令信号140e而产生。在一组实施例中，频率滑差命令信号140是异步交流发电机126、126'、126”的转速的函数，例如由第一转速或频率信号118给出，并且适合提供滑差以随着转速增大而增大。然后，相关联的三相逆变器150的三相输出信号148的频率被设置成对应的频率滑差命令信号140，或更一般地被设置成包括至少三相的相关联三相逆变器的三相输出信号的频率，其中相的数目与相关联的多相异步交流发电机126的相的数目相同。
由感应电动机104、104'产生的扭矩响应于其相关联的频率滑移，即由异步交流发电机126、126'、126”产生的交流功率的频率超过对应于感应电动机104、104'的转速的同步频率的量，其中异步交流发电机126、126'、126”产生的交流功率的频率响应于其转速。由异步交流发电机126、126'、126”产生的电流量(以及由感应电动机104、104'产生的相关联的结果扭矩)响应于其频率滑移，即对应于异步交流发电机126、126'、126”的转速的同步频率超过来自三相逆变器150的三相输出信号148的频率的量。
例如，图18示出在电动运行模式156.1下，根据相对于一般感应电动机(以感应电动机104、104'为代表)的相关联同步转速154S的转速的轴扭矩152图，其中由感应电动机104、104'产生的轴扭矩152随着频率滑差158增大而增大至最大可能轴扭矩152.1，称为“转折转矩”，该扭矩在相关联转速154.1和频率滑差158.1时发生。轴扭矩152随着频率滑差158进一步增大而减小，其中最小轴扭矩152.2在失速，即零转速154.2时发生。因此，感应电动机104、104'被设计成使得在任何运行转速154下，其运行期间的最大轴扭矩152都小于对应的相关联的转折轴扭矩152.1。
此外，图19示出对于所有运行模式下的一般感应机根据转速154相对于相关联的同步转速154S的轴扭矩152图，这些运行模式包括以感应电动机104、104'为代表的图18中所示的电动模式156.1、以感应电动机126'、126”为代表的发电模式156.2以及为了完整性的制动模式156.3。关于正交化滑差参数s的值描述各种运行模式，定义如下：
Figure GDA0002211043100000241
其中，nS为同步转速154S，n为转速154，并且频率滑差158与(nS-n)成比例。因此，对于s>1，则感应机以制动模式156.3运行；对于0<s<1，感应机以电动模式156.1运行；并且对于s<0，感应机以发电模式运行。对于感应发电机126'、126”(以发电模式156.2运行)，转速154大于同步转速154S，并且轴扭矩152的量随着频率滑差158的量增大而增大至最大可能轴扭矩152.1'，也称为“转折扭矩”，转折扭矩在相关联转速154.1'和频率滑差158.1'时发生，并且随着频率滑差158的量进一步增大而减小。
对于感应发电机126'，同步频率由感应发电机逆变器128提供。感应发电机126'以高于对应同步转速154S的转速154运行，并且感应电动机104、104'以低于对应同步转速154S的转速154运行，以便提供扭矩被从感应发电机126'有效地传递至感应电动机104、104'。此外，在一组实施例中，来自感应发电机逆变器128激励源的电压被调节，使得感应发电机126'的输出以上文对永磁体交流发电机56.1'所述相同的方式，以频率与电压的接近恒定比运行。因此，感应发电机逆变器128提供适当量的频率滑差，并且提供根据频率对感应发电机126'的输出电压的控制。在2005年2月公开的飞思卡尔半导体修订版2中，JaroslavLepda和Petr Stekl提出了标题为“使用56F80x、56F8100或56F8300装置的三相交流感应电动机矢量控制”的申请公开AN1930，公开了在混合动力车辆的背景下提供这种功能性的控制系统的一个示例，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
为了比较，在感应电动机104、104'的任何对应负载运行点处，叶轮机转子48的转速154在与感应发电机126'一起使用时都将比与永磁体交流发电机56.1'一起使用时高。
对于包括感应发电机126'、126”的异步交流发电机126、126'、126”，相关联的频率滑差命令信号140被控制器112自动地控制为响应于其转速，例如与叶轮机转子48/异步交流发电机126、126'、126”的转速直接相关，例如成比例的水平，使得频率滑差的量随着转速增大而增大。从感应发电机126'、126”产生的交流电功率响应于通过两者间的变速箱108向发电机组发动机16、16'供电的感应电动机104、104'的转子106的轴上的扭矩，以感应电动机104、104'固有地确定的转速驱动感应电动机104、104'。对于来自异步交流发电机126、126'、126”的应用交流电功率的给定频率(由其转速确定)，感应电动机104、104'的频率滑差的量随着扭矩增大，从而导致进入感应电动机104、104'的电流对应地增大，这固有地起提供感应电动机104、104'以对应于给定扭矩水平的对应稳定转速运行的作用。因此，对于发电机组发动机16、16'的任何给定运行状态，感应电动机104、104'将固有地寻求取决于因此提供给发电机组发动机16、16'的对应扭矩水平的对应的转速。
进一步参考图17，在一组实施例中，感应发电机逆变器128通过以逆变器/增压电路162对来自DC电源132的DC功率输入160的电压增压而产生三相输出信号148，以便在高压总线164上产生通过电流控制电路166提供以对一系列三相桥功率晶体管168，或更一般的包括至少三相的一组多相桥功率晶体管供电的相对高电压供应，其中相数与相关联的多相异步交流发电机126的相数相同。例如，能够通过使用变压器放大交流信号，或通过任何各种已知的基于脉冲的电压放大技术，例如已知的变压器或电荷泵电路使用的技术提供对逆变器/增压电路162的增压，其中高压总线164的结果电压水平能够固定，即DC，或波动。然后，处于频率命令信号136的频率的正弦信号的波形被合成和相移170，以便产生处于提供来自感应电动机104、104'的必要扭矩，然后提供给三相驱动器172(或更一般的是包括至少三相的多相驱动器)的频率的三个相，其中相数与相关联的多相异步交流发电机126的相数相同，其例如通过脉冲调制或脉宽调制提供对三相桥功率晶体管168的驱动(由高压总线164供电)，提供对应的三相输出信号148，可能包括通过相关联的滤波网络与异步交流发电机126、126'、126”和感应电动机104、104'的绕组感应结合滤波。
感应电动机104、104'以对应的相关联的同步频率低于异步交流发电机126、126'、126”的输出频率的频率的转速运行，其中频率滑差的量随着在感应电动机104、104'的转子106的轴中产生所需扭矩所必要的负载而增大，这与第一方面相同。在无负载条件下，频率滑差将接近于零，但是由于感应电动机104、104'的寄生损失、摩擦和风阻而非零；并且感应电动机104、104'与异步交流发电机126、126'、126”的转速比由相应的电机的极数比确定。
应理解，涡轮电力涡轮负载系统10、10.3的第三方面的固态开关系统125(涡轮电力涡轮负载系统10、10.1的第一方面的扩展)也可结合涡轮电力涡轮负载系统10的第二方面10.2或第四方面10.4使用，以便提供加强速度控制或更高效率。通常，在发电机组发动机16、16'起动之前，根据第一方面10.1至第四方面10.4的涡轮电力涡轮负载系统10、10.1、10.2、10.3、10.4的激活由开始将同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'解耦控制(取决于方面，电控制或机械控制)并且打开的废气门阀36。然后，在发电机组发动机16、16'起动后，比较同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与感应电动机104、104'的转速，并且当同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”满足或超过感应电动机104、104'的频率，因此满足相关联的耦合速度条件时，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'联接，其中如果后者的频率开始超过前者，则废气门阀36闭合以便满足耦合速度条件。如果还未闭合，则废气门阀36在同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”被耦合至发电机组发动机16、16'之后闭合。
更特别地，参考图20，根据与涡轮电力涡轮复合系统10的第一方面10.1至第四方面10.4中的任一方面协作的控制发电机组12的起动的一般起动过程2000，在步骤(2002)中，废气门阀36开始开启以便提供废气28不受阻碍地流经涡轮复合器20，而不作用在叶轮机转子48上。在步骤(2004)中，同步交流发电机56、56.1、56.1’或异步交流发电机126、126'、126”例如通过下列方式与发电机组发动机16、16'解耦，a)通过打开与第一方面10.1相关联，并且可选地与第三方面10.3或第四方面10.4相关联的接触器110、110'，b)通过将与第二方面10.2相关联的电控离合器124失活，c)通过以第三方面10.3的固态开关系统125使相电流无效，或d)通过使来自第四方面10.4的感应发电机逆变器128的相关联交流激励130无效；以便防止感应电动机104、104'对同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”施加电负载，或防止发电机组发动机16、16'对感应电动机104、104'施加机械负载，因此防止从同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”提取超过少量的电功率。因此，废气28、28.1、28.2能够流经涡轮喷嘴44并且穿过叶轮机转子48，无大量损失。因此，根据步骤(2004)，流经涡轮电力涡轮复合系统10、10.2的废气28将绕过叶轮机转子48或流经其中，而不引起在同步交流发电机56、56.1、56.1'上产生大的电负载，以便在废气排出管26中提供最小回压，因此如果发电机组发动机16、16'还未运行则不阻碍发电机组发动机16、16'的起动。然后，在步骤(2006)中，如果还未起动，则发电机组发动机16、16'起动；并且如果还未以额定速度运行，则发电机组发动机16、16'以额定速度运行，以便提供通过发电机组主发电机18产生电功率。
然后，在步骤(2008)中，相关联的第一转速或频率传感器114感测的同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的第一转速或频率信号118被与和感应电动机104、104'相关联的对应第二转速或频率信号120比较。如果在步骤(2010)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机(指示预期的正“频率滑差”条件)，则在步骤(2012)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”例如通过下列方式联接至发电机组发动机16、16'，a)通过闭合与第一方面10.1相关联并且可选地与第三方面10.3或第四方面10.4相关联的接触器110、110'，b)通过激活与第二方面10.2相关联的电控离合器124，c)通过由第三方面10.3的固态开关系统125的动作提供非零相电流，或d)从第四方面10.4的感应发电机逆变器128提供相关联的交流激励130；以便提供使发电机组发动机16、16'对感应电动机104、104'加载，以及使感应电动机104、104'对同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”加载，后者继而对叶轮机转子48加载，如果旋转则开始引起其旋转减速。可替选地，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'的耦合也可取决于同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”超过阈值水平的绝对转速，例如以额定转速的特殊百分比给出。然后，在步骤(2014)中，废气门阀36完全闭合，这引起进入涡轮复合器20的进口22的基本全部废气28.1都流经涡轮喷嘴44并且穿过叶轮机转子48，由此引起叶轮机转子48旋转加速，以便如上所述，向后者提供达到“频率滑差”和转子轴52中的相关联的扭矩对应于从同步交流发电机56、56.1、56.1'输送至感应电动机104、104'的功率水平。否则，从步骤(2010)开始，如果同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机开始不大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机，则在步骤(2016)中，废气门阀36闭合，这引起进入涡轮复合器20的进口22的基本全部废气28.1都流经涡轮喷嘴44并且穿过叶轮机转子48，由此引起叶轮机转子48旋转加速，以便提供同步交流发电机56、56.1、56.1'的转速或对应的频率f发电机变得大于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机。然后，起动过程2000继续步骤(2008)，并且如上所述地继续。在步骤(2014)之后，在步骤(2018)中，对于第三方面10.3，相电流由固态开关系统125控制，以便提供稳定速度控制或更高效率，并且对于第四方面10.4，交流激励130的频率滑差由激励频率控制系统134控制，以便提供相关联的异步交流发电机126、126'、126”发电。
假定废气门阀36打开，在发电机组发动机16、16'可被停机，而不首先使涡轮电力涡轮复合系统10、10.2解除联接，并且同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”在下一次起动之前与发电机组发动机16、16'解除联接。
可替选地，参考图21a和图21b，涡轮电力涡轮复合系统10、10.1、10.2、10.3、10.4可被失能而不使发电机组发动机16、16'停机。参考图21a，根据用于使涡轮电力涡轮复合系统10的第一方面10.1至第四方面10.4解耦的一般停机过程2100的第一实施例，从步骤(2102)开始，随着发电机组发动机16、16'运行，废气门阀36闭合，并且同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”联接至发电机组发动机16、16'，在步骤(2104)中，废气门阀36打开以便在从同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”移除相关联的电负载，或在从感应电动机104、104'移除机械负载时防止叶轮机转子48的随后的超速。因此，废气28绕过叶轮机转子48，然后，后者从同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的对应的频率f发电机开始超过感应电动机104、104'的频率f电动机给定“频率滑差”量的转速减速。在步骤(2106)中，相关联的第一转速或频率传感器114感测的同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的转速或对应输出频率f发电机被与相关联的第二转速或频率传感器116感测的感应电动机104、104'的转速或对应的频率f电动机比较。如果并且当在步骤(2108)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的转速或对应的输出频率f发电机小于或等于感应电动机104、104'的对应的转速或对应的频率f电动机(指示负相关联相电流)，则在步骤(2110)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”从发电机组发动机16、16'解除联接，由此有效地从同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”移除电负载。否则，该过程回到步骤(2106)重复进行，直到步骤(2108)的条件被满足。
可替选地，参考图21b，用于使涡轮电力涡轮复合系统10的第一方面10.1至第四方面10.4解耦的一般停机过程2100'的第二实施例与一般停机过程2100的上述第一实施例相同，除了第一实施例2100的步骤(2106)和(2108)分别被第二实施例2100'的步骤(2112)和(2114)代替之外，后者提供响应于来自相关联的相电流传感器123、123'的对于一个对应的相A、B、C的来自从同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”至感应电动机104、104'的相电流IPHASE的测量值，明确地确定何时将同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”从发电机组发动机16、16'解耦。更特别地，在上述步骤(2104)之后，在步骤(2112)中，由相电流传感器123、123'明确地测量一个相A、B或C的从将同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”至感应电动机104、104'的相电流IPHASE，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”被联接至感应电动机104、104'。然后，在步骤(2114)中，如果相电流IPHASE小于阈值，则在步骤(2110)中，同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”被从感应电动机104、104'解耦。否则，过程重复步骤(2112)，直到满足步骤(2114)的条件为止。因此，停机过程2100'的第二实施例明确地提供在零或接近零电流条件下使同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”从感应电动机104、104'解除联接。
应理解，确定何时联接或解除联接同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”和发电机组发动机16、16'(即，如步骤(810-812)、(906-908)、(1108-1110)、(1206-1208)、(2008-2010)或(2106-2108)提供的)，能够响应于所示频率或响应于速度，考虑取决于其相关联的极比例的同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与感应电动机104、104'的速度差，并且考虑对应的第一转速或频率传感器114和第二转速或频率传感器116的有效极数。可替选地，为了使同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'解耦，这种确定能够直接地响应于相电流，其中当被测相电流低于阈值，例如为零或接近于零时做出解耦过渡。预期使用相电流以控制同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'的解耦提高相关联的控制系统的稳定性，否则如果解耦被控制成响应于频率或转速的测量值则可能受到振荡。此外，应理解，作为替选或除了上述对废气门阀36的继电控制之外，废气门阀36也可被(例如连续地或由脉冲调制)控制，以便例如提供对同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的功率输出的调制，以便提供其稳定性，在这种情况下，能够与其协作地使用相关联的相电流传感器123、123'，以作为由此通过感应电动机104供应至发电机组发动机16、16'的电功率的结果而提供同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”上的负载的测量值。
上述停机过程900、900'、1200、1200'、2100、2100'假定废气门阀36具有足够的流动面积以提供使废气28、28.1以跨叶轮机转子48的足够低的导致的相关联的压降绕过，使得当同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'解除联接时，叶轮机转子48不经历超速条件。可替选地，在步骤(904)、(1204)或(2104)中打开废气门阀36之前，首先降低发电机组发动机16、16'的速度或功率水平，直到达到下列速度或功率水平可能有益，即对于该速度或功率水平，叶轮机转子48将在同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”与发电机组发动机16、16'解除联接而废气门阀36打开时不经历超速条件。
应理解，用于将来自同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的功率耦合至发电机组发动机16、16'的装置(例如，接触器110、110'、电控离合器124或固态开关系统125)，不需要在开始或终止从废气28流回收功率的操作时必然断开，相反，预期同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”将在相关联的瞬态操作期间自然地与感应电动机104、104'同步。
涡轮电力涡轮复合系统10还可包括提供检测同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”上的电负载是否断开，例如，由于同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”、感应电动机104、104'、它们之间的互连元件或感应电动机104、104'与发电机组发动机16、16'的机械联接中的任一个的故障，并且如果电负载断开则打开废气门阀36以便防止叶轮机转子48超速。
应理解，废气28能够可替选地首先被收集在蜗壳(volute)/涡卷(scroll)或其它收集器中，并且被从涡轮复合器20从同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”排出，而不首先流经围绕铁芯外壳结构60的环状室74，以便提供同步交流发电机56、56.1、56.1'或异步交流发电机126、126'、126”的相关联的热负载降低。
虽然已经结合了驱动发电机组主发电机18的发电机组发动机16、16'发动机描述了涡轮电力涡轮复合系统10、10.1、10.2、10.3、10.4，但是应理解，涡轮电力涡轮复合系统10、10.1、10.2、10.3、10.4不限于发电机组应用，并且还能够与任何类型的通过可能从其中提取能量的流体导管排出废气流以便提供其热效率改进的热发动机一起使用，包括但是不限于以柴油、奥托(Otto)或阿特金森(Atkinison)循环运行的往复式发动机，或以布雷顿(brayton)循环运行的气体涡轮发动机。涡轮电力涡轮复合系统10、10.1、10.2、10.3、10.4非常适用于以相对稳定的速度经历相对长时间段的发动机，诸如但是不限于发电机组、船用发动机(例如，货船中使用的大型船用发动机)以及卡车发动机(例如，长途高速公路卡车发动机)。
应理解，对于具有三相装置或信号的每个上述实施例，即通常也能够使用对应的三相装置或信号，其中相数至少为三并且与所有相关联装置和信号相同，以便关于发电机和感应电动机的旋转方向提供确定，即，以便确保相关联的感应电动机始终响应于来自相关联的发电机的信号在相同方向上旋转。
虽然已经在上述详细说明中详细地描述了并且在附图中示出了具体实施例，但是本领域技术人员应明白，在本公开的总体教导下能够开发对那些细节的各种变型和替选。应理解，本文中对术语“或”的涉及都有意意思是“包括或”或也称为“逻辑OR”，其中当被用作逻辑陈述时，如果A或B为真，或如果A和B两者都为真，则表达“A或B”为真，并且当被用作一系列元件时，表达“A、B或C”有意包括表达中所列的元件的所有组合，例如，从由A、B、C、(A、B)、(A、C)、(B、C)和(A、B、C)组成的组选择的任何元件；如果列举了另外的元件，则诸如此类。此外，应理解，不定冠词“一”或“一个”以及对应的相关联的定冠词“该”或“所述”中的每个都有意表示一个或更多，除非另外指出、暗示或物理上不可能。又进一步地，应理解，表达“A和B等等中的至少一个”、“A或B等等中的至少一个”、“从A和B等等中选择”以及“从A或B等等中选择”每个都有意表示个别的任何所述元件或两个或更多元件的任何组合，例如来自“A”、“B”和“A与B一起”等等组成的组的任何元件。又进一步地，应理解，表达“A和B等等中的一个”和“A或B等等中的一个”每个都有意表示任何个别单独的所列元件，例如单独A或单独B等等，而不是A和B一起。此外，还应理解，除非另外指出或除非物理上不可能，否则上述实施例和方面都能够彼此结合地使用，并且互相不排斥。因此，所公开的具体布置有意仅为例示性的，并且无意限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和全部等效物的全部范围给出。

Claims (47)

1.一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，所述涡轮复合系统包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流，当开始所述涡轮复合系统的操作时，对所述废气流的划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴。
2.根据权利要求1所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括用于将从所述发电机至所述内燃机的动力流解耦的装置。
3.根据权利要求2所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.第一频率或转速传感器，其中，所述第一频率或转速传感器响应于所述发电机的频率或转速产生第一信号；
b.第二频率或转速传感器，其中，所述第二频率或转速传感器响应于所述感应电动机的频率或转速产生第二信号；
c.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述第一频率或转速传感器和所述第二频率或转速传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述第一信号和所述第二信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
4.根据权利要求2所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.相电流传感器，其中，所述相电流传感器响应于将所述发电机的相电连接至所述感应电动机的对应相的导体内的相电流的测量值来产生相电流信号；和
b.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述相电流传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述相电流信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
5.根据权利要求1所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.接触器或至少一个中继器，其中，当所述接触器或所述至少一个中继器闭合时，所述接触器或所述至少一个中继器将所述发电机电连接至所述感应电动机；当所述接触器或所述至少一个中继器打开时，所述接触器或所述至少一个中继器断开所述发电机与所述感应电动机的电连接；和
b.控制器，其中，所述接触器或所述至少一个中继器可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器用于控制所述接触器或所述至少一个中继器是否打开或闭合。
6.根据权利要求1所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.固态开关或控制系统，其中，当所述固态开关或控制系统处于导电状态时，所述固态开关或控制系统将所述发电机电连接至所述感应电动机；当所述固态开关或控制系统处于不导电状态时，所述固态开关或控制系统断开所述发电机与所述感应电动机的电连接；和
b.控制器，其中，所述固态开关或控制系统可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器用于控制是否所述固态开关或控制系统使得所述发电机向所述感应电动机供电。
7.根据权利要求1所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.电控离合器，所述电控离合器将所述感应电动机的所述输出轴联接至所述内燃机的所述输出轴；和
b.控制器，其中，所述电控离合器可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器控制所述电控离合器是否接合或断开。
8.根据权利要求1所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，其中，当终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作时，对所述废气流的所述划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀。
9.一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，所述涡轮复合系统包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴，所述发电机包括多相交流同步发电机，所述感应电动机包括多相感应电动机，所述多相感应电动机的相数至少为三并且等于所述交流同步发电机的相数，并且所述多相感应电动机的每相都与所述多相交流同步发电机的对应相电关联。
10.根据权利要求9所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，其中，所述发电机包括多相交流永磁体发电机。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括用于将从所述发电机至所述内燃机的动力流解耦的装置。
12.根据权利要求11所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.第一频率或转速传感器，其中，所述第一频率或转速传感器响应于所述发电机的频率或转速产生第一信号；
b.第二频率或转速传感器，其中，所述第二频率或转速传感器响应于所述感应电动机的频率或转速产生第二信号；
c.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述第一频率或转速传感器和所述第二频率或转速传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述第一信号和所述第二信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
13.根据权利要求11所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.相电流传感器，其中，所述相电流传感器响应于将所述发电机的相电连接至所述感应电动机的对应相的导体内的相电流的测量值来产生相电流信号；和
b.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述相电流传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述相电流信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
14.根据权利要求9-10中任一项所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.接触器或至少一个中继器，其中，当所述接触器或所述至少一个中继器闭合时，所述接触器或所述至少一个中继器将所述发电机电连接至所述感应电动机；当所述接触器或所述至少一个中继器打开时，所述接触器或所述至少一个中继器断开所述发电机与所述感应电动机的电连接；和
b.控制器，其中，所述接触器或所述至少一个中继器可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器用于控制所述接触器或所述至少一个中继器是否打开或闭合。
15.根据权利要求9-10中任一项所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.固态开关或控制系统，其中，当所述固态开关或控制系统处于导电状态时，所述固态开关或控制系统将所述发电机电连接至所述感应电动机；当所述固态开关或控制系统处于不导电状态时，所述固态开关或控制系统断开所述发电机与所述感应电动机的电连接；和
b.控制器，其中，所述固态开关或控制系统可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器用于控制是否所述固态开关或控制系统使得所述发电机向所述感应电动机供电。
16.根据权利要求9-10中任一项所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.电控离合器，所述电控离合器将所述感应电动机的所述输出轴联接至所述内燃机的所述输出轴；和
b.控制器，其中，所述电控离合器可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器控制所述电控离合器是否接合或断开。
17.根据权利要求9和10中任一项所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，其中，所述多相交流同步发电机的极数不同于所述多相感应电动机的极数，以相对于所述多相交流同步发电机的转速来充分降低所述多相感应电动机的转速。
18.根据权利要求9-10中任一项所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，其中，当终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作时，对所述废气流的所述划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀。
19.一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，所述涡轮复合系统包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴，所述发电机包括多相感应发电机，所述感应电动机包括多相感应电动机，所述多相感应电动机的相数至少为三并且等于所述多相感应发电机的相数，并且所述多相感应电动机的每相都与所述多相感应发电机的对应相电关联；
f.多相感应发电机逆变器；和
g.感应电动机转速传感器，其中，所述多相感应发电机逆变器产生多相激励信号，所述多相激励信号的频率响应于来自所述感应电动机转速传感器的转速信号，并且所述多相激励信号的每相都与所述多相感应发电机的对应相电关联。
20.根据权利要求19所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括用于将从所述发电机至所述内燃机的动力流解耦的装置。
21.根据权利要求20所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.第一频率或转速传感器，其中，所述第一频率或转速传感器响应于所述发电机的频率或转速产生第一信号；
b.第二频率或转速传感器，其中，所述第二频率或转速传感器响应于所述感应电动机的频率或转速产生第二信号；
c.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述第一频率或转速传感器和所述第二频率或转速传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述第一信号和所述第二信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
22.根据权利要求20所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.相电流传感器，其中，所述相电流传感器响应于将所述发电机的相电连接至所述感应电动机的对应相的导体内的相电流的测量值来产生相电流信号；和
b.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述相电流传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述相电流信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
23.根据权利要求19所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.接触器或至少一个中继器，其中，当所述接触器或所述至少一个中继器闭合时，所述接触器或所述至少一个中继器将所述发电机电连接至所述感应电动机；当所述接触器或所述至少一个中继器打开时，所述接触器或所述至少一个中继器断开所述发电机与所述感应电动机的电连接；和
b.控制器，其中，所述接触器或所述至少一个中继器可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器用于控制所述接触器或所述至少一个中继器是否打开或闭合。
24.根据权利要求19所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.固态开关或控制系统，其中，当所述固态开关或控制系统处于导电状态时，所述固态开关或控制系统将所述发电机电连接至所述感应电动机；当所述固态开关或控制系统处于不导电状态时，所述固态开关或控制系统断开所述发电机与所述感应电动机的电连接；和
b.控制器，其中，所述固态开关或控制系统可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器用于控制是否所述固态开关或控制系统使得所述发电机向所述感应电动机供电。
25.根据权利要求19所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，还包括：
a.电控离合器，所述电控离合器将所述感应电动机的所述输出轴联接至所述内燃机的所述输出轴；和
b.控制器，其中，所述电控离合器可操作地联接至所述控制器，并且所述控制器控制所述电控离合器是否接合或断开。
26.根据权利要求19所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，其中，所述多相感应发电机的极数不同于所述多相感应电动机的极数，以相对于所述多相感应发电机的转速来充分降低所述多相感应电动机的转速。
27.根据权利要求19所述的用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，其中，当终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作时，对所述废气流的所述划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀。
28.一种从来自内燃机的废气流回收功率的方法，包括：
a.接收来自所述内燃机的废气流；
b.对将来自所述内燃机的所述废气流划分为所述废气流的第一部分和余下的第二部分进行控制，其中，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每一部分都不大于或等于所述废气流，并且小于或等于全部所述废气流；
c.如果所述废气流的所述第一部分大于零，则使得所述废气流的所述第一部分撞击在叶轮机转子的多个叶片上；
d.如果所述废气流的所述余下的第二部分大于零，则使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
e.如果所述废气流的所述第一部分大于零，则响应于撞击在所述叶轮机转子的所述多个叶片上的所述废气流的所述第一部分，而利用所述叶轮机转子驱动发电机；
f.将所述发电机的电输出可操作地耦接至感应电动机，以利用由所述发电机产生的电力对感应电动机供电；以及
g.将所述感应电动机的输出轴可操作地机械联接至所述内燃机的输出轴，以从所述废气流的所述第一部分回收功率，其中，当开始从所述废气流的所述第一部分回收功率的操作时，对所述废气流的所述划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀。
29.根据权利要求28所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，所述发电机包括多相交流同步发电机，所述感应电动机包括多相感应电动机，所述多相感应电动机的相数至少为三并且等于所述交流同步发电机的相数，并且所述多相感应电动机的每相都与所述多相交流同步发电机的对应相电关联。
30.根据权利要求28所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，所述发电机包括多相感应发电机，所述感应电动机包括多相感应电动机，所述多相感应电动机的相数至少为三并且等于所述多相感应发电机的相数，并且所述多相感应电动机的每相都与所述多相感应发电机的对应相电关联，所述方法还包括产生多相激励信号，其中，所述多相激励信号的频率响应于所述多相感应电动机的转速，并且所述多相激励信号的每相都与所述多相感应发电机的对应相电关联。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，在开始或终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作时，将从由所述发电机的所述电输出可操作地耦合至所述感应电动机的操作以及将所述感应电动机的所述输出轴可操作地机械联接至所述内燃机的所述输出轴的操作组成的组中选出的至少一个操作用于将所述发电机从所述内燃机解除联接，并且在从所述废气流的所述第一部分回收功率时用于将所述发电机可操作地联接至所述内燃机。
32.根据权利要求28-30中任一项所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，将所述发电机的所述电输出可操作地耦合至所述感应电动机的操作包括：通过至少一个接触器、中继器或固态开关或控制系统将所述发电机的所述电输出可操作地耦合至所述感应电动机，所述至少一个接触器、中继器或固态开关或控制系统响应于控制信号来将所述发电机与所述内燃机解除联接，并且响应于控制信号可操作地将所述发电机联接至所述内燃机。
33.根据权利要求28-30中任一项所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，将所述感应电动机的所述输出轴可操作地机械联接至所述内燃机的所述输出轴的操作包括：通过电控离合器将所述感应电动机的所述输出轴机械联接至所述内燃机的所述输出轴，所述电控离合器响应于控制信号将所述发电机从所述内燃机解除联接，并且提供响应于控制信号将所述发电机可操作地联接至所述内燃机。
34.根据权利要求31所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，所述开始从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作的操作包括：
a.控制所述废气流的所述划分，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括从所述内燃机接收的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的所述相关联的运行条件下流过所述相关联的打开的废气门阀；
b.将所述发电机从所述内燃机解除联接；
c.如果还未起动，则起动所述内燃机，并且以额定速度运行所述内燃机；
d.将第一信号与对应的第二信号进行比较，所述第一信号响应于所述发电机的频率或转速，所述第二信号响应于所述感应电动机的对应的频率或转速；以及
e.如果所述第一信号大于或等于所述第二信号，则可操作地将所述发电机联接至所述内燃机，以使得所述发电机将所述电力供应至所述内燃机；
f.否则，如果还未准备好，则控制所述废气流的所述划分，使得所述废气流的所述第一部分包括从所述内燃机接收的至少大部分所述废气流。
35.根据权利要求31所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，所述终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作的操作包括：
a.控制所述废气流的所述划分，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括从所述内燃机接收的所有所述废气流，所述从所述内燃机接收的所有所述废气流将在所述内燃机的所述相关联的运行条件下流过所述相关联的打开的废气门阀；
b.将第一信号与对应的第二信号进行比较，所述第一信号响应于所述发电机的频率或转速，所述第二信号响应于所述感应电动机的对应的频率或转速；以及
c.如果所述第一信号小于或等于所述第二信号，则将所述发电机与所述内燃机解除联接，以防止所述发电机将所述电力供应至所述内燃机。
36.根据权利要求31所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，所述终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作的操作包括：
a.控制所述废气流的所述划分，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括从所述内燃机接收的所有所述废气流，所述从所述内燃机接收的所有所述废气流将在所述内燃机的所述相关联的运行条件下流过所述相关联的打开的废气门阀；
b.比较相电流的测量值与阈值，其中，所述相电流的测量值响应于将所述发电机的相电连接至所述感应电动机的对应相的导体内的相电流的测量值；以及
c.如果所述相电流的测量值小于所述阈值，则将所述发电机与所述内燃机解除联接，以防止所述发电机将所述电力供应至所述内燃机。
37.根据权利要求28-30中任一项所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，还包括控制所述废气流的所述划分，使得：如果所述发电机的所述电输出在从所述废气流回收所述功率的操作期间断开，则所述废气流的所述余下的第二部分包括从所述内燃机接收的所有所述废气流，所述从所述内燃机接收的所有所述废气流将在所述内燃机的所述相关联的运行条件下流过所述相关联的打开的废气门阀。
38.根据权利要求29所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，还包括：响应于所述多相感应电动机和所述多相交流同步发电机之间的极数差，以比所述多相交流同步发电机的转速低一定量的转速来操作所述多相感应电动机，该量大于产生频率滑差的量。
39.根据权利要求29所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，所述发电机包括多相交流永磁体发电机。
40.根据权利要求30所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，还包括：响应于所述多相感应电动机和所述多相感应发电机之间的极数差，以比所述多相感应发电机的转速低一定量的转速来操作所述多相感应电动机，该量大于产生频率滑差的量。
41.根据权利要求28-30和39中任一项所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，当终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作时，对所述废气流的所述划分进行控制，使得所述废气流的所述余下的第二部分包括接收自所述内燃机的所有所述废气流，所述接收自所述内燃机的所有所述废气流将在所述内燃机的相关联的运行条件下流过相关联的打开的废气门阀。
42.根据权利要求39所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，在开始或终止从所述废气流的所述第一部分回收所述功率的操作时，将从由所述多相交流永磁体发电机的所述电输出可操作地耦合至所述感应电动机的操作以及将所述感应电动机的所述输出轴可操作地机械联接至所述内燃机的所述输出轴的操作组成的组中选出的至少一个操作用于将所述多相交流永磁体发电机从所述内燃机解除联接，并且在从所述废气流的所述第一部分回收功率时用于将所述多相交流永磁体发电机可操作地联接至所述内燃机。
43.根据权利要求39所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，将所述多相交流永磁体发电机的所述电输出可操作地耦合至所述感应电动机的操作包括：通过至少一个接触器、中继器或固态开关或控制系统将所述多相交流永磁体发电机的所述电输出可操作地耦合至所述感应电动机，所述至少一个接触器、中继器或固态开关或控制系统响应于控制信号来将所述多相交流永磁体发电机与所述内燃机解除联接，并且响应于控制信号可操作地将所述多相交流永磁体发电机联接至所述内燃机。
44.根据权利要求39所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，其中，将所述感应电动机的所述输出轴可操作地机械联接至所述内燃机的所述输出轴的操作包括：通过电控离合器将所述感应电动机的所述输出轴机械联接至所述内燃机的所述输出轴，所述电控离合器响应于控制信号将所述多相交流永磁体发电机从所述内燃机解除联接，并且提供响应于控制信号将所述多相交流永磁体发电机可操作地联接至所述内燃机。
45.根据权利要求39所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，还包括控制所述废气流的所述划分，使得：如果所述多相交流永磁体发电机的所述电输出在从所述废气流回收所述功率的操作期间断开，则所述废气流的所述余下的第二部分包括从所述内燃机接收的所有所述废气流，所述从所述内燃机接收的所有所述废气流将在所述内燃机的所述相关联的运行条件下流过所述相关联的打开的废气门阀。
46.根据权利要求39所述的从来自内燃机的废气流回收功率的方法，还包括：响应于所述多相感应电动机和所述多相交流永磁体发电机之间的极数差，以比所述多相交流永磁体发电机的转速低一定量的转速来操作所述多相感应电动机，该量大于产生频率滑差的量。
47.一种用于从来自内燃机的废气流回收功率的涡轮复合系统，包括：
a.进口，其中，所述进口用于接收来自所述内燃机的废气流；
b.废气门阀，其中，所述废气门阀用于将所述废气流划分为第一部分和余下的第二部分，所述废气流的所述第一部分和所述余下的第二部分中的每个都不大于或不等于所述废气流，并且小于或等于所有的所述废气流；
c.叶轮机转子，其中，所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述第一部分冲击在所述叶轮机转子的多个叶片上，并且所述涡轮复合系统被构造成：使得所述废气流的所述余下的第二部分绕过所述叶轮机转子的所述多个叶片；
d.发电机，所述发电机可操作地联接至所述叶轮机转子并且由所述叶轮机转子驱动，以响应于来自所述叶轮机转子的机械轴动力来产生电力，所述叶轮机转子的机械轴动力响应于所述叶轮机转子与来自所述内燃机的所述废气流的所述第一部分的相互作用；以及
e.感应电动机，其中，对所述感应电动机进行的电输入被可操作地耦合至所述发电机的电输出，并且所述感应电动机的输出轴被可操作地联接至所述内燃机的输出轴，以将来自所述感应电动机的所述机械轴动力传递至所述内燃机的所述输出轴；
f.用于将从所述发电机至所述内燃机的动力流解耦的装置；
g.相电流传感器，其中，所述相电流传感器响应于将所述发电机的相电连接至所述感应电动机的对应相的导体内的相电流的测量值来产生相电流信号；和
h.控制器，其中，所述控制器可操作地联接至所述相电流传感器，并且可操作地联接至所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置，并且所述控制器响应于所述相电流信号来控制所述用于将从所述发电机至所述内燃机的功率流解耦的装置。
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