專(zhuān)利名稱(chēng)：供發(fā)電中使用的流體冷卻負(fù)載電阻及其使用的制作方法
供發(fā)電中使用的流體冷卻負(fù)載電阻及其使用本發(fā)明涉及一種電力負(fù)載電阻裝置，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于由在流體線(xiàn)中的渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的電力負(fù)載電阻，其中該電力負(fù)載電阻將能量釋放到流體線(xiàn)中。此處所述的渦輪機(jī)表示流體可在其內(nèi)使一個(gè)或數(shù)個(gè)軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的任何機(jī)器。這樣的渦輪機(jī)可以例如包括但不限于軸向幅流式渦輪機(jī)、培爾頓式渦輪機(jī)、雙擊式渦輪機(jī)、阿基米德螺旋泵、斜擊式渦輪機(jī)和旋槳式渦輪機(jī)。渦輪機(jī)也表示用作渦輪機(jī)的各種類(lèi)型的栗。產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)可以由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。各種不同類(lèi)型的介質(zhì)直接或間接地驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。例如，水電站或潮汝電站通過(guò)水進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，熱電站或核電站通過(guò)蒸汽進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，風(fēng)力電站通過(guò)風(fēng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或通過(guò)內(nèi)燃機(jī)中的排氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)為在一定裕度內(nèi)操作。發(fā)電機(jī)可以與配電網(wǎng)捆綁在一起。與配電網(wǎng)捆綁在一起的那些裝置和設(shè)備當(dāng)操作時(shí)使用電能，并且構(gòu)成發(fā)電機(jī)的負(fù)載。渦輪 機(jī)必須通過(guò)發(fā)電機(jī)克服該負(fù)載以便使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在配電網(wǎng)發(fā)生故障(以下稱(chēng)為電網(wǎng)失電)時(shí)，負(fù)載突然降低。水、蒸汽或風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)因此將增高轉(zhuǎn)速，即發(fā)生所謂的超速，于是該轉(zhuǎn)速可能超過(guò)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍。有更多的方法可在電網(wǎng)失電時(shí)使渦輪機(jī)減速或停機(jī)。在水電站中，可以通過(guò)閥門(mén)減小水流甚至完全停止水流。在驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)中，可以通過(guò)切斷燃料供應(yīng)而使其停止。風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以通過(guò)剎住渦輪機(jī)軸的方法而減速。這些在電網(wǎng)失電時(shí)所采取的機(jī)械行動(dòng)的共同點(diǎn)是從故障發(fā)生到發(fā)電機(jī)完全停止存在著延時(shí)。在本領(lǐng)域中公知的是，在電網(wǎng)失電時(shí)可采用所謂的負(fù)載電阻(也稱(chēng)為制動(dòng)電阻)來(lái)使發(fā)電機(jī)保持穩(wěn)定直至用其他方法使發(fā)電機(jī)停止。下文中，術(shù)語(yǔ)負(fù)載電阻將表示電氣負(fù)載電阻。負(fù)載電阻進(jìn)一步表示一種由結(jié)構(gòu)部件和電氣部件構(gòu)成的裝置。該電氣部件還包括至少一個(gè)電氣元件，其可能是電阻、電感或電容器。該電氣元件用作發(fā)電機(jī)負(fù)載。因此負(fù)載電阻可分別表現(xiàn)為電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和電容性負(fù)載。負(fù)載電阻的負(fù)載值由該電氣元件的電氣特性以及構(gòu)成該負(fù)載電阻的電氣元件的數(shù)量決定。下文中電阻性元件與發(fā)電機(jī)的連接將表示為直接連接，而電感性元件與發(fā)電機(jī)的連接將表示為間接連接。電感性元件由線(xiàn)圈和芯組成。如果沒(méi)有其他明確的表示，電感性元件代表線(xiàn)圈和芯二者。在電氣元件中產(chǎn)生的熱能用于加熱氣體或液體形式的流體。氣體可以是空氣而液體可以是水或油。電氣元件的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)可以迅速地將其連接。數(shù)種直接連接的電氣元件在本領(lǐng)域中是公知的。原則上，它們由對(duì)諸如空氣、淡水、海水或油這樣的流體進(jìn)行加熱的電阻組成，其中油例如為變壓器油，并且通過(guò)熱交換器將熱量傳遞到空氣或水中。另一公知的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載連接到多相發(fā)電機(jī)時(shí)，每一相均有一個(gè)電氣元件，如圖2所示，電氣元件R2A、R2B和R2C形成星形連接，而在圖3中，電氣元件R3A、R3B和R3C形成三角形連接。下文中，由電氣元件加熱并將熱量傳送到另一種介質(zhì)例如熱交換器中的流體被稱(chēng)為冷卻流。美國(guó)專(zhuān)利文件(專(zhuān)利號(hào)US 2007/0164567)描述了阻尼負(fù)載電阻用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)以便電網(wǎng)失電時(shí)制動(dòng)螺旋槳，從而降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載。常常需要降低流體流動(dòng)中的壓力，一個(gè)簡(jiǎn)單且公知的解決方案是讓流體流動(dòng)通過(guò)阻塞部件，例如阻塞閥，其中，可調(diào)節(jié)阻塞效果以獲得需要的壓降。由于通過(guò)阻塞進(jìn)行降壓，大部分能量便因此而丟失。然而，用驅(qū)動(dòng)(連接到電氣負(fù)載的)發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)代替阻塞閥，則可以獲得這些能量并將其轉(zhuǎn)化為有用能量。對(duì)所獲壓降的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電量的電氣負(fù)載而實(shí)現(xiàn)。美國(guó)專(zhuān)利文件(專(zhuān)利號(hào)US 4496845)描述了渦輪機(jī)在供水系統(tǒng)中的使用，其中該渦輪機(jī)與傳統(tǒng)的降壓閥并聯(lián)連接，為管道網(wǎng)絡(luò)提供壓降。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，該渦輪機(jī)的速度在該閥門(mén)關(guān)閉對(duì)渦輪機(jī)的供水以停止該渦輪機(jī)前將會(huì)增加。這樣水流將通過(guò)作為渦輪機(jī)旁路通道而連接的降壓閥流過(guò)該渦輪機(jī)。
世界專(zhuān)利文件(專(zhuān)利號(hào)WO 2008/004880)描述了一種由在管道中的流體線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)。該渦輪機(jī)的主要目的是在諸如用于飲用水這樣的消費(fèi)水的管道網(wǎng)絡(luò)中替代傳統(tǒng)的降壓閥。由于采用了這樣一種降壓渦輪機(jī)，能量可以通過(guò)該渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電而變得可用。該發(fā)電機(jī)就可以向不同類(lèi)型的用戶(hù)提供電能。在一種簡(jiǎn)單的裝置中，該發(fā)電機(jī)可以向負(fù)載供能，例如向加熱元件供能以用于加熱、向電燈或電風(fēng)扇供電，以便可本地使用能量。該發(fā)電機(jī)也可以連接到配電網(wǎng)，該配電網(wǎng)主要由較大的發(fā)電廠供電，而該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能也可以構(gòu)成可用的能量補(bǔ)充。這樣該發(fā)電機(jī)便可以與普通配電網(wǎng)關(guān)聯(lián)在一起。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是它不需要重建管道，因?yàn)樗鼉H僅代替降壓閥，而且它不會(huì)明顯地占用比降壓閥更多的空間。因此，可以在現(xiàn)有管道網(wǎng)絡(luò)例如消費(fèi)水網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行改造。與其它許多渦輪機(jī)相反，如在WO 2008/004880中所描述的，所述降壓渦輪機(jī)在電網(wǎng)失電時(shí)不應(yīng)當(dāng)停止，因?yàn)殡娋W(wǎng)失電將減少或者停止向諸如消費(fèi)水網(wǎng)絡(luò)等的壓力供給，而這是所不希望的。更嚴(yán)重的問(wèn)題是向受到電網(wǎng)失電沖擊的地區(qū)供電的發(fā)電機(jī)將形成所謂的孤島。這將對(duì)維持人們的信念構(gòu)成威脅，他們會(huì)認(rèn)為由于電網(wǎng)失電，本地區(qū)將停電，雖然該電網(wǎng)仍然由運(yùn)行著的發(fā)電機(jī)繼續(xù)在供電。在某些情況下，W02008/004880中所述的降壓渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)一起在電網(wǎng)失電時(shí)作為后備電源單元。在這種情況下，可能需要該發(fā)電機(jī)能進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供需要的電能，而非更多的電能。在其它情況下，可能需要水的產(chǎn)生和壓力控制能繼續(xù)通暢無(wú)阻。所產(chǎn)生的能量應(yīng)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐哪芰啃枰?，雖然任何多余的能量必須轉(zhuǎn)化成非電能的其它能量形式。由降壓渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的負(fù)載將根據(jù)降壓的要求而非電能的要求來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此發(fā)電機(jī)連接到一個(gè)備選負(fù)載上，以防可用負(fù)載中斷或利用可用負(fù)載不能實(shí)現(xiàn)所期望的壓降。使用一個(gè)或多個(gè)已知類(lèi)型的負(fù)載電阻可以解決降壓渦輪機(jī)運(yùn)行中發(fā)生的上述問(wèn)題。例如，該負(fù)載電阻可以是空氣冷卻式的。但是，這引起一個(gè)問(wèn)題，需要就與發(fā)電機(jī)的連接進(jìn)行額外的安裝工作。在已知的解決方案中，負(fù)載電阻的大小是按短期運(yùn)行的要求設(shè)置的，因?yàn)樵谶M(jìn)行機(jī)械制動(dòng)或者減小或停止水流數(shù)秒鐘后將會(huì)對(duì)該渦輪機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。由于降壓渦輪機(jī)在電網(wǎng)失電時(shí)也將供給一定量并具有一定壓力的水，所以這意味著即使在電網(wǎng)失電的情況下能量產(chǎn)生也一定繼續(xù)進(jìn)行。這意味著孤立運(yùn)行是降壓渦輪機(jī)必需的模式。連接到這種渦輪機(jī)的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載電阻所接收到的能量的典型值為20-500千瓦。因此，空氣冷式負(fù)載電阻將需要一定空間且必須使用附帶的風(fēng)扇和風(fēng)管進(jìn)行廣泛的通風(fēng)。而液體冷卻式負(fù)載電阻只需要較少的空間。已知的液體冷卻式負(fù)載電阻的一個(gè)已知問(wèn)題是在負(fù)載電阻平板熱量交換器中或負(fù)載電阻管道束之間會(huì)形成一些凹穴，很難將它們保持干凈，同時(shí)在這些凹穴上可能生成出現(xiàn)膜。這種負(fù)載電阻常常配備有驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和泵的電動(dòng)機(jī)，這樣便提高了維護(hù)要求并降低了運(yùn)行可靠性，因?yàn)楫?dāng)在電網(wǎng)失電期間需要它們運(yùn)行時(shí)它們卻可能會(huì)停止?？諝饫鋮s式或液體冷卻式負(fù)載電阻使對(duì)降壓渦輪機(jī)的改造復(fù)雜化。其投資更昂貴，可能負(fù)擔(dān)不起這種降壓渦輪機(jī)的安裝費(fèi)用。因此需要向由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)提供一種簡(jiǎn)單的負(fù)載電阻，其能降低在流體線(xiàn)中的壓力。流體線(xiàn)表示一種流體，該流體完全或部分地充斥在管道的內(nèi)橫斷面內(nèi)。該流體優(yōu)選地是不可壓縮的，可以包括但不限于水或油。該流體也可以是氣體。本發(fā)明的目的是糾正或減少現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個(gè)缺陷，或至少為現(xiàn)有技術(shù)提供有用的備選方法。因此，本發(fā)明的目的是獲得一種電氣負(fù)載電阻裝置，其可以構(gòu)成發(fā)電機(jī)的備選，并且該負(fù)載電阻既可單獨(dú)使用也可與可用負(fù)載一起使用。該目標(biāo)將通過(guò)下面描述和隨后的權(quán)利要求所公開(kāi)的特征而實(shí)現(xiàn)。 該負(fù)載電阻與壓降渦輪機(jī)的配合非常簡(jiǎn)單，其設(shè)計(jì)也非常簡(jiǎn)單以易于維護(hù)，并且不需要太大的空間。該負(fù)載電阻將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供壓降渦輪機(jī)的全面的能力。 在根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電阻裝置中，來(lái)自發(fā)電機(jī)的電能將以一種本身公知的方式轉(zhuǎn)化為熱能。出乎人們意料，將熱量從負(fù)載電阻處傳送到渦輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)流體，無(wú)論是渦輪機(jī)的上游還是下游，或者在渦輪機(jī)殼內(nèi)，其結(jié)果都是有利的。通過(guò)將該驅(qū)動(dòng)流體作為負(fù)載電阻中的冷卻流體，可獲得適合于電能生產(chǎn)的冷卻效果。通過(guò)的流越大，產(chǎn)生的電能也越多，并且電網(wǎng)失電時(shí)負(fù)載電阻中的冷卻效果就越顯著。這樣就降低了確定負(fù)載電阻尺寸的安全裕度。在下文中，術(shù)語(yǔ)驅(qū)動(dòng)流體表示驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的流體。驅(qū)動(dòng)流體可以是冷卻流體。驅(qū)動(dòng)流體還包括從潤(rùn)輪機(jī)中流出的流體。為了避免電氣元件與驅(qū)動(dòng)流體直接接觸，可通過(guò)單獨(dú)的冷卻流體至驅(qū)動(dòng)流體之間進(jìn)行熱交換的方式進(jìn)行熱量傳送，所述單獨(dú)的冷卻流體從釋放熱量的負(fù)載電阻電氣元件接收熱量。通過(guò)使電氣元件與用導(dǎo)熱性良好的材料制成的管道壁的外部保持熱接觸，也可以完成熱傳送，這里驅(qū)動(dòng)流體流過(guò)管道壁的內(nèi)部并與之接觸?？梢詫㈦姎庠驘峤粨Q器元件放置于在供驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的管道和外殼之間的充液環(huán)形套筒內(nèi)。將電氣元件與發(fā)電機(jī)在電性上分離或許是有利的。只須采用變壓器便可很容易地實(shí)現(xiàn)，并且如果該發(fā)電機(jī)是交流發(fā)電機(jī)，則可獲得所需要的交流，或者，如果其為直流發(fā)電機(jī)，則使用轉(zhuǎn)換器將直流轉(zhuǎn)換為交流。采用轉(zhuǎn)換器的好處是可以選擇交流頻率。眾所周知，這種轉(zhuǎn)換器可以與交流發(fā)電機(jī)一起使用，其中，電流被進(jìn)行整流，然后改變?yōu)榻涣?。采用這種方式的好處是交流頻率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。另一個(gè)好處是可以提高交流頻率從而使所連接的變壓器的物理尺寸更小。本方面的第一方面涉及到一種用于由在流體線(xiàn)中的渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻，其中該負(fù)載電阻設(shè)置有至少一個(gè)電氣元件，該電氣元件以導(dǎo)熱的方式與渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)流體連接。該負(fù)載電阻電氣元件可以以導(dǎo)熱方式與包圍驅(qū)動(dòng)流體的導(dǎo)熱管壁連接。該導(dǎo)熱管壁可以由金屬制成。
該負(fù)載電阻電氣元件可以放置在環(huán)形套筒中，該環(huán)形套筒的一個(gè)壁由包圍驅(qū)動(dòng)流體的導(dǎo)熱管壁的一部分構(gòu)成。該環(huán)形套筒可以被提供有冷卻流體，并且該電氣元件可以與冷卻流體導(dǎo)熱連接。該冷卻流體可以是一種具熱惰性和難燃性的流體。這種具熱惰性和難燃性的流體的一個(gè)示例是本身公知的變壓器油。所述環(huán)形套筒的在操作狀態(tài)中的長(zhǎng)度方向基本上是垂直的。其好處是在環(huán)形套筒中的冷卻流體可以形成對(duì)流，其中，最熱的流體沿著包圍驅(qū)動(dòng)流體的管壁向上流動(dòng)，而經(jīng)冷卻的流體沿著該環(huán)形套筒的外壁流回。如果最熱的冷卻流體流動(dòng)的方向與驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的方向不同，這種好處可能尤其顯著，并且如果冷卻流體流動(dòng)的方向與驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的方向完全相反，這種好處尤其顯著。在可選的實(shí)施方式中，該垂直的環(huán)形套筒可以設(shè)置有已知類(lèi)型的擴(kuò)散腔(expansion chamber)以便參與冷卻流體的熱擴(kuò)散。相應(yīng)地,水平方向的環(huán)形套筒也可以設(shè)置有擴(kuò)散腔。在另外可選的實(shí)施方式中，該負(fù)載電阻可以設(shè)置有以電感方式連接的電氣元件。 管道的一部分可以構(gòu)成該以電感方式相連接的電氣元件。在另外可選的實(shí)施例中，渦輪機(jī)殼的一部分可以構(gòu)成該以電感方式相連接的電氣兀件。該負(fù)載電阻可以設(shè)置有多個(gè)電氣元件，其中，這些電氣元件連接到不同的相位，并且它們可以并聯(lián)連接。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在電流強(qiáng)度大的情況時(shí)，在每一相位中，數(shù)個(gè)電氣元件可以并聯(lián)連接。可以布置用于發(fā)電機(jī)的控制單元以便在配電網(wǎng)和負(fù)載電阻之間分配發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。這樣的好處是在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能提供給普通的配電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，渦輪機(jī)可以保持其功能不受影響，而產(chǎn)生的電能可以輸往一個(gè)或多個(gè)負(fù)載電阻電氣元件，這樣所產(chǎn)生的能量可用于對(duì)驅(qū)動(dòng)流體加熱。該控制單元還可以布置為使渦輪機(jī)及其發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)失電時(shí)作為后備電源使用。該控制單元可以布置為測(cè)量由該后備電源供電的本地電網(wǎng)的電壓和頻率，并且根據(jù)所測(cè)電壓和頻率供電，而多余的能量則輸往負(fù)載電阻。降壓渦輪機(jī)常常向發(fā)電機(jī)提供不斷變化的轉(zhuǎn)速。這使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電必須轉(zhuǎn)換成頻率固定的交流電，一般為50或60Hz，以便能輸送給普通的電能用戶(hù)。頻率轉(zhuǎn)換器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。通過(guò)在發(fā)電機(jī)交流輸出端連接具有電阻性元件的負(fù)載電阻，交流輸出不再依賴(lài)頻率轉(zhuǎn)換器，從而能降低流體線(xiàn)中的壓力。這樣即使頻率轉(zhuǎn)換器停止工作，也可對(duì)發(fā)電機(jī)加載并因此降低流體線(xiàn)中的壓力。驅(qū)動(dòng)流體可以是消費(fèi)水，例如飲用水，或者是油。本發(fā)明的第二個(gè)方面涉及到用于渦輪機(jī)操作的實(shí)施方式，該渦輪機(jī)由在網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動(dòng)流體所驅(qū)動(dòng)，其中該渦輪機(jī)設(shè)置有發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)被布置為通過(guò)控制單元向配電網(wǎng)供電，使得該控制單元被布置為當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)將產(chǎn)生的電能輸送至負(fù)載電阻，該負(fù)載電阻設(shè)置有至少一個(gè)電氣元件，其以導(dǎo)熱方式與渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)流體連接。該控制單元可以布置為以公知的方式測(cè)量本地電網(wǎng)的電壓和頻率(如在后備系統(tǒng)中一樣)，然后根據(jù)所測(cè)電壓為本地電網(wǎng)供電，而多余的能量則輸往負(fù)載。在下文中描述在附圖
中例示的一些優(yōu)選實(shí)施例的示例，其中圖I示出了公知的三相交流發(fā)電機(jī)的方框原理圖，其中電氣元件采用星形連接；圖2示出了公知的三相交流發(fā)電機(jī)的方框原理圖，其中電氣元件采用三角形連接；圖3示出了公知的三相交流發(fā)電機(jī)的方框原理圖，該發(fā)電機(jī)具有頻率轉(zhuǎn)換器以便在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化的過(guò)程中提供穩(wěn)定的交流；圖4示出了公知的交流發(fā)電機(jī)和由電感性元件構(gòu)成的電氣元件的方框原理圖；圖5示出了公知的三相交流發(fā)電機(jī)的方框原理圖，該發(fā)電機(jī)具有頻率轉(zhuǎn)換器和由電感性元件構(gòu)成的電氣元件；圖6A-6B示意性示出了本發(fā)明的負(fù)載電阻的原理圖，該負(fù)載電阻以熱傳導(dǎo)方式與驅(qū)動(dòng)流體相連接；圖7示出了負(fù)載電阻中的電氣元件的剖視圖，該負(fù)載電阻以熱傳導(dǎo)方式與驅(qū)動(dòng)流體相連接；圖8示出了交流發(fā)電機(jī)及其附屬的(圖6-7所示)電氣元件的方框原理圖；圖9示出了交流發(fā)電機(jī)及其附屬的電感性電氣元件的方框原理圖，該電氣元件以熱傳導(dǎo)方式與驅(qū)動(dòng)流體相連接。為了更好地理解這些示例，首先回顧現(xiàn)有技術(shù)。圖I所示為三相交流發(fā)電機(jī)G2，其向星形連接的電氣元件R2A、R2B和R2C組成的電路供電，對(duì)于每一相均有一個(gè)電氣元件。圖2所示為三相交流發(fā)電機(jī)G3，其向三角形連接的電氣元件R3A、R3B和R3C組成的電路供電，對(duì)于每一相均有一個(gè)電氣兀件。眾所周知，在大功率輸出時(shí)，對(duì)于每一相可以將數(shù)個(gè)電氣元件并聯(lián)使用。在轉(zhuǎn)速不斷變化的狀態(tài)下運(yùn)行的發(fā)電機(jī)將提供頻率和電壓均不斷變化的交流電。特別是頻率會(huì)不斷變化。大多數(shù)能量用戶(hù)需要固定頻率的交流電，一般為50或60Hz。為了生成具有配電網(wǎng)所需的電壓和頻率的交流電，可使用與發(fā)電機(jī)相連的所謂的頻率轉(zhuǎn)換器。圖3示出人們熟知的、具有頻率轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖。渦輪機(jī)M4由如箭頭所示的驅(qū)動(dòng)流體驅(qū)動(dòng)。該渦輪機(jī)M4與三相發(fā)電機(jī)G4機(jī)械地相連，來(lái)自該三相發(fā)電機(jī)G4因此產(chǎn)生三相電能。三相電流由整流器橋D4中的二極管進(jìn)行整流。來(lái)自整流器橋D4的直流然后在電容器C4中被平滑。然后該直流通過(guò)由電子控制模塊K4控制的功率晶體管模塊T4轉(zhuǎn)換為具有固定頻率的交流電。由此，所產(chǎn)生的交流電的頻率便通過(guò)K4保持穩(wěn)定，雖然發(fā)電機(jī)G4的轉(zhuǎn)速可能隨時(shí)在變化從而導(dǎo)致頻率隨時(shí)在變化。本領(lǐng)域公知的是，除了直接電氣地連接的電阻性元件之外，還可以使用電感性元件以由電能產(chǎn)生熱能，用于電感性加熱的技術(shù)被用于許多其它的方面，例如烹調(diào)和熔融爐等。在實(shí)踐中，有非常多的小電氣元件，它們每一個(gè)均可將一些渦電流轉(zhuǎn)化為熱能，其中，當(dāng)導(dǎo)電物質(zhì)處于交變磁場(chǎng)中時(shí)，在導(dǎo)電物質(zhì)中可感應(yīng)出渦電流。感應(yīng)加熱的等效圖在圖4中所示。電氣元件Rl通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈SlA和SlB連接到交流電源Gl。SlA由一個(gè)普通線(xiàn)繞線(xiàn)圈構(gòu)成，而SlB是在待加熱的物質(zhì)中的等效電感。Rl表示吸收渦電流損耗的等效電阻。因此圖4示出了通過(guò)電感性地連接的負(fù)載工作的電氣元件的實(shí)施例。因此該電氣元件作為負(fù)載而工作，無(wú)論其是直接地連接還是電感性地連接。圖5示出了采用電感性地連接的電氣元件而非直接地連接的電氣元件的方框圖。渦輪機(jī)M5由如箭頭所示的驅(qū)動(dòng)流體驅(qū)動(dòng)。該渦輪機(jī)M5與三相發(fā)電機(jī)G5機(jī)械地相連，該三相發(fā)電機(jī)G5由此產(chǎn)生三相功率。電流通過(guò)整流器橋D5中的二極管進(jìn)行整流。來(lái)自整流器橋D5的直流電壓然后通過(guò)電容器C5平滑。該直流電壓通過(guò)由電子控制模塊K5控制的功、率晶體管模塊T5改變?yōu)楦哳l交流電。然后纏繞磁性材料的單個(gè)線(xiàn)圈S5A將感應(yīng)轉(zhuǎn)化熱能的渦電流，由線(xiàn)圈S5B和渦電流電阻R5例示。通過(guò)采用較高的開(kāi)關(guān)頻率，R5也有可能無(wú)需使用鋁、鉭等磁性材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員將發(fā)現(xiàn)圖4和圖5之間有相當(dāng)大的相似性，因此使用電感性連接的電氣元件的解決方案可以簡(jiǎn)單地整合到頻率轉(zhuǎn)換器解決方案中，并且因此節(jié)省了用于電感性連接的電氣元件R5的單獨(dú)的功率電子器件?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D6-9對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。在圖6A-B中，參考數(shù)字I表示根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電阻。流體線(xiàn)2包括流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)液體22，其流動(dòng)方向用箭頭標(biāo)記，流體線(xiàn)路2引導(dǎo)該驅(qū)動(dòng)流體22通過(guò)渦輪機(jī)3。該渦輪機(jī)3通過(guò)軸4驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)5。在發(fā)電機(jī)5中產(chǎn)生的電能通過(guò)控制單元62輸出到配電網(wǎng)6，其中控制單元62可以由整流器橋、電容、功率晶體管模塊和控制系統(tǒng)構(gòu)成。該控制單元62導(dǎo)電性地與負(fù)載電阻10連接，該負(fù)載電阻10通過(guò)電纜64包圍著流體線(xiàn)路2的一部分。在圖6A中，該負(fù)載電阻10包圍著流體線(xiàn)路2的水平部分，而在圖6B中，該負(fù)載電阻10包圍著流體線(xiàn)路2的垂直部分。
負(fù)載電阻10的一個(gè)實(shí)施方式如圖7所示。該負(fù)載電阻10包圍著流體線(xiàn)路2的一部分。驅(qū)動(dòng)流體22按箭頭所示方向流過(guò)流體線(xiàn)路2。環(huán)形套筒12圍繞流體線(xiàn)路2的一部分形成，使得流體線(xiàn)路3構(gòu)成同軸外殼14旁的在環(huán)形套筒12中的一道壁，而外殼14至少一個(gè)端壁16被抵靠著流體線(xiàn)路2而密封。流體線(xiàn)路2被殼體14包圍的部分至少部分地由諸如金屬等的導(dǎo)熱材料構(gòu)成。流體線(xiàn)路2被殼體14包圍的部分設(shè)置有電氣元件18，該電氣元件為長(zhǎng)的電阻元件。電氣元件18以本身公知的方式緊固到流體線(xiàn)路2，使得電氣元件18與流體線(xiàn)路2的導(dǎo)熱材料之間形成良好的導(dǎo)熱接觸。該電氣元件18通過(guò)圖中未示出的電纜以公知的方式連接到控制單元62。出于安全考慮，為避免對(duì)人員造成傷害，殼體14在其外側(cè)設(shè)置有一種本身公知的絕緣材料17，該絕緣材料17被殼狀物19覆蓋以將該絕緣材料17保持在殼體14上的適當(dāng)位置。如圖6A所示，負(fù)載電阻可以包圍流體線(xiàn)路2的水平部分。在本實(shí)施例中，環(huán)形套筒12由兩個(gè)端壁16所限定。如圖6B所示，負(fù)載電阻可以包圍流體線(xiàn)路2的垂直部分。在本實(shí)施例中，環(huán)形套筒12由兩個(gè)下部端壁16所限定。有利地，環(huán)形套筒12的上端可以設(shè)置有擴(kuò)散腔(圖中未示出)，該擴(kuò)散腔對(duì)于周?chē)梢允情_(kāi)放的，或者可以采用上部端壁16閉
八
口 o環(huán)形套筒12可以被提供有惰性的導(dǎo)熱冷卻流體，例如變壓器油。圖8示出在圖7中所示的實(shí)施方式示例的方框原理圖。渦輪機(jī)3由如箭頭所示的驅(qū)動(dòng)流體22驅(qū)動(dòng)。渦輪機(jī)3與三相發(fā)電機(jī)5機(jī)械地連接，該三相發(fā)電機(jī)由此產(chǎn)生三相電能。電流通過(guò)整流器橋中的二極管進(jìn)行整流。來(lái)自整流器橋的直流電壓在電容器中被平滑。然后該直流電壓在由電子控制模塊K8控制的功率晶體管模塊T8B中改變?yōu)轭l率固定的交流電。該電子控制模塊K8還控制功率晶體管模塊T8A，該功率晶體管模塊可以將交流電輸送到電氣元件S8。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，對(duì)于每一相可以有一個(gè)電氣元件，并且電氣元件S8可以通過(guò)數(shù)個(gè)并聯(lián)的電氣元件構(gòu)成。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，該控制模塊K8可以將產(chǎn)生的所有電能傳輸?shù)诫姎庠8。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，控制模塊K8也可以通過(guò)功率晶體管模塊T8B根據(jù)所測(cè)得的電壓將產(chǎn)生的電能的一部分傳輸?shù)奖镜仉娋W(wǎng)。這樣，渦輪機(jī)3將成為備用電源并且以孤立運(yùn)行模式工作。控制模塊K8會(huì)將剩余的電能傳輸?shù)诫姎庠8。因此，渦輪機(jī)3可以維持其運(yùn)行，而通過(guò)渦輪機(jī)3的驅(qū)動(dòng)流體22的量不受電網(wǎng)失電的影響。負(fù)載10的另一可選的實(shí)施方式如圖9所示。電氣元件18由圖4和圖5所描述的以電感方式連接的電氣元件構(gòu)成。在圖9中，電氣元件R7被描繪為流體線(xiàn)路2中的管壁24的一部分。因此電氣元件R7直接由驅(qū)動(dòng)流體22冷卻。這種方式的好處是電氣元件R7的運(yùn)行溫度比將電氣元件18放置在管壁24的外部(如圖7、圖8中所示，直接連接的電氣元件18)時(shí)的溫度更低?？梢允褂门c流體線(xiàn)路2直接連接的普通的絕緣導(dǎo)電線(xiàn)。需要特別耐高溫絕緣體和接線(xiàn)端子的電阻性合金因此顯得不必要了。繼電/控制單元K7可以在正常運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)失電狀態(tài)之間切換，正常運(yùn)行時(shí)其使頻率轉(zhuǎn)換器17的輸出連接到配電網(wǎng)6，而電網(wǎng)失電時(shí)其使頻率轉(zhuǎn)換器17的輸出連接到電感性電氣元件R7。除了在配電網(wǎng)6停止運(yùn)行時(shí)需要額外的控制電路通過(guò)17控制R7之外，該解決方案與在圖3中所示的具有頻率轉(zhuǎn)換器的普通發(fā)電機(jī)的解決方案一樣。繼電或通信功能也需要使用如在圖8中所示的直接連接的電氣元件18，這樣額外 部件的數(shù)目就基本上與在圖8中所示的解決方案的一樣。電感性連接的電氣元件18的使用使機(jī)械設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，可以避免使用所謂的耐高溫材料，即，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可經(jīng)受高運(yùn)行溫度的材料。也不需要在流體線(xiàn)路2和電氣元件18之間保持良好的熱接觸。在線(xiàn)圈s7中可能會(huì)發(fā)熱，但同與管壁24相接觸的表面積相比而言相當(dāng)小，因此保持線(xiàn)圈s7處于低運(yùn)行溫度是簡(jiǎn)單的。在另一個(gè)實(shí)施方式(未不出)中，如果潤(rùn)輪機(jī)3的殼體由金屬制成,則該殼體本身就可以構(gòu)成電氣元件18。這將使安裝更加集中、緊湊。在另一個(gè)實(shí)施方式(未示出)中，電氣元件18可以位于流體線(xiàn)路2內(nèi)。在該實(shí)施方式中，電氣元件18可以由與驅(qū)動(dòng)流體22直接接觸的電阻性元件構(gòu)成。在該示例中，負(fù)載電阻10位于流體驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)3的上游。這樣的好處是在此部分中的流體線(xiàn)路2將充滿(mǎn)驅(qū)動(dòng)流體22，該驅(qū)動(dòng)流體可以在渦輪機(jī)3可能停機(jī)時(shí)被加熱。如前所述，降壓渦輪機(jī)停機(jī)是不期望的，并且該負(fù)載電阻10也可以位于渦輪機(jī)3 (未示出)的下游。在該實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)流體22包括從渦輪機(jī)3中排出的流體。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白所述幾個(gè)示例可通過(guò)使用將產(chǎn)生的電能輸送給本地電網(wǎng)和電氣元件18的控制模塊來(lái)進(jìn)一步結(jié)合在一起，其中該電氣元件18可以是電阻性的、電感性的或電容性的電氣元件，并且該電氣元件既可以位于渦輪機(jī)3的上游，也可以位于其下游。
權(quán)利要求
1.一種用于由在流體線(xiàn)中的渦輪機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)(5)的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述負(fù)載電阻(10)設(shè)置有至少一個(gè)與渦輪機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)流體(22)導(dǎo)熱連接的電氣元件(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述電氣元件(18)與包圍所述驅(qū)動(dòng)流體(22)的導(dǎo)熱管壁(24)導(dǎo)熱連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述負(fù)載電阻(10)設(shè)置有包圍導(dǎo)熱管壁(24)的一部分的環(huán)形套筒(12)，所述導(dǎo)熱管壁(24)包圍所述驅(qū)動(dòng)流體(22);其中所述環(huán)形套筒(12)被提供有冷卻流體，并且所述電氣元件(18)與所述冷卻流體導(dǎo)熱連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述冷卻流體是具有熱惰性和難燃性的流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述環(huán)形套筒(12)的在操作狀態(tài)中的長(zhǎng)度方向是基本上垂直的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述環(huán)形套筒(12)設(shè)置有擴(kuò)散腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述電氣元件(18)為電感性連接的電氣元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述管壁(24)的一部分構(gòu)成所述電感性連接的電氣元件(18)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，渦輪機(jī)殼體的一部分構(gòu)成所述電感性連接的電氣元件(18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述負(fù)載(10)設(shè)置有多個(gè)電氣元件(18);其中所述電氣元件(18)連接到不同的相位，并且所述電氣元件(18)可以并聯(lián)連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，用于發(fā)電機(jī)(5)的控制單元(62)被布置為在配電網(wǎng)和所述負(fù)載(10)之間對(duì)所述發(fā)電機(jī)(5)產(chǎn)生的電能進(jìn)行分配。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)載電阻裝置(10)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)流體(22)是消費(fèi)水或油。
13.一種操作由線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動(dòng)流體(22)驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)(3)的方法，其中所述渦輪機(jī)設(shè)置有發(fā)電機(jī)(5)，所述發(fā)電機(jī)被布置為通過(guò)控制單元(62)向配電網(wǎng)提供電能，其特征在于，所述控制單元(62)被布置為在電網(wǎng)失電時(shí)將產(chǎn)生的電能輸送到負(fù)載電阻(10)，所述負(fù)載電阻設(shè)置有至少一個(gè)與所述渦輪機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)流體(22)導(dǎo)熱連接的電氣元件(18)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制單元(62)被布置為測(cè)量本地配電網(wǎng)中的電壓，并根據(jù)所測(cè)得的電壓為所述本地配電網(wǎng)提供電能，并且將剩余的能量輸送到所述負(fù)載電阻(10)。
全文摘要
一種用于由在流體線(xiàn)中的渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻裝置，其中該負(fù)載電阻設(shè)置有至少一個(gè)與渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)流體導(dǎo)熱連接的電氣元件。還描述了一種使用該裝置的方法。
文檔編號(hào)H02K9/02GK102763311SQ201180008609
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者P·H·索爾森 申請(qǐng)人:綠色能源公司