【正文】 性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、動(dòng)態(tài)調(diào)整速度及紋波系數(shù)等所表風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 達(dá)的動(dòng)、靜態(tài)特性；其二是要有較為完善的自我檢測(cè)與控制功能，有較高的智能水平，可以根據(jù)蓄電池的特性和用戶的具體需要，選擇最佳的充電規(guī)律，以提高蓄電池的蓄電容量和使用壽命。 裝置 的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)實(shí)際需要，本裝置應(yīng)該在一定的使用條件下按要求的技術(shù)指標(biāo)對(duì)免維護(hù)鉛 酸蓄電池進(jìn)行理想的快速充電： ⑴ .電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍不超過(guò)額定值的士 2％； ⑵ .輸出電壓： DC10V～ 300V； ⑶ .輸出電流： 5A～ 10OA，連續(xù)可調(diào)； 充放電控制過(guò)程分析 鉛酸蓄電池的充電工藝要求 1. 充電電流應(yīng)小于或等于蓄電池可接受充電電流。 4. 防止過(guò)充電。主充剛開(kāi)始時(shí)，反電動(dòng)勢(shì) E較小，電壓不需很高電流就能達(dá)到穩(wěn)定值。 后要利用 均衡充電方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充充電 ,限壓值一般取： VJ= () 式中 n—— 蓄電池的節(jié)數(shù) 隨著限壓充電的進(jìn)行，電池電流也隨之逐漸減低。這時(shí)應(yīng)采取限流措施，保持電流不超過(guò)某一設(shè)定值而使電壓降低，待電 流降低、電壓升起后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義。這里，電容器 C1用于儲(chǔ)存來(lái)自輸入端的能量并將能量轉(zhuǎn)移輸出端。 Tr 中流過(guò)輸入、輸出電流之和。因此， C是個(gè)能量的傳遞元件。上面所述作用過(guò)程示于圖 (a)的 Dts區(qū)間。這樣， Cuk 變換器的工作點(diǎn) 不會(huì)受到影響。 Tr導(dǎo)通，將輸入輸出環(huán)路閉合， D 反偏而截止。所用太陽(yáng)能電池的額定數(shù)據(jù)為：峰瓦值 30WP， 短路電流 1． 9A，開(kāi)路電壓 20 .7V；太陽(yáng)電池組為八串，總電壓最高 160V。從圖 可知，風(fēng)能發(fā)電最大功率控制的 DC/DC變換器是由單片機(jī)系統(tǒng)輸出控制電壓 控制專用 PWM驅(qū)動(dòng) IC:SG3525A來(lái)驅(qū)動(dòng)的。 Cr=470PF 時(shí)）。 9腳：外接誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 直接單端驅(qū)動(dòng) MOS 功率管。當(dāng)交流側(cè)接 在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無(wú)源逆變。 換流方式的分類 在換流過(guò)程中，有的支路要從通態(tài)轉(zhuǎn)移到斷態(tài)，有的支路要從斷態(tài)轉(zhuǎn)移到通態(tài)。 換流方式 換流是指交流電路在工作過(guò)程中不斷發(fā)生電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移的過(guò)程，通常也被稱為換相。 在此應(yīng)用中，將 IC 的 8 腳的軟啟動(dòng)端接一個(gè)三極管，控制三極管的導(dǎo)通 ,就可控制8腳的電壓，即就可直接控制 SG3525A 輸出的 PWM 波的占空比（ 0～約 50%）。 了解 3525A 之后再來(lái)看回圖氖 41 的電路。 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 l腳；誤差放犬器反相輸入端。 5 腳：外接定時(shí)電容。 圖 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 DC/DC 的驅(qū)動(dòng)電路 隨著 MOS 功率器件的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率從 20KHz 提高到 20KHZ 以 上，隨之PWM 集成電 路也有很大的發(fā)展。 有變壓隔離器的 CuK 變換器及 其脈沖控制電路簡(jiǎn)單，所需元件少，效率 高，體積、重量、鐵耗、銅耗及成本均較小。 能量的儲(chǔ)存和傳遞同時(shí)在開(kāi)通和關(guān)斷期間進(jìn)行，如圖 所示。 根據(jù)上述原理，不難理解不連續(xù)工作模式時(shí)的波形圖 (b)，它們差別只 在于二極管、晶體管在電流不連續(xù)時(shí)出現(xiàn)了電壓為 VO值的一個(gè)階段。另外電容 C 通過(guò) Tr放電。只需輸入輸出電感 L L2 及耦合電容 C 足夠大，則 L1 及 L2 中的電流基本上是恒定的。此時(shí) Tr 導(dǎo)通，把輸入輸出環(huán)路閉合。 Cuk 變換器工作原理 ： Cuk 變換電路是用設(shè)計(jì)者命名的，這中變換電路是對(duì)降壓 升壓變換電路應(yīng)用對(duì)偶原理而得到的。但是，由于工作情況的復(fù)雜性，浮充時(shí)也有電流較高的可能（如電池嚴(yán)重虧電、漏電。在這種情況下，應(yīng)采用均衡的方法來(lái)消除電池之間的差別，以達(dá)到全組電池的均衡。 1. 主充 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池虧電時(shí)，首先以恒流方式充電。長(zhǎng)期充電不足使得蓄電池容量下降，造成蓄電池的早期損壞。 ④ .具有恒流放電的功能。因而對(duì)直流供電系統(tǒng)進(jìn)行不斷的研究、改造，使之更加完善、可靠是一項(xiàng)重要工作。 Pb?Pb2++2е () Pb2++HSO4?PbSO4+H+ () 對(duì)于老式鉛酸式蓄電池，其中電解液中的水分，在浮動(dòng)充電及均衡充電末期都 會(huì)產(chǎn)生電解分離反應(yīng)而被電解成氫氣和氧氣，這些氫氣和氧氣將慢慢消失在空氣中。實(shí)踐證明，實(shí)際的浮充電壓與 規(guī)定的浮充電壓相差 5％時(shí)，免維護(hù)蓄電池的壽命將縮短一半。常溫下的最佳浮充電壓約為 單體。 (2) 自放電速率也較小。為蓄電池在規(guī)定條件下的容量， Qr 為電池存儲(chǔ)一段時(shí)間后，在同樣 規(guī)定條件下的容量。 7. 電池的老化 電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開(kāi)始使用的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增加 大約5％～ 10％，接下來(lái)的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開(kāi)始慢慢減少， 即開(kāi)始了電池的老化過(guò)程。 6. 電池的極化現(xiàn)象 由干蓄 電池內(nèi)阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其它電源有所不同。這極易對(duì)電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。 1. 電池容量 電池容量是蓄電池使用過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù) ，它指蓄電池充足電后放電到終 止電壓時(shí)所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量。 目前主要的蓄電池有多種，如：密封鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和 鋰離子蓄電池等。電阻 R 太大，在電阻 R上的損耗也大。 L 型濾波電路的濾波效果，主要取決于 LC 的乘積，即 LC 愈大，濾波效果愈好。 濾波電路是接在整流電路之后，起著減少交流成分，有使整流器輸出的脈動(dòng)電流變成平滑的直流電流（仍包括一定的交流成分）的作用。三相橋式不可控整流電路和波形如圖 所示。若電感 L 足夠大， ud中正負(fù)面積將基本相等， ud平均值近似為零。 。一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負(fù)載組成，三相變壓器的初級(jí)和次級(jí)既可接成星形，也可接成三角形。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器繞組的利用率也高，整流電壓平均值為： 221 1 c o s2 s in ( ) 0 . 9 2dU U td t U?? ???? ???? 當(dāng)電路中帶有阻感負(fù) 載時(shí)，電感的存在使負(fù)載電流不能突變，對(duì)負(fù)載電流起平波作用，其電壓平均值為： 221 2 s in ( ) 0 . 9 c o sdU U td t U??? ? ? ?? ???? 單相橋式半控整流電路 在單相橋式半控電路中，每個(gè)導(dǎo)電回路中只需 1 個(gè)晶閘管導(dǎo)通以控制導(dǎo)電回路，另1個(gè)則用 1個(gè)二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。 圖 單相半波可控整流電路及波形 半波整流在負(fù)載 R 上的直流電壓 U的數(shù)值，為半波電壓在整個(gè)周期的平均電壓值，即： 222 21 1 c o s2 s i n ( ) ( 1 + c o s ) 0 . 4 5 2 2 2d UU U td t U?? ?? ? ??? ?? ? ?? 半波整流中 ，流過(guò)整流元件的平均電流 Id與流過(guò)阻感負(fù)載的直流電流 Ir相等，即： ()2222s i n ( ) s i n ( )R tLd UUi e tZZ ???? ? ? ???? ? ? ? ? 式中， 22( ) , a r c ta n LZ R L R???? ? ?； 整流元件承受的最大反向電壓 U 反 ，就是變壓器次級(jí)電壓 U2的最大值，即： TRu2π π αu2 udVTu1iduVT2 x風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 U 反 = 22U 單相全波整流電路 單相全波整流電路，由兩個(gè)單相半波整流電路組合而成 ,由于加在負(fù)載上的電壓有兩個(gè)波，包括了電源電壓的整流波形，所以叫做全波整流。比如當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路是，保護(hù)電路會(huì)很快將逆變器關(guān)斷，使其免受損壞，短路消失后逆變器會(huì)重新自動(dòng)啟動(dòng)，恢復(fù)風(fēng)力發(fā)電。監(jiān)測(cè)和報(bào)警電路則是為了隨時(shí)的掌握和了解裝置的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況。 逆變器電路 風(fēng) 力發(fā)電電能變換裝置逆變器的功能是將風(fēng)力發(fā)電整流所得的直流電壓或蓄電池電壓逆變成頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、波形失真小的交流電壓。 充電電路 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中充電電路將蓄電池放電后損失的能量重新補(bǔ)充，一般充電電路是獨(dú)立于逆變器而工作的，也就是說(shuō)即使不用逆變器，只要將電源接通，充電電路就可以工作。 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的 組成 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置主要由輸入整流電路、蓄電池組、充電電路、斬波電路、逆變器電路、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和控制檢測(cè)保護(hù)電路七個(gè)部分組成。這種交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)不僅能發(fā)有功功率，而且還能發(fā)無(wú)功功率，且能方便地調(diào)節(jié)有功功率，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的性能 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)越來(lái)越得到風(fēng)力發(fā)電工作者的注意，因此都考慮采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。顯然，巨大的轉(zhuǎn)子葉片的直徑，必然使得風(fēng)力機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 5．提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和圖紙。換句話說(shuō)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 wr變化時(shí)，改變轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 ws，可是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) w1保持恒定，達(dá)到變速恒定的目的。目前在不間斷供電中，廣泛使用蓄電 池作為儲(chǔ)存電能的裝置。主電路一般采用開(kāi)關(guān)型電 路，其類型一般有降壓電路和升壓電路兩種。由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，因此在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)間斷。風(fēng)電經(jīng)整流濾波器、逆變器及靜態(tài)開(kāi)關(guān)給負(fù)載供電，并且由逆變器來(lái)完成穩(wěn)壓和頻率跟蹤的功能。 (主線路圖見(jiàn)附錄 ) 圖 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置框圖 整流電路 DC/DC 蓄電池組 充電電路 逆變電路 靜態(tài)開(kāi)關(guān) 控制檢測(cè)保護(hù)電路 輸入 輸出 控制電路 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 2 章 整流電路 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)的最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色。 圖 單相全波可控整流電路及波形 單相全波整流電路，在負(fù)載電阻 R上得到的單方向的半波電壓是半波整流電路的 2倍，因?yàn)閮蓚€(gè)整流元件是輪流導(dǎo)通的，所以流過(guò)每個(gè)整流元件的電流只有負(fù)載電流的一半，然而，加在整流元件上的反向電壓，卻比半波整流增加了一倍，也就是說(shuō)，在單相全波整流中，每個(gè)整流元件所承受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍。但電流不再流過(guò)變壓 器二次繞組，而是由 VT1和 VD2續(xù)流。 當(dāng)電路中帶有電阻負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路在每個(gè)時(shí)刻均需 2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，一個(gè)是共陽(yáng)極組的，且不能為同 1相的晶閘管。 當(dāng)電路中帶有阻感負(fù)載時(shí)，α≤ 60。當(dāng)α≤ 60。在 t3～ t4時(shí)間內(nèi)， b 相電壓為正值， c相電壓為負(fù)值，線電壓 ubc最大，因此整流元件 VD3與 VD6導(dǎo)通，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出為線電壓 ubc。 電容濾波電路 電容濾波電路是利用電容器對(duì)直流不能通過(guò)，而對(duì)交流成分呈現(xiàn)較小的阻抗，以達(dá)到短路交流，減少整流器的輸出電壓脈動(dòng)成分的目的而且電容器越大，效果越好。 RC 濾波電路 將 L 型濾波電路或π型濾波電路中的電感 L 用電阻 R 代替，即由電阻 R 和電容器 C組成的濾波電路，稱 RC 濾波器。 因此風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的選用該濾波電路作為三相不可控整流電路的濾波電路，在電路中選用 1000Ω的電阻，在“速度相等”恰好發(fā)生，則可得： 3RC? ? 因?yàn)?2 2 3 . 1 4 5 0 3 1 4 /f ra d s??? ? ? RL C L RL C L1 L2 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 因此： 633 5 . 5 1 03 1 4 1 0 0 0C R? ?? ? ? ?? （ 法 ） 圖 RC 濾波電路 第 3 章 蓄電池組 蓄電池的種類和特性 蓄電池是化學(xué)電池的一種，所謂化學(xué)電池是指能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝 置。對(duì)于放電速率要求不高的產(chǎn)品，如便攜式計(jì)算RL C1 C2 R RL C R 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 機(jī)、蜂窩 電話機(jī)和手提式視頻設(shè)備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。 2. 充電速率和放電速率 為了對(duì)不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對(duì)值來(lái)表 示，而是用電池的額定容量 C 和放電時(shí)間 t的比來(lái)表示，稱為電池的充電速率或放 電倍率。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和壓力都急劇上升，造成對(duì)電池的損害。這種現(xiàn)象的產(chǎn)主，主要是因?yàn)橐话愕拿芊馐叫铍姵卦诔潆娺^(guò)程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只