【正文】 電電壓不僅直接影響蓄電池性能，也會(huì)影響用電器的壽命與安全。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)XIII 蓄電池的性能單格鉛蓄電池的電動(dòng)勢(shì)約為 2V，將多個(gè)單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組，可獲得不同的蓄電池組電動(dòng)勢(shì)。如果整流管的參數(shù)選擇不當(dāng)，將使元件遭到破壞。同樣，在負(fù)載電阻 RL 上也得到一個(gè)半波電壓；D1 和 D3則承受反向電壓。如果電能足夠充足的話或者空載時(shí)還可以將多余的直流電儲(chǔ)存在蓄電池組內(nèi)。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口電壓的波動(dòng)范圍不斷增加。風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： (2—1)3pPCAv?? (2—2)2R?式中：P 為輸出功率， 為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)，ρ 為空氣密度，Rp為風(fēng)輪半徑，v 為風(fēng)速。圖 24 對(duì)風(fēng)裝置（4）齒輪箱由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小經(jīng)常變化著，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片受到離心力和氣動(dòng)力的作用，離心湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)II力對(duì)葉片是一個(gè)拉力，而氣動(dòng)力使葉片彎曲。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)I第二章 風(fēng)力機(jī)原理及其結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類：①水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；②垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向。 論文系統(tǒng)概述該獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 1—1 所示：圖 11 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其具體運(yùn)行狀況為：（1）風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。 第一階段是 1986～1990 年我國并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。近來，GE 風(fēng)能（GE Wind Energy） 、德國 REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場(chǎng)份額提高迅速。世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點(diǎn)：（1）風(fēng)電單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。本論文詳細(xì)闡明了小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和電能的變換及繼電控制電路做了深入的研究。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。2022 年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了《風(fēng)力 12——關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的 12%的藍(lán)圖》的報(bào)告， “風(fēng)力 12%”的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。最近,又發(fā)展了無齒風(fēng)機(jī)等,進(jìn)一步提高了安全性和效率。中國的風(fēng)能資源十分豐富。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量 萬 KW，最大單機(jī)容量達(dá)到 1300KW。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。（5），直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電；，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會(huì)有所下降。 （3）對(duì)風(fēng)裝置：自然界的風(fēng)向及風(fēng)速一直變化，為了得到較高的風(fēng)能利用率，應(yīng)使風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)榇诵枰獙?duì)風(fēng)裝置。 風(fēng)力機(jī)的功率風(fēng)的動(dòng)能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風(fēng)輪功率的計(jì)算。發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心和 定子繞組組成，定子繞組為單相，Y 型連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器 V1 不動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn) V1 閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓時(shí)，動(dòng)斷觸電 V1 斷開，勵(lì)磁回路中被串入了電阻 R2，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓隨之下降；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn) V1 重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀態(tài)。采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對(duì)蓄電池組過充電，延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷、動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁，需對(duì)出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚怼? 在 U2 的正半周，其極性為上（+）下（） ，即 a 點(diǎn) 的點(diǎn)位高于 b 點(diǎn)時(shí)，DD3 導(dǎo)通，DD4 截止，電流由 a 經(jīng) D1→R1→D3→b 形成通路，如圖中實(shí)線箭頭所示。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)X圖 512 單相橋式整流電路電壓與電流的波形負(fù)載電流的平均值是 ? 每個(gè)周期中，DD3 串聯(lián)與 DD4 串聯(lián)各輪流導(dǎo)電半周，所以每湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)XI個(gè)二極管中流出的平均電流只有負(fù)載電流的一半，如圖 512（c）所示，即 ? 由圖 512（d）可以看出，二極管截止時(shí)承受的最高反向電壓就是變壓器二次側(cè)交流電壓 u2 的最大值 U2m，即 22UMDR?ID 和 UDRM 是選擇整流二極管的主要依據(jù)。電阻 R 和電容 C 的值可參照式 4—3 所示方法估算，即 105()zRUI???27/CuF式中： 為輸出的整流電壓，V； 為輸出的整流電流，A；P 為1zU0zI風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率，VA； 為整流器入口交流線電壓，V。蓄電池的容量以 Ah 表示，其端電壓隨著放電而逐漸降低，且蓄電池組存在最佳充放電電流，其具體參數(shù)將在實(shí)際應(yīng)用中再做具體分析。 充放電保護(hù)電路該控制器由電壓繼電器 VV3 和它們所控制的動(dòng)開觸點(diǎn) V動(dòng)合觸點(diǎn) V3 構(gòu)成。 逆變電路 獨(dú)立運(yùn)行的異步風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)組輸出 有是不穩(wěn)定的交流電，必須用蓄電池儲(chǔ)能，才能向用戶提供連續(xù)平穩(wěn)的電能，但絕大多數(shù)用電器，如日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇和絕大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械等都是以交流電工作，因此，在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常需要將直流電再變換成交流電，這種變換過程叫逆變，具有逆變功能的電力電子設(shè)備稱為逆變器，湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)XVI逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量。 圖 1443（a）中煮點(diǎn)錄音開關(guān) T1~T4 世紀(jì)是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。 （3） 盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間,以提高工作效率。 （4） 6 腳過電流保護(hù)取樣信號(hào)連接端,通過快恢復(fù)二極管接IGBT 集電極.。可用于電網(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的戶用電力供應(yīng)。這種發(fā)電機(jī)有體積小、噪音小、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低的特點(diǎn)，適合在有風(fēng)能資源地區(qū)的樓房頂部，供應(yīng)家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱。下面將主要從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)和技術(shù)進(jìn)步四方面來介紹風(fēng)能開發(fā)利用的動(dòng)因。人們開始認(rèn)識(shí)到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。一個(gè)國家如果開發(fā)利用風(fēng)能技術(shù)早，就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風(fēng)能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題，得到了公眾的支持。到 20 世紀(jì) 90 年代，單機(jī)容湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)5量為 100～200KW 的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場(chǎng)中成為主導(dǎo)機(jī)型。1983 年在山東榮城引進(jìn) 3 臺(tái)丹麥 55KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開始并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范。例如，單機(jī)容量不斷增大，槳葉的長(zhǎng)度也在不斷增長(zhǎng)，容量為 2MW 的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。在中、大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風(fēng)能。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)72 風(fēng)力機(jī)理論 基本公式 風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)C p表示。另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲 η 2 和發(fā)電機(jī)的效率 η 3 等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)9η = η 1當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)10圖22 威布爾分布函數(shù)曲線上式滿足(24)（2）起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)A—理論風(fēng)能曲線B—扣除空氣動(dòng)力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率C—計(jì)算傳動(dòng)損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線D—發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線圖2—3 功率與風(fēng)速的關(guān)系 風(fēng)能利用與氣象 風(fēng)的觀測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)143 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)在，各個(gè)發(fā)達(dá)國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因?yàn)樘柲艿脑O(shè)置地點(diǎn)較靈活，不會(huì)產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。通過增速系統(tǒng)和離合湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)15器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)軸旋。一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測(cè)。(2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對(duì)通過強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)所的調(diào)查。己知風(fēng)能密度p=12ρv 3，對(duì)一臺(tái)效率為?，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速V P應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖22。當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強(qiáng)度)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速V fmax，最高風(fēng)速V fmax與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。例如，在美國，國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉捕捉風(fēng)能的能力要大 20%。目前主流發(fā)電機(jī)組的功率，以上升到 600～750KW，MW級(jí)的機(jī)組也成批生產(chǎn)，24MW 級(jí)的機(jī)組已在實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。目前風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)組的研制開發(fā)重點(diǎn)分兩方面，一是 1KW 以下獨(dú)力運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二是 100KW 以上并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。1987 年加拿大研制出單機(jī)容量為 的立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于魁北克省的凱普一柴特。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)4 社會(huì)驅(qū)動(dòng)力風(fēng)能份額增加時(shí)，會(huì)創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機(jī)會(huì)。 促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于新興技術(shù)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。在這些地區(qū)，利用汽油／柴油發(fā)電機(jī)的供電，考慮油料的運(yùn)輸成本，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本也要高于 6 元/KW?？梢哉f，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。首先，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)了限速控制系統(tǒng)。將該電氣設(shè)計(jì)接入風(fēng)機(jī)組和逆變電路之間，即可實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)戶用型 50HZ 交流電。但是柵極電阻 RG 不能太大也不能太小,如果 RG 增大,則開通關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng),使得開通能耗增加；相反,如果 RG 太小,則使得 di/dt 增加,容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下： （1） 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?使 IGBT 可靠的開通和關(guān)斷。當(dāng)以頻率 Fs 交替切換開關(guān)管 TT4 和 TT3 時(shí)，則在電阻 R 上獲得如圖 1443（b）所示湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)XVII的交變電壓波形，其周期 Ts=1/fs，這樣，就將滯留電壓 Ud 編程了交流電壓 Uo。并且在蓄電池組的輸出端引出兩線亦與逆變器相接，作為風(fēng)能不足時(shí)負(fù)載的供電電路，其通斷狀態(tài)用動(dòng)開觸點(diǎn) I2 控制。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)XIV圖 36 蓄電池充電曲線 圖 37 蓄電池放電曲線 從蓄電池充放電曲線可見，如果充電電壓過高，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞用戶的電器；若放電電壓過低（放電電流太大或放電時(shí)間過長(zhǎng)） ，不僅影響到用戶電器的正常使用，而且會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。蓄電池組在充電和放電的過程中，端電壓是不相等的，充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)，放電時(shí)端電壓低于其電動(dòng)勢(shì)。在整流回路中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)操作過電壓獲換向過電壓。負(fù)載上得到的脈動(dòng)直流電壓，常用一個(gè)周期的平均值來說明它的大小。圖511 所示為單相橋式整流電路的畫法。圖 33 發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及蓄電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會(huì)消耗蓄電池組所儲(chǔ)電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組，因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器I2。為了消除發(fā)電機(jī)輸出端電壓的波動(dòng)，該硅整流交流發(fā)電機(jī)配有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，如圖所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器 V電流繼電器 I逆流繼電器 I2 及其所控制的動(dòng)斷觸電 VI1 和動(dòng)合觸電 I2 以及電阻 R2 等組成。湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)IV 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖本論文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵(lì)磁功供電，并在蓄電池組合勵(lì)磁繞組之間串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。在裝機(jī)是應(yīng)使其與輪轂相連。這時(shí)塔架需要承受兩個(gè)主要的載荷：一個(gè)是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個(gè)是阻力，使 圖 22 風(fēng)力主要部結(jié)構(gòu)圖塔架向風(fēng)的下游方向彎曲。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼