【正文】 變換 裝置的畢業(yè)設計 3 目 錄 摘要 ????????????????????????????????1 概述 ????????????????????????????????1 第 1章 風力發(fā)電的電能變換裝置及其工作原理 ????????????? 1 風力發(fā)電的特點和風力發(fā)電機的系統(tǒng) ??????????????1 風力發(fā)電的電能變換裝置的組成 ????????????????2 風力發(fā)電的電能變換 裝置的工作原理 ?????????????? 4 第 2章 整流電路 ??????????????????????????? 5 單相可控整流電路 ?????????????????????? 5 三相可控整流電路 ?????????????????????? 7 三相不可控整流電路 ????????????????????? 9 直流濾波電路 ??????????????????????? 11 第 3章 蓄電池組 ?????????????????????????? 14 蓄電池的種類和特性 ??????? ????????????? 14 鉛酸蓄電池的基本概念 ??????????????????? 14 免維護鉛酸蓄電池的特性 ?????????????????? 17 鉛酸蓄電池的工作原理 ??????????????????? 18 第 4章 充電電路 ?????????????????????????? 19 充放電裝置的設計要求 ??????????????????? 19 充放電控制過程分析 ???????????????????? 20 第 5章 斬波電路 ???????????????? ?????????? 22 Cuk 變換器工作原理 ????????????????????? 22 有變壓隔離器的 Cuk 變換器 ????????????????? 25 DC/DC 變換器主回路的線路結構 ????????????????27 DC/DC 的驅動電路 ?????????????????????? 28 第 6章 逆變電路 ?????????????????????????? 29 換流方式 ????????????????????????? 29 電壓型逆變電路 ?????? ???????????????? 30 電流型逆變電路 ?????????????????????? 34 PWM 控制技術在逆變電路中的應用 ??????????????? 36 第 7章 靜態(tài)開關 ?????????????????????????? 38 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 4 單繼電器做靜態(tài)開關 ???????????????????? 38 電子式靜態(tài)開關 ?????????????????????? 39 第 8章 控制檢測保護電路 ?????????????????????? 42 單相正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)電路 ???????????????? 42 三相正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)電路 ???????????????? 45 保護電路 ????????????????????????? 46 第 9章 結束語 ??????????????????????????? 48 致謝 參考文獻 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 5 摘要 風能是一種取之不盡、用之不竭的清潔、可再生的新型能源，而且無污染，因此當今世界各國都把開發(fā)風力發(fā)電作為現(xiàn)代科技的新興產(chǎn)業(yè)。 (4) 異步發(fā)電機 目前，大規(guī)模的風力發(fā)電機系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機直接并網(wǎng)的運行方式。 圖 交流勵磁雙饋風力發(fā)電機原理圖 由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路 實現(xiàn)的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，因此圖 中所示的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。當風力發(fā)電正風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 8 常時，蓄電池由直流電源對其充電，將電能轉換成化學能而儲存起來；當風力發(fā)電供應中斷時，裝置用儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，此時蓄電池通過放電將化學能轉化為電能提供給系統(tǒng)使用，因此蓄電池是一種可逆電源。這些電路稱為基本充電電路。在風力發(fā)電電能變換裝置一般采用一對反向并聯(lián)的快速可控硅作為靜態(tài)開關。 ② 當風力發(fā)電不足或輸出故障或輸出過載時，工作在后備狀態(tài)，靜態(tài)開關仍然切換到逆變器端，由蓄電池經(jīng)逆變器將蓄電池的直流電壓轉換成交流電壓通過靜態(tài)開關輸出到負載。 整流電路主要的分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。 單相橋式全控整流電路 在單相橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1和 VT4組成一對橋臂， VT2和 VT3組成另一對橋臂。此時， ud=0,不像全控橋電路那樣出現(xiàn)負值。 6個晶閘管的脈沖按 VT1— VT2— VT3— VT4— VT5— VT6的順序，相000u1VTud2d1ucbauuuacuabuacabcbcababcac uuuuuuuabuu acab abu cbu cau ba ubc uac u udutωtωtωu 2u 2Lud 負載VTVTVTVTVTVTabc123456i aTnd 2i d風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 14 位依次差 60。 時， ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓 ud 波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。 時，整流輸出電 壓平均值為： 2 32233 6 s i n ( ) 2 . 3 4 c o sdU U td t U? ?? ? ? ? ?? ????? 當α 60。依次類推，負載 R 上得到的脈動直流電壓 U 在一個周期內(nèi)，有 6 次為變壓器次級電壓的線電壓值，而每一次的線電壓均為兩相相電壓之和，即 ()ab a b a bu u u u u? ? ? ? ? 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 16 ()ac a cu u u? ? ? ()bc b cu u u? ? ? 故在任意時間里，整流電壓的瞬時值等于對應的兩相電壓瞬時值之和。當然，電容器大了以后，為防止加電瞬間電容器的過大充電電流，在電路設計時必須采用限流措施。其電路如圖所示 。一般使用的化學電池分為原電池和蓄電池兩種。因為它們具有較大的內(nèi)阻，從而限制了峰值放電電流，使它們比較適用子長期電流消耗要求較小的產(chǎn)品。例如一個額定容量 C 為 100Ah 的電池，充電 2 小時后，電池完全充滿， 則它的充電電流為： I=C/2=（ A） () 即它的充電速率為 ：若用 1O 小時就達到充滿狀態(tài)，則它的充電電流為 ： I=C/10=（ A） () 即它的充電速率為 。這是因為在過充電階段電池內(nèi)部所進行的反應為消耗反應，它會增大電池內(nèi)部的壓力，同時，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應，這就使電池溫度迅速上升。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由子電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的。根據(jù)前面所介紹的放電深度的概念中可以看出，放電深度不同 ，電池的循環(huán)壽命是不同的。自放電一般不會損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。由子采用了耐腐蝕的鉛鈣合金板柵，其壽命要高于鉛酸蓄電 池，而與鎳鎘電池相當。放電后的蓄 電池充滿電所需時間隨放電量、充電初期電流、溫度而變化。 V/單格CoCo1 2 6 10 30min min 1 2 20h h端子電壓 圖 鉛酸蓄電池的放電特性 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池由正極板（二氧化鉛）、負極板 (海棉狀鉛 )以及電解液（硫酸）組成。在理想的工作狀態(tài)下，它可維持蓄電池的電解液中水的含量保持不變，為了使得電池內(nèi)部的這種氣體陰極吸收方式能夠充分進行，它要求在電解過程中水的電解反應要盡可能進行的緩慢，還要求電池內(nèi)部的陽極、陰極及中間隔離板的結構必須易于氣體通過和傳輸。后者正是智能充電裝置的控制器要完成的功能。在大量析氣的狀態(tài)下，用于有效充電消耗的電能，還不到總消耗量的 10％（即浪費的電 能超過了 90％），這樣既延長了工作時間，嚴重的析氣也使正極板腐蝕，損壞了蓄 電池。 充電過程 對于免維護鉛酸蓄電池來講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電 方風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 25 式，然而，單獨采用其中的一種充電方式，沒有動態(tài)跟蹤電池的實際狀態(tài)和可接受充電電流大小的技術，對免維護鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。當電池電壓升至均充電壓 VJ（一般取 單體）時，就不能再升， 否則可能造成過充而損壞電池。 均充階段實際是風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 26 用小電流（約 20h 率的電流）進行 lh～ 3h 的過充電過程。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r。 (b)為流經(jīng)二 個電感的電流波形。 Tr 截止， D 正偏而導通，將輸入輸 出環(huán)路閉合。 (a)為連續(xù)工作模式 (b)為不連續(xù)工作模式。其值大小，同樣考慮式 VC＝ Vs＋ V0。 圖 有隔離變壓器的 Cuk變換器 因為用的是 1： l 的變壓隔離器，且 Ca＝ Cb=2C 所以輸入和輸出電路中的 電壓和電流，與原始非隔離型完全相同。開關管 Tr中流過輸入輸出電流 之和，即 i=i1+i2。 從太陽能電池側來看負荷電路， DC／ DC變 換器的電抗 L 十分大， 且假定二極管和MOSFET 的正向電壓降很小，則系統(tǒng)可簡化如圖 。 圖 SG3525A方框原理圖 SG3525A 主要工作情況如下： 15腳：電源電壓正端，電壓范圍 8至 40V。 3腳：振蕩器外同步。 8腳：軟啟動端，可外接一只電容。但通常要求驅動電壓峰值為 10～ 15V，保證開關管飽和。 逆變電路的應用非常廣泛。但從通態(tài)向斷態(tài)轉移的。另外，交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置中，起電路核心部分都是逆變電路。 MOS 的一大特點是輸入電阻極高，但同時其輸 入電容也很大（幾千 PF），所以仍然要用低阻抗電路驅動，使 Cgs在死區(qū)時間內(nèi) 能快速放電。 10腳：關斷端，用于電源保護。輸出端為圖騰式，屬于低阻抗輸出，適合用于驅動 MOS功率 管。 13腳：輸出 5V 電壓。 由上式可知， a的控制可等效的看成是把負荷電阻連續(xù)地變化。這時，電源輸入和 L1釋能電流 i1；流經(jīng)初級 LP 向 Ca 充電，在 次級 LS有個相等的感應電流 i1使 Cb充電同時輸出電感 L2的釋能電流 i2供電給 負載，續(xù)流二級管 D 流出電流之和，即i＝ i1+i2。這種隔離方法的顯著特點，是變壓器的兩個繞組 被 Ca 及 Cb 隔離了直流，原、 副邊繞組均無直流通過，因此磁芯不需加空隙。故 VL1＝ VS+V0VS＝ V0； VL2電壓由子 D 的導通，與V0相等；晶體管截止，二極 管 D 導通流 過 iL1+iL2電流。這樣 Vc 可認為是恒定電壓。流過D的電流亦為輸入、輸出電流之和。設晶體管開關周期為 Ts，導通期為 Ton=Dts，截止期 為 Toff=（ 1D1）Ts， D1=Ton/Ts 為導通占空比。 由于 Cuk 變 換器可使輸入電流和輸出電流連續(xù)，而且通過將輸人輸出電感偶合，可以達到 “零紋波”，使體積小型化。 浮充時，須將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近 (比主充最高限壓 VJ要 低）。充電過程進入第二階段。充電系 統(tǒng)由充電裝置和被充蓄電池組組成二元閉環(huán)回路，充電裝置根據(jù)電池的狀 態(tài)確定充電工藝參數(shù)，充電電流從始至終處在電池的可接受充電電流曲線附近，使電池幾乎在無氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對電池無損傷。蓄電池溫度應不超過 450C。 ② .實時監(jiān)測蓄電池組的環(huán)境溫度。 第 4 章 充電電路 無論在變電站還是發(fā)電廠，直流電源系統(tǒng)都是一種重要的裝備。 在充放電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正、負極板上在進行不同的化學反應，產(chǎn)生正 負離子形成電流，稱為成流反應。 浮充電壓不能過高，以免因嚴重過充電而縮短電池的壽命。對于不同蓄電 池生產(chǎn)廠家，蓄電池的浮充設計壽命也會不同。考 慮到這一點，在設計蓄電池充電裝置時，應在電池長時間不用的情況下對電池進行補充充電。 9. 自放電現(xiàn)象 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 21 當電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時，雖然沒有電流流過蓄電池，但電池內(nèi)的