【文章內(nèi)容簡介】 24 三相異步發(fā)電機(jī)功率流程圖由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，也就不存在異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的銅耗問題，也就沒有圖24上的消耗。在輸入功率相同，其他的功率損耗也大致相同的情況下，永磁同步電機(jī)的輸出功率相對較大。同時，由于不需要勵磁繞組和直流勵磁電源，也就取消了容易出問題的集電環(huán)和電刷裝置，成為無刷電機(jī)，因此，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行更為可靠。若選擇異步發(fā)電機(jī)則必須靠電網(wǎng)或蓄電池提供勵磁，一方面消耗了蓄電池的電能，另一方面不利于風(fēng)能利用的最大化。另外，由于風(fēng)速變化就會影響勵磁調(diào)節(jié)過快從而影響蓄電池及勵磁調(diào)節(jié)器的壽命。雖然用并聯(lián)電容等方式也可用于離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，但由于電容器體積較大，投切不方便，價格較昂貴，所以就各方面考慮，本論文采用的發(fā)電機(jī)是稀土永磁發(fā)電機(jī)。根據(jù)上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝容量和選取原則，選定型號為FD41/8小型風(fēng)力機(jī)組作為設(shè)計(jì)依據(jù)。主要技術(shù)參數(shù)見表24。表24 FD41/8型風(fēng)力機(jī)組參數(shù)啟動風(fēng)速4m/s風(fēng)輪直徑4m額定風(fēng)速8m/s工作風(fēng)速范圍5～20m/s最高安全風(fēng)速20m/s輸出電壓AC56V額定功率1000W額定轉(zhuǎn)速300r/min最大功率1500W 發(fā)電機(jī) 稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)效率≥71% 噪音65dB工作環(huán)境溫度40℃～+50℃塔架高度8m重量350kg風(fēng)能利用系數(shù)壽命20年 ，額定功率1kW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定電壓為56V，轉(zhuǎn)速工作范圍為65%～150%額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在該范圍內(nèi)時輸出電壓為36V～84V。第三章 電氣設(shè)計(jì)部分 整流部分由于自然界風(fēng)力的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，頻率和幅值都在不斷地變化，而用戶需要的是正常頻率（即220V/50HZ）的穩(wěn)定交流電，因此必須進(jìn)行AC—DC—DC—AC變換，即先經(jīng)過整流變成直流電，然后經(jīng)過BUST變換器降壓，最后再經(jīng)過逆變電路將之變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電。如果電能足夠充足的話或者空載時還可以將多余的直流電儲存在蓄電池組內(nèi)。 整流電路圖和工作原理 整流器的主要功能是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電變?yōu)橹绷麟姡?經(jīng)過整流后的直流電經(jīng)過DC/DC變換器再對蓄電池進(jìn)行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在小型風(fēng)力系統(tǒng)中整流器還有另外一個重要的用途，就是當(dāng)外界風(fēng)速過小或者基本沒風(fēng)時，發(fā)電機(jī)的輸出功率也隨之減小，由于三相整流橋由二極管構(gòu)成，其導(dǎo)通方向只能是由發(fā)電機(jī)的輸出端到蓄電池，這就防止了蓄電池對發(fā)電機(jī)的反向供電，對發(fā)電機(jī)組起到了保護(hù)的作用。 根據(jù)系統(tǒng)容量可將整流器分為可控和不可控兩種，可控整流器主要應(yīng)用在大功率的系統(tǒng)中；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。因?yàn)闃蚴讲豢煽卣麟娐酚啥O管組成，具有功耗低、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。是目前我國獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的運(yùn)行方式，其原理如圖31所示圖31 三相橋式不可控整流電路如圖3—1所示，習(xí)慣將陰極連接在一起的3個二極管（DDD5）稱為共陰極組；陽極連在一起的3個二極管（DDD6）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望二極管按照從1～6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒍O管按照圖示順序編號，按此編號，二極管的導(dǎo)通順序?yàn)镈DDDDD6。該電路中，對于共陰極組的3個二極管，陽極所接交流電壓值最高的一個導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個二極管，則是陰極所接交流電壓值最低的導(dǎo)通。這樣任意時刻共陰極組與共陽極組中各有一個二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載（或者蓄電池組）的電壓為某一線電壓。電路工作波形如圖3—2所示。圖32 電路工作波形從相電壓波形看，共陰極組二極管導(dǎo)通時，整流輸出電壓Ud1為相電壓再正半周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時，整流輸出電壓Ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線?？偟恼鬏敵鲭妷菏莾蓷l包絡(luò)線見的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。為了說明各二級管的工作情況，將波形中的一個周期分為6個階段，每段為60176。，每一段中導(dǎo)通的二極管及輸出整流電壓的情況如表3—1所示。該表可見，6個二極管的導(dǎo)通順序依次為DDDDDD6。表3—1整流管導(dǎo)通順序表時段①②③④⑤⑥共陰極組導(dǎo)通二極管D1D1D3D3D5D5共陽極組導(dǎo)通二極管D6D2D2D4D4D6整流輸出電壓 整流管參數(shù)選擇由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓與輸出電流是會隨著風(fēng)速的波動而發(fā)生很大變化的。如果整流管的參數(shù)選擇不當(dāng)，將使元件遭到破壞。整流管的參數(shù)應(yīng)根據(jù)其在電路中可能承受的最大正、反向峰值電壓和流過的最大工作電流來選擇。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓經(jīng)過整流后，有以下主要數(shù)量關(guān)系：（1） 輸出電壓平均值空載時，輸出電壓平均值最大，為。隨著負(fù)載加重，輸入電壓平均值減小，至進(jìn)入id連續(xù)情況后，輸入電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為?？梢?，～。由于整流器的輸入電壓為36V～84V，由此可得整流輸出電壓平均值最大為 （3—1） 整流輸出電壓最小值為 （3—2）（2） 最大負(fù)載電流為 （3—3）元件流過的平均電流為 （3—4）由上式計(jì)算結(jié)果，可選擇富士康公司生產(chǎn)的型號為MURP20020CT，參數(shù)為200A/500V的硅二極管作為整流管。在整流回路中，經(jīng)常會出現(xiàn)操作過電壓或換向過電壓。為了防止過電壓破壞元件，通常在整流回路的直流側(cè)接入阻容過電壓保護(hù)。電阻R和電容C的值可參照如下方法估算，即 （3—5） （3—6） 式中：為輸出的最大整流電壓；為輸出的最大整流電流；為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率；為整流器入口交流線電壓。此處R取10Ω，C取100。 蓄電池容量選擇 確定蓄電池容量的應(yīng)考慮以下因素： ① 系統(tǒng)負(fù)荷每天需要的電量； ② 蓄電池的允許放電深度和自放電率； ③ 蓄電池每天需要存儲的電量； 蓄電池這一模塊的設(shè)計(jì)主要是蓄電池容量的設(shè)計(jì)計(jì)算和蓄電池組的串并聯(lián)設(shè)計(jì)。常用的蓄電池有鎳氫、鎳鎘和鉛酸蓄電池，考慮到技術(shù)成熟性和成本等因素，本論文使用鉛酸蓄電池。 蓄電池容量的設(shè)計(jì)計(jì)算從第二章的資料及計(jì)算結(jié)果可知，用戶平均每天用電5小時/天，總耗電約為3kWh。假設(shè)充一次電能提供3 天的用電量，根據(jù)蓄電池的放電量能等于負(fù)載的耗電量的原則，蓄電池容量計(jì)算式為 （3—7）式中，為蓄電池的總?cè)萘?，單位Ah；為用戶總耗電功率，單位W；T為放電小時數(shù)，單位h；為蓄電池端電壓，單位V； 為蓄電池放電深度。從式中得知，蓄電池端電壓越高、放電深度越大，則需要的蓄電池容量就越小，需要的蓄電池單體個數(shù)就越多，成本也就高。參照變換器的技術(shù)參數(shù)，選定蓄電池端電壓為24V，平均用電時間為5小時，持續(xù)用電 3 天，蓄電池放電深度為80%，則計(jì)算蓄電池容量為780Ah，實(shí)際選用800Ah。 蓄電池的串并聯(lián)設(shè)計(jì)每個蓄電池都有它的標(biāo)稱電壓。單個蓄電池的標(biāo)稱電壓較低，為了達(dá)到負(fù)載的工作電壓，需將蓄電池串聯(lián)起來給負(fù)載供電。蓄電池串并聯(lián)計(jì)算可參照如下公式=蓄電池端電壓247。單個蓄電池標(biāo)稱電壓=24247。12=2塊=蓄電池總?cè)萘?47。每組串聯(lián)蓄電池容量=800247。200=4塊蓄電池串并聯(lián)方式如圖33所示 圖33 蓄電池串并聯(lián)圖 該系統(tǒng)需要使用的蓄電池總數(shù)就等于每組串聯(lián)數(shù)乘以并聯(lián)數(shù)。經(jīng)計(jì)算可知蓄電池總?cè)萘繛?00Ah，可由8只12V/200Ah的蓄電池進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組，串并聯(lián)方式如圖33所示。經(jīng)過調(diào)查對比這里選用武漢長光電源有限公司產(chǎn)品型號為CB122000閥控密封鉛酸蓄電池，其技術(shù)參數(shù)如表32所示。表32 CB122000蓄電池參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電壓最大充電電流單體內(nèi)阻最大放電電流端子形式12(V)60A4m?（25℃)80AFP08不同溫度下的放電容量單體充電電壓（25℃）標(biāo)準(zhǔn)容量單體自放電殘余容量（25℃）尺寸40℃102%25℃100%0℃85%浮充 28V(Ah)20HrTo 12V/單體3個月后90%6個月后82%12個月后70%高240長260寬520用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池通常工作在浮充電和循環(huán)充放電的情況下。該型號蓄電池充放電要求：，即為8A；，即80A。C為蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)容量。放電終止電壓為21V。 DC/DC 變換器 DC/DC變換器是使用半導(dǎo)體開關(guān)器件，將直流電源能量傳送到負(fù)載并加以控制，得到另一個直流輸出電壓或電流。該電路通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，從而控制從電源端傳送到負(fù)載端的能量大小。通常情況下，DC/DC變換器可根據(jù)有沒有變壓器的介入分為直接變換和間接變換兩種，直接變換就是直接進(jìn)行直流電壓的變化，這種電路也被稱為非隔離型DC/DC變換器，即斬波電路；間接變換則是先將直流電壓變換為交流電壓，再經(jīng)變壓器升壓或降壓后再變換為直流電，此種需經(jīng)過直－交－直變換的電路也稱為隔離型DC/DC變換器。相對于隔離型DC/DC變換器來說，非隔離型DC/DC變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單且輸出直流效率較高等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用的是非隔離DC/DC變換器。其基本原理圖如圖34所示：圖34 Buck變換器 圖中虛線框內(nèi)的全控型開關(guān)管T和續(xù)流二極管D構(gòu)成了一個最基本的開關(guān)型DC/DC降壓變換電路。這種降壓變換電路連同其輸出濾波電路LC被稱為Buck型DC/DC變換器。通過對開關(guān)管T進(jìn)行周期性的通、斷控制，能將直流電源的輸入電壓變換為電壓輸出給負(fù)載。輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為 （3—8）式中，為開關(guān)管導(dǎo)通時間，為開關(guān)周期，D開關(guān)管導(dǎo)通占空比。輸入電流與輸出電流 的關(guān)系為 （3—9）因此，可得 （3—10）式中，為 Buck 變換器的輸入等效電阻，為負(fù)載等效電阻。上式表明了Buck變換器的輸入等效電阻與負(fù)載等效電阻之間的關(guān)系。在負(fù)載等效電阻一定時，調(diào)節(jié)占空比D可以改變Buck變換器的輸入等效電阻。 Buck 變換器設(shè)計(jì) Buck變換器作為主電路的一部分，該變換器主要用于向蓄電池充電和向逆變器供電，同時還起到功率最大化的作用。Buck變換器的設(shè)計(jì)要求：① 按電感電流連續(xù)模式設(shè)計(jì)，工作頻率f 為20kHz；② 輸入電壓為84V～205V；輸出電壓為21V～28V；最大輸出電壓就是最大充電電壓，即電池在充電過程中能達(dá)到的最大電壓值。一般在25℃的溫度下為28V。又因?yàn)榉烹娊K止電壓為21V，所以輸出電壓為21V～28V。③ 由蓄電池型號可知輸出電流為8A～80A，額定輸出電流為 （3—11）④ 輸出紋波電壓 Δ ，；⑤ 最大占空比 （3—12）最小占空比 （3—13） Buck變換器主要元件有：功率開關(guān)器件Q、續(xù)流二極管D、輸出濾波電容C、電感L、輸入濾波電容C1。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定各元件的參數(shù)和選型。（1） 功率開關(guān)器件Q 當(dāng)Q截止時，由于L儲能放電，經(jīng)由D導(dǎo)通續(xù)流，此時，忽略D的導(dǎo)通壓降，則Q承受的最大反向電壓是最大輸入電壓，205 = 。當(dāng)Q導(dǎo)通時，流過的電流最大為L的峰值電流。 （3—14）絕緣門極雙極型晶體管IGBT是一種復(fù)合器件，它的輸入部分