【導(dǎo)讀】1．整體方案的確定；2．主電路設(shè)計(jì)、元器件選擇；軟件設(shè)計(jì)；3．裝置工藝設(shè)計(jì)：畫(huà)出布置圖和電氣接線圖；4．裝置調(diào)試與實(shí)驗(yàn)：寫(xiě)出調(diào)試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。5．提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和圖紙。第二周至第四周：查閱資料、撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告；第五周至第六周：畢業(yè)實(shí)習(xí)；第六周至第七周：總體方案的確定；今世界各國(guó)都把開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電作為現(xiàn)代科技的新興產(chǎn)業(yè)。壓，從而利用風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的要求和目標(biāo)。

　　

【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 用小電流（約 20h 率的電流）進(jìn)行 lh～ 3h 的過(guò)充電過(guò)程。 低壓小電流充電階段，以補(bǔ)充電池的自然放電。 浮充時(shí)，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）。因而，充電電流與主充時(shí)相比很小。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。負(fù)荷過(guò)重等）。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。 圖 三階段充電曲線 浮充電壓為 VF： VF= () 第 5 章 斬波電路 直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱(chēng)為直接直流 直流變換器。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。DC/DC 變換器類(lèi)有 四種基本類(lèi)型； 降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、 Cuk斬波電路。 由于 Cuk 變 換器可使輸入電流和輸出電流連續(xù)，而且通過(guò)將輸人輸出電感偶合，可以達(dá)到 “零紋波”，使體積小型化。因此，本課題的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的DC/DC 電路單元采用 Cuk 變換器。 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。類(lèi)似于降壓 升壓變換電路， Cuk變換電路提供一個(gè)相對(duì)于輸入電壓公共端為負(fù)極性的可調(diào)輸出電壓。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。 IIJFVVJF主充 均充浮充主充tU/I風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 Tg L1 L1 C2 R C 1 Ts Ton Toff Vg i i L1 L2 DTs (1 D)Ts 圖 Cuk變換器及其輸入輸出電流波形 由晶體管、二極管構(gòu)成的 Cuk 線路如 圖 (a)所示。 (b)為流經(jīng)二 個(gè)電感的電流波形。 圖 Cuk 變換器中電流和電壓的分配 能量的儲(chǔ)存和傳遞是同時(shí)在兩個(gè)開(kāi)關(guān)期間（即 Ton 和 Toff）和兩個(gè)環(huán)路中進(jìn)行的，如圖 52 所示。設(shè)晶體管開(kāi)關(guān)周期為 Ts，導(dǎo)通期為 Ton=Dts，截止期 為 Toff=（ 1D1）Ts， D1=Ton/Ts 為導(dǎo)通占空比。當(dāng)經(jīng)過(guò)若干周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后： 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 ① 在 Ton 期間，如圖 (a)所示。此時(shí) Tr 導(dǎo)通，把輸入輸出環(huán)路閉合。 D反偏而截止，這時(shí)輸入 電流 i1 使 L1 儲(chǔ)能； C 的放電電流 i2 使 L2 儲(chǔ)能，已供電給 負(fù)載。 Tr 中流過(guò)輸入、輸出電流之和。 ② 在 Toff 期間，如圖 (b)所示。 Tr 截止， D 正偏而導(dǎo)通，將輸入輸 出環(huán)路閉合。這時(shí)電源輸入和 L1的釋能電流 i1向 C充電，同時(shí) L2 的釋能電流 i 以維持負(fù)載。流過(guò)D的電流亦為輸入、輸出電流之和。 由此可見(jiàn)，這個(gè)電路無(wú)論在 Ton 及 Toff 期間，都從輸入向輸出傳遞功率。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。在 Toff期間，輸入電流 i1 使 C 充電儲(chǔ)能；在 Ton 期間， C向負(fù) 載放電釋能。因此， C是個(gè)能量的傳遞元件。圖 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，工作波形如圖 (a)(b)所示。 (a)為連續(xù)工作模式 (b)為不連續(xù)工作模式。分析時(shí)，設(shè)電容 C 上的電壓 Vc 的紋波與其平均值之比是很小的。這樣 Vc 可認(rèn)為是恒定電壓。又由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感 L1 和電感 L2 電壓 Vl1 和 Vl2 的平均值為零，所以在 Vs、 L C、 L Vo回路中有： Vc=Vs+Vo 當(dāng)晶體管 Tr 的 be 端加正脈沖時(shí)， Vtr 電壓為 0，在 Vs 作用下 il1 線性上升， L4兩端電壓為 Vs。另外電容 C 通過(guò) Tr放電。電流 il2 也線性上升，這時(shí) L2上 的 電壓 Via是電容 C 電壓與 Vo 的差值，考慮到式 Vc=Vs+Vo，其差值為 Vs+Vo Vo=Vs上述二個(gè)電流之和 iL1+iL2流過(guò)晶體管的集電極。上面所述作用過(guò)程示于圖 (a)的 Dts區(qū)間。 當(dāng) VBE消失時(shí)，晶體管電壓 VTr上升，由于二極管導(dǎo)通 Vd＝ 0，并使 VTr端壓等于 VC；流經(jīng) L1的電流 iL1線性下降， VL1反向。其值大小，同樣考慮式 VC＝ Vs＋ V0。觀察 Vs、 LC、 D 回路， VL1是 VC 與 Vs 決定的。故 VL1＝ VS+V0VS＝ V0； VL2電壓由子 D 的導(dǎo)通，與V0相等；晶體管截止，二極 管 D 導(dǎo)通流 過(guò) iL1+iL2電流。上述的作用過(guò)程示于圖 (a)的 D2TS 區(qū)間。 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。 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 圖 Cuk變換器穩(wěn)態(tài)圖 有變壓隔離器的 Cuk 變換器 為了將輸入與輸出隔離，增大輸入、輸出的變比以及實(shí)現(xiàn)多路輸出，可在 Cuk 變換器的基礎(chǔ)出上引人一個(gè)變壓隔離器來(lái)解決，方法分為以下三步： (l) 將 C 分成兩個(gè)串聯(lián)的電容 Ca 及 Cb (2) 在 Ca 及 Cb的連接點(diǎn)與 Vs的地之間 接一個(gè)電感，如這個(gè)電感足夠大， 則從 Ca 及 Cb的連點(diǎn)流入這電感的電流就可以忽略。這樣， Cuk 變換器的工作點(diǎn) 不會(huì)受到影響。 (3) 這外接電感分成兩個(gè)匝數(shù)相同的繞組并聯(lián)而成，當(dāng)把它們分開(kāi)后，各接 向一邊，從VbeVbeVVDDVceVcei iVViiVV1 1 L1 L1 L2L323i2i1 +i2i1 +abccddeeffgghhVcVcVcVcIgIgVsVsV0V0VsV0VsV0D1TsD2TsTsTsD1TsD2TsIs+IoIs+Io風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 而使輸入與輸出之間變壓幅離，其結(jié)果如圖 所示。 圖 有隔離變壓器的 Cuk變換器 因?yàn)橛玫氖?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。唯一不同的是現(xiàn)在的環(huán)路變成了兩個(gè)。這種隔離方法的顯著特點(diǎn)，是變壓器的兩個(gè)繞組 被 Ca 及 Cb 隔離了直流，原、 副邊繞組均無(wú)直流通過(guò)，因此磁芯不需加空隙。其體積小。 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。當(dāng)經(jīng)過(guò) 若于周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，則： 圖 有隔離 Cuk變換器中電流與電壓 (l) 在 TCN期間，如圖 (a)所示。 Tr導(dǎo)通，將輸入輸出環(huán)路閉合， D 反偏而截止。這時(shí)，電源輸入電流 i1使 L1儲(chǔ)能；同時(shí) Ca的放電電流 i2流經(jīng) 原邊 LP，在逼邊 LS有個(gè)相等的感應(yīng)電流 i2，它和 Cb一起供 L2儲(chǔ)能，并供電給 負(fù)載。開(kāi)關(guān)管 Tr中流過(guò)輸入輸出電流 之和，即 i=i1+i2。 (2) 在 TOFF期間，如圖 (b)所示， Tr截止， D正偏導(dǎo)通，將輸 入輸出環(huán)路閉合。這時(shí)，電源輸入和 L1釋能電流 i1；流經(jīng)初級(jí) LP 向 Ca 充電，在 次級(jí) LS有個(gè)相等的感應(yīng)電流 i1使 Cb充電同時(shí)輸出電感 L2的釋能電流 i2供電給 負(fù)載，續(xù)流二級(jí)管 D 流出電流之和，即i＝ i1+i2。 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 由此可見(jiàn)，有隔離 Cuk 變換器也和原始 Cuk 變換器一樣，無(wú)論 TCN期間 還是在 ToFF期間，都從輸入向輸出傳遞功率，而不像其它單端變熱器哪樣，只 在其中一個(gè)期間才從輸入向輸出傳遞功率。 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。 DC/DC 變換器主回路的線路結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 DC/DC 變換器（最大功率控制器）的變換器的開(kāi)關(guān)器件選用 MOSFEI（ 2SK179，最大定額 VDS=500V， VGS＝士 20V， ID=15A）斬波頻率設(shè)定為 200KHZ。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。負(fù)荷 則用 RL＝ 33 Ω 的固定電阻。 從太陽(yáng)能電池側(cè)來(lái)看負(fù)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(jiǎn)化如圖 。 圖 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等恒電路 等值電路電阻 RL’ 和實(shí)際負(fù)荷電阻 RL 之間的關(guān)系可用流通率 a來(lái)表示 ： RL＝ a2RL39。 由上式可知， a的控制可等效的看成是把負(fù)荷電阻連續(xù)地變化。對(duì)干降壓變 換器通流率 a 可在 01 的范圍內(nèi)變化 。 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。單片機(jī) 8098 雖然自帶 PWM 輸出端，但 其頻率較低（系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12MHZ 時(shí)， PWM波輸出頻率鳥(niǎo) f＝ 15． 6kHZ0）。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(zhuān)用 PWM驅(qū)動(dòng) IC:SG3525A來(lái)驅(qū)動(dòng)的。 SG525A 是用于驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFRT 管的第二代脈沖寬度控制器，它的功能方 框圖見(jiàn)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。 12腳：公共端，接電源負(fù)端。 13腳：輸出 5V 電壓。 6腳：外接定時(shí)電容， Rr=2～ 150kV。 5 腳：外接定時(shí)電容。 Cr=1000PF～ ，振蕩頻率范圍 100HZ（ Rr=200kΩ ， Cr= 時(shí)）至 400kHz（ Rr=2kΩ 、。 Cr=470PF 時(shí)）。 4腳：振蕩器輸出。 3腳：振蕩器外同步。 11腳；輸出 A l4腳．輸出 B。輸出端為圖騰式，屬于低阻抗輸出，適合用于驅(qū)動(dòng) MOS功率 管。集電極 13 腳開(kāi)路，可用外接單獨(dú)的電源，使 3525A 的輸出驅(qū)動(dòng)脈沖幅度 符合開(kāi)關(guān)管的要求。 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。 2腳：誤差同相輸入 端。 9腳：外接誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 誤差放犬器用于外接反饋電壓，并與外接基準(zhǔn)電壓相比鉸，實(shí)現(xiàn)調(diào)寬穩(wěn)壓的 目的。 8腳：軟啟動(dòng)端，可外接一只電容。該電容由內(nèi)部 VREF 的 50μA 恒流源充電。 10腳：關(guān)斷端，用于電源保護(hù)。 7腳：與 5角外接電阻用于控制死區(qū)電壓。 了解 3525A 之后再來(lái)看回圖氖 41 的電路。 SG525A 輸出頻率約為 200kHz。 直接單端驅(qū)動(dòng) MOS 功率管。 MOS 管的閾限電壓約為 3V 左右，低于該值對(duì) MOS 管 不能導(dǎo)通。但通常要求驅(qū)動(dòng)電壓峰值為 10～ 15V，保證開(kāi)關(guān)管飽和。驅(qū) 動(dòng)電壓不 得超過(guò) 20V，以免 G． S極間擊穿。 MOS 的一大特點(diǎn)是輸入電阻極高，但同時(shí)其輸 入電容也很大（幾千 PF），所以仍然要用低阻抗電路驅(qū)動(dòng)，使 Cgs在死區(qū)時(shí)間內(nèi) 能快速放電。 SG3525A 通過(guò)輔助電源由電網(wǎng)直接供電。 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%）。 第 6 章 逆變器電路 與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱(chēng)為逆變。當(dāng)交流側(cè)接 在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱(chēng)為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱(chēng)為無(wú)源逆變。在不加說(shuō)明時(shí)，逆變電路一般多指無(wú)源逆變電路。 逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中，蓄電池組是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)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。 逆變電路的基本工作原理是在電路中通過(guò)兩組開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)改變負(fù)載的電壓方向，使負(fù)載電壓為正或?yàn)樨?fù)，從而將直流電變成了交流電，通過(guò)改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出 交流電的頻率。 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(chēng)為換相。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。 換流方式的分類(lèi) 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)。從斷態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，無(wú)論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門(mén)極適風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，就可以使其開(kāi)通。但從通態(tài)向斷