【導讀】1．整體方案的確定；2．主電路設計、元器件選擇；軟件設計；3．裝置工藝設計：畫出布置圖和電氣接線圖；4．裝置調(diào)試與實驗：寫出調(diào)試和實驗報告。5．提交設計說明書和圖紙。第二周至第四周：查閱資料、撰寫文獻綜述和開題報告；第五周至第六周：畢業(yè)實習；第六周至第七周：總體方案的確定；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)。壓，從而利用風力發(fā)電電能變換裝置達到風力發(fā)電的要求和目標。

　　

【正文】 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。 低壓小電流充電階段，以補充電池的自然放電。 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）。因而，充電電流與主充時相比很小。但是，由于工作情況的復雜性，浮充時也有電流較高的可能（如電池嚴重虧電、漏電。負荷過重等）。這時應采取限流措施，保持電流不超過某一設定值而使電壓降低，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 變換器類有 四種基本類型； 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)，而且通過將輸人輸出電感偶合，可以達到 “零紋波”，使體積小型化。因此，本課題的風力發(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 變換電路是用設計者命名的，這中變換電路是對降壓 升壓變換電路應用對偶原理而得到的。類似于降壓 升壓變換電路， Cuk變換電路提供一個相對于輸入電壓公共端為負極性的可調(diào)輸出電壓。這里，電容器 C1用于儲存來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風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 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、二極管構成的 Cuk 線路如 圖 (a)所示。 (b)為流經(jīng)二 個電感的電流波形。 圖 Cuk 變換器中電流和電壓的分配 能量的儲存和傳遞是同時在兩個開關期間（即 Ton 和 Toff）和兩個環(huán)路中進行的，如圖 52 所示。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。當經(jīng)過若干周期進入穩(wěn)態(tài)后： 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 28 ① 在 Ton 期間，如圖 (a)所示。此時 Tr 導通，把輸入輸出環(huán)路閉合。 D反偏而截止，這時輸入 電流 i1 使 L1 儲能； C 的放電電流 i2 使 L2 儲能，已供電給 負載。 Tr 中流過輸入、輸出電流之和。 ② 在 Toff 期間，如圖 (b)所示。 Tr 截止， D 正偏而導通，將輸入輸 出環(huán)路閉合。這時電源輸入和 L1的釋能電流 i1向 C充電，同時 L2 的釋能電流 i 以維持負載。流過D的電流亦為輸入、輸出電流之和。 由此可見，這個電路無論在 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 充電儲能；在 Ton 期間， C向負 載放電釋能。因此， C是個能量的傳遞元件。圖 進入穩(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，設電容 C 上的電壓 Vc 的紋波與其平均值之比是很小的。這樣 Vc 可認為是恒定電壓。又由于穩(wěn)態(tài)時，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 當晶體管 Tr 的 be 端加正脈沖時， 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 Tr放電。電流 il2 也線性上升，這時 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上述二個電流之和 iL1+iL2流過晶體管的集電極。上面所述作用過程示于圖 (a)的 Dts區(qū)間。 當 VBE消失時，晶體管電壓 VTr上升，由于二極管導通 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 的導通，與V0相等；晶體管截止，二極 管 D 導通流 過 iL1+iL2電流。上述的作用過程示于圖 (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)時出現(xiàn)了電壓為 VO值的一個階段。 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 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、輸出的變比以及實現(xiàn)多路輸出，可在 Cuk 變換器的基礎出上引人一個變壓隔離器來解決，方法分為以下三步： (l) 將 C 分成兩個串聯(lián)的電容 Ca 及 Cb (2) 在 Ca 及 Cb的連接點與 Vs的地之間 接一個電感，如這個電感足夠大， 則從 Ca 及 Cb的連點流入這電感的電流就可以忽略。這樣， Cuk 變換器的工作點 不會受到影響。 (3) 這外接電感分成兩個匝數(shù)相同的繞組并聯(lián)而成，當把它們分開后，各接 向一邊，從VbeVbeVVDDVceVcei iVViiVV1 1 L1 L1 L2L323i2i1 +i2i1 +abccddeeffgghhVcVcVcVcIgIgVsVsV0V0VsV0VsV0D1TsD2TsTsTsD1TsD2TsIs+IoIs+Io風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 30 而使輸入與輸出之間變壓幅離，其結果如圖 所示。 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。唯一不同的是現(xiàn)在的環(huán)路變成了兩個。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。其體積小。 能量的儲存和傳遞同時在開通和關斷期間進行，如圖 所示。當經(jīng)過 若于周期進入穩(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導通，將輸入輸出環(huán)路閉合， D 反偏而截止。這時，電源輸入電流 i1使 L1儲能；同時 Ca的放電電流 i2流經(jīng) 原邊 LP，在逼邊 LS有個相等的感應電流 i2，它和 Cb一起供 L2儲能，并供電給 負載。開關管 Tr中流過輸入輸出電流 之和，即 i=i1+i2。 (2) 在 TOFF期間，如圖 (b)所示， Tr截止， D正偏導通，將輸 入輸出環(huán)路閉合。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。 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 31 由此可見，有隔離 Cuk 變換器也和原始 Cuk 變換器一樣，無論 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構 本系統(tǒng)設計的 DC/DC 變換器（最大功率控制器）的變換器的開關器件選用 MOSFEI（ 2SK179，最大定額 VDS=500V， VGS＝士 20V， ID=15A）斬波頻率設定為 200KHZ。所用太陽能電池的額定數(shù)據(jù)為：峰瓦值 30WP， 短路電流 1． 9A，開路電壓 20 .7V；太陽電池組為八串，總電壓最高 160V。負荷 則用 RL＝ 33 Ω 的固定電阻。 從太陽能電池側(cè)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 風能發(fā)電系統(tǒng)簡化等恒電路 等值電路電阻 RL’ 和實際負荷電阻 RL 之間的關系可用流通率 a來表示 ： RL＝ a2RL39。 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。對干降壓變 換器通流率 a 可在 01 的范圍內(nèi)變化 。 圖 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 32 DC/DC 的驅(qū)動電路 隨著 MOS 功率器件的發(fā)展，開關電源的工作頻率從 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 8098 雖然自帶 PWM 輸出端，但 其頻率較低（系統(tǒng)時鐘頻率為 12MHZ 時， PWM波輸出頻率鳥 f＝ 15． 6kHZ0）。從圖 可知，風能發(fā)電最大功率控制的 DC/DC變換器是由單片機系統(tǒng)輸出控制電壓 控制專用 PWM驅(qū)動 IC:SG3525A來驅(qū)動的。 SG525A 是用于驅(qū)動 N 溝道 MOSFRT 管的第二代脈沖寬度控制器，它的功能方 框圖見圖 。 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，接電源負端。 13腳：輸出 5V 電壓。 6腳：外接定時電容， Rr=2～ 150kV。 5 腳：外接定時電容。 Cr=1000PF～ ，振蕩頻率范圍 100HZ（ Rr=200kΩ ， Cr= 時）至 400kHz（ Rr=2kΩ 、。 Cr=470PF 時）。 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 MOS功率 管。集電極 13 腳開路，可用外接單獨的電源，使 3525A 的輸出驅(qū)動脈沖幅度 符合開關管的要求。 風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 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償網(wǎng)絡。 誤差放犬器用于外接反饋電壓，并與外接基準電壓相比鉸，實現(xiàn)調(diào)寬穩(wěn)壓的 目的。 8腳：軟啟動端，可外接一只電容。該電容由內(nèi)部 VREF 的 50μA 恒流源充電。 10腳：關斷端，用于電源保護。 7腳：與 5角外接電阻用于控制死區(qū)電壓。 了解 3525A 之后再來看回圖氖 41 的電路。 SG525A 輸出頻率約為 200kHz。 直接單端驅(qū)動 MOS 功率管。 MOS 管的閾限電壓約為 3V 左右，低于該值對 MOS 管 不能導通。但通常要求驅(qū)動電壓峰值為 10～ 15V，保證開關管飽和。驅(qū) 動電壓不 得超過 20V，以免 G． S極間擊穿。 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(qū)動，使 Cgs在死區(qū)時間內(nèi) 能快速放電。 SG3525A 通過輔助電源由電網(wǎng)直接供電。 在此應用中，將 IC 的 8 腳的軟啟動端接一個三極管，控制三極管的導通 ,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 與整流相對應，把直流電變成交流電稱為逆變。當交流側(cè)接 在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載連接時，稱為無源逆變。在不加說明時，逆變電路一般多指無源逆變電路。 逆變電路的應用非常廣泛。在風力發(fā)電電能變換裝置中，蓄電池組是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。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。 逆變電路的基本工作原理是在電路中通過兩組開關的閉合和斷開改變負載的電壓方向，使負載電壓為正或為負，從而將直流電變成了交流電，通過改變兩組開關的切換頻率，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程中不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉(zhuǎn)移的過程，通常也被稱為換相。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。 換流方式的分類 在換流過程中，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，無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適風力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設計 34 當?shù)尿?qū)動信號，就可以使其開通。但從通態(tài)向斷