風力發電電能變換裝置的研究畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 1VTud2d1ucbauuuacuabuacabcbcababcac uuuuuuuabuu acab abu cbu cau ba ubc uac u udutωtωtωu 2u 2Lud 負載VTVTVTVTVTVTabc123456i aTnd 2i d風力發電電能變換 裝置的畢業設計 14 位依次差 60。 ；共陰極組的脈沖依次差 120。 ，共陽極組也依次差 120。 ；同一相的上下兩個橋臂的脈沖相差 180。 。整流輸出電壓 ud一周期脈動 6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為 6 脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程中或電流續流時，同時導通的 2個晶閘管均有觸發脈沖，以 確保電路的正常工作。 當電路中帶有阻感負載時，α≤ 60。 時， ud波形連續，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。區別在于得到的負載電流 id 波形不同，阻感負載時由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，近似為一條水平線。當α 60。 時，阻感負載由于電感 L的作用，ud的波形會出現負的部分。若電感 L 足夠大， ud中正負面積將基本相等， ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為 90。 。當α≤ 60。 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。 時 ,整流電壓平均值為： 223 6 s in ( ) 2 . 3 4 [ 1 c o s ( ) ]3dU U td t U??? ?? ? ?? ?? ? ? ?? 三相橋式全控整流電路接反電動勢阻感負載時，在負載電感足夠大足以使負載電流連續的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計算 Id時有所不同，接反電動勢阻感負載時的 Id為： dd UEI R?? ； 三相不可控整流電路 在三相不控整流電路中，使用最多的也是三相橋式整流 電路，一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負載組成。三相橋式不控整流電路與三相橋式可控整流電路的區別在于可控整流電路可以通過觸發脈沖來控制觸發角從而達到控制電壓大小的目的。但在風力發電電能變換裝置中，要將風能盡可能的轉化為電能，因此選用三相不可控整流電路，因為三相不可控整流電路是直接由電流來控制二極管導通的，不用考慮觸發角的問題。三相橋式不可控整流電路和波形如圖 所示。 風力發電電能變換 裝置的畢業設計 15 圖 從圖中可以看出：在 t1～ t2時間 內，變壓器次級 a相電壓與 b 相電壓的差值最大，因此整流二極管 VD VD2導通，其通路為 a→ b→ VD1→ R→ VD2→ b，其他整流元件受反向電壓作用而不導通，整流器的輸出電壓為變壓器次級電壓 uab。在 t2～ t3時間內， a相電壓雖然仍為正值，且與 t1～ t2時間內電壓值大小一樣（變化的趨勢則不相同），但 b相電壓已經高于 c 相電壓，所以此時是 a 相電壓與 c 相電壓的差值最大，因此 D4截止，VD VD6導通，其通路為 a→ VD1→ R→ VD6→ b，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導通，整流輸出電壓為變壓器次級電壓 uca。在 t3～ t4時間內， b 相電壓為正值， c相電壓為負值，線電壓 ubc最大，因此整流元件 VD3與 VD6導通，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導通，整流輸出為線電壓 ubc。依次類推，負載 R 上得到的脈動直流電壓 U 在一個周期內，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? ? ? ? ? 風力發電電能變換 裝置的畢業設計 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。因此可得： 2. 34 22 0daU U V?? 即： b c dU U U U V? ? ? ? 從圖中還可以看出任何時間里均由兩個整流元件串聯導通，而在一個周期里，每個整流元件只導通一次，連續導通時間為 2π /3，所以通過每個整流元件的平均電流 Icp為負載電流 IR的 1/3，即 : 2 . 3 41 1 . 3 233 aCD R dUI I I AR? ? ? ? 而加在整流元件上的最大反向電壓為變壓器的次級電壓的線電壓 uab（或 ubc或 uca），即 : 3 3 2 1 . 0 5 2 3 1a m a dU u U U V? ? ? ? ?反 直流濾波電路 整流電路將 交流電變成直流電，并不是一個純粹的直流電壓，而是一個脈動的直流電壓，它除了直流成分外，還包括著不同頻率、不同振幅的交流成分（通常稱為諧波）。也就是說，整流器輸出的電壓，可以看成的一個直流成分和多個不同交流成分之和，而且頻率越低者，振幅越大，頻率愈高者，振幅愈小。人們通常說交流成分的大小，就是指最低次諧波或基波的大小，交流成分越大，對設備的干擾也越大。 濾波電路是接在整流電路之后，起著減少交流成分，有使整流器輸出的脈動電流變成平滑的直流電流（仍包括一定的交流成分）的作用。 濾波電路一般由電感線圈、電容器、電阻 等電氣元件組合而成。常用的濾波電路有電容濾波電路、 L 型濾波電路、π型濾波電路、 RC濾波電路等。 電容濾波電路 電容濾波電路是利用電容器對直流不能通過，而對交流成分呈現較小的阻抗，以達到短路交流，減少整流器的輸出電壓脈動成分的目的而且電容器越大，效果越好。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。電容濾波電路如圖所示 。 圖 電容濾波電路 L 型濾波電路 C RL 風力發電電能變換 裝置的畢業設計 17 由電感電容組成倒 L字型的濾波電路，稱 L 型濾波電路或倒 L 型濾波電路。其電路如圖所示 圖 L形濾波電路 L型濾波電路利用扼流圈 L對脈動電流的交流成分產生較大的衰減，而電容又對交流成分旁路的特點，使電容電感相互配合，大大改善濾波效果。 L 型濾波電路的濾波效果，主要取決于 LC 的乘積，即 LC 愈大，濾波效果愈好。 π型濾波電路 由電感，電容器組成π型濾波電路，其電路如圖所示 圖 π形濾波電路 π型濾波電路的濾波效果，等于整流器 輸出電壓中的脈動交流成分先由電容器旁路，再經 L 型濾波器將其部分進行衰減。因此，它是各類無源濾波電路中濾波效果中最好的一種。 RC 濾波電路 將 L 型濾波電路或π型濾波電路中的電感 L 用電阻 R 代替，即由電阻 R 和電容器 C組成的濾波電路，稱 RC 濾波器。其電路如圖所示 。 RC濾波電路在自動控制電路與小功率整流電路中經常用到，因為它不需要體積大、繞線麻煩的電感線圈 L。 RC濾波電路的濾波效果取決于電阻 R 和電容器的大小，電阻 R、電容器 C愈大則濾波效果愈好。但電阻 R 和電容器 C不能過大，因為電容器 C值過大則體 積和重量增大，成本提高。電阻 R 太大，在電阻 R上的損耗也大。因此，要綜合考慮。為了能較好地旁路交流電流，一般滿足 1/mω CR(m 為整流相數，對于單相全波與單相橋式整流電路：m=2，對于三相半波整流電路： m=3，對于三相橋式整流電路： m=6)。 因此風力發電電能變換裝置的選用該濾波電路作為三相不可控整流電路的濾波電路，在電路中選用 1000Ω的電阻，在“速度相等”恰好發生，則可得： 3RC? ? 因為 2 2 3 . 1 4 5 0 3 1 4 /f ra d s??? ? ? RL C L RL C L1 L2 風力發電電能變換 裝置的畢業設計 18 因此： 633 5 . 5 1 03 1 4 1 0 0 0C R? ?? ? ? ?? （ 法 ） 圖 RC 濾波電路 第 3 章 蓄電池組 蓄電池的種類和特性 蓄電池是化學電池的一種，所謂化學電池是指能將化學能直接轉換為電能的裝 置。一般使用的化學電池分為原電池和蓄電池兩種。原電池只能使用一次，即我們所說的干電池，蓄電池可以多次反復使用。當蓄電池使用一段時間后，即部分放電或完全放電，用適當的反向電流通入電池，則蓄電池可以再次將電能轉化為化學靛儲存起來。這種反向充電補充能量的過程即是電池充電過程，而電池將自身的能量以電能的形式供給外線路的過程即放電過程。 目前主要的蓄電池有多種，如：密封鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和 鋰離子蓄電池等。這四種蓄電池具有相同的功能就是為最終產品提供可補充的電能，但不同的電池具有不同的特性，適用的對象和場合也是不同的。各種不同電池的特性如表格 所示： 特性 鉛酸蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 能量 Wh/Kg 密度 30 40 60 90 能量 Wh/l 密度 60 100 140 210 單電池電壓 (V) (平均 ) 放電曲線 緩慢傾斜 平直 平直 傾斜 自放電 30%/月 15%/月 20%/月 6%/月 內阻 低 最低 中 最高 放電阻率 5C 10C 3C 2C 表格 選擇蓄電池的主要依據是電池的能量密度、電池的容量及電壓等級的選取，它 們決定了電池為負載提供電能的速度和大小。對于放電速率要求不高的產品，如便攜式計算RL C1 C2 R RL C R 風力發電電能變換 裝置的畢業設計 19 機、蜂窩 電話機和手提式視頻設備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。因為它們具有較大的內阻，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品。而密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池由子內阻較小，可以提供較大的電流，所以適用子放電速率要求較高的產品。因此，在風力發電的電能變換裝置中，選用鉛酸蓄電池。 鉛酸蓄電池的基本概念 由于蓄電池的充電本身涉及到許多相關的專業知識，為了能夠更好的理解本課 題，本節將簡要介紹鉛酸蓄電池有關的一些知識。 1. 電池容量 電池容量是蓄電池使用過程中的一個重要參數 ，它指蓄電池充足電后放電到終 止電壓時所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量。單元電池內活性物質的數量決定了單元電池含有的電荷量，因此，電池越大，它的容量越高。電池容量用 C 表示，其單位用 Ah、 mAh 表示。 2. 充電速率和放電速率 為了對不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對值來表 示，而是用電池的額定容量 C 和放電時間 t的比來表示，稱為電池的充電速率或放 電倍率。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，則它的充電電流為 ： I=C/10=（ A） () 即它的充電速率為 。放電速率的描述和充電速率相同。 3. 充電終止電壓和放電終止電壓 蓄電池充足電時，極板上的活性物質己達到保護狀態，再繼續充電，蓄電池的 電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。 放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼 續放電，電池兩段電 壓會迅速下降，形成過放電。這極易對電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關。 4. 電池的過充電 當高速率充電而又不能及時地在滿充電后結束充電過程，電池則很容易存在大 電流過充電的問題。過充電會使電池內部的溫度和壓力都急劇上升，造成對電池的損害。這是因為在過充電階段電池內部所進行的反應為消耗反應，它會增大電池內部的壓力，同時，由于氧氣的產生和吸收都是放熱反應，這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充點時，只能采用低速率充電。這是因為電池在低電流過充電時所產生的極化現象較輕，同時 電池的熱量可以及時地向空中散發，基本上不會對電池造成傷害。 5. 電池的內阻 風力發電電能變換 裝置的畢業設計 20 當電流流過蓄電池時，蓄電池兩端所呈現出來的電阻稱為蓄電池的內阻，這個 內阻與其它電源的內阻有所不同，它包含兩個部分，即： R＝ RO十 RN () 其中 RO為電極與電解液的內阻之和，該電阻遵守歐姆定律，是不變的量； RN是由干電流流過蓄電池時兩電極的電位有所改變而表現出來的，因此又稱為極化電阻或假電阻，其值與流過電池的電流強度有關，電流越大， R