小型家用风力发电机毕业设计(3)

10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 的过充电，从而降低蓄电池组的使用寿命。 为了消除发电机输出端电压的波动，该硅整流交流发电机配有励磁调节器，如图所示，励磁调节器由电压继电器V1、电流继电器I1、逆流继电器I2及其所控制的动断触电V1、I1和动合触电I2以及电阻R2等组成。

3.1.2 励磁调节器的工作原理

励磁调节器的作用是使发电机能自动调节其励磁电流（即励磁磁通）的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。

当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器V1不动作，其动断触点V1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状态；当风速加大，发电机转速增高，发电机端电压高于额定电压时，动断触电V1断开，励磁回路中被串入了电阻R2，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压随之下降；当发电机电压降至额定值时，触点V1重新闭合，发电机恢复到正常励磁状态。电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系如图3—2所示。

图3-2发电机端电压与发电机转速的关系

风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大超过额定值的状况，如果不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大的影响，甚至损坏发电机的定子绕组。电流继电器的作用是为了抑制发电机过负荷运行。电流继电器I1的动断触点I1串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电器的绕组；当发电机的输出电流低于额定值时，继电器不工作，动断触点I1闭合，发电机属于正常励磁状态；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点I1断开，电阻R2被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端的电压，并减小了负载电流。电流继电器工作时，发电机负载电流与发电机转速的关系如图3—3所示。

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图3-3发电机负载电流与发电机转速的关系

为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机励磁绕组送电，及蓄电池组由充电运行变为反响放电状态，这不仅会消耗蓄电池组所储电能，还可能烧毁励磁绕组，因此在励磁调节器装置内，还装有逆流继电器I2。发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力是动合触点I2闭合；当风速太低，发电机端电压低于蓄电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流所产生的总磁场的吸力减弱，是的动合触点I2断开，从而断开了蓄电池想发电机励磁绕组送电的回路。

采用励磁调节器的硅整流交流发电机，与永磁发电机比较，其特点是能随风速变化自动调节输出端电压，防止产生对蓄电池组过充电，延长蓄电池组的使用寿命；同时还实现了对发电机的过负荷保护，但由于励磁调节器的动断、动合触点动作频繁，需对出头材质及断弧性能做适当的处理。而且用该交流发电机进行发电时，发电机的转速必须达到在该转速下的电压时才能对蓄电池组充电。

3.2 整流部分

由于自然界风力的不稳定性，交流发电机输出的是不稳定的交流电，频率和幅值都在

不断地变化，而用户需要的是正常频率（即50HZ）的稳定交流电，因此必须进行AC—DC—AC变换，即先经过整流变成直流电，之后在经过你变电路将之变成标准的交流电。如果电能足够充足的话或者空载时还可以将多余的直流电储存在蓄电池组内。

3.2.1 电路图和工作原理

目前在所有的整流电路中采用最广泛的是单相桥式全波整流电路，本系统亦采用了该

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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 整流电路。 单相桥式整流电路由4个二极管接成桥式电路，RL为负载电阻。图5-1-1所示为单相桥式整流电路的画法。

图5-1-1 单相桥式整流电路

下面按图5-1-1所示电路进行分析。

在U2的正半周，其极性为上（+）下（-），即a点 的点位高于b点时，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由a经D1→R1→D3→b形成通路，如图中实线箭头所示。此时，电源电压全部加在负载电阻RL上，得到一个半波电压；D2和D4则承受反向电压。 在u2的负半周，其极性与上述相反，即b点的电压高于a点时，D2、D4导通，D1、D3截止，电流由b经D2→RL→D4→形成通路，如图中虚线箭头所示。同样，在负载电阻RL上也得到一个半波电压；D1和D3则承受反向电压。

有上述可见，尽管u2的方向是交变的，通过负载RL的电流io及其两端电压uo的方向都不变，因此在负载上得到大小变化而方向不变的脉动直流电流和电压，uo、io及二极管承受的电压uD的波形如图5-1-2（b）、（d）所示。

下面讨论单相桥式整流电路的定量关系及元件选择。

负载上得到的脉动直流电压，常用一个周期的平均值来说明它的大小。负载所得脉动直流电压的平均值是

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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 Uo???1?02U2sin?td?t?22?U2?0.9U2 上式表示整流电压平均值与整流变压器二次侧交流电压有效值之间的关系，即整流电压的平均值是交流电压有效值的0.9倍。

图5-1-2 单相桥式整流电路电压与电流的波形

负载电流的平均值是

Io?UOU?0.9O RLRL 每个周期中，D1、D3串联与D2、D4串联各轮流导电半周，所以每个二极管中流出的平均电流只有负载电流的一半，如图5-1-2（c）所示，即

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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 ID?U1IO?0.452 2RL 由图5-1-2（d）可以看出，二极管截止时承受的最高反向电压就是变压器二次侧交流电压u2的最大值U2m，即

UDRM?U2M?2U2

ID和UDRM是选择整流二极管的主要依据。

通过变压器二次绕组的电流具有正、反两个方向，是一个正弦波形，因此二次绕组的电流有效值为

I2?U2?1.11IO RL 目前已有各种规格的桥式整流电路成品，如1CQ1A?H至1CQ7A?H系列，输出的平均电压25~600V，整流电流50mA~5A，使用十分方便。

3.2.2 参数选择

由于风力发电机组的输出电压与输出电流是会随着风速的波动而发生很大变化的。如果整流管的参数选择不当，将使元件遭到破坏。

整流管的参数应根据其在电路中可能承受的最大正、反向峰值电压和流过的最大工作电流来选择。假设100W风力发电机组的输出电压经过整流后，负荷的额定直流电压Uz0=24V，带负荷运行时的最高电压

Uzm?28V，最大负载电流Iz0?4.6A，依式4—1所示计算出，

元件承受的最大正、反向峰值电压为

Um?1.05Uzm?1.05?28?29.4(V) 元件流过的最大电流为

Im?0.587Iz0?0.587?4.6?2.7(A)

由上式计算结果，可选择最大电流5A，最大反向电压50V的硅二极管。

在整流回路中，经常会出现操作过电压获换向过电压。为了防止过电压破坏元件，通常在整流回路的直流侧接入阻容过电压保护。电阻R和电容C的值可参照式4—3所示方法估算，即

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