小型家用风力发电机毕业设计(4)

10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 R?5Uz1?Iz0(?) C?70/U2(uF)

式中：率，VA；

Uz1为输出的整流电压，V；Iz0为输出的整流电流，A；P为风力发电机输出功

U2为整流器入口交流线电压，V。

3.3 蓄电池

在独立运行的小型风力发电系统中，广泛使用蓄电池组作为蓄能装置，蓄电池组的作用是当风力较强或用电负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分储存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电；当风力较弱、无风或者用电负荷增大时，储存在蓄电池中的电能向负荷供电，以弥补风力发电的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的目的。本系统采用的是铅蓄电池。

3.3.1 蓄电池的性能

单格铅蓄电池的电动势约为2V，将多个单格蓄电池串联组成蓄电池组，可获得不同的蓄电池组电动势。本论文采用12节铅蓄电池串联，组成24V的蓄电池组。当外电路闭合时，蓄电池组正负两极间的电位差即为蓄电池组的端电压。蓄电池组在充电和放电的过程中，端电压是不相等的，充电时端电压高于电动势，放电时端电压低于其电动势。这是由于蓄电池组存在内阻的原因所致。

蓄电池的容量以Ah表示，其端电压随着放电而逐渐降低，且蓄电池组存在最佳充放电电流，其具体参数将在实际应用中再做具体分析。

蓄电池经过多次充放电后，其容量会降低，当蓄电池的容量敬爱那个地道其额定值的80%以下时，就再不能使用了，也就是说蓄电池有一定的使用寿命。影响其寿命的原因有很多，如充放电过度、蓄电池的电解液浓度太大或者纯度降低以及在高温环境下使用等都会是蓄电池的性能变坏，降低蓄电池的使用寿命。

蓄电池的充放电电压不仅直接影响蓄电池性能，也会影响用电器的寿命与安全。图3—6、3—7分别是蓄电池典型的充放电曲线。图中纵坐标为蓄电池充、放电端电压，曲线标号数字为相应小时的充、放电曲线。

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图3-6 蓄电池充电曲线 图3-7蓄电池放电曲线

从蓄电池充放电曲线可见，如果充电电压过高，将会严重损坏用户的电器；若放电电

压过低（放电电流太大或放电时间过长），不仅影响到用户电器的正常使用，而且会缩短蓄电池的使用寿命。充放电控制器可防止蓄电池的过充与过放。

3.3.2 充放电保护电路

该控制器由电压继电器V2、V3和它们所控制的动开触点V2、动合触点V3构成。其电路如图3—8所示。下面以本论文24V额定电压为例，负荷最高充电电压限制在28~29V,最低放电电压控制在21~22V。

图3-8充放电保护电路

充电时，当蓄电池电压低于29V时，继电器V2不工作，触点V2闭合，保持充电状态；当该电压高于29V时，继电器V2开始工作，继而控制动断触点V2断开，切断充电电路。

放电时，当蓄电池电压高于21V时，继电器V3工作，其控制的动合触点V3闭合，保持放电状态；当该电压低于21V时，继电器V3停止工作，其控制的动合触点V3断开，从而断开了放电电路。

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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 3.3.3 蓄电池组供电控制设计 控制电路如下图3—9所示，在整流输出端引出两线，与逆变器相接，为负载供电，其通断状态用动合触点I2控制。并且在蓄电池组的输出端引出两线亦与逆变器相接，作为风能不足时负载的供电电路，其通断状态用动开触点I2控制。

图3-9蓄电池组供电控制电路

当风力充足，发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈和电流线圈内流过的电流产生的磁力使动合触点I2闭合，风电向负载供电，同时向蓄电池充电；当风力不足，发电机转速太低时，逆流继电器产生的磁力消失，此时动开触点I2闭合，同时动合触点I2断开，此时即切换成蓄电池组向负载供电。

3.4 逆变电路

独立运行的异步风力发电动机组输出 有是不稳定的交流电，必须用蓄电池储能，

才能向用户提供连续平稳的电能，但绝大多数用电器，如日光灯、电视机、电冰箱、电风扇和绝大多数动力机械等都是以交流电工作，因此，在独立运行的风力发电系统中通常需要将直流电再变换成交流电，这种变换过程叫逆变，具有逆变功能的电力电子设备称为逆变器，逆变器还具有自动稳压功能，可改善系统的供电质量。

3.4.1 逆变电路及其工作原理

其电路原理图如下所示。

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( a ) ( b )

图1-4-43 单相桥式逆变电路原理

逆变器将直流电转换为交流电的逆向过程，是通过功率半导体开关器件的开通和关断作

用来实现的。

最基本的逆变电路是单相桥式逆变电路，它可以很好的说明逆变电路的工作原理，其电路结构如图1-4-43（a）所示。

图中Ud为输入直流电压，Uo为输出交流电压，R为逆变器的输出负载。当开关管T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压Uo=Ud；当开关管T1、T4断开，T2、T3闭合时，输出电压Uo=-Ud。当以频率Fs交替切换开关管T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图1-4-43（b）所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fs，这样，就将滞留电压Ud编程了交流电压Uo。Uo含有各次谐波，如果想得到正玄波电压，则可通过滤波器获得。

图1-4-43（a）中煮点录音开关T1~T4世纪是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。

3.4.2 IGBT的驱动电路

驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是该逆变装置的重要环节，对整个装置的性

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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 能有很大影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的状态，，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率。可靠性和安全性都有重要的意义。 简言之，驱动电路的基本任务，就是按照控制目标的要求，将单片机输出的脉冲进行功率放大,转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号，从而驱动IGBT，保证其可靠工作。对IGBT驱动电路的基本要求如下：

（1） 提供适当的正向和反向输出电压,使IGBT可靠的开通和关断。

（2） 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。 （3） 尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率。

（4） 足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘。 （5） 具有灵敏的过流保护能力。

目前，在IGBT的栅极驱动电路中广泛采用的是EX840/EX841集成电路。 其典型接线方法如图3—13：

图3-12 EX840/EX841集成电路接线方法

使用时注意如下几点：

（1） IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于1m),并且应该采用双绞线接法,防止干扰。

（2） 由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲,增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。但是栅极电阻RG不能太大也不能太小,如果RG增大,则开通关断时间延长,使得开通能耗增加；相反,如果RG太小,则使得di/dt增加,容易产生误导通。

（3） 图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化,并不是电源的供电滤波电容,一般取值为47 F。

（4） 6脚过电流保护取样信号连接端,通过快恢复二极管接IGBT集电极.。 （5）14、15接驱动信号,一般14脚接脉冲形成部分的地,15脚接输入信号的正端,15端的输入电流一般应该小于20mA,故在15脚前加限流电阻。

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