大神-便携风力发电机给机器人的系统供电.doc

封面目录内容提要3一、风力发电机的组成及工作原理4二、便携风力发电机的结构设计7三、便携风力发电机的电路设计13参考文献19 内容摘要能源问题是一个全球性的问题，现在世界各国都在为能源的多样化和可持续化做着种种努力，就目前而言，传统能源的问题日渐突出，存储量的枯竭与污染问题和日益增长的能源需求、能源安全相矛盾，寻求新的可再生能源是能源问题发展的必由之路。风能是一种可再生能源，它储量丰富，使用清洁，可为人类提供长期稳定的能源供应，且不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力。风电产业作为一个新型朝阳产业，近年来在我国出现了快速发展的势头。到2012年我国风力发电量已达1004亿千瓦时,占全国总发电量的2%。我国也是风力发电设备的主要生产、装备国。由于技术方面已经相当成熟，目前市场上主流的是水平轴风力发电机。本论文也对水平轴式风力发电机的组成、结构及工作原理进行讲解。本文提出的解决方案为百瓦级垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机普及率不及水平轴式，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高，尤其是对叶片和发电机的技术要求较高。近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经趋于成熟。垂直轴风力发电机采用垂直叶片和三角形双支点的设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂、飞出等问题得到了较好的解决，所以其安全性要优于水平轴发电机。同时垂直轴式回转半径更小，节省了空间，提高了效率，噪音、抗风能力也优于水平轴式。其独有的优点是其他种类风力机无法取代的。本文以小型垂直轴式发电机设计一套便携风力发电机的解决方案。在无固定商品电力时，利用小型垂直轴式发电机给机器人系统提供长时间稳定电力，同时为机器人系统的机载储备电源充电以保证其工作的可靠性。关键词：再生能源；朝阳产业；水平轴；垂直轴；小型；充电便携风力发电机给机器人系统供电据世界风能协会（WWEA）统计，2007年世界风电总装机容量为9385万千瓦，2008年世界风电总装机容量达到1.2亿千瓦。2009年达到1.579亿千瓦的新高峰，增速达到31.5。这其中，中国新增装机占到全球的1/3，中国风电装机连续五年增长幅度超过100%。在2009年已经成为世界上新增风电装机的最大市场。中国地域广阔，气候多样化，风能资源有着得天独厚的优势条件。据统计，中国陆地和近海范围内可供开发利用的风能储量分别为2.53亿兆瓦和7.5亿兆瓦，丰富的自然资源造就了发展风电产业的天然优势。目前国内市场上的风力发电设备主要有小型独立式风力发电机和大型并网风力发电机两种。前者是一套独立风力发电系统，不并网发电，只能独立使用。在使用时通过风吹叶片带动一个小型发电机转动，输出1350V的电能，发出的交流电经过整流再对蓄电池充电，蓄电池作为一个中转站将发电机发出的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把蓄电瓶里的化学能转变成220V交流市电，即可接入用电设备使用。后者是并网风力发电系统，指的是大型风力发电机组发出兆瓦级的电压后并入国家电网，通过电网及输变电系统再传送至用户。可以为工农业及社会生活提供大量源源不断的清洁能源。虽然两者类型上有着区别，但其发电原理都是一样，就是将机械能转化成电能。即将闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，电路中就会产生电流，这种现象称谓电磁感应现象。本质是闭合电路中磁通量的变化，而闭合电路中由电磁感应现象产生的电流叫做感应电流。风力发电设备把产生的感应电流加以整合输出，最终成为被人类所利用的电能。本论文主要对风力发电设备的结构、工作原理及技术特点做一些理论研究，对风力发电设备的设计、生产、制造技术进行技术分析，最后以小型风力发电机为例提出实际解决方案。一、风力发电机的组成及工作原理风能是因为空气流动做功而产生的一种可供人类利用的能量。空气流具有的动能称为风能。空气流速越高，动能越大。现代风力发电技术就是把风的动能转化为风轮的动能，风轮的后面通过增速设备与发电机连接，当风轮转动时发电机也就有了动能，发电机定子绕组切割磁力线产生电流。风力发电机一般由风轮、发电机、调向器、增速器、塔架、储能装置和冷却系统等组成。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由个叶片和轮毂所组成。叶片呈螺旋形，形似机翼。叶片的翼型是根据空气动力学原理设计的，叶片的弧面设计用于获取风压，叶片越大所获取的风压越多。叶片翼型是决定风轮效率和工作情况的决定性因素。风压作用于风力发电机的叶片时有一个夹角，风压力在叶片上形成一个分力即升力，风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能，从而带动发电机进行发电。如图1所示图1风力机叶片都在轮毂上固定，轮毂是风轮的中心，也是叶片根部与主轴的连接。所有从叶片传来的力，都通过轮毂后的传动系统传到电机。同时轮毂的另一个作用是控制叶片桨距。风力发电机可分为定桨距机与变桨距机。定桨距风力发电机的功率调节主要依靠叶片的自调作用。它的叶片与轮毂之间是固连不变的，风速变化时桨叶的迎风角度不能随之变化。当风速高于额定风速时，为了保证风力发电机的输出功率恒定，叶片可以通过失速调节作用使叶片表面产生涡流，降低转化效率。变桨距风力发电机的叶片和轮毂连接是可变的，通过调节安装在轮毂上的叶片而改变其桨距角的大小。调节机构由轮毂舱内叶片根部的液压装置完成。当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“。在实际应用中，功率对风速的变化较敏感。由于风力发电机的功率与风速的三次方成正比，风速的较小变化将使功率发生较大的变化，所以风机输入功率不断变化，其桨距调节机构也在不断调节中。但有个缺点是调节机构的速度赶不上阵风变化的速度。 在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。大多数的变桨变速型风力发电机采用了双馈异步变速恒频控制方式。其工作原理是由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速n1与转子由风力带动所产生的机械转速n2相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场，合成磁场的旋转速度等于同步转速n，即n1+n2=n。最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压输出到电网。当风速发生变化时，转速n2也随着发生变化，控制系统根据n1+n2=n的公式计算出变频器需输出转子电流频率，通过改变转子电流的频率调节旋转磁场n1的转速，就能够补偿发电机转子转速的变化，从而保持输出到电网的频率恒定不变。而低速永磁同步电机设计极对数P约4080对，因此发电机额定转速可低至每分钟十几到二十转左右。由于风轮转速随着风速变化，发电机发出电能的频率是波动的，而永磁同步电机没有转子绕组，所以不能采用类似于双馈电机转子的变频装置来稳定输出频率。解决的方法是采用全功率变频器，即首先将永磁同步发电机输出的频率不稳定的交流电进行整流，然后通过逆变器逆变，输出恒定频率的电能。这就要求变频器的功率大于等于发电机的额定功率，也就是说，1.5MW的风机的变频器容量将不能小于1.5MW，得益于变频器价格的下降，目前全功率变频器成本能够得到有效控制。永磁同步发电机的转子采用稀土永磁材料制作，不需电励磁，没有转子绕组和集电环组件。因此大大提高了机组可靠性和效率，具有结构简单、噪声低、寿命长、机组体积小、低风速时效率高、运行维护成本低等优点。现代大型风力发电机的功率可达兆瓦级，小型风力发电机功率常为百瓦级。调向装置是风力发电机的重要组件，它的作用是调节风轮的方向。当风向发生改变时，使风轮随时都迎着风向，从而获得更多的能量。大型风力发电机组一般采用电动机驱动的风向跟踪系统。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置组成。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。小型风力发电机的调向装置一般是在发电机的后方加一段类似飞机的尾翼，尾翼在风力作用下始终使风轮朝向迎风面。风力发电机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、增速器、联轴节和制动器。增速器是一个变速齿轮箱，由于风力发电机在工作时风轮的转速较低而发电机的转速很高，为了将两者匹配须在低速风轮轴和发电机之间加一个齿轮箱，通过齿轮箱的变速作用，可以将风轮上的低转速、大扭矩转变成发电机上的高转速、低转矩。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。也有一些风力机设计成无齿轮箱的，风轮直接连接到发电机上，降低了生产使用成本，但这就要求风轮在工作时要有较高的转速。塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用钢架结构。风力机的功率与风速呈正比，塔架越高，风速越大。由于自然界的风速是不稳定的，风力发电机的输出功率也不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接连接用电设备的。首先要把电力储存起来，现在风力发电机用的储能装置多为铅酸蓄电池。因为发电机在工作时由于风速不稳定而导致发电不稳定，故其输出的是变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。冷却系统主要是给发电机各部件运转时降温。在大部分风电机上，发电机被放置在舱内，并使用大型风扇风冷。也有的采用水冷，水冷效率高。但这种方式需要在机舱内加装散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。 二、便携风力发电机的结构设计本文要设计的风力发电机要给机器人系统提供长时间稳定电力，同时也要给机器人系统的机载储备电源充电。小型风力发电机一般为百瓦级的风机，因结构小巧，重量轻便，所以可以满足便于携带并跟随机器人系统充电的要求。小型风力发电机发出的电能首先经过蓄电池贮存起来，然后再由蓄电池向用电器供电。所以小型风力发电机在设计时要认真研究风力发电机功率与蓄电池容量的合理匹配和静风期贮能问题。一般是按照输入大于输出的原则进行匹配的。本文所匹配的系统是100W风力发电机匹配60Ah铅酸蓄电池2块。在贝茨(Betz)基本理论的基础上，设计小型风力发电机的部分零部件。因为垂直轴风力发电机不受风向限制，不用调向，发电机、增速器、联轴器、离合器、制动器等可直接安装在地面上，具有结构简单，维修方便等优点，本课题以小型垂直轴风力发电机为例进行设计。1叶片的设计(1)风轮功率的确定风轮输出功率的最大值： 式中 Ne-最大输出功率，w或；S-叶片扫掠面积，m2；v-风速，。(2)叶片扫掠面积S： 还可以表达为 ： 式中 R-叶片扫掠的最大半径，mH-风轮高度之半，m。(3)风轮半径R的确定： (4)尖速比的确定： (5)叶片各处的尖速比： 式中 -距转动中心不同半径的尖速比；-叶片至转动中心不同位置的半径，m；R-叶片最大转动半径，m。(6)叶片弦长L根据加拿大涅太华的JTemplin(J腾普林)试验结果叶片弦长可由下式给出： 式中 L-叶片弦长，m；K-叶片数。(7)叶片距转动中心不同位置的半径的弦长L1式中 L1-叶片距转动中心不同半径的弦长，m；ri-叶片距转动中心不同位置的半径，m；k-叶片数。(8)增速比的确定： 式中 -发电机额定转速，；n-风轮额定转速数，。(9)叶片设计计算本课题所设计的叶片如图2叶片左视图，图3叶片的主视图所示。其总长为1000总宽为355，最大使用风速为20 由此得叶片扫掠面积： S=1000355=0.355 风轮输出功率的最大值：符合设计要求。 图2叶片左视图 图3叶片的主视图(10)叶片的材料叶片材料采用的是铸造铝合金。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，密度小，重量轻，具有良好的耐蚀性，耐热性和焊接性能，可通过热处理来强化，最后表面抛光处理。所以选铝合金材料2 轮毂的设计轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件，承担抵抗风载、传递转矩的作用，对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。垂直轴风力发电机的叶片一般有5叶片对称安装在轮毂上构成，两叶片的夹角为72。下面是对风力发电机轮毂的设计根据经验和所查资料设计出垂直轴小型风力发电机的轴毂部分，如图4所示。 图4轴毂3 三角连接架的设计由于本设计中叶片和轴毂之间需要连接为了将轴毂和叶片连接起来，设计了其连接件-架子，其材料为Q235，加工方法是铸造后加工孔。设计方案和数据如图5所示。图5架子4 支撑架的设计出于安全和稳定考虑为了支撑风力机，设计了支撑架，有效地分散了风力机的重量，承担了部分轴向力，支撑架的低端与地面接触，用地脚螺栓连接，起支撑作用。如图6所示。图6支撑架5风力机设计中标准零部件的选型(1)风力机轴承的选型 垂直轴小型风力发电机安装的是推力调心滚子轴承。设计时，必须合理选择轴承的润滑方式和润滑路径。加工支撑架上的油路时，往往要打若干工艺孔才行，最后用密封堵头封闭这些工艺孔，防止漏油。对于双列轴承，箱体的油孔应对准双列轴承中间的入油孔，使油液能够准确流入轴承的内部。有入油孔就必然对应有出油孔，入油孔开设在方便安装的地方。润滑方式有：油液循环润滑、脂润滑、油雾润滑、喷射润滑等。其中油脂润滑是目前最常用的方式。油脂封入量通常为轴承空间容积的10，如果填得太满会加剧轴承发热。对于油液循环润滑，一般用于中等转速的主轴上，多用于后支承上，设计时注意油路布局合理，既畅通、方便，又不影响其它结构件的刚度。设计时，选择合理的密封方式。(2)风力机主轴上键的选型 根据结构需求主轴与轴毂的之间通过键来传递扭矩，在这里采用的是楔键连接，其尺寸 为28mm*16mm*180mm。(3)风力机轴毂上销的选型 根据结构需求用销来固定轴毂与轴的相对位置，采用的是开尾锥销，其尺寸为16mm*200mm。6 变向器的设计由于本论文所设计的垂直轴小型风力发电机的风力机随风转动后，其扭矩是竖直传递的，所以需设计一装置使其转化成水平传递的才能满足设计要求，所以设计了一变向器来改变其方向。结构如图7所示。图7变向器剖视图7锥齿轮的设计 变向器的作用只是将垂直的输出量转化成水平输出，无需变速，所以其锥齿轮的齿数比为1：1，在以下的计算中只列出其中一个锥齿轮的数据，另一个锥齿轮数据与其相同。其数据如表1所示表1 锥齿轮 齿轮比u=1大端分度圆直径de1=200mm齿数Z1=Z2=30大端模数me1=de1/Z1=6.67分锥角1=45外锥距Re=de1/2sin1=141.4齿宽b1=RRe=42.42齿宽系数R=b/Re=0.3平均分度圆直径dm1=de1 (1-0.5R)=170中锥距Rm=Re(1-0.5R)=120.19平均模数Mm=me1 (1-0.5R)=5.6695切向变位系数Xt=0径向变位系数X=0.46（1-cos2/ucos1）=0齿顶高ha1=me（1+x1）=6-67齿根高hf1=me（1+c-x1）=8.004齿根角f1=arctan(hf1/Re)=3.24齿距角a1=f2=f1顶锥角a1=1+f2=48.24根锥角f1=1-f1=41.76齿顶圆直径da1=de1+2ha1cos1=209.43冠顶距Ak1=de2/2-ha1sina1=95.285大端分度圆齿厚S1=me（/2+2x1tan+xt1）端面当量齿数Zv1=z1/cos1=42.43三、便携风力发电机的电路设计1垂直轴风力发电系统总电路图的分析主电路的输入端采用二极管搭建的三相桥式不可控整流电路，将发电机输出24V100V的不稳定交流电转化为不稳定的近似直流电，再经电容滤波获得平滑的直流电；稳压电路将近似直流电通过闭环控制电路转化为稳定的直流电压向蓄电池充电。如图8所示 图8垂直轴风力发电系统总电路图2三相桥式全波整流电路目前在所有的整流电路中采用最广泛的是三相桥式全波整流电路，本系统亦采用了该整流电路。图9三相桥式全控整流电路其电路图如图9所示，习惯将阴极连接在一起的3个二极管（VD1、VD3、VD5）称为共阴极组；阳极连在一起的3个二极管（VD2、VD4、VD6）称为共阳极组。此外，习惯上希望二极管按照从16的顺序导通，为此将二极管按照图示顺序编号，按此编号，二极管的导通顺序为VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。该电路中，对于共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低的导通。这样任意时刻共阴极组与共阳极组中各有一个二极管处于导通状态，施加于负载（或者蓄电池组）的电压为某一线电压。电路工作波形如图10所示。图10电路工作波形从相电压波形看，共阴极组二极管导通时，整流输出电压为相电压再正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压为相电压在负半周的包络线。总的整流输出电压是两条包络线见的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。9为了说明各二级管的工作情况，将波形中的一个周期分为6个阶段，每段为60，每一段中导通的二极管及输出整流电压的情况如表2所示。该表可见，6个二极管的导通顺序依次为VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。表2时段共阴极组导通二极管VD1VD1VD3VD3VD5VD5共阳极组导通二极管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流输出电压Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb3 12V转交流220V逆变器的应用考虑到最终要为机器人系统供电，对机器人系统的供电方案一：直接用220V的电压与机器人系统连接。方案二：用220V的电压连接机器人系统的电源适配器再给机器人系统的机载电源充电。蓄电池存储的是12V电压，把蓄电池的12V电压转变成220V市电，需要采用12V转交流220V逆变器。逆变器主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于MOS场效应管和电源变压器的功率。下面是其电路图及工作原理，逆变器电路图如图11所示。 图11逆变器电路图逆变器的工作原理如下：(1)方波的产生 这里采用CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的震荡频率不稳。电路的震荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图12电路的最大频率为：fmax=1/2.2x103x2.2x106=62.6Hz，最小频率为：fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x106=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的发相器，输入端接地避免影响其它电路。 图12 方波产生电路(2) 场效应管驱动电路。由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为05V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至012V。如图13所示。 图13 场效应管驱动电路 (3)场效应管电源开关电路场效应管是该装置的核心，下面简述一下用CMOS场效应管组成的应用电路的工作过程如图14。电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为底电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输