小型家用风力发电机毕业论文设计

1、摘要风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换及继电控制电路做了深入的研究。本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过ACDCAC变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。本论文的重点在于继点控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析，最后电气控制部分进行

2、了系统仿真。关键词：风力发电机组；整流逆变；继电控制目 录 TOC o 1-3 h z u 摘要1目 录2引 言4第一章 绪论4 风力发电概述5 风力发电现状与展望5 风力发电的原理和特点6 论文系统概述6第二章 风力机原理及其结构8 风力机的气动原理8 风力机的主要部件8 风力机的功率9第三章 电气设计部分10 发电机10 发电机结构、工作原理及电路图10 励磁调节器的工作原理11 整流部分12 电路图和工作原理13 参数选择15 蓄电池16 蓄电池的性能16 充放电保护电路17图3-8充放电保护电路17 蓄电池组供电控制设计18 逆变电路18 逆变电路及其工作原理18 IGBT的驱动电路1

3、9结 论22参考文献23致 谢24引 言随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的第一章 绪论风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化

4、和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。 风力发电概述 风力发电现状与展望全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53106亿kWh 年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2h，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力12关于2020年风电达

5、到世界电力总量的12%的蓝图的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计20082012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，20172020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机，风电电量0.43104亿kWh，2020年风电装机1，风电电量3.05104亿kWh，占当时世界总电消费量104亿kWh的11.9%。世界风电发展有如下特点：（1）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从600KW发展到20005000KW,如德国在北海和易北

6、河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量20002200KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。（2）风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90% 以上的份额，集中度比较高。近来，GE风能（GE Wind Energy）、德国REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MH

7、I）的市场份额提高迅速。 （3）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储，其中可开发的风能储量，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。 第一阶段是19861990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2

8、千KW。 第二阶段是19911995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！ 风力发电的原理和特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的

9、作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。3风力发电有如下特点（1）可再生，且清洁无污染。（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。（3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。本论文讨论的是前者，即独立运行风电系统的解决方案。 论文系统概述该独立运行

10、的风力发电系统结构图如下11所示：图1-1 独立运行的风力发电系统结构图其具体运行状况为：（1）风力吹动风轮转动。（2）风力发电机组通过连接的齿轮变速箱来提高输出端转轴的转速，该轴与发电机相连。（3）转轴带动单相交流发电机转动，开始发电。（此时发出的是频率和幅值都不稳定的交流电）。（4）引出的单相交流电通过整流器变成稳定的直流电。（5）a.若风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；b.若风能不足，控制电路切换为蓄电池供电状态。（6）直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。此时即可实现为负载供电。第二章 风力机原理及其结构风力机经过多年的发展和演变，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为

11、两类：水平轴风力机，风伦的旋转转轴与风向平行；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向。本系统中采用的是水平轴风力机。 风力机的气动原理风力发电机组主要利用气动升力的风轮。气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图2-1。 图2-1气动升力图从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。在产生升力的同时也产生阻力，风速也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动。 风力机的主要部件水平轴风力机主要由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成，整体结构如图22所示：（1）风轮：由13个叶片组成，这是吸收风能的主要部件。当风轮

12、旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。当风速高于风力机的设计风速时，为防止叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风轮有三种方法：a，使风轮偏离主方向；b，改变叶片角度；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。（2）塔架：为了让风轮能在较高的风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。这时塔架需要承受两个主要的载荷：一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使 图2-2风力主要部结构图塔架向风的下游方向弯曲。选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定。 （3）对风装置：自然界的风向及风速一直变化，为了得到较高的风能利用率，应使风能的旋转面经常对准风向为此需要

13、对风装置。本论文只介绍小型风力机的对风装置，如图24所示，利用尾舵控制对风。由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来的方向。图2-4对风装置（4）齿轮箱由于风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变化着，这又使得转速不稳定。所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，通过齿轮副的增速作用使其得到相应的转速。在装机是应使其与轮毂相连。为了增加齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。 风力机的功率风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的

14、乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。风轮从风中吸收的功率如下： (21) (22)式中：P为输出功率，为风轮机的功率系数，为空气密度，R为风轮半径，v为风速。众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。第三章 电气设计部分 发电机在本论文讨论的独立风力发电系统中，采用的是硅整流自励单相交流发电机。 发电机结构、工作原理及电路图本论文提出的系统采用蓄电池组为励磁功供电，并在蓄电池组合励磁绕组之间串联励磁调节器。其电

15、路图如图31所示。发电机的定子由定子铁心和 定子绕组组成，定子绕组为单相，Y型连接，放在定子铁芯内圆槽内。转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）和转子轴组成，转子铁芯可做成凸极式或形，一般都用爪形磁极，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。图3-1串联励磁调节器独立运行的小型风电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时风力机转速随之变化，与风力机相连的发电机的转速也随之变化，因而发电机的出口电压也会产生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又造成发电机出口电压的波动。这种连锁反应

16、是的发电机的出口电压的波动范围不断增加。显而易见，如果电压的波动得不到控制，在向负载供电的情况下，将会影响供电质量，甚至损坏用电设备。此外独立运行的风力发电系统都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组的过充电，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。 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

17、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32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

18、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33所示。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

19、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

20、，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。 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ACDCAC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。 电路图和工作原理 目前在所有的整流电

21、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D1R1D3b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D2RLD4形成通路，如图中

22、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

23、电流的平均值是 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 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 目前已有各种规格的桥式整流电路成品，如1CQ1AH至1CQ7AH系列，输出的平均电压25600V，整流电流50mA5A，使用十分方便。 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

24、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，最大负载电流，依式41所示计算出，元件承受的最大正、反向峰值电压为元件流过的最大电流为由上式计算结果，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43所示方法估算，即式中：为输出的整流电压，V；为输出的整流电流，

25、A；P为风力发电机输出功率，VA；为整流器入口交流线电压，V。 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。 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

26、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

27、响用电器的寿命与安全。图36、37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。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。 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38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2829V,最低放电电压控制在2122V

28、。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。 蓄电池组供电控制设计控制电路如下图39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-

29、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。 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

30、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。 逆变电路及其工作原理其电路原理图如下所示。( 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、T

31、4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=1fs，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T1T4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）。 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

32、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

33、的栅极驱动电路中广泛采用的是EX840EX841集成电路。其典型接线方法如图313：图3-12 EX840EX841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didt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。

34、 （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。（6） 为了保证可靠的关断与导通,在栅射极加稳压二极管。 结 论本论文研究了小型独立运行风力发电系统的构成及其运行状况，提出了系统构成的具体解决方案。论文的重点在于电气设计部分，因此作者对电气设计各部分进行了具体的论证分析，用OMRON编程软件对系统进行了逻辑电路的设计及仿真，证明电路的逻辑性正确无误，做到了按照作者的设计要求切换电路。然后用MATLAB对整个实际电路进行了详细

35、的仿真，结果表明，在接入仿真三相交流电的情况下，各个输出端的输出达到了预期的要求，证明了方案的切实可行和正确无误。将该电气设计接入风机组和逆变电路之间，即可实现将风能转化为标准户用型50HZ交流电。本系统采用继电控制系统，可实现在完全的自动化，无需人工控制，方便易行。可用于电网未通达的偏远地区的户用电力供应。参考文献再生能源的利用M.北京：机械工业出版社，2006：256-289.术发展研究报告M.北京:水里水电出版社，2009:24-51.3 (法）勒古里雷斯论与设计M.北京：机械工业出版社，1987：356-384.组原理与应用M.北京：机械工业出版社，2009:56-67.电机转速控制研

36、究J.内蒙古:内蒙古工业大学信息工科全书M. 北京:中国电力出版社.2001:221-235.拖动M.北京:机械工业出版社，1996:61-85.术M. 北京:机械工业出版社.2008:75-116.9 魏伟.电气技术J.华中科技大学电气与电子工程学院.2008.12.电保护测试技术M.北京：中国电力出版社，2006：15-51.础与应用M.北京:电子工业出版社，2007:195-221.致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师*老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，*老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我

37、都得到了罗老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的设计过程中还得到了身边同学们的不少帮助，在这里一并表示感谢。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地，真诚的感谢！小型风力发电机毕业设计摘要基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课

38、题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。关键词： 风力发电 限速控制系统 小型风力发电机 AbstractExploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind

39、generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generators overall mechanism, And is one kind of new vertical

40、axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator , the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy t

41、he lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator.Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator目录 TOC o 1-3 h z u 摘要IAbstractII目录III前言11 概述21.1 开发利用风能的动因21.1.1 经济驱动力21.1.2 环境驱动力31.1.3 社会驱动力31.1.4 技术驱动力41.2

42、风力发电的现状41.2.1 世界风力发电现状41.2.2 中国风力发电现状41.3 风力发电展望52 风力机理论72.1 基本公式72.1.1 风能利用系数72.1.2 风压强72.1.3 阻力式风力机的最大效率72.2 工作风速与输出功率82.2.1 风力发电机的输出效率82.2.2 工作风速与输出功率92.2.3 启动风速和额定风速的选定92.3 风能利用与气象122.3.1 风的观测对风能利用的意义132.3.2 风能利用中需要的气象调查132.4 风的观测133 风力发电机方案和结构设计143.1 小型垂直式风力发电机方案设计143.2 风叶153.3 行星齿轮加速器设计计算163.3

43、.1 设计要求163.3.2 选加速器类型163.3.3 确定行星轮数和齿数173.3.4 压力角()的选择173.3.5 齿宽系数的选择183.3.6 模数选择183.3.7 预设啮合角183.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算183.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算193.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算203.3.11 行星排上各零件受力分析及计算203.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算213.4 电磁离合器设计计算253.4.1 选型253.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性263.4.3 离合器的计算转矩263.4.4 离合器的外径263.4.5 离合器牙间的压紧力2

44、63.4.6 线圈槽高度273.4.7 磁轭底部厚度27总结28致 谢29参考文献30前言随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发。因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。1 概述1.1 开发利用风能的动因风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随

45、着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。 经济驱动力.1.1经济最优化能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元KW左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元KW。在这些地区，利用汽油柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元KW。.2化石能源资源枯竭与供应安全进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了

46、多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，有油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。.3促进能源产业升级风

47、力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展，最终进入市场，将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。1. 环境驱动力除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框

48、架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过京都议定书，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。 社会驱动力风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例予，人们自愿以高于化石电

49、力的价格购买风电和其他可再生能源电力。 技术驱动力随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。 风力发电的现状 世界风力发电现状20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.OMW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普一柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100

50、KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。世界风电总装机容量1997年底为746万KW，1998年底为1015万KW，1999年底风力发电机的设计及风力发电系统的研究为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW，平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%

51、以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿4.7亿KW。 中国风力发电现状中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了1台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近

52、年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985方KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。1.3 风力发电展望风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600750KW，MW级的机组也成批生产，24MW级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直径达72m。目前最长的叶片以做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强

53、度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大20%。目前，丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕提的风能要比30m高处多20%。尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展

54、，近年来发展了一种变速风力发电机，风力发电机的设计及风力发电系统的研究组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7ms时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是

55、一种很有发展前途的技术。风力发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；进机群布局的合理性：提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；进一步降低设备投资及发电成本；总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。2 风力机理论2.1 基本公式 风能利用系数风力机从自然风能中吸收的能量大小程度用风能利用系数Cp表示。横截面积为s(m2)的气流的动能为E=0.5SVf3式中 空气密度，m3 Vf 风速，ms如果风力机实际获得的轴功率为P,那么风能利用系数为CP=PE=P(0.5SVf3) （2-1） 风压强如图2

56、-1a，根据伯努力方程，风中物体受到的风压Q为2式中 C空气阻力系数与物体形状有关，平板一般取2Vf风与平板的相对速度 阻力式风力机的最大效率建立简单的理想模型，一个平板在风的气动压力作用下沿着风速方向运动，如图2-l（b），并规定平板上游一定距离上的风速为Vf，平板的运动速度为V，那么平板吸收的功率可以表示为P=FV=QSV式中 F板受到风的压力，牛顿 S平板的面积，m2图2-1 平板模型PS(Vf-V)2所以P=PS(Vf-V)2V (2-2)对给定的上游风速玲，可以写出以平板的运动速度V为函数的功率变化关系式，对V进行微分得dpdv=CP(Vf-V)(Vf-V3)令dpdv=0，可以得到

57、两个解：V1=Vf没有物理意义V2=Vf3对应于最大值PmaxSV3f(4C27)CPmax=4C27 (2-3)从上式中可以看出，阻力式风力机的效率是比较低的，提高效率的唯一办法是设法提高风的阻力系数C。2.2 工作风速与输出功率2 风力发电机的输出效率最理想的风力机也不可能吸收全部的风能，而只能吸收部分风能。如上一节推导的那样，有一个最大风能利用系数Cpmax。但是，风力机在制做过程中，由于受到各种条件的限制，做不到完全理想的形状。因此实际的风力机和理想的风力机之间也有差异。实际风力机吸收的功率与理想风力机吸收的功率的比值叫做风力机的效率。用1表示。另外还有传动机构的效率甲2和发电机的效率

58、3等，所以实际风力发电机输出的效率，可以表示为= 123 工作风速与输出功率风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要一定的力矩。这一最低力矩值叫做风力机的启动力矩。启动力矩主要与风力机本身的传动机构摩擦阻力有关因此风力机有一最低工作风速称Vfmin，只有风速大于Vfmin时风力机才能工作。当风速超过某一值的时候，基于安全上的考虑(主要是塔架和桨叶强度)，风力机应该停止运转，所以每一台风力机都规定有最高风速Vfmax，最高风速Vfmax与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。最小风速称Vfmin，和最大风速Vfmax之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出。当风力机

59、的输出功率达到标称功率时的工作风速叫做该风力机的额定风速。 启动风速和额定风速的选定如何根据风能资源来选用风力机，使风力机的运行状态最佳，确定起动风速和额定风速是关键。（1） 双参数威布尔分布 风能就是流动空气具有的动能。单位时间通过垂直于空气流的单位面积的空气流所具有的动能叫风能密度，设为空气密度，V为风速，则风能密度pv3，p随V的立方增大，变化非常快，故知道风速的变化情况是利用风能的先决条件。风速V是随机变量，经研究专家们多认为用双参数威布尔概率密度函数拟合风速频率分布最好脚。威布尔分布函数形如下式其中K为形状参数，无量纲，C为尺度参数，量纲为ms-1。不同地区，不同时期参数K、C是不同

60、的，可根据某地连续30年的风资料算出该地的K、C参数，威布尔分布函数曲线见图2-2。参数K、C影响曲线形状，K大C大曲线陡峻，峰右移，反之亦然。图2-2 威布尔分布函数曲线上式满足(2-4)（2）起动风速 启动风速为风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速:风力机分水平轴和垂直轴两大类，每一类又有多种形式，同一形式还有若干种规格，只有科学地选择适合当地风能资源的风力机，才能以较少的投资获取较多的风能。根据国内外100多种风力机，起动风速的范围是2ms-1，至6ms-1，这一范围能满足风能丰富区、较丰富区、可利用区的不同需要。双参数威布尔分布函数曲线峰值对应的凡就是起动风速(图2-2)。对