风力发电电能变换装置的研究-电气工程及其自动化专业毕业设计-毕业论文

风力发电电能变换装置的毕业设计PAGEPAGE56毕业设计论文题目风力发电电能变换装置的研究（院）系电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0004学号0001120531学生姓名郭莹辉导师姓名浣喜明完成日期2004年6月17日湖南工程学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：风力发电电能变换装置的研究姓名郭莹辉系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0004学号0001120531指导老师浣喜明教研室主任基本任务及要求：在规定时间内，完成以下工作：1．整体方案的确定；2．主电路设计、元器件选择；软件设计；3．装置工艺设计：画出布置图和电气接线图；4．装置调试与实验：写出调试和实验报告。5．提交设计说明书和图纸。进度安排及完成时间：（1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告；（2）第五周至第六周：毕业实习；（3）第六周至第七周：总体方案的确定；（4）第八周至十二周：主电路设计与元器件的选择；软件设计；（5）第十三周至第十四周：装置工艺设计；（6）第十五周至第十六周：装置调试与实验；（7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书（8）第二十周：毕业设计答辩目录摘要……………………1概述……………………1风力发电的电能变换装置及其工作原理…………………1风力发电的特点和风力发电机的系统……1风力发电的电能变换装置的组成…………2风力发电的电能变换装置的工作原理……4整流电路………………………52.1单相可控整流电路…………52.2三相可控整流电路…………72.3三相不可控整流电路………92.4直流滤波电路……………11蓄电池组……………………143.1蓄电池的种类和特性……………………143.2铅酸蓄电池的基本概念…………………143.3免维护铅酸蓄电池的特性………………173.4铅酸蓄电池的工作原理…………………18充电电路……………………194.1充放电装置的设计要求…………………194.2充放电控制过程分析……………………20斩波电路……………………225.1Cuk变换器工作原理………225.2有变压隔离器的Cuk变换器……………255.3DC/DC变换器主回路的线路结构…………275.4DC/DC的驱动电路…………28逆变电路……………………296.1换流方式…………………296.2电压型逆变电路…………306.3电流型逆变电路…………346.4PWM控制技术在逆变电路中的应用………36静态开关……………………387.1单继电器做静态开关……………………387.2电子式静态开关…………39控制检测保护电路…………428.1单相正弦脉宽调制(SPWM)电路…………428.2三相正弦脉宽调制(SPWM)电路…………458.3保护电路…………………46结束语………………………48致谢参考文献摘要风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生的新型能源，而且无污染，因此当今世界各国都把开发风力发电作为现代科技的新兴产业。本文主要研究风力发电的电能变换及其装置，介绍和比较各电力电子电路的特性，选择风力发电电能变换装置适合的电路，使风能通过整流，充电电路，蓄电池组的储能，逆变器电路和斩波电路再通过静态开关的切换和控制电路的控制检测保护电路的控制监测使其能够输出恒久稳定的电压，从而利用风力发电电能变换装置达到风力发电的要求和目标。关键词：风力发电电能变换整流逆变静态开关AbstractWindpowerisakindofregenerationnewenergysourceswhichsupplyisinexhaustibleandinexhaustible.Becauseofnopollution,allofthecountriestakethedevelopmentofwindpowerelectricityasmodernscienceandtechnologyofnewrisingestateinmoderntime.TheElectricpowertransformationanditsdevicesofthemainresearchinthistextwindpower,introductionwiththecharacteristicofeachelectricpowerelectronicselectriccircuit,choosetheelectriccircuitthatwindpowerelectricpowertransformationequipinkeepingwith,makewindenergypassedtocommutate,refreshtheelectriccircuit,storagebatteryacontrolforkeepingcan,changingmachineelectriccircuitwithanelectriccircuitagainpassingtheswitchofstaticstatecuttingoverwithcontrollingelectriccircuitexaminationprotectionthecontroloftheelectriccircuitmonitorstomakeitscanoutputtheendurableandstableelectricvoltage,frombutmakeuseofthewindpowerelectricpowertransformationequiptoattaintherequestofthewindpowerwithtarget.Keywords:TheWindPowerElectric,PowerTransformationCommutates,Rectification,Inversion,StaticStateSwitching第1章风力发电的电能变换装置及其工作原理1.1风力发电的特点和风力发电机的系统1.1.1风力发电的特点由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在三个方面：(1)风能的随机性风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的。(2)风力机转动惯量大风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做的很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在20m～60m之间。显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量。风力机与发电机之间的柔性连接为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率（理论极限值是0.59）的限制，叶尖速率比不λ可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。(4)异步发电机目前，大规模的风力发电机系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定，风能的变化将引起异步发电机转差的变化，相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化，这将导致系统，特别是风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展，新型的风力发电机可以选用变速恒频交流励磁双馈发电机，则无须配备补偿电容器组。这种交流励磁双馈发电机不仅能发有功功率，而且还能发无功功率，且能方便地调节有功功率，使得风力发电系统具有良好的性能1.1.2风力发电机的系统目前风力发电机技术越来越得到风力发电工作者的注意，因此都考虑采用交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统。变速恒频风力发电机采用采用双馈型发电机，它与饶县型感应电机相似，其定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流(如图1.1所示)。低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度wS与转子机械转速wr相加等于定子磁场的同步转速w1，即w1=wr+wS，从而发电机定子感应出共频电压。当风速变化引起发电机转速wr变化时，改变转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速ws，可是定子旋转磁场w1保持恒定，达到变速恒定的目的。图1.1交流励磁双馈风力发电机原理图由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此图1.1中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机运行时，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，变速运行的范围比较宽。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。1.2风力发电的电能变换装置的组成风力发电的电能变换装置主要由输入整流电路、蓄电池组、充电电路、斩波电路、逆变器电路、静态开关和控制检测保护电路七个部分组成。1.2.1输入整流电路整流电路主要是将交流电变为直流电，在风力发电的电能变换装置中，蓄电池组、逆变器及其控制电路均需要直流电，因此，整流电路的主要作用就是将交流电变为直流电为其提供稳定的直流电，保持电压稳定的输出以及抑制电网的干扰信号。1.2.2蓄电池组蓄电池组是风力发电电能变换装置的心脏，没有蓄电池组的装置只能称作交流稳压稳频电源。目前在不间断供电中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。当风力发电正常时，蓄电池由直流电源对其充电，将电能转换成化学能而储存起来；当风力发电供应中断时，装置用储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给系统使用，因此蓄电池是一种可逆电源。目前在中小型风力发电电能变换装置中广泛使用的是所谓的免维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格较贵，一般占UPS总生产成本的1/4～2/5。在返修的UPS中，由于蓄电池的故障而引起的风力发电电能变换装置不能正常工作的比例占1/3。由此可见，正确的使用并维护好蓄电池组，对延长蓄电池使用寿命极大，如果正确使用，蓄电池的寿命一般可达到3～5年。1.2.3充电电路风力发电电能变换装置中充电电路将蓄电池放电后损失的能量重新补充，一般充电电路是独立于逆变器而工作的，也就是说即使不用逆变器，只要将电源接通，充电电路就可以工作。在充电过程中，充电器的控制电路检测整流充电过程，一般在充电阶段是恒流充电过程，随着电池电压的上升，当蓄电池的电压达到浮充电压以后，充电器工作在恒压阶段，直到电池被充满。因此，充电电路的反馈回路一般有两个，一个作为电流反馈，另一个是电压反馈。主电路一般采用开关型电路，其类型一般有降压电路和升压电路两种。这些电路称为基本充电电路。为了减少充电时间，各种快速充电电路在风力发电电能变换装置中也得到了应用。1.2.4斩波电路风力发电电能变换装置中的斩波器即DC/DC，就是利用晶闸管或自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值。它具有效率高、体积小、重量轻、成本底等优点，现在广泛地用于USP和风力发电电能变换装置的直流—直流变换器和功率因数校正电路中，对整流电压或蓄电池电压进行升、降压和稳压。1.2.5逆变器电路风力发电电能变换装置逆变器的功能是将风力发电整流所得的直流电压或蓄电池电压逆变成频率稳定、电压稳定、波形失真小的交流电压。目前在风力发电电能变换装置的逆变器中，逆变原理普遍采用脉宽调制技术（SPWM技术）及波形叠加技术，该波形经过LC低通滤波器滤波得到标准正弦波。1.2.6静态开关静态开关是风力发电电能变换装置的保护设备和供电转换器件，它一方面保护装置和负载，另一方面作为风力发电和蓄电池供电的转换器件。由于静态开关转换时间很短，因此在转换过程中不会出现间断。在风力发电电能变换装置一般采用一对反向并联的快速可控硅作为静态开关。1.2.7控制检测保护电路控制检测保护电路主要由保护、监测和报警电路组成。控制电路是风力发电电能变换装置的神经中枢，其输出电压精度高低、波形失真大小以及长期工作可靠性的高低均与控制电路密切相关。为了使装置可靠工作，应具有较为完善的保护电路，一般的风力发电电能变换装置都具有电池电压过低自动保护、逆变器输出过载或短路自动保护电路、逆变器过压输出自动保护电路、输入电压过高自动保护电路等保护电路。监测和报警电路则是为了随时的掌握和了解装置的工作状态和运行情况。1.3风力发电的电能变换装置的工作原理风力发电电能变换装置原理:①当风力发电正常时，输出电压经过整流滤波电路，一路经过斩波器给逆变器提供电压，逆变器输出变压器和输出滤波电路将SPWM波形变换成隔离的纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。这种工作状态时，静态开关切换到逆变器。风电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并且由逆变器来完成稳压和频率跟踪的功能。②当风力发电不足或输出故障或输出过载时，工作在后备状态，静态开关仍然切换到逆变器端，由蓄电池经逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压通过静态开关输出到负载。③在风力发电正常，逆变器出现故障或输出过载时，装置工作在旁路状态，静态开关切换到市电直接给负载供电。如果静态开关的转换是由逆变器故障引起，装置会发出报警信号；如果是由过载引起，当过载消失以后，静态开关重新切换回逆变器端。整流电路DC/DC蓄电池组充电电路逆变电路静态开关控制检测保护电路输入输出整流电路DC/DC蓄电池组充电电路逆变电路静态开关控制检测保护电路输入输出控制电路图1.2风力发电电能变换装置框图第2章整流电路整流电路是电力电子电路中出现的最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。整流电路主要的分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。2.1单相可控整流电路单相可控整流电路的交流侧接单相电源，它包括半波可控整流、全波可控整流、桥式全控整流和桥式半控整流。2.1.1单相半波可控整流单相半波整流电路，是电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，支流输出电压Ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在正半周内出现，所以叫半波整流。如图所示2.1。图2.1单相半波可控整流电路及波形半波整流在负载R上的直流电压U的数值，为半波电压在整个周期的平均电压值，即：半波整流中，流过整流元件的平均电流Id与流过阻感负载的直流电流Ir相等，即：式中，；整流元件承受的最大反向电压U反，就是变压器次级电压U2的最大值，即：U反=2.1.2单相全波整流电路单相全波整流电路，由两个单相半波整流电路组合而成,由于加在负载上的电压有两个波，包括了电源电压的整流波形，所以叫做全波整流。变压器次级有个中心抽头，上下两部分匝数相等，即变压器的输出电压U2与U2/的大小相等，相位相反，彼此相差180o。如图所示2.2。图2.2单相全波可控整流电路及波形单相全波整流电路，在负载电阻R上得到的单方向的半波电压是半波整流电路的2倍，因为两个整流元件是轮流导通的，所以流过每个整流元件的电流只有负载电流的一半，然而，加在整流元件上的反向电压，却比半波整流增加了一倍，也就是说，在单相全波整流中，每个整流元件所承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍。2.1.3单相桥式全控整流电路在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为。如图所示2.3。图2.3单相桥式全控整流电路及波形由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高，整流电压平均值为：当电路中带有阻感负载时，电感的存在使负载电流不能突变，对负载电流起平波作用，其电压平均值为：2.1.4单相桥式半控整流电路在单相桥式半控电路中，每个导电回路中只需1个晶闸管导通以控制导电回路，另1个则用1个二极管代替，从而简化整个电路。如图所示2.4。图2.4单相桥式半控整流电路及波形半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，在电感负载工作时，当α处给晶闸管VT1加触发脉冲时，u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但电流不再流过变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此时，ud=0,不像全控桥电路那样出现负值。当α突然增大至180o或触发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的失控现象，因此在电路中加设续流二极管VDR以避免此失控现象，同时，续流期导电回路中只有一个管压降，少了一次管压降，有利于降低损耗。2.2三相可控整流电路当整流负载容量教大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。在三相控整流电路中，应用最为广泛的就是三相桥式全控整流电路，以及双反星形可控整流电路，均可在三相半波的基础上进行分析。一般三相桥式整流电路是由三相输入变压器、六只整流二极管、及负载组成，三相变压器的初级和次级既可接成星形，也可接成三角形。这里主要介绍三相桥式全控整流电路，其电路和波形如图所示2.5。图2.5三相桥式全控整流电路及波形目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。当电路中带有电阻负载时，三相桥式全控整流电路在每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同1相的晶闸管。6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60。；共阴极组的脉冲依次差120。，共阳极组也依次差120。；同一相的上下两个桥臂的脉冲相差180。。整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流续流时，同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲，以确保电路的正常工作。当电路中带有阻感负载时，α≤60。时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于得到的负载电流id波形不同，阻感负载时由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，近似为一条水平线。当α>60。时，阻感负载由于电感L的作用，ud的波形会出现负的部分。若电感L足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90。。当α≤60。时，整流输出电压平均值为：当α>60。时,整流电压平均值为：三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为：；2.3三相不可控整流电路在三相不控整流电路中，使用最多的也是三相桥式整流电路，一般三相桥式整流电路是由三相输入变压器、六只整流二极管、及负载组成。三相桥式不控整流电路与三相桥式可控整流电路的区别在于可控整流电路可以通过触发脉冲来控制触发角从而达到控制电压大小的目的。但在风力发电电能变换装置中，要将风能尽可能的转化为电能，因此选用三相不可控整流电路，因为三相不可控整流电路是直接由电流来控制二极管导通的，不用考虑触发角的问题。三相桥式不可控整流电路和波形如图2.6所示。图2.6三相桥式不控整流电路及其波形从图中可以看出：在t1～t2时间内，变压器次级a相电压与b相电压的差值最大，因此整流二极管VD1、VD2导通，其通路为a→b→VD1→R→VD2→b，其他整流元件受反向电压作用而不导通，整流器的输出电压为变压器次级电压uab。在t2～t3时间内，a相电压虽然仍为正值，且与t1～t2时间内电压值大小一样（变化的趋势则不相同），但b相电压已经高于c相电压，所以此时是a相电压与c相电压的差值最大，因此D4截止，VD1、VD6导通，其通路为a→VD1→R→VD6→b，其他整流元件则受到反向电压作用而不导通，整流输出电压为变压器次级电压uca。在t3～t4时间内，b相电压为正值，c相电压为负值，线电压ubc最大，因此整流元件VD3与VD6导通，其他整流元件则受到反向电压作用而不导通，整流输出为线电压ubc。依次类推，负载R上得到的脉动直流电压U在一个周期内，有6次为变压器次级电压的线电压值，而每一次的线电压均为两相相电压之和，即故在任意时间里，整流电压的瞬时值等于对应的两相电压瞬时值之和。因此可得：即：从图中还可以看出任何时间里均由两个整流元件串联导通，而在一个周期里，每个整流元件只导通一次，连续导通时间为2π/3，所以通过每个整流元件的平均电流Icp为负载电流IR的1/3，即:而加在整流元件上的最大反向电压为变压器的次级电压的线电压uab（或ubc或uca），即:2.4直流滤波电路整流电路将交流电变成直流电，并不是一个纯粹的直流电压，而是一个脉动的直流电压，它除了直流成分外，还包括着不同频率、不同振幅的交流成分（通常称为谐波）。也就是说，整流器输出的电压，可以看成的一个直流成分和多个不同交流成分之和，而且频率越低者，振幅越大，频率愈高者，振幅愈小。人们通常说交流成分的大小，就是指最低次谐波或基波的大小，交流成分越大，对设备的干扰也越大。滤波电路是接在整流电路之后，起着减少交流成分，有使整流器输出的脉动电流变成平滑的直流电流（仍包括一定的交流成分）的作用。滤波电路一般由电感线圈、电容器、电阻等电气元件组合而成。常用的滤波电路有电容滤波电路、L型滤波电路、π型滤波电路、RC滤波电路等。2.4.1电容滤波电路C电容滤波电路是利用电容器对直流不能通过，而对交流成分呈现较小的阻抗，以达到短路交流，减少整流器的输出电压脉动成分的目的而且电容器越大，效果越好。当然，电容器大了以后，为防止加电瞬间电容器的过大充电电流，在电路设计时必须采用限流措施。电容滤波电路如图所示2.7。图2.7C2.4.2L型滤波电路RLCLRLCL图2.8L形滤波电路L型滤波电路利用扼流圈L对脉动电流的交流成分产生较大的衰减，而电容又对交流成分旁路的特点，使电容电感相互配合，大大改善滤波效果。L型滤波电路的滤波效果，主要取决于LC的乘积，即LC愈大，滤波效果愈好。2.4.3π型滤波电路由电感，电容器组成π型滤波电路，其电路如图所示2.9RLCL1L2RLCL1L2π型滤波电路的滤波效果，等于整流器输出电压中的脉动交流成分先由电容器旁路，再经L型滤波器将其部分进行衰减。因此，它是各类无源滤波电路中滤波效果中最好的一种。2.4.4RC滤波电路将L型滤波电路或π型滤波电路中的电感L用电阻R代替，即由电阻R和电容器C组成的滤波电路，称RC滤波器。其电路如图所示2.10。RC滤波电路在自动控制电路与小功率整流电路中经常用到，因为它不需要体积大、绕线麻烦的电感线圈L。RC滤波电路的滤波效果取决于电阻R和电容器的大小，电阻R、电容器C愈大则滤波效果愈好。但电阻R和电容器C不能过大，因为电容器C值过大则体积和重量增大，成本提高。电阻R太大，在电阻R上的损耗也大。因此，要综合考虑。为了能较好地旁路交流电流，一般满足1/mωC<<R(m为整流相数，对于单相全波与单相桥式整流电路：m=2，对于三相半波整流电路：m=3，对于三相桥式整流电路：m=6)。因此风力发电电能变换装置的选用该滤波电路作为三相不可控整流电路的滤波电路，在电路中选用1000Ω的电阻，在“速度相等”恰好发生，则可得：因为RLC1RLC1C2RRLCR图2.10RC滤波电路第3章蓄电池组3.1蓄电池的种类和特性蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指能将化学能直接转换为电能的装置。一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池可以多次反复使用。当蓄电池使用一段时间后，即部分放电或完全放电，用适当的反向电流通入电池，则蓄电池可以再次将电能转化为化学靛储存起来。这种反向充电补充能量的过程即是电池充电过程，而电池将自身的能量以电能的形式供给外线路的过程即放电过程。目前主要的蓄电池有多种，如：密封铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等。这四种蓄电池具有相同的功能就是为最终产品提供可补充的电能，但不同的电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同的。各种不同电池的特性如表格3.1所示：特性铅酸蓄电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池能量Wh/Kg密度30406090能量Wh/l密度60100140210单电池电压(V)2.01.21.23.6(平均)放电曲线缓慢倾斜平直平直倾斜自放电30%/月15%/月20%/月6%/月内阻低最低中最高放电阻率<5C>10C<3C<2C表格3.1各种蓄电池的特性比较选择蓄电池的主要依据是电池的能量密度、电池的容量及电压等级的选取，它们决定了电池为负载提供电能的速度和大小。对于放电速率要求不高的产品，如便携式计算机、蜂窝电话机和手提式视频设备，可以使用镍金属氧化物电池和锂离子电池。因为它们具有较大的内阻，从而限制了峰值放电电流，使它们比较适用子长期电流消耗要求较小的产品。而密封铅酸蓄电池和镍镉电池由子内阻较小，可以提供较大的电流，所以适用子放电速率要求较高的产品。因此，在风力发电的电能变换装置中，选用铅酸蓄电池。3.2铅酸蓄电池的基本概念由于蓄电池的充电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解本课题，本节将简要介绍铅酸蓄电池有关的一些知识。1.电池容量电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，它指蓄电池充足电后放电到终止电压时所输出的电量，也就是在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量，因此，电池越大，它的容量越高。电池容量用C表示，其单位用Ah、mAh表示。2.充电速率和放电速率为了对不同容量的电池加以比较，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池的额定容量C和放电时间t的比来表示，称为电池的充电速率或放电倍率。例如一个额定容量C为100Ah的电池，充电2小时后，电池完全充满，则它的充电电流为：I=C/2=0.5C（A）(3.l)即它的充电速率为0.5C：若用1O小时就达到充满状态，则它的充电电流为：I=C/10=0.1C（A）(3.2)即它的充电速率为0.1C。放电速率的描述和充电速率相同。3.充电终止电压和放电终止电压蓄电池充足电时，极板上的活性物质己达到保护状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压后继续放电，电池两段电压会迅速下降，形成过放电。这极易对电池造成永久性损害，影响蓄电池的使用寿命。放电终止电压和放电率有关。4.电池的过充电当高速率充电而又不能及时地在满充电后结束充电过程，电池则很容易存在大电流过充电的问题。过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成对电池的损害。这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会增大电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使电池温度迅速上升。因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电。这是因为电池在低电流过充电时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散发，基本上不会对电池造成伤害。5.电池的内阻当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻，这个内阻与其它电源的内阻有所不同，它包含两个部分，即：R＝RO十RN(3.3)其中RO为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量；RN是由干电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为极化电阻或假电阻，其值与流过电池的电流强度有关，电流越大，RN越大。6.电池的极化现象由干蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其它电源有所不同。该值与蓄电池的工作状态有关，它一般有三种状态的值：1.当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电压；2.当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压；3.电池放电时测得的电压称为放电电压。这三种状态的电压具有下述特点：充电电压高干开路电压，而且随着充电时间的增加而略有升高；放电电压则低于开路电压，而且随着放电时问的增加而略有降低，这种现象称为电池的极化。这种现象的产主，主要是因为一般的密封式蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小部分，当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极饭上，使得电池内部压力增大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板的板面积，表现为电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。上面提到的蓄电池的极化电阻正是由子电池的极化现象所表现出来的。当充电速率较低时，充电时所产生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般不会对电池造成很大的伤害；当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的。它不仅使电池发热，而且降低了电池的效率，同时也加速了电池的老化。7.电池的老化电池的老化是指另外一种现象：电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约5％～10％，接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的80％时，就可以认为电池的寿命基本结束了。8.循环寿命循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电循环的次数，通常用宋定义蓄电池的使用寿命。根据前面所介绍的放电深度的概念中可以看出，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。9.自放电现象当电池处于闲置不用（非工作状态）时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。自放电的大小一般用单位时间的电池容量下降的百分比来表示，见公式2-4：自放电＝[（Q0-Qr）/Q0]*100％(3.4)其中，Q。为蓄电池在规定条件下的容量，Qr为电池存储一段时间后，在同样规定条件下的容量。自放电通常与环境温度有密切关系。但环境温度较高时，电池的自放电现象比较明显。所以电池应在适宜的温度和适度下保存。自放电一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池的自放电相对镍镉电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达30％左右。考虑到这一点，在设计蓄电池充电装置时，应在电池长时间不用的情况下对电池进行补充充电。3.3免维护铅酸蓄电池的特性3.3.1免维护铅酸蓄电池的特点与普通蓄电池相比，免维护铅酸蓄电池具有以下特点：(1)由于是全密封结构，使用中不会发主漏液现象，充电时几乎不产主酸雾或其它有害气体，在寿命期内无需加液，真正做到了免维护，十分适合于无人值守变电的运行。(2)自放电速率也较小。(3)有良好的放电性能。由子采用了先进的工艺和配方，其高倍率放电性能明显优于旧式开口铅酸蓄电池，而接近于中倍率镍镉电池的水平，可以满足电磁式操作机构的合闸要求。(4)使用寿命长。由子采用了耐腐蚀的铅钙合金板栅，其寿命要高于铅酸蓄电池，而与镍镉电池相当。一般50Ah/12V蓄电池浮充设计寿命可达5年，100Ah/12V蓄电池在7年左右，300Ah/2V蓄电池浮充设计寿命可达10～15年。对于不同蓄电池生产厂家，蓄电池的浮充设计寿命也会不同。3.3.2铅酸蓄电池的充放电特性1.充电特性充电过程通常要完成两个任务，首先是使电池恢复额定容量，另一个是补充电池因自放电而产生的容量损失，以维持电池的额定电量。常温下的最佳浮充电压约为2.25V/单体。电池充足电后，维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的电压。这就是说，电池充足电后，充电装置应输出恒定的浮充电压（2.25V/单体）。图3.2是按10小时率额定容量50％及100％放电后的恒压限流充电的充电特性图。放电后的蓄电池充满电所需时间随放电量、充电初期电流、温度而变化。如图3.2中100％放电后的电池在250C时进行恒压限流充电（电压为2.25V/单体、电流为0.1C10），24小时时左右可以充电至放电量100％以上。浮充电压不能过高，以免因严重过充电而缩短电池的寿命。采用适当的浮充电压，免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5％时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。图3.2铅酸蓄电池的充电特性2．放电特性放电电流越小放电容量越大；反之，放电电流越大放电容量越小。放电容量还会随着环境温度的降低而减少。图3.3为250C温度下01C10-2.OC10的放电电流放电至终止电压时的恒流放电特性图。图3.3铅酸蓄电池的放电特性3.4铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池由正极板（二氧化铅）、负极板(海棉状铅)以及电解液（硫酸）组成。充电时，硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度增大；放电时，正极板的二氧化铅和负极板的铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅，电解液中的浓度降低。在充放电状态下，铅酸蓄电池的正、负极板上在进行不同的化学反应，产生正负离子形成电流，称为成流反应。正极的成流反应为公式3.5：PbO2＋3H+＋HSO4－＋2e=PbSO4＋2H2O(3.5)负极的成流反应为公式3.6：Pb＋HSO4-=PhSO4＋2e＋H+(3.6)电池的总反应如公式3.7：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O(3.7)反应的中间过程可以表示如公式3.8和公式3.9，式中左方向为放电反应，右方向为充电反应。PbPb2++2е(3.8)Pb2++HSO4-PbSO4+H+(3.9)对于老式铅酸式蓄电池，其中电解液中的水分，在浮动充电及均衡充电末期都会产生电解分离反应而被电解成氢气和氧气，这些氢气和氧气将慢慢消失在空气中。因此每隔一定时间必须对蓄电池进行定期补水，以补充电解液中水分的损夫，否则蓄电池中的电解液浓度将大大超过规定值。对于免维护铅酸蓄电池，它采用了先进的阴极吸收式密封技术，可把这种定期补水的间隔时间延长到五年以上。生成的氧气在电场作用下移向电池组的阴极，在阴极催化剂的作用下，重新与氢气化合成水。在理想的工作状态下，它可维持蓄电池的电解液中水的含量保持不变，为了使得电池内部的这种气体阴极吸收方式能够充分进行，它要求在电解过程中水的电解反应要尽可能进行的缓慢，还要求电池内部的阳极、阴极及中间隔离板的结构必须易于气体通过和传输。因此，要想提高电池的使用寿命，必须严格遵循充电电流不得超过电池所允许的最大充电电流的规定，过大的充电电流会导致蓄电池使用寿命的缩短。第4章充电电路无论在变电站还是发电厂，直流电源系统都是一种重要的装备。它既可作为正常运行时的操作（合闸等）电源，又可作为事故停电后的后备电源，在变电站的安全运行中起着不可替代的作用。因而对直流供电系统进行不断的研究、改造，使之更加完善、可靠是一项重要工作。蓄电池充电装置是直流电源系统的核心部件之一，其性能的优劣直接决定了直流电源的水平。人们对充电装置的要求主要有两方面：其一是要有较高的性能指标，如由平均无故障运行时间所表达的可靠性，由稳压稳流精度、动态调整速度及纹波系数等所表达的动、静态特性；其二是要有较为完善的自我检测与控制功能，有较高的智能水平，可以根据蓄电池的特性和用户的具体需要，选择最佳的充电规律，以提高蓄电池的蓄电容量和使用寿命。并能对充电电压、电流，进行监视、显示等。后者正是智能充电装置的控制器要完成的功能。4.1充放电装置的设计要求4.1.1装置的基本功能①.实时监控蓄电池的充电电压和充电电流。②.实时监测蓄电池组的环境温度。③.具有掉电记忆保护功能。④.具有恒流放电的功能。⑤.充电过程可以在控制器的控制下智能地快速地完成。4.1.2装置的设计技术指标根据实际需要，本装置应该在一定的使用条件下按要求的技术指标对免维护铅酸蓄电池进行理想的快速充电：⑴.电网频率波动范围不超过额定值的士2％；⑵.输出电压：DC10V～300V；⑶.输出电流：5A～10OA，连续可调；4.2充放电控制过程分析4.2.1铅酸蓄电池的充电工艺要求1.充电电流应小于或等于蓄电池可接受充电电流。充电过程中，如果充电电流大于可接受充电电流，过剩的电流将以有害的负反应过程——电解水消耗掉。在大量析气的状态下，用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的10％（即浪费的电能超过了90％），这样既延长了工作时间，严重的析气也使正极板腐蚀，损坏了蓄电池。2.深放电后，充电参数的选择原则是防止过大的热冲击。蓄电池温度应不超过450C。3.防止充电不足。长期充电不足使得蓄电池容量下降，造成蓄电池的早期损坏。对存放中的电池和处于潺流充电过程中的电池，应定期进行活化充电。4.防止过充电。过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质要遭受气体的冲击，这种冲击会使活性物质脱落；此外，正极板栅合金也遭受严重的阳极氧化而腐蚀，所以电池过充电时会使用寿命缩短。4.2.2充电过程对于免维护铅酸蓄电池来讲，常用的充电方式有恒流限压和恒压限流两种充电方式，然而，单独采用其中的一种充电方式，没有动态跟踪电池的实际状态和可接受充电电流大小的技术，对免维护铅酸蓄电池的充电效果不是很理想。鉴于免维护铅酸蓄电池的充放电特性，我们采用微机控制的智能充电方法对兔维护铅酸蓄电池充电，这种方法是在模拟图4.l所示最佳充电曲线的基础上，动态跟踪电池可接受的充电电流，应用dV/dt技术，采用主充、均充和浮充三个阶段进行充电。充电系统由充电装置和被充蓄电池组组成二元闭环回路，充电装置根据电池的状态确定充电工艺参数，充电电流从始至终处在电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损伤。整个充电过程如图4.1所示。1.主充当系统检测到蓄电池亏电时，首先以恒流方式充电。为了避免产生剧烈的化学反应而影响寿命，主充时的充电电流一般采用0.1倍率制：IJ=0.1C(4.1)式中C——蓄电池组的容量我们知道，充电电流Id、充电电压Ud、蓄电池反电动势E和充电回路总电阻（主要是电池电阻）R之间具有以下关系：Id=(Ud-E)/R(4.2)由干回路电阻R一般保持不变，电池反电动势E变化缓慢，因而，在某一时刻，改变充电电压Ud也就改变了充电电流Id。主充刚开始时，反电动势E较小，电压不需很高电流就能达到稳定值。随着充电的继续，反电动势不断升高，随着充电过程的进行，电池端电压不断升高，电压也需不断升高。当电池电压升至均充电压VJ（一般取2.40V/单体）时，就不能再升，否则可能造成过充而损坏电池。这时需进行限压充电，这就是恒流限压的含义。充电过程进入第二阶段。2.均充对于一组正在充电的蓄电池，虽然蓄电池组的所有电池都处在同样条件下运行，但由于某种原因，有可能造成全组电池不均衡。在这种情况下，应采用均衡的方法来消除电池之间的差别，以达到全组电池的均衡。实验表明，以恒流方式充电到限压点时，只能充进约80％的容量。后要利用均衡充电方式来进行补充充电,限压值一般取：VJ=2.40n(4.3)式中n——蓄电池的节数随着限压充电的进行，电池电流也随之逐渐减低。当充电电流降低到浮充电流IF时，电池巳基本充满，其中：IF=0..01C(4.4)这时开始计时，3h（时间可由用户设定）后，装置转入浮充阶段。均充阶段实际是用小电流（约20h率的电流）进行lh～3h的过充电过程。3.浮充低压小电流充电阶段，以补充电池的自然放电。浮充时，须将充电电压稳定在蓄电池的额定电压附近(比主充最高限压VJ要低）。因而，充电电流与主充时相比很小。但是，由于工作情况的复杂性，浮充时也有电流较高的可能（如电池严重亏电、漏电。负荷过重等）。这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使电压降低，待电流降低、电压升起后再稳压，这就是恒压限流的含义。图4.1三阶段充电曲线浮充电压为VF：VF=2.25n(4.5)第5章斩波电路直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况。DC/DC变换器类有四种基本类型；降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路。由于Cuk变换器可使输入电流和输出电流连续，而且通过将输人输出电感偶合，可以达到“零纹波”，使体积小型化。因此，本课题的风力发电电能变换装置的DC/DC电路单元采用Cuk变换器。5.1Cuk变换器工作原理：Cuk变换电路是用设计者命名的，这中变换电路是对降压-升压变换电路应用对偶原理而得到的。类似于降压-升压变换电路，Cuk变换电路提供一个相对于输入电压公共端为负极性的可调输出电压。这里，电容器C1用于储存来自输入端的能量并将能量转移输出端。图5.1Cuk变换器及其输入输出电流波形由晶体管、二极管构成的Cuk线路如图5.1(a)所示。5.1(b)为流经二个电感的电流波形。图5.2Cuk变换器中电流和电压的分配能量的储存和传递是同时在两个开关期间（即Ton和Toff）和两个环路中进行的，如图5-2所示。设晶体管开关周期为Ts，导通期为Ton=Dts，截止期为Toff=（1-D1）Ts，D1=Ton/Ts为导通占空比。当经过若干周期进入稳态后：①在Ton期间，如图5.2(a)所示。此时Tr导通，把输入输出环路闭合。D反偏而截止，这时输入电流i1使L1储能；C的放电电流i2使L2储能，已供电给负载。Tr中流过输入、输出电流之和。②在Toff期间，如图5.2(b)所示。Tr截止，D正偏而导通，将输入输出环路闭合。这时电源输入和L1的释能电流i1向C充电，同时L2的释能电流i2、以维持负载。流过D的电流亦为输入、输出电流之和。由此可见，这个电路无论在Ton及Toff期间，都从输入向输出传递功率。只需输入输出电感L1、L2及耦合电容C足够大，则L1及L2中的电流基本上是恒定的。在Toff期间，输入电流i1使C充电储能；在Ton期间，C向负载放电释能。因此，C是个能量的传递元件。图5.2进入稳态后，工作波形如图5.3(a)(b)所示。(a)为连续工作模式(b)为不连续工作模式。分析时，设电容C上的电压Vc的纹波与其平均值之比是很小的。这样Vc可认为是恒定电压。又由于稳态时，电感L1和电感L2电压Vl1和Vl2的平均值为零，所以在Vs、L1、C、L2、Vo回路中有：Vc=Vs+Vo当晶体管Tr的be端加正脉冲时，Vtr电压为0，在Vs作用下il1线性上升，L4两端电压为Vs。另外电容C通过Tr放电。电流il2也线性上升，这时L2上的电压Via是电容C电压与Vo的差值，考虑到式Vc=Vs+Vo，其差值为Vs+VoVo=Vs上述二个电流之和iL1+iL2流过晶体管的集电极。上面所述作用过程示于图5.3(a)的Dts区间。当VBE消失时，晶体管电压VTr上升，由于二极管导通Vd＝0，并使VTr端压等于VC；流经L1的电流iL1线性下降，VL1反向。其值大小，同样考虑式VC＝Vs＋V0。观察Vs、L1、C、D回路，VL1是VC与Vs决定的。故VL1＝VS+V0-VS＝V0；VL2电压由子D的导通，与V0相等；晶体管截止，二极管D导通流过iL1+iL2电流。上述的作用过程示于图5.3(a)的D2TS区间。根据上述原理，不难理解不连续工作模式时的波形图5.3(b)，它们差别只在于二极管、晶体管在电流不连续时出现了电压为VO值的一个阶段。图5.3Cuk变换器稳态图5.2有变压隔离器的Cuk变换器为了将输入与输出隔离，增大输入、输出的变比以及实现多路输出，可在Cuk变换器的基础出上引人一个变压隔离器来解决，方法分为以下三步：(l)将C分成两个串联的电容Ca及Cb(2)在Ca及Cb的连接点与Vs的地之间接一个电感，如这个电感足够大，则从Ca及Cb的连点流入这电感的电流就可以忽略。这样，Cuk变换器的工作点不会受到影响。(3)这外接电感分成两个匝数相同的绕组并联而成，当把它们分开后，各接向一边，从而使输入与输出之间变压幅离，其结果如图5.4所示。图5.4有隔离变压器的Cuk变换器因为用的是1：l的变压隔离器，且Ca＝Cb=2C所以输入和输出电路中的电压和电流，与原始非隔离型完全相同。唯一不同的是现在的环路变成了两个。这种隔离方法的显著特点，是变压器的两个绕组被Ca及Cb隔离了直流，原、副边绕组均无直流通过，因此磁芯不需加空隙。其体积小。能量的储存和传递同时在开通和关断期间进行，如图5.5所示。当经过若于周期进入稳态后，则：图5.5有隔离Cuk变换器中电流与电压(l)在TCN期间，如图5.5(a)所示。Tr导通，将输入输出环路闭合，D反偏而截止。这时，电源输入电流i1使L1储能；同时Ca的放电电流i2流经原边LP，在逼边LS有个相等的感应电流i2，它和Cb一起供L2储能，并供电给负载。开关管Tr中流过输入输出电流之和，即i=i1+i2。(2)在TOFF期间，如图5.5(b)所示，Tr截止，D正偏导通，将输入输出环路闭合。这时，电源输入和L1释能电流i1；流经初级LP向Ca充电，在次级LS有个相等的感应电流i1使Cb充电同时输出电感L2的释能电流i2供电给负载，续流二级管D流出电流之和，即i＝i1+i2。由此可见，有隔离Cuk变换器也和原始Cuk变换器一样，无论TCN期间还是在ToFF期间，都从输入向输出传递功率，而不像其它单端变热器哪样，只在其中一个期间才从输入向输出传递功率。有变压隔离器的CuK变换器及其脉冲控制电路简单，所需元件少，效率高，体积、重量、铁耗、铜耗及成本均较小。5.3DC/DC变换器主回路的线路结构本系统设计的DC/DC变换器（最大功率控制器）的变换器的开关器件选用MOSFEI（2SK179，最大定额VDS=500V，VGS＝士20V，ID=15A）斩波频率设定为200KHZ。所用太阳能电池的额定数据为：峰瓦值30WP，短路电流1．9A，开路电压20.7V；太阳电池组为八串，总电压最高160V。负荷则用RL＝33Ω的固定电阻。从太阳能电池侧来看负荷电路，DC／DC变换器的电抗L十分大，且假定二极管和MOSFET的正向电压降很小，则系统可简化如图5.6的等值电路。图5.6风能发电系统简化等恒电路等值电路电阻RL’和实际负荷电阻RL之间的关系可用流通率a来表示：RL＝a2RL'由上式可知，a的控制可等效的看成是把负荷电阻连续地变化。对干降压变换器通流率a可在0-1的范围内变化。图5.7实验用的风能电池输出特牲5.4DC/DC的驱动电路随着MOS功率器件的发展，开关电源的工作频率从20KHz提高到20KHZ以上，随之PWM集成电路也有很大的发展。单片机8098虽然自带PWM输出端，但其频率较低（系统时钟频率为12MHZ时，PWM波输出频率鸟f＝15．6kHZ0）。从图5.6可知，风能发电最大功率控制的DC/DC变换器是由单片机系统输出控制电压控制专用PWM驱动IC:SG3525A来驱动的。SG525A是用于驱动N沟道MOSFRT管的第二代脉冲宽度控制器，它的功能方框图见图5.8。图5.8SG3525A方框原理图SG3525A主要工作情况如下：15脚：电源电压正端，电压范围8至40V。12脚：公共端，接电源负端。13脚：输出5V电压。6脚：外接定时电容，Rr=2～150kV。5脚：外接定时电容。Cr=1000PF～0.1μF，振荡频率范围100HZ（Rr=200kΩ，Cr=0.1μF时）至400kHz（Rr=2kΩ、。Cr=470PF时）。4脚：振荡器输出。3脚：振荡器外同步。11脚；输出Al4脚．输出B。输出端为图腾式，属于低阻抗输出，适合用于驱动MOS功率管。集电极13脚开路，可用外接单独的电源，使3525A的输出驱动脉冲幅度符合开关管的要求。l脚；误差放犬器反相输入端。2脚：误差同相输入端。9脚：外接误差放大器的补偿网络。误差放犬器用于外接反馈电压，并与外接基准电压相比铰，实现调宽稳压的目的。8脚：软启动端，可外接一只电容。该电容由内部VREF的50μA恒流源充电。10脚：关断端，用于电源保护。7脚：与5角外接电阻用于控制死区电压。了解3525A之后再来看回图氖41的电路。SG525A输出频率约为200kHz。直接单端驱动MOS功率管。MOS管的阈限电压约为3V左右，低于该值对MOS管不能导通。但通常要求驱动电压峰值为10～15V，保证开关管饱和。驱动电压不得超过20V，以免G．S极间击穿。MOS的一大特点是输入电阻极高，但同时其输入电容也很大（几千PF），所以仍然要用低阻抗电路驱动，使Cgs在死区时间内能快速放电。SG3525A通过辅助电源由电网直接供电。在此应用中，将IC的8脚的软启动端接一个三极管，控制三极管的导通,就可控制8脚的电压，即就可直接控制SG3525A输出的PWM波的占空比（0～约50%）。第6章逆变器电路与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。在不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路。逆变电路的应用非常广泛。在风力发电电能变换装置中，蓄电池组是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置中，起电路核心部分都是逆变电路。逆变电路的基本工作原理是在电路中通过两组开关的闭合和断开改变负载的电压方向，使负载电压为正或为负，从而将直流电变成了交流电，通过改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。6.1换流方式换流是指交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移的过程，通常也被称为换相。换流方式在逆变电路中占有突出的地位。6.1.1换流方式的分类在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同。全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。一般来说，要在晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。以为使器件关断，主要是使晶闸管关断要比使其开通复杂得多，因此，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。一般来说，换流方式可分为以下几种：1.器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流是负载呈现容性，因而也可以实现负载换流。4.强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。在强迫换流方式中，由换流电路内电容直接提供换流电压的方式称为直接藕合式强迫换流。6.2电压型逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。电压型逆变电路有以下主要特点：1)直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压的波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3)当交流侧为阻感负载时需要提供无效功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。6.2.1单相电压型逆变电路1.半桥逆变电路半桥逆变电路原理图和波形如图6.1所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点。负载联接在直流电源中点和两个桥臂联接点之间。图6.1单相半桥电压型逆变电路及波形半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2,且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。2.全桥逆变电路电压型全桥逆变电路的原理图如图所示6.2。图6.2电压型全桥逆变电路它共有4个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另外一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180。。其输出电压Uo的波形和图6.1的半桥的波形Uo形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。把幅值为Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得：其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为：在带阻感负载时，可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调压输出电压脉冲的宽度。输出电压Uo不再是正负各为180。的脉冲，而是正负各位θ的脉冲。θ为V3比V1的基极信号落后的相位。3.带中心抽头变压器的逆变电路如图所示6.3。交替驱动两个IGBT，通过变压器的耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道。在Ud和负载参数相同，且变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比为1:1:1的情况下，该电路的输出电压Uo和输出电流的波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。图6.3带中心轴头变压器的逆变电路6.2.2三相电压型逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器的电压型三相桥式逆变电路图6.4所示。图6.4三相电压型逆变电路及波形三相桥式逆变电路的基本工作方式和单相半桥、全桥逆变电路相同，也是180。导电方式，即每个桥臂的导电角度为180。，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导角的角度依次是120。。这样，在任一瞬时，将有三个桥臂同时导通。因为每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。三相桥式逆变电路的输出线电压uUV展开成傅里叶级数得：式中，n=6k±1；k为自然数。输出线电压有效值UUV为：其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为：输出的负载相电压uUV展开成傅里叶级数得：式中，n=6k±1；k为自然数。输出负载相电压有效值UUV为：其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为：6.3电流型逆变电路如前所述，直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电路直流侧串联一个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可近似看成直流电流源。电流型逆变电路有以下主要特点：1)直流侧串联大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗教无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。6.3.1单相电流型逆变电路单相桥式电流型逆变电路（并联谐振式）及波形如图所示6.5电路由4个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器LT。LT用来限制晶闸管开通时的di/dt,各桥臂的LT之间不存在互感。该电路是采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。实际负载一般是电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢料。因为是电流型逆变电路，故其交流输出电流波形接近于矩形波，其中包含基波和各奇次谐波，而谐波幅值远小于基波。因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，因此负载电压的波形接近正弦波。展开成傅里叶级数可得：其基波电流有效值IO1为：图6.5单相桥式逆变电路及波形如果忽略电抗器Ld的损耗，则uAB的平均值应等于Ud。在忽略晶闸管压降，则：=一般情况下γ值较小，可近似认为，即可得：式中，ω为电路工作角频率；γ、β分别是tγ、tβ对应的电角度。φ是负载的功率因数角。6.3.2三相电流型逆变电路三相