三相風(fēng)力發(fā)電機控制電路設(shè)計

延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 張 雄 劉 斌 高 瑞 韋 強 王簫揚

0 引言

近年來，隨著各國對清潔可再生能源的重視，風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)迅猛增長，且日益增長的物質(zhì)需求對風(fēng)力發(fā)電的要求越來越高，電壓輸出的穩(wěn)定性，往往是人們關(guān)注的一個焦點。傳統(tǒng)的三相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)橋式整流電路，輸出直流電壓不穩(wěn)定，若給便攜式設(shè)備充電，則會造成設(shè)備電池的損壞，嚴重影響電池的使用壽命。為了解決上述問題，設(shè)計了一種可調(diào)穩(wěn)定輸出電壓的風(fēng)力發(fā)電電路。針對傳統(tǒng)的三相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出直流電壓不穩(wěn)定的問題，設(shè)計開發(fā)了一種通過控制轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定電壓輸出的電路，

1 風(fēng)力發(fā)電機控制電路

風(fēng)力發(fā)電機是根據(jù)電磁感應(yīng)定律將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，輸出的電能為交流電，而鋰電池充電需要直流電，這就要通過整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，同時為了保護鋰電池不被損壞并延長其壽命，通過控制電路以輸出穩(wěn)定的電壓和電流值，進而實現(xiàn)匹配給鋰電池穩(wěn)定的電壓和電流。風(fēng)力發(fā)電機工作流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機工作過程

風(fēng)力發(fā)電機是根據(jù)電磁感應(yīng)定律將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，電能主要是交流電，而鋰電池充電需要直流電，因此首先需要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。又由于鋰電池充電需要匹配穩(wěn)定的電壓和電流來保護鋰電池不被損壞，并延長其使用壽命，所以要通過控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速以固定的電壓和電流值輸出。

2 風(fēng)力發(fā)電機的電路原理設(shè)計

圖2 風(fēng)力發(fā)電機控制電路

控制電路的原理如圖2所示（與圖標(biāo)不一致），D3-D8是整流二極管組成全橋整流電路，實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)化，風(fēng)力發(fā)電機輸出三相交流電，在三相交流電的正半周D3，D4，D5（導(dǎo)通，D6，D7，D8截止，在后端網(wǎng)絡(luò)上得到一半波形整流電壓，在三相交流電的負半周，D3、D4、D5截止，D6，D7，D8導(dǎo)通，在后端網(wǎng)絡(luò)上得到另一半波形整流電壓，這樣就得到一個與全波整流相同的電壓波形。D2 IN4742是穩(wěn)壓管，保護NE555正常供電，此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。D2、D10是防止電流回流提高電路可靠性，如果風(fēng)力過小，導(dǎo)致電流回流，燒毀電路，造成不安全的隱患，VR1調(diào)節(jié)設(shè)置輸出電壓，可滿足多種電壓的調(diào)節(jié)，適用于多種設(shè)備的充電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機輸出經(jīng)整流后電壓小于設(shè)置電壓時Q2截止Q3導(dǎo)通，NE555輸出低電平，使得Q1截止可以將風(fēng)力發(fā)電機交流電經(jīng)整形為直流，在經(jīng)過DC/DC輸入到鋰電池；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機輸出整流后電壓大于設(shè)定電壓此時Q2會導(dǎo)通，而Q3截止使得NE555輸出方波，控制Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷，形成短路達到風(fēng)力發(fā)電機降速旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)過壓保護功能，從而降低風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，保護鋰電池，增加其使用壽命。本電路設(shè)置輸出電壓為18V輸出。NE555為8腳時基集成電路，它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配，且計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，價格便宜。

3 數(shù)據(jù)分析

我們以風(fēng)信子P-300為研究對象，控制電路設(shè)置輸出電壓為18V，當(dāng)風(fēng)速從3M/s到18M/s時，測得其電壓曲線如圖3所示。

圖3 電壓曲線圖

圖4 風(fēng)力發(fā)電機功率曲線圖

圖5 接入控制電路的功率曲線圖

當(dāng)風(fēng)速為3M/s時發(fā)電機開始轉(zhuǎn)動，在12.5M/s的時候達到額定功率300W，具體功率曲線如圖4所示；再將風(fēng)力發(fā)電機接入圖2所示的風(fēng)力發(fā)電機控制電路中，設(shè)置輸出功率為30W，當(dāng)風(fēng)速從3M/s到18M/s時，在輸出端測得功率變化如圖5所示。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的三相風(fēng)力發(fā)電機相比較，該系統(tǒng)電路可恒定的輸出電壓和功率，電壓和功率都具有可選性，適用于便攜式設(shè)備充電，可增長電池的使用壽命。該電路已被證明能夠穩(wěn)定的工作，經(jīng)長期實際應(yīng)用穩(wěn)定可靠。

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