三相風力發電機控制電路設計

延安大學物理與電子信息學院 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，風力發電在全球范圍內迅猛增長，且日益增長的物質需求對風力發電的要求越來越高，電壓輸出的穩定性，往往是人們關注的一個焦點。傳統的三相風力發電系統經橋式整流電路，輸出直流電壓不穩定，若給便攜式設備充電，則會造成設備電池的損壞，嚴重影響電池的使用壽命。為了解決上述問題，設計了一種可調穩定輸出電壓的風力發電電路。針對傳統的三相風力發電系統輸出直流電壓不穩定的問題，設計開發了一種通過控制轉速達到穩定電壓輸出的電路，

1 風力發電機控制電路

風力發電機是根據電磁感應定律將風能轉化為電能的裝置，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定的電壓和電流值，進而實現匹配給鋰電池穩定的電壓和電流。風力發電機工作流程如圖1所示。

圖1 風力發電機工作過程

風力發電機是根據電磁感應定律將風能轉化為電能的裝置，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化為直流電。又由于鋰電池充電需要匹配穩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，所以要通過控制發電機的轉速以固定的電壓和電流值輸出。

2 風力發電機的電路原理設計

圖2 風力發電機控制電路

控制電路的原理如圖2所示（與圖標不一致），D3-D8是整流二極管組成全橋整流電路，實現交直流轉化，風力發電機輸出三相交流電，在三相交流電的正半周D3，D4，D5（導通，D6，D7，D8截止，在后端網絡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導通，在后端網絡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體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區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，如果風力過小，導致電流回流，燒毀電路，造成不安全的隱患，VR1調節設置輸出電壓，可滿足多種電壓的調節，適用于多種設備的充電。當風力發電機輸出經整流后電壓小于設置電壓時Q2截止Q3導通，NE555輸出低電平，使得Q1截止可以將風力發電機交流電經整形為直流，在經過DC/DC輸入到鋰電池；當風力發電機輸出整流后電壓大于設定電壓此時Q2會導通，而Q3截止使得NE555輸出方波，控制Q1的導通和關斷，形成短路達到風力發電機降速旋轉來實現過壓保護功能，從而降低風力發電機的轉速，保護鋰電池，增加其使用壽命。本電路設置輸出電壓為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、溫度穩定度佳，價格便宜。

3 數據分析

我們以風信子P-300為研究對象，控制電路設置輸出電壓為18V，當風速從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 風力發電機功率曲線圖

圖5 接入控制電路的功率曲線圖

當風速為3M/s時發電機開始轉動，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；再將風力發電機接入圖2所示的風力發電機控制電路中，設置輸出功率為30W，當風速從3M/s到18M/s時，在輸出端測得功率變化如圖5所示。

4 結論

與傳統的三相風力發電機相比較，該系統電路可恒定的輸出電壓和功率，電壓和功率都具有可選性，適用于便攜式設備充電，可增長電池的使用壽命。該電路已被證明能夠穩定的工作，經長期實際應用穩定可靠。

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