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垂直轴风力发电机电压控制器的研发

作　者: 任雁
导　师: 李建朝
学　校: 河南科技大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 垂直轴风力发电 PWM脉宽调制 IGBT驱动模块 ATMEGA16单片机霍尔传感器转速检测
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的减少,无污染新能源的开发和有效利用成了一个急需解决的问题。垂直轴风力发电电压控制器是针对风力这种无污染的新型能源开发出的一种试验系统。风能经过风轮转化为机械能,再经过发电机转化为电能,而后通过稳压、测控等环节稳定输出电压给蓄电池充电,从而提供给用户稳定的电力,并且将给蓄电池充电的电压及风轮转速在液晶屏上进行显示。新型垂直轴风轮和永磁发电装置配合所发出的不稳定的交流电,经整流滤波电路后,经过稳压电路进行稳压,从而输出稳定的直流电给蓄电池充电;单片机对充电电压进行采样,在内部进行调理、比较后,发出PWM波控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断时间,从而形成闭环控制充电电压,并将充电电压显示液晶屏上。与此同时,系统中采用霍尔传感器作为转速传感器,利用单片机对风轮的转速进行监测并显示。另外,还通过单片机控制继电器工作,提高了蓄电池的工作性能和效率。本文包括了机械、稳压、测控三部分。其中,机械部分是对三戟消涡垂直轴风轮和失速可控式永磁风力发电机这两种新型的发电装置的机械结构进行地具体介绍,并对其性能参数做了初步的实验对比。稳压部分主要包括了输入模块、稳压模块和驱动模块,通过这些模块实现了对发电机的输出电压的稳压,进而给蓄电池进行充电。测控部分包括了硬件和软件两个方面,硬件是围绕着ATMEGA16单片机展开的,包括信号调理、控制、显示等的硬件电路;软件主要包括了数据采集和处理、PWM、显示、继电器控制等模块。测控部分通过单片机完成了对IGBT通断时间的控制,对风轮转速和充电电压的数据采集、处理和显示,以及对继电器通断的控制。实验和仿真结果显示,本试验系统发电效率高、稳压性能良好、经稳压后的电压能够基本达到蓄电池充电的范围要求,且测速准确精度较高,控制精确且简单,具有一定的实用价值。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第1章绪论  8-16
  1.1 风力发电的现状  8-9
    1.1.1 风力发电的优势  8
    1.1.2 风力发电的原理  8
    1.1.3 风力发电的国内外现状  8-9
  1.2 风力发电机风轮的概况  9-11
    1.2.1 风轮的分类  10
    1.2.2 垂直轴风力发电机的优势  10-11
    1.2.3 垂直轴风力发电机的国内外现状  11
  1.3 永磁直驱风力发电机的概况  11-13
    1.3.1 国内外研发现状  11-12
    1.3.2 直驱永磁风力发电机的优势  12-13
  1.4 风力发电机电压控制器的概况  13-14
    1.4.1 风力发电机电压控制器的分类  13-14
    1.4.2 风力发电机组电压控制器的国内外现状  14
  1.5 本文的结构安排  14-16
第2章垂直轴风力发电机的机械结构  16-24
  2.1 三戟消涡垂直轴风轮  16-20
    2.1.1 三戟消涡垂直轴风轮的结构  16-17
    2.1.2 三戟消涡垂直轴风轮的工作原理  17-18
    2.1.3 三戟消涡垂直轴风轮的性能测试  18-20
  2.2 失速可控式永磁风力发电装置  20-23
    2.2.1 失速可控式永磁风力发电装置的几何结构  20-21
    2.2.2 失速可控式永磁风力发电装置的工作原理  21-22
    2.2.3 失速可控式永磁风力发电装置的电磁参数  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章风力发电机稳压系统设计  24-32
  3.1 设计方案  24-25
    3.1.1 设计要求  24
    3.1.2 稳压系统设计方案的选定  24-25
    3.1.3 稳压系统的工作原理  25
  3.2 输入模块设计  25-27
    3.2.1 交流输入滤波电路  25-26
    3.2.2 整流滤波电路  26-27
  3.3 稳压模块设计  27-30
    3.3.1 稳压模块工作原理  28-29
    3.3.2 主要元件的参数选定  29-30
  3.4 驱动模块设计  30-31
  3.5 本章小结  31-32
第4章测控系统的硬件设计  32-42
  4.1 测控系统的设计方案  32-35
    4.1.1 测控系统的工作原理  32-33
    4.1.2 测转速方法的选定  33-35
    4.1.3 控制元件的选定  35
  4.2 转速传感器的设计  35-36
    4.2.1 转速传感器的分类  35
    4.2.2 霍尔效应  35
    4.2.3 转速传感器的选定  35-36
    4.2.4 霍尔传感器的工作原理  36
  4.3 控制芯片及最小系统设计  36-38
    4.3.1 ATMEGA16 单片机的特点  36-37
    4.3.2 最小系统设计  37-38
  4.4 信号调理电路的设计  38-39
  4.5 显示电路设计  39-40
  4.6 继电器控制电路的设计  40-41
    4.6.1 继电器的选型  40
    4.6.2 继电器控制电路  40-41
  4.7 控制电源的设计  41
  4.8 本章小结  41-42
第5章测控系统软件设计  42-52
  5.1 测控系统主程序设计  42-43
  5.2 数据采集与处理模块  43-46
    5.2.1 充电电压的采集与处理  43-45
    5.2.2 转速的采集与处理  45-46
  5.3 PWM 模块  46-47
  5.4 显示模块  47-50
  5.5 蓄电池保护模块  50-51
  5.6 本章小结  51-52
第6章软硬件调试及实验结果分析  52-58
  6.1 硬件调试  52-53
  6.2 软件调试  53-54
    6.2.1 软件开发平台  53
    6.2.2 软件调试  53-54
  6.3 实验方案及结果  54-57
    6.3.1 稳压控制  55-56
    6.3.2 转速测量  56-57
  6.4 实验结果分析  57-58
第7章结论与展望  58-60
  7.1 结论  58-59
  7.2 展望  59-60
参考文献  60-64
致谢  64-65
攻读硕士学位期间的研究成果  65

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