專利名稱：垂直軸風力發電機穩壓系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及發電機穩壓技術領域，具體是一種垂直軸風力發電機穩壓系統。
背景技術：
垂直軸直驅永磁同步風力發電機的風輪與發電機的轉子直接耦合，省去了增速齒輪箱，從而降低了噪音，提高了發電機的工作效率，減少了風力發電機的維護工作；且直驅永磁風力發電機省去了電勵磁裝置，故其重量比一般風力發電機輕、效率更高、發電穩定性更好。但同時由于無穩速裝置和風速的不穩定使發電機轉速變化很大，發電機輸出電壓也變化很大而無法使用，并且安裝此類發電機的場合往往不是時時有風，有風也會往往是忽大忽小。因此必須通過合適的穩壓控制系統穩定輸出電壓來滿足用電需求或者蓄電池充電的要求。

發明內容為了克服上述現有技術的缺點，本實用新型提供一種垂直軸風力發電機穩壓系統，穩定輸出電壓給蓄電池充電。本實用新型是以如下技術方案實現的一種垂直軸風力發電機穩壓系統，包括輸入模塊、穩壓模塊和驅動控制模塊三個部分；所述的輸入模塊包括交流輸入濾波電路，與交流輸入濾波電路連接的整流濾波電路；所述的穩壓模塊包括降壓斬波電路，與降壓斬波電路連接的正激DC-DC變換電路，與正激DC-DC變換電路連接的二次整流電路；所述的驅動控制模塊包括信號調理電路，與信號調理電路連接的單片機，與單片機連接的IGBT驅動電路；其中，輸入模塊中的整流濾波電路與穩壓模塊中的降壓斬波電路連接；驅動控制模塊中的信號調理電路與穩壓模塊中的二次整流電路連接，IGBT驅動電路連接降壓斬波電路；發電機輸出電壓經過輸入模塊后轉化為不穩定近似直流電，信號調理電路采集二次整流電路輸出的電壓并反饋給單片機進行調理、比較后，輸出PWM波通過IGBT驅動電路中的開關器件IGBT的導通或關斷對降壓斬波電路進行控制，從而輸出穩定的電壓給蓄電池充電。本實用新型的有益效果是采用單片機構成驅動控制模塊，按輸入電壓高低產生激勵脈沖來控制開關器件的通斷，改變脈寬比，可操作性更強，效率更高，從而穩定輸出電壓給蓄電池充電。
以下結合附圖
及實施例對本實用新型做進一步說明。圖I是本實用新型原理框圖，圖2是本實用新型電路圖。
具體實施方式
如圖I所示，垂直軸風力發電機穩壓系統有輸入模塊、穩壓模塊和驅動控制模塊三個部分；所述的輸入模塊包括交流輸入濾波電路，與交流輸入濾波電路連接的整流濾波電路；所述的穩壓模塊包括降壓斬波電路，與降壓斬波電路連接的正激DC-DC變換電路，與正激DC-DC變換電路連接的二次整流電路；所述的驅動控制模塊包括信號調理電路，與信號調理電路連接的單片機，與單片機連接的IGBT驅動電路；其中，輸入模塊中的整流濾波電路與穩壓模塊中的降壓斬波電路連接；驅動控制模塊中的信號調理電路與穩壓模塊中的二次整流電路連接，IGBT驅動電路連接降壓斬波電路；發電機輸出電壓經過輸入模塊后轉化為不穩定近似直流電，信號調理電路采集二次整流電路輸出的電壓并反饋給單片機進行調理、比較后，輸出PWM波通過IGBT驅動電路中的開關器件IGBT的導通或關斷對降壓斬波電路進行控制，從而輸出穩 定的電壓給蓄電池充電。如圖2所示，(I)輸入模塊交流輸入濾波電路交流輸入濾波電路由電容器Cl，C2, C3, C4和線圈LI，L2組成。其中Cl，C2分別接在LI，L2的左右兩端；C3，C4串聯后中點接地，該電路的作用是交流互感濾波。電路中LI，L2是相互耦合在一起的，其對高頻的交流信號來講阻抗是很大的，且高頻信號在磁芯中的損耗比較嚴重；而對于低頻交流信號來說，這兩條線圈就相當于兩條導線，故可以將輸入的電壓中的高頻信號通過LI，L2大幅度地濾除，而使低頻信號順利通過。同時，Cl, C2跟線圈一起形成一個
〃形LC濾波器，可在不減小輸出電壓的條件下獲得較好的濾波效果，從而增加該部分濾波的效果。為了避免交流輸入導線上有不同相位的交流高頻干擾，加入了 C3，C4。最后通過加入相互耦合在一起的線圈L3、L4來進一步濾除交流輸入電壓中參雜的一些高頻電壓。整流濾波電路本實施例采用兩相雙電壓整流，與現有整流方法相比，在風力發電機輸出相同的情況下，兩相雙電壓整流減小了整流濾波后輸出的直流電壓的波動，提高了風力發電機的利用率。開關SI的I腳和2腳相連時，二極管D1-D4形成一個全橋整流器，電容C5和C6串聯組成低頻濾波電路。開關SI的I腳和3腳相連時，二極管D2，D4分別與電容C5，C6并聯。D2和D4在整個周期內都將一直處于反向偏置狀態，不再動作。在正半周期內，Dl導通對C5充電，C5的上端為正，下端為負；在負半周期內，D3導通對C6充電，C6上端為正，下端為負。C5和C6串聯，所以輸出電壓為兩電容串聯電壓之和，此時的輸出電壓為全橋整流輸出電壓的一倍，即為倍壓整流。在此整流電路中，倍壓整流是兩個半波整流電路串聯的結果，兩個儲能電容每半個周期交替充電。另外，采用由一個普通電容C7和一個電解電容C8并聯的電路進行濾波。濾波電路中一般選用容量1000 #7，耐壓200V以上的電解電容進行濾波，但由于容量大的電容器對高頻信號來講，濾波效果不理想，所以加入一個容量小的C7，對高頻信號進行濾波。另外，當風力發電機輸出電壓突然發生變化且變化很大時，電容器會有很大的充電電流，通過交流輸入電路及全橋整流、濾波電容器形成的回路中的電流很大，很容易燒壞電路板和元器件，由于通過電感的電流時不能突變的，故而在電路中加入電感L3來防止電流突變。(2)穩壓模塊[0019]當IGBT閉合時，輸入模塊的輸出電壓經過IGBT、電感L4向變壓器的初級線圈NI供電，同時也向電感L4、電容ClO充電；當IGBT關斷時，由儲能電感L4中的能量繼續向變壓器的初級線圈NI供電，當輸出電壓要下降時，電容中的能量也向變壓器的初級線圈NI供電，此時，肖特基二極管D6起續流作用，構成電流回路。在這個過程中，變壓器副繞組N2振蕩產生的感應電壓經整流二極管D7、電容Cl I、電感L5進行二次平滑整流后給蓄電池充電，IGBT作為斬波開關完成升降壓斬波和DC-DC的正激變換。系統通過阻值分別為50k Ω, IOk ’的電阻Rl，R2組成的分壓器對充電電壓進行采樣，而后采樣信號經調理后反饋到單片機中，同單片機內部已經設置好的基準電壓進行比較，單片機發出的PWM信號通過驅動模塊控制IGBT的通斷時間，即改變占空比，從而控制充電電壓。當發電機的輸出電壓升聞時，占空比減小；當發電機的輸出電壓降低時，占空比增大。由于IGBT有很高的輸入阻抗，在處于靜電場較強的情況下，很容易引起靜電擊穿；且當IGBT處于開關狀態時，會產生開關浪涌電壓，幅值過大或持續時間較長的浪涌電壓會損壞IGBT。為保護IGBT，加入了電容C9和二極管D5。·[0022]3)驅動控制模塊信號調理電路系統采得蓄電池0-24V的放電電壓信號經過信號調理后，送入單片機內部進行模數轉換，本設計中采用將一個0P07和一個LF353相連的方法來對采樣信號進行調理。其中，0P07是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性集成運放器，其精度高、穩定性好，在電路中作為電壓跟隨器進行阻抗匹配，從而解決了取樣電路與單片機信號輸入端的阻抗不匹配的問題；同時，它還可以對信號進行隔離，降低前級電路對單片機的輸入信號的干擾。而加入LF353的作用是對信號進行放大或縮小處理。IGBT驅動電路由于IGBT的驅動電壓為土 15V，控制電路中的輸出電壓無法達到，所以就需要增加一個驅動電路。由單片機產生的PWM波信號加在HCPL316J的第I腳，輸入部分需要I個5 V電源，RESET腳低電平有效，故障信號輸出由HCPL316J的第6腳送至單片機的TOO 口關閉PWM波信號，在發生過流情況時及時關閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5 V雙電源供電，用于產生正負脈沖輸出，HCPL316J的14腳為過流檢測端，通過二極管VD檢測IGBT集電極電壓，在IGBT導通時，如果集電極電壓超過7V，則認為是發生了過流現象，HCPL316J慢速關斷IGBT，同時由第6腳送出過流信號。上述電路具體組成及連接關系如下交流輸入濾波電路由電容Cl，C2, C3, C4和線圈LI，L2組成；其中Cl，C2分別接在LI，L2的左右兩端，C3，C4串聯后中點接地。整流濾波電路由二極管D1，D2，D3，D4、電容C5，C6, C7, C8和電感L3組成；其中二極管Dl的正極與電容C3連接，負極與電容C5的正端相連，二極管D2的正極與電容C4連接，負極與電容C5的正端相連，二極管D3的正極與電容C6的負端相連，負極與電容C3連接，二極管D4的正極與C6的負端相連，負極連接電容C4，電感L3 —端與電容C7、另一端連接電容C6的負端，二極管D2的正極與電容C6的正極之間連接有開關，電容C8連接在電容C7的兩端。降壓斬波電路由IGBT、電容C9和二極管D5組成；其中二極管D5接在IGBT的C極和E極之間，電容C9接在IGBT的G極和E極之間。正激DC-DC變換電路由二極管D6、電感L4、電容ClO和變壓器初次級線圈NI，N2組成；其中二極管D6連接在IGBT的E極和電容C8的負極之間，電感L4的一端連接二極管D6的負極和NI上端相連，電容ClO接在NI的兩端。二次整流電路由二極管D7、電容C11、電感L5組成；其中二極管D7連接在N2的上端和電感L5之間，電容Cll連接在二極管D7的負極和N2的下端之間，電感L5連接在二極管D7的負極和蓄電池的正極之間，蓄電池的兩端連接有串聯的電阻Rl、R2。信號調理電路由I個0P07和一個LF353組成；其中0P07的2腳和6腳連接，0P07的3腳接Rl，R2的中間點，0P07的6腳通過電阻R3接LF353的2腳，LF353的3腳通過電阻R4接地，LF353的I腳通過電阻R6接LF353的6腳，LF353的5腳通過電阻R7接地。IGBT驅動電路由HCPL316J和ATMEGA16組成；ATMEGA16的15腳接 HCPL316J 的 I 腳，ATMEGA16 的 9 腳接 HCPL316J 的 5 腳，ATMEGA16 的 14 腳接 HCPL316J的6腳，HCPL316J的4腳和8腳接地，HCPL316J的3腳接5V，HCPL316J的12腳和13腳接15V，HCPL316J的9腳和10腳接-5V。整流濾波電路中電容C8的正端連接與降壓斬波電路中IGBT的C極相連；降壓斬波電路中IGBT的C極接通過串聯的二極管D8和電阻Rll與IGBT驅動電路中HCPL316J的14腳連接，HCPL316J的11腳接電阻Rll的一端，電阻Rll的另一端與D8的正極相連；E極接IGBT驅動電路中HCPL316J的16腳，G極通過電阻RlO接HCPL316J的11腳；IGBT驅動電路中ATMEGA16的40腳通過電阻R9接LF353的7腳。 綜上所述，本系統的主要功能是實現對垂直軸風力發電機的發電電壓進行控制，將風力發電機輸出的40-90V單相交流電轉換為穩定的24V的直流電，從而通過一定電路對蓄電池進行充電，其中蓄電池選用輸出電壓為24 V的鉛酸蓄電池。
權利要求1.一種垂直軸風力發電機穩壓系統，包括輸入模塊、穩壓模塊和驅動控制模塊三個部分；其特征在于所述的輸入模塊包括交流輸入濾波電路，與交流輸入濾波電路連接的整流濾波電路；所述的穩壓模塊包括降壓斬波電路，與降壓斬波電路連接的正激DC-DC變換電路，與正激DC-DC變換電路連接的二次整流電路；所述的驅動控制模塊包括信號調理電路，與信號調理電路連接的單片機，與單片機連接的IGBT驅動電路；其中，輸入模塊中的整流濾波電路與穩壓模塊中的降壓斬波電路連接；驅動控制模塊中的信號調理電路與穩壓模塊中的二次整流電路連接，IGBT驅動電路連接降壓斬波電路；發電機輸出電壓經過輸入模塊后轉化為不穩定近似直流電，信號調理電路采集二次整流電路輸出的電壓并反饋給單片機進行調理、比較后，輸出PWM波通過IGBT驅動電路中的開關器件IGBT的導通或關斷對降壓斬波電路進行控制，從而輸出穩定的電壓給蓄電池充電。
2.根據權利要求I所述的垂直軸風力發電機穩壓系統，所述的交流輸入濾波電路由電容Cl，C2, C3, C4和線圈LI，L2組成；其中Cl，C2分別接在LI，L2的左右兩端，C3，C4串聯后中點接地；所述的整流濾波電路由二極管D1，D2，D3，D4、電容C5，C6, C7, C8和電感L3組成；其中二極管Dl的正極與電容C3連接，負極與電容C5的正端相連，二極管D2的正極與電容C4連接，負極與電容C5的正端相連，二極管D3的正極與電容C6的負端相連，負極與電容C3連接，二極管D4的正極與C6的負端相連，負極連接電容C4，電感L3 —端與電容C7、另一端連接電容C6的負端，二極管D2的正極與電容C6的正極之間連接有開關，電容C8連接在電容C7的兩端；所述的降壓斬波電路由IGBT、電容C9和二極管D5組成；其中二極管D5接在IGBT的C極和E極之間，電容C9接在IGBT的G極和E極之間；所述的正激DC-DC變換電路由二極管D6、電感L4、電容ClO和變壓器初次級線圈NI，N2組成；其中二極管D6連接在IGBT的E極和電容C8的負極之間，電感L4的一端連接二極管D6的負極和NI上端相連，電容ClO接在NI的兩端；所述的二次整流電路由二極管D7、電容C11、電感L5組成；其中二極管D7連接在N2的上端和電感L5之間，電容Cll連接在二極管D7的負極和N2的下端之間，電感L5連接在二極管D7的負極和蓄電池的正極之間；蓄電池的兩端連接有串聯的電阻R1、R2 ;所述的信號調理電路由I個0P07和一個LF353組成；其中0P07的2腳和6腳連接，0P07的3腳接Rl, R2的中間點，0P07的6腳通過電阻R3接LF353的2腳，LF353的3腳通過電阻R4接地，LF353的I腳通過電阻R6接LF353的6腳，LF353的5腳通過電阻R7接地；所述的IGBT驅動電路由HCPL316J和ATMEGA16組成；ATMEGA16的15腳接 HCPL316J 的 I 腳，ATMEGA16 的 9 腳接 HCPL316J 的 5 腳，ATMEGA16 的 14 腳接 HCPL316J的6腳，HCPL316J的4腳和8腳接地，HCPL316J的3腳接5V，HCPL316J的12腳和13腳接15V, HCPL316J的9腳和10腳接-5V ；整流濾波電路中電容C8的正端連接與降壓斬波電路中IGBT的C極相連；降壓斬波電路中IGBT的C極接通過串聯的二極管D8和電阻Rll與IGBT驅動電路中HCPL316J的14腳連接，HCPL316J的11腳接電阻Rll的一端，電阻Rll的另一端與D8的正極相連；E極接IGBT驅動電路中HCPL316J的16腳，G極通過電阻RlO接HCPL316J的11腳；IGBT驅動電路中ATMEGA16的40腳通過電阻R9接LF353的7腳。
專利摘要本實用新型公開了一種垂直軸風力發電機穩壓系統，涉及發電機穩壓技術領域。該系統包括輸入模塊、穩壓模塊和驅動控制模塊三個部分；所述的輸入模塊包括交流輸入濾波電路，與交流輸入濾波電路連接的整流濾波電路；所述的穩壓模塊包括降壓斬波電路，與降壓斬波電路連接的正激DC-DC變換電路，與正激DC-DC變換電路連接的二次整流電路；所述的驅動控制模塊包括信號調理電路，與信號調理電路連接的單片機，與單片機連接的IGBT驅動電路。優點穩定輸出電壓給蓄電池充電。
文檔編號H02J7/32GK202721486SQ201220285890
公開日2013年2月6日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者周天沛 申請人:徐州工業職業技術學院