風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文

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精品文檔 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 題 目 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究 （院）系 電氣與信息工程系 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí) 0004 學(xué)號(hào) 0001120531 學(xué)生姓名 郭 瑩 輝 導(dǎo)師姓名 浣 喜 明 完成日期 2004年6月17日 湖南工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)（論文）題目： 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究 姓名 郭瑩輝 系別 電氣與信息工程系專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)0004學(xué)號(hào) 0001120531 指導(dǎo)老師 浣喜明 教研室主任 一、 基本任務(wù)及要求： 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成以下工作： 1．整體方案的確定； 2．主電路設(shè)計(jì)、元器件選擇；軟件設(shè)計(jì)； 3．裝置工藝設(shè)計(jì)：畫(huà)出布置圖和電氣接線圖； 4．裝置調(diào)試與實(shí)驗(yàn)：寫(xiě)出調(diào)試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 5．提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和圖紙。 二、 進(jìn)度安排及完成時(shí)間： （1）第二周至第四周：查閱資料、撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告； （2）第五周至第六周：畢業(yè)實(shí)習(xí)； （3）第六周至第七周：總體方案的確定； （4）第八周至十二周：主電路設(shè)計(jì)與元器件的選擇；軟件設(shè)計(jì)； （5）第十三周至第十四周：裝置工藝設(shè)計(jì)； （6）第十五周至第十六周：裝置調(diào)試與實(shí)驗(yàn)； （7）第十七周至第十九周：撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （8）第二十周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………1 概述……………………………………………………………………………………1 第1章 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置及其工作原理 ………………………………… 1 1.1 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)……………………………………1 1.2 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的組成…………………………………………2 1.3 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的工作原理……………………………………4 第2章 整流電路………………………………………………………………………5 2.1 單相可控整流電路…………………………………………………………5 2.2 三相可控整流電路…………………………………………………………7 2.3 三相不可控整流電路………………………………………………………9 2.4 直流濾波電路 ……………………………………………………………11 第3章 蓄電池組 ……………………………………………………………………14 3.1 蓄電池的種類(lèi)和特性 ……………………………………………………14 3.2 鉛酸蓄電池的基本概念 …………………………………………………14 3.3 免維護(hù)鉛酸蓄電池的特性 ………………………………………………17 3.4 鉛酸蓄電池的工作原理 …………………………………………………18 第4章 充電電路 ……………………………………………………………………19 4.1 充放電裝置的設(shè)計(jì)要求 …………………………………………………19 4.2 充放電控制過(guò)程分析 ……………………………………………………20 第5章 斬波電路 ……………………………………………………………………22 5.1 Cuk變換器工作原理………………………………………………………22 5.2 有變壓隔離器的Cuk變換器 ……………………………………………25 5.3 DC/DC變換器主回路的線路結(jié)構(gòu)…………………………………………27 5.4 DC/DC的驅(qū)動(dòng)電路…………………………………………………………28 第6章 逆變電路 ……………………………………………………………………29 6.1 換流方式 …………………………………………………………………29 6.2 電壓型逆變電路 …………………………………………………………30 6.3 電流型逆變電路 …………………………………………………………34 6.4 PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用………………………………………36 第7章 靜態(tài)開(kāi)關(guān) ……………………………………………………………………38 7.1單繼電器做靜態(tài)開(kāi)關(guān) ……………………………………………………38 7.2 電子式靜態(tài)開(kāi)關(guān) …………………………………………………………39 第8章 控制檢測(cè)保護(hù)電路 …………………………………………………………42 8.1單相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電路 …………………………………………42 8.2三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電路 …………………………………………45 8.3 保護(hù)電路 …………………………………………………………………46 第9章 結(jié)束語(yǔ) ………………………………………………………………………48 致謝 參考文獻(xiàn) 摘要 風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔、可再生的新型能源，而且無(wú)污染，因此當(dāng)今世界各國(guó)都把開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電作為現(xiàn)代科技的新興產(chǎn)業(yè)。本文主要研究風(fēng)力發(fā)電的電能變換及其裝置，介紹和比較各電力電子電路的特性，選擇風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置適合的電路，使風(fēng)能通過(guò)整流，充電電路，蓄電池組的儲(chǔ)能，逆變器電路和斬波電路再通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換和控制電路的控制檢測(cè)保護(hù)電路的控制監(jiān)測(cè)使其能夠輸出恒久穩(wěn)定的電壓，從而利用風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的要求和目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 電能變換 整流 逆變 靜態(tài)開(kāi)關(guān) Abstract Wind power is a kind of regeneration new energy sources which supply is inexhaustible and inexhaustible. Because of no pollution, all of the countries take the development of wind power electricity as modern science and technology of new rising estate in modern time. The Electric power transformation and its devices of the main research in this text wind power, introduction with the characteristic of each electric power electronics electric circuit, choose the electric circuit that wind power electric power transformation equip in keeping with, make wind energy passed to commutate, refresh the electric circuit, storage battery a control for keeping can, changing machine electric circuit with an electric circuit again passing the switch of static state cutting over with controlling electric circuit examination protection the control of the electric circuit monitors to make its can output the endurable and stable electric voltage, from but make use of the wind power electric power transformation equip to attain the request of the wind power with target. Keywords: The Wind Power Electric, Power Transformation Commutates, Rectification, Inversion, Static State Switching 第1章 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置及其工作原理 1.1 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng) 1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 由于風(fēng)能的特殊性，與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風(fēng)電系統(tǒng)具有很大的差別，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面： (1)風(fēng)能的隨機(jī)性 風(fēng)速隨著大氣的氣溫、氣壓、濕度、干度、太陽(yáng)及月亮的活動(dòng)和風(fēng)電場(chǎng)地形地貌等因素的不同而不同，是隨機(jī)和不可控的，這樣作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的風(fēng)能也就是隨機(jī)的和不可控制的。 (2) 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大 風(fēng)能密度分布相對(duì)比較低，為了盡可能捕獲較多的風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片直徑必須做的很大，典型的商業(yè)化中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)葉片直徑大概在20m～60m之間。顯然，巨大的轉(zhuǎn)子葉片的直徑，必然使得風(fēng)力機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 (3) 風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的柔性連接 為了有效的轉(zhuǎn)換風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子由于受到風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率（理論極限值是0.59）的限制，葉尖速率比不λ可能很大，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不會(huì)很高，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度相差比較大，發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間不能直接相連，必須通過(guò)一定變比的升速齒輪箱進(jìn)行傳動(dòng)。這樣發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間的剛性度大大降低。換句話說(shuō)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的。 (4) 異步發(fā)電機(jī) 目前，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的運(yùn)行方式。通常機(jī)端配備有補(bǔ)償電容器組，以提供異步發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)所需要的激磁無(wú)功。異步發(fā)電機(jī)的頻率由大系統(tǒng)來(lái)決定，風(fēng)能的變化將引起異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差的變化，相應(yīng)地其注入電網(wǎng)的有功和吸收的無(wú)功也要隨著風(fēng)速的變化而變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)，特別是風(fēng)電場(chǎng)附近電網(wǎng)母線電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還可能引起電壓閃變。隨著電力電子的發(fā)展，新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以選用變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)，則無(wú)須配備補(bǔ)償電容器組。這種交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)不僅能發(fā)有功功率，而且還能發(fā)無(wú)功功率，且能方便地調(diào)節(jié)有功功率，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的性能 1.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng) 目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)越來(lái)越得到風(fēng)力發(fā)電工作者的注意，因此都考慮采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用采用雙饋型發(fā)電機(jī)，它與饒縣型感應(yīng)電機(jī)相似，其定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源供給三相低頻交流勵(lì)磁電流(如圖1.1所示)。低頻勵(lì)磁電流在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度wS與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速wr相加等于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速w1，即w1=wr+wS，從而發(fā)電機(jī)定子感應(yīng)出共頻電壓。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速wr變化時(shí)，改變轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ws，可是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)w1保持恒定，達(dá)到變速恒定的目的。 圖1.1 交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖 由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，因此圖1.1中所示的雙向變頻器的容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。另外發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，既可超同步速運(yùn)行，也可亞同步速運(yùn)行，變速運(yùn)行的范圍比較寬。 這種采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的靈活控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。缺點(diǎn)是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷。 1.2 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的組成 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置主要由輸入整流電路、蓄電池組、充電電路、斬波電路、逆變器電路、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和控制檢測(cè)保護(hù)電路七個(gè)部分組成。 1.2.1 輸入整流電路 整流電路主要是將交流電變?yōu)橹绷麟?，在風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置中，蓄電池組、逆變器及其控制電路均需要直流電，因此，整流電路的主要作用就是將交流電變?yōu)橹绷麟姙槠涮峁┓€(wěn)定的直流電，保持電壓穩(wěn)定的輸出以及抑制電網(wǎng)的干擾信號(hào)。 1.2.2 蓄電池組 蓄電池組是風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的心臟，沒(méi)有蓄電池組的裝置只能稱作交流穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。目前在不間斷供電中，廣泛使用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電正常時(shí)，蓄電池由直流電源對(duì)其充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能而儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電供應(yīng)中斷時(shí)，裝置用儲(chǔ)存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，此時(shí)蓄電池通過(guò)放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給系統(tǒng)使用，因此蓄電池是一種可逆電源。目前在中小型風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中廣泛使用的是所謂的免維護(hù)的密封式鉛酸蓄電池，它的價(jià)格較貴，一般占UPS總生產(chǎn)成本的1/4～2/5。在返修的UPS中，由于蓄電池的故障而引起的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置不能正常工作的比例占1/3。由此可見(jiàn)，正確的使用并維護(hù)好蓄電池組，對(duì)延長(zhǎng)蓄電池使用壽命極大，如果正確使用，蓄電池的壽命一般可達(dá)到3～5年。 1.2.3 充電電路 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中充電電路將蓄電池放電后損失的能量重新補(bǔ)充，一般充電電路是獨(dú)立于逆變器而工作的，也就是說(shuō)即使不用逆變器，只要將電源接通，充電電路就可以工作。在充電過(guò)程中，充電器的控制電路檢測(cè)整流充電過(guò)程，一般在充電階段是恒流充電過(guò)程，隨著電池電壓的上升，當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到浮充電壓以后，充電器工作在恒壓階段，直到電池被充滿。因此，充電電路的反饋回路一般有兩個(gè)，一個(gè)作為電流反饋，另一個(gè)是電壓反饋。主電路一般采用開(kāi)關(guān)型電路，其類(lèi)型一般有降壓電路和升壓電路兩種。這些電路稱為基本充電電路。為了減少充電時(shí)間，各種快速充電電路在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中也得到了應(yīng)用。 1.2.4 斬波電路 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中的斬波器即DC/DC，就是利用晶閘管或自關(guān)斷器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷的時(shí)間變化來(lái)改變負(fù)載電壓平均值。它具有效率高、體積小、重量輕、成本底等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛地用于USP和風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的直流—直流變換器和功率因數(shù)校正電路中，對(duì)整流電壓或蓄電池電壓進(jìn)行升、降壓和穩(wěn)壓。 1.2.5 逆變器電路 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置逆變器的功能是將風(fēng)力發(fā)電整流所得的直流電壓或蓄電池電壓逆變成頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、波形失真小的交流電壓。目前在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的逆變器中，逆變?cè)砥毡椴捎妹}寬調(diào)制技術(shù)（SPWM技術(shù)）及波形疊加技術(shù)，該波形經(jīng)過(guò)LC低通濾波器濾波得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 1.2.6 靜態(tài)開(kāi)關(guān) 靜態(tài)開(kāi)關(guān)是風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的保護(hù)設(shè)備和供電轉(zhuǎn)換器件，它一方面保護(hù)裝置和負(fù)載，另一方面作為風(fēng)力發(fā)電和蓄電池供電的轉(zhuǎn)換器件。由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，因此在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)間斷。在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置一般采用一對(duì)反向并聯(lián)的快速可控硅作為靜態(tài)開(kāi)關(guān)。 1.2.7控制檢測(cè)保護(hù)電路 控制檢測(cè)保護(hù)電路主要由保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警電路組成?？刂齐娐肥秋L(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的神經(jīng)中樞，其輸出電壓精度高低、波形失真大小以及長(zhǎng)期工作可靠性的高低均與控制電路密切相關(guān)。為了使裝置可靠工作，應(yīng)具有較為完善的保護(hù)電路，一般的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置都具有電池電壓過(guò)低自動(dòng)保護(hù)、逆變器輸出過(guò)載或短路自動(dòng)保護(hù)電路、逆變器過(guò)壓輸出自動(dòng)保護(hù)電路、輸入電壓過(guò)高自動(dòng)保護(hù)電路等保護(hù)電路。監(jiān)測(cè)和報(bào)警電路則是為了隨時(shí)的掌握和了解裝置的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況。 1.3 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的工作原理 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置原理: ① 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電正常時(shí)，輸出電壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路，一路經(jīng)過(guò)斬波器給逆變器提供電壓，逆變器輸出變壓器和輸出濾波電路將SPWM波形變換成隔離的純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補(bǔ)充能量。這種工作狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到逆變器。風(fēng)電經(jīng)整流濾波器、逆變器及靜態(tài)開(kāi)關(guān)給負(fù)載供電，并且由逆變器來(lái)完成穩(wěn)壓和頻率跟蹤的功能。 ② 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電不足或輸出故障或輸出過(guò)載時(shí)，工作在后備狀態(tài)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)仍然切換到逆變器端，由蓄電池經(jīng)逆變器將蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)輸出到負(fù)載。 ③ 在風(fēng)力發(fā)電正常，逆變器出現(xiàn)故障或輸出過(guò)載時(shí)，裝置工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到市電直接給負(fù)載供電。如果靜態(tài)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換是由逆變器故障引起，裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果是由過(guò)載引起，當(dāng)過(guò)載消失以后，靜態(tài)開(kāi)關(guān)重新切換回逆變器端。 整流電路 DC/DC 蓄電池組 充電電路 逆變電路 靜態(tài)開(kāi)關(guān) 控制檢測(cè)保護(hù)電路 輸入 輸出 控制電路 控制、監(jiān)測(cè)、顯示、告警及保護(hù)電路提供逆變、充電、靜態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換所需的控制信號(hào)，并顯示其各工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流、短路、過(guò)熱時(shí)及時(shí)報(bào)警，同時(shí)提供相應(yīng)的保護(hù)。比如當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路是，保護(hù)電路會(huì)很快將逆變器關(guān)斷，使其免受損壞，短路消失后逆變器會(huì)重新自動(dòng)啟動(dòng)，恢復(fù)風(fēng)力發(fā)電。由此可見(jiàn)，無(wú)論風(fēng)力是否正常，其輸出總是由逆變器提供，所以在風(fēng)力不正常的時(shí)候，其輸出不會(huì)有任何間斷。其原理框圖如圖1.2所示。(主線路圖見(jiàn)附錄) 圖1.2 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置框圖 第2章 整流電路 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)的最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色。 整流電路主要的分類(lèi)方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。 2.1 單相可控整流電路 單相可控整流電路的交流側(cè)接單相電源，它包括半波可控整流、全波可控整流、橋式全控整流和橋式半控整流。 2.1.1 單相半波可控整流 單相半波整流電路，是電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，支流輸出電壓Ud 為極性不變但瞬時(shí)值變化的脈動(dòng)直流，其波形只在正半周內(nèi)出現(xiàn)，所以叫半波整流。如圖所示2.1。 圖2.1 單相半波可控整流電路及波形 半波整流在負(fù)載R上的直流電壓U的數(shù)值，為半波電壓在整個(gè)周期的平均電壓值，即： 半波整流中，流過(guò)整流元件的平均電流Id與流過(guò)阻感負(fù)載的直流電流Ir相等，即： 式中，； 整流元件承受的最大反向電壓U反，就是變壓器次級(jí)電壓U2的最大值，即： U反= 2.1.2 單相全波整流電路 單相全波整流電路，由兩個(gè)單相半波整流電路組合而成,由于加在負(fù)載上的電壓有兩個(gè)波，包括了電源電壓的整流波形，所以叫做全波整流。變壓器次級(jí)有個(gè)中心抽頭，上下兩部分匝數(shù)相等，即變壓器的輸出電壓U2與U2/的大小相等，相位相反，彼此相差180o。如圖所示2.2。 圖2.2 單相全波可控整流電路及波形 單相全波整流電路，在負(fù)載電阻R上得到的單方向的半波電壓是半波整流電路的2倍，因?yàn)閮蓚€(gè)整流元件是輪流導(dǎo)通的，所以流過(guò)每個(gè)整流元件的電流只有負(fù)載電流的一半，然而，加在整流元件上的反向電壓，卻比半波整流增加了一倍，也就是說(shuō)，在單相全波整流中，每個(gè)整流元件所承受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍。 2.1.3 單相橋式全控整流電路 在單相橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為。如圖所示2.3。 圖2.3 單相橋式全控整流電路及波形 由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過(guò)負(fù)載，故該電路為全波整流。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器繞組的利用率也高，整流電壓平均值為： 當(dāng)電路中帶有阻感負(fù)載時(shí)，電感的存在使負(fù)載電流不能突變，對(duì)負(fù)載電流起平波作用，其電壓平均值為： 2.1.4 單相橋式半控整流電路 在單相橋式半控電路中，每個(gè)導(dǎo)電回路中只需1個(gè)晶閘管導(dǎo)通以控制導(dǎo)電回路，另1個(gè)則用1個(gè)二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如圖所示2.4。 圖2.4 單相橋式半控整流電路及波形 半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同，在電感負(fù)載工作時(shí)，當(dāng)α處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖時(shí)，u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但電流不再流過(guò)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。此時(shí)，ud=0,不像全控橋電路那樣出現(xiàn)負(fù)值。當(dāng)α突然增大至180o或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的失控現(xiàn)象，因此在電路中加設(shè)續(xù)流二極管VDR以避免此失控現(xiàn)象，同時(shí)，續(xù)流期導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，少了一次管壓降，有利于降低損耗。 2.2 三相可控整流電路 當(dāng)整流負(fù)載容量教大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。在三相控整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的就是三相橋式全控整流電路，以及雙反星形可控整流電路，均可在三相半波的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負(fù)載組成，三相變壓器的初級(jí)和次級(jí)既可接成星形，也可接成三角形。這里主要介紹三相橋式全控整流電路，其電路和波形如圖所示2.5。 圖2.5 三相橋式全控整流電路及波形 目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽(yáng)極組。 當(dāng)電路中帶有電阻負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路在每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，一個(gè)是共陽(yáng)極組的，且不能為同1相的晶閘管。6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的順序，相位依次差60。；共陰極組的脈沖依次差120。，共陽(yáng)極組也依次差120。；同一相的上下兩個(gè)橋臂的脈沖相差180。。整流輸出電壓ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動(dòng)過(guò)程中或電流續(xù)流時(shí)，同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖，以確保電路的正常工作。 當(dāng)電路中帶有阻感負(fù)載時(shí)，α≤60。時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于得到的負(fù)載電流id波形不同，阻感負(fù)載時(shí)由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，近似為一條水平線。當(dāng)α>60。時(shí)，阻感負(fù)載由于電感L的作用，ud的波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。若電感L足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90。。當(dāng)α≤60。時(shí)，整流輸出電壓平均值為： 當(dāng)α>60。時(shí),整流電壓平均值為： 三相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電感足夠大足以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為： ； 2.3 三相不可控整流電路 在三相不控整流電路中，使用最多的也是三相橋式整流電路，一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負(fù)載組成。三相橋式不控整流電路與三相橋式可控整流電路的區(qū)別在于可控整流電路可以通過(guò)觸發(fā)脈沖來(lái)控制觸發(fā)角從而達(dá)到控制電壓大小的目的。但在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中，要將風(fēng)能盡可能的轉(zhuǎn)化為電能，因此選用三相不可控整流電路，因?yàn)槿嗖豢煽卣麟娐肥侵苯佑呻娏鱽?lái)控制二極管導(dǎo)通的，不用考慮觸發(fā)角的問(wèn)題。三相橋式不可控整流電路和波形如圖2.6所示。 圖2.6三相橋式不控整流電路及其波形 從圖中可以看出：在t1～t2時(shí)間內(nèi)，變壓器次級(jí)a相電壓與b相電壓的差值最大，因此整流二極管VD1、VD2導(dǎo)通，其通路為a→b→VD1→R→VD2→b，其他整流元件受反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流器的輸出電壓為變壓器次級(jí)電壓uab。在t2～t3時(shí)間內(nèi)，a相電壓雖然仍為正值，且與t1～t2時(shí)間內(nèi)電壓值大小一樣（變化的趨勢(shì)則不相同），但b相電壓已經(jīng)高于c相電壓，所以此時(shí)是a 相電壓與c相電壓的差值最大，因此D4截止，VD1、VD6導(dǎo)通，其通路為a→VD1→R→VD6→b，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出電壓為變壓器次級(jí)電壓uca。在t3～t4時(shí)間內(nèi)，b相電壓為正值，c相電壓為負(fù)值，線電壓ubc最大，因此整流元件VD3與VD6導(dǎo)通，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出為線電壓ubc。依次類(lèi)推，負(fù)載R上得到的脈動(dòng)直流電壓U在一個(gè)周期內(nèi)，有6次為變壓器次級(jí)電壓的線電壓值，而每一次的線電壓均為兩相相電壓之和，即 故在任意時(shí)間里，整流電壓的瞬時(shí)值等于對(duì)應(yīng)的兩相電壓瞬時(shí)值之和。因此可得： 即： 從圖中還可以看出任何時(shí)間里均由兩個(gè)整流元件串聯(lián)導(dǎo)通，而在一個(gè)周期里，每個(gè)整流元件只導(dǎo)通一次，連續(xù)導(dǎo)通時(shí)間為2π/3，所以通過(guò)每個(gè)整流元件的平均電流Icp為負(fù)載電流IR的1/3，即: 而加在整流元件上的最大反向電壓為變壓器的次級(jí)電壓的線電壓uab（或ubc或uca），即: 2.4 直流濾波電路 整流電路將交流電變成直流電，并不是一個(gè)純粹的直流電壓，而是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，它除了直流成分外，還包括著不同頻率、不同振幅的交流成分（通常稱為諧波）。也就是說(shuō)，整流器輸出的電壓，可以看成的一個(gè)直流成分和多個(gè)不同交流成分之和，而且頻率越低者，振幅越大，頻率愈高者，振幅愈小。人們通常說(shuō)交流成分的大小，就是指最低次諧波或基波的大小，交流成分越大，對(duì)設(shè)備的干擾也越大。 濾波電路是接在整流電路之后，起著減少交流成分，有使整流器輸出的脈動(dòng)電流變成平滑的直流電流（仍包括一定的交流成分）的作用。 濾波電路一般由電感線圈、電容器、電阻等電氣元件組合而成。常用的濾波電路有電容濾波電路、L型濾波電路、π型濾波電路、RC濾波電路等。 2.4.1 電容濾波電路 C RL 電容濾波電路是利用電容器對(duì)直流不能通過(guò)，而對(duì)交流成分呈現(xiàn)較小的阻抗，以達(dá)到短路交流，減少整流器的輸出電壓脈動(dòng)成分的目的而且電容器越大，效果越好。當(dāng)然，電容器大了以后，為防止加電瞬間電容器的過(guò)大充電電流，在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須采用限流措施。電容濾波電路如圖所示2.7。 圖2.7 電容濾波電路 2.4.2 L型濾波電路 RL C L 由電感電容組成倒L字型的濾波電路，稱L型濾波電路或倒L型濾波電路。其電路如圖所示2.8 圖2.8 L形濾波電路 L型濾波電路利用扼流圈L對(duì)脈動(dòng)電流的交流成分產(chǎn)生較大的衰減，而電容又對(duì)交流成分旁路的特點(diǎn)，使電容電感相互配合，大大改善濾波效果。L型濾波電路的濾波效果，主要取決于LC的乘積，即LC愈大，濾波效果愈好。 2.4.3 π型濾波電路 由電感，電容器組成π型濾波電路，其電路如圖所示2.9 RL C L1 L2 圖2.9 π形濾波電路 π型濾波電路的濾波效果，等于整流器輸出電壓中的脈動(dòng)交流成分先由電容器旁路，再經(jīng)L型濾波器將其部分進(jìn)行衰減。因此，它是各類(lèi)無(wú)源濾波電路中濾波效果中最好的一種。 2.4.4 RC濾波電路 將L型濾波電路或π型濾波電路中的電感L用電阻R代替，即由電阻R和電容器C組成的濾波電路，稱RC濾波器。其電路如圖所示2.10。 RC濾波電路在自動(dòng)控制電路與小功率整流電路中經(jīng)常用到，因?yàn)樗恍枰w積大、繞線麻煩的電感線圈L。 RC濾波電路的濾波效果取決于電阻R和電容器的大小，電阻R、電容器C愈大則濾波效果愈好。但電阻R和電容器C不能過(guò)大，因?yàn)殡娙萜鰿值過(guò)大則體積和重量增大，成本提高。電阻R太大，在電阻R上的損耗也大。因此，要綜合考慮。為了能較好地旁路交流電流，一般滿足1/mωC<10C <3C <2C 表格3.1各種蓄電池的特性比較 選擇蓄電池的主要依據(jù)是電池的能量密度、電池的容量及電壓等級(jí)的選取，它們決定了電池為負(fù)載提供電能的速度和大小。對(duì)于放電速率要求不高的產(chǎn)品，如便攜式計(jì)算機(jī)、蜂窩電話機(jī)和手提式視頻設(shè)備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。因?yàn)樗鼈兙哂休^大的內(nèi)阻，從而限制了峰值放電電流，使它們比較適用子長(zhǎng)期電流消耗要求較小的產(chǎn)品。而密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池由子內(nèi)阻較小，可以提供較大的電流，所以適用子放電速率要求較高的產(chǎn)品。因此，在風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置中，選用鉛酸蓄電池。 3.2 鉛酸蓄電池的基本概念 由于蓄電池的充電本身涉及到許多相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，為了能夠更好的理解本課題，本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹鉛酸蓄電池有關(guān)的一些知識(shí)。 1. 電池容量 電池容量是蓄電池使用過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，它指蓄電池充足電后放電到終止電壓時(shí)所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定了單元電池含有的電荷量，因此，電池越大，它的容量越高。電池容量用C表示，其單位用Ah、mAh表示。 2. 充電速率和放電速率 為了對(duì)不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對(duì)值來(lái)表示，而是用電池的額定容量C和放電時(shí)間t的比來(lái)表示，稱為電池的充電速率或放電倍率。例如一個(gè)額定容量C為100Ah的電池，充電2小時(shí)后，電池完全充滿，則它的充電電流為： I=C/2=0.5C（A） (3.l) 即它的充電速率為0.5C：若用1O小時(shí)就達(dá)到充滿狀態(tài)，則它的充電電流為： I=C/10=0.1C（A） (3.2) 即它的充電速率為0.1C。放電速率的描述和充電速率相同。 3. 充電終止電壓和放電終止電壓 蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)己達(dá)到保護(hù)狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，電池兩段電壓會(huì)迅速下降，形成過(guò)放電。這極易對(duì)電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。 4. 電池的過(guò)充電 當(dāng)高速率充電而又不能及時(shí)地在滿充電后結(jié)束充電過(guò)程，電池則很容易存在大電流過(guò)充電的問(wèn)題。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和壓力都急劇上升，造成對(duì)電池的損害。這是因?yàn)樵谶^(guò)充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會(huì)增大電池內(nèi)部的壓力，同時(shí)，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充點(diǎn)時(shí)，只能采用低速率充電。這是因?yàn)殡姵卦诘碗娏鬟^(guò)充電時(shí)所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時(shí)電池的熱量可以及時(shí)地向空中散發(fā)，基本上不會(huì)對(duì)電池造成傷害。 5. 電池的內(nèi)阻 當(dāng)電流流過(guò)蓄電池時(shí)，蓄電池兩端所呈現(xiàn)出來(lái)的電阻稱為蓄電池的內(nèi)阻，這個(gè)內(nèi)阻與其它電源的內(nèi)阻有所不同，它包含兩個(gè)部分，即： R＝RO十RN (3.3) 其中RO為電極與電解液的內(nèi)阻之和，該電阻遵守歐姆定律，是不變的量；RN是由干電流流過(guò)蓄電池時(shí)兩電極的電位有所改變而表現(xiàn)出來(lái)的，因此又稱為極化電阻或假電阻，其值與流過(guò)電池的電流強(qiáng)度有關(guān)，電流越大，RN越大。 6. 電池的極化現(xiàn)象 由干蓄電池內(nèi)阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其它電源有所不同。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān)，它一般有三種狀態(tài)的值： 1. 當(dāng)蓄電池為開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，所測(cè)得的電池兩極間的電壓稱為電池的開(kāi)路電壓； 2. 當(dāng)蓄電池充電時(shí)所測(cè)得的電壓稱為電池的充電電壓； 3. 電池放電時(shí)測(cè)得的電壓稱為放電電壓。 這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點(diǎn)：充電電壓高干開(kāi)路電壓，而且隨著充電時(shí)間的增加而略有升高；放電電壓則低于開(kāi)路電壓，而且隨著放電時(shí)問(wèn)的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱為電池的極化。這種現(xiàn)象的產(chǎn)主，主要是因?yàn)橐话愕拿芊馐叫铍姵卦诔潆娺^(guò)程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分，當(dāng)產(chǎn)生的氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，它便堆積在正極飯上，使得電池內(nèi)部壓力增大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了電池正極板的板面積，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由子電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來(lái)的。當(dāng)充電速率較低時(shí)，充電時(shí)所產(chǎn)生的氧氣可以被及時(shí)吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會(huì)對(duì)電池造成很大的傷害；當(dāng)高速率恒流充電時(shí)，這一現(xiàn)象則不容忽視。 蓄電池的極化現(xiàn)象對(duì)蓄電池的工作是不利的。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時(shí)也加速了電池的老化。 7. 電池的老化 電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開(kāi)始使用的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增加大約5％～10％，接下來(lái)的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開(kāi)始慢慢減少，即開(kāi)始了電池的老化過(guò)程。當(dāng)電池的老化達(dá)到一定程度時(shí)，這個(gè)電池就報(bào)廢了。一般經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的80％時(shí)，就可以認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了。 8. 循環(huán)壽命 循環(huán)壽命是指在其實(shí)際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電循環(huán)的次數(shù)，通常用宋定義蓄電池的使用壽命。根據(jù)前面所介紹的放電深度的概念中可以看出，放電深度不同，電池的循環(huán)壽命是不同的。在正常維護(hù)條件下，蓄電池浮充供電的時(shí)間，稱為浮充壽命。 9. 自放電現(xiàn)象 當(dāng)電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時(shí)，雖然沒(méi)有電流流過(guò)蓄電池，但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行，這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無(wú)益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時(shí)間的電池容量下降的百分比來(lái)表示，見(jiàn)公式2-4： 自放電＝[（Q0-Qr）/Q0]*100％ (3.4) 其中，Q。為蓄電池在規(guī)定條件下的容量，Qr為電池存儲(chǔ)一段時(shí)間后，在同樣規(guī)定條件下的容量。自放電通常與環(huán)境溫度有密切關(guān)系。但環(huán)境溫度較高時(shí)，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯。所以電池應(yīng)在適宜的溫度和適度下保存。自放電一般不會(huì)損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對(duì)鎳鎘電池來(lái)講比較嚴(yán)重，經(jīng)驗(yàn)表明，鉛酸蓄電池在閑置一個(gè)月后，自放電達(dá)30％左右?？紤]到這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)蓄電池充電裝置時(shí)，應(yīng)在電池長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。 3.3 免維護(hù)鉛酸蓄電池的特性 3.3.1 免維護(hù)鉛酸蓄電池的特點(diǎn) 與普通蓄電池相比，免維護(hù)鉛酸蓄電池具有以下特點(diǎn)： (1) 由于是全密封結(jié)構(gòu)，使用中不會(huì)發(fā)主漏液現(xiàn)象，充電時(shí)幾乎不產(chǎn)主酸霧或其它有害氣體，在壽命期內(nèi)無(wú)需加液，真正做到了免維護(hù)，十分適合于無(wú)人值守變電的運(yùn)行。 (2) 自放電速率也較小。 (3) 有良好的放電性能。由子采用了先進(jìn)的工藝和配方，其高倍率放電性能明顯優(yōu)于舊式開(kāi)口鉛酸蓄電池，而接近于中倍率鎳鎘電池的水平，可以滿足電磁式操作機(jī)構(gòu)的合閘要求。 (4) 使用壽命長(zhǎng)。由子采用了耐腐蝕的鉛鈣合金板柵，其壽命要高于鉛酸蓄電池，而與鎳鎘電池相當(dāng)。一般50Ah/12V蓄電池浮充設(shè)計(jì)壽命可達(dá)5年，100Ah/12V蓄電池在7年左右，300Ah/2V蓄電池浮充設(shè)計(jì)壽命可達(dá)10～15年。對(duì)于不同蓄電池生產(chǎn)廠家，蓄電池的浮充設(shè)計(jì)壽命也會(huì)不同。 3.3.2 鉛酸蓄電池的充放電特性 1. 充電特性 充電過(guò)程通常要完成兩個(gè)任務(wù)，首先是使電池恢復(fù)額定容量，另一個(gè)是補(bǔ)充電池因自放電而產(chǎn)生的容量損失，以維持電池的額定電量。常溫下的最佳浮充電壓約為2.25V/單體。 電池充足電后，維持電池容量的最佳方法是在電池組兩端加入恒定的電壓。這就是說(shuō)，電池充足電后，充電裝置應(yīng)輸出恒定的浮充電壓（2.25V/單體）。圖3.2是按10小時(shí)率額定容量50％及100％放電后的恒壓限流充電的充電特性圖。放電后的蓄電池充滿電所需時(shí)間隨放電量、充電初期電流、溫度而變化。如圖3.2中100％放電后的電池在250C時(shí)進(jìn)行恒壓限流充電（電壓為2.25V/單體、電流為0.1C10），24小時(shí)時(shí)左右可以充電至放電量100％以上。 浮充電壓不能過(guò)高，以免因嚴(yán)重過(guò)充電而縮短電池的壽命。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷?，免維護(hù)鉛酸蓄電池的浮充壽命可達(dá)10年以上。實(shí)踐證明，實(shí)際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差5％時(shí)，免維護(hù)蓄電池的壽命將縮短一半。 圖3.2 鉛酸蓄電池的充電特性 2．放電特性 放電電流越小放電容量越大；反之，放電電流越大放電容量越小。放電容量還會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而減少。圖3.3為250C溫度下01C10-2.OC10的放電電流放電至終止電壓時(shí)的恒流放電特性圖。 圖3.3 鉛酸蓄電池的放電特性 3.4 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池由正極板（二氧化鉛）、負(fù)極板(海棉狀鉛)以及電解液（硫酸）組成。充電時(shí)，硫酸鉛通過(guò)氧化還原反應(yīng)分別恢復(fù)成二氧化鉛和鉛，電解液中的硫酸濃度增大；放電時(shí)，正極板的二氧化鉛和負(fù)極板的鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛，電解液中的濃度降低。 在充放電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正、負(fù)極板上在進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生正負(fù)離子形成電流，稱為成流反應(yīng)。正極的成流反應(yīng)為公式3.5： PbO2＋3H+＋HSO4－＋2e=PbSO4＋ 2H2O (3.5) 負(fù)極的成流反應(yīng)為公式3.6： Pb＋HSO4-= PhSO4＋2e＋H+ (3.6) 電池的總反應(yīng)如公式3.7： PbO2＋Pb＋ 2H2SO4=2PbSO4＋2H2O (3.7) 反應(yīng)的中間過(guò)程可以表示如公式3.8和公式3.9，式中左方向?yàn)榉烹姺磻?yīng)，右方向?yàn)槌潆姺磻?yīng)。 PbPb2++2е (3.8) Pb2++HSO4-PbSO4+H+ (3.9) 對(duì)于老式鉛酸式蓄電池，其中電解液中的水分，在浮動(dòng)充電及均衡充電末期都會(huì)產(chǎn)生電解分離反應(yīng)而被電解成氫氣和氧氣，這些氫氣和氧氣將慢慢消失在空氣中。因此每隔一定時(shí)間必須對(duì)蓄電池進(jìn)行定期補(bǔ)水，以補(bǔ)充電解液中水分的損夫，否則蓄電池中的電解液濃度將大大超過(guò)規(guī)定值。 對(duì)于免維護(hù)鉛酸蓄電池，它采用了先進(jìn)的陰極吸收式密封技術(shù)，可把這種定期補(bǔ)水的間隔時(shí)間延長(zhǎng)到五年以上。生成的氧氣在電場(chǎng)作用下移向電池組的陰極，在陰極催化劑的作用下，重新與氫氣化合成水。在理想的工作狀態(tài)下，它可維持蓄電池的電解液中水的含量保持不變，為了使得電池內(nèi)部的這種氣體陰極吸收方式能夠充分進(jìn)行，它要求在電解過(guò)程中水的電解反應(yīng)要盡可能進(jìn)行的緩慢，還要求電池內(nèi)部的陽(yáng)極、陰極及中間隔離板的結(jié)構(gòu)必須易于氣體通過(guò)和傳輸。因此，要想提高電池的使用壽命，必須嚴(yán)格遵循充電電流不得超過(guò)電池所允許的最大充電電流的規(guī)定，過(guò)大的充電電流會(huì)導(dǎo)致蓄電池使用壽命的縮短。 第4章 充電電路 無(wú)論在變電站還是發(fā)電廠，直流電源系統(tǒng)都是一種重要的裝備。它既可作為正常運(yùn)行時(shí)的操作（合閘等）電源，又可作為事故停電后的后備電源，在變電站的安全運(yùn)行中起著不可替代的作用。因而對(duì)直流供電系統(tǒng)進(jìn)行不斷的研究、改造，使之更加完善、可靠是一項(xiàng)重要工作。 蓄電池充電裝置是直流電源系統(tǒng)的核心部件之一，其性能的優(yōu)劣直接決定了直流電源的水平。人們對(duì)充電裝置的要求主要有兩方面：其一是要有較高的性能指標(biāo)，如由平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間所表達(dá)的可靠性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、動(dòng)態(tài)調(diào)整速度及紋波系數(shù)等所表達(dá)的動(dòng)、靜態(tài)特性；其二是要有較為完善的自我檢測(cè)與控制功能，有較高的智能水平，可以根據(jù)蓄電池的特性和用戶的具體需要，選擇最佳的充電規(guī)律，以提高蓄電池的蓄電容量和使用壽命。并能對(duì)充電電壓、電流，進(jìn)行監(jiān)視、顯示等。后者正是智能充電裝置的控制器要完成的功能。 4.1 充放電裝置的設(shè)計(jì)要求 4.1.1 裝置的基本功能 ①.實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池的充電電壓和充電電流。 ②.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的環(huán)境溫度。 ③.具有掉電記憶保護(hù)功能。 ④.具有恒流放電的功能。 ⑤.充電過(guò)程可以在控制器的控制下智能地快速地完成。 4.1.2 裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)實(shí)際需要，本裝置應(yīng)該在一定的使用條件下按要求的技術(shù)指標(biāo)對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池進(jìn)行理想的快速充電： ⑴.電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍不超過(guò)額定值的士2％； ⑵.輸出電壓：DC10V～300V； ⑶.輸出電流：5A～10OA，連續(xù)可調(diào)； 4.2 充放電控制過(guò)程分析 4.2.1 鉛酸蓄電池的充電工藝要求 1. 充電電流應(yīng)小于或等于蓄電池可接受充電電流。充電過(guò)程中，如果充電電流大于可接受充電電流，過(guò)剩的電流將以有害的負(fù)反應(yīng)過(guò)程——電解水消耗掉。在大量析氣的狀態(tài)下，用于有效充電消耗的電能，還不到總消耗量的10％（即浪費(fèi)的電能超過(guò)了90％），這樣既延長(zhǎng)了工作時(shí)間，嚴(yán)重的析氣也使正極板腐蝕，損壞了蓄電池。 2. 深放電后，充電參數(shù)的選擇原則是防止過(guò)大的熱沖擊。蓄電池溫度應(yīng)不超過(guò)450C。 3. 防止充電不足。長(zhǎng)期充電不足使得蓄電池容量下降，造成蓄電池的早期損壞。對(duì)存放中的電池和處于潺流充電過(guò)程中的電池，應(yīng)定期進(jìn)行活化充電。 4. 防止過(guò)充電。過(guò)充電時(shí)有大量氣體析出，這時(shí)正極板活性物質(zhì)要遭受氣體的沖擊，這種沖擊會(huì)使活性物質(zhì)脫落；此外，正極板柵合金也遭受?chē)?yán)重的陽(yáng)極氧化而腐蝕，所以電池過(guò)充電時(shí)會(huì)使用壽命縮短 。 4.2.2 充電過(guò)程 對(duì)于免維護(hù)鉛酸蓄電池來(lái)講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電方式，然而，單獨(dú)采用其中的一種充電方式，沒(méi)有動(dòng)態(tài)跟蹤電池的實(shí)際狀態(tài)和可接受充電電流大小的技術(shù)，對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。鑒于免維護(hù)鉛酸蓄電池的充放電特性，我們采用微機(jī)控制的智能充電方法對(duì)兔維護(hù)鉛酸蓄電池充電，這種方法是在模擬圖4.l所示最佳充電曲線的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流，應(yīng)用dV/dt技術(shù)，采用主充、均充和浮充三個(gè)階段進(jìn)行充電。充電系統(tǒng)由充電裝置和被充蓄電池組組成二元閉環(huán)回路，充電裝置根據(jù)電池的狀態(tài)確定充電工藝參數(shù)，充電電流從始至終處在電池的可接受充電電流曲線附近，使電池幾乎在無(wú)氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對(duì)電池?zé)o損傷。整個(gè)充電過(guò)程如圖4.1所示。 1. 主充 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池虧電時(shí)，首先以恒流方式充電。為了避免產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而影響壽命，主充