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用于收集新能源不稳定三相交流电流、稳压以及储存系统的设计与仿真-集成电路设计与优化

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文档分类: 机械及其自动化论文

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关于本文

  • 本文标题:用于收集新能源不稳定三相交流电流、稳压以及储存系统的设计与仿真-集成电路设计与优化.docx
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  • 内容摘要:用于收集新能源不稳定三相交流电的整流、稳压以及储存系统的设计与仿真集成电路设计与优化学院:专业:姓名:指导老师:工业自动化学院机械电子工程学号:职称:陈婷教师中国·珠海二○二〇年五月诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计《用于收集新能源不稳定相交流电的整流、稳压以及储存系统的设计与仿真集成电路设计与优化》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。承诺人签名:。日期:年月日用于收集新能源不稳定三相交流电的整流、稳压以及储存系统的设计与仿真集成电路设计与优化摘要如今地球资源紧张,人类对于资源的浪费日益严重,特别是对于稀有资源和不可再生资源的过度使用导致了能源问题日趋严重。而我国所面临的主要能源问题就是化石油类能源供应严重不足,这使得我们对新能源有更大的需求,所以开发新能源,可以进一步减轻我们国家对于传统能源诸如石油和煤炭等的依赖。本文的研究过程是一种对新型能源的实际探索,将生活中存在的能源进行合理的利用,引起对不同能源领域的重视,同时令新能源利用能体现在真正的生活中来。因此本次设计围绕风力发电机,先进行风力的收集,令风力发电机产生不稳定三相交流电,对产生的交流电进利用二极管整流电路进行整流,让不稳定三相电输出为平稳的脉动直流电,再进行RC滤波处理,令脉动直流电输出波形趋于平滑的恒流电,接着利用稳压二极管和升压斩波电路,使得输出为稳定的13。6V电压,目的是将输入的不稳定三相交流电输出为稳定的直流电并可以存储在12V蓄电池中以供使用。使用AD软件绘制电路图,再利用Multisim得到的电路仿真结果显示,达到设计的预期效果,实验方案可行。同时经过实物搭建验证了电路的可行性。本文针对过程中涉及到的整流电路、滤波电路、稳压及升压电路进行方案介绍及拓展。关键词:三相交流电;整流;恒流电;升压斩波;Multisim;AD;新能源UsedtocollectnewenergyutablethreephaseACDesignandsimulationofrectificationvoltagestabilizationandstoragesystemsICdesignandoptimizationAbstractNowadaystheresourcesoftheeartharetightandhumaareincreasinglywastingresourcesespeciallytheexcessiveuseofrareandnonrenewableresourceswhichhasledtoincreasinglyseriousenergyproblems。ThemainenergyproblemfacingChinaistheseriousshortageofpetrochemicalenergysupplywhichmakesushavegreaterdemandfoewenergy。Thereforethedevelopmentofnewenergycanfurtherreduceourcountrysdependenceontraditionalenergysourcessuchasoilandcoal。Theresearchprocessofthisarticleisapracticalexplorationofnewenergysourceswhichwillrationallyusetheenergyexistinginlifeattractingattentiontodifferentenergyfieldsandatthesametimeenablingtheuseofnewenergytobereflectedinreallife。ThereforethisdesignrevolvesaroundwindturbinescollectingwindpowerfitsothatthewindturbinesgenerateutablethreephaseACpowerandusethedioderectifiercircuittorectifythegeneratedACpowersothattheutablethreephasepoweroutputissmoothpulsatingDCAndthencarryoutRCfilteringtomakethepulsatingDCoutputwaveformtendtobesmoothandcotantcurrentandthenuseavoltagestabilizingdiodeandboostchoppercircuittomaketheoutputbeastable13。6VvoltagethepurposeistoconverttheinpututablethreephaseTheACoutputisstableDCandcanbestoredina12Vbatteryforuse。UseADsoftwaretodrawthecircuitdiagramandthenusethecircuitsimulationresultsobtainedbyMultisimtoshowthattheexpectedeffectofthedesignisachievedandtheexperimentalschemeisfeasible。Atthesametimethephysicalcotructionhasverifiedthefeasibilityofthecircuit。Thisarticleintroducesandexpandstheprogramfortherectifiercircuitfiltercircuitvoltageregulatorandboostercircuitinvolvedintheprocess。Keywords:ThreephasealteatingcurrentrectificationcotantcurrentboostchoppermultisimADnewenergy目录1绪论11。1引言11。2研究背景11。3本设计的目的、意义11。4风力发电机的国内外现状21。5风力发电机的发展趋势21。6研究的主要内容和目标31。7本章小结32总体方案32。1设计概述32。2整体设计的组成32。3电路设计的硬件结构图42。4电源设计42。5平台设计42。6设计总结43电路总体设计及原理介绍53。1整流原理及分类53。1。1半波整流53。1。2全波整流63。1。3桥式整流电路73。1。4三相半波整流83。1。5三相半波可控整流103。1。6三相桥式整流113。1。7三相桥式可控整流电路123。1。8功率因数163。2稳压原理及分类193。2。1稳压二极管193。2。2稳压器203。2。3串联稳压电路213。3滤波电路213。4直流斩波电路223。4。1升压斩波电路原理233。5场效应管243。5。1MOSFET分类243。5。2MOSFET工作原理253。6MOSFET栅极电压输入263。6。1PWM输入263。6。2PWM输入的产生263。6。3555定时器274电路设计及仿真294。1整流电路294。2滤波电路314。3稳压电路334。4升压斩波电路354。5PWM输入354。6整体电路及仿真结果375总结405。1设计难点405。2设计创新点405。3设计不足点405。4展望40参考文献41谢辞42附录43附录1电路相关图43附录2英文文献46附录3英文文献翻译531绪论引言如今世界上对于能源的利用越发的频繁,自从人类开始进入工业时期,便预示着对于传统的人力躬耕社会而言,人力的使用成本以及局限性已经远远不及机械所带来的好处多,对于机械的发明创造,也更加的使得人类文明水平不断发展,然而机器的运作离不开资源的利用,如最早出现的蒸汽机,就是需要利用热源来对蒸汽机内的气体进行挤压碰撞,使其产生活塞运动。这样的方式需要充足的热源,可以组成热源形成的都是可燃易燃物品诸如树木、煤、石油等,这些其实都是对于生态资源的使用,一旦使用过度产生了滥用,那么对于自然界资源的摧毁性将是不可逆的。因此我们将对于随处可见的能源——风力,来进行对风力的使用,让风力产生的电能可以收集起来为我们所使用,见微知著,利用这样一种方式加强人们对生态环境的重视程度,唤醒对自然资源的保护之心,使得资源的利用更为恰当,对生态环境的健康程度更为重视。1。2研究背景风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电[]。据数据显示,风速只要在三米每秒的速度以上即可产生能量。因此风力的可行性程度是较高的。风力发电机的发展在我国进入了飞速的时期,也就说明了对于风力而言,是一种极为清洁、高效的能源,可以极大的收集转换为我们所用,因此风力发电是一种重要的发电方式,我们将对此进行研究学习。对于风力的转化需求是较为简单的,只要产生三级的风力那么久可以被利用转换为其他能量形式,从合理性以及经济性来说,风速达到每秒4米每秒的时候就是最适合进行发电的时候。据测定,一台55千瓦的风力发电机组,当风速每秒为9。5米时,机组的输出功率为55千瓦;当风速每秒8米时,功率为38千瓦;风速每秒为6米时,只有16千瓦;而风速为每秒5米时,仅为9。5千瓦,可见风力愈大,经济效益也愈大[]。所以风力拥有易获取、能量大的优势。1。3本设计的目的、意义近年来,风力的市场再逐渐扩大。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起,已经成为全球风电最为活跃的场所,2006年全球风电资金中9%投向了中国,总额达16。2亿欧元(约162。7亿元人民币),2007年,中国风电装机容量已排名世界第五[]。因此风力发电是与日常生活越来越息息相关的产业,对于自然风力的使用,可以减少其他方式诸如煤炭石油能源的消耗,风力电机最后转化为直流电的模式更方便在实际生活中使用,例如给台灯、鼠标或者手机进行充电,保证我们日常所需电子产品的正常使用。输出的直流电相比于交流电,有着更加便捷有效的优点,若所需输出功率相等的情况下,在直流条件下输电所需要的线材是交流方式的23~12。因此对于交流电的整流可以减少对于后续输电系统的所需材料,这样就可以在利用好三相电的同时也减少了输电过程中的材料成本。1。4风力发电机的国内外现状如今位列世界风力发电机发电总量第一的国家是美国,而发电机的建造数量上,主要也还是由西方国家占据排名表上的前列,因此国外的风力发电机是相较于我国发展的较早的,可以追溯到的是19世纪末20世纪初的时候,风力发电机就已经出现在西方发达国家诸如美国、德国、法国等国家,因此国外的电力发电水平较高且发展历史长远。在我国据资料记载,风力发电机最早出现于20世纪50年代,于1965年被列入国家发展计划中,虽然发展较晚但我国也随即进入了稳扎稳打的发展之路上。但相较于传统的能源,我国的风力资源的使用仍然较为匮乏。2016年全国发电总量5。91万亿千瓦时,同比增长4。5%,2016年风电发电量2410亿千瓦时,同比增长30。1%,占全国发电总量的比例为4。08%,发展潜力仍然巨大[]。相信未来,在全国各地对于风力发电机建设计划的落实下,可以为我国的风力发电机的建设规模带来持续的增长。图1。1风力发电机1。5风力发电机的发展趋势目前风力发电机的前景很好,由于我国的发展起步较西方国家所晚一些,但是就近年来的发展趋势是越来越好的,对于风力的使用也是未来新能源领域里必不可缺少的一部分,因此相信风力能越来越成为能源的利用手段。大型风力发电机的发电规模是十分巨大的,所受益的群体也是数不胜数,因此本文就来探究设计一款在实际生活中可以使用到的风力发电机,由于受众人群是基本的个体,可以将风力能源的使用更为实际化以及低成本化,由此令风力发电机更为人们所受用。1。6研究的主要内容和目标本设计要完成的目标:(1)查阅相关文献、论文、博客等,学习一定方面的知识打下基础。(2)进行三相交流电整流、稳压、升压等方面的原理学习。(3)电路的设计以及铺设出电路图。(3)设计电路原理图,确保电路可行有效,实现整流、稳压等操作。(4)对电路模拟仿真,确保仿真符合预期。(5)检查设计的正确性,检验是否达到实际需求。1。7本章小结本章主要明确了整体的方向,对于风力转化为电能中可能产生的问题进行总结,并进行了简单的设计展望,对于具体的原理设计还要有进一步的学习理解。2总体方案利用风力产生三相正弦交流电,将风力收集起来转化为电能,由于产生的为三相交流电,不可直接用作蓄电池电能输入,因此将对产生的三相交流电进行整流,将其转化为脉动直流电,再将其进行滤波处理,将脉动直流信号转化为趋于平滑的输出,然后再将电路中加入稳压环节,令输出为平滑的固定输出直流电,由于收集风力所产生能量不稳定,为了实现对电能的加强,加入升压装置,对输入较小的电能部分进行升压处理,从而达到可以储存在电池内的效果。2。1设计概述对三相交流电进行整流滤波稳压等处理,令三相电输入可以转化为直流电输出,在此过程中对于整流、稳压、升压处进行不同的分析处理,在模拟和实际中选择最优方案。对此过程中对于功率因数、升压部分的脉冲宽度调制(PWM)输入以及三相不平衡的调制方法做额外的分析研究。2。2整体设计的组成整体是以整流、稳压为主体的设计仿真,对输入的风力三相交流电进行转化,令其之后输出可以为直流电能,用以存储在电池内可供使用。其中主要由二极管组成的整流桥以及电解电容、稳压器、稳压二极管、升压模块等组成,如图2。1所示。2。3电路设计的硬件结构图图2。1硬件结构图2。4电源设计电源设计方案将采用微型交流发电机24V,额定功率12W,该产品选择的是无刷技术。把风扇叶连接到轴承,通过电风扇模拟出不稳定的风源,使其发电机发出稳定的三相交流电,其次是进行必要的数据收集、整合、通过数据拟合成近似三相交流电波形的公式,以便于仿真的进行,为后续的仿真实验做准备。然后在其中的两条火线上分别连接上滑动变阻器,使其发出不稳定的三相交流电。2。5平台设计平台的设计方案采用的是面包版进行实验元器件的搭建,通过对整流、滤波、稳压、升压模块的细化分别进行检测,确保实验方案的顺利进行。平台采用面包板线进行连接,通过万用表进行电流、电压的检测。调节产生的直流电压,找到合适的电压给蓄电池进行充电。由于实物中微型交流发电机中没有地线,导致了升压的实验电路无法进行实物展开,为了实验平台的搭建,使用了MT3608升压板进行升压,它具有良好的升压、滤波性能。2。6设计总结电路的设计主要由整流、稳压、升压等部分组成,其中整流模块内的不同整流方式需要分析各种条件下的区别,在稳压方面对于不同的二极管选择要符合实际的搭建效果,在升压模块内涉及到的对于场效应管的导通条件要有清晰的认识,以及外界PWM输入信号的使用也要学习掌握,争取通过对电路的学习设计中扩展更多的知识。3电路总体设计及原理介绍本文中采用对三相交流电源输入进行变换后输出为可供使用的直流电源。主要对三相电源进行的处理方式有:整流、滤波、稳压、升压,如图3。1所示:图3。1总体电路设计3。1整流原理及分类整流电路是指对三相交流电的交流电能部分进行转化,将其输出为直流电,本质是利用具有单相导通性能的电子器件,把交流电整个周期内全部电压都得到利用,使得输出为脉动直流电压。在电网侧经过变压器后输出是交流电,但是用户家庭内使用到的更多是直流电。因此就需要整流,这就是一个把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小改变的交流电变换为直流电,下面介绍利用晶体二极管组成的各种整流电路[]。3。1。1半波整流半波整流是将输入侧带来的正弦波波形转化为同一方向的脉动直流信号,只整流其中半个周期的交流电。即输入全部周期,只输出一半的周期,由于只能整流交流电一半的周期,因此输出就只能大概等于一半的输入电压。例如若电网变压后输入24V交流电压,经过半波整流以后输出的电压为12V左右[]。电路中所需要的是二极管以及电阻负载,如图3。2所示,波形如图3。3所示。输出平均值:U0=0。45U(式3。1)图3。2半波整流电路图3。3半波整流电路波形半波整流的好处是经济实惠,易实现,缺点是效率低,难滤波。3。1。2全波整流全波整流是对交流电输入的全部周期进行利用的电路,它可以将交流电源处于正半轴和负半轴两个半波的电压在不同时刻进行导通,在上半个周期内导通其中第一个二极管,在下半个周期内通过第二个二极管,从而实现将整个周期的正弦输入进行整流。这是将一个完整周期中的正负半波都利用起来,对比半波整流来说更为高效。他的输出电压与输入电压的关系为U0=0。9U。需要整流二极管和负载电阻,如图3。4所示,波形如图3。5所示。推导公式:U0=U=0。9U(式3。2)图3。4全波整流电路图3。5全波输出波形全波整流电路的优点是交流电源的利用效率更高,使得整个周期都可以利用并转换为连续的脉动直流电。缺点是变压器的利用率低,因为总是只工作在次级线圈一半的绕组上,其次是一旦导通的二级管处于工作状态,截止的二级管将会承受双倍电压。3。1。3桥式整流电路桥式整流是对全波整流的改进,利用4个二极管用以形成“整流桥”,来对交流输入进行整流,如图3。6所示,波形如图3。7所示。图3。6桥式整流电路过程如下,例如当交流电输入为周期内的正方向时,D1导通,经过负载电阻,接着D3导通,回到次级绕组完成一个回路,同理,当进入负半周期时,D2,D4导通,和电阻Rfz以及E2构成完整回路。至此完成了一个周期内的交流电整流,假设二极管本身导通压降很小,此时二极管在回路中受到的反向电压是和输入侧的电压是一样大小的值,不仅使得电路不再需要中心抽头变压器,同时也解决了全波整流中二极管两端会承受到双倍电压的问题。图3。7桥式整流波形三相交流电即利用三个初相位相差120°并且频率相等,振幅相同的正弦输入单相电连接而成组成的三相交流电源。3。1。4三相半波整流三相半波整流根据连接方式有两种接法,一种是将整流二极管的负极接在一起的方式,称为共阴极接法,如图3。8所示。另外一种方式是将整流二极管之间的正极相互连接,这种方式称为共阳极接法,如图3。9所示。波形图及仿真图如图3。10、图3。11所示。图3。8共阴极接法图3。9共阳极接法若以共阴极接法为例,当三相电中U的正向电压最大时,此时的VD1导通,接着经过负载两端,回到N组成回路,即由U—VD1—RL—N构成的完整回路,当经过120°后,同理,此时是V获得最大的正向电压,此时VD2导通,在经过120°以后,是由VD3与电阻、电压源构成的回路,此时三相交流电进行了一个完整周期的整流操作,在这个完整周期里,三个二极管都完成了轮流导通的功能,循环往复,对于三相半波整流而言,由于周期内每个二极管只在13周期内得到导通,即变压器的每一相也得不到很高的利用率,造成电能浪费。图3。10三相半波整流波形图图3。11三相半波整流仿真图3。1。5三相半波可控整流在三相半波可控电路中,负载为电阻和电感时,当触发角α=30°时,如图3。12所示:图3。12阻感负载30°α=60°时,如图3。13所示图3。13阻感负载60°当负载为电阻时,α=30°,如图3。14所示:图3。14电阻负载30°α=60°,如图3。15所示:图3。15电阻负载60°3。1。6三相桥式整流在三相桥式整流里,利用共阴极组和共阳极组串联,组成三相桥式整流,电路是利用共阴极组以及共阳极组所连接的三相电源的电位差来实现导通的,共阴极组中当阳极电位达到最大值的时刻出现时,则所在的共阴极组内的二极管导通,同一时刻,当共阳极组中阴极电位在周期内是最小值的时刻时,则此时的共阳极组内二极管导通,实现回路,继续下一个电位变化的时刻。电路及波形如图3。16、图3。17所示。图3。16三相桥式整流图图3。17三相桥式整流波形图3。1。7三相桥式可控整流电路对比于三相桥式整流,将原电路的二极管更改为可控器件晶闸管,晶闸管又名为可控硅,这是一种可以控制其导通的器件,因此用于观察在整流电路中不同的时刻的触发角情况下输出波形的变化。如图3。18所示。对不同组别对应到的导通的一对晶闸管同时加触发脉冲,所以触发脉冲按T1T2T3T4T5T6的顺序,相位依次差60°,共阴极组T1、T3、T5的脉冲依次差120°,共阳极组T4、T6、T2也依次差120°[]。输出整流电压Ud则为两相电压之差[]。图3。18三相桥式可控整流当示波器由上至下显示波形为:输入三相电信号、输出电压信号、输出电流信号时,波形如下:当负载为电阻和电感时,α=30°时,如图3。19所示:图3。19阻感负载30°α=60°时,如图3。20所示:图3。20阻感负载60°α=90°时,如图3。21所示:图3。21阻感负载90°当负载为电阻时,α=30°时,如图3。22所示:图3。22电阻负载30°α=60°时,如图3。23所示:图3。23电阻负载60°α=90°时,如图3。24所示:图3。24电阻负载90°3。1。8功率因数在仿真图中不难发现,在整流电路中,当负载为纯电阻性时,输出端电压波形和电流波形是一致的,当出现阻感负载时,电流的输出又是趋于平滑的,即与输入电压波形的关系是非线性的,因此考虑输入电压与输入电流之间的关系,并且由此讨论对于大型交流电整流中三相整流电路的功率因数问题。整流装置在电力系统中应用广泛,是典型的非线性。。。
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