CN2888722Y - 风力发电机的升压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机的升压装置，在风力永磁发电机的输出端与蓄电池之间串联一个DC/DC升压电路，风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的控制端之间串联一个电压比较器，稳压电源并联在蓄电池两端，稳压电源提供DC/DC升压电路和电压比较器的工作电压；当发电机的输出电压低于蓄电池电压时DC/DC升压电路将发电机输出的电压升压，并向蓄电池充电；当风力永磁发电机的输出电压高于蓄电池的电压时DC/DC升压电路停止工作，由风力永磁发电机直接向蓄电池充电。本实用新型使风力永磁发电机在低风速时，即使发出低于蓄电池的电压也能向蓄电池充电，从而有效提高风力永磁发电机的发电效率。

Description

风力发电机的升压装置

技术领域

本实用新型涉及一种升压装置，尤其是涉及一种风力发电机的升压装置。

背景技术

大部分风力发电机所发出的电能都是直接向蓄电池充电并由蓄电池储能，当发电机的转速未达到额定的转速时所输出的电压低于蓄电池的电压，此时发电机不能向蓄电池充电(发电机无负载处于空转状态)，只有发电机的电压高于蓄电池的电压时才能向蓄电池充电。风力发电机在实际使用时风力并不是每时每刻使发电机的转速达到额定转速，无风或低风力的天气使风力发电机不转或转速不够(发电机为无负载空转)，使发电机的输出电压低于蓄电池的电压，而不能向蓄电池充电的天数在一年中占了很大的比例，为此风力发电机的风能利用率很低。

如果降低发电机的额定转速，使发电机在低转速时发电(低风力时发电)。但是低转速发电机体积大，造价过高，而且低风力时驱动扭力过低很难驱动发电机(带负载)转动达到额定的转速，为此低转速发电机不能有效提高风力发电机的发电效率。

从提高发电机的发电效率的角度考虑去改善风力发电机的发电效率，按目前现有的技术和材料要提高发电机的效率几个百分点也是不容易的。如通过对叶片的结构改造，使用高强度轻质量的新型材料等制造叶片并增大叶片的尺寸(但叶片的尺寸不能无限增大)以增大低风速时的扭力，可以提高风力发电机的发电效率，但很难将发电效率大幅度提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种风力发电机的升压装置，使风力永磁发电机在低风速时，即使发出低于蓄电池的电压也能向蓄电池充电，从而有效提高风力永磁发电机的发电效率。

本实用新型的目的可通过以下的技术措施来实现：一种风力发电机的升压装置，包括DC/DC升压电路、电压比较器和稳压电源；DC/DC升压电路串联在风力永磁发电机的输出端与蓄电池之间，电压比较器串联在风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的控制端之间，稳压电源并联在蓄电池两端，稳压电源提供DC/DC升压电路和电压比较器的工作电压；发电机输出低于蓄电池的电压，经电压比较器判断输出控制信号驱动DC/DC升压电路将发电机输出的电压升压，并向蓄电池充电；发电机输出高于蓄电池的电压，经电压比较器判断输出控制信号关闭DC/DC升压电路，由风力永磁发电机直接向蓄电池充电。

电压检测电路的电源端直接连接到蓄电池的正端，作为长期供电(很低静态损耗电流)。电压检测电路的检测输入端接风力永磁发电机的输出端，当风力永磁发电机转动有电压输出时电压检测电路的输出端输出控制信号使稳压电源开启；使DC/DC升压电路和电压检测获得工作电压。当风力永磁发电机停转时电压检测电路的输出端停止输出控制信号，使稳压电源关闭。

当风力永磁发电机转动后输出电压上升到额定的充电电压的约50％时(此时为风力永磁发电机空载状态)电压比较器输出控制信号使DC/DC升压电路开启，DC/DC升压电路将风力永磁发电机的电压升压向蓄电池充电，DC/DC升压电路的开启使风力永磁发电机转变为带负载工作，由于风力永磁发电机是在低风力状态下发电风力所产生的驱动扭力很低，风力永磁发电机的转速会快速下降，输出电压也会快速下降。当电压下降到额定的充电电压的约25％时，电压比较器关闭输出控制信号使DC/DC升压电路关闭，此时风力永磁发电机又重新回到空载状态，风力永磁发电机的转速将很快回升，风力永磁发电机的电压又重新上升到额定的充电电压的约50％时，DC/DC升压电路重新开启，重新向蓄电池充电。如风力继续为低风力，DC/DC升压电路就不断的间歇开启和关闭，向蓄电池充电也为间歇的脉冲电流。

如风力增强有足够的驱动扭力，风力永磁发电机的转速不会明显下降，输出电压不会下降到额定的充电电压的约25％时DC/DC升压电路为连续开启，连续向蓄电池充电。

当风力永磁发电机不断的向蓄电池充电，当蓄电池的电压超出最大允许值时就会损坏蓄电池。在风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的输入端之间串联一个超压保护电路，将风力永磁发电机的输出端与电压检测、电压比较器DC/DC升压电路断开，从而保护了蓄电池不被过充电而损坏。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为电压检测与稳压电源原理图；

图3电压比较器与DC/DC升压电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的原理框图，包括包括DC/DC升压电路、电压比较器、稳压电源、压检测电路和超压保护电路；DC/DC升压电路串联在风力永磁发电机的输出端与蓄电池之间，电压比较器串联在风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的控制端之间，稳压电源并联在蓄电池两端，稳压电源提供DC/DC升压电路和电压比较器的工作电压；电压检测电路的电源端直接连接到蓄电池的正端，电压检测电路的检测输入端接风力永磁发电机的输出端，电压检测电路的输出端连接稳压电源控制端。超压保护电路串联在风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的输入端之间。发电机输出低于蓄电池的电压，经电压比较器判断输出控制信号驱动DC/DC升压电路将发电机输出的电压升压，并向蓄电池充电；发电机输出高于蓄电池的电压，经电压比较器判断输出控制信号关闭DC/DC升压电路，由风力永磁发电机直接向蓄电池充电。

如图2所示，图中永磁发电机PG为三相永磁无刷发电机内部配置有二极管三相整流桥，输出为直流。永磁发电机PG内部设置有二极管三相整流桥，或二极管三相整流桥是安装在永磁发电机PG外都把输出端确定为B。稳压电源Re由场效应管(FET)Q5三极管Q4、稳压二极管DW1构成典型的稳压电源电路，由电感L1电容C3构成稳压电源Re电源输入端的滤波，由电容C2对稳压电源Re的输出电压滤波。稳压电源Re输出稳压直流电供DC/DC升压电路UDC和电压比较器VC使用。

电压检测由电阻R1、R2、R3构成分压电路对发电机PG的输出端B的电压进行检测，对三极管Q1的b极作开关控制，三极管Q1的C极直接接到蓄电池BA的正极。当发电机PG的输出端B有电压输出时三极管Q1被开通，在电阻R4产生高电位，通过二极管D1向电容C1充电，由电阻R12限流，产生输出控制信号EA1，控制三极管Q3的b极。发电机PG在低转速时会出现波动，在电阻R4产生高电位也波动，二极管D1电容C1的作用是输出控制信号EA1为平滑。

三极管Q2的C极直接接到稳压电源Re的场效应管(FET)Q5的G极，在发电机不转动时，电压检测没有输出控制信号EA1，三极管Q2由于电阻R11、R9是由蓄电池BA的+端供电使其b极获得＞0.7V电压而导通，使场效应管Q5的G极与负端E短路而截止(很低静态损耗电流)，使稳压电源Re关闭。停止对DC/DC升压电路UDC和电压比较器VC供电。

当有输出控制信号EA1时三极管Q3导通，由于三极管Q3的C极直接接到电阻R11、R9两串联电阻的连接点，使三极管Q2截止，使效应管(FET)Q5导通，使稳压电源Re开通。恢复对DC/DC升压电路UDC和电压比较器VC供电。

如图3所示，电压比较器VC中由稳压二极管DW1、电阻R1、电容C2构成对发电机PG的输出端B的电压检测电路，电阻R1电容C2的接点与运算放大器U1a的+输入端连接，当发电机PG的输出端B的电压升高并达到一定值时稳压二极管DW1击穿导通，由电阻R1限流向电容C2充电，经延时后当电压上升到额定的充电电压的约50％时该电压超过电阻R2、R3分压点(分压点与运算放大器U1a的-输入端连接)电压时运算放大器U1a的输出端为高电位，经二极管D1向电容C3充电。

当风力永磁发电机PG的输出端B的电压下降当电压低于额定的充电电压的约25％时电容C2的电压(电容C2的电荷经电阻R1，稳压二极管DW1风力永磁发电机PG输出端B输出端放电)低于电阻R2、R3分压点电压时运算放大器U1a的输出端为低电位。如运算放大器U1a的输出端为低电位电容C3的电荷会经过电阻R6泄放。

二极管D1的阴极，电容C3，电阻R6的接点与运算放大器U1b的+输入端连接。电容C3为高电位时电压高于电阻R5、R4分压点(分压点与运算放大器U1b的-输入端连接)电压时U1b的输出端为高电位，反之为低电位。运算放大器U1b的作用是当运算放大器U1a的输出端为低电位时电容C3的电荷会经过电阻R6泄放，经延时后当电容C3的电位时电压低于电阻R5、R4分压点(分压点与运算放大器U1b的-输入端连接)电压时U1b的输出端为低电位，运算放大器U1b的输出端由高电位变为低电位。

在运算放大器U1b的输出端接有一个二极管D2，二极管D2的阳极为输出控制信号端，运算放大器U1b的输出端为高电位时二极管D2阴极电压高于阳极电压而截止，此时输出端输出开通控制信号，使DC/DC升压电路UDC使能开启。

当运算放大器U1b的输出端为低电位时二极管D2阴极电压低于阳极电压而导通，此时输出端输出关闭控制信号，使DC/DC升压电路UDC关闭。

DC/DC升压电路UDC由脉冲调宽(PWM)芯片(3525)U2，电感L1，场效应管Q1、Q2，高频二极管D2，储能电容C4构成。脉冲调宽芯片U2的9脚是控制脉冲调宽(PWM)端，当该点电压为5V时脉冲调宽(PWM)输出端(11和14腿)为最宽的脉冲。当该点电压降低时脉冲调宽(PWM)输出端(11和14腿)的脉冲变窄。如果该点电压为0V时脉冲调宽(PWM)输出端(11和14腿)没有脉冲输出。

脉冲调宽(PWM)输出端(11和14腿)经限流电阻R18，R19分别与场效应管Q1、Q2的G极连接，控制场效应管Q1、Q2以脉冲调宽(PWM)方式导通与关闭。

当脉冲调宽(PWM)输出端(11和14腿)最宽脉冲时DC/DC升压电路输出的电压和电流最大，反之为最小。

由分流器Im，三极管Q3，三极管Q4，电阻R8、R9构成恒流控制电路。当最大电流流过分流器Im产生最大压降，使三极管Q3导通，使它的C极电阻R8产生高电位并使三极管Q4导通，Q4的C极电阻R9与脉冲调宽芯片U2的9脚控制脉冲调宽(PWM)端连接，使脉冲调宽芯片U2的9脚的电压由5V降低，使脉冲调宽芯片U2输出端(11和14腿)的脉冲变窄，使场效应管(FET)Q1、Q2的导通变窄，使DC/DC升压电路的电流输出降低。

分流器Im由康铜线做成，选择康铜线的长度当DC/DC升压电路UDC的输出电流超出限定值时康铜线产生最大压降，使三极管Q3，三极管Q4导通，使脉冲调宽芯片U2的9脚的电压降低，使IC U2的输出端(11和14腿)的脉冲变窄，使场效应管Q1、Q2的导通变窄，使DC/DC升压电路UDC的电流输出降低，从而达到了恒流控制。

由三极管Q5，稳压二极管DW2电阻R15、R16构成DC/DC升压电路的输出电压检测和控制电路，当蓄电池BA的电压上升超出允许值时稳压二极管DW2击穿和导通，使三极管Q5导通，三极管Q5的C极经电阻R15与脉冲调宽芯片U2的9脚连接使9脚的电压降低，使脉冲调宽芯片U2的输出端(11和14腿)的脉冲变窄，使场效应管Q1、Q2的导通变窄，使DC/DC升压电路UDC的电压输出降低。从而达到限压的目的。

当风力增大风力永磁发电机PG的输出端B的输出电压升高，当电压与蓄电池BA的电压接近或高于蓄电池BA的电压时由于三极管Q5，稳压二极管DW2电阻R15、R16构成DC/DC升压电路UDC的输出电压检测和控制电路的控制使脉冲调宽芯片U2的9脚的电压降到最低或0V，DC/DC升压电路UDC处于半关闭或全关闭，由风力永磁发电机PG的输出端B的输出电压和电流直接通过分流器Im，电感L1，高频二极管D2直接向蓄电池BA充电。

脉冲调宽芯片U2的8脚经电阻R14与电容C7连接，电阻R14与电容C7为脉冲调宽芯片U2脉冲调宽(PWM)的软起动电路，当电容C7的电压很低或0V时脉冲调宽芯片U2就被关闭，DC/DC升压电路UDC便停止工作。当电容C7的电压达5V时脉冲调宽芯片U2开通，DC/DC升压电路UDC开通。

二极管D2的阳极与电阻R14，电容C7的连接点连接，当电压比较器VC的运算放大器U1b的输出端为0V时(风力永磁发电机PG输出端B没有电压输出)二极管D2导通，使脉冲调宽芯片U2的8脚的电压降到最低，使脉冲调宽芯片U2关闭，使DC/DC升压电路UDC关闭。

当风力永磁发电机PG输出端B有电压输出，电压比较器VC的运算放大器U1b的输出端为高电位时二极管D2的阴极电压比阳极电压高而截止，电容C7的电压回升到5V使IC U2开启，使DC/DC升压电路UDC开启。

在不同风力状态下风力永磁发电机的工作状态：

无风：(图2)电压检测VT的三极管Q1截止，无信号输出，稳压电源Re被关闭，电压比较器VC和DC/DC升压电路UDC无工作电压。

微风：(图2)风力永磁发电机PG在无负载状态下转动，输出端B有电压输出但电压很低，但可以使电压检测VT的三极管Q1导通，有信号输出，稳压电源Re被开启，电压比较器VC和DC/DC升压电路UDC有工作电压。

低风力：(图3)风力永磁发电机PG在无负载状态下转动，输出端B有电压输出但电压低，开始电压比较器VC的稳压二极管DW1由于输出端B低电压未被击穿导通，当输出端B的电压继续上升时电压比较器VC的稳压二极管DW1被击穿导通，由电阻R1向电容C2充电经延时后电容C2的电压上升到额定的充电电压的约50％时该电压超过电阻R2R3分压点(分压点与运算放大器U1a的-输入端连接)电压时运算放大器U1a的输出端为高电位，经二极管D1向电容C3充电。

二极管D1的阴极，电容C3，电阻R6的接点与运算放大器U1b的+输入端连接。C3为高电位时电压高于电阻R5R4分压点(分压点与运算放大器U1b的-输入端连接)电压时U1b的输出端为高电位。与U1b的输出端接的二极管D2，由于阴极电压高于阳极电压而截止，此时输出开通控制信号，使DC/DC升压电路UDC使能开启。

开启DC/DC升压电路UDC后，将风力永磁发电机PG输出端B输出的电能升压向蓄电池BA充电。此时风力永磁发电机PG变为有负载状态下转动由于低风力驱动扭力很低风力永磁发电机PG的转速会快速下降，输出端B的电压也会快速下降。当电压低于额定的充电电压的约25％时电容C2的电压(电容C2的电荷经电阻R1，稳压二极管DW1风力永磁发电机PG输出端B输出端放电)低于电阻R2R3分压点电压时运算放大器U1a的输出端为低电位。U1a的输出端为低电位电容C3的电荷会经过电阻R6泄放，延时后C3的电压低于电阻R5R4分压点(分压点与运算放大器U1b的-输入端连接)电压时U1b的输出端为低电位(由于电容C3的延时作用使U1b的输出端不至于快速高电位，低电位转换使DC/DC升压电路UDC的开关转换过快而影响充电效果)。与U1b的输出端接的二极管D2导通，关闭控制信号，使DC/DC升压电路UDC关闭。此时风力永磁发电机又重新回到空载状态，风力永磁发电机的转速将很快回升，风力永磁发电机的电压又重新上升到额定的充电电压的约50％时DC/DC升压电路UDC重新开启，重新向蓄电池BA充电。DC/DC升压电路UDC不断的间歇开启和关闭向蓄电池BA间歇脉冲充电。

中低风力：(图3)驱动扭力增大风力永磁发电机PG的转速不会下降明显，发电机PG输出端B的电压也不会快速下降。电压不会低于额定的充电电压的约25％，DC/DC升压电路UDC为连续开启，但风力永磁发电机PG输出端B的电压低于蓄电池BA的电压。需不断由DC/DC升压电路UDC升压将风力永磁发电机PG输出端B的电能升压向蓄电池B充电。

中大风力：(图3)当风力永磁发电机PG的转速增加，发电机PG输出端B的电压上升到接近或超过蓄电池B的电压时由于三极管Q5，稳压二极管DW2电阻R15、R16构成DC/DC升压电路UDC的输出电压检测和控制电路的控制使IC U2的9脚的电压降到最低或0V，DC/DC升压电路UDC处于半关闭或全关闭，由风力永磁发电机PG的输出端B的输出电压和电流直接通过分流器Im，电感L1，高频二极管D2直接向蓄电池BA充电。

超压保护电路OVP见图2，当风力永磁发电机PG不断的向蓄电池BA充电，当蓄电池BA的电压超出最大允许值时就会损坏蓄电池BA。由继电器JK及其控制电路构成的超压保护电路OVP将风力永磁发电机PG的输出端B与电压检测VT，电压比较器VC，DC/DC升压电路UDC断开，从而保护了蓄电池BA不被过充电而损坏。

由继电器JK，三极管QJ，稳压二极管DWJ电阻RJ构成了超压检测和控制电路，继电器JK的线包的一端(与二极管DJ阴极，二极管DJ2阳极端连接的一端)与蓄电池BA的+连接。当蓄电池BA的电压超出最大允许值时稳压二极管DWJ击穿导通，使三极管QJ导通，继电器JK吸合将风力永磁发电机PG的输出端B与电压检测VT，电压比较器VC，DC/DC升压电路UDC断开，将风力永磁发电机PG发出的电能通过负载电阻RL释放。(风力永磁发电机PG在高速运转时如没有负载会产生超高电压会损坏永磁发电机，需将电能释放来保护永磁发电机。)

由于没有充电蓄电池BA的电压很快就会下降(低于最大允许充电电压)，稳压二极管DWJ会重新截止使继电器JK重新释放，风力永磁发电机PG的输出端B与电压检测VT，电压比较器VC，DC/DC升压电路UDC重新接通，重新向蓄电池BA充电。(这是不希望的)为此当继电器JK吸合时在负载电阻RL可得到风力永磁发电机PG的输出端B电压，由二极管DJ1，电阻RJ1将该电压使稳压二极管DWJ维持击穿导通，使三极管QJ导通，继电器JK吸合。直到风力永磁发电机PG的转速降到很低，输出的电压也下降使稳压二极管DWJ截止，使三极管QJ截止，继电器JK释放。避免了蓄电池BA在最大允许充电电压区频繁充电而损坏蓄电池BA。

Claims (3)

1、一种风力发电机的升压装置，其特征在于：包括DC/DC升压电路、电压比较器和稳压电源；DC/DC升压电路串联在风力永磁发电机的输出端与蓄电池之间，电压比较器串联在风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的控制端之间，稳压电源并联在蓄电池两端，稳压电源提供DC/DC升压电路和电压比较器的工作电压；发电机输出低于蓄电池的电压，经电压比较器判断输出控制信号驱动DC/DC升压电路将发电机输出的电压升压，并向蓄电池充电；发电机输出高于蓄电池的电压，经电压比较器判断输出控制信号关闭DC/DC升压电路，由风力永磁发电机直接向蓄电池充电。

2、根据权利要求1所述的风力发电机的升压装置，其特征在于：还包括电压检测电路，电压检测电路的电源端直接连接到蓄电池的正端，电压检测电路的检测输入端接风力永磁发电机的输出端，电压检测电路的输出端连接稳压电源控制端。

3、根据权利要求1所述的风力发电机的升压装置，其特征在于：还包括超压保护电路，超压保护电路串联在风力永磁发电机的输出端与DC/DC升压电路的输入端之间。

Images