小型风力发电机控制器设计.docx
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小型风力发电机控制器设计
电子设计竞赛教程
考试（设计报告）
题目：
小型风力发电机控制器设计
摘要
现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。
因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。
本设计的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。
本设计以单片机8051的加强版STC12C5A60S2为核心控制整个电路，具体由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成，功能上能保证系统安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行。
减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波。
合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能。
保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电。
综上所述，本设计将具有可靠性更高、价格更廉等优势，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。
关键词：
发电机整流锂电池环保
一绪论
随着现代工业的发展和社会的进步，人们对供电持续性和供电量的要求也越来越高。
而煤炭、石油的日趋减少，开发新能源成为当今社会最热门的话题之一。
风能作为一种自然资源，它有取之不尽、清洁无污染等优点，所以被人们称为“绿色资源”受到青睐。
利用可再生能源可以节约能源和保护环境，而风力发电与其它再生能源相比，更具竞争潜力，因而发展迅速。
我国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。
据统计，截至到2006年底，我国大陆地区已建成并网型风电场91座，累计运行风力发电机组3311台，总容量达259.9万kW。
已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等16个省区。
根据电监会公布的数据，截至2006年底,中国发电装机容量达到62200万kW，风力发电占全国总装机容量的0.42%。
和火力发电相比，风力发电还具有以下显著的优点：
①风能是一种可再生的洁净能源，它既不消耗自然资源，也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的。
②风力发电系统的建设周期要比火力发电系统短，而且投入的资金也要少得多。
③由于现代高科技技术得融入，使得风力发电的可靠性得到显著提高。
大中型风力发电机组的可靠性从80年代的50％提高到98％，已经高于火力发电，并且机组寿命可达20年以上。
④与火力发电相比，风力发电机组建设的占地面积要远远小于火力发电，并且风力发电既可以并网运行，也可以和其他能源，如柴油发电、太阳能发电、水力发电组成互补系统。
还可以独立运行。
对于解决边远无电或供电困难地区的用电问题提供了现实的可行性。
由以上所述可以看出，风力发电对我国的经济发展有着巨大的意义。
作者希望通过
对小型风力发电机及其相关控制技术的研究，来改进和完善风力发电技术，为风力发电技术的发展提出一些创造性的想法。
二小型风力发电系统原理
2.1风力发电系统组成
普通的独立式小型风力发电系统由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成（见图2.1），其中整流电路和斩波电路也可以合称为电能变换单元电路，它实现了将风能转换为电能和变换为能够使用的电能的整个过程。
利用风力带动发电机发电，将发出的电能存储在蓄电池中，在需要使用的时候再把存储的电能释放出来。
图2.1小型风力发电系统结构示意图
2.2风电系统的运行特点
对于独立运行的小型风力发电系统,它的工作情况主要由风速、蓄电池状态和负载情况决定,发电机输出的能量要与负载当前消耗的能量以及蓄电池所能储存的能量总和匹配。
系统运行状态的分析如表2.1所示：
表2.1风电系统运行模式
状态是否存在
风机状态
蓄电池状态
负载状态
发电
不发电
充电
放电
有电
无电
1
0
1
0
1
0
NO
0
0
0
YES（状态1）
0
0
1
NO
0
1
0
NO
0
1
1
NO
1
0
0
YES（状态2）
1
0
1
YES（状态3）
1
1
0
YES（状态4）
1
1
1
状态说明：
状态1：
风机不发电，由蓄电池单独为负载供电；
状态2：
风机发电，由风机和蓄电池一起为负载供电；
状态3：
风机发电，为蓄电池充电，风机和蓄电池都没有为负载供电；
状态4：
风机发电，为蓄电池充电的同时也为负载供电。
由以上状态分析可以看出，风力发电系统一般都是在以上四种状态下工作的，随着外界环境的变化，如风速、风向的不同，还有负载工作情况的变化，整个风力发电系统是在四种状态间切换工作的。
当由于环境风速低于风力机的启动风速，而使风力发电机无法发电时，则要由蓄电
池为负载供电，这就是第一种工作状态；当风速足够大，风力发电机可以发电，且蓄电
池不需要充电时，则可以由风力机和蓄电池一同为负载供电，若负载较小时，也可由风
力发电机单独为负载供电，这就是第二种工作状态；当风速不是很大，且蓄电池亏电较
为严重时，为了保护蓄电池，则需要停止为负载供电，而风力发电机只为蓄电池充电，
这就是第三种工作状态；与第三种状态类似，当蓄电池亏电严重，而风速较大时，风力
发电机发出的电能较多，除了满足为蓄电池充电外，还可以为负载供电，这就是第四种
工作状态。
2.3电能变换单元和控制单元
2.3.1整流器
在发电系统中，整流模块是非常重要的一个环节。
发电机发出的交流电能必须通过整流模块，整形成直流电能，才能向蓄电池充电，或给后接负载供电。
根据发电系统的容量不同，整流器可分为可控整流器和不可控整流器两种，可控型整流器主要用在大功率的发电系统中，可以克服由于电感过大引起的体积大、功耗大等缺点；不可控型整流器主要用在功率较小的发电系统中，其特点是体积小、成本较低。
可控型整流器如图2.2所示，其使用的是全控或半控型的功率开关管，如门极可关断晶体管GTO、功率MOSFET或门极绝缘双极性晶体管GTR等。
图2.2可控整流桥式电路
不可控整流器如图2.3所示，其使用的是不可控型的功率开关管，如大功率二极管，该电路具有结构简单、功耗低、成本低等优点，普遍应用在中、小功率发电系统中。
图2.3不可控整流桥式电路
2.3.2DC/DC变换器
DC/DC变换器是使用半导体开关器件，通过控制器件的导通和关断时间，再配合
电感、电容或高频变压器等以连续改变和控制输出直流电压的变换电路。
一般情况下，直－直变换器分为直接变换和间接变换两种，直接变换没有变压器的介入，直接进行直流电压的变化，这种电路也称为非隔离型的DC/DC变换器（斩波电路）；间接变换则是先将直流电压变换为交流电压，经变压器转换后再变换为直流电压，此种直－交－直电路也称为隔离型DC/DC变换器。
近年来，随着高频化、软开关和三电平技术的不断发展，DC/DC变换器向着体积
更小、重量更轻、效率更高的方向发展，可供风力发电系统使用的DC/DC变换器类型也不断增加。
在风力发电系统中使用的DC/DC变换器具有以下特点：
①与传统的DC/DC变换器相比，在风力发电系统中使用的DC/DC变换器除了具有电压变换的作用外，还要实现最大功率点跟踪（MPPT—MaximumPowerPointTracking）功能。
（又可称为最大功率输出控制）
②在闭环控制的系统的中，DC/DC变换器的反馈信号常为其输出电压，而在风电系统中，为了实现风力发电机的最大功率输出控制，就需要采用相应的MPPT算法，因此，DC/DC的反馈信号就不只仅限于输出电压了，还可能使用变换器的输入电压、输出电流或输出功率等作为反馈参数。
③传统的DC/DC变换器多为专用芯片提供控制信号，其控制比较简单；而在风电系统中，由于要实现MPPT功能，所以需要使用单片机或DSP，采用PWM控制方式来调节功率开关管来实现系统功能。
2.4锂电池
2.4.1锂电池的介绍
在数码产品中，无论是从技术角度评估还是从价格方面的考虑，电池都占有十分重要的地位。
时值今日，市场上正在销售的数码产品中，所使用的电池已经基本完成了从镍电池到锂电池的过渡。
也许是由于电池刚刚完成了一次镍电池到锂电池的革命，所以人们对锂电池的认识并不统一，在许多情况下不正确的说法和做法颇为流行。
因此，懂得一点锂电池的知识，掌握锂电池的正确使用方法是非常有必要的。
2.4.2锂电池的种类
目前市面上所使用的二次电池主要有镍氢（Ni-MH）与锂离子（Li-ion）两种类型。
锂离子电池中已经量产的有液体锂离子电池（LiB）和聚合物锂离子电池（LiP）两种。
所以在许多情况下，电池上标注了Li-ion的，一定是锂离子电池。
但不一定就是液体锂离子电池，也有可能是聚合物锂离子电池。
锂离子电池是锂电池的改进型产品。
锂电池很早以前就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入了能抑制锂元素活跃的成份（比如钴、锰等等）从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。
至于如何区分它们，从电池的标识上就能识别，锂电池为Li、锂离子电池为Li-ion。
现在，笔记本和手机使用的所谓“锂电池”，其实都是锂离子电池。
现代电池的基本构造包括正极、负极与电解质三项要素。
作为电池的一种，锂离子电池同样具有这三个要素。
一般锂离子技术使用液体或无机胶体电解液，因此需要坚固的外壳来容纳可燃的活性成分，这就增加了电池的重量和成本，也限制了尺寸大小和造型的灵活性。
2.4.3锂电池的充电方法
阶段1：
小电流预充
先用50mA小电流对电池预充。
当电池电压>=2.5V时转到下一阶段。
阶段2：
恒流充
用500mA恒定电流对电池快速充电。
当电池电压>=4.2V时转到下一阶段。
阶段3：
恒压充
逐渐减少充电电流，保证电池电压恒定=4.2V
当充电电流<=50mA时，停止充电
阶段4：
涓流充
充电结束后，为维持电池电压，进行小电流脉冲充电。
因为锂电池的自放电较轻微，故该阶段可省略。
如图2.4所示。
图2.4锂电池充电过程曲线
三小型风力发电机控制器的设计
3.1电机的选择
3.1.1手摇发电机
发电机是由线圈作为转子，磁铁作为定子，形成稳定磁场。
手摇使线圈在磁场中连续转动切割磁场，发生电磁感应现象，产生电流。
定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。
线圈作为转子，磁铁作为定子，形成稳定磁场。
手摇使线圈在磁场中连续转动切割磁场，发生电磁感应现象，产生电流。
其原理图如图3.1所示。
图3.1发电机原理图
本设计采用的是拆机日产直流减速电机，额定功率10W，最大电流500mA。
适合电压：
6V-24V，转速：
32-130转/分钟，重量：
200克。
直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。
齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。
同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。
这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。
减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。
这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。
通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。
减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。
使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。
直流减速电机在机电行业是比较常见的微型减速电机,但是对于减速电机的性能和材料了解应该不太多而且厂家如何选择材料的等比较专业的知识不是一两天能明白的,主要从：
考虑磁场性质，考虑各种齿轮减速电机对冲片铁心磁导率的方向性和均匀性冷轧，考虑减速电机铁心工作磁密高低，考虑铁心损耗大小等几个方面入手，但是对于国外的高技术含量的减速机对材料结构设计上的选择，了解还不深，所以以上都是国产直流减速电机的一些知识。
图3.2发电机实物图
3.1.2电机特性曲线
一、转速特性曲线：
电动机的转速特性是在描述电动机转速为n与电枢电流Ia的关系，一般将电动机输入额定的电压，同时调整激滋电流及负载，使电动机在满载情形下，维持激滋电流及端电压不变下，逐渐调速负载，以过到额定转速的曲线，经电枢电流Ia为横座标，转速n为纵座标所描绘出的曲线称为转速特性曲线。
图3.3转速特性曲线
二、转矩特性曲线：
电动机的转矩特性曲线是在描述电动机的转矩T与电枢电流Ia的关系，一般将电动机的端电压与磁场电流维持在定值，逐渐调整负载，以电枢电流Ia为横座标，转矩T为纵座标所描绘出的曲线称为转矩特性曲线。
其转矩特性曲线和转换电路如图3.4和图3.5所示。
图3.4转矩特性曲线
图3.5发电电压转换电路
3.2单片机（单片机STC12C5A60S2）
3.2.1产品介绍
在众多的51系列单片机中，要算国内STC公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60KFLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
而且STC系列单片机支持串口程序烧写。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。
是一款高性价比的单片机。
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
3.2.2单片机STC12C5A60S2的特点
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051;
2.工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：
3.6V-2.2V（3V单片机）;
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz;
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节;
5.片上集成1280字节RAM;
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma;
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片;
8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）;
9.看门狗;
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）;
11.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%;
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：
8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准;
13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;
14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟;
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）;
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：
——也可用来当2路D/A使用
——也可用来再实现2个定时器
——也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）;
17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口;
18.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）;
工作温度范围：
-40-+85℃（工业级）/0-75℃（商业级）21.封装：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
其管脚图和控制电路图如图3.6和图3.7所示。
图3.6STC12C5A60S2管脚图
图3.7单片机系统控制电路
四流程图和电路图
4.1流程图和控制原理图
控制器原理图如图4.1所示
图4.1控制器原理图
通过采集电池电压来判断电池充电和不充电，通过采集电流大小判断来保护电池。
控制器是由一些电子元器件组成，起一个“开关”的作用。
当发电机输出的交流电经过整流后，如果锂电池电压低于系统设定的电压3.0V时，控制器使充电电路接通，发电机开始向锂电池充电；当锂电池电压上升到保护电压3.7V的时候充电控制开关电路截止，发电机停止向锂电池充电，以免锂电池过充影响寿命。
在此基础上保证了锂电池的使用寿命。
硬件结构框图如4.2所示。
4.2硬件结构框图
半波整流电路
变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。
利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。
这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。
只适用于小电流整流电路。
其整流电路如图4.3和图4.4所示。
图4.3半波整流电路
它由电源变压器Tr整流二极管D和负载电阻RL组成,变压器的初级接交流电源,次级所感应的交流电压为
。
其中U2m为次级电压的峰值,U2为有效值。
电路的工作过程是：
在u2的正半周（ωt=0~π）,二极管因加正向偏压而导通,有电流iL流过负载电阻RL。
由于将二极管看作理想器件,故RL上的电压uL与u2的正半周电压基本相同。
在u2的负半周（ωt=π~2π）,二极管D因加反向电压而截止,RL上无电流流过,RL上的电压uL=0。
图4.4整流波形
由于二极管的单向导电作用,使流过负载电阻的电流为脉动电流,电压也为一单向脉动电压,其电压的平均值（输出直流分量）为
（41）
（42）
（43）
流过负载的平均电流为
（44）
流过二极管D的平均电流（即正向电流）为
（45）
加在二极管两端的最高反向电压为
（46）
选择整流二极管时,应以这两个参数为极限参数。
半波整流电路简单,元件少,但输出电压直流成分小（只有半个波）,脉动程度大,整流效率低,仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。
图4.5电源电路
4.3显示屏
本设计使用Nokia/诺基亚5110LCD显示屏，是NOKIA公司生产的可用于其5110、6150，6100等系列移动电话的液晶显示模块，国内厂家也生产有类似的兼容产品。
该产品除应用于移动电话外，也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统。
与其它类型的产品相比，该模块具有以下特点：
（1）、84x48的点阵LCD，可以显示4行汉字；
（2）、采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9条。
支持多种串行通信协议（如AVR单片机的ＳＰI、MCS51的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间；
（3）、可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换；
（4）、LCD控制器／驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小；
（5）、采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA以下，且具有掉电模式。
图4.65110产品引脚图
图4.7LCD显示电路
4.4锂电池选择
本设计采用一个废旧的锂电池，具体参数如表4.1所示。
充电电路如图4.8所示。
表4.1锂电池参数
序号
内容
参数
备注
1
标称电压
3.7V
2
标称容量
300MAH
1C充电2.5H，恒流放电到3.0V
3
充电限制电压
4.25V
4
电池内阻
≤250mΩ（Max）
5
充电方式
CC/CV
恒流/恒压方式
恒流/恒压
6
充电制
1.标准充电.0.2C
初始充电电流60mA
2.快速充电1C
初始充电电流300mA
7
充电时间
标准充电
8Hours
快速充电
2.5Hours
8
最大充电电流
300mA
1.0C
9
最大放点电流
600mA
2.0C
10
过充限制电流
4.25V±0.1V
11
过放限制电压
2.7V±0.1V
12
工作温度
充电
0-45℃
放电
-20-60℃
13
贮存温度
<1个月
-20-45℃
运输时推荐贮存温度为23℃
>6个月
-20-35℃
14
重量
约8克
近似值
图4.9充电电路
4.5检测电路
检测电路包括充电电压检测、充电电流检测。
4.5.1电压检测
电压检测电路的设计主要考虑的问题有：
在正常充电的过程中，电池端电压U的变化范围是2.7V至4.25V，要使单片机检测U，需以某种途径把U的变化映射到O至5V的范围内；在测量中，需要用低压器件去测量高电压、强电流模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。
本次设计采用精密电阻进行比
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