飛輪電池在UPS系統(tǒng)中的應(yīng)用開題報(bào)告

1、電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告姓 名專業(yè) 班級(jí)學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師題目類型工程設(shè)計(jì)題 目飛輪電池在ups系統(tǒng)中的應(yīng)用一、選題背景及依據(jù)（簡述題目的技術(shù)背景和設(shè)計(jì)依據(jù)，說明選題目的、意義，列出主要參考文獻(xiàn)）飛輪電池也稱為飛輪儲(chǔ)能，是一種機(jī)械儲(chǔ)能裝置，充電時(shí)將外部的電能轉(zhuǎn)化為高速、大慣性飛輪的動(dòng)能，放電時(shí)又將內(nèi)部存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為所需的電能。飛輪電池作為一種儲(chǔ)能工具有著廣泛應(yīng)用前景，其應(yīng)用在分布式發(fā)電、電網(wǎng)負(fù)載調(diào)節(jié)、電動(dòng)汽車、運(yùn)載火箭和電磁炮等瞬時(shí)大功率電源中以及一些重要設(shè)備的不間斷電源（usp）中。早在20世紀(jì)70年代，由于石油禁運(yùn)和天然氣危機(jī)，美國能源部和美國航空航天局率先資助開發(fā)包括用于電動(dòng)汽車的飛輪儲(chǔ)能

2、系統(tǒng)的研究和用于衛(wèi)星動(dòng)量矩飛輪的磁懸浮支承系統(tǒng)的研究。飛輪電池已經(jīng)成為電池行業(yè)一支新生的力量，并在很多方面有取代化學(xué)電池的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比，飛輪電池的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：儲(chǔ)能密度高，瞬時(shí)功率大，短時(shí)間內(nèi)可以輸出更大的能量；在整個(gè)壽命周期內(nèi)，不會(huì)因過充電和過放電而影響儲(chǔ)能密度和使用壽命；容易測(cè)量放電深度和剩余“電量”；充電時(shí)間短，一般在幾分鐘就可以將電池充滿；使用壽命只取決于飛輪電池中電子元件的壽命，因此較長；能量轉(zhuǎn)換率高，一般可達(dá)85%95%；對(duì)溫度不敏感，對(duì)環(huán)境十分友好；當(dāng)它與某些裝置組合使用時(shí)，它的優(yōu)勢(shì)更明顯?，F(xiàn)代飛輪電池使用復(fù)合材料飛輪和主動(dòng)、被動(dòng)組合磁懸浮支承系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了飛輪轉(zhuǎn)子

3、轉(zhuǎn)速達(dá)60000r/min以上，放電深度達(dá)75%以上，可用能量密度大于20wh/lb。總體來說，目前飛輪電池的可用能量密度最低也在40wh/kg以上，最高的已經(jīng)達(dá)到944wh/kg，可見它的優(yōu)勢(shì)十分明顯。參考文獻(xiàn)：1、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用 湯雙清著 華中科技大學(xué)出版社2、異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī) 王秀和 楊玉波 朱常青著 機(jī)械工業(yè)出版社3、現(xiàn)代電力電子技術(shù) 王興貴 陳偉 張巍，中國電力出版社4、電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊著 機(jī)械工業(yè)出版社5、pwm逆變技術(shù)及應(yīng)用 陳國呈著 中國電力出版社6、dc-ac逆變技術(shù)及其應(yīng)用 陳道煉著 機(jī)械工業(yè)出版社7、pic16f87x單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù) 劉和平

4、著 北京航天航空大學(xué)出版社8、pic16f87x數(shù)據(jù)手冊(cè) microchip 著 劉和平譯 北京航天航空大學(xué)出版社9、pic單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì) 彭樹生 著 電子工業(yè)出版社10、pic單片機(jī)快速入門 徐瑋 沈建良 莊建清 著 北京航空航天大學(xué)出版社11、電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè) 天津電氣傳動(dòng)研究所 著 機(jī)械工業(yè)出版社12、test results of a compact superconducting flywheel energy storage with disk-type, permanentmagnet motor/generator unit zalan kohari transac

5、tions on applied superconductivity, vol. 19, no. 3, june 20015、low cost flywheel energy storage for a fuel cell powered transit bus c.s hearn, m.m. flynn, m.c. lewis, r.c. thompson, b.t. murphy, r.g. longoria2 16、flywheel batteries for vehicles joseph beno, richard thompson, and robert hebner二、主要設(shè)計(jì)內(nèi)

6、容、設(shè)計(jì)思想、解決的關(guān)鍵問題、擬采用的技術(shù)方案及工作流程2.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1、依據(jù)風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出能夠使發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓的飛輪電池控制系統(tǒng)的主電路；2、設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到要求的控制電路（包括控制電路，驅(qū)動(dòng)電路以及軟件編程）；3、主要技術(shù)指標(biāo)：要求通過飛輪電池的充放電穩(wěn)定與其并聯(lián)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)交流側(cè)電壓在380v（線電壓）；飛輪電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)：永磁同步電機(jī)（pmsm），額定電壓,額定功率3kw，額定轉(zhuǎn)速；要求飛輪電池充電時(shí)：充電時(shí)間不小于10，電機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)；2.2 解決問題的關(guān)鍵在本設(shè)計(jì)中主要完成的是飛輪電池在usp系統(tǒng)中應(yīng)用的控制電路和主電路部分的設(shè)計(jì)，除了完成硬件設(shè)計(jì)外，還要通

7、過軟件編程實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的電壓，故而在本設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題則可歸納為以下幾點(diǎn)：1、主電路中的整流器的設(shè)計(jì)2、主電路中的逆變器的設(shè)計(jì)3、控制電路的設(shè)計(jì)4、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)5、繼電器的控制6、軟件編程2.3主要設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要應(yīng)用pic單片機(jī)控制電路主的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中的主電路主要由整流器、逆變器和兩個(gè)換向開關(guān)組成，飛輪電池的工作原理圖如圖2所示。當(dāng)飛輪電池處于“充電”狀態(tài)時(shí)，換向開關(guān)s1與a接通，換向開關(guān)s2與c接通，整流器通過s1與電網(wǎng)接通，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再由逆變器將直流電逆變?yōu)殡妷骸㈩l率可調(diào)的交流電通過s2輸送給含有飛輪電池的電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)飛輪

8、加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪電池中；當(dāng)飛輪電池處于“放電”，換向開關(guān)s1與b接通，換向開關(guān)s2與d接通，整流器通過s2與飛輪電池接通，將飛輪電池發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再由逆變器將直流電逆變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的工頻電源通過s1輸送給外部用電設(shè)備。（注：為了使用pic單片機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，該電路換向開關(guān)的功能用固態(tài)繼電器來完成）圖 1 系統(tǒng)框圖圖 2 飛輪電池工作原理圖驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成，一部分是對(duì)igbt的驅(qū)動(dòng)，另一部分是對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)?？刂齐娐分饕褂胮ic單片機(jī)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路逆變器中igbt的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制和對(duì)繼電器的控制，配合主電路完成對(duì)飛輪電池的充放電。2.4

9、擬定技術(shù)方案在本設(shè)計(jì)中主要完成的是飛輪電池在usp系統(tǒng)中主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和軟件編程，先將技術(shù)方案簡要敘述如下：1、 主電路中的整流器整流電路有三相整流和單相整流。單相整流電路結(jié)構(gòu)簡單，單輸出脈動(dòng)大，特別是交流電源中含有很大的直流分量，會(huì)給整流變壓器、發(fā)電機(jī)等造成危害，故實(shí)際中很少使用這種電路；三相整流電路輸出平均電壓高，脈動(dòng)小，且交流電源電流中不含直流分量。由于本設(shè)計(jì)中負(fù)載容量大故而采用三相整流電路，三相整流電路有很多種，如：電力二極管組成的三相橋式不可控整流電路，半控型器件組成的三相橋式整流電路、全控型器件組成的三相橋式全控整流電路及pwm整流電路。三相橋式不可控整流電路就可

10、以滿足本設(shè)計(jì)的要求，而對(duì)其它整流電路的控制有很復(fù)雜，故而選擇三相橋是不可控整流電路作為整流器。2、 主電路中的逆變器用于逆變電器上的半導(dǎo)體開關(guān)器件根據(jù)使用目的不同有晶閥管、雙極晶體管或絕緣柵雙極晶體管（igbt）。它們?cè)谀蛪?、容量、開關(guān)速度等方面的差異很大。在本設(shè)計(jì)中選用igbt作為開關(guān)器件。igbt是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高，工作速率快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是igbt良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上的不合理，制約著igbt的推廣及應(yīng)用。因此，igbt驅(qū)動(dòng)電路的選擇非

11、常重要。三項(xiàng)逆變器的種類很多，如：電壓型逆變器、電流型逆變器和pwm逆變器。本設(shè)計(jì)中我們選擇三項(xiàng)橋式pwm逆變電路作為逆變器。pwm控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，為了得到所需的pwm輸出電壓，通常可以采用將期望輸出的電壓波形與載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后用比較產(chǎn)生的信號(hào)去控制igbt的導(dǎo)通與關(guān)斷，就能得到所需的pwm輸出電壓。3、 控制電路本設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)以pic系列單片機(jī)作為控制核心，pic16f877單片機(jī)是pic中級(jí)單片機(jī)中很有特色的一款單片機(jī)，其指令字節(jié)14位，它具有pic系列單片機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)，包括了pic16f87x系列單片機(jī)的全部功能，硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精簡，片內(nèi)

12、帶有128*8的eeprom的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，起程序存儲(chǔ)器也與眾不同，采用快閃存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)在電路板上的快速寫入和擦除。在本設(shè)計(jì)中主要采用pic16f877單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制電路，完成對(duì)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)，并通過軟件編程控制igbt的導(dǎo)通與關(guān)斷和繼電器的狀態(tài)。4、 驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路包括對(duì)igbt的驅(qū)動(dòng)電路和繼電器的驅(qū)動(dòng)電路。igbt的驅(qū)動(dòng)電路主要使用exb841芯片，exb841是混合ic能驅(qū)動(dòng)高達(dá)400a的600v igbt和高達(dá)300a的1200v igbt。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小于1vs，所以此混合ic適用于高約40khz的開關(guān)操作。exb841內(nèi)置用于高隔離電壓光耦合器、單供電操

13、作、內(nèi)裝過流保護(hù)電路、過流保護(hù)輸出、高密度安裝的sil封裝。信號(hào)隔離電路、驅(qū)動(dòng)放大電路、過流檢測(cè)電路、低速過流切斷電和柵關(guān)斷電源這些內(nèi)部功能使igbt獲得最充分的應(yīng)用。繼電器的驅(qū)動(dòng)電路一般使用一個(gè)pnp型的三極管。繼電器的開和關(guān)完全由三極管的基極電平進(jìn)行控制，當(dāng)三極管的基極為高電平時(shí)，pnp型三極管截止，繼電器不工作；反之，繼電器工作。但為了確?？刂评^電器的電壓足夠大，在本設(shè)計(jì)中，使用達(dá)林頓管作為繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，即使用uln2003芯片。uln2003是高壓大電流達(dá)林頓管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。5、軟件編程

14、軟件編程的主要思想就是基于pic16f877單片機(jī)采用面積等效法控制主電路的逆變電路輸出穩(wěn)定的spwm波形電壓，并且pic單片機(jī)控制逆變后得到的穩(wěn)定電壓是供給負(fù)載還是為電動(dòng)機(jī)充電，同時(shí)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到負(fù)載端斷電時(shí)，立刻控制發(fā)電機(jī)為負(fù)載供電。spwm波的生成：spwm波形產(chǎn)生的方法有很多種,例如自然采樣法、規(guī)則采樣法和直接面積等效法等。目前等效面積spwm算法與其它算法相比，具有諧波小、程序量少、占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存少、可動(dòng)態(tài) 在線進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算等突出優(yōu)點(diǎn).運(yùn)用該算法研制的變頻器，輸出電壓波形接近正弦程度更高，諧波更小。等效面積法把一個(gè)正弦半波分為n等份，然后每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)

15、與此面積相等的等高矩形脈沖來代替,矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)重合，這樣由n個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形就與正弦半波等效，顯然這一系列脈沖波形的寬度或開關(guān)時(shí)刻可以嚴(yán)格地用數(shù)學(xué)方法計(jì)算得到。如圖1（a）所示，在區(qū)間t,t+t,正弦波面積為s1。(1)式中： m為調(diào)制度；us為直流電源電壓.圖1面積等效法生成spwm原理圖對(duì)應(yīng)圖1（b）的脈沖面積s2為將正弦信號(hào)的正半周n等分，則每份為弧度,由圖1知脈沖高度為us/2,設(shè)脈沖寬度為k.第k份正弦波面積與對(duì)應(yīng)的第k個(gè)spwm脈沖面積相等，解得式中： k為開啟相對(duì)時(shí)間；為關(guān)斷相對(duì)時(shí)間.控制規(guī)律在f50 hz與f10 hz范圍內(nèi)采用恒功率控制，其它范圍則采用恒轉(zhuǎn)矩控制，采取這種方式，控制相對(duì)較為簡便，在高頻和低頻段采用恒功率控制可加大調(diào)速范圍.為使輸出波形對(duì)稱性好，諧波分量小，系統(tǒng)采用分段同步調(diào)制，以保證整個(gè)變頻范圍內(nèi)的開關(guān)頻率變化不是很大.余弦計(jì)算現(xiàn)采用分段同步調(diào)制，每個(gè)頻段載波比 n為恒定值，不同頻段n不同.為了計(jì)算快速，余弦計(jì)算采用查表方式，為了保證三相互差120，n應(yīng)設(shè)成3的倍數(shù)，調(diào)制比最大180，所以將/180，2/180的余弦值算好，每個(gè)余弦值占2個(gè)字節(jié)，制成360個(gè)字節(jié)的表，當(dāng)調(diào)制比n不同時(shí)，每隔360/n個(gè)字節(jié)查一次.三、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度安排第一周 了解設(shè)計(jì)內(nèi)容、要求、任務(wù)，熟悉設(shè)計(jì)題目