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  •   燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究

     燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置,是一种高效的绿色能源,具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点,日益受到人们的青睐,成为最有前景的能源技术之一。

     但燃料电池本机输出电压一般不高,输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围,因此在燃料电池发电系统中,具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置,将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。

    本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先,本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义,并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次,列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能,借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果,根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点,选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次,本课题的设计目标:将5 KW质子交换膜燃料电池组的输出电压,转换成375V左右的电压,为5KW轻型车辆提供主动力。根据对Boost电路原理的分析,推导并设置电路主要元件的参数,利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真,观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形,分析该方案的可行性和不足之处。


    燃料电池简介

    依据电解质的不同,燃料电池分为五大类,碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等,其特性见表1-1[2]

    1-1 主要燃料电池及其特性

    电池类型

    AFC

    PAFC

    MCFC

    SOFC

    PEMFC

    燃料

    纯氢

    天然气、氢

    天然气、煤气、沼气

    天然气、煤气、沼气

    氢、甲醇、天然气

    氧化剂

    纯氧

    空气(氧气)

    空气(氧气)

    空气(氧气)

    空气(氧气)

    工作温度(℃)

    50-220

    150-220

    650左右

    900-1050

    60-80

    效率

    6090%

    3742%

    >50%

    5065%

    4358%

    应用领域

    太空飞行、国防

    热电联产电厂

    联合循环热电厂、电厂船、铁路用车

    电厂、家庭电源

    汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂

    开发状态

    宇宙航行

    工业用200KW电池

    280KW~

    2MW试验电厂

    100KW试验电厂

    家庭电源、汽车、热电联产、计算机电源、手机电源等

        质子交换膜燃料电池工作温度低、结构紧凑、质量轻、启动速度快,且使用无毒性的固态电解质膜,可以做到真正的零排放,而且适宜于频繁启动场合、具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度,在航天、航海以及电动汽车方面有着巨大的市场潜力,其发电技术的应用研究已在世界范围内掀起高潮,成为当前国际上燃料电池研制开发的热点。

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  • 超级电容器在电梯节能中的应用

     

       一、概述

     

    近年来,由于我国房地产建设项目遍地开花,也给电梯生产企业带来了不少的发展与利益,同时也因为频繁的电梯事故,让电梯离不开人们的视线。其原因主要集中于售后的维护不到位,管理方面过于松懈,检修不及时等。本文从节能环保的角度进行讨论,着重于传统电梯与运用超级电容器在电梯中使用后的效果比较,从而分析如何通过这一器件的安装来降低电梯的耗能。从现代社会发展与人类长远谋化的角度来看,节能,在任何地方的节约与环保理念的应用,都将造福子孙后代。

    二、电梯耗能分析

    在电梯的运行过程中,为了克服曳引机产生的能量,传统电梯都会采用制动电阻,将该能量转化为热量,并将其消耗掉。一般来讲在大多数情况下,电梯所消耗的电能,其中有三分之一是被以此形式间接的浪费掉了。如果现在的电梯用量为250万台,那么将会有百分之九十多的再生能量通过散热而耗散,如此算来每天的电量损耗会达到3600万度,同时由于热量的存在,也会给电梯正常运行带来不安全的隐患,所以从各方面来看,都应该加以解决。从目前的技术来看,技术难题虽然存在于高次谐波污染电网方面和电磁干扰技术方面,然而由于研究的深入与理论的创新,在节能方面确实出现了一些较为有效的节能方案,例如本文将要进行具体分析的超级电容器的应用。

    三、节能方案分析

    在电梯节能技术方面,我国较为优秀的创新与专利技术在于超级电容器在电梯节能中的应用,即应用这一新型储能器件,利用超级电容回收、利用电梯制动电能。从运送总量分析,电梯在上与下时,差别不大,一般来讲,在这一过程中驱动电动机经常在“拖动用电工况”、“制动发电工况”二者间进行循环工作,前者指上行满载的情况,后者指下午满载的情况。因而从中可以看出,其降耗的关键还依然在于对这一过程的研究之中。超级电容器的应用,主要是使交流电源通过变频器,接入电动机,并与变频器制动单元相连接(增加一个超级电容储能模块,经充放电控制单元接入)。

    从作用方面分析,变频器是节能电气结构中发挥作用的主要方面,当电梯驱动电动机,制动发电时,会使制动电能反馈到变频器,从而达到使超级电容储能模块充电的目的(利用充放电控制单元)。当拖动与制动两种发电工况间适时交替工作时,其周期循环在一分钟内,因此可以得到这一超级电容器储能模块内的容量范围不大,通常相当于电动汽车蓄电池的百分之一容量。所以,超级电容器的应用成本较低。

    四、实例分析

    在我国,中国博览会会展综合体是上海最大的单体建筑,也是世界上最大的,当然对电梯的需求量也非常大,然而为了节省能量损耗,它安装了超过二百部此类备有超级电容器的电梯,自2010年世博会以来,这些电梯发挥了非常大的作用,据相关的电梯技术项目负责人所说,这些垂直电梯都以超级电容器第VI代为主,不但散热性能好,对能源的转化能力更高,其利用效率更高,而且还做到了防水功能。当电梯下行时,会把其中的能量储存起来,不但能够做到冲抵日常耗电的目的,还可以将其转化成电能,真正的将其作为储存能量以备不时之需,从这一大规模的应用可以看出其集中起来的力量有多大,也可以理解到当其超过400多部时将带来的真正的效益,例如可以以每一部装有超级电容器的电梯为例,当其节能率达25%30%时,若国博综合体年度电达到一百万度以上,就可以使一千二百户居民的年用电量得到保证,从此可以推算出三至五年时间即可将成本收回,因此来看,超级电容器的使用,可以大大的降低成本,也可以真正达到节能的目的,可谓一举两得。最为主要的用途可以使节能电梯做到应急之用,也就是说,当遇到停电问题或者电梯故障时,节能电梯即可利用储存的能量来解决这些问题,比如对于通风的维持、对于照明功能的维持,对于通信功能的维持等,也可以使里边的人在平层安全撤出。

    根据相关专家项目的评定,我国出现了这一超级电容节能电梯项目研究与应用,经过近几年的试运行与真正的推广应用,其效能良好,也在市场上得到了一定认可,不但从技术上**于国际同问题的水平,同时也在当前市场上取得了较好的口碑与评价,因而可以说其应用前景十分可观。

    其技术核心被称作电梯用变频曳引设备节能系统,其原理是将上行与下行时的轻载和重载所产生的能量,利用超级电容器储存起来,然后利用连接于其上的变频器,将其导入直流母线,从而使电梯设备在供电容量方面得到降低,进而达到节能效果,从环保的角度讲,它不会给电网带来冲击与污染问题。和传统的电梯比较,其综合节电率甚至可以达到百分之三十,据估计,若把我国的这一技术应用于全国的一半电梯之中,那么其节省电能即可相当于我国刘家峡水电站在平均一年正常情况下的发电量,可见其节能技术带来的利益何其大。

    另一方面,经过太仓特种设备学会组织的应用测试显示,当节能电梯在连续性运行测试环境下,其平均节电率可达到百分之三十,与计算结果较为符合,因而其在推广方面的价值较高。具体是这一组织通过对生产单位、电梯检验、计量测试、安装、维修以及相关的监管,选用专业人员对太仓检测大楼内的三台电梯的二十层站进行,其速度、额定载重量分别是二米每秒、一千千克,当把超级电容节能系统安装于该电梯时,对其展相关测试,分别从空载、不同负载(为百分之二十五、五十、七十五等)情况下,经过每组分别运行十个循环,于此可以更好的从全方位对这一节能系统的应用展开测试,也可以使超级电容器的性能得到全面的应用研究与分析,其结果如上所述。

    对超级电容器的应用,主要是其节能技术以核心的系统设置较为前卫,在世界处于**地位,同时也可以看出,一项新型的节能技术的应用需要经过各方面的全面测试与试运行,才可以真正的达到理想效果,另外,真正的技术才是**生产力,要想使我国的节能环保事业达到繁荣,想通过技术达到可持续发展还有很多的路要走,还需要进行更多的研究与推广应用试验。

    结束语

    总而言之,笔者认为在电梯节能中,超级电容器只是近些年来才较为广泛应用的新型电力储能器件,其特征表明了自身优势,并且随城市化建设不断的推进与合理化,节能与环保理念的不断付诸实践,其应用市场与应用前景将指日可待,因此,应该加强对其研究探讨,并对其技术进行自主创新研究。

    (作者单位:江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院)

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  • 燃料电池车载大功率DCDC变换器的设计与应用

    1,前言

    DC/DC变换器是燃料电池车动力系统中一个重要部分。主要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源。如何有效地控制变换器的各个参数,不仅关系到FCE(Fuel Cell Engineer)和BMU(Battery Management Unit)的正常运行,而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统可靠的运行[3]。燃料电池的输出特性偏软,难以直接与电动机驱动器匹配,其电流-电压特性曲线如图1所示。在燃料电池加负载的起始阶段,电压Ufc下降较快,随着负载的增加,电流增大,电压下降,下降的斜率比普通电池大得多,故燃料电池的输出特性相对较软;对于某特定负载,输出功率的波动会导致燃料电池效率下降。

     

    1   燃料电池电流-电压特性曲线            

      

    2  燃料电池车能源驱动结构

    与传统汽车一样,燃料电池汽车也必须具有很强的机动性,以便对不同的路况及时做出相应的反应,为满足机动性的要求,燃料电池汽车驱动所需功率会有较大的波动,这与燃料电池的输出特性偏软是相矛盾的。另一方面,燃料电池的输出功率若波动较大,其效率会大大下降,反面影响其机动性能。因此,若以燃料电池作为电源直接驱动,一方面输出特性偏软,另一方面燃料电池的输出电压较低,在燃料电池与汽车驱动之间加入DC/DC变换器,燃料电池和DC/DC变换器共同组成电源对外供电如图2所示,从而转换成稳定、可控的直流电源。合理的DC/DC变换器的设计对燃料电池车显的尤为重要。

    2,DC/DC基本硬件电路及工作原理

    DC/DC变换器按输入与输出间是否有电气隔离可以分为没有电气隔离和有电器隔离的直流变化器两类。按工作电路区分有降压式(BUCK),升压式(BOOST),升降压式(BUCK/BOOST),库克(CUK),瑞泰(ZETA),塞皮克(SEPIC)等六种[1]。设计采用没有隔离的双向Zeta-Sepic直流变换器电路,工作原理电路图如图3所示。

    主电路由两开关管Q1和Q2,两二极管D1和D2构成。Q1和Q2为PWM工作方式,互补导通,有死区时间。变换器输出与输入电压间的关系为V2/V1=Dy/(1-Dy),式中,Dy为                                               

     

    3 双向Zeta-Sepic直流变换器设计电路图

     

    4  能量从V1向V2流动     

                                  

    5  能量从V2向V1方向流动         

     

    6  交替工作方式                        

    Q2的占空比。图4为能量从V1向V2方向流动时电感电流波形,因Dy>0.5,故V2>V1,I1>I2,I1为电源电流平均值,I2为输出电流平均值。并且IL1>IL2,IL1和IL2为电感电流平均值。电容C1电压VC1为VC1=VC2,不论能量流动方向如何,电容C1电压极性总是左负右正。功率器件承受的电压VQ=VD=V1+V2=V1/(1-Dy),开关管Q1和二极管D2电流平均值IQ1和ID2关系为IQ1=IL1=I1,ID2=IL2=I2。能量传输方向相反时,电流波形如图5所示,图6是交替工作方式的一种情形,因Q1的占空比Dy>0.5,V2>V1,I1>I2,故IL1>IL2,iL1的瞬时值都大于零,iL2的瞬时值出现了正负交替变化,iQ1和iQ2的瞬时值也交替变化,4个器件轮流导通[2]。在t=0~t1期间D1续流,t1~ton期间Q1导通,ton~t3期间D2续流,t3~T期间Q2导通。由于Q1是在D1续流期间导通的,故Q1为零电压开通,同理Q2亦为零电压开通,由图6知两电感电流平均值IL1和IL2均大于零,故这种情况下平均能量是从V1向V2方向传输。                         

    3,DC/DC变换器控制单元和辅助单元电路设计

    Zeta-Sepic电路是DC/DC变换器的核心组件,车载DC/DC变换器除此外还包括           

    控制单元和辅助单元电路,其性能直接影响Zeta-Sepic电路的工作质量和整车控制器的准确运行。控制单元与辅助单元电路同Zeta-Sepic一同构成DC/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图如图7所示。    

     

    7  DC/DC变换器系统结构图

    3.1控制单元

    控制单元选用单片机MC9S12D64,它延续了飞思卡尔半导体在车用微控制器领域的优良传统,是以速度更快的S12内核(Star Core)为核心的单片机MC9S12系列的成员,管脚兼容,存储器可以得到升级。并且片内有多种外围设备可供选择。 MC9S12D64共有8种工作模式,模式的设定通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA三个引脚的状态来实现[5]。增强了应用的可选择性。控制单元通过CAN通讯网络接受整车控制器的指令,按照协议翻译指令对燃料电池电堆提取相应的功率,并将通过传感器检测到的DC/DC变换器的高低端的电流电压值按照协议上传CAN通讯网络。同时读取温度传感器的值,根据要求适时的启动散热风扇。

    3.2CAN通讯硬件接口电路

    做为燃料电池车的DC/DC变换模块,须参与整车的通讯和控制,通过接受整车控制信号指令做出相应的动作,对燃料电池提取功率。

    CAN通讯接口硬件设计如图8所示,其中82C250是CAN控制器和物理总线间的接口[4],它和CAN控制器之间采用光隔P113以提高系统的抗干扰能力。   

      

    8  CAN通讯接口硬件电路设计

    3.3 DC/DC变换器低端高端电压电流测量

    DC/DC变换器的高端低端电压电流进行采样,作为控制DC/DC变换器功率的回馈参考数据,并上传CAN网络做为整车控制的重要参考数据。高端和低端的电流采样用传感器WBV151S07,为电压隔离传感器,输入范围为0~75mV,输出为0~5V,供电为±12V。被测母线通过分流,将电流以比例衰减到电流传感器的输入范围内,并通过车用微控制器MC9S12D64的AD采样传感器的输出端。

    高端和低端的电压采样用传感器WBV151S01,当被测电压低于500V时,将电压传感器直接挂接到被测母线上,通过控制器AD采样接口读取传感器输出端的值。

    3.4温度传感器

    车载DC/DC变换器为大功率器件,散热是重要性能指标之一,因此为DC/DC变换器设置了温度传感器,来实时检测温度,当散热器不能满足其散热要求时,根据温度传感器采集的温度量来启动散热风扇,并以温度为依据设定风扇的转速大小。温度检测采用的是美DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20。它的测量范围为﹣50℃到﹢125℃,精度可达0.1℃,不需要A/D转换,直接将温度值转换为数字量。DS18B20严格的遵守单线串行通信协议,每一个DS18B20在出厂时都用激光进行调校,并具有唯一的64位序列号。这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

    工作中控制单元对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。其中ROM操作指令分别为:读ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳过ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暂存器指令分别为:写暂存存储器(4EH)、读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度转换(44H)和读电源供电方式(B4H)。

    4,DC/DC变换器的软件设计

    软件设计的开发环境为Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12为CPU的单片机应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其调试方式为BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一种系统调试方式,具备基本的调试功能,包括资源访问及运行控制,与指令挂牌及断点逻辑配合就可以实现很多重要的开发功能。

    4.1 DC/DC变换器工作模式

    DC/DC变换器设计三种工作模式,使能工作模式,正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下DC/DC处于未被启动状况,需要将其引出的两使能脚短路使其使能成功,使能成功后即进入正常工作模式,在正常工作模式下可对DC/DC变换器进行提取功率操作。DC/DC的控制单元如果检测到故障,将使DC/DC变换器进入故障模式,此时整车控制器指令对DC/DC变换器的操作无效。

    4.2DC/DC变换器工作协议

    作为燃料电池车的电压变换器,需要根据工作方式制定协议,并规定每上传比特位的意义,DC/DC变换器则根据相应的协议向整车CAN网上传数据,整车控制器则从CAN网上采集相应的数据按协议翻译并参与控制策略运算。DC/DC变换器的协议包括上传数据协议和接受数据协议。

    4.3流程图

    如图9所示,为DC/DC变换器的工作主流程图,此外,在CAN中断处理程序中,按协议接受CAN网数据供主程序使用,并在定时中断中定时上传数据,每100ms上传一帧数据,采用CAN2.0 通讯协议,29位ID,每帧8个字节数据量通讯方式。

                        

    9  主流程图

    5,结束语

    本文作者创新点:以飞思卡尔单片机MC9S12D64做为控制单元设计成的燃料电池车载DC/DC变换器经上车实验具有如下创新点:          

    ①DC/DC电路采用没有隔离的双向Zeta-Sepic 直流变换器电路,可靠稳定,适应燃料电池车的工作要求。②采用车用微控制器MC9SD64为DC/DC变换器的控制单元,提高了现场的抗干扰能力,确保DC/DC变换器在电磁环境较为恶劣,电磁干扰因素居多环境下正常运行。③采用数字温度传感器DS18B20检测散热器温度,使温度检测系统结构简单,抗干扰能力强,精度高;④利用CAN总线与整车CAN网通讯,与整车通讯协议匹配,保证通信流畅,提高了DC/DC变换器的通信的抗干扰能力。

     

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  • DC-DC变换器原理

    DC/DC Converter Principle

    太阳电池输出的是直流电,是不是可直接作为直流电源使用呢,对于对电压没有准确要求的微、小型用电设备是可以的,如计算器、玩具等。太阳电池输出电压取决于光伏器件的连接方式与数量,并与负载大小与光照强度直接有关,不能直接作为正规电源使用。通过DC-DC变换器可以把太阳电池输出的直流电转换成稳定的不同电压的直流电输出。DC-DC变换器就是直流——直流变换器,是太阳能光伏发电系统的重要组成部分,下面就其原理作简单介绍。

    DC-DC变换基本原理 

    直流变换电路主要工作方式是脉宽调制(PWM)工作方式,基本原理是通过开关管把直流电斩成方波(脉冲波),通过调节方波的占空比(脉冲宽度与脉冲周期之比)来改变电压。

    降压斩波电路

    直流斩波电路简单,是使用广泛的直流变换电路。图1左上部是一个斩波基本电路,Ud是输入的直流电压,V是开关管,UR是负载R上的电压,开关管V把输入的Ud斩成方波输出到R上,图1右上部绿线为斩波后的输出波形,方波的周期为T,在V导通时输出电压等于Ud,导通时间为ton,在V关断时输出电压等于0,关断时间为toff,占空比D=ton/T,方波电压的平均值与占空比成正比。图1下部绿线为连续输出波形,其平均电压如红线所示。改变脉冲宽度即可改变输出电压,在时间t1 前脉冲较宽、间隔窄,平均电压(UR1)较高;在时间t1 后脉冲变窄,平均电压(UR2)降低。固定方波周期T不变,改变占空比调节输出电压就是(PWM)法,也称为定频调宽法。由于输出电压比输入电压低,称之为降压斩波电路或Buck变换器。

    1 DC-DC变换基本原理

    方波脉冲不能算直流电源,实际使用要加上滤波电路,图2是加有LC滤波的电路,L是滤波电感、C2是滤波电容、D是续流二极管。当V导通时, LC2蓄能,向负载R输电;当V关断时,C2向负载R输电, L通过D向负载R输电。输出方波选用的频率较高,一般是数千赫兹至几十千赫兹,故电感体积很小,输出波纹也不大。

    2降压型DC-DC变换电路

    该电路输出电压UR=D UdD是占空比,值为01

    升压斩波电路

    通过电感元件还可组成升压斩波电路,见图3,当开关管V导通时,电流通过电感L时会在L中存储能量,此时负载上的电压由C2提供,当开关管V关断时,电感L释放能量,输出电压为输入电压UdL产生的电压相加,故提高了输入电压。

    3? 升压型DC-DC变换电路

    该电路称为升压斩波电路或Boost变换器,输出电压UR= Ud/1-D),D是占空比,值必须小于1

    升压斩波电路在新能源控制设备中应用很广,为了减小输出电压的波纹,通常采用多通道多重化并联升压型变换电路,图4是三通道多重化并联升压型变换电路。L1V1D1组成通道1,电路与工作原理与前面介绍的单通道升压斩波电路相同;L2V2D2组成通道2,电路与工作原理与前面介绍的单通道升压斩波电路相同;L3V3D3组成通道3,电路与工作原理与前面介绍的单通道升压斩波电路相同。三个通道开关周期相同、通断时间相同,关键是三个开关管通断时间必须均匀错开才能起到降低输出波纹的作用。多通道并联电路可增大输出电流。

    4 多通道并联升压型DC-DC变换电路

    还有既可以降压也可以升压的斩波电路,这里就不介绍了,具体电路与应用等请查阅其他书籍或资料。

    以上电路属单象限变换,电路简单可靠,在小型变换器中应用较多。在下面介绍双象限、四象限电路。

    推挽式功率变换电路

    推挽式功率变换电路是双象限变换电路,见图5W1W2圈数都为N1,构成一个有中间抽头的线圈,作为输出变压器的初级,W3W4圈数都为N2,构成一个有中间抽头的线圈,作为输出变压器的次级,V1V2交替导通,在次级就会感生电压,经全波整流后滤波到负载。变压器两侧电压之比为N1N2之比,通过变压器可输出高低不同的多种电压;而且变压器把太阳电池与用户隔离开来,有利于系统的安全。有关细节请查阅其他书籍或资料。

    5 推挽式变换电路

    推挽式功率变换电路电路简单,使用器件少,但开关管要承受两倍的输入电压,一般只在微、小型变换器中使用。

    单相全桥变换电路

    6是单相全桥变换电路。

    6? 单相全桥变换电路

    图中Ud是直流输入电压,为稳定电压配有电容C4个开关晶体管T1T2T3T44个开关管的保护二极管(续流二极管)D1D2D3D4,输出交流电到负载R。下面就具体分析这个电路。图7与图8是输出正向与负向电流流向图,为清晰起见把电路简化,只保留主要器件。

    当开关管T1T4导通,T3T2关断,时,在负载R上有正向电流通过,输出正向电压,见图7

    7 单相全桥方波正向输出

    当开关管T3T2导通,T1T4关断,时,在负载R上有负向电流通过,输出负向电压,见图8

    8 单相全桥方波负向输出

    9是带变压器输出的全桥直流变换电路,采用变压器T将输入的光伏电源与输出方的负载隔离,并实现电压的变比。在变压器次级采用了桥式全波整流与LC滤波。

    9? 变压器隔离的单相全桥变换电路

    10是变压器隔离的单相全桥变换电路主要波形图,图中的控制信号与波形变化顺序如下:

    控制开关管V1V4导通,V3V2关断,全桥输出电压u1Ud

    到时间ton时,关断开关管V1V4,全桥输出电压u10

    到时间T1时,开关管V3V2导通,全桥输出电压u1-Ud

    到时间T1+ton时,关断开关管V3V2,全桥输出电压u10

    到时间T2时,开关管V1V4导通,全桥输出电压u1Ud

    到时间T2+ton时,关断开关管V1V4,全桥输出电压u10

    到时间T3时,开关管V3V2导通,全桥输出电压u1-Ud

    到时间T3+ton时,关断开关管V3V2,全桥输出电压u10

    到时间T4时,控制开关管V1V4导通,全桥输出电压u1Ud

    到时间T4+ton时,……;到时间T5时,……

    这样控制各开关管的导通与关断,循环下去全桥输出电压u1(变压器输入电压)波形如图10上部绿色线所示;变压器次级输出交变电压u2如图10中部紫色线所示;桥式整流输出电压u3如图10下部蓝色线所示;滤波后输出到负载上的电压如图10下部红色线所示。

    10 单相全桥变换电路主要波形图

    下面请观看全桥直流变换电路工作动画

    全桥直流变换电路工作动画 

     

    DC-DC变换器可以把直流电转换成不同电压的直流电输出,在光伏发电系统中作为控制器使用,可控制对蓄电池的充电,可作为直流电源使用。

    DC-DC变换器的图形符号是见图11

    11 DC-DC变换器的图形符号

     

    附:电力电子器件

    在电气设备或电力系统电路中,能承担电能变换或控制任务的电子器件称为电力电子器件。电力电子器件要能工作在高电压和大电流状态,导通电压要低。

    电力电子器件主要有不可控器件、半控型器件、全控型器件。

     不可控器件

    电力二极管是用于整流电路,把交流电变为直流电。主要参数与要求是:正向导通电流大,导通时正向压降小,反向耐压高。图12电力二极管图片,图14左图是电力二极管的图形符号。

    12 电力二极管图片

    ??? 半控型器件

    晶闸管,也叫可控硅,是可控制导通的二极管,用于可控整流。晶闸管除了门极触发电流与门极触发电压等参数,其他参数要求类同电力二极管。图13是晶闸管图片,图14中图是晶闸管图形符号,图14右图是可关断晶闸管图形符号。

    13 晶闸管图片

    14 电力二极管与晶闸管图形符号?

    全控型器件

    可通过控制信号控制其导通或关断的器件,主要有电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等,目前在电力变换与逆变电路中主要采用的是后两种晶体管。

    电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管具有开关速度快,工作频率高,输入阻抗高,所需驱动功率小,耐压高,导通电压低,热稳定性好。下面把这种电力电子器件简称为电力三极管、开关晶体管或开关管。图15为电力三极管图片,图16为电力三极管图形符号。

    15 电力三极管图片

    16 电力三极管图形符号

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  • 关于电梯节能技术的探讨

      摘要:随着现代化发展,生产规模不断扩大,商务写字楼、酒店、宾馆、高层住宅小区等成了人们日常进出的场所,电梯也随着在这些场所被广泛使用,电梯成了人们出入这些高层建筑物不可缺少的工具;同时电力资源的短缺,电能供需矛盾也日益突出。


    关键词:电梯;节能技术;方法


    我国改革开放以来,随着经济的飞速发展,基础设施的完善,房地产业蓬勃发展,电梯的使用也随之遍地开花。以我们七台市为例,80年代以前,除了几个企业的工业用电梯以外,几乎没有民用电梯的使用。经过20多年的发展,现在我们市在运行的电梯就有500多台,而且还在以每年20%多的速度在增长。这应该是全国的缩影,试想在我们全国960万平方公里的土地上,那么多的城市里会有多少电梯在上上下下的输送着亿万的人们。可是,在电梯已经成为司空见惯的设备,人民不可或缺的交通工具的情况下,有多少人想到过电梯节能的问题?有多少人想到如果全国每台电梯节约10度电,那将是一个什么概念?



    我们知道,象我们这样的发展中的大国,虽然经过改革开放近30年的努力,各领域都有长足的进步,但是在能源的开发和消耗上和先进的国家比还有很大的差距。特别是在电梯领域我们还有很多的节能工作要做。如何去做,就是摆在我们面前的一个即关键又紧迫的任务。在实际工作中,我们摸索到几个方面的问题和解决是方法,提出来和大家共议。



    (一)电梯节能的关键是电机我们知道,电梯的运行是以电机的拖动为动力的,所以电梯的 电动机拖动负载的消耗电能占总耗电量的三成以上。如果把电梯运行的时候,电梯空载上升或者是满载下降时产生的重力转变成为电能,并且通过一定的设备收集起来输送到蓄电池里,在停电模式下,就可以利用蓄电池给电机供应能量,达到节能的效果。这个技术就是能量的反馈技术。目前这个技术已经在实践只得到运用,并且收到了一定的成效。同时,一些电梯的生产厂家也利用了这个能量反馈技术生产出来节能型电梯。可是,由于这样的电梯的制造成本要高一些,所以有的单位在使用的时候往往从投入成本出发,不愿意买这样的电梯。这就需要我们多做宣传工作,和他们讲清楚节能工作对于经济的可持续发展的重要的现实意义,同时也应该和他们算细账,通过节能完全可以冲消多投入的成本,如果做好了甚至可以有节余。


    (二)电梯节能的重点是机房的建设在实践中我们发现,无机房电梯要比有机房的电梯节能一半左右。这是基于电梯生产技术的进步,过去生产的电梯马达体积大,需要一个专门的房间来安装它,而且噪声大,运行不平稳。现在生产的节能电梯马达体积小,重量轻,可以安装在电梯井道顶部的导轨外侧。既节约了空间又节能,而且具有安全、舒适等特性。所以,宣传节能电梯的好处就是我们必须认真去做的工作。其实,节能工作,特别是电梯的节能工作说难也不难,关键在于我们如何去引导和宣传节能的现实意义,现在的节能电梯有很多的品种,我们应该引导企业把节能作为一个最重要的因素考虑在先,不能因为国家提倡使用节能电梯所以被动的去选择,应该是我需要节能的电梯,所以去选择。这样就把安装和使用节能电梯变成企业的自觉的行动。



     (三)电梯节能的突破口在于调压调速实际工作中我们知道,电梯的能源的消耗的重要地方是控制系统形式、悬挂方式、安装质量、驱动系统等,这些方面的重点是调压和调速, 提高电动机或负载的运行效率,而调速就是以提高负载运行效率为目标的。 用变频变压调速取代传统的交流双速异步电动机来调压调速的传统办法,就可以提高在相同的或者是比较低的能源消耗的情况下,达到电机工作效率的最大化,使电梯的使用效果更好,更快捷安全,同时达到节能的效果。现在还有采用有源能量回馈器进行电梯的节能改造,效果也是不错的,就是把电梯依靠自己的自然重力产生的能量转化成为电能,然后再利用这些电能驱动电梯产生位能,完成电梯输送人员的目的,其实,这就是电梯节能的过程。



     (四)利用光电传感装置是电梯节能的好方法在大型商场或者是人员稠密的地方都安装有扶梯,象流水一样天天运行,就是没有人的时候电梯也是运行的,能源就这样流失掉了。我们看到,有的电梯安装了光电感应设备,人上来了就动,人下去了就停, 如乘客继续进入扶梯,扶梯将一直以额定速度正常运行, 在预先设定的时间内也没有检测到有乘客进入自动扶梯,则自动扶梯将自动停止运行。我们市的国家电网公司的营业厅就是使用了这种扶梯,无人乘自动扶梯时能保证自动扶梯自动平稳过渡到节能运行,以20%额定速度运行。此时电动机的实际运行功率只有原来的40%左右,用电就明显降低。减少磨损了自动扶梯的机械系统当机械系统长时间高速运行时与慢速运行时,其磨损程度是不一样的。由于转速的下降,使机械部件的磨损明显减少,相对延长了自动扶梯的使用寿命对于设备的折旧就有很大的保护空间;机械部件的磨损大大降低了。通过我们对我们市使用光电感应设备的电梯用户的调查,普遍反映运行效果很好,而且节能效果也不错。



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  • dcdc电路:

    DC-DC是英语直流变直流的缩写,所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC是开关电源技术的一个分支,开关电源技术包括AC-DCDC-DCff个分支。DC-DC电路按功能分为:
    升压变换器:将低电压变换为高电压的电路。
    降压变换器:将高电压变换为低电压的电路。
    反向器:将电压极性改变的电路,有正电源变负电源,负电源变正电源两类。
    三个主要分支,当然应用时在同一电路中会有升压反向、降压升压等功能同时存在。
    DC-DC变换器的基本电路有升压变换器、降压变换器、升降压变换器三种。

    dcdc电路原理:

    降压变换器原理图如图1所示,当开关闭合时,加在电感两端的电压为(Vi-Vo),此时电感由电压(Vi-Vo)励磁,电感增加的磁通为:(Vi-Vo*Ton
    当开关断开时,由于输出电流的连续,二极管VD变为导通,电感削磁,电感减少的磁通为:(Vo*Toff
    当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时,(Vi-Vo*Ton=Vo*Toff,由于占空比D<1,所以Vi>Vo,实现降压功能。

                                             1 降压变换器原理图
    升压变换器原理图如图2所示,当开关闭合时,输入电压加在电感上,此时电感由电压(Vi)励磁,电感增加的磁通为:(Vi*Ton
    当开关断开时,由于输出电流的连续,二极管VD变为导通,电感削磁,电感减少的磁通为:(Vo- Vi*Toff
    当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时,(Vi*Ton=Vo- Vi*Toff,由于占空比D<1,所以Vi,实现升压功能。

                                         2 升压变换器原理图
    升降压变换器、入出极性相反原理如图3, 当开关闭合时,此时电感由电压(Vi)励磁,电感增加的磁通为:(Vi*Ton;当开关断开时,电感削磁,电感减少的磁通为:(Vo*Toff。当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时,增加的磁通等于减少的磁通,(Vi*Ton=Vo*Toff,根据TonToff值不同,可能Vi< Vo,也可能Vi>Vo

                                              3 升降压变换器原理图

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