離網(wǎng)運行方式的風力發(fā)電機組，是我國遠離電網(wǎng)的邊遠偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島和特殊處所發(fā)展風力發(fā)電進而來解決其基本用電問題的主要運行方式。由于離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)基本上都建在人煙稀少的地區(qū)，因此盡可能的減少維護次數(shù)，增加元器件的使用周期就是整個項目需要達到重要指標。蓄電池的最佳充電方式是階段式充電法，然而由于風能的隨機性以及不確定性，使得其對于蓄電池的充電方式異常復雜。鑒于階段式充電方式在離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)中難以控制，而恒流充電方式不能在短時間內(nèi)為蓄電池充足電能，故本項目選取了控制方式最為簡單，初期充電速度最快的恒壓充電方式，收集電能。在電能收集器的系統(tǒng)中，依據(jù)電路實現(xiàn)的主要功能，電路可分為兩大部分：主電路以及控制電路。主電路部分采用MC34063開關型電源芯片，連接成升壓及降壓電路，分別對不同的輸入電壓采取不同的處理方式，最終輸出紋波小、性能高的電壓。控制電路部分采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega16低功耗單片機，相較于C51系列的單片機，本系統(tǒng)更加節(jié)能、控制速度更快、外圍元器件更少。實驗證明，本設計已經(jīng)實現(xiàn)了一臺性能穩(wěn)定、具有參考價值的電能收集充電器。

1、硬件設計

電能收集器系統(tǒng)的兩大部分功能：主電路的功能是實現(xiàn)電能的變換，也就是將輸入的不穩(wěn)定的電能轉換為以恒壓方式輸出的電能;控制電路的主要功能則是監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)、控制主電路通路、顯示系統(tǒng)參數(shù)等。良好的硬件電路設計是整個項目必不可少的一部分。電能收集器模塊圖如圖1所示。


1.1、電壓采樣電路

本設計預期風機的輸入電壓為0～40 V，由于實驗室直流源的輸入電壓值僅為0～32 V，故測量的參數(shù)僅僅只是預期值的一個子集。由于控制電路采用5 V直流供電，因此ATmega16的A/D采樣范圍就是0～5 V，為了能測量40 V的最大值，需要將風機的輸入電壓值經(jīng)過一定比例的縮小后，再交由單片機處理。

使用一個滑動變阻器，將風機輸入的電壓經(jīng)電阻分壓后再由單片機進行A/D轉換。這種方法最重要一點就是需要對輸入電壓Vin進行標定，即使用一臺標準的直流源與ATmega16的A/D進行對比，不斷調(diào)節(jié)滑動變阻器的旋鈕，直到整個0～40 V的范圍內(nèi)誤差最小。標定的準確性在很大程度上決定了整個系統(tǒng)A/D的準確性。一旦完成對輸入電壓的標定之后，就必須對可調(diào)電阻的調(diào)節(jié)旋鈕進行固定(如進行蠟封、漆封)不可以再改變滑動變阻器的阻值。如圖2所示。

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1.2、升降壓通路選擇電路

本項目中DC/DC變換是硬件電路中最重要的部分，包括升壓和降壓。升降壓通路選擇電路在本設計中顯然更為重要，系統(tǒng)核心元件ATme ga16監(jiān)測風機輸入電壓后，即通過此電路選擇是升壓還是降壓部分切換到主電路中，實現(xiàn)蓄電池充電。ATmega16單片機的輸出電流最大可達20 mA，只需配合一個普通的三極管就能夠控制繼電器了。本項目以PNP三極管為例，設計出如圖3所示的通路選擇電路：當輸入電壓小于14 V時，ATmega16的PORTC.2引腳輸出高電平，三極管截止，繼電器兩端失電，觸點為動斷，選擇升壓通路;而當輸入電壓大于或等于14 V時，ATmega16的PORTC.2引腳輸出低電平，三極管導通，繼電器兩端得電，觸點為動合，選擇降壓通路。圖3中二極管作用是吸收繼電器線圈斷電產(chǎn)生的反向電動勢，防止反向電勢擊穿三極管;電阻和發(fā)光二極管組成一個繼電器狀態(tài)指示電路，當繼電器吸合時，LED亮，可直觀看到繼電器狀態(tài)，便于電路調(diào)試與查錯。

2、軟件設計

該設計利用Protues仿真軟件完全可以實現(xiàn)本設計的全部內(nèi)容(由于篇幅關系，這里不作詳細介紹);本設計程序的開發(fā)將圍繞著ATmega 16的特性來論述。電能收集器的程序設計采用模塊化設計方法，將待開發(fā)的軟件系統(tǒng)劃分為若干個相互獨立的模塊，主要包括主程序模塊和子程序模塊。主程序流程圖如圖4所示，主程序開始首先進行初始化，包括參數(shù)初始化、禁止JTAG使能、系統(tǒng)硬件初始化及液晶初始化。初始化程序僅在開機運行時執(zhí)行一次，執(zhí)行完畢后，程序就進入到循環(huán)中，持續(xù)處理系統(tǒng)的各項任務。在主程序的循環(huán)當中，包含有A/D子程序、液晶顯示子程序、測溫子程序等，正是有了主程序對這些子程序的正確調(diào)用，整個系統(tǒng)才能穩(wěn)定連續(xù)運行。

3、數(shù)據(jù)測試與分析

該設計使用的蓄電池為12 V鉛酸蓄電池，充電電壓取為13.8 V。結合圖5的曲線可知，該電能收集器的輸入/輸出特性曲線較平滑，在3～32 V輸入條件下，空載輸出電壓大都能保持在1.3,61～13.99 V之間，且輸出電壓的范圍在恒壓適宜充電區(qū)間(即13.2～14.4 V)之內(nèi)，所以電能收集器的空載電壓基本上滿足了設計要求。但是，由圖5可知，電能收集器在輸入略大于14 V時，有一小段輸出電壓較低——最低僅有12.65 V，這主要是由于電能收集器在輸入大于14 V后，繼電器觸頭發(fā)生跳變，主電路由升壓電路切換為降壓電路所致。解決方法之一，可以將繼電器的切換電壓增大，那么特性曲線就能更加平滑。


隨著測量電壓值的增大，A/D轉換測量的誤差絕對值也在增加(如圖6所示)，但是總體上還是能比較準確的反應出實際電壓值的大小。就相對誤差來說，除了1 V和2 V的相對誤差比較大之外，其他的誤差值都小于5%，所以本項目的A/D轉換比較可靠。

4、結語

該電能收集充電器設計主電路采用MC34063開關型電源芯片，連接成升壓及降壓電路，分別對不同的輸入電壓采取不同的處理方式，最終輸出紋波小、性能高的電壓。控制電路采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega16低功耗單片機，與C51系列的單片機相比，本系統(tǒng)更加節(jié)能、控制速度更快、外圍元器件更少。

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