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系統識別號 U0002-1701201313575200
中文論文名稱 小型風力發電機系統之電力轉換器研製
英文論文名稱 Research and Development of Electricity Converter for a Small Wind Turbine System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 葉建甫
研究生英文姓名 Chien-Pu Yeh
學號 600430135
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-08
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-陳增源
共同指導教授-張文宇
委員-湯敬民
委員-管衍德
中文關鍵字 小型風力發電機系統  最大功率追蹤  降壓式轉換器 
英文關鍵字 Small Wind Turbine System  Maximum Power Point Tracking  Buck-Converter 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 論文提要內容:本研究的目的主要將小型風力發電機系統,應用於電動車上,這是個非常具有環保及創意性的想法,不僅可以增加電動車的續航能力,且還能節能減碳減少石化能源消耗,由於電動車主要能量來自於鉛酸電池,在此本研究利用小型風力發電系統針對鉛酸電池進行充電測試。
本系統設計之微控制器使用單晶片PIC18F4520為控制核心,透過軟體的規劃控制,並搭配DC-DC降壓式轉換器電路,實現最大功率追蹤之目標。
本論文所設計之控制系統具備小型風力發電機組的過載保護功能,研製了一套具有保護發電機組的電路,以不致於在發電機高轉速或輸出電流超過額定的狀況下減少發電機壽命或損毀。
英文摘要 The propose of this research is use the Small Wind Turbine System(SWTS) applied in electric vechicles, which is a very environmentally-friendly and creative idea. Not only can increase the endurance capacity, but also can conserve energy to reduce carbon emission and the consumption of the fossil energy. Due to the main energy of the electric vehicles are from the lead-acid batteries, so we use the Small Wind Turbine System for charging test the lead-acid batteries in this research.
The design of the system is use the single-chip micro controller PIC18F4520 as the control core. Through the planning-controlling of the software and with the DC-DC buck-converter to achieve the goals of the maximum power point tracking(MPPT).
In this thesis, the design of the control system with overload and over speed protections for the SWTS,developed a set of generator protective circuit.It can avoid reducing the generator life or damages when the generator is in high speed or the output current exceeds the rated current.
論文目次 致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIII
符號說明 XIV
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3文獻探討 3
1.4論文架構 5
第二章 小型風力發電系統介紹 6
2.1風力發電系統 6
2.2發電機之種類 11
2.2.1 直流發電機 11
2.2.2永磁式同步交流發電機 11
2.3 DC-DC切換式電力轉換器 12
2.3.1 升壓式轉換器 12
2.3.2 降壓式轉換器 14
2.3.3 升降壓式轉換器 17
2.4 最大功率追蹤法介紹 19
2.4.1 擾動觀察法 20
2.4.2 比較斜率法 21
2.5二次電池介紹 21
第三章 實驗設備與儀器介紹 24
3.1大型風洞設備 24
3.1.1速度量測系統 25
3.1.2量測顯示與控制系統 26
3.1.3大氣狀態量測裝置 26
3.2 小型風力發電機組 27
3.3 發電機性能量測設備與資料擷取 29
3.3.1 發電機測試平台 29
3.3.2 頻率控制系統 30
3.3.3 電源供應器 31
3.3.4 示波器 32
3.3.5 高功率可調繞線瓷管電阻 33
3.3.6 鉛酸電池YUASA 12V 22AH 33
3.3.7 Microchip APP001T 實驗開發板 34
3.3.8 Microchip ICD3 除錯器/燒錄器 35
3.3.9 MPLAB軟體程式介面與處理器介紹 36
3.3.10 PIC18F4520單晶片微處理器簡介 36
第四章 系統架構與實驗結果分析 38
4.1 本文電力系統架構 38
4.2硬體電路整體架構 39
4.2.1 降壓式轉換器 40
4.2.2 IGBT驅動電路 40
4.2.3電流回授信號量測 41
4.2.4電壓回授電路 43
4.2.5電源供應器 44
4.2.6卸載電路 45
4.3 控制器系統架構 46
4.4 最大功率追蹤軟體規劃 47
4.5 過載保護軟體規劃 48
4.6 實驗結果 49
第五章 結論與未來展望 62
5.1結論 62
5.2未來展望 62
參考文獻 64
附錄A PIC18F4520程式規劃 68
附錄 B 研討會論文簡易版 74

圖目錄
圖 2-1:典型水平軸式風力發電機[3] ..................................................... 7
圖2-2:典型垂直軸式風力發電機[3] ..................................................... 8
圖2-3:風經過葉片所能擷取之風能示意圖 ........................................ 11
圖2-4:升壓式轉換器電路 .................................................................... 13
圖2-5:升壓式轉換器連續導通模式: (a)開關導通 (b)開關截止....... 14
圖2-6:降壓式轉換器電路 .................................................................... 15
圖2-7:降壓式轉換器連續導通模式: (a)開關導通 (b)開關截止....... 16
圖2-8:升降壓式轉換器 ........................................................................ 18
圖2-9:升降壓式轉換器連續導通模式:(a)開關導通;(b)開關截止
................................................................................................................... 19
圖2-10:風力發電機功率-轉速之特性曲線 ......................................... 20
圖2-11:擾動觀察法系統架構圖 .......................................................... 21
圖3-1:大型風洞設備 ............................................................................ 25
圖3-2:皮托管裝置 ................................................................................ 25
圖3-3:量測顯示與控制系統 ................................................................ 26
圖3-4:大氣狀態量測裝置 .................................................................... 27
圖3-5:小型水平軸式風力發電機組 .................................................... 28
圖3-6:葉片搭配外罩 ............................................................................ 28
X
圖3-7:八葉片阻塞比為60% ................................................................ 28
圖3-8:30 度擴散外罩 ........................................................................... 29
圖3-9:65W 直流發電機 ....................................................................... 29
圖3-10 : 發電機測試平台 ...................................................................... 30
圖3-11 : 頻率控制系統與轉速、扭力顯示器 ...................................... 31
圖3-12:電源供應器 .............................................................................. 31
圖3-13:示波器 ...................................................................................... 32
圖3-14:電流探棒 .................................................................................. 32
圖3-15:500W 高功率可調繞線瓷管電阻 ........................................... 33
圖3-16:鉛酸電池 .................................................................................. 34
圖3-17:Microchip APP001T 實驗開發板 ........................................... 35
圖3-18:Microchip ICD3 除錯器/燒錄器 ........................................... 35
圖3-19:MPLAB IDE 軟體介面 ............................................................ 36
圖3-20:PIC18F4520 控制器腳位圖 .................................................... 37
圖4-1:風力發電機電力系統架構圖 .................................................... 38
圖4-2:整體電路架構圖 ........................................................................ 39
圖4-3:降壓式直流轉換器電路圖 ........................................................ 40
圖4-4:IGBT 驅動電路圖 ...................................................................... 41
圖4-5:電流回授電路圖 ........................................................................ 42
XI
圖4-6:電壓回授電路圖 ........................................................................ 44
圖4-7:±15V 直流電源電壓供應器電路圖 .......................................... 44
圖4-8:+5V 直流電源電壓供應器電路圖 ............................................ 45
圖4-9:卸載電路圖 ................................................................................ 46
圖4-10:擾動觀察法流程圖 .................................................................. 48
圖4-11:過載保護流程圖 ...................................................................... 49
圖4-12:最大功率追蹤與直接充電比較圖 .......................................... 50
圖4-13:風速7m/s 最大功率點 ............................................................ 51
圖4-14:風速7m/s 充電電壓、電流波形 ............................................ 51
圖4-15:風速8m/s 最大功率點 ............................................................ 52
圖4-16:風速8m/s 充電電壓、電流波形 ............................................ 52
圖4-17:風速9m/s 最大功率點 ............................................................ 53
圖4-18:風速9m/s 充電電壓、電流波形 ............................................ 53
圖4-19:風速10m/s 最大功率點 .......................................................... 54
圖4-20:風速10m/s 充電電壓、電流波形 .......................................... 54
圖4-21:風速11m/s 最大功率點 .......................................................... 55
圖4-22:風速11m/s 充電電壓、電流波形 .......................................... 55
圖4-23:風速12m/s 最大功率點 .......................................................... 56
圖4-24:風速12m/s 充電電壓、電流波形 .......................................... 56
XII
圖4-25:風速13m/s 最大功率點 .......................................................... 57
圖4-26:風速13m/s 充電電壓、電流波形 .......................................... 57
圖4-27:風速14m/s 最大功率點 .......................................................... 58
圖4-28:風速14m/s 充電電壓、電流波形 .......................................... 58
圖4-29:啟動卸載電路曲線圖 .............................................................. 59
圖4-30:最大功率點POWER-DUTY 關係圖 ..................................... 60
圖4-31:最大功率點POWER-RPM 關係圖 ........................................ 61
圖4-32:降壓式轉換器的實體電路 ...................................................... 61
XIII
表目錄
表 2-1:典型鉛酸電池規格 .................................................................... 22
表2-1(續):典型鉛酸電池規格 ............................................................. 23
表3:霍爾元件電器性能規格表 ........................................................... 43
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[34] Tektronix,型號:TPS2024B示波器http://www1.tek.com/zh-tw/products/oscilloscopes/tps2000/
[35] 湯淺電池官方網站,http://www.yuasa.com.tw/
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