機(jī)電一體化專業(yè)論文2017
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【論文摘要】本文在上海海洋大學(xué)研制的“浪流一體化發(fā)電裝置”的基礎(chǔ)上，對(duì)其發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，去掉了發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的中間轉(zhuǎn)換裝置，滿足了海洋能直驅(qū)發(fā)電的形式，通過電機(jī)實(shí)驗(yàn)室性能測試驗(yàn)證了其可行性，提高了發(fā)電效率和可靠率，降低了維護(hù)成本，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。
【關(guān)鍵詞】浪流一體化;發(fā)電裝置;發(fā)電機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì);直驅(qū)發(fā)電
前言
上海海洋大學(xué)研制的“浪流一體化發(fā)電裝置”同時(shí)可以捕獲波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之后產(chǎn)生慣性而發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng);通過主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能。為海洋觀測、島礁生活、海洋養(yǎng)殖、海水淡化等提供穩(wěn)定的電能，并用于解決邊遠(yuǎn)海域的國防設(shè)施、部分電網(wǎng)未覆蓋的有居民海島、偏遠(yuǎn)無居民海島生態(tài)建設(shè)中的供電需求。本文以此發(fā)電裝置為研究對(duì)象，對(duì)其水輪機(jī)匹配的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)的海洋能需要經(jīng)過三個(gè)部分轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，沒有齒輪箱，減少了傳動(dòng)損耗，采用發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定控制器，實(shí)現(xiàn)了浪輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，提高了發(fā)電效率，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。尤其是在低轉(zhuǎn)速環(huán)境下，效果更加顯著。
1 研究對(duì)象與方法
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)是滿足海洋能直驅(qū)發(fā)電形式的。然而，齒輪箱的存在卻成為制約海洋能發(fā)電機(jī)組發(fā)展的因素之一：機(jī)組運(yùn)行過程中齒輪箱一直處于高速旋轉(zhuǎn)，增加了系統(tǒng)損耗，降低了能量利用率;海洋能發(fā)電機(jī)組往往安裝在海平面或海水之中，經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環(huán)境條件惡劣，導(dǎo)致升速齒輪箱的工況嚴(yán)峻，維護(hù)保養(yǎng)工作量大;為了能適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境，齒輪箱畢竟造價(jià)昂貴，更由于海洋能能量多變，往往會(huì)造成過載，這樣就更容易損壞齒輪箱，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本增大。
因此，本設(shè)計(jì)取掉了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，水輪機(jī)主軸右端通過聯(lián)軸器和電機(jī)連接在一起，直接帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，中間不經(jīng)過任何環(huán)節(jié)，這就實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)的直驅(qū)。本文研制海洋能直驅(qū)發(fā)電方式有以下幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)：
(1)提高了發(fā)電效率高。直驅(qū)式發(fā)電沒有齒輪箱，減少了傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率，尤其是在低轉(zhuǎn)速環(huán)境下，效果更加顯著。
(2)提高了可靠性。直驅(qū)技術(shù)省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性。同時(shí)，機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)部件少，可靠性更高。
(3)運(yùn)行及維護(hù)成本低。采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)可減少發(fā)電機(jī)組裝置零部件數(shù)量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。
然而，這樣的'海洋能直驅(qū)發(fā)電方式就需要發(fā)電機(jī)具有低速運(yùn)行的特性，并且有較高的效率，更者要求發(fā)電機(jī)要能在海水中運(yùn)行。
2 直驅(qū)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)
2.1 直驅(qū)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖1所示，發(fā)電機(jī)采用盤式結(jié)構(gòu)：波浪能單位體積所攜帶的能量有限，要能高效的收集這些能源，發(fā)電機(jī)則成為本裝置中能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備之一。波浪能發(fā)電機(jī)，最多每分鐘幾百轉(zhuǎn)，因此發(fā)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等決定本裝置在市場中的競爭力。機(jī)電一體化 畢業(yè)論文常用發(fā)電機(jī)分為盤式和圓柱式兩種：圓柱式發(fā)電機(jī)的氣隙磁場延軸向分布，要想獲得較高的發(fā)電效率，圓柱式發(fā)電機(jī)必須運(yùn)行在高速下，而盤式發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為平行結(jié)構(gòu)，克服了圓柱式發(fā)電機(jī)定子包容轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，軸向尺寸小，沒有疊片和鉚壓工序，工藝好，因此盤式發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在低速條件下。因此發(fā)電機(jī)選用盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定功率，從而滿足了波浪能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求，提高了效率。
2.2 發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)
發(fā)電機(jī)的三相輸出接到風(fēng)光互補(bǔ)控制器上，通過控制器可以得到48V的穩(wěn)定電壓，可將穩(wěn)定的電能存儲(chǔ)在蓄電池中�？刂破鞯脑硎菍⑤斎氲慕涣麟娏魍ㄟ^三相橋式全控整流電路轉(zhuǎn)化成直流電流，直流電流通過升降壓斬波電路將電壓輸出控制在48V。值得注意的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到54r/min控制器輸出端才會(huì)有電流輸出�？刂破魅鐖D2所示，經(jīng)過控制器流出的電流為直流，將控制器后面的電池組“+”“-”接到蓄電池的接口即可，
2.3 直驅(qū)電機(jī)工作原理
2.3.1 三相橋式全控整流電路
在三相橋式全控整流電路中，如圖4所示，晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。
2.3.2 升降壓斬波電路原理
如圖5所示為升降壓斬波電路原理，V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。
3 實(shí)驗(yàn)分析
在實(shí)驗(yàn)室中模擬不同工況水流下輪機(jī)所具有的轉(zhuǎn)數(shù)，并以可控轉(zhuǎn)數(shù)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)測試其發(fā)電性能。為此，我們搭建了發(fā)電機(jī)測試平臺(tái)。發(fā)電機(jī)測試平臺(tái)如圖7所示，通過機(jī)架將發(fā)電機(jī)固定，通過聯(lián)軸器與傳感器相連。在發(fā)電機(jī)測試平臺(tái)中，右邊是直流電動(dòng)機(jī)，模擬水輪機(jī)的作用，作為動(dòng)力的出入。通過聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連的是傳感器，這種傳感器連接顯示屏后可以看到瞬態(tài)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。其中功率可是為發(fā)電機(jī)的輸入功率，這樣我們測出輸出功率后可以得到發(fā)電機(jī)的效率。電阻箱、整流器與扭矩儀如圖8所示，扭矩儀上的3個(gè)顯示屏即為扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。
發(fā)電機(jī)所發(fā)出的是三相交流電，三相交流電輸入電子測試平臺(tái)，通過電子測試平臺(tái)，可以得到三相交流電的瞬態(tài)電壓、電流、功率、功率因數(shù)。流出整流器的電流經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟娏�，流入功率�?jì)，并將滑動(dòng)變阻箱串聯(lián)到整個(gè)電路中。
4 電機(jī)方案總結(jié)與展望
方案采用直驅(qū)式發(fā)電形式不僅增加了發(fā)電效率，而且提高的發(fā)電裝置的可靠性，無障礙運(yùn)行時(shí)間滿足了要求。發(fā)電機(jī)采用盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其能夠在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定功率，從而滿足了波浪能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求，提高了效率。裝置發(fā)出的三相交流電通過控制器后，經(jīng)實(shí)際測量，電壓基本維持在48V左右，且為直流電，這將電能存儲(chǔ)到蓄電池中提供了條件，并最終達(dá)到了我們的要求。
但是發(fā)電機(jī)組安裝在海平面或海水之中，經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環(huán)境條件惡劣，容易遭受海水腐蝕，因此今后可以做的研究方向還有以下幾個(gè)方面：
1)發(fā)電機(jī)本身要具有良好的機(jī)械密封設(shè)計(jì)，評(píng)估不同海水深度、壓力下密封系統(tǒng)的可靠性。研究海水環(huán)流條件下，涉海材料在淤泥、深海、淺海、浪花飛濺、海霧等不同區(qū)域環(huán)境下，其腐蝕規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的耐腐蝕材料;
2)發(fā)電機(jī)外部可增設(shè)防水箱，使發(fā)電機(jī)與海水具有了隔離層，不僅達(dá)到了防水的效果，也使發(fā)電機(jī)無需浸泡在海水中。
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