機電一體化專(zhuān)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”的基礎上，對其發(fā)電機進(jìn)行了優(yōu)化設計，去掉了發(fā)電機和水輪機的中間轉換裝置，滿(mǎn)足了海洋能直驅發(fā)電的形式，通過(guò)電機實(shí)驗室性能測試驗證了其可行性，提高了發(fā)電效率和可靠率，降低了維護成本，可以應用于實(shí)際生產(chǎn)中。
【關(guān)鍵詞】浪流一體化;發(fā)電裝置;發(fā)電機;優(yōu)化設計;直驅發(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)生連續轉動(dòng);通過(guò)主軸帶動(dòng)發(fā)電機旋轉而產(chǎn)生電能。為海洋觀(guān)測、島礁生活、海洋養殖、海水淡化等提供穩定的電能，并用于解決邊遠海域的國防設施、部分電網(wǎng)未覆蓋的有居民海島、偏遠無(wú)居民海島生態(tài)建設中的供電需求。本文以此發(fā)電裝置為研究對象，對其水輪機匹配的發(fā)電機進(jìn)行了優(yōu)化設計，克服了傳統的海洋能需要經(jīng)過(guò)三個(gè)部分轉換的缺點(diǎn)，沒(méi)有齒輪箱，減少了傳動(dòng)損耗，采用發(fā)電機輸出電壓穩定控制器，實(shí)現了浪輪機的輸出轉速穩定，提高了發(fā)電效率，降低了運行維護成本。尤其是在低轉速環(huán)境下，效果更加顯著(zhù)。
1 研究對象與方法
本項目設計的發(fā)電機是滿(mǎn)足海洋能直驅發(fā)電形式的。然而，齒輪箱的存在卻成為制約海洋能發(fā)電機組發(fā)展的因素之一：機組運行過(guò)程中齒輪箱一直處于高速旋轉，增加了系統損耗，降低了能量利用率;海洋能發(fā)電機組往往安裝在海平面或海水之中，經(jīng)受?chē)篮崾�，海水腐蝕、溫度變化大，環(huán)境條件惡劣，導致升速齒輪箱的工況嚴峻，維護保養工作量大;為了能適應惡劣的運行環(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(guò)載，這樣就更容易損壞齒輪箱，使得系統運行成本增大。
因此，本設計取掉了中間轉換環(huán)節，水輪機主軸右端通過(guò)聯(lián)軸器和電機連接在一起，直接帶動(dòng)電機發(fā)電，中間不經(jīng)過(guò)任何環(huán)節，這就實(shí)現了絕對的直驅。本文研制海洋能直驅發(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。直驅式發(fā)電沒(méi)有齒輪箱，減少了傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率，尤其是在低轉速環(huán)境下，效果更加顯著(zhù)。
(2)提高了可靠性。直驅技術(shù)省去了齒輪箱及其附件，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結構，提高了機組的可靠性。同時(shí)，機組在低轉速下運行，旋轉部件少，可靠性更高。
(3)運行及維護成本低。采用無(wú)齒輪直驅技術(shù)可減少發(fā)電機組裝置零部件數量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運行維護成本。
然而，這樣的海洋能直驅發(fā)電方式就需要發(fā)電機具有低速運行的特性，并且有較高的效率，更者要求發(fā)電機要能在海水中運行。
2 直驅發(fā)電機設計
2.1 直驅發(fā)電機結構設計
如圖1所示，發(fā)電機采用盤(pán)式結構：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)電機則成為本裝置中能源轉換的關(guān)鍵設備之一。波浪能發(fā)電機，最多每分鐘幾百轉，因此發(fā)電機的技術(shù)指標、經(jīng)濟性等決定本裝置在市場(chǎng)中的競爭力。機電一體化 畢業(yè)論文常用發(fā)電機分為盤(pán)式和圓柱式兩種：圓柱式發(fā)電機的氣隙磁場(chǎng)延軸向分布，要想獲得較高的發(fā)電效率，圓柱式發(fā)電機必須運行在高速下，而盤(pán)式發(fā)電機的定轉子為平行結構，克服了圓柱式發(fā)電機定子包容轉子的結構缺點(diǎn)，軸向尺寸小，沒(méi)有疊片和鉚壓工序，工藝好，因此盤(pán)式發(fā)電機可以運行在低速條件下。因此發(fā)電機選用盤(pán)式發(fā)電機結構，能夠在低轉速下達到額定功率，從而滿(mǎn)足了波浪能發(fā)電系統對發(fā)電機的技術(shù)要求，提高了效率。
2.2 發(fā)電機輸出電壓穩定控制器設計
發(fā)電機的三相輸出接到風(fēng)光互補控制器上，通過(guò)控制器可以得到48V的穩定電壓，可將穩定的電能存儲在蓄電池中�？刂破鞯脑硎菍⑤斎氲慕涣麟娏魍ㄟ^(guò)三相橋式全控整流電路轉化成直流電流，直流電流通過(guò)升降壓斬波電路將電壓輸出控制在48V。值得注意的是發(fā)電機轉速達到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(guò)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 直驅電機工作原理
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(yáng)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載R供電。V斷時(shí)，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱(chēng)作反極性斬波電路。
3 實(shí)驗分析
在實(shí)驗室中模擬不同工況水流下輪機所具有的轉數，并以可控轉數電動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)電機測試其發(fā)電性能。為此，我們搭建了發(fā)電機測試平臺。發(fā)電機測試平臺如圖7所示，通過(guò)機架將發(fā)電機固定，通過(guò)聯(lián)軸器與傳感器相連。在發(fā)電機測試平臺中，右邊是直流電動(dòng)機，模擬水輪機的作用，作為動(dòng)力的出入。通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機相連的是傳感器，這種傳感器連接顯示屏后可以看到瞬態(tài)的扭矩、轉速、功率。其中功率可是為發(fā)電機的輸入功率，這樣我們測出輸出功率后可以得到發(fā)電機的效率。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、轉速、功率。
發(fā)電機所發(fā)出的是三相交流電，三相交流電輸入電子測試平臺，通過(guò)電子測試平臺，可以得到三相交流電的瞬態(tài)電壓、電流、功率、功率因數。流出整流器的電流經(jīng)過(guò)整流變?yōu)橹绷麟娏�，流入功率計，并將滑�?dòng)變阻箱串聯(lián)到整個(gè)電路中。
4 電機方案總結與展望
方案采用直驅式發(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(wú)障礙運行時(shí)間滿(mǎn)足了要求。發(fā)電機采用盤(pán)式發(fā)電機結構，其能夠在低轉速下達到額定功率，從而滿(mǎn)足了波浪能發(fā)電系統對發(fā)電機的技術(shù)要求，提高了效率。裝置發(fā)出的三相交流電通過(guò)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，這將電能存儲到蓄電池中提供了條件，并最終達到了我們的要求。
但是發(fā)電機組安裝在海平面或海水之中，經(jīng)受?chē)篮崾�，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)電機本身要具有良好的機械密封設計，評估不同海水深度、壓力下密封系統的可靠性。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、海霧等不同區域環(huán)境下，其腐蝕規律，設計相應的耐腐蝕材料;
2)發(fā)電機外部可增設防水箱，使發(fā)電機與海水具有了隔離層，不僅達到了防水的效果，也使發(fā)電機無(wú)需浸泡在海水中。
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