风力发电机的能量守恒原理。风速提高会对哪些参怎么励磁的数有影响？

Question

毕业设计做一个风力发电机，风洞2kw，叶片平均效率约为10%，转速区间200-500rpm,电机只有一部三相同步机能用，不需要另外搭励磁电路，负责测试的组员不给力，也没搞清楚它是永磁的还是怎么励磁的，空载测试200rpm 88V，500rpm 236V。发出电经过三相桥式整流，得到直流电，经PWM降压斩波控制得到24V输出。好了现在的问题来了，负载端很明显，风速在一定的变化范围内，由于PWM控制，可以确保电压为24V AC，假设纯阻性负载为4.8欧姆，根据欧姆定律电流为5A，负载端的功率恒定为120W，可是风速变大后多出来的机械功率去哪了呢？电功率应该不会变大，对不对？因为输出端电压被稳压器稳定在了24V，负载电阻也没变。好，另一方面，如果风速降低发电机发出功率小于120W呢？发电机输出电压如果只要还大于24V，稳压器又会把电压稳定在24V，消耗电功率还是120W，怎么消耗的比产生的还多？唯一的解释就是，发电机会电压迅速降至24V以下，使负载功率降低。请问我这样的说法正确吗？
负载端电压为24V DC，在此纠正一下。如果在负载端我还要并联一个24V的蓄电池，最大充电电流为2A。当转速非常快时，会不会烧坏电池，即便电压稳定在24V，电流会不会超过2A？我的专业是嵌入式，对电机了解仅限于电工学学的一点皮毛，这个项目里，我负责的是PWM这一块，但是同组的电气工程的不怎么勤快，我有点急，所以帮着问问，所以麻烦各位老师同学回答时候尽量详细易懂，太专业的术语我恐怕就不理解了。

Answer 1

风力发电机同样遵从能量守恒原理，这一点是毋庸置疑的。

问：好了现在的问题来了，负载端很明显，风速在一定的变化范围内，由于PWM控制，可以确保电压为24V AC，假设纯阻性负载为4.8欧姆，根据欧姆定律电流为5A，负载端的功率恒定为120W，可是风速变大后多出来的机械功率去哪了呢？
答：首先，这个假设是存在缺陷的，因为在解释能量守恒的时候忽略了风力发电机在空载与带载情况下转速的区别。实验过程肯定可以发现：在风洞风速不变的情况下，发电机负荷越大，转速就会越低。而空载/带载转速差反映的是风力发电机从风那里获得功率的大小——风力发电机获得风的动能，再通过发电机转换为电能，最终消耗在电路上以及负载上。
由于负载是一个固定的电阻，发电机的电压也被PWM控制电路稳定在一个恒定的数值上，所以负载消耗的功率不变；尽管PWM可能因电压调整其消耗功率有所变化，但基本上可以认为恒定不变；因此总的消耗的电功率在风速改变的情况下维持不变，系统要求发电机发出的电功率也因此维持不变，反映在风机就是扇叶从风的气流中获得的功率不变。

你们小组可以做这样三组实验：
第一组，不接任何负载，只测发电机端电压和转速与风洞风速的关系，取风力发电机转速达500rpm及对应的风洞风速作为最后一组数据，在坐标上画风力发电机的特性曲线；
第二组，接PWM稳压器和固定电阻，以第一组相同的风洞风速记录风力发电机转速，在坐标上画特性曲线；
第三组，不接PWM稳压器，发电机直接接一个阻值稍大的电阻（比如64.5Ω，目的使风力发电机在200rpm时消耗大致相同的功率），也以第一组相同的风洞风速记录风力发电机转速和电阻两端的电压。
可以肯定，在没有PWM稳压器的情况下，风洞风速越高发电机端电压（也是电阻两端的电压）就越高，电阻上获得的功率也越大；而此时，风力发电机的转速相比前面两组实验都要低，且空载时转速最高。

关于发电机励磁问题的补充：
是不是永磁型发电机，只要看发电机有没有励磁接线。
没有励磁接线的就是永磁型发电机，否则就不是，因为非永磁型发电机必须要有励磁线圈和励磁电流才能正常工作。

追问

好像有点开窍，做第二组实验时，发电机的电功率是恒定的吗？

追答

在不考虑PWM模块随输入电压变化而改变功耗的情况下，以及不考虑PWM稳压模块的电压调整率的情况下，可以认为电阻两端的电压不变，所以发电机发出的功率可以认为是恒定的。

追问

太感谢了，我心里有数了，我会给那个负责project电机部分的印度人你的建议的，毕竟他的电气方面的专业素质比我好。最后就是关于电池充电的问题，会不会风力提升后，24V DC端给电池充电的电流会变大？电池和负载是并联的。

追答

对于大多数蓄电池而言，其饱和程度与端电压有密切的相关性，也就是说，随着充电饱和度的提高，蓄电池端电压也随之提高。

从电压的等级来看，实验系统似乎采用的是24伏硫酸铅蓄电池。
如果确实，整定的PWM输出电压（24伏）就有点不合适了，应该说：偏低了。
对于铅蓄电池，单位充电饱和电压为2.2伏；24伏规格的蓄电池的饱和电压应该是26.4伏（2.2伏×12）——之前数字有误，改之。
为了保证蓄电池的正常工作，PWM输出电压应调整到26.4伏（最高），且为了避免蓄电池容量偏低时充电电流过大，需在PWM稳压模块与蓄电池之间串一个限流电阻，阻值视蓄电池容量确定。

如果PWM稳压模块具有一定的较大的负荷调整率，也就是表现为电源内阻较大，端电压随负荷电流的增加而下降，或者其自身有一定的限流特性（避免过电流），则可以省略上面说的“限流电阻”；同时，也可以想见：负载电阻上消耗的功率将取决于蓄电池的端电压，或者说取决于蓄电池的饱和程度。

重点回答你的问题：由于风力发电机在200rpm时输出电压已达到88伏，只要接负载后电压不至于跌落到PWM最小输入电压之下，蓄电池的充电电流就能得到保障，也就不会随着转速的上升而使充电电流增加，除非风速低的时候发电机不能提供足够的功率（蓄电池充电+电阻消耗）——能量守恒的表现：一旦风力不足，发电机功率不足以提供给蓄电池充电和电阻的消耗，就会表现出风机转速严重下降，发电机电压和电流下降，蓄电池充电电流变小，甚至没有充电电流（发电机只向电阻供电），严重的甚至需要与蓄电池一起向电阻供电。

Answer 2

我没有接触过风力发电，但也考虑过这个问题。你说发电机输出电压如果只要还大于24V，又还可以带动120W,说明发电机的功率还是大于120W的。至于电压高低变化是在稳压电路中受调整管控制的，基准电压由稳压管提供，取样放大取自取样电路，然后反馈到调整管，调整管好比自来水龙头，它自动在开关调节电流。一部分能量消耗在电子电路里。但是我想稳压是有范围的，不可能变化很大。我们机械上一般设计有自动调速器，这个调速器挂了三个球，速度转快，球就甩出去，转速慢，球就垂下来，利用转动惯量来恒速。方法是否老了，我也不知道。也可能有电子电路可以替代，譬如自动脉宽调制。随便说说，不足为准，仅供参考。