波浪能直线发电装置及其电能管理系统的研究

【摘要】：随着社会不断进步、科学的不断发展，发电机种类的增加特别是特种电机的应用为人类社会做出了巨大贡献。如今随着世界经济不断地高速发展,人口数量的膨胀以及耗电设备的不断增加，人类对能源特别是电能的需求量愈来愈大,以往人们发电需要诸如煤之类的不可再生能源的储存是十分有限的,生产周期缓慢，从而造成了常规能源过度开采而趋于枯竭的现象。海底不但贮藏着丰富的能源，海洋本身也存在着间接能源，例如潮汐能、波浪能、海流能等，其中波浪在海洋中随处可见，它所蕴含的能量及其丰富,几乎是取之不尽,用之不竭。如果我们能将其加以开发利用，那么不但能推动我国海洋能产业的发展也能为我们的子孙后代造福。 传统的波浪能发电装置为旋转发电机，将波浪的直线运动经过中间环节转换为发电机的旋转运动，由于中间环节的传递效率的问题使发电机的总的发电效率降低。作为特种电机的直线发电机结构简单，加工制作方便，在电机性能上动态响应快、精度高，在重量上质量、轻惯性。有很小的噪声和振动。除此之外还省去了能量的中间转换环节,因此在捕获波浪能以及提高捕获效率方面有很大优势，在要求低速、稳定、响应快的直线运动的场合有广泛的应用前景。然而，波浪能发电技术，为直线电机的发展提供了有利的平台。 本论文在前人基础上，通过理论的研究以及方案的讨论，最终提出圆筒形直线往复发电机模型，并通过三维软件solidworks初步建模，通过ansoft/maxwell电磁分析软件对模型进行仿真分析，优化结构，其中包括铁芯槽口大小的优化、磁铁充磁方式的选择、磁铁间隙的优化以及铁芯纵向端部效应的改善和弥补等内容。 确定直线发电机模型后对其进行电磁瞬态仿真分析，进而得出该发电机的电磁力矩曲线、磁链曲线、以及所产生的感应电动势曲线图。 将直线发电机产生的空载电动势图形数据以表格的形式导出。确定其有效值后，利用protues电路仿真软件中自定义信号发生器导入相关数据制作电压源，为后续的电源管理模块做准备。 发电机三相电压经过降压、滤波、整流、稳压等电路处理后对蓄电池充电。同时用AT89C51单片机对经过处理后的蓄电池充电电压和充电电流进行采集检测，并通过LED数码管将采集到的电流和电压数据显示出来。 利用RS232接口将AT89C51单片机和无线发送设备DTU实现串口通信，并将单片机寄存器中的数据传送给DTU,并由DTU将数据发送到公共网络中。之后监控中心将网络中的数据接收下来并在上位机软件中显示。用Keilu Vision3开发软件对AT89C51单片机进行编程和调试。 本系统通过设备和DTU以及上位机的联机，观察无线发送所接收到的数据参数。 【关键词】：永磁体 直线发电机 ansoft/maxwell 仿真 单片机
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM612;P743.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-20
• 1.1 课题的意义和背景13-15
• 1.2 国内外发展现状15-17
• 1.3 海洋波浪能驱动直线发电机的发展趋势17-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-20
• 2 直线发电机结构设计20-54
• 2.1 直线发电机的基本原理20
• 2.2 永磁直线发电机的结构种类20-23
• 2.2.1 单侧式直线往复发电机20-21
• 2.2.2 双侧式直线往复发电机21
• 2.2.3 圆筒型直线往复运动发电机21-23
• 2.3 直线发电机的结构优化分析23-45
• 2.3.1 引言23
• 2.3.2 数学模型及边界条件23-27
• 2.3.3 永磁体类型的选择27-28
• 2.3.4 磁铁的充磁方式28-30
• 2.3.5 磁铁排布间隙的影响30-32
• 2.3.6 磁铁和铁芯气隙大小的选择32-35
• 2.3.7 齿槽口宽度的影响35-40
• 2.3.8 纵向端部效应40-45
• 2.4 直线发电机电磁仿真分析45-54
• 2.4.1 直线电机基本尺寸确定45-47
• 2.4.2 直线电机二维模型确定47-48
• 2.4.3 模型材料的设定48
• 2.4.4 设置边界条件48-49
• 2.4.5 运动选项的设置49
• 2.4.6 网格剖分设置49
• 2.4.7 求解设定49-50
• 2.4.8 仿真计算结果50-52
• 2.4.9 本章小结52-54
• 3 直线发电机的电源管理系统设计与仿真分析54-92
• 3.1 引言54
• 3.2 protues 的简介54-55
• 3.3 激励源的处理55
• 3.4 降压、整流、滤波、稳压电路的设计55-72
• 3.4.1 降压电路的设计55-56
• 3.4.2 整流模块的设计56-61
• 3.4.3 滤波器的设计61-63
• 3.4.4 稳压电路的设计63-67
• 3.4.5 电能处理模块的仿真分析67-72
• 3.5 蓄电池的选择72-73
• 3.6 数模转换芯片73-76
• 3.7 AT89C51 单片机76-80
• 3.7.1 AT89C51 单片机的主要工作特性76-77
• 3.7.2 中央处理器77-78
• 3.7.3 AT89C51 的工作原理78-80
• 3.8 单片机的时钟脉冲电路80
• 3.9 单片机的复位电路80-81
• 3.10 数码管显示模块81-83
• 3.11 protues 仿真分析83-91
• 3.11.1 调整电路部分83-85
• 3.11.2 时钟分频电路85-86
• 3.11.3 工作原理86
• 3.11.4 程序设计86-88
• 3.11.5 仿真结果88-91
• 3.12 本章小结91-92
• 4 数据的在线监测92-108
• 4.1 序言92
• 4.2 GPRS 无线通讯模块92-94
• 4.2.1 GPRS 无线通信原理92-93
• 4.2.2 GPRS 无线通信的优越性93
• 4.2.3 GPRS 无线通信系统的基本组成93-94
• 4.3 串行口通信94-98
• 4.3.1 AT89C51 单片机串口内部结构94-95
• 4.3.2 AT89C51 单片机串口的控制寄存器95-96
• 4.3.3 串口工作方式96-98
• 4.4 传送/接收模块98-99
• 4.5 DTU 模块99-102
• 4.5.1 DTU 模块简介99-100
• 4.5.3 DTU 的核心功能100-101
• 4.5.4 DTU 的工作过程101-102
• 4.6 实验测试102-107
• 4.6.1 花生壳软件做映射102-103
• 4.6.2 DTU 参数的设定103
• 4.6.3 上位机软件的设定103-104
• 4.6.4 联机测试104-107
• 4.7 本章小结107-108
• 5 总结与展望108-111
• 5.1 总结108-109
• 5.2 展望109-111
• 参考文献111-115
• 致谢115
• 个人简历115-116

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