1、单功率光伏水泵驱动器学士学位论文 精品工学学士学位论文单功率光伏水泵驱动器毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业
2、设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了
3、解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要水资源和电力资源是制约发展中国家农村和偏远干旱地区发展的重要因素，而这些地区往往拥有丰富的太阳能资源，因此，发展光伏技术并将其用于水泵系统，合理地开发地下水资源，将给这些地区带来巨大生态和经济效益。本文在现有研究成果基础上，设计了一种基于永磁无刷直流电机的光伏水泵控制
4、系统驱动器。该设计选用一片无刷直流电机控制器UCC3626，三片IR2110驱动芯片和三相MOSFET逆变电路构成其控制驱动电路。并利用开关变换电路对阻抗的变换原理，使得负载的等效阻抗跟随太阳能电池的输出阻抗，使得太阳能电池与负载基本匹配，太阳能电池即工作在最大功率点处，实现最大功率点跟踪。对样机实验测试，控制器能够实现无刷直流电机的准确换相，电机起动平稳，带动水泵正常运行。最后通过实验研究，总结光伏水泵调速等相关问题，并对未来工作进行了展望关键词： 光伏水泵、无刷直流电机、逆变电路、最大功率点跟踪AbstractWater and electricity are important fact
5、ors which dominate the development of rural and remote dry regions in developing countries. Statistically, there are abundant solar energy resources available in those regions. Therefore, developing solar based technologies, such as solar powered pumping systems to exploit groundwater, will bring en
6、ormous ecological and economical benefits to these regions.In this paper, based on the existing research results, design a kind of photovoltaic pump control system drives which based on permanent brushless dc motor .This design chooses a brushless dc motor controller, UCC3626 , three pieces of IR211
7、0 drive chips and three-phase MOSFET inverter circuits constitute its control drive circuit. And by using switch to impedance transformation of commutation circuit principle, make the equivalent impedance load with solar cells, making the output impedance load of solar cells and basic matching, sola
8、r cells in the maximum power point that work in realizing the maximum power point tracking.The sample test, the controller can achieve brushless dc motor accurate commutation, motor starting smoothly, drive the pumps normal operation.The experimental research, summarizes problems related to solar pu
9、mps speed for future work, and prospectedKeywords：solar water , sensorless BLDC, Inverter circuits， MPPT目录摘要 IIAbstract III1. 绪论 11.1背景资料 11.2发展现状及前景 11.3光伏水泵模型 32、光伏水泵系统工作原理 42.1光伏水泵基本结构与工作参数 42.2无刷直流电机的工作原理 52.2.1无刷直流电机的结构 52.2.2 无刷直流电机工作原理 62.2.3 无刷直流电机的数学模型 73、光伏水泵系统的解决方案 83.1基于感应电机的光伏水泵设计方案 83.
10、2基于无刷直流电机光伏水泵设计方案 103.3比较结果 124、单级光伏水泵解决方案 124.1 功率MOSFET驱动电路设计 134.1.1 IR2110集成驱动电路 134.1.2功率MOSFET逆变电路 164.2光伏水泵控制电路的设计 194.2.1 UCC3626的基本结构及原理 194.3光伏水泵中永磁无刷直流电机的控制系统设计 264.4 基于单片机的最大功率追踪 284.4.1 MPPT算法流程图 304.5系统整合 315、结果与分析 336、未来工作展望 376.1总结 376.2 今后工作展望 377、致谢 388、参考文献 391. 绪论1.1背景资料能源是人类社会生存
11、和发展的物质基础，但随着能源紧张和保护生态环境等问题的日益突出，大力开拓新能源和可再生能源已经成为全球各国共识。太阳能作为一种巨大的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。因此太阳能既是现在能源的补充，又是未来能源结构的基础。开发利用太阳能的主要途径是光伏发电，它具有如下优点：无污染、无噪声，能源随处可得，地域限制比较少，无须人员值守，建设周期较短，规模设计自由度大等特点，这些优点都是常轨发电方式所不能比拟的。目前，开发利用太阳能已经成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。光伏水泵系统是直接利用太阳能电池光生伏打效应发电，之后通过一系列电力电子、电机、水泵等控制
12、及执行环节从地下水或者深井等水源中提水的系统，该系统是光、机、电、控制技术等多学科交叉、结合的体现。随着太阳电池及电力电子技术的不断进步，全球光伏水泵的技术及应用也在突飞猛进的发展。我国西部偏远地区仍有上百万农牧民无电力供应，而且该地区气候干旱，土地荒漠化，草原退化情况越来越严重，采用光伏水泵系统合理地开发地下水资源，对于解决该地区的饮水和农业用水问题，改善生态环境，具有重要意义。1.2发展现状及前景目前我国光伏发电系统主要是直流系统,即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电,而蓄电池直接给负载供电,如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统.此类系统结构简单
13、,成本低廉,但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等),很难实现系统的标准化和兼容性,特别是民用电力,由于大多为交流负载,以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场.另外,光伏发电最终将实现并网运行,这就必须采用成熟的市场模式,今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流.70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未
14、有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到下世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上。当然和发达国家相比，我国的光伏产业还处于起步阶段，和美、日、德等发达国家相比还有很大差距。但随着政府对新能源利用的重视，新能源的推广和利用将会日渐受到注目和推崇，成为保障社会、经济可持续发展的关键。特别是2008年北京奥运会提出“绿色奥运”目标的实现，以及上海世博会大力使用新能源，极大推动了我国新能源的推广和利用。根据国家发展和改革委员会的消息，在未来5年中，中国将投资相当一大财政收入用于太阳能的开发、推广和利用。光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源已成为国内外学术界和工业界研究的热点
15、。国内外对于光伏水泵系统的研究也一直在进行，A.Hadj Arab、F.Chenlo等人在论文提出了一种在光伏水泵系统中计算失去负荷概率的估算方法，该方法简单易行，在阿尔及利亚等地广泛使用，并将其应用于离心泵。M.Abdolzadeh、M.Ameri提出为了利用光伏发电，并增加光伏水泵系统的效率，有必要保持太阳能电池的温度和硅晶片反射尽可能低。该研究的目的是调查其可能性，改善光伏水泵系统的性能。E.M. de S. Barbosa等人更是明确指出光伏太阳能技术的示范作用，并联系巴西现状-农村地区缺乏电力和供水，因而光伏水泵在该地有很好的应用。A.Hamidat也在论文中阐述在阿尔及利亚、撒哈拉
16、等偏远地区光伏水泵的推广运用给当地提供饮用水和灌溉（大约有60台光伏水泵已安装），对社会经济发展作出了贡献。Yasuro Haseo和Toru Fujisawa认为传统控制方法不合适运动的检测，研究了有效性的最大功率点跟踪算法：功耗比较法（PCM）和爬山法（HCM）。S. Yuvarajan 和Juline Shoeb研究了一种快速准确的最大功率点跟踪（MPPT）算法，它通过开路电压和短路电流的太阳能光电板实现。Weidong Xiao 和 William G. Dunford提出了一种改进的自适应爬山（MAHC）最大功率跟踪方法。Souhir Sallem等提出一种智能算法，通过模糊规则预测
17、光伏组件一天的工作情况，及负载功率大小作出相应判断，并考虑电池的安全性。我国好多学者、工程人员也对光伏水泵系统做了大量研究和尝试。合肥工业大学的佘世杰、苏建徽教授等人更是在早期就对光伏水泵做了很多细致而实用的研究；曹仁贤等人更是在实际工程中将其运用于我国偏远地区。在苏教授的博士论文里就详细的比较各种类型光伏水泵系统的结构、性能、特点，并在最大功率点跟踪上提出具有建设性的理论前瞻，更是提出光伏水泵系统的群控概念。何慧若教授在光伏水泵系统用CVT型最大功率跟踪器电压整定值的仿真研究中论述了环境温度变化对光伏水泵系统专用型最大功率跟踪器工作电压整定值的影响，应用仿真程序给出了当使用地区冬、夏季温差较
18、大时型最大功率点跟踪器工作在不同恒定电压下系统扬水量的变化。好多研究生也对光伏水泵系统进行了不同控制方案、算法、实际运用作了相当多的研究，如南京理工大学的刘苏龙在其硕士论文-直流无刷电机光伏水泵系统控制研究中给出一种实际运用，将硬件与软件结合起来，分析其性能，得出检测电路检测到的反电势过零点更加准确可靠，实现了对直流无刷电机的数字控制。通过“七五”-“十一五”计划，我国已在光伏水泵、独立运行逆变器、并网逆变器、通信用控制器、光伏系统专用测量设备等部件攻关上取得进展。目前，中国社会、经济的快速发展为光伏发电市场提供了非常好的发展空间和机遇，可以预测在今后市场和生态环境的共同要求下，我国的光伏产业
19、将会有更大的发展。1.3光伏水泵模型光伏水泵亦称太阳能水泵，近年来它愈来愈被人们确认是当今世界上阳光丰富地区，尤其是缺电无电的边远地区最具吸引力的供水手段，利用随处可取、取之不竭的太阳能实现高经济性和高可靠性的供水。水泵全自动地日出而作，日落而歇，无需人员看管，维护工作量可降至最低，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源高技术产品 光伏水泵系统是近若干年来迅速发展起来的光机电一体化系统，它利用太阳电池发出的电力，通过最大功率点跟踪以及变换、控制等装置驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑封电机或高效异步电机或高速开关磁阻电机带动高效水泵，将水从地表深处提至地面供农田灌溉或人
20、畜饮用。从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。本系统具有良好的长效经济性，特别是和常见的柴油机抽水相比较，具有压倒的经济性优势。发展这种新型环保节能产品无疑将会对发展产业、发展经济，特别是发展干旱地区的现代农业，带来巨大良好的经济效益和社会效益，它特别符合建设“资源节约型”及“环境友好型”社会的发展战略。光伏水泵利用太阳能，在无需任何外来能源的情况下可以机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉、为养鱼、养虾池增氧、海滨盐场供排水等。此外大量国际订货意向表明，这种高技术产品的
21、国际市场前景令人十分鼓舞。光伏水泵系统作为一个刚刚崭露头角的产业，十分符合我国可持续发展的战略。图 1.1 太阳能光伏阵列2、光伏水泵系统工作原理2.1光伏水泵基本结构与工作参数光伏水泵主要包括4部分：太阳电池阵列；具有MPPT功能的控制器；水泵电机负载；储水装置。光伏水泵基本结构如图2.1所示：图2. 1 光伏水泵基本结构框图光伏水泵种类很多，性能范围广泛。不管为何种类型的水泵，光伏阵列是不变的，它给水泵提供动力能源，但是光伏阵列的特性影响水泵的运行。按光伏水泵的放置方式划分：潜水泵、分离式水泵、漂浮式水泵。光伏水泵的工作参数从泵的特性来分共有6个基本量：流量，泵流量可分成体积流量和质量流量
22、两种，用符号Q表示，其单位以、等表示。扬程，俗称水头，定义为泵的叶轮传给单位重量液体的总重量，可以由泵进、出口断面上的单位总能量差值表示，以符号H表示，其单位为液柱（米，m）。功率：有效功率，泵内液体所获得的净功率（kW），可以根据流量和扬程计算得到：(2 - 1)其中，r为液体的材料系数。 轴功率，光伏水泵在一定流量、扬程下运行所需的外来功率，即由光伏阵列传给水泵轴上的功率。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才为有效功率。其定义为(2 - 2)效率，有效功率与轴功率的比值为水泵的效率。光伏水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，它由水力效率、机械效率和容积效率三者的乘积而得。转速
23、是指水泵内叶轮每分钟的转数。铭牌上标明的转速为额定转速，当光伏阵列注入的能量改变后，水泵转速将改变，同时水泵工作性能也随之改变。允许吸上真空高度，表征水泵抽水性能的重要参数，由水泵级数和内压力所决定，是确定水泵安装扬程的主要参数。在以上6个参数中，流量、扬程、转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律或多或少地发生变化。2.2无刷直流电机的工作原理2.2.1无刷直流电机的结构无刷直流电机（BLDC）是随着电子技术的发展而发展起来的一种新型直流电机，近年来，由于电子技术、计算机技术、传感器技术、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术已有
24、突破性进展，并日趋广泛地应用于航空航天、军事、工业等领域。无刷直流电机可以被视为以电子换向电路来代替机械换向器的直流电动机。对于三相六拍式的无刷直流电机，转子旋转一圈，定子绕组需要换相六次，每个极下换相三次，此时的直流无刷电机相当于只有三个换向片的直流有刷电动机。如图2.2是典型的无刷直流电机结构示意图。图2.2典型的无刷直流电机结构示意图2.2.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机运行原理图如图2.3所示。该方式是典型的三相无刷直流电机两相导通六状态换相模式，即三相六拍式。转子每旋转过电角度，存在六个不同的通电状态。（1）通电状态一如图2.3a所示。转子处于与定子B相绕组轴线垂直的位置。根据
25、转子位置传感器信号（或者反电势过零点判断信号）可以确定换相逻辑，触发功率管V1、V4导通。此时A相绕组正向导通，B相绕组反向导通，定子磁动势Fa和转子磁动势Fr之间的夹角为电角度。定转子磁动势互相作用产生电磁转矩，使转子逆时针方向旋转。随着转子的转动，定转子磁动势之间的夹角逐渐减小至电角度，即转子磁动势到达图2.3b所示位置。（2）通电状态二如图2.3b所示。当转子处于与定子A相绕组组轴线垂直的位置时，转子位置信号（或者反电势过零点判断信号）中某一相发生跳变，从而改变了换相逻辑，触发功率管V1、V6导通。此时A相绕组正向导通，C相绕组反向导通，定子磁动势Fa和转子磁动势Fr之间的夹角重新为电角
26、度。定转子磁动势互相作用继续使转子逆时针方向旋转，直至转子磁动势到达图中虚线所示位置。图2. 3 无刷直流电机运行原理图（3）通电状态三如图2.3c所示。转子与定子C相绕组轴线垂直的位置。V3、V6导通，此时B相绕组正向导通，C相绕组反向导通。转子逆时针旋转， Fa和Fr之间的夹角由电角度逐渐减小至电角度。（4）通电状态四如图2.3d所示。转子与定子B相绕组轴线垂直的位置。V3、V2导通，B相绕组正向导通，A相绕组反向导通。转子逆时针旋转， Fa和Fr之间的夹角减小至电角度。（5）通电状态五如图2.3e所示。转子与定子A相绕组轴线垂直的位置。V5、V2导通，C相绕组正向导通，A相绕组反向导通。
27、转子继续逆时针旋转。（6）通电状态六如图2.3f所示。转子与定子C相绕组轴线垂直的位置。V5、V4导通，C相绕组正向导通，B相绕组反向导通。继续逆时针旋转，Fa和Fr之间的夹角减小至电角度。之后，重新回到通电状态一。如此周而复始，转子便连续旋转起来。无刷直流电机典型的反电势波形为梯形波，理想电流波形为方波，由直流电源和逆变器供电。无刷直流电机的最大特点是具有优良的调速和控制特性。其可进行快速调速，无换向火花、可靠性高，转速不受机械换向限制、可以高速运行，寿命长、噪声低。2.2.3 无刷直流电机的数学模型假定无数直流电机定子三相完全对称，三相绕组Y型接法，组电阻、电感参数完全相同；忽略齿槽、换相
28、过程、定子绕组电枢反应的影响；电机气隙磁导均匀。磁路不饱和，不计涡流损耗；电枢绕组间互感忽略的情况下，三相绕组的电压平衡方程式可以表示为： (2 - 3) 式中为电机三相绕组的相电压（V）；为电机三相绕组的相电流（A）；为电机三相绕组的相反电动势（V）；为电机每相绕组自感（H）；为电机绕组间的互感（H）；为电机绕组的电阻（）。在电机运行过程中，电磁转矩的表达式为：(2 - 4) 式中，为转子角速度（rad/s）。电机的机械运动方程为：(2 - 5)在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，Y型连接的各绕组的感应电动势为,两相绕组串联有：(2 - 6) 式中为电机绕组感应线电动势（V）
29、；为电机极对数；为电机极弧系数；为电机绕组每项串联的匝数；为为电机每级磁通（Wb）；为电机转速（r/min）。3、光伏水泵系统的解决方案对比3.1基于感应电机的光伏水泵设计方案在较大功率(比如说，功率大于10KW或更大时)的光伏水泵系统中，驱动电机仍不乏采用三相交流异步电机者，其中异步电机通常采用湿式护套绕组，由于槽满率低的结构特点，其效率通常较同等功率的直流永磁无刷电机低得多，但是其构造相对简单，造价相对低廉，油浸电机不适于用在同时提供人畜饮水的供水系统中，因此还有一定需求。其驱动控制的核心是专用的变频与控制一体化电源，本质上是将变频技术与光伏阵列最大功率点跟踪技术及若干必要的运行保护措施集
30、合在同一个控制器中，由中央控制器完成光伏水泵系统中所需的全部控制功能，这样做的优点是系统稳定性好，结构紧凑，电机电压等级可按阵列配置自由优化选择，制造成本低，同时可以充分考虑到光伏水泵户外长时间无人值守、全自动运行等特点，在散热、防尘、防雷及各种专用的保护措施(如打干保护)等方面给予特殊考虑，较之“拼凑式”结构具有高得多的经济性和可靠性。 图3.1.，交流异步电机驱动之光伏水泵系统构成图3.2 光伏水泵系统结构示意图首先是选择主电路的拓扑结构。主电路拓扑结构是由光伏阵列电压等级决定，其选择首先要考虑光伏阵列和DC/AC功率变换之前是否采用DC/DC升压环节。对于异步电机驱动的光伏水泵系统，主电
31、路拓扑结构主要两种：直接逆变拓扑结构和带前级升压变换的逆变拓扑结构，如图3.3，图3.4所示。 图3.3 直接逆变拓扑结构图3.4带前级升压变换的逆变拓扑结构带前级升压变换的逆变拓扑结构电压输入范围宽，转换效率较低，适用于小功率应用场合；直接逆变拓扑结构的特点是转换效率高，电压输入范围窄，适用于大功率应用场合。这里选用光带前级升压变换的逆变拓扑结构的系统。伏水泵结构如图3.5所示。其中，动力电源可以是太阳电池或蓄电池；单元DCDC部分，采用高效高频变换电路，首先将直流电压(一般小于48V)升压至350V或520V(根据机泵电压等级)；后级变压变频(VVVF)部分完成机泵的变频驱动和输入电压的稳定控制。此外，最大功率跟踪、打干保护、电机过载、堵转、故障指示等也均由该部分实现。图l中的DCDC与光伏工程中心研制的低压直流输入、高压交流输出一体化设计功率变换器。图3.5户用光伏水泵系统结构对于交流异步机光伏水泵的调速控制，其原理如图3.6所示。图3.6交流异步电机驱动的光伏水泵调速控制原理图其工作原理与直流无刷电机驱动的控制类似。由于用户电压会大范围的变化，因此
