專利名稱：光伏水泵逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種潛水泵的變頻逆變調(diào)速控制裝置，特別是涉及一種太陽能光伏水泵逆變器。
太陽電池利用光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變成電能。為適應(yīng)太陽電池輸出特性而設(shè)計的水泵稱為光伏水泵。它與常規(guī)潛水泵不同，為了優(yōu)化電機水泵與太陽電池之間的最佳匹配，并保證光伏水泵長期無人值守的高可靠性能，從電機的電磁參數(shù)乃至整體結(jié)構(gòu)都與常規(guī)潛水泵有一定區(qū)別。以三相交流異步電機驅(qū)動的常規(guī)潛水泵，可利用通用變頻逆變器進行變頻調(diào)速控制，以達到節(jié)能和保護電機水泵的目的。它是將電壓和頻率固定的市電以交--直--交或交--交的方式變換成電壓和頻率均隨負載變化的交流電，而三相交流異步電機驅(qū)動的光伏水泵以太陽電池供電，由于太陽電池輸出的是隨日照強度變化的直流電，控制這種光伏水泵僅靠變頻逆變技術(shù)是不夠的，必須考慮太陽電池的輸出特性。
太陽電池在不同日照強度下的輸出特性曲線如

圖1所示，它是根據(jù)U．I乘積最大原理，求出一系列最大功率點，將這些點聯(lián)成線便是太陽電池的最大功率點曲線。為了保證太陽電池在日照強度作任意變化時，都具有最大輸出功率，應(yīng)該使太陽電池始終工作在最大功率點曲線上。因此，在太陽能光伏水泵系統(tǒng)中必須設(shè)計一種具有最大功率點跟蹤功能的專用變頻逆變控制器。最大功率點跟蹤，英文稱之為MPPT(MAXIMPOWER POINT TRACK)。
根據(jù)太陽電池輸出特性和最大功率點曲線性質(zhì)，最大功率跟蹤方式有兩種一是定電壓(CVT)跟蹤，二是動電壓(DVT)跟蹤。二種方法比較，CVT控制易實現(xiàn)，成本低，線路可靠性高。DVT跟蹤精度高，但控制方案復(fù)雜，必須使用高精度電流電壓傳感器和微處理器，成本高。
中國專利92231841公開了一種太陽能潛水泵適配器，其最大功率跟蹤功能放在DC-DC變換環(huán)節(jié)，以直流斬波的形式實現(xiàn)，再以二只功率MOS管推挽逆變成單相交流電供給單相電機，其不足在于只能驅(qū)動單相交流泵，不能驅(qū)動三相交流泵，跟蹤精度和可靠性較低。且現(xiàn)有技術(shù)中均無水泵打干保護電路，因而無法避免水泵無水空轉(zhuǎn)而磨損，并降低了水泵的使用壽命。
本實用新型的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)光伏水泵與太陽電池的最佳匹配，使光伏水泵隨時都能從太陽電池提取最大功率且具有低成本、高可靠性的光伏水泵逆變器；本實用新型的目的還在于使該光伏水泵具有打干保護的功能，以適應(yīng)其長期無人值守的工作環(huán)境。
本實用新型的目的可通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)本實用新型包括殼體1、裝在殼體內(nèi)的開關(guān)電源電路2、PWM變頻控制電路4、保護控制電路5、電平轉(zhuǎn)換電路6、過熱保護電路7、欠壓保護電路8、過流短路保護電路10、驅(qū)動電路11、主電路12、電流采樣電路13、光電隔離電路14及人工開關(guān)電路15，本實用新型的要點在于還設(shè)有最大功率點跟蹤電路3和打干保護電路9。所述的過熱保護電路7串接于太陽能電池與開關(guān)電源電路2之間；最大功率點跟蹤電路3的輸入端與太陽能電池和主電路11相連，其輸出端則與PWM變頻控制電路4相連；PWM變頻控制電路4、欠壓保護電路8、打干保護電路9、過流短路保護電路10及人工開關(guān)電路15的輸出端與保護控制電路5的控制端相連；電平轉(zhuǎn)換電路6輸入端與保護控制電路5的輸出端相連，其輸出端與驅(qū)動電路11相連；主電路12輸入端與驅(qū)動電路11輸出端相連，其輸出端與光伏水泵的電機繞組相連。電流采樣電路13的輸入端與主電路12相連，其輸出端與光電隔離電路14相連，過流短路保護電路10的輸入端與光電隔離電路14相連，其輸出端與保護控制電路5和驅(qū)動電路11相連所述的最大功率點跟蹤電路主要由運算放大器A1、電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6及電容C1組成，其輸入端通過分壓采樣電阻R1、R2、R3分別與太陽電池陣列和主電路12相連，其輸出端則與PWM變頻控制電路4相連。
所述的打干保護電路9包括運算放大器A2、電阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、電容C2、E1、穩(wěn)壓管Z1、二極管D1、D2、晶體管T1、繼電器J(常閉觸點J2，常開觸點J1)、發(fā)光二極管LED1及三只打干保護探頭H、M、L，其中電阻R8的一端與繼電器J的線圈一端相連，并與開關(guān)電源電路(2)的一組12V輸出電源相接，繼電器的常開觸頭J1的一端與開關(guān)電源電路(2)的另一組12V輸出電源相接，其另一端與二極管D2的正極相連，二極管D2的負極與保護控制電路(5)的控制端相連，電阻R13與發(fā)光二極管LED1串聯(lián)在二極管D2的正極與太陽電池陣列負極之間，打干保護探頭H與繼電器常閉觸頭J2一端及電阻R7一端相連，打干保護探頭M與繼電器常閉觸頭J2的另一端相接，打干保護探頭L與打干保護電路(9)的公共地相接，探頭H、M、L分別置于光伏水泵的上方、頂部和底部。
所述的開關(guān)電源電路2、PWM變頻控制電路4、保護控制電路5、電平轉(zhuǎn)換電路6、過熱保護電路7、欠壓保護電路8、過流短路保護電路10、驅(qū)動電路11、主電路12、電流采樣電路13、光電隔離電路14及人工開關(guān)電路15均可采用與常規(guī)電路相似的電路。
本實用新型各電路的功能及作用如下(1)、開關(guān)電源電路1．該電路輸出二路獨立穩(wěn)定的12V直流電源，一路為打干保護電路9提供工作電壓，另一路為最大功率點跟蹤電路及PWM變頻控制等電路提供12V工作電壓。
(2)、最大功率點跟蹤電路3．該電路通過PI調(diào)節(jié)控制技術(shù)使逆變器的直流側(cè)電壓始終保持在太陽電池當(dāng)前最大功率點的電壓上，從而使太陽電池隨時都能向光伏水泵最大限度地提供能量，讓光伏水泵揚出更多的水。
(3)、PWM變頻控制電路4．該電路接受最大功率點跟蹤電路發(fā)出的隨日照強弱變化的電壓信號。經(jīng)過壓控振蕩和脈寬調(diào)制變換，輸出三相六路脈寬調(diào)制信號到保護控制電路乃至驅(qū)動電路，使主電路輸出電壓和頻率大小都隨日照強弱變化的三相交流電，從而實現(xiàn)對光伏水泵進行變頻調(diào)速的控制目的。
(4)、保護控制電路5．該電路是讓打干保護、過熱保護、欠壓和過流等保護電路的保護控制信號都匯集到保護控制電路的控制端，該端一旦接到保護控制信號，就立刻切斷到達主電路的三相六路控制信號，實現(xiàn)保護逆變器本身和光伏水泵的目的。
(5)、電平轉(zhuǎn)換電路6．該電路是將保護控制電路輸出的三相六路TTL的電平信號轉(zhuǎn)換成COMS電平，提供給驅(qū)動電路。
(6)、過熱保護電路7．該電路作用是當(dāng)逆變器的散熱器上溫度超過75℃時，切斷太陽電池與開關(guān)電源電路的聯(lián)系，使開關(guān)電源電路停止工作，進而使全部電路停止工作，實現(xiàn)對逆變器的過熱保護。
(7)、欠壓保護電路8．當(dāng)日照較低時，太陽電池兩端電壓也較低，此時逆變器工作無意義，因而欠壓保護電路使逆變器不工作。當(dāng)日照強度達到某一數(shù)值后，逆變器自動開始工作。另外，當(dāng)逆變器電路中12V工作電壓因某種原因明顯降低時，欠壓保護電路也起到保護作用，以避免電路不正常工作時而損壞元器件。
(8)、打干保護電路9．該電路作用是當(dāng)水位被抽至光伏水泵進水孔時，防止水泵缺水空轉(zhuǎn)而損壞電機和葉輪等部件，從而使逆變器和水泵自動停止工作。當(dāng)水位上升到一定高度后，逆變器自動開始工作，水泵重新?lián)P水。
(9)、過流和短路保護電路10．當(dāng)光伏水泵電機過載或三相繞組間短路時，該保護電路及時切斷主電路的控制信號，從而保護主電路和電機不被損壞。
(10)、驅(qū)動電路11．該電路作用是將電平轉(zhuǎn)換電路送來的三相六路脈寬調(diào)制信號進行功率放大，以足夠的功率去驅(qū)動主電路中六只功率元件。
(11)、主電路12．在驅(qū)動電路發(fā)出的三相六路脈寬調(diào)制信號控制下，主電路的六只功率元件產(chǎn)生三相交流電，以驅(qū)動光伏水泵的三相電機。
(12)、電流采樣電路13．其作用是檢測電動機和主電路的過載、過流或短路信號，然后傳送給光電隔離電路。
(13)、光電隔離電路14，該電路的作用是將主電路與控制電路分開，避免主電路對控制電路產(chǎn)生干擾。
(14)、人工開關(guān)電路15．設(shè)置該電路目的是方便逆變器在生產(chǎn)和維修過程中的調(diào)試以及光伏水泵系統(tǒng)的人工干預(yù)。當(dāng)光伏水泵逆變器上人工開關(guān)接通時，光伏水泵處在無人值守的全自動控制工作狀態(tài)。
本實用新型具有如下優(yōu)點一、與通用變頻器相比，本實用新型實現(xiàn)了以交流電機驅(qū)動太陽能光伏水泵系統(tǒng)的最大功率點跟蹤和變頻調(diào)速綜合控制，并實現(xiàn)了太陽能電池和光伏水泵的最佳匹配。最大功率點跟蹤電路工作穩(wěn)定性、可靠性高，給定電壓調(diào)整范圍寬，設(shè)定方便，隨時可從太陽電池提取最大功率。二、本實用新型提供的打干保護電路工作靈敏，能可靠地實現(xiàn)對光伏水泵的打干保護，避免水泵無水空轉(zhuǎn)而磨損，適應(yīng)了潛水泵長期無人值守的工作環(huán)境。三、本實用新型成本較低而效率較高。效率可達96-97％。它還具有操作簡單、維護方便等特點。
圖1是太陽電池輸出特性曲線圖。
圖2是本實用新型的外形圖。
圖3是本實用新型的電路框圖。
圖4是本實用新型的最大功率點跟蹤電路原理圖。
圖5是本實用新型的打干保護電路原理圖。
以下結(jié)合附圖詳細描述本實用新型的實施例。
如圖2及圖3所示，本實用新型包括殼體1、裝在殼體內(nèi)的開關(guān)電源電路2、PWM變頻控制電路4、保護控制電路5、電平轉(zhuǎn)換電路6、過熱保護電路7、欠壓保護電路8、過流短路保護電路10、驅(qū)動電路11、主電路12、電流采樣電路13、光電隔離電路14、及人工開關(guān)電路15。本實用新型還設(shè)置了最大功率點跟蹤電路3及打干保護電路9。
所述的開關(guān)電源電路、PWM變頻控制電路、欠壓保護電路、過流短路保護電路、驅(qū)動電路、主電路、電流采樣電路、光電隔離電路及人工開關(guān)電路均采用現(xiàn)有技術(shù)，并通過接插件裝在殼體1內(nèi)。
所述的最大功率點跟蹤電路3如圖4所示，它主要由運算放大器A1(本例中采用1／2LM358)、電阻R1、R2、R3、R4、R5及電容C1組成。運算放大器A1反向輸入端通過R5與+5V參考電壓相接，同向輸入端通過電阻R4與電位器R2的中間抽頭相連。通過電阻R1、R3和電位器R2對太陽電池和主電路兩端電壓進行采樣。將隨日照和負載變化的電壓信號輸入到運算放大器A1的同向輸入端，經(jīng)由運算放大器A1、電阻R5、電容C1組成的PI比例積分調(diào)節(jié)器的自動調(diào)節(jié)，運算放大器輸出隨日照變化的電壓信號。此信號經(jīng)過電阻R6送到PWM變頻控制電路。
所述的打干保護電路9如圖5所示，包括運算放大器A2、電阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13，電容C2、E1，穩(wěn)壓管Z1，二極管D1、D2，晶體管T1，繼電器J(常開觸頭J1、常閉觸頭J2)，發(fā)光二極管LED1及三只打干保護探頭H、M、L。上述電路中，R8的一端和繼電器J的線圈一端相連，并接到開關(guān)電源輸出端的一路獨立的12V電源上。打干保護探頭H與繼電器常閉觸頭J2的一端及電阻R7的一端相連。打干保護探頭M與繼電器常閉觸頭J2的另一端相連。打干保護探頭L與打干保護電路的公共地相連。繼電器常開觸頭J1一端與12V電源相連，另一端與二極管D2的正極及電阻R13相連。發(fā)光二極管LED1一端與R13相連，另一端與電平轉(zhuǎn)換電路的公共地相連。電阻R7、R8、R9、R10、R11，穩(wěn)壓管Z1、運算放大器A2組成電壓比較器。運算放大器A2的同向端與R9和R11相連，其反向端與R7和R8相連。電容C2和E1并聯(lián)，其中一端接打干保護電路公共地，另一端接運算放大器的反向端。運算放大器的輸出端經(jīng)電阻R12與晶體管T1的基極相連，晶體管發(fā)射極與繼電器線圈一端相連，其集電極與打干保護電路的公共地相連。二極管D1與繼電器線圈并聯(lián)。當(dāng)水位降至打干保護探頭M以下時，運算放大器輸出低電平，此時晶體管T1導(dǎo)通，繼電器J線圈通電，其常開觸頭J1閉合，12V高電平被接通，經(jīng)過二極管D2使保護控制電路切斷三相六路PWM控制信號，使主電路和電機停止工作，實現(xiàn)打干保護目的，與此同時，打干保護指示燈LED1被點亮。二極管D2的負極與保護控制電路的控制端相連。
上述各電路的連接關(guān)系如圖2所示，過熱保護電路7串接于太陽電池陣列與開關(guān)電源電路2之間。開關(guān)電源電路2與最大功率點跟蹤電路3、PWM變頻控制電路4、打干保護9等電路相連，并為這些電路提供12V直流工作電壓。最大功率點跟蹤電路3的輸入端與太陽電池陣列、主電路12相連，其輸出端與PWM變頻控制電路4相連。PWM變頻控制電路4、欠壓保護電路8、打干保護電路9、過流短路保護電路10及人工開關(guān)電路15的輸出端與保護控制電路5的控制端相連。電平轉(zhuǎn)換電路6的六個輸入端分別與保護控制電路5的六個輸出端相連。驅(qū)動電路11的六路輸入端分別與電平轉(zhuǎn)換電路6的六個輸出端相連。驅(qū)動電路11的六個輸出端分別與主電路12的六只功率元件的控制端相連。主電路11的三相交流電的三個輸出端分別與太陽能光伏水泵電機的三相繞組引出端相連。采樣電路13的輸入端與主電路12相連，其輸出端與光電隔離電路14的輸入端相連。過流短路保護電路10的輸入端與光電隔離電路14的輸出端相連，其輸出端分別與保護控制電路5和驅(qū)動電路11相連。
權(quán)利要求1．一種光伏水泵逆變器，包括殼體(1)、開關(guān)電源電路(2)、裝在殼體內(nèi)的PWM變頻控制電路(4)、保護控制電路(5)、電平轉(zhuǎn)換電路(6)、過熱保護電路(7)、欠壓保護電路(8)、過流短路保護電路(10)、驅(qū)動電路(11)、主電路(12)、電流采樣電路(13)、光電隔離電路(14)及人工開關(guān)電路(15)，其特征在于還設(shè)有最大功率點跟蹤電路(3)及打干保護電路(9)，所述的過熱保護電路(7)串接于太陽電池陣列與開關(guān)電源電路(2)之間；最大功率點跟蹤電路(3)的輸入端與太陽電池和主電路(12)相連，輸出端則與PWM變頻控制電路(4)相連；PWM變頻控制電路(4)、欠壓保護電路(8)、打干保護電路(9)、過流短路保護電路(10)及人工開關(guān)電路(15)的輸出端均與保護控制電路的控制端相連；電流采樣電路(13)輸入端與主電路(12)相連；電平轉(zhuǎn)換電路(6)的輸入端與保護控制電路(5)的輸出端相連，其輸出端與驅(qū)動電路(11)相連；主電路(12)的輸入端與驅(qū)動電路(11)的輸出端相連，其輸出端與太陽能光伏水泵的電機繞組相連；電流采樣電路(13)的輸入端與主電路(12)相連，其輸出端與光電隔離電路(14)相連；過流短路保護電路(10)的輸入端與光電隔離電路(14)相連，其輸出端分別與保護控制電路(5)和驅(qū)動電路(11)相連；開關(guān)電源電路(2)與最大功率點跟蹤電路(3)、PWM變頻控制電路(4)、保護控制電路(5)、電平轉(zhuǎn)換電路(6)、欠壓保護電路(8)、打干保護電路(9)、過流短路保護電路(10)、驅(qū)動電路(11)、主電路(12)、光電隔離電路(14)及人工開關(guān)電路(15)相連，并為這些電路提供12V直流工作電壓。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏水泵逆變器，其特征在于所述的最大功率點跟蹤電路(3)主要由運算放大器A1、電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6及電容C1組成，其輸入端通過分壓采樣電阻R1、R2、R3分別與太陽電池和主電路(12)相連，輸出端則與PWM變頻控制電路(4)相連。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏水泵逆變器，其特征在于所述的打干保護電路(9)包括運算放大器A2、電阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13，電容C2、E1，穩(wěn)壓管Z1，二極管D1、D2，晶體管T1，繼電器J(常開觸頭J1、常閉觸頭J2)，發(fā)光二極管LED1及三只打干保護探頭H、M、L，其中電阻R8的一端與繼電器J的線圈一端相連，并與開關(guān)電源電路(2)的一組12V輸出電源相接，繼電器的常開觸頭J1的一端與開關(guān)電源電路(2)的另一組12V輸出電源相接，其另一端與二極管D2的正極相連，二極管D2的負極與保護控制電路(5)的控制端相連，電阻R13與發(fā)光二極管LED1串聯(lián)在二極管D2的正極與太陽電池陣列負極之間，打干保護探頭H與繼電器常閉觸頭J2一端及電阻R7一端相連，打干保護探頭M與繼電器常閉觸頭J2的另一端相接，打干保護探頭L與打干保護電路(9)的公共地相接，探頭H、M、L分別置于光伏水泵的上方、頂部和底部。
專利摘要一種光伏水泵逆變器,它包括殼體1、裝在殼體內(nèi)的開關(guān)電源電路2、PWM變頻控制電路4、保護控制電路5、電平轉(zhuǎn)換電路6、過熱保護電路7、欠壓保護電路8、過流短路保護電路10、驅(qū)動電路11、主電路12、電流采樣電路13、光電隔離電路14及人工開關(guān)電路15,其要點在于還設(shè)有最大功率點跟蹤電路3及打干保護電路9。本實用新型可隨時從太陽電池陣列提取最大功率,并具有打干保護功能。
文檔編號H02M7/44GK2305016SQ97212210
公開日1999年1月20日 申請日期1997年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月6日
發(fā)明者唐祥華, 高岱, 徐士斌, 柯平, 郝強 申請人:深圳眾大實業(yè)股份有限公司