1、工学学士学位论文单功率光伏水泵驱动器扬州大学本科生毕业论文II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设计（论
2、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： 扬州大学本科生毕业论文III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
3、本学位论文作者完全了解学校有关保留、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 日扬州大学本科生毕业论文IV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
4、，设计了一种基于永磁无刷直流电机的光伏水泵控制系统驱动器。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、最大功率点跟踪扬州大学本科生毕业论文VAbstract
5、Water and electricity are important factors 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 syste
6、ms to exploit groundwater, will bring enormous 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 con
7、troller, UCC3626 , three pieces of IR2110 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
8、 of solar cells and basic matching, solar 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,
9、 summarizes problems related to solar pumps speed for future work, and prospectedKeywords：solar water , sensorless BLDC, Inverter circuits， MPPT扬州大学本科生毕业论文VI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
10、 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 .83.2 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
11、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 .39扬州大学本科生毕业论文11. 绪论1.1 背景资料能源是人类社会生存和发展的物质基础，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
12、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
13、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,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
14、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扬州大学本科生毕业论文2在下世纪将会以前所未有的速度发展，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
15、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。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
16、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
17、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
18、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扬州大学本科生毕业论文3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
19、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 、
20、 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 、
21、 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 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
22、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
23、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 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 可扬州大学本科生毕业论文4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
24、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两种，用符号Q表示，其单位以 、/Lt、 等表示。3/mh/kgt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eP得到：
