CN105587491A - 光伏水泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光伏水泵系统，包括光伏阵列、水泵控制器以及机泵组合，水泵控制器包括电源单元和电机控制单元，电源单元包括太阳能供电模块和蓄电池供电模块，太阳能供电模块与光伏阵列相连，用于将光能转换成电能，蓄电池供电模块连接蓄电池，太阳能供电模块与蓄电池供电模块之间连接有充电模块；电机控制单元包括电机驱动模块和电机调节模块；本发明采用太阳能供电为主，蓄电池供电为辅的水泵控制系统，且在蓄电池电量不足时，太阳能可自行给蓄电池充电，这样可以节省用户给蓄电池充电的次数和时间，同时也提高了系统太阳能的利用率。

Description

光伏水泵系统
技术领域
本发明属于水泵控制领域，涉及一种光伏水泵系统。
背景技术
太阳能应用技术和光伏发电技术的不断进步带来了光伏水泵行业的发展。光伏水泵已经在灌溉业中崭露头角，并且获得了相当多的发展中国家的青睐。
光伏水泵系统的工作原理是利用光伏电池板的电力，通过控制器的功率变换作用，驱动直流电机或交流电机从而带动水泵运行，通常用于农田灌溉，家畜饲养，生活用水以及喷泉景观等不同场合。虽然我国对光伏水泵系统的研究已经取得了初步的进展，但是所开发的光伏水泵系统对太阳能的利用往往难以达到理想的结果。因此，如何提高系统效率，使得太阳能利用效率达到最大化，成为一项具有长期研究价值的课题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术的不足，提供一种能有效提高太阳能利用率的光伏水泵系统，其技术方案如下：
一种光伏水泵系统，包括光伏阵列、水泵控制器以及机泵组合，其特征在于：所述水泵控制器包括
电源单元，包括太阳能供电模块和蓄电池供电模块，太阳能供电模块与光伏阵列相连，用于将光能转换成电能，所述蓄电池供电模块连接蓄电池，所述太阳能供电模块与蓄电池供电模块之间连接有充电模块；
电机控制单元，包括电机驱动模块和电机调节模块。
进一步的，所述电源单元还包括用于给系统内电气元件供电的变压模块，用于切换蓄电池电源、太阳能电源以及无电源的三种电源选择档位的电源切换开关。
进一度的，所述变压模块包括调压电路和变压器，所述调压电路包括开关电源控制芯片1203、稳压芯片LM431、光敏耦合器和开关MOS管2M1，所述稳压芯片LM431的阳极接地，稳压芯片LM431的阴极连接光敏耦合器中发光二极管的阴极，发光二极管的阳极接工作电压，所述光敏耦合器中受光三极管的集电极连接至开关电源控制芯片1203的峰值电流端，受光三极管的发射极接地，受光三级管的基极未引出，所述开关电源控制芯片1203的驱动脉冲输出端连接至开关MOS管2M1的栅极，开关MOS管2M1的源极经下拉电阻接地，且开关MOS管2M1的源极还连至开关电源控制芯片1203的电流检测端，MOS管2M1的漏极连接变压器的输入端，所述变压器的输入端还连接输入的电压，变压器的输出端为输出电压；
开关电源控制芯片1203根据检测稳压芯片LM431和光敏耦合器结合反馈回来的电压，调节开关MOS管2M1的导通占空比，从而控制变压器的输出电压大小保持输出电压恒定。
进一步的，所述电源切换开关包括与太阳能供电模块连接的第一开关，与蓄电池供电模块连接的第二开关。
进一步的，所述太阳能供电模块包括第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9，所述第一功率MOS管M8的源极和第二功率MOS管M9的源极共同连接至第一开关的蓄电池电源端，所述第一功率MOS管M8的栅极和第二功率MOS管M9的栅极共同连接至第一开关的无电源端，所述第一功率MOS管M8的栅极和第一功率MOS管M8的源极之间连接有第一二极管D5和第一电容C3并联的电路，所述第一功率MOS管M8的漏极接地，第二功率MOS管M9的漏极连接至光伏阵列的负极，第一开关的太能能电源端与光伏阵列的正极连接；
当第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9的导通后，光伏阵列与水泵控制器建立连接，光伏阵列将太阳能转换成电能直接输出电压。
进一步的，所述蓄电池供电模块包括第三功率MOS管M7和第四功率MOS管M10，所述第三功率MOS管M7的源极和第四功率MOS管M10的源极相连，所述第三功率MOS管M7的栅极和第四功率MOS管M10的栅极共同连接至第二开关的蓄电池电源端，所述第三功率MOS管M7的漏极连接蓄电池的负极，第四功率MOS管M10的漏极接地，且第四功率MOS管M10的漏极还经过第二电容C2、第二二极管D2的并联电路后连接至第二开关的的太阳能电源端，第二开关的无电源端连蓄电池的正极；
当第三功率MOS管M7和第四功率MOS管M10的导通后，蓄电池与水泵控制器建立连接，蓄电池直接输出电压。
进一步的，所述充电模块包括第一放大三极管Q1和第二放大三极管Q2，所述第一放大三极管Q1的基极连接驱动信号，第一放大三极管Q1的发射极接地，第一放大三极管Q1的集电极连通第二放大三极管Q2的基极，第二放大三极管Q2的发射极连接调压后工作电源，第二放大三极管Q2的集电极连接至第一开关的无电源端，所述第一开关的太阳能电源端与第二开关的无电源端连通；
当第一放大三极管Q1的基极接收到驱动信号后，第一放大三极管Q1和第二放大三极管Q2导通，驱动第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9导通，且太阳能供电模块与蓄电池供电模块连通，光伏阵列给蓄电池充电。
进一步的，所述电机驱动模块为无位置传感器驱动，由三组单相驱动电路构建而成的星三角三相桥电路，所述单相驱动电路采用半桥驱动器IR2103，半桥驱动器IR2103的高侧栅极驱动输出引脚与第五功率MOS管M5的栅极相连，半桥驱动器IR2103的低栅极驱动输出引脚与第六功率MOS管M6的栅极相连，第五功率MOS管M5的源极和第六功率MOS管M6的漏极相连，且第五功率MOS管M5的源极和第六功率MOS管M6的漏极之间为单相反电动势输出点，第五功率MOS管M5的漏极接工作电源，第六功率MOS管M6的源极接地，半桥驱动器IR2103的高侧输入引脚和低侧输入引脚连接电源单元；
通过检测三相桥电路中的反电动势过零点判断电机转子的位置，通过确定电子转子的位置导通相应相位电路上的功率MOS管，把输入的直流电转换成驱动电机的三相电。
进一步的，所述电机调节模块内设有调速电路，所述调速电路包括一滑动变阻器和运算放大器，滑动变阻器的电阻部一端接电源，另一端接地，滑动变阻器的电刷部连接运算放大器的输入，运算放大器的输出为电机调速对应的电压变化。
进一步的，所述水泵控制器还包括太阳能最大功率点跟踪单元，所述太阳能最大功率点跟踪单元包括用于比较太阳能供电的输出端电压和输入端电压的比较器。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1．本发明的水泵系统采用太阳能供电为主，蓄电池供电为辅的水泵控制系统，且在蓄电池电量不足时，太阳能可自行给蓄电池充电，这样可以节省用户给蓄电池充电的次数和时间，同时也提高了系统太阳能的利用率；
2.本发明自带太阳能最大功率点跟踪的功能，从而大大提高了太阳能的输出功率，进一步提高了系统的效率。
3.本发明电机的驱动采用无位置传感驱动，减少了电机上的位置检测传感器，降低系统故障的概率，且方便了电机的更好安装。
4.本系统适合不同控制器电压规格，采用开关电源的方式，从而使输入电压范围广。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的电源单元的电路原理图；
图3是本发明电源单元中变压模块的电路原理图；
图4是本发明电机驱动模块的电路原理图；
图5是本发明中电机调节模块的电路原理图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，一种光伏水泵系统，包括光伏阵列200、蓄电池300、水泵控制器100、电机和水泵，光伏阵列200将太阳能转换成电能，光伏阵列200和蓄电池300均与水泵控制器100连接，用以提供电源给水泵控制器100，并提供给电机运转的电动势。
如图2所示，水泵控制器100包括电源单元110，其中电源单元110内包括太阳能供电模块111和蓄电池供电模块112，太阳能供电模块111与光伏阵列200相连；蓄电池供电模块112连接蓄电池300，太阳能供电模块111与蓄电池供电模块112之间连接有充电模块113。
其中电源单元110还包括变压模块114和电源切换开关115，其变压模块114用于给系统内电气元件提供正常工作的电源；电源切换开关115用于切换蓄电池电源、太阳能电源以及无电源的三种电源选择档位，即电源切换开关115连通蓄电池电源档位，系统则由蓄电池300直接供电给水泵控制器100，光伏阵列200则不供电；若电源切换开关115连通太阳能电源档位，系统则由光伏阵列200直接供电给水泵控制器，蓄电池300则不供电；电源切换开关115连通无电源档位，系统则不上电。
如图3所示，变压模块114包括调压电路和变压器，调压电路包括开关电源控制芯片1203、稳压芯片LM431、光敏耦合器和开关MOS管2M1，所述稳压芯片LM431的阳极接地，稳压芯片LM431的阴极连接光敏耦合器中发光二极管的阴极，发光二极管的阳极接工作电压，所述光敏耦合器中受光三极管的集电极连接至开关电源控制芯片1203的峰值电流端，受光三极管的发射极接地，受光三级管的基极未引出，所述开关电源控制芯片1203的驱动脉冲输出端连接至开关MOS管2M1的栅极，开关MOS管2M1的源极经下拉电阻接地，且开关MOS管2M1的源极还连至开关电源控制芯片1203的电流检测端，MOS管2M1的漏极连接变压器的输入端，所述变压器的输入端还连接输入的电压，变压器的输出端为输出电压；
开关电源控制芯片1203根据检测稳压芯片LM431和光敏耦合器结合反馈回来的电压，调节开关MOS管2M1的导通占空比，从而控制变压器的输出电压大小保持输出电压恒定。
电源切换开关115与太阳能供电模块12连接的为第一开关，与蓄电池供电模块13连接的为第二开关。
其中，太阳能供电模块111包括第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9，所述第一功率MOS管M8的源极和第二功率MOS管M9的源极共同连接至第一开关的蓄电池电源端，所述第一功率MOS管M8的栅极和第二功率MOS管M9的栅极共同连接至第一开关的无电源端，所述第一功率MOS管M8的栅极和第一功率MOS管M8的源极之间连接有第一二极管D5和第一电容C3并联的电路，所述第一功率MOS管M8的漏极接地，第二功率MOS管M9的漏极连接至光伏阵列的负极，第一开关的太能能电源端与光伏阵列的正极连接。
当第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9的导通后，光伏阵列与水泵控制器建立连接，光伏阵列将太阳能转换成电能直接输出电压。
蓄电池供电模块112包括第三功率MOS管M7和第四功率MOS管M10，所述第三功率MOS管M7的源极和第四功率MOS管M10的源极相连，所述第三功率MOS管M7的栅极和第四功率MOS管M10的栅极共同连接至第二开关的蓄电池电源端，所述第三功率MOS管M7的漏极连接蓄电池的负极，第四功率MOS管M10的漏极接地，且第四功率MOS管M10的漏极还经过第二电容C2、第二二极管D2的并联电路后连接至第二开关的的太阳能电源端，第二开关的无电源端连蓄电池的正极。
当第三功率MOS管M7和第四功率MOS管M10的导通后，蓄电池与水泵控制器建立连接，蓄电池直接输出电压。
充电模块113包括第一放大三极管Q1和第二放大三极管Q2，所述第一放大三极管Q1的基极连接驱动信号，第一放大三极管Q1的发射极接地，第一放大三极管Q1的集电极连通第二放大三极管Q2的基极，第二放大三极管Q2的发射极连接调压后工作电源，第二放大三极管Q2的集电极连接至第一开关的无电源端，所述第一开关的太阳能电源端与第二开关的无电源端连通；
当第一放大三极管Q1的基极接收到驱动信号后，第一放大三极管Q1和第二放大三极管Q2导通，驱动第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9导通，且太阳能供电模块与蓄电池供电模块连通，光伏阵列给蓄电池充电。
本发明的水泵系统采用太阳能供电为主，蓄电池供电为辅的水泵控制系统，且在蓄电池电量不足时，太阳能可自行给蓄电池充电，这样可以节省用户给蓄电池充电的次数和时间，同时也提高了系统太阳能的利用率。
水泵控制器100还包括电机控制单元120，电机控制单元120设有电机驱动模块121和电机调节模块122。
其中，如图4所示，电机驱动模块121为无位置传感器驱动，由三组单相驱动电路构建而成的星三角三相桥电路，所述单相驱动电路采用半桥驱动器IR2103，半桥驱动器IR2103的高侧栅极驱动输出引脚与第五功率MOS管M5的栅极相连，半桥驱动器IR2103的低栅极驱动输出引脚与第六功率MOS管M6的栅极相连，第五功率MOS管M5的源极和第六功率MOS管M6的漏极相连，且第五功率MOS管M5的源极和第六功率MOS管M6的漏极之间为单相反电动势输出点，第五功率MOS管M5的漏极接工作电源，第六功率MOS管M6的源极接地，半桥驱动器IR2103的高侧输入引脚和低侧输入引脚连接电源单元；
通过检测三相桥电路中的反电动势过零点判断电机转子的位置，通过确定电子转子的位置导通相应相位电路上的功率MOS管，把输入的直流电转换成驱动电机的三相电。
如图5所示，电机调节模块122内设有调速电路，所述调速电路包括一滑动变阻器和运算放大器，滑动变阻器的电阻部一端接电源，另一端接地，滑动变阻器的电刷部连接运算放大器的输入，运算放大器的输出为电机调速对应的电压变化。
本发明电机的驱动采用无位置传感驱动，减少了电机上的位置检测传感器，降低系统故障的概率，且方便了电机的更好安装。
水泵控制器100还包括太阳能最大功率点跟踪单元130，太阳能最大功率点跟踪单元130包括用于比较太阳能供电的输出端电压和输入端电压的比较器；通过实时比较太阳能的功率找出太阳能的最大功率点，从而通过最大功率点时的电机转速，调节之后电机的转速，使太阳能的输出效率大大提高，能长时间的保持在最大功率输出，从而大大提高了太阳能的输出功率，进一步提高了系统的效率。
本系统适合不同控制器电压规格，采用开关电源的方式，从而使输入电压范围广。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种光伏水泵系统，包括光伏阵列、水泵控制器以及机泵组合，其特征在于：所述水泵控制器包括
电源单元，包括太阳能供电模块和蓄电池供电模块，太阳能供电模块与光伏阵列相连，所述蓄电池供电模块连接蓄电池，所述太阳能供电模块与蓄电池供电模块之间连接有充电模块；
电机控制单元，包括电机驱动模块和电机调节模块。
2.根据权利要求1所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述电源单元还包括用于给系统内电气元件供电的变压模块，用于切换蓄电池电源、太阳能电源以及无电源的三种电源选择档位的电源切换开关。
3.根据权利要求2所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述变压模块包括调压电路和变压器，所述调压电路包括开关电源控制芯片1203、稳压芯片LM431、光敏耦合器和开关MOS管2M1，所述稳压芯片LM431的阳极接地，稳压芯片LM431的阴极连接光敏耦合器中发光二极管的阴极，发光二极管的阳极接工作电压，所述光敏耦合器中受光三极管的集电极连接至开关电源控制芯片1203的峰值电流端，受光三极管的发射极接地，受光三级管的基极未引出，所述开关电源控制芯片1203的驱动脉冲输出端连接至开关MOS管2M1的栅极，开关MOS管2M1的源极经下拉电阻接地，且开关MOS管2M1的源极还连至开关电源控制芯片1203的电流检测端，MOS管2M1的漏极连接变压器的输入端，所述变压器的输入端还连接输入的电压，变压器的输出端为输出电压；
开关电源控制芯片1203根据检测稳压芯片LM431和光敏耦合器结合反馈回来的电压，调节开关MOS管2M1的导通占空比，从而控制变压器的输出电压大小保持输出电压恒定。
4.根据权利要求3所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述电源切换开关包括与太阳能供电模块连接的第一开关，与蓄电池供电模块连接的第二开关。
5.根据权利要求4所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述太阳能供电模块包括第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9，所述第一功率MOS管M8的源极和第二功率MOS管M9的源极共同连接至第一开关的蓄电池电源端，所述第一功率MOS管M8的栅极和第二功率MOS管M9的栅极共同连接至第一开关的无电源端，所述第一功率MOS管M8的栅极和第一功率MOS管M8的源极之间连接有第一二极管D5和第一电容C3并联的电路，所述第一功率MOS管M8的漏极接地，第二功率MOS管M9的漏极连接至光伏阵列的负极，第一开关的太能能电源端与光伏阵列的正极连接；
当第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9的导通后，光伏阵列与水泵控制器建立连接，光伏阵列将太阳能转换成电能直接输出电压。
6.根据权利要求5所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述蓄电池供电模块包括第三功率MOS管M7和第四功率MOS管M10，所述第三功率MOS管M7的源极和第四功率MOS管M10的源极相连，所述第三功率MOS管M7的栅极和第四功率MOS管M10的栅极共同连接至第二开关的蓄电池电源端，所述第三功率MOS管M7的漏极连接蓄电池的负极，第四功率MOS管M10的漏极接地，且第四功率MOS管M10的漏极还经过第二电容C2、第二二极管D2的并联电路后连接至第二开关的的太阳能电源端，第二开关的无电源端连蓄电池的正极；
当第三功率MOS管M7和第四功率MOS管M10的导通后，蓄电池与水泵控制器建立连接，蓄电池直接输出电压。
7.根据权利要求6所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述充电模块包括第一放大三极管Q1和第二放大三极管Q2，所述第一放大三极管Q1的基极连接驱动信号，第一放大三极管Q1的发射极接地，第一放大三极管Q1的集电极连通第二放大三极管Q2的基极，第二放大三极管Q2的发射极连接调压后工作电源，第二放大三极管Q2的集电极连接至第一开关的无电源端，所述第一开关的太阳能电源端与第二开关的无电源端连通；
当第一放大三极管Q1的基极接收到驱动信号后，第一放大三极管Q1和第二放大三极管Q2导通，驱动第一功率MOS管M8和第二功率MOS管M9导通，且太阳能供电模块与蓄电池供电模块连通，光伏阵列给蓄电池充电。
8.根据权利要求1所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述电机驱动模块为无位置传感器驱动，由三组单相驱动电路构建而成的星三角三相桥电路，所述单相驱动电路采用半桥驱动器IR2103，半桥驱动器IR2103的高侧栅极驱动输出引脚与第五功率MOS管M5的栅极相连，半桥驱动器IR2103的低栅极驱动输出引脚与第六功率MOS管M6的栅极相连，第五功率MOS管M5的源极和第六功率MOS管M6的漏极相连，且第五功率MOS管M5的源极和第六功率MOS管M6的漏极之间为单相反电动势输出点，第五功率MOS管M5的漏极接工作电源，第六功率MOS管M6的源极接地，半桥驱动器IR2103的高侧输入引脚和低侧输入引脚连接电源单元；
通过检测三相桥电路中的反电动势过零点判断电机转子的位置，通过确定电子转子的位置导通相应相位电路上的功率MOS管，把输入的直流电转换成驱动电机的三相电。
9.根据权利要求1所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述电机调节模块内设有调速电路，所述调速电路包括一滑动变阻器和运算放大器，滑动变阻器的电阻部一端接电源，另一端接地，滑动变阻器的电刷部连接运算放大器的输入，运算放大器的输出为电机调速对应的电压变化。
10.根据权利要求1所述的光伏水泵系统，其特征在于：所述水泵控制器还包括太阳能最大功率点跟踪单元，所述太阳能最大功率点跟踪单元包括用于比较太阳能供电的输出端电压和输入端电压的比较器。
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