CN218940685U - 光电互补型电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光电互补型电机驱动装置，包括太阳能供电单元、电网供电单元和直流母线输出；太阳能供电单元包括太阳能电池板发电输入和升压电路；电网供电单元包括交流输入和整流电路；太阳能电池板发电输入经过升压电路升压后连接直流母线输出的两端，交流输入经过整流电路整流后为直流母线输出，直流母线输出作为电机驱动的输入，为驱动电机供电；升压电路通过MPPT模块控制，控制经过升压电路升压后的电压始终高于直流母线输出的电压。本实用新型通过光电互补电路，且升压电路结合MPPT技术，最大程度上利用太阳能，在电能相对匮乏的地区比如沙漠，荒漠等地区，能够有效的节约电网电能。

Description

光电互补型电机驱动装置

技术领域

本实用新型涉及电机驱动技术领域，特别涉及一种光电互补型电机驱动装置。

背景技术

光伏水泵驱动器是近年来有效利用太阳能的很好的一个范例，它是在水泵驱动器的基础上增加太阳能电池板。现有的光伏水泵都是采用光电切换方式，即当太阳能发电量大的情况下，整体供电切换至太阳能供电，当太阳能发电不足的情况下，切换至电网供电。现有方案如图1所示，其中Q2实现输入电源的切换功能，其工作方式只能是太阳能和市电输入两者选其一，对于太阳能输入范围要求是DC150V～DC400V，对于低于150V的太阳能输入采用直接切断的方式，难以有效利用低电压情况下太阳能的能量，换言之，光电切换型只能对太阳光照较强时间段对太阳能有所利用，对于光照不足的时间的太阳能舍弃不用，不能够最大限度的利用太阳能。同时电路多了切换元件Q2，成本和可靠性都会相应降低。

为此，亟需研发出一种光电互补型电机驱动装置，来解决光电切换方式带来的能源利用率低的问题。

本案由此产生。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本实用新型的目的是提供一种光电互补型电机驱动装置，可以更加有效的利用太阳能，提高能源利用率。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种光电互补型电机驱动装置，包括太阳能供电单元、电网供电单元和直流母线输出；所述太阳能供电单元包括太阳能电池板发电输入和升压电路；所述电网供电单元包括交流输入和整流电路；所述太阳能电池板发电输入经过升压电路升压后连接直流母线输出的两端，所述交流输入经过整流电路整流后为直流母线输出，所述直流母线输出作为电机驱动的输入，为驱动电机供电；所述升压电路通过MPPT模块控制，控制经过升压电路升压后的电压始终高于直流母线输出的电压。

作为本发明的一种优选方案，所述太阳能供电单元还包括直流并网单元，所述直流并网单元根据太阳能电池板输出功率与电机实际使用功率的大小，选择完全由太阳能供电单元供电、太阳能供电单元和电网供电单元竞争互补供电或完全由电网供电单元供电。

作为本发明的一种优选方案，所述直流并网单元采用MPPT最大功率点跟踪控制模块和互补式最大电流控制模块；

当太阳能电池板输出功率超过设定功率上限时，直流并网单元工作在电压模式，电机完全使用太阳能，通过采集电池板电压和电流，启动MPPT最大功率点跟踪控制模块，使直流并网单元的输出电压始终维持高于电网供电单元的整流电压，电网供电单元的整流电路的整流二极管被反向截止实现钳位，电网供电单元功率无法接入；

当太阳能电池板输出功率超过设定功率下限但不超过设定功率上限时，直流并网单元工作在电流模式，太阳能电池板工作在电流源区，启动互补式最大电流控制模块，使当前并网单元按照光照条件持续输出，与市电网供电单元输出的整流电压竞争互补；

当太阳能电池板输出功率不超过设定功率下限时，直流并网单元停止工作，后端用于电机的负载功率完全由电网供电单元供给。

作为本发明的一种优选方案，所述交流输入为单相或三相交流输入。

作为本发明的一种优选方案，所述电机为水泵、泳池循环泵、风机、增氧泵、空调压缩机或冰箱压缩机的电机。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

(1)本实用新型针对户外光伏水泵驱动器能主回路拓扑部分进行改进，由原来的光电切换更改为光电互补方式，即太阳能和电网常接，太阳能能量不足部分由电网供给，可以使户外光伏水泵更加有效地利用太阳能，提高能源利用率。

(2)本实用新型通过光电互补电路，且升压电路结合MPPT技术，最大程度上利用太阳能，在电能相对匮乏的地区比如沙漠，荒漠等地区，能够有效的节约电网电能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有方案光电切换型电机驱动装置的电路图；

图2为实施例1和实施例2光电互补型电机驱动装置的电路图；

图3为实施例2光电互补型电机驱动装置的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参考图2，本实施例的光电互补型电机驱动装置，包括太阳能供电单元、电网供电单元和直流母线输出；

太阳能供电单元包括太阳能电池板发电输入、升压电路、电解电容C1和电解电容C2；其中升压电路包括MPPT模块、功率电感L1、功率二极管D1和IGBT Q1；电解电容C1和电解电容C2的正极接太阳能电池板发电输入的PV+，负极接太阳能电池板发电输入的PV-；功率电感L1的一端接PV+，另外一端连接Q1的集电极；Q1的栅极由MPPT模块控制，Q1的发射极接PV-；功率二极管D1的正极接Q1的集电极，负极接直流母线输出的P+；PV-接直流母线输出的P-。

电网供电单元包括交流输入、整流电路、继电器K1、电阻R1、并联的电解电容C3和电解电容C4，整流电路采用整流桥B1；交流输入通过整流桥B1整流后，正极接继电器K1的一端和R1电阻的一端，负极接P-；继电器K1的常开触点接R1电阻的另一端和P+，电解电容C3和电解电容C4的正极接P+，负极接P-。

换言之，本实施例中电源输入分为两部分，太阳能电池板输入和单相交流220V输入，太阳能电池板输入部分通过MPPT算法对输入电源进行升压，同时保证输出电压水平高于交流输入整流电源电压。

220V单相交流输入经过整流电路B1整流后为直流母线输出P+、P-，太阳能电池板发电输入PV+、PV-经过升压电路升压后连接直流母线输出P+、P-的两端，直流母线输出P+、P-作为电机驱动的输入，为驱动电机供电；升压电路通过MPPT模块控制，控制经过升压电路升压后的电压始终高于直流母线输出的电压。

本实施例工作原理：当整流桥B1上电工作时，此时K1不闭合，整流电源通过R1给电解电容(C3，C4)进行充电，上电后延迟1S后继电器K1闭合，此电路主要是为了防止上电时电容充电电流过大，其中电解电容C3，C4的容值和功率成正比，一般取50uF/A。

正常工作时，会控制太阳能的经MPPT后电压高于整流电压一定数值(10V左右)，这样太阳能足够的情况下，交流电部分二极管就会截止，只有在太阳能不足的情况下，交流电才会作为补充。

本实施例有益技术效果：AC220V电源输入电路采用直接整流方式输出方式，不做切换，太阳能发电电源PV+/-直接通过MPPT算法控制的升压电路，把电压始终抬升至母线电压以上10V，因此后级水泵(也可以是水泵、泳池循环泵、风机、增氧泵、空调压缩机、冰箱压缩机等)供电优先选择太阳能供电，由于太阳能和交流输采用同时接入的方式，在太阳能能量不足时，电机能量可以由交流输入补足。

实施例2

考虑到目前市面上大部分是交流并网，也就是太阳能发电变成交流电，然后并入市电提供使用。但这应用于电机驱动系统不是非常适用，因为电机控制本来就是交流-直流-交流，也即是整流+逆变的过程，所以交流并网这个技术用在电机驱动系统里面就很浪费：1)电机本来就需要直流，太阳能发出的直流电没必要再次转换为交流。2)变换交流，提供电机，再变直流效率下降至少5％。

现有技术中也有一些直接利用太阳能发的直流电的技术，但比较粗糙，它们通过配置太阳能板，使其输出电压接近电机用电要求，比如300V(太阳能板串并联)；或者通过升压DC-DC技术将电压提升。但是，这些技术在同一时间仅能使用一种能量，使用太阳能的时候不能使用市电，太阳能发电功率不足，电机降功率使用，如风机水泵降速；当太阳能发电功率降低到一定值后，直接切换市电。这里要明确的是，两种能源的切换点较高，一般情况下，300V的风机和水泵，太阳能板输出电压低于200V的时候就会进行切换。以现在的升压技术，50V～200V之间即可完成升压输出，200V切换意味着，设备只能利用60％～100％发电功率时的太阳能，而发电功率20％～60％时的太阳能未利用，这是巨大浪费，也是对设备应用的巨大限制。

请参考图3，为此，本实施例提供了一种光电互补型电机驱动装置，包含实施例1方案，另外太阳能供电单元还包括直流并网单元，直流并网单元根据太阳能电池板输出功率与电机实际使用功率的大小，选择完全由太阳能供电单元供电、太阳能供电单元和电网供电单元竞争互补供电或完全由电网供电单元供电。

本实施例中，直流并网单元采用MPPT最大功率点跟踪控制模块和互补式最大电流控制模块；

功率上限根据后端电机的实际使用功率设定，太阳能电池板板最大输出功率和后端电机额定功率按1:1配置，电机实际使用功率为80％，设定功率上限设定为80％，设定功率下限为20％。

当太阳能电池板输出功率超过设定功率上限(80％)时，直流并网单元工作在电压模式，电机完全使用太阳能，通过采集电池板电压和电流，启动MPPT最大功率点跟踪控制模块，采用扰动观察法实现闭环最大功率点跟踪控制，使直流并网单元的输出电压始终维持高于电网供电单元的整流电压，电网供电单元的整流电路的整流二极管被反向截止实现钳位，电网供电单元功率无法接入，具体工作原理如下:

(1)当太阳能电池板输出功率超过设定功率下限(20％)但不超过设定功率上限(80％)时，直流并网单元工作在电流模式，太阳能电池板工作在电流源区，启动互补式最大电流控制模块，使当前并网单元按照光照条件持续输出，与市电网供电单元输出的整流电压竞争互补：当太阳能电池板输出电压低于电网供电单元输出的整流电压时，供电单元的整流电路中的整流二极管钳位作用消失，电网供电单元功率接入。

互补式最大电流控制模块的控制原理为：在光伏电池板接受当前光照后，如果MPPT最大功率点跟踪模式的输出电压不能高于目前电网整流后的母线电压，这时候电池板不能输出功率，需要自动切换为互补式最大电流控制模式。在互补式最大电流控制模式下，电池板不会工作在最大功率点，而是以最大电流输出为目标，输出电压并不受控，但肯定高于电网整流后的母线电压。这时电池板和电网同时给负载提供能量，因此称之为互补式，又由于这时候是以最大电流为控制对象，因此称之为互补式最大电流控制。其具体的控制原理为：先通过光照条件判断，切换为互补式最大电流控制；在通过功率闭环给定最大电流Imax；然后水乳电流环输出占空比控制DC/DC；最后协同市电互补输出功率。

(2)当太阳能电池板输出电压高于电网供电单元输出的整流电压时，供电单元的整流电路中的整流二极管被反向截止被钳位，太阳能电池板功率接入。

(3)当太阳能电池板输出功率不超过设定功率下限(20％)时，直流并网单元停止工作，后端用于电机的负载功率完全由电网供电单元供给。

本实施例中，太阳能板以当前的发电状态与市电交替补充，高效率的向设备供能，始终满足负载的实际功率需求。当太阳能输出功率小于20％，太阳能直流并网单元停止工作，负载功率完全由市电补充。

本实施例能实现如下技术效果：

(1)本实施例最大优势是，可以最大限度的利用太阳能。比起其它设备(60～100％功率时利用太阳能，太阳能不够时设备降低功率输出)，本实施例可以完全利用20％～100％发电功率时的太阳能，设备不需要降低功率。这一优势巨大，太阳能受光照强度影响，太阳能板发电功率大于60％的时段并不多，提高功率利用范围，就意味着可以有更多时段利用太阳能，光伏能量的利用急剧提升。

(2)现有的设备需要切换，由软件进行控制，也就是监控输出电压，输出电压不足的时候，将输入能源从太阳能切换到市电，较为复杂，切换过程难免会产生浪费。而本实施例采用直流并网并通过MPPT技术，可以直接实现直流并网，不需要额外的切换硬件投入，系统更简单，适用性更强，效率更高。

以上对本实用新型所提供的一种光电切换型电机驱动装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光电互补型电机驱动装置，包括太阳能供电单元、电网供电单元和直流母线输出；所述太阳能供电单元包括太阳能电池板发电输入和升压电路；所述电网供电单元包括交流输入和整流电路；其特征在于：所述太阳能电池板发电输入经过升压电路升压后连接直流母线输出的两端，所述交流输入经过整流电路整流后为直流母线输出，所述直流母线输出作为电机驱动的输入，为驱动电机供电；所述升压电路通过MPPT模块控制，控制经过升压电路升压后的电压始终高于直流母线输出的电压。

2.根据权利要求1所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述太阳能供电单元还包括电解电容C1和电解电容C2；所述升压电路包括MPPT模块、功率电感L1、功率二极管D1和IGBT Q1；电解电容C1和电解电容C2的正极接太阳能电池板发电输入的PV+，负极接太阳能电池板发电输入的PV-；功率电感L1的一端接PV+，另外一端连接Q1的集电极；Q1的栅极由MPPT模块控制，Q1的发射极接PV-；功率二极管D1的正极接Q1的集电极，负极接直流母线输出的P+；PV-接直流母线输出的P-。

3.根据权利要求2所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述电网供电单元还包括继电器K1和电阻R1，所述整流电路采用整流桥B1；交流输入通过整流桥B1整流后，正极接继电器K1的一端和R1电阻的一端，负极接P-；继电器K1的常开触点接R1电阻的另一端和P+。

4.根据权利要求2所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述电网供电单元还包括并联的电解电容C3和电解电容C4，电解电容C3和电解电容C4的正极接P+，负极接P-。

5.根据权利要求1所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述太阳能供电单元还包括直流并网单元，所述直流并网单元根据太阳能电池板输出功率与电机实际使用功率的大小，选择完全由太阳能供电单元供电、太阳能供电单元和电网供电单元竞争互补供电或完全由电网供电单元供电。

6.根据权利要求5所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述直流并网单元采用MPPT最大功率点跟踪控制模块和互补式最大电流控制模块；

当太阳能电池板输出功率超过设定功率上限时，直流并网单元工作在电压模式，电机完全使用太阳能，通过采集电池板电压和电流，启动MPPT最大功率点跟踪控制模块，使直流并网单元的输出电压始终维持高于电网供电单元的整流电压，电网供电单元的整流电路的整流二极管被反向截止实现钳位，电网供电单元功率无法接入；

当太阳能电池板输出功率超过设定功率下限但不超过设定功率上限时，直流并网单元工作在电流模式，太阳能电池板工作在电流源区，启动互补式最大电流控制模块，使当前并网单元按照光照条件持续输出，与市电网供电单元输出的整流电压竞争互补；

当太阳能电池板输出功率不超过设定功率下限时，直流并网单元停止工作，后端用于电机的负载功率完全由电网供电单元供给。

7.根据权利要求1所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述交流输入为单相或三相交流输入。

8.根据权利要求1所述的光电互补型电机驱动装置，其特征在于：所述电机为水泵、泳池循环泵、风机、增氧泵、空调压缩机或冰箱压缩机的电机。

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