【文章內(nèi)容簡介】 值得注意的是，直流母線電壓的波動范圍應(yīng)受到控制，它必須能夠保證VIF值恒定所需要的電壓補償，且能滿足電機對電壓波形畸變率的限制。直流電動機以其機械特性好、調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大、運行效率高、控制簡單等優(yōu)點在運動控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是其電刷和換相器也帶來了可靠性較低、需經(jīng)常維護(hù)等弱點。近20多年來，隨著大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字集成電路、計算機技術(shù)、高性能磁性材料的快速發(fā)展，采用電子換相原理工作的無刷直流電動機也得到了相應(yīng)快速的發(fā)展。它己從最初應(yīng)用的宇航、軍事設(shè)施領(lǐng)域迅速擴展到工業(yè)和民用領(lǐng)域，、辦公室自動化和音響影視設(shè)備中，在一些電力傳動系統(tǒng)中，其應(yīng)用也愈來愈廣泛。若干年來無刷直流電動機開始在光伏水泵系統(tǒng)中被用作驅(qū)動電機間，這是由于該種電機具有一般交流電動機所不易達(dá)到的高效率，它可望在較大幅度上減少目前還相對昂貴的太陽電池的用量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。 永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)無刷直流磁力驅(qū)動光伏水泵：無刷直流水泵采用了電子組件換向，無需使用碳刷換向，采用高性能耐磨陶瓷軸及陶瓷軸套，軸套通過注塑與磁鐵連成整體也就避免了磨損，因此無刷直流磁力式水泵的壽命大大增強了。磁力隔離式水泵的定子部分和轉(zhuǎn)子部分完全隔離，定子和電路板部分采用環(huán)氧樹脂灌封，100%防水，轉(zhuǎn)子部分采用永磁磁鐵，水泵機身采用環(huán)保材料，噪音低，體積小，性能穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^定子的繞線調(diào)節(jié)各種所需的參數(shù)，可以寬電壓運行。 優(yōu)點：壽命長，噪音低可達(dá)35dB以下，可用于熱水循環(huán)。電機的定子和電路板部分采用環(huán)氧樹脂灌封并與轉(zhuǎn)子完全隔離，可以水下安裝而且完全防水，水泵的軸心采用高性能陶瓷軸，精度高，抗震性好。，應(yīng)用永磁直流無刷電機我們只要設(shè)計其控制電路、驅(qū)動電路、及MOSFET逆變電路。使此光伏水泵驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)我們所要求的功能即可。下面是一款無刷直流電機驅(qū)動的評估板的應(yīng)用。 永磁直流無刷電機的應(yīng)用異步電機亦即感應(yīng)電機，結(jié)構(gòu)簡單可靠、價格低廉、相對質(zhì)量輕、體積小、機械特性硬；但是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)復(fù)雜、啟動性能較差。無刷直流電機既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。無論應(yīng)用那種電機，其額定工作電壓必須與太陽電池陣列的工作電壓相匹配，即太陽電池陣列的工作電壓必須大于電機額定工作電壓，否則即使處于最大日照強度條件下，電機也不可能輸出最大功率。對于交流異步電機驅(qū)動的光伏水泵而言，太陽電池陣列的工作電壓如果小于電機的額定工作電壓，不僅會增加電機的諧波電流，而且VIF比值也難保恒定。另外一方面，永磁直流無刷電機的效率較高，感應(yīng)電機的效率相對較低。單級光伏水泵解決方案在光伏水泵系統(tǒng)中，太陽能電池板價格比較昂貴，提高太陽能光板的利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益成為光伏水泵系統(tǒng)最主要的方面，也成為我們選擇驅(qū)動電機的最根本的標(biāo)準(zhǔn)。而永磁無刷直流電機它的效率很高，能達(dá)到90%以上，而感應(yīng)電機的效率相對就低的多了，最高只能達(dá)到60%70%。也正是由于該種電機具有一般交流電動機所不易達(dá)到的高效率，它可望在較大幅度上減少目前還相對昂貴的太陽電池的用量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，幾年來無刷直流電動機開始在光伏水泵系統(tǒng)中被用作驅(qū)動電機。在本實驗中也正是以提高效率這一點為依據(jù)選擇使用永磁直流無刷電機。另外一方面，本實驗的光伏水泵功率較小，這是選擇永磁無刷直流電機的另一個原因。 功率MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計 IR2110集成驅(qū)動電路隨著集成技術(shù)的高度發(fā)展,為了適應(yīng)于MOSFET、IGBT驅(qū)動集成電路在電平轉(zhuǎn)換、電機調(diào)速等功率驅(qū)動中的應(yīng)用,美國IR公司推出了IR2110集成驅(qū)動電路。該電路芯片體積小、集成度高、響應(yīng)快、偏值電壓高、驅(qū)動能力強、內(nèi)設(shè)欠壓封鎖、成本低、易于調(diào)試。因為上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電,使得驅(qū)動電源數(shù)目大大少于其他IC芯片。對于典型的6管構(gòu)成的三相橋式逆變器,采用3片IR2110驅(qū)動三個橋臂,僅需要1路15 V(電壓可以選擇)電源,這樣大大減少了控制變壓器體積和供電電源數(shù)目,同時性價比得到了大大提高。(1)IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu),其中包括:邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、上橋臂輸出和下橋臂輸出。邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路,提高抗干擾能力。輸入邏輯電路與TTL/CMOS電平兼容,其輸入引腳閥值與電源V+成比例,為電源電壓V+的10%,各通道相對獨立。由于邏輯信號均通過電平連接到各自的通道上,容許邏輯電路參考地(VSS)與功率電路參考地(COM)之間有5和+5的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns的脈沖,這樣有較理想的抗噪聲效果。輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu),兩個高壓MOS管推挽驅(qū)動器的最大灌入或輸出電流為2A。上橋臂通道可以承受500V的電壓。當(dāng)HIN=LIN=1時, HO=1, LO=1, MOSFET導(dǎo)通,當(dāng)HIN=0, LIN=0時, HO=0, LO=0, MOSFET關(guān)斷。其中SD輸入可以用來閉鎖這二路驅(qū)動。如果這二路驅(qū)動電壓小于83 V,輸出信號會因欠壓而被片內(nèi)封鎖。其電平典型轉(zhuǎn)換時間為Ton/Toff=120 ns/94 ns。 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖 IR2110典型電路 (2)　IR2110典型電路工作原理及自舉元器件的選擇。其中V+采用5V~15V電源,適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號輸入,Vcc為10 V~20 V功率管門極驅(qū)動電源。由于V可與COM連接,則VCC與V+可共用同一個典型值為+15 V的電源,但是,在實際應(yīng)用中要根據(jù)自己設(shè)計的具體電路給予選擇。,C1為自舉電容,VCC經(jīng)DC負(fù)載、Q2給C1充電,以確保Q2關(guān)閉、Q1開通時,Q1管的柵極靠C1上足夠的儲能來驅(qū)動,從而實現(xiàn)自舉式驅(qū)動。若負(fù)載阻抗較大,C1經(jīng)負(fù)載降壓充電較慢,使得Q2關(guān)斷、Q1開通,C1上的電壓仍充電達(dá)不到自舉電壓83 V以上時,輸出驅(qū)動信號會因欠壓被邏輯封鎖, Q1就無法正常工作。所以,要么選用小容量電容,以提高充電電壓。要么為C1提供快速充電通路。由于每個Q1開關(guān)一次,C1就通過Q2開關(guān)充電一次,因此自舉電容C1的充電還與輸入信號HIN、LIN的PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關(guān),當(dāng)PWM工作頻率過低時,若Q1導(dǎo)通脈寬較窄,自舉電壓83 V容易滿足。反之無法實現(xiàn)自舉。因此要合理設(shè)置PWM開關(guān)頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍,通過實驗C1的選擇應(yīng)考慮以下幾點:,頻率高,C1應(yīng)該選擇小一點的。,在022μf或更大一點(一般取047μf且35 V)較好。,這樣就要為C1充電提供快速充電通路。,特別是在高占空比時, Q2開通時間較短,C1應(yīng)該選擇小點的較好,否則,在有限的時間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓。另外,通過實驗還得出了這樣一些結(jié)論。自舉二極管也是一個非常重要的自舉器件,它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓,二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失,應(yīng)選用漏電流小的快恢復(fù)二極管(高頻),例如IN4148。有時IR2110 HIN和LIN端口輸入的PWM波形,可是HO和LO沒有輸出,這可能是電源不匹配的緣故造成的,比如PWM的幅值大約為33 V, V+一般選擇5 V左右,這樣用示波器測量,可能LO有輸出,但是HO沒有輸出,這時應(yīng)該將HO/LO分別與對應(yīng)的CMOS管相連,而且應(yīng)該是上下臂一起進(jìn)行調(diào)整,最好是帶負(fù)載,因為高端是靠自舉電容,懸浮的,這時可能有波形輸出。（3）輸入、輸出信號處理該驅(qū)動電路將從光纖輸入的信號處理變?yōu)轵?qū)動信號輸出，且當(dāng)信號出現(xiàn)過流時輸出一個阻斷信號到系統(tǒng)的控制部分，由控制部分停止 PWM 信號的輸出，關(guān)斷 IGBT 管，如圖 。在大中功率場合下，開關(guān)管開通關(guān)斷的 du/dt、di/dt 很高，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾, 嚴(yán)重威脅功率逆變器的安全運行。 因此采用光纖連接器隔離主電路和控制電路，光纖連接器實現(xiàn) PWM 控制信號的遠(yuǎn)距離傳輸,延時小且可消除來自功率開關(guān)器件的干擾。由圖 可知, 光接收器接收到信號 （即有 PWM 信號到來）時為低電平，而與非門 U1 的另一端接+15 V 為高電平，通過與非門 U1 后為高電平，再通過異或門 U與門 U3 接收到信號，該信號接到 IR2110 的低通道輸入端 LIN，用來驅(qū)動IR2110一端的 IGBT。異或門U6，與非門U5，電阻 R1和電容C3組成確認(rèn)脈沖發(fā)生電路。 每當(dāng)輸入信號發(fā)生跳變時,異或門U6輸出一個正脈沖, 其寬度由電容 C3和電阻 R1決定，并通過光纖發(fā)送器發(fā)出。 當(dāng)IGBT過流時，OVC為低電平，其低電位反饋到 U3 的輸入端， 使 DRG 強置為高電平， 從而使IGBT 關(guān)斷。 此時 SO 端也將出現(xiàn)低電平, 輸出光纖將狀態(tài)傳送至系統(tǒng)控制部分, 由系統(tǒng)發(fā)出信號統(tǒng)一關(guān)斷 IGBT 管光伏水泵系統(tǒng)要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率,必須設(shè)法提高逆變器的效率。,許多電站無人值守和維護(hù),這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu),嚴(yán)格的元器件篩選,并要求逆變器具備各種保護(hù)功能,如輸入直流極性接反保護(hù),交流輸出短路保護(hù),過熱、過載保護(hù)等。還要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強度而變化,蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用,但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動,特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大,如12V蓄電池,其端電壓可在10V~16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作,并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。 應(yīng)用逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電,若直流電壓較低,則通過交流變壓器升壓,由于直流母線電壓較高,交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達(dá)到220V,在中、小容量的逆變器中,由于直流電壓較低,如12V、24V,就必須設(shè)計升壓電路。 中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種,推挽電路,將升壓變壓器的中性插頭接于正電源,兩只功率管交替工作,輸出得到交流電力,由于功率晶體管共地邊接,驅(qū)動及控制電路簡單,另外由于變壓器具有一定的漏感,可限制短路電流,帶動感性負(fù)載的能力較差. 由于本設(shè)計容量較小，故選用MOSFET推挽電路。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點,功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度,即使對感性負(fù)載,、下橋臂的功率晶體管不共地,為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通,必須設(shè)計先關(guān)斷后導(dǎo)通電路,即必須設(shè)置死區(qū)時間,其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。由于本設(shè)計容量較小，故選用MOSFET推挽電路。相對于其它類型的開關(guān)元器件來說功率MOSFET的開關(guān)速度是非?？斓摹Ｒ驗樗嵌鄶?shù)載流體器件，沒有與關(guān)斷時間相聯(lián)系的存儲時間。它的開通關(guān)斷只和寄生電容的充放電有關(guān)，它的開關(guān)只是驅(qū)動這些非線性電容。因此，其開關(guān)時間強烈依賴驅(qū)動電路的輸出特性，驅(qū)動電路就是通過這個阻抗給柵極充放電的。圖 開關(guān)波形，驅(qū)動電路給輸入電容保持在UDD(保持不變)。充電到閩值電壓UGs(oN)。MOSFET的開關(guān)過程示意圖。在開通延遲時間tdoNCis、充電到UGs(th)，沒有漏極電流流過，漏極電壓在開通上升時間t:中，驅(qū)動電路給輸入電容Cis