Cómo funcionan las bombas de agua solares
1.1 Diagrama de estructura del sistema de bomba de agua fotovoltaica
Como se puede ver en la Figura 1, el sistema utiliza conjuntos de células solares para convertir directamente la energía solar en energía eléctrica. Después de pasar por el convertidor de frecuencia y refuerzo CC/CC con función TMPPT, el voltaje CA trifásico sale para impulsar el motor asíncrono de CA y la carga de la bomba de agua, completando así la función de almacenamiento de agua de la torre de agua. Incluye principalmente cuatro partes: conjunto de células solares; convertidor de frecuencia con función de carga de bomba;
1.2 Circuito principal y composición del hardware del convertidor de frecuencia
El circuito principal y el diagrama de bloques de control del hardware utilizado en este sistema se muestran en la Figura 2. La parte CC/CC del circuito principal utiliza un circuito de avance push-pull con un rendimiento superior para aumentar el voltaje; la parte CC/CA utiliza un circuito inversor de puente trifásico. El dispositivo de alimentación principal utiliza ASIPM (módulo de alimentación inteligente integrado) PS12036 y el núcleo de control del sistema consta de un controlador de señal digital de 16 bits dsPIC30F2010. El circuito de control periférico incluye un circuito de detección de voltaje del bus de matriz y un circuito de detección de secado del nivel de agua. El sistema primero funciona a través del modo de funcionamiento inicial y los parámetros PI, y luego utiliza el valor de voltaje buscado en tiempo real por la subrutina MPPT como el valor dado del CVT del circuito interno. El valor de la frecuencia de operación se obtiene mediante el ajuste PI y el ciclo de trabajo de la señal PWM se calcula para lograr un verdadero seguimiento de potencia máxima (TMPPT) del conjunto fotovoltaico y mantener constante la relación V/F del motor asíncrono. El sistema combina MPPT e inversor y utiliza la función de detección de fallas del módulo ASIPM para detección y protección. Tiene una estructura simple y es fácil de controlar.
1.2.1 Introducción al circuito de refuerzo CC/CC
1.2.1.1 Selección del circuito principal
Para bombas de agua fotovoltaicas de pequeña y mediana potencia, el conjunto fotovoltaico El voltaje es mayormente bajo (24v, 36v, 48V). Para la elección del circuito principal de refuerzo, la gente generalmente elige el circuito push-pull, porque el voltaje de funcionamiento primario del transformador del circuito push-pull es el voltaje de entrada en el lado de CC y el controlador no requiere aislamiento, por lo que es Más adecuado para situaciones con voltajes de entrada más bajos. Sin embargo, el problema de la polarización magnética es un inconveniente importante que limita su aplicación. Las diferencias de parámetros del tubo de alimentación y el proceso de bobinado del transformador pueden hacer que el circuito push-pull funcione en un estado inestable. Teniendo en cuenta muchos factores, este sistema utiliza un novedoso circuito de avance push-pull, que no solo supera el problema de polarización, sino que también facilita el control de circuito cerrado (sistema de segundo orden).
1.2.l.2 Breve análisis del circuito push-pull forward
Como se muestra en la Figura 2, el circuito push-pull forward consta de los transistores de potencia S1 y S2, el capacitor C8 y transformador T, los devanados primarios N1 y N2 del transformador T tienen el mismo número de vueltas, y los terminales con los mismos nombres se muestran en la Figura 2. Cuando S1 y S2 se apagan al mismo tiempo, el voltaje a través del capacitor C8 es positivo y negativo, igual al voltaje del conjunto. Cuando se enciende S1, S1, N2 y el conjunto fotovoltaico forman un bucle, N2 es positivo y negativo, C8, N1 y S1 forman un bucle, C8 se descarga y N65438. De manera similar, cuando S2 está encendido y S1 está apagado, es equivalente a dos convertidores directos conectados en paralelo. A través del análisis teórico, el circuito de avance push-pull es un sistema de segundo orden, por lo que el control de circuito cerrado es simple y la inductancia y capacitancia del filtro de salida se reducen considerablemente.
1.2.2 Introducción a dsPIC30F2010
Al agregar inteligentemente funciones DSP al microcontrolador de 16 bits, el controlador de señal digital (DSC) dsPIC30F de Microchip tiene el control del microcontrolador (MCU) existente. función, así como la potencia de cálculo y las capacidades de rendimiento de datos de un procesador de señal digital (DSP). Debido a su función DSP y al tamaño y precio del microcontrolador, este sistema utiliza este chip como controlador. Este chip es principalmente adecuado para el control de motores, como motores de CC sin escobillas, motores de inducción monofásicos y trifásicos y motores de reluctancia conmutada. También es adecuado para sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), inversores, fuentes de alimentación conmutadas y corrección del factor de potencia. El diagrama esquemático del pin dsPIC30F2010 se muestra en la Figura 3.
Estructura principal 1.2.2.1
Memoria de programa de 12 KB;
SRAM de 512 bytes:
EEPROM de 1024 bytes;
3 temporizadores de 16 bits;
4 canales de captura de entrada;
2 canales de comparación de salida/PWM estándar;
Seis motores controlan canales PWM;
Seis canales convertidores analógico-digital de 10 bits y 500 ksps.
Características principales de L2.2.2
La velocidad de muestreo A/D es rápida, se pueden muestrear múltiples canales simultáneamente;
6 independientes/complementarios/alineados en el centro/ PWM alineado en el borde:
2 zonas muertas programables;
La fuente de alimentación de 5 V puede funcionar normalmente en entornos ruidosos;
El voltaje mínimo de funcionamiento es de 3 V;
Muestreo analógico a digital y sincronización PWM.
Diseño de bomba de agua fotovoltaica MPPT
2.1 Características y desventajas del seguimiento de voltaje constante (CVT) convencional
El modo CVT puede obtener aproximadamente la potencia máxima de salida de la Célula solar, el procesamiento del software es relativamente simple. Pero, de hecho, la intensidad del sol y la temperatura cambian todo el tiempo, especialmente en la región occidental. En diferentes momentos del mismo día, la temperatura y la intensidad del sol cambian mucho, lo que provocará una desviación de voltaje en el punto de máxima potencia del panel solar, especialmente. cambios de temperatura. En este caso, el modo CVT no sigue muy bien el punto máximo.
2.2 Principio e implementación de tmppt
Para superar las deficiencias del modo CVT, se propone TMPPT (verdadero punto de máxima potencia).
Concepto Tracking), es decir, control de “seguimiento de máxima potencia real”, que asegura que el sistema siempre funciona en el punto de máxima potencia sin importar las condiciones de luz solar y temperatura. Dado que el convertidor de frecuencia adopta un control V/F constante, la velocidad del motor de la bomba de agua es proporcional a su voltaje de entrada. Por lo tanto, ajustar el voltaje de salida del inversor equivale a ajustar la potencia de salida del motor de carga. Por lo tanto, este sistema utiliza TMPPT para hacer que las células solares funcionen en el punto de máxima potencia tanto como sea posible para proporcionar la máxima energía a la carga.
Según la curva característica del conjunto de células solares (ver Figura 4),
En el punto de máxima potencia, DP/DV = O, a la izquierda del punto de máxima potencia , cuando DP/DV > : O, p muestra una tendencia ascendente, DP/DV: O, p muestra una tendencia a la baja, DP/D.
v lto,p muestra una tendencia al alza. En consecuencia, el punto de máxima potencia se puede determinar basándose en la relación de cambio P-V en funcionamiento real.
La Figura 5 es un diagrama de bloques del control de seguimiento del punto de máxima potencia TMPPT. El valor del comando de entrada del sistema es 0 y el valor de retroalimentación es DP/DV. Suponiendo que el estado Z3 es 1, Usp* ordena que el voltaje aumente. Después del ajuste de la CVT, el voltaje de salida del sistema V sigue el aumento de Usp* y se muestrea la corriente de salida I. Después de la operación de energía y la diferenciación de energía, se obtiene el valor DP/DV Si DP/DV > 0, entonces Z1 es 1, Z2 es 1, Z3 es 1 y el voltaje de comando Usp* continúa aumentando. Por ejemplo, el diseño de la función de protección del sistema DP/DV
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1) Función de protección contra sobrecorriente y cortocircuito
Dado que el bus IGBT del brazo inferior de ASIPM está conectado en serie con una resistencia de muestreo, por lo que la función de protección se puede realizar detectando la corriente del bus. Cuando el valor de corriente detectado excede el valor dado, se considera sobrecorriente o cortocircuito. En este momento, el circuito de compuerta IGBT del brazo inferior se apaga y al mismo tiempo se emite una señal de falla. Cuando el dsPIC detecta esta señal, el pulso PWM se bloquea para proteger aún más los circuitos posteriores.
2) Función de protección contra subtensión
ASIPM detecta la tensión de alimentación de control del brazo inferior. Si el voltaje de la fuente de alimentación continúa siendo inferior al voltaje indicado para 1OM, todas las fases de los igbts del lado inferior se apagan y se emite una señal de falla al mismo tiempo. Durante la falla, la compuerta de los igbts trifásicos del brazo inferior no recibe señales externas.
3) Función de protección contra sobrecalentamiento ASIPM tiene un termistor incorporado para detectar la temperatura del sustrato y generar directamente la resistencia del termistor. dsPIC puede completar la función de protección contra sobrecalentamiento detectando su valor de resistencia.
La protección anterior utiliza las funciones del propio ASIPM y no requiere circuitos adicionales, lo que simplifica aún más el diseño del circuito de hardware. Además de las funciones de protección anteriores, el sistema también tiene las funciones exclusivas de protección de baja frecuencia, poca luz solar y secado (secado automático y manual) del sistema de bomba de agua fotovoltaica. Para la carga de la bomba de agua, cuando la velocidad es inferior al límite inferior, la mayor parte de la energía proporcionada por el conjunto fotovoltaico se convertirá en pérdidas. El funcionamiento a baja velocidad a largo plazo generará calor y afectará la vida útil de la bomba de agua. . Por lo tanto, este sistema está diseñado con protección de baja frecuencia. Para las bombas de agua, cuando el nivel de líquido es inferior a la entrada de agua de la bomba de agua, la bomba de agua está sin carga. Si no se toman medidas, el funcionamiento prolongado dañará los cojinetes lubricantes. Sin embargo, este sistema es un modo de trabajo al aire libre sin supervisión, por lo que para aumentar la confiabilidad de la detección, el sistema adopta un control automático. El sensor de nivel de agua identifica el nivel de agua actual y permite el secado manual. Dado que la baja frecuencia, la poca luz solar, el secado y otras funciones se completan mediante software, no se requieren circuitos de hardware adicionales, por lo que la estructura del sistema es simple.