1風(fēng)電泵水系統(tǒng)的組成及原理

　　風(fēng)力發(fā)電電泵提水系統(tǒng)主要由四部分組成（如1所示）： 1 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、整流和逆變系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及潛水電泵系統(tǒng)。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把風(fēng)的動(dòng)能變?yōu)闄C(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)、偏移裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部分所組成，發(fā)出的電能直接并網(wǎng)送電；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái)（一般用蓄電池），需要時(shí)再提供給負(fù)載（一般可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶），而本研究是針對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電泵提水系統(tǒng)。

　　整流是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電變成直流電，一般用橋式整流，輸出的直流電再通過(guò)逆變器變成220 V 50 Hz正弦交流電。

　　逆變器工作原理見(jiàn)2，直流側(cè)輸入電壓為48 V，主要由MOS （ IRFP460）場(chǎng)效應(yīng)管和電源變壓器構(gòu)成。其輸出功率取決于整流的直流電壓、MOS場(chǎng)效應(yīng)管和電源變壓器的功率。

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端為低電平時(shí)， TR3和TR6導(dǎo)通，變壓器低壓側(cè)繞組線圈中電流從A流向B.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端為高電平時(shí)， TR4和TR5導(dǎo)通，變壓器低壓側(cè)繞組線圈中電流從B流向A.這種低電壓、大電流的交變信號(hào)通過(guò)變壓器的低壓繞組時(shí)，就會(huì)在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出220 V交流電壓，完成直流到交流的轉(zhuǎn)換，即逆變過(guò)程。而交流電的頻率是由單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生50 Hz的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)TR5、TR6的導(dǎo)通完成的。單相逆變器采用兩組對(duì)稱的功率推挽電路，而正弦交流也是由單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM ）信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)TR3、TR4的導(dǎo)通完成的。

　　潛水電泵由電動(dòng)機(jī)、水泵和揚(yáng)水管三部分組成。潛水電泵的水泵和電動(dòng)機(jī)是直接聯(lián)接裝成一體的，一起浸沒(méi)在水中工作。地面上的電源通過(guò)附在揚(yáng)水管上的防水電纜，輸送給浸在水中的電動(dòng)機(jī)。

　　2單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　本控制系統(tǒng)以Intel公司80C196kb 16位單片機(jī)為控制芯片，該單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)由W atchdog、8路10位A /D轉(zhuǎn)換器、24路開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、2路8位D /A轉(zhuǎn)換器、RS 232 /RS485、串行通信接口、時(shí)鐘芯片以及鍵盤和顯示器組成，如3所示。

　　控制系統(tǒng)的工作過(guò)程由單片機(jī)（ Intel 196kb）采集風(fēng)速信號(hào)與單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波形和50 H z方波，通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)來(lái)控制H型逆變器（ TR3和TR4， TR5和TR6），由1： 10升壓變壓器連接單相潛水電泵， H型逆變器輸出的電流和電壓再采集到單片機(jī)。通過(guò)不同的調(diào)制系數(shù)使得單片機(jī)產(chǎn)生不同的SPWM波形，從而控制單相潛水電泵的轉(zhuǎn)速。

　　3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3. 1 SPWM脈寬算法

　　對(duì)稱規(guī)則采樣法在SPWM脈寬算法中是一種比較優(yōu)越的算法。因此，本系統(tǒng)選用這種算法來(lái)產(chǎn)生SPWM波形，如4和5所示，用一個(gè)采樣值確定脈沖寬度，可由下式求出：

　　= t 2 - t 1 = T （ 1+ m sin t） /2式中： T為三角波的周期； m為調(diào)制度；為正弦調(diào)制波的角頻率。

　　由4可以看出，實(shí)際正弦波是由一系列階梯狀臺(tái)階組成，先從三角波負(fù)峰點(diǎn)B作垂線與理論正弦波交于A點(diǎn)，再以A點(diǎn)作水平線左右分別交三角波于C、D兩點(diǎn)，從而確定脈寬時(shí)間，這種方法可以提高精度，而且易于編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用的方法是按照前面推導(dǎo)出的脈寬函數(shù)表達(dá)式，根據(jù)用戶日需水量的要求以及水井的深度，選擇潛水電泵的參數(shù)為：流量3m3/h，揚(yáng)程18 m，電動(dòng)機(jī)的額定功率為0. 55 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 850 r/ m in.確定頻率可調(diào)的小步長(zhǎng)和輸出頻率的小值及大值，在微機(jī)上離線計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一組脈寬數(shù)據(jù)，然后將所有的脈寬數(shù)據(jù)固化到EPROM中。輸出時(shí)再由單片機(jī)通過(guò)查表法獲得所需頻率點(diǎn)的脈寬數(shù)據(jù)，并送往SPWM波形發(fā)生器以產(chǎn)生所需的SPWM波形，后形成如圖5所示的SPWM波形。

　　3. 2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的軟件流程如6和7所示，由主控程序和中斷服務(wù)程序組成。

　�。� 1）主控程序

　　首先，系統(tǒng)上電復(fù)位，對(duì)顯示控制器及SPWM波形發(fā)生器進(jìn)行初始化，顯示器上顯示輸出頻率。

　　然后，將指針指向輸出頻率對(duì)應(yīng)的一組脈寬數(shù)據(jù)的起始地址，并依次取出該組脈寬值送往SPWM波形發(fā)生器，這樣便輸出SPWM波形，從而控制H型逆變器功率開(kāi)關(guān)管的工作。

　�。� 2）中斷服務(wù)程序

　　當(dāng)改變工作頻率時(shí)，可以按動(dòng)頻率粗調(diào)0或頻率細(xì)調(diào)- 1按鈕，這時(shí)LED顯示器上及時(shí)顯示調(diào)整后的頻率值。單片機(jī)將指針指向與調(diào)整后的頻率相對(duì)應(yīng)的一組脈寬數(shù)據(jù)的起始地址，取出該組脈寬數(shù)據(jù)并送往SPWM波形發(fā)生器，波形發(fā)生器里產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的SPWM波形，實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)整，返回主控程序。當(dāng)風(fēng)速小于6. 07 m /s或超過(guò)11. 9 m / s或出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，由單片機(jī)或逆變電路的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路送出一個(gè)低電平至單片機(jī)的INT1或INT2（外部中斷端），并在顯示器上顯示0，表示程序立即中斷波形發(fā)生器的工作，使其不向逆變電路的功率開(kāi)關(guān)管輸出SPWM波形，從而關(guān)斷逆變電路中的開(kāi)關(guān)管。等待風(fēng)速大于6. 07 m /s或低于11. 9 m / s或沒(méi)有過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，再按復(fù)位（RESET）鍵，系統(tǒng)又可恢復(fù)工作。

　　（ 3）試驗(yàn)結(jié)果

　　在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西部的蘇尼特右旗的能源實(shí)驗(yàn)示范基地，用1 kW的小風(fēng)力發(fā)電機(jī)和QDX3 18 0. 55型潛水電泵組成的提水系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電功率與風(fēng)速的關(guān)系如8所示。

　　當(dāng)風(fēng)速大于6. 07 m /s時(shí)，能夠滿足電動(dòng)機(jī)的額定功率0. 55 kW的要求；當(dāng)風(fēng)速為11. 9 m /s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電功率1127. 5 W.9和10分別示出了f = 25 H z和f = 50 H z時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性。

　　4結(jié)論

　　針對(duì)1 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)電泵提水系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并運(yùn)用單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波形控制逆變器的輸出，從而控制整個(gè)泵水系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　用1 kW的小風(fēng)力發(fā)電機(jī)和QDX3 18 0. 55型潛水電泵在能源示范基地進(jìn)行試驗(yàn)，有效地解決了傳統(tǒng)橋式逆變器拓?fù)渲兄绷麟妷豪�用率低的�?wèn)題。結(jié)果表明，基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)電泵的提水系統(tǒng)是可行的，輸出的機(jī)械特性說(shuō)明采用該控制方法具有較好的動(dòng)態(tài)性能。