Projeto e processador na implementação de loop de um controle aprimorado para sistema de bombeamento de água alimentado por energia solar fotovoltaica acionado por IM

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 4688 (2022) Citar este artigo

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Nos últimos anos, a melhoria da eficiência do sistema fotovoltaico de bombeamento de água (PVWPS) tem despertado grande interesse dos pesquisadores devido ao seu funcionamento baseado na produção de energia elétrica mais limpa. Neste artigo, uma nova abordagem baseada em controlador de lógica difusa incorporando a técnica de minimização de perdas aplicada à máquina de indução (IM) é desenvolvida para aplicações PVWPS. O controle proposto seleciona a magnitude de fluxo ideal pela minimização das perdas IM. Além disso, o método de perturbação e observação de tamanho de passo variável é introduzido. A adequação do controle proposto é aprovada pela redução da corrente absorvida; portanto, as perdas do motor são minimizadas e a eficiência é melhorada. A estratégia de controle proposta é comparada com o método sem minimização de perdas. Os resultados da comparação ilustram a eficácia do método proposto com base na minimização das perdas em relação à velocidade elétrica, corrente absorvida, fluxo de água e fluxo desenvolvido. Um teste do processador em loop (PIL) é realizado como um teste experimental do método proposto. Consiste na implementação do código C gerado na placa de descoberta STM32F4. Os resultados obtidos da placa embarcada são semelhantes aos resultados de simulação numérica.

Fontes de energia renováveis, especialmente a tecnologia solar fotovoltaica, podem ser uma solução alternativa mais limpa aos combustíveis fósseis para sistemas de bombeamento de água1,2. O sistema fotovoltaico de bombeamento de água ganhou muita atenção em áreas remotas onde a eletricidade não está disponível3,4.

Vários tipos de motores são utilizados com aplicações de bombeamento PV. O estágio primitivo do PVWPS é baseado no motor DC. Esses motores são fáceis de controlar e implementar, mas precisam de manutenção regular devido a comentaristas e escovas5. Para superar essa desvantagem, são introduzidos motores de ímã permanente sem escovas, caracterizados pela ausência de escovas, alta eficiência e confiabilidade6. O PVWPS baseado em IM ilustra melhor desempenho em comparação com outros motores porque esse tipo de motor é confiável, de baixo custo e livre de manutenção e oferece mais possibilidades de estratégias de controle7. A técnica de controle orientado por campo indireto (IFOC) e o método de controle de torque direto (DTC) são frequentemente empregados8.

O IFOC foi desenvolvido por Blaschke e Hasse para permitir a variação da velocidade de IM em uma ampla faixa9,10. As correntes do estator são separadas em dois componentes, um gera o fluxo e o outro produz o torque utilizando a transformação para o sistema de coordenadas d–q. Isso permite o controle independente do fluxo e do torque durante o estado estacionário e as condições dinâmicas. O eixo (d) está alinhado com o vetor espacial do fluxo do rotor, o que implica que a componente do eixo q do vetor espacial do fluxo do rotor seja sempre zero. O FOC dá uma resposta boa e mais rápida11,12, porém este método é complexo e afetado pelas variações dos parâmetros13. Para superar essas desvantagens, o DTC foi introduzido por Takashi e Noguchi14, esse comando apresenta alto desempenho dinâmico, é robusto e menos sensível a variações de parâmetros. No DTC, o controle do torque eletromagnético e do fluxo do estator é feito subtraindo-se o fluxo e o torque do estator dos valores estimados correspondentes. O resultado é introduzido em comparadores de histerese para gerar os vetores de tensão apropriados para controlar simultaneamente o fluxo do estator e o torque.

O grande inconveniente dessa estratégia de controle são as altas ondulações no torque e no fluxo devido ao uso dos reguladores de histerese para regulação do fluxo do estator e do torque eletromagnético15,42. Os conversores multinível são usados ​​para minimizar as ondulações, mas a eficiência é reduzida devido ao número de chaves de potência16. Vários autores têm usado Modulação de Vetor Espacial (SWM)17, Controle de Modo Deslizante (SMC)18, esta técnica é robusta, mas o indesejável efeito de trepidação aparece19. Muitos pesquisadores utilizaram as técnicas de inteligência artificial para melhorar o desempenho do controlador, entre elas, (1) rede neural, esta estratégia de controle requer um processador de alta velocidade para implementação20, (2) algoritmo genético21.