Chopper de alto ganho fornecido do sistema fotovoltaico para o acionamento do motor de relutância síncrono alimentado para aplicação de bombeamento de água

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15519 (2022) Citar este artigo

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A geração de energia para fontes de energia renováveis ​​aumentou rapidamente nos últimos anos. Da mesma forma, os choppers de reforço CC-CC de alto ganho estão substituindo os conversores de energia convencionais usados ​​para aparelhos fotovoltaicos (PV). Os pesquisadores estão desenvolvendo diferentes métodos para fornecer alto ganho de tensão, baixa ondulação, redução do estresse do interruptor, baixos custos do conversor e variações minimizadas dos pontos de operação PV. Este estudo propõe um conversor de dois estágios para um sistema autônomo de acionamento de motor de bombeamento de água por sistema solar fotovoltaico. De acordo com o sistema proposto, inicialmente, uma célula de alto ganho (HG) e um conversor DC-DC boost são combinados para aumentar a tensão fotovoltaica para níveis elevados. Posteriormente, a tensão CC resultante alimenta um acionador de motor de relutância síncrono trifásico que opera a carga da bomba centrífuga. A abordagem perturbar e observar é utilizada para obter a potência máxima do módulo solar fotovoltaico. Além disso, o controle indireto orientado ao campo é implementado para realizar uma partida suave do motor de relutância síncrono. A fim de validar a eficácia da técnica proposta, uma configuração de simulação baseada no ambiente MATLAB/Simulink juntamente com um protótipo experimental é desenvolvida. Além disso, vários casos são considerados com base em diferentes condições de operação e níveis de irradiância para coletar e analisar os resultados.

Sem dúvida, o desenvolvimento de recursos de energia renovável ajuda os operadores e planejadores de sistemas de energia a aumentar suas aplicações na indústria. Os sistemas de bombeamento de água movidos a energia solar tornaram-se populares e atraentes em áreas remotas, principalmente onde não há acesso a uma rede elétrica convencional1. No entanto, o sistema de bombeamento de água por energia solar tem algumas limitações, como não pode bombear água à noite ou em dias nublados. No entanto, essas limitações podem ser superadas com a instalação do sistema de armazenamento de energia com as unidades de geração fotovoltaica2. Mas as baterias em sistemas de armazenamento de energia têm suas próprias desvantagens, como vida útil mais curta e antieconômica. Além disso, as baterias exigem manutenção e serviço contínuos, aumentando o gasto geral3. Para superar essas desvantagens, é preciso bombear a água durante o dia e armazenar o excesso em reservatórios especiais. A água armazenada pode ser utilizada à noite ou em dias nublados para irrigação ou outras utilidades necessárias4. O painel solar fotovoltaico funciona como uma importante fonte de energia; em contraste, uma bateria é empregada como fonte de reserva e é carregada pelo arranjo SPV quando a bomba não está funcionando ou está funcionando em uma classificação reduzida5,6,7.

À medida que a integração e a implementação de sistemas de bombeamento de água com energia solar estão aumentando, os pesquisadores estão se concentrando em melhorar a confiabilidade e eficácia geral desses sistemas e desenvolver abordagens de controle econômicas e simples para a unidade de acionamento. É aparente de várias fontes que a unidade de acionamento utilizada para bombeamento de água é responsável por aproximadamente 1/3 das despesas totais do sistema8. O desempenho da unidade de acionamento tem um impacto direto na eficácia e eficiência do sistema. Portanto, uma unidade de acionamento apropriada e eficiente para um sistema de bombeamento de água com energia solar é crítica9.

Geralmente, os sistemas de bombeamento de água com energia solar utilizam motores de indução (IM), motores CC convencionais, motores de relutância comutados e motores CC sem escovas (BLDC). Cada tipo de motor tem suas vantagens e desvantagens; por exemplo, IM é robusto e econômico, mas tem desvantagens na aplicação de bombeamento de água por energia solar, especialmente para sistemas de potência parcial10. Consequentemente, os motores convencionais de corrente contínua têm baixa eficiência e requerem mudanças mecânicas juntamente com escovas de carvão para operação, o que requer manutenção regular11. As frequentes perdas de manutenção e excitação causam interrupção do processo e baixa eficiência12. No entanto, o motor de relutância comutada tem a robustez mais básica e supera esses problemas. Nas Refs.13,14,15,16, os pesquisadores discutem os benefícios dos motores síncronos de relutância com acionamentos de velocidade ajustável. Os pesquisadores concluíram que os motores síncronos de relutância exigiam uma estrutura de rotor simples, inércia mínima e uma unidade de controle de velocidade sem esforço, sem sensores. Além disso, os motores síncronos de relutância não precisam de uma gaiola de rotor em acionamentos controlados por velocidade e suas perdas resistivas são mínimas. Além disso, em comparação com os motores síncronos de ímã permanente, os motores síncronos de relutância apresentam um processo simples de enfraquecimento de campo e não requerem ímãs caros.