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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15519 (2022) Citar este artigo

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A geração de energia para fontes de energia renováveis ​​aumentou rapidamente durante os 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 da chave, baixos custos do conversor e variações minimizadas dos pontos operacionais fotovoltaicos. Este estudo propõe um conversor de dois estágios para um motor autônomo de bombeamento de água acionado por sistema solar fotovoltaico. De acordo com o sistema proposto, a princípio, uma célula de alto ganho (HG) e um conversor boost CC-CC são combinados para aumentar a tensão fotovoltaica para níveis elevados. Mais tarde, a tensão CC resultante alimenta um motor de relutância síncrono trifásico que opera a carga da bomba centrífuga. A abordagem de perturbação e observação 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 síncrona. A fim de validar a eficácia da técnica proposta, é desenvolvida uma configuração de simulação baseada em ambiente MATLAB/Simulink juntamente com um protótipo experimental. Além disso, vários casos são considerados com base em diferentes condições operacionais e níveis de irradiância para coletar e analisar os resultados.

Sem dúvida, o desenvolvimento de recursos energéticos renováveis ​​ajuda os operadores e planeadores de sistemas de energia a aumentar as suas aplicações na indústria. Os sistemas de bombeamento de água com energia solar tornaram-se populares e atraentes em áreas remotas, especialmente onde não há acesso a uma rede elétrica convencional1. Porém, o sistema de bombeamento de água com energia solar tem algumas limitações, como não poder bombear água à noite ou em dias nublados. No entanto, estas limitações podem ser superadas instalando o sistema de armazenamento de energia com as unidades de geração fotovoltaica2. Mas as baterias nos sistemas de armazenamento de energia têm suas próprias desvantagens, como vida útil mais curta e pouco econômica. Além disso, as baterias exigem manutenção e serviço contínuos, aumentando os gastos gerais3. Para superar essas desvantagens, é necessário bombear a água durante o dia e armazenar o excesso de água em reservatórios especiais. A água armazenada pode ser utilizada à noite ou em dias nublados para irrigação ou outras utilidades necessárias4. O conjunto solar fotovoltaico funciona como uma importante fonte de energia; em contraste, uma bateria é empregada como fonte de reserva e é carregada pelo conjunto SPV quando a bomba não está funcionando ou está funcionando com uma classificação reduzida5,6,7.

À medida que a integração e implementação de sistemas de bombeamento de água com energia solar aumentam, os investigadores concentram-se na melhoria da fiabilidade e eficácia globais destes sistemas e no desenvolvimento de abordagens de controlo simples e económicas para a unidade de accionamento. É evidente a partir de várias fontes que a unidade de acionamento utilizada para o bombeamento de água é responsável por cerca de 1/3 das despesas globais do sistema8. O desempenho da unidade de acionamento tem 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 comutada e motores CC sem escova (BLDC). Cada tipo de motor tem suas vantagens e desvantagens; por exemplo, o IM é robusto e econômico, mas tem desvantagens na aplicação de bombeamento de água por energia solar, especialmente para sistemas de potência parcial10. Posteriormente, os motores CC convencionais apresentam baixa eficiência e necessitam de trocadores mecânicos 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 possui a robustez mais básica e supera esses problemas. Nas Refs.13,14,15,16, os pesquisadores discutem os benefícios dos motores de relutância síncronos 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 e sem sensores. Além disso, os motores de relutância síncronos não necessitam de 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.