Chopper de alta ganancia suministrado desde el sistema fotovoltaico al motor de reluctancia síncrona alimentado para aplicaciones de bombeo de agua

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15519 (2022) Citar este artículo

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La generación de energía para fuentes de energía renovable aumentó rápidamente durante los últimos años. De manera similar, los interruptores de refuerzo CC-CC de alta ganancia están reemplazando a los convertidores de potencia convencionales que se utilizan para los aparatos fotovoltaicos (PV). Los investigadores están desarrollando diferentes métodos para proporcionar una ganancia de alto voltaje, ondulación baja, tensión de conmutación reducida, costos de convertidor bajos y variaciones minimizadas de los puntos de operación de PV. Este estudio propone un convertidor de dos etapas para un motor de bombeo de agua independiente que impulsa un sistema solar fotovoltaico. De acuerdo con el sistema propuesto, al principio, se combinan una celda de alta ganancia (HG) y un convertidor elevador de CC a CC para aumentar el voltaje fotovoltaico a niveles altos. Más tarde, el voltaje de CC resultante alimenta un motor de reluctancia síncrono trifásico que opera la carga de la bomba centrífuga. El enfoque de perturbar y observar se utiliza para obtener la máxima potencia del módulo solar fotovoltaico. Además, se implementa un control orientado al campo indirecto para lograr un arranque suave del motor de reluctancia síncrona. Para validar la eficacia de la técnica propuesta, se desarrolla una configuración de simulación basada en el entorno MATLAB/Simulink junto con un prototipo experimental. Además, se consideran varios casos en función de diferentes condiciones de operación y niveles de irradiación para recopilar y analizar los resultados.

Sin duda, el desarrollo de recursos energéticos renovables ayuda a los operadores y planificadores de sistemas eléctricos a aumentar sus aplicaciones en la industria. Los sistemas de bombeo de agua con energía solar se han vuelto populares y atractivos en áreas remotas, particularmente donde no hay acceso a una red eléctrica convencional1. Sin embargo, el sistema de bombeo de agua con energía solar tiene algunas limitaciones, como que no puede bombear agua por la noche o en días nublados. Sin embargo, estas limitaciones pueden superarse instalando el sistema de almacenamiento de energía con las unidades de generación fotovoltaica2. Pero las baterías en los sistemas de almacenamiento de energía tienen sus propios inconvenientes, como una vida útil más corta y poco económicas. Además, las baterías requieren mantenimiento y servicio continuos, lo que aumenta el gasto total3. Para superar estas desventajas, es necesario bombear el agua durante el día y almacenar el exceso de agua en depósitos especiales. El agua almacenada se puede utilizar por la noche o en días nublados para riego u otros servicios públicos necesarios4. El conjunto solar fotovoltaico funciona como una fuente de energía importante; por el contrario, se emplea una batería como suministro de respaldo y la matriz de SPV la carga cuando la bomba no está funcionando o está funcionando a una capacidad nominal reducida5,6,7.

A medida que aumentan la integración y la implementación de sistemas de bombeo de agua con energía solar, los investigadores se centran en mejorar la confiabilidad y eficacia generales de estos sistemas y en desarrollar enfoques de control económicos y simples para la unidad de accionamiento. De diversas fuentes se desprende que la unidad de accionamiento utilizada para el bombeo de agua representa aproximadamente 1/3 de los gastos generales del sistema8. El rendimiento de la unidad de accionamiento tiene un impacto directo en la eficacia y eficiencia del sistema. Por lo tanto, una unidad de accionamiento adecuada y eficiente para un sistema de bombeo de agua con energía solar es fundamental9.

En general, los sistemas de bombeo de agua con energía solar utilizan motores de inducción (IM), motores de CC convencionales, motores de reluctancia conmutada y motores de CC sin escobillas (BLDC). Cada tipo de motor tiene sus ventajas y desventajas; por ejemplo, IM es robusto y rentable, pero tiene inconvenientes en la aplicación de bombeo de agua con energía solar, especialmente para sistemas de vataje parcial10. Posteriormente, los motores de CC convencionales tienen una baja eficiencia y requieren palancas de cambio mecánicas junto con escobillas de carbón para funcionar, lo que requiere un mantenimiento regular11. Las frecuentes pérdidas de excitación y mantenimiento provocan la interrupción del proceso y la baja eficiencia12. Sin embargo, el motor de reluctancia conmutada tiene la robustez más básica y supera estos problemas. En Refs.13,14,15,16, los investigadores discuten los beneficios de los motores de reluctancia síncronos con unidades de velocidad ajustable. Los investigadores concluyeron que los motores síncronos de reluctancia requerían una estructura de rotor simple, inercia mínima y una unidad de control de velocidad sin esfuerzo y sin sensores. Además, los motores síncronos de reluctancia no necesitan una jaula de rotor en los accionamientos con control de velocidad y sus pérdidas resistivas son mínimas. Además, en comparación con los motores síncronos de imanes permanentes, los motores síncronos de reluctancia cuentan con un proceso de debilitamiento de campo simple y no requieren imanes costosos.

En consecuencia, la adición de un convertidor CC-CC con el inversor reduce la flexibilidad de la generación de energía fotovoltaica17,18. Debido a que hay más dispositivos de conmutación y elementos pasivos en esta conversión de energía de dos etapas, el perfil de voltaje podría detenerse inmediatamente19. Por lo tanto, los convertidores elevadores tradicionales requieren un gran ciclo de trabajo para lograr un voltaje de alto nivel.

La creación de un convertidor dc-dc de alto rendimiento y alta elevación es una necesidad típica para las aplicaciones mencionadas anteriormente. Por ejemplo, se debe requerir un inversor para elevar la batería del vehículo de 12 V a aproximadamente 100 V para operar una luz HID de haluro metálico de pequeño vataje (comúnmente conocida como lámpara de xenón) con una potencia nominal de 35 W para los faros de los automóviles. . Otro uso potencial es transformar la fuente de energía de CC baja de la celda de combustible (25–45 V) en una corriente, voltaje y frecuencia de utilización apropiados para cargas de servicios públicos. Por lo tanto, para que se invierta en energía de CA para la red, este rango de voltaje bajo debe convertirse en un voltaje de enlace de CC suficiente (350–400 VCC). Pero la ganancia alta ejerce mucha presión sobre el interruptor dv/dt. Además, las resistencias redundantes se utilizan para mejorar el rendimiento de ganancia de alto voltaje y se incorpora un diodo de recuperación inversa para reducir las enormes ondas de corriente20,21. Para lograr un alto voltaje de entrada sostenible y efectivo, los investigadores propusieron varios convertidores CC-CC en la literatura21,22,23. Sin embargo, estos convertidores CC-CC requieren componentes adicionales, como tipos especiales de inductores y condensadores, para obtener una relación específica de voltaje24,25,26.

Teniendo en cuenta la literatura, en Refs.27,28 los investigadores propusieron un convertidor elevador de alta ganancia mediante el uso de un motor de inducción convencional. En consecuencia, en la Ref.29, los autores desarrollaron una técnica utilizando el método de conmutación basado en condensadores para lograr una alta ganancia de los convertidores elevadores. De manera similar, en la Ref.30, los autores presentaron la técnica PWM para un convertidor resonante de refuerzo de alta ganancia. Sin embargo, en este documento, los motores síncronos de reluctancia se utilizan para el sistema de accionamiento efectivo, y las contribuciones clave de este documento son las siguientes:

Determine el punto de máxima potencia de la energía fotovoltaica a varios niveles de irradiación y temperatura.

La celda de alta ganancia (HG) y un convertidor elevador de CC a CC se combinan con el aumento del voltaje fotovoltaico a niveles altos, para separar el sistema de la matriz cuando hay poca luz. El sistema de bombeo de agua es entonces alimentado por la batería de respaldo. La siguiente sección proporciona una explicación detallada del sistema propuesto.

El voltaje de CC resultante alimenta un motor de reluctancia síncrono trifásico que opera la carga de la bomba centrífuga.

El enfoque de perturbación y observación se utiliza para obtener la máxima potencia del módulo fotovoltaico solar, y se implementa un control orientado al campo indirecto para lograr un arranque suave del motor de reluctancia síncrona.

Se realiza el análisis experimental que confirma la efectividad del sistema propuesto.

El resto de las partes de este artículo están organizadas de la siguiente manera: En "Sistema de accionamiento trifásico SynRM alimentado por convertidor fotovoltaico de alta ganancia", se presenta una descripción detallada del sistema de accionamiento propuesto. El "modelo dinámico del motor de reluctancia síncrono trifásico" describe el modelo dinámico del motor de reluctancia síncrono trifásico. "Configuración experimental del sistema probado" muestra la implementación experimental del esquema propuesto. Los resultados de la simulación y la experiencia se registran en "Resultados y discusiones", en función de los resultados obtenidos.

En la figura 1 se ilustra la topología anticipada del convertidor elevador alto sin transformador CC-CC para la carga de bombeo del variador SynRM trifásico de suministro fotovoltaico (PV). El esquema propuesto comprende un PV con un sistema de seguimiento del punto de máxima potencia, un –Chopper de refuerzo de CC, junto con una celda de alta ganancia. Además, se desarrolla un esquema de conducción mediante el uso de control indirecto orientado al campo. La carga de bombeo del motor de reluctancia síncrona trifásica se alimenta del voltaje de salida del convertidor.

Configuración del circuito del sistema de accionamiento SYNRM trifásico alimentado por convertidor de alta ganancia fotovoltaica.

A continuación se proporciona una breve descripción y un análisis matemático de cada unidad.

La celda solar es un dispositivo que convierte la energía fotónica en electricidad. En la literatura, numerosos investigadores presentaron y explicaron varios modelos de celdas solares31,32,33. Sin embargo, en este documento se analiza un modelo simple y básico de un solo diodo, como se muestra en la Fig. 234. El modelo de un solo diodo es relativamente simple y altamente efectivo para el modelado dinámico del sistema fotovoltaico. Considerando el modelo de diodo único de la Fig. 2, la corriente de carga (I) se obtiene de la ecuación. (1) como:

donde Id e IPV son corriente de diodo y corriente fotovoltaica, respectivamente.

Circuito equivalente fotovoltaico de diodo único.

La fuente de corriente (IPV) declara la corriente fotovoltaica de la celda presentada en la Ec. (2) como:

donde, Isc es la corriente de cortocircuito, β es la corriente de cortocircuito de una celda a 250 °C y 1000 W/m2, T es la temperatura de funcionamiento en kelvin y δ es la irradiancia solar. La resistencia en derivación (Rsh) y en serie (Rs), como se muestra en el circuito equivalente simple de la celda solar en la Fig. 2, se identifican como la resistencia inherente de la celda. El valor de la resistencia en derivación es significativo, mientras que la resistencia en serie es pequeña y puede ignorarse. Por lo tanto, la corriente de salida para la celda solar se da como:

La corriente de derivación calculada como:

El voltaje de salida de la celda se da como en la siguiente ecuación:

Varias limitaciones ambientales, como la sombra subjetiva, el polvo y los problemas de viento, afectan el rendimiento ocasional del presente de energía fotovoltaica. Según el sitio y el período, la intensidad de la luz solar contrasta significativamente; esto crea una desviación en la temperatura de la celda y la radiación solar. La resistencia total y la temperatura afectan la construcción del inversor al lado del sistema. Con el fin de obtener la mayor potencia de los módulos solares en cualquier momento, se utilizan convertidores solares para que el panel solar alcance su voltaje más alto y proporcione toda la potencia eficiente. El MPPT engaña a los paneles solares para que obtengan un voltaje y una corriente variables, lo que permite más energía para la carga. El MPPT examina la corriente y el voltaje de salida del panel solar y selecciona el punto de operación para entregar la potencia máxima ofrecida a la carga. Para mejorar la eficiencia fotovoltaica, el MPPT debe seguir con precisión el punto de funcionamiento en constante ajuste donde la potencia es máxima. Se han creado numerosos métodos para encontrar el punto de máxima potencia de la energía fotovoltaica. Estos sistemas varían en complejidad, velocidad, convergencia, costo de eficiencia y sensores requeridos. La P&O tradicional tiene beneficios significativos y muchos estudios la adaptaron; el desafío de la fluctuación y el rastreo de MPP en el rápido cambio climático son desafíos complicados.

El sistema P&O es el más fácil, gratuito, difundido y prácticamente válido en preparación con una eficiencia de hasta el 96,5%3. Pero no es difícil rastrear el MPP correcto en fluctuaciones rápidas del clima9,16,21,35. El procedimiento toma sus datos del punto de operación real de la matriz fotovoltaica solar (es decir, voltaje, Vpv y corriente, IPV) para examinar la curva P–V para adquirir MPP, como se muestra en la Fig. 1. El escaneo de P– La curva V se realiza modificando el punto de operación (VPV o IPV), que se reconoce como paso de perturbación, y posteriormente midiendo la variación en la potencia fotovoltaica (∆P), que se conoce como paso de observación. El diagrama de flujo del sistema P&O común se muestra en la Fig. 3. El cambio consiguiente de la energía fotovoltaica se establece como: 1,

Si: ${(}{\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} {{\Delta V} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}{ < 0)}$, la perturbación de voltaje debe disminuirse en el MPP dirección. El procedimiento es repetitivo hasta que se alcanza el MPP donde ${\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} { {\Delta V}}}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}$ es fuerte a cero como se muestra en la Fig. 4 esto el estado asegurado se etiqueta como estado estacionario. El rendimiento de seguimiento para la técnica P&O MPPT se evalúa utilizando la eficiencia de seguimiento que se describe como

Diagrama de flujo del esquema de perturbación y observación.

Algoritmo de potencia contra voltaje para P&O.

$\eta_{{{\text{MPPT}}}} { = }\frac{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {Pdt} }}{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {P_{Max} dt} }}$ donde P es la potencia de salida del arreglo y Pmax es la potencia máxima teórica del arreglo, y t1 y t2 son los tiempos de encendido y apagado del sistema, respectivamente. La eficiencia de seguimiento para P&O ronda el 96%36.

El P&O sigue perturbando el esquema para identificar una diferencia en el MPP (afectado por una variación en las situaciones ambientales o de carga), lo que activa un nuevo control. Generalmente, este procedimiento produce que el punto operativo del enfoque PV fluctúe a lo largo del MPP.

Los esquemas conservadores de interruptores de CC-CC elevadores de PWM funcionales en el enfoque de conducción continua, que permiten una alta ganancia de voltaje de CC, están restringidos en las licitaciones aplicadas por el estado de sujeción y la degradación en la eficacia total del convertidor como métodos de relación de trabajo. . La Tabla 1 describe las categorías generales y las características clave de las construcciones de convertidores chopper CC/CC elevadores de alta ganancia y sus propiedades37,38,39.

La figura 5 ilustra la topología del circuito convertidor CC/CC de alta ganancia sin transformador propuesto. La fuente principal es un voltaje de entrada de CC bajo [VS], y solo se utiliza un interruptor único (SW) completamente controlado, [IGBT o MOSFET] junto con tres diodos [D1 y D2]. Con el diodo de salida [D0] y el condensador [C0], también se utilizan tres inductores [L1, L2 y L3] y cinco condensadores [C, C1, CCM1, CCM2 y C0]. Se presenta un convertidor elevador cuadrático basado en diodos de condensadores con combinación e integración para aumentar la ganancia de voltaje estático. Sus partes reducen el estrés del interruptor. El convertidor CC/CC funciona más rápidamente con este diseño que con otras topologías de convertidor. La corriente de irrupción del inductor L1 se reduce adicionalmente.

Propuesta de convertidor CC/CC elevador alto no aislado no aislado.

También reduce el estrés por conmutación35,37. El convertidor CC-CC de alta ganancia propuesto puede ofrecer ganancias de voltaje de 10 a 30 veces el voltaje de entrada con la menor relación de trabajo posible. Para simplificar el análisis del convertidor, se supone que los interruptores semiconductores ideales dan como resultado una eficiencia del 100 % del interruptor con una frecuencia de conmutación constante. Cada capacitor está diseñado para tener una ondulación de voltaje mínima40.

La topología sugerida tiene dos modos de operación, la Fig. 6a,b muestra dos modos de operación:

Modo (I) en el interruptor de alimentación [SW-ON]

Modo (II) en el interruptor de encendido [SW-OFF].

Propuesta de modo de operación del convertidor.

Estos modos se identifican de la siguiente manera:

La ondulación de corriente a través del inductor (L1) se desprecia en CCM. Como resultado, el circuito funciona de la siguiente manera. Cuando se enciende el interruptor (SW), el voltaje negativo de (VC) entre los diodos D1 y D2 hace que se apaguen. Como resultado, los capacitores en serie (C) están cargando el capacitor de salida (C0) y la carga en este punto. El interruptor (SW) se apaga al final de este modo, y ambos diodos D1 y D2 se encienden instantáneamente, dando paso a la corriente del inductor (IL), y (D3) se apaga por el voltaje negativo (VCM- V0). Durante este modo, cada capacitor (C) se carga a la mitad de su valor de corriente de entrada (IS) antes de liberarse para proporcionar la corriente de carga.

Los diodos D1, D2, D3 y D4 tienen polarización directa durante el período en [SW-ON]. Como se muestra en la Fig. 6a, D0 tiene polarización inversa.

Inductor

Durante (SW-On)

Durante (SW-OFF)

Para inductancia (L1)

${\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}1}$

${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}1}={\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}} $

(6)

Para inductancia (L2)

${\mathrm{V}}_{\mathrm{C}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}2}$

${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}2}={\mathrm{V}}_{\mathrm{C}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{CM}} $

(7)

Para inductancia (L3)

${\mathrm{V}}_{\mathrm{CM}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}3}$

${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}3}={2\mathrm{V}}_{\mathrm{CM}}-{\mathrm{V}}_{0}$

(8)

Aplicación de balance de voltaje

El ciclo de trabajo del helicóptero con celda de alta ganancia:

El ciclo de trabajo del convertidor sugerido (D) es un valor fijo producido por el generador PWM.

La eficiencia del convertidor es (η) = Pout/ Pin.

La fórmula es () = Po Pin Pin = Po + Ploss (23).

Iin Vin = Io Vo + Ploss (24).

Las pérdidas de potencia (Ploss) son iguales a todas las pérdidas elementales (Pin Po).

donde cada componente, como la conmutación de frecuencia del interruptor, pierde.

Po = IoVo y Po Vo son las potencias de salida.

Como resultado, el voltaje y la potencia de salida están directamente relacionados. Como resultado, la eficiencia se altera a medida que varía el voltaje de salida.

Las siguientes ecuaciones se utilizan para construir el convertidor CC/CC no aislado propuesto que funciona en CCM. Para obtener el mejor tamaño de inductor y pérdidas en el convertidor, en el diseño de parámetros se considera una ondulación de corriente límite (IL) (5–10 %) de la corriente nominal. Como resultado, la Tabla 2 muestra las ecuaciones de diseño para diferentes elementos.

El modelo dinámico del motor de reluctancia síncrono trifásico se describe en un marco de referencia síncrono. Las ecuaciones de voltajes del estator y del rotor son:

donde, $\lambda_{{{{qs}}}} { = L}_{{{m}}} {(i}_{{{qs }}} { + i}_{{{{qr} }}} ){ + L}_{{{{ls}}}} {{i}}_{{{qs }}}$ y $\lambda_{{{{ds}}}} { = L }_{{{m}}} {(i}_{{{ds }}} { + i}_{{{{dr}}}} ){ + L}_{{{{ls}}}} {{i}}_{{{ds}}}.$.

La ecuación mecánica del accionamiento:

El par electromagnético desarrollado del motor:

Las bombas de agua tienen el beneficio de una organización no lineal entre el par de carga (TL) y el cuadrado de la velocidad del motor14 Por lo tanto,

El diagrama de bloques de la generación del comando de velocidad en función de las variaciones de velocidad del motor con los cambios de potencia de salida PV se muestra en la Fig. 7, y la ecuación se deriva de la siguiente manera:

Diagrama de bloques de generación de comandos de velocidad.

La técnica propuesta se prueba para confirmar su eficacia según las configuraciones de la Fig. 8. La estructura de la configuración experimental se representa en la Fig. 8a. Los circuitos de control y potencia conforman el sistema experimental. Convertidor de arranque fotovoltaico, CC a CC con celda de alta ganancia, inversor trifásico y motor de reluctancia síncrona combinado con bomba centrífuga como carga. La placa de control DSP-DS1104 se utiliza para ejecutar todo el sistema y el algoritmo de control del motor. Un IGBT (tipo CM50DY-24H), diodos de recuperación rápida (tipo DESI 60), condensadores y bobinas conforman un convertidor de CC a CC con una celda de alta ganancia. Los sensores de voltaje (LV25-P) detectan señales de voltaje fotovoltaico, que se reducen a 10 V y se envían al dSP. La velocidad del motor se detecta y se transmite al puerto del codificador dSPACE mediante un codificador de impulsos incrementales. Los parámetros del sistema experimental se encuentran en el apéndice. Además, se simuló la carga de una bomba centrífuga. Para evaluar el perfil de par de carga de la bomba, se conecta un convertidor reductor entre el generador de CC y la carga resistiva. Al comparar el par de comando con el par electromagnético del motor de inducción, 'Te', se generan los pulsos de control de este convertidor reductor.

Configuración del laboratorio (a) diagrama de cableado, (b) imagen implementada (c) simulación de carga para bombas centrífugas.

La figura 8b muestra el procedimiento de esta configuración. El par de referencia se calcula tomando el cuadrado de la velocidad del motor de inducción y multiplicándolo por la constante de par del motor, 'K'. Se utiliza un controlador de par, que es solo un controlador PI, para disminuir el error entre estos dos pares. Finalmente, los pulsos de disparo para el convertidor reductor se generan comparando la salida del controlador de par con una señal de diente de sierra de frecuencia específica, como se muestra en la Fig. 8c.

El sistema se prueba mediante simulación y se valida experimentalmente para garantizar el control del sistema. El sistema general se simula usando MATLAB/SIMULINK. El convertidor con componentes de celda alta, motor y parámetros de carga del esquema propuesto se enumeran en el Apéndice. El sistema propuesto con el sistema de control alto se prueba bajo niveles de irradiación solar constantes y variados para probar experimentalmente la efectividad del esquema propuesto. Los dos casos de simulación estudiados se definen como el Caso 1, donde la respuesta dinámica del sistema se prueba con una irradiación constante de 1000 W/m2, mientras que el Caso 2, la respuesta dinámica del sistema, se prueba con varios niveles de irradiación. Además, se realizan dos comprobaciones del sistema dinámico de base experimental a 1000 y 800 W/m2 para los Casos 3 y 4.

La figura 9. muestra la respuesta del sistema a una irradiación solar constante de 1000 W/m2 en el caso 1. La figura 9a muestra la irradiación solar. La Figura 9b–d ilustra que la salida de energía, voltaje y corriente del panel solar es constante. La Figura 9e muestra la salida de la celda de alta ganancia. La figura 9f muestra la velocidad del motor que alcanza a valor constante sin oscilación. La Figura 9g muestra las señales de par motor y bomba, el par motor cubre el par bomba durante el período de declaración, lo que presenta un buen rendimiento del algoritmo del sistema de accionamiento. La Figura 9h muestra la corriente de fase del motor con amplitud y frecuencia constantes.

Respuesta de arranque del sistema (a) Irradiación (b) Potencia fotovoltaica (V) Corriente fotovoltaica (d) Voltaje fotovoltaico (e) Voltaje después de la celda de alta ganancia (f) Velocidad del motor (g) Motor y par de carga (h) Corriente de fase del motor .

En el caso 2, la Fig. 10 demuestra la respuesta del sistema a la variación de la radiación solar, disminuye de 1000 a 800 W/m2 en t = 3 s y vuelve a disminuir de 800 a 600 W/m2 en t = 8 s. La Fig. 10a ilustra la irradiación solar. La figura 10b–d muestra la salida de energía del panel solar, el voltaje y la corriente disminuyen debido a la variación de la radiación solar. La Figura 10e demuestra el voltaje de salida de la celda de alta ganancia que aumentó aproximadamente 7 veces el voltaje de salida del panel fotovoltaico. La figura 10f muestra la velocidad del motor que disminuye con la disminución de la irradiación y se establece en un valor constante sin fluctuación. La figura 10g muestra las señales de par del motor y de la bomba, el par del motor disminuye con los cambios de irradiación debido a cambios en el voltaje de salida PV, además, el par de la bomba cambia debido al cambio de velocidad del motor, los cambios en el par del motor y de la carga ilustran una buena interconexión del sistema de buceo. con carga La Figura 10h muestra la corriente de fase del motor con amplitud constante y resultados de frecuencia variable de las variaciones de velocidad del motor.

Respuesta del sistema a niveles de irradiación variados (a) Irradiación (b) Potencia fotovoltaica (V) Corriente fotovoltaica (d) Voltaje fotovoltaico (e) Voltaje después de la celda de alta ganancia (f) Velocidad del motor (g) Motor y par de carga (h) Corriente de fase del motor.

El sistema implementado se prueba experimentalmente en dos condiciones de irradiación a 1000 W/m2 y a 800 W/m2 para los Casos 3 y 4. En el Caso 3, la Fig. 11 demuestra la respuesta del sistema a 1000 W/m2 de irradiación solar, Fig. 11a–c muestran la salida de energía, voltaje y corriente del panel solar, respectivamente. La figura 11d muestra la velocidad del motor, se estableció en valor constante sin variación. La Figura 11e ilustra el par motor donde la Figura 11f muestra las corrientes de fase del motor.

Resultados experimentales con una irradiación de 1000 W/m2 (a) potencia fotovoltaica (b) voltaje fotovoltaico (c) corriente fotovoltaica (d) voltaje después de la velocidad del motor de celda de alta ganancia (e) par motor (f) corriente de fase del motor.

De manera similar, en el Caso 4, la Fig. 12 muestra los resultados experimentales a 800/m2 de irradiación solar, la Fig. 12a–c ilustra la potencia, el voltaje y la corriente de producción del panel solar. La figura 12d muestra la velocidad del motor, cayó a un valor persistente sin variación. La Figura 12e ilustra el par motor donde la Figura 12f muestra las corrientes de fase del motor.

Resultados experimentales con una irradiación de 800 W/m2 (a) potencia fotovoltaica (b) voltaje fotovoltaico (c) corriente fotovoltaica (d) voltaje después de la velocidad del motor de celda de alta ganancia (e) par motor (f) corriente de fase del motor.

Este artículo presenta un motor de reluctancia síncrona con alimentación fotovoltaica para un sistema de bombeo de agua basado en un convertidor elevador de alta ganancia. Teniendo en cuenta la modificación en el sistema típico, el sistema propuesto aumentó el voltaje de salida del sistema fotovoltaico alrededor de 7 veces. El voltaje aumentado suministrado al inversor de fuente de voltaje de CC a trifásico que impulsa de manera eficiente el motor asíncrono para el sistema de bombeo de agua. Adicionalmente, el sistema propuesto se prueba a diferentes valores de irradiación. La simulación y la configuración experimental se desarrollan para el convertidor de celda de alta ganancia y el esquema de accionamiento de CA y los resultados validaron la efectividad del esquema propuesto. Para la configuración experimental, se implementó el convertidor elevador con control de celda de alta ganancia e IRFOC en la placa de control DSP-DS1104. Además, el esquema de control propuesto se evalúa bajo varias condiciones de irradiación y el enfoque sugerido tiene los siguientes beneficios: mayor aumento de voltaje, disminución de la ondulación, estrés del interruptor, costo de los convertidores y reduce las variaciones en el punto de operación fotovoltaica.

Los datos derivados que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Los autores extienden su agradecimiento al Decanato de Investigación Científica de la Universidad King Khalid por financiar este trabajo a través del Proyecto de Investigación General con el número de subvención (RGP.1/133/43).

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Universidad King Khalid, Abha, 61421, Arabia Saudita

ZM Salem Elbarbary y Saad F. Al-Gahtani

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Kafrelsheikh, Kafrelsheikh, 33516, Egipto

Z. M. Salem Elbarbary & Ragab A. El-Sehiemy

Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad del Sudeste, Nanjing, 210096, China

Khalid Mahmud Cheema

Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Femenina Fatima Jinnah, Rawalpind, 46000, Pakistán

Khalid Mahmud Cheema

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Correspondencia a Khalid Mehmood Cheema o Ragab A. El-Sehiemy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Elbarbary, ZMS, Cheema, KM, Al-Gahtani, SF et al. Chopper de alta ganancia suministrado desde el sistema fotovoltaico al motor de reluctancia síncrona alimentado para aplicaciones de bombeo de agua. Informe científico 12, 15519 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19671-x

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Recibido: 08 febrero 2022

Aceptado: 01 septiembre 2022

Publicado: 15 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19671-x

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