Chopper ad alto guadagno alimentato dal sistema fotovoltaico al motore sincrono a riluttanza alimentato per applicazioni di pompaggio dell'acqua

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15519 (2022) Citare questo articolo

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La produzione di energia da fonti energetiche rinnovabili è aumentata rapidamente negli ultimi anni. Allo stesso modo, i chopper boost cc-cc ad alto guadagno stanno prendendo il posto dei convertitori di potenza convenzionali utilizzati per gli apparecchi fotovoltaici (PV). I ricercatori stanno sviluppando diversi metodi per fornire un guadagno di tensione elevato, un basso ripple, uno stress ridotto sull'interruttore, bassi costi del convertitore e variazioni minime dei punti operativi FV. Questo studio propone un convertitore a due stadi per la potenza di azionamento di un motore di pompaggio dell'acqua indipendente mediante un sistema solare fotovoltaico. Secondo il sistema proposto, inizialmente, una cella ad alto guadagno (HG) e un convertitore boost DC-DC vengono combinati per aumentare la tensione FV a livelli elevati. Successivamente, la tensione continua risultante alimenta un motore sincrono a riluttanza trifase che aziona il carico della pompa centrifuga. L'approccio perturbatore e osservato viene utilizzato per ottenere la massima potenza dal modulo solare fotovoltaico. Inoltre, è implementato il controllo indiretto ad orientamento di campo per ottenere un avviamento regolare del motore sincrono a riluttanza. Al fine di convalidare l'efficacia della tecnica proposta, viene sviluppata una configurazione di simulazione basata sull'ambiente MATLAB/Simulink insieme a un prototipo sperimentale. Inoltre, vengono considerati vari casi in base a diverse condizioni operative e livelli di irraggiamento per raccogliere e analizzare i risultati.

Indubbiamente, lo sviluppo delle risorse energetiche rinnovabili aiuta gli operatori e i progettisti dei sistemi energetici ad aumentare le loro applicazioni nel settore. I sistemi di pompaggio dell’acqua a energia solare sono diventati popolari e attraenti nelle aree remote, in particolare dove non è possibile accedere a una rete elettrica convenzionale1. Tuttavia, il sistema di pompaggio dell’acqua a energia solare presenta alcune limitazioni, ad esempio non può pompare acqua di notte o nelle giornate nuvolose. Tuttavia, queste limitazioni possono essere superate installando il sistema di accumulo dell’energia con le unità di generazione fotovoltaica2. Ma le batterie nei sistemi di accumulo dell’energia hanno i loro svantaggi, come una durata più breve e sono antieconomiche. Inoltre, le batterie richiedono manutenzione e assistenza continue, aumentando la spesa complessiva3. Per ovviare a questi inconvenienti è necessario pompare l'acqua durante le ore diurne e immagazzinare l'acqua in eccesso in appositi serbatoi. L'acqua immagazzinata può essere utilizzata di notte o nelle giornate nuvolose per l'irrigazione o altri servizi necessari4. L'impianto solare fotovoltaico funziona come un'importante fonte di energia; al contrario, una batteria viene utilizzata come alimentazione di riserva e viene caricata dall'array SPV quando la pompa non è in funzione o funziona a potenza ridotta5,6,7.

Poiché l'integrazione e l'implementazione dei sistemi di pompaggio dell'acqua a energia solare sono in aumento, i ricercatori si stanno concentrando sul miglioramento dell'affidabilità e dell'efficacia complessive di questi sistemi e sullo sviluppo di approcci di controllo economici e semplici per l'unità di azionamento. Da varie fonti risulta che l'unità di azionamento utilizzata per il pompaggio dell'acqua rappresenta circa 1/3 della spesa complessiva del sistema8. Le prestazioni dell'unità di azionamento hanno un impatto diretto sull'efficacia e sull'efficienza del sistema. Pertanto, un'unità di azionamento adeguata ed efficiente per un sistema di pompaggio dell'acqua a energia solare è fondamentale9.

Generalmente, i sistemi di pompaggio dell'acqua ad energia solare utilizzano motori a induzione (IM), motori CC convenzionali, motori a riluttanza commutata e motori CC senza spazzole (BLDC). Ogni tipo di motore ha i suoi vantaggi e svantaggi; ad esempio, l'IM è robusto ed economico, ma presenta degli inconvenienti nell'applicazione del pompaggio dell'acqua a energia solare, in particolare per i sistemi a wattaggio parziale10. Di conseguenza, i motori CC convenzionali hanno una bassa efficienza e richiedono comandi meccanici insieme a spazzole di carbone per funzionare, il che richiede una manutenzione regolare11. Le frequenti perdite di manutenzione e di eccitazione causano l'interruzione del processo e una bassa efficienza12. Tuttavia, il motore a riluttanza commutata ha la robustezza più elementare e supera questi problemi. Nei Rif.13,14,15,16, i ricercatori discutono i vantaggi dei motori sincroni a riluttanza con azionamenti a velocità regolabile. I ricercatori hanno concluso che i motori sincroni a riluttanza richiedevano una struttura del rotore semplice, un'inerzia minima e un'unità di controllo della velocità senza sforzo e senza sensori. Inoltre, i motori sincroni a riluttanza non necessitano di una gabbia rotorica negli azionamenti a velocità controllata e le loro perdite resistive sono minime. Inoltre, rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti, i motori sincroni a riluttanza presentano un semplice processo di indebolimento del campo e non richiedono magneti costosi.