Hochverstärkter Zerhacker, der vom PV-System an einen synchronen Reluktanzmotorantrieb für Pumpwasseranwendungen gespeist wird

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15519 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. In ähnlicher Weise ersetzen die DC/DC-Boost-Chopper mit hoher Verstärkung herkömmliche Stromrichter, die für Photovoltaikgeräte (PV) verwendet werden. Forscher entwickeln verschiedene Methoden, um eine hohe Spannungsverstärkung, geringe Welligkeit, reduzierte Schalterbelastung, niedrige Wandlerkosten und minimierte Schwankungen der PV-Betriebspunkte zu erreichen. Diese Studie schlägt einen zweistufigen Konverter für eine freistehende Wasserpumpenmotor-Antriebsleistung durch Solar-PV-System vor. Gemäß dem vorgeschlagenen System werden zunächst eine HG-Zelle (High Gain) und ein DC-DC-Aufwärtswandler kombiniert, um die PV-Spannung auf ein hohes Niveau zu erhöhen. Später speist die resultierende Gleichspannung einen dreiphasigen Synchron-Reluktanzmotor-Antrieb, der die Kreiselpumpenlast betreibt. Der Störungs- und Beobachtungsansatz wird verwendet, um die maximale Leistung aus dem Solar-PV-Modul herauszuholen. Darüber hinaus ist eine indirekte feldorientierte Steuerung implementiert, um einen sanften Start des Synchronreluktanzmotors zu erreichen. Um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Technik zu validieren, wird ein auf der MATLAB/Simulink-Umgebung basierender Simulationsaufbau zusammen mit einem experimentellen Prototyp entwickelt. Darüber hinaus werden verschiedene Fälle basierend auf unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Bestrahlungsstärken berücksichtigt, um die Ergebnisse zu sammeln und zu analysieren.

Zweifellos hilft die Entwicklung erneuerbarer Energiequellen den Betreibern und Planern von Stromnetzen dabei, ihre Anwendungen in der Industrie zu erweitern. Solarbetriebene Wasserpumpsysteme sind in abgelegenen Gebieten beliebt und attraktiv geworden, insbesondere dort, wo kein Zugang zu einem herkömmlichen Stromnetz besteht1. Allerdings weist das solarbetriebene Wasserpumpsystem einige Einschränkungen auf, beispielsweise kann es nachts oder an bewölkten Tagen kein Wasser pumpen. Diese Einschränkungen können jedoch durch die Installation des Energiespeichersystems mit den PV-Erzeugungseinheiten2 überwunden werden. Doch die Batterien in Energiespeichersystemen haben ihre eigenen Nachteile, etwa eine kürzere Lebensdauer und sind unwirtschaftlich. Darüber hinaus erfordern Batterien eine kontinuierliche Wartung und Instandhaltung, was die Gesamtkosten erhöht3. Um diese Nachteile zu überwinden, ist es notwendig, das Wasser tagsüber abzupumpen und das überschüssige Wasser in speziellen Reservoirs zu speichern. Das gespeicherte Wasser kann nachts oder an bewölkten Tagen zur Bewässerung oder für andere notwendige Versorgungszwecke genutzt werden4. Die Photovoltaik-Solaranlage fungiert als wichtige Energiequelle; Im Gegensatz dazu dient eine Batterie als Notstromversorgung und wird vom SPV-Array aufgeladen, wenn die Pumpe nicht läuft oder mit reduzierter Leistung läuft5,6,7.

Da die Integration und Implementierung solarbetriebener Wasserpumpsysteme zunimmt, konzentrieren sich die Forscher auf die Verbesserung der Gesamtzuverlässigkeit und Effektivität dieser Systeme sowie auf die Entwicklung wirtschaftlicher und einfacher Steuerungsansätze für die Antriebseinheit. Aus verschiedenen Quellen geht hervor, dass die Antriebseinheit zur Wasserförderung etwa ein Drittel der gesamten Systemkosten ausmacht8. Die Leistung der Antriebseinheit hat direkten Einfluss auf die Effektivität und Effizienz des Systems. Daher ist eine geeignete und effiziente Antriebseinheit für ein solarbetriebenes Wasserpumpsystem von entscheidender Bedeutung9.

Im Allgemeinen nutzen solarbetriebene Wasserpumpsysteme Induktionsmotoren (IM), herkömmliche Gleichstrommotoren, geschaltete Reluktanzmotoren und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC). Jeder Motortyp hat seine Vor- und Nachteile; Beispielsweise ist IM robust und kosteneffektiv, hat jedoch Nachteile bei der Anwendung solarbetriebener Wasserpumpen, insbesondere bei Systemen mit Teilwattleistung10. Daher haben herkömmliche Gleichstrommotoren einen geringen Wirkungsgrad und erfordern für den Betrieb mechanische Schalthebel sowie Kohlebürsten, was eine regelmäßige Wartung erfordert11. Die häufigen Wartungs- und Erregungsverluste führen zu Prozessunterbrechungen und einem geringen Wirkungsgrad12. Der geschaltete Reluktanzmotor weist jedoch die grundlegendste Robustheit auf und überwindet diese Probleme. In den Referenzen 13, 14, 15 und 16 diskutieren Forscher die Vorteile von Synchronreluktanzmotoren mit Antrieben mit einstellbarer Geschwindigkeit. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die synchronen Reluktanzmotoren eine einfache Rotorstruktur, minimale Trägheit und eine mühelose Geschwindigkeitssteuerungseinheit ohne Sensoren erforderten. Darüber hinaus benötigen Synchronreluktanzmotoren in drehzahlgeregelten Antrieben keinen Rotorkäfig und ihre Widerstandsverluste sind minimal. Darüber hinaus verfügen Synchronreluktanzmotoren im Vergleich zu Synchron-Permanentmagnetmotoren über einen einfachen Feldschwächungsprozess und erfordern keine kostspieligen Magnete.

Folglich verringert die Hinzufügung eines DC/DC-Wandlers zum Wechselrichter die Flexibilität der PV-Stromerzeugung17,18. Da bei dieser zweistufigen Leistungsumwandlung mehr Schaltgeräte und passive Elemente vorhanden sind, wird das Spannungsprofil möglicherweise sofort gestoppt19. Daher benötigen herkömmliche Aufwärtswandler einen großen Arbeitszyklus, um eine hohe Spannung zu erreichen.

Die Schaffung eines leistungsstarken DC/DC-Wandlers mit hoher Aufwärtsstufe ist eine typische Notwendigkeit für die oben genannten Anwendungen. Beispielsweise ist ein Wechselrichter erforderlich, um die 12-V-Fahrzeugbatterie auf etwa 100 V anzuheben, um eine HID-Metalldampflampe mit kleiner Leistung (allgemein als Xenonlampe bezeichnet) mit einer Nennleistung von 35 W für Autoscheinwerfer zu betreiben . Eine weitere mögliche Verwendung besteht darin, die Energiequelle mit niedrigem Gleichstrom (25–45 V) der Brennstoffzelle in einen geeigneten Nutzstrom, eine geeignete Spannung und eine geeignete Frequenz für Versorgungslasten umzuwandeln. Damit dieser Niederspannungsbereich in Wechselstrom für das Netz umgewandelt werden kann, muss er in eine ausreichende Zwischenkreisspannung (350–400 VDC) umgewandelt werden. Eine hohe Verstärkung stellt jedoch eine große Belastung für den du/dt-Schalter dar. Darüber hinaus werden die redundanten Widerstände verwendet, um die Hochspannungsverstärkungsleistung zu verbessern, und eine Sperrverzögerungsdiode ist integriert, um große Stromwelligkeiten zu reduzieren20,21. Um eine nachhaltig und effektiv hohe Eingangsspannung zu erreichen, haben Forscher in der Literatur verschiedene DC-DC-Wandler vorgeschlagen21,22,23. Diese DC-DC-Wandler erfordern jedoch zusätzliche Komponenten, wie z. B. spezielle Arten von Induktivitäten und Kondensatoren, um ein bestimmtes Spannungsverhältnis zu erreichen24,25,26.

Unter Berücksichtigung der Literatur schlugen die Forscher in Ref. 27,28 einen Aufwärtswandler mit hoher Verstärkung unter Verwendung eines herkömmlichen Induktionsmotors vor. Folglich entwickelten die Autoren in Ref.29 eine Technik, bei der die kondensatorbasierte Schaltmethode verwendet wurde, um eine hohe Verstärkung durch Aufwärtswandler zu erzielen. In ähnlicher Weise stellten die Autoren in Ref. 30 die PWM-Technik für resonante Hochverstärkungswandler vor. In dieser Arbeit werden jedoch Synchronreluktanzmotoren als effektives Antriebssystem verwendet, und die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt:

Bestimmen Sie den maximalen Leistungspunkt von PV bei verschiedenen Einstrahlungs- und Temperaturniveaus.

Die High-Gain-Zelle (HG) und ein DC/DC-Aufwärtswandler werden mit der Erhöhung der PV-Spannung auf ein hohes Niveau kombiniert, um das System bei schlechten Lichtverhältnissen vom Array zu trennen. Das Wasserpumpsystem wird dann von der Pufferbatterie mit Strom versorgt. Der nächste Abschnitt enthält eine ausführliche Erläuterung des vorgeschlagenen Systems.

Die resultierende Gleichspannung speist einen dreiphasigen Synchronreluktanzmotorantrieb, der die Kreiselpumpenlast betreibt.

Der Störungs- und Beobachtungsansatz wird verwendet, um die maximale Leistung aus dem Solar-PV-Modul herauszuholen, und eine indirekte feldorientierte Steuerung wird implementiert, um einen sanften Start des Synchronreluktanzmotors zu erreichen

Es wird eine experimentelle Analyse durchgeführt, die die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Systems bestätigt.

Die restlichen Teile dieses Dokuments sind wie folgt gegliedert: Unter „Photovoltaisches, durch Konverter mit hoher Verstärkung gespeistes dreiphasiges SynRM-Antriebssystem“ wird eine detaillierte Beschreibung des vorgeschlagenen Antriebssystems vorgestellt. „Dynamisches Modell eines 3-Phasen-Synchron-Reluktanzmotors“ beschreibt das dynamische Modell eines 3-Phasen-Synchron-Reluktanzmotors. „Experimenteller Aufbau des getesteten Systems“ zeigt die experimentelle Umsetzung des vorgeschlagenen Schemas. Simulations- und Erfahrungsergebnisse werden auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse in „Ergebnisse und Diskussionen“ aufgezeichnet.

Die erwartete transformatorlose Gleichstrom-Hochaufwärtswandler-Topologie für die Photovoltaik (PV)-Versorgung mit dreiphasiger SynRM-Antriebspumplast ist in Abb. 1 dargestellt. Das vorgeschlagene Schema umfasst eine PV mit einem Maximum-Power-Point-Tracking-System, einem Gleichstrom –DC-Boost-Chopper entlang einer Zelle mit hoher Verstärkung. Zusätzlich wird ein Fahrschema unter Verwendung einer indirekten feldorientierten Steuerung entwickelt. Die Pumplast des dreiphasigen Synchronreluktanzmotorantriebs wird von der Ausgangsspannung des Umrichters gespeist.

Schaltungskonfiguration des vom PV-Hochverstärkungswandler gespeisten dreiphasigen SYNRM-Antriebssystems.

Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung und eine mathematische Analyse jeder Einheit.

Die Solarzelle ist ein Gerät, das Photonenenergie in Elektrizität umwandelt. In der Literatur stellten und erklärten zahlreiche Forscher verschiedene Modelle von Solarzellen31,32,33. In diesem Artikel wird jedoch ein einfaches und grundlegendes Einzeldiodenmodell besprochen, wie in Abb. 234 dargestellt. Das Einzeldiodenmodell ist relativ einfach und äußerst effektiv für die dynamische Modellierung des Photovoltaiksystems. Betrachtet man das Einzeldiodenmodell von Abb. 2, so ergibt sich der Laststrom (I) aus Gl. (1) als:

wobei Id und IPV der Diodenstrom bzw. der Photovoltaikstrom sind.

PV-Ersatzschaltung mit einer einzelnen Diode.

Die Stromquelle (IPV) gibt den in Gl. dargestellten Zell-Photovoltaikstrom an. (2) als:

Dabei ist Isc der Kurzschlussstrom, β der Kurzschlussstrom einer Zelle bei 250 °C und 1000 W/m2, T die Betriebstemperatur in Kelvin und δ die Sonneneinstrahlung. Der Nebenwiderstand (Rsh) und der Reihenwiderstand (Rs), wie im einfachen Ersatzschaltbild der Solarzelle in Abb. 2 dargestellt, werden als Eigenwiderstand der Zelle bezeichnet. Der Wert des Shunt-Widerstands ist von Bedeutung, während der Serienwiderstand klein ist und vernachlässigt werden kann. Daher wird der Ausgangsstrom für die Solarzelle wie folgt angegeben:

Der Shunt-Strom berechnet sich wie folgt:

Die Ausgangsspannung der Zelle ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

Mehrere Umwelteinflüsse, wie etwa subjektive Verschattung, Staub und Windprobleme, beeinträchtigen die aktuelle Leistung von PV-Strom. Je nach Standort und Zeitraum gibt es erhebliche Unterschiede in der Sonnenscheinintensität. Dies führt zu Abweichungen in der Temperatur der Zelle und der Sonneneinstrahlung. Gesamtwiderstand und Temperatur beeinflussen den Aufbau des Wechselrichters neben dem System. Um jederzeit die höchste Leistung aus Solarmodulen zu erzielen, werden Solarkonverter eingesetzt, um das Solarpanel auf seine höchste Spannung zu bringen und die gesamte effiziente Leistung bereitzustellen. Der MPPT bringt die Solarmodule dazu, eine variable Spannung und einen variablen Strom zu erzeugen, wodurch die Last weiter mit Strom versorgt wird. Der MPPT untersucht den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des Solarpanels und wählt den Betriebspunkt aus, um der Last die maximale Leistung zu liefern. Um die PV-Effizienz zu verbessern, muss der MPPT dem sich ständig anpassenden Betriebspunkt, an dem die Leistung maximal ist, genau folgen. Es wurden zahlreiche Methoden entwickelt, um den maximalen Leistungspunkt von PV zu ermitteln. Diese Systeme unterscheiden sich in Komplexität, Geschwindigkeit, Konvergenz, Effizienzkosten und erforderlichen Sensoren. Traditionelles P&O hat erhebliche Vorteile und wurde in vielen Studien angepasst. Die Fluktuationsherausforderung und die MPP-Nachverfolgung im raschen Klimawandel sind knifflige Herausforderungen.

Das P&O-System ist mit einer Effizienz von bis zu 96,5 %3 das einfachste, unentgeltlichste, am weitesten verbreitete und praktisch anwendbare System in der Vorbereitung. Aber es ist nicht schwer, den korrekten MPP bei schnellen Klimaschwankungen zu ermitteln9,16,21,35. Das Verfahren bezieht seine Daten vom realen Betriebspunkt der Solar-PV-Anlage (d. h. Spannung, Vpv und Strom, IPV), um die PV-Kurve zu untersuchen und MPP zu ermitteln, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Scannen des P– Die V-Kurve wird erstellt, indem der Betriebspunkt (VPV oder IPV) geändert wird, der als Störungsschritt erkannt wird, und anschließend die Variation der PV-Leistung (∆P) gemessen wird, was als Beobachtungsschritt bekannt ist. Das Flussdiagramm des gemeinsamen P&O-Systems ist in Abb. 3 dargestellt. Die daraus resultierende Änderung der PV-Leistung wird wie folgt angegeben:1,

Wenn: ${(}{\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} {{\Delta V} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}{ < 0)}$, muss die Spannungsstörung im MPP verringert werden Richtung. Das Verfahren wiederholt sich, bis MPP überall dort erreicht wird, wo ${\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} { {\Delta V}}}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}$ ist stark gegen Null, wie in Abb. 4 gezeigt Der gesicherte Zustand wird als stationärer Zustand bezeichnet. Die Tracking-Leistung für die P&O-MPPT-Technik wird anhand der Tracking-Effizienz bewertet, die als beschrieben wird

Flussdiagramm des Störungs- und Beobachtungsschemas.

Leistung gegen Spannung für den P&O-Algorithmus.

$\eta_{{{\text{MPPT}}}} { = }\frac{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {Pdt} }}{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {P_{Max} dt} }}$, wobei P die Array-Ausgangsleistung und Pmax ist die theoretische maximale Array-Leistung, und t1 und t2 sind die Start- bzw. Abschaltzeiten des Systems. Die Tracking-Effizienz für P&O liegt bei etwa 96 %36.

Das P&O stört weiterhin das Schema, um einen Unterschied im MPP zu identifizieren (beeinflusst durch eine Variation der Umgebungsbedingungen oder der Last), was eine neue Prüfung auslöst. Im Allgemeinen führt dieses Verfahren dazu, dass der Betriebspunkt des PV-Ansatzes im gesamten MPP schwankt.

Die konservativen PWM-Aufwärts-Gleichstrom-Gleichstrom-Zerhackerschemata, die im kontinuierlichen Leitungsansatz funktionieren und eine hohe Gleichspannungsverstärkung bieten, werden in angewandten Angeboten durch den Verbindungszustand und die Verschlechterung der Gesamteffizienz des Wandlers als Einschaltdauermethoden eingeschränkt . Tabelle 1 beschreibt die allgemeinen Kategorien und Hauptmerkmale von Hochverstärkungs-DC/DC-Chopper-Wandlerkonstruktionen und ihre Eigenschaften37,38,39.

Abbildung 5 zeigt die Topologie der vorgeschlagenen transformatorlosen DC/DC-Wandlerschaltung mit hoher Verstärkung. Die Hauptquelle ist eine niedrige DC-Eingangsspannung [VS], und es werden nur ein vollständig gesteuerter Einzelschalter (SW), [IGBT oder MOSFET] zusammen mit drei Dioden [D1 und D2] verwendet. Mit der Ausgangsdiode [D0] und dem Kondensator [C0] werden auch drei Induktivitäten [L1, L2 und L3] und fünf Kondensatoren [C, C1, CCM1, CCM2 und C0] verwendet. Zur Erhöhung der statischen Spannungsverstärkung wird ein quadratischer Aufwärtswandler auf Kondensatordiodenbasis mit Mischung und Integration vorgestellt. Seine Teile reduzieren die Schalterbelastung. Der DC/DC-Wandler arbeitet bei diesem Design schneller als bei anderen Wandlertopologien. Der Einschaltstrom der L1-Induktivität wird zusätzlich reduziert.

Vorgeschlagener nicht isolierter DC/DC-Hochaufwärtswandler.

Es reduziert auch den Schaltstress35,37. Der vorgeschlagene DC/DC-Wandler mit hoher Verstärkung kann Spannungsverstärkungen vom 10- bis 30-fachen der Eingangsspannung bei geringstmöglichem Tastverhältnis bieten. Um die Wandleranalyse zu vereinfachen, wird von idealen Halbleiterschaltern ausgegangen, die bei konstanter Schaltfrequenz einen 100-prozentigen Wirkungsgrad des Zerhackers ergeben. Jeder Kondensator ist so ausgelegt, dass er eine minimale Spannungswelligkeit40 aufweist.

Die vorgeschlagene Topologie verfügt über zwei Betriebsmodi. Abb. 6a und b zeigen zwei Betriebsmodi:

Modus (I) am Netzschalter [SW-ON]

Modus (II) am Netzschalter [SW-OFF].

Vorgeschlagener Betriebsmodus des Konverters.

Diese Modi werden wie folgt identifiziert:

Die Stromwelligkeit über der Induktivität (L1) wird bei CCM vernachlässigt. Dadurch funktioniert die Schaltung wie folgt. Wenn der Schalter (SW) eingeschaltet ist, bewirkt die negative Spannung (VC) an den Dioden D1 und D2, dass diese ausgeschaltet werden. Dadurch laden die Reihenkondensatoren (C) an diesem Punkt den Ausgangskondensator (C0) und die Last auf. Der Schalter (SW) wird am Ende dieses Modus ausgeschaltet und beide Dioden D1 und D2 werden sofort eingeschaltet, wodurch der Induktorstrom (IL) durchgelassen wird, und (D3) wird durch die negative Spannung (VCM-) ausgeschaltet. V0). In diesem Modus wird jeder Kondensator (C) auf die Hälfte seines Eingangsstromwerts (IS) aufgeladen, bevor er freigegeben wird, um den Laststrom bereitzustellen.

Die Dioden D1, D2, D3 und D4 sind während des Zeitraums bei [SW-ON] in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Wie in Abb. 6a gezeigt, ist D0 in Sperrrichtung vorgespannt.

Induktor

Während (SW-Ein)

Während (SW-AUS)

Für Induktivität (L1)

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

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

(6)

Für Induktivität (L2)

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

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

(7)

Für Induktivität (L3)

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

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

(8)

Spannungsausgleich anwenden

Der Arbeitszyklus des Zerhackers mit Hochleistungszelle:

Der empfohlene Arbeitszyklus (D) des Wandlers ist ein fester Wert, der vom PWM-Generator erzeugt wird.

Der Wandlerwirkungsgrad beträgt (η) = Pout/Pin.

Die Formel lautet () = Po Pin Pin = Po + Ploss (23).

Iin Vin = Io Vo + Ploss (24).

Leistungsverluste (Ploss) sind gleich allen Elementarverlusten (Pin Po).

wo jede Komponente, wie zum Beispiel die Frequenzumschaltung des Schalters, verliert.

Po = IoVo und Po Vo sind die Ausgangsleistungen.

Dadurch stehen Ausgangsspannung und Leistung in direktem Zusammenhang. Infolgedessen ändert sich der Wirkungsgrad, wenn die Ausgangsspannung variiert.

Die folgenden Gleichungen werden verwendet, um den vorgeschlagenen nicht isolierten DC/DC-Wandler zu konstruieren, der im CCM arbeitet. Um die beste Induktorgröße und die besten Verluste im Wandler zu erzielen, wird bei der Parameterauslegung eine begrenzende Stromwelligkeit (IL) (5–10 %) des Nennstroms berücksichtigt. Als Ergebnis zeigt Tabelle 2 die Entwurfsgleichungen für verschiedene Elemente.

Das dynamische Modell des 3-Phasen-Synchronreluktanzmotors wird in einem synchronen Referenzrahmen beschrieben. Die Gleichungen für die Stator- und Rotorspannungen lauten:

wobei $\lambda_{{{{qs}}}} { = L}_{{{m}}} {(i}_{{{qs }}} { + i}_{{{{qr} }}} ){ + L}_{{{{ls}}}} {{i}}_{{{qs }}}$ und $\lambda_{{{{ds}}}} { = L }_{{{m}}} {(i}_{{{ds }}} { + i}_{{{{dr}}}} ){ + L}_{{{{ls}}}} {{i}}_{{{ds }}}.$.

Die mechanische Gleichung des Antriebs:

Das entwickelte elektromagnetische Drehmoment des Motors:

Die Wasserpumpen haben den Vorteil einer nichtlinearen Organisation zwischen dem Lastdrehmoment (TL) und dem Quadrat der Motordrehzahl14. Somit gilt:

Das Blockdiagramm der Geschwindigkeitsbefehlsgenerierung als Funktion der Motorgeschwindigkeitsschwankungen bei Änderungen der PV-Ausgangsleistung ist in Abb. 7 dargestellt, und die Gleichung wird wie folgt abgeleitet:

Blockdiagramm zur Generierung von Geschwindigkeitsbefehlen.

Die vorgeschlagene Technik wird anhand der Konfigurationen in Abb. 8 getestet, um ihre Wirksamkeit zu bestätigen. Der Aufbau des Versuchsaufbaus ist in Abb. 8a dargestellt. Steuer- und Stromkreise bilden das experimentelle System. PV, DC-DC-Boot-Konverter mit Zelle mit hoher Verstärkung, dreiphasigem Wechselrichter und Synchronreluktanzmotor kombiniert mit einer Kreiselpumpe als Last. Die DSP-DS1104-Steuerplatine wird zum Betrieb des gesamten Systems und des Motorsteuerungsalgorithmus verwendet. Ein IGBT (Typ CM50DY-24H), schnelle Freilaufdioden (Typ DESI 60), Kondensatoren und Spulen bilden einen DC/DC-Wandler mit einer Zelle mit hoher Verstärkung. Spannungssensoren (LV25-P) erfassen PV-Spannungssignale, die auf 10 V herunterskaliert und an den dSP gesendet werden. Die Motorgeschwindigkeit wird erfasst und über einen inkrementalen Impulsgeber an den dSPACE-Encoder-Port übertragen. Die Parameter des Versuchssystems finden Sie im Anhang. Zusätzlich wurde eine Kreiselpumpenbelastung simuliert. Um das Lastdrehmomentprofil der Pumpe auszuwerten, wird ein Tiefsetzsteller zwischen den Gleichstromgenerator und die ohmsche Last geschaltet. Durch Vergleich des Solldrehmoments mit dem elektromagnetischen Drehmoment des Induktionsmotors „Te“ werden die Steuerimpulse dieses Tiefsetzstellers erzeugt.

Aufbau des Labors (a) Schaltplan, (b) umgesetztes Bild (c) Lastsimulation für Kreiselpumpen.

Abbildung 8b zeigt den Ablauf dieses Setups. Das Referenzdrehmoment wird berechnet, indem das Quadrat der Drehzahl des Induktionsmotors mit der Motordrehmomentkonstante „K“ multipliziert wird. Ein Drehmomentregler, bei dem es sich lediglich um einen PI-Regler handelt, wird verwendet, um den Fehler zwischen diesen beiden Drehmomenten zu verringern. Schließlich werden die Zündimpulse für den Tiefsetzsteller durch Vergleich des Drehmomentreglerausgangs mit einem Sägezahnsignal mit bestimmter Frequenz erzeugt, wie in Abb. 8c dargestellt.

Das System wird mittels Simulation getestet und experimentell validiert, um die Steuerung sicherzustellen. Das Gesamtsystem wird mit MATLAB/SIMULINK simuliert. Der Umrichter mit hohen Zellkomponenten, Motor- und Lastparameter des vorgeschlagenen Schemas sind im Anhang aufgeführt. Das vorgeschlagene System mit dem Hochkontrollsystem wird unter konstanten und unterschiedlichen Sonneneinstrahlungsniveaus getestet, um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Schemas experimentell zu beweisen. Zwei untersuchte Simulationsfälle werden als Fall 1 definiert, bei dem die dynamische Systemreaktion bei konstanter Einstrahlung von 1000 W/m2 getestet wird, während Fall 2, die dynamische Systemreaktion, bei unterschiedlichen Einstrahlungsniveaus getestet wird. Darüber hinaus werden für die Fälle 3 und 4 zwei experimentelle dynamische Systemnachweise bei 1000 und 800 W/m2 durchgeführt.

Abbildung 9. zeigt die Systemreaktion bei konstanter Sonneneinstrahlung von 1000 W/m2 im Fall 1. Abbildung 9a zeigt die Sonneneinstrahlung. Abbildung 9b–d zeigt, dass die Leistung, Spannung und der Strom des Solarmoduls konstant sind. Abbildung 9e zeigt die Ausgabe der Zelle mit hoher Verstärkung. Abbildung 9f zeigt die Motorgeschwindigkeit, die ohne Schwingungen einen konstanten Wert erreicht. Abbildung 9g zeigt die Motor- und Pumpendrehmomentsignale. Das Motordrehmoment deckt das Pumpendrehmoment während des Aussagezeitraums ab, was zu einer guten Leistung des Antriebssystemalgorithmus führt. Abbildung 9h zeigt den Motorphasenstrom mit konstanter Amplitude und Frequenz.

Systemstartreaktion (a) Einstrahlung (b) PV-Leistung (V) PV-Strom (d) PV-Spannung (e) Spannung nach Hochverstärkungszelle (f) Motordrehzahl (g) Motor- und Lastdrehmoment (h) Motorphasenstrom .

Im Fall 2 zeigt Abb. 10 die Systemreaktion bei Variation der Sonneneinstrahlung, die bei t = 3 s von 1000 auf 800 W/m2 abnimmt und bei t = 8 s wieder von 800 auf 600 W/m2 abnimmt, wie Abb. 10a zeigt die Sonneneinstrahlung. Abbildung 10b–d zeigt die Leistung, Spannung und Stromstärke des Solarmoduls, die aufgrund von Schwankungen der Sonneneinstrahlung abnimmt. Abbildung 10e zeigt die Ausgangsspannung der Zelle mit hoher Verstärkung, die etwa um das Siebenfache der Ausgangsspannung des PV-Moduls erhöht wurde. Abbildung 10f zeigt die Motorgeschwindigkeit, die mit abnehmender Bestrahlung abnimmt und sich ohne Schwankungen auf einen konstanten Wert einpendelt. Abbildung 10g zeigt die Motor- und Pumpendrehmomentsignale. Das Motordrehmoment nimmt mit Änderungen der Einstrahlung aufgrund von Änderungen der PV-Ausgangsspannung ab. Außerdem ändert sich das Pumpendrehmoment aufgrund einer Änderung der Motorgeschwindigkeit. Die Änderungen des Motor- und Lastdrehmoments veranschaulichen die gute Verbindung des Tauchsystems mit Ladung. Abbildung 10h zeigt den Motorphasenstrom mit konstanter Amplitude und variabler Frequenz, der sich aus Motordrehzahlschwankungen ergibt.

Systemreaktion bei verschiedenen Einstrahlungsniveaus (a) Einstrahlung (b) PV-Leistung (V) PV-Strom (d) PV-Spannung (e) Spannung nach Hochverstärkungszelle (f) Motordrehzahl (g) Motor- und Lastdrehmoment (h) Motorphasenstrom.

Das implementierte System wird experimentell unter zwei Einstrahlungsbedingungen bei 1000 W/m2 und bei 800 W/m2 für die Fälle 3 und 4 getestet. In Fall 3 zeigt Abb. 11 die Systemreaktion bei 1000 W/m2 Sonneneinstrahlung, Abb. 11a–c zeigen die Leistung, Spannung und den Strom des Solarmoduls. Abbildung 11d zeigt die Motorgeschwindigkeit, die sich ohne Variation auf einen konstanten Wert eingependelt hat. Abbildung 11e zeigt das Motordrehmoment, während Abbildung 11f die Motorphasenströme zeigt.

Experimentelle Ergebnisse bei einer Bestrahlung von 1000 W/m2 (a) PV-Leistung (b) PV-Spannung (c) PV-Strom (d) Spannung nach Hochverstärkungszellenmotorgeschwindigkeit (e) Motordrehmoment (f) Motorphasenstrom.

In ähnlicher Weise zeigt Abb. 12 in Fall 4 die experimentellen Ergebnisse bei 800/m2 Sonneneinstrahlung, Abb. 12a–c zeigt die Leistung, Spannung und den Strom der Solarpanel-Produktion. Abbildung 12d zeigt die Motorgeschwindigkeit, sie fiel ohne Variation auf einen dauerhaften Wert. Abbildung 12e zeigt das Motordrehmoment, während Abbildung 12f die Motorphasenströme zeigt.

Experimentelle Ergebnisse bei einer Bestrahlung von 800 W/m2 (a) PV-Leistung (b) PV-Spannung (c) PV-Strom (d) Spannung nach Hochverstärkungszellenmotorgeschwindigkeit (e) Motordrehmoment (f) Motorphasenstrom.

In diesem Artikel wird ein photovoltaisch gespeister Synchronreluktanzmotorantrieb für ein Wasserpumpsystem vorgestellt, der auf einem Aufwärtswandler mit hoher Verstärkung basiert. Unter Berücksichtigung der Modifikation des typischen Systems erhöhte das vorgeschlagene System die Ausgangsspannung der Photovoltaikanlage um etwa das Siebenfache. Die hochtransformierte Spannung wird dem Gleichstrom-Dreiphasen-Spannungswechselrichter zugeführt, der den Asynchronmotor für das Wasserpumpsystem effizient antreibt. Darüber hinaus wird das vorgeschlagene System bei unterschiedlichen Einstrahlungswerten getestet. Die Simulation und der Versuchsaufbau werden für den Zellkonverter mit hoher Verstärkung und das AC-Antriebsschema entwickelt und die Ergebnisse validieren die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Schemas. Für den Versuchsaufbau wurde der Aufwärtswandler mit High-Gain-Zellensteuerung und IRFOC auf der DSP-DS1104-Steuerplatine implementiert. Darüber hinaus wird das vorgeschlagene Steuerungsschema unter verschiedenen Einstrahlungsbedingungen evaluiert und der vorgeschlagene Ansatz hat folgende Vorteile: größerer Spannungsanstieg, geringere Welligkeit, Schalterbelastung, Kosten für Wandler und geringere Schwankungen am Photovoltaik-Betriebspunkt.

Abgeleitete Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der King Khalid University für die Finanzierung dieser Arbeit durch ein allgemeines Forschungsprojekt unter der Fördernummer (RGP.1/133/43).

Fakultät für Elektrotechnik, College of Engineering, King Khalid University, Abha, 61421, Saudi-Arabien

ZM Salem Elbarbary & Saad F. Al-Gahtani

Abteilung für Elektrotechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Kafrelsheikh-Universität, Kafrelsheikh, 33516, Ägypten

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Khalid Mahmood Cheema

Abteilung für Elektrotechnik, Fatima Jinnah Women University, Rawalpind, 46000, Pakistan

Khalid Mahmood Cheema

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Korrespondenz mit Khalid Mehmood Cheema oder Ragab A. El-Sehiemy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Elbarbary, ZMS, Cheema, KM, Al-Gahtani, SF et al. Hochverstärkter Zerhacker, der vom PV-System an einen synchronen Reluktanzmotorantrieb für Pumpwasseranwendungen gespeist wird. Sci Rep 12, 15519 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19671-x

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Eingegangen: 08. Februar 2022

Angenommen: 01. September 2022

Veröffentlicht: 15. September 2022

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

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