Hacheur à gain élevé alimenté par le système PV pour alimenter le moteur à réluctance synchrone pour l'application de pompage d'eau

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15519 (2022) Citer cet article

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La production d'électricité pour les sources d'énergie renouvelables a augmenté rapidement au cours des dernières années. De même, les hacheurs élévateurs CC-CC à gain élevé remplacent les convertisseurs de puissance conventionnels utilisés pour les appareils photovoltaïques (PV). Les chercheurs développent différentes méthodes afin de fournir un gain de tension élevé, une faible ondulation, une contrainte de commutation réduite, des coûts de convertisseur faibles et des variations minimisées des points de fonctionnement PV. Cette étude propose un convertisseur à deux étages pour un moteur autonome de pompage d'eau alimenté par un système solaire PV. Selon le système proposé, dans un premier temps, une cellule à gain élevé (HG) et un convertisseur élévateur CC-CC sont combinés pour augmenter la tension PV à des niveaux élevés. Plus tard, la tension continue résultante alimente un entraînement de moteur à réluctance synchrone triphasé qui actionne la charge de la pompe centrifuge. L'approche perturber et observer est utilisée pour tirer le maximum de puissance du module solaire PV. De plus, une commande indirecte orientée champ est mise en œuvre pour réaliser un démarrage en douceur du moteur à réluctance synchrone. Afin de valider l'efficacité de la technique proposée, une configuration de simulation basée sur l'environnement MATLAB/Simulink ainsi qu'un prototype expérimental sont développés. De plus, divers cas sont pris en compte en fonction des différentes conditions de fonctionnement et niveaux d'éclairement pour collecter et analyser les résultats.

Sans aucun doute, le développement des ressources énergétiques renouvelables aide les opérateurs et les planificateurs de systèmes électriques à accroître leurs applications dans l'industrie. Les systèmes de pompage d'eau à énergie solaire sont devenus populaires et attractifs dans les zones reculées, en particulier là où il n'y a pas d'accès à un réseau électrique conventionnel1. Cependant, le système de pompage d'eau à énergie solaire a certaines limites, comme il ne peut pas pomper l'eau la nuit ou les jours nuageux. Cependant, ces limitations peuvent être surmontées en installant le système de stockage d'énergie avec les unités de production PV2. Mais les batteries des systèmes de stockage d'énergie ont leurs propres inconvénients, tels qu'une durée de vie plus courte et peu économiques. De plus, les batteries nécessitent une maintenance et un entretien continus, ce qui augmente les dépenses globales3. Pour pallier ces inconvénients, il est nécessaire de pomper l'eau pendant la journée et de stocker l'excédent d'eau dans des réservoirs spéciaux. L'eau stockée peut être utilisée la nuit ou par temps nuageux pour l'irrigation ou d'autres services publics nécessaires4. Le générateur solaire photovoltaïque fonctionne comme une source d'énergie majeure ; en revanche, une batterie est utilisée comme alimentation de secours et est chargée par le réseau SPV lorsque la pompe ne fonctionne pas ou fonctionne à un régime réduit5,6,7.

Alors que l'intégration et la mise en œuvre de systèmes de pompage d'eau à énergie solaire augmentent, les chercheurs se concentrent sur l'amélioration de la fiabilité et de l'efficacité globales de ces systèmes et sur le développement d'approches de contrôle économiques et simples pour l'unité d'entraînement. Il ressort de diverses sources que l'unité d'entraînement utilisée pour le pompage de l'eau représente environ 1/3 des dépenses globales du système8. Les performances de l'unité d'entraînement ont un impact direct sur l'efficacité et l'efficience du système. Par conséquent, une unité d'entraînement appropriée et efficace pour un système de pompage d'eau à énergie solaire est essentielle9.

Généralement, les systèmes de pompage d'eau à énergie solaire utilisent des moteurs à induction (IM), des moteurs à courant continu conventionnels, des moteurs à réluctance commutée et des moteurs à courant continu sans balais (BLDC). Chaque type de moteur a ses avantages et ses inconvénients ; par exemple, IM est robuste et rentable, mais il présente des inconvénients dans les applications de pompage d'eau à énergie solaire, en particulier pour les systèmes à puissance partielle10. Par la suite, les moteurs à courant continu conventionnels ont un faible rendement et nécessitent des manettes mécaniques ainsi que des balais de charbon pour fonctionner, ce qui nécessite un entretien régulier11. Les fréquentes pertes de maintenance et d'excitation provoquent une interruption du processus et une faible efficacité12. Cependant, le moteur à réluctance commutée a la robustesse la plus élémentaire et surmonte ces problèmes. Dans les références 13, 14, 15, 16, les chercheurs discutent des avantages des moteurs à réluctance synchrone avec des variateurs de vitesse. Les chercheurs ont conclu que les moteurs à réluctance synchrone nécessitaient une structure de rotor simple, une inertie minimale et une unité de contrôle de vitesse sans effort sans capteurs. De plus, les moteurs à réluctance synchrone n'ont pas besoin de cage de rotor dans les entraînements à vitesse contrôlée, et leurs pertes résistives sont minimales. De plus, par rapport aux moteurs synchrones à aimants permanents, les moteurs synchrones à réluctance présentent un processus d'affaiblissement de champ simple et ne nécessitent pas d'aimants coûteux.

Par conséquent, l'ajout d'un convertisseur DC-DC avec l'onduleur réduit la flexibilité de la production d'énergie PV17,18. Parce qu'il y a plus de dispositifs de commutation et d'éléments passifs dans cette conversion de puissance à deux étages, le profil de tension peut être arrêté immédiatement19. Par conséquent, les convertisseurs élévateurs traditionnels nécessitent un cycle de service important pour atteindre une tension de haut niveau.

La création d'un convertisseur continu-continu haute performance et élévateur est une nécessité typique pour les applications mentionnées ci-dessus. Par exemple, un onduleur doit être nécessaire pour élever la batterie du véhicule 12 V à environ 100 V afin de faire fonctionner une lumière aux halogénures métalliques de petite puissance HID (communément appelée lampe au xénon) avec une puissance nominale de 35 W pour les phares d'automobile. Une autre utilisation potentielle consiste à transformer la source d'énergie à faible courant continu de la pile à combustible (25 à 45 V) en un courant, une tension et une fréquence d'utilisation appropriés pour les charges des services publics. Ainsi, afin d'être inversée en courant alternatif pour le réseau, cette plage de basse tension doit être convertie en une tension de liaison CC suffisante (350–400 Vcc). Mais un gain élevé impose beaucoup de contraintes sur le commutateur dv/dt. De plus, les résistances redondantes sont utilisées pour améliorer les performances de gain haute tension, et une diode de récupération inverse est incorporée pour réduire les énormes ondulations de courant20,21. Afin d'obtenir une tension d'entrée élevée durable et efficace, les chercheurs ont proposé divers convertisseurs DC-DC dans la littérature21,22,23. Cependant, ces convertisseurs DC-DC nécessitent des composants supplémentaires, tels que des types spéciaux d'inductances et de condensateurs, pour obtenir un rapport de tension spécifique24,25,26.

Compte tenu de la littérature, dans les références 27, 28, les chercheurs ont proposé un convertisseur élévateur à gain élevé en utilisant un moteur à induction conventionnel. Par conséquent, dans la réf.29, les auteurs ont développé une technique utilisant la méthode de commutation basée sur les condensateurs pour obtenir un gain élevé à partir des convertisseurs élévateurs. De même, dans la réf.30, les auteurs ont présenté la technique PWM pour le convertisseur résonnant boost à gain élevé. Cependant, dans cet article, les moteurs à réluctance synchrone sont utilisés pour le système d'entraînement efficace, et les principales contributions de cet article sont les suivantes :

Déterminer le point de puissance maximale du PV à différents niveaux d'irradiation et de température.

La cellule à gain élevé (HG) et un convertisseur élévateur CC-CC sont combinés avec l'augmentation de la tension PV à des niveaux élevés, pour séparer le système du réseau lorsque la lumière est faible. Le système de pompage de l'eau est alors alimenté par la batterie de secours. La section suivante fournit une explication détaillée du système proposé.

La tension continue résultante alimente un entraînement de moteur à réluctance synchrone triphasé qui fait fonctionner la charge de la pompe centrifuge.

L'approche de perturbation et d'observation est utilisée pour obtenir la puissance maximale du module solaire PV, et un contrôle indirect orienté sur le terrain est mis en œuvre pour effectuer un démarrage en douceur du moteur à réluctance synchrone

L'analyse expérimentale est effectuée qui confirme l'efficacité du système proposé.

Les autres parties de cet article sont organisées comme suit : dans "Système d'entraînement SynRM triphasé alimenté par un convertisseur photovoltaïque à gain élevé", une description détaillée du système d'entraînement proposé est présentée. "Modèle dynamique du moteur à réluctance synchrone triphasé" décrit le modèle dynamique du moteur à réluctance synchrone triphasé. "Configuration expérimentale du système testé" montre la mise en œuvre expérimentale du schéma proposé. Les résultats de la simulation et de l'expérience sont enregistrés dans "Résultats et discussions", sur la base des résultats obtenus.

La topologie anticipée du convertisseur élévateur élevé sans transformateur CC-CC pour l'alimentation photovoltaïque (PV) triphasée de la charge de pompage de l'entraînement SynRM est illustrée à la Fig. De plus, un schéma de conduite est développé en utilisant une commande indirecte orientée champ. La charge de pompage du moteur à réluctance synchrone triphasé est alimentée par la tension de sortie du convertisseur.

Configuration du circuit du convertisseur PV à gain élevé alimenté par le système d'entraînement triphasé SYNRM.

Une brève description et une analyse mathématique de chaque unité sont données ci-dessous.

La cellule solaire est un dispositif qui convertit l'énergie des photons en électricité. Dans la littérature, de nombreux chercheurs ont présenté et expliqué divers modèles de cellules solaires31,32,33. Cependant, un modèle simple et basique à une seule diode est discuté dans cet article, comme le montre la Fig. 234. Le modèle à une seule diode est relativement simple et très efficace pour la modélisation dynamique du système photovoltaïque. En considérant le modèle à diode unique de la Fig. 2, le courant de charge (I) est obtenu à partir de l'Eq. (1) comme :

où Id et IPV sont respectivement le courant de diode et le courant photovoltaïque.

Circuit équivalent PV à une seule diode.

La source de courant (IPV) déclare le courant photovoltaïque de la cellule présenté dans l'Eq. (2) comme :

où, Isc est le courant de court-circuit, β est le courant de court-circuit d'une cellule à 250 °C et 1000 W/m2, T est la température de fonctionnement en kelvin et δ est l'irradiance solaire. Les résistances shunt (Rsh) et série (Rs), comme indiqué dans le circuit équivalent simple de la cellule solaire de la Fig. 2, sont identifiées comme la résistance inhérente de la cellule. La valeur de la résistance shunt est importante, tandis que la résistance série est faible et peut être ignorée. Par conséquent, le courant de sortie de la cellule solaire est donné par :

Le courant de shunt calculé comme suit :

La tension de sortie de la cellule est donnée comme dans l'équation suivante :

Plusieurs contraintes environnementales, telles que l'ombrage subjectif, la poussière et les problèmes de vent, affectent les performances occasionnelles de l'alimentation PV actuelle. Selon le site et la période, l'intensité de l'ensoleillement contraste significativement ; cela crée une déviation de la température de la cellule et du rayonnement solaire. La résistance totale et la température ont un impact sur la construction de l'onduleur à côté du système. Afin d'obtenir la puissance la plus élevée des modules solaires à tout moment, des convertisseurs solaires sont utilisés pour le panneau solaire à sa tension la plus élevée et fournissent toute la puissance efficace. Le MPPT dupe les panneaux solaires pour obtenir une tension et un courant variables permettant une alimentation supplémentaire de la charge. Le MPPT examine le courant et la tension de sortie du panneau solaire et sélectionne le point de fonctionnement pour fournir la puissance maximale offerte à la charge. Pour améliorer l'efficacité PV, le MPPT doit suivre avec précision le point de fonctionnement en constante évolution où la puissance est à son maximum. De nombreuses méthodes ont été créées pour trouver le point de puissance maximale du PV. Ces systèmes varient en termes de complexité, de vitesse, de convergence, de coût d'efficacité et de capteurs requis. L'appareillage orthopédique traditionnel présente des avantages significatifs et de nombreuses études l'ont adapté ; le défi de la fluctuation et le traçage des MPP dans le changement climatique rapide sont des défis délicats.

Le système P&O est le plus simple, gratuit, répandu et pratiquement valable en préparation avec une efficacité allant jusqu'à 96,5%3. Mais il n'est pas difficile de tracer le bon MPP lors de fluctuations rapides du climat9,16,21,35. La procédure prend ses données du point de fonctionnement réel du générateur solaire PV (c'est-à-dire tension, Vpv et courant, IPV) pour examiner la courbe P – V pour acquérir MPP, comme illustré à la Fig. 1. Le balayage de la courbe P – V est effectué en modifiant le point opérationnel (VPV ou IPV), qui est reconnu comme étape de perturbation, puis en mesurant la variation de la puissance PV (∆P), qui est bien connue comme étape d'observation. L'organigramme du système P&O commun est illustré à la Fig. 3. Le changement consécutif de la puissance PV est indiqué comme suit : 1,

Si : ${(}{\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} {{\Delta V}}}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}{ < 0)}$, la perturbation de tension doit être diminuée en la direction du MPP. La procédure est répétitive jusqu'à ce que MPP soit atteint où ${\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} {{\Delta V}}}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}$ est fort pour zéro comme le montre la Fig. 4 cet état est assuré est étiqueté état stable. Les performances de suivi pour la technique P&O MPPT sont évaluées à l'aide de l'efficacité de suivi qui est décrite comme

Organigramme du schéma de perturbation et d'observation.

Puissance contre tension pour l'algorithme P&O.

$\eta_{{{\text{MPPT}}}} { = }\frac{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {Pdt} }}{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {P_{Max} dt} }}$ où P est la puissance de sortie du réseau et Pmax est la puissance maximale théorique du réseau, et t1 et t2 sont respectivement les temps de démarrage et d'arrêt du système. L'efficacité du suivi pour P&O est d'environ 96 %36.

Le P&O continue de perturber le schéma pour identifier une différence de MPP (affectée par une variation des situations environnementales ou de la charge), ce qui active un nouveau contrôle. Généralement, cette procédure produit le point opérationnel de l'approche PV pour fluctuer tout au long du MPP.

Les schémas conservateurs de hacheurs cc-cc élévateurs PWM fonctionnels dans l'approche de conduction continue, qui offrent un gain de tension cc élevé, sont limités dans les appels d'offres appliqués par l'état de fixation et la dégradation de l'efficacité totale du convertisseur en tant que méthodes de rapport de service. Le tableau 1 décrit les catégories générales et les principales caractéristiques des constructions de convertisseurs hacheurs CC/CC élévateurs à gain élevé et leurs propriétés37,38,39.

La figure 5 illustre la topologie du circuit convertisseur CC/CC à gain élevé sans transformateur proposé. La source principale est une faible tension d'entrée CC [VS], et seul un interrupteur unique entièrement contrôlé (SW), [IGBT ou MOSFET] ainsi que trois diodes [D1 et D2] sont utilisés. Avec la diode de sortie [D0] et le condensateur [C0], trois inductances [L1, L2 et L3] et cinq condensateurs [C, C1, CCM1, CCM2 et C0] sont également utilisés. Un convertisseur élévateur quadratique à condensateur-diode avec mélange et intégration est présenté pour augmenter le gain de tension statique. Ses pièces réduisent le stress de l'interrupteur. Le convertisseur DC/DC fonctionne plus rapidement avec cette conception qu'avec d'autres topologies de convertisseur. Le courant d'appel de l'inductance L1 est également réduit.

Convertisseur DC/DC élévateur élevé non isolé proposé.

Il réduit également le stress de commutation35,37. Le convertisseur continu-continu à gain élevé proposé peut offrir des gains de tension de 10 à 30 fois la tension d'entrée au rapport cyclique le plus faible possible. Afin de simplifier l'analyse du convertisseur, on suppose que les commutateurs à semi-conducteurs idéaux se traduisent par une efficacité de 100 % du hacheur avec une fréquence de commutation constante. Chaque condensateur est conçu pour avoir une ondulation de tension minimale40.

La topologie suggérée a deux modes de fonctionnement, les Fig. 6a,b montrent deux modes de fonctionnement :

Mode (I) à l'interrupteur d'alimentation [SW-ON]

Mode (II) à l'interrupteur d'alimentation [SW-OFF].

Mode de fonctionnement du convertisseur proposé.

Ces modes sont identifiés comme suit :

L'ondulation du courant à travers l'inductance (L1) est négligée dans CCM. En conséquence, le circuit fonctionne comme suit. Lorsque le commutateur (SW) est activé, une tension négative de (VC) aux bornes des diodes D1 et D2 provoque leur désactivation. En conséquence, les condensateurs en série (C) chargent le condensateur de sortie (C0) et la charge à ce stade. Le commutateur (SW) est éteint à la fin de ce mode, et les deux diodes D1 et D2 sont instantanément allumées, donnant un passage pour le courant d'inductance (IL), et (D3) est éteint par la tension négative (VCM-V0). Pendant ce mode, chaque condensateur (C) est chargé à la moitié de sa valeur de courant d'entrée (IS) avant d'être libéré pour fournir le courant de charge.

Les diodes D1, D2, D3 et D4 sont polarisées en direct pendant la période à [SW-ON]. Comme le montre la figure 6a, D0 est polarisé en inverse.

Inducteur

Pendant (SW-On)

Pendant (SW-OFF)

Pour inductance (L1)

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

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

(6)

Pour l'inductance(L2)

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

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

(7)

Pour l'inductance(L3)

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

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

(8)

Application de l'équilibre de tension

Le rapport cyclique du hacheur avec cellule à gain élevé :

Le rapport cyclique du convertisseur suggéré (D) est une valeur fixe produite par le générateur PWM.

Le rendement du convertisseur est (η) = Pout/ Pin.

La formule est () = Po Pin Pin = Po + Ploss (23).

Iin Vin = Io Vo + Ploss (24).

Les pertes de puissance (Ploss) sont égales à toutes les pertes élémentaires (Pin Po).

où chaque composant, tel que la commutation de fréquence du commutateur perd.

Po = IoVo et Po Vo sont les puissances de sortie.

En conséquence, la tension de sortie et la puissance sont directement liées. En conséquence, l'efficacité se modifie lorsque la tension de sortie varie.

Les équations suivantes sont utilisées pour construire le convertisseur CC/CC non isolé proposé qui fonctionne en CCM. Afin d'obtenir la meilleure taille d'inductance et les meilleures pertes dans le convertisseur, une ondulation de courant limite (IL) (5 à 10 %) du courant nominal est prise en compte dans la conception des paramètres. En conséquence, le tableau 2 montre les équations de conception pour différents éléments.

Le modèle dynamique du moteur triphasé à réluctance synchrone est décrit dans un référentiel synchrone. Les équations des tensions stator et rotor sont :

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

L'équation mécanique de l'entraînement :

Le couple électromagnétique développé du moteur :

Les pompes à eau bénéficient d'une organisation non linéaire entre le couple de charge (TL) et le carré de la vitesse du moteur14 Ainsi,

Le schéma fonctionnel de la génération de commande de vitesse en fonction des variations de vitesse du moteur avec les changements de puissance de sortie PV est illustré à la Fig. 7, et l'équation est dérivée comme suit :

Schéma fonctionnel de génération de commande de vitesse.

La technique proposée est testée pour confirmer son efficacité selon les configurations de la Fig. 8. La structure de la configuration expérimentale est représentée sur la figure 8a. Les circuits de commande et de puissance constituent le système expérimental. Convertisseur de démarrage PV, CC à CC avec cellule à gain élevé, onduleur triphasé et moteur à réluctance synchrone combiné à une pompe centrifuge comme charge. La carte de contrôle DSP-DS1104 est utilisée pour exécuter l'ensemble du système et l'algorithme de contrôle du moteur. Un IGBT (type CM50DY-24H), des diodes de récupération rapide (type DESI 60), des condensateurs et des bobines constituent un convertisseur DC-DC avec une cellule à gain élevé. Les capteurs de tension (LV25-P) détectent les signaux de tension PV, qui sont réduits à 10 V et envoyés au dSP. La vitesse du moteur est détectée et transmise au port d'encodeur dSPACE à l'aide d'un codeur d'impulsions incrémental. Les paramètres du système expérimental sont en annexe. De plus, une charge de pompe centrifuge a été simulée. Afin d'évaluer le profil de couple de charge de la pompe, un convertisseur abaisseur est fixé entre le générateur CC et la charge résistive. En comparant le couple de commande avec le couple électromagnétique du moteur à induction, 'Te', les impulsions de commande de ce convertisseur abaisseur sont générées.

Configuration du laboratoire (a) schéma de câblage, (b) image mise en œuvre (c) simulation de charge pour pompes centrifuges.

La figure 8b montre la procédure de cette configuration fonctionne. Le couple de référence est calculé en prenant le carré de la vitesse du moteur à induction et en le multipliant par la constante de couple du moteur, 'K'. Un contrôleur de couple, qui n'est qu'un contrôleur PI, est utilisé pour diminuer l'erreur entre ces deux couples. Enfin, les impulsions d'amorçage pour le convertisseur abaisseur sont générées en comparant la sortie du contrôleur de couple avec un signal en dents de scie de fréquence spécifiée, comme illustré à la Fig. 8c.

Le système est testé par simulation et validé expérimentalement pour assurer le système de contrôle. Le système global est simulé à l'aide de MATLAB/SIMULINK. Le convertisseur avec des composants de cellule élevés, des paramètres de moteur et de charge du schéma proposé sont répertoriés dans l'annexe. Le système proposé avec le système de contrôle élevé est testé sous des niveaux d'irradiation solaire constants et variés pour prouver expérimentalement l'efficacité du schéma proposé. Deux cas de simulation étudiés sont définis comme Cas 1, où la réponse dynamique du système est testée à une irradiation constante de 1000 W/m2 tandis que le Cas 2, la réponse dynamique du système, est testée sous des niveaux d'irradiation variés. De plus, deux vérifications expérimentales du système dynamique sont effectuées à 1000 et 800 W/m2 pour les cas 3 et 4.

La figure 9. montre la réponse du système à un rayonnement solaire constant de 1000 W/m2 dans le cas 1. La figure 9a montre le rayonnement solaire. Les figures 9b–d illustrent que la puissance, la tension et le courant du panneau solaire sont constants. La figure 9e montre la sortie de la cellule à gain élevé. La figure 9f montre la vitesse du moteur qu'il atteint à une valeur constante sans oscillation. La figure 9g montre les signaux de couple du moteur et de la pompe, le couple du moteur couvre le couple de la pompe pendant la période d'instruction, ce qui introduit une bonne performance de l'algorithme du système d'entraînement. La figure 9h montre le courant de phase du moteur avec une amplitude et une fréquence constantes.

Réponse de démarrage du système (a) Irradiation (b) Puissance PV (V) Courant PV (d) Tension PV (e) Tension après cellule à gain élevé (f) Vitesse du moteur (g) Couple du moteur et de la charge (h) Courant de phase du moteur.

Dans le cas 2, la Fig. 10 montre la réponse du système à la variation de l'irradiation solaire, diminue de 1000 à 800 W/m2 à t = 3 s et diminue à nouveau de 800 à 600 W/m2 à t = 8 s. La Fig. 10a illustre l'irradiation solaire. La figure 10b–d montre que la puissance, la tension et le courant du panneau solaire diminuent en raison de la variation de l'irradiation solaire. La figure 10e montre la tension de sortie de la cellule à gain élevé qui a augmenté d'environ 7 fois la tension de sortie du panneau PV. La figure 10f montre la vitesse du moteur qui diminue lorsque l'irradiation diminue et s'installe à une valeur constante sans fluctuation. La figure 10g montre les signaux de couple du moteur et de la pompe, le couple du moteur diminue avec les changements d'irradiation dus aux changements de la tension de sortie PV, également, le couple de la pompe change en raison du changement de la vitesse du moteur, les changements du couple du moteur et de la charge illustrent une bonne interconnexion du système de plongée avec la charge. La figure 10h montre le courant de phase du moteur avec des résultats d'amplitude constante et de fréquence variable à partir des variations de vitesse du moteur.

Réponse du système à des niveaux d'irradiation variés (a) Irradiation (b) Puissance PV (V) Courant PV (d) Tension PV (e) Tension après cellule à gain élevé (f) Vitesse du moteur (g) Moteur et couple de charge (h) Courant de phase du moteur.

Le système mis en œuvre est testé expérimentalement dans deux conditions d'irradiation à 1000 W/m2 et à 800 W/m2 pour les cas 3 et 4. Dans le cas 3, la Fig. 11 montre la réponse du système à 1000 W/m2 d'irradiation solaire, les Fig. 11a–c montrent respectivement la puissance, la tension et le courant du panneau solaire. La figure 11d montre la vitesse du moteur, elle s'est stabilisée à une valeur constante sans variation. La figure 11e illustre le couple moteur tandis que la figure 11f montre les courants de phase du moteur.

Résultats expérimentaux à une irradiation de 1000 W/m2 (a) Puissance PV (b) Tension PV (c) Courant PV (d) Tension après la vitesse du moteur de la cellule à gain élevé (e) Couple du moteur (f) Courant de phase du moteur.

De même, dans le cas 4, la figure 12 montre les résultats expérimentaux à 800/m2 d'irradiation solaire, la figure 12a–c illustre la puissance, la tension et le courant de production du panneau solaire. La figure 12d montre la vitesse du moteur, elle est tombée à une valeur persistante sans variation. La figure 12e illustre le couple du moteur tandis que la figure 12f montre les courants de phase du moteur.

Résultats expérimentaux à une irradiation de 800 W/m2 (a) Puissance PV (b) Tension PV (c) Courant PV (d) Tension après la vitesse du moteur de la cellule à gain élevé (e) Couple du moteur (f) Courant de phase du moteur.

Cet article présente un entraînement de moteur à réluctance synchrone à alimentation photovoltaïque pour un système de pompage d'eau basé sur un convertisseur élévateur à gain élevé. Compte tenu de la modification du système typique, le système proposé a augmenté la tension de sortie du système photovoltaïque environ 7 fois. La tension augmentée fournie à l'onduleur de source de tension CC à triphasé qui entraîne efficacement le moteur asynchrone pour le système de pompage d'eau. De plus, le système proposé est testé à différentes valeurs d'irradiation. La simulation et la configuration expérimentale sont développées pour le convertisseur de cellule à gain élevé et le schéma d'entraînement AC et les résultats ont validé l'efficacité du schéma proposé. Pour la configuration expérimentale, le convertisseur élévateur avec contrôle de cellule à gain élevé et IRFOC a été implémenté sur la carte de contrôle DSP-DS1104. De plus, le schéma de contrôle proposé est évalué dans diverses conditions d'irradiation et l'approche suggérée présente les avantages suivants : augmentation de la tension plus importante, diminution de l'ondulation, contrainte de commutation, coût des convertisseurs et réduction des variations au point de fonctionnement photovoltaïque.

Les données dérivées à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Les auteurs remercient le doyen de la recherche scientifique de l'Université King Khalid pour le financement de ce travail par le biais du projet de recherche général sous le numéro de subvention (RGP.1/133/43).

Département de génie électrique, Collège d'ingénierie, Université King Khalid, Abha, 61421, Arabie saoudite

ZM Salem Elbarbary & Saad F. Al-Gahtani

Département de génie électrique, Faculté de génie, Université Kafrelsheikh, Kafrelsheikh, 33516, Égypte

ZM Salem Elbarbary & Ragab A. El-Sehiemy

École de génie électrique, Université du Sud-Est, Nanjing, 210096, Chine

Khalid Mahmood Cheema

Département de génie électronique, Fatima Jinnah Women University, Rawalpind, 46000, Pakistan

Khalid Mahmood Cheema

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Correspondance à Khalid Mehmood Cheema ou Ragab A. El-Sehiemy.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Elbarbary, ZMS, Cheema, KM, Al-Gahtani, SF et al. Hacheur à gain élevé fourni par le système PV pour alimenter le moteur à réluctance synchrone pour l'application de pompage d'eau. Sci Rep 12, 15519 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19671-x

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Reçu : 08 février 2022

Accepté : 01 septembre 2022

Publié: 15 septembre 2022

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

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