طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربین¬های بادی

-716915-79057500
تاسیس 1307
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
پایاننامه دوره‌ی کارشناسی ارشد مهندسی برق-قدرت
طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربینهای بادی
استاد راهنما:
دکتر محمد اردبیلی
نگارش:
احمدرضا محبتی
بهمن 1393
بسم الله الرحمن الرحیم
تاییدیه هیئت داوران

تاسیس 1307
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

هیات داوران پس از مطالعه‌ی پایان‌نامه و شرکت در جلسه‌ دفاع از پایان‌نامه تهیه شده تحت عنوان “طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربینهای بادی ” توسط آقای احمدرضا محبتی، صحت و کفایت تحقیق انجام شده را برای اخذ درجه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق-قدرت گرایش ماشین‌های الکتریکی و الکترونیک قدرت در تاریخ 1/11/1393 مورد تایید قرار می‌دهند.
1- استاد راهنما جناب آقای دکتر محمد اردبیلی امضاء
2- ممتحن داخلی جناب آقای دکتر امضاء
3- ممتحن خارجی جناب آقای دکتر امضاء
4- نماینده تحصیلات
تکمیلی دانشکده جناب آقای دکتر امضاء
اظهارنامه‌ی دانشجو

تاسیس 1307
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
اینجانب احمدرضا محبتی ، دانشجوی کارشناسی ارشد رشته‌ مهندسی برق – قدرت، گرایش ماشین‌های الکتریکی و الکترونیک قدرت دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی گواهی می‌نمایم که تحقیقات ارائه شده در این پایان‌نامه با عنوان طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربینهای بادی با راهنمایی استاد محترم جناب آقای دکتر محمد اردبیلی، توسط شخص اینجانب انجام شده و صحت و اصالت مطالب نگارش شده در این پایان‌نامه مورد تایید می‌باشد، و در مورد استفاده از کار دیگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. بعلاوه گواهی می‌نمایم که مطالب مندرج در پایان‌نامه تاکنون برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی توسط اینجانب یا فرد دیگری در هیچ‌جا ارائه نشده است و در تدوین متن پایان‌نامه چارچوب (فرمت) مصوب دانشگاه را بطور کامل رعایت کرده‌ام.
امضاء دانشجو:
تاریخ:
حق طبع و نشر و مالکیت نتایج

تاسیس 1307
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
اینجانب احمدرضا محبتی دانشجوی دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق – قدرت دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی گواهی می‌نمایم که تحقیقات ارائه شده در این پایان نامه توسط شخص اینجانب انجام شده و صحت و اصالت نگارش شده مورد تایید می‌باشد و در موارد استفاده از کار دیگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. به علاوه گواهی می‌نمایم که مطالب مندرج در پایان نامه تاکنون برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی توسط اینجانب یا فرد دیگری در هیچ جا ارائه نشده است و در تدوین متن پایان نامه چارچوب مصوب دانشگاه را بطور کامل رعایت کرده‌ام.
کلیه حقوق مادی و معنوی این اثر فقط متعلق به دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی می‌باشد و بدون اجازه کتبی دانشگاه قابل واگذاری و بهره برداری نیست. همچنین استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایان‌نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.
امضاء دانشجو:
تاریخ:
تقدیر و تشکر
قدردان همیشگی استاد ارجمندم جناب آقای دکتر محمد اردبیلی که پیشبرد پایان‌نامه بدون راهنمایی‌های ایشان ممکن نمی‌نمود و آموخته‌هایشان تا سال‌های سال راهگشای اینجانب است.
همچنین از برادر عزیزم دکتر حمیدرضا محبتی که در تمام مراحل تدوین پایاننامه همراه من بودند، تشکر مینمایم.
چکیده
امروزه ژنراتورهای سنکرون آهنربای دائم با توجه به ویژگی‌هایی همچون وزن کمتر، بازده بالاتر، و چگالی توان بالاتری که نسبت به انواع ژنراتورهای مرسوم دیگر دارند، مورد توجه قرار گرفته‌اند. مزایای این ژنراتورها طوری است که آنها را برای کاربرد در توربین بادی مناسب می‌سازد. از طرفی با توجه به سهولت افزایش تعداد قطب در آنها، برای کاربردهای سرعت پایین همچون اتصال مستقیم بسیار مناسب می‌باشند.
در این تحقیق طراحی یک ژنراتور سنکرون شار شعاعی آهنربای دائم kW1 و rpm125، برای اتصال مستقیم به توربین بادی به منظور حصول ولتاژ سینوسی کامل انجام شد. از مقایسه‌ی ساختارهای گوناگون ماشین‌های سنکرون و با توجه به کاربرد مورد نظر این ماشین‌ها، ساختار روتور بیرونی و آهنربای سطحی و سیم بندی متمرکز استاتور انتخاب گردید. سپس با در نظر گرفتن بازده و چگالی توان به عنوان توابع هدف و با استفاده از الگوریتم ژنتیک، نسبت به بهینه‌سازی طراحی اقدام شد. بهینه سازی همزمان توابع هدف با یک تابع شایستگی نوین که توسط آن امکان اولویت‌بندی بهینه‌سازی توابع هدف فراهم می‌شود، انجام شد. در خاتمه ژنراتور بهینه با استفاده از روش اجزای محدود دو‌بعدی شبیه‌سازی و مورد ارزیابی قرار گرفت.
لازم به ذکر است در این پروژه از نرم‌افزار MATLAB R2011a به منظور بهینه‌سازی از روش الگوریتم ژنتیک و نیز از نرم‌افزار Ansoft Maxwell 14.0 برای شبیه‌سازی از روش اجزای محدود دو‌بعدی استفاده شده است.
کلمات کلیدی: توربین بادی اتصال مستقیم، ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم، ژنراتور آهنربا دائم روتور بیرونی، معادلات ابعاد ماشین‌های آهنربای دائم، بهینه‌سازی با روش الگوریتم ژنتیک، روش اجزای محدود دو بعدی.
فهرست مطالب

TOC o “1-3” h z u فصل اول: مقدمه PAGEREF _Toc408046430 h 21-1-انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها PAGEREF _Toc408046431 h 31-1-1-ژنراتور القایی………………………….……………………………………….. PAGEREF _Toc408046431 h 31-1-1-1- ژنراتورهای القایی قفس سنجابی……………….………………………………4
1-1-1-2- ژنراتورهاي القايي روتور سيم بندي شده5……………………………………………
1-1-1-3- ژنراتورهاي القايي با تغذیه دوگانه6……………….………………………………1-1-2-توربینهای بادی مجهز به ژنراتور سنکرون………………………………………..7
1-1-2-1- ژنراتور سنکرون با تحریک کلاسیک……………..……………………………..8
1-1-2-2- ژنراتور سنکرون با مغناطیس دائم……………..……………………………..8
1-2-خلاصه معیا و مزایای انواع ساختارهای توربینهای بادی…………………………….. PAGEREF _Toc408046432 h 41-3-تاریخچه‌ی ماشین‌های آهنربای دائم روتور بیرونی…………………..………………… PAGEREF _Toc408046433 h 121-3-1- مقایسه انواع ماشین‌های آهنربای دائم……………………………………….. PAGEREF _Toc408046434 h 131-3-2- بررسی عوامل انتخاب ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی……… PAGEREF _Toc408046435 h 161-3-3- روش‌های تحلیل و بهینه‌سازی………………………………………………. PAGEREF _Toc408046436 h 171-4-ساختار پایان نامه 19……………………………………..…………………..………فصل دوم: بررسی ساختار ومزایا ژنراتور روتور بیرونی…………………………………………. PAGEREF _Toc408046439 h 222-1- ساختار ژنراتور مغناطیس دائم روتور بیرونی………………………………………222-2- مزیتهای ژنراتور روتور بیرونی ……………………..……………………………25
2-2-1- افزایش سطح مفید روتور برای افزایش تعداد قطب ژنراتور26
2-2-2- کاهش طول کل مسیر مغناطیسی27
2-2-3- کاهش ناحیه انتهایی سیمپیچی استاتور28
2-2-4- ساخت و خنکسازی سادهتر آهنربا29
2-3- انواع مواد مصرفی ژنراتور آهنربای دائم روتور بیرونی30……………..…………………..فصل سوم: طراحی ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی PAGEREF _Toc408046440 h 333-1- طراحی بر اساس کاربرد ژنراتور سنکرون آهنربا دائم در توربین بادی PAGEREF _Toc408046441 h 333-1-1- تعیین تعداد قطب PAGEREF _Toc408046442 h 343-2- معادلات ابعاد اصلی ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم……………………………….. PAGEREF _Toc408046443 h 343-2-1- تعیین فاصله هوایی PAGEREF _Toc408046444 h 393-2-2- محاسبه‌ی ابعاد کلی شیار استاتور PAGEREF _Toc408046445 h 413-3- محاسبه‌ی پارامترهای الکتریکی…………………………………………………… PAGEREF _Toc408046446 h 443-3-1- نیرو محرکه‌ی القایی PAGEREF _Toc408046447 h 443-3-2- راکتانس سنکرون PAGEREF _Toc408046448 h 473-3-3- ولتاژ خروجی PAGEREF _Toc408046449 h 503-3-4- محاسبه‌ی بازده. PAGEREF _Toc408046450 h 513-3-5- محاسبه‌ی چگالی توان PAGEREF _Toc408046451 h 523-4- طراحی سیم‌پیچی………………………………………………………………. PAGEREF _Toc408046452 h 533-4-1- سیم‌پیچی متمرکز و توزیع شده PAGEREF _Toc408046453 h 533-4-2- سیم‌پیچی گام کامل و گام کسری PAGEREF _Toc408046454 h 553-4-3- تعداد لایه‌های سیم‌پیچی PAGEREF _Toc408046455 h 563-4-4- انتخاب و طراحی سیم‌پیچی PAGEREF _Toc408046456 h 583-5- انتخاب ترکیب مناسب تعداد قطب و شیار…………………………………………. PAGEREF _Toc408046457 h 593-6- روند طراحی ژنراتور‌های سنکرون آهنربای دائم……………………………………. PAGEREF _Toc408046458 h 63فصل چهارم: بهینه‌سازی طراحی با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc408046459 h 674-1- انواع روش‌های بهینه‌سازی………………………………………………………… PAGEREF _Toc408046460 h 674-1-1- الگوریتم‌های بهینه‌سازی قطعی و احتمالی PAGEREF _Toc408046461 h 684-1-2- الگوریتم‌های بهینه‌سازی مستقیم و غیر مستقیم PAGEREF _Toc408046462 h 684-1-3- الگوریتم‌های بهینه‌سازی هیوریستیک و متاهیوریستیک PAGEREF _Toc408046463 h 694-1-4- الگوریتم بهینه‌سازی با روش جست‌وجوی اتفاقی PAGEREF _Toc408046464 h 694-1-5- الگوریتم هوک و جیوز PAGEREF _Toc408046465 h 704-1-6- روش پاول PAGEREF _Toc408046466 h 714-1-7- الگوریتم ژنتیک (GA) PAGEREF _Toc408046467 h 724-1-8- سردسازی (تبرید) شبیه‌سازی شده (SA) PAGEREF _Toc408046468 h 734-1-9- الگوریتم بهینه‌سازی انبوه ذرات (PSO) PAGEREF _Toc408046469 h 734-2- مقایسه و انتخاب روش بهینه‌سازی مناسب………………………………………… PAGEREF _Toc408046470 h 744-2-1- مزایای الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش‌های بهینه‌سازی PAGEREF _Toc408046471 h 754-2-2- معایب الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش‌های بهینه‌سازی PAGEREF _Toc408046472 h 764-3- الگوریتم ژنتیک…………………………………………………………………. PAGEREF _Toc408046473 h 774-4- توابع هدف و پارامترهای بهینه‌سازی………………………………………………. PAGEREF _Toc408046474 h 784-5- بهینه‌سازی تک تابع هدفه (بازده)………………………………………………… PAGEREF _Toc408046475 h 874-6- بهینه‌سازی چند تابع هدفه (بازده و چگالی توان)……………………………………. PAGEREF _Toc408046476 h 90فصل پنجم: شبیه‌سازی ژنراتور بهینه و حصول ولتاژ975-1- معرفی روش اجزای محدود (FEM)………………………………………………985-1-1- مش‌بندی ماشین‌های آهنربای دائم1005-1-2- فرمول‌بندی مساله جهت حل مساله میدان1015-1-3- اعمال روابط به مش‌ها و حصول دستگاه معادلات1045-2- شرایط مرزی106……………………………………………………………………5-3- مدلسازی ژنراتور روتور بیرونی با استفاده از FEM …………………..……………1075-3-1- مرحله‌ی پیش پردازش1085-3-2- مرحله‌ی پردازش1115-3-3- مرحله‌ی پس از پردازش و حصول ولتاژ113فصل ششم: نتیجه‌گیری121…………………………………………………………..………6-1- نتیجه‌گیری122…………………………………………………………………….6-2- پیشنهادات برای ادامه کار124……………….…….…………………………………- مراجع………………………………………………………………..………… PAGEREF _Toc408046488 h 122فهرست شکل‌ها
TOC h z t “picture,1” شکل 1-1: منحنی توسعه انرژی الکتریکی حاصل از توربین‌های بادی جهان2شکل 1-2: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی قفس سنجابی4شکل 1-3: توربين بادي مجهز به ژنراتور القايي5شکل 1-4: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر در محدوده‌ی 10 درصد سرعت نامی ژنراتور5شکل 1-5: توربين بادي مجهز به ژنراتور القايي تغذيه دوبل 6
شکل 1-6: توربين بادي مجهز به ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده8
شکل 1-7: توربين بادي مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم9
شکل 1-8: ساختمان داخلی ماشین های شار محوری15شکل 1-9: : قسمتی از یک فاز ماشین با شار اریب15
شکل 1-10: ساختار ماشین با شار عرضی16
شکل 2-1: برش محوری ژنراتور22شکل 2-2: ساختار کلی یک ماشین روتور بیرونی23
شکل 2-3: نمایی از ماشین آهنربا دائم روتور بیرونی24
شکل 2-4: دید از بالای اجزا محوری ژنراتور25
شکل 2-5: دید از بالا ژنراتور26
شکل 2-6: برش عرضی ژنراتور روتور بیرونی مغناطیس دائم27
شکل 2-7: برشی از ژنراتور روتور بیرونی با ناحیه انتهایی سیم پیچی28
شکل 2-8: منحنی B-H در دماهای مختلف29
شکل 3-1: نمای خطی قسمتی از ژنراتور روتور بیرونی38
شکل 3-2: نمای دو بعدی ژنراتور روتور بیرونی و قطر خارجی روتور و استاتور40
شکل 3-3: ابعاد شیار در قطر داخلی استاتور41
شکل 3-4: انواع دندانه41
شکل 3-5: مورب‌سازی شیار استاتور در ماشین‌های آهنربای دائم47
شکل 3-6: نحوه مورب‌سازی آهنربا در ماشین‌های آهنربای دائم47
شکل 3-7: مدار معادل ژنراتور سنکرون تک‌فاز50
شکل 3-8: طول یک حلقه‌ی سیم‌پیچی متمرکز در ماشین51
شکل 3-9: سیم‌پیچی متمرکز و توزیع شده55
شکل 3-10: سیم‌پیچی گام کامل و گام کسری56
شکل 3-11: سیم‌پیچی تک‌لایه و دولایه57
شکل 3-12: الگوی سیمپیچی دولایه58
شکل 4-1: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان بر حسب بارپذیری مغناطیسی ویژه80
شکل 4-2: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان بر حسب قطر خارجی81
شکل 4-3: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان برحسب نسبت قطر داخلی به خارجی82
شکل 4-4: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان برحسب تعداد دور سیم‌پیچی84
شکل 4-5: منحنی بازده برحسب تعداد دور سیم‌پیچی و گام قطب85
شکل 4-6: منحنی بازده برحسب نسبت قطرو بارپذیری مغناطیسی ویژه 85
شکل 4-7: منحنی بازده برحسب

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *