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- ژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده5……………………………………………
1-1-1-3- ژنراتورهای القایی 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: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی5شکل 1-4: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر در محدوده‌ی 10 درصد سرعت نامی ژنراتور5شکل 1-5: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی تغذیه دوبل 6
شکل 1-6: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده8
شکل 1-7: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطیس 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 بارپذیری مغناطیسی ویژه و قطر خارجی85
شکل 4-8: منحنی بازده برحسب تعداد دور سیم‌پیچی و قطر خارجی86
شکل 4-9: مراحل بهینه‌سازی الگوریتم ژنتیک88
شکل 4-10: تغییرات تابع هدف درروند بهینه‌سازی بازده ژنراتور با 48 قطب و 72 شیار89
شکل 4-11: فضای جست‌وجو و مرز پارتو91
شکل 4-12: مرز پارتو برای بهینه‌سازی دو تابع هدفه (بازده و چگالی توان)92
شکل 4-13: بازده بهبود یافته برحسب نسبت ab94
شکل 4-14: چگالی توان بهبود یافته برحسب نسبت ab95
شکل 4-15: تغییرات تابع شایستگی در بهینه‌سازی بازده و چگالی توان 95
شکل 5-1: چند نمونه از مش‌بندی‌های رایج100
شکل 5-2: مش‌بندی یک ناحیه‌ی دلخواه از فضا104
شکل 5-3: نمای ساختار استاتور108
شکل 5-4: نمای شیارهای استاتور109
شکل 5-5: نمای هسته‌ی روتور و آهنربا‌های مربوط به آن109
شکل 5-6: نمای ژنراتور روتور بیرونی با 48 قطب و 72 شیار110
شکل 5-7: ژنراتور و مرزهای آن با محیط خارج111
شکل 5-8: مش‌بندی ساختار ژنراتور112
شکل 5-9: شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از ساختار ژنراتور113
شکل 5-10: توزیع چگالی شار مغناطیسی در هر نقطه از ساختار ژنراتور114
شکل 5-11: منحنی چگالی شار مغناطیسی فاصله‌هوایی در یک گام قطب114
شکل 5-12: جهت عبور شار در هر نقطه از ساختار ژنراتور از زوایای مختلف116
شکل 5-13: چگالی جریان درکویل‌ها 117
شکل 5-14: شار پیوندی مربوط به هر سه فاز در سرعت نامی118
شکل 5-15: EMF سه فاز در سرعت نامی118
شکل 5-16: EMF سه فاز در سرعت 90 دور در دقیقه119
شکل 5-17: جریان سه فاز متصل به بار 100 اهمی120
شکل 5-18: منحنی بازده بر حسب سرعت ژنراتور120

فهرست جداول
TOC \h \z \t “Table,1” جدول 1-1: مزایا و معایب انواع ژنراتورهای توربین بادی11
جدول 3-1: مقادیر Ki و Kp برای شکل موج‌های پرکاربرد36
جدول 3-2: مقایسه‌ی سیم‌پیچی تک لایه و دولایه57جدول 3-3: ترکیب‌های ممکن تعداد قطب و شیار با در نظر گرفتن ½¼<q<61
جدول 3-4: ضریب سیم‌پیچی (Kw1) برای تعداد قطب و شیار مختلف62
جدول 3-5: مقدار پارامتر CT برای تعداد قطب و شیار مختلف63
جدول 3-6: مشخصات ژنراتور روتور بیرونی آهنربای دائم64
جدول 3-7: جزئیات طراحی ژنراتور روتور بیرونی آهنربا دائم65
جدول 4-1: محدودیت‌ها و الزامات بهینه‌سازی طراحی86
جدول 4-2: تعداد 5 کروموزوم برتر معرفی شده در 5 مرتبه اجرای الگوریتم بهینه‌سازی بازده89
جدول 4-3: طراحی ژنراتور روتور بیرونی با 48 قطب و 72 شیار، پس از بهینه‌سازی بازده90
جدول 4-4: مقدار بازده و چگالی توان قبل و بعد از بهینه‌سازی93
جدول 4-5: کنترل مقدار بهبود بازده و چگالی توان با تغییر دادن مقدار ضرایب a و b94
جدول 4-6: طراحی ژنراتور روتور بیرونی بهینه شده با 48 قطب و 72 شیار پس از بهینه‌سازی بازده و چگالی توان96

فهرست علائم
تعداد فاز M بردار پتانسیل مغناطیسی Aسرعت نامی برحسب دور در دقیقه Ns بردار چگالی شار مغناطیسی Bتعداد قطب P تعداد کویل ncoil بردار چگالی جریان Jتعداد هادی هر شیار ncs بارپذیری الکتریکی ویژه A
تعداد دور سیم‌پیچی در یک فاز Nph سطح مقطع هادی در یک شیار ac
تعداد شیار ns سطح مقطع شیار as
تلفات جریان گردابی در هادی Pcu,eddy چگالی شار مغناطیسی B
توان کل Pt بارپذیری مغناطیسی ویژه Bg
تلفات کل مسی Pcu چگالی شار پسماند Br
چگالی توان Pdensity قطر داخلی روتور ماشین Di
تلفات کل آهن PFe قطر متوسط روتور Dm
تلفات جریان گردابی در هسته‌ها (آهن) PFe,eddy قطر خارجی ماشین Do
تلفات هیسترزیس Ph عمق دندانه ds
تلفات مکانیکی Pm قطر خارجی استاتور ماشین Ds
توان خروجی Pout نیرو محرکه‌ی القایی E
توان هارمونیک nام نیرو محرکه‌ی القایی En
تلفات اهمی PRI2 نیرو محرکه‌ی القایی یک کویل Ecoil
تعداد شیار یک فاز به ازای یک قطب Q مقدار ماکزیمم نیرو محرکه‌ی القایی Epk
مقاومت سیم‌پیچی‌های یک فاز Rphase تابع نسبت قطر F()
شعاع تقریبی کویل rs فرکانس الکتریکی F
دوره‌ی تناوب T فاصله هوایی G
ولتاژ V فاصله هوایی موثر geff
ضخامت آهنربا Lpm شدت میدان مغناطیسی H
مقدار ماکزیمم ولتاژ Vm جریان I
مقدار موثر ولتاژ Vrms مقدار ماکزیمم جریان Ipk
ضخامت سیم‌پیچی Wcu کل جریان داخل یک شیار Is
گام دندانه در شعاع داخلی Wti چگالی جریان Jw
گام دندانه در شعاع خارجی Wto ضریب تلفات جریان گردابی هسته‌ی روتور Kcr,eddy
راکتانس عکس‌العمل آرمیچر Xa ضریب تلفات هیسترزیس هسته‌ی روتور Kcr,h
راکتانس نشتی تفاضلی Xdiff ضریب تلفات جریان گردابی هسته‌ی استاتور Kcs,eddy
راکتانس نشتی پیشانی سیم‌پیچی Xend ضریب تلفات هیسترزیس هسته‌ی استاتور Kcs,h
کل راکتانس نشتی یک فاز Xl ضریب انباشتگی (پر شدگی) شیار Kcu
راکتانس نشتی شیار Xsl ضریب تلفات جریان گردابی هادی‌ها Kcu,eddy
راکتانس سنکرون Xsyn هارمونیک nام ضریب توزیع Kdn
نسبت قوس قطب به گام قطب αp ضریب نیرو محرکه‌ی القایی Ke
نسبت عرض دندانه به گام شیار αs ضریب تصحیح چگالی شار فاصله هوایی Kf
بازده Η ضریب شکل موج جریان Ki
گام شیار برحسب درجه‌ی الکتریکی ϴs ضریب شکل موج توان Kp
نسبت قطر داخلی به خارجی Λ هارمونیک nام ضریب گام Kpn
نفوذ پذیری مغناطیسی نسبی μr هارمونیک nام ضریب مورب‌سازی آهنربا Ksn
گشتاور Τ هارمونیک nام ضریب سیم‌پیچی Kwn
گام کویل در شعاع داخلی τci طول موثر سیم‌پیچی L
گام کویل در شعاع خارجی τco کل تعداد فاز M
گام قطب τp شار پیوندی Ψ
پتانسیل مغناطیسی اسکالر Ω فرکانس زاویه‌ای Ω
شار مغناطیسی یک قطب φpp ضخامت آهنربا Lpm
فهرست واژگان اختصاری
موتور سنکرون مغناطیس دائم Permanent Magnet Synchronous Motor PMSM
ژنراتور مغناطیس دائم روتور بیرونی Outer Rotor Permanent Magnet Generator ORPMG
ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم Permanent Magnet Synchronous Generator PMSG
گشتاور دندانه‌ای Cogging Torque CT
اتصال مستقیم Direct Drive DD
ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه Doubly Fed Induction Generator DFIG
نیرو محرکه‌ی القایی Electro Motive Force EMF
ژنراتور روتور بیرونی Outer Rotor Generator ORG
روش اجزای محدود Finite Element Method FEM
الگوریتم ژنتیک Genetic Algorithm GA
بزرگترین مقسوم‌علیه مشترک Greatest Common Devisor GCD
اتصال با جعبه‌دنده Geared Drive GD
توربین بادی با محور افقی Horizontal Axis Wind Turbine HAWT
کوچکترین مضرب مشترک Least Common Multiple LCM
مدار معادل مغناطیسی Magnetic Equivalent Circuit MEC
نیرو محرکه‌ی مغناطیسی Magneto motive Force MMF
بهینه‌
سازی انبوه ذرات Particle Swarm Optimization PSO
ماشین شار محور آهنربای دائم Axial Flux Permanent Magnet AFPM
ژنراتور القایی قفس سنجابی Squirrel Cage Induction Generator SCIG
ژنراتور سنکرون Synchronous Generator SG
ماشین شار عرضی با آهنربای دائم Transversal Flux Permanent Magnet TFPM
توربین بادی با محور عمودی Vertical Axis Wind Turbine VAWT
ژنراتور القایی با روتور سیم‌پیچی شده Wound Rotor Induction Generator WRIG
-303538-688769020000
فصل اول
مقدمه
فصل اول: مقدمهامروزه با افزایش روز افزون تقاضای انرژی برق و کاهش همزمان منابع انرژی فسیلی و نیز نگرانی از آلودگی زیست محیطی ناشی از آنها، کارشناسان در پی یافتن روش‌های تولید انرژی الکتریکی از منابع انرژی تجدیدپذیر برآمدند. انرژی خورشیدی، انرژی باد و انرژی موج دریا و… از این دسته می‌باشند. انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی‌های نو، ارزان‌تر و قابل اعتمادتر بوده و تقریبا در تمامی مکان‌ها قابل دسترسی است. لذا در طی سال‌های اخیر نصب توربین‌های بادی به عنوان یکی از موثرترین روش‌های تولید برق، هر روز گسترده‌تر و فراگیرتر می‌شود. بطوری‌که طبق آمار انجمن انرژی بادی جهان (WWEA) در سال 2014 میلادی نزدیک به GW500 انرژی الکتریکی جهان از طریق توربین‌های بادی نصب شده در 98 کشور دنیا تامین می‌شود که در حدود 7% کل انرژی الکتریکی تولیدی می‌باشد. شکل 1-1 منحنی پیشرفت تولید انرژی برق به وسیله‌ی توربین‌های بادی در طی سال‌های 1997 تا 2014 و نیز پیش‌بینی این روند تا سال 2020 میلادی را بر حسب مگاوات نمایش می‌دهد.

شکل 1-1: منحنی توسعه انرژی الکتریکی حاصل از توربین‌های بادی جهان
صنایع مربوط به توربین‌های بادی به سرعت در حال پیشرفت و تحول می‌باشند. تنوع و گستردگی این توربین‌ها آنها را در طبقه‌بندی‌های مختلفی جای می‌دهد که در تمامی این انواع طبقه‌بندی، ژنراتور به عنوان قلب توربین، اساسیترین بخش است. در ادامه به بررسی انواع توربین‌های بادی و تنوع ژنراتورهای استفاده شده در هر دسته پرداخته می‌شود.
انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنهاتکنولوژی‌های استفاده از باد برای تولید انرژی الکتریکی و توربین‌های بادی مدرن امروزی از سال 1970 میلادی شروع به توسعه کرده‌اند و سرعت پیشرفت آنها از سال 1990 میلادی تاکنون بیش از پیش بوده است. با پیشرفتهای چشمگیری که در عرصه سوئیچهای الکترونیک قدرت در سالهای پایانی قرن گذشته اتفاق افتاد و با توجه به پایین بودن راندمان توربین های بادی با ساختار سرعت ثابت، ساختار سرعت متغیر معرفی گردید. طی دهه ی اول قرن بیست و یکم، این ساختار محبوبترین ساختار بین تولیدکنندگان توربینهای بادی بود. امروزه بیشتر توربین های نصب شده در سطح جهان از این نوع هستند. این ساختار به دلیل آنکه سرعت آن به خوبی قابل کنترل بوده و به همین دلیل راندمان آن بسیار بالاتر از انواع پیشین است، هنوز هم مورد استقبال قرار میگیرد.
با توجه به حضور یا عدم حضور جعبه‌دنده می‌توان توربین‌ها را در دو دسته‌ی بدون جعبه‌دنده (DD) و یا دارای جعبه‌دنده (GD) طبقه‌بندی نمود. طبقه بندی‌های دقیق‌تر آنها را در سه دسته‌ی زیر جای می‌دهند:
توربین‌های با جعبه‌دنده چند پله یا توربین‌های سرعت بالا
توربین‌های با جعبه‌دنده تک پله یا توربین‌های سرعت متوسط
توربین‌های بدون جعبه‌دنده یا توربین‌های سرعت پایین
انواع مختلفی از ژنراتورهایی که در این نوع توربینها مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از:
ژنراتور القایی
ژنراتورهای القایی قفس سنجابی
این ماشین در ردیف ژنراتورهای القایی سرعت ثابت قرار میگیرد. امروزه پرکاربردترین ماشین در توربین های بادی ماشینهای القایی است[1]. یکی از مهمترین مباحث تحقیقاتی در زمینه توربین بادی مجهز به ماشین های القایی ، کنترل سرعت ماشین القایی میباشد. امکان کنترل سرعت در این نوع ژنراتور وجود ندارد و تغییرات سرعت از بی باری تا بار کامل حداکثر بین 2 تا 4 در صد میباشد. به این دلیل عموماً به این نوع ماشین لفظ ژنراتور سرعت ثابت اطلاق میگردد. این ژنراتورها حداکثر تا قدرت 750 کیلو وات مورد بهره برداری قرار میگیرند. از آنجایی که امکان تغییر سرعت در این ژنراتورها وجود ندارد، لذا امکان ماکزیمم کردن توان قابل استحصال از باد نیز وجود نخواهد داشت. تنها روشی که می توان بر اساس آن سرعت این نوع ماشین ها را تغییر داد، استفاده از ماشین های 4 قطب و 6 قطب است زیرا استفاده از دو قطب این امکان را فراهم میکند که ماشین بتواند در فرکانس 50 هرتز در سرعتهای 1000 و 1500 دور بر دقیقه کار کند.

شکل 1-2: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی قفس سنجابیژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده
1042832541020در شکل 1-3، شماتیک یک توربین مجهز به ژنراتور روتور سیم بندی شده را نشان میدهد.
شکل1-3: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی[2]
با توجه به اینکه در ژنراتورهای روتور سیم بندی شده امکان تغییر مقاومت روتور وجود دارد، می توان تغییر سرعت محدودی را برای این نوع ماشین متصور بود. این موضوع در شکل 1-4 نشان داده شده است.

شکل1-4: کنترل سرعت توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده[2]
در ژنراتور القایی روتور سیمبندی شده با امکان تغییر سرعت محدود، میتوان علاوه بر استحصال بیشتر انرژی از باد ، تنش های وارد بر توربین را نیز کاهش داد. در این ژنراتور ها یک بانک مقاومتی متغیر سه فاز که از طریق حلقه های لغزان به سیم پیچ های روتور وصل شده و وظیفه تغییر سرعت ماشین را بر عهده دارد. در این نوع ماشین ها امکان تغییر سرعت بین 5 تا 10 درصد سرعت سنکرون وجود دارد[3].
ژنراتور های القایی با تغذیه دوگانه
در ژنراتورهای القایی با مقاومت متغیر روتور، می توان سرعت را تا 10 درصد افزایش داد ولی با اینکار راندمان ماشین کاهش مییابد. چون با افزایش مقاومت روتور انرژی بیشتری در روتور بصورت گرما تلف میشود. ولی اگر بتوان به نحوی انرژی ارسال شده به سیم پیچ های روتور را به منبع بازگرداند، میتوان سرعت ماشین را به نحوی کنترل کرد که راندمان ماشین کاهش نیابد. شکل 1-3 شماتیک ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل که خاصیت فوق را دارند، نشان میدهند[3].

شکل 1-5: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی تغذیه دوبل[2]
در یک ماشین القایی تغذیه دوگانه (DFIG) انرژی ورودی به روتور با استفاده از مبدل های الکترونیک قدرت به سیستم قدرت برگردانده میشود. این مبدل از دو مدار پل IGBT تمام کنترل شده تشکیل گردیده است. اینورتور سمت شبکه که به شبکه متصل میشود. این دو اینورتور ماشین را قادر میسازد که بتواند توان را از سمت روتور جذب یا به شبکه تحویل دهد. این ماشینها عموماً به عنوان ژنراتور در توربین های بادی بزرگ استفاده میگردند و این قابلیت را دارند که قابلیت کنترل سرعت توربین را تا 30 درصد افزایش دهند. می توان نشان داد که جهت داشتن قابلیت 30 درصد تغییر در سرعت ژنراتور، نیاز است که قدرت مبدل در حدود 30 درصد قدرت نامی ماشین باشد. این ماشین قابلیت های بسیار بهتری نسبت به دیگر انواع ژنراتورهای القایی دارد ولی در عوض قیمت آن بسیار بالاتر است[2].
توربین های بادی مجهز به ژنراتور سنکرون
ژنراتور این توربینها از طریق یک مبدل که از دو طبقه PWM یکسوکنندهگی و اینورتری تشکیل شدهاند، به شبکه وصل میگردند. مبدل سمت استاتور وظیفه تنظیم گشتاور الکتریکی و مبدل سمت شبکه وظیفه تنظیم توان اکتیو و راکتیو شبکه را بر عهده دارد. مزایای این سیستمها عبارتند از:
الف- این سیستم ها نیاز به تامین توان راکتیو از سمت شبکه ندارند، بنابراین تمام جریان استاتور صرف تامین گشتاور الکترومغناطیسی میگردد.
ب- امکان کنترل مستقیم ضریب توان وجود دارد.
ج- با افزایش تعداد قطبها و درنتیجه کاهش سرعت سنکرون حذف گیربکس امکان پذیر است .
از عیوب توربینهای بادی مجهز به ژنراتورهای سنکرون نیز میتوان به نیاز به مبدلی با قدرت تقریبی2/1 برابر (به جهت قابلیت اطمینان) قدرت توربین اشاره کرد [4].
روتور این ماشینها بر دو نوع است:
الف) روتور قطب برجسته: عمدتا در ماشین هایی بکار میرود که سرعت سنکرون آن ها کم است.
ب) روتور استوانهایی: بیشتر در ماشینهایی بکار میرود که سرعت سنکرون آن ها زیاد است.
در نیروگاههای بخاری از ژنراتور با روتور استوانهایی و در نیروگاههای بادی از روتور قطب بر جسته استفاده میشود.
انواع ژنراتور سنکرون بر اساس نوع تحریک روتور:
ژنراتور سنکرون با تحریک کلاسیک ((SG
این نوع از ژنراتورهای سنکرون روتور سیمپیچی شده (WRSG) هستند و از طریق حلقههای لغزان و جاروبک، سیم پیچیهای روتور با ولتاژ DC تغذیه می شوند و به سیستم تحریک نیاز دارد. به همین دلیل یک یکسوساز اضافی برای تامین این توان مورد نیاز خواهد بود که با استفاده از سیستم تنظیم ولتاژ (AVR) کنترل میشود.
شکل1-6: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده[2]
از معایب این ژنراتور می توان به وجود حلقههای لغزان برای تحریک روتور اشاره کرد که باعث تلفات و کاهش بازده و هزینهای برای نگهداری میگردد. همچنین سیم پیچی روتور سبب افزایش چشمگیر حجم و وزن ژنراتور خواهد شد، که این امر یکی از بزرگترین نکات منفی این نوع ژنراتور است، زیرا جابجایی و نصب ژنراتور بسیار مشکلتر میشود.
ژنراتور سنکرون با مغناطیس دائم
در این نوع از ژنراتورها به جای استفاده از مدار روتور برای تولید میدان مغناطیسی تحریک، از آهنرباهای دائم استفاده میشود. به این ترتیب مدار تغذیه ی مدار روتور حذف خواهد شد و در کنار آن دیگر نیازی به حلقه های لغزان نیز وجود ندارد.
طی چند سال اخیر و با کاهش قیمت آهنرباهای دائم (بخصوص NdFeB) توربین سازهای مختلف به شدت به سمت این ساختار جذب شدهاند. از جمله مزایای این سیستم را می توان اینگونه توصیف نمود، سرعت این سیستم کاملا قابل کنترل است که در نتیجهی آن راندمان بسیار بالا به همراه امکان تثبیت ولتاژ و فرکانس شبکه بوجود آمده است. بدلیل حذف گیربکس از ساختار این نوع توربین بادی هزینه نگهداری آن نیز به شدت پایین آمده و تلفات آن نیز کاهش یافته است.

شکل1-7: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم[2]خلاصه معایب و مزایای انواع ساختارهای توربینهای بادی
با توجه به طبقه‌بندی‌های ذکر شده برای توربین بادی می‌توان ژنراتورهای استفاده شده در آنها را در دو دسته‌ی کلی ژنراتورهای آسنکرون (القایی) و سنکرون جای داد. ژنراتورهای القایی قفس سنجابی و روتور سیم‌پیچی شده (با تغذیه دوگانه و یا دارای مقاومت متغیر در روتور) هر دو به وفور در توربین‌های بادی سنتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ژنراتور القایی دارای چندین مزیت است که مهمترین آنها استحکام و سادگی مکانیکی می‌باشد. علاوه بر این اگر ژنراتور القایی در اندازه‌های بزرگ و قدرت‌های بالا ساخته شود، قیمت آن نیز بسیار مقرون به صرفه خواهد بود. عیب اصلی ژنراتور القایی این است که نیاز به یک جریان مغناطیس‌کننده‌ی پسیو دارد. ژنراتور القایی دارای آهنربای دائم نمی‌باشد و به طور جداگانه تحریک می‌شود. به همین دلیل باید جریان تحریک‌کننده را از منبع دیگری دریافت کند و توان راکتیو مصرف می‌کند. ژنراتورهای سنکرون گرانتر و از نظر مکانیکی پیچیده‌تر از یک ژنراتور القایی هم‌اندازه می‌باشند. با این حال یک مزیت بدیهی ژنراتورهای سنکرون در مقایسه با ژنراتورهای آسنکرون عدم نیاز به جریان مغناطیس‌کنندگی است. میدان مغناطیسی در ژنراتور سنکرون می‌تواند با استفاده از آهنربای دائم یا یک سیم‌پیچی میدان (WRSG) ایجاد شود. در صورتی که تعداد قطب‌های ژنراتور سنکرون مناسب باشد، این ژنراتور را می‌توان در کاربردهای درایو مستقیم و بدون استفاده از جعبه‌دنده به کار برد. جدول 1-1 به طور خلاصه مزایا و معایب هریک از انواع ژنراتورهای مورد استفاده در نیروگاه‌های بادی را بیان می‌کند.
با توجه به جدول 1-1 و مزایای قابل توجه ژنراتور سنکرون آهنربای دائم در مقایسه با سایر انواع ژنراتورهای توربین بادی، با پیشرفت تکنولوژی ساخت آهنربای دائم و به موازات آن کاهش هزینه‌ها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. مسیر حرکت شار، القا و تولید ولتاژ در ژنراتورهای سنکرون با تحریک آهنربای دائم متفاوت است و آنها را در سه دسته‌ی شار محوری (AFPM)، شار شعاعی (RFPM) و شار عرضی (TFPM) جای می‌دهد. مسیر عبور شار و تولید ولتاژ القایی در ژنراتور شار شعاعی آهنربای دائم، مشابه ژنراتورهای دارای سیم‌پیچی روتور سنتی بوده با این تفاوت که سیم‌پیچی روتور حذف شده و این شار توسط آهنربای دائم تولید می‌شود. ژنراتور سنکرون روتور سنتی به دلیل سیم‌پیچی روی روتور سبب افزایش بسیار زیاد حجم و وزن ژنراتور شده و لذا در توربین‌های بادی درایو مستقیم کمتر استفاده می‌شوند. در فصل بعد به مقایسه‌ی دقیق‌تری از ماشین‌های شار شعاعی آهنربای دائم پرداخته می‌شود.
جدول 1-1: مزایا و معایب انواع ژنراتورهای توربین بادی
ژنراتور مزایا معایب
القایی قفس سنجابی ساختمان ساده
استحکام مکانیکی
هزینه‌ی کم به ویژه در توان‌های بالا
تلفات کم روتور
عدم نیاز به حلقه‌های لغزان
کاهش پالس گشتاور در توربین
اتصال مستقیم به شبکه (کاهش هزینه‌ها) سرعت ثابت
نیاز به شبکه‌ی قدرت مستحکم و قابل اطمینان
نیاز به جعبه‌دنده
ضریب توان کم به ویژه در بار کامل
نیاز به جبران کننده‌ی توان راکتیو وسیستم راه‌انداز
امکان ناپایدارسازی ولتاژ شبکه
القایی روتور سیم‌پیچی شده با مقاومت متغیر سرعت متغیر
نسبت به سایر توربین‌های سرعت متغیر ارزانتر است.
راندمان بالاتر از ژنراتور القایی قفس سنجابی
در بازه‌ی تغییرات 0 تا 10 درصد سرعت سنکرون، توان ماکزیمم قابل حصول است.
حدف اضافه بار در تندبادها
گران‌‌تر از ژنراتورهای القایی قفس سنجابی
کاهش استحکام مکانیکی در مقایسه با ژنراتور القایی قفس سنجابی
بازه‌ی تغییرات سرعت محدود بوده و به اندازه‌ی مقاومت متغیر بستگی دارد.
کنترل ضعیف توان اکتیو و راکتیو
از دست دادن توان به شکل تلفات مقاومتی
القایی تغذیه دوگانه محدوده‌ی تغییرات سرعت وسیع (30% سرعت سنکرون)
توانایی تولید توان راکتیو مورد نیاز استاتور و کنترل توان راکتیو
کاهش قابل توجه در هزینه‌ی مبدل قدرت
فرسایش، خرابی و نگهداری مربوط به جاروبک و حلقه‌ی لغزان
سیستم کنترل پیچیده‌ی مربوط به کل واحد
مشکلات مرتبط با اتصال مستقیم به شبکه
نیاز به جعبه‌دنده
نیاز به حفاظت شدید در مقابل خطای شبکه
نیاز به مبدل قدرت
سنکرون روتور سیم‌پیچی قابلیت عملکرد بدون جعبه‌دنده
کنترل ساده‌ی توان راکتیو
عملکرد در محدوده‌ی وسیعی از سرعت باد
راندمان بالا
نیاز به مبدل قدرت با توانی مشابه توان ژنراتور
نیاز به سیستم تحرک
حجم و وزن زیاد
مشکلات ساخت، حمل و نقل
سنکرون با آهنربای دائم بدون جعبه‌دنده
قابلیت عملکرد در محدوده‌ی بسیار وسیعی از سرعت
فاقد حلقه‌ی لغزان، جاروبک و سیم‌پیچی روتور و مشکلات ناشی از آنها
راندمان بالا
هزینه‌ی بالای مربوط به آهنربای دائم
احتمال غیرمغناطیس شدن آهنربای دائم (در اثر حرارت، ضربه و…)
ساخت در توان‌های بالا به مراتب مشکل‌تر است.
نیاز به مبدل قدرت
تاریخچه‌ی ماشین‌های آهنربای دائم روتور بیرونیتاریخچه‌ی ماشین‌های الکتریکی نشان می‌دهد که ماشین‌های الکتریکی اولیه از نوع شار محوری بوده‌اند که توسط فارادی در سال 1831 میلادی طراحی و ساخته شدند. سپس در سال 1832 میلادی شخصی به نام ریچی و به دنبال آن در سال 1834 میلادی، ژاکوبی آن را تکمیل کردند. سپس داونپورت اولین ساختار ماشین‌های شار شعاعی را در سال 1837 میلادی اختراع کرد. بلافاصله پس از آن ساختار شار شعاعی به طور گسترده‌ای به عنوان ساختار اصلی و پایه ماشین‌های الکتریکی مورد قبول واقع شد. مهم‌ترین دلیل عدم محبوبیت ساختار شار محوری، مشکلات ساخت آن از قبیل ایجاد شیار و ساخت آهنربا، هزینه‌ی بالای ساخت، مشکل یکنواخت نگه‌داشتن فاصله هوایی و در دسترس نبودن آهنربای قوی ذکر می‌شود [1]. در اواسط قرن بیستم با ورود آهنربای آلینکو و به دنبال آن آهنربای فریت و به ویژه ظهور آهنربای خاک کمیاب نئودیوم-آهن-بور (NdFeB) در سال 1983 میلادی و نیز توسعه‌ی درایوهای الکترونیک قدرت، ماشین‌های مغناطیس دائم دوباره مورد توجه محققین قرار گرفتند و تحقیقات گسترده‌ای در دهه‌های اخیر در خصوص این ماشین‌ها و بهبود عملکردشان آغاز شد که تا امروز ادامه دارد.
ایده قرار دادن روتور در بیرون ماشینهای آهنربای دائم در اواخر دهه 1990 میلادی ارائه گردید. در این دهه بیشتر توجه طراحان ژنراتورهای بادی بر روی حذف گیربکس از توربینها معطوف بود. با توجه به مزیتهای ماشینهای سنکرون آهنربای دائم معمول و کاربرد آن در توربینهای بادی با توان پایین به خصوص برای مناطق دور دست، محققان را برآن داشت تا برای کامل کردن این ایده گامهای بعدی را بردارند. در ادامه به مرور تحقیقات انجام شده در زمینه‌ی ژنراتورهای آهنربای دائم روتور بیرونی پرداخته می‌شود.
1-3-1- مقایسه انواع ماشین‌های آهنربای دائمبا تمام پیشرفت هایی که در زمینه آهنربا به وجود آمده است، اما این نوع از توربینها همچنان گرانتر از دیگر انواع توربینها هستند. سیستم کنترلی آنها نسبتا پیچیده است اما در مقایسه با توربینهای DFIG چندان پیچیدگی خاصی ندارد. از معایب دیگر این سیستم ها می توان به عدم امکان تنظیم ضریب قدرت آنها اشاره کرد[6]
ژنراتورهای مغناطیس را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
–         ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم با شار شعاعیRFPMSG
این ژنراتورها از معمولترین نوع ژنراتور های آهنربای دائم میباشند، که بیشتر برای توربینهای با توان پایین کاربرد وسیعی دارند. میتوان ژنراتورهای مغناطیس دائم شعاعی را به دو دسته روتور بیرونی و روتور درونی تقسیم کرد. مدل روتور درونی آن تاکنون رایجتر بوده اما به دلایل مختلفی که در فصل بعد به آن اشاره میشود توجه زیادی روی نوع روتور بیرونی قرار گرفته و در آینده با توجه به نتایج بدست آمده و ساختار ساده آن، بیش از پیش مورد توجه قرار خواهد گرفت. در فصل های بعد به بررسی هرچه بیشتر ژنراتورهای مغناطیس دائم روتور بیرونی می پردازیم.
تفاوت این ژنراتورها و ژنراتورهای سنکرون معمولی در تحریک این سیستمها میباشد که به جای استفاده از جریان DC جهت تامین شار گردان، از آهنربای دائم استفاده میکند. پیشرفت تکنولوژی آهنرباهای ساخته شده برای تامین چگالی شار بالاتر، میتواند جذابیت این ژنراتورها را در مقایسه با دیگر ژنراتورهای سنکرون به همراه داشته باشد.
–         ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری AFPMSG
در سال1821 فارادی نخستین موتور دیسکی را اختراع کرد که اصول عملکرد آن شبیه موتور شار محور بود. ماشین های شار محور اولیه با مشکلاتی از قبیل جریان مغناطیسی بالا بدلیل فاصله هوایی بزرگ (با توجه به دیسکی بودن روتور) مواجه بودند اما باپیشرفت تکنولوژی ساخت، این مشکل برطرف شد.
در این نوع ژنراتورها راستای شار موازی محور چرخشی ماشین می باشد. این موتورها در مرحله تحقیق دانشگاهی قرار دارند و بصورت تجاری در کاربردهایی نظیر سروموتور ها و دیسک کامپیوترها بکار رفتهاند. در مواردی نیز به عنوان ژنراتور توربین بادی بصورت اتصال مستقیم به توربین نیز بکار رفتهاند. این دسته از ماشینها انواع مختلفی با توجه به تعداد لایههای استاتور و روتور دارند. نحوه قرار گرفتن آهنربای دائم در یکی از مرسومترین نوع این ژنراتور ها در شکل 1-8 نشان داده شده است.

شکل 1-8 : ساختمان داخلی ماشین های شار محوری-         ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم با شار عرضی TFPMSG
این نوع از ژنراتورها بطور ذاتی تک فازند و بصورت سه فاز نیز ساخته میشوند. این ژنراتورها در حال تحقیق و توسعه بوده و هماکنون با ساختارهای متفاوتی پیشنهاد شدهاند که توانهای بالاتر از 10KW از این نوع ژنراتورها، به ندرت ساخته شده است.

شکل 1-9 : قسمتی از ماشین شار عرضی

شکل1-10 : ساختار ماشین با شار عرضی [4]
استفاده از ژنراتورهای شار عرضی به دلیل این که در مقالات چگالی نیروی بالایی برای آنها ادعا شده، مورد توجه قرار گرفته است. مزیت این نوع ژنراتورها می توان به شکل هندسی بسیار ساده سیم پیچی استاتور و امکان بکارگیری ولتاژهای بالاتر اشاره کرد. همچنین در این نوع ژنراتورها با استاتور داخلی در توربین های بادی، نیازی به استفاده از جعبه دنده برای افزایش سرعت وجود ندارد.
از معایب این نوع از ژنراتورها می توان به ضریب قدرت کم، مشکلات مکانیکی و نویز اشاره کرد.
1-3-2- بررسی عوامل انتخاب ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونیحال پس از اثبات این که ژنراتورهای مغناطیس دائم بهترین گزینه برای توربین های بادی با توان پایین برای کاربرد در مناطق دوردست می باشند، با تحلیل جامعی از این نوع ژنراتورها باید در نظر گرفته شود که مهمترین عامل برای به کارگیری این نوع ژنراتورها برای مناطق دور دست، هزینه تعمیر و نگهداری پایین آنها میباشد. لازم به ذکر است که یکی از پر هزینهترین بخش در توربینهای بادی، وجود گیربکس برای بالا بردن سرعت انتقالی باد به ژنراتور میباشد. همچنین این قطعهی کاملا مکانیکی، دارای استهلاک زیاد و مشکلات نگهداری است. پس بهترین گزینه حذف گیربکس پیشنهاد میگردد. برای این امر لازم است سرعت نامی ژنراتور بکارگرفته شده در توربین بادی تا سطح سرعت باد، پایین آورده شود. حال آنکه شرط لازم برای پایین آوردن سرعت نامی ژنراتور افزایش تعداد قطب ماشین درنتیجه بالا رفتن قطر ماشین را درپی دارد. افزایش قطر ژنراتور برای توربینهای بادی خود مشکلات زیادی را بهمراه دارد. اکنون این گزینه مطرح میگردد که با قطر ثابت سطح مفید برای بالا بردن تعداد قطب را افزایش دهیم. همین عامل باعث انتخاب ژنراتور مغناطیس دائم با ساختار روتور بیرونی گردید.
1-3-3- روش‌های تحلیل و بهینه‌سازیدر این بخش، بعضی از مهم‌ترین مقالاتی که بر روش‌های تحلیل و بهینه‌سازی ماشین‌های آهنربای دائم تاثیرگذار بودند مرور می‌شوند. در کل سه روش برای تحلیل ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم (PMSM) استفاده می‌شوند که عبارتند از: روش‌های آنالیز تحلیلی، روش اجزای محدود (FEM) دو بعدی یا سه بعدی (2D FEM/3D FEM) و نیز مدار معادل مغناطیسی (MEC).
روش‌ آنالیز تحلیلی به منظور محاسبه‌ی دقیق شار زیر هر قطب و نیز نیرو محرکه‌ی الکتریکی (EMF)، با در نظر گرفتن مولفه‌های شعاعی و مماسی چگالی شار، در سال 1974 توسط کمپل معرفی شدند [2]. این مقاله به بیان دو نکته‌ی اساسی پرداخت که در مسیر طراحی و بهینه‌سازی ماشین‌ها نقش اساسی داشت. اول اینکه اهمیت پارامتر ضریب گام قطب (نسبت قوس قطب به گام قطب) در عملکرد ماشین را پررنگ کرد و دوم اینکه نشان داد نسبت قطر داخلی به قطر خارجی ماشین یک پارامتر بحرانی بوده و می‌توان به راحتی مقدار بهینه‌ای برای آن در نظر گرفت. به طوریکه نشان می‌داد برای حصول توان حداکثر، 1/3 بهترین مقدار برای این پارامتر است. مولفین این مقاله موفق شدند در سال 1974 روش‌های عددی محاسبه‌ی نیرو محرکه‌ی مغناطیسی را به صورت سه بعدی بیان کنند [4] و نیز در سال 1981 روند طراحی و الگوریتم بهینه‌سازی موتورهای سنکرون آهنربای دائم را به طور کامل معرفی کردند [5]. روش تحلیل اجزای محدود سه بعدی از سال 1983 مورد توجه بیشتر قرار گرفت [28] و گام‌های اولیه که به نرم‌افزارهای موجود امروزه در بازار منتهی می‌شدند در همان سال‌ها طی شد.
پس از هموار شدن مسیر طراحی بهینه ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم، به تدریج راه‌حل‌هایی برای مشکلات مربوط به این ماشین‌ها پیشنهاد شد. از اولین مسائلی که مورد بحث قرار گرفت مشکل گشتاور دندانه‌ای بود. در سال 1986 استفاده از معادلات پواسون برای به حداقل رساندن گشتاور دندانه‌ای پیشنهاد شد [8]. مورب سازی آهنربا از اولین راه‌حل‌هایی بود که به طور جدی به آن پرداخته شد، به طوریکه امروزه نیز یافتن زاویه‌ی مورب‌سازی بهینه برای آهنربا مورد تحقیق و بررسی می‌باشد. در سال 2000 میلادی عوامل موثر بر گشتاور دندانه‌ای به ترتیب: عرض دهانه‌ی شیار، ترکیب تعداد قطب و شیار، زاویه مورب‌سازی آهنربا و نیز قوس قطب معرفی شدند [30]. در این مقاله پس از معرفی عوامل تاثیر گذار بر گشتاور دندانه‌ای، روش‌های کاهش آن مورد بررسی قرار گرفتند. روشی برای انتخاب تعداد قطب وشیار مناسب معرفی شد. رابطه‌ای برای محاسبه‌ی بهترین قوس قطب ارائه شد و نیز زاویه مورب سازی بهینه محاسبه گردید. در سال 2008 میلادی، روبل و ملور تاثیر نسبت تعداد قطب به تعداد شیار بر گشتاور دندانه‌ای را به طور مو شکافانه‌‌تری بررسی کردند و آن را با نتایج تجربی مقایسه نمودند [29].
ساختار پایان نامه
در فصل اول توربین‌های بادی بسته به انواع ژنراتورهای استفاده شده در آنها تقسیم‌بندی شده و مزایا و معایب هر دسته بیان شد. سپس به معرفی دقیق‌تر ژنراتورهای سنکرون با آهنربای دائم مورد استفاده در توربین‌های بادی پرداخته شده و تاریخچه و تحقیقات انجام شده در زمینهی این دسته از ژنراتورها بیان گردید.
فصل دوم به بررسی ساختار و شرح کامل عوامل انتخاب ژنراتور روتور بیرونی آهنربای دائم می‌پردازد. سپس با مقایسه‌ی این ساختارها، ژنراتور مناسب برای کاربرد توربین بادی با اتصال مستقیم انتخاب می‌شود.
فصل سوم روابط حاکم بر روند طراحی ماشین‌های سنکرون مغناطیس دائم و محاسبات ابعاد آنها را بیان می‌کند. همچنین به محاسبه‌ی پارامترهای مهمی همچون بازده، چگالی توان و ولتاژ خروجی ژنراتور پرداخته می‌شود. پیش از پرداختن به طراحی ژنراتور، طراحی سیم‌پیچی و روند انتخاب تعداد قطب و شیار بیان شده و در نهایت نتیجه‌ی طراحی اولیه‌ی ژنراتور با ساختار روتور بیرونی 48 قطب و 72 شیار ارائه می‌گردد.
فصل چهارم به بهینه‌سازی طراحی اختصاص داده شده است. در این فصل پس از معرفی مختصر روش‌های بهینه‌سازی پرکاربردتر در مباحث طراحی ماشین‌های الکتریکی، روش الگوریتم ژنتیک انتخاب می‌شود. بهینه‌سازی ابتدا با هدف بهبود بازده و در مرحله‌ی بعد با هدف بهبود همزمان بازده و چگالی توان انجام می‌شود.


طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربین¬های بادی پایان نامه ها
قیمت: 11200 تومان

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

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