روتور، ژنراتور، این، ماشین، چگالی، شیار

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

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 *