پایان نامه دوره‌ی کارشناسی ارشد مهندسی برق-قدرت

 

طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربین­های بادی

 

استاد راهنما:

دکتر محمد اردبیلی

 

 

 

 

بهمن 1393

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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

 

فصل اول: مقدمه.. 2

1-1-انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها   3

1-1-1-ژنراتور القایی………………………….……………………………………….. 3

1-1-1-1- 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…………………………….. 4

1-3-تاریخچه‌ ماشین‌های آهنربای دائم روتور بیرونی…………………..…………………12

1-3-1- مقایسه انواع ماشین‌های آهنربای دائم………………………………………..13

1-3-2- بررسی عوامل انتخاب ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی………16

1-3-3- روش‌های تحلیل و بهینه‌سازی……………………………………………….17

1-4-ساختار پایان نامه 19……………………………………..…………………..………

فصل دوم: بررسی ساختار ومزایا ژنراتور روتور بیرونی………………………………………….22

2-1- ساختار ژنراتور مغناطیس دائم روتور بیرونی………………………………………    22

2-2- مزیت­های ژنراتور روتور بیرونی ……………………..……………………………    25

2-2-1- افزایش سطح مفید روتور برای افزایش تعداد قطب ژنراتور   26

2-2-2- کاهش طول کل مسیر مغناطیسی.. 27

2-2-3- کاهش ناحیه انتهایی سیم­پیچی استاتور.. 28

2-2-4- ساخت و خنک­سازی ساده­تر آهنربا.. 29

2-3- انواع مواد مصرفی ژنراتور آهنربای دائم روتور بیرونی30……………..…………………..

فصل سوم: طراحی ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی.. 33

3-1- طراحی بر اساس کاربرد ژنراتور سنکرون آهنربا دائم در توربین بادی   33

3-1-1- تعیین تعداد قطب.. 34

3-2- معادلات ابعاد اصلی ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم………………………………..34

3-2-1- تعیین فاصله هوایی.. 39

3-2-2- محاسبه‌ی ابعاد کلی شیار استاتور.. 41

3-3- محاسبه‌ی پارامترهای الکتریکی……………………………………………………44

3-3-1- نیرو محرکه‌ی القایی.. 44

3-3-2- راکتانس سنکرون.. 47

3-3-3- ولتاژ خروجی.. 50

3-3-4- محاسبه‌ی بازده.. .51

3-3-5- محاسبه‌ی چگالی توان.. 52

3-4- طراحی سیم‌پیچی………………………………………………………………. 53

3-4-1- سیم‌پیچی متمرکز و توزیع شده.. 53

3-4-2- سیم‌پیچی گام کامل و گام کسری.. 55

3-4-3- تعداد لایه‌های سیم‌پیچی.. 56

3-4-4- انتخاب و طراحی سیم‌پیچی.. 58

3-5- انتخاب ترکیب مناسب تعداد قطب و شیار…………………………………………. 59

3-6- روند طراحی ژنراتور‌های سنکرون آهنربای دائم……………………………………. 63

فصل چهارم: بهینه‌سازی طراحی با بهره گرفتن از روش الگوریتم ژنتیک   67

4-1- انواع روش‌های بهینه‌سازی…………………………………………………………67

4-1-1- الگوریتم‌های بهینه‌سازی قطعی و احتمالی.. 68

4-1-2- الگوریتم‌های بهینه‌سازی مستقیم و غیر مستقیم.. 68

4-1-3- الگوریتم‌های بهینه‌سازی هیوریستیک و متاهیوریستیک   69

4-1-4- الگوریتم بهینه‌سازی با روش جست‌وجوی اتفاقی.. 69

4-1-5- الگوریتم هوک و جیوز.. 70

4-1-6- روش پاول.. 71

4-1-7- الگوریتم ژنتیک (GA).. 72

4-1-8- سردسازی (تبرید) شبیه‌سازی شده (SA).. 73

4-1-9- الگوریتم بهینه‌سازی انبوه ذرات (PSO).. 73

4-2- مقایسه و انتخاب روش بهینه‌سازی مناسب…………………………………………… 74

4-2-1- مزایای الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش‌های بهینه‌سازی.. 75

4-2-2- معایب الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش‌های بهینه‌سازی.. 76

4-3- الگوریتم ژنتیک…………………………………………………………………. 77

4-4- توابع هدف و پارامترهای بهینه‌سازی………………………………………………. 78

4-5- بهینه‌سازی تک تابع هدفه (بازده)…………………………………………………    87

4-6- بهینه‌سازی چند تابع هدفه (بازده و چگالی توان)…………………………………….90

فصل پنجم: شبیه‌سازی ژنراتور بهینه و حصول ولتاژ.. 97

5-1- معرفی روش اجزای محدود (FEM)………………………………………………    98

5-1-1- مش‌بندی ماشین‌های آهنربای دائم.. 100

5-1-2- فرمول‌بندی مساله جهت حل مساله میدان.. 101

5-1-3- اعمال روابط به مش‌ها و حصول دستگاه معادلات.. 104

5-2- شرایط مرزی106……………………………………………………………………

5-3- مدلسازی ژنراتور روتور بیرونی با بهره گرفتن از FEM …………………..……………    107

5-3-1- مرحله‌ی پیش پردازش.. 108

5-3-2- مرحله‌ی پردازش.. 111

5-3-3- مرحله‌ی پس از پردازش و حصول ولتاژ.. 113

فصل ششم: نتیجه‌گیری121…………………………………………………………..………

6-1- نتیجه‌گیری122…………………………………………………………………….

6-2- پیشنهادات برای ادامه کار124……………….…….…………………………………

– مراجع………………………………………………………………..…………122

 

فهرست شکل‌ها

 

شکل 1-1: منحنی توسعه انرژی الکتریکی حاصل از توربین‌های بادی جهان  2

شکل 1-2: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی قفس سنجابی. 4

شکل 1-3: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی. 5

شکل 1-4: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر در محدوده‌ی 10 درصد سرعت نامی ژنراتور. 5

شکل 1-5: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی تغذیه دوبل   6

شکل 1-6: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده  8

شکل 1-7: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم  9

شکل 1-8: ساختمان داخلی ماشین های شار محوری. 15

شکل 1-9: : قسمتی از یک فاز ماشین با شار اریب. 15

شکل 1-10: ساختار ماشین با شار عرضی. 16

شکل 2-1: برش محوری ژنراتور. 22

شکل 2-2: ساختار کلی یک ماشین روتور بیرونی. 23

شکل 2-3: نمایی از ماشین آهنربا دائم روتور بیرونی. 24

شکل 2-4: دید از بالای اجزا محوری ژنراتور. 25

شکل 2-5: دید از بالا ژنراتور. 26

شکل 2-6: برش عرضی ژنراتور روتور بیرونی مغناطیس دائم  27

شکل 2-7: برشی از ژنراتور روتور بیرونی با ناحیه انتهایی سیم پیچی. 28

شکل 2-8: منحنی B-H در دماهای مختلف. 29

شکل 3-1: نمای خطی قسمتی از ژنراتور روتور بیرونی. 38

شکل 3-2: نمای دو بعدی ژنراتور روتور بیرونی و قطر خارجی روتور و استاتور. 40

شکل 3-3: ابعاد شیار در قطر داخلی استاتور. 41

شکل 3-4: انواع دندانه. 41

شکل 3-5: مورب‌سازی شیار استاتور در ماشین‌های آهنربای دائم  47

شکل 3-6: نحوه مورب‌سازی آهنربا در ماشین‌های آهنربای دائم  47

شکل 3-7: مدار معادل ژنراتور سنکرون تک‌فاز. 50

شکل 3-8: طول یک حلقه‌ی سیم‌پیچی متمرکز در ماشین. 51

شکل 3-9: سیم‌پیچی متمرکز و توزیع شده. 55

شکل 3-10: سیم‌پیچی گام کامل و گام کسری. 56

شکل 3-11: سیم‌پیچی تک‌لایه و دولایه. 57

شکل 3-12: الگوی سیم­پیچی دولایه. 58

شکل 4-1: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان بر حسب بارپذیری مغناطیسی ویژه. 80

شکل 4-2: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان بر حسب قطر خارجی  81

شکل 4-3: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان برحسب نسبت قطر داخلی به خارجی. 82

شکل 4-4: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان برحسب تعداد دور سیم‌پیچی. 84

شکل 4-5: منحنی بازده برحسب تعداد دور سیم‌پیچی و گام قطب  85

شکل 4-6: منحنی بازده برحسب نسبت قطرو بارپذیری مغناطیسی ویژه   85

شکل 4-7: منحنی بازده برحسب بارپذیری مغناطیسی ویژه و قطر خارجی  85

شکل 4-8: منحنی بازده برحسب تعداد دور سیم‌پیچی و قطر خارجی  86

شکل 4-9: مراحل بهینه‌سازی الگوریتم ژنتیک. 88

شکل 4-10: تغییرات تابع هدف درروند بهینه‌سازی بازده ژنراتور با 48 قطب و 72 شیار. 89

شکل 4-11: فضای جست‌وجو و مرز پارتو. 91

شکل 4-12: مرز پارتو برای بهینه‌سازی دو تابع هدفه (بازده و چگالی توان). 92

شکل 4-13: بازده بهبود یافته برحسب نسبت . 94

شکل 4-14: چگالی توان بهبود یافته برحسب نسبت . 95

شکل 4-15: تغییرات تابع شایستگی در بهینه‌سازی بازده و چگالی توان … 95

شکل 5-1: چند نمونه از مش‌بندی‌های رایج. 100

شکل 5-2: مش‌بندی یک ناحیه‌ی دلخواه از فضا. 104

شکل 5-3: نمای ساختار استاتور. 108

شکل 5-4: نمای شیارهای استاتور. 109

شکل 5-5: نمای هسته‌ی روتور و آهنربا‌های مربوط به آن. 109

شکل 5-6: نمای ژنراتور روتور بیرونی با 48 قطب و 72 شیار  110

شکل 5-7: ژنراتور و مرزهای آن با محیط خارج. 111

شکل 5-8: مش‌بندی ساختار ژنراتور. 112

شکل 5-9: شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از ساختار ژنراتور  113

شکل 5-10: توزیع چگالی شار مغناطیسی در هر نقطه از ساختار ژنراتور. 114

شکل 5-11: منحنی چگالی شار مغناطیسی فاصله‌هوایی در یک گام قطب  114

شکل 5-12: جهت عبور شار در هر نقطه از ساختار ژنراتور از زوایای مختلف. 116

شکل 5-13: چگالی جریان درکویل‌ها . 117

شکل 5-14: شار پیوندی مربوط به هر سه فاز در سرعت نامی  118

شکل 5-15: EMF سه فاز در سرعت نامی. 118

شکل 5-16: EMF سه فاز در سرعت 90 دور در دقیقه. 119

شکل 5-17: جریان سه فاز متصل به بار 100 اهمی. 120

شکل 5-18: منحنی بازده بر حسب سرعت ژنراتور. 120

 

 

فهرست جداول

 

جدول 1-1: مزایا و معایب انواع ژنراتورهای توربین بادی  11

جدول 3-1: مقادیر K_i و K_p برای شکل موج‌های پرکاربرد. 36

جدول 3-2: مقایسه‌ی سیم‌پیچی تک لایه و دولایه. 57

جدول 3-3: ترکیب‌های ممکن تعداد قطب و شیار با در نظر گرفتن ½¼<q<  61

جدول 3-4: ضریب سیم‌پیچی (K_w1) برای تعداد قطب و شیار مختلف  62

جدول 3-5: مقدار پارامتر CT برای تعداد قطب و شیار مختلف  63

جدول 3-6: مشخصات ژنراتور روتور بیرونی آهنربای دائم. 64

جدول 3-7: جزئیات طراحی ژنراتور روتور بیرونی آهنربا دائم  65

جدول 4-1: محدودیت‌ها و الزامات بهینه‌سازی طراحی. 86

جدول 4-2: تعداد 5 کروموزوم برتر معرفی شده در 5 مرتبه اجرای الگوریتم بهینه‌سازی بازده. 89

جدول 4-3: طراحی ژنراتور روتور بیرونی با 48 قطب و 72 شیار، پس از بهینه‌سازی بازده. 90

جدول 4-4: مقدار بازده و چگالی توان قبل و بعد از بهینه‌سازی  93

جدول 4-5: کنترل مقدار بهبود بازده و چگالی توان با تغییر دادن مقدار ضرایب a و b. 94

جدول 4-6: طراحی ژنراتور روتور بیرونی بهینه شده با 48 قطب و 72 شیار پس از بهینه‌سازی بازده و چگالی توان. 96

 

 

 

 

فهرست علائم

 

تعداد فاز	M	بردار پتانسیل مغناطیسی
سرعت نامی برحسب دور در دقیقه	Ns	بردار چگالی شار مغناطیسی
تعداد قطب	P
تعداد کویل	ncoil	بردار چگالی جریان
تعداد 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

 

 

 

 

فصل اول

 

مقدمه

 

فصل اول: مقدمه

 

امروزه 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[1]) 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.

1-1-         انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها

تکنولوژی‌های 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[2]) و یا دارای جعبه‌دنده (GD[3]) 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:

1-1-1- 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 می­ کند 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 سنجابی

 

 

 

 

• ژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده

در 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 می­ شود. 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[4]) انرژی ورودی به روتور با بهره گرفتن از مبدل های الکترونیک قدرت به سیستم قدرت برگردانده می­ شود. این مبدل از دو مدار پل IGBT تمام کنترل شده تشکیل گردیده است. اینورتور سمت شبکه که به شبکه متصل می­ شود. 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].

[1] World Wind Energy Association

[2] Direct Drive

[3] Geared Drive

[4] Doubly Fed Induction Generator

 

ما معمولا در این سایت متن کامل پایان نامه ها را درج می کنیم ولی استثنائا این پایان نامه فقط فصل اول موجود است

تعداد صفحه :39

قیمت : 14700 تومان

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)       [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

  *