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

 

 

 

 

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 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

 

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-تاریخچه‌ی 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 استفاده 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 استفاده 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

 برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.

لینک بالا اشتباه است

برای دانلود متن کامل اینجا کلیک کنید

       

:: بازدید از این مطلب : 646

|

امتیاز مطلب : 0

|

تعداد امتیازدهندگان : 0

|

مجموع امتیاز : 0