پایان نامه ارشد گرایش قدرت:طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربین های بادی

پایان نامه دوره ی کارشناسی ارشد مهندسی برق-قدرت
 
طراحی بهینه و آنالیز ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم روتور بیرونی برای توربین­های بادی
 
استاد راهنما:
دکتر محمد اردبیلی
 
 
 
 
بهمن ۱۳۹۳
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
امروزه ژنراتورهای سنکرون آهنربای دائم با توجه به ویژگی هایی همچون وزن کمتر، بازده بالاتر، و چگالی توان بالاتری که نسبت به انواع ژنراتورهای مرسوم دیگر دارند، مورد توجه قرار گرفته اند. مزایای این ژنراتورها طوری است که آنها را برای کاربرد در توربین بادی مناسب می سازد. از طرفی با توجه به سهولت افزایش تعداد قطب در آنها، برای کاربردهای سرعت پایین همچون اتصال مستقیم بسیار مناسب می باشند.
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 مقایسه ی ساختارهای گوناگون ماشین های سنکرون و با توجه به کاربرد مورد نظر این ماشین ها، 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 بهینه سازی طراحی اقدام شد. بهینه سازی همزمان توابع هدف با یک تابع شایستگی نوین که توسط آن امکان اولویت بندی بهینه سازی توابع هدف فراهم می شود، انجام شد. در خاتمه ژنراتور بهینه با بهره گرفتن از روش اجزای محدود دو بعدی شبیه سازی و مورد ارزیابی قرار گرفت.
لازم به ذکر است در این پروژه از نرم افزار MATLAB R2011a به منظور بهینه سازی از روش الگوریتم ژنتیک و نیز از نرم افزار Ansoft Maxwell 14.0 برای شبیه سازی از روش اجزای محدود دو بعدی استفاده شده است.
کلمات کلیدی: توربین بادی اتصال مستقیم، ماشین های سنکرون آهنربای دائم، ژنراتور آهنربا دائم روتور بیرونی، معادلات ابعاد ماشین های آهنربای دائم، بهینه سازی با روش الگوریتم ژنتیک، روش اجزای محدود دو بعدی.
 
فهرست مطالب
 
فصل اول: مقدمه.. ۲
۱-۱-انواع توربین های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها   ۳
۱-۱-۱-ژنراتور القایی………………………….……………………………………….. ۳
۱-۱-۱-۱- ژنراتورهای القایی قفس سنجابی……………….………………………………    ۴
۱-۱-۱-۲- ژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده۵……………………………………………
۱-۱-۱-۳- ژنراتورهای القایی با تغذیه دوگانه۶……………….………………………………
۱-۱-۲-توربین­های بادی مجهز به ژنراتور سنکرون……………………………………….. ۷
۱-۱-۲-۱- ژنراتور سنکرون با تحریک کلاسیک……………..…………………………….. ۸
۱-۱-۲-۲- ژنراتور سنکرون با مغناطیس دائم……………..…………………………….. ۸
۱-۲-خلاصه معیا و مزایای انواع ساختارهای توربین­های بادی…………………………….. ۴
۱-۳-تاریخچه ی ماشین های آهنربای دائم روتور بیرونی…………………..…………………۱۲
۱-۳-۱- مقایسه انواع ماشین های آهنربای دائم………………………………………..۱۳
۱-۳-۲- بررسی عوامل انتخاب ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی………۱۶
۱-۳-۳- روش های تحلیل و بهینه سازی……………………………………………….۱۷
۱-۴-ساختار پایان نامه ۱۹……………………………………..…………………..………
فصل دوم: بررسی ساختار ومزایا ژنراتور روتور بیرونی………………………………………….۲۲
۲-۱- ساختار ژنراتور مغناطیس دائم روتور بیرونی………………………………………    ۲۲
۲-۲- مزیت­های ژنراتور روتور بیرونی ……………………..……………………………    ۲۵
۲-۲-۱- افزایش سطح مفید روتور برای افزایش تعداد قطب ژنراتور   ۲۶
۲-۲-۲- کاهش طول کل مسیر مغناطیسی.. ۲۷
۲-۲-۳- کاهش ناحیه انتهایی سیم­پیچی استاتور.. ۲۸
۲-۲-۴- ساخت و خنک­سازی ساده­تر آهنربا.. ۲۹
۲-۳- انواع مواد مصرفی ژنراتور آهنربای دائم روتور بیرونی۳۰……………..…………………..
فصل سوم: طراحی ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی.. ۳۳
۳-۱- طراحی بر اساس کاربرد ژنراتور سنکرون آهنربا دائم در توربین بادی   ۳۳
۳-۱-۱- تعیین تعداد قطب.. ۳۴
۳-۲- معادلات ابعاد اصلی ماشین های سنکرون آهنربای دائم………………………………..۳۴
۳-۲-۱- تعیین فاصله هوایی.. ۳۹
۳-۲-۲- محاسبه ی ابعاد کلی شیار استاتور.. ۴۱
۳-۳- محاسبه ی پارامترهای الکتریکی……………………………………………………۴۴
۳-۳-۱- نیرو محرکه ی القایی.. ۴۴
۳-۳-۲- راکتانس سنکرون.. ۴۷
۳-۳-۳- ولتاژ خروجی.. ۵۰
۳-۳-۴- محاسبه ی بازده.. .۵۱
۳-۳-۵- محاسبه ی چگالی توان.. ۵۲
۳-۴- طراحی سیم پیچی………………………………………………………………. ۵۳
۳-۴-۱- سیم پیچی متمرکز و توزیع شده.. ۵۳
۳-۴-۲- سیم پیچی گام کامل و گام کسری.. ۵۵
۳-۴-۳- تعداد لایه های سیم پیچی.. ۵۶
۳-۴-۴- انتخاب و طراحی سیم پیچی.. ۵۸
۳-۵- انتخاب ترکیب مناسب تعداد قطب و شیار…………………………………………. ۵۹
۳-۶- روند طراحی ژنراتور های سنکرون آهنربای دائم……………………………………. ۶۳
فصل چهارم: بهینه سازی طراحی با بهره گرفتن از روش الگوریتم ژنتیک   ۶۷
۴-۱- انواع روش های بهینه سازی…………………………………………………………۶۷
۴-۱-۱- الگوریتم های بهینه سازی قطعی و احتمالی.. ۶۸
۴-۱-۲- الگوریتم های بهینه سازی مستقیم و غیر مستقیم.. ۶۸
۴-۱-۳- الگوریتم های بهینه سازی هیوریستیک و متاهیوریستیک   ۶۹
۴-۱-۴- الگوریتم بهینه سازی با روش جست وجوی اتفاقی.. ۶۹
۴-۱-۵- الگوریتم هوک و جیوز.. ۷۰
۴-۱-۶- روش پاول.. ۷۱
۴-۱-۷- الگوریتم ژنتیک (GA).. 72
۴-۱-۸- سردسازی (تبرید) شبیه سازی شده (SA).. 73
۴-۱-۹- الگوریتم بهینه سازی انبوه ذرات (PSO).. 73
۴-۲- مقایسه و انتخاب روش بهینه سازی مناسب…………………………………………… ۷۴
۴-۲-۱- مزایای الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش های بهینه سازی.. ۷۵
۴-۲-۲- معایب الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش های بهینه سازی.. ۷۶
۴-۳- الگوریتم ژنتیک…………………………………………………………………. ۷۷
۴-۴- توابع هدف و پارامترهای بهینه سازی………………………………………………. ۷۸
۴-۵- بهینه سازی تک تابع هدفه (بازده)…………………………………………………    ۸۷
۴-۶- بهینه سازی چند تابع هدفه (بازده و چگالی توان)…………………………………….۹۰
فصل پنجم: شبیه سازی ژنراتور بهینه و حصول ولتاژ.. ۹۷
۵-۱- معرفی روش اجزای محدود (FEM)………………………………………………    ۹۸
۵-۱-۱- مش بندی ماشین های آهنربای دائم.. ۱۰۰
۵-۱-۲- فرمول بندی مساله جهت حل مساله میدان.. ۱۰۱
۵-۱-۳- اعمال روابط به مش ها و حصول دستگاه معادلات.. ۱۰۴
۵-۲- شرایط مرزی۱۰۶……………………………………………………………………
۵-۳- مدلسازی ژنراتور روتور بیرونی با بهره گرفتن از FEM …………………..……………    ۱۰۷
۵-۳-۱- مرحله ی پیش پردازش.. ۱۰۸
۵-۳-۲- مرحله ی پردازش.. ۱۱۱
۵-۳-۳- مرحله ی پس از پردازش و حصول ولتاژ.. ۱۱۳
فصل ششم: نتیجه گیری۱۲۱…………………………………………………………..………
۶-۱- نتیجه گیری۱۲۲…………………………………………………………………….
۶-۲- پیشنهادات برای ادامه کار۱۲۴……………….…….…………………………………
– مراجع………………………………………………………………..…………۱۲۲
 
فهرست شکل ها
 
شکل ۱-۱: منحنی توسعه انرژی الکتریکی حاصل از توربین های بادی جهان  ۲
شکل ۱-۲: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی قفس سنجابی. ۴
شکل ۱-۳: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی. ۵
شکل ۱-۴: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر در محدوده ی ۱۰ درصد سرعت نامی ژنراتور. ۵
شکل ۱-۵: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی تغذیه دوبل   ۶
شکل ۱-۶: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده  ۸
شکل ۱-۷: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم  ۹
شکل ۱-۸: ساختمان داخلی ماشین های شار محوری. ۱۵
شکل ۱-۹: : قسمتی از یک فاز ماشین با شار اریب. ۱۵
شکل ۱-۱۰: ساختار ماشین با شار عرضی. ۱۶
شکل ۲-۱: برش محوری ژنراتور. ۲۲
شکل ۲-۲: ساختار کلی یک ماشین روتور بیرونی. ۲۳
شکل ۲-۳: نمایی از ماشین آهنربا دائم روتور بیرونی. ۲۴
شکل ۲-۴: دید از بالای اجزا محوری ژنراتور. ۲۵
شکل ۲-۵: دید از بالا ژنراتور. ۲۶
شکل ۲-۶: برش عرضی ژنراتور روتور بیرونی مغناطیس دائم  ۲۷
شکل ۲-۷: برشی از ژنراتور روتور بیرونی با ناحیه انتهایی سیم پیچی. ۲۸
شکل ۲-۸: منحنی B-H در دماهای مختلف. ۲۹
شکل ۳-۱: نمای خطی قسمتی از ژنراتور روتور بیرونی. ۳۸
شکل ۳-۲: نمای دو بعدی ژنراتور روتور بیرونی و قطر خارجی روتور و استاتور. ۴۰
شکل ۳-۳: ابعاد شیار در قطر داخلی استاتور. ۴۱
شکل ۳-۴: انواع دندانه. ۴۱
شکل ۳-۵: مورب سازی شیار استاتور در ماشین های آهنربای دائم  ۴۷
شکل ۳-۶: نحوه مورب سازی آهنربا در ماشین های آهنربای دائم  ۴۷
شکل ۳-۷: مدار معادل ژنراتور سنکرون تک فاز. ۵۰
شکل ۳-۸: طول یک حلقه ی سیم پیچی متمرکز در ماشین. ۵۱
شکل ۳-۹: سیم پیچی متمرکز و توزیع شده. ۵۵
شکل ۳-۱۰: سیم پیچی گام کامل و گام کسری. ۵۶
شکل ۳-۱۱: سیم پیچی تک لایه و دولایه. ۵۷
شکل ۳-۱۲: الگوی سیم­پیچی دولایه. ۵۸
شکل ۴-۱: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان بر حسب بارپذیری مغناطیسی ویژه. ۸۰
شکل ۴-۲: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان بر حسب قطر خارجی  ۸۱
شکل ۴-۳: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان برحسب نسبت قطر داخلی به خارجی. ۸۲
شکل ۴-۴: منحنی الف) بازده و ب) چگالی توان برحسب تعداد دور سیم پیچی. ۸۴
شکل ۴-۵: منحنی بازده برحسب تعداد دور سیم پیچی و گام قطب  ۸۵
شکل ۴-۶: منحنی بازده برحسب نسبت قطرو بارپذیری مغناطیسی ویژه   ۸۵
شکل ۴-۷: منحنی بازده برحسب بارپذیری مغناطیسی ویژه و قطر خارجی  ۸۵
شکل ۴-۸: منحنی بازده برحسب تعداد دور سیم پیچی و قطر خارجی  ۸۶
شکل ۴-۹: مراحل بهینه سازی الگوریتم ژنتیک. ۸۸
شکل ۴-۱۰: تغییرات تابع هدف درروند بهینه سازی بازده ژنراتور با ۴۸ قطب و ۷۲ شیار. ۸۹
شکل ۴-۱۱: فضای جست وجو و مرز پارتو. ۹۱
شکل ۴-۱۲: مرز پارتو برای بهینه سازی دو تابع هدفه (بازده و چگالی توان). ۹۲
شکل ۴-۱۳: بازده بهبود یافته برحسب نسبت . ۹۴
شکل ۴-۱۴: چگالی توان بهبود یافته برحسب نسبت . ۹۵
شکل ۴-۱۵: تغییرات تابع شایستگی در بهینه سازی بازده و چگالی توان … ۹۵
شکل ۵-۱: چند نمونه از مش بندی های رایج. ۱۰۰
شکل ۵-۲: مش بندی یک ناحیه ی دلخواه از فضا. ۱۰۴
شکل ۵-۳: نمای ساختار استاتور. ۱۰۸
شکل ۵-۴: نمای شیارهای استاتور. ۱۰۹
شکل ۵-۵: نمای هسته ی روتور و آهنربا های مربوط به آن. ۱۰۹
شکل ۵-۶: نمای ژنراتور روتور بیرونی با ۴۸ قطب و ۷۲ شیار  ۱۱۰
شکل ۵-۷: ژنراتور و مرزهای آن با محیط خارج. ۱۱۱
شکل ۵-۸: مش بندی ساختار ژنراتور. ۱۱۲
شکل ۵-۹: شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از ساختار ژنراتور  ۱۱۳
شکل ۵-۱۰: توزیع چگالی شار مغناطیسی در هر نقطه از ساختار ژنراتور. ۱۱۴
شکل ۵-۱۱: منحنی چگالی شار مغناطیسی فاصله هوایی در یک گام قطب  ۱۱۴
شکل ۵-۱۲: جهت عبور شار در هر نقطه از ساختار ژنراتور از زوایای مختلف. ۱۱۶
شکل ۵-۱۳: چگالی جریان درکویل ها . ۱۱۷
شکل ۵-۱۴: شار پیوندی مربوط به هر سه فاز در سرعت نامی  ۱۱۸
شکل ۵-۱۵: EMF سه فاز در سرعت نامی. ۱۱۸
شکل ۵-۱۶: EMF سه فاز در سرعت ۹۰ دور در دقیقه. ۱۱۹
شکل ۵-۱۷: جریان سه فاز متصل به بار ۱۰۰ اهمی. ۱۲۰
شکل ۵-۱۸: منحنی بازده بر حسب سرعت ژنراتور. ۱۲۰
 
 
فهرست جداول
 
جدول ۱-۱: مزایا و معایب انواع ژنراتورهای توربین بادی  ۱۱
جدول ۳-۱: مقادیر Ki و Kp برای شکل موج های پرکاربرد. ۳۶
جدول ۳-۲: مقایسه ی سیم پیچی تک لایه و دولایه. ۵۷
جدول ۳-۳: ترکیب های ممکن تعداد قطب و شیار با در نظر گرفتن ½¼<q<  ۶۱
جدول ۳-۴: ضریب سیم پیچی (Kw1) برای تعداد قطب و شیار مختلف  ۶۲
جدول ۳-۵: مقدار پارامتر CT برای تعداد قطب و شیار مختلف  ۶۳
جدول ۳-۶: مشخصات ژنراتور روتور بیرونی آهنربای دائم. ۶۴
جدول ۳-۷: جزئیات طراحی ژنراتور روتور بیرونی آهنربا دائم  ۶۵
جدول ۴-۱: محدودیت ها و الزامات بهینه سازی طراحی. ۸۶
جدول ۴-۲: تعداد ۵ کروموزوم برتر معرفی شده در ۵ مرتبه اجرای الگوریتم بهینه سازی بازده. ۸۹
جدول ۴-۳: طراحی ژنراتور روتور بیرونی با ۴۸ قطب و ۷۲ شیار، پس از بهینه سازی بازده. ۹۰
جدول ۴-۴: مقدار بازده و چگالی توان قبل و بعد از بهینه سازی  ۹۳
جدول ۴-۵: کنترل مقدار بهبود بازده و چگالی توان با تغییر دادن مقدار ضرایب a و b. 94
جدول ۴-۶: طراحی ژنراتور روتور بیرونی بهینه شده با ۴۸ قطب و ۷۲ شیار پس از بهینه سازی بازده و چگالی توان. ۹۶
 
 
 
 
فهرست علائم
 

  •  سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های مقطع ارشد می باشد برای جستجو در بقیه پایان نامه ها می توانید کلمه کلیدی مورد نظر خود را در سایت جستجو نمایید:

     
    Widget not in any sidebars
       

تعداد فازMبردار پتانسیل مغناطیسی
سرعت نامی برحسب دور در دقیقهNsبردار چگالی شار مغناطیسی
تعداد قطبP
تعداد کویلncoilبردار چگالی جریان
تعداد هادی هر شیارncsبارپذیری الکتریکی ویژهA
تعداد دور سیم پیچی در یک فازNphسطح مقطع هادی در یک شیارac
تعداد شیارnsسطح مقطع شیارas
تلفات جریان گردابی در هادیPcu,eddyچگالی شار مغناطیسیB
توان کلPtبارپذیری مغناطیسی ویژهBg
تلفات کل مسیPcuچگالی شار پسماندBr
چگالی توانPdensityقطر داخلی روتور ماشینDi
تلفات کل آهنPFeقطر متوسط روتورDm
تلفات جریان گردابی در هسته ها (آهن)PFe,eddyقطر خارجی ماشینDo
تلفات هیسترزیسPhعمق دندانهds
تلفات مکانیکیPmقطر خارجی استاتور ماشینDs
توان خروجیPoutنیرو محرکه ی القاییE
توانهارمونیک nام نیرو محرکه ی القاییEn
تلفات اهمیPRI2نیرو محرکه ی القایی یک کویلEcoil
تعداد شیار یک فاز به ازای یک قطبQمقدار ماکزیمم نیرو محرکه ی القاییEpk
مقاومت سیم پیچی های یک فازRphaseتابع نسبت قطرF()
شعاع تقریبی کویلrsفرکانس الکتریکیF
دوره ی تناوبTفاصله هواییG
ولتاژVفاصله هوایی موثرgeff
ضخامت آهنرباLpmشدت میدان مغناطیسیH
مقدار ماکزیمم ولتاژVmجریانI
مقدار موثر ولتاژVrmsمقدار ماکزیمم جریانIpk
ضخامت سیم پیچیWcuکل جریان داخل یک شیارIs
گام دندانه در شعاع داخلیWtiچگالی جریانJw
گام دندانه در شعاع خارجیWtoضریب تلفات جریان گردابی هسته ی روتورKcr,eddy
راکتانس عکس العمل آرمیچرXaضریب تلفات هیسترزیس هسته ی روتورKcr,h
راکتانس نشتی تفاضلیXdiffضریب تلفات جریان گردابی هسته ی استاتورKcs,eddy
راکتانس نشتی پیشانی سیم پیچیXendضریب تلفات هیسترزیس هسته ی استاتورKcs,h
کل راکتانس نشتی یک فازXlضریب انباشتگی (پر شدگی) شیارKcu
راکتانس نشتی شیارXslضریب تلفات جریان گردابی هادی هاKcu,eddy
راکتانس سنکرونXsynهارمونیک nام ضریب توزیعKdn
نسبت قوس قطب به گام قطبαpضریب نیرو محرکه ی القاییKe
نسبت عرض دندانه به گام شیارαsضریب تصحیح چگالی شار فاصله هواییKf
بازدهΗضریب شکل موج جریانKi
گام شیار برحسب درجه ی الکتریکیϴsضریب شکل موج توانKp
نسبت قطر داخلی به خارجیΛهارمونیک nام ضریب گامKpn
نفوذ پذیری مغناطیسی نسبیμrهارمونیک nام ضریب مورب سازی آهنرباKsn
گشتاورΤهارمونیک nام ضریب سیم پیچیKwn
گام کویل در شعاع داخلیτciطول موثر سیم پیچیL
گام کویل در شعاع خارجیτcoکل تعداد فازM
گام قطبτpشار پیوندیΨ
پتانسیل مغناطیسی اسکالرفرکانس زاویه ایΩ
شار مغناطیسی یک قطبφppضخامت آهنرباLpm

 
 
فهرست واژگان اختصاری

موتور سنکرون مغناطیس دائمPermanent Magnet Synchronous MotorPMSM
ژنراتور مغناطیس دائم روتور بیرونیOuter Rotor Permanent Magnet GeneratorORPMG
ژنراتور سنکرون مغناطیس دائمPermanent Magnet Synchronous GeneratorPMSG
گشتاور دندانه ایCogging TorqueCT
اتصال مستقیمDirect DriveDD
ژنراتور القایی با تغذیه دوگانهDoubly Fed Induction GeneratorDFIG
نیرو محرکه ی القاییElectro Motive ForceEMF
ژنراتور روتور بیرونیOuter Rotor GeneratorORG
روش اجزای محدودFinite Element MethodFEM
الگوریتم ژنتیکGenetic AlgorithmGA
بزرگترین مقسوم علیه مشترکGreatest Common DevisorGCD
اتصال با جعبه دندهGeared DriveGD
توربین بادی با محور افقیHorizontal Axis Wind TurbineHAWT
کوچکترین مضرب مشترکLeast Common MultipleLCM
مدار معادل مغناطیسیMagnetic Equivalent CircuitMEC
نیرو محرکه ی مغناطیسیMagneto motive ForceMMF
بهینه
سازی انبوه ذرات
Particle Swarm OptimizationPSO
ماشین شار محور آهنربای دائمAxial Flux Permanent MagnetAFPM
ژنراتور القایی قفس سنجابیSquirrel Cage Induction GeneratorSCIG
ژنراتور سنکرونSynchronous GeneratorSG
ماشین شار عرضی با آهنربای دائمTransversal Flux Permanent MagnetTFPM
توربین بادی با محور عمودیVertical Axis Wind TurbineVAWT
ژنراتور القایی با روتور سیم پیچی شدهWound Rotor Induction GeneratorWRIG

 

 
 
 

 
 
 
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 روش های تولید انرژی الکتریکی از منابع انرژی تجدیدپذیر برآمدند. انرژی خورشیدی، انرژی باد و انرژی موج دریا و… از این دسته می باشند. انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی های نو، ارزان تر و قابل اعتمادتر بوده و تقریبا در تمامی مکان ها قابل دسترسی است. لذا در طی سال های اخیر نصب توربین های بادی به عنوان یکی از موثرترین روش های تولید برق، هر روز گسترده تر و فراگیرتر می شود. بطوری که طبق آمار انجمن انرژی بادی جهان (WWEA[1]) در سال ۲۰۱۴ میلادی نزدیک به GW500 انرژی الکتریکی جهان از طریق توربین های بادی نصب شده در ۹۸ کشور دنیا تامین می شود که در حدود ۷% کل انرژی الکتریکی تولیدی می باشد. شکل ۱-۱ منحنی پیشرفت تولید انرژی برق به وسیله ی توربین های بادی در طی سال های ۱۹۹۷ تا ۲۰۱۴ و نیز پیش بینی این روند تا سال ۲۰۲۰ میلادی را بر حسب مگاوات نمایش می دهد.
شکل ۱-۱: منحنی توسعه انرژی الکتریکی حاصل از توربین های بادی جهان
صنایع مربوط به توربین های بادی به سرعت در حال پیشرفت و تحول می باشند. تنوع و گستردگی این توربین ها آنها را در طبقه بندی های مختلفی جای می دهد که در تمامی این انواع طبقه بندی، ژنراتور به عنوان قلب توربین، اساسی­ترین بخش است. در ادامه به بررسی انواع توربین های بادی و تنوع ژنراتورهای استفاده شده در هر دسته پرداخته می شود.

۱-۱-         انواع توربین های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها

تکنولوژی های استفاده از باد برای تولید انرژی الکتریکی و توربین های بادی مدرن امروزی از سال ۱۹۷۰ میلادی شروع به توسعه کرده اند و سرعت پیشرفت آنها از سال ۱۹۹۰ 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 جعبه دنده می توان توربین ها را در دو دسته ی بدون جعبه دنده (DD[2]) و یا دارای جعبه دنده (GD[3]) طبقه بندی نمود. طبقه بندی های دقیق تر آنها را در سه دسته ی زیر جای می دهند:

  • توربین های با جعبه دنده چند پله یا توربین های سرعت بالا
  • توربین های با جعبه دنده تک پله یا توربین های سرعت متوسط
  • توربین های بدون جعبه دنده یا توربین های سرعت پایین

انواع مختلفی از ژنراتورهایی که در این نوع توربین­ها مورد استفاده قرار می­گیرند عبارتند از:

۱-۱-۱- 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[۱]. 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 ۲ تا ۴ در صد می­باشد. به این دلیل عموماً به این نوع ماشین لفظ ژنراتور سرعت ثابت اطلاق می­گردد. این ژنراتورها حداکثر تا قدرت ۷۵۰ 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 ۴ قطب و ۶ قطب است زیرا استفاده از دو قطب این امکان را فراهم می­ کند که ماشین بتواند در فرکانس ۵۰ هرتز در سرعت­های ۱۰۰۰ و ۱۵۰۰ دور بر دقیقه کار کند.
شکل ۱-۲: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی قفس سنجابی
 
 
 
 

  • ژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده

در شکل ۱-۳، شماتیک یک توربین مجهز به ژنراتور روتور سیم بندی شده را نشان می­دهد.
شکل۱-۳: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی[۲]
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 ۱-۴ نشان داده شده است.
شکل۱-۴: کنترل سرعت توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده[۲]
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 ۵ تا ۱۰ درصد سرعت سنکرون وجود دارد[۳].

  • ژنراتور های القایی با تغذیه دوگانه

در ژنراتورهای القایی با مقاومت متغیر روتور، می توان سرعت را تا ۱۰ 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 ۱-۳ شماتیک ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل که خاصیت فوق را دارند، نشان می­ دهند[۳].
شکل ۱-۵: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی تغذیه دوبل[۲]
در یک ماشین القایی تغذیه دوگانه (DFIG[4]) انرژی ورودی به روتور با بهره گرفتن 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 ۳۰ درصد افزایش دهند. می توان نشان داد که جهت داشتن قابلیت ۳۰ درصد تغییر در سرعت ژنراتور، نیاز است که قدرت مبدل در حدود ۳۰ 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[۲].
[۱] World Wind Energy Association
[۲] Direct Drive
[۳] Geared Drive
[۴] 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 :۳۹

قیمت : ۱۴۷۰۰ تومان

***

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)       serderehi@gmail.com