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

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

نوع فایل: word (قابل ویرایش)

تعداد صفحات : 40 صفحه

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
۱-۱-انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها    3
۱-۱-۱-ژنراتور القایی          3
۱-۱-۱-۱- ژنراتورهای القایی قفس سنجابی    4
۱-۱-۱-۲- ژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده              5       
۱-۱-۱-۳- ژنراتورهای القایی با تغذیه دوگانه         6
۱-۱-۲-توربین¬های بادی مجهز به ژنراتور سنکرون   7
۱-۱-۲-۱- ژنراتور سنکرون با تحریک کلاسیک        8
۱-۱-۲-۲- ژنراتور سنکرون با مغناطیس دائم             8
۱-۲-خلاصه معیا و مزایای انواع ساختارهای توربین های بادی       4
۱-۳-تاریخچه‌ی ماشین‌های آهنربای دائم روتور بیرونی         12
۱-۳-۱- مقایسه انواع ماشین‌های آهنربای دائم      13
۱-۳-۲- بررسی عوامل انتخاب ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی     16
۱-۳-۳- روش‌های تحلیل و بهینه‌سازی       17
۱-۴-ساختار پایان نامه           19           
فصل دوم: بررسی ساختار ومزایا ژنراتور روتور بیرونی     22
۲-۱- ساختار ژنراتور مغناطیس دائم روتور بیرونی ۲۲
۲-۲- مزیت های ژنراتور روتور بیرونی             25
۲-۲-۱- افزایش سطح مفید روتور برای افزایش تعداد قطب ژنراتور    26
۲-۲-۲- کاهش طول کل مسیر مغناطیسی    27
۲-۲-۳- کاهش ناحیه انتهایی سیم  پیچی استاتور    28
۲-۲-۴- ساخت و خنک سازی ساده تر آهنربا    29
۲-۳- انواع مواد مصرفی ژنراتور آهنربای دائم روتور بیرونی             30 
فصل سوم: طراحی ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونی    33
۳-۱- طراحی بر اساس کاربرد ژنراتور سنکرون آهنربا دائم در توربین بادی    33
۳-۱-۱- تعیین تعداد قطب    34
۳-۲- معادلات ابعاد اصلی ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم    34
۳-۲-۱- تعیین فاصله هوایی    39
۳-۲-۲- محاسبه‌ی ابعاد کلی شیار استاتور    41
۳-۳- محاسبه‌ی پارامترهای الکتریکی         44
۳-۳-۱- نیرو محرکه‌ی القایی    44
۳-۳-۲- راکتانس سنکرون    47
۳-۳-۳- ولتاژ خروجی    50
۳-۳-۴- محاسبه‌ی بازده    .51
۳-۳-۵- محاسبه‌ی چگالی توان    52
۳-۴- طراحی سیم‌ پیچی             53
۳-۴-۱- سیم‌پیچی متمرکز و توزیع شده    53
۳-۴-۲- سیم‌پیچی گام کامل و گام کسری    55
۳-۴-۳- تعداد لایه‌های سیم‌پیچی    56
۳-۴-۴- انتخاب و طراحی سیم‌پیچی    58
۳-۵- انتخاب ترکیب مناسب تعداد قطب و شیار    59
۳-۶- روند طراحی ژنراتور‌های سنکرون آهنربای دائم    63
فصل چهارم: بهینه‌سازی طراحی با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک    67
۴-۱- انواع روش‌های بهینه‌سازی    67
۴-۱-۱- الگوریتم‌های بهینه‌سازی قطعی و احتمالی    68
۴-۱-۲- الگوریتم‌های بهینه‌سازی مستقیم و غیر مستقیم    68
۴-۱-۳- الگوریتم‌های بهینه‌سازی هیوریستیک و متاهیوریستیک    69
۴-۱-۴- الگوریتم بهینه‌سازی با روش جست‌وجوی اتفاقی    69
۴-۱-۵- الگوریتم هوک و جیوز    70
۴-۱-۶- روش پاول    71
۴-۱-۷- الگوریتم ژنتیک (GA)    72
۴-۱-۸- سردسازی (تبرید) شبیه‌سازی شده (SA)    73
۴-۱-۹- الگوریتم بهینه‌سازی انبوه ذرات (PSO)    73
۴-۲- مقایسه و انتخاب روش بهینه‌سازی مناسب        74
۴-۲-۱- مزایای الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش‌های بهینه‌سازی    75
۴-۲-۲- معایب الگوریتم ژنتیک در مقایسه با سایر روش‌های بهینه‌سازی    76
۴-۳- الگوریتم ژنتیک     77
۴-۴- توابع هدف و پارامترهای بهینه‌سازی        78
۴-۵- بهینه‌سازی تک تابع هدفه (بازده    87
۴-۶- بهینه‌سازی چند تابع هدفه (بازده و چگالی توان    90
فصل پنجم: شبیه‌سازی ژنراتور بهینه و حصول ولتاژ    97
۵-۱- معرفی روش اجزای محدود (FEM    98
۵-۱-۱- مش‌بندی ماشین‌های آهنربای دائم    100
۵-۱-۲- فرمول‌بندی مساله جهت حل مساله میدان    101
۵-۱-۳- اعمال روابط به مش‌ها و حصول دستگاه معادلات    104
۵-۲- شرایط مرزی     106         
۵-۳- مدلسازی ژنراتور روتور بیرونی با استفاده از    107
۵-۳-۱- مرحله‌ی پیش پردازش    108
۵-۳-۲- مرحله‌ی پردازش    111
۵-۳-۳- مرحله‌ی پس از پردازش و حصول ولتاژ    113
فصل ششم: نتیجه‌گیری     121    
۶-۱- نتیجه‌گیری             122  
۶-۲- پیشنهادات برای ادامه کار     124
– مراجع     122