بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روند طراحی بهینه یک ژنراتور سنکرون آهنرباي دائم بادي متصل به بار یکسوکننده تمام پل دیودي، جهت بهبود شکل موج ولتاژ خروجی ماشین ارائه شده است. بر مبناي یک مدل تحلیلی ژنراتور با آهنرباي سطحی، الگوریتم طراحی الکترومغناطیسی- حرارتی مطرح شده است. به منظور ارزیابی و بهینه سازي شکل موج ولتاژ خروجی ماشین، یک مدل ترکیبی جامع متشکل از برنامه طراحی ژنراتور و شبیه سازي همزمان نمونه طراحی شده در حضور بار یکسو کننده استفاده شده است. با استفاده از الگوریتم ژنتیک متغیرهاي طراحی ژنراتور در محدوده هاي مناسب بهینه یابی شده اند. نتایج حاکی از بهبود شکل موج ولتاژ خروجی و کاهش 9 درصدي شاخص اعوجاج هارمونیکی آن می باشند.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر، پیشرفتهاي روزافزون تکنولوژي توربین هاي باد و کاهش عمده در قیمت برق بادي موجب افزایش گرایش به استفاده از انرژي باد شده است، بطوریکه سیاستهاي مالی و زیست محیطی دولتها رشد ظرفیت برق بادي نصب شده در سطح جهان را در پی داشته است. در حال حاضر، سیاستگذاران بخش انرژي رشد سالانه 20 درصدي برق بادي را براي کشورهاي اروپایی متصورند.[1]
در ایران، قابلیتها و پتانسیل هاى مناسبی جهت نصب و راه اندازى توربین هاى بادى وجود دارد، که با توجه به توجیه پذیرى اقتصادي آن، تحقیقات، مطالعات و سرمایه گذارى هایی که در این زمینه صورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوژى چشم انداز روشنی را فراروى سیاست گذاران بخش انرژى کشور قرار داده است. ژنراتور آهنرباي دائم با توجه به خاصیت خود تحریکی ناشی از وجود آهنربا در روتور، بعنوان یکی از گزینه هاي مناسب جهت اتصال به توربین هاي باد مطرح شده است. استفاده از آهنربا مشکلاتی مانند تلفات سیم پیچ روتور و فراهم کردن جریان تحریک را مرتفع می کند.
استفاده از توربین هاي کوچک بادي در مناطق دور افتاده که گسترش شبکه سراسري به آن مناطق توجیه اقتصادي ندارد، می تواند بعنوان یکی از جدي ترین گزینه ها براي ژنراتورهاي آهنرباي دائم مطرح شود. خروجی چنین ژنراتوري توسط یک یکسو کننده به برق مستقیم تبدیل شده و براي شارژ باتري بکار گرفته می شود و یا با استفاده از یک اینورتر بصورت متناوب مورد بهره برداري قرار می گیرد، در گستره اي از موارد نیز بصورت ترکیبی بهره برداري می شوند.[2]
همزمان با بکارگیري ژنراتور آهنرباي دائم روشهاي مختلف اتصال یک باسDC - به واسطه ادوات الکترونیک قدرت - به این ژنراتور در مقالات مختلف مطرح شده است.[3] استفاده از یکسوکننده، موجب اعوجاج شکل موج ولتاژ خروجی ماشین می شود. اعوجاج هارمونیکی ولتاژ تولیدي یک ژنراتور، کاهش کیفیت توان تحویلی به بار را در پی دارد.
عملکرد مناسب ژنراتور تحت چنین شرایطی نیازمند بهینه سازي دقیق طراحی است. بهینه سازي طراحی نیازمند مدلسازي مناسب و یک الگوریتم طراحی جامع است. جزئیات مربوط به طراحی ژنراتورهاي سنکرون آهنرباي دائم براي اتصال مستقیم به توربین باد در [4] آورده شده است و درآن چهار نوع پیکربندي یعنی ژنراتورهاي شار شعاعی، شار محوري، شار عرضی و قطب پنجه اي مورد مقایسه دقیق قرار گرفته است. این مقایسه براساس چگالی شار فاصله هوایی، تلفات مس، تلفات آهنربا و قیمت طرح صورت گرفته است.
بر طبق نتایج این پژوهش، ماشین با شار شعاعی داراي آهنرباي درونی براي طراحی یک ژنراتور 400 کیلو واتی مناسب تشخیص داده شده است. در [5] کاربرد چندین پیکر بندي متفاوت از ژنراتور آهنرباي دائم براي توربین باد مورد بررسی قرار گرفته است و 60 آرایش مختلف مقایسه شده است. مبناي این مقایسه چگالی گشتاور و نیز تابع هزینه بر واحد گشتاور تولیدي است.
نتیجه این مطالعه نشان می دهد که ماشین هاي آهنرباي دائم شار شعاعی که از آهنرباهاي فریت سطحی سود می برند وضعیت بهتري نسبت به نمونه هاي شار شعاعی با آهنرباهاي داخلی دارند. در [6] ماشین آهنرباي دائم با شار محوري و ماشین شار شعاعی، براي اتصال مستقیم به توربین باد با یکدیگر مقایسه شده اند. هر دو طرح با معیار هزینه بر واحد گشتاور، بهینه شده اند. همچنین بهینه سازي براساس چگالی گشتاور نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که ماشین هاي شار شعاعی هزینه کمتر و چگالی گشتاورکمتري دارند.
در[7] دو نوع ساختار براي ژنراتور آهنرباي دائم شار شعاعی، با روتور داخلی، براي اتصال مستقیم به توربین باد مورد تحلیل و مقایسه قرار گرفته است؛ ژنراتور با آهنرباي درونی و ژنراتور با آهنرباي سطحی. رفتار الکترومغناطیسی ژنراتورها و شکل بهینه آهنرباها با استفاده از روش اجزاء محدود محاسبه شده است. نتایج حاکی از ریپل کمتر گشتاور در ژنراتور با آهنرباي سطحی می باشد.
طراحی و تحلیل عملکرد یک ژنراتور آهنرباي دائم شار محوري بدون استاتور آهنی در [8] و [9] مطرح شده اند. پیکر بندي خاص ماشین که در آن از هسته آهنی استفاده نشده منجر به افزایش طول فاصله هوایی موثر ماشین شده است. همچنین یک الگوریتم بهینه سازي چند متغیره براي بهبود مشخصات عملکردي ماشین بر اساس پارامترهاي طراحی ماشین ارائه گردیده است. در پایان یک نمونه 3/5 کیلو واتی از این ماشین ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته است. این طرح منجر به کاهش نویز، گشتاورگیر و تلفات مس ماشین شده است که البته این مهم در سایه افزایش حجم آهنرباي مورد نیاز ماشین حاصل شده است.
در[10]روند طراحی یک ژنراتور بادي کوچک شار شعاعی و نیز شار محوري ارائه شده که در آن یک الگوریتم بهینه سازي مبتنی بر افزایش جمعیت جهت طراحی بهینه ژنراتور بر پایه کسب حداکثر انرژي سالانه از توربین- ژنراتور بادي سرعت متغیر عرضه شده است. البته در این تحقیق تحلیل حرارتی ماشین مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله ابتدا تبدیل الکترومکانیکی انرژي باد و مشخصات توربین مورد بررسی قرار گرفته است.
سپس روند طراحی الکترومغناطیسی ژنراتور آهنرباي دائم شار شعاعی با آهنرباي سطحی و مدل حرارتی استفاده شده در طراحی بیان می شود. در ادامه یک مدل ترکیبی جامع متشکل از برنامه طراحی ژنراتور و شبیه سازي همزمان نمونه طراحی شده در حضور بار یکسو کننده ارائه شده و تاثیر بار یکسو کننده روي میزان اعوجاج شکل موج ولتاژ ماشین بررسی شده است. در پایان روند بهینه سازي طراحی ارائه شده است.
-2 تبدیل الکترومکانیکی انرژي باد
سرعت باد بعنوان یک متغیر تصادفی پیوسته مدل می شود. احتمال وقوع یک سرعت باد مشخص می تواند توسط یک تابع چگالی احتمال بیان شود. توابع چگالی متعددي می توانند چگونگی توزیع سرعت باد را توصیف کنند.
