بازده سیستم‌های الکترومکانیکی

با افزایش دقت و تمرکز بیشتر، بر روی بازده سیستم‌های الکترومکانیکی از قبیل تولید برق از طریق انرژی­های جایگزین و وسایل نقلیه الکتریکی همچنین با پیشرفت علم مواد در دهه­های اخیر، ماشین­های آهنربایی دائمی  (PMMs)بیشتر مورداستفاده قرار می­گیرند، مخصوصاً در زمینه­های تبدیلات توان الکترومکانیکی.درواقع در سال 1983با کشف آهنربای دائمی خاک کمیاب، ماشین­های آهنربایی دائمی (PM) به‌طور چشم­گیری گسترش یافتند. یکی از کاربردهای این ماشین‌ها در کوپل مستقیم می­باشد. کوپل مستقیم به راه‌اندازی و اتصال مستقیم ماشین به بار، بدون استفاده از گیربکس می­گویند.

ماشین­های  PMبا کوپل مستقیم، بیشتر برای استفاده در توربین‌های بادی موردتوجه قرار می­گیرد. این ماشین­های آهنربایی دائمی می­توانند هم از طریق مسیر عبور شار مغناطیسی وهم ساختار دسته‌بندی شوند. با توجه به اینکه امروزه استفاده از انرژی­های تجدید پذیر و پاک، در دستور اجرای جوامع جهانی قرارگرفته و به­عنوان یک موضوع بسیار حیاتی و مهم مطرح‌شده است. عوامل زیست‌محیطی از قبیل آلودگی­ هوا و گرمای روزافزون کره زمین با استفاده از سوخت­های آلاینده از مهم‌ترین دلایل استفاده از انرژی­های تجدید پذیر بشمار می­روند. یکی از بسترهای مناسب و پرکاربرد از انرژی­های تجدید پذیر که بسیار موردتوجه قرارگرفته است انرژی باد است. استفاده از انرژی باد بخصوص در مناطق بادخیز علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی، افزایش کیفیت توان تحویلی را نیز در پی خواهد داشت. سیستم تولید توان الکتریکی از انرژی باد به چهار قسمت اصلی: 1) توربین بادی؛ 2) مولد الکتریکی؛ 3) ادوات الکترونیک قدرت و 4) سیستم­های کنترلی، تقسیم می­شود، که با افزایش روزافزون این صنعت و پیشرفت فنّاوری، پیشرفت­های زیادی در تمامی این قسمت­ها انجام‌گرفته و ادوات مختلف الکترونیک قدرت؛ مولدهای متفاوت و سیستم­های کنترلی متفاوت ارائه‌شده است. برای مثال با پیشرفت علم مواد و خودنمایی مجدد ماشین­های آهنربای دائم، استفاده از انرژی باد در سرعت­های متفاوت باد، بدون جعبه‌دنده بسیار موردتوجه قرارگرفته است. برای حذف جعبه‌دنده استفاده از ماشین­های آهنربای دائم و استفاده از ادوات الکترونیک قدرت پیشنهادشده است. بنابراین مطالعه­ی سیستم­های تولید توان الکتریکی از انرژی باد بر پایه­ی مولد­های با تحریک آهنربای دائمی از دیدهای متفاوت ضروری می­باشد. درزمینه­ی مولد می­توان به استفاده از [1] و [2] اشاره شود که در سیستم­های تولید انرژی الکتریکی از نیروی باد بر اساس آهنربای دائم مورداستفاده قرارگرفته‌اند. در زمینه ادوات الکترونیک قدرت، پیشنهادهای متفاوت‌تر با ویژگی­های منحصربه‌فرد بیشتری ارائه گردیده است که معمول­ترین آن‌ها، استفاده از یک مبدل بوست و اینورتر منبع ولتاژی می­باشد. باوجود مطالعه در زمینه­های متفاوت ماشین­های شار شعاعی (RFPM)، شار محور (AFPM) و شارمتقاطع(TFPM[3])، غالباً به ساختار ماشین و بررسی ساختارهای متفاوت با تحلیل  اجزای محدود سه‌بعدی پرداخته‌شده است و مطالعات دینامیکی آن‌ها کمتر موردبررسی قرارگرفته است. باوجوداینکه، اصول کلی طراحی ماشین­های شارمتقاطع با همتای استوانه­ای آن، که دارای توزیع شار شعاعی و همین‌طور ماشین­های شار محور، مشابه می­باشد، تفاوت در ساختار این ماشین‌ها در عملکرد دینامیکی آن‌ها به‌شدت مؤثر است. چراکه این تفاوت­ها مدل­های ریاضی را دستخوش تغییر می‌کنند. با توجه به اینکه مولدهای آهنربای دائمی شارمتقاطع با امکان ایجاد تعداد قطب­های زیاد و گشتاور بالا در سرعت­های باد پایین بخصوص در توربین­های بادی بسیار مناسب است. مطالعات بر روی سیستم توربین بادی سرعت متغیر بر پایه مولد شارمتقاطع صورت نگرفته است. ازاین‌رو، هدف اصلی این پایان­نامه مدل‌سازی سه‌بعدی اجزای محدود یک نمونه مولد شارمتقاطع و تجزیه‌وتحلیل آن در دو حوزه ایستا و گذرای مغناطیسی می­باشد، تا بدین‌وسیله پارامترهای موردنظر برای ایجاد یک مدل دینامیکی برای مولد شارمتقاطع به­منظور استفاده در سیستم توربین بادی سرعت متغیر استخراج شود و سیستم توربین-مولد پیشنهادی ارائه شود. از سوی دیگر با توجه به اهمیت ادوات الکترونیک قدرت در تحویل توان الکتریکی به شبکه ( رابط بین توربین باد و شبکه)، پیشنهاد استفاده از شبکه Y-Source در سیستم­های توربین بادی سرعت متغیر بر پایه­ی ماشین­های آهنربای دائم، در نقش مبدل الکترونیک قدرت ارائه‌شده است.

این پایان‌نامه با در نظر گرفتن موارد یادشده در پی نیل به اهداف موردنظر به‌صورت زیر نگارش شده است.

در شروع، ابتدا به بررسی ساختار ماشین­های آهنربای دائم شارمتقاطع و مبدل­های منبع امپدانسی پرداخته‌شده و تحولات ایجادشده در این زمینه­ها مرور خواهد شد. ملاحظات طراحی هندسی و الکترومغناطیسی ماشین­های شارمتقاطع  در همین فصل توضیح داده خواهد شد. در فصل سوم، ابتدا مدل سه‌بعدی اجزای محدود از یک مولد سنکرون آهنربای شارمتقاطع جهت استخراج پارامترهای مولد، توسعه داده خواهد شد. نظر به اهمیت مدل دینامیکی در تحلیل عملکرد سیستمی ماشین، به مدل‌سازی و شبیه‌سازی دینامیکی مولد سنکرون آهنربای دائم شارمتقاطع پرداخته می­شود. بر اساس مولد شبیه‌سازی‌شده، به بررسی سیستم توربین بادی برای نیروگاه بادی مقیاس کوچک پرداخته‌شده است. سپس به­منظور تحویل توان با تلفات کم و کیفیت بالاتر به معرفی مبدل شبکه امپدانسی جدید Y-Source پرداخته و سپس در بخش انتهایی این بخش سیستم تولید توان الکتریکی از انرژی باد با سرعت متغیر بر پایه مولد آهنربای دائم بر اساس این مبدل  پیشنهادشده و به شبیه‌سازی آن پرداخته‌شده است. فصل چهارم به ارائه نتایج مدل‌سازی‌ها و شبیه­سازی­های مربوط به سیستم­ پیشنهاد فصل سوم مربوط می­شود که به بررسی صحت مدل دینامیکی ارائه‌شده برای مولد موردنظر، عملکرد آن در حالت متصل به توربین بادی، سیستم کنترلی  و سایر اجزا می­پردازد. در بخش انتهایی این فصل نیز به بررسی سیستم پیشنهادی بر اساس مبدل Y-Source پرداخته و نتایج آن ارائه است. در آخر به جمع‌بندی پژوهش پرداخته و پیشنهاد‌هایی را ارائه کرده است. بلوک­های شبیه‌سازی‌شده در پیوست ارائه گردیده است.

 

[1]  Radial flux permanent magnet generators

[2] Axial flux permanent magnet generators

[3] Transverse flux permanent magnet generators