طراحی بهینه ژنراتور سنکرون آهنربای دایم شار شعاعی شش‌فاز جهت استفاده در توربین‌های بادی مقیاس کوچک
الموضوعات :محمدابراهیم مؤذن 1 , سیداصغر غلامیان 2 , میثم جعفری نوکندی 3
1 - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
2 - دانشگاه نوشیروان بابل
3 - دانشگاه نوشیروان بابل
الکلمات المفتاحية: ژنراتور آهنربای دایمتوربین بادیطراحی بهینههزینه ساختتلفاتالگوریتم ازدحام ذراتتحلیل اجزای محدود,
ملخص المقالة :
در این مقاله طراحی بهینه ژنراتور سنکرون آهنربای دایم شش‌فاز جهت استفاده در توربین‌های بادی بدون جعبه‌دنده ارائه شده است. ابعاد و هزینه ساخت زیاد و راندمان کم از معایب ژنراتورهای متصل به توربین‌های بادی بدون جعبه‌دنده به دلیل سرعت نامی پایین می‌باشد. بنابراین هدف اصلی این مقاله طراحی بهینه ژنراتور سنکرون آهنربای دایم بر اساس کاهش تلفات و هزینه ساخت ژنراتور است. به همین منظور ابتدا روابط حاکم بر طراحی ژنراتور سنکرون آهنربای دایم شار شعاعی مورد بررسی قرار گرفته و یک الگوریتم طراحی دقیق برای آن استخراج شده است. سپس با تعریف یک مسأله بهینه‌سازی چندهدفه، متغیرهای طراحی با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات در یک محدوده مناسب بهینه‌یابی شده و حداقل تلفات و هزینه ساخت ژنراتور به دست آمده است. در پایان مقایسه‌ای بین ژنراتور بهینه شده و یک نمونه ژنراتور آهنربای دائم رتور خارجی واقعی انجام شده است که نشان‌دهنده قابلیت‌های بسیار خوب روش طراحی بهینه ارائه‌شده می‌باشد. همچنین صحت طراحی بهینه انجام‌شده به واسطه تحلیل اجزای محدود مورد بررسی قرار گرفته است.
[1] Global Wind Energy Council (GWEC). Global Wind Report: Annual Market Update,2018 [Online]. Available: http://files.gwec.net/register?file=/files/GWR2017.pdf
[2] A. Tummala, R. Velamati, D. Sinha, V. Indraja, and V. Krishna, "A review on small scale wind turbines," J. Renew. Sustai. Energy Rev., vol. 56, pp. 1351-1371, Apr. 2016.
[3] H. Li, Z. Chen, and H. Polinder, "Optimization of multibrid permanent-magnet wind generator systems," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 1, pp. 82-92, Mar. 2009.
[4] A. Grauers, Design of Direct-Driven Permanent-Magnet Generators for Wind Turbines, Ph.D Dissertation, Dept. Elect. Comput. Eng., Chalmers Univ. Technol., Goteberg, Sweden, 1996.
[5] Y. Chen, P. Pillay, and A. Khan, "PM wind generator topologies," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, no. 6, pp. 1619-1626, Nov./ Dec. 2005.
[6] A. Grauers, "Efficiency of three wind energy generator systems," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 11, no. 3, pp. 650-657, Sep. 1996.
[7] J. Chen, C. V. Nayar, and L. Xu, "Design and finite-element analysis of an outer-rotor permanent-magnet generator for directly coupled wind turbines," IEEE Trans. Magn., vol. 36, no. 5, pp. 3802-3809, Sep. 2000.
[8] H. Polinder, F. Pijl, G. Vilder, and P. Tavner, "Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 21, no. 3, pp. 725-733, Sep. 2006.
[9] H. Li and Z. Chen, "Design optimization and site matching of direct-drive permanent magnet wind power generator systems," J. Renew. Energy, vol. 34, no. 4, pp. 1175-1184, Apr. 2009.
[10] J. H. J. Potgieter and M. J. Kamper, "Torque and voltage quality in design optimization of low-cost non-overlap single layer winding permanent magnet wind generator," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 5, pp. 2147-2156, May 2012.
[11] J. Tapia, J. Pyrhonen, J. Puranen, P. Lindh, and S. Nyman, "Optimal design of large permanent magnet synchronous generators," IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 1, pp. 642-650, Jan. 2013.
[12] S. Lee, Y. Kim, K. Lee, and S. Kim, "Multiobjective optimization design of small-scale wind power generator with outer rotor based on box-behnken design," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 26, no. 4, pp. 605-609, Jun. 2016.
[13] A. McDonald and N. Bhuiyan, "On the optimization of generators for offshore direct drive wind turbines," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 32, no. 1, pp. 348-358, Mar. 2017.
[14] T. P. M. Bazzo, J. F. Kolzer, R. Carlson, F. Wurtz, and L. Gerbaud, "Multiphysics design optimization of a permanent magnet synchronous generator," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 12, pp. 9815-9823, Dec. 2017.
[15] K. Wang, Z. Q. Zhu, and G. Ombach, "Torque improvement of five-phase surface-mounted permanent magnet machine using third-order harmonic," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 29, no. 3, pp. 735-747, Sep. 2014.
[16] E. Levi, M. Jones, S. Vukosavic, and H. Toliyat, "Operating principles of a novel multiphase multimotor vector-controlled drive," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 19, no. 3, pp. 508-517, Sept. 2004.
[17] G. Singh, A. Kumar, and R. Saini, "Performance evaluation of series compensated self-excited six-phase induction generator for stand-alone renewable energy generation," J. Energy, vol. 35, no. 1, pp. 288-297, Jan. 2010.
[18] N. Bianchi, S. Bolognani, and P. Frare, "Design criteria for high-efficiency SPM synchronous motors," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 21, no. 2, pp. 396-404, Jun. 2006.
[19] J. F. Gieras, Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, 3rd Ed. New York: CRC Press, 2009.
[20] I. Boldea, Variable Speed Generators, 1st Ed., New York: CRC Press, 2005.
[21] A. Khan and P. Pillay, "Design of a PM wind, optimized for energy capture over a wide operating range," in Proc. IEEE Int. Conf. Elect. Mach. Drives, pp. 1501-1506, San Antonio, TX, USA, May, 2005.
[22] J. Pyrhonen, T. Jokinen, and V. Hrabovcova, Design of Rotating Electrical Machines, 1 Ed., U.K: Wiley, 2009.
[23] S. Eriksson and B. Bernhoff, "Loss evaluation and design optimization for direct driven permanent magnet synchronous generators for wind power," J. Applied Energy, vol. 88, no. 1, pp. 265-271, Jan. 2011.
[24] H. Jagau, A. Khan, and P. Barendse, "Design of a sustainable wind generator system using redundant material," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 23, no. 6, pp. 1827-1837, Nov. 2012.
[25] Renewable Energy Organization of Iran, Iranian Renewable Energy Organization Magazine, 2010, [Online] Available: http://www.satba.gov.ir/suna_content/media/image/2015/11/4222_orig.pdf
[26] S. Alshibani, V. Agelidis, and R. Dutta, "Application of particle swarm optimization in the design of large permanent magnet synchronous generators for wind turbines," in Proc. IEEE Int. Conf. Power and Energy, pp. 162-167, Kota Kinabalu, Malaysia, Dec. 2012.
[27] J. Kennedy and R. Eberhart, "Particle swarm optimization," in Proc. IEEE Int. Conf. Neural Networks, pp. 1942-1948, Perth, WA, Australia, Dec. 1995.
[28] M. Comanescu, A. Keyhani, and M. Dai, "Design and analysis of 42 V permanent-magnet generator for automotive applications," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 18, no. 1, pp. 107-112, Mar. 2003.
