ترجمه مقاله طراحی ژنراتور ورنیر مغناطیس دائمی برای سیستم توربین بادی - نشریه IEEE

در این مطالعه، یک روش طراحی جدید برای ژنراتور های ورنیر مغناطیس ثابت با هدایت مستقیم (DDPMVG) برای سیستم های توربین بادی سبک با توان بالا و بدون جعبه دنده ارائه شده است. زمانی که الزام توان حداکثری در نظر گرفته شود، سرعت های مبنا و ماکسیموم برای ژنراتور، اول از مشخصه های ایرودینامیک تیغه های توربین بادی به دست می آید. سپس پارامتر های الکتریکی ضروری برای ژنراتور ها با در نظر داشتن طرح کنترل بیشترین پارامتر گشتاور (MTPA) در ژنراتور های PM محاسبه می شود. برای مشخص کردن حالت هندسی مناسب برای پارامتر های به دست آمده، همبستگی های بین پارامتر ها و حالت های هندسی PMVG با در نظر داشتن سیم بندی های متمرکز، به دست می آیند. با استفاده از همبستگی های به دست آمده و پارامتر های ایجاد شده، یک فرایند طراحی سیستمی از PMVG ارائه می شود. برای یک مورد پژوهی، یک 5kW DD-PMVG با روتور خارجی با استفاده از روش پیشنهاد شده، طراحی می شود. مشخصه های عملکردی ژنراتورهای طراحی شده نیز با شبیه سازی های المان محدود (FE) تحلیل شده و سپس با نتایج پیش بینی شده با تحلیل ها، مقایسه می شود. در نهایت، نتایج آزمایش ها ارائه می شوند.

ملاحظات طراحی برای ژنراتور های بادی هدایت مستقیم
الف) محاسبه گشتاور و سرعت دورانی
توان منتقل شده به روتور توربین از باد را می توان با استفاده از معادله زیر به دست آورد: که Pair نشان دهنده انرژی جنبشی از هوای در حال حرکت، Cp نشان دهنده ضریب توان کمتر از 0.59 از حد بتز، Ablade نشان دهنده مساحت تیغه روتور، Rblade نشان دهنده شعاع تیغه و p نشان دهنده تراکم بار به صورت تخمینی به صورت می باشد. همچنین هم نشان دهنده سرعت باد است. در سیستم توربین های بادی، سرعت های آستانه، سرعت نامه و سرعت قطع در باد نیز بر اساس ملاحظات ظرفیت توربین بادی مشخص می شود. در این مطالعه، این سرعت ها به ترتیب به صورت 3m/s، 9m/s و 15m/s می باشند که این سرعت ها در شکل 1a نمایش داده شده است. تولید توان در سرعت آستانه شروع می شود و بر اساس مکعب سرعت باد افزایش پیدا می کند. بعد از رسیدن به سرعت نامی، توان کنترل می شود تا به صورت ثابت، سرعت باد به سرعت قطع برسد. در حالت عملی، می توان از نسبت نوک- سرعت ، یا در معادله 2 استفاده کرد تا سرعت دورانی روتور توربین را اندازه گیری کرد که در این مطالعه، نشان دهنده سرعت زاویه ای روتور می باشد.

مشخصه های عادی از منحنی برای روتور با دو تیغه در شکل 1b نشان داده شده است که بیشترین Cp به صورت 0.45 زمانی به دست می آید که نسبت حدود 7 باشد [32] . ازین رو، برای یک توان ماکسیموم مشخص 5kW، Ablade در معادله 1 با استفاده از Cp به مقدار 0.45 محاسبه می شود و ازین رو شعاع تیغه روتور نیز به دست می آید. در نهایت، سرعت مبنا در روتور توربین ها را می توان با استفاده از معادله 2 و به صورت 7 به دست آورد که در نتیجه باعث می شود گشتاور توربین در هر سرعت به دست بیاید که در جدول 1 ارائه شده است. باید خاطر نشان کرد که به علت این که ژنراتور های DD در نظر گرفته شده است، سرعت و گشتاور توربین ها مشابه با ژنراتور می باشد.

ب) بررسی کردن پارامتر های مدار برای ژنراتور های PM با در نظر داشتن طرح کنترل MTPA
شکل 2 نشان دهنده طرح شماتیک برای سیستم توربین بادی با ژنراتور غیر برجسته می باشد که با استفاده از مدار معادل بر اساس هر فاز نمایش داده شده است که شامل نیروی الکتریکی حرکتی بازگشتی (EMF) به صورت Eb و راکتانس سنکرون Xsyn و مقاومت سیم پیچ ها به صورت R می باشد. با چشم پوشی کردن نسبت به R برای راحتی تحلیلها، معادله ولتاژ برای ژنراتور در قاب DQ را می توان به صورت معادله 3 نشان داد و به صورت یک دایره در محور جریان DQ در شکل 3 نشان داده شده است که مرکز آن ، Cv به صورت در معادله 3 می باشد. در طرف دیگر، یک حد ماکسیموم جریان مجاز می باشد که مبتنی بر ظرفیت گرمایی ماشین الکتریکی و یا ظرفیت توان مبدل می باشد و با استفاده از یک دایره با شعاع حول محور نمایش داده شده است. برای ماشین های الکتریکی غیر برجسته، تنها جریان محور Q به صورت Iq بر روی تولید گشتاور تاثیر دارد که این موضوع در معادله 4 نشان داده شده است: