Βελτιστοποίηση γεωμετρίας γεννήτριας μονίμων μαγνητών για εφαρμογές αιολικής ηλεκτροπαραγωγής

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί τη σχεδίαση σύγχρονης γεννήτριας μονίμων μαγνητών για εφαρμογές αιολικής ηλεκτροπαραγωγής μικρής ισχύος. Ως κύριο κριτήριο βελτιστοποίησης υιοθετήθηκε η μεγάλη πυκνότητα ισχύος έναντι της απόδοσης για την εν λόγω εφαρμογή. Σε ένα πρώτο βήμα προσδιορίσθηκαν οι προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών της γεννήτριας, και στη συνέχεια αναπτύχθηκε η μεθοδολογία σχεδίασης που χρησιμοποιήθηκε την τελική διαμόρφωση της γεωμετρίας της.

Κατά τη βιβλιογραφική διερεύνηση των επικρατέστερων διαμορφώσεων του ηλεκτρικού μέρους των ανεμογεννητριών, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στις διαμορφώσεις που αφορούν σε εφαρμογές αιολικής ηλεκτροπαραγωγής μικρής ισχύος. Ακολούθησε η φάση της προκαταρκτικής σχεδίασης, κατά την οποία μέσω θεωρητικών σχέσεων, επιχειρήθηκε ο προσδιορισμός των κύριων γεωμετρικών χαρακτηριστικών του ενεργού μέρους της ηλεκτρογεννήτριας. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε η μεθοδολογία σχεδίασης που υιοθετήθηκε. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί συγκεντρωμένο τύλιγμα κλασματικού βήματος και κατάλληλος συνδυασμός πόλων και αυλακών. Η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας της γεννήτριας πραγματοποιήθηκε μέσω αναλύσεων ευαισθησίας των παραμέτρων. Μετά την οριστική διαμόρφωση της γεωμετρίας προσομοιώθηκαν λεπτομερώς τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Επαναλήφθηκε η προαναφερόμενη διαδικασία σχεδίασης για την περίπτωση γεννήτριας με τύλιγμα πλήρους βήματος, προκειμένου να συγκριθούν τα χαρακτηριστικά της με αυτά της γεννήτριας κλασματικού βήματος. Τέλος, πραγματοποιείται μέσω πεδιακής ανάλυσης ο προσδιορισμός των παραμέτρων του ισοδυνάμου κυκλώματος. Για τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά ανάλυσης μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων FEMM και αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB-SIMULINK.

The present diploma thesis undertakes the design procedure of a synchronous permanent magnet generator for small-scale, wind-power electric generation. As dominant optimization criterion has been adopted the optimization of power density. In a first step the main specifications have been defined, and then the design methodology has been developed and applied to determine the final generator configuration. The bibliographical overview in wind turbines has focused on applications to small-scale wind power systems. At the preliminary design phase theoretical formulae have been used to determine the main dimensions of the active part of the generator. Concentrated non-overlapping fractional-slot winding has been selected and appropriate pole-slot combination has been adopted. A particular parametric design procedure has been developed in order to optimize the generator dimensions by using sensitivity analysis techniques. The final determination of the generator dimensions has been performed by using modeling based on the finite element method and the steady-state performance has been computed through detailed field analysis. The same design procedure has been repeated the integral slot winding case in order to compare the results with the fractional slot winding generator ones. Moreover, the determination of the dynamic model parameters of both generators designed has been performed.

The above mentioned analysis has been carried out by using software packages based on the finite element method for the magnetic field analysis and numerical time integration methodologies for differential equations solution (FEMM and Matlab, respectively).