Geri Dön

Design and meta-heuristic based optimization of axial-flux induction generator for variable speed wind turbines

Değişken hızlı rüzgâr türbinleri için eksenel akılı asenkron generatör tasarımı ve meta-sezgisel yöntemlerle optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 879779
  2. Yazar: BATI EREN ERGUN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 100

Özet

Yenilenebilir enerjinin yaygınlaşması günümüzde artan dünya nüfusu, sürdürülebilirlik problemleri ve gün geçtikçe gündeme gelen yeşil enerji standartları dolayısıyla kaçınılmaz bir hale gelmiştir. Jeotermal, hidroelektrik, güneş ve rüzgâr enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına olan rağbet her geçen gün daha da artmaktadır. Rüzgâr enerjisi, diğer yenilenebilir enerji kaynakları arasından oldukça yüksek zincirleme sistem verimi ve uygulama kolaylığı gibi üstün özellikleriyle ön plana çıkabilmektedir. Rüzgâr enerjisinin elektromekanik enerji dönüşümünün çok daha yüksek verimlerle gerçekleştirilebilmesi, yenilikçi generatör tasarımı yaklaşımlarıyla mümkün hale gelmektedir. Bu noktada eksenel akılı asenkron generatörler (EAAG), rüzgâr enerji sistemlerinin isterlerini yerine getirebilecek mimarilerinden bir tanesidir. EAAG'ler çalışma prensibi bakımından endüstride sıklıkla kullanılan radyal akılı asenkron makinalara (RAAM) oldukça benzemektedirler. Statorlarında üç fazlı alternatif akım sargılarını ve rotorlarında büyük çoğunlukla bakır veya alüminyum malzemeden tercih edilen kafes yapısını içerirler. Stator sargılarından akan üç fazlı akımların oluşturduğu manyetomotor kuvvet ve dolayısıyla döner manyetik alan, rotor kafesi iletkenlerinde gerilim endükler. Endüklenen bu gerilim, rotor kafesi iletkenlerinin empedansına oranla rotor çubuk ve kısadevre halkası akımlarını oluşturur. Rotor oluklarına yerleştirilmiş olan çubukların her biri ayrı faz olacak şekilde çubuk sayısı kadar fazda akım oluşur. Stator döner manyetik alanının rotor çubuğu akımlarıyla olan etkileşimi, makinanın elektromanyetik moment oluşturabilmesini sağlamış olur. Literatürde bu prensip, endüksiyon prensibi olarak bilinir ve hem eksenel akılı hem de radyal akılı asenkron makinaların çalışma düzeni bu prensiple açıklanır. Birçok elektrik makinesine benzer şekilde EAAG'lerin stator ve rotor çekirdek malzemeleri yumuşak ferromanyetiklerden tercih edilir. Demir kayıplarının önemli bir parçası olan girdap akımı kayıplarının en aza indirilmesi için ferromanyetik malzeme laminasyon işlemine tabi tutulur. Eksenel akılı makina (EAM) statoru ve rotorunun laminasyon işlemi, RAAM'lere nazaran daha karmaşıktır. RAAM'lerde olduğu gibi yalnızca hazır bir kalıp kullanılarak çıkarmalı imalat tekniğinin uygulanması yeterli değildir. Genellikle rulolama ve kaynaklamayla gerçekleştirilen EAAG laminasyonunda kullanılan temel yöntem, her bir çevre tamamlandığında açılacak olukların arasındaki mesafenin kullanılan laminasyon sacının kalınlığına oranla arttırılmasıdır. Bu işlem, bir programlanabilir lojik kontrolör (PLK) düzeneğinin kullanıldığı otomasyon sistemini gerektirir. Olukların açılmasında yapılan hatalar nedeniyle makinanın hem stator hem de rotor dişlerinde asimetrik bir yapı oluşabilir. Bu asimetri ve pürüz dolayısıyla makinanın moment titreşimlerinde artış yaşanabilir ve dolayısıyla makinanın başarımı düşebilir. Aynı zamanda kullanılan mekanik bağlantı ekipmanlarının ömrü kısalabilir. Dolayısıyla laminasyon işleminin nasıl gerçekleştirildiği, makinanın hem başarımını hem de ömrünü doğrudan etkiler. Günümüzde çıkarmalı imalat yerine eklemeli imalat teknikleriyle üretilen EAM'ler bulunmaktadır. Bu güncel teknik sayesinde hem imalat hataları minimalize edilebilmekte hem de atık haline gelen çekirdek malzemesi oranı minimuma indirgenebilmektedir. EAAG'lerin eksenel akı geometrisini kullanmaları nedeniyle yüksek güç yoğunluğunda ve yüksek verimlerde tasarlanabilmeleri mümkün olmaktadır. Ek olarak, yine eksenel akı geometrisinin sağladığı büyük dış çap boyutları sayesinde doğal olarak eylemsizlik momenti büyük tasarımlar elde etmek kaçınılmazdır. Bu özellikleri hem EAAG'leri hem de şebekeyi rüzgâr hızlarındaki ani değişimlerden meydana gelebilecek gerilim ve frekans dalgalanmalarından korumaktadır. Elektronik kontrol ve koruma düzenlerinin yanında mekanik koruma düzenlerinin de bulunması, bu makinaları rüzgâr türbini generatörü olarak kullanmayı avantajlı kılan faktörlerden biridir. Radyal akılı makina mimarilerine nazaran daha büyük eylemsizlik momentleri ve yüksek kutup sayılarında elde edilen tasarımları, EAAG'lerin değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde doğrudan sürüş sistemiyle kullanılabilmelerine olanak tanımaktadır. Doğrudan sürüş sistemine geçiş, rüzgâr türbinlerinde mekanik kayıpların küçültülmesi bakımından önemli bir adımdır. Bu sistemle mekanik kayıpların azaltılabilmesi ve zincirleme verimin arttırılabilmesinin temel nedeni dişli yapısı içeren şanzımanların devredışı bırakılabilmesidir. Büyük kutup sayılarında elde edilen tasarımlar, kaçınılmaz olarak daha düşük devir hızlarında çalışacağından mil hızını değiştirecek vites kutusuna, yani şanzımana duyulan ihtiyaç elimine edilebilir. Generatörün şebeke frekansına uyumlu şekilde gerilim oluşturabilmesi koşuluyla rotor hızı, rüzgâr hızına göre ayar edilebilir. Bunun için gelişmiş değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde türbin kanatlarının açısı ayarlanabilmekte ve rotor hızı ayar edilebilmektedir. Farklı stator ve rotor kombinasyonları kullanılarak değişik EAAG mimarileri türetmek mümkündür. Bu tez çalışması kapsamında irdelenen mimariler tek stator-tek rotor (TSTR), çift stator-tek rotor (ÇSTR), tek stator-çift rotor (TSÇR) ve çift stator-üç rotor (ÇSÜR) mimarileridir. Her bir mimari, uygulamanın isterlerine göre anlam kazanabilmektedir. Örneğin tek stator-çift rotor mimarisindeki eksenel akılı asenkron motor (EAAMo), bir elektrikli aracın tekerlek aksının ortasına yerleştirildiğinde her iki tekerleğe de dengeli bir şekilde çift rotoru sayesinde moment üretebilir. Öte yandan çift stator-tek rotor mimarisi de sağladığı yüksek güç yoğunluğu sayesinde rüzgâr türbinleri gibi hacim kısıdı bulunduran uygulamalara uyum sağlayabilir. Birçok mühendislik problemi gibi EAAG'lerin tasarımı da çok amaçlı optimizasyona tabi tutulabilir. Temelde EAAG'ye ait olan birçok geometrik boyut, bu optimizasyonun değişkeni olarak atanabilir. Örneğin stator ve rotor oluk derinliği ve genişliği, stator ve rotor boyunduruk uzunluğu, makinanın iç ve dış çap uzunluğu, stator ve rotor oluk kaykı açısı gibi birçok değişken türetilebilir. Gerçekleştirilecek optimizasyonun amaç fonksiyonları, toplam kayıpları ve toplam çekirdek malzemesi hacmini küçültmek olarak belirlenirse, elde edilecek olan tasarımlar yüksek verime ve yüksek güç yoğunluğuna sahip olacaktır. Günümüzde rüzgâr türbini generatörlerinden beklenen yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verim özelliklerini sağlayabilecek, birçok farklı generatör topolojisine bu alanda rakip olabilecek EAAG tasarımları bu şekilde elde edilebilir. Değişkenlerin oldukça fazla olması ve işlem yükünün aşırı olması nedeniyle, çok amaçlı metasezgisel optimizasyon algoritmalarına başvurmak kaçınılmaz olacaktır. Bu algoritmalar sayesinde hem çözüm uzayı daha hızlı elde edilebilecek hem de beklenen kısıtlara uyan sonuçların elde edilmesi garanti altına alınabilecektir. Bu tez çalışması kapsamında çift stator-tek rotorlu eksenel akılı asenkron generatör (ÇSTR-EAAG) ve tek stator-tek rotorlu eksenel akılı asenkron generatör (TSTR-EEAG) olmak üzere iki farklı EAAG mimarisinin tasarımları ve bir metasezgisel algoritma tipi olan Çok Amaçlı Gri Kurt Optimizasyonu (ÇA-GKO) ile optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Kurulan optimizasyon algoritması, yerel tarama döngüsü olarak kutup sayısını, stator oluğu başına düşen iletken sayısını ve iletken çapını kullanmaktadır. Küresel optimizasyon değişkenleri ise stator/rotor oluk derinliği ve genişliği, stator/rotor boyunduruk uzunluğu, iç ve dış çap uzunlukları ve hava aralığı uzunluğudur. Optimizasyona ait amaç fonksiyonlarının ağırlıkları değiştirilmiş ve farklı tasarımlar irdelenmiştir. Öncelikle %80 oranında toplam kayıp küçültme ve %20 oranında hacim küçültmeyi hedefleyen bir ÇSTR-EAAG tasarımı, sonra %80 oranında hacim küçültme ve %20 oranında toplam kayıp küçültme hedefleyen bir ÇSTR-EAAG tasarımı, ardından her iki amaç fonksiyonunu eşit ağırlıkta kabul eden bir ÇSTR-EAAG tasarımı elde edilmiştir. Son olarak bu tasarımların verimleri ve güç yoğunluğu değerleri, eşit amaç fonksiyonu ağırlıklarına sahip bir TSTR-EEAG mimarisiyle karşılaştırılmıştır. Hem güç yoğunluğu hem de verim bakımından üstünlük kuran mimarinin ÇSTR-EAAG olduğu hem sonlu eleman analizleriyle (SEA) hem de geliştirilen algoritma çıktılarıyla gösterilmiştir. Ayrıca kurulan algoritmanın tutarlılığı ve doğruluk oranı, yine gerçekleştirilen SEA'larla kanıtlanmıştır.

Özet (Çeviri)

Renewable energy has inevitably become widespread due to the increasing world population, sustainability problems, and the green energy standards that are increasingly coming to the forefront. Therefore the demand for renewable energy resources such as geothermal, hydroelectric, solar, and wind energy is increasing day by day. Among these types of energy, wind energy stands out with features such as very high system efficiency and ease of application. Achieving much higher efficiencies in the electromechanical energy conversion of wind energy is made possible by innovative generator design approaches. At this point, axial-flux induction generators (AFIG) are one of the significant generator topologies that can meet the expectations from wind energy systems. AFIGs, in terms of their operating principle, are quite similar to the radial-flux induction machines frequently used in the industry. They contain three-phase AC windings in their stators and a rotor cage made of copper or aluminum material in their rotors. These machines do not contain rare earth magnets, and therefore, the sustainability problems in their manufacturing are less. Similar to many electrical machines, their core materials are chosen from soft ferromagnetic materials and subjected to lamination to minimize eddy current losses. Due to their use of axial-flux geometry, it is possible to design them with high power density and high efficiency. Additionally, the large outer diameter dimensions provided by the axial-flux geometry increase their moment of inertia. These features protect both the AFIGs and the grid from voltage and frequency fluctuations that may arise from sudden changes in wind speed. It is possible to derive different AFIG topologies using various stator and rotor combinations. The design of AFIGs is often subjected to multi-objective optimization, a common approach in engineering problems. This process involves assigning various geometric dimensions of the AFIG as optimization variables. Examples of these variables include the height and width of the stator and rotor slots, the length of the stator and rotor yokes, the inner and outer diameters of the machine, and the skew angles of the stator and rotor slots. By setting the objective functions to minimize total losses and core material volume, designs with high efficiency and high power density can be achieved. Contemporary designs that meet the high power density and efficiency requirements for wind turbine generators, and that can compete with various generator topologies, are attainable through this approach. Given the large number of variables and significant computational load, employing multi-objective metaheuristic optimization algorithms becomes necessary. Thanks to these algorithms, both the solution space will be obtained faster and it will be guaranteed to obtain results that meet the expected constraints. In this thesis, the designs and optimizations of two different AFIG topologies, namely double stator-single rotor axial-flux induction generator (DSSR-AFIG) and single stator-single rotor axial-flux induction generator (SSSR-AFIG), were performed using a metaheuristic algorithm type called Multi-Objective Grey Wolf Optimizer (MO-GWO). The established optimization algorithm uses the number of poles, conductor per slot value, and conductor diameter as local sweep variables. The global optimization variables are stator/rotor slot height and width, stator/rotor yoke height, inner and outer diameter lengths, and air-gap length. Different designs were examined by changing the weights of the objective functions of the optimization. First, a DSSR-AFIG design targeting 80% total loss reduction and 20% volume minimization, then a DSSR-AFIG design targeting 80% volume minimization and 20% total loss minimization, and finally a DSSR-AFIG design accepting both objective functions with equal weights were obtained. Lastly, the efficiencies and power density values of these designs were compared with the SSSR-AFIG topology with equal objective function weights. It was shown by both Finite Element Analysis (FEA) and the outputs of the developed algorithm that the DSSR-AFIG topology is superior in terms of both power density and efficiency. Additionally, the consistency and accuracy of the established algorithm were also proven by the performed FEAs.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    773824

    İki eksenli eğilme ve eksenel kuvvet altındaki betonarme çubukların optimal tasarımı

    Optimal design of reinforced concrete bars under biaxial bending and axial force

    AYŞEGÜL SÜMEYYE DALGIÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN ÖZBAŞARAN

  2. Tez No

    608098

    Çelik çerçeve sistemlerin GPU tabanlı optimizasyonu

    GPU based optimization of steel frame structure

    TEVFİK OĞUZ ÖRMECİOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik BilimleriAkdeniz Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM AYDOĞDU

  3. Tez No

    720481

    Uygunluk mesafe dengesi tabanlı sezgisel optimizasyon algoritmalarının güç sistemi problemlerine uygulanması

    Application of fitness distance balance based heuristic optimization algorithms to power system problems

    HÜSEYİN BAKIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDüzce Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR GÜVENÇ

    PROF. DR. HAMDİ TOLGA KAHRAMAN

  4. Tez No

    751865

    Gelişmiş model kullanılan fv dizilerde meta sezgisel algoritmalar ile kısmi gölgelenme koşullarında mgnt optimizasyonunun gerçekleştirilmesi

    Implementation of mgnt optimization in partial shading conditions with meta- heuristic algorithms in pv arrays using advanced model

    KEZBAN KOÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET DEMİRTAŞ

  5. Tez No

    346638

    Yapay arı koloni algoritması kullanılarak 3 boyutlu çelik yapıların optimum tasarımı

    Optimum design of three-dimensional steel structures using artificial bee colony algorithm

    ÖZER SEVİM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat MühendisliğiAksaray Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA SÖNMEZ

Geri Dön