Sabit mıknatıslı senkron generatörlerin modellenmesi ve optimizasyonu

Abstract

Gelişen teknoloji ve sanayileşme ile birlikte, enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Bu ihtiyacın büyük bir kısmı fosil yakıtlı santrallerden karşılanmaktadır. Fakat fosil yakıtların çevreye verdiği zararlar ve ömürlerinin de her geçen gün azalması, alternatif enerji kaynakları ile ilgili çalışmaların artmasına neden olmuştur. Bu enerji kaynaklarının en önemlileri; rüzgâr türbinleri, güneş enerjisi santralleri, hidroelektrik santraller, jeotermal enerji ve biyoenerji tesisleridir. Sabit mıknatıslı senkron generatörler (SMSG), özellikle D-D rüzgar türbinlerinde, hidroelektrik santrallerinde ve elektrikli araçlarda mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüşümünde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Yenilenebilir enerji üretiminde ve türbin yapısı tasarım sürecinde SMSG'lerin verimliliği oldukça önemlidir. Bu çalışmada, `Maxwell RMxprt` programının çıktıları baz alınarak, başlangıç kriterleri belirli bir iç rotorlu SMSG'nin tasarım sürecinde, verime doğrudan etkiyen bağımsız değişkenler belirlenmiş, bu değişkenlerin maksimum verim için tahmini ve optimizasyonu için matematiksel modeller geliştirilmiştir. Ayrıca bu değişkenler ile verim arasındaki ilişkileri yapılandırmak için nonlineer regresyon analizi uygulanmış, matematiksel hesaplamalar için de `Wolfram Mathematica` programı kullanılmıştır. SMSG başlangıç kriterleri olarak Çetinceviz (2017) doktora tezinde SEY ve Parametrik Analiz uygulayarak optimizasyonunu ve üretimini gerçekleştirdiği generatör parametreleri ele alınmıştır. Bu generatör modeli için deneysel sonuçların da incelenmiş olması ve `Maxwell RMxprt` sonuçlarıyla deneysel sonuçlarının birbirine yakınlığı, bu tez çalışmasının referansı olmasında önem teşkil etmiştir.Bu çalışmada öncelikle verimi tahmin edebilmek için bir matematik model geliştirilmiştir. Verim modeline ek olarak ağırlık, tutma torku, oluk doluluk oranı, çıkış gücü ve hat voltajı değerlerini tahmin etmek için de beş farklı matematik model geliştirilmiştir. Bu modellerin oluşturulma amacı, maksimum verimde bir SMSG için ağırlığı ve tutma torkunu minimize etmek, oluk doluluk oranı aralığını belirlemek, çıkış gücünü ve hat voltajını istenen değerlere sabitlemektir. Oluşturulan genel matematik modelin, nonlineer regresyon analizleri sonucunda başlangıç kriterleri belirli bir SMSG için, verim optimizasyonu sürecinde gerekli değişkenleri doğru bir şekilde tahmin edebildiği görülmüştür. Modellerin oluşturulması tamamlandıktan sonra SMSG verim optimizasyonu için 39 adet problem oluşturulmuştur ve her bir problemin sonuçları Maxwell programı sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. SMSG optimizasyon çalışmalarında `Differential Evolution`, `Nelder-Mead`, `Simulated Annealing` ve `Random Search` metodları kullanılmıştır. Çalışmanın sonucunda yüksek verimli bir SMSG modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan bu model belirlenen tasarım kriterlerini sağlamaktadır ve elektriksel grafikleri incelendiğinde sargı akımları, sargı gerilimleri ve ısınma performansı gibi parametreler istenen aralıktadır. Tasarımda düşük rüzgâr hızlarında da elektrik üretimini mümkün kılmak için tutma torku da minimize edilmiştir.

Along with developing technology and industrialization, energy need is increasing day by day. Much of this need is met by fossil-fueled power plants. However, the damage to the environment of fossil fuels and their longevity has been decreasing day by day, leading to increased work on alternative energy sources. The most important of these energy sources are; wind turbines, solar power plants, hydroelectric power plants, geothermal and bioenergy facilities. Permanent magnet synchronous generators (PMSG) are widely used in D-D wind turbines, hydroelectric power plants and electric vehicles to convert mechanical energy into electrical energy. The efficiency of PMSGs in renewable energy generation and turbine design process is very important. In this study, based on the outputs of `Maxwell RMxprt`, the initial criteria were specified in the design process of inner-runner PMSG and the independent variables that directly affect the efficiency were determined. Then a mathematical model was developed for the estimation and optimization of these variables for maximum efficiency. In addition, nonlinear regression analysis was applied to construct relationships between these variables and efficiency, and `Wolfram Mathematica` program was used for mathematical calculations. As the starting criteria of PMSG, the constraints for the parameters specified from the doctoral thesis Cetinceviz (2017), which FEM and Parametric Analysis were applied to optimize the PMSG. The experimental results for this generator model have also been examined and the closeness of the experimental results to the `Maxwell RMxprt` results has been important for the reference of this thesis study.In this study, firstly a mathematical model was developed to predict the efficiency. In addition to the efficiency model, five different mathematical models have been developed to estimate weight, cogging torque, stator slot fill rate, output power and line voltage. The purpose of these models is to minimize the weight and cogging torque for a PMSG at maximum efficiency, determine the stator slot fill rate range and fix the output power and line voltage to the desired values. The general mathematical model that was generated showed that the initial criteria for non-linear regression analysis can accurately predict the variables required for the efficiency optimization process for a given PMSG. After the models were completed, 39 problems were generated for the PMSG efficiency optimization and the results of each problem were compared with the Maxwell program results. `Differential Evolution`, `Nelder-Mead`, `Simulated Annealing` and `Random Search` methods are used in PMSG optimization studies. As a result of this work, the high efficiency PMSG model is created. The generated model satisfies the determined design criteria and when the electrical graphs are examined, the parameters such as winding currents, winding voltages and heating performance are in the desired range. In the design process, the cogging torque is also minimized to enable electricity generation at low wind speeds.