Küçük güçlü rüzgar türbinleri için dış rotorlu asenkron generatör tasarımı
Outer rotor induction generator design for small power wind turbines
Yazar: HAKAN ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. NUMAN SABİT ÇETİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Endüksiyon jeneratörü = Induction generator ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization

Özet:
Rüzgar türbinlerinde çeşitli tiplerde generatörler kullanılmaktadır. Asenkron generatörler, basit ve güçlü yapıları, az bakım gereksinimleri ve fiyat avantajları gibi nedenlerle rüzgar türbinlerinde sıklıkla tercih edilirler. Bu çalışmada mevcut iç rotorlu sincap kafesli asenkron generatörlere bir alternatif olarak; küçük güçlü, düşük devirli, dış rotorlu, ve doğrudan tahrikli, sincap kafesli bir asenkron generatör tasarımı yapılmıştır. Çalışmada benzer özelliklere sahip dörder adet dış ve iç rotorlu asenkron makine modeli geliştirilmiştir. İç rotorlu modeller, dış rotorlu modellerle karşılaştırma yapmak için kullanılmıştır. Tüm modeller, 16 kutuplu, 50 Hz frekanslı, 375 d/d senkron hızlı, 1 kW gücünde, stator ve rotor oluk sayıları eşittir. Tüm modellerin stator oluk şekilleri aynı tipte seçilmiştir. Rotor oluk şekilleri yuvarlak ve damla oluk tipinde seçilmiş olup kafes yapısında Bakır ve Alüminyum malzeme kullanılmıştır. Modellerin analitik tasarımı ve parametrik optimizasyonu Ansys Maxwell programının Rmxprt ve Optimetrics modülü ile gerçekleştirilmiştir. Optimizasyonda en yüksek verim hedeflenerek, makine temel büyüklükleri, hava aralığı ve oluk ölçüleri optimize edilmiştir.  Elektromanyetik analizleri Maxwell Sonlu Elemanlar yazılım modülü ile gerçekleştirilmiştir. Tüm modeller için generatör ve motor çalışma bölgesi analizleri yapılmıştır. Dış rotorlu modellerde IEC 6003430-1 standardına göre, IE2 ve IE3 sınıfında 1,1 kW gücünde 8 kutuplu iç rotorlu asenkron motorların veriminin üzerinde bir verim elde edilmiştir. Sonuç olarak, küçük güçlü, dış rotorlu, doğrudan tahrikli, düşük devirli ve yüksek verimli, sincap kafesli bir asenkron generatör üretilebileceği görülmüştür.

Abstract:
Various types of generators are used in wind turbines. Induction generators are frequently preferred in wind turbines due to their simple and strong structures, low maintenance requirements and price advantages. In this study, as an alternative to the existing inner rotor squirrel cage induction generators, a low power, low speed, outer rotor, and direct drive, squirrel cage induction generator design has been made. Four outer and inner rotor induction machine models with similar features were developed. Inner rotor models were used for comparison with outer rotor models. All models had 16 poles, 50 Hz frequency, 375 rpm synchronous speed, 1 kW power, equal number of stator and rotor slots. The stator slot shapes of all models were selected in the same type. Rotor slot shapes were chosen as rounded and circular slot type, and Copper and Aluminum materials were used in the cage structure. Analytical design and parametric optimization of the models were performed with the Rmxprt and Optimetrics modules of the Ansys Maxwell program. With the aim of  the highest efficiency in the optimization, the basic dimensions of the machine, air gap and slot dimensions have been optimized. Electromagnetic analyzes were performed with the Maxwell Finite Element software module. Generator and motor operating zone analyzes were performed for all models. According to the IEC 6003430-1 standard in outer rotor models, an efficiency higher than the efficiency of  8-pole inner rotor induction motors with 1.1 kW power in IE2 and IE3 classes has been obtained. As a result, it has been seen that a small power, outer rotor, direct drive, low speed and high efficiency squirrel cage induction generator can be produced.