Dikey eksen rüzgar türbinleri için bir eksenel akılı kalıcı tip mıknatıslı senkron jeneratörün modellenmesi ve benzetimi
Modeling and simulation of an axial flux permanent magnet synchronous generator for vertical axis wind turbines
Yazar: MUSTAFA AKIN
Danışman: DOÇ. DR. SELAMİ BALCI
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dikey eksenli rüzgar türbini = Vertical axis wind turbine ; Senkron jeneratör = Synchronous generator ; Sürekli mıknatıslar = Permanent magnets

Özet:
Son yıllarda, özellikle kırsal bölgelerde elektrik üretimi için dikey eksen rüzgâr türbinlerine olan ilgi artış göstermiştir. Bu bağlamda, dişli kutusuz direkt tahrik ettirilen eksenel akılı kalıcı tip mıknatıslı senkron jeneratörler (AF-PMSG) dikey eksen rüzgâr türbinlerinde kullanım için çok kutuplu olarak tasarlanmaktadırlar. Özellikle, düşük rüzgar hızlarında kompakt yapıda tasarlanan dikey eksen rüzgâr türbinlerinde kullanımı için eksenel akılı çok kutuplu nüveli/nüvesiz stator yapıları tercih edilmektedir. Bu tezde, Ansys-Electronics Maxwell 3D yazılımı ile 5 kVA güç değeri için 16 kutuplu ve nüveli olarak tasarlanan bir AF-PMSG için değişik rüzgâr hızı senaryolarına bağlı olarak belirli doğrusal adımlar ile rotor hızlarına göre parametrik benzetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre jeneratörün performansı rapor edilmiş, böylece akım, gerilim, güç kayıpları ve akı dağılımı incelenmiştir. Ayrıca, generatör çıkışında kullanılan güç elektroniği devresi ile eş zamanlı koşturulan AF-PMSG için rüzgar hızı değişimlerine bağlı DC bara gerilimi DC-DC artıran dönüştürücü devresi ile adaptif olarak kontrol edilmiştir. Böylece, hem güç elektroniği devre performansı hem de jeneratör tarafı elektromanyetik modelleme ile simule edilmiştir. Ayrıca, jeneratör tasarımı için kalıcı mıknatıs karakteristikleri verilmiş ve mıknatıs kalınlığına bağlı parametrik benzetim çalışmaları ile üretilen gerilim değerleri incelenmiştir. Sabit yük altında çalıştığı düşünülen jenearatör için değişik hız değerlerine göre verim değerleri de çıkarılmıştır. Son olarak ileride yapılabilecek çalışmalar hakkında çeşitli öneriler sunulmuştur.

Abstract:
In recent years, interest in vertical axis wind turbines has increased, especially in rural areas. In this context, direct drive gearless axial flux permanent magnet synchronous generators (AF-PMSG) are designed as multi-pole for use in vertical axis wind turbines. In particular, there are multi-pole core/coreless stator structures with axial flux for use in vertical axis wind turbines that can be designed in a compact structure at low wind speeds. In this study, the parametric simulation studies have been carried out according to rotor mechanical speeds with certain linear steps depending on different wind speed scenarios for an AF-PMSG designed with 16-pole and cored stator for 5 kVA rated power with the finite element analysis (FEA) software. According to the analysis results obtained, the performance of the generator is reported, thus current, voltage, power losses and flux distribution are investigated. In addition, the DC bus voltage at the output of the DC-DC boost converter circuit due to wind speed changes is adaptively controlled for AF-PMSG, which is co-simulated with the power electronics interface used at the generator output. Thus, both power electronics circuit performance and generator side have been simulated simultaneously with electromagnetic modelling.In addition, permanent magnet characteristics are given for generator design and voltage values generated by parametric simulation studies depending on magnet thickness are examined. For the generator, which is thought to be operating under constant load, efficiency values have been calculated according to different rotor speed values. Finally, various suggestions are presented about future studies.