در سالهای اخیر به دلیل تغییر فاکتورهایی نظیر افزایش قیمت سوخت و اهمیت محیط زیست توجه صنعت حمل و نقل به کاربرد موتورهای الکتریکی در این صنعت جلب شده است. برای انتخاب موتور مناسب جهت کاربرد در این صنعت یکی از مهمترین ویژگی هایی که باید مدنظر قرار گیرد محدوده توان ثابت است. اصطلاحی که تعریف کننده این محدوده است اصطلاح سرعت تحت توان ثابت(cpsr) است که به صورت نسبت حداکثر سرعتی که موتور می تواند توان نامی را حفظ کند به سرعت نامی تعریف می شود. در میان انواع موتورهای به کار گرفته شده در چند سال اخیر، موتورهای مغناطیس دائم دارای برتری های نسبی در بازده، چگالی توان و مشخصه گشتاور هستند. موتور مغناطیس دائم داخلی(ipmsm) به دلیل قرار گرفتن مغناطیس دائم در داخل روتور دارای استحکام مکانیکی در سرعت های بالا و همچنین خطر مغناطیس زدایی کمتر است، لذا موتور مغناطیس دائم داخلی به عنوان کاندیدی مناسب برای چنین کاربردهایی مطرح شده است. با این وجود موتور ipm مرسوم دارای cpsr محدودی است. بنابراین طراحی بهینه و ارائه راهکارهایی جهت افزایش محدوده cpsr در موتور ipm مورد توجه بسیاری از محققین است. در این پایان نامه نیز هدف طراحی یک موتور ipm با محدوده ی cpsr وسیع است. طراحی به دو بخش طراحی ساختار روتور و طراحی سیم پیچ استاتور تقسیم می گردد. در زمینه طراحی ساختار روتور بعد از طراحی بهینه با استفاده از الگوریتم ژنتیک، با ترکیب و بررسی دقیق دو ایده ی جالب ارائه شده یکی چند تکه کردن مغناطیس دائم و دیگری طراحی پل های هوایی(موانع شار) غیر متعارف در کناره های آهن ربا و با استفاده از تغییر در ساختار روتور نسبت به موتور ipm متعارف یک طرح جدید پیشنهاد می شود. این طرح ضمن افزایش محدوده cpsr نسبت به موتور متعارف طراحی شده، حجم آهن ربای مصرفی را نیز کاهش می دهد. در زمینه طراحی سیم پیچ استاتور، محققین از سیم پیچ متمرکز شیار-کسری در موتور سنکرون مغناطیس دائم سطحی به منظور بهبود عملکرد در سرعت بالا استفاده کرده اند. در صورتی که استفاده از این سیم پیچ در موتور مغناطیس دائم داخلی کمتر مورد آنالیز قرار گرفته است. در این پایان نامه همچنین موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی به منظور بررسی تأثیر سیم پیچی متمرکز شیار-کسری بر محدوده ی cpsr، با سیم پیچی متمرکز شیار-کسری طراحی می شود. نتایج شبیه سازی نتایج تحلیلی را تایید می کند. کلمات کلیدی: موتور مغناطیس دائم داخلی، محدوده تضعیف شار، محدوده سرعت-توان ثابت، سیم پیچی متمرکز شیار-کسری

استفاده از انرژی باد برای تولید انرژی الکتریکی طی سال های اخیر از رشد چشمگیری برخوردار بوده است. با افزایش نفوذ توربین?های بادی در سیستم های الکتریکی، بررسی پایداری نیروگاه های بادی و تأثیر آنها بر روی عملکرد کل سیستم، اهمیت زیادی پیدا کرده است. تاکنون روش هایی که به منظور بهبود پایداری گذرا و دینامیکی نیروگاه های بادی صورت گرفته، عبارتند از: تزریق توان راکتیو، تغییر مقادیر مقاومت و راکتانس های روتور و استاتور، افزایش اینرسی، افزایش سختی محور توربین و بکارگیری ادواتی نظیر:statcom، svc، smes، ecs و ترمز مقاومتی بوده است. در این رساله به مسئله پایداری گذرا و دینامیکی دو نوع نیروگاه بادی (سنکرون و آسنکرون) پرداخته ایم. از آنجا که برای بهبود عملکرد ژنراتورهای القائی در سیستم های قدرت توسط وسایل ذخیره کننده انرژی به ویژه smes به طور محسوس کاری صورت نگرفته است، در این پایان نامه جهت اصلاح پایداری از جبرانساز ترکیبی statcom-smes با بکارگیری استراتژی کنترلی مناسب، استفاده شده است. نتایج شبیه سازی های انجام شده در نرم افزار pscad/emtdc که با بررسی حالاتی چون وقوع خطای سه فاز و اضافه بار در سیستم صورت گرفت، نشان داد که با بکارگیری جبرانساز ترکیبی ضمن آنکه دامنه نوسان اول کاهش یافته، دامنه نوسانات پس از زمان کوتاهتری به میرایی رسیده است که این مسئله بیانگر عملکرد موثر جبرانساز ترکیبی در اصلاح پایداری گذرای سیستم قدرت می باشد. علاوه بر این نشان داده شده است که جبرانساز ترکیبی statcom-smesدر سیستم قدرت تحت شرایط وجود اغتشاش، نسبت به جبرانساز statcom تنها، بهتر عمل می کند.

نیاز روز افزون به انرژی و هم چنین آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی و محدود بودن این منابع، بشر را در سراسر جهان به جایگزینی آنها با منابع انرژی تجدید پذیر ترغیب نموده است. کاهش قیمت تمام شده انرژی های نو، بخصوص انرژی خورشیدی نوید رشد استفاده از این منبع انرژی را در آینده ای نزدیک می دهد. مهمترین بحث در زمینه انرژی خورشیدی قیمت تمام شده انرژی بدست آمده از سلول ها می باشدکه می توان با افزودن ردیاب ماکزیمم توان مناسب این هزینه نهایی را کاهش داد. هدف این پایان نامه ارائه روشی جدید جهت ردیابی نقطه ماکزیمم توان به صورت دو مرحله ای است که برای استخراج ماکزیمم توان از چند آرایه فتوولتائیک تحت سطوح مختلف تابش و دما (شرایط نیم سایه) استفاده می شود. تغییر دما و تابش سبب بوجود آمدن چندین ماکزیمم محلی روی منحنی p_i آرایه می شود. این روش نقطه ماکزیمم کلی را تحت این شرایط پیدا می کند. بنابراین ماکزیمم های محلی که روش های تک مرحله ای در آن ها گرفتار می شوند، کنار گذاشته می شوند. مرحله اول روش پیشنهادی، نقطه ای را برای کنارگذاشتن ماکزیمم محلی پیدا می کند و نقطه کار آرایه را نزدیک نقطه ماکزیمم توان کلی می برد. مرحله دوم، یکی از روش های متداول ردیابی ماکزیمم توان است که ماکزیمم کلی را پیدا می کند و نقطه کار آرایه قرار می دهد. این مرحله معمولاً آنلاین است مگر اینکه تغییرات تابش و دما از حدی بیشتر شودکه مرحله اول دوباره راه اندازی می شود. سیستم شامل دو آرایه سری، بار (باتری)، مبدل dc/dc و روش پیشنهادی می باشدکه در نرم افزار matlab/simulink شبیه سازی شده است. شبیه سازی به دو بخش تقسیم شده است که شامل نشان دادن ناتوانی روش p&o در ردیابی تحت شرایط نیم سایه و عملکرد روش دو مرحله ای پیشنهادی تحت این شرایط با دو روش p&o و rcc می باشد. با مقایسه روش های تک مرحله ای و دو مرحله ای دیگر با این روش، مشاهده می شودکه این روش دقیق تر و سریعتر می باشد. بازده این روش حدود %95 و زمان همگرایی تحت شرایط متغیر جوی ms15 می باشد.

یکی از اهداف طراحان الکترونیک قدرت ساختن یک اینورتر با خروجی نزدیک سینوسی است به همین دلیل به استفاده از اینورتر های چند سطحی روی آورده اند. این اینورتر ها تا حد فابل قبولی نیاز آن ها را برآورده ساخته است ولی به دلیل استفاده از عناصر الکترونیک قدرت زیاد در اینورتر های چند سطحی کنونی، اندازه و در نتیجه هزینه ساخت آن ها نیز زیاد می شود. الگوریتمکلیدزنیدراینورترهاارتباطتنگاتنگیبامحتوایهارمونیکیولتاژخروجی،تلفاتو ... آنهادارد. تعداد پله های موجود در خروجی اینورتر به تعداد عناصر بکاربرده شده در اینورتر، نوع کلید زنی و همچنین طرز قرار گیری عناصر کنار هم (نوع اینورتر) بستگی دارد. برای اینکه تعداد پله ها بیشتر و شکل موج خروجی به حالت سینوسی نزدیکتر شود و اعوجاج هارمونیکی ولتاژ خروجی کاهش پیدا کند، باید تعداد عناصر نیمه هادی بیشتری در ساختار اینورتر استفاده شود. در این رساله با استفاده از ساختار ساده اینورتر تک سطحی شش کلیده سه فاز و استفاده از الگوریتم کنترلی برشگر ac سه فاز، یک اینورتر چند سطحی (بیش از سه سطح در نیمه پریود) ایجاد می شود. ایجاد مقداری تاخیر در هدایت هر کلید در حالت روش هدایت مشهور 180 درجه، می توان شکل موج ولتاژ خروجی را به صورت 7 سطح ولتاژی تغییر دهد که در گذشته برای ایجاد همچنین شکل موجی از 12 کلید و عناصر نیمه هادی بیشتری استفاده می شد. در این پروژه یک اینورتر آزمایشگاهی 10kw جهت بررسی عملکرد روش کلیدزنی ارائه شده، ساخته شد. نتایج عملی بدست آمده برروی روش ارائه شده برای کاهش میزان اعوجاج هارمونیکی صحه می گذارد.

اغلب طراحان ماشین های الکتریکی به بهینه سازی ادوات الکترومغناطیسی توجه کرده و تلاش می کنند راندمان، ضریب توان و ... آن ها را اصلاح کنند. طراحی و شکل بندی ادوات الکترومغناطیسی برای طراحان مسئله مهمی است که بایستی این هدف با روش مناسبی ارائه گردد. در این راستا باید معادلات میدان به یکی از روش های عددی حل شده و میدان الکترومغناطیسی مورد تحلیل قرار گیرد، تا با درنظر گرفتن پارامتر های میدان مغناطیسی محاسبه شده بتوان تغییرات مناسبی در طراحی ایجاد کرد و بهینه سازی ادوات الکترومغناطیسی را بهبود بخشید. روش جریان سطحی ((scm)surface current method) یکی از روش های حل عددی برای تحلیل و بررسی میدان های الکترومغناطیسی است که بر اساس جایگزین کردن مرزهای ماده فرومغناطیسی با منابع جریان سطحی و محاسبه کردن تعداد و مقدار این چگالی ها پایه ریزی شده است. چگالی شار در هر نقطه از محیط حل مسئله برابر اثر منابع جریان و چگالی های جریان سطحی بر روی مرز است و چون جریان های سطحی در این روش محاسبه شده اند، نیرو براحتی از روش قانون نیروی لورنتز محاسبه می شود. روش اجزاء محدود ((fem)finite element method) در حالت کلی دارای حل عددی با دقت بسیار خوبی است، اما اگر ابعاد مسئله بزرگ باشد، تعداد مش های مورد استفاده برای رسیدن به دقت مورد نظر و مدت زمان حل فوق العاده طولانی می شود و گاهی بدلیل بعد بزرگ ماتریس های ایجاد شده واگرایی رخ می دهد. بنابراین استفاده از fem در بهینه سازی برخی ادوات الکترومغناطیسی که نیاز به تحلیل های مکرر دارند، گزینه مناسبی نیست. روش جریان سطحی (scm) با حل معادلات الکترومغناطیس و استفاده از مش های یک بعدی، در مورد بهینه سازی ادوات الکترومغناطیسی می تواند مورد استفاده قرار گیرد و با مدیریت آسان در شکل بندی هندسی ادوات الکترومغناطیسی، این هدف را انجام می دهد. scm مانند یک ابزار طراحی، کارایی ماشین های الکتریکی را اصلاح می کند و با تغییرات در طراحی این ماشین ها، بهینه سازی را انجام می دهد. در این پایان نامه ابتدا به مطالعه و بررسی دقیق روابط موجود در scm و روش به کار گرفته شده در آن پرداخته می شود. سپس با در نظر گرفتن این روابط به شبیه سازی و استفاده از این روش پرداخته خواهد شد. در این رساله به بررسی و محاسبه توزیع میدان مغناطیسی چهار نوع ماشین الکتریکی با استفاده از scm پرداخته می شود. سه نوع ساختار قطعه الکترومغناطیسی ساده، موتور رلوکتانسی تکفاز و رله الکترومغناطیسی مورد مطالعه قرار گرفته اند که پاسخ های آنها با fem مقایسه شده اند. بهینه سازی رله الکترومغناطیسی در دو حالت ساختاری یکبار بدون آهن ربا و بار دیگر با اضافه کردن آهن ربا به ساختار آن توسط دو الگوریتم بهینه سازی ژنتیک و الگوریتم جستجوی مستقیم انجام شده است و نتایج با حل پارامتری در fem مقایسه شده است. الگوریتم ارائه شده در این پایان نامه بر روی رله الکترومغناطیسی اعمال شده است. از نتایج بدست آمده مشخص است که با استفاده از الگوریتم ارائه شده، ادوات الکترومغناطیسی قادر به بهینه سازی خواهند بود و با توجه به تابع هدف مورد نظر این بهینه سازی انجام می گیرد. الگوریتم ارائه شده در این پروژه برای بهینه سازی ادوات الکترومغناطیسی انعطاف پذیر بوده و قابلیت اجرا بر روی هر قطعه دلخواه را دارد.

یکی از روش های حل عددی میدان های مغناطیسی روش جریان های سطحی (scm) است. در این روش مرزهای سیستم با یک سری جریان های سطحی مناسب جایگزین می شوند، در واقع تغییر ضریب نفوذپذیری در مرز بین نواحی با ضریب نفوذپذیری متفاوت باعث تغییر مسیر عبور شار می شود که تغییر مسیر توسط تعداد محدودی جریان سطحی مدل می شود. مقادیر این چگالی های جریان با استفاده از قوانین پیوستگی شار در مرز در حالت مماسی محاسبه می شوند، در این حالت چگالی شار یا شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه برابر تاثیر این جریان های سطحی و منابع جریان موجود است. با توجه به اینکه در این روش مرزها با جریان های سطحی مناسب جایگزین می شوند کل محیط به صورت هوا ( ) در نظر گرفته می شود و می توان به راحتی از قانون بیوساوار برای محاسبه میدان های مغناطیسی استفاده کرد، و چون چگالی های جریان و میدان های مغناطیسی محاسبه شده اند می توان برای محاسبه نیرو از قانون لورنتز استفاده کرد. مهمترین مزیت scm نسبت به اجزاء محدود (fem) در حالت دو بعدی این است که مش ها در scm بصورت یک بعدی (تکه خط) و در fem بصورت دو بعدی (مثلثی) هستند در نتیجه ابعاد ماتریس سختی scm نسبت به femکمتر است. اساس scm بر مبنای محاسبه چگالی های جریان سطحی بر روی مرزها است، در نتیجه مقدار این چگالی های جریان و میزان صدق کردن آن ها در شرایط مرزی مولفه مماسی چگالی شار بعنوان یک معیار برای خطای محلی در نظر گرفته می شود. با توجه به وابستگی scm به نحوه مش بندی، در این رساله انواع روش های مش بندی بررسی و مش بندی ترکیبی بعنوان ایده اصلی این رساله بیان شده است. در این رساله سه ماشین موتور القای خطی سهفاز، آهن ربای الکتریکی و رلهالکترومغناطیسی با scm1 (جریان های سطحی با مش بندی اتوماتیک)، scm2 (جریان های سطحی با مش بندی ترکیبی) و fem شبیه سازی شده اند و در نهایت نتایج باهم مقایسه شده است. نتایج حاصل از سه روش مذکور بیانگر این مطلب است که تعداد مش ها در نتیجه ابعاد ماتریس سختی scm2 نسبت به دو روش دیگرکمتر است.

میدان مغناطیسی چه از نظر شکل وچه از نظر شدت در بررسی دستگاههای الکترومغناطیسی اهمیت فوق العاده ای دارد.برای بدست آوردن میدان الکتریکی از روش های مختلف تحلیلی و عددی استفاده می شود. روش جریان سطحی (scm) یکی از روش های حل عددی برای تحلیل و بررسی میدان های الکترو مغناطیسی است که به جای مش های دو بعدی از مش های تک بعدی استفاده کرده و در مقایسه با روش اجزای محدود (fem) دارای مش های کمتر و زمان حل کوتاهتر است. در این روش با استفاده از قانون بیوساوار در محاسبه پارامتر های میدان مغناطیسی، منابع جریان سطحی بین دو جسم با قابلیت نفوذپذیری مختلف، جایگزین مرز های ماده مغناطیسی شده و تمام محیط به صورت هوا در نظر گرفته می شود. چگالی شار در هر نقطه برابر تاثیرات منابع و چگالی های جریان است و چون جریان های سطحی محاسبه شده اند، نیرو و گشتاور براحتی از روش نیروی لورنتز محاسبه می شوند. در این پایان نامه به تشریح روش جریان های سطحی برای بدست آوردن میدان های مغناطیسی پرداخته ایم.همچنین نحوه استفاده از این روش برای مواد فرومغناطیسی با رفتار غیرخطی تشریح شده است.از آنجا که برای استفاده از روش جریان های سطحی در حالت اشباع ادوات الکترومغناطیسی تاکنون از روش بهینه ای استفاده نشده است در این پایان نامه ابتدا به مطالعه و بررسی دقیق کارهای صورت گرفته در گذشته و روش های به کار گرفته شده در آن ها پرداخته می شود و مشکلات و محدودیت هایشان به صورت موشکافانه بررسی خواهد شد و از الگوریتمی برای بهبود روش جریان های سطحی در سیستم های الکترومغناطیسی غیرخطی استفاده شده است. الگوریتم ارئه شده بر روی سیستم های مختلف الکترومغناطیسی با کمک نرم افزار متلب شبیه سازی شده و با روش اجزای محدود توسط نرم افرار maxwell مقایسه می شود.از نتایج بدست آمده در این پایان نامه مشخص است که با استفاده از الگوریتم ارائه شده، با حجم محاسبات کمتر به دقتی بهتر و مطلوب تراز روش های کلاسیک اعمال اثر اشباع در scm دست یافت.

در تمام روشهای قبلی می بایست دامنه محاسباتی را به اجزاء کوچک با اشکال مختلف تقسیم و سپس معادلات را حل کرد . تقسیم کردن دامنه محاسباتی به اجزاء کوچک یک روند پیچیده است که بخش عمده ای از زمان محاسبات را به خود اختصاص می دهد. اساس روش های بدون مش بر محاسبات گره های مشخص شده است.

گشتاور دندانه ای را می توان به روش های مختلفی از جمله متمایل کردن دندانه های استاتور، تکه کردن آهن ربای دایم، استفاده از شیارهای مصنوعی و... کاهش داد. بعضی از این رو ش ها عملی نیستند و برخی از آن ها پر هزینه ولی موثر هستند. در این رساله، هدف کاهش ریپل گشتاور با استفاده از کاهش گشتاور دندانه ای است که یکی از عوامل اصلی ایجاد نویز و لرزش در موتور مغناطیس دایم داخلی است. به منظور کاهش گشتاور دندانه ای، یک روش بر پایه سه روش تکه کردن آهن ربای روتور، تعیین نسبت بهینه زاویه قوس کمان به زاویه گام قطب آهنی و ایجاد یک طراحی با دو سد شار بر روی روتور، پیشنهاد شده است. این سه روش قبلاً به طور جداگانه در مقالات مختلف ارایه شده اند. طرح پیشنهادی از لحاظ کاهش گشتاور دندانه ای از طرح های مشابه بهتر و مناسب تر است. البته این طراحی با کاهش تفاضل اندوکتانس های محور های d وq، ریپل گشتاور ناشی از عدم برابری اندوکتانس ها را نیز کاهش داده است که این خود باعث کاهش بیشتر ریپل گشتاور می شود. در طراحی موتور با آهن ربای تکه شده از یک الگوریتم بهینه سازی برای مشخص کردن پهنای پل آهنی و تعداد تکه های بهینه آهن ربا استفاده شده است و روش بهینه سازی پاسخ سطح (rsm) برای طراحی موتور با دو سد شار به کار گرفته شده است.

در این رساله به بررسی انواع اینورترهای چندسطحی و ارائه یک روش اصلاح شده برای افزایش سطوح ولتاژ خروجی قابل حصول از یک اینورتر کاسکد پرداخته می شود. تاکنون ساختارهای مختلفی برای کاهش تعداد ادوات و کلید های قدرت در اینورتر کاسکد، ارائه شده است. مزیت اصلی ساختار پیشنهادی در این رساله نسبت به سایر ساختارها، استفاده ازکلید های کمتر نسبت به سایر ساختارها است. ساختار پیشنهادی به راحتی برای سطوح ولتاژ بالاتر نیز قابل توسعه است. کاهش تعداد کلیدهای قدرت در ساختار پیشنهادی باعث اقتصادی تر شدن این طرح شده است. همچنین مینیمم سازی thd ولتاژ خروجی اینورتر های کاسکد نامتقارن 9 و 15 سطحی، با استفاده از انتخاب مقادیر مناسب برای منابع ولتاژ ورودی در این رساله مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان قابلیت های اینورتر پیشنهادی با شبیه سازی آن در نرم افزار matlab/simulink تایید شده است.