طراحی و ساخت میکروژنراتور لرزشی الکترومغناطیسی برای تغذیه ی حسگرهای پایش بی سیم در شبکه های الکتریکی هوشمند

مدیریت انرژی از طریق به روز رسانی و تجهیز خطوط انتقال و توزیع سنتی نیازمند یک شبکه پایش گسترده شامل تعداد زیادی از سلول-های حسگر می باشد که وظیفه آنها دریافت، جمع آوری و ارسال داد ه های شبکه ی برق می باشد. شبکه های مجهز به سیستم پایش و مدیریت انرژی که اصطلاحاً شبکه های هوشمند الکتریکی نامیده می شوند، موجب بهبود در استفاده از ظرفیت های شبکه موجود شده و از این طریق علاوه بر کاهش یا به تأخیر انداختن هزینه ی توسعه، قابلیت اطمینان شبکه نیز افزایش می یابد. مهمترین مشخصه های مورد نیاز حسگرهای شبکه ی هوشمند خود تغذیه بودن و نصب آسان آنها می باشد. سلول های حسگر بی سیم عموماً دستگاه هایی با مصرف توان پایین هستند که نیازمند منبع توانی در محدوده ی چند صد میکرووات تا چند میلی وات می باشند. آسانترین و معمولترین روش تأمین توان برای سلول های حسگر بی سیم استفاده از باتری است. دو عیب عمده ی باتریها، طول عمر محدود و هزینه ی بالای محافظت آنها می باشد. اخیراً استفاده از ترکیب باتری، ابر خازن و یک میکروژنراتور به عنوان روش بهتری جهت تغذیه ی حسگرها پیشنهاد شده است. میکروژنراتورها یا دریافت کننده ها ی انرژی از محیط دستگاه های تبدیل انرژی هستند که انرژی موجود در محیط را به الکتریسیته تبدیل می کنند. تبدیل لرزش به الکتریسیته یکی از مطرحترین روش های دریافت انرژی از محیط است و تا کنون سه نوع میکروژنراتور: پیزوالکتریک، الکتروستاتیک و الکترومغناطیسی برای تبدیل لرزش مکانیکی به انرژی الکتریکی ارائه شده است. در این پایان نامه پس از معرفی انواع میکروژنراتورهای لرزشی و مقایسه ی مزایا و محدودیت های آنها، میکروژنراتور الکترومغناطیسی جهت طراحی و ساخت انتخاب گردیده است. سپس مبانی طراحی میکروژنراتورهای لرزشی مطرح می گردد که شامل مدل دینامیکی لرزش-های مکانیکی، مدار معادل الکتریکی و اصول طراحی میکروژنراتورهای الکترومغناطیسی می باشد. در ادامه روشی پیشنهادی برای طراحی دو نوع میکروژنراتور لرزشی الکترومغناطیسی ارائه می گردد به گونه ای که این میکروژنراتورها برای کاربردهای فرکانس پایین مناسب باشند. در هر دو طرح استفاده از نیروی وارد بر یک آهنربای کوچک از طرف میدان الکترومغناطیسی موجود در اطراف خطوط انتقال به عنوان یک منبع انرژی پایدار برای ایجاد لرزش استفاده می شود. همچنین از مواد فرومغناطیس جهت هدایت خطوط شار و در نتیجه افزایش گرادیان شار و ولتاژ القایی استفاده می شود. در طرح پیشنهادی اول در واقع دستگاه، به صورت ترکیبی از یک ترانسفورمر ساکن و یک میکروژنراتور الکترومغناطیسی لرزشی می باشد. در طرح پیشنهادی دوم نحوه ی چیدمان آهنرباها، به صورت شار محور در نظر گرفته شده است، این امر سبب افزایش بیشترِ گرادیان شار و در نتیجه سبب ایجاد سطح بالاتری از ولتاژ القایی نسبت به طرح پیشنهادی اول می گردد. با توجه با این سطح ولتاژِ بالاتر، طرح پیشنهادی دوم برای کاربردهای فرکانس پایین بسیار مناسبتر می باشد. در ادامه ی پایان نامه، گزارش نحوه ی ساخت و روش تست هردو میکروژنراتور ارائه می گردد. نتایج حاصل از تست دو میکروژنراتور نشان می دهد که پیش بینی های انجام شده بر اساس روش تحلیلی و عددی صحیح بوده و سطح ولتاژ القایی در میکروژنراتور شار محور بیشتر می باشد. علاوه براین در مورد میکروژنراتور شار محور، توان خروجی نیز به ازای بارهای مقاومتی مختلف اندازه گیری می شود و شرط انتقال توان بیشینه به بار مقاومتی به صورت تحلیلی مورد بررسی و درستی آن با استفاده از سامانه تست عملی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.