در این رساله، طراحی بهبودیافته یک ژنراتور مغناطیس دائم شارمحور با استفاده از الگوریتم ژنتیک به عنوان روش بهینه سازی صورت گرفته است. طراحی به منظور بهینه کردن قیمت مواد فعال مصرفی و با در نظر گرفتن رفتار حرارتی ماشین انجام شده است. برای بررسی رفتار ماشین به ازای تغییرات متغیرهای مهم، آنالیز حساسیت بر روی ماشین شارمحور مغناطیس دائم برای کاربرد در توربین های بادی کم سرعت صورت گرفته است. علاوه بر آن، یک مدل پارامتر فشرده برای تحلیل حرارتی ماشین ارایه شده است. مدل ارایه شده، قادر است دمای قسمت های مختلف ماشین شامل دمای سیم بندی ها، آهنرباها، شفت و فریم را در حالت پایدار با دقت مناسب محاسبه کند. با توجه به وابستگی مشخصات حرارتی مواد به کار رفته در ساختار ماشین به حرارت و همچنین وابستگی مقدار مقاومت سیم بندی استاتور و تلفات مسی به دمای کارکرد ماشین، به روز کردن دما در روند طراحی مورد نیاز است. یک برنامه کامپیوتری جامع شامل طراحی همزمان الکترومغناطیسی و حرارتی ارائه شده است. در برنامه طراحی ارائه شده، ملاحظات کاربردی، عملکردی، محدودیت های مکانیکی و نیازمندی های حرارتی مدنظر قرار گرفته است و دماهای بدست آمده از طراحی حرارتی ماشین در هر تکرار از برنامه به روز می شوند. با استفاده از برنامه طراحی ارائه شده، یک ژنراتور 5 کیلووات با سرعت نامی 350 دور بر دقیقه با ساختار دو استاتور-یک روتور، با آهنرباهای دائم سوارشده بر روی ریسک روتور به منظور کاربرد در اتصال مستقیم به توربین بادی طراحی و ساخته شده است. برای تایید صحت نتایج طراحی تحلیلی، آنالیز المان محدود و اندازه گیری های عملی بر روی ماشین طراحی شده صورت گرفته است. نتایج اندازه گیری ها نشان می دهد، مدل حرارتی ارایه شده قادر است دمای قسمت های مختلف ماشین را با دقت مناسب تخمین بزند.

تأمین آب مورد نیاز مصارف گوناگون در مناطق صحرایی و نقاط دور افتاده جزو دغدغه های روزانه می باشد. از مواردی که تآمین انرژی آن از طریق شبکه سراسری با مشکلاتی روبروست می توان به سیستم های پمپاژ آب اشاره کرد. کاربرد انرژی فتوولتائیک به عنوان منبع انرژی برای سیستم های پمپاژ آب راه حل مناسبی برای بخش اعظمی از مناطق ذکر شده می باشد. در مناطق دورافتاده که توسعه خطوط انتقال برق مستلزم هزینه بالایی می باشد استفاده از انرژی خورشید گزینه بسیار مناسبی می باشد. همچنین برای مواردی که نیاز به پمپاژ آب با مقدار کم وجود دارد استفاده سیستم پمپاژ آب pv مورد تأکید است. سیستم های pv مزایای فراوانی دارند از قبیل عمر بالا، نصب آسان، پاک بودن، پایداری بالا و رایگان بودن. اما در مقابل دو عیبی که این نوع سیستم ها دارند عبارتند از بازده پایین و اینکه توان تولیدی با تغییرات آب و هوایی تغییر می کند. بر روی منحنی ولتاژ-توان و ولتاژ-جریان ماژول های pv نقطه واحدی وجود دارد که نقطه حداکثر توان (mpp) گفته می شود. در این نقطه کار، سیستم pv حداکثر میزان بازده خود را داشته و توان تولیدی آن در بیشترین مقدار ممکن قرار دارد. از این رو برای اینکه ماژول های pv در نقطه mpp قرار داشته باشند نیاز به کاربرد روش کنترلی ردیابی نقطه حداکثر توان (mppt) می باشد. در این پایان-نامه امکان سنجی پیاده سازی سیستم پمپاژ آب pv در ایستگاه پمپاژ ائل گلی تبریز مورد بررسی قرار گرفته است. به علاوه مبدل dc-dc ترکیبی مبتنی بر ترانس فرکانس بالا با الگوریتم کلیدزنی خاص معرفی شده است. سیستم پیشنهادی و روش کنترلی ارائه شده دارای دقت بالایی در محاسبه مقادیر mpp می باشند. همچنین عمل ردیابی نقطه حداکثر توان، در برابر تغییرات ناگهانی میزان دما و تابش خورشید با دقت و سرعت بالایی انجام یافته و توان خروجی pv در حداکثر مقدار خود قفل می شود. نتایج شبیه سازی صحت عملکرد سیستم پیشنهادی را در دما و تابش متغیر تأیید می کند.

مروزه ماشین های آهنربای دائم جایگاه وسیعی در صنعت پیدا کرده اند که از بین آنها ماشین های آهنربای دائم از نوع شارمحوری از ساختارهای جدید و پرکاربرد این ماشین ها می باشند که در دهه های اخیر به خاطر گشتاور و راندمان بالا و حجم کم در مقایسه با ماشین های شارشعاعی مورد استفاده قرار گرفته اند. این ماشین ها دارای صدا ولرزش کمتری نسبت به ماشین های مرسوم(شعاعی محور)دارند. ماشین های شارمحوری آهنربای دائم (afpm)1 برخلاف ماشین های شارشعاعی دارای ساختارهای متنوعی می باشند، بنابراین برای انتخاب ساختار و طرح بهینه، مقایسه بین طرح های مختلف ماشین های شارمحوری با آهنربای دائم ضروری به نظر می رسد که در این پایان نامه ضمن معرفی ساختارهای مختلف، با هم مقایسه شده اند. با توجه به سیر صعودی استفاده از ماشین های شارمحور با آهنربای دائم در کاربردهای گوناگون، خصوصاً در کاربردهای که با محدودیت حجم مواجه هستند، بررسی محدودیت های طراحی این ماشین ها اهمیت ویژه ای پیدا می کنند. از جمله این ماشین ها، ژنراتورهای سنکرون شارمحوری با آهنربای دائم و سرعت بالاست که در میکروتوربین ها و توربین های گازی و همچنین در کاربردهای فرکانس بالا (400 هرتز) مورد استفاده قرار می گیرند. در سیستم های فرکانس بالا با توجه به اینکه وزن و حجم از پارامترهای مهم طراحی به شمار می روند، کلیه مدارهای الکترونیکی و مخابراتی و کنترلی بر پایه فرکانس 400 هرتز طراحی می شوند. بنابراین به یک ژنراتور سنکرون شارمحوری با آهنربای دائم 400 هرتزی مورد نیاز است که بتواند توان مورد نیاز این سیستم ها را تأمین کند و از لحاظ اندازه ابعاد وحجم و وزن کم باشد و همچنین دارای قدرت و توان مورد نیاز نیز باشد. در این پایان نامه یک ژنراتور سنکرون شارمحوری با آهنربای دائم، ابتدا مطالعه و تحقیق و طراحی خواهد شد و سپس با استفاده از نرم افزار ماکسول مدل سازی شده و در نهایت به صورت عملی ساخته و تست خواهد شد.

این پایان نامه به مدلسازی و شبیه سازی دینامیکی مولد سنکرون آهنربای دائم شار محور جهت اتصال به توربین بادی مقیاس کوچک با سرعت متغیر و رفع نیاز از به کارگیری جعبه دنده در سیستم تولید توان بادی می-پردازد. مولدهای سنکرون آهنربای دائم شار محور با ایجاد تعداد قطب زیاد در روتور، امکان به کار گیری آن ها را در بارهای با سرعت کم مانند توربین های بادی فراهم می آورند. درمقایسه با ماشین های الکتریکی دارای توزیع شار شعاعی، یک ماشین شار محور دارای مزایایی مانند نسبت توان به وزن بالاتر، طراحی انعطاف پذیرتر میدان و سیم پیچی، خنک کاری راحت تر و قابلیت ایجاد ساختارهای ماژولار می باشد. با توجه به کاربرد این مولد، مدلسازی و شبیه سازی دینامیکی، برای تحلیل عملکرد آن تحت شرایط مختلف و خطاهای دینامیکی احتمالی ضروری است. با در نظر گرفتن مزایای یاد شده و نیز توجه به فقدان مدل دینامیکی مناسب برای مولد سنکرون آهنربای دائم شار محور، این پایان نامه یک مدل دینامیکی برای این مولد جهت اتصال به توربین بادی ارائه می نماید.از آن جایی که به دست آوردن مدل دینامیکی ماشین الکتریکی منوط به در اختیار داشتن پارامترهای آن می باشد، ابتدا یک مولد سنکرون آهنربای دائم شار محور به صورت سه بعدی اجزای محدود مدل شده، با استفاده از تحلیل الکترواستاتیک، پارامترهای مولد استخراج می شوند. سپس این پارامترها در مدلسازی دینامیکی مولد مورد استفاده قرار می گیرند. برای بررسی صحت مدل دینامیکی ارائه شده، نتایج حاصل از مدل دینامیکی نتایج تحلیل حالت گذرای مدل اجزای محدود با هم مقایسه می شوند. این مقایسه بیانگر همسویی نتایج و به تبع آن صحت مدل دینامیکی ارائه شده می-باشد.مدل دینامیکی توسعه یافته مولد به یک توربین بادی مقیاس کوچک با سرعت متغیر متصل می شود. از آن جایی که مقدار انرژی دریافت شده از توربین به عملکرد سیستم کنترلی نیز وابسته است، یک روش کنترلی بر پایه الگوریتم تعقیب نقطه ماکزیمم توان به سیستم اعمال شده، مدل کامل سیستم توربین-ژنراتور استخراج و تحلیل می-شود. نتایج خروجی از سیستم بیانگر صحت مدلسازی اجزای مختلف سیستم و نیز کارایی سیستم کنترلی اعمالی می باشد.

این پایان نامه به منظور و هدف خاص پس از معرفی ساختار ماشین موردنظر و توصیف نحوه عملکرد، به تحلیل و مدل سازی سه بعدی اجزای محدود این مولد پرداخته است. هدف از مدل سازی و مطالعه اجزای محدود در این پایان نامه درنهایت ارائه مدل دینامیکی این مولد به منظور کوپل با توربین بادی است.