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應用於風力發電系統及動力機械之電機設計模擬分析

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©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

應用於風力發電系統及動力機械之電機設計模擬分析

蘇琨祥、林聰智、陳泓光 國立高雄應用科技大學 電機工程系 E-mail:1099404109@cc.kuas.edu.tw

摘 要

本文著重於風力發電系統用於工業上動力機械驅動的應用,主要針對風力發電機組中發電機的部分以 及動力機械組中電動機的部分做一種最佳化設計研究。在設計模擬中,對應用於風力發電系統設計一種永 磁式發電機,此發電系統可供給市電做連結或是直接供應給工廠機械負載使用,同時也對動力機械設計一 種高效率三相感應電動機,並且對於不同種類的轉子結構做性能、成本的研究分析。本文中使用MangeForce 軟體進行電機設計模擬,並運用實驗設計法求得最佳化的設計參數。本文於風力發電系統之負載端接上動 力機械,作為工業上的測試與使用,為了達到較佳電機特性,本文將利用田口方法及模糊田口法對發電機 及電動機之設計結構、轉矩、輸出功率及效率等參數進行上述目的的最佳化設計。 關鍵詞︰永磁發電機、三相感應電動機、風力發電系統、田口法。

1. 前 言

能源是國民經濟的命脈,是社會發展和提高人民生活水平的重要保障。隨著能源不斷的、大量的消耗, 煤炭、石油、天然氣等傳統能源已日趨枯竭,生態破壞、環境汙染等問題更是日益嚴重,因此再生能源越 來越被世界各國重視。 風對人是最親切的自然現象,風是由於地球自轉以及太陽熱輻射不均所引起的空氣循環流動。太陽輻 射能大都成為熱傳到地球,太陽將地表的空氣加溫,空氣受熱膨脹後變輕上升,熱空氣上升冷空氣橫向進 入,再次因為加溫而上升,作用後造成空氣的流動而產生了風。風能是人類最早使用的能源之一,風能的 利用已有數千年的歷史。在蒸汽機應用之前,風能曾經做為重要的動力來源,用於船舶航行、提水灌溉及 飲用、排水造田、磨麵和鋸木等。現代社會對風能的利用最主要的方向就是風力發電。風力發電的技術始 於19 世紀。美國的 Charles F. Brush(1849-1929)是風電技術研究的先驅者之一,1887-1888 年,他在俄亥 俄州克里夫蘭市安裝了被現代人認為是第一台自動運行且用於發電的風力機。這台風力發電機的功率為 12kW,有 144 個由雪松木製成的葉片,運行了約 20 年[1]。1891 年丹麥的 Poul La Cour(1846-1908)以減 少葉片數與提高轉速的設計,完成一部25 仟瓦的風力發電機,當時風行丹麥全國,並且引發德、英等國的 研製及應用。後來,使用煤炭及石油的大型電廠出現,廉價的大量電力取代了當時規模較小且效率低的風 力發電[2]。圖 1 表示風力機的變革。綠色再生能源中風能是最具競爭力的能源之一,且經過日本核災之後 風力發電也愈來愈受重視。隨著高性能稀土材料發展為永久磁鐵,永磁同步發電機吸引了多數學者的興趣 及研究,永磁同步發電機相比一般發電機多了許多優點,包含整體結構、體積小、浪費小、高效率、高功 率-體積比和高可靠性等。 台灣為一海島型國家,四周環海,地理位置相當有利。每年約有半年以上的東北季風期是季節變動的 主要風系,主要由於青康藏高原的熱力作用、夏季時成為亞洲氣流的幅合中心(印度半島、中南半島、大 陸沿海的氣流往青康藏高原集中),反之於冬季時成幅散中心。東北季風對台灣的天氣與氣侯有很大影響 [3]。一般小型風力發電機的切入風速約介於 2-4 公尺/秒,於風速 11-15 公尺/秒時達到額定的輸出容量,風

(2)

速更高時,則會停機或是採用失速控制方式來調節葉片的氣動性能及風力機的輸出,風力機可從自然風取 出的能量有界限,其輸出係數CP 的最大值在理想的風能轉換為 0.593,約原有能量的 60%可變換利用,但 是實際的風力機因流體力學損失等的影響,輸出係數常達不到 40%,而經過電力轉換及線路傳輸等損失實 際效率值更低,目前風力發電機效率約20%-40%[4]。雖然風力發電確實有其先天上的限制,如發電成本可 能較高,發電品質較不穩定,可能無法全天候供電,及噪音問題等。其實台灣風力發電是具有相當的潛力, 據工研院能資所研究分析指出,台灣地區地面風場年平均風速,達到秒速五至六公尺以上的強風區域超過 2000 平方公里,風力潛能約 4000MW,如考慮人文及地物因素,保守估計,台灣地區至少有 1000MW 以上 陸上風能可供開發。而海上風能潛力方面,據估計,在台灣西海岸約有2000MW 以上發展潛力,合計台灣 約有3000MW 的裝置容量。我國在過去曾經對小型風力發電作過應用研究,但是並未受到重視,以致推動 情形並不理想。近年來,能源會已開始推廣風力發電,首先由台朔重工在麥寮將裝置四座640kW 的風力發 電廠,另在澎湖裝置四台600kW 的風力發電廠[5]。 本文對於感應電動機設計了兩種類型的轉子結構。一種類型的轉子結構是雙鼠籠型的轉子結構,而另 一個是梯型槽型的轉子結構。我們可以比較兩個電動機之間轉子特性的不同,如氣隙磁通密度,反電動勢, 轉矩等,透過有限元分析數值及磁場。以前的學者 V.Fireteanu 提出感應電動機鼠籠式轉子槽的幾何形狀最 佳化設計[6]。C. Shumei 提出混合動力電動車感應電機轉子槽設計[7]。S. I. Kim 討論永磁電機減少轉矩內部 脈動達到最佳化[8]。K. J. Park 提出感應電機壓鑄銅(die-cast)轉子槽的最佳化設計[9]。D. J. Shin 提出了 多目標輪軸永磁同步電動機最佳化設計[10]。這些研究均是以有限元素的工具來分析電動機的特性及參數。 小型風力機應用方式大概可以分為三類,獨立系統、混合系統與併聯系統如圖 2 所示,獨立系統大多 是小於1 kW 的風力機,顧名思義就是獨立於電網之外,單純只使用風力機做為電力來源,一般都會搭配電 池使用,減少供電不穩定之因素,多數是照明、遠距離量測站等在使用。混合系統一般來說是不與電網併 聯,但也有部分系統是採用與電網併聯,混合系統主要是結合太陽光電或是柴油發電,針對不同負載情形 與發電量來調度,多數是偏遠地區的家庭或小商業在使用。併聯系統由於與電網併聯故供電穩定,所以不 需要搭配電池使用,大多是1 kW 以上的風力機[11]。 風力發電機的故障應變能力當風力發電機組併聯市電的容量增加後,系統運作必需保證電力品質不受 到影響,尤其是大型風場受到干擾的時候(例如電壓突降),仍然可以繼續供電給市電,且電力系統穩定性 仍然不受到影響。風力發電系統必須具有與傳統的電力系統相同之功能,即在故障發生後風場能立即產生 實功率與虛功率,使電壓及頻率回復。它包含虛功率控制、頻率響應及故障發生時的應變能力等技術均應 用在風力發電機組與市電併聯上。尤其是在風力發電佔了大部分發電量的國家,如西班牙、丹麥及德國, 特別重視這些問題。這些規範對於風力發電系統發展、建造及電力系統運作的關鍵技術是很重要的。風力 發電在併聯市電上的操作規範包括頻率範圍、電壓容忍度、功率因數及故障應變能力。在這些規範中,故 障應變能力被視為是風力發電系統中最主要的一個。依照德國公用輸配電之標準,其標準規定當市電電壓 下降至正常值的 15%時,風力發電機組必須仍保持穩定且依然與市電網路連接至少 150ms。只有當市電低 於標準,風力發電機組才允許從市電解耦[12]。 台灣 90﹪以上之能源需仰賴進口,因此,對於風力發電的開發也日益重視,故探討風力發電之原理、 特性與發電機的設計及輸出特性為本文之主要研究動機[13]。

(3)

圖1 傳統水平軸風力發電機、現代式水平軸風力發電機、獨立桁構型塔架[14] (A)獨立系統 (B)混合系統 (C)併聯系統 輔助 發電設備 風力發電機 控制器充電 控制器放電 蓄電池 負載 風力發電機 直/交流轉換器 負載 PCU 風力發電機 控制器充電 控制器放電 蓄電池 PCU 負載 (A)獨立系統 (B)混合系統 (C)併聯系統 輔助 發電設備 風力發電機 控制器充電 控制器放電 蓄電池 負載 風力發電機 直/交流轉換器 負載 PCU 風力發電機 控制器充電 控制器放電 蓄電池 PCU 負載 輔助 發電設備 風力發電機 控制器充電 控制器放電 蓄電池 負載 風力發電機 直/交流轉換器 負載 PCU 風力發電機 控制器充電 控制器放電 蓄電池 PCU 負載 圖2 小型風力機應用類型

2. 永磁風力發電機設計

針對永磁式 風力發電機 之設計,首 先估算發電 機各部份結 構的規格尺 寸及使用材 料特性,並 藉由 MagneForce Generator AC 軟體模擬以充分了解磁路分佈及氣隙磁通密度,利用三相橋式整流電路做為直流 負載測試,分析其發電機之輸出特性。在實際的應用上,輸出電流經過直流轉交流轉換器(DC/AC inverters) 可直接供應工業系統動力機械所需的電源,或併聯市電後支援工廠用電等。 本文永磁式發電機是為內轉子式,轉子表面附有永久磁鐵,以取代發電機的直流激磁所產生的轉子磁 場,故可將其磁通視為定值。內部定子則由三相a.b.c 繞組組成,此三相繞組為互相差 120 度之平衡繞組, 各相之等效繞組匝數Ns 及電阻 rs 皆相同。三相為Y接,則等效如圖 3 所示[15]。由圖 3 之三相永磁式同步 發電機等效電路,並依據克希荷夫電壓定律,分別可得電壓及磁通鏈(flux linkage)方程式為 ~ '

abc s abcs abcs

d v r i

dt

(4)

~ ~ abcs L is abcs m

  

(2) 其中 T abcn V [Van Vbn Vcn] (3) [ ] sdiag r r rs s s r (4) [ ]T abcnian ibn icn i (5) [ ]T abcn

  

an bn cn λ (6) s N 定子繞組等校匝數,m鐵心路徑之等效匝數Lms。 2 s m m N L   (7) 將以上計算整理得

abcn s abcn s abcn abcn

d e r i L i v dt    (8) 式中eabcn定義為發電機之內電勢,與轉速 成正比,即 r ' cos 2 cos 3 2 cos 3 r an abcn bn r m r cn r e e e

 

                             e (9) 永磁式同步發電機之電磁功率 e an an bn bn cn cn Pe ie ie i (10) 經由計算可得

'[ cos cos( 2 ) cos( 2 )]

3 3

e r m an r bn r cn r

P

 

i

i

i

(5)

永磁式同步發電機之三相電流ian、ibn、icn 與內電勢同相,即 cos an m r iI

(12) 2 cos( ) 3 bn m r ii

(13) 2 cos( ) 3 cn m r ii

(14) 圖3 三相永磁式同步發電機等效電路 其中Im 為相電流峰值,則其電磁功率可簡化為 ' 3 2 e r m m P

 

i (15) 由式(15)可知永磁式同步發電機之功率與電機角速度 及相電流峰值 Im 成正比,故控制 Im,就可r 以控制永磁式同步發電機的輸出功率。 風力發電顧名思義它是靠風傳動機械,把發電機裡面的磁場線圈做轉動改變,使其磁能生電。簡單來 說就是由風能轉換成機械能再轉成電能之一種能量轉換方式[16]。永磁發電機為風力機組中極其重要的一個 部件,其電機設計已優化諧波含量最低的感應電壓和最高效率及利用有限元素計算。磁場是由釹鐵硼永磁 體的徑向磁化結構組成。發電機設計為轉子極數12 極且定子槽數 36 槽的結構,定子是使用標準配備 54 定 子片槽。本節介紹風力發電系統中的風功率(PW)、功率係數(CP)及同步發電機的數學模型。以下是風力發 電機預估輸出功率(PW)的計算與方程式的推導[17]。

(6)

0 ( ) ( ) W W P

P U p U dU (16) W P 為平均功率,P UW( )為瞬時功率,p U( )為機率分佈函數,  為常數(一般設定為 1.225 2 / kg m )。 3 1 ( ) 2 W P P U  ACU (17) 3 1 2 rotor P P Rotorpower C Dynamicpower AU   (18) P C 可以表示為尖端速度比  與旋角  的函數,計算後可推得

 

3

 

2

3 , 0 1 2 exp 2 W C p Betz PAU C x x x dx    

(19) 本文中所探討的大型永磁發電機為內轉子型式。定子與轉子鐵心是使用 50CS600 矽鋼片堆疊而成,高 導 磁 材 料 通 常 其 磁 通 的 飽 和 密 度 較 低 , 因 此 加 入 矽 元 素 來 提 高 磁 通 的 飽 和 密 度 。 永 久 磁 石 使 用 NEOMAX-35EH 材料,其主要成分為 Nd2Fe14B,其不僅有較高的保磁力,磁能積更比釤鈷磁石高。永磁 風力發電機的相關參數如表1 所示。基於這些參數可由馬達模擬軟體 MagnForce Generater AC 分析得到輸 入轉矩、頓轉轉矩及效率。 發電機之結構設計須經過幾個主要步驟,首先要指定發電機之設計規格,再依此規格決定出主要之尺 寸,如發電機之定子內徑、鐵心有效積厚。其次為發電機內部之細部參數之設計,如:磁石充磁長度、氣 隙寬度、齒寬、槽部大小、定子外徑、軛鐵寬度…等等,再依此選定的尺寸校對其性能,如輸出性能無法 滿足我們的需求,則須再調整尺寸與電、磁氣參數,雙方交叉設計與修改以得到我們所需之理想尺寸及輸 出要求。 表1 永磁風力發電機設計規格 相數 3 相 氣隙 4.80(mm) 額定轉速 300-1200 rpm 繞線匝數 100 匝 轉子極數 12 極 繞線線徑 5.189mm 定子槽數 36 槽 線槽容積率 77.41% 定子外徑 1200(mm) 矽鋼片材料 50CS600 定子內徑 608.00(mm) 轉子磁石 NEOMAX-35EH 轉子外徑 603.20(mm) 絕緣槽厚度 0.5(mm) 轉子內徑 300.00(mm) 繞組連接 Y 連接 鐵心積厚 300(mm) 電樞電組 0.1290Ω

(7)

以MagneForce Generator AC 模擬分析軟體進行永磁式發電機設計,經過模擬軟體分析之後,在定子與 轉子的磁通經由氣隙互相交鏈情況下,得到圖 4 所示之磁力線分佈圖以及圖 5 所示之磁通密度分佈圖,可 看出磁力線與磁場均勻分佈在永磁發電機的結構中。圖6 為負載 A,B,C 三相電壓之波形圖。由圖 7 得知平 均輸入轉矩為5900N.m 及電磁轉矩峰對峰值為 1800N.m。 本段之目的為設計一種可應用於工業系統的永磁式風力發電機,為實驗方便,先以400kW 輸出功率作 為設計目標,最大功率輸出約可達到612kW(1200mm),於此次模擬結果中,運用調整發電機長度的方式, 驗證出普通中大型風力發電機的設計型式,將發電機設計成較為窄胖的類型下,能夠節省發電機製造材料 成本(矽鋼片等)且能提升整體效率。本文之數據顯示積厚愈短其效率愈高,且各項數據之效率在任一設 定轉矩下皆達到96%以上。且有定子長度愈短效率愈好的特性(300mm 約在 98.0 至 98.3%之間)。另外也 可看出此發電機為高功率的輸入/輸出,可應用於工業系統上需要高功率的機械。 圖4 磁力線分佈圖 圖5 磁通密度分佈圖 圖6 負載 A,B,C 三相電壓波形圖 圖7 負載電磁轉矩波形圖

3. 三相感應電動機設計

本節針對感應電動機進行設計及模擬。根據條件相同的定子設計方式與繞組分佈,對相異的兩種轉子 結構性能進行有限元素分析及模擬。此設計以轉子結構為雙鼠籠型及梯形型做模擬分析,以及轉子材料為 銅 與 鋁 來 做 交 叉 模 擬 之 特 性 比 較 。 首 先 估 算 電 動 機 各 部 份 結 構 的 規 格 尺 寸 及 使 用 材 料 特 性 , 並 藉 由 MagneForce 軟體模擬以充分了解磁路分佈及氣隙磁通密度,採用無載測試和電機暫態模擬來分析各種設計 的線電流、輸出功率、轉矩及效率。定子鐵心通常是由0.35mm 或 0.5mm 厚的矽鋼片疊積構成,以減少鐵 心的磁滯損失。為了獲得良好的散熱,鐵心每疊積7~10cm 應加設通風道(Ventiating ducts),又為了減少鐵 心的渦流損失,在每一片矽鋼片的兩面均燒附絕緣凡立水。定子繞組有單層繞和雙層繞兩種形式,前者每

(8)

槽內只放置一線圈邊,故線圈的數目是槽數的一半;而後者每槽內放置兩線圈邊,因此線圈數目與槽數相 等。 感應馬達的數學模式中電壓方程式: s s s s s s s

v

R i

p

(20) r r r r r r r

v

R i

p

(21) m m m L e

d

J

B

T

T

d t

(21) 將上式整理可得,在靜止座標系下的鼠籠式感應馬達電氣方程式: 0 0 0 0 0 0 s s qs qs s s m s s s s m ds ds s m r m r r r r qr s r m m r r r r dr i v R L p L p R L p L p i v L p L R L p L i L L p L R L p i                                             (23) 轉矩方程式為:

,

3 ( ) 2 2 s s s s e s r m d r q s q r d s P T i i   L i ii i (24) 其中JmBmTL 則分別代表轉動慣量、黏滯摩擦係數與馬達的負載轉矩。 為轉子機械角速度,r Te 為電磁轉矩[18]。 感應電動機的損失共分五類:第一類是由定轉子鐵芯材質造成的損失,稱為鐵損PFe。第二類是由定子 線圈產生的損失,稱為一次銅損PCu1。第三類由電機轉子線圈或使用鋁製或銅製鼠籠式轉子,其電流所造成 的損失,稱為二次銅損PCu2。第四類由電流經過定子線圈所產生的磁場切割鐵芯,造成材料渦流效應的損失, 稱為渦流損Pad。第五類是電機在運轉下機械磨擦及冷卻風扇的風阻所產生的損失,稱為雜散損Pmec。感應 電機之總損失: 1 2 loss Cu Cu Fe mec ad

P

P

P

P

P

P

(25) 電動機之輸入及輸出功率,隨著負載變化,定轉子的電流也隨之變化;影響效率之主要損失為一次(定 子)及二次(轉子)銅損,因此,採用銅轉子結構,可有效減少銅損提高電動機之效率[19]。 電動機之結構設計須經過幾個主要步驟,首先要指定電動機之設計規格,再依此規格決定出主要之尺 寸,如電動機之定子內徑、鐵心有效積厚。其次為電動機內部之細部參數之設計,如:磁石充磁長度、氣 隙寬度、齒寬、槽部大小、定子外徑、軛鐵寬度…等等,再依此選定的尺寸校對其性能,如輸出性能無法 滿足我們的需求,則須再調整尺寸與電、磁氣參數,雙方交叉設計與修改以得到我們所需之理想尺寸及輸

(9)

出要求。

以MagneForce Induction Motor 模擬分析軟體進行三相感應電動機設計,經過模擬軟體分析之後,在定 子與轉子的磁通經由氣隙互相交鏈情況下,得到圖8 所示之磁力線分佈圖以及圖 9 所示之磁通密度分佈圖, 可看出磁力線與磁場均勻分佈在感應電動機的結構中。圖10 為無載測試下線電流與輸出功率曲線圖。圖 11 為無載測試下轉矩與效率曲線圖。由模擬結果及圖之轉矩/效率曲線圖可以綜合分析出以下幾點:(1)以銅做 為材料普遍比鋁做為材料的效率要好。(2)電動機設計為梯形型比設計為雙鼠籠型之轉矩要來得高。(3)雙鼠 籠型設計其優點為高啟動轉矩低啟動電流。 圖8 雙鼠籠型磁力線分佈圖 圖9 磁通密度分佈圖(梯形型) 圖10 線電流與輸出功率曲線 圖11 梯形型轉矩與雙鼠籠型轉矩特性比較圖

4. 實驗設計結果分析

田口品質工程又可分為線上及線外品質工程,其中線外品質工程包含了系統設計(System Design)、參 數設計(Parameter Design)及允差設計(Tolerance Design)三步驟。其中系統設計亦稱概念設計(concept design)此階段主要是檢視各種可能達成「想要的機能」的系統或技術[20]。 4.1 發電機功率最佳化實驗設計(案例一) 本實驗的目的是要使得風力發電系統發電機輸出功率越大越佳,因此採田口之望大設計來做分析。其 望大實驗分析有以下之優點:(1)品質特性為連續且非負值(2)品質特性越大越好,其最佳值為“∞”(3)無可調 因子存在。 其信號雜音比為

(10)

n i

y

i

n

MSD

N

S

1 2

1

1

log

10

)

log(

10

/

(26) 本章節所定義之變數y 皆為發電機之直流輸出功率(W)。因影響發電機輸出功率之幾何結構參數因子及 其水準繁多,故只選用三個變因及三個水準值,分別為積厚長度(A)、轉速(B)和磁石厚度(C),參數水準表 如表2 所示,表 3 為提高發電機輸出功率之實驗因子配置與結果。根據信號雜音比可求出回應圖,如圖 12。 表2 發電機功率最佳化實驗設計主要控制因子 水準一 水準二 水準三

A.積厚長度(mm) A1(300mm) A2(600mm) A3(900mm) B.轉速(rpm) B1(300rpm) B2(600rpm) B3(900rpm) C.磁石厚度(mm) C1(104mm) C2(114mm) C3(124mm) 表3 發電機功率最佳化實驗設計實驗配置結果 發電機輸出功率(kW) A B C 1 2 3 平均值( y) 平均平方差 (MSD) S/N 比(

) 1 1 1 1 162.79 162.19 162.62 162001.199 3.81E-11 104.1904 2 1 2 2 318.40 318.71 318.06 318000.722 9.89E-12 110.0486 3 1 3 3 411.65 411.89 411.69 411001.076 5.92E-12 112.2769 4 2 1 2 346.45 346.88 346.19 346000.839 8.35E-12 110.7815 5 2 2 3 493.45 493.30 493.27 493001.339 4.11E-12 113.8570 6 2 3 1 446.73 446.05 446.44 446001.075 5.03E-12 112.9867 7 3 1 3 464.11 464.69 464.82 464000.538 4.64E-12 113.3304 8 3 2 1 461.84 461.02 461.44 461001.100 4.71E-12 113.2740 9 3 3 2 542.48 542.34 542.42 542001.082 3.40E-12 114.6800 圖12 發電機功率最佳化實驗設計回應圖 由圖12 回應圖表可得知三因子之最佳組合為A B C3 3 3,由於最佳組合不在直交表裡,須再作確認實驗, 以確定此組合是否為最佳解。在進行確認實驗前,可先從回應圖與實驗數據之結果推估最佳解之訊噪比情

(11)

況,推估的訊噪比約為116.80比原本實驗數據來的好。因此,最佳組合參數為A B C3 3 3,即發電機設計為積 厚長度900mm、磁石厚度 124mm、轉速 900rpm 下,會有最佳的輸出功率結果。接著進行變異數分析,其 分析結果如表4,其中

e

為誤差,eT為誤差調和,

T

為總和。 表4 發電機功率最佳化實驗設計變異數分析 因子 變動

S

自由度

f

變異σy2 純變動

S

' 變異比

F

貢獻度

A 39.436 2 19.717865 39.435731 13.528393 48.915140 B 24.663 2 12.331441 24.66288 8.5 30.591250 C 13.607 2 6.803529 13.607058 4.6679 16.877871 e 2.915 2 1.4575171 2.9150343 3.6157390 et 0 - - 0 T 80.621 8 77.706 100.0000 求出各因子之變動最後由表4 可以得到 A 因子和 B 因子之貢獻度最大,即影響發電機輸出功率之最大 因素為積厚長度和轉速。 4.2 發電機效率最佳化實驗設計(案例二) 本實驗的目的是要使得風力發電系統發電機效率越大越佳,因此採田口之望大設計來做分析。本章節 所定義之變數y 皆為發電機之效率(%)。其主要的控制因子如表 2。表 5 為提高發電機效率之實驗因子配 置與結果。根據表5 可得到圖 13 回應圖。 表5 發電機效率最佳化實驗設計實驗配置結果 發電機效率(%) A B C 1 2 3 平均值(y) 平均平方差 (MSD) S/N 比(

) 1 1 1 1 98.48 98.74 99.15 98.790 1.02E-04 39.8942 2 1 2 2 98.47 98.69 99.53 98.897 1.02E-04 39.9034 3 1 3 3 98.51 99.06 99.29 98.953 1.02E-04 39.9085 4 2 1 2 98.56 98.82 99.14 98.840 1.02E-04 39.8986 5 2 2 3 98.08 98.26 98.49 98.277 1.04E-04 39.8490 6 2 3 1 97.75 97.87 98.80 98.140 1.04E-04 39.8366 7 3 1 3 98.47 98.56 99.09 98.707 1.03E-04 39.8868 8 3 2 1 97.84 97.99 98.49 98.107 1.04E-04 39.8339 9 3 3 2 97.38 97.87 98.08 97.777 1.05E-04 39.8046

(12)

圖13 發電機效率最佳化實驗設計實驗回應圖 由圖13 回應圖可得知三因子之最佳組合為A B C1 1 3,由於最佳組合不在直交表裡,須再作確認實驗,以 確定此組合是否為最佳解。在進行確認實驗前,可先從回應圖與實驗數據之結果推估最佳解之訊噪比情況, 推估的訊噪比約為39.94比原本實驗數據來的好。因此,最佳組合參數為A B C1 1 3,即發電機設計為積厚長度 300mm、磁石厚度 124mm、轉速 300rpm 下,會有最佳的效率結果。接著進行變異數分析,求出各因子之 變動得到A 因子和 B 因子之貢獻度最大,即影響發電機效率之最大因素為積厚長度和轉速。 4.3 電動機轉矩最佳化實驗設計(案例三) 本實驗的目的是要使得動力機械系統的電動機轉矩越大越佳,因此採田口之望大設計來做分析。本節 所定義之變數y 皆為電動機之轉矩(N-m)。其中因影響電動機轉矩與效率之幾何結構參數因子及其水準繁 多,故只選用三個變因及三個水準值,分別為轉子導體材料(A)、轉子槽深度(B)和轉子槽開口(C),參數水 準表如表6 所示,表 7 為提高電動機轉矩之實驗因子配置與結果。 表6 電動機轉矩最佳化實驗設計主要控制因子 水準一 水準二 水準三

A.轉子導體材料 A1(銅) A2(鋁) A3(銅合金)

B.轉子槽深度(mm) B1(41mm) B2(32mm) B3(23mm) C.轉子槽開口(mm) C1(8mm) C2(12mm) C3(16mm) 表7 電動機轉矩最佳化實驗設計實驗配置結果 電動機轉矩(N-m) A B C 1 2 3 平均值(y) 平均平方差 (MSD) S/N 比(

) 1 1 1 1 17.97 18.71 19.04 18.573 2.90E-03 25.3701 2 1 2 2 21.95 22.15 23.06 22.387 2.00E-03 26.9938 3 1 3 3 23.17 23.59 24.39 23.717 1.78E-03 27.4952 4 2 1 2 21.80 22.76 23.22 22.593 1.96E-03 27.0705 5 2 2 3 20.68 21.06 21.34 21.027 2.26E-03 26.4532 6 2 3 1 18.02 18.43 19.33 18.593 2.90E-03 25.3760 7 3 1 3 22.02 22.22 22.81 22.350 2.00E-03 26.9826 8 3 2 1 19.38 19.88 20.52 19.927 2.52E-03 25.9816 9 3 3 2 20.17 20.45 20.99 20.537 2.37E-03 26.2470

(13)

圖14 電動機轉矩最佳化實驗設計回應圖 由圖14 回應圖可得知三因子之最佳組合為A B C1 2 3,由於最佳組合不在直交表裡,須再作確認實驗,以 確定此組合是否為最佳解。在進行確認實驗前,可先從回應表與實驗數據之結果推估最佳解之訊噪比情況, 推估的訊噪比約為 27.19 比原本實驗之數據來的好,因此,最佳組合參數為A B C1 2 3,即電動機設計為銅轉 子材料、轉子槽深32mm、轉子槽開口 16mm 下,有最佳的轉矩結果。 4.4 電動機效率最佳化實驗設計(案例四) 本實驗的目的是要使得動力機械系統的電動機效率越大越佳,因此採田口之望大設計來做分析。本章 節所定義之變數y 皆為電動機之效率(%)。其主要的控制因子如表 6。根據表 8 可畫出回應圖,如圖 15。 表8 電動機效率最佳化實驗設計實驗配置結果 電動機效率(kW) A B C 1 2 3 平均值(y) 平均平方差 (MSD) S/N 比(

) 1 1 1 1 91.08 91.18 91.88 91.380 1.20E-04 39.2168 2 1 2 2 91.66 92.39 92.81 92.287 1.17E-04 39.3024 3 1 3 3 91.83 92.47 92.55 92.283 1.17E-04 39.3023 4 2 1 2 92.29 92.47 92.66 92.473 1.17E-04 39.3203 5 2 2 3 91.79 92.18 92.46 92.143 1.18E-04 39.2892 6 2 3 1 91.55 92.35 92.40 92.100 1.18E-04 39.2850 7 3 1 3 91.45 92.03 92.78 92.087 1.18E-04 39.2835 8 3 2 1 91.89 92.37 92.71 92.323 1.17E-04 39.3061 9 3 3 2 92.55 92.70 92.95 92.733 1.16E-04 39.3447 圖15 電動機效率最佳化實驗設計回應圖

(14)

圖 15 回應圖可得知三因子之最佳組合為A B C3 3 2,由於最佳組合在直交表裡,故不須再作確認實驗, 此實驗結果即為最佳解,因此,最佳組合參數為電動機設計為銅合金轉子材料、轉子槽深23mm、轉子槽開 口12mm 下,有最佳的效率結果。最後由變異數分析得到 A、B、C 三因子之貢獻度最大,即影響電動機效 率之最大因素為轉子導體材料、轉子槽深度與轉子槽開口。 4.5 發電機輸出功率與效率模糊推論田口法分析(案例五) 案例五採用模糊推論田口方法進行試驗的分析,利用多品質特性之衡量指標(Multiple Performance Characteristics Index, MPCI)之模糊推論田口法(Fuzzy Logic Based Taguchi method),同時針對風力發電機 之最大輸出功率與發電機最佳效率之特性,求取可控因子的最佳水準組合。本文採用歸屬函數(Membership Function)的類型為三角形函數進行輸入函數之模糊化分割,因此將發電機最大輸出功率和發電機之最佳效 率之訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)SNR 定義為小(S)、中(M)、大(L)等三個等級。多重品質衡量指標 (MPCI)之歸屬函數(輸出變數)亦採用三角歸屬函數,分別定義非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(L)、非常 大(VL)等五個等級。解模糊化的目的在於將推論結果的平均值換成實際的操作量。常用的解模糊化方法有: 最大歸屬度選擇法、加權平均法、重心法、高度法及面積法。本文以加權平均法做為分析,以歸屬度為加 權係數。其中,Pi為加權係數、P P( )i 為MPCI 之歸屬函數而操作量 P*為 * i ( )i i i i P P P P P     (27) 將風力發電系統之發電機最大輸出功率與發電機之最佳效率之SNR 運用模糊推論得到之 MPCI 回應如 圖16 所示。 圖16 發電機輸出功率與效率模糊推論回應圖 由各因子之 S/N 比得知三因子之最佳組合為A B C ,進行變異數分析,其分析結果如表 9,其中2 2 3

e

為 誤差,

e

T為誤差調和,

T

為總和。 表9 發電機輸出功率與效率模糊推論之變異數分析 因子 變動

S

自由度DF 變異

VA

純變動

SS

' 變異比

VR

貢獻度

A 0.0097 2 0.004858 0.009717 1.937226805 12.0294 B 0.0037 2 0.001850 0.003701 0.737861447 4.5818 C 0.0623 2 0.031170 0.062340 12.42895373 77.1791

(15)

因子 變動

S

自由度DF 變異

VA

純變動

SS

' 變異比

VR

貢獻度

e 0 0 0.000000 0.000000 0.0000 T

e

0.005 2 0.002508 0.005016 6.20962118 T 0 - - 0 最後根據回應圖可得到之最佳組合為A B C 。由於最佳組合在直交表裡,因此2 2 3 A B C 即為最佳解,2 2 3 為考量到同時具有兩設計目標之最佳參數組合之解。由表9 貢獻度之結果可看出 C 因子轉子槽開口大小為 實驗中變異數變動量貢獻最大,即為影響同時具有兩個設計目標的最大參數因子。

5. 結論與未來展望

本論文分析得知改變電動機幾何結構、使用材料的材質、電動機長度確實均會對電動機的電磁轉矩、 磁場強度以及磁通密度造成不同之影響,感應馬達發生最大轉矩時的轉差,可以經由轉子電阻的改變來控 制。高轉子電阻可以提供最佳的起動狀況,但運轉性能極差。 電動機使用銅為轉子導體材料其轉矩性能較好,而選用銅合金為轉子材料,由於導電係數較高,使得 電動機的效率是較佳的。轉子槽的深度與開口槽也會影響電動機的轉矩與效率,一般來說轉子槽愈深轉矩 會愈大。若使用雙鼠籠型銅轉子設計之感應電動機其性能上較佳,唯獨實際製程時虛考量到成本問題與加 工工本,以銅為材料所占的成本較高,而雙鼠籠式槽型其加工難易度也較高。經過對比分析可得以下結果: (1)在相同條件下,使用銅轉子的效率比使用鋁轉子效率高約 1.45%。(2)梯形型轉子與雙鼠籠式轉子在正常 負載下效率相差無幾,但是有較低的工程成本。 發電機積厚長度愈長或轉速快時,會使輸出功率變大,但效率略低;反之積厚長度愈短或轉速慢時, 其效率是較佳的。磁石厚度愈長其充磁效果愈佳,對其輸出功率及效率都是比較好的設計選擇。 風力發電系統中尚有非常多的研究主題可以探討與討論,歸納如下: (1) 本文中只針對發電機與電動機的部分做結構的設計及效率的提升,未來可以將整個風力機組各部件及 電動抽水泵浦機械部件做設計,可以選擇尺寸及轉換效率更佳的種類,以增加所獲得的能量及提高系 統的完整性。 (2) 風力發電系統並聯電網亦是很重要的題目,未來可以對電力監控系統及自動化轉換開關(ATS)做研 究與討論,其中包含電力系統不穩定時會產生的孤島效應等及負載端多機並聯的各種情況等可做進一 步的討論。 (3) 未來若有機會將風力發電系統中轉換器及整流器等電力電子驅動元件做研發,以提高系統中的能量使 用率及轉換效率。 (4) 未來可以將實驗設計的方法提升,將發電機及電動機最佳化的實驗組合統一,設計出同時具有輸出功 率、轉矩及效率的最佳化特性。或是使用較新的演算法等用來提高實驗組合的正確性。 本篇文章主要著重於發電機與動力機械之設計。未來可結合兩者研究特點進行設計模擬分析,向前結 合分析葉片特性,耦合葉片與發電機的轉速-轉矩特性;向後考量輸出電壓,供給後端電路產生足夠的電功 率,有效提升風力發電系統輸出效率。

參考文獻

[1] 林組建,「風力發電技術及其發展動向」,中國電力與電工,第 30 卷第 2 期,30-40 頁,2010。 [2] 趙丹平、徐寶清,風力機設計理論及方法,北京大學出版社,2012。

[3] Wang, D. Wang, H. Shi, Y. Li, J. Song, K. Liu, S. and Li, Y., “Wind turbine simulation of offshore environmental conditions,” 2010 Second International Conference on Computational Intelligence and Natural Computing Proceedings,

(16)

Vol. 1, pp. 402-405, 2010.

[4] Howlader, A.M. Urasaki, N. Chakraborty, S. Yona, A. Senjyu, T. and Saber, A.Y., “Fuzzy controller based output power leveling enhancement for a permanent magnet synchronous generator,” 2011 IEEE International Conference on Fuzzy Systems , pp. 656-661, 2011.

[5] 呂威賢,「我國風力發電推廣現況與展望」,太陽能及新能源學刊,第 8 卷第 1 期,30-37 頁,2003。

[6] Shumei, C. Ying, D. and Liwei, S., “Rotor Slots Design of Induction Machine for Hybrid Electric Vehicle Drives,” Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-3, 2006.

[7] Kim, S. I. Lee, J. Y. Kim, Y. K. Hong, J. P. Hur, Y. and Jung, Y. H., “Optimization for Reduction of Torque Ripple in Interior Permanent Magnet Motor by Using the Taguchi Method,” IEEE Transactions on Magnetics., Vol. 41, Issue 5, pp. 1796-1799, 2005.

[8] Park, K. J. Kim, K. Lee, S. H. Koo, D. H. Ko, K. C. and Lee, J., “Optimal Design of Rotor Slot of Three Phase Induction Motor With Die-Cast Copper Rotor Cage,” Electrical Machines and Systems, pp. 61-63, 2008.

[9] Shin, D. J. Kwon, B. I., “Multi-Objective Optimal Design for Inwheel Permanent Magnet Synchronous Motor”, Electrical Machines and Systems, pp. 1-5, 2009.

[10] Arifujjaman, Md. Iqbal, M.T. and Quaicoe, J.E., “Maximum Power Extraction from a Small Wind Turbine Emulator using a DC - DC Converter Controlled by a Microcontroller,” International Conference on Electrical and Computer Engineering, pp. 213-216, 2006.

[11] 林法正、鄧禮濤、余孟勳、林正文,「風力發電技術之發展概況」,電工通訊,2008。

[12] 林筱秋,雙饋式感應發電機之低電壓忍受能力改善方法研究,中山大學電機工程系碩士論文,2010。 [13] 林顯宗,小容量風力發電機的研製,逢甲大學電機工程系碩士論文,2002。

[14] Ong, C. M., Dynamic Simulation of Electric Machinery using MATLAB/Simulink, McGRAW-Hall,1998.

[15] Szeidert, I. Prostean, O. Filip, I. and Vasar, C., “Determination of Synchronous Generator's Efficiency and of Wind Turbine's Mathematical Models Based on the Usage of Regression Functions,” 2010 8th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics, pp. 325-328, 2010.

[16] 盧彥良,應用徑向基底類神經網路於風力發電系統之最大功率控制,中山大學電機系碩士論文,2008。 [17] Manwell, J. F. McGowan, J. G. and Rogers, A.L., “Wind Energy Explained,” John Wiley & Sons Ltd., 2002.

[18] 何彥頡,滑模轉子磁通估測器與新型電流控制器應用於無轉速感測器的感應馬達向量控制系統之研究,崑山科技 大學電機工程研究所碩士論文,2010。

[19] 陳盛基、吳仲琪、粘鐿耀,「燃油幫浦系統高效率銅轉子感應電機使用有限元素分析與實作驗證」,科學與工程技

術期刊,第5 卷第 3 期,2009。

數據

圖 1  傳統水平軸風力發電機、現代式水平軸風力發電機、獨立桁構型塔架[14]  (A)獨立系統 (B)混合系統 (C)併聯系統 發電設備輔助風力發電機充電控制器 放電 控制器蓄電池 負載風力發電機直/交流 轉換器 負載PCU風力發電機充電控制器放電控制器蓄電池PCU 負載(A)獨立系統(B)混合系統(C)併聯系統發電設備輔助風力發電機充電控制器放電控制器蓄電池 負載風力發電機直/交流轉換器負載PCU風力發電機充電控制器放電控制器蓄電池PCU負載發電設備輔助風力發電機充電控制器放電控制器蓄電池負載風力發電機
圖 13  發電機效率最佳化實驗設計實驗回應圖  由圖 13 回應圖可得知三因子之最佳組合為 A B C 1 1 3 ,由於最佳組合不在直交表裡,須再作確認實驗,以 確定此組合是否為最佳解。在進行確認實驗前,可先從回應圖與實驗數據之結果推估最佳解之訊噪比情況, 推估的訊噪比約為 39.94 比原本實驗數據來的好。因此,最佳組合參數為 A B C 1 1 3 ,即發電機設計為積厚長度 300mm、磁石厚度 124mm、轉速 300rpm 下,會有最佳的效率結果。接著進行變異數分析,求出各因子之 變動得到 A
圖 14  電動機轉矩最佳化實驗設計回應圖  由圖 14 回應圖可得知三因子之最佳組合為 A B C 1 2 3 ,由於最佳組合不在直交表裡,須再作確認實驗,以 確定此組合是否為最佳解。在進行確認實驗前,可先從回應表與實驗數據之結果推估最佳解之訊噪比情況, 推估的訊噪比約為 27.19 比原本實驗之數據來的好,因此,最佳組合參數為 A B C 1 2 3 ,即電動機設計為銅轉 子材料、轉子槽深 32mm、轉子槽開口 16mm 下,有最佳的轉矩結果。  4.4 電動機效率最佳化實驗設計(案例四)  本實驗的目
圖 15 回應圖可得知三因子之最佳組合為 A B C 3 3 2 ,由於最佳組合在直交表裡,故不須再作確認實驗, 此實驗結果即為最佳解,因此,最佳組合參數為電動機設計為銅合金轉子材料、轉子槽深 23mm、轉子槽開 口 12mm 下,有最佳的效率結果。最後由變異數分析得到 A、B、C 三因子之貢獻度最大,即影響電動機效 率之最大因素為轉子導體材料、轉子槽深度與轉子槽開口。  4.5  發電機輸出功率與效率模糊推論田口法分析(案例五)  案例五採用模糊推論田口方法進行試驗的分析,利用多品質特性之衡量指標( Mu

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