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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:江明諺
研究生(外文):Ming-Yan Jiang
論文名稱:小型垂直軸式風力發電機
論文名稱(外文):Design and Capability Monitor of a Small Vertical Axis Wind Power Generator
指導教授:徐力行徐力行引用關係李靖海李靖海引用關係
指導教授(外文):Lin- Shyng ShyuChing-Hai Lee
口試委員:徐力行陳盛基蕭永嘉
口試委員(外文):Lin- Shyng ShyuSeng-Chi ChenYung-Chia Hsiao
口試日期:2012-07-03
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:光電暨能源工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:51
中文關鍵詞:垂直軸風力發電機永磁式同步發電機二繞組式發電機
外文關鍵詞:vertical axis wind power generatortwo windings generatorpermanent magnet synchronous generator
相關次數:
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本論文主旨在設計二繞組式垂直軸永磁同步發電機,使其能適應在不同風速時,仍能維持高發電效率。此設計概念,不同於一般發電機定子單繞組繞線方式,是以在定子上以二繞組式之繞線模式。設計二繞組繞線式發電機,二繞組之股數及繞線匝數不同,第二繞組股數多,線圈匝數少,主要是適合在低啟動風速即可發電,發電功率可達1kW;反之,第一繞組股數較第二繞組少,但線圈匝數高,需啟動發電機發電之風速較高,發電機輸出功率為4kW以上,發電效率可達80%以上。因此低風速下即可發電,當風速增加後輸出持續增加可減少啟動電量之耗費繼而提升發電效率。為驗證發電機設計可以提升發電效率,發電機完成後,分別執行動力機測試,實際安裝擷取發電機電壓、電流、轉速、風速等輸出參數為驗證,發電機在低風速下即可發電,在額定風速下可以達到高發電效率。
關鍵詞 : 垂直軸風力發電機、永磁式同步發電機、二繞組式發電機

This study mainly designs the two windings vertical axis permanent magnet synchronous generator which can adapt different levels of wind speed and maintain high efficiency of electricity. The design is different from the usual a winding of generator but designed by two winding on stators. To produce two winding generator, the numbers of shares and turns of two groups are different that the second one has more share but fewer turns. It is primarily suitable for low wind speed when generating electricity, which can have power generation up to 1kW. In contrast, the first set has fewer shares than the second one, but with more turns; therefore it requires higher speed of wind to start the electricity generator. The power generation is up to 4kW and the efficiency of generator could be more than 80%. As a result, it could generate electricity with lower speed of wind. After finishing the electricity generator, the test of power machine would be performed separately, installing and capturing parameters such as the voltage, current, turn speed of rotors and wind speed. The electricity generator could generate electricity with low speed of wind, and it could achieve high efficiency of electricity generation under rated speed of wind.
Keyword: vertical axis wind power generator, two windings generator,
permanent magnet synchronous generator

目錄
致謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
符號說明 IX
第一章、緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 1
1.3研究方法 2
1.3.1發電機設計流程 2
1.3.2遙測系統之建置 3
1.4論文架構 3
第二章 文獻探討 5
2.1 永磁同步發電機系統基礎概論 5
2.1.1發電機發電原理 5
2.1.2永磁同步發電機特性 7
2.2二繞組永磁同步發電機之數學模式 9
2.3 文獻探討 16
第三章 三相永磁同步發電機設計方法 18
3.1 發電機規格設計 18
3.1.1規格擬訂 19
3.1.2決定發電機外形尺寸 20
3.1.3決定極數(依轉速及電壓頻率決定) 24
3.1.4決定槽數及繞線設計 24
3.1.5繞線設計(依電壓及效率考量) 25
3.1.5.1定子空槽線圈排列方式 25
3.1.5.2轉子單位體積所產生的轉矩及剪應力 26
3.1.6磁鐵寬度 26
3.2小結 28
第四章 二繞組永磁同步發電機設計結果與性能驗證 29
4.1 二繞組發電機設計規格 29
4.2轉子極數 29
4.3定子槽數與繞線 29
4.4發電機外型藍圖 31
4.5 發電機動力機平台規格驗證 31
4.6 建立發電機實機組裝性能驗證之監測系統 36
4.6.1風力發電機監測系統設計 37
4.6.2發電機動力機模擬測試 38
4.6.3發電機實機安裝功能驗證監測 40
4.7發電機系統實機安裝與功能驗證測試 43
4.7.1發電機安裝 43
4.7.2 驗證結果 46
4.7.2.1發電機安裝測試與效率分析 47
4.8小結 48
第五章、結論與未來展望 49
5.1 結論 49
5.2 未來展望 49
參考文獻 50

圖目錄
圖2.1 電磁感應作用 5
圖2.2 弗來明右手定則 6
圖2.3 交流發電機工作原理 7
圖2.4 不同風速下扭矩最大值 9
圖2.5 同步發電機繞組等效電路 10
圖2.6 三相二繞組等效電路 12
圖2.7 三相二繞組永磁同步發電機等效電路 13
圖3.1 法拉第電磁感應效應 20
圖3.2 發電機線圈轉矩(安培力)產生示意圖 21
圖3.3 磁負荷與電流負荷 21
圖3.4 磁負荷B、電流負荷Q的關係圖 21
圖3.5 轉子的剪應力示意圖 22
圖3.6 頓動轉矩形成機制 23
圖3.7 二繞組發電機繞線方式 25
圖3.8 發電機轉子與定子運作圖 26
圖3.9 磁通鏈與定轉子位置關係圖 27
圖3.10 理想與實際的反電動勢波形 27
圖4.1 發電機定子二繞組式繞線模式 30
圖4.2 發電機外型設計圖 31
圖4.3 4KW二繞組式永磁同步發電機製成 32
圖4.4 4KW發電機動力測試機台規格驗證 32
圖4.5 動力測試機台輸出顯示面板(左圖)與RPM控制器(右圖) 33
圖4.6 額定電流電壓輸出波形 33
圖4.7 1KW各轉速下輸出效率分析圖 34
圖4.8 4KW各轉速下輸出效率分析圖 34
圖4.9 遙測系統整合架構示意圖 38
圖4.10 風速(M/S)與轉速(RPM)的關係圖 39
圖4.11 動力機測試平台示意圖 39
圖4.12 動力機平台與測試流程 40
圖4.13 風機系統即時監測電力參數數據擷取方塊圖 41
圖4.14 量測轉速之近接開關 42
圖4.15 發電機轉速監測PLC設計示意圖 42
圖4.16 發電機、下圓盤、煞車段組合 43
圖4.17 發電機機組秤重為554.8公斤 44
圖4.18 發電機組運至安裝地點 44
圖4.19 發電機組與中心軸組裝以及做防水保護 45
圖4.20 完成組裝4KW小型垂直軸風力發電機系統 45
圖4.21 風速 VS RPM (10分鐘平均) 47
圖4.22 功率曲線圖(10分鐘平均) 48


表目錄
表4.1 4KW二繞組式垂直軸發電機設計規格 29
表4.2 發電機開迴路及閉迴路測試所獲得發電機等效電路參數 31
表4.3 溫度與電阻值表格 33
表4.4 1KW 轉速在30RPM下負載測試 34
表4.5 1KW轉速在90RPM下負載測試 35
表4.6 1KW轉速在125RPM下負載測試 35
表4.7 4KW轉速在60RPM下負載測試 35
表4.8 4KW轉速在90RPM下負載測試 35
表4.9 4KW轉速在125RPM下負載測試 36
表4.10 4KW發電機動力測試啟動轉矩量測表 36
表4.11 發電機實機安裝即時監測數據 46
表4.12 風速對功率資料 48


一、中文部分
交流發電機基本原理, http://tw.myblog.yahoo.com/jw!T6BOCveYERzcJMwkeLYDAw--/article?mid=3029 ,測試時間2012年6月20日可連結
龍騰文化, 電工機械,95年7月。
魏敬微等,小功率永磁電機原理、設計與應用,機械工業出版社,P.142~143,2010年1月,北京。
劉新正、蘇少平、高琳等譯,電磁學,電子工業出版社,p.15,2004年1月,北京。
謝明志,六相永磁式同步電動機驅動器之分析及研製,國立台灣科技大學電機研究所博士論文,民國95年。
陳明宏,交流-直流-交流功率控制器於三相雙繞組永磁式同步風力發電機系統之應用,國立台灣科技大學電機工程學系研究所博士論文,民國96年。
魏貞元,永磁同步發電機功率控制器之研製與模擬,國立成功大學電機工程學系研究所碩士論文,民國96年。
黃茂川,小型垂直軸風力發電之外轉子永磁發電機的設計與分析國立高雄應用科技大學電機工程系碩士論文,民國97年。
張金鋒,垂直軸外轉子風力發電機功率測試設計研製國立高雄應用科技大學電機工程系碩士論文,民國97年。
陳盛基,永磁同步風力發電機設計概要,專題演講簡報,明道大學,2011年3月。
豐煒科技, PLC-VB系列可程式控制器操作手冊,100年7月。
魏貞元,永磁同步發電機功率控制器之研製與模擬,碩士論文,國立成功大學,電機工程學系,P.9,96年6月。

二、英文部分
Carden, F.F.,"Telemetry System Design," Boston, MA, Artech House Inc.,1995.
Frank Carden,"Design of Telemetry System,"Telemetry Center New Mexico State University,1995.
ADAM, "8-ch Analog Input Module, ADAM-4017,"ADAMTECH Co., 2011.

三、日文部分
塩田 剛,井坂 勉,佐野 孝,関 和市,"直線翼垂直軸型車と新型風力用発電装置の整合性に関する研究",p.1352,電気学会論文誌B(電力エネルギー部門誌),IEEJ Trans.PE, Vol. 128, No. 11,2008。
劉新正、蘇少平、高琳等譯,電磁學,電子工業出版社,p.8,2004年1月,北京。
塩田 剛,井坂 勉,佐野 孝,関 和市,"直線翼垂直軸型車と新型風力用発電装置の整合性に関する研究",p.1350,電気学会論文誌B(電力エネルギー部門誌),IEEJ Trans.PE, Vol. 128, No. 11,2008。

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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