Rüzgar Türbini Uygulaması İçin Çeşitli Çekirdek Malzemelerin Kullanıldığı SMSG'lerin Karşılaştırmalı Performans Analizi

Öz

Kalıcı Mıknatıslı Senkron Jeneratör (SMSG) çekirdekleri rüzgar enerjisi performansının belirlenmesinde önemli bir rol oynamaktadır. SMSG’lerin çekirdek malzemeleri manyetik akı yoğunluğunu etkiler, kayıpları en aza indirir, ısı dağılımını kolaylaştırır, mekanik stabilite sağlar ve maliyet hususlarını dengeler. Farklı çekirdek malzemelerinin kullanılması, SMSG sistemlerinin verimliliği ve rüzgar üretimindeki genel performans üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle bu çalışma, rüzgar türbini uygulamalarında çeşitli çekirdek malzemeleri kullanan PMSG sistemleri için karşılaştırmalı bir performans analizi sunmaktadır. Tasarım ve analiz metodolojisi ANSYS/MAXWELL simülasyon yazılımına dayanmaktadır. Önerilen rüzgar türbini modeli 380 V, 50 Hz ve 24 HP çıkış gücünde tasarlanmıştır. Çalışma, silikon çelik, amorf çelik ve ferrit malzemeler gibi çeşitli çekirdek malzemeleri kullanan PMSG sistemlerinin performans özelliklerini araştırıyor. Tasarım aşamasında, ANSYS Maxwell kullanılarak çekirdek malzemeleri karşılaştırmak için Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) gerçekleştirilir. Sonuçlar, farklı çekirdek malzemeleri kullanan tasarım yaklaşımının etkinliğini ve doğruluğunu göstermektedir. Sonuçlar, SMSG'ye dayalı rüzgar enerjisi sistemlerinin verimliliğini ve sürdürülebilirliğini artırmak için en iyi çekirdek malzemelerin seçimine rehberlik etmeye yardımcı olmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• ANSYS Maxwell
• Tasarım
• Sonlu elemanlar analizi
• Malzemeler
• Kalıcı mıknatıslı senkron jeneratörler

Comparative Performance Analysis of PMSGs Using Various Core Materials for Wind Turbine Application

Öz

Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) cores play an important role in determining the performance of wind power. Core materials of PMSGs influence magnetic flux density, minimize losses, facilitate heat dissipation, ensure mechanical stability, and balance cost considerations. The use of different core materials has a significant impact on PMSG systems efficiency and overall performance in wind generation. Therefore, this study provides a comparative performance analysis for PMSG systems using diverse core materials in wind turbine applications. The design and analysis methodology is based on ANSYS/MAXWELL simulation software. The proposed model for a wind turbine is designed with 380 V, 50 Hz, and 24 HP output power. The study investigates the performance characteristics of PMSG systems utilizing various core materials such as silicon steel, amorphous steel, and ferrite materials. During the design phase, the Finite Element Analysis (FEA) is performed to compare core materials using ANSYS Maxwell. The results demonstrate the effectiveness and accuracy of the design approach using different core materials. The results help guide the selection of the best core materials to improve the efficiency and sustainability of wind energy systems based on PMSG.

Anahtar Kelimeler

• ANSYS Maxwell
• Design
• Finite element analysis
• Materials
• Permanent magnet synchronous generators

Kaynakça

1. Abdelateef Mostafa M., El-Hay EA., ELkholy MM. Recent trends in wind energy conversion system with grid integration based on soft computing methods: comprehensive review, comparisons and insights. Archives of Computational Methods in Engineering 2023; 30(3): 1439-1478.
2. Arumugam D., Logamani P., Karuppiah S., Thangaraj B. Performance evaluation of PMSG for aircraft applications. Energy Procedia 2017;117: 385–392.
3. Bakbak A., Canseven HT., Ayaz M., Altintaş M., Meşe E. Maximizing energy extraction from direct grid coupled PMSG for wind energy conversion systems. IEEE Transactions on Industry Applications 2022; 58(3): 3888-3900.
4. Gencer A. Modelling and control of permanent magnet synchronous generator based on three level NPC using fuzzy PI. Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering 2018; 6(3): 172–177.
5. Gencer A. Modelling and analysis of operation PMSG based WECS under different load conditions, Electronics Computers and Artificial Intelligence (ECAI) 2016 8th International Conference, 30 June -02 July 2016, Page no: 1-6, Ploiesti, Romania.
6. Kumar RR., Singh SK., Srivastava RK., Vardhan ASS., Elavarasan RM., Saket RK., Hossain E. Modeling of airgap fluxes and performance analysis of five-phase permanent magnet synchronous generator for wind power application. IEEE Access 2020a; 8: 195472-195486.
7. Kumar RR., Devi P., Chetri C., Vardhan ASS., Elavarasan RM., Mihet-Popa L., Saket RK. Design and characteristics investigation of novel dual stator pseudo-pole five-phase permanent magnet synchronous generator for wind power application. IEEE Access 2020b; 8: 175788-175804.
8. Li Z., Ma Y., Hu A., Zeng L., Xu S., Pei R. Investigation and application of magnetic properties of ultra-thin grain-oriented silicon steel sheets under multi-physical field coupling, Materials 2022; 15(23): 8522.

9. Mahmoud MM., Aly MM., Abdel-Rahim AMM. Enhancing the dynamic performance of a wind-driven PMSG implementing different optimization techniques. SN Applied Sciences 2020; 2: 1-19.
10. Mellah H., Hemsas KE. Simulations analysis with comparative study of a PMSG performances for small WT application by FEM. International Journal of Energy Engineering 2013; 3(2): 55-64.
11. Okedu K. Investigating permanent magnet synchronous generator wind turbine performance during low voltage using series and bridge type fault current limit. Electrica. 2023;23(2):212–21.
12. Özmen T., Onat N. The effects of magnetic circuit geometry and material properties on surface mounted permanent magnet synchronous generator performance. Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering 2021; 9(2): 99-105.
13. Palanimuthu K., Mayilsamy G., Lee SR., Jung SY., Joo YH. Comparative analysis of maximum power extraction and control methods between PMSG and PMVG-based wind turbine systems. International Journal of Electrical Power & Energy Systems 2022; 143: 108475.
14. Perin D., Karaoglan AD., Yilmaz K. Rotor design optimization of a 4000 rpm permanent magnet synchronous generator using moth flame optimization algorithm. An International Journal of Optimization and Control: Theories & Applications (IJOCTA) 2024; 14(2): 123–133.
15. Tazi K., Abbou MF., Abdi F. Performance analysis of micro-grid designs with local PMSG wind turbines. Energy Systems 2020; 11: 607-639.
16. Thakur P., Chahar D., Taneja S., Bhalla N., Thakur A. A review on MnZn ferrites: Synthesis, characterization and applications. Ceramics International 2020; 46(10): 15740-15763.
17. Yavuzdeger A., Esenboga B., Ekinci F., Demirdelen T. Design and finite element analysis of permanent magnet synchronous generator for wind turbine application. Numerical Methods for Energy Applications 2021; 823-845.
18. Zhang DW., Zhang Y., Cai YF., Zang BW., Zhao F., Wang YC., Umetsu R., Li ZZ., Tong X., Huo JT., Che SL., Wang JQ. Magnetic properties evaluation of Fe-based amorphous alloys synthesized via spark plasma sintering. Journal of Non-Crystalline Solids 2023; 613: 122373.