متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته برق گرایش برق قدرت

با عنوان : شبیه سازی و کنترل یک سیستم تولید توان ترکیبی پیل سوختی

در ادامه مطلب می توانید تکه هایی از ابتدای این پایان نامه را بخوانید

و در صورت نیاز به متن کامل آن می توانید از لینک پرداخت و دانلود آنی برای خرید این پایان نامه اقدام نمائید.

دانشگاه آزاد اسلامی واحد دامغان

دانشكده فنی و مهندسی

پایان ‌نامه جهت دریافت درجه كارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق قدرت

موضوع

شبیه سازی و کنترل یک سیستم تولید توان ترکیبی پیل سوختی/باطری/ ابر خازن به منظور تغذیه یك موتور الکتریکی جریان مستقیم

استاد راهنما

جناب آقای دکتر حاجی زاده

استاد مشاور

جناب آقای دکتر حاجی زاده

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چكیده

در این پایان نامه یك سیستم تركیبی تولید توان با بهره گرفتن از پیل سوختی/باتری/ابرخازن برای تغذیه یك خودوری برقی سبك با سیستم درایو موتور الكتریكی تحریك مستقل مورد مطالعه و شبیه سازی قرار گرفت. سیستم خودروی برقی از یک سیستم پیش خور و کنترلی، منابع چندگانه، واحد کنترل قدرت و سیستم مدیریت انرژی، ماشین DC تحریک مستقل و بار خودروی برقی تشکیل شده است. مرجع سرعت سیستم مطابق درایو ECE-47 انتخاب شده است. بعبارتی یک مدل شامل چند منبع انرژی، مبتنی بر قواعد منطقی، الگوریتم کنترلی و سیستم ذخیره انرژی برای یک خودروی برقی سه چرخ سبک ارائه گردیده است. ویژگی اصلی خودروی برقی سبک از استراتژی کنترلی آن نشات می گیرد که سیستم مدیریت انرژی را برای باتری، پیل سوختی و ابرخازن تحت بار های مختلف پشتیبانی می کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم کنترلی می تواند بصورت کاملاً برنامه ریزی شده، سیستم چند منبعی را مدیریت کند. کاربرد مهم سیستم مدیریت انرژی، مصالحه بین ذخیره سازی سوخت به همراه یک رانندگی پاک و همچنین کمک به موتور و باتری از نظر هزینه است. در این پایان نامه در سیستم كنترل قدرت از كنترلرهای تناسبی-انتگرالی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان داده است كه استفاده از كنترلرهای فازی در مقابل كنترلرهای بهره ثابت تناسبی-انتگرالی، قابلیت سیستم مورد مطالعه را در پیگیری سرعت مرجع بیشتر افزایش می دهد. كنترلرهای فازی نسبت به كنترلرهای تناسبی-انتگرالی كه در مقابل نوسانات سرعت پارامترهای آن ها ثابت می باشد، پارامترهای خود را به روز كرده كه به این كنترلرها خودتنظیم گفته می شود. بنابراین در برابر تغییرات سرعت عملكرد بهتری از خود نشان می دهند.

كلمات كلیدی: سیستم تركیبی تولید توان، باتری، پیل سوختی، ابر خازن، الگوریتم كنترلی سیستم مدیریت انرژی، كنترلر فازی

1-1 مقدمه

صنعت حمل و نقل و ترابری جز صنایعی است كه همیشه مورد توجه متخصصین و صنعتگران می باشد. دانشمندان همیشه در این تلاش بوده اند تا خودروهایی تولید كنند كه نسبت به خودروهای معمولی، عملكرد بهتر، مصرف سوخت پایین تر و آلودگی كمتری داشته باشند. در این راستا تلاش قابل توجهی در جهت ارتقای كیفیت سوخت های مصرفی در خودرو ها از بنزینی به صورت های دیگر انجام پذیرفته است. بعنوان مثال تحقیقات گسترده ای در مورد سوخت های هیدروژنی و پیل های سوختی[1] انجام شده است. اما به دلیل هزینه تولید بالا و همچنین مشكلات ناشی از ماهیت این نوع سوخت ها (اشتعال پذیری بالا و شرایط ذخیره سازی دشوار) مصرف آن ها بصورت فراگیر امكانپذیر نشده است ]1[.

امروزه استفاده از خودروهای الكتریكی كه در آن ها موتور الكتریكی به تنهایی نیروی پیشران را تولید می كند مرسوم نشده است. اولین عامل هزینه بسیار بالای تولید این خودروها می باشد كه باعث افزایش قیمت آن ها می گردد. علاوه بر این این خودروها به ازای هر بار شارژ شدن مسافت كمی را طی می كنند. از طرف دیگر مدت زمان لازم برای شارژ باطری در این خودروها بسیار زیاد است كه استفاده از این خودرو ها را نسبت به خودروهای احتراقی محدود نموده است ]1[.

بر طبق آمار بدست آمده در سال 1980، حدود 30 در صد از كل آلودگی كربنی تولید شده در ایالات متحده در اثر استفاده از موتورهای احتراقی[2] بوده كه این میزان در سال 2000 به 40 درصد افزایش پیدا كرده است. یك موتور احتراقی معمولا در بهترین شرایط، بازدهی در حدود 32 درصد دارد. در حالت عادی، بازده موتور احتراقی معمولی در شهر حدود 18 درصد و در بزرگراه ها حدود 26 درصد است ]2[. یكی از راهكارهایی كه برای بالا بردن بازده موتورهای احتراقی بكار میرود پایین آوردن مصرف سوخت آن ها می باشد. به این صورت آلودگی خودروها را نیز می توان كاهش داد.

از معایب خودروهای احتراقی می توان به موارد زیر اشاره كرد ]2[:

  • اندازه موتور احتراقی بگونه ای است كه بتوانند قدرت لازم جهت شتاب گیری مطلوب را برای خودرو فراهم كنند. لذا این موتورها معمولا حجیم و سنگین هستند.
  • راندمان حرارتی این موتورها بستگی زیادی به نقطه كار آن ها دارد و دائما در طول حركت اتومبیل بسته به شرایط تغییر می كند. بعلاوه چون این موتورها باید بگونه ای طراحی شوند كه پاسخگوی نیاز خودرو در هنگام شتاب گیری باشند، در مواقع عادی راندمان بسیار پایینی دارند.
  • كل انرژی جنبشی خودرو در هنگام ترمز گیری به گرما تبدیل شده و به هدر می رود.

با بررسی انجام شده توسط پژوهشگران متوجه این مساله شده اند كه استفاده از خودرو های هیبرید الكتریكی می تواند پاسخگوی مطالب بیان شده باشد. خودروی هیبرید[3] به خودرویی گفته می شود كه برای تولید قدرت از دو یا چند منبع تولید كننده انرژی و مبدل انرژی بهره می برد. امروزه استفاده از منابع انرژی نو در خودروهای هیبرید با استقبال چشمگیری روبرو شده است. معمول ترین منبع انرژی نو كه در این خودروها بكار میرود، پیل سوختی می باشد. همچنین از باطری نیز در این خودروها استفاده می شود. با بكارگیری خودروهای هیبرید امكان استفاده از قابلیت های هر دو نوع خودروی احتراقی و الكتریكی فراهم می گردد. بنابراین با بهره گرفتن از خودروهای هیبرید آلودگی زیست محیطی كاهش می یابد همچنین قدرت شتاب گیری ماشین تقویت می شود ]3[. با توجه به استفاده از دو منبع اصلی پیل سوختی و كمكی باطری، كنترل این دو منبع مساله ای پیچیده می باشد. با كنترل این دو منبع می توان میزان مصرف سوخت خودرو، سطح آلودگی تولید شده و همجنین میزان شارژ باطری ها را تعیین نمود.

با توجه به مطالب مطرح شده، هدف استفاده از خودروهای هیبرید این است كه از مزایای هر دو موتور احتراقی و الكتریكی استفاده شده و معایب آن ها نیز مرتفع گردد. برخی از نقاط ضعف موتورهای احتراقی در زیر ارائه شده است ]2[.

  • با بكارگیری سیستم رانش الكتریكی در كنار سیستم رانش احتراقی، بخش عمده ای از توان خودرو در مواقع شتاب گیری و شیب پیمایی توسط سیستم الكتریكی تامین می شود. بنابراین اندازه موتور احتراقی كاهش می یابد.
  • شرایط كاری موتور احتراقی بطور كامل یا جزیی از شرایط كاری خودرو نظیر سرعت، شتاب، گشتاور و توان می باشد و در نتیجه موتور احتراقی در اكثر موارد در محدوده راندمان حداكثر خودش كار می كند.
  • در هنگام ترمز گیری، موتور الكتریكی بصورت ژنراتور عمل كرده و انرژی جنبشی خودرو را تا اندازه زیاد بازیافت می كند. این انرژی در هنگام شتاب گیری مجددا به خودرو برگردانده می شود.

با توجه به خودروهای هیبریدی در سال های اخیر مطالعات بسیاری درباره طراحی و ساخت این نوع از خودروها انجام شده است.

1-2 ساختارهای نوین در خودرو

یكی از مسائل مهم در استفاده از خودروهای با موتور احتراقی، آلودگی محیط زیست می باشد. استفاده از خودروهای احتراقی باعث آسیب های جدی محیط زیست و در نتیجه آن برای بشر شده است. ارتباط تنگاتنگی بین آلودگی محیط زیست بویژه در مناطق شهری با نحوه عملكرد خودروها وجود دارد. با بررسی انواع آلودگی های ناشی از خودروها و اثرات هر یك از آنها در آسیب رساندن به محیط زیست، استانداردها و حدود مشخصی برای هر یك از آلاینده ها تعیین كرده اند. هیدروكربن ها، اكسیدهای نیتروژن، منوكسید كربن و ذرات معلق مهمترین پارامترهایی هستند كه در تمامی استانداردهای مطرح شده مورد توجه قرار گرفته اند. دی اكسید كربن و دی اكسید گوگرد از محصولات ناشی از احتراق سوخت های فسیلی در موتورهای احتراق داخلی می باشند ]4[.

با توجه به روند رو به كاهش سوخت های فسیلی و نوسان های شدید بازار نفت، تحول در فن آوریهای معمول مورد استفاده در صنعت خودرو امری ضروری بنظر می رسد. همچنین مصرف انرژی هر روز در حال افزایش است كه این افزایش را می توان در كاهش مقدار ذخایر نفت در انبار های كشورهای صنعتی و قیمت جهانی نفت ملاحظه كرد. از طرفی تعداد خودروهای در حال استفاده روز به روز در حال افزایش است. بنابراین با توجه به مباحث مطرح شده منابع موجود قادر به تامین نیازهای انرژی جامعه بشری نمی باشد.

تا به اینجا برخی از مشكلات استفاده از خودروهای احتراقی مطرح گردید. بنابراین بایستی برای غلبه بر مشكلات ذكر شده خودرو های با مصرف سوخت و آلودگی كمتر را بكار گرفت.

1-3 تاریخچه خودروهای هیبریدی

در سال 1898 دكتر پورشه[4] مهندس آلمانی اولین خودروی الكتریكی را ساخت. این خودرو فقط با باطری قابلیت طی مسافت 40 مایل را داشت. در سال 1903 میلادی یك خودروی بنزینی-الكتریكی بوسیله شركت انگلیسی كریگر[5] طراحی و ساخته شد. در سال 1905 یك خودروی هیبرید توسط یك مهندس آمریكایی به نام پایپر[6] ساخته شد. در این خودرو، از موتور الكتریكی به عنوان یك موتور كمكی استفاده شد زیرا موتورهای بنزینی آن زمان دارای قدرت بالایی نبودند. خودروی ساخته شده در مدت زمان 10 ثانیه قادر بود سرعت خود را از صفر به 40 كیلو متر در ساعت برساند. پس از آن در سال 1964 میلادی شركت گالت موتور كانادایی، یك خودرو هیبرید جدید كم مصرف را وارد بازار كرد. این خودرو دارای یك موتور احتراقی دو زمانه كوچكی بود كه با دو پیستون، توانی برابر 10 اسب بخار تولید می كرد. محور خروجی موتور احتراقی در این خودرو به یك ژنراتور وصل شده بود كه دارای دو خروجی بود. یكی از خروجی ها به موتور الكتریكی و دیگری به باطری متصل بود و موتور الكتریكی نیز مستقیما به دیفرانسیل وصل می شد. این خودرو فقط با مصرف 4 لیتر بنزین قادر بود مسافت 110 كیلومتر را با سرعت 50 كیلو متر در ساعت طی كند. به تدریج با افزایش قدرت موتورهای احتراقی و عدم نیاز به موتور الكتریكی بعنوان كمكی، ایده خودروهای هیبرید به فراموشی سپرده شد تا اینكه در سال 1968 میلادی شركت جنرال موتورز خودروی هیبریدی را وارد بازار كرد. این خودرو دارای موتور استرلینگ با توان 80 اسب بخار بود كه به یك ژنراتور متصل می شد. در این خودرو برای جبران كمبود توان موتور از 14 عدد باطری استفاده شده بود. این خودرو دارای دو موتور القایی سه فاز 20 اسب بخاری بود ]5[.

در اواخر دهه 1990 دو خودروی هیبریدی جدید برای شركت های تویوتا و هوندا وارد بازار شدند ]6[. خودروی تویوتا یك خودرو با ظرفیت 4 نفر بود. موتور بكار رفته در آن خودرو 4 سیلندر بنزینی بود. این خودر دارای طراحی بسیار دقیقی بود. راندمان این خودرو بالا و آلودگی آن بسیار كم بود. این موتور به یك گیربكس متغیر كوپل شده است كه بصورت الكتریكی كنترل می شود. در این خودرو از 38 عدد باطری استفاده شده است. خودروی تویوتا از یك موتور الكتریكی 40 اسب بخار و یك ژنراتور مستقل برای بازیابی انرژی ناشی از ترمز استفاده می كند. این خودرو برای پیمودن 100 كیلومترمسافت حدود 4 لیتر بنزین مصرف می كند. در مقابل خودروی هوندا یك خودروی نیمه هیبرید است كه توسط یك موتور بنزینی 3 سیلندر 50 كیلوواتی تغذیه می شود. همچنین یك موتور الكتریكی 10 كیلوواتی بعنوان منبع دوم تولید توان در كنار موتور بنزینی بكار گرفته شده است. این خودرو برای پیمودن 100 كیلومترمسافت حدود 4/3 لیتر بنزین مصرف می كند.

1-4 ساختار خودروهای هیبرید

خودروی هیبرید از دو یا چند منبع انرژی و مبدل انرژی برای تولید قدرت استفاده می كند. اگر یكی از منابع بكار رفته منبع الكتریكی باشد، به خودرو هیبرید الكتریكی گفته می شود. در شكل زیر ساختار خودروهای هیبرید الكتریكی نشان داده شده است.

شكل 1-1: ساختار خودروهای هیبرید الكتریكی

با توجه به شكل 1-1 واضح است كه هر دو سیستم انتقال قدرت با هم در توان مورد نیاز خودرو را تولید می كننتد. توان تولیدی هر یك از سیستم های انتقال قدرت با یكدیگر جمع شده و به چرخ ها انتقال داده می شود. از طرفی هریك از این سیستم ها قادرند كه هم تزریق كننده انرژی باشند و هم دریافت كننده انرژی. همانطور كه از شكل مشخص است سیستم 1 یكطرفه است یعنی فقط می توان از سیستم 1 انرژی دریافت كرد و به آن نمی توان انرژی داد. در صورتی كه سیستم 2 دو طرفه بعبارتی هم تزریق كننده انرژی و هم دریافت كننده انرژی می باشد.

اگر در شكل 1-1 برای منبع و مبدل سیستم 1 از سوخت فسیلی و موتور احتراقی و برای منبع و مبدل سیستم 2 از باطری و موتور الكتریكی استفاده كرد نتیجه یك خودروی هیبرید خواهد بود. این خودروی الكتریكی می تواند در بخش الكتریكی انرژی را جذب كند. در این خودروی هیبرید باطری های سیستم الكتریكی را از طریق چرخ ها (بازیابی انرژی ناشی از ترمز) شارژ كرد.

در خودروهای با ساختار سری دو منبع انرژی یعنی باطری و سوخت فسیلی تولید كننده توان یعنی موتور الكتریكی را تامین می كنند. در این ساختار تمام گشتاور و توان داده شده به چرخ ها از سوی موتور الكتریكی به آن ها منتقل می شود. موتور احتراقی انرژی مورد نیاز موتور را تامین می نماید. موتور الكتریكی بطور مستقیم به چرخ ها وصل نیست و در كنار باطری ها بعنوان یك منبع كمكی عمل می كند. در این ساختار برخی از باطری های آن جایگزین موتور احتراقی شده است. در این ساختار در صورت كمبود انرژی از انرژی هنگام ترمز و شارژ باطری ها در زمان طی مسافت استفاده می شود. در ساختار موازی اتلاف در اثر تبدیل انرژی كمتر می باشد. از طرفی بدلیل غیر قابل كنترل بودن سرعت موتور احتراقی، راندمان عملكرد آن پایین است.

1-5 پیل سوختی

پیل‌‌سوختی نوعی سلول الكتروشیمیایی است كه انرژی شیمیایی حاصل از واكنش را مستقیماً به انرژی الكتریكی تبدیل می‌کند. سازه و بدنه اصلی پیل‌سوختی از الكترولیت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكیل شده است. پیل سوختی یك دستگاه تبدیل انرژی است كه به لحاظ نظری تا زمانی كه ماده اكسید كننده و سوخت در الكترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الكتریكی را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگی و بد عمل كردن اجزای تشكیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را كاهش می‌دهد ]8-7[.

تعداد صفحه :114

قیمت : 14700 تومان

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

  *

دسته‌ها: مهندسی برق