СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.089 Vertical-axis wind turbines (VAWTs) have become widespread in the modern world. Traditionally, to ensure the optimal operation of wind turbines, various types of generators are used as control system actuators, which control the rotor speed by energy diss...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
текст 3
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/97 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Mechanics |
Репозитарії
Technical Mechanics| id |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-97 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Technical Mechanics |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-11-04T12:05:52Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
вітроенергетичні установки ротор Дар'є стабілізація обертання змінний момент інерції стійкість працездатність математичне моделювання. |
| spellingShingle |
вітроенергетичні установки ротор Дар'є стабілізація обертання змінний момент інерції стійкість працездатність математичне моделювання. TARASOV, S. V. MOLOTKOV, O. N. СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС |
| topic_facet |
wind power plants Darier rotor rotation stabilization variable moment of inertia stability operability mathematical simulation. вітроенергетичні установки ротор Дар'є стабілізація обертання змінний момент інерції стійкість працездатність математичне моделювання. |
| format |
Article |
| author |
TARASOV, S. V. MOLOTKOV, O. N. |
| author_facet |
TARASOV, S. V. MOLOTKOV, O. N. |
| author_sort |
TARASOV, S. V. |
| title |
СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС |
| title_short |
СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС |
| title_full |
СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС |
| title_fullStr |
СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС |
| title_full_unstemmed |
СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС |
| title_sort |
стабілізація обертання ротора дар’є змінного моменту інерції, керованого варіаціями довжини траверс |
| title_alt |
SPEED STABILIZATION OF A DARRIEUS ROTOR OF A VARIABLE MOMENT OF INERTIA CONTROLLED BY VARIATIONS OF THE TRAVERSE LENGTH |
| description |
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.089
Vertical-axis wind turbines (VAWTs) have become widespread in the modern world. Traditionally, to ensure the optimal operation of wind turbines, various types of generators are used as control system actuators, which control the rotor speed by energy dissipation when the wind speed increases or by speeding up the rotor when the wind speed decreases. As a rule, the rotors of such systems have a fixed configuration, which ensures simplicity in design and solution of control problems in various operating modes. This approach overloads the transmission, causes elastic vibrations of its high-speed and low-speed shafts, and complicates control algorithms. As a possible way out, ever increasing use is made of control methods based on varying the aerodynamic properties of the rotor. This adapts the system to the operating conditions, namely to variations in wind speed. The rotor aerodynamics can be varied in two ways: by varying the blade angle or by varying the rotor configuration (by varying the length of the blades and traverses). Varying the blade length does not complicate the rotor dynamics model as a control object. To stabilize the rotor speed in this case, use is made of proportional plus integral (PI) or proportional plus integral plus derivative (PID) controllers, whose stable operation conditions the authors considered earlier. It was demonstrated that the rotor models where the rotor as a control object is controlled by varying the blade length and by varying the traverse length are dynamically similar on condition that the variations of the traverse length from its nominal value are small. An approach to and a procedure for ensuring the smallness of these variations by redistributing loads between the stabilization channels in their joint operation were developed. Restricting oneself to the case of small variations gives no way to use the potentialities of the rotor as a system that converts wind energy to mechanical and then to electric energy. A more complete use of system potentialities calls for considering the possibility of its operation at significant variations of the traverse length from its nominal value. The difficulties that arise in doing so involve the complication of the dynamic model of the rotor as a control object due to significant time variations of its moment of inertia. The goal of this paper is to develop a dynamic model of the Darrieus rotor as a control object that would account for significant variations of the transverse length from its nominal value and associated variations of the moment of inertia and to synthesize and analyze the effectiveness of Darrieus rotor speed stabilization algorithms for VAWTs operable in the above-mentioned conditions. The problem is solved using methods of classical theory of automatic control and mathematical simulation. The obtained results are new in a generalization of the concept of swept-area variation control to Darrieus rotor VAWTs controlled by significant variations of the traverse length and associated variations of the moment of inertia and in the synthesized efficient rotor speed stabilization algorithms for them. The proposed algorithms and methods may be used in the design of promising VAWTs of different capacities.
REFERENCES
1. Dzenzersky V. A., Tarasov S. V., Kostyukov I. Yu. Low-Power Wind Plants. Kyiv: Naukova Dumka, 2011. 592 pp. (In Russian).
2. Subbota A. M., Dzhulgakov V. G. Increase of efficiency of wind power plant with vertical axis of rotation. Radioelectronic and Computer Systems. 2018. No. 1(85). Pp. 77-86. (In Russian).
3.Tarasov S. V., Redchyts D. O., Tarasov A. S., Dorosh O. V. Model of variable-configuration Darrieus rotor dynamics. Proceedings of the International Conference "Information Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering" (ІТММ-2023). 22 March 2023. Dnipro: Ukrainian State University of Science and Technologies, 2023. Pp. 208-211. (In Ukrainian).
4. Tarasov S. V., Molotkov O. N. Algorithms for stabilizing the rotor speed of a Darrieus wind power plant controlled by blade length variation. Teh. Meh. 2023. No. 4. Pp. 50 - 59. (In Ukrainian).https://doi.org/10.15407/itm2023.04.050
5. Tarasov S. V., Molotkov O. N. Model of the dynamics of a Darrieus rotor controlled by traverse length variation. Proceedings of the 15th International Scientific and Practical Conference "Modern Power Plants in Transport and Technologies and Equipment for their Maintenance" (MPPTTEM-2024). 13-15 March 2024. Kherson: Kherson State Marine Academy, 2024. Pp. 224-226. (In Ukrainian).
6. Tarasov S. V., Molotkov O. N. Darrieus rotor speed stabilization by joint variation of the blade and the traverse length. Teh. Meh. 2024. No. 2. Pp. 92-105. (In Ukrainian).https://doi.org/10.15407/itm2024.02.092
7. Kartašovas V., Barzdaitis V., Mažeika P. Modeling and simulation of variable inertia rotor. Journal of Vibroengineering. 2012. V. 14. Iss. 1. Pp. 67-72.
8. Zukovic M. Dynamics of mass variable rotor and its application in modeling tuning operation. Acta Mechanica. 2021. V. 232. Рp. 1605-1620.https://doi.org/10.1007/s00707-020-02918-x
9. Tiago Andre dos Santos Marques. Control and Operation of a Vertical Axis Wind Turbine. Dissertacao. 2014. 83 pp. URL: https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/844820067124338/dissertacao.pdf (Last accessed on June 17, 2023).
10. Artobolevsky I. I. Theory of Mechanisms and Machines. Moscow: Nauka, 1988. 640 pp. (In Russian).
11. Shtanko P. K., Shevchenko V. H., Omelchenko O. S., Dziuba L. F., Pasika V. R. Poliakov O. M. Theoretical Mechanics. Zaporizhzhia: Zaporizhzhia Polytechnic National University, 2021. 464 pp. (In Ukrainian).
12. Rozenvasser E. N., Yusupov R. M. Control System Sensitivity. Moscow: Nauka, 1981. 464 pp. (In Russian).
13. Besekersky V. A., Popov E. N. Theory of Automatic Control Systems. Saint Petersburg: Professiya, 2003. 752 pp. (In Russian).
14. D'Angelo H. Linear Time-Varying Systems: Analysis and Synthesis. Moscow: Mashinostroyeniye, 1974. 288 pp. (In Russian). |
| publisher |
текст 3 |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/97 |
| work_keys_str_mv |
AT tarasovsv speedstabilizationofadarrieusrotorofavariablemomentofinertiacontrolledbyvariationsofthetraverselength AT molotkovon speedstabilizationofadarrieusrotorofavariablemomentofinertiacontrolledbyvariationsofthetraverselength AT tarasovsv stabílízacíâobertannârotoradarêzmínnogomomentuínercííkerovanogovaríacíâmidovžinitravers AT molotkovon stabílízacíâobertannârotoradarêzmínnogomomentuínercííkerovanogovaríacíâmidovžinitravers |
| first_indexed |
2025-09-24T17:27:28Z |
| last_indexed |
2025-11-05T02:41:42Z |
| _version_ |
1850410625763639296 |
| spelling |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-972025-11-04T12:05:52Z SPEED STABILIZATION OF A DARRIEUS ROTOR OF A VARIABLE MOMENT OF INERTIA CONTROLLED BY VARIATIONS OF THE TRAVERSE LENGTH СТАБІЛІЗАЦІЯ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ДАР’Є ЗМІННОГО МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ, КЕРОВАНОГО ВАРІАЦІЯМИ ДОВЖИНИ ТРАВЕРС TARASOV, S. V. MOLOTKOV, O. N. wind power plants, Darier rotor, rotation stabilization, variable moment of inertia, stability, operability, mathematical simulation. вітроенергетичні установки, ротор Дар'є, стабілізація обертання, змінний момент інерції, стійкість, працездатність, математичне моделювання. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.089 Vertical-axis wind turbines (VAWTs) have become widespread in the modern world. Traditionally, to ensure the optimal operation of wind turbines, various types of generators are used as control system actuators, which control the rotor speed by energy dissipation when the wind speed increases or by speeding up the rotor when the wind speed decreases. As a rule, the rotors of such systems have a fixed configuration, which ensures simplicity in design and solution of control problems in various operating modes. This approach overloads the transmission, causes elastic vibrations of its high-speed and low-speed shafts, and complicates control algorithms. As a possible way out, ever increasing use is made of control methods based on varying the aerodynamic properties of the rotor. This adapts the system to the operating conditions, namely to variations in wind speed. The rotor aerodynamics can be varied in two ways: by varying the blade angle or by varying the rotor configuration (by varying the length of the blades and traverses). Varying the blade length does not complicate the rotor dynamics model as a control object. To stabilize the rotor speed in this case, use is made of proportional plus integral (PI) or proportional plus integral plus derivative (PID) controllers, whose stable operation conditions the authors considered earlier. It was demonstrated that the rotor models where the rotor as a control object is controlled by varying the blade length and by varying the traverse length are dynamically similar on condition that the variations of the traverse length from its nominal value are small. An approach to and a procedure for ensuring the smallness of these variations by redistributing loads between the stabilization channels in their joint operation were developed. Restricting oneself to the case of small variations gives no way to use the potentialities of the rotor as a system that converts wind energy to mechanical and then to electric energy. A more complete use of system potentialities calls for considering the possibility of its operation at significant variations of the traverse length from its nominal value. The difficulties that arise in doing so involve the complication of the dynamic model of the rotor as a control object due to significant time variations of its moment of inertia. The goal of this paper is to develop a dynamic model of the Darrieus rotor as a control object that would account for significant variations of the transverse length from its nominal value and associated variations of the moment of inertia and to synthesize and analyze the effectiveness of Darrieus rotor speed stabilization algorithms for VAWTs operable in the above-mentioned conditions. The problem is solved using methods of classical theory of automatic control and mathematical simulation. The obtained results are new in a generalization of the concept of swept-area variation control to Darrieus rotor VAWTs controlled by significant variations of the traverse length and associated variations of the moment of inertia and in the synthesized efficient rotor speed stabilization algorithms for them. The proposed algorithms and methods may be used in the design of promising VAWTs of different capacities. REFERENCES 1. Dzenzersky V. A., Tarasov S. V., Kostyukov I. Yu. Low-Power Wind Plants. Kyiv: Naukova Dumka, 2011. 592 pp. (In Russian). 2. Subbota A. M., Dzhulgakov V. G. Increase of efficiency of wind power plant with vertical axis of rotation. Radioelectronic and Computer Systems. 2018. No. 1(85). Pp. 77-86. (In Russian). 3.Tarasov S. V., Redchyts D. O., Tarasov A. S., Dorosh O. V. Model of variable-configuration Darrieus rotor dynamics. Proceedings of the International Conference "Information Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering" (ІТММ-2023). 22 March 2023. Dnipro: Ukrainian State University of Science and Technologies, 2023. Pp. 208-211. (In Ukrainian). 4. Tarasov S. V., Molotkov O. N. Algorithms for stabilizing the rotor speed of a Darrieus wind power plant controlled by blade length variation. Teh. Meh. 2023. No. 4. Pp. 50 - 59. (In Ukrainian).https://doi.org/10.15407/itm2023.04.050 5. Tarasov S. V., Molotkov O. N. Model of the dynamics of a Darrieus rotor controlled by traverse length variation. Proceedings of the 15th International Scientific and Practical Conference "Modern Power Plants in Transport and Technologies and Equipment for their Maintenance" (MPPTTEM-2024). 13-15 March 2024. Kherson: Kherson State Marine Academy, 2024. Pp. 224-226. (In Ukrainian). 6. Tarasov S. V., Molotkov O. N. Darrieus rotor speed stabilization by joint variation of the blade and the traverse length. Teh. Meh. 2024. No. 2. Pp. 92-105. (In Ukrainian).https://doi.org/10.15407/itm2024.02.092 7. Kartašovas V., Barzdaitis V., Mažeika P. Modeling and simulation of variable inertia rotor. Journal of Vibroengineering. 2012. V. 14. Iss. 1. Pp. 67-72. 8. Zukovic M. Dynamics of mass variable rotor and its application in modeling tuning operation. Acta Mechanica. 2021. V. 232. Рp. 1605-1620.https://doi.org/10.1007/s00707-020-02918-x 9. Tiago Andre dos Santos Marques. Control and Operation of a Vertical Axis Wind Turbine. Dissertacao. 2014. 83 pp. URL: https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/844820067124338/dissertacao.pdf (Last accessed on June 17, 2023). 10. Artobolevsky I. I. Theory of Mechanisms and Machines. Moscow: Nauka, 1988. 640 pp. (In Russian). 11. Shtanko P. K., Shevchenko V. H., Omelchenko O. S., Dziuba L. F., Pasika V. R. Poliakov O. M. Theoretical Mechanics. Zaporizhzhia: Zaporizhzhia Polytechnic National University, 2021. 464 pp. (In Ukrainian). 12. Rozenvasser E. N., Yusupov R. M. Control System Sensitivity. Moscow: Nauka, 1981. 464 pp. (In Russian). 13. Besekersky V. A., Popov E. N. Theory of Automatic Control Systems. Saint Petersburg: Professiya, 2003. 752 pp. (In Russian). 14. D'Angelo H. Linear Time-Varying Systems: Analysis and Synthesis. Moscow: Mashinostroyeniye, 1974. 288 pp. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.089 В сучасному світі вітроенергетичні установки (ВЕУ) вертикально-осьового типу набули широкого розповсюдження. Традиційно для забезпечення оптимального режиму роботи ВЕУ в якості виконавчих органів систем керування використовуються генератори різного типу, які регулюють обертання ротора шляхом розсіяння енергії при збільшенні швидкості вітру або його розгоном при її зменшенні. Як правило, ротори таких систем мають незмінну конфігурацію, що забезпечує простоту конструкції і розв’язку задач керування в різноманітних експлуатаційних режимах. Такий підхід призводить до перевантаження трансмісії, викликає пружні коливання її швидкохідного та тихохідного валів та ускладнення алгоритмів керування. В якості одного із можливих шляхів усунення цих проблем все більш широко застосовуються методи регулювання, пов’язані зі змінами аеродинамічних властивостей ротора. Це надає системі відповідної адаптації до умов роботи, а саме до змін швидкості вітру. Зміни аеродинаміки ротору можуть бути здійснені двома шляхами: зміною кута установки лопатей або зміною конфігурації ротора – зміною довжини лопатей та траверс. Зміна довжини лопатей не призводить до ускладнень моделі динаміки ротора як об’єкта керування. Для забезпечення стабілізації обертання ротора в цьому випадку використовуються пропорційно-інтегральні (ПІ) або пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД) регулятори, умови стійкої роботи яких розглянуті в попередніх роботах авторів. Доведена динамічна подібність моделей ротора як об’єкта управління, керованого змінами довжини лопатей і керованого змінами довжини траверс, за умови малих відхилень довжини траверс від номінального значення. Розвинуті підхід та методика забезпечення малих відхилень довжини траверс шляхом перерозподілу навантажень між каналами стабілізації при їх сумісній роботі. Обмеженість малістю відхилень довжини траверс від номінальних значень не дозволяє використовувати потенційні можливості ротора як системи, що перетворює енергію вітру в механічну, а далі, в електричну енергію. Більш повне застосування можливостей системи потребує розширення можливості його роботи при значних відхиленнях довжини траверс від номінальних значень. Труднощі, які виникають при цьому, пов’язані із ускладненням моделі динаміки ротору як об’єкта управління, обумовленим значними змінами в часі його моменту інерції. Метою статті є розробка моделі динаміки ротора Дар’є, як об’єкта управління, придатної для роботи із значними відхиленнями довжини траверс від номінальних значень і пов’язаних з ними змін моменту інерції ротора; синтез та аналіз ефективності алгоритмів стабілізації обертання ротора Дар’є вертикально-осьових ВЕУ працездатних в зазначених умовах. Методами вирішення задачі є методи класичної теорії автоматичного управління і математичного моделювання. Новизна отриманих результатів полягає в розповсюджені концепції регулювання шляхом зміни площі, що омітається, на вертикально-осьові ВЕУ із ротором Дар’є, що керуються значними змінами довжини траверс, і як наслідок змінами моменту інерції ротора; синтезі ефективних стійких алгоритмів стабілізації швидкості обертів ротора вертикально-осьових ВЕУ із ротором Дар’є. Запропоновані алгоритми та методи можуть бути використані при проєктуванні перспективних вертикально-осьових ВЕУ різної потужності. ПОСИЛАННЯ 1. Дзензерский В. А., Тарасов С. В., Костюков И. Ю. Ветроустановки малой мощности. К.: Наук. думка, 2011. 592 с. 2. Суббота А. М., Джулгаков В. Г. Повышение эффективности ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения. Радіоелектронні і комп’ютерні системи. 2018. № 1(85). С. 77–86. 3. Тарасов С. В., Редчиць Д. О., Тарасов А. С., Дорош О. В. Модель динаміки ротора Дар’є змінної конфігурації. Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції «Інформаційні технології в металургії та машинобудуванні» (ІТММ-2023), 22 березня 2023 р. Зб. наук. праць. Дніпро: Український державний університет науки і технологій. 2023. С. 208–211. https://doi.org/10.34185/1991-7848.itmm.2023.01.057 4. Тарасов С. В., Молотков О. Н. Алгоритми стабілізації швидкості обертів ротора Дар’є вітроенергетичної установки, керованого змінами довжини лопатей. Технічна механіка. 2023. № 4. С. 50–59. https://doi.org/10.15407/itm2023.04.050 5. Тарасов С. В., Молотков О. Н. Модель динаміки ротора Дар’є, керованого змінами довжини траверс. Матеріали 15-ї Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні енергетичні установки на транспорті і технології та обладнання для їх обслуговування» (СЕУТТОО-2024) 13–15 березня 2024 р. Зб. наук. праць. Херсон: Херсонська державна морська академія. 2024. С. 224–226. 6. Тарасов С. В., Молотков О. Н. Стабілізація обертання ротора Дар'є сумісними змінами довжини лопатей і траверс. Технічна механіка. 2024. № 2. С. 92–105. https://doi.org/10.15407/itm2024.02.092 7. Kartašovas V., Barzdaitis V., Mažeika P. Modeling and simulation of variable inertia rotor. Journal of Vibroengineering. 2012. V. 14. Iss. 1. Pp. 67-72. 8. Cveticanin L., Dregelyi A., Horvath R., Zukovic M. Dynamics of mass variable rotor and its application in modeling tuning operation. Acta Mechanica. February 2021. Vol. 232. Р. 1605–1620. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02918-x 9. Tiago Andre dos Santos Marques. Control and Operation of a Vertical Axis Wind Turbine. Dissertacao. 2014. 83с. https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/844820067124338/dissertacao.pdf (дата звернення 17.06.2023). 10. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 640 с. 11. Штанько П. К., Шевченко В.Г., Омельченко О. С., Дзюба Л. Ф., Пасіка В. Р., Поляков О. М. Теоретична механіка; за ред. П.К. Штанька. Запоріжжя: НУ «Запорізька політехніка», 2021. 464 с. 12. Розенвассер Е. Н., Юсупов Р. М. Чувствительность систем управления. М.: Наука, ГФМЛ, 1981. 464 с. 13. Бесекерский В.А., Попов Е.Н. Теория систем автоматического управления. СПб.: Изд-во «Професия», 2003. 752 с. (Серия: Специалист). 14. Д’Анжело Г. Линейные системы с переменными параметрами. Анализ и синтез // Henry D’Angelo. Linear time-varying systems: Analysis and synthesis. – Под ред. Н.Т. Кузовкова. – М. Машиностроение, 1974. – 288 с. текст 3 2025-04-07 Article Article application/pdf https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/97 Technical Mechanics; No. 1 (2025): Technical Mechanics; 89-102 Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины; № 1 (2025): Technical Mechanics; 89-102 ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; № 1 (2025): ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; 89-102 uk https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/97/31 |