MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR
One of the ways to increase the efficiency of wind energy conversion is to improve the design of known generators or the development of fundamentally new types of generators. The nature of wind is variable, so the urgent task is to use the maximum possible wind potential in electromechanical energy...
Збережено в:
| Дата: | 2020 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/278 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103386114326528 |
|---|---|
| author | Golovko, V. Kovalenko, M. Kovalenko, I Halasun, I. |
| author_facet | Golovko, V. Kovalenko, M. Kovalenko, I Halasun, I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. Golovko",
"institution": "Institute of Renewable Energy of NAS of Ukraine, 02094, 20A, Hnat Khotkevich Str., Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "M. Kovalenko",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», 03056, 37 Peremohy Av., Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "I Kovalenko",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», 03056, 37 Peremohy Av., Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "I. Halasun",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 02094, 20A Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine. National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», 03056, 37 Peremohy Av., Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Golovko, V. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:15Z |
| description | One of the ways to increase the efficiency of wind energy conversion is to improve the design of known generators or the development of fundamentally new types of generators. The nature of wind is variable, so the urgent task is to use the maximum possible wind potential in electromechanical energy conversion. The rigid dependence of the power on the rotor shaft of the wind turbine on the aerodynamic characteristics of the blades is known and implemented in engineering solutions, but the coordination of the obtained power with the power of the electric machine connected to the rotor requires additional research. A numerical mathematical model has been developed to study the parameters and characteristics of a synchronous generator with permanent magnets, which takes into account the two-sided stator core and the aerodynamic parameters of the wind turbine rotor. At low wind speeds (3-5 m / s) the generator voltage is at half its maximum, which is explained by the aerodynamic parameters of the rotor and the parameters of the generator. At higher values of wind speed (6-7 m / s) the minimum value of the voltage at the output of the generator is reaching its maximum at 18 V and 26 V with increasing speed of the generator, due to increasing EMF rotation, followed by voltage drops to 6 V and 16 V i n відповідно до зростання аеродинамічних втрат в роторі вітрогенератора. Відповідні максимуми на кривих напруги відповідають максимумам вихідної активної потужності 45 Вт .
Результати моделювання механічних характеристик вітрогенератора та генератора підтверджують адекватність розробленої моделі та надійність результатів, що дозволяє використовувати цю модель для подальших досліджень та оцінки методів та засобів підвищення ефективності перетворення енергії вітру. Ref . 6, табл. 1, рис. 8. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2020.4(63).50-58 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© В.М. Головко, М.А. Коваленко, І.Я. Коваленко, І.Р. Галасун, 2020
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 50
УДК 621.548 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).50-58
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ АВТОНОМНОЇ ВІТРОУСТАНОВКИ З
СИНХРОННИМ ГЕНЕРАТОРОМ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОГО ТИПУ
В.М. Головко1,2, докт. техн. наук, проф., М.А. Коваленко2, канд. техн. наук, доцент, І.Я. Коваленко1,2, аспірантка,
І.Р. Галасун1,2
1Інститут відновлюваної енергетики НАН України,
02094, 20А, вул. Гната Хоткевича, м. Київ, Україна.
2Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,
03056, пр-т. Перемоги, 37, м. Київ, Україна.
Одним із напрямків підвищення ефективності перетворення енергії вітру є удосконалення конструкції відомих генераторів
або розробка принципово нових типів генераторів. Природа вітру носить мінливий характер, тому актуальною задачею є
використання максимально можливого потенціалу вітру при електромеханічному перетворенні енергії. Жорстка
залежність потужності на валу ротора вітроустановки від аеродинамічних характеристик лопаті відомі і втілені в
інженерні рішення, проте узгодження отриманої потужності з потужністю електричної машини, що під’єднана до
ротора, вимагає додаткових досліджень. Розроблено чисельну математичну модель для дослідження параметрів та
характеристик синхронного генератора із постійними магнітами, що враховує двосторонню активну зону статора та
аеродинамічні параметри ротора вітроустановки. При низьких швидкостях вітру (3-5 м/с) напруга генератора знаходиться
на половинних значеннях свого максимуму, що пояснюється аеродинамічними параметрами ротора та параметрами
електрогенератора. При більших значеннях швидкості вітру (6-7 м/с) мінімальне значення напруги на виході генератора
становить досягає свого максимуму у 18 В та 26 В при збільшенні швидкості обертання генератора, що пояснюється
зростанням ЕРС обертання, з подальшим падіння напруги до 6 В та 16 В відповідно із зростанням аеродинамічних втрат в
роторі вітроустановки. Відповідні максимуми на кривих напруги відповідають максимумам вихідної активної
потужності 45 Вт.
Результати моделювання механічних характеристик вітрової турбіни та генератора підтверджують адекватність
розробленої моделі та достовірність отриманих результатів, що дозволяє використовувати дану модель для подальших
досліджень та оцінки ефективності методів та засобів підвищення ефективності перетворення енергії вітру. Бібл. 6,
табл.1, рис. 8.
Ключові слова: вітроустановка, синхронний генератор, енергетичні характеристики вітроустановки.
MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH
SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR
V. Golovko1,2, doctor of technical sciences, professor, M. Kovalenko2, candidate of technical sciences, associate professor,
I. Kovalenko1,2, graduate student, I. Halasun1,2
1Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine,
02094, 20A Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine.
2National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»,
03056, 37 Peremohy Av., Kyiv, Ukraine.
One of the ways to increase the efficiency of wind energy conversion is to improve the design of known generators or the development
of fundamentally new types of generators. The nature of wind is variable, so the urgent task is to use the maximum possible wind
potential in electromechanical energy conversion. The rigid dependence of the power on the rotor shaft of the wind turbine on the
aerodynamic characteristics of the blades is known and implemented in engineering solutions, but the coordination of the obtained
power with the power of the electric machine connected to the rotor requires additional research. A numerical mathematical model
has been developed to study the parameters and characteristics of a synchronous generator with permanent magnets, which takes into
account the two-sided stator core and the aerodynamic parameters of the wind turbine rotor. At low wind speeds (3-5 m / s) the
generator voltage is at half its maximum, which is explained by the aerodynamic parameters of the rotor and the parameters of the
generator. At higher values of wind speed (6-7 m / s) the minimum value of the voltage at the output of the generator is reaching its
maximum at 18 V and 26 V with increasing speed of the generator, due to increasing EMF rotation, followed by voltage drops to 6 V
and 16 V in accordance with the growth of aerodynamic losses in the rotor of the wind turbine. The corresponding maxima on the
voltage curves correspond to the maxima of the output active power of 45 W.
The results of modeling the mechanical characteristics of the wind turbine and generator confirm the adequacy of the developed model
and the reliability of the results, which allows to use this model for further research and evaluation of methods and means to improve
wind energy conversion efficiency. Ref. 6, tabl. 1, fig. 8.
Keywords: wind turbine, synchronous generator, energy characteristics of wind turbine.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).50-
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 51
В.М. Головко
V. Golovko
Відомості про автора: докт. техн. наук,
професор, провідний науковий співробітник
Інституту відновлюваної енергетики НАН
України, Національного технічного
університету України «Київський
політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського».
Освіта: Українська сільськогосподарська
академія, спеціальність - електрифікація
сільського господарства.
Наукова сфера: відновлювана енергетика
Публікації: 168.
ORCID: 0000-0003-0195-9654
Контакти: тел./факс: +38(044)206-28-09
e-mail: renewable@ukr.net
Author information: doctor of technical
sciences, professor, leading researcher of the
Institute of Renewable Energy of the National
Academy of Sciences of Ukraine, National
Technical University of Ukraine «Kyiv
Polytechnic Institute named after Igor
Sikorsky».
Education: Ukrainian Agricultural Academy,
specialty - electrification of agriculture.
Research area: renewable energy
Publications: 168.
ORCID: 0000-0003-0195-9654
Contacts: tel./fax: +38(044)206-28-09
e-mail: renewable@ukr.net
М.А. Коваленко
M. Kovalenko
Відомості про автора: канд. техн. наук,
доцент кафедри електромеханіки
Національного технічного університету
України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», доцент.
Освіта: Національний технічний університет
України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського». Спеціальність -
електричні машини та апарати.
Наукова сфера: електричні машини.
Публікації: 67.
ORCID: 0000-0002-5602-2001
Контакти: тел./факс: +38(067)656-36-51
e-mail: kovalenko_ma@i.ua
Author information: candidate of technical
sciences, associate professor of
Electromechanics, National Technical
University of Ukraine «Kyiv Polytechnic
Institute named after Igor Sikorsky», associate
professor.
Education: National Technical University of
Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute named after
Igor Sikorsky». Specialty - electric machines
and devices.
Research area: electric machines.
Publications: 67.
ORCID: 0000-0002-5602-2001
Contacts: tel./fax: +38(067)656-36-51
e-mail: kovalenko_ma@i.ua
І.Я. Коваленко
I. Kovalenko
Відомості про автора: асистент кафедри
відновлюваних джерел енергії
Національного технічного університету
України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», аспірант.
Освіта: Національний технічний університет
України “Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського”.
Спеціальність - нетрадиційні джерела
енергії.
Наукова сфера: відновлювана енергетика
Публікації: 4.
ORCID: 0000-0002-5602-2001
Контакти: тел./факс: +38(097)939-96-73
e-mail: 2048141@ukr.net
Author information: assistant of the
Department of Renewable Energy Sources of
the National Technical University of Ukraine
«Kyiv Polytechnic Institute named after Igor
Sikorsky», graduate student.
Education: National Technical University of
Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute named after
Igor Sikorsky». Specialty - non-traditional
energy sources.
Research area: renewable energy.
Publications: 4.
ORCID: 0000-0002-5602-2001
Contacts: tel./fax: +38(097)939-96-73
e-mail: 2048141@ukr.net
І.Р. Галасун
I. Halasun
Відомості про автора: інженер ІІ категорії
Інституту відновлюваної енергетики НАН
України.
Освіта: Національний технічний університет
України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського». Спеціальність -
нетрадиційні джерела енергії.
Наукова сфера: відновлювані джерела
енергії, вітроенергетика.
Публікації: 2.
ORCID: 0000-0002-8829-3332
Контакти: тел./факс +38-044-206-28-09
e-mail: renewable@ukr.net
Author information: Engineer of the II
category of the Institute of Renewable Energy of
the National Academy of Sciences of Ukraine.
Education: Bachelor , National Technical
University of Ukraine “Kyiv Polytechnic
Institute”, Faculty of Electric Power Engineering
and Automation, Department of Renewable
Sources of Energy.
Research area: renewable energy sources,
wind energy.
Publications: 2.
ORCID: 0000-0002-8829-3332
Контакти: тел./факс +38-044-206-28-09
e-mail: renewable@ukr.net
mailto:renewable@ukr.net
mailto:renewable@ukr.net
mailto:kovalenko_ma@i.ua
mailto:kovalenko_ma@i.ua
mailto:2048141@ukr.net
mailto:2048141@ukr.net
mailto:renewable@ukr.net
mailto:renewable@ukr.net
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 52
Перелік використаних позначень та скорочень:
Pm – вихідна механічна потужність вітрової турбіни (Вт);
λ – коефіцієнт відношення швидкості обертання ротора до
швидкості вітру;
сp – коефіцієнт потужності ротора; β – кут встановлення лопаті;
ρ – густина повітря (кг/м3);
Pm_в.о. – номінальна потужність в в.о. для заданих величин
ρ та A;
A – площа, що обмітається ротором установки; cp_pu – максимальне значення коефіцієнта потужності.
vwind – швидкість вітру (м/с);
Вступ. На сьогоднішній день обсяги
виробництва електроенергії нетрадиційними та
відновлювальними джерелами все більше
зростають. Значну частину цієї енергії
виробляють за допомогою як вітрових
електростанцій, так і автономних вітроустановок.
Природа вітру носить мінливий характер, тому
актуальною задачею є використання максимально
можливого потенціалу вітру при
електромеханічному перетворенні енергії.
Одним із напрямків підвищення
ефективності перетворення енергії вітру є
удосконалення конструкції відомих генераторів,
або розробка принципово нових типів
генераторів. Активними дослідженнями в даному
напрямку займались як вітчизняні так і закордонні
дослідники такі як: Л.М. Паластін, Д.А. Бут, А.А.
Афонін, В.В. Гребеніков, Ю.Н. Кронеберг, Ю.М.
Пермінов, В.В. Чумак, Є.А. Монахов, Ф. Кеніо,
Jacek F.Gieras, Takayuki Mizuno, Kazutoshi
Nagayama, Rita Mbayed.
Постановка завдання. Мета роботи
полягає в розробці чисельної імітаційної
математичної моделі в середовищі MATLAB-
Simulink для дослідження параметрів та
характеристик автономної вітроустановки із
синхронним генератором магнітелектричного
типу з метою оцінки ефективності технічних
рішень, направлених на підвищення якості
перетворення енергії вітру в електричну.
Використання такого типу генератора обумовлена
перспективою регулювання вихідної потужності
вітроустановки в широких межах, що в свою чергу
дозволить реалізувати максимальний потенціал
енергії вітру.
Результати досліджень. Об’єктом
дослідження виступають електромагнітні процеси
магнітоелектричної синхронної машини
торцевого типу з подвійним статором зі
збудженням від постійних магнітів, на вал якої
безпосередньо приєднаний ротор вітроустановки.
Загальний вигляд та основні розміри такого
електрогенератора наведено на рис. 1.
Рис. 1. Ескіз досліджуваного магнітоелектричного генератора.
Fig. 1. Sketch of the studied magnetoelectric generator.
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 53
Зображений на рис. 1. генератор
складається з: двостороннього магнітного осердя
статора, виконаного у формі диска; трифазної
обмотки якоря, що розміщується в пазах
двостороннього статора; ротора, виконаного у
формі диска, в технологічних отворах якого
розташовуються постійні магніти марки
NdFeB N38H; валу та підшипникових щитів.
Особливістю даної конструкції генератора є те,
що існує можливість плавного регулювання
величини повітряного проміжку між статором та
ротором.
Вихідні дані для моделювання даного
генератора наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Вихідні дані параметрів генератора.
Table 1. Output data of the generator parameters.
Параметр Значення
Постійні магніти NdFeB N38H: Br=1,21 Тл, Нc=939 кА/м
Матеріал ротора Сталь 3
Матеріал статора Сталь 1211
Обмотувальний провід якоря ПЭТ 155 ∅0, 63 ГОСТ 2112-79
Частота обертання 500 об./хв.
Кількість пар полюсів 12
Структурна блок-схема вітроустановки із
електрогенератором у складі вітрової установки
наведена на рис. 2. Для розробки імітаційної
моделі автономної вітроустановки використано
програмний пакет MATLAB-Simulink. Це
обумовлено тим, що даний програмний продукт
містить більшість блоків імітаційної моделі в
наявності [1-2]. Для зручності необхідно розбити
систему вітроустановки на окремі складові.
Кожен із елементів імітаційної моделі в
середовищі MATLAB-Simulink подано окремим
блоком, який в свою чергу, описується системою
нелінійних (лінеаризованих) диференційних
рівнянь [3].
Рис. 2. Структурна схема системи, що досліджується.
Fig. 2. Block diagram of the system under study.
Блок-схема вітроустановки в системі
MATLAB-Simulink має 3 логічних входи та однин
вихід (рис. 3). Перший вхід відповідає за
номінальну швидкість обертання генератора (ωr),
другий являє собою кут атаки ротора
вітроустановки та третій – швидкість вітру в м/с.
Коефіцієнт колової швидкості λ розраховується
шляхом поділу абсолютної швидкості обертання
(що задається) та швидкості вітру [4]. Вихідною
величиною моделі вітроустановки є величина
механічного моменту, що прикладається до валу
генератора.
Ротор
вітроустановки
Електрогенератор
Навантаження
генератора
Система
керування
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 54
Рис. 3. Блок-схема вітроустановки.
Fig. 3. Block diagram of the wind turbine.
Наведена на рис. 3 модель описує усталений
режим роботи вітроустановки. Вважається, що
жорсткість приводу вітроустановки нескінченна,
а коефіцієнт тертя і інерція ротора узгоджуються
з відповідними коефіцієнтами генератора, що
приєднується до ротора [5]. Вихідна потужність
ротора описується наступним рівнянням:
3( , ) .
2
p wind
A
Pm c V (1)
В системі відносних одиниць рівняння (1)
можна записати у спрощеному вигляді:
3
_ _ _ .m pu p p pu wind puP k c V (2)
де vwind_pu – швидкість вітру в відносних одиницях
(за базову швидкість вітру приймається очікувана
(середня) величина вітру для конкретного
регіону); kp – коефіцієнт підсилення за
потужністю приймається меншим або рівним 1.
Блок синхронної машини з постійними
магнітами дозволяє моделювати режими
генератора або двигуна. Режим роботи задається
знаком механічного крутного моменту
(позитивний для моторного режиму, від’ємний
для режиму генератора). Електричні та механічні
частини машини подані усталеними та
диференційними рівняннями другого порядку [6].
Рівняння, що описують режими роботи
торцевої синхронної машини із постійними
магнітами наведено нижче:
0
0
1
( ),
1
( ),
1
( ),
3
( ),
2
d
d s d p s q
s
q
q s q p s d p
s
c
p q
di
u R i Z L i
dt L
di
u R i Z L i Z
dt L
d
M M
dt J
M Z i
(3)
де Lq, Ld – індуктивності по осям q та d; R –
активний опір обмотки статора; iq, id – струми за
осями q та d; ω – кутова швидкість ротора
генератора; ψ – амплітуда магнітного потоку, що
створюється постійними магнітами та додатковою
обмоткою; p – кількість пар полюсів генератора;
Te – електромагнітний момент генератора.
Наприклад, індуктивності Lq та Ld, що
виміряні між фазами A та B (при розімкненій С)
описуються наступними рівняннями:
( )cos(2 ).
3
ab d q q d eL L L l L (4)
Рівняння динаміки механічної частини
генератора складе:
1
( ),
,
r e r m
r
d
T F T
dt J
d
dt
(5)
де J – момент інерції ротора; F – коефіцієнт
в’язкості тертя ротора; Θ – кутове положення
ротора генератора; Tm – механічний момент на
валу.
Блок-схема імітаційної моделі торцевого
генератора із постійними магнітами наведена
на рис. 4.
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 55
Рис. 4. Блок-схема імітаційної моделі генератора.
Fig. 4. Block diagram of the simulation model of the generator.
Головною відмінністю даної моделі
генератора від стандартної, що наявна в
середовища MATLAB-Simulink, є врахування
концепції двосторонньої активної поверхні
статора та осьового характеру магнітного потоку,
що враховується в системі диференційних
рівнянь, що наведені вище. Також, система
диференційних рівнянь враховує вплив ротора
вітроустановки та його параметрів на роботу
електрогенератора.
Загальний вигляд математичної моделі для
дослідження характеристик генератора
обумовлений тим, що:
відсутній зворотній зв'язок в системі за
напругою генератора;
основний магнітний потік генератора
утворюється лише за рахунок постійних магнітів
генератора;
відсутні додаткові конденсатори в обмотці
якоря генератора.
На рис. 5 показано вигляд розробленої
математичної моделі досліджуваного
електрогенератора в складі вітроустановки без
зворотного зв’язку за напругою та без
використання додаткової підмагнічувальної
обмотки.
Рис. 5. Вигляд імітаційної моделі електрогенератора вітроустановки.
Fig. 5. View of the simulation model of the wind turbine generator.
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 56
Навантаженням генератора є активний
опір R, що приєднаний до генератора через
комплект вимірювальних приладів та мостовий
випрямляч. Інша частина розробленої моделі
відповідає за зворотній зв'язок за напругою
генератора, стабілізацію зовнішньої
характеристики та візуалізацію результатів
моделювання.
Характеристики генератора розраховані
при дискретних сталих значеннях швидкості
вітру. В даному випадку всі характеристики
такого генератора визначаються виключно
параметрами генератора та параметрами ротора
вітроустановки, що до нього приєднаний
безпосередньо.
Залежність механічної потужності для
обраної вітрової турбіни (профіль серії GAW) від
швидкості обертання ротора генератора при
різних швидкостях вітру в відносних одиницях
наведено на рис. 6.
Рис. 6. Залежність потужності ротора вітроустановки від швидкості обертання.
Fig. 6. Dependence of power of a rotor of a wind turbine on speed of rotation.
Згідно із заданими характеристиками
ротора вітроустановки при деяких значеннях
швидкості обертання його (при заданій швидкості
вітру) спостерігаються від’ємні значення вихідної
потужності та швидкості обертання ротора
генератора. Це пояснюється тим, що при заданих
вихідних значеннях системи генератор
переходить в режим двигуна. При заданому
електричному навантаженні генератора,
потужності на валу ротора вітроустановки не
вистачає для підтримання активної потужності
генератора, тому відбувається "перекидання"
генератора. В реальних умовах це означає те, що
електрогенератор зупиниться.
Залежність вихідної потужності
електрогенератора, від швидкості обертання
ротора, електрогенератора для всіх розрахункових
значень швидкості вітру наведено на рис. 7.
Рис. 7. Залежність вихідної потужності електрогенератора від швидкості обертання ротора.
Fig. 7. Dependence of the output power of the generator on the rotor speed.
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 57
Чим більша швидкість вітру, тим вища
вихідна потужність генератора, що пояснюється
збільшенням величини ЕРС, яка наводиться в
обмотці якоря за рахунок електромагнітної
індукції. Кожна крива, зображена на рис. 7 має
максимум, зниження вихідної потужності
пояснюється впливом аеродинамічних
характеристик ротора вітроустановки. З ростом
швидкості обертання ротора вітроустановки
збільшуються аеродинамічні втрати.
Залежність напруги на затискачах
генератора, при фіксованих значеннях швидкості
вітру в залежності від швидкості обертання ротора
вітроустановки зображено на рис. 8.
Рис. 8. Залежність напруги генератора від швидкості обертання ротора.
Fig. 8. Dependence of generator voltage on rotor speed.
Згідно з рис. 8 видно, що при низьких
швидкостях вітру (3-4 м/с) напруга генератора
знаходиться на рівні ≈5 В. Основними причинами
зменшення напруги в електрогенераторі є падіння
напруги на внутрішньому активно-індуктивному
опорі генератора та реакція якоря. Це
пояснюється наявністю постійного навантаження
на затискачах генератора та недостатньою
величиною ЕРС, що наводиться в обмотці якоря.
Також, за рахунок збільшення частоти обертання
ротора збільшується частота ЕРС та струмів в
обмотці якоря генератора та частота
перемагнічування магнітного осердя. Це, в свою
чергу, призводить до збільшення втрат на
перемагнічування шихтованого магнітного осердя
з одночасним збільшенням насичення магнітного
осердя генератора, що додатково послаблює
магнітний потік і зменшує електромагнітний
момент генератора. Збільшити напругу при даних
швидкостях можливо за рахунок використання
додаткової підмагнічувальної обмотки.
Висновки. Розроблено чисельну
математичну модель для дослідження параметрів
та характеристик синхронного генератора із
постійними магнітами, що враховує двосторонню
активну зону статора та аеродинамічні параметри
ротора вітроустановки. При низьких швидкостях
вітру (3-5 м/с) напруга генератора знаходиться на
рівні 5-10 В, що пояснюється аеродинамічними
параметрами ротора та параметрами
електрогенератора. При більших значеннях
швидкості вітру (6-7 м/с) мінімальне значення
напруги на виході генератора становить 5 В і
досягає свого максимуму у 18 В та 26 В при
збільшенні швидкості обертання генератора, що
пояснюється зростанням ЕРС обертання, з
подальшим падіння напруги до 6 В та 16 В
відповідно із зростанням аеродинамічних втрат в
роторі вітроустановки. Відповідні максимуми на
кривих напруги відповідають максимумам
вихідної активної потужності 45 Вт.
Результати моделювання механічних
характеристик вітрової турбіни та генератора
підтверджують адекватність розробленої моделі
та достовірність отриманих результатів, що
дозволяє використовувати дану модель для
подальших досліджень та оцінки ефективності
методів та засобів підвищення ефективності
перетворення енергії вітру.
ISSN 1819-8058 (Print)
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 4 58
1. Головко В.М., Монахов Є.А., Пономарьов О.І.,
Коваленко І.Я. Порівняння традиційного генератора із
постійними магнітами з торцевим генератором із
двосторонньою активною поверхнею для вітроустановок.
Відновлювана енергетика. 2018. № 2(53). С. 29-37.
2. Коваленко М.А., Васьковський Ю.М.,
Гайденко Ю.А. Математичне моделювання електричних
машин з постійними магнітами. National Technical University
of Ukraine. 2017. 193 с.
3. Чумак В.В., Коваленко М.А., Коваленко І.Я.
Аналітичний огляд електромеханічних перетворювачів
енергії для вітрової енергетики. Екологічні науки. 2018.
№ 2 (21). С. 25-35.
4. Chumak V.V., Kovalenko M.A. Tsyvinskyy S.S.,
Tkachuk I.V., Ponomarov O.I. Mathemathical modeling of a
Synchronous generator with combined excitation. Eastern-
European Journal of Enterprise Technologies. 2020.
№ 1/5(103). C. 30-36.
5. Чумак В.В., Коваленко М.А., Пономарьов О.И.
Трехмерная математическая модель магнитоэлектрического
синхронного генератора с постоянными магнитами.
Гідроенергетика України. 2016. № 3-4. С. 36-39.
6. Чумак В.В., Петренко А.В., Коваленко М.А.,
Пономарев А.И. Управляемый автономный синхронный
магнитоэлектрический генератор с магнитным шунтом для
энергоснабжения сельскохозяйственного комплекса.
Науковий вісник НУБіП України. Серія: Техніка та
енергетика АПК. 2017. № 242. С. 18-24.
REFERENCES
1. Holovko V.M., Monakhov Ye.A., Ponomarov O.I.,
Kovalenko I.Ya. Porivnyannya tradytsiynoho heneratora iz
postiynymy mahnitamy z tortsevym heneratorom iz
dvostoronnoyu aktyvnoyu poverkhneyu dlya vitroustanovok.
[Comparison of a traditional generator with permanent magnets
with an end generator with a double-sided active surface for wind
turbines]. Vidnovluvana energetika. 2018. No. 2(53). Pp. 29-37.
[in Ukrainian].
2. Kovalenko M.A., Vaskovskyy Yu.M., Haydenko Yu.A.
Matematychne modelyuvannya elektrychnykh mashyn z
postiynymy mahnitamy. [Mathematical modeling of electric
machines with permanent magnets.]. National Technical
University of Ukraine. 2017. 193 p. [in Ukrainian].
3. Chumak V.V., Kovalenko M.A., Kovalenko I.Ya.
Analitychnyy ohlyad elektromekhanichnykh peretvoryuvachiv
enerhiyi dlya vitrovoyi enerhetyky. [Analytical review of
electromechanical energy converters for wind energy].
Ekolohichni nauky. 2018. No. 2(21). Pp. 25-35. [in Ukrainian].
4. Chumak V.V., Kovalenko M.A. Tsyvinskyy S.S.,
Tkachuk I.V., Ponomarov O.I. Mathemathical modeling of a
Synchronous generator with combined excitation. Eastern-
European Journal of Enterprise Technologies. 2020.
No. 1/5 (103). C. 30-36. [in English].
5. Chumak V.V., Kovalenko M.A., Ponomarov O.Y.
Trekhmernaya matematycheskaya model
mahnytoélektrycheskoho synkhronnoho heneratora s
postoyannymy mahnytamy. [Three-dimensional mathematical
model of a magnetoelectric synchronous generator with
permanent magnets]. Hidroenerhetyka Ukrayiny. 2016. No. 3-4.
Pp. 36-39. [in Ukrainian].
6. Chumak V.V., Petrenko A.V., Kovalenko M.A.,
Ponomarev A.Y. Upravlyaemyy avtonomnyy synkhronnyy
mahnytoelektrycheskyy henerator s mahnytnym shuntom dlya
enerhosnabzhenyya selskokhozyaystvennoho kompleksa.
[Controlled stand-alone synchronous magnetoelectric generator
with magnetic shunt for power supply of agricultural complex].
Naukovyy visnyk NUBiP Ukrayiny. Seriya: Tekhnika ta
enerhetyka APK. 2017. No. 242. Pp. 18-24. [in Ukrainian].
Стаття надійшла до редакції 05.10.20
Остаточна версія 16.12.20
|
| id | veorgua-article-278 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:07:22Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/97/12105c3615950288c206d8c98cae7197.pdf |
| spelling | veorgua-article-2782026-07-18T06:32:15Z MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ АВТОНОМНОЇ ВІТРОУСТАНОВКИ З СИНХРОННИМ ГЕНЕРАТОРОМ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОГО ТИПУ Golovko, V. Kovalenko, M. Kovalenko, I Halasun, I. wind turbine, synchronous generator, energy characteristics of wind turbine. вітроустановка, синхронний генератор, енергетичні характеристики вітроустановки. One of the ways to increase the efficiency of wind energy conversion is to improve the design of known generators or the development of fundamentally new types of generators. The nature of wind is variable, so the urgent task is to use the maximum possible wind potential in electromechanical energy conversion. The rigid dependence of the power on the rotor shaft of the wind turbine on the aerodynamic characteristics of the blades is known and implemented in engineering solutions, but the coordination of the obtained power with the power of the electric machine connected to the rotor requires additional research. A numerical mathematical model has been developed to study the parameters and characteristics of a synchronous generator with permanent magnets, which takes into account the two-sided stator core and the aerodynamic parameters of the wind turbine rotor. At low wind speeds (3-5 m / s) the generator voltage is at half its maximum, which is explained by the aerodynamic parameters of the rotor and the parameters of the generator. At higher values of wind speed (6-7 m / s) the minimum value of the voltage at the output of the generator is reaching its maximum at 18 V and 26 V with increasing speed of the generator, due to increasing EMF rotation, followed by voltage drops to 6 V and 16 V i n відповідно до зростання аеродинамічних втрат в роторі вітрогенератора. Відповідні максимуми на кривих напруги відповідають максимумам вихідної активної потужності 45 Вт . Результати моделювання механічних характеристик вітрогенератора та генератора підтверджують адекватність розробленої моделі та надійність результатів, що дозволяє використовувати цю модель для подальших досліджень та оцінки методів та засобів підвищення ефективності перетворення енергії вітру. Ref . 6, табл. 1, рис. 8. Одним із напрямків підвищення ефективності перетворення енергії вітру є удосконалення конструкції відомих генераторів або розробка принципово нових типів генераторів. Природа вітру носить мінливий характер, тому актуальною задачею є використання максимально можливого потенціалу вітру при електромеханічному перетворенні енергії. Жорстка залежність потужності на валу ротора вітроустановки від аеродинамічних характеристик лопаті відомі і втілені в інженерні рішення, проте узгодження отриманої потужності з потужністю електричної машини, що під’єднана до ротора, вимагає додаткових досліджень. Розроблено чисельну математичну модель для дослідження параметрів та характеристик синхронного генератора із постійними магнітами, що враховує двосторонню активну зону статора та аеродинамічні параметри ротора вітроустановки.При низьких швидкостях вітру (3-5 м/с) напруга генератора знаходиться на половинних значеннях свого максимуму, що пояснюється аеродинамічними параметрами ротора та параметрами електрогенератора. При більших значеннях швидкості вітру (6-7 м/с) мінімальне значення напруги на виході генератора становить досягає свого максимуму у 18 В та 26 В при збільшенні швидкості обертання генератора, що пояснюється зростанням ЕРС обертання, з подальшим падіння напруги до 6 В та 16 В відповідно із зростанням аеродинамічних втрат в роторі вітроустановки. Відповідні максимуми на кривих напруги відповідають максимумам вихідної активної потужності 45 Вт.При більших значеннях швидкості вітру (6-7 м/с) мінімальне значення напруги на виході генератора становить досягає свого максимуму у 18 В та 26 В при збільшенні швидкості обертання генератора, що пояснюється зростанням ЕРС обертання, з подальшим падіння напруги до 6 В та 16 В відповідно із зростанням аеродинамічних втрат в роторі вітроустановки. Відповідні максимуми на кривих напруги відповідають максимумам вихідної активної потужності 45 Вт.При більших значеннях швидкості вітру (6-7 м/с) мінімальне значення напруги на виході генератора становить досягає свого максимуму у 18 В та 26 В при збільшенні швидкості обертання генератора, що пояснюється зростанням ЕРС обертання, з подальшим падіння напруги до 6 В та 16 В відповідно із зростанням аеродинамічних втрат в роторі вітроустановки. Відповідні максимуми на кривих напруги відповідають максимумам вихідної активної потужності 45 Вт. Результати моделювання механічних характеристик вітрової турбіни та генератора підтверджують адекватність розробленої моделі та достовірність отриманих результатів, що дозволяє використовувати дану модель для подальших досліджень та оцінки ефективності методів та засобів підвищення ефективності перетворення енергії вітру. Бібл. 6, табл.1, рис. 8. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2020-12-27 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/278 10.36296/1819-8058.2020.4(63).50-58 Vidnovluvana energetika ; No. 4(63) (2020): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 50-58 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(63) (2020): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 50-58 Відновлювана енергетика; № 4(63) (2020): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 50-58 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2020.4(63) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/278/200 Copyright (c) 2020 V. Golovko, M. Kovalenko, I Kovalenko, I. Halasun https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | wind turbine synchronous generator energy characteristics of wind turbine. Golovko, V. Kovalenko, M. Kovalenko, I Halasun, I. MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR |
| title | MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR |
| title_alt | МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ АВТОНОМНОЇ ВІТРОУСТАНОВКИ З СИНХРОННИМ ГЕНЕРАТОРОМ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОГО ТИПУ |
| title_full | MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR |
| title_fullStr | MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR |
| title_full_unstemmed | MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR |
| title_short | MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTONOMOUS WIND INSTALLATION WITH SYNCHRONOUS MAGNETO-ELECTRIC TYPE GENERATOR |
| title_sort | mathematical simulation of autonomous wind installation with synchronous magneto-electric type generator |
| topic | wind turbine synchronous generator energy characteristics of wind turbine. |
| topic_facet | wind turbine synchronous generator energy characteristics of wind turbine. вітроустановка синхронний генератор енергетичні характеристики вітроустановки. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/278 |
| work_keys_str_mv | AT golovkov mathematicalsimulationofautonomouswindinstallationwithsynchronousmagnetoelectrictypegenerator AT kovalenkom mathematicalsimulationofautonomouswindinstallationwithsynchronousmagnetoelectrictypegenerator AT kovalenkoi mathematicalsimulationofautonomouswindinstallationwithsynchronousmagnetoelectrictypegenerator AT halasuni mathematicalsimulationofautonomouswindinstallationwithsynchronousmagnetoelectrictypegenerator AT golovkov matematičnemodelûvannâavtonomnoívítroustanovkizsinhronnimgeneratorommagnítoelektričnogotipu AT kovalenkom matematičnemodelûvannâavtonomnoívítroustanovkizsinhronnimgeneratorommagnítoelektričnogotipu AT kovalenkoi matematičnemodelûvannâavtonomnoívítroustanovkizsinhronnimgeneratorommagnítoelektričnogotipu AT halasuni matematičnemodelûvannâavtonomnoívítroustanovkizsinhronnimgeneratorommagnítoelektričnogotipu |