OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES
Different types of generators such as direct current, induction, synchronous with electromagnetic excitation have wide application in wind power production. Recently, the application of permanent magnet synchronous generators, including megawatt power generators, became widespread. The...
Збережено в:
| Дата: | 2022 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2022
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/335 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103518600855552 |
|---|---|
| author | Permynov, Yu. Volkov, L. Monakhov, E. |
| author_facet | Permynov, Yu. Volkov, L. Monakhov, E. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Yu. Permynov",
"institution": "Ph.D, Senior Researcher, Institute of Renewable En- ergy of the NAS of Ukraine"
},
{
"author": "L. Volkov",
"institution": "senior staff scientist of scientific-methodological sup- port department, Institute for Environmental Manage- ment and Balanced Nature,"
},
{
"author": "E. Monakhov",
"institution": "Ph.D, Senior Lecturer at Electromechanics depart- ment, National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”,"
}
] |
| author_sort | Permynov, Yu. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:16Z |
| description | Different types of generators such as direct current, induction, synchronous with electromagnetic excitation have wide application in wind power production. Recently, the application of permanent magnet synchronous generators, including megawatt power generators, became widespread.
The use of permanent magnets in the excitation system of generators makes it possible to eliminate excitation losses and sliding contacts, simplify the design, increase the efficiency and reliability of generators.
However, in such generators, in contrast to synchronous with electromagnetic excitation, there is no possibility to adjust the output parameters of the generator by changing its excitation. Therefore, the stabilization of the output parameters of the permanent magnet generators, especially when they work on the network, is an extremely important task. This problem requires solving the problems of adjusting the parameters of the generator using electronic circuits (inverters), considering the continuous change of wind speed, speed of the generator and the corresponding change of its parameters. 
This paper deals with the parameters and conditions that must be met in parallel operation of the generator and the network, as well as the negative consequences of erroneous phasing of the generator and the network.
In the case of rotation of the generator rotor by the wind wheel, the angle Ѳ between the EMF of the generator and the network voltage changes continuously, in the process of which the electromagnetic power and the torque of the generator change too. If the rotor speed is higher than the synchronous speed, the angle Ѳ increases continuously and the machine alternately switches from generator mode to motor mode, and vice versa.
In motor mode, the electromagnetic moment changes its sign and acts on the rotor in the direction of its rotation, being motor. At an angle Ѳ> π / 2, the generator can fall out of sync, ie there is a complex transition process that determines the requirements for the electronic circuit connected between the generator and the network.The paper presents an option of this scheme, which consists of several blocks, and analyzes their relationship. As a result, it can conclude that it is possible to stabilize the output parameters of wind turbines with permanent magnet excitation in accordance with the requirements of the network. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2022.1(68).79-86 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
79
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
УДК 621.548
РОБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВІТРОУСТАНОВКИ ЗІ ЗБУДЖЕННЯМ
ВІД ПОСТІЙНИХ МАГНІТІВ НА МЕРЕЖУ
Отримано 7 жов. 2021; рекомендовано до публікації 21 бер. 2022
Доступно онлайн 31 трав. 2022
Ю. М. Перминов1, Л. П. Волков2, Є. А. Монахов3
Автор для кореспонденції: Юрій Перминов,
e-mail: renewable@ukr.net
У вітроенергетиці широке застосування отримали генера-
тори різноманітних конструкцій: постійного струму, асин-
хронні, синхронні з електромагнітним збудженням. Остан-
нім часом набуває розповсюдження застосування синхрон-
них генераторів зі збудженням від постійних магнітів, зок-
рема генераторів мегаватної потужності.
Застосування постійних магнітів в системі збудження гене-
раторів дає змогу виключити втрати на збудження та
ковзкі контакти, спростити конструкцію, підвищити ККД та надійність генераторів.
Проте в таких генераторах, на відміну від синхронних з електромагнітним збудженням, відсутня можливість
регулювання вихідних параметрів генератора за рахунок зміни його збудження. Тому стабілізація вихідних пара-
метрів генераторів даної конструкції, особливо при їх роботі на мережу, постає вкрай актуальною задачею. Ця
задача потребує вирішення питань регулювання параметрів генератора з використанням електронних схем
(інверторів), з урахуванням безперервної зміни швидкості вітру, частоти обертання генератора та відповідної
зміни його параметрів.
У статті продемонстровано параметри та умови, виконання яких є обов’язковим при паралельній роботі гене-
ратора та мережі, а також відзначено негативні наслідки помилкового фазування генератора та мережі.
У разі обертання ротора генератора вітроколесом, безперервно змінюється кут Ѳ між ЕРС генератора і напру-
гою мережі, в процесі чого змінюється електромагнітна потужність та момент генератора. Якщо швидкість
ротора вища, ніж синхронна швидкість, кут Ѳ постійно зростає й машина почергово переходить з режиму гене-
ратора у двигунний, і навпаки.
У двигунному режимі електромагнітний момент змінює свій знак та діє на ротор у напрямку його обертання,
оскільки є двигунним. При куті Ѳ > π/2 генератор може випасти з синхронізму, тобто відбувається складний пе-
рехідний процес, який визначає вимоги до електронної схеми, увімкненої між генератором і мережею.
В статті наведено варіант зазначеної схеми, яка складається з декількох блоків, та проаналізовано їх взаємо-
зв’язок. Тож можна зробити висновок про можливість стабілізації вихідних параметрів вітроустановок зі збу-
дженням від постійних магнітів відповідно до вимог мережі.
Ключові слова: вітроустановка, синхронний генератор зі збудженням від постійних магнітів, постійні магніти,
електронна схема.
1 канд. техн. наук, старший наук. співроб., Інститут
відновлюваної енергетики НАН України, м. Київ
https://orcid.org/10000–0001–5604–8327
2 старший наук. співроб., Інститут екологічного уп-
равління та збалансованого природокористування,
м. Київ https://orcid.org/0000-0003-1988-9666
3 канд. техн. наук, ст. викладач каф. електромехані-
ки, Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікор-
ського», м. Київ https://orcid.org/0000-0001-8408-
8051
OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED
TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES
Received 7 Oct. 2021; accepted 21 March 2022.
Available online 31 May 2022
Y. Permynov1, L. Volkov2, E. Monakhov3
Author for correspondence Yuriy Permynov,
e-mail: renewable@ukr.net
Different types of generators such as direct current, induction,
synchronous with electromagnetic excitation have wide applica-
1 Ph.D, Senior Researcher, Institute of Renewable En-
ergy of the NAS of Ukraine, Kyiv
https://orcid.org/0000-0001-5604-8327
2senior staff scientist of scientific-methodological sup-
port department, Institute for Environmental Manage-
ment and Balanced Nature, Kyiv https://
orcid.org/0000-0003-1988-9666
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
mailto:renewable@ukr.net
https://orcid.org/10000%E2%80%930001%E2%80%935604%E2%80%938327
https://orcid.org/0000-0003-1988-9666
https://orcid.org/0000-0001-8408-8051
https://orcid.org/0000-0001-8408-8051
https://orcid.org/0000-0001-5604-8327
https://orcid.org/0000-0003-1988-9666
https://orcid.org/0000-0003-1988-9666
80
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
Перелік використаних скорочень та позначень:
Pe – основна потужність генератора
m – кількість фаз
U – напруга мережі
Xd – індуктивний опір по поздовжній осі
Xq– індуктивний опір по поперечній осі
Pu– реактивна складова потужності
Ik– струм короткого замикання одного генератора
Ikʹ– струм короткого замикання генератора при непра-
вильному ввімкненні
Me– електромагнітний момент
Eo– ЕРС генератора
ω – кутова швидкість обертання
ЕРС – електрорушійна сила
ККД – коефіцієнт корисної дії
ШІМ – широтно-імпульсна модуляція (англ. pulse-width
modulation (PWM))
Вступ. Підвищити ефективність перетворення енер-
гії вітру в електричну можливо за рахунок удоскона-
лення конструкції наявних типів електрогенераторів,
використання нових технологій та матеріалів або
розробки нових конструктивних рішень електроге-
нераторів [1, 2, 3]. Застосування синхронних генера-
торів зі збудженням від постійних магнітів, зокрема
мегаватної потужності, у складі вітроустановок на
сьогодні є дуже поширеним [4]. Використання по-
стійних магнітів у системі збудження генераторів
дозволяє виключити витрати на збудження, усунути
ковзкі контакти, одночасно даючи змогу спростити
конструкцію, підвищити ККД та надійність машин [5,
6].
Проте в генераторах такої конструкції, на відміну від
синхронних з електромагнітним збудженням, від-
сутня можливість регулювання вихідних параметрів
шляхом зміни збудження [7]. Тому стабілізація ви-
хідних параметрів генераторів зі збудженням від
постійних магнітів, особливо у разі їх роботи на ме-
режу, постає актуальним завданням, що потребує
вирішення питань регулювання параметрів генера-
тора за рахунок використання електронних схем
(інверторів), з урахуванням безперервної зміни
швидкості вітру, частоти обертання генераторів та
відповідної зміни їхніх параметрів [8, 9].
Постановка задачі. Предметом цієї статті є оцінка
можливості забезпечення роботи синхронного гене-
ратора зі збудженням від постійних магнітів на ме-
режу із застосуванням електронної схеми між гене-
ратором та мережею.
tion in wind power production. Recently, the application of perma-
nent magnet synchronous generators, including megawatt power
generators, became widespread.
The use of permanent magnets in the excitation system of genera-
tors makes it possible to eliminate excitation losses and sliding con-
tacts, simplify the design, increase the efficiency and reliability of
generators.
However, in such generators, in contrast to synchronous with electromagnetic excitation, there is no possibility to adjust the
output parameters of the generator by changing its excitation. Therefore, the stabilization of the output parameters of the
permanent magnet generators, especially when they work on the network, is an extremely important task. This problem
requires solving the problems of adjusting the parameters of the generator using electronic circuits (inverters), considering
the continuous change of wind speed, speed of the generator and the corresponding change of its parameters.
This paper deals with the parameters and conditions that must be met in parallel operation of the generator and the net-
work, as well as the negative consequences of erroneous phasing of the generator and the network.
In the case of rotation of the generator rotor by the wind wheel, the angle Ѳ between the EMF of the generator and the net-
work voltage changes continuously, in the process of which the electromagnetic power and the torque of the generator
change too. If the rotor speed is higher than the synchronous speed, the angle Ѳ increases continuously and the machine
alternately switches from generator mode to motor mode, and vice versa.
In motor mode, the electromagnetic moment changes its sign and acts on the rotor in the direction of its rotation, being
motor. At an angle Ѳ> π / 2, the generator can fall out of sync, ie there is a complex transition process that determines the
requirements for the electronic circuit connected between the generator and the network.
The paper presents an option of this scheme, which consists of several blocks, and analyzes their relationship. As a result, it
can conclude that it is possible to stabilize the output parameters of wind turbines with permanent magnet excitation in
accordance with the requirements of the network.
Keywords: wind turbine, permanent magnet synchronous generator, permanent magnets, electronic circuit
3Ph.D, Senior Lecturer at Electromechanics depart-
ment, National Technical University of Ukraine “Igor
Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv https://
orcid.org/0000-0001-8408-8051
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
81
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
У статті наведено параметри та умови, дотримання
яких є обов’язковим при паралельній роботі генера-
тора та мережі, розглянуто негативні наслідки при
помилковому фазуванні генератора й мережі. У разі
обертання ротора генератора вітроколеса безперер-
вно міняється кут Ѳ між ЕРС генератора і напругою
мережі, в процесі чого змінюється електромагнітна
потужність та момент генератора. Якщо швидкість
ротора вища, ніж синхронна швидкість, кут Ѳ безпе-
рервно зростає й машина почергово переходить з
генераторного режиму в двигунний, і навпаки.
У режимі двигуна електромагнітний момент змінює
знак та діє на ротор в напрямку його обертання,
оскільки є рушійним. При куті Ѳ > π/2 машина може
випасти з синхронізму. У такий спосіб відбувається
складний перехідний процес, який визначає вимоги
до електронної схеми, увімкненої між генератором
та мережею.
Завданням дослідження є розгляд варіанта такої
електронної схеми, яка складається з декількох бло-
ків, проведення аналізу кожного блока та визначен-
ня їх взаємозв’язку з метою з’ясування можливості
стабілізації вихідних параметрів генераторів вітроус-
тановок зі збудженням від постійних магнітів відпо-
відно до вимог мережі. При цьому схема наводить-
ся у спрощеному вигляді, без детального викладен-
ня роботи її окремих елементів, що зумовлює обме-
жену кількість ілюстративних матеріалів (схем).
Результати дослідження. З метою підвищення на-
дійності електропостачання потужних промислових
центрів живлення останніх забезпечується роботою
декількох станцій, які працюють на спільну електро-
мережу. Це має ряд переваг, зокрема:
• зменшується обсяг резервних потужностей на
станціях на випадок аварійних ситуацій чи ре-
монтних робіт;
• виникає можливість більш раціонального розпо-
ділу навантаження між станціями і, як наслідок,
підвищення економічних показників усієї енерго-
системи.
При паралельній роботі синхронних генераторів на
єдину спільну мережу вони мають працювати на тій
самій частоті. При роботі вітроенергетичної установ-
ки (або будь-якого генератора) на мережу важливо
підтримувати однакову частоту обертання з похиб-
кою не більш ніж 0,2 %, згідно з державними стан-
дартами. За рахунок синхронізувального моменту
обертання, що виникає при паралельній роботі, від-
бувається точна синхронізація з мережею. При пара-
лельній роботі синхронних генераторів можливі їх
коливання або гойдання, які відповідають кутовому
переміщенню ротора в деяких межах полюсної по-
ділки. Одним із суттєвих питань паралельної роботи
є операція підключення нового генератора до шин
станції, на які раніше вже було увімкнено генерато-
ри, що живлять мережу. В момент увімкнення ма-
ють виконуватися такі умови:
Напруга генератора, який підключається, має до-
рівнювати напрузі мережі.
При змінному струмі є необхідною рівність частот
систем, що з’єднуються.
Чергування фаз у нового генератора та мережі
має бути однаковим.
Напруга генератора та мережі повинні бути у фа-
зі.
Для виконання всіх перелічених умов використову-
ють синхронізувальні пристрої.
При роботі з мережею, тобто з іншими синхронни-
ми машинами, зручно виражати потужності через
величини, які характеризують вплив зовнішніх (по
відношенню до обмотки статора) причин на режим
її роботи. Такими величинами є: напруга мережі – U,
ЕРС, яка індукується в обмотці статора – Eo, Ѳ – кут
між векторами U та Eo, що визначається кутовим
положенням ротора відносно результуючого обер-
тового магнітного потоку статора. Тому потужність
визначається як [10–13]: .
При U = const (нескінченно потужна ме-
режа) та (постійне збудження); потуж-
ність Pe залежить лише від кута навантаження Ѳ –
кутова характеристика машини (рис. 1).
Основна потужність генератора визначається вира-
зом:
. (1)
У явнополюсних синхронних машинах існує додат-
кова складова реактивної потужності:
, (2)
яка не залежить від збудження машини.
У неявнополюсних машинах Xd = Xq, тому .
Якщо припустити, що до шини було приєднано чо-
тири ідентичних генератори (кожен з яких має ін-
дуктивним опором Х) та до них раптово підключа-
ється п’ятий такий самий генератор з помилковим
фазуванням, то в цьому разі еквівалентний індукти-
вний опір чотирьох паралельно підключених гене-
раторів буде дорівнювати 0,25·Х, а приєднуваного –
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
82
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
Х. Тоді струм одного генератора при його раптовому
короткому замиканні дорівнює , а при за-
значеному вище неправильному ввімкненні
. (3)
Зусилля у лобових частинах, розраховані на струм
короткого замикання, зростуть в 1,62 ≈ 2,5 раза, що
може призвести до пошкодження машини. У разі ж,
коли до шини буде приєднано лише один генера-
тор, то
, (4)
тобто у цьому разі трапився б різкий підйом струму,
що дорівнює раптовому короткому замиканню са-
мого генератора. А оскільки зусилля у лобових час-
тинах мають бути розраховані на ці умови, то ймо-
вірність пошкодження обмоток практично відсутня.
На практиці використовується самосинхронізація
генераторів: генератор приводиться в обертання з
підсихронною швидкістю й сам втягується у синхро-
нізм подібно до синхронного двигуна при асинхрон-
ному пуску. При цьому явнополюсний генератор
краще втягується в синхронізм, оскільки має реак-
тивний момент (2), окрім основного моменту (1). На
рис. 1 показана кутова характеристика потужності
синхронного генератора, при цьому видно, що мак-
симальна активна потужність синхронного гене-
ратора досягається при куті Ѳ = π/2, а повна потуж-
ність P для неявнополюсного складається з двох
компонентів .та .
Рис. 1. Кутова характеристика потужності
синхронного генератора
Fig. 1. Angular power characteristic of
a synchronous generator
У разі обертання ротора генератора вітроколесом
кут Ѳ безперервно змінюється (наприклад, при шви-
дкості ротора вище за синхронну кут Ѳ постійно зро-
стає) й машина почергово переходить з генератор-
ного режиму в двигунний, і навпаки. При наванта-
женні генератора на його ротор діє гальмівний еле-
ктромагнітний момент Me, величина якого визнача-
ється електромагнітною потужністю Pe, та механіч-
ною кутовою швидкістю обертання ротора ω:
(5)
У режимі двигуна момент Me змінює свій знак та діє
на ротор у бік його обертання, оскільки є двигун-
ним. Вочевидь, при роботі синхронного генератора
з вітроколесом відбувається безперервний перехід-
ний процес, змінюється кут Ѳ та електромагнітний
момент. При куті Ѳ > π/2 генератор може випасти з
синхронізму, що впливає на мережу. В машинах з
електромагнітним збудженням можливе регулю-
вання параметрів генератора зміною струму збу-
дження. У машинах зі збудженням від постійних ма-
гнітів така стабілізація неможлива, в зв’язку з чим
використовується стабілізація вихідних параметрів
генератора із
застосуван-
ням електрон-
них схем. У
такому разі
генератору
може бути
притаманний
ряд конструк-
тивних особ-
ливостей, зок-
рема розши-
рена полюсна
дуга для збі-
льшення ко-
рисного пото-
ку, що приз-
водить до від-
хилення фор-
ми вихідної
ЕРС від сину-
соїди. Однак
при роботі на
випрямляч та
інвертор го-
ловною ме-
тою є досяг-
нення макси-
мальної поту-
жності.
Рис. 2. Синхронний генератор зі збу-
дженням від постійних магнітів на
базі серійного асинхронного двигуна:
1 – пакет статора; 2 – ярмо ротора;
3 – магніт; 4 – металевий сегмент; 5 –
обмотка; 6 – вал; Δ – крок
Fig. 2. Synchronous generator with perma-
nent magnet excitation based on a serial
asynchronous motor:
1 – stator package; 2 – rotor yoke; 3 –
magnet; 4 – metal segment; 5 – winding;
6 – shaft; ∆ – step
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
83
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
На рис. 2 показано реалізовану конструкцію генера-
тора зі збудженням від постійних магнітів [14] для
вітроустановки, в якій магніти займають максималь-
ний об’єм, а полюсні башмаки полюсів протилежної
полярності максимально наближені для зменшення
магнітного опору робочого проміжку. При цьому
потоки розсіювання між боковими поверхнями баш-
маків є незначними – через малу площу цих повер-
хонь. У такій конструкції [14, 15] не лише збільшуєть-
ся корисний потік, але й зменшуються реактивні мо-
менти від зубцевих пульсацій по поздовжній та по-
перечній осях (які в свою чергу додатково зменшу-
ються використанням полюсних башмаків зі скосом
на одну зубцеву поділку). Особливістю машин зі
збудженням від постійних магнітів є мала величина
реактивних опорів по поздовжній і поперечній осях
(Xd, Xq). Це пов’язано з великим магнітним опором
на шляху потоку реакцій якоря, зумовленим низь-
кою магнітною проникністю високоерцитивних маг-
нітів, яка є близькою до аналогічного показника у
повітря (магнітна проникність повітря
μ0 =12,55·10-7 Гн/м ).
Зважаючи на перелічені причини, можна спростити
векторну діаграму напруг синхронного генератора
[16], а фазну напругу генератора можна визначати
за формулою:
, (6)
де – падіння напруги на активному опорі тиску;
– падіння напруги на індуктивному опорі фази.
Стабілізація вихідної напруги та інших зазначених
параметрів, необхідних для роботи вітроустановки
зі збудженням від постійних магнітів на мережу,
можлива за умови використання схеми (рис. 3), що
демонструє, в який спосіб нерегульований синхрон-
ний генератор може працювати на мережу [17]. Під
час роботи вітроустановка може змінювати частоту
та напругу, тому для роботи на мережу необхідно
спочатку випрямити напругу, стабілізувати її та пере-
творити постійну напругу в змінну, яка буде син-
хронна і синфазна з частотою мережі та матиме си-
нусоїдальну форму. Тоді мережа буде отримувати
стабільну змінну напругу з частотою, еквівалентною
частоті мережі, та коефіцієнтом потужності, що до-
рівнює 1.
Перетворення у постійний струм здійснюється три-
фазним керованим мостовим випрямлячем. Ви-
прямлена напруга змінюється в залежності від
швидкості вітру; для подальшого перетворення у
змінний струм напругу необхідно зафіксувати на
певному рівні. У керованому мостовому випрямлячі
використовуються тиристори (відкриваються залеж-
но від керувального імпульсу), що дозволяє регулю-
вати середнє значення напруги на відміну від неке-
рованих випрямлячів, побудованих на діодах. Ви-
прямлена напруга характеризується значними пуль-
Рис. 3. Функціональна схема підключення до мережі синхронного генератора
зі збудженням від постійних магнітів
Fig. 3. Functional network connection scheme of the permanent magnet synchronous generator
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
84
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
саціями, тому на вихід потрапляє через згладжу-
вальний фільтр, який складається з послідовно з’єд-
наних котушок індуктивності та конденсатора. На-
пруга, що знімається з конденсатора, майже позбав-
лена пульсацій, її потрібно стабілізувати за допомо-
гою зворотного зв’язку, що подається через контро-
лер на вхід тиристорного перетворювача. Отже, ви-
хідна напруга генератора може змінюватись, а ви-
прямлена лишатиметься стабільною. Для подальшо-
го перетворення у змінний струм її необхідно зафік-
сувати на певному рівні. З цією метою використову-
ють підвищувальний конвертор (для частот нижче
номінальної – 50 Гц) та керований випрямляч (для
частот понад 50 Гц). Конвертор підтримує необхід-
ний рівень вихідної напруги шляхом генеруван-
ня додаткової напруги. Керований випрямляч збе-
рігає випрямлену напругу генератора незмінною,
незважаючи на зростання ЕРС обертання генерато-
ра із підвищенням швидкості вітру.
Далі трифазний мостовий інвертор перетворює на-
пругу постійного струму у трифазний змінний струм.
Це аналогічний міст, проте у ньому використовують-
ся вже не тиристори, а транзистори, оскільки при
комутації постійного струму виникає потреба не ли-
ше відкривати, а й закривати вентилі через відсут-
ність зворотної напруги. На одну діагональ мосту
поступає постійний струм, а з другої – знімається
знакозмінний струм: коли відкривається одна пара
транзисторів, струм протікає у додатному напрямку,
при відкритті другої пари – у від’ємному напрямку.
Утворюється знакозмінний струм прямокутної фор-
ми, однак такий струм не задовольняє вимог мере-
жі. Проте, піднявши частоту комутації транзисторних
пар і при цьому змінюючи тривалість імпульсу за
синусоїдальним законом (при постійній частоті їх
комутації) – тобто використання ШІМ, а також LС-
фільтру, – можна отримати достатньо чисту синусої-
ду. Тобто формування фазних струмів здійснюється
методом широтно-імпульсної модуляції напруги
, що подається на фазні індуктивності L. При по-
яві сигналу на відкриття транзистора струм в індук-
тивності зростає, а при паузі – спадає. Отже зміню-
ючи співвідношення тривалості імпульсу та паузи за
певним законом, можливо отримати бажану форму
струму (у нашому випадку – синусоїду). Транзистори
інвертора перемикаються таким чином, що зростан-
ня струму в індуктивностях відбувається під дією
різниці напруг, що виникає від зустрічно діючих на-
пруг – (постійного струму) та мережі – U
(лінійного змінного струму), причому завжди
перевищує U. Спадання струму в момент паузи ви-
кликається виключно зустрічною напругою мережі
( на цей час відключається). Синусоїда струму
формується у протифазі до фазної напруги мережі, в
зв’язку з чим передача енергії в мережу відбуваєть-
ся без вироблення реактивної енергії (cosφ = 1).
Фазування та ряд інших функцій (стабілізація, керу-
вання транзисторами інвертора, конвертора та ін.)
здійснює контролер, який прив’язує вироблений
інвертором синусоїдальний струм до синусоїди ме-
режі та забезпечує потрібний фазовий зсув цього
струму. Ці дії виконуються для трьох фаз. Розглянута
схема не потребує датчика струму. Амплітуда стру-
му задається максимальною тривалістю імпульсу
напруги, згенерованої за допомогою ШІМ.
Діапазон швидкостей вітру, при яких генератор та
схема здатні ефективно функціонувати, є обмеже-
ним: зверху – зростанням втрат, напруги та частоти
обертання вище припустимих значень; знизу – об-
меженнями у роботі конвертора.
Використання конвертора розширює цей діапазон,
даючи змогу підняти вихідну напругу постійного
струму до прийнятного рівня в діапазоні частот
обертання нижче номінальної (відповідає частоті
струму 50 Гц); при цьому збільшення напруги кон-
вертора не перевищують прийнятного значення.
При номінальній частоті струму та вище табілізація
конвертором припиняється, при цьому випрямлена
напруга продовжує зростати пропорційно збільшен-
ню частоти обертання. У цьому разі починають діяти
обмеження за припустимим рівнем напруги на діо-
дах та транзисторах схеми, а також за суттєвим зрос-
танням різниці напруг, що формує синусоїду струму.
Застосування тиристорного перетворювача дозво-
ляє в такій ситуації знизити середню випрямлену
напругу. Застосування магнітів у системі збудження
генераторів покращує питомі показники машини –
співвідношення моменту та маси, моменту та габа-
ритів, що робить конструкцію генератора більш ком-
пактною порівняно зі звичайною версією; дозволяє
виключити витрати на збудження, які мають місце в
машинах з електромагнітним збудженням, внаслі-
док чого, збільшивши ККД, спростивши конструкцію,
виключивши щіткові контакти, і, зрештою, підвищи-
ти надійність роботи устаткування у складних кліма-
тичних умовах. Зважаючи на перелічені переваги,
генератори зі збудженням від постійних магнітів
активно використовуються у вітроустановках мега-
ватних потужностей. При цьому стабілізація вихід-
них параметрів, що необхідна для роботи на мере-
жу, здійснюється застосуванням сучасної елемент-
ної бази в одній з можливих схем, розглянутій у да-
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
85
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
ній статті.
ВИСНОВКИ
Наведено вимоги, дотримання яких необхідне для
роботи генератора на мережу: напруга генератора,
що підключається, має бути рівною напрузі мережі;
при змінному струмі необхідна рівність частот си-
стем, що з’єднуються; чергування фаз у нового гене-
ратора та мережі має бути однаковим; напруга гене-
ратора та мережі повинні бути у фазі.
Показано, що при необхідних постійних параметрах
мережі: напруги , частоти, ,
(нескінченна мережа) та (постійне збу-
дження) – потужність генератора Р залежить тільки
від кута Ѳ (кутова характеристика) між векторами
напруги мережі та ЕРС генератора .
Наведено та описано загальні принципи стабілізації
вихідних параметрів генератора зі збудженням від
постійних магнітів, який працює на мережу.
Приведено та детально описано спільну роботу ком-
плексу «інвертор – генератор вітроустановки» на
прикладі запатентованого за участю автора статті
генератора.
ПОСИЛАННЯ
1. Ю. М. Васьковський, Ю. А. Гайденко, М. А. Коваленко,
Математичне моделювання електричних машин з
постійними магнітами, Київ, Україна: НТУУ «КПІ»,
193 с., 2017.
2. В. В. Чумак, М. А. Коваленко, О. І. Пономарьов,
“Математическое моделирование генератора с ком-
бинированным возбуждением автономной энерго-
установки”, IЕС Електромеханiчнi і енергозберiгаючi
системи, № 3 (31), с. 53–60, 2015.
3. П. Ф. Васько, А. А. Брыль, П. П. Пекур, “Определение
технических показателей эффективности использова-
ния ветроэлектрических агрегатов в Украине”, Энерге-
тика и электрификация, № 2, с. 48–51, 1995.
4. Windturbine database [Online]. Access: https://en.wind-
turbine-models.com/turbines/26-tacke-tw-600
5. В. П. Коханевич, Ю. Н. Перминов, Н. А. Шихайлов,
Н. В. Марченко, “Разработка и испытание генераторов
с постоянными магнитами для ветроустановок на базе
серийных асинхронных двигателей”, Международный
научный журнал “Альтернативная энергетика и
экология ”, № 7, с. 48–55, 2012.
6. В. М. Головко, В. П. Коханевич, Ю. Н. Перминов,
Н. А. Шихайлов, Н. В. Марченко, “Разработка и ис-
пытание генераторов с постоянными магнитами для
ветроустановок на базе серийных асинхронных двига-
телей”, “Альтернативная энергетика и экология ”,
№ 07 (111), 2012.
7. Trung-Kien Hoang, M. Gabsi, L Vido, and F Gillon,
“Comparison between a Double Excitation Synchronous
Machine and a Permanent Magnet Synchronous Machine
According to Various Constant Power Speed Ranges”,
12th International Conference on Ecological Vehicles and
Renewable Energies (EVER), Apr. 2017, Monaco, с. 2,
2017.
8. Г. Півняк, Ф. Шкрабець, Н. Нойбергер, Д. Ципленков,
Основи вітроенергетики: підручник, М-во освіти і
науки України, Державний ВНЗ «Національний гірни-
чий університет», с. 91–96, 2015.
9. R. Nolan Clark, Small Wind, Academic press, pp. 39–67,
2014, https://doi.org/10.1016/C2010-0-67034-9
10. С. А. Кудря, Ю. Н. Перминов, В. Ф. Буденный,
“Реактивные моменты синхронного ветрогенератора с
возбуждением от постоянных магнитов”, Відновлюва-
на енергетика, № 4 (19), с. 34, 2008.
11. С. А. Кудря, Ю. Н. Перминов, В. Ф. Буденный, “Работа
синхронного генератора с постоянными магнитами
под нагрузкой” Відновлювана енергетика, № 3, с. 43,
2011.
12. Ю. Н. Перминов, Е. А. Монахов, Л. П. Волков,
“Проектирование ветрогенераторов повышенной мо-
щности (600-3600 кВт) с возбуждением от постоянных
магнитов”, Відновлювана енергетика, № 1, с. 42–51,
2020. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).42
-51
13. Ю. Н. Перминов, Е. А. Монахов, Л. П. Волков.,
“Особенности проектирования ветрогенераторов
повышенной мощности с возбуждением от постоян-
ных магнитов”, Відновлювана енергетика, № 2, с. 54–
62, 2020. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2
(61).54-62
14. Ю. Н. Перминов, Е. А. Монахов, “Сравнение вариантов
конструкций синхронных генераторов с возбужде-
нием от постоянных магнитов для ветроустановок”,
Відновлювальна енергетика, № 2, с. 54–60, 2019.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).54-60
15. Ю. Н. Перминов, В. П. Коханевич, Н. А. Шихайлов, Па-
тент на винахід №38530. Україна. МПК Н02К 21/00.
Вітрогенератор із зубцевим статором. № u200809958.
опубл. 12.01.2009, Бюл. № 1, 2009.
16. Н. М. Мхитарян, С. А. Кудря, Ю. Н. Перминов,
“Проектирование синхронных генераторов для ветро-
установок малой мощности”, Відновлювана енерге-
тика, № 2, с. 40, 2006.
17. Daniel W. Hart, Power electronics, The McGraw-Hill Com-
panies, p. 382, 2011.
REFERENCES
1. Yu. Vaskovsky, Yu. Haidenko, and М. Kovalenko, Mathe-
matical modeling of electric machines with permanent
magnets, Kyiv, KPI National Technical University (in
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
https://en.wind-turbine-models.com/turbines/26-tacke-tw-600
https://en.wind-turbine-models.com/turbines/26-tacke-tw-600
https://doi.org/10.1016/C2010-0-67034-9
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).42-51
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).42-51
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).54-62
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).54-62
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).54-60
86
© М. П. Кузнєцов, О. В. Лисенко, О. А. Мельник https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)829
Відновлювана енергетика, 2022. | Вітроенергетика
Ukrainian), 2017.
2. V. Chumak, M. Kovalenko, and O. Ponomarev,
“Mathematical modeling of a generator with combined
excitation for autonomous power plant ” (in Russian), IES
Electromechanical and energy saving systems, No 3,
pp. 53–60, 2015.
3. P. F. Vasko, A. A. Bryl, and P. P. Pekur, “ Determination of
technical indicators of efficiency of use of wind power
units in Ukraine” (in Russian), Journal of Energy and Elec-
trification, No. 2, pp. 48–51, 1995.
4. Windturbine database [Online] Access: https://en.wind-
turbine-models.com/turbines/26-tacke-tw-600
5. V. Kokhanevich, Yu. Perminov, N. Shikhaylov, and
N. Marchenko, “Development and testing of permanent
magnets generators for wind turbines based on serial
asynchronous motors”, (in Russian), Int. Sci. J. of Alterna-
tive Energy and Ecology (ISJAEE), No. 7, pp. 48–55, 2012.
6. V. Golovko, V. Kohanevich, Yu. Perminov, N. Shihaylov,
and N. Marchenko, “Developing and testing permanent
magnets generators for wind turbines ” (in Russian), Int.
Sci. J. of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), No. 07
(111), 2012.
7. Trung-Kien Hoang, M. Gabsi, L. Vido, and F. Gillon,
“Comparison between a Double Excitation Synchronous
Machine and a Permanent Magnet Synchronous Machine
According to Various Constant Power Speed Ranges”, in
Proc. 12th International Conference on Ecological Vehi-
cles and Renewable Energies (EVER), Apr 2017, Monaco,
р. 2, 2017.
8. G. Pivnyak, F. Shkrabets, N. Neuberger, and D. Tsyplen-
kov, Fundamentals of wind energy: a textbook, Ministry
for Education and Science of Ukraine, State University
"National Mining University", pp. 191–196, (in Ukrainian)
2015.
9. R. Nolan Clark, Small Wind, Academic press, pp. 39–67,
2014, https://doi.org/10.1016/C2010-0-67034-9
10. S. Kudrya, Yu. Perminov, and V. Budenny, “Reactive mo-
ments of a synchronous wind generator excited by per-
manent magnets” (in Russian), Renewable Energy, № 4
(19), p. 34, 2008.
11. S. Kudrya, Yu. Perminov, and V. Budenny, “Operation of a
synchronous generator with permanent magnets under
load” (in Russian), Renewable energy, № 3, p. 43, 2011.
12. Yu. Perminov, E. Monakhov, and L. Volkov, “Design of
high-power wind generators (600–3600 kW) with excita-
tion from permanent magnets”, (in Russian), Renewable
Energy, № 1, p. 42–51, 2020. https://
doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).42-51
13. Yu. Perminov, E. Monakhov, and L. Volkov, “Features of
designing high-power wind turbines with excitation from
permanent magnets”, (in Russian), Renewable Energy,
№ 2, p. 54–62, 2020. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2020.2(61).54-62
14. Yu. Perminov, and E. Monakhov, “Comparison of design
options for synchronous generators with excitation from
permanent magnets for wind turbines”, (in Russian) Re-
newable Energy, № 2, p. 54–60, 2019. https://
doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).54-60
15. Yu. Perminov, V. Kokhanevich, and N. Shikhailov, Patent
for invention №38530, Ukraine, IPC H02K 21/00, “Wind
generator with a toothed stator”, № u200809958, publ.
12.01.2009, Bull. № 1, 2009.
16. N. Mkhitaryan, S. Kudrya, and Yu. Perminov, “Design of
synchronous generators for low-power wind turbines”,
(in Russian), Renewable Energy, № 2, p. 40, 2006.
17. Daniel W. Hart, Power electronics, The McGraw-Hill Com-
panies, p. 382, 2011.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.1(68)
https://en.wind-turbine-models.com/turbines/26-tacke-tw-600
https://en.wind-turbine-models.com/turbines/26-tacke-tw-600
https://doi.org/10.1016/C2010-0-67034-9
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).42-51
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).42-51
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).54-62
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).54-62
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).54-60
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).54-60
|
| id | veorgua-article-335 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:09:29Z |
| publishDate | 2022 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/be/177a0272e548ec80342820bf69e8e6be.pdf |
| spelling | veorgua-article-3352026-07-18T06:32:16Z OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES РОБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВІТРОУСТАНОВКИ ЗІ ЗБУДЖЕННЯМ ВІД ПОСТІЙНИХ МАГНІТІВ НА МЕРЕЖУ Permynov, Yu. Volkov, L. Monakhov, E. wind turbine permanent magnet synchronous generator permanent magnets electronic circuit вітроустановка синхронний генератор зі збудженням від постійних магнітів постійні магніти електронна схема Different types of generators such as direct current, induction, synchronous with electromagnetic excitation have wide application in wind power production. Recently, the application of permanent magnet synchronous generators, including megawatt power generators, became widespread. The use of permanent magnets in the excitation system of generators makes it possible to eliminate excitation losses and sliding contacts, simplify the design, increase the efficiency and reliability of generators. However, in such generators, in contrast to synchronous with electromagnetic excitation, there is no possibility to adjust the output parameters of the generator by changing its excitation. Therefore, the stabilization of the output parameters of the permanent magnet generators, especially when they work on the network, is an extremely important task. This problem requires solving the problems of adjusting the parameters of the generator using electronic circuits (inverters), considering the continuous change of wind speed, speed of the generator and the corresponding change of its parameters.  This paper deals with the parameters and conditions that must be met in parallel operation of the generator and the network, as well as the negative consequences of erroneous phasing of the generator and the network. In the case of rotation of the generator rotor by the wind wheel, the angle Ѳ between the EMF of the generator and the network voltage changes continuously, in the process of which the electromagnetic power and the torque of the generator change too. If the rotor speed is higher than the synchronous speed, the angle Ѳ increases continuously and the machine alternately switches from generator mode to motor mode, and vice versa. In motor mode, the electromagnetic moment changes its sign and acts on the rotor in the direction of its rotation, being motor. At an angle Ѳ> π / 2, the generator can fall out of sync, ie there is a complex transition process that determines the requirements for the electronic circuit connected between the generator and the network.The paper presents an option of this scheme, which consists of several blocks, and analyzes their relationship. As a result, it can conclude that it is possible to stabilize the output parameters of wind turbines with permanent magnet excitation in accordance with the requirements of the network. У вітроенергетиці широке застосування отримали генератори різноманітних конструкцій: постійного струму, асинхронні, синхронні з електромагнітним збудженням. Останнім часом набуває розповсюдження застосування синхронних генераторів зі збудженням від постійних магнітів, зокрема генераторів мегаватної потужності. Застосування постійних магнітів в системі збудження генераторів дає змогу виключити втрати на збудження та ковзкі контакти, спростити конструкцію, підвищити ККД та надійність генераторів. Проте в таких генераторах, на відміну від синхронних з електромагнітним збудженням, відсутня можливість регулювання вихідних параметрів генератора за рахунок зміни його збудження. Тому стабілізація вихідних параметрів генераторів даної конструкції, особливо при їх роботі на мережу, постає вкрай актуальною задачею. Ця задача потребує вирішення питань регулювання параметрів генератора з використанням електронних схем (інверторів), з урахуванням безперервної зміни швидкості вітру, частоти обертання генератора та відповідної  зміни його параметрів. У статті продемонстровано параметри та умови, виконання яких є обов’язковим при паралельній роботі генератора та мережі, а також відзначено негативні наслідки помилкового фазування генератора та мережі. У разі обертання ротора генератора вітроколесом, безперервно змінюється кут Ѳ між ЕРС генератора і напругою мережі, в процесі чого змінюється електромагнітна потужність та момент генератора. Якщо швидкість ротора вища, ніж синхронна швидкість, кут Ѳ постійно зростає й машина почергово переходить з режиму генератора у двигунний, і навпаки. У двигунному режимі електромагнітний момент змінює свій знак та діє на ротор у напрямку його обертання, оскільки є двигунним. При куті Ѳ > π/2 генератор може випасти з синхронізму, тобто відбувається складний перехідний процес, який визначає вимоги до електронної схеми, увімкненої між генератором і мережею. В статті наведено варіант зазначеної схеми, яка складається з декількох блоків, та проаналізовано їх взаємозв’язок. Тож можна зробити висновок про можливість стабілізації вихідних параметрів вітроустановок зі збудженням від постійних магнітів відповідно до вимог мережі. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2022-06-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/335 10.36296/1819-8058.2022.1(68).79-86 Vidnovluvana energetika ; No. 1(68) (2022): Scientific and Applied Journal Vidnovliuvana energetyka; 79-86 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(68) (2022): Scientific and Applied Journal Vidnovliuvana energetyka; 79-86 Відновлювана енергетика; № 1(68) (2022): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 79-86 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2022.1(68) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/335/257 Copyright (c) 2022 Yu. Permynov, L. Volkov, E. Monakhov https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | wind turbine permanent magnet synchronous generator permanent magnets electronic circuit Permynov, Yu. Volkov, L. Monakhov, E. OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES |
| title | OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES |
| title_alt | РОБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВІТРОУСТАНОВКИ ЗІ ЗБУДЖЕННЯМ ВІД ПОСТІЙНИХ МАГНІТІВ НА МЕРЕЖУ |
| title_full | OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES |
| title_fullStr | OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES |
| title_full_unstemmed | OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES |
| title_short | OPERATION OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR APPLIED TO THE GRID CONNECTED WIND TURBINES |
| title_sort | operation of permanent magnet synchronous generator applied to the grid connected wind turbines |
| topic | wind turbine permanent magnet synchronous generator permanent magnets electronic circuit |
| topic_facet | wind turbine permanent magnet synchronous generator permanent magnets electronic circuit вітроустановка синхронний генератор зі збудженням від постійних магнітів постійні магніти електронна схема |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/335 |
| work_keys_str_mv | AT permynovyu operationofpermanentmagnetsynchronousgeneratorappliedtothegridconnectedwindturbines AT volkovl operationofpermanentmagnetsynchronousgeneratorappliedtothegridconnectedwindturbines AT monakhove operationofpermanentmagnetsynchronousgeneratorappliedtothegridconnectedwindturbines AT permynovyu robotasinhronnogogeneratoravítroustanovkizízbudžennâmvídpostíjnihmagnítívnamerežu AT volkovl robotasinhronnogogeneratoravítroustanovkizízbudžennâmvídpostíjnihmagnítívnamerežu AT monakhove robotasinhronnogogeneratoravítroustanovkizízbudžennâmvídpostíjnihmagnítívnamerežu |