MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR
The paper developed a Simulink computer model of a small-power wind power plant (3 kW), which uses a magnetic gearbox instead of a mechanical gearbox, and also contains a synchronous generator with permanent magnets. Based on this model, calculations of related mechanical and electrical processes we...
Saved in:
| Date: | 2024 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/474 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103798764634112 |
|---|---|
| author | Grebenikov , V. Podoltsev , O. Mazurenko , L. Gamaliia , R. |
| author_facet | Grebenikov , V. Podoltsev , O. Mazurenko , L. Gamaliia , R. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. Grebenikov ",
"institution": "Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "O. Podoltsev ",
"institution": "Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "L. Mazurenko ",
"institution": "Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "R. Gamaliia ",
"institution": "Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Grebenikov , V. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:20Z |
| description | The paper developed a Simulink computer model of a small-power wind power plant (3 kW), which uses a magnetic gearbox instead of a mechanical gearbox, and also contains a synchronous generator with permanent magnets. Based on this model, calculations of related mechanical and electrical processes were carried out in two modes of its operation - start-up mode and mode of instantaneous increase in wind speed acting on the wind turbine (from 10 m/s to 14 m/s and then again to 10 m/ with). According to the results of the calculations, it is shown that in transient modes when short-term dynamic overloads occur, both rotors of the magnetic gearbox may fall out of synchronous motion for a certain period of time and then, depending on the parameters of the gearbox (as well as its other elements), the electromechanical system or reaches a certain working steady state, or loses the ability to transmit mechanical power from the wind turbine to the generator due to the rotors of the magnetic gearbox falling out of synchronism. At the same time, the stability of the wind power plant as a whole depends mainly on the value of the maximum magnetic moment of the reducer. Bibl. 13, Fig. 8. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.3(78).84-91 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
84
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
УДК 621.313.8 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.3(78)84-91
МОДЕЛЮВАННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У ВІТРОУСТАНОВЦІ МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ
З МАГНІТНИМ РЕДУКТОРОМ І ЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ НА ПОСТІЙНИХ МАГНІТАХ
Отримано 11 вер. 2024 р.; рекомендовано до публікації 16 вер. 2024 р.
Доступно онлайн 01 жов. 2024 р.
Гребеніков В. В.1, Подольцев О. Д.2,
Мазуренко Л. І.3, Гамалія Р. В.4
Автор для кореспонденції: Гребеніков Віктор,
e-mail: elm1153@gmail.com
У роботі розроблена комп’ютерна Simulink-модель вітроенер-
гетичної установки малої потужності (3 кВт), в який замість
механічного редуктора використовується магнітний редук-
тор, а також наявний синхронний генератор з постійними
магнітами. На основі цієї моделі проведені розрахунки пов’яза-
них механічних та електричних процесів у двох режимах її роботи – пусково-му режимі та режимі мит-
тєвого коливання швидкості вітру, що діє на вітрову турбіну (від 10 до 14 м/с і потім знову 10 м/с).
За результатами проведених розрахунків показано, що в перехідних режимах при виник-ненні коротко-
часних динамічних перевантажень обидва ротори магнітного редуктора на пев-ний проміжок часу мо-
жуть випадати з синхронного руху і далі, залежно від параметрів редуктора (а також інших елемен-
тів). Електромеханічна система або досягає певного робочого усталеного режиму, або втрачає
можливість передавання механічної потужності від вітрової турбіни до генератора внаслідок випа-
діння із синхронізму роторів магнітного редуктора. При цьому переважно від значення максимального
магнітного моменту редуктора залежить стійкість роботи вітроенергетичної установки в цілому.
Бібл. 13, рис. 8.
Ключові слова: вітрова турбіна, магнітний редуктор, генератор з постійними магнітами, комп’юте-
рне моделювання, режими роботи установки, стійкість магнітного редуктора.
MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC
GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR
Received Sep. 11, 2024; accepted Sep. 16, 2024
Available online Oct. 01, 2024
Grebenikov V.1, Podoltsev O.2,
Mazurenko L.3, Gamaliia R.4
Author for correspondence: Grebenikov Viktor,
e-mail: elm1153@gmail.com
The paper developed a Simulink computer model of a small-power
wind power plant (3 kW), which uses a magnetic gearbox instead
of a mechanical gearbox, and also contains a synchronous genera-
tor with permanent magnets. Based on this model, calculations of
related mechanical and electrical processes were carried out in two
modes of its operation - start-up mode and mode of instantaneous
increase in wind speed acting on the wind turbine (from 10 m/s to 14 m/s and then again to 10 m/ with). According
to the results of the calculations, it is shown that in transient modes when short-term dynamic overloads occur,
both rotors of the magnetic gearbox may fall out of synchronous motion for a certain period of time and then,
depending on the parameters of the gearbox (as well as its other elements), the electromechanical system or
reaches a certain working steady state, or loses the ability to transmit mechanical power from the wind turbine
1 д-р техн. наук
https://orcid.org/ 0000-0002-1114-1218
2 д-р техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-9029-9397
3 д-р техн. наук
https://orcid.org/00000-0002-7059-249Х
4 канд. фіз-мат. наук
https://orcid.org/0000-0002-5729-7891
1, 2, 3, 4 Інститут електродинаміки НАН
України, м. Київ, Україна
1 Dr. of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-1114-1218
2 Dr. of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-9029-9397
2 Dr. of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-7059-249Х
4 D. in Physics and Mathematics
https://orcid.org/0000-0002-5729-7891
1, 2, 3, 4 Institute of Electrodynamics of the
NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine
85
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
to the generator due to the rotors of the magnetic gearbox falling out of synchronism. At the same time, the
stability of the wind power plant as a whole depends mainly on the value of the maximum magnetic moment of
the reducer. Bibl. 13, Fig. 8.
Keywords: wind power plant, wind turbine, magnetic gearbox, permanent magnet generator, com-puter model-
ing, plant operation modes, stability of magnetic gearbox.
Перелік використаних скорочень та позначень:
НР – низькошвидкісний ротор
МР – магнітний редуктор
ВР – високошвидкісний ротор
ККД – коефіцієнт корисної дії
Вступ. У сучасному світі зростає використання відновлюва-
них джерел енергії через дедалі більші труднощі, пов’язані
з використанням енергії, отриманої шляхом спалювання
природних ресурсів. Одним із перспективних рішень у цій
сфері є використання енергії вітру, що дозволяє ефективно
та раціонально виробляти електричну енергію [1].
При цьому все частіше використовуються вітроустано-
вки малої потужності (3–5 кВт), частота обертання вітро-
ротора яких при середній швидкості вітру V = 3–5 м/с
досить мала і становить приблизно n = 100–200 об/хв.
Тихохідний електрогенератор для вітроустановки з та-
кою частотою обертання в разі безпосереднього з’єд-
нання вала вітроротора та електрогенератора має ба-
гато полюсів і досить великі габарити [1]. Тому часто
застосовують підвищувальні редуктори (мультипліка-
тори), які дають змогу підвищити частоту обертання
електрогенератора в кілька разів і тим самим зменшити
масу його активної частини, оскільки електромагнітний
крутний момент пропорційний об’єму електричної ма-
шини. Однак механічні редуктори є джерелом додатко-
вого шуму, вимагають досить частого обслуговування,
знижують термін служби вітроустановки.
Останнім часом для вітроустановок дедалі частіше вико-
ристовують магнітні редуктори на постійних магнітах,
які, на відміну від механічних мультиплікаторів, не ство-
рюють додаткового шуму, не потребують змащення, до-
вговічність роботи в них вища, експлуатаційні витрати
також істотно знижуються [2, 3].
Слід також відзначити важливу особливість магнітних
редукторів (МР) для вітроустановок. Магнітний редук-
тор, на відміну від механічного, може прослизати (пере-
кидатися), якщо навантаження на генераторі перевищує
розрахункове пікове значення або при номінальному
навантаженні швидкість вітру зростає до ураганної. У кла-
сичних випадках застосовують спеціальні заходи проти
руйнування вітроустановки при ураганних вітрах. Під час
ураганного вітру ротор МР буде прослизати і тим самим
страхувати вітроустановку від механічного руйнування.
Протягом останнього десятиліття фахівці у галузі електри-
чних машин багато уваги приділяють створенню та дослі-
дженню МР [5, 6]. На сьогодні найкращим вважається
конструкція МР із модульованим магнітним полем у по-
вітряному проміжку, яка була запропонована в роботі [7].
Для з’ясування можливості використання таких МР у віт-
роенергетичних установках необхідно провести попере-
дні дослідження щодо роботи таких систем як в устале-
них, так і в перехідних режимах. Слід зазначити, що хоча
електромеханічні процеси безпосередньо в МР розгля-
далися в багатьох роботах, наприклад [8, 9], динамічні
процеси в МР як елементі складної електромеханічної си-
стеми – вітростановки досліджувалися недостатньо.
Мета роботи. Метою цієї роботи є розробка комп’ютер-
ної моделі та дослідження пов’язаних механічних та
електричних динамічних процесів в основних елемен-
тах вітроелектричної установки малої потужності (3 кВт),
в який замість механічного редуктора використовується
магнітний редуктор.
Виклад основного матеріалу
1. Комп’ютерна модель установки. На рис. 1 показана
структура вітроелектричної установки, що використову-
ється в цій роботі для заряджання акумуляторної батареї.
Вона містить вітрову турбіну, вал якої приєднаний до низь-
кошвидкісного ротора (НР) магнітного редуктора, син-
хронний генератор з постійними магнітами приєднаний
до високошвидкісного ротора (ВР) магнітного редуктора.
Рис. 1. Структура вітроустановки, що досліджується в роботі
Fig. 1. The structure of the wind energy installation, which is being studied in the work
86
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
Трифазна обмотка генератора підключена до випрям-
ляча, до виходу якого під’єднаний DC-DC конвертор з
акумуляторною батареєю. В роботі розроблена Sim-
ulink-модель такої установки, що відповідає наведеній
структурі (рис. 2). У цій моделі регулятор напруги ра-
зом з акумулятором представлені еквівалентним рези-
стивним навантаженням. Далі надаються математичні
моделі та наведено опис основних елементів цієї мо-
делі.
1.1. Вітрова турбіна. Механічна потужність та механіч-
ний момент вітрової турбіни в роботі розраховується на
основі таких виразів [1]:
350 windPturbina AV,),(CP = , (1)
turbinaturbinaturbina /PT = , (2)
де – густина повітря, 2RA = ( R – зовнішній радіус
турбіни), turbina – кутова швидкість вала турбіни, без-
розмірний коефіцієнт PС розраховується як
,Ce)CC/C(С),(C i/C
iP
64321
5 +−−=
−
1
2 1
0350
080
1 −
+
+
= )
,
,
(i
,
де windturbina V/R = , а − кут розташування лопатей
турбіни, град. Результати розрахунку потужності вітроту-
рбіни за виразом (1) як функції швидкості обертання тур-
біни n при різних значеннях швидкості вітру windV та
при ,0= =R 2,2 м, що відповідає номінальній потуж-
ності турбіни – 3 кВт, наведені на рис. 3. Із цього рисунку
видно, що для кожного значення windV існує оптимальне
значення turbina , коли механічна потужність турбіни до-
сягає максимального значення max
turbinaP .
Рис. 2. Simulink-модель вітроустановки
Fig. 2. Simulink wind turbine model
87
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
На основі виразів (1), (2) був розроблений Simulink-блок,
показаний на рис. 2. синім кольором. Цей блок дозво-
ляє за вхідними величинами, що розташовані на блоці
ліворуч, розрахувати вихідні величини – turbinaturbina P,T ,
розташовані праворуч, та використовується далі як еле-
мент інтегрованої моделі всієї вітроелектричної устано-
вки.
1.2. Магнітний редуктор. Схематична конструкція маг-
нітного редуктора показана на рис. 4. Він складається з
зовнішнього ротора з постійними магнітами 4 та зами-
качем магнітного потоку 1, модулятора магнітного поля
3, з’єднаного з валом вітрової турбіни та високошвидкі-
сного ротора з постійними магнітами 5 і полюсами 2,
з’єднаного з валом електрогенератора. Зовнішній діа-
метр магнітного редуктора становить 172 мм, діаметр
внутрішнього ротора – 106 мм, осьова довжина актив-
ної частини – 50 мм, повітряні проміжки – 1 мм.
Зовнішній ротор має 19 пар полюсів, внутрішній високо-
швидкісний ротор – 3 пари полюсів, модулятор – 22 фе-
ромагнітних елементи. Тип магнітів – N42. На зовніш-
ньому роторі розміщені постійні магніти радіальної
намагніченості, а на внутрішньому – тангенціальної.
Маса постійних магнітів редуктора становить 1,4 кг. Кое-
фіцієнт передачі магнітного редуктора дорівнює 7,33 та
обчислюється за формулою:
G = (Pl + Ph)/Ph, де та – кількість пар полюсів відпо-
відно на зовнішньому та внутрішньому роторах. Не ціле
значення коефіцієнта передачі вибрано з міркування
зниження паразитного зубцевого моменту магнітного
редуктора [12].
Результати комп’ютерного моделювання магнітного ре-
дуктора та розрахунки статичних моментних характери-
стик показали, що максимальний крутний момент на
валу модулятора не перевищує 159 Нм. При цьому на
високошвидкісному роторі максимальний момент ста-
новить 23 Нм.
Математична модель, що описує динаміку обертового
руху роторів магнітного редуктора, має такий вигляд
[10]:
)ppsin(TTk
dt
d
J hhllmaxturbinell
l
l
−−=+ ,
genhhll
max
hh
h
h T)ppsin(
G
T
k
dt
d
J −−=+
, (3)
h
h
l
l
dt
d
,
dt
d
== .
Тут −h,lJ момент інерції відповідно НР (позначається
індексом l – low speed) та ВР (позначається індексом h –
high speed), h,l , h,l – кутова швидкість та кутове поло-
ження обох валів, −h,lp число пар полюсів, −h,lk кое-
фіцієнт в’язкого тертя, maxT – максимальне значення
Рис. 4. Магнітний редуктор
Fig. 4. Magnetic gearbox
Рис. 3. Залежність потужності вітротурбіни від швидкості її обертання при різних швидкостях вітру.
Fig. 3. Dependence of wind turbine power on its rotation speed at different wind speeds
88
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
магнітного моменту, що діє на НР, – коефіцієнт пере-
дачі магнітного редуктора.
Розроблена Simulink-модель магнітного редуктора, що
реалізує систему рівнянь (3), була раніше описана в ро-
боті авторів [13]. Ця модель побудована як еквівалентне
механічне коло, що складається з кола для НР та меха-
нічного кола для ВР, що зв’язані між собою за допомо-
гою інформаційного сигналу, що відповідає виразу
)ppsin( hhll − у математичній моделі (3) та зале-
жить від миттєвого положення обох роторів. Як вхідні
величини тут використовуються два моменти –
genturbine T,T , а вихідні величини – кутові швидкості обе-
ртання обох роторів h,l . На рис. 2 блок магнітного ре-
дуктора позначено сірим кольором.
1.3. Модель електричного генератора та випрямляча.
В роботі використовувалася базова модель з бібліотеки
Simscape синхронного генератора з постійними магні-
тами та модель випрямляча, що побудована на базі
блоку Universal bridge (рис. 2). Під час проєктування та
розрахунку електричного генератора з постійними маг-
нітами (рис. 5) було використано статор стандартного
асинхронного двигуна АІР112М6, в якому короткозамк-
нений ротор замінено на ротор з постійними магнітами.
Статор має такі розміри: зовнішній діаметр Da = 191 мм,
внутрішній діаметр статора Di = 108 мм, число пазів
Zp = 36; висота пазів hs = 18,5 мм, довжина активної час-
тини осердя lFe = 125 мм. Число провідників у пазу – W
= 1, кожний виток складається з 36 жил діаметром
1,25 мм. Таке число витків вибрано, щоб генератор за но-
мінальної частоти обертання забезпечував заряд акуму-
лятора напругою 24 В. Величина повітряного проміжку
між статором і ротором дорівнює = 1,5 мм. Ротор із по-
стійними магнітами має зовнішній діаметр, що дорівнює
Dra = 105 мм; у ньому розміщені постійні магніти розмі-
ром (125×25×10 мм), тип магнітів – N42. Магніти в роторі
мають тангенціальне розташування. Таке розташування
магнітів у роторі дає змогу отримати найкращі питомі ха-
рактеристики [9]. На рис. 5 наведено загальний вигляд і
картину розподілу магнітного поля в активній зоні гене-
ратора.
2. Розрахунок перехідних процесів у вітроелектричній
установці з магнітним редуктором. Розроблена Sim-
ulink-модель установки в цілому, що наведена на рис. 2,
складається з моделі вітрової турбіни, магнітного реду-
ктора, синхронного генератора з постійними магнітами,
випрямляча, що підключений до виходу генератора та
до еквівалентного резистивного навантаження. Для
проведених розрахунків використовувалися такі почат-
кові дані:
– Вітрова турбіна: номінальна потужність – 3 кВт, номі-
нальна частота обертання – 250 об/хв.
– Магнітний редуктор:
=maxT 159 Н∙м, =hk 0,0017Н∙м∙с, lk =0,08 Н∙м∙с, =lp
19, =hp 3, == hl JJ 0,001 кг∙м2, коефіцієнт редукції
G=7,33. Для розрахунку цих параметрів МР використо-
вувався розрахунок методом скінченних елементів
польової задачі в пакеті Simcenter Magnet.
– Генератор: активний опір фази – 0,022 Ом, індуктив-
ність фази – 26,7 мкГн, число пар полюсів – 4, потокоз-
чеплення від постійних магнітів – 0,26 В∙с. Для розраху-
нку цих параметрів генератора використовувався
розрахунок методом скінченних елементів польової за-
дачі в пакеті Simcenter MotorSolve. Далі наведені ре-
зультати розрахунку роботи установки при вказаних па-
раметрах у двох режимах роботи.
2.1. Режим пуску установки та вихід на усталений ре-
жим. У роботі виконувався розрахунок пускового ре-
жиму вітроелектричної установки за умови, що швид-
кість вітру повільно збільшується від нуля до 10 м/с і
потім установка працює в усталеному режимі. Резуль-
тати розрахунку часових характеристик МР – кутової
швидкості, механічного моменту та механічної потуж-
ності для НР та для ВР, наведені на рис. 6. Видно, що
на початку процесу (часовий проміжок 3–4,2 с) всі ха-
рактеристики на валу НР, що приєднаний до вітрової
турбіни, мають осциляції, що відображають процес
входження в синхронізм ВР. Після виходу на устале-
ний режим механічна потужність на валу турбіни, а та-
кож НР становить 3 кВт, а на валу ВР, а також генера-
тора – 2,8 кВт (середнє значення). Звідси, розрахун-
кове значення ККД магнітного редуктора дорівнює
94 %. Електричні характеристики генератора в цьому
режимі роботи установки наведені на рис. 7. Видно,
що при втягуванні в синхронізм ВР напруга та струм у
навантаженні, а також на виході генератора зростають
до усталеного значення.
Рис. 5. Електричний генератор
Fig. 5. Electric generator
89
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
2.2. Робота установки при виникненні пориву вітру. Ро-
зраховується попередній режим роботи установки з тою
відмінністю, що в момент часу 5 с, коли система досягла
усталеного режиму роботи, швидкість вітру миттєво збі-
льшується від 10 до 14 м/с і потім в момент часу 7 с ця
швидкість знову повертається до значення 10 м/с (при-
близна модель пориву вітру). Результати розрахунку ча-
сових характеристик МР наведені на рис. 8. Тут всі гра-
фіки відображають ті самі величини, що й на рис. 6.
Видно, що при виникненні порив вітру (в момент часу
5 с), обидва ротори МР випадають з синхронізму і реду-
ктор втрачає можливість передавання механічної поту-
жності від турбіни до генератора. При цьому НР починає
обертатися з відносно великою швидкістю – як реакція
на потужний вітер, а швидкість ВР зменшується внаслі-
док випадіння із синхронізму МР. Процес зменшення
цієї швидкості триває до моменту часу (дорівнює 7 с),
коли швидкість вітру зменшується до початкового зна-
чення – 10 м/с. І потім МР виходить на штатний устале-
ний режим роботи, як і на рис. 6.
Для того щоб встановити загальні умови стійкої роботи
МР у динамічних режимах, розглянемо систему рів-
нянь (3). Із аналізу першого та другого рівняння, що ві-
дображають баланс моментів на валу відповідно НР та
ВР, можна припустити, що для стабільної роботи необ-
хідно одночасне виконання двох умов:
maxTk
dt
d
JT ll
l
lturbine −−
,
G
T
Tk
dt
d
J genhh
h
h
max++
. (4)
З цих двох виразів за відсутності перших складових, що
відповідають моментам інерції, можна отримати такі
Рис. 7. Електричні процеси на виході генератора
Fig. 7. Electrical processes at the output of the generator
Рис. 6. Динамічні характеристики МР
Fig. 6. Dynamic characteristics of MR
90
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
умови роботоспроможності установки з МР в устале-
ному режимі:
G
T
TkTkT genhhllturbine
max
max , +− .
Як зазначено в [5, 6], використання потужнішого МР зі
збільшеним значенням максимального магнітного мо-
менту до значення Tmax ≥ (1,2÷1,5)Tturbine дозволяє отри-
мати більш стійку до перенавантажень роботу як МР,
так і вітроелектричної установки в цілому.
Висновки. У роботі розроблена комп’ютерна Simulink-
модель вітроелектричної установки малої потужності
(3 кВт), в який замість механічного редуктора використо-
вується магнітний редуктор, до виходу якого приєдну-
ється синхронний генератор з постійними магнітами. До
обмотки генератора підключено випрямляч, що живить
еквівалентне резистивне навантаження. На основі розро-
бленої моделі установки проведені дослідження пов’яза-
них механічних та електричних процесів в основних її
елементах у двох режимах роботи – пусковому режимі та
режимі миттєвого коливання швидкості вітру, що діє на
вітрову турбіну – від 10 до 14 м/с і потім знову 10 м/с.
За результатами проведених розрахунків показано, що
в перехідних режимах при виникненні короткочасних
динамічних перевантажень обидва ротори магнітного
редуктора на певний проміжок часу можуть випадати з
синхронного руху і далі, залежно від параметрів редук-
тора (а також інших елементів), електромеханічна сис-
тема або досягає робочого усталеного режиму, або
втрачає можливість передавання механічної потужності
від вітрової турбіни до генератора внаслідок випадіння
із синхронізму роторів магнітного редуктора. При цьому
переважно від значення максимального магнітного мо-
менту редуктора залежить стабільність роботи вітрое-
лектричної установки в цілому.
Робота виконана за фінансової підтримки Національ-
ного фонду досліджень України – проєкт «Електро-
механічні системи підвищеної енергоефективності для
енергетики, технологій і транспорту», 2024–2025 рр.
ПОСИЛАННЯ
1. Heier S. Grid integration of wind energy onshore and
offshore conversion systems. Wiley. 2014. 513 p.
2. Bao G. Q., Mao K. F. A Wind Energy Conversion System
with Field Modulated Magnetic Gear. 2011 Asia-Pacific
Power and Energy Engineering Conference
DOI: 10.1109/APPEEC.2011.5748902
3. Li K., Modaresahmadi S., Williams W., Wright J., Som D.,
Bird J. Z. Designing and Experimentally Testing a Mag-
netic Gearbox for a Wind Turbine Demonstrator. IEEE
Transactions on Industry Applications (Volume: 55, Is-
sue: 4, July-Aug. 2019) DOI: 10.1109/TIA.2019.2905838
4. Rashid M. H. Electric Renewable Energy Systems. Else-
vier. 2016. 587 p.
5. Ruiz-Ponce G., Arjona M. A., Hernandez C., Escarela-Pe-
rez R. A Review of Magnetic Gear Technologies Used in
Mechanical Power Transmission. Energies. 2023. 16(4)
1721. https://doi.org/10.3390/en16041721.
6. Bo Yan, Xianglin Li, Xiuhe Wang, Yubo Yang. A review on
the field-modulated magnetic gears: Development sta-
tus, potential applications, and existent challenges. IET
Electrical Power Application. 2024. 18. P. 1–17. DOI:
10.1049/elp2.12365.
7. Atallah K., Howe D. A novel high-performance magnetic
gear. IEEE Trans. Magn. 2001. 37(4). P. 2844–3846.
DOI: 10.1109/20.951324.
8. Saleh M. Sh., EL-Betar A. A., EL-Assal A. M. Review of
Modeling and Simulation Technologies Application to
Wind Turbines Drive Train. Journal on Today’s Ideas –
Рис. 8. Динамічні характеристики МР при виникненні пориву вітру
Fig. 8. Dynamic characteristics of MR when a gust of wind occurs
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/5746778/proceeding
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/5746778/proceeding
https://doi.org/10.1109/APPEEC.2011.5748902
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=8752494&punumber=28
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=8752494&punumber=28
https://doi.org/10.1109/TIA.2019.2905838
https://doi.org/10.1109/20.951324
91
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Вітроенергетика
Tomorrow’s Technologies, Vol. 2, No. 2, December
2014. P. 117–131. DOI: 10.15415/jotitt.2014.22018.
9. Penzkofer A., Atallah. K. Analytical Modelling and Op-
timisation of Pseudo Direct Drive Permanent Magnet
Machines for Large Wind Turbines. IEEE Transactions on
Magnetics. 2015. V. 51 No. 12. P. 31–37. DOI:
10.1109/TMAG.2015.2461175.
10. Badr-El-Boudour Bidonche. Transient Performance of a
Magnetic Geared Induction Machine. COMPEL. 2020.
July. P. 1–17. DOI:10.1108/COMPEL-12-2019-0485.
11. Dobzhanskyi O., Grebenikov V., Gouws R., Gamaliia R.,
Hossain E. Comparative Thermal and Demagnetization
Analysis of the PM Machines with Neodymium and Fer-
rite Magnets. Energies. 2022. Vol. 15. Issue 12. 4484.
P. 1–15. DOI: 10.3390/en15124484.
12. Гребеников В. В., Гамалея Р. В. Магнитный редуктор
для ветроустановок малой мощности. Гідроенерге-
тика України. 2019. № 3-4. С. 65–68.
https://uhe.gov.ua/media_tsentr/zhurnal_hidroenerh
etyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
13. Grebenikov V. V., Podoltsev O. D., Gamaliia R. V., Tazhi-
baev А. А., Arynov N. N., Sakhno О. А. Computer Mod-
eling of Ttransient Eelectromagnetic Pprocesses in a
Wind Power Plant with a Magnetic Gearbox/ Tekhnich-
na Electrodynamica. 2024, N 6.
REFFERENS
1. Siegfried Heier. Grid integration of wind energy onshore
and offshore conversion systems. Wiley. 2014. 513 p.
2. Bao G. Q., Mao K. F. A Wind Energy Conversion System
with Field Modulated Magnetic Gear. 2011 Asia-Pacific
Power and Energy Engineering Conference
DOI: 10.1109/APPEEC.2011.5748902
3. Li K., Modaresahmadi S., Williams W., Wright J., Som D.,
Bird J. Z. Designing and Experimentally Testing a Mag-
netic Gearbox for a Wind Turbine Demonstrator. IEEE
Transactions on Industry Applications ( Volume: 55, Is-
sue: 4, July-Aug. 2019) DOI: 10.1109/TIA.2019.2905838
4. Rashid M. H. Electric Renewable Energy Systems. Else-
vier. 2016. 587 p.
5. Ruiz-Ponce G., Arjona M.A., Hernandez C., Escarela-Pe-
rez R. A Review of Magnetic Gear Technologies Used in
Mechanical Power Transmission. Energies. 2023. 16(4)
1721. https://doi.org/10.3390/en16041721.
6. Bo Yan, Xianglin Li, Xiuhe Wang, Yubo Yang. A review on
the field-modulated magnetic gears: Development sta-
tus, potential applications, and existent challenges. IET
Electrical Power Application. 2024. 18. P. 1–17. DOI:
10.1049/elp2.12365.
7. Atallah K., Howe D. A novel high-performance magnetic
gear. IEEE Trans. Magn. 2001. 37(4). pp. 2844-3846.
DOI: 10.1109/20.951324.
8. Saleh M. Sh., EL-Betar A. A., EL-Assal A. M. Review of
Modeling and Simulation Technologies Application to
Wind Turbines Drive Train. Journal on Today’s Ideas –
Tomorrow’s Technologies, Vol. 2. No. 2, December
2014. P. 117–131. DOI: 10.15415/jotitt.2014.22018.
9. Penzkofer A., Atallah K. Analytical Modelling and Opti-
misation of Pseudo Direct Drive Permanent Magnet Ma-
chines for Large Wind Turbines. IEEE Transactions on
Magnetics. 2015. V.51 No. 12. P. 31–37. DOI:
10.1109/TMAG.2015.2461175.
10. Badr-El-Boudour Bidonche. Transient Performance of a
Magnetic Geared Induction Machine. COMPEL. 2020.
July. P. 1–17. DOI:10.1108/COMPEL-12-2019-0485.
11. Dobzhanskyi O., Grebenikov V., Gouws R., Gamaliia R.,
Hossain E. Comparative Thermal and Demagnetization
Analysis of the PM Machines with Neodymium and Fer-
rite Magnets. Energies. 2022. Vol. 15. Issue 12. 4484.
P. 1–15. DOI: 10.3390/en15124484.
12. Grebenikov V. V., Gamaliia R. V. Magnetic gearbox for
low-power wind turbines // Hydroenergy of Ukraine.
2019. No. 3-4. P. 65–68. https://uhe.gov.ua/me-
dia_tsentr/zhurnal_hidroener-
hetyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
13. Grebenikov V. V., Podoltsev O. D., Gamaliia R. V., Tazhi-
baev А. А., Arynov N. N., Sakhno О. А. Computer Mod-
eling of Ttransient Eelectromagnetic Pprocesses in a
Wind Power Plant with a Magnetic earbox/ Tekhnichna
Electrodynamica. 2024, N 6.
http://dx.doi.org/10.1108/COMPEL-12-2019-0485
https://uhe.gov.ua/media_tsentr/zhurnal_hidroenerhetyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
https://uhe.gov.ua/media_tsentr/zhurnal_hidroenerhetyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/5746778/proceeding
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/5746778/proceeding
https://doi.org/10.1109/APPEEC.2011.5748902
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=8752494&punumber=28
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=8752494&punumber=28
https://doi.org/10.1109/TIA.2019.2905838
https://doi.org/10.1109/20.951324
http://dx.doi.org/10.1108/COMPEL-12-2019-0485
https://uhe.gov.ua/media_tsentr/zhurnal_hidroenerhetyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
https://uhe.gov.ua/media_tsentr/zhurnal_hidroenerhetyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
https://uhe.gov.ua/media_tsentr/zhurnal_hidroenerhetyka_ukrayiny/gidroenergetika-ukraini-2019-no3-4
|
| id | veorgua-article-474 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:13:56Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/2b/b4bc6e0c3d9466141c7ffff9fec40a2b.pdf |
| spelling | veorgua-article-4742026-07-18T06:32:20Z MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR МОДЕЛЮВАННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У ВІТРОУСТАНОВЦІ МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ З МАГНІТНИМ РЕДУКТОРОМ І ЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ НА ПОСТІЙНИХ МАГНІТАХ Grebenikov , V. Podoltsev , O. Mazurenko , L. Gamaliia , R. wind power plant, wind turbine, magnetic gearbox, permanent magnet generator, com-puter modeling, plant operation modes, stability of magnetic gearbox. вітрова турбіна, магнітний редуктор, генератор з постійними магнітами, комп’ютерне моде-лювання, режими роботи установки, стійкість магнітного редуктора. The paper developed a Simulink computer model of a small-power wind power plant (3 kW), which uses a magnetic gearbox instead of a mechanical gearbox, and also contains a synchronous generator with permanent magnets. Based on this model, calculations of related mechanical and electrical processes were carried out in two modes of its operation - start-up mode and mode of instantaneous increase in wind speed acting on the wind turbine (from 10 m/s to 14 m/s and then again to 10 m/ with). According to the results of the calculations, it is shown that in transient modes when short-term dynamic overloads occur, both rotors of the magnetic gearbox may fall out of synchronous motion for a certain period of time and then, depending on the parameters of the gearbox (as well as its other elements), the electromechanical system or reaches a certain working steady state, or loses the ability to transmit mechanical power from the wind turbine to the generator due to the rotors of the magnetic gearbox falling out of synchronism. At the same time, the stability of the wind power plant as a whole depends mainly on the value of the maximum magnetic moment of the reducer. Bibl. 13, Fig. 8. У роботі розроблена комп’ютерна Simulink-модель вітроенергетичної установки малої потужності (3 кВт), в який замість механічного редуктора використовується магнітний редуктор, а також наявний синхронний генератор з постійними магнітами. На основі цієї моделі проведені розрахунки пов’язаних механічних та електричних процесів у двох режимах її роботи – пусково-му режимі та режимі миттєвого коливання швидкості вітру, що діє на вітрову турбіну (від 10 до 14 м/с і потім знову 10 м/с). За результатами проведених розрахунків показано, що в перехідних режимах при виник-ненні короткочасних динамічних перевантажень обидва ротори магнітного редуктора на пев-ний проміжок часу можуть випадати з синхронного руху і далі, залежно від параметрів редуктора (а також інших елементів). Електромеханічна система або досягає певного робочого усталеного  режиму, або втрачає можливість передавання механічної потужності від вітрової турбіни до генератора внаслідок випадіння із синхронізму роторів магнітного редуктора. При цьому переважно від значення максимального магнітного моменту редуктора залежить стійкість роботи  вітроенергетичної установки в цілому. Бібл. 13, рис. 8. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-09-29 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/474 10.36296/1819-8058.2024.3(78).84-91 Vidnovluvana energetika ; No. 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 84-91 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 84-91 Відновлювана енергетика; № 3(78) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 84-91 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.3(78) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/474/383 Copyright (c) 2024 V. Grebenikov , O. Podoltsev , L. Mazurenko , R. Gamaliia https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | wind power plant wind turbine magnetic gearbox permanent magnet generator com-puter modeling plant operation modes stability of magnetic gearbox. Grebenikov , V. Podoltsev , O. Mazurenko , L. Gamaliia , R. MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR |
| title | MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR |
| title_alt | МОДЕЛЮВАННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У ВІТРОУСТАНОВЦІ МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ З МАГНІТНИМ РЕДУКТОРОМ І ЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ НА ПОСТІЙНИХ МАГНІТАХ |
| title_full | MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR |
| title_fullStr | MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR |
| title_full_unstemmed | MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR |
| title_short | MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN A LOW-POWER WIND TURBINE WITH A MAGNETIC GEARBOX AND A PERMANENT MAGNET GENERATOR |
| title_sort | modeling of transient processes in a low-power wind turbine with a magnetic gearbox and a permanent magnet generator |
| topic | wind power plant wind turbine magnetic gearbox permanent magnet generator com-puter modeling plant operation modes stability of magnetic gearbox. |
| topic_facet | wind power plant wind turbine magnetic gearbox permanent magnet generator com-puter modeling plant operation modes stability of magnetic gearbox. вітрова турбіна магнітний редуктор генератор з постійними магнітами комп’ютерне моде-лювання режими роботи установки стійкість магнітного редуктора. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/474 |
| work_keys_str_mv | AT grebenikovv modelingoftransientprocessesinalowpowerwindturbinewithamagneticgearboxandapermanentmagnetgenerator AT podoltsevo modelingoftransientprocessesinalowpowerwindturbinewithamagneticgearboxandapermanentmagnetgenerator AT mazurenkol modelingoftransientprocessesinalowpowerwindturbinewithamagneticgearboxandapermanentmagnetgenerator AT gamaliiar modelingoftransientprocessesinalowpowerwindturbinewithamagneticgearboxandapermanentmagnetgenerator AT grebenikovv modelûvannâperehídnihprocesívuvítroustanovcímaloípotužnostízmagnítnimreduktoromíelektrogeneratoromnapostíjnihmagnítah AT podoltsevo modelûvannâperehídnihprocesívuvítroustanovcímaloípotužnostízmagnítnimreduktoromíelektrogeneratoromnapostíjnihmagnítah AT mazurenkol modelûvannâperehídnihprocesívuvítroustanovcímaloípotužnostízmagnítnimreduktoromíelektrogeneratoromnapostíjnihmagnítah AT gamaliiar modelûvannâperehídnihprocesívuvítroustanovcímaloípotužnostízmagnítnimreduktoromíelektrogeneratoromnapostíjnihmagnítah |