КЕРУВАННЯ ОБЕРТАННЯМ РОТОРА ДАР'Є СУМІСНИМИ ЗМІНАМИ ЙОГО КОНФІГУРАЦІЇ І ГАЛЬМІВНОГО МОМЕНТУ ГЕНЕРАТОРА

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2026.01.086

В останні десятиліття галузь "зеленої" енергетики стрімко розвивається. Зростання інтересу до вироблення "зеленої" енергії привело до різкого зростання кількості працюючих систем, серед яких значне місце займають вертикально-осьові вітроенергетичні установки (ВЕУ). Поряд із рядом переваг найбільш складними питаннями при використанні вертикально-осьових ВЕУ є забезпечення їх самостійного запуску та підвищення ефективності. Через обертання турбіни навколо вертикальної осі аеродинаміка турбіни більш складна, ніж у порівнянної горизонтально-осьової вітрової турбіни, і знання та розуміння цих турбін залишаються далекими від завершення. Запровадження будь-яких підходів до покращення властивостей ВЕУ в цілому потребує поглибленого вивчення та узгодження роботи її елементів для забезпечення сумісності роботи окремих складових. В роботі, що пропонується, розглядається система керування обертанням ротора Дар’є вертикально-осьових ВЕУ, яка складається з трьох контурів керування – двох контурів змін довжини лопатей і траверс і контуру керування гальмівним моментом генератора на постійних магнітах. Використання генератора для керування обертанням ротора ВЕУ є традиційним засобом забезпечення малих відхилень швидкості обертання навколо точки максимальної потужності для поточної швидкості вітрового потоку. Застосування з цією метою синхронних генераторів на постійних магнітах, які мають ряд корисних властивостей, є достатньо новим напрямом будови систем керування. В роботі розглядаються особливості динаміки та управління швидкістю обертання ротора вертикально-осьових вітроустановок як об'єкта управління, що стабілізується одночасною зміною конфігурації ротора ВЕУ та гальмівного моменту генератора на постійних магнітах. Одночасне використання трьох каналів стабілізації сприяє більшій адаптації ротора турбіни до змін швидкості вітру, а значить суттєво зменшує навантаження на системи передачі енергії та вимоги до систем розсіяння надлишкової енергії, таких як систем екстреного гальмування, дозволяє знизити витрати енергії на протидію значним змінам швидкості вітру. Використання принципу адаптації для пришвидшення гальмування турбіни в аварійних ситуаціях представляється вельми корисним. В зв’язку із цим продовження попередніх робіт авторів, спрямоване на узагальнення та розповсюдження підходу до управління обертами ротора вертикально-осьових ВЕУ одночасною зміною конфігурації ротора і гальмівного моменту генератора на постійних магнітах стає задачею актуальною, такою що має значний практичний інтерес. Метою статті є синтез та аналіз ефективності алгоритмів стабілізації швидкості обертів ротора Дар’є вертикально-осьових ВЕУ, керованих сумісною зміною конфігурації ротора і гальмівного моменту генератора на постійних магнітах. Методами вирішення задачі є методи класичної теорії автоматичного управління і математичного моделювання. Новизна отриманих результатів полягає в урахуванні керуючих впливів від змін конфігурації ротора та гальмівного моменту генератора на постійних магнітах, визначенні умов стійкості системи стабілізації, а також в розповсюдженні раніше розробленої методики перерозподілу навантаження на канали стабілізації для забезпечення умов їх працездатності. Запропоновані та проаналізовані алгоритми стабілізації та підхід до забезпечення умов працездатності можуть бути використані при проєктуванні перспективних вертикально-осьових ВЕУ різної потужності.

ПОСИЛАННЯ

1. Longhuan Du, Ingram G., Dominy R. G. A review of H Darrieus wind turbine aerodynamic research. Accepted https://doi.org/10.1177/0954406219885962

2. Редчиць Д. А., Щеглов Г. А, Марчевський І. К. Математичне моделювання аеродинаміки ротора вертикально-осьової вітроенергетичної установки. Матеріали IV Всеукраїнської науково-практичної конференції «Сучасні енергетичні установки на транспорті і технології та обладнання для їх обслуговування» (СЕУТТОО-2013), 9–11 жовтня 2013 р. Зб. наук. праць. Херсон. 2013. С. 307–311.

3. Batista N. C., Melício R., Mendes V. M .F., Calderón M., Ramiro A. On a self-start Darrieus wind turbine: Blade design and field tests. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 52(C). P. 508–522. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.147

4. Batista N. C., Melício R., Matias J. C. O., Catalão J. P. S. New blade profile for Darrieus wind turbines capable to self-start. IET Conference on Renewable Power Generation (RPG ). 2011. https://doi.org/10.1049/cp.2011.0219

5. Грiнченко В. Т., Каян В. П. Оптимiзацiя характеристик вiтроротора Дар’є з прямими керованими лопатями. Допов. НАН України. 2015. №6. С. 37–45.

6. Краснолуцкий П., Панцир Ю. Теоретичний аналіз вітродвигуна з поворотними лопатями. Commission of motorization and energetics in agriculture. 2015. Vol. 17, No. 1. С. 51–56.

7. Суббота А. М., Джулгаков В. Г. Підвищення ефективності вітроенергетичної установки з вертикальною віссю обертання. Радіоелектронні і комп’ютерні системи. 2018. № 1(85). С. 77–86.

8. Тарасов С. В., Редчиць Д. О., Тарасов А. С., Дорош О. В. Модель динаміки ротора Дар’є змінної конфігурації. Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції «Інформаційні технології в металургії та машинобудуванні» (ІТММ-2023), 22 березня 2023 р. Зб. наук. праць.  Дніпро: Український державний університет науки і технологій. 2023. С. 208–211.

9. Гайденко Ю. А., Чумак Є. С. Перспективи застосування масиву Хальбаха в електричних машинах з постійними магнітами. Міжнародний науково-технічний журнал «Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики». Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського. 2020. С. 188–191. URL: http://jour.fea.kpi.ua/article/view/231312/230298 (дата звернення 27.11.2025)

10. Дзензерський В. А., Тарасов С. В., Костюков И. Ю. Вітроустановки малої потужності. К.: Наук. думка, 2011. 592 с.

11. Тарасов С. В., Молотков О. Н. Стабілізація обертання ротора Дар'є сумісними змінами довжини лопатей і траверс. Технічна механіка. 2024. № 2. C. 92–105. https://doi.org/10.15407/itm2024.02.092

12. Півняк Г., Шкрабець Ф., Нойбергер Н., Ципленков Д. Основи вітроенергетики: підручник. Дніпро: НГУ, 2015.  335 с. URL: https://pidru4niki.com/83008/tehnika/osnovi_vitroenergetiki (дата звернення)

13. Melício R., Mendes V. M. F., Catalão J. P. S. Fractional order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology. Energy Conversion and Management. V.51, Iss.6. P.1250–1258. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.12.036

14. Pereira T. R., Batista N. C., Fonseca A. R. A., Cardeira С., Oliveira P., Melicio R._Darrieus wind turbine prototype: Dynamic modeling parameter identification and control analysis. Energy. 2018. V. 159, 15, September. P. 961–976. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.06.162

15. Тарасов С. В., Молотков О. Н. Алгоритми стабілізації швидкості обертів ротора Дар’є вітроенергетичної установки, керованого змінами довжини лопатей. Технічна механіка. 2023. № 4. С. 50–59. https://doi.org/10.15407/itm2023.04.050

16. Тарасов С. В., Молотков О. Н. Модель динаміки ротора Дар’є, керованого змінами довжини траверс. Матеріали 15-ї Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні енергетичні установки на транспорті і технології та обладнання для їх обслуговування» (СЕУТТОО-2024). 13–15 березня 2024 р. Зб. наук. праць. Херсон: Херсонська державна морська академія. 2024. С. 224–226.

17. Штіфзон О. Й., Новіков П. В., Бунь В. П. Теорія систем автоматичного управління: Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020.  144 с. URL: https://document.kdu.edu.ua/info_zab/141_1502.pdf (дата звернення 28.11.2025).

18. Liénard et Chipart. Sur la signe de la partie réelle des racines d’une équation algébrique, J. de Math, pure et appl. 1914. (6) 10. P. 291–346.

19. Гантмахер Ф. Р. Теорія матриць.https://nebayduzhi-math.azurewebsites.net/ГантмахерТеоріяМатриць (дата звернення 2.12.2025).

20. Henry D’Angelo. Linear time-varying systems: Analysis and synthesis. Boston: Allyn&Bacon.  1970. 288 p.