Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorГоловко, Володимир Михайлович
dc.contributor.authorКоваленко, Ірина Яківна
dc.date.accessioned2024-01-03T08:39:53Z
dc.date.available2024-01-03T08:39:53Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractКоваленко І. Я. Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка в галузі знань 14 «Електрична інженерія». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. Дисертаційне дослідження присвячене дослідженню та вирішенню актуального наукового завдання, що полягає в обґрунтуванні методів регулювання вихідної потужності та розробці математичної моделі генераторного обладнання безмультиплікаційної автономної вітроелектроустановки, з урахуванням даних методів, шляхом імітаційного моделювання за змінної частоти обертання ротора вітроустановки. В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного дослідження. Проведено оцінку загального стану вітроенергетики в регіональному контексті та в цілому оцінено світові тенденції розвитку даної галузі. Розглянуто типи безмультиплікаційних вітроелектричних установок, проаналізовано їх переваги та недоліки, характерні області застосування. За результатами аналізу літературних джерел встановлено, що безмультиплікаційні системи наразі складають 20% від загальної кількості вітрогенераторів на ринку агрегатів малої потужності. Вони успішно розвиваються і конкурують із редукторними системами, оскільки мають ряд принципових переваг, таких як простота конструкції, більш висока надійність та ефективність. Для оцінки існуючих методів та засобів регулювання вихідних параметрів автономних вітроустановок проведено аналіз способів стабілізації вихідних параметрів вітроелектороустановок, проаналізовано їх переваги та недоліки. Предметом регулювання вітроелектричних установок є: вихідна напруга, вихідна частота та вихідна потужність. Аналіз показав, що практично відсутні засоби для регулювання вихідної потужності безмультиплікаційних вітроелектричних установок у складі з магнітоелектричними генераторами з аксіальним магнітним потоком. Для автономних безмультиплікаційних вітроустановок використовується специфічний тип електромеханічних перетворювачів анергії. Вимога до регулювання вихідних параметрів такої системи потребує використання електрогенераторів спеціальної конструкції. Проведено порівняльний аналіз генератора торцевого типу з традиційним циліндричним генератором зі збудженням від постійних магнітів малої потужності. З огляду на переваги генератора торцевого типу, в роботі обрано за основу саме цей тип генератора. В роботі проведено розрахунок параметрів та характеристик магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком та подвійним статором. В роботі проведено порівняльний аналіз аеродинамічних характеристик роторів ВЕУ для відомих профілів – традиційних (Р-ІІ, А-6, BS-10, BS-10, p-11-18), профілів серії GA(W)-1 та ламінованих FX. При розрахунку енергетичних характеристик генератора вітроустановки встановлено, що ротори вітроустановок з профілями лопатей групи традиційних, дозволяють отримати максимальні значення механічної потужності 91,8…93,3 Вт/м2, при значеннях коефіцієнтів використання енергії вітру =0,33…0.44 в діапазоні швидкохідності z=4…5. Ротори з профілями групи 2 дозволяють отримати максимальні значення механічної потужності 114,3…115,7 Вт/м2 при = 0,54…0,55 в діапазоні швидкохідності z = 6…7. Проведено узгодження аеродинамічних характеристик ротора вітротурбіни з механічною характеристикою електрогенератора, що дало можливість встановити межі корекції його за моментом та потужністю за різних значень номінальної швидкості вітру. Так для профілю лопаті серії GA(W) вона складає за моментом 22%, а за потужністю 9,5%, (за номінальної швидкості 5м/с відносно верхньої межі діапазона номінальних значень 8м/с). Для реалізації поставленої задачі, пропонується проаналізувати два методи корекції: приєднання додаткових конденсаторів до обмотки статора генератора та застосування додаткової обмотки підмагнічування статора генератора. В результаті дослідження отримав подальший розвиток метод порівняльного аналізу аеродинамічних характеристик роторів вітроустановок шляхом урахування раціонального взаємовпливу коефіцієнта використання енергії вітру і модуля швидкохідності, що дозволив провести узгодження аеродинамічних характеристик ротора вітротурбіни з механічною характеристикою електрогенератора та встановлювати межі корекції його за моментом та потужністю за різних значень номінальної швидкості вітру. Для оцінки можливості корекції вихідної потужності автономної вітроустановки в дисертаційному дослідженні розроблені чисельні імітаційні моделі. На основі розробленої моделі досліджувались варіанти стабілізації вихідної потужності та напруги при: використанні генератора вітроелектроустановки з одностороннім розташуванням магнітів ротора; корекції вихідної потужності генератора за допомогою введення статичних конденсаторів при дискретних значеннях швидкості вітру; корекції вихідної потужності генератора за допомогою додаткового збудження при дискретних значеннях швидкості вітру; використанні магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком автономної вітроелектроустановки з двостороннім розташуванням магнітів ротора. За результатами математичного моделювання проведено: порівняльний аналіз корекції вихідної потужності генератора за допомогою введення статичних конденсаторів при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру; порівняльний аналіз корекції вихідної потужності генератора за допомогою додаткового збудження при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру. В дисертаційному дослідженні уточнено математичну модель безмультиплікаційної вітроелектроустановки у складі з магнітоелектричним генератором з одностороннім та двостороннім розташуванням магнітів ротора, яка, на відміну від відомої, враховує наявність впливу параметрів подвійного статора та додаткової обмотки для підмагнічування магнітної системи, що дозволило визначити межі корегування вихідної потужності генератора. Обгрунтовано, шляхом структурного імітаційного моделювання та експериментально підтверджено, характер впливу корекції вихідної потужності магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком за допомогою введення статичних конденсаторів та додаткового збудження статора генератора, що дозволило провести оцінку величини корегування вихідної потужності за випадкової зміни швидкості вітру. При підключенні конденсаторів до затискачів генератора спостерігається збільшення вихідної потужності на 5-10%. Водночас, напруга на затискачах, при цьому, зменшується в 1,8 рази, що пояснюється падінням напруги на внутрішніх опорах генератора та ростом активної та реактивної складової струму якоря генератора 2,2 рази. Більш ефективним способом корекції вихідної потужності є використання додаткової підмагнічуючої обмотки магнітоелектричного генератора. При подачі напруги на обмотку збудження Uf=8 В спостерігається приріст вихідної потужності генератора 30-40% ніж без регулювання. Встановлено, що величина ємності залежить від параметрів обмотки якоря електрогенератора, величини взаємоіндукції, характеру та величини навантаження. Для досліджуваного генератора значення ємності лежать в межах від 4,3 – 32,1 мкФ для чисто активного навантаження та для діапазону потужності 0 – 87 Вт. В дисертаційному дослідженні розроблено експериментальний стенд для дослідження параметрів і характеристик автономного магнітоелектричного генератора у складі без мультиплікаційної вітроелектроустановки. За допомогою розробленого стенду оцінено можливість корекції вихідної активної потужності генератора в різних режимах його роботи, а саме: проведено аналіз структурної схеми автономної роботи вітроелектроустановки з корекцією потужності генератора додатковою обмоткою підмагнічування; проведено наліз експериментальних результатів корекції потужності генератора додатковою обмоткою підмагнічування; порівняльний аналіз результатів експерименту та імітаційного моделювання корекції потужності генератора збіжність результатів в межах 7-10%, що підтверджує адекватність розроблених моделей та достовірність отриманих результатів. Використання підмагнічування додатковою обмоткою дозволяє підвищити вихідну активну потужність на: 44%, 35,5%, 18,07%, 21,6% при швидкості обертання 200 об/хв, 350 об/хв, 550 об/хв та 650 об/хв відповідно. 6. За умови підтримки вихідної напруги генератора U1=14,4 В також збільшується вихідна потужність на затискачах генератора на 30 % при 200 об/хв, 12,5% при 350 об/хв, 9,7% при 550 об/хв та 17,6% при 650 об/хв.uk
dc.description.abstractotherKovalenko I.Ya. Autonomous non-multiplication wind power installation with axial-flux generator. - Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in the specialty 141 Electric power, electrical engineering and electromechanics in the field of knowledge 14 "Electrical engineering". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation study is dedicated to the research and solution of an actual scientific task, which consists in substantiating the methods of regulating the output power and developing a mathematical model of the generator equipment of a multiplier-less autonomous wind power plant, taking into account these methods, by means of simulation modeling with variable rotation frequency of the wind turbine rotor. In this work was performed literature and patent search on the topic of the dissertation research. An assessment of the general state of wind energy in the regional context was carried out, and global trends in the development of this industry were generally assessed. The types of non-multiplication wind power plants are considered, their advantages and disadvantages, typical areas of application are analyzed. According to the results of the analysis of literary sources, it was established that the multiplierless systems currently make up 20% of the total number of wind generators on the market of small power units. They are successfully developed and compete with gear systems, as they have a number of fundamental advantages, such as simplicity of design, higher reliability and efficiency. In order to assess the existing methods and means of regulating the initial parameters of autonomous wind turbines, an analysis of methods of stabilizing the initial parameters of wind turbines was carried out, their advantages and disadvantages were analyzed. The subject of regulation of wind power plants is: output voltage, output frequency and output power. The analysis showed that there are practically no means for regulating the output power of multiplicative wind turbines combined with magnetoelectric generators with axial magnetic flux. A specific type of electromechanical energy converters is used for autonomous non-multiplication wind turbines. The requirement to adjust the output parameters of such a system requires the use of specially designed electric generators. A comparative analysis of the end-type generator with a traditional cylindrical generator with excitation from low-power permanent magnets was carried out. Given the advantages of the end-type generator, this type of generator was chosen as the basis for the work. The paper calculates the parameters and characteristics of a magnetoelectric generator with an axial magnetic flux and a double stator. In the work, a comparative analysis of the aerodynamic characteristics of wind turbine rotors for known profiles - traditional (Р-ІІ, А-6, BS-10, BS-10, p-11-18), profiles of the GA(W)-1 series and laminated FX is carried out. When calculating the energy characteristics of the generator of the wind turbine, it was established that the rotors of wind turbines with blade profiles of the traditional group allow to obtain the maximum values of mechanical power of 91.8...93.3 W/m2, with the values of wind energy utilization coefficients =0.33...0.44 in the speed range z=4...5. Rotors with profiles of group 2 allow to obtain maximum values of mechanical power of 114.3...115.7 W/m2 at = 0.54...0.55 in the speed range z = 6...7. The aerodynamic characteristics of the wind turbine rotor were reconciled with the mechanical characteristics of the electric generator, which made it possible to set the limits of its correction in terms of moment and power at different values of the nominal wind speed. Thus, for the blade profile of the GA(W) series, it is 22% in terms of moment, and 9.5% in terms of power (at a nominal speed of 5 m/s relative to the upper limit of the range of nominal values of 8 m/s). To implement the given task, it is proposed to analyze two correction methods: connecting additional capacitors to the generator stator winding and using an additional generator stator magnetization winding As a result of the study, the method of comparative analysis of the aerodynamic characteristics of the rotors of wind turbines was further developed by taking into account the rational interaction of the coefficient of wind energy utilization and the speed module, which made it possible to reconcile the aerodynamic characteristics of the rotor of the wind turbine with the mechanical characteristics of the electric generator and set the limits of its correction in terms of torque and power for different values of the nominal wind speed Numerical simulation models were developed in the dissertation research to assess the possibility of correcting the output power of an autonomous wind turbine. On the basis of the developed model, options for stabilization of output power and voltage were investigated when: using a generator of a wind power plant with one-sided arrangement of rotor magnets; correction of the output power of the generator using the introduction of static capacitors at discrete values of the wind speed; correction of generator output power using additional excitation at discrete values of wind speed; using a magnetoelectric generator with an axial magnetic flux of an autonomous wind power plant with a bilateral arrangement of the rotor magnets. According to the results of mathematical modeling, the following was performed: a comparative analysis of the correction of the output power of the generator using the introduction of static capacitors at discrete and random values of the wind speed; comparative analysis of generator output power correction using additional excitation at discrete and random wind speed values. In the dissertation research, the mathematical model of the multiplicationless wind power plant in the composition with the magnetoelectric generator with one-sided and two-sided arrangement of the rotor magnets was clarified, which, unlike the known one, takes into account the presence of the influence of the parameters of the double stator and an additional winding for magnetizing the magnetic system, which made it possible to determine the limits of the adjustment of the output power of the generator . The nature of the influence of the correction of the output power of a magnetoelectric generator with axial magnetic flux using the introduction of static capacitors and additional excitation of the generator stator was substantiated by means of structural simulation modeling and experimentally confirmed, which made it possible to estimate the amount of correction of the output power under random changes in wind speed. When connecting capacitors to the generator clamps, an increase in output power by 5-10% is observed. At the same time, the voltage on the clamps, in this case, decreases by 1.8 times, which is explained by the voltage drop on the internal resistances of the generator and the growth of the active and reactive components of the generator armature current by 2.2 times. A more effective way of correcting the output power is to use an additional magnetizing winding of the magnetoelectric generator. When applying a voltage to the excitation winding of Uf=8 V, an increase in the output power of the generator is observed by 30-40% compared to without regulation. It was established that the size of the capacity depends on the parameters of the generator armature winding, the amount of mutual inductance, the nature and size of the load. For the studied generator, the capacitance values range from 4.3 to 32.1 F for a purely active load and for a power range of 0 to 87 W. In the dissertation study, an experimental stand was developed for the study of parameters and characteristics of an autonomous magnetoelectric generator in a composition without a multiplying wind power plant. With the help of the developed stand, the possibility of correcting the output active power of the generator in different modes of its operation was evaluated, namely: the structural diagram of the autonomous operation of the wind power plant with the correction of the generator power by an additional magnetizing winding was analyzed; an analysis of the experimental results of generator power correction with an additional magnetization winding was carried out; comparative analysis of the results of the experiment and simulation modeling of the generator power correction, the convergence of the results is within 7-10%, which confirms the adequacy of the developed models and the reliability of the obtained results. The use of magnetization with an additional winding allows you to increase the output active power by: 44%, 35.5%, 18.07%, 21.6% at rotation speeds of 200 rpm, 350 rpm, 550 rpm and 650 rpm in accordance. 6. Under the condition of maintaining the output voltage of the generator U1=14.4 V, the output power at the generator terminals also increases by 30% at 200 rpm, 12.5% at 350 rpm, 9.7% at 550 rpm and 17.6% at 650 rpm.uk
dc.format.extent170 с.uk
dc.identifier.citationКоваленко, І. Я. Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Коваленко Ірина Яківна. – Київ, 2023. – 170 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/63458
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectвідновлювані джерела енергіїuk
dc.subjectвітроелектрична установкаuk
dc.subjectбезмультиплікаційна вітроустановкаuk
dc.subjectавтономна вітроустановкаuk
dc.subjectлокальна системаuk
dc.subjectвітроелектрична станціяuk
dc.subjectвітротурбінаuk
dc.subjectгенератор вітроустановкиuk
dc.subjectсинхронний генераторuk
dc.subjectмагнітоелектричний генератор з аксіальним магнітним потокомuk
dc.subjectелектрична мережаuk
dc.subjectнадійністьuk
dc.subjectавтономна системаuk
dc.subjectасинхронний генераторuk
dc.subjectавтономне джерело живленняuk
dc.subjectRenewable energy sourcesuk
dc.subjectwind power plantuk
dc.subjectmultiplierless wind power plantuk
dc.subjectautonomous wind power plantuk
dc.subjectlocal systemuk
dc.subjectwind power plantuk
dc.subjectwind turbineuk
dc.subjectwind power generatoruk
dc.subjectsynchronous generatoruk
dc.subjectaxial flux magnetoelectric generatoruk
dc.subjectelectric networkuk
dc.subjectreliabilityuk
dc.subjectautonomous systemuk
dc.subjectasynchronous generatoruk
dc.subjectautonomous power sourceuk
dc.subject.udc621.548uk
dc.titleАвтономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типуuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Kovalenko_dys.pdf
Розмір:
5.88 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ВДЕ)
Дисертації (вільний доступ)