ШАМОЛ ВА СУВ ОҚИМИ ТЕЗЛИКЛАРИ ЎЗГАРИШИДА БОШҚАРИЛУВЧИ АСИНХРОН ГЕНЕРАТОРЛАР

Ушбу мақолада шамол ва сув оқими тезликлари ўзгаришидабошқарилувчи асинхрон генератор, хусусан, фаза роторли асинхронгенераторларни амалдаги тармоққа параллел ишлатиш имкониятлари кўрибчиқилган. Бундан ташқари, статор ва ротор фазаларининг кучланишлари, токлари,магнит оқим илашимликларининг матрица шаклида ифодаланиши ёритилган.Асинхрон генераторнинг қуввати ва моменти, тезлигини бошқариш усуллари,PID контроллернинг вақт доимийси функцияси келтириб ўтилган. Шамол электрстанциясининг структура схемаси, имитацион модел ёрдамида шамол тезликларитурлича ўзгаришида қуввати 2,2 кВтли фаза роторли асинхрон генераторнингротор чўлғамига қўшимча қаршилик қиймати ўзгартирган ҳолда тадқиқот ишларинатижалари келтирилган.

DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.15484147

ШАМОЛ ВА СУВ ОҚИМИ ТЕЗЛИКЛАРИ ЎЗГАРИШИДА БОШҚАРИЛУВЧИ АСИНХРОН ГЕНЕРАТОРЛАР

Ислом Каримов номидаги Тошкент Олимжон ТОИРОВ давлат техника университети Энергетика муҳандислиги факультети декани, т.ф.д., профессор Ислом Каримов номидаги Тошкент давлат техника университети Мирзоҳид ТАНИЕВ “Электр машиналари ва юритмалари муҳандислиги” кафедраси доценти, PhD

Аннотация: Ушбу мақолада шамол ва сув оқими тезликлари ўзгаришида бошқарилувчи асинхрон генератор, хусусан, фаза роторли асинхрон генераторларни амалдаги тармоққа параллел ишлатиш имкониятлари кўриб чиқилган. Бундан ташқари, статор ва ротор фазаларининг кучланишлари, токлари, магнит оқим илашимликларининг матрица шаклида ифодаланиши ёритилган. Асинхрон генераторнинг қуввати ва моменти, тезлигини бошқариш усуллари, PID контроллернинг вақт доимийси функцияси келтириб ўтилган. Шамол электр станциясининг структура схемаси, имитацион модел ёрдамида шамол тезликлари турлича ўзгаришида қуввати 2,2 кВтли фаза роторли асинхрон генератор­нинг ротор чўлғамига қўшимча қаршилик қиймати ўзгартирган ҳолда тадқиқот иш­лари натижалари келтирилган.

Калит сўзлар: фаза роторли асинхрон генератор, шамол электр станцияси, PID контроллер, магнит оқим, реактив ва актив қувват, реактив қаршилик, инерция моменти.

УПРАВЛЯЕМЫЕ АСИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ СКОРОСТИ ВЕТРА И ВОДНЫХ ПОТОКОВ

Олимжон ТОИРОВ, Декан факультета Энергетической инженерии Ташкентского государственного технологического университета, д.т.н., профессор

Мирзохид ТАНИЕВ, Доцент кафедры «Инженерия электрических машин и приводов» Ташкентского государственного технического университета, PhD

Аннотация: В данной статье рассмотрены возможности параллельной работы асинх­ ронного генератора, в частности асинхронных генераторов с фазным ротором, которые управляются изменением скорости ветра и потока воды. Кроме того, напряжения, токи и связи магнитных потоков фаз статора и ротора выражаются в виде матрицы. Приведены

CONTROLLED ASYNCHRONOUS GENERATORS UNDER VARIABLE WIND AND WATER FLOW SPEEDS

Olimzhon TOIROV, Dean of the Faculty of Power Engineering of the Tashkent State Technical University, PhD, Professor Mirzohid TANIEV, Associate Professor of the Department of Electrical Machines and Drives Engineering of the Tashkent State Technical University, PhD

Abstract: This article discusses the possibilities of parallel operation of an asynchronous generator, in particular, asynchronous generators with a phase rotor, which are controlled by changing the wind speed and water flow. In addition, voltages, currents and connections of magnetic fluxes of the stator and rotor phases are expressed as a matrix. The power and torque of the asynchronous generator, speed control methods, and the time constant function of the PID controller are

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

мощность и крутящий момент асинхронного генератора, способы регулирования скорости, функция постоянной времени PID-регулятора. Представлены структурная схема ветро­ электростанции, результаты иссле­довательских работ по изменению величины добавочного сопротивления обмотки ротора асинхронного генератора с фазным ротором мощностью 2,2 кВт с помощью имитационной модели при различных скоростях ветра.

Ключевые слова: асинхронный генератор с фазным ротором, ветроэнергетическая установка, PID-регулятор, магнитный поток, реактивная и активная мощность, реактивное сопротивление, момент инерции.

presented. The structural diagram of the wind power plant and the results of research on changing the value of the additional resistance of the rotor winding of an asynchronous generator with a phase rotor with a power of 2.2 kW using a simulation model at different wind speeds are presented. Keywords: asynchronous generator with a phase rotor, wind power plant, PID controller, magnetic flux, reactive and active power, reactance, moment of inertia.

Республикамизда истеъмолчиларга узлуксиз сифатли электр энергиясини етказиб бериш мақсадида, шамол электр станциялари (ШЭС) ва микро гидроэлектр станциялари (ГЭС) дан фойдаланиш, уларда қўлланиладиган генераторларни электр таъминоти тизимига интеграция­ лаш, замонавий технологияларни қўллаш орқали энергия тежамкор ва бошқа­риш режимларини ишлаб чиқиш бўйича катта ислоҳотлар амалга оширил­моқда. 2022-2026 йилларга мўлжалланган янги Ўзбекистоннинг тараққиёт стратегиясида, жумладан “...уй-жой-коммунал хўжалиги, ижтимоий соҳа объектлари ва бошқа соҳаларда қайта тикланувчи энергия манбаларини кенг жорий этиш ва энергия самарадорлигини ошириш...” бўйича муҳим вазифалар белгиланган. Ушбу вазифаларни амалга оширишда, хусусан, шамол ва сув оқими тезликлари ўзгаришида электр таъминоти тизими билан параллел ишловчи фаза роторли асинхрон генераторнинг тезлигини ростлайдиган автоматик бошқариш тизимини ишлаб чиқиш муҳим аҳамият касб этади.

Шамол энергияси тизимида имитацион модел қилинадиган асосий қисмларга шамол турбинаси, асинхрон генератор, узатиш қутиси, трансформатор ва тармоқ киради. Шамол турбинаси тизимининг асосий мақсади – шамолнинг кинетик энергиясини генераторга юбориладиган механик энергияга айлантириш иборат. Шамолнинг кинетик энергияси­- дан олинган механик қувватни қуйидагича ифодалаш мумкин:

бу ерда ρ,A, Vw ва Cp мос равишда ҳаво зичлиги, уриладиган ҳаво майдони юзаси, шамол тезлиги ва шамол турбинаси қувват коэффициенти.

Қувват ва момент коэффициентларини аниқлашнинг асосий усули қуйидаги тарзда ёзилиши мумкин:

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 90 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025

Ушбу тадқиқотда тақдим этилган модел ўзгарувчан тезликка эга уч фазали ФРАГ ни ўз ичига олади. Қисқа туташтирилган асинхрон генераторидан фарқли ўлароқ, ротор валида сирпаниш ҳалқалари ва чўткалар мавжуд. Ўзгарувчан ташқи актив қаршиликни асинхрон генераторининг ротор чўлғамларига кетма-кет улаш орқали генераторнинг айланиш тезлигини ўзгартириш мумкин. Ташқи актив қаршиликни ўзгартириш орқали генераторнинг ишлаши, айниқса, момент, қувват ва фойдали иш коэффициентини ўзгартириш мумкин.

Модел шамол тезлиги, электр юкламаси ва бошқа иш шароитларининг ўзгаришига генераторнинг барқарор ҳолатини тасвирлайди:

ωr ωm = p (3) Статор ва ротор фазаларининг кучланишлари (us, ur), токлари (is, ir) ва магнит оқим илашимликлари (Ψs,Ψr), матрица шакли қуйидагича ифо­ даланиши мумкин:

u A  ua  iA  ia  ψ A  ψ a  us = uB ;       ur = ub ; is = iB ; is = ib ; ψ s = ψ B ; ψ r = ψ b ;       uC  uc  iC  ic  ψ C  ψ c  (4)

бу ерда (us, ur), (is, ir) ва (Ψs,Ψr), мос равишда статор ва ротор фазаларининг кучланишлари, токлари ва магнит оқим илашимликлари. Статор ва ротор кучланиш тенгламалари қуйидагича ёзилиши мумкин:

(5) бу ерда Rs ва Rr – статор ва роторнинг қаршилиги ва Rqo’sh – ротор чўлғамига уланган қўшимча қаршилик.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Статор ва ротор магнит оқим илашимликлари тенгламаларини қуйидагича ёзиш мумкин:

(6) бу ерда Ls ва Lr статор ва ротор индуктивлиги; Msr ва Mrs – статор ва ротор ўртасидаги ўзаро индуктивлик. (6) ва (7) тенгламаларни қуйидагича ёзиш мумкин:

Қўшимча қаршилик киритилган ФРАГ нинг алмаштириш схемасидан фойдаланиб, асинхрон генератор қуввати ва моментини қуйидагича ифодалаш мумкин:

RK ва XK – мос эквивалент актив ва реактив қаршилик;

X1 ва X2 – мос равишда статор ва ротор реактив қаршилиги;

Ташқи ростланувчан қаршилик ва шамол тезлигидан фойдаланган ҳолда ФРАГ тезлигини бошқариш усуллари тадқиқот қилинди. Тадқиқотда PID (proportional-integral-derivative) контроллерлари қўлланилади. PID контроллерлари амалда қўллаш қулайлиги ва самарадорлиги туфайли бошқарув тизимларида кенг қўлланилади. 1-расмда анъанавий PID

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 92 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025

контроллернинг блок диаграммаси келтирилган. Ушбу контроллернинг ишлаши (10) тенгламада кўрсатилганидек, вақт доимийси функцияси сифатида белгиланган нуқталардан фойдаланишни ўз ичига олади:

1-расм. PID контроллернинг блок диаграммаси.

PID контроллери қуйидаги атрибутлар орқали “Process” параметри ва “Setpoint” ўртасидаги боғланишни яратади:

• P (proportional controller): тизим учун муҳим бўлган барқарор ҳолатдаги хато кўрсаткичлари бўлмаслигини таъминлайди.

• I (integral controller): бу тизимнинг ишлаши секинлашса ҳам, барқарор ҳолатни таъминлайди.

• D (derivative controller): ушбу контроллернинг қўшилиши юқорида айтиб ўтилган иккала муаммони ҳам енгиб ўтишга ёрдам беради.

Шамол генераторининг ҳаракат дифференциал тенгламаси қуйидаги кўринишга эга:

J – генератор валидаги умумий инерция моменти, kg·m2; Mmex – шамол турбинасининг механик моменти, N·m; MG – генераторнинг электромагнит моменти, N·m; ω – генератор валининг айланиш тезлиги, rad/s.

ўзгартириш киритиб, (11) тенгламани қуйидаги оператор шаклда ифодалаш мумкин:

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Шамол генераторининг механик қисми учун узатиш функцияси қуйидагича бўлади:

бу ерда M nat s = M sh − M g – генератор валида ҳосил бўлган натижавий момент, яъни, шамол турбинасининг айланиши ва генераторнинг электромагнит моменти таъсирида ҳосил бўлган натижавий момент. (13) ифоданинг сурат ва маҳражини Js га кўпайтирилса, қуйидаги ифода ҳосил бўлади:

Маҳраждаги kishq коэффициенти қавслар ичидан чиқарилади ва узатиш функцияси учун қуйидаги ифода олинади: ;

(15) J бу ерда Tmex = – шамол генераторининг механик қисмининг вақт доимийси. kishq

Киритилган соддалаштиришлардан сўнг, структура схемаси 2-расмда кўрсатилгани каби кўринишга эга бўлади.

2-расм. Шамол электр станциясининг механик қисми соддалаштирилган структура схемаси.

Шамол турбинаси томонидан яратилган механик момент, шамол тур­ бинасининг радиуси (R), ҳаво зичлиги (ρ) ва шамол тезлиги (v) га боғлиқ:

(16) Ушбу формула шамол қувватидан фойдаланиш коэффициенти CR ни ўз ичига олади, унинг қиймати тезлиги (λ) ва парракларнинг ўрнатиш бурчаги (β) каби коэффициентлар билан чизиқли бўлмаган боғланишга эга ҳисобланади.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 94 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025

Юқорида келтирилган параметрларни (16) формулага киритиш орқали генератор валидаги моментини аниқлаш имкони яратилади:

(17) Умумий инерция моменти генератор вали ва шамол турбинасининг инерция моментлари йиғиндисига тенг бўлади. Шамол турбинасининг диаметри генератори роторининг диаметридан сезиларли даражада оша­ ди, бундай ҳолда тизимни моделлаштиришда шамол турбинаси инерция моменти қийматидан фойдаланилади.

(18) Ишқаланиш коэффициенти kishq шамол электр станцияси номинал қувватнинг 2-5% ни ташкил қилади:

Matlab дастурининг Simulink пакети ёрдамида бошқарилувчи асинх­рон генераторнинг имитацион модели тузилган (3-расм).

3-расм. Бошқарилувчи асинхрон генераторнинг имитацион модели.

ШЭС лардаги фаза роторли асинхрон генераторни имитацион моде­ лини яратишда керакли барча электрик ва ноэлектрик параметрлар аниқлаб олинган. Шамол қувватидан фойдаланиш коэффициенти – Cr; шамол турбинаси радиуси – R; номинал айланиш тезлиги – w; максимал шамол тезлиги – v; ҳаво зичлиги – ρ; узатиш қутиси параметрлардан фойдаланган ҳолда, 4МТН 012-6 У1 типдаги ФРАГ нинг имитацион модели яратилган.

Ушбу имитацион модел ёрдамида шамол тезликлари турлича ўзгаришида қуввати 2,2 кВтли фаза роторли асинхрон генераторнинг

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

ротор чўлғамига қўшимча қаршилик қиймати Rқўш = 0; 0,9; 2,2; 4,7; 7,5 Омгача ўзгартирган ҳолда, шунингдек, статор чўлғамига уланадиган реактив қувват қийматини 0 кВардан 3,5 кВаргача турлича ўзгартириб, тадқиқотлар ишларини олиб бориш имкони яратилди.

4-расмда ФРАГнинг статор токи ўзгариш графиги келтириб ўтилган. Бу ҳолатда статор токи ротор айланиш тезлиги ортиши билан ўсувчи шаклда ортиб борган. Ротор айланиш тезлиги номинал қийматга етгандан сўнг, ўзгармасдан сақлаб турилади. Бу ҳолда статор токи ҳам ўзининг номинал қийматига етади ва ўзгармасдан қолади.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 96 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025

5-расмда ФРАГ нинг ротор токининг вақт бўйича ўзгариш графиги келтириб ўтилган. ФРАГ ротор токи нафақат генератор юкламасига, шунингдек, ротор занжирига уланган қўшимча қаршиликлар қийматига ҳам боғлиқ бўлади.

Хулоса. Статор токи ротор айланиш тезлиги ортиши билан ўсувчи шаклда ортиб боради. Ротор айланиш тезлиги номинал қийматга етгандан сўнг, ўзгармасдан сақлаб турилади. Бу ҳолда статор токи ҳам ўзининг номинал қийматига етади ва ўзгармасдан қолади.

Асинхрон генератор роторининг қувват коэффициенти юкламага боғлиқ эмас, балки сирпаниш коэффициенти ва бошқа параметрларга боғлиқ ҳисобланади. Статор чўлғамига конденсатор батареяларини киритиш орқали электр таъминоти тизимига параллел ишловчи асинхрон генераторнинг қувват коэффициентини 5-22% га ошириш ҳамда максимал қувват ишлаб чиқариш режимида ишлашини таъминлаш имконияти яратилади.

Ушбу мақола Ўзбекистон Республикаси Инновацион ривожланиш вазирлиги томонидан молиялаштирилган “ИЛ-442105947”-сонли “Шамол ва сув оқими параметрлари ўзгаришида локал энергетика тизимига ўзгармас частотали стабил ўзгармас электр қувватини узатувчи янги автоматик қурилма яратиш” мавзусидаги инновацион лойиҳа доирасида тайёрланди.

1. Toirov O.Z., Taniyev M.X., Xalikov S.S., Jumayeva D.J., Safarov. Amaldagi tarmoq bilan parallel ishlovchi boshqariluvchi shamol elektr qurilmasi // O‘zbekiston Respublikasi Adliya vazirligi huzuridagi “Intellektual mulk markazi” davlat muassasasi. Foydali modelga patent. – Toshkent, 2023. № FAP 2023 0311. 30.08.2023.

2. Тоиров О.З., Таниев M.X. Шамол электр станцияларида асинхрон генераторларни қўллаш имкониятлари // “Энергия ва ресурс тежаш муаммолари” илмий-техник журнали. – Тошкент, 2022. – Махсус сон. – 283-288 б.

3. Toirov O.Z., Taniyev M.X., Sotiboldiev A.A. Questions of Control of Asynchronous Generators Used at HPP and WPP Stations // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – India, 2022. – Vol. 9, Issue 4. – April 2022. ISSN: 2350- 0328. – PP. 19260-19265.

4. Taniyev M., Mirkhonov U., Rakhmatova M., Isakov F., Ergashov Sh., Nizamov J. Study of the substitution scheme of the parameters of a phase-rotor induction generator // AIP Conference Proceedings, https:// doi.org/10.1063/5.0130746 05, January 2023. – Р. 215-220.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

5. Alimkhodjaev K.T., Toirov O.Z., Taniyev M.X. Addressing Issues and Possibility of Introducing Renewable Energy Sources in the Conditions of Uzbekistan // Journal of critical reviews. – Vol. 7, Issue 15, 2020. – РP. 1721-1728.

6. Toirov O.Z., Pirmatov N.B., Yusupov D.T., Taniyev M.X. Elektr mashinalari ekspluatatsiyasi // Darslik. – Toshkent: TDTU, 2023. – 211 b.

7. Тоиров О.З., Таниев M.X. Қайта тикланувчи энергия манбаларида асинхрон генераторнинг фазалари уланиш схемасининг чиқиш кучланишига таъсири // “Ўзбекгидроэнергетика” илмий-техник журнали. – Тошкент, 2022. – №2(14). – 70-72 б.

8. Алимходжаев Ш.К. Ветроэлектростанции, работающие парал­ лельно с действующей энергосистемой Узбекистана // Энергия ва ресурс тежаш муаммолари. – Ташкент, 2015. – №1. – с.180.

9. Захидов Р.А., Кремков М.В. Потенциал ветровой энергетики Узбекистана // Гелиотехника, 2015. – №4.

10. Alimkhodjaev K.T., Taniyev M.X., Zakhidov O.U. Asynchronous phase rotor generators for power planes operating parallel with a network // Вестник ТашИИТ. – Ташкент, 2019. – №4. – С. 79-86.

11. Тоиров О.З., Алимходжаев К.Т., Алимходжаев Ш.К. К вопросу использования возобновляемых источников энергии в энер­ госистеме Узбекистана // International Conference “Solar Energy: Trends of Researchs and Developments”, 2019. – PP. 66.

12. Оценка гидроэнергетического потенциала Республики Узбекистан. – Т.: Fichtner, 2003.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 98 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 7 | ISSUE 1 | 2025