Муқобил энергия манбаларидан электр энергиясини олишда кичик тезликли электр генераторни лойиҳалаш ва динамик режимларини моделлаштириш

Жаҳонда энергетика хавфсизлиги, ёқилғи энергетик ресурсларни тежаш ва атрофмуҳит муҳофазаси билан боғлиқ муаммоларни барқарорлаштиришда қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланишда алоҳида эътибор берилмоқда. Қайта тикланадиган энергия манбалари экологик тоза ва битмас-туганмас бўлганлиги сабабли ушбу энергия манбаларидан самарали фойдаланиш ривожланиб бормоқда. Жаҳон миқёсида 2021 йилдан 2030 йилгача бўлган даврда иссиқхона газлари ва чиқиндиларни камида 40% га камайтириш, қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланиш улушини 32% га, энергия самарадорлигини 32,5% га ошириш режалаштирилганлигини ҳисобга олсак [1], энергия узлуксизлиги ва ишончлилигини оширадиган шамол энергетик қурилмаларни амалиётга жорий этишни тақозо этмоқда. Ҳозирги кунда қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланиш бўйича жаҳонда Хитой, АҚШ, Бразилия, Ҳиндистон ва Германия давлатлари етакчилик қиляпти. 2020 йилда қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланиш кўрсатгичлари 1-расмда келтирилган. Бунда энг катта қувват 895 ГВт Хитой давлати ҳиссасига тўғри келишини кўришимиз мумкин [2]. 1-расм. Жаҳонда қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланиш кўрсатгичлари Жаҳонда автоном электр энергияси истеъмолчилари учун мўлжалланган паст босимли сув ва кучсиз шамол оқимларда самарадор ишловчи энергетик қурилмаларини ишлаб чиқаришга катта эътибор қаратилмоқда. Ушбу муқобил энергетик қурилмаларни кучсиз оқимларда барқарор ишлашини таъминлашда қурилмага қўлланиладиган электр генераторларини тўғри танлаш керак ёки кучсиз оқимларининг ўзгариш тезлиги, ишлаб чиқилаётган муқобил энергетик қурилмаларнинг конструктив ўлчамлари параметрларига мослаштирилган янги турдаги электр генераторлардан фойдаланиш лозим. Шамол ҳамда сув “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 165 Машиностроение и энергетика энергиясидан фойдаланиб электр энергиясини ишлаб чиқаришга мўлжалланган, кичик тезликли электр генератор қурилмаларни яратишнинг илмий-техник ечимларни ишлаб чиқиш ва тадқиқ этиш билан жорижда F.G.Rossow, J.F.Gieras, A.Parviainen, A.Kallaste, S.K.Reddy, K.C.Latoufis, V.Kaliyev, A.R.Dehghanzadeh, M.Eldoromi, S.A.Kim, J.C.Kappatou, T.T.Hlaing, M.R.Minaz, B.O.Omijeh, N.Taran, S.S.Laxminarayan, W.Wang, J.H.Kim, P.O.Akello, Y.K.Yadav шуғулланишган. Мазкур тадқиқот ишларида кичик айланиш тезликли электр генераторларнинг турли конструкциялари ишлаб чиқилиб, асосан, генераторларнинг статори қўзғалмас ротори қўзғалувчан ҳолатда тадқиқ қилиниб натижалар олинган. Ушбу генераторларни кичик айланиш тезликларда ишлаш самарадорлигини оширишнинг илмий асосларини ишлаб чиқиш бўйича тадқиқотлар давом этмоқда. Республикамиз энергетика тармоқларида қайта тикланадиган энергия манабалиридан фойдаланиш имкониятларини кенгайтириш, энергия тежамкор технологиялар асосида такомиллашган қайта тикланадиган энергия манабалари қурилмаларини ишлаб чиқиш юзасидан кенг қамровли чора-тадбирлар амалга оширилиб, муайян натижаларга эришилмоқда. 2017-2021 йилларда Ўзбекистон Республикасини янада ривожлантириш бўйича Ҳаракатлар стратегиясида, жумладан, «…қайта тикланувчи энергия манбаларидан фойдаланишни кенгайтириш, ишлаб чиқаришнинг энергия сиғимини қисқартириш, қайта тикланувчи энергия манбаларини ривожлантириш соҳасида инновация технологияларини, илмий-техникавий ишланмаларни жорий этиш ва энергия самарадорлигини ошириш…» [3] бўйича муҳим вазифалар белгилаб берилган. Минтақамизнинг энергетика хавфсизлиги муаммолари мавжуд ҳудудларида қайта тикланадиган энергия манбаларидан шамол ва сув энергиясидан фойдаланишни ривожлантириш муҳим аҳамият касб этмоқда [4]. Марказлашган энергия таъминотидан узоқда жойлашган автоном электр энергияси истеъмолчилари учун минтақамизнинг иқлимий шароитларига мослаштирилган шамол ва микроГЭС энергетик қурилмаларини ишлаб чиқиш ҳамда жорий этиш орқали ушбу ҳудудлардаги ижтимоий, иқтисодий соҳаларни ривожлантиришимиз мумкин. Илмий тадқиқот ишининг вазифалари: − паст босимли сув ва кучсиз шамол оқимларида барқарор ишловчи вертикал ўқли электрогенераторнинг конструкциясини Solidworks пакетида лойиҳалаш; − кучсиз оқимларда ишлаш самарадорлигини оширишда статор ва ротори бир-бирига нисбатан тескари айлантирилган ҳол учун тадқиқотлар ўктазиш; − электр генераторнинг Matlab/Simulink пакетида имитацион моделини қуриш ва таҳлил қилиш; − электр генераторнинг тажриба қурилмасини ишлаб чиқиш ва синовдан ўтказиш; − турли айланиш тезликларда генераторнинг чиқиш параметрларининг имитацион модели ва тажриба-синов натижаларини солиштириш. Электр генераторни лойиҳалаш ва моделлаштириш. Кучсиз оқимларда шамол ва микроГЭС энергетик қурилмаларини ишлаш самарадорлигини оширишда ушбу қурилмаларда қўлланиладиган электр генераторларни тўғри танланиши лозим. Ҳозирги кунда шамол ва микроГЭС энергетик қурилмаларига уч турдаги электр генераторлар қўлланилиб келиняпти. Булар ўзгармас ток генераторлари, асинхрон генераторлар, синхрон генераторлар. Кичик қувватли шамол ва микроГЭС энергетик қурилмаларида, асосан, кўп қутбли доимий магнитлардан ташкил топган электр генераторлардан фойдаланиш бошқа турдаги генераторларга нисбатан конструкциясининг соддалиги ва кичик тезликларда ишлаш самарадорлиги юқорилиги билан устундир. 2-расм (а) да электр генераторни 3d кўриниши, (б) да генератор статор чулғамининг уланиш усули, (с) генератор роторида магнитларни жойлашуви кўрсатилган. Бунда статор ҳар бир фазасида 4 та чулғами мавжуд бўлиб, уч фазали юлдузча усулида уланган. Электр генератор роторида 16 жуфт қутбли доимий магнитлар ўрнатилган [5]. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 166 Машинасозлик ва энергетика c) генератор роторининг ташқи кўриниши a) генераторнинг умумий кўриниши b) статор чулғамининг уланиш схемаси 2-расм. Электр генераторнинг тузилиши 1-жадвалда ишлаб чиқариладиган статор ва ротори тескари айланадиган электр генераторнинг техник параметрлари келтирилган. Ушбу турдаги электр генераторлар ҳозирги кунда паст оқимларда ишлайдиган шамол ва микроГЕС қурилмаларида қўлланилиб келинмоқда. 1-жадвал Cтатор ва ротори тескари айланадиган электр генераторнинг техник параметрлари Номинал қуввати, (Вт) 600 Битта чулғамдаги ўрамлар сони 200 Чулғамлар сони 12 Чулғам симнинг (ПЭТ-15) кўндаланг кесим юзаси, мм2 0,87 Фазалар сони 3 Ротор ташқи диаметри, мм 220 Доимий магнитларнинг жуфт қутблар сони 16 Магнит ва статор орасидаги ҳаво оралиғи кенглиги, (мм) 1,5 Мангитларнинг (NdFeB, N48) ўлчами, мм 40х1 5х10 Ротор ички диаметри, мм 80 Доимий магнитларнинг магнит майдон индукцияси, Тл Пўлат 10 Доимий магнитларнинг магнит майдон кучланганлиги, kA/m 955 Доимий магнитларнинг массаси, кг (32 дона) 1,12 Роторнинг материали ва қалинлиги, мм 1,251,3 Статорнинг ташқи диаметри, мм 250 Роторнинг массаси, кг 3 Статорнинг ички диаметри, мм 100 Статорнинг умумий массаси, кг 2 Статор қалинлиги, (мм) 18 Чулғамларнинг уланиши юлдузча Энергия секторида математик моделлаштириш, ҳатто энг оддий ва кенг тарқалган қурилмалар ҳам катта харажатларни тежашга ва маҳсулот сифатини яхшилашга олиб келади. Лойиҳалаштирилган объект қанчалик мураккаб бўлса, уни ўрганиш ва яратишда моделлаштиришнинг ўрни, қоида тариқасида, шунчалик муҳимроқ бўлади. Ҳар қандай электр машинасининг, ҳар қандай дастурий таъминот тўпламида тақдим этилиши ушбу машинани тавсифловчи тенгламалар тузиш ва ҳисоб-китобларни соддалаштириш учун баъзи тахминларни киритиш билан бошланади. Шундай қилиб, жараёнларни характерловчи ва ҳар қандай координата тизимига боғланган янги коэффициентлар орқали машинанинг хусусиятларини (уч фазали тизимнинг ҳар бир босқичида оқим, оқим ва кучланиш) тавсифловчи ўзгарувчиларни ифодалаб, синхрон машинанинг дифференциал тенгламаларининг даврий коэффициентлари йўқотилади. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 167 Машиностроение и энергетика Вертикал ўқли доимий магнитлардан ташкил топган электр генераторнинг динамик моделини моделлаштиришда d ва q ўқли эквивалент алмаштириш схемасидан фойдаланамиз. Генераторнинг динамик модели 3-расмда кўрсатилган тенгламаларни қўллаш билан соддалаштириш мумкин. a) қ ўқи бўйича б) д ўқи бўйича 3-расм. Генераторнинг эквивалент схемаси Доимий магнитлардан ташкил топган синхрон генераторларда статор чулғамида вақт давомида ҳосил бўладиган кучланиш тенгламаси [6,7,8]: , (1) Уч фазали доимий магнитлардан ташкил топган генератордан олинадиган электромагнит қувватни ҳисоблаш қуйида келтирилган ифодадан аниқланади [9,10,11]: , (2) Жуфт қутблар сони р бўлган генераторнинг электромеханик моменти қуйидаги ифода орқали аниқланади [12,13]: , (3) бунда – магнит оқим, Вб. , (4) Электр генераторнинг статор ва ротори тескари айлангандаги электромагнит тезлик қуйидаги ифода орқали аниқланади: , (5) бунда жуфт қутблар сони, ва генераторнинг статор ва роторининг айланма механик тезликлари. Генераторнинг динамик моделлаштиришдаги инерция моменти қуйидаги ифодадан аниқланади [14,15]: , (6) бунда ротор массасининг инерция моменти кг м2, ва генераторнинг механик ва электромагнит моментлари, Н·м; ишқаланиш коэффициенти, генераторнинг механик бурчак тезлиги, рад/с. Статор чулғами индуктивлигини ҳисоблаш [16,17]: d ўқи ва q ўқи бўйича , (7) бунда битта чулғамдаги ўрамлар сони; статорнинг ташқи диаметри, м; статорнинг ички диаметри, м; жуфт қутблар сони; статор чулғамини тўлдириш коэффициенти; фазалар сони. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 168 Машинасозлик ва энергетика Доимий магнитларнинг сирт конфигурацияси учун d ва q ўқларидаги эквивалент ҳаво оралиғи қуйидаги ифодалар орқали аниқланади [18]: статор ўзаксиз ҳолат учун , (8) Агар тенг бўлганда доимий магнитларнинг сирт конфигурацияси қабул қиламиз. Унда d ва q ўқлардаги якор реакцияси индуктивлиги қуйидаги соддалаштирилган ифодага келади: , (9) Генератор чулғамларида ҳосил бўладиган ЭЮК қуйидаги боғлиқлик билан аниқланади [19,20]: , (10) бунда магнит оқим, Вб; магнит индукция, Тл; частота, 1/с. 4-расмда Matlab/Simulink пакетида статор ва ротори бир-бирига нисбатан тескари айланадиган электр генераторнинг математик модели ишлаб чиқилган. Имитацион моделда Ud=Uq=0 бошланғич шарт киритилади. 4-расм. Matlab/Simulink тизимида электр генераторнинг қўрилган имитацион модели Натижалар. 5-расмда иккита электр генераторнинг қийматлари солиштирилган графиклари келтирилган. Бунда биринчи генератор статори қўзғалмас ротори айланган ҳол а) б) 5-расм. Икки турдаги электр генераторнинг динамик режимдаги қийматларининг солиштириш эгри чизиқлари: 1 – генераторнинг статори қўзғалмас ҳолатдаги чиқиш параметрлари кўрсатгичлари; 2– генераторнинг статори ва ротори бир-бирига нисбатан тескари айлантирилган ҳолатдаги чиқиш параметрлари қўрсатгичлари “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 169 Машиностроение и энергетика учун, иккинчи генератор статор ва ротори тескари айланган ҳол учун чиқиш параметрлари ҳисобланиб солиштирилган. 5-расм (а) графикда юқорида келтирилган ҳолатлар учун статор чулғамида ҳосил бўладиган электромагнит моментларнинг солиштирилган қийматлари келтирилган. Бунга кўра генераторнинг статор ва ротори тескари айланганда, статорнинг салт ишлаш кучланиши генератор статори қўзғалмас ротори айланган ҳолга нисбатан 10% ошгани аниқланди. 5расм (б) графикда иккита генераторнинг электромагнит қуввати қийматлари солиштирилган. Бунга кўра генераторнинг статор ва ротори тескари айланганда, генераторнинг электромагнит моменти ва электромагнит қуввати генератор статори қўзғалмас ротори айланган ҳолга нисбатан 20% гача ошгани аниқланди. Ушбу чиқиш параметрини ҳисоблашда (2) ифодадан фойдаланилди. 7-расм. Ишлаб чиқилган янги турдаги электр генераторнинг механик бурчак тезлиги ўзгаришининг электромагнит қувватга боғлиқлик эгри чизиғи а) б) 6-расм. Икки турдаги электр генераторнинг динамик режимдаги қийматларининг солиштириш эгри чизиқлари 6-расмда икки турдаги электр генераторнинг динамик режимдаги фаза токи (а) ва кучланиши (б) қийматларининг солиштириш эгри чизиқлари келтирилган. Бунда кўришимиз мумкинки генераторнинг статори ва ротири бир-бирига нисбатан тескари айлантирилганда фаза кучланиши ва токининг қийматларини 10% гача ошириш имконига эга бўлар эканмиз. 7-расмда ишлаб чиқилган янги турдаги электр генераторнинг механик бурчак тезлиги ўзгаришининг электромагнит қувватга боғлиқлик эгри чизиғи келтирилган. Бунда генераторнинг механик бурчак тезлиги 24 рад/с бўлганда электромагнит қувват максимал 500 Втга эришишини кўришимиз мумкин. Тажриба тадқиқотлари. Юқорида келтирилган 1-жадвалда келтирилган маълумотлар, Solidworks лойиҳалаш пакетидаги генераторнинг конструвтив мақбул ўлчамлари ва Matlab/Simulink пакетида моделлаштирилган натижаларга асосан статор ва ротори бирбирига нисбатан тескари айланадиган электр генераторнинг тажриба намунаси ишлаб чиқилди. 8-расмда электр генераторнинг статор чулғамларини тайёрлаш технологиялари келтирилган. Бунда статор чулғамларини юлдузча ва учбурчак улаш имкониятлари мавжуд. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 170 Машинасозлик ва энергетика 8-расм. Электр генераторнинг статор қисмини тайёрлаш ишлари 9-расмда электр генераторнинг қисмини тайёрлаш технологиялари келтирилган. Бунда генераторнинг роторида қарама-қарши қутубли доимий магнитлар тартиб асосида жойдаштирилган. Доимий магнитлар роторга шундай жойлаштирилганки бунда магнит майдон бир меъёрда максимал тарқалиши таъминланган. 9-расм. Электр генераторнинг ротор қисмини тайёрлаш ишлари 10-расмда ишлаб чиқилган электр генератор устида ўтказилаётган тажриба-синов ишлари келтирилган. Тажриба-синов ишлари икки ҳолатда ўтказилди. Биринчи ҳолатда генераторнинг статори қўзғалмас, иккинчи ҳолатда генераторнинг статор ва ротори бирбирига нисбатан тескари айлантирилган ҳол учун тажрибалар ўтказилди. Тажрибалар турли айланиш тезликларида олиб борилиб, натижалар ёзиб олинди. 10-расм. Ишлаб чиқилган электр генератор устида ўтказилаётган тажриба-синов ишлари “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 171 Машиностроение и энергетика 11-расмда имитацион модел ва эксперимент натижаларни солиштириш эгри чизиқлари келтирилган. Натижаларни монандлигини баҳолашда коррелацион таҳлилдан фойдаланилди. Бунга кўра коррелация коэффициенти R=0.97 га тенглиги аниқланди. 11-расм. Имитацион модел ва эксперимент натижаларни солиштириш эгри чизиқлари Хулоса. 1. Жаҳонда қайта тикланувчи энергия манбаларидан фойдаланиш тадқиқотлари таҳлили экологик муаммоларни барқарорлаштириш, энергия ресурсларини тежаш, иқтисодий ва ижтимоий соҳаларни ривожланишидаги муҳим стратегик йўналишлардан бири эканлигини кўрсатди. 2. Марказлашган энергия таъминотидан узоқда жойлашган автоном электр энергияси истеъмолчиларни иқлим шароитларига мослаштирилган, кучсиз оқимларда самарадор ишловчи шамол ва микроГЭС қурилмаларидан фойдаланиш орқали узлуксиз ва ишончли электр энергияси билан таъминлаш мумкинлиги ўрганилди. 3. Шамол ва микроГЭС қурилмаларини кучсиз оқимларда ишлаш самарадорлигини “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 172 Машинасозлик ва энергетика 7. Laxminarayan S.S., Singh M., Saifee A.H., Mittal A. Design, modeling and simulation of variable speed Axial Flux Permanent Magnet Wind Generator. Sustainable Energy Technologies and Assessments, Volume 19, February 2017, Pages 114-124 8. Сафаров А.Б. Разработка и анализ эффективного генератора для ветровых энергетических установок малой мощности. «Инновационные пути решения актуальных проблем развития пищевой и нефтегазохимической промышленности» материалы международной научно-практической конференции. Бухара, 2020. №3, с. 135- 137 9. Rossouw F.G. Analysis and Design of Axial Flux Permanent Magnet Wind Generator System for Direct Battery Charging Applications, dissertation, South Africa, 2009. Pp. 140 10. Kim J.H., Sarlioglu B. Preliminary design of axial flux permanent magnet machine for marine current turbine, in Proceedings of the 2013 IEEE IECON, pp. 3066-3071, November 2013. 11. Latoufis K.C., Messinis G.M., Kotsampopoulos P.C., Hatziargyriou N.D. Axial Flux Permanent Magnet Generator Design for Low Cost Manufacturing of Small Wind Turbines. Wind engineering. Volume 36, No.4, 2012. Pp 411-442 12. Садуллаев Н.Н., Сафаров А.Б. Ўзгарувчан ва кучсиз шамол оқимларида ишловчи самарадор шамол генераторини яратиш. Энергия ва ресурс тежаш муаммолари, Тошкент. 2018, 3-4, б. 228-334 13. Yadav Y.K. A Savonius Wind Turbine With Electric Generator: Model and Test, dissertation, 2016.pp.89 14. Akello P.O. Development of a low cost direct-drive permanent magnet generator for power generation in small wind turbines, dissertation, 2016. pp.153 15. Taran N. Optimum Design of Axial Flux PM Machines based on Electromagnetic 3D FEA, dissertation, 2019.pp.232 16. M. Dhifli, H. Bali, Y. Laoubi, G. Verez, Y. Amara, G. Barakat. Modeling and prototyping of axial flux permanent magnet machine for small wind turbine. International Conference on Electrical Science and Technologies (2014), pp. 1-7 17. A. Rolan, A. Luna, G. Vazquez, D. Aguilar, G. Azevedo. Modeling of a variable speed wind turbine with a permanent magnet synchronous generator. IEEE Int Symp Ind Electron (2009), pp. 734-739 18. Gieras J.F., Wang R.J., Kamper M.J., Axial flux permanent magnet brushless machines. Springer Science, Business Media (2004). Рр. 345. 19. Aydin M, Huang S, Lipo TA. Axial flux permanent magnet disc machines: a review. Research report. University of Wisconsin-Madison; 2004. 20. Antonino Di Gerlando, Gianmaria Foglia, Matteo Felice Iacchetti, Roberto Perini. Member, axial flux pm machines with concentrated armature windings: design analysis and test validation of wind energy generators. IEEE Trans Ind Electron, 58 (2011), pp. 3795-3805 Сафаров Алишер Бекмуродович – “Энергоаудит” кафедраси доценти Бухоро муҳандислик-технология институти Тел.: (+99890) 2994124, э-маил: а-сафаров91@маил.ру Пиримов Рамзиддин Рамазонович – “Энергетика” кафедраси таянч докторанти Бухоро муҳандислик-технология институти Тел.: (94) 0752950, э-маил: рамзиддинпиримов242 @гмаил.cом Сайфиддинов Қамариддин Элмурод ўғли – “Энергоаудит” кафедраси таянч докторанти Бухоро муҳандислик-технология институти Тел.: (+99891) 6498667, э-маил: қамариддин78@маил.ру “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 173