1. Repository at ChSTU
  2. Випускні кваліфікаційні роботи
  3. Магістр
  4. 141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8994
Title: Дослідження системи аварійного гальмування вітрогенераторної установки
Authors: Яценко, Ірина В'ячеславівна
Малиш, Артем Миколайович
Keywords: вітроенергетична установка;компьютерне моделювання;вітрогенератор;система аварійного гальмування
Issue Date: Dec-2022
Abstract: Проведено теоретичноме дослідження системи аварійного гальмування вітроенергетичної установки, розроблено її математичну модель, алгоритм управління та досліджено її універсальну комп'ютерну модель. Було досліджено математичну модель, що описує процеси, що впливають на прийняття рішення про необхідність активації системи гальмування вітроенергетичної установки системи аварійного гальмування. З використанням математичної моделі системи аварійного гальмування ВЕУ було досліджено її універсальну комп'ютерну модель у програмному комплексі MATLAB Simulink, для якої було розроблено алгоритм управління . Ця комп'ютерна модель універсальна для всіх типів вітроенергетичних установок. Вона дозволяє досліджувати вплив різних параметрів системи аварійного гальмування на процес експлуатації ВЕУ. Використання розробленої комп'ютерної моделі дозволяє на етапі проектування системи аварійного гальмування ВЕУ оптимізувати її параметри, а також оцінити ефективність її роботи. Досліджено конструкцію системи аварійного гальмування вітроенергетичної установки, проведено комп'ютерне моделювання її роботи. Конструкція виконавчого механізму аварійної системи гальмування була досліджена для вертикально-осьової вітроенергетичної установки потужністю 3 кВт – «ВЕУ-3». Для дослідження впливу спроектованої системи аварійного гальмування на роботу ВЕУ-3 було запропоновано її комп'ютерну модель (на основі універсальної комп'ютерної моделі, розробленої у другому розділі). В результаті комп'ютерного моделювання роботи ВЕУ-3 за змінної швидкості вітру було показано, що система забезпечувала безпечну експлуатацію установки при окремих поривах вітру до 35 м/с та середньому значенні швидкості вітру – 21,9 м/с.
URI: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8994
Appears in Collections:141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
МР_Малиш.pdf
  Restricted Access		5.31 MBAdobe PDFView/Open Request a copy
Show full item record


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Extracted text 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ  
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ 
Кафедра електротехнічних систем 
 
 «До захисту допущено» 
Зав. кафедри ЕТС 
 
__________ О.О. Ситник 
(підпис)                 (ініціали, прізвище) 
«___»___________202__ р. 
 
 
 
Кваліфікаційна робота 
на здобуття ступеня вищої освіти магістра 
 
на тему:  
«Дослідження системи аварійного гальмування вітрогенераторної 
установки» 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти  2  курсу, групи ЕСЕ–012 
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» 
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності) 
 
 
 
Малиш Артем Миколайович  ______________ 
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис) 
   
Науковий д.т.н., професор Яценко І.В. ______________ 
керівник (підпис) 
(вчені ступінь та звання,  прізвище та ініціали) 
   
Нормоконтроль к.т.н., доцент Ключка К.М. ______________ 
(підпис) 
(вчені ступінь та звання,  прізвище та ініціали) 
 
 
 
 
Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших авторів 
без відповідних посилань. 
Здобувач вищої освіти ______________ 
(підпис) 
 
Черкаси 2022 р. 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ  
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ 
 Кафедра електротехнічних систем  
 
Рівень вищої освіти – другий (магістерський) 
Спеціальність 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» 
(код і назва) 
 
ЗАТВЕРДЖУЮ 
Завідувач кафедри 
____________ О.О. Ситник 
(підпис)                (ініціали, прізвище) 
«______» __                 2022 р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на магістерську кваліфікаційну роботу здобувачу вищої освіти 
 
 
Малишу Артему Миколайовичу 
 (прізвище, ім’я, по батькові) 
 
1. Тема магістерської роботи  
 
«Дослідження системи аварійного гальмування вітрогенераторної установки» 
 
науковий керівник д.т.н., професор Яценко Ірина В’ячеславівна  
                                                      (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджені наказом по університету від «13» вересня 2022р. № 234/04 
 
2. Термін подання студентом роботи_____________________________ 
 
3. Об’єкт дослідження – вітрогенераторна установка.  
 
4. Предмет дослідження – вплив роботи системи аварійного гальмування на безпеку 
експлуатації вітрогенераторної установки.  
 
5. Перелік завдань, які потрібно розробити: 
1. Провести аналіз статистичних даних щодо аварій вітроенергетичних установок. 
Визначити види аварій, їх причини та оцінити наслідки аварійних випадків. 
2. Виявити та проаналізувати існуючі способи аварійного гальмування 
вітроенергетичних установок. Сформулювати вимоги до систем аварійного гальмування 
вітроенергетичних установок. 
3. Дослідити математичну модель та алгоритм управління системи аварійного 
гальмування вітроенергетичних установок. На їхній основі провести дослідження 
універсальної комп'ютерної модель для аналізу  впливу системи аварійного гальмування 
на процес експлуатації вітроенергетичної установки. 
 
6. Перелік ілюстративного матеріалу − у вигляді презентації  
 
7. Перелік публікацій – у вигляді статті чи тез доповіді на конференції   
 
8. Дата видачі завдання «14» вересня  2022 р. 
 
 
Календарний план 
 
Термін виконання 
№ Назва етапів  виконання  
етапів магістерської Примітка 
з/п магістерської роботи 
роботи 
1 Аналіз літератури по темі  магістерської роботи    14.09.2022–18.09.2022  
Складання попереднього плану і структури 
2 19.09.2022-25.09.2022  
магістерської роботи. Узгодження з керівником 
3 Підготовка матеріалів по розділу 1 26.09.2022-10.10.2022  
4 Підготовка матеріалів по розділу 2  11.10.2022-27.10.2022  
Підготовка матеріалів по розділу 3 
5 28.10.2022-15.11.2022  
Вступ. Реферат 
Підготовка остаточної версії магістерської 16.11.2022-02.12.2022 
6  
роботи. Узгодження з керівником 
Підготовка доповіді і презентації. Підготовка до 03.12.2022–12.12.2022 
7  
захисту 
8 Захист магістерської роботи 13.12.2022–16.12.2022  
 
 
 
 
Здобувач вищої освіти           А.М. Малиш 
(підпис) (ініціали, прізвище) 
   
Науковий керівник роботи                І.В. Яценко 
(підпис) (ініціали, прізвище) 
 
РЕФЕРАТ 
Повний обсяг кваліфікаційної магістерської роботи складає   _9_6_  сторінка, 
__ ілюстрацій, __ таблиць, список використаних джерел, що містить 67 
найменувань. 
Метою роботи є підвищення безпеки експлуатації вітроенергетичної 
установки шляхом інтеграції до її складу системи аварійного гальмування та 
дослідження ефективності роботи інтегрованої системи аварійного гальмування. 
Для досягнення поставленої мети необхідно: провести аналіз статистичних 
даних щодо аварій вітроенергетичних установок. Визначити види аварій, їх 
причини та оцінити наслідки аварійних випадків; виявити та проаналізувати 
існуючі способи аварійного гальмування вітроенергетичних установок. 
Сформулювати вимоги до систем аварійного гальмування вітроенергетичних 
установок; дослідити математичну модель та алгоритм управління системи 
аварійного гальмування вітроенергетичних установок. На їхній основі провести 
дослідження універсальної комп'ютерної модель для аналізу  впливу системи 
аварійного гальмування на процес експлуатації вітроенергетичної установки. 
В кваліфікаційній роботі магістра проведений аналіз історії розвитку та 
актуальності використання вітроенергетики зараз, особливості експлуатації 
вітроенергетичних установок при підвищених вітрових навантаженнях та 
існуючі системи гальмування ВЕУ. Наведено статистичні дані щодо аварій на 
вітроенергетичних установках. З аналізу статистичних даних щодо аварій на 
установках випливає, що найважливішими характеристиками, якими слід 
відстежувати технічний стан об'єкта – це частота обертання ротора і температура 
генератора. Також слід забезпечувати моніторинг вібраційних коливань 
конструкції. Важливою вимогою системи гальмування ВЕУ є повна автономність 
від основної системи управління. А також система гальмування повинна містити 
механічні елементи, здатні витримувати підвищені навантаження. 
Проведено теоретичноме дослідження системи аварійного гальмування 
вітроенергетичної установки, розроблено її математичну модель, алгоритм 
управління та досліджено її універсальну комп'ютерну модель. 
Було досліджено математичну модель, що описує процеси, що впливають 
на прийняття рішення про необхідність активації системи гальмування 
вітроенергетичної установки системи аварійного гальмування. 
З використанням математичної моделі системи аварійного гальмування 
ВЕУ було досліджено її універсальну комп'ютерну модель у програмному 
комплексі MATLAB Simulink, для якої було розроблено алгоритм управління . 
Ця комп'ютерна модель універсальна для всіх типів вітроенергетичних 
установок. Вона дозволяє досліджувати вплив різних параметрів системи 
аварійного гальмування на процес експлуатації ВЕУ. Використання розробленої 
комп'ютерної моделі дозволяє на етапі проектування системи аварійного 
гальмування ВЕУ оптимізувати її параметри, а також оцінити ефективність її 
роботи. 
Досліджено конструкцію системи аварійного гальмування 
вітроенергетичної установки, проведено комп'ютерне моделювання її роботи. 
Конструкція виконавчого механізму аварійної системи гальмування була 
досліджена для вертикально-осьової вітроенергетичної установки потужністю 3 
кВт – «ВЕУ-3». Для дослідження впливу спроектованої системи аварійного 
гальмування на роботу ВЕУ-3 було запропоновано її комп'ютерну модель (на 
основі універсальної комп'ютерної моделі, розробленої у другому розділі). В 
результаті комп'ютерного моделювання роботи ВЕУ-3 за змінної швидкості вітру 
було показано, що система забезпечувала безпечну експлуатацію установки при 
окремих поривах вітру до 35 м/с та середньому значенні швидкості вітру – 21,9 
м/с. 
Ключові слова: вітроенергетична установка, компьютерне моделювання,  
вітрогенератор, система аварійного гальмування. 
ЗМІСТ 
Перелік умовних позначень, символів, скорочень і термінів………………  
ВСТУП...............................................................................................................  
РОЗДІЛ 1 ОСОБЛИВОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ  
УСТАНОВОК………………………………………………………………… 
1.1 Історія розвитку вітроенергетики……………………………………..  
1.2 Актуальність застосування вітроенергетичних установок…………  
1.3 Особливості експлуатації вітроенергетичних установок……………  
1.4 Аналіз існуючих пристроїв, систем та способів аварійного  
гальмування вітроенергетичних установок………………………….. 
1.5 Аналіз статистичних даних щодо аварій на вітроенергетичних  
установках………………………………………………………………. 
Висновки по розділу 1………………………………………………………  
РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМИ АВАРІЙНОГО  
ГАЛЬМУВАННЯ ВІТРОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ………………... 
2.1 Склад системи аварійного гальмування ВЕУ………………………...  
2.2 Математичний опис роботи системи аварійного гальмування  
ВЕУ........................................................................................................... 
2.3 Дослідження універсальної комп'ютерної моделі системи  
аварійного гальмування ВЕУ………………………………………….. 
Висновки по розділу 2………………………………………………………...  
РОЗДІЛ 3 ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ УНІВЕРСАЛЬНОЇ МОДЕЛІ  
СИСТЕМИ АВАРІЙНОГО ГАЛЬМУВАННЯ ВІТРОГЕНЕРАТОРНОЇ 
УСТАНОВКИ………………………………………………………………….. 
3.1 Вибір та опис вітроенергетичної установки для дослідження  
конструкції системи аварійного гальмування………………………… 
3.2 Дослідження системи аварійного гальмування для ВЕУ-3…………..  
3.3 Дослідження комп'ютерної моделі системи аварійного гальмування  
ВЕУ-3……………………………………………………………………. 
3.4 Комп'ютерне моделювання роботи системи аварійного гальмування  
ВЕУ-3……………………………………………………………………. 
3.5 Розрахунок стійкості системи аварійного гальмування ВЕУ-3……..  
Висновки по розділу 3………………………………………………………...  
ВИСНОВКИ…………………………………………………………………...  
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………..  
 
Перелік умовних позначень, символів, скорочень і термінів 
ВДЕ – відновлювальні джерела енергії; 
ВЕС – вітроелектростанція; 
ВЕУ – вітроенергетична установка (вітрогенераторна установка); 
ККД – коефіцієнт корисної дії; 
НКРЕКП - Національна комісія, що здійснює державне регулювання у 
сферах енергетики та комунальних послуг; 
ОРДЛО - тимчасово окуповані території України; 
УВЕА  - Українська вітроенергетична асоціація. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВСТУП 
Актуальність теми 
Вітроенергетика – галузь енергетичної промисловості, що динамічно 
розвивається в багатьох провідних країнах світу. Україна має гарний вітровий 
потенціал і значні території, придатні для розвитку вітрових проектів. Найбільш 
перспективними для будівництва вітроелектростанцій вважаються південні й 
південно-східні регіони країни, де середня швидкість вітру на висоті осі ротора 
сягає 7м на секунду і вище. Загальний економічний потенціал вітрової енергетики 
на основі супутникових даних та кліматичних моделей оцінюється Міжнародним 
агентством з відновлюваної енергетики (IRENA) у 119 ГВт – він є достатнім щоб 
з надлишком забезпечити електроенергією всю країну, адже зараз потужність 
електростанцій всіх видів в державі складає 54 ГВт. «Зелену» електроенергію в 
Україні генерують 34 вітрові електростанції (включно з тими, що знаходяться на 
території ОРДЛО). Найбільшими з них є Ботієвська, Приморська, Мирненська, 
Орлівська, Овер’янівська та Новоазовська ВЕС.  
Підвищені вітрові навантаження зазначених регіонів та несвоєчасний 
контроль за роботою ВЕУ можуть створювати високі ризики експлуатації 
вітрогенераторних установок. Найбільш поширеними аварійними випадками під 
час експлуатації вітроенергетичних установок є: руйнування лопатей через 
перевищення частоти обертання ротора, перегрів обмоток генератора, 
руйнування конструкції через підвищені вібраційні коливання. Як правило, для 
запобігання перерахованим негативним факторам у вітроенергетичних 
установках використовуються системи гальмування. Існуючі способи 
гальмування вітроенергетичних установок поділяються на два типи: гальмування 
з використанням електричного генератора та механічне гальмування вітроколеса. 
Перший спосіб гальмування менш придатним для гальмування 
вітроенергетичних установок при швидкості вітру вище 11 м/с, так як електричні 
генератори вітроагрегатів конструктивно розраховані на номінальний режим 
роботи при 11-12 м/с. При вищих швидкостях вітру виникає ризик перегріву 
обмоток генератора. Другий спосіб гальмування є кращим, тому що механічні 
елементи систем гальмування здатні витримувати великі динамічні та 
температурні навантаження. 
На даний час недостатньо досліджені механічні системи гальмування, які б 
забезпечували безпечну та стабільну експлуатацію вітроенергетичних установок 
при підвищених швидкостях вітру (понад 11 м/с). Це підтверджують статистичні 
дані щодо аварій на вітроенергетичних установках – на кожній п'ятій 
експлуатованій установці у світі відбувається аварійна ситуація з наступним 
повним виходом її з ладу. Таким чином забезпечення безпеки експлуатації 
вітроенергетичних установок є актуальною темою, чому присвячена 
магістерська робота. 
Наукова проблема полягає у забезпеченні безпечної та стабільної роботи 
вітрогенераторних установок при підвищених швидкостях вітру за рахунок 
застосування системи аварійного гальмування. 
Метою роботи є підвищення безпеки експлуатації вітроенергетичної 
установки шляхом інтеграції до її складу системи аварійного гальмування та 
дослідження ефективності роботи інтегрованої системи аварійного гальмування. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: 
1. Провести аналіз статистичних даних щодо аварій вітроенергетичних 
установок. Визначити види аварій, їх причини та оцінити наслідки аварійних 
випадків. 
2. Виявити та проаналізувати існуючі способи аварійного гальмування 
вітроенергетичних установок. Сформулювати вимоги до систем аварійного 
гальмування вітроенергетичних установок. 
3. Дослідити математичну модель та алгоритм управління системи 
аварійного гальмування вітроенергетичних установок. На їхній основі провести 
дослідження універсальної комп'ютерної модель для аналізу  впливу системи 
аварійного гальмування на процес експлуатації вітроенергетичної установки. 
Об'єктом дослідження є вітрогенераторна установка. 
Предметом дослідження є вплив роботи системи аварійного гальмування 
на безпеку експлуатації вітроенергетичної установки. 
Методи дослідження 
За виконання роботи використовувалися методи математичного 
моделювання для теоретичного описи системи аварійного гальмування ВЕУ. Для 
реалізації комп'ютерної моделі системи аварійного гальмування ВЕУ 
застосовувалося середовище MATLAB Simulink, а проектування конструкції 
системи гальмування використовувався програмний комплекс SolidWorks. 
Достовірність результатів підтверджується коректністю застосовуваного 
математичного апарату та методів математичного моделювання. 
Елементи наукової новизни: 
1. Досліджено статистичні дані аварій на вітроенергетичних установках у 
всьому світі. 
2. Наведено математичний опис процесів, що впливають на ухвалення 
рішення щодо необхідності гальмування вітроенергетичної установки. 
3. Отримано результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування вітроенергетичної установки. 
У першому розділі розглянуто історію розвитку та актуальність 
вітроенергетики зараз, особливості експлуатації вітроенергетичних установок 
при підвищених вітрових навантаженнях та існуючі системи гальмування ВЕУ. 
Наведено статистичні дані щодо аварій на вітроенергетичних установках. З 
аналізу статистичних даних щодо аварій на установках випливає, що 
найважливішими характеристиками, якими слід відстежувати технічний стан 
об'єкта – це частота обертання ротора і температура генератора. Також слід 
забезпечувати моніторинг вібраційних коливань конструкції. 
Крім того, важливою вимогою системи гальмування ВЕУ є повна 
автономність від основної системи управління. А також система гальмування 
повинна містити механічні елементи, здатні витримувати підвищені 
навантаження. 
Другий розділ присвячений теоретичному дослідженню системи 
аварійного гальмування вітроенергетичної установки, розробці її математичної 
моделі, алгоритму управління та універсальної комп'ютерної моделі. 
На основі вимог до систем аварійного гальмування, сформульованих у 
першому розділі, було вирішено використати механічну систему гальмування з 
електричним приводом. 
Було досліджено математичну модель, що описує процеси, що впливають 
на прийняття рішення про необхідність активації системи гальмування 
вітроенергетичної установки системи аварійного гальмування. 
З використанням математичної моделі системи аварійного гальмування 
ВЕУ було досліджено її універсальну комп'ютерну модель у програмному 
комплексі MATLAB Simulink, для якої було розроблено алгоритм управління . 
Ця комп'ютерна модель універсальна для всіх типів вітроенергетичних 
установок. Вона дозволяє досліджувати вплив різних параметрів системи 
аварійного гальмування на процес експлуатації ВЕУ. Використання розробленої 
комп'ютерної моделі дозволяє на етапі проектування системи аварійного 
гальмування ВЕУ оптимізувати її параметри, а також оцінити ефективність її 
роботи. 
Третій розділ присвячений дослідженню конструкції системи аварійного 
гальмування вітроенергетичної установки, проведенню комп'ютерного 
моделювання її роботи. 
Конструкція виконавчого механізму аварійної системи гальмування була 
досліджена для вертикально-осьової вітроенергетичної установки потужністю 3 
кВт – «ВЕУ-3». 
Для дослідження впливу спроектованої системи аварійного гальмування на 
роботу ВЕУ-3 було запропоновано її комп'ютерну модель (на основі 
універсальної комп'ютерної моделі, розробленої у другому розділі). В результаті 
комп'ютерного моделювання роботи ВЕУ-3 за змінної швидкості вітру було 
показано, що система забезпечувала безпечну експлуатацію установки при 
окремих поривах вітру до 35 м/с та середньому значенні швидкості вітру – 21,9 
м/с. 
Результати досліджень були оприлюднені на 22-ій Міжнародній науково-
технічній конференції «Інженерія поверхні та реновація виробів» у вигляді тез 
доповіді (15-16 червня 2022 р., – Київ: АТМ України), с. 154-156. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РОЗДІЛ 1  
ОСОБЛИВОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ 
УСТАНОВОК 
1.1 Історія розвитку вітроенергетики 
Людство почало використовувати енергію вітру ще з давніх часів. Раніше 
людина навчилася робити вітрильні човни, які рухалися за рахунок енергії вітру. 
У Стародавній Персії вітряки широко застосовувалися для переробки зерна [1]. 
Після арабських завойовницьких походів ця технологія поширилася всім 
ісламським світом і навіть дійшла до Китаю [2]. 
У Європі вітряки з'явилися у XI столітті. Через два століття вони стали 
відігравати важливу роль у житті європейських країн, особливо в Голландії. В 
Америці вітроенергетичні установки широко використовувалися при освоєнні 
західних територій для підйому води зі свердловин та на лісопилках [3]. 
На першому етапі вітроенергетичні установки застосовувалися для 
перетворення кінетичної енергії вітру на механічну енергію на валу вітроколеса, 
яка потім приводила в дію різні механізми. Пізніше вітроенергетичні установки 
почали використовувати і для вироблення електроенергії. 
Хоча вітер сам по собі несе безкоштовну енергію, але витрати на створення 
та експлуатацію вітроенергетичних установок такі, що вартість електроенергії, 
що виробляється, виявляється відносно високою. Освоєння більш дешевих 
технологій використання рідкого органічного палива та природного газу 
гальмувало розвиток відновлюваних джерел енергії та вітроенергетику зокрема. 
Після закінчення Другої світової війни у зв'язку з низькою вартістю нафти 
інтерес до вітроенергетики різко впав і лише в 1973 р. після паливно-енергетичної 
кризи, що відбулася, розробки з вітроенергетичних установок знову стали 
інтенсивно відроджуватися в багатьох країнах світу. 
Вітрову енергію можна розглядати як одну з форм прояву сонячної енергії, 
тому що Сонце є першоджерелом, яке впливає на погодні явища на всій планеті. 
Вітер виникає через нерівномірне нагрівання Сонцем поверхні землі. Поверхня 
води та території, закриті хмарами, нагріваються набагато повільніше; 
відповідно, поверхня землі, доступна для сонячного випромінювання, 
нагрівається швидше. Повітря, що знаходиться над нагрітою поверхнею, 
розширюється і піднімається вгору, створюючи області зниженого тиску. Повітря 
з областей підвищеного тиску переміщається у бік областей низького тиску, цим 
створюючи вітер [4]. 
За різними даними загальна потенційно доступна кінетична енергія Землі, 
що у вітровому потоці, оцінюється в 50…300 млрд. кВт·год на рік. Однак для 
технічного освоєння цієї кількості енергії доступно лише 1,5% [5]. Головна 
перешкода при вилученні корисної енергії з вітрового потоку полягає в його 
розсіяності та непостійності. 
 
1.2 Актуальність застосування вітроенергетичних установок 
В даний час вітроенергетика є окремою енергетичною галуззю, що 
динамічно розвивається в ряді країн, що розвиваються і вже розвинених. 
Насамперед це зумовлено невичерпністю вітрових ресурсів на відміну від 
вуглеводнів. Думки аналітиків щодо обмеженості вуглеводневих ресурсів 
розходяться, проте найбільш скептичні прогнози повідомляють про те, що 
нафтові запаси можуть почати закінчуватися в найближчі 50 років (за прогнозом 
аналітиків з Брітіш Петроуліум). По-друге, вітроенергетика вважається дуже 
екологічним способом виробництва електроенергії, що також дає їй значний 
пріоритет над паливною енергетикою. 
Загалом на кінець 2018 року світова встановлена потужність усіх 
вітроенергетичних склала майже 600 ГВт (рисунок 1.2.1) [6]. Усі 
вітроенергетичні установки, що експлуатуються у всьому світі до середини 2018 
року, генерували близько 4,7% світової електроенергії. 
 
600 
 
 
500 
 
 
400 
 
 
300 
 
 
200 
 
 
100 
 
 
0 
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 
  
Рисунок 1.2.1 – Загальна потужність вітроенергетичних установок у всьому 
світі з 2001 по 2018 роки. 
Останніми роками світовим лідером як у сфері виробництва 
вітроенергетичного устаткування, так і у сфері встановленої вітрової потужності 
є Китай (таблиця 1.1) [7,8]. Слідом за Китаєм йдуть США та країни Європи 
[9,10,11]. Загальносвітова тенденція показує стрімке збільшення вітрових 
потужностей у загальному енергобалансі [11, 12]. Звідси випливає 
перспективність і затребуваність розвитку цієї галузі. 
 
 
 
 
Потужність, МВт 
Мощность, МВт 
Таблиця 1.1  
Встановлена вітрова потужність у країнах-лідерах у галузі 
вітроенергетики з 2013 до 2016 року 
 Загальна Додат. Загальна Додат. Загальна Додат. Загальна Додат. 
 встанов. потуж. встанов. потуж. встанов. потуж. встанов. потуж. 
потуж.  за перше потуж.  за перше потуж.  за перше потуж.  за перше 
Країна 
  на півріччя   на півріччя   на півріччя   на півріччя 
кінець 2016 кінець 2015 кінець 2014 кінець  2013 
2016 2015 2014 2013 
МВт 
Китай 158 000 10 000 148 000 10 101 114 763 7 175 91 324 80 827 
США 74 696 830 73 867 1 994 65 754 835 61 108 59 884 
Германія 47 420 2 389 45 192 1 991 40 468 1 830 43 660 32 458 
Індія 27 151 2 392 24 759 1 297 22 465 1 112 20 150 19 564 
Іспанія 22 987 - 22 987 - 22 987 - 22 959 22 918 
ВБ 13 940 320 13 614 872 12 440 649 10 711 9 776 
Канада 11 298 109 11 205 510 9 694 723 7 698 6 578 
Франція 10 861 568 10 293 523 9 296 338 8 254 7 697 
Бразилія 9 810 1 095 8 715 838 5 962 1 301 3 466 2 788 
Італія 9 101 143 8 958 124 8 663 30 8 551 8 417 
Швеція 6 338 309 6 029 157 5 425 354 4 470 4 271 
Польща 5 300 200 5 100 283 3 834 337 3 390 2 798 
Турція 5 146 428 4 718 431 3 763 466 2 959 2 619 
Данія 5 089 25 5 064 76 4 883 83 4 772 4 578 
Португалі         
я 5 040 6 5 034 - 4 953 105 4 724 4 547 
Інші країни 
44 309 2 900 41 409 2 600 35 968 2 275 29 718 26 861 
світу 
Всього 456 486 21 714 434 944 21 678 371 317 17 613 318 914 296 581 
 
Україна має гарний вітровий потенціал і значні території, придатні для 
розвитку вітрових проектів. Найбільш перспективними для будівництва 
вітроелектростанцій вважаються південні й південно-східні регіони країни, де 
середня швидкість вітру на висоті осі ротора сягає 7м на секунду і вище. За 
рахунок різниці температур Чорного та Азовського морів, що провокує 
переміщення повітряних мас, на території від Одеської до Херсонської області 
утворилася так звана «повітряна труба». Гарний вітроенергетичний потенціал 
мають і Карпати, Івано-Франківська та Львівська області [13, 14, 15]. 
Згідно з дослідженням вітроенергетичного потенціалу сходу, центру та 
півдня України, яке проводилося Інститутом сталого розвитку спільно з 
німецьким холдингом WSB Green Energy протягом 2 років, у Харківській, 
Дніпропетровській та на південному-сході Черкаської областей середні 
швидкості вітру на висоті 100 м сягають 7,8 м/с. Для порівняння: південні області, 
особливо на Чорноморському узбережжі, мають швидкості вітру 8,7-10,2 м/с. 
Такі дані були отримані завдяки 25 моніторинговим пунктам, які були змонтовані 
або на баштах телекомунікаційних систем, або на окремо встановлених 
моніторингових вежах. 
Загальний економічний потенціал вітрової енергетики на основі 
супутникових даних та кліматичних моделей оцінюється Міжнародним 
агентством з відновлюваної енергетики (IRENA) у 119 ГВт – він є достатнім щоб 
з надлишком забезпечити електроенергією всю країну, адже зараз потужність 
електростанцій всіх видів в державі складає 54 ГВт [16]. 
 
Рисунок 1.2.2  Карта вітроенергетичного потенціалу Південно-Східної 
Європи. Помаранчевим та червоним кольором виділені області з постійними 
вітрами великої швидкості (понад 7 м/с). Джерело: IRENA 
 
Існуючі на сьогоднішній день в Україні потужності вітрових 
електростанцій перевищують 51 МВт, а з моменту, коли запрацювала перша 
вітчизняна вітрова електростанція, вироблено понад 80 млн кВт·год. 
електроенергії. За оцінками фахівців, загальна потенційна потужність 
української вітроенергетики становить 5000 МВт.  Узбережжя Чорного та 
Азовського морів, гористі райони Кримського півострова (особливо північно-
східне узбережжя) і Карпат, Одеська, Херсонська, Запорізька, Донецька, 
Луганська і Миколаївська області найбільш підходять для будівництва вітрових 
електростанцій. Тільки потенціал Криму достатній для виробництва більш ніж 
40 млрд кВт·год. електроенергії щороку. 
Підраховано, що за нинішнього рівня розвитку вітроенергетики 
спорудження у «вітряних» регіонах України вітрових електростанцій (ВЕС) 
дозволило б покрити ледве не третину  потреби електроенергії, яку ми 
споживаємо. Із технічної точки зору вітрова електроенергетика на сьогодні вже 
впритул наблизилася до традиційної: на сучасних вітрових турбінах коефіцієнт 
використання встановленої потужності сягає 42 відсотків. Це майже стільки, як 
на турбінах поширених нині теплових електростанцій. 
У 2006 році Херсонська облдержадміністрація (ОДА) передала 
недобудовану Сиваську ВЕС в концесію ТОВ “Сивашенергопром” до 2055 року. 
У 2011 році “Сивашенергопром” уклав договір оренди земельних ділянок 
площею 12 га, що знаходяться під концесійної ВЕС, і 1,3 тис. Га, призначених 
для будівництва нових вітряних і сонячних генеруючих потужностей. 
В 2012 році на базі  Краматорського заводу важкого 
верстатобудування було налагоджено виробництво перших вітрогенераторів 
мегаватного класу. Головним замовником «Фунлендер Віндтехнолоджі», на 2012 
рік, є ТОВ «Управляюча компанія «Вітропарки України», яка планує побудувати 
в 2013 році 125,5 МВт вітроенергетичних потужностей. За словами генерального 
директора компанії Владислава Єременка, планується будівництво Сакського 
вітропарку на 12,5 МВт та Східно-Кримської ВЕС на 100 МВт, розширення 
потужностей Новоазовської ВЕС на 5 МВт, а також встановити дві 2,5 МВт 
вітроустановки та однієї 3 МВт турбіни на Краматорській ВЕС. 
В 2012 році на стадії проектування перебували 600 МВт потужностей та в 
перспективній розробці близько 1,5 ГВт. Проектами управляючої компанії є 
«Вітровий парк «Степовий», який планує будівництво однойменної ВЕС 
потужністю до 100 МВт, «Вітровий парк «Сакський» – будівництво Зольнінської 
ВЕС потужністю до 12,5 МВт (також в планах компанії – будівництво 
Присиваської ВЕС в Радянському районі потужністю 25 МВт), «Вітровий парк 
«Керченський» – будівництво Останінської та Східно-Кримської ВЕС 
потужністю до 25 МВт і 100 МВт відповідно. Крім цього, в планах й 25 МВт 
Краснодонської ВЕС в Луганській області та 150 МВт Краматорської ВЕС в 
Донецькій області. В експлуатації 57,5 МВт вітропарку «Новоазовський» і 37,5 
МВт «Очаківськького» та «Березанського»  [17 - 20]. 
Таблиця 1.2 
Встановлена пікова потужність ВЕС України 
Рік МВт 
2006 86 
2007 89 
2008 90 
2009 94 
2010 87 
2011 151 
2012 302 
2013 371 
2014 651,8 
2015 426 
2016 438 
2017 465 
2018 533 
2019 1170 
2020 1314 
 
Російське вторгнення 
Кривава війна, яку росія розгорнула в Україні, зумовила глобальну 
енергетичну кризу. Чи не увесь світ нині шукає можливості для зменшення 
залежності від енергоресурсів країни-агресорки, яка тим часом не припиняє свій 
терор. 
Більшість країн, на щастя, розуміють, що вагому роль в енергетичній 
безпеці відіграє саме розвиток сектору відновлювальної енергетики, куди 
зокрема входять вітрові, сонячні та біоенергетичні станції. Відтак залежні від 
російських енергоносіїв країни помітно прискорили свій «зелений» курс. 
Однак, якщо Європа має час навіть на поступовий перехід, то Україна 
вимушена оперативно реагувати на виклики війни, адже існує в умовах 
масштабного руйнування генерацій [21]. 
На початок 2018 року в Україні запустили 505 МВт потужностей вітрових 
електростанцій, причому 138 МВт залишаються на окупованій території 
Донецької та Луганської областей, а ще 87,8 МВт залишилося біля Криму. Для 
порівняння, у Великій Британії загальна потужність вітроенергетики перевищує 
13 ГВт. 
Однак у 2018 році енергокомпанії побудують нові вітроелектростанції у 
Запорізькій, Херсонській, Івано-Франківській та Одеській та Миколаївській 
областях. Загальна потужність нових станцій втричі перевищуватиме показник 
встановленої в 2017 році потужності і перевищуватиме 200 МВт. 
Італійська компанія планує побудувати в Україні вітроелектростанцію 
потужністю 40 МВт. 
До 2020 року на Львівщині планують реалізувати 8 потенційних проектів з 
будівництва вітроелектростанцій загальною потужністю майже 388,2 МВт. 
Зазначається, що станом на 14 лютого 2018 року, в області є 3 діючі вітрові 
електростанції, загальною потужністю 33,9 МВт. У 2018 році очікується ще 2 
ВЕС, загальною потужністю 35,5 МВт. 
На Старосамбірщині у 2017 році запровадили в дію 6 вітрових установок. 
В Одеській області турецька компанія “Гюріш Іншаат ве Мюхендіслік 
А.Ш.” будує вітроелектростанцію потужністю 83 МВт. Потужність першої черги 
ВЕС «Овід Вінд 1» становить 32,4 МВт, а другою становитиме 50,4 МВт. 
General Electric (GE) підписала з ДТЕК договір на поставку 
високовольтного обладнання для центрального розподільного пункту 150 кВ і 
двох підстанцій 150/35/10 кВ, які забезпечать видачу електроенергії з першої 
черги Приморської ВЕС (Запорізька обл.) в енергосистему країни. 
В Одеській обласній державній адміністрації підписали Меморандум про 
співпрацю між ОДА та компанією у галузі вітроенергетики ТОВ «Соратано 
Україна». Відтак, документом передбачено будівництво вітроелектростанції у 
Білгород-Дністровському районі. Загальна сума інвестицій — близько 250 
мільйонів євро. Загалом, електростанцію розраховано на 30 вітрогенераторів 
потужністю 100 МВт. Завершити будівництво інвестор планує до 2020 року. 
2018 рік демонструє найкращу статистику розвитку вітроенергетичного 
сектора України за попередні чотири роки. За перше півріччя 2018 року, за 
даними НКРЕКП, було підключено до мережі і встановлено “зелений“ тариф на 
електроенергію, що генерується, новими вітроенергетичними об'єктами 
загальною потужністю 50.35 МВт, розташованими в Херсонській і 
Миколаївській областях. На початок серпня продовжується будівництво нових 
ВЕС в Запорізькій та Херсонській областях. За перші шість місяців 2018 року 
вітроенергетична галузь України виробила 568 млн кВт/год електроенергії. 
Загальна встановлена потужність вітростанцій материкової частини країни 
складає 515.5 МВт станом на 1 липня 2018 року [22]. 
Норвезька NBT у квітні 2018 року купила ТОВ “Сивашенергопром” 
(Херсонська обл., Оперує вітропарком потужністю близько 3 МВт) і має намір 
побудувати на суміжних територіях вітряну електростанцію (ВЕС) встановленою 
потужністю 250-330 МВт. 
Британська компанія Touchstone Capital Group Holdings Ltd цікавиться 
проектом будівництва офшорної комбінованої вітро-сонячної електростанції 
гігаватного класу потужності в Україні. 
Нагадаємо, що у вересні відбулися громадські слухання з приводу 
будівництва вітропарку біля селища Ясногірка. Згідно з проектом близько 
Краматорська планується установка вітроенергетичних установок (ВЕУ) 
потужністю 4,5 МВт. 
У Івано-Франківській області на території трьох сільських рад 
Рожнятівського району побудують вітроелектростанцію потужністю 25 МВт. 
На початку 2019 року в районі гори Карачун почнуться монтажні роботи 
вітротурбіни потужністю 5 МВт, на якій будуть розміщуватися 3 оглядові 
майданчики. 
На початку вересня 2018 року був підписаний договір про реалізацію 
міжнародного інвестиційного проекту з будівництва ВЕС в Херсонській області 
за провідної ролі норвезької компанії NBT. Згідно з ним, вже до кінця наступного 
року уздовж північного узбережжя озера Сиваш буде побудовано 67 вітрових 
електроустановок. Обсяг інвестицій, передбачений цим договором, становить 
близько $ 450 млн. 
У точці будівництва Сиваської ВЕС є можливість видачі в об’єднану 
енергосистему України до 600 МВт потужності, тому що безпосередньо по смузі 
землевідведення проходять лінії електропередачі 220 кВ, 330 кВ. Поруч також 
розташована підстанція заводу “Кримський титан”. 
У 2019 році у Яворівському районі Львівської області стартує будівництво 
вітроелектростанції. Потужність вітроелектростанції становитиме 50МВт в 
складі орієнтовно 18-21 вітроустановок одиничною потужністю від 2,4 МВт до 
4,6 МВт. З них 6 на території Терновицької сільської ради та 12-16 установок на 
території Залузької сільської ради на деградованих землях, що порушені 
діяльністю колишнього ДГХП «Сірка». Будівництво триватиме три роки, 
загальний обсяг інвестицій становитиме від 90 до 120 млн доларів США. 
Це перша подібна електростанція у Яворівському районі. Чисельність 
працівників на самій електростанції становитиме 15 осіб. 
2019 
На Херсонщині ввели в експлуатацію 14,4 МВт вітроелектростанції 
«Овер’янівська». Загальна потужність ВЕС становитиме  69,3 МВт. Будівництво 
станції здійснює компанія «Віндкрафт Україна». Компанія «Віндкрафт Україна» 
розробляє та інвестує у проекти вітрової енергетики в Україні. Компанія уклала 
меморандум про співпрацю із Херсонською обласною державною 
адміністрацією, який передбачає у найближчій перспективі будівництво 
«Овер’янівської», “Каланчацької” та Чаплинської ВЕС. Загальна потужність всіх 
ВЕС, що зводить компанія на Херсонщині становитиме близько 670 МВт. 
Станом на березень 2019 року в Україні будується 8 потужних вітропарків, 
загальною потужністю майже 1 ГВт. Це Овід Вінд (Одеська область) – 87 МВт; 
Причорноморський (Миколаївська область) – 70 МВт; Приморська ВЕС 
(Запорізька область) – 200 МВт; Овер'янівська (Херсонська область) – 70 МВт; 
Краматорська ВЕС (Донецька область) – 70 МВт; Орлівська ВЕС (Запорізька 
область) – 100 МВт; ВЕС Сиваш (Херсонська область) – 250 МВт; Дніпро-Бузька 
ВЕС (Херсонська область) – 110 МВт. 
Компанія “ДТЕК” планує побудувати дві вітроелектростанції потужністю 
500 МВт і 65 МВт відповідно. Станції встановлять на територіях Анатоліївської, 
Краснопільської та Ташинської сільрад Березанського району. Площа 
будівництва складе 35 тис. га. Перша черга Тилігульської ВЕС складатиметься з 
130-ти вітрогенераторів потужністю 3,9-6 МВт кожний. Висота кожного з 
генераторів становитиме 105-157 метрів. Друга черга ВЕС складатиметься з 17 
генераторів. 
Для реалізації проекту додатково побудують до 10-ти підстанцій 
потужністю 110/35 кВ, повітряні лінії електропередачі (ЛЕП) 35 кВ і/або 110 кВ 
протяжністю 100 км, а також прокладуть підземні кабельні лінії. 
Міжнародна компанія EuroCape New Energy має намір в 2019 році 
встановити перші вітротурбіни потужністю 98 МВт з проекту будівництва 
великої вітроелектростанції (ВЕС) в Запорізькій області, яка реалізується з 2009 
року. Компанія планує будівництво однієї з найбільших в Європі берегової 
електростанції потужністю 500 МВт із застосуванням вітроагрегатів однорідної 
потужності 3,3 МВт. Також пропонується забезпечити будівництво повітряної 
лінії 330 кВт, яка повинна приєднати електростанцію до підстанцій 330 кВ 
«Мелітопольська» Дніпровська РС та реконструкція самої підстанції. 
Запорізька ВЕС розміщується за межами населених пунктів на території 
Дівненської, Добровської, Дунаївської, Гірсовської, Надеждинської і 
Мордвинівської сільських рад в Приазовському та Мелітопольському районах 
Запорізької області. На території зазначених шести сільських рад планується 
встановити до 167 вітряних турбін з лінією електропередач 330 кВт на території 
сьомої - Новенської сільської ради, а також за межами населеного пункту. 
На території Яворівського району Львівської області ТОВ “Вінд Пауер Джі 
ЕС Ай Волинь” збудує вітроелектростанцію потужністю 50 МВт. Планується 
встановити 25 вітроенергетичних установок потужністю від 3,5 МВт до 5 МВт 
кожна. Загальна площа забудови становитиме 1 га. Вітроелектростанція 
генеруватиме близько 180 тисяч МВт-год електричної енергії на рік. Крім цього 
планується побудувати високовольтну підстанцію та провести реконструкцію 
високовольтного обладнання на підстанції “Львів Західна”. 
Крім того компанія має намір побудувати ВЕС потужністю 150 МВт, 
встановивши 50 вітрових турбін на території Зимненської та Іваничівської 
об'єднаних територіальних громад Волинської області. 
У Коростенському районі Житомирської області в рамках будівництва 
вітроелектростанцій “Лісова-1,2,3” встановлять 63 вітроенергетичні установки 
потужністю по 4,2 МВт (246,6). Висота щогли кожної вітротурбіни складе 130 м, 
а термін експлуатації ВЕС – 20 років. Проект реалізує Wind Solar Energy (WSE), 
яка через свою дочірню компанію Solar Kvant з 2013 року володіє та експлуатує 
СЕС на 5 МВт в Покровському районі Дніпропетровської області. 
Поблизу села Роксолани в Одеській області планують побудувати вітрову 
електростанцію потужністю 91 МВт, яка розмістить на площі понад 1600 га. 
У червні 2019-го року данська компанія Vestas та ТОВ «Віндкрафт 
Україна» уклали контракт на поставку 39 вітротурбін V150 потужністю по 4,2 
МВт для будівництва Мирненської ВЕС потужністю 163 МВт. 
Турецька компанія GURIS має намір побудувати ВЕС потужністю 80 МВт 
в Овідіопольському районі Одеській області. В рамках проекту передбачається 
збудувати від 12 до 16 вітроустановок потужністю від 3,6 МВт до 5,5 МВт кожна. 
Висота веж від 120 м до 160 м. Діаметр ротора від 130 м до 170 м. Згідно з 
попередніми розрахунками, щорічно ВЕС генеруватиме 230 тис. МВт*год. 
Німецька компанія Notus Energy до 2021-го року збудує на Одещині три 
вітроелектростанції загальною потужністю 270 МВт. Станції будуть розташовані 
поряд з містом Овідіополь, а також селами Роксолани та Лібенталь. Всього на 
трьох станціях буде 54 вітротурбін потужністю по 5 МВт кожна. Висота щогли 
турбіни сягатиме 250 метрів. 
ТОВ «Придніпровські Лани», власником якого є бельгійський холдинг 
Greenworx побудує вітрову електростанцію потужністю 100 МВт поблизу села 
Токарівка Білозерського району Херсонської області. Майбутня Придніпровська 
ВЕС займатиме близько 6450 га. Станція матиме 22 вітрові електроенергетичні 
установки потужністю від 4,5 до 5,7 МВт кожна. Висота щогли генераторів 
сягатиме від 118 м до 150 м, а діаметр ротора — від 149 м до 163 м. 
Також побудують центральну трансформаторну підстанцію 35/154 кВ й 
диспетчерський пункт. Вітрова станція в середньому генеруватиме орієнтовно 
350 ГВт-год електроенергії на рік. 
Міська рада Кролевця Сумської області підписала меморандум з 
компанією ESE Investment AG на будівництво вітрової електростанції 
потужністю 250 МВт. Загальна вартість проєкту становить 375 млн євро. 
2020 
Дайджест новин "Енергоджерела" повідомив, що Норвезька NBT побудує 
у Запорізькій області найбільшу в Європі вітроелектростанцію. У 2019 році 
компанія NBT придбала проєкт будівництва вітроелектростанції загальною 
потужністю 792,5 МВт на території Якимівської та Кирилівської територіальних 
громад в Запорізької області (проєкт «Зофія»). Реалізація проєкту планується до 
кінця 2022 року. За даними Національної енергетичної 
компанії, «Укренерго», загальна встановлена потужність вітроенергетичного 
сектору в Україні складада 1529 МВт. В УВЕА (Українській вітроенергетичній 
асоціації) очікують, що до кінця року вона зросте до 1750 МВт [15].  
 
Рисунок 1.2.3 
«Зелену» електроенергію в Україні генерують 34 вітрові електростанції 
(включно з тими, що знаходяться на території ОРДЛО). Найбільшими з них є 
Ботієвська, Приморська, Мирненська, Орлівська, Овер’янівська та Новоазовська 
ВЕС. Усі ВЕС першої сімки, крім Боївської та Приазовської, ввели в 
експлуатацію у 2019 році. 
Ботієвська ВЕС знаходиться біля села Приморський Посад 
Мелітопольського району Запорізької області. Станція побудована у 2012 році 
енергетичним холдингом ДТЕК і є найбільшою серед ВЕС в Україні. Станція 
складається 64 турбін Vestas V–112 3 МВт кожна, загальна потужність – 200 
МВт.  
Станція дозволяє знизити шкідливі викиди в атмосферу на 730 тис. т 
вуглекислого газу. Це прирівнюється до викидів 365 тисяч автомобілів. 
Приморська ВЕС знаходиться у селі Борисівка Запорізької області. 
Станція запрацювала у листопаді 2019 року. Будувала станцію компанія Wind 
Power – дочірня компанія ДТЕК ВДЕ. На ВЕС встановлено 52 вітротурбіни 
потужністю 3,8 МВт кожна. Висота вежі складає 110 м, а діаметр ротора 137 м. 
Потужність станції складає 200 МВт.  
Мирненська ВЕС знаходиться на землях Мирненської об’єднаної 
територіальної громади на Херсонщині. Тут на площі 55 га встановлено 35 турбін 
загальною потужністю 163 МВт. Генерувати станція може близько 574 млн 
кВт·год енергії щорічно і скорочує викиди на 455 тис. тонн СО2 щорічно.  
Орлівська ВЕС в Приморському районі Запорізької області. Всього 
Орлівська ВЕС має 26 вітротурбін V126 компанії Vestas потужністю 3,8 МВт. 
Висота вежі складає 112 м, а діаметр ротора – 126 м. 
Новотроїцька ВЕС знаходиться в Новотроїцькому районі Херсонської 
області. ВЕС складається з 12 вітротурбін V126 потужністю 3,65 МВт кожна та 8 
ВЕУ моделі V136 потужністю 3,6 МВт компанії Vestas. Загальна висота кожної 
вежі 117 м, при цьому розмах лопатей 126 м та 136 м. 
Овер’янівська ВЕС знаходиться на Херсонщині в межах Генічеського 
району. Станцію ввели в експлуатацію у 2019 році. Потужність ВЕС складає 68,4 
МВт.  Це дає змогу скоротити 210 тис. тонн викидів СО2 в рік.  
Новоазовську ВЕС запроєктували ще у 1996 році, запрацювала вона через 
15 років. Вона складається 23 вітротурбін потужністю 2,5 МВт кожна, 
виробником яких є німецька компанія Fuhrlaender AG. Під час проєктування і 
будівництва ВЕС врахували усі вимоги ботаніків, орнітологів, зоологів для 
зменшення шкідливого впливу на навколишнє середовище.  
 
1.3 Особливості експлуатації вітроенергетичних установок 
Вітроенергетичні установки оптимізують таким чином, щоб вони 
виробляли найбільшу кількість енергії при найімовірніших швидкостях вітру (як 
правило, 11 м/с) [4, 10]. А конструювати ВЕУ для вищих швидкостях вітру було 
б економічно неефективно, оскільки великі швидкості вітру трапляються досить 
рідко [10]. Проте існує необхідність у регулюванні всіх ВЕУ при швидких вітрах. 
В іншому випадку, може відбутися руйнування ротора установки або 
перевантаження силових передач. Все це призведе до практично повного 
руйнування вітроенергетичної установки, а також виникнення небезпеки для 
довколишніх об'єктів та можливих людських травм. Такі аварійні чинники можна 
було б уникнути шляхом підвищення міцності конструкції рухомих елементів 
вітроенергетичної установки, але тоді збільшаться і масогабаритні 
характеристики, що у свою чергу призведе до зниження ККД (за рахунок 
громіздкості конструкції) та збільшення вартості виробу [10, 23]. 
Крім того, під час роботи ВЕУ у генераторі виникають втрати енергії, 
внаслідок чого відбувається виділення тепла [10, 24]. Хоча ККД сучасних 
генераторів дуже високий, абсолютні втрати досить великі, що призводить до 
значного підвищення температури активної сталі, міді та ізоляції. Підвищення 
температури конструктивних елементів, у свою чергу, веде до їх поступового 
руйнування та зменшення терміну служби генератора, в крайньому випадку це 
може призвести до займання деяких елементів генератора. До того ж, магнітні 
складові генератора починають втрачати свої магнітні властивості за високої 
температури (понад 150 ºС). Зазвичай у промисловості та машинобудуванні 
запобігання виникненню даного негативного чинника застосовують різні 
системи охолодження [26, 27]. Але оскільки установка системи охолодження на 
ВЕУ економічно і практично недоцільна, то буде більш прийнятно, якщо системи 
регулювання частоти обертання вітроколеса будуть адаптуватися під 
температуру генератора і запобігати його перегріву. 
Практика експлуатації вітроенергетичних установок показала, що за певної 
частоти обертання можуть виникати резонуючі коливання  щогли і ротора [10]. 
При цьому резонансна частота обертання може бути значно меншою за граничну 
частоту обертання. Наприклад, для вертикально-осьової установки потужністю 3 
кВт "ВЕУ-3" резонансна частота настає при обертанні на 67 об/хв і 120 об/хв. 
Хоча гранична швидкість обертання становить 180...200 об/хв. Вітровий потік за 
своєю природою має хвилеподібну характеристику, отже, вітроенергетична 
установка буде розганятися, то сповільнюватися (амплітудні стрибки розгону і 
гальмування будуть більш згладженими, ніж у вітрового потоку, за рахунок 
інертності конструкції) [10, 28]. Внаслідок постійного розгону та гальмування 
вітроенергетична установка час від часу проходить через резонансну частоту 
обертання. 
Якщо процес розгону або гальмування ротора відбувається відносно 
швидко, то тривалість перебування в резонансному стані буде нетривалою. 
Однак якщо з будь-яких причин зміна частоти обертання ротора відбувається з 
малою швидкістю, час перебування установки в стані резонансу збільшується. 
Тривале навантаження резонансних вібрацій призведе до руйнування 
конструкції. Як відомо, вібраційний ефект призводить до підвищеного зниження 
довговічності агрегату, відбувається руйнування підшипників, розтріскування 
фундаменту, виникає радіальне биття – ці негативні дії призводять до руйнування 
ВЕУ та створюють небезпеку під час її експлуатації [29]. 
Таким чином, для безпечної та стабільної експлуатації вітроенергетичних 
установок необхідно оснащувати їх системами керування та аварійного 
гальмування для запобігання виникнення негативних факторів, перерахованих 
вище. 
 
1.4 Аналіз існуючих пристроїв, систем та способів аварійного 
гальмування вітроенергетичних установок 
Вітроенергетична промисловість має дуже широкий набір різних систем, 
що відповідають за стабільність роботи ВЕУ та запобігання аварійним ситуаціям. 
Проте слід розрізняти системи управління потужністю вітроенергетичних 
установок, системи регулювання та системи гальмування, так як у кожного виду 
систем є своє конкретне і вузькоспрямоване завдання. 
До систем управління потужністю відносяться, як правило, системи, які 
дозволяють здійснювати моніторинг, аналіз поточного стану вітроагрегату, та в 
залежності від заданої програми впливати на роботу ВЕУ, у тому числі 
загальмовувати її [7]. Але важливим нюансом тут є те, що системи управління 
потужністю ВЕУ не розраховані на аварійні ситуації, коли трапляється відмова 
будь-яких елементів самої системи управління та вітроагрегату загалом [30]. 
Таким чином, такі системи не встановлюються на ВЕУ як єдині, а доповнюються 
пристроями чи іншими системами, що частково дублюють функціонал основної 
системи [31]. 
Системи регулювання ВЕУ переважно включають системи, що утримують 
або обмежують основні характеристики роботи ВЕУ в допустимих діапазонах 
[33]. Як правило, у таких системах регульованим параметром є швидкість 
обертання ротора ВЕУ [32]. 
Системи аварійного гальмування здебільшого встановлюються на 
вітроенергетичні установки на додаток до основної системи управління або 
регулювання ВЕУ. Основним завданням системи гальмування в даному випадку 
буде запобігання безконтрольній роботі ВЕУ та запобігання можливим 
аварійним наслідкам у разі відмови основної системи управління або будь-яких 
інших компонентів вітроагрегату [34]. В магістерській роботі увага буде 
приділена саме таким системам аварійного гальмування ВЕУ. 
Нижче представлені результати проведеного пошуку та аналізу існуючих 
систем та способів аварійного гальмування ВЕУ серед вітчизняних та зарубіжних 
розробок: 
1. Колодкові гальма. 
Цей тип аварійних систем гальмування є найпоширенішим серед інших 
[35]. За своїм пристроєм зазначений тип гальм дуже схожий з автомобільними 
дисковими гальмами. На валу вітроколеса встановлюється гальмівний диск і з 
боків диска розташовуються гальмівні колодки [36]. За потреби гальмування 
колодки стискають гальмівний диск і починається процес гальмування. 
Колодкові гальмівні системи можуть мати два типи приводів: електричний та 
гідравлічний [37,38]. 
Системи з електричним приводом можуть мати редуктор, або інші 
механічні передачі, що перетворюють обертальний рух на поступальний [39]. 
Переваги: 
- даний тип гальмівних пристроїв має високу надійність, оскільки 
конструкція багато в чому запозичена з автомобільної промисловості, де 
пройшла багаторічне відпрацювання [40,41]; 
- також, колодкові гальмівні системи ВЕУ дозволяють забезпечувати 
високі гальмівні моменти за рахунок того, що гальмівні диски можуть 
масштабуватися до необхідних розмірів, тим самим створюючи більше плече для 
застосування гальмівного моменту; 
– крім того, колодкові гальма здатні працювати навіть за високих 
температур [42] – це дозволяє їм поглинати велику кількість надлишкової 
потужності на вітроколесі без шкоди для конструкції. 
Недоліки: 
- дуже важливим недоліком даного типу гальм є їх значні габаритні розміри 
і неможливість компактного розташування всередині конструкції ВЕУ, що 
робить їх застосовними тільки на великих ВЕУ, які мають місткі гондоли [43]; 
– також, до недоліків належить високе енергоспоживання гальмівної 
системи, т.к. протягом усього часу гальмування система витрачає електроенергію 
на утримання колодок у стислому стані [44]; 
- у випадку, якщо у даного типу гальм привод є гідравлічним, то 
конструкція значно ускладнюється через додавання до її складу гідростанції [45]. 
2. Замикання обмоток електричного генератора ВЕУ. 
Аварійне гальмування вітроколеса можливе у деяких випадках шляхом 
замикання обмоток електричного генератора ВЕУ [46]. При чому замкнути 
обмотки генератора може система управління, і оператор вітроустановки [47]. 
Але не варто плутати даний метод аварійного гальмування вітроколеса з 
регулюванням частоти обертання ротора шляхом замикання обмоток генератора 
з використанням широтно-імпульсної модуляції [48]. В останньому випадку 
здійснюється гальмування вітроколеса, а процес повного гальмування може 
зайняти тривалий час (залежить від вітрових умов, в яких працює ВЕУ) [49]. 
Переваги: 
- при замиканні обмоток генератора гальмування вітроколеса відбувається 
дуже швидко, після чого воно залишається в загальмованому стані [50]; 
– крім того, для замикання обмоток генератора достатньо невеликої 
кількості електроенергії для перемикання контактів реле у випадку, якщо 
операцію виконує автоматика. Для виконання цієї операції людині достатньо 
лише переключити тумблер, що теж вимагає малої кількості часу та сил. 
Недоліки: 
- різке гальмування ротора на великій швидкості обертання може призвести 
до деформації чи руйнуванню його механічної конструкції [51]; 
– у процесі гальмування на обмотках генератора виділяється велика 
кількість тепла за малий проміжок часу, що може призвести до оплавлення чи 
займання обмоток [52]; 
- загальмувати ветроколесо даним способом неможливо, якщо електричний 
генератор перегрітий або виникло порушення цілісності кабелю електричного 
генератора, що йде до системи управління [53]. 
3. Комбіноване відключення ВЕУ 
Комбінований спосіб зупинки вітроколеса може включати кілька процедур: 
аеродинамічний гальмування, механічне гальмування, гальмування генератором 
[54 - 56]. Даний спосіб, як правило, застосовується на великих ВЕУ, коли 
необхідно зупинити вітроколесо настільки швидко, наскільки це можливо, не 
завдаючи при цьому шкоди конструкції [57]. 
Переваги: 
- процес гальмування вітроколеса може займати незначний за тривалістю 
час у порівнянні з іншими способами за рахунок використання двох або більше 
механізмів гальмування. 
Недоліки: 
- Низька надійність даного способу, так як при гальмуванні 
використовуються штатні елементи та вузли ВЕУ, які за аварійної ситуації 
можуть працювати некоректно, або виведені з ладу. 
 
 
 
 
1.5 Аналіз статистичних даних щодо аварій на вітроенергетичних 
установках 
Для оцінки необхідності використання систем аварійного гальмування слід 
розглянути кількість, типи та наслідки аварійних ситуацій під час експлуатації 
вітроенергетичного обладнання. 
При пошуку статичних даних щодо аварій вітроенергетичних установок 
використовувалися: звітні дані енергетичних відомств різних держав та 
політичних спілок; результати випробувань та експлуатації вітроенергетичних 
установок промислових підприємств; огляди профільних відомств, які 
здійснюють збір та аналітику даних з вітроенергетики; а також 
використовувалася інформація, надана різними державними та міжнародними 
асоціаціями в галузі відновлюваної енергетики та вітроенергетики зокрема. 
Варто зазначити, що регулярні статистичні та звітні дані щодо експлуатації 
вітроенергетичного обладнання можна знайти, починаючи з кінця 80-х років 
минулого століття. З іншого боку, під час аналізу даної інформації слід 
враховувати, що у статистичні дані потрапляють аварійні випадки, переважно які 
сталися на комерційних чи державних об'єктах. Облік проблем експлуатації 
вітроенергетичних установок приватними споживачами дуже складний, так як 
немає механізму збору таких даних. З цього можна зробити припущення, що 
наведені нижче цифрові показники аварійних випадків на вітроенергетичних 
об'єктах є дещо заниженими і не враховують достатньо досвіду експлуатації 
малих вітроенергетичних установок приватними споживачами. 
За проаналізованими даними всього з 1989 по 2018 роки сталося 797 822 
аварійних випадків при експлуатації ВЕУ [58,59]. На рис. 1.5.1 наведено графік 
із розподілом кількості аварій за роками. За графіком видно, що кількість аварій 
на вітроенергетичних установках з кожним роком лише зростає. У 2018 році було 
зафіксовано найбільше – 68834 аварійні випадки. Проте слід зазначити, що з 2011 
року кількість аварійних ситуацій має незначну тенденцію зростання. 
70 000      
 
60 000 
 
50 000 
 
40 000 
 
30 000 
 
20 000 
 
10 000 
 
0 
1989 1991   1993   1995   1997   1999   2001   2003   2005   2007   2009   2011   2013   2015   2017 
  
Рисунок 1.5.1 – Кількість аварій вітроенергетичних установок (світові 
дані). 
Для повного уявлення картини з аварійності вітроенергетичних установок 
слід аналізувати не тільки абсолютні значення, а й відносні. Для цього було 
визначено тенденцію зміни частки аварійних випадків від загальної кількості 
вітроенергетичних установок, що експлуатуються. Оскільки у відкритих 
джерелах не представлена інформація щодо загальної кількості експлуатованих 
установок у всьому світі, це значення було визначено шляхом поділу загальної 
встановленої вітрової потужності (дані наведені на Рисунку 1.2.1) на середню 
потужність вітроенергетичних установок. Графік зміни середньої потужності 
вітроенергетичних установок представлений на Рисунку 1.5.2 [14, 15, 20]. При 
порівнянні цих даних було отримано кількість вітроенергетичних установок, що 
перебували в експлуатації в період з 2000 по 2018 роки (рисунок 1.5.3). 
Розділивши загальну кількість вітроенергетичних установок, що 
експлуатуються, на загальну кількість аварійних випадків у всьому світі, було 
отримано відсоткову зміну кількості аварій (рисунок 1.5.4). 
Кількість аварій 
2000      
 
1750 
 
1500 
 
1250 
 
1000 
 
750 
 
500 
 
250 
 
0              
1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 
 
Рисунок 1.5.2 – Середня потужність вітроенергетичних установок за 
роками (з 1992 до 2018 року). 
 
 
300000 
 
 
250000 
 
 
200000 
 
 
150000 
 
 
100000 
 
 
50000 
 
 
0 
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 
  
Рисунок 1.5.3 – Кількість діючих вітроенергетичних установок у період з 
2000 до 2018 року. 
За графіком видно, що з 2015 року спостерігається стабілізація кількості 
аварій на вітроенергетичних установках поблизу 20%. Зниження кількості аварій 
Кількість  ВЕУ Середня потужність ВЕУ, кВт 
зумовлюється застосуванням на вітроенергетичних установках сучасних систем 
керування. 
Проте 20-відсотковий рівень аварійності все ще досить високий. Аварії на 
вітроенергетичному обладнанні спричиняють економічну шкоду, шкоду 
здоров'ю та життю людей, які працюють на ВЕУ або знаходяться поблизу, 
зниження енергобезпеки об'єктів, що постачаються, тощо. 
 
70      
 
60 
 
50 
 
40 
 
30 
 
20 
 
10 
 
0 
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018  
Рисунок 1.5.4 – Частка вітроенергетичних установок, під час експлуатації 
яких наставав аварійний випадок. 
На Рисунку 1.5.5 наведено наслідки аварій, що трапилися на 
вітроенергетичних установках. Найбільша шкода при аваріях завдається 
навколишньому середовищу (18% випадків). У 15% випадків аварій відбувається 
пошкодження розташованих поблизу транспортних засобів уламками лопатей, 
що розірвалися, або інших елементів конструкції. 14% випадків аварій ВЕУ 
супроводжуються людськими травмами та 9% випадків 
– людськими жертвами. У 11% випадків відбувається пошкодження 
прилеглих будівель та споруд. І в одній третині випадків аварії ВЕУ 
супроводжуються комбінованими наслідками (типами шкоди). 
 
% аварій ВЕУ 
 
 
 
  
Рисунок 1.5.5 – Типи наслідків аварійних випадків на вітроенергетичних 
установках. 
На Рисунку 1.5.6 наведено відсоткове співвідношення типів аварій ВЕУ. 
Найбільш поширеним типом аварії ВЕУ є руйнування лопатей вітроколеса (45%). 
Також, у 37% випадків аварій відбувається спалах електричного генератора 
установки. 14% випадків супроводжуються повним руйнуванням конструкції 
вітроенергетичної установки. І лише у 4% випадків відбувається поломка 
окремих механічних елементів вітроагрегату. 
На Рисунку 1.5.7 наведено причини аварій на вітроенергетичних 
установках [60]. Найчастішою причиною аварій вітроенергетичних установок є 
перевищення гранично допустимої швидкості обертання ротора або технічна 
неможливість гальмування ротора. Крім того, руйнування лопатей ротора ВЕУ 
призводить до найчастіших людських травм, а також ушкодження найближчих 
до ВЕУ інфраструктурних та транспортних об'єктів. Звідси випливає, що 
найбільш затребуваною технічною системою, призначеною для запобігання 
аваріям, буде система, яка обмежує швидкість обертання ротора 
вітроенергетичної установки аж до його повного гальмування. 
 
 
Поломка 
механічних 
Повне елементів 
руйнування 4% 
конструкції 
14% 
Руйнування 
лопатей 
45% 
Займання 
37% 
 
Рисунок 1.5.6 – Типи аварій на вітроенергетичних установках. 
 Для оцінки економічної шкоди від аварій на вітроенергетичних 
установках необхідно розрахувати середню вартість вітроенергетичної 
установки по кожному класу. У таблиці 1.3 наведено такі значення, згідно з 
даними Уряду Великобританії [61]. Далі для розрахунку були взяті дані щодо 
аварійності класів вітроенергетичних установок (Рисунок 1.5.8) [60]. 
 
 
Утомна 
напруга 
деталей 3% 
Удари 
блискавкою 4% 
Штормові Зледеніння 
погодні умови  5% 3% 
Мережеві Виробничий брак 
помилки 6% 37% 
6% 
Невідомі причини 
8% 
Інші причини 
11% 
Помилки в системі управління  
23%  
Рисунок 1.5.7 – Причини аварії вітроенергетичних установок. 
Таблиця 1.3  
Вартість вітроенергетичних установок 
Діапазон вартості, млн. грн. 
Клас  вітроенергетичних Середнє значення, 
Мінімальне Максимальне 
установок млн. грн. 
значення значення 
Малі (до 500 кВт) 0,3 61.7 50,25 
Середні (500…1000 кВт) 61.7 98.8 80.25 
Великі (1000 кВт и более) 98.8 308.6 203.7 
 
 
< 500 кВт,  
17% 
    > 1000 кВт 
49% 
 
500…1000 кВт 
34% 
 
Рисунок 1.5.8 – Аварійність класів вітроенергетичних установок. 
Зіставивши дані Таблиці 1.2 та Рисунка 1.5.8 було отримано усереднені 
значення з економічних втрат, понесених у зв'язку з виходом з експлуатації 
вітроенергетичних установок. Отримані значення представлені Рисунку 1.5.9. 
При цьому в розрахунку не враховано непрямих збитків, які виникали через 
порушення електропостачання об'єктів. Таким чином, сумарні економічні втрати, 
які зазнали у зв'язку з аварійним виходом з експлуатації вітроенергетичних 
установок з 1989 по 2018 роки, склали понад 105.6 трлн. Грн. 
10 000      
 
 8 750 
 
 7 500                                                                                                                                     
 
6 250 
  
5 000                                                                                                             
 
3 750                                                                                                       
  
2 500                                                                                
 
1 250                                                              
 
0 
1989 1991   1993   1995   1997   1999   2001   2003   2005   2007   2009   2011   2013   2015   2017 
  
Рисунок 1.5.9 – Економічні втрати, які зазнали у зв'язку з аварійним 
виходом з експлуатації вітроенергетичних установок. 
 
Висновки по розділу 1 
Проаналізувавши відомості, наведені в Розділі 1, можна стверджувати, що 
сучасна вітроенергетична промисловість все ще потребує надійних систем 
гальмування, здатних запобігати аваріям на вітроенергетичних установках. З 
аналізу статистичних даних щодо аварій на установках випливає, що 
найважливішими характеристиками, якими слід відстежувати технічний стан 
об'єкта – це частота обертання ротора і температура генератора. Також слід 
забезпечувати моніторинг вібраційних коливань конструкції. 
Крім того, важливою вимогою системи гальмування ВЕУ є повна 
автономність від основної системи управління. А також система гальмування 
повинна містити механічні елементи, здатні витримувати підвищені 
навантаження. 
Загалом система повинна забезпечувати безпечні експлуатаційні умови 
ВЕУ навіть за швидкостей окремих поривів вітру, що відповідають 10 балам за 
шкалою Бофорта. Таким чином, необхідно дослідити систему гальмування, яка 
буде відповідати вищезазначеним вимогам. 
Економічні втрати, млрд. грн. 
РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМИ 
АВАРІЙНОГО ГАЛЬМУВАННЯ ВІТРОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ 
 
2.1 Склад системи аварійного гальмування ВЕУ 
Для дослідження системи аварійного гальмування вітроенергетичної 
установки, що відповідає вимогам, пред'явленим у першому розділі, було 
вирішено вибрати механічну систему гальмування, т.к. механічні конструкції 
здатні витримувати значні динамічні та температурні навантаження. При цьому 
для системи був обраний електричний привід як найбільш надійний механізм 
приводу і найбільш підходящий до умов, в яких експлуатуються вітроенергетичні 
установки. 
На Рисунку 2.1.1 представлено структурну схему такої системи 
гальмування. На контролер надходять дані з наступних датчиків: температури 
генератора, швидкості обертання ротора і віброшвидкості на конструкції ВЕУ. 
Якщо хоча одна з вимірюваних величин досягне граничного значення, від 
контролера надійде сигнал активації на електропривод. Гальмівний момент 
передається від електроприводу через механічний гальмівний блок на ротор ВЕУ, 
тим самим загальмовуючи його. 
Очевидно, що якщо хоча б одна з вимірюваних величин прагне перевищити 
свої номінальні значення, то ймовірні такі факти: встановлене вітрове 
навантаження, що перевищує нормальні значення (вище 11 м/с); є збій чи 
несправність в основній системі управління потужністю ВЕУ; існують інші 
технічні несправності в енергокомплексі. 
Для того, щоб створити достатній момент для гальмування ВЕУ, необхідно, 
крім електроприводу, використовувати знижувальну передачу – редуктор. Крім 
того, це дозволить застосувати електропривод малих габаритів. Навіть малі 
вітроенергетичні установки мають достатньо порівняно високі значення 
крутного моменту на роторі при швидкостях вітру вище 11 м/с по відношенню 
до крутного моменту розповсюджених електроприводів. 
                                                               
   
  
 Датчик частоти 
 обертання 
 
 
 Датчик  
температури 
 генератора  
 
   
Датчик 
 віброшвидкост
і  
Рисунок 2.1.1 Структурна схема системи аварійного гальмування ВЕУ 
Для утримання вітроколеса в загальмованому стані можна застосувати два 
способи: активація електроприводу в режимі утримання валу, або застосування в 
механічному блоці елементів, що самозаклинюються. Для енергобезпеки всього 
вітроенергетичного комплексу кращим є варіант з механічними елементами, що 
самозаклинюються, т.к. у цьому випадку відсутні витрати на живлення 
електроприводу. При цьому ротор вітроенергетичної установки може 
знаходитись у загальмованому стані тривалий час без істотного розряду 
акумуляторних батарей енергетичного комплексу. Однак треба мати на увазі, що 
для деактивації системи (розгальмовування ротора) необхідно витратити 
електроенергію на запуск електроприводу в реверсивному напрямку. Таким 
чином, система повинна враховувати рівень заряду акумуляторних батарей, щоб 
завжди залишалося достатньої енергії як мінімум для однієї активації системи 
(одного гальмування). 
 
 
 
2.2 Математичний опис роботи системи аварійного гальмування ВЕУ 
Для складання математичної моделі системи гальмування, що входить до 
складу вітроенергетичної установки, слід описати динамічні параметри 
вітроколеса. Рівняння у диференціальному вигляді, що описує динамічний рух 
(обертання) ротора вітроенергетичної установки: 
J·(dω/dt)=Ma - Mем. - Mгальм.,                                                                              (2.1) 
де J - момент інерції системи, ω - кутова швидкість вітроколеса; Ma - 
аеродинамічний момент; Mем. – електромагнітний момент генератора; Mгальм - 
гальмівний момент. 
Електромагнітний момент генератора прямо пропорційний струму в 
обмотках генератора: 
Mем=I · kген.,                                                                                                        (2.2) 
де I - струм в обмотках генератора, kген. - коефіцієнт, відповідний 
конструкції і типу генератора. 
Аеродинамічний момент ротора: 
Ma=Cp(Z)·(ρ·Sротора·V
3/2·ω),                                                                            (2.3) 
де Cp(Z) - rоефіцієнт використання енергії вітру (функція від 
швидкохідності вітроколеса Z); ρ – щільність повітря; V - швидкість потоку вітру, 
що набігає; Sротора - площа вітроколеса, що омітається; ɷ – кутова швидкість 
вітроколеса. 
Аеродинамічна потужність на роторі ВЕУ: 
Pa= Cp(Z)·(ρ·S 3
ротора·V /2),                                                                               (2.4) 
Розрахунок температури обмоток генератора описується законом Джоуля-
Ленца в інтегральній формі: 
dQ=I2·Rпровідdt,                                                                                                   (2.5) 
де dQ - кількість теплоти, що виділяється за проміжок часу dt, I - сила 
струму, Rпровід - опір провідника. Також, для обліку остигання обмоток за рахунок 
контакту з довкіллям можна скористатися законом Ньютона-Ріхмана. Це 
емпірична закономірність, що виражає тепловий потік Q між нагрітими різними 
об'єктами через температурний напір: 
(d/dt)·(ð/ðS)·Q=α·ΔT,                                                                                      (2.6) 
де α – коефіцієнт тепловіддачі (Вт/(м2· К)), S – площа поверхні нагрітого 
тіла. 
Далі наведено опис електромеханічних елементів системи гальмування 
ВЕУ. Момент, що передається через редуктор від електроприводу: 
Mред.=Мпр.·ηред.,                                                                                                 (2.7) 
де Мпр – крутний момент електроприводу, ηред - коефіцієнт корисної дії 
редуктора. 
Формула, що описує перетворення крутного моменту в лінійно спрямовану 
силу на гальмівних елементах: 
Fк= Mред·kмех.,                                                                                                 (2.8) 
де kмех. - коефіцієнт перетворення механічного блоку. При цьому момент 
гальмування, що створюється гальмівними елементами, дорівнює: 
Мгальм.= Fк·Rбар.·μ,                                                                                           (2.9) 
де Rбар – радіус контактної поверхні гальмівного барабана (або диска) на 
роторі ВЕУ, μ – коефіцієнт тертя. При цьому час гальмування ротора можна 
визначити за допомогою наступного виразу: 
ta=(Jротора·n/ Мгальм.),                                                                                    (2.10) 
де Jротора – момент інерції ротора, n – число обертів ротора за хвилину. 
Також у процесі роботи системи гальмування ВЕУ слід враховувати 
температуру нагрівання гальмівних елементів. Температура гальмівних колодок 
впливає на коефіцієнт тертя, а надмірне нагрівання призведе до істотного 
зниження коефіцієнта тертя. Вираз кількості теплоти, переданої гальмівним 
елементам у процесі гальмування через здійснену роботу: 
Qтер.=Атер.=Fтер.·l,                                                                                             (2.11) 
де Fтер. – сила тертя, створювана гальмівними елементами, l – відстань, де 
здійснювався процес тертя-ковзання кулачків по фрикційній поверхні 
гальмівного барабана (диска). 
Відстань l виражається: 
l=ω·Rбар.·ta,                                                                                                       (2.12) 
Нагрів гальмівних елементів з урахуванням віддачі тепла навколишньому 
середовищу можна записати через вираз: 
Qтер.=C·m·(Tколодок – Тоточ.),                                                                         (2.13) 
де С – питома теплоємність гальмівних елементів, m – маса гальмівних 
елементів, Тоточ  - температура оточуючого середовища. 
 
2.3 Дослідження універсальної комп'ютерної моделі системи 
аварійного гальмування ВЕУ 
Для створення універсальної комп'ютерної моделі системи аварійного 
гальмування ВЕУ використали програмний комплекс MATLAB Simulink. 
Математична модель була інтегрована в комп'ютерну модель з використанням 
алгоритмів, представлених на рисунках 2.3.1 та 2.3.2. 
Загальний вигляд комп'ютерної моделі системи гальмування ВЕУ у 
програмному середовищі MATLAB Simulink представлено малюнку 2.3.3. 
Модель складається з трьох основних блоків: контролер (Controller), 
електропривод (Electric drive) та механічний гальмівний блок (Mechanical 
system). Основними вхідними параметрами моделі є три вимірюваних сигнали з 
ВЕУ: швидкість обертання ротора (Rotor RPM), температура генератора (Gen. 
temp.) і віброшвидкість на конструкції ВЕУ (Vibration sensor). При цьому 
вихідним параметром системи гальмування є гальмівний момент (Brake Torque). 
 
 
 
 
Початок 
Оцінка значення 
температури 
генератора 
 
 
Оцінка значення 
швидкості 
обертання  ротора 
 
 
Оцінка значення 
віброшвидкості 
 
Прийняття 
рішення про 
активацію системи 
 
 
Кінець 
 
  
Рисунок 2.3.1 - Укрупнений алгоритм роботи системи аварійного 
гальмування вітроенергетичної установки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.3.2 – Детальний алгоритм роботи системи аварійного 
гальмування вітроенергетичної установки. 
 
 
 
 
Рисунок 2.3.3 – Комп'ютерна модель системи гальмування 
вітроенергетичної установки у програмному середовищі MATLAB Simulink. 
Загальний вигляд. 
У моделі контролера системи гальмування відбувається порівняння 
величин параметрів, що вимірюються, з граничними значеннями, які, як правило, 
визначені виробником ВЕУ. Комп'ютерна модель контролера представлена 
Рисунку 2.3.4. Крім того, модель контролера робить теоретичну оцінку 
температури гальмівних елементів (Brake temperature estimation). Для цього в 
модель додано значення температури навколишнього середовища, що імітує 
значення з датчика температури (Environment temperature sensor). Цей розрахунок 
необхідний для того, щоб у разі потреби інтенсивного та частого гальмування 
ротора ВЕУ не відбулося перегріву гальмівних елементів. У разі перегріву 
гальмівних елементів відбувається суттєве зменшення коефіцієнта тертя 
матеріалу, у результаті система гальмування може виробляти недостатній 
гальмівний момент задля забезпечення своєчасної зупинки ротора ВЭУ. Якщо за 
результатами розрахунку значення температури гальмівних елементів після 
останнього гальмування наближається до граничної величини, то система буде 
утримувати ВЕУ в загальмованому стані доти, доки не відбудеться охолодження 
гальмівних елементів до допустимих значень. 
 
Рисунок 2.3.4 – Комп'ютерна модель контролера системи аварійного 
гальмування вітроенергетичної установки у програмному середовищі MATLAB 
Simulink. 
Розрахунок температури гальмівних елементів проводиться за моделлю, 
наведеної на Рисунку 2.3.5. Так як сигнали управління гальмівними елементами 
генеруються на контролері, то для системи можна розрахувати силу тертя, що 
виникає між контактними поверхнями гальм і тривалість гальмування. Таким 
чином проводиться розрахунок виробленої гальмівними елементами роботи, що 
еквівалентно кількості тепла, що виділилося на них. Значення температури 
довкілля враховується під час розрахунку охолодження (відбору теплової енергії) 
гальмівних елементів і далі відбувається розрахунок температури нагрівання тіла 
з урахуванням коефіцієнта теплопровідності матеріалу та масових характеристик 
гальмівних елементів. Крім того, при розрахунку охолодження гальмівних 
елементів за рахунок контакту з навколишнім середовищем враховуються їх 
геометричні параметри – площа поверхні, що контактує з повітрям. 
 
 
 
Рисунок 2.3.5 – Комп'ютерна модель модуля розрахунку температури 
гальмівних елементів. 
Також необхідно сказати про блок «Annalise and reaction module» у моделі 
контролера (рисунок 2.3.6). Цей блок генерує сигнал управління, який надходить 
безпосередньо на електропривод. По-перше, в блоці, що розглядається, не 
враховуються окремо основні вимірювані параметри ВЕУ (швидкість обертання 
вітроколеса, температура генератора і вібраційні коливання), а відбувається 
тільки оцінка про наявність або відсутність необхідності гальмування ВЕУ. По-
друге, в блоці є ще два вхідні сигнали: струм в електроприводі (Drive current) і 
сигнал кінцевого датчика (Limit switch). Два даних сигналу необхідні своєчасної 
зупинки електропривода. 
 
Рисунок 2.3.6 – Комп'ютерна модель модуля генерації сигналу, що 
управляє, в контролері системи аварійного гальмування вітроенергетичної 
установки. 
На Рисунку 2.3.7 показано модель приводного блоку. Керуючий сигнал з 
контролера (Activate signal) активує пуск та зупинку приводу або в нормальному 
або в реверсивному режимах. Крутний момент з електроприводу передається на 
механічний блок, після чого відбувається переміщення гальмівних елементів і 
притискання їх гальмівному барабану ротора ВЕУ. У міру стиснення контактних 
поверхонь крутний момент на електроприводі почне зростати, відповідно і сила 
струму теж. Датчик струму в електроприводі необхідний, щоб визначити момент 
притискання гальмівних елементів з достатнім зусиллям і залишити обертання 
електропривода. Саме для цього в блоці датчика струму (Current sensor) є вхідний 
сигнал Friction force (сила тертя прямо пропорційна силі, що діє за нормаллю). 
 
Рисунок 2.3.7 – Комп'ютерна модель приводного блоку системи 
аварійного гальмування вітроенергетичної установки. 
Модель третього основного елемента системи гальмування – механічного 
гальмівного блоку представлена Рисунку 2.3.8. Крутний момент надходить на 
редуктор (Reducer unit) з урахуванням його коефіцієнта корисної дії. Далі 
момент, що крутить, надходить на механічний пристрій, що перетворює 
обертальний рух в поступальний також з урахуванням коефіцієнтів даного 
механізму. Після цього зусилля передається на гальмівні елементи і далі на 
гальмівний барабан. Модель дозволяє вибрати коефіцієнт тертя або як 
константну величину або як змінну величину в залежності від температури 
нагріву. Також модель містить елемент, який імітує самозаклинювання 
механічних ланок (Self-jamming effect). Тобто відбувається імітація процесу, що 
протікає в реальній системі - потужність з електроприводу на механічний вузол 
надходить тільки в момент проходження гальмівними елементами вільного 
проміжку і притискання їх до гальмівного барабана. Далі утримання гальмівних 
елементів у притисненому стані здійснюється за рахунок внутрішніх сил тертя 
механічного вузла. Крім того, модель містить елемент, що імітує кінцевий 
датчик, який знаходиться в замкнутому стані в період неактивності системи 
гальмування (ВЕУ не загальмована). Це дозволяє визначити стан ВЕУ після 
першого увімкнення або перезавантаження контролера системи гальмування. 
Також, замикання кінцевого датчика служить сигналом для зупинки 
електроприводу, коли він працює у реверсивному режимі, тобто розгальмовує 
ротор ВЕУ. 
 
Рисунок 2.3.8 – Комп'ютерна модель механічного вузла системи 
аварійного гальмування вітроенергетичної установки. 
Загальна модель вітроенергетичного комплексу представлена малюнку 
2.3.9. 
 
 
Рисунок 2.3.9 – Комп'ютерна модель вітроенергетичного комплексу з 
інтегрованою моделлю системи аварійного гальмування. 
На Рисунку 2.3.10 зображено модель генератора ВЕУ. Для розрахунку 
температури обмоток генератора до цієї моделі доданий елемент, що імітує 
датчик температури (Generator temperature estimation). Детальна модель елемента 
показана Рисунку 2.3.11. Розрахунок температури нагріву проводиться за 
рахунок надходження в модель інформації про силу струму в обмотках та про 
температуру навколишнього середовища. Також при розрахунку враховуються 
переріз проводів обмоток, їх опір, площа поверхні обмоток, що контактує з 
навколишнім середовищем, коефіцієнт теплоємності матеріалу проводів та 
загальна маса проводів. 
 
Рисунок 2.3.10 – Комп'ютерна модель генератора вітроенергетичної 
установки з вбудованим модулем розрахунку температури в обмотках. 
 
Рисунок 2.3.11 – Комп'ютерна модель модуля розрахунку температури 
обмоток генератора вітроенергетичної установки. 
Висновки по розділу 2 
Другий розділ присвячений теоретичному дослідженню системи 
аварійного гальмування вітроенергетичної установки, розробці її математичної 
моделі, алгоритму управління та універсальної комп'ютерної моделі. 
На основі вимог до систем аварійного гальмування, сформульованих у 
першому розділі, було вирішено використати механічну систему гальмування з 
електричним приводом. 
Було досліджено математичну модель, що описує процеси, що впливають 
на прийняття рішення про необхідність активації системи гальмування 
вітроенергетичної установки системи аварійного гальмування. 
З використанням математичної моделі системи аварійного гальмування 
ВЕУ було досліджено її універсальну комп'ютерну модель у програмному 
комплексі MATLAB Simulink, для якої було розроблено алгоритм управління . 
Ця комп'ютерна модель універсальна для всіх типів вітроенергетичних 
установок. Вона дозволяє досліджувати вплив різних параметрів системи 
аварійного гальмування на процес експлуатації ВЕУ. Використання розробленої 
комп'ютерної моделі дозволяє на етапі проектування системи аварійного 
гальмування ВЕУ оптимізувати її параметри, а також оцінити ефективність її 
роботи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РОЗДІЛ 3  
ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ УНІВЕРСАЛЬНОЇ МОДЕЛІ СИСТЕМИ 
АВАРІЙНОГО ГАЛЬМУВАННЯ ВІТРОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ 
 
3.1 Вибір та опис вітроенергетичної установки для дослідження 
конструкції системи аварійного гальмування 
Для дослідження роботи універсальної  моделі системи аварійного 
гальмування було вирішено розглянути це питання на конкретному прикладі. Як 
об'єкт дослідження було обрано вертикально-осьову установку потужністю 3 кВт 
(далі ВЕУ-3) компанії Альенерго [http://altenergo.biz/vitrogeneratori/]. Було 
поставлено завдання дослідитити для даної моделі вітроенергетичної установки 
конструкцію системи аварійного гальмування. Зображення ВЕУ-3 представлене 
Рисунку 3.1.1, а в таблицях 3.1 та 3.2 наведено паспортні та робочі 
характеристики ВЕУ-3. 
 
Рисунок 3.1.1 – Вертикально-осьова вітроенергетична установка 
потужністю 3 кВт 
Таблиця 3.1  
Паспортні показники ВЕУ-3 
Назва параметра Значення 
Номінальна потужність 
3 
вітроенергетичної установки, кВт 
Опір обмоток генератора, Ом 3,5 
Момент інерції ротора, Н·м 400 
Діаметр ротора, м 3,4 
Висота ротора, м 4 
Номінальна швидкість обертання ротора, 
180 
об/хв 
Гранично допустима швидкість обертання 
200 
ротора, об/хв 
 Гранично допустима температура 
90 
обмоток генератора, ºС 
Гранично допустима віброшвидкість на 
3,2·10-3 
щоглі, м/с 
  
Таблиця 3.2  
Робочі показники ВЕУ-3 
Швидкість Крутний Аеродинамічна Електрична 
Швидкість 
обертання момент потужність на потужність 
вітру V, м/с 
ротора n, об/хв ротора M, Н·м роторе Pa, Вт ВЭУ-3 Pэ, Вт 
1 - - - - 
2 - - - - 
3 - - - - 
4 54 43 241 144 
5 67 67 471 281 
6 81 96 815 487 
7 94 131 1294 773 
8 108 171 1931 1153 
9 121 216 2750 1643 
10 135 267 3772 2254 
11 148 323 5020 3000 
12 162 385 6518 3895 
13 175 452 8287 - 
14 189 524 10350 - 
15 202 601 12730 - 
16 216 684 15450 - 
17 229 772 18532 - 
18 243 866 21998 - 
19 256 965 25872 - 
20 270 1069 30176 - 
 
Слід зазначити, що ВЕУ-3 немає штатної механічної системи гальмування. 
Установка має лише аеродинамічний регулятор – три горизонтальні обтічники 
(лопаті) на траверсах (рисунок 3.1.2). Усередині кожної лопаті встановлена 
пружинно-гвинтова пара. Коли швидкість обертання вітроколеса перевищує 
номінальні значення, відцентрові сили, що діють на горизонтальні обтічники, 
приводять їх у рух по гвинтовій різьбі, за рахунок чого вони починають 
прокручуватися навколо осі. Таке змінене розташування обтічників створює 
аеродинамічний опір під час обертання вітроколеса та обмежує швидкість його 
обертання. Коли швидкість обертання вітроколеса нормалізується, відцентрові 
сили зменшуються за рахунок наявності пружин, горизонтальні обтічники 
повертаються у своє вихідне положення. Однак, як показав досвід експлуатації, 
аеродинамічний обмежувач неефективний та має суттєві недоліки. По-перше, 
через похибки та допуски виготовлених деталей лопаті обертаються не 
одночасно. Внаслідок цього відбувається розбалансування ротора, що особливо 
неприпустимо при високих швидкостях обертання. По-друге, аеродинамічний 
опір регуляторів виявився занадто малим, щоб утримувати швидкість обертання 
ротора ВЕУ в обмеженому діапазоні при високих швидкостях вітру. І по-третє, 
цей регулятор не дозволяє за потреби утримувати ВЕУ у загальмованому стані, а 
також не контролює інші параметри ВЕУ. 
На основі паспортних та робочих характеристик ВЕУ-3 до системи 
аварійного гальмування були пред'явлені такі вимоги: 
- мінімальний гальмівний момент, що прикладається до ротора, повинен 
становити не менше 1000 Н·м. За паспортними даними штатна система 
управління здатна забезпечити безпечну роботу ВЕУ-3 за швидкості вітру 13...14 
м/с. При цьому крутний момент на роторі ВЕУ-3 при швидкості 15 м/с становить 
600 Н·м, момент інерції ротора ВЕУ-3 дорівнює 400 Н·м; 
- конструкція гальмівної системи повинна бути розташована всередині 
щогли та ступиці для виключення аеродинамічного затінення омітаємої площі 
вітроколеса. 
 
Лопать 
Генератор 
Аеродинамічний 
регулятор 
Ступиця 
Щогла 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.1.2 – Комп'ютерна модель ВЕУ-3 у програмному комплексі 
SolidWorks 
 
3.2 Дослідження системи аварійного гальмування для ВЕУ-3 
Важливими умовами розробки системи гальмування для ВЕУ-3 є: 
забезпечення компактності конструкції системи гальмування і мінімальний 
ступінь зміни деталей конструкції ВЕУ-3 для інтеграції в неї системи 
гальмування. Враховуючи ці два фактори, було вирішено розмістити систему 
гальмування у місці стику щогли та ступиці вітроколеса (рис. 3.2.1), так як в 
цьому місці найбільш зручно кріпити додаткове обладнання, і крім того, частина 
ступиці вітроколеса, що обертається, знаходиться в безпосередній близькості до 
нерухомого фланцевого стику. На рухому частину ступиці ВЕУ був 
встановлений з жорсткою фіксацією гальмівний барабан для передачі 
гальмівного моменту на ротор. Виконавчий гальмівний механізм розміщений між 
сполучними фланцями щогли та ступиці, а приводний блок – усередині щогли. 
Важливою вимогою до обраної конструкції системи гальмування є 
наявність у ній центрального наскрізного отвору для того, щоб кабель генератора 
міг вільно проходити через нього (вниз до основи щогли). 
Частина, що обертається 
 
 Нерухома частина 
 
Рисунок 3.2.1 – Місце стику щогли та ступиці ВЕУ-3 
Як виконавчий гальмівний пристрій був обраний трикулачковий блок. 
Незважаючи на нетиповість застосування таких механізмів у гальмівних 
пристроях, трикулачковий блок є надійним і добре відпрацьованим пристроєм в 
галузі машинобудування, зокрема при токарній обробці деталей. На Рисунку 
3.2.2 представлено комп'ютерну модель складання трикулачкового блоку, 
розробленого для системи гальмування ВЕУ-3. 
 
Рисунок 3.2.2 – Комп'ютерна модель складання трикулачкового блоку 
системи аварійного гальмування ВЕУ-3 (ліворуч – у зібраному вигляді, 
праворуч – у рознесеному). 
Принцип роботи ось у чому. На нижній поверхні кулачків знаходяться 
гребені, що контактують (входять у зачеплення) зі спіральним диском. При 
обертанні спірального диска гребені кулачків рухаються за траєкторією 
архімедової спіралі, але так як кулачки встановлені в пази корпусу, їх рух 
обмежується тільки радіальним переміщенням. Кожен кулачок має шарнірне 
з'єднання з гальмівними колодками. Даний шарнір забезпечує більш рівномірне 
притискання всієї поверхні гальмівних колодок до стінки гальмівного барабана, 
а також дозволяє здійснювати швидку заміну гальмівних колодок без 
необхідності демонтажу і розбирання конструкції ВЕУ. У трикулачковому блоці 
є кінцевий вимикач, за допомогою якого можна визначати положення кулачків і 
своєчасно зупиняти їх рух. Важливо, що зовнішній діаметр трикулачкового блоку 
і отвори кріплення збігаються із зовнішнім діаметром і кріпильними отворами 
фланця щогли ВЕУ (Рисунок 3.2.3), і, крім того, блок має наскрізний центральний 
отвір для кабелю генератора. 
 
Рисунок 3.2.3 – Розташування трикулачкового блоку у складі ВЕУ-3 
(ліворуч – корпус трикулачкового блоку представлений у прозорому варіанті та 
розташований на фланці щогли, праворуч – трикулачковий блок розташований 
між фланцями щогли та ступиці). 
Для гальмування вітроколеса необхідно передати гальмівний момент на 
частину ступиці, що обертається, тобто притиснути гальмівні колодки до 
внутрішньої стінки барабана гальма (як показано на Рисунку 3.2.4). Особливість 
конструкції трикулачкового блоку дозволяє передавати значні за величиною 
радіальні зусилля. У цьому конструкція має ефект самозаклинювання, тобто. 
після того, як на спіральний диск буде переданий крутний момент і кулачки 
будуть притиснуті до гальмівного барабана вони залишаться в такому ж стані і 
після припинення передачі крутного моменту на спіральний диск. Ефект 
самозаклинювання у разі забезпечується високим передатним значенням 
трехкулачкового блоку, і навіть наявністю у ньому внутрішніх сил опору. Ця 
перевага дозволить за необхідності утримувати ВЕУ у загальмованому стані 
протягом тривалого часу без будь-яких витрат енергії. Для того, щоб 
розгальмувати ротор ВЕУ, необхідно передати на спіральний диск крутний 
момент в реверсивному напрямку - кулачки перемістяться від периферії до 
центру і перестануть контактувати з гальмівним барабаном. 
 
Рисунок 3.2.4 – Гальмівний блок. Кулачки знаходяться в контакті з 
гальмівним барабаном (гальмівний барабан представлений у прозорому 
відображенні). 
Виходячи з вимог до системи, гальмівні колодки повинні передавати на 
ротор ВЕУ гальмівний момент щонайменше 1000 Н·м. Відповідно, для того щоб 
визначити силу, з якою гальмівні колодки повинні притискатися до гальмівного 
барабана, був заданий діаметр внутрішньої (контактної) стінки гальмівного 
барабана та коефіцієнт тертя між фрикційними матеріалами. Діаметр 
внутрішньої стінки гальмівного барабана дорівнює 260 мм, що забезпечує 5 мм 
вільного ходу для гальмівних кулачків. Проте коефіцієнт тертя є змінною 
величиною, так як його значення змінюється в залежності від температури 
нагрівання матеріалу. Крім того, слід враховувати, в яких атмосферних умовах 
працюватиме вітроенергетична установка і, відповідно, її гальмівна система. 
Наприклад, в арктичних регіонах, де найчастіше спостерігаються явища 
морського соляного туману, підвищеної вологості та ін., необхідно включити до 
складу фрикційного матеріалу компоненти, що мають високі антикорозійні 
показники. У таблиці 3.3 наведено склад фрикційного матеріалу, придатного для 
використання у агресивних зовнішніх умовах. Армуючим матеріалом колодок 
обрано латунну стружку. Зумовлено це тим, що латунна стружка має найменший 
знос гальмівного диска. Як абразивний матеріал, який очищає тертьові поверхні, 
допомагаючи формувати фрикційну плівку на їх межах, використовується окис 
алюмінію. Модифікатором тертя у фрикційних накладках є мідь (у 
порошкоподібному вигляді). Залежність коефіцієнта тертя від температури 
нагріву для вибраного фрикційного матеріалу представлена Рисунку 3.2.5. 
Таблиця 3.3  
Склад фрикційного матеріалу гальмівних колодок 
Матеріал Частка матеріалу Призначення 
(%) 
Латунь 
8 Матрична основа 
(Сполучний матеріал) 
Сталь, арамід, скло 30 Стягуючі волокна 
Кераміка та оксиду заліза 8 Наповнювачі 
Мідь 15  
Графіт 15 Модифікатори тертя 
Сульфіди металів 8 
Алюміній 5 Абразив 
Інші домішки 11 Матрична основа 
 
 
 
Рисунок 3.2.5 – Залежність коефіцієнта тертя фрикційного матеріалу 
гальмівних колодок сталі гальмівного барабана від температури нагрівання. 
Для розрахунку сили притискання гальмівних колодок було прийнято 
мінімальне значення коефіцієнта тертя – 0,3. Таким чином, згідно з виразом (2.9), 
сила притискання гальмівних колодок повинна дорівнювати не менше 25641 Н. 
Коефіцієнт перетворення крутного моменту, що подається на трикулачковий 
блок, в силу, що діє за нормаллю, для такого типорозміру дорівнює 0,075. При 
цьому коефіцієнт корисної дії трикулачкового блоку становить близько 0,95. 
Таким чином, згідно з виразом (2.8), крутний момент, що передається на 
трикулачковий блок повинен становити не менше 2024 Н·м. 
Очевидно, що передача крутного моменту такої величини можлива тільки 
через редуктор. Для того, щоб спроектувати редуктор, необхідно знати 
характеристики мотора, який рухатиме механічні елементи системи. 
Електродвигун за своїми габаритними розмірами має вільно поміщатися 
всередину щогли ВЕУ, тобто максимальний зовнішній діаметр не повинен 
перевищувати 180 мм. А також, як і вся конструкція системи гальмування, 
електродвигун повинен мати центральний наскрізний отвір. Як такий 
електромотор була обрана модель HMAB15A200-10S17bA-C (виробник) 
HarmonicDrive. Характеристика та зображення даного мотора наведено Рисунку 
3.2.6, і також у таблиці 3.4 представлені параметри електромотора [62]. 
 
 
Рисунок 3.2.6 – Характеристика та зображення двигуна HMAB15A200-
10S17bA-C. 
Таблиця 3.4  
Параметри двигуна HMAB15A200-10S17bA-C 
Параметр Значення 
Напруга, В 200 
Номінальна потужність, 754 
Вт 
Номінальний крутний 3,6 
момент, Н·м 
Номінальна швидкість 2000 
обертання, об/хв 
 
Маючи властивості двигуна, були сформульовані вимоги до редуктора. 
Редуктор повинен мати передавальний коефіцієнт не менше 562, а також 
конструктивно поміщатися всередину щогли ВЕУ і мати центральний наскрізний 
отвір. Задля більшого передавального числа рекомендовано застосовувати 
редуктори планетарного типу. Крім того, такі редуктори мають порівняно малі 
габарити та масу. Для системи гальмування ВЕУ було обрано планетарний 
редуктор, що складається з кількох ступенів. Такі планетарні редуктори мають 
найкращий ККД і простий у виготовленні та збиранні в порівнянні з іншими 
видами [63, 64]. 
В результаті розрахунку було отримано, що редуктор має загальне 
передатне число 625 і складається з 4 ступенів (передаточне число кожного 
ступеня 5). При цьому максимальний зовнішній діаметр редуктора (зовнішній 
діаметр епіциклу) дорівнює 165 мм, а діаметр наскрізного внутрішнього отвору 
в редукторі (для кабелю генератора) становить 25 мм. Коефіцієнт корисної дії 
кожного ступеня такого типу становить 0,98 [63, 64], таким чином загальний ККД 
дорівнюватиме 0,92. Враховуючи передавальне число редуктора та його ККД, 
крутний момент, що передається на трикулачковий блок, становитиме 2070 Н·м, 
що задовольняє вимогам до приводної частини системи гальмування. На Рисунку 
3.2.7 представлена комп'ютерна модель планетарного редуктора, поміщеного в 
корпус установок. Для зручності монтажу редуктора передбачений корпус із 
фланцевим кріпленням до щогли ВЕУ-3 та фланцевим з'єднанням з 
електромотором. Таким чином, електродвигун та редуктор можна змонтувати в 
щоглу ВЕУ як єдиний вузол (Рисунок 3.2.8). 
 
 
Рисунок 3.2.7 – Комп'ютерна модель планетарного редуктора 
(поступінчастий розріз): 1 – фланець для кріплення до щогли, 2 – пази 
зачеплення з фланцем спірального диска трикулачкового блоку, 3 – наскрізний 
отвір, 4 – мала шестерня (5 сонця) 6 - велика шестерня-планета (сателіт), 7 - 
епіцикл, 8 - корпус редуктора, 9 - фланцеве кріплення для мотора. 
В результаті, при активації системи гальмування на ротор ВЕУ-3 
передаватиметься гальмівний момент 1022,58 Н·м (за умови, що коефіцієнт тертя 
дорівнює своєму мінімально можливому значенню - 0,3). 
 
 
Рисунок 3.2.8 – Система аварійного гальмування, що змонтована на 
щоглу ВЕУ-3 (щогла представлена у прозорому відображенні). 
Перевагами розробленої конструкції є: 
- можливість її розміщення всередині щогли, що дозволяє уникнути 
затінення корисної площі вітроколеса; 
- повна автономність від робочих органів ВЕУ-3; 
– можливість гальмування за наявності несправності електричного 
генератора вітроенергетичної установки (є перевагою порівняно з електричними 
способами гальмування); 
– можливість утримання ВЕУ у загальмованому стані без витрат 
електроенергії; 
- забезпечення плавного гальмування без заподіяння шкоди конструкції 
вітроколеса. 
3.3 Дослідження комп'ютерної моделі системи аварійного гальмування 
ВЕУ-3 
Для проведення комп'ютерного моделювання роботи системи гальмування 
ВЕУ-3 використано модель, що досліджена у другому розділі. На початку 
необхідно було задати вихідні параметри для моделі вітроколеса ВЕУ-3. На 
Рисунку 3.3.1 представлено вказівку вихідних параметрів ротора ВЕУ-3 у 
комп'ютерній моделі. 
 
Рисунок 3.3.1 – Завдання вихідних параметрів ротора ВЕУ-3 у 
комп'ютерній моделі 
Оскільки ВЕУ-3 має аеродинамічний регулятор, його модель додана в 
структуру загальної моделі вітроколеса ВЕУ-3 (Висунок 3.3.2). Крім того, одним 
із вхідних сигналів моделі є сигнал «Brake torque» - він імітує гальмівний момент 
від системи гальмування, що прикладається до вітроколеса (через гальмівний 
барабан). В результаті значення аеродинамічного регулятора та системи 
гальмування підсумовуються та враховуються при розрахунку підсумкового 
крутного моменту ротора ВЕУ. Також, в моделі враховуються момент інерції 
ротора (для ВЕУ-3 момент інерції ротора дорівнює 400 Н·м) і момент, 
створюваний електричним навантаженням Load torque. 
На Рисунку 3.3.3 представлено комп'ютерну модель контролера системи 
гальмування ВЕУ-3. Граничні значення вимірюваних величин обрані на основі 
технічних характеристик ВЕУ-3: максимальна частота обертання (RMP) – 180 
об/хв, максимальна температура генератора (Gen.temp.) – 110 ºС, максимальна 
віброшвидкість – 3.2·10-3 м/с та граничне значення температури гальмівних 
колодок вибрано за найменшим числом у робочому діапазоні – 300 ºС (згідно з 
графіком на Рисунку 3.2.5). Температура довкілля – 0 ºС. 
 
Рисунок 3.3.2 – Комп'ютерна модель вітроколеса ВЕУ-3 з 
аеродинамічний регулятор. 
 
Рисунок 3.3.3 – Комп'ютерна модель контролера системи аварійного 
гальмування ВЕУ-3 
Параметри електроприводу задані відповідно до значень, наведених у 
таблиці 3.4: номінальний крутний момент 3,6 Н·м, граничне значення сили 
струму, за яким система відключає електропривод - 29 А [62]. 
Задані параметри комп'ютерної моделі механічних елементів представлені 
Рисунку 3.3.4. Передатне число редуктора (Reducer unit) 625 та коефіцієнт 
корисної дії для кожної з чотирьох ступенів редуктора 0,98. Передавальний 
коефіцієнт трикулачкового блоку (Mechanical transfer unit) 0,075 з коефіцієнтом 
корисної дії 0,95. Величина коефіцієнта тертя гальмівних колодок задана як 
функція від температури їхнього нагріву згідно з графіком на Рисунку 3.2.5. І 
радіус гальмівного барабана (Brake drum radius) дорівнює 0,13 м. 
 
 
Рисунок 3.3.4 – Комп'ютерна модель механічних елементів (редуктора та 
трикулачкового блоку) системи аварійного гальмування ВЕУ-3. 
На Рисунку 3.3.5 представлено комп'ютерну модель розрахунку 
температури нагрівання гальмівних колодок із зазначенням їх параметрів. Площа 
поверхні (Pads surface area) та маса гальмівних елементів (Pads mass) визначені за 
допомогою комп'ютерних моделей цих елементів у SolidWorks і дорівнюють 0,19 
м2 та 5,2 кг відповідно. Коефіцієнт теплоємності гальмівних елементів обраний 
як сталевих матеріалів і дорівнює 500 Дж/(кг·К) [65]. Коефіцієнт теплообміну 
гальмівних елементів із повітрям визначено також за допомогою програмного 
комплексу SolidWorks та дорівнює 95 Вт/(м2·К). Аналогічна модель розрахунку 
температури нагріву представлена Рисунку 3.3.6 для обчислення температури 
обмоток генератора ВЭУ-3 з урахуванням рівняння (2.5). При цьому дані для 
розрахунку взяті із паспортних характеристик ВЕУ-3. 
 
 
Рисунок 3.3.5 – Комп'ютерна модель модуля розрахунку температури 
нагріву гальмівних елементів системи аварійного гальмування ВЕУ-3 
 
Рисунок 3.3.6 – Комп'ютерна модель модуля розрахунку температури 
нагріву обмоток електричного генератора ВЕУ-3. 
Як основний вхідний параметр комп'ютерної моделі всього 
енергокомплексу (швидкості вітру) було використано кілька значень. Значення, 
що встановилися, і змінні в часі значення, що відповідають реальним вітровим 
явищам. Реальні значення швидкості вітру та динаміка зміни були досліджені з 
використанням метеостанції PCE-FWS 20-1 (Рисунок 3.3.7). 
 
Рисунок 3.3.7 – Метеостанція PCE-FWS 20-1 
 
 3.4. Комп'ютерне моделювання роботи системи аварійного 
гальмування ВЕУ-3 
Комп'ютерне моделювання роботи системи аварійного гальмування ВЕУ-3 
проводилося для кількох значень швидкості вітру. Дономінальний режим при 
швидкостях вітру 0-11 м/с в цілому не заслуговує на інтерес, оскільки система 
гальмування в ньому не активується. Перше значення 11 м/с вибрано як значення 
швидкості вітру, при якому ВЕУ працює у своєму номінальному режимі, при 
цьому всі робочі параметри ВЕУ повинні знаходитись у межах норми без 
втручання системи гальмування. Результати комп'ютерного моделювання роботи 
ВЕУ-3 із системою гальмування представлені Рисунку 3.4.1. В результаті 
моделювання значення швидкості обертання вітроколеса та температури 
генератора не перевищили граничних значень, відповідно система гальмування 
не була активована. 
 
Рисунок 3.4.1 – Результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування ВЕУ-3 при швидкості вітру 11 м/с 
Наступний випадок комп'ютерного моделювання здійснювався при 
встановленні швидкості вітру 15 м/с (Рисунок 3.4.2). У разі активація системи 
гальмування була необхідністю, так як основна система управління ВЕУ-3 та 
аеродинамічні обмежувачі не здатні забезпечити нормальний режим роботи. При 
перевищенні швидкості обертання ротора ВЕУ-3 вище 180 об/хв відбувалася 
активація системи гальмування. При цьому, за такої швидкості вітру та 
відповідної інтенсивності гальмування температура гальмівних колодок не 
перевищила 187,5 ºС. Також на графіку видно зміну з часом величини 
гальмівного моменту. Це зумовлено підвищенням температури гальмівних 
колодок та збільшенням коефіцієнта тертя матеріалу. Необхідно відзначити, що 
основна система управління ВЕУ-3 працює за певним алгоритмом, при якому 
електричне навантаження підключається до генератора тільки при досягненні 
максимально можливої швидкості обертання ротора при вітровому 
навантаженні, тобто електричне навантаження підключатиметься тільки після 
розгону вітроколеса. Але так як система гальмування перериває розгін 
вітроколеса, основна система управління не навантажує генератор. Відповідно, 
струм в обмотках генератора дорівнює 0 і не відбувається їхнє нагрівання. Крім 
того, моделювання роботи системи гальмування ВЕУ необхідно проводити за 
умови, що гальмування здійснюється без урахування дії на ротор 
електромагнітного моменту, так як у разі аварії електричний генератор може бути 
виведений з ладу і не надавати додаткового впливу на ротор. 
 
Рисунок 3.4.2 – Результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування зі швидкістю вітру 15 м/с. 
Далі моделювання проводилося за швидкості вітру 20 м/с (Рисунок 3.4.3). 
Спочатку активація системи гальмування відбувалася через перевищення 
номінальної швидкості обертання ротора, проте на відрізку часу, що починається 
з 206 секунд, відбулося перевищення робочої температури гальмівних колодок. 
В результаті система гальмування залишалася в активованому стані триваліший 
час для того, щоб відбулося охолодження гальмівних колодок до робочої 
температури. Після цього відбувалася деактивація системи. На графіку 
гальмівного моменту видно, як зменшується його величина при нагріванні 
гальмівних колодок вище за робочу температуру, і як збільшується при їх 
охолодженні. 
 
Рисунок 3.4.3 – Результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування зі швидкістю вітру 20 м/с. 
Результати комп'ютерного моделювання роботи системи гальмування 
ВЕУ-3 при швидкості вітру 25 м/с, що встановилася, представлені на Рисунку 
3.4.4. Графік швидкості обертання ротора ВЕУ показує, що з початковому розгоні 
було перевищено значення максимально допустимої швидкості обертання – 200 
об/хв і система гальмування ВЕУ не встигла загальмувати вітроколеса. Проте за 
наступному гальмуванні був перевищено максимальне значення швидкості 
обертання ротора ВЭУ, так як температура гальмівних колодок збільшилася та 
збільшився коефіцієнт тертя матеріалу. У реальних умовах значення швидкості 
вітру буде збільшуватися поступово, відповідно система гальмування буде 
активована на нижчих швидкостях, в результаті чого прогрів гальмівних колодок 
відбудеться заздалегідь і збільшиться коефіцієнт тертя. 
 
Рисунок 3.4.4 – Результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування зі швидкістю вітру 25 м/с. 
При значеннях швидкості вітру вище 25 м/с, що встановилися, система 
гальмування не забезпечувала безпеку роботи ВЕУ-3, в результаті чого 
відбувалося значне перевищення максимально допустимої швидкості обертання 
ротора ВЕУ. 
Графік зміни швидкості вітру, отриманий у результаті вимірів на 
метеостанції представлений Рисунку 3.4.5. Дані швидкості вітру не 
перевищували значення 11 м/с, відповідно вітроенергетична установка за таких 
умов працюватиме у штатному режимі. Середня швидкість вітру становила 6,6 
м/с. Результат комп'ютерного моделювання роботи ВЕУ-3 при вказаному 
вітровому навантаженні представлений Рисунку 3.4.6. Швидкість обертання 
ротора і температура генератора не перевищували допустимих значень і 
необхідність в аварійному гальмуванні була відсутня. 
 
Рисунок 3.4.5 – Результати вимірювань швидкості вітру для координат 
55°9'40".004 пн.ш.(N), 61°22'6".258 сх.д.(E). 
 
Рисунок 3.4.6 – Результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування ВЕУ-3 за «дономінальної» змінної швидкості вітру. 
Однак для того, щоб з'ясувати максимальні значення окремих поривів 
вітру, при яких система гальмування забезпечить безпеку експлуатації ВЕУ-3, 
реальні значення швидкості вітру на Рисунку 3.4.5 були помножені на 
підвищуючий коефіцієнт. В результаті було визначено, що при підвищеному 
коефіцієнті 3.3 швидкість окремих поривів вітру досягала 35 м/с, при цьому 
система гальмування забезпечувала безпеку експлуатації ВЕУ, не допускаючи 
перевищення допустимих робочих параметрів ВЕУ-3 (Рисунок 3.4.7). Середня 
швидкість вітру за вказаний період склала 21,9 м/с. На графіку гальмівного 
моменту видно, як варіювалася тривалість утримання ВЕУ у загальмованому 
стані залежно від нагрівання та тривалості охолодження гальмівних елементів. 
 
Рисунок 3.4.7 – Результати комп'ютерного моделювання роботи системи 
аварійного гальмування ВЕУ-3 за змінної швидкості вітру з окремими поривами 
до 35 м/с та середнього значення 21,9 м/с. 
Для перевірки коректності розрахунку температури нагріву гальмівних 
елементів було проведено термічне дослідження пакету FlowSimulation 
програмного комплексу SolidWorks. Для цього було обрано варіант 
комп'ютерного моделювання роботи системи гальмування ВЕУ-3 при швидкості 
вітру 25 м/с (Рисунок 3.3.4). Дослідження проводилося за 9 ітерацій. На основі 
виразів (2.11) і (2.12) було розраховано кількість енергії, що виділялася за кожне 
гальмування (Таблиця 3.5). 
 
 
Таблиця 3.5  
Розрахункові дані для термодинамічного моделювання процесу 
нагрівання та охолодження гальмівних колодок у пакеті FlowSimulation 
програмного комплексу SolidWorks 
№ Тривалість  процесу, Тип Кількість виділеної 
ітерації с процесу енергії, Дж 
1 10 Нагрівання 1 935 286,67 
2 3 Охолодження - 
3 10 Нагрівання 1 356 480,00 
4 10 Охолодження - 
5 10 Нагрівання 1 356 480,00 
6 10 Охолодження - 
7 10 Нагрівання 1 356 480,00 
8 10 Охолодження - 
9 10 Нагрівання 1 356 480,00 
 
На початку дослідження була задана початкова температура всіх елементів 
конструкції, що дорівнює 0 ºС (Рисунок 3.4.8), а перед кожною подальшою 
ітерацією температура нагріву гальмівних елементів задавалася з урахуванням 
кінцевих температурних показників, отриманих на попередній ітерації. Також, в 
умовах дослідження було вказано значення швидкості руху довкілля (повітря) 
навколо конструкції та середня швидкість обертання гальмівного барабана. 
 
 
Рисунок 3.4.8 – Встановлення вихідних температурних параметрів конструкції 
системи гальмування ВЕУ-3 під час термодинамічного дослідження. 
За результатами дослідження, на дев'ятій ітерації було отримано, що 
максимальна температура нагріву гальмівних елементів становила 258,53 ºС 
(Рисунок 3.4.9). Цей результат нижче максимального значення, вказаного на 
Рисунку 3.4.4 на 9,87 ºС. Така розбіжність може бути зумовлена тим, що в ході 
термічного дослідження враховувалося обертання гальмівного барабана (а отже, 
і підвищена тепловіддача за рахунок обдування повітрям), а при комп'ютерному 
моделюванні в середовищі MATLAB Simulink цей факт не враховувався. 
 
Рисунок 3.4.9 – Результати термодинамічного моделювання процесу 
нагрівання та охолодження гальмівних елементів під час роботи системи 
аварійного гальмування ВЕУ-3 на швидкості вітру 25 м/с. 
 
3.5. Розрахунок стійкості системи аварійного гальмування ВЕУ-3 
Необхідно враховувати, що всі елементи системи управління мають деяку 
інерційність, отже сам процес управління може бути нестійким, чи перебувати на 
межі стійкості. А зважаючи на те, що вітрове навантаження на ротор є 
стохастичною величиною, виникає ймовірність перерегулювання системи 
управління. Для виключення перерахованих негативних факторів було проведено 
відповідну перевірку системи на стійкість. Очевидно, що мікроконтролер, 
електричний привід, датчики та інші електронні та електричні компоненти 
системи управління мають коефіцієнти інерційності. Але величини цих 
коефіцієнтів мізерно малі в порівнянні з інерційністю механічних ланок – 
редуктора і кулачкового блоку і їх значеннями можна при розрахунку знехтувати. 
Таким чином було отримано характеристичне рівняння системи третього 
порядку: 
 
Для визначення стійкості систем третього порядку сформульовано два 
критерії – Вишнеградського та Михайлова [85]. У цьому випадку найбільш 
кращим був критерій Михайлова, так як він має графічне відображення 
результатів розрахунку, тоді як за критерієм Вишнеградського доводиться 
працювати з великим математичним масивом. Критерій А.В. Михайлова має на 
увазі аналіз характеристичного рівняння, яке можна записати у вигляді [66, 67]: 
 
де Re(ω) – дійсна частина, отримана із складових рівняння (3.14), що 
містять парні ступені (jω), а Jm(ω), відповідно, із членів з непарними ступенями. 
Кожному значенню ωi на комплексній площині відповідає вектор, кінець якого 
має координати Re(ωi) та Jm(ωi). Якщо варіювати значення від 0 до ∞, то кінець 
вектора опише на комплексній площину криву, яка буде годографом. А якщо 
система стійка, то годограф починається при ω = 0 на дійсній позитивній півосі і 
при необмеженому зростанні ω послідовно огинає початок координат проти 
годинникової стрілки, проходячи n квадрантів комплексної площини, де n – 
порядок характеристичного рівняння [66, 67]. Якщо годограф проходить через 
початок координат, це свідчить про те, що система знаходиться на межі стійкості 
[66]. 
Отже, запишемо для системи управління характеристичний багаточлен з 
урахуванням коефіцієнтів для кожного з блоків системи: 
 
Здійснюючи підстановку p = jω (3.16), отримаємо характеристичний вектор 
D(jω): 
 
Розділивши дійсну та уявну складову вектора D(jω), отримаємо (3.15). 
Перетин годографа з віссю Re відбувається при Jm(ω): 
 
Таким чином, перша точка перетину при ω1 = 0 відповідає Re(ω1) = 0, друга 
точка при ω2 = 0,128 відповідає Re(ω2) = –73. Перетин годографа з віссю Jm 
відбувається при: 
 
Тепер виберемо позитивні значення коренів, т.к. ω змінюється від 0 до ∞. 
А для побудови графіка задамося рядом значень 0 < ω < ∞ і розрахуємо відповідні 
значення Re(ω) та Jm(ω). За даними з таблиці 3.6, наведеної нижче, представлено 
годограф характеристичного рівняння на Рисунку 3.5.1. 
 
Таблиця 3.6  
Розрахункові значення побудови годографа характеристичного 
рівняння 
ω 0 5·10-2 8·10-2 10-1 2·10-1 … ∞ 
Re 0,308 –10,8 –28,16 –44,17 –177,6 … –∞ 
Jm 0 2,67 3,08 2,47 –17,99 … –∞ 
 
Рисунок 3.5.1 – Годограф Михайлова для характеристичного рівняння 
третього порядку. 
З отриманого годографа Михайлова можна дійти висновку про стійкість 
системи, так як крива послідовно огинає точку початку координат проти 
годинника стрілки і проходить через 3 квадранти комплексної площини. 
 
Висновки по розділу 3 
Третій розділ присвячений дослідженню конструкції системи аварійного 
гальмування вітроенергетичної установки, проведенню комп'ютерного 
моделювання її роботи. 
Конструкція виконавчого механізму аварійної системи гальмування була 
досліджена для вертикально-осьової вітроенергетичної установки потужністю 3 
кВт – «ВЕУ-3». 
На основі паспортних та робочих характеристик ВЕУ-3, були 
сформульовані такі вимоги до системи аварійного гальмування: 
- гальмівний момент повинен становити не менше ніж 1000 Н·м. За 
паспортними даними, штатна система управління здатна забезпечити безпечну 
роботу ВЕУ-3 при швидкості вітру 13...14 м/с. При цьому крутний момент на 
роторі ВЕУ-3 при швидкості 15 м/с становить 600Н·м, момент інерції ротора 
ВЕУ-3 дорівнює 400 Н·м; 
- конструкція гальмівної системи повинна бути розташована всередині 
щогли та ступиці для виключення аеродинамічного затінення площі вітроколеса. 
Як виконавчий гальмівний пристрій був обраний трикулачковий блок. 
Конструкції трикулачкових блоків широко застосовуються в галузі 
машинобудування і є надійними та відпрацьованими механізмами. 
Далі було обрано електродвигун HMAB15A200-10S17bA-C, номінальний 
крутний момент якого дорівнює 3,6 Н·м, а номінальна частота обертання – 2000 
об/хв. Виходячи з отриманих характеристик двигуна та вимог (за гальмівним 
моментом) до трикулачкового гальмівного блоку, був розрахований та 
спроектований редуктор. В результаті було отримано, що редуктор містить 
чотири ступені планетарного типу та його загальне передатне число становить 
625. 
Перевагами розробленої конструкції є: 
- можливість її розміщення всередині щогли, що дозволяє уникнути 
затінення корисної площі вітроколеса; 
- повна автономність від робочих органів ВЕУ-3; 
– можливість гальмування за наявності несправності електричного 
генератора вітроенергетичної установки (є перевагою порівняно з електричними 
способами гальмування); 
– можливість утримання ВЕУ у загальмованому стані без витрат 
електроенергії; 
- забезпечення плавного гальмування без заподіяння шкоди конструкції 
вітроколеса. 
Для дослідження впливу спроектованої системи аварійного гальмування на 
роботу ВЕУ-3 було створено її комп'ютерну модель (на основі універсальної 
комп'ютерної моделі, розробленої у другому розділі). В результаті 
комп'ютерного моделювання роботи ВЕУ-3 за змінної швидкості вітру було 
показано, що система забезпечувала безпечну експлуатацію установки при 
окремих поривах вітру до 35 м/с та середньому значенні швидкості вітру – 21,9 
м/с. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВИСНОВКИ 
У ході виконання кваліфікаційної роботи магістра вирішено наукову 
проблему щодо забезпечення безпечної та стабільної роботи вітрогенераторних 
установок при підвищених швидкостях вітру за рахунок застосування системи 
аварійного гальмування.  
До основних результатів роботи можна віднести: 
1. Проведений аналіз історії розвитку та актуальності використання 
вітроенергетики зараз, особливості експлуатації вітроенергетичних установок 
при підвищених вітрових навантаженнях та існуючі системи гальмування ВЕУ. 
Наведено статистичні дані щодо аварій на вітроенергетичних установках. З 
аналізу статистичних даних щодо аварій на установках випливає, що 
найважливішими характеристиками, якими слід відстежувати технічний стан 
об'єкта – це частота обертання ротора і температура генератора. Також слід 
забезпечувати моніторинг вібраційних коливань конструкції. 
Крім того, важливою вимогою системи гальмування ВЕУ є повна 
автономність від основної системи управління. А також система гальмування 
повинна містити механічні елементи, здатні витримувати підвищені 
навантаження. 
2. Проведено теоретичноме дослідження системи аварійного гальмування 
вітроенергетичної установки, розроблено її математичну модель, алгоритм 
управління та досліджено її універсальну комп'ютерну модель. 
На основі вимог до систем аварійного гальмування, сформульованих у 
першому розділі, було вирішено використати механічну систему гальмування з 
електричним приводом. 
Було досліджено математичну модель, що описує процеси, що впливають 
на прийняття рішення про необхідність активації системи гальмування 
вітроенергетичної установки системи аварійного гальмування. 
З використанням математичної моделі системи аварійного гальмування 
ВЕУ було досліджено її універсальну комп'ютерну модель у програмному 
комплексі MATLAB Simulink, для якої було розроблено алгоритм управління . 
Ця комп'ютерна модель універсальна для всіх типів вітроенергетичних 
установок. Вона дозволяє досліджувати вплив різних параметрів системи 
аварійного гальмування на процес експлуатації ВЕУ. Використання розробленої 
комп'ютерної моделі дозволяє на етапі проектування системи аварійного 
гальмування ВЕУ оптимізувати її параметри, а також оцінити ефективність її 
роботи. 
3. Досліджено конструкцію системи аварійного гальмування 
вітроенергетичної установки, проведено комп'ютерне моделювання її роботи. 
Конструкція виконавчого механізму аварійної системи гальмування була 
досліджена для вертикально-осьової вітроенергетичної установки потужністю 3 
кВт – «ВЕУ-3». 
Для дослідження впливу спроектованої системи аварійного гальмування на 
роботу ВЕУ-3 було запропоновано її комп'ютерну модель (на основі 
універсальної комп'ютерної моделі, розробленої у другому розділі). В результаті 
комп'ютерного моделювання роботи ВЕУ-3 за змінної швидкості вітру було 
показано, що система забезпечувала безпечну експлуатацію установки при 
окремих поривах вітру до 35 м/с та середньому значенні швидкості вітру – 21,9 
м/с. 
 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
1. Вітроенергетика світу /Зелена енергетика. – 2006. – № 2 (22). – С.19.  
2. Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. – 
Кн. 3. – Харьков: ХАИ., 2006. – С. 642. 
3. Енергоефективність та відновлювані джерела енергії Під заг. ред. А.К. 
Шидловського. – К.: «Українські енциклопедичні знання», 2007. – 559 с. 
4. Відновлювані джерела енергії / За заг. ред. С.О. Кудрі. – Київ: Інститут 
відновлюваної енергетики НАНУ, 2020. – 392 с. 
5. John Wiley / Wind energy / I. Burtom, Tony, 2001. ISBN 0-471-48997- 2. P. 
56. 
6. Global Cumulative Installed Capacity 2001-2017. Global Wind Energy 
Council, 2017. URL: https://gwec.net/global-figures/graphs/ 
7. Blaabjerg, F. Overview of control and grid synchronization for distributed 
power generation systems / Blaabjerg, F., Teodorescu, R., Liserre, M., Timbus, A.V. 
// (2006) IEEE Transactions on Industrial Electronics, 53 (5), pp. 1398-1409. 
8. Halstead R., Solomin E. Technical features and advantages of SRC- vertical 
wind turbines / Международный научный журнал Альтернативная энергетика и 
экология. 2010. № 1 (81). С. 36-41. 
9. Aleixandre-Tudó, J.L., Castelló-Cogollos, L., Aleixandre, J.L., Aleixandre-
Benavent, R. Renewable energies: Worldwide trends in research, funding and 
international collaboration / Renewable Energy p. 268-278, 2019. 
10. Основи вітроенергетики: підручник / Г. Півняк, Ф. Шкрабець, О75 Н. 
Нойбергер, Д. Ципленков ; М-во освіти і науки України, Нац. гірн. ун-т. – Д.: 
НГУ, 2015. – 335 с. 
11. Перспективы мировой ветроэнергетики. Доклад GWEC, Greenpeace 
International, DLR и Ecofys Cpnsultancy / [под ред. Crispin Aubrey, Angelika Pullen, 
Arthouros Zervos, Sven Teske], Berlin. 2007. – 31 c. 
12. Lei, M., Shiyan, L., Chuanwen, J., Hongling, L., Yan, Z. A review on the 
forecasting of wind speed and generated power, Renewable and Sustainable Energy 
Reviews, 13(4), с. 915-920, 2009. 
13. Вітрова енергетика в Україні та світі. Посилання 
https://hmarochos.kiev.ua/2022/01/18/vitrova-energetyka-v-ukrayini-ta-sviti/ 
14. Державне агенство з енергоефективності та енергозбереження України. 
Вітроенергетика. Посилання https://saee.gov.ua/uk/ae/windenergy 
15. Українська вітроенергетична асоціація. Посилання 
https://uwea.com.ua/ua/ 
16. Міжнародне агентство відновлювальних джерел енергії (IRENA). 
Посилання https://uae.mfa.gov.ua/spivrobitnictvo/mizhnarodne-agentstvo-
vidnovlyuvalnih-dzherel-energiyi-irena 
17. 10. Забарний Г.М. Енергетичний потенціал нетрадиційних джерел 
енергії України / Г.М. Забарний, А. В. Щурчков// – К.: ІТТФ, 2002.  С. 151 -159 
18. Прогноз развития мировой энергетики до 2030 года [Електронний 
ресурс] − режим доступу до даних: http://www.bp.com  
19. Кудря С., Тучинський Б. «Бізнесопридатність» вітроенергетики України 
/Докл. ІІ Междунар. конф. «Нетрадиционная энергетика в ХХІ веке». – Ялта, 
2001. – С.89–91. 
20. Дослідження тенденцій розвитку вітроенергетики в Європі і в Україні 
С. Кудря, Б. Тучинський, В. Дресвянніков, З. Рамазанова /Вітроенергетика 
України. – 2004. – № 1–2. – С.4–7. 
21. Мегавати війни: втрати, здобутки та перспективи вітроенергетики в 
Україні. Посилання https://eco.rayon.in.ua/topics/533793-megavati-viyni-vtrati-
zdobutki-ta-perspektivi-vitroenergetiki-v-ukraini  
22. НКРЕКП Розвиток сектору відновлюваних джерел енергії. Посилання 
https://www.nerc.gov.ua/sferi-diyalnosti/elektroenergiya/energetichni-
pidpriyemstva/rozvitok-sektoru-vidnovlyuvanih-dzherel-energiyi 
23. Проектування вітроелектростанцій (ВЕС). Посилання 
https://mcl.kiev.ua/uslugi/proektirovanie-i-ekspertizy/inzhiniring-i-
proektirovanie/proektirovanie-vetrojelektrostancij-vjes/ 
24. Вітряні електростанції та зміни клімату / Василюк О., Кривохижа М., 
Прекрасна Є., Норенко К. – К.: UNCG, 2015. 32 c. 
25. Васько В.П. Управление параметрами электроэнергии автономных 
ветроэлектрических установок / В.П. Васько // Технічна електродинаміка. 2002. 
 Вип.1.  С.53  56. 
26. Системи охлаждення генераторів. Посилання 
http://www.gigavat.com/generator_sistemi_ohlaghdeniya.php 
27. Експлуатація та режими роботи електростанцій: нормальні, допустимі і 
анормальні режими синхронних генераторів.: навч. посіб. для студ. спеціальності 
141 «Електроенергетика,електротехніка та електромеханіка» / КПІ ім. Ігоря 
Сікорського ; уклад.: Є. І. Бардик.  – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. - 73 
с. 
28. Кривцов В.С. Ветроэлектрогенераторы / В.С. Кривцов, А.М. 
Олейников, А.И. Яковлев. Неисчерпаемая энергия: уч.: кн. Харьк. нац. аэрокосм. 
ун-т.  Х: – С: Севаст. нац. техн. ун-т, 2003.  400 с. 19. 
29. Анурьєв В.І. Довідник Конструктора Машинобудівника 3 Тома. Т. 2 під 
ред. І.Є. Жестковой. – М.: Машинобудування, 2001. – 316 с. 
30. Johnson, K.E., Thomas, N. Wind farm control: addressing the aerodynamic 
interaction among wind turbines / Proceedings of the American Control Conference, 
5160152, p. 2104-2109, 2009. 
31. Abdeddaim, S., Betka, A. Optimal tracking and robust power control of the 
DFIG wind turbine / International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 
49(1), p. 234-242, 2013. 
32. Ackermann, T. Wind Power in Power Systems, Second Edition, 2012. 
33. Yilmaz, A.S., Özer, Z. Pitch angle control in wind turbines above the rated 
wind speed by multi-layer perceptron and radial basis function neural networks / Expert 
Systems with Applications, 36(6), p. 9767-9775, 2009. 
34. Rajambal, K., Umamaheswari, B., Chellamuthu, C. Electrical braking of 
large wind turbines / Renewable Energy, 30(15), p. 2235-2245, 2005. 
35. Entezami, M., Hillmansen, S., Weston, P., Papaelias, M. Fault detection and 
diagnosis within a wind turbine mechanical braking system using condition monitoring 
/ Renewable Energy, 47, p. 175-182, 2012. 
36. Jelavić, M., Perić, N. Wind turbine control for highly turbulent winds / 
Automatika, 50(3-4), p. 135-151, 2009. 
37. Matsui, Y., Sugawara, A., Sato, S., Takeda, T., Ogura, K. Braking circuit of 
small wind turbine using NTC thermistor under natural wind condition / Proceedings 
of the International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 4487813, p. 
910-915, 2007. 
38. Ramakrishnan, R., Hiremath, S.S., Singaperumal, M. Theoretical 
investigations on the effect of system parameters in series hydraulic hybrid system with 
hydrostatic regenerative braking / Journal of Mechanical Science and Technology, 
26(5), p. 1321-1331, 2012. 
39. Wang, T.C.Y., Yang, W., Yuan, X., Teichmann, R. A redundant electrical 
braking system for wind turbine generators / 2007 European Conference on Power 
Electronics and Applications, EPE, 4417293, 2007. 
40. Wang, Z., Liu, S. Study on synthesis fault diagnosis strategy of the brake 
system of wind turbine based on evidence theory / Communications in Computer and 
Information Science, 226 CCIS(PART 3), p. 18-25, 2011. 
41. Jepsen, F., Søborg, A., Yang, Z. Disturbance control of the hydraulic brake 
in a wind turbine / 2010 IEEE International Energy Conference and Exhibition, 
EnergyCon 2010, 5771739, p. 530-535, 2010. 
42. Yoo, C.-H., Park, J.-H., Park, S.-S. Design and evaluation of performance 
tester for yaw brakes in wind turbines / International Journal of Precision Engineering 
and Manufacturing - Green Technology, 5(1), с. 81-87, 2018. 
43. Boraci, R., Filip, I., Budisan, N., Greconici, M. Pragmatic control strategy 
design method for a small windgenerator / SACI 2012 - 7th IEEE. 
44. Costa, A.M., Fraguela, F., Orosa, J.A., Pérez, J.A. A new procedure for wind 
energy systems maintenance design / Journal of Renewable and Sustainable Energy, 
7(4),043129, 2015. 
45. Kang J.H., Lee H.W. The Development of Rotor Brakes for Wind Turbines / 
International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 12, 
Number 15 (2017) pp. 5094-5100. 
46. Banham-Hall, D.D., Taylor, G.A., Smith, C.A., Irving, M.R. Towards large-
scale direct drive wind turbines with permanent magnet generators and full converters 
/ IEEE PES General Meeting, PES 2010, 5589780, 2010. 
47. Kanemoto, T., Galal, A.M., Ikeda, K., Mitarai, H., Kubo, K. Intelligent wind 
turbine generator with tandem rotors applicable to offshore wind farm: Characteristics 
of peculiar generator, and performance of three dimensional blades / Proceedings of the 
International Offshore and Polar Engineering Conference, p. 363- 368, 2007. 
48. Sicklinger, S., Lerch, C., Wüchner, R., Bletzinger, K.-U. Fully coupled co-
simulation of a wind turbine emergency brake maneuver / Journal of Wind Engineering 
and Industrial Aerodynamics, 144, p. 134-145, 2015. 
49. Chang, Y.-R., Chan, C.-M., Chang, C.-J. The design of control system and 
power conditioning system for a 25-kW active-control based wind turbine system / 
Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 
5385772, p. 1272-1276, 2009. 
50. Koch-Ciobotaru, C., Boraci, R., Filip, I., Vasar, C. Study of brake transient 
regimes for a small wind generator / EXPRES 2011 - 3rd IEEE International 
Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources, Proceedings, 5741797, p. 
85-89, 2011. 
51. Shen, X., Zhu, X., Du, Z. Wind turbine aerodynamics and loads control in 
wind shear flow / Energy, 36(3), p. 1424-1434, 2011. 
52. Mohseni, M., Islam, S., Masoum, M.A.S. Fault ride-through capability 
enhancement of doubly-fed induction wind generators / IET Renewable Power 
Generation, 5(5), p. 368-376, 2011. 
53. Fan, Q., Luan, M. Failure envelopes of bucket foundation for offshore wind 
turbines in V-H-T loading space / Tumu Gongcheng Xuebao/China Civil Engineering 
Journal, 43(4), p. 113-118, 2010. 
54. Lu, B., Li, Y., Wu, X., Yang, Z. A review of recent advances in wind turbine 
condition monitoring and fault diagnosis / 2009 IEEE Power Electronics and Machines 
in Wind Applications, PEMWA 2009, 5208325. 
55. Boukhezzar, B., Siguerdidjane, H. Nonlinear control with wind estimation of 
a DFIG variable speed wind turbine for power capture optimization / Energy 
Conversion and Management, 50(4), p. 885-892, 2009. 
56.  Brunton, S.L., Noack, B.R. Closed-loop turbulence control: Progress and 
challenges / Applied Mechanics Reviews, 67(5), 050801, 2015. 
57.  Lee, H.G., Kang, M.G., Park, J. Fatigue failure of a composite wind turbine 
blade at its root end / Composite Structures, 133, p. 878-885, 2015. 
58. Caithness Windfarm Information Forum. URL: 
http://www.caithnesswindfarms.co.uk/fullaccidents.pdf 
59. Wind in power. 2016 European  statistics. URL: 
https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about- wind/statistics/WindEurope-
Annual-Statistics-2016.pdf 
60. Patrick Bangert, Failures of Wind Power Plants. URL: 
http://www.algorithmica-technologies.com/en/case_studies/failures-of-wind- power-
plants 
61.  Local Government Association. URL: https://www.local.gov.uk/how- 
much-do-wind-turbines-cost-and-where-can-i-get-funding 
62. Flat Hollow Shaft AC Servo Motors, HMA Series. URL: 
https://www.harmonicdrive.net/_hd/content/documents/HMA_Motors.pdf 
63. Павлище В. Т. Основи конструювання та розрахунок деталей машин: 
Підручник. — Афіша. — С. 560. — ISBN 966-8013-58-1. 
64. Коновалюк Д. М., Ковальчук Р. М. Деталі машин: Підручник. — Вид. 
2-ге. — К.: Кондор, 2004. — 584 с. — ISBN 966-7982-22-X. 
65. В. Железный, В. Геллер, Ю. Семенюк Експериментальна теплофізика. 
Методи дослідження теплофізичних властивостей речовин. – Вид-во Фенікс, 
2016. –С. 320. 
66. Попович М. Г., Ковальчук О. В.Теорія автоматичного керування: 
Підручник. — 2-ге вид., перероб. — К.: Либідь, 2007. — 656 с.  
67. Теорія автоматичного управління: Навчальний посібник: навч. посіб; 
уклад.: О. Й. Штіфзон, П. В. Новіков, В.П. Бунь. – Київ : КПІ ім. Ігоря 
Сікорсь кого, 2020. – 144 с.