STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT
The advantages and disadvantages of options for adjusting the load characteristic of magnetoelectric generators for low-power power complexes, for example, mini-HPP or micro-HPP, were analyzed. A system for maintaining the output voltage of magnetoelectric generators using a magnetic shunt of variab...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/433 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103704201953280 |
|---|---|
| author | Chumak, V. Ponomarev, A. Geraskin, O. Tsyvinskyi, S. Haidenko, Y. |
| author_facet | Chumak, V. Ponomarev, A. Geraskin, O. Tsyvinskyi, S. Haidenko, Y. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. Chumak",
"institution": "NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "A. Ponomarev",
"institution": "NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "O. Geraskin",
"institution": "NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "S. Tsyvinskyi",
"institution": "NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Y. Haidenko",
"institution": "NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Chumak, V. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:19Z |
| description | The advantages and disadvantages of options for adjusting the load characteristic of magnetoelectric generators for low-power power complexes, for example, mini-HPP or micro-HPP, were analyzed. A system for maintaining the output voltage of magnetoelectric generators using a magnetic shunt of variable conductivity parallel connection to the link of the working magnetic flux in the equivalent magnetic circuit is proposed and implemented. The calculated and experimentally obtained external characteristics of the designed and manufactured magnetoelectric generator under different types of load and the possible range of regulation were substantiated. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2023.4(75).72-78 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
72
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
УДК 621.313 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.4(75)72-78
ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДУ ТА ДІАПАЗОНУ РЕГУЛЮВАННЯ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОГО
СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА З МАГНІТНИМ ШУНТОМ ЗМІННОЇ ПРОВІДНОСТІ
Отримано 26 груд. 2023 р.; рекомендовано до публікації 27 груд. 2023 р.
Доступно онлайн 30 груд. 2023 р.
В. В. Чумак1, О. І. Пономарьов2, О. А. Гераскін3,
С. С. Цивінський4, Ю. А. Гайденко5
Автор для кореспонденції: Олександр Гераскін,
e-mail: nirbikalpasamadhi@ukr.net
Проаналізовано переваги й недоліки варіантів регулювання
навантажувальної характеристики магнітоелектричних
генераторів для малопотужних енергокомплексів, напри-
клад мініГЕС або мікроГЕС. Запропоновано та реалізовано
систему підтримання вихідної напруги магнітоелектрич-
них генераторів за допомогою магнітного шунта змінної
провідності паралельного підключення до ланки робочого магнітного потоку в еквівалентному магні-
тному колі. Розраховані та експериментально отримані зовнішні характеристики спроєктованого та
виготовленого магнітоелектричного генератора при різному характері навантаження й обґрунто-
вано можливий діапазон регулювання.
Ключові слова: гідрогенератор, синхронний генератор з постійними магнітами, магнітний шунт, ре-
гулювання робочого потоку, зовнішня характеристика, регулювальна характеристика.
STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS
GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT
Received Dec. 06. 2023; accepted Dec. 30. 2023
Available online Dec. 30. 2023
V. Chumak1, A. Ponomarev2, O. Geraskin3,
S. Tsyvinskyi4, Y. Haidenko5
Author for correspondence: Olexander Geraskin,
e-mail: nirbikalpasamadhi@ukr.net
The advantages and disadvantages of options for adjusting the
load characteristic of magnetoelectric generators for low-power
power complexes, for example, mini-HPP or micro-HPP, were
analyzed. A system for maintaining the output voltage of mag-
netoelectric generators using a magnetic shunt of variable con-
ductivity parallel connection to the link of the working magnetic
flux in the equivalent magnetic circuit is proposed and implemented. The calculated and experimentally ob-
tained external characteristics of the designed and manufactured magnetoelectric generator under different
types of load and the possible range of regulation were substantiated.
Keywords: hydrogenerator, synchronous generator with permanent magnets, magnetic shunt, regulation of
working flow, external characteristic, control characteristic.
1 канд. техн. наук, доцент,
http://orcid.org/0000-0001-8401-7931
2 інженер,
http://orcid.org/0000-0003-1322-927X
3 канд. техн. наук, доцент,
http://orcid.org/0000-0003-4651-4579
4 канд. техн. наук, доцент,
http://orcid.org/0000-0002-2800-6709
5 канд. техн. наук, доцент,
http://orcid.org/0000-0001-5862-2812
1, 2, 3, 4, 5 Національний технічний університет
України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна
1 Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Prof.
http://orcid.org/0000-0001-8401-7931
2 Engineer.
http://orcid.org/0000-0003-1322-927X
3 Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Prof.
http://orcid.org/0000-0003-4651-4579
4 Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Prof.
http://orcid.org/0000-0002-2800-6709
5 Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Prof .
http://orcid.org/0000-0001-5862-2812
1, 2, 3, 4, 5 NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic
Institute», Kyiv, Ukraine
73
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
Вступ. В енергосистемі України значною резервною по-
тужністю є використання енергії малих річок [1, 2, 3]. Гі-
дрогенератори малої та середньої потужності зі збу-
дженням від постійних магнітів з великою
коерцитивною силою дозволить підвищити питому по-
тужність енергоустановок на їх основі, підвищити надій-
ність за рахунок відсутності контактного вузла та елект-
розбуджувача. Відомо, що гідрогенератори мають
конструктивні особливості, пов’язані з великою кількі-
стю полюсів і, як наслідок, великим відношенням радіа-
льних і аксіальних розмірів активних частин. Але збіль-
шення синхронної швидкості підвищує енергетичні
характеристики машини, тому можливо використову-
вати звичайні синхронні генератори на синхронній шви-
дкості від 750 до 3000 об/хв при використанні редукто-
рів з підвищеним передаточним числом механічного
або магнітного типу. При цьому виникають питання за-
безпечення додаткового джерела енергії для системи
збудження електромагнітного типу, що є великою пере-
шкодою. Магнітоелектричні генератори не потребують
окремого джерела живлення, але фактично є нерегульо-
ваними у звичайному виконанні. Зовнішня характе-
ристика залежить від навантаження і, як правило, вихі-
дна напруга в діапазоні від нуля до номінальної потуж-
ності зменшується на 15…30 % залежно від характера
навантаження при зміні cosφ від 1 до 0,9. У роботі за-
пропоновано здійснювати регулювання зовнішньої ха-
рактеристики за допомогою аксіального шунта з намагні-
чувальною обмоткою, який може відбирати магнітний
потік з робочої зони при малому навантаженні й повер-
тати його в робочу зону при його насиченні.
Особливістю цього генератора є відсутність обмотки
збудження на роторі генератора, замість якої викорис-
товують постійні магніти. У зв'язку з цим відсутня мож-
ливість керування напругою генератора шляхом зміни
струму в обмотці збудження. На сьогоднішній день ві-
домі три способи регулювання напруги такого генера-
тора.
1. Перетворення напруги на виході генератора за допо-
могою інвертора, де напруга спочатку випрямляється, а
потім за допомогою силових вентилів перетворюється
на змінну напругу потрібної величини. Це найпопуляр-
ніший спосіб з огляду на те, що ці перетворювачі серійно
випускаються та представлені на світовому ринку. Ін-
вертори мають форму вихідної напруги, досить близьку
до синусоїди, хоча крива є ступінчастою, що безумовно
підвищує коефіцієнт гармонік. Недоліками перетворю-
вача є: 1) їх відносно висока вартість, 2) збільшення за-
гальних габаритів енергоустановки, 3) необхідність його
під’єднання до генератора, 4) зменшення надійності
енергоустановки в цілому.
2. Використання конденсаторних батарей, які включа-
ються в міру зростання навантаження генератора, тим
самим компенсуючи недостачу потоку збудження за ра-
хунок підмагнічувальної реакції якоря при випереджаю-
чому ємнісному cosφ. Цей спосіб застосовується рідше,
ніж перший через великі габарити конденсаторних ба-
тарей та ступінчасте регулювання напруги на виході ге-
нератора. Недоліками ємнісного регулювання вихідної
напруги є: 1) наявність габаритної батареї ємностей з
необхідністю під’єднання її до генератора; 2) постійні ко-
мутаційні процеси при підключенні та відключенні різ-
них ємностей залежно від рівня падіння зовнішньої ха-
рактеристики, що суттєво знижує надійність установки в
цілому; 3) дискретна зміна вихідної напруги, тобто погі-
ршення її форми і наявності стрибків напруги в момент
комутації; 4) зменшення енергетичних показників гене-
ратора за рахунок додаткового реактивного ємнісного
струму.
3. Використання властивостей кривої навантаження ге-
нератора. При цьому способі управління збудження ге-
нератора робиться завищеним на весь діапазон робо-
чих струмів генератора (близько 40 %) з тим, щоб
збільшення навантаження призводило до зниження
напруги генератора. Для компенсації збільшеної вихі-
дної напруги генератор навантажують на активний
опір, величина якого зменшується зі зростанням
струму навантаження генератора, вирівнюючи на-
пругу. Перевагами цього способу є його мала вартість,
відносно малі габарити системи управління та досить
висока якість кривої напруги. До недоліків цієї системи
слід віднести те, що привід генератора завжди працює
на значну потужність, частина якої витрачається на на-
вантажувальному опорі. Хоча в автономних системах
вона може бути використана для обігріву приміщень
чи нагрівання води.
Проаналізувавши недоліки існуючих методів регулю-
вання зовнішньої характеристики магнітоелектричних
генераторів, запропоновано використовувати додат-
кову регулювальну систему у вигляді конусного шунта з
обмоткою намагнічування, що живиться постійним
струмом.
Мета роботи. Метою роботи є аналіз діапазону регулю-
вання зовнішньої характеристики магнітоелектричного
синхронного генератора з магнітним шунтом змінного
струму згідно з нормованими характеристиками на-
пруги в системах електропостачання загального призна-
чення.
Різні варіанти конструкцій генератора з постійними магні-
тами розглянуті в роботах [4, 5]. Об’єктом дослідження є
синхронний генератор (СГ) з аксіальним магнітним шун-
том з постійними магнітами, номінальні дані якого такі [6]:
S = 4 , 2p = 4, n = 500 об/хв, Uлн = 400 В, Uфн = 230 В, Iфн =
5,8 А, cosφ = 0,95. Цей генератор був розрахований, спроє-
ктований та виготовлений з додатковими елементами у
вигляді аксіального магнітного шунта та системи керу-
вання вихідною напругою.
На рис. 1. показано ескіз магнітної системи СГ з магніт-
ним шунтом частини робочого потоку, на рис. 2 пока-
зано сам шунт зі сконцентрованою обмоткою підмагні-
чування [7].
74
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
Рис. 1. Ескіз фрагмента магнітної системи синхрон-
ного генератора з магнітним шунтом частини робо-
чого потоку: 1) статор, 2) вал, 3) магнітний шунт,
4) котушка підмагнічування шунта, 5) основний маг-
ніт, 6) додатковий магніт, 7) полюсний наконечник з
магнітом’якого заліза
Fig. 1. Sketch of the magnetic system fragment of a syn-
chronous generator with a magnetic shunt part of the work-
ing flow: 1) stator, 2) shaft, 3) magnetic shunt, 4) shunt
magnetization coil, 5) main magnet, 6) additional magnet,
7) pole tip of magnetic soft iron
а)
б)
Рис. 2. Ескіз аксіального шунта, розміри елементів
якого: діаметр зовнішній 79,4 мм, діаметр внутрішній
35,5 мм, ширина вставки 16 мм (а) та фото виготов-
леного шунта (б)
Fig. 2. Sketch of an axial shunt, the dimensions of which
elements are: outer diameter 79.4 mm, inner diameter 35.5
mm, insert width 16 mm (a) and made shunt (b)
Матеріали і результати досліджень
Авторами розроблено метод управління робочим пото-
ком синхронного генератора з постійними магнітами
(СГПМ) за допомогою магнітного шунта при його роботі
в режимі навантаження, який дозволяє усунути недо-
ліки існуючих методів регулювання та стабілізації вихід-
ної напруги [7].
У загальному випадку відповідна заступна схема пока-
зана на рис. 3, а з основними параметрами: сF – приве-
дена коерцитивна сила магніта; mR – внутрішній магні-
тний опір магнітів збудження; шR – змінний магнітний
опір шунта, що підлягає управлінню; рR – магнітний
опір робочого кола; розR – магнітний опір шляхів роз-
сіювання; рФ – робочий потік машини, а шФ – магніт-
ний потік через шунт змінного опору.
а)
б)
Рис. 3. Схема заміщення для регулювання робочого по-
току за допомогою шунтування робочого кола (а) та
регулювальна характеристика генератора Uг = f(Iш)
при Ia = Iн: верхня крива – cosφ = 1, нижня крива –
cosφ = 0,95 (б)
Fig. 3. Regulation substitution scheme workflow using
shunting of the working circuit (a) and regulating charac-
teristic of the generator Ug = f(Ish) at Ia = In: upper curve –
cosφ = 1, lower curve – cosφ = 0.95 (b)
75
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
У подібній системі потік, створюваний постійними маг-
нітами системи збудження, визначається при одиничній
магніторушійній силі переважно їх параметрами i розді-
ляється в зовнішніх колах на потік робочого кола
=
1
Р
p
Ф
R
(в режимі неробочого ходу, при якому потрі-
бно обмежити робочий потік), потік шунта =
1
ш
ш
Ф
R
=( var)шR , і потік розсіювання δ =
1
роз
Ф
R
; причому ма-
гнітний опір шляхів розсіювання значно більше опору
робочого кола >>роз рR R . Робоча складова повного по-
току магніту визначається з рівності:
= + + ≈ +
1 1 ,p p p
м р р
ш роз ш
R R R
Ф Ф Ф
R R R
де =
∑
с
м
F
Ф
R
.
Повний магнітний опір магнітного кола магнітів збу-
дження:
= +
+ +
∑ 1
.
1 1 1м
P ш роз
R R
R R R
Наприклад, при необхідності змінити в процесі регулю-
вання робочий потік на 30 %, в першому наближенні по-
трібна зміна магнітного опору шунта приблизно в 1,5-2
рази, причому цей опір має бути порівняним з опором
робочого кола, тобто абсолютне значення регульова-
ного опору набагато менше, ніж при послідовному
включенні регулювального елемента.
Використовуючи заступну схему магнітного кола без шу-
нтової зони при неробочому ході було сформульовано
режим і баланс потоків, що відповідає повністю запер-
тому шунту або його відсутності.
При цьому було розглянуто такі головні магнітні харак-
теристики магнітної системи генератора. Основні роз-
міри та параметри магнітної системи наведені в [6].
Магнітний опір робочого (зовнішнього) магнітного кола
для наконечників довжиною 155 мм визначається як:
δ
µ
− −
′⋅
= =
′⋅
⋅
= = ⋅
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
0
6
6 6
1,2 0,0015
0,214 10 / .
1,256 10 (40 100) 10
ст
p
м
k
R
S
А Вб
Якщо прийняти магніт з =1,2rВ Тл і = 900 /сН А м ,
=100мr мм , то магнітний опір магніту
−
−
⋅ ⋅ ⋅
= = = ⋅
⋅ ⋅ ⋅
3 2
6
6
900 10 1 10
1,875 10 / .
1,2 (40 100) 10
с
м
м
F
R А Вб
Ф
Магнітний опір тіла магніту:
для варіанта а):
µ
−
− −
⋅
= = = ⋅
′⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
3
6
6 6
12 10
3 10 / ,
1,33 10 (40 75) 10
м
м
м м
h
R А Вб
S
для варіанта б):
−
−
⋅ ⋅
= = ⋅
⋅ ⋅ ⋅
3 6
6
6
10 10 10
1,88 10 / ,
1,33 10 (40 100)мR А Вб
де µ −≈ = = ⋅
⋅
6
3
1,2
1,33 10
900 10
r
м
с
В
В
,
µµ
µ
= =
0
1,06м
м
Магнітний опір робочого кола pR .
Виберемо полюсні наконечники довжиною
= 98...100нl мм . Ширина по хорді = = 40н мb b мм по
дузі = 41,4рb мм , проміжок δ =1,5 мм . Число зубців
=1 36z , зубцевий поділ
π ⋅
= =1
98
8,55
36
t мм .
Відкриття паза =2,5отb мм ,
коефіцієнт Картера
δ
+ ⋅
= ≈
+ ⋅
8,55 10 1,5
1,124;
6 10 1,5
K
попередньо коефіцієнт сталі
σ
= ≈
′
1,15,ст
ст
F
K
F
тоді
σσ
µ σ
−
− −
⋅ ⋅
= =
⋅ + ⋅
⋅ ⋅ ⋅
= = ⋅
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
0
3
6
6 6
[( ) ]
1,5 1,12 1,15 10
0,357 10 / .
1,256 10 (43 100) 10
ст
p
p p
k k
R
b l
А Вб
Були підраховані магнітні провідності (магнітні опори)
шляхів розсіювання. Було враховано п’ять складових
шляхів розсіювання: а) опір шляху потоку між наконеч-
никами сусідніх полюсів; б) розсіювання по бічній грані
полюса; в) розсіювання на торцевих сторонах (опір між
наконечниками і ротором); г) розсіювання між вильо-
том полюсних наконечників і торцевою частиною по-
люса (грань-грань); д) розсіювання по торцях магнітів. У
результаті розрахунку сумарний опір шляхів розсію-
вання pозR (далі sR ) при використанні другого варіанта
розміру магніту
= = ⋅
∑Λ
61
3,55 10 / .s
p
R А Вб
76
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
У підсумку для аналізованого варіанта магніту
100∙40∙10 мм маємо такі значення магнітних параметрів
системи – = ⋅ = 9000c c mF H h А , = ⋅ 61,85 10 /мR А Вб ,
= ⋅ 60,357 10 /pR А Вб , = ⋅ 63,55 10 /sR А Вб . І повний
опір кола магніту
∑ = + =
+
= ⋅ + = ⋅
+
6
6 6
1
1 1
10
1,89 10 2,21 10 / .
1 1
3,55 0,357
м
s p
R R
R R
А Вб
При цьому потік магніту
−= = ⋅ = ⋅
∑
6 39000
10 4,07 10 .
2,21
с
м
F
Ф Вб
R
МРС робочого кола
−
= − ⋅ =
= − ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅3 6 39000 4,07 10 1,85 10 1,31 10 .
p м м мF F Ф R
А
Робочий потік
−= = = ⋅
⋅
3
6
1310
3,67 10 .
0,357 10
р
р
р
F
Ф Вб
R
Як зазначалось, такий режим і баланс потоків відповідає
повністю запертому шунту або його відсутності.
Отримані конструктивні дані й дані стосовно характерис-
тик магнітної системи можуть бути застосовані для розра-
хунків інших магнітних систем, стосовно роторів асинх-
ронних двигунів (АД) широкої номенклатури. У цій роботі
вони використовувались для подальших повірочних роз-
рахунків моделі генератора з регульованим магнітним
шунтуванням для режиму активного навантаження.
При вибраній геометрії шунта можна оцінити параме-
три шунтового керованого ланцюга за допомогою засту-
пної схеми, зображеної на рис. 3, з конкретними число-
вими даними для магнітних параметрів системи. Опір
шунтового ланцюга змінюється при підмагнічуванні від
мінімального (при неробочому ході генератора) до ма-
ксимального (при навантаженні й граничному підмагні-
чуванні). Для режиму неробочого ходу при вибраних
розмірах і попередніх магнітних навантаженнях (треба
враховувати, що за рахунок значних сталевих ділянок
система не лінійна) вихідний магнітний опір шунтового
ланцюга буде визначатися сумою опорів ділянок: 1) ви-
літ наконечників основних полюсів; 2) наконечник по-
люса шунтування; 3) повітряний зазор; 4) тіло шунта,
тобто δ′= + + +2ш jR R R R R .
Було оцінено ці складові опору, враховуючи, що шунту-
вання двостороннє. За граничний потік шунтового лан-
цюга прийнято −= ⋅ 30,9 10шунтаФ Вб .
Якщо задати межі регулювання зовнішньої характерис-
тики згідно з нормованими характеристиками напруги в
системах електропостачання загального призначення,
то для цієї конструкції потрібно відбирати в коло шунта
25…30 % робочого потоку. Виходячи з прийнятих умов
можливо провести попередній розрахунок шунта. Пос-
лідовність розрахунку всього шунтового ланцюга міс-
тить ряд етапів:
1. Оцінка необхідного діапазону зміни потоку збу-
дження (робочого) за умовами стабілізації.
2. Визначення індуктивного опору реакції якоря ax .
3. Оцінка напруги генератора в режимі навантаження.
4. Вибір розмірів шунта і наконечників.
5. Оцінка можливого діапазону управління.
6. Магнітний опір шунтувального кола шR .
За відсутності підмагнічування сумарний опір:
∑ = ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ =
= ⋅
3 3 3 3
3
19,6 10 35 10 800 10 15 10
869 10 / ,
R
А Вб
при цьому δ = 0,5ш мм , з коефіцієнтом зубчастості
σ =1,2k .
При підмагнічуванні сумарний опір:
∑ = ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ =
= ⋅
3 3 3 3
3
19,6 10 35 10 800 10 225 10
1080 10 /
R
А Вб
.
Програма випробувань та досліджень передбачала такі
етапи. 1. Вимір активного опору обмоток генератора і
збудження, індуктивних опорів обмоток генератора.
2. Зняття характеристики генератора без навантаження
при роботі від постійних магнітів і при зміні струму під-
магнічування. 3. Зняття зовнішньої характеристики ге-
нератора при роботі від постійних магнітів для актив-
ного і активно-індуктивного навантажень. 4. Зняття
зовнішньої характеристики при роботі від постійних ма-
гнітів і різних струмах підмагнічування шунта для актив-
ного і активно-індуктивного навантажень генератора.
5. Зняття регулювальної характеристики при зміні
струму навантаження при постійній напрузі генератора.
Для виконання програми випробувань були викорис-
тані чотири електричні схеми: виміру активних і реакти-
вних опорів, зняття характеристик неробочого ходу і ак-
тивного навантаження і зняття характеристик при
активно-індуктивному навантаженні.
Основні параметри для узгодження з експерименталь-
ною схемою: 1) активний опір фазної обмотки –
1,43 Ом; 2) індуктивність по повздовжній осі – 8,9 мГн;
3) індуктивність по поперечній осі – 4,8 мГн; 4) максималь-
не значення потокозчеплення – 0,372 Вб.
Експериментальна модель енергоустановки містить
безпосередньо СГПМ, ротор якого обертається від АД,
систему підмагнічування шунта, має активне трифазне
77
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
навантаження генератора і засоби виміру напруги і
струму генератора і шунта.
Відповідно до ДСТУ EN 50160:2014 відхилення в мережі
напругою 230 В може становити ±10 % від Uн, тобто від
207 до 253 В.
На рис. 4, а представлено порівняння розрахункових і
експериментальних характеристик генератора при cosφ
= 1,0 для насиченого і ненасиченого шунтів. Відхилення
розрахункових і виміряних даних не перевищує 5 %, що
є прийнятним результатом. На рис. 4, б, в показано екс-
периментальні зовнішні характеристики генератора при
пасивному магнітному шунті й при підмагнічуванні шу-
нта. Верхні суцільні лінії відповідають навантаженню з
cosφ = 1 (синя лінія), а нижні – з cosφ = 0,95 (червона лі-
нія). Пунктирні лінії показують межі допустимої напруги
в мережі відповідно до ДСТУ.
На рис. 5 зображена лабораторна схема зняття зовніш-
ньої характеристики генератора, що працює від при-
воду (АД-Перетворювач частоти) на змінне активне на-
вантаження зі схемою плавного регулювання
постійного струму в концентричній обмотці аксіального
магнітного шунта. Блок БК – це блок автоматичного ке-
рування струмом обмотки намагнічування шунта відпо-
відно до стабілізації зовнішньої характеристики в
прийнятих межах, ПЧ – перетворювач частоти, а ОПШ
позначає обмотку підмагнічування шунта.
а)
б)
в)
Рис. 4. Зовнішні характеристики генератора, cosφ =
1,0, (а): 1 – експериментальна, шунт насичений, 2 –
розрахункова, шунт насичений, 3 – експеримента-
льна, шунт ненасичений, 4 – розрахункова, шунт па-
сивний; а також експериментальні зовнішні характе-
ристики при ненасиченому шунті з відповідною зоною
регулювання (б): 1 – cosφ = 1,0, 2 – cosφ = 0,95; й експе-
риментальні зовнішні характеристики при насиче-
ному шунті з відповідною зоною регулювання (в): 1 –
cosφ = 1,0, 2 – cosφ = 0,95
Fig. 4. External characteristics of the generator, cosφ = 1.0,
(a): 1 – experimental, shunt saturated, 2 – calculated,
shunt saturated, 3 – experimental, shunt unsaturated, 4 –
calculated, shunt passive; as well as experimental external
characteristics with an unsaturated shunt with a corre-
sponding adjustment zone (b): 1 – cosφ=1.0, 2 – cosφ =
0.95; and experimental external characteristics with a sa-
turated shunt with the corresponding adjustment zone (c):
1 – cosφ = 1.0, 2 – cosφ = 0.95
Рис. 5. Генератор, підключений через діодний міст до
змінного активного навантаження
Fig. 5. A generator connected through a diode bridge to a
variable active load
78
Відновлювана енергетика. №4/2023 | Гідро-воднева енергетика
Висновки
1. Проведеними дослідженнями підтверджено ефекти-
вність запропонованого методу керування зовнішньою
характеристикою синхронного магнітоелектричного ге-
нератора, що базується на регулюванні робочого магні-
тного потоку шляхом зміни величини додаткового маг-
нітного потоку шунта.
2. При невеликих навантаженнях (до 50…55 %) від номі-
нального падіння вихідної напруги залишається в ме-
жах, передбачених нормованими характеристиками на-
пруги в системах електропостачання загального
призначення, тобто шунт можна не активувати.
3. При вибраній геометрії й параметрах магнітної сис-
теми генератора у разі активації шунта межі регулю-
вання зовнішньої характеристики становлять від 207 до
253 В. При використанні автоматичного регулювання
вихідної напруги через зворотний зв’язок струмом під-
магнічування шунта забезпечується підтримка номіналь-
ної напруги з похибкою ±3 % при cosφ = 1,0 і ±5 % при
cosφ = 0,95 на всьому діапазоні навантажень.
4. Експериментальні та розраховані зовнішні характери-
стики мають достатній для інженерних цілей збіг.
ПОСИЛАННЯ
1. Васько П. Ф., Бриль А. О., Мороз А. В., Озорин Д. Ф.
Расчёт теоретического значения гидроэнергетиче-
ского потенциала малых рек с учётом обеспеченно-
сти стока воды. Альтернативная энергетика и эколо-
гия. 2012. № 7. С. 126–132.
2. Бриль А. О., Васько П. Ф., Мороз А. В. Технічний по-
тенціал гідроенергетичних ресурсів малих річок Ук-
раїни з урахуванням природоохоронних обмежень.
Гідроенергетика України. 2019. № 3-4. С. 47–51.
3. Baratov R., Pirmatov N. Low-Speed generator with per-
manent magnets and additional windings in the rotor for
small power wind plants and micro hydro power plants.
IOP Conference Series: Materials Science and Engineer-
ing. IOP Publishing. 2020. Т. 883. No. 1. С. 012183.
4. Кондратенко И. П., Ращепкин А. П., Виштак Т. В., Кар-
лов А. Н. Магнитное поле системы возбуждения на
постоянных магнитах синхронного двигателя с
полым ротором. Технічна електродинаміка. 2013.
№ 2. С. 58–63.
5. Гребеников В. В. Сравнительный анализ конструкти-
вных модификаций электрогенератора малой мо-
щности с постоянными магнитами и с явнополюс-
ным ротором. Технічна електродинаміка. 2013. № 2.
С. 64–68.
6. Чумак В. В., Пономарев А. И. Синхронный генератор
с комбинированным возбуждением. Энергия – ХХІ
век. 2013. № 1. С. 28–34.
7. Синхронный генератор с постоянными магнитами :
пат. UA110985C2 Україна : МПК Н02К 21/14, заявл.
13.02.2014 ; опубл. 10.03.2016.
REFERENCES
1. Vasko P. F., Bril A. O., Moroz A. V., Ozorin D. F. Calcula-
tion of theoretical value hydropower potential of small
rivers with taking into account the availability of water
flow. Alternative energy and ecology. 2012. No. 7.
P. 126–132.
2. Bril A. O., Vasko P. F., Moroz A. V. Technical potential of
hydropower resources of small rivers of Ukraine with
the regulation of environmental protection. Hydro-
power engineering of Ukraine. 2019. No. 3-4. P. 47–51.
3. Baratov R., Pirmatov N. Low-Speed generator with per-
manent magnets and additional windings in the rotor
for small power wind plants and micro hydro power
plants. IOP Conference Series: Materials Science
and Engineering. IOP Publishing. 2020. Т. 883. № 1.
P. 012183.
4. Kondratenko I. P., Raschepkin A. P., Vishtak T. V., Karlov
A. N. Magnetic field of the permanent magnet excita-
tion system of a synchronous motor with a hollow rotor.
Technical electrodynamics. 2013. No. 2. P. 58–63.
5. Grebenikov V. V. Comparative analysis of design modi-
fications of a low-power electric generator with perma-
nent magnets and a salient-pole rotor. Technical elec-
trodynamics. 2013. No. 2. P. 64–68.
6. Chumak V. V., Ponomarev A. I. Synchronous generator
with combined excitation. Energy – XXI century. 2013.
No. 1. P. 28–34.
7. Synchronous generator with permanent magnets: Pat.
UA110985C2 Ukraine: IPC N02K 21/14, appl.
02/13/2014; publ. 03/10/2016.
|
| id | veorgua-article-433 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:12:26Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/db/05fc98bb347e5dee3bbc172f14fe59db.pdf |
| spelling | veorgua-article-4332026-07-18T06:32:19Z STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДУ ТА ДІАПАЗОНУ РЕГУЛЮВАННЯ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА З МАГНІТНИМ ШУНТОМ ЗМІННОЇ ПРОВІДНОСТІ Chumak, V. Ponomarev, A. Geraskin, O. Tsyvinskyi, S. Haidenko, Y. hydrogenerator, synchronous generator with permanent magnets, magnetic shunt, regulation of working flow, external characteristic, control characteristic. гідрогенератор, синхронний генератор з постійними магнітами, магнітний шунт, регулювання робочого потоку, зовнішня характеристика, регулювальна характеристика. The advantages and disadvantages of options for adjusting the load characteristic of magnetoelectric generators for low-power power complexes, for example, mini-HPP or micro-HPP, were analyzed. A system for maintaining the output voltage of magnetoelectric generators using a magnetic shunt of variable conductivity parallel connection to the link of the working magnetic flux in the equivalent magnetic circuit is proposed and implemented. The calculated and experimentally obtained external characteristics of the designed and manufactured magnetoelectric generator under different types of load and the possible range of regulation were substantiated. Проаналізовано переваги й недоліки варіантів регулювання навантажувальної характеристики магнітоелектричних генераторів для малопотужних енергокомплексів, наприклад мініГЕС або мікроГЕС. Запропоновано та реалізовано систему підтримання вихідної напруги магнітоелектричних генераторів за допомогою магнітного шунта змінної провідності паралельного підключення до ланки робочого магнітного потоку в еквівалентному магнітному колі. Розраховані та експериментально отримані зовнішні характеристики спроєктованого та виготовленого магнітоелектричного генератора при різному характері навантаження й обґрунтовано можливий діапазон регулювання. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-12-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/433 10.36296/1819-8058.2023.4(75).72-78 Vidnovluvana energetika ; No. 4(75) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 72-78 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(75) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 72-78 Відновлювана енергетика; № 4(75) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 72-78 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.4(75) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/433/341 Copyright (c) 2023 V. Chumak, A. Ponomarev, O. Geraskin, S. Tsyvinskyi, Y. Haidenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | hydrogenerator synchronous generator with permanent magnets magnetic shunt regulation of working flow external characteristic control characteristic. Chumak, V. Ponomarev, A. Geraskin, O. Tsyvinskyi, S. Haidenko, Y. STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT |
| title | STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT |
| title_alt | ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДУ ТА ДІАПАЗОНУ РЕГУЛЮВАННЯ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА З МАГНІТНИМ ШУНТОМ ЗМІННОЇ ПРОВІДНОСТІ |
| title_full | STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT |
| title_fullStr | STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT |
| title_full_unstemmed | STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT |
| title_short | STUDY OF THE METHOD AND ADJUSTMENT RANGE OF A MAGNETO-ELECTRIC SYNCHRONOUS GENERATOR WITH A VARIABLE CONDUCTANCE MAGNETIC SHUNT |
| title_sort | study of the method and adjustment range of a magneto-electric synchronous generator with a variable conductance magnetic shunt |
| topic | hydrogenerator synchronous generator with permanent magnets magnetic shunt regulation of working flow external characteristic control characteristic. |
| topic_facet | hydrogenerator synchronous generator with permanent magnets magnetic shunt regulation of working flow external characteristic control characteristic. гідрогенератор синхронний генератор з постійними магнітами магнітний шунт регулювання робочого потоку зовнішня характеристика регулювальна характеристика. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/433 |
| work_keys_str_mv | AT chumakv studyofthemethodandadjustmentrangeofamagnetoelectricsynchronousgeneratorwithavariableconductancemagneticshunt AT ponomareva studyofthemethodandadjustmentrangeofamagnetoelectricsynchronousgeneratorwithavariableconductancemagneticshunt AT geraskino studyofthemethodandadjustmentrangeofamagnetoelectricsynchronousgeneratorwithavariableconductancemagneticshunt AT tsyvinskyis studyofthemethodandadjustmentrangeofamagnetoelectricsynchronousgeneratorwithavariableconductancemagneticshunt AT haidenkoy studyofthemethodandadjustmentrangeofamagnetoelectricsynchronousgeneratorwithavariableconductancemagneticshunt AT chumakv doslídžennâmetodutadíapazonuregulûvannâmagnítoelektričnogosinhronnogogeneratorazmagnítnimšuntomzmínnoíprovídností AT ponomareva doslídžennâmetodutadíapazonuregulûvannâmagnítoelektričnogosinhronnogogeneratorazmagnítnimšuntomzmínnoíprovídností AT geraskino doslídžennâmetodutadíapazonuregulûvannâmagnítoelektričnogosinhronnogogeneratorazmagnítnimšuntomzmínnoíprovídností AT tsyvinskyis doslídžennâmetodutadíapazonuregulûvannâmagnítoelektričnogosinhronnogogeneratorazmagnítnimšuntomzmínnoíprovídností AT haidenkoy doslídžennâmetodutadíapazonuregulûvannâmagnítoelektričnogosinhronnogogeneratorazmagnítnimšuntomzmínnoíprovídností |