Specific Features of Embodiment and Designing of Synchronous Hydrogenerators for Micro Hydroelectric Power Plants

Authors

  • Сергей [Sergey] Павлович [P.] Курилин [Kurilin]
  • Валерий [Valeriy] Николаевич [N.] Денисов [Denisov]

DOI:

https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-4-78-84

Keywords:

synchronous hydro generator, microHPP, designing

Abstract

The development of small-scale power generation facilities is one of the priority tasks formulated in the Energy Strategy of Russia. Mini and micro hydroelectric power plants (HPPs) serve as the technical means for solving this problem in the field of small-scale hydropower.

Structurally, a modern microHPP includes a drive mechanism, a synchronous hydrogenerator (SHG), a DC link, a cable and a load. The main requirements for an SHG are the minimum dimensions and weight, the possibility of long-term operation at the maximum power, an increased class of protection against dust and moisture, the lack of necessity to carry out maintenance during the period of active use during the year, the possibility to operate at low hydraulic turbine shaft rotation frequencies and a low kick-off torque value.

The specific features of the SHG embodiment are analyzed. Groups of high-speed and low-speed SHG designs are identified. The embodiment types of SHGs for microHPPs are conventional for special-purpose claw-pole synchronous electrical machines as well as permanent magnet machines. Low-speed SHGs have a number of features related to multipole embodiment. Special attention is paid to embodiment types of low-speed generators. The SHGs with an external stator, with an external drum-type rotor and with an external rotor on a console are analyzed.

The results from design calculation of the main dimensions for three low-speed SHGs for capacities equal to 5, 10, and 15 kW are presented. In all cases, the SHG is characterized by small pole pitches and the problem zone of stator slots and teeth. This applies both to the technological implementation of the shallow slot-and-tooth structure and to the placement of a powerful stator winding on it. The manufacture of low-speed SHGs for microHPPs is focused at high-tech production facilities.

Author Biographies

Сергей [Sergey] Павлович [P.] Курилин [Kurilin]

Dr.Sci. (Techn.), Professor of Electromechanical Systems Dept., Branch of NRU MPEI in Smolensk, e-mail: sergkurilin@gmail.com

Валерий [Valeriy] Николаевич [N.] Денисов [Denisov]

Dr.Sci. (Techn.), Head of Higher Mathematics Dept., Branch of NRU MPEI in Smolensk, e-mail: dvalnik@mail.ru

References

1. Распоряжение Правительства РФ N 1715-р от 13 ноября 2009 г. «Об Энергетической стратегии России на период до 2030 г.» [Электрон. ресурс] http:// energoeducation.ru/wp-content/uploads/2015/11/LAW94054_0_20151002_142857_54007.pdf (дата обращения 17.07.2018).
2. Weswen [Офиц. сайт] http://weswen.ru/ (дата обращения 17.07.2018).
3. ООО «АЭнерджи» [Офиц. сайт] http://aenergy.ru/ miniges (дата обращения 17.07.2018).
4. Микро-ГЭС [Электрон. ресурс] https://alter220. ru/ (дата обращения 17.07.2018).
5. ИНСЭТ [Офиц. сайт] http://www.inset.ru/r/predm. htm (дата обращения 17.07.2018).
6. CINK Hydro-Energy [Офиц. сайт] http:// cink-hydro-energy.com/ru/home/ (дата обращения 17.07.2018).
7. Micro Hydro Power [Офиц. сайт] http://www. micro-hydro-power.com/index.htm (дата обращения 17.07.2018).
8. Инженерно-техническая фирма «Гидропоника» [Офиц. сайт] http://energyservice.sitecity.ru/index. phtml (дата обращения 17.07.2018).
9. НПО «Инверсия» [Офиц. сайт] http://www. inversiya.com/ (дата обращения 17.07.2018).
10. Alibaba [Офиц. сайт] https://russian.alibaba.com/ (дата обращения 17.07.2018).
11. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам. М.: Академия, 2005.
12. Электротехнический справочник. Т. 4. Использование электрической энергии / под ред. А.И. Попова. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
13. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.
14. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Альянс, 2017.
15. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2004.
16. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. М.: Академия, 2006.
17. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин. М.: Альянс, 2016.
18. Гольдберг О.Д., Макаров Л.Н., Хелемская С.П. Инженерное проектирование электрических машин. М.: Издат. дом «Бастед», 2016.
19. Абрамов А.И., Иванов-Смоленский А.В. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. М.: Высшая школа, 2001.
20. Осин И.Л. Синхронные электрические двигатели малой мощности. М.: Издат. дом МЭИ, 2006.
21. Лукутин Б.В. Способы стабилизации параметров электроэнергии автономных микрогидроэлектростанций // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. № 8. С. 42—44.
22. Лукутин Б.В. Стабилизация напряжения автономных микрогидроэлектростанций // Техника в сельском хозяйстве. 1989. № 2. С. 22—24.
23. Стребков Д.С. Проблемы развития возобновляемой энергетики // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1997. № 6. С. 4—8.
24. Бояринов Г.И., Курилин С.П., Максимкин В.Л, Мартынов В.Ф. Электромашинные источники питания. М.: Изд-во МЭИ, 1994.
25. Бояринов Г.И., Курилин С.П., Талюко В.В. Динамические процессы при запуске асинхронного двигателя от генератора соизмеримой мощности // Известия высших учеб. заведений. Серия «Электромеханика». 1991. № 10. С. 66—67.
26. Макаричев Ю.А., Ануфриев А.С. Критериальный анализ параметров генераторов малой мощности // Известия высших учеб. заведений. Серия «Электромеханика». 2018. Т. 61. № 2. С. 42—46.
27. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г., Мусаев М.М. Моделирование и исследование гидроагрегатов малых ГЭС с частотно-управляемыми синхронными генераторами с постоянными магнитами // Известия высших учеб. заведений и энергетических объединений СНГ. Серия «Энергетика». 2016. Т. 59. № 2. С. 106—121.
28. Волковой М.С., Хижняков Ю.Н., Южаков А.А. Статическая устойчивость в системе малой энергетики // Электротехника. 2012. № 11. С. 2—5.
29. Дергачёв П.А., Курбатов П.А., Молоканов О.Н. Магнитный мультипликатор с регулируемым передаточным отношением для ветровых и малых гидравлических электростанций // Электротехника. 2013. № 4. С. 33—38.
30. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Использование регулируемой асинхронной машины двойного питания в синхронном режиме // Электричество. 2017. № 10. С. 60—68.
31. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г., Мусаев М.М. Применение регулируемых электрических машин в гидроагрегатах малых ГЭС, работающих на энергосистему // Электротехника. 2018. № 5. С. 38—44.
--
Для цитирования: Курилин С.П., Денисов В.Н. Особенности конструктивного исполнения и проектирования синхронных гидрогенераторов для микро-ГЭС // Вестник МЭИ. 2019. № 4. С. 78—84. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-4-78-84.
#
1. Rasporyazhenie Pravitel'stva RF N 1715-r ot 13 Noyabrya 2009 g. «Ob Energeticheskoy Strategii Rossii na Period do 2030 g.» [Elektron. Resurs] http:// energoeducation.ru/wp-content/uploads/2015/11/LAW94054_0_20151002_142857_54007.pdf (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
2. Weswen [Ofits. Sayt] http://weswen.ru/ (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
3. OOO «AEnerdzhi» [Ofits. Sayt] http://aenergy.ru/ miniges (Data Obrashcheniya 17.07.2018).
4. Mikro-GES [Elektron. Resurs] https://alter220.ru/ (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
5. INSET [Ofits. Sayt] http://www.inset.ru/r/predm. htm (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
6. CINK Hydro-Energy [Ofits. sayt] http://cink-hydro- energy.com/ru/home/ (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
7. Micro Hydro Power [Ofits. Sayt] http://www. micro-hydro-power.com/index.htm (Data Obrashcheniya 17.07.2018).
8. Inzhenerno-tekhnicheskaya Firma «Gidroponika» [Ofits. Sayt] http://energyservice.sitecity.ru/index. phtml (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
9. NPO «Inversiya» [Ofits. Sayt] http://www.inversiya. com/ (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
10. Alibaba [Ofits. Sayt] https://russian.alibaba.com/ (Data Obrashcheniya 17.07.2018). (in Russian).
11. Katsman M.M. Spravochnik po Elektricheskim Mashinam. M.: Akademiya, 2005. (in Russian).
12. Elektrotekhnicheskiy Spravochnik. T. 4. Ispol'zovanie Elektricheskoy Energii. Pod red. A.I. Popova. M.: Izd-vo MEI, 2004. (in Russian).
13. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie Mashiny. M.: Energiya, 1980. (in Russian).
14. Vol'dek A.I. Elektricheskie Mashiny. M.: Al'yans, 2017. (in Russian).
15. Kopylov I.P. Elektricheskie Mashiny. M.: Vysshaya shkola, 2004. (in Russian).
16. Bespalov V.Ya., Kotelenets N.F. Elektricheskie Mashiny. M.: Akademiya, 2006. (in Russian).
17. Kopylov I.P. i dr. Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Al'yans, 2016. (in Russian).1
8. Gol'dberg O.D., Makarov L.N., Khelemskaya S.P. Inzhenernoe Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Izdat. Dom «Basted», 2016. (in Russian).
19. Abramov A.I., Ivanov-Smolenskiy A.V. Proektirovanie Gidrogeneratorov i Sinkhronnykh Kompensatorov. M.: Vysshaya Shkola, 2001. (in Russian).
20. Osin I.L. Sinkhronnye Elektricheskie Dvigateli Maloy Moshchnosti. M.: Izdat. Dom MEI, 2006. (in Russian).
21. Lukutin B.V. Sposoby Stabilizatsii Parametrov Elektroenergii Avtonomnykh Mikrogidroelektrostantsiy. Mekhanizatsiya i Elektrifikatsiya Sel'skogo Khozyaystva. 1987;8:42—44. (in Russian).
22. Lukutin B.V. Stabilizatsiya napryazheniya Avtonomnykh Mikrogidroelektrostantsiy. Tekhnika v Sel'skom Khozyaystve. 1989;2:22—24. (in Russian).
23. Strebkov D.S. Problemy Razvitiya Vozobnovlyaemoy Energetiki. Mekhanizatsiya i Elektrifikatsiya Sel'skogo Khozyaystva. 1997;6:4—8. (in Russian).
24. Boyarinov G.I., Kurilin S.P., Maksimkin V.L, Martynov V.F. Elektromashinnye Istochniki Pitaniya. M.: Izd-vo MEI, 1994. (in Russian).
25. Boyarinov G.I., Kurilin S.P., Talyuko V.V. Dinamicheskie Protsessy pri Zapuske Asinkhronnogo Dvigatelya ot Generatora Soizmerimoy Moshchnosti. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Elektromekhanika». 1991;10:66—67. (in Russian).
26. Makarichev Yu.A., Anufriev A.S. Kriterial'nyy Analiz Parametrov Generatorov Maloy Moshchnosti. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Elektromekhanika». 2018;61;2:42—46. (in Russian).
27. Mustafaev R.I., Gasanova L.G., Musaev M.M. Modelirovanie i Issledovanie Gidroagregatov Malykh GES s Chastotno-upravlyaemymi Sinkhronnymi Generatorami s Postoyannymi Magnitami. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy i energeticheskikh Ob′edineniy SNG. Seriya «Energetika». 2016;59;2:106—121. (in Russian).
28. Volkovoy M.S., Khizhnyakov Yu.N., Yuzhakov A.A. Staticheskaya Ustoychivost' v Sisteme Maloy Energetiki. Elektrotekhnika. 2012;11:2—5. (in Russian).
29. Dergachev P.A., Kurbatov P.A., Molokanov O.N. Magnitnyy Mul'tiplikator s Reguliruemym Peredatochnym Otnosheniem dlya Vetrovykh i Malykh Gidravlicheskikh Elektrostantsiy. Elektrotekhnika. 2013;4:33—38. (in Russian).
30. Mustafaev R.I., Gasanova L.G. Ispol'zovanie Reguliruemoy Asinkhronnoy Mashiny Dvoynogo Pitaniya v Sinkhronnom Rezhime. Elektrichestvo. 2017;10:60—68. (in Russian).
31. Mustafaev R.I., Gasanova L.G., Musaev M.M. Primenenie Reguliruemykh Elektricheskikh Mashin v Gidroagregatakh Malykh GES, Rabotayushchikh na Energosistemu. Elektrotekhnika. 2018;5:38—44. (in Russian).
--
For citation: Kurilin S.P., Denisov V.N. Specific Features of Embodiment and Designing of Synchronous Hydrogenerators for Micro Hydroelectric Power Plants. Bulletin of MPEI. 2019;4:78—84. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-4-78-84.

Published

2018-08-29

Issue

Section

Electromechanics and Electrical Apparatus (05.09.01)