Шестифазный высокоскоростной турбогенератор для децентрализованной энергетики
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-4-41-49Ключевые слова:
постоянные магниты, когенерационная технология, энергетика Арктической зоны, характеристики генератора, шестифазный турбогенератор, оптимизация проектаАннотация
В статье рассматривается оптимизация шестифазного турбогенератора повышенной частоты вращения мощностью 4,5 МВт, предназначенного для тепловых и атомных станций малой мощности Арктической зоны. Для оптимизации конструкции рассмотрены варианты выполнения шестифазного турбогенератора с двумя трехфазными системами статора, сдвинутыми на 30 эл. градусов, но с разным числом пазов (72, 48 и 36) при сохранении основных геометрических размеров. Для выбранных вариантов выполнены численные расчеты двумерного электромагнитного поля методом конечных элементов, определены значения индуктивных сопротивлений и тока в режимах установившихся коротких замыканий. Установлено преимущество варианта с числом пазов статора 48. Выполнен анализ частотного спектра распределения намагничивающей силы и кривой распределения магнитной индукции по средней линии воздушного зазора при холостом ходе и номинальной нагрузке как в трехфазном, так и шестифазном исполнении. В частотном спектре гармоники 5, 7, 11 и 13 крайне незначительны при любом числе пазов, а также при работе только одной составляющей шестифазной обмотки. Выбор шестифазного исполнения позволяет снизить мощность на фазу, уменьшить пульсации крутящего момента, снизить гармонический состав тока и напряжения, а также работать при отказе одной из трехфазных систем. Применение на малых электростанциях генератора с частотой вращения 18000 мин–1 весьма эффективно при работе в когенерационном цикле и позволяет значительно уменьшить вредные выбросы в атмосферу.
Библиографические ссылки
1. Глебов И.А., Данилевич Я.Б., Хуторецкий Г.М. Турбогенератор мощностью 1200 МВт, 3000 об/мин. – Электротехника, 1978, № 3, с. 3–10.
2. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Шестифазные обмотки турбогенераторов. – Электротехника, 1968, № 10, с. 9–11.
3. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Схемы замещения, диаграммы и параметры шестифазных неявнополюсных генераторов в установившемся режиме. – Электротехника, 1982, № 11, с. 7–13.
4. Гришин Н.В. Уравнения режимных задач шестифазных турбогенераторов предельной мощности. – Научно-технические ведомости СПбПУ, 2016, № 2 (243), с. 16–23.
5. Гришин Н.В. Схемы замещения для решения режимных задач шестифазных турбогенераторов предельной мощности. – Научно-технические ведомости СПбПУ, 2016, № 2 (243), с. 62–71.
6. Гришин Н.В. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора шестифазного турбогенератора предельной мощности. – Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2017, т. 23, № 4, с. 40–47.
7. Гришин Н.В. Расчетное и экспериментальное определение индуктивных сопротивлений шестифазных турбогенераторов для анализа переходных процессов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2020, 22 с.
8. Попков Е.Н., Фешин А.О. Макромодель шестифазной синхронной машины в фазных координатах для исследования процессов в электроэнергетических системах. – Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2020, № 2 (83), с. 64–73.
9. Kato S., Rae G., Michihira M. A Comparative Study on Power Generation Characteristics of Permanent Magnet Synchronous Generators for Green Ship. – Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 2012, vol. 36, No. 3, pp. 378–386, DOI: 10.5916/jkosme.2012.36.3.378.
10. Labak A., Kar N.C. Designing and Prototyping a Novel Five-Phase Pancake-Shaped Axial-Flux SRM for Electric Vehicle Application Through Dynamic FEA Incorporating Flux-Tube Modeling. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, vol. 49, No. 3, pp. 1276–1288, DOI: 10.1109/TIA.2013.2252871.
11. Ismagilov F.R. et al. The Six-Phase Fault Tolerant Synchronous Generator with Permanent Magnets for Aircraft Application. – Int. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, 2020, DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9112055.
12. Levi E. Multiphase Electric Machines for Variable-Speed Applications. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, vol. 55, No. 5, pp.1893–1909, DOI: 10.1109/TIE.2008.918488.
13. Зечихин Б.С., Журавлев С.В., Мисютин Р.Ю. Авиационные генераторы с постоянными магнитами. – Электричество, 2018, № 6, с. 49–59.
14. Barrero F., Duran M.J. Recent Advances in the Design, Modeling, and Control of Multiphase Machines – Part I. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, No. 1, pp. 449–458. DOI: 10.1109/TIE.2015.2447733.
15. Barrero F., Duran M.J. Recent Advances in the Design, Modeling and Control of Multiphase Machines – Part II. – IEEE Trans-actions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, No. 1, pp. 459–468, DOI: 10.1109/TIE.2015.2448211.
16. Abdel-Khalik S., Ahmed S., Massoud A. A Six-Phase 24 Slot-10 Pole Permanent-Magnet Machine with Low Space Harmonics for Electric Vehicle Applications. – IEEE Transactions on Magnetics, 2016, vol. 52, No. 6, DOI 10.1109/TMAG.2016.2535230.
17. Wang J. et al. Study of Multiphase Superconducting Wind Generators with Fractional-Slot Concentrated Windings. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2014.2304300.
18. Karttunen J. et al. Decoupled Vector Control Scheme for Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, vol. 61, No. 5, pp. 2185–2196. DOI: 10.1109/TIE.2013.2270219.
19. Bouyahia O., Betin F., Yazidi A. Fault-Tolerant Fuzzy Logic Control of a 6-Phase Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator. – Energies, 2022, vol. 15, No. 4, DOI: 10.3390/en15041301.
20. Goncalves P.F.C., Cruz S.M.A., Mendes A.M.S. Comparison of Model Predictive Control Strategies for Six-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. – 44th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2018, pp. 5801–5806, DOI: 10.1109/IECON.2018.8591239.
21. Naves P.H.B. et al. Modelling and Comparative Performance Analysis of Special Six-phase and Conventional Synchronous Generators for Wind Farm Application. – Renewable Energy & Power Quality Journal, 2009, vol. 1, No. 7, pp. 390–395, DOI: 10.24084/REPQJ07.367.
22. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Турбогенератор с повышенной частотой вращения для тепловых и атомных станций малой мощности. – Электричество, 2025, № 2, с. 75–83.
23. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М.: Госэнергоиздат, 1948, 190 с.
---
Работа выполнена в рамках Госзадания филиала НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – ИХС (регистрационный номер темы 1024030700042-1-1.4.3).
#
1. Glebov I.A., Danilevich Ya.B., Hutoretskiy G.M. Elektrotekh-nika – in Russ. (Electrical Engineering), 1978, No. 3, pp. 3–10.
2. Hutoretskiy G.M., Voronov G.G. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1968, No. 10, pp. 9–11.
3. Hutoretskiy G.M., Voronov G.G. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1982, No. 11, pp. 7–13.
4. Grishin N.V. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2016, No. 2 (243), pp. 16–23.
5. Grishin N.V. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2016, No. 2 (243), pp. 62–71.
6. Grishin N.V. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU. Estest-vennye i inzhenernye nauki – in Russ. (Scientific and Technical Bulletins of SPbPU. Natural and Engineering Sciences), 2017, vol. 23, No. 4, pp. 40–47.
7. Grishin N.V. Raschetnoe i eksperimental’noe opredelenie in-duktivnyh soprotivleniy shestifaznyh turbogeneratorov dlya ana-liza perekhodnyh protsessov: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Computational and Experimental Determination of Six-Phase Turbo Generators Inductive Resistances for Transient Analysis: Abstract ... Cand. Sci. (Eng.)). SPb., 2020, 22 p.
8. Popkov E.N., Feshin A.O. Izvestiya NTTs Edinoy energeti-cheskoy sistemy – in Russ. (Proceedings of the Scientific and Technical Center of the Unified Energy System), 2020, No. 2 (83), pp. 64–73.
9. Kato S., Rae G., Michihira M. A Comparative Study on Power Generation Characteristics of Permanent Magnet Synchronous Generators for Green Ship. – Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 2012, vol. 36, No. 3, pp. 378–386, DOI: 10.5916/jkosme.2012.36.3.378.
10. Labak A., Kar N.C. Designing and Prototyping a Novel Five-Phase Pancake-Shaped Axial-Flux SRM for Electric Vehicle Application Through Dynamic FEA Incorporating Flux-Tube Modeling. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, vol. 49, No. 3, pp. 1276–1288, DOI: 10.1109/TIA.2013.2252871.
11. Ismagilov F.R. et al. The Six-Phase Fault Tolerant Synchronous Generator with Permanent Magnets for Aircraft Application. – Int. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, 2020, DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9112055.
12. Levi E. Multiphase Electric Machines for Variable-Speed Applications. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, vol. 55, No. 5, pp.1893–1909, DOI: 10.1109/TIE.2008.918488.
13. Zechihin B.S., Zhuravlev S.V., Misyutin R.Yu. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 6, pp. 49–59.
14. Barrero F., Duran M.J. Recent Advances in the Design, Modeling, and Control of Multiphase Machines – Part I. – IEEE Trans-actions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, No. 1, pp. 449–458. DOI: 10.1109/TIE.2015.2447733.
15. Barrero F., Duran M.J. Recent Advances in the Design, Modeling and Control of Multiphase Machines – Part II. – IEEE Trans-actions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, No. 1, pp. 459–468, DOI: 10.1109/TIE.2015.2448211.
16. Abdel-Khalik S., Ahmed S., Massoud A. A Six-Phase 24 Slot-10 Pole Permanent-Magnet Machine with Low Space Harmonics for Electric Vehicle Applications. – IEEE Transactions on Magnetics, 2016, vol. 52, No. 6, DOI 10.1109/TMAG.2016.2535230.
17. Wang J. et al. Study of Multiphase Superconducting Wind Generators with Fractional-Slot Concentrated Windings. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2014.2304300.
18. Karttunen J. et al. Decoupled Vector Control Scheme for Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. – IEEE Trans-actions on Industrial Electronics, 2014, vol. 61, No. 5, pp. 2185–2196. DOI: 10.1109/TIE.2013.2270219.
19. Bouyahia O., Betin F., Yazidi A. Fault-Tolerant Fuzzy Logic Control of a 6-Phase Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator. – Energies, 2022, vol. 15, No. 4, DOI: 10.3390/en15041301.
20. Goncalves P.F.C., Cruz S.M.A., Mendes A.M.S. Comparison of Model Predictive Control Strategies for Six-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. – 44th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2018, pp. 5801–5806, DOI: 10.1109/IECON.2018.8591239.
21. Naves P.H.B. et al. Modelling and Comparative Performance Analysis of Special Six-phase and Conventional Synchronous Generators for Wind Farm Application. – Renewable Energy & Power Quality Journal, 2009, vol. 1, No. 7, pp. 390–395, DOI: 10.24084/REPQJ07.367.
22. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2025, No. 2, pp. 75–83.
23. Neyman L.R. Poverhnostnyy effekt v ferromagnitnyh telah (The Surface Effect in Ferromagnetic Bodies). M.: Gosenergoizdat, 1948, 190 p
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the NRC Kurchatov Institute Branch PNPI IChS (topic registration number 1024030700042-1-1.4.3)
