Том 337 № 5 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/5/5221
Разработка компьютерной модели дугостаторного индукторного генератора для исследования электромагнитных процессов в стационарном и временном диапазонах
Актуальность. Строительство теплоэлектростанций, которые являются экологически опасными, с каждым годом все больше отходит на второй план, уступая место станциям, которые работают на основе возобновляемых источников энергии, по своей сути являющихся бесконечными природными ресурсами. Среди таких объектов самым высоким коэффициентом полезного действия обладают гидроэлектростанции, однако их строительство на равнинных реках в ряде регионов России оказывается затруднительным и опасным для экологии. Предлагается использовать в качестве источников электрической энергии свободнопоточные бесплотинные микроГЭС на основе дугостаторных индукторных генераторов. Особенности конструкции генератора вызывают необходимость исследования электромагнитного поля, качества генерируемой электрической энергии и проверки его на соответствие отечественным стандартам. Для унификации процесса исследования необходимо создать единую методику для генераторов разной мощности. Цель. Разработка компьютерной модели для исследования электромагнитного поля и качества выходных электрических параметров дугостаторного индукторного генератора. Методы. На основе предварительных электромагнитных расчетов нескольких электрических машин разной мощности производится 3D-моделирование, базирующееся на методе конечных элементов, учитывающее геометрические особенности, и выносятся рекомендации по проектированию генераторов для микроГЭС. Результаты и выводы. Разработана компьютерная модель дугостаторного индукторного генератора для исследования электромагнитных процессов в стационарном и временном диапазонах, которая учитывает геометрические особенности конструкции электрической машины. Проведено исследование качества выходных электрических параметров, и разработаны рекомендации по улучшению формы кривой ЭДС обмотки якоря генератора.
Для цитирования: Бутко В.П., Кузьмин Р.В. Разработка компьютерной модели дугостаторного индукторного генератора для исследования электромагнитных процессов в стационарном и временном диапазонах. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 5, С. 14-20. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/5/5221
Ключевые слова:
микроГЭС, дугостаторный индукторный генератор, моделирование электромагнитного поля, качество электрической энергии, высшие гармонические составляющие, кривая ЭДС обмотки якоря
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Halkos G.E., Gkampoura E.C. Reviewing usage, potentials, and limitations of renewable energy sources. Energies, 2020, Vol. 13, № 11, P. 2906.
2. Гибридные энергетические комплексы на базе нескольких разнородных возобновляемых источников энергии. Я.М. Кашин, А.С. Кеязев, Л.Е. Копелевич, А.В. Самородов, А.А. Белов. Краснодар: Кубанский государственный технологический университет, 2024. 256 с.
3. Naúmenko T.V., Kózyreva M.S. Fuentes de energía renovable y el problema de modernización de los instrumentos institucionales en América Latina. Iberoamerica, 2022, № 3, P. 57–84. DOI: 10.37656/s20768400-2022-3-03.
4. Mohammadi S., Hassanalian M., Arionfard H. Optimal design of hydrokinetic turbine for low-speed water flow in Golden Gate Strait. Renewable Energy, 2020, Vol. 150, P. 147–155. DOI: 10.1016/j.renene.2019.12.142.
5. Tian W., Mao Z., Ding H. Design, test and numerical simulation of a low-speed horizontal axis hydrokinetic turbine. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2018, Vol. 10 (6), P. 782–793. DOI: 10.1016/j.ijnaoe.2017.10.006.
6. Gearless micro hydropower plant for small water-course. Yu. Dementyev, R. Kuzmin, A. Serikov, V. Suzdorf, K. Negodin, I. Vajda. Acta Polytechnica Hungarica, 2017, Vol. 14, № 4, P. 155–166. DOI: 10.12700/APH.14.4.2017.4.9.
7. Бутко В.П., Кузьмин Р.В. Создание и исследование имитационной модели дугостаторного индукторного генератора для равнинной микроГЭС. Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона, 2024, № 4 (41), С. 20–25.
8. Lanin V.L., Ratnikau E., Hatskevich A.D. Improving the efficiency of induction heating in the air gap of the magnetic circuit. Journal of Electronic Research and Application, 2020, Vol. 4, № 4. DOI: 10.26689/jera.v4i4.1052.
9. Афанасьев А.А. Трёхмерная аналитическая модель магнитоэлектрического вентильного двигателя. Электротехника, 2024, № 3, С. 28–33. DOI: 10.53891/00135860-2024-3-28-33.
10. Özsoy M., Kaplan O., Akar M. FEM-based analysis of rotor cage material and slot geometry on double air gap axial flux induction motors. Ain Shams Engineering Journal, 2024, Vol. 15, № 2. DOI: 10.1016/j.asej.2023.102393.
11. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высшая школа, 1982. 272 с.
12. Weili L., Chunwei G., Ping Z. Calculation of a complex 3-D model of a turbogenerator with end region regarding electrical losses, cooling, and heating. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2011, Т. 26, № 4, P. 1073–1080.
13. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 20 с.
14. Бутко В.П., Кузьмин Р.В. Оценка влияния гармонического состава кривой ЭДС обмотки якоря на энергетические показатели дугостаторного индукторного генератора. Вопросы электротехнологии, 2025, № 1 (46), С. 74–80.
15. Афанасьев А.А., Ефимов В.В. Численно-аналитическая модель индукторного электрогенератора с комбинированным возбуждением. Вестник Чувашского университета, 2008, № 2, С. 74–84.
16. Суздорф В.И. Моделирование источников напряжения для систем автономного питания. Образование и наука: современное состояние и перспективы развития: cб. тр. конф. В 6 ч. Тамбов: ООО "Консалтинговая компания Юком", 2014. Ч. 3. С. 128–130.
17. Мешков А.С., Гудим А.С., Табаров Б.Д. Проектирование гибридных систем электроснабжения децентрализованных потребителей. Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона, 2023, № 4 (37), С. 51–58.
18. Макашева С.И., Пинчуков П.С. Качество электрической энергии: мониторинг, прогноз, управление. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2020. 114 с.
19. Чернов А.Е., Акимов А.В. Качество и надежность электротехнических комплексов автономных объектов. Известия МГТУ МАМИ, 2012, Т. 1, № 1(13), С. 104–112.
20. Хамитов Р.Н., Кузьмин Р.В., Мешков А.С., Пивоваров К.Г. Генератор микроГЭС для низкопотенциальных водотоков. Омский научный вестник, 2022, № 2 (182), С. 59–63. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-182-59-63.
REFERENSES
1. Halkos G.E., Gkampoura E.C. Reviewing usage, potentials, and limitations of renewable energy sources. Energies, 2020, vol. 13, no. 11, pp. 2906.
2. Kashin Ya.M., Keyazev A.S., Kopelevich L.E., Samorodov A.V., Belov A.A. Hybrid energy complexes based on several heterogeneous renewable energy sources. Krasnodar, Kuban State Technological University Publ., 2024. 256 p. (In Russ.)
3. Naúmenko T.V., Kózyreva M.S. Renovable energy sources and the problem of modernization of institutional instruments in Latin America. Iberoamerica, 2022, no. 3, pp. 57–84. DOI: 10.37656/s20768400-2022-3-03.
4. Mohammadi S., Hassanalian M., Arionfard H. Optimal design of hydrokinetic turbine for low-speed water flow in Golden Gate Strait. Renewable Energy, 2020, vol. 150, pp. 147–155. DOI: 10.1016/j.renene.2019.12.142.
5. Tian W., Mao Z., Ding H. Design, test and numerical simulation of a low-speed horizontal axis hydrokinetic turbine. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2018, vol. 10 (6), pp. 782–793. DOI: 10.1016/j.ijnaoe.2017.10.006.
6. Dementyev Yu., Kuzmin R., Serikov A., Suzdorf V., Negodin K., Vajda I. Gearless micro hydropower plant for small water-course. Acta Polytechnica Hungarica, 2017, vol. 14, no. 4, pp. 155–166. DOI: 10.12700/APH.14.4.2017.4.9.
7. Butko V.P., Kuzmin R.V. Creation and study of a simulation model of an arc-stator inductor generator for a flat micro hydroelectric power station. Pacific Rim countries transportation system, 2024, no. 4 (41), pp. 20–25. (In Russ.)
8. Lanin V.L., Ratnikau E., Hatskevich A.D. Improving the Efficiency of Induction Heating in the Air Gap of the Magnetic Circuit. Journal of Electronic Research and Application, 2020, vol. 4, no. 4. DOI: 10.26689/jera.v4i4.1052.
9. Afanasyev A.A. Three-dimensional analytical model of a magnetoelectric valve motor. Electrical Engineering, 2024, no. 3, pp. 28–33. (In Russ.) DOI: 10.53891/00135860-2024-3-28-33.
10. Özsoy M., Kaplan O., Akar M. FEM-based analysis of rotor cage material and slot geometry on double air gap axial flux induction motors. Ain Shams Engineering Journal, 2024, vol. 15, no. 2. DOI: 10.1016/j.asej.2023.102393.
11. Balagurov V.A. Design of special AC electric machines. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1982. 272 p. (In Russ.)
12. Weili L., Chunwei G., Ping Z. Calculation of a complex 3-D model of a turbogenerator with end region regarding electrical losses, cooling, and heating. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2011, vol. 26, no. 4, pp. 1073–1080.
13. SS 32144-2013. Electric energy. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Electric energy quality standards in general-purpose power supply systems. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 20 p. (In Russ.)
14. Butko V.P., Kuzmin R.V. Evaluation of the influence of the harmonic composition of the armature winding EMF curve on the energy performance of an arc-stator inductor generator. Journal of electrotechnics, 2025, no. 1 (46), pp. 74–80. (In Russ.)
15. Afanasyev A.A., Efimov V.V. Numerical and analytical model of an inductor electric generator with combined excitation. Bulletin of the Chuvash University, 2008, no. 2, pp. 74–84. (In Russ.)
16. Suzdorf V.I. Modeling of voltage sources for autonomous power supply systems. Education and science: current state and development prospects. Tambov, OOO "Consulting company Yukom" Publ., 2014. P. 3, pp. 128–130. (In Russ.)
17. Meshkov A.S., Gudim A.S., Tabarov B.D. Design of hybrid power supply systems for decentralized consumers. Pacific Rim countries transportation system, 2023, no. 4 (37), pp. 51–58. (In Russ.)
18. Makasheva S.I., Pinchukov P.S. Quality of electric energy: monitoring, forecast, control. Khabarovsk, DVGUPS Publ. House, 2020. 114 p. (In Russ.)
19. Chernov A.E., Akimov A.V. Quality and reliability of electrical complexes of autonomous objects. Izvestiya MGTU «MAMI», 2012, vol. 1, no. 1 (13), pp. 104–112. (In Russ.)
20. Khamitov R.N., Kuzmin R.V., Meshkov A.S., Pivovarov K.G. Microhydroelectric power station generator for low-potential watercourses. Omsk Scientific Bulletin, 2022, no. 2 (182), pp. 59–63. (In Russ.) DOI: 10.25206/1813-8225-2022-182-59-63.
