Permanent magnet synchronous generators dedicated to small hydropower stations

This paper deals with the new concept of the highly efficient hydroelectric generating sets dedicated to application in small hydropower stations. The main features of a new hydroelectric generating set solution are a variable speed operation of water turbine according to actual hydrological conditions in the hydropower station and no need for gearbox between turbine and generator. The operating conditions of generating sets which are currently used in small hydroelectric power plants are analyzed. The benefits resulting from the use of modern high efficiency generating sets with permanent magnet generators in small hydropower stations are discussed. The computational model for electromagnetic calculations and the results of these calculations carried out for a model of permanent magnet hydro generator with nominal power of 20 kW are shown. The distribution of equipotential lines of the magnetic field over the cross-section of generator is shown, as well as a spatial distribution of magnetic flux density in the air gap of generator. The characteristic curves of output voltage and phase current vs. output power are shown for a variety of values of load power factor.W artykule zaprezentowano koncepcję nowych wysokosprawnych zespołów prądotwórczych przeznaczonych do małych i mini hydroelektrowni. Istotnymi cechami nowego rozwiązania zespołu prądotwórczego są możliwość regulacji prędkości obrotowej turbiny wodnej stosownie do zmian warunków hydrologicznych w miejscu jej pracy oraz wyeliminowanie przekładni mechanicznej między turbiną a generatorem. Przeprowadzono analizę pracy hydrozespołów obecnie stosowanych w małych elektrowniach wodnych. Przedstawiono korzyści zastosowania wysokosprawnych zespołów prądotwórczych z generatorami wzbudzanymi magnesami trwałymi. Zaprezentowano model obliczeniowy do obliczeń elektromagnetycznych oraz wyniki tych obliczeń dla modelowego hydrogeneratora o mocy 20 kW. Pokazano m.in. rozkład linii ekwipotencjalnych pola magnetycznego na przekroju poprzecznym maszyny oraz obwodowy rozkład przestrzenny indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej maszyny. Przedstawiono charakterystyki napięcia międzyfazowego na zaciskach generatora i prądu fazowego w funkcji mocy obciążenia, przy różnych wartościach współczynnika mocy obciążenia cos ϕ